CN106416023B - 电气旋转机 - Google Patents

Abstract

在一台中共用一个转子(5)而同时采用电动样式和发电样式，由此能够持续地发电。具有：旋转自如的转子，在圆周方向上排列永久磁铁而在表面和背面各面分别形成了第1磁场部和第2磁场部；第1定子，与该转子的外周面的第1磁场部面对地设置了形成第1定子磁场的绕组；第2定子，与转子的内周面的第2磁场部面对地设置了形成第2定子磁场的绕组；以及壳体，固定第1定子和第2定子并且包围转子，具有控制部，该控制部具备：供电装置，对第1定子或者第2定子的一方的绕组供电而旋转驱动转子；以及集电装置，取出通过被驱动的转子的旋转而在另一方的绕组中发生的感应电流。至少将供电侧的定子的绕组用超导材料形成，使对该超导绕组供给的电流大于在另一方的定子的绕组中发生的感应电流。

Description

电气旋转机

技术领域

本发明涉及具有转子和定子的电气旋转机。

背景技术

例如，作为电气旋转机，有同步电动发电机(motor generator)，用一台作为电动机(马达)或者发电机(generator)工作。

在混合动力汽车中，如专利文献1公开，经由动力分配机构，对车轮驱动系统联动连结发动机和两台电动发电机，将一台电动发电机用于发动机的起动以及动力辅助、发电，将另一台用于动力辅助、再生发电等。

在专利文献2中，将两台电动发电机直接连结，将两方作为马达或者发电机，另外能够将一台用作马达，将另一台用作发电机。

在专利文献3中，公开了使定子分别与圆筒形转子的内外周面对置并使两个定子的绕组的电角度在周向上错开了180°的感应电动机、同步电动机。

专利文献4公开的利用了感应排斥吸引原理的旋转电机构成为，针对供给到利用了感应排斥吸引原理的旋转电机的定子的与永磁型转子的转速同步的3相电流，重叠相位从该3相电流错开了90度的电流，从而产生想要使所述永磁型转子返回到中心的电磁力。

专利文献5公开的旋转型频率变换装置构成为，将电动机和发电机进行轴连结，在频率不同的系统之间进行电力的交换。

专利文献

专利文献1：日本特开2012-232671号公报

专利文献2：日本特开2010-028887号公报

专利文献3：日本特开2009-247046号公报

专利文献4：日本特开2013-146158号公报

专利文献5：日本特开2009-273268号公报

发明内容

在上述专利文献1～5的技术中，一台电动发电机能够切换为电动样式(马达样式)和发电样式(发电机样式)，但在瞬间仅为某一方的样式，而无法同时采用两个样式，难以利用以电动样式驱动的转子持续发电样式。

本发明的目的在于提供一种能够解决这样的以往技术的问题的电气旋转机。

本发明的目的在于提供一种将一个转子同时以电动样式和发电样式使用来能够持续地发电的电气旋转机。

本发明的目的在于提供一种电气旋转机，用能够供给大电流的超导体形成与一个转子对置的两个定子中的至少一个定子的绕组，对所产生的磁场附加能力差，使得能够对能力高的超导绕组供电并且从能力低的定子磁场集电，由此能够持续地发电。

本发明的目的在于提供一种电气旋转机，将一个转子形成为两端为自由端的圆筒体，在第1定子或者第2定子与转子之间，设置磁间隙形成单元以及磁位置设定单元，使转子以浮上状态旋转而能够持续地发电。

用于解决本发明中的课题的具体的技术手段如下所述。

重要的具体的技术手段的特征在于，具有：旋转自如的转子，在圆周方向上排列永久磁铁而在表面和背面各面分别形成了第1磁场部和第2磁场部；第1定子，与该转子的外周面的第1磁场部面对地设置了形成第1定子磁场的绕组；第2定子，与转子的内周面的第2磁场部面对地设置了形成第2定子磁场的绕组；以及壳体，固定所述第1定子和第2定子并且包围转子，

具有控制部，该控制部具备：供电装置，对所述第1定子或者第2定子的一方的绕组供电而旋转驱动转子；以及集电装置，取出通过被驱动的转子的旋转而在另一方的绕组中发生的感应电流，

至少将供电侧的定子的绕组用超导材料形成，使对该超导绕组供给的电流大于在另一方的定子的绕组中发生的感应电流。

由此，能够增大对超导绕组供给的电流来对第1定子磁场与第2定子磁场之间明确地附加发生磁场的能力差，能够在一台电气旋转机中共用一个转子而同时采用电动样式和发电样式来持续地发电。

其他重要的具体的技术手段的特征在于，转子是设置了第1磁场部以及第2磁场部的圆筒部的两端为自由端的圆筒体，在第1定子或者第2定子与转子之间具有形成径向间隙的磁间隙形成单元以及使轴向相对位置为适当的磁位置设定单元。

由此，能够共用两端为自由端的一个转子来同时采用电动样式和发电样式，高效地持续地发电。

其他重要的具体的技术手段的特征在于，供电装置通过向供电侧的绕组供给的电流使位于定子周向等间隔的多个极同时地同极性地励磁、和/或、集电侧的绕组能够在位于定子周向等间隔的多个极同时地同极性地产生感应电流。

由此，关于两端为自由端的一个转子，能够用供电电流在与定子之间形成径向间隙并且使轴向相对位置为适当、和/或、能够用感应电流在与定子之间形成径向间隙并且使轴向相对位置为适当。

根据本发明，用超导材料形成第1定子的绕组和第2定子的绕组中的至少一方的定子的绕组，使对该超导绕组供给的电流大于在另一方的定子的绕组中发生的感应电流，将利用永久磁铁在表面和背面形成了磁场部的一个转子同时以电动样式和发电样式使用，由此能够持续地发电。

另外，根据本发明，将利用永久磁铁在表面和背面形成了磁场部的一个转子形成为两端为自由端的圆筒体，在与第1定子或者第2定子之间设置磁间隙形成单元以及磁位置设定单元，使转子以浮上状态旋转，由此能够持续地发电。

附图说明

图1是示出本发明的第1实施方式的剖面正面图。

图2是图1的X-X线剖面图。

图3是将第1实施方式的电气旋转机应用于移动机体的概略图。

图4是示出该电气旋转机的第1动作例的说明图。

图5是示出该电气旋转机的第2动作例的说明图。

图6是示出该电气旋转机的第3动作例的说明图。

图7是示出本发明的第2实施方式的剖面正面图。

图8是图7的Y-Y线剖面图。

图9是将第2实施方式的电气旋转机应用于移动机体的概略图。

图10是示出本发明的第3实施方式的剖面正面图。

图11是图10的Z-Z线剖面图。

图12是示出本发明的第4实施方式的剖面正面图。

图13是图12的W-W线剖面图。

图14是示出本发明的第5实施方式的剖面正面图。

图15是图14的V-V线剖面图。

图16是第5实施方式的展开说明图。

图17是示出本发明的第6实施方式的剖面正面图。

图18是示出本发明的第7实施方式的剖面正面图。

(符号说明)

1：电气旋转机；3：永久磁铁；5：转子；5a：圆筒部；5b：旋转轴部；5c：输出轴部；6(6a、6b)：绕组；7：定子；8：壳体；9：供电装置；10：集电装置；11：冷却装置；12：外部旋转部件。

具体实施方式

以下，根据附图，说明本发明的实施方式。

图1～6示出本发明的第1实施方式的电气旋转机1A，在图1～3中，电气旋转机1A是三相交流用的电动发电机(motor generator)，搭载于汽车、电车、船舶等移动机体15，与具备供电装置9、集电装置10、逆变器(包括转换器)16以及电池17等的控制部18连接，并且与移动机体15的旋转轴、推进轴等外部旋转部件12联动连结。

在图1、2中，所述电气旋转机1A大致划分为具有一个转子5、两个定子7a、7b、收纳且支承它们的壳体8以及固定于该壳体8而支承定子7b的支承体13，定子7a、7b能够将三相交流电流进行供电以及集电。

所述转子5具有圆筒形的圆筒部5a、与该圆筒部5a的一端连结的旋转轴部5b以及与该旋转轴部5b一体成型的输出轴部5c，输出轴部5c的自由端从壳体8突出，圆筒部5a、旋转轴部5b以及输出轴部5c分别经由轴承20、21、22旋转自如地被支承于壳体8。

圆筒部5a在表面和背面具有圆形的外周面和内周面，在外周面在圆周方向上排列多个永久磁铁3a而形成了第1磁场部4a，在内周面在圆周方向上排列多个永久磁铁3b而形成了第2磁场部4b。

第1定子7a是将硅钢板重叠多片并将绕组(线圈)6a分开卷绕或者集中卷绕而形成，并压入固定到壳体8的外周壁8a的内周面而成的定子，在内周面形成第1旋转磁场(第1定子磁场、表面旋转磁场)α，使该第1旋转磁场α与转子5的第1磁场部4a隔着极少的径向间隙(Radial gap)而面对。

第2定子7b是将硅钢板重叠多片并将绕组(线圈)6b分开卷绕或者集中卷绕而形成，并嵌装固定于在壳体8的中心处固定的水平状的支承体13的外周面而成的定子，在外周面形成第2旋转磁场(第2定子磁场、背面旋转磁场)β，使该第2旋转磁场β与转子5的第2磁场部4b隔着极少的径向间隙而面对。

所述转子5的第1磁场部4a和第1定子7a的第1旋转磁场α具有内转子马达构造(第1旋转部M1)，并且，转子5的第2磁场部4b和第2定子7b的第2旋转磁场β具有外转子马达构造(第2旋转部M2)，适当地设定第1旋转部M1以及第2旋转部M2的槽数以及极数。

所述水平状的支承体13的一端侧被嵌入固定于壳体8的侧壁8b，经由轴承20支承转子5的圆筒部5a的一端，所述水平状的支承体13的另一端侧经由轴承21支承圆筒部5a、旋转轴部5b以及输出轴部5c。

在所述壳体8的外周壁8a中形成使水等冷却用制冷剂流通的流通路11a，在支承体13中也形成使冷却用制冷剂流通的流通路11b，这些流通路11a、11b与外部的冷却装置11连接，构成为能够向壳体8内部循环冷却用制冷剂。

此外，转子5的圆筒部5a的两端也可以经由轴承旋转自如地支承于壳体8，另外，轴承20、21、22除了可以是径向轴承、推力轴承以外，也可以是磁轴承。

所述转子5的圆筒部5a的第1磁场部4a是将永久磁铁3a分别配置成N极和S极在周向上交替并在硅钢板上形成磁铁孔而埋入的埋入构造，通过各永久磁铁3a，外周面侧的硅钢板部分也形成了第1磁场部4a。第2磁场部4b也同样地，将永久磁铁3b埋入配置成N极和S极在周向上交替。

将与转子5的圆筒部5a的第1磁场部4a和第2磁场部4b独立的永久磁铁3a在周向上以相同的相位配置，相互对置的永久磁铁3a用不同的极性形成第1磁场和第2磁场，对置的永久磁铁3a彼此形成了一连串的磁力线的磁路。但是，也可以在同一极中形成第1磁场和第2磁场。

在图3中，示出了将第1实施方式的电气旋转机1A应用于车辆，并搭载了内燃机30的车辆的串并联式混合动力系统，如果不搭载内燃机30，则成为电动汽车或者电车。

电气旋转机1A的转子5的输出轴部5c与移动机体15的旋转力被传递的动力传递单元、减速装置、动力分配机等外部旋转部件12联动连结，驱动力从外部旋转部件12向内燃机30或者车轮31传递，旋转力从内燃机30或者车轮31向电气旋转机1A传递。

控制部18不仅具有电气旋转机1A的控制系统，而且还具有取得与移动机体15的运行有关的信息并且控制内燃机30的车辆控制组件、逆变器、转换器等。

在图1～3中，所述控制部18的供电装置9能够对第1定子7a以及第2定子7b的一方或者两方的绕组6(6a、6b)供电而旋转驱动转子5，集电装置10能够将从第1定子7a以及第2定子7b的一方或者两方的绕组6发出的电力进行集电。另外，在对第1定子7a和第2定子7b的一方供电时，另一方能够停止供电而发电。

即，控制部18在车辆的停止、行驶、减速等的任意状态下，第1定子7a和第2定子7b都使共同的转子5旋转，从而能够使一方成为电动样式(马达样式)，同时使另一方成为发电样式(发电机样式)。

特别是，当车辆大致恒速状态而转矩变动少时、所需转矩小时或者减速时等，能够对第1定子7a或者第2定子7b的一方进行供电而设为电动样式来得到驱动力，同时将另一方设为发电样式而对电池17充电。

另外，电气旋转机1A能够同时实现电动样式和发电样式，所以在串并联式混合动力车辆中，无需与电动发电机独立地设置用内燃机30驱动的发电机。

此外，也可以通过使第2旋转磁场β的槽数以及永久磁铁3b的个数相对第1旋转磁场α的槽数以及永久磁铁3a的个数不同、或者使第1旋转磁场α和第2旋转磁场β的绕组长度不同，由此对第1旋转部M1和第2旋转部M2附加输出、发电量等的能力差。

所述电气旋转机1A在第1定子7a以及第2定子7b上卷绕了常温绕组，冷却装置11的制冷剂是水、油等。在用超导材料(超传导材料)形成第1定子7a和第2定子7b的至少一方的绕组的情况下，在冷却装置11的制冷剂中使用液氮、液氦，使超导绕组制绕组的定子S冷却至临界温度以下的超导发生温度。

超导绕组6能够流通大且强的电流，所以能够提高绕组6的磁场强度(发生磁场能力)，能够比发电侧的感应电流提高能力(发生磁场能力)，即使第2定子7b的绕组6b比第1定子7a的绕组6a短，也能够提高定子磁场的能力。在控制部18中具备具有永久电流开关、限流器等的超导控制组件，能够供给三相交流强的电流、永久电流。

电气旋转机1A在第1定子7a以及第2定子7b上卷绕常温绕组或者超导绕组，能够用于兼用转子5的电动发电机、旋转型频率变换机、相数变换机、电压变换机等。也可以对供电侧的绕组供给直流电流而作为直流电动机发电机。

图4～6示出了搭载了图1～3所示的电气旋转机1A以及内燃机30的串并联式混合动力车辆中的电动/发电(M/J)的动作样式。此外，将第1定子7a的绕组6设为比第2定子7b的绕组6多(磁场强度能力高)，实线表示第1定子7a的动作，单点划线表示第2定子7b的动作，虚线表示内燃机30的动作。

在图4所示的第1动作例中，在起动的状态a1下，在使内燃机30从车辆停止状态起动的同时将两个定子7a、7b设为电动样式(M)，输出强力的启动力，在状态b下得到最大加速、大转矩。如果成为恒速行驶、中转矩的状态c，则将第2定子7b从电动样式变更为发电样式(J)而得到电力，另外，在转矩的所需量减少时，在负荷小的恒速行驶中或者减速中车辆惯性力大时，将第2定子7b设为发电样式而设为状态d(恒速行驶、小转矩、小发电)，进而在减速时或者制动时，将第2定子7b和第1定子7a都设为发电样式的状态e而再生能量，得到再生能量、制动力。内燃机30在行驶负荷小的恒速行驶中或者车辆惯性力大时，适宜停止。

在所述第1动作例中，在状态c的后半以及状态d下，在转子5的表面和背面中，同时发生第1定子7a的电动样式和第2定子7b的发电样式，能够一边对外部旋转部件12传递电动旋转力一边用第2定子7b发电。

在图5所示的第2动作例中，在状态a2下，在使内燃机30从车辆停止状态起动的同时将两个定子7a、7b同时设为发电样式，在状态f下，通过内燃机30使车辆低速行驶，通过两个定子7a、7b进行大发电。在该情况下，也可以不使车辆行驶，而仅进行大发电，如果从切换的状态c将一方的定子(在此为第2定子7b)变更为发电样式，则成为恒速行驶、小转矩、小发电的状态d。状态e表示两个定子7a、7b以及内燃机30的动作停止。能够从状态e向状态a2或者状态a3转移，状态a3是将第1定子7a以及第2定子7b的一方设为发电样式并且将另一方设为电动样式的状态。

在所述第2动作例中，在状态c的后半、状态d以及状态a3下，在转子5的表面和背面中，同时发生第1定子7a以及第2定子7b的电动样式和发电样式。

在图6所示的第3动作例中，在状态a3下，使内燃机30起动，将第1定子7a设为电动样式的同时将第2定子7b设为发电样式，原样地，设为状态d(恒速行驶、小转矩、小发电)，持续第2定子7b的发电样式。然后，根据需要，停止利用第2定子7b的发电(状态g)，另外从状态d变更为减速/停止的状态e，将第2定子7b和第1定子7a都设为发电样式。在所述状态g下，仅通过减小发电负荷，就能够与状态d同样地，在转子5的表面和背面中，同时发生第1定子7a以及第2定子7b的电动样式和发电样式，一边对外部旋转部件12传递电动旋转力一边用第2定子7b持续地发电。

所述电气旋转机1A如果省略内燃机则成为电动汽车、电车，能够使第1定子7a和第2定子7b同时作用为电动样式和发电样式。

图7～9示出第2实施方式，该电气旋转机1B是输出轴部5c的两端从壳体8突出的三相交流电动机发电机，输出轴部5c的一端部经由外部旋转部件12而与内燃机30的输出轴联动，另一端部与移动机体15的旋转轴、推进轴等外部旋转部件12联动连结。

在电气旋转机1B的转子5中，分别个别地形成圆筒部5a、旋转轴部5b以及输出轴部5c，输出轴部5c的两端是自由端且从壳体8突出。支承内周侧的定子7b的支承体13形成为圆筒形状，一端侧固定于壳体8，另一端为自由端，在该圆筒形状的支承体13内，贯通配置了输出轴部5c。

在转子5的圆筒部5a中埋设的永久磁铁3在圆筒部5a中以N/S极为径向而贯通，在该径向两端处，在圆筒部5a的表面和背面，形成了圆形外周面的第1磁场部4a和圆形内周面的第2磁场部4b。

在壳体8的外周壁8a固定的第1定子7a和在支承体13的外周面嵌装固定的第2定子7b既可以卷绕常温用绕组6a、6b，也可以将一方或者两方做成超导材料的绕组。在做成超导绕组的情况下，冷却装置11也做成超导用，用绝热壳体29包围壳体8的外周。

在对所述第1定子7a和第2定子7b卷绕超导绕组而将电气旋转机1B做成超导旋转机的情况下，将块磁铁作为永久磁铁3，在使第1定子7a以及第2定子7b冷却至临界温度以下的超导发生温度的同时、或者在使第1定子7a以及第2定子7b冷却至临界温度之后，提供在周向上在相同的相位下相互相反并且控制为波形的脉冲磁场，由此使块磁铁磁化。

该块磁铁的磁化被已知为波形控制脉冲磁化方法，能够在构成电气旋转机1B的转子5与第1定子7a以及第2定子7b之间进行该磁化方法，设为高温就能够进行块磁铁的消磁，所以块磁铁的磁化/消磁/复位无需使用磁化装置，在制作电气旋转机之后，在任何时候任意地方都能够容易地磁化，能够始终良好地维持永久磁铁3的磁力。

在图10、11所示的本发明的第3实施方式中，在电气旋转机1C中，第1定子7a和第2定子7b的槽数不同，转子5的圆筒部5a的两端部成为自由端状的旋转轴部5b，不具备从壳体8突出的输出轴部。该电气旋转机1C能够用作旋转型频率变换机、循环换流器、风力发电机的可变速机(DFM)等。

压入到壳体8的内周面的第1定子7a分开卷绕或者集中卷绕绕组6a，在内周面形成第1旋转磁场α，在固定于壳体8的侧壁8b的支承体13的外周面嵌装的第2定子7b也分开卷绕或者集中卷绕绕组6b而在外周面形成第2旋转磁场β。第2定子7b的槽比第1定子7a少，例如为5：6的比例。绕组6是常温绕组或者超导绕组。

转子5的圆筒部5a与上述第1实施方式同样地，具有圆形的外周面和内周面，在外周面在圆周方向上排列多个永久磁铁3a而形成了第1磁场部4a，在内周面在圆周方向上排列多个永久磁铁3a而形成了第2磁场部4b。

在壳体8的侧壁8b以及盖部件8c的内侧侧面，设置与旋转轴部5b同心的环状的轴承支承部件36、37，在该轴承支承部件36、37中，形成插入旋转轴部5b的端部的环状槽，在该环状槽内与旋转轴部5b的内周面、外周面以及端面之间，设置将旋转轴部5b的位置限制于推力方向以及径向方向的永久磁铁或者电磁铁，构成磁轴承40、41。

即，磁轴承40、41在转子5高速旋转时构成在转子5与第1定子7a或者第2定子7b之间形成径向间隙的磁间隙形成单元以及将轴向相对位置设为适当的磁位置设定单元，在转子5停止时以及低速旋转时动作而构成在转子5与第1定子7a或者第2定子7b之间形成径向间隙的间隙保持单元。

所述电气旋转机1C能够在一个转子5与第1定子7a以及第2定子7b之间始终同时发生电动样式和发电样式，如果对第2定子7b供给50循环的电流而使转子5旋转，则转子5和第1定子7a成为60循环的发电机，另外，相反，如果对第1定子7a供给60循环的电流而使转子5旋转，则转子5和第2定子7b成为50循环的发电机，从供给电流能够发电出频率变换的电流。

所述控制部18的供电装置9能够对第1定子7a以及第2定子7b的一方或者两方的绕组6(6a、6b)供电而旋转驱动转子5，集电装置10能够对从第1定子7a以及第2定子7b的一方或者两方的绕组6发出的电力进行集电。另外，在对第1定子7a和第2定子7b的一方供电时，另一方能够停止供电而发电。

因此，在发电开始时，对第1定子7a以及第2定子7b同时供给电流而设为电动样式，在转子5高速旋转之后，将一方的定子7设为发电样式，在转子5停止时，通过转子5的惯性旋转，在第1定子7a以及第2定子7b中能够同时进行再生发电。

此外，也可以通过使第2旋转磁场β的槽数以及永久磁铁3b的个数与所述第1旋转磁场α的槽数以及永久磁铁3a的个数不同、或者使第1旋转磁场α和第2旋转磁场β的绕组长度不同，由此对第1旋转部M1和第2旋转部M2附加输出、发电量等的能力差(由来于可发生的磁场的强度的差的能力差)。

在图12、13所示的本发明的第4实施方式中，电气旋转机1D的转子5仅由圆筒形的圆筒部5a构成，在外周面在周向上排列多个永久磁铁3a而形成第1磁场部4a，在内周面在周向上排列多个永久磁铁3b而形成第2磁场部4b，以永久磁铁3a、3b的个数即5：6的比例，磁极数不同。该电气旋转机1D能够用作旋转型频率变换机。

第1定子7a和第2定子7b的绕组6a、6b是常温用或者超导用，将一方用作电动样式并且将另一方用作发电样式，但对电动样式的定子7供给电流以在偏移了180°的两个部位处形成同一磁极，使转子5在180°对极位置处发生相同的吸引力或者排斥力，在转子5与第1定子7a以及第2定子7b之间，确保适当的极少的径向间隙，通过吸引力，还能够始终适当地维持轴心方向的位置。

即，以120°间隔将3个槽设定为U相/V相/W相，使该相组偏移180°而制作两个相组，并且，以90°间隔制作4个相组，从而能够通过由定子7产生的旋转磁场来支承转子5。

电动样式的定子7的周向同一磁极在偏移180°的两个部位、偏移90°的4个部位、偏移45°的8个部位等，同时励磁多个即可，通过磁力使转子5从电动样式的定子7浮上即可。转子5的磁场部4a、4b与第1定子7a和第2定子7b的绕组6a、6b之间的周向等间隔的吸引力或者排斥力成为转子5的磁间隙形成单元，吸引力成为转子5相对定子7的轴向的磁位置设定单元，在第1定子7a与第2定子7b之间用磁轴承旋转自如地支承转子5。

在上述第3、第4实施方式的电气旋转机1C、1D中，转子5被磁轴承支承，没有机械性的摩擦，所以旋转效率高，仅使一个转子5旋转，所以相比于个别地制作电动机和发电机并进行轴连结的旋转型频率变换机，旋转损耗少，能够大幅提高频率变换效率。

另外，在上述第3、第4实施方式的电气旋转机1C、1D中，如果用超导材料形成第2定子7b的绕组6b，则能够供给大电流、永久电流，能够使其电磁力比通过第1定子7a的绕组6a励磁的感应电动势大并且强。即，第2定子7b的绕组6b即使激磁形成表面积小，也能够利用超导的特性以发生比第1定子7a的绕组6b强的磁场的方式附加能力差，还成为持续地取出电力的发电机。

在上述第1、3实施方式的电气旋转机1A、1C中，转子5的表背磁场部形成构造可以是，例如，在转子5的内周和外周，将两个“ハ”字状的永久磁铁3a在周向上配置多个组，或者，使第1实施方式的第1磁场部4a和第2磁场部4b的永久磁铁3a、3b的埋设相位不同，在周向上，使第2磁场部4b的永久磁铁3b位于第1磁场部4a的永久磁铁3a之间。

在图14～16所示的本发明的第5实施方式中，电气旋转机1E是三相交流发电用的超导电动机发电机，与具备供电装置9、集电装置10、超导控制组件45、逆变器16以及电池17等的控制部18连接。

所述电气旋转机1E具有一个转子5、两个定子7a、7b、收纳并且支承它们的壳体8、固定于该壳体8而支承定子7b的支承体13以及从外侧覆盖壳体8的绝热壳体29，它们是圆筒形，轴心纵向配置，设置于定子7a、7b的绕组6a、6b由超导材料形成，能够分别将三相交流电流进行供电以及集电。

所述转子5与所述电气旋转机1D同样地，由两端为自由端的圆筒体形成，只有圆筒部，不存在与外部连接的轴部。转子5的永久磁铁3a与所述电气旋转机1B同样地，在径向的两端处形成了第1磁场部4a和第2磁场部4b，相比于第2磁场部4b侧，减小第1磁场部4a侧的面积，以在旋转时不会从转子5飞出的方式被埋设。该永久磁铁3a采用了能够进行波形控制脉冲磁化的块磁铁。

第1定子7a由铝合金、不锈钢等非磁性材料或者磁性材料形成，固定于壳体8的外周壁8a的内周面，在内周面安装形成第1旋转磁场(第1定子磁场)α的绕组6a，与转子5隔着极少的径向间隙(Radial gap)而面对。

所述转子5的第1磁场部4a和第1定子7a的第1旋转磁场α成为8极12槽的内转子超导发电机构造(第1旋转部M1)，绕组6a是集电侧的绕组，与取出在此发生的感应电流的集电装置10连接。

在第1定子7a中，使形成一个极的绕组6a的主环路j和与其反向地卷绕的副环路k在转子5的轴心方向上邻接，并且将这些主副环路j、k以上下方向8字进行接线，相比于副环路k，主环路j的与转子5的永久磁铁3的对置面积大。

转子5的第1磁场部4a为周向等间隔(例如180°间隔)且同极性，绕组6a在转子5旋转而永久磁铁3面对时，主环路j与永久磁铁3成为同极性，通过电磁感应而发生电动势和排斥力，以周向等间隔将转子5压到轴心侧，所以以磁力形成径向间隙(成为磁间隙形成单元)，该感应电动势流入到副环路k而与永久磁铁3成为异极性而发生吸引力，该吸引力成为使转子5浮上并且使转子5的轴向相对位置相对第1定子7a成为适当的磁位置设定单元。

即，转子5旋转时，通过与绕组6a之间的感应排斥吸引作用，相对第1定子7a处于径向同心并且浮上而保持于轴向适当位置。

在第1定子7a中，也可以将主环路j和副环路k的与永久磁铁3对置的面积设为相同，但在增大主环路j时，能够增大感应电动势，并且，能够轻量地形成转子5，所以即使浮上用吸引力不大，也没有关系。

第2定子7b由不锈钢等非磁性材料或者磁性材料形成，嵌装固定到在壳体8的中心处固定的纵筒状的支承体13的外周面上。第2定子7b安装有在外周面形成第2旋转磁场β的超导绕组6b，与转子5的第2磁场部4b隔着极少的径向间隙而面对。

所述转子5的第2磁场部4b和第2定子7b的第2旋转磁场β为8极12槽的外转子超导电动机构造(第2旋转部M2)，超导绕组6b是供电侧的绕组，与对该超导绕组6b供给电流的供电装置9连接。

在该绕组6b中，形成一个极的绕组是跑道型、薄饼型等的一个环路，周向等间隔且同极性地励磁，针对转子5的永久磁铁3提供吸引力或者排斥力，一边将转子5压到第2定子7b的轴心侧(成为磁间隙形成单元)一边使转子5旋转。通过超导绕组6b的电磁力，永久磁铁3被吸引，所以该吸引力约束转子5的轴向相对位置(发生浮上力)，限制转子5在轴向上移动(成为磁位置设定单元)。

即，如果对绕组6b供给激磁电流而使转子5旋转，则通过与永久磁铁3之间的旋转磁场排斥吸引作用，相对第2定子7b，转子5为径向同心并且浮上而保持于轴向适当位置。对绕组6b供给的旋转激磁电流能够以周向180°间隔、90°间隔等，同极地励磁。

相比于第1定子7a，第2定子7b是小径且体积小(绕组长度短、激磁形成表面积小)，至少该第2定子7b卷绕了超导绕组6b，与超导控制组件45内的永久电流开关、限流器等连接，能够供给三相交流的永久电流。

如果对第2定子7b的超导绕组6b供给强的电流、永久电流，则能够使其电磁力比在第1定子7a的绕组6a中励磁的感应电动势大并且强。即，第2定子7b的绕组6b即使激磁形成表面积小，也能够利用超导的特性以发生比第1定子7a的绕组6b强的磁场的方式附加能力差。

在第1定子7a与壳体8之间、第2定子7b与支承体13之间以及壳体8的底壁8b中，形成能够使来自冷却装置11的制冷剂流通的流通路11a，支承体13做成内部空洞，存积制冷剂，并且收纳超导控制组件45。

所述壳体8在底壁8b固定有外周壁8a以及支承体13，用盖部件8c封闭外周壁8a的上端开口，在该盖部件8c的下表面形成锥形凸部8d，嵌入到支承体13的上端开口，支承了支承体13的上端。

壳体8在底壁8b配置了环状的间隙保持单元47。该间隙保持单元47是在下圈47a上排列了多个旋转体47b且在转子5的下端面形成了上圈47c的推力轴承构造，在转子5开始旋转时以及停止时等低速旋转时，浮上力弱，所以旋转自如地接受转子5而降低与壳体8之间的摩擦。所述间隙保持单元47在将旋转体47b做成球体，并将上圈47c做成圆弧凹面时，对转子5进行调心作用，在将旋转体47b做成圆锥体，并将上圈47c做成以转子5的轴心为中心的圆锥面时，对转子5进行调心作用，在停止时以及低速旋转时，在转子5与第1定子7a或者第2定子7b之间形成径向间隙并且保持该间隙。

在所述壳体8的盖部件8c上载置或者安装了构成冷却装置11的制冷剂罐48，在该制冷剂罐48中储存向流通路11a供给的制冷剂，并且配置有超导绕组49和磁屏蔽板50，成为超导能量储存装置。绕组49与控制部18连接，能够储电、供电，磁屏蔽板50使在绕组49中发生的电磁成为闭环路而屏蔽。

绝热壳体29隔着隔板支承壳体8而形成了空间29a，该空间29a和壳体8内的空间与真空装置54连接，空间29a为防止热从外部传播的真空空间。

在上述第5实施方式的电气旋转机1E中，对第2定子7b的超导绕组6b供给的电流既可以是直流，也可以在起动时对绕组6a、6b一起供电，在结束时对绕组6a、6b一起集电。另外，也可以将8极12槽做成不同的极数槽数，也可以将绕组6a、6b设为6比5而使发电频率与电动频率不同，由此进行频率变换、电压变换等。另外，转子5、两个定子7a、7b、壳体8、支承体13等既可以用钢板形成，也可以用超导材料形成第1定子7a的绕组6a、或者将支承体13的内部设为真空。

所述电气旋转机1E与第1～4实施方式的电气旋转机1A～1D同样地，如果用超导材料形成第2定子7b的绕组6b，则能够供给大电流、永久电流，其磁场强度(电磁力)能够比在第1定子7a的绕组6a中励磁的感应电动势大并且强，能够持续地发电。

在图17所示的第6实施方式中，电气旋转机1F是三相交流发电用的超导电动机发电机，与电气旋转机1E不同的点在于，转子5、定子7、壳体8以及支承体13是轴心横向的圆筒形，支承体13内的空洞与绝热壳体29内连通而成为真空。

第2定子7b的超导绕组6b是跑道型等的一个环路，相对于此，第1定子7a的绕组6a包括主环路j和夹着主环路j位于转子5轴心方向两侧的副环路k，各副环路k与主环路j相反地卷绕，进行8字接线(在图17中用单点划线表示)，相比于两个副环路k，主环路j的与永久磁铁3的对置面积大。

转子5的第1磁场部4a是周向等间隔且同极，绕组6a在转子5旋转而永久磁铁3面对时，主环路j与永久磁铁3成为同极，通过电磁感应而发生电动势和排斥力，以周向等间隔将转子5压到轴心侧，所以以磁力形成径向间隙，其感应电流流入到主环路j的两侧的副环路k而与永久磁铁3成为异极性而发生磁的吸引力，该吸引力同时以同力吸引转子5的两个自由端，使转子5的轴向相对位置相对第1定子7a成为适当。

因此，在永久磁铁3与绕组6a之间，产生感应排斥吸引作用，构成磁间隙形成单元和磁位置设定单元。

符号47是间隙保持单元，是用摩擦阻力少的减摩材料形成为半球形状的突起，在第2定子7b的轴心方向两侧的外周面的上侧被形成多个，在转子5的轴心方向两侧自由端的外周面以周向等间隔被形成许多，在转子5低速旋转时，旋转自如地接受转子5而降低与定子7a、7b之间的摩擦，在停止时形成径向间隙。

所述电气旋转机1F在转子5与超导绕组6b之间，也通过激磁电流，不仅通过磁的旋转转矩，而且通过排斥力或者吸引力，构成磁间隙形成单元和磁位置设定单元。

如果在第2定子7b的超导绕组6b中流过强电流、永久电流，则利用超导的特性，能够使其电磁力比在第1定子7a的绕组6a中励磁的感应电动势大并且强，能够以发生比第1定子7a的绕组6b强的电磁力的方式附加能力差，能够持续地发电。

在图18所示的第7实施方式中，电气旋转机1G在轴心方向上在壳体8内装入了2组超导电气旋转机1GL、1GR，电气旋转机1GL是与电气旋转机1D同样的电动机发电机，电气旋转机1GR是与电气旋转机1A同样的能够取出旋转转矩的电动机发电机、并且是经由外部旋转部件再生移动机体的运动能量的再生机。

所述电气旋转机1G具有两个转子5L、5R、内外周的定子7a、7b、收纳并且支承它们的壳体8和固定于该壳体8而支承定子7b的支承体13以及从外侧覆盖壳体8的绝热壳体29，它们是圆筒形，轴心横向配置。

第1转子5L是埋入有永久磁铁3aL且两端为自由端的圆筒形，第2转子5R具有埋入了永久磁铁3aR的圆筒部5a、与该圆筒部5a的一端连结的旋转轴部5b以及与该旋转轴部5b一体成型的输出轴部5c。

与两个转子5L、5R对置地，在第1定子7a的内周设置了左右绕组6aL、6aR，在第2定子7b的外周设置了左右绕组6bL、6bR，各绕组6a、6b由超导材料形成，卷绕为跑道形状的一个环路，能够将三相交流电流进行供电以及集电。

所述绕组6aL、6aR、6bL、6bR与超导控制组件45连接，定子7a、7b的流通路11a与冷却装置11连接，壳体8内的空间以及绝热壳体29内的空间29a与真空装置54连接。

在第2转子5R的输出轴部5c设置了两个传动体57、58，与移动机体15的旋转力被传递的动力传递单元、减速装置、动力分配机等外部旋转部件12联动连结，另外，以驱动冷却装置11以及真空装置54的方式被联动连结。

电气旋转机1G对超导绕组6bL、6bR供给大电流、永久电流而用强的电流来旋转驱动两个转子5L、5R，从绕组6aL、6aR将感应电流集电，同时从第2转子5R的输出轴部5c取出旋转驱动力。绕组6aL、6aR、6bL、6bR能够同时或者独立地供电以及集电。

此外，在本发明中，上述实施方式中的构造以及各部件的形状、位置关系优选为如图1～18所示构成，但还能够对部件、构成进行各种变形、或者变更组合。

例如，即使做成将电动样式的定子7的绕组6设为超导绕组的超导电气旋转机，在3K宇宙背景放射空间中使用的情况下，也可以省略冷却装置。

Claims (10)

1.一种电气旋转机，其特征在于，具有：

旋转自如的转子，在圆周方向上排列永久磁铁而在表面和背面各面分别形成了第1磁场部和第2磁场部；

第1定子，与该转子的外周面的第1磁场部面对地设置了形成第1定子磁场的绕组；

第2定子，与转子的内周面的第2磁场部面对地设置了形成第2定子磁场的绕组；以及

壳体，固定所述第1定子和第2定子并且包围转子，

所述电气旋转机具有控制部，该控制部具备：

供电装置，对所述第1定子或者第2定子的一方的绕组供电而旋转驱动转子；以及

集电装置，取出通过被驱动的转子的旋转而在另一方的绕组中发生的感应电流，

至少将供电侧的定子的绕组用超导材料形成，使对该超导绕组供给的电流大于在另一方的定子的绕组中发生的感应电流，

所述转子是设置了第1磁场部以及第2磁场部的圆筒部的两端为自由端的圆筒体，具有利用通过对供电侧的超导绕组进行供电而产生的磁场与转子的永久磁铁的磁场的吸引力使转子遍及轴向整个长地以磁力在空间中浮上而在供电侧的超导绕组与转子之间形成径向间隙的磁间隙形成单元和将浮上的转子的轴向相对位置设为适当的磁位置设定单元。

2.根据权利要求1所述的电气旋转机，其特征在于，

所述控制部具备超导控制组件，该超导控制组件具有永久电流开关以及限流器，所述控制部能够对供电侧的超导绕组供给永久电流。

3.根据权利要求1所述的电气旋转机，其特征在于，

将第2定子的绕组用超导材料形成并且与供电装置连接，将第1定子与集电装置连接，使对第2定子的超导绕组供给的电流大于在第1定子的绕组中发生的感应电流。

4.根据权利要求1所述的电气旋转机，其特征在于，

所述供电装置能够通过向供电侧的绕组供给的电流使位于定子周向等间隔的多个极同时地同极性地励磁。

5.根据权利要求1所述的电气旋转机，其特征在于，

所述集电侧的绕组能够在位于定子周向等间隔的多个极同时地同极性地产生感应电流。

6.根据权利要求1所述的电气旋转机，其特征在于，

在隔着周向间隔设置于所述集电侧的定子的绕组中，使主环路和与其反向地卷绕的副环路在定子的轴心方向上邻接并且将这些环路进行8字接线，相比于副环路，所述主环路的与转子的永久磁铁的对置面积大。

7.根据权利要求1所述的电气旋转机，其特征在于，

设置有在所述转子停止时在转子与第1定子或者第2定子之间形成径向间隙的间隙保持单元。

8.根据权利要求1所述的电气旋转机，其特征在于，

在转子的轴心方向上，设置有多组由所述转子、第1定子以及第2定子形成的组，一方的转子由两端为自由端且以磁力浮上的所述圆筒体形成，另一方的转子在端部连结了向壳体外突出的输出轴部。

9.根据权利要求1所述的电气旋转机，其特征在于，

所述第1磁场部以及第1定子和第2磁场部以及第2定子的供电侧和发电侧的交流电流的频率不同。

10.根据权利要求1所述的电气旋转机，其特征在于，

用超导材料形成所述第1定子以及第2定子这两方的绕组，所述转子的永久磁铁是埋入到转子内并在其两端处形成了转子表面和背面的第1磁场部和第2磁场部的超导块。