(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電機子コイルを有する電機子と，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有する表面磁極部と，同種の極性に磁化されるべき磁性体突極グループ毎に一括して磁化する励磁部とからなり，表面磁極部と電機子とは軸を中心に相対的に回転可能である回転電機装置であって，励磁部は界磁磁石及び主磁極及びバイパス磁極を有し，界磁磁石のＮ極或いはＳ極の何れか一方の磁極を第一界磁磁極，他方の磁極を第二界磁磁極としたときに第一界磁磁極に主磁極及びバイパス磁極が対向して配置され，第一界磁磁極から主磁極に流入する磁束が磁性体突極及び電機子を介して第二界磁磁極に環流する主磁路及び第一界磁磁極からバイパス磁極に流入する磁束が主として励磁部内で第二界磁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，主磁極及びバイパス磁極のユニット或いは界磁磁石の何れかが可動磁極部として第一界磁磁極が主磁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が一定に保たれながら前記それぞれの対向面積を変える事が出来るよう可動磁極部が残余に対して相対偏倚可能に構成され，さらに可動磁極部の偏倚制御時に前記偏倚に必要な力を小とするよう主磁路或いはバイパス磁路の磁気抵抗を調整する磁気抵抗調整手段を有し，回転電機システムの出力を最適化するように前記出力に応じて可動磁極部が偏倚されて主磁路に流れる磁束量が制御され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，励磁部は，界磁磁石と非磁性体部が交互に周方向に配置され，主磁極及びバイパス磁極は各界磁磁石の第一界磁磁極に対向して周方向に並んで配置され，主磁極及びバイパス磁極のユニットと界磁磁石とが周方向に相対偏倚可能に構成され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，励磁部は，主磁極及びバイパス磁極とが界磁磁石の第一界磁磁極に対向して軸方向に並んで配置され，主磁極及びバイパス磁極のユニットと界磁磁石とが軸方向に相対偏倚可能に構成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，可動磁極部を偏倚させる際に可動磁極部の偏倚を妨げる磁気力を小とするようバイパス磁路の磁気抵抗及び主磁路の磁気抵抗が互いにほぼ等しいとする最小磁気力条件に磁気抵抗調整手段により調整される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，電機子を流れる磁束量を増加させる時に主磁路の磁気抵抗がバイパス磁路の磁気抵抗より小になるよう磁気抵抗調整手段によって調整され，電機子を流れる磁束量を減少させる時に主磁路の磁気抵抗がバイパス磁路の磁気抵抗より大になるよう磁気抵抗調整手段によって調整され，同時に可動磁極部が偏倚される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，さらに主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗が最小磁気力条件から外れる事により可動磁極部に加わる磁気力検知手段を有し，間歇的に変えられた磁気抵抗調整手段に関係するパラメータ，或いは通常の運転中に変わる前記パラメータと前記磁気力との関係を監視し，前記磁気力を小とする前記パラメータが最小磁気力条件パラメータとして設定され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，磁気抵抗調整手段をバイパス磁路内に配置された空隙に於ける空隙長を調整する空隙長調整手段で構成し，可動磁極部の偏倚に必要な力を小とするようバイパス磁路の磁気抵抗が調整され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，磁気抵抗調整手段をバイパス磁路に巻回された磁気抵抗調整コイルで構成し，可動磁極部の偏倚に必要な力を小とするよう予め定められた電流を磁気抵抗調整コイルに供給してバイパス磁路の磁気抵抗が調整される事を特徴とする回転電機システム
【請求項９】
請求項１記載の回転電機システムに於いて，磁気抵抗調整手段は回転子を加速或いは減速する方向の予め定められた電流を電機子コイルに供給して主磁路の磁気抵抗を調整する手段で構成し，可動磁極部を偏倚する際に可動磁極部の偏倚に必要な力を小とするよう電機子コイルに予め定められた電流を供給して実効的に主磁路の磁気抵抗が調整される事を特徴とする回転電機システム
【請求項１０】
請求項１記載の回転電機システムに於いて，磁気抵抗調整手段を予め定められた定電流負荷で構成し，可動磁極部を偏倚する際に定電流負荷は電機子コイルに接続され，可動磁極部の前記偏倚に必要な力を小とするよう誘起電圧により予め定められた電流を流し，実効的に主磁路の磁気抵抗が調整される事を特徴とする回転電機システム
【請求項１１】
請求項１記載の回転電機システムに於いて，さらに可動磁極部の偏倚規制手段を有し，界磁磁石の第一界磁磁極が主磁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が一定に保たれながら前記それぞれの面積が変わる範囲内に可動磁極部の相対偏倚量が規制される事を特徴とする回転電機システム
【請求項１２】
請求項１記載の回転電機システムに於いて，さらに可動磁極部の偏倚位置を保持する手段を有し，間歇的に電機子を流れる磁束量が制御される事を特徴とする回転電機システム
【請求項１３】
請求項１記載の回転電機システムに於いて，可動磁極部の偏倚を妨げる磁気力を小とするようバイパス磁路の磁気抵抗及び主磁路の磁気抵抗が互いにほぼ等しいとする最小磁気力条件に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１４】
請求項１記載の回転電機システムに於いて，交流磁束が通り難いよう界磁磁石から磁性体突極に至る磁路は磁性体突極より渦電流損を大とする材質を含んで構成される事を特徴とする回転電機システム
【請求項１５】
請求項１記載の回転電機システムに於いて，電機子及び回転子側に配置された表面磁極部が径方向に対向して配置され，隣接する磁性体突極は互いに軸と平行の異なる方向に延伸されて延長部分は延長方向により第一延長部，第二延長部とされ，第一延長部，第二延長部を介して隣接する磁性体突極が互いに異極に磁化されるよう励磁部が回転子内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１６】
請求項１記載の回転電機システムに於いて，電機子及び回転子側に配置された表面磁極部が径方向に対向して配置され，電機子はさらに磁気ヨークを有し，隣接する磁性体突極は互いに軸方向の異なる方向に延伸されて延長部分は延長方向により第一延長部，第二延長部とされ，回転子両端の静止側に配置された二つの励磁部は第一延長部と磁気ヨーク間，第二延長部と磁気ヨーク間にそれぞれ磁束を供給し，隣接する磁性体突極が互いに異極に磁化される事を特徴とする回転電機システム
【請求項１７】
請求項１記載の回転電機システムに於いて，電機子及び回転子側に配置された表面磁極部が径方向に対向して配置され，隣接する磁性体突極は互いに軸方向と径方向の異なる方向に延伸されて延長部分は延長方向により第一延長部，第二延長部とされ，回転子端の静止側に配置された励磁部は第一延長部と第二延長部間を介して磁束を供給し，隣接する磁性体突極が互いに異極に磁化される事を特徴とする回転電機システム
【請求項１８】
請求項１から請求項１７記載の何れかの回転電機システムに於いて，さらに制御装置を有し，回転力を入力とし，発電電力を出力とする回転電機システムであって，制御装置により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可動磁極部が偏倚されて第一界磁磁極と主磁極とが対向する面積を小とされ，発電電圧が所定の値より小の時は可動磁極部が偏倚されて第一界磁磁極と主磁極とが対向する面積を大とされ，発電電圧が所定の値に制御される事を特徴とする回転電機システム
【請求項１９】
請求項１から請求項１７記載の何れかの回転電機システムに於いて，さらに制御装置を有し，電機子コイルへの供給電流を入力とし，回転力を出力とする回転電機システムであって，制御装置により回転速度が所定の値より大で電機子を流れる磁束量を減少させる時には可動磁極部が偏倚されて第一界磁磁極と主磁極とが対向する面積を小とされ，回転速度が所定の値より小で電機子を流れる磁束量を増大させる時には可動磁極部が偏倚されて第一界磁磁極と主磁極とが対向する面積を大として回転力が最適に制御される事を特徴とする回転電機システム
【請求項２０】
請求項１から請求項１７記載の何れかの回転電機システムに於いて，さらに制御装置を有し，電機子コイルへの供給電流を入力とし，回転力を出力とする回転電機システムであって，回転速度を減少させる場合には制御装置により電機子を流れる磁束量を大とされるよう可動磁極部が偏倚されて第一界磁磁極と主磁極とが対向する面積が大とされて回転エネルギーが発電電力として取り出される事を特徴とする回転電機システム
【請求項２１】
電機子コイルを有する電機子と，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有する表面磁極部と，同種の極性に磁化されるべき磁性体突極グループ毎に一括して磁化する励磁部とからなり，表面磁極部と電機子とは軸を中心に相対的に回転可能である回転電機装置の界磁制御方法であって，励磁部は界磁磁石及び界磁磁石に対向する主磁極及びバイパス磁極を有し，界磁磁石のＮ極或いはＳ極の何れか一方の磁極から主磁極に流入する磁束が磁性体突極及び電機子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Ｎ極或いはＳ極の何れか一方の磁極からバイパス磁極に流入する磁束が主として励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を界磁磁石に並列に接続し，主磁極及びバイパス磁極のユニット或いは界磁磁石の何れかを可動磁極部として界磁磁石が主磁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前記それぞれの面積を変えるよう構成し，主磁路或いはバイパス磁路の磁気抵抗を調整する磁気抵抗調整手段を有し，可動磁極部の偏倚制御時に前記偏倚に必要な力を小とするよう主磁路或いはバイパス磁路の磁気抵抗を調整して可動磁極部を偏倚させて電機子を流れる磁束量を制御する。
【請求項２２】
請求項２１記載の磁束量制御方法に於いて以下のステップを含む。可動磁極部を偏倚させる際にバイパス磁路の磁気抵抗と主磁路の磁気抵抗とが互いにほぼ等しいとする最小磁気力条件に磁気抵抗調整手段により調整する。
【請求項２３】
請求項２１記載の磁束量制御方法に於いて，以下のステップを含む。電機子を流れる磁束量を増加する時に磁気抵抗調整手段は主磁路の磁気抵抗がバイパス磁路の磁気抵抗より小になるよう調整し，電機子を流れる磁束量を減少させる時に磁気抵抗調整手段は主磁路の磁気抵抗がバイパス磁路の磁気抵抗より大になるよう調整し，同時に可動磁極部を偏倚させる。
【請求項２４】
請求項２１記載の磁束量制御方法に於いて，以下のステップを含む。さらに主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗が最小磁気力条件から外れる事により可動磁極部に加わる磁気力の検知手段を有し，間歇的に変えられた磁気抵抗調整手段に関係するパラメータ，或いは通常の運転中に変わる前記パラメータと可動磁極部に加わる磁気力との関係を監視し，可動磁極部に加わる磁気力を小とする前記パラメータを最小磁気力条件パラメータとして設定する。
【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システムに関する。
【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，永久磁石の技術的進歩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。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。
【０００４】
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磁束量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。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）。一般に磁石を含む磁気回路に可動部分が存在する場合，磁気回路を流れる磁束を大にする方向（磁気抵抗を小にする方向）に可動部分を偏倚させようとする磁気力が存在する。界磁磁石は回転電機装置に於いて，力を発生し或いは電力を発生する源泉である。上記提案はこれら力の源泉を直接に制御しようとする試みであって，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。
【０００５】
本願発明者は先に特願２００７−２１２６７４により，永久磁石界磁の制御方法及び回転電機システムを提案した。これらは界磁磁石に磁束が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を並列に接続する構成として機構偏倚により主磁路に分流する界磁磁束量を変える構造であり，次の特徴がある。すなわち，（１）界磁磁石を減磁させる懸念の無い事，（２）界磁制御に際して機構偏倚を妨げる磁気力発生を抑制できる事，（３）界磁の条件保存が可能な機構手段である事，（４）電機子側への界磁磁束をゼロ近傍にまで減少できて渦電流損を抑制出来る事，（５）電機子と対向する磁性体突極を流れる界磁磁束をゼロ近傍にまで制御して磁性体突極の磁性体全てをリラクタンストルク発生に開放可能な構成である事，等々である。
【０００６】
しかしながら，磁路の磁気抵抗は量産段階で各部材の公差範囲内でバラツキ，また経時的にも変化して主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗が設計値よりずれる事で上記機構偏倚を妨げる磁気力が大きくなる場合がある。さらに回転電機が電動機或いは発電機としての動作中に電機子コイルを流れる電流により実効的に主磁路の磁気抵抗は変化する。この点でも上記機構偏倚を妨げる磁気力を十分に抑制出来ない場合がある。
【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，製造後或いは運転中に主磁路或いはバイパス磁路の磁気抵抗が変動しても過大な出力のアクチュエータを要することなく磁束量制御を容易として出力を最適に制御できる回転電機システム及び磁束量制御方法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及び磁束量制御方法は，電機子側に流入させる磁束量を機械的偏倚により変える事が出来る。その具体的な内容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，電機子コイルを有する電機子と，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有する表面磁極部と，同種の極性に磁化されるべき磁性体突極グループ毎に一括して磁化する励磁部とからなり，表面磁極部と電機子とは軸を中心に相対的に回転可能である回転電機装置であって，励磁部は界磁磁石及び主磁極及びバイパス磁極を有し，界磁磁石のＮ極或いはＳ極の何れか一方の磁極を第一界磁磁極，他方の磁極を第二界磁磁極としたときに第一界磁磁極に主磁極及びバイパス磁極が対向して配置され，第一界磁磁極から主磁極に流入する磁束が磁性体突極及び電機子を介して第二界磁磁極に環流する主磁路及び第一界磁磁極からバイパス磁極に流入する磁束が主として励磁部内で第二界磁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，主磁極及びバイパス磁極のユニット或いは界磁磁石の何れかが可動磁極部として第一界磁磁極が主磁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が一定に保たれながら前記それぞれの対向面積を変える事が出来るよう可動磁極部が残余に対して相対偏倚可能に構成され，さらに可動磁極部の偏倚制御時に前記偏倚に必要な力を小とするよう主磁路或いはバイパス磁路の磁気抵抗を調整する磁気抵抗調整手段を有し，回転電機システムの出力を最適化するように前記出力に応じて可動磁極部が偏倚されて主磁路に流れる磁束量が制御される事を特徴とする。
【００１０】
上記構成に於いて，界磁磁石に主磁極及びバイパス磁極が微小間隙を介して対向し，磁束は界磁磁石及び磁性体近傍ではそれらの境界面にほぼ直交するので界磁磁石からの磁束はほぼ層流状に主磁極及びバイパス磁極に流入し，主磁極に分流される磁束量は主磁極と界磁磁石の対向面積に比例する。前記微小間隙を可能な限り小にし，さらに界磁磁石との対向面では主磁極とバイパス磁極間の間隙も微小に設定すれば前記磁束分布はさらに完全な層流状に近くなり，磁束量の精密な制御が可能になる。また，バイパス磁路の接続により界磁磁石に繋がる磁気抵抗の変動は小さくなるので可動磁極部の偏倚を妨げる磁気力は抑制され，主磁路に流入する磁束量を変更しても界磁磁石にはバイパス磁路が接続されているので界磁磁石が減磁されるリスクは避けられる。
【００１１】
界磁磁石に並列に接続される主磁路及びバイパス磁路，それぞれの磁路の磁気抵抗を界磁磁石に繋がる磁路の磁気抵抗を常に一定にする最小磁気力条件に設定する事で，前記偏倚を妨げる磁気力を最小に出来るが，磁路の磁気抵抗を変動させる要因は多い。すなわち，部品寸法に必要な公差により磁路の磁気抵抗は変動し，可動磁極部の偏倚位置が主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗に影響し，磁路を構成する磁性体の透磁率は温度の影響を受けて磁気抵抗は変化する。更にまた電機子コイルに電流が流れると主磁路の磁気抵抗は実効的に変動する。このように回転電機の運転条件によって各磁路の磁気抵抗は変動するので静止状態或いは平均的な運転条件或いは各運転条件に於いて両磁路の磁気抵抗を最小磁気力条件に設定する。主磁路の磁気抵抗は磁性体突極と磁性体歯との相対位置により変動するが，本発明で主磁路の磁気抵抗は磁性体突極と磁性体歯間の各相対位置に関して平均化された値としている。
【００１２】
本発明は磁気抵抗調整手段を有して回転電機の製造後或いは運転中に主磁路或いはバイパス磁路の磁気抵抗を調整して可動磁極部の偏倚制御時に前記偏倚に必要な力を小として精密な界磁制御を可能にしている。磁気抵抗調整手段により可動磁極部の偏倚制御時に前記偏倚に必要な力を小とする方法は，主磁路とバイパス磁路の磁気抵抗を最小磁気力条件に調整する事，或いは可動磁極部の偏倚をアシストする方向の磁気力を発生させるよう主磁路とバイパス磁路の磁気抵抗を最小磁気力条件からずらして調整する事がある。磁路を形成する寸法諸元の変更制御及び磁路に巻回したコイルへの通電制御等による磁気抵抗調整手段，方法を具体的に提案している。さらに温度或いは磁気飽和等を利用して磁性体の磁気特性を制御する方法もある。
【００１３】
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。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】
請求項２の発明は，励磁部の具体的な構成の一つであり，請求項１記載の回転電機システムに於いて，励磁部は，界磁磁石と非磁性体部が交互に周方向に配置され，主磁極及びバイパス磁極は各界磁磁石の第一界磁磁極に対向して周方向に並んで配置され，主磁極及びバイパス磁極のユニットと界磁磁石とが周方向に相対偏倚可能に構成された事を特徴とする。
【００１５】
請求項３の発明は，励磁部の具体的な構成の一つであり，請求項１記載の回転電機システムに於いて，励磁部は，主磁極及びバイパス磁極とが界磁磁石の第一界磁磁極に対向して軸方向に並んで配置され，主磁極及びバイパス磁極のユニットと界磁磁石とが軸方向に相対偏倚可能に構成された事を特徴とする。界磁磁石と非磁性体とを直線方向に配置して界磁磁石の磁極に対向して主磁極及びバイパス磁極の組み合わせを直線方向に並べ，主磁極及びバイパス磁極の組み合わせと界磁磁石を直線方向に相対偏倚させる構成である。主要部材を円筒形状とする構成が効率的である。
【００１６】
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，可動磁極部を偏倚させる際に可動磁極部の偏倚を妨げる磁気力を小とするようバイパス磁路の磁気抵抗及び主磁路の磁気抵抗が互いにほぼ等しいとする最小磁気力条件に磁気抵抗調整手段により調整される事を特徴とする。可動磁極部を偏倚させる際にバイパス磁路と主磁路の磁気抵抗を最小磁気力条件に調整すれば，偏倚を妨げる磁気力を最小に出来る。「ほぼ等しい」の意味は前記偏倚に用いるアクチュエータの出力以下に前記偏倚を妨げる磁気力を抑制するよう両磁路の磁気抵抗を最小磁気力条件に設定する事である。回転電機の運転条件により各磁路の磁気抵抗が初期値から変動する場合でも精密な磁束量制御を可能にする。
【００１７】
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，電機子を流れる磁束量を増加させる時に主磁路の磁気抵抗がバイパス磁路の磁気抵抗より小になるよう磁気抵抗調整手段によって調整され，電機子を流れる磁束量を減少させる時に主磁路の磁気抵抗がバイパス磁路の磁気抵抗より大になるよう磁気抵抗調整手段によって調整され，同時に可動磁極部が偏倚される事を特徴とする。主磁路或いはバイパス磁路の磁気抵抗差に応じて現れる磁気力は最小磁気力条件を境に方向が変わる。関係するパラメータを最小磁気力条件を基準に所定量ずらして磁気力を発生させる事により偏倚をアシストする磁気力を安定的に得る事が出来る。最小磁気力条件は回転電機の運転状態によって変わり，運転中に学習的に取得する或いは予め設定されたマップデータから取得する。
【００１８】
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，さらに主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗が最小磁気力条件から外れる事により可動磁極部に加わる磁気力検知手段を有し，間歇的に変えられた磁気抵抗調整手段に関係するパラメータ，或いは通常の運転中に変わる前記パラメータと前記磁気力との関係を監視し，前記磁気力を小とする前記パラメータが最小磁気力条件パラメータとして設定される事を特徴とする。主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗は，可動磁極部の偏倚位置の影響を受け，温度による磁気特性変化，さらに経時的な磁気特性変化等の影響を受ける。本発明は主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗が最小磁気力条件から外れる事で現れる磁気力の検知手段を有し，最小磁気力条件となるパラメータを学習的に取得してそれらのパラメータを更新する。
【００１９】
請求項７の発明は，請求項１記載の回転電機システムに於いて，磁気抵抗調整手段をバイパス磁路内に配置された空隙に於ける空隙長を調整する空隙長調整手段で構成し，可動磁極部の偏倚に必要な力を小とするようバイパス磁路の磁気抵抗が調整される事を特徴とする。空隙長調整手段はバイパス磁路に設けた空隙を構成する部材の位置を変えて空隙長を変える構成とする。回転電機の組み立て後の調整，或いはアクチュエータを用いて動作中に調整制御する。回転子の加速或いは減速動作を含まないので連続的な界磁制御を可能にする。
【００２０】
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，磁気抵抗調整手段をバイパス磁路に巻回された磁気抵抗調整コイルで構成し，可動磁極部の偏倚に必要な力を小とするよう予め定められた電流を磁気抵抗調整コイルに供給してバイパス磁路の磁気抵抗が調整される事を特徴とする。バイパス磁路に磁気抵抗調整コイルを配置し，可動磁極部の偏倚制御時に一時的に通電してバイパス磁路の磁気抵抗を調整して前記偏倚に必要な力を小とする。回転子の加速或いは減速動作を含まず回転子の回転状態に影響を与えない。
【００２１】
請求項９の発明は，請求項１記載の回転電機システムに於いて，磁気抵抗調整手段は回転子を加速或いは減速する方向の予め定められた電流を電機子コイルに供給して主磁路の磁気抵抗を調整する手段で構成し，可動磁極部を偏倚する際に可動磁極部の偏倚に必要な力を小とするよう電機子コイルに予め定められた電流を供給して実効的に主磁路の磁気抵抗が調整される事を特徴とする。回転子を加速或いは減速駆動する場合は主磁路の磁気抵抗が実効的にそれぞれ小，大となる。可動磁極部の偏倚制御時に駆動回路を電機子コイルに接続し，回転子を加速或いは減速方向に駆動する電流を電機子コイルに供給して主磁路の磁気抵抗を実効的に調整する。
【００２２】
請求項１０の発明は，請求項１記載の回転電機システムに於いて，磁気抵抗調整手段を予め定められた定電流負荷で構成し，可動磁極部を偏倚する際に定電流負荷は電機子コイルに接続され，可動磁極部の前記偏倚に必要な力を小とするよう誘起電圧により予め定められた電流を流し，実効的に主磁路の磁気抵抗が調整される事を特徴とする。回転電機が発電機である場合，電機子コイルには鎖交する磁束の変化を妨げる方向の電圧が誘起され，負荷インピーダンスに応じた電流が流れ，実効的に主磁路の磁気抵抗は大となる。主磁路の磁気抵抗を最小磁気力条件より小に設定し，可動磁極部の偏倚制御時に誘起電圧により所定電流が流れるよう制御する所定の定電流負荷を電機子コイルに接続し，電機子コイルに流す電流を調整して主磁路の磁気抵抗を実効的に静止時の値より大として調整する。定電流負荷を実現する手段には種々の方法があり，電機子コイルへの誘起電圧により所定の電流が電機子コイルを流れるよう制御する定電流回路，或いは回転数毎に定めた所定インピーダンスを有する負荷等がある。
【００２３】
請求項１１の発明は，請求項１記載の回転電機システムに於いて，さらに可動磁極部の偏倚規制手段を有し，界磁磁石の第一界磁磁極が主磁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が一定に保たれながら前記それぞれの面積が変わる範囲内に可動磁極部の相対偏倚量が規制される事を特徴とする。これにより可動磁極部の相対偏倚量と主磁路に分流される磁束量とが比例し，界磁制御をシンプルに出来る。
【００２４】
請求項１２の発明は，請求項１記載の回転電機システムに於いて，さらに可動磁極部の偏倚位置を保持する手段を有し，間歇的に電機子を流れる磁束量が制御される事を特徴とする。可動磁極部の偏倚制御手段は電源オフの状態，エネルギーを消費しない状態で可動磁極部の偏倚位置を保持する構成とし，磁束量の変更時のみ可動磁極部の偏倚制御を行い，エネルギー消費を抑え高いエネルギー効率の回転電機システムを実現する。
【００２５】
請求項１３の発明は，請求項１記載の回転電機システムに於いて，可動磁極部の偏倚を妨げる磁気力を小とするようバイパス磁路の磁気抵抗及び主磁路の磁気抵抗が互いにほぼ等しいとする最小磁気力条件に設定されている事を特徴とする。バイパス磁路内には磁気的な空隙或いは狭隘部等で構成する磁気抵抗調整部分を有してバイパス磁路の磁気抵抗を設定する。両磁路の磁気抵抗を等しく設定することで界磁磁石に繋がる磁路の磁気抵抗は一定に保たれるので可動磁極部の偏倚を妨げる磁気力は最小となる。「ほぼ等しい」の意味は前記偏倚に用いるアクチュエータの出力以下に前記偏倚を妨げる磁気力を抑制するよう両磁路の磁気抵抗を最小磁気力条件に設定する事である。各磁路の磁気抵抗は変動するので回転電機システムの仕様に合わせて回転子の静止状態或いは平均的な運転条件に於いて両磁路の磁気抵抗を最小磁気力条件に設定する。
【００２６】
請求項１４の発明は，請求項１記載の回転電機システムに於いて，交流磁束が通り難いよう界磁磁石から磁性体突極に至る磁路は磁性体突極より渦電流損を大とする材質を含んで構成される事を特徴とする。磁性体突極と磁性体歯との相対関係に応じて電機子コイルに流れる電流により主磁路の磁気抵抗は脈動し，脈動的な磁気力及び磁路間の磁束漏洩が発生する。前記偏倚をアシストする低周波数帯域の交流磁束が磁路中を通過する事は必要であるが，磁性体突極と磁性体歯との相対位置関係に応じる高周波数帯域の交流磁束は部材の振動或いはスパイク的な磁束漏洩を誘発して望ましくはない。本発明は両磁路間の磁束漏洩を小とするよう形状及び配置を設定するのは当然として，さらに界磁磁石から磁性体突極に至る磁路の一部或いは全部を磁性体突極の構成部材より平均として高導電率の素材で構成して高周波数帯域の交流磁束を通り難い構成を提案している。界磁磁石から磁性体突極に至る磁路の磁気抵抗は周波数特性を持ち，可動磁極部の偏倚に際して磁気力発生に必要な低周波数帯の磁気抵抗変化を許容できるよう上記素材の透磁率，導電率及び寸法諸元を設定する。
【００２７】
請求項１５の発明は，請求項１記載の回転電機システムに於いて，電機子及び回転子側に配置された表面磁極部が径方向に対向して配置され，隣接する磁性体突極は互いに軸と平行の異なる方向に延伸されて延長部分は延長方向により第一延長部，第二延長部とされ，第一延長部，第二延長部を介して隣接する磁性体突極が互いに異極に磁化されるよう励磁部が回転子内に配置されている事を特徴とする。偏倚制御手段の構成が複雑になるが，励磁部を回転子内に収納してコンパクトに形成できる。
【００２８】
請求項１６の発明は，請求項１記載の回転電機システムに於いて，電機子及び回転子側に配置された表面磁極部が径方向に対向して配置され，電機子はさらに磁気ヨークを有し，隣接する磁性体突極は互いに軸方向の異なる方向に延伸されて延長部分は延長方向により第一延長部，第二延長部とされ，回転子両端の静止側に配置された二つの励磁部は第一延長部と磁気ヨーク間，第二延長部と磁気ヨーク間にそれぞれ磁束を供給し，隣接する磁性体突極が互いに異極に磁化される事を特徴とする。励磁部を回転子両端のハウジング側に配置し，偏倚制御手段をシンプルに出来る。軸方向に長くなる短所がある。
【００２９】
請求項１７の発明は，請求項１記載の回転電機システムに於いて，電機子及び回転子側に配置された表面磁極部が径方向に対向して配置され，隣接する磁性体突極は互いに軸方向と径方向の異なる方向に延伸されて延長部分は延長方向により第一延長部，第二延長部とされ，回転子端の静止側に配置された励磁部は第一延長部と第二延長部間に磁束を供給し，隣接する磁性体突極が互いに異極に磁化される事を特徴とする。励磁部を回転子片端のハウジング側に配置し，偏倚制御手段をシンプルに出来る。励磁部と回転子間にスラスト力が発生する。
【００３０】
請求項１８の発明は，請求項１から請求項１７記載の何れかの回転電機システムに於いて，さらに制御装置を有し，回転力を入力とし，発電電力を出力とする回転電機システムであって，制御装置により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可動磁極部が偏倚されて第一界磁磁極と主磁極とが対向する面積を小とされ，発電電圧が所定の値より小の時は可動磁極部が偏倚されて第一界磁磁極と主磁極とが対向する面積を大とされ，発電電圧が所定の値に制御される事を特徴とする。広範な回転速度範囲で定電圧の発電電圧を得る事が出来，高価な電圧制御装置を不要とし，エネルギー効率を向上出来る。
【００３１】
請求項１９の発明は，請求項１から請求項１７記載の何れかの回転電機システムに於いて，さらに制御装置を有し，電機子コイルへの供給電流を入力とし，回転力を出力とする回転電機システムであって，制御装置により回転速度が所定の値より大で電機子を流れる磁束量を減少させる時には可動磁極部が偏倚されて第一界磁磁極と主磁極とが対向する面積を小とされ，回転速度が所定の値より小で電機子を流れる磁束量を増大させる時には可動磁極部が偏倚されて第一界磁磁極と主磁極とが対向する面積を大として回転力が最適に制御される事を特徴とする。広範な回転速度範囲で電動機システムとしての出力を最適に制御する。
【００３２】
請求項２０の発明は，請求項１から請求項１７記載の何れかの回転電機システムに於いて，さらに制御装置を有し，電機子コイルへの供給電流を入力とし，回転力を出力とする回転電機システムであって，回転速度を減少させる場合には制御装置により電機子を流れる磁束量を大とされるよう可動磁極部が偏倚されて第一界磁磁極と主磁極とが対向する面積が大とされて回転エネルギーが発電電力として取り出される事を特徴とする。回生制動の能力を改善して総合的なエネルギー効率を向上させる事が出来る。
請求項２１の発明は，電機子コイルを有する電機子と，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有する表面磁極部と，同種の極性に磁化されるべき磁性体突極グループ毎に一括して磁化する励磁部とからなり，表面磁極部と電機子とは軸を中心に相対的に回転可能である回転電機装置の界磁制御方法であって，励磁部は界磁磁石及び界磁磁石に対向する主磁極及びバイパス磁極を有し，界磁磁石のＮ極或いはＳ極の何れか一方の磁極から主磁極に流入する磁束が磁性体突極及び電機子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Ｎ極或いはＳ極の何れか一方の磁極からバイパス磁極に流入する磁束が主として励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を界磁磁石に並列に接続し，主磁極及びバイパス磁極のユニット或いは界磁磁石の何れかを可動磁極部として界磁磁石が主磁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前記それぞれの面積を変えるよう構成し，主磁路或いはバイパス磁路の磁気抵抗を調整する磁気抵抗調整手段を有し，可動磁極部の偏倚制御時に前記偏倚に必要な力を小とするよう主磁路或いはバイパス磁路の磁気抵抗を調整して可動磁極部を偏倚させて電機子を流れる磁束量を制御する。
【００３３】
磁石励磁回転電機システムに於ける磁束量制御方法であって，磁性体突極を励磁する界磁磁石に磁性体突極及び電機子側を通る主磁路及び電機子側を通らないバイパス磁路とが並列に接続され，主磁路に接続される主磁極及びバイパス磁路に接続されるバイパス磁極と界磁磁石の磁極との対向面積を機構偏倚により変えて主磁路，すなわち電機子側を流れる磁束量を制御する。界磁磁石に主磁極及びバイパス磁極が対向しているので界磁磁石からの磁束は層流状に主磁極及びバイパス磁極に流入し，主磁極に分流される磁束量はほぼ主磁極と界磁磁石の対向面積に比例する。バイパス磁路の接続により界磁磁石に繋がる磁気抵抗の変動は小さくなるので可動磁極部の偏倚を妨げる磁気力は抑制され，主磁路を流れる磁束量を変更しても界磁磁石には常に磁路が接続されているので界磁磁石が減磁される懸念は少ない。
【００３４】
磁気抵抗調整手段は回転電機の製造後或いは運転中に主磁路或いはバイパス磁路の磁気抵抗を調整して可動磁極部の偏倚制御時に前記偏倚に必要な力を小として精密な界磁制御を可能にする。磁気抵抗調整手段の具体的な手段には磁路を形成する寸法諸元の変更制御，磁路に巻回したコイルへの通電制御，温度或いは磁気飽和等を利用する磁性体の磁気特性制御等がある。
【００３５】
請求項２２の発明は，請求項２１記載の磁束量制御方法に於いて以下のステップを含む。可動磁極部を偏倚させる際にバイパス磁路の磁気抵抗と主磁路の磁気抵抗とが互いにほぼ等しいとする最小磁気力条件に磁気抵抗調整手段により調整する。可動磁極部を偏倚させる際にバイパス磁路と主磁路の磁気抵抗を最小磁気力条件に調整すれば，偏倚を妨げる磁気力は最小となる。「ほぼ等しい」の意味は前記偏倚に用いるアクチュエータの出力以下に前記偏倚を妨げる磁気力を抑制するよう両磁路の磁気抵抗を最小磁気力条件に設定する事である。回転電機の運転条件により各磁路の磁気抵抗が初期値から変動する場合でも精密な磁束量制御を可能にする。
【００３６】
請求項２３の発明は，請求項２１記載の磁束量制御方法に於いて以下のステップを含む。電機子を流れる磁束量を増加する時に磁気抵抗調整手段は主磁路の磁気抵抗がバイパス磁路の磁気抵抗より小になるよう調整し，電機子を流れる磁束量を減少させる時に磁気抵抗調整手段は主磁路の磁気抵抗がバイパス磁路の磁気抵抗より大になるよう調整し，同時に可動磁極部を偏倚させる。主磁路或いはバイパス磁路の磁気抵抗差に応じて現れる磁気力は最小磁気力条件を境に方向が変わる。関係するパラメータを最小磁気力条件を基準に所定量ずらして磁気力を発生させる事により偏倚をアシストする磁気力を安定的に得る事が出来る。最小磁気力条件は回転電機の運転状態によって変わり，運転中に学習的に取得する或いは予め設定されたマップデータから取得する。
【００３７】
請求項２４の発明は，請求項２１記載の磁束量制御方法に於いて以下のステップを含む。さらに主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗が最小磁気力条件から外れる事により可動磁極部に加わる磁気力の検知手段を有し，間歇的に変えられた磁気抵抗調整手段に関係するパラメータ，或いは通常の運転中に変わる前記パラメータと可動磁極部に加わる磁気力との関係を監視し，可動磁極部に加わる磁気力を小とする前記パラメータを最小磁気力条件パラメータとして設定する。主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗は，可動磁極部の偏倚位置の影響を受け，温度による磁気特性変化，さらに経時的な磁気特性変化等の影響を受ける。本発明は主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗が最小磁気力条件から外れる事で現れる磁気力の検知手段を有し，磁気抵抗調整手段に係わるパラメータを学習的に取得して最小磁気力条件としてそれらのデータを更新する。
【発明の効果】
【００３８】
永久磁石励磁の回転電機システムに於いて，磁性体突極には励磁部から界磁磁束を供給する構成とし，機構偏倚により界磁磁石の磁束を主磁路及びバイパス磁路に分流制御させるとして，機構偏倚の障害となる磁気力を抑制し，或いは磁気力を利用して界磁強度を制御可能とした。磁性体突極及び電機子を通る主磁路の磁気抵抗は回転電機が電動機或いは発電機として動作中に実効的に変動し，更に量産時の部材寸法公差によりばらつく事を考慮し，回転電機の組み立て後或いは動作中に主磁路，バイパス磁路の磁気抵抗の設定条件に実効的に調整制御出来る回転電機システムとした。本発明により種々の要因により量産段階で特性がばらついた場合でも前記機構偏倚に際して磁気力は抑制し，或いは前記機構偏倚をアシストするよう磁気力を発生制御して前記偏倚制御を円滑に実施出来る。本発明により，永久磁石励磁の回転電機システムに於ける弱め界磁制御が容易となり，高エネルギー効率で出力を最適に制御する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】
【００３９】
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】
【００４０】
本発明の第一実施例による回転電機システムを図１から図６を用いて説明する。第一実施例は，ラジアルギャップ構造で且つアウターロータ構造の単極回転子を持つ回転電機システムである。励磁部は回転電機の静止側に，電機子と軸方向に隣接して配置され，バイパス磁路の磁気抵抗調整手段を有している。図１は回転電機の縦断面図，図２は電機子と回転子とを示す断面図，図３は励磁部構成を示す平面図，図４は回転偏倚した主磁極とバイパス磁極を示す平面図，図５は偏倚制御手段の一部を示す断面図，図６は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。
【００４１】
図１はアウターロータ構造の回転電機に本発明を適用した実施例を示し，磁性体突極は回転子に配置され，電機子は固定軸に配置されている。基板１２に固定軸１１が固定され，固定軸１１に電機子が固定され，固定軸１１にベアリング１３を介して回動可能に支持された磁性体である鉄製のロータハウジング１９に磁性体突極１７が配置されている。電機子は固定軸１１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。回転子のロータハウジング１９は外部機器と回転力の伝達の為のプーリー部１８を持ち，ロータハウジング１９には磁性体歯１４に対向して磁性体突極１７と磁気空隙部とが周方向に交互に配置されている。
【００４２】
磁性体突極１７を磁石励磁する励磁部は，固定軸１１を周回し且つ電機子と並んで配置され，主要部を界磁磁石１ａと主磁極１ｂとバイパス磁極１ｃとベース磁極１ｄとから構成され，主磁極１ｂとバイパス磁極１ｃは励磁部支持部１ｆに支持され，励磁部支持部１ｆは固定軸１１に回動可能に支持されている。界磁磁石１ａ内の矢印は磁化の方向を示し，番号１ｅはバイパス磁極１ｃの延長部と可動ベース磁極１ｍ間の間隙を示す。間隙１ｅの空隙長調整手段は，可動ベース磁極１ｍ，電機子支持部１ｑに設けられたベース磁極調整ネジ１ｎ，アクチュエータ１ｐとから構成されている。
【００４３】
固定軸１１は中空構造として，中空部内に摺動可能に配設された制御棒１ｇを有し，制御棒１ｇはアクチュエータ１ｈにより周方向に偏倚される構成としている。固定軸１１に中空部と貫通するスリット部１ｊを持ち，スリット部１ｊを介して励磁部支持部１ｆに固定されたピン１ｋが制御棒１ｇと係合して制御棒１ｇの回転偏倚により励磁部支持部１ｆ，主磁極１ｂ，バイパス磁極１ｃを回転偏倚させる。番号１ｒはトルクセンサーを示す。
【００４４】
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。電機子は電機子支持部１ｑ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２４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。磁性体歯１４と円筒状磁気ヨーク１５はケイ素鋼板から所定の型で打ち抜かれた後，積層して構成され，電機子コイル１６が巻回されている。
【００４５】
図２に於いて，回転子はロータハウジング１９の内側に磁性体歯１４に対向してケイ素鋼板を積層された磁性体突極１７が周方向に等間隔に８個配置されている。磁性体突極１７間は磁気空隙部であり，単に空隙として構成しているが，高速回転で風損がエネルギー効率或いは音響発生で支障となる時には比抵抗が大で非磁性の樹脂，レジン等を配置する事が出来る。回転子に界磁磁石は配置されていないが，励磁部により磁性体突極１７は界磁磁石１ａの一方の磁極に，磁性体歯１４は他方の磁極に磁気的に結合されて磁化されている。このような構成は単極の回転電機であって，電動機として或いは発電機として使いにくい点はあるが，構成がシンプルであるメリットがある。
【００４６】
図３は図１に示した励磁部の構成及び界磁磁束制御の原理を説明する為の図である。図３（ａ）は主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃ側から見た界磁磁石１ａを含む平面図であり，図３（ｂ）はロータハウジング１９側から見た主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃを含む平面図である。図１及び図３（ａ）に於いて，界磁磁石１ａは磁気空隙部３１を挟んで周方向に３個配置されている。各界磁磁石１ａの磁化方向は図１に矢印で示されるように軸方向であり，界磁磁石１ａの二つの磁極を第一界磁磁極，第二界磁磁極として第二界磁磁極はベース磁極１ｄを介して円筒状磁気ヨーク１５に結合され，第一界磁磁極は対向する主磁極１ｂを介してロータハウジング１９に磁気的に結合されている。
【００４７】
図１及び図３（ｂ）に示されるように，界磁磁石１ａの第一界磁磁極に微小空隙を介して対向して各主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃが周方向に並んで回動可能に配置されている。図３（ａ），（ｂ）に於いて番号３２で示される円筒状磁気コアはバイパス磁極１ｃに結合されて共に回転偏倚し，図１に示されるように間隙１ｅ，可動ベース磁極１ｍ，円筒状磁気ヨーク１５を介してベース磁極１ｄに接続している。可動ベース磁極１ｍはベース磁極調整ネジ１ｎの回転により円筒状磁気ヨーク１５に沿って摺動される。
【００４８】
界磁磁石１ａの第一界磁磁極から主磁極１ｂに流入した界磁磁束はロータハウジング１９，磁性体突極１７，磁性体歯１４，円筒状磁気ヨーク１５，ベース磁極１ｄを介して第二界磁磁極に環流する主磁路を形成し，バイパス磁極１ｃに流入した磁束は円筒状磁気コア３２，間隙１ｅ，可動ベース磁極１ｍ，円筒状磁気ヨーク１５，ベース磁極１ｄを介して第二界磁磁極に環流するバイパス磁路を形成している。間隙１ｅの対向面積及び間隙長を磁気抵抗調整部分として主磁路の磁気抵抗とバイパス磁路の磁気抵抗とを互いにほぼ等しく設定する。その際，主磁路の磁気抵抗は磁性体突極１７と磁性体歯１４との相対位置により変動するので平均化した磁気抵抗にバイパス磁路の磁気抵抗とをほぼ等しく設定する。
【００４９】
主磁極１ｂ，バイパス磁極１ｃ，円筒状磁気コア３２，ベース磁極１ｄ，可動ベース磁極１ｍには原則として交流磁束は流れないので飽和磁束密度の大きな鉄を主体とする磁性体で構成し，全体をコンパクトに構成する。界磁磁石１ａと主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃ間の磁気抵抗を小に構成する為に界磁磁石１ａと主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃ間は微小な間隙を介して対向させる或いは摺動させる構成とする。
【００５０】
図３（ａ），（ｂ）に於いて，主磁極１ｂ，バイパス磁極１ｃの周方向角度長は等しく設定され，界磁磁石１ａの周方向角度長を主磁極１ｂ，バイパス磁極１ｃ間間隙の周方向角度長及び主磁極１ｂの周方向角度長の和に等しくなるよう設定し，主磁極１ｂ，バイパス磁極１ｃの偏倚量は主磁極１ｂの周方向角度長以下としている。本実施例では主磁極１ｂ，バイパス磁極１ｃが可動磁極部に対応し，磁極ユニットとして界磁磁石１ａに対して偏倚させる。
【００５１】
図４（ａ），（ｂ）は図３（ｂ）と同じくロータハウジング１９側から見た主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃを示す平面図であり，それぞれの図は磁極ユニット（主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃ）と界磁磁石１ａ間の周方向偏倚が最小，最大の場合，すなわち磁性体突極１７と磁性体歯１４間の磁束量をそれぞれ最大，最小にする場合を示している。同図に於いて，番号４１は界磁磁石１ａの周方向に於ける存在領域を示し，図４（ａ）に示されるように基準位置で界磁磁石１ａは主磁極１ｂの全領域に対向すると共にバイパス磁極１ｃとは僅かに対向する状態を示している。この場合に界磁磁石１ａからの磁束はほぼ全量が主磁極１ｂを介して磁性体突極１７，磁性体歯１４間に流れる。
【００５２】
図４（ｂ）は図４（ａ）に示す基準位置から磁極ユニットが時計回り方向に主磁極１ｂの周方向角度長に等しい回転偏倚をした場合を示し，界磁磁石１ａはバイパス磁極１ｃの全領域に対向すると共に主磁極１ｂとは僅かに対向する状態を示している。この場合に界磁磁石１ａからの磁束はほぼ全量がバイパス磁極１ｃを介して円筒状磁気コア３２，間隙１ｅ，可動ベース磁極１ｍ，円筒状磁気ヨーク１５，ベース磁極１ｄを介して第二界磁磁極に環流する。
【００５３】
図４（ａ），（ｂ）に示した場合の中間状態では界磁磁石１ａが主磁極１ｂとバイパス磁極１ｃの双方に対向して界磁磁石１ａからの磁束は主磁路及びバイパス磁路に分流させられる。界磁磁石１ａはほぼ全幅で主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃに微小間隙を介して対向し，磁束は界磁磁石１ａ，主磁極１ｂ，バイパス磁極１ｃの面に直交して流れるので磁束は界磁磁石１ａと主磁極１ｂ，バイパス磁極１ｃとの間を層流状に流れる事になる。これにより磁束は界磁磁石１ａと主磁極１ｂ，バイパス磁極１ｃそれぞれの対向面積に比例して分流される。さらに界磁磁石１ａと主磁極１ｂ，バイパス磁極１ｃそれぞれの対向面積の和は一定であり，それらの面積は磁極ユニットの偏倚に従って変化する。主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗は互いにほぼ等しく設定して界磁磁石１ａに繋がる磁気抵抗は常に一定であるので磁極ユニットの偏倚を妨げる磁気力は理論的には現れない。
【００５４】
磁極ユニットの位置が図４（ａ），（ｂ）に示した範囲内に留まれば，界磁磁石１ａと主磁極１ｂ，バイパス磁極１ｃそれぞれの対向面積の和は一定であり，それらの面積は偏倚に従って変化し，主磁路に分流される磁束量は偏倚量にほぼ比例する。前記位置が前記範囲を超えても磁束量制御を行う事は出来るが，偏倚量と主磁路を流れる磁束量の関係は不定となる。本実施例では前記範囲内に磁極ユニットの位置を留めるようスリット１ｊの周方向位置及び周方向角度長を設定している。
【００５５】
一般に磁石を含む磁気回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（磁気回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。本発明に先行して界磁磁束を制御する目的で磁気回路の一部を偏倚させて界磁磁石を短絡し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，磁石トルク或いは電力を発生させる源泉であり，前記偏倚を妨げる磁気力は大きく，精密な磁束量制御を困難にしていた。上記に説明した本発明の構成により磁気力は小さく抑制され，精密な磁束量制御が可能となる。
【００５６】
本実施例では界磁磁石１ａが微小間隙を介して主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃに対向している。主磁路とバイパス磁路の磁気抵抗を厳密に等しく構成するのは困難であり，両者の磁気抵抗に差があるとして界磁磁石１ａから磁性体を介して主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃに対向させると，界磁磁石１ａからの磁束はそれぞれの磁路の磁気抵抗に応じて前記磁性体内で分流して主磁路を流れる磁束は界磁磁石１ａと主磁極１ｂ間の対向面積には比例しない事になり，磁束量の制御は困難となる。構造上の制約から界磁磁石１ａから磁性体を介して主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃ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磁束が分流し難い構成とする。この構成は実質的に界磁磁石１ａの端面で磁束を分流させる点で本発明の趣旨に含まれる。
【００５７】
磁極ユニットを偏倚させる事で磁性体突極１７，磁性体歯１４間に流れる磁束量を制御出来，その際に偏倚を妨げる磁気力は理論的に発生しない事を説明した。以下には図１及び図５を用いて磁極ユニットを偏倚させる構成を説明する。図５は励磁部支持部１ｆに固定されたピン１ｋが制御棒１ｇと係合する部分を拡大して示す断面図である。ピン１ｋは３個有り，固定軸１１にはスリット１ｊが設けられ，制御棒１ｇ端面にはピン１ｋを夫々受け入れる溝部が３個設けられている構造である。固定軸１１を励磁部支持部１ｆに挿通した後，ピン１ｋを励磁部支持部１ｆの外周部から打ち込み，ピン１ｋを固定軸１１内の中空部に突出させて固定し，制御棒１ｇを固定軸１１の中空部に挿入して制御棒１ｇ端部の溝部にピン１ｋを係合させる。
【００５８】
アクチュエータ１ｈは制御装置からの指示により制御棒１ｇを回転偏倚させ，ピン１ｋを介して励磁部支持部１ｆを回転偏倚させる。その際，スリット１ｊの周方向位置及び周方向角度長は磁極ユニットを図４（ａ），（ｂ）で示す範囲内の偏倚量に留める偏倚規制手段として設定してある。アクチュエータ１ｈはステップモータを使用して磁極ユニットの偏倚位置を保存する構成としているが，他にモータとネジ機構或いはギア機構等を組み合わせて偏倚位置を保存出来る構成とする事も出来る。
【００５９】
主磁路とバイパス磁路の磁気抵抗を最小磁気力条件に設定する事で前記偏倚を妨げる磁気力を小さく抑制する事が出来るが，磁路の磁気抵抗を変動させる要因は多い。すなわち，量産段階で部品寸法は設定公差内でばらついて各磁路の磁気抵抗を変動させ，磁路間の磁束漏洩が無視できない場合は可動磁極部の偏倚位置が各磁路の磁気抵抗に影響し，磁性体の透磁率は温度の影響を受けやすいので各磁路の磁気抵抗は変化する。更にまた電機子コイルに電流が流れると主磁路の磁気抵抗は実効的に変動する。本実施例ではバイパス磁路内の間隙１ｅの大きさを調整して主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗を互いに等しくさせ，磁極ユニットの偏倚を妨げる磁気力を小として磁束量制御を行う。間隙１ｅの大きさを調整する空隙長調整手段のパラメータは回転電機の運転中に学習的に取得する構成として種々の原因による磁路の磁気抵抗変化に適応させている。
【００６０】
バイパス磁路の磁気抵抗を調整する為に間隙１ｅの大きさを学習的に調整する構成及び方法を図１を用いて説明する。図１に於いて，番号１ｒはトルクセンサーを示している。トルクセンサー１ｒとしては各種の原理に基づくトルクセンサーを使用する事が出来るが，ストレインゲージが小型で本実施例には適している。アクチュエータ１ｐによりベース磁極調整ネジ１ｎを回転させて可動ベース磁極１ｍを軸方向前後に移動させて間隙１ｅの大きさを変化させると，主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗差に応じて磁極ユニットは磁気抵抗の小さい側の磁極（主磁極１ｂ或いはバイパス磁極１ｃ）と界磁磁石１ａとの対向面積を増す方向に偏倚させる磁気力を受ける。アクチュエータ１ｈは周方向位置を保持しようとするので制御棒１ｇは捻れ，トルクセンサー１ｒにより前記磁気力を検出する事が出来る。
【００６１】
アクチュエータ１ｐによる間隙１ｅの大きさの変更は回転電機の回転動作に直接の影響を与えないので通常の回転動作中に制御装置が適宜アクチュエータ１ｐにより間隙１ｅの大きさを変えてトルクセンサー１ｒの出力を監視し，磁気力が小になる点で間隙１ｅの大きさを維持する。最小磁気力条件に近く，磁気力が小に抑制されるので，小出力のアクチュエータ１ｈで磁束量制御が可能である。
【００６２】
以上，図１から図５に示した回転電機に於いて，磁極ユニットを界磁磁石１ａに対して相対偏倚させる事で電機子に流れる磁束量を制御できることを説明し，さらに磁極ユニットを界磁磁石１ａに対して偏倚させる手段，方法を説明した。第一の実施例は磁束量を制御して出力を最適化するシステムであり，図６を用いて回転電機システムとしての制御を説明する。図６は磁束量制御を行う回転電機システムのブロック図を示している。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及び主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃの位置を含む状態信号６４を入力として制御信号６６を介して磁束量を制御する。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。
【００６３】
回転電機が電動機として用いられる場合において，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。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電機子に流れる磁束量を小とする時には制御信号６６，アクチュエータ１ｈ，制御棒１ｇを介して磁極ユニットを図４（ａ），（ｂ）に於いて時計回り方向に偏倚させ，主磁極１ｂと界磁磁石１ａとの対向面積を小とさせる。回転速度が所定の値より小となり電機子に流れる磁束量を大とする時には制御信号６６，アクチュエータ１ｈ，制御棒１ｇを介して磁極ユニットを反時計回り方向に偏倚させ，主磁極１ｂと界磁磁石１ａとの対向面積を大とさせる。
【００６４】
回転電機が発電機として用いられる場合において，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。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電機子に流れる磁束量を小とする時には制御信号６６，アクチュエータ１ｈ，制御棒１ｇを介して磁極ユニットを図４（ａ），（ｂ）に於いて時計回り方向に偏倚させ，主磁極１ｂと界磁磁石１ａとの対向面積を小とさせる。発電電圧が所定の値より小となり電機子に流れる磁束量を大とする時には制御信号６６，アクチュエータ１ｈ，制御棒１ｇを介して磁極ユニットを反時計回り方向に偏倚させ，主磁極１ｂと界磁磁石１ａとの対向面積を大とさせる。
【００６５】
本実施例の表面磁極部は磁性体突極１７と磁気空隙部が周方向に交互に並び，磁性体突極１７が励磁部により全てＮ極に磁化される構成である。単極構成の回転子であるが，同じ励磁部構成で隣接する磁極が互いに異極となるよう構成する事も出来る。例えば，図７に示すように磁気空隙部に径方向磁化を持つ永久磁石７１を配置し，永久磁石７１はＳ極を磁性体歯１４に対向させる。
【００６６】
本実施例で採用した磁気抵抗調整手段に於いて，主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗を最小磁気力条件に設定するよう連続的に制御を行う場合，磁束量制御の為に回転電機の運転を中断することなく，可動磁極部の偏倚に必要な力を小さく保ち，更に両磁路間の磁束漏洩を小さく保つ事ができる。
【００６７】
磁路の磁気抵抗を設計値から許容範囲内に納める事が出来る場合には回転電機の組み立て後に於けるバイパス磁路の磁気抵抗調整は不要とする事が出来る。また，運転中に於ける磁路の磁気抵抗が初期状態から大きくずれない場合には回転電機の組み立て後の初期調整設定のみを採用して本実施例で採用した学習過程を省略する事が出来る。回転電機システムの仕様或いは運転条件により本実施例に於けるバイパス磁路の磁気抵抗調整手段を部分的に採用して最適の回転電機システムとする事が出来る。
【実施例２】
【００６８】
本発明の第二実施例による回転電機システムを図８から図１１を用いて説明する。第二実施例は，磁性体突極と磁気空隙部を交互に持つ二つの回転子を軸方向に並列配置し，励磁部をハウジング側に配置した回転電機システムである。また，第二実施例は磁束量の制御時に電機子コイルに所定条件の電流を供給して回転子を加速或いは減速方向に駆動して実効的に主磁路の磁気抵抗を調整し，偏倚をアシストする磁気力を発生させている。図８は回転電機の縦断面図，図９は電機子と回転子との構成を示す断面図，図１０は回転子及び励磁部の縦断面図，図１１は励磁部の断面図である。
【００６９】
図８はラジアルギャップ構造の回転電機に本発明を適用した実施例を示し，回転軸８１がベアリング８３を介してハウジング８２に回動可能に支持されている。電機子はハウジング８２に固定された円筒状磁気ヨーク８５と，円筒状磁気ヨーク８５から径方向に延びる複数の磁性体歯８４と，磁性体歯８４に巻回された電機子コイル８６とから構成されている。回転子の表面磁極部は磁性体突極と磁気空隙部とが周方向に交互に並ぶ二つの回転子の表面磁極部８７，８８が非磁性体円板８９を挟んで軸方向に並んで配置されている。
【００７０】
二つの回転子の表面磁極部８７，８８の磁性体突極を互いに異極に磁化する励磁部はハウジング８２側に配置され，主要部を界磁磁石８ａ，主磁極８ｂ，バイパス磁極８ｃから構成されている。主磁極８ｂ，バイパス磁極８ｃは励磁部支持体８ｊに固定され，励磁部支持体８ｊはハウジング８２に固定されている。界磁磁石８ａ及び界磁磁石支持体８ｇは可動磁極部として主磁極８ｂ，バイパス磁極８ｃに対し周方向に摺動可能としてアクチュエータ８ｍに制御棒８ｋを介して接続されている。界磁磁石８ａ内の矢印は磁化方向を示し，番号８ｎは回転子に固定された冷却ファンを示す。
【００７１】
図９は図８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。電機子はハウジング８２に固定された円筒状磁気ヨーク８５と，円筒状磁気ヨーク８５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８４と，磁性体歯８４に巻回された電機子コイル８６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８６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８４先端には径方向に短い可飽和磁性体結合部９３を隣接する磁性体歯８４先端部間に設けてある。磁性体歯８４及び可飽和磁性体結合部９３はケイ素鋼板を型で打ち抜いて積層し，電機子コイル８６を巻回した後，円筒状磁気ヨーク８５と組み合わせて電機子としている。
【００７２】
可飽和磁性体結合部９３は磁性体歯８４と一体として磁性体歯８４の支持強度を向上させ，磁性体歯８４の不要な振動を抑制させる。可飽和磁性体結合部９３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８６が発生させる磁束或いは界磁磁石からの磁束によって容易に飽和し，その場合に電機子コイル８６が発生させる磁束及び磁束の短絡を僅かな量とする。電機子コイル８６に電流が供給されると，時間と共に可飽和磁性体結合部９３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９３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９３はこの点でも磁性体歯８４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。
【００７３】
図９に於いて，回転子は磁性体突極９１と磁気空隙部９２とを周方向に交互に有する構造とし，ケイ素鋼板を所定の型に打ち抜いて積層して構成する。二つの回転子の表面磁極部８７，８８は同じ構成であり，一方の回転子の表面磁極部８７の磁性体突極９１と他方の回転子の表面磁極部８８の磁気空隙部９２とが軸方向に対向するよう配置する。磁性体突極９１間は磁気空隙部９２であり，単に空隙として構成しているが，高速回転で風損がエネルギー効率或いは音響発生で支障となる時には比抵抗が大で非磁性の樹脂，レジン等で構成する事が出来る。
【００７４】
図１０は図８に縦断面図を示した回転子及び励磁部を拡大して示し，図１１は励磁部の断面図を示している。図８，図１０，図１１を用いて励磁部の構成及び磁束量制御の動作原理を説明する。励磁部の主要部は界磁磁石８ａ，主磁極８ｂ，バイパス磁極８ｃから構成されている。径方向の磁化を持つ界磁磁石８ａは３個有り，界磁磁石８ａと非磁性体８ｄと周方向に交互に配置されて円筒状磁性体よりなる界磁磁石支持体８ｇの内側に固定されている。主磁極８ｂとバイパス磁極８ｃの対が各界磁磁石８ａに対向して内側に配置されて励磁部支持体８ｊに固定されている。バイパス磁極８ｃは更に環状磁気コア８ｈに接続され,環状磁気コア８ｈは界磁磁石支持体８ｇと間隙を介して対向している。
【００７５】
回転軸８１に固定された円筒状の磁性体よりなる円筒磁気コア８ｅが表面磁極部８７に接続すると共に微小間隙を介して主磁極８ｂと対向し，表面磁極部８８に固定された円筒状の磁性体よりなる円筒磁気コア８ｆは界磁磁石支持体８ｇと微小間隙を介して対向している。励磁部を構成する主磁極８ｂ，バイパス磁極８ｃ，界磁磁石支持体８ｇ，環状磁気コア８ｈ，円筒磁気コア８ｅ，円筒磁気コア８ｆに交流磁束が通らないので飽和磁束密度の大きい軟鉄で構成して全体をコンパクトに構成している。
【００７６】
界磁磁石８ａの磁化方向及び界磁磁石８ａと主磁極８ｂ，バイパス磁極８ｃとが径方向に対向する点が第一実施例と異なるのみで励磁部の構成は類似している。本実施例に於いて界磁磁石８ａは主磁極８ｂ，バイパス磁極８ｃに対して周方向に摺動する構成としてアクチュエータ８ｍにより偏倚させられる。アクチュエータ８ｍは界磁磁石８ａと界磁磁石支持体８ｇとをハウジング８２に設けた窓を介して３本の制御棒８ｋで接続して回転偏倚させ，界磁磁石８ａと主磁極８ｂとの対向面積を変える。
【００７７】
界磁磁石８ａの一方の磁極から主磁極８ｂに流入した磁束が円筒磁気コア８ｅ，表面磁極部８７の磁性体突極９１，磁性体歯８４，表面磁極部８８の磁性体突極９１，円筒磁気コア８ｆ及び界磁磁石支持体８ｇを介して界磁磁石８ａの他方の磁極に環流する主磁路と，界磁磁石８ａの一方の磁極からバイパス磁極８ｃに流入した磁束が環状磁気コア８ｈ及び界磁磁石支持体８ｇを介して界磁磁石８ａの他方の磁極に環流するバイパス磁路とが界磁磁石８ａに並列に接続される構成であり，界磁磁石８ａの周方向偏倚に従って主磁路及びバイパス磁路に磁束が分流され，主磁路を流れる磁束量が制御される。
【００７８】
本実施例では主磁路の磁気抵抗をバイパス磁路の磁気抵抗とほぼ等しく設定して界磁磁石８ａを偏倚させる為に要する力を小とさせる。環状磁気コア８ｈと界磁磁石支持体８ｇとの間の空隙長及び対向面積を磁気抵抗調整部分としてバイパス磁路の磁気抵抗と主磁路の磁気抵抗と等しくなるよう設定している。
【００７９】
本実施例ではアクチュエータ８ｍにはステップモータを用い，制御棒８ｋを介して界磁磁石８ａを偏倚させる。アクチュエータ８ｍに駆動電流を流さない場合は界磁磁石８ａの位置を保存して制御に要するエネルギーを小としている。
【００８０】
種々の要因によって各磁路の磁気抵抗は変動するが，本実施例では回転電機の動作中に磁束量制御を間歇的に行っている。回転電機を電動機として電機子コイルに回転子を加速する方向の電流を供給する場合は界磁磁束を引き込み，電機子に流れる磁束量を大としようとし，回転子を減速駆動する場合はその逆になる。したがって，回転子を加速或いは減速駆動する場合は主磁路の磁気抵抗が実効的にそれぞれ小，大となる。主磁路とバイパス磁路の磁気抵抗を互いに等しくするよう電機子コイルに供給する電流を最小磁気力電流とし，次のように偏倚制御を実施する。すなわち，主磁路を流れる磁束量を増す場合に回転子を加速する方向に最小磁気力電流から所定量ずらした電流を電機子コイルに供給すると共に主磁極と界磁磁石との対向面積を増す方向に可動磁極部を偏倚させる。主磁路を流れる磁束量を減じる場合には回転子を減速する方向に最小磁気力電流から所定量ずらした電流を電機子コイルに供給すると共に主磁極と界磁磁石との対向面積を減じる方向に可動磁極部を偏倚させ，主磁路を流れる磁束量を制御する。電機子コイルに流す電流により可動磁極部の偏倚をアシストする磁気力を発生させる構成であって可動磁極部の偏倚に過大なアクチュエータを要する事無く磁束量制御を容易とする。
【００８１】
最小磁気力電流は回転電機の運転状態に応じてマップデータから取得する。回転電機の運転中に主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗を変動させるパラメータは主に温度，可動磁極部の偏倚位置，回転速度等である。これら動作条件を示すパラメータと最小磁気力電流の初期設定からの変動量との関係は同一設計の回転電機では統計データに基づいて推定出来る。回転電機の組み立て後に最小磁気力電流と動作条件を示すパラメータとの間のマップデータを作成して設定する。
【００８２】
以上，図８から図１１に示した回転電機に於いて，界磁磁石８ａを主磁極８ｂ及びバイパス磁極８ｃに対して相対偏倚させる事で電機子に流れる界磁磁束量を制御できることを説明し，さらに界磁磁石８ａを主磁極８ｂ及びバイパス磁極８ｃに対して偏倚させる手段方法を説明した。本実施例は磁束量を制御して出力を最適化するシステムであり，図６を用いて回転電機システムとしての制御を説明する。
【００８３】
回転電機が電動機として用いられる場合において，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。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電機子に流れる磁束量を小とする時には回転子を減速する方向に最小磁気力電流より所定量ずらした電流を電機子コイル８６に供給し，同時に制御信号６６を介してアクチュエータ８ｍにより，制御棒８ｋを図１１に於いて時計回り方向に偏倚させて主磁極８ｂと界磁磁石８ａの対向面積を小とさせる。回転速度が所定の値より小となり電機子に流れる磁束量を大とする時には回転子を加速する方向に最小磁気力電流より所定量ずらした電流を電機子コイル８６に供給し，同時に制御信号６６を介してアクチュエータ８ｍにより，制御棒８ｋを図１１に於いて反時計回り方向に偏倚させて主磁極８ｂと界磁磁石８ａの対向面積を大とさせる。
【００８４】
回転電機が発電機として用いられる場合において，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。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電機子に流れる磁束量を小とする時には回転子を減速する方向に最小磁気力電流より所定量ずらした電流を電機子コイル８６に供給し，同時に制御信号６６を介してアクチュエータ８ｍにより，制御棒８ｋを図１１に於いて時計回り方向に偏倚させて主磁極８ｂと界磁磁石８ａの対向面積を小とさせる。発電電圧が所定の値より小となり電機子に流れる磁束量を大とする時には回転子を加速する方向に最小磁気力電流より所定量ずらした電流を電機子コイル８６に供給し，同時に制御信号６６を介してアクチュエータ８ｍにより，制御棒８ｋを図１１に於いて反時計回り方向に偏倚させて主磁極８ｂと界磁磁石８ａの対向面積を大とさせる。
【００８５】
上記の界磁制御は運転状況に応じて界磁制御のステップを簡略化出来る。すなわち，回転電機が加速駆動中であり，その加速駆動の程度が界磁制御の為に回転子を加速する程度以上であれば，偏倚制御手段の駆動のみとする事が出来る。減速駆動中であり，その減速駆動の程度が界磁制御の為に回転子を減速する程度以上であれば，偏倚制御手段の駆動のみとする事が出来る。回転電機を発電機とする場合には常時減速駆動されている電動機と同じ状態であり，界磁制御のステップを簡略化出来る。
【００８６】
主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗が最小磁気力条件から外れる事で現れる磁気力を積極的に利用して可動磁極部を偏倚制御する例を示した。本実施例で採用した手段は回転電機の加速，減速駆動を伴うので，長時間に渡って磁束量制御が連続する場合は回転電機の運転に影響を与える可能性がある。しかし，静止状態で予め主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗を最小磁気力条件に設定する事で回転電機の運転に与える影響を小さく留める事が出来，通常の運転状態では回転速度の変化も磁束量の変更制御も連続的に行われるので大きな問題となる事はない。また，所定のレベル以上に磁束量を変える場合には複数回に分けて断続的に実施する事で大きな支障が現れる事はない。
【実施例３】
【００８７】
本発明の第三実施例による回転電機システムを図１２から図１５を用いて説明する。第三実施例は，磁性体突極と磁気空隙部を周方向に交互に持つ回転子であり，励磁部を回転子の内部に配置した回転電機システムである。また，第三実施例は磁束量の制御時に電機子コイルに最小磁気力電流を供給して回転子を加速或いは減速方向に駆動して実効的に主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗を互いに等しくし，さらに最小磁気力電流を学習的に取得している。図１２は回転電機の縦断面図，図１３は電機子と界磁部とを示す断面図，図１４は回転子の構成を示す斜視図，図１５は界磁制御を行うタイムチャートである。
【００８８】
図１２はラジアルギャップ構造の回転電機に本発明を適用した実施例を示し，回転軸８１がベアリング８３を介してハウジング８２に回動可能に支持されている。電機子の構成は第二実施例と同じであるので説明は省略する。回転子は磁性体突極と磁気空隙部とが周方向に交互に並ぶ表面磁極部１２１，隣り合う磁性体突極を軸方向の互いに異なる方向に延長させた第一延長部１２２，第二延長部１２３とを有する。
【００８９】
回転子の表面磁極部１２１の内側には励磁部が配置されて第一延長部１２２，第二延長部１２３に結合し，隣接磁性体突極を互いに異極に磁化している。励磁部の主要部は界磁磁石１２４，主磁極１２５，バイパス磁極１２６，ベース磁極１２８から構成され，界磁磁石１２４は励磁部支持体１２７に固定され，界磁磁石１２４と励磁部支持体１２７は主磁極１２５，バイパス磁極１２６及びベース磁極１２８間に配置されて軸方向に摺動可能に構成されている。界磁磁石１２４，主磁極１２５，バイパス磁極１２６，ベース磁極１２８及び励磁部支持体１２７は円筒状の磁性体で構成されている。
【００９０】
界磁磁石１２４と励磁部支持体１２７を軸方向に偏倚させる偏倚制御手段は，主要部をスプリング１２ａ，回転軸８１の中空部に収納された制御棒１２ｄ，プッシュロッド１２ｅ，アクチュエータ１２ｆとから構成され，制御棒１２ｄには励磁部支持体１２７に固定したピン１２９が回転軸８１のスリット１２ｃを介して接する構成である。円筒状の非磁性体１２ｂは界磁磁石１２４の偏倚範囲を規制する手段として配置されている。番号１２ｇはロードセルを示す。
【００９１】
図１３は図１２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。電機子の構成は第二の実施例と同じであるので説明は省略する。図１３に於いて，回転子は磁性体突極と磁気空隙部とを周方向に交互に有する構造とし，隣接する磁性体突極を番号１３１，１３２で代表させ，磁気空隙部を番号１３３で示している。番号１３４は磁束チャネル部である。本実施例では磁性体突極１３１，１３２の断面積は小さいので内周側の空きスペースを利用して可能な限り断面積の大きい磁束チャネル部１３４として界磁磁束の伝搬供給を可能にする構成としている。磁性体突極１３１，１３２は幅の狭い可飽和磁性体部１３５で連結された構成として所定の型でケイ素鋼板を打ち抜き，積層して構成されている。磁気空隙部１３３を含む非磁性体の部分には非磁性で且つ比抵抗の大きい材料，レジン，樹脂等を充填して構成している。
【００９２】
本実施例に於いては，回転子の空きスペースを利用して飽和磁束密度の大きな鉄で構成した断面積が大きい磁束チャネル部１３４を電機子より遠い側の磁性体突極に配置している。磁性体突極がケイ素鋼板の積層で構成され，積層されたケイ素鋼板の積層方向の磁気抵抗は大きいが，磁束チャネル部１３４は界磁磁束を回転軸８１に沿って伝搬させる事が出来る。
【００９３】
図１４は回転子の構成を示す分解斜視図である。理解を容易にする為に磁性体突極１３１，１３２等を有する中心部と磁性体突極の第一延長部１２２，第二延長部１２３とを離して示してある。番号８１’は回転軸８１を通す穴を示す。第一延長部１２２は軟鉄をプレス成形して磁性体突極１３１の延長部分となる磁性体突部１４１を有して構成され，非磁性体部１４３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１２３は軟鉄をプレス成形して磁性体突極１３２の延長部分となる磁性体突部１４２を有して構成され，非磁性体部１４４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。番号１４５は励磁部の一部を示す。
【００９４】
励磁部の構成は図１２に縦断面図が示されている。励磁部の主要構成部材は円筒状であり，主磁極１２５，バイパス磁極１２６が軸方向に並んで配置され，主磁極１２５は第二延長部１２３と結合され，バイパス磁極１２６は第一延長部１２２と微小間隙を介して結合されている。ベース磁極１２８は第一延長部１２２に結合され，界磁磁石１２４は励磁部支持体１２７に固定されて主磁極１２５，バイパス磁極１２６及びベース磁極１２８間を摺動可能に配置されている。界磁磁石１２４は径方向の磁化を持ち，矢印は磁化の方向を示す。
【００９５】
主磁路は主磁極１２５，第二延長部１２３，磁性体突極１３２，磁性体歯８４，磁性体突極１３１，第一延長部１２２，ベース磁極１２８，励磁部支持体１２７で構成され，バイパス磁路はバイパス磁極１２６，第一延長部１２２，ベース磁極１２８，励磁部支持体１２７で構成される。バイパス磁路の磁気抵抗はバイパス磁極１２６と第一延長部１２２間の微小間隙の長さを磁気抵抗調整部分として主磁路の磁気抵抗の平均値と互いにほぼ等しくなるよう設定してある。界磁磁石１２４の軸方向偏倚に従って，界磁磁石１２４が主磁極１２５及びバイパス磁極１２６と対向する面積の和を一定に保ちながら主磁極１２５との対向面積は変わり，主磁路に流入する磁束量を変える事が出来る。また，その際に第一，第二の実施例で説明したように偏倚に抗する磁気力は理論的に現れない。
【００９６】
主磁極１２５，バイパス磁極１２６の長さは界磁磁石１２４の長さより大きいが，円筒状の非磁性体１２ｂにより界磁磁石１２４は常に主磁極１２５及びバイパス磁極１２６と対向するよう設定されている。界磁磁石１２４と主磁極１２５，バイパス磁極１２６それぞれの対向面積の和は一定であり，それらの面積は偏倚に従って変化し，主磁路に分流される磁束量と偏倚量はほぼ比例する。
【００９７】
界磁磁石１２４を偏倚させる偏倚制御手段の構成を説明する。励磁部支持体１２７に固定した３個のピン１２９は回転軸８１に設けた３個のスリット１２ｃを介して制御棒１２ｄに接し，制御棒１２ｄは回転軸８１の中空部内を軸方向に摺動可能に構成されてアクチュエータ１２ｆのプッシュロッド１２ｅと接している。スプリング１２ａは励磁部支持体１２７を右方向に付勢し，アクチュエータ１２ｆはプッシュロッド１２ｅを軸方向に偏倚させる構成であるので励磁部支持体１２７及び界磁磁石１２４はアクチュエータ１２ｆにより軸方向に偏倚させられる。本実施例ではアクチュエータ１２ｆにはステップモータとネジ機構を用い，ステップモータの回転によりプッシュロッド１２ｅは図１２に於いて左右に偏倚され，ステップモータを駆動しない場合はプッシュロッド１２ｅの軸方向位置を保存させている。
【００９８】
種々の要因により各磁路の磁気抵抗は変動するが，本実施例では以下のように回転電機の動作中に磁束量制御を間歇的に行っている。界磁磁石１２４の偏倚制御時に電機子コイル８６に最小磁気力電流を供給して回転子を加速或いは減速方向に駆動して実効的に主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗を互いに等しくさせ，同時にアクチュエータ１２ｆを駆動する。さらに電機子コイルに流す最小磁気力電流は回転電機の運転中に学習的に取得して種々の原因による主磁路の磁気抵抗変化に適応させている。
【００９９】
最小磁気力電流を学習的に取得する構成及び方法を図１２及び図１５を用いて説明する。図１２に於いて，番号１２ｇはロードセルを示し，プッシュロッド１２ｅに加えられる力を検出する。電機子コイル８６に回転子を加速或いは減速方向に電流が供給されると，主磁路の磁気抵抗は実効的にそれぞれ小，大になる。主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗に差があると，界磁磁石１２４は磁気抵抗の小さい側の磁極となる主磁極１２５或いはバイパス磁極１２６との対向面積を増す方向に偏倚する磁気力を受ける。アクチュエータ１２ｆは軸方向位置を保持しようとするので摺動棒１２ｄ，プッシュロッド１２ｅに内の圧力は変化し，ロードセル１２ｇにより前記磁気力を検出する事が出来る。
【０１００】
図１５は間歇的に磁束量を制御するタイムチャートであり，横軸１５６は時間を示す。番号１５１は学習区間を示し，番号１５２は磁束量制御区間を示している。それ以外の時間帯では回転電機が電動機であれば回転駆動を，発電機であれば発電電力の取り出しを行う。学習区間１５１では電機子コイル８６に供給する電流の条件を変えて回転子を駆動し，その期間に於けるロードセル１２ｇの出力を監視する。ロードセル１２ｇの出力が小になる電流が最小磁気力電流であり，この最小磁気力電流を制御装置に記憶或いは設定し直す。
【０１０１】
番号１５２は磁束量を制御する区間であり，前記の学習過程で得られた最小磁気力電流を電機子コイル８６に供給し，同時にアクチュエータ１２ｆを制御して界磁磁石１２４を軸方向に偏倚させる。主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗は実効的にほぼ等しくされるのでアクチュエータ１２ｆによる上記制御は円滑に行われる。この場合，回転子は短時間であるが駆動されるので回転速度１５３は変化する。磁束量の制御区間１５２では回転子が減速され，僅かではあるが，減速されている状態が回転速度１５３に示されている。番号１５４は界磁磁束量を示し，学習区間１５１ではアクチュエータ１２ｆは軸方向位置を保持しているので界磁磁束量１５４は変化しないが，磁束量制御区間１５２では界磁磁束量１５４が変化する様子が示されている。
【０１０２】
番号１５５は回転電機が発電機である場合に於ける発電電圧を示している。学習区間１５１及び磁束量制御区間１５２では発電電力を取り出せないので発電電圧１５５が途切れている状態を示し，磁束量制御区間１５２前後では発電電圧１５５が変化している状態が示されている。本実施例では静止状態でバイパス磁路の磁気抵抗を主磁路の磁気抵抗と等しくなるように設定されているので磁束量制御の際に電機子コイル８６に供給する最小磁気力電流が回転子を加速或いは減速する程度は小さく抑えられる。
【０１０３】
本実施例では学習区間１５１を設定して最小磁気力電流を取得したが，特に学習区間１５１を設定しない方法も可能である。例えば，回転電機が電動機である場合には回転子を駆動する為に電機子に供給される電流とロードセル１２ｇ出力との関係を常時監視し，最もロードセル１２ｇ出力が小になる電流を最小磁気力電流とする。
【０１０４】
電機子コイル８６を流れる電流により主磁路の磁気抵抗を実効的に変え，可動磁極部の偏倚に要する力を小とできるが，磁性体突極１３１，１３２と磁性体歯８４の位置に応じて切り替わる電流に応答する高い周波数帯での磁気抵抗変動は可動磁極部の振動或いは主磁路及びバイパス磁路間の脈動的な磁束漏洩を誘発して望ましい事ではない。したがって，後者の高い周波数帯での交流磁束は通り難い構成として平滑化する事が望ましい。本実施例では図１４に示すように磁性体突極の第一，第二延長部１２２，１２３を軟鉄ブロックで構成して交流磁束を通り難い構成としている。界磁磁石１２４から磁性体突極１３１，１３２に至る磁路の磁気抵抗に周波数特性を持たせ，可動磁極部の偏倚に際して必要な低周波数帯の磁気抵抗変化を許容できるよう第一，第二延長部１２２，１２３の透磁率，導電率及び寸法諸元を設定する。
【０１０５】
以上，図１２から図１５に示した回転電機に於いて，界磁磁石１２４を主磁極１２５及びバイパス磁極１２６に対して相対偏倚させる事で電機子に流れる磁束量を制御できることを説明した。本実施例は磁束量を制御して出力を最適化するシステムであり，図６を用いて回転電機システムとしての制御を説明する。
【０１０６】
回転電機が電動機として用いられる場合において，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。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電機子に流れる磁束量を小とする時には磁束量制御区間１５２の時間帯に電機子コイル８６に駆動回路６７を介して最小磁気力電流を供給して主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗を実効的に等しくすると共に制御信号６６を介してアクチュエータ１２ｆにより，プッシュロッド１２ｅを左方向に偏倚させて主磁極１２５と界磁磁石１２４の対向面積を小とさせる。回転速度が所定の値より小となり電機子に流れる磁束量を大とする時には磁束量制御区間１５２の時間帯に電機子コイル８６に駆動回路６７を介して最小磁気力電流を供給して主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗を実効的に等しくすると共に制御信号６６を介してアクチュエータ１２ｆにより，プッシュロッド１２ｅを右方向に偏倚させて主磁極１２５と界磁磁石１２４の対向面積を大とさせる。
【０１０７】
回転電機が発電機として用いられる場合において，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。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電機子に流れる磁束量を小とする時には磁束量制御区間１５２の時間帯に電機子コイル８６に駆動回路６７を介して最小磁気力電流を供給して主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗を実効的に等しくすると共に制御信号６６を介してアクチュエータ１２ｆにより，プッシュロッド１２ｅを左方向に偏倚させて主磁極１２５と界磁磁石１２４の対向面積を小とさせる。発電電圧が所定の値より小となり電機子に流れる磁束量を大とする時には磁束量制御区間１５２の時間帯に電機子コイル８６に駆動回路６７を介して最小磁気力電流を供給して主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗を実効的に等しくすると共に制御信号６６を介してアクチュエータ１２ｆにより，プッシュロッド１２ｅを右方向に偏倚させて主磁極１２５と界磁磁石１２４の対向面積を大とさせる。
【実施例４】
【０１０８】
本発明の第四実施例による回転電機システムを図１６から図２１を用いて説明する。表面磁極部には磁性体突極と集合磁石が周方向に交互に配置され，励磁部がハウジング側に配置された回転電機システムである。さらに磁束量の制御時に電機子コイルに定電流負荷を接続し，誘起電圧により所定の電流を流して主磁路の磁気抵抗を実効的に調整している。図１６は回転電機の縦断面図，図１７は電機子と回転子とを示す断面図，図１８は回転子と第一，第二延長部，励磁部を示す分解斜視図，図１９は励磁部の縦断面図，図２０は励磁部の平面図，図２１は偏倚制御手段の斜視図である。
【０１０９】
図１６はラジアルギャップ構造の回転電機に本発明を適用した実施例を示し，回転軸８１がベアリング８３を介してハウジング８２に回動可能に支持されている。電機子の構成は第二実施例と同じであるので説明は省略する。回転子の磁性体突極と集合磁石とが周方向に交互に並ぶ表面磁極部１６１，隣り合う磁性体突極を互いに軸方向の異なる方向に延長させた第一延長部１６２，第二延長部１６３とから構成されている。回転子の第一延長部１６２，第二延長部１６３と空隙を介して静止側に二つの励磁部が配置され，第一延長部１６２，第二延長部１６３と円筒状磁気ヨーク８５間にそれぞれ界磁磁束を一括して供給し，隣り合う磁性体突極を互いに異極に磁化する構成である。
【０１１０】
同図に於いて，第二延長部１６３と対向する励磁部は界磁磁石１６４，主磁極１６５，バイパス磁極１６６，ベース磁極１６７を含み，さらに主磁極１６５，バイパス磁極１６６をハウジング８２に回動可能に支持する励磁部支持体１６８とから構成される事が示されている。第一延長部１６２側の励磁部の構成部材に番号を付していないが，同じ構成であり，同種の部材には同じ番号を用いるとする。ただ，界磁磁石１６４の磁化方向は矢印で示されるように第一延長部１６２，第二延長部１６３側の励磁部に於いては互いに逆となるよう配置されている。
【０１１１】
図１７は図１６のＤ−Ｄ’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。電機子の構成は第二の実施例と同じであるので説明は省略する。
【０１１２】
図１７に於いて，磁性体突極と集合磁石とを周方向に交互に配置されている。中間磁性体突極１７３の両側面にほぼ同じ磁化方向の磁石板１７４，１７５が配置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，回転子の表面磁極部１６１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１７１，１７２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１７１，１７２は互いに異なる方向に磁化さ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１７１，１７２それぞれの周方向両側面に配置された磁石板はＶ字状の配置であり，磁石板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１７４，１７５に付された矢印は磁石板１７４，１７５の板面にほぼ直交する磁化方向を示す。
【０１１３】
番号１７７は第三実施例に於ける磁束チャネル部１３４に相当する磁束チャネル部である。本実施例では磁性体突極１７１，１７２の断面積は小さいので内側の空きスペースを利用して可能な限り断面積の大きい磁束チャネル部１７７として磁束の伝搬供給を可能にする構成としている。番号１７６は磁石板１７４，１７５の磁路の磁気抵抗を大にする為に設けた磁気空隙部である。ケイ素鋼板から磁石板１７４，１７５及び磁束チャネル部１７７，磁気空隙部１７６に相当する部分を打ち抜いて積層した後，磁石板１７４，１７５を挿入し，磁束チャネル部１７７には軟鉄ブロックを挿入して回転子の磁極部を構成する。
【０１１４】
図１８は回転子の構成及び励磁部の配置を示す分解斜視図である。理解を容易にする為に磁性体突極１７１，１７２等を有する中心部と磁性体突極の第一，第二延長部１６２，１６３とを離して示してある。第一延長部１６２は軟鉄をプレス成形して磁性体突極１７１の延長部分となる磁性体突部１８３を有して構成され，非磁性体部１８５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１６３は軟鉄をプレス成形して磁性体突極１７２の延長部分となる磁性体突部１８４を有して構成され，非磁性体部１８６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。
【０１１５】
第一延長部１６２，第二延長部１６３にはそれぞれ励磁部１８１，１８２が空隙を介して対向し，励磁部１８１，１８２の主磁極１６５及びそれに結合する磁性体は第一延長部１６２，第二延長部１６３それぞれの磁性体突部１８３，１８４と磁気的に結合し，励磁部１８１，１８２のベース磁極１６７は図１６に示している円筒状磁気ヨーク８５の両端に結合されている。励磁部１８１，１８２の励磁部支持体１６８には主磁極１６５及びバイパス磁極１６６が固定され，後に説明されるように周方向に回転偏倚されて主磁極１６５及びバイパス磁極１６６と界磁磁石１６４間の相対位置を変える構成である。
【０１１６】
図１９及び図２０を用いて励磁部の構成を説明する。図１９は励磁部１８２の縦断面図を，図２０は回転子側から見た平面図をそれぞれ拡大して示している。図１９及び図２０に於いて，界磁磁石１６４は周方向に３個等間隔でベース磁極１６７の内側に固定され，各界磁磁石１６４に径方向に対向して主磁極１６５及びバイパス磁極１６６が周方向に並んで配置されている。界磁磁石１６４は常に主磁極１６５及びバイパス磁極１６６と対向し，界磁磁石１６４が主磁極１６５及びバイパス磁極１６６と対向する面積の和は一定であり，それぞれの面積が界磁磁石１６４と磁極ユニットを構成する主磁極１６５及びバイパス磁極１６６間の相対偏倚により変化するよう構成されている。番号２０１は磁気空隙部である。
【０１１７】
主磁極１６５は空隙を介して対向する第二延長部１６３の磁性体突部１８４と磁気的に結合され，バイパス磁極１６６は微小の間隙１９１を介してベース磁極１６７に磁気的に結合している。本実施例の励磁部１８２に於いて，主磁路は主磁極１６５，磁性体突部１８４，磁性体突極１７２，磁性体歯８４，円筒状磁気ヨーク８５からベース磁極１６７に至る磁路であり，バイパス磁路はバイパス磁極１６６から間隙１９１を介してベース磁極１６７に至る磁路である。本実施例ではバイパス磁路の磁気抵抗を主磁路の磁気抵抗より大となるよう間隙１９１に於ける対向面積及び間隙長を磁気抵抗調整部分として設定している。
【０１１８】
磁性体突極１７１，１７２は側面に配置された磁石板により磁化され，磁性体突極１７１はＮ極に，磁性体突極１７２はＳ極である。本実施例では励磁部と磁石板が磁性体突極を同じ極性に磁化するよう励磁部は配置されている。すなわち，励磁部１８１に於いて界磁磁石１６４は主磁極１６５をＮ極に磁化して磁性体突部１８３，磁性体突極１７１をＮ極に励磁する。さらに励磁部１８２に於いて界磁磁石１６４は主磁極１６５をＳ極に磁化して磁性体突部１８４，磁性体突極１７２をＳ極に励磁している。
【０１１９】
このように磁石板１７４，１７５及び励磁部１８１，１８２は共に磁性体突極１７１，１７２を同じ極性にそれぞれ励磁している。集合磁石を構成する磁石板１７４，１７５の役割は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である。本実施例に於いては励磁部１８１，１８２から十分な磁束を供給出来，また励磁部１８１，１８２からの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１７４，１７５からの磁束は磁束量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１７３中に設けたスリットで構成した磁気空隙部１７６は磁石板１７４，１７５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磁束への磁石板１７４，１７５の寄与を小にする為に設けられている。
【０１２０】
図２０に於いて磁気空隙部２０１の一部に設けた空隙部２０２及び突部２０３は磁極ユニット（主磁極１６５及びバイパス磁極１６６）を予め定めた範囲内に規制する偏倚規制手段を構成している。すなわち突部２０３は主磁極１６５及びバイパス磁極１６６側に固定され，突部２０３の偏倚は隣接する界磁磁石１６４間に制限されている。図２０に示す状態が基準位置であり，突部２０３は界磁磁石１６４側面に当接している。磁極ユニットの回転偏倚量が基準位置から時計回り方向にほぼ主磁極１６５の周方向角度長に規制されるよう突部２０３の周方向角度長は設定されている。
【０１２１】
本実施例では主磁路とバイパスに加えて集合磁石を通る第三の磁路が界磁磁石１６４に並列接続されている。磁石板１７４，１７５部分を空隙として算出した第三の磁路の磁気抵抗を主磁路の磁気抵抗より大になるよう設定する。本実施例では中間磁性体突極１７３中に設けた磁気空隙部１７６により第三の磁路の磁気抵抗を主磁路の磁気抵抗を大として主磁路に流入する磁束量が影響されないよう構成されている。
【０１２２】
図２１は励磁部１８２に於いて界磁磁石１６４に対して磁極ユニットを回転偏倚させる偏倚制御手段を示す斜視図である。同図に於いて，励磁部支持体１６８の端面にはギア２１１が設けられ，ギア２１１に噛み合うようギア２１２及びステップモータ２１３が配置されている。ステップモータ２１３とギア２１１，２１２により磁極ユニットの位置を保持すると共にステップモータ２１３を回転駆動させて磁極ユニットを界磁磁石１６４に対して偏倚させ，磁性体突極１７１，１７２と磁性体歯８４間の磁束量を変える。励磁部１８１側にも同じ構成の偏倚制御手段が設けられている。
【０１２３】
本実施例では，磁路の磁気抵抗のバラツキを実効的に調整する手段として磁束量を変更する際には電機子コイル８６に所定の定電流負荷を接続する。回転電機を発電機とした場合，電機子コイル８６に（図示していない）負荷が接続されると電機子コイル８６と鎖交した磁束により磁束の変化を減じる方向の電圧が誘起され，負荷のインピーダンスに応じて電流が流れる。これにより主磁路の磁気抵抗は実効的に大となる。主磁路の磁気抵抗はバイパス磁路の磁気抵抗よりやや小に設計するとして，回転電機の組み立て後に主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗を実効的に等しくさせる定電流負荷を調査し，制御装置に記憶させる。磁束量を変更する際には電機子コイル８６に記憶させた定電流負荷を接続し，磁極ユニットを界磁磁石１６４に対して相対偏倚させる過程で偏倚を妨げる磁気力を小とさせる。所定の定電流負荷を実現する手段には種々の方法があり，電機子コイルへの誘起電圧により所定の電流が電機子コイルを流れるよう制御する定電流回路，或いは回転数毎に定めた所定インピーダンスを有する負荷等がある。本実施例では定電流回路を用いている。
【０１２４】
以上，図１６から図２１に示した回転電機に於いて，励磁部１８１，１８２の磁極ユニットを界磁磁石１６４に対して相対偏倚させる事で電機子に流れる磁束量を制御できることを説明し，さらに偏倚させる手段方法を説明した。第四実施例は磁束量を制御して出力を最適化するシステムであり，図６を用いて回転電機システムとしての制御を説明する。
【０１２５】
回転電機が電動機として用いられる場合において，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。定電流負荷は回転子の減速駆動を伴い，主磁路の磁気抵抗を実効的に大とする方向への調整であり，磁束量制御は以下のステップで実行される。制御装置６５は出力６３である回転速度が所定の値より大となり電機子に流れる磁束量を小とする時には電機子コイル８６に誘起電圧により所定の電流を流す定電流回路（図示していない）を接続して主磁路の磁気抵抗をバイパス磁路の磁気抵抗と実効的に互いに等しくし，制御信号６６を介して励磁部１８１，１８２のステップモータ２１３により，図２０に於いて磁極ユニットを時計回り方向に回転偏倚させて主磁極１６５と界磁磁石１６４の対向面積を小とさせる。回転速度が所定の値より小となり電機子に流れる磁束量を大とする時には電機子コイル８６への通電を停止し，制御信号６６を介して励磁部１８１，１８２のステップモータ２１３により，図２０に於いて磁極ユニットを反時計回り方向に回転偏倚させて主磁極１６５と界磁磁石１６４の対向面積を大とさせる。
【０１２６】
回転電機が発電機として用いられる場合において，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。定電流負荷は回転子の減速駆動を伴い，主磁路の磁気抵抗を実効的に大とする方向への調整であり，界磁制御は以下のステップで実行される。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電機子に流れる磁束量を小とする時には電機子コイル８６に誘起電圧により所定の電流を流す定電流回路（図示していない）を接続し，制御信号６６を介して励磁部１８１，１８２のステップモータ２１３により，図２０に於いて磁極ユニットを時計回り方向に回転偏倚させて主磁極１６５と界磁磁石１６４の対向面積を小とさせる。発電電圧が所定の値より小となり電機子に流れる磁束量を大とする時には電機子コイル８６に大きなインピーダンス負荷を接続して流れる電流を小とし，制御信号６６を介して励磁部１８１，１８２のステップモータ２１３により，図２０に於いて磁極ユニットを反時計回り方向に回転偏倚させて主磁極１６５と界磁磁石１６４の対向面積を大とさせる。
【０１２７】
上記システムの制御に於いて，界磁磁束量を増大させる場合には定電流負荷を電機子コイルに接続せず，主磁路の磁気抵抗がバイパス磁路の磁気抵抗より小で有る事で現れる磁気力を可動磁極部偏倚へのアシストに利用している。
【０１２８】
本実施例で採用した主磁路の磁気抵抗調整手段は回転電機の減速駆動を伴うので，長時間に渡って磁束量制御が連続する場合は回転電機の運転に影響を与える可能性がある。しかし，通常の運転状態では回転速度の変化も磁束量の変更制御も連続的に行われるので大きな問題となる事はない。また，経時変化或いは温度変化により主磁路の磁気抵抗変化が大きく見込まれる場合には主磁路の磁気抵抗の補正条件を学習的に取得する構成或いはマップデータから取得する構成を採用する。
【０１２９】
マップデータは以下のように作成される。回転電機の運転中に主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗を変動させるパラメータは主に電機子コイルに流れる電流，回転速度，温度，可動磁極部の偏倚位置等である。これら動作条件を示すパラメータと最適な定電流負荷条件の初期設定条件からの変動量との関係は同一設計の回転電機では統計データに基づいて推定出来る。回転電機の組み立て後に最適な定電流負荷条件と動作条件を示すパラメータとの間のマップデータを作成して設定する。
【実施例５】
【０１３０】
本発明による回転電機システムの第五実施例を図２２から図２６までを用いて説明する。第五実施例は，ラジアルギャップ構造の回転電機システムであり，励磁部は回転子の一方の軸方向に隣接するハウジング側に配置され，バイパス磁路に磁気抵抗調整コイルを有する。図２２は回転電機の縦断面図，図２３は電機子と回転子とを示す断面図，図２４は回転子構造と励磁部配置を示す分解斜視図，図２５は励磁部の拡大された縦断面図，図２６は励磁部の断面図である。
【０１３１】
図２２はラジアルギャップ構造の回転電機を示し，回転軸８１がベアリング８３を介してハウジング８２に回動可能に支持されている。電機子の構成は第二実施例と同じであるので説明は省略する。回転子の磁極部は磁性体突極と永久磁石とが周方向に交互に並ぶ表面磁極部２２１，隣り合う磁性体突極を交互に径方向の内周側及び軸方向の右へ延長させてそれぞれ集合させた第一延長部２２２，第二延長部２２３とから構成されている。回転子右側のハウジング側に励磁部が配置されて第一延長部２２２，第二延長部２２３と空隙を介して対向し，第一延長部２２２，第二延長部２２３に磁束を一括して供給し，隣り合う磁性体突極を互いに異極に磁化している。
【０１３２】
同図に於いて，励磁部の主要部の構成は第二実施例とほぼ同じ構成であり，主要部は界磁磁石８ａ，主磁極８ｂ，バイパス磁極８ｃから構成されている。主磁極８ｂ，バイパス磁極８ｃは励磁部支持体８ｊに固定され，励磁部支持体８ｊはハウジング８２に固定されている。界磁磁石８ａ及びベース磁極２２６は可動磁極部として主磁極８ｂ，バイパス磁極８ｃで構成される磁極ユニットに対し周方向に摺動可能としてアクチュエータ８ｍに制御棒８ｋを介して接続されている。番号２２４は冷却エアーが流動する空洞部，番号８ｈは環状磁気コア，番号２２５はバイパス磁路の磁気抵抗調整の為に配置された磁気抵抗調整コイルをそれぞれ示す。
【０１３３】
図２３は図２２のＥ−Ｅ’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。電機子の構成は第二の実施例と同じであるので説明は省略する。
【０１３４】
図２３に於いて，回転子の表面磁極部は一様な磁性体を周方向に等間隔に配置された永久磁石２３３によって区分され，隣接する磁性体突極を代表して磁性体突極２３１，２３２として番号を付している。隣接する磁性体突極２３１，２３２は内径方向，軸と平行の右方向に交互に延長されてそれぞれ第一延長部２２２，第二延長部２２３とする。番号２３５で示されるように内径方向に延長されて集合された部分は第一延長部２２２とし，軸方向の右に延長された部分は第二延長部２２３としている。番号２３６は非磁性体部分を示す。さらに隣接する磁性体突極２３１，２３２は互いに異なる方向に磁化されるよう隣接する永久磁石２３３の周方向磁化方向は互いに反転されている。永久磁石２３３に付された矢印は磁化方向を示す。
【０１３５】
永久磁石２３３は磁束を磁性体突極２３１，２３２に供給し，周方向に磁気抵抗が大の領域を形成する磁束バリアとなっている。番号２３４は第三実施例に於ける磁束チャネル部１３４に相当する磁束チャネル部である。磁性体突極２３１，２３２をケイ素鋼板から永久磁石２３３或いは磁束チャネル部２３４，非磁性体部分２３６に相当する部分を打ち抜いて積層した後，永久磁石２３３を挿入し，磁束チャネル部２３４には軟鉄ブロックを挿入して構成する。非磁性体部分２３６には樹脂，レジン等の比抵抗が大きい非磁性体を充填して構成する。
【０１３６】
図２４は回転子の構成及び励磁部の配置を示す分解斜視図である。理解を容易にする為に磁性体突極２３１，２３２等を有する中心部と磁性体突極の第二延長部２２３とを離して示し，第二延長部２２３と間隙を介して対向しハウジング８２側に配置されている励磁部２４５を示している。第二延長部２２３は軟鉄をプレス成形して磁性体突極２３２の延長部分となる磁性体突部２４１を有して構成され，非磁性体部２４４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。磁性体突部２４１と一体の環状磁気コア部分２４２は微小空隙を介して励磁部２４５のベース磁極２２６に，第一延長部２２２と結合されている円筒状磁気コア２４３は微小空隙を介して主磁極８ｂとそれぞれ対向する構成である。
【０１３７】
図２５は図２２に縦断面図を示した回転子の一部及び励磁部を拡大して示し，図２６は励磁部の断面図を示している。図２２，図２５，図２６を用いて励磁部の構成及び磁束量制御の動作原理を説明する。励磁部の主要部は界磁磁石８ａ，磁極ユニット（主磁極８ｂ，バイパス磁極８ｃ）から構成されている。径方向の磁化を持つ界磁磁石８ａは３個有り，界磁磁石８ａと非磁性体８ｄと周方向に交互に配置されて円筒状磁性体よりなるベース磁極２２６の内側に固定されている。主磁極８ｂとバイパス磁極８ｃの対が各界磁磁石８ａに対向して内側に配置されて励磁部支持体８ｊに固定されている。バイパス磁極８ｃは更に環状磁気コア８ｈに接続され,環状磁気コア８ｈはベース磁極２２６と間隙を介して対向している。さらに主磁極８ｂは円筒状磁気コア２４３に対向し，ベース磁極２２６は環状磁気コア部分２４２に対向している。励磁部を構成する主磁極８ｂ，バイパス磁極８ｃ，ベース磁極２２６，環状磁気コア８ｈに交流磁束は流れないので飽和磁束密度の大きい軟鉄で構成して全体をコンパクトに構成している。
【０１３８】
磁性体突極２３１，２３２は永久磁石２３３により磁化され，磁性体突極２３１はＮ極に，磁性体突極２３２はＳ極である。本実施例では励磁部と永久磁石が磁性体突極を同じ極性に磁化するよう配置されている。すなわち，励磁部に於いて界磁磁石８ａは主磁極８ｂをＮ極に磁化して第一延長部２２２，磁性体突極２３１をＮ極側に励磁する。さらに第二延長部２２３を介して磁性体突極２３２をＳ極側に励磁している。
【０１３９】
第二実施例と同様に界磁磁石８ａは磁極ユニットに対して周方向に摺動する構成としてアクチュエータ８ｍにより偏倚させられる。アクチュエータ８ｍは界磁磁石８ａと界磁磁石支持体８ｇとをハウジング８２に設けた窓を介して３本の制御棒８ｋで接続して回転偏倚させ，界磁磁石８ａと主磁極８ｂとの対向面積を変える。
【０１４０】
界磁磁石８ａの一方の磁極から主磁極８ｂに流入した磁束が円筒状磁気コア２４３，第一延長部２２２，磁性体突極２３１，磁性体歯８４，磁性体突極２３２，第二延長部２２３，磁性体突部２４１，環状磁気コア部分２４２，ベース磁極２２６を介して界磁磁石８ａの他方の磁極に環流する主磁路と，磁石８ａの一方の磁極からバイパス磁極８ｃに流入した磁束が環状磁気コア８ｈ及びベース磁極２２６を介して界磁磁石８ａの他方の磁極に環流するバイパス磁路とが界磁磁石８ａに並列に接続される構成であり，界磁磁石８ａの周方向偏倚に従って主磁路及びバイパス磁路に磁束が分流され，主磁路を流れる磁束量が制御される。環状磁気コア８ｈとベース磁極２２６との間の空隙長及び対向面積を変えて両磁路の磁気抵抗が互いにほぼ等しくなるよう設定し，前記界磁磁石８ａの偏倚に抗する磁気力を小としている。
【０１４１】
本実施例では主磁路とバイパスに加えて永久磁石２３３を通る第三の磁路が界磁磁石８ａに並列接続されている。永久磁石２３３部分を空隙として算出した第三の磁路の磁気抵抗を主磁路の磁気抵抗より大になるよう設定する。本実施例では永久磁石２３３の長さは十分に大として主磁路に流入する磁束量が影響されない。
【０１４２】
本実施例ではアクチュエータ８ｍにはステップモータを用い，制御棒８ｋを介して界磁磁石８ａを偏倚制御する。アクチュエータ８ｍに駆動電流を流さない場合は界磁磁石８ａの位置を保存して制御に要するエネルギーを小としている。
【０１４３】
種々の要因により各磁路の磁気抵抗は変動するが，本実施例では界磁磁石８ａの偏倚制御時にバイパス磁路を巻回するよう配置された磁気抵抗調整コイル２２５に予め定めた電流を供給してバイパス磁路の磁気抵抗を実効的に調整して前記偏倚を妨げる磁気力を小に抑制している。回転電機の組み立て後に主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗を実効的に等しくさせる為に磁気抵抗調整コイル２２５に供給する電流を個々に検出して，前記偏倚を妨げる磁気力を最小とする電流を予め定めた電流値として制御装置に記憶させ，磁束量を変更する際には記憶させた予め定めた電流を磁気抵抗調整コイル２２５に供給し，バイパス磁路の磁気抵抗を実効的に調整して界磁磁石８ａを偏倚させる過程で偏倚を妨げる磁気力を小とさせる。
【０１４４】
以上，図２２から図２６に示した回転電機に於いて，界磁磁石８ａを磁極ユニットに対して相対偏倚させる事で電機子に流れる磁束量を制御できることを説明し，さらに偏倚させる手段方法を説明した。第五の実施例は界磁磁束量を制御して出力を最適化するシステムであり，図６を用いて回転電機システムとしての制御を説明する。
【０１４５】
回転電機が電動機として用いられる場合において，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。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電機子に流れる磁束量を小とする時には磁気抵抗調整コイル２２５に所定の電流を供給してバイパス磁路の磁気抵抗を主磁路の磁気抵抗以下となるよう実効的に調整し，制御信号６６がアクチュエータ８ｍにより，制御棒８ｋを図２６に於いて時計回り方向に駆動して主磁極８ｂと界磁磁石８ａの対向面積を小とさせる。回転速度が所定の値より小となり電機子に流れる磁束量を大とする時には磁気抵抗調整コイル２２５に所定の電流を供給してバイパス磁路の磁気抵抗を主磁路の磁気抵抗以上となるよう実効的に調整し，制御信号６６がアクチュエータ８ｍにより，制御棒８ｋを図２６に於いて反時計回り方向に駆動して主磁極８ｂと界磁磁石８ａの対向面積を大とさせる。
【０１４６】
回転電機が発電機として用いられる場合において，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。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電機子に流れる磁束量を小とする時には磁気抵抗調整コイル２２５に所定の電流を供給してバイパス磁路の磁気抵抗を主磁路の磁気抵抗以下となるよう実効的に調整し，制御信号６６がアクチュエータ８ｍにより，制御棒８ｋを図２６に於いて時計回り方向に駆動して主磁極８ｂと界磁磁石８ａの対向面積を小とさせる。発電電圧が所定の値より小となり電機子に流れる磁束量を大とする時には磁気抵抗調整コイル２２５に所定の電流を供給してバイパス磁路の磁気抵抗を主磁路の磁気抵抗以上となるよう実効的に調整し，制御信号６６がアクチュエータ８ｍにより，制御棒８ｋを図２６に於いて反時計回り方向に駆動して主磁極８ｂと界磁磁石８ａの対向面積を大とさせる。
【０１４７】
本実施例による磁気抵抗調整手段に於いては磁気抵抗調整コイルに電流を供給する必要はあるが，界磁制御時に限定されるのでエネルギー損失は低く抑えられる。電機子コイルに電流を供給して主磁路の磁気抵抗を調整する手段は回転子の回転に影響を与えるが，磁気抵抗調整コイルによる磁気抵抗調整手段は回転子の回転に影響を与える事が無い利点がある。本実施例では磁気抵抗調整コイルに供給する電流は製造後の検査により予め設定するとしたが，回転電機の運転中に学習的に或いはマップデータから取得して種々の変動要因に対処する構成も可能である。
【実施例６】
【０１４８】
本発明の第六実施例による回転電機システムを図２７を用いて説明する。第六実施例は第三実施例の回転電機システムをハイブリッドカーの発電機兼電動機システムとして用いた回転電機システムである。同図に於いて，番号２７１は第三実施例で示した回転電機を示し，回転電機２７１はハイブリッドカーのエンジン２７２とベルトで回転力を伝達するよう結合された回転軸２７９を持ち，回転軸２７９の回転力はトランスミッション２７３を介して駆動軸２７ａに伝えられる。制御装置２７４は上位制御装置からの指令２７ｂを受け，駆動回路２７５を介して回転電機２７１を電動機として駆動し，磁束量制御回路２７６を介して電機子に流入する磁束量を制御する。更に制御装置２７４は上位制御装置からの指令２７ｂを受け，電機子コイル８６の引き出し線２７ｃに現れる発電電力を整流回路２７７を介して整流し，バッテリー２７８を充電する構成としている。制御装置２７４は指令２７ｂの指示により駆動回路２７５を介して回転電機２７１を電動機として駆動し，エンジン２７２の回転をアシスト或いは単独で回転軸２７９を回転駆動させ，トランスミッション２７３，駆動軸２７ａを介してハイブリッドカーの駆動力に寄与する。
【０１４９】
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２７４が磁束量制御区間１５２の時間帯に駆動回路２７５を介して電機子コイル８６に最小磁気力電流を供給して主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗を実効的に互いに等しくすると共に磁束量制御回路２７６を介して電機子の磁性体歯８４，回転子の磁性体突極１３１，１３２間の磁束量を大とするようアクチュエータ１２ｆによりプッシュロッド１２ｅを右方向に偏倚させて主磁極１２５と界磁磁石１２４の対向面積を大とさせる。高回転速度域で弱め界磁とする場合には制御装置２７４が磁束量制御区間１５２の時間帯に駆動回路２７５を介して電機子コイル８６に最小磁気力電流を供給して主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗を実効的に互いに等しくすると共に磁束量制御回路２７６を介して電機子の磁性体歯８４，回転子の磁性体突極１３１，１３２間の磁束量を小とするようアクチュエータ１２ｆによりプッシュロッド１２ｅを左方向に偏倚させて主磁極１２５と界磁磁石１２４の対向面積を小とさせる。
【０１５０】
エンジン２７２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２７ｂにより電機子コイル８６の引き出し線２７ｃに現れる発電電力を整流回路２７７を介して直流に変え，バッテリー２７８を充電させる。その場合に制御装置２７４は磁束量制御区間１５２の時間帯に駆動回路２７５を介して電機子コイル８６に最小磁気力電流を供給して主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗を実効的に互いに等しくすると共にバッテリー２７８を充電する最適な電圧になるよう磁束量制御回路２７６を介してアクチュエータ１２ｆを制御する。バッテリー２７８に充電する場合に回転電機システムを定電圧発電機システム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２７８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。
【０１５１】
本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２７ｂを通じて回生制動の指示を受けると，制御装置２７４は磁束量制御区間１５２の時間帯に駆動回路２７５を介して電機子コイル８６に最小磁気力電流を供給して主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗を実効的に互いに等しくすると共に磁束量制御回路２７６を介して電機子の磁性体歯８４，回転子の磁性体突極１３１，１３２間の磁束量を大とするようアクチュエータ１２ｆによりプッシュロッド１２ｅを右方向に偏倚させて主磁極１２５と界磁磁石１２４の対向面積を大とし，発電電力でバッテリー２７８に充電させる。複数のバッテリー２７８を有する場合には最も充電余力のあるバッテリー２７８の充電電圧に合わせた発電電圧が得られるよう磁束量制御回路２７６を介してアクチュエータ１２ｆを制御して電機子の磁性体歯８４，回転子の磁性体突極１３１，１３２間の磁束量を制御する。回転電機２７１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。
【０１５２】
本実施例は本発明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が，電気自動車に於ける回転電機システムとする事も当然に可能である。その場合には上記実施例に於いてハイブリッドカーのエンジン２７２を取り除き，本発明による回転電機システムのみで駆動及び制動時に於けるエネルギー回収システムを構成する。
【０１５３】
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。例えば，上記の実施例に於いて電機子は磁性体歯を有する構造が示されたが，従来のアキシャルギャップ構成の回転電機では磁性体歯を配置しない構造例も存在する。また，ラジアルギャップ構成に於いても電機子構成を円筒状磁気ヨーク上に印刷配線された電機子コイルを配置して磁性体歯を持たない例も存在する。本発明は磁性体歯の有無に拘わらず適用可能であり，回転電機の仕様に沿って最適の電気子構成を採用する事が出来る。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】
【０１５４】
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。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。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】
【０１５５】
【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の励磁部構成を示す平面図である。
【図４】図１に示された回転電機の回転偏倚した主磁極とバイパス磁極を示す平面図である。
【図５】図１に示された回転電機の偏倚制御手段の一部を示す断面図である。
【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】図２の変形例である電機子と回転子とを示す断面図である。
【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の電機子と回転子とを示す断面図である。
【図１０】図８に示された回転電機の回転子と励磁部とを示す縦断面図である。
【図１１】図８に示された回転電機の励磁部を示す断面図である。
【図１２】第三の実施例による回転電機の縦断面図である。
【図１３】図１２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１４】図１２に示された回転電機の回転子と第一，第二延長部を示す分解斜視図である。
【図１５】弱め界磁制御を行う回転電機システムのタイムチャートである。
【図１６】第四の実施例による回転電機の縦断面図である。
【図１７】図１６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１８】図１６に示された回転電機の回転子と第一，第二延長部と励磁部を示す分解斜視図である。
【図１９】図１６に示された回転電機の励磁部の縦断面図である。
【図２０】図１６に示された回転電機の励磁部の断面図である。
【図２１】図１６に示された回転電機の偏倚手段を示す斜視図である。
【図２２】第五の実施例による回転電機の縦断面図である。
【図２３】図２２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２４】図２２に示された回転電機の回転子と第二延長部と励磁部を示す分解斜視図である。
【図２５】図２２に示された回転電機の励磁部を示す縦断面図である。
【図２６】図２２に示された回転電機の励磁部とを示す断面図である。
【図２７】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】
【０１５６】
１１・・・固定軸，                      １２・・・基板，
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・・・磁性体突極，                  １８・・・プーリー部，
１９・・・ロータハウジング，            １ａ・・・界磁磁石，
１ｂ・・・主磁極，                      １ｃ・・・バイパス磁極，
１ｄ・・・ベース磁極，                  １ｅ・・・間隙，
１ｆ・・・励磁部支持体，                １ｇ・・・制御棒，
１ｈ・・・アクチュエータ，              １ｊ・・・スリット部，
１ｋ・・・ピン，                        １ｍ・・・可動ベース磁極，
１ｎ・・・ベース磁極調整ネジ，          １ｐ・・・アクチュエータ，
１ｑ・・・電機子支持部，                １ｒ・・・トルクセンサー
３１・・・磁気空隙部，                  ３２・・・円筒状磁気コア
４１・・・界磁磁石１ａの存在領域
６１・・・回転電機装置，                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・・・永久磁石
８１・・・回転軸，                      ８２・・・ハウジング，
８３・・・ベアリング，                  ８４・・・磁性体歯，
８５・・・円筒状磁気ヨーク，            ８６・・・電機子コイル，
８７・・・表面磁極部，                  ８８・・・表面磁極部，
８９・・・非磁性体円板，                ８ａ・・・界磁磁石，
８ｂ・・・主磁極，                      ８ｃ・・・バイパス磁極，
８ｄ・・・非磁性体，                    ８ｅ・・・円筒磁気コア，
８ｆ・・・円筒磁気コア，                ８ｇ・・・界磁磁石支持体，
８ｈ・・・環状磁気コア，                ８ｊ・・・励磁部支持体，
８ｋ・・・制御棒，                      ８ｍ・・・アクチュエータ，
８ｎ・・・冷却ファン
９１・・・磁性体突極，                  ９２・・・磁気空隙部，
９３・・・可飽和磁性体結合部
１２１・・・表面磁極部，                １２２・・・第一延長部，
１２３・・・第二延長部，                １２４・・・界磁磁石，
１２５・・・主磁極，                    １２６・・・バイパス磁極，
１２７・・・励磁部支持体，              １２８・・・ベース磁極，
１２９・・・ピン，                      １２ａ・・・スプリング，
１２ｂ・・・非磁性体，                  １２ｃ・・・スリット，
１２ｄ・・・制御棒，                    １２ｅ・・・プッシュロッド，
１２ｆ・・・アクチュエータ，            １２ｇ・・・ロードセル
１３１，１３２・・磁性体突極，          １３３・・・磁気空隙部，
１３４・・・磁束チャネル部，            １３５・・・可飽和磁性体部，
１４１，１４２・・磁性体突部，          １４３，１４４・・非磁性体部，
１４５・・・励磁部の一部
１５１・・・学習区間，                  １５２・・・界磁制御区間，
１５３・・・回転速度，                  １５４・・・界磁磁束量，
１５５・・・発電電圧，                  １５６・・・時間
１６１・・・表面磁極部，                １６２・・・第一延長部，
１６３・・・第二延長部，                １６４・・・界磁磁石，
１６５・・・主磁極，                    １６６・・・バイパス磁極，
１６７・・・ベース磁極，                １６８・・・励磁部支持体
１７１，１７２・・磁性体突極，          １７３・・・中間磁性体突極，
１７４，１７５・・磁石板，              １７６・・・磁気空隙部，
１７７・・・磁束チャネル部
１８１，１８２・・励磁部，              １８３，１８４・・磁性体突部，
１８５，１８６・・非磁性体部
１９１・・・間隙
２０１・・・磁気空隙部，                ２０２・・・空隙部，
２０３・・・突部
２１１，２１２・・ギア，                ２１３・・・ステップモータ
２２１・・・表面磁極部，                ２２２・・・第一延長部，
２２３・・・第二延長部，                ２２４・・・空洞部，
２２５・・・磁気抵抗調整コイル，        ２２６・・・ベース磁極，
２３１，２３２・・磁性体突極，          ２３３・・・永久磁石，
２３４・・・磁束チャネル部，            ２３５・・・延長部，
２３６・・・非磁性体部分
２４１・・・磁性体突部，                ２４２・・・環状磁気コア部分，
２４３・・・円筒状磁気コア，            ２４４・・・非磁性体部
２７１・・・第三の実施例で示した回転電機装置，
２７２・・・ハイブリッドカーのエンジン，
２７３・・・トランスミッション，        ２７４・・・制御装置，
２７５・・・駆動回路，                  ２７６・・・磁束量制御回路，
２７７・・・整流回路，                  ２７８・・・バッテリー，
２７９・・・回転軸，                    ２７ａ・・・駆動軸，
２７ｂ・・・上位制御装置からの指令，    ２７ｃ・・・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システムを提供する。
【解決手段】
本発明の磁石励磁回転電機システムは，同種の極性に磁化されるべき磁性体突極を一括して励磁する励磁部を有し，励磁部内の界磁磁石には界磁磁石からの磁束を電機子を介して環流する主磁路及び励磁部内で環流するバイパス磁路が並列接続され，主磁路を流れる磁束量を機械的な偏倚により制御する。双方の磁路の磁気抵抗は偏倚に必要な力を小とするよう調整され，磁束量制御を容易とする回転電機システム，磁束量制御方法を提案している。
【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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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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