JP2019122126A - 自律運転型回転電気機械の運転方法及び自律運転型回転電気機械 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は自律運転型回転電気機械の運転方法、自律運転型回転電気機械及びこれを利用したバッテリレスモータ及び電気自動車用モータを提供することを目的とする。【解決手段】モータ固定子１０５，１０７にモータコイル１０６と発電コイル１０８を配置し、モータの回転時に発電コイルから発電電力を出力させ、この発電電力を直流電力に変換してＬｉＣからなる蓄電デバイス２０に蓄電して蓄電電力ＳｔＰを出力させ、蓄電電力を高周波電力増幅器３０で増幅して直流増幅電力ＤａＰを発生させ、直流増幅電力からインバータ３４で多相駆動電力φｕ、φｖ、φｗを生成して、モータ固定子に供給することで、モータの自律運転を可能にし、モータのトルク出力を大幅に向上させることにより、バッテリレスモータ及び電気自動車用モータを提供することができる。【選択図】図２

Description

発明の詳細な説明

本発明は回転電気機械の運転方法及び回転電気機械に関し、特に、自律運転型回転電気機械の運転方法及び自律運転型回転電気機械に関する。

近年、回転電気機械に動力発生部と電力発生部を備え、動力発生時に電力を発生させることが提案されている。特許文献１には、動力生成電機子と電力生成電機子とを配置したステータに永久磁石ロータを回転可能に収納した構造が配置されている。

特許文献２には、複数の動力生成電機子と複数の電力生成電機子とを周方向に交互に配置したステータに永久磁石ロータを回転可能に収納した構造が配置されている。

特許文献３には、モータコイルと発電コイルとをステータに配置し、モータコイルによりロータの永久磁石を順次磁気吸引することでロータ回転させると同時に発電コイルで発電させるようにした自律回転型モータが開示されている。

特許文献４には、第１、第２モータの間に発電機が連結された自律発電型モータが開示されている。

特許文献５には、ユニバーサルモータと、該ユニバーサルモータに連結されたＤＣ発電機とを備えた自律発電型モータ発電機が開示されている。

米国特許第５３５０９９１号公報 米国特許第６３５９３５８号公報 米国特許第５７８６６４５号公報 米国特許第２００４／００６０７４９号公報 米国特許第２０１１／０２２７４３８号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の回転電気機械の構成では、起動時に外部電源から電力をモータに供給して発電機を駆動して電力を発電させているが、外部電源等のインフラが整備されていない場所では、モータを駆動させることができす、結果として発電機を作動させることができなかった。

上記特許文献２に記載の回転電気機械の構成では、起動時に外部電源から電力をモータに供給して発電機を駆動して電力を発電させているが、外部電源等のインフラが整備されていない場所では、モータを駆動させることができず、結果として発電機を作動させることができなかった。

上記特許文献３に記載の自律回転型モータでは、発電コイルで生成した発電電力をバッテリに充電して、スイッチ回路を介してモータコイルに供給するようにしているが、発電コイルで発生する逆起電力が大きいために、モータは必然的に大きな電力を消費せざるを得なかった。しかも、モータの消費電力に比べて発電コイルの発電電力はきわめて小さいために、自動車や発電機などの大きな負荷に利用することはできなかった。

上記特許文献４に記載の自律発電型モータでは、起動時にバッテリからの蓄電電力でスタータを介してＥＶ車の駆動輪を回転させると同時に第１モータを駆動し、同時に発電機を駆動して発電電力を出力させ、この発電電力により第２モータを駆動し、得られた機会出力をトランスミッションを介してＥＶ車の後輪駆動軸に供給している。この構成では、独立した複数のモータ及び発電機が必要となり、動力源の構造が必然的に大型となって、限られたスペースのエンジンルームにコンパクトに収納することはできなかった。さらに、モータも発電機も効率が悪く、その分消費電力が大きくなり、バッテリの容量が増大してコストアップの要因となルため、実用的ではなかった。

特許文献５に記載の自律発電型モータ発電機では、起動時にＡＣ電力をモータに供給してＤＣ発電機を駆動してＤＣ電力を出力させ、このＤＣ電力を該モータに供給することでＡＣ電力の代わりにＤＣ電力のみで該モータを駆動していた。しかし、ＤＣ発電機の発電量はモータの動力と比較して大きな出力とはなり得ず、電気自動車のような大きな負荷を駆動することはできなかった。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、自律運転型回転電気機械の運転方法、自律運転型回転電気機械及びこれを利用したバッテリレスモータ及び電気自動車用モータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１局面による自律運転型回転電気機械の運転方法は、回転軸を有していてモータコイルと発電コイルとを有する多相モータ発電部と、上記多相モータ発電部にエアーギャップを介して対向する永久磁石ロータとを備え、上記回転軸により駆動されて上記永久磁石ロータが上記発電コイルに磁束を交差させることで発電電力を発生させる多相発電部とを備えた多相モータ発電部を準備する工程と、高周波電力入力端子と増幅電力出力端子を有していて、周方向に所定間隔で形成された複数対の磁気回路を有するステータを準備する工程と、上記高周波電力入力端子と上記増幅電力出力端子との間にコイルライン及びコモンラインを接続する工程と、上記コイルラインに複数対のインダクタを直列接続して上記複数対の磁気回路をそれぞれ囲むように上記複数対のインダクタを上記ステータにそれぞれ配置する工程と、上記コモンラインと上記複数対のインダクタとの間にそれぞれ複数のコンデンサを接続する工程と、 上記発電電力を変換して所定周波数の高周波交流電力を発生させる工程と、上記高周波電力入力端子に上記高周波交流電力を入力する工程と、上記高周波交流電力に同期して上記複数対のインダクタで発生する磁束の向きと同一方向に上記複数対の磁気回路を介して高周波磁界を加える工程と、上記複数対のインダクタの磁束密度を高めることで上記複数対のインダクタが蓄えるエネルギーを増幅して上記コイルラインと上記コモンラインとの間で高周波増幅電力を発生させる工程と、上記高周波増幅電力を整流して直流増幅電力を生成する工程と、上記直流増幅電力の少なくとも一部を蓄電装置に蓄電して蓄電電力を出力させ、上記コイルライン及び上記コモンラインに接続された増幅電力出力端子から上記高周波増幅電力を出力させる工程と、上記直流増幅電力及び上記蓄電電力の少なくとも１つから多相駆動電力を生成する工程とを備え、上記多相駆動電力を順次上記複数のモータコイルに供給することで上記モータ発電部を回転駆動しながら上記発電コイルから上記発電電力を出力させることを特徴とする。

本発明の第２局面による自律運転型回転電気機械の運転方法は、筒状ハウジングに収納されていて、複数のモータコイルと複数の発電コイルを有するモータ固定子と、上記ハウジングに回転可能に支持された回転軸と、上記モータ固定子に近接して上記回転軸に支持されていて、周方向において等間隔で配置された複数の永久磁石を有するロータとを備え、上記永久磁石が上記複数のモータコイルの励磁時に順次磁気吸引されて上記ロータを駆動するとともに上記発電コイルに磁束を交差させて発電電力を出力させるモータ発電機を準備する工程と、周方向に所定間隔で形成された複数対の磁気回路と上記複数対の磁気回路にそれぞれ隣接して形成されていて上記複数対の磁気回路と同一磁路を形成する複数の励磁回路を有するステータを準備する工程と、高周波電力入力端子と増幅電力出力端子との間にコイルライン及びコモンラインを接続する工程と、上記コイルラインに複数対のインダクタを直列接続して上記複数対の磁気回路をそれぞれ囲むように上記複数対のインダクタをそれぞれ配置する工程と、上記コモンラインと上記複数対のインダクタとの間にそれぞれ複数のコンデンサを接続する工程と、上記発電電力を変換して所定周波数の高周波交流電力を発生させる工程と、上記高周波電力入力端子に上記高周波交流電力を入力する工程と、上記高周波交流電力に同期して上記複数の励磁回路を介して上記複数対の磁気回路に高周波磁界を加えて上記複数対のインダクタの磁束密度を増大させる工程と、上記複数対のインダクタが蓄えるエネルギー密度を増幅して上記コイルラインと上記コモンラインとの間で高周波増幅電力を発生させる工程と、上記コイルライン及び上記コモンラインに接続された増幅電力出力端子から上記高周波増幅電力を出力させる工程と、上記高周波増幅電力を整流して直流増幅電力を生成する工程と、上記直流増幅電力の少なくとも一部を蓄電装置に蓄電して蓄電電力を出力させる工程と、上記直流増幅電力及び上記蓄電電力の少なくとも１つから多相駆動電力を生成する工程と、上記多相駆動電力を順次上記複数のモータコイルに供給することで上記モータ発電機を回転駆動する工程とを備え、上記モータ発電機の運転時に上記発電コイルにより上記発電電力を出力させることを特徴とする。

本発明の第３局面による自律運転型回転電気機械は、筒状ハウジングに収納されていて、複数のモータコイルと複数の発電コイルを有するモータ固定子と、上記筒状ハウジングに回転可能に支持された回転軸と、上記モータ固定子に近接して上記回転軸に支持されていて、周方向において等間隔で配置された複数の永久磁石を有するロータとを備え、上記永久磁石が上記複数のモータコイルの励磁時に順次磁気吸引されて上記ロータを駆動するとともに上記発電コイルに磁束を交差させて発電電力を出力させるモータ発電機と、周方向に所定間隔で形成された複数対の磁気回路と上記複数対の磁気回路にそれぞれ隣接して形成されていて上記複数対の磁気回路と同一磁路を形成する複数の励磁回路を有していて高周波電力入力端子と増幅電力出力端子を有するステータと、上記高周波電力入力端子と上記増幅電力出力端子との間に接続されたコイルライン及びコモンラインと、上記コイルラインに複数対のインダクタを直列接続されていて上記複数対の磁気回路をそれぞれ囲むようにそれぞれ配置された複数対のインダクタと、上記コモンラインと上記複数対のインダクタとの間にそれぞれ接続された複数のコンデンサと、上記交流電力を所定周波数の高周波交流電力に変換して上記高周波電力入力端子に供給する高周波交流電力発生器と、上記高周波交流電力に同期して上記複数の励磁回路に周期的に高周波磁界を発生させて上記複数対の磁気回路を介して上記複数対のインダクタに上記高周波磁界を交差させることで上記複数対のインダクタの電流を増加させて上記コイルラインと上記コモンラインとの間で高周波増幅電力を発生させる高周波磁界発生装置と、上記高周波増幅電力を整流して直流増幅電力を生成する整流器と、上記直流増幅電力の少なくとも一部を蓄電して蓄電電力を出力させる蓄電装置と、上記直流増幅電力及び上記蓄電電力の少なくとも１つから多相駆動電力を生成して上記複数のモータコイルに順次供給することで上記モータ発電機を回転駆動すると同時に上記発電電力を出力させるインバータとを備えることを特徴とする。

本発明の第４局面による自律運転型回転電気機械は、筒状ハウジングの周方向に等間隔で軸方向に並列で収納された複数対のラジアル磁極と、上記複数対のラジアル磁極の各対のラジアル磁極の間に支持されたモータコイル及び発電コイルとを有するモータ固定子と、上記筒状ハウジングに回転可能に支持された回転軸と、上記モータ固定子の軸方向前端側に近接するように上記回転軸に支持されていて、周方向において等間隔で配置された第１配列の複数の永久磁石を有する第１２フライホイールと上記モータ固定子の軸方向後端側に近接するように上記回転軸に支持されていて、周方向において等間隔で配置された第２配列の複数の永久磁石を有する第２フライホイールとからなるロータとを備え、上記永久磁石が上記複数のモータコイルの励磁時に順次磁気吸引されて上記ロータを駆動するとともに上記発電コイルに磁束を交差させて発電電力を出力させるモータ発電機と、周方向に所定間隔で形成された複数対の磁気回路と上記複数対の磁気回路にそれぞれ隣接して形成されていて上記複数対の磁気回路と同一磁路を形成する複数の励磁回路を有していて高周波電力入力端子と増幅電力出力端子を有するステータと、上記高周波電力入力端子と上記増幅電力出力端子との間に接続されたコイルライン及びコモンラインと、上記コイルラインに複数対のインダクタを直列接続されていて上記複数対の磁気回路をそれぞれ囲むようにそれぞれ配置された複数対のインダクタと、上記コモンラインと上記複数対のインダクタとの間にそれぞれ接続された複数のコンデンサと、上記発電電力を所定周波数の高周波交流電力に変換して上記高周波電力入力端子に供給する高周波交流電力発生器と、上記高周波交流電力に同期して上記複数の励磁回路に周期的に高周波磁界を発生させて上記複数対の磁気回路を介して上記複数対のインダクタに上記高周波磁界を交差させることで上記複数対のインダクタの電流を増力させて上記コイルラインと上記コモンラインとの間で高周波増幅電力を発生させる高周波磁界発生装置と、上記高周波増幅電力を整流して直流増幅電力を生成する整流器と、上記直流増幅電力の少なくとも一部を蓄電して蓄電電力を出力させる蓄電装置と、上記直流増幅電力及び上記蓄電電力の少なくとも１つから多相駆動電力を生成して上記複数のモータコイルに順次供給することで上記モータ発電機を回転駆動すると同時に上記発電電力を出力させるインバータとを備えることを特徴とする。

本発明の第５局面によるバッテリレスモータは、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の自律運転型回転電気機械を備えることを特徴とする。

本発明の第６局面によるバッテリレスモータは、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の自律運転型回転電気機械を備えることを特徴とする。

請求項１４

本発明の第７局面による電気自動車用モータは、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の自律運転型回転電気機械を備えることを特徴とする。

発明の効果

本発明によれば、回転機械の運転中に発電出力を発生させ、この発電出力を増幅して回転機械の励磁コイルに還流することにより出力トルクを飛躍的に向上させることが可能な自律運転型回転電気機械の運転方法、自律運転型回転電気機械及びこれを利用したバッテリレスモータ及び電気自動車用モータを提供することを目的とする。

以下、本発明の各実施形態について図面を参照しながら説明する。

（実施形態）
本発明の実施形態の自律運転型回転電気機械１０につき、図１を参照して説明する。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

（実施形態）
本発明の実施形態の自律運転型回転電気機械及びその運転方法につき、図１を参照して説明する。自律運転型回転電気機械は電気自動車用動力源又は自律運転型発電装置として適用されるが、その他の農業機械、建設機械、港湾機械等の産業機械や各種船舶、各種ロボット、航空機や宇宙往還機等の移動体にも適用される。

図１において、自律運転型回転機械１０は、１例として、電気自動車（ＥＶ）の動力源に適用したものとして説明する。自律運転型回転機械１０は、多相モータ部１２と多相発電部１４とを有するモータ発電機１００を備える。多相モータ部１２は出力軸１０４を介して、ＥＶのトランスミッション及びプロペラーシャフト（図示せず）等の動力伝達部を経由して駆動輪等の負荷ＥＶｗに接続される。多相発電部１４は外部端子ＯＴを介して主発電電力ＭＰｗを出力して、ＥＶの空調機（図示せず）その他アクセサリー電気機器等の負荷１５に供給される。自律運転型回転機械１０を移動体用動力電源として適用する場合は、モータ部１２の負荷ＥＶｗを外して、負荷１５をＥＶの駆動モータで差し替えてもよい。

多相発電部１４は、多相電力ＡＰｗを出力する。多相電力ＡＰｗは整流器１６で整流されて直流電力ＤＰに変換され、充電器１８を介して蓄電デバイス２０に蓄電される。蓄電デバイス２０は大電流充放電（短時間で５００Ａ放電が可能）で１，０００，０００サイクル以上の長寿命サイクルを有する日立化成のリチウムイオンキャパシタＳＬＣ−Ｂ１５２Ａ、ＳＬＣ−Ｂ１１０Ａ又はＪＭエナジーのＭＰＡ４５Ｇ２７５Ｈのようなリチウム（Ｌｉ）イオンキャパシタバンクが好ましくは利用される。蓄電デバイス２０の直流出力ＳｔＰは後述のコントローラ２４の指令Ｃ０に応答して閉じるスイッチＳＷ１を介してインバータ３４に供給されて、３相交流駆動信号に変換されても良い。一方、蓄電デバイス２０はコントローラ２４の指令Ｃ１に応答して閉じるスイッチＳＷ２を介して高周波交流電力発生器２２に蓄電電力ＳｔＰを供給する。

高周波交流電力発生器２２は蓄電デバイス２０の蓄電電力ＳｔＰを１０〜７０ｋＨｚ、好ましくは、２０〜５０ｋＨｚの高周波交流電力ＨｆＰに変換する。高周波交流電力ＨｆＰが１０ｋＨｚ以下では、後述のように、磁束変化が低すぎて、増幅率が低下するため好ましくなく、５０ｋＨｚ以上では電子部品の寿命が低くなるため、好ましくはない。高周波交流電力発生器２２としては、例えば、日本国特許第３３９９２１４号及び同第３３９９２１５号又は特開平第７−２３１６７０号に開示された高周波インバータ、特開平第１０−７４５９８８号に開示されたＲＦパワー発生器、米国特許第３３６８１６４号及び米国特許第５２８１９０５号に開示された高周波交流電力発生器並びに米国特許第４０２８６１０号及び米国特許第５２８１９０５号に開示された高周波交流電流発生インバータのいずれかがが好ましくは挙げられる。

コントローラ２４は、例えば、所定の演算処理を実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、所定の制御プログラムが記憶されたＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）と、例えばＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ ａｎｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）を用いて構成される。コントローラ２４は入力装置２６及びメインスイッチ（図示せず）に接続されていて、入力装置２６はインバータの設定周波数その他の各種制御対象の制御パラメータや該制御パラメータに応じたスイッチ切替信号等を入力する。メインスイッチが投入されると、コントローラ２４は、入力装置２６からの出力信号に応答して、指令信号Ｃ１と指令信号Ｃ２のいずれかを出力してスイッチＳＷ１又はＳＷ２のいずれか一方を閉じる。高周波交流電力ＨｆＰの周波数に同期したゼロ位相信号Ｓがコントローラ２４に入力される。

高周波パルス発生器２８はスイッチＳＷ２が閉じて蓄電デバイス２０から蓄電電力が供給され、同時に、コントローラ２４からゼロ位相信号Ｓに同期した同期信号Ｓｙｃが供給される。高周波パルス発生器２８は、高周波交流電力ＨｆＰの周波数に同期した同期信号Ｓｙｃに応答して、例えば、１０〜７０ｋＨｚ、好ましくは、２０〜５０ｋＨｚの高周波励磁パルスＨｆＰｅを生成する。高周波パルス発生器２８としては、例えば、米国特許第８０１８２６３号公報又は米国特許第８０２３２９６号公報に開示された高周波パルス発生回路を利用してもよい。高周波励磁パルスＨｆＰｅが１０ｋＨｚ以下では、磁束変化が少なくなって、増幅率が低下するため好ましくなく、５０ｋＨｚ以上では電子部品の寿命が低くなるため、好ましくはない。高周波パルス発生器２８は、例えば、上述の高周波インバータから構成してもよい。

高周波励磁パルスＨｆＰｅに応答して、高周波交流電力増幅器３０は高周波交流電力ＨｆＰを増幅して高周波増幅電力ＨｆＰａを出力する。高周波増幅電力ＨｆＰａは高周波整流器３２で整流されて直流増幅電力ＤａＰに変換されてインバータ３４に供給される。高周波整流器３２は被整流波交流電力を直流出力電力に変換するもので、例えば、特開平２０１６−７２７５５号又は特開平２０１７−１１２７８４号に開示された高周波整流器が好ましくは利用してもよい。

コントローラ２４からの指令信号Ｃ２に応答して、インバータ３４は蓄電電力ＳｔＰ又は直流増幅電力ＤａＰから設定周波数の三相交流駆動信号φＵ，φＶ，φＷを生成して駆動電力としてモータ発電機１００の３相交流モータ１２に供給する。

自律運転型回転機械１０の運転において、メインスイッチ（図示せず）を投入すると、コントローラ２４からの指令信号Ｃ１に応答してスイッチＳＷ２が閉じる。この時、蓄電デバイス２０の蓄電電力ＳｔＰは高周波交流電力発生器２２に供給される。高周波交流電力発生器２２は、蓄電電力ＳｔＰから、例えば、５０ｋＨｚの高周波交流電力ＨｆＰに変換して高周波交流電力増幅器３０に供給する。一方、蓄電電力ＳｔＰは高周波パルス発生器２８に供給される。高周波パルス発生器２８は、コントローラ２４からの同期信号Ｓｙｃに応答して高周波交流電力ＨｆＰに同期した５０ｋＨｚの高周波励磁パルスＨｆＰｅに変換する。高周波交流電力増幅器３０は高周波励磁パルスＨｆＰｅに応答して高周波交流電力ＨｆＰを増幅して高周波増幅電力ＨｆＰａを発生させる。高周波増幅電力ＨｆＰａは高周波整流器３２で直流増幅電力ＤａＰに変換されてインバータ３４に供給される。コントローラ２４からの指令信号Ｃ２ｎｉ応答して、インバータ３４は後述の３相交流駆動信号φＵ，φＶ，φＷを生成してモータ部１２に供給する。このとき、モータ部（３相交流モータ）１２は３相交流駆動信号に応じて回転磁界が生成されて回転駆動し、その動力で出力軸１２ａを介して負荷ＥＶｗを駆動する。モータ部１２の運転と同時に、発電部（３相交流発電機）１４が起動して３相交流主電力ＭＰｗと３相交流補助電力ＡＰｗを出力し、３相交流主電力ＭＰｗは負荷１５に供給され、３相交流補助電力ＡＰｗ整流器１６に供給される。このサイクルが繰り返し行われ、上述の工程が実行される。

たとえば、モータ部１２の電圧、電流及び力率を乗算すると、負荷ＥＶｗの負荷が最大負荷１００％に対して何％であるかが正確に分かるので、各種センサ（図示せず）からの電圧、電流及び力率の制御パラメータを入力装置２６に入力してやれば、入力装置２６からの制御信号に応答してコントローラ２４は負荷ＥＶｗの負荷率が、例えば、５０％以下の低いときに、指令信号Ｃ０を出力してＳＷ１を閉じて、蓄電デバイス２０の蓄電電力をインバータ３４に供給させる。一方、負荷ＥＶｗの負荷率が、例えば、５０％以上となった際には、コントローラ２４は指令信号Ｃ０を指令信号Ｃ１に切替えてＳＷ２を閉じる。この時、高周波交流電力発生器２２、高周波パルス発生器２８及び高周波交流電力増幅器３０が作動して直流増幅電力ＤａＰをインバータ３４に供給する。このように、モータ部１２の負荷に応じてインバータ３４への直流電力を自由に選択することができる。

図２、図３において、自律運転型回転電気機械１０のモータ発電機１００は中心軸ＣＬと端部１０２ａを有する筒状ハウジング１０２と、筒状ハウジング１０２に回転可能に支持されていて端部の片側から中心軸ＣＬに沿って延びる回転軸１０４と、ハウジング１０２の周方向に等間隔で径方向に対照的に配置されるとともに、軸心ＣＬに沿って２列に配置された複数対のモータ固定子１０５，１０７を備える。複数対のモータ固定子１０５，１０７は、筒状ハウジング１０２の周方向に等間隔で支持されていてモータコイル１０６と発電コイル１０８をそれぞれ支持する複数対のラジアル磁極１０６Ｕ，１０６Ｖ，１０６Ｗからなる電磁石を備える。回転軸１０４は図示しないトランスミッション及びプロペラーシャフトを介して電気自動車の駆動輪に接続される。複数の電磁石１０６Ｕ、１０６Ｖ、１０６Ｗはそれぞれ両端に磁極面１１０を有し、モータ固定子として機能する。発電コイル１０８が複数の電磁石１０６のそれぞれに巻かれている。複数の電磁石１０６の磁極面１１０と対向するように、第１乃至第３ロータからなるフライホイール１１２が回転軸１０４に固定支持されていてハウジング１０２に回転可能に収納される。図３より明らかなように、第１乃至第３ロータ（フライホイール）１１２の各々は周方向において等間隔で配置された複数の永久磁石１０６を有する。複数の永久磁石１０６の中心は複数の電磁石１０６Ｕ、１０６Ｖ、１０６Ｗの磁極面１１０のほぼ中心に整列するように配置される。

図２より明らかなように、各電磁石１０６Ｕ、１０６Ｖ、１０６Ｗは径方向内側において軸心ＣＬと平行に延びる磁石ホルダー部１１６を備え、永久磁石１１８を保持している。永久磁石１１８の磁極は電磁石１０６の磁極に対して同極となるように結合される。図２において、電磁石１０６が励磁されて、軸心ＣＬに沿って、Ｓ極とＮ極となったときに、永久磁石１１８のＳ極の磁束が電磁石１０６ＵのＳ極の磁束に追加され、一方、永久磁石１１８のＮ極の磁束が電磁石１０６ＵのＮ極の磁束に追加され、電磁石１０６の合計磁束を最大化する。その結果、ロータ１１２の永久磁石１１４に対する磁気吸引力を増大してトルクの向上を図る。

図４はインバータ３０と電磁石１０６Ｕ，１０６Ｖ，１０６Ｗとの接続関係を示す。図３に示すように、軸心ＣＬ方向に、一対の電磁石１０６Ｕが１８０度の位置で対照的に配列されていて、これら４つの電磁石１０６Ｕの８箇所の磁極１１０が同時に３つのロータ１１２、１１２、１１２の永久磁石１１４の８個の磁極面に同時に磁気吸引するように作用する。したがって、回転軸１０４は強力なトルクで回転する。

図５に示すように、三相交流駆動信号φＵ、φＶ、φＷはいかに述べるようなタイミングで変化する。三相交流駆動信号φＵでは、タイミングｔ１〜ｔ３及びｔ７〜ｔ９の間で正電位となり、タイミングｔ４〜ｔ６の間で負電位となる。タイミングｔ３〜ｔ４、ｔ６〜ｔ７、ｔ９〜ｔ１０ではＯＦＦ状態となる。３相駆動信号φＶでは、三相交流駆動信号φＵからタイミングｔ１〜ｔ２の間タイミングが遅れる。同様に、三相交流駆動信号φＷは三相交流駆動信号φＵからタイミングｔ１〜ｔ３の間タイミングが遅れる。このように、三相交流駆動信号φＵ、φＶ、φＷは互いに対して所定の時間幅で導通（励磁）しておのおののラジアル磁極を励磁することでロータの永久磁石を吸引しながら回転軸１０４を円滑に回転させている。

図６は図１のインバータ３０から出力されるブレーキ駆動信号φＢｒを示す。図６に示すように、ブレーキ駆動信号φＢｒｕ、φＢｒｗはいずれも同一タイミングｔ１〜ｔ３、ｔ４〜ｔ６、ｔ７〜ｔ９で正電位で、タイミングｔ３〜ｔ４、ｔ６〜ｔ７でＯＦＦとなる。ブレーキ駆動信号φＢｒｖは同一タイミングｔ１〜ｔ３、ｔ４〜ｔ６、ｔ７〜ｔ９で負電位で、タイミングｔ３〜ｔ４、ｔ６〜ｔ７でＯＦＦとなる。したがって、ブレーキ駆動信号は同一位相でＯＮ，ＯＦＦを繰り返すため、励磁された電磁石１０６によって３つのロータ１１２が永久磁石１１４，１１４ａが磁気吸引される。このようにして、ロータ１１２は強力な磁気吸引力で所定位置に保持されるため、モータ発電機１００は強力なモータブレーキ効果を有する。

図７は高周波交流電力増幅器２２の具体的構造を示す。高周波交流電力増幅器２２は、同心的な外周部２００ａと内周部２００ｂとを有するステータ２００を備える。ステータ２００は外周部２００ａと内周部２００ｂとの間で、周方向に等間隔で径方向に延びる複数対のラジアル磁極２０２を備える。複数対のラジアル磁極２０２において、隣接したラジアル磁極２０２の間には径方向に延びる励磁回路Ｅｃが形成され、励磁回路ＥＣは励磁磁極２０４を備え、励磁磁極２０４にはそれぞれ励磁コイル２０６が巻かれている。励磁回路Ｅｃと隣接したラジアル磁極２０２との間にはそれぞれ一対の磁気回路２０８が形成される。内周部２００ｂに隣接した位置において、励磁回路Ｅｃの内側端部近辺にハルバッハ配列構造のコモン永久磁石２１０が配置されていている。ハルバッハ配列構造の永久磁石２１０は中央に位置していて、励磁磁極２０４と同一方向に延びるＮ極とＳ極とを有するセンター永久磁石と、センター永久磁石に対してＮ極とＳ極が直交するように配置されたサイド永久磁石とを備える。このように、ハルバッハ配列構造の永久磁石２１０はＮ極側の磁束が励磁回路Ｅｃに指向するように配置される。

ステータ２００は高周波電力入力端子子２１０と増幅電力出力端子子２１２を有し、高周波電力入力端子子２１０はコモンライン２１４とコイルライン２１６にそれぞれ接続されている。コイルライン２１６には複数のインダクタ２１８が直列接続されていて、複数のインダクタ２１８はそれぞれラジアル磁極２０２に巻かれている。複数のインダクタ２１８とコモンライン２１４との間には複数のコンデンサ２２０がそれぞれ接続されている。複数のインダクタ２１８と複数のコンデンサ２２０とはそれぞれＬＣ共振回路を構成し、これらＬＣ共振回路はコモンライン２１４とコイルライン２１６との間において直列接続される。コンデンサ２２０Ａを含むＬＣ共振回路と並列にダンピング抵抗ＤＲ１が接続され、コンデンサ２２０Ｂを含むＬＣ共振回路と並列にダンピング抵抗ＤＲ２が接続され接続される。これらダンピング抵抗ＤＲ１、ＤＲ２はＬＣ共振回路の共振の鋭さ（Ｑ）を抑制することによってノイズを減衰させ、回路の帯域幅や過渡特性、位相特性などを改善する。

励磁コイル２０６は高周波励磁パルス発生器２４（図１参照）から高周波交流電力ＨｆＰに同期して高周波励磁パルスＨｆＰｅが同時に供給される。ハルバッハ配列構造の永久磁石２１０は励磁コイル２０６が励磁された際の磁極と同磁極を有する。高周波励磁パルスＨｆＰｅに応答して、励磁コイル２０６が励磁されると、励磁回路Ｅｃの径方向外側がＮ極となり、複数対のインダクタ２１８の径方向内側がＮ極となるため、ハルバッハ配列構造の永久磁石２１０のＮ極側から集中磁束２１０ａが励磁回路Ｅｃに流れる。この集中磁束２１０ａと励磁コイル２０６で発生した磁束が合成磁束として磁気回路２０８を循環する。このため、インダクタ２１８を通過する合成磁束が増加するため、インダクタ２１８に流れる電流が増大する。このように、励磁コイル２０６が高周波励磁パルスＨｆＰｅに応答して励磁された際に、永久磁石２１０の高周波磁界が磁気回路２０８に流れて、合成高周波磁界φｅが磁気回路２０８を通過する。このようにして、磁気回路２０８内には励磁コイル２０６の高周波磁界と永久磁石２１０の磁界との合成高周波磁界が流れる。このように、励磁コイル２０６は高周波磁界発生装置として機能する。

図７の高周波交流電力増幅器２２の作用において、励磁コイル２０６に高周波パルス発生器２４（図１参照）から高周波励磁パルスＨｆＰｅが、例えば、高周波交流電力ＨｆＰと同期した５０ｋＨｚの周波数で同時に供給され、５０ｋＨｚの周波数で複数対の磁気回路２０８が同時に形成される。この状態で、高周波電力入力端子２１１に高周波交流電力発生器２０（図１参照）から、例えば、５０ｋＨｚの周波数で高周波交流電力Ｈｆｐが供給され、高周波交流電力ＨｆＰは直列接続された複数のＬＣ共振回路を通過しながら増幅される。この時、励磁コイル２０６は高周波励磁パルスＨｆＰｅに応答して複数対の磁気回路２０８に高周波磁界を発生させているため、複数対の磁気回路２０８を通過する磁気エネルギーφｅによりインダクタ２１８を通過する合成磁束が増加するため、インダクタ２１８に交差する磁束密度が増大してインダクタ２１８に流れる電流が増大する。こうして得られた高周波増幅電力ＨｆＰａは増幅電力出力端子２１２から取り出され、平滑回路２６（図１参照）で平滑されていて直流増幅電力ＤａＰが得られる。

以上、本発明の実施例について説明したが、本発明はこれら実施例に示された構成に限定されず、発明の趣旨から外れることなく様々な変更が可能である。上記実施例において、高周波交流電力発生器は、一例として、高周波インバータからなるものとして記載されたが、高周波交流電力発生器を公知の高周波パルス変換器で構成し、高周波パルス電力に変換しても良い。実施例において、モータ発電機のモータコイルが複数の電磁石からなるものとして記載したが、モータ発電機のステータに周方向に等間隔で径方向に延びるように形成された突極に巻かれた多相の励磁巻線（モータコイル）と二重構造となるように発電コイルを巻き、ロータに永久磁石を組み込むことで、励磁巻線によりロータを磁気吸引しながら回転させ、同時に発電コイルから発電電力を出力させても良い。他の変形例として、モータ発電機のステータに周方向に等間隔で径方向に延びるように形成されていて多相の励磁巻線（モータコイル）を有する突極の間に発電コイルを有する発電用突極を形成しても良い。また、モータ発電機の電磁石の励磁コイルを発電コイルに対して大きく図示しているが、出力電力が増えるように、励磁コイルに対して発電コイルのターン数が大きくなるように変形しても良い。上記実施例において、高周波交流電力増幅装置のインダクタがラジアル磁極に巻かれたものとして記載されたが、インダクタはステータの励磁回路に隣接した領域においてステータの外周部に巻いても良い。

図１は、本発明の実施形態による自律運転型回転電気機械のブロック図である。 図２は、図１に示したモータ発電機の概略断面図である。 図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線から見た断面図である。 図４は、図２に示した電磁石の配線図である。 図５は、インバータから電磁石に出力される駆動波形図である。 図６は、ブレーキ発生時にインバータから電磁石に出力される駆動波形図である。 図７は、図１に示した高周波交流電力増幅器具体的な構造図である。

１０…自律運転型回転電気機械
１２…三相直流モータ
２０…高周波交流電力発生器
２２…高周波交流電力増幅器
２４…高周波パルス発生器
２６…平滑器
３０…インバータ
３２…充電回路
３４…蓄電装置
１０４…回転軸
１０６…電磁石
１０８…発電コイル
１１２…ロータ
１１４…永久磁石
２００…アウタステータ
２０２…インナステータ
２０４…ラジアル磁極
２０６…ラジアルインナ磁極
２１８…インダクタ
２２０…コンデンサ
２２２，２２４…励磁コイル
ＤＲ１，ＤＲ２…ダンピング抵抗

Claims (7)

1. 回転軸を有していてモータコイルと発電コイルとを有する多相モータ部と、上記多相モータ部にエアーギャップを介して対向する永久磁石ロータとを備え、上記回転軸により駆動されて上記永久磁石ロータが上記発電コイルに磁束を交差させることで発電電力を発生させる上記多相モータ部を準備する工程と、
   上記発電電力を変換して直流電力を得る工程と、
   上記直流電力をＬｉイオンキャパシタからなる蓄電デバイスに蓄電して蓄電電力を出力する工程と、
   高周波電力入力端子と増幅電力出力端子を有していて、周方向に所定間隔で形成された複数対の磁気回路を有するステータを準備する工程と、
   上記高周波電力入力端子と上記増幅電力出力端子との間にコイルライン及びコモンラインを接続する工程と、
   上記コイルラインに複数対のインダクタを直列接続して上記複数対の磁気回路をそれぞれ囲むように上記複数対のインダクタを上記ステータにそれぞれ配置する工程と、
   上記コモンラインと上記複数対のインダクタとの間にそれぞれ複数のコンデンサを接続する工程と、
   上記蓄電電力を変換して所定周波数の高周波交流電力を発生させる工程と、
   上記高周波電力入力端子に上記高周波交流電力を入力する工程と、
   上記高周波交流電力に同期して上記複数対のインダクタで発生する磁束の向きと同一方向に上記複数対の磁気回路を介して高周波磁界を加える工程と、
   上記複数対のインダクタの磁束密度を高めることで上記複数対のインダクタが蓄えるエネルギーを増幅して上記コイルラインと上記コモンラインとの間で高周波増幅電力を発生させる工程と、
   上記高周波増幅電力を整流して直流増幅電力を生成する工程と、
   上記直流増幅電力から多相駆動電力を生成する工程とを備え、
   上記多相駆動電力を順次上記多相モータ部を回転駆動しながら上記発電コイルから上記発電電力を出力させることを特徴とする自律運転型回転電気機械の運転方法。
2. 上記複数対の磁気回路の間にそれぞれ複数の励磁磁極を上記ステータに形成して上記複数の励磁磁極のそれぞれに複数の励磁コイルを配置して上記複数の励磁回路をそれぞれ形成し、上記高周波交流電力に同期して上記複数の励磁コイルに周期的に高周波磁気パルスを供給して上記高周波磁界を発生させることを特徴とする請求項１に記載の自律運転型回転電気機械の運転方法。
3. 上記複数の励磁磁極のそれぞれの側部に上記複数対の磁気回路をそれぞれ構成する複数対のラジアル磁極を上記ステータ上に形成し、上記複数の励磁磁極と上記複数対のラジアル磁極に隣接してそれぞれ複数のハルバッハ配列構造のコモン永久磁石を配置し、上記高周波励磁パルスに応答して上記励磁コイルに発生した高周波磁界と上記複数のハルバッハ配列構造のコモン永久磁石の集中高周波磁界とを含む合成高周波磁界を上記複数対のラジアル磁極に通過させることで上記複数対のインダクタに交差させて上記複数対のインダクタに流れる電流を増幅させることを特徴とする請求項２に記載の自律運転型回転電気機械の運転方法。
4. 筒状ハウジングに収納されていて、複数のモータコイルと複数の発電コイルを有するモータ固定子と、上記筒状ハウジングに回転可能に支持された回転軸と、上記モータ固定子に近接して上記回転軸に支持されていて、周方向において等間隔で配置された複数の永久磁石を有するロータとを備え、上記永久磁石が上記複数のモータコイルの励磁時に順次磁気吸引されて上記ロータを駆動するとともに上記発電コイルに磁束を交差させて発電電力を出力させるモータ発電機と、
   上記発電電力を変換して直流電力を得る変換器と、
   上記直流電力を蓄電して蓄電電力を出力するＬｉイオンキャパシタからなる蓄電デバイスと、
   周方向に所定間隔で形成された複数対の磁気回路と上記複数対の磁気回路にそれぞれ隣接して形成されていて上記複数対の磁気回路と同一磁路を形成する複数の励磁回路を有していて高周波電力入力端子と増幅電力出力端子を有するステータと、
   上記高周波電力入力端子と上記増幅電力出力端子との間に接続されたコイルライン及びコモンラインと、
   上記コイルラインに複数対のインダクタを直列接続されていて上記複数対の磁気回路をそれぞれ囲むようにそれぞれ配置された複数対のインダクタと、
   上記コモンラインと上記複数対のインダクタとの間にそれぞれ接続された複数のコンデンサと、
   上記蓄電電力を所定周波数の高周波交流電力に変換して上記高周波電力入力端子に供給する高周波交流電力発生器と、
   上記高周波交流電力に同期して上記複数の励磁回路に周期的に高周波磁界を発生させて上記複数対の磁気回路を介して上記複数対のインダクタに上記高周波磁界を交差させることで上記複数対のインダクタの電流を増加させて上記コイルラインと上記コモンラインとの間で高周波増幅電力を発生させる高周波磁界発生装置と、
   上記高周波増幅電力を整流して直流増幅電力を生成する整流器と、
   上記直流増幅電力から多相駆動電力を生成して上記複数のモータコイルに順次供給することで上記モータ発電機を回転駆動すると同時に上記発電電力を出力させるインバータと、
   を備えることを特徴とする自律運転型回転電気機械。
5. 上記ステータにおいて、上記複数の励磁回路が上記複数対の磁気回路の間にそれぞれ形成された複数の励磁磁極と、上記複数の励磁磁極のそれぞれに配置された複数の励磁コイルとを備え、上記高周波磁界発生装置が上記高周波交流電力に同期して上記複数の励磁コイルに周期的に高周波磁気パルスを供給して上記高周波磁界を発生させる高周波磁気パルス発生器を備えることを特徴とする請求項４に記載の自律運転型回転電気機械。
6. 上記ステータが、上記複数のコモン励磁磁極のそれぞれの側部に上記複数対の磁気回路をそれぞれ構成する複数対のラジアル磁極と、上記複数のコモン励磁磁極と上記複数対のラジアル磁極に隣接してそれぞれ配置された複数のハルバッハ配列構造のコモン永久磁石と、を備え、上記高周波励磁パルスに応答して上記励磁コイルに発生した高周波磁界と上記複数のハルバッハ配列構造のコモン永久磁石の集中高周波磁界とを含む合成高周波磁界を上記複数対のラジアル磁極に通過させることで上記複数対のインダクタに交差させて上記複数対のインダクタに流れる電流を増幅させることを特徴とする請求項５に記載の自律運転型回転電気機械。
7. 上記モータ固定子が、上記筒状ハウジングの周方向に等間隔で支持されていて上記複数のモータコイルと上記複数の発電コイルを支持する複数対のラジアル磁極からなる電磁石を備え、上記複数対のラジアル磁極がそれぞれ極性の異なる複数の永久磁石を有することを特徴とする請求項６に記載の自律運転型回転電気機械。

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