(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】  電機子に対向する界磁部分を二分して相対偏倚可能に構成し，相対偏倚に応じて界磁磁石からの磁束を電機子側を通る主磁路，及び電機子を通らないバイパス磁路に分流させて主磁路の界磁磁束量を変える。界磁磁石からの界磁磁束総量を一定に保つように主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗を設定する最小磁気力条件として上記偏倚を妨げる磁気力を抑制或いは最小磁気力条件から外して現れる磁気力を利用して上記偏倚を容易にし，界磁制御可能な回転電機システム，界磁制御方法を提供している。【選択図】  図１
2009261216.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並んで配置され，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Ｎ極或いはＳ極の何れか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，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，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てい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，表面磁極部に於いて励磁部と対向する面に第一磁性体突極延長部，バイパス磁極，第二磁性体突極延長部が順次に周方向に繰り返し並び，バイパス磁極は微小間隙を介して第二磁性体突極延長部と対向するよう配置され，界磁磁石のＮ極或いはＳ極の何れか一方の磁極から第一磁性体突極延長部に流入した磁束が電機子及び第二磁性体突極を介して界磁磁石の他方の磁極に環流し，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した磁束が第二磁性体突極延長部を介して界磁磁石の他方の磁極に主として界磁部内で環流するよう配置されている事を特徴とする回転電機システム
【請求項４】
請求項１記載の回転電機システムに於いて，励磁部に於いて円筒状磁気コアに界磁磁石が配置されて界磁磁石のＮ極或いはＳ極の何れか一方の磁極が表面磁極部内の磁性体突極延長部及びバイパス磁極に対向するよう配置され，バイパス磁極はさらに円筒状磁気コアに磁気的な結合路を有するよう構成され，界磁磁石のＮ極或いはＳ極の何れか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及び隣接する磁性体突極を介して界磁磁石の他方の磁極に環流し，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した磁束が円筒状磁気コアを介して界磁磁石の他方の磁極に主として界磁部内で環流するよう配置されている事を特徴とする回転電機システム
【請求項５】
請求項１記載の回転電機システムに於いて，表面磁極部に於いて励磁部と対向する面に磁性体突極延長部，バイパス磁極が順次に周方向に繰り返し並び，隣接するバイパス磁極間に磁気的な結合路を有するよう配置され，励磁部に於いて円筒状磁気コアに界磁磁石が配置されて界磁磁石のＮ極或いはＳ極の何れか一方の磁極が表面磁極部内の磁性体突極延長部及びバイパス磁極に対向するよう配置され，界磁磁石のＮ極或いはＳ極の何れか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及び隣接する磁性体突極を介して界磁磁石の他方の磁極に環流し，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した磁束が隣接するバイパス磁極を介して界磁磁石の他方の磁極に主として界磁部内で環流するよう配置されている事を特徴とする回転電機システム
【請求項６】
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と主磁路の磁気抵抗とは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７】
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する時に最小磁気力条件から主磁路の磁気抵抗が小に或いはバイパス磁路の磁気抵抗が大に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最小磁気力条件から主磁路の磁気抵抗が大に或いはバイパス磁路の磁気抵抗が小に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８】
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１１】
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１２】
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１３】
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１４】
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機構を有し，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１５】
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いよう構成され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，表面磁極部が励磁部に対して周方向に偏倚されるよう構成され，表面磁極部が励磁部に対して回転子の回転方向に相対偏倚する時に界磁磁石と磁性体突極延長部との対向面積が増大するよう構成されている事を特徴とする回転電機システム
【請求項１７】
請求項１記載の回転電機システムに於いて，表面磁極部が励磁部に対して周方向に偏倚されるよう構成され，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を更に有し，表面磁極部を励磁部に対して回転偏倚させる際に位置保持機構による表面磁極部の保持力を一時的に緩めると共に回転子を回転駆動するよう電流を電機子コイルに供給して表面磁極部を周方向に偏倚させ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２１】
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し，界磁部は表面磁極部と励磁部を有し，表面磁極部は電機子との対向面に複数の磁性体突極を周方向に有す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を並んで有し，励磁部は隣接する磁性体突極を互いに逆極性に磁化するよう配置された界磁磁石を含んで構成される回転電機の電機子を流れる磁束量を制御する磁束量制御方法であって，励磁部は磁性体突極延長部及びバイパス磁極に界磁磁石のＮ極或いはＳ極の何れか一方の磁極を対向するよう配置し，界磁磁石のＮ極或いはＳ極の何れか一方の磁極から磁性体突極延長部に流入する磁束が電機子及び隣接する磁性体突極を介して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を界磁磁石に並列に接続し，表面磁極部或いは励磁部の何れかを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を一定に保ちながら前記それぞれの面積を変えるよう可動磁極部を残余に対して周方向に相対的に偏倚可能に構成し，さらに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て可動磁極部の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，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磁気抵抗調整手段により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最小磁気力条件より主磁路の磁気抵抗を小に或いはバイパス磁路の磁気抵抗を大に調整し，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最小磁気力条件より主磁路の磁気抵抗を大に或いはバイパス磁路の磁気抵抗を小に調整し，同時に可動磁極部が偏倚させる。
【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）。前記提案例は偏倚量を機械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２００７−２１２６９０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並んで配置され，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Ｎ極或いはＳ極の何れか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，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，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】
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，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，それぞれの磁路に界磁磁石から流入する磁束量を一定にするよう界磁磁石に繋がる磁路の磁気抵抗を常に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，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最小として精密な磁束量制御を可能にする。アクチュエータの出力は最小磁気力条件での磁気力に余裕を持って設定されるが，「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近く設定する事である。
【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，表面磁極部に於いて励磁部と対向する面に第一磁性体突極延長部，バイパス磁極，第二磁性体突極延長部が順次に周方向に繰り返し並び，バイパス磁極は微小間隙を介して第二磁性体突極延長部と対向するよう配置され，界磁磁石のＮ極或いはＳ極の何れか一方の磁極から第一磁性体突極延長部に流入した磁束が電機子及び第二磁性体突極を介して界磁磁石の他方の磁極に環流し，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した磁束が第二磁性体突極延長部を介して界磁磁石の他方の磁極に主として界磁部内で環流するよう配置されている事を特徴とする。バイパス磁路に磁性体突極延長部を含むシンプルな構成で軸長方向に長い回転電機に適する。
【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，励磁部に於いて円筒状磁気コアに界磁磁石が配置されて界磁磁石のＮ極或いはＳ極の何れか一方の磁極が表面磁極部内の磁性体突極延長部及びバイパス磁極に対向するよう配置され，バイパス磁極はさらに円筒状磁気コアに磁気的な結合路を有するよう構成され，界磁磁石のＮ極或いはＳ極の何れか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及び隣接する磁性体突極を介して界磁磁石の他方の磁極に環流し，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した磁束が円筒状磁気コアを介して界磁磁石の他方の磁極に主として界磁部内で環流するよう配置されている事を特徴とする。励磁部の一つの構成を示す。
【００１８】
請求項５の発明は，請求項１記載の回転電機システムに於いて，表面磁極部に於いて励磁部と対向する面に磁性体突極延長部，バイパス磁極が順次に周方向に繰り返し並び，隣接するバイパス磁極間に磁気的な結合路を有するよう配置され，励磁部に於いて円筒状磁気コアに界磁磁石が配置されて界磁磁石のＮ極或いはＳ極の何れか一方の磁極が表面磁極部内の磁性体突極延長部及びバイパス磁極に対向するよう配置され，界磁磁石のＮ極或いはＳ極の何れか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及び隣接する磁性体突極を介して界磁磁石の他方の磁極に環流し，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した磁束が隣接するバイパス磁極を介して界磁磁石の他方の磁極に主として界磁部内で環流するよう配置されている事を特徴とする。励磁部の一つの構成を示す。
【００１９】
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，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と主磁路の磁気抵抗とは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。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程度に両磁路の磁気抵抗を最小磁気力条件に調整する。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。
【００２０】
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，電機子を流れる磁束量を増加する時に最小磁気力条件から主磁路の磁気抵抗が小に或いはバイパス磁路の磁気抵抗が大に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最小磁気力条件から主磁路の磁気抵抗が大に或いはバイパス磁路の磁気抵抗が小に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。
【００２１】
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。
【００２２】
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，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として設定される事を特徴とする。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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，磁気抵抗調整手段を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。
【００２７】
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，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。
【００２８】
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。
【００２９】
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，さらに可動磁極部の偏倚規制手段を有し，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。
【００３０】
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，さらに可動磁極部の偏倚位置を保持する機構を有し，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。
【００３１】
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，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交流磁束が通り難いよう構成される事を特徴とする。
【００３２】
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。
【００３３】
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，表面磁極部が励磁部に対して周方向に偏倚されるよう構成され，表面磁極部が励磁部に対して回転子の回転方向に相対偏倚する時に界磁磁石と磁性体突極延長部との対向面積が増大するよう構成されている事を特徴とする。表面磁極部を回転方向に加速するよう電機子コイルに電流を供給して偏倚させると，界磁磁石と磁性体突極延長部との対向面積が増大するよう方向の磁気力が発生されるので電機子コイルによる表面磁極部駆動方向と発生する磁気力が表面磁極部を付勢する方向を同じに出来る。
【００３４】
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，表面磁極部が励磁部に対して周方向に偏倚されるよう構成され，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を更に有し，表面磁極部を励磁部に対して回転偏倚させる際に位置保持機構による表面磁極部の保持力を一時的に緩めると共に回転子を回転駆動するよう電流を電機子コイルに供給して表面磁極部を周方向に偏倚させる事を特徴とする。表面磁極部を偏倚する構成に於いて，回転駆動力を利用して偏倚を容易に出来る構造である。位置保持機構はクラッチ機構，ブレーキ機構，メカニカルディテント等を用いる事が出来る。
【００３５】
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。
【００３６】
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。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。
【００３７】
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。
【００３８】
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し，界磁部は表面磁極部と励磁部を有し，表面磁極部は電機子との対向面に複数の磁性体突極を周方向に有す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を並んで有し，励磁部は隣接する磁性体突極を互いに逆極性に磁化するよう配置された界磁磁石を含んで構成される回転電機の電機子を流れる磁束量を制御する磁束量制御方法であって，励磁部は磁性体突極延長部及びバイパス磁極に界磁磁石のＮ極或いはＳ極の何れか一方の磁極を対向するよう配置し，界磁磁石のＮ極或いはＳ極の何れか一方の磁極から磁性体突極延長部に流入する磁束が電機子及び隣接する磁性体突極を介して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を界磁磁石に並列に接続し，表面磁極部或いは励磁部の何れかを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を一定に保ちながら前記それぞれの面積を変えるよう可動磁極部を残余に対して周方向に相対的に偏倚可能に構成し，さらに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て可動磁極部の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，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。
【００３９】
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磁性体突極延長部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。界磁磁石に磁性体突極延長部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ほぼ磁性体突極延長部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。
【００４０】
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。
【００４１】
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磁気抵抗調整手段により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調整する。
【００４２】
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。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程度に両磁路の磁気抵抗を最小磁気力条件に調整する。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。
【００４３】
本発明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磁束量制御を可能にする。磁気抵抗調整手段の具体的な構成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。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偏倚を妨げる磁気力を最小にする最小磁気力条件に調整する，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外して調整する。後者は偏倚に必要な力をさらに小と出来るが，偏倚制御手段の駆動方向切換と共に磁気抵抗調整手段の調整方向切換を同期させる必要があり，磁束量制御方法の仕様に応じて選択する。
【００４４】
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最小磁気力条件より主磁路の磁気抵抗を小に或いはバイパス磁路の磁気抵抗を大に調整し，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最小磁気力条件より主磁路の磁気抵抗を大に或いはバイパス磁路の磁気抵抗を小に調整し，同時に可動磁極部が偏倚させる。
【００４５】
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。
【００４６】
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として設定する。
【００４７】
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】
【００４８】
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，或いは磁気力を利用して磁束量を制御可能とした。
【００４９】
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，更に量産時には部材寸法公差内で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偏倚に際して磁気力は抑制され，或いは前記機構偏倚をアシストするよう磁気力を発生させて前記偏倚を円滑に実施出来る。
【００５０】
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】
【００５１】
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】
【００５２】
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の回転電機システムであり，励磁部を可動磁極部として周方向に偏倚させて電機子を流れる磁束量を制御する。バイパス磁路の磁気抵抗を調整する手段を有している。図１は回転電機の縦断面図，図２は電機子と界磁部とを示す断面図，図３（ａ），３（ｂ）は表面磁極部及び偏倚した励磁部の断面図，図４は回転子の斜視図，図５（ａ）はスリーブの斜視図，図５（ｂ）は回転軸の斜視図，図６は回転電機システムのブロック図である。
【００５３】
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とを有する。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とを有し，励磁部１８は回転子支持体１ｇ及び表面磁極部１７と微小間隙を介して回動可能に支持されている。
【００５４】
バイパス磁極延長部１ｊは円環状磁気コア１ｋに微小間隙を介して対向し，円環状磁気コア１ｋはハウジング１２に固定された磁気コア支持体１ｍにネジ機構で支持され，円環状磁気コア１ｋ外周にはネジが配置され，ウオームギア１ｎが噛み合うよう配置されて円環状磁気コア１ｋを回転させる事により軸方向に偏倚するよう構成されている。
【００５５】
励磁部１８を周方向に偏倚させる偏倚制御手段は，回転軸１１外周に摺動自在に配置された円筒状のスリーブ１ｂ，スプリング１９，回転軸１１に設けられた斜交溝１ｃ，プッシュロッド１ｅ，摺動棒１ｈ，ハウジング１２に固定されたアクチュエータ１ｆ等から構成されている。番号１ａは励磁部支持体を示す。
【００５６】
図２は図１のＡ−Ａ’に沿う電機子及び回転子の断面を示し，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。
【００５７】
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２９を隣接する磁性体歯１４先端部間に設けてある。磁性体歯１４及び可飽和磁性体結合部２９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２９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２９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２９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２９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２９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。
【００５８】
図２に於いて，表面磁極部１７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によって区分され，隣接する磁性体突極を番号２１，２２及び永久磁石を番号２３で代表して示している。さらに隣接する磁性体突極２１，２２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２３の略周方向磁化方向は互いに反転されている。永久磁石２３内に記載した矢印は磁化方向を示す。励磁部１８と対向する表面磁極部１７の側には磁性体突極延長部とバイパス磁極とが交互に配置されている。隣接するバイパス磁極を番号２４，２５で代表して示している。磁性体突極２１，２２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，永久磁石２３形状に対応するスロットには永久磁石を挿入して回転子支持体１ｇに固定されている。バイパス磁極２４，２５を配置する部分には軟鉄製のブロックを挿入している。
【００５９】
励磁部１８は励磁部支持体１ａに固定された円筒状磁気コア２８及び円筒状磁気コア２８に配置された界磁磁石２６，２７を有する。番号２ａは磁気空隙部である。界磁磁石２６は磁性体突極２１延長部及びバイパス磁極２４と対向し，界磁磁石２７は磁性体突極２２延長部及びバイパス磁極２５と常に対向するよう配置され，隣接する界磁磁石２６，２７は互いに逆の径方向磁化を持ち，隣接する磁性体突極２１，２２を互いに異極に磁化している。界磁磁石２６，２７に図示された矢印は磁化方向を示している。本実施例では磁性体突極２１，２２それぞれを永久磁石２３及び励磁部１８が同じ磁化方向に励磁するよう表面磁極部１７と励磁部１８の配置が設定されている。これが逆の場合には永久磁石２３と界磁磁石２６，２７とが閉磁気回路を構成し，励磁部１８の偏倚制御に際して妨げとなる大きな磁気力を発生させ，精密な制御を困難にする。
【００６０】
磁性体突極２１延長部，バイパス磁極２４の周方向角度長は等しく設定され，界磁磁石２６の周方向角度長を磁性体突極２１延長部の周方向角度長及び磁性体突極２１延長部，バイパス磁極２４間間隙の周方向角度長の和に等しくなるよう設定し，励磁部１８の偏倚量は磁性体突極２１延長部の周方向角度長以下としている。
【００６１】
図３は界磁磁石２６近傍を拡大した図であって磁束の流れを説明する。図３（ａ）は界磁磁石２６が主として磁性体突極２１延長部に対向して主磁路に流れる磁束量を最大にする状態を，図３（ｂ）は界磁磁石２６が主としてバイパス磁極２４に対向して主磁路に流れる磁束量を最小にする状態を示している。永久磁石２３は磁性体突極２１をＮ極に，磁性体突極２２をＳ極に磁化してそれらからの磁束は番号３１で示す磁路に沿って流れる。界磁磁石２６も永久磁石２３と同じく磁性体突極２１をＮ極に，磁性体突極２２をＳ極に磁化し，磁性体突極２１延長部に流入した磁束は番号３２に示す主磁路に沿って図示していない磁性体歯１４，隣接する磁性体突極２２を介して界磁磁石２６に環流する。また界磁磁石２６からバイパス磁極２４に流入した磁束は番号３３で示すバイパス磁路に沿って図示していないバイパス磁極延長部１ｊ（バイパス磁極２４，２５の軸方向への延長部を代表して示している），円環状磁気コア１ｋを介して隣接するバイパス磁極２５，界磁磁石２７を通って界磁磁石２６に環流する。
【００６２】
本実施例では主磁路とバイパスに加えて永久磁石２３を通る第三の磁路が界磁磁石２６に並列接続されている。永久磁石２３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永久磁石２３の長さを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よう構成する。
【００６３】
図４に回転子４１を斜視図で示すようにバイパス磁極２４，２５は回転子４１の端部に突出するバイパス磁極延長部１ｊを有し，微小間隙を介して円環状磁気コア１ｋと対向している。バイパス磁路の磁気抵抗をバイパス磁極延長部１ｊと円環状磁気コア１ｋ間の微小間隙長を調整して主磁路の磁気抵抗とほぼ等しく設定している。主磁路の磁気抵抗は磁性体突極２１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を主磁路の磁気抵抗としてバイパス磁路の磁気抵抗をほぼ等しく設定する。界磁磁石２６，２７からの磁束はバイパス磁極２４，２５中を軸方向に流れるのでバイパス磁極２４，２５は磁束密度が大きく，等方性である軟鉄ブロックで構成している。本実施例ではバイパス磁極延長部１ｊと円環状磁気コア１ｋがバイパス磁路の磁気抵抗を設定する磁気抵抗調整部分を構成すると共にバイパス磁路の磁気抵抗を調整する磁気抵抗調整手段の機能を果たしている。
【００６４】
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励磁部１８の偏倚を妨げる磁気力を最小にする事が出来るが，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。
【００６５】
本実施例ではバイパス磁路内の間隙の大きさを調整する事により主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗を互いにほぼ等しくさせ，種々の原因による磁路の磁気抵抗変化に適応させて励磁部１８の偏倚を妨げる磁気力を小さく抑制している。図１に示したウオームギア１ｎを図示していないステップモータで駆動して円環状磁気コア１ｋを回転させて磁気コア支持体１ｍとの間のネジ機構により円環状磁気コア１ｋを軸方向に偏倚させ，円環状磁気コア１ｋとバイパス磁極延長部１ｊ間の間隙長を変える。
【００６６】
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前記間隙長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円環状磁気コア１ｋの軸方向位置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し，回転電機の運転条件に応じて最適な円環状磁気コア１ｋの軸方向位置をマップデータから得て円環状磁気コア１ｋの軸方向位置を調整してバイパス磁路の磁気抵抗を主磁路の磁気抵抗とほぼ等しくなるよう調整している。常に両磁路の磁気抵抗を最小磁気力条件に近く維持できるので精密な磁束量制御が可能である。
【００６７】
図１に於いて，円環状磁気コア１ｋ内を磁束は周方向に流れるので渦電流損を減少させる為に円環状磁気コア１ｋはケイ素鋼板帯をスパイラル状に巻いて径方向に積層して構成している。他に比抵抗の大きい磁性体で構成しても良い。
【００６８】
表面磁極部１７と励磁部１８間の相対偏倚に伴って界磁磁石２６と磁性体突極２１延長部，バイパス磁極２４との対向面積は変わり，それぞれの対向面積の和は一定であるので界磁磁石２６からの磁束は上記対向面積に比例して主磁路及びバイパス磁路に分流される。その際，主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗はほぼ等しく設定されているので界磁磁石２６に繋がる磁気抵抗はほぼ一定となり上記相対偏倚を妨げる磁気力は小さく抑制される。本実施例に於いて，励磁部１８の偏倚制御は図１及び図５に示す機構を用いて行う。以下には図１及び図５を用いて偏倚制御の動作を説明する。図５（ａ）はスリーブ１ｂの斜視図を，図５（ｂ）は回転軸１１の斜視図をそれぞれ示す。
【００６９】
図１及び図５に示す偏倚制御機構は，回転軸１１外周に摺動自在に配置された円筒状のスリーブ１ｂ，スプリング１９，回転軸１１に設けられた斜交溝１ｃ，プッシュロッド１ｅ，摺動棒１ｈ，ハウジング１２に固定されたアクチュエータ１ｆとから構成されている。斜交溝１ｃは回転軸１１の軸方向に斜めに延び中空部１ｄに貫通する構造で，スリーブ１ｂに固定されたピン５２が斜交溝１ｃに貫通係合している。さらにスリーブ１ｂの外周には凹状溝５１を持ち，励磁部支持体１ａが摺動可能に係合して回転軸１１と励磁部支持体１ａ間に回転力を伝達している。スプリング１９は同図の右方向にスリーブ１ｂを押すよう付勢され，プッシュロッド１ｅ及び摺動棒１ｈはピン５２に接触してスリーブ１ｂを同図に於いて左方向にアクチュエータ１ｆにより付勢し，両者の力がバランスする軸方向位置に止まっている。アクチュエータ１ｆがスリーブ１ｂを左方向に付勢する力を制御してスリーブ１ｂを左右に駆動し，ピン５２が貫通係合する斜交溝１ｃにより周方向に偏倚させ，励磁部支持体１ａ及び励磁部１８を周方向に偏倚させる。アクチュエータ１ｆはステップモータとネジ機構をも用いてステップモータを駆動しない場合でもプッシュロッド１ｅの軸方向位置を保持出来る構成としている。
【００７０】
以上，図１から図５に示した回転電機に於いて，アクチュエータ１ｆを駆動制御する事により励磁部１８を表面磁極部１７に対して偏倚制御し，磁束量を制御できることを示した。以下には磁束量を制御して出力を最適に制御する回転電機システムを図６のブロック図を用いて説明する。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。
【００７１】
回転電機が電動機として用いられる場合において，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を介してアクチュエータ１ｆによりプッシュロッド１ｅ及び摺動棒１ｈを右方向に駆動し，スリーブ１ｂ及び励磁部１８を図２に於いて時計回り方向に回転偏倚させ，界磁磁石２６と磁性体突極２１延長部とが対向する面積を小にする。偏倚制御後はアクチュエータ１ｆを停止させて偏倚した励磁部１８の位置を保持する。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を介してアクチュエータ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，スリーブ１ｂ及び励磁部１８を反時計回り方向に回転偏倚させ，界磁磁石２６と磁性体突極２１延長部とが対向する面積を大にする。偏倚制御後はアクチュエータ１ｆを停止させて偏倚した励磁部１８の位置を保持する。
【００７２】
回転電機が発電機として用いられる場合において，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。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を介してアクチュエータ１ｆによりプッシュロッド１ｅ及び摺動棒１ｈを右方向に駆動し，スリーブ１ｂ及び励磁部１８を図２に於いて時計回り方向に回転偏倚させ，界磁磁石２６と磁性体突極２１延長部とが対向する面積を小にする。偏倚制御後はアクチュエータ１ｆを停止させて偏倚した励磁部１８の位置を保持する。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を介してアクチュエータ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，スリーブ１ｂ及び励磁部１８を反時計回り方向に回転偏倚させ，界磁磁石２６と磁性体突極２１延長部とが対向する面積を大にする。偏倚制御後はアクチュエータ１ｆを停止させて偏倚した励磁部１８の位置を保持する。
【００７３】
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。
【００７４】
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。構造上の制約により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】
【００７５】
本発明による回転電機システムの第二実施例を図７から図１２を用いて説明する。第二実施例は，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７は回転電機の縦断面図，図８は電機子と回転子とを示す断面図，図９（ａ），９（ｂ）は偏倚した表面磁極部及び励磁部間の断面図，図１０は回転子と表面磁極部との係合部を示す斜視図，図１１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１２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をそれぞれ示す。
【００７６】
図７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。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７１，表面磁極部７１と微小間隙を介して対向する励磁部７２とから成り，励磁部７２は回転子支持体７３に固定され，表面磁極部７１は表面磁極部支持体７４と共にベアリング７５を介して回転子支持体７３及び励磁部７２に回動可能に支持されている。
【００７７】
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７９とクラッチ板７８が回転子支持体７３に配置され，スプリング７９がクラッチ板７８を表面磁極部支持体７４に圧接するよう付勢されている。クラッチ板７８は内周側に３個の突部７７を持ち，その突部７７は回転軸１１の円筒壁に設けられたスリット部７６を貫通係合して回転軸１１とクラッチ板７８間で相互に回転力を伝達している。さらにクラッチ板７８の内周側突部７７が摺動棒１ｈの端部と接する構成である。回転子支持体７３に設けた凹部７ａと表面磁極部支持体７４に固定した偏倚規制突部７ｂは表面磁極部７１の偏倚規制の為の係合部を構成する。番号７ｃは回転子に固定した冷却用ファンを示す。
【００７８】
図８は図７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り，説明は省略する。
【００７９】
図８に於いて，回転子の界磁部は表面磁極部７１と励磁部７２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７１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８１，８２で，磁気空隙部を番号８３で代表させて示している。励磁部７２と対向する表面磁極部７１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８１の延長部８４，第一バイパス磁極８６，第二磁性体突極８２の延長部８５，第二バイパス磁極８７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８４，第一バイパス磁極８６，第二磁性体突極延長部８５は互いに磁気的に分離され，第一バイパス磁極８６，第二磁性体突極延長部８５は微小間隙を介して配置され，第二磁性体突極延長部８５と第二バイパス磁極８７は結合されて連続に形成されている。番号８８は回転子の回転方向を示す。
【００８０】
第一磁性体突極８１，第二磁性体突極８２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８３には樹脂を充填して表面磁極部支持体７１に固定されている。第一磁性体突極延長部８４，第一バイパス磁極８６，第二磁性体突極延長部８５，第二バイパス磁極８７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。
【００８１】
励磁部７２は回転子支持体７３に固定された円筒状磁気コア２８及び円筒状磁気コア２８に配置された界磁磁石２６，２７とより構成されている。番号２ａは磁気空隙部である。界磁磁石２６は第一磁性体突極延長部８４と第一バイパス磁極８６とに対向し，界磁磁石２７は第二磁性体突極延長部８５と第二バイパス磁極８７とに対向している。隣り合う界磁磁石２６，２７は互いに逆の径方向磁化を持ち，第一磁性体突極８１，第二磁性体突極８２を互いに異極に磁化している。界磁磁石２６，２７に図示された矢印はそれぞれの磁化方向を示す。
【００８２】
第一磁性体突極延長部８４の周方向角度長は第一バイパス磁極８６の周方向角度長より小に設定され，界磁磁石２６の周方向角度長を第一磁性体突極延長部８４の周方向角度長及び第一磁性体突極延長部８４，第一バイパス磁極８６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７１及び励磁部７２間の相対偏倚量は第一磁性体突極延長部８４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２６は常に第一磁性体突極延長部８４と第一バイパス磁極８６とに対向し，表面磁極部７１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。
【００８３】
図９は図８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８１，第二磁性体突極８２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９（ａ），（ｂ）はそれぞれ表面磁極部７１及び励磁部７２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８１，第二磁性体突極８２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。
【００８４】
図９（ａ）に於いて，界磁磁石２６は主に第一磁性体突極延長部８４と対向し，第一バイパス磁極８６とは一部で対向している。界磁磁石２６，第一磁性体突極延長部８４，第一磁性体突極８１，磁性体歯１４，第二磁性体突極８２，第二磁性体突極延長部８５，界磁磁石２７，円筒状磁気コア２８は界磁磁石２６の主磁路９１を形成し，図９（ａ）の場合は殆どの界磁磁束が主磁路９１を流れている。図９（ｂ）に於いて，界磁磁石２６は第一磁性体突極延長部８４と一部で対向し，主に第一バイパス磁極８６と対向している。界磁磁石２６，第一バイパス磁極８６，第二磁性体突極延長部８５，第二バイパス磁極８７，界磁磁石２７，円筒状磁気コア２８は界磁磁石２６のバイパス磁路９２を構成し，図９（ｂ）の場合は殆どの界磁磁束がバイパス磁路９２を流れている様子を示している。
【００８５】
界磁磁石２６からの界磁磁束は界磁磁石２６近傍に於いてその端面と直交する方向に流れるので層流状であり，ほぼ第一磁性体突極延長部８４，第一バイパス磁極８６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８４，第一バイパス磁極８６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９１とバイパス磁路９２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９１の磁気抵抗とバイパス磁路９２の磁気抵抗とを等しく設定するには第一バイパス磁極８６と第二磁性体突極延長部８５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９１は第一磁性体突極８１と磁性体歯１４間，磁性体歯１４と第二磁性体突極８２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８６と第二磁性体突極延長部８５間の対向面積より大であるが，第一バイパス磁極８６，第二磁性体突極延長部８５間の間隙を微小として主磁路９１の磁気抵抗とバイパス磁路９２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８６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８６を小さくしても磁気的に飽和し難い。
【００８６】
本実施例では主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗を互いにほぼ等しく設定しているが，電機子コイル１６を流れる電流により主磁路の磁気抵抗は実効的に変動する。回転電機装置をモータとして用いた場合には磁性体突極８１，８２と磁性体歯１４の位置に応じて電機子コイル１６に供給する電流，或いは発電機として用いた場合に磁性体突極８１，８２と磁性体歯１４の位置に応じて電機子コイル１６に切り替わる電流に応答して高い周波数帯の交流磁束が流れ，実効的に主磁路の磁気抵抗が変動する。前記磁気抵抗変動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。本実施例では図８，９に示すように磁性体突極の延長部８４，８５を軟鉄のブロックで構成している。軟鉄製のブロックはケイ素鋼板の積層体で構成された磁性体突極より導電率が大で交流磁束が通り難い。
【００８７】
表面磁極部７１と励磁部７２間の相対偏倚量の最大値は第一磁性体突極延長部８４の周方向角度長であり，図９（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９１を流れる磁束量と表面磁極部７１と励磁部７２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７に示したように回転子支持体７３に設けた凹部７ａ，表面磁極部支持体７４に固定した偏倚規制突部７ｂとにより表面磁極部７１と励磁部７２間の偏倚を界磁磁石２６に対向している第一磁性体突極延長部８４の周方向角度長以下となるよう規制している。
【００８８】
図１０は回転子支持体７３の端面に設けられた凹部７ａ，表面磁極部支持体７４に固定した偏倚規制突部７ｂを拡大して示す斜視図である。同図に於いて，凹部７ａには偏倚規制突部７ｂが配置され，表面磁極部７１と励磁部７２間の偏倚量を規制している。偏倚規制突部７ｂが凹部７ａ内の右側壁面に当接した場合が図９（ａ）に，偏倚規制突部７ｂが凹部７ａ内の左側壁面に当接した場合が図９（ｂ）にそれぞれ対応している。本実施例では図９（ａ），（ｂ）に示すように，主磁路９１の磁束量を増加させるには表面磁極部７１を時計回り方向に相対偏倚させて界磁磁石２６と第一磁性体突極延長部８４と対向する周方向角度長を増加させ，主磁路９１の磁束量を減少させるには表面磁極部７１を反時計回り方向に相対偏倚させて界磁磁石２６と第一磁性体突極延長部８４と対向する周方向角度長を減少させる。主磁路９１の界磁磁束の増減方向と表面磁極部７１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。
【００８９】
表面磁極部７１の偏倚制御は図７を用いて説明する。同図に於いて，クラッチ板７８はスプリング７９により表面磁極部支持体７４に圧接され，クラッチ板７８の内周側突部７７は回転軸１１のスリット部７６に貫通係合しているので表面磁極部支持体７４及び表面磁極部７１は回転軸１１，回転子支持体７３と共に回転している。
【００９０】
表面磁極部７１を回転子支持体７３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７８の内周側突部７７を左方向に偏倚させてスプリング７９を縮めてクラッチ板７８を表面磁極部支持体７４から離して表面磁極部支持体７４及び表面磁極部７１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７１を偏倚方向に回転駆動させる。表面磁極部支持体７４及び表面磁極部７１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７２に対して偏倚する。表面磁極部７１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７９によりクラッチ板７８を表面磁極部支持体７４に圧接させる。
【００９１】
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７１を偏倚させようとする磁気力が現れる。図８に示されるように表面磁極部７１が励磁部７２に対して回転子の回転方向に相対偏倚すると，界磁磁石２６と第一磁性体突極延長部８４との対向面積が増大するよう表面磁極部７１及び励磁部７２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７１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８１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７１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７１の偏倚制御手段として機能している。アクチュエータ１ｆとして第一実施例ではステップモータとネジ機構で構成するとしているが，本実施例では表面磁極部７１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。
【００９２】
本実施例は表面磁極部７１に於いて図８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７１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７１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７１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９（ｂ）に相当して主磁路９１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。
【００９３】
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８１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１１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１１４は回転子を駆動するトルクを，横軸１１５は駆動電流位相を示している。番号１１１は磁石トルクを，番号１１２はリラクタンストルクを，番号１１３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１１１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１１２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１１３の最大値は０から４５度迄の間にある事である。図１１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７１の偏倚駆動に利用する。
【００９４】
以上，図７から図１１に示した回転電機に於いて，表面磁極部７１を励磁部７２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７１を励磁部７２に対して偏倚させる手段方法を説明した。第二の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及び図１２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，図１２はサンプリング的に表面磁極部７１の偏倚制御を行って電動機の回転力を制御するタイミングチャート，及び発電電圧を制御するタイミングチャートを示している。
【００９５】
回転電機が電動機として用いられる場合において，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１２は，横軸１２ｂは時刻，番号１２１は磁束量制御を行う時間帯，番号１２２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１２３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制御信号６６が番号１２１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７８を左方向に駆動して表面磁極部７１をフリー回転状態とし，同時に駆動回路６７により表面磁極部７１を回転方向８８と逆方向（図８に於いて，反時計回り方向）に駆動し，番号１２１で示す時間帯の終了と共に駆動回路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７８を表面磁極部支持体７４に圧接させる。
【００９６】
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が番号１２１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７８を表面磁極部支持体７４から離して表面磁極部７１をフリー回転状態とし，同時に駆動回路６７により表面磁極部７１を回転方向８８（図８に於いて，時計回り方向）に駆動し，番号１２１で示す時間帯の終了と共に駆動回路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７８を表面磁極部支持体７４に圧接させる。図１２に於いて，番号１２４は回転速度，番号１２５は電機子に流れる磁束量を示し，磁束量制御の時間帯１２１では回転子には駆動力が伝えられないので回転速度１２４が僅かに低下し，磁束量１２５が変化させられている事が示されている。
【００９７】
回転電機が発電機として用いられる場合において，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。駆動回路６７により表面磁極部７１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７１を回転方向に偏倚駆動させる時のみ駆動回路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１２に於いて，横軸１２ｂは時刻を示し，番号１２１は磁束量制御を行う時間帯を示す。番号１２３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。
【００９８】
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が番号１２１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７８を表面磁極部支持体７４から離して表面磁極部７１をフリー回転状態とし，電機子と表面磁極部７１間に働く反発力により表面磁極部７１を回転方向８８と逆方向（図８に於いて，反時計回り方向）に相対偏倚させ，番号１２１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７８を表面磁極部支持体７４に圧接させる。図１２に於いて，番号１２６は所定の電圧を，番号１２７は発電電圧を示し，番号１２８は電機子に流れる磁束量を示す。番号１２９は電機子に流れる磁束量１２８を減少させる例を示し，駆動回路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１２７が磁束量１２８に比例しては減少している事が示されている。
【００９９】
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が番号１２１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７８を表面磁極部支持体７４から離して表面磁極部７１をフリー回転状態とし，同時に駆動回路６７により表面磁極部７１を回転方向８８（図８に於いて，時計回り方向）に駆動し，番号１２１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７８を表面磁極部支持体７４に圧接させ，駆動回路６７を休止させる。図１２に於いて，番号１２ａで示す時間帯が電機子に流れる磁束量１２８を増加させる場合であり，この時間帯は駆動回路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１２７は途切れている事が示されている。
【０１００】
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１２１の幅は，可動部の質量，すなわち表面磁極部７１及び表面磁極部支持体７４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１２１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１２１の周期を選定する。
【０１０１】
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７８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７８を表面磁極部支持体７４から離す構成を採用してもよい。
【０１０２】
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。
【実施例３】
【０１０３】
本発明による回転電機システムの第三実施例を図１３から図１５を用いて説明する。第三実施例は，励磁部を周方向に偏倚制御する構成とし，偏倚制御手段として遊星ギア機構を用いている。さらに励磁部の偏倚制御時に定電流負荷を電機子コイルに接続して主磁路の磁気抵抗を実効的に調整している。図１３は回転電機の縦断面図，図１４は電機子と回転子とを示す断面図，図１５は励磁部の偏倚手段を示す平面図である。
【０１０４】
図１３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。電機子の構成は図２に示した第一実施例と同じである。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１３１，励磁部１３２とを有し，表面磁極部１３１は回転子支持体１３ｄに固定され，励磁部１３２は表面磁極部１３１及び回転子支持体１３ｄと微小間隙を介して回動可能に支持されている。
【０１０５】
本実施例はまた回転子全体を回転軸１１より増速回転させる構成であり，回転子支持体１３ｄはベアリングを介して回転軸１１に回動可能に支持されている。回転子支持体１３ｄに固定されたサンギア１３３，ハウジング１２に固定されたリングギア１３９，サンギア１３３及びリングギア１３９に噛み合うプラネタリギア１３５，回転軸１１に固定されたプラネタリギア支持枠１３７は回転子支持体１３ｄを回転軸１１から増速回転させる遊星ギア機構である。回転子支持体１３ｄと回転軸１１の回転速度の比率はリングギア１３９とサンギア１３３の歯数比による。
【０１０６】
励磁部１３２を表面磁極部１３１及び回転子支持体１３ｄに対して回転偏倚させる偏倚制御手段もまた回転子支持体１３ｄを増速させるとほぼ同じ遊星ギア機構である。すなわち，励磁部１３２に固定されたサンギア１３４，ハウジング１２に回動可能に支持されたリングギア１３ａ，サンギア１３４及びリングギア１３ａに噛み合うプラネタリギア１３６，回転軸１１に固定されたプラネタリギア支持枠１３８とより構成され，励磁部１３２を回転軸１１から増速回転させる遊星ギア機構である。リングギア１３９とリングギア１３ａ，サンギア１３３とサンギア１３４，プラネタリギア１３５とプラネタリギア１３６それぞれの組は同じ歯数を持つよう構成している。さらにリングギア１３ａは回転プーリ１３ｃによりハウジング１２に回動可能に支持され，リングギア１３ａは外周にギアを持ち，ウオームギア１３ｂが噛み合う構成である。
【０１０７】
図１４は図１３のＣ−Ｃ’に沿う電機子及び回転子の断面を示し，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。
【０１０８】
図１４に於いて，表面磁極部１３１は磁性体突極と集合磁石とを周方向に交互に有する構造である。中間磁性体突極１４３の両側面に磁化方向がほぼ同じ磁石板１４５，１４６が配置構成された集合磁石は磁気的には磁石と等価であり，表面磁極部１３１は一様な磁性体を周方向に等間隔に配置された集合磁石によって区分された磁性体突極１４１，１４２及び集合磁石とから構成されている。さらに隣接する磁性体突極１４１，１４２は互いに異なる方向の磁化が現れるよう隣接する集合磁石の略周方向磁化方向は互いに反転して構成されている。磁性体突極１４１，１４２それぞれの周方向両側面に配置された磁石板は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１４５，１４６に付された矢印は磁石板１４５，１４６の板面にほぼ直交する磁化方向を示す。番号１４ｂ，１４ｃは磁性体突極１４１，１４２それぞれの延長部を示し軟鉄のブロックで構成されている。さらに番号１４４，１４７も磁石板を示し，番号１４９は磁気空隙部を，番号１４ａは回転方向をそれぞれ示している。
【０１０９】
励磁部１３２の構成は第一の実施例と同じである。集合磁石及び励磁部が磁性体突極１４１を同じ方向の磁化に励磁するよう表面磁極部１３１と励磁部１３２の相対位置が設定されている。集合磁石を構成する磁石板１４５，１４６は界磁磁束を発生すると共に周方向に磁気抵抗の大きな領域を形成する為の磁束バリアの役割をもっている。本実施例に於いては励磁部１３２から十分な界磁磁束を供給出来，また界磁磁束制御が目的であるので磁石板１４５，１４６からの界磁磁束は界磁制御の観点からは障害になる存在である。中間磁性体突極１４３中に設けたスリットで構成した磁気空隙部１４８は磁石板１４５，１４６の磁束が通る磁路の磁気抵抗を大として電機子側に流れる界磁磁束への磁石板１４５，１４６の寄与を小にする為である。これにより，励磁部１３２を表面磁極部１３１に対して回転偏倚させ，電機子側に流れる界磁磁束量を広い範囲で制御出来る。
【０１１０】
以上に表面磁極部１３１の構成を説明した。励磁部１３２の構成は第一実施例の励磁部と同じ構成であり，界磁磁束の分流制御の原理に関する説明は省略する。表面磁極部１３１の磁性体突極構成，形状は磁石トルク及びリラクタンストルクを利用する回転電機に最適の形状である。
【０１１１】
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２６に並列接続されている。磁石板１４５，１４６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１４３中に設けた磁気空隙部１４８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。
【０１１２】
励磁部の偏倚制御手段を図１３及び図１５を参照して説明する。励磁部１３２の偏倚制御手段を構成する遊星ギア機構は，サンギア１３４，プラネタリギア１３６，リングギア１３ａとから構成される。プラネタリギア１３６は周方向に３個配置されてサンギア１３４とリングギア１３ａとに噛み合うよう配置され，サンギア１３４は励磁部１３２の端面に形成され，プラネタリギア１３６はプラネタリギア支持枠１３８に回動可能に支持され，プラネタリギア支持枠１３８は回転軸１１に固定されている。番号１４ａは回転軸１１及びプラネタリギア支持枠１３８の回転方向を示す。リングギアを制御するアクチュエータは，リングギア１３ａの外周部のギア及びウオームギア１３ｂ及びモータ１５１とで構成される。モータ１５１はウオームギア１３ｂを介してリングギア１３ａの外周部のギアを回転駆動する。回転プーリ１３ｃは３個有り，リングギア１３ａをハウジング１２に回動可能に支持している。
【０１１３】
回転軸１１はプラネタリギア支持枠１３８，プラネタリギア１３６と共に回転し，リングギア１３ａがウオームギア１３ｂを介して静止させられている場合はサンギア１３４を介して励磁部１３２を同じ方向に回転させる。本実施例ではサンギア１３４及びリングギア１３ａの歯数比に応じて回転軸１１の回転速度より高い回転速度で励磁部１３２は回転するが，表面磁極部１３１も同じ回転速度で回転する為に励磁部１３２と表面磁極部１３１間の相対偏倚は変わらない。モータ１５１がウオームギア１３ｂ，リングギア１３ａ外周のギアを介してリングギア１３ａを時計回り方向（回転方向１４ａとは逆方向）に回転偏倚させると，サンギア１３４は加速されて励磁部１３２が表面磁極部１３１に対して回転方向８ａ（反時計回り方向）に相対偏倚させられ，磁性体突極８１，磁性体歯１４間に於ける界磁磁束量を増大させる。モータ１５１がウオームギア１３ｂ，リングギア１３ａ外周のギアを介してリングギア１３ａを反時計回り方向（回転方向１４ａ）に回転偏倚させると，サンギア１３４は減速されて励磁部１３２が表面磁極部１３１に対して回転方向８ａとは逆方向（時計回り方向）に相対偏倚させられ，磁性体突極８１，磁性体歯１４間に於ける界磁磁束量を減少させる。
【０１１４】
本実施例では，主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界磁磁束の強度を変更する際には電機子コイル１６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１６に（図示していない）負荷が接続されると電機子コイル１６と鎖交した界磁磁束により界磁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定して，回転電機の組み立て後に主磁路とバイパス磁路の磁気抵抗を最小磁気力条件に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。界磁磁束の強度を変更する際には電機子コイル１６に記憶させた条件の定電流負荷を接続し，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実効的に等しくさせて励磁部１３２の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（図示していない）を用いている。
【０１１５】
以上，図１３から図１５に示した回転電機に於いて，静止側に配置したモータ１５１を駆動制御する事により励磁部１３２を表面磁極部１３１に対して偏倚制御し，磁束量を制御できることを示した。以下には界磁磁束量を制御して出力を最適に制御する回転電機システムを，図６のブロック図を用いて説明する。
【０１１６】
回転電機が電動機として用いられる場合において，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，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である回転速度が所定の値より大となり主磁路を流れる界磁磁束量を小とする時には電機子コイル１６に定電流負荷（図示せず）を接続して誘起電圧により所定の電流を電機子コイル１６に流して実効的に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なるよう調整し，制御信号６６によりモータ１５１を駆動してリングギア１３ａを反時計回り方向（回転方向１４ａ）に偏倚させ，励磁部１３２を表面磁極部１３１に対して時計回り方向に相対偏倚させ，界磁磁石２６と第一磁性体突極１４１延長部とが対向する周方向角度長を小にする。偏倚制御後はモータ１５１を停止させて偏倚した励磁部１３２の位置を保持する。
【０１１７】
回転速度が所定の値より小となり主磁路を流れる界磁磁束量を大とする時には電機子コイル１６への通電を停止し，制御信号６６によりモータ１５１を駆動してリングギア１３ａを時計回り方向（回転方向１４ａと逆方向）に偏倚させ，励磁部１３２を表面磁極部１３１に対して反時計回り方向に相対偏倚させ，界磁磁石２６と第一磁性体突極１４１延長部とが対向する周方向角度長を大にする。偏倚制御後はモータ１５１を停止させて偏倚した励磁部１３２の位置を保持する。
【０１１８】
回転電機が発電機として用いられる場合において，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。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主磁路を流れる界磁磁束量を小とする時には電機子コイル１６に定電流負荷（図示せず）を接続して誘起電圧により所定の電流を電機子コイル１６に流して実効的に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なるよう調整し，制御信号６６によりモータ１５１を駆動してリングギア１３ａを反時計回り方向（回転方向１４ａ）に偏倚させ，励磁部１３２を表面磁極部１３１に対して時計回り方向に相対偏倚させ，界磁磁石２６と第一磁性体突極１４１延長部とが対向する周方向角度長を小にする。偏倚制御後はモータ１５１を停止させて偏倚した励磁部１３２の位置を保持する。
【０１１９】
発電電圧が所定の値より小となり主磁路を流れる界磁磁束を大とする時には電機子コイル１６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によりモータ１５１を駆動してリングギア１３ａを時計回り方向（回転方向１４ａと逆方向）に偏倚させ，励磁部１３２を表面磁極部１３１に対して反時計回り方向に相対偏倚させ，界磁磁石２６と第一磁性体突極１４１延長部とが対向する周方向角度長を大にする。偏倚制御後はモータ１５１を停止させて偏倚した励磁部１３２の位置を保持する。
【０１２０】
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１６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。
【０１２１】
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，長時間に渡って界磁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界磁強度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。
【０１２２】
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４】
【０１２３】
本発明による回転電機システムの第四実施例を図１６から図１９を用いて説明する。第四実施例は，電機子を回転子側に配置し，界磁部を回転子より外周側の静止側に配置する構造である。また，励磁部の偏倚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最小磁気力条件に等しくし，また最小磁気力電流を学習的に取得している。図１６は回転電機の縦断面図，図１７は電機子と界磁部とを示す断面図，図１８は励磁部の偏倚手段を示す平面図，図１９は最小磁気力電流を学習的に取得するタイムチャートを示す図である。
【０１２４】
図１６は電機子を回転子側に配置した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。電機子は回転子支持体１６６に固定された円筒状磁気ヨーク１６２と，磁性体歯１６１と，電機子コイル１６３とから構成されている。電機子コイル１６３は三相に結線され，スリップリング１６ａ，ブラシ１６ｂを介して図示していない制御装置に接続されている。
【０１２５】
静止側に配置された界磁部は磁性体歯１６１と径方向に対向する表面磁極部１６５，さらに励磁部１６４とを有し，表面磁極部１６５はハウジング１２に固定され，励磁部１６４は表面磁極部１６５及びハウジング１２と微小間隙を介して回動可能に支持されている。番号１６８はベアリングを，番号１６７は冷却空気の流通する空洞部を，番号１６ｃは回転子に固定された冷却ファンを示す。番号１６９は励磁部１６４の外周部に設けたギアを示し，同図に示されていないウオームギア及びモータがこのギア１６９を介して励磁部１６４を表面磁極部１６５及びハウジング１２に対して偏倚させる。
【０１２６】
図１７は図１６のＤ−Ｄ’に沿う電機子及び界磁部の断面図を示し，相互の関係を説明する為に構成部分の一部に番号を付して示している。電機子は回転子支持体１６６に固定された円筒状磁気ヨーク１６２と，円筒状磁気ヨーク１６２から径方向に延び，周方向に空隙を有する複数の磁性体歯１６１と，磁性体歯１６１に巻回された電機子コイル１６３とから構成されている。本実施例では９個の電機子コイルより構成され，それらは三相に結線されている。
【０１２７】
図１７に於いて，磁石励磁の界磁部は表面磁極部１６５と励磁部１６４に区分され，磁性体歯１６１と対向する表面磁極部１６５の側には磁性体突極と磁気空隙部とが交互に周方向に配置され，励磁部１６４との対向面には磁性体突極延長部とバイパス磁極が周方向に交互に配置されている。磁性体突極及び磁性体突極延長部は周方向に等間隔であり，隣接する磁性体突極を番号１７１，１７２で，磁気空隙部を番号１７９で，バイパス磁極を番号１７３で代表させて示している。
【０１２８】
励磁部１６４は円筒状磁気コア１７８及び円筒状磁気コア１７８に配置された界磁磁石１７６，１７７とより構成されている。番号１７ａは磁気空隙部である。隣り合う界磁磁石１７６，１７７は互いに逆の径方向磁化を持ち，それらの間の周方向角度長は磁性体突極１７１延長部，磁性体突極１７２延長部間の周方向角度長と等しく設定されている。界磁磁石１７６，１７７に図示された矢印はそれぞれの磁化方向を示す。界磁磁石１７６は磁性体突極１７１延長部及びバイパス磁極１７３と常に対向するよう構成されて界磁磁束を分流させる。界磁磁石１７６が磁性体突極１７１延長部及びバイパス磁極１７３と対向する対向面積の和は一定で，且つ励磁部１６４の周方向偏倚によりそれぞれの対向面積が変わるよう構成されている。バイパス磁極１７３は一方の端部１７４が空隙１７５を介して円筒状磁気コア１７８に対向する構成である。本実施例で空隙１７５が磁気抵抗調整部分に相当している。
【０１２９】
界磁磁石１７６の一方の磁極から磁性体突極１７１延長部に流入する磁束は磁性体突極１７１，磁性体歯１６１，磁性体突極１７２，界磁磁石１７７，円筒状磁気コア１７８を介して界磁磁石１７６の他方の磁極に環流して主磁路を構成し，界磁磁石１７６の一方の磁極からバイパス磁極１７３に流入する磁束はバイパス磁極１７３は一方の端部１７４，空隙１７５，円筒状磁気コア１７８を介して界磁磁石１７６の他方の磁極に環流してバイパス磁路を形成している。バイパス磁路内には界磁磁石１７６のみが含まれ，主磁路には界磁磁石１７６，１７７が直列接続で含まれているので回転電機の静止状態に於いてバイパス磁路の磁気抵抗は主磁路の磁気抵抗の半分になるよう空隙１７５に於ける対向面積及び空隙長を調整している。バイパス磁路の磁気抵抗と主磁路の磁気抵抗の半分とを等しく設定するのは本実施例に於ける最小磁気力条件であり，励磁部１６４を偏倚させる事により主磁路を流れる界磁磁束量を変えても界磁磁石１７６からの界磁磁束総量は変わらないので励磁部１６４の偏倚を妨げる磁気力は小と出来る。
【０１３０】
図１６及び図１８を用いて励磁部１６４を表面磁極部１６５に対して偏倚制御する構成及び方法を説明する。図１８はハウジング１２，励磁部１６４，表面磁極部１６５の平面図を示し，ウオームギア１８１及びウオームギア１８１を回転駆動するステップモータ１８２とを示している。ウオームギア１８１は図１６に示した励磁部１６４の外周に設けたギア１６９と噛み合う構成としている。ステップモータ１８２，ウオームギア１８１，ギア１６９により，励磁部１６４を図１７に於いて時計回り方向に偏倚させると，磁性体突極１７１延長部と界磁磁石１７６とが対向する周方向角度長は大となるので主磁路に於ける界磁磁束量を大に出来，励磁部１６４を反時計回り方向に偏倚させると，磁性体突極１７１延長部と界磁磁石１７６とが対向する周方向角度長は小となるので主磁路に於ける界磁磁束量を小に出来る。
【０１３１】
種々の要因により各磁路の磁気抵抗は変動するが，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等しくするよう電機子コイルに流す電流を最小磁気力電流とし，本実施例では最小磁気力電流を電機子コイルに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最小磁気力条件に等しくさせ，同時にステップモータ１２２を駆動して行う磁束量制御を回転電機の運転中に間歇的に行う。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。
【０１３２】
主磁路の磁気抵抗を実効的に調整する為に電機子コイル１６３に供給する最小磁気力電流を学習的に取得する構成及び方法を図１６及び図１８を用いて説明する。図１８に於いて，番号１８４はロードセルを示し，励磁部１６４に加えられてウオームギア１８１に番号１８３で示すよう現れる磁気力を検出する。電機子コイル１６３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１７６は磁気抵抗の小さい側の磁極となる磁性体突極１７１延長部或いはバイパス磁極１７３との対向面積を増す方向に偏倚する磁気力を受け，磁気力が番号１８３で示す方向に現れ，ロードセル１８４により前記磁気力を検出する事が出来る。
【０１３３】
図１９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１９６は時間を示す。番号１９１は学習区間を示し，番号１９２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１９１では電機子コイル１６３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１８４の出力を監視する。ロードセル１８４の出力が小になる電流が主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗を実効的に最小磁気力条件に等しくする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。
【０１３４】
番号１９２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１６３に供給し，同時にステップモータ１８２を制御して励磁部１６４を周方向に偏倚させる。主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗は実効的に最小磁気力条件にほぼ等しくされるのでステップモータ１８２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１９３は変化する。磁束量の制御区間１９２では回転子が加速或いは減速され，僅かではあるが，変化している状態が回転速度１９３に示されている。番号１９４は界磁磁束量を示し，学習区間１３１ではステップモータ１８２は周方向位置を保持しているので界磁磁束量１９４は変化しないが，磁束量制御区間１９２では界磁磁束量１９４が変化する様子が示されている。
【０１３５】
番号１９５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１９１及び磁束量制御区間１９２では発電電力を取り出せないので発電電圧１９５が途切れている状態を示し，磁束量制御区間１９２前後では発電電圧１９５が変化している状態が示されている。
【０１３６】
本実施例では静止状態で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１６３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。
【０１３７】
本実施例では学習区間１９１を設定して最小磁気力電流を取得したが，特に学習区間１９１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１８４出力との関係を常時監視し，最もロードセル１８４出力が小になる電流を最小磁気力電流とする。
【０１３８】
以上，図１６から図１９に示した回転電機に於いて，励磁部１６４を表面磁極部１６５に対して相対偏倚させる事で磁性体突極１７１及び磁性体突極１７２と，磁性体歯１６１との間に於ける界磁磁束量を制御できることを説明した。本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。
【０１３９】
回転電機が電動機として用いられる場合において，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磁性体突極１７１及び磁性体突極１７２と，磁性体歯１６１との間に於ける界磁磁束量を小とする時には磁束量制御区間１９２の時間帯に電機子コイル１６３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最小磁気力条件に実効的に等しくすると共に制御信号６６がステップモータ１８２により励磁部１６４を図１７に於いて反時計回り方向に駆動して磁性体突極１７１延長部と界磁磁石１７６の対向面積を小とさせる。
【０１４０】
回転速度が所定の値より小となり磁性体突極１７１及び磁性体突極１７２と，磁性体歯１６１との間に於ける界磁磁束量を大とする時には磁束量制御区間１９２の時間帯に電機子コイル１６３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最小磁気力条件に実効的に等しくすると共に制御信号６６がステップモータ１８２により励磁部１６４を図１７に於いて時計回り方向に駆動して磁性体突極１７１延長部と界磁磁石１７６の対向面積を大とさせる。
【０１４１】
回転電機が発電機として用いられる場合において，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磁性体突極１７１及び磁性体突極１７２と，磁性体歯１６１との間に於ける界磁磁束量を小とする時には磁束量制御区間１９２の時間帯に電機子コイル１６３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最小磁気力条件に実効的に等しくすると共に制御信号６６がステップモータ１８２により励磁部１６４を図１７に於いて反時計回り方向に駆動して磁性体突極１７１延長部と界磁磁石１７６の対向面積を小とさせる。
【０１４２】
発電電圧が所定の値より小となり磁性体突極１７１及び磁性体突極１７２と，磁性体歯１６１との間に於ける界磁磁束量を大とする時には磁束量制御区間１９２の時間帯に電機子コイル１６３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最小磁気力条件に実効的に等しくすると共に制御信号６６がステップモータ１８２により励磁部１６４を図１７に於いて時計回り方向に駆動して磁性体突極１７１延長部と界磁磁石１７６の対向面積を大とさせる。
【０１４３】
本実施例では磁束量の制御に際して主磁路とバイパス磁路の磁気抵抗を最小磁気力条件に実効的にほぼ等しくさせて励磁部１６４の偏倚を妨げる磁気力を小に抑制した。しかし，可動磁極部の前記偏倚をアシストさせる方向の磁気力を発生させるよう電機子コイルに電流を供給し，偏倚に必要な力を小とする手段，方法を採用する事も可能である。すなわち，回転子を加速，減速方向に駆動する電流を電機子コイルに供給すると，主磁路の磁気抵抗は実効的にそれぞれ小，大となる。それに伴い主磁路の磁気抵抗がバイパス磁路の磁気抵抗より小或いは大になると可動磁極部は界磁磁石と磁性体突極延長部との対向面積をそれぞれ大，小とする方向の磁気力を受ける。
【０１４４】
主磁路とバイパス磁路の磁気抵抗を実効的に互いに等しく（最小磁気力条件）させ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て以下のように偏倚制御する。主磁路を流れる磁束量を増す場合に磁性体突極延長部と界磁磁石との対向面積を増す方向に偏倚制御手段を駆動すると共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し，主磁路を流れる界磁磁束量を減じる場合には磁性体突極延長部と界磁磁石との対向面積を減じる方向に偏倚制御手段を駆動すると共に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して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偏倚制御手段をアシストする磁気力を発生させる構成であって偏倚制御手段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。
【実施例５】
【０１４５】
本発明による回転電機システムの第五実施例を図２０，図２１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，励磁部を周方向に偏倚制御させて電機子を流れる磁束量を制御する。また，バイパス磁路に巻回するよう配置された磁気抵抗調整用コイルに電流を供給してバイパス磁路の磁気抵抗を調整する手段を有する。図２０は回転電機の縦断面図，図２１は電機子と回転子との構成を示す断面図を示す。
【０１４６】
図２０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２０１，表面磁極部２０１と微小間隙を介して対向する励磁部２０２とを有し，励磁部２０２は回転子支持体１ｇ及び表面磁極部２０１と微小間隙を介して回動可能に支持されている。バイパス磁極延長部２０３は円環状磁気コア２０４に結合された後，Ｃ字状磁気コア２０６の外周側端面に空隙を介して対向し，励磁部の円筒状磁気コアの延長部２０５が空隙を介してＣ字状磁気コア２０６の内周側端面に対向している。Ｃ字状磁気コア２０６は断面がＣ字状で回転軸１１を周回するＣ字状磁気コアであり，ハウジング１２に固定されている。Ｃ字状磁気コア２０６にはさらに磁気抵抗調整用コイル２０７が回転軸１１を周回するよう巻回されている。励磁部２０２を周方向に偏倚させる偏倚制御手段は，第一実施例に於いて励磁部１８を偏倚させる機構と同じである。
【０１４７】
図２１は図２０のＥ−Ｅ’に沿う電機子及び回転子の断面を示し，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り，説明は省略する。
【０１４８】
図２１に於いて，回転子の界磁部は表面磁極部２０１と励磁部２０２に区分され，微小間隙を介して配置されている。表面磁極部２０１の磁性体歯１４との対向面には第一磁性体突極２１１，磁気空隙部２１３，第二磁性体突極２１２，磁気空隙部２１３が周方向に順次配置されている。表面磁極部２０１の励磁部２０２との対向面には第一磁性体突極２１１の延長部２１４，バイパス磁極２４，第二磁性体突極２１２の延長部がこの順で繰り返して配置されている。励磁部２０２は励磁部支持体１ａに固定された円筒状磁気コア２８及び円筒状磁気コア２８に配置された界磁磁石２６とより構成されている。界磁磁石２６は第一磁性体突極延長部２１４及び第一バイパス磁極２４に対向し，磁化方向は径方向である。界磁磁石２６に図示された矢印は磁化方向を示す。
【０１４９】
励磁部２０２及び励磁部２０２に対向している表面磁極部２０１の側の構成は第一実施例に類似するが，若干異なっている。すなわち，界磁磁石２７は除去され，第二磁性体突極２１２が内径方向に延長されて円筒状磁気コア２８に微小間隙を介して対向する構成である。第二磁性体突極２１２に隣接するバイパス磁極は配置されていない。さらにバイパス磁極２４は軸方向に延長されて図２０に示されたバイパス磁極延長部２０３とされ，円環状磁気コア２０４に結合された後，Ｃ字状磁気コア２０６の外周側端面に空隙を介して対向している。バイパス磁極延長部２０３からの磁束は円環状磁気コア２０４内で周方向に分散された後にＣ字状磁気コア２０６の外周側端面に磁気的に結合されているので渦電流損発生の懸念はない。さらに円筒状磁気コア２８は軸方向に延長されて図２０に示された延長部２０５としてＣ字状磁気コア２０６の内周側端面に空隙を介して磁気的に結合されている。したがって，界磁磁石２６の一方の磁極から第一磁性体突極延長部２１４に流入する磁束は第一磁性体突極２１１，磁性体歯１４，第二磁性体突極２１２，円筒状磁気コア２８を介して界磁磁石２６の他方の磁極に環流する主磁路を形成すると共に隣接する磁性体突極２１１，２１２を互いに異極に磁化している。界磁磁石２６の一方の磁極からバイパス磁極２４に流入する磁束はバイパス磁極延長部２０３，円環状磁気コア２０４，Ｃ字状磁気コア２０６，延長部２０５，円筒状磁気コア２８を介して界磁磁石２６の他方の磁極に環流するバイパス磁路を形成している。
【０１５０】
本実施例ではバイパス磁路の磁気抵抗をＣ字状磁気コア２０６と円環状磁気コア２０４，円筒状磁気コア延長部２０５間の微小間隙長を調整して平均的な運転条件に於いて主磁路の磁気抵抗とほぼ等しく設定している。界磁磁石２６からの磁束はバイパス磁極２４中を軸方向に流れるのでバイパス磁極２４は磁束密度が大きく，等方性である軟鉄のブロックで構成している。励磁部２０２内の界磁磁石２６と対向する第一磁性体突極延長部２１４，バイパス磁極２４は一様な軟鉄のブロックで構成され，さらに円筒状磁気コア２８は一様な軟鉄で構成され，ケイ素鋼板の積層体で構成される磁性体突極２１１，２１２より平均的な導電率を高く設定してある。この構成により磁性体突極延長部２１４，円筒状磁気コア２８には交流磁束が通り難く設定されている。
【０１５１】
界磁磁石２６が常に第一磁性体突極延長部２１４，バイパス磁極２４と対向するよう励磁部２０２の偏倚量が規制されるとして第一実施例で説明したように界磁磁石２６からの磁束は界磁磁石２６と第一磁性体突極延長部２１４との対向面積に比例して主磁路に分流される。
【０１５２】
種々の要因により各磁路の磁気抵抗は変動し，主磁路とバイパス磁路の磁気抵抗の差が大になると，励磁部２０２の偏倚を妨げる磁気力が大になる。本実施例ではバイパス磁路に巻回した磁気抵抗調整用コイル２０７に流す電流を制御して主磁路とバイパス磁路の磁気抵抗を最小磁気力条件に等しくなるよう調整している。磁気抵抗調整用コイル２０７は図２０に示されるようにＣ字状磁気コア２０６に回転軸１１を周回するよう巻回されているが，バイパス磁路はＣ字状磁気コア２０６の外周側端面と内周側端面間をその一部に有するので磁気抵抗調整用コイル２０７はバイパス磁路を巻回する事になる。
【０１５３】
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電流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し，磁束量制御に際して回転電機の運転条件に応じて最適な電流をマップデータから得て磁気抵抗調整コイル２０７に供給してバイパス磁路の磁気抵抗を実効的に調整している。磁気抵抗調整用コイル２０７に供給する電流を要するが，磁束量変更時に限定されるのでエネルギー効率に大きな支障を与える事は無い。
【０１５４】
以上，図２０，２１に示した回転電機に於いて，アクチュエータ１ｆを駆動制御する事により励磁部２０２を表面磁極部２０１に対して偏倚させ，主磁路を流れる界磁磁束量を制御できることを示した。以下には主磁路を流れる界磁磁束量を制御して出力を最適に制御する回転電機システムを，図６のブロック図を用いて説明する。
【０１５５】
回転電機が電動機として用いられる場合において，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主磁路に於ける界磁磁束量を小とする時には制御信号６６が磁気抵抗調整用コイル２０７にマップデータから得た電流を供給して主磁路とバイパス磁路の磁気抵抗を最小磁気力条件に等しくさせると共にアクチュエータ１ｆを介してプッシュロッド１ｅ及び摺動棒１ｈを右方向に駆動し，スリーブ１ｂ及び励磁部２０２を時計回り方向（図２１）に回転偏倚させ，界磁磁石２６と磁性体突極延長部２１４とが対向する周方向角度長を小とさせる。励磁部２０２の偏倚量が目標に達したら，磁気抵抗調整用コイル２０７への通電を停止させ，アクチュエータ１ｆはプッシュロッド１ｅを偏倚した位置に保持させる。
【０１５６】
回転速度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信号６６が磁気抵抗調整用コイル２０７にマップデータから得た電流を供給して主磁路とバイパス磁路の磁気抵抗を最小磁気力条件に等しくさせると共にアクチュエータ１ｆを介してプッシュロッド１ｅ及び摺動棒１ｈを左方向に駆動して励磁部２０２を反時計回り方向（図２１）に回転偏倚させ，界磁磁石２６と磁性体突極延長部２１４とが対向する周方向角度長を大とさせる。励磁部２０２の偏倚量が目標に達したら，磁気抵抗調整用コイル２０７への通電を停止させ，アクチュエータ１ｆはプッシュロッド１ｅを偏倚した位置に保持させる。
【０１５７】
回転電機が発電機として用いられる場合において，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。制御装置６５は出力６３である発電電圧が所定の値より大となり主磁路に於ける磁束量を小とする時には制御信号６６が磁気抵抗調整用コイル２０７にマップデータから得た電流を供給して主磁路とバイパス磁路の磁気抵抗を最小磁気力条件に等しくさせると共にアクチュエータ１ｆを介してプッシュロッド１ｅ及び摺動棒１ｈを右方向に駆動し，スリーブ１ｂ及び励磁部２０２を時計回り方向（図２１）に回転偏倚させ，界磁磁石２６と磁性体突極延長部２１４とが対向する周方向角度長を小とさせる。励磁部２０２の偏倚量が目標に達したら，磁気抵抗調整用コイル２０７への通電を停止させ，アクチュエータ１ｆはプッシュロッド１ｅを偏倚した位置に保持させる。
【０１５８】
発電電圧が所定の値より小となり主磁路に於ける界磁磁束を大とする時には制御信号６６が磁気抵抗調整用コイル２０７にマップデータから得た電流を供給して主磁路とバイパス磁路の磁気抵抗を最小磁気力条件に等しくさせると共にアクチュエータ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，スリーブ１ｂ及び励磁部２０２を反時計回り方向（図２１）に回転偏倚させ，界磁磁石２６と磁性体突極延長部２１４とが対向する周方向角度長を大にする。励磁部２０２の偏倚量が目標に達したら，磁気抵抗調整用コイル２０７への通電を停止させ，アクチュエータ１ｆはプッシュロッド１ｅを偏倚した位置に保持させる。
【実施例６】
【０１５９】
本発明による回転電機システムの第六実施例を図２２から図２６を用いて説明する。第六実施例は，アキシャルギャップ構造であり，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２２は回転電機の縦断面図，図２３は電機子側から見た回転子を示す平面図，図２４は回転子側から見た電機子側の平面図，図２５は回転子の励磁部側から見た表面磁極部の平面図，図２６回転子の表面磁極部側から見た励磁部の平面図をそれぞれ示す。
【０１６０】
図２２はアキシャ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２２１がベアリング２２３を介してハウジング２２２に回動可能に支持されている。電機子はハウジング２２２に固定された円環状磁気ヨーク２２５と，磁性体歯２２４と，電機子コイル２２６とから構成されている。回転子の界磁部は磁性体歯２２４と軸方向に対向する表面磁極部２２７，表面磁極部２２７と微小間隙を介して対向する励磁部とを有し，励磁部は界磁磁石２２９，円環状バックコア２２ａを有して構成されている。
【０１６１】
表面磁極部２２７は表面磁極部支持体２２ｂと共にベアリングを介して回転軸２２１に偏倚可能に支持され，励磁部は界磁磁石２２９，円環状磁気コア２２ａが励磁部支持体２２ｃに配置され，回転軸２２１に固定されている。表面磁極部２２７内の磁性体突極は磁性体歯２２４に微小間隙を介して対向すると共に磁性体突極延長部は界磁磁石２２９と微小間隙を介して対向している。点線２２８は磁性体突極及び磁性体突極延長部との軸方向長さの比較の為に示したバイパス磁極を示している。
【０１６２】
番号２２ｄは表面磁極部支持体２２ｂに偏倚可能に配置されたディテントを示してスプリング２２ｆによって軸と平行に左方向に付勢されている。番号２２ｅは励磁部支持体２２ｃの表面に円環状に設けられたギアを示し，ディテント２２ｂがギア２２ｅと噛み合って励磁部，励磁部支持体２２ｃ，表面磁極部２２７，表面磁極部支持体２２ｂが一体として回転軸２２１と共に回転させられる構成である。ディテント２２ｂには円環状磁性体板２２ｇが固定され，円環状磁性体板２２ｇに対向してＣ字状磁気コア２２ｊ及び円環状コイル２２ｈがハウジング２２２に配置されている。Ｃ字状磁気コア２２ｊ及び円環状コイル２２ｈは回転軸２２１を周回する構造である。
【０１６３】
図２２に示した電機子の断面図，図２４に示した電機子の平面図に於いて，相互の関係を説明する為に構成部分の一部に番号を付して示されている。電機子はハウジング２２２に固定された円環状磁気ヨーク２２５と，円環状磁気ヨーク２２５から軸方向に延び，周方向に磁気空隙２４１を有する複数の磁性体歯２２４と，磁性体歯２２４に巻回された電機子コイル２２６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２２６より構成され，それらは三相に結線されている。
【０１６４】
図２２に於いて，回転子の界磁部は表面磁極部２２７と励磁部に区分され，軸方向に微小間隙を介して配置されている。図２３に電機子側から見た表面磁極部２２７の平面図を示すように磁性体歯２２４と対向する表面磁極部２２７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周方向に配置され，隣接する磁性体突極を番号２３１，２３２で，磁気空隙部を番号２３３で代表させて示している。
【０１６５】
励磁部と対向する表面磁極部２２７の側には図２５に示すように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，バイパス磁極２５３，磁性体突極２３１の延長部２５１，バイパス磁極２５４，磁性体突極２３２の延長部２５２がこの順で繰り返して配置されている。バイパス磁極２５３，バイパス磁極２５４間は磁気的な空隙２５５を介して磁気的な結合路を有している。番号２５６は回転子の回転方向を示す。
【０１６６】
励磁部は図２６に表面磁極部２２７側から見た平面図を示すように励磁部支持体２２ｃに固定された円環状バックコア２２ａ及び円環状バックコア２２ａに配置された界磁磁石より構成され，隣接する界磁磁石を代表して番号２６１，２６２で示している。隣接する界磁磁石は軸方向の磁化が互いに逆となるように配置され，界磁磁石２６１は図２２に於いて番号２２９で示す界磁磁石に対応してＮ極が現れ，界磁磁石２６２は逆極性のＳ極が現れている。
【０１６７】
磁性体突極延長部２５１，２５２の周方向角度長はバイパス磁極２５３，２５４の周方向角度長と同じに設定され，界磁磁石２６１，２６２の周方向角度長を磁性体突極延長部２５１の周方向角度長及び磁性体突極延長部２５１，バイパス磁極２５３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２２７及び励磁部間の相対偏倚量は磁性体突極延長部２５１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２６１は常に磁性体突極延長部２５１とバイパス磁極２５３とに対向し，表面磁極部２２７の励磁部に対する相対偏倚に応じて界磁磁石２６１と磁性体突極延長部２５１とバイパス磁極２５３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。界磁磁石２６２，磁性体突極延長部２５２，バイパス磁極２５４間の関係も同様である。
【０１６８】
界磁磁石２６１の一方の磁極から磁性体突極延長部２５１に流入した磁束は磁性体突極２３１，磁性体歯２２４，磁性体突極２３２，磁性体突極延長部２５２，界磁磁石２６２，円環状バックコア２２ａを介して界磁磁石２６１の他方の磁極に環流して主磁路を形成している。界磁磁石２６１の一方の磁極からバイパス磁極２５３に流入した磁束は磁気空隙２５５，バイパス磁極２５４，界磁磁石２６２，円環状バックコア２２ａを介して界磁磁石２６１の他方の磁極に環流してバイパス磁路を形成している。バイパス磁極２５３，２５４は図２２に於いて番号２８８で代表して示したように軸方向の長さは短く，磁性体歯２２４との間隙を大としてあるのでバイパス磁極２５３，２５４から磁性体歯２２４へ漏洩する磁束量は無視できる。
【０１６９】
主磁路及びバイパス磁路に含まれる界磁磁石の数は同じであるので磁気空隙２５５に於ける対向面積及び間隙長によりバイパス磁路の磁気抵抗を主磁路の磁気抵抗とほぼ同じになるよう設定されている。したがって，表面磁極部２２７を励磁部に対して相対偏倚させる場合に偏倚を妨げる磁気力は小さく抑制される。また，主磁路に流れる磁束量は界磁磁石２６１と磁性体突極延長部２５１との対向面積に比例して変更される。
【０１７０】
表面磁極部２２７の偏倚制御は図２２から２６を用いて説明する。ディテント２２ｄはスプリング２２ｆによって軸と平行に左方向の励磁部側に付勢されてギア２２ｅと噛み合い，表面磁極部２２７，励磁部，回転軸２２１は一体として回転させられている。
【０１７１】
表面磁極部２２７を回転軸２２１に対して回転偏倚させる場合には円環状コイル２２ｈに電流を供給してＣ字状磁気コア２２ｊ側に円環状磁性体板２２ｇを磁気的に吸引して円環状磁性体板２２ｇが固定されているディテント２２ｄを軸と平行の右方向に移動させてギア２２ｅから離し，表面磁極部支持体２２ｂ及び表面磁極部２２７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２２６に駆動電流を流して表面磁極部２２７を偏倚方向に回転駆動させる。表面磁極部支持体２２ｂ及び表面磁極部２２７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及び回転軸２２１に対して偏倚する。表面磁極部２２７の偏倚駆動終了後は円環状コイル２２ｈへの通電を停止し，スプリング２２ｆによりをギア２２ｅに圧接させる。
【０１７２】
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２２７を偏倚させようとする磁気力が現れる。図２５，２６に示されるように表面磁極部２２７が励磁部に対して回転子の回転方向２５６に相対偏倚すると，界磁磁石２６１と磁性体突極延長部２５１との対向面積が増大するよう表面磁極部２２７及び励磁部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２２７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２２４と磁性体突極２３１，２３２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２２６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２２７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２２７の偏倚制御手段として機能している。
【０１７３】
以上，図２２から図２６に示した回転電機に於いて，表面磁極部２２７を励磁部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２２７を励磁部に対して偏倚させる手段方法を説明した。第六の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及び図１２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，図１２はサンプリング的に表面磁極部２２７の偏倚制御を行って電動機の回転力を制御するタイミングチャート，及び発電電圧を制御するタイミングチャートを示している。
【０１７４】
回転電機が電動機として用いられる場合において，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。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が番号１２１で示す時間帯に円環状コイル２２ｈに電流を供給してディテント２２ｄを軸と平行の右方向に移動させてギア２２ｅから離し，表面磁極部支持体２２ｂ及び表面磁極部２２７をフリー回転状態とし，同時に駆動回路６７により表面磁極部２２７を回転方向２５６と逆方向に駆動し，番号１２１で示す時間帯の終了と共に駆動回路６７は通常の回転駆動動作に復帰し，円環状コイル２２ｈへの通電を停止し，スプリング２２ｆによりディテント２２ｄをギア２２ｅに圧接させる。
【０１７５】
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が番号１２１で示す時間帯に円環状コイル２２ｈに電流を供給してディテント２２ｄを軸と平行の右方向に移動させてギア２２ｅから離し，表面磁極部支持体２２ｂ及び表面磁極部２２７をフリー回転状態とし，同時に駆動回路６７により表面磁極部２２７を回転方向２５６に駆動し，番号１２１で示す時間帯の終了と共に駆動回路６７は通常の回転駆動動作に復帰し，円環状コイル２２ｈへの通電を停止し，スプリング２２ｆによりディテント２２ｄをギア２２ｅに圧接させる。図１２に於いて，番号１２４は回転速度，番号１２５は電機子に流れる磁束量を示し，磁束量制御の時間帯１２１では回転子には駆動力が伝えられないので回転速度１２４が僅かに低下し，磁束量１２５が変化させられている事が示されている。
【０１７６】
回転電機が発電機として用いられる場合において，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。駆動回路６７により表面磁極部２２７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２２７を回転方向に偏倚駆動させる時のみ駆動回路６７から電機子コイル２２６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１２に於いて，横軸１２ｂは時刻を示し，番号１２１は磁束量制御を行う時間帯を示す。番号１２３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。
【０１７７】
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が番号１２１で示す時間帯に円環状コイル２２ｈに電流を供給してディテント２２ｄを軸と平行の右方向に移動させてギア２２ｅから離し，表面磁極部支持体２２ｂ及び表面磁極部２２７をフリー回転状態とし，電機子と表面磁極部２２７間に働く反発力により表面磁極部２２７を回転方向２５６と逆方向に相対偏倚させ，番号１２１で示す時間帯の終了と共に円環状コイル２２ｈへの通電を停止し，スプリング２２ｆによりディテント２２ｄをギア２２ｅに圧接させる。図１２に於いて，番号１２６は所定の電圧を，番号１２７は発電電圧を示し，番号１２８は電機子に流れる磁束量を示す。番号１２９は電機子に流れる磁束量１２８を減少させる例を示し，駆動回路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１２７が磁束量１２８に比例して減少している事が示されている。
【０１７８】
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が番号１２１で示す時間帯に円環状コイル２２ｈに電流を供給してディテント２２ｄを軸と平行の右方向に移動させてギア２２ｅから離し，表面磁極部支持体２２ｂ及び表面磁極部２２７をフリー回転状態とし，同時に駆動回路６７により表面磁極部２２７を回転方向２５６に駆動し，番号１２１で示す時間帯の終了と共に円環状コイル２２ｈへの通電を停止し，スプリング２２ｆによりディテント２２ｄをギア２２ｅに圧接させ，駆動回路６７を休止させる。図１２に於いて，番号１２ａで示す時間帯が電機子に流れる磁束量１２８を増加させる場合であり，この時間帯は駆動回路６７により電機子コイル２２６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１２７は途切れている事が示されている。
【実施例７】
【０１７９】
本発明の第七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。第七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２７１は第一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を介して回転電機２７１の磁束量を制御する。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１６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。
【０１８０】
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。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，スリーブ１ｂ及び励磁部１８を反時計回り方向（図２）に回転偏倚させ，界磁磁石２６と第一磁性体突極２１延長部とが対向する周方向角度長を大とさせる。励磁部１８の偏倚量が目標に達したら，アクチュエータ１ｆは励磁部１８を偏倚した位置に保持する。
【０１８１】
高回転速度域で弱め界磁とする場合には制御装置２７４がアクチュエータ１ｆを介してプッシュロッド１ｅ及び摺動棒１ｈを右方向に駆動し，スリーブ１ｂ及び励磁部１８を時計回り方向（図２）に回転偏倚させ，界磁磁石２６と第一磁性体突極２１延長部とが対向する周方向角度長を小とさせる。励磁部１８の偏倚量が目標に達したら，アクチュエータ１ｆはプッシュロッド１ｅを偏倚した位置に保持する。
【０１８２】
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１６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２７４がアクチュエータ１ｆを介してプッシュロッド１ｅ及び摺動棒１ｈを右方向に駆動し，スリーブ１ｂ及び励磁部１８を時計回り方向（図２）に回転偏倚させ，界磁磁石２６と第一磁性体突極２１延長部とが対向する周方向角度長を小とさせる。励磁部１８の偏倚量が目標に達したら，アクチュエータ１ｆはプッシュロッド１ｅを偏倚した位置に保持する。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を大とする時には制御装置２７４がアクチュエータ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，スリーブ１ｂ及び励磁部１８を反時計回り方向（図２）に回転偏倚させ，界磁磁石２６と第一磁性体突極２１延長部とが対向する周方向角度長を大にする。励磁部１８の偏倚量が目標に達したら，アクチュエータ１ｆはプッシュロッド１ｅを偏倚した位置に保持する。
【０１８３】
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，スリーブ１ｂ及び励磁部１８を反時計回り方向（図２）に回転偏倚させ，界磁磁石２６と第一磁性体突極２１延長部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１１ｆ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。
【０１８４】
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。
【０１８５】
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】
【０１８６】
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。
【０１８７】
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】
【０１８８】
【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を示す斜視図である。
【図５】図１に示された回転電機に於いて，（ａ）はスリーブの斜視図，（ｂ）は回転軸の斜視図である。
【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】第二の実施例による回転電機の縦断面図である。
【図８】図７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９】図７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
【図１０】図７に示された回転電機の偏倚規制の為の係合部を示す斜視図である。
【図１１】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の縦断面図である。
【図１４】図１３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１５】図１３に示された回転電機の励磁部の偏倚手段の平面図である。
【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励磁部の偏倚手段の平面図である。
【図１９】最小磁気力電流を学習的に取得するタイムチャートを示す図である。
【図２０】第五の実施例による回転電機の縦断面図である。
【図２１】図２０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２２】第六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表面磁極部を電機子側から見た平面図である。
【図２４】図２２に示された回転電機の電機子を表面磁極部側から見た平面図である。
【図２５】図２２に示された回転電機の表面磁極部を励磁部側から見た平面図である。
【図２６】図２２に示された回転電機の励磁部を表面磁極部側から見た平面図である。
【図２７】第七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】
【０１８９】
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・・・スプリング，                  １ａ・・・表面磁極部支持体，
１ｂ・・・スリーブ，                    １ｃ・・・斜交溝，
１ｄ・・・中空部，                      １ｅ・・・プッシュロッド，
１ｆ・・・アクチュエータ，              １ｇ・・・回転子支持体，
１ｈ・・・摺動棒，                      １ｊ・・・バイパス磁極延長部，
１ｋ・・・円環状磁気コア，              １ｍ・・・磁気コア支持体，
１ｎ・・・ウオームギア
２１，２２・・磁性体突極，              ２３・・・永久磁石，
２４，２５・・バイパス磁極，            ２６，２７・・界磁磁石，
２８・・・円筒状磁気コア，              ２９・・・可飽和磁性体結合部，
２ａ・・・磁気空隙部
３１・・・永久磁石の磁路，              ３２・・・主磁路，
３３・・・バイパス磁路
４１・・・回転子
５１・・・凹状溝，                      ５２・・・ピン
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・・・駆動回路
７１・・・表面磁極部，                  ７２・・・励磁部，
７３・・・回転子支持体，                ７４・・・表面磁極層支持体，
７５・・・ベアリング，                  ７６・・・スリット部，
７７・・・突部，                        ７８・・・クラッチ円板，
７９・・・スプリング，                  ７ａ・・・凹部，
７ｂ・・・偏倚規制突部，                ７ｃ・・・冷却用ファン
８１・・・第一磁性体突極，              ８２・・・第二磁性体突極，
８３・・・磁気空隙部，                  ８４・・・第一磁性体突極延長部，
８５・・・第二磁性体突極延長部，        ８６・・・第一バイパス磁極，
８７・・・第二バイパス磁極，            ８８・・・回転方向
９１・・・主磁路，                      ９２・・・バイパス磁路
１１１・・・磁石トルク，                １１２・・・リラクタンストルク，
１１３・・・合成トルク，                １１４・・・縦軸，
１１５・・・横軸
１２１・・・磁束量制御を行う時間帯，    １２２・・・回転駆動制御行う時間帯，
１２３・・・回転駆動制御のみを行う時間帯，
１２４・・・回転速度，                  １２５・・・界磁磁束量，
１２６・・・所定の電圧，                １２７・・・発電電圧，
１２８・・・界磁磁束量，
１２９・・・界磁磁束量７８を減少させる場合，
１２ａ・・・界磁磁束量７８を増加させる場合
１３１・・・表面磁極部，                １３２・・・励磁部，
１３３，１３４・・サンギア，            １３５，１３６・・プラネタリギア，
１３７，１３８・・プラネタリギア支持枠，
１３９，１３ａ・・リングギア，          １３ｂ・・・ウオームギア，
１３ｃ・・・回転プーリ，                １３ｄ・・・回転子支持体，
１３ｅ・・・ベアリング
１４１，１４２・・磁性体突極，          １４３・・・中間磁性体突極，
１４４，１４５，１４６，１４７・・磁石板，
１４８・・・磁気空隙部，                １４９・・・磁気空隙部，
１４ａ・・・回転方向，                  １４ｂ，１４ｃ・・磁性体突極延長部
１５１・・・ステップモータ
１６１・・・磁性体歯，                  １６２・・・円筒状磁気ヨーク，
１６３・・・電機子コイル，              １６４・・・励磁部，
１６５・・・表面磁極部，                １６６・・・回転子支持体，
１６７・・・空洞部，                    １６８・・・ベアリング，
１６９・・・ギア，                      １６ａ・・・スリップリング，
１６ｂ・・・ブラシ，                    １６ｃ・・・冷却ファン
１７１，１７２・・磁性体突極，          １７３・・・バイパス磁極，
１７４・・・バイパス磁極の端部，        １７５・・・間隙，
１７６，１７７・・界磁磁石，            １７８・・・円筒状磁気コア，
１７９，１７ａ・・磁気空隙部
１８１・・・ウオームギア，              １８２・・・ステップモータ，
１８３・・・磁気力の方向，              １８４・・・ロードセル
１９１・・・学習区間，                  １９２・・・磁束量制御区間，
１９３・・・回転速度，                  １９４・・・界磁磁束量，
１９５・・・発電電圧，                  １９６・・・時間
２０１・・・表面磁極部，                ２０２・・・励磁部，
２０３・・・バイパス磁極延長部，        ２０４・・・円環状磁気コア，
２０５・・・延長部，                    ２０６・・・Ｃ字状磁気コア，
２０７・・・磁気抵抗調整用コイル
２１１・・・第一磁性体突極，            ２１２・・・第二磁性体突極，
２１３・・・磁気空隙部，                ２１４・・・第一磁性体突極延長部
２２１・・・回転軸，                    ２２２・・・ハウジング，
２２３・・・ベアリング，                ２２４・・・磁性体歯，
２２５・・・円環状磁気ヨーク，          ２２６・・・電機子コイル，
２２７・・・表面磁極部，                ２２８・・・バイパス磁極，
２２９・・・界磁磁石，                  ２２ａ・・・円環状バックヨーク，
２２ｂ・・・表面磁極部支持体，          ２１ｃ・・・励磁部支持体，
２２ｄ・・・ディテント，                ２２ｅ・・・ギア，
２２ｆ・・・スプリング，                ２２ｇ・・・円環状磁性体板，
２２ｈ・・・円環状コイル，              ２２ｊ・・・Ｃ字状磁気コア
２３１，２３２・・磁性体突極，          ２３３・・・磁気空隙部
２４１・・・磁気空隙
２５１，２５２・・磁性体突極延長部，    ２５３，２５４・・バイパス磁極，
２５５・・・磁気空隙，                  ２５６・・・回転子の回転方向
２６１，２６２・・界磁磁石
２７１・・・第一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
【図１】
2009261216.tif 000003
【図２】
2009261216.tif 000004
【図３】
2009261216.tif 000005
【図４】
2009261216.tif 000006
【図５】
2009261216.tif 000007
【図６】
2009261216.tif 000008
【図７】
2009261216.tif 000009
【図８】
2009261216.tif 000010
【図９】
2009261216.tif 000011
【図１０】
2009261216.tif 000012
【図１１】
2009261216.tif 000013
【図１２】
2009261216.tif 000014
【図１３】
2009261216.tif 000015
【図１４】
2009261216.tif 000016
【図１５】
2009261216.tif 000017
【図１６】
2009261216.tif 000018
【図１７】
2009261216.tif 000019
【図１８】
2009261216.tif 000020
【図１９】
2009261216.tif 000021
【図２０】
2009261216.tif 000022
【図２１】
2009261216.tif 000023
【図２２】
2009261216.tif 000024
【図２３】
2009261216.tif 000025
【図２４】
2009261216.tif 000026
【図２５】
2009261216.tif 000027
【図２６】
2009261216.tif 000028
【図２７】
2009261216.tif 000029