(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転電機システムは，軸と同心に径方向或いは軸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部及び電機子とより少なくとも構成され，電機子は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構成され，界磁部は電機子と対向して周方向に配置された複数の磁性体突極を少なくとも有し，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永久磁石励磁されている回転電機システムであって，前記界磁部の磁極構造は，表面磁極層と界磁磁極層に区分して，表面磁極層は，電機子と対向する面には周方向に配置された磁性体突極を少なくとも有すると共に界磁磁極層との対向面に磁性体突極，バイパス磁極を少なくとも有し，界磁磁極層は，界磁磁石を有して界磁磁石の磁極であるＮ極，Ｓ極の何れか一方の磁極が磁性体突極及びバイパス磁極に対向し，界磁磁石の一方の磁極から磁性体突極に分流した磁束が電機子及び隣接する磁性体突極を介して界磁磁石の他方の磁極に環流する主磁路及び界磁磁石の一方の磁極からバイパス磁極に分流した磁束が主として界磁部内で界磁磁石の他方の磁極に環流するバイパス磁路が界磁磁石に並列に接続され，隣接する磁性体突極を互いに異極に励磁する構成とし，界磁磁石が磁性体突極と対向する面積及びバイパス磁極と対向する面積の和を一定に保ちながらそれぞれの面積比を変えるように表面磁極層と界磁磁極層間は相対偏倚可能に構成され，界磁磁石から磁性体突極及びバイパス磁極それぞれに分流した界磁磁束総量が前記相対偏倚内で一定であるようにバイパス磁路の磁気抵抗を設定し，表面磁極層或いは界磁磁極層の何れかを偏倚磁極層として相対偏倚させる磁極層偏倚手段を有し，回転電機システムの出力に応じて磁極層偏倚手段を駆動して電機子と界磁部間の界磁強度を制御し，前記出力を最適化する事を特徴とする回転電機システム
【請求項２】
請求項１記載の回転電機システムに於いて，表面磁極層と界磁磁極層間に係合部を有し，係合部は表面磁極層と界磁磁極層間の相対偏倚の周方向角度長が界磁磁極層と対向する面に於ける磁性体突極の周方向角度長或いはバイパス磁極の周方向角度長の何れか小の周方向角度長を越えないよう規制する偏倚規制手段を有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，磁性体突極を構成する磁性体構成より実効的に飽和磁束密度の高い磁性体構成によりバイパス磁極を形成し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，表面磁極層の磁性体突極及びバイパス磁極は，界磁磁極層側に突極となる第一磁性体突極，バイパス磁極，第二磁性体突極が順次に周方向に繰り返し並ぶ構成とし，バイパス磁極は第一及び第二磁性体突極と磁気的に独立に構成すると共にバイパス磁極から第二磁性体突極に至るバイパス磁路の磁気抵抗が第一磁性体突極から電機子を介して第二磁性体突極に至る主磁路の磁気抵抗とほぼ等しく構成され，界磁磁極層は，界磁磁石の磁極であるＮ極，Ｓ極の何れか一方を第一界磁磁極，他方を第二界磁磁極として第一磁性体突極及びバイパス磁極に第一界磁磁極を対向させると共に第二界磁磁極を第二磁性体突極に対向させて隣接する磁性体突極を互いに逆極性となるよう励磁し，第一界磁磁極が第一磁性体突極と対向する面積及びバイパス磁極と対向する面積の和を一定に保ちながらそれぞれの面積比を変えるように表面磁極層と界磁磁極層間を相対偏倚可能に構成した事を特徴とする回転電機システム
【請求項５】
請求項１記載の回転電機システムに於いて，表面磁極層の磁性体突極及びバイパス磁極は，界磁磁極層側に突極となる磁性体突極，第一バイパス磁極，第二バイパス磁極が順次に周方向に繰り返し並ぶ構成とし，第一及び第二バイパス磁極は磁性体突極と磁気的に独立に構成すると共に第一バイパス磁極から第二バイパス突極間は磁気空隙或いは磁性体で磁気的に結合され，界磁磁極層は，円筒状磁気コアに磁性体突極及び第一バイパス磁極に対向する界磁磁石を配置すると共に隣接する界磁磁石は互いに磁化方向を反転させて隣接する磁性体突極を互いに異極に磁化し，第二バイパス磁極は円筒状磁気コアに対向させ，第一バイパス磁極から第二バイパス磁極を介して円筒状磁気コアに至るバイパス磁路の磁気抵抗が隣接する磁性体突極間に於いて電機子を含む主磁路の磁気抵抗の半分とほぼ等しく構成され，界磁磁石が磁性体突極と対向する面積及び第一バイパス磁極と対向する面積の和を一定に保ちながらそれぞれの面積比を変えるように表面磁極層と界磁磁極層間を相対偏倚可能に構成した事を特徴とする回転電機システム
【請求項６】
請求項１記載の回転電機システムに於いて，表面磁極層の電機子との対向面には，電機子に対向して磁性体突極と磁気空隙部とが周方向に交互に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７】
請求項１記載の回転電機システムに於いて，表面磁極層の電機子との対向面には，電機子に対向し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，界磁磁極層の界磁磁極は対向する磁性体突極の磁化方向と同じ磁化方向となるよう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の周方向両側面に板面と直交し且つ同一磁化方向を持つ永久磁石板を配置した構成とし，表面磁極層の電機子との対向面には，磁性体突極と集合永久磁石が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され，界磁磁極層の界磁磁極は対向する磁性体突極の磁化方向と同じ磁化方向となるよう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９】
請求項８記載の回転電機システムに於いて，前記集合永久磁石からの磁束を減少調整させる為に中間磁性体突極内の磁性体を切り欠き或いは中間磁性体突極内に磁気空隙を配置した事を特徴とする回転電機システム
【請求項１０】
請求項１記載の界磁部を静止側に配置した回転電機システムに於いて，磁極層偏倚手段は，ギア機構及びアクチュエータとより構成され，偏倚磁極層の停止位置を保持すると共に偏倚磁極層の停止位置を変える構成とした事を特徴とする回転電機システム
【請求項１１】
請求項１記載の界磁部を回転子側に配置した回転電機システムに於いて，磁極層偏倚手段は，偏倚磁極層或いは偏倚磁極層と係合する部材を軸方向に偏倚させる静止側に配置されたアクチュエータと軸方向移動量を回転偏倚に変える斜面とより構成され，前記アクチュエータが偏倚磁極層或いは偏倚磁極層と係合する部材を軸方向に偏倚させ，軸方向移動量を前記斜面により偏倚磁極層を回転偏倚させる事を特徴とする回転電機システム
【請求項１２】
請求項１記載の界磁部を回転子側に配置した回転電機システムに於いて，磁極層偏倚手段は，遊星ギア機構及びリングギア制御アクチュエータで構成され，遊星ギア機構はサンギア及びリングギアの歯数は同一としてプラネタリギアがサンギア及びリングギアと噛み合い，サンギアは偏倚磁極層に固定され，プラネタリギア軸の支持枠は回転軸に固定される構成とし，リングギア制御アクチュエータはリングギアの静止位置を制御する構成とし，リングギアの静止位置を変える事により偏倚磁極層を回転偏倚させる事を特徴とする回転電機システム
【請求項１３】
請求項１記載の界磁部を回転子側に配置した回転電機システムに於いて，回転子は回転軸に回動可能に支持され，磁極層偏倚手段は，二組の同じ遊星ギア機構及び一つのリングギア制御アクチュエータで構成され，一方の遊星ギア機構はプラネタリギアがサンギア及びリングギアと噛み合い，サンギアは回転子に固定され，プラネタリギア軸の支持枠は回転軸に固定される構成としてリングギアは静止側に固定され，他方の遊星ギア機構はプラネタリギアがサンギア及びリングギアと噛み合い，サンギアは偏倚磁極層に固定され，プラネタリギア軸の支持枠は回転軸に固定される構成とし，リングギア制御アクチュエータはリングギアの静止位置を制御する構成とし，リングギアの静止位置を変える事により偏倚磁極層を回転偏倚させる事を特徴とする回転電機システム
【請求項１４】
請求項１記載の表面磁極層を偏倚磁極層とする回転電機システムに於いて，磁極層偏倚手段は，表面磁極層と界磁部間のクラッチ機構で構成され，さらに電機子コイルの駆動制御回路を有し，表面磁極層を回転偏倚させる場合にクラッチ機構を制御して一時的に表面磁極層の保持力を緩めると共に前記駆動制御回路により駆動電流を電機子コイルに供給して表面磁極層を偏倚方向に回転駆動させ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，表面磁極層を回転駆動する前記駆動制御回路は主としてリラクタンストルクを用いて表面磁極層を回転駆動するよう設定されている事を特徴とする回転電機システム
【請求項１６】
請求項１４記載の回転電機システムに於いて，制御装置は予め定めた周期で前記クラッチ機構を用いて一時的に表面磁極層の保持力を緩めると共に前記駆動制御回路により表面磁極層を偏倚方向に回転駆動させる事を特徴とする回転電機システム
【請求項１７】
請求項１記載の界磁部を回転子側に配置した回転電機システムに於いて，磁極層偏倚手段は，回転子の回転速度の増減に伴い錘に作用する径方向の遠心力を周方向の偏倚に変換するガバナ機構とし，ガバナ機構により低回転速度では磁性体突極と界磁磁極とが対向する面積を大に，高回転速度では磁性体突極と界磁磁極とが対向する面積を小になるよう制御する事を特徴とする回転電機システム
【請求項１８】
請求項１から１６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，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磁極層偏倚手段を制御して界磁磁極と磁性体突極とが対向する面積を小とし，発電電圧が所定の値より小の時は磁極層偏倚手段を制御して界磁磁極と磁性体突極とが対向する面積を大とし，発電電圧を所定の値に制御する事を特徴とする回転電機システム
【請求項１９】
請求項１から１６の何れかに記載の回転電機システムに於いて，電機子コイルへの供給電流を入力とし，回転速度が所定の値より大で弱め界磁とする時には磁極層偏倚手段を制御して界磁磁極と磁性体突極とが対向する面積を小とし，回転速度が所定の値より小で界磁強度を強める時には磁極層偏倚手段を制御して界磁磁極と磁性体突極とが対向する面積を大として回転力を最適に制御し，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よう磁極層偏倚手段を制御して界磁磁極と磁性体突極とが対向する面積を大とするよう構成され，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部及び電機子とより少なくとも構成され，電機子は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構成され，界磁部は電機子と対向して周方向に配置された複数の磁性体突極を少なくとも有し，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永久磁石励磁されている回転電機システムであって，前記界磁部の磁極構造は，表面磁極層と界磁磁極層に区分して，表面磁極層は，電機子と対向する面には周方向に配置された磁性体突極を少なくとも有すると共に界磁磁極層との対向面に磁性体突極，バイパス磁極を少なくとも有し，表面磁極層内の磁性体突極及びバイパス磁極は，界磁磁極層側に突極となる第一磁性体突極，バイパス磁極，第二磁性体突極が順次に周方向に繰り返し並ぶ構成とし，バイパス磁極は第一及び第二磁性体突極と磁気的に独立に構成すると共にバイパス磁極から主として界磁部内で第二磁性体突極に至るバイパス磁路の磁気抵抗が第一磁性体突極から電機子を介して第二磁性体突極に至る主磁路の磁気抵抗とほぼ等しく構成され，界磁磁極層は，界磁磁石を有して界磁磁石の磁極であるＮ極，Ｓ極の何れか一方を第一界磁磁極，他方を第二界磁磁極として第一磁性体突極及びバイパス磁極に第一界磁磁極を対向させると共に第二界磁磁極を第二磁性体突極に対向させて隣接する磁性体突極を互いに逆極性となるよう励磁し，第一界磁磁極が第一磁性体突極と対向する面積及びバイパス磁極と対向する面積の和を一定に保ちながらそれぞれの面積比を変えるように表面磁極層を界磁磁極層間に対して偏倚可能に構成し，表面磁極層と界磁部間のクラッチ機構及び電機子コイルの駆動制御回路を有し，表面磁極層を回転偏倚させる場合にクラッチ機構により表面磁極層の保持力を緩めて表面磁極層をフリー回転状態にすると共に駆動制御回路により表面磁極層を偏倚駆動させて第一界磁磁極が磁性体突極及びバイパス磁極それぞれと対向する周方向角度長を変えて主磁路の界磁磁束量を変える構成とし，回転電機システムの出力に応じて表面磁極層を界磁磁極層に対して偏倚制御し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事を特徴とする回転電機システム
【請求項２１】
回転電機システムは，軸と同心に径方向或いは軸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部及び電機子とより少なくとも構成され，電機子は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構成され，界磁部は電機子と対向して周方向に配置された複数の磁性体突極を少なくとも有し，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永久磁石励磁されている回転電機システムに於いて，前記界磁部の磁極構造は，表面磁極層と界磁磁極層に区分して，表面磁極層は，電機子と対向する面には周方向に配置された磁性体突極を少なくとも有すると共に界磁磁極層との対向面に磁性体突極，バイパス磁極を少なくとも有し，界磁磁極層は，界磁磁石を有して界磁磁石の磁極であるＮ極，Ｓ極の何れか一方の磁極が磁性体突極及びバイパス磁極に対向し，界磁磁石の一方の磁極から磁性体突極に分流した磁束が電機子及び隣接する磁性体突極を介して界磁磁石の他方の磁極に環流する主磁路及び界磁磁石の一方の磁極からバイパス磁極に分流した磁束が主として界磁部内で界磁磁石の他方の磁極に環流するバイパス磁路が界磁磁石に並列に接続され，隣接する磁性体突極を互いに異極に励磁する構成とし，界磁磁石が磁性体突極と対向する面積及びバイパス磁極と対向する面積の和を一定に保ちながらそれぞれの面積比を変えるように表面磁極層と界磁磁極層間は相対偏倚可能に構成され，界磁磁石から磁性体突極及びバイパス磁極それぞれに分流した界磁磁束総量が前記相対偏倚内で一定であるようにバイパス磁路の磁気抵抗を設定し，表面磁極層或いは界磁磁極層の何れかを相対偏倚させて界磁磁石が磁性体突極及びバイパス磁極それぞれと対向する面積比を変えて主磁路に流れる界磁磁束量を制御する界磁制御方法
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，永久磁石界磁を持つ回転電機システムに関し，特に弱め界磁制御により出力を制御する回転電機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強度を弱める種々の手段が提案されている。また発電機の場合，広い回転速度範囲に於いて発電電圧を所定のレベルとする為に専ら界磁電流制御による定電圧発電或いは半導体による発電電圧の定電圧化回路が用いられている。
【０００３】
電動機では進み位相電流による弱め界磁制御が広く採用されているが，回転に直接寄与しない電流を流す為にエネルギー損失を大とする。永久磁石励磁に制御用電流励磁を併用する場合は回転電機の構造を複雑にし，その上にエネルギー損失を伴う。さらに発電機の場合，大電力での定電圧化電子回路のコスト負担が大であるとの問題があった。
【０００４】
したがって，回転電機装置の構成を工夫して電子回路制御を最小限に留めて装置全体としてのコストを低減する方策は以前から求められ，種々の提案が為されてきた。
【０００５】
上記提案例に界磁回転子を二分し，二つの界磁回転子を周方向に相対偏倚させて実効的に界磁強度を制御する方法がある（特許文献１）。前記相対偏倚は機構的に保持出来るので制御の為のエネルギー損失は少ない長所はあるが，電機子に流入する界磁強度の絶対値は変わらないので高速回転域で渦電流損が大きい欠点がある。
【０００６】
他の提案例に界磁磁石を含む磁気回路の磁気抵抗を変えて磁束を制御する方法がある（特許文献２，３）。更に他の提案例として界磁磁石を短絡制御する方法がある（特許文献４，５，６）。回転電機では磁石トルク及びリラクタンストルクを利用して回転力を出力するが，上記提案はこれら力の源泉を直接に制御しようとする無謀な試みであって，機構の偏倚制御に大きな力を要すると共に部材の振動或いはハンチング等を招来して精密な制御は難しい。さらに大出力のアクチュエータ，過分な機械強度を伴う制御機構等を必要として実現には困難を伴っている。
【特許文献１】米国特許３７１３０１５「ALTERNATING CURRENT GENERATOR HAVING A TWIN PM ROTOR WHICH IS ADJUSTABLE IN RESPONSE TO OUTPUT VOLTAGE」
【特許文献２】特開２００４−３２０８６４「同期回転電機及びその制御方法」
【特許文献３】特開２００４−３２８９４４「磁束制御型発電機」
【特許文献４】米国特許４８８５４９３「Output voltage control apparatus of a permanent magnet alternator」
【特許文献５】特開２００４−３５７３５７「永久磁石形モータ及び洗濯機」
【特許文献６】特開２００６−２４６６６２「永久磁石式回転機」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって，本発明が解決しようとする課題は，機構偏倚による弱め界磁方法を適用した回転電機装置に於いて，小さな力にも拘わらず高速で応答制御可能な，弱め界磁制御方法，弱め界磁を実現する回転電機および回転電機システムを提供する事である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による回転電機システムは，磁性体突極を励磁する界磁磁束を機構偏倚により変える事が出来る。その際，機構偏倚に支障となる磁気力を発生させる事は無く，その具体的な構造は以下の通りである。
【０００９】
請求項１の発明による回転電機システムは，軸と同心に径方向或いは軸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部及び電機子とより少なくとも構成され，電機子は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構成され，界磁部は電機子と対向して周方向に配置された複数の磁性体突極を少なくとも有し，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永久磁石励磁されている回転電機システムであって，前記界磁部の磁極構造は，表面磁極層と界磁磁極層に区分して，表面磁極層は，電機子と対向する面には周方向に配置された磁性体突極を少なくとも有すると共に界磁磁極層との対向面に磁性体突極，バイパス磁極を少なくとも有し，界磁磁極層は，界磁磁石を有して界磁磁石の磁極であるＮ極，Ｓ極の何れか一方の磁極が磁性体突極及びバイパス磁極に対向し，界磁磁石の一方の磁極から磁性体突極に分流した磁束が電機子及び隣接する磁性体突極を介して界磁磁石の他方の磁極に環流する主磁路及び界磁磁石の一方の磁極からバイパス磁極に分流した磁束が主として界磁部内で界磁磁石の他方の磁極に環流するバイパス磁路が界磁磁石に並列に接続され，隣接する磁性体突極を互いに異極に励磁する構成とし，界磁磁石が磁性体突極と対向する面積及びバイパス磁極と対向する面積の和を一定に保ちながらそれぞれの面積比を変えるように表面磁極層と界磁磁極層間は相対偏倚可能に構成され，界磁磁石から磁性体突極及びバイパス磁極それぞれに分流した界磁磁束総量が前記相対偏倚内で一定であるようにバイパス磁路の磁気抵抗を設定し，表面磁極層或いは界磁磁極層の何れかを偏倚磁極層として相対偏倚させる磁極層偏倚手段を有し，回転電機システムの出力に応じて磁極層偏倚手段を駆動して電機子と界磁部間の界磁強度を制御し，前記出力を最適化する事を特徴とする。
【００１０】
本発明では，界磁磁極層が持つ界磁磁石は磁性体突極及び電機子を介して環流する主磁路及びバイパス磁極を介して主に界磁部内で環流するバイパス磁路を有し，界磁磁石の一端に対向する磁性体突極及びバイパス磁極に界磁磁束を分流させ，表面磁極層と界磁磁極層とを相対的に偏倚させ主磁路及びバイパス磁路への接続比を変えて主磁路への磁束を制御する。界磁磁石からの界磁磁束総量が前記相対偏倚内で一定となるようにバイパス磁路の磁気抵抗を設定するので表面磁極層と界磁磁極層間の相対偏倚方向には磁気力が働かず，前記偏倚制御を円滑に実施出来る。
【００１１】
磁極層偏倚手段には種々の手段が適用可能である。例えば，半固定機構として予め手動で設定する機構手段，遠心力を利用して偏倚磁極層を偏倚駆動するガバナ機構，界磁部が回転子側にある場合に回転子内にアクチュエータを有する機構手段或いは回転子外からの外力により偏倚磁極層を偏倚させる機構手段等がある。
【００１２】
回転電機には，界磁部が回転し電機子が静止する構造及びその逆の構造，さらに円筒状の電機子と界磁部が径方向に空隙を介して対向する構造，或いは略円盤状の電機子と界磁部が軸方向に空隙を介して対向する構造等のいずれの構造も存在する。本発明は永久磁石励磁の界磁部を持つ上記何れの構造の回転電機にも適用される。
【００１３】
また，回転電機は電機子コイルへの電流を入力として回転力を出力とすれば電動機であり，回転力を入力として電機子コイルから電流を出力すれば発電機である。電動機或いは発電機に於いて最適の磁極構成は存在するが，可逆的であり，上記の回転電機システムは電動機，発電機の何れにも適用される。
【００１４】
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制御し，発電電圧を所定の値に維持する。
【００１５】
回転電機システムの出力最適化の他の一つに可変速度電動機システムがある。高回転速度域で界磁強度を弱め，低回転速度域で界磁強度を強め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。
【００１６】
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，表面磁極層と界磁磁極層間に係合部を有し，係合部は表面磁極層と界磁磁極層間の相対偏倚の周方向角度長が界磁磁極層と対向する面に於ける磁性体突極の周方向角度長或いはバイパス磁極の周方向角度長の何れか小の周方向角度長を越えないよう規制する偏倚規制手段を有する事を特徴とする。
【００１７】
界磁磁石からの界磁磁束総量を一定に維持する事が，表面磁極層と界磁磁極層間の相対偏倚を容易にする為に重要であり，相対偏倚量を規制する。
【００１８】
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，磁性体突極を構成する磁性体構成より実効的に飽和磁束密度の高い磁性体構成によりバイパス磁極を形成した事を特徴とする。
【００１９】
界磁磁石からの界磁磁束総量を一定に維持するようバイパス磁路の磁気抵抗を調整する為にバイパス磁極と磁性体突極間或いはバイパス磁極間の間隙を小にして調整するが，間隙に於ける対向面積が小であるのでバイパス磁極は磁気的に飽和しやすく，その場合はバイパス磁路に必要なスペースを大とせざるを得ない。バイパス磁極の飽和磁束密度を実効的に大にする構成としてバイパス磁路に必要なスペースを抑制する。
【００２０】
通常磁性体突極は珪素鋼板の積層体で構成するが，これをバルク状の磁性体で構成すれば磁性体の密度で勝り，実効的に高磁束密度構成と出来る。さらに珪素鋼板より飽和磁束密度の大きな例えばバルク状の鉄でバイパス磁極を構成する。
【００２１】
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，表面磁極層の磁性体突極及びバイパス磁極は，界磁磁極層側に突極となる第一磁性体突極，バイパス磁極，第二磁性体突極が順次に周方向に繰り返し並ぶ構成とし，バイパス磁極は第一及び第二磁性体突極と磁気的に独立に構成すると共にバイパス磁極から第二磁性体突極に至るバイパス磁路の磁気抵抗が第一磁性体突極から電機子を介して第二磁性体突極に至る主磁路の磁気抵抗とほぼ等しく構成され，界磁磁極層は，界磁磁石の磁極であるＮ極，Ｓ極の何れか一方を第一界磁磁極，他方を第二界磁磁極として第一磁性体突極及びバイパス磁極に第一界磁磁極を対向させると共に第二界磁磁極を第二磁性体突極に対向させて隣接する磁性体突極を互いに逆極性となるよう励磁し，第一界磁磁極が第一磁性体突極と対向する面積及びバイパス磁極と対向する面積の和を一定に保ちながらそれぞれの面積比を変えるように表面磁極層と界磁磁極層間を相対偏倚可能に構成した事を特徴とする。
【００２２】
磁路の磁気抵抗はほぼ磁路内に含まれる磁気空隙部の諸元によって決まり，磁気空隙の長さに比例し，対向面積に反比例する。バイパス磁極，第二磁性体突極間の間隙距離を微小とし，バイパス磁極，第二磁性体突極間の対向面積を調整してバイパス磁路の磁気抵抗を主磁路の磁気抵抗と等しく設定する。その際，バイパス磁極が磁気的に飽和しない範囲で小として可能な限りコンパクトに構成する。
【００２３】
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，表面磁極層の磁性体突極及びバイパス磁極は，界磁磁極層側に突極となる磁性体突極，第一バイパス磁極，第二バイパス磁極が順次に周方向に繰り返し並ぶ構成とし，第一及び第二バイパス磁極は磁性体突極と磁気的に独立に構成すると共に第一バイパス磁極から第二バイパス突極間は磁気空隙或いは磁性体で磁気的に結合され，界磁磁極層は，円筒状磁気コアに磁性体突極及び第一バイパス磁極に対向する界磁磁石を配置すると共に隣接する界磁磁石は互いに磁化方向を反転させて隣接する磁性体突極を互いに異極に磁化し，第二バイパス磁極は円筒状磁気コアに対向させ，第一バイパス磁極から第二バイパス磁極を介して円筒状磁気コアに至るバイパス磁路の磁気抵抗が隣接する磁性体突極間に於いて電機子を含む主磁路の磁気抵抗の半分とほぼ等しく構成され，界磁磁石が磁性体突極と対向する面積及び第一バイパス磁極と対向する面積の和を一定に保ちながらそれぞれの面積比を変えるように表面磁極層と界磁磁極層間を相対偏倚可能に構成した事を特徴とする。
【００２４】
第一バイパス磁極，第二バイパス磁極間は磁気空隙或いは磁性体で磁気的に結合され，磁気空隙或いは第二バイパス磁極，円筒状磁気コア間空隙に於ける対向面積及び空隙長を調整してバイパス磁路の磁気抵抗を主磁路の磁気抵抗の半分とほぼ等しく調整する。
【００２５】
主磁路には二つの界磁磁石が直列に配置され，バイパス磁路には一つの界磁磁石が配置されているのでバイパス磁路の磁気抵抗を主磁路の磁気抵抗の半分としている。
【００２６】
請求項６の発明は，請求項１記載の回転電機システムに於いて，表面磁極層の電機子との対向面には，電機子に対向して磁性体突極と磁気空隙部とが周方向に交互に配置されている事を特徴とする。
【００２７】
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，表面磁極層の電機子との対向面には，電機子に対向し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，界磁磁極層の界磁磁極は対向する磁性体突極の磁化方向と同じ磁化方向となるよう配置されている事を特徴とする。
【００２８】
磁性体突極は中間に周方向磁化を持つ永久磁石を有する構造で隣接する磁性体突極は互いに異極に磁化されている。磁性体突極の磁化と対向する界磁磁極の磁化とは方向を同じくするよう配置する。磁性体突極と磁性体歯間には永久磁石による界磁磁束に界磁磁石による界磁磁束とを加算して界磁磁束を制御する。
【００２９】
請求項８の発明は，請求項１記載の回転電機システムに於いて，集合永久磁石は中間磁性体突極の周方向両側面に板面と直交し且つ同一磁化方向を持つ永久磁石板を配置した構成とし，表面磁極層の電機子との対向面には，磁性体突極と集合永久磁石が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され，界磁磁極層の界磁磁極は対向する磁性体突極の磁化方向と同じ磁化方向となるよう配置されている事を特徴とする。
【００３０】
磁石トルク及びリラクタンストルク利用に最適なＶ字状に永久磁石板を配置した磁性体突極構造に於いて磁束分流制御による界磁制御を可能にする。
【００３１】
請求項９の発明は，請求項８記載の回転電機システムに於いて，前記集合永久磁石からの磁束を減少調整させる為に中間磁性体突極内の磁性体を切り欠き或いは中間磁性体突極内に磁気空隙を配置した事を特徴とする。
【００３２】
磁性体突極と対向する界磁磁極は同一磁化方向となるよう配置するが，磁性体突極と磁性体歯間には集合永久磁石による界磁磁束に界磁磁石による界磁磁束とが加算され，表面磁極層と界磁制御層間の相対偏倚による界磁制御の範囲を狭くする。集合永久磁石からの磁束量を制限して集合永久磁石内の永久磁石板の役割を周方向の磁束バリアに限定する。
【００３３】
請求項１０の発明は，請求項１記載の界磁部を静止側に配置した回転電機システムに於いて，磁極層偏倚手段は，ギア機構及びアクチュエータとより構成され，偏倚磁極層の停止位置を保持すると共に偏倚磁極層の停止位置を変える構成とした事を特徴とする。
【００３４】
界磁部を静止側に，電機子を回転側に配置した回転電機は，静止側に配置した磁極層偏倚手段により容易に磁極層を偏倚制御出来る。電機子コイルとの接続はブラシとスリップリング，整流子との組み合わせ，或いは回転トランス等によって行う。
【００３５】
請求項１１の発明は，請求項１記載の界磁部を回転子側に配置した回転電機システムに於いて，磁極層偏倚手段は，偏倚磁極層或いは偏倚磁極層と係合する部材を軸方向に偏倚させる静止側に配置されたアクチュエータと軸方向移動量を回転偏倚に変える斜面とより構成され，前記アクチュエータが偏倚磁極層或いは偏倚磁極層と係合する部材を軸方向に偏倚させ，軸方向移動量を前記斜面により偏倚磁極層を回転偏倚させる事を特徴とする。
【００３６】
請求項１２の発明は，請求項１記載の界磁部を回転子側に配置した回転電機システムに於いて，磁極層偏倚手段は，遊星ギア機構及びリングギア制御アクチュエータで構成され，遊星ギア機構はサンギア及びリングギアの歯数は同一としてプラネタリギアがサンギア及びリングギアと噛み合い，サンギアは偏倚磁極層に固定され，プラネタリギア軸の支持枠は回転軸に固定される構成とし，リングギア制御アクチュエータはリングギアの静止位置を制御する構成とし，リングギアの静止位置を変える事により偏倚磁極層を回転偏倚させる事を特徴とする。
【００３７】
界磁部を回転子側に配置した場合でも静止側に配置したアクチュエータにより表面磁極層或いは界磁磁極層を回転子に対して容易に偏倚駆動出来る。
【００３８】
請求項１３の発明は，請求項１記載の界磁部を回転子側に配置した回転電機システムに於いて，回転子は回転軸に回動可能に支持され，磁極層偏倚手段は，二組の同じ遊星ギア機構及び一つのリングギア制御アクチュエータで構成され，一方の遊星ギア機構はプラネタリギアがサンギア及びリングギアと噛み合い，サンギアは回転子に固定され，プラネタリギア軸の支持枠は回転軸に固定される構成としてリングギアは静止側に固定され，他方の遊星ギア機構はプラネタリギアがサンギア及びリングギアと噛み合い，サンギアは偏倚磁極層に固定され，プラネタリギア軸の支持枠は回転軸に固定される構成とし，リングギア制御アクチュエータはリングギアの静止位置を制御する構成とし，リングギアの静止位置を変える事により偏倚磁極層を回転偏倚させる事を特徴とする。
【００３９】
請求項１４の発明は，請求項１記載の表面磁極層を偏倚磁極層とする回転電機システムに於いて，磁極層偏倚手段は，表面磁極層と界磁部間のクラッチ機構で構成され，さらに電機子コイルの駆動制御回路を有し，表面磁極層を回転偏倚させる場合にクラッチ機構を制御して一時的に表面磁極層の保持力を緩めると共に前記駆動制御回路により駆動電流を電機子コイルに供給して表面磁極層を偏倚方向に回転駆動させる事を特徴とする。
【００４０】
クラッチ機構は他にチャッキング機構，ブレーキ機構等名称は異なるが趣旨を同じくする種々の構成で実現できる。定常回転ではクラッチ機構を介して表面磁極層を界磁部に保持し，界磁強度を変える時のみ一時的に表面磁極層の保持力を緩めてフリー回転状態とさせ，同時に電機子コイルに供給する電流により表面磁極層を偏倚駆動させる。
【００４１】
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，表面磁極層を回転駆動する前記駆動制御回路は主としてリラクタンストルクを用いて表面磁極層を回転駆動するよう設定されている事を特徴とする。
【００４２】
電機子コイルに供給する電流による表面磁極層の偏倚駆動にはリラクタンストルクを利用するよう電機子コイルへの駆動電流供給のタイミングを選定する。界磁制御により主磁路に流れる界磁磁束が殆どゼロの場合もあり，その場合に磁石トルクは微小となる。
【００４３】
請求項１６の発明は，請求項１４記載の回転電機システムに於いて，制御装置は予め定めた周期で前記クラッチ機構を用いて一時的に表面磁極層の保持力を緩めると共に前記駆動制御回路により表面磁極層を偏倚方向に回転駆動させる事を特徴とする。
【００４４】
回転電機が電動機である場合には常時回転力を発生しているので表面磁極層を容易に偏倚駆動出来るが，回転電機が発電機である場合には困難を伴う。発電機の場合は電機子，界磁間に反発力が働いており，この反発力を利用して表面磁極層の回転偏倚に使う事も考えられるが，一方向のみであり，表面磁極層を回転方向に偏倚制御出来ない。
【００４５】
本発明では回転電機を発電機とした場合にも適用可能なシステムとして，予め定めた周期に従って，間歇的に界磁強度を制御させる。界磁制御システムとしてはサンプリングサーボの方式であり，界磁制御をする周期は許容出来る界磁強度の精度により定める。
【００４６】
周期は所定の時間間隔であっても良いし，また回転周期或いは回転子の一回転内の所定の回転子位置としても良い。後者の場合には回転に同期して所定の回転位置で表面磁極層の保持力を緩めるクラッチ機構として実現出来る。またさらに界磁部近傍に組み込まれた電磁式或いは圧電式のアクチュエータ等の応答速度の速いクラッチ機構で実現する事も出来る。
【００４７】
さらに回転電機を発電機として動作させている場合に於いて，表面磁極層を回転方向とは逆の方向に偏倚させる場合には駆動制御回路による偏倚駆動を休止させる事が出来る。すなわち，クラッチ機構により表面磁極層をフリー回転状態として駆動制御回路は休止状態にすると，表面磁極層は電機子からの反発力により回転方向とは逆方向に偏倚駆動される。駆動制御回路の動作中には発電電力を取り出す事は出来ないが，この方法により発電電力を取り出す事が出来る時間を大に出来る利点がある。
【００４８】
請求項１７の発明は，請求項１記載の界磁部を回転子側に配置した回転電機システムに於いて，磁極層偏倚手段は，回転子の回転速度の増減に伴い錘に作用する径方向の遠心力を周方向の偏倚に変換するガバナ機構とし，ガバナ機構により低回転速度では磁性体突極と界磁磁極とが対向する面積を大に，高回転速度では磁性体突極と界磁磁極とが対向する面積を小になるよう制御する事を特徴とする。
【００４９】
電機子コイルと鎖交する界磁磁束量制御の精度には欠けるが，特段の制御装置を不要としてシンプルな回転電機システムとする。
【００５０】
請求項１８の発明は，請求項１から１６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，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磁極層偏倚手段を制御して界磁磁極と磁性体突極とが対向する面積を小とし，発電電圧が所定の値より小の時は磁極層偏倚手段を制御して界磁磁極と磁性体突極とが対向する面積を大とし，発電電圧を所定の値に制御する事を特徴とする。
【００５１】
請求項１９の発明は，請求項１から１６の何れかに記載の回転電機システムに於いて，電機子コイルへの供給電流を入力とし，回転速度が所定の値より大で弱め界磁とする時には磁極層偏倚手段を制御して界磁磁極と磁性体突極とが対向する面積を小とし，回転速度が所定の値より小で界磁強度を強める時には磁極層偏倚手段を制御して界磁磁極と磁性体突極とが対向する面積を大として回転力を最適に制御し，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よう磁極層偏倚手段を制御して界磁磁極と磁性体突極とが対向する面積を大とするよう構成され，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。
【００５２】
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部及び電機子とより少なくとも構成され，電機子は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構成され，界磁部は電機子と対向して周方向に配置された複数の磁性体突極を少なくとも有し，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永久磁石励磁されている回転電機システムであって，前記界磁部の磁極構造は，表面磁極層と界磁磁極層に区分して，表面磁極層は，電機子と対向する面には周方向に配置された磁性体突極を少なくとも有すると共に界磁磁極層との対向面に磁性体突極，バイパス磁極を少なくとも有し，表面磁極層内の磁性体突極及びバイパス磁極は，界磁磁極層側に突極となる第一磁性体突極，バイパス磁極，第二磁性体突極が順次に周方向に繰り返し並ぶ構成とし，バイパス磁極は第一及び第二磁性体突極と磁気的に独立に構成すると共にバイパス磁極から主として界磁部内で第二磁性体突極に至るバイパス磁路の磁気抵抗が第一磁性体突極から電機子を介して第二磁性体突極に至る主磁路の磁気抵抗とほぼ等しく構成され，界磁磁極層は，界磁磁石を有して界磁磁石の磁極であるＮ極，Ｓ極の何れか一方を第一界磁磁極，他方を第二界磁磁極として第一磁性体突極及びバイパス磁極に第一界磁磁極を対向させると共に第二界磁磁極を第二磁性体突極に対向させて隣接する磁性体突極を互いに逆極性となるよう励磁し，第一界磁磁極が第一磁性体突極と対向する面積及びバイパス磁極と対向する面積の和を一定に保ちながらそれぞれの面積比を変えるように表面磁極層を界磁磁極層間に対して偏倚可能に構成し，表面磁極層と界磁部間のクラッチ機構及び電機子コイルの駆動制御回路を有し，表面磁極層を回転偏倚させる場合にクラッチ機構により表面磁極層の保持力を緩めて表面磁極層をフリー回転状態にすると共に駆動制御回路により表面磁極層を偏倚駆動させて第一界磁磁極が磁性体突極及びバイパス磁極それぞれと対向する周方向角度長を変えて主磁路の界磁磁束量を変える構成とし，回転電機システムの出力に応じて表面磁極層を界磁磁極層に対して偏倚制御し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事を特徴とする。
【００５３】
請求項２１の発明は，回転電機システムが，軸と同心に径方向或いは軸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部及び電機子とより少なくとも構成され，電機子は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構成され，界磁部は電機子と対向して周方向に配置された複数の磁性体突極を少なくとも有し，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永久磁石励磁されている回転電機システムに於いて，前記界磁部の磁極構造は，表面磁極層と界磁磁極層に区分して，表面磁極層は，電機子と対向する面には周方向に配置された磁性体突極を少なくとも有すると共に界磁磁極層との対向面に磁性体突極，バイパス磁極を少なくとも有し，界磁磁極層は，界磁磁石を有して界磁磁石の磁極であるＮ極，Ｓ極の何れか一方の磁極が磁性体突極及びバイパス磁極に対向し，界磁磁石の一方の磁極から磁性体突極に分流した磁束が電機子及び隣接する磁性体突極を介して界磁磁石の他方の磁極に環流する主磁路及び界磁磁石の一方の磁極からバイパス磁極に分流した磁束が主として界磁部内で界磁磁石の他方の磁極に環流するバイパス磁路が界磁磁石に並列に接続され，隣接する磁性体突極を互いに異極に励磁する構成とし，界磁磁石が磁性体突極と対向する面積及びバイパス磁極と対向する面積の和を一定に保ちながらそれぞれの面積比を変えるように表面磁極層と界磁磁極層間は相対偏倚可能に構成され，界磁磁石から磁性体突極及びバイパス磁極それぞれに分流した界磁磁束総量が前記相対偏倚内で一定であるようにバイパス磁路の磁気抵抗を設定し，表面磁極層或いは界磁磁極層の何れかを相対偏倚させて界磁磁石が磁性体突極及びバイパス磁極それぞれと対向する面積比を変えて主磁路に流れる界磁磁束量を制御する界磁制御方法である。
【００５４】
本発明では，界磁磁極層が持つ界磁磁石は磁性体突極及び電機子を介して環流する主磁路及びバイパス磁極を介して主に界磁部内で環流するバイパス磁路を有し，表面磁極層と界磁磁極層とを相対的に偏倚させて界磁磁石の一端に対向する磁性体突極及びバイパス磁極に界磁磁束を分流させ，主磁路及びバイパス磁路への接続比を変えて主磁路への磁束を制御する。界磁磁石からの界磁磁束総量が前記相対偏倚内で一定となるようにバイパス磁路の磁気抵抗を設定するので表面磁極層と界磁磁極層間の相対偏倚方向には磁気吸引力が働かず，前記偏倚制御を円滑に実施出来る界磁制御方法である。
【発明の効果】
【００５５】
永久磁石励磁の界磁部を有する回転電機システムに於いて，機構偏倚により界磁磁石からの界磁磁束総量が変わらないように電機子を介する主磁路及びバイパス磁路に界磁磁束を分流制御させ，機構偏倚の障害となる磁気力を伴わずに界磁強度を制御可能とした。本発明の磁束分流制御回転電機に於いて弱め界磁制御が容易となり，低コストで出力制御可能な回転電機システムを実現出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５６】
以下に本発明による回転電機システムについて，その実施例及び原理作用等を図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００５７】
本発明による回転電機システムの第一実施例を図１から図７を用いて説明する。第一実施例は，永久磁石励磁された界磁部を回転子側とし，界磁部を表面磁極層及び界磁磁極層の二層に区分して表面磁極層を界磁磁極層及び回転子に対して回動可能に構成し，所定の周期で表面磁極層を偏倚させて界磁強度を制御する回転電機システムである。
【００５８】
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は表面磁極層と界磁磁極層間の相対位置が異なる場合の断面図，図４は回転子と表面磁極層間の係合部を示す斜視図，図５は磁石トルク及びリラクタンストルクと駆動電流位相の関係を示す図，図６は弱め界磁を行う回転電機システムのブロック図，図７はサンプリング的に表面磁極層の偏倚制御を行って界磁強度を制御するタイミングチャートをそれぞれ示す。
【００５９】
図１は永久磁石励磁された界磁部を回転子側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。
【００６０】
回転子の界磁部は磁性体歯１４と径方向に対向する表面磁極層１ａ，表面磁極層１ａと微小間隙を介して対向する界磁磁極層１９とから成り，界磁磁極層１９は回転子１７に固定され，表面磁極層１ａは表面磁極層支持体１８と共にベアリング１ｂを介して回転子１７及び界磁磁極層１９に回動可能に支持されている。番号１ｍは回転子に固定された冷却ファンを示す。
【００６１】
回転軸１１は中空構造として，中空部１ｇ内に軸方向に摺動可能に配設された制御棒１ｈを有し，制御棒１ｈはアクチュエータ１ｊにより軸方向に駆動される構成としている。スプリング１ｆとクラッチ板１ｅが回転子１７に配置され，スプリング１ｆがクラッチ板１ｅを表面磁極層支持体１８に圧接するよう付勢されている。クラッチ円板１ｅは内周側に突部１ｎを持ち，その突部１ｎは回転軸１１の円筒壁に設けられたスリット部１ｋを貫通係合して回転軸１１とクラッチ円板１ｅ間で相互に回転力を伝達している。さらにクラッチ板１ｅの内周側突部１ｎが制御棒１ｈの端部と接する構成である。
【００６２】
回転子１７に設けた凹部１ｃと表面磁極層支持体１８に固定した偏倚規制突部１ｄは表面磁極層１ａの偏倚規制の為の係合部を構成する。詳細構造は図４を用いて説明される。
【００６３】
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，周方向に磁気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１６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２ａ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２ａ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。
【００６４】
可飽和磁性体結合部２ａ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２ａ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２ａ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２ａ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２ａ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。
【００６５】
図２に於いて，回転子の界磁部は表面磁極層１ａと界磁磁極層１９に区分され，微小間隙を介して配置されている。表面磁極層１ａには第一磁性体突極２１，第一バイパス磁極２４，第二磁性体突極２２，第二バイパス磁極２５がこの順で繰り返して配置されている。第一磁性体突極２１，第二磁性体突極２２間は等間隔に設定されている。第一磁性体突極２１，第一バイパス磁極２４，第二磁性体突極２２は互いに磁気的に独立に配置され，第一バイパス磁極２４，第二磁性体突極２２は微小間隙を介して配置され，第二磁性体突極２２と第二バイパス磁極２５は結合されて連続に形成されている。第一バイパス磁極２４，第二磁性体突極２２間の微小間隙及び間隙部の形状は後にバイパス磁路の磁気抵抗調整に関して詳しく説明される。番号２３は界磁磁束の短絡を減少させる為の磁気空隙部を示す。
【００６６】
第一バイパス磁極２４，第一磁性体突極２１，第二磁性体突極２２は互いに磁気的に独立とする必要が有るが，可飽和磁性体で結合して機械的に強固に構成する事が出来る。可飽和磁性体の趣旨は断面積が小さな磁性体であって僅かな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。
【００６７】
第一磁性体突極２１，第二磁性体突極２２，第二バイパス磁極２５は珪素鋼板を所定の型で打ち抜き，軸方向に積層して形成され，磁気空隙部２３には樹脂を充填して表面磁極層支持体１８に固定されている。第一バイパス磁極２４の配置する部分には第一バイパス磁極２４の断面形状のスロットを形成し，鉄製のブロックを挿入して第一バイパス磁極２４としている。
【００６８】
界磁磁極層１９は回転子１７に固定された円筒状磁気コア２８及び円筒状磁気コア２８に配置された界磁磁石２６，２７とより構成されている。番号２９は磁束短絡を回避する為の磁気空隙部である。隣り合う界磁磁石２６，２７は互いに逆の径方向磁化を持ち，それらの間の周方向角度長は第一磁性体突極２１，第二磁性体突極２２間の周方向角度長と等しく設定されている。界磁磁石２６，２７に図示された矢印はそれぞれの磁化方向を示す。
【００６９】
表面磁極層１ａは径方向に空隙を介して磁性体歯１４と対向し，電機子コイル１６に供給される駆動電流により回転子１７及び界磁磁極層１９と共に回転駆動される。第一磁性体突極２１，第二磁性体突極２２と磁性体歯１４間の界磁磁束を変える場合には，表面磁極層１ａを回転子に保持する力を一時的に弱めてフリー回転状態とし，電機子コイル１６に供給される駆動電流により表面磁極層１ａを回転方向或いはその逆方向に回転駆動させ，界磁磁極層１９及び回転子１７に対して周方向に偏倚させる。第一磁性体突極２１，第二磁性体突極２２と磁性体歯１４間の界磁磁束量は界磁磁石２６，２７と第一磁性体突極２１，第二磁性体突極２２とが対向する周方向角度長に比例し，図２では最大の界磁磁束量から僅かに少ない場合を示している。同図に於いて，回転子の回転方向２ｂは反時計回り方向であるとする。
【００７０】
図３は図２に示した回転子の断面図の一部であって，第一磁性体突極２１，第二磁性体突極２２と磁性体歯１４間の界磁磁束を制御する原理作用を説明する為の図である。図３（ａ），（ｂ）はそれぞれ表面磁極層１ａ及び界磁磁極層１９間の相対偏倚量が最小，最大の場合，すなわち第一磁性体突極２１，第二磁性体突極２２と磁性体歯１４間の界磁磁束量をそれぞれ最大，最小にする場合を示している。
【００７１】
図３（ａ）に於いて，界磁磁石２６，２７は第一磁性体突極２１，第二磁性体突極２２に最大の周方向角度長で対向している。界磁磁石２６，第一磁性体突極２１，電機子側の磁性体歯１４，第二磁性体突極２２，界磁磁石２７，円筒状磁気コア２８は第一磁性体突極２１に流入する界磁磁束の主磁路３１を形成し，図３（ａ）の場合は殆どの界磁磁束が主磁路３１を流れている。
【００７２】
図３（ｂ）に於いて，界磁磁石２６，２７は第一磁性体突極２１，第二磁性体突極２２に最小の周方向角度長で対向し，第一バイパス磁極２４，第二バイパス磁極２５に最大の周方向角度長で対向している。界磁磁石２６，第一バイパス磁極２４，第二磁性体突極２２，第二バイパス磁極２５，界磁磁石２７，円筒状磁気コア２８は界磁磁束のバイパス磁路３２を構成し，図３（ｂ）の場合は殆どの界磁磁束がバイパス磁路３２を流れている様子を示している。
【００７３】
界磁磁石２６からの界磁磁束は界磁磁石２６近傍に於いてその端面と直交する方向に流れるので，ほぼ第一磁性体突極２１，第一バイパス磁極２４と対向するそれぞれの周方向角度長に比例して第一磁性体突極２１，第一バイパス磁極２４に分流される。さらに主磁路３１とバイパス磁路３２の磁気抵抗はほぼ等しくなるように諸元を設定したので，第一磁性体突極２１，第一バイパス磁極２４に分割された界磁磁束はそれぞれ主磁路３１，バイパス磁路３２に流入する。
【００７４】
一般に磁石を含む磁路の一部に可動部分が有る場合には磁束量を大にする方向（磁路の磁気抵抗を小にする方向と同じ意味である）に可動部分を動かそうとする磁気力が現れる。本発明に先行し，特許文献２から６に示すように界磁磁束を制御する目的で機構偏倚により界磁磁石の短絡或いは磁路の磁気抵抗を変えようとする提案は多い。しかし，界磁磁石はその回転電機に於いて，磁石トルクを発生させる源泉であり，機構的偏倚を妨げる磁気的な力は大きく，精密な磁束制御を困難にしている。
【００７５】
本発明に於いては，界磁磁石２６が第一磁性体突極２１と対向する面積（軸方向の長さは同じであるので周方向角度長としてもよい）及び第一バイパス磁極２４と対向する面積の和は一定とし，且つ主磁路３１及びバイパス磁路３２の磁気抵抗はほぼ等しく設定したので界磁磁石２６から流れる界磁磁束量は一定であり，表面磁極層１ａと界磁磁極層１９間の相対偏倚量を変える場合でも偏倚を妨げる磁気力は理論的に発生しない。
【００７６】
主磁路３１の磁気抵抗とバイパス磁路３２の磁気抵抗とを等しく設定するには第一バイパス磁極２４と第二磁性体突極２２間の間隙長及び対向面積により調整する。磁路の磁気抵抗は空隙部に於ける対向面積及び空隙間隔が主要なパラメータである。主磁路３１は第一磁性体突極２１と磁性体歯１４間，磁性体歯１４と第二磁性体突極２２間に空隙がある。それら空隙に於ける対向面積は第一バイパス磁極２４と第二磁性体突極２２間の対向面積より大であるが，第一バイパス磁極２４，第二磁性体突極２２間の間隙を微小に調整して主磁路３１の磁気抵抗とバイパス磁路３２の磁気抵抗とをほぼ等しく出来る。
【００７７】
さらに第一バイパス磁極２４は，飽和磁束密度が大きい鉄のブロックで構成したので第一磁性体突極２１，第二磁性体突極２２より飽和磁束密度は実効的に大で第一バイパス磁極２４と第二磁性体突極２２間の対向面積を小さくしても磁気的に飽和し難く表面磁極層１ａの径方向長さを小に出来る。
【００７８】
界磁磁石２６から磁性体を介して磁性体突極２１及び第一バイパス磁極２４に対向させた場合には，介在した磁性体と磁性体突極２１及び第一バイパス磁極２４間の間隙部の磁気抵抗及び主磁路とバイパス磁路の磁気抵抗等で構成される磁気回路に界磁磁石２６が結合される事になる。この磁気回路の磁気抵抗は表面磁極層１ａ及び界磁磁極層１９間の相対偏倚に伴って変わり，したがって界磁磁石２６からの界磁磁束総量が変化し，相対偏倚を妨げる磁気力が現れる事になる。構造上の制約から界磁磁石２６から磁性体を介して磁性体突極２１及び第一バイパス磁極２４に対向させる場合には，磁性体として異方性の強い磁性体或いは厚みの薄い磁性体として磁性体内で界磁磁束を分流させない構成とする。この構成は実質的に界磁磁石２６の端面で界磁磁束を分流させる点で本発明の趣旨に含まれる。
【００７９】
表面磁極層１ａと界磁磁極層１９間の相対偏倚量の最大値は界磁磁極層１９と対向する面に於ける第一磁性体突極２１の周方向角度長であり，図３（ｂ）に示す場合である。それ以上の偏倚量でも界磁制御は可能であるが，主磁路３１を流れる界磁磁束量の増減方向と表面磁極層１ａと界磁磁極層１９間の相対偏倚量の増減方向とが不定と成って界磁制御を困難にする。
【００８０】
本実施例では図１に示したように回転子１７に設けた凹部１ｃ，表面磁極層支持体１８に固定した偏倚規制突部１ｄとにより表面磁極層１ａと界磁磁極層１９間の偏倚を界磁磁石２６に対向している第一磁性体突極２１の周方向角度長以下となるよう規制している。
【００８１】
図４は凹部１ｃ，偏倚規制突部１ｄを拡大して示す斜視図である。同図に於いて，回転子１７の端面に設けられた凹部１ｃには表面磁極層支持体１８に固定した偏倚規制突部１ｄが配置され，表面磁極層１ａと界磁磁極層１９間の偏倚量を規制している。偏倚規制突部１ｄが凹部１ｃ内の右側壁面に当接した時を図３（ａ）の場合に，偏倚規制突部１ｄが凹部１ｃ内の左側壁面に当接した時を図３（ｂ）の場合に対応させて構成する。
【００８２】
本実施例では図３（ａ），（ｂ）に示すように，主磁路３１の界磁磁束量を増加させるには表面磁極層１ａを時計回り方向に相対偏倚させて界磁磁石２６と第一磁性体突極２１と対向する周方向角度長を増加させ，主磁路３１の界磁磁束量を減少させるには表面磁極層１ａを反時計回り方向に相対偏倚させて界磁磁石２６と第一磁性体突極２１と対向する周方向角度長を減少させる。主磁路３１の界磁磁束の増減方向と表面磁極層１ａの偏倚方向の関係が常に定まって界磁制御をシンプルに出来る。
【００８３】
表面磁極層１ａの偏倚制御は図１を用いて説明する。同図に於いて，クラッチ板１ｅはスプリング１ｆにより表面磁極層支持体１８に圧接され，クラッチ板１ｅの内周側突部１ｎは回転軸１１のスリット部１ｋに貫通係合しているので表面磁極層支持体１８及び表面磁極層１ａは回転軸１１，回転子１７と共に回転している。
【００８４】
表面磁極層１ａを回転子１７に対して回転偏倚させる場合にはアクチュエータ１ｊにより制御棒１ｈを左方向に偏倚させてクラッチ板１ｅの内周側突部１ｎを押してスプリング１ｆを縮めてクラッチ板１ｅを表面磁極層支持体１８から離して表面磁極層支持体１８及び表面磁極層１ａをフリー回転状態にさせる。同時に図示していない駆動制御回路により，電機子コイル１６に駆動電流を流して表面磁極層１ａを回転方向或いは逆回転方向に回転駆動させる。表面磁極層支持体１８及び表面磁極層１ａは回転子１７から切り離されてフリー回転状態でその質量は小さいので駆動制御回路の回転駆動方向に加速或いは減速回転して速やかに界磁磁極層１９に対して偏倚する。表面磁極層１ａの偏倚駆動終了後はアクチュエータ１ｊが制御棒１ｈを右方向に偏倚駆動させ，スプリング１ｆによりクラッチ板１ｅを表面磁極層支持体１８に圧接させる。
【００８５】
駆動制御回路により表面磁極層１ａを回転方向或いは逆回転方向に回転駆動するに際しては磁性体歯１４と第一磁性体突極２１，第二磁性体突極２２との相対位置を知り，適切なタイミングで駆動電流を電機子コイル１６に供給する。電動機の駆動方法として周知であり，駆動電流の供給方法及びタイミング等の説明は省略する。
【００８６】
本発明による回転子の磁極構造は図２に示されるように周方向に磁性体突極と磁気空隙部とが交互に並んで磁石トルク及びリラクタンストルクを利用して回転子を回転駆動出来る構成である。前に説明した表面磁極層１ａの偏倚駆動には磁石トルク及びリラクタンストルクの双方を利用出来るが，リラクタンストルクを主に利用して表面磁極層１ａを駆動するよう電機子コイル１６に供給する駆動電流のタイミングを調整する事が望ましい。
【００８７】
表面磁極層１ａの偏倚駆動にリラクタンストルクを主に利用する理由は，例えば，図３（ｂ）に相当して主磁路３１に於ける界磁磁束がゼロ近傍である場合には磁石トルクを利用出来ない事による。
【００８８】
回転電機が電動機の場合に回転子を回転駆動するには電機子の磁性体歯１４と回転子の磁性体突極２１，２２との相対位置に応じて電機子コイル１６に適切な方向の電流を供給する。図５は電機子コイル１６に流す駆動電流を正弦波とした場合の駆動電流位相と磁石トルク，リラクタンストルクとの関係を示す図である。
【００８９】
縦軸５４は回転子を駆動するトルクを，横軸５５は駆動電流位相を示している。番号５１は磁石トルクを，番号５２はリラクタンストルクを，番号５３は磁石トルクとリラクタンストルクの合成トルクをそれぞれ示す。同図に於いて，重要な点は磁石トルク５１を最大にする駆動電流位相５５を基準とし，リラクタンストルク５２が最大になる駆動電流位相は電気角にして４５度進めた位置にあり，合成トルク５３の最大値は０から４５度迄の間にある事である。
【００９０】
図５は正弦波駆動の場合を示しているが，パルス電流を電機子コイル１６に供給して回転子を駆動する場合に於いてもリラクタンストルクを利用するには駆動電流の位相を進める事には変わりはなく，パルス通電の時間をリラクタンストルクを期待出来るタイミングに調整してリラクタンストルクを主として回転駆動に利用する，
以上，図１から図４に示した回転電機に於いて，表面磁極層１ａを界磁磁極層１９に対して相対偏倚させる事で主磁路３１に於ける界磁磁束量をほぼ１００％制御できることを説明し，さらに表面磁極層１ａを界磁磁極層１９に対して偏倚させる手段方法を説明した。第一の実施例はさらにサンプリング制御的に主磁路３１に於ける界磁磁束量を制御するシステムであり，図６及び図７を用いて回転電機システムとしての制御を説明する。
【００９１】
図６は界磁制御を行う回転電機システムのブロック図を示し，図７はサンプリング的に表面磁極層１ａの偏倚制御を行って電動機の回転力を制御するタイミングチャート，及び発電電圧を制御するタイミングチャートを示している。
【００９２】
図６に於いて，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の界磁強度を制御する。番号６７は電機子コイル１６の駆動制御回路を示す。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は駆動制御回路６７から電機子コイル１６に供給される駆動電流であり，出力６３は回転トルク，回転速度となる。
【００９３】
回転電機を電動機とし，弱め界磁制御を行って回転力を最適に制御する電動機システムを説明する。本実施例では界磁制御を必要とする時のみ所定の周期で界磁制御と回転駆動制御とを交互に繰り返す制御方法である。
【００９４】
図７に於いて，横軸７ｂは時刻を示し，番号７１は界磁制御，番号７２は回転駆動制御としてサンプリング的に界磁制御を行う時間帯を示ている。番号７３で示す時間帯では界磁制御を行わず，回転駆動制御のみを行っている。
【００９５】
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主磁路３１に於ける界磁磁束量を小とする時には制御信号６６が番号７１で示す時間帯にアクチュエータ１ｊを介して制御棒１ｈを左方向に駆動し，クラッチ板１ｅを表面磁極層支持体１８から離して表面磁極層１ａをフリー回転状態とし，同時に駆動制御回路６７により表面磁極層１ａを回転方向２ｂ（図２に於いて，反時計回り方向）に駆動し，番号７１で示す時間帯の終了と共に駆動制御回路６７は通常の回転駆動動作に復帰し，アクチュエータ１ｊは制御棒１ｈを右方向に駆動してクラッチ板１ｅを表面磁極層支持体１８に圧接させる。
【００９６】
回転速度が所定の値より小となり主磁路３１に於ける界磁磁束量を大とする時には制御信号６６が番号７１で示す時刻間にアクチュエータ１ｊを介して制御棒１ｈを左方向に駆動し，クラッチ板１ｅを表面磁極層支持体１８から離して表面磁極層１ａをフリー回転状態とし，同時に駆動制御回路６７により表面磁極層１ａを回転方向２ｂと逆方向（図２に於いて，時計回り方向）に駆動し，番号７１で示す時間帯の終了と共に駆動制御回路６７は通常の回転駆動動作に復帰し，アクチュエータ１ｊは制御棒１ｈを右方向に駆動してクラッチ板１ｅを表面磁極層支持体１８に圧接させる。
【００９７】
図７に於いて，番号７４は回転速度，番号７５は主磁路３１に於ける界磁磁束の量を示し，界磁制御の時間帯７１では回転子には駆動力が伝えられないので回転速度７４が僅かに低下し，界磁磁束量７５が変化させられている事が示されている。
【００９８】
回転電機を発電機とし，弱め界磁制御を行って発電電圧を所定の電圧となるよう制御する定電圧発電システムを説明する。界磁制御に際して駆動制御回路６７により表面磁極層１ａを偏倚駆動する場合には発電電力を取り出せないが，本実施例では界磁制御を必要とする時のみ所定の周期で界磁制御を行うとし，さらに表面磁極層１ａを回転方向に偏倚駆動させる時のみ駆動制御回路６７を使用する事として発電電力を取り出せる時間を最大にする回転電機システムである。
【００９９】
図７に於いて，横軸７ｂは時刻を示し，番号７１は界磁制御としてサンプリング的に界磁制御を行う時間帯を示す。番号７３で示す時間帯では界磁制御を行わず，発電電力の出力のみを行っている。
【０１００】
制御装置６５は出力６３である発電電圧が所定の値より大となり主磁路３１に於ける界磁磁束量を小とする時には制御信号６６が番号７１で示す時間帯にアクチュエータ１ｊを介して制御棒１ｈを左方向に駆動し，クラッチ板１ｅを表面磁極層支持体１８から離して表面磁極層１ａをフリー回転状態とし，同時に駆動制御回路６７により表面磁極層１ａを回転方向２ｂ（図２に於いて，反時計回り方向）に駆動し，番号７１で示す時間帯の終了と共にアクチュエータ１ｊは制御棒１ｈを右方向に駆動してクラッチ板１ｅを表面磁極層支持体１８に圧接させ，駆動制御回路６７は通常の回転駆動動作に復帰させる。
【０１０１】
図７に於いて，番号７６は所定の電圧を，番号７７は発電電圧を示し，番号７８は主磁路３１に於ける界磁磁束量を示す。番号７９で示す時間帯が主磁路３１に於ける界磁磁束量７８を減少させる場合であり，この時刻間は駆動制御回路６７により電機子コイル１６に駆動電流が供給されるので発電電力の出力は出来ず，発電電圧７７は途切れている事が示されている。
【０１０２】
発電電圧が所定の値より小となり主磁路３１に於ける界磁磁束を大とする時には制御信号６６が番号７１で示す時間帯にアクチュエータ１ｊにより制御棒１ｈを左方向に駆動し，クラッチ板１ｅを表面磁極層支持体１８から離して表面磁極層１ａをフリー回転状態とし，電機子１６と表面磁極層１ａ間に働く反発力により表面磁極層１ａを回転方向２ｂとは逆方向（図２に於いて，時計回り方向）に駆動し，番号７１で示す時間帯の終了と共にアクチュエータ１ｊは制御棒１ｈを右方向に駆動してクラッチ板１ｅを表面磁極層支持体１８に圧接させる。
【０１０３】
図７に於いて，番号７ａは主磁路に於ける界磁磁束量７８を増加させる例を示し，駆動制御回路６７は休止状態であるので発電電力の出力は可能であり，発電電圧７７が界磁磁束量７８に比例しては増えている事が示されている。
【０１０４】
上記に示した界磁強度のサンプリング制御に於いて，界磁制御の時間帯７１の幅は，可動部の質量，すなわち表面磁極層１ａ及び表面磁極層支持体１８の質量，さらに偏倚させるアクチュエータの出力，この場合は回転電機で偏倚駆動に利用出来るトルクの大きさ等を考慮して設定する。界磁制御の時間帯７１の周期は制御の対象である主磁路３１を流れる界磁磁束量の許容精度により決める。実際に界磁磁束量を直接に把握するのは困難であるので電機子コイル１６に誘起される電圧（発電電圧）の目標値からのずれ量の許容精度から時間帯７１の周期を選定する。
【０１０５】
第一の実施例に於いて，界磁制御のサンプリング周期は時間間隔で設定したが，これは回転子の回転周期を基準にする事も可能である。この場合にサンプリング周期は回転速度の変動によって変るが，回転子上の座標系から考えればこの方が妥当な場合がある。この場合に回転子の特定の周方向位置で界磁制御を実施するとして，クラッチ板１ｅを制御するアクチュエータ１ｊの代わりにリンク機構を用いて回転子の特定位置でクラッチ板１ｅを表面磁極層支持体１８から離す構成を採用してもよい。
【０１０６】
第一の実施例で主磁路３１及びバイパス磁路３２の磁気抵抗を等しく設定する事で表面磁極層１ａの偏倚制御に際して偏倚の障害となる磁気力の発生は無く，偏倚制御は容易であると説明したが，これは理想的な場合であって実際には偏倚制御の障害となる磁気力は小さいが現れる。
【０１０７】
偏倚制御の障害となる磁気力が現れる原因の一つは，量産段階で部材寸法に必要な種々の設定公差であり，理想的な条件からずれて若干の磁気力が現れる。しかし，理論的に上記磁気力はゼロであり，部材の設定公差を管理する事で支障のない範囲に抑制出来る。
【０１０８】
磁気力が現れる他の原因は，電機子と界磁部間の作用力である。電動機の場合に作用力は互いに引き合う力であり，主磁路３１を流れる界磁磁束量を大にしようとする。これは界磁磁石側から見れば，主磁路３１の磁気抵抗が実効的に小さく見える事である。さらに発電機の場合に電機子と界磁部間の作用力は反発力であり，これは界磁磁石側から見れば，主磁路３１の磁気抵抗が実効的に大きく見える事である。
【０１０９】
したがって，バイパス磁路３２の磁気抵抗を主磁路３１の磁気抵抗と等しくさせる関連部材の寸法形状等の設定に際し，目標とする主磁路３１の磁気抵抗として電動機システムの場合には静止時に於ける主磁路３１の磁気抵抗より小さい値を想定し，発電機システムの場合は静止時に於ける主磁路３１の磁気抵抗より大きい値を想定する事が望ましい。
【０１１０】
さらに磁気力が現れる他の原因は，磁性体突極と磁性体歯との相対位置関係によって主磁路の磁気抵抗が変動する事による。主磁路の磁気抵抗は全周の磁性体突極と磁性体歯との相対位置関係が反映されて平均化される事，さらに表面磁極層の相対的な偏倚制御は回転速度に比して遅いので主磁路の磁気抵抗変動は平均化されて偏倚制御の支障には成らないが，磁性体歯，磁性体突極等の部材の周方向の側面を斜めに構成，或いは上記部材の周方向幅を変動させる構成等は上記磁気抵抗変動を緩やかにする点で効果がある。これはまた回転中に発生する可能性のある振動，音響等の発生を抑制する点でも望ましい。
【０１１１】
さらにまた，本実施例で表面磁極層を偏倚するに際して障害となる磁気力は発生しないが，偏倚方向以外の磁気力は発生している。界磁磁極層と表面磁極層間では表面磁極層が偏倚しても総磁束量が変化しないので偏倚方向の磁気力は発生しない。しかし，表面磁極層から電機子側に流れる界磁磁束は変化するので径方向の磁気力は現れる。さらに表面磁極層内の磁性体突極と磁性体歯の相対位置関係によって周方向の磁気力成分は現れるが，平均すれば相殺され，径方向の磁気力が残る。径方向の磁気力は表面磁極層の周方向偏倚とは直交するので表面磁極層の偏倚を妨げる磁気力とはならない。径方向の磁気力変動は表面磁極層の構造強度として負担する必要があり，径方向磁気力の変動を前提として表面磁極層の構造強度を設定する。
【実施例２】
【０１１２】
本発明による回転電機システムの第二実施例を図８及び図９を用いて説明する。第二実施例は，第一実施例と電機子及び回転子の磁極構成を同じくし，表面磁極層１ａの偏倚制御手段として外部のアクチュエータ及び斜交溝を利用する構成である。第二の実施例説明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８は回転電機の縦断面図，図９は磁極層偏倚手段の斜視図である。
【０１１３】
図８は永久磁石励磁された界磁部を回転子側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。
【０１１４】
回転子の界磁部は磁性体歯１４と径方向に対向する表面磁極層１ａ，表面磁極層１ａと微小間隙を介して対向する界磁磁極層１９とから成り，界磁磁極部１９は回転子１７に固定され，表面磁極層１ａは表面磁極層支持体１８と共にベアリング１ｂを介して回転子１７及び界磁磁極層１９に回動可能に支持されている。番号１ｍは回転子に固定された冷却ファンを示す。
【０１１５】
表面磁極層１ａの磁極層偏倚手段は，回転軸１１外周に摺動自在に配置された円筒状のスリーブ８１，スプリング８２，回転軸１１に設けられた斜交溝８３，制御棒８５，ハウジング１２に固定されたアクチュエータ８４とから構成されている。斜交溝８３は回転軸１１の軸方向に斜めに延び中空部１ｇに貫通する構造で，スリーブ８１の内周側突部が斜交溝８３に貫通係合している。さらにスリーブ８１の外周には凹状溝を持ち，表面磁極層支持体１８と係合して回転軸１１と表面磁極層支持体１８間に回転力を伝達している。
【０１１６】
スプリング８２は同図の右方向にスリーブ８１を押すよう付勢され，制御棒８５はスリーブ８１の内周側突部に接触してスリーブ８１を同図に於いて左方向にアクチュエータ８４により付勢している。アクチュエータ８４が制御棒８５を左方向に付勢する力を制御してスリーブ８１を左右に駆動し，スリーブ８１の内周側突部が貫通係合する斜交溝８３により周方向に偏倚させ，表面磁極層支持体１８及び表面磁極層１ａを周方向に偏倚させる。
【０１１７】
図９は磁極層偏倚手段の一部構成を説明する為の図であり，図９（ａ）はスリーブ８１の斜視図を，図９（ｂ）は回転軸１１の斜視図をそれぞれ示す。
【０１１８】
図９（ｂ）に於いて，回転軸１１には外周面から中空部１ｇに貫通する斜交溝８３が形成されている。
【０１１９】
図９（ａ）に於いて，スリーブ８１の外周部には軸方向に延びる凹状溝９１を持ち，凹状溝９１に表面磁極層支持体１８の一部が係合している。スリーブ８１は更に内周側突部９２を有し，内周側突部９２は斜交溝８３を貫通係合し，図８に示したように制御棒８５と接している。
【０１２０】
アクチュエータ８４により付勢された制御棒８５とスプリング８２は互いにスリーブ８１を軸方向に押し合い，スリーブ８１の軸方向位置及び斜交溝８３内での内周側突部９２位置が定まっている。アクチュエータ８４が制御棒８５を付勢する力を変える事によりスリーブ８１の軸方向位置及び斜交溝８３内での内周側突部９２位置は変わり，斜交溝８３に沿ってスリーブ８１は回転偏倚し，凹状溝９１に係合する表面磁極層支持体１８，したがって表面磁極層１ａが回転偏倚させられる。
【０１２１】
図８に示す構造では表面磁極層１ａの相対偏倚量を規制する為に，回転子１７端面に於ける凹部１ｃ，偏倚規制突部１ｄを有するが，前記斜交溝８３の形状寸法を調整して表面磁極層１ａの相対偏倚量を規制する事も出来る。
【０１２２】
以上，図８，図９に示した第二実施例の回転電機に於いて，外部のアクチュエータ８４を駆動制御する事により表面磁極層１ａを界磁磁極層１９に対して偏倚制御できることを示した。以下には第二実施例の回転電機に於いて電機子コイル１６と鎖交する界磁磁束量を制御して出力を最適に制御するシステム例を，図６のブロック図を用いて説明する。
【０１２３】
第二実施例の回転電機を電動機とし，弱め界磁制御を行って回転力を最適に制御する電動機システムを説明する。
【０１２４】
電動機を回転させる前には起動力を最大にするよう主磁路３１に於ける界磁磁束量が最大になるようアクチュエータ８４は制御棒８５を左方向に押し込み，スリーブ８１及び表面磁極層１ａを時計回り方向に偏倚させ，界磁磁石２６と第一磁性体突極２１とが対向する周方向角度長を最大にする。
【０１２５】
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主磁路３１に於ける界磁磁束量を小とする時には制御信号６６がアクチュエータ８４を介して制御棒８５を右方向に駆動し，スリーブ８１及び表面磁極層１ａを反時計回り方向に偏倚させ，界磁磁石２６と第一磁性体突極２１とが対向する周方向角度長を小とさせる。
【０１２６】
回転速度が所定の値より小となり主磁路３１に於ける界磁磁束量を大とする時には制御信号６６がアクチュエータ８４を介して制御棒８５を左方向に駆動し，スリーブ８１及び表面磁極層１ａを時計回り方向に偏倚させ，界磁磁石２６と第一磁性体突極２１とが対向する周方向角度長を大にする。
【０１２７】
第二実施例の回転電機を発電機とし，弱め界磁制御を行って発電電圧を所定の電圧となるよう制御する定電圧発電システムを説明する。
【０１２８】
発電機が回転する前には起動しやすいように主磁路３１に於ける界磁磁束量が最小になるようアクチュエータ８４を介して制御棒８５を右方向に移動させ，スリーブ８１及び表面磁極層１ａを反時計回り方向に偏倚させ，界磁磁石２６と第一磁性体突極２１とが対向する周方向角度長を最小にする。
【０１２９】
制御装置６５は出力６３である発電電圧が所定の値より大となり主磁路３１に於ける界磁磁束量を小とする時には制御信号６６がアクチュエータ８４を介して制御棒８５を右方向に駆動し，スリーブ８１及び表面磁極層１ａを反時計回り方向に偏倚させ，界磁磁石２６と第一磁性体突極２１とが対向する周方向角度長を小とさせる。
【０１３０】
発電電圧が所定の値より小となり主磁路３１に於ける界磁磁束を大とする時には制御信号６６がアクチュエータ８４を介して制御棒８５を左方向に駆動し，スリーブ８１及び表面磁極層１ａを時計回り方向に偏倚させ，界磁磁石２６と第一磁性体突極２１とが対向する周方向角度長を大にする。
【０１３１】
第二実施例に於ける回転電機システムでは，アクチュエータ８４駆動により界磁制御が出来るが，アクチュエータ８４を小型小出力にしたい，或いは界磁制御の応答時間を小にしたい場合には第一の実施例で示したように電機子コイル１６の駆動制御回路を利用する事が出来る。
【０１３２】
すなわち，制御装置６５がアクチュエータ８４を介して制御棒８５を駆動すると同時に駆動制御回路６７により表面制御層１ａを回転方向或いはその逆方向に偏倚駆動してアクチュエータ８４による表面磁極層偏倚の動作をアシストする構成とする。この界磁制御の間には，電動機の場合では回転子も共に回転駆動され，発電機の場合では発電電力の出力が出来ない場合がある。
【実施例３】
【０１３３】
本発明による回転電機システムの第三実施例を図１０，図１１及び図１２を用いて説明する。第三実施例は，第一実施例と電機子，界磁部構成をほぼ同じくするが，回転子の界磁磁極層を偏倚制御する構成とし，界磁磁極層の磁極層偏倚手段を遊星ギア機構とした実施例である。図１０は回転電機の縦断面図，図１１は電機子と界磁部とを示す断面図，図１２は磁極層偏倚手段の平面図である。
【０１３４】
図１０は永久磁石励磁された界磁部を回転子側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。
【０１３５】
回転子の界磁部は磁性体歯１４と径方向に対向する表面磁極層１０１，界磁磁極層１０２とから成り，表面磁極層１０１は回転子１７に固定され，界磁磁極層１０２は表面磁極層１０１及び回転子１７と微小間隙を介して回動可能に支持されている。
【０１３６】
第三実施例はまた回転子全体を回転軸１１より増速回転させる構成であり，回転子１７はベアリングを介して回転軸１１に回動可能に支持されている。回転子１７に固定されたサンギア１０３，ハウジング１２に固定されたリングギア１０９，サンギア１０３及びリングギア１０９に噛み合うプラネタリギア１０５，回転軸１１に固定されたプラネタリギア支持枠１０７は回転子１７を回転軸１１から増速回転させる遊星ギア機構である。回転子１７と回転軸１１の回転速度の比率はリングギア１０９とサンギア１０３の歯数比による。
【０１３７】
界磁磁極層１０２を表面磁極層１０１及び回転子１７に対して回転偏倚させる磁極層偏倚手段もまた回転子１７を増速させるとほぼ同じ遊星ギア機構である。すなわち，界磁磁極層１０２に固定されたサンギア１０４，ハウジング１２に回動可能に支持されたリングギア１０ａ，サンギア１０４及びリングギア１０ａに噛み合うプラネタリギア１０６，回転軸１１に固定されたプラネタリギア支持枠１０８とより構成され，界磁磁極層１０２を回転軸１１から増速回転させる遊星ギア機構である。リングギア１０９とリングギア１０ａ，サンギア１０３とサンギア１０４，プラネタリギア１０５とプラネタリギア１０６それぞれの組は同じ歯数を持つよう構成している。さらにリングギア１０ａは回転プーリ１０ｃによりハウジング１２に回動可能に支持され，リングギア１０ａは外周にギアを持ち，ウオームギア１０ｂが噛み合う構成である。
【０１３８】
図１１は図１０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るので説明は省略する。
【０１３９】
図１１に於いて，回転子の界磁部は表面磁極層１０１と界磁磁極層１０２に区分され，表面磁極層１０１と界磁磁極層１０２間，界磁磁極層１０２と回転子１７間はそれぞれ微小間隙を介して配置されている。表面磁極層１０１及び界磁磁極層１０２の構成は磁性体突極の形状は異なるが図２に示す第一実施例と同じ構成である。すなわち，表面磁極層１０１には第一磁性体突極１１１，第一バイパス磁極１１４，第二磁性体突極１１２，第二バイパス磁極１１５がこの順で繰り返して配置されている。第一磁性体突極１１１，第二磁性体突極１１２間は等間隔に設定されている。第一磁性体突極１１１，第一バイパス磁極１１４，第二磁性体突極１１２は互いに磁気的に独立に配置され，第一バイパス磁極１１４，第二磁性体突極１１２は微小間隙を介して配置され，第二磁性体突極１１２と第二バイパス磁極１１５は結合されて連続に形成されている。第一バイパス磁極１１４，第二磁性体突極１１２間の微小間隙及び間隙部の形状は主磁路の磁気抵抗にバイパス磁路の磁気抵抗を等しくするよう設定される事は第一の実施例と同じである。番号１１３は界磁磁束の短絡を減少させる為の磁気空隙部を示す。
【０１４０】
界磁磁極層１０２は回転子１７に回動可能に配置された円筒状磁気コア１１８及び円筒状磁気コア１１８に配置された界磁磁石１１６，１１７とより構成されている。番号１１９は磁束短絡を回避する為の磁気空隙部である。隣り合う界磁磁石１１６，１１７は互いに逆の径方向磁化を持ち，それらの間の周方向角度長は界磁磁極層１０２との対向面に於ける第一磁性体突極１１１，第二磁性体突極１１２間の周方向角度長と等しく設定されている。界磁磁石１１６，１１７に図示された矢印はそれぞれの磁化方向を示す。
【０１４１】
図１１に示した電機子の構造は図２に示した第一の実施例と同じであり，回転子の界磁部の構造も表面磁極層１０１を回転子１７に固定し，界磁磁極層１０２を回動可能に支持し，磁性体突極の形状が異なっている以外は図２に示した第一の実施例と同じであるので磁性体突極と磁性体歯間の界磁磁束制御の原理作用に関しての説明は省略する。
【０１４２】
界磁磁極層１０２を偏倚制御する構成は図１０及び図１２を参照して説明する。磁極層偏倚手段を構成する遊星ギア機構は，サンギア１０４，プラネタリギア１０６，リングギア１０ａとから構成される。プラネタリギア１０６は周方向に３個配置されてサンギア１０４とリングギア１０ａとに噛み合うよう配置され，サンギア１０４は界磁磁極層１０２の端面に形成され，プラネタリギア１０６はプラネタリギア支持枠１０８に回動可能に支持され，プラネタリギア支持枠１０８は回転軸１１に固定されている。
【０１４３】
リングギア制御アクチュエータは，リングギア１０ａの外周部のギア及びウオームギア１０ｂ及びモータ１２１とで構成される。モータ１２１はウオームギア１０ｂを介してリングギア１０ａの外周部のギアを回転駆動する。回転プーリ１０ｃは３個有り，リングギア１０ａをハウジング１２に回動可能に支持している。
【０１４４】
回転軸１１はプラネタリギア支持枠１０８，プラネタリギア１０６と共に回転し，リングギア１０ａがウオームギア１０ｂを介して静止させられている場合はサンギア１０４を介して界磁磁極層１０２を同じ方向に回転させる。本実施例ではサンギア１０４及びリングギア１０ａの歯数比に応じて回転軸１１の回転速度より高い回転速度で界磁磁極層１０２は回転するが，表面磁極層１０１も同じ回転速度で回転する為に界磁磁極層１０２と表面磁極層１０１間の相対偏倚は変わらない。
【０１４５】
モータ１２１，ウオームギア１０ｂ，リングギア１０ａ外周のギアを介してリングギア１０ａを時計回り方向（回転方向とは逆方向）に回転偏倚させると，サンギア１０４は加速されて界磁磁極層１０２が表面磁極層１０１に対して回転方向（反時計回り方向）に相対偏倚し，磁性体突極１１１，磁性体歯１４間に於ける界磁磁束量を増加させる。
【０１４６】
モータ１２１，ウオームギア１０ｂ，リングギア１０ａ外周のギアを介してリングギア１０ａを反時計回り方向（回転方向）に回転偏倚させると，サンギア１０４は減速されて界磁磁極層１０２が表面磁極層１０１に対して回転方向とは逆方向（時計回り方向）に相対偏倚し，磁性体突極１１１，磁性体歯１４間に於ける界磁磁束量を減少させる。
【０１４７】
以上，図１０から，図１２に示した第三実施例の回転電機に於いて，静止側に配置したモータ１２１を駆動制御する事により界磁磁極層１０２を表面磁極層１０１及び回転子１７に対して偏倚制御し，界磁強度を制御できることを示した。以下には第三実施例の回転電機に於いて界磁磁束量を制御して出力を最適に制御する回転電機システム例を，図６のブロック図を用いて説明する。
【０１４８】
第三実施例の回転電機を電動機とし，弱め界磁制御を行って回転力を最適に制御する電動機システムを説明する。
【０１４９】
回転前には電動機の起動力を最大にする為に磁性体突極１１１，磁性体歯１４間に於ける界磁磁束量が最大になるようモータ１２１を駆動してリングギア１０ａを時計回り方向に偏倚させ，界磁磁極層１０２を表面磁極層１０１に対して反時計回り方向に相対偏倚させ，界磁磁石１１６と第一磁性体突極１１１とが対向する周方向角度長を最大にする。
【０１５０】
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磁性体突極１１１，磁性体歯１４間に於ける界磁磁束量を小とする時には制御信号６６によりモータ１２１を駆動してリングギア１０ａを反時計回り方向に偏倚させ，界磁磁極層１０２を表面磁極層１０１に対して時計回り方向に相対偏倚させ，界磁磁石１１６と第一磁性体突極１１１とが対向する周方向角度長を小にする。
【０１５１】
回転速度が所定の値より小となり磁性体突極１１１，磁性体歯１４間に於ける界磁磁束量を大とする時には制御信号６６によりモータ１２１を駆動してリングギア１０ａを時計回り方向に偏倚させ，界磁磁極層１０２を表面磁極層１０１に対して反時計回り方向に相対偏倚させ，界磁磁石１１６と第一磁性体突極１１１とが対向する周方向角度長を大にする。
【０１５２】
第三実施例の回転電機を発電機とし，弱め界磁制御を行って発電電圧を所定の電圧となるよう制御する定電圧発電システムを説明する。
【０１５３】
発電機の回転前には起動しやすいように磁性体突極１１１，磁性体歯１４間に於ける界磁磁束量が最小になるようモータ１２１を駆動してリングギア１０ａを反時計回り方向に偏倚させ，界磁磁極層１０２を表面磁極層１０１に対して時計回り方向に相対偏倚させ，界磁磁石１１６と第一磁性体突極１１１とが対向する周方向角度長を最小にする。
【０１５４】
制御装置６５は出力６３である発電電圧が所定の値より大となり磁性体突極１１１，磁性体歯１４間に於ける界磁磁束量を小とする時には制御信号６６によりモータ１２１を駆動してリングギア１０ａを反時計回り方向に偏倚させ，界磁磁極層１０２を表面磁極層１０１に対して時計回り方向に相対偏倚させ，界磁磁石１１６と第一磁性体突極１１１とが対向する周方向角度長を小にする。
【０１５５】
発電電圧が所定の値より小となり磁性体突極１１１，磁性体歯１４間に於ける界磁磁束を大とする時には制御信号６６によりモータ１２１を駆動してリングギア１０ａを時計回り方向に偏倚させ，界磁磁極層１０２を表面磁極層１０１に対して反時計回り方向に相対偏倚させ，界磁磁石１１６と第一磁性体突極１１１とが対向する周方向角度長を大にする。
【０１５６】
本実施例に於いて，界磁磁極層１０２の偏倚制御手段に遊星ギア機構を用いたのは回転中の界磁磁極層１０２の偏倚制御を静止側から容易に制御可能とする為であり，同時に回転子全体を回転軸に対して増速運転する場合の構成を示した。回転子全体は回転軸１１と同一速度で回転させ，界磁磁極層１０２のみの制御に遊星ギア機構を設ける事も出来る。その場合は図１０に示す回転子１７を増速回転させる為の遊星ギア機構を除去して回転子１７を回転軸に固定し，サンギア１０４とリングギア１０ａの歯数を等しく設定すればよい。
【０１５７】
第一及び第二の実施例では表面磁極層１ａを偏倚制御して主磁路に於ける界磁磁束量を制御したが，第三の実施例では界磁磁極層１０２を偏倚制御した。界磁磁極層１０２の偏倚制御では電機子と界磁部間の作用力を利用する事は出来ないが，電機子と界磁部間の作用力の影響が少ないので界磁磁極層１０２の偏倚制御を精密に出来る利点がある。
【実施例４】
【０１５８】
本発明による回転電機システムの第四実施例を図１３を用いて説明する。第四実施例は，第三実施例に於いて，界磁部の表面磁極層の構成を変えたのみでその他の構成は同じである。以下では異なっている点に集中して説明する。図１３は第四実施例の回転電機の電機子と界磁部とを示す断面図である。
【０１５９】
図１３に示す電機子及び回転子の断面図に於いて，相互の関係を説明する為に構成部分の一部にのみ番号を付している。電機子の構成及び界磁部の界磁磁極層１０２の構成は図１１に示した第三の実施例に於ける構成と同じであり，図１１と異なる点は表面磁極層１０１の構成である。
【０１６０】
図１３に示すように表面磁極層の磁性体突極１１１，１１２間には周方向の磁化を持つ永久磁石１３１を配置し，隣接する磁性体突極１１１，１１２が互いに異極に磁化されるように隣接する永久磁石１３１の磁化方向は互いに逆方向となるよう配置してある。さらに永久磁石１３１によって磁化された磁性体突極１１１には同じ方向の磁化である界磁磁石１１６の磁極が対応するよう表面磁極層１０１と界磁磁極層１０２の相対位置が設定されている。同図に於いて，永久磁石１３１によって磁化された磁性体突極１１１はＮ極であり，磁性体突極１１１に対向している界磁磁石１１６の磁極はＮ極である。
【０１６１】
このように構成する事で磁性体突極１１１，磁性体歯１４間の界磁磁束量は永久磁石１３１による寄与分に界磁磁極層１０２からの界磁磁束が加算され，界磁磁極層１０２からの界磁磁束量を制御する事で磁性体突極１１１，磁性体歯１４間の界磁磁束量は制御される。
【０１６２】
第四の実施例は第三の実施例に於いて，回転子の磁極構成を僅かに変えたのみであるので界磁磁束を制御する動作原理，或いは回転電機システムとしての動作は同じであるので説明は省略する。
【０１６３】
本実施例で永久磁石１３１と界磁磁極層１０２が磁性体突極１１１，１１２を磁化する方向は同じとなるよう両者を配置構成した。これが逆の場合には永久磁石１３１と界磁磁石１１６，１１７とが閉磁気回路を構成し，界磁磁極層１０２の偏倚制御に際して妨げとなる大きな磁気力を発生させ，精密な制御を困難にする。
【０１６４】
永久磁石１３１による界磁磁束への寄与分は界磁磁極層１０２による界磁磁束の制御範囲を狭くするとの意味に於いては好ましい存在ではない。しかし，磁性体突極先端部の空隙間に永久磁石を配置して空隙部に於ける漏洩磁束を低減する構造，またリラクタンストルクを利用する回転電機に於いて一様な磁性体を周方向に磁化を持つ永久磁石で区分して磁性体突極を形成すると共に磁束バリアとする構造が存在する。本実施例はこのような従来の回転電機に於いて界磁制御を容易にする実施例として意味がある。
【実施例５】
【０１６５】
本発明による回転電機システムの第五実施例を図１４を用いて説明する。第五実施例は，第三実施例に於いて，界磁部の表面磁極層の構成を変えたのみでその他の構成は同じである。以下では異なっている点に集中して説明する。図１４は第五実施例の回転電機の電機子と回転子とを示す断面図である。
【０１６６】
図１４に示す電機子及び回転子の断面図に於いて，相互の関係を説明する為に構成部分の一部にのみ番号を付している。電機子の構成及び界磁部の界磁磁極層１０２の構成は図１１に示した第三の実施例に於ける構成と同じであり，図１１と異なる点は表面磁極層１０１の構成である。
【０１６７】
中間磁性体突極１４３の両側面に磁石板１４４，１４５が配置構成された組み合わせは磁気的には磁石と等価な集合磁石として，表面磁極層は一様な磁性体を周方向に等間隔に配置された集合磁石によって区分された磁性体突極１４１，１４２及び集合磁石とから構成されている。さらに隣接する磁性体突極１４１，１４２は互いに異なる方向の磁化が現れるよう隣接する集合磁石の周方向磁化方向は互いに反転して構成されている。磁性体突極１４１，１４２それぞれの周方向両側面に配置された磁石板１４４，１４５はＶ字状の配置であり，磁石板１４４，１４５の交差角度は磁束バリアに好適な角度に設定する。磁石板１４４，１４５に付された矢印は磁石板１４４，１４５の板面にほぼ直交する磁化方向を示す。番号１４７は磁束短絡を防ぐ磁気空隙部である。
【０１６８】
界磁磁極層１０２の構成は第三の実施例と同じであり，磁性体突極１４１には同じ方向の磁化に励磁された界磁磁石１１６が対応するよう表面磁極層１０１と界磁磁極層１０２の相対位置が設定されている。
【０１６９】
集合磁石を構成する磁石板１４４，１４５は界磁磁束を発生すると共に周方向に磁気抵抗の大きな領域を形成する為の磁束バリアの役割をもっている。本実施例に於いては界磁磁石１１６から十分な界磁磁束を供給出来，また界磁磁石１１６からの界磁磁束を分流制御して電機子側への界磁磁束制御が目的であるので磁石板１４４，１４５からの界磁磁束は界磁磁束制御の観点からは障害になる存在である。中間磁性体突極１４３中に設けたスリットで構成した磁気空隙部１４６は磁石板１４４，１４５の磁束が通る磁路の磁気抵抗を大として電機子側に流れる界磁磁束への磁石板１４４，１４５の寄与を小にする為である。これにより，界磁磁極層１０２を表面磁極層１０１及び回転子１７に対して回転偏倚させ，電機子側に流れる界磁磁束量を広い範囲で制御出来る。
【０１７０】
界磁磁極層１０２の偏倚量は界磁磁極層１０２との対向面に於ける磁性体突極１４１の周方向角度長に限定されるべきであるが，それ以上に偏倚させて磁性体突極１４１とは逆方向の磁化に励磁された界磁磁石１１７と磁性体突極１４１とを対向させ，磁石板１４４，１４５が発生させる磁束を界磁磁極層１０２側に引き込む事も考えられる。しかし，この場合には磁石板１４４，１４５と界磁磁極層１０２内の界磁磁石１１６，１１７等との間の磁気吸引力で界磁磁極層１０２の偏倚制御を困難にするので回避すべきである。
【０１７１】
以上に第五実施例の表面磁極層１０１の構成を説明し，第三の実施例に於ける表面磁極層１０１と入れ替える事により界磁制御可能な回転電機とする事が出来る事を説明した。表面磁極層１０１の構成以外は第三の実施例と同じであるので界磁磁束の分流制御の原理及び界磁磁極層１０２の相対偏倚等に関する説明は省略する。
【０１７２】
第五実施例に示した表面磁極層１０１の磁性体突極構成，形状は磁石トルク及びリラクタンストルクを利用する回転電機に最適の形状である。本発明により磁石トルクの制御を回転駆動に寄与しない界磁電流を要せずに出来るのでエネルギー効率向上に寄与出来ると共に回転速度範囲を拡大出来る。
【実施例６】
【０１７３】
本発明による回転電機システムの第六実施例を図１５，図１６及び図１７を用いて説明する。第六実施例は，電機子を回転子側に配置し，磁石励磁の界磁部を回転子より外周側の静止側に移動させ，界磁部の界磁磁極層を偏倚制御する構造である。図１５は回転電機の縦断面図，図１６は電機子と回転子とを示す断面図，図１７は磁極層偏倚手段の平面図である。
【０１７４】
図１５は永久磁石励磁された界磁部を静止側に配置した回転電機を示し，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。電機子は回転子支持体１５６に固定された円筒状磁気ヨーク１５２と，円筒状磁気ヨーク１５２から径方向に延びる複数の磁性体歯１５１と，磁性体歯１５１に巻回された電機子コイル１５３とから構成されている。電機子コイル１５３は三相に結線され，スリップリング１５ａ，ブラシ１５ｂを介して図示していない制御装置に接続されている。
【０１７５】
静止側に配置された界磁部は磁性体歯１５１と径方向に対向する表面磁極層１５５，さらに界磁磁極層１５４とから成り，表面磁極層１５５はハウジング１２に固定され，界磁磁極層１５４は表面磁極層１５５及びハウジング１２と微小間隙を介して回動可能に支持されている。番号１５８はベアリングを，番号１５７は冷却空気の流通する空洞部を，番号１５ｃは回転子に固定された冷却ファンを示す。
【０１７６】
番号１５９は界磁磁極層１５４の外周部に設けたギアを示し，同図に示されていないウオームギア及びモータがこのギア１５９を介して界磁磁極層１５４を表面磁極層１５５及びハウジング１２に対して偏倚させる。
【０１７７】
図１６は図１５のＣ−Ｃ’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。電機子は回転子支持体１５６に固定された円筒状磁気ヨーク１５２と，円筒状磁気ヨーク１５２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１５１と，磁性体歯１５１に巻回された電機子コイル１５３とから構成されている。本実施例では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。
【０１７８】
図１６に於いて，磁石励磁の界磁部は表面磁極層１５５と界磁磁極層１５４に区分され，表面磁極層１５５はハウジング１２に固定され，界磁磁極層１５４は表面磁極層１５５及びハウジング１２とそれぞれ微小間隙を介して回動可能に支持されている。表面磁極層１５５には磁性体突極とバイパス磁極が周方向に交互に配置され，隣接する磁性体突極を番号１６１，１６２で，バイパス磁極を番号１６３で示している。番号１６９は磁束短絡を回避する為の磁気空隙部である。
【０１７９】
界磁磁極層１５４は円筒状磁気コア１６８及び円筒状磁気コア１６８に配置された界磁磁石１６６，１６７とより構成されている。番号１６ａは磁束短絡を回避する為の磁気空隙部である。隣り合う界磁磁石１６６，１６７は互いに逆の径方向磁化を持ち，それらの間の周方向角度長は第一磁性体突極１６１，第二磁性体突極１６２間の周方向角度長と等しく設定されている。界磁磁石１６６，１６７に図示された矢印はそれぞれの磁化方向を示す。回転子の回転方向１６ｂは反時計回り方向であるとする。
【０１８０】
界磁磁石１６６は磁性体突極１６１及びバイパス磁極１６３と対向して界磁磁束を分流させ，界磁磁石１６６が磁性体突極１６１及びバイパス磁極１６３と対向する対向面積の和は一定で，且つ界磁磁極層１５４の周方向偏倚によりそれぞれの対向面積の比が変わるよう構成されている。バイパス磁極１６３は一方の端部１６４が空隙１６５を介して円筒状磁気コア１６８に対向する構成である。
【０１８１】
界磁磁石１６６に対向する磁性体突極１６１，磁性体歯１５１，磁性体突極１６２，界磁磁石１６７は界磁磁束の主磁路を構成し，バイパス磁極１６３，空隙１６５は界磁磁束のバイパス磁路を形成し，この構成でバイパス磁極１６３の一方の端部１６４に対向する円筒状磁気コア１６８が環流磁極となっている。バイパス磁路内には界磁磁石１６６のみが含まれ，主磁路には界磁磁石１６６，１６７が含まれているのでバイパス磁路の磁気抵抗は主磁路の磁気抵抗の半分と等しくなるよう空隙１６５に於ける対向面積及び空隙長を調整する。
【０１８２】
このように構成する事で界磁磁石１６６から対向する磁性体突極１６１及びバイパス磁極１６３に界磁磁束が分流され，界磁磁極層１５４を偏倚させる事により界磁磁石１６６と磁性体突極１６１とが対向する面積を変えて磁性体突極１６１と磁性体歯１５１間の界磁磁束量を変えても界磁磁石１６６からの界磁磁束総量は変わらないので偏倚を妨げる磁気力は現れない。
【０１８３】
図１５及び図１７を用いて界磁磁極層１５４を表面磁極層１５５に対して偏倚制御する構成及び方法を説明する。図１７は静止側のハウジング１２，界磁磁極層１５４，表面磁極層１５５の断面を示し，ウオームギア１７１及びウオームギア１７１を回転駆動するモータ１７２とを示している。ウオームギア１７１は図１５に示した界磁磁極層１５４の外周に設けたギア１５９と噛み合う構成としている。
【０１８４】
モータ１７２，ウオームギア１７１，ギア１５９により，界磁磁極層１５４を時計回り方向に偏倚させると，第一磁性体突極１６１と界磁磁石１６６とが対向する周方向角度長は大となるので主磁路に於ける界磁磁束量を大に出来，界磁磁極層１５４を反時計回り方向に偏倚させると，第一磁性体突極１６１と界磁磁石１６６とが対向する周方向角度長は小となるので主磁路に於ける界磁磁束量を小に出来る。
【０１８５】
以上，図１５から，図１７に示した第六実施例の回転電機に於いて，静止側に配置したモータ１７２を駆動制御する事により界磁磁極層１５４を表面磁極層１５５に対して偏倚制御し，界磁強度を制御できることを示した。以下には第六実施例の回転電機に於いて界磁磁束量を制御して出力を最適に制御するシステム例を，図６のブロック図を用いて説明する。
【０１８６】
第六実施例の回転電機を電動機とし，弱め界磁制御を行って回転力を最適に制御する電動機システムを説明する。
【０１８７】
回転前には電動機の起動力を最大にする為に主磁路に於ける界磁磁束量が最大になるようモータ１７２を駆動して界磁磁極層１５４を時計回り方向に偏倚させ，界磁磁石１６６と第一磁性体突極１６１とが対向する周方向角度長を最大にする。
【０１８８】
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主磁路に於ける界磁磁束量を小とする時には制御信号６６によりモータ１７２を駆動して界磁磁極層１５４を反時計回り方向に偏倚させ，界磁磁石１６６と第一磁性体突極１６１とが対向する周方向角度長を小にする。
【０１８９】
回転速度が所定の値より小となり主磁路３１に於ける界磁磁束量を大とする時には制御信号６６によりモータ１７２を駆動して界磁磁極層１５４を時計回り方向に偏倚させ，磁石１６６と第一磁性体突極１６１とが対向する周方向角度長を大にする。
【０１９０】
第六実施例の回転電機を発電機とし，弱め界磁制御を行って発電電圧を所定の電圧となるよう制御する定電圧発電システムを説明する。
【０１９１】
発電機の回転前には起動しやすいように主磁路に於ける界磁磁束量が最小になるようモータ１７２を駆動して界磁磁極層１５４を反時計回り方向に偏倚させ，界磁磁石１６６と第一磁性体突極１６１とが対向する周方向角度長を最小にする。
【０１９２】
制御装置６５は出力６３である発電電圧が所定の値より大となり主磁路に於ける界磁磁束量を小とする時には制御信号６６によりモータ１７２を駆動して界磁磁極層１５４を反時計回り方向に偏倚させ，界磁磁石１６６と第一磁性体突極１６１とが対向する周方向角度長を小にする。
【０１９３】
発電電圧が所定の値より小となり主磁路に於ける界磁磁束を大とする時には制御信号６６によりモータ１７２を駆動して界磁磁極層１５４を時計回り方向に偏倚させ，界磁磁石１６６と第一磁性体突極１６１とが対向する周方向角度長を大にする。
【０１９４】
第六の実施例では電機子を回転子側に配置したので電機子コイルと制御装置との接続にはスリップリング或いは回転トランスを必要とする短所はあるが，界磁磁極層の磁極層偏倚手段が静止側に配置されてシンプルに構成される利点がある。
【０１９５】
自動車等で広く使用されている電流励磁発電機では，電機子は静止側に配置されていても界磁コイルは回転子側であり，スリップリング及びブラシを必要としている。本実施例による回転電機と電流励磁発電機とを比較すると，スリップリング及びブラシを必要とする点は同一である。違いは電流励磁発電機が常時界磁電流を必要とするに対し，本発明の第六実施例では界磁磁束変更の必要時のみに界磁磁極層１５４を偏倚制御する為に僅かのエネルギーを要するのみである。エネルギー効率の点で本発明の第六実施例は圧倒的に有利となる。
【実施例７】
【０１９６】
本発明による回転電機システムの第七実施例を図１８，図１９及び図２０を用いて説明する。第七実施例は，電機子を固定側に，界磁部を回転側に配置し，両者を軸方向に対向配置したアキシャルギャップ構成の回転電機システムである。界磁磁極層を偏倚させて界磁磁束の制御を行うとし，界磁磁極層の偏倚にはガバナ機構を利用している。図１８は回転電機の縦断面図，図１９は電機子の平面図，図２０は回転子側の表面磁極層及び界磁磁極層それぞれの平面図である。
【０１９７】
図１８は永久磁石励磁された界磁部を回転側に配置したアキシャルギャップ構造の回転電機を示し，回転軸１８１はベアリング１８３を介して基板１８２に回動可能に支持されている。電機子は鉄製の基板１８２から軸方向に延びる複数の磁性体歯１８４と，磁性体歯１８４に巻回された電機子コイル１８５とから構成されている。磁性体歯１８４及び電機子コイル１８５は回転軸１８１を中心に周方向に９個配置されて電機子コイル１８５は三相に結線されている。
【０１９８】
回転子は磁性体歯１８４と軸方向に対向する表面磁極層１８６，界磁磁極層１８９，カップ１８ｅとから成り，表面磁極層１８６及びカップ１８ｅは回転軸１８１に固定され，界磁磁極層１８９は表面磁極層１８６及びカップ１８ｅと微小間隙で対向すると共にベアリング１８３を介して回転軸１８１に回動可能に支持されている。
【０１９９】
表面磁極層１８６は非磁性で電気抵抗の大な樹脂基板に磁性体突極及びバイパス磁極が配置され，磁性体突極及びバイパス磁極の一部の断面がそれぞれ番号１８７，１８８として示されている。
【０２００】
界磁磁極層１８９は非磁性のアルミニウムで構成され，円環状磁気コア１８ｂが固定され，その上に界磁磁石１８ａが磁性体突極１８７に対向するよう配置されている。
【０２０１】
界磁磁極層１８９は回転軸１８１，カップ１８ｅ，表面磁極層１８６と共に回転し，低回転速度，高回転速度では遠心力を利用して回転軸１８１，カップ１８ｅ，表面磁極層１８６に対して周方向に相対偏倚する構造としている。表面磁極層１８６に設けた径方向のガイド溝１８ｆ及びスプリング１８ｇ，界磁磁極層１８９に設けたガイド溝１８ｃ及び錘１８ｄはその為に設けた機構の一部であり，図２０を用いて詳細に説明する。
【０２０２】
図１９は表面磁極層１８６側から見た電機子の平面図を示し，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。
【０２０３】
磁性体歯１８４は略Ｔ字状の構造であり，ハッチされた部分が鉄製の基板１８２に立設されると共に電機子コイル１８５が巻回されている。表面磁極層１８６との対向面では隣接する磁性体歯１８４間で微小間隙を介して対向する構成であり，番号１９１はその微小間隙の磁気空隙部を示している。第七の実施例では９個の磁性体歯１８４及び電機子コイル１８５を持ち，電機子コイル１８５は三相に結線されている。鉄製の基板１８２は磁性体歯１８４と共に界磁磁束の主磁路の一部を形成する。
【０２０４】
図２０は界磁部の磁極構成を説明する為の図であり，図２０（ａ）は図１８に於いて，電機子側から見た表面磁極層１８６の平面図を示し，図２０（ｂ）は表面磁極層１８６側から見た界磁磁極層１８９の平面図を示している。
【０２０５】
図２０（ａ）に於いて，表面磁極層１８６には第一磁性体突極２０１，第一バイパス磁極２０３，第二磁性体突極２０２，第二バイパス磁極２０４がこの順で繰り返して周方向に配置されている。第一磁性体突極２０１，第一バイパス磁極２０３，第二磁性体突極２０２は互いに磁気的に独立に配置され，第一バイパス磁極２０３，第二磁性体突極２０２は微小間隙を介して配置され，第二磁性体突極２０２と第二バイパス磁極２０４は結合されて連続に形成されている。第一磁性体突極２０１，第二磁性体突極２０２間は等間隔に設定されている。第一バイパス磁極２０３，第二バイパス磁極２０４は電機子側から見えないが，理解しやすいように図２０（ａ）では実線で示している。
【０２０６】
本実施例に於いて，第一磁性体突極２０１，磁性体歯１８４，第二磁性体突極２０２は界磁磁束の主磁路の主要部であり，第一バイパス磁極２０３，第二磁性体突極２０２は界磁磁束のバイパス磁路の主要部を形成する。本発明の趣旨に沿い，バイパス磁路の磁気抵抗は主磁路の磁気抵抗とほぼ等しく構成する。
【０２０７】
図１８に見られるようにバイパス磁極の断面の一部を示す番号１８８では軸方向厚みは小に抑えて磁性体歯１８４との間隙を大にし，図２０に示すように第一バイパス磁極２０３は第二磁性体突極２０２と微小間隙を挟んで対向する形状としている。さらに第一バイパス磁極２０３は内外径方向に延びて第二磁性体突極２０２と微小間隙を挟んで対向する形状としているが，これは第一バイパス磁極２０３，第二磁性体突極２０２間の対向面積を大として第一バイパス磁極２０３，第二磁性体突極２０２間で形成するバイパス磁路の磁気抵抗調整を容易にする為である。
【０２０８】
第一磁性体突極２０１，第一バイパス磁極２０３，第二磁性体突極２０２，第二バイパス磁極２０４は珪素鋼板を所定の型で打ち抜き，軸方向に積層して形成されている。第一バイパス磁極２０３，第一磁性体突極２０１，第二磁性体突極２０２は互いに磁気的に独立とする必要が有るが，可飽和磁性体で結合して機械的に強固に構成する事が出来る。可飽和磁性体の趣旨は断面積が小さな磁性体であって僅かな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。
【０２０９】
図２０（ｂ）に於いて，界磁磁極層１８９は円環状磁気コア１８ｂ及びその上に配置された界磁磁石２０５，２０６とより構成されている。隣り合う界磁磁石２０５，２０６は互いに逆方向の軸方向磁化を持ち，それらの間の周方向角度長は第一磁性体突極２０１，第二磁性体突極２０２間の周方向角度長と等しく設定されている。さらに界磁磁石２０５が第一磁性体突極２０１及び第一バイパス磁極２０３と対向する周方向角度長の和は常に一定となるよう配置されている。図２０（ａ），（ｂ）に於いて，回転軸１８１の回転方向は反時計回り方向であるとする。
【０２１０】
第一の実施例に於いて，電機子及び界磁部は円筒状で電機子は静止側に，界磁部は電機子の内周側の回転子に配置されて径方向に対向する構成である。第七の実施例では電機子，界磁部は円盤状でそれぞれ静止側，回転子側として軸方向に対向する構成である。形状はそれぞれ異なるが，電機子の磁性体歯，表面磁極層の第一磁性体突極，第一バイパス磁極，第二磁性体突極，第二バイパス磁極，界磁磁極層の界磁磁石，磁気コア等の関係は同じであり，界磁磁石からの界磁磁束の分流を制御して電機子コイルと鎖交する界磁磁束量を制御する原理作用は既に第一の実施例に於いて詳しく説明されているので再度の説明は省略する。
【０２１１】
図１８及び図２０を用いて界磁磁極層１８９を回転速度に応じて表面磁極層１８６に対して偏倚させる機構及び作用を説明する。
【０２１２】
図１８に示したガイド溝１８ｆ及びガイド溝１８ｃの平面形状はそれぞれ図２０（ａ），（ｂ）に示されている。表面磁極層１８６に設けたガイド溝１８ｆは径方向に延び，界磁磁極層１８９に設けたガイド溝１８ｃは内周から外周に延びる弧状の溝である。錘１８ｄはガイド溝１８ｃ及びガイド溝１８ｆに沿って摺動可能に配置され，スプリング１８ｇがガイド溝１８ｆ内で錘１８ｄを内周側に付勢するよう配置されている。図２０（ａ）に示すガイド溝１８ｆ及びスプリング１８ｇは表面磁極層１８６の界磁磁極層１８９側に配置されているが，見やすいように実線で示している。
【０２１３】
起動時及び低回転速度では錘１８ｄがスプリング１８ｇに付勢されて内周側に位置して界磁磁極層１８９は基準位置にあるとし，界磁磁石２０５は表面磁極層１８６の第一磁性体突極２０１と対向する周方向角度長を最大とする。この状態で界磁磁石２０５から第一磁性体突極２０１を介して磁性体歯１８４側に流入する界磁磁束量は最大となる。
【０２１４】
回転速度が増すと，錘１８ｄには遠心力が働いてガイド溝１８ｆ，ガイド溝１８ｃに沿って径方向外方に向かい，スプリング１８ｇと釣り合う位置で停止する。その時にガイド溝１８ｃは内周から外周に向けて弧状に配置されているので界磁磁極層１８９を時計回り方向に相対偏倚させ，界磁磁石２０５と第一磁性体突極２０１とが対向する周方向角度長を減少方向に変える。界磁磁石２０５からの界磁磁束は第一磁性体突極２０１を介する主磁路及び第一バイパス磁極２０３を介するバイパス磁路に分流して電機子コイル１８５と鎖交する界磁磁束量を減少させる。
【０２１５】
さらに回転速度が増して錘１８ｄがガイド溝１８ｆ及びガイド溝１８ｃに沿って移動し，どちらかのガイド溝の終端部分で界磁磁石２０５と第一磁性体突極２０１との対向周方向角度長を最小にするようガイド溝１８ｆ及びガイド溝１８ｃの寸法を設定して本実施例に於ける界磁磁極層１８９の偏倚規制手段としている。
【０２１６】
回転速度が減少して錘１８ｄに加わる遠心力が小になるとスプリング１８ｇと釣り合う位置が内周側に移動し，ガイド溝１８ｃにより界磁磁極層１８９は反時計方向に相対偏倚して界磁磁石２０５と第一磁性体突極２０１とが対向する周方向角度長を増大方向に変える。
【０２１７】
本実施例により，回転速度に応じて界磁磁極層１８９を表面磁極層１８６に対して偏倚させ，電機子コイル１８５と鎖交する界磁磁束量を制御できることを示した。先行する技術提案に於いて，界磁磁石の短絡或いは界磁磁石の磁路の磁気抵抗等の制御に関してガバナ機構を利用する例が有るが，何れも部材偏倚を妨げる磁気力の存在により制御自体が出来ないか或いはハンチング等の不具合を招来している。本発明では界磁磁極層１８９の偏倚に際して原理的に磁気力は発生しないので円滑な制御が可能である。回転速度と上記偏倚量との関係は錘１８ｄとスプリング１８ｇの諸元，ガイド溝１８ｃの形状等に依存する。本実施例のように遠心力を利用しての電機子コイル１８５と鎖交する界磁磁束量制御は正確さに欠ける短所はあるが，シンプルな機構で特段の制御装置を不要とする事にメリットがある。
【０２１８】
電機子と界磁部とが軸方向に対向するアキシャルギャップ構造の回転電機システムでは，電機子と界磁部間の空隙を制御して界磁強度の制御は容易であるように見え，多くの先行技術提案がある。しかし，電機子と界磁部間には常に磁気吸引力が働いており，それらの間の間隙制御には大出力のアクチュエータを必要とするか，応答時間を犠牲にしてギアダウン機構を採用する必要がある。さらに，電機子，界磁部間の間隙を大にした場合には，漏れ磁束分布が広がり，回転駆動制御に支障を来すと共に界磁強度の制御範囲に限界がある。
【０２１９】
本実施例によれば，界磁磁極層１８９には原理的に偏倚を妨げる磁気力の発生は無く，電機子コイル１８５と鎖交する界磁磁束をゼロにまで減少させる事が出来る。さらに電機子と界磁部間の間隙を調整する構造に比して軸方向の長さを小としてコンパクトな回転電機システムに出来る長所がある。
【実施例８】
【０２２０】
本発明による第八実施例を図２１を用いて説明する。第八実施例は第六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。
【０２２１】
同図に於いて，番号２１１は第六の実施例で示した回転電機装置を示し，回転電機装置２１１はハイブリッドカーのエンジン２１２とベルトで回転力を伝達するよう結合された回転軸２１９を持ち，回転軸２１９の回転力はトランスミッション２１３を介して駆動軸２１ａに伝えられる。制御装置２１４は上位制御装置からの指令２１ｂを受け，電動機駆動回路２１５を介して回転電機装置２１１を電動機として駆動し，界磁制御回路２１６を介して回転電機装置２１１の界磁強度を制御する。更に制御装置２１４は上位制御装置からの指令２１ｂを受け，電機子コイル１５３の引き出し線２１ｃに現れる発電電力を整流回路２１７を介して整流し，バッテリー２１８を充電する構成としている。
【０２２２】
制御装置２１４は指令２１ｂの指示により電動機駆動回路２１５を介して回転電機装置２１１を電動機として駆動し，エンジン２１２の回転をアシスト或いは単独で回転軸２１９を回転駆動させ，トランスミッション２１３，駆動軸２１ａを介してハイブリッドカーの駆動力に寄与する。
【０２２３】
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２１４が界磁制御回路２１６を介して電機子の磁性体歯１５１，回転子の表面磁極層１５５間の界磁磁束量を大とするようモータ１７２，ウオームギア１７１を介して界磁磁極層１５４を偏倚させて第一磁性体突極１６１と界磁磁石１６６とが対向する周方向角度長を大とし，高回転速度域で弱め界磁とする場合には制御装置２１４が界磁制御回路２１６を介して電機子の磁性体歯１５１，回転子の表面磁極層１５５間の界磁磁束量を小とするようモータ１７２，ウオームギア１７１を介して界磁磁極層１５４を偏倚させて第一磁性体突極１６１と界磁磁石１６６とが対向する周方向角度長を小とする。
【０２２４】
エンジン２１２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２１ｂにより電機子コイル１５３の引き出し線２１ｃに現れる発電電力を整流回路２１７を介して直流に変え，バッテリー２１８を充電させる。その場合に制御装置２１４はバッテリー２１８を充電する最適な電圧になるよう界磁制御回路２１６を介してモータ１７２を制御する。バッテリー２１８を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２１８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。
【０２２５】
第八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２１ｂを通じて回生制動の指示を受けると，制御装置２１４は界磁制御回路２１６を介して電機子の磁性体歯１５１，回転子の表面磁極層１５５間の界磁磁束量を大とするようモータ１７２，ウオームギア１７１を介して界磁磁極層１５４を偏倚させて第一磁性体突極１６１と界磁磁石１６６とが対向する周方向角度長を大とし，発電電力でバッテリー２１８に充電させる。複数のバッテリー２１８を有する場合には最も充電余力のあるバッテリー２１８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２１６を介してモータ１７２を制御して電機子の磁性体歯１５１，表面磁極層１５５間の界磁強度を制御する。回転電機装置２１１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。
【０２２６】
本発明による回転電機システムは従来の界磁制御を行う回転電機に比していくつかの特徴がある。
【０２２７】
特徴の一つは，適用可能な磁極構成の柔軟さである。界磁部或いは電機子を二分して磁束の位相制御を行うシステムではリラクタンストルクの減衰が大で適用は磁石トルク利用の回転電機に限定される。磁石を磁性体中に埋め込んで磁石極と磁性体極とを交互に有する回転電機では磁極構造が特殊でリラクタンストルクの利用には支障がある。このように先行する技術提案に於いて，実用に供し得る回転電機構成の数は少なく，しかも磁極構成への規制が強くて普遍性に欠ける。本発明の回転電機に於いても磁極構成への制約は存在するが，実施例で示したように発明の趣旨の範囲内でかなりの変形が可能であり，磁石トルク及びリラクタンストルク利用の回転電機システムに適用出来る。
【０２２８】
他の特徴は，回転速度範囲の拡大である。本発明では界磁磁石からの界磁磁束を磁性体突極とバイパス磁極への分流比を変える事で磁性体突極と電機子間の界磁磁束を制御している。磁性体突極に流入する界磁磁束を少なくする事で磁石トルクからリラクタンストルク利用に切り替えても磁性体突極というリソース全体をリラクタンストルクの為に利用出来る。さらに磁性体突極からの界磁磁束をほぼゼロに近いまでに制御してリラクタンストルクのみによる駆動を可能として回転速度域を高速側に拡大出来る。
【０２２９】
他の特徴は，高いエネルギー効率である。本発明では界磁磁石からの界磁磁束を磁性体突極への流入部で分流制御している。したがって，不要な界磁磁束が電機子側に漏れないので渦電流損を発生する事は無い。また，磁束の分流制御に際して障害となる磁気力の発生は無く，小出力のアクチュエータで制御は可能であり，また磁束の分流制御は機構部の偏倚で実現するので分流制御状態は保存され，更なるエネルギー消費を必要とする事はない。
【０２３０】
さらに他の特徴は，磁束分流制御の為の機構部偏倚に障害となる磁気力が発生しない事である。先行する技術提案には界磁磁石の短絡，界磁磁束の磁気抵抗変更等を機構部偏倚により行う数多くの例がある。一般に磁気回路の一部に可動部分を設けた場合，可動部分は磁気回路の磁気抵抗を小とする方向の磁気力を受ける。回転電機の力の源泉であるのでその磁気力も回転電機の出力相当であり，如何にも効率が悪い。上記先行提案例で磁気力が小さいならそれは効果が期待出来ない部分か，或いは回転電機の効率自体が疑わしい。本発明では界磁磁束の分流制御に際しては界磁磁石からの界磁磁束総量は変わらないように機構部の偏倚制御を行うので障害となる磁気力の発生は無く，小出力のアクチュエータにより精密な制御を可能としている。
【０２３１】
本発明が実現した界磁制御の可能な磁石励磁回転電機システムが最も適している応用分野の一つは移動体に於ける駆動，発電応用である。この応用分野はまた，回転電機外の原因により障害の発生する確率も高い。その場合に如何に回転電機システムへの損傷を最小限にするかも大きな課題であり，先行する提案もある。そのような障害発生時に本発明では電機子側に流れる界磁磁束をゼロ近くの最小値に制御する事で電機子コイルへの過大電圧発生を回避出来る。また電機子コイルに過大電流が流れて磁性体歯から過大の磁束が加えられる事はあっても界磁磁石にまでは至らず界磁磁石を損傷させる事態も回避出来る構成である。
【０２３２】
以上，本発明の回転電機システムについて，実施例を挙げて説明した。これらの実施例は本発明の趣旨，目的を実現する例を示したのであって本発明の範囲を限定するわけでは無い。上記実施例を組み合わせる，或いは実施例の一部を組み合わせて本発明の趣旨，目的を実現するシステムを完成させる等が可能な事は勿論である。
【産業上の利用可能性】
【０２３３】
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磁石励磁近傍の構成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。
【０２３４】
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。
【０２３５】
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】
【０２３６】
【図１】第一の実施例による回転電機の縦断面図である。
【図２】図１に示された回転電機の電機子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に於いて表面磁極層及び界磁磁極層間の相対位置が異なる場合の断面図である。
【図４】図１に示された回転電機の回転子と，表面磁極層との係合部を示す斜視図である。
【図５】磁石トルク及びリラクタンストルクと駆動電流位相の関係を示す図である。
【図６】弱め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】弱め界磁制御を間歇的に行うタイムチャートを示す図である。
【図８】第二の実施例による回転電機の縦断面図である。
【図９】図８に示された回転電機に於いて図９（ａ）はスリーブ８１の斜視図を，図９（ｂ）は回転軸１１の斜視図をそれぞれ示す。
【図１０】第三の実施例による回転電機の縦断面図である。
【図１１】図１０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１２】図１０に示された回転電機の界磁磁極層偏倚手段の平面図である。
【図１３】第四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１４】第五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１５】第六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界磁磁極層偏倚手段の平面図である。
【図１８】第七の実施例による回転電機の縦断面図である。
【図１９】図１８に示された回転電機の電機子を示す平面図である。
【図２０】図１８に示された回転電機に於いて，図２０（ａ）は表面磁極層１８６の平面図，図２０（ｂ）は界磁磁極層１８９の平面図である。
【図２１】第八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】
【０２３７】
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・・・回転子，                      １８・・・表面磁極層支持体，
１９・・・界磁磁極層，                  １ａ・・・表面磁極層，
１ｂ・・・ベアリング，                  １ｃ・・・凹部，
１ｄ・・・偏倚規制突部，                １ｅ・・・クラッチ円板，
１ｆ・・・スプリング，                  １ｇ・・・中空部，
１ｈ・・・制御棒，                      １ｊ・・・アクチュエータ，
１ｋ・・・スリット部，                  １ｍ・・・冷却ファン，
１ｎ・・・クラッチ円板の突部
２１・・・第一磁性体突極，              ２２・・・第二磁性体突極，
２３・・・磁気空隙部，                  ２４・・・第一バイパス磁極，
２５・・・第二バイパス磁極，            ２６，２７・・界磁磁石，
２８・・・円筒状磁気コア，              ２９・・・磁気空隙部，
２ａ・・・可飽和磁性体結合部，          ２ｂ・・・回転方向
３１・・・主磁路，                      ３２・・・バイパス磁路
５１・・・磁石トルク，                  ５２・・・リラクタンストルク，
５３・・・合成トルク，                  ５４・・・縦軸，
５５・・・横軸
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，
６７・・・駆動制御回路
７１・・・界磁制御を行う時間帯，        ７２・・・回転駆動制御行う時間帯，
７３・・・回転駆動制御のみを行う時間帯，
７４・・・回転速度，                    ７５・・・界磁磁束量，
７６・・・所定の電圧，                  ７７・・・発電電圧，
７８・・・界磁磁束量，
７９・・・界磁磁束量７８を減少させる場合，
７ａ・・・界磁磁束量７８を増加させる場合
８１・・・スリーブ，                    ８２・・・スプリング，
８３・・・斜交溝，                      ８４・・・アクチュエータ，
８５・・・制御棒
９１・・・凹状溝，                      ９２・・・内周側突部
１０１・・・表面磁極層，                １０２・・・界磁磁極層，
１０３，１０４・・サンギア，            １０５，１０６・・プラネタリギア，
１０７，１０８・・プラネタリギア支持枠，
１０９，１０ａ・・リングギア，          １０ｂ・・・ウオームギア，
１０ｃ・・・回転プーリ
１１１・・・第一磁性体突極，            １１２・・・第二磁性体突極，
１１３・・・磁気空隙部，                １１４・・・第一バイパス磁極，
１１５・・・第二バイパス磁極，          １１６，１１７・・界磁磁石，
１１８・・・円筒状磁気コア，            １１９・・・磁気空隙部
１２１・・・モータ
１３１・・・永久磁石
１４１・・・第一磁性体突極，            １４２・・・第二磁性体突極，
１４３・・・中間磁性体突極，            １４４，１４５・・磁石板，
１４６・・・磁気空隙部，                １４７・・・磁気空隙部
１５１・・・磁性体歯，                  １５２・・・円筒状磁気ヨーク，
１５３・・・電機子コイル，              １５４・・・表面磁極層，
１５５・・・界磁磁極層，                １５６・・・回転子支持体，
１５７・・・空洞部，                    １５８・・・ベアリング，
１５９・・・ギア，                      １５ａ・・・スリップリング，
１５ｂ・・・ブラシ，                    １５ｃ・・・冷却ファン
１６１・・・第一磁性体突極，            １６２・・・第二磁性体突極，
１６３・・・バイパス磁極，              １６４・・・バイパス磁極の端部，
１６５・・・間隙，                      １６６，１６７・・界磁磁石，
１６８・・・円筒状磁気コア，            １６９・・・磁気空隙部，
１６ａ・・・磁気空隙部，                １６ｂ・・・回転方向
１７１・・・ウオームギア，              １７２・・・モータ
１８１・・・回転軸，                    １８２・・・基板，
１８３・・・ベアリング，                １８４・・・磁性体歯，
１８５・・・電機子コイル，              １８６・・・表面磁極層，
１８７・・・磁性体突極，                １８８・・・バイパス磁極，
１８９・・・界磁磁極層，                １８ａ・・・界磁磁石，
１８ｂ・・・円環状の磁気コア，          １８ｃ・・・ガイド溝，
１８ｄ・・・錘，                        １８ｅ・・・カップ，
１８ｆ・・・ガイド溝，                  １８ｇ・・・スプリング
１９１・・・磁気空隙部
２０１・・・第一磁性体突極，            ２０２・・・第二磁性体突極，
２０３・・・第一バイパス磁極，          ２０４・・・第二バイパス磁極，
２０５，２０６・・・界磁磁石
２１１・・・第六の実施例で示した回転電機装置，
２１２・・・ハイブリッドカーのエンジン，
２１３・・・トランスミッション，        ２１４・・・制御装置，
２１５・・・電動機駆動回路，            ２１６・・・界磁制御回路，
２１７・・・整流回路，                  ２１８・・・バッテリー，
２１９・・・回転軸，                    ２１ａ・・・駆動軸，
２１ｂ・・・上位制御装置からの指令，    ２１ｃ・・・電機子コイルの引き出し線
【要約】
【課題】
磁石励磁回転電機に於いて，エネルギー効率の良い磁束分流制御回転電機及び方法を提供する。
【解決手段】
磁石励磁の磁極部分を少なくとも二層に分けて相対的偏倚可能に構成し，相対偏倚に応じて界磁磁石からの磁束を電機子側を通る主磁路，及び電機子を通らないバイパス磁路に分流させて主磁路の界磁磁束を変える構造である。界磁磁石からの界磁磁束総量を一定に保つよう構成する事で上記相対偏倚を妨げる磁気力を発生させない回転電機システムを実現している。
【選択図】  図１【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】
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【図２０】
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【図２１】
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