以下、図面を参照しながら、本発明の好� ��しい実施形態について説明する。図1は、本 発明の第1実施形態による電動機1を示してい� ��。この電動機1は、回転機として構成されて おり、その動作が、図2に示すECU16によって制 御される。図1に示すように、電動機1は、不� ��のケース2と、ケース2内に設けられたステ� �タ3と、ケース2内にステータ3に対向するよ� �に設けられた第1ロータ4と、両者3,4の間に設 けられた第2ロータ5と、第1回転軸6および第2� ��転軸7を備えている。なお、図1では、第1回� ��軸6などの一部の要素を、図示の便宜上、ス ケルトン図的に描いている。また、図1およ� �後述する他の図面では、断面を示す部分の� �ッチングを省略している。

 ケース2は、円筒状の周壁2aと、この周壁2 aの両端部に一体に設けられた円板状の一対� �側壁2b,2cを有している。これらの側壁2b,2cの� ��央には、取付孔2d,2eがそれぞれ形成されて� �り、これらの取付孔2d,2eには、軸受け8およ� �9がそれぞれ取り付けられている。

 上記の第1および第2の回転軸6,7は、軸受� �8,9に回転自在にそれぞれ支持されており、� �いに同心状に配置されている。また、第1お� ��び第2の回転軸6,7はいずれも、その一部がケ ース2内に収容され、残りがケース2の外方に� ��出している。さらに、上記のステータ3、第 2ロータ5および第1ロータ4は、第1回転軸6の径 方向(以下、単に「径方向」という)に、外側� ��らこの順で並んでおり、同心状に配置され� ��いる。

 ステータ3は、回転磁界を発生させるもの であり、図3に示すように、鉄芯3aと、この鉄 芯3aに設けられたU相、V相およびW相のコイル3 c,3d,3eを有している。なお、図1では、便宜上� ��U相コイル3cのみを示している。鉄芯3aは、� �数の鋼板を積層した円筒状のものであり、� �1回転軸6の軸線方向(以下、単に「軸線方向� �という)に延びており、ケース2の周壁2aの内� ��面に取り付けられている。また、鉄芯3aの� �周面には、12個のスロット3bが形成されてお� ��、これらのスロット3bは、軸線方向に延び� �とともに、第1回転軸6の周方向(以下、単に� �周方向」という)に等間隔で並んでいる。上� ��のU相~W相のコイル3c~3eは、スロット3bに分布 巻き(波巻き)で巻回されるとともに、可変電� ��15に接続されている(図2参照)。この可変電� �15は、インバータなどからなる電気回路とバ ッテリを組み合わせたものであり、ECU16に接� ��されている。

 以上の構成のステータ3では、可変電源15� ��ら電力が供給されたときに、鉄芯3aの第1ロ� ��タ4側の端部に、4個の磁極が周方向に等間� �で発生する(図5参照)とともに、これらの磁� �による回転磁界が周方向に回転する。以下� �鉄芯3aに発生する磁極を「電機子磁極」とい う。また、周方向に隣り合う各2つの電機子� �極の極性は、互いに異なっている。なお、� �5や後述する他の図面では、電機子磁極を、� ��芯3aやU相~W相のコイル3c~3eの上に、(N)および (S)で表記している。

 図3に示すように、第1ロータ4は、8個の永 久磁石4aから成る磁極列を有している。これ� ��の永久磁石4aは、周方向に等間隔で並んで� �り、この磁極列は、ステータ3の鉄芯3aに対� �している。各永久磁石4aは、軸線方向に延び ており、その軸線方向の長さが、ステータ3� �鉄芯3aのそれと同じに設定されている。

 また、永久磁石4aは、リング状の固定部4b の外周面に取り付けられている。この固定部 4bは、軟磁性体、例えば鉄または複数の鋼板� ��積層したもので構成されており、その内周� ��が、第1回転軸6に一体に同心状に設けられ� �円板状のフランジ4cの外周面に取り付けられ ている。これにより、永久磁石4aを含む第1ロ ータ4は、第1回転軸6と一体に回転自在になっ ている。さらに、上記のように軟磁性体で構 成された固定部4bの外周面に永久磁石4aが取� �付けられているので、各永久磁石4aには、ス テータ3側の端部に、(N)または(S)の1つの磁極� ��現れる。なお、図3や後述する他の図面では 、永久磁石4aの磁極を(N)および(S)で表記して� ��る。また、周方向に隣り合う各2つの永久磁 石4aの極性は、互いに異なっている。

 第2ロータ5は、6個のコア5aから成る軟磁� �体列を有している。これらのコア5aは、周方 向に等間隔で並んでおり、この軟磁性体列は 、ステータ3の鉄芯3aと第1ロータ4の磁極列と� ��間に、それぞれ所定の間隔を隔てて配置さ� ��ている。各コア5aは、軟磁性体、例えば複� �の鋼板を積層したものであり、軸線方向に� �びている。また、コア5aの軸線方向の長さは 、永久磁石4aと同様、ステータ3の鉄芯3aのそ� ��と同じに設定されている。さらに、コア5a� �、円板状のフランジ5bの外端部に、軸線方向 に若干延びる筒状の連結部5cを介して取り付� ��られている。このフランジ5bは、第2回転軸7 に一体に同心状に設けられている。これによ り、コア5aを含む第2ロータ5は、第2回転軸7と 一体に回転自在になっている。なお、図3で� �、便宜上、連結部5cおよびフランジ5bを省略� ��ている。

 また、図2に示すように、電動機1には、� �磁誘導式の第1回転位置センサ21および第2回� ��位置センサ22が設けられている。この第1回� ��位置センサ21は、ステータ3の特定のU相コイ ル3c(以下「基準コイル」という)に対する第1� ��ータ4の特定の永久磁石4aの回転角度位置(以 下「第1ロータ回転角θR1」という)を表す検出 信号を、ECU16に出力する。上記の第2回転位置 センサ22は、基準コイルに対する第2ロータ5� �特定のコア5aの回転角度位置(以下「第2ロー� ��回転角θR2」という)を表す検出信号を、ECU16 に出力する。

 さらに、電動機1には、第1電流センサ23お よび第2電流センサ24が設けられている。これ らの第1および第2の電流センサ23,24はそれぞ� �、U相およびV相のコイル3c,3dをそれぞれ流れ� ��電流(以下、それぞれ「U相電流Iu」「V相電� �Iv」という)を表す検出信号をECU16に出力する 。

 ECU16は、I/Oインターフェース、CPU、RAMお� �びROMなどからなるマイクロコンピュータで� �成されており、上述した各種のセンサ21~24か らの検出信号に応じて、電動機1の動作を制� �する。

 なお、本実施形態では、永久磁石4aが本� �明における磁極に相当するとともに、第1ロ� ��タ4および第1回転軸6が、本発明における第1 構造体に相当する。また、鉄芯3aおよびU相~W� ��のコイル3c~3eが、本発明における電機子に� �当するとともに、ステータ3が、本発明にお� ��る第2構造体に相当する。さらに、コア5aが� ��発明における軟磁性体に相当するとともに� ��第2ロータ5および第2回転軸7が、本発明にお ける第3構造体に相当する。また、ECU16が、本 発明における制御手段に相当するとともに、 第1および第2の回転位置センサ21,22が、本発� �における相対位置関係検出手段に相当する� �

 前述したように、電動機1では、電機子磁極 が4個、永久磁石4aの磁極(以下「磁石磁極」� �いう)が8個、コア5aが6個である。すなわち、 電機子磁極の数と磁石磁極の数とコア5aの数� ��の比(以下「極数比」という)は、1:2.0:(1+2.0)/ 2に設定されている。このことと、前述した� �(18)~(20)から明らかなように、ステータ3に対� ��て第1ロータ4や第2ロータ5が回転するのに伴 ってU相~W相のコイル3c~3eにそれぞれ発生する� ��起電圧(以下、それぞれ「U相逆起電圧Vcu」� �V相逆起電圧Vcv」「W相逆起電圧Vcw」という)� �、次式(33)、(34)および(35)で表される。

 ここで、Iは、U相~W相のコイル3c~3eを流れ� ��電流の振幅(最大値)、ψFは、磁石磁極の磁� �の最大値である。θER1は、いわゆる機械角で ある第1ロータ回転角θR1を電気角度位置に換� ��した値(以下「第1ロータ電気角」という)で� ��り、具体的には、第1ロータ回転角θR1に電� �子磁極の極対数、すなわち値2を乗算した値� ��ある。θER2は、機械角である第2ロータ回転� ��θR2を電気角度位置に換算した値(以下「第2� ��ータ電気角」という)であり、具体的には、 第2ロータ回転角θR2に電機子磁極の極対数(値 2)を乗算した値である。また、ωER1は、θER1の 時間微分値、すなわち、ステータ3に対する� �1ロータ4の角速度を電気角速度に換算した値 (以下「第1ロータ電気角速度」という)である 。さらに、ωER2は、第2ロータ電気角速度であ り、θER2の時間微分値、すなわち、ステータ3 に対する第2ロータ5の角速度を電気角速度に� ��算した値(以下「第2ロータ電気角速度」と� �う)である。

 また、前述した極数比と前記式(21)~(23)から� ��らかなように、U相電流Iu、V相電流Iv、およ� ��W相のコイル3eを流れる電流(以下「W相電流Iw 」という)は、次式(36)、(37)および(38)でそれ� �れ表される。

 さらに、極数比と前記式(24)および(25)から� �らかなように、基準コイルに対するステー� �3の回転磁界のベクトルの電気角度位置(以下 「磁界電気角度位置θMFR」という)は、次式(39 )で表され、ステータ3に対する回転磁界の電� ��角速度(以下「磁界電気角速度ωMFR」という) は、次式(40)で表される。

 このため、磁界電気角速度ωMFRと第1ロー� ��電気角速度ωER1と第2ロータ電気角速度ωER2� �関係を、いわゆる共線図で表すと、例えば� �4のように示される。

 また、ステータ3に供給された電力および磁 界電気角速度ωMFRと等価のトルクを駆動用等� ��トルクTSEとすると、この駆動用等価トルクT SEと、第1ロータ4に伝達されるトルク(以下「� ��1ロータ伝達トルク」という)TR1と、第2ロー� ��5に伝達されるトルク(以下「第2ロータ伝達� ��ルク」という)TR2との関係は、極数比と前記 式(32)から明らかなように、次式(41)で表され� ��。

 上記の式(40)で表される電気角速度の関係 、および上記の式(41)で表されるトルクの関� �は、サンギヤおよびリングギヤのギヤ比が1: 2の遊星歯車装置のサンギヤ、リングギヤお� �びキャリアにおける回転速度およびトルク� �関係とまったく同じである。

 ECU16は、上記式(39)に基づき、U相~W相のコ� ��ル3c~3eへの通電を制御し、それにより、回� �磁界を制御する。具体的には、図2に示すよ� ��に、ECU16は、目標電流算出部16a、電気角変� �器16b、電流座標変換器16c、偏差算出部16d、� �流制御器16e、および電圧座標変換器16fを有� �ており、いわゆるベクトル制御によりU相~W� �の電流Iu,Iv,Iwを制御することによって、回転 磁界を制御する。なお、本実施形態では、電 気角変換器16bが相対位置関係検出手段に相当 する。

 上記の目標電流算出部16aは、後述するd軸 電流Idおよびq軸電流Iqの目標値(以下、それぞ れ「目標d軸電流Id_tar」「目標q軸電流Iq_tar」� ��いう)を算出するとともに、算出した目標d� �電流Id_tarおよび目標q軸電流Iq_tarを、偏差算� ��部16dに出力する。なお、これらの目標d軸電 流Id_tarおよび目標q軸電流Iq_tarは、例えば電� �機1の負荷などに応じて算出される。

 電気角変換器16bには、第1および第2の回� �位置センサ21,22でそれぞれ検出された第1お� �び第2のロータ回転角θR1,θR2が入力される。� ��気角変換器16bは、入力された第1および第2� �ロータ回転角θR1,θR2に、電機子磁極の極対� �(値2)を乗算することによって、前述した第1� ��よび第2のロータ電気角θER1,θER2を算出する� ��また、算出した第1および第2のロータ電気� �θER1,θER2を、電流座標変換器16cおよび電圧座 標変換器16fに出力する。

 電流座標変換器16cには、第1および第2のロ� �タ電気角θER1,θER2に加え、第1および第2の電� ��センサ23,24でそれぞれ検出されたU相およびV 相の電流Iu,Ivが入力される。電流座標変換器1 6cは、入力されたU相およびV相の電流Iu,Ivと第 1および第2のロータ電気角θe1,θe2に基づいて� ��そのときどきの3相交流座標上でのU相~W相の 電流Iu~Iwを、dq座標上でのd軸電流Idおよびq軸� ��流Iqに変換する。このdq座標は、(3・θER2-2・ θER1)をd軸とし、このd軸に直交する軸をq軸と して、(3・ωER2-2・ωER1)で回転するものである 。具体的には、d軸電流Idおよびq軸電流Iqは、 次式(42)によって算出される。
 また、電流座標変換器16cは、算出したd軸電 流Idおよびq軸電流Iqを偏差算出部16dに出力す� ��。

 偏差算出部16dは、入力された目標d軸電流 Id_tarとd軸電流Idとの偏差(以下「d軸電流偏差d Id」という)を算出するとともに、入力された 目標q軸電流Iq_tarとq軸電流Iqとの偏差(以下「q 軸電流偏差dIq」という)を算出する。また、� �出したd軸電流偏差dIdおよびq軸電流偏差dIqを 、電流制御器16eに出力する。

 電流制御器16eは、入力されたd軸電流偏差 dIdおよびq軸電流偏差dIqに基づき、所定のフ� �ードバック制御アルゴリズム、例えばPI制御 アルゴリズムによって、d軸電圧Vdおよびq軸� �圧Vqを算出する。これにより、d軸電圧Vdは、 d軸電流Idが目標d軸電流Id_tarになるように算� �され、q軸電圧Vqは、q軸電流Iqが目標q軸電流I q_tarになるように算出される。また、算出し� ��d軸およびq軸の電圧Vd,Vqを、電圧座標変換器 16fに出力する。

 電圧座標変換器16fは、入力されたd軸電圧Vd� ��よびq軸電圧Vqを、入力された第1および第2� �ロータ電気角θER1,θER2に基づいて、3相交流� �標上でのU相~W相の電圧Vu,Vv,Vwの指令値(以下� �それぞれ「U相電圧指令値Vu_cmd」「V相電圧指 令値Vv_cmd」「W相電圧指令値Vw_cmd」という)に� ��換する。具体的には、U相~W相の電圧指令値V u_cmd~Vw_cmdは、次式(43)によって算出される。
 また、電圧座標変換器16fは、算出したU相~W� ��の電圧指令値Vu_cmd~Vw_cmdを前述した可変電源 15に出力する。

 これに伴い、可変電源15は、U相~W相の電� �Vu~Vwを、U相~W相の電圧指令値Vu_cmd~Vw_cmdにそ� �ぞれなるように電動機1に印可する。これに� ��り、U相~W相の電流Iu~Iwが制御され、この場� �、これらの電流Iu~Iwは、前記式(36)~(38)でそれ ぞれ表される。また、電流の振幅Iは、目標d� ��電流Id_tarおよび目標q軸電流Iq_tarに基づいて 定まる。

 以上のようなECU16による制御によって、� �界電気角度位置θMFRは、前記式(39)が成立す� �ように制御され、磁界電気角速度ωMFRは、前 記式(40)が成立するように制御される。

 以上の構成の電動機1は、例えば次のよう にして用いられる。すなわち、第1および第2� ��ロータ4,5の一方を固定し、あるいは、これ� ��の一方に動力を入力した状態で、ステータ3 に供給した電力を動力に変換し、これらの他 方から出力する。また、第1および第2のロー� ��4,5の双方から動力を同時に出力する場合に� ��、式(41)を満たすような負荷トルクが第1お� �び第2のロータ4,5に同時に作用するようなも� ��、例えば二重反転プロペラの動力源として� ��いる。

 次に、ステータ3に供給された電力が、具 体的にどのようにして動力に変換され、第1� �ータ4や第2ロータ5から出力されるかについ� �説明する。まず、図5~図7を参照しながら、� �1ロータ4を固定した状態でステータ3に電力� �供給した場合について説明する。なお、図5~ 図7では、便宜上、複数の構成要素の符号を� �略している。このことは、後述する他の図� �においても同様である。また、理解の容易� �のために、図5~図7に示される同じ1つの電機� ��磁極およびコア5aに、ハッチングを付して� �る。

 まず、図5(a)に示すように、ある1つのコ� �5aの中心と、ある1つの永久磁石4aの中心が、 周方向に互いに一致するとともに、そのコア 5aから3つ目のコア5aの中心と、その永久磁石4 aから4つ目の永久磁石4aの中心が、周方向に� �いに一致した状態から、回転磁界を、同図� �左方に回転するように発生させる。その発� �の開始時においては、互いに同じ極性を有� �る1つおきの電機子磁極の位置を、中心がコ� ��5aと一致している各永久磁石4aの中心と周方 向に一致させるとともに、この電機子磁極の 極性をこの永久磁石4aの磁石磁極の極性と異� ��らせる。

 前述したようにステータ3による回転磁界 が第1ロータ4との間に発生することと、コア5 aを有する第2ロータ5がステータ3と第1ロータ4 の間に配置されていることから、電機子磁極 および磁石磁極により、各コア5aは磁化され� ��。このことと、隣り合う各コア5aの間に間� �が空いていることから、電機子磁極とコア5a と磁石磁極を結ぶような磁力線MLが発生する� ��なお、図5~図7では、便宜上、鉄芯3aや固定� �4bにおける磁力線MLを省略している。このこ� ��は、後述する他の図面においても同様であ� ��。

 図5(a)に示す状態では、磁力線MLは、周方� ��の位置が互いに一致している電機子磁極、� ��ア5aおよび磁石磁極を結び、かつ、これら� �電機子磁極、コア5aおよび磁石磁極のそれぞ れの周方向の各両側に隣り合う電機子磁極、 コア5aおよび磁石磁極を結ぶように発生する� ��また、この状態では、磁力線MLが直線状で� �ることにより、コア5aには、周方向に回転さ せるような磁力は作用しない。

 そして、回転磁界の回転に伴って電機子� ��極が図5(a)に示す位置から図5(b)に示す位置� �回転すると、磁力線MLが曲がった状態になり 、それに伴い、磁力線MLが直線状になるよう� ��、コア5aに磁力が作用する。この場合、磁� �線MLで互いに結ばれた電機子磁極および磁石 磁極を結ぶ直線に対して、磁力線MLが、この� ��ア5aにおいて回転磁界の回転方向(以下「磁� ��回転方向」という)と逆方向に凸に曲がった 状態になるため、上記の磁力は、コア5aを磁� ��回転方向に駆動するように作用する。この� ��うな磁力線MLによる磁力の作用により、コ� �5aは、磁界回転方向に駆動され、図5(c)に示� �位置に回転し、コア5aが設けられた第2ロー� �5および第2回転軸7も、磁界回転方向に回転� �る。なお、図5(b)および(c)における破線は、� ��力線MLの磁束量が極めて小さく、電機子磁� �とコア5aと磁石磁極の間の磁気的なつながり が弱いことを表している。このことは、後述 する他の図面においても同様である。

 また、回転磁界がさらに回転するのに伴� ��、上述した一連の動作、すなわち、「磁力� ��MLがコア5aにおいて磁界回転方向と逆方向に 凸に曲がる→磁力線MLが直線状になるように� ��ア5aに磁力が作用する→コア5aや第2ロータ5� ��第2回転軸7が、磁界回転方向に回転する」� �いう動作が、図6(a)~図6(d)、図7(a)および(b)に� ��すように、繰り返し行われる。以上のよう� ��磁力線MLによる磁力の作用により、ステー� �3に供給された電力が動力に変換され、第2回 転軸7から出力される。

 また、図8は、図5(a)の状態から電機子磁� �が電気角2πだけ回転した状態を示しており� �図8と図5(a)の比較から明らかなように、コア 5aは、電機子磁極に対して1/3の回転角度だけ� ��同方向に回転していることが分かる。この� ��果は、前記式(40)において、ωER1=0とするこ� �によって、ωER2=ωMFR/3が得られることと合致� ��る。

 次に、図9~図11を参照しながら、第2ロー� �5を固定した状態で、ステータ3に電力を供給 した場合の動作について説明する。なお、図 9~図11では、理解の容易化のために、同じ1つ� ��電機子磁極および永久磁石4aに、ハッチン� �を付している。まず、図9(a)に示すように、� ��述した図5(a)の場合と同様、ある1つのコア5a の中心と、ある1つの永久磁石4aの中心が、周 方向に互いに一致するとともに、そのコア5a� ��ら3つ目のコア5aの中心と、その永久磁石4a� �ら4つ目の永久磁石4aの中心が、周方向に互� �に一致した状態から、回転磁界を、同図の� �方に回転するように発生させる。その発生� �開始時においては、互いに同じ極性を有す� �1つおきの電機子磁極の位置を、中心がコア5 aと一致している各永久磁石4aの中心と周方向 に一致させるとともに、この電機子磁極の極 性をこの永久磁石4aの磁極の極性と異ならせ� ��。

 図9(a)に示す状態では、図5(a)の場合と同� �、磁力線MLは、周方向の位置が互いに一致し ている電機子磁極、コア5aおよび磁石磁極を� ��び、かつ、これらの電機子磁極、コア5aお� �び磁石磁極のそれぞれの周方向の各両側に� �り合う電機子磁極、コア5aおよび磁石磁極を 結ぶように発生する。また、この状態では、 磁力線MLが直線状であることにより、永久磁� ��4aには、周方向に回転させるような磁力は� �用しない。

 そして、回転磁界の回転に伴って電機子� ��極が図9(a)に示す位置から図9(b)に示す位置� �回転すると、磁力線MLが曲がった状態になり 、それに伴い、磁力線MLが直線状になるよう� ��、永久磁石4aに磁力が作用する。この場合� �この永久磁石4aが、磁力線MLで互いに結ばれ� ��電機子磁極およびコア5aの延長線上よりも� �界回転方向に進んだ位置にあるため、上記� �磁力は、この延長線上に永久磁石4aを位置さ せるように、すなわち、永久磁石4aを磁界回� ��方向と逆方向に駆動するように作用する。� ��のような磁力線MLによる磁力の作用により� �永久磁石4aは、磁界回転方向と逆方向に駆動 され、図9(c)に示す位置に回転し、永久磁石4a が設けられた第1ロータ4および第1回転軸6も� �磁界回転方向と逆方向に回転する。

 また、回転磁界がさらに回転するのに伴� ��、上述した一連の動作、すなわち、「磁力� ��MLが曲がり、磁力線MLで互いに結ばれた電機 子磁極およびコア5aの延長線上よりも、永久� ��石4aが磁界回転方向に進んだ位置に位置す� �→磁力線MLが直線状になるように永久磁石4a� ��磁力が作用する→永久磁石4aや第1ロータ4、 第1回転軸6が、磁界回転方向と逆方向に回転� ��る」という動作が、図10(a)~図10(d)、図11(a)お よび(b)に示すように、繰り返し行われる。以 上のような磁力線MLによる磁力の作用により� ��ステータ3に供給された電力が動力に変換さ れ、第1回転軸6から出力される。

 また、図11(b)は、図9(a)の状態から電機子� ��極が電気角2πだけ回転した状態を示してお� ��、図11(b)と図9(a)の比較から明らかなように� ��永久磁石4aは、電機子磁極に対して1/2の回� �角度だけ、逆方向に回転していることが分� �る。この結果は、前記式(40)において、ωER2=0 とすることによって、-ωER1=ωMFR/2が得られる� ��とと合致する。

 また、図12および図13は、電機子磁極、コ ア5aおよび永久磁石4aの数を、値16、値18およ� ��値20にそれぞれ設定し、第1ロータ4を固定す るとともに、ステータ3への電力の供給によ� �第2ロータ5から動力を出力した場合における シミュレーション結果を示している。図12は� ��第2ロータ電気角θER2が値0~2πまで変化する� �におけるU相~W相の逆起電圧Vcu~Vcwの推移の一� ��を示している。

 この場合、第1ロータ4が固定されている� �とと、電機子磁極および磁石磁極の極対数� �それぞれ値8および値10であることと、前記� �(25)から、磁界電気角速度ωMFR、第1および第2 のロータ電気角速度ωER1,ωER2の関係は、ωMFR=2 .25・ωER2で表される。図12に示すように、第2� ��ータ電気角θER2が値0~2πまで変化する間に、 U相~W相の逆起電圧Vcu~Vcwは、ほぼ2.25周期分、� ��生している。また、図12は、第2ロータ5から 見たU相~W相の逆起電圧Vcu~Vcwの変化状態を示� �ており、同図に示すように、これらの逆起� �圧は、第2ロータ電気角θER2を横軸として、W� ��逆起電圧Vcw、V相逆起電圧VcvおよびU相逆起� �圧Vcuの順に並んでおり、このことは、第2ロ� ��タ5が磁界回転方向に回転していることを表 す。以上のように、図12に示すシミュレーシ� ��ン結果からも、ωMFR=2.25・ωER2が成立するこ� ��が確認できた。

 さらに、図13は、駆動用等価トルクTSE、� �1および第2のロータ伝達トルクTR1,TR2の推移� �一例を示している。この場合、電機子磁極� �よび磁石磁極の極対数がそれぞれ値8および� ��10であることと、前記式(32)から、駆動用等� ��トルクTSE、第1および第2のロータ伝達トル� �TR1,TR2の関係は、TSE=TR1/1.25=-TR2/2.25で表される 。図13に示すように、駆動用等価トルクTSEは� ��ほぼ-TREFに、第1ロータ伝達トルクTR1は、ほ� ��1.25・(-TREF)に、第2ロータ伝達トルクTR2は、� ��ぼ2.25・TREFになっている。このTREFは所定の� ��ルク値(例えば200Nm)である。このように、図 13に示すシミュレーション結果からも、TSE=TR1 /1.25=-TR2/2.25が成立することが確認できた。

 また、図14および図15は、電機子磁極、コ ア5aおよび永久磁石4aの数を図12および図13の� ��合と同様に設定し、第1ロータ4に代えて第2� ��ータ5を固定するとともに、ステータ3への� �力の供給により第1ロータ4から動力を出力し た場合におけるシミュレーション結果を示し ている。図14は、第1ロータ電気角θER1が値0~2� �まで変化する間におけるU相~W相の逆起電圧Vc u~Vcwの推移の一例を示している。

 この場合、第2ロータ5が固定されている� �とと、電機子磁極および磁石磁極の極対数� �それぞれ値8および値10であることと、前記� �(25)から、磁界電気角速度ωMFR、第1および第2 のロータ電気角速度ωER1,ωER2の関係は、ωMFR=- 1.25・ωER1で表される。図14に示すように、第1 ロータ電気角θER1が値0~2πまで変化する間に� �U相~W相の逆起電圧Vcu~Vcwは、ほぼ1.25周期分、 発生している。また、図14は、第1ロータ4か� �見たU相~W相の逆起電圧Vcu~Vcwの変化状態を示� ��ており、同図に示すように、これらの逆起� ��圧は、第1ロータ電気角θER1を横軸として、U 相逆起電圧Vcu、V相逆起電圧VcvおよびW相逆起� ��圧Vcwの順に並んでおり、このことは、第1ロ ータ4が磁界回転方向と逆方向に回転してい� �ことを表す。以上のように、図14に示すシミ ュレーション結果からも、ωMFR=-1.25・ωER1が� �立することが確認できた。

 さらに、図15は、駆動用等価トルクTSE、� �1および第2のロータ伝達トルクTR1,TR2の推移� �一例を示している。この場合にも、図13の場 合と同様、式(32)から、駆動用等価トルクTSE� �第1および第2のロータ伝達トルクTR1,TR2の関� �は、TSE=TR1/1.25=-TR2/2.25で表される。図15に示� �ように、駆動用等価トルクTSEは、ほぼTREFに� ��第1ロータ伝達トルクTR1は、ほぼ1.25・TREFに� ��第2ロータ伝達トルクTR2は、ほぼ-2.25・TREFに なっている。このように、図15に示すシミュ� ��ーション結果からも、TSE=TR1/1.25=-TR2/2.25が成 立することが確認できた。

 以上のように、本実施形態によれば、コ� ��5aで構成された単一の軟磁性体列だけで電� �機1を作動させることができるので、電動機1 の小型化および製造コストの削減を図ること ができる。また、電機子磁極の極対数に対す る磁石磁極の極対数の比を設定することによ って、磁界電気角速度ωMFR、第1および第2の� �ータ電気角速度ωER1,ωER2の関係と、駆動用等 価トルクTSE、第1および第2のロータ伝達トル� ��TR1,TR2の関係を自由に設定でき、したがって 、電動機1の設計の自由度を高めることがで� �る。

 さらに、磁界電気角度位置θMFRを前記式(4 0)が成立するように制御するので、電動機1の 適正な動作を確保することができる。また、 永久磁石4aの磁極を用いるので、電磁石の磁� ��を用いた場合と異なり、電磁石に電力を供� ��するための電気回路やコイルが不要になる� ��これにより、電動機1をさらに小型化できる とともに、構成を単純化することができる。 また、磁極として電磁石の磁極を用いたとき の電力供給用のスリップリングが不要になり 、その分、電動機1を小型化できるとともに� �効率を高めることができる。

 なお、上述した第1実施形態では、第1お� �び第2のロータ4,5を回転自在に構成している� ��、両者4,5の一方を回転不能に構成するとと� ��に、他方のみを回転自在に構成し、他方か� ��動力を出力してもよい。この場合、第1およ び第2のロータ4,5の一方が回転不能に構成さ� �ているため、前記式(39)において、両者4,5の� ��方の電気角度位置が値0になることから明ら かなように、両者4,5の他方の電気角度位置の みをセンサなどで検出するとともに、検出さ れた他方の電気角度位置に応じて、回転磁界 を制御すればよい。また、ステータ3を回転� �在に構成してもよく、その場合には、電動� �は例えば次のように用いられる。すなわち� �第1および第2のロータ4,5の一方と、ステータ 3に動力を入力した状態で、ステータ3に電力� ��供給し、この電力を動力に変換して、両ロ� ��タ4,5の他方から出力する。あるいは、第1お よび第2のロータ4,5の一方を固定した状態(ま� ��は、この一方に動力を入力した状態)で、ス テータ3および他方から動力を同時に出力す� �場合には、式(41)を満たすような負荷トルク� ��ステータ3および他方に同時に作用するよう なもの、例えば二重反転プロペラの動力源と して用いる。

 さらに、第1実施形態では、第1および第2� ��ロータ回転角θR1,θR2として、基準コイルす� ��わち特定のU相コイル3cに対する特定の永久� ��石4aおよびコア5aの回転角度位置をそれぞれ 検出しているが、ステータ3に対する第1およ� ��第2のロータ4,5の回転角度位置を表すのであ れば、他の部位の回転角度位置を検出しても よい。例えば、特定のV相コイル3dや、特定の W相コイル3e、ケース2の特定の部位に対する� �固定部4bや第1回転軸6の特定の部位の回転角� ��位置を第1ロータ回転角θR1として、フラン� �5bや第2回転軸7の特定の部位の回転角度位置� ��第2ロータ回転角θR2として、それぞれ検出� �てもよい。

 また、第1実施形態では、回転磁界の制御 に用いる磁界電気角度位置θMFRを、第1および 第2の回転位置センサ21,22で検出された第1お� �び第2のロータ回転角θR1,θR2を用い、式(39)に よって算出しているが、特願2007-280916号に記� ��された手法によって求めてもよい。具体的� ��は、サンギヤとリングギヤの歯数の比が電� ��子磁極および磁石磁極の一方の数に対する� ��方の数の比と同じ値である遊星歯車装置と� ��単一の回転位置センサを用意し、サンギヤ� ��よびリングギヤの一方を第1ロータ4に、キ� �リアを第2ロータ5に、それぞれ連結するとと もに、特定のU相コイル3cに対するサンギヤお よびリングギヤの他方の回転角度位置を、回 転位置センサで検出する。この場合、電機子 磁極の数が磁石磁極の数よりも大きい場合、 第1ロータ4には、サンギヤが連結される。

 以上により、上記の回転位置センサで検� ��される回転角度位置は、電機子磁極の数に� ��する磁石磁極の数の比をγとすると、(1+γ)θ R2-γ・θR1を表す。このことから明らかなよう に、第1および第2のロータ4,5の回転角度位置� ��2つのセンサで別個に検出することなく、遊 星歯車装置と単一の回転位置センサによって 、回転磁界の制御に用いる磁界電気角度位置 θMFRを求めることができる。

 さらに、第1実施形態では、ステータ3お� �び第1ロータ4を、径方向の外側および内側に それぞれ配置しているが、これとは逆に、径 方向の内側および外側にそれぞれ配置しても よい。また、ステータ3、第1および第2のロー タ4,5を径方向に並ぶように配置し、いわゆる ラジアルタイプとして電動機1を構成してい� �が、ステータ3、第1および第2のロータ4,5を� �線方向に並ぶように配置し、いわゆるアキ� �ャルタイプとして電動機1を構成してもよい� ��

 次に、図16および図17を参照しながら、本 発明の第2実施形態による電動機31について説 明する。同図に示す電動機31は、第1実施形態 と異なり、リニアモータとして構成されてお り、搬送装置に適用されたものである。なお 、図16において、第1実施形態と同じ構成要素 については、同じ符号を用いて示している。 以下、第1実施形態と異なる点を中心に説明� �る。

 図16および図17に示すように、電動機31は� ��不動のケース32と、ケース32内に設けられた 第1ステータ33と、ケース32内に第1ステータ33� ��対向するように設けられた第2ステータ34と� ��両ステータ33,34の間に設けられた可動子35を 備えている。

 ケース32は、前後方向(図16の奥行き方向� �図17の上下方向)を長さ方向とする板状の底� �32aと、この底壁32aの両端部からそれぞれ上� �に延び、互いに対向する側壁32bおよび32cと� �一体に有している。

 第1ステータ33は、移動磁界を発生させる� ��のであり、図17に示すように、鉄芯33aと、� �の鉄芯33aに設けられたU相、V相およびW相の� �イル33c,33d,33eを有している。鉄芯33aは、複数 の鋼板を積層した直方体状のものであり、前 後方向に、ケース32の全体に延びており、ケ� ��ス32の側壁32bに取り付けられている。また� �鉄芯33aの第2ステータ34側の面には、多数の� �ロット33bが形成されており、これらのスロ� �ト33bは、上下方向に延びるとともに、前後� �向に等間隔に並んでいる。上記のU相~W相の� �イル33c~33eは、スロット33bに分布巻き(波巻き )で巻回されるとともに、前述した可変電源15 に接続されている。

 以上の構成の第1ステータ33では、可変電� ��15から電力が供給されたときに、鉄芯33aの� �2ステータ34側の端部に、多数の磁極が前後� �向に等間隔で発生する(図18参照)とともに、� ��れらの磁極による移動磁界が前後方向に移� ��する。以下、鉄芯33aに発生する磁極を、第1 実施形態と同様、「電機子磁極」という。な お、図18では、電機子磁極を、図5と同様、鉄 芯33aやU相~W相のコイル33c~33eの上に、(N)およ� �(S)で表記している。この場合、同図に示す� �うに、前後方向に沿う所定の区間INTにおけ� �電機子磁極の数は、値4である。

 第2ステータ34は、多数の永久磁石34aから� ��る磁極列を有している。これらの永久磁石3 4aは、前後方向に等間隔で並んでおり、この� ��極列は、第1ステータ33の鉄芯33aに対向して� ��る。各永久磁石34aは、直方体状に形成され� ��おり、その上下方向の長さが、鉄芯33aのそ� ��と同じに設定されている。また、永久磁石3 4aは、底壁32aの上面の右端部に(図16の右側を� ��右」)、固定部34bを介して取り付けられると ともに、側壁32cに取り付けられている。この 固定部34bは、軟磁性体、例えば鉄で構成され ている。このように鉄で構成された固定部34b に永久磁石34aが取り付けられているので、各 永久磁石34aには、第1ステータ33側の端部に、 (N)または(S)の1つの磁極が現れる。なお、図17 および図18では、図3と同様、永久磁石34aの磁 極(以下、第1実施形態と同様「磁石磁極」と� ��う)を、(N)および(S)で表記している。また、 図18に示すように、前後方向に隣り合う各2つ の永久磁石34aの極性は、互いに異なっており 、所定の区間INTにおける永久磁石34aの数は、 値8である。

 可動子35は、第1および第2のステータ33,34� ��上方に設けられた天板35aと、この天板35aに� ��けられた6個のコア35bから成る軟磁性体列を 有している。天板35aの前後方向および左右方 向の大きさは、ケース32よりも小さくなって� ��り、第1および第2のステータ33,34の一部を覆 っている。

 各コア35bは、軟磁性体、例えば複数の鋼� ��を積層した直方体状のものであり、その上� ��方向の長さが、鉄芯33aのそれと同じに設定� ��れている。また、6個のコア35bは、それぞれ の上端部に設けられた連結部35cを介して、天 板35aで連結されており、前後方向に等間隔で 並んでいる。さらに、コア35bから成る軟磁性 体列は、第1ステータ33の鉄芯33aと第2ステー� �34の磁極列との間に、それぞれ所定の間隔を 隔てて配置されている。また、各コア35bの底 部には、車輪35dが設けられている。コア35bは 、この車輪35dを介して底壁32aの上面のレール (図示せず)に載置されており、それにより、� ��ア35bを含む可動子35は、前後方向に移動自� �であるとともに、左右方向に移動不能にな� �ている。なお、図17および図18では、便宜上� ��連結部35cを省略している。

 なお、本実施形態では、第2ステータ34が� ��本発明における第1構造体に相当するととも に、永久磁石34aが本発明における磁極に相当 する。また、第1ステータ33が本発明における 第2構造体に相当するとともに、鉄芯33aおよ� �U相~W相のコイル33c~33eが、本発明における電� ��子に相当する。さらに、可動子35が本発明� �おける第3構造体に相当するとともに、コア3 5bが本発明における軟磁性体に相当する。

 また、電動機31には、光学式の位置セン� �41(相対位置関係検出手段)が設けられており� ��この位置センサ41は、第1ステータ33の特定� �U相コイル33cに対する可動子35の特定のコア35 bの位置(以下「可動子位置」という)を表す検 出信号を、ECU16に出力する。ECU16は、検出さ� �た可動子位置に応じ、可動子35と第1および� �2のステータ33,34との相対的な位置関係を求� �るとともに、この位置関係に基づいて、U相~ W相のコイル33c~33eへの通電を制御し、それに� ��り、移動磁界を制御する。この制御は、よ� ��具体的には、以下のようにして行われる。

 図18に示すように、所定の区間INTでは、� �1実施形態と同様、電機子磁極が4個、磁石磁 極が8個、コア35bが6個である。すなわち、電� ��子磁極の数と磁石磁極の数とコア35bの数と� ��比は、1:2:(1+2)/2に設定されている。本実施� �態では、永久磁石34aが移動不能に構成され� �いることと、前記式(39)から、移動磁界のベ� ��トルの電気角度位置(以下「磁界電気角度位 置θMFM」という)は、θMFM=3・θEMが成立するす� ��ように制御される。このθEMは、可動子位置 を電気角度位置に換算した値(以下「可動子� �気角度位置」という)であり、具体的には、� ��出された可動子位置に電機子磁極の極対数� ��すなわち値2を乗算した値である。なお、こ の制御は、第1実施形態と同様、ベクトル制� �によりU相~W相のコイル33c~33eに流れる電流を� ��御することによって行われる。

 以上により、移動磁界の電気角速度(以下 「磁界電気角速度ωMFM」という)は、ωMFM=3・ω EMが成立するするように制御される。このωEM は、可動子電気角度位置θEMの時間微分値で� �り、可動子35の移動速度を電気角速度に換算 した値(以下「可動子電気角速度」という)で� ��る。また、第1ステータ33に供給された電力� ��よび磁界電気角速度ωMFMと等価の推力を、� �動用等価推力FSEとすると、この駆動用等価� �力FSEと、可動子35に伝達される推力(以下「� �動子伝達推力」という)FMの関係は、前記式(4 1)から、FSE=-FM/3で表される。

 以上のように、本実施形態によれば、第1 実施形態と同様、6個のコア35bから成る単一� �軟磁性体列だけで電動機31を作動させること ができるので、電動機31の小型化および製造� ��ストの削減を図ることができる。また、所� ��の区間INTにおける電機子磁極の極対数に対� ��る磁石磁極の極対数の比を設定することに� ��って、磁界電気角速度ωMFMおよび可動子電� �角速度ωEMの関係と、駆動用等価推力FSEおよ� ��可動子伝達推力FMの関係を自由に設定でき� �したがって、電動機31の設計の自由度を高め ることができる。

 さらに、磁界電気角度位置θMFMを、θMFM=3� ��θEMが成立するように制御するので、電動機 31の適正な動作を確保することができる。ま� ��、第1実施形態と同様、永久磁石34aの磁極を 用いるので、電動機31のさらなる小型化や構� ��の単純化を図ることができる。

 なお、電動機31を次のようにして構成し� �もよい。すなわち、第2ステータ34の複数の� �久磁石34aを天板35aとは別の天板で連結する� �とで第2可動子を構成するとともに、この第2 可動子を、ケース32に対して前後方向に移動� ��在に設ける。そして、第1実施形態と同様に 、可動子35および第2可動子の少なくとも一方 から動力を出力するようにしてもよい。それ に加え、第1ステータ33の鉄芯33aを天板に取り 付けることで第3可動子を構成するとともに� �この第3可動子を、ケース32に対して前後方� �に移動自在に構成してもよい。そして、第1� ��施形態で述べたように、可動子35や、第2可� ��子、第3可動子から動力を出力するようにし てもよい。

 上記のように第2可動子を設ける場合には 、可動子35の可動子位置に加え、特定のU相コ イル33cに対する第2可動子の特定の永久磁石34 aの位置をセンサなどで検出するとともに、� �動子位置と検出された第2可動子の位置に応� ��、式(39)に基づいて、磁界電気角度位置θMFM� ��算出される。そして、算出した磁界電気角� ��位置θMFMが回動磁界の制御に用いられる。

 また、第2実施形態では、可動子位置とし て、特定のU相コイル33cに対する特定のコア35 aの位置を検出しているが、第1ステータ33に� �する可動子35の位置を表すのであれば、他の 部位の位置を検出してもよい。例えば、特定 のV相コイル33dや、特定のW相コイル33e、ケー� ��32の特定の部位に対する、天板35aなどの特� �の部位の位置を可動子位置として検出して� �よい。このことは、上述したように第2可動� ��や、第3可動子を設けた場合にも同様に当て はまる。

 なお、本発明は、説明した実施形態に限� ��されることなく、種々の態様で実施するこ� ��ができる。例えば、実施形態では、1つの磁 極を、単一の永久磁石4a,34aの磁極で構成して いるが、複数の永久磁石の磁極で構成しても よい。例えば、2つの永久磁石の磁極がステ� �タ3(第1ステータ33)側で近づき合うように、� �れらの2つの永久磁石を逆V字状に並べること により、1つの磁極を構成することによって� �磁力線MLの指向性を高めることができる。ま た、実施形態における永久磁石4a,34aに代えて 、電磁石や移動磁界を発生可能な電機子を用 いてもよい。さらに、実施形態では、U相~W相 のコイル3c~3e、33c~33eをスロット3b、33bに分布� ��きで巻回しているが、これに限らず、集中� ��きでもよい。また、実施形態では、コイル3 c~3e、33c~33eを、U相~W相の3相コイルで構成して いるが、移動磁界(回転磁界)を発生できれば� ��このコイルの相数はこれに限らず、任意で� ��る。

 さらに、スロット3b、33bの数として、実� �形態で示した以外の任意の数を採用しても� �いことはもちろんである。また、実施形態� �は、スロット3b、33bや、永久磁石4a、34a、コ� ��5b、35bを等間隔に配置しているが、不等間� �に配置してもよい。さらに、実施形態では� �電機子磁極が4個、磁石磁極が8個、コア5a、3 5bが6個であるが、これらの数の比が1:m:(1+m)/2( m≠1.0)を満たすものであれば、電機子磁極、� ��石磁極およびコア5a、35bの数として、任意� �数を採用可能である。また、実施形態では� �第1回転位置センサ21や、第2回転位置センサ2 2、位置センサ41は、電磁誘導式のものである が、光学式のものでもよい。さらに、実施形 態では、本発明における制御手段として、ECU 16を用いているが、マイクロコンピュータと� ��気回路を組み合わせたものを用いてもよい� ��その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の� ��成を適宜、変更することが可能である。