(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】  本発明の磁石励磁回転電機システムは，同種の極性に磁化される磁性体突極を一括して励磁する励磁部を有し，励磁部内の界磁磁石には界磁磁石からの磁束を電機子を介して環流する主磁路及び励磁部内で環流するバイパス磁路が並列接続され，主磁路を流れる磁束量を機械的な偏倚により制御する。これにより磁束量制御を容易とする回転電機システム，磁束量制御方法が実現される。さらに上記磁路の磁気抵抗を調整して両磁路間の短絡磁束量を小さく，偏倚に必要な力を小とする手段，方法が提案されている。【選択図】  図１
2009268298.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を第一界磁磁極，他方の磁極を第二界磁磁極としたときに第一界磁磁極に主磁極及びバイパス磁極が対向して配置され，第一界磁磁極から主磁極に流入する磁束が磁性体突極及び電機子を介して第二界磁磁極に環流する主磁路及び第一界磁磁極からバイパス磁極に流入する磁束が主として励磁部内で第二界磁磁極に環流するバイパス磁路が界磁磁石に並列に接続され，主磁路とバイパス磁路間の磁気抵抗が主磁路の磁気抵抗とバイパス磁路の磁気抵抗との間の差より大になるよう構成され，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第一界磁磁極が主磁極と対向する面積及びバイパス磁極と対向する面積の和が一定に保たれながら前記それぞれの対向面積を変える事が出来るよう可動磁極部が残余に対して相対偏倚可能に構成され，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３】
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，主磁路とバイパス磁路間の磁気抵抗が主磁路の磁気抵抗とバイパス磁路の磁気抵抗との間の差より大になるよう主磁路或いは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４】
請求項３記載の回転電機システムに於いて，磁気抵抗調整手段としてバイパス磁路内の空隙に於ける空隙長調整手段を有する事を特徴とする回転電機システム
【請求項５】
請求項３記載の回転電機システムに於いて，磁気抵抗調整手段としてバイパス磁路に巻回した磁気抵抗調整コイルを有する事を特徴とする回転電機システム
【請求項６】
請求項３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の検知手段を有し，前記磁気力が予め定められた範囲内になるよう磁気抵抗調整手段により主磁路或いはバイパス磁路の磁気抵抗を調整して主磁路とバイパス磁路間の磁気抵抗が主磁路の磁気抵抗とバイパス磁路の磁気抵抗との間の差より大と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，界磁磁石から磁性体突極に至る磁路の一部が磁性体突極の平均的な導電率より大きい磁性体で構成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，さらに可動磁極部の偏倚規制手段を有し，界磁磁石の第一界磁磁極が主磁極と対向する面積及びバイパス磁極と対向する面積の和が一定に保たれながら前記それぞれの面積が変わる範囲内に可動磁極部の相対偏倚量が規制される事を特徴とする回転電機システム
【請求項９】
請求項１から請求項８記載の何れかの回転電機システムに於いて，さらに制御装置を有し，回転力を入力とし，発電電力を出力とする回転電機システムであって，制御装置により電機子コイルに誘起される発電電圧が所定の値より大の時は可動磁極部が偏倚されて第一界磁磁極と主磁極とが対向する面積を小とされ，発電電圧が所定の値より小の時は可動磁極部が偏倚されて第一界磁磁極と主磁極とが対向する面積を大とされ，発電電圧が所定の値に制御される事を特徴とする回転電機システム
【請求項１０】
請求項１から請求項８記載の何れかの回転電機システムに於いて，さらに制御装置を有し，電機子コイルへの供給電流を入力とし，回転力を出力とする回転電機システムであって，制御装置により回転速度が所定の値より大で電機子を流れる磁束量を減少させる時には可動磁極部が偏倚されて第一界磁磁極と主磁極とが対向する面積を小とされ，回転速度が所定の値より小で電機子を流れる磁束量を増大させる時には可動磁極部が偏倚されて第一界磁磁極と主磁極とが対向する面積を大として回転力が最適に制御される事を特徴とする回転電機システム
【請求項１１】
請求項１から請求項８記載の何れかの回転電機システムに於いて，さらに制御装置を有し，電機子コイルへの供給電流を入力とし，回転力を出力とする回転電機システムであって，回転速度を減少させる場合には制御装置により電機子を流れる磁束量を大とされるよう可動磁極部が偏倚されて第一界磁磁極と主磁極とが対向する面積が大とされて回転エネルギーが発電電力として取り出される事を特徴とする回転電機システム
【請求項１２】
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の界磁制御方法であって，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を界磁磁石に並列に接続し，主磁路とバイパス磁路間の磁気抵抗を主磁路の磁気抵抗とバイパス磁路の磁気抵抗との間の差より大にし，主磁極及びバイパス磁極のユニット或いは界磁磁石の何れかを可動磁極部として界磁磁石が主磁極と対向する面積及びバイパス磁極と対向する面積の和を一定に保ちながら前記それぞれの面積を変えるよう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１３】
請求項１２記載の界磁制御方法に於いて以下のステップを含んで，バイパス磁路及び主磁路の磁気抵抗をほぼ等しいとする最小磁気力条件に設定する。
【請求項１４】
請求項１２記載の磁束量制御方法に於いて以下のステップを含んで，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，主磁路とバイパス磁路間の磁気抵抗が主磁路の磁気抵抗とバイパス磁路の磁気抵抗との間の差より大にな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。
【請求項１５】
請求項１４記載の磁束量制御方法に於いて以下のステップを含んで，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，前記磁気力が予め定められた範囲内になるよう磁気抵抗調整手段により主磁路或いはバイパス磁路の磁気抵抗を調整して主磁路とバイパス磁路間の磁気抵抗を主磁路の磁気抵抗とバイパス磁路の磁気抵抗との間の差より大とする。
【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装置はエネルギー効率に優れ，永久磁石の技術的進歩に伴い日常的に広く使われている。しかしそのような回転電機は、界磁からの磁束が一定であるので電動機として用いられるにしても発電機として用いられるにしても広い回転速度範囲で常に最適の出力が得られる訳ではない。すなわち，電動機の場合は高速回転域では逆起電力（発電電圧）が高すぎる結果となって制御が困難となり，弱め界磁制御として界磁強度を弱める種々の手段が提案されている。また発電機の場合，広い回転速度範囲に於いて発電電圧を所定のレベルとする為に専ら界磁電流制御による定電圧発電或いは半導体による発電電圧の定電圧化回路が用いられている。
【０００３】
電動機では進み位相電流による弱め界磁制御が広く採用されているが，回転に直接寄与しない電流を流す為にエネルギー損失を大とする。永久磁石励磁に制御用電流励磁を併用する場合は回転電機の構造を複雑にし，その上にエネルギー損失を伴う。さらに発電機の場合，大電力での定電圧化電子回路のコスト負担が大であるとの問題があった。したがって，回転電機装置の構成を工夫して電子回路制御を最小限に留めて装置全体としてのコストを低減する方策は以前から求められ，種々の提案が為されてきた。
【０００４】
上記提案例に界磁回転子を二分し，二つの界磁回転子を周方向に相対偏倚させて実効的に界磁強度を制御する方法がある（特許文献１）。前記相対偏倚は機構的に保持出来るので制御の為のエネルギー損失は少ない長所はあるが，電機子に流入する界磁磁束量は変わらないので高速回転域で渦電流損が大きい欠点がある。他の提案例に界磁磁石を含む磁気回路の磁気抵抗を変えて磁束を制御する方法がある（特許文献２，３）。更に他の提案例として界磁磁石を短絡制御する方法がある（特許文献４，５，６）。一般に磁石を含む磁気回路に可動部分が存在する場合，磁気回路を流れる磁束を大にする方向（磁気抵抗を小にする方向）に可動部分を偏倚させようとする磁気力が存在する。界磁磁石は回転電機装置に於いて，力を発生し或いは電力を発生する源泉である。上記提案はこれら力の源泉を直接に制御しようとする試みであって，機構の偏倚制御に大きな力を要すると共に部材の振動或いはハンチング等を招来して精密な制御は難しい。さらに大出力のアクチュエータ，過分な機械強度を伴う制御機構等を必要として実現には困難を伴っている。
【０００５】
本願発明者は先に特願２００７−２１２６７４により，永久磁石界磁の制御方法及び回転電機システムを提案した。これらは界磁磁石に磁束が電機子側を通る主磁路，及び電機子を通らないバイパス磁路を並列に接続する構成として機構偏倚により主磁路に分流する界磁磁束量を変える構造であり，次の特徴がある。すなわち，（１）界磁磁石を減磁させる懸念の無い事，（２）界磁制御に際して機構偏倚を妨げる磁気力発生を抑制できる事，（３）界磁の条件保存が可能な機構手段である事，（４）電機子側への界磁磁束をゼロ近傍にまで減少できて渦電流損を抑制出来る事，（５）電機子と対向する磁性体突極を流れる界磁磁束をゼロ近傍にまで制御して磁性体突極の磁性体全てをリラクタンストルク発生に開放可能な構成である事，等々である。
【０００６】
しかしながら，量産段階で各部材は公差範囲内でバラツキ，また経時的変化，さらには運転状態により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磁路の磁気抵抗は変動し，上記機構偏倚を妨げる磁気力が現れる場合がある。また，主磁路とバイパス磁路，それぞれの磁気抵抗間の差が大になると，磁路間の短絡磁束量が大となり，磁束量の分流制御の精度が著しく損なわれる場合がある。
【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，主磁路及びバイパス磁路間での短絡磁束量を低減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，電機子を流れる磁束量を機構偏倚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を第一界磁磁極，他方の磁極を第二界磁磁極としたときに第一界磁磁極に主磁極及びバイパス磁極が対向して配置され，第一界磁磁極から主磁極に流入する磁束が磁性体突極及び電機子を介して第二界磁磁極に環流する主磁路及び第一界磁磁極からバイパス磁極に流入する磁束が主として励磁部内で第二界磁磁極に環流するバイパス磁路が界磁磁石に並列に接続され，主磁路とバイパス磁路間の磁気抵抗が主磁路の磁気抵抗とバイパス磁路の磁気抵抗との間の差より大になるよう構成され，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第一界磁磁極が主磁極と対向する面積及びバイパス磁極と対向する面積の和が一定に保たれながら前記それぞれの対向面積を変える事が出来るよう可動磁極部が残余に対して相対偏倚可能に構成され，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。
【００１０】
上記構成に於いて，界磁磁石に主磁極及びバイパス磁極が微小間隙を介して対向し，磁束は界磁磁石及び磁性体近傍ではそれらの境界面にほぼ直交するので界磁磁石からの磁束はほぼ層流状に主磁極及びバイパス磁極に流入し，主磁極に分流される磁束量は主磁極と界磁磁石の対向面積に比例する。さらに主磁路とバイパス磁路間の磁気抵抗が主磁路の磁気抵抗とバイパス磁路の磁気抵抗との間の差より大になるよう構成されているのでそれぞれの磁路の磁気抵抗間に差が現れる場合でも磁路間の短絡磁束量は小さく抑えられ，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。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を示している。
【００１１】
しかし，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主磁路とバイパス磁路間の磁気抵抗が主磁路の磁気抵抗とバイパス磁路の磁気抵抗との間の差より大になるよう設定する。
【００１２】
回転電機には，界磁部が回転し電機子が静止する構造及びその逆の構造，さらに円筒状の電機子と界磁部が径方向に空隙を介して対向する構造，或いは略円盤状の電機子と界磁部が軸方向に空隙を介して対向する構造等のいずれの構造も存在する。本発明は永久磁石励磁の界磁部を持つ上記何れの構造の回転電機にも適用される。また，回転電機は電機子コイルへの電流を入力として回転力を出力とすれば電動機であり，回転力を入力として電機子コイルから電流を出力すれば発電機である。電動機或いは発電機に於いて最適の磁極構成は存在するが，可逆的であり，上記の回転電機システムは電動機，発電機の何れにも適用される。
【００１３】
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。前記主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗を互いにほぼ等しいとする最小磁気力条件に設定する事により磁路間の短絡磁束量は小さく抑えられる。さらに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」の意味は回転電機システムの仕様に沿って前記短絡磁束量が許容レベルに抑えられるよう，或い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。
【００１４】
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，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，主磁路とバイパス磁路間の磁気抵抗が主磁路の磁気抵抗とバイパス磁路の磁気抵抗との間の差より大になるよう主磁路或いはバイパス磁路の磁気抵抗が調整される事を特徴とする。前記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主磁路の磁気抵抗とバイパス磁路の磁気抵抗との間の差を小として精密な磁束量制御を可能にする提案をし，さらに，回転電機の運転条件により変わる磁路の磁気抵抗に適合させる。磁気抵抗調整の具体的な手段，方法として磁路の一部に配置した磁気空隙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を提案している。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可能である。
【００１５】
請求項４の発明は，請求項３記載の回転電機システムに於いて，磁気抵抗調整手段としてバイパス磁路内の空隙に於ける空隙長調整手段を有する事を特徴とする。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。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。
【００１６】
請求項５の発明は，請求項３記載の回転電機システムに於いて，磁気抵抗調整手段としてバイパス磁路に巻回した磁気抵抗調整コイルを有する事を特徴とする。バイパス磁路に磁気抵抗調整コイルを配置し，供給する電流量により実効的にバイパス磁路の磁気抵抗を調整する。
【００１７】
請求項６の発明は，請求項３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の検知手段を有し，前記磁気力が予め定められた範囲内になるよう磁気抵抗調整手段により主磁路或いはバイパス磁路の磁気抵抗を調整して主磁路とバイパス磁路間の磁気抵抗が主磁路の磁気抵抗とバイパス磁路の磁気抵抗との間の差より大とする事を特徴とする。主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗は，可動磁極部の偏倚位置の影響を受け，温度による磁気特性変化，さらに経時的な磁気特性変化等の影響を受ける。本発明は主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗が最小磁気力条件から外れる事で現れる磁気力の検知手段を有し，主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗の差の程度を検知し，磁気抵抗調整手段を制御する。静止状態或いは平均的な運転条件に於いて主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗を最小磁気力条件に設定し，本発明に沿って連続的に主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗を調整すれば，常に磁路間の短絡磁束量を小さく抑え，さらに偏倚を妨げる磁気力を小さく抑える事が出来て精密な磁束量制御を実現できる。
【００１８】
請求項７の発明は，請求項１記載の回転電機システムに於いて，磁磁石から磁性体突極に至る磁路の一部が磁性体突極の平均的な導電率より大きい磁性体で構成される事を特徴とする。磁性体突極と磁性体歯との相対関係に応じて電機子コイルに流れる電流により主磁路の磁気抵抗は実効的に脈動し，脈動的な磁路間の磁束漏洩及び磁気力が発生する。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平均的な導電率より大きい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。この構成により磁路間の脈動的な磁束漏洩を減少させて精密な磁束量制御が可能となる。
【００１９】
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，さらに可動磁極部の偏倚規制手段を有し，界磁磁石の第一界磁磁極が主磁極と対向する面積及びバイパス磁極と対向する面積の和が一定に保たれながら前記それぞれの面積が変わる範囲内に可動磁極部の相対偏倚量が規制される事を特徴とする。可動磁極部の相対偏倚量と主磁極に分流される界磁磁束量とが比例し，磁束量制御をシンプルに出来る。
【００２０】
請求項９の発明は，請求項１から請求項８記載の何れかの回転電機システムに於いて，さらに制御装置を有し，回転力を入力とし，発電電力を出力とする回転電機システムであって，制御装置により電機子コイルに誘起される発電電圧が所定の値より大の時は可動磁極部が偏倚されて第一界磁磁極と主磁極とが対向する面積を小とされ，発電電圧が所定の値より小の時は可動磁極部が偏倚されて第一界磁磁極と主磁極とが対向する面積を大とされ，発電電圧が所定の値に制御される事を特徴とする回転電機システムである。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。
【００２１】
請求項１０の発明は，請求項１から請求項８記載の何れかの回転電機システムに於いて，さらに制御装置を有し，電機子コイルへの供給電流を入力とし，回転力を出力とする回転電機システムであって，制御装置により回転速度が所定の値より大で電機子を流れる磁束量を減少させる時には可動磁極部が偏倚されて第一界磁磁極と主磁極とが対向する面積を小とされ，回転速度が所定の値より小で電機子を流れる磁束量を増大させる時には可動磁極部が偏倚されて第一界磁磁極と主磁極とが対向する面積を大として回転力が最適に制御される事を特徴とする回転電機システムである。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。
【００２２】
請求項１１の発明は，請求項１から請求項８記載の何れかの回転電機システムに於いて，さらに制御装置を有し，電機子コイルへの供給電流を入力とし，回転力を出力とする回転電機システムであって，回転速度を減少させる場合には制御装置により電機子を流れる磁束量を大とされるよう可動磁極部が偏倚されて第一界磁磁極と主磁極とが対向する面積が大とされて回転エネルギーが発電電力として取り出される事を特徴とする。回生制動の能力を改善して総合的なエネルギー効率を向上させた電動機を提供する。
【００２３】
請求項１２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の界磁制御方法であって，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を界磁磁石に並列に接続し，主磁路とバイパス磁路間の磁気抵抗が主磁路の磁気抵抗とバイパス磁路の磁気抵抗との間の差より大にし，主磁極及びバイパス磁極のユニット或いは界磁磁石の何れかを可動磁極部として界磁磁石が主磁極と対向する面積及びバイパス磁極と対向する面積の和を一定に保ちながら前記それぞれの面積を変えるよう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。
【００２４】
磁石励磁回転電機システムに於ける磁束量制御方法であって，磁性体突極を励磁する界磁磁石に磁性体突極及び電機子側を通る主磁路及び電機子側を通らないバイパス磁路とが並列に接続され，主磁路に接続される主磁極及びバイパス磁路に接続されるバイパス磁極と界磁磁石の磁極との対向面積を機構偏倚により変えて主磁路，すなわち電機子側を流れる磁束量を制御する。さらに主磁路とバイパス磁路間の磁気抵抗が主磁路の磁気抵抗とバイパス磁路の磁気抵抗との間の差より大になるよう構成されているので磁路間の短絡磁束量は小さく抑えられ，磁束量の精密な制御が可能になる。また，主磁路を流れる磁束量を変更しても界磁磁石には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。
【００２５】
請求項１３の発明は，請求項１２記載の界磁制御方法に於いて以下のステップを含む。バイパス磁路及び主磁路の磁気抵抗をほぼ等しいとする最小磁気力条件に設定する。前記主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗を互いにほぼ等しいとする最小磁気力条件に設定する事により磁路間の短絡磁束量は小さく抑えられる。さらに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。
【００２６】
請求項１４の発明は，請求項１２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，主磁路とバイパス磁路間の磁気抵抗が主磁路の磁気抵抗とバイパス磁路の磁気抵抗との間の差より大にな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。前記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主磁路の磁気抵抗とバイパス磁路の磁気抵抗との間の差を小として精密な磁束量制御を可能にする提案をし，さらに，回転電機の運転条件により変わる磁路の磁気抵抗に適合させる。磁気抵抗調整の具体的な手段，方法として磁路の一部に配置した磁気空隙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を提案している。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可能である。
【００２７】
請求項１５の発明は，請求項１４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，前記磁気力が予め定められた範囲内になるよう磁気抵抗調整手段により主磁路或いはバイパス磁路の磁気抵抗を調整して主磁路とバイパス磁路間の磁気抵抗が主磁路の磁気抵抗とバイパス磁路の磁気抵抗との間の差より大とする。主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗は，可動磁極部の偏倚位置の影響を受け，温度による磁気特性変化，さらに経時的な磁気特性変化等の影響を受ける。本発明は主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗が最小磁気力条件から外れる事で現れる磁気力の検知手段を有し，主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗の差の程度を検知し，磁気抵抗調整手段を制御する。静止状態或いは平均的な運転条件に於いて主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗を最小磁気力条件に設定し，本発明に沿って連続的に主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗を調整すれば，常に磁路間の短絡磁束量を小さく抑え，さらに偏倚を妨げる磁気力を小さく抑える事が出来て精密な磁束量制御を実現できる。
【発明の効果】
【００２８】
永久磁石励磁の回転電機システムに於いて，磁性体突極には励磁部から界磁磁束を供給する構成とし，機構偏倚により界磁磁石の磁束を主磁路及びバイパス磁路に分流制御させるとして，磁路間に於ける磁束量短絡を抑え，さらに機構偏倚の障害となる磁気力を抑制して電機子を流れる磁束量を制御可能とした。磁性体突極及び電機子を通る主磁路の磁気抵抗は回転電機が電動機或いは発電機として動作中に実効的に変動し，更に量産時の部材寸法公差によりばらつく事を考慮し，回転電機の組み立て後或いは動作中に主磁路，バイパス磁路の磁気抵抗の設定条件に実効的に調整制御出来る回転電機システムとした。本発明により種々の要因により量産段階で特性がばらついた場合でも磁路間に於ける磁束短絡は抑制され，前記機構偏倚に際して磁気力は抑制して精密な磁束量制御が可能である。本発明により，永久磁石励磁の回転電機システムに於ける弱め界磁制御が容易となり，高エネルギー効率で出力を最適に制御する回転電機システムを実現出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
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】
【００３０】
本発明の第一実施例による回転電機システムを図１から図６を用いて説明する。第一実施例は，磁性体突極と磁気空隙部を周方向に交互に持つシンプルな磁極構成の回転子であり，励磁部を回転子の内部に配置した回転電機システムである。図１は回転電機の縦断面図，図２は電機子と回転子とを示す断面図，図３は回転子の構成を示す分解斜視図，図４は界磁磁石近傍の磁束の流れを示す図，図５は界磁磁石を含む磁気回路のモデル図，図６は弱め界磁制御を行う回転電機システムのブロック図である。
【００３１】
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，円筒状磁気ヨーク１５から径方向に延びる複数の磁性体歯１４と，磁性体歯１４に巻回された電機子コイル１６とから構成されている。回転子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１７，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１８，第二延長部１９とから構成されている。
【００３２】
回転子の表面磁極部１７の内側には励磁部が配置されて第一延長部１８，第二延長部１９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１ａ，主磁極１ｂ，バイパス磁極１ｃ，ベース磁極１ｅから構成され，界磁磁石１ａは励磁部支持体１ｄに固定され，界磁磁石１ａと励磁部支持体１ｄは主磁極１ｂ，バイパス磁極１ｃ及びベース磁極１ｅ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。界磁磁石１ａ，主磁極１ｂ，バイパス磁極１ｃ，ベース磁極１ｅ及び励磁部支持体１ｄは円筒状の磁性体で構成されている。
【００３３】
界磁磁石１ａと励磁部支持体１ｄ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１ｇ，回転軸１１の中空部に収納された制御棒１ｋ，プッシュロッド１ｍ，アクチュエータ１ｎとから構成され，制御棒１ｋには励磁部支持体１ｄに固定したピン１ｆが回転軸１１のスリット１ｊを介して接する構成である。円筒状の非磁性体１ｈは界磁磁石１ａの偏倚範囲を規制する手段として配置されている。番号１ｐは冷却用ファンを示す。
【００３４】
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。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２６を隣接する磁性体歯１４先端部間に設けてある。磁性体歯７４及び可飽和磁性体結合部２６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。
【００３５】
可飽和磁性体結合部２６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２６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石からの磁束によって容易に飽和し，その場合に電機子コイル１６が発生させる磁束及び磁束の短絡を僅かな量とする。電機子コイル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２６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２６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２６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。
【００３６】
図２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２１，２２で代表させ，磁気空隙部を番号２３で示している。番号２４は磁束チャネル部である。本実施例では磁性体突極２１，２２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２４として界磁磁束の軸方向伝搬を容易にする構成としている。磁性体突極２１，２２は幅の狭い可飽和磁性体部２５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２３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。
【００３７】
本実施例に於いては，回転子の空きスペースを利用して飽和磁束密度の大きな鉄で構成した断面積が大きい磁束チャネル部２４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２４は界磁磁束を回転軸１１に沿って伝搬させる事が出来る。
【００３８】
図３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２１，２２等を有する中心部と磁性体突極の第一，第二延長部１８，１９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１８は軟鉄をプレス成形して磁性体突極２１の延長部分となる磁性体突部３１を有して構成され，非磁性体部３３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１９は軟鉄をプレス成形して磁性体突極２２の延長部分となる磁性体突部３２を有して構成され，非磁性体部３４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３５は励磁部の一部を示している。
【００３９】
励磁部の構成は図１に縦断面図が示されている。励磁部の主要構成部材は円筒状であり，主磁極１ｂ，バイパス磁極１ｃが軸方向に並んで配置され，主磁極１ｂは第二延長部１９と結合され，バイパス磁極１ｃは第一延長部１８と微小間隙を介して結合されている。ベース磁極１ｅは第一延長部１８に結合され，さらにベース磁極１ｅは励磁部支持体１ｄと微小間隙を介して磁気的に結合されている。界磁磁石１ａは励磁部支持体１ｄに固定されて主磁極１ｂ，バイパス磁極１ｃ及びベース磁極１ｅ間を摺動可能に配置されている。界磁磁石１ａは径方向の磁化を持ち，矢印は磁化の方向を示す。
【００４０】
界磁磁石１ａに二つの磁気回路である主磁路及びバイパス磁路が並列に接続されている構成であり，主磁路は主磁極１ｂ，第二延長部１９，磁性体突極２２，磁性体歯１４，磁性体突極２１，第一延長部１８，ベース磁極１ｅ，励磁部支持体１ｄで構成され，バイパス磁路はバイパス磁極１ｃ，第一延長部１８，ベース磁極１ｅ，励磁部支持体１ｄで構成される。バイパス磁路の磁気抵抗はバイパス磁極１ｃと第一延長部１８間の微小間隙の長さを調整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１ａの軸方向への偏倚に従って，界磁磁石１ａが主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃと対向する面積の和を一定に保ちながら主磁極１ｂ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，その際に界磁磁石１ａから流れる磁束総量は一定に保たれるので界磁磁石１ａの偏倚に抗する磁気力は理論的に現れない。
【００４１】
主磁極１ｂ，バイパス磁極１ｃの長さは界磁磁石１ａの長さより大きいが，円筒状の非磁性体１ｈにより界磁磁石１ａは常に主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃと対向するよう偏倚の範囲が規制されている。界磁磁石１ａと主磁極１ｂ，バイパス磁極１ｃそれぞれの対向面積の和は一定であり，それらの面積は偏倚に従って変化し，主磁路に分流される磁束量と界磁磁石１ａの偏倚量はほぼ比例する。
【００４２】
界磁磁石１ａからの磁束は層流状に主磁極１ｂ，バイパス磁極１ｃに流入し，主磁極１ｂを流れる磁束量は界磁磁石１ａと主磁極１ｂとが対向する面積に比例する。図４は図１に示した界磁磁石１ａと主磁極１ｂ，バイパス磁極１ｃとが対向する部分の拡大図であり，バイパス磁路の磁気抵抗が主磁路の磁気抵抗より小さい場合に於ける界磁磁石１ａ近傍の磁束分布をモデル的に示している。図に於いて，矢印の向きは界磁磁石１ａのＮ極から磁束が流れ出るとして磁束の流れる方向を示している。界磁磁石１ａと主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃ間の微小空隙４１では磁束が界磁磁石１ａと主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃそれぞれの境界面とほぼ直交して層流状に流れ，番号４３は主磁極１ｂに流入して主磁路に流れる磁束を，番号４４はバイパス磁極１ｃに流入してバイパス磁路を流れる磁束をそれぞれ代表して示している。番号４５は界磁磁石１ａから主磁極１ｂに流入した磁束が主磁極１ｂとバイパス磁極１ｃ間の空隙部４２を通ってバイパス磁極１ｃに流入してバイパス磁路を流れる磁束を代表して示している。このように主磁路とバイパス磁路それぞれの磁気抵抗間の差が大であると，主磁路からバイパス磁路に漏洩する磁束が存在して主磁路を流れる磁束量は必ずしも界磁磁石１ａと主磁極１ｂとが対向する面積に比例しない。
【００４３】
本実施例では主磁路とバイパス磁路間の磁気抵抗を平均的な運転条件に於ける主磁路の磁気抵抗とバイパス磁路の磁気抵抗間の差より大となるよう構成される。主磁路とバイパス磁路間の距離が最も小さいのは主磁極１ｂ，バイパス磁極１ｃ間であるので主磁極１ｂ，バイパス磁極１ｃ間の形状寸法の設定により主磁路とバイパス磁路間の磁気抵抗を設定する。図１，図４に示したように界磁磁石１ａから離れた位置では空隙長が大きくなるよう空隙部４２の形状を設定し，主磁極１ｂとバイパス磁極１ｃ間の磁気抵抗を平均的な運転条件に於ける主磁路とバイパス磁路の磁気抵抗間の差より大となるよう寸法を設定している。これにより番号４５で示す主磁極１ｂとバイパス磁極１ｃとの間で短絡的に漏洩する磁束は減少し，主磁路を流れる磁束量が界磁磁石１ａと主磁極１ｂとが対向する面積に精確に比例する。
【００４４】
図５は図２及び図４を用いて説明した主磁路及びバイパス磁路と界磁磁石１ａとを含む磁気回路をモデル的に示した図である。界磁磁石１ａは多数の電流源が並列接続された集合体として示されて主磁極１ｂ，バイパス磁極１ｃと対向し，界磁磁石１ａから主磁極１ｂに流入した磁束が磁気抵抗５１を流れてベース磁極１ｅを介して環流する主磁路，バイパス磁極１ｃに流入した磁束が磁気抵抗５２を流れてベース磁極１ｅを介して環流するバイパス磁路とが示されている。番号５３は磁路間の磁気抵抗を，番号５４は界磁磁石１ａの偏倚する方向をそれぞれ示している。主磁路の磁気抵抗５１，バイパス磁路の磁気抵抗５２はそれぞれ界磁磁石１ａから離れた部分が支配的となる構成であり，両磁路間の距離が最も小さくなるのは主磁極１ｂ，バイパス磁極１ｃ間であるので磁路間の磁気抵抗５３は主磁極１ｂ，バイパス磁極１ｃ間に配置されている。図４では磁気抵抗５１より磁気抵抗５２が小である場合の磁束漏洩の状態を示したが，図５のモデル的な磁気回路より判明するように磁路間の磁気抵抗５３を磁気抵抗５１と磁気抵抗５２との差より大に設定すれば，磁気抵抗５３を流れる磁束を減少させる事が出来る。
【００４５】
本実施例では主磁路及びバイパス磁路それぞれの磁気抵抗の差より両磁路間の磁気抵抗を大に構成して磁路間を短絡的に漏洩する磁束量を抑制する構成としているが，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２１，２２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２１，２２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３に示すように磁性体突極の第一，第二延長部１８，１９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。
【００４６】
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。
【００４７】
本実施例では界磁磁石１ａが微小間隙を介して主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃに対向する構成である。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１ａから磁性体を介して主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃに対向させると，界磁磁石１ａからの磁束はそれぞれの磁路の磁気抵抗に応じて前記磁性体内で分流して主磁路を流れる磁束は界磁磁石１ａと主磁極１ｂ間の対向面積には比例しない事になり，磁束量の制御は困難となる。構造上の制約から界磁磁石１ａから磁性体を介して主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃに対向させる場合には，磁性体として異方性の強い磁性体或いは厚みの薄い磁性体として磁性体内で磁束が分流し難い構成とする。この構成は実質的に界磁磁石１ａの端面で磁束を分流させる点で本発明の趣旨に含まれる。
【００４８】
界磁磁石１ａを偏倚させる偏倚制御手段の構成を図１により説明する。励磁部支持体１ｄに固定した３個のピン１ｆは回転軸１１に設けた３個のスリット１ｊを介して制御棒１ｋに接し，制御棒１ｋ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１ｎのプッシュロッド１ｍと接している。スプリング１ｇは励磁部支持体１ｄを右方向に付勢し，アクチュエータ１ｎはプッシュロッド１ｍ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１ｄ及び界磁磁石１ａはアクチュエータ１ｎ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１ｎ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１ｍは図１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１ｍの軸方向位置を保存させている。
【００４９】
以上，図１から図５に示した回転電機に於いて，界磁磁石１ａを主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃ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。第一実施例は磁束量を制御して出力を最適化するシステムであり，図６を用いて回転電機システムとしての制御を説明する。図６は磁束量制御を行う回転電機システムのブロック図を示している。図６に於いて，回転電機６１は入力６２，出力６３を有するとし，制御装置６５は回転電機６１の出力６３及び主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃの位置を含む状態信号６４を入力として制御信号６６を介して磁束量を制御する。番号６７は電機子コイル１６の駆動制御回路を示す。回転電機６１が発電機として用いられるのであれば，入力６２は回転力であり，出力６３は発電電力となる。回転電機６１が電動機として用いられるのであれば，入力６２は駆動制御回路６７から電機子コイル１６に供給される駆動電流であり，出力６３は回転トルク，回転速度となる。
【００５０】
回転電機が電動機として用いられる場合において，弱め界磁制御を行って回転力を最適に制御する電動機システムを説明する。制御装置６５は出力６３である回転速度が所定の値より大となり電機子に流れる磁束量を小とする時には制御信号６６がアクチュエータ１ｎにより，プッシュロッド１ｍを左方向に偏倚させて主磁極１ｂと界磁磁石１ａの対向面積を小とさせる。回転速度が所定の値より小となり電機子に流れる磁束量を大とする時には制御信号６６がアクチュエータ１ｎにより，プッシュロッド１ｍを右方向に偏倚させて主磁極１ｂと界磁磁石１ａの対向面積を大とさせる。
【００５１】
回転電機が発電機として用いられる場合において，弱め界磁制御を行って発電電圧を所定の電圧となるよう制御する定電圧発電システムを説明する。制御装置６５は出力６３である発電電圧が所定の値より大となり電機子に流れる磁束量を小とする時には制御信号６６がアクチュエータ１ｎにより，プッシュロッド１ｍを左方向に偏倚させて主磁極１ｂと界磁磁石１ａの対向面積を小とさせる。発電電圧が所定の値より小となり電機子に流れる磁束量を大とする時には制御信号６６がアクチュエータ１ｎにより，プッシュロッド１ｍを右方向に偏倚させて主磁極１ｂと界磁磁石１ａの対向面積を大とさせる。
【実施例２】
【００５２】
本発明の第二実施例による回転電機システムを図７から図１１を用いて説明する。第二実施例は，ラジアルギャップ構造で且つアウターロータ構造の単極回転子を持つ回転電機システムである。励磁部は回転電機の静止側に，電機子と軸方向に隣接して配置され，バイパス磁路の磁気抵抗調整手段を有している。図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は励磁部構成を示す平面図，図１０は回転偏倚した主磁極とバイパス磁極を示す平面図，図１１は偏倚制御手段の一部を示す断面図である。
【００５３】
図７はアウターロータ構造の回転電機に本発明を適用した実施例を示し，磁性体突極は回転子に配置され，電機子は固定軸に配置されている。基板７２に固定軸７１が固定され，固定軸７１に電機子が固定され，固定軸７１にベアリング７３を介して回動可能に支持された磁性体である鉄製のロータハウジング７９に磁性体突極７７が配置されている。電機子は固定軸７１に固定された円筒状磁気ヨーク７５と，円筒状磁気ヨーク７５から径方向に延びる複数の磁性体歯７４と，磁性体歯７４に巻回された電機子コイル７６とから構成されている。回転子のロータハウジング７９は外部機器と回転力の伝達の為のプーリー部７８を持ち，ロータハウジング７９には磁性体歯７４に対向して磁性体突極７７と磁気空隙部とが周方向に交互に配置されている。
【００５４】
磁性体突極７７を磁石励磁する励磁部は，固定軸７１を周回し且つ電機子と並んで配置され，主要部を界磁磁石７ａと主磁極７ｂとバイパス磁極７ｃとベース磁極７ｄとから構成され，主磁極７ｂとバイパス磁極７ｃは励磁部支持部７ｆに支持され，励磁部支持部７ｆは固定軸７１に回動可能に支持されている。界磁磁石７ａ内の矢印は磁化の方向を示し，番号７ｅはバイパス磁極７ｃの延長部と可動ベース磁極７ｍ間の間隙を示す。間隙７ｅの空隙長調整手段は，可動ベース磁極７ｍ，電機子支持部７ｑに設けられたベース磁極調整ネジ７ｎ，アクチュエータ７ｐとから構成されている。
【００５５】
固定軸７１は中空構造として，中空部内に摺動可能に配設された制御棒７ｇを有し，制御棒７ｇはアクチュエータ７ｈにより周方向に偏倚される構成としている。固定軸７１に中空部と貫通するスリット部７ｊを持ち，スリット部７ｊを介して励磁部支持部７ｆに固定されたピン７ｋが制御棒７ｇと係合して制御棒７ｇの回転偏倚により励磁部支持部７ｆ，主磁極７ｂ，バイパス磁極７ｃを回転偏倚させる構成としている。番号７ｒはトルクセンサーを示す。
【００５６】
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。電機子は電機子支持部７ｑに固定された円筒状磁気ヨーク７５と，円筒状磁気ヨーク７５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７４と，磁性体歯７４に巻回された電機子コイル７６とから構成されている。第一の実施例では２４個の電機子コイル７６より構成され，それらは三相に結線されている。磁性体歯７４と円筒状磁気ヨーク７５はケイ素鋼板から所定の型で打ち抜かれた後，積層して構成され，電機子コイル７６が巻回されている。
【００５７】
図８に於いて，回転子はロータハウジング７９の内側に磁性体歯７４に対向してケイ素鋼板を積層された磁性体突極７７が周方向に等間隔に８個配置されている。磁性体突極７７間は磁気空隙部であり，単に空隙として構成しているが，高速回転で風損がエネルギー効率或いは音響発生で支障となる時には比抵抗が大で非磁性の樹脂，レジン等を配置する事が出来る。回転子に界磁磁石は配置されていないが，励磁部により磁性体突極７７は界磁磁石７ａの一方の磁極に，磁性体歯７４は他方の磁極に磁気的に結合されて磁化されている。このような構成は単極の回転電機であって，電動機として或いは発電機として使いにくい点はあるが，構成がシンプルであるメリットがある。
【００５８】
図９は図７に示した励磁部の構成及び磁束量制御の原理を説明する為の図である。図９（ａ）は主磁極７ｂ及びバイパス磁極７ｃ側から見た界磁磁石７ａを含む平面図であり，図９（ｂ）はロータハウジング７９側から見た主磁極７ｂ及びバイパス磁極７ｃを含む平面図である。図７及び図９（ａ）に於いて，界磁磁石７ａは磁気空隙部９１を挟んで周方向に３個配置されている。各界磁磁石７ａの磁化方向は図７に矢印で示されるように軸方向であり，界磁磁石７ａの二つの磁極を第一界磁磁極，第二界磁磁極として第二界磁磁極はベース磁極７ｄを介して円筒状磁気ヨーク７５に結合され，第一界磁磁極は対向する主磁極７ｂを介してロータハウジング７９に磁気的に結合されている。
【００５９】
図７及び図９（ｂ）に示されるように，界磁磁石７ａの第一界磁磁極に微小空隙を介して対向して各主磁極７ｂ及びバイパス磁極７ｃが周方向に並んで回動可能に配置されている。図９（ａ），（ｂ）に於いて番号９２で示される円筒状磁気コアはバイパス磁極７ｃに結合されて共に回転偏倚し，図７に示されるように間隙７ｅ，可動ベース磁極７ｍ，円筒状磁気ヨーク７５を介してベース磁極７ｄに接続している。可動ベース磁極７ｍはベース磁極調整ネジ７ｎの回転により円筒状磁気ヨーク７５に沿って摺動される。
【００６０】
界磁磁石７ａの第一界磁磁極から主磁極７ｂに流入した界磁磁束はロータハウジング７９，磁性体突極７７，磁性体歯７４，円筒状磁気ヨーク７５，ベース磁極７ｄを介して第二界磁磁極に環流する主磁路を形成し，バイパス磁極７ｃに流入した磁束は円筒状磁気コア９２，間隙７ｅ，可動ベース磁極７ｍ，円筒状磁気ヨーク７５，ベース磁極７ｄを介して第二界磁磁極に環流するバイパス磁路を形成している。間隙７ｅの対向面積及び間隙長を調整して主磁路の磁気抵抗とバイパス磁路の磁気抵抗とを互いにほぼ等しく設定する。その際，主磁路の磁気抵抗は磁性体突極７７と磁性体歯７４との相対位置により変動するので平均化した磁気抵抗にバイパス磁路の磁気抵抗とをほぼ等しく設定する。
【００６１】
主磁極７ｂ，バイパス磁極７ｃ，円筒状磁気コア９２，ベース磁極７ｄ，可動ベース磁極７ｍには交流磁束が流れ難いよう飽和磁束密度の大きな軟鉄ブロックを主体とする磁性体で構成し，全体をコンパクトに構成する。磁性体突極７７はケイ素鋼板の積層で構成され，それより比抵抗が小さく交流磁束が流れ難いので磁路間をスパイク的に短絡漏洩する磁束を抑える事が出来る。界磁磁石７ａと主磁極７ｂ及びバイパス磁極７ｃ間の磁気抵抗を小に構成する為に界磁磁石７ａと主磁極７ｂ及びバイパス磁極７ｃ間は微小な間隙を介して対向させる或いは界磁磁石７ａと主磁極７ｂ及びバイパス磁極７ｃ間は摺動させる構成とする。
【００６２】
図９（ａ），図９（ｂ）に於いて，主磁極７ｂ，バイパス磁極７ｃの周方向角度長は等しく設定され，界磁磁石７ａの周方向角度長を主磁極７ｂ，バイパス磁極７ｃ間間隙の周方向角度長及び主磁極７ｂの周方向角度長の和に等しくなるよう設定し，主磁極７ｂ，バイパス磁極７ｃの偏倚量は主磁極７ｂの周方向角度長以下としている。本実施例では主磁極７ｂ，バイパス磁極７ｃが可動磁極部に対応し，磁極ユニットとして界磁磁石７ａに対して偏倚させる。
【００６３】
図１０（ａ），（ｂ）は図９（ｂ）と同じくロータハウジング７９側から見た主磁極７ｂ及びバイパス磁極７ｃを示す平面図であり，それぞれの図は磁極ユニット（主磁極７ｂ及びバイパス磁極７ｃ）と界磁磁石７ａ間の周方向偏倚が最小，最大の場合，すなわち磁性体突極７７と磁性体歯７４間の磁束量をそれぞれ最大，最小にする場合を示している。同図に於いて，番号１０１は界磁磁石７ａの周方向に於ける存在領域を示し，図１０（ａ）に示されるように基準位置で界磁磁石７ａは主磁極７ｂの全領域に対向すると共にバイパス磁極７ｃとは僅かに対向する状態を示している。この場合に界磁磁石７ａからの磁束はほぼ全量が主磁極７ｂを介して磁性体突極７７，磁性体歯７４間に流れる。
【００６４】
図１０（ｂ）は図１０（ａ）に示す基準位置から磁極ユニットが時計回り方向に主磁極７ｂの周方向角度長に等しい回転偏倚をした場合を示し，界磁磁石７ａはバイパス磁極７ｃの全領域に対向すると共に主磁極７ｂとは僅かに対向する状態を示している。この場合に界磁磁石７ａからの磁束はほぼ全量がバイパス磁極７ｃを介して円筒状磁気コア９２，間隙７ｅ，可動ベース磁極７ｍ，円筒状磁気ヨーク７５，ベース磁極７ｄを介して第二界磁磁極に環流する。
【００６５】
図１０（ａ），（ｂ）に示した場合の中間状態では界磁磁石７ａが主磁極７ｂとバイパス磁極７ｃの双方に対向して界磁磁石７ａからの磁束は主磁路及びバイパス磁路に分流させられる。界磁磁石７ａはほぼ全幅で主磁極７ｂ及びバイパス磁極７ｃに微小間隙を介して対向し，磁束は界磁磁石７ａ，主磁極７ｂ，バイパス磁極７ｃの面に直交して流れるので磁束は界磁磁石７ａと主磁極７ｂ，バイパス磁極７ｃとの間を層流状に流れる事になる。これにより磁束は界磁磁石７ａと主磁極７ｂ，バイパス磁極７ｃそれぞれの対向面積に比例して分流される。さらに界磁磁石７ａと主磁極７ｂ，バイパス磁極７ｃそれぞれの対向面積の和は一定であり，それらの面積は主磁極７ｂとバイパス磁極７ｃの偏倚に従って変化する。主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗は互いに等しく設定して界磁磁石７ａからの磁束総量は常に一定であるので磁極ユニットの偏倚を妨げる磁気力は理論的には現れない。
【００６６】
磁極ユニットの位置が図１０（ａ），（ｂ）に示した範囲内に留まれば，界磁磁石７ａと主磁極７ｂ，バイパス磁極７ｃそれぞれの対向面積の和は一定であり，それらの面積は偏倚に従って変化し，主磁路に分流される磁束量は偏倚量にほぼ比例する。前記位置が前記範囲を超えても磁束量制御を行う事は出来るが，偏倚量と主磁路を流れる磁束量の関係は不定となる。本実施例では前記範囲内に磁極ユニットの位置を留めるようスリット７ｊの周方向位置及び周方向角度長を設定している。
【００６７】
磁極ユニットを回転偏倚させる事で磁性体突極７７，磁性体歯７４間に流れる磁束量を制御出来，その際に回転偏倚を妨げる磁気力は理論的に発生しない事を説明した。以下には図７及び図１１を用いて磁極ユニットを回転偏倚させる構成を説明する。図１１は励磁部支持部７ｆに固定されたピン７ｋが制御棒７ｇと係合する部分を拡大して示す断面図である。ピン７ｋは３個有り，固定軸７１にはスリット７ｊが設けられ，制御棒７ｇ端面にはピン７ｋを夫々受け入れる溝部が３個設けられている構造である。固定軸７１を励磁部支持部７ｆに挿通した後，ピン７ｋを励磁部支持部７ｆの外周部から打ち込み，ピン７ｋを固定軸７１内の中空部に突出させて固定し，制御棒７ｇを固定軸７１の中空部に挿入して制御棒７ｇ端部の溝部にピン７ｋを係合させる。
【００６８】
アクチュエータ７ｈは制御装置からの指示により制御棒７ｇを回転偏倚させ，ピン７ｋを介して励磁部支持部７ｆを回転偏倚させる。その際，スリット７ｊの周方向位置及び周方向角度長は磁極ユニットを図１０（ａ），（ｂ）で示す範囲内の偏倚量に留める偏倚規制手段として設定してある。アクチュエータ７ｈはステップモータを使用して磁極ユニットの偏倚位置を保存する構成としているが，他にモータとネジ機構或いはギア機構等を組み合わせて偏倚位置を保存出来る構成とする事も出来る。
【００６９】
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磁極ユニットの偏倚位置が各磁路の磁気抵抗に影響し，磁性体の透磁率は温度の影響を受けやすいので各磁路の磁気抵抗は変化する。更にまた電機子コイルに電流が流れると主磁路の磁気抵抗は実効的に変動する。本実施例ではバイパス磁路内の間隙７ｅ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している。
【００７０】
バイパス磁路の磁気抵抗を調整する構成及び方法を図７を用いて説明する。図７に於いて，番号７ｒはトルクセンサーを示している。トルクセンサー７ｒとしては各種の原理に基づくトルクセンサーを使用する事が出来るが，ストレインゲージが小型で本実施例には適している。アクチュエータ７ｈは磁束量を変更する為に磁極ユニットを周方向に偏倚させた後は周方向位置を保持する。主磁路とバイパス磁路の磁気抵抗が最小磁気力条件から外れると，磁極ユニットは磁気抵抗の小さい側の磁極（主磁極７ｂ或いはバイパス磁極７ｃ）と界磁磁石７ａとの対向面積を増す方向に偏倚させる磁気力を受ける。アクチュエータ７ｈは周方向位置を保持しようとするので制御棒７ｇは捻れ，トルクセンサー７ｒにより前記磁気力を検出する事が出来る。磁気力は主磁路とバイパス磁路の磁気抵抗の差に比例するので磁気力を予め定めた範囲内に収まるようアクチュエータ７ｐによりベース磁極調整ネジ７ｎを回転させて可動ベース磁極７ｍを軸方向前後に移動させて間隙７ｅの大きさを変化させ，主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗差を調整する。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両磁路間の磁束漏洩を小さく抑制し，さらに磁極ユニットの偏倚を妨げる磁気力が小に抑制されるので，小出力のアクチュエータ７ｈで磁束量制御が可能である。
【００７１】
以上，図７から図１１に示した回転電機に於いて，磁極ユニットを界磁磁石７ａに対して相対偏倚させる事で電機子に流れる磁束量を制御できることを説明し，さらに磁極ユニットを界磁磁石７ａ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。
【００７２】
回転電機が電動機として用いられる場合において，弱め界磁制御を行って回転力を最適に制御する電動機システムを説明する。制御装置６５は出力６３である回転速度が所定の値より大となり電機子に流れる磁束量を小とする時には制御信号６６，アクチュエータ７ｈ，制御棒７ｇを介して磁極ユニットを図１０（ａ），図１０（ｂ）に於いて時計回り方向に偏倚させ，主磁極７ｂと界磁磁石７ａとの対向面積を小とさせる。回転速度が所定の値より小となり電機子に流れる磁束量を大とする時には制御信号６６，アクチュエータ７ｈ，制御棒７ｇを介して磁極ユニットを反時計回り方向に偏倚させ，主磁極７ｂと界磁磁石７ａとの対向面積を大とさせる。
【００７３】
回転電機が発電機として用いられる場合において，弱め界磁制御を行って発電電圧を所定の電圧となるよう制御する定電圧発電システムを説明する。制御装置６５は出力６３である発電電圧が所定の値より大となり電機子に流れる磁束量を小とする時には制御信号６６，アクチュエータ７ｈ，制御棒７ｇを介して磁極ユニットを図１０（ａ），図１０（ｂ）に於いて時計回り方向に偏倚させ，主磁極７ｂと界磁磁石７ａとの対向面積を小とさせる。発電電圧が所定の値より小となり電機子に流れる磁束量を大とする時には制御信号６６，アクチュエータ７ｈ，制御棒７ｇを介して磁極ユニットを反時計回り方向に偏倚させ，主磁極７ｂと界磁磁石７ａとの対向面積を大とさせる。
【００７４】
磁路の磁気抵抗を設計値から許容範囲内に納める事が出来る場合には回転電機の組み立て後に於けるバイパス磁路の磁気抵抗調整は不要とする事が出来る。また，運転中に於ける磁路の磁気抵抗が初期状態から大きくずれない場合には回転電機の組み立て後の初期調整設定のみを採用して本実施例で採用した磁気抵抗の制御過程を省略する事が出来る。回転電機システムの仕様或いは運転条件により本実施例に於けるバイパス磁路の磁気抵抗調整手段を部分的に採用して最適の回転電機システムとする事が出来る。
【実施例３】
【００７５】
本発明による回転電機システムの第三実施例を図１２から図１６までを用いて説明する。第三実施例は，ラジアルギャップ構造の回転電機システムである。励磁部は回転子の一方の軸方向に隣接するハウジング側に配置され，バイパス磁路に磁気抵抗調整コイルを有する。図１２は回転電機の縦断面図，図１３は電機子と回転子とを示す断面図，図１４は回転子構造と励磁部配置を示す分解斜視図，図１５は励磁部の拡大された縦断面図，図１６は励磁部の断面図である。
【００７６】
図１２はラジアルギャップ構造の回転電機に本発明を適用した実施例を示し，回転軸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１に示した第一実施例と同じであるので説明は省略する。回転子の磁極部は磁性体突極と永久磁石とが周方向に交互に並ぶ表面磁極部１２１，隣り合う磁性体突極を交互に径方向の内周側及び軸方向の右へ延長させた第一延長部１２２，第二延長部１２３とから構成されている。回転子右側のハウジング側に励磁部が配置されて回転子の第一延長部１２２，第二延長部１２３と空隙を介して対向し，第一延長部１２２，第二延長部１２３に磁束を一括して供給し，隣り合う磁性体突極を互いに異極に磁化している。
【００７７】
同図に於いて，励磁部の主要部の構成は界磁磁石１２７，主磁極１２８，バイパス磁極１２９から構成されている。主磁極１２８，バイパス磁極１２９は励磁部支持体１２ｂに固定され，励磁部支持体１２ｂはハウジング１２に固定されている。界磁磁石１２７及びベース磁極１２６は可動磁極部として主磁極１２８，バイパス磁極１２９で構成される磁極ユニットに対し周方向に摺動可能としてアクチュエータ１２ｄに制御棒１２ｃを介して接続されている。番号１２ａは非磁性体，番号１２４は冷却エアーが流動する空洞部，番号１２ｅは環状磁気コア，番号１２５はバイパス磁路の磁気抵抗調整の為に配置された磁気抵抗調整コイルをそれぞれ示す。
【００７８】
図１３は図１２のＣ−Ｃ’に沿う電機子及び回転子の断面図を示し，相互の関係を説明する為に構成部分の一部に番号を付して示している。電機子の構成は第一の実施例と同じであるので説明は省略する。
【００７９】
図１３に於いて，回転子は磁性体突極と永久磁石とを周方向に交互に有する構造である。回転子の表面磁極部は一様な磁性体を周方向に等間隔に配置された永久磁石１３３によって区分され，隣接する磁性体突極を代表して磁性体突極１３１，１３２として番号を付している。隣接する磁性体突極１３１，１３２は内径方向，軸と平行の右方向に交互に延長されてそれぞれ第一延長部１２２，第二延長部１２３とする。番号１３５で示されるように内径方向に延長されて集合された部分は第一延長部１２２とし，軸方向の右に延長された部分は第二延長部１２３としている。番号１３６は非磁性体部分を示す。さらに隣接する磁性体突極１３１，１３２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１３３の周方向磁化方向は互いに反転して構成されている。永久磁石１３３に付された矢印は磁化方向を示す。
【００８０】
永久磁石１３３は磁束を磁性体突極１３１，１３２に供給し，周方向に磁気抵抗が大の領域を形成する磁束バリアとなっている。番号１３４は第一実施例に於ける磁束チャネル部２４に相当する磁束チャネル部である。磁性体突極１３１，１３２をケイ素鋼板から永久磁石１３３或いは磁束チャネル部１３４，非磁性体部分１３６に相当する部分を打ち抜いて積層した後，永久磁石１３３を挿入し，磁束チャネル部１３４には鉄のブロックを挿入して構成する。非磁性体部分１３６には樹脂，レジン等の比抵抗が大きい非磁性体を充填して構成する。
【００８１】
図１４は回転子の構成及び励磁部の配置を示す分解斜視図である。理解を容易にする為に磁性体突極１３１，１３２等を有する中心部と磁性体突極の第二延長部１２３とを離して示し，第二延長部１２３に間隙を介して対向しハウジング１２側に配置されている励磁部１４５を示している。第二延長部１２３は軟鉄をプレス成形して磁性体突極１３２の延長部分となる磁性体突部１４１を有して構成され，非磁性体部１４４は磁性を持たないステンレススチールで形成されている。磁性体突部１４１と一体の環状磁気コア部分１４２は微小空隙を介して励磁部１４５のベース磁極１２６に，第一延長部１２２と結合されている円筒状磁気コア１４３は微小空隙を介して主磁極１２８とそれぞれ対向する構成である。
【００８２】
図１５は図１２に縦断面図を示した回転子の一部及び励磁部を拡大して示し，図１６は励磁部の断面図を示している。図１２，図１５，図１６を用いて励磁部の構成及び磁束量制御の動作原理を説明する。励磁部の主要部は界磁磁石１２７，磁極ユニット（主磁極１２８，バイパス磁極１２９）から構成されている。径方向の磁化を持つ界磁磁石１２７は３個有り，界磁磁石１２７と非磁性体１２ａと周方向に交互に配置されて円筒状磁性体よりなるベース磁極１２６の内側に固定されている。主磁極１２８とバイパス磁極１２９の対が各界磁磁石１２７に対向して内側に配置されて励磁部支持体１２ｂに固定されている。バイパス磁極１２９は更に環状磁気コア１２ｅに接続され,環状磁気コア１２ｅはベース磁極１２６と間隙を介して対向している。さらに主磁極１２８は円筒状磁気コア１４３に対向し，ベース磁極１２６は環状磁気コア部分１４２に対向している。励磁部を構成する主磁極１２８，バイパス磁極１２９，ベース磁極１２６，環状磁気コア１２ｅに交流磁束は流れ難いように飽和磁束密度の大きい軟鉄ブロックで構成して全体をコンパクトに構成している。
【００８３】
磁性体突極１３１，１３２は間に配置された永久磁石１３３により磁化され，磁性体突極１３１はＮ極に，磁性体突極１３２はＳ極である。本実施例では励磁部，永久磁石が磁性体突極を同じ極性に磁化するよう励磁部が配置されている。すなわち，励磁部に於いて界磁磁石１２７は主磁極１２８をＮ極に磁化して第一延長部１２２，磁性体突極１３１をＮ極側に励磁する。さらに第二延長部１２３を介して磁性体突極１３２をＳ極側に励磁している。界磁磁石１２７は磁極ユニットに対して周方向に摺動する構成としてアクチュエータ１２ｄにより偏倚させられる。アクチュエータ１２ｄは界磁磁石１２７とベース磁極１２６とをハウジング１２に設けた窓を介して３本の制御棒１２ｃで接続して回転偏倚させ，界磁磁石１２７と主磁極１２８との対向面積を変える。
【００８４】
界磁磁石１２７には主磁極１２８に流入した磁束が円筒状磁気コア１４３，第一延長部１２２，磁性体突極１２１，磁性体歯１４，磁性体突極１２２，第二延長部１２３，磁性体突部１４１，環状磁気コア部分１４２，ベース磁極１２６を介して界磁磁石１２７に環流する主磁路と，バイパス磁極１２９に流入した磁束が環状磁気コア１２ｅ及びベース磁極１２６を介して界磁磁石１２７に環流するバイパス磁路とが並列に接続される構成であり，界磁磁石１２７の周方向偏倚に従って主磁路及びバイパス磁路に磁束が分流され，主磁路を流れる磁束量が制御される。本実施例では環状磁気コア１２ｅとベース磁極１２６との間の空隙長及び対向面積を変えて両磁路の磁気抵抗が互いにほぼ等しくなるよう設定し，前記界磁磁石１２７の偏倚に抗する磁気力を小としている。
【００８５】
本実施例ではアクチュエータ１２ｄにはステップモータを用い，制御棒１２ｃを介して界磁磁石１２７を偏倚させる。アクチュエータ１２ｄに駆動電流を流さない場合は界磁磁石１２７の位置を保存して制御に要するエネルギーを小としている。
【００８６】
種々の要因による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，磁路間の磁束短絡量は増え，界磁磁石１２７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を巻回するよう配置された磁気抵抗調整コイル１２５に流す電流を制御して常に両磁路間の磁気抵抗が主磁路とバイパス磁路の磁気抵抗の差より大にしている。すなわち，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，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１２５に供給してバイパス磁路の磁気抵抗を実効的に調整する。
【００８７】
以上，図１２から図１６に示した回転電機に於いて，界磁磁石１２７を磁極ユニットに対して相対偏倚させる事で電機子に流れる磁束量を制御できることを説明し，さらに偏倚の手段方法を説明した。第三の実施例は磁束量を制御して出力を最適化するシステムであり，図６を用いて回転電機システムとしての制御を説明する。
【００８８】
回転電機が電動機として用いられる場合において，弱め界磁制御を行って回転力を最適に制御する電動機システムを説明する。制御装置６５は出力６３である回転速度が所定の値より大となり電機子に流れる磁束量を小とする時には制御信号６６がアクチュエータ１２ｄにより制御棒１２ｃを図１６に於いて時計回り方向に偏倚させて主磁極１２８と界磁磁石１２７の対向面積を小とさせる。回転速度が所定の値より小となり電機子に流れる磁束量を大とする時には磁気抵抗調整コイル１２５に所定の電流を供給し，制御信号６６がアクチュエータ１２ｄにより制御棒１２ｃを図１６に於いて反時計回り方向に偏倚させて主磁極１２８と界磁磁石１２７の対向面積を大とさせる。
【００８９】
回転電機が発電機として用いられる場合において，弱め界磁制御を行って発電電圧を所定の電圧となるよう制御する定電圧発電システムを説明する。制御装置６５は出力６３である発電電圧が所定の値より大となり電機子に流れる磁束量を小とする時には制御信号６６がアクチュエータ１２ｄにより制御棒１２ｃを図１６に於いて時計回り方向に偏倚させて主磁極１２８と界磁磁石１２７の対向面積を小とさせる。発電電圧が所定の値より小となり電機子に流れる磁束量を大とする時には制御信号６６がアクチュエータ１２ｄにより制御棒１２ｃを図１６に於いて反時計回り方向に偏倚させて主磁極１２８と界磁磁石１２７の対向面積を大とさせる。
【実施例４】
【００９０】
本発明の第四実施例による回転電機システムを図１７を用いて説明する。第四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１７１は第一実施例で示した回転電機を示し，回転電機１７１はハイブリッドカーのエンジン１７２とベルトで回転力を伝達するよう結合された回転軸１７９を持ち，回転軸１７９の回転力はトランスミッション１７３を介して駆動軸１７ａに伝えられる。制御装置１７４は上位制御装置からの指令１７ｂを受け，電動機駆動回路１７５を介して回転電機１７１を電動機として駆動し，界磁制御回路１７６を介して回転電機１７１の界磁強度を制御する。更に制御装置１７４は上位制御装置からの指令１７ｂを受け，電機子コイル１６の引き出し線１７ｃに現れる発電電力を整流回路１７７を介して整流し，バッテリー１７８を充電する構成としている。制御装置１７４は指令１７ｂの指示により電動機駆動回路１７５を介して回転電機１７１を電動機として駆動し，エンジン１７２の回転をアシスト或いは単独で回転軸１７９を回転駆動させ，トランスミッション１７３，駆動軸１７ａを介してハイブリッドカーの駆動力に寄与する。
【００９１】
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１７４が界磁制御回路１７６を介して電機子の磁性体歯１４，回転子の磁性体突極２１，２２間の磁束量を大とするようアクチュエータ１ｎによりプッシュロッド１ｍを右方向に偏倚させて主磁極１ｂと界磁磁石１ａの対向面積を大とさせる。高回転速度域で弱め界磁とする場合には制御装置１７４が界磁制御回路１７６を介して電機子の磁性体歯１４，回転子の磁性体突極２１，２２間の磁束量を小とするようアクチュエータ１ｎによりプッシュロッド１ｍを左方向に偏倚させて主磁極１ｂと界磁磁石１ａの対向面積を小とさせる。
【００９２】
エンジン１７２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１７ｂにより電機子コイル１６の引き出し線１７ｃに現れる発電電力を整流回路１７７を介して直流に変え，バッテリー１７８を充電させる。その場合に制御装置１７４はバッテリー１７８を充電する最適な電圧になるよう界磁制御回路１７６を介してアクチュエータ１ｎを制御する。バッテリー１７８に充電する場合に回転電機システムを定電圧発電機システムとする事で発電電圧を変換するコンバータは不要である。また，更にバッテリー１７８が電圧の種類の異なる複数種のバッテリーで構成される場合でも切り替え回路を付け加えてそれぞれのバッテリーに最適の発電電圧に制御する事で高価なコンバータを不要に出来る。
【００９３】
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１７ｂを通じて回生制動の指示を受けると，制御装置１７４は界磁制御回路１７６を介して電機子の磁性体歯１４，回転子の磁性体突極２１，２２間の磁束量を大とするようアクチュエータ１ｎによりプッシュロッド１ｍを右方向に偏倚させて主磁極１ｂと界磁磁石１ａの対向面積を大とし，発電電力でバッテリー１７８に充電させる。複数のバッテリー１７８を有する場合には最も充電余力のあるバッテリー１７８の充電電圧に合わせた発電電圧が得られるよう界磁制御回路１７６を介してアクチュエータ１ｎを制御して電機子の磁性体歯１４，回転子の磁性体突極２１，２２間の磁束量を制御する。回転電機１７１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。
【００９４】
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１７２を取り除き，本発明による回転電機システムのみで電気自動車を駆動し，制動時に於けるエネルギー回収システムを構成する。
【００９５】
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】
【００９６】
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】
【００９７】
【図１】第一の実施例による回転電機の縦断面図である。
【図２】図１に示された回転電機の電機子と回転子とを示す断面図である。
【図３】図１に示された回転電機の回転子と第一，第二延長部を示す斜視図である。
【図４】図１に示された回転電機の界磁磁石近傍の拡大された縦断面図である。
【図５】図１に示された回転電機の界磁磁石を含む磁気回路である。
【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の励磁部構成を示す平面図である。
【図１０】図７に示された回転電機の回転偏倚した主磁極とバイパス磁極を示す平面図である。
【図１１】図７に示された回転電機の偏倚制御手段の一部を示す断面図である。
【図１２】第三の実施例による回転電機の縦断面図である。
【図１３】図１２に示された回転電機の電機子と回転子とを示す断面図である。
【図１４】図１２に示された回転電機の回転子と第二延長部と励磁部を示す斜視図である。
【図１５】図１２に示された回転電機の回転子と励磁部とを示す縦断面図である。
【図１６】図１２に示された回転電機の励磁部の断面図である。
【図１７】第四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】
【００９８】
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・・・第一延長部，
１９・・・第二延長部，                  １ａ・・・界磁磁石，
１ｂ・・・主磁極，                      １ｃ・・・バイパス磁極，
１ｄ・・・励磁部支持体，                １ｅ・・・ベース磁極，
１ｆ・・・ピン，                        １ｇ・・・スプリング，
１ｈ・・・非磁性体，                    １ｊ・・・スリット，
１ｋ・・・制御棒，                      １ｍ・・・プッシュロッド，
１ｎ・・・アクチュエータ，              １ｐ・・・冷却用ファン
２１，２２・・磁性体突極，              ２３・・・磁気空隙部，
２４・・・磁束チャネル部，              ２５・・・可飽和磁性体部，
２６・・・可飽和磁性体結合部
３１，３２・・磁性体突部，              ３３，３４・・非磁性体部，
３５・・・励磁部の一部
４１・・・微小空隙，                    ４２・・・空隙部，
４３・・・主磁路に流れる磁束，          ４４・・・バイパス磁路を流れる磁束，
４５・・・空隙部４２を通る磁束
５１・・・主磁路の磁気抵抗，            ５２・・・バイパス磁路の磁気抵抗，
５３・・・磁路間の磁気抵抗
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・・・固定軸，                      ７２・・・基板，
７３・・・ベアリング，                  ７４・・・磁性体歯，
７５・・・円筒状磁気ヨーク，            ７６・・・電機子コイル，
７７・・・磁性体突極，                  ７８・・・プーリー部，
７９・・・ロータハウジング，            ７ａ・・・界磁磁石，
７ｂ・・・主磁極，                      ７ｃ・・・バイパス磁極，
７ｄ・・・ベース磁極，                  ７ｅ・・・間隙，
７ｆ・・・励磁部支持体，                ７ｇ・・・制御棒，
７ｈ・・・アクチュエータ，              ７ｊ・・・スリット部，
７ｋ・・・ピン，                        ７ｍ・・・可動ベース磁極，
７ｎ・・・ベース磁極調整ネジ，          ７ｐ・・・アクチュエータ，
７ｑ・・・電機子支持部，                ７ｒ・・・トルクセンサー
９１・・・磁気空隙部，                  ９２・・・円筒状磁気コア
１０１・・・永久磁石７ａの存在領域
１２１・・・表面磁極部，                １２２・・・第一延長部，
１２３・・・第二延長部，                １２４・・・空洞部，
１２５・・・磁気抵抗調整コイル，        １２６・・・ベース磁極，
１２７・・・界磁磁石，                  １２８・・・主磁極，
１２９・・・バイパス磁極，              １２ａ・・・非磁性体，
１２ｂ・・・励磁部支持体，              １２ｃ・・・制御棒，
１２ｄ・・・アクチュエータ
１３１，１３２・・磁性体突極，          １３３・・・永久磁石，
１３４・・・磁束チャネル部，            １３５・・・延長部，
１３６・・・非磁性体部分
１４１・・・磁性体突部，                １４２・・・環状磁気コア部分，
１４３・・・円筒状磁気コア，            １４４・・・非磁性体部
１７１・・・第一の実施例で示した回転電機装置，
１７２・・・ハイブリッドカーのエンジン，
１７３・・・トランスミッション，        １７４・・・制御装置，
１７５・・・電動機駆動回路，            １７６・・・界磁制御回路，
１７７・・・整流回路，                  １７８・・・バッテリー，
１７９・・・回転軸，                    １７ａ・・・駆動軸，
１７ｂ・・・上位制御装置からの指令，    １７ｃ・・・電機子コイルの引き出し線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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