(57)【要約】【課題】本発明によれば、回転機械の運転中に発電出力を発生させ、この発電出力を増幅して回転機械の励磁コイルに還流することにより出力トルクを飛躍的に向上させることが可能な自律運転型回転電気機械の運転方法、自律運転型回転電気機械及びこれを利用した電気自動車用動力源及び自律運転型発電装置に関する。【解決手段】モータ固定子１０５と発電固定子１０７と軸方向に隣接して配置し、発電固定子により、主発電電力と補助発電力とを出力させ、補助発電力を直流電力に変換してＬｉＣからなる蓄電デバイス２０に蓄電して蓄電電力ＳｔＰを出力させ、蓄電電力を高周波電力増幅器３０で増幅して直流増幅電力ＤａＰを発生させ、直流増幅電力からインバータ３４で多相駆動電力φｕ、φｖ、φｗを生成して、モータ固定子に供給することで、モータの自律運転を可能にし、モータのトルク出力を向上させることにより、発電固定子の主発電電力の出力向上を図る。【選択図】図２
2019122127.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸を有する多相モータ部と、上記回転軸に駆動連結された多相交流発電部とを準備する工程であって、上記多相交流発電部の発電固定子が周方向に等間隔で支持された複数の発電用ラジアル磁極と、上記複数の発電用ラジアル磁極にそれぞれ結合された複数の鉄心と、上記複数の鉄心にそれぞれ巻かれた一対の逆起電力相殺巻線からなる主発電コイルと補助発電コイルと、上記複数の発電用ラジアル磁極にそれぞれエアーギャップを介して対向する第１及び第２配列の永久磁石を有する永久磁石ロータとを備えていて上記永久磁石ロータの磁束が上記複数の発電用ラジアル磁極に順次、交差した際に上記主発電コイルと上記補助発電コイルにそれぞれ主発電電力と補助発電電力を出力させる上記多相交流発電部を準備する工程と、
上記主発電電力を外部に取り出す出力端子と、
上記補助発電電力を整流器により直流電力に変換する工程と、
上記直流電力をＬｉイオンキャパシタからなる蓄電デバイスに蓄電して蓄電電力を出力する工程と、
上記蓄電電力から多相駆動信号を生成して上記モータ部に供給する工程とを備えることを特徴とする自律運転型回転電気機械の運転方法。
【請求項２】
さらに、高周波電力入力端子と増幅電力出力端子とを備えていて、周方向に所定間隔で形成された複数対の磁気回路を有する増幅用ステータを準備する工程と、
上記高周波電力入力端子と上記増幅電力出力端子との間にコイルライン及びコモンラインを接続する工程と、
上記コイルラインに複数対のインダクタを直列接続して上記複数対の磁気回路をそれぞれ囲むように上記複数対のインダクタを上記増幅用ステータにそれぞれ配置する工程と、
上記コモンラインと上記複数対のインダクタとの間にそれぞれ複数のコンデンサを接続する工程と、
上記蓄電電力から高周波交流電力を生成する工程と、
上記高周波交流電力を上記高周波電力入力端子に供給する工程と、
上記高周波交流電力に同期して上記複数対のインダクタで発生する磁束の向きと同一方向に高周波磁界を加えて上記複数対のインダクタを通過する磁束の密度を高めることで上記複数対のインダクタが蓄えるエネルギーを増幅して上記コイルラインと上記コモンラインとの間で高周波増幅電力を発生させる工程と、
上記コイルライン及び上記コモンラインに接続された増幅電力出力端子から上記高周波増幅電力を出力させる工程と、
上記高周波増幅電力を整流して直流増幅電力を生成する工程と、
上記直流増幅電力から上記駆動信号を生成する工程と、
を備えることを特徴とする請求項１記載の自律運転型回転電気機械の運転方法。
【請求項３】
筒状ハウジングに回転可能に支持された回転軸と、上記筒状ハウジングに収納されたモータ固定子と、上記回転軸に支持されていて上記モータ固定子にエアーギャップを介して対向する第１、第２モータロータとを備えた多相交流モータ部と、上記モータ固定子に隣接して上記筒状ハウジングに収納された発電固定子と、上記回転軸に支持されていて上記発電固定子にエアーギャップを介して対向する永久磁石ロータとを有する多相交流発電部とを備え、上記発電固定子が上記筒状ハウジングの周方向に等間隔で支持されていて上記第２モータロータと上記永久磁石ロータにエアーギャップ介して対向する複数対の発電用ラジアル磁極と、上記複数対の発電用ラジアル磁極にそれぞれ結合された複数対の鉄心と、上記複数対の鉄心にそれぞれ巻かれた一対の逆起電力相殺巻線からなる主発電コイルと補助発電コイルとを備えていて上記永久磁石ロータの磁束が交差した際に主発電電力と補助発電電力とをそれぞれ出力させるモータ発電機と、
上記主交流発電電力を外部に取り出す出力端子と、
上記補助交流発電電力を直流電力に変換する整流器と、
上記直流電力をＬｉイオンキャパシタからなる蓄電デバイスに蓄電して蓄電電力を出力する蓄電デバイスと、
上記蓄電電力から多相交流駆動信号を生成して上記モータ部に供給するインバータとを備えることを特徴とする自律運転型回転電気機械。
【請求項４】
上記モータロータがフライホイールディスクと、上記フライホイールディスクの外周部から軸方向に伸びる環状壁部と、上記環状壁部の第１エリアに配置されたロータ極とを備え、
上記永久磁石ロータが上記環状壁部の第２エリアに軸方向に間隔を置いて配置された第１及び第２配列の永久磁石を備え、
上記モータ固定子が上記ロータ極の径方向内側に配置され、上記モータ固定子と、上記発電固定子と、上記環状壁部が上記筒状ハウジングの径方向において整列していることを特徴とする請求項３に記載の自律運転型回転電気機械。
【請求項５】
上記モータ固定子が、上記筒状ハウジングの周方向に等間隔で支持された複数対の扇形ラジアル磁極と、上記複数対の扇形ラジアル磁極のそれぞれに結合された複数の鉄心と、上記複数の鉄心にそれぞれ巻かれた複数のモータコイルとを備え、
上記複数対の扇形ラジアル磁極の各々の対が極性の異なる一対の永久磁石を有することを特徴とする請求項３又は４記載の自律運転型回転電気機械。
【請求項６】
上記蓄電デバイスと上記インバータとの間に接続された高周波電力増幅装置を備え、
上記高周波電力増幅装置が、
高周波電力入力端子と増幅電力出力端子とを備えていて、周方向に所定間隔で形成された複数対の磁気回路と上記複数対の磁気回路にそれぞれ隣接して形成されていて上記複数対の磁気回路と共通磁路を形成する複数の励磁回路を有するステータと、
上記高周波電力入力端子と上記増幅電力出力端子との間に接続されたコイルライン及びコモンラインと、
上記コイルラインに複数対のインダクタを直列接続されていて上記複数対の磁気回路をそれぞれ囲むようにそれぞれ配置された複数対のインダクタと、
上記コモンラインと上記複数対のインダクタとの間にそれぞれ接続された複数のコンデンサと、
上記補助交流発電電力を所定周波数の高周波交流電力に変換して上記高周波電力入力端子に供給する高周波交流電力発生器と、
上記高周波交流電力に同期して上記複数の励磁回路に周期的に高周波磁界を発生させて上記複数対の磁気回路を介して上記複数対のインダクタに上記高周波磁界を交差させることで上記複数対のインダクタの電流を増加させて上記コイルラインと上記コモンラインとの間で高周波増幅電力を発生させる高周波磁界発生器と、
上記高周波増幅電力を整流して上記インバータに供給することを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項記載の自律運転型回転電気機械。
【請求項７】
筒状ハウジングと、
上記筒状ハウジングに回転可能に支持された回転軸と、
上記筒状ハウジングの周方向に等間隔で支持された複数対の扇形ラジアル磁極と、上記複数対の扇形ラジアル磁極のそれぞれに結合された複数の鉄心と、上記複数の鉄心にそれぞれ巻かれた複数のモータコイルとを有する多相交流モータ固定子と、
上記多相交流モータ固定子の両端部にエアーギャップを介して対向するように上記回転軸に支持されていて周方向にＮ極とＳ極が交互に配置された永久磁石を有する第１及び第２ロータと、
上記筒状ハウジングの周方向に等間隔で支持されていて上記第２ロータの軸方向端部にエアーギャップを介して対向する複数対の発電用ラジアル磁極と、上記複数対の発電用ラジアル磁極にそれぞれ結合された複数対の鉄心と、上記複数対の鉄心にそれぞれ巻かれた一対の逆起電力相殺巻線からなる主発電コイルと補助発電コイルとを有する多相交流発電固定子と、
上記回転軸に支持されていて上記複数対の発電用ラジアル磁極にエアーギャップを介して対向する第３ロータとを備え、
上記第２ロータが周方向に等間隔で交互に配置されたＮ極とＳ極の永久磁石を有し、上記第３ロータが周方向に等間隔で配置されていて軸方向において上記第２ロータの極性とは異なる極性の永久磁石を有し、
上記第２ロータ及び上記第３ロータの永久磁石の磁束が上記複数対の発電用ラジアル磁極に交差して上記主発電コイルと上記補助発電コイルとに上記主発電電力と上記補助発電電力とをそれぞれ出力させ、
上記第２ロータが上記多相交流モータ固定子と上記多相交流発電固定子との共通ロータとして機能することを特徴とする自律運転型回転電気機械。
【請求項８】
筒状ハウジングと、
上記筒状ハウジングに回転可能に支持された回転軸と、
上記回転軸に支持されたフライホイールディスクと、
上記フライホイールディスクの外周部から軸方向に延びている環状壁部と、
上記環状壁部と径方向に整列するように上記筒状ハウジングの第１エリアに収納されたモータ固定子と、
上記環状壁部と径方向に整列するように上記筒状ハウジングの第２エリアに収納された発電固定子とを備え、
上記環状壁部の上記第２エリアにおいて周方向に等間隔で配置されていて上記多相交流発電固定子の両端部にエアーギャップを介して対向する第１及び第２配列の永久磁石とを備え、
上記モータ固定子が上記環状壁部の上記第２エリアにおいて配置されたモータステータ極を備え、
上記環状壁部がエアーギャップを介して上記モータステータ極に対向するように配置されたロータ極を備え、
上記モータ固定子と、上記発電固定子と、上記環状壁部が上記筒状ハウジングの径方向において整列していることを特徴とする自律運転型回転電気機械。
【請求項９】
請求項３〜８のいずれか１項に記載の自律運転型回転電気機械を備える電気自動車用動力源。
【請求項１０】
請求項３〜７のいずれか１項に記載の自律運転型回転電気機械を備える自律運転型発電装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は回転電気機械に関し、特に、自律運転型回転電気機械の運転方法、自律運転型回転電気機械及びこれを利用した電気自動車用動力源及び自律運転型発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  近年、モータと発電機をタンデム状に直列接続したモータ発電機や無負荷発電機が提案されている。【０００３】  特許文献１には、２つのシェル型ハウジング内にモータ及び発電機を収納して共通の回転軸に支持し、エンジンなどの外部動力源から駆動される回転軸を介してモータ及び発電機を駆動するようにした構造が開示されている。【０００４】  特許文献２には、共通ケース内にモータと発電機を内蔵し、共通ケースの外部に小型永久磁石式発電機を配置して、モータの出力軸で小型永久磁石式発電機を駆動して得た発電電力で発電機の固定子を励磁するようにした構造が開示されている。【０００５】  特許文献３には、モータ及び発電機と、バッテリと、インバータとを備え、発電機の発電出力をバッテリに充電し、バッテリからの直流電力をインバータにより交流電力に変換してモータを駆動することで発電機を作動させるようにした自律運転型発電システムが開示されている。【０００６】  特許文献４には、所定間隔を置いて離間した第１、第２軌道上に第１、第２環状磁石列を形成し、これら環状磁石列の外周において周方向に等間隔で複数の磁気誘導鉄心を支持し、上記複数の磁気誘導鉄心に結合磁気誘導鉄心を結合してこれら結合磁気誘導鉄心に巻線方向が逆となるコイルを巻きつけ、複数の磁気誘導鉄心の両端部を上記第１、第２環状磁石列に対向させるようにした無負荷発電機が開示されている。【０００７】
【特許文献１】米国特許第３５７７００２号公報
【特許文献２】米国特許第４６６３５３６号公報
【特許文献３】米国公開特許第２０１１／００５００１８号公報
【特許文献４】米国特許第６２０８０６１号公報（日本特許第３６７９６３２号公報）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】  しかしながら、上記特許文献１及び２に記載のモータ発電機では、外部動力源又は外部電源によりモータを駆動して発電機を作動させているが、外部動力源又は外部電源等のインフラが整備されていない場所では、モータを駆動させることができず、結果として発電機を自律作動させることができなかった。【０００９】  上記特許文献３に記載の自律運転型発電システムでは、通常、発電機では逆起電力が極めて大きいために、大きな定格のモータを使用する必要があった。この場合、バッテリも大容量のものを使用する必要があった。大容量バッテリとしてはリチウム（Ｌｉ）イオン電池を利用することが一般であるが、この電池は充放電回数も少なく、劣化が早いのが欠点であり、実用的ではない。しかも、発電機の発電容量はモータの消費電力に比べて極めて小さいものであり、外部端子から取り出せる発電電力は僅かなものであり、実用的ではなかった。【００１０】  上記特許文献４に記載の無負荷発電機では、外部動力源又は外部電源及びモータが必要であるが、これらインフラが整備されていない場所では、発電機を自律運転させることができず、結果として発電電力を得ることができなかった。【００１１】  本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、外部動力源又は外部電源及びモータなどのインフラを必要としない、自律運転型回転電気機械の運転方法、自律運転型回転電気機械及びこれを利用した電気自動車用動力源並びに自律運転型発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】  上記目的を達成するために、本発明の第１局面による自律運転型回転電気機械の運転方法は、筒状ハウジングに回転可能に支持された回転軸と、上記筒状ハウジングに収納されたモータ固定子と、上記回転軸に支持されていて上記モータ固定子にエアーギャップを介して対向するモータロータとを備えた多相モータ部と、上記モータ固定子に隣接して上記筒状ハウジングに収納された発電固定子と、上記回転軸に支持されていて上記発電固定子にエアーギャップを介して対向する永久磁石ロータを有する多相交流発電部とを備え、上記発電固定子が上記筒状ハウジングの周方向に等間隔で支持されていて上記永久磁石ロータにエアーギャップ介して対向する複数対の発電用ラジアル磁極と、上記複数対の発電用ラジアル磁極にそれぞれ結合された複数対の鉄心と、上記複数対の鉄心にそれぞれ巻かれた一対の逆起電力相殺巻線からなる主発電コイルと補助発電コイルとを備えていて上記永久磁石ロータの磁束が交差した際に主発電電力と補助発電電力とをそれぞれ出力させるモータ発電機を準備する工程と、上記主発電電力を外部に取り出す出力端子と、上記補助発電電力を整流器により直流電力に変換する工程と、上記直流電力をＬｉイオンキャパシタからなる蓄電デバイスに蓄電して蓄電電力を出力する工程と、上記蓄電電力から多相駆動信号を生成して上記モータ部に供給する工程とを備えることを特徴とする。【００１３】  本発明の第２局面による自律運転型回転電気機械は、筒状ハウジングと、上記筒状ハウジングに回転可能に支持された回転軸と、上記筒状ハウジングの周方向に等間隔で支持された複数対の扇形ラジアル磁極と、上記複数対の扇形ラジアル磁極のそれぞれに結合された複数の鉄心と、上記複数の鉄心にそれぞれ巻かれた複数のモータコイルとを有する多相交流モータ固定子と、上記多相交流モータ固定子の両端部にエアーギャップを介して対向するように上記回転軸に支持されていて周方向にＮ極とＳ極が交互に配置された永久磁石を有する第１及び第２ロータと、上記筒状ハウジングの周方向に等間隔で支持されていて上記第２ロータの軸方向端部にエアーギャップを介して対向する複数対の発電用ラジアル磁極と、上記複数対の発電用ラジアル磁極にそれぞれ結合された複数対の鉄心と、上記複数対の鉄心にそれぞれ巻かれた一対の逆起電力相殺巻線からなる主発電コイルと補助発電コイルとを有する多相交流発電固定子と、上記回転軸に支持されていて上記複数対の発電用ラジアル磁極にエアーギャップを介して対向する第３ロータとを備え、上記第２ロータが周方向に等間隔で交互に配置されたＮ極とＳ極の永久磁石を有し、上記第３ロータが周方向に等間隔で配置されていて軸方向において上記第２ロータの極性とは異なる極性の永久磁石を有し、上記第２ロータ及び上記第３ロータの永久磁石の磁束が上記複数対の発電用ラジアル磁極に交差して上記主発電コイルと上記補助発電コイルとに上記主発電電力と上記補助発電電力とをそれぞれ出力させ、上記第２ロータが上記多相交流モータ固定子と上記多相交流発電固定子との共通ロータとして機能することを特徴とする。【００１４】  本発明の第３局面による電気自動車用自律運転型回転電気機械は、筒状ハウジングと、上記筒状ハウジングに回転可能に支持された回転軸と、上記回転軸に支持されたフライホイールディスクと、上記フライホイールディスクの外周部から軸方向に延びている環状壁部と、上記環状壁部と径方向に整列するように上記筒状ハウジングの第１エリアに収納されたモータ固定子と、上記環状壁部と径方向に整列するように上記筒状ハウジングの第２エリアに収納された発電固定子とを備え、上記環状壁部の上記第２エリアにおいて周方向に等間隔で配置されていて上記多相交流発電固定子の両端部にエアーギャップを介して対向する第１及び第２配列の永久磁石とを備え、上記モータ固定子が上記環状壁部の上記第２エリアにおいて配置されたモータステータ極を備え、上記環状壁部がエアーギャップを介して上記モータステータ極に対向するように配置されたロータ極を備え、上記モータ固定子と、上記発電固定子と、上記環状壁部が上記筒状ハウジングの径方向において整列していることを特徴とする。【００１５】  本発明の第４局面による電気自動車用自律運転型回転電気機械は、筒状ハウジングと、上記筒状ハウジングに回転可能に支持された回転軸と、上記回転軸に支持されたフライホイールディスクと、上記フライホイールディスクの外周部から軸方向に延びている環状壁部と、上記環状壁部と径方向に整列するように上記筒状ハウジングの第１エリアに収納されたモータ固定子と、上記環状壁部と径方向に整列するように上記筒状ハウジングの第２エリアに収納された発電固定子とを備え、上記環状壁部の上記第２エリアにおいて周方向に等間隔で配置されていて上記多相交流発電固定子の両端部にエアーギャップを介して対向する第１及び第２配列の永久磁石とを備え、上記モータ固定子が上記環状壁部の上記第２エリアにおいて配置されたモータステータ極を備え、上記環状壁部がエアーギャップを介して上記モータステータ極に対向するように配置されたロータ極を備え、上記モータ固定子と、上記発電固定子と、上記環状壁部が上記筒状ハウジングの径方向において整列していることを特徴とする。【００１６】  本発明の第５局面による電気自動車用動力源は、請求項１〜８のいずれか１項に記載の自律運転型回転電気機械を備えることを特徴とする。【００１７】  本発明の第６局面による自律運転型発電装置は、請求項１〜７のいずれか１項に記載の自律運転型回転電気機械を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】  本発明によれば、回転機械の運転中に発電出力を発生させ、この発電出力を増幅して回転機械の励磁コイルに還流することにより出力トルクを飛躍的に向上させることが可能な自律運転型回転電気機械の運転方法、自律運転型回転電気機械及びこれを利用した電気自動車用動力源及び自律運転型発電装置に関する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】  以下、本発明の各実施形態について図面を参照しながら説明する。【００２０】（実施形態）
本発明の実施形態の自律運転型回転電気機械及びその運転方法につき、図１を参照して説明する。自律運転型回転電気機械は電気自動車用動力源又は自律運転型発電装置として適用されるが、その他の農業機械、建設機械、港湾機械等の産業機械や各種船舶、各種ロボット、航空機や宇宙往還機等の移動体にも適用される。【００２１】  図１において、自律運転型回転機械１０は、１例として、電気自動車（ＥＶ）の動力源に適用したものとして説明する。自律運転型回転機械１０は、３相交流モータ（多相モータ部）１２と３相交流発電機（多相発電部）１４とを有するモータ発電機１００を備える。多相モータ部１２は出力軸１２ａを介して、ＥＶのトランスミッション及びプロペラーシャフト（図示せず）等の動力伝達部を経由して駆動輪等の負荷ＥＶｗに接続される。多相発電部１４は外部端子ＯＴを介して主発電電力ＭＰｗを出力して、ＥＶの空調機（図示せず）その他アクセサリー電気機器等の負荷１５に供給される。自律運転型回転機械１０を移動体用動力電源として適用する場合は、モータ部１２の負荷ＥＶｗを外して、負荷１５をＥＶの駆動モータで差し替えてもよい。【００２２】  ３相交流発電機１４は、後述のごとく、３相交流主電力ＭＰｗの他に３相交流補助電力ＡＰｗを出力する。３相交流補助電力ＡＰｗは整流器１６で整流されて直流電力ＤＰに変換され、充電器１８を介して蓄電デバイス２０に蓄電される。蓄電デバイス２０は大電流充放電（短時間で５００Ａ放電が可能）で１，０００，０００サイクル以上の長寿命サイクルを有する日立化成のリチウムイオンキャパシタＳＬＣ−Ｂ１５２Ａ、ＳＬＣ−Ｂ１１０Ａ又はＪＭエナジーのＭＰＡ４５Ｇ２７５Ｈのようなリチウム（Ｌｉ）イオンキャパシタバンクが好ましくは利用される。蓄電デバイス２０の直流出力ＳｔＰは後述のコントローラ２４の指令Ｃ０に応答して閉じるスイッチＳＷ１を介してインバータ３４に供給されて、３相交流駆動信号に変換されても良い。一方、蓄電デバイス２０はコントローラ２４の指令Ｃ１に応答して閉じるスイッチＳＷ２を介して高周波交流電力発生器２２に蓄電電力ＳｔＰを供給する。【００２３】  高周波交流電力発生器２２は蓄電デバイス２０の蓄電電力ＳｔＰを１０〜７０ｋＨｚ、好ましくは、２０〜５０ｋＨｚの高周波交流電力ＨｆＰに変換する。高周波交流電力ＨｆＰが１０ｋＨｚ以下では、後述のように、磁束変化が低すぎて、増幅率が低下するため好ましくなく、５０ｋＨｚ以上では電子部品の寿命が低くなるため、好ましくはない。高周波交流電力発生器２２としては、例えば、日本国特許第３３９９２１４号及び同第３３９９２１５号又は特開平第７−２３１６７０号に開示された高周波インバータ、特開平第１０−７４５９８８号に開示されたＲＦパワー発生器、米国特許第３３６８１６４号及び米国特許第５２８１９０５号に開示された高周波交流電力発生器並びに米国特許第４０２８６１０号及び米国特許第５２８１９０５号に開示された高周波交流電流発生インバータのいずれかがが好ましくは挙げられる。【００２４】  コントローラ２４は、例えば、所定の演算処理を実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）と、所定の制御プログラムが記憶されたＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）と、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）と、例えばＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  Ｅｒａｓａｂｌｅ  ａｎｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）を用いて構成される。コントローラ２４は入力装置２６及びメインスイッチ（図示せず）に接続されていて、入力装置２６はインバータの設定周波数その他の各種制御対象の制御パラメータや該制御パラメータに応じたスイッチ切替信号等を入力する。メインスイッチが投入されると、コントローラ２４は、入力装置２６からの出力信号に応答して、指令信号Ｃ１と指令信号Ｃ２のいずれかを出力してスイッチＳＷ１又はＳＷ２のいずれか一方を閉じる。高周波交流電力ＨｆＰの周波数に同期したゼロ位相信号Ｓがコントローラ２４に入力される。【００２５】  高周波パルス発生器２８はスイッチＳＷ２が閉じて蓄電デバイス２０から蓄電電力が供給され、同時に、コントローラ２４からゼロ位相信号Ｓに同期した同期信号Ｓｙｃが供給される。高周波パルス発生器２８は、高周波交流電力ＨｆＰの周波数に同期した同期信号Ｓｙｃに応答して、例えば、１０〜７０ｋＨｚ、好ましくは、２０〜５０ｋＨｚの高周波励磁パルスＨｆＰｅを生成する。高周波パルス発生器２８としては、例えば、米国特許第８０１８２６３号公報又は米国特許第８０２３２９６号公報に開示された高周波パルス発生回路を利用してもよい。高周波励磁パルスＨｆＰｅが１０ｋＨｚ以下では、磁束変化が少なくなって、増幅率が低下するため好ましくなく、５０ｋＨｚ以上では電子部品の寿命が低くなるため、好ましくはない。高周波パルス発生器２８は、例えば、上述の高周波インバータから構成してもよい。【００２６】  高周波励磁パルスＨｆＰｅに応答して、高周波交流電力増幅器３０は高周波交流電力ＨｆＰを増幅して高周波増幅電力ＨｆＰａを出力する。高周波増幅電力ＨｆＰａは高周波整流器３２で整流されて直流増幅電力ＤａＰに変換されてインバータ３４に供給される。高周波整流器３２は被整流波交流電力を直流出力電力に変換するもので、例えば、特開平２０１６−７２７５５号又は特開平２０１７−１１２７８４号に開示された高周波整流器が好ましくは利用してもよい。【００２７】  コントローラ２４からの指令信号Ｃ２に応答して、インバータ３４は蓄電電力ＳｔＰ又は直流増幅電力ＤａＰから設定周波数の三相交流駆動信号φＵ，φＶ，φＷを生成して駆動電力としてモータ発電機１００の３相交流モータ１２に供給する。【００２８】  自律運転型回転機械１０の運転において、メインスイッチ（図示せず）を投入すると、コントローラ２４からの指令信号Ｃ１に応答してスイッチＳＷが閉じる。この時、蓄電デバイス２０の蓄電電力ＳｔＰは高周波交流電力発生器２２に供給される。高周波交流電力発生器２２は、蓄電電力ＳｔＰから、例えば、５０ｋＨｚの高周波交流電力ＨｆＰに変換して高周波交流電力増幅器３０に供給する。一方、蓄電電力ＳｔＰは高周波パルス発生器２８に供給される。高周波パルス発生器２８は、コントローラ２４からの同期信号Ｓｙｃに応答して高周波交流電力ＨｆＰに同期した５０ｋＨｚの高周波励磁パ��スＨｆＰｅに変換する。高周波交流電力増幅器３０は高周波励磁パルスＨｆＰｅに応答して高周波交流電力ＨｆＰを増幅して高周波増幅電力ＨｆＰａを発生させる。高周波増幅電力ＨｆＰａは高周波整流器３２で直流増幅電力ＤａＰに変換されてインバータ３４に供給される。コントローラ２４からの指令信号Ｃ２ｎｉ応答して、インバータ３４は後述の３相交流駆動信号φＵ，φＶ，φＷを生成してモータ部１２に供給する。このとき、モータ部（３相交流モータ）１２は３相交流駆動信号に応じて回転磁界が生成されて回転駆動し、その動力で出力軸１２ａを介して負荷ＥＶｗを駆動する。モータ部１２の運転と同時に、発電部（３相交流発電機）１４が起動して３相交流主電力ＭＰｗと３相交流補助電力ＡＰｗを出力し、３相交流主電力ＭＰｗは負荷１５に供給され、３相交流補助電力ＡＰｗ整流器１６に供給される。このサイクルが繰り返し行われ、上述の工程が実行される。【００２９】  たとえば、モータ部１２の電圧、電流及び力率を乗算すると、負荷ＥＶｗの負荷が最大負荷１００％に対して何％であるかが正確に分かるので、各種センサ（図示せず）からの電圧、電流及び力率の制御パラメータを入力装置２６に入力してやれば、入力装置２６からの制御信号に応答してコントローラ２４は負荷ＥＶｗの負荷率が、例えば、５０％以下の低いときに、指令信号Ｃ０を出力してＳＷ１を閉じて、蓄電デバイス２０の蓄電電力をインバータ３４に供給させる。一方、負荷ＥＶｗの負荷率が、例えば、５０％以上となった際には、コントローラ２４は指令信号Ｃ０を指令信号Ｃ１に切替えてＳＷ２を閉じる。この時、高周波交流電力発生器２２、高周波パルス発生器２８及び高周波交流電力増幅器３０が作動して直流増幅電力ＤａＰをインバータ３４に供給する。このように、モータ部１２の負荷に応じてインバータ３４への直流電力を自由に選択することができる。【００３０】  図２、図３において、モータ発電機１００は中心軸ＣＬと端部１０２ａを有する筒状ハウジング１０２と、筒状ハウジング１０２に回転可能に支持されていて端部の片側から中心軸ＣＬに沿って延びる回転軸１２ａと、筒状ハウジング１０２に収納されたモータ発電機１００とを備える。モータ発電機１００は同心的に結合されたモータ部１２と発電部１４とを備える。【００３１】  図２、図３から明らかなように、モータ部１２及び発電部１４はそれぞれモータ固定子１０５と発電固定子１０７とを備える。モータ固定子１０５は筒状ハウジング１０２の周方向に等間隔で支持された複数対の扇形ラジアル磁極１０６Ｕ，１０６Ｖ，１０６Ｗと、複数対の扇形ラジアル磁極１０６Ｕ，１０６Ｖ，１０６Ｗのそれぞれにおいて中心軸ＣＬと平行に延びる鉄心１０３と、鉄心１０３のそれぞれに巻かれたモータコイル１０８からなる複数の電磁石を備える。【００３２】  電磁石１０６Ｕ、１０６Ｖ、１０６Ｗは径方向内側において軸心ＣＬと平行に延びる１対の磁石ホルダー部１１６ａ，１１６ｂ（図３参照）を備え、Ｓ極とＮ極とを有する永久磁石１１８ａと、永久磁石１１８ａとは反対の極性、Ｎ極とＳ極とを有する永久磁石１１８ｂを保持する。例えば、図２に示すように、電磁石１０６Ｕが励磁されて、軸心ＣＬに沿って、Ｓ極とＮ極となったときに、永久磁石１１８ａのＳ極の磁束が電磁石１０６ＵのＳ極の磁束に追加され、一方、電磁石１０６Ｕの磁極が反転したときに、永久磁石１１８ｂのＮ極の磁束が電磁石１０６ＵのＮ極の磁束に追加され、電磁石１０６Ｕの合計磁束を最大化する。そこ結果、ロータ１１２、１１２Ａの永久磁石１１４に対する磁気吸引力を増大してトルクの向上を図れる。【００３３】  複数対の扇形ラジアル磁極１０６Ｕ，１０６Ｖ，１０６Ｗのそれぞれの軸方向両端の磁極面１１０と対向するように、第１及び第２フライホイール１１２、１１２Ａからなるロータが回転軸１２ａに固定支持されていてハウジング１０２に回転可能に支持される。図３より明らかなように、第１及び第２ロータ（フライホイール）１１２、１１２Ａの各々は周方向においてＮ極とＳ極が交互に等間隔で配置された複数の永久磁石１１４．１１４ａを有する。図２、図３において、第１ロータ１１２の永久磁石１１４のＮ極が扇形ラジアル磁極１０６Ｕに軸方向に整列している場合、第２ロータ１１２Ａの永久磁石１１４のＳ極が扇形ラジアル磁極１０６Ｕに軸方向に整列している。複数の永久磁石１１４．１１４ａの中心は複数対の扇形ラジアル磁極１０６Ｕ，１０６Ｖ，１０６Ｗの鉄心１０３と軸方向に整列するように配置される。【００３４】  図４はインバータ３０と電磁石１０６Ｕ，１０６Ｖ，１０６Ｗとの接続関係を示す。図３に示すように、軸心ＣＬ方向に、一対の電磁石１０６Ｕが１８０度の位置で対照的に配列されていて、これら電磁石１０６Ｕ，１０６Ｖ，１０６Ｗのうち、４箇所の扇形ラジアル磁極が同時に２つのロータ１１２、１１２Ａにより磁気吸引される。したがって、回転軸１２ａは強力なトルクで回転する。【００３５】  図５に示すように、三相交流駆動信号φＵ、φＶ、φＷはいかに述べるようなタイミングで変化する。三相交流駆動信号φＵでは、タイミングｔ１〜ｔ３及びｔ７〜ｔ９の間で正電位となり、タイミングｔ４〜ｔ６の間で負電位となる。タイミングｔ３〜ｔ４、ｔ６〜ｔ７、ｔ９〜ｔ１０ではＯＦＦ状態となる。３相駆動信号φＶでは、三相交流駆動信号φＵからタイミングｔ１〜ｔ２の間タイミングが遅れる。同様に、三相交流駆動信号φＷは三相交流駆動信号φＵからタイミングｔ１〜ｔ３の間タイミングが遅れる。このように、三相交流駆動信号φＵ、φＶ、φＷは互いに対して所定の時間幅で導通（励磁）しておのおののラジアル磁極を励磁することでロータの永久磁石を吸引しながら回転軸１２ａを円滑に回転させている。【００３６】  図６は高周波交流電力増幅器３０の具体的構造を示す。高周波交流電力増幅器３０は、同心的な外周部２００ａと内周部２００ｂとを有するステータ２００を備える。ステータ２００は外周部２００ａと内周部２００ｂとの間で、周方向に等間隔で径方向に延びる複数対のラジアル磁極２０２を備える。複数対のラジアル磁極２０２において、隣接したラジアル磁極２０２の間には径方向に延びる励磁回路Ｅｃが形成され、励磁回路ＥＣは励磁磁極２０４を備え、励磁磁極２０４にはそれぞれ励磁コイル２０６が巻かれている。励磁回路Ｅｃと隣接したラジアル磁極２０２との間にはそれぞれ一対の磁気回路２０８が形成される。内周部２００ｂに隣接した位置において、励磁回路Ｅｃの内側端部近辺にハルバッハ配列構造のコモン永久磁石２１０が配置されていている。ハルバッハ配列構造の永久磁石２１０は中央に位置していて、励磁磁極２０４と同一方向に延びるＮ極とＳ極とを有するセンター永久磁石と、センター永久磁石に対してＮ極とＳ極が直交するように配置されたサイド永久磁石とを備える。このように、ハルバッハ配列構造の永久磁石２１０はＮ極側の磁束が励磁回路Ｅｃに指向するように配置される。【００３７】  ステータ２００は高周波電力入力端子子２１０と増幅電力出力端子子２１２を有し、高周波電力入力端子子２１０はコモンライン２１４とコイルライン２１６にそれぞれ接続されている。コイルライン２１６には複数のインダクタ２１８が直列接続されていて、複数のインダクタ２１８はそれぞれラジアル磁極２０２に巻かれている。複数のインダクタ２１８とコモンライン２１４との間には複数のコンデンサ２２０がそれぞれ接続されている。複数のインダクタ２１８と複数のコンデンサ２２０とはそれぞれＬＣ共振回路を構成し、これらＬＣ共振回路はコモンライン２１４とコイルライン２１６との間において直列接続される。コンデンサ２２０Ａを含むＬＣ共振回路と並列にダンピング抵抗ＤＲ１が接続され、コンデンサ２２０Ｂを含むＬＣ共振回路と並列にダンピング抵抗ＤＲ２が接続され接続される。これらダンピング抵抗ＤＲ１、ＤＲ２はＬＣ共振回路の共振の鋭さ（Ｑ）を抑制することによってノイズを減衰させ、回路の帯域幅や過渡特性、位相特性などを改善する。【００３８】  励磁コイル２０６は高周波パルス発生器２８（図１参照）から高周波交流電力ＨｆＰに同期して高周波励磁パルスＨｆＰｅが同時に供給される。ハルバッハ配列構造の永久磁石２１０は励磁コイル２０６が励磁された際の磁極と同磁極を有する。高周波励磁パルスＨｆＰｅに応答して、励磁コイル２０６が励磁されると、励磁回路Ｅｃの径方向外側がＮ極となり、複数対のインダクタ２１８の径方向内側がＮ極となるため、ハルバッハ配列構造の永久磁石２１０のＮ極側から集中磁束２１０ａが励磁回路Ｅｃに流れる。この集中磁束２１０ａと励磁コイル２０６で発生した磁束が合成磁束として磁気回路２０８を循環する。このため、インダクタ２１８を通過する合成磁束が増加するため、インダクタ２１８に流れる電流が増大する。このように、励磁コイル２０６が高周波励磁パルスＨｆＰｅに応答して励磁された際に、永久磁石２１０の高周波磁界が磁気回路２０８に流れて、合成高周波磁界φｅが磁気回路２０８を通過する。このようにして、磁気回路２０８内には励磁コイル２０６の高周波磁界と永久磁石２１０の磁界との合成高周波磁界が流れる。このように、励磁コイル２０６は高周波磁界発生装置として機能する。【００３９】  図６の高周波交流電力増幅器３０の作用において、励磁コイル２０６に高周波パルス発生器２８（図１参照）から高周波励磁パルスＨｆＰｅが、例えば、高周波交流電力ＨｆＰと同期した５０ｋＨｚの周波数で同時に供給され、５０ｋＨｚの周波数で複数対の磁気回路２０８が同時に形成される。この状態で、高周波電力入力端子２１１に高周波交流電力発生器２０（図１参照）から、例えば、５０ｋＨｚの周���数で高周波交流電力Ｈｆｐが供給され、高周波交流電力ＨｆＰは直列接続された複数のＬＣ共振回路を通過しながら増幅される。この時、励磁コイル２０６は高周波励磁パルスＦｆＰｅに応答して複数対の磁気回路２０８に高周波磁界を発生させているため、複数対の磁気回路２０８を通過する磁気エネルギーφｅによりインダクタ２１８を通過する合成磁束が増加するため、インダクタ２１８に交差する磁束密度が増大してインダクタ２１８に流れる電流が増大する。こうして得られた高周波増幅電力ＨｆＰａは高周波整流器３２で整流されてインバータ３４に供給される。高周波整流器３２は高周波増幅電力ＨｆＰａを直流出力電力に変換するもので、例えば、特開平２０１６−７２７５５号又は特開平２０１７−１１２７８４号に開示された高周波整流器が好ましくは利用される。【００４０】  図２、図７、図８より明らかなように、多相発電部１４は、複数対の扇形ラジアル磁極３１２Ｕ、３１２Ｖ，３１２Ｗと、複数対のラジアル磁極３１２Ｕ、３１２Ｖ，３１２Ｗのそれぞれに結合された一対の鉄心３０６と、一対の鉄心３０６の外周にそれぞれ逆方向に巻かれた一対の逆起電力相殺巻線３０８を構成する主発電コイル３０８ａ１と補助発電コイル３０８ａ２からなる発電コイル３０８とを有する発電固定子１０７を備える。複数対の扇形ラジアル磁極３１２Ｕ、３１２Ｖ，３１２Ｗの軸方向両端部には第２ロータ１１２Ａと第３ロータ１１２Ｂが近接して対向するように回転軸１２ａに支持される。第２ロータ１１２Ａの永久磁石１１４、１１４ａはモータ部１２と発電部１４の双方に協同しているため、共通ロータともいえる。【００４１】  図８に示されるように、発電コイル３０８は第１巻線３０８ａと第２巻線３０８ｂとを備え、第１巻線３０８ａと第２巻線３０８ｂは互いに対して逆方向となるように巻かれていることで、巻線に発生する逆起電力を互いに相殺する。これは、ラジアル磁極３１２、３１４が隣接した永久磁石１１４Ａ，１１４Ａに対向した時に、発電コイル３０８に流れる逆起電力を相殺するためである。すなわち、発電コイル３０８に起電力ｅｆ１が発生したときに、逆起電力ｅｆ２が発生して、起電力と逆起電力が互いに相殺するようになっている。このようにして、永久磁石１１４，１１４Ａが周方向にラジアル磁極３１２Ｕを通過する際に、永久磁石１１４，１１４Ａの磁束による起電力及び逆起電力が相殺される。その結果、発電コイル３０８が発電している最中に、ロータ１１２Ａ、１１２Ｂは無負荷状態でスムーズに回転移動する。第１巻線３０８ａは主発電コイル３０８ａ１と補助発電コイル３０８ａ２とを有する。同様に、第２巻線３０８ｂは主発電コイル３０８ｂ１と補助発電コイル３０８ｂ２とを有する。主発電コイル３０８ａ１、３０８ｂ１は負荷１５に接続され、補助発電コイル３０８ａ２、３０８ｂ２は整流器１６に接続される（図１参照）。【００４２】  図９、図１０は図２、図３に示したモータ発電機１００の変形例を示し、図２、図３、図７、図８のモータ発電機１００と同一又は類似部品については同一の符号を用いて説明する。モータ発電機１００は円筒状構造を有しているのに対してモータ発電機１００Ａはフラット型構造をしている点が異��る。【００４３】  図９、図１０に示した変形例において、自律運転型回転電気機械１００Ａはフラット型の筒状ハウジング１０２Ａと、エンドプレート１０２ａと、高周波電力増幅器３０及び関連電子部品（図１参照）を収容するカバー部材４００とを備える。筒状ハウジング１０２Ａに回転軸１２ａが回転可能に支持され、回転軸１２ａにモータロータ１１２Ｃが支持される。モータロータ１１２Ｃは径方向に延びるフライホイールディスク４０２を有し、フライホイールディスク４０２の外周部から環状壁部４０２ａが軸方向に延びている。【００４４】  多相交流モータ固定子１０５Ａが環状壁部４０２ａと径方向に整列するように筒状ハウジング１０２Ａの第１エリアＡ１に収納される。一方、多相交流発電固定子１０７Ａが環状壁部４０２ａと径方向に整列するように筒状ハウジング１０２Ａの第２エリアＡ２に収納される。図９〜図１１から明らかなように、第２エリアＡ１において、環状壁部４０２ａの径方向内側には等間隔にてそれぞれ所定角度で形成された複数対のロータ極４１０が形成され、複数対のロータ極４１０の径方向内側には所定角度で形成された複数対のステータ極４１２が形成される。各対のステータ極４１２には直列巻線４１４が巻かれている。複数対のステータ極４１２は周方向に等角度で形成されて３相構造の多相交流モータ固定子１０５Ａを構成する。多相交流モータ固定子１０５Ａは、例えば、公知の様々なスイッチドリラクタンスモータを採用しても良い。たとえば、その１例として米国特許第４８８３９９９号に示されたアウターロータ型モータも挙げられる。【００４５】  第２エリアＡ２において、環状壁部４０２ａの外周には第１配列の永久磁石４０４が周方向にＮ極とＳ極が交互となるように配置される。第２配列の永久磁石４０６は第１配列の永久磁石４０４の極性と反対極性、すなわち、Ｓ極とＮ極が交互となるように配置される。図９より明らかなように、扇形ラジアル磁極３１２Ｕの内側端部３１２ａが永久磁石４０４とエアーギャップを介して対向する。一方、扇形ラジアル磁極３１２Ｕの内側端部３１２ｂが永久磁石４０６とエアーギャップを介して対向する。同様に、他の扇形ラジアル磁極３１２Ｖ，３１２Ｗの内側端部も永久磁石４０４、４０６とエアーギャップを介して対向する。【００４６】  図９、図１０に示した自律運転型回転電気機械１００Ａにおいて、図５の３相交流駆動信号φＵ，φＶ，φＷがモータ固定子１０５Ａの巻線４１２に供給されると、モータロータ１１２Ｃのロータ極４１０が順次磁気吸引されてモータロータ１１２Ｃが回転する。この時、モータロータ１１２Ｃの永久磁石４０４が回転して、ラジアル磁極３１２の逆起電力相殺巻線３０８に磁束が交差して電力が発生する。このとき、主発電コイル３０８ｂ１と補助発電コイル３０８ｂ２とに主発電電力及び補助発電電力がそれぞれ発生する。逆起電力相殺巻線３０８における起電力及び逆起電力の相殺の仕組みは自律運転型回転電気機械１００におけるものと同一である。【００４７】  以上、本発明の実施例について説明したが、本発明はこれら実施例に示された構成に限定されず、発明の趣旨から外れることなく様々な変更が可能である。上記実施例において、モータ発���機のモータ部を電磁石型モータとして説明したが、スイッチドリラクタンスモータを採用しても良い。また、変形例の自律運転型回転電気機械において、多相交流発電部を多相交流モータ部の径方向外側に配置したものとして説明したが、多相交流モータ部を径方向外側に配置し、多相交流発電部の径方向内側に配置しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図１は、本発明の実施形態による自律運転型回転電気機械のブロック図である。
【図２】図２は、図１に示したモータ発電機の概略断面図である。
【図３】図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線から見た断面図である。
【図４】図４は、図２に示した多相交流モータの配線図である。
【図５】図５は、インバータから多相交流モータに出力される３相駆動波形図である。
【図６】図６は、図１に示した高周波交流電力増幅器の具体的な構造図である。
【図７】図７は、図２のＶＩＩ−ＶＩＩ線から見た断面図である。
【図８】図８は、図２に示した多相交流発電固定子におけるラジアル磁極と一対の鉄心と逆起電力相殺巻線との関係図を示す図である。
【図９】図９は、図２のモータ発電機の変形例を示す図である。
【図１０】図１０は、図９のＸ−Ｘ線から見た一部断面図である。
【符号の説明】
【００４９】１０…自律運転型回転電気機械
１２…モータ部
１２ａ…回転軸
１４…発電部
１６…整流器
１８…充電器
２０…蓄電デバイス
２２…高周波交流電力発生器
２４…コントローラ
２６…入力装置
２８…高周波パルス発生器
３０…高周波交流電力増幅器
３４…インバータ
１０５…モータ固定子
１０７…発電固定子
１１２，１１２Ａ，１１２ＡＡ…ロータ
１１４…永久磁石
２００…アウタステータ
２０２…インナステータ
２０４…ラジアル磁極
２０６…ラジアルインナ磁極
２１８…インダクタ
２２０…コンデンサ
２２２，２２４…励磁コイル
ＤＲ１，ＤＲ２…ダンピング抵抗
【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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