(57)【要約】【課題】  磁束量可変回転電機システムを提供する。【解決手段】  電機子と回転子とが径方向に対向する回転電機装置に於いて，回転子内の互いに隣接する第一，第二磁性体突極を互いに異なる方向に延伸してそれぞれを第一延長部，第二延長部とし，第一延長部，第二延長部と電機子の磁気ヨークとの間にそれぞれ界磁磁石を配置して第一，第二磁性体突極を互いに異極に磁化する構成とする。界磁磁石には低抗磁力の磁石素材を採用できて低コスト化を実現できる。更にそれぞれの界磁磁石の磁化を変更する励磁コイルを有し，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
2011182622.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磁気的な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回転子と，円筒状磁気ヨーク及び円筒状磁気ヨークから径方向に延びる磁性体歯及び磁性体歯に巻回された電機子コイルを有する電機子とが径方向に対向して相対的に回転可能に構成された回転電機装置であって，第一磁性体突極及び第二磁性体突極は半径方向或いは軸方向の互いに異なる方向に延伸されてそれぞれ第一延長部，第二延長部とされ，さらに第一磁性体突極及び第二磁性体突極を互いに異極に励磁する励磁部を有し，励磁部は第一延長部及び第二延長部を磁気的に結合する磁路の一部である励磁磁路部材と，励磁磁路部材を含む第一延長部及び第二延長部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，第一延長部，第二延長部はそれぞれ第一磁性体突極及び第二磁性体突極が互いに軸方向の異なる方向に延伸されて構成され，さらに励磁部は回転子両端の静止側に配置された第一励磁部及び第二励磁部とより構成され，第一励磁部は両端が第一延長部及び円筒状磁気ヨークにそれぞれ磁気的に結合された第一励磁磁路部材と，第一励磁磁路部材を含む第一延長部及び円筒状磁気ヨーク間の磁路を二分するよう配置された第一界磁磁石とを有して構成され，第二励磁部は両端が第二延長部及び円筒状磁気ヨークにそれぞれ磁気的に結合された第二励磁磁路部材と，第二励磁磁路部材を含む第二延長部及び円筒状磁気ヨーク間の磁路を二分するよう配置された第二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３】
請求項１記載の回転電機システムに於いて，第一延長部，第二延長部はそれぞれ第一磁性体突極及び第二磁性体突極が互いに軸方向の異なる方向に延伸されて構成され，さらに励磁部は第一励磁部及び第二励磁部より構成されて第一励磁部の一部及び第二励磁部の一部はそれぞれ回転子両端の静止側に配置され，第一励磁部は両端が第一延長部及び円筒状磁気ヨークにそれぞれ磁気的に結合された第一励磁磁路部材を有し，円筒状磁気ヨークと第一励磁磁路部材の一部とが第一界磁磁石を挟んで径方向に対向するよう構成され，第二励磁部は両端が第二延長部及び円筒状磁気ヨークにそれぞれ磁気的に結合された第二励磁磁路部材を有し，円筒状磁気ヨークと第二励磁磁路部材の一部とが第二界磁磁石を挟んで径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４】
請求項１記載の回転電機システムに於いて，第一延長部，第二延長部はそれぞれ第一磁性体突極及び第二磁性体突極が互いに軸方向の異なる方向に延伸されて構成され，さらに励磁部は第一磁性体突極及び第二磁性体突極をそれぞれ異極に励磁する第一励磁部及び第二励磁部とより構成され，さらに第一励磁部は両端が第一延長部及び円筒状磁気ヨークにそれぞれ磁気的に結合された第一励磁磁路部材と，第一励磁磁路部材を含む第一延長部及び円筒状磁気ヨーク間の磁路を二分するよう配置された第一界磁磁石と，第一磁性体突極及び第一延長部及び第一励磁磁路部材及び第一界磁磁石及び円筒状磁気ヨークを含む磁路に磁束を発生するよう配置された第一励磁コイルとを有して構成され，第二励磁部は両端が第二延長部及び円筒状磁気ヨークにそれぞれ磁気的に結合された第二励磁磁路部材と，第二励磁磁路部材を含む第二延長部及び円筒状磁気ヨーク間の磁路を二分するよう配置された第二界磁磁石と，第二磁性体突極及び第二延長部及び第二励磁磁路部材及び第一界磁磁石及び円筒状磁気ヨークを含む磁路に磁束を発生するよう配置された第二励磁コイルとを有して構成され，第一励磁コイル，第二励磁コイルに供給する電流によって第一界磁磁石，第二界磁磁石の磁化状態を変更及び或いは第一励磁コイル，第二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５】
請求項１記載の回転電機システムに於いて，第一延長部は第一磁性体突極が軸方向に延伸され，第二延長部は第二磁性体突極が半径方向に延伸されて構成され，更に励磁部の励磁磁路部材は一端が第一延長部と磁気的に結合されると共に励磁磁路部材の一部は界磁磁石を挟んで第二延長部と径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６】
請求項１記載の回転電機システムに於いて，第一延長部は第一磁性体突極が軸方向に延伸され，第二延長部は第二磁性体突極が半径方向に延伸されて構成され，更に励磁部の励磁磁路部材は一端が第一延長部と磁気的に結合されると共に励磁磁路部材の一部は界磁磁石を挟んで第二延長部と径方向に対向するよう構成され，励磁磁路部材の一部は回転子と軸方向に対向する静止側に配置されると共に第一延長部，励磁磁路部材，界磁磁石，第二延長部を含む磁路に磁束を発生するよう励磁コイルが静止側に配置され，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７】
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磁性体歯と第一磁性体突極との微小間隙に於ける磁気抵抗及び磁性体歯と第二磁性体突極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８】
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９】
請求項８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の電機子と対向する側に非磁性体が配置されて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８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の抗磁力は界磁磁石の抗磁力より大であ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，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１２】
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回転子と，円筒状磁気ヨーク及び円筒状磁気ヨークから径方向に延びる磁性体歯及び磁性体歯に巻回された電機子コイルを有する電機子とが径方向に対向して相対的に回転可能に構成された回転電機装置であって，第一磁性体突極及び第二磁性体突極は半径方向或いは軸方向の互いに異なる方向に延伸されてそれぞれ第一延長部，第二延長部とされ，さらに第一磁性体突極及び第二磁性体突極を互いに異極に励磁する励磁部を有し，励磁部は両端が第一延長部及び第二延長部を磁気的に結合する磁路の一部である励磁磁路部材と，励磁磁路部材を含む第一延長部及び第二延長部間の磁路を二分するよう配置された界磁磁石と，第一延長部及び励磁磁路部材及び界磁磁石及び第二延長部を含む磁路に磁束を発生するよう配置された励磁コイルを有して構成され，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１３】
請求項１２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１４】
請求項１２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１５】
請求項１２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１６】
電機子との対向面に於いて磁気的な空隙及び或いは永久磁石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回転子と，円筒状磁気ヨーク及び円筒状磁気ヨークから径方向に延びる磁性体歯及び磁性体歯に巻回された電機子コイルを有する電機子とが径方向に対向して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，第一磁性体突極及び第二磁性体突極をそれぞれ半径方向或いは軸方向の互いに異なる方向に延伸した第一延長部，第二延長部を有し，さらに第一磁性体突極及び第二磁性体突極をそれぞれ異極に励磁する第一励磁部及び第二励磁部とを有し，励磁部を両端が第一延長部及び第二延長部を磁気的に結合する磁路の一部である励磁磁路部材と，励磁磁路部材を含む第一延長部及び第二延長部間の磁路を二分するよう配置された界磁磁石と，第一延長部及び励磁磁路部材及び界磁磁石及び第二延長部を含む磁路に磁束を発生するよう配置された励磁コイルを有して構成し，界磁磁石の磁化状態を励磁コイルに供給する電流によって不可逆的に変更するよう構成し，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】
ラジア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２００８−３０６９０８に電流励磁の提案例がある。しかし，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。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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】
【０００８】
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磁気的な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回転子と，円筒状磁気ヨーク及び円筒状磁気ヨークから径方向に延びる磁性体歯及び磁性体歯に巻回された電機子コイルを有する電機子とが径方向に対向して相対的に回転可能に構成された回転電機装置であって，第一磁性体突極及び第二磁性体突極は半径方向或いは軸方向の互いに異なる方向に延伸されてそれぞれ第一延長部，第二延長部とされ，さらに第一磁性体突極及び第二磁性体突極を互いに異極に励磁する励磁部を有し，励磁部は第一延長部及び第二延長部を磁気的に結合する磁路の一部である励磁磁路部材と，励磁磁路部材を含む第一延長部及び第二延長部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。
【０００９】
回転子，電機子が径方向に対向する回転電機装置である。電機子は径方向に延びる磁性体歯と，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回転子と対向する。回転子は電機子との対向面に於いて磁気的な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よう構成される。磁気的な離隔部分は磁気的な空隙及び或いは永久磁石で構成される。第一磁性体突極及び第二磁性体突極は互いに異なる方向に延伸されて第一延長部，第二延長部が形成され，第一延長部，第二延長部間を磁気的に結ぶ磁路の一部である励磁磁路部材を有し，励磁磁路部材を含む第一延長部，第二延長部間の磁路を分けるように界磁磁石が配置される。励磁磁路部材及び界磁磁石の組合せは一組或いは二組が回転子内或いは静止側に配置され，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される。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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，第一延長部，第二延長部はそれぞれ第一磁性体突極及び第二磁性体突極が互いに軸方向の異なる方向に延伸されて構成され，さらに励磁部は回転子両端の静止側に配置された第一励磁部及び第二励磁部とより構成され，第一励磁部は両端が第一延長部及び円筒状磁気ヨークにそれぞれ磁気的に結合された第一励磁磁路部材と，第一励磁磁路部材を含む第一延長部及び円筒状磁気ヨーク間の磁路を二分するよう配置された第一界磁磁石とを有して構成され，第二励磁部は両端が第二延長部及び円筒状磁気ヨークにそれぞれ磁気的に結合された第二励磁磁路部材と，第二励磁磁路部材を含む第二延長部及び円筒状磁気ヨーク間の磁路を二分するよう配置された第二界磁磁石とを有して構成される事を特徴とする。
【００１３】
励磁部は同じ構成の第一励磁部，第二励磁部とより構成され，回転子両端の静止側に配置される。界磁磁石も第一界磁磁石及び第二界磁磁石で構成され，励磁磁路部材も第一励磁磁路部材，第二励磁磁路部材で構成される。第一延長部，第二延長部を磁気的に結合する磁路は第一励磁磁路部材，円筒状磁気ヨーク，第二励磁磁路部材で主要部が構成される。
【００１４】
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，第一延長部，第二延長部はそれぞれ第一磁性体突極及び第二磁性体突極が互いに軸方向の異なる方向に延伸されて構成され，さらに励磁部は第一励磁部及び第二励磁部より構成されて第一励磁部の一部及び第二励磁部の一部はそれぞれ回転子両端の静止側に配置され，第一励磁部は両端が第一延長部及び円筒状磁気ヨークにそれぞれ磁気的に結合された第一励磁磁路部材を有し，円筒状磁気ヨークと第一励磁磁路部材の一部とが第一界磁磁石を挟んで径方向に対向するよう構成され，第二励磁部は両端が第二延長部及び円筒状磁気ヨークにそれぞれ磁気的に結合された第二励磁磁路部材を有し，円筒状磁気ヨークと第二励磁磁路部材の一部とが第二界磁磁石を挟んで径方向に対向するよう構成される事を特徴とする。
【００１５】
第一及び第二界磁磁石を円筒状磁気ヨークに隣接して回転子とは逆側に配置する構成であり，第一及び第二界磁磁石の磁極面積を大として電機子を流れる磁束量大に出来る。第一及び第二界磁磁石は電機子と回転子で作る空間の外側に配置されるので回転子を回転駆動する為に電機子が発生する強い駆動磁界は第一及び第二界磁磁石に影響し難い。
【００１６】
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，第一延長部，第二延長部はそれぞれ第一磁性体突極及び第二磁性体突極が互いに軸方向の異なる方向に延伸されて構成され，さらに励磁部は第一磁性体突極及び第二磁性体突極をそれぞれ異極に励磁する第一励磁部及び第二励磁部とより構成され，さらに第一励磁部は両端が第一延長部及び円筒状磁気ヨークにそれぞれ磁気的に結合された第一励磁磁路部材と，第一励磁磁路部材を含む第一延長部及び円筒状磁気ヨーク間の磁路を二分するよう配置された第一界磁磁石と，第一磁性体突極及び第一延長部及び第一励磁磁路部材及び第一界磁磁石及び円筒状磁気ヨークを含む磁路に磁束を発生するよう配置された第一励磁コイルとを有して構成され，第二励磁部は両端が第二延長部及び円筒状磁気ヨークにそれぞれ磁気的に結合された第二励磁磁路部材と，第二励磁磁路部材を含む第二延長部及び円筒状磁気ヨーク間の磁路を二分するよう配置された第二界磁磁石と，第二磁性体突極及び第二延長部及び第二励磁磁路部材及び第一界磁磁石及び円筒状磁気ヨークを含む磁路に磁束を発生するよう配置された第二励磁コイルとを有して構成され，第一励磁コイル，第二励磁コイルに供給する電流によって第一界磁磁石，第二界磁磁石の磁化状態を変更及び或いは第一励磁コイル，第二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。
【００１７】
第一励磁部及び第二励磁部は更にそれぞれ第一，第二励磁コイルを有し，第一，第二励磁コイルに供給される電流により第一，第二界磁磁石の磁化状態を不可逆的に変え，或いは第一，第二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，第一，第二励磁コイルに供給される電流により，第一，第二界磁磁石の磁化状態を不可逆的に変え，第一，第二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第一，第二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。
【００１８】
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，第一延長部は第一磁性体突極が軸方向に延伸され，第二延長部は第二磁性体突極が半径方向に延伸されて構成され，更に励磁部の励磁磁路部材は一端が第一延長部と磁気的に結合されると共に励磁磁路部材の一部は界磁磁石を挟んで第二延長部と径方向に対向するよう構成される事を特徴とする。第一延長部と第二延長部間に界磁磁石が配置される構成で，特に界磁磁石の磁極面積を十分に確保されるように径方向に対向する磁性体感に界磁磁石が配置される構成である。
【００１９】
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，第一延長部は第一磁性体突極が軸方向に延伸され，第二延長部は第二磁性体突極が半径方向に延伸されて構成され，更に励磁部の励磁磁路部材は一端が第一延長部と磁気的に結合されると共に励磁磁路部材の一部は界磁磁石を挟んで第二延長部と径方向に対向するよう構成され，励磁磁路部材の一部は回転子と軸方向に対向する静止側に配置されると共に第一延長部，励磁磁路部材，界磁磁石，第二延長部を含む磁路に磁束を発生するよう励磁コイルが静止側に配置され，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。
【００２０】
第一延長部と第二延長部間に界磁磁石が配置される構成で，特に界磁磁石の磁極面積を十分に確保されるように径方向に対向する磁性体感に界磁磁石が配置される構成であり，更に励磁磁路部材の一部は静止側に配置され，励磁コイルが第一延長部及び界磁磁石及び第二延長部を含む磁路に磁束を発生するよう静止側に配置される。
【００２１】
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磁性体歯と第一磁性体突極との微小間隙に於ける磁気抵抗及び磁性体歯と第二磁性体突極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。界磁磁石からの磁束は電機子を介する磁路と，第一磁性体突極と第二磁性体突極間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磁性体歯と第一磁性体突極との微小間隙に於ける磁気抵抗及び磁性体歯と第二磁性体突極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。
【００２２】
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，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。
【００２３】
請求項９の発明は，請求項８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の電機子と対向する側に非磁性体が配置されて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の電機子と対向する側には非磁性体を配置して電機子から磁束が直接に流入し難いよう構成する。
【００２４】
請求項１０の発明は，請求項８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の抗磁力は界磁磁石の抗磁力より大である事を特徴とする。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。
【００２５】
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，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。
【００２６】
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。励磁コイルによる起磁力（磁気ポテンシャル差）はほぼ均等に界磁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。
【００２７】
請求項１２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回転子と，円筒状磁気ヨーク及び円筒状磁気ヨークから径方向に延びる磁性体歯及び磁性体歯に巻回された電機子コイルを有する電機子とが径方向に対向して相対的に回転可能に構成された回転電機装置であって，第一磁性体突極及び第二磁性体突極は半径方向或いは軸方向の互いに異なる方向に延伸されてそれぞれ第一延長部，第二延長部とされ，さらに第一磁性体突極及び第二磁性体突極を互いに異極に励磁する励磁部を有し，励磁部は両端が第一延長部及び第二延長部を磁気的に結合する磁路の一部である励磁磁路部材と，励磁磁路部材を含む第一延長部及び第二延長部間の磁路を二分するよう配置された界磁磁石と，第一延長部及び励磁磁路部材及び界磁磁石及び第二延長部を含む磁路に磁束を発生するよう配置された励磁コイルを有して構成され，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。
【００２８】
回転子，電機子が径方向に対向する回転電機装置である。電機子は径方向に延びる磁性体歯と，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回転子と対向する。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よう構成される。
【００２９】
第一磁性体突極及び第二磁性体突極を含む磁路に磁束を供給するよう第一延長部及び第二延長部及び励磁磁路部材及び励磁コイル及び界磁磁石が配置され，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。
【００３０】
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。
【００３１】
請求項１３の発明は，請求項１２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。
【００３２】
請求項１４の発明は，請求項１２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。
【００３３】
請求項１５の発明は，請求項１２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。
【００３４】
請求項１６の発明は，電機子との対向面に於いて磁気的な空隙及び或いは永久磁石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回転子と，円筒状磁気ヨーク及び円筒状磁気ヨークから径方向に延びる磁性体歯及び磁性体歯に巻回された電機子コイルを有する電機子とが径方向に対向して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，第一磁性体突極及び第二磁性体突極をそれぞれ互いに異なる方向に延伸した第一延長部，第二延長部を有し，さらに第一磁性体突極及び第二磁性体突極をそれぞれ異極に励磁する第一励磁部及び第二励磁部とを有し，励磁部を両端が第一延長部及び第二延長部を磁気的に結合する磁路の一部である励磁磁路部材と，励磁磁路部材を含む第一延長部及び第二延長部間の磁路を二分するよう配置された界磁磁石と，第一延長部及び励磁磁路部材及び界磁磁石及び第二延長部を含む磁路に磁束を発生するよう配置された励磁コイルを有して構成し，界磁磁石の磁化状態を励磁コイルに供給する電流によって不可逆的に変更するよう構成し，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】
【００３５】
本発明によれば，ラジアルギャップ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励磁部を有し，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】
【００３６】
【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１に示された回転電機の電機子及び回転子の断面図である。
【図３】回転子の構成を示す斜視図及び強め界磁に於ける磁束の流れる方向を示す。
【図４】回転子の構成を示す斜視図及び弱め界磁に於ける磁束の流れる方向を示す。
【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６に示された回転電機の電機子及び回転子の断面図である。
【図８】励磁部及び回転子の構成を示す斜視図である。
【図９】電機子及び回転子の断面図の一部及び磁束の流れを示す。
【図１０】励磁部の構成を示す縦断面図である。
【図１１】第三の実施例による回転電機の縦断面図である。
【図１２】図１１に示された回転電機の電機子及び回転子の断面図である。
【図１３】第四の実施例による回転電機の縦断面図である。
【図１４】図１３に示された回転電機の電機子及び回転子の断面図である。
【図１５】励磁部及び回転子の構成を示す斜視図である。
【図１６】電機子及び回転子の断面図の一部及び磁束の流れを示す。
【図１７】第五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】
【００３７】
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】
【００３８】
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，アウターローター構造の回転電機であり，界磁磁石を含む励磁部及び電機子が回転子の内側に配置されている。
【００３９】
図１はアウターローター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。ローターハウジング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には回転子支持体１ｈが固定され，界磁極１ｃ，１ｆ，第一界磁磁石１ｂ，第二界磁磁石１ｅ，第一励磁コイル１ｄ，第二励磁コイル１ｇ，円筒状磁気コア１ａが配置され，さらに円筒状磁気ヨーク１５，磁性体歯１４，電機子コイル１６が配置されている。ローターハウジング１２の内周面には表面磁極部１７，第一延長部１８，第二延長部１９が配置されている。
【００４０】
表面磁極部１７には第一磁性体突極及び第二磁性体突極が周方向に交互に配置され，第一延長部は第一磁性体突極を図１に於いて軸と平行に右方向への延長部を，第二延長部は第二磁性体突極を軸と平行に左方向への延長部をそれぞれ示している。ローターハウジング１２及び回転子支持体１ｈは非磁性体で構成されている。
【００４１】
図２は図１のＡ−Ａ’に沿う電機子及び回転子の断面図を示し，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いる。固定軸１１に回転子支持体１ｈ，その外周に界磁極１ｆ，第二界磁磁石１ｅ，円筒状磁気コア１ａが配置され，さらにそれらの外周に円筒状磁気ヨーク１５，磁性体歯１４，磁性体歯１４に巻回された電機子コイル１６からなる電機子が配置されている。本実施例では１８個の電機子コイル１６が配置され，それらは３相に結線されている。
【００４２】
ローターハウジング１２の内周側に配置された表面磁極部１７は一様な円筒状磁性体基板を周方向に等間隔に配置された永久磁石２３によって区分された第一磁性体突極２１，第二磁性体突極２２から構成されている。さらに隣接する突極である第一磁性体突極２１，第二磁性体突極２２は互いに異なる方向に磁化されるよう隣接する永久磁石２３の磁化方向は互いに反転して構成されている。番号２４は軸方向に延びる磁束チャネル部である。第一磁性体突極２１，第二磁性体突極２２は幅の狭い可飽和磁性体部で連結された構成として所定の型でケイ素鋼板を打ち抜き，積層して構成され，永久磁石２３と断面積を同じくするスロットに永久磁石のブロックが挿入され，磁束チャネル部２４には断面積を同じくするスロットに軟鉄のブロックを挿入している。
【００４３】
本実施例に於いては，飽和磁束密度の大きな軟鉄で構成した磁束チャネル部２４を第一磁性体突極２１，第二磁性体突極２２内の電機子より遠い側に配置している。第一磁性体突極２１，第二磁性体突極２２はケイ素鋼板の積層で構成され，積層されたケイ素鋼板の積層方向の磁気抵抗は大きいが，磁束チャネル部２４は励磁部からの磁束を軸方向に流れやすくする為に配置されている。
【００４４】
図３，図４は回転子の構成を示す分解斜視図である。理解を容易にする為にローターハウジング１２を除き，第一磁性体突極２１，第二磁性体突極２２等を有する中心部と第一延長部１８，第二延長部１９とを離して示してある。第一延長部１８は軟鉄をプレス成形して第一磁性体突極２１の延長部分となる磁性体突部３４を有して構成され，非磁性体部３６は磁性を持たないステンレススチールで形成されている。界磁極１ｃと対向する部分は番号３５で示されるように円板状として界磁極１ｃと第一延長部１８間の磁気抵抗が小になるよう構成されている。第二延長部１９は軟鉄をプレス成形して第二磁性体突極２２の延長部分となる磁性体突部３１を有して構成され，非磁性体部３３は磁性を持たないステンレススチールで形成されている。界磁極１ｆと対向する部分は番号３２で示されるように円板状として界磁極１ｆと第二延長部１９間の磁気抵抗が小になるよう構成されている。
【００４５】
図１に示されるように第一磁性体突極２１の延長部分である第一延長部１８は微小間隙を介して界磁極１ｃと対向し，界磁極１ｃと円筒状磁気コア１ａとの間に第一界磁磁石１ｂが配置されている。第一励磁コイル１ｄは界磁極１ｃ及び固定軸１１を周回するよう巻回され，第一磁性体突極２１，第一延長部１８，界磁極１ｃ，第一界磁磁石１ｂ，円筒状磁気コア１ａ，円筒状磁気ヨーク１５，磁性体歯１４を含む磁路に磁束を発生するよう配置されている。界磁極１ｃは第一励磁磁路部材に相当し，界磁極１ｃ，第一界磁磁石１ｂ，第一励磁コイル１ｄが第一励磁部の主要部分を構成している。
【００４６】
第二磁性体突極２２の延長部分である第二延長部１９は微小間隙を介して界磁極１ｆと対向し，界磁極１ｆと円筒状磁気コア１ａとの間には第二界磁磁石１ｅが配置されている。第二励磁コイル１ｇは界磁極１ｆ及び固定軸１１を周回するよう巻回され，第二磁性体突極２２，第二延長部１９，界磁極１ｆ，第二界磁磁石１ｅ，円筒状磁気コア１ａ，円筒状磁気ヨーク１５，磁性体歯１４を含む磁路に磁束を発生するよう配置されている。界磁極１ｆは第二励磁磁路部材に相当し，界磁極１ｆ，第二界磁磁石１ｅ，第二励磁コイル１ｇが第二励磁部の主要部分を構成している。
【００４７】
軸方向及び径方向に磁束が流れやすいよう界磁極１ｃ，１ｆ，円筒状磁気コア１ａは軟鉄で構成されている。他に圧粉鉄心等の等方性磁性体を使用する事が出来る。円筒状磁気コア１ａは磁性体歯１４及び円筒状磁気ヨーク１５がケイ素鋼板を積層して形成された場合に軸方向に磁束が流れやすくする為に配置され，円筒状磁気ヨーク１５を圧粉鉄心で構成する場合には円筒状磁気コア１ａを不要に出来る。
【００４８】
図２に示されるように永久磁石２３により第一磁性体突極２１はＮ極に，第二磁性体突極２２はＳ極に磁化されている。また，図１に於いて，第一界磁磁石１ｂの磁化方向が内径方向であり，第二界磁磁石１ｅの磁化方向が外径方向である。第一界磁磁石１ｂにより第一延長部１８及び第一磁性体突極２１がＮ極に，第二界磁磁石１ｅにより第二延長部１９及び第二磁性体突極２２がＳ極に励磁されている。第一磁性体突極２１と磁性体歯１４間，第二磁性体突極２２と磁性体歯１４間を流れる磁束量が第一界磁磁石１ｂ，第二界磁磁石１ｅにより増大される場合であり，強め界磁となる。したがって，第一界磁磁石１ｂでは内径方向の磁化が第一磁化に，第二界磁磁石１ｅでは外径方向の磁化が第一磁化にそれぞれ相当している。
【００４９】
永久磁石２３の一方の磁極から流れ出た磁束は第一磁性体突極２１，磁性体歯１４，円筒状磁気ヨーク１５，隣接する磁性体歯１４，第二磁性体突極２２を介して永久磁石２３の他方の磁極に環流する。第一界磁磁石１ｂからの磁束は界磁極１ｃ，第一延長部１８，第一磁性体突極２１，磁性体歯１４，円筒状磁気ヨーク１５，円筒状磁気コア１ａを介して第一界磁磁石１ｂに環流する。図３に示す番号３７は第一延長部１８から第一磁性体突極２１に流れる磁束を示している。同様に第二界磁磁石１ｅからの磁束は円筒状磁気コア１ａ，円筒状磁気ヨーク１５，磁性体歯１４，第二磁性体突極２２，第二延長部１９，界磁極１ｆを介して第二界磁磁石１ｅに環流する。図３に示す番号３８は第二磁性体突極２２から第二延長部１９に流れる磁束を示している。
【００５０】
永久磁石２３には複数の磁路が並列に接続されている。第一の磁路は第一磁性体突極２１，磁性体歯１４，円筒状磁気ヨーク１５，第二磁性体突極２２を介して環流する磁路である。第二の磁路は第一磁性体突極２１，第一延長部１８，第一界磁磁石１ｂ，円筒状磁気コア１ａ，磁性体歯１４，第二磁性体突極２２を介する磁路であり，第三の磁路は第二磁性体突極２２，第二延長部１９，第二界磁磁石１ｅ円筒状磁気コア１ａ，磁性体歯１４，第一磁性体突極２１を介する磁路である。本実施例では第一の磁路の磁気抵抗を第二，第三の磁路の磁気抵抗より小に設定して永久磁石２３からの磁束の大部分が第一の磁路を流れるよう設定されている。すなわち，電機子及び回転子間の間隙長を約０．５ミリメートルとし，第一界磁磁石１ｂ及び第二界磁磁石１ｅの径方向厚みを数ミリメートルと十分に大と設定しているので永久磁石２３からの磁束が第二，第三の磁路を介して流れる量は少ない。
【００５１】
さらに磁束３７及び磁束３８の流れる方向と永久磁石２３の磁化方向は逆であるので磁束３７及び磁束３８が永久磁石２３を介して短絡され難いが，漏洩的に流れる可能性はある。この場合に磁束は第一界磁磁石１ｂから界磁極１ｃ，第一延長部１８，第一磁性体突極２１，永久磁石２３，第二磁性体突極２２，第二延長部１９，界磁極１ｆ，第二界磁磁石１ｅ，円筒状磁気コア１ａを介して流れる。界磁極１ｃ，第一延長部１８間，第二延長部１９，界磁極１ｆ間は対向面積が十分に大と出来るのでこれらの部分の磁気抵抗を無視すると，磁気抵抗が大となるのは永久磁石２３であり，永久磁石２３の両端には第一界磁磁石１ｂと第二界磁磁石１ｅが直列に接続した磁気ポテンシャルが現れる。
【００５２】
一方，第一界磁磁石１ｂ，界磁極１ｃ，第一延長部１８，第一磁性体突極２１，磁性体歯１４，円筒状磁気ヨーク１５，円筒状磁気コア１ａを含む磁路で磁気抵抗が大となる部分は第一磁性体突極２１，磁性体歯１４間の間隙であり，間隙両端には第一界磁磁石１ｂによる磁気ポテンシャルが現れる。同様に第二界磁磁石１ｅ，界磁極１ｆ，第二延長部１９，第二磁性体突極２２，磁性体歯１４，円筒状磁気ヨーク１５，円筒状磁気コア１ａを含む磁路で磁気抵抗が大となる部分は第二磁性体突極２２，磁性体歯１４間の間隙であり，間隙両端には第二界磁磁石１ｅによる磁気ポテンシャルが現れる。本実施例に於いて，永久磁石２３を空隙と見なして算出された磁気抵抗は磁性体歯１４と第一磁性体突極２２との微小間隙に於ける磁気抵抗及び磁性体歯１４と第二磁性体突極２２との微小間隙に於ける磁気抵抗の和より大となるよう永久磁石２３の磁極面積と磁化方向長さとが設定されているので第一界磁磁石１ｂ及び第二界磁磁石１ｅからの磁束の大部分は磁性体歯１４を介して流れる。
【００５３】
弱め界磁は図１に示した状態とは逆に第一界磁磁石１ｃの磁化方向が外径方向に，第二界磁磁石１ｅの磁化方向が内径方向に設定された場合であって，更に図２及び図４を用いて説明される。第一界磁磁石１ｃの磁化方向が外径方向，第二界磁磁石１ｅの磁化方向が内径方向である場合，第二界磁磁石１ｅからの磁束は界磁極１ｆ，第二延長部１９，第二磁性体突極２２，永久磁石２３，第一磁性体突極２１，第一延長部１８，界磁極１ｃ，第一界磁磁石１ｂ，円筒状磁気コア１ａを介して流れる。図４に於ける番号４１，４２は磁束の流れを示し，永久磁石２３は番号４１，４２で示される磁束の磁路の一部となる。
【００５４】
この場合に永久磁石２３からの磁束が第一磁性体突極２１から磁性体歯１４へ流れる方向と，第一界磁磁石１ｂからの磁束が第一磁性体突極２１から磁性体歯１４へ流れる方向とが互いに逆方向であって互いに相殺される場合と考える事も出来る。第一磁性体突極２１から磁性体歯１４へ流れる磁束量，磁性体歯１４から第二磁性体突極２２へ流れる磁束量は減少し，電機子コイル１６と鎖交する磁束量は減少する事になる。
【００５５】
第一界磁磁石１ｂ，第二界磁磁石１ｅそれぞれの磁化方向を第一励磁コイル１ｄ，第二励磁コイル１ｇに供給される磁化電流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。以下に第一界磁磁石１ｂ，第二界磁磁石１ｅそれぞれの磁化方向を変えるステップを説明する。
【００５６】
第一界磁磁石１ｂの磁化を第一磁化に変える場合，磁束が第一界磁磁石１ｂ，界磁極１ｃ，第一延長部１８，第一磁性体突極２１，磁性体歯１４，円筒状磁気ヨーク１５，円筒状磁気コア１ａに沿って流れるよう第一励磁コイル１ｄに磁化電流を供給し，第一界磁磁石１ｂを内径方向に磁化する。第二界磁磁石１ｅの磁化を第一磁化に変える場合，磁束が第二界磁磁石１ｅ，円筒状磁気コア１ａ，円筒状磁気ヨーク１５，磁性体歯１４，第二磁性体突極２２，第二延長部１９，界磁極１ｆに沿って流れるよう第二励磁コイル１ｇに磁化電流を供給し，第二界磁磁石１ｅを外径方向に磁化する。
【００５７】
第一励磁コイル１ｄ，第二励磁コイル１ｇが発生する磁束は図３に番号３７，３８として示すように永久磁石２３を逆方向に磁化するよう流れるが，永久磁石２３にはネオジウム磁石が配置されて抗磁力は十分に大であるのでその磁化は影響を受けず，さらに永久磁石２３の磁化方向長さは電機子と回転子間の空隙長より十分に大に設定されているので第一励磁コイル１ｄ，第二励磁コイル１ｇが発生する磁束は磁気抵抗が小さい回転子，電機子間の空隙を介して流れて第一界磁磁石１ｂ，第二界磁磁石１ｅを磁化する。
【００５８】
第一界磁磁石１ｂの磁化を第二磁化に変える場合，磁束が第一界磁磁石１ｂ，円筒状磁気コア１ａ，円筒状磁気ヨーク１５，磁性体歯１４，第一磁性体突極２１，第一延長部１８，界磁極１ｃに沿って流れるよう第一励磁コイル１ｄに磁化電流を供給し，第一界磁磁石１ｂを外径方向に磁化する。第二界磁磁石１ｅの磁化を第二磁化に変える場合，磁束が第二界磁磁石１ｅ，界磁極１ｆ，第二延長部１９，第二磁性体突極２２，磁性体歯１４，円筒状磁気ヨーク１５，円筒状磁気コア１ａに沿って流れるよう第二励磁コイル１ｇに磁化電流を供給し，第二界磁磁石１ｅを内径方向に磁化する。
【００５９】
第一励磁コイル１ｄ，第二励磁コイル１ｇが発生する磁束は図４に番号４１，４２として示すように永久磁石２３の磁化方向に沿って流れるので上記の経路に加えて第一界磁磁石１ｂ，円筒状磁気コア１ａ，第二界磁磁石１ｅ，界磁極１ｆ，第二延長部１９，第二磁性体突極２２，永久磁石２３，第一磁性体突極２１，第一延長部１８，界磁極１ｃに沿っても流れ，第一界磁磁石１ｂを外径方向に磁化し，第二界磁磁石１ｅを内径方向に磁化する。
【００６０】
第一界磁磁石１ｂ，第二界磁磁石１ｅ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第一界磁磁石１ｂ，第二界磁磁石１ｅの磁化状態を変更させない程度の磁束調整電流を第一励磁コイル１ｄ，第二励磁コイル１ｇに供給して磁束を発生させ，第一界磁磁石１ｂ，第二界磁磁石１ｅ及び永久磁石２３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。
【００６１】
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を接続して第一励磁コイル１ｄ，第二励磁コイル１ｇ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第一励磁コイル１ｄ，第二励磁コイル１ｇに供給する。
【００６２】
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。励磁部を電機子と回転子で構成する空間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。
【００６３】
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。
【００６４】
電機子を流れる磁束量はこのように第一励磁コイル１ｄ，第二励磁コイル１ｇ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第一励磁コイル１ｄ，第二励磁コイル１ｇ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第一励磁コイル１ｄ，第二励磁コイル１ｇ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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。界磁磁石を第一磁化或いは第二磁化とするよう第一励磁コイル１ｄ，第二励磁コイル１ｇ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するよう磁化電流に係わるパラメータを修正する。
【００６７】
以上，図１から図５に示した回転電機に於いて，第一界磁磁石１ｂ，第二界磁磁石１ｅ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。
【００６８】
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により第一励磁コイル１ｄ，第二励磁コイル１ｇ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一界磁磁石１ｂ及び第二界磁磁石１ｅを第二磁化に磁化変更する方向の磁化電流が磁化制御回路５ａから第一励磁コイル１ｄ，第二励磁コイル１ｇに供給されて電機子を流れる磁束量を小とする。
【００６９】
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により第一励磁コイル１ｄ，第二励磁コイル１ｇ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界磁磁石１ｂ及び第二界磁磁石１ｅを第一磁化に磁化変更する方向の磁化電流を磁化制御回路５ａから第一励磁コイル１ｄ，第二励磁コイル１ｇに供給して電機子を流れる磁束量を大とする。
【００７０】
上記説明に於いて，界磁制御の為に磁束調整電流を流したが，磁束調整電流は第一界磁磁石１ｂ，第二界磁磁石１ｅ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，第一界磁磁石１ｂ，第二界磁磁石１ｅ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。
【００７１】
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。
【００７２】
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により第一励磁コイル１ｄ，第二励磁コイル１ｇ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一界磁磁石１ｂ及び第二界磁磁石１ｅを第二磁化に磁化変更する方向の磁化電流が磁化制御回路５ａから第一励磁コイル１ｄ，第二励磁コイル１ｇに供給されて電機子を流れる磁束量を小とする。
【００７３】
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により第一励磁コイル１ｄ，第二励磁コイル１ｇ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界磁磁石１ｂ及び第二界磁磁石１ｅを第一磁化に磁化変更する方向の磁化電流を磁化制御回路５ａから第一励磁コイル１ｄ，第二励磁コイル１ｇに供給して電機子を流れる磁束量を大とする。
【００７４】
本実施例では界磁磁石の磁化変更をする為の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磁化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。そのような電流波形は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。
【実施例２】
【００７５】
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１０を用いて説明する。第二実施例は，インナーローター構造の回転電機であり，界磁磁石を含む励磁部が回転子両端のハウジング側に配置されている。
【００７６】
図６はラジアルギャップ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。回転軸６１がベアリング６３を介してハウジング６２に回動可能に支持されている。磁性体で構成されたハウジング６２には円筒状磁気ヨーク６５が固定され，円筒状磁気ヨーク６５から径方向に延びる磁性体歯６４及び電機子コイル６６が配置されている。
【００７７】
磁性体歯６４と径方向に対向する回転子は，回転軸６１に固定された回転子支持体６ａの外周に表面磁極部６７を有し，表面磁極部６７を構成する第一磁性体突極及び第二磁性体突極が周方向に交互に配置され，更に第一磁性体突極が軸と平行の右方向に延伸された第一延長部６８，第二磁性体突極が軸と平行の左方向に延伸された第二延長部６９を有する。
【００７８】
第一延長部６８と微小間隙を介して界磁極６ｄがハウジング６２内側に配置され，界磁極６ｄとハウジング６２間に第一界磁磁石６ｂが配置され，更に第一励磁コイル６ｃが円筒状磁気ヨーク６５，磁性体歯６４，第一磁性体突極，第一延長部６８，界磁極６ｄ，第一界磁磁石６ｂ，ハウジング６２を含む磁路に磁束を発生するよう配置されて第一励磁部が構成されている。第二延長部６９と微小間隙を介して界磁極６ｇがハウジング６２内側に配置され，界磁極６ｇとハウジング６２間に第二界磁磁石６ｅが配置され，第二励磁コイル６ｆが円筒状磁気ヨーク６５，磁性体歯６４，第二磁性体突極，第二延長部６９，界磁極６ｇ，第二界磁磁石６ｅ，ハウジング６２を含む磁路に磁束を発生するよう配置されて第二励磁部が構成されている。第一励磁部及び第二励磁部は同じ構成であり，第一磁性体突極及び第二磁性体突極を互いに異なる極性に磁化するよう第一励磁コイル６ｃ，第二励磁コイル６ｆが結線されている。本実施例に於いて，ハウジング６２，界磁極６ｄが第一励磁磁路部材に相当し，ハウジング６２，界磁極６ｇが第二励磁磁路部材に相当している。
【００７９】
図７は図６のＢ−Ｂ’に沿う電機子及び回転子の断面図を示し，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いる。電機子はハウジング６２に固定された円筒状磁気ヨーク６５と，円筒状磁気ヨーク６５から径方向に延びる複数の磁性体歯６４と，磁性体歯６４に巻回された電機子コイル６６とから構成されている。径方向に短い可飽和磁性体結合部７８が隣接する磁性体歯６４先端部間に配置されている。磁性体歯６４及び可飽和磁性体結合部７８はケイ素鋼板を型で打ち抜いて積層され，電機子コイル６６を巻回された後，圧粉鉄心で構成された円筒状磁気ヨーク６５と組み合わせて電機子が構成されている。
【００８０】
可飽和磁性体結合部７８は隣接する磁性体歯６４同士を機械的に連結させて磁性体歯６４の支持強度を向上させ，磁性体歯６４の不要な振動を抑制させる。可飽和磁性体結合部７８の径方向の長さは短く設定して容易に磁気的に飽和する形状としたので電機子コイル６６が発生させる磁束或いは永久磁石からの磁束によって容易に飽和し，その場合に電機子コイル６６が発生させる磁束及び磁束の短絡を僅かな量とする。電機子コイル６６に電流が供給されると，時間と共に可飽和磁性体結合部７８は磁気的に飽和させられて周辺に磁束を漏洩させるが，磁気飽和した可飽和磁性体結合部７８に現れる実効的な磁気空隙の境界はクリアではないので漏洩する磁束の分布は緩やかとなり，可飽和磁性体結合部７８はこの点でも磁性体歯６４に加わる力の時間変化を緩やかにして振動抑制に寄与する。
【００８１】
表面磁極部６７は円筒状磁性体基板が集合磁石により周方向に区分された構成である。中間磁性体突極７３の両側面にほぼ同じ磁化方向の磁石板７５，７６が配置された組み合わせは磁気的には磁石と等価な集合磁石であり，回転子の表面磁極部６７は一様な円筒状磁性体基板を周方向に等間隔に配置された集合磁石によって区分された第一磁性体突極７１，第二磁性体突極７２及び集合磁石とから構成されている。さらに隣接する突極である第一磁性体突極７１，第二磁性体突極７２は互いに異なる方向に磁化されるよう隣接する集合磁石の磁化方向は互いに反転して構成されている。
【００８２】
第一磁性体突極７１，第二磁性体突極７２それぞれの周方向両側面に配置された磁石板はＶ字状の配置であり，磁石板の交差角度は磁束バリアに好適な角度に設定する。磁石板７４，７５，７６，７７に付された矢印は磁石板７４，７５，７６，７７の板面にほぼ直交する磁化方向を示す。中間磁性体突極７３の電機子と対向する側には非磁性体が配置されて磁性体歯６４と中間磁性体突極７３との間で磁束が流れ難いよう構成されている。
【００８３】
図８は回転子の構成及び励磁部の配置を示す分解斜視図である。理解を容易にする為に第一磁性体突極７１，第二磁性体突極７２等を有する中心部と第一延長部６８，第二延長部６９とを離し，電機子及びハウジング６２を除いて示されている。第一延長部６８は軟鉄をプレス成形して第一磁性体突極７１の延長部分となる磁性体突部８３を有して構成され，非磁性体部８４は磁性を持たないステンレススチールで形成されている。第二延長部６９は軟鉄をプレス成形して第二磁性体突極７２の延長部分となる磁性体突部８１を有して構成され，非磁性体部８２は磁性を持たないステンレススチールで形成されている。第一延長部６８，第二延長部６９にはそれぞれ界磁極６ｄ，６ｇと微小間隙を介して対向するが，図８では界磁極６ｄは示されていない。更に第一励磁コイル６ｃ，第二励磁コイル６ｆ及び第一界磁磁石６ｂが示されている。番号８５は第一延長部６８の円板状部分を示し，界磁極６ｄと対向している。
【００８４】
図９は電機子及び回転子の拡大された断面の一部を示す図である。図９（ａ）により強め界磁に於ける磁束の流れ，図９（ｂ）により弱め界磁に於ける磁束の流れを説明する。図６に示した構成により第一励磁コイル６ｃ，第一界磁磁石６ｂが発生させる磁束は円筒状磁気ヨーク６５，磁性体歯６４，第一磁性体突極７１，第一延長部６８，界磁極６ｄ，ハウジング６２を含む磁路を流れるよう構成され，第二励磁コイル６ｆ，第二界磁磁石６ｅが発生させる磁束は円筒状磁気ヨーク６５，磁性体歯６４，第二磁性体突極７２，第二延長部６９，界磁極６ｇ，ハウジング６２を含む磁路を流れるよう構成されている。
【００８５】
図９（ａ）に於いて，番号９２は磁石板７４，７５，７６，７７からの磁束を代表して示し，主として回転子の表面磁極部７７及び電機子内を流れる。例えば，磁石板７５からの磁束は中間磁性体突極７３，磁石板７６，第二磁性体突極７２，磁性体歯６４，円筒状磁気ヨーク７５，隣接する磁性体歯７４，第一磁性体突極７１を介して磁石板７５に環流する。磁石板７４，７５，７６，７７によって第一磁性体突極７１はＳ極に，第二磁性体突極７２はＮ極にそれぞれ磁化されている。
【００８６】
図６に示す第一界磁磁石６ｂ，第二界磁磁石６ｅはそれぞれの逆方向の磁化を持つ磁石要素の並列接続であるので界磁磁石内で閉磁路が構成されて外部に磁束を供給していない。しかし，第一界磁磁石６ｂ，第二界磁磁石６ｅの磁石要素が全て軸と平行に右方向の磁化を有する場合は，第一界磁磁石６ｂが第一延長部６８及び第一磁性体突極７１をＳ極に磁化し，第二界磁磁石６ｅが第二延長部６９及び第二磁性体突極７２をＮ極に磁化して強め界磁に相当する。その場合，第一界磁磁石６ｂからの磁束はハウジング６２，円筒状磁気ヨーク６５，磁性体歯６４，第一磁性体突極７１，第一延長部６８，界磁極６ｄを介して第一界磁磁石６ｂに環流する。第二界磁磁石６ｅからの磁束は界磁極６ｇ，第二延長部６９，第二磁性体突極７２，磁性体歯６４，円筒状磁気ヨーク６５，ハウジング６２を介して第二界磁磁石６ｅに環流する。
【００８７】
図９（ａ）に於いて，番号９５は円筒状磁気ヨーク６５から磁性体歯６４を介して第一磁性体突極７１に流れる磁束を示し，番号９３は第一磁性体突極７１から第一延長部６８方向に流れる磁束を示している。番号９４は第二延長部６９から第二磁性体突極７２に流れる磁束を示し，番号９６は第二磁性体突極７２から磁性体歯６４を介して円筒状磁気ヨーク６５に流れる磁束を示している。磁束９５，９６は磁性体歯６４内で磁束９２と同じ方向に流れ，電機子コイル６６と鎖交する磁束量を磁束９２単独の場合に比して大となる。番号９１は磁性体歯６４と中間磁性体突極７３間を磁束が流れないように配置された非磁性体を示す。
【００８８】
さらに第一界磁磁石６ｂ，第二界磁磁石６ｅの磁石要素が全て軸と平行に左方向の磁化を有する場合は，第一界磁磁石６ｂが第一延長部６８及び第一磁性体突極７１をＮ極に磁化し，第二界磁磁石６ｅが第二延長部６９及び第二磁性体突極７２をＳ極に磁化して弱め界磁に相当する。その場合，第一界磁磁石６ｂ及び第二界磁磁石６ｅからの磁束は図９（ａ）に示した磁束９５，９６と逆方向に磁性体歯６４中を流れて電機子コイル６６と鎖交する磁束量を減少させる。また，第一磁性体突極７１はＮ極に磁化され，第二磁性体突極７２はＳ極に磁化されるので第一界磁磁石６ｂ及び第二界磁磁石６ｅからの磁束の一部は磁石板７５，中間磁性体突極７３，磁石板７６を介して第二磁性体突極７２に流れる。
【００８９】
すなわち，図９（ｂ）に示すように第一界磁磁石６ｂからの磁束の一部は界磁極６ｄ，第一延長部６８，第一磁性体突極７１，磁石板７５，中間磁性体突極７３，磁石板７６，第二磁性体突極７２，第二延長部６９，界磁極６ｇ，第二界磁磁石６ｅ，ハウジング６２を介して第一界磁磁石６ｂに環流する。番号９９，９ａは上記経路に沿って流れる磁束を示し，番号９７は第一延長部６８から第一磁性体突極７１方向に流れる磁束を示し，番号９８は第二磁性体突極７２から第二延長部６９方向に流れる磁束を示し，番号９ｂはハウジング６２内を軸と平行に右方向に流れる磁束を示している。
【００９０】
図９（ｂ）は第一界磁磁石６ｂ，第二界磁磁石６ｅ，磁石板７５，７６が完全な閉磁路を構成して磁性体歯６４内に流れる磁束が存在しない極端な場合を示しているが，磁性体歯６４内を流れる磁束の量は第一界磁磁石６ｂ及び第二界磁磁石６ｅからそれぞれ第一磁性体突極７１，第二磁性体突極７２に供給される磁束の量によって変化する。上記説明のように第一界磁磁石６ｂが第一磁性体突極７１をＳ極に磁化し，第二界磁磁石６ｅが第二磁性体突極７２をＮ極に磁化する場合が強め界磁となる。したがって，第一界磁磁石６ｂ，第二界磁磁石６ｅでは軸と平行に右方向の磁化が第一磁化に相当し，軸と平行に左方向の磁化が第二磁化に相当する。
【００９１】
図６及び図１０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１０は図６に示した第一励磁部の縦断面の上半分を拡大して示している。第一界磁磁石６ｂは抗磁力の異なる２種の磁石要素１０１，１０２により構成され，図１０では抗磁力が大の磁石要素１０１，抗磁力が小の磁石要素１０２が界磁極６ｄとハウジング６２間に配置されている。磁石要素１０１，１０２はそれぞれの残留磁束密度と磁極面積の積が互いに等しくなるよう設定されている。第二励磁部の構成は第一励磁部と同じである。
【００９２】
第一界磁磁石６ｂ，第二界磁磁石６ｅそれぞれの磁化方向を変えて電機子コイル６６と鎖交する磁束量が制御される事を説明した。以下に第一界磁磁石６ｂ，第二界磁磁石６ｅ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第一励磁コイル６ｃ，第二励磁コイル６ｆにより変えるステップを説明する。第一界磁磁石６ｂ，第二界磁磁石６ｅは同一の構成であるので第一界磁磁石６ｂを構成する磁石要素１０１，１０２の磁化を変更するステップを説明する。
【００９３】
第一界磁磁石６ｂを構成する磁石要素１０１，１０２は界磁極６ｄ，ハウジング６２間に配置されて互いに並列接続された状態であり，第一励磁コイル６ｃに磁化電流が供給されると，界磁極６ｄ，ハウジング６２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１０２が磁化されやすく，抗磁力が大の磁石要素１０１は磁化され難い。磁化電流の振幅により磁石要素１０２のみ，或いは磁石要素１０１，１０２の磁化状態を共に変更できる。
【００９４】
図１０に示す状態では磁石要素１０１が第一磁化，磁石要素１０２が第二磁化に相当している。互いに逆方向の磁化を持つ磁石要素１０１と磁石要素１０２が閉磁路を形成して外部には磁束が流れていない状態である。同図に於いて，磁石要素１０２の磁化を第一磁化に変更する場合，ハウジング６２，円筒状磁気ヨーク６５，磁性体歯６４，第一磁性体突極７１，第一延長部６８，界磁極６ｄ，第一界磁磁石６ｂ（磁石要素１０１，１０２）に沿って磁束が流れる方向の磁化電流を第一励磁コイル６ｃに供給し，磁石要素１０２を第一磁化に変更する。磁化電流の振幅は磁石要素１０２の磁化方向を反転させるに十分な大きさに設定する。
【００９５】
更に磁石要素１０１，磁石要素１０２が第一磁化に相当している状態から図１０に示す状態に変更する場合は，第一界磁磁石６ｂ（磁石要素１０１，１０２），界磁極６ｄ，第一延長部６８，第一磁性体突極７１，磁性体歯６４，円筒状磁気ヨーク６５，ハウジング６２に沿って磁束が流れる方向の磁化電流を第一励磁コイル６ｃに供給し，磁石要素１０２を第二磁化に変更する。その際の磁化電流の振幅は磁石要素１０２のみの磁化方向を反転させ，磁石要素１０１の磁化に影響を与えない大きさとする。
【００９６】
図１０に示す状態から磁石要素１０１の磁化を第二磁化に変更する場合，第一界磁磁石６ｂ，界磁極６ｄ，第一延長部６８，第一磁性体突極７１，磁性体歯６４，円筒状磁気ヨーク６５，ハウジング６２に沿って磁束が流れるよう第一励磁コイル６ｃに磁化電流を供給し，磁石要素１０１を第二磁化に変更する。磁化電流の振幅は磁石要素１０１の磁化方向を反転させるに十分な大きさに設定する。この場合，第一励磁コイル６ｃにより誘起される磁束は第一界磁磁石６ｂ，界磁極６ｄ，第一延長部６８，第一磁性体突極７１，磁石板７５，中間磁性体突極７３，磁石板７６，第二磁性体突極７２，第二延長部６９，界磁極６ｇ，第二界磁磁石６ｅ，ハウジング６２に沿っても流れるが，磁石要素１０１の磁化を第二磁化に変更するのに支障はない。
【００９７】
上記のように磁石要素１０１，１０２を第二磁化に磁化変更する場合，磁石板７５，７６，第一界磁磁石６ｂ，第二界磁磁石６ｅを直列に含む磁路に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，磁石要素１０１，１０２の抗磁力を磁石板７５，７６の抗磁力より小に設定して第一励磁コイル６ｃ，第二励磁コイル６ｆによって磁石要素１０１，１０２の磁化が変更されるよう設定する必要がある。本実施例では磁石要素１０１，１０２の抗磁力を磁石板７５，７６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。
【００９８】
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第一励磁コイル６ｃ，第二励磁コイル６ｆに供給して磁束を発生させ，第一界磁磁石６ｂ，第二界磁磁石６ｅ及び磁石板７４，７５，７６，７７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。
【００９９】
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６６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６６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を接続して第一励磁コイル６ｃ，第二励磁コイル６ｆ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第一励磁コイル６ｃ，第二励磁コイル６ｆに供給する。
【０１００】
電機子を流れる磁束量はこのように第一励磁コイル６ｃ，第二励磁コイル６ｆ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第一励磁コイル６ｃ，第二励磁コイル６ｆ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第一励磁コイル６ｃ，第二励磁コイル６ｆ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。
【０１０１】
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６６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。
【０１０２】
例えば，電機子コイル６６に現れる誘起電圧の振幅は電機子コイル６６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第一励磁コイル６ｃ，第二励磁コイル６ｆ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。
【０１０３】
以上，図６から図１０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。
【０１０４】
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により第一励磁コイル６ｃ，第二励磁コイル６ｆ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から第一励磁コイル６ｃ，第二励磁コイル６ｆ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。
【０１０５】
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により第一励磁コイル６ｃ，第二励磁コイル６ｆ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から第一励磁コイル６ｃ，第二励磁コイル６ｆ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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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により第一励磁コイル６ｃ，第二励磁コイル６ｆ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から第一励磁コイル６ｃ，第二励磁コイル６ｆ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。
【０１０９】
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により第一励磁コイル６ｃ，第二励磁コイル６ｆ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から第一励磁コイル６ｃ，第二励磁コイル６ｆ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。
【０１１０】
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３】
【０１１１】
本発明による回転電機システムの第三実施例を図１１，１２を用いて説明する。第三実施例は，アウター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。
【０１１２】
図１１は第三実施例の縦断面図を示し，図１２は図１１のＣ−Ｃ’に沿う電機子及び回転子の断面図を示している。第三実施例は第一実施例に於いて，第一励磁コイル１ｄ，第二励磁コイル１ｇを除去し，回転子内に於いて永久磁石１３に替えて非磁性体１２１を配置した構成である。
【０１１３】
第一実施例に於いて説明したように第一界磁磁石１ｂは第一磁性体突極２１をＮ極に，第二界磁磁石１ｅは第二磁性体突極２２をＳ極にそれぞれ磁化する。第一界磁磁石１ｂ，第二界磁磁石１ｅは径方向に十分な長さを有するので第一界磁磁石１ｂ，第二界磁磁石１ｅ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。
【０１１４】
図１１，図１２に示す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，励磁コイルを除去した構造である。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。
【実施例４】
【０１１５】
本発明による回転電機システムの第四実施例を図１３から図１６を用いて説明する。第四実施例は，インナーローター構造の回転電機であり，界磁磁石は回転子内に，励磁コイルが回転子右端のハウジング側に配置されている。
【０１１６】
図１３はラジアルギャップ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。回転軸１３１がベアリング１３３を介してハウジング１３２に回動可能に支持されている。ハウジング１３２には円筒状磁気ヨーク６５が固定され，円筒状磁気ヨーク６５から径方向に延びる磁性体歯６４及び電機子コイル６６が配置されている。
【０１１７】
磁性体歯６４と径方向に対向する回転子は，回転軸１３１に固定された円筒状磁気コア１３９，界磁磁石１３７，１３８，第二延長部１３６，表面磁極部１３４，第一延長部１３５等から構成されている。番号１３ｃは非磁性体を示している。表面磁極部１３４を構成する第一磁性体突極及び第二磁性体突極が周方向に交互に配置され，第一延長部１３５は第一磁性体突極が軸と平行の右方向に延伸され，第二延長部１３６は第二磁性体突極が内径側に延伸されて構成されている。
【０１１８】
第一延長部１３５，円筒状磁気コア１３９と微小間隙を介して円環状磁気コア１３ａが対向して配置されている。円環状磁気コア１３ａは断面がＣ字状のコアが回転軸１３１を周回する形状であり，円環状磁気コア１３ａの外周側端面で第一延長部１３５と対向し，内周側端面で円筒状磁気コア１３９と対向し，凹部に励磁コイル１３ｂが配置されている。本実施例に於いて，円筒状磁気コア１３９，円環状磁気コア１３ａが励磁磁路部材に相当している。
【０１１９】
図１４は図１３のＤ−Ｄ’に沿う電機子及び回転子の断面図を示し，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いる。電機子及び回転子の磁極構造は第二実施例とほぼ同じ構成であり，同一の部材には同じ番号が付されている。電機子はハウジング１３２に固定された円筒状磁気ヨーク６５と，円筒状磁気ヨーク６５から径方向に延びる複数の磁性体歯６４と，磁性体歯６４に巻回された電機子コイル６６とから構成されている。径方向に短い可飽和磁性体結合部７８が隣接する磁性体歯６４先端部間に配置されている。磁性体歯６４及び可飽和磁性体結合部７８はケイ素鋼板を型で打ち抜いて積層され，電機子コイル６６を巻回された後，圧粉鉄心で構成された円筒状磁気ヨーク６５と組み合わせて電機子が構成されている。
【０１２０】
表面磁極部１３４は円筒状磁性体基板が集合磁石により周方向に区分された構成である。中間磁性体突極７３の両側面にほぼ同じ磁化方向の磁石板７５，７６が配置された組み合わせは磁気的には磁石と等価な集合磁石であり，回転子の表面磁極部１３４は一様な円筒状磁性体基板を周方向に等間隔に配置された集合磁石によって区分された第一磁性体突極７１，第二磁性体突極７２及び集合磁石とから構成されている。さらに隣接する突極である第一磁性体突極７１，第二磁性体突極７２は互いに異なる方向に磁化されるよう隣接する集合磁石の磁化方向は互いに反転して構成されている。
【０１２１】
第一磁性体突極７１，第二磁性体突極７２それぞれの周方向両側面に配置された磁石板はＶ字状の配置であり，磁石板の交差角度は磁束バリアに好適な角度に設定する。磁石板７４，７５，７６，７７に付された矢印は磁石板７４，７５，７６，７７の板面にほぼ直交する磁化方向を示す。中間磁性体突極７３の電機子と対向する側には非磁性体が配置されて磁性体歯６４と中間磁性体突極７３との間で磁束が流れ難いよう構成されている。
【０１２２】
図１５は回転子の構成及び励磁部の配置を示す分解斜視図である。理解を容易にする為に第一磁性体突極７１，第二磁性体突極７２等を有する中心部と第一延長部１３５を離し，電機子及びハウジング１３２を除いて示されている。第一延長部１３５は軟鉄をプレス成形して第一磁性体突極７１の延長部分となる磁性体突部１５１を有して構成され，非磁性体部１５３は磁性を持たないステンレススチールで形成されている。番号１５２は磁性体突部１５１と一体の円板状部分を示し，円環状磁気コア１３ａの外周側端面と対向している。番号１５５は円環状磁気コア１３ａ及び励磁コイル１３ｂを示し，円筒状磁気コア１３９は同図に於いて番号１５４で示されている。
【０１２３】
図１６は電機子及び回転子の拡大された断面の一部を示す図である。図１６（ａ）により強め界磁に於ける磁束の流れ，図１６（ｂ）により弱め界磁に於ける磁束の流れを説明する。図１６に示した構成により励磁コイル１３ｂ，界磁磁石１３７，１３８が発生させる磁束は円環状磁気コア１３ａ，第一延長部１３５，第一磁性体突極７１，磁性体歯６４，円筒状磁気ヨーク６５，隣接する磁性体歯６４，第二磁性体突極７２，第二延長部１３６，界磁磁石１３７，１３８，円筒状磁気コア１３９を含む磁路を流れるよう構成されている。
【０１２４】
図１６（ａ）に於いて，番号１６１は磁石板７４，７５，７６，７７からの磁束を代表して示し，主として回転子の表面磁極部１３４及び電機子内を流れる。例えば，磁石板７５からの磁束は中間磁性体突極７３，磁石板７６，第二磁性体突極７２，磁性体歯６４，円筒状磁気ヨーク７５，隣接する磁性体歯７４，第一磁性体突極７１を介して磁石板７５に環流する。磁石板７４，７５，７６，７７によって第一磁性体突極７１はＳ極に，第二磁性体突極７２はＮ極にそれぞれ磁化されている。
【０１２５】
図１３に示す界磁磁石はそれぞれの逆方向の磁化を持つ磁石要素の並列接続であるので界磁磁石内で閉磁路が構成されて外部に磁束を供給していない。しかし，界磁磁石１３７，１３８の磁化方向が全て外径方向の磁化を有する場合は，第一延長部１３５及び第一磁性体突極７１をＳ極に磁化し，第二延長部１３６及び第二磁性体突極７２をＮ極に磁化して強め界磁に相当する。その場合，界磁磁石の一方の磁極からの磁束は第二延長部１３６，第二磁性体突極７２，磁性体歯６４，円筒状磁気ヨーク６５，隣接する磁性体歯６４，第一磁性体突極７１，第一延長部１３５，円環状磁気コア１３ａ，円筒状磁気コア１３９を介して界磁磁石の他方の磁極に環流する。
【０１２６】
図１６（ａ）に於いて，番号１６２，１６４は上記経路に沿って流れる磁束を示し，番号１６３は第一磁性体突極７１内を第一延長部１３５方向に流れる磁束を示している。磁束１６２，１６４は磁束１６１と同じ方向に電機子コイルと鎖交するので電機子コイル６６と鎖交する磁束量を磁束１６１単独の場合に比して大となる。番号９１は非磁性体を示す。
【０１２７】
さらに界磁磁石１３７，１３８の磁化方向が全て内径方向の磁化を有する場合は，第一延長部１３５及び第一磁性体突極７１をＮ極に磁化し，第二延長部１３６及び第二磁性体突極７２をＳ極に磁化して弱め界磁に相当する。その場合，界磁磁石１３７，１３８からの磁束は図１６（ａ）に示した磁束１６２，１６４と逆方向に磁性体歯６４中を流れて電機子コイル６６と鎖交する磁束量を減少させる。また，第一磁性体突極７１はＮ極に磁化され，第二磁性体突極７２はＳ極に磁化されるので界磁磁石１３７，１３８からの磁束の一部は磁石板７５，中間磁性体突極７３，磁石板７６を介して第二磁性体突極７２に流れる。
【０１２８】
すなわち，図１６（ｂ）に示すように界磁磁石１３７，１３８からの磁束は円筒状磁気コア１３９，円環状磁気コア１３ａ，第一延長部１３５，第一磁性体突極７１，磁性体歯６４，円筒状磁気ヨーク６５，隣接する磁性体歯６４，第二磁性体突極７２，第二延長部１３６を介して界磁磁石１３７，１３８に環流する。また上記磁束の一部は第一磁性体突極７１から磁石板７５，中間磁性体突極７３，磁石板７６，第二磁性体突極７２へ流れる。番号１６５，１６６は磁石板７５，中間磁性体突極７３，磁石板７６を介して短絡的に流れる磁束を示している。番号１６７は第一磁性体突極７１中を第一延長部から流れる磁束を示している。
【０１２９】
図１６（ｂ）は界磁磁石１３７，１３８，磁石板７５，７６が完全な閉磁路を構成して磁性体歯６４内に流れる磁束が存在しない極端な場合を示しているが，磁性体歯６４内を流れる磁束の量は界磁磁石１３７，１３８から第一磁性体突極７１，第二磁性体突極７２に供給される磁束の量によって変化する。上記説明のように界磁磁石１３７，１３８が第一磁性体突極７１をＳ極に磁化し，第二磁性体突極７２をＮ極に磁化する場合が強め界磁となる。したがって，界磁磁石１３７，１３８では外径方向の磁化が第一磁化に相当し，内径方向の磁化が第二磁化に相当する。
【０１３０】
図１３を用いて励磁部の構成及び動作原理を説明する。界磁磁石は抗磁力の異なる２種の界磁磁石１３７，１３８により構成され，図１３では抗磁力が大の磁磁石１３７，抗磁力が小の界磁磁石１３８が第二延長部１３６と円筒状磁気コア１３９間に配置されている。界磁磁石１３７，１３８はそれぞれの残留磁束密度と磁極面積の積が互いに等しくなるよう設定されている。
【０１３１】
界磁磁石１３７，１３８それぞれの磁化方向を変えて電機子コイル６６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１３７，１３８に於いて第一磁化或いは第二磁化の磁極面積を励磁コイル１３ｂにより変えるステップを説明する。
【０１３２】
界磁磁石１３７，１３８は第二延長部１３６，円筒状磁気コア１３９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１３ｂに磁化電流が供給されると，第二延長部１３６，円筒状磁気コア１３９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，界磁磁石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，抗磁力が小の界磁磁石１３８が磁化されやすく，抗磁力が大の界磁磁石１３７は磁化され難い。磁化電流の振幅により界磁磁石１３８のみ，或いは界磁磁石１３７，１３８の磁化状態を共に変更できる。
【０１３３】
図１３に示す状態では界磁磁石１３８が第一磁化，界磁磁石１３７が第二磁化に相当している。互いに逆方向の磁化を持つ界磁磁石１３７，１３８が閉磁路を形成して外部には磁束が流れていない状態である。同図に於いて，界磁磁石１３８の磁化を第二磁化に変更する場合，円環状磁気コア１３ａ，第一延長部１３５，第一磁性体突極７１，磁性体歯６４，円筒状磁気ヨーク６５，隣接する磁性体歯６４，第二磁性体突極７２，第二延長部１３６，界磁磁石１３７，１３８，円筒状磁気コア１３９に沿って磁束が流れる方向の磁化電流を励磁コイル１３ｂに供給し，界磁磁石１３８を第二磁化に変更する。磁化電流の振幅は界磁磁石１３８の磁化方向を反転させ，界磁磁石１３７の磁化に影響を与えない大きさに設定する。この場合，励磁コイル１３ｂからの磁束は図１６（ｂ）に於いて，磁束の一部は番号１６５，１６６で示されるように磁石板７５，中間磁性体突極７３，磁石板７６に沿っても流れるが，界磁磁石１３８の磁化を第二磁化に変更するのに支障はない。
【０１３４】
図１３に示す状態から界磁磁石１３７の磁化を第一磁化に変更する場合，円環状磁気コア１３ａ，界磁磁石１３７，１３８，第二延長部１３６，第二磁性体突極７２，磁性体歯６４，円筒状磁気ヨーク６５，隣接する磁性体歯６４，第一磁性体突極７１，第一延長部１３５に沿って磁束が流れるよう励磁コイル１３ｂに磁化電流を供給し，磁磁石１３７の磁化を第一磁化に変更する。磁化電流の振幅は界磁磁石１３７の磁化方向を反転させるに十分な大きさに設定する。
【０１３５】
以上，図１３から図１６までを用いて第四実施例の構成及び電機子コイルと鎖交する磁束量制御の動作原理を説明した。本実施例は界磁磁石及び励磁コイルを含む励磁部の具体的構成が第二実施例と異なるが，類似する内容であり，更なる詳しい説明は省略する。
【０１３６】
本実施例は界磁磁石を回転子内に配置して第二実施例より界磁磁石の磁極面積を大に出来る特徴がある。回転子と円環状磁気コア１３ａとの間に磁気的吸引力が働き，ベアリング１３３に軸方向の負荷が掛かるが，第一磁性体突極を軸と平行に左方向にも延伸して回転子の両端に円環状磁気コア１３ａ，励磁コイル１３ｂを配置する構成としてベアリング負荷を軽減できる。
【実施例５】
【０１３７】
本発明の第五実施例による回転電機システムを図１７及び図５を用いて説明する。第五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。
【０１３８】
同図に於いて，番号１７２は前輪駆動のエンジンを示し，トランスミッション１７３，駆動軸１７９を介して前輪に組み込まれた回転電機１７１に結合され，エンジン１７２と回転電機１７１によりハイブリッドカーを駆動する。制御装置１７４は上位制御装置からの指令１７ｂを受け，駆動回路１７５を介して回転電機１７１を電動機として駆動し，磁束量制御回路１７６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１７６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１７４は上位制御装置からの指令１７ｂを受け，電機子コイル６６の引き出し線１７ｃに現れる発電電力を整流回路１７７を介して整流し，バッテリー１７８を充電する構成としている。
【０１３９】
回転電機１７１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１７３に於いてエンジン１７２を切り離し，回転電機１７１の負荷を軽減する。低回転速度域で回転電機１７１の磁石トルクを強化する必要がある場合は第一界磁磁石６ｂ，第二界磁磁石６ｅ内の第一磁化の磁石要素数を増す方向の電流を第一励磁コイル６ｃ，第二励磁コイル６ｆ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第一励磁コイル６ｃ，第二励磁コイル６ｆ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。
【０１４０】
エンジン１７２の回転力のみでハイブリッドカーを駆動する時は，指令１７ｂ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第一励磁コイル６ｃ，第二励磁コイル６ｆ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１７２により回転子は回転されても渦電流損は発生しない。
【０１４１】
回転電機１７１及びエンジン１７２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１７３に於いてエンジン１７２を駆動軸１７９に結合する。さらにエンジン１７２の駆動力に余力があり，回転電機１７１を発電機としてバッテリー１７８を充電させる場合には，電機子コイル６６の引き出し線１７ｃに現れる発電電力を整流回路１７７を介して直流に変え，バッテリー１７８を充電させる。
【０１４２】
その場合に制御装置１７４は発電電圧がバッテリー１７８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１７６を介して磁束調整回路５９により第一励磁コイル６ｃ，第二励磁コイル６ｆ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により第一励磁コイル６ｃ，第二励磁コイル６ｆ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。
【０１４３】
発電電圧がバッテリー１７８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１７６を介して磁束調整回路５９により第一励磁コイル６ｃ，第二励磁コイル６ｆ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により第一励磁コイル６ｃ，第二励磁コイル６ｆ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。
【０１４４】
バッテリー１７８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１７８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１７８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。
【０１４５】
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１７ｂを通じて回生制動の指示を受けると，制御装置１７４は磁束量制御回路１７６を介して第一磁化の磁石要素数を増す方向の電流を第一励磁コイル６ｃ，第二励磁コイル６ｆ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１７８に充電させる。さらにブレーキペダルの踏み圧に応じて第一励磁コイル６ｃ，第二励磁コイル６ｆに供給する磁束調整電流を増減させ，制動力を制御する。
【０１４６】
電機子コイル６６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６６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，本実施例では低速に於いてもエネルギー回生を可能とし，さらに第一励磁コイル６ｃ，第二励磁コイル６ｆに供給する磁束調整電流を増して低速でも制動力を確保できる。回転電機１７１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。
【０１４７】
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１７９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。
【０１４８】
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１７２，トランスミッション１７３，駆動軸１７９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。
【０１４９】
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】
【０１５０】
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】
2011182622.tif 000003
【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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