JP4013815B2 - 同期回転電機及びその制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【技術分野】
本発明は，固定子と回転子とを有してなる同期回転電機に関し，特に回転子による磁界の強さを変更することができる構造に関する。
【０００２】
【従来技術】
同期回転電機は，電動機，電動機と発電機とに切り替えて使用可能なモータジェネレータ等として使用されている。特に，同期回転電機を上記電動機又はモータジェネレータとして用いる場合，これらの出力軸に出力される出力トルク及び出力回転数は，固定子の電機子巻線に印加する電圧，回転子の磁界強度（磁束量，界磁束）又は回転子と固定子とが成す磁気回路（磁路）の形成状態等により決定される。
そして，上記電動機又はモータジェネレータにおける出力回転数は，上記回転子が回転することにより上記固定子巻線に生ずる逆起電力が，上記固定子巻線に印加する電圧に等しくなったときに最大回転数となる。
【０００３】
そのため，上記最大回転数又はこれに近づいたときには，上記固定子の電機子巻線に，上記回転子による磁界強度を減少させるように電流を流す弱め界磁制御が行われている。そして，この弱め界磁制御により，上記逆起電力の発生を抑制して，上記最大回転数の向上を図っている。
また，特許文献１の永久磁石型回転電機においては，回転子を径外側ロータと径内側ロータとに分割し，両ロータ間の相対的角度位置を機械的に調節するロータ角度調節部を設けている。そして，このロータ角度調節部によって，上記両ロータの相対的角度位置を変更することにより，両ロータによる磁界強度を減少させて，上記と同様に最大回転数の向上を図っている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−５８２２３号公報
【０００５】
【解決しようとする課題】
しかしながら，上記弱め界磁制御を行う方法においては，上記固定子の電機子巻線に行う通電状態を変化させるための弱め界磁制御回路が必要になる。また，この方法においては，上記磁界強度を減少させるように電流を流すため，効率が悪いだけでなく，回転子の磁界発生に永久磁石を使った場合には，この永久磁石を減磁させてしまうおそれがある。
一方，上記特許文献１においては，上記ロータ角度調節部が複数のギヤ等を用いて構成されるために，上記回転電機の構造が複雑になる。
【０００６】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，特別な制御回路を必要とせず，かつ簡単な構造により，回転子による磁界強度の変更を行うことができる同期回転電機及びその制御方法を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題の解決手段】
第１の発明は，通電を行う巻線を環状形状の固定子コアに巻装してなる固定子と，該固定子の内周側に回転可能に保持され，磁界を発生させる磁界発生部を備えてなる回転子とを有してなる同期回転電機において，
上記回転子は，環状形状を有する外側回転部と，該外側回転部の内周側に配設した内側回転部とに分割されており，
また，上記外側回転部と上記内側回転部とは，両者の間の回転量を規制する回転量規制手段により所定の回転量の範囲内で相対回転を行うことにより，両者の間の回転方向における相対的位置を，上記磁界発生部による磁路が定格の定格磁路を形成する定格磁路形成位置と，上記磁界発生部による磁路が上記定格磁路よりも縮小された縮小磁路を形成する縮小磁路形成位置とに変更可能であり，
かつ，上記外側回転部と上記内側回転部との間には，両者の一体化と該一体化の解除とを行うためのクラッチ動作部が配設してあり，
上記回転子は，上記クラッチ動作部により上記外側回転部と上記内側回転部とが一体化されているときには，これらの相対的位置が上記定格磁路形成位置にある状態で回転し，
上記クラッチ動作部による上記外側回転部と上記内側回転部との一体化が解除された状態で，上記固定子における上記巻線に外部電源から通電を行っているときには，上記相対的位置が上記縮小磁路形成位置に変更された状態で回転するよう構成したことを特徴とする同期回転電機にある（請求項１）。
【０００８】
本発明の同期回転電機は，弱め界磁制御を行うための特別な制御回路を必要とせず，かつ簡単な構造により，上記回転子による磁界の強度を変更させることができるものである。
すなわち，本発明の同期回転電機は，上記外側回転部と内側回転部とに分割された上記回転子及び上記クラッチ動作部を有しており，クラッチ動作部により，上記外側回転部と内側回転部との一体化及び一体化の解除を行うことができ，上記固定子の巻線に行う通電を利用して，外側回転部と内側回転部との相対的位置を上記各磁路形成位置に変更することができる。そして，この相対的位置の変更により，上記磁界発生部による磁路（界磁束）を，上記定格磁路と上記縮小磁路とに変更させることができる。
【０００９】
すなわち，上記外側回転部と内側回転部とが一体化されている状態において，上記固定子の巻線に外部電源から通電を行った際には，この通電により上記回転子に電磁トルクが働き，回転子は回転を行う。また，このとき，外側回転部と内側回転部との相対的位置は上記定格磁路形成位置にあり，回転子は，上記磁界発生部が上記定格磁路を形成した状態で回転することができる。そのため，このときには，上記回転子は，上記固定子の巻線に通電する電流の状態及び上記磁界発生部による磁界強度等によって決定される定格の出力トルクを出力することができる。
【００１０】
一方で，上記外側回転部と上記内側回転部との一体化が解除されたときには，これらの相対的位置は，上記回転量規制手段によって相対回転を行う範囲が規制された状態で，上記いずれの磁路形成位置にも変更可能な状態になる。このとき，上記固定子の巻線に外部電源から通電を行うと，この通電により上記回転子に生ずる電磁トルクによって，外側回転部と内側回転部とが相対的に移動し，これらの相対的位置が上記縮小磁路形成位置に変更される。そのため，上記回転子は，上記磁界発生部により上記縮小磁路を形成した状態で回転することができる。
【００１１】
これにより，磁界発生部を有する回転子の回転により上記固定子の巻線に生ずる逆起電力の発生を抑制することができる。そのため，このときには，回転子の出力回転数を，回転子が回転したときに固定子の巻線に生ずる逆起電力と，固定子の巻線に外部電源から通電するときの電源電圧とがほぼ釣り合うときの回転子の最大定格回転数よりも高くすることができる。
【００１２】
このように，本発明の同期回転電機においては，上記各磁路形成位置に相対的位置を変更可能な外側回転部及び内側回転部と，上記クラッチ動作部とを有する簡単な構造で，上記固定子の巻線への通電を利用した簡単な構成により，上記回転子による磁界強度の変更を行うことができる。
そのため，上記同期回転電機によれば，固定子の巻線への通電状態を変化させるための弱め界磁制御回路等の特別な制御回路を必要とせず，かつ簡単な構造により，回転子による磁界強度の変更を行うことができる。
【００１３】
そして，上記同期回転電機は，上記相対的位置が上記定格磁路形成位置にあるときには，上記定格の出力トルクを出力することができ，上記縮小磁路形成位置にあるときには，上記出力回転数の向上を図ることができる。
【００１４】
なお，上記外側回転部と内側回転部との相対的位置を上記定格磁路形成位置に復帰させるときには，上記外側回転部と上記内側回転部との一体化が解除された状態において，上記固定子の巻線に行う通電を停止することにより行うことができる。すなわち，この場合には，上記通電により回転子に働く電磁トルクがなくなるため，外側回転部と内側回転部とが相対的に移動し，これらの相対的位置を上記定格磁路形成位置に復帰させることができる。
【００１５】
第２の発明は，通電を行う巻線を環状形状の固定子コアに巻装してなる固定子と，該固定子の内周側に回転可能に保持され，磁界を発生させる磁界発生部を備えてなる回転子とを有してなる同期回転電機の制御方法において，
上記回転子を，環状形状を有する外側回転部と，該外側回転部の内周側に配設した内側回転部とに分割すると共に，上記外側回転部と上記内側回転部との間には，両者の一体化と該一体化の解除とを行うためのクラッチ動作部を配設しておき，
上記固定子における上記巻線に通電を行って，上記回転子の回転数が所定の回転数になるまでは，上記回転子は，上記クラッチ動作部により上記外側回転部と上記内側回転部とが一体化され，かつ上記磁界発生部による磁路が定格の定格磁路を形成した状態で回転させ，
上記回転子の回転数が所定の回転数になった後，上記クラッチ動作部による上記外側回転部と上記内側回転部との一体化が解除され，かつ上記固定子における上記巻線に通電を行っているときには，上記回転子は，上記外側回転部と上記内側回転部との相対的位置が変更されて，上記磁界発生部による磁路が上記定格磁路よりも縮小された縮小磁路を形成した状態で回転させることを特徴とする同期回転電機の制御方法にある（請求項７）。
【００１６】
本発明の同期回転電機の制御方法は，弱め界磁制御を行うための特別な制御回路を必要とせず，かつ簡単な工夫により，上記回転子をその磁界強度を変更させた状態においても回転可能にするものである。
すなわち，本発明の同期回転電機の制御方法においては，上記固定子における上記巻線に通電を行って，上記回転子の回転数が所定の回転数になるまでは，回転子は，上記磁界発生部による磁路が定格の定格磁路を形成した状態で回転する。そのため，このときには，上記発明と同様に，上記回転子は上記定格の出力トルクを出力することができる。
【００１７】
一方で，上記回転子の回転数が所定の回転数になった後には，上記クラッチ動作部による上記外側回転部と内側回転部との一体化が解除され，かつ上記固定子の巻線に通電が行われることにより，回転子は，上記磁界発生部による磁路が上記縮小磁路を形成した状態で回転する。そのため，このときには，上記発明と同様に，上記逆起電力の発生を抑制して，回転子の出力回転数を上記最大定格回転数よりも高くすることができる。
【００１８】
このように，本発明の同期回転電機の制御方法においては，上記回転子を回転させるときの上記固定子の巻線に行う通電を利用し，回転子による磁界強度の変更を行うことができる。そのため，本発明の制御方法によれば，固定子の巻線への通電状態を変化させるための弱め界磁制御回路等の特別な制御回路を用いることなく，上記同期回転電機における出力トルク及び出力回転数の変更制御を行うことができる。
なお，上記磁界発生部による磁路を，上記縮小磁路を形成した状態から上記定格磁路を形成した状態に復帰させるときには，上記発明と同様に，上記一体化が解除された状態において，上記固定子の巻線に行う通電を停止することにより行うことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
上述した本発明における好ましい実施の形態につき説明する。
上記第１，第２の発明において，上記同期回転電機としては，同期電動機として用いることができ，また，電動機と発電機とに切り替えて使用可能なモータジェネレータとして用いることもできる。
このモータジェネレータとしては，例えば，ハイブリッドカー又は電気自動車に用いるものがある。
【００２０】
上記同期回転電機を上記モータジェネレータとして用いる場合には，モータ（電動機）として使用する際に，上記回転子による磁界強度の変更を行って上記優れた作用効果を得ることができる。また，この場合に，ジェネレータ（発電機）として使用する際には，このジェネレータは，上記外側回転部と内側回転部との相対的位置が上記定格磁路形成位置にあるときに，定格の発電電圧を出力することができる。また，上記定格磁路は，上記磁界発生部による磁束が回転子及び固定子を通過するときの磁気抵抗が最小になる最大磁路とすることができる。
【００２１】
また，上記第１の発明において，上記回転子は，上記相対的位置の上記定格磁路形成位置への復帰を，上記クラッチ動作部による上記一体化が解除された状態において，上記固定子における上記巻線に行う通電を停止して，再度上記クラッチ動作部により上記一体化をさせることにより行うよう構成することが好ましい（請求項２）。
この場合には，上記通電の停止により，上記相対的位置を上記定格磁路形成位置に復帰させたときに，上記クラッチ動作部により一体化させることにより，特別な工夫を必要とすることなく，容易に上記復帰を行うことができる。
【００２２】
また，上記クラッチ動作部は，上記回転子の回転数が所定の回転数未満のときには，上記一体化を行い，上記回転子の回転数が上記所定の回転数を超えているときには，上記一体化の解除を行うものであることが好ましい（請求項３）。
この場合には，上記同期回転電機は，上記回転子の回転数が所定の回転数未満のときには，上記定格の出力トルクを出力し，上記回転子の回転数が所定の回転数を超えているときには，上記回転子による磁界強度の変更により上記出力回転数の向上を図ることができる。
【００２３】
また，上記所定の回転数は，上記回転子が回転したときに上記固定子の巻線に生ずる逆起電力と，固定子の巻線に外部電源から通電するときの電源電圧とがほぼ釣り合うときの回転子の最大定格回転数とほぼ同じ回転数，又は上記最大定格回転数よりも若干（例えば，５〜１５％）低い回転数とすることができる。
【００２４】
また，上記クラッチ動作部は，遠心力の変化により，上記一体化又は該一体化の解除を行う遠心クラッチとすることが好ましい（請求項４）。
この場合には，上記遠心クラッチにより，上記回転子の回転に伴い発生する遠心力の大きさが所定の大きさを超えているときに上記一体化の解除を行うことができる。そのため，上記遠心クラッチの性質を利用して，上記クラッチ動作部は，上記一体化及びその解除を容易に行うことができる。
【００２５】
また，上記回転量規制手段は，上記外側回転部又は上記内側回転部のいずれか一方に設けた突起部と，他方に設けた凹部とからなり，上記所定の回転量の範囲内での相対回転は，上記突起部を上記凹部内の回転方向における側壁同士の間において相対回転させることにより行うことが好ましい（請求項５）。
この場合には，上記外側回転部と内側回転部との相対的位置が，上記定格磁路形成位置にあるときには，上記突起部を上記凹部の一方の側壁に当接させ，上記縮小磁路形成位置にあるときには，上記突起部を上記凹部の他方の側壁に当接させて，外側回転部と内側回転部との所定の回転量の範囲内での相対回転を行うことができる。そのため，簡単な構造により，上記回転量規制手段を実現することができる。
【００２６】
また，上記磁界発生部は，上記外側回転部又は上記内側回転部のいずれか一方に設けた永久磁石であり，上記永久磁石を設けていない上記内側回転部又は上記外側回転部には，切欠き部又は空洞部が設けてあり，上記定格磁路は，上記永久磁石が上記切欠き部又は空洞部を設けていない部位に対向するときに形成し，一方，上記縮小磁路は，上記永久磁石が上記切欠き部又は空洞部を設けた部位に対向するときに形成するよう構成することが好ましい（請求項６）。
【００２７】
この場合には，上記永久磁石の使用と，上記内側回転部又は外側回転部に上記切欠き部又は空洞部を設けた構造により，上記回転子の構造を一層簡単にすることができる。
また，上記第１，第２の発明においては，上記磁界発生部による磁界強度を減少させるように上記回転子の巻線に通電を行う従来の弱め界磁制御は行っていないため，上記永久磁石に生ずる減磁作用を抑制することができる。
なお，永久磁石としては，天然の磁鉄鉱，ニッケル鉱，ＫＳ鋼，ＭＫ鋼等種々のものがある。
【００２８】
また，上記第２の発明において，上記磁界発生部による磁路を，上記縮小磁路を形成した状態から上記定格磁路を形成した状態に復帰させるときには，上記クラッチ動作部による上記一体化が解除された状態において，上記固定子における上記巻線に行う通電を停止すると共に再度上記クラッチ動作部により上記一体化を行うことが好ましい（請求項８）。
この場合には，上記通電の停止により，素早く上記磁界発生部による磁路を上記定格磁路を形成した状態に復帰させ，上記クラッチ動作部により上記一体化を行うことにより，特別な工夫を必要とすることなく，容易に上記復帰を行うことができる。
【００２９】
【実施例】
以下に，図面を用いて本発明の同期回転電機及びその制御方法にかかる実施例につき説明する。
（実施例１）
本例の同期回転電機１は，図１〜図５に示すごとく，通電を行う巻線２２を環状形状の固定子コア２１に巻装してなる固定子（ステータ）２と，この固定子２の内周側に回転可能に保持され，磁界を発生させる磁界発生部としての永久磁石４１を備えてなる回転子（ロータ）３とを有してなる。
上記回転子３は，環状形状を有する外側回転部４と，この外側回転部４の内周側に配設した内側回転部５とに分割されている。
【００３０】
また，上記外側回転部４と上記内側回転部５とは，両者の間の回転量を規制する回転量規制手段７により所定の回転量の範囲内で相対回転を行うよう構成されている。そして，外側回転部４と内側回転部５との間の回転方向における相対的位置は，図２，図３に示すごとく，上記永久磁石４１による磁路が定格の定格磁路３０１を形成する定格磁路形成位置１０１と，図４，図５に示すごとく，上記永久磁石４１による磁路が上記定格磁路３０１よりも縮小された縮小磁路３０２を形成する縮小磁路形成位置１０２とに変更可能である。
また，図１に示すごとく，上記外側回転部４と内側回転部５との間には，両者の一体化とこの一体化の解除とを行うためのクラッチ動作部６が配設してある。
【００３１】
そして，上記回転子３は，上記クラッチ動作部６により上記外側回転部４と内側回転部５とが一体化されているときには，これらの相対的位置が上記定格磁路形成位置１０１にある状態で回転するよう構成されている。また，上記回転子３は，上記クラッチ動作部６による上記外側回転部４と内側回転部５との一体化が解除された状態で，上記固定子２における上記巻線２２に外部電源（図示略）から通電を行っているときには，上記相対的位置が上記縮小磁路形成位置１０２に変更された状態で回転するよう構成されている。
【００３２】
さらに，上記回転子３は，上記相対的位置の上記定格磁路形成位置１０１への復帰を，上記一体化が解除された状態において，上記固定子２における上記巻線２２に行う通電を停止して，再度上記クラッチ動作部６により上記一体化をさせることにより行うよう構成されている。
【００３３】
以下に，これを詳説する。
図１に示すごとく，上記同期回転電機１は，上記回転子３に界磁極を形成し，上記固定子２に電機子を形成してなる回転界磁形のものである。また，本例の同期回転電機１は，同期電動機として用いる。
また，本例の同期回転電機１は，回転子３を一方向に回転させるものである。本例では，同期回転電機１の回転子３を回転させる方向を正回転方向といい，その逆の方向を逆回転方向という。そして，図２〜図５において，時計回りの方向を正回転方向といい，反時計回りの方向を逆回転方向という。
【００３４】
図２に示すごとく，上記固定子２は，上記固定子コア２１の内周面に複数個形成したスロット２１１に，巻き数の等しい３相の巻線（電機子巻線）２２を所定角度回転方向にずらしながら配置して形成したものである。そして，上記同期回転電機１は，３相同期回転電機１を構成する。なお，図示は省略するが，上記固定子２及び回転子３は，ハウジングに覆われている。
【００３５】
図１に示すごとく，本例のクラッチ動作部６は，上記回転子３の回転数が所定の回転数未満のときには，上記一体化を行い，上記回転子３の回転数が上記所定の回転数を超えているときには，上記一体化の解除を行う遠心クラッチである。この遠心クラッチは，通常はクラッチ状態（一体化状態）にあって上記外側回転部４と内側回転部５とのクラッチ動作（一体化）を行っており，上記回転子３に生ずる遠心力が所定の大きさになったときに，アンクラッチ状態（一体化解除状態）になってアンクラッチ動作（一体化解除）を行うものである。
【００３６】
本例では，上記所定の回転数は，回転子３が回転したときに固定子２の巻線２２に生ずる逆起電力と，固定子２の巻線２２に外部電源から通電するときの電源電圧とがほぼ釣り合うときの回転子３の最大定格回転数よりも５〜１５％低い回転数となるように設定した。
そして，上記遠心クラッチは，上記所定の回転数で回転するときの回転子３に生ずる遠心力の大きさを動作設定値とし，上記回転子３の回転による遠心力の大きさが上記動作設定値になったときに上記アンクラッチ動作を行う。また，以下に，クラッチ動作部６が上記アンクラッチ動作を行うときの回転数を，クラッチ動作部６における動作回転数という。
【００３７】
また，図１，図３，図５に示すごとく，本例の回転量規制手段７は，上記内側回転部５の外周面に設けた突起部５２と，上記外側回転部４の内周面に設けた凹部４２とからなる。そして，外側回転部４と内側回転部５との上記所定の回転量の範囲内での相対回転は，上記突起部５２を上記凹部４２内の回転方向における側壁４２１，４２２同士の間において相対回転させることにより行う。
そして，上記相対的位置が，図３に示すごとく，上記定格磁路形成位置１０１にあるときには，上記突起部５２は上記凹部４２内の正回転方向側の側壁４２１に当接し，図５に示すごとく，上記縮小磁路形成位置１０２にあるときには，上記突起部５２は上記凹部４２内の逆回転方向側の側壁４２２に当接するよう構成されている。
なお，上記突起部５２を上記外側回転部４の内周面に設け，上記凹部４２を上記内側回転部５の外周面に設けても勿論よい。
【００３８】
図２，図４に示すごとく，本例の外側回転部４は，鉄よりなる継鉄部４０と，この継鉄部４０に埋設した上記永久磁石４１とからなる。この永久磁石４１は，２個以上かつ２の倍数の個数設けてあり，本例では４個設けてある。また，互いに隣り合う永久磁石４１は，着磁方向が互いに反対方向になるよう設けてある。
【００３９】
上記内側回転部５の外周面には，上記永久磁石４１による磁路の大きさを変更するための切欠き部５１が形成してあり，この切欠き部５１は，上記外側回転部４における永久磁石４１の個数に対応して形成してある。
そして，内側回転部５には，その回転方向において，切欠き部５１を設けていない部位である磁気抵抗非形成部５１１と，切欠き部５１を設けた部位である磁気抵抗形成部５１２とがほぼ等間隔に形成されている。
【００４０】
そして，図２に示すごとく，上記外側回転部４における各永久磁石４１が，上記内側回転部５における各磁気抵抗非形成部５１１と対向するときには，磁束が各回転部４，５と固定子２とを通過するための磁路断面積がほとんど絞られていない状態で磁路（磁気回路）を形成し，本例では，この状態を上記定格磁路３０１とする。
一方で，図４に示すごとく，上記外側回転部４における各永久磁石４１の一部が，上記内側回転部５における各磁気抵抗形成部５１２と対向するときには，上記磁路断面積が上記定格磁路３０１を形成する場合に比べて絞られた状態で磁路を形成し，本例では，この状態を上記縮小磁路３０２とする。
【００４１】
図１に示すごとく，上記内側回転部５には，上記同期回転電機１の出力軸５３が固定されている。そして，本例の同期回転電機１は，内側回転部５から出力軸５３へと出力トルクを出力する。
上記出力軸５３には，図示は省略するが，同期回転電機１が出力トルクを伝達するための負荷が接続されている。また，出力軸５３は，外側回転部４と内側回転部５とにおいて上記永久磁石４１を設けていない方に固定されている。
【００４２】
なお，上記切欠き部５１を形成する代わりに，図６に示すごとく，上記外側回転部４又は内側回転部５の内部に空洞状の空洞部５４を形成して，上記磁気抵抗形成部５１２を形成することもできる。また，上記永久磁石４１は内側回転部５に設け，上記切欠き部５１又は空洞部５４を外側回転部４に形成し，上記出力軸５３は外側回転部４に固定することもできる。
また，上記永久磁石４１の代わりに，上記継鉄部４０に巻装した界磁巻線に励磁電流を流して形成する電磁石を用いてもよい。
【００４３】
次に，上記同期回転電機１を制御する方法につき説明する。
上記同期回転電機１の出力軸５３の回転が停止し，上記回転子３が停止した状態においては，上記外側回転部４と内側回転部５とは上記クラッチ動作部６によって一体化された状態にある。そして，このときには，図３に示すごとく，内側回転部５における突起部５２は，外側回転部４における凹部４２内の正回転方向側の側壁４２１に当接した状態にあり，外側回転部４と内側回転部５との相対的位置は上記定格磁路形成位置１０１にある。
また，このときには，図２に示すごとく，外側回転部４における各永久磁石４１は，内側回転部５における磁気抵抗非形成部５１１に対向した状態にある。そして，各永久磁石４１による磁界により，各回転部４，５と上記固定子２とを通過して形成された磁路は，上記定格磁路３０１を形成している。
【００４４】
そして，図２に示すごとく，上記外側回転部４と内側回転部５とが一体化されている状態において，上記固定子２の巻線２２に外部電源から通電を行った際には，この通電により上記回転子３に電磁トルクが働き，回転子３は回転を行う。本例においては，３相同期回転電機１を構成しているので，固定子２における３相巻線２２に，外部の３相交流電源から３相電流を通電し，この３相巻線２２に流れる電流による磁界と上記永久磁石４１による磁界との吸引反発作用により電磁トルクが働き，回転子３が回転する。
【００４５】
そして，上記クラッチ動作部６による一体化がなされているとき，すなわち回転子３が回転を始めて，クラッチ動作部６による一体化の解除が行われるまでは，上記回転子３は，上記各永久磁石４１による定格磁路３０１が形成された状態で回転することができる。そのため，このときには，上記回転子３は，上記電磁トルクの発生が絞られていないため，上記固定子２の巻線２２に通電する電流の状態及び上記永久磁石４１による磁界強度等によって決定される定格の出力トルクを出力することができる。本例では，このような同期回転電機１における状態を定格出力状態という。
【００４６】
なお，本例においては，上記クラッチ動作部６における動作回転数を，上記同期回転電機１における最大定格回転数よりも５〜１５％低いところに設定しているため，回転子３が最大定格回転数で回転する前に上記クラッチ動作部６による一体化の解除が行われる。
【００４７】
次いで，上記固定子２の巻線２２への通電を継続して，上記回転子３及び出力軸５３の回転数が，上記クラッチ動作部６における動作回転数になったときには，クラッチ動作部６によるクラッチ状態が外れて，外側回転部４と内側回転部５との一体化が解除される。そして，内側回転部５は上記出力軸５３を介して負荷に接続されているため，外側回転部４のみが正逆いずれの方向にも回転することができる状態になる。すなわち，各回転部４，５における相対的位置は，内側回転部５における突起部５２が外側回転部４における凹部４２内で相対回転できる範囲内で，上記いずれの磁路形成位置にも変更可能な状態になる。
【００４８】
このとき，本例では，上記固定子２の巻線２２への通電を継続しているため，この通電により上記永久磁石４１を設けた外側回転部４に，内側回転部５よりも大きな上記正回転方向への電磁トルクが働く。そして，図５に示すごとく，外側回転部４は，上記凹部４２内の逆回転方向側の側壁４２２が上記突起部５２に当接するまで，内側回転部５に対して先行して上記正回転方向へ相対回転する。
【００４９】
こうして，図４に示すごとく，上記凹部４２内の逆回転方向側の側壁４２２が上記突起部５２に当接して，各回転部４，５における相対的位置が上記縮小磁路形成位置１０２に変更される。また，このとき，上記外側回転部４における各永久磁石４１の一部が，上記内側回転部５における各磁気抵抗形成部５１２と対向して，上記縮小磁路３０２が形成される。そして，上記回転子３は，上記永久磁石４１による上記縮小磁路３０２が形成された状態で回転することができる。
【００５０】
その後，図４に示すごとく，外側回転部４は，その凹部４２内における逆回転方向側の側壁４２２を，内側回転部５における突起部５２に引っ掛けた状態で，内側回転部５を回転させることができる。そして，上記回転子３は，上記縮小磁路３０２が形成された状態で回転するため，この回転子３の回転により上記固定子２の巻線２２に生ずる逆起電力の発生を抑制することができる。
そのため，回転子３は，上記逆起電力の発生が弱められた状態で，上記最大定格回転数よりもさらに高い出力回転数で回転することができる。本例では，このような同期回転電機１における状態を拡張出力状態という。
【００５１】
次いで，上記同期回転電機１を上記拡張出力状態から上記定格出力状態に戻すとき，又は上記同期回転電機１を停止させるときには，上記固定子２の巻線２２に行う通電を一旦停止することにより行うことができる。
すなわち，上記外側回転部４と内側回転部５との一体化が解除された状態において，上記固定子２の巻線２２に行う通電を停止させると，この通電により外側回転部４に働く電磁トルクがなくなり，外側回転部４と内側回転部５とが再び相対回転可能な状態になる。
【００５２】
このとき，内側回転部５は上記出力軸５３を介して負荷に接続されているため，出力軸５３の回転と共に回転するが，外側回転部４は無負荷の状態になる。そのため，外側回転部４の回転力が内側回転部５の回転力よりも早く減衰されて，上記凹部４２内における逆回転方向の側壁が上記突起部５２に当接する。
こうして，各回転部４，５における相対的位置が上記定格磁路形成位置１０１に復帰する。
【００５３】
そして，上記回転子３及び出力軸５３の回転数が上記クラッチ動作部６における動作回転数未満になったときには，クラッチ動作部６により外側回転部４と内側回転部５とが再び一体化される。
その後，再び固定子２の巻線２２に通電を行うことにより，回転子３は，再び上記と同様に加速することができる。そして，上記固定子３の巻線２２への通電の有無を制御することによって，何度でも繰り返し上記各出力状態を形成することができる。
【００５４】
このように，上記同期回転電機１においては，上記各磁路形成位置に相対的位置を変更可能な外側回転部４及び内側回転部５と，上記クラッチ動作部６とを有する簡単な構造で，上記回転子３を回転させる際に行う上記固定子２の巻線２２への通電を利用した簡単な構成により，上記回転子３による磁界強度の変更を行うことができる。そのため，上記同期回転電機１によれば，固定子２の巻線２２への通電状態を変化させるための弱め界磁制御回路等の特別な制御回路を必要とせず，かつ簡単な構造により，回転子３による磁界強度の変更を行うことができる。
【００５５】
また，上記同期回転電機１は，上記簡単な構造及び構成により，上記回転子３が上記定格の出力トルクを出力することができる定格出力状態と，上記回転子３が上記最大定格回転数よりも高い出力回転数で回転することができる拡張出力状態とを効率よく形成することができる。
また，上記のごとく，上記同期回転電機１の制御においても，上記特別な制御回路を用いることなく，上記同期回転電機１における出力トルク及び出力回転数の変更制御を行うことができる。そして，上記同期回転電機１においては，上記永久磁石４１による磁界強度を減少させるように上記回転子３の巻線２２に通電を行う従来の弱め界磁制御は行っていないため，永久磁石４１に生ずる減磁作用を抑制することもできる。
【００５６】
（実施例２）
本例は，上記同期回転電機１を，ハイブリッドカーにおけるモータジェネレータとして用いる例である。すなわち，本例の同期回転電機１は，同期電動機（モータ）及び同期発電機（ジェネレータ）に任意に切り替えを行って動作することができるものである。本例の同期回転電機１は，その出力軸５３には上記ハイブリッドカーにおけるエンジン（燃焼機関）が接続されている。その他の構成は上記実施例１と同様である。
【００５７】
本例においては，上記回転子３が上記最大定格回転数よりも高い出力回転数で回転する拡張出力状態において，上記固定子２の巻線２２への通電を停止し，上記各回転部４，５における相対的位置が上記定格磁路形成位置１０１に復帰したときには，上記同期回転電機１は，回転子３が回転することにより上記固定子２の巻線２２に生ずる誘導電流を発電機として回収することができる。
【００５８】
また，上記拡張出力状態において，上記同期回転電機１を発電機として作用させるとき，上記エンジンの燃焼によるトルクが上記出力軸５３に加わると，内側回転部５が外側回転部４に対して上記正回転方向に直ちに相対回転する。そのため，上記凹部４２内における正回転方向側の側壁４２１が上記突起部５２に直ちに当接し，上記相対的位置を上記定格磁路形成位置１０１に直ちに復帰させることができる。
【００５９】
そのため，上記拡張出力状態において，同期回転電機１を発電機として作用させるときには，この同期回転電機１は，上記永久磁石４１による上記定格磁路３０１が形成された状態で発電を行うことができる。また，上記外側回転部４と内側回転部５とが一体化された上記定格出力状態においても，同期回転電機１は，上記永久磁石４１による定格磁路３０１が形成された状態で発電を行うことができる。
【００６０】
それ故，上記同期回転電機１を発電機として作用させるときには，いずれの上記出力状態においても，発電電圧が絞られていない最大定格電圧を出力して発電を行うことができる。
その他，本例においても上記実施例１と同様の作用効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１における，同期回転電機の軸方向断面を示す説明図。
【図２】実施例１における，定格出力状態にある同期回転電機の円周方向断面を示す図で，図１におけるＡ−Ａ線矢視説明図。
【図３】実施例１における，定格出力状態にある同期回転電機の円周方向断面を示す図で，図１におけるＢ−Ｂ線矢視説明図。
【図４】実施例１における，拡張出力状態にある同期回転電機の円周方向断面を示す図で，図１におけるＡ−Ａ線矢視説明図。
【図５】実施例１における，拡張出力状態にある同期回転電機の円周方向断面を示す図で，図１におけるＢ−Ｂ線矢視説明図。
【図６】実施例１における，切欠き部の代わりに空洞部を設けた内側回転部の円周方向断面を示す説明図。
【符号の説明】
１．．．同期回転電機，
１０１．．．定格磁路形成位置，
１０２．．．縮小磁路形成位置，
２．．．固定子，
２２．．．巻線，
３．．．回転子，
３０１．．．定格磁路，
３０２．．．縮小磁路，
４．．．外側回転部，
４１．．．永久磁石（磁界発生部），
４２．．．凹部，
４２１．．．正回転方向の側壁，
４２２．．．逆回転方向の側壁，
５．．．内側回転部，
５１．．．切欠き部，
５２．．．突起部，
５３．．．出力軸，
５４．．．空洞部，
６．．．クラッチ動作部，
７．．．回転量規制手段，
【技術分野】
本発明は，固定子と回転子とを有してなる同期回転電機に関し，特に回転子による磁界の強さを変更することができる構造に関する。
【０００２】
【従来技術】
同期回転電機は，電動機，電動機と発電機とに切り替えて使用可能なモータジェネレータ等として使用されている。特に，同期回転電機を上記電動機又はモータジェネレータとして用いる場合，これらの出力軸に出力される出力トルク及び出力回転数は，固定子の電機子巻線に印加する電圧，回転子の磁界強度（磁束量，界磁束）又は回転子と固定子とが成す磁気回路（磁路）の形成状態等により決定される。
そして，上記電動機又はモータジェネレータにおける出力回転数は，上記回転子が回転することにより上記固定子巻線に生ずる逆起電力が，上記固定子巻線に印加する電圧に等しくなったときに最大回転数となる。
【０００３】
そのため，上記最大回転数又はこれに近づいたときには，上記固定子の電機子巻線に，上記回転子による磁界強度を減少させるように電流を流す弱め界磁制御が行われている。そして，この弱め界磁制御により，上記逆起電力の発生を抑制して，上記最大回転数の向上を図っている。
また，特許文献１の永久磁石型回転電機においては，回転子を径外側ロータと径内側ロータとに分割し，両ロータ間の相対的角度位置を機械的に調節するロータ角度調節部を設けている。そして，このロータ角度調節部によって，上記両ロータの相対的角度位置を変更することにより，両ロータによる磁界強度を減少させて，上記と同様に最大回転数の向上を図っている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−５８２２３号公報
【０００５】
【解決しようとする課題】
しかしながら，上記弱め界磁制御を行う方法においては，上記固定子の電機子巻線に行う通電状態を変化させるための弱め界磁制御回路が必要になる。また，この方法においては，上記磁界強度を減少させるように電流を流すため，効率が悪いだけでなく，回転子の磁界発生に永久磁石を使った場合には，この永久磁石を減磁させてしまうおそれがある。
一方，上記特許文献１においては，上記ロータ角度調節部が複数のギヤ等を用いて構成されるために，上記回転電機の構造が複雑になる。
【０００６】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，特別な制御回路を必要とせず，かつ簡単な構造により，回転子による磁界強度の変更を行うことができる同期回転電機及びその制御方法を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題の解決手段】
第１の発明は，通電を行う巻線を環状形状の固定子コアに巻装してなる固定子と，該固定子の内周側に回転可能に保持され，磁界を発生させる磁界発生部を備えてなる回転子とを有してなる同期回転電機において，
上記回転子は，環状形状を有する外側回転部と，該外側回転部の内周側に配設した内側回転部とに分割されており，
また，上記外側回転部と上記内側回転部とは，両者の間の回転量を規制する回転量規制手段により所定の回転量の範囲内で相対回転を行うことにより，両者の間の回転方向における相対的位置を，上記磁界発生部による磁路が定格の定格磁路を形成する定格磁路形成位置と，上記磁界発生部による磁路が上記定格磁路よりも縮小された縮小磁路を形成する縮小磁路形成位置とに変更可能であり，
かつ，上記外側回転部と上記内側回転部との間には，両者の一体化と該一体化の解除とを行うためのクラッチ動作部が配設してあり，
上記回転子は，上記クラッチ動作部により上記外側回転部と上記内側回転部とが一体化されているときには，これらの相対的位置が上記定格磁路形成位置にある状態で回転し，
上記クラッチ動作部による上記外側回転部と上記内側回転部との一体化が解除された状態で，上記固定子における上記巻線に外部電源から通電を行っているときには，上記相対的位置が上記縮小磁路形成位置に変更された状態で回転するよう構成したことを特徴とする同期回転電機にある（請求項１）。
【０００８】
本発明の同期回転電機は，弱め界磁制御を行うための特別な制御回路を必要とせず，かつ簡単な構造により，上記回転子による磁界の強度を変更させることができるものである。
すなわち，本発明の同期回転電機は，上記外側回転部と内側回転部とに分割された上記回転子及び上記クラッチ動作部を有しており，クラッチ動作部により，上記外側回転部と内側回転部との一体化及び一体化の解除を行うことができ，上記固定子の巻線に行う通電を利用して，外側回転部と内側回転部との相対的位置を上記各磁路形成位置に変更することができる。そして，この相対的位置の変更により，上記磁界発生部による磁路（界磁束）を，上記定格磁路と上記縮小磁路とに変更させることができる。
【０００９】
すなわち，上記外側回転部と内側回転部とが一体化されている状態において，上記固定子の巻線に外部電源から通電を行った際には，この通電により上記回転子に電磁トルクが働き，回転子は回転を行う。また，このとき，外側回転部と内側回転部との相対的位置は上記定格磁路形成位置にあり，回転子は，上記磁界発生部が上記定格磁路を形成した状態で回転することができる。そのため，このときには，上記回転子は，上記固定子の巻線に通電する電流の状態及び上記磁界発生部による磁界強度等によって決定される定格の出力トルクを出力することができる。
【００１０】
一方で，上記外側回転部と上記内側回転部との一体化が解除されたときには，これらの相対的位置は，上記回転量規制手段によって相対回転を行う範囲が規制された状態で，上記いずれの磁路形成位置にも変更可能な状態になる。このとき，上記固定子の巻線に外部電源から通電を行うと，この通電により上記回転子に生ずる電磁トルクによって，外側回転部と内側回転部とが相対的に移動し，これらの相対的位置が上記縮小磁路形成位置に変更される。そのため，上記回転子は，上記磁界発生部により上記縮小磁路を形成した状態で回転することができる。
【００１１】
これにより，磁界発生部を有する回転子の回転により上記固定子の巻線に生ずる逆起電力の発生を抑制することができる。そのため，このときには，回転子の出力回転数を，回転子が回転したときに固定子の巻線に生ずる逆起電力と，固定子の巻線に外部電源から通電するときの電源電圧とがほぼ釣り合うときの回転子の最大定格回転数よりも高くすることができる。
【００１２】
このように，本発明の同期回転電機においては，上記各磁路形成位置に相対的位置を変更可能な外側回転部及び内側回転部と，上記クラッチ動作部とを有する簡単な構造で，上記固定子の巻線への通電を利用した簡単な構成により，上記回転子による磁界強度の変更を行うことができる。
そのため，上記同期回転電機によれば，固定子の巻線への通電状態を変化させるための弱め界磁制御回路等の特別な制御回路を必要とせず，かつ簡単な構造により，回転子による磁界強度の変更を行うことができる。
【００１３】
そして，上記同期回転電機は，上記相対的位置が上記定格磁路形成位置にあるときには，上記定格の出力トルクを出力することができ，上記縮小磁路形成位置にあるときには，上記出力回転数の向上を図ることができる。
【００１４】
なお，上記外側回転部と内側回転部との相対的位置を上記定格磁路形成位置に復帰させるときには，上記外側回転部と上記内側回転部との一体化が解除された状態において，上記固定子の巻線に行う通電を停止することにより行うことができる。すなわち，この場合には，上記通電により回転子に働く電磁トルクがなくなるため，外側回転部と内側回転部とが相対的に移動し，これらの相対的位置を上記定格磁路形成位置に復帰させることができる。
【００１５】
第２の発明は，通電を行う巻線を環状形状の固定子コアに巻装してなる固定子と，該固定子の内周側に回転可能に保持され，磁界を発生させる磁界発生部を備えてなる回転子とを有してなる同期回転電機の制御方法において，
上記回転子を，環状形状を有する外側回転部と，該外側回転部の内周側に配設した内側回転部とに分割すると共に，上記外側回転部と上記内側回転部との間には，両者の一体化と該一体化の解除とを行うためのクラッチ動作部を配設しておき，
上記固定子における上記巻線に通電を行って，上記回転子の回転数が所定の回転数になるまでは，上記回転子は，上記クラッチ動作部により上記外側回転部と上記内側回転部とが一体化され，かつ上記磁界発生部による磁路が定格の定格磁路を形成した状態で回転させ，
上記回転子の回転数が所定の回転数になった後，上記クラッチ動作部による上記外側回転部と上記内側回転部との一体化が解除され，かつ上記固定子における上記巻線に通電を行っているときには，上記回転子は，上記外側回転部と上記内側回転部との相対的位置が変更されて，上記磁界発生部による磁路が上記定格磁路よりも縮小された縮小磁路を形成した状態で回転させることを特徴とする同期回転電機の制御方法にある（請求項７）。
【００１６】
本発明の同期回転電機の制御方法は，弱め界磁制御を行うための特別な制御回路を必要とせず，かつ簡単な工夫により，上記回転子をその磁界強度を変更させた状態においても回転可能にするものである。
すなわち，本発明の同期回転電機の制御方法においては，上記固定子における上記巻線に通電を行って，上記回転子の回転数が所定の回転数になるまでは，回転子は，上記磁界発生部による磁路が定格の定格磁路を形成した状態で回転する。そのため，このときには，上記発明と同様に，上記回転子は上記定格の出力トルクを出力することができる。
【００１７】
一方で，上記回転子の回転数が所定の回転数になった後には，上記クラッチ動作部による上記外側回転部と内側回転部との一体化が解除され，かつ上記固定子の巻線に通電が行われることにより，回転子は，上記磁界発生部による磁路が上記縮小磁路を形成した状態で回転する。そのため，このときには，上記発明と同様に，上記逆起電力の発生を抑制して，回転子の出力回転数を上記最大定格回転数よりも高くすることができる。
【００１８】
このように，本発明の同期回転電機の制御方法においては，上記回転子を回転させるときの上記固定子の巻線に行う通電を利用し，回転子による磁界強度の変更を行うことができる。そのため，本発明の制御方法によれば，固定子の巻線への通電状態を変化させるための弱め界磁制御回路等の特別な制御回路を用いることなく，上記同期回転電機における出力トルク及び出力回転数の変更制御を行うことができる。
なお，上記磁界発生部による磁路を，上記縮小磁路を形成した状態から上記定格磁路を形成した状態に復帰させるときには，上記発明と同様に，上記一体化が解除された状態において，上記固定子の巻線に行う通電を停止することにより行うことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
上述した本発明における好ましい実施の形態につき説明する。
上記第１，第２の発明において，上記同期回転電機としては，同期電動機として用いることができ，また，電動機と発電機とに切り替えて使用可能なモータジェネレータとして用いることもできる。
このモータジェネレータとしては，例えば，ハイブリッドカー又は電気自動車に用いるものがある。
【００２０】
上記同期回転電機を上記モータジェネレータとして用いる場合には，モータ（電動機）として使用する際に，上記回転子による磁界強度の変更を行って上記優れた作用効果を得ることができる。また，この場合に，ジェネレータ（発電機）として使用する際には，このジェネレータは，上記外側回転部と内側回転部との相対的位置が上記定格磁路形成位置にあるときに，定格の発電電圧を出力することができる。また，上記定格磁路は，上記磁界発生部による磁束が回転子及び固定子を通過するときの磁気抵抗が最小になる最大磁路とすることができる。
【００２１】
また，上記第１の発明において，上記回転子は，上記相対的位置の上記定格磁路形成位置への復帰を，上記クラッチ動作部による上記一体化が解除された状態において，上記固定子における上記巻線に行う通電を停止して，再度上記クラッチ動作部により上記一体化をさせることにより行うよう構成することが好ましい（請求項２）。
この場合には，上記通電の停止により，上記相対的位置を上記定格磁路形成位置に復帰させたときに，上記クラッチ動作部により一体化させることにより，特別な工夫を必要とすることなく，容易に上記復帰を行うことができる。
【００２２】
また，上記クラッチ動作部は，上記回転子の回転数が所定の回転数未満のときには，上記一体化を行い，上記回転子の回転数が上記所定の回転数を超えているときには，上記一体化の解除を行うものであることが好ましい（請求項３）。
この場合には，上記同期回転電機は，上記回転子の回転数が所定の回転数未満のときには，上記定格の出力トルクを出力し，上記回転子の回転数が所定の回転数を超えているときには，上記回転子による磁界強度の変更により上記出力回転数の向上を図ることができる。
【００２３】
また，上記所定の回転数は，上記回転子が回転したときに上記固定子の巻線に生ずる逆起電力と，固定子の巻線に外部電源から通電するときの電源電圧とがほぼ釣り合うときの回転子の最大定格回転数とほぼ同じ回転数，又は上記最大定格回転数よりも若干（例えば，５〜１５％）低い回転数とすることができる。
【００２４】
また，上記クラッチ動作部は，遠心力の変化により，上記一体化又は該一体化の解除を行う遠心クラッチとすることが好ましい（請求項４）。
この場合には，上記遠心クラッチにより，上記回転子の回転に伴い発生する遠心力の大きさが所定の大きさを超えているときに上記一体化の解除を行うことができる。そのため，上記遠心クラッチの性質を利用して，上記クラッチ動作部は，上記一体化及びその解除を容易に行うことができる。
【００２５】
また，上記回転量規制手段は，上記外側回転部又は上記内側回転部のいずれか一方に設けた突起部と，他方に設けた凹部とからなり，上記所定の回転量の範囲内での相対回転は，上記突起部を上記凹部内の回転方向における側壁同士の間において相対回転させることにより行うことが好ましい（請求項５）。
この場合には，上記外側回転部と内側回転部との相対的位置が，上記定格磁路形成位置にあるときには，上記突起部を上記凹部の一方の側壁に当接させ，上記縮小磁路形成位置にあるときには，上記突起部を上記凹部の他方の側壁に当接させて，外側回転部と内側回転部との所定の回転量の範囲内での相対回転を行うことができる。そのため，簡単な構造により，上記回転量規制手段を実現することができる。
【００２６】
また，上記磁界発生部は，上記外側回転部又は上記内側回転部のいずれか一方に設けた永久磁石であり，上記永久磁石を設けていない上記内側回転部又は上記外側回転部には，切欠き部又は空洞部が設けてあり，上記定格磁路は，上記永久磁石が上記切欠き部又は空洞部を設けていない部位に対向するときに形成し，一方，上記縮小磁路は，上記永久磁石が上記切欠き部又は空洞部を設けた部位に対向するときに形成するよう構成することが好ましい（請求項６）。
【００２７】
この場合には，上記永久磁石の使用と，上記内側回転部又は外側回転部に上記切欠き部又は空洞部を設けた構造により，上記回転子の構造を一層簡単にすることができる。
また，上記第１，第２の発明においては，上記磁界発生部による磁界強度を減少させるように上記回転子の巻線に通電を行う従来の弱め界磁制御は行っていないため，上記永久磁石に生ずる減磁作用を抑制することができる。
なお，永久磁石としては，天然の磁鉄鉱，ニッケル鉱，ＫＳ鋼，ＭＫ鋼等種々のものがある。
【００２８】
また，上記第２の発明において，上記磁界発生部による磁路を，上記縮小磁路を形成した状態から上記定格磁路を形成した状態に復帰させるときには，上記クラッチ動作部による上記一体化が解除された状態において，上記固定子における上記巻線に行う通電を停止すると共に再度上記クラッチ動作部により上記一体化を行うことが好ましい（請求項８）。
この場合には，上記通電の停止により，素早く上記磁界発生部による磁路を上記定格磁路を形成した状態に復帰させ，上記クラッチ動作部により上記一体化を行うことにより，特別な工夫を必要とすることなく，容易に上記復帰を行うことができる。
【００２９】
【実施例】
以下に，図面を用いて本発明の同期回転電機及びその制御方法にかかる実施例につき説明する。
（実施例１）
本例の同期回転電機１は，図１〜図５に示すごとく，通電を行う巻線２２を環状形状の固定子コア２１に巻装してなる固定子（ステータ）２と，この固定子２の内周側に回転可能に保持され，磁界を発生させる磁界発生部としての永久磁石４１を備えてなる回転子（ロータ）３とを有してなる。
上記回転子３は，環状形状を有する外側回転部４と，この外側回転部４の内周側に配設した内側回転部５とに分割されている。
【００３０】
また，上記外側回転部４と上記内側回転部５とは，両者の間の回転量を規制する回転量規制手段７により所定の回転量の範囲内で相対回転を行うよう構成されている。そして，外側回転部４と内側回転部５との間の回転方向における相対的位置は，図２，図３に示すごとく，上記永久磁石４１による磁路が定格の定格磁路３０１を形成する定格磁路形成位置１０１と，図４，図５に示すごとく，上記永久磁石４１による磁路が上記定格磁路３０１よりも縮小された縮小磁路３０２を形成する縮小磁路形成位置１０２とに変更可能である。
また，図１に示すごとく，上記外側回転部４と内側回転部５との間には，両者の一体化とこの一体化の解除とを行うためのクラッチ動作部６が配設してある。
【００３１】
そして，上記回転子３は，上記クラッチ動作部６により上記外側回転部４と内側回転部５とが一体化されているときには，これらの相対的位置が上記定格磁路形成位置１０１にある状態で回転するよう構成されている。また，上記回転子３は，上記クラッチ動作部６による上記外側回転部４と内側回転部５との一体化が解除された状態で，上記固定子２における上記巻線２２に外部電源（図示略）から通電を行っているときには，上記相対的位置が上記縮小磁路形成位置１０２に変更された状態で回転するよう構成されている。
【００３２】
さらに，上記回転子３は，上記相対的位置の上記定格磁路形成位置１０１への復帰を，上記一体化が解除された状態において，上記固定子２における上記巻線２２に行う通電を停止して，再度上記クラッチ動作部６により上記一体化をさせることにより行うよう構成されている。
【００３３】
以下に，これを詳説する。
図１に示すごとく，上記同期回転電機１は，上記回転子３に界磁極を形成し，上記固定子２に電機子を形成してなる回転界磁形のものである。また，本例の同期回転電機１は，同期電動機として用いる。
また，本例の同期回転電機１は，回転子３を一方向に回転させるものである。本例では，同期回転電機１の回転子３を回転させる方向を正回転方向といい，その逆の方向を逆回転方向という。そして，図２〜図５において，時計回りの方向を正回転方向といい，反時計回りの方向を逆回転方向という。
【００３４】
図２に示すごとく，上記固定子２は，上記固定子コア２１の内周面に複数個形成したスロット２１１に，巻き数の等しい３相の巻線（電機子巻線）２２を所定角度回転方向にずらしながら配置して形成したものである。そして，上記同期回転電機１は，３相同期回転電機１を構成する。なお，図示は省略するが，上記固定子２及び回転子３は，ハウジングに覆われている。
【００３５】
図１に示すごとく，本例のクラッチ動作部６は，上記回転子３の回転数が所定の回転数未満のときには，上記一体化を行い，上記回転子３の回転数が上記所定の回転数を超えているときには，上記一体化の解除を行う遠心クラッチである。この遠心クラッチは，通常はクラッチ状態（一体化状態）にあって上記外側回転部４と内側回転部５とのクラッチ動作（一体化）を行っており，上記回転子３に生ずる遠心力が所定の大きさになったときに，アンクラッチ状態（一体化解除状態）になってアンクラッチ動作（一体化解除）を行うものである。
【００３６】
本例では，上記所定の回転数は，回転子３が回転したときに固定子２の巻線２２に生ずる逆起電力と，固定子２の巻線２２に外部電源から通電するときの電源電圧とがほぼ釣り合うときの回転子３の最大定格回転数よりも５〜１５％低い回転数となるように設定した。
そして，上記遠心クラッチは，上記所定の回転数で回転するときの回転子３に生ずる遠心力の大きさを動作設定値とし，上記回転子３の回転による遠心力の大きさが上記動作設定値になったときに上記アンクラッチ動作を行う。また，以下に，クラッチ動作部６が上記アンクラッチ動作を行うときの回転数を，クラッチ動作部６における動作回転数という。
【００３７】
また，図１，図３，図５に示すごとく，本例の回転量規制手段７は，上記内側回転部５の外周面に設けた突起部５２と，上記外側回転部４の内周面に設けた凹部４２とからなる。そして，外側回転部４と内側回転部５との上記所定の回転量の範囲内での相対回転は，上記突起部５２を上記凹部４２内の回転方向における側壁４２１，４２２同士の間において相対回転させることにより行う。
そして，上記相対的位置が，図３に示すごとく，上記定格磁路形成位置１０１にあるときには，上記突起部５２は上記凹部４２内の正回転方向側の側壁４２１に当接し，図５に示すごとく，上記縮小磁路形成位置１０２にあるときには，上記突起部５２は上記凹部４２内の逆回転方向側の側壁４２２に当接するよう構成されている。
なお，上記突起部５２を上記外側回転部４の内周面に設け，上記凹部４２を上記内側回転部５の外周面に設けても勿論よい。
【００３８】
図２，図４に示すごとく，本例の外側回転部４は，鉄よりなる継鉄部４０と，この継鉄部４０に埋設した上記永久磁石４１とからなる。この永久磁石４１は，２個以上かつ２の倍数の個数設けてあり，本例では４個設けてある。また，互いに隣り合う永久磁石４１は，着磁方向が互いに反対方向になるよう設けてある。
【００３９】
上記内側回転部５の外周面には，上記永久磁石４１による磁路の大きさを変更するための切欠き部５１が形成してあり，この切欠き部５１は，上記外側回転部４における永久磁石４１の個数に対応して形成してある。
そして，内側回転部５には，その回転方向において，切欠き部５１を設けていない部位である磁気抵抗非形成部５１１と，切欠き部５１を設けた部位である磁気抵抗形成部５１２とがほぼ等間隔に形成されている。
【００４０】
そして，図２に示すごとく，上記外側回転部４における各永久磁石４１が，上記内側回転部５における各磁気抵抗非形成部５１１と対向するときには，磁束が各回転部４，５と固定子２とを通過するための磁路断面積がほとんど絞られていない状態で磁路（磁気回路）を形成し，本例では，この状態を上記定格磁路３０１とする。
一方で，図４に示すごとく，上記外側回転部４における各永久磁石４１の一部が，上記内側回転部５における各磁気抵抗形成部５１２と対向するときには，上記磁路断面積が上記定格磁路３０１を形成する場合に比べて絞られた状態で磁路を形成し，本例では，この状態を上記縮小磁路３０２とする。
【００４１】
図１に示すごとく，上記内側回転部５には，上記同期回転電機１の出力軸５３が固定されている。そして，本例の同期回転電機１は，内側回転部５から出力軸５３へと出力トルクを出力する。
上記出力軸５３には，図示は省略するが，同期回転電機１が出力トルクを伝達するための負荷が接続されている。また，出力軸５３は，外側回転部４と内側回転部５とにおいて上記永久磁石４１を設けていない方に固定されている。
【００４２】
なお，上記切欠き部５１を形成する代わりに，図６に示すごとく，上記外側回転部４又は内側回転部５の内部に空洞状の空洞部５４を形成して，上記磁気抵抗形成部５１２を形成することもできる。また，上記永久磁石４１は内側回転部５に設け，上記切欠き部５１又は空洞部５４を外側回転部４に形成し，上記出力軸５３は外側回転部４に固定することもできる。
また，上記永久磁石４１の代わりに，上記継鉄部４０に巻装した界磁巻線に励磁電流を流して形成する電磁石を用いてもよい。
【００４３】
次に，上記同期回転電機１を制御する方法につき説明する。
上記同期回転電機１の出力軸５３の回転が停止し，上記回転子３が停止した状態においては，上記外側回転部４と内側回転部５とは上記クラッチ動作部６によって一体化された状態にある。そして，このときには，図３に示すごとく，内側回転部５における突起部５２は，外側回転部４における凹部４２内の正回転方向側の側壁４２１に当接した状態にあり，外側回転部４と内側回転部５との相対的位置は上記定格磁路形成位置１０１にある。
また，このときには，図２に示すごとく，外側回転部４における各永久磁石４１は，内側回転部５における磁気抵抗非形成部５１１に対向した状態にある。そして，各永久磁石４１による磁界により，各回転部４，５と上記固定子２とを通過して形成された磁路は，上記定格磁路３０１を形成している。
【００４４】
そして，図２に示すごとく，上記外側回転部４と内側回転部５とが一体化されている状態において，上記固定子２の巻線２２に外部電源から通電を行った際には，この通電により上記回転子３に電磁トルクが働き，回転子３は回転を行う。本例においては，３相同期回転電機１を構成しているので，固定子２における３相巻線２２に，外部の３相交流電源から３相電流を通電し，この３相巻線２２に流れる電流による磁界と上記永久磁石４１による磁界との吸引反発作用により電磁トルクが働き，回転子３が回転する。
【００４５】
そして，上記クラッチ動作部６による一体化がなされているとき，すなわち回転子３が回転を始めて，クラッチ動作部６による一体化の解除が行われるまでは，上記回転子３は，上記各永久磁石４１による定格磁路３０１が形成された状態で回転することができる。そのため，このときには，上記回転子３は，上記電磁トルクの発生が絞られていないため，上記固定子２の巻線２２に通電する電流の状態及び上記永久磁石４１による磁界強度等によって決定される定格の出力トルクを出力することができる。本例では，このような同期回転電機１における状態を定格出力状態という。
【００４６】
なお，本例においては，上記クラッチ動作部６における動作回転数を，上記同期回転電機１における最大定格回転数よりも５〜１５％低いところに設定しているため，回転子３が最大定格回転数で回転する前に上記クラッチ動作部６による一体化の解除が行われる。
【００４７】
次いで，上記固定子２の巻線２２への通電を継続して，上記回転子３及び出力軸５３の回転数が，上記クラッチ動作部６における動作回転数になったときには，クラッチ動作部６によるクラッチ状態が外れて，外側回転部４と内側回転部５との一体化が解除される。そして，内側回転部５は上記出力軸５３を介して負荷に接続されているため，外側回転部４のみが正逆いずれの方向にも回転することができる状態になる。すなわち，各回転部４，５における相対的位置は，内側回転部５における突起部５２が外側回転部４における凹部４２内で相対回転できる範囲内で，上記いずれの磁路形成位置にも変更可能な状態になる。
【００４８】
このとき，本例では，上記固定子２の巻線２２への通電を継続しているため，この通電により上記永久磁石４１を設けた外側回転部４に，内側回転部５よりも大きな上記正回転方向への電磁トルクが働く。そして，図５に示すごとく，外側回転部４は，上記凹部４２内の逆回転方向側の側壁４２２が上記突起部５２に当接するまで，内側回転部５に対して先行して上記正回転方向へ相対回転する。
【００４９】
こうして，図４に示すごとく，上記凹部４２内の逆回転方向側の側壁４２２が上記突起部５２に当接して，各回転部４，５における相対的位置が上記縮小磁路形成位置１０２に変更される。また，このとき，上記外側回転部４における各永久磁石４１の一部が，上記内側回転部５における各磁気抵抗形成部５１２と対向して，上記縮小磁路３０２が形成される。そして，上記回転子３は，上記永久磁石４１による上記縮小磁路３０２が形成された状態で回転することができる。
【００５０】
その後，図４に示すごとく，外側回転部４は，その凹部４２内における逆回転方向側の側壁４２２を，内側回転部５における突起部５２に引っ掛けた状態で，内側回転部５を回転させることができる。そして，上記回転子３は，上記縮小磁路３０２が形成された状態で回転するため，この回転子３の回転により上記固定子２の巻線２２に生ずる逆起電力の発生を抑制することができる。
そのため，回転子３は，上記逆起電力の発生が弱められた状態で，上記最大定格回転数よりもさらに高い出力回転数で回転することができる。本例では，このような同期回転電機１における状態を拡張出力状態という。
【００５１】
次いで，上記同期回転電機１を上記拡張出力状態から上記定格出力状態に戻すとき，又は上記同期回転電機１を停止させるときには，上記固定子２の巻線２２に行う通電を一旦停止することにより行うことができる。
すなわち，上記外側回転部４と内側回転部５との一体化が解除された状態において，上記固定子２の巻線２２に行う通電を停止させると，この通電により外側回転部４に働く電磁トルクがなくなり，外側回転部４と内側回転部５とが再び相対回転可能な状態になる。
【００５２】
このとき，内側回転部５は上記出力軸５３を介して負荷に接続されているため，出力軸５３の回転と共に回転するが，外側回転部４は無負荷の状態になる。そのため，外側回転部４の回転力が内側回転部５の回転力よりも早く減衰されて，上記凹部４２内における逆回転方向の側壁が上記突起部５２に当接する。
こうして，各回転部４，５における相対的位置が上記定格磁路形成位置１０１に復帰する。
【００５３】
そして，上記回転子３及び出力軸５３の回転数が上記クラッチ動作部６における動作回転数未満になったときには，クラッチ動作部６により外側回転部４と内側回転部５とが再び一体化される。
その後，再び固定子２の巻線２２に通電を行うことにより，回転子３は，再び上記と同様に加速することができる。そして，上記固定子３の巻線２２への通電の有無を制御することによって，何度でも繰り返し上記各出力状態を形成することができる。
【００５４】
このように，上記同期回転電機１においては，上記各磁路形成位置に相対的位置を変更可能な外側回転部４及び内側回転部５と，上記クラッチ動作部６とを有する簡単な構造で，上記回転子３を回転させる際に行う上記固定子２の巻線２２への通電を利用した簡単な構成により，上記回転子３による磁界強度の変更を行うことができる。そのため，上記同期回転電機１によれば，固定子２の巻線２２への通電状態を変化させるための弱め界磁制御回路等の特別な制御回路を必要とせず，かつ簡単な構造により，回転子３による磁界強度の変更を行うことができる。
【００５５】
また，上記同期回転電機１は，上記簡単な構造及び構成により，上記回転子３が上記定格の出力トルクを出力することができる定格出力状態と，上記回転子３が上記最大定格回転数よりも高い出力回転数で回転することができる拡張出力状態とを効率よく形成することができる。
また，上記のごとく，上記同期回転電機１の制御においても，上記特別な制御回路を用いることなく，上記同期回転電機１における出力トルク及び出力回転数の変更制御を行うことができる。そして，上記同期回転電機１においては，上記永久磁石４１による磁界強度を減少させるように上記回転子３の巻線２２に通電を行う従来の弱め界磁制御は行っていないため，永久磁石４１に生ずる減磁作用を抑制することもできる。
【００５６】
（実施例２）
本例は，上記同期回転電機１を，ハイブリッドカーにおけるモータジェネレータとして用いる例である。すなわち，本例の同期回転電機１は，同期電動機（モータ）及び同期発電機（ジェネレータ）に任意に切り替えを行って動作することができるものである。本例の同期回転電機１は，その出力軸５３には上記ハイブリッドカーにおけるエンジン（燃焼機関）が接続されている。その他の構成は上記実施例１と同様である。
【００５７】
本例においては，上記回転子３が上記最大定格回転数よりも高い出力回転数で回転する拡張出力状態において，上記固定子２の巻線２２への通電を停止し，上記各回転部４，５における相対的位置が上記定格磁路形成位置１０１に復帰したときには，上記同期回転電機１は，回転子３が回転することにより上記固定子２の巻線２２に生ずる誘導電流を発電機として回収することができる。
【００５８】
また，上記拡張出力状態において，上記同期回転電機１を発電機として作用させるとき，上記エンジンの燃焼によるトルクが上記出力軸５３に加わると，内側回転部５が外側回転部４に対して上記正回転方向に直ちに相対回転する。そのため，上記凹部４２内における正回転方向側の側壁４２１が上記突起部５２に直ちに当接し，上記相対的位置を上記定格磁路形成位置１０１に直ちに復帰させることができる。
【００５９】
そのため，上記拡張出力状態において，同期回転電機１を発電機として作用させるときには，この同期回転電機１は，上記永久磁石４１による上記定格磁路３０１が形成された状態で発電を行うことができる。また，上記外側回転部４と内側回転部５とが一体化された上記定格出力状態においても，同期回転電機１は，上記永久磁石４１による定格磁路３０１が形成された状態で発電を行うことができる。
【００６０】
それ故，上記同期回転電機１を発電機として作用させるときには，いずれの上記出力状態においても，発電電圧が絞られていない最大定格電圧を出力して発電を行うことができる。
その他，本例においても上記実施例１と同様の作用効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１における，同期回転電機の軸方向断面を示す説明図。
【図２】実施例１における，定格出力状態にある同期回転電機の円周方向断面を示す図で，図１におけるＡ−Ａ線矢視説明図。
【図３】実施例１における，定格出力状態にある同期回転電機の円周方向断面を示す図で，図１におけるＢ−Ｂ線矢視説明図。
【図４】実施例１における，拡張出力状態にある同期回転電機の円周方向断面を示す図で，図１におけるＡ−Ａ線矢視説明図。
【図５】実施例１における，拡張出力状態にある同期回転電機の円周方向断面を示す図で，図１におけるＢ−Ｂ線矢視説明図。
【図６】実施例１における，切欠き部の代わりに空洞部を設けた内側回転部の円周方向断面を示す説明図。
【符号の説明】
１．．．同期回転電機，
１０１．．．定格磁路形成位置，
１０２．．．縮小磁路形成位置，
２．．．固定子，
２２．．．巻線，
３．．．回転子，
３０１．．．定格磁路，
３０２．．．縮小磁路，
４．．．外側回転部，
４１．．．永久磁石（磁界発生部），
４２．．．凹部，
４２１．．．正回転方向の側壁，
４２２．．．逆回転方向の側壁，
５．．．内側回転部，
５１．．．切欠き部，
５２．．．突起部，
５３．．．出力軸，
５４．．．空洞部，
６．．．クラッチ動作部，
７．．．回転量規制手段，
Claims (8)
- 通電を行う巻線を環状形状の固定子コアに巻装してなる固定子と，該固定子の内周側に回転可能に保持され，磁界を発生させる磁界発生部を備えてなる回転子とを有してなる同期回転電機において，
上記回転子は，環状形状を有する外側回転部と，該外側回転部の内周側に配設した内側回転部とに分割されており，
また，上記外側回転部と上記内側回転部とは，両者の間の回転量を規制する回転量規制手段により所定の回転量の範囲内で相対回転を行うことにより，両者の間の回転方向における相対的位置を，上記磁界発生部による磁路が定格の定格磁路を形成する定格磁路形成位置と，上記磁界発生部による磁路が上記定格磁路よりも縮小された縮小磁路を形成する縮小磁路形成位置とに変更可能であり，
かつ，上記外側回転部と上記内側回転部との間には，両者の一体化と該一体化の解除とを行うためのクラッチ動作部が配設してあり，
上記回転子は，上記クラッチ動作部により上記外側回転部と上記内側回転部とが一体化されているときには，これらの相対的位置が上記定格磁路形成位置にある状態で回転し，
上記クラッチ動作部による上記外側回転部と上記内側回転部との一体化が解除された状態で，上記固定子における上記巻線に外部電源から通電を行っているときには，上記相対的位置が上記縮小磁路形成位置に変更された状態で回転するよう構成したことを特徴とする同期回転電機。 - 請求項１において，上記回転子は，上記相対的位置の上記定格磁路形成位置への復帰を，上記クラッチ動作部による上記一体化が解除された状態において，上記固定子における上記巻線に行う通電を停止して，再度上記クラッチ動作部により上記一体化をさせることにより行うよう構成したことを特徴とする同期回転電機。
- 請求項１又は２において，上記クラッチ動作部は，上記回転子の回転数が所定の回転数未満のときには，上記一体化を行い，上記回転子の回転数が上記所定の回転数を超えているときには，上記一体化の解除を行うものであることを特徴とする同期回転電機。
- 請求項３において，上記クラッチ動作部は，遠心力の変化により，上記一体化又は該一体化の解除を行う遠心クラッチであることを特徴とする同期回転電機。
- 請求項１〜４のいずれか一項において，上記回転量規制手段は，上記外側回転部又は上記内側回転部のいずれか一方に設けた突起部と，他方に設けた凹部とからなり，上記所定の回転量の範囲内での相対回転は，上記突起部を上記凹部内の回転方向における側壁同士の間において相対回転させることにより行うことを特徴とする同期回転電機。
- 請求項１〜５のいずれか一項において，上記磁界発生部は，上記外側回転部又は上記内側回転部のいずれか一方に設けた永久磁石であり，上記永久磁石を設けていない上記内側回転部又は上記外側回転部には，切欠き部又は空洞部が設けてあり，
上記定格磁路は，上記永久磁石が上記切欠き部又は空洞部を設けていない部位に対向するときに形成し，一方，上記縮小磁路は，上記永久磁石が上記切欠き部又は空洞部を設けた部位に対向するときに形成するよう構成したことを特徴とする同期回転電機。 - 通電を行う巻線を環状形状の固定子コアに巻装してなる固定子と，該固定子の内周側に回転可能に保持され，磁界を発生させる磁界発生部を備えてなる回転子とを有してなる同期回転電機の制御方法において，
上記回転子を，環状形状を有する外側回転部と，該外側回転部の内周側に配設した内側回転部とに分割すると共に，上記外側回転部と上記内側回転部との間には，両者の一体化と該一体化の解除とを行うためのクラッチ動作部を配設しておき，
上記固定子における上記巻線に通電を行って，上記回転子の回転数が所定の回転数になるまでは，上記回転子は，上記クラッチ動作部により上記外側回転部と上記内側回転部とが一体化され，かつ上記磁界発生部による磁路が定格の定格磁路を形成した状態で回転させ，
上記回転子の回転数が所定の回転数になった後，上記クラッチ動作部による上記外側回転部と上記内側回転部との一体化が解除され，かつ上記固定子における上記巻線に通電を行っているときには，上記回転子は，上記外側回転部と上記内側回転部との相対的位置が変更されて，上記磁界発生部による磁路が上記定格磁路よりも縮小された縮小磁路を形成した状態で回転させることを特徴とする同期回転電機の制御方法。 - 請求項７において，上記磁界発生部による磁路を，上記縮小磁路を形成した状態から上記定格磁路を形成した状態に復帰させるときには，上記クラッチ動作部による上記一体化が解除された状態において，上記固定子における上記巻線に行う通電を停止すると共に再度上記クラッチ動作部により上記一体化を行うことを特徴とする同期回転電機の制御方法。
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