(57)【要約】【課題】  エネルギー効率の良い磁束量可変回転電機システムを提供する。【解決手段】  二つの回転子が電機子の軸方向両端に配置された構造であり，回転子表面には互いに磁気的に離隔された第一，第二磁性体突極を周方向に交互に有し，二つの回転子に於ける第一磁性体突極同士が電機子を介して軸方向に並ぶ構造であり，さらに二つの回転子に於ける第一磁性体突極同士を外周側で磁気的に繋ぐ磁性体外筒，第二磁性体突極同士を磁気的に繋ぐ磁性体内筒を有して磁性体外筒，磁性体内筒には界磁磁石を配置する。更に磁性体外筒と電機子間，電機子と磁性体内筒間に励磁コイルを有し，励磁コイルにより界磁磁石の磁化を不可逆的に変え，電機子コイルと鎖交する磁束量を制御する事が出来る。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子，電機子，回転子が軸方向に微小間隙を介してこの順で並び，それぞれの回転子は電機子との対向面に於いて少なくとも磁気的な空隙を含む離隔部分を介して互いに離隔された第一磁性体突極及び第二磁性体突極を周方向に交互に有すると共に二つの回転子の第一磁性体突極同士は電機子を介して軸方向に対向するよう構成され，電機子は軸とほぼ平行な磁性体歯と，磁性体歯に巻回された電機子コイルとが互いに磁気的に離隔されるよう周方向に配置されて磁性体歯の軸方向両端でそれぞれ回転子と対向し，二つの回転子と，電機子とが相対的に回転可能に構成された回転電機装置であって，さらにそれぞれの回転子の第一磁性体突極同士を互いに異極に磁化する第一励磁部と，それぞれの回転子の第二磁性体突極同士を互いに異極に磁化する第二励磁部とを有し，第一励磁部は電機子の外周に配置されると共に両端が二つの回転子の第一磁性体突極とそれぞれ磁気的に結合された磁性体外筒と，磁性体外筒を含む二つの回転子の第一磁性体突極間の磁路を二分するよう配置された界磁磁石とを有して構成され，第二励磁部は電機子の内周に配置されると共に両端が二つの回転子の第二磁性体突極とそれぞれ磁気的に結合された磁性体内筒と，磁性体内筒を含む二つの回転子の第二磁性体突極間の磁路を二分するよう配置された界磁磁石とを有して構成される事を特徴とする回転電機システム
【請求項２】
請求項１記載の回転電機システムに於いて，さらに第一励磁部は磁性体外筒の内周側に電機子を巻回するよう配置された励磁コイルを有し，第二励磁部は電機子の内周側に磁性体内筒を巻回するよう配置された励磁コイルを有し，励磁コイルに供給する電流によって界磁磁石の磁化状態を変更及び或いは励磁コイルの生成する磁束量を変えて電機子を流れる磁束量を変える事を特徴とする回転電機システム
【請求項３】
請求項１記載の回転電機システムに於いて，第一磁性体突極と第二磁性体突極間に配置される離隔部分の磁気抵抗は電機子と二つの回転子との微小間隙に於ける磁気抵抗の和より大となるよう前記離隔部分の対向面積と厚みとが設定されている事を特徴とする回転電機システム
【請求項４】
請求項１記載の回転電機システムに於いて，第一磁性体突極及び第二磁性体突極間の離隔部分は永久磁石を含んで第一磁性体突極及び第二磁性体突極は互いに異なる極性に磁化され，且つ二つの回転子の第一磁性体突極同士は互いに異なる極性として電機子を介して軸方向に対向するよう構成される事を特徴とする回転電機システム
【請求項５】
請求項４記載の回転電機システムに於いて，第一磁性体突極及び第二磁性体突極間に配置された永久磁石は，磁性体と磁性体の二つの側面に配置された略同方向の磁化を有する永久磁石とで構成された集合磁石であって，集合磁石を構成する前記磁性体は更に非磁性体を介して第一磁性体突極及び第二磁性体突極から離隔されるよう構成される事を特徴とする回転電機システム
【請求項６】
請求項４記載の回転電機システムに於いて，第一磁性体突極及び第二磁性体突極間の離隔部分が含む永久磁石は界磁磁石より抗磁力が大である事を特徴とする回転電機システム
【請求項７】
請求項１記載の回転電機システムに於いて，第一及び第二励磁部に配置された界磁磁石の磁化方向長さは電機子と二つの回転子間の間隙長の和より大である事を特徴とする回転電機システム
【請求項８】
請求項１記載の回転電機システムに於いて，界磁磁石は磁化方向長さと抗磁力の積が異なる磁石要素の並列接続として構成され，界磁磁石は互いに逆方向である第一磁化，第二磁化の何れかの磁化を有する磁石要素を少なくとも有し，第一磁化を有する磁石要素は第一磁性体突極及び第二磁性体突極間に配置された永久磁石が第一磁性体突極及び第二磁性体突極を磁化する極性と同じ極性に第一磁性体突極及び第二磁性体突極を磁化する事を特徴とする回転電機システム
【請求項９】
回転子，電機子，回転子が軸方向に微小間隙を介してこの順で並び，それぞれの回転子は電機子との対向面に於いて少なくとも永久磁石を介して互いに離隔され且つ互いに異なる極性に磁化された第一磁性体突極及び第二磁性体突極を周方向に交互に有すると共に二つの回転子の第一磁性体突極同士は互いに異なる極性として電機子を介して軸方向に対向するよう構成され，電機子は軸とほぼ平行な磁性体歯と，磁性体歯に巻回された電機子コイルとが互いに磁気的に離隔されるよう周方向に配置されて磁性体歯の軸方向両端でそれぞれ回転子と対向し，二つの回転子と，電機子とが相対的に回転可能に構成された回転電機装置であって，さらにそれぞれの回転子の第一磁性体突極同士を互いに異極に磁化する第一励磁部と，それぞれの回転子の第二磁性体突極同士を互いに異極に磁化する第二励磁部とを有し，第一励磁部は電機子の外周に配置されると共に両端が二つの回転子の第一磁性体突極とそれぞれ磁気的に結合された磁性体外筒と，磁性体外筒を含む二つの回転子の第一磁性体突極間の磁路を二分するよう配置された界磁磁石と，磁性体外筒の内側に電機子を巻回するよう配置された励磁コイルとを有して構成され，第二励磁部は電機子の内周に配置されると共に両端が二つの回転子の第二磁性体突極とそれぞれ磁気的に結合された磁性体内筒と，磁性体内筒を含む二つの回転子の第二磁性体突極間の磁路を二分するよう配置された界磁磁石と，磁性体内筒を巻回するよう電機子より内周側に配置された励磁コイルとを有して構成され，回転電機装置の出力を最適化するよう前記出力に応じて励磁コイルに供給される電流により前記界磁磁石の磁化状態を変え，電機子に流れる磁束量が制御される事を特徴とする回転電機システム
【請求項１０】
請求項９記載の回転電機システムに於いて，さらに制御装置を有し，回転力を入力とし，発電電力を出力とする回転電機システムであって，第一磁性体突極及び第二磁性体突極間に配置された永久磁石が第一磁性体突極及び第二磁性体突極を磁化する極性と同じ極性に第一磁性体突極及び第二磁性体突極を磁化する界磁磁石内の磁石要素を第一磁化とし，電機子コイルに誘起される発電電圧が所定の値より大の時は制御装置により第一磁化の磁極面積を減じるよう界磁磁石を磁化する極性の磁化電流が励磁コイルに供給されて電機子を流れる磁束量が小とされ，電機子コイルに誘起される発電電圧が所定の値より小の時は制御装置により界磁磁石内の第一磁化の磁極面積を増すよう界磁磁石を磁化する極性の磁化電流が励磁コイルに供給されて電機子を流れる磁束量が大とされ，発電電圧が所定の値に制御される事を特徴とする回転電機システム
【請求項１１】
請求項９記載の回転電機システムに於いて，さらに制御装置を有し，電機子コイルへの供給電流を入力とし，回転力を出力とする回転電機システムであって，第一磁性体突極及び第二磁性体突極間に配置された永久磁石が第一磁性体突極及び第二磁性体突極を磁化する極性と同じ極性に第一磁性体突極及び第二磁性体突極を磁化する界磁磁石内の磁石要素を第一磁化とし，回転速度が所定の値より大で電機子を流れる磁束量を減少させる時には制御装置により第一磁化の磁極面積を減じるよう界磁磁石を磁化する極性の磁化電流が励磁コイルに供給されて第一磁化の磁極面積を減じて電機子を流れる磁束量が小とされ，回転速度が所定の値より小で電機子を流れる磁束量を増大させる時には制御装置により界磁磁石内の第一磁化の磁極面積を増すよう界磁磁石を磁化する極性の磁化電流が励磁コイルに供給されて電機子を流れる磁束量が大とされ，回転力が最適に制御される事を特徴とする回転電機システム
【請求項１２】
請求項９記載の回転電機システムに於いて，さらに制御装置を有し，電機子コイルへの供給電流を入力とし，回転力を出力とする回転電機システムであって，第一磁性体突極及び第二磁性体突極間に配置された永久磁石が第一磁性体突極及び第二磁性体突極を磁化する極性と同じ極性に第一磁性体突極及び第二磁性体突極を磁化する界磁磁石内の磁石要素を第一磁化とし，回転速度を減少させる場合には制御装置により電機子コイルにバッテリーを接続すると共に界磁磁石内の第一磁化の磁極面積を変えるよう界磁磁石を磁化する極性の磁化電流が励磁コイルに供給されて第一磁化の磁極面積を変えて電機子を流れる磁束量を変え，回転エネルギーが発電電力として取り出されると共に制動力が制御される事を特徴とする回転電機システム
【請求項１３】
回転子，電機子，回転子が軸方向に微小間隙を介してこの順で並び，それぞれの回転子は電機子との対向面に於いて少なくとも磁気的な空隙を介して互いに離隔された第一磁性体突極及び第二磁性体突極を周方向に交互に有すると共に二つの回転子の第一磁性体突極同士は電機子を介して軸方向に対向するよう構成され，電機子は軸とほぼ平行な磁性体歯と，磁性体歯に巻回された電機子コイルとが互いに磁気的に離隔するよう周方向に配置して磁性体歯の軸方向両端でそれぞれそれぞれ回転子と対向させ，二つの回転子と，電機子とが相対的に回転可能に構成された回転電機装置の磁束量制御方法であって，さらにそれぞれの回転子の第一磁性体突極を互いに異極に磁化する第一励磁部と，それぞれの回転子の第二磁性体突極を互いに異極に磁化する第二励磁部とを有し，第一励磁部は電機子の外周に配置すると共に両端が二つの回転子の第一磁性体突極とそれぞれ磁気的に結合した磁性体外筒と，磁性体外筒を含む二つの回転子の第一磁性体突極間の磁路を二分するよう配置した界磁磁石と，磁性体外筒の内側に電機子を巻回するよう配置した励磁コイルとを有して構成し，第二励磁部は電機子の内周に配置すると共に両端が二つの回転子の第二磁性体突極とそれぞれ磁気的に結合した磁性体内筒と，磁性体内筒を含む二つの回転子の第二磁性体突極間の磁路を二分するよう配置した界磁磁石と，磁性体内筒を巻回するよう電機子より内周側に配置した励磁コイルとを有して構成し，前記界磁磁石の磁化状態を励磁コイルに供給される電流によって不可逆的に変更するよう構成し，前記界磁磁石の磁化状態を変え，或いは及び励磁コイルに供給する電流を変えて電機子に流れる磁束量を制御する磁束量制御方法
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，永久磁石界磁を持つ発電機，電動機を含む回転電機システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石界磁と電機子との相対的回転によって電磁的に生ずる電力を取り出す発電機，或いは電機子に供給する電流によって生ずる磁界と永久磁石界磁との相互作用により永久磁石界磁と電機子との相対的回転を生ずる電動機等の回転電機装置はエネルギー効率に優れ，永久磁石の技術的進歩に伴い日常的に広く使われている。しかし強力な永久磁石はレアアース素材を必須とするが，資源が限られ，レアアース素材を使わない，或いはレアアースの使用量を少に出来る回転電機が望まれている。また，磁石励磁の回転電機は、界磁磁石からの磁束が一定であるので電動機として或いは発電機として用いられるにしても広い回転速度範囲で常に最適の出力が得られる訳ではなく，界磁制御もまた大きな課題である。
【０００３】
すなわち，電動機の場合は高速回転域では逆起電力（発電電圧）が高すぎる結果となって制御が困難となり，弱め界磁制御として界磁強度を弱める種々の手段が提案されている。また発電機の場合，広い回転速度範囲に於いて発電電圧を所定のレベルとする為に専ら界磁電流制御による定電圧発電機或いは半導体による発電電圧の定電圧化回路が用いられている。
【０００４】
電動機では進み位相電流による弱め界磁制御が広く採用されているが，エネルギー効率，制御範囲には限界がある。磁石励磁回転電機に於けるエネルギー効率の高さを犠牲にすることなく，回転電機の界磁制御を機械的な偏倚により行う試みがある（例えば特許第４２４３６５１号）。これは界磁条件を機械的な偏倚として保持できるので界磁制御に伴うエネルギー損失を最小限に留めて高エネルギー効率の回転電機を実現出来る。
【０００５】
エネルギー損失を最小限に留める他の界磁制御方法は，回転電機の運転中に界磁磁石の磁化状態を不可逆的に変更することであり，特開２００６−２８０１９５，特開２００８−０４８５１４，特開２００８−１２５２０１等の技術提案がある。これらは電機子と対向する回転子磁極を高低の抗磁力を持つ永久磁石で構成し，電機子コイルの作る磁界により低抗磁力の永久磁石の磁化を変更しようとしている。しかしながら，電機子コイルの作る駆動磁界に常に曝される位置への低抗磁力磁石の存在，また電機子コイルのみの作る磁界によって磁化変更可能な低抗磁力磁石の存在は予見し難い事故により前記永久磁石の磁化が不安定になる可能性が常にあり，システムの安定性には重大な懸念が残る。
【０００６】
アキシャルギャップ構造の回転電機装置に於ける界磁制御の提案としては，特開２００９−２７３２３１に電流励磁の提案例がある。しかし，この提案例では突極間に配置された永久磁石からの磁束が内周及び外周の磁性体円筒を介して短絡するので前記永久磁石から十分な磁束量を電機子側に供給できない場合がある。また，界磁制御に際して励磁コイルに常時電流を供給しなければならず，エネルギー効率面に課題が残る。
【０００７】
また，一方で電機子と対向する回転子の磁極にはエネルギー積が大のレアアース磁石を用いる事が多いが，コスト高であり，低コストを可能とする回転電機も求められている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって，本発明が解決しようとする課題は，レアアース素材を用いる磁石の使用量を小に出来る回転電機，界磁磁石の磁化を変えて強め，弱め界磁を実現する回転電機システム及び磁束量制御方法を提供する事である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１の発明による回転電機システムは，回転子，電機子，回転子が軸方向に微小間隙を介してこの順で並び，それぞれの回転子は電機子との対向面に於いて少なくとも磁気的な空隙を含む離隔部分を介して互いに離隔された第一磁性体突極及び第二磁性体突極を周方向に交互に有すると共に二つの回転子の第一磁性体突極同士は電機子を介して軸方向に対向するよう構成され，電機子は軸とほぼ平行な磁性体歯と，磁性体歯に巻回された電機子コイルとが互いに磁気的に離隔されるよう周方向に配置されて磁性体歯の軸方向両端でそれぞれ回転子と対向し，二つの回転子と，電機子とが相対的に回転可能に構成された回転電機装置であって，さらにそれぞれの回転子の第一磁性体突極同士を互いに異極に磁化する第一励磁部と，それぞれの回転子の第二磁性体突極同士を互いに異極に磁化する第二励磁部とを有し，第一励磁部は電機子の外周に配置されると共に両端が二つの回転子の第一磁性体突極とそれぞれ磁気的に結合された磁性体外筒と，磁性体外筒を含む二つの回転子の第一磁性体突極間の磁路を二分するよう配置された界磁磁石とを有して構成され，第二励磁部は電機子の内周に配置されると共に両端が二つの回転子の第二磁性体突極とそれぞれ磁気的に結合された磁性体内筒と，磁性体内筒を含む二つの回転子の第二磁性体突極間の磁路を二分するよう配置された界磁磁石とを有して構成される事を特徴とする。
【００１０】
回転子，電機子，回転子が軸方向に並ぶダブルロータ構造の回転電機装置である。電機子は軸とほぼ平行な磁性体歯と，磁性体歯に巻回された電機子コイルとが互いに磁気的に離隔されるよう周方向に配置されて磁性体歯の軸方向両端でそれぞれ回転子と対向する。それぞれの回転子は電機子との対向面に於いて少なくとも磁気的な空隙を介して互いに離隔された第一磁性体突極及び第二磁性体突極を周方向に交互に有すると共に二つの回転子の第一磁性体突極同士は互いに電機子を介して軸方向に対向するよう構成される。
【００１１】
二つの回転子の第一磁性体突極及び磁性体歯を含む磁路に磁束を供給するよう磁性体外筒及び界磁磁石が電機子の外周側に配置され，二つの回転子の第二磁性体突極及び磁性体歯を含む磁路に磁束を供給するよう磁性体内筒及び界磁磁石が電機子の内周側に配置される。第一及び第二励磁部はそれぞれの回転子内に於いて周方向に隣接する第一磁性体突極及び第二磁性体突極を互いに異極に磁化するよう構成する。第一磁性体突極及び第二磁性体突極はそれぞれ界磁磁石によって磁化されるが，界磁磁石は回転子の磁極外に配置されるのでスペース的に余裕があり，十分な長さを持つアルニコ磁石或いはフェライト磁石等の低抗磁力磁石を採用する事が出来る。
【００１２】
回転電機は電機子コイルへの電流を入力として回転力を出力とすれば電動機であり，回転力を入力として電機子コイルから電流を出力すれば発電機である。電動機或いは発電機に於いて最適の磁極構成は存在するが，可逆的であり，上記の回転電機システムは電動機，発電機の何れにも適用される。
【００１３】
請求項２の発明は，請求項１記載の回転電機システムに於いて，さらに第一励磁部は磁性体外筒の内周側に電機子を巻回するよう配置された励磁コイルを有し，第二励磁部は電機子の内周側に磁性体内筒を巻回するよう配置された励磁コイルを有し，励磁コイルに供給する電流によって界磁磁石の磁化状態を変更及び或いは励磁コイルの生成する磁束量を変えて電機子を流れる磁束量を変える事を特徴とする。
【００１４】
第一励磁部及び第二励磁部は更に励磁コイルを有し，励磁コイルに供給される電流により界磁磁石の磁化状態を不可逆的に変え，或いは励磁コイルに供給される電流により生成される磁束により電機子を流れる磁束量を制御する。また，励磁コイルに供給される電流により，界磁磁石の磁化状態を不可逆的に変え，界磁磁石の各磁化状態に於いて磁化状態を変えない程度の磁束調整電流を励磁コイルに供給して電機子を流れる磁束量を調整する。
【００１５】
請求項３の発明は，請求項１記載の回転電機システムに於いて，第一磁性体突極と第二磁性体突極間に配置される離隔部分の磁気抵抗は電機子と二つの回転子との微小間隙に於ける磁気抵抗の和より大となるよう前記離隔部分の対向面積と厚みとが設定されている事を特徴とする。
【００１６】
界磁磁石からの磁束は電機子を介する磁路と，磁性体外筒及び磁性体内筒を介する磁路とを介して環流する。第一磁性体突極及び第二磁性体突極間の離隔部分の磁気抵抗を電機子と二つの回転子との微小間隙に於ける磁気抵抗の和より大に設定して界磁磁石からの磁束の大部分が電機子を介して流れるよう設定する。磁気的な間隙に於ける磁気抵抗は対向面積に逆比例し，間隙長に比例する。第一磁性体突極及び第二磁性体突極間の離隔部分が永久磁石を含む場合は永久磁石を非磁性体と見なして磁気抵抗を計算する。
【００１７】
請求項４の発明は，請求項１記載の回転電機システムに於いて，第一磁性体突極及び第二磁性体突極間の離隔部分は永久磁石を含んで第一磁性体突極及び第二磁性体突極は互いに異なる極性に磁化され，且つ二つの回転子の第一磁性体突極同士は互いに異なる極性として電機子を介して軸方向に対向するよう構成される事を特徴とする。第一磁性体突極及び第二磁性体突極間の離隔部材に永久磁石を配置して第一磁性体突極及び第二磁性体突極を介して磁性体歯に流れる磁束量を増す構成である。
【００１８】
請求項５の発明は，請求項４記載の回転電機システムに於いて，第一磁性体突極及び第二磁性体突極間に配置された永久磁石は，磁性体と磁性体の二つの側面に配置された略同方向の磁化を有する永久磁石とで構成された集合磁石であって，集合磁石を構成する前記磁性体は更に非磁性体を介して第一磁性体突極及び第二磁性体突極から離隔されるよう構成される事を特徴とする。両側に略同じ方向の磁化を持つ永久磁石が配置された磁性体は磁気的に永久磁石と等価な集合磁石である。集合磁石の磁性体部分には非磁性体を配置して第一磁性体突極及び第二磁性体突極から離隔されるよう構成する。
【００１９】
請求項６の発明は，請求項４記載の回転電機システムに於いて，第一磁性体突極及び第二磁性体突極間の離隔部分が含む永久磁石は界磁磁石より抗磁力が大である事を特徴とする。第一及び第二励磁部の励磁コイルが発生させる磁束の一部は界磁磁石と，第一磁性体突極及び第二磁性体突極間に配置されている永久磁石とを直列に接続する磁路に流れ，界磁磁石及び永久磁石内に磁界が印可される。第一磁性体突極及び第二磁性体突極間の永久磁石の磁化状態は安定に維持しなければならないので永久磁石の抗磁力は界磁磁石の抗磁力より大の磁石素材で構成する。
【００２０】
請求項７の発明は，請求項１記載の回転電機システムに於いて，第一及び第二励磁部に配置された界磁磁石の磁化方向長さは電機子と二つの回転子間の間隙長の和より大である事を特徴とする。第一磁性体突極及び第二磁性体突極間に配置されている永久磁石からの磁束は磁性体歯を含む磁路に流れるが，同時に第一及び第二励磁部に配置された界磁磁石を含む磁路にも流れようとするので界磁磁石の磁化方向長さは第一回転子及び電機子間の間隙長と電機子及び第二回転子間の間隙長との和より大として前記永久磁石の磁束が短絡し難いよう構成する。
【００２１】
請求項８の発明は，請求項１記載の回転電機システムに於いて，界磁磁石は磁化方向長さと抗磁力の積が異なる磁石要素の並列接続として構成され，界磁磁石は互いに逆方向である第一磁化，第二磁化の何れかの磁化を有する磁石要素を少なくとも有し，第一磁化を有する磁石要素は第一磁性体突極及び第二磁性体突極間に配置された永久磁石が第一磁性体突極及び第二磁性体突極を磁化する極性と同じ極性に第一磁性体突極及び第二磁性体突極を磁化する事を特徴とする。
【００２２】
界磁磁石は磁化容易さ（すなわち，磁化方向長さと抗磁力の積）の異なる一以上の磁石要素が並列に接続される構成，或いは断面内で磁化容易さが連続的に変わる磁石で構成される。励磁コイル及び電機子コイルによる起磁力（磁気ポテンシャル差）はほぼ均等に制御磁石を構成する磁石要素に加えられ，起磁力を磁化方向長さで除した値が各磁石要素に加わる磁界強度となるので磁化方向長さと抗磁力の積の小さな磁石要素が磁化されやすく，励磁コイルに加えられる電流により並列接続された磁石要素の磁化状態は選択的に制御される。第一磁性体突極及び第二磁性体突極間に配置された永久磁石が第一磁性体突極及び第二磁性体突極を磁化する極性と同じ極性に第一磁性体突極及び第二磁性体突極を磁化する磁石要素は電機子コイルと鎖交する磁束量が増すので第一磁化である。
【００２３】
請求項９の発明による回転電機システムは，回転子，電機子，回転子が軸方向に微小間隙を介してこの順で並び，それぞれの回転子は電機子との対向面に於いて少なくとも永久磁石を介して互いに離隔され且つ互いに異なる極性に磁化された第一磁性体突極及び第二磁性体突極を周方向に交互に有すると共に二つの回転子の第一磁性体突極同士は互いに異なる極性として電機子を介して軸方向に対向するよう構成され，電機子は軸とほぼ平行な磁性体歯と，磁性体歯に巻回された電機子コイルとが互いに磁気的に離隔されるよう周方向に配置されて磁性体歯の軸方向両端でそれぞれ回転子と対向し，二つの回転子と，電機子とが相対的に回転可能に構成された回転電機装置であって，さらにそれぞれの回転子の第一磁性体突極同士を互いに異極に磁化する第一励磁部と，それぞれの回転子の第二磁性体突極同士を互いに異極に磁化する第二励磁部とを有し，第一励磁部は電機子の外周に配置されると共に両端が二つの回転子の第一磁性体突極とそれぞれ磁気的に結合された磁性体外筒と，磁性体外筒を含む二つの回転子の第一磁性体突極間の磁路を二分するよう配置された界磁磁石と，磁性体外筒の内側に電機子を巻回するよう配置された励磁コイルとを有して構成され，第二励磁部は電機子の内周に配置されると共に両端が二つの回転子の第二磁性体突極とそれぞれ磁気的に結合された磁性体内筒と，磁性体内筒を含む二つの回転子の第二磁性体突極間の磁路を二分するよう配置された界磁磁石と，磁性体内筒を巻回するよう電機子より内周側に配置された励磁コイルとを有して構成され，回転電機装置の出力を最適化するよう前記出力に応じて励磁コイルに供給される電流により前記界磁磁石の磁化状態を変え，電機子に流れる磁束量が制御される事を特徴とする。
【００２４】
回転子，電機子，回転子が軸方向に並ぶダブルロータ構造の回転電機装置である。電機子は軸とほぼ平行な磁性体歯と，磁性体歯に巻回された電機子コイルとが互いに磁気的に離隔されるよう周方向に配置されて磁性体歯の軸方向両端でそれぞれ回転子と対向する。二つの回転子は電機子との対向面に於いて少なくとも永久磁石を介して互いに離隔され且つ互いに異なる極性に磁化された第一磁性体突極及び第二磁性体突極を周方向に交互に有すると共に二つの回転子の第一磁性体突極同士は互いに異なる極性として電機子を介して軸方向に対向するよう構成される。
【００２５】
二つの回転子の第一磁性体突極及び磁性体歯を含む磁路に磁束を供給するよう磁性体外筒及び励磁コイル及び界磁磁石が電機子の外周側に配置され，二つの回転子の第二磁性体突極及び磁性体歯を含む磁路に磁束を供給するよう磁性体内筒及び励磁コイル及び界磁磁石が電機子の内周側に配置され，回転電機装置の出力を最適化するよう前記出力に応じて前記界磁磁石の磁化状態を励磁コイルにより変え，電機子に流れる磁束量を制御する。
【００２６】
第一磁性体突極及び第二磁性体突極間に配置された永久磁石は電機子コイルによって磁化変更され難い永久磁石で構成されるとして，界磁磁石は電機子コイルの作る駆動磁界の影響を受け難く，励磁コイルによって磁化変更可能に磁化容易さである磁化方向長さと抗磁力の積が設定される。
【００２７】
請求項１０の発明は，請求項９記載の回転電機システムに於いて，さらに制御装置を有し，回転力を入力とし，発電電力を出力とする回転電機システムであって，第一磁性体突極及び第二磁性体突極間に配置された永久磁石が第一磁性体突極及び第二磁性体突極を磁化する極性と同じ極性に第一磁性体突極及び第二磁性体突極を磁化する界磁磁石内の磁石要素を第一磁化とし，電機子コイルに誘起される発電電圧が所定の値より大の時は制御装置により第一磁化の磁極面積を減じるよう界磁磁石を磁化する極性の磁化電流が励磁コイルに供給されて電機子を流れる磁束量が小とされ，電機子コイルに誘起される発電電圧が所定の値より小の時は制御装置により界磁磁石内の第一磁化の磁極面積を増すよう界磁磁石を磁化する極性の磁化電流が励磁コイルに供給されて電機子を流れる磁束量が大とされ，発電電圧が所定の値に制御される事を特徴とする。
【００２８】
請求項１１の発明は，請求項９記載の回転電機システムに於いて，さらに制御装置を有し，電機子コイルへの供給電流を入力とし，回転力を出力とする回転電機システムであって，第一磁性体突極及び第二磁性体突極間に配置された永久磁石が第一磁性体突極及び第二磁性体突極を磁化する極性と同じ極性に第一磁性体突極及び第二磁性体突極を磁化する界磁磁石内の磁石要素を第一磁化とし，回転速度が所定の値より大で電機子を流れる磁束量を減少させる時には制御装置により第一磁化の磁極面積を減じるよう界磁磁石を磁化する極性の磁化電流が励磁コイルに供給されて第一磁化の磁極面積を減じて電機子を流れる磁束量が小とされ，回転速度が所定の値より小で電機子を流れる磁束量を増大させる時には制御装置により界磁磁石内の第一磁化の磁極面積を増すよう界磁磁石を磁化する極性の磁化電流が励磁コイルに供給されて電機子を流れる磁束量が大とされ，回転力が最適に制御される事を特徴とする。
【００２９】
請求項１２の発明は，請求項９記載の回転電機システムに於いて，さらに制御装置を有し，電機子コイルへの供給電流を入力とし，回転力を出力とする回転電機システムであって，第一磁性体突極及び第二磁性体突極間に配置された永久磁石が第一磁性体突極及び第二磁性体突極を磁化する極性と同じ極性に第一磁性体突極及び第二磁性体突極を磁化する界磁磁石内の磁石要素を第一磁化とし，回転速度を減少させる場合には制御装置により電機子コイルにバッテリーを接続すると共に界磁磁石内の第一磁化の磁極面積を変えるよう界磁磁石を磁化する極性の磁化電流が励磁コイルに供給されて第一磁化の磁極面積を変えて電機子を流れる磁束量を変え，回転エネルギーが発電電力として取り出されると共に制動力が制御される事を特徴とする。
【００３０】
請求項１３の発明は，回転子，電機子，回転子が軸方向に微小間隙を介してこの順で並び，それぞれの回転子は電機子との対向面に於いて少なくとも磁気的な空隙を介して互いに離隔された第一磁性体突極及び第二磁性体突極を周方向に交互に有すると共に二つの回転子の第一磁性体突極同士は電機子を介して軸方向に対向するよう構成され，電機子は軸とほぼ平行な磁性体歯と，磁性体歯に巻回された電機子コイルとが互いに磁気的に離隔するよう周方向に配置して磁性体歯の軸方向両端でそれぞれそれぞれ回転子と対向させ，二つの回転子と，電機子とが相対的に回転可能に構成された回転電機装置の磁束量制御方法であって，さらにそれぞれの回転子の第一磁性体突極を互いに異極に磁化する第一励磁部と，それぞれの回転子の第二磁性体突極を互いに異極に磁化する第二励磁部とを有し，第一励磁部は電機子の外周に配置すると共に両端が二つの回転子の第一磁性体突極とそれぞれ磁気的に結合した磁性体外筒と，磁性体外筒を含む二つの回転子の第一磁性体突極間の磁路を二分するよう配置した界磁磁石と，磁性体外筒の内側に電機子を巻回するよう配置した励磁コイルとを有して構成し，第二励磁部は電機子の内周に配置すると共に両端が二つの回転子の第二磁性体突極とそれぞれ磁気的に結合した磁性体内筒と，磁性体内筒を含む二つの回転子の第二磁性体突極間の磁路を二分するよう配置した界磁磁石と，磁性体内筒を巻回するよう電機子より内周側に配置した励磁コイルとを有して構成し，前記界磁磁石の磁化状態を励磁コイルに供給される電流によって不可逆的に変更するよう構成し，前記界磁磁石の磁化状態を変え，或いは及び励磁コイルに供給する電流を変えて電機子に流れる磁束量を制御する磁束量制御方法である。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば，アキシャルギャップ・ダブルロータ構造の回転電機に於いて，互いに隣接する第一磁性体突極及び第二磁性体突極をそれぞれ一括して励磁する第一励磁部及び第二励磁部を有し，それぞれの励磁部は界磁磁石を有して第一磁性体突極及び第二磁性体突極を互いに異極に磁化する。界磁磁石はスペースに余裕があるので低抗磁力に磁石を用いる事が出来る。さらにそれぞれの励磁部は界磁磁石及び励磁コイルとを有して界磁磁石の磁化状態を励磁コイルにより不可逆的に変えて電機子と鎖交する磁束量を変える。界磁磁石の磁化状態を間歇的に変え，回転電機の出力最適化を図る事が出来るのでエネルギー効率の良い回転電機を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】第一の実施例による回転電機の縦断面図である。
【図２】図２（ａ）は図１に示された左側の回転子の表面を左から見て透視した平面図であり，図２（ｂ）は図１に示された電機子を左側の回転子側から見た平面図である。
【図３】回転子，電機子，回転子を図２（ａ），（ｂ）のＡ−Ａ’に沿って示す周方向断面図である。
【図４】磁性体外筒，制御磁石，右側の回転子の磁極部の構成を示す斜視図である。
【図５】磁束量制御を行う回転電機システムのブロック図を示す。
【図６】第二の実施例による回転電機の縦断面図である。
【図７】図７（ａ）は図６に示された左側の回転子の表面を左から見て透視した平面図であり，図７（ｂ）は図６に示された電機子を左側の回転子側から見た平面図である。
【図８】回転子，電機子，回転子を図７（ａ），（ｂ）のＢ−Ｂ’に沿って示す周方向断面図である。
【図９】磁性体外筒，制御磁石，右側の回転子の磁極部の構成を示す斜視図である。
【図１０】第三の実施例による回転電機の縦断面図である。
【図１１】図１１（ａ）は図１０に示された左側の回転子の表面を左から見て透視した平面図であり，図１１（ｂ）は図１０に示された電機子を左側の回転子側から見た平面図である。
【図１２】回転子，電機子，回転子を図１１（ａ），（ｂ）のＣ−Ｃ’に沿って示す周方向断面図である。
【図１３】磁性体外筒，制御磁石，右側の回転子の磁極部の構成を示す斜視図である。
【図１４】第四の実施例による回転電機システムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下に本発明による回転電機システムについて，その実施例及び原理作用等を図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００３４】
本発明による回転電機システムの第一実施例を図１から図５を用いて説明する。第一実施例は，アキシャルギャップ・ダブルローター構造の回転電機であり，二つの回転子を一体化させた回転電機システムである。
【００３５】
図１はアウターロータ構造の回転電機に本発明を適用した実施例を示し，相互の関係を説明する為に構成部分の一部に番号を付して示している。ロータハウジング１２がベアリング１３を介して固定軸１１に回動可能に支持されている。固定軸１１には電機子が固定され，固定軸１１と平行の磁性体歯１４及び電機子コイル１６が電機子支持体１５に周方向に配置されている。番号１７は磁性体歯の先端部を含む磁性体歯板を示す。
【００３６】
電機子と軸方向に対向する二つの回転子はロータハウジング１２の内側側面に配置され，一体化されている。図１に於いて左側の回転子の表面磁極部を構成する第一磁性体突極１８，第二磁性体突極１９はロータハウジング１２の左側面に，右側の回転子の表面磁極部を構成する第一磁性体突極１ｃ，第二磁性体突極１ｄはロータハウジング１２の右側面にそれぞれ配置されている。第一磁性体突極１８と第一磁性体突極１ｃ，第二磁性体突極１９と第二磁性体突極１ｄはそれぞれ電機子を介して軸方向に対向している。さらに第一磁性体突極１８と第二磁性体突極１９は非磁性体１ａ，１ｂにより磁気的に互いに離隔されている。第一磁性体突極１ｃと第二磁性体突極１ｄも非磁性体１ｅ，１ｆにより磁気的に互いに離隔されている。
【００３７】
電機子の外周側に第一励磁部，内周側に第二励磁部が配置されている。ロータハウジング１２の内周面には磁性体外筒１ｇが配置されてその両端は第一磁性体突極１８，１ｃの外周方向への延長部分とそれぞれ結合され，電機子を周回するよう巻回された励磁コイル１ｈが電機子と磁性体外筒１ｇ間に配置されている。さらに磁性体外筒１ｇは固定軸１１と鋭角を為す平面で二分されてその間に界磁磁石１ｊが配置されている。すなわち，第一励磁部は磁性体外筒１ｇ，界磁磁石１ｊ，励磁コイル１ｈより構成されている。
【００３８】
電機子の内周側には磁性体内筒１ｋが配置され，その両端は微小間隙を介して第二磁性体突極１９，１ｄの内周方向への延長部分とそれぞれ対向している。磁性体内筒１ｋを周回するよう巻回された励磁コイル１ｍが電機子と磁性体内筒１ｋ間に配置されている。さらに磁性体内筒１ｋは固定軸１１と鋭角を為す平面で二分されてその間に界磁磁石１ｎが配置されている。第二励磁部は磁性体内筒１ｋ，界磁磁石１ｎ，励磁コイル１ｍより構成されている。励磁コイル１ｈ，励磁コイル１ｍは互いに逆方向の磁束を発生するよう直列に接続されている。
【００３９】
図２（ａ）は左側の回転子の表面を図１に於いて左から見て透視した平面図を示し，図２（ｂ）は電機子を左側の回転子側から見た平面図を示している。図２（ａ）に示す回転子の表面は一様な磁性体基板を周方向にほぼ等間隔に配置された集合磁石２１によって区分して第一磁性体突極１８及び第二磁性体突極１９が形成され，さらに隣り合う集合磁石２１の周方向磁化は反転されて第一磁性体突極１８と第二磁性体突極１９とは互いに異極に磁化されている。集合磁石２１の具体的な構成は図３を参照して説明される。第一磁性体突極１８は外周部に延伸されて円環状の接続部を持ち，その円環状の接続部と第二磁性体突極１９は非磁性体１ｂにより，磁気的に離隔されている。
【００４０】
第二磁性体突極１９は内周側に延伸されて円環状の接続部を持ち，その円環状の接続部と第一磁性体突極１８とは非磁性体１ａにより磁気的に離隔されている。回転子の表面に於いて第一磁性体突極１８と第二磁性体突極１９は薄い磁性体で繋がって一体化されているので表面から第一磁性体突極１８と第二磁性体突極１９間の集合磁石２１は見えないが判りやすいように区分して示されている。右側の回転子の表面は図示されていないが，図２（ａ）に示す左側の回転子と同様な構成である。
【００４１】
図２（ｂ）は電機子，励磁コイル１ｈ，磁性体内筒１ｋ，励磁コイル１ｍ等を左側の回転子側から見た平面図に示している。磁性体歯１４及び磁性体歯１４に巻回された電機子コイル１６が周方向にほぼ等間隔で配置され，その外周側に励磁コイル１ｈが電機子を周回するよう配置され，電機子の内周側には励磁コイル１ｍ，磁性体内筒１ｋが示されている。磁性体歯１４の先端部は磁性体歯板１７内の磁性体部として分離されているので図２（ｂ）に示す磁性体歯１４は磁性体歯板１７内の磁性体部を示している。磁性体歯１４の先端部である磁性体歯板１７内の磁性体部は非磁性体部２２を介して対向する構成である。
【００４２】
図３は電機子及び二つの回転子の周方向断面を図２（ａ），２（ｂ）に示したＡ−Ａ’に沿って示す図である。同図により回転子の磁極構成及び電機子の構成を説明する。
【００４３】
二つの回転子の表面磁極部は一様な磁性体基板を略周方向磁化を持つ集合磁石で周方向に区分した第一磁性体突極突極１８及び第二磁性体突極１９を周方向に交互に有している。中間磁性体突極３１はその両側に配置された略同一方向の磁化を有する磁石板３３，３４と共に集合磁石を構成し，第一磁性体突極１８及び第二磁性体突極１９間に配置された集合磁石の略周方向の磁化方向は交互に反転され，第一磁性体突極１８をＮ極に第二磁性体突極１９をＳ極に磁化している。番号３２はさらに第一磁性体突極１８の側面に配置されている磁石板を，番号３５は第二磁性体突極１９の側面に配置されている磁石板をそれぞれ示している。
【００４４】
第一磁性体突極１８と第二磁性体突極１９間の離隔部分は非磁性体１ｂ，１ａ及び磁石板３３，３４に相当している。中間磁性体突極３１を含む集合磁石は外周側及び内周側に於いて非磁性体１ｂ，１ａを介して第一磁性体突極１８及び第二磁性体突極１９から離隔されている。
【００４５】
右側の回転子に於いて，中間磁性体突極３７はその両側に配置された略同一方向の磁化を有する磁石板３９，３ａと共に集合磁石を構成し，第一磁性体突極１ｃ及び第二磁性体突極１ｄ間に配置された集合磁石の略周方向の磁化方向は交互に反転され，第一磁性体突極１ｃをＳ極に第二磁性体突極１ｄをＮ極に磁化している。番号３８はさらに第一磁性体突極１ｃの側面に配置されている磁石板を，番号３ｂは第二磁性体突極１ｄの側面に配置されている磁石板をそれぞれ示している。
【００４６】
第一磁性体突極１ｃと第二磁性体突極１ｄ間の離隔部分は非磁性体１ｅ，１ｆ及び磁石板３９，３ａに相当している。中間磁性体突極３７を含む集合磁石は外周側及び内周側に於いて非磁性体１ｆ，１ｅを介して第一磁性体突極１ｃ及び第二磁性体突極１ｄから離隔されている。
【００４７】
電機子は磁性体歯１４及び磁性体歯１４に巻回された電機子コイル１６が周方向に配置され，軸方向の両端には磁性体歯板１７が配置されている。磁性体歯板１７は非磁性体部２２と磁性体部３ｄが周方向に交互に配置された構造であり，磁性体部３ｄは磁性体歯１４の先端部を構成し，隣接する磁性体歯の先端部が磁気的な空隙（非磁性体部２２）を介して対向する構成に於いて，その先端部を磁性体歯板１７として分離した構造である。予め電機子コイル１６が巻回された磁性体歯１４を周方向に配置した後，磁性体歯板１７を磁性体歯１４の軸方向両端に配置して電機子は組み立てられる。このように磁性体歯板１７を採用する構成により電機子コイル１６の巻回が容易となり，電機子コイル１６には低電気抵抗の太い銅線を使用できる。番号３ｃは磁性体部３ｄ表面に設けた凹部を示し，電機子と回転子間の磁気的な軸方向吸引力を軽減する為に設けられている。
【００４８】
図１及び図３及び図４を用いて第一及び第二励磁部の構成及び動作原理を説明する。図４は磁性体外筒，界磁磁石，右側の回転子の表面磁極部の構成を示す斜視図であり，ロータハウジング１２，固定軸１１を除いて示している。
【００４９】
図１に示される磁性体外筒１ｇは固定軸１１と鋭角を為す平面で磁性体外筒半部４１，４２に分割され，磁性体外筒半部４１，４２間に界磁磁石１ｊが配置されている。界磁磁石１ｊは抗磁力の異なる２種の磁石要素４３，４４により構成され，図４では抗磁力が大の磁石要素４３，抗磁力が小の磁石要素４４が交互に配置されている。さらに図４の右端には右側の回転子の表面磁極部が示され，中間磁性体突極３７が外周部及び内周部で非磁性体１ｆ，１ｅによって第一磁性体突極１ｃ，第二磁性体突極１ｄから離隔されている様子が示されている。図１に示されている磁性体内筒１ｋ及び界磁磁石１ｎの斜視図は示されていないが磁性体外筒１ｇ及び界磁磁石１ｊの構成と同様である。
【００５０】
図３に示した第一磁性体突極１８と第二磁性体突極１９間に配置されている磁石板３２，３３，３４，３５，第一磁性体突極１ｃと第二磁性体突極１ｄ間に配置されている磁石板３８，３９，３ａ，３ｂからの磁束が流れる磁路は複数存在する。すなわち，磁石板３４からの磁束が中間磁性体突極３１，磁石板３３，第一磁性体突極１８，磁性体歯１４，第一磁性体突極１ｃ，磁石板３９，中間磁性体突極３７，磁石板３ａ，第二磁性体突極１ｄ，磁性体歯１４，第二磁性体突極１９を介して環流する磁路を主磁路とし，磁石板３４からの磁束が中間磁性体突極３１，磁石板３３，第一磁性体突極１８，磁性体外筒１ｇ，界磁磁石１ｊ，第一磁性体突極１ｃ，磁石板３９，中間磁性体突極３７，磁石板３ａ，第二磁性体突極１ｄ，磁性体内筒１ｋ，界磁磁石１ｎ，第二磁性体突極１９を介して環流する磁路であるバイパス磁路が存在する。磁石板３２，３３，３４，３５，３８，３９，３ａ，３ｂから流れる大部分の磁束が電機子コイル１６と鎖交するよう主磁路の磁気抵抗をバイパス磁路の磁気抵抗より小にする事が望ましく，本実施例では少なくとも界磁磁石１ｊ，１ｎの磁化方向長さが電機子と二つの回転子間，それぞれの空隙長の和より大に設定されている。
【００５１】
電機子コイル１６により回転子が回転駆動される場合，電機子コイル１６により磁性体歯１４に生起された駆動磁束は回転子の表面磁極を流れると共に磁性体外筒１ｇ，磁性体内筒１ｋにも流れる可能性がある。すなわち，磁性体歯１４から第一磁性体突極１８に流れる磁束は磁石板３３，中間磁性体突極３１，磁石板３４，第二磁性体突極１９，磁性体歯１４，第二磁性体突極１ｄ，磁石板３ａ，中間磁性体突極３７，磁石板３９，第一磁性体突極１ｃを介して環流する。さらに第一磁性体突極１８，磁性体外筒１ｇ，界磁磁石１ｊ，第一磁性体突極１ｃを介して環流する磁路も存在する。磁性体歯１４から第二磁性体突極１９に流れる駆動磁束は界磁磁石１ｎを含む磁路を介して環流する。
【００５２】
駆動磁束の流れる方向が界磁磁石１ｊ，１ｎの磁化方向と逆である場合には界磁磁石１ｊ，１ｎの磁化状態が損なわれる可能性がある。また駆動磁束の流れる方向が磁石板３３，３４，３９，３ａの磁化方向と逆である場合，これらの磁石板は磁気的な空隙と見なされるので第一磁性体突極と第二磁性体突極間の永久磁石の厚みの総和，すなわち磁石板３３の厚みと磁石板３４の厚みの和，磁石板３９の厚みと磁石板３ａの厚みの和の２倍以上に界磁磁石１ｊ，１ｎの磁化方向長さが設定されている。この設定により駆動磁束は界磁磁石１ｊ，１ｎを含む磁路に流れ難く，界磁磁石１ｊ，１ｎを含む磁路に流れても界磁磁石１ｊ，１ｎ内の磁界強度は界磁磁石両端の磁気ポテンシャル差を磁化方向長さで除した値であって小となるので界磁磁石１ｊ，１ｎの磁化状態は駆動磁束の影響を受け難い。
【００５３】
磁石要素４３の磁極面積と残留磁束密度との積は磁石要素４４の磁極面積と残留磁束密度との積にほぼ等しく設定され，図４では磁石要素４３，４４の磁化方向は互いに逆であるので磁石要素４３，４４からの磁束は互いに相殺されて磁性体外筒１ｇから第一磁性体突極１８，１ｃには供給されない。磁性体外筒１ｇから第一磁性体突極１８，１ｃに供給される磁束量は磁石要素４３，４４の磁化状態により３通り有る。同様に磁性体内筒１ｋから第二磁性体突極１９，１ｄに供給される磁束量も界磁磁石１ｎを構成する磁石要素の磁化状態により３通り有る。
【００５４】
電機子コイル１６と鎖交する磁束量を最大にする場合は，図１に示すように界磁磁石１ｊ，１ｎが第一磁性体突極１８，１ｃ及び第二磁性体突極１９，１ｄを磁石板３２，３３，３４，３５，３８，３９，３ａ，３ｂが磁化すると同じ極性に磁化する場合である。したがって，界磁磁石１ｊに於いて左方向の磁化が第一磁化であり，右方向の磁化が第二磁化である。界磁磁石１ｎに於いては右方向の磁化が第一磁化であり，左方向の磁化が第二磁化である。図１に示す界磁磁石１ｊの磁化状態は磁石要素４３，４４が共に第一磁化に相当する状態である。この場合，界磁磁石１ｊから流れる磁束は磁性体外筒半部４１，第一磁性体突極１８，磁性体歯１４，第一磁性体突極１ｃ，磁性体外筒半部４２を介して環流する。界磁磁石１ｎから流れる磁束は第二磁性体突極１９，１ｄ，磁性体歯１４を介して環流する。
【００５５】
逆に電機子コイル１６と鎖交する磁束量を最小にする場合は，磁石要素４３，４４が共に第二磁化に相当する状態であり，図１に示す界磁磁石１ｊ，１ｎの磁化方向が逆になった場合である。この場合，界磁磁石１ｊからの磁束の一部は第一磁性体突極１８，１ｃ，磁性体歯１４を介して環流し，界磁磁石１ｎからの磁束の一部は第二磁性体突極１９，１ｄ，磁性体歯１４を介して環流し，さらに界磁磁石１ｊからの磁束の残りが第一磁性体突極１ｃ，磁石板３９，中間磁性体突極３７，磁石板３ａ，第二磁性体突極１ｄ，磁性体内筒１ｋ，界磁磁石１ｎ，第二磁性体突極１９，磁石板３４，中間磁性体突極３１，磁石板３３，第一磁性体突極１８を介して環流する。
【００５６】
このように界磁磁石１ｊ，１ｎの磁化方向を変える事により電機子コイル１６と鎖交する磁束量を制御する事が出来，界磁磁石１ｊ，１ｎからの最大磁束量を磁石板３２，３３，３４，３５，３８，３９，３ａ，３ｂからの磁束量にほぼ等しく設定すれば，電機子コイル１６と鎖交する磁束量の最小値をほぼゼロに出来，この場合に回転子が空回転しても回転子から磁性体歯に流れる磁束量はほぼゼロとなるので渦電流損は発生しない。
【００５７】
界磁磁石１ｊ，１ｎそれぞれに於いて第一磁化或いは第二磁化に属する磁石要素数を励磁コイル１ｈ，１ｍにより変える事で電機子コイル１６と鎖交する磁束量が制御される事を説明した。以下に界磁磁石１ｊ，１ｎそれぞれに於いて第一磁化或いは第二磁化に属する磁石要素数を励磁コイル１ｈ，１ｍにより変えるステップを説明する。界磁磁石１ｊ，１ｎは同一の構成であるので界磁磁石１ｊを構成する磁石要素４３，４４の磁化を変更するステップを説明する。
【００５８】
界磁磁石１ｊを構成する磁石要素４３，４４は磁性体外筒半部４１，４２間に配置されて互いに並列接続された状態であり，励磁コイル１ｈに磁化電流が供給されると，磁性体外筒半部４１，４２間の磁気ポテンシャル差（起磁力）は周方向にほぼ同じであり，各磁石要素内では磁気ポテンシャル差を厚みで除した値に相当する磁界強度の磁界が加えられる。したがって，抗磁力が小の磁石要素４４が磁化されやすく，抗磁力が大の磁石要素４３は磁化され難い。
【００５９】
図４に示す状態から磁石要素４４の磁化を第一磁化に変更する場合，励磁コイル１ｈによる励磁磁束は複数の磁路を介して環流し，磁石要素４４を第一磁化に変更する。すなわち，磁性体外筒１ｇ，第一磁性体突極１８，磁性体歯１４，第一磁性体突極１ｃを介する磁路であり，磁性体外筒１ｇ，第一磁性体突極１８，磁石板３３，３４，第二磁性体突極１９，磁性体円筒１ｋ，制御磁石１ｍ，第二磁性体突極１ｄ，磁石板３ａ，３９，第一磁性体突極１ｃを介する磁路である。この場合，磁石板３２，３３，３４，３５，３８，３９，３ａ，３ｂの磁化方向は励磁磁束の流れる方向とは逆方向であるので磁石板３２，３３，３４，３５，３８，３９，３ａ，３ｂは磁気的な空隙と同じである。本実施例に於いて，回転子と電機子間の空隙長は０．５ミリメートル以下に設定され，磁石板３２，３３，３４，３５，３８，３９，３ａ，３ｂの厚みより小であるので励磁磁束は専ら前者の磁性体歯１４を介する磁路を流れる。
【００６０】
図４に示す状態から磁石要素４３の磁化を第二磁化に変更する場合，励磁コイル１ｈによる励磁磁束は上と同様に複数の磁路を介して環流し，磁石要素４３を第二磁化に変更する。しかし，磁石板３２，３３，３４，３５，３８，３９，３ａ，３ｂの磁化方向は励磁磁束の流れる方向とは同方向であるので磁石板３２，３３，３４，３５，３８，３９，３ａ，３ｂの磁気抵抗は小となり，励磁磁束は磁石板３２，３３，３４，３５，３８，３９，３ａ，３ｂを含む磁路を流れやすい。
【００６１】
図１に示す状態は界磁磁石１ｊが第一磁化である場合で磁石要素４３，４４が共に第一磁化の場合に相当する。この図１の状態から図４に示す磁化状態に変更するには磁石要素４４のみを第二磁化とし，磁石要素４３には影響を与えないような磁化電流を励磁コイル１ｈに供給して  磁石要素４４のみを第二磁化に変更する。
【００６２】
上記のように界磁磁石１ｊ，１ｎの磁化状態を励磁コイル１ｈ，１ｍにより変更する際に，磁性体歯１４と第一磁性体突極突極１８，１９，第二磁性体突極１ｃ，１ｄの相対位置関係により磁石板３２，３３，３４，３５，３８，３９，３ａ，３ｂと界磁磁石１ｊ，１ｎとは直列に接続された磁路に励磁磁束が流れる可能性がある。その場合に上記磁石板及び界磁磁石にはそれぞれ等しい磁界強度が印可される。したがって，界磁磁石１ｊ，１ｎの抗磁力を磁石板３２，３３，３４，３５，３８，３９，３ａ，３ｂの抗磁力より小に設定して励磁コイル１ｈ，１ｍによって界磁磁石１ｊ，１ｎの磁化が変更されるよう設定する必要がある。本実施例では界磁磁石１ｊ，１ｎの抗磁力を磁石板３２，３３，３４，３５，３８，３９，３ａ，３ｂの抗磁力の２分の１以下に設定し，その範囲内で磁石要素は互いに異なる抗磁力となるよう設定されている。
【００６３】
本実施例に於いて，界磁磁石の磁化状態は離散的に変えられるが，本実施例ではさらに界磁磁石の磁化状態を変更させない程度の磁束調整電流を励磁コイル１ｈ，１ｍに供給して磁束を発生させ，界磁磁石１ｊ，１ｎ及び磁石板３２，３３，３４，３５，３８，３９，３ａ，３ｂによる磁束に重畳させて電機子を流れる磁束量を制御する。
【００６４】
図５は磁束量制御を行う回転電機システムのブロック図を示している。図５に於いて，回転電機５１は入力５２，出力５３を有するとし，制御装置５５は回転電機５１の出力５３及び回転子の位置，温度等を含む状態信号５４を入力として制御信号５６を介して磁束量を制御する。番号５７は電機子コイル１６に駆動電流を供給する駆動回路を示す。回転電機５１が発電機として用いられるのであれば，入力５２は回転力であり，出力５３は発電電力となる。回転電機５１が電動機として用いられるのであれば，入力５２は駆動回路５７から電機子コイル１６に供給される駆動電流であり，出力５３は回転トルク，回転速度となる。制御信号５６は切換スイッチ５８，磁化制御回路５ａ，磁束調整回路５９を制御し，界磁磁石の磁化状態を変更させる場合には切換スイッチ５８により磁化制御回路５ａを接続して励磁コイル１ｈ，１ｍに磁化状態変更の為の磁化電流を供給し，磁束量の微調整を行う場合には切換スイッチ５８により磁束調整回路５９を接続して磁束調整電流を励磁コイル１ｈ，１ｍに供給する。
【００６５】
本発明では同種の極性に励磁される磁性体突極グループ毎に一括して励磁する励磁部を有して励磁部内に界磁磁石及び励磁コイルを含む構成である。励磁部を磁性体歯１４先端から離れた位置に配置できる特徴があり，電機子コイルの発生する磁界の影響を直接には受けない事，スペースに余裕がある事から界磁磁石の素材及び形状寸法には選択の自由度がある。
【００６６】
電機子に対向する回転子表面或いは磁極内には電機子コイルの作る磁界によって容易に非可逆減磁を生じないネオジウム磁石（ＮｄＦｅＢ）が望ましいが，上記説明のように励磁部には電機子コイル１６が誘起する駆動磁束は到達し難いので界磁磁石として低抗磁力の磁石，例えば十分な磁化方向長さを有するアルニコ磁石（ＡｌＮｉＣｏ），フェライト磁石を使用する事が出来る。ネオジウム磁石（ＮｄＦｅＢ）では着磁に必要な磁界強度が２４００ｋＡ／ｍ（キロアンペア／メートル）程度であり，アルニコ磁石（ＡｌＮｉＣｏ）の着磁に必要な磁界強度は２４０ｋＡ／ｍ程度である。他に低抗磁力永久磁石としてＦｅＣｒＣｏ磁石も利用できる。
【００６７】
電機子を流れる磁束量はこのように励磁コイル１ｈ，１ｍに供給する磁化電流の振幅及び極性を変えて界磁磁石の磁化状態を変える事で制御される。電機子を流れる磁束量と励磁コイル１ｈ，１ｍに供給する磁化電流との関係は設計段階でマップデータとして設定する。しかし，回転電機の量産段階では部材の寸法が公差範囲内でバラツキ，磁性体の磁気特性のバラツキも存在して電機子を流れる磁束量の精密な制御が困難になる場合がある。そのような場合には回転電機を組み立て後に回転電機個々に電機子を流れる磁束量と励磁コイル１ｈ，１ｍに供給する磁化電流との関係を検査し，前記マップデータを修正する。
【００６８】
さらに磁性体の特性は温度による影響を受けやすく，経時変化による影響も懸念される場合には運転中に加えられる磁化電流とその結果としての界磁磁石の磁化状態を監視し，回転電機の運転中に前記マップデータを修正する情報を学習的に取得する事も出来る。電機子を流れる磁束量を直接に把握する事は難しいが，電機子コイル１６に現れる誘起電圧を参照して電機子を流れる磁束量を推定できる。
【００６９】
例えば，電機子コイル１６に現れる誘起電圧の振幅は電機子コイル１６と鎖交する磁束量及び回転速度にほぼ比例する。界磁磁石内の第一磁化である磁石要素の数を増やすよう励磁コイル１ｈ，１ｍに磁化電流を加えた結果として誘起電圧の振幅の変化量が目標値より小の場合は同一条件に於ける磁化電流の振幅を大に，誘起電圧の振幅の変化量が目標値より大の場合は同一条件に於ける磁化電流の振幅を小にするよう磁化電流に係わるパラメータを修正する。
【００７０】
本実施例では第一磁性体突極と第二磁性体突極間に配置された永久磁石からの磁束が，磁性体外筒或いは磁性体内筒を介して短絡し難いよう回転子と電機子間の空隙長と界磁磁石の厚みとの関係を規定し，また界磁磁石の磁化状態変更に際して第一磁性体突極と第二磁性体突極間に配置された永久磁石の磁化状態が影響を受け難いよう前記永久磁石の抗磁力と界磁磁石の抗磁力との関係を規定した。回転電機を電動機として用いる場合には更に電機子コイルが発生する駆動磁束が界磁磁石の磁化状態を変更しないよう留意する必要がある。
【００７１】
回転子を回転駆動する為に電機子コイルが発生する駆動磁束は第一磁性体突極，第二磁性体突極，第一磁性体突極と第二磁性体突極間に配置された永久磁石とを介して環流するが，同時に磁性体歯から第一磁性体突極，磁性体外筒，界磁磁石１ｊ，第一磁性体突極を介して環流する磁路，第二磁性体突極，磁性体内筒，界磁磁石１ｎ，第二磁性体突極を介して環流する磁路も存在する。この場合に電機子コイルの駆動磁束に関して第一磁性体突極と第二磁性体突極間に配置された永久磁石を含む磁路と，界磁磁石を含む磁路とが並列に接続された状態であり，本実施例では界磁磁石の磁化方向長さを第一磁性体突極と第二磁性体突極間に配置された永久磁石の厚みの総和の２倍以上に設定して界磁磁石の磁化状態が駆動磁束の影響を受け難くしている。更に磁性体外筒及び磁性体内筒を駆動磁束が通り難いよう導電性の良い磁性体で構成する事も効果がある。
【００７２】
以上，図１から図５に示した回転電機に於いて，界磁磁石の磁化状態を変える事で電機子に流れる磁束量を制御できることを説明した。本実施例は電機子を流れる磁束量を制御して出力を最適化するシステムであり，図５を用いて回転電機システムとしての制御を説明する。
【００７３】
回転電機が電動機として用いられる場合に於いて，磁束量制御を行って回転力を最適に制御する。但し，電機子を流れる磁束量を増やす極性の磁束調整電流を正としている。制御装置５５は出力５３である回転速度が所定の値より大となり電機子に流れる磁束量を小とする時には磁束調整回路５９により励磁コイル１ｈ，１ｍに供給する磁束調整電流を減じて電機子に流れる磁束量を小とし，磁束調整電流が予め定めた値より小である場合には第二磁化の磁石要素数を増す方向の磁化電流が磁化制御回路５ａから励磁コイル１ｈ，１ｍに供給されて第一磁化の磁石要素数を減じると共に第二磁化の磁石要素数を増して電機子を流れる磁束量を小とする。
【００７４】
出力５３である回転速度が所定の値より小となり電機子に流れる磁束量を大とする時には磁束調整回路５９により励磁コイル１ｈ，１ｍに供給する磁束調整電流を増して電機子に流れる磁束量を大とし，磁束調整電流が予め定めた値より大である場合には第一磁化の磁石要素数を増す方向の磁化電流を磁化制御回路５ａから励磁コイル１ｈ，１ｍに供給して第一磁化の磁石要素数を増すと共に第二磁化の磁石要素数を減じて電機子を流れる磁束量を大とする。
【００７５】
上記説明に於いて，界磁制御に磁束調整電流を流して電流励磁を併用したが，磁束調整電流は界磁磁石の各磁化状態に於ける微調整用であって大きな電流ではないのでエネルギー効率を大きく損なう事はない。また，磁束調整電流による界磁の微調整をする事無く，界磁磁石の各磁化状態に於いて駆動電流の位相制御により弱め界磁を付加する事も可能である。その場合でも界磁の微調整であるのでエネルギー効率を大きく損なう事はない。
【００７６】
回転電機が発電機として用いられる場合において，磁束量制御を行って発電電圧を所定の電圧となるよう制御する定電圧発電システムを説明する。但し，電機子を流れる磁束量を増やす極性の磁束調整電流を正としている。制御装置５５は出力５３である発電電圧が所定の値より大となり電機子に流れる磁束量を小とする時には磁束調整回路５９により励磁コイル１ｈ，１ｍに供給する磁束調整電流を減じて電機子に流れる磁束量を小とし，磁束調整電流が予め定めた値より小である場合には第二磁化の磁石要素数を増す方向の磁化電流が磁化制御回路５ａから励磁コイル１ｈ，１ｍに供給されて第一磁化の磁石要素数を減じると共に第二磁化の磁石要素数を増して電機子を流れる磁束量を小とする。
【００７７】
制御装置５５は出力５３である発電電圧が所定の値より小となり電機子に流れる磁束量を大とする時には磁束調整回路５９により励磁コイル１ｈ，１ｍに供給する磁束調整電流を増して電機子に流れる磁束量を大とし，磁束調整電流が予め定めた値より大である場合には第一磁化の磁石要素数を増す方向の磁化電流を磁化制御回路５ａから励磁コイル１ｈ，１ｍに供給して第一磁化の磁石要素数を増すと共に第二磁化の磁石要素数を減じて電機子を流れる磁束量を大とする。
【００７８】
本実施例では界磁磁石の磁化変更をする為の励磁磁束は電機子コイルと鎖交し，電機子コイルに電圧を誘起させる。可能な限り時間変化の緩やかな波形を持つ励磁電流により電機子コイルに現れる電圧振幅は小さく抑える事が出来る。低周波数側に周波数スペクトラムが集中する波形と同義であり，例えば，励磁コイルに供給する電流波形としてレイズドコサインパルス，ガウシアンパルス等は電機子コイルに現れる電圧振幅を抑える為に有効である。
【００７９】
本実施例の界磁磁石は抗磁力の異なる磁石要素の並列接続で構成したが，同様機能の界磁磁石は素材を同一として磁化方向長さの異なる磁石要素の並列接続で構成出来る。後者の場合は磁化方向長さにより磁化容易さを変える事が出来るので磁石素材の選定が容易となる。
【実施例２】
【００８０】
本発明による回転電機システムの第二実施例を図６から図９を用いて説明する。第二実施例は，アキシャルギャップ・ダブルローター構造の回転電機であり，回転子の磁極構成が第一実施例と異なる回転電機システムである。
【００８１】
図６はアキシャルギャップ構造の回転電機に本発明を適用した実施例の縦断面図を示し，相互の関係を説明する為に構成部分の一部に番号を付して示している。回転軸６１はベアリング６３を介してハウジング６２に回動可能に支持され，回転軸６１と共に回転する回転子６４及び回転子６５が電機子の軸方向両端にそれぞれ対向している。回転子６４の表面磁極部は周方向に交互に配置された第一磁性体突極６６，第二磁性体突極６７を有し，回転子６５の表面磁極部は周方向に交互に配置された第一磁性体突極６８，第二磁性体突極６９を有する。さらに第一磁性体突極６６，第二磁性体突極６７は非磁性体１ａ，１ｂにより磁気的に互いに離隔されている。第一磁性体突極６８，第二磁性体突極６９も非磁性体１ｅ，１ｆにより磁気的に互いに離隔されている。
【００８２】
ハウジング６２には電機子が固定され，回転軸６１と平行の磁性体歯１４及び電機子コイル１６が電機子支持体６ｇに周方向に配置されている。番号６ｈは磁性体歯の先端部を含む磁性体歯板を示す。
【００８３】
電機子の外周側に第一励磁部，内周側に第二励磁部が配置されている。ハウジング６２の内周面には磁性体外筒６ａが配置されてその両端は第一磁性体突極６６，６８の外周方向への延長部分とそれぞれ微小間隙を介して対向し，電機子を周回するよう巻回された励磁コイル６ｂが電機子と磁性体外筒６ａ間に配置されている。さらに磁性体外筒６ａは回転軸６１と鋭角を為す平面で二分されてその間に界磁磁石６ｃが配置されている。すなわち，第一励磁部は磁性体外筒６ａ，界磁磁石６ｃ，励磁コイル６ｂより構成されている。回転軸６１の外周に磁性体内筒６ｄが固定され，その両端は第二磁性体突極６７，６９の内周方向への延長部分に結合されている。磁性体内筒６ｄを周回するよう巻回された励磁コイル６ｅが電機子の内周側に配置されている。さらに磁性体内筒６ｄは回転軸６１と鋭角を為す平面で二分されてその間に界磁磁石６ｆが配置されている。第二励磁部は磁性体内筒６ｄ，界磁磁石６ｆ，励磁コイル６ｅより構成されている。
【００８４】
図７（ａ）は回転子６４の表面を図６に於いて左から見て透視した平面図を示し，図７（ｂ）は電機子を回転子６４側から見た平面図を示している。図７（ａ）に示す回転子６４の表面は一様な磁性体基板を周方向にほぼ等間隔に配置された永久磁石によって区分して第一磁性体突極６６及び第二磁性体突極６７が形成され，さらに隣り合う永久磁石の周方向磁化は反転されて第一磁性体突極６６と第二磁性体突極６７とは互いに異極に磁化されている。番号７１，７２は隣接する永久磁石を代表して示している。第一磁性体突極６６は外周部に延伸されて円環状の接続部を持ち，その円環状の接続部と第二磁性体突極６７は非磁性体１ｂにより，磁気的に互いに離隔されている。
【００８５】
第二磁性体突極６７は内周側に延伸されて円環状の接続部を持ち，その円環状の接続部と第一磁性体突極６６とは非磁性体１ａにより互いに磁気的に離隔されている。回転子の表面に於いて第一磁性体突極６６と第二磁性体突極６７は薄い磁性体で繋がって一体化されているので表面から第一磁性体突極６６と第二磁性体突極６７間の永久磁石７１，７２は見えないが判りやすいように区分して示されている。回転子６５の表面は図示されていないが，図７（ａ）に示す回転子６４と同じ構成である。
【００８６】
図７（ｂ）は電機子，ハウジング７２，磁性体外筒６ａ，励磁コイル６ｂ，励磁コイル６ｅ等を回転子６４側から見た平面図に示している。磁性体歯１４及び磁性体歯１４に巻回された電機子コイル１６が周方向に配置され，その外周側に励磁コイル６ｂ，磁性体外筒６ａが電機子を周回するよう配置され，電機子の内周側には励磁コイル６ｅが示されている。磁性体歯１４の先端部は磁性体歯板６ｈ内の磁性体部として分離されているので図７（ｂ）に示す磁性体歯１４は磁性体歯板６ｈ内の磁性体部を示している。磁性体歯１４の先端部である磁性体歯板６ｈ内の磁性体部は非磁性体部７３を介して対向する構成である。
【００８７】
図８は回転子６４及び電機子及び回転子６５の周方向断面を図７（ａ），７（ｂ）に示したＢ−Ｂ’に沿って示す図である。同図により回転子の磁極構成及び電機子の構成を説明する。
【００８８】
回転子６４及び回転子６５の表面磁極部は一様な磁性体基板を略周方向磁化を持つ永久磁石で周方向に区分した第一磁性体突極及び第二磁性体突極を周方向に交互に有している。第一磁性体突極６６及び第二磁性体突極６７間に配置された永久磁石７１，７２の略周方向の磁化方向は交互に反転され，第一磁性体突極６６をＮ極に，第二磁性体突極６７をＳ極に磁化している。第一磁性体突極６６と第二磁性体突極６７間の離隔部分は非磁性体１ｂ，１ａ及び永久磁石７１，７２に相当している。
【００８９】
回転子６５に於いて，第一磁性体突極６８及び第二磁性体突極６９間に配置された永久磁石８１，８２の略周方向の磁化方向は交互に反転され，第一磁性体突極６８をＳ極に，第二磁性体突極６９をＮ極に磁化している。第一磁性体突極６８と第二磁性体突極６９間の離隔部分は非磁性体１ｅ，１ｆ及び永久磁石８１，８２に相当している。
【００９０】
電機子は磁性体歯１４及び磁性体歯１４に巻回された電機子コイル１６が周方向に配置され，軸方向の両端には磁性体歯板６ｈが配置されている。磁性体歯板６ｈは非磁性体部７３と磁性体部８３が周方向に交互に配置された構造であり，磁性体部８３は磁性体歯１４の先端部を構成し，隣接する磁性体歯の先端部が磁気的な空隙（非磁性体部７３）を介して対向する構成に於いて，その先端部を磁性体歯板６ｈとして分離した構造である。予め電機子コイル１６が巻回された磁性体歯１４を周方向に配置した後，磁性体歯板６ｈを磁性体歯１４の軸方向両端に配置して電機子は組み立てられる。このように磁性体歯板６ｈを採用する構成により電機子コイル１６の巻回が容易となり，電機子コイル１６には低電気抵抗の太い銅線を使用できる。
【００９１】
図６及び図８及び図９を用いて第一及び第二励磁部の構成を説明する。図９は磁性体外筒，界磁磁石，回転子６５の表面磁極部の構成を示す斜視図であり，ハウジング６２，回転軸６１を除いて示している。
【００９２】
図６に示される磁性体外筒６ａは回転軸６１と鋭角を為す平面で磁性体外筒半部９１，９２に分割され，磁性体外筒半部９１，９２間に界磁磁石６ｃが配置されている。界磁磁石６ｃは抗磁力の異なる２種の磁石要素４３，４４により構成され，図９では抗磁力が大の磁石要素４３，抗磁力が小の磁石要素４４が交互に配置されている。さらに図９の右端には回転子６５の表面磁極部が示されている。番号９３，９４はそれぞれ第一磁性体突極６６の延伸部と磁性体外筒半部９１間の微小空隙，第一磁性体突極６８の延伸部と磁性体外筒半部９２間の微小空隙を示している。図６に示されている磁性体内筒６ｄ及び界磁磁石６ｆの斜視図は示されていないが磁性体外筒６ａ及び界磁磁石６ｃの構成と同様である。ただし，磁性体内筒６ｄの両端は第二磁性体突極６７，６９の内周方向への延長部分と直接に結合されているので微小空隙９３，９４に相当する空隙は無い。
【００９３】
図８に示した第一磁性体突極６６と第二磁性体突極６７間に配置されている永久磁石７１，７２，第一磁性体突極６８と第二磁性体突極６９間に配置されている永久磁石８１，８２からの磁束が流れる磁路は複数存在する。すなわち，永久磁石７２からの磁束が第一磁性体突極６６，磁性体歯１４，第一磁性体突極６８，永久磁石８２，第二磁性体突極６９，磁性体歯１４，第二磁性体突極６７を介して環流する磁路を主磁路とし，永久磁石７２からの磁束が第一磁性体突極６６，磁性体外筒６ａ，界磁磁石６ｃ，第一磁性体突極６８，永久磁石８２，第二磁性体突極６９，磁性体内筒６ｄ，界磁磁石６ｆ，第二磁性体突極６７を介して環流する磁路であるバイパス磁路が存在する。永久磁石７１，７２，８１，８２から流れる大部分の磁束が電機子コイル１６と鎖交するよう主磁路の磁気抵抗をバイパス磁路の磁気抵抗より小にする事が望ましく，本実施例では少なくとも界磁磁石６ｃ，６ｆの磁化方向厚みを回転子６４と電機子間，電機子と回転子６５間，それぞれの空隙長の和より大と設定している。
【００９４】
電機子コイル１６により回転子が回転駆動される場合，電機子コイル１６により磁性体歯１４に生起された駆動磁束は回転子の表面磁極部を流れると共に磁性体外筒６ａ，磁性体内筒６ｄにも流れる可能性がある。すなわち，磁性体歯１４から第一磁性体突極６６に流れる磁束は永久磁石７２，第二磁性体突極６７，磁性体歯１４，第二磁性体突極６９，永久磁石８２，第一磁性体突極６８を介して環流する。さらに第一磁性体突極６６，磁性体外筒６ａ，界磁磁石６ｃ，第一磁性体突極６８を介して環流する磁路も存在する。磁性体歯１４から第二磁性体突極６７に流れる駆動磁束は界磁磁石６ｆを含む磁路を介して環流する。
【００９５】
駆動磁束の流れる方向が界磁磁石６ｃ，６ｆの磁化方向と逆である場合には界磁磁石６ｃ，６ｆの磁化状態が損なわれる可能性がある。また駆動磁束の流れる方向が永久磁石７１，７２，８１，８２の磁化方向と逆である場合，これらの永久磁石は磁気的な空隙と見なされるので第一磁性体突極と第二磁性体突極間の永久磁石の厚みの総和，すなわち永久磁石７２の厚み，永久磁石８２の厚みの２倍以上に界磁磁石６ｃ，６ｆの磁化方向長さを設定している。この設定により駆動磁束は界磁磁石６ｃ，６ｆを含む磁路に流れ難く，界磁磁石６ｃ，６ｆ内の磁界強度は小さいので界磁磁石６ｃ，６ｆの磁化状態は駆動磁束の影響を受け難い。
【００９６】
以上，図６から図９までを用いて第二実施例の構成を説明したが，第二実施例は第一実施例に於いて，回転子側の表面磁極部構成を変え，磁性体外筒と第一磁性体突極，磁性体内筒と第二磁性体突極間の接続状態を変えたのみで界磁磁石の磁化状態変更，電機子コイルと鎖交する磁束量の変更等の動作原理は同じである。したがって，これら界磁磁石の磁化状態変更，電機子コイルと鎖交する磁束量の変更等の説明は省略する。
【実施例３】
【００９７】
本発明による回転電機システムの第三実施例を図１０から図１３を用いて説明する。第三実施例は，アキシャルギャップ・ダブルローター構造の回転電機であり，回転子の表面磁極部に永久磁石を持たない回転電機システムである。
【００９８】
図１０はアウターロータ構造の回転電機に本発明を適用した実施例を示し，相互の関係を説明する為に構成部分の一部に番号を付して示している。ロータハウジング１２がベアリング１３を介して固定軸１１に回動可能に支持されている。固定軸１１には電機子が固定され，固定軸１１と平行の磁性体歯１４及び電機子コイル１６が電機子支持体１５に周方向に配置されている。番号１０５は磁性体歯の先端部を含む磁性体歯板を示す。
【００９９】
電機子と軸方向に対向する二つの回転子はロータハウジング１２の内側側面に配置され，一体化されている。図１０に於いて左側の回転子の表面磁極部を構成する第一磁性体突極１０１，第二磁性体突極１０２はロータハウジング１２の左側面に，右側の回転子の表面磁極部を構成する第一磁性体突極１０３，第二磁性体突極１０４はロータハウジング１２の右側面にそれぞれ配置されている。第一磁性体突極１０１と第一磁性体突極１０３，第二磁性体突極１０２と第二磁性体突極１０４はそれぞれ電機子を介して軸方向に対向している。さらに第一磁性体突極１０１と第二磁性体突極１０２は非磁性体１ａ，１ｂにより磁気的に互いに離隔されている。第一磁性体突極１０３と第二磁性体突極１０４も非磁性体１ｅ，１ｆにより磁気的に互いに離隔されている。
【０１００】
電機子の外周側に第一励磁部，内周側に第二励磁部が配置されている。ロータハウジング１２の内周面には磁性体外筒１ｇが配置されてその両端は第一磁性体突極１０１，１０３の外周方向への延長部分とそれぞれ結合されている。さらに磁性体外筒１ｇは固定軸１１と鋭角を為す平面で二分されてその間に界磁磁石１０６が配置されている。すなわち，第一励磁部は磁性体外筒１ｇ，界磁磁石１０６より構成されている。電機子の内周側には磁性体内筒１ｋが配置され，その両端は微小間隙を介して第二磁性体突極１０２，１０４の内周方向への延長部分とそれぞれ対向している。磁性体内筒１ｋは固定軸１１と鋭角を為す平面で二分されてその間に界磁磁石１０７が配置されている。第二励磁部は磁性体内筒１ｋ，界磁磁石１０７より構成されている。
【０１０１】
図１１（ａ）は左側の回転子の表面を図１０に於いて左から見て透視した平面図を示し，図１１（ｂ）は電機子を左側の回転子側から見た平面図を示している。図１１（ａ）に示す回転子の表面は一様な磁性体基板を周方向にほぼ等間隔に配置された非磁性体１１１によって区分して第一磁性体突極１０１及び第二磁性体突極１０２が形成されている。第一磁性体突極１０１は外周部に延伸されて円環状の接続部を持ち，その円環状の接続部と第二磁性体突極１０２は非磁性体１ｂにより，磁気的に離隔されている。第二磁性体突極１０２は内周側に延伸されて円環状の接続部を持ち，その円環状の接続部と第一磁性体突極１０１とは非磁性体１ａにより磁気的に離隔されている。回転子の表面に於いて第一磁性体突極１０１と第二磁性体突極１０２は薄い磁性体で繋がって一体化されているので表面から第一磁性体突極１０１と第二磁性体突極１０２間の非磁性体１１１は見えないが判りやすいように区分して示されている。右側の回転子の表面は図示されていないが，図１１（ａ）に示す左側の回転子と全く同じ構成である。
【０１０２】
図１１（ｂ）は電機子，磁性体内筒１ｋ等を左側の回転子側から見た平面図に示している。磁性体歯１４及び磁性体歯１４に巻回された電機子コイル１６が周方向に配置され，電機子の内周側には磁性体内筒１ｋが示されている。磁性体歯１４の先端部は磁性体歯板１０５内の磁性体部として分離されているので図１１（ｂ）に示す磁性体歯１４は磁性体歯板１０５内の磁性体部を示している。磁性体歯１４の先端部である磁性体歯板１０５内の磁性体部は非磁性体部２２を介して対向する構成である。
【０１０３】
図１２は電機子及び二つの回転子の周方向断面を図１１（ａ），１１（ｂ）に示したＣ−Ｃ’に沿って示す図である。同図により回転子の磁極構成及び電機子の構成を説明する。
【０１０４】
二つの回転子の表面磁極部は一様な磁性体基板を非磁性体で周方向に区分した第一磁性体突極突極及び第二磁性体突極を周方向に交互に有している。番号１２１，１２２は第一磁性体突極１０１両側に配置された非磁性体を，番号１２３，１２４は第二磁性体突極１０２の両側に配置された非磁性体をそれぞれ示す。非磁性体１２２，１２３間の磁性体部分１２ａは外周側及び内周側に於いて非磁性体１ｂ，１ａを介して第一磁性体突極１０１及び第二磁性体突極１０２から離隔されている。第一磁性体突極１０１及び第二磁性体突極１０２間の磁気抵抗を大にする事が望ましいので磁性体部分１２ａは除去しても良い。
【０１０５】
第一磁性体突極１０１と第二磁性体突極１０２間の離隔部分は非磁性体１２１，１２２，１２３，１２４，１ｂ，１ａで構成され，さらに非磁性体１２１，１２２，１２３，１２４は磁性体と非磁性体を交互に積層した構成とする事も出来る。
【０１０６】
右側の回転子は左側の回転子と同様な構成であり，番号１２５，１２６，１２７，１２８は非磁性体を示している。第一磁性体突極１０３と第二磁性体突極１０４間の離隔部分は非磁性体１２５，１２６，１２７，１２８，１ｅ，１ｆで構成されている。
【０１０７】
電機子は磁性体歯１４及び磁性体歯１４に巻回された電機子コイル１６が周方向に配置され，軸方向の両端には磁性体歯板１０５が配置されている。磁性体歯板１０５は非磁性体部２２と磁性体部１２９が周方向に交互に配置された構造であり，磁性体部１２９は磁性体歯１４の先端部を構成し，隣接する磁性体歯の先端部が磁気的な空隙（非磁性体部２２）を介して対向する構成に於いて，その先端部を磁性体歯板１０５として分離した構造である。予め電機子コイル１６が巻回された磁性体歯１４を周方向に配置した後，磁性体歯板１０５を磁性体歯１４の軸方向両端に配置して電機子は組み立てられる。
【０１０８】
図１０及び図１２及び図１３を用いて第一及び第二励磁部の構成を説明する。図１３は磁性体外筒，界磁磁石，右側の回転子の表面磁極部の構成を示す斜視図であり，ロータハウジング１２，固定軸１１を除いて示している。
【０１０９】
図１０に示される磁性体外筒１ｇは固定軸１１と鋭角を為す平面で磁性体外筒半部４１，４２に分割され，磁性体外筒半部４１，４２間に界磁磁石１０６が配置されている。さらに図１３の右端には右側の回転子の表面磁極部が示されている。図１０に示されている磁性体内筒１ｋ及び界磁磁石１０７の斜視図は示されていないが磁性体外筒１ｇ及び界磁磁石１０６の構成と同様である。
【０１１０】
界磁磁石１０６から第一磁性体突極１０１，１０３に流れる磁束量は界磁磁石１０６の残留磁束密度と磁極面積との積に比例する。前記磁束量を可能な限り大とする為に磁性体外筒１ｇは固定軸１１と鋭角を為す平面で分割し，その間に界磁磁石１０６が配置されている。磁性体外筒１ｇを分割する面は折れ線状でも曲線状でも支障は無い。
【０１１１】
本実施例に於いて，第一及び第二励磁部は軸方向に十分な長さを有するので界磁磁石１０６，１０７には抗磁力の小さな磁石素材を磁化方向長さを大として採用する事が出来る。すなわち，アルニコ磁石或いはフェライト磁石等を採用して高価なネオジウム磁石を使用せず，低コストの回転電機を構成する事が出来る。
【０１１２】
界磁磁石１０６からの磁束は第一磁性体突極１０１，１０３と磁性体歯１４を流れ，界磁磁石１０７からの磁束は第二磁性体突極１０３，１０４と磁性体歯１４を流れるが，同時に磁性体歯１４を介さない磁路に短絡する可能性もある。すなわち，界磁磁石１０６から第一磁性体突極１０１に流れた磁束は非磁性体１２２，１２３を介して第二磁性体突極１０２，磁性体内筒１ｋ，界磁磁石１０７，第二磁性体突極１０４，非磁性体１２７，１２６，第一磁性体突極１０３，磁性体外筒１ｇを介して環流する可能性がある。本実施例では第一磁性体突極と第二磁性体突極間の磁気的な空隙長，すなわち第一磁性体突極１０１と第二磁性体突極１０２間を例に挙げれば非磁性体１２２，１２３の厚みの和を，左側の回転子と電機子間の空隙長と右側の回転子と電機子間の空隙長の和より大に設定されている。この設定により，界磁磁石１０６，１０７からの磁束は磁気抵抗の小さな磁性体歯１４を含む磁路に多く流れ，電機子コイル１６と鎖交する。さらに非磁性体１２２，１２３間の磁性体部分１２ａ，非磁性体１２６，１２７間の磁性体部分を除去した構成では界磁磁石１０６，１０７からの磁束が専ら磁性体歯１４を流れる事になる。
【０１１３】
以上，図１０から図１３までを用いて第三実施例の構成を説明したが，第三実施例は第一実施例に於いて，回転子側の表面磁極部構成を変え，界磁磁石の構成を変えた構造である。界磁磁石の磁化状態を変更しないが，回転電機を回転駆動する動作原理は同じである。したがって，さらなる説明は省略する。
【０１１４】
本実施例では磁性体歯と対向する回転子の表面磁極部には永久磁石は配置されていない。リラクタンストルクを主体として回転子を駆動する回転電機とし，界磁磁石からの磁束はリラクタンスモータの弱点である起動トルクを補強すると理解する事も出来る。さらに界磁磁石に磁化方向厚みの薄いネオジウム磁石を採用し，磁性体外筒１ｇ，磁性体内筒１ｋを含む磁路の磁気抵抗を小としてリラクタンストルクを大とする回転電機を構成する事も出来る。
【実施例４】
【０１１５】
本発明の第四実施例による回転電機システムを図１４及び図５を用いて説明する。第四実施例は第二実施例の回転電機システムを前輪のインホイールモータとし，前輪駆動のエンジンと組み合わせたハイブリッドカーのシステムである。
【０１１６】
同図に於いて，番号１４２は前輪駆動のエンジンを示し，トランスミッション１４３，駆動軸１４９を介して前輪に組み込まれた回転電機１４１に結合され，エンジン１４２と回転電機１４１によりハイブリッドカーを駆動する。制御装置１４４は上位制御装置からの指令１４ｂを受け，駆動回路１４５を介して回転電機１４１を電動機として駆動し，磁束量制御回路１４６を介して電機子に流入する磁束量を制御する。すなわち，磁束量制御回路１４６は図５に於ける切換スイッチ５８，磁化制御回路５ａ，磁束調整回路５９を含んで構成されている。更に制御装置１４４は上位制御装置からの指令１４ｂを受け，電機子コイル１６の引き出し線１４ｃに現れる発電電力を整流回路１４７を介して整流し，バッテリー１４８を充電する構成としている。
【０１１７】
回転電機１４１のみでハイブリッドカーを駆動する時はトランスミッション１４３に於いてエンジン１４２を切り離し，回転電機１４１の負荷を軽減する。低回転速度域で回転電機１４１の磁石トルクを強化する必要がある場合は界磁磁石６ｃ，６ｆ内の第一磁化の磁石要素数を増す方向の電流を励磁コイル６ｂ，６ｅに磁化制御回路５ａにより供給して第一磁化の磁石要素数を増すと共に第二磁化の磁石要素数を減じて電機子を流れる磁束量を大とする。高回転速度域で弱め界磁とする場合には第二磁化の磁石要素数を増す方向の電流を励磁コイル６ｂ，６ｅに磁化制御回路５ａにより供給して第一磁化の磁石要素数を減じると共に第二磁化の磁石要素数を増して電機子を流れる磁束量を小とする。
【０１１８】
エンジン１４２の回転力のみでハイブリッドカーを駆動する時は，指令１４ｂを受け，磁化制御回路５ａを介して第二磁化の磁石要素数を最大にするよう励磁コイル６ｂ，６ｅに電流を供給し，回転子から電機子側に流れる磁束量を最小のほぼゼロに設定する。この状態で回転子から漏れる磁束量はほぼゼロとなるのでエンジン１４２により回転子は回転されても渦電流損は発生しない。
【０１１９】
回転電機１４１及びエンジン１４２でハイブリッドカーを駆動する時はトランスミッション１４３に於いてエンジン１４２を駆動軸１４９に結合する。さらにエンジン１４２の駆動力に余力があり，回転電機１４１を発電機としてバッテリー１４８を充電させる場合には，電機子コイル１６の引き出し線１４ｃに現れる発電電力を整流回路１４７を介して直流に変え，バッテリー１４８を充電させる。
【０１２０】
その場合に制御装置１４４は発電電圧がバッテリー１４８を充電する最適な電圧より大である場合は磁束量制御回路１４６を介して磁束調整回路５９により励磁コイル６ｂ，６ｅに供給する磁束調整電流を減じて電機子に流れる磁束量を小とし，磁束調整電流が予め定めた値より小となる場合には第二磁化の磁石要素数を増す方向の磁化電流を磁化制御回路５ａにより励磁コイル６ｂ，６ｅに供給して第一磁化の磁石要素数を減じると共に第二磁化の磁石要素数を増して電機子を流れる磁束量を小とする。
【０１２１】
発電電圧がバッテリー１４８を充電する最適な電圧より小である場合は磁束量制御回路１４６を介して磁束調整回路５９により励磁コイル６ｂ，６ｅに供給する磁束調整電流を増して電機子に流れる磁束量を大とし，磁束調整電流が予め定めた値より大となる場合には第一磁化の磁石要素数を増す方向の磁化電流を磁化制御回路５ａにより励磁コイル６ｂ，６ｅに供給して第一磁化の磁石要素数を増すと共に第二磁化の磁石要素数を減じて電機子を流れる磁束量を大とする。
【０１２２】
バッテリー１４８に充電する場合に回転電機システムを定電圧発電機とする事で発電電圧を変換するコンバータは不要である。また，更にバッテリー１４８が電圧の種類の異なる複数種のバッテリーで構成される場合でも切り替え回路を付け加えてそれぞれのバッテリーに最適の発電電圧に制御する事で高価なコンバータを不要に出来る。また，バッテリー１４８に充電する際に磁束量制御と共に充電電流を制御して駆動負荷と発電負荷の配分制御も可能である。
【０１２３】
本実施例はまたハイブリッドカーの制動時に於けるエネルギー回収システムとしても有効に機能する。ブレーキペダルの動きに応じ，指令１４ｂを通じて回生制動の指示を受けると，制御装置１４４は磁束量制御回路１４６を介して第一磁化の磁石要素数を増す方向の電流を励磁コイル６ｂ，６ｅに供給して第一磁化の磁石要素数を増して電機子を流れる磁束量を大とし，発電電力でバッテリー１４８に充電させる。さらにブレーキペダルの踏み圧に応じて励磁コイル６ｂ，６ｅに供給する電流を増減させ，制動力を制御する。
【０１２４】
電機子コイル１６と鎖交する磁束量は増えるので取り出せる電力は大きく，電気二重層コンデンサ他の蓄電システムに一時的に蓄えて制動力の確保とエネルギー回収を大にする。電機子コイル１６と鎖交する磁束量を自在に制御できるので従来は低速で十分なエネルギーを回収できなかったが，低速に於いてもエネルギー回生を可能とし，さらに励磁コイル６ｂ，６ｅに供給する電流を増して低速でも制動力を確保できる。回転電機１４１は駆動用電動機として用いられる体格であるので回生制動用の発電機として十分な制動力を発生できる。
【０１２５】
本実施例は前輪にインホイールモータとして回転電機システムを組み込み，前輪駆動エンジンシステムと組み合わせてハイブリッドモータカーとした例である。インホイールモータは前輪の他に駆動軸１４９を回転させるので若干負荷が増えるが，前輪駆動エンジンの駆動軸は短いので大きな負担には成らず，簡素な構成のハイブリッドカーシステムを実現できる特徴がある。また，インホイールモータとして組み込まれた回転電機はエンジン駆動で走行する場合でも常に回転する事になるが，回転子から電機子側に漏れる磁束量を最小のゼロ近傍に設定する事により渦電流損を最小にしてエネルギー効率を損なわない。
【０１２６】
本実施例はハイブリッドカーの発電機兼電動機として用いた回転電機システムであるが，電気自動車に於ける回転電機システムとする事も当然に可能である。その場合には上記実施例に於いてハイブリッドカーのエンジン１４２，トランスミッション１４３，駆動軸１４９を取り除き，本発明による回転電機システムのみで電気自動車を駆動し，制動時に於けるエネルギー回収システムを構成する。
【０１２７】
以上，本発明の回転電機システムについて，実施例を挙げて説明した。これらの実施例は本発明の趣旨，目的を実現する例を示したのであって本発明の範囲を限定するわけでは無い。例えば上記実施例に於ける回転子の磁極構成，電機子の構成，励磁部の構成等はそれぞれ組み合わせを変えて本発明の趣旨を実現する回転電機装置を構成できる事は勿論である。
【産業上の利用可能性】
【０１２８】
本発明を適用した回転電機システムは従来の回転電機と同様に磁石トルク及びリラクタンストルクを利用出来，更に発電機能を改善し，またその発電機能を制御できる。移動体の発電機兼電動機システムに用いて，駆動用電動機としては従来以上の回転速度範囲での使用と低電流・大トルク出力が期待できる他に制動時のエネルギー回収を可能として総合的なエネルギー消費量を改善できる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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