JP4150765B1

JP4150765B1 - 磁束分流制御回転電機システム

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Publication number: JP4150765B1
Application number: JP2007212674A
Authority: JP
Inventors: 義和市山
Original assignee: KURA LABORATORY CORPORATION
Current assignee: KURA LABORATORY CORPORATION
Priority date: 2007-08-17
Filing date: 2007-08-17
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2027-08-17
Also published as: JP2009050068A

Abstract

【課題】
磁石励磁回転電機に於いて，エネルギー効率の良い磁束分流制御回転電機及び界磁制御方法を提供する。
【解決手段】
磁性体突極，磁性体歯間に一括して界磁磁束を供給する磁石励磁の励磁磁極部を二層に分けて相対的偏倚可能に構成し，相対偏倚に応じて界磁磁石からの磁束を電機子側を通る主磁路，及び電機子を通らないバイパス磁路に分流させて主磁路の界磁磁束を変える構造である。主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗をほぼ同じに構成する事で上記相対偏倚を妨げる磁気力を発生させない回転電機システムを実現している。
【選択図】図１

Description

本発明は，永久磁石界磁を持つ回転電機システムに関し，特に弱め界磁制御により出力を制御する回転電機及び回転電機システム及び界磁制御方法に関する。

永久磁石界磁と電機子との相対的回転によって電磁的に生ずる電力を取り出す発電機或いは電機子に供給する電流によって生ずる磁界と永久磁石界磁との相互作用により永久磁石界磁と電機子との相対的回転を生ずる電動機等の回転電機はエネルギー効率に優れ，永久磁石の発展に伴い日常的に広く使われている。しかしそのような回転電機は、界磁からの磁束が一定であるので電動機として用いられるにしても発電機として用いられるにしても広い回転速度範囲で常に最適の出力が得られる訳ではない。すなわち，電動機の場合は高速回転域では逆起電力（発電電圧）が高すぎる結果となって制御が困難となり，弱め界磁制御として界磁強度を弱める種々の手段が提案されている。また発電機の場合，広い回転速度範囲に於いて発電電圧を所定のレベルとする為に専ら界磁電流制御による定電圧発電或いは半導体による発電電圧の定電圧化回路が用いられている。

電動機では進み位相電流による弱め界磁制御が広く採用されているが，回転に直接寄与しない電流を流す為にエネルギー損失を大とする。永久磁石励磁に制御用電流励磁を併用する場合は回転電機の構造を複雑にし，その上にエネルギー損失を伴う。さらに発電機の場合，大電力での定電圧化電子回路のコスト負担が大であるとの問題があった。

したがって，回転電機装置の構成を工夫して電子回路制御を最小限に留めて装置全体としてのコストを低減する方策は以前から求められ，種々の提案が為されてきた。

上記提案例に界磁回転子を二分し，二つの界磁回転子を周方向に相対偏倚させて実効的に界磁強度を制御する方法がある（特許文献１）。前記相対偏倚は機構的に保持出来るので制御の為のエネルギー損失は少ない長所はあるが，電機子に流入する界磁強度の絶対値は変わらないので高速回転域で渦電流損が大きい欠点がある。

他の提案例に界磁磁石を含む磁気回路の磁気抵抗を変えて磁束を制御する方法がある（特許文献２，３）。更に他の提案例として界磁磁石を短絡制御する方法がある（特許文献４，５，６）。回転電機では磁石トルク及びリラクタンストルクを利用して回転力を出力するが，上記提案はこれら力の源泉を直接に制御しようとする無謀な試みであって，機構の偏倚制御に大きな力を要すると共に部材の振動或いはハンチング等を招来して精密な制御は難しい。さらに大出力のアクチュエータ，過分な機械強度を伴う制御機構等を必要として実現には困難を伴っている。
米国特許３７１３０１５「ALTERNATING CURRENT GENERATOR HAVING A TWIN PM ROTOR WHICH IS ADJUSTABLE IN RESPONSE TO OUTPUT VOLTAGE」特開２００４−３２０８６４「同期回転電機及びその制御方法」特開２００４−３２８９４４「磁束制御型発電機」米国特許４８８５４９３「Output voltage control apparatus of a permanent magnet alternator」特開２００４−３５７３５７「永久磁石形モータ及び洗濯機」特開２００６−２４６６６２「永久磁石式回転機」

したがって，本発明が解決しようとする課題は，機構偏倚による弱め界磁方法を適用した回転電機装置に於いて，小さな力にも拘わらず高速で応答制御可能な，弱め界磁制御方法，弱め界磁を実現する回転電機および回転電機システムを提供する事である。

本発明による回転電機システムは，磁性体突極と電機子間に界磁磁束を一括して供給し，界磁磁束を機構偏倚により変える事が出来る。その際，機構偏倚に支障となる磁気力を発生させる事は無い。その具体的な構造は以下の通りである。

請求項１の発明による回転電機システムは，軸と同心に径方向に或いは軸方向に互いに対向し且つ相対的に回転可能に配置された表面磁極部及び電機子とより少なくとも構成され，電機子は周方向に配置された複数の磁性体歯と磁性体歯に巻回された電機子コイルとから構成され，表面磁極部は電機子と対向して周方向に配置された複数の磁性体突極を少なくとも有して磁性体突極が永久磁石励磁されている回転電機システムであって，表面磁極部の磁性体突極は励磁される磁化の種類により１或いは２のグループに集合され，集合された磁性体突極のグループをそれぞれ一括して磁石励磁する励磁磁極部を有し，励磁磁極部に於いて，界磁磁石の磁極であるＮ極，Ｓ極の何れか一方を第一界磁磁極，他方を第二界磁磁極として第一界磁磁極が主磁極及びバイパス磁極と対向し，主磁極は流入した界磁磁束が磁性体突極及び電機子を介して第二界磁磁極に環流する主磁路に接続され，バイパス磁極は流入した界磁磁束が主に励磁磁極部内で第二界磁磁極に環流するバイパス磁路に接続されてバイパス磁路の磁気抵抗は主磁路の磁気抵抗とほぼ等しくなるように設定され，第一界磁磁極が主磁極と対向する面積及びバイパス磁極と対向する面積の和を一定に保ちながらそれぞれの面積比を変えるように主磁極及びバイパス磁極の組み合わせと界磁磁石間は相対偏倚可能に構成され，さらに主磁極及びバイパス磁極の組み合わせと界磁磁石の何れか一方を偏倚磁極部として偏倚磁極部を他方に対して相対的に偏倚させる偏倚制御手段を有し，回転電機システムの出力に応じて偏倚制御手段を駆動して電機子と磁性体突極間の界磁強度を制御し，前記出力を最適化する事を特徴とする。

励磁磁極部は，トロイダルコイルにより磁性体突極を一括して励磁する界磁電流励磁構造に替わる存在であり，磁性体突極を磁化の種類により１或いは２のグループに集合させて界磁磁束を一括して供給し，且つその界磁磁束量を機構偏倚により変化させる。

励磁磁極部の界磁磁石は磁性体突極及び電機子を介して環流する主磁路及びバイパス磁極を介して主に励磁磁極部内で環流するバイパス磁路を有する。主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗をほぼ等しく設定し，界磁磁石からの界磁磁束を主磁路及びバイパス磁路に分流させ，機構偏倚によりその分流比を変えて主磁路の界磁磁束量を制御する。その際，界磁磁石側から見てそれぞれの磁路に於ける磁気抵抗は変わらないので界磁磁石から流れる界磁磁束の総量は一定であり，磁束分流の為の機構偏倚を妨げる磁気力は現れず，主磁路の界磁制御を円滑に実施出来る。

偏倚制御手段には種々の手段が適用可能である。例えば，半固定機構として予め手動で設定する機構手段，遠心力を利用して偏倚磁極部を偏倚駆動するガバナ機構，界磁部が回転子側にある場合に回転子内にアクチュエータを有する機構手段或いは回転子外からの外力により偏倚磁極部を偏倚させる機構手段等がある。

回転電機には，界磁部が回転し電機子が静止する構造及びその逆の構造，さらに円筒状の電機子と界磁部が径方向に空隙を介して対向する構造，或いは略円盤状の電機子と界磁部が軸方向に空隙を介して対向する構造等のいずれの構造も存在する。本発明は永久磁石励磁の界磁部を持つ上記何れの構造の回転電機にも適用される。

また，回転電機は電機子コイルへの電流を入力として回転力を出力とすれば電動機であり，回転力を入力として電機子コイルから電流を出力すれば発電機である。電動機或いは発電機に於いて最適の磁極構成は存在するが，可逆的であり，上記の回転電機システムは電動機，発電機の何れにも適用される。

回転電機システムの出力最適化の一つに定電圧発電機システムがある。入力である回転速度変動に対応して界磁強度を制御し，発電電圧を所定の値に維持する。

回転電機システムの出力最適化の他の一つに可変速度電動機システムがある。高回転速度域で界磁強度を弱め，低回転速度域で界磁強度を強めとして回転力及び回転速度を制御する電動機を含むシステムを実現する。

請求項２の発明は，請求項１記載の回転電機システムに於いて，磁性体突極より飽和磁束密度が大の等方性磁性体で構成された磁束キャリア部を磁性体突極の電機子から遠い側の領域に有することを特徴とする。

磁性体突極が珪素鋼板の積層構造の場合，積層方向には磁気抵抗が大であるので界磁磁束の流れる方向の磁気抵抗を小にする為に等方性磁性体よりなる磁束キャリア部を設ける。

さらに大型の回転電機では十分な量の界磁磁束を磁性体突極に供給する必要があり，飽和磁束密度の大な磁性体で磁性体突極近傍の空きスペースを利用して断面積の大きな磁束キャリア部を形成する。

請求項３の発明は，請求項１記載の回転電機システムに於いて，励磁磁極部は，一以上の界磁磁石及び主磁極及びバイパス磁極及びバイパス磁路とより成り，軸と同心に界磁磁石は磁気空隙部と交互に周方向に配置され，主磁極及びバイパス磁極の組み合わせは各界磁磁石の第一界磁磁極に対向して周方向に並ぶ構成とし，主磁路は主磁極と第二界磁磁極間に磁性体突極及び電機子が磁気的に結合されて界磁磁束が環流する磁路とし，バイパス磁路はバイパス磁極と第二界磁磁極間に磁性体及び磁気空隙が磁気的に結合されて界磁磁束が環流する磁路とし，バイパス磁路内の磁気空隙の空隙長及び対向面積を調整してバイパス磁路の磁気抵抗を主磁路の磁気抵抗にほぼ等しく設定させる構成とし，第一界磁磁極が主磁極と対向する面積及びバイパス磁極と対向する面積の和を一定に保ちながらそれぞれの面積比を変えるように主磁極及びバイパス磁極の組み合わせと界磁磁石間は周方向に相対偏倚可能に構成された事を特徴とする。

主磁路の磁気抵抗は磁性体突極と磁性体歯との相対関係によって変動する部分があり，平均化された主磁路の磁気抵抗とほぼ等しくなるようバイパス磁路のパラメータを選定する。その際，バイパス磁極，第二界磁磁極間の磁路構成する磁性体は飽和磁束密度の大きな磁性体を使用して磁気的に飽和し難くして可能な限り励磁磁極部全体をコンパクトに構成する。

請求項４の発明は，請求項３記載の回転電機システムに於いて，主磁極及びバイパス磁極の組み合わせと界磁磁石との間の相対偏倚の周方向角度長が第一界磁磁極と対向する面に於ける主磁極の周方向角度長或いはバイパス磁極の周方向角度長の何れか小の周方向角度長を越えないよう規制する偏倚規制手段を有する事を特徴とする。

請求項５の発明は，請求項１記載の表面磁極部及び電機子が軸方向に対向する回転電機システムに於いて，電機子は軸を周回する磁気ヨーク及び磁気ヨークから軸方向に延び周方向に配置された複数の磁性体歯と磁性体歯に巻回された電機子コイルとから構成され，表面磁極部は，電機子に対向して磁性体突極と磁気空隙部が交互に周方向に配置される構成として回転子側に配置され，励磁磁極部は静止側或いは回転子側に配置され，表面磁極部の磁性体突極及び電機子の磁気ヨークそれぞれと主磁極，第二界磁磁極を磁気的に結合させて界磁磁束を磁性体突極と磁気ヨーク間に供給する構成とした事を特徴とする。

アキシャルギャップ構造の単極回転電機システムである。回転子側に磁性体突極を周方向に所定間隔で配置し，磁性体突極と電機子側の磁気ヨーク間に励磁磁極部により界磁磁束を一括して供給し，制御する。主磁路は励磁磁極部内の主磁極から磁性体突極，磁性体歯，磁気ヨーク，第二界磁磁極に至る磁路である。

請求項６の発明は，請求項１記載の表面磁極部及び電機子が軸方向に対向する回転電機システムに於いて，電機子は軸を周回する磁気ヨーク及び磁気ヨークから軸方向に延び周方向に配置された複数の磁性体歯と磁性体歯に巻回された電機子コイルとから構成され，表面磁極部は，電機子に対向して磁性体突極と磁気空隙部が交互に周方向に配置される構成として回転子側に配置され，隣接する磁性体突極は互いに内径方向或いは外径方向の何れか異なる方向に延伸されて第一延長部，第二延長部とし，励磁磁極部は表面磁極部に隣接して電機子より遠い側の回転子側に配置され，第一延長部，第二延長部それぞれを集合する磁性体それぞれと主磁極，第二界磁磁極を磁気的に結合させて励磁磁極部が隣接する磁性体突極を互いに異極に磁化するよう配置構成されている事を特徴とする。

アキシャルギャップ構造の回転電機システムである。回転子側の磁性体突極を隣り合う磁性体突極は互いに径方向の異なる側に延長させてそれぞれ第一延長部，第二延長部とし，励磁磁極部の主磁極，第二界磁磁極を結合させ，第一延長部，第二延長部を異極とするよう界磁磁束を一括して供給し，制御する。

請求項７の発明は，請求項１記載の表面磁極部及び電機子が径方向に対向する回転電機システムに於いて，電機子は軸を周回する磁気ヨーク及び磁気ヨークから径方向に延び周方向に配置された複数の磁性体歯と磁性体歯に巻回された電機子コイルとから構成され，表面磁極部は，電機子に対向して磁性体突極と磁気空隙部が交互に周方向に配置される構成として回転子側に配置され，励磁磁極部は回転子と軸方向に隣接して静止側或いは回転子側に配置され，表面磁極部の磁性体突極と磁気ヨークのそれぞれに主磁極，第二界磁磁極を磁気的に結合させて界磁磁束を磁性体突極と磁気ヨーク間に供給する構成とした事を特徴とする。

ラジアルギャップ構造の単極回転電機システムである。回転子側に磁性体突極を周方向に所定間隔で配置し，磁性体突極と電機子側の磁気ヨーク間に励磁磁極部により界磁磁束を一括して供給し，制御する。主磁路は励磁磁極部内の主磁極から磁性体突極，磁性体歯，磁気ヨーク，第二界磁磁極に至る磁路である。

請求項８の発明は，請求項１記載の表面磁極部及び電機子が径方向に対向する回転電機システムに於いて，電機子は軸を周回する磁気ヨーク及び磁気ヨークから径方向に延び周方向に配置された複数の磁性体歯と磁性体歯に巻回された電機子コイルとから構成され，電機子に対向して磁性体突極と磁気空隙部が交互に周方向に配置された表面磁極部から成る二つの回転子を互いに一方の磁性体突極に対して他方の磁気空隙部が対応するよう軸方向に配置して第一回転子，第二回転子とし，励磁磁極部が第一回転子，第二回転子間に配置されて第一回転子，第二回転子それぞれの表面磁極部の磁性体突極に主磁極，第二界磁磁極を磁気的に結合させ，第一回転子，第二回転子それぞれの表面磁極部の磁性体突極を互いに異極に磁化するよう構成されている事を特徴とする。

ラジアルギャップ構造の回転電機システムである。請求項７に規定する単極回転電機の回転子を軸方向に二つ並べ，二つの回転子を電気角にして１８０度ずらせて配置する。励磁磁極部は二つの回転子の中間に配置して二つの回転子の磁性体突極を異極に磁化させる構造である。励磁磁極部は回転子と共に回転させる構造でも，微小間隙を介して静止側に配置する構造も可能である。回転子はシンプルな構造であり，高速回転に耐えられる。

請求項９の発明は，請求項１記載の表面磁極部及び電機子が径方向に対向する回転電機システムに於いて，電機子は磁気ヨーク及び磁気ヨークから径方向に延び周方向に配置された複数の磁性体歯と磁性体歯に巻回された電機子コイルとから構成され，表面磁極部は，電機子に対向して周方向に磁性体が磁気空隙部或いは永久磁石あるいは集合永久磁石によって区分された一以上の磁性体突極を有し，隣接する磁性体突極は互いに軸と平行の異なる方向に延伸されて第一延長部，第二延長部とし，回転子側或いは静止側に配置された１或いは２の励磁磁極部が隣接する磁性体突極を互いに異極に磁化するよう配置構成されている事を特徴とする。

ラジアルギャップ構造の回転電機システムである。隣接する磁性体突極は互いに異極に磁化された構成である。

請求項１０の発明は，請求項９記載の回転電機システムに於いて，表面磁極部は，電機子に対向して軸方向に延びる磁性体突極と磁気空隙部が交互に周方向に配置され，隣接する磁性体突極は互いに軸と平行の異なる方向に延伸されて第一延長部，第二延長部として構成されている事を特徴とする。

請求項１１の発明は，請求項９記載の回転電機システムに於いて，表面磁極部は，電機子に対向して軸方向に延びる磁性体突極と永久磁石とが周方向に交互に配置され，隣接する永久磁石は互いに略周方向の磁化を反転して配置され，隣接する磁性体突極を軸と平行の異なる方向に延伸させてそれぞれ第一延長部，第二延長部を持つ構成とし，励磁磁極部の主磁極及び第二界磁磁極がそれぞれ同種の磁化となる第一延長部或いは第二延長部と磁気的に結合して構成されている事を特徴とする。

ラジアルギャップ構造の回転電機であり，磁性体突極は中間に周方向磁化を持つ永久磁石を有する構造で隣接する磁性体突極は互いに異極に磁化されている。同種磁化となる磁性体突極同士が同じ軸方向に延長部を持ち，それら延長部と同じ極性である励磁磁極部の主磁極，第二界磁磁極を結合させる。

請求項１２の発明は，請求項９記載の回転電機システムに於いて，集合永久磁石は中間磁性体突極の周方向両側面に板面と直交し且つ同一磁化方向を持つ永久磁石板を配置した構成とし，表面磁極部は，磁性体突極と集合永久磁石が周方向に交互に配置され，隣接する集合永久磁石は互いに略周方向の磁化を反転して配置され，隣接する磁性体突極を軸と平行の異なる方向に延伸させてそれぞれ第一延長部，第二延長部を持つ構成とし，励磁磁極部の主磁極及び第二界磁磁極それぞれは同種の磁化となる第一延長部或いは第二延長部と磁気的に結合して構成されている事を特徴とする。

ラジアルギャップ構造の回転電機であり，永久磁石板はＶ字状に構成して磁束バリアに最適な形状に出来，磁石トルク及びリラクタンストルクを利用出来る。

請求項１３の発明は，請求項９記載の回転電機システムに於いて，表面磁極部は，磁性体歯と径方向に空隙を挟んで対向し，且つ軸方向に伸び，鉄心の外周形状及び外周に対向して鉄心内に設けられた空隙とで区分されて周方向に複数の磁性体突極が形成され，鉄心内の前記空隙には永久磁石が配置され，隣接する磁性体突極は互いに逆極性に磁化されるよう永久磁石の磁化方向が設定され，隣接する磁性体突極は互いに磁気的に独立に構成されてそれぞれは互いに軸と平行の異なる方向に延長した第一延長部及び第二延長部を持つ構成とし，励磁磁極部の主磁極及び第二界磁磁極それぞれは同種の磁化となる第一延長部或いは第二延長部と磁気的に結合して構成されている事を特徴とする。

請求項１４の発明は，請求項９記載の回転電機システムに於いて，二つの励磁磁極部が，表面磁極部の第一延長部，第二延長部に隣接する静止側に配置され，磁気ヨーク両端と第一延長部，第二延長部間に二つの励磁磁極部の主磁極及び第二界磁磁極が磁気的に結合され，第一延長部，第二延長部が互いに異極に磁化するよう構成されている事を特徴とする。

二つの励磁磁極部は第一延長部及び第二延長部と空隙を挟んで静止側に配置される。励磁磁極部は二つになるが，偏倚磁極部の偏倚制御手段は容易に構成出来る。

請求項１５の発明は，請求項９記載の回転電機システムに於いて，一つの励磁磁極部が表面磁極部の内周側に配置されて主磁極及び第二界磁磁極それぞれを第一延長部，第二延長部に磁気的に結合し，第一延長部，第二延長部が異極に磁化するよう構成されている事を特徴とする。

励磁磁極部は回転子の内周側の空きスペースに収納出来る。回転子に固定して共に回転する構成，或いは微小間隙で第一延長部，第二延長部と対向する構成として静止側に配置する事が出来る。

請求項１６の発明は，請求項１記載の励磁磁極部を静止側に配置した回転電機システムに於いて，偏倚制御手段は，静止側に配置されたアクチュエータとより構成され，アクチュエータから直接に或いはギア機構を介して偏倚磁極部の停止位置を保持し，停止位置を変える構成とした事を特徴とする。

請求項１７の発明は，請求項１記載の励磁磁極部を回転子側に配置した回転電機システムに於いて，偏倚制御手段は，偏倚磁極部或いは偏倚磁極部と係合する部材を軸方向に偏倚させる静止側に配置されたアクチュエータと軸方向移動量を回転偏倚に変える斜面とより構成され，前記アクチュエータが偏倚磁極部或いは偏倚磁極部と係合する部材を軸方向に偏倚させ，軸方向移動量を前記斜面により偏倚磁極部を回転偏倚させる事を特徴とする。

請求項１８の発明は，請求項１記載の励磁磁極部を回転子側に配置した回転電機システムに於いて，偏倚制御手段は，回転子の回転速度の増減に伴い錘に作用する径方向の遠心力を周方向の偏倚に変換するガバナ機構とし，ガバナ機構により低回転速度領域では偏倚磁極部を基準位置近傍に保持して第一界磁磁極と主磁極とが対向する面積を大にして電機子側に流れる界磁磁束量を大に，高回転速度領域では偏倚磁極部を基準位置から所定方向に偏倚させて第一界磁磁極と主磁極とが対向する面積を小にして電機子側に流れる界磁磁束量を小とするよう構成した事を特徴とする。

回転速度の増減に伴い錘に作用する径方向の遠心力を周方向の偏倚に変換するガバナ機構には錘を内周側に付勢し，遠心力が作用する錘を斜面に沿って摺動させて周方向の偏倚に変える構成，或いは遠心力が作用する錘によりアームを回動させて周方向の偏倚に変える構成等種々の機構が利用出来る。電機子コイルと鎖交する界磁磁束量制御の精度には欠けるが，特段の制御装置を不要としてシンプルな回転電機システムとする。

請求項１９の発明は，請求項１から１７の何れかに記載の回転電機システムに於いて，回転力を入力とし，電機子コイルに誘起される発電電圧が所定の値より大の時は偏倚制御手段を制御して第一界磁磁極と主磁極とが対向する面積を小とし，発電電圧が所定の値より小の時は偏倚制御手段を制御して第一界磁磁極と主磁極とが対向する面積を大とし，発電電圧を所定の値に制御する事を特徴とする。

請求項２０の発明は，請求項１から１７の何れかに記載の回転電機システムに於いて，電機子コイルへの供給電流を入力とし，回転速度が所定の値より大で弱め界磁とする時には偏倚制御手段を制御して第一界磁磁極と主磁極とが対向する面積を小とし，回転速度が所定の値より小で界磁強度を強める時には偏倚制御手段を制御して第一界磁磁極と主磁極とが対向する面積を大として回転力を最適に制御し，回転速度を減少させる場合には電機子と回転子間の界磁強度を大とするよう偏倚制御手段を制御して第一界磁磁極と主磁極とが対向する面積を大とするよう構成され，回転エネルギーを発電電力として取り出す事を特徴とする。

請求項２１の発明は，回転電機システムが，軸と同心に径方向に或いは軸方向に互いに対向し且つ相対的に回転可能に配置された表面磁極部及び電機子とより少なくとも構成され，電機子は軸を周方向に配置された複数の磁性体歯と磁性体歯に巻回された電機子コイルとから構成され，表面磁極部は電機子と対向して周方向に配置された複数の磁性体突極を少なくとも有して磁性体突極が永久磁石励磁されている回転電機システムに於いて，表面磁極部の磁性体突極は励磁される磁化の種類により１或いは２のグループに集合され，集合された磁性体突極のグループをそれぞれ一括して磁石励磁する励磁磁極部を有し，励磁磁極部に於いて，界磁磁石の磁極であるＮ極，Ｓ極の何れか一方を第一界磁磁極，他方を第二界磁磁極として第一界磁磁極が主磁極及びバイパス磁極と対向し，主磁極は流入した界磁磁束が磁性体突極及び電機子を介して第二界磁磁極に環流する主磁路に接続され，バイパス磁極は流入した界磁磁束が主に励磁磁極部内で第二界磁磁極に環流するバイパス磁路に接続されてバイパス磁路の磁気抵抗は主磁路の磁気抵抗とほぼ等しくなるように設定され，第一界磁磁極が主磁極と対向する面積及びバイパス磁極と対向する面積の和を一定に保ちながらそれぞれの面積比を変えるように主磁極及びバイパス磁極の組み合わせと界磁磁石間は相対偏倚可能に構成され，主磁極及びバイパス磁極の組み合わせと界磁磁石間を相対的に駆動偏倚させて主磁路に流入する界磁磁束量を制御する界磁制御方法である。

励磁磁極部が持つ界磁磁石は表面磁極部の磁性体突極及び電機子を介して環流する主磁路及びバイパス磁極を介して主として励磁磁極部内で環流するバイパス磁路を有する。本発明では主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗をほぼ等しく設定し，主磁極及びバイパス磁極の組み合わせと第一界磁磁極間を相対的に偏倚させて界磁磁石が並列に接続される主磁路及びバイパス磁路の接続比を変えて主磁路への磁束を制御する。その際，界磁磁石側から見て磁気抵抗は変わらないので界磁磁石から流れ出る総磁束量は一定であり，主磁極及びバイパス磁極の組み合わせと第一界磁磁極間の相対偏倚方向には磁気力が働かず，前記偏倚制御が円滑に実施出来る界磁制御方法である。

永久磁石励磁の回転電機システムに於いて，同種の磁化に励磁される磁性体突極には励磁磁極部から一括して界磁磁束を供給する構成とし，励磁磁極部の構成を機構偏倚により界磁磁石の磁束を磁気抵抗を同じくする磁路に分流制御させるとして，機構偏倚の障害となる磁気力は伴わずに界磁強度を制御可能とした。本発明により，永久磁石励磁の回転電機システムに於ける弱め界磁制御が容易となり，エネルギー効率の高い回転電機システムを実現出来る。

以下に本発明による回転電機システムについて，その実施例及び原理作用等を図面を参照しながら説明する。

本発明による回転電機システムの第一実施例を図１から図６を用いて説明する。第一実施例は，ラジアルギャップ構造で且つアウターロータ構造の単極回転子を持つ回転電機システムである。励磁磁極部は単極回転子と軸方向に隣接する静止側に配置されている。

図１は回転電機の縦断面図，図２は電機子と回転子との構成を示す断面図，図３は励磁磁極部構成を示す為の平面図，図４は回転偏倚した主磁極とバイパス磁極を示す平面図，図５は偏倚制御手段の一部を示す断面図，図６は弱め界磁を行う回転電機システムのブロック図をそれぞれ示す。

図１はアウターロータ構造の回転電機で磁性体突極は回転子に配置され，電機子は固定軸に配置されている。基板１２に固定軸１１が固定され，固定軸１１に電機子が固定され，固定軸１１にベアリング１３を介して回動可能に支持された磁性体である鉄製のロータハウジング１９に磁性体突極１７が配置されている。

電機子は固定軸１１に固定された円筒状磁気ヨーク１５と，円筒状磁気ヨーク１５から径方向に延びる複数の磁性体歯１４と，磁性体歯１４に巻回された電機子コイル１６とから構成されている。

回転子のロータハウジング１９は外部機器と回転力の伝達の為のプーリー部１８を持ち，ロータハウジング１９には磁性体歯１４に対向して磁性体突極１７と磁気空隙部とが周方向に交互に配置されている。

磁性体突極１７を磁石励磁する励磁磁極部は，固定軸１１を周回し且つ電機子と並んで配置され，主要部を界磁磁石１ａと主磁極１ｂとバイパス磁極１ｃとベース磁極１ｄとから構成され，主磁極１ｂとバイパス磁極１ｃは励磁磁極部支持部１ｆに支持され，励磁磁極部支持部１ｆは固定軸１１に回動可能に支持されている。番号１ｅはバイパス磁極１ｃの延長部とベース磁極１ｄ間の間隙を示す。

固定軸１１は中空構造として，中空部内に摺動可能に配設された制御棒１ｇを有し，制御棒１ｇはアクチュエータ１ｈにより周方向に偏倚駆動される構成としている。固定軸１１に中空部と貫通するスリット部１ｊを持ち，スリット部１ｊを介して励磁磁極部支持部１ｆに固定されたピン１ｋが制御棒１ｇと係合して制御棒１ｇの回転偏倚により励磁磁極部支持部１ｆ，主磁極１ｂ，バイパス磁極１ｃを回転偏倚させる構成としている。

図２は図１のＡ−Ａ’に沿う電機子及び回転子の断面図を示し，相互の関係を説明する為に構成部分の一部に番号を付して示している。電機子は固定軸１１に固定された円筒状磁気ヨーク１５と，円筒状磁気ヨーク１５から径方向に延び，周方向に磁気空隙を有する複数の磁性体歯１４と，磁性体歯１４に巻回された電機子コイル１６とから構成されている。第一の実施例では２４個の電機子コイル１６より構成され，それらは三相に結線されている。磁性体歯１４と円筒状磁気ヨーク１５は珪素鋼板から所定の型で打ち抜かれた後，積層して構成され，電機子コイル１６が巻回されている。

図２に於いて，回転子はロータハウジング１９の内周側に磁性体歯１４に対向して珪素鋼板を積層された磁性体突極１７が周方向に等間隔に８個配置されている。磁性体突極１７間は磁気空隙部であり，単に空隙として構成しているが，高速回転で風損がエネルギー効率或いは音響発生で支障となる時には比抵抗が大で非磁性の樹脂，レジン等を配置する事が出来る。

回転子に界磁磁石は配置されていないが，励磁磁極部により磁性体突極１７は界磁磁石１ａの一方の磁極に，磁性体歯１４は他方の磁極に磁気的に結合されて磁化されている。単極の回転電機であって，電動機として或いは発電機として使いにくい点はあるが，構成がシンプルであるメリットがある。

図３は図１に示した励磁磁極部の構成及び界磁磁束制御の原理を説明する為の図である。図３（ａ）は主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃ側から見た界磁磁石１ａを含む平面図であり，図３（ｂ）はロータハウジング１９側から見た主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃを含む平面図である。

図１及び図３（ａ）に於いて，界磁磁石１ａは磁気空隙部３１を挟んで周方向に３個配置されている。各界磁磁石１ａの磁化方向は図１に矢印で示されるように軸方向であり，界磁磁石１ａの二つの極を第一界磁磁極，第二界磁磁極として第二界磁磁極はベース磁極１ｄを介して円筒状磁気ヨーク１５に結合され，第一界磁磁極は対向する主磁極１ｂを介してロータハウジング１９に磁気的に結合されている。

図１及び図３（ｂ）に示されるように，界磁磁石１ａの第一界磁磁極に微小空隙を介して対向して各主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃが周方向に並んで回動可能に配置されている。図３（ａ），（ｂ）に於いて番号３２で示される円筒状磁気コアはバイパス磁極１ｃに結合されて共に回転偏倚し，図１に示されるように間隙１ｅを介してベース磁極１ｄに対向している。

界磁磁石１ａの第一界磁磁極から主磁極１ｂに流入した界磁磁束はロータハウジング１９，磁性体突極１７，磁性体歯１４，円筒状磁気ヨーク１５，ベース磁極１ｄを介して第二界磁磁極に環流する主磁路を形成し，バイパス磁極１ｃに流入した界磁磁束は円筒状磁気コア３２，間隙１ｅ，ベース磁極１ｄを介して第二界磁磁極に環流するバイパス磁路を形成する。円筒状磁気コア３２とベース磁極１ｄ間の間隙１ｅの対向面積及び間隙長を調整して主磁路の磁気抵抗とバイパス磁路の磁気抵抗とをほぼ等しく設定する。その際，主磁路の磁気抵抗は磁性体突極１７と磁性体歯１４との相対位置により変動するので平均化した磁気抵抗にバイパス磁路の磁気抵抗とをほぼ等しく設定する。

主磁路１ｂ，バイパス磁極１ｃ，円筒状磁気コア３２，ベース磁極１ｄには原則として交流磁束は流れないので飽和磁束密度の大きな鉄を主体とする磁性体で構成し，全体をコンパクトに構成する。界磁磁石１ａと主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃ間の磁気抵抗を小に構成する為に界磁磁石１ａと主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃ間は微小な間隙を介して対向させる或いは摺動させる構成とする。

図４（ａ），（ｂ）は図３（ｂ）と同じくロータハウジング１９側から見た主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃを示す平面図であり，それぞれの図は主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃと界磁磁石１ａ間の周方向偏倚が最小，最大の場合，すなわち磁性体突極１７と磁性体歯１４間の界磁磁束量をそれぞれ最大，最小にする場合を示している。

同図に於いて，番号４１は界磁磁石１ａの周方向に於ける存在領域を示し，図４（ａ）に示されるように基準位置で界磁磁石１ａは主磁極１ｂの全領域に対向すると共にバイパス磁極１ｃとは僅かに対向する状態を示している。この場合に界磁磁石１ａからの界磁磁束はほぼ全量が主磁極１ｂを介して磁性体突極１７，磁性体歯１４間に流れる。

図４（ｂ）は図４（ａ）に示す基準位置から主磁極１ａ及びバイパス磁極１ｂが時計方向に主磁極１ｂの周方向角度長に等しい回転偏倚をした場合を示し，界磁磁石１ａはバイパス磁極１ｃの全領域に対向すると共に主磁極１ｂとは僅かに対向する状態を示している。この場合に界磁磁石１ａからの界磁磁束はほぼ全量がバイパス磁極１ｃを介して円筒状磁気コア３２，間隙１ｅ，ベース磁極１ｄを介して第二界磁磁極に環流する。

図４（ａ），（ｂ）に示した場合の中間状態では界磁磁石１ａが主磁極１ｂとバイパス磁極１ｃの双方に対向して界磁磁石１ａからの界磁磁束は主磁路及びバイパス磁路に分流させられる。重要な点は界磁磁束の源である界磁磁石１ａ自体に主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃを微小間隙を介して対向させた事であり，界磁磁束は界磁磁石１ａと主磁極１ｂ，バイパス磁極１ｃそれぞれの対向面積に比例して分流される。さらに界磁磁石１ａと主磁極１ｂ，バイパス磁極１ｃそれぞれの対向面積の和は一定であり，それらの面積の比は偏倚に従って変化する構成である。主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗は等しく設定して界磁磁石１ａからの界磁磁束総量は常に一定であるので主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃの回転偏倚を妨げる磁気力は現れない。

界磁磁石１ａから磁性体を介して主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃに対向させた場合には，介在した磁性体と主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃ間の間隙部の磁気抵抗及び主磁路とバイパス磁路の磁気抵抗等で構成される磁気回路に界磁磁石１ａが結合される事になる。この磁気回路の磁気抵抗は主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃの回転偏倚に伴って変わり，したがって界磁磁石１ａからの界磁磁束総量が変化し，回転偏倚を妨げる磁気力が現れる事になる。構造上の制約から界磁磁石１ａから磁性体を介して主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃに対向させる場合には，磁性体として異方性の強い磁性体或いは厚みの薄い磁性体として磁性体内で界磁磁束を分流させない構成とする。この構成は実質的に界磁磁石１ａの端面で界磁磁束を分流させる点で本発明の趣旨に含まれる。

主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃを回転偏倚させる事で磁性体突極１７，磁性体歯１４間に流れる界磁磁束をほぼ１００％制御出来，その際に回転偏倚を妨げる磁気力は理論的に発生しない事を説明した。以下には図１及び図５を用いて主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃを回転偏倚させる構成を説明する。

図５は励磁磁極部支持部１ｆに固定されたピン１ｋが制御棒１ｇと係合する部分を拡大して示す断面図である。ピン１ｋは３個有り，固定軸１１にはスリット１ｊが設けられ，制御棒１ｇ端面にはピン１ｋに対応する溝部が３個設けられている構造である。固定軸１１を励磁磁極部支持部１ｆに挿通した後，ピン１ｋを励磁磁極部支持部１ｆの外周部から打ち込み，ピン１ｋを固定軸１１内の中空部に突出させて固定し，制御棒１ｇを固定軸１１の中空部に挿入して制御棒１ｇ端部の溝部にピン１ｋを係合させる。

アクチュエータ１ｈは制御装置からの指示により制御棒１ｇを回転偏倚させ，ピン１ｋを介して励磁磁極部支持部１ｆを回転偏倚させる。その際，スリット１ｊの周方向位置及び周方向角度長は主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃを図４（ａ），（ｂ）で示す範囲内の偏倚に留める偏倚規制手段として設定してある。

アクチュエータ１ｈはステップモータを使用して回転偏倚位置を保存する構成としているが，他にモータとネジ機構或いはギア機構等を組み合わせて回転偏倚位置を保存出来る構成とする事も出来る。

以上，図１から図５に示した回転電機に於いて，主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃを界磁磁石１ａに対して相対偏倚させる事で磁性体突極１７，磁性体歯１４間に於ける界磁磁束量をほぼ１００％制御できることを説明し，さらに主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃを界磁磁石１ａに対して偏倚させる手段方法を説明した。第一の実施例は界磁磁束量を制御して出力を最適化するシステムであり，図６を用いて回転電機システムとしての制御を説明する。

図６は界磁制御を行う回転電機システムのブロック図を示している。図６に於いて，回転電機６１は入力６２，出力６３を有するとし，制御装置６５は回転電機６１の出力６３及び偏倚磁極部である主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃの位置を含む状態信号６４を入力として制御信号６６を介して回転電機６１の界磁強度を制御する。番号６７は電機子コイル１６の駆動制御回路を示す。回転電機６１が発電機として用いられるのであれば，入力６２は回転力であり，出力６３は発電電力となる。回転電機６１が電動機として用いられるのであれば，入力６２は駆動制御回路６７から電機子コイル１６に供給される駆動電流であり，出力６３は回転トルク，回転速度となる。

回転電機を電動機とし，弱め界磁制御を行って回転力を最適に制御する電動機システムを説明する。

制御装置６５は出力６３である回転速度が所定の値より大となり磁性体突極１７，磁性体歯１４間に於ける界磁磁束量を小とする時には制御信号６６がアクチュエータ１ｈ，制御棒１ｇを介して主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃを図３，図４に於いて時計回り方向に駆動し，主磁極１ｂと界磁磁石１ａとの対向面積を小とさせる。

回転速度が所定の値より小となり磁性体突極１７，磁性体歯１４間に於ける界磁磁束量を大とする時には制御信号６６がアクチュエータ１ｈ，制御棒１ｇを介して主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃを反時計回り方向に駆動し，主磁極１ｂと界磁磁石１ａとの対向面積を大とさせる。

回転電機を発電機とし，弱め界磁制御を行って発電電圧を所定の電圧となるよう制御する定電圧発電システムを説明する。

制御装置６５は出力６３である発電電圧が所定の値より大となり磁性体突極１７，磁性体歯１４間に於ける界磁磁束量を小とする時には制御信号６６がアクチュエータ１ｈ，制御棒１ｇを介して主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃを図３，図４に於いて時計回り方向に駆動し，主磁極１ｂと界磁磁石１ａとの対向面積を小とさせる。

発電電圧が所定の値より小となり磁性体突極１７，磁性体歯１４間に於ける界磁磁束量を大とする時には制御信号６６がアクチュエータ１ｈ，制御棒１ｇを介して主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃを反時計回り方向に駆動し，主磁極１ｂと界磁磁石１ａとの対向面積を大とさせる。

第一の実施例で主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗を等しく設定する事で主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃの偏倚制御に際して偏倚の障害となる磁気力の発生は無く，偏倚制御は容易であると説明したが，これは理想的な場合であって実際には偏倚制御の障害となる磁気力は小さいが現れる。

偏倚制御の障害となる磁気力が現れる原因の一つは，量産段階で部材寸法に必要な種々の設定公差であり，理想的な条件からずれて若干の磁気力が現れる。しかし，理論的に上記磁気力はゼロであり，部材の設定公差を管理する事で支障のない範囲に抑制出来る。

磁気力が現れる他の原因は，電機子と界磁部間の作用力である。電動機の場合に作用力は互いに引き合う力であり，主磁路を流れる界磁磁束量を大にしようとする。これは界磁磁石側から見れば，主磁路の磁気抵抗が実効的に小さく見える事である。さらに発電機の場合に電機子と界磁部間の作用力は反発力であり，これは界磁磁石側から見れば，主磁路の磁気抵抗が実効的に大きく見える事である。

したがって，バイパス磁路の磁気抵抗を主磁路の磁気抵抗と等しくさせる関連部材の寸法形状等の設定に際し，目標とする主磁路の磁気抵抗として電動機システムの場合には静止時に於ける主磁路の磁気抵抗より小さい値を想定し，発電機システムの場合は静止時に於ける主磁路の磁気抵抗より大きい値を想定する事が望ましい。

さらに磁気力が現れる他の原因は，磁性体突極と磁性体歯との相対位置関係によって主磁路の磁気抵抗が変動する事による。主磁路の磁気抵抗は全周の磁性体突極と磁性体歯との相対位置関係が反映されて平均化される事，さらに主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃの偏倚制御は回転速度に比して遅いので主磁路の磁気抵抗変動は平均化されて偏倚制御の支障には成らないが，磁性体歯１４，磁性体突極１７等の部材の周方向の側面を斜めに構成，或いは上記部材の周方向幅を変動させる構成等は上記磁気抵抗変動を緩やかにする点で効果がある。これはまた回転中に発生する可能性のある振動，音響等の発生を抑制する点でも望ましい。

さらにまた，本実施例で主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃを偏倚するに際して障害となる磁気力は発生しないが，偏倚方向以外の磁気力は発生している。主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃが偏倚しても周方向の偏倚に抗する磁気力は現れないが，主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃと界磁磁石１ａ間の磁気力は現れ，偏倚に従って変化するが，周方向の偏倚とは直交関係にあって偏倚を妨げる力にはならない。主磁極１ｂ及びバイパス磁極１ｃと界磁磁石１ａ間の磁気力は変動する事を前提に構造強度を設定して対処する。

本発明による回転電機システムの第二実施例を図７から図１０を用いて説明する。第二実施例は，磁性体突極と磁気空隙部を交互に持つシンプルな構成の二つの回転子を軸方向に並列配置し，一方の回転子の磁性体突極が他方の回転子の磁気空隙部に対応するよう配置し，両回転子の磁性体突極を異極に磁化する励磁磁極部を二つの回転子の中間に配置した回転電機システムである。

図７は回転電機の縦断面図，図８は電機子と回転子との構成を示す断面図，図９は偏倚制御手段の一部である制御棒近傍の縦断面図（ａ），回転軸のスリット近傍の断面図（ｂ），図１０は偏倚制御手段の一部である制御棒の斜視図（ａ），スリーブの斜視図（ｂ）である。

図７はラジアルギャップ構造の回転電機を示し，回転軸７１がベアリング７３を介してハウジング７２に回動可能に支持されている。電機子はハウジング７２に固定された円筒状磁気ヨーク７５と，円筒状磁気ヨーク７５から径方向に延びる複数の磁性体歯７４と，磁性体歯７４に巻回された電機子コイル７６とから構成されている。

回転子は磁性体突極と磁気空隙部とが周方向に交互に並ぶシンプルな構成として二つの回転子７７，７８が軸方向に並んで配置されている。番号７９は磁束チャネル部を示す。

二つの回転子７７，７８の磁性体突極を互いに異極に磁化する励磁磁極部は回転子７７，７８の中間に配置され，主要部を界磁磁石７ａ，主磁極７ｂ，バイパス磁極７ｃから構成され，主磁極７ｂ，バイパス磁極７ｃは励磁磁極部支持体７ｄに固定され，励磁磁極部支持体７ｄは回転軸７１に回動可能に支持されている。番号７ｎは回転子に固定された冷却ファンを示す。

主磁極７ｂ，バイパス磁極７ｃ，励磁磁極部支持体７ｄを界磁磁石７ａに対して回転偏倚させる偏倚制御手段は，主要部を回転軸７１の中空部に収納された制御棒７ｇ，スプリング７ｊ，スリーブ７ｈ，プッシュロッド７ｋ，アクチュエータ７ｍとから構成され，制御棒７ｇには励磁磁極部支持体７ｄに固定したピン７ｆが回転軸７１のスリット７ｅを介して係合される構成として制御棒７ｇの回転偏倚を励磁磁極部支持体７ｄに伝達する構成である。

図８は図７のＢ−Ｂ’に沿う電機子及び回転子の断面図を示し，相互の関係を説明する為に構成部分の一部に番号を付して示している。電機子はハウジング７２に固定された円筒状磁気ヨーク７５と，円筒状磁気ヨーク７５から径方向に延び，周方向に磁気空隙を有する複数の磁性体歯７４と，磁性体歯７４に巻回された電機子コイル７６とから構成されている。第二の実施例では９個の電機子コイル７６より構成され，それらは三相に結線されている。電機子の磁性体歯７４先端には径方向に短い可飽和磁性体結合部８３を隣接する磁性体歯７４先端部間に設けてある。磁性体歯７４及び可飽和磁性体結合部８３は珪素鋼板を型で打ち抜いて積層し，電機子コイル７６を巻回した後，円筒状磁気ヨーク７５と組み合わせて電機子としている。

可飽和磁性体結合部８３は磁性体歯７４と一体として磁性体歯７４の支持強度を向上させ，磁性体歯７４の不要な振動を抑制させる。可飽和磁性体結合部８３の径方向の長さは短く設定して容易に磁気的に飽和する形状としたので電機子コイル７６が発生させる磁束或いは界磁磁束によって容易に飽和し，その場合に電機子コイル７６が発生させる磁束及び界磁磁束の短絡を僅かな量とする。電機子コイル７６に電流が供給されると，時間と共に可飽和磁性体結合部８３は磁気的に飽和させられて周辺に磁束を漏洩させるが，磁気飽和した可飽和磁性体結合部８３に現れる実効的な磁気空隙の境界はクリアではないので漏洩する磁束の分布は緩やかとなり，可飽和磁性体結合部８３はこの点でも磁性体歯７４に加わる力の時間変化を緩やかにして振動抑制に寄与する。

図８に於いて，回転子は磁性体突極８１と磁気空隙部８２とを周方向に交互に有する構造とし，珪素鋼板を所定の型に打ち抜いて積層して構成する。二つの回転子７７，７８は同じ構成であり，一方の回転子７７の磁性体突極８１と他方の回転子７８の磁気空隙部８２とが軸方向に対応するよう配置する。磁性体突極８１間は磁気空隙部８２であり，単に空隙として構成しているが，高速回転で風損がエネルギー効率或いは音響発生で支障となる時には比抵抗が大で非磁性の樹脂，レジン等で構成する事が出来る。

回転子７７，７８の磁性体突極８１は互いに異極になるよう回転子７７，７８の中間に配置された励磁磁極部により磁化される構成であるが，その際に界磁磁束が磁性体突極８１或いは一体の磁性体内を軸方向に伝搬する。積層された珪素鋼板による磁性体は積層方向に磁気抵抗が高くなるので本実施例では飽和磁束密度が大で等方性の鉄棒を磁性体歯７４から遠い領域に回転軸７１と平行に埋め込んで磁束チャネル部７９として軸方向の磁気抵抗を小としている。

図７に縦断面図を示した励磁磁極部は第一の実施例に於ける励磁磁極部とほぼ同じ構成である。界磁磁石７ａ，主磁極７ｂ，バイパス磁極７ｃはそれぞれ図１に於ける界磁磁石１ａ，主磁極１ｂ，バイパス磁極１ｃに対応し，異なっている点は図１に於けるベース磁極１ｄが回転子７８を構成する磁性体に，ロータハウジング１９が回転子７７を構成する磁性体に置き換わっているのみである。二つの回転子７７，７８それぞれの磁性体突極を互いに異極に磁化し，界磁磁束を供給する原理作用は同じであるので説明は省略する。

主磁極７ｂ及びバイパス磁極７ｃを回転偏倚させる事で回転子７７，７８の磁性体突極８１，磁性体歯７４間に流れる界磁磁束をほぼ１００％制御出来，その際に回転偏倚を妨げる磁気力は理論的に発生しない事は第一の実施例と同じである。以下には図７及び図９，図１０を用いて主磁極７ｂ及びバイパス磁極７ｃを界磁磁石７ａに対して相対偏倚させる構成を説明する。

第二の実施例に於ける偏倚制御手段は，回転軸７１の中空部に収納されたスリーブ７ｈを軸方向に移動させる事で回転偏倚させ，スリーブ７ｈの回転偏倚を制御棒７ｇ，ピン７ｆを介して励磁磁極部支持体７ｄに伝達させる構成である。

図７には偏倚制御手段の全体が縦断面図として示され，図９（ａ）は回転軸７１，制御棒７ｇ，スリーブ７ｈ，スプリング７ｊ等を示す拡大された縦断面図であり，図９（ｂ）は図５と同様に励磁磁極部支持体７ｄと制御棒７ｇとの関係を示す断面図である。更に図１０（ａ）は制御棒７ｇの斜視図を示してスリーブ７ｈの回転偏倚を制御棒７ｇの回転偏倚に伝達する機構を示し，図１０（ｂ）はスリーブ７ｈの斜視図を示してスリーブ７ｈの軸方向移動量を回転偏倚に変える機構部を示している。

図７及び図９（ａ）に於いて，スリーブ７ｈはスプリング７ｊにより右方向に付勢され，アクチュエータ７ｍによりプッシュロッド７ｋを介して左方向に付勢されて両者の力が釣り合った軸方向位置で停止する構成である。スリーブ７ｈ外周には図１０（ｂ）に示されるように軸方向に斜めに形成された斜交溝１０１が設けられ，斜交溝１０１には回転軸７１から中空部に突出されたピン１０２が係合する構造である。アクチュエータ７ｍがスリーブ７ｈを付勢する力を変えるとスリーブ７ｈは軸方向に移動し，斜交溝１０１とピン１０２とによりスリーブ７ｈは回転偏倚させられる。

図１０（ａ）に示されるように制御棒７ｇは右側の一部が回転軸７１と平行に分割された構成としてその分割溝１０３にスリーブ７ｈに固定されたピン１０４が摺動するよう配置されている。スリーブ７ｈの軸方向移動に伴いピン１０４は分割溝１０３内を摺動するが，スリーブ７ｈが回転偏倚すると制御棒７ｇを共に回転偏倚させる。

図９（ｂ）に示す制御棒７ｇと励磁磁極部支持体７ｄとの係合状態は図５に示した第一実施例の場合と全く同じである。すなわち，ピン７ｆは３個有り，回転軸７１にはスリット７ｅが設けられ，制御棒７ｇ端面にはピン７ｆに対応する溝部が３個設けられている構造である。回転軸７１を励磁磁極部支持体７ｄに挿通した後，ピン７ｆを励磁磁極部支持体７ｄの外周部から打ち込み，ピン７ｆを回転軸７１内の中空部に突出させて固定し，制御棒７ｇを回転軸７１の中空部に挿入して制御棒７ｇ端部の溝部にピン７ｆを係合させる。

したがって，アクチュエータ７ｍがプッシュロッド７ｋを左に押し込むと，スリーブ７ｈはスプリング７ｊを縮めて軸方向の左方向に移動し，同時にスリーブ７ｈを図１０（ｂ）に於いて反時計方向に回転偏倚させる。スリーブ７ｈの回転偏倚は制御棒７ｇ，励磁磁極部支持体７ｄに伝達されて主磁極７ｂ，バイパス磁極７ｃを回転偏倚させ，この場合は界磁磁石７ａと主磁極７ｂとの対向面積を減じて回転子７７，７８に於ける磁性体突極に供給する界磁磁束を減少させる。アクチュエータ７ｍがプッシュロッド７ｋを右方向に移動させた場合は逆の結果となって回転子７７，７８に於ける磁性体突極に供給する界磁磁束を増大させる。

本実施例ではアクチュエータ７ｍには回転モータとネジ機構を用い，回転モータを回転させてプッシュロッド７ｋを軸方向左右に駆動させ，回転モータを駆動しない場合はプッシュロッド７ｋの軸方向位置を保存させている。

以上，図７から図１０に示した回転電機に於いて，主磁極７ｂ及びバイパス磁極７ｃを界磁磁石７ａに対して相対偏倚させる事で磁性体突極８１，磁性体歯７４間に於ける界磁磁束量をほぼ１００％制御できることを説明し，さらに主磁極７ｂ及びバイパス磁極７ｃを界磁磁石７ａに対して偏倚させる手段方法を説明した。第二の実施例は界磁磁束量を制御して出力を最適化するシステムであり，図６を用いて回転電機システムとしての制御を説明する。

制御装置６５は出力６３である回転速度が所定の値より大となり磁性体突極８１，磁性体歯７４間に於ける界磁磁束量を小とする時には制御信号６６がアクチュエータ７ｍにより，プッシュロッド７ｋを左方向に駆動して主磁極７ｂと界磁磁石７ａの対向面積を小とさせる。

回転速度が所定の値より小となり磁性体突極８１，磁性体歯７４間に於ける界磁磁束量を大とする時には制御信号６６がアクチュエータ７ｍにより，プッシュロッド７ｋを右方向に駆動して主磁極７ｂと界磁磁石７ａの対向面積を大とさせる。

制御装置６５は出力６３である発電電圧が所定の値より大となり磁性体突極８１，磁性体歯７４間に於ける界磁磁束量を小とする時には制御信号６６がアクチュエータ７ｍにより，プッシュロッド７ｋを左方向に駆動して主磁極７ｂと界磁磁石７ａの対向面積を小とさせる。

発電電圧が所定の値より小となり磁性体突極８１，磁性体歯７４間に於ける界磁磁束量を大とする時には制御信号６６がアクチュエータ７ｍにより，プッシュロッド７ｋを右方向に駆動して主磁極７ｂと界磁磁石７ａの対向面積を大とさせる。

本発明による回転電機システムの第三実施例を図１１から図１３を用いて説明する。第三実施例は，磁性体突極と磁気空隙部を周方向に交互に持つシンプルな磁極構成の回転子であり，周方向に隣り合う磁性体突極を軸方向の異なる側に延長してそれぞれ第一延長部，第二延長部として集合させ，第一延長部，第二延長部と磁気的に結合して隣り合う磁性体突極を異極に磁化する励磁磁極部を回転子の内周部に配置した回転電機システムである。

図１１は回転電機の縦断面図，図１２は電機子と回転子との構成を示す断面図，図１３は回転子の構成を示す斜視図である。

図１１はラジアルギャップ構造の回転電機を示し，回転軸７１がベアリング７３を介してハウジング７２に回動可能に支持されている。電機子はハウジング７２に固定された円筒状磁気ヨーク７５と，円筒状磁気ヨーク７５から径方向に延びる複数の磁性体歯７４と，磁性体歯７４に巻回された電機子コイル７６とから構成されている。

回転子の磁極構成は磁性体突極と磁気空隙部とが周方向に交互に並ぶ磁極部１１１，隣り合う磁性体突極を軸方向の異なる側に延長させてそれぞれ集合させた第一延長部１１２，第二延長部１１３とから構成されている。

回転子の磁極部１１１の内周側には励磁磁極部が配置されて第一延長部１１２，第二延長部１１３に結合し，隣接磁性体突極を互いに異極に磁化する。励磁磁極部の主要部を界磁磁石７ａ，主磁極７ｂ，バイパス磁極７ｃから構成され，主磁極７ｂ，バイパス磁極７ｃは励磁磁極部支持体７ｄに固定され，励磁磁極部支持体７ｄは回転軸７１に回動可能に支持されている。番号７ｎは回転子に固定された冷却ファンを示す。

主磁極７ｂ，バイパス磁極７ｃ，励磁磁極部支持体７ｄを回転偏倚させる偏倚制御手段は，主要部を回転軸７１の中空部に収納された制御棒７ｇ，スプリング７ｊ，スリーブ７ｈ，プッシュロッド７ｋ，アクチュエータ７ｍとから構成され，制御棒７ｇには励磁磁極部支持体７ｄに固定したピン７ｆが回転軸７１のスリット７ｅを介して係合される構成として制御棒７ｇの回転偏倚を励磁磁極部支持体７ｄに伝達する構成である。

図１２は図１１のＣ−Ｃ’に沿う電機子及び回転子の断面図を示し，相互の関係を説明する為に構成部分の一部に番号を付して示している。電機子の構成は第二の実施例と同じであるので説明は省略する。

図１２に於いて，回転子は磁性体突極と磁気空隙部とを周方向に交互に有する構造とし，隣接する磁性体突極を番号１２１，１２２で代表させ，磁気空隙部を番号１２３で示している。番号１２４は第二実施例に於ける磁束チャネル部７９に相当する磁束チャネル部である。第三実施例では磁性体突極１２１，１２２の断面積は小さいので内周側の空きスペースを利用して可能な限り断面積の大きい磁束チャネル部１２４として界磁磁束の伝搬供給を可能にする構成としている。

磁性体突極１２１，１２２は幅の狭い可飽和磁性体部１２５で連結された構成として所定の型で打ち抜き，積層して構成されている。磁気空隙部１２３を含む非磁性体の部分には非磁性で且つ比抵抗の大きい材料，レジン，樹脂等を充填して構成している。番号１２６は回転子の内周側に配置された第一延長部１１２に結合する磁性体断面を示している。

本実施例に於いては，回転子内周側の空きスペースを利用して断面積が大きく，且つ飽和磁束密度の大きな鉄で構成した磁束チャネル部を磁性体突極の電機子より遠い側に配置した。磁性体突極が珪素鋼板の積層で構成され，積層された珪素鋼板の積層方向の磁気抵抗は大きいが，積層方向の磁気抵抗を小として界磁磁束を伝搬させる事が出来る。磁性体突極全体を電気抵抗が大の圧粉鉄芯，フェライト等の等方性磁性体で構成しても磁気抵抗を小に出来るが，磁性体突極の断面積が小であるので本実施例のように飽和磁束密度の大な磁性体で界磁部近傍の空きスペースを利用して断面積の大きな磁束キャリア部を配置する事が望ましい。

図１３は回転子の構成を示す斜視図である。理解を容易にする為に磁性体突極１２１，１２２等を有する中心部と磁性体突極の第一，第二延長部１１２，１１３とを離して示してある。番号７１’は回転軸７１を通す穴を示す。第一延長部１１２は鉄を鍛造して磁性体突極１２１の延長部分となる磁性体突部１３１を有して構成され，非磁性体部１３３は磁性を持たないステンレススチールで形成されている。第二延長部１１３は鉄を鍛造して磁性体突極１２２の延長部分となる磁性体突部１３２を有して構成され，非磁性体部１３４は磁性を持たないステンレススチールで形成されている。番号１３５は励磁磁極部の一部を示す。

図１１に縦断面図を示した励磁磁極部は第一の実施例，第二の実施例に於ける励磁磁極部とほぼ同じ構成である。界磁磁石７ａ，主磁極７ｂ，バイパス磁極７ｃはそれぞれ図１に於ける界磁磁石１ａ，主磁極１ｂ，バイパス磁極１ｃに対応し，異なっている点は図１に於けるベース磁極１ｄが第二延長部１１３と結合する磁性体に，ロータハウジング１９が第一延長部１１２と結合する磁性体に置き換わっている。隣接する磁性体突極１２１，１２２を互いに異極に磁化し，界磁磁束を供給する原理作用は同じであるので説明は省略する。

図１１に示した主磁極７ｂ，バイパス磁極７ｃを界磁磁石７ａに対して偏倚制御して隣接する磁性体突極１２１，１２２間に供給する界磁磁束を制御する偏倚制御手段の構成は図７に示した第二実施例の偏倚制御手段と全く同じであり，詳細な構成の説明及び動作の説明は主略する。

以上，図１１，図１２，図１３に示した回転電機に於いて，主磁極７ｂ及びバイパス磁極７ｃを界磁磁石７ａに対して相対偏倚させる事で磁性体突極１２１及び磁性体突極１２２と，磁性体歯７４との間に於ける界磁磁束量をほぼ１００％制御できることを説明し，さらに主磁極７ｂ及びバイパス磁極７ｃを界磁磁石７ａに対して偏倚させる手段方法を説明した。第三の実施例は界磁磁束量を制御して出力を最適化するシステムであり，図６を用いて回転電機システムとしての制御を説明する。

制御装置６５は出力６３である回転速度が所定の値より大となり磁性体突極１２１及び磁性体突極１２２と，磁性体歯７４との間に於ける界磁磁束量を小とする時には制御信号６６がアクチュエータ７ｍにより，プッシュロッド７ｋを左方向に駆動して主磁極７ｂと界磁磁石７ａの対向面積を小とさせる。

回転速度が所定の値より小となり磁性体突極１２１及び磁性体突極１２２と，磁性体歯７４との間に於ける界磁磁束量を大とする時には制御信号６６がアクチュエータ７ｍにより，プッシュロッド７ｋを右方向に駆動して主磁極７ｂと界磁磁石７ａの対向面積を大とさせる。

制御装置６５は出力６３である発電電圧が所定の値より大となり磁性体突極１２１及び磁性体突極１２２と，磁性体歯７４との間に於ける界磁磁束量を小とする時には制御信号６６がアクチュエータ７ｍにより，プッシュロッド７ｋを左方向に駆動して主磁極７ｂと界磁磁石７ａの対向面積を小とさせる。

発電電圧が所定の値より小となり磁性体突極１２１及び磁性体突極１２２と，磁性体歯７４との間に於ける界磁磁束量を大とする時には制御信号６６がアクチュエータ７ｍにより，プッシュロッド７ｋを右方向に駆動して主磁極７ｂと界磁磁石７ａの対向面積を大とさせる。

本発明による回転電機システムの第四実施例を図１４を用いて説明する。第四実施例は，第三実施例に於いて，磁性体突極間に周方向の磁化を持つ永久磁石を配置して隣り合う磁性体突極を互いに異極に励磁している回転電機システムであり，第三実施例と異なっている部分に集中して説明する。図１４は電機子と回転子との構成を示す断面図である。

回転電機システム全体の構成は図１１，図１３に示した第三実施例と同じであるので説明は省略し，図１４を用いて回転子の磁極構成を説明する。

図１４に於いて，磁性体突極間に周方向の磁化を持つ永久磁石１４１が配置される構成であり，隣接する永久磁石１４１は互いに逆方向の磁化を持つとして隣接する磁性体突極１２１，１２２を互いに異極に磁化している。永久磁石１４１内の矢印は磁化方向を示し，磁性体突極１２１はＮ極に，磁性体突極１２２はＳ極に励磁されている。

第四実施例で重要な点は励磁磁極部により磁性体突極１２１，１２２を励磁する磁化の方向と永久磁石１４１により磁性体突極を磁化する方向とを一致させるよう永久磁石１４１及び励磁磁極部を配置する事である。第四実施例の全体構成は第三実施例と同じであるので図１１を参照すると，界磁磁石７ａの磁化方向は主磁極７ｂ側をＮ極とする方向であり，主磁極７ｂは第一延長部１１２を介して磁性体突極１２１をＮ極に磁化している。界磁磁石７ａのＳ極側も第二延長部１１３を介して磁性体突極１２２に結合され，磁性体突極１２２をＳ極に磁化している。

このように構成する事で磁性体突極１２１，磁性体歯７４間の界磁磁束量は永久磁石１４１による寄与分に励磁磁極部からの界磁磁束が加算され，励磁磁極部からの界磁磁束量を制御する事で磁性体突極１２１，磁性体歯７４間の界磁磁束量は制御される。

第四の実施例は第三の実施例に於いて，回転子の磁極構成を僅かに変えたのみであるので界磁磁束を制御する動作原理，或いは回転電機システムとしての動作は同じであるので説明は省略する。

本実施例で永久磁石１４１と励磁磁極部が磁性体突極を磁化する方向は同じとなるよう両者を配置構成した。これが逆の場合には永久磁石１４１と界磁磁石７ａとが閉磁気回路を構成し，主磁極７ｂの偏倚制御に際して妨げとなる大きな磁気力を発生させ，精密な制御を困難にする。

永久磁石１４１による界磁磁束への寄与分は励磁磁極部による界磁磁束の制御範囲を狭くするとの意味に於いては好ましい存在ではない。しかし，磁性体突極先端部の空隙間に永久磁石を配置して空隙部に於ける漏洩磁束を低減する構造，またリラクタンストルクを利用する回転電機に於いて一様な磁性体を周方向に磁化を持つ永久磁石で区分して磁性体突極を形成すると共に磁束バリアとする構造が存在する。本実施例はこのような従来の回転電機に於いて界磁制御を容易にする実施例として意味がある。

本発明による回転電機システムの第五実施例を図１５から図２０を用いて説明する。第五実施例は，回転子の磁極構成を磁性体突極と集合磁石とし，周方向に隣り合う磁性体突極を軸方向の異なる側に延長してそれぞれ第一延長部，第二延長部として集合させ，第一延長部，第二延長部と磁気的に結合して隣り合う磁性体突極を互いに異極に磁化する励磁磁極部を回転子両端のハウジング側に配置した回転電機システムである。

図１５は回転電機の縦断面図，図１６は電機子と回転子との構成を示す断面図，図１７は回転子の構成及び励磁磁極部の配置を示す斜視図，図１８は励磁磁極部の縦断面図，図１９は励磁磁極部の平面図，図２０は偏倚制御手段の斜視図である。

図１５はラジアルギャップ構造の回転電機を示し，回転軸７１がベアリング７３を介してハウジング７２に回動可能に支持されている。電機子はハウジング７２に固定された円筒状磁気ヨーク７５と，円筒状磁気ヨーク７５から径方向に延びる複数の磁性体歯７４と，磁性体歯７４に巻回された電機子コイル７６とから構成されている。

回転子の磁極部は磁性体突極と集合磁石とが周方向に交互に並ぶ磁極部１５１，隣り合う磁性体突極を軸方向の異なる側に延長させてそれぞれ集合させた第一延長部１５２，第二延長部１５３とから構成されている。

回転子の第一延長部１５２，第二延長部１５３と空隙を介して静止側に二つの励磁磁極部が配置され，第一延長部１５２，第二延長部１５３と円筒状磁気ヨーク７５間にそれぞれ界磁磁束を一括して供給し，隣り合う磁性体突極を互いに異極に磁化する構成である。

同図に於いて，第二延長部１５３と対向する励磁磁極部は界磁磁石１５４，主磁極１５５，バイパス磁極１５６，ベース磁極１５７，さらに主磁極１５５，バイパス磁極１５６をハウジング７２に回動可能に支持する励磁磁極部支持体１５８とから構成される事が示されている。第一延長部１５２側の励磁磁極部の構成部材に番号を付していないが，同じ構成であり，同じ部材には番号を用いるとする。ただ，界磁磁石１５４の磁化方向が第一延長部１５２，第二延長部１５３側の励磁磁極部に於いては互いに逆となるよう配置されている。

図１６は図１５のＤ−Ｄ’に沿う電機子及び回転子の断面図を示し，相互の関係を説明する為に構成部分の一部に番号を付して示している。電機子の構成は第二の実施例と同じであるので説明は省略する。

図１６に於いて，回転子は磁性体突極と集合磁石とを周方向に交互に有する構造である。中間磁性体突極１６３の両側面にほぼ同じ磁化方向の磁石板１６４，１６５が配置された組み合わせは磁気的には磁石と等価な集合磁石として，回転子の表面磁極部は一様な磁性体を周方向に等間隔に配置された集合磁石によって区分された磁性体突極１６１，１６２及び集合磁石とから構成されている。さらに隣接する磁性体突極１６１，１６２は互いに異なる方向の磁化が現れるよう隣接する集合磁石の周方向磁化方向は互いに反転して構成されている。磁性体突極１６１，１６２それぞれの周方向両側面に配置された磁石板１６４，１６５はＶ字状の配置であり，磁石板１６４，１６５の交差角度は磁束バリアに好適な角度に設定する。磁石板１６４，１６５に付された矢印は磁石板１６４，１６５の板面にほぼ直交する磁化方向を示す。

番号１６７は第二実施例に於ける磁束チャネル部７９に相当する磁束チャネル部である。第五実施例では磁性体突極１６１，１６２の断面積は小さいので内周側の空きスペースを利用して可能な限り断面積の大きい磁束チャネル部１６７として界磁磁束の伝搬供給を可能にする構成としている。番号１６６は磁石板１６４，１６５の磁路の磁気抵抗を大にする為に設けた磁気空隙部である。

磁性体突極１６１，１６２，中間磁性体突極１６３を珪素鋼板から磁石板１６４，１６５或いは磁束チャネル部１６７，磁気空隙部１６６に相当する部分を打ち抜いて積層した後，磁石板１６４，１６５を挿入し，磁束チャネル部１６７には鉄のブロックを挿入して構成する。

図１７は回転子の構成及び励磁磁極部の配置を示す斜視図である。理解を容易にする為に磁性体突極１６１，１６２等を有する中心部と磁性体突極の第一，第二延長部１５２，１５３とを離して示してある。

第一延長部１５２は鉄を鍛造して磁性体突極１６１の延長部分となる磁性体突部１７３を有して構成され，非磁性体部１７５は磁性を持たないステンレススチールで形成されている。第二延長部１５３は鉄を鍛造して磁性体突極１６２の延長部分となる磁性体突部１７４を有して構成され，非磁性体部１７６は磁性を持たないステンレススチールで形成されている。

第一延長部１５２，第二延長部１５３にはそれぞれ励磁磁極部１７１，１７２が空隙を介して対向し，励磁磁極部１７１，１７２の主磁極１５５及びそれに結合する磁性体は第一延長部１５２，第二延長部１５３それぞれの磁性体突部１７３，１７４と磁気的に結合し，励磁磁極部１７１，１７２のベース磁極１５７は図示していない円筒状磁気ヨーク７５の両端に結合されている。

励磁磁極部１７１，１７２の励磁磁極部支持体１５８は後に説明されるように周方向に回転偏倚制御されて主磁極１５５及びバイパス磁極１５６と界磁磁石１５４間の相対位置を変える構成である。

図１８及び図１９を用いて励磁磁極部の構成を説明する。図１８及び図１９は励磁磁極部１７２の縦断面図及び回転子側から見た平面図を拡大して示している。

図１８，１９に於いて，界磁磁石１５４は周方向に３個等間隔でベース磁極１５７の内周側に固定され，各界磁磁石１５４に径方向に対向して主磁極１５５及びバイパス磁極１５６が周方向に並んで配置されている。界磁磁石１５４は常に主磁極１５５及びバイパス磁極１５６と対向し，界磁磁石１５４が主磁極１５５及びバイパス磁極１５６と対向する面積の和は一定であり，それらの面積比が界磁磁石１５４と主磁極１５５及びバイパス磁極１５６間の相対偏倚により変化するよう構成されている。番号１９１は磁束短絡を防ぐ為の磁気空隙部である。

主磁極１５５は空隙を介して対向する第二延長部１７２の磁性体突部１７４と磁気的に結合され，バイパス磁極１５６は微小の間隙１８１を介してベース磁極１５７に磁気的に結合している。本実施例の励磁磁極部１７２に於いて，主磁路は主磁極１５５，第二延長部１５３の磁性体突部１７４，磁性体突極１６２，磁性体歯７４，円筒状磁気ヨーク７５からベース磁極１５７に至る磁路であり，バイパス磁路はバイパス磁極１５６から間隙１８１を介してベース磁極１５７に至る磁路である。本発明ではバイパス磁路の磁気抵抗を主磁路の磁気抵抗とほぼ等しくさせるよう間隙１８１に於ける対向面積及び間隙長を調整している。

磁性体突極１６１，１６２は磁石板１６４，１６５により磁化され，磁性体突極１６１はＮ極に，磁性体突極１６２はＳ極である。本実施例で重要な点は励磁磁極部１７１，１７２による磁性体突極１６１，１６２の励磁はまた磁石板１６４，１６５による磁化と同じ種類の磁化となるように配置されている事である。すなわち，励磁磁極１７１に於いて界磁磁石１５４は主磁極１５５をＮ極に磁化して磁性体突部１７３，磁性体突極１６１をＮ極側に励磁する。さらに励磁磁極部１７２に於いて界磁磁石１５４は主磁極１５５をＳ極に磁化して磁性体突部１７４，磁性体突極１６２をＳ極側に励磁している。

このように磁石板１６４，１６５及び励磁磁極部１７１，１７２は共に磁性体突極１６１，１６２をそれぞれ励磁している。集合磁石を構成する磁石板１６４，１６５の役割は界磁磁束を発生すると共に周方向に磁気抵抗の大きな領域を形成する為の磁束バリアである。本実施例に於いては励磁磁極部１７１，１７２から十分な界磁磁束を供給出来，また励磁磁極部１７１，１７２からの界磁磁束を分流制御して電機子側への界磁磁束制御が目的であるので磁石板１６４，１６５からの界磁磁束は界磁磁束制御の観点からは障害になる存在である。中間磁性体突極１６３中に設けたスリットで構成した磁気空隙部１６６は磁石板１６４，１６５の磁束が通る磁路の磁気抵抗を大として電機子側に流れる界磁磁束への磁石板１６４，１６５の寄与を小にする為に設けられている。

図１９に於いて磁気空隙部１９１の一部に設けた空隙部１９２及び突部１９３は主磁極１５５及びバイパス磁極１５６の偏倚規制手段を構成している。すなわち突部１９３は主磁極１５５及びバイパス磁極１５６側に固定され，隣接する界磁磁石１５４を突部１９３のストッパーとして構成されている。図１９に示す状態が基準位置であり，突部１９３は界磁磁石１５４側面に当接し，その位置から主磁極１５５及びバイパス磁極１５６が時計回り方向にほぼ主磁極１５５の周方向角度長だけ回転偏倚すると，突部１９３は隣接する界磁磁石１５４の側面に当接して回転偏倚量を規制する。

図２０は励磁磁極部１７２に於いて界磁磁石１５４に対して主磁極１５５及びバイパス磁極１５６を回転偏倚させる偏倚制御手段を示す斜視図である。

同図に於いて，励磁磁極部支持体１５８の端面にはギア２０１が設けられ，ギア２０１に噛み合うようギア２０２及びステップモータ２０３が配置されている。ステップモータ２０３とギア２０１，２０２により主磁極１５５及びバイパス磁極１５６の位置を保持すると共にステップモータ２０３を回転駆動させて主磁極１５５及びバイパス磁極１５６を界磁磁石１５４に対して偏倚させ，磁性体突極１６２と磁性体歯７４間の界磁磁束量を変える。励磁磁極部１７１側にも同じ構成の偏倚制御手段が設けられている。

以上，図１５から図２０に示した回転電機に於いて，励磁磁極部１７１，１７２の主磁極１５５及びバイパス磁極１５６を界磁磁石１５４に対して相対偏倚させる事で磁性体突極１６１及び磁性体突極１６２と，磁性体歯７４との間に於ける界磁磁束量を制御できることを説明し，さらに主磁極１５５及びバイパス磁極１５６を界磁磁石１５４に対して偏倚させる手段方法を説明した。第五の実施例は界磁磁束量を制御して出力を最適化するシステムであり，図６を用いて回転電機システムとしての制御を説明する。

制御装置６５は出力６３である回転速度が所定の値より大となり磁性体突極１６１及び磁性体突極１６２と，磁性体歯７４との間に於ける界磁磁束量を小とする時には制御信号６６が励磁磁極部１７１，１７２のステップモータ２０３により，図１９に於いて主磁極１５５とバイパス磁極１５６を時計回り方向に回転偏倚させて主磁極１５５と界磁磁石１５４の対向面積を小とさせる。

回転速度が所定の値より小となり磁性体突極１６１及び磁性体突極１６２と，磁性体歯７４との間に於ける界磁磁束量を大とする時には制御信号６６が励磁磁極部１７１，１７２のステップモータ２０３により，図１９に於いて主磁極１５５とバイパス磁極１５６を反時計回り方向に回転偏倚させて主磁極１５５と界磁磁石１５４の対向面積を大とさせる。

制御装置６５は出力６３である発電電圧が所定の値より大となり磁性体突極１６１及び磁性体突極１６２と，磁性体歯７４との間に於ける界磁磁束量を小とする時には制御信号６６が励磁磁極部１７１，１７２のステップモータ２０３により，図１９に於いて主磁極１５５とバイパス磁極１５６を時計回り方向に回転偏倚させて主磁極１５５と界磁磁石１５４の対向面積を小とさせる。

発電電圧が所定の値より小となり磁性体突極１６１及び磁性体突極１６２と，磁性体歯７４との間に於ける界磁磁束量を大とする時には制御信号６６が励磁磁極部１７１，１７２のステップモータ２０３により，図１９に於いて主磁極１５５とバイパス磁極１５６を反時計回り方向に回転偏倚させて主磁極１５５と界磁磁石１５４の対向面積を大とさせる。

本発明による回転電機システムの第六実施例を図２１を用いて説明する。第六実施例は，第五実施例に於いて，回転子の磁極構成を変えたのみで他は同じ構成である。異なる点に集中して説明する。図２１は電機子と回転子の構成を示す断面図である。

図２１に於いて，回転子の表面磁極部は磁性体歯７４と径方向に空隙を挟んで対向し，軸方向に伸び，外周形状が凸の磁性体突極２１１，２１２が周方向に複数個配列され，磁性体突極２１１，２１２はさらに磁性体突極に対向する鉄心内の平面状空隙で区分され，その空隙には永久磁石２１３，２１４が配列されている。永久磁石２１３，２１４は径方向の磁化方向を持ち，隣接する永久磁石２１３，２１４は互いに磁化方向を反転させて配置されているので隣接する磁性体突極２１１，２１２は互いに逆極性に磁化されている。永久磁石２１３，２１４内の矢印は磁化の方向を示す。

磁性体突極２１１，２１２は同じ磁性体板から作られている。すなわち，珪素鋼板を型で永久磁石２１３，２１４を収納するスロット部分を打ち抜き，磁性体突極２１１，２１２，さらに磁性体突極２１１，２１２間を結ぶ幅の小さい磁性体結合部２１５を残して形成された珪素鋼板を積層して構成されている。永久磁石２１３，２１４を収納する空隙で区分され，磁性体突極２１１，２１２と磁気的に分離された鉄心の内周側の領域は磁気ヨーク２１７として磁性体突極２１１，２１２を機械的に強固に支持すると共に永久磁石２１３，２１４の磁路の一部となっている。さらに回転子の軸方向中間で磁気ヨーク２１７部分を切除した珪素鋼板を積層し，磁気ヨーク２１７の軸方向の磁気抵抗を大に構成している。番号２１６は永久磁石２１３，２１４両端部に残した空隙を示す。

隣接する磁性体突極２１１，２１２は軸方向の異なる方向に延長され，第五の実施例と同じように第一延長部１５２，第二延長部１５３として集合し，それぞれ空隙を介して励磁磁極部１７１，１７２が配置されている。

励磁磁極部１７１，１７２の構成，界磁磁束の原理作用，回転電機システムとしての原理作用等は第五の実施例と同じであるので説明は省略する。

本発明による回転電機システムの第七実施例を図２２から図２５までを用いて説明する。第七実施例は，アキシャルギャップ構造の単極回転子を持つ回転電機システムである。励磁磁極部は回転子内に配置され，ガバナ機構により界磁磁束を制御する構成である。図２２は回転電機の縦断面図，図２３は電機子と磁性体突極との構成を示す平面図，図２４は励磁磁極部の構成を示す平面図，図２５は励磁磁極部の相対偏倚をした界磁磁石と主磁極を示す平面図である。

図２２は界磁部を回転側に配置したアキシャルギャップ構造の回転電機を示し，回転軸２２１はベアリング２２３を介して基板２２２に回動可能に支持されている。電機子は鉄製の基板２２２から軸方向に延びる複数の磁性体歯２２４と，磁性体歯２２４に巻回された電機子コイル２２５とから構成されている。磁性体歯２２４及び電機子コイル２２５は回転軸２２１を中心に周方向に９個配置されて電機子コイル２２５は三相に結線されている。

回転子は磁性体歯２２４と軸方向に対向する表面磁極層２２７，可動磁極層２２９，カップ２２６とから成り，表面磁極層２２７及びカップ２２６は回転軸２２１に固定され，可動磁極層２２９は表面磁極層２２７及びカップ２２６と微小間隙で対向すると共にベアリング２２３を介して回転軸２２１に回動可能に支持されている。

表面磁極層２２７は非磁性で電気抵抗の大な樹脂基板に円環状のベース磁極２２ｄが配置され，ベース磁極２２ｄ上の磁性体歯２２４側に磁性体突極２２８が配置され，ベース磁極２２ｄ上の磁性体歯２２４と反対側には界磁磁石２２ａが配置されている。ベース磁極２２ｄは交流磁束が通るので円環状の珪素鋼板が積層されて構成されている。

可動磁極層２２９は非磁性のステンレススチールで構成され，主磁極２２ｂ，バイパス磁極２２ｃが配置されている。カップ２２６は磁性体である鉄で構成され，カップ２２６の外周部は基板２２２と微小間隙を介して対向するよう構成され，主磁極２２ｂからの界磁磁束はカップ２２６を介して鉄製の基板２２２に流れる構成である。

可動磁極層２２９は回転軸２２１，カップ２２６，表面磁極層２２７と共に回転し，低回転速度，高回転速度では遠心力を利用して回転軸２２１，カップ２２６，表面磁極層２２７に対して周方向の相対偏倚量が異なる構造としている。表面磁極層２２７に設けた径方向のガイド溝２２ｅ及びスプリング２２ｈ，可動磁極層２２９に設けた弧状のガイド溝２２ｆ及び錘２２ｇはその為に設けた機構の一部であり，図２４，２５を用いて詳細に説明する。

図２３（ａ）は表面磁極層２２７側から見た電機子の平面図を示し，相互の関係を説明する為に構成部分の一部に番号を付して示している。

磁性体歯２２４は略Ｔ字状の構造であり，ハッチされた部分が鉄製の基板２２２に立設されると共に電機子コイル２２５が巻回されている。表面磁極層２２７との対向面では隣接する磁性体歯２２４間で微小間隙を介して対向する構成であり，番号２３１はその微小間隙の磁気空隙部を示している。第七の実施例では９個の磁性体歯２２４及び電機子コイル２２５を持ち，電機子コイル２２５は三相に結線されている。鉄製の基板２２２は磁性体歯２２４と共に界磁磁束の主磁路の一部を形成する。

図２３（ｂ）は磁性体歯２２４と対向する表面磁極層２２７の構成を示す図であり，表面磁極層２２７を磁性体歯２２４側から見た平面図を示している。表面磁極層２２７上に配置された円環状のベース磁極２２ｄ上に磁性体突極２２８が等間隔に６個配置されている。

励磁磁極部は表面磁極層２２７及び可動磁極層２２９で構成されている。図２４（ａ）は表面磁極層２２７を可動磁極層２２９側から見た平面図を示し，ベース磁極２２ｄ上に界磁磁石２２ａが３個等間隔に配置されている。界磁磁石２２ａの磁化方向は図２２に矢印で示すように回転軸２２１と平行である。

図２４（ｂ）は可動磁極層２２９をカップ２２６側から見た平面図を示し，界磁磁石２２ａに微小空隙を介して主磁極２２ｂ，バイパス磁極２２ｃが対向し，バイパス磁極２２ｃはバイパス磁性体２４１と結合し，バイパス磁性体２４１は図２２に断面を示すようにベース磁極２２ｄと微小間隙を介して対向している。主磁極２２ｂはバイパス磁極２２ｃより厚く，微小間隙を介してカップ２２６と磁気的に結合している。

図２４（ａ），（ｂ）には回転速度に応じて可動磁極層２２９をカップ２２６及び表面磁極層２２７に対して相対偏倚させるガバナ機構が示されている。錘２２ｇが径方向のガイド溝２２ｅ及び弧状のガイド溝２２ｆに摺動可能に配置され，ガイド溝２２ｅ内に配置されたスプリング２２ｈが錘２２ｇを内周側に付勢する構造である。ガイド溝２２ｆは可動磁極層２２９の表面磁極層２２７側に配置されているが，分かり易くする為に図２４（ｂ）では錘２２ｇと共に実線で示している。

錘２２ｇの基準位置は遠心力が働かない静止時に於ける位置であり，錘２２ｇは最内周に位置し，回転速度が増すと錘２２ｇに働く径方向の遠心力とスプリング２２ｈとが押し合い，釣り合う径位置に錘２２ｇは移動する。その過程で弧状のガイド溝２２ｆは周方向の力を受けて可動磁極層２２９を表面磁極層２２７及びカップ２２６に対して相対的に偏倚させる。図２４（ｂ）では錘２２ｇが最内周の基準位置から外周側に僅かに移動した例を示している。

さらに回転速度が増し，径方向のガイド溝２２ｅ或いは弧状のガイド溝２２ｆの終端に至った点で可動磁極層２２９の偏倚は最大となり，径方向のガイド溝２２ｅ或いは弧状のガイド溝２２ｆの寸法で可動磁極層２２９の偏倚量の規制手段としている。

図２５（ａ）は基準位置にある主磁極２２ｂ及びバイパス磁極２２ｃ，図２５（ｂ）は最大偏倚した主磁極２２ｂ及びバイパス磁極２２ｃを示し，図２２から図２５を用いて磁性体突極２２８，磁性体歯２２４間の界磁磁束量を制御する原理を説明する。

界磁磁石２２ａからの界磁磁束は二つの磁路である主磁路及びバイパス磁路とを有する。主磁路は界磁磁石２２ａから主磁極２２ｂ，カップ２２６，基板２２２，磁性体歯２２４，磁性体突極２２８，ベース磁極２２ｄを経て界磁磁石２２ａに環流する磁路であり，バイパス磁路は界磁磁石２２ａからバイパス磁極２２ｃ，バイパス磁性体２４１，ベース磁極２２ｄを経て界磁磁石２２ａに環流する磁路である。本実施例ではバイパス磁路の磁気抵抗を主磁路の磁気抵抗とほぼ等しく設定するようバイパス磁性体２４１，ベース磁極２２ｄ間の空隙に於ける対向面積及び空隙長を調整する。

本発明の趣旨に沿って，界磁磁石２２ａは常に主磁極２２ｂ及びバイパス磁極２２ｃと対向し，その対向面積の和は一定であり，界磁磁石２２ａと主磁極２２ｂ及びバイパス磁極２２ｃ間の偏倚に対応して対向面積の比は変化するよう構成されている。

界磁磁石２２ａからの界磁磁束は対向する主磁極２２ｂ，バイパス磁極２２ｃに対向面積比に応じて分流され，それぞれ主磁路，バイパス磁路を介して界磁磁石２２ａに環流する。主磁路及びバイパス磁路の磁気抵抗はほぼ等しく，界磁磁石２２ａが対向する主磁極２２ｂ及びバイパス磁極２２ｃの対向面積の和は一定であるので界磁磁石２２ａからの総磁束量は常に一定である。したがって，界磁磁石２２ａと主磁極２２ｂ及びバイパス磁極２２ｃ間の偏倚を妨げるような磁気力は発生しない。

図２５（ａ），（ｂ）に於いて，点線２５１は界磁磁石２２ａの周方向位置を示している。静止時には錘２２ｇに遠心力が働かないのでスプリング２２ｈにより最内周の基準位置に押し込まれ，主磁極２２ｂと界磁磁石２２ａとの対向面積は最大で磁性体突極２２８と磁性体歯２２４間には最大の界磁磁束が流れている。

図２５（ｂ）では回転速度が高く，錘２２ｇに作用する遠心力はスプリング２２ｈの内周への付勢力に勝って錘２２ｇをガイド溝２２ｆ或いはガイド溝２２ｅの最外周部分に移動させ，主磁極２２ｂ及びバイパス磁極２２ｃの界磁磁石２２ａに対する偏倚量を最大として主磁極２２ｂと界磁磁石２２ａとの対向面積を最小とし，磁性体突極２２８と磁性体歯２２４間に流れる界磁磁束を最小としている。

本実施例により，回転速度に応じて主磁極２２ｂ，バイパス磁極２２ｃを界磁磁石２２ａに対して偏倚させ，電機子コイル２２５と鎖交する界磁磁束量を制御できることを示した。先行する技術提案に於いて，界磁磁石の短絡或いは界磁磁石の磁路の磁気抵抗等の制御に関してガバナ機構を利用する例が有るが，何れも部材間に働く磁気力の存在により制御自体が出来ないか或いはハンチング等の不具合を招来している。本発明では主磁極２２ｂ，バイパス磁極２２ｃの偏倚に際して原理的に磁気力は発生しないので円滑な制御が可能である。回転速度と上記偏倚量との関係は錘２２ｇとスプリング２２ｈの諸元，ガイド溝２２ｆの形状等に依存する。本実施例のように遠心力を利用しての電機子コイル２２５と鎖交する界磁磁束量制御は正確さに欠ける短所はあるが，シンプルな機構で特段の制御装置を不要とする事にメリットがある。

第七実施例ではカップ２２６と基板２２２間の空隙を微小として界磁磁束の磁路の一部とした単極のアキシャルギャップ構造の回転電機システムであるが，第一の実施例と同様に励磁磁極部をカップ２２６，基板２２２間の静止側に配置する構成も可能であり，その場合には回転子を軽量化出来る。

また，第七実施例は単極の回転子の例であったが，隣接する磁性体突極を互いに異極に磁化するアキシャル構造の回転電機も勿論可能である。その場合はラジアルギャップ構成である第三の実施例と同様に隣接する磁性体突極をそれぞれ径方向の異なる方向に延伸させてそれぞれ第一延長部，第二延長部として集合させ，励磁磁極部を回転側或いは静止側に配置し，第一延長部及び第二延長部を互いに異極となるよう励磁する構成とする。

電機子と界磁部とが軸方向に対向するアキシャルギャップ構造の回転電機システムでは，電機子と界磁部間の空隙を制御して界磁強度の制御は容易であるように見え，多くの先行技術提案がある。しかし，電機子と界磁部間には常に磁気吸引力が働いており，それらの間の間隙制御には大出力のアクチュエータを必要とするか，応答時間を犠牲にしてギアダウン機構を採用する必要がある。さらに，電機子，界磁部間の間隙を大にした場合には，漏れ磁束分布が広がり，回転駆動制御に支障を来すと共に界磁強度の制御範囲に限界がある。

本実施例によれば，主磁極２２ｂ，バイパス磁極２２ｃには原理的に偏倚に抵抗する磁気力の発生は無く，電機子コイル２２５と鎖交する界磁磁束をゼロにまで減少させる事が出来る。さらに電機子と界磁部間の間隙を調整する構造に比して軸方向の長さを小としてコンパクトな回転電機システムに出来る長所がある。

本発明による第八実施例を図２６を用いて説明する。第八実施例は第三実施例の回転電機装置をハイブリッドカーの発電機兼電動機として用いた回転電機システムである。

同図に於いて，番号２６１は第三の実施例で示した回転電機装置を示し，回転電機装置２６１はハイブリッドカーのエンジン２６２とベルトで回転力を伝達するよう結合された回転軸２６９を持ち，回転軸２６９の回転力はトランスミッション２６３を介して駆動軸２６ａに伝えられる。制御装置２６４は上位制御装置からの指令２６ｂを受け，電動機駆動回路２６５を介して回転電機装置２６１を電動機として駆動し，界磁制御回路２６６を介して回転電機装置２６１の界磁強度を制御する。更に制御装置２６４は上位制御装置からの指令２６ｂを受け，電機子コイル７６の引き出し線２６ｃに現れる発電電力を整流回路２６７を介して整流し，バッテリー２６８を充電する構成としている。

制御装置２６４は指令２６ｂの指示により電動機駆動回路２６５を介して回転電機装置２６１を電動機として駆動し，エンジン２６２の回転をアシスト或いは単独で回転軸２６９を回転駆動させ，トランスミッション２６３，駆動軸２６ａを介してハイブリッドカーの駆動力に寄与する。

起動直後の低回転速度域で磁石トルクを強化する必要がある場合は制御装置２６４が界磁制御回路２６６を介して電機子の磁性体歯７４，回転子の磁性体突極１２１，１２２間の界磁磁束量を大とするようアクチュエータ７ｍにより，プッシュロッド７ｋを右方向に駆動して主磁極７ｂと界磁磁石７ａの対向面積を大とさせる。

高回転速度域で弱め界磁とする場合には制御装置２６４が界磁制御回路２６６を介して電機子の磁性体歯７４，回転子の磁性体突極１２１，１２２間の界磁磁束量を小とするようアクチュエータ７ｍにより，プッシュロッド７ｋを左方向に駆動して主磁極７ｂと界磁磁石７ａの対向面積を小とさせる。

エンジン２６２の回転力のみでハイブリッドカーを駆動できる時は，指令２６ｂにより電機子コイル７６の引き出し線２６ｃに現れる発電電力を整流回路２６７を介して直流に変え，バッテリー２６８を充電させる。その場合に制御装置２６４はバッテリー２６８を充電する最適な電圧になるよう界磁制御回路２６６を介してアクチュエータ７ｍを制御する。バッテリー２６８に充電する場合に回転電機装置を定電圧発電機とする事で発電電圧を変換するコンバータは不要である。また，更にバッテリー２６８が電圧の種類の異なる複数種のバッテリーで構成される場合でも切り替え回路を付け加えてそれぞれのバッテリーに最適の発電電圧に制御する事で高価なコンバータを不要に出来る。

第八実施例はまたハイブリッドカーの制動時に於けるエネルギー回収システムとしても有効に機能する。指令２６ｂを通じて回生制動の指示を受けると，制御装置２６４は界磁制御回路２６６を介して電機子の磁性体歯７４，回転子の磁性体突極１２１，１２２間の界磁磁束量を大とするようアクチュエータ７ｍにより，プッシュロッド７ｋを右方向に駆動して主磁極７ｂと界磁磁石７ａの対向面積を大とし，発電電力でバッテリー２６８に充電させる。複数のバッテリー２６８を有する場合には最も充電余力のあるバッテリー２６８の充電電圧に合わせた発電電圧が得られるよう界磁制御回路２６６を介してアクチュエータ７ｍを制御して電機子の磁性体歯７４，回転子の磁性体突極１２１，１２２間の界磁強度を制御する。回転電機装置２６１は駆動用電動機として用いられる体格であるので回生制動用の発電機として十分な制動力を発生できる。

本発明による回転電機システムは従来の界磁制御を行う回転電機に比していくつかの特徴がある。

特徴の一つは，適用可能な磁極構成の柔軟さである。界磁部或いは電機子を二分して磁束の位相制御を行うシステムではリラクタンストルクの減衰が大で適用は磁石トルク利用の回転電機に限定される。磁石を磁性体中に埋め込んで磁石極と磁性体極とを交互に有する回転電機では磁極構造が特殊でリラクタンストルクの利用には支障がある。このように先行する技術提案に於いて，実用に供し得る回転電機構成の数は少なく，しかも磁極構成への規制が強くて普遍性に欠ける。本発明の回転電機に於いても磁極構成への制約は存在するが，実施例に示したように発明の趣旨の範囲内でかなりの変形が可能であり，磁石トルク及びリラクタンストルク利用の回転電機システムに適用出来る。

他の特徴は，回転速度範囲の拡大である。本発明では界磁磁石からの界磁磁束を磁性体突極とバイパス磁極への分流比を変える事で磁性体突極と電機子間の界磁磁束を制御している。磁性体突極に流入する界磁磁束を少なくする事で磁石トルクからリラクタンストルク利用に切り替えても磁性体突極というリソース全体をリラクタンストルクの為に利用出来る。さらに磁性体突極からの界磁磁束をほぼゼロに近いまでに制御してリラクタンストルクのみによる駆動を可能として回転速度域を高速側に拡大出来る。

他の特徴は，高いエネルギー効率である。本発明では界磁磁石からの界磁磁束を磁性体突極への流入部以前で分流制御している。したがって，不要な界磁磁束が電機子側に漏れないので渦電流損を発生する事は無い。また，磁束の分流制御に際して障害となる磁気力の発生は無く，小出力のアクチュエータで制御は可能であり，また磁束の分流制御は機構部の偏倚で実現するので分流制御状態は保存され，更なるエネルギー消費を必要とする事はない。

さらに他の特徴は，磁束分流制御の為の機構部偏倚に障害となる磁気力が発生しない事である。先行する技術提案には界磁磁石の短絡，界磁磁束の磁気抵抗変更等を機構部偏倚により行う数多くの例がある。一般に磁気回路の一部に可動部分を設けた場合，可動部分は磁気回路の磁気抵抗を小とする方向の磁気力を受ける。回転電機の力の源泉であるのでその磁気力も回転電機の出力相当であり，如何にも効率が悪い。上記先行提案例で磁気力が小さいならそれは効果が期待出来ない部分か，或いは回転電機の効率自体が疑わしい。本発明では界磁磁束の分流制御に際しては界磁磁石からの界磁磁束総量は変わらないように機構部の偏倚制御を行うので障害となる磁気力の発生は無く，小出力のアクチュエータにより精密な制御を可能としている。

本発明が実現した界磁制御の可能な磁石励磁回転電機システムが最も適している応用分野の一つは移動体に於ける駆動，発電応用である。この応用分野はまた，回転電機外の原因により障害の発生する確率も高い。その場合に如何に回転電機システムへの損傷を最小限にするかも大きな課題であり，先行する提案もある。そのような障害発生時に本発明では電機子側に流れる界磁磁束をゼロ近くの最小値に制御する事で電機子コイルへの過大電圧発生を回避出来る。またその場合に電機子コイルに過大電流が流れて磁性体歯から過大の磁束が加えられる事はあっても界磁磁石にまでは至らず界磁磁石を損傷させる事態も回避出来る。

以上，本発明の回転電機システムについて，実施例を挙げて説明した。これらの実施例は本発明の趣旨，目的を実現する例を示したのであって本発明の範囲を限定するわけでは無い。例えば，上記の実施例では，主磁極及びバイパス磁極の組み合わせを周方向に偏倚させて主磁路に於ける界磁磁束量を制御する構成を説明したが，主磁極及びバイパス磁極の組み合わせを直線方向に偏倚させる構成も可能であり，回転電機装置の構成に合わせて最適な偏倚制御手段を選ぶ事が出来る。上記実施例を組み合わせる，或いは実施例の一部を組み合わせて本発明の趣旨，目的を実現するシステムを完成させる等が可能な事は勿論である。

本発明による回転電機システムは従来の磁石トルク，リラクタンストルクを利用する回転電機の磁石励磁近傍の構成を変えて回転子と電機子間の界磁強度を容易に制御可能とした。同回転電機システムは従来の回転電機と同様に高出力の電動機として利用できる事に加えて実用出来る回転速度範囲を拡大し，更に発電機能を改善し，またその発電機能を制御できる。

移動体の発電機兼電動機システムに用いて，駆動用電動機としては従来以上の回転速度範囲での使用が期待できる他に制動時のエネルギー回収を可能として総合的なエネルギー消費量を改善できる。

更に定電圧発電機システムとして広い回転速度範囲で発電電圧を一定に制御できるので定電圧制御回路を不要とし，更に電圧の異なる複数種のバッテリー充電にもコンバータを不要に出来，全体のシステムコストを低減出来る。

第一の実施例による回転電機の縦断面図である。図１に示された回転電機の電機子と回転子とを示す断面図である。図１に示された回転電機の励磁磁極部構成を示す平面図である。図１に示された回転電機の回転偏倚した主磁極とバイパス磁極を示す平面図である。図１に示された回転電機の偏倚制御手段の一部を示す断面図である。弱め界磁制御を行う回転電機システムのブロック図である。第二の実施例による回転電機の縦断面図である。図７に示された回転電機の電機子と回転子とを示す断面図である。図７に示された回転電機の制御棒近傍の縦断面図（ａ），回転軸のスリット近傍の断面図（ｂ）である。図７に示された回転電機の制御棒の斜視図（ａ），スリーブの斜視図（ｂ）である。第三の実施例による回転電機の縦断面図である。図１１に示された回転電機の電機子と回転子とを示す断面図である。図１１に示された回転電機の回転子と第一，第二延長部を示す斜視図である。第四の実施例による回転電機の電機子と回転子とを示す断面図である。第五の実施例による回転電機の縦断面図である。図１５に示された回転電機の電機子と回転子とを示す断面図である。図１５に示された回転電機の回転子と第一，第二延長部，励磁磁極部を示す斜視図である。図１５に示された回転電機の励磁磁極部の縦断面図である。図１５に示された回転電機の励磁磁極部の平面図である。図１５に示された回転電機の偏倚制御手段の斜視図である。第六の実施例による回転電機の電機子と回転子とを示す断面図である。第七の実施例による回転電機の縦断面図である。図２２に示された回転電機の電機子と磁性体突極とを示す平面図である。図２２に示された回転電機の励磁磁極部の構成を示す平面図である。図２２に示された回転電機の励磁磁極部の界磁磁石と主磁極の相対偏倚を示す平面図である。第八の実施例による回転電機システムのブロック図である。

符号の説明

１１・・・固定軸，１２・・・基板，
１３・・・ベアリング，１４・・・磁性体歯，
１５・・・円筒状磁気ヨーク，１６・・・電機子コイル，
１７・・・磁性体突極，１８・・・プーリー部，
１９・・・ロータハウジング，１ａ・・・界磁磁石，
１ｂ・・・主磁極，１ｃ・・・バイパス磁極，
１ｄ・・・ベース磁極，１ｅ・・・間隙，
１ｆ・・・励磁磁極部支持体，１ｇ・・・制御棒，
１ｈ・・・アクチュエータ，１ｊ・・・スリット部，
１ｋ・・・ピン
３１・・・磁気空隙部，３２・・・円筒状磁気コア
４１・・・界磁磁石１ａの存在領域
６１・・・回転電機，６２・・・入力，
６３・・・出力，６４・・・状態信号，
６５・・・制御装置，６６・・・制御信号，
６７・・・駆動制御回路
７１・・・回転軸，７２・・・ハウジング，
７３・・・ベアリング，７４・・・磁性体歯，
７５・・・円筒状磁気ヨーク，７６・・・電機子コイル，
７７，７８・・回転子，７９・・・磁束チャネル部，
７ａ・・・界磁磁石，７ｂ・・・主磁極，
７ｃ・・・バイパス磁極，７ｄ・・・励磁磁極部支持体，
７ｅ・・・スリット，７ｆ・・・ピン，
７ｇ・・・制御棒，７ｈ・・・スリーブ，
７ｊ・・・スプリング，７ｋ・・・プッシュロッド，
７ｍ・・・アクチュエータ，７ｎ・・・冷却ファン
８１・・・磁性体突極，８２・・・磁気空隙部，
８３・・・可飽和磁性体結合部
１０１・・・斜交溝，１０２・・・ピン，
１０３・・・分割溝，１０４・・・ピン
１１１・・・磁極部，１１２・・・第一延長部，
１１３・・・第二延長部
１２１，１２２・・磁性体突極，１２３・・・磁気空隙部，
１２４・・・磁束チャネル部，１２５・・・可飽和磁性体部，
１２６・・・磁性体
１３１，１３２・・磁性体突部，１３３，１３４・・非磁性体部，
１３５・・・励磁磁極部の一部
１４１・・・永久磁石
１５１・・・磁極部，１５２・・・第一延長部，
１５３・・・第二延長部，１５４・・・界磁磁石，
１５５・・・主磁極，１５６・・・バイパス磁極，
１５７・・・ベース磁極，１５８・・・励磁磁極部支持体
１６１，１６２・・磁性体突極，１６３・・・中間磁性体突極，
１６４，１６５・・磁石板，１６６・・・磁気空隙部，
１６７・・・磁束チャネル部
１７１，１７２・・励磁磁極部，１７３，１７４・・磁性体突部，
１７５，１７６・・非磁性体部
１８１・・・磁気的な間隙
１９１・・・磁気空隙部，１９２・・・空隙部，
１９３・・・突部
２０１・・・ギア，２０２・・・ギア，
２０３・・・ステップモータ
２１１，２１２・・磁性体突極，２１３，２１４・・永久磁石，
２１５・・・磁性体結合部，２１６・・・空隙，
２１７・・・磁気ヨーク
２２１・・・回転軸，２２２・・・基板，
２２３・・・ベアリング，２２４・・・磁性体歯，
２２５・・・電機子コイル，２２６・・・カップ，
２２７・・・表面磁極層，２２８・・・磁性体突極，
２２９・・・可動磁極層，２２ａ・・・界磁磁石，
２２ｂ・・・主磁極，２２ｃ・・・バイパス磁極，
２２ｄ・・・ベース磁極，２２ｅ・・・ガイド溝，
２２ｆ・・・ガイド溝，２２ｇ・・・錘，
２２ｈ・・・スプリング
２３１・・・磁気空隙部
２４１・・・バイパス磁性体
２５１・・・界磁磁石２２ａの周方向位置

Claims

回転電機システムは，軸と同心に径方向に或いは軸方向に互いに対向し且つ相対的に回転可能に配置された表面磁極部及び電機子とより少なくとも構成され，電機子は周方向に配置された複数の磁性体歯と磁性体歯に巻回された電機子コイルとから構成され，表面磁極部は電機子と対向して周方向に配置された複数の磁性体突極を少なくとも有して磁性体突極が永久磁石励磁されている回転電機システムであって，表面磁極部の磁性体突極は励磁される磁化の種類により１或いは２のグループに集合され，集合された磁性体突極のグループをそれぞれ一括して磁石励磁する励磁磁極部を有し，励磁磁極部に於いて，界磁磁石の磁極であるＮ極，Ｓ極の何れか一方を第一界磁磁極，他方を第二界磁磁極として第一界磁磁極が主磁極及びバイパス磁極と対向し，主磁極は流入した界磁磁束が磁性体突極及び電機子を介して第二界磁磁極に環流する主磁路に接続され，バイパス磁極は流入した界磁磁束が主に励磁磁極部内で第二界磁磁極に環流するバイパス磁路に接続されてバイパス磁路の磁気抵抗は主磁路の磁気抵抗とほぼ等しくなるように設定され，第一界磁磁極が主磁極と対向する面積及びバイパス磁極と対向する面積の和を一定に保ちながらそれぞれの面積比を変えるように主磁極及びバイパス磁極の組み合わせと界磁磁石間は相対偏倚可能に構成され，さらに主磁極及びバイパス磁極の組み合わせと界磁磁石の何れか一方を偏倚磁極部として偏倚磁極部を他方に対して相対的に偏倚させる偏倚制御手段を有し，回転電機システムの出力に応じて偏倚制御手段を駆動して電機子と磁性体突極間の界磁強度を制御し，前記出力を最適化する事を特徴とする回転電機システム
請求項１記載の回転電機システムに於いて，磁性体突極より飽和磁束密度が大の等方性磁性体で構成された磁束キャリア部を磁性体突極の電機子から遠い側の領域に有することを特徴とする回転電機システム
請求項１記載の回転電機システムに於いて，励磁磁極部は，一以上の界磁磁石及び主磁極及びバイパス磁極及びバイパス磁路とより成り，軸と同心に界磁磁石は磁気空隙部と交互に周方向に配置され，主磁極及びバイパス磁極の組み合わせは各界磁磁石の第一界磁磁極に対向して周方向に並ぶ構成とし，主磁路は主磁極と第二界磁磁極間に磁性体突極及び電機子が磁気的に結合されて界磁磁束が環流する磁路とし，バイパス磁路はバイパス磁極と第二界磁磁極間に磁性体及び磁気空隙が磁気的に結合されて界磁磁束が環流する磁路とし，バイパス磁路内の磁気空隙の空隙長及び対向面積を調整してバイパス磁路の磁気抵抗を主磁路の磁気抵抗にほぼ等しく設定させる構成とし，第一界磁磁極が主磁極と対向する面積及びバイパス磁極と対向する面積の和を一定に保ちながらそれぞれの面積比を変えるように主磁極及びバイパス磁極の組み合わせと界磁磁石間は周方向に相対偏倚可能に構成された事を特徴とする回転電機システム
請求項３記載の回転電機システムに於いて，主磁極及びバイパス磁極の組み合わせと界磁磁石との間の相対偏倚の周方向角度長が第一界磁磁極と対向する面に於ける主磁極の周方向角度長或いはバイパス磁極の周方向角度長の何れか小の周方向角度長を越えないよう規制する偏倚規制手段を有する事を特徴とする回転電機システム
請求項１記載の表面磁極部及び電機子が軸方向に対向する回転電機システムに於いて，電機子は軸を周回する磁気ヨーク及び磁気ヨークから軸方向に延び周方向に配置された複数の磁性体歯と磁性体歯に巻回された電機子コイルとから構成され，表面磁極部は，電機子に対向して磁性体突極と磁気空隙部が交互に周方向に配置される構成として回転子側に配置され，励磁磁極部は静止側或いは回転子側に配置され，表面磁極部の磁性体突極及び電機子の磁気ヨークそれぞれと主磁極，第二界磁磁極を磁気的に結合させて界磁磁束を磁性体突極と磁気ヨーク間に供給する構成とした事を特徴とする回転電機システム
請求項１記載の表面磁極部及び電機子が軸方向に対向する回転電機システムに於いて，電機子は軸を周回する磁気ヨーク及び磁気ヨークから軸方向に延び周方向に配置された複数の磁性体歯と磁性体歯に巻回された電機子コイルとから構成され，表面磁極部は，電機子に対向して磁性体突極と磁気空隙部が交互に周方向に配置される構成として回転子側に配置され，隣接する磁性体突極は互いに内径方向或いは外径方向の何れか異なる方向に延伸されて第一延長部，第二延長部とし，励磁磁極部は表面磁極部に隣接して電機子より遠い側の回転子側に配置され，第一延長部，第二延長部それぞれを集合する磁性体それぞれと主磁極，第二界磁磁極を磁気的に結合させて励磁磁極部が隣接する磁性体突極を互いに異極に磁化するよう配置構成されている事を特徴とする回転電機システム
請求項１記載の表面磁極部及び電機子が径方向に対向する回転電機システムに於いて，電機子は軸を周回する磁気ヨーク及び磁気ヨークから径方向に延び周方向に配置された複数の磁性体歯と磁性体歯に巻回された電機子コイルとから構成され，表面磁極部は，電機子に対向して磁性体突極と磁気空隙部が交互に周方向に配置される構成として回転子側に配置され，励磁磁極部は回転子と軸方向に隣接して静止側或いは回転子側に配置され，表面磁極部の磁性体突極と磁気ヨークのそれぞれに主磁極，第二界磁磁極を磁気的に結合させて界磁磁束を磁性体突極と磁気ヨーク間に供給する構成とした事を特徴とする回転電機システム
請求項１記載の表面磁極部及び電機子が径方向に対向する回転電機システムに於いて，電機子は軸を周回する磁気ヨーク及び磁気ヨークから径方向に延び周方向に配置された複数の磁性体歯と磁性体歯に巻回された電機子コイルとから構成され，電機子に対向して磁性体突極と磁気空隙部が交互に周方向に配置された表面磁極部から成る二つの回転子を互いに一方の磁性体突極に対して他方の磁気空隙部が対応するよう軸方向に配置して第一回転子，第二回転子とし，励磁磁極部が第一回転子，第二回転子間に配置されて第一回転子，第二回転子それぞれの表面磁極部の磁性体突極に主磁極，第二界磁磁極を磁気的に結合させ，第一回転子，第二回転子それぞれの表面磁極部の磁性体突極を互いに異極に磁化するよう構成されている事を特徴とする回転電機システム
請求項１記載の表面磁極部及び電機子が径方向に対向する回転電機システムに於いて，電機子は磁気ヨーク及び磁気ヨークから径方向に延び周方向に配置された複数の磁性体歯と磁性体歯に巻回された電機子コイルとから構成され，表面磁極部は，電機子に対向して周方向に磁性体が磁気空隙部或いは永久磁石あるいは集合永久磁石によって区分された一以上の磁性体突極を有し，隣接する磁性体突極は互いに軸と平行の異なる方向に延伸されて第一延長部，第二延長部とし，回転子側或いは静止側に配置された１或いは２の励磁磁極部が隣接する磁性体突極を互いに異極に磁化するよう配置構成されている事を特徴とする回転電機システム
請求項９記載の回転電機システムに於いて，表面磁極部は，電機子に対向して軸方向に延びる磁性体突極と磁気空隙部が交互に周方向に配置され，隣接する磁性体突極は互いに軸と平行の異なる方向に延伸されて第一延長部，第二延長部として構成されている事を特徴とする回転電機システム
請求項９記載の回転電機システムに於いて，表面磁極部は，電機子に対向して軸方向に延びる磁性体突極と永久磁石とが周方向に交互に配置され，隣接する永久磁石は互いに略周方向の磁化を反転して配置され，隣接する磁性体突極を軸と平行の異なる方向に延伸させてそれぞれ第一延長部，第二延長部を持つ構成とし，励磁磁極部の主磁極及び第二界磁磁極がそれぞれ同種の磁化となる第一延長部或いは第二延長部と磁気的に結合して構成されている事を特徴とする回転電機システム
請求項９記載の回転電機システムに於いて，集合永久磁石は中間磁性体突極の周方向両側面に板面と直交し且つ同一磁化方向を持つ永久磁石板を配置した構成とし，表面磁極部は，磁性体突極と集合永久磁石が周方向に交互に配置され，隣接する集合永久磁石は互いに略周方向の磁化を反転して配置され，隣接する磁性体突極を軸と平行の異なる方向に延伸させてそれぞれ第一延長部，第二延長部を持つ構成とし，励磁磁極部の主磁極及び第二界磁磁極それぞれは同種の磁化となる第一延長部或いは第二延長部と磁気的に結合して構成されている事を特徴とする回転電機システム
請求項９記載の回転電機システムに於いて，表面磁極部は，磁性体歯と径方向に空隙を挟んで対向し，且つ軸方向に伸び，鉄心の外周形状及び外周に対向して鉄心内に設けられた空隙とで区分されて周方向に複数の磁性体突極が形成され，鉄心内の前記空隙には永久磁石が配置され，隣接する磁性体突極は互いに逆極性に磁化されるよう永久磁石の磁化方向が設定され，隣接する磁性体突極は互いに磁気的に独立に構成されてそれぞれは互いに軸と平行の異なる方向に延長した第一延長部及び第二延長部を持つ構成とし，励磁磁極部の主磁極及び第二界磁磁極それぞれは同種の磁化となる第一延長部或いは第二延長部と磁気的に結合して構成されている事を特徴とする回転電機システム
請求項９記載の回転電機システムに於いて，二つの励磁磁極部が，表面磁極部の第一延長部，第二延長部に隣接する静止側に配置され，磁気ヨーク両端と第一延長部，第二延長部間に二つの励磁磁極部の主磁極及び第二界磁磁極が磁気的に結合され，第一延長部，第二延長部が互いに異極に磁化するよう構成されている事を特徴とする回転電機システム
請求項９記載の回転電機システムに於いて，一つの励磁磁極部が表面磁極部の内周側に配置されて主磁極及び第二界磁磁極それぞれを第一延長部，第二延長部に磁気的に結合し，第一延長部，第二延長部が異極に磁化するよう構成されている事を特徴とする回転電機システム
請求項１記載の励磁磁極部を静止側に配置した回転電機システムに於いて，偏倚制御手段は，静止側に配置されたアクチュエータとより構成され，アクチュエータから直接に或いはギア機構を介して偏倚磁極部の停止位置を保持し，停止位置を変える構成とした事を特徴とする回転電機システム
請求項１記載の励磁磁極部を回転子側に配置した回転電機システムに於いて，偏倚制御手段は，偏倚磁極部或いは偏倚磁極部と係合する部材を軸方向に偏倚させる静止側に配置されたアクチュエータと軸方向移動量を回転偏倚に変える斜面とより構成され，前記アクチュエータが偏倚磁極部或いは偏倚磁極部と係合する部材を軸方向に偏倚させ，軸方向移動量を前記斜面により偏倚磁極部を回転偏倚させる事を特徴とする回転電機システム
請求項１記載の励磁磁極部を回転子側に配置した回転電機システムに於いて，偏倚制御手段は，回転子の回転速度の増減に伴い錘に作用する径方向の遠心力を周方向の偏倚に変換するガバナ機構とし，ガバナ機構により低回転速度領域では偏倚磁極部を基準位置近傍に保持して第一界磁磁極と主磁極とが対向する面積を大にして電機子側に流れる界磁磁束量を大に，高回転速度領域では偏倚磁極部を基準位置から所定方向に偏倚させて第一界磁磁極と主磁極とが対向する面積を小にして電機子側に流れる界磁磁束量を小とするよう構成した事を特徴とする回転電機システム
請求項１から１７の何れかに記載の回転電機システムに於いて，回転力を入力とし，電機子コイルに誘起される発電電圧が所定の値より大の時は偏倚制御手段を制御して第一界磁磁極と主磁極とが対向する面積を小とし，発電電圧が所定の値より小の時は偏倚制御手段を制御して第一界磁磁極と主磁極とが対向する面積を大とし，発電電圧を所定の値に制御する事を特徴とする回転電機システム
請求項１から１７の何れかに記載の回転電機システムに於いて，電機子コイルへの供給電流を入力とし，回転速度が所定の値より大で弱め界磁とする時には偏倚制御手段を制御して第一界磁磁極と主磁極とが対向する面積を小とし，回転速度が所定の値より小で界磁強度を強める時には偏倚制御手段を制御して第一界磁磁極と主磁極とが対向する面積を大として回転力を最適に制御し，回転速度を減少させる場合には電機子と回転子間の界磁強度を大とするよう偏倚制御手段を制御して第一界磁磁極と主磁極とが対向する面積を大とするよう構成され，回転エネルギーを発電電力として取り出す事を特徴とする回転電機システム
回転電機システムは，軸と同心に径方向に或いは軸方向に互いに対向し且つ相対的に回転可能に配置された表面磁極部及び電機子とより少なくとも構成され，電機子は軸を周方向に配置された複数の磁性体歯と磁性体歯に巻回された電機子コイルとから構成され，表面磁極部は電機子と対向して周方向に配置された複数の磁性体突極を少なくとも有して磁性体突極が永久磁石励磁されている回転電機システムに於いて，表面磁極部の磁性体突極は励磁される磁化の種類により１或いは２のグループに集合され，集合された磁性体突極のグループをそれぞれ一括して磁石励磁する励磁磁極部を有し，励磁磁極部に於いて，界磁磁石の磁極であるＮ極，Ｓ極の何れか一方を第一界磁磁極，他方を第二界磁磁極として第一界磁磁極が主磁極及びバイパス磁極と対向し，主磁極は流入した界磁磁束が磁性体突極及び電機子を介して第二界磁磁極に環流する主磁路に接続され，バイパス磁極は流入した界磁磁束が主に励磁磁極部内で第二界磁磁極に環流するバイパス磁路に接続されてバイパス磁路の磁気抵抗は主磁路の磁気抵抗とほぼ等しくなるように設定され，第一界磁磁極が主磁極と対向する面積及びバイパス磁極と対向する面積の和を一定に保ちながらそれぞれの面積比を変えるように主磁極及びバイパス磁極の組み合わせと界磁磁石間は相対偏倚可能に構成され，主磁極及びバイパス磁極の組み合わせと界磁磁石間を相対的に駆動偏倚させて主磁路に流入する界磁磁束量を制御する界磁制御方法