个电枢 ( 铁心 3a、 U 相～ W 相的绕组 3c ～ 3e、 铁心 33a、 U 相～ W 相的绕组 33c ～ 33e) 构 成且配置成与磁极列相对向， 在多个电枢伴随电力的供给而产生的规定的多个电枢磁极的 作用下， 在该电枢列与磁极列之间产生沿规定方向移动的移动磁场 ； 具有软磁性体列的第 三结构体 ( 第二转子 5、 第二旋转轴 7、 可动件 35)， 该软磁性体列由相互隔开间隔而沿规定 方向排列的规定的多个软磁性体 ( 铁心 5a、 铁心 35b) 构成且配置成位于磁极列与电枢列 之间， 其中， 沿规定方向的规定的区间中的电枢磁极数与磁极数与软磁性体数的比设定为 1 ∶ m ∶ (1+m)/2(m ≠ 1.0)。 根据该电动机， 第三结构体的软磁性体列配置成位于相互相对向的第一结构体的 磁极列与第二结构体的电枢列之间， 且分别构成所述磁极列、 电枢列及软磁性体列的多个 磁极、 电枢及软磁性体沿规定方向排列。而且， 伴随向电枢列的电力的供给， 会产生多个电 枢磁极， 而所述电枢磁极形成的移动磁场产生在该电枢列与磁极列之间， 并沿规定方向移 动。此外， 相邻的各两个磁极具有相互不同的极性， 相邻的各两个软磁性体间空出间隔。如 上所述， 由于在磁极列与电枢列之间产生由多个电枢磁极形成的移动磁场且配置有软磁性 体列， 因此软磁性体被电枢磁极和磁极磁化。由于这种情况和如上所述相邻的各两个软磁 性体间空出间隔的情况， 而产生将磁极、 软磁性体以及电枢磁极连结的磁力线。而且， 在该 磁力线产生的磁力的作用下， 向电枢供给的电力被变换成动力， 从第一结构体或第二结构 体、 第三结构体输出。 在这种情况下， 例如在下面的条件 (a) 及 (b) 下构成本发明的电动机时， 移动磁 场、 第一及第三结构体之间的速度的关系、 第一～第三结构体之间的转矩的关系如下所示。 而且， 与电动机相当的等价电路如图 19 所示。
(a) 电动机为旋转机械， 电枢具有 U 相、 V 相及 W 相这三相绕组
(b) 电枢磁极为两个， 磁极为四个， 即， 电枢磁极的以 N 极及 S 极为 1 组的极对数为 1， 磁极的以 N 极及 S 极为 1 组的极对数为 2， 软磁性体为 3 个
此外需要说明的是， 如上所述， 本说明书中使用的 “极对” 是指 N 极及 S 极这一组。
这种情况下， 软磁性体中的通过第一软磁性体的磁极的磁通 Ψk1 由下式 (1) 表 示。
[ 数学式 1]
Ψk1 ＝ ψf·cos[2(θ2-θ1)] …… (1)
在此， ψf 为磁极的磁通的最大值， θ1 及 θ2 为磁极相对于 U 相绕组的旋转角度 位置及软磁性体相对于 U 相绕组的旋转角度位置。而且， 这种情况下， 由于磁极的极对数相 对于电枢磁极的极对数的比为 2.0， 因此磁极的磁通相对于移动磁场以 2 倍的周期进行旋 转 ( 变化 )， 在上述的式 (1) 中， 为了表示这种情况， 而将 (θ2-θ1) 乘以 2.0。
因此， 经由第一软磁性体而通过 U 相绕组的磁极的磁通 Ψu1 由通过将式 (1) 乘以 cosθ2 得到的下式 (2) 表示。
[ 数学式 2]
Ψu1 ＝ ψf·cos[2(θ2-θ1)]cosθ2 …… (2)
同样地， 通过软磁性体中的第二软磁性体的磁极的磁通 Ψk2 由下式 (3) 表示。
[ 数学式 3]
由于第二软磁性体相对于电枢的旋转角度位置相对于第一软磁性体超前 2π/3， 因此在上述式 (3) 中， 为了表示这种情况， 将 θ2 加上 2π/3。
因此， 经由第二软磁性体而通过 U 相绕组的磁极的磁通 Ψu2 由通过将式 (3) 乘以 cos(θ2+2π/3) 得到的下式 (4) 表示。
[ 数学式 4]
同样地， 经由软磁性体中的第三软磁性体而通过 U 相绕组的磁极的磁通 Ψu3 由下 式 (5) 表示。
[ 数学式 5]
在图 19 所示的电动机中， 经由软磁性体而通过 U 相绕组的磁极的磁通 Ψu 是将由 上述的式 (2)、 (4) 及 (5) 表示的磁通 Ψu1 ～ Ψu3 加在一起的结果， 由下式 (6) 表示。
[ 数学式 6]
另外， 将该式 (6) 一般化时， 经由软磁性体而通过 U 相绕组的磁极的磁通 Ψu 由下 式 (7) 表示。
[ 数学式 7]
在此， a、 b 及 c 分别是磁极的极对数、 软磁性体数及电枢磁极的极对数。 另外， 将该式 (7) 基于三角函数的和与积的公式进行变形时， 得到下式 (8)。 [ 数学式 8]
在该式 (8) 中， b ＝ a+c， 并且基于 cos(θ+2π) ＝ cosθ 进行整理时， 得到下式(9)。
[ 数学式 9]
基于三角函数的加法定理对该式 (9) 进行整理时， 得到下式 (10)。 [ 数学式 10]
该式 (10) 的右边的第二项以 a-c ≠ 0 为条件， 基于级数的总和或欧拉公式进行整 理时， 如下式 (11) 所示成为 0。
[ 数学式 11]
另外， 上述的式 (10) 的右边的第三项也以 a-c ≠ 0 为条件， 基于级数的总和或欧 拉公式进行整理时， 如下式 (12) 所示成为 0。
[ 数学式 12]
以上， 在 a-c ≠ 0 时， 经由软磁性体而通过 U 相绕组的磁极的磁通 Ψu 由下式 (13) [ 数学式 13]表示。
另外， 在该式 (13) 中， a/c ＝ α 时， 得到下式 (14)。 [ 数学式 14]
此外， 在该式 (14) 中， c·θ2 ＝ θe2， 并且 c·θ1 ＝ θe1 时， 得到下式 (15)。 [ 数学式 15]在此， 从在软磁性体相对于 U 相绕组的旋转角度位置 θ2 上乘以电枢磁极的极对 数 c 可知， θe2 表示软磁性体相对于 U 相绕组的电气角度位置。而且， 从在磁极相对于 U 相 绕组的旋转角度位置 θ1 上乘以电枢磁极的极对数 c 可知， θe1 表示磁极相对于 U 相绕组 的电气角度位置。
同样地， 经由软磁性体而通过 V 相绕组的磁极的磁通 Ψv 由于 V 相绕组的电气角 度位置相对于 U 相绕组超前 2π/3 电气角， 因此由下式 (16) 表示。而且， 经由软磁性体而 通过 W 相绕组的磁极的磁通 Ψw 由于 W 相绕组的电气角度位置相对于 U 相绕组滞后 2π/3 电气角， 因此由下式 (17) 表示。
[ 数学式 16]
[ 数学式 17]
另外， 对由上述的式 (15) ～ (17) 分别表示的磁通 Ψu ～ Ψw 进行时间微分时， 分别得到下式 (18) ～ (20)。
[ 数学式 18]
[ 数学式 19]
[ 数学式 20]在此， ωe1 是 θe1 的时间微分值， 即， 是将第一结构体相对于第二结构体的角速 度换算成电气角速度的值， ωe2 是 θe2 的时间微分值， 即， 是将第三结构体相对于第二结 构体的角速度换算成电气角速度的值。
再者， 不经由软磁性体而直接通过 U 相～ W 相的绕组的磁通极小， 可以忽视其影 响。 因此， 经由软磁性体而分别通过 U 相～ W 相的绕组的磁极的磁通 Ψu ～ Ψw( 式 (18) ～ (20)) 的时间微分值 dΨu/dt ～ dΨw/dt 分别表示伴随磁极或软磁性体相对于电枢列的旋 转 ( 移动 ) 而 U 相～ W 相的绕组产生的反电动势 ( 感应电动势 )。
由此， 分别在 U 相、 V 相及 W 相的绕组中流动的电流 Iu、 Iv 及 Iw 由下式 (21)、 (22) 及 (23) 表示。
[ 数学式 21]
Iu ＝ I·sin[(α+1)θe2-α·θe1] …… (21)
[ 数学式 22]
[ 数学式 23]在此， I 是在 U 相～ W 相的绕组中流动的电流的振幅 ( 最大值 )。
另外， 根据所述式 (21) ～ (23)， 移动磁场 ( 旋转磁场 ) 相对于 U 相绕组的矢量的 电气角度位置 θmf 由下式 (24) 表示， 并且移动磁场相对于 U 相绕组的电气角速度 ωmf 由 下式 (25) 表示。
[ 数学式 24]
θmf ＝ (α+1)θe2-α·θe1 …… (24)
[ 数学式 25]
ωmf ＝ (α+1)ωe2-α·ωe1 …… (25)
另外， 电枢列与第二结构体一起构成为不能移动时， 由于电流 Iu ～ Iw 分别向 U 相～ W 相的绕组流动， 而向第一及第三结构体输出的机械输出 ( 动力 )W 除磁阻量之外， 由 下式 (26) 表示。
[ 数学式 26]
将式 (18) ～ (23) 代入该式 (26)， 进行整理， 得到下式 (27)。 [ 数学式 27]再者， 该机械输出 W、 经由磁极而传递给第一结构体的转矩 ( 以下称为 “第一转 矩” )T1、 经由软磁性体而传递给第三结构体的转矩 ( 以下称为 “第二转矩” )T2、 第一结构体 的电气角速度 ωe1 及第三结构体的电气角速度 ωe2 的关系由下式 (28) 表示。
[ 数学式 28]
W ＝ T1·ωe1+T2·ωe2 …… (28)
从所述式 (27) 及 (28) 可知， 第一及第二转矩 T1、 T2 分别由下式 (29) 及 (30) 表 示。
[ 数学式 29]
[ 数学式 30]另外， 将与向电枢列供给的电力及移动磁场的电气角速度 ωmf 等价的转矩作为 驱动用等价转矩 Te 时， 根据向电枢列供给的电力与机械输出 W 相互相等 ( 其中， 忽视损失 ) 的情况和式 (28)， 该驱动用等价转矩 Te 由下式 (31) 表示。
[ 数学式 31]
再者， 根据所述式 (29) ～ (31)， 得到下式 (32)。 [ 数学式 32]由该式 (32) 表示的转矩的关系及由所述式 (25) 表示的电气角速度的关系与行星 齿轮装置的恒星齿轮、 冕状齿轮及载体的旋转速度及转矩的关系完全相同。而且， 此种电 气角速度的关系及转矩的关系并不局限于上述第二结构体无法移动的情况， 而在所有的第 一～第三结构体的可否移动的条件下成立。例如， 在不构成为使第二结构体无法移动而以 对第二结构体输入动力的状态供给电力的情况下也成立， 在第二结构体的基础上， 在第一 或第三结构体构成为无法移动的情况下、 或在以对第一或第三结构体输入动力的状态向电 枢列供给电力的情况下也成立。而且， 在使第二结构体构成为能够移动并且第一及 / 或第 三结构体构成为无法移动的情况下、 或在以向第一及 / 或第三结构体输入动力的状态供给 电力的情况下也成立。
再者， 如上所述， 以 b ＝ a+c 及 a-c ≠ 0 为条件， 式 (25) 的电气角速度的关系及 式 (32) 的转矩的关系成立。该条件 b ＝ a+c 在磁极数为 p 且电枢磁极数为 q 时， 由b＝ (p+q)/2， 即， b/q ＝ (1+p/q)/2 表示。在此， 从 p/q ＝ m 时能得到 b/q ＝ (1+m)/2 的情况 可知， 上述的 b ＝ a+c 的条件成立的情况表示电枢磁极数与磁极数与软磁性体数的比为 1 ∶ m ∶ (1+m)/2。而且， 上述的 a-c ≠ 0 的条件成立的情况表示 m ≠ 1.0。根据本发明的 电动机， 在规定方向上的规定的区间中， 由于电枢磁极数与磁极数与软磁性体数的比设定 为 1 ∶ m ∶ (1+m)/2(m ≠ 1.0)， 因此式 (25) 所示的电气角速度的关系及式 (32) 所示的转 矩的关系成立， 电动机恰当地工作。
另外， 与所述以往的情况不同地， 由于仅通过单一的软磁性体列就能够使电动机 工作， 因此能够实现电动机的小型化及制造成本的削减。此外， 从式 (25) 及 (32) 可知， α ＝ a/c， 即， 通过设定磁极的极对数相对于电枢磁极的极对数的比， 而能够自由地设定移动 磁场、 第二及第三结构体之间的电气角速度的关系、 以及第一～第三结构体之间的转矩的 关系， 因此， 能够提高电动机的设计的自由度。在多个电枢的绕组的相数为所述的值 3 以外 的情况下能同样地得到该效果， 而且， 在电动机不是旋转机械而是线性电动机的情况下也 能同样地得到该效果。此外， 在线性电动机的情况下， 能够自由设定的不是 “转矩” 而是 “推 力” 的关系的情况不言自明。
本发明的第二方面在第一方面所记载的电动机 1、 31 的基础上， 其特征在于， 还具 备： 对第一～第三结构体的相对的位置关系进行检测的相对位置关系检测机构 ( 第一旋转 位置传感器 21、 第二旋转位置传感器 22、 电气角变換器 16b、 位置传感器 41) ； 基于检测出的 第一～第三结构体的相对的位置关系， 控制移动磁场的控制机构 (ECU16)。
根据该结构， 通过相对位置关系检测机构检测第一～第三结构体这三者的相对的 位置关系， 并且基于检测出的第一～第三结构体这三者的相对的位置关系， 通过控制机构 控制移动磁场。 由此， 能够使磁力线适当地产生在磁极与软磁性体与电枢磁极之间， 并使该 磁力线产生的磁力适当地发挥作用， 因此能够确保电动机的恰当的动作。
本发明的第三方面在第二方面所记载的电动机 1、 31 的基础上， 其特征在于， 相对 位置关系检测机构 ( 第一旋转位置传感器 21、 第二旋转位置传感器 22、 电气角变換器 16b) 分别检测第一结构体及第三结构体相对于第二结构体的电气角度位置作为第一～第三结
构体的相对的位置关系， 控制机构基于将检测出的第三结构体的电气角度位置 ( 第二转子 电气角 θER2) 乘以 (1+m) 的值与将检测出的第一结构体的电气角度位置 ( 第一转子电气 角 θER1) 乘以 m 的值之差， 来控制移动磁场。
根据该结构， 基于将第三结构体相对于第二结构体的电气角度位置乘以 (1+m) 的 值与将第一结构体相对于第二结构体的电气角度位置乘以 m 的值之差， 来控制移动磁场。 从本发明的第一方面可知， 该 m 表示磁极数相对于电枢磁极数的比。而且， 如在本发明的第 一方面的作用中已述那样， 在电动机工作中， 移动磁场的电气角度位置与第二及第三结构 体的电气角度位置的关系由式 (24) 表示。该式 (24) 中的 α 表示磁极的极对数相对于电 枢磁极的极对数的比 (a/c)， 即， 磁极数相对于电枢磁极数的比， 与 m 相等。因此， 根据上述 结构， 能够确保电动机的更恰当的动作。
本发明的第四方面以第一方面至第三方面中任一方面所记载的电动机 1、 31 为基 础， 其特征在于， 磁极是永久磁铁 4a、 34a 的磁极。
根据该结构， 由于使用永久磁铁的磁极作为磁极， 因此与使用电磁铁的磁极的情 况不同， 不需要用于向电磁铁供给电力的电气回路或绕组。 由此， 能够使电动机进一步小型 化， 并且能够使结构简单化。 而且， 例如， 将具有磁极的第一结构体构成为能够旋转时， 不需 要在使用电磁铁的磁极作为磁极时的电力供给用的集电环， 因此， 能够使电动机小型化， 并 且能够提高效率。 本发明的第五方面以第一方面所记载的电动机 1 为基础， 其特征在于， 电动机为 旋转机械。
根据该结构， 在旋转机械中能够得到本发明的第一方面所述的效果。
本发明的第六方面以第一方面所记载的电动机 31 为基础， 其特征在于， 电动机为 线性电动机。
根据该结构， 在线性电动机中能够得到本发明的第一方面所述的效果。
附图说明 图 1 是简要示出本发明的第一实施方式的电动机的剖视图。
图 2 是示出图 1 的电动机或 ECU 的框图。
图 3 是沿周向展开并简要示出图 1 的电动机的定子、 第一及第二转子的图。
图 4 是示出图 1 的电动机中的磁场电气角速度、 第一及第二转子电气角速度的关 系的一例的共线图。
图 5 是用于说明在将图 1 的电动机的第一转子固定后的状态下向定子供给电力时 的动作的图。
图 6 是用于说明图 5 的持续动作的图。
图 7 是用于说明图 6 的持续动作的图。
图 8 是用于说明从图 5 所示的状态开始， 电枢磁极旋转 2π 电气角时的电枢磁极 或铁心的位置关系的图。
图 9 是用于说明在将图 1 的电动机的第二转子固定后的状态下向定子供给电力时 的动作的图。
图 10 是用于说明图 9 的持续动作的图。
图 11 是用于说明图 10 的持续动作的图。
图 12 是示出将本发明的电动机的第一转子固定后的 U 相～ W 相的反电动势的推 移的一例的图。
图 13 是示出将本发明的电动机的第一转子固定后的驱动用等价转矩、 第一及第 二转子传递转矩的推移的一例的图。
图 14 是示出将本发明的电动机的第二转子固定后的 U 相～ W 相的反电动势的推 移的一例的图。
图 15 是示出将本发明的电动机的第二转子固定后的驱动用等价转矩、 第一及第 二转子传递转矩的推移的一例的图。
图 16 是简要示出本发明的第二实施方式的电动机等的主视图。
图 17 是简要示出图 16 的电动机的一部分的俯视图。
图 18 是用于说明图 16 的电动机中的电枢磁极、 铁心及磁铁磁极的数目的关系的 图。
图 19 是示出本发明的电动机的等价电路的图。 具体实施方式 以下， 参照附图， 说明本发明的优选实施方式。图 1 示出本发明的第一实施方式的 电动机 1。该电动机 1 构成为旋转机械， 其动作由图 2 所示的 ECU16 控制。如图 1 所示， 电 动机 1 具备 ： 不动的箱体 2、 设置在箱体 2 内的定子 3、 在箱体 2 内与定子 3 相对向设置的第 一转子 4、 设置在两者 3、 4 之间的第二转子 5、 第一旋转轴 6 及第二旋转轴 7。此外， 在图 1 中， 为了便于图示， 用轮廓图描绘第一旋转轴 6 等一部分要素。而且， 在图 1 及后述的其它 附图中， 省略了表示截面的部分的剖面线。
箱体 2 具有圆筒状的周壁 2a、 一体设置在该周壁 2a 两端部的圆板状的一对侧壁 2b、 2c。在所述侧壁 2b、 2c 的中央分别形成有安装孔 2d、 2e， 所述安装孔 2d、 2e 中分别安装 有轴承 8 及 9。
上述的第一及第二旋转轴 6、 7 分别由轴承 8、 9 支承为旋转自如， 且相互配置成同 心状。而且， 第一及第二旋转轴 6、 7 都是一部分收容在箱体 2 内而其余部分向箱体 2 的外 方突出。此外， 上述的定子 3、 第二转子 5 及第一转子 4 沿第一旋转轴 6 的径向 ( 以下， 简称 为 “径向” ) 从外侧以该顺序排列， 并配置成同心状。
定子 3 是产生旋转磁场的部件， 如图 3 所示， 具有铁心 3a、 设置在该铁心 3a 上的 U 相、 V 相及 W 相的绕组 3c、 3d、 3e。此外， 在图 1 中， 为了简便， 仅示出 U 相绕组 3c。铁心 3a 是层叠了多个钢板的圆筒状的部件， 沿第一旋转轴 6 的轴线方向 ( 以下， 简称 “轴线方向” ) 延伸， 并安装在箱体 2 的周壁 2a 的内周面上。而且， 铁心 3a 的内周面上形成有 12 个槽 3b， 所述槽 3b 沿轴线方向延伸， 并且沿第一旋转轴 6 的周向 ( 以下， 简称 “周向” ) 等间隔排列。 上述的 U 相～ W 相的绕组 3c ～ 3e 以分布绕组 ( 波形绕组 ) 卷绕于槽 3b， 并且与可变电源 15 连接 ( 参照图 2)。该可变电源 15 是将由逆变器等构成的电气回路与蓄电池组合而成的 部件， 与 ECU16 连接。
在上述结构的定子 3 中， 从可变电源 15 供给电力时， 在铁心 3a 的第一转子 4 侧 的端部沿周向等间隔地产生四个磁极 ( 参照图 5)， 并且所述磁极产生的旋转磁场沿周向旋
转。以下， 将铁心 3a 产生的磁极称为 “电枢磁极” 。而且， 沿周向相邻的各两个电枢磁极的 极性相互不同。此外， 在图 5 或后述的其它附图中， 在铁心 3a 或 U 相～ W 相的绕组 3c ～ 3e 的上面， 利用 (N) 及 (S) 来标记电枢磁极。
如图 3 所示， 第一转子 4 具有由 8 个永久磁铁 4a 构成的磁极列。所述永久磁铁 4a 沿周向等间隔排列， 该磁极列与定子 3 的铁心 3a 相对向。各永久磁铁 4a 沿轴线方向延伸， 其轴线方向的长度设定为与定子 3 的铁心 3a 的轴线方向的长度相同。
另外， 永久磁铁 4a 安装在环状的固定部 4b 的外周面。该固定部 4b 由软磁性体， 例如铁或层叠了多个钢板的部件构成， 其内周面安装在圆板状的凸缘 4c 的外周面， 该凸缘 4c 一体呈同心状地设置于第一旋转轴 6。由此， 包含永久磁铁 4a 的第一转子 4 成为与第一 旋转轴 6 一体旋转自如。此外， 如上所述， 由于永久磁铁 4a 安装在由软磁性体构成的固定 部 4b 的外周面， 因此各永久磁铁 4a 上的定子 3 侧的端部出现 (N) 或 (S) 的一个磁极。此 外， 在图 3 或后述的其它附图中， 利用 (N) 及 (S) 来标记永久磁铁 4a 的磁极。而且， 沿周向 相邻的各两个永久磁铁 4a 的极性相互不同。
第二转子 5 具有由六个铁心 5a 构成的软磁性体列。所述铁心 5a 沿周向等间隔排 列， 该软磁性体列在定子 3 的铁心 3a 与第一转子 4 的磁极列之间分别隔开规定的间隔配 置。各铁心 5a 是软磁性体， 例如是层叠了多个钢板的部件， 并沿轴线方向延伸。而且， 与永 久磁铁 4a 同样地， 铁心 5a 的轴线方向的长度设定为与定子 3 的铁心 3a 的轴线方向的长度 相同。此外， 铁心 5a 通过沿轴线方向稍延伸的筒状的连结部 5c 安装在圆板状的凸缘 5b 的 外端部。该凸缘 5b 与第二旋转轴 7 一体设置成同心状。由此， 包含铁心 5a 的第二转子 5 与第二旋转轴 7 一体地旋转自如。此外， 在图 3 中， 为了简便， 省略了连结部 5c 及凸缘 5b。
另外， 如图 2 所示， 电动机 1 上设有电磁感应式的第一旋转位置传感器 21 及第二 旋转位置传感器 22。该第一旋转位置传感器 21 将表示第一转子 4 的特定的永久磁铁 4a 相 对于定子 3 的特定的 U 相绕组 3c( 以下称为 “基准绕组” ) 的旋转角度位置 ( 以下称为 “第 一转子旋转角 θR1” ) 的检测信号向 ECU16 输出。上述的第二旋转位置传感器 22 将表示 第二转子 5 的特定的铁心 5a 相对于基准绕组的旋转角度位置 ( 以下称为 “第二转子旋转角 θR2” ) 的检测信号向 ECU16 输出。
再者， 电动机 1 上设有第一电流传感器 23 及第二电流传感器 24。 所述第一及第二 电流传感器 23、 24 分别将表示分别在 U 相及 V 相的绕组 3c、 3d 中流动的电流 ( 以下， 分别 称为 “U 相电流 Iu” 、 “V 相电流 Iv” ) 的检测信号向 ECU16 输出。
ECU16 由包括 I/O 接口、 CPU、 RAM 及 ROM 等在内的微型计算机构成， 根据来自上述 的各种传感器 21 ～ 24 的检测信号， 控制电动机 1 的动作。
此外， 在本实施方式中， 永久磁铁 4a 相当于本发明中的磁极， 并且第一转子 4 及第 一旋转轴 6 相当于本发明中的第一结构体。而且， 铁心 3a 及 U 相～ W 相的绕组 3c ～ 3e 相 当于本发明中的电枢， 并且定子 3 相当于本发明中的第二结构体。再者， 铁心 5a 相当于本 发明中的软磁性体， 并且第二转子 5 及第二旋转轴 7 相当于本发明中的第三结构体。此外， ECU16 相当于本发明中的控制机构， 并且第一及第二旋转位置传感器 21、 22 相当于本发明 中的相对位置关系检测机构。
如上所述， 在电动机 1 中， 电枢磁极为 4 个， 永久磁铁 4a 的磁极 ( 以下称为 “磁铁 磁极” ) 为 8 个， 铁心 5a 为 6 个。即， 电枢磁极数与磁铁磁极数与铁心 5a 数的比 ( 以下称为 “极数比” ) 设定为 1 ∶ 2.0 ∶ (1+2.0)/2。从这种情况和上述的式 (18) ～ (20) 可知， 伴 随第一转子 4 或第二转子 5 相对于定子 3 的旋转而 U 相～ W 相的绕组 3c ～ 3e 分别产生的 反电动势 ( 以下， 分别称为 “U 相反电动势 Vcu” 、 “V 相反电动势 Vcv” 、 “W 相反电动势 Vcw” ) 由下式 (33)、 (34) 及 (35) 表示。
[ 数学式 33]
Vcu ＝ -3·ψF[(3·ωER2-2·ωER1)sin(3·θER2-2·θER1)] …… (33)
[ 数学式 34]
[ 数学式 35]在此， I 是在 U 相～ W 相的绕组 3c ～ 3e 中流动的电流的振幅 ( 最大值 )， ψF 是 磁铁磁极的磁通的最大值。θER1 是所谓机械角， 即， 是将第一转子旋转角 θR1 换算成电 气角度位置的值 ( 以下称为 “第一转子电气角” )， 具体来说， 是将第一转子旋转角 θR1 乘 以电枢磁极的极对数， 即乘以 2 的值。θER2 是机械角， 即， 是将第二转子旋转角 θR2 换算 成电气角度位置的值 ( 以下称为 “第二转子电气角” )， 具体来说， 是将第二转子旋转角 θR2 乘以电枢磁极的极对数 ( 值 2) 的值。而且， ωER1 是 θER1 的时间微分值， 即， 是将第一转 子 4 相对于定子 3 的角速度换算成电气角速度的值 ( 以下称为 “第一转子电气角速度” )。 此外， ωER2 是第二转子电气角速度， 是 θER2 的时间微分值， 即， 是将第二转子 5 相对于定 子 3 的角速度换算成电气角速度的值 ( 以下称为 “第二转子电气角速度” )。
另外， 从所述极数比和所述式 (21) ～ (23) 可知， 在 U 相电流 Iu、 V 相电流 Iv、 及W 相的绕组 3e 中流动的电流 ( 以下称为 “W 相电流 Iw” ) 分别由下式 (36)、 (37) 及 (38) 表 示。
[ 数学式 36]
Iu ＝ I·sin(3·θER2-2·θER1) …… (36)
[ 数学式 37]
[ 数学式 38]
再者， 从极数比和所述式 (24) 及 (25) 可知， 定子 3 相对于基准绕组的旋转磁场的矢量的电气角度位置 ( 以下称为 “磁场电气角度位置 θMFR” ) 由下式 (39) 表示， 旋转磁场 相对于定子 3 的电气角速度 ( 以下称为 “磁场电气角速度 ωMFR” ) 由下式 (40) 表示。
[ 数学式 39]
θMFR ＝ 3·θER2-2·θER1 …… (39)
[ 数学式 40]
ωMFR ＝ 3·ωER2-2·ωER1 …… (40)
因此， 通过所谓共线图表示磁场电气角速度 ωMFR 与第一转子电气角速度 ωER1 与第二转子电气角速度 ωER2 的关系时， 例如图 4 所示。
另外， 将与向定子 3 供给的电力及磁场电气角速度 ωMFR 等价的转矩形成为驱动 用等价转矩 TSE 时， 该驱动用等价转矩 TSE 与向第一转子 4 传递的转矩 ( 以下称为 “第一转 子传递转矩” )TR1 与向第二转子 5 传递的转矩 ( 以下称为 “第二转子传递转矩” )TR2 的关 系从极数比和所述式 (32) 可知， 由下式 (41) 表示。
[ 数学式 41]
由上述的式 (40) 表示的电气角速度的关系及由上述的式 (41) 表示的转矩的关系 与恒星齿轮及冕状齿轮的齿轮比为 1 ∶ 2 的行星齿轮装置的恒星齿轮、 冕状齿轮及载体的 旋转速度及转矩的关系完全相同。
ECU16 基于上述式 (39)， 控制向 U 相～ W 相的绕组 3c ～ 3e 的通电， 由此， 控制旋 转磁场。具体来说， 如图 2 所示， ECU16 具有目标电流算出部 16a、 电气角变換器 16b、 电流 坐标变換器 16c、 偏差算出部 16d、 电流控制器 16e 及电压坐标变換器 16f， 通过所谓矢量控 制而控制 U 相～ W 相的电流 Iu、 Iv、 Iw， 从而控制旋转磁场。此外， 在本实施方式中， 电气角 变換器 16b 相当于相对位置关系检测机构。
上述的目标电流算出部 16a 算出后述的 d 轴电流 Id 及 q 轴电流 Iq 的目标值 ( 以 下， 分别称为 “目标 d 轴电流 Id_tar” 、 “目标 q 轴电流 Iq_tar” )， 并将算出的目标 d 轴电流 Id_tar 及目标 q 轴电流 Iq_tar 向偏差算出部 16d 输出。此外， 所述目标 d 轴电流 Id_tar 及目标 q 轴电流 Iq_tar 例如根据电动机 1 的负载等算出。
由第一及第二旋转位置传感器 21、 22 分别检测出的第一及第二转子旋转角 θR1、 θR2 输入到电气角变換器 16b。电气角变換器 16b 通过将输入的第一及第二转子旋转角 θR1、 θR2 乘以电枢磁极的极对数 ( 值 2)， 而算出所述的第一及第二转子电气角 θER1、 θER2。而且， 将算出的第一及第二转子电气角 θER1、 θER2 向电流坐标变換器 16c 及电压 坐标变換器 16f 输出。
除第一及第二转子电气角 θER1、 θER2 之外， 由第一及第二电流传感器 23、 24 分 别检测出的 U 相及 V 相的电流 Iu、 Iv 也输入到电流坐标变換器 16c。 电流坐标变換器 16c 基 于输入的 U 相及 V 相的电流 Iu、 Iv 和第一及第二转子电气角 θe1、 θe2， 将各时的三相交流 坐标上的 U 相～ W 相的电流 Iu ～ Iw 变换成 dq 坐标上的 d 轴电流 Id 及 q 轴电流 Iq。该 dq 坐标以 (3· θER2-2· θER1) 为 d 轴并以与该 d 轴正交的轴为 q 轴， 以 (3· ωER2-2· ωER1) 进行旋转。具体来说， d 轴电流 Id 及 q 轴电流 Iq 由下式 (42) 算出。
[ 数学式 42]
另外， 电流坐标变換器 16c 将算出的 d 轴电流 Id 及 q 轴电流 Iq 向偏差算出部 16d输出。 偏差算出部 16d 算出输入的目标 d 轴电流 Id_tar 与 d 轴电流 Id 的偏差 ( 以下称 为 “d 轴电流偏差 dId” )， 并且算出输入的目标 q 轴电流 Iq_tar 与 q 轴电流 Iq 的偏差 ( 以 下称为 “q 轴电流偏差 dIq” )。而且， 将算出的 d 轴电流偏差 dId 及 q 轴电流偏差 dIq 向电 流控制器 16e 输出。
电流控制器 16e 基于输入的 d 轴电流偏差 dId 及 q 轴电流偏差 dIq， 通过规定的反 馈控制算法、 例如 PI 控制算法， 算出 d 轴电压 Vd 及 q 轴电压 Vq。由此， 以使 d 轴电流 Id 成 为目标 d 轴电流 Id_tar 的方式算出 d 轴电压 Vd， 以使 q 轴电流 Iq 成为目标 q 轴电流 Iq_ tar 的方式算出 q 轴电压 Vq。而且， 将算出的 d 轴及 q 轴的电压 Vd、 Vq 向电压坐标变換器 16f 输出。
电压坐标变換器 16f 基于输入的第一及第二转子电气角 θER1、 θER2， 将输入的 d 轴电压 Vd 及 q 轴电压 Vq 变换成三相交流坐标上的 U 相～ W 相的电压 Vu、 Vv、 Vw 的指令 值 ( 以下， 分别称为 “U 相电压指令值 Vu_cmd” “V 相电压指令值 Vv_cmd” 、 “W 相电压指令值 、 Vw_cmd” )。具体来说， U 相～ W 相的电压指令值 Vu_cmd ～ Vw_cmd 通过下式 (43) 算出。
[ 数学式 43]
另外， 电压坐标变換器 16f 将算出的 U 相～ W 相的电压指令值 Vu_cmd ～ Vw_cmd 向上述的可变电源 15 输出。
伴随于此， 可变电源 15 以使 U 相～ W 相的电压 Vu ～ Vw 分别成为 U 相～ W 相的电 压指令值 Vu_cmd ～ Vw_cmd 的方式对电动机 1 施加。 由此， 控制 U 相～ W 相的电流 Iu ～ Iw， 这种情况下， 所述电流 Iu ～ Iw 分别由所述式 (36) ～ (38) 表示。而且， 电流的振幅 I 基于 目标 d 轴电流 Id_tar 及目标 q 轴电流 Iq_tar 决定。
在以上的 ECU16 所进行的控制下， 磁场电气角度位置 θMFR 被控制为使所述式
(39) 成立， 磁场电气角速度 ωMFR 被控制为使所述式 (40) 成立。
以上的结构的电动机 1 例如如下所述使用。即， 固定第一及第二转子 4、 5 的一方， 或者， 在向所述一方输入动力的状态下， 将向定子 3 供给的电力变换为动力， 从所述另一方 输出。而且， 从第一及第二转子 4、 5 这双方同时输出动力时， 满足式 (41) 的负载转矩同时 作用于第一及第二转子 4、 5， 例如作为双重反转螺旋桨的动力源使用。
接下来， 具体地说明如何将向定子 3 供给的电力变换为动力而从第一转子 4 或第 二转子 5 输出。首先， 参照图 5 ～图 7， 说明在将第一转子 4 固定后的状态下向定子 3 供给 电力的情况。此外， 在图 5 ～图 7 中， 为了简便， 而省略了多个构成要素的符号。后述的其 它附图也相同。而且， 为了容易理解， 对与图 5 ～图 7 所示的同一个电枢磁极及铁心 5a 添 加剖面线。
首先， 如图 5(a) 所示， 某一个铁心 5a 的中心与某一个永久磁铁 4a 的中心在周向 上相互一致， 并且距该铁心 5a 第三个的铁心 5a 的中心与距该永久磁铁 4a 第四个的永久磁 铁 4a 的中心在周向上相互一致， 从该状态开始， 产生沿该图的左方旋转的旋转磁场。在该 旋转磁场开始产生时， 使相互具有相同极性的每隔一个的电枢磁极的位置与各永久磁铁 4a 的中心在周向上一致， 并且使该电枢磁极的极性与该永久磁铁 4a 的磁铁磁极的极性不同， 所述各永久磁铁 4a 的中心与铁心 5a 一致。
如上所述由于定子 3 产生的旋转磁场产生在其与第一转子 4 之间， 且具有铁心 5a 的第二转子 5 配置在定子 3 与第一转子 4 之间， 因此通过电枢磁极及磁铁磁极来磁化各铁 心 5a。 由于这种情况和相邻的各铁心 5a 之间隔开间隔的情况， 从而产生将电枢磁极与铁心 5a 与磁铁磁极连结的磁力线 ML。此外， 在图 5 ～图 7 中， 为了简便， 省略了铁心 3a 或固定 部 4b 中的磁力线 ML。这种情况在后述的其它附图中也相同。
在图 5(a) 所示的状态下， 磁力线 ML 以将周向的位置相互一致的电枢磁极、 铁心 5a 及磁铁磁极连结并将在所述电枢磁极、 铁心 5a 及磁铁磁极的各自的周向的各两侧相邻的 电枢磁极、 铁心 5a 及磁铁磁极连结的方式产生。而且， 在该状态下， 通过使磁力线 ML 为直 线状， 而使沿周向旋转的磁力不会作用于铁心 5a。
并且， 伴随旋转磁场的旋转而电枢磁极从图 5(a) 所示的位置旋转到图 5(b) 所示 的位置时， 磁力线 ML 成为弯曲的状态， 伴随于此， 磁力以使磁力线 ML 成为直线状的方式作 用于铁心 5a。 这种情况下， 相对于将通过磁力线 ML 相互连结的电枢磁极及磁铁磁极连结的 直线， 磁力线 ML 在该铁心 5a 中成为沿与旋转磁场的旋转方向 ( 以下称为 “磁场旋转方向” ) 反方向呈凸状弯曲的状态， 因此上述的磁力以沿磁场旋转方向驱动铁心 5a 的方式起作用。 在此种磁力线 ML 产生的磁力的作用下， 铁心 5a 被沿磁场旋转方向驱动， 旋转到图 5(c) 所 示的位置， 从而设有铁心 5a 的第二转子 5 及第二旋转轴 7 也沿磁场旋转方向旋转。此外， 图 5(b) 及 (c) 中的虚线表示磁力线 ML 的磁通量极小， 电枢磁极与铁心 5a 与磁铁磁极之间 的磁性的连接弱。这在后述的其它附图中也相同。
另外， 伴随旋转磁场的进一步旋转， 上述的一连串动作， 即， “磁力线 ML 在铁心 5a 中沿与磁场旋转方向反方向呈凸状弯曲→磁力以使磁力线 ML 成为直线状的方式作用于铁 心 5a →铁心 5a 或第二转子 5、 第二旋转轴 7 沿磁场旋转方向进行旋转” 的动作如图 6(a) ～ 图 6(d)、 图 7(a) 及 (b) 所示， 反复进行。在以上的磁力线 ML 产生的磁力的作用下， 向定子 3 供给的电力被变换成动力， 从第二旋转轴 7 输出。另外， 图 8 示出使电枢磁极从图 5(a) 的状态旋转 2π 电气角的状态， 从图 8 与图 5(a) 的比较可知， 铁心 5a 相对于电枢磁极沿同方向旋转 1/3 的旋转角度。其结果是， 在所 述式 (40) 中， 与通过使 ωER1 ＝ 0 而得到 ωER2 ＝ ωMFR/3 的情况一致。
接下来， 参照图 9 ～图 11， 说明在将第二转子 5 固定后的状态下向定子 3 供给电力 时的动作。此外， 在图 9 ～图 11 中， 为了容易理解， 对同一个电枢磁极及永久磁铁 4a 添加 剖面线。首先， 如图 9(a) 所示， 与所述的图 5(a) 的情况相同地， 某一个铁心 5a 的中心与某 一个永久磁铁 4a 的中心在周向上相互一致， 并且距该铁心 5a 第三个的铁心 5a 的中心与距 该永久磁铁 4a 第四个的永久磁铁 4a 的中心在周向上相互一致， 从该状态开始， 产生沿该图 的左方旋转的旋转磁场。在该旋转磁场开始产生时， 使相互具有相同极性的每隔一个的电 枢磁极的位置与各永久磁铁 4a 的中心在周向上一致， 并使该电枢磁极的极性与该永久磁 铁 4a 的磁极的极性不同， 所述各永久磁铁 4a 的中心与铁心 5a 一致。
在图 9(a) 所示的状态下， 与图 5(a) 的情况相同地， 磁力线 ML 以将周向的位置相 互一致的电枢磁极、 铁心 5a 及磁铁磁极连结并将在所述电枢磁极、 铁心 5a 及磁铁磁极的各 自的周向的各两侧相邻的电枢磁极、 铁心 5a 及磁铁磁极连结的方式产生。而且， 在该状态 下， 通过使磁力线 ML 为直线状， 而使沿周向旋转的磁力不会作用于永久磁铁 4a。
并且， 伴随旋转磁场的旋转而电枢磁极从图 9(a) 所示的位置旋转到图 9(b) 所示 的位置时， 磁力线 ML 成为弯曲的状态， 伴随于此， 磁力以使磁力线 ML 成为直线状的方式作 用于永久磁铁 4a。 这种情况下， 由于该永久磁铁 4a 处于比通过磁力线 ML 相互连结的电枢磁 极及铁心 5a 的延长线沿磁场旋转方向超前的位置， 因此上述的磁力作用为使永久磁铁 4a 位于该延长线上， 即， 沿与磁场旋转方向反方向驱动永久磁铁 4a。在此种磁力线 ML 产生的 磁力的作用下， 永久磁铁 4a 被沿与磁场旋转方向反方向驱动， 旋转到图 9(c) 所示的位置， 从而设有永久磁铁 4a 的第一转子 4 及第一旋转轴 6 也沿与磁场旋转方向反方向旋转。
另外， 伴随旋转磁场的进一步旋转， 上述的一连串动作， 即， “磁力线 ML 弯曲， 永久 磁铁 4a 位于比通过磁力线 ML 相互连结的电枢磁极及铁心 5a 的延长线沿磁场旋转方向超 前的位置→磁力以使磁力线 ML 成为直线状的方式作用于永久磁铁 4a →永久磁铁 4a 或第 一转子 4、 第一旋转轴 6 沿与磁场旋转方向反方向旋转” 的动作如图 10(a) ～图 10(d)、 图 11(a) 及 (b) 所示， 反复进行。在以上的磁力线 ML 产生的磁力的作用下， 向定子 3 供给的电 力被变换成动力， 从第一旋转轴 6 输出。
另外， 图 11(b) 示出电枢磁极从图 9(a) 的状态旋转 2π 电气角的状态， 从图 11(b) 与图 9(a) 的比较可知， 永久磁铁 4a 相对于电枢磁极沿反方向旋转 1/2 的旋转角度。其结 果是， 在所述式 (40) 中， 与通过使 ωER2 ＝ 0 而得到 -ωER1 ＝ ωMFR/2 的情况一致。
另外， 图 12 及图 13 示出将电枢磁极、 铁心 5a 及永久磁铁 4a 的数目分别设定为 16、 18 及 20， 固定第一转子 4， 并且通过向定子 3 供给电力而从第二转子 5 输出动力时的模 拟结果。图 12 示出第二转子电气角 θER2 在 0 ～ 2π 变化期间的 U 相～ W 相的反电动势 Vcu ～ Vcw 的推移的一例。
这种情况下， 固定第一转子 4 且电枢磁极及磁铁磁极的极对数分别为 8 及 10 时， 根据所述式 (25)， 磁场电气角速度 ωMFR、 第一及第二转子电气角速度 ωER1、 ωER2 的关 系由 ωMFR ＝ 2.25· ωER2 表示。如图 12 所示， 第二转子电气角 θER2 在 0 ～ 2π 变化期 间， U 相～ W 相的反电动势 Vcu ～ Vcw 大致产生 2.25 周期量。而且， 图 12 示出从第二转子5 观察到的 U 相～ W 相的反电动势 Vcu ～ Vcw 的变化状态， 如该图所示， 所述反电动势以第 二转子电气角 θER2 为横轴， 排列成 W 相反电动势 Vcw、 V 相反电动势 Vcv 及 U 相反电动势 Vcu 的顺序， 这种情况表示第二转子 5 沿磁场旋转方向旋转的情况。 如上所述， 从图 12 所示 的模拟结果能够确认 ωMFR ＝ 2.25·ωER2 成立。
此外， 图 13 示出驱动用等价转矩 TSE、 第一及第二转子传递转矩 TR1、 TR2 的推移的 一例。这种情况下， 电枢磁极及磁铁磁极的极对数分别为 8 及 10， 根据所述式 (32)， 驱动用 等价转矩 TSE、 第一及第二转子传递转矩 TR1、 TR2 的关系由 TSE ＝ TR1/1.25 ＝ -TR2/2.25 表示。如图 13 所示， 驱动用等价转矩 TSE 大致成为 -TREF， 第一转子传递转矩 TR1 大致成 为 1.25·(-TREF)， 第二转子传递转矩 TR2 大致成为 2.25·TREF。该 TREF 为规定的转矩值 ( 例如 200Nm)。如此， 从图 13 所示的模拟结果能够确认 TSE ＝ TR1/1.25 ＝ -TR2/2.25 成 立。
另外， 图 14 及图 15 示出将电枢磁极、 铁心 5a 及永久磁铁 4a 的数目与图 12 及图 13 的情况同样地设定， 代入第一转子 4 而固定第二转子 5， 并且通过向定子 3 供给电力而从 第一转子 4 输出动力时的模拟结果。图 14 示出第一转子电气角 θER1 在 0 ～ 2π 变化期 间的 U 相～ W 相的反电动势 Vcu ～ Vcw 的推移的一例。
这种情况下， 固定第二转子 5 且使电枢磁极及磁铁磁极的极对数分别为 8 及 10 时， 根据所述式 (25)， 磁场电气角速度 ωMFR、 第一及第二转子电气角速度 ωER1、 ωER2 的 关系由 ωMFR ＝ -1.25·ωER1 表示。如图 14 所示， 在第一转子电气角 θER1 在 0 ～ 2π 变化期间， U 相～ W 相的反电动势 Vcu ～ Vcw 大致产生 1.25 周期量。而且， 图 14 表示从第 一转子 4 观察到的 U 相～ W 相的反电动势 Vcu ～ Vcw 的变化状态， 如该图所示， 所述反电动 势以第一转子电气角 θER1 为横轴， 排列成 U 相反电动势 Vcu、 V 相反电动势 Vcv 及 W 相反 电动势 Vcw 的顺序， 这表示第一转子 4 沿与磁场旋转方向反方向旋转的情况。如上所述， 从 图 14 所示的模拟结果能够确认 ωMFR ＝ -1.25·ωER1 成立。
再者， 图 15 表示驱动用等价转矩 TSE、 第一及第二转子传递转矩 TR1、 TR2 的推移的 一例。 这种情况下， 与图 13 的情况相同地， 根据式 (32)， 驱动用等价转矩 TSE、 第一及第二转 子传递转矩 TR1、 TR2 的关系由 TSE ＝ TR1/1.25 ＝ -TR2/2.25 表示。如图 15 所示， 驱动用 等价转矩 TSE 大致成为 TREF， 第一转子传递转矩 TR1 大致成为 1.25·TREF， 第二转子传递 转矩 TR2 大致成为 -2.25· TREF。如此， 从图 15 所示的模拟结果能够确认 TSE ＝ TR1/1.25 ＝ -TR2/2.25 成立。
如上所述， 根据本实施方式， 由于仅通过由铁心 5a 构成的单一的软磁性体列就能 够使电动机 1 工作， 因此能够实现电动机 1 的小型化及制造成本的削减。而且， 通过设定磁 铁磁极的极对数相对于电枢磁极的极对数的比， 能够自由地设定磁场电气角速度 ωMFR、 第 一及第二转子电气角速度 ωER1、 ωER2 的关系、 以及驱动用等价转矩 TSE、 第一及第二转子 传递转矩 TR1、 TR2 的关系， 因此， 能够提高电动机 1 的设计的自由度。
再者， 由于将磁场电气角度位置 θMFR 控制为使所述式 (40) 成立， 因此能够确保 电动机 1 的恰当的动作。而且， 由于使用永久磁铁 4a 的磁极， 因此与使用电磁铁的磁极的 情况不同， 不需要用于向电磁铁供给电力的电气回路或绕组。由此， 能够使电动机 1 进一步 小型化， 并且能够使结构简单化。 而且， 不需要使用电磁铁的磁极作为磁极时的电力供给用 的集电环， 因此， 能够使电动机 1 小型化， 并且能够提高效率。此外， 在上述第一实施方式中， 将第一及第二转子 4、 5 构成为旋转自如， 但是也可 以将两者 4、 5 的一方构成为不能旋转， 并且仅将另一方构成为旋转自如， 从另一方输出动 力。这种情况下， 由于第一及第二转子 4、 5 的一方构成为不能旋转， 因此在所述式 (39) 中， 从两者 4、 5 的一方的电气角度位置为 0 的情况可知， 仅通过传感器等检测两者 4、 5 的另一 方的电气角度位置， 并且根据检测出的另一方的电气角度位置， 控制旋转磁场即可。而且， 也可以将定子 3 构成为旋转自如， 这种情况下， 电动机例如如下所述使用。即， 在向第一及 第二转子 4、 5 的一方和定子 3 输入动力的状态下， 向定子 3 供给电力， 将该电力变换成动 力， 从两转子 4、 5 的另一方输出。或者， 在将第一及第二转子 4、 5 的一方固定后的状态 ( 或 者， 将动力输入其一方的状态 ) 下， 从定子 3 及另一方同时输出动力时， 满足式 (41) 的负载 转矩同时作用于定子 3 及另一方， 例如作为双重反转螺旋桨的动力源使用。
再者， 在第一实施方式中， 分别检测特定的永久磁铁 4a 及铁心 5a 相对于基准绕组 即特定的 U 相绕组 3c 的旋转角度位置作为第一及第二转子旋转角 θR1、 θR2， 只要表示第 一及第二转子 4、 5 相对于定子 3 的旋转角度位置即可， 也可以检测其它部位的旋转角度位 置。例如， 也可以将固定部 4b 或第一旋转轴 6 的特定的部位相对于特定的 V 相绕组 3d 或 特定的 W 相绕组 3e、 箱体 2 的特定的部位的旋转角度位置作为第一转子旋转角 θR1， 并将 凸缘 5b 或第二旋转轴 7 的特定的部位的旋转角度位置作为第二转子旋转角 θR2， 分别进行 检测。
另外， 在第一实施方式中， 使用由第一及第二旋转位置传感器 21、 22 检测出的第 一及第二转子旋转角 θR1、 θR2， 通过式 (39) 算出旋转磁场的控制中使用的磁场电气角度 位置 θMFR， 但也可以通过日本特愿 2007-280916 号记载的方法来求出。具体来说， 准备恒 星齿轮与冕状齿轮的歯数比为和电枢磁极及磁铁磁极的另一方的数目相对于一方的数目 的比相同的值的行星齿轮装置、 和单一的旋转位置传感器， 将恒星齿轮及冕状齿轮的一方 与第一转子 4 并将载体与第二转子 5 分别连结， 并且通过旋转位置传感器检测恒星齿轮及 冕状齿轮的另一方相对于特定的 U 相绕组 3c 的旋转角度位置。这种情况下， 在电枢磁极数 大于磁铁磁极数时， 将恒星齿轮与第一转子 4 连结。
以上， 当磁铁磁极数相对于电枢磁极数的比为 γ 时， 由上述的旋转位置传感器检 测的旋转角度位置表示 (1+γ)θR2-γ· θR1。由此可知， 不用通过两个传感器分别检测第 一及第二转子 4、 5 的旋转角度位置， 而通过行星齿轮装置和单一的旋转位置传感器， 就能 够求出旋转磁场的控制中使用的磁场电气角度位置 θMFR。
再者， 在第一实施方式中， 分别将定子 3 及第一转子 4 配置在径向的外侧及内侧， 但是也可以与之相反地， 分别配置在径向的内侧及外侧。而且， 将定子 3、 第一及第二转子 4、 5 配置成沿径向排列， 而作为所谓径向型来构成电动机 1， 但是也可以将定子 3、 第一及第 二转子 4、 5 配置成沿轴线方向排列， 而作为所谓轴向型来构成电动机 1。
接下来， 参照图 16 及图 17， 说明本发明的第二实施方式的电动机 31。该图所示的 电动机 31 与第一实施方式不同， 构成作为线性电动机， 适用于输送装置。此外， 在图 16 中， 关于与第一实施方式相同的构成要素， 使用相同符号表示。 以下， 以与第一实施方式的不同 点为中心进行说明。
如图 16 及图 17 所示， 电动机 31 具备 ： 不动的箱体 32、 设置在箱体 32 内的第一定 子 33、 在箱体 32 内与第一定子 33 相对向设置的第二定子 34、 设置在两定子 33、 34 之间的可动件 35。
箱体 32 一体具有以前后方向 ( 图 16 的进深方向、 图 17 的上下方向 ) 为长度方向 的板状的底壁 32a 和从该底壁 32a 的两端部分别向上方延伸， 且相互相对向的侧壁 32b 及 32c。
第一定子 33 是产生移动磁场的部件， 如图 17 所示， 具有铁心 33a 和设置在该铁心 33a 上的 U 相、 V 相及 W 相的绕组 33c、 33d、 33e。铁心 33a 是层叠有多个钢板的长方体状的 部件， 在前后方向上， 沿箱体 32 的整体延伸， 并安装在箱体 32 的侧壁 32b。而且， 铁心 33a 的第二定子 34 侧的面上形成有多个槽 33b， 所述槽 33b 沿上下方向延伸， 并且沿前后方向等 间隔排列。上述的 U 相～ W 相的绕组 33c ～ 33e 以分布绕组 ( 波形绕组 ) 卷绕于槽 33b， 并 且与所述可变电源 15 连接。
在以上的结构的第一定子 33 中， 从可变电源 15 供给电力时， 多个磁极沿前后方向 等间隔地产生在铁心 33a 的第二定子 34 侧的端部 ( 参照图 18)， 并且所述磁极产生的移动 磁场沿前后方向移动。以下， 与第一实施方式相同地， 将铁心 33a 产生的磁极称为 “电枢磁 极” 。此外， 在图 18 中， 与图 5 相同地， 在铁心 33a 或 U 相～ W 相的绕组 33c ～ 33e 的上面， 利用 (N) 及 (S) 标记电枢磁极。这种情况下， 如该图所示， 沿前后方向的规定的区间 INT 中 的电枢磁极数为 4。
第二定子 34 具有由多个永久磁铁 34a 构成的磁极列。所述永久磁铁 34a 沿前后 方向等间隔排列， 该磁极列与第一定子 33 的铁心 33a 相对向。各永久磁铁 34a 形成为长方 体状， 其上下方向的长度设定为与铁心 33a 的上下方向的长度相同。而且， 永久磁铁 34a 通 过固定部 34b 安装在底壁 32a 的上表面的右端部 ( 图 16 的右侧为 “右” )， 并且安装在侧壁 32c 上。该固定部 34b 由软磁性体、 例如铁构成。如此， 由于在由铁构成的固定部 34b 安装 永久磁铁 34a， 因此各永久磁铁 34a 中的第一定子 33 侧的端部出现 (N) 或 (S) 的一个磁极。 此外， 在图 17 及图 18 中， 与图 3 相同地， 利用 (N) 及 (S) 标记永久磁铁 34a 的磁极 ( 以下， 与第一实施方式相同地称为 “磁铁磁极” )。而且， 如图 18 所示， 沿前后方向相邻的各两个 永久磁铁 34a 的极性相互不同， 规定的区间 INT 中的永久磁铁 34a 的数目为 8。
可动件 35 具有由设置在第一及第二定子 33、 34 上方的顶扳 35a 和设置在该顶扳 35a 上的六个铁心 35b 构成的软磁性体列。顶扳 35a 的前后方向及左右方向的尺寸比箱体 32 小， 并覆盖第一及第二定子 33、 34 的一部分。
各铁心 35b 是软磁性体、 例如层叠了多个钢板的长方体状的部件， 其上下方向的 长度与铁心 33a 的上下方向的长度相同。 而且， 六个铁心 35b 通过在各自的上端部设置的连 结部 35c 被顶扳 35a 连结， 并沿前后方向等间隔排列。此外， 由铁心 35b 构成的软磁性体列 在第一定子 33 的铁心 33a 与第二定子 34 的磁极列之间分别隔开规定的间隔配置。而且， 在各铁心 35b 的底部设置车轮 35d。铁心 35b 隔着该车轮 35d 载置在底壁 32a 的上表面的 轨道 ( 未图示 ) 上， 由此， 包含铁心 35b 的可动件 35 沿前后方向移动自如， 并且在左右方向 上不能移动。此外， 在图 17 及图 18 中， 为了简便， 省略了连结部 35c。
此外， 在本实施方式中， 第二定子 34 相当于本发明中的第一结构体， 并且永久磁 铁 34a 相当于本发明中的磁极。而且， 第一定子 33 相当于本发明中的第二结构体， 并且铁 心 33a 及 U 相～ W 相的绕组 33c ～ 33e 相当于本发明中的电枢。此外， 可动件 35 相当于本 发明中的第三结构体， 铁心 35b 相当于本发明中的软磁性体。另外， 电动机 31 上设有光学式的位置传感器 41( 相对位置关系检测机构 )， 该位置 传感器 41 将表示可动件 35 的特定的铁心 35b 相对于第一定子 33 的特定的 U 相绕组 33c 的位置 ( 以下称为 “可动件位置” ) 的检测信号向 ECU16 输出。ECU16 根据检测出的可动件 位置， 求出可动件 35 与第一及第二定子 33、 34 的相对的位置关系， 并且基于该位置关系， 控 制向 U 相～ W 相的绕组 33c ～ 33e 的通电， 由此， 控制移动磁场。更具体来说， 该控制如下 所述进行。
如图 18 所示， 在规定的区间 INT 中， 与第一实施方式相同地， 电枢磁极为 4 个， 磁 铁磁极为 8 个， 铁心 35b 为 6 个。即， 电枢磁极数与磁铁磁极数与铁心 35b 数的比设定为 1 ∶ 2 ∶ (1+2)/2。在本实施方式中， 永久磁铁 34a 构成为不能移动， 根据所述式 (39)， 移动 磁场的矢量的电气角度位置 ( 以下称为 “磁场电气角度位置 θMFM” ) 被控制成使 θMFM ＝ 3·θEM 成立。该 θEM 是将可动件位置换算成电气角度位置的值 ( 以下称为 “可动件电气 角度位置” )， 具体来说， 是将检测出的可动件位置乘以电枢磁极的极对数， 即乘以 2 的值。 此外， 与第一实施方式相同地， 该控制通过利用矢量控制来控制在 U 相～ W 相的绕组 33c ～ 33e 中流动的电流而进行。
以上， 移动磁场的电气角速度 ( 以下称为 “磁场电气角速度 ωMFM” ) 被控制成使 ωMFM ＝ 3·ωEM 成立。该 ωEM 是可动件电气角度位置 θEM 的时间微分值， 是将可动件 35 的移动速度换算成电气角速度的值 ( 以下称为 “可动件电气角速度” )。而且， 将与向第 一定子 33 供给的电力及磁场电气角速度 ωMFM 等价的推力作为驱动用等价推力 FSE 时， 该 驱动用等价推力 FSE 与向可动件 35 传递的推力 ( 以下称为 “可动件传递推力” )FM 的关系 根据所述式 (41) 由 FSE ＝ -FM/3 表示。 以上， 根据本实施方式， 与第一实施方式相同地， 由于仅通过由六个铁心 35b 构成 的单一的软磁性体列就能够使电动机 31 工作， 因此能够实现电动机 31 的小型化及制造成 本的削减。而且， 通过设定规定的区间 INT 中的磁铁磁极的极对数相对于电枢磁极的极对 数的比， 而能够自由地设定磁场电气角速度 ωMFM 及可动件电气角速度 ωEM 的关系、 以及 驱动用等价推力 FSE 及可动件传递推力 FM 的关系， 因此， 能够提高电动机 31 的设计的自由 度。
再者， 由于将磁场电气角度位置 θMFM 控制成使 θMFM ＝ 3· θEM 成立， 因此能够 确保电动机 31 的恰当的动作。而且， 与第一实施方式相同地， 由于使用永久磁铁 34a 的磁 极， 因此能够实现电动机 31 的进一步小型化和结构的简单化。
此外， 也可以将电动机 31 如下构成。即， 通过与顶扳 35a 不同的顶扳连结第二定 子 34 的多个永久磁铁 34a 来构成第二可动件， 并且将该第二可动件设置成相对于箱体 32 沿前后方向移动自如。并且， 与第一实施方式相同地， 也可以从可动件 35 及第二可动件的 至少一方输出动力。而且， 也可以通过将第一定子 33 的铁心 33a 安装在顶扳上来构成第三 可动件， 并将该第三可动件构成为相对于箱体 32 沿前后方向移动自如。并且， 如第一实施 方式所述那样， 也可以从可动件 35 或第二可动件、 第三可动件输出动力。
如上所述设置第二可动件时， 除了可动件 35 的可动件位置之外， 通过传感器等检 测第二可动件的特定的永久磁铁 34a 相对于特定的 U 相绕组 33c 的位置， 并且根据可动件 位置和检测出的第二可动件的位置， 基于式 (39)， 算出磁场电气角度位置 θMFM。然后， 将 算出的磁场电气角度位置 θMFM 使用于转动磁场的控制。
另外， 在第二实施方式中， 检测特定的铁心 35a 相对于特定的 U 相绕组 33c 的位置 作为可动件位置， 但是只要表示可动件 35 相对于第一定子 33 的位置即可， 也可以检测其它 部位的位置。例如， 也可以检测顶扳 35a 等的特定的部位相对于特定的 V 相绕组 33d 或特 定的 W 相绕组 33e、 箱体 32 的特定的部位的位置作为可动件位置。这同样地适用于上述设 置第二可动件或第三可动件的情况。
此外， 本发明并不局限于说明的实施方式， 而能够通过各种方式来实施。例如， 在 实施方式中， 通过单一的永久磁铁 4a、 34a 的磁极构成一个磁极， 但是也可以通过多个永久 磁铁的磁极构成。例如， 通过以使两个永久磁铁的磁极在定子 3( 第一定子 33) 侧接近的方 式将所述两个永久磁铁排列成倒 V 字状来构成一个磁极， 从而能够提高磁力线 ML 的指向 性。而且， 也可以取代实施方式中的永久磁铁 4a、 34a 而使用电磁铁或能够产生移动磁场的 电枢。此外， 在实施方式中， 以分布绕组将 U 相～ W 相的绕组 3c ～ 3e、 33c ～ 33e 卷绕于槽 3b、 33b， 但是并不局限于此， 也可以采用集中绕组。而且， 在实施方式中， 通过 U 相～ W 相这 三相绕组构成绕组 3c ～ 3e、 33c ～ 33e， 但是只要能够产生移动磁场 ( 旋转磁场 ) 即可， 其 绕组的相数并未特别限定， 可以任意。
再者， 作为槽 3b、 33b 的数目， 也可以采用实施方式所示以外的任意数目的情况不 言自明。 而且， 在实施方式中， 将槽 3b、 33b 或永久磁铁 4a、 34a、 铁心 5b、 35b 等间隔配置， 但 是也可以不等间隔配置。此外， 在实施方式中， 电枢磁极为 4 个， 磁铁磁极为 8 个， 铁心 5a、 35b 为 6 个， 但是只要所述数目的比满足 1 ∶ m ∶ (1+m)/2(m ≠ 1.0) 即可， 作为电枢磁极、 磁铁磁极及铁心 5a、 35b 的数目可以采用任意数目。而且， 在实施方式中， 第一旋转位置传 感器 21 或第二旋转位置传感器 22、 位置传感器 41 是电磁感应式的部件， 但也可以是光学式 的部件。此外， 在实施方式中， 作为本发明中的控制机构， 使用了 ECU16， 但是也可以使用将 微型计算机和电气回路组合在一起的部件。 此外， 在本发明的主要内容的范围内， 能够适当 变更细微部分的结构。
工业实用性
本发明的电动机能够实现小型化及制造成本的削减， 并且在提高设计的自由度方 面极为有用。