(57)【要約】【課題】  機械的変位により界磁磁石からの磁束量を制御して出力を最適に制御できる回転電機システム及び磁束量制御方法を提供する。【解決手段】  磁束量を機械的変位により制御する磁石励磁回転電機であり，回転子表面には磁性体突極と外部からの磁束が通過し難い島状突極とを周方向に交互に有し，励磁部は島状突極と磁性体突極とを一括して同一軸方向に励磁して電機子コイルと鎖交する磁束量を制御する。電機子コイルは島状突極と磁性体突極と同時に対向する電機子コイルを有してトルク変動及び発電電圧歪みが抑制される。励磁部は界磁磁石からの磁束量を機械的変位により変える構成とし，定電圧発電，低電流・大トルク，さらに高速回転を可能にする回転電機システムを実現する。【選択図】  図１
2011072173.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電機子との対向面に於いて島状突極及び磁性体突極を周方向に交互に有する回転子と，回転子との対向面に於いて電機子コイルが周方向に配置された電機子と，島状突極と磁性体突極とを同じ方向に一括して励磁する励磁部とを有し，電機子及び回転子が微小間隙を介して相対的に回転する回転電機装置であって，回転子は外部からの磁束通過を阻止するよう永久磁石及び或いは非磁性体で構成される離隔部材を少なくとも島状突極内に有し，励磁部からの磁束が島状突極を通過し難いよう島状突極内の離隔部材の厚みは磁性体突極内の離隔部材の厚みより大とされるよう構成され，島状突極内に配置された永久磁石及び或いは島状突極に隣接する永久磁石によって全ての島状突極がほぼ同じ方向に磁化されるよう構成され，励磁部は界磁磁石と，界磁磁石に対向する主磁極とを有して界磁磁石のＮ極或いはＳ極の何れか一方の磁極から出た磁束の一部が主磁極と，電機子と，回転子の磁性体突極とを介して界磁磁石の他方の磁極に環流するよう構成され，励磁部はさらに界磁磁石及び主磁極の何れかを可動磁極部として変位させる機械的変位手段を有して界磁磁石と主磁極との対向状態を変えるよう構成され，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部から供給する磁束量を機械的変位手段により変え，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２】
請求項１記載の回転電機システムに於いて，回転子は一つの面で電機子と対向し，電機子との対向面に於いて島状突極及び磁性体突極を磁性体基板上に有し，前記磁性体基板は励磁部の一端と磁気的に結合され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，電機子は一つの面で回転子と対向し，回転子との対向面に於いて電機子コイルが磁気ヨークに配置され，前記磁気ヨークは励磁部の一端と磁気的に結合され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，島状突極及び磁性体突極は電機子との対向面に於いて磁性体基板を略周方向磁化を持つ永久磁石及び集合磁石の何れかによって周方向に区分して形成されると共に互いに異極に磁化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１記載の回転電機システムに於いて，回転子は非磁性体及び或いは永久磁石で周方向に区分して形成された島状突極と磁性体突極とを有し，島状突極及び磁性体突極はそれぞれ二つの面で電機子と対向し，島状突極を励磁部からの磁束が流れ難いよう島状突極の軸方向の両表面間に配置の離隔部材の厚みは磁性体突極の軸方向の両表面間に配置の離隔部材の厚みより大と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１記載の回転電機システムに於いて，電機子コイルは電機子コイルが周方向に配置された第一電機子磁極群と，第二電機子磁極群とにグループ化され，第一電機子磁極群，第二電機子磁極群に於いて同時に駆動電流が供給される同一相にそれぞれ属する電機子コイル同士は一方が島状突極に対向する時に他方は磁性体突極に対向するよう配置されると共に互いに逆方向の磁束を発生するよう接続される事を特徴とする回転電機システム
【請求項７】
請求項６記載の回転電機システムに於いて，第一電機子磁極群を有する第一電機子と，第二電機子磁極群を有する第二電機子とがそれぞれ回転子と対向し，第一電機子，第二電機子に於いてそれぞれ同一相に属する電機子コイル同士は一方が島状突極に対向する時に他方は磁性体突極に対向するよう配置されると共に互いに逆方向の磁束を発生するよう直列に接続される事を特徴とする回転電機システム
【請求項８】
請求項６記載の回転電機システムに於いて，電機子は第一電機子磁極群，第二電機子磁極群の電機子コイルを周方向の異なる位置に有し，第一電機子磁極群，第二電機子磁極群に於いてそれぞれ同一相に属する電機子コイル同士は一方が島状突極に対向する時に他方は磁性体突極に対向するよう配置されると共に互いに逆方向の磁束を発生するよう直列に接続される事を特徴とする回転電機システム
【請求項９】
請求項１記載の回転電機システムに於いて，電機子と回転子とが一つの空隙を介して対向し，電機子は回転子との対向面に於いて電機子コイルが磁気ヨークに配置され，回転子は電機子との対向面に於いて島状突極と磁性体突極とを磁性体基板上に周方向に交互に配置され，励磁部の一端は磁気ヨークに，他端は磁性体基板にそれぞれ磁気的に結合され，励磁部の一端から流れる磁束は磁気ヨークと，磁性体突極と，磁性体基板とを介して励磁部の他端に環流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１０】
請求項１記載の回転電機システムに於いて，第一電機子，回転子，第二電機子がこの順でそれぞれ空隙を介して並ぶよう配置され，回転子は島状突極及び磁性体突極を周方向に交互に有し，二つの電機子は回転子との対向面に於いて電機子コイルを磁気ヨークに周方向に有し，励磁部の両端はそれぞれ二つの電機子の磁気ヨークと磁気的に結合され，励磁部の一端から流れる磁束は第一電機子の磁気ヨークと，磁性体突極と，第二電機子の磁気ヨークとを介して励磁部の他端に環流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１１】
請求項１記載の回転電機システムに於いて，励磁部はさらにバイパス磁極を有し，界磁磁石のＮ極或いはＳ極の何れか一方の磁極を第一界磁磁極，他方の磁極を第二界磁磁極としたときに第一界磁磁極に主磁極及びバイパス磁極が対向して配置され，第一界磁磁極から主磁極に流入する磁束が磁性体突極及び電機子を介して第二界磁磁極に環流する主磁路及び第一界磁磁極からバイパス磁極に流入する磁束が主として励磁部内で第二界磁磁極に環流するバイパス磁路が界磁磁石に並列に接続され，主磁極及びバイパス磁極のユニット或いは界磁磁石の何れかが可動磁極部として第一界磁磁極が主磁極と対向する面積及びバイパス磁極と対向する面積の和が一定に保たれながら前記それぞれの対向面積を変える事が出来るよう可動磁極部が残余に対して相対変位可能に構成され，回転電機システムの出力を最適化するように前記出力に応じて可動磁極部が変位されて主磁路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１２】
請求項１１記載の回転電機システムに於いて，界磁磁石が主磁路を介して磁性体突極を磁化する方向は，島状突極内及び或いは島状突極に隣接する永久磁石によって島状突極が磁化される方向と逆になるよう主磁極及びバイパス磁極に対向する界磁磁石の極性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１３】
請求項１１記載の回転電機システムに於いて，可動磁極部を変位させる際に可動磁極部の変位を妨げる磁気力を小とするようバイパス磁路の磁気抵抗及び主磁路の磁気抵抗が互いにほぼ等しいとする最小磁気力条件に設定される事を特徴とする回転電機システム
【請求項１４】
請求項１１記載の回転電機システムに於いて，回転子は島状突極内及び或いは島状突極に隣接して永久磁石を有し，前記永久磁石により主磁極に現れると同じ極性の磁極がバイパス磁極に現れるようバイパス磁石をバイパス磁路に並列に接続配置した事を特徴とする回転電機システム
【請求項１５】
請求項１記載の回転電機システムに於いて，界磁磁石及び主磁極の何れかは可動磁極部として可動磁極部の変位に応じて界磁磁石と主磁極との対向面積が変化するよう構成され，回転電機システムの出力を最適化するように前記出力に応じて可動磁極部が変位されて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１６】
請求項１記載の回転電機システムに於いて，界磁磁石は互いに磁化方向の異なる二つの磁石要素で構成され，主磁極と，電機子と，回転子の磁性体突極とを含んで構成される磁路に互いに異なる方向の磁束が流入するよう主磁極は二つの磁石要素それぞれの磁極面に対向して配置され，二つの磁石要素及び主磁極の何れかは可動磁極部として可動磁極部の変位に応じて主磁極と二つの磁石要素それぞれとの対向面積が変化するよう構成され，回転電機システムの出力を最適化するように前記出力に応じて可動磁極部が変位されて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１７】
請求項１記載の回転電機システムに於いて，励磁部から電機子に流れる磁束量を大にする際には，回転子を加速する方向の予め定められた電流が電機子コイルに供給され，励磁部から電機子に流れる磁束量を小にする際には，回転子を減速する方向の予め定められた電流が電機子コイルに供給されて実効的に可動磁極部の変位に必要な力が小とされる事を特徴とする回転電機システム
【請求項１８】
電機子との対向面に於いて島状突極及び磁性体突極を周方向に交互に有する回転子と，回転子との対向面に於いて電機子コイルが周方向に配置された電機子と，島状突極と磁性体突極とを同じ方向に一括して励磁する励磁部とを有し，電機子及び回転子が微小間隙を介して相対的に回転する回転電機装置の磁束量制御方法であって，回転子は外部からの磁束通過を阻止するよう永久磁石及び或いは非磁性体で構成される離隔部材を少なくとも島状突極内に有し，励磁部からの磁束が島状突極を通過し難いよう島状突極内の離隔部材の厚みを磁性体突極内の離隔部材の厚みより大とされるよう構成し，島状突極内及び或いは島状突極に隣接する永久磁石によって全ての島状突極をほぼ同じ方向に磁化するよう構成し，励磁部に界磁磁石と，界磁磁石に対向する主磁極とを有して界磁磁石のＮ極或いはＳ極の何れか一方の磁極から出た磁束の一部が主磁極と，電機子と，回転子の磁性体突極とを介して界磁磁石の他方の磁極に環流するよう構成し，励磁部はさらに界磁磁石或いは界磁磁石からの磁束磁路を構成する部材の一部を可動磁極部として変位させる機械的変位手段を有し，励磁部から供給する磁束量を機械的変位手段により変え，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。しかしそのような回転電機は、界磁磁石からの磁束が一定であるので電動機として用いられるにしても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い。
【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，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変位により行う試みがある（例えば特許第４１５０７６５号，特許第４２３８２９８号）。これは界磁条件を機械的な変位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。しかしながら，励磁部と回転子の磁性体突極との磁気的な結合構成がやや複雑になる課題があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって，本発明が解決しようとする課題は，機械的変位により界磁磁石からの磁束量を制御する励磁部構成に適合する回転電機を提供し，強め及び弱め界磁制御を可能として出力を最適に制御でき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】
【０００６】
本発明による回転電機システムは，機械的変位により回転子を流れる磁束量を一括して制御して電機子コイルと鎖交する磁束量を変える。回転子は周方向に島状突極と磁性体突極とを交互に有し，島状突極は励磁部による磁束が通過し難く，磁性体突極は励磁部による磁束が通過する事が出来るように構成され，島状突極と磁性体突極とは励磁部により一括して同じ方向に励磁されて電機子を流れる磁束量が制御される。回転子表面に於ける突極個々に励磁磁路を設ける必要は無く，励磁磁路間に於ける磁束漏洩は発生しない。その具体的な構成は以下に規定される。
【０００７】
請求項１の発明による回転電機システムは，電機子との対向面に於いて島状突極及び磁性体突極を周方向に交互に有する回転子と，回転子との対向面に於いて電機子コイルが周方向に配置された電機子と，島状突極と磁性体突極とを同じ方向に一括して励磁する励磁部とを有し，電機子及び回転子が微小間隙を介して相対的に回転する回転電機装置であって，回転子は外部からの磁束通過を阻止するよう永久磁石及び或いは非磁性体で構成される離隔部材を少なくとも島状突極内に有し，励磁部からの磁束が島状突極を通過し難いよう島状突極内の離隔部材の厚みは磁性体突極内の離隔部材の厚みより大とされるよう構成され，島状突極内に配置された永久磁石及び或いは島状突極に隣接する永久磁石によって全ての島状突極がほぼ同じ方向に磁化されるよう構成され，励磁部は界磁磁石と，界磁磁石に対向する主磁極とを有して界磁磁石のＮ極或いはＳ極の何れか一方の磁極から出た磁束の一部が主磁極と，電機子と，回転子の磁性体突極とを介して界磁磁石の他方の磁極に環流するよう構成され，励磁部はさらに界磁磁石及び主磁極の何れかを可動磁極部として変位させる機械的変位手段を有して界磁磁石と主磁極との対向状態を変えるよう構成され，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部から供給する磁束量を機械的変位手段により変え，電機子に流れる磁束量が制御される事を特徴とする。
【０００８】
回転子は励磁部からの磁束が通る磁性体突極と励磁部からの磁束が通り難い島状突極とが周方向に交互に並ぶ構成として励磁部による磁束量制御を可能にする。島状突極は全体を離隔部材である永久磁石で構成され，或いは永久磁石，磁気的な空隙で離隔された磁性体で構成され，島状突極は磁性体突極に比して励磁部からの磁束が流れ難いよう構成される。永久磁石の比透磁率は空隙に近く，磁化した永久磁石からの磁束量はほぼ一定であるので，厚みが大の永久磁石を双方向の磁束の離隔部材と出来る。島状突極を磁気的に離隔された磁性体で構成する場合は磁石トルクに加えてリラクタンスを利用出来る。
【０００９】
電機子及び磁性体突極は空隙を介して励磁部からの磁束が流れる磁路を形成するよう構成される。すなわち，回転子，電機子，回転子がこの順で並ぶ構成に於いて，電機子が周方向に並ぶ電機子コイルのみで構成される場合には二つの回転子の磁性体突極は電機子を介して軸方向に対向する構成とする。電機子コイルが軸方向に延びる磁性体歯に巻回される場合に，磁性体突極と磁性体歯は回転子の回転位置に応じて励磁部からの磁束が二つの回転子の磁性体突極と磁性体歯とを介して断続的に流れるよう構成される。さらにまた，電機子，回転子，電機子がこの順で並ぶ構成に於いて，電機子コイルが軸方向に延びる磁性体歯に巻回される場合に，磁性体突極と磁性体歯は回転子の回転位置に応じて励磁部からの磁束が二つの電機子の磁性体歯と磁性体突極とを介して断続的に流れて電機子コイルと鎖交するよう構成される。励磁部は電機子，磁性体突極を介して流れるよう磁束を一括して供給し，電機子コイルと鎖交する磁束量を機械的変位により制御する。
【００１０】
回転電機装置には円筒状の電機子と回転子が径方向に空隙を介して対向する構造，或いは略円盤状の電機子と回転子が軸方向に空隙を介して対向する構造，電機子と回転子とが円錐面形状の空隙を介して対向する構造等が存在する。本発明は上記何れの構造の回転電機システムにも適用される。さらに，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。
【００１１】
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，回転子は一つの面で電機子と対向し，電機子との対向面に於いて島状突極及び磁性体突極を磁性体基板上に有し，前記磁性体基板は励磁部の一端と磁気的に結合される事を特徴とする。電機子と回転子とが軸方向に並び或いは径方向に並ぶ構成に於いて，軸方向或いは径方向の最外側に位置する回転子は一つの面で電機子と対向し，島状突極及び磁性体突極を磁性体基板上に有する。励磁部は回転子を一括して励磁するよう励磁部の一端が磁性体基板に磁気的に結合される。励磁部の一端が磁性体基板に磁気的に結合されるとは，励磁部を構成する磁性体の一端と磁性体基板とが直接に接続され，或いは微小間隙を介して配置される状態を指す。
【００１２】
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，電機子は一つの面で回転子と対向し，回転子との対向面に於いて電機子コイルが磁気ヨークに配置され，前記磁気ヨークは励磁部の一端と磁気的に結合される事を特徴とする。電機子と回転子とが軸方向に並び或いは径方向に並ぶ構成に於いて，軸方向或いは径方向の最外側に位置する電機子は一つの面で回転子と対向し，電機子コイルが磁気ヨークに配置される。励磁部は回転子を一括して励磁するよう励磁部の一端が磁気ヨークに磁気的に結合される。励磁部の一端が磁気ヨークに磁気的に結合されるとは，励磁部を構成する磁性体の一端と磁気ヨークとが直接に接続され，或いは微小間隙を介して配置される状態を指す。
【００１３】
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，島状突極及び磁性体突極は電機子との対向面に於いて磁性体基板を略周方向磁化を持つ永久磁石及び集合磁石の何れかによって周方向に区分して形成されると共に互いに異極に磁化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。回転子は磁性体を略周方向磁化を持つ永久磁石及び集合磁石の何れかによって周方向に区分された磁極構造として隣接する突極が互いに異極に磁化される。
【００１４】
請求項５の発明は，請求項１記載の回転電機システムに於いて，回転子は非磁性体及び或いは永久磁石で周方向に区分して形成された島状突極と磁性体突極とを有し，島状突極及び磁性体突極はそれぞれ二つの面で電機子と対向し，島状突極を励磁部からの磁束が流れ難いよう島状突極の軸方向の両表面間に配置の離隔部材の厚みは磁性体突極の軸方向の両表面間に配置の離隔部材の厚みより大とされる事を特徴とする。励磁部からの磁束は磁性体突極を通過し，島状突極を通過しないように構成される。島状突極全体を永久磁石，磁性体突極全体を磁性体として磁気的な空隙を介して配置された構成，或いは一様な磁性体を略周方向磁化を持つ永久磁石及び集合磁石の何れかによって周方向に区分された構成等が可能である。
【００１５】
請求項６の発明は，請求項１記載の回転電機システムに於いて，電機子コイルは電機子コイルが周方向に配置された第一電機子磁極群と，第二電機子磁極群とにグループ化され，第一電機子磁極群，第二電機子磁極群に於いて同時に駆動電流が供給される同一相にそれぞれ属する電機子コイル同士は一方が島状突極に対向する時に他方は磁性体突極に対向するよう配置されると共に互いに逆方向の磁束を発生するよう接続される事を特徴とする。
【００１６】
上記回転電機システムに於いて，島状突極から電機子に流れる磁束量を固定とし，磁性体突極から電機子に流れる磁束量を励磁部により可変としたので，隣接する島状突極及び磁性体突極から電機子に流れる磁束量は殆どの場合にアンバランスである。電機子は回転子の隣り合う突極から流れる磁束量にアンバランスがある状態でも駆動トルク変動或いは発電電圧波形歪みが抑制されるよう構成される。すなわち，回転電機装置は第一電機子磁極群と第二電機子磁極群をそれぞれ同数有し，第一電機子磁極群と第二電機子磁極群に於いて，同じタイミングで駆動電流が供給される同一相に属する電機子コイル同士は一方が島状突極に対向する時に，他方が磁性体突極に対向するよう配置され，電流が流された時にそれぞれ逆方向の磁束を生じるよう接続される。電機子コイルは磁性体歯に巻回する構成，或いは空芯の何れの構成も使用できる。
【００１７】
請求項７の発明は，請求項６記載の回転電機システムに於いて，第一電機子磁極群を有する第一電機子と，第二電機子磁極群を有する第二電機子とがそれぞれ回転子と対向し，第一電機子，第二電機子に於いてそれぞれ同一相に属する電機子コイル同士は一方が島状突極に対向する時に他方は磁性体突極に対向するよう配置されると共に互いに逆方向の磁束を発生するよう直列に接続される事を特徴とする。
【００１８】
第一電機子磁極群，第二電機子磁極群のそれぞれを有する二つの電機子が回転子の径方向の両面，或いは軸方向の両面に対向する。或いは更に回転子の一つの面に前記二つの電機子が並んで対向する。二つの電機子に於いて同一相に属する電機子コイル同士は一方が島状突極に対向する時に他方が磁性体突極に対向するよう配置され，電流が流された時にそれぞれ逆方向の磁束を生じるよう直列に接続されて駆動トルクリップル或いは発電電圧波形歪みが抑制される。
【００１９】
請求項８の発明は，請求項６記載の回転電機システムに於いて，電機子は第一電機子磁極群，第二電機子磁極群の電機子コイルを周方向の異なる位置に有し，第一電機子磁極群，第二電機子磁極群に於いてそれぞれ同一相に属する電機子コイル同士は一方が島状突極に対向する時に他方は磁性体突極に対向するよう配置されると共に互いに逆方向の磁束を発生するよう直列に接続される事を特徴とする。
【００２０】
電機子は回転子との対向面内に第一電機子磁極群，第二電機子磁極群の電機子コイルを周方向の異なる位置に有し，両群の電機子コイルに於いて同一相に属する電機子コイル同士は一方が島状突極に対向する時に他方が磁性体突極に対向するよう配置され，電流が流された時にそれぞれ逆方向の磁束を生じるよう直列に接続されて駆動トルクリップル或いは発電電圧波形歪みが抑制される。
【００２１】
請求項９の発明は，請求項１記載の回転電機システムに於いて，電機子と回転子とが一つの空隙を介して対向し，電機子は回転子との対向面に於いて電機子コイルが磁気ヨークに配置され，回転子は電機子との対向面に於いて島状突極と磁性体突極とを磁性体基板上に周方向に交互に配置され，励磁部の一端は磁気ヨークに，他端は磁性体基板にそれぞれ磁気的に結合され，励磁部の一端から流れる磁束は磁気ヨークと，磁性体突極と，磁性体基板とを介して励磁部の他端に環流するよう構成される事を特徴とする。回転電機システムは，空隙を介して対向する電機子及び回転子を有し，その典型的な構成の一つは回転子と電機子とが一つのギャップを介して対向する構成である。
【００２２】
請求項１０の発明は，請求項１記載の回転電機システムに於いて，第一電機子，回転子，第二電機子がこの順でそれぞれ空隙を介して並ぶよう配置され，回転子は島状突極及び磁性体突極を周方向に交互に有し，二つの電機子は回転子との対向面に於いて電機子コイルを磁気ヨークに周方向に有し，励磁部の両端はそれぞれ二つの電機子の磁気ヨークと磁気的に結合され，励磁部の一端から流れる磁束は第一電機子の磁気ヨークと，磁性体突極と，第二電機子の磁気ヨークとを介して励磁部の他端に環流するよう構成される事を特徴とする。
【００２３】
回転電機の構成の一つは電機子，回転子，電機子が径方向或いは軸方向に並ぶ構成である。すなわち，回転子は島状突極及び磁性体突極が周方向に交互に配置され，それぞれの電機子は回転子との対向面に於いて電機子コイルを磁気ヨークに周方向に有して回転子の二つの面にそれぞれ対向するよう配置され，励磁部の両端は二つの電機子の磁気ヨークとそれぞれ磁気的に結合される。回転子に於いて島状突極，磁性体突極はそれぞれの二つの面で電機子と対向し，励磁磁束は磁性体突極を低磁気抵抗で通過する。
【００２４】
請求項１１の発明は，請求項１記載の回転電機システムに於いて，励磁部はさらにバイパス磁極を有し，界磁磁石のＮ極或いはＳ極の何れか一方の磁極を第一界磁磁極，他方の磁極を第二界磁磁極としたときに第一界磁磁極に主磁極及びバイパス磁極が対向して配置され，第一界磁磁極から主磁極に流入する磁束が磁性体突極及び電機子を介して第二界磁磁極に環流する主磁路及び第一界磁磁極からバイパス磁極に流入する磁束が主として励磁部内で第二界磁磁極に環流するバイパス磁路が界磁磁石に並列に接続され，主磁極及びバイパス磁極のユニット或いは界磁磁石の何れかが可動磁極部として第一界磁磁極が主磁極と対向する面積及びバイパス磁極と対向する面積の和が一定に保たれながら前記それぞれの対向面積を変える事が出来るよう可動磁極部が残余に対して相対変位可能に構成され，回転電機システムの出力を最適化するように前記出力に応じて可動磁極部が変位されて主磁路に流れる磁束量が制御される事を特徴とする。
【００２５】
上記構成に於いて，界磁磁石に主磁極及びバイパス磁極が微小間隙を介して対向し，磁束は界磁磁石及び磁性体近傍ではそれらの境界面にほぼ直交するので界磁磁石からの磁束はほぼ層流状に主磁極及びバイパス磁極に流入し，主磁極に分流される磁束量は主磁極と界磁磁石の対向面積に比例する。前記微小間隙を可能な限り小にし，さらに界磁磁石との対向面では主磁極とバイパス磁極間の間隙も微小に設定すれば前記磁束分布はさらに完全な層流状に近くなり，磁束量の精密な制御が可能になる。また，バイパス磁路の接続により界磁磁石に繋がる磁気抵抗の変動は小さくなるので可動磁極部の変位を妨げる磁気力は抑制され，主磁路に流入する磁束量を変更しても界磁磁石にはバイパス磁路が接続されているので界磁磁石が減磁されるリスクは避けられる。
【００２６】
界磁磁石に並列に接続される主磁路及びバイパス磁路，それぞれの磁路の磁気抵抗を界磁磁石に繋がる磁路の磁気抵抗を常に一定にする最小磁気力条件に設定する事で，前記変位を妨げる磁気力を最小に出来るが，磁路の磁気抵抗を変動させる要因は多い。すなわち，部品寸法に必要な公差により磁路の磁気抵抗は変動し，可動磁極部の変位位置が主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗に影響し，磁路を構成する磁性体の透磁率は温度の影響を受けて磁気抵抗は変化する。更にまた電機子コイルに電流が流れると主磁路の磁気抵抗は実効的に変動する。このように回転電機の運転条件によって各磁路の磁気抵抗は変動するので静止状態或いは平均的な運転条件或いは各運転条件に於いて両磁路の磁気抵抗を最小磁気力条件に設定する。主磁路の磁気抵抗は磁性体突極と磁性体歯との相対位置により変動するが，本発明で主磁路の磁気抵抗は磁性体突極と磁性体歯間の各相対位置に関して平均化された値としている。
【００２７】
各磁路の磁気抵抗が経時的に変化，或いは運転中に於いて変動量が多い場合は磁気抵抗調整手段を有して回転電機の製造後或いは運転中に主磁路或いはバイパス磁路の磁気抵抗を調整して可動磁極部の変位制御時に前記偏倚に必要な力を小として精密な界磁制御を可能に出来る。磁気抵抗調整手段により可動磁極部の変位制御時に前記偏倚に必要な力を小とする方法は，主磁路とバイパス磁路の磁気抵抗を最小磁気力条件に調整する事，或いは可動磁極部の変位をアシストする方向の磁気力を発生させるよう主磁路とバイパス磁路の磁気抵抗を最小磁気力条件からずらして調整する事がある。磁路を形成する寸法諸元の変更制御及び磁路に巻回したコイルへの通電制御等による磁気抵抗調整手段が可能である。さらに温度或いは磁気飽和等を利用して磁性体の磁気特性を制御する方法も利用できる。
【００２８】
請求項１２の発明は，請求項１１記載の回転電機システムに於いて，界磁磁石が主磁路を介して磁性体突極を磁化する方向は，島状突極内及び或いは島状突極に隣接する永久磁石によって島状突極が磁化される方向と逆になるよう主磁極及びバイパス磁極に対向する界磁磁石の極性が設定されている事を特徴とする。島状突極内及び或いは島状突極に隣接する永久磁石と界磁磁石とが閉磁路を構成すると，可動磁極部に働く磁気吸引力が大となるので，磁気吸引力の発生を避けるよう配置する。
【００２９】
請求項１３の発明は，請求項１１記載の回転電機システムに於いて，可動磁極部を偏倚させる際に可動磁極部の変位を妨げる磁気力を小とするようバイパス磁路の磁気抵抗及び主磁路の磁気抵抗が互いにほぼ等しいとする最小磁気力条件に設定される事を特徴とする。可動磁極部を変位させる際にバイパス磁路と主磁路の磁気抵抗を最小磁気力条件に調整すれば，変位を妨げる磁気力を最小に出来る。「ほぼ等しい」の意味は前記変位に用いるアクチュエータの出力以下に前記変位を妨げる磁気力を抑制するよう両磁路の磁気抵抗を最小磁気力条件に設定する事である。
【００３０】
請求項１４の発明は，請求項１１記載の回転電機システムに於いて，回転子は島状突極内及び或いは島状突極に隣接して永久磁石を有し，前記永久磁石により主磁極に現れると同じ極性の磁極がバイパス磁極に現れるようバイパス磁石をバイパス磁路に並列に接続配置した事を特徴とする。島状突極内及び或いは島状突極に隣接する永久磁石が存在する場合には，主磁極に前記永久磁石による磁荷が現れ，界磁磁石と主磁極との間に磁気的な反発力或いは吸引力が現れる。バイパス磁石はそれらの磁気的な吸引力或いは反発力を相殺するよう配置される。
【００３１】
請求項１５の発明は，請求項１記載の回転電機システムに於いて，界磁磁石及び主磁極の何れかは可動磁極部として可動磁極部の変位に応じて界磁磁石と主磁極との対向面積が変化するよう構成され，回転電機システムの出力を最適化するように前記出力に応じて可動磁極部が変位されて電機子に流れる磁束量が制御される事を特徴とする。励磁部が供給する磁束量を界磁磁石に対向する主磁極と界磁磁石との対向面積を変えて制御する。可動磁極部に磁気力が作用するが，小出力の回転電機ではシンプルな構成で制御が可能となる。また，界磁磁石と主磁極間の間隙長が小として，線形性も確保できる。
【００３２】
請求項１６の発明は，請求項１記載の回転電機システムに於いて，界磁磁石は互いに磁化方向の異なる二つの磁石要素で構成され，主磁極と，電機子と，回転子の磁性体突極とを含んで構成される磁路に互いに異なる方向の磁束が流入するよう主磁極は二つの磁石要素それぞれの磁極面に対向して配置され，二つの磁石要素及び主磁極の何れかは可動磁極部として可動磁極部の変位に応じて主磁極と二つの磁石要素それぞれとの対向面積が変化するよう構成され，回転電機システムの出力を最適化するように前記出力に応じて可動磁極部が変位されて電機子に流れる磁束量が制御される事を特徴とする。
【００３３】
主磁極には互いに磁化方向の異なる二つの磁石要素の磁極面が対向し，二つの磁石要素と主磁極とを機械的変位手段により相対的に変位させ，主磁極に流入する磁束量を変えて電機子に流れる磁束量が制御される。可動磁極部に磁気力が作用するが，小出力の回転電機ではシンプルな構成で制御が可能となる。
【００３４】
請求項１７の発明は，請求項１記載の回転電機システムに於いて，励磁部から電機子に流れる磁束量を大にする際には，回転子を加速する方向の予め定められた電流が電機子コイルに供給され，励磁部から電機子に流れる磁束量を小にする際には，回転子を減速する方向の予め定められた電流が電機子コイルに供給されて実効的に可動磁極部の変位に必要な力を小とされる事を特徴とする。
【００３５】
回転子を加速或いは減速駆動する場合は界磁磁石，回転子，電機子を含む磁路の磁気抵抗が実効的にそれぞれ小，大となる。可動磁極部の変位制御時に駆動回路を電機子コイルに接続し，回転子を加速或いは減速方向に駆動する電流を電機子コイルに供給して前記磁路の磁気抵抗を実効的に調整する。回転子を加速方向に駆動する電流を電機子コイルに供給すると，前記磁路の磁気抵抗は小となるので励磁部から供給される磁束量が大となる方向に可動磁極部を変位させるような磁気力が現れ，機械的変位手段をアシストする事が出来る。
【００３６】
請求項１８の発明は，電機子との対向面に於いて島状突極及び磁性体突極を周方向に交互に有する回転子と，回転子との対向面に於いて電機子コイルが周方向に配置された電機子と，島状突極と磁性体突極とを同じ方向に一括して励磁する励磁部とを有し，電機子及び回転子が微小間隙を介して相対的に回転する回転電機装置の磁束量制御方法であって，回転子は外部からの磁束通過を阻止するよう永久磁石及び或いは非磁性体で構成される離隔部材を少なくとも島状突極内に有し，励磁部からの磁束が島状突極を通過し難いよう島状突極内の離隔部材の厚みを磁性体突極内の離隔部材の厚みより大とされるよう構成し，島状突極内及び或いは島状突極に隣接する永久磁石によって全ての島状突極をほぼ同じ方向に磁化するよう構成し，励磁部に界磁磁石と，界磁磁石に対向する主磁極とを有して界磁磁石のＮ極或いはＳ極の何れか一方の磁極から出た磁束の一部が主磁極と，電機子と，回転子の磁性体突極とを介して界磁磁石の他方の磁極に環流するよう構成し，励磁部はさらに界磁磁石或いは界磁磁石からの磁束磁路を構成する部材の一部を可動磁極部として変位させる機械的変位手段を有し，励磁部から供給する磁束量を機械的変位手段により変え，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。
【００３７】
島状突極，磁性体突極の構成は回転子全体を一括して一方向に励磁し，島状突極を通る磁束量を固定，磁性体突極を通る磁束量を可変として電機子を流れる磁束量を制御する。機械的変位によって界磁磁石からの磁束量を制御する回転電機に適した磁束量制御方法であり，励磁部は磁束分流制御，磁気抵抗制御，界磁磁石の短絡制御，複数の永久磁石を組み合わせての加算及び減算制御等による構成が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【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】（ａ）は図１に示された回転電機の第一電機子表面を左から見て透視した平面図であり，（ｂ）は図１に示された回転電機の回転子を第一電機子側から見た平面図であり，（ｃ）は図１に示された回転電機の第二電機子を回転子側から見た平面図である。
【図３】図２に示された第一電機子，回転子，第二電機子の周方向断面図及び磁束の流れを示す。
【図４】図１に示された第一電機子の円環状磁気ヨーク及び磁性体歯を示す分解斜視図である。
【図５】（ａ）は図１に示された回転子支持体の斜視図であり，（ｂ）は回転子の分解斜視図である。
【図６】図１に示された回転電機の励磁部主要部を右から見た平面図である。
【図７】図１に示された回転電機の励磁部の分解斜視図である。
【図８】第二の実施例による回転電機の縦断面図である。
【図９】（ａ）は図８に示された回転電機の回転子表面を左から見て透視した平面図であり，（ｂ）は図８に示された回転電機の電機子を回転子側から見た平面図である。
【図１０】図９に示された回転子，電機子の周方向断面図及び磁束の流れを示す。
【図１１】図８に示された回転電機の磁気回路の等価回路を示す。
【図１２】第三の実施例による回転電機の縦断面図である。
【図１３】（ａ）は図１２に示された回転電機の第一電機子表面を左から見て透視した平面図であり，（ｂ）は図１２に示された回転電機の回転子を第一電機子側から見た平面図であり，（ｃ）は図１２に示された回転電機の第二電機子を回転子側から見た平面図である。
【図１４】図１３に示された第一電機子，回転子，第二電機子の周方向断面図及び磁束の流れを示す。
【図１５】図１２に示された回転電機の励磁部主要部を右から見た平面図である。
【図１６】図１２に示された回転電機の励磁部の分解斜視図である。
【図１７】第四の実施例による回転電機の縦断面図である。
【図１８】図１７に示された回転電機の励磁部主要部を右から見た平面図である。
【図１９】図１７に示された回転電機の励磁部の分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
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】
【００４０】
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７を用いて説明する。第一実施例は，ダブルステータを有し，界磁磁石からの磁束をバイパス磁路に分流させて電機子コイルと鎖交する磁束量を制御する回転電機システムである。
【００４１】
図１はアキシャルギャップ・ダブルステータ構造の回転電機に本発明を適用した実施例を示している。回転軸１１はベアリング１３を介してハウジング１２に回動可能に支持され，回転軸１１と共に回転する回転子は島状突極１８（１９）と磁性体突極１ｂとが周方向に交互に並んで構成されている。番号１ａは島状突極１８，１９間に配置された離隔部材である非磁性体を示し，番号１ｃは回転子支持体を示す。磁性体突極１ｂ内に離隔部材は配置されていない。
【００４２】
回転子の軸方向の左に対向する第一電機子，回転子の軸方向の右に対向する第二電機子がハウジング１２に固定されている。第一電機子は円環状磁気ヨーク１５から回転軸１１と平行に右に延びる磁性体歯１４，磁性体歯１４に巻回された電機子コイル１６を有し，第二電機子は円環状磁気ヨーク１ｅから回転軸１１と平行に左に延びる磁性体歯１ｄ，磁性体歯１ｄに巻回された電機子コイル１ｆを有する。
【００４３】
励磁部は主要部を円環状磁気ヨーク１ｅに固定された界磁磁石１ｇ，界磁磁石１ｇに対向して配置された主磁極１ｋ及びバイパス磁極１ｍが配置されている。番号１７は励磁磁路部材を示し，一端は微小間隙を介して主磁極１ｋと磁気的に結合され，他端は円環状磁気ヨーク１５に接続されている。主磁極１ｋ及びバイパス磁極１ｍは一体として回転変位可能に支持バー１ｑを介してステッピングモータ１ｐと結合されている。また，界磁磁石１ｇ内の矢印は磁化方向を示している。
【００４４】
本実施例は回転子の左側に第一電機子，右側に第二電機子を配置し，第一電機子は第一電機子磁極群，第二電機子は第二電機子磁極群を有する。図２（ａ）は第一電機子の表面を左から見て透視した平面図を示している。磁性体歯１４には電機子コイル１６が巻回され，本実施例では９個の電機子コイル１６を有している。それらは周方向に順次Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相として配置されている。隣接する磁性体歯１４は磁気的な空隙２３を介して対向するよう構成されている。図２（ｃ）は第二電機子を回転子側から見た平面図を示している。第二電機子の構成は第一電機子と同じであり，９個の電機子コイル１ｆを有し，それらは周方向に順次Ｕ’相，Ｖ’相，Ｗ’相として配置されている。
【００４５】
図２（ｂ）は回転子を第一電機子側から見た平面図を示している。回転子は軸方向両端で第一電機子，第二電機子と対向し，第一電機子との対向面を第一表面磁極部，第二電機子との対向面を第二表面磁極部として図２（ｂ）は第一表面磁極部を示している。第一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２１，２２によってほぼ等間隔で区分されて形成されると共に互いに異極に磁化された島状突極１８，磁性体突極１ｂを周方向に交互に有する。周方向に隣り合う永久磁石２１，２２は互いに磁化方向を反転して配置され，永久磁石２１，２２内の矢印はそれらの磁化方向を示し，島状突極１８，磁性体突極１ｂ内のＳ，Ｎはそれぞれ磁化された極性を示す。
【００４６】
第二表面磁極部は図示されないが，第一表面磁極部と同様な構成を有する。第一表面磁極部，第二表面磁極部に於いて，磁性体突極１ｂは一様な磁性体として繋がっており，島状突極１８，１９は軸方向に並び，島状突極１８，１９間には非磁性体１ａが配置されている。さらに島状突極１８，１９が軸方向に磁化される方向が同じとなるよう島状突極１８，１９の周方向両側の永久磁石の磁化方向が設定されている。
【００４７】
本実施例に於いて，島状突極１８，磁性体突極１ｂは交流磁束が流れやすいよう比抵抗の大きな圧粉鉄心で構成されているが，これらを周方向に磁束が流れ難いよう磁気的な異方性のある構成，例えばケイ素鋼板を周方向に積層する構成として出力トルクを改善する構成も可能である。
【００４８】
図３は第一電機子及び回転子及び第二電機子の周方向断面を図２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励磁部による磁束の流れを説明する。
【００４９】
回転子の第一表面磁極部，第二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島状突極及び磁性体突極を周方向に交互に有し，軸方向に並ぶ島状突極間には非磁性体１ａが配置されている。島状突極両側の永久磁石に番号２１，２２，３７，３８を付している。それらの隣り合う永久磁石の磁化方向は互いに逆方向であり，非磁性体１ａを磁束が通り難い為に永久磁石からの磁束は電機子側に流れ，島状突極１８，１９は右方向に磁化され，磁性体突極１ｂは左方向に磁化されている。永久磁石２１，２２，３７，３８内の矢印はそれらの磁化方向を示す。
【００５０】
第一電機子の電機子コイル１６はＵ相，Ｖ相，Ｗ相の電機子コイルをそれぞれ電機子コイル３１，３２，３３とし，第二電機子の電機子コイル１ｆはＵ’相，Ｖ’相，Ｗ’相の電機子コイルをそれぞれ電機子コイル３４，３５，３６として示されている。Ｕ相とＵ’相，Ｖ相とＶ’相，Ｗ相とＷ’相はそれぞれ同一の相である。Ｕ相の電機子コイル３１が島状突極１８に面する時にはＵ’相の電機子コイル３４は磁性体突極１ｂと面するよう互いに偏倚して配置され，電流が流れた時にＵ相の電機子コイル３１とＵ’相の電機子コイル３４とは互いに逆方向の磁束を誘起するよう直列に接続されている。Ｖ相の電機子コイル３２とＶ’相の電機子コイル３５，Ｗ相の電機子コイル３３とＷ’相の電機子コイル３６もそれぞれ同様に接続され，全体として３相に結線されている。
【００５１】
点線３９は永久磁石２１，２２，３７，３８からの磁束を代表して示している。同図に於いて，磁束３９がＵ相，Ｖ相，Ｗ相の電機子コイル３１，３２，３３を鎖交する方向と，Ｕ’相，Ｖ’相，Ｗ’相の電機子コイル３４，３５，３６を鎖交する方向とはそれぞれ互いに逆方向である事が示されている。したがって，磁束３９による誘起電圧は３相の誘起電圧として正しく合成され，隣接する突極である島状突極，磁性体突極を介して流れる磁束量にアンバランスがあっても３相の電圧出力波形は影響されない。
【００５２】
図３において，励磁部からの磁束は番号３ａで示され，非磁性体１ａにより阻害されて島状突極１８，１９には流れず，専ら磁性体突極１ｂを介して軸方向に流れる。励磁部からの磁束３ａは回転子の位置に応じて磁性体突極１ｂ，磁性体歯１４，１ｄを介して断続的に軸方向に流れ，各電機子コイルと鎖交する構成である。磁束３ａの方向を円環状磁気ヨーク１ｅから円環状磁気ヨーク１５に磁束３ａが流れるよう供給すると，磁束３ａと磁束３９はＷ相の電機子コイル３３，Ｖ相の電機子コイル３２，Ｕ’相の電機子コイル３４と同じ方向に鎖交する。したがって，励磁部が電機子コイルと鎖交する磁束量を永久磁石２１，２２，３７，３８のみの場合より増大させる状態となる。
【００５３】
本実施例はアキシャルギャップを有して電機子及び回転子はそれぞれ円板状に形成され，軸方向に微小間隙を介して対向している。電機子及び回転子の構成は図２，３により磁気的な側面を中心に説明されたが，以下に図４，５を用いて電機子及び回転子，それぞれの機械的な構成が更に説明される。
【００５４】
図４は第一電機子の分解斜視図であり，円環状磁気ヨーク１５と磁性体歯１４の構成が示されている。円環状磁気ヨーク１５は所定の型により打ち抜かれた薄い円環状ケイ素鋼板を積層して構成され，その際に形成されたスロット４２に磁性体歯１４の一部が挿入固定される。磁性体歯１４は周方向断面がＴ字形状であり，圧粉鉄心で構成されている。番号２１は隣接する磁性体歯１４間の空隙を示し，番号４１は円環状磁気ヨーク１５から引き出された磁性体歯を示している。
【００５５】
同図に於いて，図を判りやすく示す為に電機子コイル１６は省略されているが，電機子を組み立てる際には磁性体歯１４に電機子コイル１６を巻回した後，円環状磁気ヨーク１５に設けたスロット４２に挿入して固定し，電機子コイル１６相互の結線を行って完成させる。第二電機子は図示されていないが，第一電機子と同じ構成である。
【００５６】
本実施例で磁性体歯１４は圧粉鉄心で構成されているが，断面がＴ字状のケイ素鋼板片を径方向に積層する構成も可能である。さらに磁性体歯１４の強度を補強する為に磁性体歯１４の先端部近傍で相互に非磁性体を介して固定する構成も可能である。
【００５７】
図５（ａ），（ｂ）により回転子の構成が示されている。図５（ａ）は回転子支持体１ｃの斜視図を示し，回転子支持体１ｃは外側支持体５１，脚部５２，内側支持体５３とより構成され，それらは非磁性のステンレススチールで構成されている。内側支持体５３は回転軸１１に固定され，外側支持体５１は回転子を構成する部材を外周側から支持し，脚部５２は径方向に延びて外側支持体５１と内側支持体５３とを連結している。
【００５８】
図５（ｂ）は回転子の分解斜視図を示し，構成を判りやすくする為に一部の部材が軸方向の右に引き出されている。回転子の構成は図２，３により説明されたように島状突極１８，１９，磁性体突極１ｂ，永久磁石２１，２２，３７，３８を含んで構成され，永久磁石２１，２２間，島状突極１８，１９間には非磁性体１ａが配置されている。本実施例では島状突極１８，１９，磁性体突極１ｂに相当する磁性体片，２１，２２，３７，３８が回転子支持体１ｃに固定され，脚部５２が非磁性体１ａに相当している。
【００５９】
励磁部の構成は図１に示した縦断面図及び図６に示した平面図，図７に示した斜視図により説明される。円環状磁気ヨーク１ｅに３個の界磁磁石１ｇが周方向に等間隔で配置されている。界磁磁石１ｇに対向して主磁極１ｋ及びバイパス磁極１ｍのユニットを可動磁極部として３ユニットが周方向に配置されている。主磁極１ｋ及びバイパス磁極１ｍのユニットは４個の支持バー１ｑによりステッピングモータ１ｐと結合されている。主磁極１ｋの外周部は微小間隙を介して励磁磁路部材１７に対向して円環状磁気ヨーク１５に磁気的に接続されている。バイパス磁極１ｍの内周部は微小間隙を介して円環状磁気ヨーク１ｅの内周部に対向している。
【００６０】
図６は励磁部の主要部である主磁極１ｋ及びバイパス磁極１ｍを右から見た平面図を示し，さらに界磁磁石１ｇの位置を明確にする為に界磁磁石１ｇを点線で示している。番号６１は主磁極１ｋ及びバイパス磁極１ｍを一体化して支持する為の非磁性体である励磁部支持体を示し，番号６２は主磁極１ｋ及びバイパス磁極１ｍ間の磁気的な間隙を示している。
【００６１】
図７は判りやすいように励磁部を構成する部材を二つに分けて斜視図として示している。左側に円環状磁気ヨーク１ｅに３個の界磁磁石１ｇが配置された部材が，右側に主磁極１ｋ及びバイパス磁極１ｍのユニットが示されている。主磁極１ｋ及びバイパス磁極１ｍを一体化して支持する為の励磁部支持体６１は主磁極１ｋ及びバイパス磁極１ｍの構成を判りやすく示す為に除かれている。主磁極１ｋの外周部７２は微小間隙を介して励磁磁路部材１７と対向し，バイパス磁極１ｍの内周部７２は円環状磁気ヨーク１ｅの内周部７１と微小間隙を介して対向している。
【００６２】
図１及び図６及び図７に於いて，界磁磁石１ｇから主磁極１ｋに流入した磁束は励磁磁路部材１７，円環状磁気ヨーク１５，磁性体歯１４，磁性体突極１ｂ，磁性体歯１ｄ，円環状磁気ヨーク１ｅを介して界磁磁石１ｇに環流する。上記の磁路は主磁路に相当する。界磁磁石１ｇからバイパス磁極１ｍに流入した磁束は内周側の微小間隙，円環状磁気ヨーク１ｅを介して界磁磁石１ｇに環流する。この磁路はバイパス磁路に相当する。図６に示すように主磁極１ｋ及びバイパス磁極１ｍそれぞれに界磁磁石１ｇから流入する磁束量は界磁磁石１ｇと対向する主磁極１ｋ及びバイパス磁極１ｍそれぞれの対向面積に比例するのでステッピングモータ１ｐにより主磁極１ｋ及びバイパス磁極１ｍのユニットを回転変位させる事で主磁路を流れる磁束量は制御される。
【００６３】
一般に磁石を含む磁気回路の一部に可動部分が有る場合には磁束量を大にする方向（磁気回路の磁気抵抗を小にする方向と同じ意味である）に可動部分を動かそうとする磁気力が現れる。本発明に先行して界磁磁束を制御する目的で磁気回路の一部を変位させて界磁磁石を短絡し或いは磁路の磁気抵抗を変えようとする提案は多い。しかし，界磁磁石はその回転電機に於いて，磁石トルク或いは電力を発生させる源泉であり，前記変位を妨げる磁気力は大きく，精密な磁束量制御を困難にしていた。上記に説明した本発明の構成により磁気力は小さく抑制され，精密な磁束量制御が可能となる。
【００６４】
本実施例に於いて，バイパス磁極１ｍと円環状磁気ヨーク１ｅの内周部分とは，微小間隙を介して対向し，この対向部分に於ける間隙長，対向面積をバイパス磁路の磁気抵抗調整部分としてバイパス磁路の磁気抵抗と主磁路の磁気抵抗とをほぼ等しく設定されている。これが可動磁極部に加わる磁気力を最小とする条件である。その際，主磁路の磁気抵抗は磁性体突極１ｂと磁性体歯１４，１ｄとの相対位置により変動するので平均化した磁気抵抗にバイパス磁路の磁気抵抗とをほぼ等しく設定する。
【００６５】
界磁磁石１ｇ主磁極１ｋ及びバイパス磁極１ｍそれぞれと常に対向する範囲に於いて，界磁磁石１ｇに繋がる磁路の磁気抵抗はほぼ一定に保たれ，可動磁極部に大きな磁気力は現れない。可動磁極部の変位を上記範囲に留めるよう制御するとして，さらに本実施例では前記範囲内に磁極ユニットの位置を留めるよう支持バー１ｑがハウジングを貫通するスリットの周方向位置及び周方向角度長を設定している。
【００６６】
主磁路とバイパス磁路の磁気抵抗を最小磁気力条件に設定する事で前記変位を妨げる磁気力を小さく抑制する事が出来るが，磁路の磁気抵抗を変動させる要因は多い。すなわち，量産段階で部品寸法は設定公差内でばらついて各磁路の磁気抵抗を変動させ，磁路間の磁束漏洩が無視できない場合は可動磁極部の偏倚位置が各磁路の磁気抵抗に影響し，磁性体の透磁率は温度の影響を受けやすいので各磁路の磁気抵抗は変化する。更にまた電機子コイルに電流が流れると主磁路の磁気抵抗は実効的に変動する。
【００６７】
種々の要因によって各磁路の磁気抵抗は変動するが，本実施例では回転電機の動作中に磁束量制御を間歇的に行っている。回転電機を電動機として電機子コイルに回転子を加速する方向の電流を供給する場合は界磁磁束を引き込み，電機子に流れる磁束量を大としようとし，回転子を減速駆動する場合はその逆になる。したがって，回転子を加速或いは減速駆動する場合は主磁路の磁気抵抗が実効的にそれぞれ小，大となる。主磁路とバイパス磁路の磁気抵抗を互いに等しくするよう電機子コイルに供給する電流を最小磁気力電流とし，次のように変位制御を実施する。すなわち，主磁路を流れる磁束量を増す場合に回転子を加速する方向に最小磁気力電流から所定量ずらした電流を電機子コイルに供給すると共に主磁極と界磁磁石との対向面積を増す方向に可動磁極部を変位させる。主磁路を流れる磁束量を減じる場合には回転子を減速する方向に最小磁気力電流から所定量ずらした電流を電機子コイルに供給すると共に主磁極と界磁磁石との対向面積を減じる方向に可動磁極部を変位させ，主磁路を流れる磁束量を制御する。電機子コイルに流す電流により可動磁極部の変位をアシストする磁気力を発生させる構成であって可動磁極部の変位に過大なアクチュエータを要する事無く磁束量制御を容易とする。
【００６８】
最小磁気力電流は回転電機の運転状態に応じてマップデータから取得する。回転電機の運転中に主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗を変動させるパラメータは主に温度，可動磁極部の変位位置，回転速度等である。これら動作条件を示すパラメータと最小磁気力電流の初期設定からの変動量との関係は同一設計の回転電機では統計データに基づいて推定出来る。回転電機の組み立て後に最小磁気力電流と動作条件を示すパラメータとの間のマップデータを作成して設定する。
【００６９】
本実施例は磁束量を制御して出力を最適化するシステムであり，回転電機システムとしての制御を説明する。回転電機が電動機として用いられる場合において，界磁制御を行って回転力を最適に制御する電動機システムを説明する。制御装置は出力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回転子を減速する方向に最小磁気力電流より所定量ずらした電流を電機子コイル１６，１ｆに供給し，同時に制御信号を介してステッピングモータ１ｐにより，支持バー１ｑを図６に於いて時計回り方向に変位させて主磁極１ｋと界磁磁石１ｇの対向面積を小とさせる。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回転子を加速する方向に最小磁気力電流より所定量ずらした電流を電機子コイル１６，１ｆに供給し，同時に制御信号を介してステッピングモータ１ｐにより，支持バー１ｑを図６に於いて反時計回り方向に変位させて主磁極１ｋと界磁磁石１ｇの対向面積を大とさせる。
【００７０】
回転電機が発電機として用いられる場合において，界磁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。制御装置は出力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回転子を減速する方向に最小磁気力電流より所定量ずらした電流を電機子コイル１６，１ｆに供給し，同時に制御信号を介してステッピングモータ１ｐにより，支持バー１ｑを図６に於いて時計回り方向に変位させて主磁極１ｋと界磁磁石１ｇの対向面積を小とさせる。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回転子を加速する方向に最小磁気力電流より所定量ずらした電流を電機子コイル１６，１ｆに供給し，同時に制御信号を介してステッピングモータ１ｐにより，支持バー１ｑを図６に於いて反時計回り方向に変位させて主磁極１ｋと界磁磁石１ｇの対向面積を大とさせる。
【実施例２】
【００７１】
本発明による回転電機システムの第二実施例を図８から図１１を用いて説明する。第二実施例は，回転子と電機子とが一つの空隙を介して軸方向に対向し，界磁磁石からの磁束をバイパス磁路に分流させて電機子コイルと鎖交する磁束量を制御する回転電機システムである。
【００７２】
図８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ている。基板８４に固定軸８１及び電機子が固定され，固定軸８１にベアリング８３を介してロータハウジング８２が回動可能に支持されている。ロータハウジング８２は磁性体で構成され，磁性体基板８７及び永久磁石８８を有し，電機子との対向面には島状突極としての永久磁石８８及び磁性体基板８７の一部である磁性体突極８９とが周方向に交互に配置されている。永久磁石８８内の矢印は磁化方向を示している。すなわち，永久磁石８８は島状突極であると共に島状突極内の離隔部材でもあり，磁性体突極内に離隔部材は配置されていない。
【００７３】
電機子は基板８４に固定された円環状磁気ヨーク８５と，円環状磁気ヨーク８５に配置された電機子コイル８６とを有している。励磁部は，ほぼ第一実施例と同じ構成であるが，主磁極８ａ及びバイパス磁極８ｂの構成が第一実施例の励磁部と異なっている。主磁極８ａの外周部分はロータハウジング８２の外周部と微小間隙を介して対向し，磁性体基板８７と磁気的に繋がっている。バイパス磁極８ｂの内周部は円環状磁気ヨーク８５の内周部と微小間隙を介して直接に及びバイパス磁石８ｃを更に介して対向している。
【００７４】
図９（ａ）は回転子表面を左から見て透視した平面図を示し，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されている。回転子はロータハウジング８２に磁性体基板８７が配置され，電機子に対向する面には島状突極である永久磁石８８及び磁性体基板８７の一部である磁性体突極８９とが周方向に交互に配置されている。番号９１は永久磁石８８と磁性体突極８９との間に配置された非磁性体を示している。
【００７５】
図９（ｂ）は電機子を左から見た平面図を示している。電機子は基板８４に固定された円環状磁気ヨーク８５と，円環状磁気ヨーク８５に配置された電機子コイル８６とから構成されている。Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相，Ｕ’相，Ｖ’相，Ｗ’相の電機子コイルが周方向に順次繰り返し配置され，回転子の６極に対して１８個の電機子コイル８６が配置されている。
【００７６】
Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の電機子コイルは第一電機子磁極群であり，Ｕ’相，Ｖ’相，Ｗ’相の電機子コイルは第二電機子磁極群である。Ｕ相の電機子コイルが島状突極である永久磁石８８に正対した時にＵ’相の電機子コイルは磁性体突極８９に正対する関係にあり，電流が流された時にＵ相の電機子コイル及びＵ’相の電機子コイル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。Ｖ相とＶ’相の電機子コイル，Ｗ相とＷ’相の電機子コイルもそれぞれ同様に接続され，全体として３相に結線されている。
【００７７】
図１０は図９のＢ−Ｂ’に沿う回転子及び電機子の周方向断面を示す図であり，永久磁石８８と励磁部による磁束の流れを説明する。第一電機子磁極群の電機子コイルはＵ相，Ｖ相，Ｗ相の電機子コイルをそれぞれ電機子コイル１０１，１０２，１０３とし，第二電機子磁極群の電機子コイルはＵ’相，Ｖ’相，Ｗ’相の電機子コイルをそれぞれ電機子コイル１０４，１０５，１０６として示されている。Ｕ相の電機子コイル１０１が島状突極である永久磁石８８に正対する時にはＵ’相の電機子コイル１０４は磁性体突極８９と正対するよう配置されている。その際に永久磁石８８からの磁束１０７がＶ相の電機子コイル１０２と鎖交して流れる方向とＶ’相の電機子コイル１０５と鎖交して流れる方向とは互いに逆方向であり，電流が流された時にＶ相の電機子コイル１０２とＶ’相の電機子コイル１０５とは互いに逆方向の磁束を誘起するよう直列に接続されている。Ｕ相の電機子コイル１０１とＵ’相の電機子コイル１０４，Ｗ相の電機子コイル１０３とＷ’相の電機子コイル１０６もそれぞれ同様に配置されて接続され，全体として３相に結線されている。
【００７８】
点線１０７は島状突極である永久磁石８８からの磁束を代表して示している。同図に於いて，磁束１０７がＵ相，Ｖ相，Ｗ相の電機子コイル１０１，１０２，１０３を鎖交する方向と，Ｕ’相，Ｖ’相，Ｗ’相の電機子コイル１０４，１０５，１０６を鎖交する方向とはそれぞれ互いに逆方向である事が示されている。したがって，磁束１０７による誘起電圧は３相の誘起電圧として正しく合成され，隣接する突極である島状突極，磁性体突極を介して流れる磁束量にアンバランスがあっても３相の電圧出力波形は影響されない。
【００７９】
励磁部からの磁束を番号１０８で示すように永久磁石８８に阻害されて専ら磁性体突極８９を介して電機子側に流れる。励磁部からの磁束１０８は磁性体突極８９，磁気ヨーク８５を介して常に軸方向に流れ，各電機子コイルと鎖交する構成である。磁束１０８の方向を永久磁石８８の磁化方向とは逆方向に流れるよう供給すると，磁束１０８はＷ相の電機子コイル１０３，Ｕ’相の電機子コイル１０４，Ｖ’相の電機子コイル１０５と鎖交し，その方向は永久磁石８８による磁束１０７の方向と同じであるので励磁部が電機子コイルと鎖交する磁束量を永久磁石８８のみの場合より増大させる状態となる。磁束１０８の流れる方向を図１０とは逆方向にした場合は励磁部が電機子コイルと鎖交する磁束量を永久磁石８８のみの場合より減少させる状態となる。
【００８０】
上記説明のように島状突極である永久磁石８８，磁性体突極８９から流れ出る磁束量は本質的にアンバランスであり，さらに励磁部からの磁束１０８は専ら磁性体突極８９を介して電機子側に流れるので各電機子コイルに誘起される電流は一様ではない。しかし，第一電機子磁極群，第二電機子磁極群の電機子コイルは周方向に配置され，第一電機子磁極群，第二電機子磁極群に於いて同じタイミングで駆動電流が供給される同一相に属する電機子コイル同士は一方が島状突極である永久磁石８８に対向する時に，他方が磁性体突極８９に対向するよう配置され，電流が流された時にそれぞれ逆方向の磁束を生じるよう直列に接続されて駆動トルク変動或いは発電電圧波形歪みが抑制される。
【００８１】
励磁部は，ほぼ図１及び図６及び図７に示された第一実施例と同じであるので動作原理の説明の繰り返しは避け，相違点に集中して説明する。本実施例の励磁部が第一実施例の励磁部と大きく異なる点はバイパス磁極８ｂの内周部分の構成であり，図８及び図１１を参照して説明する。
【００８２】
本実施例に於いて，図８に示す永久磁石８８及び界磁磁石１ｇからの磁束が流れる磁気回路を等価的に表した図が図１１である。番号１１１は永久磁石８８と円環状磁気ヨーク８５間の磁気抵抗を，番号１１２は磁性体突極８９と円環状磁気ヨーク８５間の磁気抵抗を，番号１１３はバイパス磁極８ｂと円環状磁気ヨーク８５間の磁気抵抗を，番号１１４はバイパス磁石８ｃと円環状磁気ヨーク８５間の磁気抵抗をそれぞれ示している。図８に於いて，磁性体突極８９，円環状磁気ヨーク８５，主磁極８ａ，バイパス磁極８ｂ等の磁性体内の磁気抵抗は小としてゼロに近似されている。番号１１５は主磁極８ａ，バイパス磁極８ｂからなるユニットの変位方向を示している。
【００８３】
永久磁石８８と磁気抵抗１１１の直列接続，磁性体突極８９と磁気抵抗１１２の直列接続は互いに並列に接続されてその両端はそれぞれ主磁極８ａ，円環状磁気ヨーク８５に接続されている。さらにバイパス磁極８ｂは磁気抵抗１１３に相当する磁気的空隙を介し，バイパス磁石８ｃと磁気抵抗１１４に相当する磁気的空隙を介して円環状磁気ヨーク８５に接続されている事が示されている。
【００８４】
磁気抵抗１１１と磁気抵抗１１２はほぼ等しい値であり，第一実施例で説明したように主磁極８ａ，バイパス磁極８ｂからなるユニットの変位制御を容易にする為に磁気抵抗１１３は磁気抵抗１１１，磁気抵抗１１２とほぼ等しく設定する事が望ましい。この設定で界磁磁石１ｇに繋がる磁気回路の磁気抵抗は，主磁極８ａ，バイパス磁極８ｂからなるユニットの変位位置に拘わらず一定となるので前記ユニットの変位を妨げる磁気力は現れない。
【００８５】
しかしながら，図１１に示した等価回路から判明するように永久磁石８８に起因する磁荷が主磁極に現れ，界磁磁石１ｇと主磁極８ａとの間に磁気的な反発力が現れる。バイパス磁石８ｃはこの反発力を相殺する為に配置された永久磁石であり，これにより主磁極８ａ，バイパス磁極８ｂからなるユニットに加わる磁気力を小にする事が出来，前記ユニットの変位制御を精密に行う事が出来る。励磁部の動作原理はほぼ第一実施例の場合と同じであり，再度の説明は省略する。
【００８６】
本実施例ではバイパス磁石８ｃを配置して永久磁石８８に起因する磁気的反発力を相殺する構成であるが，バイパス磁石８ｃを配置しない構成も可能である。すなわち，磁気抵抗１１３の値を磁気抵抗１１１，１１２と同じとする磁気力最小条件から外して大とし，その結果現れる磁気力と前記磁気的反発力とを相殺させる。或いは前記ユニットの変位制御時に電機子コイル８６に回転子を加速駆動するよう電流を供給して主磁路の磁気抵抗を実効的に小とする事も効果がある。また，第一及び第二実施例では主磁極８ａ，バイパス磁極８ｂからなるユニットを変位させたが，このユニットを固定して界磁磁石１ｇを変位させる構成も当然に可能である。
【実施例３】
【００８７】
本発明による回転電機システムの第三実施例を図１２から図１６を用いて説明する。第三実施例は，ダブルステータを有し，界磁磁石と励磁磁路部材との対向面積を変えて電機子コイルと鎖交する磁束量を制御する回転電機システムである。
【００８８】
図１２はアキシャルギャップ・ダブルステータ構造の回転電機に本発明を適用した実施例を示している。本実施例は回転子の磁極構成及び励磁部構成が第一実施例と異なっている。回転軸１１はベアリング１３を介してハウジング１２に回動可能に支持され，回転軸１１と共に回転する回転子は島状突極１２１（１２２）と磁性体突極１２４とが周方向に交互に並んで構成されている。番号１２３は島状突極１２１，１２２間に配置された離隔部材である非磁性体を示し，番号１２８は回転子支持体をを示す。磁性体突極内に離隔部材は配置されていない。
【００８９】
回転子の軸方向の左に対向する第一電機子，回転子の軸方向の右に対向する第二電機子がハウジング１２に固定されている。第一電機子は円環状磁気ヨーク１５から回転軸１１と平行に右に延びる磁性体歯１４，磁性体歯１４に巻回された電機子コイル１６を有し，第二電機子は円環状磁気ヨーク１２５から回転軸１１と平行に左に延びる磁性体歯１ｄ，磁性体歯１ｄに巻回された電機子コイル１ｆを有する。
【００９０】
励磁部は主要部を円環状磁気ヨーク１２５に固定された界磁磁石１ｇ，界磁磁石１ｇに対向して配置された主磁極１ｋが配置されている。円環状磁気ヨーク１５とハウジング１２との間に円環状磁気コア１２６が配置され，回転子の内周部分に円筒状磁気コア１２７が配置され，円環状磁気コア１２６と円筒状磁気コア１２７は微小間隙を介して対向し，円筒状磁気コア１２７は主磁極１ｋの内周部分と微小間隙を介して対向している。主磁極１ｋは回転変位可能に支持バー１ｑを介してステッピングモータ１ｐと結合されている。また，界磁磁石１ｇ内の矢印は磁化方向を示している。円環状磁気コア１２６，円筒状磁気コア１２７は軟鉄で構成され，励磁磁路部材に相当する。
【００９１】
本実施例は回転子の左側に第一電機子，右側に第二電機子を配置し，第一電機子は第一電機子磁極群，第二電機子は第二電機子磁極群を有する。図１３（ａ）は第一電機子の表面を左から見て透視した平面図を示し，図１３（ｃ）は第二電機子を回転子側から見た平面図を示している。第一電機子，第二電機子の構成は図２（ａ），図２（ｃ）に示した第一実施例と同じ構成であり，再度の説明は省略する。
【００９２】
図１３（ｂ）は回転子を第一電機子側から見た平面図を示している。回転子は軸方向両端で第一電機子，第二電機子と対向し，第一電機子との対向面を第一表面磁極部，第二電機子との対向面を第二表面磁極部として図１３（ｂ）は第一表面磁極部を示している。第一表面磁極部には磁性体突極１２４と島状突極１２１とが周方向に交互に並び，図示していない永久磁石により互いに異極に磁化されている。島状突極１２１，磁性体突極１２４内に示されたＮ，Ｓは電機子との対抗面に於けるそれぞれ磁化された極性を示す。回転子の表面に於いて島状突極と磁性体突極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島状突極と磁性体突極の境界は見えないが，判りやすいように区分して示されている。島状突極と磁性体突極の境界に於ける番号１３１は磁気的な間隙を示す。
【００９３】
図１４は第一電機子及び第一表面磁極部及び第二表面磁極部及び第二電機子の周方向断面を図１３（ａ），（ｂ），（ｃ）に示したＣ−Ｃ’に沿って示す図である。同図により第一表面磁極部及び第二表面磁極部の構成，励磁部による磁束の流れを説明する。
【００９４】
第一表面磁極部及び第二表面磁極部の磁極構成は同じに構成されている。第一表面磁極部に於いて，島状突極１２１の周方向両側面には永久磁石１４１，１４２が配置され，磁性体突極１２４の周方向両側面には永久磁石１４３，１４４が配置されている。これらの永久磁石１４１−１４４は内周部から外周部に径方向に延びる形状であり，島状突極１２１をＮ極に，磁性体突極１２４をＳ極に磁化するよう磁化方向が定められている。永久磁石１４２，１４３は略同じ周方向の磁化を有して中間の磁性体部分と併せて集合磁石を形成している。すなわち，一様な磁性体基板を集合磁石で周期的に区分して島状突極１２１，磁性体突極１２４が形成されている。
【００９５】
第二表面磁極部も第一表面磁極部と同じ構成であり，島状突極１２２の周方向両側面には永久磁石１４５，１４６が配置され，磁性体突極１２４の周方向両側面には永久磁石１４７，１４８が配置されている。島状突極１２１，島状突極１２２が軸方向の磁化方向が同一となるよう，永久磁石１４１−１４４，永久磁石１４５−１４８の磁化方向は決められ，図中に示す矢印は磁化方向をそれぞれ示している。
【００９６】
島状突極１２１，１２２間にはさらに離隔部材として非磁性体１２３が配置されている。したがって，島状突極１２１，１２２は永久磁石１４１，１４２，１４５，１４６及び非磁性体１２３を離隔部材として島状に離隔された磁性体部分である。磁性体突極１２４は周方向両側面に永久磁石１４３，１４４，１４５，１４６が配置されても軸方向には繋がった磁性体である。
【００９７】
回転子を構成する磁性体基板は一体として圧粉鉄心で構成され，永久磁石１４１−１４８は磁性体基板に形成された径方向スロットに永久磁石ブロックを挿入して構成され，非磁性体１２３に対応するスロットは非磁性体で構成された回転子支持体の一部としている。また，磁性体基板の表面に永久磁石ブロック用のスロットを形成して表面から挿入して構成する事も出来る。
【００９８】
図１４に於いて，第一電機子磁極群の電機子コイル１６はＵ相，Ｖ相，Ｗ相の電機子コイルをそれぞれ電機子コイル３１，３２，３３とし，第二電機子磁極群の電機子コイル１ｄはＵ’相，Ｖ’相，Ｗ’相の電機子コイルをそれぞれ電機子コイル３４，３５，３６として示されている。電機子コイルの構成は図３に示した第一実施例と同じであり，相互の位置関係及び結線方法等，再度の説明は省略する。
【００９９】
点線１４９は永久磁石１４１−１４８からの磁束を代表して示している。同図に於いて，磁束１４９がＵ相，Ｖ相，Ｗ相の電機子コイル３１，３２，３３を鎖交する方向と，Ｕ’相，Ｖ’相，Ｗ’相の電機子コイル３４，３５，３６を鎖交する方向とはそれぞれ互いに逆方向である事が示されている。したがって，磁束１４９による誘起電圧は３相の誘起電圧として正しく合成され，隣接する突極である島状突極，磁性体突極を介して流れる磁束量にアンバランスがあっても３相の電圧出力波形は影響されない。
【０１００】
図１４において，励磁部からの磁束は番号１４ａで示され，非磁性体１２３により阻害されて島状突極１２１，１２２には流れず，専ら磁性体突極１２４を介して軸方向に流れる。励磁部からの磁束１１２ａは回転子の位置に応じて磁性体突極１２４，磁性体歯１４，１ｄを介して断続的に軸方向に流れ，各電機子コイルと鎖交する構成である。その方向を円環状磁気ヨーク１２５から円環状磁気ヨーク１５に磁束１１２ａが流れるよう供給すると，磁束１４ａと磁束１４９はＷ相の電機子コイル３３，Ｖ相の電機子コイル３２，Ｕ’相の電機子コイル３４と同じ方向に鎖交する。したがって，励磁部が電機子コイルと鎖交する磁束量を永久磁石１４１−１４８のみの場合より増大させる状態となる。
【０１０１】
励磁部の構成は図１２に示した縦断面図及び図１５に示した平面図及び図１６に示した分解斜視図により説明される。円環状磁気ヨーク１２５に３個の界磁磁石１ｇが周方向に等間隔で配置されている。界磁磁石１ｇに対向して主磁極１ｋを可動磁極部として３個の主磁極１ｋが周方向に配置されている。主磁極１ｋは４個の支持バー１ｑによりステッピングモータ１ｐと結合されている。主磁極１ｋの内周部は微小間隙を介して円筒状磁気コア１２７に対向し，さらに円筒状磁気コア１２７は円環状磁気コア１２６と微小間隙を介して対向し，主磁極１ｋは円環状磁気ヨーク１５に磁気的に接続されている。
【０１０２】
図１５は励磁部の主要部である主磁極１ｋを右から見た平面図を示し，さらに界磁磁石１ｇの位置を明確にする為に界磁磁石１ｇを点線で示している。番号１５１は主磁極１ｋを支持する為の非磁性体である励磁部支持体を示している。図１６は判りやすいように励磁部を構成する部材を二つに分けて斜視図として示している。左側に円環状磁気ヨーク１２５に３個の界磁磁石１ｇが配置された部材が，右側に主磁極１ｋが示されている。
【０１０３】
図１２及び図１５及び図１６に於いて，界磁磁石１ｇから主磁極１ｋに流入した磁束は円筒状磁気コア１２７，円環状磁気コア１２６，円環状磁気ヨーク１５，磁性体歯１４，磁性体突極１２４，磁性体歯１ｄ，円環状磁気ヨーク１２５を介して界磁磁石１ｇに環流する。上記の磁路は主磁路に相当する。図１５に示すように主磁極１ｋに界磁磁石１ｇから流入する磁束量は界磁磁石１ｇと対向する主磁極１ｋの対向面積にほぼ比例するのでステッピングモータ１ｐにより主磁極１ｋを回転変位させる事で主磁路を流れる磁束量は制御される。
【０１０４】
一般に磁石を含む磁気回路の一部に可動部分が有る場合には磁束量を大にする方向（磁気回路の磁気抵抗を小にする方向と同じ意味である）に可動部分を動かそうとする磁気力が現れる。上記実施例に於いても，常に界磁磁石１ｇと主磁極１ｋとの対向面積を最大にする方向の磁気力は現れる。しかし，主磁極１ｋの保持力をウオームギア，大きなギア比を介して大とする事で対処可能であり，構成がシンプルであるので小出力の回転電機に適している。また，主磁極１ｋの周縁で漏れ磁束の粗密が現れ，主磁路を流れる磁束量と主磁極１ｋの変位量との関係は必ずしも線形にならないが，界磁磁石１ｇと主磁極１ｋとの間隙を小にする事によって改善は出来る。さらにまた，電機子コイルに回転子を加速或いは減速方向に駆動する駆動電流を供給する事により，主磁路の磁気抵抗をそれぞれ小，大に実効的に制御できる事を利用して上記磁気力を緩和させる事が出来る。
【実施例４】
【０１０５】
本発明による回転電機システムの第四実施例を図１７から図１９までを用いて説明する。第四実施例は，第三実施例に於いて励磁部は互いに磁化方向が逆の界磁磁石を有して電機子コイルと鎖交する磁束量を制御する回転電機システムである。
【０１０６】
図１７はアキシャルギャップ・ダブルステータ構造の回転電機に本発明を適用した実施例を示している。本実施例は回転子の励磁部構成が第三実施例と異なっているのみであるので相違点に集中して説明をする。
【０１０７】
励磁部は主要部を円環状磁気ヨーク１２５に固定された界磁磁石１ｇ，１７１と，界磁磁石１ｇ，１７１に対向して配置された主磁極１ｋとで構成されている。界磁磁石１ｇは回転軸１１と平行に左方向の磁化を，界磁磁石１７１は右方向の磁化を有している。円環状磁気ヨーク１５とハウジング１２との間に円環状磁気コア１２６が配置され，回転子の内周部分に円筒状磁気コア１２７が配置され，円環状磁気コア１２６と円筒状磁気コア１２７は微小間隙を介して対向し，円筒状磁気コア１２７は主磁極１ｋの内周部分と微小間隙を介して対向している。主磁極１ｋは回転変位可能に支持バー１ｑを介してステッピングモータ１ｐと結合されている。また，界磁磁石１ｇ，１７１内の矢印は磁化方向を示している。励磁部の構成に於いて，第三実施例と異なる点は互いに磁化方向が異なる界磁磁石１ｇ，１７１が並列に接続されて配置されている事である。
【０１０８】
励磁部の構成は図１７に示した縦断面図及び図１８に示した平面図及び図１９に示した分解斜視図により説明される。円環状磁気ヨーク１２５に互いに逆方向の磁化を持つ界磁磁石１ｇ，１７１が周方向に交互に配置されている。界磁磁石１ｇ及び界磁磁石１７１に対向して主磁極１ｋを可動磁極部として主磁極１ｋが周方向に配置されている。主磁極１ｋは４個の支持バー１ｑによりステッピングモータ１ｐと結合されている。主磁極１ｋの内周部は微小間隙を介して円筒状磁気コア１２７に対向し，さらに円環状磁気コア１２６を介して円環状磁気ヨーク１５に磁気的に接続されている。
【０１０９】
図１８は励磁部の主要部である主磁極１ｋを右から見た平面図を示し，さらに界磁磁石１ｇ及び界磁磁石１７１の位置を明確にする為に界磁磁石１ｇ及び界磁磁石１７１を点線で示している。すなわち，円環状磁気ヨーク１２５と主磁極１ｋとにより互いに逆方向の磁化を持つ界磁磁石１ｇ及び界磁磁石１７１を並列に接続した構成である。主磁極１ｋを周方向に変位させる事により，主磁極１ｋと界磁磁石１ｇ，界磁磁石１７１との対向面積を変え，主磁極１ｋ，円筒状磁気コア１２７，円環状磁気コア１２６を介して電機子及び回転子に供給される磁束量が制御される。
【０１１０】
図１９は判りやすいように励磁部を構成する部材を二つに分けて斜視図として示している。左側に円環状磁気ヨーク１２５に３組の界磁磁石１ｇ，１７１が配置された部材が，右側に主磁極１ｋが示されている。界磁磁石１ｇ，１７１の端面に記されたＳ，Ｎはそれぞれ界磁磁石１ｇ，１７１の端面がＳ極，Ｎ極である事を示している。主磁極１ｋの外周部７２は微小間隙を介して励磁磁路部材１７と対向している。
【０１１１】
図１７及び図１８及び図１９に於いて，界磁磁石１ｇ及び界磁磁石１７１それぞれの磁極端から磁束が微小間隙を介して対向する主磁極１ｋに流入するが，界磁磁石１ｇから主磁極１ｋに流入する磁束量は主磁極１ｋと界磁磁石１ｇとが対向する面積にほぼ比例し，界磁磁石１７１から主磁極１ｋに流入する磁束量は主磁極１ｋと界磁磁石１７１とが対向する面積にほぼ比例する。界磁磁石１ｇ及び界磁磁石１７１それぞれから主磁極１ｋに流入する磁束の方向は互いに異なるので互いに相殺され，残余の磁束量が円筒状磁気コア１２７，円環状磁気コア１２６を介して電機子及び回転子に供給される。
【０１１２】
図１８に於いて，主磁極１ｋと界磁磁石１ｇとが対向する面積は主磁極１ｋと界磁磁石１７１とが対向する面積より大であるので殆ど界磁磁石１ｇからの磁束が電機子及び回転子に供給される。主磁極１ｋが回転変位されて磁極１ｋと界磁磁石１ｇとが対向する面積は主磁極１ｋと界磁磁石１７１とが対向する面積より小にされると，界磁磁石１７１からの磁束が多くなり，第一電機子，回転子，第二電機子には図１４に示した磁束１４ａとは逆方向の磁束が流れる事になる。これは永久磁石１４１−１４８からの磁束１４９とは逆方向に電機子コイルと鎖交するので永久磁石１４１−１４８のみの場合より電機子コイルと鎖交する磁束量を減じる事になる。
【０１１３】
一般に磁石を含む磁気回路の一部に可動部分が有る場合には磁束量を大にする方向（磁気回路の磁気抵抗を小にする方向と同じ意味である）に可動部分を動かそうとする磁気力が現れる。更に本実施例に於いては主磁極１ｋにより界磁磁石１ｇ，１７１と閉磁路を構成する構成であるので磁気力も大きく現れる。しかし，主磁極１ｋの保持力をウオームギア，大きなギア比を介して大とする事で対処可能であり，構成がシンプルであるので小出力の回転電機に適している。また，主磁極１ｋと対向していない界磁磁石１ｇ，１７１端から磁束が外部に漏れる可能性があるが，この部分に第一実施例と同様にバイパス磁極を配置する事で外部に漏れる磁束量を少なくする事が出来る。この場合に，電機子及び回転子に供給される磁束量と主磁極１ｋの変位量との関係は直線的に比例して制御が容易となる。
【０１１４】
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，上記実施例は電機子と回転子とが軸方向に対向する回転電機について説明されたが，電機子と回転子とが径方向に対向する構成，さらに電機子と回転子とが円錐面形状の空隙を介して対向する構成等に変更する事は可能である。また，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】
【０１１５】
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。出力制御の応答速度が比較的緩やかな場合には電機子コイルに流す電流を抑え，専ら励磁部により出力制御を行うシステムも可能であり，電源の低電圧化，駆動回路のコスト低減等が容易となる。更に定電圧発電機システムとして広い回転速度範囲で発電電圧を一定に制御できるので定電圧制御回路を不要とし，更に電圧の異なる複数種のバッテリー充電にもコンバータを不要に出来，全体のシステムコストを低減出来る。
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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