(57)【要約】【課題】  磁石励磁及び電流励磁を併用する回転電機システムを提供する。【解決手段】  隣接する磁性体突極は互いに磁気的に独立に構成すると共に周方向の磁化を持つ永久磁石が磁性体突極の周方向側面に配置され，両側面に異なる磁化方向の磁石を配置した隣接磁性体突極に界磁コイルから界磁制御磁束を供給する構成として電機子コイルと鎖交する磁束量を制御する。磁石トルク，リラクタンストルクを利用する電動機に適用でき，発電能力を制御可能とする。移動体に使用した場合は回生制動を可能としてエネルギー効率を向上し，さらに定電圧発電機能により定電圧化回路，コンバータ等を不要として低コストなシステムを実現出来る。【選択図】  図１
2008312307.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転電機システムは，軸と同心に径方向に互いに対向し且つ相対的に回転可能に配置された界磁回転子及び電機子とより少なくとも構成され，電機子は静止側に配置固定された円筒状磁気ヨークと円筒状磁気ヨークから径方向に伸び周方向に配置された複数の磁性体歯と磁性体歯に巻回された電機子コイルとから成り，界磁回転子の磁極構造は，磁性体歯に対向し，且つ軸方向に延び，周方向に磁性体突極と永久磁石或いは集合永久磁石とが交互に並ぶよう構成され，隣接する磁性体突極が互いに逆方向に磁化されるように前記永久磁石或いは集合永久磁石の略周方向の磁化方向が交互に反転されている回転電機システムであって，磁性体突極は電機子と逆方向に延長されて相互に結合され，少なくとも隣接する磁性体突極の何れかの延長部分には界磁コイルが配置され，さらに隣接する磁性体突極の延長部分で構成する磁路中には磁気抵抗を大として永久磁石磁束の分流を制限する磁束分流制御手段を有し，回転電機システムの出力に応じて界磁コイルに供給する電流を変えて電機子と回転子間の界磁強度を制御し，前記出力を最適化する制御装置とを有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，回転力を入力とし，制御装置は発電電圧が所定の値になるよう，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電機子と回転子間の界磁強度を小に，発電電圧が所定の値より小の時は界磁強度を大にする電流を界磁コイルに供給す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，制御装置は，回転力を最適に制御するように高回転速度では電機子と回転子間の界磁強度を小に，低回転速度では界磁強度を大にする予め定めた関係に従って界磁コイルに供給する電流を制御し，回転速度を減少させる場合には電機子と回転子間の界磁強度を大とする電流を界磁コイルに供給するよう構成され，回転エネルギーを発電電力として取り出す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，電機子を構成する隣り合う磁性体歯の先端間の磁気空隙部に磁性体歯と一体の可飽和磁性体結合部を配置したこと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，磁束分流制御手段は隣接する磁性体突極の延長部分で形成する磁路内に設けた磁気空隙とした事を特徴とする回転電機システム
【請求項６】
請求項５記載の回転電機システムに於いて，磁束分流制御手段は少なくとも可動磁性体片と可動磁性体片を磁気空隙が大となるよう付勢するスプリングとで構成され，界磁コイルに流れる電流量にほぼ比例して可動磁性体片を磁気的に吸引して前記磁気空隙を小とするよう構成された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，磁性体突極と永久磁石とが周方向に交互に配置され，隣接する永久磁石は互いに略周方向の磁化を反転して配置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７記載の回転電機システムに於いて，磁性体突極間の永久磁石の周方向長さは磁性体歯と磁性体突極間の空隙長さの２倍を超える値に設定した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，集合永久磁石は中間磁性体突極及びその周方向両側面に同一磁化方向を持つ二つの永久磁石板とから構成され，磁性体突極と集合永久磁石は周方向に交互に配置され，隣接する集合永久磁石は互いに略周方向の磁化を反転して配置されている事を特徴とする回転電機システム
【請求項１０】
請求項９記載の回転電機システムに於いて，集合永久磁石を構成する二つの永久磁石板の厚みの和は磁性体歯と磁性体突極間の空隙長さの２倍を超える値に設定した事を特徴とする回転電機システム
【請求項１１】
請求項９記載の回転電機システムに於いて，集合永久磁石を構成する中間磁性体突極の電機子に近い側の周方向長さを電機子から遠い側の周方向長さより短く設定した事を特徴とする回転電機システム
【請求項１２】
回転電機システムは，軸と同心に径方向に互いに対向し且つ相対的に回転可能に配置された界磁回転子及び電機子とより少なくとも構成され，電機子は静止側に配置固定された円筒状磁気ヨークと円筒状磁気ヨークから径方向に伸び周方向に配置された複数の磁性体歯と磁性体歯に巻回された電機子コイルとから成り，界磁回転子の磁極構造は，磁性体歯に対向し，且つ軸方向に延び，周方向に磁性体突極と集合永久磁石とが交互に並ぶよう構成され，隣接する磁性体突極が互いに逆方向に磁化されるように前記集合永久磁石の略周方向の磁化方向が交互に反転されている回転電機システムであって，集合永久磁石は中間磁性体突極及びその周方向両側面に同一磁化方向を持つ二つの永久磁石板とから構成されて中間磁性体突極は電機子に近い側の周方向長さを電機子から遠い側の周方向長さより短い形状とし，磁性体突極は電機子と逆方向に延長されて相互に結合され，少なくとも隣接する磁性体突極の何れかの延長部分には界磁コイルが配置され，さらに隣接する磁性体突極の延長部分で構成する磁路中には磁気抵抗を大として集合永久磁石磁束の分流を制限する磁気空隙を有し，回転電機システムの出力に応じて界磁コイルに供給する電流を変えて電機子と回転子間の界磁強度を制御し，前記出力を最適化する制御装置とを有する回転電機システム
【請求項１３】
回転電機システムは，軸と同心に径方向に互いに対向し且つ相対的に回転可能に配置された界磁回転子及び電機子とより少なくとも構成され，電機子は静止側に配置固定された円筒状磁気ヨークと円筒状磁気ヨークから径方向に伸び周方向に配置された複数の磁性体歯と磁性体歯に巻回された電機子コイルとから成り，界磁回転子の磁極構造は，磁性体歯に対向し，且つ軸方向に延び，周方向に磁性体突極と永久磁石或いは集合永久磁石とが交互に並ぶよう構成され，隣接する磁性体突極が互いに逆方向に磁化されるように前記永久磁石或いは集合永久磁石の略周方向の磁化方向が交互に反転されている回転電機システムに於いて，磁性体突極は電機子と逆方向に延長されて相互に結合され，少なくとも隣接する磁性体突極の何れかの延長部分には界磁コイルが配置され，さらに隣接する磁性体突極の延長部分で構成する磁路中には磁気抵抗を大として永久磁石磁束の分流を制限する磁束分流制御手段を有し，隣接する磁性体突極間の永久磁石を逆励磁する方向の界磁制御磁束を発生する電流を界磁コイルに供給して永久磁石の発する界磁磁束に界磁制御磁束を重畳させて磁性体突極と磁性体歯で構成する磁路に流れる磁束を増加させ，隣接する磁性体突極間の永久磁石を順方向に励磁する方向の界磁制御磁束を発生する電流を界磁コイルに供給して永久磁石を界磁制御磁束の磁路とし，永久磁石の発する界磁磁束の流れる磁路を変えて磁性体突極と磁性体歯で構成する磁路に流れる磁束を減少させる事により磁性体突極と磁性体歯間の磁束を制御する方法
【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及び回転電機を含む電磁回転システム実現の方法に関し，特に界磁制御により出力を制御する回転電機及び電磁回転システム及び界磁制御方法に関する。
【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はエネルギー効率に優れ，永久磁石の発展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。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を弱める種々の手段が提案されている。最近は回転電機の制御技術及び磁極構造の改良が著しく，特に永久磁石を回転子内に埋め込み，磁石トルクとリラクタンストルクを利用するＰＲＭ（Permanent magnet Reluctance Motor）は従来に比して高効率，大出力の電動機を実現している（例えば，特許文献１から特許文献３）。また発電機の場合，広い回転速度に於いて発電電圧を所定のレベルとする為に専ら半導体による電子回路制御が用いられている。
【０００３】
しかしながら，電動機に於いてＰＲＭ及び制御技術により高出力化と回転速度範囲を拡大出来たが，ソフトの肥大化と安定制御の課題を持ち，更なる性能改善も求められている。発電機の場合には広範な回転速度範囲での定電圧化回路のコスト上の課題が大で，解決策を求められている。
【０００４】
磁石励磁を主とする回転電機装置の界磁制御手段として磁石励磁と電流励磁とを併用する装置が検討されており，磁石励磁及び電流励磁の回転子或いは磁極を併置した構造の提案，磁石励磁及び電流励磁を一体化した磁極構造で実現する提案がある。前者は界磁の制御範囲が限定され，電動機として用いる場合は回転駆動に困難を伴う。後者は実現可能な提案は数少なく，実現した例でも使用形態は限定されている。
【０００５】
以下では磁石励磁及び電流励磁を一体化した磁極構造の提案について述べる。磁石励磁及び電流励磁を一体化した磁極構造に於いて成功する為の必要条件は，（Ａ）磁石励磁の磁束及び電流励磁の磁束を共存させて回転子と電機子間に供給出来ること，（Ｂ）電流励磁の磁束により磁石が損傷を受けないこと等であるが，これらの条件を満たす提案は数少ない。
【０００６】
特許文献４，特許文献５と趣旨を同じくする提案は回転子外周に永久磁石と磁性体磁極を交互に有する構造で（Ａ），（Ｂ）の条件を満たすが，採用出来る回転電機装置は特殊な構成に限定される。また電動機として用いる場合，リラクタンストルクを利用し難い。さらに，特許文献５は電流励磁のレベルに応じて発電電圧の波形が変わる問題がある。
【０００７】
特許文献６，特許文献７と趣旨を同じくする提案は磁石励磁及び電流励磁の磁束の磁路を直列に接続して（Ｂ）の条件を満たすことが出来ない。すなわち，電流励磁による磁束が回転子外周に配置された界磁磁石を通過する構造であり，弱め界磁の場合に界磁磁石を減磁して損傷させる重大な問題がある。特許文献７はさらに界磁磁石の磁路が長く，磁石励磁のみの回転電機に比して界磁磁束を著しく減少させる。
【０００８】
特許文献８，特許文献９と趣旨を同じくする提案は磁石励磁及び電流励磁の磁束の磁路を並列に接続した例で（Ａ）の条件を満たすことが出来ない。すなわち，電流励磁のクローポール構造の磁極間に磁石を配置した構造であり，磁石による磁束は電流励磁コイルを周回する磁気コアで短絡されるので磁石励磁は実効的に機能しない。
【０００９】
磁石励磁及び電流励磁の回転子或いは磁極を併置した構造も含め，何れの提案に於いてもリラクタンストルクを十分に利用出来る電動機構造とはならない。したがって，（Ａ）及び（Ｂ）の条件を満たし，且つ多くの回転電機形態に適用可能な磁石励磁及び電流励磁を一体化した磁極構造を持つ回転電機システムが望まれている。
【特許文献１】特開平０９−０２３５９８「磁石埋込形モータ」
【特許文献２】特開平１１−０２７９１３「リラクタンス型回転電機」
【特許文献３】特開２００１−０６９７３５「永久磁石式リラクタンス型回転電機」
【特許文献４】米国特許４，６５６，３７９「Hybrid excited generator with flux control of consequent-pole rotor」
【特許文献５】米国特許５，７６７，６０１「Permanent magnet electric generator」
【特許文献６】米国特許５，５３０，３０７「Flux controlled permanent magnet dynamo-electric machine」
【特許文献７】特開２０００−２６１９９５「高トルク型電動・発電機」
【特許文献８】米国特許４，６５４，５５１「Permanent magnet excited alternator compressor with brushless DC control」
【特許文献９】特開２００７−６６３８「交流回転電機」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって，本発明の目的は，磁石トルク，リラクタンストルクを利用出来る広範な形態の回転電機装置に適用可能な磁石励磁及び電流励磁を一体化した磁極構造を持つ回転電機装置及び回転電機システム及び界磁制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１の発明による回転電機システムは，軸と同心に径方向に互いに対向し且つ相対的に回転可能に配置された界磁回転子及び電機子とより少なくとも構成され，電機子は静止側に配置固定された円筒状磁気ヨークと円筒状磁気ヨークから径方向に伸び周方向に配置された複数の磁性体歯と磁性体歯に巻回された電機子コイルとから成り，界磁回転子の磁極構造は，磁性体歯に対向し，且つ軸方向に延び，周方向に磁性体突極と永久磁石或いは集合永久磁石とが交互に並ぶよう構成され，隣接する磁性体突極が互いに逆方向に磁化されるように前記永久磁石或いは集合永久磁石の略周方向の磁化方向が交互に反転されている回転電機システムであって，磁性体突極は電機子と逆方向に延長されて相互に結合され，少なくとも隣接する磁性体突極の何れかの延長部分には界磁コイルが配置され，さらに隣接する磁性体突極の延長部分で構成する磁路中には磁気抵抗を大として永久磁石磁束の分流を制限する磁束分流制御手段を有し，回転電機システムの出力に応じて界磁コイルに供給する電流を変えて電機子と回転子間の界磁強度を制御し，前記出力を最適化する制御装置とを有する。
【００１２】
回転電機は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，発電機の何れに用いる事も出来る。
【００１３】
周方向に磁性体突極と永久磁石或いは集合永久磁石とが交互に配置されて，隣接する磁性体突極は互いに逆方向に磁化されるよう永久磁石或いは集合永久磁石の略周方向磁化が設定され，隣接する磁性体突極は互いに磁気的に独立に構成される。各磁性体突極は内周側に延長して結合し，少なくとも隣接する磁性体突極の延長部の何れかには界磁コイルを有する。
【００１４】
磁性体突極の先端部は主として磁性体より構成され且つ磁気的に分離された構成としたので磁石トルクとリラクタンストルクを利用出来る回転電機システムとなる。
【００１５】
集合永久磁石は二つの永久磁石間に磁性体を配置して構成され，永久磁石と同等の特性を示す組み立て体である。
【００１６】
隣接する磁性体突極間には磁束を短絡する磁性体結合部分を持たないが，磁性体突極を機械的に強固に支持する為に磁性体突極間を可飽和磁性体で結合する事は可能である。可飽和磁性体の趣旨は飽和磁束密度が低い或いは断面積が小さな磁性体であって僅かな界磁磁束或いは界磁制御磁束を流す事によって容易に磁気飽和する磁性体部分である。磁気的に飽和した磁性体は比透磁率が空気とほぼ同じとなり，磁気的にその存在は無視出来る。
【００１７】
永久磁石或いは集合永久磁石は界磁磁束を発生すると共に磁性体突極内を流れる界磁制御磁束の分離及び流れる方向の制御に用いられる。界磁コイルが隣接する磁性体突極間の永久磁石或いは集合永久磁石を逆励磁する方向の界磁制御磁束を供給して永久磁石或いは集合永久磁石の発する界磁磁束と共に磁性体突極と磁性体歯で構成する磁路に流して磁性体突極と磁性体歯で構成する磁路に流れる磁束を増加させる。永久磁石は磁束バリアとして方向の異なる界磁制御磁束の短絡を防ぐ役割を果たす。
【００１８】
界磁コイルが隣接する磁性体突極間の永久磁石或いは集合永久磁石を順方向に励磁する方向の界磁制御磁束を供給して永久磁石或いは集合永久磁石を界磁制御磁束の磁路とし，永久磁石はほぼ磁気的に飽和して発生する磁束量の変化は比較的小さい事を利用して電機子の磁性体歯に出入する界磁磁束を減少させる。
【００１９】
磁性体突極間に配置された永久磁石或いは集合永久磁石が発生する界磁磁束は磁性体突極の延長部分を含む磁路に流れて電機子側に流れる界磁磁束を小とする可能性がある。本発明では延長部分の磁路内に磁気抵抗を大として界磁磁束の流入を制限する磁束分流制御手段を設けて電機子の磁性体歯側に界磁磁束を集中させ，永久磁石励磁と電流励磁との併用を可能にしている。界磁磁束の分流を制限する磁束分流制御手段に種々の方法がある。磁路内に磁気的な空隙を配置する，磁路の断面積を小にする，比透磁率の小さい磁性体で磁路を構成する等々である。
【００２０】
回転電機システムの出力最適化の一つに定電圧発電機システムがある。入力である回転速度変動に対応して界磁強度を実効的に制御し，発電電圧を所定の値に維持する。
【００２１】
回転電機システムの出力最適化の他の一つに電動機システムがある。高回転速度域で弱め界磁，低回転速度域で強め界磁として回転力及び回転速度を制御する電動機を含むシステムを実現する。
【００２２】
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，回転力を入力とし，制御装置は発電電圧が所定の値になるよう，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電機子と回転子間の界磁強度を小に，発電電圧が所定の値より小の時は界磁強度を大にする電流を界磁コイルに供給する事を特徴とする。
【００２３】
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，制御装置は，回転力を最適に制御するように高回転速度では電機子と回転子間の界磁強度を小に，低回転速度では界磁強度を大にする予め定めた関係に従って界磁コイルに供給する電流を制御し，回転速度を減少させる場合には電機子と回転子間の界磁強度を大とする電流を界磁コイルに供給するよう構成され，回転エネルギーを発電電力として取り出す事を特徴とする。
【００２４】
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，電機子を構成する隣り合う磁性体歯の先端間の磁気空隙部に磁性体歯と一体の可飽和磁性体結合部を配置したことを特徴とする。
【００２５】
電機子を構成する磁性体歯先端間の磁気空隙部に容易に磁気飽和する磁性体結合部を配置し，磁性体歯を機械的に強固に支持すると共に前記磁気空隙部からの漏洩磁界の時間及び空間的変化を緩やかとして磁性体歯の振動を抑制する。
【００２６】
可飽和磁性体結合部の趣旨は，電機子コイルに電流を流して発生する駆動磁束，或いは界磁磁束，或いは界磁制御磁束によって容易に磁気飽和する程度に断面積を小さく設定された磁性体部分である。可飽和磁性体結合部の具体化構造は径方向に短く設定した磁性体結合部を磁性体歯と一体の磁性体で構成する，或いは珪素鋼板を積層した磁性体歯構造に於いて磁性体結合部の珪素鋼板を間引いて実効的に断面積を小に構成する。
【００２７】
さらに可飽和磁性体結合部の形状寸法を軸方向に変えて磁気空隙部からの漏洩磁界の時間及び空間的変化をランダム化させる事も磁性体歯の振動抑制に効果がある。
【００２８】
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，磁束分流制御手段は隣接する磁性体突極の延長部分で形成する磁路内に設けた磁気空隙とした事を特徴とする。
【００２９】
請求項６の発明は，請求項５記載の回転電機システムに於いて，磁束分流制御手段は少なくとも可動磁性体片と可動磁性体片を磁気空隙が大となるよう付勢するスプリングとで構成され，界磁コイルに流れる電流量にほぼ比例して可動磁性体片を磁気的に吸引して前記磁気空隙を小とするよう構成された事を特徴とする。
【００３０】
界磁コイルが発する界磁制御磁束の磁路内に磁気空隙を設け，界磁磁束の分流を制限して磁石励磁と電流励磁との併用を可能にしたが，同時に磁束分流制御手段が界磁制御磁束の発生効率を低下させる弊害もある。界磁制御磁束が所定以上の大きさでは界磁制御磁束の磁路内の磁気空隙を小として界磁制御磁束の発生効率を上げる構成とする。
【００３１】
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，磁性体突極と永久磁石とが周方向に交互に配置され，隣接する永久磁石は互いに略周方向の磁化を反転して配置されている事を特徴とする。
【００３２】
請求項８の発明は，請求項７記載の回転電機システムに於いて，磁性体突極間の永久磁石の周方向長さは磁性体歯と磁性体突極間の空隙長さの２倍を超える値に設定した事を特徴とする。
【００３３】
強め界磁の場合に永久磁石が界磁制御磁束の磁束バリアとして方向の異なる界磁制御磁束を短絡させる事は無いが，永久磁石の比透磁率はほぼ空気と同じであり，永久磁石の周方向長さが小さい場合には界磁制御磁束を漏洩させる可能性がある。二つの磁性体突極から磁性体歯を含む磁路は磁性体歯と磁性体突極間の空隙を往復するので永久磁石の周方向長さを磁性体歯と磁性体突極間の空隙長さの２倍を超える値に設定して永久磁石間の磁気抵抗を磁性体歯を経由する磁路の磁気抵抗より大として界磁制御磁束を磁性体歯側に集中させる。永久磁石面積と磁性体突極の磁性体歯との対向面積が同程度としての近似であり，望ましくは磁性体歯内の磁気抵抗をさら考慮し，永久磁石部分での界磁制御漏洩を無視出来る程度とする為に永久磁石の周方向長さを磁性体歯と磁性体突極間の空隙長さの１０倍以上に設定する。
【００３４】
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，集合永久磁石は中間磁性体突極及びその周方向両側面に同一磁化方向を持つ二つの永久磁石板とから構成され，磁性体突極と集合永久磁石は周方向に交互に配置され，隣接する集合永久磁石は互いに略周方向の磁化を反転して配置されている事を特徴とする。
【００３５】
中間磁性体突極とその両側の永久磁石で構成された集合永久磁石は磁気回路的には永久磁石と等価であって，永久磁石が界磁磁束及び界磁制御磁束の流れを制御する役割と同じである。磁性体突極及び中間磁性体突極の形状はリラクタンストルクと磁石トルクを有効に利用する為に適した形状が種々有り，磁性体突極間形状の設計自由度を確保し且つ定型の永久磁石の使用及び使用永久磁石量の削減を可能にする。
【００３６】
請求項１０の発明は，請求項９記載の回転電機システムに於いて，集合永久磁石を構成する二つの永久磁石板の厚みの和は磁性体歯と磁性体突極間の空隙長さの２倍を超える値に設定した事を特徴とする。
【００３７】
請求項１１の発明は，請求項９記載の回転電機システムに於いて，
集合永久磁石を構成する中間磁性体突極の電機子に近い側の周方向長さを電機子から遠い側の周方向長さより短く設定した事を特徴とする回転電機システム
中間磁性体突極の形状は電機子側の周方向長さを短く設定し，永久磁石板の発する界磁磁束の磁路長を小として界磁磁束を電機子側に集中させる。
【００３８】
請求項１２の発明による回転電機システムは，軸と同心に径方向に互いに対向し且つ相対的に回転可能に配置された界磁回転子及び電機子とより少なくとも構成され，電機子は静止側に配置固定された円筒状磁気ヨークと円筒状磁気ヨークから径方向に伸び周方向に配置された複数の磁性体歯と磁性体歯に巻回された電機子コイルとから成り，界磁回転子の磁極構造は，磁性体歯に対向し，且つ軸方向に延び，周方向に磁性体突極と集合永久磁石とが交互に並ぶよう構成され，隣接する磁性体突極が互いに逆方向に磁化されるように前記集合永久磁石の略周方向の磁化方向が交互に反転されている回転電機システムであって，集合永久磁石は中間磁性体突極及びその周方向両側面に同一磁化方向を持つ二つの永久磁石板とから構成されて中間磁性体突極は電機子に近い側の周方向長さを電機子から遠い側の周方向長さより短い形状とし，磁性体突極は電機子と逆方向に延長されて相互に結合され，少なくとも隣接する磁性体突極の何れかの延長部分には界磁コイルが配置され，さらに隣接する磁性体突極の延長部分で構成する磁路中には磁気抵抗を大として集合永久磁石磁束の分流を制限する磁気空隙を有し，回転電機システムの出力に応じて界磁コイルに供給する電流を変えて電機子と回転子間の界磁強度を制御し，前記出力を最適化する制御装置とを有する。
【００３９】
請求項１３の発明は，回転電機システムが，軸と同心に径方向に互いに対向し且つ相対的に回転可能に配置された界磁回転子及び電機子とより少なくとも構成され，電機子は静止側に配置固定された円筒状磁気ヨークと円筒状磁気ヨークから径方向に伸び周方向に配置された複数の磁性体歯と磁性体歯に巻回された電機子コイルとから成り，界磁回転子の磁極構造は，磁性体歯に対向し，且つ軸方向に延び，周方向に磁性体突極と永久磁石或いは集合永久磁石とが交互に並ぶよう構成され，隣接する磁性体突極が互いに逆方向に磁化されるように前記永久磁石或いは集合永久磁石の略周方向の磁化方向が交互に反転されている回転電機システムに於いて，磁性体突極は電機子と逆方向に延長されて相互に結合され，少なくとも隣接する磁性体突極の何れかの延長部分には界磁コイルが配置され，さらに隣接する磁性体突極の延長部分で構成する磁路中には磁気抵抗を大として永久磁石磁束の分流を制限する磁束分流制御手段を有し，隣接する磁性体突極間の永久磁石を逆励磁する方向の界磁制御磁束を発生する電流を界磁コイルに供給して永久磁石の発する界磁磁束に界磁制御磁束を重畳させて磁性体突極と磁性体歯で構成する磁路に流れる磁束を増加させ，隣接する磁性体突極間の永久磁石を順方向に励磁する方向の界磁制御磁束を発生する電流を界磁コイルに供給して永久磁石を界磁制御磁束の磁路とし，永久磁石の発する界磁磁束の流れる磁路を変えて磁性体突極と磁性体歯で構成する磁路に流れる磁束を減少させる事により磁性体突極と磁性体歯間の磁束を制御する方法である。
【発明の効果】
【００４０】
本発明による回転電機システムでは，回転子の磁性体突極両側面に異なる磁化方向の永久磁石を配置された磁性体突極を内周側に延長させて結合させ，少なくとも隣接する磁性体突極の延長部の何れかには界磁コイルを設け，界磁制御コイルにより界磁制御磁束を供給する構成として電機子コイルと鎖交する磁束量を制御する。
【００４１】
また回転子の隣接する磁性体突極は互いに磁気的に独立に構成すると共に磁性体突極間に界磁用永久磁石を配置して界磁磁束磁路と界磁制御磁束磁路とを共存させ，磁石励磁及び電流励磁を一体化した磁極構造の必要条件（Ｂ）を満足させている。
【００４２】
さらに界磁制御磁束の磁路内に磁気抵抗を大にする磁束分流制御手段を配置して永久磁石による界磁磁束の界磁制御磁束磁路側への分流を制御し，磁石励磁及び電流励磁を一体化した磁極構造の必要条件（Ａ）を満足させている。
【００４３】
上記回転電機システムは磁石トルクを主として利用する，或いは更にリラクタンストルクをも利用する高出力の電動機等従来の回転電機装置に適用出来，界磁制御コイルにより回転子及び電機子間の界磁強度を弱め或いは強めに制御する事で実用出来る回転速度範囲を広げる事が出来る。
【００４４】
更に，上記回転電機システムは界磁制御コイルにより回転子及び電機子間の界磁強度を制御して発電機能を改善し，また発電電圧を所定の値に制御できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
以下，図面に示した実施例を参照して，本発明の回転電機システムを詳細に説明する。
【実施例１】
【００４６】
本発明の第一実施例による回転電機システムを図１から図６を用いて説明する。第一の実施例は回転子を電機子の内側に配置した回転電機システムである。図１は回転電機の縦断面図，図２は電機子と回転子との構成を示す断面図，図３は界磁磁束の流れる方向を示す回転子の断面図，図４は界磁磁束の流れる方向を示す永久磁石板近傍の断面図，図５は永久磁石板と界磁制御磁束の流れる方向の関係を示す断面図，図６は回転電機システムのブロック図をそれぞれ示す。
【００４７】
図１は永久磁石励磁及び電流励磁を併用する界磁部を回転子とする回転電機を示し，回転軸１１がベアリング１３を介してハウジング１２に回動可能に支持されている。電機子はハウジング１２に固定された円筒状磁気ヨーク１５と，円筒状磁気ヨーク１５から径方向に延びる複数の磁性体歯１４と，磁性体歯１４に巻回された電機子コイル１６とから構成されている。回転子は磁性体歯１４と径方向に対向する磁極部１７，磁極部１７を構成する磁性体突極の延長部の結合部である円筒状磁気コア１８とから構成されている。番号１９は空洞部分を示し，番号１ａは非磁性の支持体である。番号１ｂはスリップリングを，番号１ｃはブラシをそれぞれ示し，ブラシ１ｃ，スリップリング１ｂは回転子内に配置された界磁コイルへの電流供給に用いられる。番号１ｄは回転子に固定された冷却ファンを示す。
【００４８】
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示している。電機子はハウジング１２に固定された円筒状磁気ヨーク１５と，円筒状磁気ヨーク１５から径方向に延び，周方向に空隙を有する複数の磁性体歯１４と，磁性体歯１４に巻回された電機子コイル１６とから構成されている。第一の実施例では９個の電機子コイルより構成され，それらは三相に結線されている。電機子の磁性体歯１４先端には径方向に短い可飽和磁性体結合部２ｄを隣接する磁性体歯１４先端部間に設けてある。磁性体歯１４及び可飽和磁性体結合部２ｄは珪素鋼板を型で打ち抜いて積層し，電機子コイル１６を巻回した後，円筒状磁気ヨーク１５と組み合わせて電機子としている。
【００４９】
可飽和磁性体結合部２ｄは磁性体歯１４と一体として磁性体歯１４の支持強度を向上させ，磁性体歯１４の不要な振動を抑制させる。さらに可飽和磁性体結合部２ｄ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１６が発生させる磁束或いは界磁磁束によって容易に飽和し，その場合に電機子コイル１６が発生させる磁束及び界磁磁束の短絡を僅かな量とする。電機子コイル１６に電流が供給されると，時間と共に可飽和磁性体結合部２ｄ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２ｄ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２ｄはこの点でも磁性体歯１４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。
【００５０】
図２に於いて，板面と直交する磁化を持つ二つの永久磁石板を周方向の両側面に配置された中間磁性体突極を集合永久磁石として，回転子の磁極部には磁性体歯と径方向に空隙を挟んで対向し，軸方向に伸び，周方向に磁性体突極及び集合永久磁石とが交互に配列されて構成されている。隣接する磁性体突極は互いに逆方向に磁化されるように隣接する集合永久磁石は互いに逆方向に磁化されている。相互の関係を説明する為にそれらの一部に番号を付して示されている。
【００５１】
磁性体突極２１，中間磁性体突極２３，磁性体突極２２が磁性体歯１４と対向して周方向に並び，それらの側面には永久磁石板２４，２５，２６，２７が配置され，それらは矢印で示されるように板面と直交する方向の磁化を持っている。同図に於いて，集合永久磁石は永久磁石板２５，中間磁性体突極２３，永久磁石板２６で構成され，隣接する集合永久磁石は互いに逆方向の磁化を持つように配置されているので磁性体突極２１両側面の永久磁石板２４，２５の磁化方向は互いに逆に，磁性体突極２２両側面の永久磁石板２６，２７の磁化方向は互いに逆に，中間磁性体突極２３の両側面の永久磁石板２５，２６の磁化方向は同じとなるよう配置されている。中間磁性体突極２３の形状は電機子に近い側の周長を遠い側の周長より小とし，永久磁石板２５．２６の磁路長を電機子側で小さく設定して界磁磁束を電機子側に集中させるよう構成されている。
【００５２】
回転子の製造組み立ては磁性体突極を主要部とする外周部と延長部を主要部とする内周部とに区分し，それぞれをほぼ完成させた後に両者を組み合わせて回転子を完成させる。すなわち，珪素鋼板を型で永久磁石板２４，２５，２６，２７を収納するスロット部分を打ち抜き，磁性体突極２１，２２及び中間磁性体突極２３，さらに磁性体突極２１，２２，中間磁性体突極２３間を結ぶ幅の小さい磁性体結合部２９を残して形成された珪素鋼板を積層して外周部を構成している。磁気空隙２ａは電気抵抗の大きな非磁性材料である樹脂を充填している。内周部は延長部２８及び円筒状磁気コア１８に相当する部分を型で珪素鋼板を打ち抜き積層し，延長部２８に界磁コイル２ｃを巻回して構成する。内周部には交流磁束を通さないので珪素鋼板の代わりに鉄を加工して形成しても良い。
【００５３】
図１に示した磁極部１７は磁性体突極２１，２２と，中間磁性体突極２３と，磁性体突極の側面に配置された永久磁石板２４，２５，２６，２７と，延長部２８と，磁性体結合部２９と，永久磁石端の磁気空隙２ａとに対応している。
【００５４】
永久磁石板２４，２５，２６，２７を収納するスロットは幅の狭い磁性体結合部２９で繋がっているが，組み立て後には永久磁石板２４，２５，２６，２７の磁束により磁気飽和し，磁性体突極２１と中間磁性体突極２３間，更に中間磁性体突極２３と磁性体突極２２間は互いに磁気的に独立である。積層された珪素鋼板のスロット部分に永久磁石板２４，２５，２６，２７を挿入して固定し，磁気空隙２ａには非磁性体である熱硬化性樹脂を充填している。
【００５５】
界磁制御部はブラシ１ｃ，スリップリング１ｂ，延長部２８に巻回された界磁コイル２ｃとより構成されている。界磁コイル２ｃはブラシ１ｃ，スリップリング１ｂを介して電流を供給されて界磁制御磁束を発生させる。各磁性体突極の延長部２８に巻回された界磁コイルのそれぞれは隣接する磁性体突極の延長部２８に逆方向の界磁制御磁束を発生させるよう結線されている。
【００５６】
図３は回転子の断面図と主な界磁磁束の流れる方向を示している。但し，回転子が単独で存在する場合の界磁磁束の流れる方向であって，回転電機として組み込まれて外周側に電機子が存在する場合は，電機子の磁性体歯１４は磁性体で構成されるので界磁磁束の分布は電機子側に偏り，さらに電機子と回転子の相対位置に応じて界磁磁束の流れる方向は変化する。同図に於いて，番号３１，３２は界磁磁束を示し，矢印は界磁磁束の流れる方向を示す。磁性体突極２１の両側面に配置された永久磁石板２４，２５は磁性体突極２１側をＮ極とし，隣接する磁性体突極２２の両側面に配置された永久磁石板２６，２７は磁性体突極２２側をＳ極としているので界磁磁束３１，３２の流れる方向は周方向に互いに逆となっている。界磁磁束３２は永久磁石板２６，中間磁性体突極２３，永久磁石板２５，磁性体突極２１，磁性体歯１４，磁性体突極２２を通る。
【００５７】
図４は磁性体突極２２の構成と界磁磁束３１，３２の流れる方向とを拡大して示す断面図である。永久磁石板２６，２７は磁束短絡を防ぐ為に両端に磁気空隙２ａ，４５を有するようスロット内に固定されている。スロット端の磁性体結合部２９，４４にも界磁磁束の一部４１，４２が流れ，磁性体結合部２９，４４を磁気的に飽和している。磁性体結合部２９，４４は径方向に短く設定してあるので界磁制御磁束の方向に拘わらず磁気的な飽和状態を維持し，飽和状態にある磁性体の比透磁率は空気とほぼ同じになるので隣接する磁性体突極２１，２２間を磁気的に短絡することはない。
【００５８】
回転子の磁極部は主に珪素鋼板の積層体で構成され，珪素鋼板に形成されたスロットを磁束バリアとなる磁気空隙とし，永久磁石板を埋め込んでいるので機械的には強固に形成されている。磁性体突極２１，２２，中間磁性体突極２３は珪素鋼板で占められて周方向に磁束が通りやすく，永久磁石板２４，２５，２６，２７は周方向に磁束の通りにくい磁束バリアとしてリラクタンストルクを利用する電動機に適した構造である。
【００５９】
永久磁石板２６，２７の界磁磁束は磁性体突極の延長部２８側にも流れるが，磁性体突極２２の延長部２８には分流制御空隙２ｂが設けられているので僅かな漏れ磁束４３のみが分流制御空隙２ｂ周辺に流れる。
【００６０】
界磁磁束の磁路は界磁磁束３２を例に挙げれば，永久磁石板２６，中間磁性体突極２３，永久磁石板２５，磁性体突極２１，磁性体歯１４，磁性体突極２２である。しかし，磁性体突極２１，２２はそれぞれの延長部２８及び円筒状磁気コア１８で形成する磁路にも並列に接続されているのでかなりの界磁磁束が延長部２８及び円筒状磁気コア１８側の磁路にも分流する。分流制御空隙２ｂが無い場合には，電機子の磁性体歯１４と磁性体突極２１，２２間には空隙が有るので延長部２８及び円筒状磁気コア１８側への分流磁束が支配的となって磁性体歯１４側への界磁磁束３１，３２は微小となる。
【００６１】
本発明では延長部２８で形成する磁路中に磁気抵抗を大とする磁束分流制御手段を配置して永久磁石板２４，２５，２６，２７が発生する界磁磁束を電機子１４側に集中させている。磁束分流制御手段は磁路の一部の断面積を小とする，磁路の一部の素材を比透磁率の小さい磁性体で形成する，磁路の一部に空隙を設ける等種々の方法で実現出来るが，本実施例では分流制御空隙２ｂとして磁気空隙を設けている。
【００６２】
分流制御空隙２ｂの空隙長及び対向面積は界磁コイル２ｃに電流を流さない状態で磁石板２４，２５，２６，２７が発生する界磁磁束をどの程度電機子側に流すかによって決められるパラメータであり，磁性体歯１４と磁性体突極２１，２２間の空隙長，対向面積等を考慮して設定する。
【００６３】
図５（ａ），図５（ｂ）は磁性体突極２１，２２及び中間磁性体突極２３周辺の界磁磁束及び界磁制御磁束の流れる方向を示して磁性体突極側面に配置した永久磁石板の磁化方向と界磁制御磁束の流れる方向との関係を説明する。図５（ａ）は界磁制御磁束が界磁磁束３１，３２を強める場合，図５（ｂ）は界磁制御磁束が界磁磁束３１，３２を弱める場合をそれぞれ示す。
【００６４】
図５（ａ）に示す強め界磁の場合，界磁コイル２ｃにより延長部２８側から磁性体突極２１側へ界磁制御磁束５１が流れ，磁性体突極２２側から延長部２８側に界磁制御磁束５２が流れる場合である。界磁制御磁束５１，５２の方向は永久磁石板２４，２５，２６，２７の磁化方向と逆方向となるので番号５３，５４で示すように外周の磁性体歯１４側に流れて界磁磁束３１，３２を強めることになる。
【００６５】
この場合，永久磁石板２４，２５，２６，２７は界磁制御磁束の磁束バリアーとして働き，磁性体突極２１及び磁性体突極２２を軸方向に流れる界磁制御磁束を磁気的に短絡させることはない。永久磁石板２４，２５，２６，２７は逆励磁されることになるが，永久磁石板２４，２５，２６，２７は番号３１，３２で示すように界磁磁束の磁路を常に有するので減磁される懸念は無い。
【００６６】
永久磁石板２４，２５，２６，２７を介して強め界磁の界磁制御磁束が短絡される事はないが，永久磁石の比透磁率はほぼ空気と同じであり，永久磁石板２４，２５，２６，２７の厚みが小の場合はその間を界磁制御磁束が漏洩する可能性がある。回転電機の仕様により異なるが，例えば磁性体歯１４と磁性体突極２１，２２間の径方向空隙を０．３から０．５ミリメートル程度に設定する場合，磁性体突極２１，２２間の永久磁石板２５，２６の厚みの和を径方向間隙の数倍となる５ミリメートル以上に設定して界磁制御磁束の漏洩を無視出来る程度とする。したがって永久磁石板２４，２５，２６，２７それぞれの厚みは２．５ミリメートル以上である。ただ，上記の永久磁石板２４，２５，２６，２７の厚み設定は望ましい実施例であって上記の数値より小の厚みの永久磁石板で性能が得られない訳ではない。回転子の軸長，界磁強度等個々の回転電機の仕様に従って最適な値に設定する。
【００６７】
図５（ｂ）では延長部２８側から磁性体突極２２側へ界磁制御磁束５６が流れ，磁性体突極２１側から延長部２８側に界磁制御磁束５５が流れる場合である。永久磁石板２４，２５，２６，２７の磁化方向と界磁制御磁束５５，５６の流れる方向は同じとなるので永久磁石板２４，２５，２６，２７が発生する磁束は延長部２８，及び円筒状磁気コア１８等で構成する磁路側に分流する。番号５７は延長部２８，及び円筒状磁気コア１８側に分流する永久磁石板２５，２６の分流磁束を示す。永久磁石板２５，２６は磁気的にほぼ飽和しているので発生する総磁束量の変化は小さく，この分流磁束５７量にほぼ比例して界磁磁束３２は減少する。番号５８，５９は界磁磁束３２の減少分を磁性体歯１４と磁性体突極２１，２２間を流れる等価的な界磁制御磁束として示している。
【００６８】
図１から図５までを用いて構成を説明した回転電機装置に於いて，回転軸１１が外力により回転させられると，永久磁石板２４，２５，２６，２７による界磁磁束は磁性体突極２１，２２から磁性体歯１４に順次流入し，電機子コイル１６と鎖交し，電機子コイル１６は三相に結線されているので三相の電力を出力する。
【００６９】
同時にブラシ１ｃ，スリップリング１ｂを介して界磁コイル２ｃに電流を供給して界磁制御磁束を発生させると，界磁制御磁束は回転に応じて磁性体突極２１，２２から対向する磁性体歯１４に順次流入して電機子コイル１６と鎖交する。電機子コイル１６には永久磁石板２４，２５，２６，２７による界磁磁束及び界磁コイル２ｃによる界磁制御磁束が鎖交し，双方の鎖交磁束の和に対応する電力を出力する。
【００７０】
上記の回転電機装置を電動機とする場合，回転子の磁性体突極２１，２２，中間磁性体突極２３の位置に応じて電機子コイル１６に駆動電流を供給することでリラクタンストルクと磁石トルクとを利用して高効率で回転駆動させる事が出来る。更に第一の実施例では界磁コイル２ｃに供給する電流により電機子コイル１６と鎖交する磁束量を変える事が出来，高速回転域での弱め界磁，低速回転域での強め界磁等の界磁制御を実現して常に最適な回転条件とする事が出来る。
【００７１】
図６は弱め及び強め界磁制御を行う回転電機システムのブロック図を示す。回転電機６１は入力６２，出力６３を有するとし，制御装置６５は回転電機６１の出力６３及び回転子の位置を含む状態信号６４を入力として制御信号６６を介して回転電機６１を制御する。回転電機６１が発電機として用いられるのであれば，入力６２は回転力であり，出力６３は発電電力となる。回転電機６１が電動機として用いられるのであれば，入力６２は電機子コイル１６に供給される電流であり，出力６３は回転トルク，回転速度となる。更に制御装置６５は電動機を駆動する駆動回路を含む。
【００７２】
以下に回転電機６１を発電機として用い，界磁制御を行って定電圧発電機システムとする例を説明する。発電機６１は入力６２を回転力として出力６３を発電出力とし，制御装置６５は出力６３である発電電圧を所定の電圧と比較し，発電電圧が所定の値より大であれば制御信号６６により回転子の磁性体突極２１，２２と電機子の磁性体歯１４間の界磁強度を小とする電流を界磁コイル２ｃに供給し，発電電圧が所定の値より小であれば制御信号６６により回転子の磁性体突極２１，２２と電機子の磁性体歯１４間の界磁強度を大とする電流を界磁コイル２ｃに供給し，出力６３である発電電圧を所定の値に制御する。
【００７３】
更に回転電機６１を電動機として用いて弱め或いは強め界磁制御を行って回転力制御を行う電動機システムの場合，入力６２を電機子コイル１６に供給する電流として，出力６３を回転力，回転速度とする。制御装置６５は出力６３である回転速度が所定の値より大となり弱め界磁とする時には制御信号６６により回転子の磁性体突極２１，２２と電機子の磁性体歯１４間の界磁強度を小とする電流を界磁コイル２ｃに供給し，回転速度が所定の値より小となり強め界磁とする時には回転子の磁性体突極２１，２２と電機子の磁性体歯１４間の界磁強度を大とする電流を界磁コイル２ｃに供給する。
【００７４】
以上，図１から図６までを用いて説明したように第一実施例では強め界磁とする場合に界磁制御磁束の流れる方向は界磁用永久磁石板の磁化方向と逆であり界磁用永久磁石板は界磁制御磁束の磁性体突極間の短絡を妨げる磁束バリアとなるが，磁性体突極及び磁性体歯より構成される界磁磁束の磁路は常に存在するので界磁用永久磁石板が減磁されることは無い。また弱め界磁とする場合には界磁用永久磁石板には磁化方向と同じ方向の磁界を加えて界磁用永久磁石板の磁束を円筒状磁気コア側に分流させ，界磁用永久磁石板を損傷させることなく界磁制御を可能とする。
【実施例２】
【００７５】
本発明による第二実施例を図７から，図１２を用いて説明する。第二の実施例は第一の実施例に於いて，回転子の磁極部構成を変えたのみで電機子及びその他の構成は同じである。以下では第一の実施例と異なっている部分に集中して説明する。図７は回転電機の縦断面図，図８は電機子と回転子との構成を示す断面図，図９は界磁磁束の流れる方向を示す回転子の断面図，図１０は界磁磁束の流れる方向を示す永久磁石近傍の断面図，図１１は磁束分流制御機構の構成を示す図，図１２は界磁磁束と界磁制御磁束の流れる方向を示す永久磁石近傍の断面図である。
【００７６】
図７は永久磁石励磁及び電流励磁を併用する界磁部を回転子とする回転電機を示し，回転軸１１がベアリング１３を介してハウジング１２に回動可能に支持されている。電機子はハウジング１２に固定された円筒状磁気ヨーク１５と，円筒状磁気ヨーク１５から径方向に延びる複数の磁性体歯１４と，磁性体歯１４に巻回された電機子コイル１６とから構成されている。回転子は磁性体歯１４と径方向に対向する磁極部１７，磁極部１７を構成する磁性体突極の延長部の結合部である円筒状磁気コア１８，磁束分流制御機構７１，７２とから構成されている。番号１ａは非磁性の支持体である。番号１ｂはスリップリングを，番号１ｃはブラシをそれぞれ示し，ブラシ１ｃ，スリップリング１ｂは回転子内に配置された界磁コイルへの電流供給に用いられる。番号１ｄは回転子に固定された冷却ファンを示す。
【００７７】
図８は図７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示している。電機子の構成は図２に示した第一の実施例と同じであり，機能形状の同じ部材には同一の番号を付している。同一部分の詳細な説明は省略する。
【００７８】
図８に示した回転子の磁極部構造は図２に示した第一の実施例の構造とは異なる。回転子は磁性体歯と径方向に空隙を挟んで対向し，軸方向に伸び，周方向に配列された複数の磁性体突極及び磁性体突極の側面間に永久磁石を配置して構成される磁極部を有し，相互の関係を説明する為にそれらの一部に番号を付して示している。磁極部の主要部は隣接する磁性体突極８１，８２と，磁性体突極間の永久磁石８３と，磁性体突極を構成する磁性体間の磁性体結合部８４，８５と，磁気空隙８６とから構成され，図７に図示した回転子の磁極部１７に対応している。隣接する磁性体突極８１，８２で異なる磁化が現れるように隣り合う永久磁石８３は周方向の磁化方向を反転させて配置されている。永久磁石８３中に示した矢印は磁化方向を示している。
【００７９】
磁性体突極８１，８２はそれぞれ内周側への延長部８７，８９を持ち，円筒状磁気コア１８と結合している。磁性体突極８１の延長部８７には界磁コイル８８が巻回され，磁性体突極８２の延長部８９には分流制御空隙８ａが設けられ，さらに分流制御空隙８ａには可動鉄片８ｂが空隙を挟んで配置されている。
【００８０】
磁性体突極を主要部とする外周部と延長部を主要部とする内周部とはそれぞれ構成した後に組み合わせて回転子を完成させる。すなわち，磁性体突極８１，８２，磁性体結合部８４，８５は珪素鋼板を型で打ち抜いた後，積層して外周部を構成している。磁性体結合部８４，８５は永久磁石８３の磁束により容易に磁気飽和して磁性体突極８１，８２を磁気的に分離するよう径方向の長さを小さく設定している。磁気空隙８６は電気抵抗の大きな非磁性材料である樹脂を充填している。内周部は延長部８７，８９及び円筒状磁気コア１８に相当する部分を型で珪素鋼板を打ち抜き積層し，延長部８７に界磁コイル８８を巻回して構成する。内周部には交流磁束を通さないので珪素鋼板の代わりに鉄を加工して形成しても良い。
【００８１】
界磁制御部はブラシ１ｃ，スリップリング１ｂ，延長部８７に巻回された界磁コイル８８とより構成されている。第一実施例の場合とは異なり，界磁コイル８８は磁性体突極８１の延長部８７のみに配置されて磁性体突極８２の延長部８９には配置されていない。界磁コイル８８はブラシ１ｃ，スリップリング１ｂより電流を供給されて界磁制御磁束を発生させる。
【００８２】
磁性体突極８２の延長部８９には分流制御空隙８ａが設けられ，分流制御空隙８ａ近傍に可動鉄片８ｂが配置され，図１１を用いて説明されるように可動鉄片８ｂはスプリングで延長部８９から離れるよう付勢されている。
【００８３】
図９は回転子の断面図と界磁磁束の流れる方向を示している。但し，回転子が単独で存在する場合の界磁磁束の流れる方向であって，回転電機として組み込まれて外周側に電機子が存在する場合は，電機子の磁性体歯１４は磁性体で構成されるので界磁磁束の分布は電機子側に偏り，さらに電機子と回転子の相対位置に応じて磁束の分布は変化する。同図に於いて，番号９１，９２は界磁磁束を示し，矢印が界磁磁束の流れる方向を示す。矢印は磁束が永久磁石のN極から出てＳ極に入ると規定して磁束の流れるする方向を示している。磁性体突極８１，８２間に配置された永久磁石８３は周方向の磁化を持ち，隣接する永久磁石８３毎に磁化方向は反転されているので永久磁石８３から漏洩する磁束は番号９１，９２で示すように隣り合う磁性体突極８１，８２で先端部の磁化方向を反転させている。
【００８４】
図１０は永久磁石８３近傍に於ける界磁磁束の流れる方向を示す。界磁磁束は番号９２で示す他に番号１０１で示すように磁性体結合部８４を通る界磁磁束及び番号１０２で示すように磁性体結合部８５を通る界磁磁束が存在し，磁性体結合部８４，８５を磁気的に飽和させる。磁性体結合部８４，８５は径方向に短く設定してあるので界磁制御磁束の方向に拘わらず磁気的な飽和状態を維持し，飽和状態にある磁性体の比透磁率は空気とほぼ同じになるので隣接する磁性体突極８１，８２間を磁気的に短絡することはない。磁性体突極８１，８２間の永久磁石８３を含む間隔は磁性体歯１４と磁性体突極８１，８２間の空隙より十分に大として界磁制御磁束の漏洩量を少なく抑える。
【００８５】
回転子の磁極部は主に珪素鋼板の積層体で構成され，珪素鋼板に形成されたスロットを磁束バリアとなる磁気空隙８６とし，永久磁石８３を埋め込んでいるので機械的には強固に形成されている。磁性体突極８１，８２は珪素鋼板で占められて周方向に磁束が通りやすく，磁性体突極８１，８２間の磁気空隙８６は周方向に磁束の通りにくい磁束バリアとしてリラクタンストルクを利用する電動機に適した構造である。磁気空隙８６のほぼ全体を永久磁石８３が占める構造としてさらに磁束バリアの効果を高める構造も可能である。
【００８６】
永久磁石８３からの磁束は延長部８７，円筒状磁気コア１８，延長部８９で構成する磁路にも流れる。延長部８９には分流制御空隙８ａが設けられているので界磁磁束の流入は抑制され，分流制御空隙８ａ周辺には微小な漏れ磁束１０３のみが存在する。
【００８７】
界磁磁束の磁路は界磁磁束９２を例に挙げれば，永久磁石８３，磁性体突極８１，磁性体歯１４，磁性体突極８２である。しかし，磁性体突極８１，８２は延長部８７，円筒状磁気コア１８，延長部８９等で形成する磁路も並列に接続されているのでかなりの界磁磁束が円筒状磁気コア１８側の磁路にも分流する。円筒状磁気コア１８を通る磁路が全て磁性体で形成された場合には，電機子の磁性体歯１４と磁性体突極８１，８２間には空隙が有るので円筒状磁気コア１８側への分流磁束が支配的となって磁性体歯１４側への界磁磁束９１，９２は微小となる。
【００８８】
本発明では延長部８７，円筒状磁気コア１８，延長部８９等で形成する磁路中に磁気抵抗を大とする磁束分流制御手段を配置して永久磁石８３が発生する界磁磁束を電機子１４側に集中させている。磁束分流制御手段は磁路の一部の断面積を小とする，磁路の一部の素材を比透磁率の小さい磁性体で形成する，磁路の一部に空隙を設ける等種々の方法で実現出来る。
【００８９】
しかし，分流制御空隙８ａは磁気抵抗を大にして界磁磁束の分流を抑制するが，同時に界磁コイル８８が発生させる界磁制御磁束の発生効率をも小とする弊害がある。本実施例ではさらに界磁コイル８８に流す電流が大になると分流制御空隙８ａを短絡させる構造の磁束分流制御手段を採用している。すなわち，可動鉄片８ｂを分流制御空隙８ａに隣接して配置し，界磁コイル８８に電流が流れていない状態では可動鉄片８ｂが分流制御空隙８ａより離れ，界磁コイル８８への電流が所定のレベルより大では界磁コイル８８に供給される電流に比例して界磁制御磁束が大になり，可動鉄片８ｂを磁気的に吸引して分流制御空隙８ａを短絡させる。
【００９０】
図１１は可動鉄片８ｂを支持して延長部８９との空隙を大にするよう付勢する磁束分流制御機構７１，７２の構成及び動作を説明する為の図である。磁束分流制御機構７１，７２は図７に示すように回転子の両端に固定され，可動鉄片８ｂを両端で支持している。それらの構成は同じであるので磁束分流制御機構７２の縦断面図を図１１（ａ）に，軸方向の右から見た平面図を図１１（ｂ）に示している。
【００９１】
磁束分流制御機構７２は外輪１１１，内輪１１２，板バネ１１３とより構成される。内輪１１２は支持体１ａ外周を摺動可能に構成され，可動鉄片８ｂの一端が固定されている。可動鉄片の他端は磁束分流制御機構７１の内輪に固定されている。外輪１１１は回転子に固定され，３個の板バネ１１３が内輪１１２，外輪１１１間に配置されて内輪１１２を回転偏倚可能に支持している。番号１１４は板バネ１１３が内輪１１２を外輪１１１に対して付勢する方向を示している。延長部８９は可動鉄片８ｂとの関係を示す為に点線で示されている。
【００９２】
磁束分流制御機構７１，７２により支持された可動鉄片８ｂは図１１に示すように延長部８９の分流制御空隙８ａの近傍に配置され，板バネ１１３により矢印１１４で示される方向に付勢されている。界磁コイル８８に電流が供給されず，延長部８９には永久磁石８３からの分流磁束のみが僅かに流れている状態で可動鉄片８ｂは延長部８９と離れているように設定されている。界磁コイル８８に所定以上の電流が供給され，延長部８９を通る界磁制御磁束が増えると，可動鉄片８ｂを磁気的に吸引する力が板バネ１１３の力に勝って可動鉄片８ｂを延長部８９側に偏倚させて分流制御空隙８ａに於ける磁気抵抗を減少させる。可動鉄片８ｂを磁気的に吸引する力は界磁制御磁束の方向によらず，絶対量に比例して強め或いは弱め界磁の双方の場合に動作する。
【００９３】
界磁コイル８８が発生させる界磁制御磁束が小の場合，可動鉄片８ｂと延長部８９間の空隙は大で有るので永久磁石８３の発生する磁束は磁性体歯１４側に集中し，磁石励磁が支配的となる。界磁制御磁束が大の場合，可動鉄片８ｂは延長部８９側に吸引されて分流制御空隙８ａを短絡させる。永久磁石８３の発生する磁束は延長部８７，円筒状磁気コア１８，延長部８９等で形成する磁路で短絡されるが，界磁制御磁束発生の効率を大として電流励磁が支配的となり，電機子コイル１６と鎖交する磁束量の制御範囲を拡大出来る。
【００９４】
図１２（ａ），図１２（ｂ）は磁性体突極８１，８２及び永久磁石８３周辺の界磁磁束及び界磁制御磁束の流れる方向を示して磁性体突極側面に配置した永久磁石板の磁化方向と界磁制御磁束の流れる方向との関係を説明する。図１２（ａ）は界磁制御磁束が界磁磁束９２を強める場合，図１２（ｂ）は界磁制御磁束が界磁磁束９２を弱める場合をそれぞれ示す。界磁コイル８８が発生させる界磁制御磁束の絶対値は十分に大として可動鉄片８ｂは延長部８９側に磁気吸引され，分流制御空隙８ａを短絡している。
【００９５】
図１２（ａ）に示す強め界磁の場合，界磁コイル８８により延長部８７側から磁性体突極８１側へ界磁制御磁束１２１が流れ，磁性体突極８２側から延長部８９側に界磁制御磁束１２２が流れる場合である。界磁制御磁束１２１，１２２の方向は永久磁石８３を逆励磁する方向となるので番号１２３，１２４で示すように界磁制御磁束が外周の磁性体歯１４側に流れて界磁磁束９２を強めることになる。
【００９６】
この場合，永久磁石８３は界磁制御磁束の磁束バリアーとして働き，磁性体突極８１及び磁性体突極８２を流れる界磁制御磁束を磁気的に短絡させることはない。永久磁石８３は逆励磁されているが，永久磁石８３は番号９２で示すように界磁磁束の磁路を常に有するので減磁される懸念は無い。
【００９７】
永久磁石８３を介して強め界磁の界磁制御磁束が短絡される事はないが，永久磁石の比透磁率はほぼ空気と同じであり，永久磁石８３の厚みが小の場合はその間を界磁制御磁束が漏洩する可能性がある。回転電機の仕様により異なるが，例えば磁性体歯１４と磁性体突極８１，８２間の径方向空隙を０．３から０．５ミリメートル程度に設定する場合，磁性体突極８１，８２間の永久磁石８３の厚みを径方向間隙の数倍となる５ミリメートル以上に設定して界磁制御磁束の漏洩を無視出来る程度とする。ただ，上記の永久磁石８３の厚み設定は望ましい実施例であって上記の数値より小の厚みの永久磁石で性能が得られない訳ではない。回転子の軸長，界磁強度等個々の回転機の仕様に従って最適な値に設定する。
【００９８】
図１２（ｂ）では延長部８９側から磁性体突極８２側へ界磁制御磁束１２６が流れ，磁性体突極８１側から延長部８７側に界磁制御磁束１２５が流れる場合である。界磁制御磁束１２５，１２６は永久磁石８３を順方向に励磁する方向となるので永久磁石８３が発生する磁束は延長部８７，８９，及び円筒状磁気コア１８等で構成する磁路側に分流する。番号１２７は延長部８７，８９，及び円筒状磁気コア１８側に分流する永久磁石８３の分流磁束を示す。永久磁石８３は磁気的にほぼ飽和しているので発生する総磁束量の変化は小さく，この分流磁束１２７量にほぼ比例して界磁磁束９２は減少する。番号１２８，１２９は界磁磁束９２の減少分を磁性体歯１４と磁性体突極８１，８２間を流れる等価的な界磁制御磁束として示している。
【００９９】
以上に図７から図１２を用いて説明したように第二の実施例と第一の実施例とは磁極部構造，界磁制御部が異なるが，界磁磁束及び界磁制御磁束の流れを制御する原理，作用等は同じであり，第二実施例で示した回転電機は第一実施例と同様に図６に示したブロック図にしたがって，定電圧発電機システム，強め或いは弱め界磁制御を行う電動機システム等を実現出来る。
【０１００】
第一，第二実施例に於いて，磁性体突極及び磁性体突極周辺の形状，永久磁石形状等が異なるが，第二実施例に於ける永久磁石と，第一実施例に於ける両側面に永久磁石板を持つ中間磁性体突極とは界磁磁束及び界磁制御磁束に関する磁気回路の観点からはほぼ等価である。両者の形状，寸法等の差はリラクタンストルクを如何に効率よく利用出来る形状とするか，或いは回転子を如何に製造しやすい形状とするかの差に帰結する。また第一の実施例に於いて中間磁性体突極の両側面に配置した永久磁石板はＶ字状に配置したが，永久磁石板の間の交差角度は磁束バリアの効果に影響し，それぞれ回転電機システムの仕様により最適な値は存在する。第二実施例の磁性体突極間の空隙部までを永久磁石とする構成も可能であり，上記の第一，第二の実施例に関する記述が本発明の範囲を限定する訳ではない。
【実施例３】
【０１０１】
本発明による第三実施例を図１３を用いて説明する。第三実施例は第一実施例の回転電機装置を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。
【０１０２】
同図に於いて，番号１３１は第一の実施例で示した回転電機装置を示し，回転電機装置１３１はハイブリッドカーのエンジン１３２とベルトで回転力を伝達するよう結合された回転軸１３９を持ち，回転軸１３９の回転力はトランスミッション１３３を介して駆動軸１３ａに伝えられる。制御装置１３４は上位制御装置からの指令１３ｂを受け，電動機駆動回路１３５を介して回転電機装置１３１を電動機として駆動し，界磁制御回路１３６を介して回転電機装置１３１の界磁強度を制御する。更に制御装置１３４は上位制御装置からの指令１３ｂを受け，電機子コイル１６の引き出し線１３ｃに現れる発電電力を整流回路１３７を介して整流し，バッテリー１３８を充電する構成としている。
【０１０３】
制御装置１３４は指令１３ｂの指示により電動機駆動回路１３５を介して回転電機装置１３１を電動機として駆動し，エンジン１３２の回転をアシスト或いは単独で回転軸１３９を回転駆動させ，トランスミッション１３３，駆動軸１３ａを介してハイブリッドカーの駆動力に寄与する。起動直後の低回転速度域で磁石トルクを強化する必要がある場合は制御装置１３４が界磁制御回路１３６を介して電機子の磁性体歯１４，回転子の磁性体突極２１，２２間の界磁強度を大とする電流を界磁コイル２ｃに供給し，高回転速度域で弱め界磁とする場合には制御装置１３４が界磁制御回路１３６を介して電機子の磁性体歯１４，回転子の磁性体突極２１，２２間の界磁強度を小とする電流を界磁コイル２ｃに供給する。
【０１０４】
エンジン１３２の回転力のみでハイブリッドカーを駆動できる時は，指令１３ｂにより電機子コイル１６の引き出し線１３ｃに現れる発電電力を整流回路１３７を介して直流に変え，バッテリー１３８を充電させる。その場合に制御装置１３４はバッテリー１３８を充電する最適な電圧になるよう界磁制御回路１３６を介して界磁コイル２ｃに供給する電流を制御する。バッテリー１３８に充電する場合に回転電機装置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１３８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。
【０１０５】
第三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。指令１３ｂを通じて回生制動の指示を受けると，制御装置１３４は電機子の磁性体歯１４，回転子の磁性体突極２１，２２間の界磁強度を大とする電流を界磁コイル２ｃに供給し，発電電力でバッテリー１３８に充電させる。複数のバッテリー１３８を有する場合には最も充電余力のあるバッテリー１３８の充電電圧に合わせた発電電圧が得られるよう界磁制御回路１３６を介して界磁コイル２ｃに供給する電流を制御して電機子の磁性体歯１４，回転子の磁性体突極２１，２２間の界磁強度を制御する。回転電機装置１３１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。
【０１０６】
以上，実施例を用いて詳細に構成及び動作を説明したように，本発明の趣旨は磁石励磁と電流励磁の併用を可能にして回転子と電機子間の界磁強度を容易に制御可能とする回転電機システム及び界磁制御方法を提供する事である。提案した回転電機システムで界磁制御磁束は回転子に配置された界磁用永久磁石の特性を損なうこと無く，電機子と回転子間の界磁強度を制御出来，磁石トルク及びリラクタンストルクを利用する広範な回転電機システムに適用可能でこれらの回転電機システムを最適の条件で運用することを可能にした。
【０１０７】
磁石トルク及びリラクタンストルクを利用する従来の電動機では弱め界磁をソフト制御により実現しているが，本発明による回転電機では同じソフト制御により弱め界磁を実現出来，さらに界磁制御コイルへの電流制御を併用して弱め界磁制御範囲の拡大及び強め界磁制御を実現出来る。また，従来のソフトによる弱め界磁制御では電機子部での渦電流損による発熱を招き，各種パラメータの監視も含めてソフトの肥大化と不安定性は大きな問題であったが，本発明の趣旨により界磁制御を界磁コイルへの電流制御のみとすればソフトの肥大化及び不安定性の問題は解決出来る。また，さらにコストの高い回転位置検出器を排してセンサレス駆動方式の導入を容易に出来る利点がある。
【０１０８】
上記実施例は、本発明の趣旨，目的の範囲内で種々の改善，変更は可能であり，上記の実施例が発明の範囲を限定する訳では無い。例えば電機子コイルに関しては，上記実施例で６個の磁性体突極，９個の磁性体歯と電機子コイルの構成を採用したが，これは一例を示したのみで種々の組み合わせが可能である。また，上記実施例で電機子コイルはそれぞれの磁性体歯に集中的に巻回されていたが，電機子コイルが複数の磁性体歯にまたがって巻回されてもよく，目的とする電動機，発電機の仕様に従って多様な構成が可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
本発明による回転電機システムは従来の磁石トルク，リラクタンストルクを利用する回転電機の構造を変えて回転子と電機子間の界磁強度を容易に制御可能とした。同回転電機システムは従来の回転電機と同様に高出力の電動機として利用できる事に加えて実用出来る回転速度範囲を拡大し，更に発電機能を制御できる。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】本発明の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と回転子とを示す断面図である。
【図３】図１に示された回転電機の界磁磁束の流れる方向を示す回転子の断面図である。
【図４】図１に示された回転電機の界磁磁束の流れる方向を示す永久磁石板近傍の断面図である。
【図５】図１に示された回転電機の永久磁石板と界磁制御磁束の流れる方向の関係を示す断面図である。
【図６】界磁制御を行う回転電機システムのブロック図である。
【図７】本発明の第二の実施例による回転電機の縦断面図である。
【図８】図７に示された回転電機の電機子と回転子とを示す断面図である。
【図９】図７に示された回転電機の界磁磁束の流れる方向を示す回転子の断面図である。
【図１０】図７に示された回転電機の界磁磁束の流れる方向を示す永久磁石近傍の断面図である。
【図１１】図７に示された回転電機の磁束分流制御機構の縦断面図（ａ）及び平面図（ｂ）である。
【図１２】図７に示された回転電機の界磁磁束と界磁制御磁束の流れる方向を示す永久磁石近傍の断面図である。
【図１３】本発明の第三の実施例による回転電機システムのブロック図である。
【符号の説明】
【０１１３】
１１・・・回転軸，                      １２・・・ハウジング，
１３・・・ベアリング，                  １４・・・磁性体歯，
１５・・・円筒状磁気ヨーク，            １６・・・電機子コイル，
１７・・・磁極部，                      １８・・・円筒状磁気コア，
１９・・・空洞部分，                    １ａ・・・支持体，
１ｂ・・・スリップリング，              １ｃ・・・ブラシ，
１ｄ・・・冷却ファン
２１，２２・・磁性体突極，              ２３・・・中間磁性体突極，
２４，２５，２６，２７・・永久磁石板，
２８・・・延長部，                      ２９・・・磁性体結合部，
２ａ・・・磁気空隙，                    ２ｂ・・・分流制御空隙，
２ｃ・・・界磁コイル，                  ２ｄ・・・可飽和磁性体結合部
３１，３２・・界磁磁束
４１，４２・・界磁磁束，                ４３・・・漏れ磁束，
４４・・・磁性体結合部，                ４５・・・磁気空隙
５１，５２，５３，５４，５５，５６，５８，５９・・界磁制御磁束，
５７・・・分流磁束
６１・・・回転電機，                    ６２・・・入力，
６３・・・出力，                        ６４・・・状態信号，
６５・・・制御装置，                    ６６・・・制御信号
７１，７２・・磁束分流制御機構
８１，８２・・磁性体突極，              ８３・・・永久磁石，
８４，８５・・磁性体結合部，            ８６・・・磁気空隙，
８７，８９・・延長部，                  ８８・・・界磁コイル，
８ａ・・・分流制御空隙，                ８ｂ・・・可動鉄片
９１，９２・・界磁磁束
１０１，１０２・・界磁磁束，            １０３・・・漏れ磁束
１１１・・・外輪，                      １１２・・・内輪，
１１３・・・板バネ，                    １１４・・・板バネの付勢方向
１２１，１２２，１２３，１２４，１２５，１２６，１２８，１２９・・界磁制御磁束，
１２７・・・分流磁束
１３１・・・第一の実施例で示した回転電機装置，
１３２・・・ハイブリッドカーのエンジン，
１３３・・・トランスミッション，        １３４・・・制御装置，
１３５・・・電動機駆動回路，            １３６・・・界磁制御回路，
１３７・・・整流回路，                  １３８・・・バッテリー，
１３９・・・回転軸，                    １３ａ・・・駆動軸，
１３ｂ・・・上位制御装置からの指令，    １３ｃ・・・電機子コイルの引き出し線
【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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