(57)【要約】【課題】構造の大型化を招くことなく、負荷に流れる電流変動を抑制する。【解決手段】励磁コイル１１に交流電流が流れる、または被励磁ロータ２０が励磁ステータ１０に対して回転する状態で励磁コイル１１に電流が流れることで、励磁コイル１１による被励磁コイル２１，２２の鎖交磁束が変化し、被励磁コイル２１，２２の一方による磁束は、共有磁路４０を通って被励磁コイル２１，２２の他方に鎖交する。ダイオード３１，３２は、被励磁コイル２１に所定の一方向の電流が流れることで発生し共有磁路４０を通る磁束の方向が、被励磁コイル２２に所定の一方向の電流が流れることで発生し共有磁路４０を通る磁束の方向と逆方向になるように、被励磁コイル２１，２２及び負荷３０に流れる電流を所定の一方向に制限する。【選択図】図１
2012125003.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流が流れることで磁束を発生する励磁コイルを含む励磁固定子と、
励磁固定子と対向配置された被励磁回転子であって、励磁コイルによる磁束が鎖交し、電流が流れることで磁束を発生する第１及び第２被励磁コイルを含む被励磁回転子と、
第１被励磁コイル及び負荷に流れる電流を所定の一方向に制限する第１整流素子と、
第２被励磁コイル及び負荷に流れる電流を所定の一方向に制限する第２整流素子と、
を備え、
励磁固定子及び被励磁回転子には、励磁コイルによる磁束、第１被励磁コイルによる磁束、及び第２被励磁コイルによる磁束が通る共有磁路が設けられ、
励磁コイルに交流電流が流れる、または被励磁回転子が励磁固定子に対して回転する状態で励磁コイルに電流が流れることで、励磁コイルによる第１及び第２被励磁コイルの鎖交磁束が変化し、
第１及び第２被励磁コイルの一方による磁束は、共有磁路を通って第１及び第２被励磁コイルの他方に鎖交し、
第１及び第２整流素子は、第１被励磁コイルに所定の一方向の電流が流れることで発生し共有磁路を通る磁束の方向が、第２被励磁コイルに所定の一方向の電流が流れることで発生し共有磁路を通る磁束の方向と逆方向になるように、負荷に流れる電流を所定の一方向に制限する、励磁装置。
【請求項２】
請求項１に記載の励磁装置であって、
励磁コイルに流れる交流電流の周波数を制御することで、負荷に流れる電流を制御する制御装置をさらに備える、励磁装置。
【請求項３】
請求項１に記載の励磁装置であって、
被励磁回転子が励磁固定子に対して回転する状態で励磁コイルに直流電流が流れる、励磁装置。
【請求項４】
磁石を含む励磁固定子と、
励磁固定子と対向配置された被励磁回転子であって、磁石による磁束が鎖交し、電流が流れることで磁束を発生する第１及び第２被励磁コイルを含む被励磁回転子と、
第１被励磁コイル及び負荷に流れる電流を所定の一方向に制限する第１整流素子と、
第２被励磁コイル及び負荷に流れる電流を所定の一方向に制限する第２整流素子と、
を備え、
励磁固定子及び被励磁回転子には、磁石による磁束、第１被励磁コイルによる磁束、及び第２被励磁コイルによる磁束が通る共有磁路が設けられ、
被励磁回転子が励磁固定子に対して回転することで、磁石による第１及び第２被励磁コイルの鎖交磁束が変化し、
第１及び第２被励磁コイルの一方による磁束は、共有磁路を通って第１及び第２被励磁コイルの他方に鎖交し、
第１及び第２整流素子は、第１被励磁コイルに所定の一方向の電流が流れることで発生し共有磁路を通る磁束の方向が、第２被励磁コイルに所定の一方向の電流が流れることで発生し共有磁路を通る磁束の方向と逆方向になるように、負荷に流れる電流を所定の一方向に制限する、励磁装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１に記載の励磁装置と、
電流が流れることで界磁磁束を発生する界磁コイルを前記負荷として含む界磁回転子と、
界磁回転子と対向配置され、電流が流れることで界磁磁束と相互作用する磁界を発生する電機子コイルを含む電機子と、
を備える、回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、励磁コイルと被励磁コイルとの電磁結合を利用して負荷に電流を流す励磁装置、及びこの励磁装置を備える回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の励磁装置を備える回転電機の関連技術が下記特許文献１に開示されている。特許文献１の回転電機は、交流電流が流れることで回転磁界を発生する固定子側の電機子コイルと、交流電流が流れることで励磁される固定子側の励磁コイルと、励磁コイルの励磁により誘導電流が発生する回転子側の３相の発電コイルと、３相の発電コイルに発生する誘導電流を直流に整流する回転子側の３相全波整流回路と、３相全波整流回路で整流された直流電流が流れる回転子側の負荷としての界磁コイルと、を備える。回転子側の界磁コイルに直流電流を流して直流励磁することで、界磁磁束を発生する磁極が回転子に形成され、固定子側の電機子コイルに交流電流を流すことで、回転磁界が固定子に形成される。そして、固定子の回転磁界と回転子の界磁磁束との相互作用により、固定子と回転子との間にトルクが作用する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−３８９０３号公報
【特許文献２】特開２００９−１１２０９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１においては、界磁コイル（負荷）に流れる直流電流の変動の低減を図るために、３相の発電コイルに誘導電流を発生させ、３相の誘導電流を３相全波整流回路で直流に整流して界磁コイルに流している。そのため、発電コイルとして３相のものを用いる必要があり、整流回路として６個の整流素子を用いる必要がある。その結果、構造が複雑になり大型化する。
【０００５】
本発明は、構造の大型化を招くことなく、負荷に流れる電流変動を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る励磁装置及び回転電機は、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明に係る励磁装置は、電流が流れることで磁束を発生する励磁コイルを含む励磁固定子と、励磁固定子と対向配置された被励磁回転子であって、励磁コイルによる磁束が鎖交し、電流が流れることで磁束を発生する第１及び第２被励磁コイルを含む被励磁回転子と、第１被励磁コイル及び負荷に流れる電流を所定の一方向に制限する第１整流素子と、第２被励磁コイル及び負荷に流れる電流を所定の一方向に制限する第２整流素子と、を備え、励磁固定子及び被励磁回転子には、励磁コイルによる磁束、第１被励磁コイルによる磁束、及び第２被励磁コイルによる磁束が通る共有磁路が設けられ、励磁コイルに交流電流が流れる、または被励磁回転子が励磁固定子に対して回転する状態で励磁コイルに電流が流れることで、励磁コイルによる第１及び第２被励磁コイルの鎖交磁束が変化し、第１及び第２被励磁コイルの一方による磁束は、共有磁路を通って第１及び第２被励磁コイルの他方に鎖交し、第１及び第２整流素子は、第１被励磁コイルに所定の一方向の電流が流れることで発生し共有磁路を通る磁束の方向が、第２被励磁コイルに所定の一方向の電流が流れることで発生し共有磁路を通る磁束の方向と逆方向になるように、負荷に流れる電流を所定の一方向に制限することを要旨とする。
【０００８】
本発明の一態様では、励磁コイルに流れる交流電流の周波数を制御することで、負荷に流れる電流を制御する制御装置をさらに備えることが好適である。
【０００９】
本発明の一態様では、被励磁回転子が励磁固定子に対して回転する状態で励磁コイルに直流電流が流れることが好適である。
【００１０】
また、本発明に係る励磁装置は、磁石を含む励磁固定子と、励磁固定子と対向配置された被励磁回転子であって、磁石による磁束が鎖交し、電流が流れることで磁束を発生する第１及び第２被励磁コイルを含む被励磁回転子と、第１被励磁コイル及び負荷に流れる電流を所定の一方向に制限する第１整流素子と、第２被励磁コイル及び負荷に流れる電流を所定の一方向に制限する第２整流素子と、を備え、励磁固定子及び被励磁回転子には、磁石による磁束、第１被励磁コイルによる磁束、及び第２被励磁コイルによる磁束が通る共有磁路が設けられ、被励磁回転子が励磁固定子に対して回転することで、磁石による第１及び第２被励磁コイルの鎖交磁束が変化し、第１及び第２被励磁コイルの一方による磁束は、共有磁路を通って第１及び第２被励磁コイルの他方に鎖交し、第１及び第２整流素子は、第１被励磁コイルに所定の一方向の電流が流れることで発生し共有磁路を通る磁束の方向が、第２被励磁コイルに所定の一方向の電流が流れることで発生し共有磁路を通る磁束の方向と逆方向になるように、負荷に流れる電流を所定の一方向に制限することを要旨とする。
【００１１】
また、本発明に係る回転電機は、本発明に係る励磁装置と、電流が流れることで界磁磁束を発生する界磁コイルを前記負荷として含む界磁回転子と、界磁回転子と対向配置され、電流が流れることで界磁磁束と相互作用する磁界を発生する電機子コイルを含む電機子と、を備えることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、共有磁路を利用して第１及び第２被励磁コイル間で双方が影響し合って共振現象が生じ、共有磁路を循環する磁束が全体で打ち消し合うように、第１及び第２整流素子により所定の一方向に制限された電流が第１及び第２被励磁コイルに誘導されて負荷に流れる。これによって、構造の大型化を招くことなく、負荷に流れる電流変動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係る励磁装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る励磁装置の概略構成を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る励磁装置の動作を説明する図である。
【図４】本発明の実施形態に係る励磁装置の動作を説明する図である。
【図５】本発明の実施形態に係る励磁装置の動作を説明する図である。
【図６】本発明の実施形態に係る励磁装置の動作を説明する図である。
【図７Ａ】本発明の実施形態に係る励磁装置において、励磁コイルに流れる電流、及び負荷に流れる電流の一例を示す図である。
【図７Ｂ】本発明の実施形態に係る励磁装置において、励磁コイルに流れる電流、被励磁コイルに流れる電流、及び負荷に流れる電流の一例を示す図である。
【図８Ａ】本発明の実施形態に係る励磁装置において、被励磁コイルに流れる電流、及び負荷に流れる電流の一例を示す図である。
【図８Ｂ】本発明の実施形態に係る励磁装置において、被励磁コイルに流れる電流、及び負荷に流れる電流の一例を示す図である。
【図８Ｃ】本発明の実施形態に係る励磁装置において、被励磁コイルに流れる電流の一例を示す図である。
【図９Ａ】本発明の実施形態に係る励磁装置において、被励磁コイルに鎖交する磁束の一例を示す図である。
【図９Ｂ】本発明の実施形態に係る励磁装置において、励磁コイルに流れる電流、被励磁コイルに流れる電流、及び負荷に流れる電流の一例を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る励磁装置の他の概略構成を示す図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る励磁装置の他の概略構成を示す図である。
【図１２】本発明の実施形態に係る励磁装置を備える回転電機の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。
【００１５】
図１，２は、本発明の実施形態に係る励磁装置の概略構成を示す図である。励磁コイル１１は電源１３に接続されている。電源１３から励磁コイル１１に電流が流れることで、励磁コイル１１は磁束を発生し、発生した磁束は共有磁路４０を通って被励磁コイル２１，２２に鎖交する。電源１３から励磁コイル１１に流す電流は、制御装置６０によって制御される。
【００１６】
被励磁コイル２１はダイオード（整流素子）３１を介して負荷３０に接続されていることで、被励磁コイル２１及び負荷３０に流れる電流がダイオード３１により所定の一方向に制限され、被励磁コイル２２はダイオード（整流素子）３２を介して負荷３０に接続されていることで、被励磁コイル２２及び負荷３０に流れる電流がダイオード３２により所定の一方向に制限される。負荷３０の一端が各ダイオード３１，３２の一端にそれぞれ接続され、負荷３０の他端が各被励磁コイル２１，２２の一端にそれぞれ接続されていることで、負荷３０が被励磁コイル２１，２２とダイオード３１，３２に対してＴ字状に結線されている。負荷３０の例としては、回転電機の界磁ロータに設けられる界磁コイル等の誘導性負荷が挙げられるが、コイル等の誘導性負荷に限られるものではない。
【００１７】
被励磁コイル２１に鎖交する磁束が変化すると、被励磁コイル２１に誘起電圧が発生する。ただし、被励磁コイル２１に流れる誘導電流はダイオード３１により所定の一方向に制限（整流）されるため、被励磁コイル２１の電流により発生する磁束の方向も所定の一方向に制限される。同様に、被励磁コイル２２に鎖交する磁束が変化すると、被励磁コイル２２に誘起電圧が発生する。ただし、被励磁コイル２２に流れる誘導電流はダイオード３２により所定の一方向に制限（整流）されるため、被励磁コイル２２の電流により発生する磁束の方向も所定の一方向に制限される。被励磁コイル２１の電流により発生した磁束は共有磁路４０を通って被励磁コイル２２に鎖交し、被励磁コイル２２の電流により発生した磁束は共有磁路４０を通って被励磁コイル２１に鎖交する。
【００１８】
本実施形態では、例えば図１の矢印６１，６２に示すように、被励磁コイル２１に所定の一方向の電流が流れることで発生し共有磁路４０を通る磁束の方向が、被励磁コイル２２に所定の一方向の電流が流れることで発生し共有磁路４０を通る磁束の方向と逆方向になるように、被励磁コイル２１，２２の巻回方向、及びダイオード３１，３２による被励磁コイル２１，２２の電流の整流方向が設定されている。図１に示す例では、被励磁コイル２１，２２の巻回方向が互いに同方向であり、ダイオード３１のアノード側が被励磁コイル２１の他端に接続され、ダイオード３２のアノード側が被励磁コイル２２の他端に接続され、ダイオード３１，３２のカソード側が負荷３０の一端に接続されている。これによって、負荷３０に流れる電流は、被励磁コイル２１からダイオード３１を介して流れる電流と、被励磁コイル２２からダイオード３２を介して流れる電流とで、互いに同方向になり、所定の一方向（直流）に制限される。ただし、ダイオード３１のカソード側を被励磁コイル２１の他端に接続し、ダイオード３２のカソード側を被励磁コイル２２の他端に接続し、ダイオード３１，３２のアノード側を負荷３０の一端に接続することも可能である。
【００１９】
励磁ステータ１０と被励磁ロータ２０が対向配置されており、励磁コイル１１は励磁ステータ１０に設けられており、被励磁コイル２１，２２とダイオード３１，３２は被励磁ロータ２０に設けられており、共有磁路４０は励磁ステータ１０及び被励磁ロータ２０に設けられている。ただし、ダイオード３１，３２については、被励磁ロータ２０の外部の回転部材に設けることも可能である。図２に示す例では、励磁ステータ１０と被励磁ロータ２０が、ロータ回転軸線と直交する径方向（以下単に径方向とする）において微小空隙を空けて対向配置されている。励磁ステータ１０のステータコア４４においては、ステータヨーク４３から径方向（径方向内側）に被励磁ロータ２０へ向けて突出する複数のステータティース４１がロータ回転軸線まわりの周方向（以下単に周方向とする）に沿って互いに間隔をおいて（等間隔で）配列されており、ステータティース４１に励磁コイル１１が巻回されている。被励磁ロータ２０のロータコア５４においては、ロータヨーク５３から径方向（径方向外側）に励磁ステータ１０へ向けて突出する複数のロータティース５１，５２が周方向に沿って互いに間隔をおいて（等間隔で）配列されており、ロータティース５１，５２に被励磁コイル２１，２２がそれぞれ巻回されている。被励磁コイル２１，２２（ロータティース５１，５２）は周方向において交互に配置され、ロータティース５１，５２間の周方向間隔は、ステータティース４１間の周方向間隔と等間隔であり、ロータティース５１がステータティース４１と対向する状態では、ロータティース５２が他のステータティース４１と対向する。ステータコア４４（周方向に隣接する２つのステータティース４１、及びステータヨーク４３）によりステータ側磁路が形成され、ロータコア５４（ロータティース５２、ロータヨーク５３、及びロータティース５１）によりロータ側磁路が形成される。そして、隣接するステータティース４１の一方、ステータヨーク４３、隣接するステータティース４１の他方、ロータティース５２、ロータヨーク５３、及びロータティース５１により、循環磁路である共有磁路４０が形成される。
【００２０】
ダイオード３１は、被励磁コイル２１の電流によりロータティース５１に発生する磁束の方向が、図２の矢印６１に示す径方向内側（ロータティース５１からロータヨーク５３に流れる方向）の一方向に制限されるように、被励磁コイル２１に流れる電流を所定の一方向に制限する。つまり、ダイオード３１は、ロータティース５１に径方向外側（ロータティース５１からステータティース４１に流れる方向）の磁束を発生させる方向の電流については遮断する。ダイオード３２は、被励磁コイル２２の電流によりロータティース５２に発生する磁束の方向が、図２の矢印６２に示す径方向内側（ロータティース５２からロータヨーク５３に流れる方向）の一方向に制限されるように、被励磁コイル２２に流れる電流を所定の一方向に制限する。つまり、ダイオード３２は、ロータティース５２に径方向外側（ロータティース５２からステータティース４１に流れる方向）の磁束を発生させる方向の電流については遮断する。励磁コイル１１は、電流が流れる場合に、周方向に隣接する２つのステータティース４１に発生する磁束の方向が径方向外側及び径方向内側にそれぞれなるように、各ステータティース４１への巻回方向が設定されている。
【００２１】
被励磁ロータ２０の回転が停止しており、ロータティース５１，５２が周方向に隣接する２つのステータティース４１とそれぞれ対向している状態で、電源１３から励磁コイル１１に交流電流を流すと、各ステータティース４１に磁束が発生する。励磁コイル１１の電流により周方向に隣接する２つのステータティース４１に発生する磁束は、共有磁路４０において互いに強め合う。その結果、励磁コイル１１の電流による磁束は、例えば図３の矢印６３に示すように、隣接するステータティース４１の一方、ステータヨーク４３、隣接するステータティース４１の他方、ロータティース５２、ロータヨーク５３、及びロータティース５１を通って、共有磁路４０（循環磁路）全体を循環する磁束となる。この循環磁束が、被励磁コイル２１を径方向外側（ロータティース５１からステータティース４１に流れる方向）に鎖交するとともに、被励磁コイル２２を径方向内側（ステータティース４１からロータティース５２に流れる方向）に鎖交する。なお、図３において、○（白丸印）内に●（黒丸印）の部分は図面の手前方向の電流が流れる場合を表し、○（白丸印）内に×（バツ印）の部分は図面の奥方向の電流が流れる場合を表す（以下の図でも同様）。
【００２２】
励磁コイル１１に流れる電流が変化すると、図３の矢印６３に示す循環磁束も変化し、励磁コイル１１の電流により被励磁コイル２１に鎖交する磁束量が、励磁コイル１１の電流により被励磁コイル２２に鎖交する磁束量と同様に変化する。そのため、被励磁コイル２１，２２には、鎖交磁束量の変化を抑えるための誘起電圧が発生する。例えば、被励磁コイル２１を径方向外側に鎖交する磁束量が、被励磁コイル２２を径方向内側に鎖交する磁束量と同様に増加する場合は、被励磁コイル２１には、径方向内側（ステータティース４１からロータティース５１に流れる方向）の磁束を発生させるための誘起電圧が発生し、被励磁コイル２２には、径方向外側（ロータティース５２からステータティース４２に流れる方向）の磁束を発生させるための誘起電圧が発生する。ただし、ロータティース５１に径方向内側の磁束を発生させる方向の被励磁コイル２１の誘導電流は、ダイオード３１によって許容されるものの、ロータティース５２に径方向外側の磁束を発生させる方向の被励磁コイル２２の誘導電流は、ダイオード３２によって遮断される。そのため、被励磁コイル２１には、鎖交磁束量の増加を抑えるための誘導電流が流れることで、ロータティース５１に径方向内側の磁束が発生するが、被励磁コイル２２には、鎖交磁束量の増加を抑えるための誘導電流はダイオード３２によって遮断されて流れず、ロータティース５２に径方向外側の磁束も発生しない。被励磁コイル２１の誘導電流によりロータティース５１に発生した磁束は、図４の矢印６４に示すように、ロータヨーク５３、ロータティース５２、隣接するステータティース４１の他方、ステータヨーク４３、及び隣接するステータティース４１の一方を通って、共有磁路４０（循環磁路）全体を循環することで、励磁コイル１１の電流による循環磁束（図４の矢印６３に示す）を打ち消すように反発し合う。被励磁コイル２１に発生した誘導電流は、ダイオード３１を介して負荷３０に流れ、被励磁コイル２１の誘導電流による磁束は、被励磁コイル２２を径方向外側に鎖交する。
【００２３】
励磁コイル１１に流れる電流の方向が図３，４に示す状態と逆方向になると、図５の矢印６３に示すように、励磁コイル１１の電流による循環磁束の方向も反転し、励磁コイル１１の電流による循環磁束が被励磁コイル２１を径方向内側（ステータティース４１からロータティース５１に流れる方向）に鎖交し、励磁コイル１１の電流による循環磁束が被励磁コイル２２を径方向外側（ロータティース５２からステータティース４１に流れる方向）に鎖交する。その場合に、ロータティース５１に径方向外側の磁束を発生させる方向の被励磁コイル２１の誘導電流は、ダイオード３１によって遮断されるため、被励磁コイル２１の電流は減少してロータティース５１に発生する磁束も減少する。一方、ロータティース５２に径方向内側の磁束を発生させる方向の被励磁コイル２２の誘導電流は、ダイオード３２によって許容されるため、被励磁コイル２２に誘導電流が発生する。その際には、励磁コイル１１の電流により被励磁コイル２２を径方向外側に鎖交する磁束だけでなく、被励磁コイル２１の電流により被励磁コイル２２を径方向外側に鎖交する磁束も打ち消すように、被励磁コイル２２に誘導電流が発生してロータティース５２に径方向内側の磁束が発生する。つまり、励磁コイル１１の電流による磁束の変化によって誘導されるだけでなく、被励磁コイル２１の電流による磁束の変化によっても、被励磁コイル２２に誘導電流が発生する。すなわち、双方の被励磁コイル２１，２２が互いに影響し合って誘導電流を増加させる。被励磁コイル２２の誘導電流によりロータティース５２に発生した磁束は、図６の矢印６４に示すように、ロータヨーク５３、ロータティース５１、隣接するステータティース４１の一方、ステータヨーク４３、及び隣接するステータティース４１の他方を通って、共有磁路４０（循環磁路）全体を循環することで、励磁コイル１１及び被励磁コイル２１の電流による循環磁束（図６の矢印６３に示す）を打ち消すように反発し合う。被励磁コイル２２に発生した誘導電流は、ダイオード３２を介して負荷３０に流れ、被励磁コイル２２の誘導電流による磁束は、被励磁コイル２１を径方向外側に鎖交する。
【００２４】
励磁コイル１１に流れる電流が交流で変化すると、図４に示す状態と図６に示す状態とが交互に繰り返される。図４に示す状態から図６に示す状態に移行する際には、励磁コイル１１の電流により被励磁コイル２２に鎖交する磁束、及び被励磁コイル２１の電流により被励磁コイル２２に鎖交する磁束を打ち消すように、被励磁コイル２２の誘導電流が増加する。図６に示す状態から図４に示す状態に移行する際には、励磁コイル１１の電流により被励磁コイル２１に鎖交する磁束、及び被励磁コイル２２の電流により被励磁コイル２１に鎖交する磁束を打ち消すように、被励磁コイル２１の誘導電流が増加する。これによって、共有磁路４０全体を循環する磁束（図４，６の矢印６３，６４に示す）が全体で打ち消し合うように、被励磁コイル２１の電流が減少するとともに被励磁コイル２２の電流が増加する現象と、被励磁コイル２２の電流が減少するとともに被励磁コイル２１の電流が増加する現象とが交互に繰り返される。その結果、励磁コイル１１に流れる電流（励磁電流）、被励磁コイル２１，２２に流れる電流、及び負荷３０に流れる電流は、図７Ａ，７Ｂに示すようになる。図７Ｂは、図７ＡのＡ部の拡大図を示す。図７Ｂに示すように、負荷３０に流れる電流は、被励磁コイル２１に流れる電流と被励磁コイル２２に流れる電流とを合成した電流となり、励磁コイル１１の交流電流の周波数及び振幅が一定の場合は、励磁コイル１１の交流電流の振幅より大きい一定値にほぼ収束する直流電流となる。このように、励磁コイル１１に流す電流を交流で変化させることで、被励磁ロータ２０の回転が停止している状態でも、被励磁コイル２１，２２に電流を誘導して負荷３０に流すことができ、その際には、スリップリングを必要としない。
【００２５】
電源１３から励磁コイル１１に流す交流電流の周波数を変化させた場合における被励磁コイル２１，２２に流れる電流及び負荷３０に流れる電流を図８Ａ〜８Ｃに示す。図８Ａは、励磁コイル１１の交流電流の周波数がｆ／６（ｆはある正数）である場合の被励磁コイル２１，２２に流れる電流及び負荷３０に流れる電流を示し、図８Ｂは、励磁コイル１１の交流電流の周波数がｆ（図８Ａの６倍）である場合の被励磁コイル２１，２２に流れる電流及び負荷３０に流れる電流を示し、図８Ｃは、励磁コイル１１の交流電流の周波数がｆ，ｆ／６である場合の被励磁コイル２１に流れる電流を示す。励磁コイル１１に流す交流電流の周波数を低下させると、被励磁コイル２１，２２と負荷３０のインダクタンス成分によるインピーダンス、及び被励磁コイル２１，２２に発生する誘起電圧も低下するが、被励磁コイル２１，２２と負荷３０の抵抗成分によるインピーダンスは変化せず、その割合が相対的に増加する。その結果、励磁コイル１１に流す交流電流の周波数を低下させると、図８Ａ〜８Ｃに示すように、被励磁コイル２１，２２に流れる電流の振幅が小さくなり、負荷３０に流れる直流電流が小さくなる。そこで、制御装置６０は、電源１３から励磁コイル１１に流す交流電流の周波数を制御することで、負荷３０に流れる直流電流の大きさを制御することができる。また、制御装置６０は、電源１３から励磁コイル１１に流す交流電流の振幅を制御することによっても、負荷３０に流れる直流電流の大きさを制御することが可能である。
【００２６】
また、被励磁ロータ２０が励磁ステータ１０に対して回転している状態では、電源１３から励磁コイル１１に直流電流を流しても、励磁コイル１１の電流により被励磁コイル２１に鎖交する磁束量が、励磁コイル１１の電流により被励磁コイル２２に鎖交する磁束量と同様に変化する。したがって、被励磁ロータ２０が回転している状態で励磁コイル１１に直流電流を流す場合でも、被励磁ロータ２０が停止している状態で励磁コイル１１に交流電流を流す場合と同様に、共有磁路４０を流れる磁束が全体で打ち消し合うように、被励磁コイル２１の電流が減少するとともに被励磁コイル２２の電流が増加する現象と、被励磁コイル２２の電流が減少するとともに被励磁コイル２１の電流が増加する現象とが交互に繰り返される。その結果、負荷３０に流れる電流は、励磁コイル１１の直流電流の大きさ及び被励磁ロータ２０の回転速度が一定の場合は、ほぼ一定値に収束する直流電流となる。なお、被励磁ロータ２０の回転速度が低下すると、被励磁コイル２１，２２に流れる電流の振幅が小さくなり、負荷３０に流れる直流電流が小さくなる。制御装置６０は、電源１３から励磁コイル１１に流す直流電流の大きさを制御することで、負荷３０に流れる直流電流の大きさを制御することが可能である。このように、被励磁ロータ２０が回転している状態で励磁コイル１１に直流電流を流すことで、少ないパワーで被励磁コイル２１，２２に電流を誘導して負荷３０に流すことができる。
【００２７】
また、被励磁ロータ２０が励磁ステータ１０に対して回転している状態で、電源１３から励磁コイル１１に交流電流を流しても、励磁コイル１１の電流により被励磁コイル２１に鎖交する磁束量が、励磁コイル１１の電流により被励磁コイル２２に鎖交する磁束量と同様に変化する。したがって、被励磁ロータ２０が回転している状態で励磁コイル１１に交流電流を流す場合でも、被励磁ロータ２０が停止している状態で励磁コイル１１に交流電流を流す場合と同様に、共有磁路４０を流れる磁束が全体で打ち消し合うように、被励磁コイル２１の電流が減少するとともに被励磁コイル２２の電流が増加する現象と、被励磁コイル２２の電流が減少するとともに被励磁コイル２１の電流が増加する現象とが交互に繰り返される。その結果、負荷３０に流れる電流は、励磁コイル１１の交流電流の周波数及び振幅と被励磁ロータ２０の回転速度が一定の場合は、ほぼ一定値に収束する直流電流となる。制御装置６０は、電源１３から励磁コイル１１に流す交流電流の周波数及び振幅の少なくとも一方を制御することで、負荷３０に流れる直流電流の大きさを制御することが可能である。
【００２８】
なお、励磁コイル１１に交流電流を流すと、交番磁界が発生する。交番磁界は、互いに同じ強さの回転磁界（正相、逆相）が互いに逆向きに発生すると考えることができる。そのため、被励磁ロータ２０が回転している状態で励磁コイル１１に交流電流を流す場合に、被励磁コイル２１，２２に鎖交する磁束の変動は、交流電流の周波数による正相、逆相成分と、被励磁ロータ２０の電気周波数のそれぞれの速度差成分の合成となる。また、被励磁コイル２１，２２には、正相と逆相の合成成分の鎖交磁束変動を抑制するように、誘導電流が発生する。その結果、被励磁コイル２１，２２の鎖交磁束は、例えば図９Ａに示すようになり、励磁コイル１１に流れる電流（励磁電流）、被励磁コイル２１，２２に流れる電流、及び負荷３０に流れる電流は、例えば図９Ｂに示すようになる。ただし、図９Ａ，９Ｂでは、励磁コイル１１の交流電流の周波数ｆsを１２ｆr（ｆrは正数）、被励磁ロータ２０の電気周波数Ｐｆrを４ｆr（Ｐ＝４：極数）としている。
【００２９】
以上説明した本実施形態によれば、共有磁路４０を利用して被励磁コイル２１，２２間で双方が影響し合って共振現象が生じ、共有磁路４０を循環する磁束（図４，６の矢印６３，６４に示す）が全体で打ち消し合うように、磁束のリップル分がなくなるまで同共振が継続するため、励磁コイル１１に印加する起磁力（ＡＴ）よりも大きな起磁力（ＡＴ）を取り出すことができる。さらに、磁束が共有磁路４０全体を循環することで、多くの磁束を利用して被励磁コイル２１，２２に電流を誘導して負荷３０に流すことができる。したがって、負荷３０に流れる直流電流を増加させることができるとともに、負荷３０に流れる直流電流の変動を抑制することができる。その際に、被励磁ロータ２０側の回路構成は、２つの被励磁コイル２１，２２と２つのダイオード３１，３２で実現可能であるため、特許文献１のように、３相の発電コイルに発生した誘導電流を３相全波整流回路（６個のダイオード）で直流に整流して負荷に流す回路構成と比較して、構成を簡略化することができ、小型化を実現することができる。
【００３０】
本実施形態では、励磁ステータ１０及び被励磁ロータ２０を、例えば図１０に示すように構成することも可能である。励磁ステータ１０のステータコア４４においては、ステータヨーク４３から径方向（径方向内側）に被励磁ロータ２０へ向けて全周に渡って突出する突出部４５，４６がロータ回転軸線方向の両端部にそれぞれ設けられ、突出部４５，４６間にスロット４７が周方向に沿って形成されている。励磁コイル１１はスロット４７を通って周方向に沿って環状に巻回されている。被励磁ロータ２０のロータコア５４においては、ロータヨーク５３から径方向（径方向外側）に励磁ステータ１０（突出部４５，４６）へ向けて突出する突出部５５，５６がロータ回転軸線方向の両端部にそれぞれ設けられ、突出部５５，５６間にスロット５７が周方向に沿って形成されている。被励磁コイル２１はスロット５７における突出部５５側の位置を通って周方向に沿って環状に巻回され、被励磁コイル２２はスロット５７における突出部５６側の位置を通って周方向に沿って環状に巻回されている。ステータコア４４（突出部４５、ステータヨーク４３、及び突出部４６）によりステータ側磁路が形成され、ロータコア５４（突出部５６、ロータヨーク５３、及び突出部５５）によりロータ側磁路が形成される。そして、突出部４５、ステータヨーク４３、突出部４６、突出部５６、ロータヨーク５３、及び突出部５５により、循環磁路である共有磁路４０が形成される。
【００３１】
図１０に示す構成例でも、図１，２に示す構成例と同様に、電源１３から励磁コイル１１に交流電流を流す。そして、被励磁コイル２１に流れる所定の一方向の電流により共有磁路４０を通る磁束の方向（例えば図１０の矢印６１に示す方向）が、被励磁コイル２２に流れる所定の一方向の電流により共有磁路４０を通る磁束の方向（例えば図１０の矢印６２に示す方向）と逆方向になるように、被励磁コイル２１，２２の巻回方向、及びダイオード３１，３２による被励磁コイル２１，２２の電流の整流方向を設定する。
【００３２】
また、本実施形態では、例えば図１１に示すように、励磁ステータ１０に永久磁石７１を励磁コイル１１の代わりに設けることも可能である。図１１に示す構成例では、ステータヨーク４３から径方向（径方向内側）に被励磁ロータ２０へ向けて突出する複数の永久磁石７１が周方向に沿って互いに間隔をおいて（等間隔で）配列されている。永久磁石７１間の周方向間隔は、ロータティース５１，５２間の周方向間隔と等間隔であり、ロータティース５１が永久磁石７１と対向する状態では、ロータティース５２が他の永久磁石７１と対向する。ステータヨーク４３、ロータティース５２、ロータヨーク５３、及びロータティース５１により、永久磁石７１による磁束、及び被励磁コイル２１，２２による磁束が通る共有磁路４０が形成される。周方向に隣接する２つの永久磁石７１の着磁方向は、一方の径方向内側（被励磁ロータ２０との対向面）がＮ極であり、他方の径方向内側がＳ極であることで、隣接する２つの永久磁石７１の発生する磁束が共有磁路４０において互いに強め合う（磁束の方向が互いに同方向になる）。被励磁ロータ２０が励磁ステータ１０に対して回転することで、永久磁石７１による被励磁コイル２１の鎖交磁束量が、永久磁石７１による被励磁コイル２２の鎖交磁束量と同様に変化する。他の構成については図１，２に示す構成例と同様である。
【００３３】
図１１に示す構成例の動作は、被励磁ロータ２０が励磁ステータ１０に対して回転する状態で励磁コイル１１に直流電流を流す場合の動作と同様である。つまり、被励磁ロータ２０が励磁ステータ１０に対して回転することで、共有磁路４０を流れる磁束が全体で打ち消し合うように、被励磁コイル２１の電流が減少するとともに被励磁コイル２２の電流が増加する現象と、被励磁コイル２２の電流が減少するとともに被励磁コイル２１の電流が増加する現象とが交互に繰り返される。その結果、負荷３０に流れる電流は、被励磁ロータ２０の回転速度が一定の場合は、ほぼ一定値に収束する直流電流となる。
【００３４】
本実施形態に係る励磁装置を備える回転電機の構成例を図１２に示す。電機子（ステータ）１１０は、交流電流が流れることで回転磁界を発生可能な電機子コイル１１２を含み、励磁ステータ１０と機械的に連結されている。界磁ロータ１２０は、電流が流れることで界磁磁束を発生可能な界磁コイルを負荷３０として含み、被励磁ロータ２０と機械的に連結されている。電機子１１０と界磁ロータ１２０が、径方向において微小空隙を空けて対向配置されている。本実施形態に係る励磁装置により界磁コイル（負荷）３０に直流電流を流すことで、界磁ロータ１２０に界磁磁束が発生し、電機子コイル１１２に交流電流を流すことで、電機子１１０に回転磁界が発生する。そして、電機子コイル１１２の交流電流による電機子１１０の回転磁界が、界磁コイル３０の直流電流による界磁ロータ１２０の界磁磁束と相互作用することで、電機子１１０と界磁ロータ１２０との間にトルクが作用して界磁ロータ１２０が被励磁ロータ２０とともに回転駆動する。なお、電機子１１０と界磁ロータ１２０との間にトルクを作用させるための電機子１１０及び界磁ロータ１２０の具体的構成については周知の構成で実現可能であるため詳細な説明を省略する。
【００３５】
制御装置６０は、界磁ロータ１２０の回転速度とトルク指令値に基づいて、界磁コイル（負荷）３０の直流電流を制御する。例えば、界磁ロータ１２０の回転速度が所定回転速度より高い場合は、界磁ロータ１２０の回転速度が所定回転速度以下の場合と比較して界磁コイル３０の直流電流を減少させる、あるいは界磁コイル３０に電流が流れないように制御する。これによって、弱め界磁制御を行うことができる。また、界磁ロータ１２０のトルク指令値が所定値より大きい場合は、界磁ロータ１２０のトルク指令値が所定値以下の場合と比較して界磁コイル３０の直流電流を増加させる。これによって、強め界磁制御を行うことができる。なお、励磁コイル１１に交流電流を流す場合は、制御装置６０は、励磁コイル１１の交流電流の周波数を低くするか振幅を小さくすることで、界磁コイル３０の直流電流を減少させることができ、励磁コイル１１の交流電流の周波数を高くするか振幅を大きくすることで、界磁コイル３０の直流電流を増加させることができる。また、被励磁ロータ２０が回転している状態で励磁コイル１１に直流電流を流す場合は、制御装置６０は、励磁コイル１１の直流電流を小さくすることで、界磁コイル３０の直流電流を減少させることができ、励磁コイル１１の直流電流を大きくすることで、界磁コイル３０の直流電流を増加させることができる。
【００３６】
なお、図１２では、励磁ステータ１０に励磁コイル１１を設けた例を示しているが、例えば図１１に示す構成例を適用して、励磁ステータ１０に永久磁石７１を設けることも可能である。また、ダイオード３１，３２については、被励磁ロータ２０に設けることも可能であるし、例えば界磁ロータ１２０等、被励磁ロータ２０の外部の回転部材に設けることも可能である。
【００３７】
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００３８】
１０  励磁ステータ、１１  励磁コイル、１３  電源、２０  被励磁ロータ、２１，２２  被励磁コイル、３０  負荷（界磁コイル）、３１，３２  ダイオード、４０  共有磁路、４１  ステータティース、４３  ステータヨーク、４４  ステータコア、４５，４６，５５，５６  突出部、４７，５７  スロット、５１，５２  ロータティース、５３  ロータヨーク、５４  ロータコア、６０  制御装置、７１  永久磁石、１１０  電機子（ステータ）、１１２  電機子コイル、１２０  界磁ロータ。
【図１】
2012125003.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
2012125003.tif 000009
【図７Ｂ】
2012125003.tif 000010
【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
2012125003.tif 000012
【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
2012125003.tif 000014
【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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