JP3615146B2

JP3615146B2 - 永久磁石式発電・電動機の磁束制御装置

Info

Publication number: JP3615146B2
Application number: JP2000402004A
Authority: JP
Inventors: 英男河村
Original assignee: 英男河村
Priority date: 2000-12-28
Filing date: 2000-12-28
Publication date: 2005-01-26
Anticipated expiration: 2020-12-28
Also published as: JP2002199681A

Description

【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・電動機の磁束制御装置に関する。
【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。また，電動機は，その低速トルクを増加させるため，ロータに対してその外周に配置されるステータの磁力を増大させ，回転トルクを増大させることが有効である。電動機について，回転トルクを増大させることができれば，低速での起動力を増すことができ，機械動力源としての役割を増すことができる。
【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ものが知られている。該高出力交流発電・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コギング防止と高速時低トルク化を図った電動・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，コギング現象の発生を防止して所定の場所で回転子を停止させるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで，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。特に，電動機では，発電に伴う高電圧に逆らって電圧を投入しなければならず，高電圧を得ることが困難である。この問題を解決するため，上記特開２０００−２６１９８８号公報に開示したように，永久磁石式発電機の回転子即ち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装置にした。しかしながら，この装置では，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こった。一方，リング状部材には復元力が作用するので，この状態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するので，この構造の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】
また，回転体即ちロータとステータを有する発電・電動機は，その磁路で問題になるのがロータとステータとの空隙である。空気の透磁率は４π×１０^−７（Ｈ／ｍ）であるのに対し，３％Ｓｉの珪素鋼の透磁率は空気の透磁率の３００００倍であり，ＰＣパーマロイの透磁率は空気の透磁率の５００００倍であり，桁外れに大きい。従って，ロータの外側に取り付けた磁束制御円筒とステータの櫛部の歯の内周面に密接するが，微小クリアランスで回転摺動するように構成されていると，効率の良い発電機の磁路を作ることができる。ところが，上記のような制御円筒部材を用いると，透磁部と非透磁部とを交互に組み合わせた構造であるので，透磁部と非透磁部との材料の線膨張係数の差，硬さの差等によって強界面が剥離し，制御円筒部材が破損することがあった。
【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，ステータと回転体即ちロータとの間に配置されたステータに対して相対回転可能な円筒部材の強度上の安定を計り，円筒部材の偏摩耗を抑制し，ステータの内周面の櫛部即ち凸部と円筒部材の外周面の凸部との衝突干渉を防止し，磁束制御時に常に安定して摺動回転させ，円筒部材の摺動回転によって磁束を制御し，特に，高速回転時に磁束の強さを低減する制御をして反力の発生を抑制し，低速回転時の磁束の強さを増大する制御をし，常に所望の所定の発電電圧を確保できる永久磁石式発電・電動機の磁束制御装置を提供することである。
【０００８】
この発明は，ハウジングに回転可能に支持され且つ周方向に隔置状態で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に巻線を巻き上げるスロット部を備えたステータ，該ステータの内周側に前記ステータに密接して前記ステータに対して相対回転可能に配置された円筒部材，及び該円筒部材を前記ステータに対して相対移動させる駆動装置を有し，前記円筒部材は，周方向に連続体として形成されている密状透磁部と周方向に粗密材が交互に積層された粗状透磁部とが長手方向に交互に積層配置され，前記粗状透磁部は周方向に前記櫛部に相当する長さに等間隔に位置した透磁チップと前記透磁チップ間の空隙部に位置した非透磁チップとから構成され，前記非透磁チップはアルミニウム等の非磁性材から成る強度材で形成されていることから成る永久磁石式発電・電動機の磁束制御装置に関する。
【０００９】
前記透磁チップは前記ステータの前記櫛部に相当する長さと数をもって周方向に設定されている。
【００１０】
前記円筒部材の前記粗状透磁部は，周方向に円弧状の粗状チップ材と密状チップ材とを組み合わせて円筒状に等間隔に配置された透磁性鉄鋼板を長手方向に積層し，中間部に形成された多くの窓状空隙部に前記強度材が充填されている。
【００１１】
前記円筒部材の前記密状透磁部は，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隔置して配置されている。
【００１２】
前記ステータの前記櫛部の内周面には，薄い珪素鋼板から成る内筒が圧入されている。
【００１３】
また，前記円筒部材の両端部には，透磁率の良好な珪素鋼板から成る磁力漏洩防止外筒が圧入されている。
【００１４】
前記円筒部材の外周面は前記ステータの前記櫛部の内周面に密接して摺動可能であり，前記駆動装置は前記円筒部材に設けた回転力を与える端部，前記端部に回転力を伝達するロッド及び前記ロッドを往復移動させるアクチュエータから構成されている。
【００１５】
前記アクチュエータは直流モータ又は回転型電磁弁から構成され，コントローラはポジションセンサによって前記ロッドの複数位置を選定し，前記アクチュエータを駆動して前記ロッドを往復移動させる制御をする。
【００１６】
前記円筒部材の外周面は前記ステータの前記櫛部の内周面に密接して摺動可能であり，前記駆動装置は前記円筒部材の端部に固定されたロッドを備えた電磁弁から構成され，前記コントローラは前記ポジションセンサによって前記円筒部材の複数位置を選定し，前記電磁弁の負荷電圧を変換して前記ロッドを移動させて前記円筒部材を回転移動させる制御をする。
【００１７】
前記巻線は前記ステータのステータコアの前記櫛部に同位相で発電できるように構成し，異なった巻数で巻き上げられ且つ直列に接続できるように複数個の巻線群に分けられ，コントローラは，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前記巻線群の直列及び／又は並列の結線の制御を行なうことによって予め決められた所定の電圧を得るものである。更に，前記コントローラは，所定の電圧に出力された電力を整流し，所定の電圧の交流を出力するインバータ機能を有するものである。
【００１８】
この永久磁石式発電・電動機の磁束制御装置は，上記のように構成されているので，円筒部材の透磁チップとステータの櫛部とがずれた状態では磁束に行き場が無くなり，回転運動がスムースでなくなるが，周方向に連続した密状透磁部が存在して磁束が絞られるが，ロータの回転はスムースに行なわれる。また，磁束を絞る場合に磁路を曲げると反力が作用するが，非透磁チップが樹脂材でなくアルミニウム等の強度材で構成されているので反力に対抗することができる。また，円筒部材の密状透磁部を周方向に連続体として形成しているので，円筒部材の強度上の安定を図ると共にステータとの摩擦部を連続させることによって偏摩耗を最小限にし，円筒部材に常に安定した回転摺動をさせることができる。即ち，ステータは，櫛部とスロット部とで周方向に交互に存在して非連続体であるが，円筒部材は密状透磁部から成る連続体を長手方向に隔置して備えているので，円筒部材のスムースな回転摺動を確保できる。
【００１９】
また，ロータの回転数の大きい時に，剛性の高い円筒部材を摺動回転させて透磁チップとステータの櫛部とをオフセットさせると，ステータに流れる磁束が絞られ，発電電力が小さくなるが，それでもし磁束の絞り程度が足らない場合には，ステータのスロット部に巻き上げられた巻線をその巻数が異なるように構成し，即ち，巻線を複数の巻線群に分け，巻線群の結線状態を変更制御できるように構成し，低速時は巻数を多くするため直列に結線し，高速の時は巻数を少なくするため並列に結線又は１つの巻線群のみとする制御をし，発電電力を制御し，予め決められた所定の電圧を得ることを可能にし，例えば，車両用として１００Ｖの定電圧を容易に発電させることを可能にする。
【００２０】
この永久磁石式発電・電動機の磁束制御装置は，上記のように構成されており，電気的な制御方法を用いていないので，出力ロスや発熱現象が発生せず，磁束制御を効率的に行なうことができる。また，円筒部材を構成する密状透磁部を周方向に連続体として形成し，摩擦部が周方向に連続状態の部分を有することで，偏摩耗を最小限にし，常に安定した回転摺動運動を可能にし，円筒部材自体の強度上の安定を図ることができる。この磁束制御装置は，ステータは櫛部とスロット部とで不連続状態であるが，円筒部材に周方向に密状透磁部の連続体を密接させることで，干渉等の発生を避けることができる。また，この磁束制御装置は，円筒部材とステータの櫛部との間のクリアランスを０．０５〜０．１ｍｍ程度にまで小さくすることができるので，磁路損失を大幅に小さくすることができる。また，円筒部材とロータとのクリアランスも最小にすることができるので，同様に効率をアップすることができる。
【００２１】
ところで，固体と固体との摺動は，平面と平面とが相互運動し，その平面が平滑であるほど，スムースに相対運動できるものであるが，この磁束制御装置は，その原理に適った構造を有している。ステータの櫛部の内周面に薄い珪素鋼板から成る内筒が圧入され，ステータの内周面が滑らかな内面になり，円筒部材の回動がスムースに構成されている。通常，ロータは，長さが長いので，バランスしていない部分が存在すると，ロータが曲がり，一部が磁極当たりすることがあり，強力な永久磁石式発電・電動機は，磁力の力により益々クリアランスが小さくなる傾向にあり，このような場合でも，ロータと円筒部材とが接触しないようにクリアランスを大きくとる必要が有り，磁力ロスが大きくなる。従って，この永久磁石式発電・電動機の磁束制御装置は，円筒部材とステータの櫛部とのクリアランスを小さくすることができるように，櫛部の内周面に内筒が圧入した構造に構成されているのである。
【００２２】
また，円筒部材の剛性上を考慮すると，円筒部材は長手方向に長く，内径が小さいため，剛性が小さい。従って，円筒部材を一端で回転運動させようとすると，円筒部材は磁力を屈折させる力に反抗して戻ろうとするので，円筒部材全体で大きな捩じり運動を発生させる。本発明の円筒部材は，アルミニウム等の強度材が組み込まれているので，捩じり運動に対抗する剛性を十分に有する構造に構成されている。更に，永久磁石の磁力は，大変に大きく，磁路での磁束密度は鋳鉄等の材料を用いても，０．４（テスラ）位存在する。従って，ロータの両端部の磁路を絞ると，磁力が漏洩し，発電・電動機の外部に回ってくる等の不具合が発生する。従って，円筒部材の両端部には，円板状の透磁率の大きい材料を配設することが好ましい。
【００２３】
【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・電動機の磁束制御装置の一実施例を説明する。この発明による磁束制御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ディーゼルパティキュレートフィルタ装置のヒータで消費したり，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，或いは，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。
【００２４】
この実施例の電動・発電機は，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，及びステータ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を回転子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駆動装置から構成されている。図１では，ハウジング１は，両側の一対の本体部１Ａと本体部１Ａ間の中間部１Ｂから構成されている。円筒部材７は，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１９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することもできる。
【００２５】
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。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と，櫛部２０間の切欠き部であるスロット部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のスロット部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。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２１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。
【００２６】
ロータ３の一端には，回転軸２に設けられたねじ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，例えば，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。ステータ４は，図２に示すように，積層された薄板のステータコア１５のスロット部２２に巻線１４が巻き付けられている。ステータコア１５におけるスロット部２２の内周側には，円筒部材７が近接してステータ４に対して相対移動可能に配置されている。円筒部材７とロータ３との間には，隙間２３が形成されている。
【００２７】
この永久磁石式発電・電動機の磁束制御装置では，円筒部材７の外周面は，ステータ４の櫛部２０の内周面に密接して摺動可能であり，ステータ４に対して相対回転可能に配置され，円筒部材７を駆動装置の回転アクチュエータ９によってステータ４に対して相対的に僅かに回転させて円筒部材７のステータ４に対する位置を変更させて櫛部２０を通過する磁束を変化させ，発電電力を制御するものである。
【００２８】
図２，図３及び図４に示すように，円筒部材７は，周方向に連続体として形成されている密状透磁部１１と周方向に粗状態に積層された粗状透磁部１２とが長手方向に交互に積層配置されている。更に，粗状透磁部１２は，周方向に等間隔に位置した円弧状の透磁チップ１７と，透磁チップ１７間の窓状の空隙部に位置した円弧状の非透磁チップ１８とから構成され，非透磁チップ１８はアルミニウム等の非磁性材から成る強度材で形成されている。更に，透磁チップ１７は，ステータ４の櫛部２０にほぼ相当する長さと同数に設定されている。即ち，透磁チップ１７は，ステータ４のステータコア１５の櫛部２０を跨ぐ長さに相当する長さを有し，また，非透磁チップ１８は，櫛部２０と同一或いは若干短い長さに相当する長さと，櫛部２０と同一数を有している。
【００２９】
円筒部材７の粗状透磁部１２は，場合によっては，図４において，部分的に示されているが，周方向に等間隔に窓状空隙部４０が形成された円筒状の透磁性鉄鋼板を長手方向に積層し，窓状空隙部４０で形成された空隙部に強度材の非透磁チップ１８が充填された構造に構成することもできる。また，円筒部材７の密状透磁部１１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隔置して配置されている。
【００３０】
駆動装置は，図４に示すように，円筒部材７の端部の外周面に設けられたウォームホィール２５，ウォームホィール２５に噛み合うようにロッド３２に設けられたウォーム２４，及びウォーム２４のロッド３２を回転駆動するためハウジング１に取り付けられたステッピングモータ等の回転アクチュエータ９から構成されている。回転アクチュエータ９は，ロータ３の回転状態に応答して，ポジションセンサ２６で検知しつつステータ４に対する円筒部材７の位置を変更するため，コントローラ１０の指令で作動される。円筒部材７は，回転アクチュエータ９の作動によってステータ４に対して順次一方向に相対回転移動する。
【００３１】
或いは，駆動装置は，図５に示すように，円筒部材７Ａの端部に固定されたロッド３１を備えた電磁弁２９から構成され，コントローラ１０はポジションセンサ２６によって円筒部材７Ａの複数位置を選定し，電磁弁２９のロッド３１を移動させて円筒部材７Ａ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。図５に示す円筒部材７Ａは，図４に示す円筒部材７における部材と同一部材には添え字Ａを付して示している。即ち，密状透磁部１１Ａ，粗状透磁部１２Ａ，透磁チップ１７Ａ及び非透磁チップ（強度材）１８Ａである。従って，これらの部材については説明を省略する。図５に示す駆動装置は，円筒部材７Ａに一端を固定したロッド３１は，他端が電磁弁２９に挿通されているので，電磁弁２９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７Ａが僅かな正転又は逆転をし，透磁チップ１７Ａと非透磁チップ１８Ａとの位置がステータ４の櫛部２０に対して移動するものであり，例えば，ポジションセンサ２６によってロッド３１の位置を確かめ，電磁弁２９に負荷する電圧を変化させる。例えば，電磁弁２９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，そこで，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７Ａを所望の位置に停止させることができる。また，円筒部材７Ａは，両端には，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２７が配置されている。
【００３２】
図６には，この永久磁石式発電・電動機の磁束制御装置の別の実施例が示されている。ステータ４に内筒４１を嵌入した以外の構造は，図２に示す構造と同一である。ステータ４の櫛部２０の内周面に薄い珪素鋼板から成る内筒４１が圧入されている。櫛部２０に内筒４１を圧入することによって，ステータ４の内周面が滑らかな内面になり，円筒部材７の回動がスムースになり，コントローラ１０による制御が高精度になり，磁束の制御が良好になる。また，内筒４１は，薄い珪素鋼板で作製されているので，磁路の方向性が放射方向に向かっているので，ステータ４の櫛部２０の周方向への磁束の流れは少なく，磁束制御に対する影響が少ない。
【００３３】
ステータ４のスロット部２２に巻き上げられた巻線１４は，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，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，図７では，４群の巻線群１Ｕ−１Ｖ−１Ｗ，２Ｕ−２Ｖ−２Ｗ，３Ｕ−３Ｖ−３Ｗ及び４Ｕ−４Ｖ−４Ｗに分けられており，図８では，３群の巻線群１Ｕ−１Ｖ−１Ｗ，２Ｕ−２Ｖ−２Ｗ及び３Ｕ−３Ｖ−３Ｗに分けられている。また，コントローラ１０は，図８及び図１０で示すように，所定の電圧に出力された電力を整流器４２で整流し，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４３を有している。
【００３４】
三相交流を発生させる巻線１４は，例えば，図８に示すように構成されている。巻線１４は，１Ｕ，２Ｕ及び３Ｕ，１Ｖ，２Ｖ及び３Ｖ，及び１Ｗ，２Ｗ及び３Ｗ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，３４Ｃ，３４Ｄ，３４Ｅ，３４Ｆ，３４Ｇ，３４Ｈ，３４Ｉ）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７，７Ａ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のスイッチングの制御を行なうことによって予め決められた所定の交流電圧を三相交流電源３０として得ることができる。
【００３５】
例えば，コントローラ１０は，スイッチ３４Ｃ，３４Ｄ及び３４ＧをＯＮし，他のスイッチをＯＦＦにする制御を行なうと，単巻になって図９に示すような出力電圧を得ることができる。また，スイッチ３４Ｂ，３４Ｅ及び３４ＨをＯＮし，他のスイッチをＯＦＦにする制御を行なうと，２巻直列になって図９に示すような出力電圧を得ることができる。更に，スイッチ３４Ａ，３４Ｆ及び３４ＩをＯＮし，他のスイッチをＯＦＦにする制御を行なうと，３巻直列になって図９に示すような出力電圧を得ることができる。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のスイッチングを制御することによって，図９に示すように，出力電圧（Ｖ）として一定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，２Ｕ−２Ｖ−２Ｗ及び３Ｕ−３Ｖ−３Ｗ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。
【００３６】
この発電・電動機は，上記の構成を有するので，コントローラ１０の指令で回転アクチュエータ９を回転させることによって，円筒部材７の透磁チップ１７をステータコア１５のスロット部２２の中央に位置させたり，又は円筒部材７の透磁チップ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２に示すように，円筒部材７の透磁チップ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の非透磁チップ１８はステータコア１５のスロット部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の透磁チップ１７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。また，円筒部材７は，図３に示すように，円筒部材７の透磁チップ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。
【００３７】
例えば，永久磁石部材５から円筒部材７の非透磁チップ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の透磁チップ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の透磁チップ１７と非透磁チップ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，回転アクチュエータ９によって円筒部材７の透磁チップ１７がステータコア１５の櫛部２０と，櫛部２０との間でブリッジ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の透磁チップ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。
【００３８】
上記のように，この永久磁石式発電・電動機の磁束制御装置は，ロータ３が回転して運転されている時に，図２に示すように，円筒部材７の透磁チップ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，また，図３に示すように，ロータ３が停止する時に，円筒部材７の透磁チップ１７はステータコア１５の隣接する櫛部２０の間の位置にブリッジ状態に位置決めされ，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との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・電動機の磁束制御装置は，上記のように構成されているので，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，剛性をアップすることができる。従って，この発電・電動機の磁束制御装置は，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力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。この磁束制御装置を備えた発電・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・電動機の磁束制御装置の一実施例を示す軸方向の断面図である。
【図２】図１の永久磁石式発電・電動機の磁束制御装置における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３】図１の永久磁石式発電・電動機の磁束制御装置における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４】円筒部材を回転移動させる駆動装置の一実施例を示す説明図である。
【図５】円筒部材を回転揺動させる駆動装置の別の実施例を示す説明図である。
【図６】この永久磁石式発電・電動機の磁束制御装置の別の実施例を示す図１のＡ−Ａ断面に対応する部分の断面図である。
【図７】発電・電動機から引き出されたラインを示す説明図である。
【図８】発電・電動機の三相交流の巻線の結線態様を示す説明図である。
【図９】三相交流のラインの結線によって発生する出力電圧と回転数の関係を示すグラフである。
【図１０】時間に対する出力電圧の交流との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ハウジング
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
７，７Ａ円筒部材
８透磁部材
９回転アクチュエータ
１０コントローラ
１１，１１Ａ密状透磁部
１２，１２Ａ粗状透磁部
１４巻線
１５ステータコア
１６補強部材
１７，１７Ａ透磁チップ
１８，１８Ａ非透磁チップ（強度材）
２０櫛部
２２スロット部
２４ウォーム
２５ウォームホィール
２６ポジションセンサ
２７磁力漏洩防止外筒
２９電磁弁
３１，３２ロッド
４０窓状空隙部
４１内筒
４２整流器
４３インバータ

Claims

ハウジングに回転可能に支持され且つ周方向に隔置状態で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に巻線を巻き上げるスロット部を備えたステータ，該ステータの内周側に前記ステータに密接して前記ステータに対して相対回転可能に配置された円筒部材，及び該円筒部材を前記ステータに対して相対移動させる駆動装置を有し，
前記円筒部材は，周方向に連続体として形成されている密状透磁部と周方向に粗密材が交互に積層された粗状透磁部とが長手方向に交互に積層配置され，
前記粗状透磁部は，周方向に前記櫛部に相当する長さに等間隔に位置した透磁チップと前記透磁チップ間の空隙部に位置した非透磁チップとから構成され，
前記非透磁チップは，アルミニウム等の非磁性材から成る強度材で形成されていることから成る永久磁石式発電・電動機の磁束制御装置。
前記透磁チップは前記ステータの前記櫛部に相当する長さと数をもって周方向に設定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・電動機の磁束制御装置。
前記円筒部材の前記粗状透磁部は，周方向に円弧状の粗状チップ材と密状チップ材とを組み合わせて円筒状に等間隔に配置された透磁性鉄鋼板を長手方向に積層し，中間部に形成された多くの窓状空隙部に前記強度材が充填されていることから成る請求項１又は２に記載の永久磁石式発電・電動機の磁束制御装置。
前記円筒部材の前記密状透磁部は，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隔置して配置されていることから成る請求項１〜３のいずれか１項に記載の永久磁石式発電・電動機の磁束制御装置。
前記ステータの前記櫛部の内周面には，薄い珪素鋼板から成る内筒が圧入されていることから成る請求項１〜４のいずれか１項に記載の永久磁石式発電・電動機の磁束制御装置。
前記円筒部材の両端部には，透磁率の良好な珪素鋼板から成る磁力漏洩防止外筒が圧入されていることから成る請求項１〜５のいずれか１項に記載の永久磁石式発電・電動機の磁束制御装置。
前記円筒部材の外周面は前記ステータの前記櫛部の内周面に密接して摺動可能であり，前記駆動装置は前記円筒部材に設けた回転力を与える端部，前記端部に回転力を伝達するロッド及び前記ロッドを往復移動させるアクチュエータから構成されていることから成る請求項１〜６のいずれか１項に記載の永久磁石式発電・電動機の磁束制御装置。
前記アクチュエータは直流モータ又は回転型電磁弁から構成され，コントローラはポジションセンサによって前記ロッドの複数位置を選定し，前記アクチュエータを駆動して前記ロッドを往復移動させる制御をすることから成る請求項７に記載の永久磁石式発電・電動機の磁束制御装置。
前記円筒部材の外周面は前記ステータの前記櫛部の内周面に密接して摺動可能であり，前記駆動装置は前記円筒部材の端部に固定されたロッドを備えた電磁弁から構成され，前記コントローラは前記ポジションセンサによって前記円筒部材の複数位置を選定し，前記電磁弁の負荷電圧を変換して前記ロッドを移動させて前記円筒部材を回転移動させる制御をすることから成る請求項８に記載の永久磁石式発電・電動機の磁束制御装置。
前記巻線は前記ステータのステータコアの前記櫛部に同位相で発電できるように構成し，異なった巻数で巻き上げられ且つ直列に接続できるように複数個の巻線群に分けられ，コントローラは，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前記巻線群の直列及び／又は並列の結線の制御を行なうことによって予め決められた所定の電圧を得ることから成る請求項１〜９のいずれか１項に記載の永久磁石式発電・電動機の磁束制御装置。
前記コントローラは，所定の電圧に出力された電力を整流し，所定の電圧の交流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１０に記載の永久磁石式発電・電動機の磁束制御装置。