(57)【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】  界磁磁石に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を並列に接続して機械的な偏倚により磁束を分流制御して主磁路の界磁磁束を変える。バイパス磁路の交流インピーダンスを大にして電機子コイルによる交流磁束の短絡を抑制し，回転電機の動作に及ぼす影響を軽減して界磁制御可能な回転電機システムを提供している。【選択図】  図１
2009273288.tif 000002
【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，電機子と対向して相対回転可能で且つ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界磁部とを有する回転電機であって，界磁部には表面磁極部と励磁部とが配置され，表面磁極部は電機子との対向面に複数の磁性体突極が周方向に配置されると共に励磁部との対向面には磁性体突極延長部及びバイパス磁極が配置され，励磁部は界磁磁石を有して少なくとも界磁磁石のＮ極或いはＳ極の何れか一方の磁極は磁性体突極延長部及びバイパス磁極に対向し，隣接する磁性体突極を互いに異極に磁化するよう配置され，界磁磁石の一方の磁極から磁性体突極延長部に流入した磁束が電機子，隣接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バイパス磁極に流入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とが界磁磁石に並列に接続され，バイパス磁極を含むバイパス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交流磁束が通り難く構成され，表面磁極部或いは励磁部の何れかが可動磁極部として界磁磁石が磁性体突極延長部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，回転電機システムの出力が最適化されるように前記出力に応じて可動磁極部が偏倚して電機子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，バイパス磁路の磁気抵抗をバイパス磁路内に含まれる直列界磁磁石の数で除した値及び主磁路の磁気抵抗を主磁路内に含まれる直列界磁磁石の数で除した値が互いにほぼ等しいとする最小磁気力条件に設定され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，界磁磁石から磁性体突極に至る磁路に磁性体突極より渦電流損を大とする材質を含んで交流磁束が通り難く構成される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，バイパス磁極を含むバイパス磁路と磁性体突極延長部を含む主磁路との間には導電体を配置して交流磁束が通り難く構成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から請求項４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界磁磁石と磁性体突極延長部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界磁磁石と磁性体突極延長部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６】
請求項１から請求項４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界磁磁石と磁性体突極延長部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界磁磁石と磁性体突極延長部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７】
請求項１から請求項４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が大とされるよう可動磁極部が偏倚されて界磁磁石と磁性体突極延長部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８】
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，同種の極性に磁化する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に主磁極及びバイパス磁極が対向して配置され，界磁磁石の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が界磁磁石に並列に接続され，バイパス磁極を含むバイパス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交流磁束が通り難く構成され，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界磁磁石の一方の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，回転電機システムの出力が最適化するように前記出力に応じて可動磁極部が偏倚し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９】
請求項８記載の回転電機システムに於いて，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る事を特徴とする回転電機システム
【請求項１０】
請求項８記載の回転電機システムに於いて，界磁磁石から磁性体突極に至る磁路に磁性体突極より渦電流損を大とする材質を含んで交流磁束が通り難く構成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８記載の回転電機システムに於いて，バイパス磁極を含むバイパス磁路と主磁極を含む主磁路との間には導電体を配置して交流磁束が通り難く構成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８から請求項１１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界磁磁石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界磁磁石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１３】
請求項８から請求項１１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界磁磁石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界磁磁石と磁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１４】
請求項８から請求項１１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界磁磁石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
【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に関し，特に弱め界磁制御により出力を最適に制御する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。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，特願２００７−２１２６９０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械的な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）磁束量制御に際して機械的な偏倚を妨げる磁気力発生を抑制できる事，（３）磁束量の条件保存が可能な機構手段である事，（４）電機子側への磁束量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磁束量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，上記の磁気回路構成は電機子コイル側からは界磁磁石を含む磁路とバイパス磁路とが並列に接続された構成であり，電機子コイルにより励磁された交流磁束がバイパス磁路により短絡して回転電機の動作に支障を来す場合がある。
【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，電機子コイルにより励磁された交流磁束がバイパス磁路を通り難く構成して精密な磁束量制御を可能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は，磁性体突極を励磁する磁束量を偏倚機構により変える事が出来る。その具体的な構成は以下の通りである。
【０００９】
請求項１の発明は，電機子コイルを有する電機子と，電機子と対向して相対回転可能で且つ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界磁部とを有する回転電機であって，界磁部には表面磁極部と励磁部とが配置され，表面磁極部は電機子との対向面に複数の磁性体突極が周方向に配置されると共に励磁部との対向面には磁性体突極延長部及びバイパス磁極が配置され，励磁部は界磁磁石を有して少なくとも界磁磁石のＮ極或いはＳ極の何れか一方の磁極は磁性体突極延長部及びバイパス磁極に対向し，隣接する磁性体突極を互いに異極に磁化するよう配置され，界磁磁石の一方の磁極から磁性体突極延長部に流入した磁束が電機子，隣接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バイパス磁極に流入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とが界磁磁石に並列に接続され，バイパス磁極を含むバイパス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交流磁束が通り難く構成され，表面磁極部或いは励磁部の何れかが可動磁極部として界磁磁石が磁性体突極延長部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，回転電機システムの出力が最適化されるように前記出力に応じて可動磁極部が偏倚して電機子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である。
【００１０】
磁性体突極を個別に励磁する回転電機システムである。上記構成に於いて，界磁磁石に磁性体突極延長部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磁性体突極延長部及びバイパス磁極に流入し，磁性体突極延長部に分流される磁束量は磁性体突極延長部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磁性体突極延長部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，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】
電機子側から見てバイパス磁路は界磁磁石に並列に接続される磁路であり，電機子コイルに供給される電流が発生する磁束の短絡磁路になり，回転電機の動作に支障を生じる場合がある。バイパス磁極を含むバイパス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交流磁束が通り難く構成されている。渦電流損は導電率と透磁率に比例するので磁性体突極を構成する部材より導電率と透磁率の積が大きな材料でバイパス磁極を含むバイパス磁路を構成する。磁性体突極と磁性体歯の位置に応じて電機子コイルに供給される電流，或いは誘起電圧により電機子コイルに流れる電流によって交流磁束が励磁されるが，上記構成により前記交流磁束はバイパス磁路を通り難くバイパス磁路の存在が回転電機の動作に与える影響を抑制する事が出来る。
【００１２】
上記に説明した本発明によれば可動磁極部を偏倚させる事により電機子内の磁束量を制御できるが，可動磁極部を偏倚させる手段には公知の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手段，遠心力を利用して可動磁極部を偏倚させるガバナ機構，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手段或いは回転子外からの外力により偏倚させる手段等がある。
【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，本発明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，請求項１記載の回転電機システムに於いて，バイパス磁路の磁気抵抗をバイパス磁路内に含まれる直列界磁磁石の数で除した値及び主磁路の磁気抵抗を主磁路内に含まれる直列界磁磁石の数で除した値が互いにほぼ等しいとする最小磁気力条件に設定される事を特徴とする。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。これにより界磁磁石からの磁束総量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を小として精密な磁束量制御を可能にする。「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。
【００１５】
前記両磁路の磁気抵抗を最小磁気力条件に設定する事で両磁路間の磁束漏洩を小さく抑制し，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。このように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。
【００１６】
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，界磁磁石から磁性体突極に至る磁路に磁性体突極より渦電流損を大とする材質を含んで交流磁束が通り難く構成される事を特徴とする。電機子コイル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，磁性体突極と磁性体歯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，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。渦電流損は透磁率と導電率に比例するので導電率と透磁率の積を磁性体突極より大の部材で主磁路の一部或いは全部を構成する。
【００１７】
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，バイパス磁極を含むバイパス磁路と磁性体突極延長部を含む主磁路との間には導電体を配置して交流磁束が通り難く構成される事を特徴とする。電機子コイルにより励磁される交流磁束が主磁路及びバイパス磁路間の磁気的な空隙部に漏洩し難い構成として回転電機の動作に与える影響を抑制する。
【００１８】
請求項５の発明は，請求項１から請求項４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界磁磁石と磁性体突極延長部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界磁磁石と磁性体突極延長部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。
【００１９】
請求項６の発明は，請求項１から請求項４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界磁磁石と磁性体突極延長部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界磁磁石と磁性体突極延長部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である。広範な回転速度範囲で電動機としての出力を最適に制御する。
【００２０】
請求項７の発明は，請求項１から請求項４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界磁磁石と磁性体突極延長部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である。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た電動機を提供する。
【００２１】
請求項８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，同種の極性に磁化する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に主磁極及びバイパス磁極が対向して配置され，界磁磁石の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が界磁磁石に並列に接続され，バイパス磁極を含むバイパス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交流磁束が通り難く構成され，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界磁磁石の一方の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，回転電機システムの出力が最適化するように前記出力に応じて可動磁極部が偏倚し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である。
【００２２】
同種磁化に励磁される磁性体突極毎に一括して励磁する回転電機システムである。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，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。
【００２３】
電機子側から見てバイパス磁路は界磁磁石に並列に接続される磁路であり，電機子コイルに供給される電流が発生する磁束の短絡磁路になり，回転電機の動作に支障を生じる可能性がある。バイパス磁極を含むバイパス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交流磁束が通り難く構成されている。渦電流損は導電率と透磁率に比例するので磁性体突極を構成する部材より導電率と透磁率の積が大きな材料でバイパス磁極を含むバイパス磁路を構成する。磁性体突極と磁性体歯の位置に応じて電機子コイルに供給される電流，或いは誘起電圧により電機子コイルに流れる電流によって交流磁束が励磁されるが，上記構成により前記交流磁束はバイパス磁路を通り難くバイパス磁路の存在が回転電機の動作に与える影響を抑制する事が出来る。
【００２４】
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，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。これにより界磁磁石からの磁束総量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を小として精密な磁束量制御を可能にする。「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。各磁路の磁気抵抗を変動させる要因は多い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。
【００２５】
請求項１０の発明は，請求項８記載の回転電機システムに於いて，界磁磁石から磁性体突極に至る磁路に磁性体突極より渦電流損を大とする材質を含んで交流磁束が通り難く構成される事を特徴とする。磁性体突極と磁性体歯の位置に応じて切り替わる電機子コイルを流れ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，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。渦電流損は透磁率と導電率に比例するので導電率と透磁率の積を磁性体突極より大に設定する。
【００２６】
請求項１１の発明は，請求項８記載の回転電機システムに於いて，バイパス磁極を含むバイパス磁路と主磁極を含む主磁路との間には導電体を配置して交流磁束が通り難く構成される事を特徴とする。電機子コイルにより励磁される交流磁束が主磁路及びバイパス磁路間を漏洩し難い構成として回転電機の動作に与える影響を抑制する。
【００２７】
請求項１２の発明は，請求項８から請求項１１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界磁磁石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界磁磁石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。
【００２８】
請求項１３の発明は，請求項８から請求項１１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界磁磁石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界磁磁石と磁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。
【００２９】
請求項１４の発明は，請求項８から請求項１１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界磁磁石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。
【発明の効果】
【００３０】
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，偏倚機構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，前記偏倚の障害となる磁気力を抑制して磁束量を制御可能とした。さらに電機子コイルにより励磁される交流磁束がバイパス磁路を通過し難い構成として回転電機システムの動作に支障を及ぼさない構成とした。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】
【００３１】
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】
【００３２】
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及び図１４を用いて説明する。第一実施例は，磁性体突極を個別に励磁する構成の回転電機であり，磁束量制御に際して回転子を加速或いは減速させる方向の電流を電機子コイルに供給する事で主磁路の磁気抵抗調整及び表面磁極部を偏倚させる手段としている。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（ａ），３（ｂ）は偏倚した表面磁極部及び励磁部間の断面図，図４は回転子と表面磁極部と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磁束量を制御するタイミングチャート，図１４は界磁磁石を含む磁気回路をモデル的に示す図をそれぞれ示す。
【００３３】
図１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，磁性体歯１４と，電機子コイル１６とから構成されている。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部１７，表面磁極部１７と微小間隙を介して対向する励磁部１８とから成り，励磁部１８は回転子支持体１９に固定され，表面磁極部１７は表面磁極部支持体１ａと共にベアリング１ｋを介して回転子支持体１９及び励磁部１８に回動可能に支持されている。
【００３４】
回転軸１１は中空構造として，中空部１ｄ内に軸方向に摺動可能に配設された摺動棒１ｈを有し，摺動棒１ｈはプッシュロッド１ｅを介してアクチュエータ１ｆにより軸方向に駆動される構成としている。スプリング１ｇとクラッチ板１ｂが回転子支持体１９に配置され，スプリング１ｇがクラッチ板１ｂを表面磁極部支持体１ａに圧接するよう付勢されている。クラッチ板１ｂは内周側に３個の突部１ｊを持ち，その突部１ｊは回転軸１１の円筒壁に設けられたスリット部１ｃを貫通係合して回転軸１１とクラッチ板１ｂ間で相互に回転力を伝達している。さらにクラッチ板１ｂの内周側突部１ｊが摺動棒１ｈの端部と接する構成である。回転子支持体１９に設けた凹部１ｍと表面磁極部支持体１ａに固定した偏倚規制突部１ｎは表面磁極部１７の偏倚規制の為の係合部を構成する。番号１ｐは回転子に固定した冷却用ファンを示す。
【００３５】
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。本実施例では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。
【００３６】
電機子の磁性体歯１４先端には径方向に短い可飽和磁性体結合部２ｄを隣接する磁性体歯１４の先端部間に設けてある。磁性体歯１４及び可飽和磁性体結合部２ｄはケイ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。可飽和磁性体結合部２ｄは磁性体歯１４と一体として磁性体歯１４の支持強度を向上させ，磁性体歯１４の不要な振動を抑制させる。可飽和磁性体結合部２ｄの径方向の長さは短く設定して容易に磁気的に飽和する形状としたので電機子コイル１６が発生させる磁束或いは界磁磁束によって容易に飽和し，その場合に電機子コイル１６が発生させる磁束及び界磁磁束の短絡を僅かな量とする。電機子コイル１６に電流が供給されると，時間と共に可飽和磁性体結合部２ｄは磁気的に飽和させられて周辺に磁束を漏洩させるが，磁気飽和した可飽和磁性体結合部２ｄに現れる実効的な磁気空隙の境界はクリアではないので漏洩する磁束の分布は緩やかとなり，可飽和磁性体結合部２ｄはこの点でも磁性体歯１４に加わる力の時間変化を緩やかにして振動抑制に寄与する。
【００３７】
図２に於いて，回転子の界磁部は表面磁極部１７と励磁部１８に区分され，微小間隙を介して配置されている。磁性体歯１４と対向する表面磁極部１７の側には周方向に等しいピッチで配置された磁性体突極が磁気空隙部を挟んで配置され，隣接する磁性体突極を番号２１，２２で，磁気空隙部を番号２３で代表させて示している。励磁部１８と対向する表面磁極部１７の側には周方向に等しいピッチで配置された磁性体突極の延長部とその間にバイパス磁極が配置され，第一磁性体突極２１の延長部２４，第一バイパス磁極２６，第二磁性体突極２２の延長部２５，第二バイパス磁極２７がこの順で繰り返して配置されている。第一磁性体突極延長部２４，第一バイパス磁極２６，第二磁性体突極延長部２５は互いに磁気的に分離され，第一バイパス磁極２６，第二磁性体突極延長部２５は微小間隙を介して配置され，第二磁性体突極延長部２５と第二バイパス磁極２７は結合されて連続に形成されている。番号２ｅは回転子の回転方向を示す。
【００３８】
第一磁性体突極２１，第二磁性体突極２２はケイ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部支持体１ａに固定されている。第一磁性体突極延長部２４，第一バイパス磁極２６，第二磁性体突極延長部２５，第二バイパス磁極２７はそれぞれ対応する断面形状のスロットを形成して軟鉄製ブロックを挿入して構成されている。番号２ｃは第一バイパス磁極２６及び第二バイパス磁極２７周辺の磁気空隙部を示して導体であるアルミブロックが配置されている。
【００３９】
励磁部１８は回転子支持体１９に固定された円筒状磁気コア２ａ及び円筒状磁気コア２ａに配置された界磁磁石２８，２９とより構成されている。番号２ｂは磁気空隙部である。界磁磁石２８は第一磁性体突極延長部２４と第一バイパス磁極２６とに対向し，界磁磁石２９は第二磁性体突極延長部２５と第二バイパス磁極２７とに対向している。隣り合う界磁磁石２８，２９は互いに逆の径方向磁化を持ち，第一磁性体突極２１，第二磁性体突極２２を互いに異極に磁化している。界磁磁石２８，２９に図示された矢印はそれぞれの磁化方向を示す。
【００４０】
第一磁性体突極延長部２４の周方向角度長は第一バイパス磁極２６の周方向角度長より小に設定され，界磁磁石２８の周方向角度長を第一磁性体突極延長部２４の周方向角度長及び第一磁性体突極延長部２４，第一バイパス磁極２６間間隙の周方向角度長の和に等しくなるよう設定し，表面磁極部１７及び励磁部１８間の相対偏倚量は第一磁性体突極延長部２４の周方向角度長以下としている。この構成により界磁磁石２８は常に第一磁性体突極延長部２４と第一バイパス磁極２６とに対向し，表面磁極部１７の偏倚に応じてそれぞれの対向面積は変わるが，それぞれの対向面積の和は一定に保たれる。
【００４１】
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部１７及び励磁部１８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。
【００４２】
図３（ａ）に於いて，界磁磁石２８は主に第一磁性体突極延長部２４と対向し，第一バイパス磁極２６とは一部で対向している。界磁磁石２８の一方の磁極から第一磁性体突極延長部２４に流入する磁束は第一磁性体突極２１，磁性体歯１４，第二磁性体突極２２，第二磁性体突極延長部２５，界磁磁石２９，円筒状磁気コア２ａを介して界磁磁石２８の他方の磁極に環流する主磁路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。図３（ｂ）に於いて，界磁磁石２８は第一磁性体突極延長部２４と一部で対向し，主に第一バイパス磁極２６と対向している。界磁磁石２８の一方の磁極から第一バイパス磁極２６に流入する磁束は第二磁性体突極延長部２５，第二バイパス磁極２７，界磁磁石２９，円筒状磁気コア２ａを介して界磁磁石２８の他方の磁極に環流するバイパス磁路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。
【００４３】
界磁磁石２８からの界磁磁束は界磁磁石２８近傍に於いてその端面と直交する方向に流れるので層流状であり，ほぼ第一磁性体突極延長部２４，第一バイパス磁極２６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延長部２４，第一バイパス磁極２６に分流される。本実施例では平均的な運転条件に於いて，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されているので，主磁路及びバイパス磁路を流れる磁束量の和は常に一定である。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２６と第二磁性体突極延長部２５間の間隙長及び対向面積を磁気抵抗調整部分として調整する。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２６と第二磁性体突極延長部２５間の対向面積より大であるが，第一バイパス磁極２６，第二磁性体突極延長部２５間の間隙を微小として主磁路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。さらに第一バイパス磁極２６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バイパス磁極２６を小さくしても磁気的に飽和し難い。
【００４４】
本実施例では界磁磁石に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を並列に接続し，機械的な偏倚により界磁磁石からの磁束を分流制御する構成である。しかしながら，回転電機は電機子コイルを有して電機子コイルに供給する電流により回転力を取り出し，或いは電機子コイルに誘起される電流を外部に取り出している。電機子コイルは主磁路に巻回され，当然に電機子コイルにより磁束が励磁され，上記主磁路及びバイパス磁路より構成される磁気回路に供給される。図１４は上記の磁気回路をモデル化して示した回路図であり，同図を用いてさらに本実施例の回転電機システムの構成を説明する。
【００４５】
同図に於いて，界磁磁石１４１には主磁極１４２及びバイパス磁極１４３が対向し，界磁磁石１４１に主磁路１４８及びバイパス磁路１４９が並列に接続されている様子が示されている。番号１４５は主磁路１４８の磁気抵抗を，番号１４６はバイパス磁路１４９の磁気抵抗を示している。番号１４７は主磁路１４８に巻回された電機子コイルを，番号１４４は界磁磁石１４１が主磁極１４２及びバイパス磁極１４３のユニットに対して相対的に偏倚する方向を示している。本実施例では界磁磁石２８，第一磁性体突極延長部２４，バイパス磁極２６，電機子コイル１６がそれぞれ界磁磁石１４１，主磁極１４２，バイパス磁極１４３，電機子コイル１４７に対応している。
【００４６】
回転電機をモータとして用いた場合には磁性体突極と磁性体歯の位置に応じて電機子コイル１４７には駆動電流が供給され，電機子コイル１４７は主磁路１４８に磁束を発生させる。或いは発電機として用いた場合に磁性体突極と磁性体歯の位置に応じて電機子コイル１４７には電流が誘起され，その電流に応じて主磁路１４８には磁束が流れようとする。何れの場合にも磁性体突極と磁性体歯の位置に応じて切り替わる高い周波数帯の交流磁束が主磁路１４８に誘起される。本発明では磁束量制御の為にバイパス磁路１４９を界磁磁石１４１に並列に接続した特徴を有するが，電機子コイル１４７を流れる電流により励磁された交流磁束が番号１４ａに示すようにバイパス磁路１４９を短絡的に流れて回転電機システムの動作に支障を来す可能性がある。本発明では交流磁束が番号１４ａで示す短絡磁路を通り難いようにバイパス磁路１４９を渦電流損が大となる材料で構成している。
【００４７】
本実施例では図３で示すように特に第一磁性体突極延長部２４，第一バイパス磁極２６，第二磁性体突極延長部２５それぞれの間の間隙は微小に設定され，第一バイパス磁極２６により電機子コイル１６に誘起される交流磁束が短絡する可能性が高い。本発明に沿ってバイパス磁路３２の主要部となる第一バイパス磁極２６，第二バイパス磁極２７を軟鉄製ブロックで構成してケイ素鋼板の積層体で構成された磁性体突極２１，２２より渦電流損が発生し易い構成として交流磁束を通り難くし，第一磁性体突極延長部２４，第二磁性体突極延長部２５も同様に軟鉄製ブロックで構成して交流磁束を通り難くしている。さらに第一バイパス磁極２６，第二バイパス磁極２７周辺の磁気空隙部には番号２ｃで示す部分に導体であるアルミのブロックを配置して主磁路３１とバイパス磁路３２間を交流磁束が漏洩し難い構成としている。
【００４８】
表面磁極部１７と励磁部１８間の相対偏倚量の最大値は第一磁性体突極延長部２４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磁束量制御は可能であるが，主磁路３１を流れる磁束量と表面磁極部１７と励磁部１８間の相対偏倚量の比例関係とが不定と成って磁束量制御を複雑にする。本実施例では図１に示したように回転子支持体１９に設けた凹部１ｍ，表面磁極部支持体１ａに固定した偏倚規制突部１ｎとにより表面磁極部１７と励磁部１８間の偏倚を界磁磁石２８に対向している第一磁性体突極延長部２４の周方向角度長以下となるよう規制している。
【００４９】
図４は回転子支持体１９の端面に設けられた凹部１ｍ，表面磁極部支持体１ａに固定した偏倚規制突部１ｎを拡大して示す斜視図である。同図に於いて，凹部１ｍには偏倚規制突部１ｎが配置され，表面磁極部１７と励磁部１８間の偏倚量を規制している。偏倚規制突部１ｎが凹部１ｍ内の右側壁面に当接した場合が図３（ａ）に，偏倚規制突部１ｎが凹部１ｍ内の左側壁面に当接した場合が図３（ｂ）にそれぞれ対応している。本実施例では図３（ａ），（ｂ）に示すように，主磁路３１の磁束量を増加させるには表面磁極部１７を時計回り方向に相対偏倚させて界磁磁石２８と第一磁性体突極延長部２４と対向する周方向角度長を増加させ，主磁路３１の磁束量を減少させるには表面磁極部１７を反時計回り方向に相対偏倚させて界磁磁石２８と第一磁性体突極延長部２４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部１７の偏倚方向の関係が常に定まって磁束量制御をシンプルに出来る。
【００５０】
表面磁極部１７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１ｂはスプリング１ｇにより表面磁極部支持体１ａに圧接され，クラッチ板１ｂの内周側突部１ｊは回転軸１１のスリット部１ｃに貫通係合しているので表面磁極部支持体１ａ及び表面磁極部１７は回転軸１１，回転子支持体１９と共に回転している。
【００５１】
表面磁極部１７を回転子支持体１９に対して回転偏倚させる場合にはアクチュエータ１ｆによりプッシュロッド１ｅ及び摺動棒１ｈ及びクラッチ板１ｂの内周側突部１ｊを左方向に偏倚させてスプリング１ｇを縮めてクラッチ板１ｂを表面磁極部支持体１ａから離して表面磁極部支持体１ａ及び表面磁極部１７をフリー回転状態にさせる。同時に図示していない駆動回路により，電機子コイル１６に駆動電流を流して表面磁極部１７を偏倚方向に回転駆動させる。表面磁極部支持体１ａ及び表面磁極部１７はフリー回転状態でその質量は小さいので駆動回路に駆動されて加速或いは減速回転して励磁部１８に対して偏倚する。表面磁極部１７の偏倚駆動終了後はアクチュエータ１ｆがプッシュロッド１ｅ及び摺動棒１ｈを右方向に偏倚駆動させ，スプリング１ｇによりクラッチ板１ｂを表面磁極部支持体１ａに圧接させる。
【００５２】
回転子を加速或いは減速駆動する場合には主磁路を流れる磁束量をそれぞれ大，小とする方向に表面磁極部１７を偏倚させようとする磁気力が現れる。図２に示されるように表面磁極部１７が励磁部１８に対して回転子の回転方向に相対偏倚すると，界磁磁石２８と第一磁性体突極延長部２４との対向面積が増大するよう表面磁極部１７及び励磁部１８を配置したので上記磁気力を有効に利用出来る。表面磁極部１７を加速或いは減速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との相対位置により制御された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。この構成で表面磁極部１７を加速或いは減速方向に回転駆動する事が主磁路の磁気抵抗調整手段及び表面磁極部１７の偏倚制御手段として機能している。アクチュエータ１ｆは表面磁極部１７をフリー回転状態とする時のみプッシュロッド１ｅを左方向に駆動するのでソレノイドコイルによる構成が適している。
【００５３】
本実施例は表面磁極部１７に於いて図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ぶ構成であり，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。表面磁極部１７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部１７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。表面磁極部１７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。
【００５４】
回転電機が電動機の場合に回転子を回転駆動するには磁性体歯１４と磁性体突極２１との相対位置に応じて電機子コイル１６に適切な電流を供給する。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。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。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表面磁極部１７の偏倚駆動に利用する。
【００５５】
以上，図１から図５に示した回転電機に於いて，表面磁極部１７を励磁部１８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，さらに表面磁極部１７を励磁部１８に対して偏倚させる手段方法を説明した。本実施例はさらにサンプリング制御的に電機子に流れる磁束量を制御するシステムであり，図６に示す回転電機システムのブロック図及び図７に示すタイミングチャートを用いて回転電機システムとしての制御を説明する。
【００５６】
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及び可動磁極部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の電機子を流れる磁束量を制御する。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。
【００５７】
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。本実施例では磁束量制御を必要とする時のみ所定の周期で磁束量制御と回転駆動制御とを交互に繰り返している。図７は，横軸７ｂは時刻，番号７１は磁束量制御を行う時間帯，番号７２は回転駆動制御を行う時間帯としてサンプリング的に磁束量制御を行うタイムチャートを示している。番号７３で示す時間帯では磁束量制御を行わず，回転駆動制御のみを行っている。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番号７１で示す時間帯にアクチュエータ１ｆを介してプッシュロッド１ｅ及び摺動棒１ｈ及びクラッチ板１ｂを左方向に駆動して表面磁極部１７をフリー回転状態とし，同時に駆動制御回路６７により表面磁極部１７を回転方向２ｅと逆方向（図２に於いて，反時計回り方向）に駆動し，界磁磁石２８と第一磁性体突極延長部２４とが対向する周方向角度長を小とさせる。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１ｆはプッシュロッド１ｅ及び摺動棒１ｈを右方向に駆動してクラッチ板１ｂを表面磁極部支持体１ａに圧接させる。
【００５８】
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装置６５が番号７１で示す時間帯にアクチュエータ１ｆを介してプッシュロッド１ｅ及び摺動棒１ｈを左方向に駆動し，クラッチ板１ｂを表面磁極部支持体１ａから離して表面磁極部１７をフリー回転状態とし，同時に駆動制御回路６７により表面磁極部１７を回転方向２ｅ（図２に於いて，時計回り方向）に駆動し，界磁磁石２８と第一磁性体突極延長部２４とが対向する周方向角度長を大とさせる。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１ｆはプッシュロッド１ｅ及び摺動棒１ｈを右方向に駆動してクラッチ板１ｂを表面磁極部支持体１ａに圧接させる。図７に於いて，番号７４は回転速度，番号７５は電機子に流れる磁束量を示し，磁束量制御の時間帯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，磁束量７５が変化させられている事が示されている。
【００５９】
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機システムを説明する。駆動制御回路６７により表面磁極部１７を偏倚駆動する場合には発電電力を取り出せないが，本実施例では磁束量制御を必要とする時のみ所定の周期で磁束量制御を行うとし，さらに表面磁極部１７を回転方向に偏倚駆動させる時のみ駆動制御回路６７から電機子コイル１６に電流を供給するとして発電電力を取り出せる時間を最大にしている。図７に於いて，横軸７ｂは時刻を示し，番号７１は磁束量制御を行う時間帯を示す。番号７３で示す時間帯では磁束量制御を行わず，発電電力の出力のみを行っている。
【００６０】
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番号７１で示す時間帯にアクチュエータ１ｆを介してプッシュロッド１ｅ及び摺動棒１ｈを左方向に駆動し，クラッチ板１ｂを表面磁極部支持体１ａから離して表面磁極部１７をフリー回転状態とし，電機子と表面磁極部１７間に働く反発力により表面磁極部１７を回転方向２ｅと逆方向（図２に於いて，反時計回り方向）に相対偏倚させ，界磁磁石２８と第一磁性体突極延長部２４とが対向する周方向角度長を小とさせる。番号７１で示す時間帯の終了と共にアクチュエータ１ｆはプッシュロッド１ｅ及び摺動棒１ｈを右方向に駆動してクラッチ板１ｂを表面磁極部支持体１ａに圧接させる。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は電機子に流れる磁束量を示す。番号７９は電機子に流れる磁束量７８を減少させる例を示し，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が磁束量７８に比例しては減少している事が示されている。ただし，表面磁極部１７の偏倚位置が図３（ｂ）に近い場合は電機子に働く反発力は小さいので駆動制御回路６７により表面磁極部１７を回転方向２ｅと逆方向に回転偏倚させる。
【００６１】
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装置６５が番号７１で示す時間帯にアクチュエータ１ｆによりプッシュロッド１ｅ及び摺動棒１ｈを左方向に駆動し，クラッチ板１ｂを表面磁極部支持体１ａから離して表面磁極部１７をフリー回転状態とし，同時に駆動制御回路６７により表面磁極部１７を回転方向２ｅ（図２に於いて，時計回り方向）に駆動し，界磁磁石２８と第一磁性体突極延長部２４とが対向する周方向角度長を大とさせる。番号７１で示す時間帯の終了と共にアクチュエータ１ｆはプッシュロッド１ｅ及び摺動棒１ｈを右方向に駆動してクラッチ板１ｂを表面磁極部支持体１ａに圧接させ，駆動制御回路６７を休止させる。図７に於いて，番号７ａで示す時間帯が電機子に流れる磁束量７８を増加させる場合であり，この時間帯は駆動制御回路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。
【００６２】
上記に示した磁束量のサンプリング制御に於いて，磁束量制御の時間帯７１の幅は，可動部の質量，すなわち表面磁極部１７及び表面磁極部支持体１ａ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。磁束量制御の時間帯７１の周期は制御の対象である電機子に流れる磁束量の許容精度により決める。実際に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。
【００６３】
本実施例に於いて，磁束量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磁束量制御を実施するとして，クラッチ板１ｂを制御するアクチュエータ１ｆ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１ｂを表面磁極部支持体１ａから離す構成を採用してもよい。
【００６４】
本実施例では表面磁極部の励磁部に対する位置を保持する位置保持機構としてクラッチ板を含む機構を用いたが，これは一例であってブレーキ機構或いはメカニカルディテントを含む機構等を使用する事も出来る。
【００６５】
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的な力は大きく，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。
【００６６】
本実施例では界磁磁石が微小間隙を介して磁性体突極延長部及びバイパス磁極に対向する構成である。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から磁性体を介して磁性体突極延長部及びバイパス磁極に対向させると，界磁磁石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と磁性体突極延長部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から磁性体を介して磁性体突極延長部及びバイパス磁極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。
【実施例２】
【００６７】
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１２及び図１４を用いて説明する。第二実施例は，励磁部が磁性体突極を一括して励磁する構成であり，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，第二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８は回転電機の縦断面図，図９は電機子と回転子とを示す断面図，図１０は回転子を示す分解斜視図，図１１は拡大された回転子の縦断面図，図１２は弱め界磁制御を間歇的に行うタイムチャート，図１４は界磁磁石を含む磁気回路モデルを示す図をそれぞれ示す。
【００６８】
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。電機子の構成は第一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８１，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８２，第二延長部８３とから構成されている。
【００６９】
回転子の表面磁極部８１の内側には励磁部が配置されて第一延長部８２，第二延長部８３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８４，主磁極８５，バイパス磁極８６，ベース磁極８８から構成され，界磁磁石８４は励磁部支持体８７に固定され，界磁磁石８４と励磁部支持体８７は主磁極８５，バイパス磁極８６及びベース磁極８８間に配置されて可動磁極部として軸方向に摺動可能に構成されている。主磁極８５，バイパス磁極８６，ベース磁極８８及び励磁部支持体８７は交流磁束が流れ難いように円筒状の軟鉄で構成されている。
【００７０】
界磁磁石８４と励磁部支持体８７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８ａ，回転軸１１の中空部に収納された摺動棒１ｈ，プッシュロッド１ｅ，アクチュエータ１ｆとから構成され，摺動棒１ｈには励磁部支持体８７に固定したピン８９が回転軸１１のスリット１ｃを介して接する構成である。円筒状の非磁性体８ｂは界磁磁石８４の偏倚範囲を規制する手段として配置されている。番号８ｃはロードセルを示す。
【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。電機子の構成は第一の実施例と同じであるので説明は省略する。
【００７２】
図９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９１，９２で代表させ，磁気空隙部を番号９３で示している。番号９４は磁束チャネル部である。本実施例では磁性体突極９１，９２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９４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９１，９２は幅の狭い可飽和磁性体部９５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９３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。磁気空隙部内の番号９６で示す部分には導体であるアルミを配置している。
【００７３】
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軟鉄で構成した断面積が大きい磁束チャネル部９４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９４は界磁磁束を回転軸７１に沿って伝搬させる事が出来る。
【００７４】
図１０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９１，９２等を有する中心部と磁性体突極の第一，第二延長部８２，８３とを離して示してある。番号１１’は回転軸１１を通す穴を示す。第一延長部８２は軟鉄をプレス成形して磁性体突極９１の延長部分となる磁性体突部１０１を有して構成され，非磁性体部１０３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８３は軟鉄をプレス成形して磁性体突極９２の延長部分となる磁性体突部１０２を有して構成され，非磁性体部１０４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１０５は励磁部の一部を示す。
【００７５】
励磁部の構成は図１１に拡大された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８５，バイパス磁極８６が軸方向に並んで配置され，主磁極８５は第二延長部８３と結合され，バイパス磁極８６は第一延長部８２と微小間隙１１１を介して結合されている。ベース磁極８８は第一延長部８２に結合され，界磁磁石８４は励磁部支持体８７に固定されて主磁極８５，バイパス磁極８６及びベース磁極８８間を摺動可能に配置されている。界磁磁石８４は径方向の磁化を持ち，矢印は磁化の方向を示す。さらに表面磁極部８１とバイパス磁極８６，主磁極８５間の番号９６で示す磁気空隙部には導体であるアルミを配置している。
【００７６】
主磁路は主磁極８５，第二延長部８３，磁性体突極９２，磁性体歯１４，磁性体突極９１，第一延長部８２，ベース磁極８８，励磁部支持体８７で構成され，バイパス磁路はバイパス磁極８６，微小間隙１１１，第一延長部８２，ベース磁極８８，励磁部支持体８７で構成される。バイパス磁路の磁気抵抗はバイパス磁極８６と第一延長部８２間の微小間隙１１１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８４の軸方向への偏倚に従って，界磁磁石８４が主磁極８５及びバイパス磁極８６と対向する面積の和を一定に保ちながら主磁極８５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。
【００７７】
主磁極８５，バイパス磁極８６の長さは界磁磁石８４の長さより大きいが，円筒状の非磁性体８ｂにより界磁磁石８４は常に主磁極８５及びバイパス磁極８６と対向するよう規制されている。界磁磁石８４と主磁極８５，バイパス磁極８６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。
【００７８】
本実施例では界磁磁石に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を並列に接続し，機械的な偏倚により界磁磁石からの磁束を分流制御する構成である。しかしながら，回転電機は電機子コイルを有して電機子コイルに供給する電流により回転力を取り出し，或いは電機子コイルに誘起される電流を外部に取り出している。電機子コイルは主磁路に巻回され，当然に電機子コイルにより磁束が励磁され，上記主磁路及びバイパス磁路より構成される磁気回路に供給される。図１４は上記の磁気回路をモデル化して示した回路図であり，同図を用いてさらに本実施例の回転電機システムの構成を説明する。
【００７９】
同図に於いて，界磁磁石１４１には主磁極１４２及びバイパス磁極１４３が対向し，界磁磁石１４１に主磁路１４８及びバイパス磁路１４９が並列に接続されている様子が示されている。番号１４５は主磁路１４８の磁気抵抗を，番号１４６はバイパス磁路１４９の磁気抵抗を示している。番号１４７は主磁路１４８に巻回された電機子コイルを，番号１４４は界磁磁石１４１が主磁極１４２及びバイパス磁極１４３のユニットに対して相対的に偏倚する方向を示している。本実施例では界磁磁石８４，主磁極８５，バイパス磁極８６，電機子コイル１６がそれぞれ界磁磁石１４１，主磁極１４２，バイパス磁極１４３，電機子コイル１４７に対応している。
【００８０】
回転電機をモータとして用いた場合には磁性体突極と磁性体歯の位置に応じて電機子コイル１４７には駆動電流が供給され，電機子コイル１４７は主磁路１４８に磁束を発生させる。或いは発電機として用いた場合に磁性体突極と磁性体歯の位置に応じて電機子コイル１４７には電流が誘起され，その電流に応じて主磁路１４８には磁束が流れようとする。何れの場合にも磁性体突極と磁性体歯の位置に応じて切り替わる高い周波数帯の交流磁束が主磁路１４８に誘起される。本発明では磁束量制御の為にバイパス磁路１４９を界磁磁石１４１に並列に接続した特徴を有するが，電機子コイル１４７を流れる電流により励磁された交流磁束が番号１４ａに示すようにバイパス磁路１４９を短絡的に流れて回転電機システムの動作に支障を来す可能性がある。本発明では交流磁束が番号１４ａで示す短絡磁路を通り難いようにバイパス磁路１４９を渦電流損が大となる材料で構成している。
【００８１】
本実施例では図８，１１で示すように特に第一延長部８２，バイパス磁極８６，主磁極８５，第二延長部８３間の間隙が微小に設定されて番号１４ａで示す磁路に相当し，電機子コイル１６により励磁された磁束が短絡する可能性がある。本発明に沿って第一延長部８２，第二延長部８３は軟鉄を成形して構成し，バイパス磁極８６，主磁極８５は軟鉄の円筒状ブロックで構成しているのでケイ素鋼板の積層体で構成された磁性体突極９１，９２より渦電流損が発生し易い構成として交流磁束を通り難くしている。さらに表面磁極部８１とバイパス磁極８６，主磁極８５間の番号９６で示す磁気空隙部には導体である円筒状アルミを配置して交流磁束が漏洩し難い構成とし，バイパス磁極８６，主磁極８５を介する交流磁束短絡を抑制している。
【００８２】
界磁磁石８４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８７に固定した３個のピン８９は回転軸１１に設けた３個のスリット１ｃを介して摺動棒１ｈに接し，摺動棒１ｈは回転軸１１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１ｆのプッシュロッド１ｅと接している。スプリング８ａは励磁部支持体８７を右方向に付勢し，アクチュエータ１ｆはプッシュロッド１ｅを軸方向左右に偏倚させる構成であるので励磁部支持体８７及び界磁磁石８４はアクチュエータ１ｆ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１ｆ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１ｅは図８，１１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１ｅの軸方向位置を保存させている。
【００８３】
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両磁路間の磁束漏洩を小さく抑制し，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。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，界磁磁石８４の偏倚制御時に電機子コイル１６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等しくさせ，同時にアクチュエータ１ｆ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する構成と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。
【００８４】
最小磁気力電流を学習的に取得する構成及び方法を図８及び図１２を用いて説明する。図８に於いて，番号８ｃはロードセルを示し，プッシュロッド１ｅに加えられる力を検出する。アクチュエータ１ｆは界磁磁石８４を軸方向に偏倚させた後は位置を保持する。電機子コイル１６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８４は磁気抵抗の小さい側の磁極となる主磁極８５或いはバイパス磁極８６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１ｆは軸方向位置を保持しようとするので摺動棒１ｈ，プッシュロッド１ｅ内の圧力は変化し，ロードセル８ｃにより前記磁気力を検出する事が出来る。
【００８５】
図１２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１２６は時間を示す。番号１２１は学習区間を示し，番号１２２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１２１では電機子コイル１６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８ｃの出力を監視する。ロードセル８ｃ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。
【００８６】
番号１２２は磁束量を制御する区間を示し，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１６に供給し，同時にアクチュエータ１ｆを制御して界磁磁石８４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１ｆ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１２３は変化する。磁束量の制御区間１２２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１２３に示されている。番号１２４は界磁磁束量を示し，学習区間１２１ではアクチュエータ１ｆは軸方向位置を保持しているので磁束量１２４は変化しないが，磁束量制御区間１２２では磁束量１２４が変化する様子が示されている。番号１２５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１２１及び磁束量制御区間１２２では発電電力を取り出せないので発電電圧１２５が途切れている状態を示し，磁束量制御区間１２２前後では発電電圧１２５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１６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。
【００８７】
本実施例では学習区間１２１を設定して最小磁気力電流を取得したが，特に学習区間１２１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８ｃ出力との関係を常時監視し，最もロードセル８ｃ出力が小になる電流を最小磁気力電流とする。
【００８８】
以上，図８から図１２に示した回転電機に於いて，界磁磁石８４を主磁極８５及びバイパス磁極８６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。
【００８９】
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１２２の時間帯に電機子コイル１６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アクチュエータ１ｆにより，プッシュロッド１ｅを左方向に偏倚させて主磁極８５と界磁磁石８４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１２２の時間帯に電機子コイル１６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アクチュエータ１ｆにより，プッシュロッド１ｅを右方向に偏倚させて主磁極８５と界磁磁石８４の対向面積を大とさせる。
【００９０】
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１２２の時間帯に電機子コイル１６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アクチュエータ１ｆにより，プッシュロッド１ｅを左方向に偏倚させて主磁極８５と界磁磁石８４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１２２の時間帯に電機子コイル１６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アクチュエータ１ｆにより，プッシュロッド１ｅを右方向に偏倚させて主磁極８５と界磁磁石８４の対向面積を大とさせる。
【実施例３】
【００９１】
システム
本発明の第三実施例による回転電機システムを図１３を用いて説明する。第三実施例は第一実施例の回転電機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１３１は第一実施例で示した回転電機を示し，回転電機１３１はハイブリッドカーのエンジン１３２とベルトで回転力を伝達するよう結合された回転軸１３９を持ち，回転軸１３９の回転力はトランスミッション１３３を介して駆動軸１３ａに伝えられる。制御装置１３４は上位制御装置からの指令１３ｂを受け，駆動回路１３５を介して回転電機１３１を電動機として駆動し，磁束量制御回路１３６を介して回転電機１３１の電機子を流れる磁束量を制御する。更に制御装置１３４は上位制御装置からの指令１３ｂを受け，電機子コイル１６の引き出し線１３ｃに現れる発電電力を整流回路１３７を介して整流し，バッテリー１３８を充電する構成としている。
【００９２】
制御装置１３４は指令１３ｂの指示により駆動回路１３５を介して回転電機１３１を電動機として駆動し，エンジン１３２の回転をアシスト或いは単独で回転軸１３９を回転駆動させ，トランスミッション１３３，駆動軸１３ａを介してハイブリッドカーの駆動力に寄与する。起動直後の低回転速度域で磁石トルクを強化する必要がある場合は制御装置１３４が番号７１で示す時間帯にアクチュエータ１ｆを介してプッシュロッド１ｅ及び摺動棒１ｈを左方向に駆動し，クラッチ板１ｂを表面磁極部支持体１ａから離して表面磁極部１７をフリー回転状態とし，同時に駆動回路１３５により表面磁極部１７を回転方向２ｅ（図２に於いて，時計回り方向）に駆動し，界磁磁石２８と第一磁性体突極延長部２４とが対向する周方向角度長を大とし，番号７１で示す時間帯の終了と共に駆動回路１３５は通常の回転駆動動作に復帰し，アクチュエータ１ｆはプッシュロッド１ｅ及び摺動棒１ｈを右方向に駆動してクラッチ板１ｂを表面磁極部支持体１ａに圧接させる。
【００９３】
高回転速度域で弱め界磁とする場合には制御装置１３４が番号７１で示す時間帯にアクチュエータ１ｆを介してプッシュロッド１ｅ及び摺動棒１ｈ及びクラッチ板１ｂを左方向に駆動して表面磁極部１７をフリー回転状態とし，同時に駆動回路１３５により表面磁極部１７を回転方向２ｅと逆方向（図２に於いて，反時計回り方向）に駆動し，界磁磁石２８と第一磁性体突極延長部２４とが対向する周方向角度長を小とし，番号７１で示す時間帯の終了と共に駆動回路１３５は通常の回転駆動動作に復帰し，アクチュエータ１ｆはプッシュロッド１ｅ及び摺動棒１ｈを右方向に駆動してクラッチ板１ｂを表面磁極部支持体１ａに圧接させる。
【００９４】
エンジン１３２の回転力のみでハイブリッドカーを駆動できる時は，指令１３ｂにより電機子コイル１６の引き出し線１３ｃに現れる発電電力を整流回路１３７を介して直流に変え，バッテリー１３８を充電させる。その場合に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装置１３４が番号７１で示す時間帯にアクチュエータ１ｆを介してプッシュロッド１ｅ及び摺動棒１ｈを左方向に駆動し，クラッチ板１ｂを表面磁極部支持体１ａから離して表面磁極部１７をフリー回転状態とし，電機子と表面磁極部１７間に働く反発力により表面磁極部１７を回転方向２ｅと逆方向（図２に於いて，反時計回り方向）に相対偏倚させ，界磁磁石２８と第一磁性体突極延長部２４とが対向する周方向角度長を小とし，番号７１で示す時間帯の終了と共にアクチュエータ１ｆはプッシュロッド１ｅ及び摺動棒１ｈを右方向に駆動してクラッチ板１ｂを表面磁極部支持体１ａに圧接させる。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量を大とする時には制御装置１３４が番号７１で示す時間帯にアクチュエータ１ｆによりプッシュロッド１ｅ及び摺動棒１ｈを左方向に駆動し，クラッチ板１ｂを表面磁極部支持体１ａから離して表面磁極部１７をフリー回転状態とし，同時に駆動回路１３５により表面磁極部１７を回転方向２ｅ（図２に於いて，時計回り方向）に駆動し，界磁磁石２８と第一磁性体突極延長部２４とが対向する周方向角度長を大とし，番号７１で示す時間帯の終了と共にアクチュエータ１ｆはプッシュロッド１ｅ及び摺動棒１ｈを右方向に駆動してクラッチ板１ｂを表面磁極部支持体１ａに圧接させ，駆動回路１３５を休止させる。
【００９５】
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１３ｂを通じて回生制動の指示を受けると，制御装置１３４は番号７１で示す時間帯にアクチュエータ１ｆによりプッシュロッド１ｅ及び摺動棒１ｈを左方向に駆動し，クラッチ板１ｂを表面磁極部支持体１ａから離して表面磁極部１７をフリー回転状態とし，同時に駆動制御回路７７により表面磁極部１７を回転方向２ｅ（図２に於いて，時計回り方向）に駆動し，界磁磁石２８と第一磁性体突極延長部２４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１３８に充電させる。複数のバッテリー１３８を有する場合には最も充電余力のあるバッテリー１３８の充電電圧に合わせた発電電圧が得られるよう磁束量制御回路１３６を介してアクチュエータ１ｆを制御して電機子の磁性体歯１４を流れる界磁磁束量を制御する。回転電機１３１は駆動用電動機として用いられる体格であるので回生制動用の発電機として十分な制動力を発生できる。
【００９６】
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１３２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。
【００９７】
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】
【００９８】
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磁束量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】
【００９９】
【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，（ａ），（ｂ）は表面磁極部及び励磁部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部との係合部を示す斜視図である。
【図５】回転電機の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】サンプリング的に表面磁極部の偏倚制御を行って磁束量を制御するタイミングチャートである。
【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を示す分解斜視図である。
【図１１】図８に示された回転電機の拡大された回転子の縦断面図である。
【図１２】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１３】第三の実施例による回転電機システムのブロック図である。
【図１４】本発明に於いて界磁磁石を含む磁気回路モデルを示す図である。
【符号の説明】
【０１００】
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・・・表面磁極部，                  １８・・・励磁部，
１９・・・回転子支持体，                １ａ・・・表面磁極部支持体，
１ｂ・・・クラッチ円板，                １ｃ・・・スリット部，
１ｄ・・・中空部，                      １ｅ・・・プッシュロッド，
１ｆ・・・アクチュエータ，              １ｇ・・・スプリング，
１ｈ・・・摺動棒，                      １ｊ・・・突部，
１ｋ・・・ベアリング，                  １ｍ・・・凹部，
１ｎ・・・偏倚規制突部，                １ｐ・・・冷却用ファン
２１・・・第一磁性体突極，              ２２・・・第二磁性体突極，
２３・・・磁気空隙部，                  ２４・・・第一磁性体突極延長部，
２５・・・第二磁性体突極延長部，        ２６・・・第一バイパス磁極，
２７・・・第二バイパス磁極，            ２８，２９・・界磁磁石，
２ａ・・・円筒状磁気コア，              ２ｂ・・・磁気空隙部，
２ｃ・・・磁気空隙部，                  ２ｄ・・・可飽和磁性体結合部
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・・・磁束量制御を行う時間帯，      ７２・・・回転駆動制御を行う時間帯，
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・・・表面磁極部，                  ８２・・・第一延長部，
８３・・・第二延長部，                  ８４・・・界磁磁石，
８５・・・主磁極，                      ８６・・・バイパス磁極，
８７・・・励磁部支持体，                ８８・・・ベース磁極，
８９・・・ピン，                        ８ａ・・・スプリング，
８ｂ・・・非磁性体，                    ８ｃ・・・ロードセル
９１，９２・・磁性体突極，              ９３・・・磁気空隙部，
９４・・・磁束チャネル部，              ９５・・・可飽和磁性体部，
９６・・・磁気空隙部
１０１，１０２・・磁性体突部，          １０３，１０４・・非磁性体部，
１０５・・・励磁部の一部
１１１・・・微小間隙
１２１・・・学習区間，                  １２２・・・界磁制御区間，
１２３・・・回転速度，                  １２４・・・界磁磁束量，
１２５・・・発電電圧，                  １２６・・・時間
１３１・・・第一の実施例で示した回転電機装置，
１３２・・・ハイブリッドカーのエンジン，
１３３・・・トランスミッション，        １３４・・・制御装置，
１３５・・・駆動回路，                  １３６・・・磁束量制御回路，
１３７・・・整流回路，                  １３８・・・バッテリー，
１３９・・・回転軸，                    １３ａ・・・駆動軸，
１３ｂ・・・上位制御装置からの指令，    １３ｃ・・・電機子コイルの引き出し線
１４１・・・界磁磁石，                  １４２・・・主磁極，
１４３・・・バイパス磁極，              １４４・・・偏倚方向，
１４５・・・主磁路の磁気抵抗，          １４６・・・バイパス磁路の磁気抵抗，
１４７・・・電機子コイル，              １４８・・・主磁路，
１４７・・・バイパス磁路，              １４ａ・・・短絡的に流れる磁路
【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】
2009273288.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2009273288.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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