(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持つ磁性体突極の磁化方向により２グループに分けてそれぞれのグループの磁性体突極間に回転軸を周回する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。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
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【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，磁性体歯と径方向に空隙を挟んで対向し，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，隣接する磁性体突極は互いに磁気的に独立に構成されて磁化方向が互いに異な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並び，第一磁性体突極及び第二磁性体突極のそれぞれは異なる軸方向に延長した第一延長部及び第二延長部を持ち，回転軸外周に配置されて前記第一，第二延長部とそれぞれ界磁回転子両端で当接する界磁制御磁気ヨークと，界磁制御磁気ヨークに巻回された界磁制御磁気コイルとより構成された界磁制御部を有し，第一延長部及び第二延長部と界磁制御磁気ヨークとで構成する磁路の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更に有し，回転電機システムの出力に応じて界磁制御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，磁束分流制御手段は第一延長部及び第二延長部と界磁制御磁気ヨークとで構成する界磁制御磁束の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３】
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第一延長部及び第二延長部と界磁制御磁気ヨークとで構成する磁路内に磁路を構成する磁性体と可動磁性体片との間に構成した空隙とし，可動磁性体片を前記空隙が大となるよう付勢するスプリングを更に有し，界磁制御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界磁制御磁束の磁路内に配置された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，磁性体突極より飽和磁束密度が大の等方性磁性体で構成された制御磁束磁路を磁性体突極に隣接して有する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６】
請求項５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７】
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板面と直交し且つ同一磁化方向を持つ二つの永久磁石板とから成り，二つの永久磁石板は中間磁性体突極の周方向両側面に配置された構成とし，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８】
請求項７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９】
請求項７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１０】
請求項７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部分の軸方向磁気抵抗を大とするよう一部の中間磁性体突極部分を切除し，非磁性素材を配置した事を特徴とする回転電機システム
【請求項１１】
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，磁性体歯と径方向に空隙を挟んで対向し，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，隣接する磁性体突極は互いに磁気的に独立に構成されて磁化方向が互いに異な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並び，第一磁性体突極及び第二磁性体突極のそれぞれは異なる軸方向に延長した第一延長部及び第二延長部を持ち，界磁制御部は二つの環状の界磁制御磁気ヨーク及び界磁制御磁気ヨークそれぞれに巻回された二つの界磁制御コイルとで構成され，二つの界磁制御磁気ヨークは円筒状磁気ヨーク両端にそれぞれ結合すると共にそれぞれが第一延長部及び第二延長部と空隙を介して軸方向に対向し，回転電機システムの出力に応じて界磁制御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１２】
請求項１１記載の回転電機システムに於いて，第一延長部と界磁制御磁気ヨーク間の軸方向空隙長を第一延長部と界磁制御磁気ヨークとの対向面積で除した値及び第二延長部と界磁制御磁気ヨーク間の軸方向空隙長を第二延長部と界磁制御磁気ヨークとの対向面積で除した値との和は，磁性体突極と磁性体歯間の径方向空隙長を磁性体突極と磁性体歯との対向面積の総和で除した値の４倍より大とするよう設定して永久磁石磁束の分流を制限する磁束分流制御手段としたことを特徴とする回転電機システム
【請求項１３】
請求項１１記載の回転電機システムに於いて，磁性体突極より飽和磁束密度が大の等方性磁性体で構成された制御磁束磁路を磁性体突極に隣接して有することを特徴とする回転電機システム
【請求項１４】
請求項１１記載の回転電機システムに於いて，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１５】
請求項１４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１６】
請求項１１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板面と直交し且つ同一磁化方向を持つ二つの永久磁石板とから成り，二つの永久磁石板は中間磁性体突極の周方向両側面に配置された構成とし，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１７】
請求項１６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１８】
請求項１６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１９】
請求項１６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部分の軸方向磁気抵抗を大とするよう一部の中間磁性体突極部分を切除し，非磁性素材を配置した事を特徴とする回転電機システム
【請求項２０】
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，磁性体歯と径方向に空隙を挟んで対向し，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，隣接する磁性体突極は互いに磁気的に独立に構成されて磁化方向が互いに異な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並び，第一磁性体突極を軸方向に延ばした第一延長部として第二磁性体突極を径を変えて軸方向の同一側に延ばした第二延長部とし，界磁制御部はハウジング側に配置された環状の界磁制御磁気ヨーク及び界磁制御磁気ヨークに巻回された界磁制御コイルとより構成され，界磁制御磁気ヨークは第一，第二延長部と空隙を挟んで対向し，回転電機システムの出力に応じて界磁制御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２１】
請求項２０記載の回転電機システムに於いて，第一延長部と界磁制御磁気ヨーク間の軸方向空隙長を第一延長部と界磁制御磁気ヨークとの対向面積で除した値及び第二延長部と界磁制御磁気ヨーク間の軸方向空隙長を第二延長部と界磁制御磁気ヨークとの対向面積で除した値との和は，磁性体突極と磁性体歯間の径方向空隙長を磁性体突極と磁性体歯との対向面積の総和で除した値の４倍より大とするよう設定して永久磁石磁束の分流を制限する磁束分流制御手段としたことを特徴とする回転電機システム
【請求項２２】
請求項２０記載の回転電機システムに於いて，磁性体突極より飽和磁束密度が大の等方性磁性体で構成された制御磁束磁路を磁性体突極に隣接して有することを特徴とする回転電機システム
【請求項２３】
請求項２０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２４】
請求項２３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２５】
請求項２０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板面と直交し且つ同一磁化方向を持つ二つの永久磁石板とから成り，二つの永久磁石板は中間磁性体突極の周方向両側面に配置された構成とし，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２６】
請求項２５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２７】
請求項２５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より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２８】
請求項２５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部分の軸方向磁気抵抗を大とするよう一部の中間磁性体突極部分を切除し，非磁性素材を配置した事を特徴とする回転電機システム
【請求項２９】
請求項１から２８の何れかに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制御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３０】
請求項１から２８の何れかに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制御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制御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３１】
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板面と直交し且つ同一磁化方向を持つ二つの永久磁石板とから成り，二つの永久磁石板は中間磁性体突極の周方向両側面に配置された構成とし，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，隣接する磁性体突極は互いに磁気的に独立で且つ磁化方向が互いに異な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並び，第一磁性体突極及び第二磁性体突極のそれぞれは異なる軸方向に延長した第一延長部及び第二延長部を持ち，回転軸外周に配置されて前記第一，第二延長部とそれぞれ界磁回転子両端で当接する界磁制御磁気ヨークと，界磁制御磁気ヨークに巻回された界磁制御磁気コイルとより構成された界磁制御部を有し，第一延長部及び第二延長部と界磁制御磁気ヨークとで構成する磁路の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更に有し，回転電機システムの出力に応じて界磁制御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３２】
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，界磁回転子は磁性体歯に対向し，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磁極構造を有し，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，隣接する磁性体突極は互いに磁気的に独立で且つ磁化方向が互いに異な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並び，第一磁性体突極及び第二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第一磁性体突極及び第二磁性体突極間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，第一磁性体突極及び第二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第一磁性体突極及び第二磁性体突極間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，磁性体歯と径方向に空隙を挟んで対向し，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，隣接する磁性体突極は互いに磁気的に独立に構成されて磁化方向が互いに異な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並び，第一磁性体突極及び第二磁性体突極のそれぞれは異なる軸方向に延長した第一延長部及び第二延長部を持ち，回転軸外周に配置されて前記第一，第二延長部とそれぞれ界磁回転子両端で当接する界磁制御磁気ヨークと，界磁制御磁気ヨークに巻回された界磁制御磁気コイルとより構成された界磁制御部を有し，第一延長部及び第二延長部と界磁制御磁気ヨークとで構成する磁路の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更に有し，回転電機システムの出力に応じて界磁制御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は設定され，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。
【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して高出力の回転電機システムとなる。
【００１５】
集合永久磁石は永久磁石と磁性体とで構成されて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】
磁性体突極を磁化方向により２グループに分けてそれぞれのグループ毎に異なる軸方向に延長して第一延長部及び第二延長部とし，回転軸を周回する界磁制御磁気ヨーク及び界磁制御コイルで構成した界磁制御部を回転子内に有し，第一延長部と第二延長部間に互いに異なる方向の界磁制御磁束を供給する。界磁制御部は磁性体突極より内周側の空きスペースに配置され，界磁制御コイルへの電流はスリップリング或いは回転トランス等を介して供給される。
【００１８】
永久磁石或いは集合永久磁石内の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。界磁制御部が第一，第二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第一，第二磁性体突極に供給して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。その場合に永久磁石の磁束の磁路は常に電機子側を通る磁路として確保されているので永久磁石が減磁される事はない。
【００１９】
界磁制御部が第一，第二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第一，第二磁性体突極に供給して永久磁石を界磁制御磁束の磁路として永久磁石からの界磁磁束の流れる磁路を変え，電機子の磁性体歯に出入する界磁磁束を減少させる。
【００２０】
磁性体突極に隣接して配置された永久磁石の磁束は磁気抵抗の小さい界磁制御磁束の磁路側に流れて電機子側に流れる界磁磁束を小とする。本発明では界磁制御磁束の磁路内に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。
【００２１】
永久磁石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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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，磁束分流制御手段は第一延長部及び第二延長部と界磁制御磁気ヨークとで構成する界磁制御磁束の磁路内に設けた磁気空隙とした事を特徴とする。
【００２５】
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，磁束分流制御手段は第一延長部及び第二延長部と界磁制御磁気ヨークとで構成する磁路内に磁路を構成する磁性体と可動磁性体片との間に構成した空隙とし，可動磁性体片を前記空隙が大となるよう付勢するスプリングを更に有し，界磁制御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界磁制御磁束の磁路内に配置された事を特徴とする。
【００２６】
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出来るが，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。
【００２７】
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，磁性体突極より飽和磁束密度が大の等方性磁性体で構成された制御磁束磁路を磁性体突極に隣接して有することを特徴とする。
【００２８】
界磁制御磁束は軸方向に流れるので珪素鋼板を軸方向に積層する構成では軸方向の磁気抵抗が大であるので等方性磁性体で構成することが望ましい。磁性体突極先端部には電機子コイルによる駆動磁束が加わるので電気抵抗が大の圧粉鉄芯，フェライト等の等方性磁性体が望ましいが，コスト或いは強度等の観点から困難である場合には電機子より離れた部分に電気抵抗の小さい等方性磁性体，例えばバルク状の鉄を配置する。
【００２９】
さらに界磁磁束を制御するには十分な量の界磁制御磁束が必要であり，飽和磁束密度の大な磁性体で界磁回転子内の空きスペースを利用して断面積の大きな界磁制御磁束の磁路を形成する。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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の前提での近似であり，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。
【００３３】
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，集合永久磁石は中間磁性体突極及び板面と直交し且つ同一磁化方向を持つ二つの永久磁石板とから成り，二つの永久磁石板は中間磁性体突極の周方向両側面に配置された構成とし，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。
【００３４】
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も同じである。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。
【００３５】
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，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。
【００３６】
請求項９の発明は，請求項７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。
【００３７】
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１０の発明は，請求項７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部分の軸方向磁気抵抗を大とするよう一部の中間磁性体突極部分を切除し，非磁性素材を配置した事を特徴とする。
【００３９】
界磁制御コイルにより中間磁性体突極内にも軸方向に流れる界磁制御磁束が誘起され，第一磁性体突極及び第二磁性体突極を流れる界磁制御磁束量をアンバランスとする。中間磁性体突極部分の軸方向磁気抵抗を大とし，中間磁性体突極部分には界磁制御磁束が軸方向に流れ難く構成する。すなわち，回転子内の鉄心を珪素鋼板の積層体として構成する場合は軸方向の数カ所で中間磁性体突極部分の欠落した珪素鋼板を積層し，珪素鋼板の不連続部を形成する。
【００４０】
請求項１１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，磁性体歯と径方向に空隙を挟んで対向し，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，隣接する磁性体突極は互いに磁気的に独立に構成されて磁化方向が互いに異な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並び，第一磁性体突極及び第二磁性体突極のそれぞれは異なる軸方向に延長した第一延長部及び第二延長部を持ち，界磁制御部は二つの環状の界磁制御磁気ヨーク及び界磁制御磁気ヨークそれぞれに巻回された二つの界磁制御コイルとで構成され，二つの界磁制御磁気ヨークは円筒状磁気ヨーク両端にそれぞれ結合すると共にそれぞれが第一延長部及び第二延長部と空隙を介して軸方向に対向し，回転電機システムの出力に応じて界磁制御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。
【００４１】
界磁制御磁気ヨーク及び界磁制御コイルは回転軸を周回する円環形状として回転子両側の固定側に配置される。界磁制御部は第一延長部と円筒状磁気ヨーク間，第二延長部と円筒状磁気ヨーク間に界磁制御磁束を供給する。第一延長部と第二延長部には互いに異なる方向の界磁制御磁束が供給される事になる。
【００４２】
請求項１２の発明は，請求項１１記載の回転電機システムに於いて，第一延長部と界磁制御磁気ヨーク間の軸方向空隙長を第一延長部と界磁制御磁気ヨークとの対向面積で除した値及び第二延長部と界磁制御磁気ヨーク間の軸方向空隙長を第二延長部と界磁制御磁気ヨークとの対向面積で除した値との和は，磁性体突極と磁性体歯間の径方向空隙長を磁性体突極と磁性体歯との対向面積の総和で除した値の４倍より大とするよう設定して永久磁石磁束の分流を制限する磁束分流制御手段としたことを特徴とする。
【００４３】
界磁用永久磁石には永久磁石両側の磁性体突極と磁性体歯を結ぶ磁路及び永久磁石両側の磁性体突極からそれぞれ界磁制御磁気ヨークを経て円筒状磁気ヨークに至る磁路が並列に接続されている。磁路内の磁性体部分の磁気抵抗は小であるとし，近似的に永久磁石両側の磁性体突極からそれぞれ界磁制御磁気ヨークを経て円筒状磁気ヨークに至る磁路内に含む空隙部での磁気抵抗を永久磁石両側の磁性体突極と磁性体歯を結ぶ磁路内に含む空隙部での磁気抵抗より大として永久磁石の発する界磁磁束を電機子側に集中させる。永久磁石両側の磁性体突極と磁性体歯を結ぶ磁路は磁性体突極と磁性体歯間の空隙を往復し，界磁磁束の通る面積は磁性体突極と磁性体歯との対向面積の総和の半分であるので磁性体突極と磁性体歯間の空隙に於ける磁気抵抗は磁性体突極と磁性体歯間の径方向空隙長を磁性体突極と磁性体歯との対向面積の総和で除した値の４倍に比例するとしている。
【００４４】
請求項１３の発明は，請求項１１記載の回転電機システムに於いて，磁性体突極より飽和磁束密度が大の等方性磁性体で構成された制御磁束磁路を磁性体突極に隣接して有することを特徴とする。
【００４５】
請求項１４の発明は，請求項１１記載の回転電機システムに於いて，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。
【００４６】
請求項１５の発明は，請求項１４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。
【００４７】
請求項１６の発明は，請求項１１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板面と直交し且つ同一磁化方向を持つ二つの永久磁石板とから成り，二つの永久磁石板は中間磁性体突極の周方向両側面に配置された構成とし，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。
【００４８】
請求項１７の発明は，請求項１６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。
【００４９】
請求項１８の発明は，請求項１６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。
【００５０】
請求項１９の発明は，請求項１６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部分の軸方向磁気抵抗を大とするよう一部の中間磁性体突極部分を切除し，非磁性素材を配置した事を特徴とする。
【００５１】
請求項２０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，磁性体歯と径方向に空隙を挟んで対向し，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，隣接する磁性体突極は互いに磁気的に独立に構成されて磁化方向が互いに異な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並び，第一磁性体突極を軸方向に延ばした第一延長部として第二磁性体突極を径を変えて軸方向の同一側に延ばした第二延長部とし，界磁制御部はハウジング側に配置された環状の界磁制御磁気ヨーク及び界磁制御磁気ヨークに巻回された界磁制御コイルとより構成され，界磁制御磁気ヨークは第一，第二延長部と空隙を挟んで対向し，回転電機システムの出力に応じて界磁制御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。
【００５２】
界磁制御磁気ヨーク及び界磁制御コイルは回転軸を周回する円環形状として回転子の一方の静止側に配置される。界磁制御部は第一延長部と第二延長部間に互いに方向の異なる界磁制御磁束を供給する。
【００５３】
請求項２１の発明は，請求項２０記載の回転電機システムに於いて，第一延長部と界磁制御磁気ヨーク間の軸方向空隙長を第一延長部と界磁制御磁気ヨークとの対向面積で除した値及び第二延長部と界磁制御磁気ヨーク間の軸方向空隙長を第二延長部と界磁制御磁気ヨークとの対向面積で除した値との和は，磁性体突極と磁性体歯間の径方向空隙長を磁性体突極と磁性体歯との対向面積の総和で除した値の４倍より大とするよう設定して永久磁石磁束の分流を制限する磁束分流制御手段としたことを特徴とする。
【００５４】
請求項２２の発明は，請求項２０記載の回転電機システムに於いて，磁性体突極より飽和磁束密度が大の等方性磁性体で構成された制御磁束磁路を磁性体突極に隣接して有することを特徴とする。
【００５５】
請求項２３の発明は，請求項２０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。
【００５６】
請求項２４の発明は，請求項２３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。
【００５７】
請求項２５の発明は，請求項２０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板面と直交し且つ同一磁化方向を持つ二つの永久磁石板とから成り，二つの永久磁石板は中間磁性体突極の周方向両側面に配置された構成とし，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。
【００５８】
請求項２６の発明は，請求項２５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。
【００５９】
請求項２７の発明は，請求項２５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より遠い側の周方向長さより短く設定した事を特徴とする。
【００６０】
請求項２８の発明は，請求項２５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部分の軸方向磁気抵抗を大とするよう一部の中間磁性体突極部分を切除し，非磁性素材を配置した事を特徴とする。
【００６１】
請求項２９の発明は，請求項１から２８の何れかに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制御コイルに供給する事を特徴とする。
【００６２】
請求項３０の発明は，請求項１から２８の何れかに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制御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制御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。
【００６３】
請求項３１の発明であ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板面と直交し且つ同一磁化方向を持つ二つの永久磁石板とから成り，二つの永久磁石板は中間磁性体突極の周方向両側面に配置された構成とし，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，隣接する磁性体突極は互いに磁気的に独立で且つ磁化方向が互いに異な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並び，第一磁性体突極及び第二磁性体突極のそれぞれは異なる軸方向に延長した第一延長部及び第二延長部を持ち，回転軸外周に配置されて前記第一，第二延長部とそれぞれ界磁回転子両端で当接する界磁制御磁気ヨークと，界磁制御磁気ヨークに巻回された界磁制御磁気コイルとより構成された界磁制御部を有し，第一延長部及び第二延長部と界磁制御磁気ヨークとで構成する磁路の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更に有し，回転電機システムの出力に応じて界磁制御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。
【００６４】
請求項３２の発明は，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，界磁回転子は磁性体歯に対向し，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磁極構造を有し，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，隣接する磁性体突極は互いに磁気的に独立で且つ磁化方向が互いに異な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並び，第一磁性体突極及び第二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第一磁性体突極及び第二磁性体突極間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，第一磁性体突極及び第二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第一磁性体突極及び第二磁性体突極間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】
【００６５】
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磁化方向により２グループに分けてそれぞれのグループに属する磁性体突極間に，回転軸を周回する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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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】
【００７０】
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】
【００７１】
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８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は回転子の構成を示す斜視図，図４は界磁磁束の流れる方向を示す回転子の断面図，図５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６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７は回転子の縦断面図，図８は回転電機システムのブロック図をそれぞれ示す。
【００７２】
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，更に磁極部１７を構成する磁性体突極を磁化方向により２グループに分けてそれぞれの磁性体突極グループの延長部である第一延長部１８，第二延長部１９，回転軸１１外周の界磁制御磁気ヨーク１ｃ，回転子の支持体１ａ，界磁制御磁気ヨーク１ｃに巻回された界磁制御コイル１ｂ，第二延長部１９に隣接する磁束分流制御手段１ｄとから構成されている。第一延長部１８，第二延長部１９は界磁制御磁気ヨーク１ｃの両端に結合し，第一延長部１８，第二延長部１９，界磁制御磁気ヨーク１ｃが回転軸１１に固定され，さらに第一延長部１８，第二延長部１９に支持体１ａが固定されて磁極部１７を支持している。番号１ｅはスリップリングを，番号１ｆはブラシをそれぞれ示し，ブラシ１ｆ，スリップリング１ｅは回転子内に配置された界磁制御コイル１ｂへの電流供給に用いられる。番号１ｇは回転子に固定された冷却ファンを示す。
【００７３】
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２ｂ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２ｂ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。
【００７４】
可飽和磁性体結合部２ｂ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。可飽和磁性体結合部２ｂ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２ｂ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２ｂ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２ｂ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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
磁性体突極２１，２２及び中間磁性体突極２３は同じ磁性体板から作られている。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構成されている。さらに回転子の軸方向中間で中間磁性体突極２３部分を切除した珪素鋼板を積層し，中間磁性体突極２３部分の軸方向の磁気抵抗を大に構成している。磁性体突極２１，２２に隣接して等方性磁性体よりなる制御磁束磁路２８が配置されている。
【００７８】
回転軸１１の外周には円筒状の界磁制御磁気ヨーク１ｃが配置され，界磁制御磁気ヨーク１ｃには界磁制御コイル１ｂが巻回されている。支持体１ａは非磁性素材で構成されて磁性体突極２１，２２及び中間磁性体突極２３等の磁極部１７を支持している。
【００７９】
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，制御磁束磁路２８と，磁性体結合部２９と，磁気空隙２ａとに対応している。
【００８０】
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。
【００８１】
制御磁束磁路２８は等方性で飽和磁束密度の高い鉄板で形成している。磁性体突極２１，２２を形成する珪素鋼板は軸方向に積層したので軸方向の磁気抵抗は高くなる。制御磁束磁路２８として鉄板を磁性体歯１４から遠い内径側に配置して軸方向の磁気抵抗を減少させ，界磁制御磁束の通過を容易にしている。磁性体突極２１，２２を等方性の磁性材料である圧粉鉄芯，フェライト等で構成した場合でも界磁制御磁束の伝搬容量を大にする為に空きスペースを有効に利用して断面積の大きい制御磁束磁路２８を配置する事が望ましい。
【００８２】
アルミニウムで構成した支持体１ａ，及び第一延長部１８，第二延長部１９は，上記の磁性体突極２１，２２を主とする回転子の磁極部１７を支持する。支持体１ａは非磁性のステンレススチール，或いは樹脂で構成する事も出来る。
【００８３】
図３は回転子の構成を示す斜視図である。理解を容易にする為に磁性体突極２１，２２等を有する中心部と磁性体突極の第一，第二延長部１８，１９と磁束分流制御手段１ｄとを離して示してある。番号１１’は回転軸１１を通す穴を示す。第一延長部１８は鉄を鍛造して磁性体突極２１の延長部分となる磁性体突部３１を有して界磁制御磁気ヨーク１ｃと対向する環状磁性体部３３と一体として構成されている。非磁性体部３５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１９は鉄を鍛造して磁性体突極２２の延長部分となる磁性体突部を有する環状磁性体板３２と界磁制御磁気ヨーク１ｃの延長部である円筒状磁気コア３４とを有して構成されている。磁束分流制御手段１ｄは第二延長部１９外周の環状磁性体板３２及び円筒状磁気コア３４間の磁気抵抗を制御する構造を有し，詳細は図７を用いて説明する。第一，第二延長部１８，１９は磁性を有するステンレススチールを切削或いは鍛造で磁性体突部３１と環状磁性体部３３，環状磁性体板３２，円筒状磁気コア３４を形成し，非磁性体部３５をレジン，樹脂で形成してもよい。
【００８４】
界磁制御部はブラシ１ｆ，スリップリング１ｅ，回転軸１１を周回する界磁制御磁気ヨーク１ｃ及び界磁制御コイル１ｂとより構成されている。界磁制御コイル１ｂはブラシ１ｆ，スリップリング１ｅより電流を供給されて界磁制御磁束を発生させ，円筒状の界磁制御磁気ヨーク１ｃに結合された第一延長部１８の環状磁性体部３３，磁性体突部３１を介して磁性体突極２１に，及び第二延長部１９の円筒状磁気コア３４，磁束分流制御手段１ｄ，第二延長部１９の環状磁性体板３２を介して磁性体突極２２に界磁制御磁束を供給する。
【００８５】
円筒状の界磁制御磁気ヨーク１ｃは軸方向の磁気抵抗が小さくなるよう等方性の磁性体素材である鉄で構成してある。他にフェライト，センダスト等の等方性の磁性体素材で構成してもよい。
【００８６】
界磁制御磁束の磁路は界磁制御磁気ヨーク１ｃ，第一延長部１８，磁性体突極２１，磁性体歯１４，磁性体突極２２，第二延長部１９，磁束分流制御手段１ｄであるが，磁性体突極２１，２２と一体として形成される中間磁性体突極２３にも界磁制御磁束は誘起され，磁性体突極２１，２２間を短絡させる可能性がある。本実施例では軸方向の中間で中間磁性体突極２３部分を切除して中間磁性体突極２３の軸方向磁気抵抗を大として中間磁性体突極２３内を軸方向に界磁制御磁束が流れ難く構成している。
【００８７】
図４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４１，４２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４１，４２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４２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。
【００８８】
図５は磁性体突極２１の構成と界磁磁束４１，４２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２４，２５は磁束短絡を防ぐ為に両端に磁気空隙５２，２ａ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にも界磁磁束の一部５１が流れ，磁性体結合部２９を磁気的に飽和している。磁性体結合部２９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。
【００８９】
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。
【００９０】
図６（ａ），図６（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６（ａ）は界磁制御磁束が界磁磁束４１，４２を強める場合，図６（ｂ）は界磁制御磁束が界磁磁束４１，４２を弱める場合をそれぞれ示す。
【００９１】
図６（ａ）に示す強め界磁の場合，第一延長部１８側から磁性体突極２１側へ界磁制御磁束が流れ，磁性体突極２２側から第二延長部１９側に界磁制御磁束が流れる場合である。界磁制御磁束の方向は永久磁石板２４，２５，２６，２７を逆励磁する方向となるので番号６１，６２で示すように外周の磁性体歯１４側に流れて界磁磁束４１，４２を強めることになる。
【００９２】
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４１，４２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。
【００９３】
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機の仕様に従って最適な値に設定する。
【００９４】
図６（ｂ）では第二延長部１９側から磁性体突極２２側へ界磁制御磁束が流れ，磁性体突極２１側から第一延長部１８側に界磁制御磁束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が発生する磁束は第一延長部１８，第二延長部１９，界磁制御磁気ヨーク１ｃ等で構成する磁路側に分流する。番号６３は第一延長部１８，第二延長部１９，界磁制御磁気ヨーク１ｃ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６３量にほぼ比例して界磁磁束４２は減少する。番号６４，６５は界磁磁束４２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。
【００９５】
図７は回転子の縦断面を拡大して示す図であり，磁束分流制御手段１ｄの構成及び動作を説明する。界磁磁束の磁路は界磁磁束４２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は第一延長部１８，第二延長部１９，界磁制御磁気ヨーク１ｃ等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界磁制御磁気ヨーク１ｃ側の磁路にも分流する。界磁制御磁気ヨーク１ｃ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２１，２２間には空隙が有るので界磁制御磁気ヨーク１ｃ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４１，４２は微小となる。
【００９６】
本発明では第一延長部１８，第二延長部１９，界磁制御磁気ヨーク１ｃ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。しかし，上記磁束分流制御手段は同時に界磁制御磁束の発生効率を低下させる。第一の実施例では磁束分流制御手段として界磁制御磁気ヨーク１ｃを含む磁路中に空隙を設け，界磁制御コイル１ｂに供給される電流に比例して界磁制御磁束が大になるとその空隙を小として界磁制御磁束の発生効率を向上させる構造を採用している。
【００９７】
磁束分流制御手段１ｄは図７に縦断面図を示すように第二延長部１９内の環状磁性体板３２，円筒状磁気コア３４と軸方向に空隙を挟んで対向する可動環状鉄板７１と可動環状鉄板７１を前記空隙を大にする方向に付勢するスプリング７２，非磁性のステンレススチールで構成されたケース７３とから構成されている。
【００９８】
界磁制御磁束が無い場合は永久磁石板２４，２５，２６，２７が発生する界磁磁束が存在してもスプリング７２の力が勝って環状磁性体板３２及び円筒状磁気コア３４と可動環状鉄板７１間の空隙を大にするようスプリング７２を設定する。界磁制御磁束が大の場合は可動環状鉄板７１をスプリング７２に抗して磁気的に吸引して環状磁性体板３２及び円筒状磁気コア３４と可動環状鉄板７１間の空隙を小にし，界磁制御磁束が小の場合はスプリング７２の力が勝って環状磁性体板３２及び円筒状磁気コア３４と可動環状鉄板７１間の空隙を大にする。可動環状鉄板７１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。
【００９９】
界磁制御コイル１ｂが発生させる界磁制御磁束が小の場合，環状磁性体板３２及び円筒状磁気コア３４と可動環状鉄板７１間の空隙は大で有るので永久磁石板２４，２５，２６，２７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，環状磁性体板３２及び円筒状磁気コア３４と可動環状鉄板７１間の空隙は小で有るので永久磁石板２４，２５，２６，２７の発生する磁束は第一延長部１８，第二延長部１９，界磁制御磁気ヨーク１ｃ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。
【０１００】
図１から図７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。
【０１０１】
同時にブラシ１ｆ，スリップリング１ｅを介して界磁制御コイル１ｂ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制御コイル１ｂ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。
【０１０２】
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制御コイル１ｂ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。
【０１０３】
図８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８１は入力８２，出力８３を有するとし，制御装置８５は回転電機８１の出力８３及び回転子の位置を含む状態信号８４を入力として制御信号８６を介して回転電機８１を制御する。回転電機８１が発電機として用いられるのであれば，入力８２は回転力であり，出力８３は発電電力となる。回転電機８１が電動機として用いられるのであれば，入力８２は電機子コイル１６に供給される電流であり，出力８３は回転トルク，回転速度となる。更に制御装置８５は電動機を駆動する駆動回路を含むとする。
【０１０４】
以下に回転電機８１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８１は入力８２を回転力として出力８３を発電出力とし，制御装置８５は出力８３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８６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制御コイル１ｂに供給し，発電電圧が所定の値より小であれば制御信号８６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制御コイル１ｂに供給し，出力８３である発電電圧を所定の値に制御する。
【０１０５】
更に回転電機８１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８２を電機子コイル１６に供給する電流として，出力８３を回転力，回転速度とする。制御装置８５は出力８３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８６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制御コイル１ｂ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制御コイル１ｂに供給する。
【０１０６】
以上，図１から図８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して界磁制御磁束を磁性体突極内を伝搬させるが，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界磁制御磁気ヨーク側に分流させ，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。
【０１０７】
軸長方向に長い回転電機では磁性体突極に供給した界磁制御磁束の分布を均一とする事は難しいが，回転電機の特性としては全体量で規定されるので大きな問題とはならない。ただ，磁性体突極の断面積が小さい場合には伝搬させ得る界磁制御磁束の量が制限され，制御範囲が限定される。磁性体突極の界磁制御磁束の伝搬に寄与出来る部分の断面積を大とする事は制御範囲を拡大する為に重要であり，その場合には本実施例で配置した制御磁束磁路のように第一，第二磁性体突極をそれぞれ径方向の内周側に延長して断面積を大にする事は有効である。
【実施例２】
【０１０８】
本発明による第二実施例を図９，図１０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，磁束分流制御手段の構造を変えたのみで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９は回転電機の縦断面図，図１０は回転子の構成を示す斜視図である。
【０１０９】
図９は第二の実施例である回転電機を示し，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，更に磁極部１７を構成する磁性体突極を磁化方向により２グループに分けてそれぞれの磁性体突極グループの延長部である第一延長部１８，第二延長部９１，回転軸１１外周の界磁制御磁気ヨーク１ｃ，回転子の支持体１ａ，界磁制御磁気ヨーク１ｃに巻回された界磁制御コイル１ｂとから構成されている。
【０１１０】
第一延長部１８は界磁制御磁気ヨーク１ｃと結合され，第二延長部９１は界磁制御磁気ヨーク１ｃと分流制御空隙９２を介して配置されている。番号１ｅはスリップリングを，番号１ｆはブラシをそれぞれ示し，ブラシ１ｆ，スリップリング１ｅは回転子内に配置された界磁制御コイル１ｂへの電流供給に用いられる。番号１ｇは回転子に固定された冷却ファンを示す。
【０１１１】
電機子及び界磁回転子の磁極構成は図２に示した第一の実施例と同じであるので説明は省略する。
【０１１２】
図１０は回転子の構成を示す斜視図である。理解を容易にする為に磁性体突極２１，２２等を有する中心部と磁性体突極の第一延長部１８，第二延長部９１とを離して示してある。番号１１’は回転軸１１を通す穴を示す。第一延長部１８は鉄を鍛造して磁性体突極２１の延長部分となる磁性体突部３１を有して界磁制御磁気ヨーク１ｃと結合する環状磁性体部３３と一体として構成されている。非磁性体部３５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９１は鉄を鍛造して磁性体突極２２の延長部分となる磁性体突部１０１と環状磁性体板１０２と一体として構成されている。番号１０３は非磁性体部を示す。界磁制御磁気ヨーク１ｃは図９で示したように分流制御空隙９２として非磁性体を挟んで環状磁性体板１０２に対向配置されている。
【０１１３】
界磁制御部は第一の実施例と同じくブラシ１ｆ，スリップリング１ｅ，回転軸１１を周回する界磁制御磁気ヨーク１ｃ及び界磁制御コイル１ｂとより構成されている。界磁制御コイル１ｂはブラシ１ｆ，スリップリング１ｅより電流を供給されて界磁制御磁束を発生させ，円筒状の界磁制御磁気ヨーク１ｃに結合された第一延長部１８の環状磁性体部３３，磁性体突部３１を介して磁性体突極２１に，及び界磁制御磁気ヨーク１ｃから分流制御空隙９２，第二延長部９１の環状磁性体板１０２，磁性体突部１０１を介して磁性体突極２２に界磁制御磁束を供給している。
【０１１４】
界磁磁束の磁路は図４に示した界磁磁束４２を例に挙げれば，永久磁石２５，磁性体突極２１，磁性体歯１４，磁性体突極２２，永久磁石２６，中間磁性体突極２３である。しかし，磁性体突極２１，２２は第一延長部１８，第二延長部９１，界磁制御磁気ヨーク１ｃ等で構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界磁制御磁気ヨーク１ｃ側の磁路にも分流する。界磁制御磁気ヨーク１ｃ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２１，２２間には空隙が有るので界磁制御磁気ヨーク１ｃ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４２は微小となる。
【０１１５】
本実施例では第一延長部１８，第二延長部９１，界磁制御磁気ヨーク１ｃ等で形成する磁路中に磁気抵抗を大とする分流制御空隙９２を配置して永久磁石２５，２６が発生する界磁磁束を電機子１４側に集中させている。分流制御空隙９２の長さを大にすれば，永久磁石２５，２６が発生する界磁磁束を電機子１４側に集中させる事が出来るが，界磁制御コイル１ｂが発生させる界磁制御磁束の生成効率が落ちる。分流制御空隙９２で管理すべきパラメータは分流制御空隙９２の空隙長及び断面積であり，永久磁石２５，２６が発生する界磁磁束を磁性体歯１４側及び界磁制御磁気ヨーク１ｃ側に分割する比率，界磁制御磁束の発生効率等を勘案して決定する。
【０１１６】
分流制御空隙９２のパラメータを適切に決める事により，常時は永久磁石２５，２６が発生する界磁磁束により回転電機を動作させ，界磁磁束に過不足が有る場合に界磁制御コイル１ｂに電流を供給して弱め界磁或いは強め界磁として回転電機が最適な条件で動作出来るよう制御する。
【０１１７】
以上に図９，図１０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界磁制御部の構成が異なるのみで電機子及び界磁回転子の磁極部構造は同一であり，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。
【実施例３】
【０１１８】
本発明による第三実施例を図１１から図１４を用いて説明する。第三の実施例は第一の実施例に於いて，磁性体突極の構造を変えたのみで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１１は電機子と回転子との構成を示す断面図，図１２は界磁磁束の流れる方向を示す回転子の断面図，図１３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１４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。
【０１１９】
図１１は電機子及び回転子の断面図を示す。磁性体突極を除く回転子の構成及び電機子の構成は図２に示した第一の実施例とほぼ同じであり，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。
【０１２０】
図１１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。回転子の主要部は隣接する磁性体突極１１１，１１２と，磁性体突極間の永久磁石１１３と，磁性体突極を構成する磁性体間の磁性体結合部１１４と，磁気空隙１１５と，制御磁束磁路１１６とから構成され，図１に図示した回転子の磁極部１７に対応している。永久磁石１１３中に示した矢印は磁化方向を示している。
【０１２１】
磁性体突極１１１，１１２の先端部は隣接する磁性体突極１１１，１１２で異なる磁化が現れるように隣り合う永久磁石１１３は周方向の磁化方向を反転させて配置されている。更に磁性体突極１１１，１１２を磁化方向により２グループに分け，磁性体突極１１１を含むグループの磁性体突極は第一延長部１８とし，磁性体突極１１２を含むグループの磁性体突極は第二延長部１９として軸方向の異なる方向に延長している。
【０１２２】
磁性体突極１１１，１１２，磁性体結合部１１４は珪素鋼板を型で打ち抜いた後，積層して構成している。磁性体結合部１１４は永久磁石１１３の磁束により容易に磁気飽和して磁性体突極１１１，１１２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１１５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。
【０１２３】
制御磁束磁路１１６は等方性で飽和磁束密度の高い鉄板で形成している。磁性体突極１１１，１１２を形成する珪素鋼板は軸方向に積層するので軸方向の磁気抵抗は高いので制御磁束磁路１１６として鉄板を内径側に配置して軸方向の磁気抵抗を減少させ，空きスペースを利用して断面積を大にして界磁制御磁束の通過を容易にしている。
【０１２４】
図１２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１２１，１２２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１１１，１１２間に配置された永久磁石１１３は周方向の磁化を持ち，隣接する永久磁石１１３毎に磁化方向は反転されているので永久磁石１１３から漏洩する磁束は番号１２１，１２２で示すように隣り合う磁性体突極１１１，１１２で先端部の磁化方向を反転させている。
【０１２５】
図１３は永久磁石１１３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１２２で示す他に番号１３１で示すように磁性体結合部１１４を通る界磁磁束が存在し，磁性体結合部１１４を磁気的に飽和させる。磁性体結合部１１４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１１１，１１２間を磁気的に短絡することはない。磁性体突極１１１，１１２間の永久磁石１１３を含む間隔は磁性体歯１４と磁性体突極１１１，１１２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。
【０１２６】
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１１５とし，永久磁石１１３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１１１，１１２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１１１，１１２間の磁気空隙１１５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１１５のほぼ全体を永久磁石１１３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。
【０１２７】
図１４は界磁制御磁束の流れる方向と永久磁石１１３の磁化方向との関係を示す為の図で隣接する磁性体突極１１１，１１２及び永久磁石１１３の断面図を示す。図１４（ａ）は界磁制御磁束が界磁磁束１２２を強める場合，図１４（ｂ）は界磁制御磁束が界磁磁束１２２を弱める場合を示す。
【０１２８】
図１４（ａ）では界磁制御磁気ヨーク１ｃ側から磁性体突極１１１側へ界磁制御磁束が流れ，磁性体突極１１２側から界磁制御磁気ヨーク１ｃ側に界磁制御磁束が流れる場合である。界磁制御磁束の方向は永久磁石１１３を逆励磁する方向であるので番号１４１，１４２で示すように電機子側に流れて界磁磁束１２２を強めることになる。永久磁石１１３は界磁制御磁束１４１，１４２を分離する役割を果たしている。永久磁石１１３は逆励磁されることになるが，永久磁石１１３は界磁磁束１２２で示す磁路を常に有するので減磁される懸念は無い。
【０１２９】
永久磁石１１３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１１３の比透磁率はほぼ空気と同じであり，永久磁石１１３の周方向長さ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って異なるが，例えば磁性体歯１４と磁性体突極１１１，１１２間の径方向空隙は０．３ないし０．５ミリメートル程度に設定されるので永久磁石１１３の周方向長さを５ミリメートル程度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１１３の周方向長さ設定は望ましい実施例であって上記の数値より小の周方向長さの永久磁石で性能が得られない訳ではない。
【０１３０】
図１３を参照して説明したように磁気的に飽和させられている磁性体結合部１１４に界磁制御磁束が流れようとするが，界磁制御磁束は界磁磁束１３１と同じ方向で更に磁気的な飽和を深める方向であり，磁性体結合部１１４が界磁制御磁束を短絡させることはない。
【０１３１】
図１４（ｂ）では界磁制御磁気ヨーク１ｃ側から磁性体突極１１２側へ界磁制御磁束が流れ，磁性体突極１１１側から界磁制御磁気ヨーク１ｃ側に界磁制御磁束が流れる場合である。永久磁石１１３の磁化方向と界磁制御磁束の流れる方向は同じとなるので永久磁石１１３が発生する磁束は界磁制御磁気ヨーク１ｃ側に分流する。番号１４３は界磁制御磁気ヨーク１ｃ側に分流する分流磁束を示し，永久磁石１１３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１４３量にほぼ比例して界磁磁束１２２は減少する。番号１４４，１４５は界磁磁束１２２の減少分を界磁制御磁束として等価的に示している。
【０１３２】
以上に図１１から図１４を用いて説明したように第三の実施例と第一の実施例とは磁極部構造が異なるのみで界磁制御部の構成は同一であり，第三実施例で示した回転電機は第一実施例と同様に図８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。
【０１３３】
第一，第三実施例に於いて，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，第三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。第三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，第三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４】
【０１３４】
本発明による第四実施例を図１５から図１８を用いて説明する。第一の実施例では界磁制御部を回転子内に配置したが，第四の実施例は界磁制御部を回転子の両端のハウジング側に配置している。第四の実施例は第一の実施例に於いて界磁制御部の構成を変えたのみで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１５は第四の実施例の回転電機の縦断面図，図１６は電機子と回転子との構成を示す断面図，図１７は回転子と界磁制御部を示す斜視図，図１８は界磁制御磁束の流れる方向を示す回転子と界磁制御部を示す斜視図である。
【０１３５】
図１５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，該円筒状磁気ヨーク１５から径方向に延びる複数の磁性体歯１４と，該磁性体歯１４に巻回された電機子コイル１６とから構成されている。回転子は磁極部１７が回転軸１１と一体的に回転するよう支持体１５７を介して回転軸１１に固着されている。磁極部１７は珪素鋼板の積層体で構成され，軸方向に延び，図１６に示すように６個の磁性体突極から成る。更に磁性体突極を磁化方向により２グループに分けてそれぞれの磁性体突極グループの第一延長部１５１及び第二延長部１５２を形成されている。ハウジング１２に固定され，回転軸１１を周回する界磁制御磁気ヨーク１５３，１５４と，界磁制御コイル１５５，１５６とで界磁制御部が構成されている。界磁制御磁気ヨーク１５３，１５４の内周端はそれぞれ回転子の第一延長部１５１及び第二延長部１５２と空隙を挟んで対向し，界磁制御磁気ヨーク１５３，１５４の外周端は円筒状磁気ヨーク１５にそれぞれ結合されている。
【０１３６】
図１６は図１５のＢ−Ｂ’に沿う電機子及び回転子の断面図を示す。電機子の構成及び回転子の磁極部の構成は図２に示した第一の実施例とほぼ同じであり，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。
【０１３７】
図２に示す第一の実施例との主な相違点は番号１５７で示す回転子の支持体である。図１５を用いて説明したように界磁制御部を構成する界磁制御磁気ヨーク及び界磁制御コイルは回転子両端のハウジング側に配置されている。界磁制御部の構成は更に図１５，図１７を用いて説明される。
【０１３８】
図１７は第四実施例の回転電機システムに於ける回転子及び界磁制御部の構成を示す斜視図である。理解を容易にする為に磁性体突極２１，２２等を有する中心部と第一延長部１５１，第二延長部１５２を離して示し，ハウジング側に配置された界磁制御部を構成する界磁制御磁気ヨーク１５３，１５４，界磁制御コイル１５５を示している。
【０１３９】
第一延長部１５１は磁性体突極２１の延長部分となる磁性体突部１７１と環状磁性体部１７２とを有し，環状磁性体部１７２は界磁制御磁気ヨーク１５３の内周部と空隙を介して対向している。第二延長部１５２は磁性体突極２２の延長部分となる磁性体突部１７３と環状磁性体部１７４とを有し，環状磁性体部１７４は界磁制御磁気ヨーク１５４の内周部と空隙を介して対向している。番号１７５は非磁性体部分を示す。
【０１４０】
第一延長部１５１の磁性体突部１７１及び環状磁性体部１７２，第二延長部１５２の磁性体突部１７３及び環状磁性体部１７４は鉄板から鍛造で形成し，非磁性体部分１７５は磁性を持たないステンレススチールで構成している。
【０１４１】
界磁制御部は回転子両端のハウジング１２側に配置され，回転軸１１を周回する界磁制御磁気ヨーク１５３，１５４と界磁制御コイル１５５，１５６とで構成されている。界磁制御磁気ヨーク１５３，１５４の内周部は回転子の第一延長部１５１の環状磁性体部１７２，第二延長部１５２の環状磁性体部１７４とそれぞれ空隙を挟んで対向し，界磁制御磁気ヨーク１５３，１５４の外周部は円筒状磁気ヨーク１５の両端にそれぞれ結合されている。界磁制御コイル１５５，１５６は図１５，１７に示されるよう界磁制御磁気ヨーク１５３，１５４に巻回されている。すなわち，界磁制御磁気コイル１５５は界磁制御磁気ヨーク１５３，磁性体歯１４，磁性体突極２１，第一延長部１５１で構成する磁路と鎖交し，界磁制御磁気コイル１５６は界磁制御磁気ヨーク１５４，磁性体歯１４，磁性体突極２２，第二延長部１５２で構成する磁路と鎖交している。
【０１４２】
図１８は界磁制御部が発生させる界磁制御磁束の流れる方向を示す図で図１７に示した回転子と界磁制御部を示す斜視図に界磁制御磁束１８１及び界磁制御磁束１８２の流れる方向を示している。界磁制御磁束１８１は界磁制御磁気ヨーク１５３の内周部から第一延長部１５１の環状磁性体部１７２及び磁性体突部１７１，磁性体突極２１，磁性体歯１４，円筒状磁気ヨーク１５，界磁制御磁気ヨーク１５３の外周部へと流れ，界磁制御磁束１８２は界磁制御磁気ヨーク１５４の外周部から円筒状磁気ヨーク１５，磁性体歯１４，磁性体突極２２，第二延長部１５２の磁性体突部１７３及び環状磁性体部１７４，界磁制御磁気ヨーク１５４の内周部へと流れる事が示されている。それぞれの矢印が界磁制御磁束の流れる方向を示す。
【０１４３】
磁性体突極２１，２２を含む磁極部の構成は図２に示した第一の実施例と同じであり，弱め界磁及び強め界磁を実現する場合に永久磁石板２４，２５，２６，２７が界磁制御磁束の流れる方向を制御する役割も同じであり，再度の説明は省略する。
【０１４４】
磁性体突極２１，２２から磁性体歯１４に出入りする界磁制御磁束の流れる方向が互いに逆方向となるよう界磁制御コイル１５５，１５６は直列接続される。界磁制御コイル１５５，１５６によって生成される界磁制御磁束１８１，１８２は隣接する磁性体突極２１，２２内を互いに逆方向に流れるが，永久磁石板２４，２５，２６，２７は常に磁性体突極及び中間磁性体突極及び電機子の磁性歯等で構成する磁路を有しているので永久磁石板２４，２５，２６，２７が減磁されることは無い。
【０１４５】
永久磁石板２４，２５，２６，２７には磁性体突極２１，磁性体突極２２，中間磁性体突極２３，磁性体歯１４を含む磁路と，磁性体突極２１，第一延長部１５１，界磁制御磁気ヨーク１５３，円筒状磁気ヨーク１５，界磁制御磁気ヨーク１５４，第二延長部１５２，磁性体突極２２を含む磁路とが並列に接続されているので，永久磁石板２４，２５，２６，２７が発生する磁束は双方の磁路に流れる。それぞれの磁路の磁気抵抗は磁性体部分より空隙部分が支配的であるとして近似的に界磁制御部の空隙に於ける磁気抵抗が磁性体歯と磁性体突極間の空隙に於ける磁気抵抗より大に設定している。すなわち，界磁制御磁気ヨーク１５３と第一延長部１５１との間の空隙，界磁制御磁気ヨーク１５４と第二延長部１５２との間の空隙を分流制御空隙とし，界磁制御部の一部として分流制御空隙の長さ及び対向面積を規制して界磁磁束を磁性体歯側に集中させる手段としている。
【０１４６】
空隙部に於ける磁気抵抗は空隙長を空隙部で対向する面積で除した値に比例するので界磁制御磁気ヨーク１５３と第一延長部１５１間の軸方向空隙長を界磁制御磁気ヨーク１５３と第一延長部１５１との対向面積で除した値を第一分流制御空隙磁気抵抗とし，界磁制御磁気ヨーク１５４と第二延長部１５２間の軸方向空隙長を界磁制御磁気ヨーク１５４と第二延長部１５２との対向面積で除した値を第二分流制御空隙磁気抵抗とし，磁性体突極２１，２２と磁性体歯１４間の空隙長を磁性体突極２１，２２が磁性体歯１４と対向する面積の総和で除した値の４倍を界磁空隙磁気抵抗として第一分流制御空隙磁気抵抗と第二分流制御空隙磁気抵抗との和が界磁空隙磁気抵抗より大になるよう分流制御空隙の長さ及び対向面積を設定し，永久磁石板２４，２５，２６，２７が発生する磁束が界磁制御磁気ヨーク１５３，１５４を含む磁路への分流量を小としている。上記の界磁空隙磁気抵抗は磁性体突極２１，２２それぞれが磁性体歯１４と対向する面積は等しく，界磁磁束は磁性体突極２１，２２と磁性体歯１４間の空隙の空隙を往復するとして規定している。
【０１４７】
以上に図１５から図１８を用いて説明したように第四実施例は界磁制御磁束を発生させ，磁性体突極に供給する構成が第一実施例と異なるが，磁性体突極を磁化方向により隣接する磁性体突極２１，２２で代表する２グループに分けて磁性体突極２１，２２それぞれに方向の異なる界磁制御磁束を供給する趣旨は同一であり，回転電機を発電機とする動作，或いは電動機とする動作は同じであるので詳細な説明は省略する。
【実施例５】
【０１４８】
本発明による第五実施例を図１９から，図２１を用いて説明する。第一の実施例では界磁制御部を回転子内に配置したが，第五の実施例は界磁制御部を回転子の一端のハウジング側に配置している。第五の実施例は第一の実施例に於いて，界磁制御部の構成を変えたのみで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１９は第五の実施例の回転電機の縦断面図，図２０は電機子と回転子との構成を示す断面図，図２１は回転子と界磁制御部を示す斜視図である。
【０１４９】
図１９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，該円筒状磁気ヨーク１５から径方向に延びる複数の磁性体歯１４と，該磁性体歯１４に巻回された電機子コイル１６とから構成されている。回転子は磁極部１７，環状磁性体板１９１から構成される。界磁制御部はハウジング１２側に配置された界磁制御磁気ヨーク１９３，界磁制御コイル１９４とから構成され，界磁制御磁気ヨーク１９３は環状磁性体板１９１と空隙を介して軸方向に対向している。番号１９２は磁極部１７と一体に構成されて回転軸１１に固定された円筒状磁性体部を，番号１９５は非磁性体部分を示す。
【０１５０】
図２０は図１９のＣ−Ｃ’に沿う電機子及び回転子の断面図を示す。電機子の構成及び回転子の磁極部１７の構成は図２に示した第一の実施例とほぼ同じであり，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。
【０１５１】
図２に示す第一の実施例との主な相違点は番号２０１で示す磁性体突極２２の延長部であり，界磁制御部である。界磁制御部の構成は図１９，図２１を用いて説明される。
【０１５２】
図２１は第五実施例の回転電機システムに於ける回転子及び界磁制御部の構成を示す斜視図である。理解を容易にする為に磁性体突極２１，２２等を有する中心部と環状磁性体板１９１を離して示し，ハウジング側に配置された界磁制御磁気ヨーク１９３，界磁制御コイル１９４を示している。番号１１’は回転軸１１を通す穴を示す。
【０１５３】
環状磁性体板１９１は磁性体突極２１の延長部分である磁性体突部２１１，磁性体突部２１１と一体の環状磁性体部２１２，円筒状磁性体部１９２と結合する円筒状磁気コア２１３，非磁性体部分２１４とから構成されている。
【０１５４】
磁性体突極を磁化方向により磁性体突極２１，２２で代表する２グループに分けて磁性体突極２１の第一延長部は一体として形成された磁性体突部２１１と環状磁性体部分２１２に相当し，磁性体突極２２の第二延長部は延長部２０１及び円筒状磁性体部１９２及び環状磁性体板１９１の内周部の円筒磁気コア２１３に相当する。界磁制御磁気ヨーク１９３は外周部で環状磁性体部２１２と，内周部で円筒磁気コア２１３とそれぞれ空隙を挟んで対向し，界磁制御コイル１９４は環状磁性体部２１２，界磁制御磁気ヨーク１９３，円筒磁気コア２１３とで構成する磁路と鎖交するよう配置されている。
【０１５５】
回転子は磁性体突極２１，２２，磁性体結合部２９，延長部２０１，円筒状磁性体部１９２は一体で，珪素鋼板を型で打ち抜いた後，積層して構成している。非磁性体部分１９５は熱硬化性の樹脂が充填されている。
【０１５６】
制御磁束磁路２８は飽和磁束密度の高い鉄板で形成している。環状磁性体板１９１は磁性体突部２１１及び環状磁性体部２１２，円筒磁気コア２１３はそれぞれ鉄を鍛造で加工し，非磁性体部分２１４を磁性を持たないステンレススチールで構成している。
【０１５７】
界磁制御部はハウジング１２に固定され，内外周部分をそれぞれ円筒磁気コア２１３，環状磁性体部２１２と空隙を挟んで対向する界磁制御磁気ヨーク１９３と界磁制御コイル１９４とで構成されている。界磁制御磁束は界磁制御コイル１９４に電流を供給して発生され，界磁制御磁気ヨーク１９３の内外周端に対向する円筒磁気コア２１３，環状磁性体部２１２を介してそれぞれ磁性体突極２２，２１に供給される。
【０１５８】
磁性体突極２１，２２を含む磁極部の構成は図２に示した第一の実施例と同じであり，弱め界磁及び強め界磁を実現する場合に永久磁石板２４，２５，２６，２７が界磁制御磁束の流れる方向を制御する役割も同じであり，再度の説明は省略する。
【０１５９】
永久磁石板２４，２５，２６，２７には磁性体突極２１，磁性体突極２２，中間磁性体突極２３，磁性体歯１４を含む磁路と，磁性体突極２１，環状磁性体部２１２，界磁制御磁気ヨーク１９３，円筒磁気コア２１３，磁性体突極２２を含む磁路とが並列に接続されているので，永久磁石板２４，２５，２６，２７が発生する磁束は双方の磁路に流れる。それぞれの磁路の磁気抵抗は磁性体部分より空隙部分が支配的であるとして近似的に界磁制御部の空隙に於ける磁気抵抗が磁性体歯と磁性体突極間の空隙に於ける磁気抵抗より大に設定している。すなわち，界磁制御磁気ヨーク１９３と環状磁性体部２１２間の空隙を分流制御空隙とし，界磁制御部の一部として分流制御空隙の長さ及び対向面積を規制して界磁磁束を磁性体歯側に集中させる手段としている。
【０１６０】
空隙部に於ける磁気抵抗は空隙長を空隙部で対向する面積で除した値に比例するので界磁制御磁気ヨーク１９３と環状磁性体板１９１間の空隙長を界磁制御磁気ヨーク１９３と環状磁性体部２１２との対向面積で除した値及び界磁制御磁気ヨーク１９３と円筒磁気コア２１３間の空隙長を界磁制御磁気ヨーク１９３と円筒磁気コア２１３との対向面積で除した値との和を分流制御空隙磁気抵抗とし，磁性体突極２１，磁性体突極２２と磁性体歯１４間の空隙長を磁性体突極２１，磁性体突極２２が磁性体歯１４と対向する面積の総和で除した値の４倍を界磁空隙磁気抵抗とし，分流制御空隙磁気抵抗が界磁空隙磁気抵抗より大に設定して永久磁石板２４，２５，２６，２７が発生する磁束が界磁制御磁気ヨーク１９３を含む磁路への分流量を小としている。
【０１６１】
第五の実施例では界磁制御磁気ヨーク１９３の内外周端と円筒磁気コア２１３，環状磁性体部２１２間に働く磁気吸引力により回転子は図１９の右方向への力を受けるが，第四の実施例に比して界磁制御コイルが一つで済む利点がある。更に第四の実施例では第一延長部，第二延長部と界磁制御磁気ヨーク間の空隙長の差により第一延長部，第二延長部に供給される界磁制御磁束がアンバランスとなる可能性があるが，第五の実施例では界磁制御磁束がアンバランスとなる事は無い。
【０１６２】
以上に図１９から図２１を用いて説明したように第五実施例は第一実施例と界磁制御磁束を発生させ，磁性体突極に供給する構成が異なるが，磁性体突極を磁化方向により磁性体突極２１，２２で代表する２グループに分けて磁性体突極２１，２２それぞれに方向の異なる界磁制御磁束を供給する趣旨は同一であり，回転電機を発電機とする動作，或いは電動機とする動作は同じであるので詳細な説明は省略する。
【実施例６】
【０１６３】
本発明による第六実施例を図２２を用いて説明する。第六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。
【０１６４】
同図に於いて，番号２２１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２２１はハイブリッドカーのエンジン２２２とベルトで回転力を伝達するよう結合された回転軸２２９を持ち，回転軸２２９の回転力はトランスミッション２２３を介して駆動軸２２ａに伝えられる。制御装置２２４は上位制御装置からの指令２２ｂを受け，電動機駆動回路２２５を介して回転電機装置２２１を電動機として駆動し，界磁制御回路２２６を介して回転電機装置２２１の界磁強度を制御する。更に制御装置２２４は上位制御装置からの指令２２ｂを受け，電機子コイル１６の引き出し線２２ｃに現れる発電電力を整流回路２２７を介して整流し，バッテリー２２８を充電する構成としている。
【０１６５】
制御装置２２４は指令２２ｂの指示により電動機駆動回路２２５を介して回転電機装置２２１を電動機として駆動し，エンジン２２２の回転をアシスト或いは単独で回転軸２２９を回転駆動させ，トランスミッション２２３，駆動軸２２ａ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２２４が界磁制御回路２２６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制御コイル１ｂ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２２４が界磁制御回路２２６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制御コイル１ｂに供給する。
【０１６６】
エンジン２２２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２２ｂにより電機子コイル１６の引き出し線２２ｃに現れる発電電力を整流回路２２７を介して直流に変え，バッテリー２２８を充電させる。その場合に制御装置２２４はバッテリー２２８を充電する最適な電圧になるよう界磁制御回路２２６を介して界磁制御コイル１ｂに供給する電流を制御する。バッテリー２２８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２２８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。
【０１６７】
第六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２２ｂを通じて回生制動の指示を受けると，制御装置２２４は電機子の磁性体歯１４，回転子磁性体突極２１，２２間の界磁強度を大とする電流を界磁制御コイル１ｂに供給し，発電電力でバッテリー２２８に充電させる。複数のバッテリー２２８を有する場合には最も充電余力のあるバッテリー２２８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２２６を介して界磁制御コイル１ｂに供給する電流を制御して電機子の磁性体歯１４，回転子磁性体突極２１，２２間の界磁強度を制御する。回転電機装置２２１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。
【０１６８】
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。
【０１６９】
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制御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導入を容易に出来る利点がある。
【０１７０】
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，上記実施例では界磁回転子を電機子の内側に配置したが，界磁回転子を電機子の外周側に配置する構造も可能である。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】
【０１７１】
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，更に発電機能を改善し，またその発電機能を制御できる。
【０１７２】
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。
【０１７３】
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】
【０１７４】
【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回転子と界磁制御部を示す斜視図である。
【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回転子の断面図である。
【図５】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６】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７】図１に示された回転電機の回転子を示す縦断面図である。
【図８】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９】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１０】図９に示された回転電機の回転子と界磁制御部を示す斜視図である。
【図１１】本発明の第三の実施例による回転電機の電機子と回転子とを示す断面図である。
【図１２】図１１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１３】図１１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１４】図１１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１５】本発明の第四の実施例による回転電機の縦断面図である。
【図１６】図１５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１７】図１５に示された回転電機の回転子と界磁制御部を示す斜視図である。
【図１８】図１５に示された回転電機に於いて界磁制御磁束の流れる方向を示す回転子と界磁制御部を示す斜視図である。
【図１９】本発明の第五の実施例による回転電機の縦断面図である。
【図２０】図１９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２１】図１９に示された回転電機の回転子と界磁制御部を示す斜視図である。
【図２２】本発明の第六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】
【０１７５】
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・・・第一延長部，
１９・・・第二延長部，                  １ａ・・・支持体，
１ｂ・・・界磁制御コイル，              １ｃ・・・界磁制御磁気ヨーク，
１ｄ・・・磁束分流制御手段，            １ｅ・・・スリップリング，
１ｆ・・・ブラシ，                      １ｇ・・・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・・・制御磁束磁路，                ２９・・・磁性体結合部，
２ａ・・・磁気空隙，                    ２ｂ・・・可飽和磁性体結合部
３１・・・磁性体突部，                  ３２・・・環状磁性体板，
３３・・・環状磁性体部，                ３４・・・円筒状磁気コア，
３５・・・非磁性体部
４１，４２・・界磁磁束
５１・・・界磁磁束，                    ５２・・・磁気空隙
６１，６２，６４，６５・・界磁制御磁束，
６３・・・分流磁束
７１・・・可動環状鉄板，                ７２・・・スプリング，
７３・・・ケース
８１・・・回転電機，                    ８２・・・入力，
８３・・・出力，                        ８４・・・状態信号，
８５・・・制御装置，                    ８６・・・制御信号
９１・・・第二延長部，                  ９２・・・分流制御空隙
１０１・・・磁性体突部，                １０２・・・環状磁性体部，
１０３・・・非磁性体部
１１１，１１２・・磁性体突極，          １１３・・・永久磁石，
１１４・・・磁性体結合部，              １１５・・・磁気空隙，
１１６・・・制御磁束磁路
１２１，１２２・・界磁磁束
１３１・・・界磁磁束
１４１，１４２，１４４，１４５・・界磁制御磁束，
１４３・・・分流磁束
１５１・・・第一延長部，                １５２・・・第二延長部，
１５３，１５４・・界磁制御磁気ヨーク，  １５５，１５６・・界磁制御コイル，
１５７・・・支持体
１７１，１７３・・磁性体突部，          １７２，１７４・・環状磁性体部，
１７５・・・非磁性体部分
１８１，１８２・・界磁制御磁束
１９１・・・環状磁性体板，              １９２・・・円筒状磁性体部，
１９３・・・界磁制御磁気ヨーク，        １９４・・・界磁制御コイル，
１９５・・・非磁性体部分
２０１・・・延長部
２１１・・・磁性体突部，                ２１２・・・環状磁性体部，
２１３・・・円筒状磁気コア，            ２１４・・・非磁性体部分
２２１・・・第一の実施例で示した回転電機装置，
２２２・・・ハイブリッドカーのエンジン，
２２３・・・トランスミッション，        ２２４・・・制御装置，
２２５・・・電動機駆動回路，            ２２６・・・界磁制御回路，
２２７・・・整流回路，                  ２２８・・・バッテリー，
２２９・・・回転軸，                    ２２ａ・・・駆動軸，
２２ｂ・・・上位制御装置からの指令，    ２２ｃ・・・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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
2008306908.tif 000021
【図２０】
2008306908.tif 000022
【図２１】
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【図２２】
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