本发明涉及旋转电机。
背景技术：
专利文献1公开了如下技术，具有：第1定子，其配设有多相的第1定子绕组；第1转子，其配设于第1定子的径向内侧，配设有多相的第1转子绕组；以及第3转子，其配置于第1定子与第1转子之间，配设有永磁铁，以比第3转子快的转速驱动第1转子(转差率为负的状态)，从而将第1转子的再生转矩作为反作用转矩传递到第3转子。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：特开2009-73472号公报
技术实现要素：
发明要解决的问题
然而，在这种旋转电机中，在第1转子的再生转矩低的情况下，必须使电流流到第1转子绕组而使第1转子的再生转矩提高，或者增加第3转子中内置的永磁铁的数量。
在使电流流到第1转子绕组的情况下，需要通过集电环使电流流动，在坚固性、维护的容易性方面存在问题。如果增加第3转子中内置的磁铁数量，则有大量的磁铁所带来的高成本的问题。
因此，本发明的目的在于，提供能确保坚固性、维护的容易性并且能以低成本输出高转矩的旋转电机。
用于解决问题的方案
为了解决上述问题，本发明的旋转电机具备：定子，其具有集中卷绕式的电枢线圈，该电枢线圈产生电枢磁通；外转子，其配置在上述定子的径向内侧，在上述电枢磁通通过时旋转；以及内转子，其配置在上述外转子的径向内侧，上述外转子具有卷绕有感应线圈和励磁线圈的多个外齿，上述感应线圈由上述电枢线圈所产生的磁通的高次谐波成分产生感应电流，上述励磁线圈在上述感应电流通过时产生磁场，上述内转子具有卷绕有激励线圈的多个内齿，上述激励线圈由通过上述外齿的上述电枢磁通和在上述励磁线圈产生的磁通励磁。
发明效果
这样，根据本发明，能提供能确保坚固性、维护的容易性，并且能以低成本输出高转矩的旋转电机。
附图说明
图1是用与旋转轴正交的平面将本发明的一个实施例的旋转电机切断的截面图。
图2是详细示出本发明的一个实施例的旋转电机的截面图。
图3是示出本发明的一个实施例的旋转电机的盖构件的立体图。
图4是详细示出本发明的一个实施例的旋转电机的内转子的截面图。
图5是本发明的一个实施例的旋转电机的内转子的激励线圈的接线图。
图6是示出本发明的一个实施例的旋转电机的感应线圈及励磁线圈与二极管的接线的示意图。
图7是示出在本发明的一个实施例的旋转电机中产生的磁通密度和磁通线的截面图。
图8是示出在本发明的一个实施例的旋转电机中产生的2次空间谐波的磁通密度和磁通线的截面图。
图9是示出本发明的一个实施例的旋转电机的电流相位转矩特性的坐标图。
图10是示出具备本发明的一个实施例的旋转电机的混合驱动系统的构成的图。
图11是本发明的一个实施例的旋转电机的共线图。
图12是用与旋转轴正交的平面将具备永磁铁的现有的旋转电机切断的截面图。
图13是示出图12所示的旋转电机的电流相位转矩特性的坐标图。
图14是用与旋转轴正交的平面将减少了永磁铁的现有的旋转电机切断的截面图。
图15是示出图14所示的旋转电机的电流相位转矩特性的坐标图。
附图标记说明
1：旋转电机
10：定子
12：电枢线圈
13：定子齿
20：外转子
21：外齿
22：感应线圈
23：励磁线圈
24：桥部
25：感应极
26：凸缘部
27：盖构件
27b：卡止部
30：内转子
32：激励线圈
33：内齿
34：槽
50：整流电路
具体实施方式
本发明的一个实施方式的旋转电机具备：定子，其具有产生电枢磁通的集中卷绕的电枢线圈；外转子，其配置在定子的径向内侧，在电枢磁通通过时旋转；以及内转子，其配置在外转子的径向内侧，外转子具有卷绕有感应线圈和励磁线圈的多个外齿，该感应线圈根据电枢线圈所产生的磁通的高次谐波成分而产生感应电流，该励磁线圈在感应电流通过时产生磁场，内转子具有卷绕有激励线圈的多个内齿，该激励线圈与通过外齿的电枢磁通和由励磁线圈产生的磁通交链进行励磁。
由此，本发明的一个实施方式的旋转电机能确保坚固性、维护的容易性，并且以低成本输出高转矩。
[实施例]
以下，参照附图详细说明本发明的实施例的旋转电机。
在图1中，本发明的一个实施例的旋转电机1具备：形成为大致圆筒形状的定子10、隔着气隙与定子10相对地配置在定子10的径向内侧的外转子20以及隔着气隙与外转子20相对地配置在外转子20的径向内侧的内转子30。外转子20和内转子30以旋转轴40为旋转中心分别支撑于未图示的电动机箱体并且能相对旋转。
此外，“径向”是与旋转轴40延伸的方向正交的方向，表示以旋转轴40为中心的辐射方向。“径向外侧”是径向上远离旋转轴40的一侧，“径向内侧”是径向上靠近旋转轴40的一侧。
另外，“周向”表示以旋转轴40为中心的圆周方向。另外，“轴向”表示旋转轴40延伸的方向。
(定子)
在图2中，定子10具备定子铁芯11和电枢线圈12。图2示出机械角360度中的90度(1/4)的径向截面图。定子铁芯11包括高磁导率的磁性构件，例如包括将多个电磁钢板在轴向上层叠而成的构件。
在定子铁芯11的径向内侧即与外转子20相对的一侧形成有多个定子齿13。定子齿13从定子铁芯11向径向内侧突出，在周向上按规定的间隔形成有多个。
在周向上相邻的定子齿13之间形成有作为槽状空间的槽14。槽14中收纳有与三相交流电的w相、v相、u相对应的电枢线圈12。电枢线圈12通过集中卷绕而卷绕于定子齿13。电枢线圈12在通电时产生磁通(电枢磁通)。
定子10向电枢线圈12提供三相交流电从而产生在周向上旋转的旋转磁场。该定子10使所产生的电枢磁通与外转子20交链从而驱动外转子20旋转。
如上所述，在定子10中，电枢线圈12集中卷绕于定子齿13。因此，在向电枢线圈12提供三相交流电的情况下，在定子10中除了产生与外转子20的旋转同步旋转的旋转磁场以外，还会产生与外转子20的旋转非同步的高次谐波旋转磁场。该高次谐波旋转磁场中包含静止坐标系下的2次空间谐波(同步旋转坐标系下的3次时间谐波)。因此，在由定子10产生的磁通中会叠加有高次谐波成分。
(外转子)
外转子20具备外齿21、感应线圈22、励磁线圈23以及桥部24。
外齿21包括磁导率高的钢材等磁性体，在内部形成磁路。桥部24与外齿21形成为一体，将在周向上相邻的外齿21之间连接。因此，在周向上相邻的外齿21之间由桥部24连接。
在桥部24的周向的中心部分形成有从桥部24向径向外侧延伸的感应极25。优选感应极25配置于在周向上相邻的外齿21之间的各q轴(参照图6)上。
感应极25从桥部24延伸到比外转子20的径向外侧的面(外周面)靠内侧的规定位置。在感应极25的顶端部25a形成有在轴向上贯通顶端部25a的贯通孔25b。
上述外齿21、桥部24以及感应极25例如是将多个电磁钢板在轴向上层叠从而形成为一体的。
在外齿21的径向内侧即与内转子30相对的一侧设有凸缘部26。该凸缘部26的径向内侧的面(内周面)隔着气隙与内转子30的后述的内齿33的外周面相对。在周向上相邻的外齿21的凸缘部26之间设有规定的空隙。该空隙的距离设定为：即使在对励磁线圈23提供电流而使外齿21磁化的情况下，在相邻的凸缘部26间也不会流过磁通。
因此，能防止来自通过外齿21的定子10的电枢磁通、由外齿21产生的磁通经过凸缘部26流到相邻的外齿21。因此，能使大量电枢磁通、由外齿21产生的磁通与内转子30交链。
感应线圈22以集中卷绕的方式卷绕于外齿21的桥部24的径向外侧，即卷绕于定子10侧。上述感应极25位于绕在周向上相邻的外齿21上的感应线圈22之间。在周向上相邻的感应线圈22以在周向上成为反向的卷绕绕组的方式卷绕于外齿21。
感应线圈22根据在定子10侧产生的磁通中叠加的高次谐波成分而产生感应电流。具体地说，当三相交流电提供到电枢线圈12而在定子10中产生旋转磁场时，在定子10侧产生的高次谐波成分的磁通与感应线圈22交链。由此，感应线圈22产生感应电流。
在感应线圈22的径向外侧以覆盖感应线圈22的方式设有盖构件27。盖构件27例如由不锈钢制成并形成板状。在外齿21的径向外侧的顶端部21a以在轴向上延伸的方式形成有槽21b，槽21b的周向的侧面供盖构件27的周向的端部嵌入。盖构件27的周向的端部从轴向嵌入槽21b，由此盖构件27被保持在相邻的外齿21间。
如图3所示，盖构件27在被保持于外齿21间时的周向大致中央的轴向(图3中为上下方向)两端侧形成有狭缝27a。在盖构件27的周向大致中央，在狭缝27a内形成有向狭缝27a的开口端突出的卡止部27b。在卡止部27b的顶端部设有卡止孔27c。
卡止部27b和卡止孔27c被形成为：在盖构件27被保持于外齿21间而卡止部27b向径向内侧折弯时，卡止孔27c与感应极25的贯通孔25b的位置重叠。在重叠的卡止孔27c和贯通孔25b中沿轴向将销插通，从而在中央部分将盖构件27卡止。由此，感应线圈22保持于外转子20而不会被离心力破坏。
在图2中，励磁线圈23以集中卷绕的方式卷绕于外齿21的桥部24的径向内侧，即卷绕于内转子30侧。在周向上相邻的励磁线圈23以在周向上成为反向的卷绕绕组的方式卷绕于外齿21。卷绕于同一个外齿21的感应线圈22和励磁线圈23卷绕成方向相同的卷绕绕组。
由感应线圈22产生的交流电流利用后述的整流电路50(参照图6)整流为直流电流而提供给励磁线圈23。
(内转子)
在图4中，内转子30具备转子铁芯31和激励线圈32。图4示出机械角360度中的90度(1/4)的径向截面图。转子铁芯31包括高磁导率的磁性构件，例如包括将多个电磁钢板在轴向上层叠而成的构件。
在转子铁芯31的径向外侧即与外转子20相对的一侧形成有多个内齿33。内齿33从转子铁芯31向径向外侧突出，并且在周向上以等间隔形成有多个。
在周向上相邻的内齿33之间形成有作为槽状空间的槽34。槽34中收纳有与三相交流电的各相对应的激励线圈32。
如图5所示，激励线圈32按三相y型接线。激励线圈32中设有切换使三相y型接线短接和断开的开关32a、32b。该开关32a、32b按如下方式切换：在内转子30的转速为规定转速以上的高旋转时短接，在内转子30的转速低于规定转速时断开。开关32a、32b例如能使用利用内转子30的旋转所产生的离心力而机械式地切换短接和断开的开关。
(整流电路)
旋转电机1具备将由感应线圈22产生的交流的感应电流整流为直流而提供给励磁线圈23的整流电路50。
如图6所示，整流电路50具备2个二极管d1、d2作为整流元件，将这些二极管d1、d2、2个感应线圈22以及2个励磁线圈23连接而构成闭合电路。
整流电路50以收纳于例如未图示的接线基盘的状态设于外转子20。整流电路50也可以安装于外转子20的内部。
在整流电路50中，用二极管d1、d2的共阴极型中性点钳式二极管模块对分别由2个感应线圈22产生的交流的感应电流进行半波整流，将全波整流后的阴极侧与励磁线圈23连接，从而能高效地将2次空间谐波活用作励磁能量源。2个励磁线圈23在被提供直流电流时产生感应磁通。
(旋转电机的作用)
在本实施例的旋转电机1中，使在具备集中卷绕的电枢线圈12的定子10中不可避免地产生的静止坐标系下的2次空间谐波(在基波同步旋转坐标系上为3次时间谐波)与突极结构的外转子20的感应线圈22交链而产生感应电流。由感应线圈22产生的交流的感应电流通过整流电路50整流为直流电流而提供给励磁线圈23。励磁线圈23在被提供直流电流时产生感应磁通。
因此，旋转电机1能活用定子10的旋转磁场的磁阻转矩和励磁线圈23的自励式电磁铁转矩。另外，能不使用永磁铁，能实现成本降低。
而且，外转子20的磁路是开放磁路，因此成为配置于内转子30的激励线圈32容易与定子10的电枢线圈12的电枢磁通和外转子20的励磁线圈23的励磁磁通发生交链的结构。
通过成为开放磁路的外转子20以基波频率进行旋转的电枢线圈12的电枢磁通和励磁线圈23的励磁磁通的旋转磁场在内转子30中发生交链而成为励磁源。通过相对于该励磁源的旋转磁场滑动(内转子30比旋转磁场慢或者快地旋转)从而在内转子30的激励线圈32中产生感应电流，在内转子30中产生转矩。
内转子30比基波旋转磁场快地旋转(即负转差率)从而在内转子30中产生再生转矩，在外转子20中产生作为反作用转矩的动力运转转矩。由此，外转子20除了能得到利用电枢线圈12的电枢磁通产生的转矩以外，还能得到在内转子30与外转子20间发生电磁耦合而产生的电磁转矩。
以往，转子中内置的永磁铁成为励磁源，难以改变励磁磁动势，而在本实施例中，通过改变电枢磁通(即改变电枢线圈12中流过的电流)，能改变内转子30的励磁磁通。
因此，不需要在内转子30的激励线圈32中流过电流来得到可变速特性，能实现系统的简化，能确保坚固性、维护的容易性，并且能输出高转矩。
另外，以往，高次谐波磁通与内转子30的激励线圈32交链会导致发生高次谐波铜损，而通过整流电路50进行自励，能瞬间消除高次谐波，减少与内转子30交链的高次谐波。
另外，将外转子20设为开放磁路，在外齿21的凸缘部26之间设有空隙，为了提高机械强度而具备最小宽度的桥部24，由于设为这种构成，因此能减少径向的串联磁阻并且增大周向的并联磁阻，能使与内转子30交链的磁通量增大。
如图7所示，可知在本实施例的旋转电机1中，定子10的电枢磁通经过外齿21而大量与内转子30的激励线圈32发生了交链。
这样，使外转子20的并联磁阻为最大，使串联磁阻为最小，因此能防止电磁耦合量的降低并且使外转子20的转矩增加。
另外，在桥部24的中央部(q轴)设有感应极25，因此能使2次空间谐波大量与感应线圈22交链，能使2次空间谐波的自励磁量增加。
如图8所示，可知在本实施例的旋转电机1中，利用感应极25使2次空间谐波大量与感应线圈22发生了交链。
(与现有的旋转电机的比较)
在图12中，现有的旋转电机100具备：定子110，其在向径向内侧突出的多个定子齿113上卷绕有电枢线圈112；磁铁转子120，其具备配置于径向外侧的永磁铁121和配置于径向内侧的永磁铁122；以及感应转子130，其在向径向外侧突出的转子齿133上卷绕有激励线圈132。
图13示出了使如图12所示的现有的旋转电机100的磁铁转子120(pm)以1000r/min进行旋转，使感应转子130(im)以1000r/min(转差率s＝0)、2000r/min(转差率s＝-1)、3000r/min(转差率s＝-2)驱动时的磁铁转子120(pm)与感应转子130(im)的电流相位转矩特性。
如图13所示，感应转子130以负转差率旋转而产生再生转矩，由此反作用转矩会作用于磁铁转子120，能确认转矩增加了，但是感应转子130与磁铁转子120的电磁耦合弱，无法传递足够的转矩。
在图14中，现有的旋转电机200具备与图12同样的定子110；去掉了图12的磁铁转子120的永磁铁122而形成为永磁铁121这一层的磁铁转子220；以及在向径向外侧突出的转子齿233上卷绕有激励线圈232的感应转子230。图14示出机械角360度中的45度(1/8)的径向截面图。
这样，图15示出为了解决磁铁量多的问题而使永磁铁为一层的旋转电机200的磁铁转子220(pm)与感应转子230(im)的电流相位转矩特性。
如图15所示，在使永磁铁为一层的情况下，与感应转子230交链的磁通量大幅度降低，而且感应转子230与磁铁转子220的电磁耦合力降低，感应转子230的再生转矩降低。此外，为了比较，设计为与图12所示的旋转电机2相同体积，由于磁铁转子220的永磁铁为一层，因而能使内径扩大，感应转子230的外径增大。定子110的外径是共同的。
图9是示出本实施例的电流相位转矩特性的坐标图。在图9中，在被右侧的方框包围的部分，记为“wf500r/min”的线是使外转子20(wf)以500r/min，内转子30(im)以1000r/min向相同方向旋转时的特性。
同样，记为“wf1000r/min”的线是使外转子20以1000r/min，内转子30以2000r/min向相同方向旋转时的特性。记为“wf2000r/min”的线是使外转子20以2000r/min，内转子30以4000r/min向相同方向旋转时的特性。记为“wf3000r/min”的线是使外转子20以3000r/min，内转子30以5000r/min向相同旋转时的特性。
这样，通过使外转子20为开放磁路，定子10的电枢磁通大量与内转子30交链，因此内转子30的再生转矩增加了。可知由于内转子30的再生转矩增加，外转子20的转矩大幅度增加了。
此外，为了进行比较，图9所示的本实施例的电流相位转矩特性是将本实施例的旋转电机1按与图12、图14的现有的旋转电机相同的定子外径设计时的结果。
(应用了本实施例的旋转电机的混合驱动系统)
在图10中，旋转电机1与发动机2、电池3、逆变器4、驱动轴5一起构成混合驱动系统8。
内转子30的输出轴30a通过离合器6与发动机2连结。离合器6能在将发动机2的曲轴的旋转传递到内转子30的输出轴30a的传递状态与切断从发动机2的曲轴向内转子30的输出轴30a传递旋转的切断状态之间切换。
内转子30在离合器6处于传递状态时与发动机2的曲轴一体旋转。
在内转子30的输出轴30a上设有盘式制动器7。盘式制动器7对内转子30的输出轴30a施加机械制动力。
外转子20的输出轴20a与驱动轴5连结，外转子20与驱动轴5一体旋转。
电池3包括二次电池，与逆变器4连接。逆变器4与定子10的电枢线圈12连接。逆变器4将从电池3取得的直流的电力转换为三相交流电流的电力，将该三相交流电流的电力提供给电枢线圈12。
在这种混合驱动系统8中，通过按比使定子10励磁的基波旋转磁场快的速度使发动机2旋转，能将发动机2的机械能量通过电磁耦合传递到驱动轴5。
在该混合驱动系统8中，在使发动机2停止而不使内转子30旋转的ev模式时，控制为内转子30的激励线圈32开放，由此不产生制动转矩，能构件高效的混合驱动系统。
如图11所示，在本实施例的旋转电机1中，定子10的旋转磁场与外转子20及驱动轴5同步旋转。内转子30在使发动机2驱动的hev模式时，利用发动机2以比定子10的旋转磁场和外转子20的旋转快地进行旋转。由此，在内转子30中产生再生转矩，在外转子20中产生作为反作用转矩的动力运转转矩，能使外转子20的转矩增大。
在ev模式时，例如离合器6为切断状态，利用盘式制动器7进行制动，内转子30被控制为不旋转。
在本实施例中，将旋转电机1应用于径向间隙型的旋转电机，但是也可以应用于轴向间隙型的旋转电机。
另外，也可以构成为将定子配置在径向内侧，将具备感应线圈和励磁线圈的第1转子配置在定子的径向外侧，将具备激励线圈的第2转子配置在第1转子的径向外侧。
另外，在定子10的电枢线圈12中流过的电流不限于三相，也可以是更多的多相。另外，也可以在在激励线圈32中流过电流而进行二次励磁。另外，优选激励线圈32为三相y型接线，但是也可以是笼型转子结构。
虽然公开了本发明的实施例，但是显然本领域技术人员可以不脱离本发明的范围地加以变更。希望将所有这种修改和等价物包含于权利要求中。