JP2002345299A

JP2002345299A - 永久磁石式発電・電動機の磁束密度変換装置

Info

Publication number: JP2002345299A
Application number: JP2001142630A
Authority: JP
Inventors: Hideo Kawamura; 英男河村
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-05-14
Filing date: 2001-05-14
Publication date: 2002-11-29

Abstract

(57)【要約】【課題】この永久磁石式発電・電動機の磁束密度変換
装置は，ロータの回転に応じて磁束制御をする円筒部材
とスイッチング機構によって複数種の一定電圧を発電す
る。【解決手段】コントローラ１０は，１つのステータに
巻き上げられた高電圧巻線５４，低電圧巻線５５及び可
変電圧巻線５６の接続を切り換えるスイッチング機構の
切り換え制御と，アクチュエータ９によってロータの回
転数に応答して円筒部材のステータに対する位置制御と
を行ない，例えば，主電源用の１００Ｖの高電圧，車両
用の２７Ｖの低電圧及びアクチュエータ９の制御用の一
方向の可変電圧を発電させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は，ハウジングに回
転可能に支持された回転軸に取り付けられた永久磁石板
材から成るロータと該ロータの外周に配置されたステー
タとから成る永久磁石式発電・電動機の磁束密度変換装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年，永久磁石の性能が向上するに従っ
て永久磁石を発電・電動機の回転子即ちロータとして使
用される機会が増加してきた。また，永久磁石をロータ
とした発電・電動機は，高い発電効率又は電動効率が得
られることと，簡単な構造で構成できるということか
ら，最近，工業用機器に多く使用されるようになった。
そこで，発電・電動機についてコンパクト化したり，高
性能化，高出力化する技術の開発が盛んになり，それに
伴って構成部品の多様化が必要となっている。

【０００３】従来，高出力交流発電・電動機として，特
開平７−２３６２６０号公報に開示された発電・電動機
は，回転速度に応じて磁束密度を制御して発電量を適正
に制御するものであり，ロータとステータとの間に制御
リングを相対回転可能に配置し，制御リングに接離可能
な透磁性体を設けたものである。

【０００４】また，特開２０００−２６１９８８号公報
に開示された電動・発電機は，ステータコアの内周面に
透磁部と非透磁部とが順次隣接する構造を持つ制御円筒
部材を配置し，運転時と停止させる時とで制御円筒部材
のステータコアに対する相対位置を変更し，運転時には
制御円筒部材の透磁部とステータコアの櫛部とを整合さ
せるのに対し，回転子を停止させる時には制御円筒部材
をその透磁部とステータコアの櫛部とで全周に磁路が存
在する位置に移動させて磁束が全周で均一に分散して流
れるようにして回転子の回転をスムースにしたものであ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで，一般に，永
久磁石を用いた発電・電動機の出力は，永久磁石の磁力
の大きさ，ステータの巻数と回転速度によって決まるこ
とが知られている。永久磁石を用いた発電・電動機は，
構造が簡単であり，高出力を出すことができるが，高速
回転時に磁束の強さを制御できないので，発電電力が増
加し，その制御が困難となる。一般的には，発電電力を
パワートランジスタ等でスイッチングし，切り刻む方法
がとられるが，リプルが大きく制御が極めて難しい。上
記の電動・発電機は，ロータの外側にステータの歯と同
じピッチで透磁材を置き，ステータのスロット部に樹脂
等を配置したリング状部材を設置し，該リング状部材を
回転させ，低速時はステータの歯と一致させ，高速時は
ステータの歯と透磁材の部位とをずらして磁束の通過面
積を小さくするものであるが，リング状部材が断続的に
接合されているため，回転運動時に，樹脂部が摩耗する
現象が起り，また，リング状部材には復元力が作用する
ので，磁路を小さくした場合に，磁性を大きくするよう
な大きな力が作用し，リング状部材が変形し，破損する
等の不具合が発生する。

【０００６】しかしながら，永久磁石式発電機では，永
久磁石の持つ大きな磁力を最大限に利用すると同時に回
転が高速度になるに従いその磁力を小さくする工夫が必
要である。そのために，永久磁石式発電機について，発
電機のステータコア内に位相を合致させて回転の増大と
共に電圧が上昇する電線を巻き込み，その電線の中に発
生した電流により，磁石制御装置を制御する方法を採用
すれば，容易に所定の電圧を得ることができる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明の目的は，上記
の問題を解決するため，高電圧巻線，低電圧巻線及び可
変電圧巻線の接続をスイッチング機構で切り換えて所望
の電圧を発電し，また，ステータとロータとの間に配置
された円筒部材を揺動制御してロータの回転数の変動時
でも常に一定で所定の発電電圧を確保し，高速回転時に
なる程，順次磁束の強さを低減する制御を実施し，反力
の発生を抑制し，低速回転時の磁束の強さは永久磁石本
来の磁力を得るような制御を行なう永久磁石式発電・電
動機の磁束密度変換装置を提供することである。

【０００８】この発明は，ハウジングに周方向に隔置状
態で回転可能に配置された永久磁石部材を備えたロー
タ，該ロータの外周側で前記ハウジングに固定された櫛
部間のスロット部に巻線が巻き上げられたステータ，該
ステータに内周側に隣接して周方向に隔置状態で回転可
能に配置された透磁部材と該透磁部材間の非透磁部材と
が交互に積層された円筒部材，及び該円筒部材に設けた
腕部を介して前記円筒部材を周方向に揺動可能に作動す
るアクチュエータを有し，前記ステータに巻き上げられ
た前記巻線は複数の巻線群から成る電源用高電圧巻線と
低電圧巻線，少なくとも１つの巻線群から成る電圧制御
用可変電圧巻線から構成され，コントローラは前記高電
圧巻線及び前記低電圧巻線の巻線数を変換するため前記
巻線群の接続を切り換えるスイッチング機構の切り換え
制御と前記アクチュエータによって前記ロータの回転数
に応答して前記円筒部材の前記ステータに対する位置制
御とを行なうことから成る永久磁石式発電・電動機の磁
束密度変換装置に関する。

【０００９】前記コントローラは，前記ロータの回転数
に応じて前記スイッチング機構によって前記高電圧巻線
の前記巻線群を直列，並列及び／又は単一の結線に切り
換えて前記高電圧巻線による予め決められた所定の一定
電圧を得る制御をする。

【００１０】また，前記コントローラは，前記アクチュ
エータによる前記円筒部材を揺動させ，前記円筒部材の
前記透磁部材と前記ステータの前記櫛部との間のクリア
ランスが小さくなる前記円筒部材の移動位置では磁束が
抑制が小さく，また，前記クリアランスが大きくなる前
記円筒部材の移動位置では前記磁束が抑制されて出力電
圧が低下する制御を行なう。

【００１１】また，前記コントローラは，前記ロータの
低速時には前記高電圧巻線の前記巻線群を前記スイッチ
ング機構によって前記巻線が大きくなるように直列に結
線制御し，前記ロータの高速時には前記高電圧巻線の前
記巻線群を前記スイッチング機構によって単一に結線制
御し，前記ロータの更なる高速時には前記アクチュエー
タを作動して前記円筒部材を周方向に移動制御し，前記
高電圧巻線による予め決められた所定の一定電圧を得る
制御をする。

【００１２】前記コントローラは，前記ロータの低速時
には前記低電圧巻線の前記巻線群を前記スイッチング機
構によって直列に結線制御し，前記ロータの高速時には
前記低電圧巻線の前記巻線群を前記スイッチング機構に
よって前記巻線が少なくなるように結線制御し，前記ロ
ータの更なる高速時には前記スイッチング機構によって
並列又は単一に結線制御すると共に前記アクチュエータ
を作動して前記円筒部材を周方向に移動制御し，前記低
電圧巻線による予め決められた所定の一定直流電圧を得
る制御をする。

【００１３】前記コントローラは，前記低電圧巻線の前
記巻線群の結線制御を，前記高電圧巻線の前記巻線群の
結線制御の信号と対応させて行なう。

【００１４】前記可変電圧巻線によって発電された電圧
は，整流によって直流可変電圧になる。

【００１５】前記円筒部材は，前記透磁部材が前記ステ
ータの前記櫛部間の前記スロットの幅より小さい幅を有
し，前記透磁部材間に配置された前記非透磁部材とが交
互に積層されて全体として円筒状に形成されている。

【００１６】前記透磁部材間に位置した前記非透磁部材
は，空隙又はアルミニウム，樹脂等の非磁性材から成る
強度材を埋設形成されている。

【００１７】前記円筒部材は，前記透磁部材と前記非磁
性部材とが積層されたリング部材を長手方向に複数個積
層して形成されている。

【００１８】前記コントローラは，予め決められた所定
の電圧に出力された電流を整流し，所定の一定電圧の交
流電圧を出力するインバータ機能を有する。

【００１９】この磁束密度変換装置は，上記のように構
成したので，アクチュエータで円筒部材を揺動制御する
ことによって，円筒部材とステータの櫛部との間に最適
の磁路空隙を形成でき，電圧制御が適正にでき，予め決
められた一定の電圧を発電させることができる。また，
この磁束密度変換装置は，高電圧巻線，低電圧巻線及び
可変電圧巻線の接続をスイッチング機構の切り換え制御
によって，所望の電圧を発電させることができる。ま
た，この磁束密度変換装置は，ソレノイド等のアクチュ
エータによって円筒部材を移動制御するものであり，従
来のような電気的な制御方法を用いていないので，出力
損失，発熱現象，及び高調波高電圧による電波障害が発
生せず，磁束制御を効率的に行なうことができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下，図面を参照して，この発明
による永久磁石式発電・電動機の磁束密度変換装置の一
実施例を説明する。この発明による磁束密度変換装置を
備えた永久磁石式発電・電動機は，例えば，回転軸２を
コージェネレーションシステムのエンジンに適用して発
電させたり，発電された電力を車両に搭載した車両に冷
蔵や冷凍庫を駆動したり，ディーゼルパティキュレート
フィルタ装置のヒータを駆動する電源として利用した
り，発電・電動機とエンジンを併設したハイブリット自
動車のエンジンに回転軸２を連結することによってエン
ジンの回転力で電動又は発電したり，又は，工作機械等
の機械装置にコントローラの指令で作動させる小型の電
動機として適用できる。

【００２１】この発電・電動機は，図３〜図５に示すよ
うに，回転子のロータ３と固定子のステータ４とを収容
すると共に磁力通路を構成するハウジング１，ハウジン
グ１に一対の軸受１３を介して回転可能にそれぞれ支持
されている回転軸２，回転軸２に固定されている永久磁
石部材５から成るロータ３，ロータ３の外周から隔置し
てハウジング１に固定されているステータ４，ステータ
４の内周側にステータ４に対して相対回転可能にハウジ
ング１に軸受１９を介して回転可能に取り付けられた円
筒部材７，及び円筒部材７をロータ３の駆動状態に応じ
てステータ４に対して相対移動させるアクチュエータ９
から構成されている。ハウジング１は，図３では，一対
の本体部１Ａと両側の本体部１Ａ間を連結するボルト等
の中間部１Ｂとから構成されている。

【００２２】ステータ４は，積層された薄板のステータ
コア１５のスロット２２に巻線１４が巻き付けられてい
る。ステータ４は，内周部に櫛歯状に周方向に隔置状態
で位置する櫛部２０，櫛部２０間の切欠き部であるスロ
ット２２が形成され且つハウジング１に固定されたステ
ータコア１５，及びステータコア１５のスロット２２を
通って櫛部２０に巻き上げられた巻線１４から構成され
ている。ステータコア１５におけるスロット２２と櫛部
２０との内周側には，円筒部材７が接触状態に且つステ
ータ４に対して相対揺動可能に配置されている。円筒部
材７は，例えば，軸受１９を介してハウジング１に回転
自在に取り付けられているが，場合によっては，軸受１
９を使用することなく，ステータ４のステータコア１５
に回転自在に接触状態に嵌合させることによってステー
タコア１５に相対回転可能に構成できる。

【００２３】ロータ３は，回転軸２の外周に配置された
磁路部材６，磁路部材６の外周面に配置された透磁部材
８，透磁部材８の外周面に配置された永久磁石部材５と
永久磁石部材５間の非磁性部材２１，及び永久磁石部材
５の外周面に固定された非磁性の補強部材１６を備えて
いる。永久磁石部材５は，周方向に隔置状態に配置され
且つ軸方向に延びる永久磁石片３５と，隣接する永久磁
石部材５の永久磁石片３５間に介在された非磁性部材２
１とから構成されている。また，磁路部材６は，透磁材
と非磁性材が周方向に交互に配置されて円筒状に形成さ
れている。ロータ３の一端には，回転軸２に設けられた
雄ねじ３６に押さえ板３７を介して固定ナット３８が螺
入され，他端にはスペーサ３９が介在され，固定ナット
３８を締め付けることによってロータ３が回転軸２の所
定位置に固定されている。また，回転軸２には，図示し
ていないが，回転軸２の端部に入力となるベルトプーリ
が固定され，ベルトプーリにエンジンの出力軸に取り付
けたベルトが掛けられている。円筒部材７とロータ３と
の間には，クリアランス２３が形成されている。

【００２４】この磁束密度変換装置は，図４〜図６に示
すように，ステータ４に内周側に隣接して周方向に隔置
状態で回転可能に配置された透磁部材１７と，透磁部材
１７間の非透磁部材１８とが交互に積層された円筒部材
７，及び円筒部材７に設けたロッド３１を介して円筒部
材７を周方向に揺動可能に作動するアクチュエータ９を
有する。円筒部材７とステータ１５との関係は，図６の
（Ｉ）と（ＩＩ）に示すように，円筒部材７の透磁部材
１７の幅はステータ１５の櫛部２０の幅よりも僅かに小
さく形成されている。コントローラ１０は，円筒部材７
を回動制御し，透磁部材１７の櫛部２０に対する対向領
域が変更され，磁束の絞り程度を制御する。

【００２５】円筒部材７は，図６の（Ｉ）及び（ＩＩ）
に示すように，透磁部材１７がステータ４の櫛部２０間
の前記スロットの幅又は櫛部２０の幅より小さい幅を有
し，透磁部材１７間には非透磁部材１８が交互に積層さ
れて全体として円筒状に形成されている。非透磁部材１
８は，図示していないが，空隙又はアルミニウム，樹脂
等の非磁性材から成る強度材を埋設形成されている。円
筒部材７は，図示していないが，透磁部材１７と非磁性
部材１８とが積層されたリング部材を長手方向に複数個
積層して形成されている。非透磁部材１８は，空隙，或
いはアルミニウム，樹脂等の非磁性材から成る強度材で
形成されている。また，透磁部材１７は，ステータ４の
櫛部２０より短い長さで対応して同数に設定されてい
る。また，円筒部材７の透磁部材１７は，積層された珪
素鋼板とリング部材とを固着して長手方向に積層して形
成されている。

【００２６】図１に示すように，ステータ４に巻き上げ
られた巻線１４は，複数（図１では２つ）の巻線群１Ｕ
−１Ｖ−１Ｗ，２Ｕ−２Ｖ−２Ｗから成る高電圧を持つ
電源用高電圧巻線５４，低電圧を持つ三相の巻線群４
８，４９から成る低電圧巻線５５，及び少なくとも１つ
の巻線群５０から成る電圧制御用可変電圧巻線５６から
構成されている。コントローラ１０は，これらの巻線１
４の接続を切り換えるスイッチング機構の切り換え制御
とアクチュエータ９によってロータ３の回転数に応答し
て円筒部材７のステータ４に対する位置制御とを行な
う。即ち，この磁束密度変換装置を備えた発電・電動機
は，例えば，主電源用の高電圧巻線５４，車両用の低電
圧巻線５５，及び電圧制御用の可変電圧巻線５６の三種
類がステータ４に巻き込まれている。この発電・電動機
では，例えば，高電圧巻線５４は，１００Ｖ（実効値）
の三相交流の発電を行う。また，低電圧巻線５５は，２
７Ｖ（実効値）の三相交流（場合によっては，単相交
流）の発電を行い。更に，アクチュエータ９を作動する
電圧制御用の巻線は，可変電圧の単相交流の発電を行
う。これらの三相交流は，例えば，使用時に単相の直流
１００Ｖに変換され，また，車両用の低電圧は，使用時
に直流２７Ｖに変換され，更に，制御用電圧は，アクチ
ュエータ９を作動する時に，整流によって直流可変電圧
になる。

【００２７】コントローラ１０は，アクチュエータ９に
よる円筒部材７を揺動させ，円筒部材７の透磁部材１７
とステータ４の櫛部２０との間のクリアランスが小さく
なる円筒部材７の移動位置では磁束の抑制が小さく，ま
た，クリアランスが大きくなる円筒部材７の移動位置で
は磁束が抑制されて出力電圧が低下する制御を行なうこ
とができる。また，コントローラ１０は，スイッチング
機構によって高電圧巻線５４の巻線群１Ｕ−１Ｖ−１Ｗ
と２Ｕ−２Ｖ−２Ｗとを直列，並列及び／又は単一の結
線に切り換えて高電圧巻線５４による予め決められた所
定の一定直流電圧を得る制御をすることができる。高電
圧巻線５４は，実施例に示すように主巻線１４を二分割
し，低速では全巻線１４から発電される出力を高圧側の
電源２５の負荷側へ送り，円筒部材７をアクチュエータ
９で揺動制御して予め決められた一定直流電圧（例え
ば，１００Ｖ）を得るようにする。発電機即ちロータ３
の回転数が増大し，円筒部材７の揺動制御でも磁束制御
ができなくなる場合には，スイッチング機構を作動して
主巻線の巻線数を減少させる制御し，予め決められた一
定直流電圧（例えば，１００Ｖ）を得るようにする。

【００２８】コントローラ１０は，ロータ３の低速時に
は高電圧巻線５４の巻線群１Ｕ−１Ｖ−１Ｗと巻線群２
Ｕ−２Ｖ−２Ｗとをスイッチング機構（３４Ａ〜３４
Ｆ）によって直列に結線制御し，ロータ３の高速時には
高電圧巻線５４の巻線群１Ｕ−１Ｖ−１Ｗと巻線群２Ｕ
−２Ｖ−２Ｗとをスイッチング機構によって並列又は単
一に結線制御し，また，ロータ３の更なる高速時には巻
線群１Ｕ−１Ｖ−１Ｗと巻線群２Ｕ−２Ｖ−２Ｗとをス
イッチング機構によって並列又は単一に結線制御すると
共に，アクチュエータ９を作動して円筒部材７を周方向
に移動制御し，高電圧巻線５４による予め決められた所
定の一定直流電圧を得る制御をする。

【００２９】車両用の低電圧巻線５５は，実施例では，
図１に示すように，ステータ４に巻き込まれた巻線を二
分割して単線４８，４９とし，両者を結線部３３で結成
し，ロータ３の低速時から中速時までは，高電圧巻線５
４の磁束制御と同様に電圧制御をする。また，ロータ３
の回転数が上昇し，円筒部材７によって電圧制御ができ
なくなると，スイッチング機構（５２，５３）を制御し
て巻き数を減少させて円筒部材７によって電圧制御をす
る制御を行なう。この時の信号は，高電圧巻線５４での
制御時の信号に対応させればよい。コントローラ１０
は，ロータ３の低速時には低電圧巻線５５の巻線群４８
と巻線群４９をスイッチング機構（５２，５３）によっ
て直列に結線制御し，ロータ３の高速時には低電圧巻線
５５の巻線群４８，４９をスイッチング機構によって並
列又は単一に結線制御し，ロータ３の更なる高速時には
スイッチング機構によって並列又は単一に結線制御する
と共にアクチュエータ９を作動して円筒部材７を周方向
に移動制御し，低電圧巻線５５による予め決められた所
定の一定直流電圧を得る制御をする。

【００３０】コントローラ１０は，低電圧巻線５５の巻
線群４８，４９の結線制御を，高電圧巻線５４の巻線群
１Ｕ−１Ｖ−１Ｗと２Ｕ−２Ｖ−２Ｗの結線制御の信号
と対応させて行なう。また，可変電圧巻線５６によって
発電された電圧は，整流によって直流可変電圧になる。
また，コントローラ１０は，予め決められた所定の電圧
に出力された電流を整流し，所定の一定直流電圧を出力
するインバータ機能を有する。

【００３１】アクチュエータ９は，例えば，円筒部材７
の端部に固定されたロッド３１を備えたソレノイド式の
電磁弁から構成され，コントローラ１０はポジションセ
ンサによって円筒部材７の複数位置を選定し，電磁弁の
ロッド３１を移動させて円筒部材７を僅かな回転移動さ
せる制御をすることから構成されている。アクチュエー
タ９は，円筒部材７に一端を固定したロッド３１は，他
端が電磁弁に挿通されているので，電磁弁のコイルへの
電流を制御することによってロッド３１が出入し，円筒
部材７が僅かな正転又は逆転をし，透磁部材１７と非透
磁部材１８との位置がステータ４の櫛部２０に対して揺
動移動する。アクチュエータ９は，例えば，ポジション
センサによってロッド３１の位置を確かめ，電磁弁に負
荷する電圧を変化させる。例えば，電磁弁に大きな電圧
を加えると，移動が進み駆動力が増加するので，電圧を
小さくするというような電圧制御を行なうことによっ
て，円筒部材７を所望の位置に停止させることができ
る。また，円筒部材７には，例えば，戻りスプリングが
設けられているので，円筒部材７の位置が常に定まる状
態になる。また，円筒部材７は，両端に端部から磁力が
外部へ漏洩するのを防止するため，磁力漏洩防止外筒を
配置することもできる。

【００３２】ステータ４のスロット２２に巻き上げられ
た巻線１４は，上記の実施例の他に，ステータ４のステ
ータコア１５の櫛部２０に同位相で発電できるように
し，同一及び／又は異なった巻数で巻き上げられて直列
に接続できるように，複数個の巻線群は，例えば，３群
の巻線群に分けられており，２つの巻線群が結線され，
他の巻線群は別の出力として利用される。場合によって
は，３群の巻線群に分けることもできる。

【００３３】コントローラ１０は，所定の電圧に出力さ
れた電力をダイオードやコンデンサ４７を持つ整流器４
２で整流し，直流とし，予め決められた所定の電圧，例
えば，１００Ｖの電圧の交流，例えば，５０〜６０Ｈｚ
の交流を出力するインバータを有している。三相交流を
発生させる巻線１４は，例えば，巻線１Ｕと巻線２Ｕ，
巻線１Ｖと巻線２Ｖ，及び巻線１Ｗと巻線２Ｗが結線部
３３においてそれぞれ直列に結線され，結線部３３には
ライン２８を通じてスイッチ３４（３４Ａ，３４Ｂ，３
４Ｃ，３４Ｄ，３４Ｅ，３４Ｆ）が設けられている。コ
ントローラ１０は，ロータ３の回転数（ｒｐｍ）に応答
して円筒部材７のステータ４に対する位置制御と巻線群
の直列及び／又は並列の結線を，スイッチ３４のスイッ
チング機構の制御を行なうことによって予め決められた
所定の一定直流電圧を高圧側電源２５として得ることが
できる。

【００３４】コントローラ１０は，主電源用高電圧巻線
５４を制御する場合には，スイッチ３４Ｂ，スイッチ３
４Ｃ及びスイッチ３４ＥをＯＮし，他のスイッチをＯＦ
Ｆにする制御を行なうと，単１結線になってそれに対応
した出力電圧を得ることができる。また，スイッチ３４
Ａ，スイッチ３４Ｄ及びスイッチ３４ＦをＯＮし，他の
スイッチをＯＦＦにする制御を行なうと，２巻直列結線
になって出力電圧を得ることができる。コントローラ１
０は，２つの巻線群１Ｕ−１Ｖ−１Ｗと２Ｕ−２Ｖ−２
Ｗを直列に結線した場合には，巻線１４の巻き数が大き
くなるので，ロータ３の回転数が所定の回転数（Ｒ₁）
になれば，予め決められた一定電圧（例えば，１００
Ｖ）を発電できる。また，ロータ３の回転数が所定の回
転数（Ｒ₂）より増加すれば，ロータ３の回転数に伴っ
て円筒部材７の制御によって一定電圧（１００Ｖ）への
制御が不可能になるので，その時には２つの巻線群１Ｕ
−１Ｖ−１Ｗと２Ｕ−２Ｖ−２Ｗを並列又は単一結線に
切り換え，巻線１４の巻き数を小さくし，ロータ３の回
転数に伴って円筒部材７の制御によって一定直流電圧
（１００Ｖ）へ制御する。従って，コントローラ１０
は，ロータ３の回転数に応じてスイッチ３４のスイッチ
ング機構を制御することによって，図２に示すように，
出力電圧（Ｖ）として一定直流電圧を得ることができ
る。また，ステータ４の巻線１４は，ロータ３の永久磁
石の極数に合わせて同位相に構成し，巻線群１Ｕ−１Ｖ
−１Ｗ及び２Ｕ−２Ｖ−２Ｗを並列に結線することによ
って低電圧で大電流型の発電機に構成することができ
る。

【００３５】コントローラ１０は，車両用の三相低電圧
巻線５５を制御する場合に，スイッチ５２をＯＮし，ス
イッチ５３をＯＦＦにする制御を行なうと，巻線群４
８，４９が結線部３３Ａによって直列に結線され，ま
た，スイッチ５２をＯＦＦし，スイッチ５３をＯＮにす
る制御を行なうと，巻線群４８は無効になり，巻線群４
９のみの三相結線になる。車両用低電圧巻線５５で発電
された電力は，整流器４２及びコイル４６を経てバッテ
リ等の低圧側電源５１として得られ，バッテリに蓄電さ
れるか，又は車両の駆動に消費される。コントローラ１
０は，２つの巻線群４８，４９を直列に結線した場合に
は，巻線１４の巻き数が大きくなるので，ロータ３の回
転数が所定の回転数（Ｒ₁）になれば，予め決められた
所定の一定直流電圧（例えば，２７Ｖ）を発電できる。
ロータ３の回転数が所定の回転数（Ｒ ₂）より増加すれ
ば，ロータ３の回転数に伴って円筒部材７の制御によっ
て一定直流電圧（２７Ｖ）への制御が不可能になるの
で，その時には２つの巻線群４８，４９を並列又は単一
結線に切り換え，巻線１４の巻き数を小さくし，ロータ
３の回転数に伴って円筒部材７の制御によって一定電圧
（２７Ｖ）への制御する。従って，コントローラ１０
は，ロータ３の回転数に応じてスイッチ５２，５３のス
イッチング機構（５２，５３）を制御することによっ
て，図２に示すように，出力電圧（Ｖ）として一定直流
電圧を得ることができる。

【００３６】更に，可変電圧巻線５６は，図２の点線で
示すように，巻線群５０によってロータ３の回転に伴っ
て常に発電され，整流器４２及びコイル４６を経てアク
チュエータ９の作動に消費される。可変電圧巻線５６
は，スイッチング機構は設けられていないので，ロータ
３の回転数に伴って円筒部材７の制御による可変の電圧
が発電されることになる。

【００３７】この磁束密度変換装置は，コントローラ１
０の指令でアクチュエータ９で円筒部材７が回転される
ことによって，図４及び図６の（Ｉ）に示すように，円
筒部材７の透磁部材１７をステータコア１５のスロット
２２の中央に位置させたり，又は，図５及び図６の（Ｉ
Ｉ）に示すように，円筒部材７の透磁部材１７をステー
タコア１５の櫛部２０の中央に位置させることができ
る。円筒部材７は，図５及び図６の（ＩＩ）に示すよう
に，円筒部材７の透磁部材１７がステータコア１５の櫛
部２０の中心に位置し，円筒部材７の非透磁部材１８は
ステータコア１５のスロット２２を中心に位置する時
に，磁力が永久磁石部材５から円筒部材７の透磁部材１
７を通ってステータコア１５の櫛部２０を通って流れ，
ロータ３が回転運動する。円筒部材７は，図４及び図６
の（Ｉ）に示すように，円筒部材７の透磁部材１７がス
テータコア１５の隣接した櫛部２０間，即ち，ステータ
コア１５の間隙を中心にブリッジ状態に位置する時に，
磁束を絞る状態になる。

【００３８】例えば，永久磁石部材５から円筒部材７の
非透磁部材１８を通ってステータコア１５の櫛部２０へ
抜ける磁束と，永久磁石部材５の透磁部材１７を通って
ステータコア１５の櫛部２０へ抜ける磁束とがほぼ同一
の磁束密度になるように，円筒部材７の透磁部材１７と
非透磁部材１８とのサイズは，ステータコア１５の間隙
に対して設定することができる。従って，アクチュエー
タ９によって円筒部材７の透磁部材１７がステータコア
１５の櫛部２０と整合状態になる位置まで相対回転させ
ることによって，永久磁石部材５から円筒部材７の透磁
部材１７を通って櫛部２０へ抜ける磁力線が周方向に均
一に移動することができる。また，ロータ３が回転して
運転されている時に，図５及び図６の（ＩＩ）に示すよ
うに，円筒部材７の透磁部材１７がステータコア１５の
櫛部２０に対応する位置に位置決めされＲＵ。また，ロ
ータ３が停止する時に，図４及び図６の（Ｉ）に示すよ
うに，円筒部材７の透磁部材１７はステータコア１５の
隣接する櫛部２０間のクリアランスが形成される位置
（スロット２２）に位置決めされ，永久磁石部材５から
ステータコア１５の櫛部２０への磁束が絞られて円筒部
材７の周方向に均一に分散して流れる。

【００３９】また，永久磁石部材５は，複数の永久磁石
片３５がほぼ筒形状に配置され，永久磁石片３５と永久
磁石片３５と間の境界領域に非磁性部材２１を構成する
ガラス材を充填し，永久磁石片３５とガラス材とから成
る全体の外形形状を，ほぼ円筒状の永久磁石部材５を構
成する。永久磁石片３５は，内周側に一方の磁極（Ｎ極
又はＳ極）が位置し，外周側に他方の磁極（Ｓ極又はＮ
極）が位置するように配置され，周方向において隣接す
る永久磁石片３５の磁極（Ｎ極とＳ極）は互いに相違す
るように配置されている。また，補強部材１６は，例え
ば，磁性を持たないカーボン繊維やセラミック繊維を樹
脂材で固めて作製したり，ガラス材で被覆されたセラミ
ックス及び／又は合金等の金属から成る補強線或いはア
モルファス合金の補強筒状体から成り，補強線を永久磁
石部材５の外周面に加熱状態で巻き上げることによって
補強線がガラス材で互いに固着されている。

【００４０】

【発明の効果】この永久磁石式発電・電動機の磁束密度
変換装置は，上記のように，アクチュエータによる円筒
部材の揺動制御とスイッチング機構による高電圧巻線又
は低電圧巻線の切り換え制御によって発電電圧を制御す
ることができるので，従来のようなサイリスタやトラン
ジスタを用いることなく，適正な電圧制御が確実に簡単
に達成でき，例えば，ロータの回転数に影響されること
なく，例えば，１００Ｖや２７Ｖ等の所望の予め決めら
れた一定電圧を発電させることができる。この発電・電
動機は，透磁部材間に樹脂，アルミニウム又はアルミニ
ウム合金から成る非透磁部材を鋳込み等によって充填し
ているから，磁束をロータの回転状態に応じて効率的に
制御する円筒部材の剛性をアップすると共に，反力に抗
することができ，耐久性をアップすることができる。従
って，この発電・電動機の磁束密度変換装置は，例え
ば，回転エネルギを電気エネルギに変換する高速発電機
や高速モータに適用できると共に，車両に搭載した冷蔵
冷凍庫の駆動用電源，ディーゼルパティキュレートフィ
ルタ装置のヒータの加熱用の電源として効率的に適用で
き，また，コジェネレーションシステムにおける発電機
として適用でき，ハイブリット自動車用エンジン等に容
易に適用でき，更に，工作機械等で使用される高速回転
のモータに適用することができる。この発電・電動機
は，例えば，６００００ｒｐｍという高速回転にも耐え
ると共に，製造コストを低減でき，しかもコンパクトに
構成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による永久磁石式発電・電動機の磁束
密度変換装置の巻線結線回路の一実施例を示す説明図で
ある。

【図２】図１の永久磁石式発電・電動機の磁束密度変換
装置によって発電された出力電圧と回転数即ち回転速度
の関係を示すグラフである。

【図３】この永久磁石式発電・電動機の磁束密度変換装
置の一実施例を示す断面図である。

【図４】図３の永久磁石式発電・電動機の磁束密度変換
装置におけるＡ−Ａ断面における断面を示し，磁束を絞
る位置に円筒部材が移動した場合を示す断面図である。

【図５】図３の永久磁石式発電・電動機の磁束密度変換
装置におけるＡ−Ａ断面における断面を示し，磁束を絞
らない位置に円筒部材が移動した場合を示す断面図であ
る。

【図６】（Ｉ）は図４における円筒部材とステータとの
関係を，また（ＩＩ）は図５における円筒部材とステー
タとの関係を一部を拡大して説明した断面図である。

【符号の説明】

１ハウジング１Ａ本体部１Ｂ中間部（ボルト）２回転軸３ロータ４ステータ５永久磁石部材６磁路部材７円筒部材８，１７透磁部材９アクチュエータ１０コントローラ１３，１９軸受１４巻線１５ステータコア１６補強部材１８，２１非透磁部材２０櫛部２２スロット２３クリアランス２５高圧側電源２８ライン３３，３３Ａ結線部３４，３４Ａ〜３４Ｆスイッチ３５永久磁石片３６雄ねじ３７押え板３８ナット３９スペーサ４２整流器４６，４８，４９，５０コイル４７コンデンサ５１低圧側電源５２，５３低電圧電源スイッチ５４高電圧巻線５５低電圧巻線５６可変電圧巻線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０２Ｋ 21/48 ＺＨＶＨ０２Ｋ 21/48 ＺＨＶ // Ｈ０２Ｋ 3/28 3/28 ＪＦターム(参考） 5H002 AA05 AB04 AE06 AE07 5H590 AA02 AA15 AB01 BB15 CA07 CA23 CA26 CC02 CC18 CC23 CC30 CC32 CC36 CD01 CE05 EB02 FA05 FB01 FC05 FC26 GA02 HA27 5H603 AA01 BB02 BB09 BB12 CA01 CA05 CB12 CC03 CC17 CD21 EE23 5H621 AA03 BB08 BB10 GA01 GA04 GA07 GB14 HH01 JK13 PP02 PP10 5H622 AA03 CA02 CA07 CB06 PP03 PP07 PP09 PP20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ハウジングに周方向に隔置状態で回転可
能に配置された永久磁石部材を備えたロータ，該ロータ
の外周側で前記ハウジングに固定された櫛部間のスロッ
ト部に巻線が巻き上げられたステータ，該ステータに内
周側に隣接して周方向に隔置状態で回転可能に配置され
た透磁部材と該透磁部材間の非透磁部材とが交互に積層
された円筒部材，及び該円筒部材に設けた腕部を介して
前記円筒部材を周方向に揺動可能に作動するアクチュエ
ータを有し，前記ステータに巻き上げられた前記巻線は
複数の巻線群から成る電源用高電圧巻線と低電圧巻線，
少なくとも１つの巻線群から成る電圧制御用可変電圧巻
線から構成され，コントローラは前記高電圧巻線及び前
記低電圧巻線の巻線数を変換するため前記巻線群の接続
を切り換えるスイッチング機構の切り換え制御と前記ア
クチュエータによって前記ロータの回転数に応答して前
記円筒部材の前記ステータに対する位置制御とを行なう
ことから成る永久磁石式発電・電動機の磁束密度変換装
置。
【請求項２】前記コントローラは，前記ロータの回転
数に応じて前記スイッチング機構によって前記高電圧巻
線の前記巻線群を直列，並列及び／又は単一の結線に切
り換えて前記高電圧巻線による予め決められた所定の一
定電圧を得る制御をすることから成る請求項１に記載の
永久磁石式発電・電動機の磁束密度変換装置。
【請求項３】前記コントローラは，前記アクチュエー
タによる前記円筒部材を揺動させ，前記円筒部材の前記
透磁部材と前記ステータの前記櫛部との間のクリアラン
スが小さくなる前記円筒部材の移動位置では磁束が抑制
が小さく，また，前記クリアランスが大きくなる前記円
筒部材の移動位置では前記磁束が抑制されて出力電圧が
低下する制御を行なうことから成る請求項１に記載の永
久磁石式発電・電動機の磁束密度変換装置。
【請求項４】前記コントローラは，前記ロータの低速
時には前記高電圧巻線の前記巻線群を前記スイッチング
機構によって前記巻線が大きくなるように直列に結線制
御し，前記ロータの高速時には前記高電圧巻線の前記巻
線群を前記スイッチング機構によって単一に結線制御
し，前記ロータの更なる高速時には前記アクチュエータ
を作動して前記円筒部材を周方向に移動制御し，前記高
電圧巻線による予め決められた所定の一定電圧を得る制
御をすることから成る請求項１に記載の永久磁石式発電
・電動機の磁束密度変換装置。
【請求項５】前記コントローラは，前記ロータの低速
時には前記低電圧巻線の前記巻線群を前記スイッチング
機構によって直列に結線制御し，前記ロータの高速時に
は前記低電圧巻線の前記巻線群を前記スイッチング機構
によって前記巻線が少なくなるように結線制御し，前記
ロータの更なる高速時には前記スイッチング機構によっ
て並列又は単一に結線制御すると共に前記アクチュエー
タを作動して前記円筒部材を周方向に移動制御し，前記
低電圧巻線による予め決められた所定の一定直流電圧を
得る制御をすることから成る請求項１に記載の永久磁石
式発電・電動機の磁束密度変換装置。
【請求項６】前記コントローラは，前記低電圧巻線の
前記巻線群の結線制御を，前記高電圧巻線の前記巻線群
の結線制御の信号と対応させて行なうことから成る請求
項１に記載の永久磁石式発電・電動機の磁束密度変換装
置。
【請求項７】前記可変電圧巻線によって発電された電
圧は，整流によって直流可変電圧になることから成る請
求項１に記載の永久磁石式発電・電動機の磁束密度変換
装置。
【請求項８】前記円筒部材は，前記透磁部材が前記ス
テータの前記櫛部間の前記スロットの幅より小さい幅を
有し，前記透磁部材間に配置された前記非透磁部材とが
交互に積層されて全体として円筒状に形成されているこ
とから成る請求項１に記載の永久磁石式発電・電動機の
磁束密度変換装置。
【請求項９】前記透磁部材間に位置した前記非透磁部
材は，空隙又はアルミニウム，樹脂等の非磁性材から成
る強度材を埋設形成されていることから成る請求項１に
記載の永久磁石式発電・電動機の磁束密度変換装置。
【請求項１０】前記円筒部材は，前記透磁部材と前記
非磁性部材とが積層されたリング部材を長手方向に複数
個積層して形成されていることから成る請求項１に記載
の永久磁石式発電・電動機の磁束密度変換装置。
【請求項１１】前記コントローラは，予め決められた
所定の電圧に出力された電流を整流し，所定の一定電圧
の交流電圧を出力するインバータ機能を有することから
成る請求項１に記載の永久磁石式発電・電動機の磁束密
度変換装置。