JP4629469B2 - 磁石式同期回転電機 - Google Patents

Description

この発明は、電動機または発電機として適用される磁石式同期回転電機に関するものである。

従来の磁石式同期回転電機においては、電機子巻線を有する固定子と、回転軸に固定された第１の回転子と、第１の回転子に対して相対回転可能な第２の回転子と、ガバナ機構とを有し、ガバナ機構を用い、回転速度の上昇によって発生する遠心力により第２の回転子が相対回転して、第１および第２の回転子の合成磁束を低減するようになっている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１に記載された磁石式同期回転電機によれば、回転子の永久磁石が固定子と対面しており、第２の回転子が相対回転して合成磁束が小さくなったとしても、第１の回転子から発生した磁束が、固定子のティースを通って第２の回転子に戻るので、固定子内においては軸方向に磁束が発生する。
このとき、固定子内に発生した磁束は、固定子コイル（電機子巻線）とは鎖交しないので、固定子の起電力は発生しないが、固定子内で軸方向の磁束が発生する。すなわち、積層された固定子鉄心に対して垂直方向に磁束が発生する。また、固定子鉄心に発生する磁束は、回転子の回転とともに変化するので、大きな渦電流損失が固定子に発生し、効率の悪いものとなっている。

また、回転速度に応じた磁束量を決定するために、遠心力を利用した磁束可変機構を備えているが、磁束可変機構内のバネ部材、おもりおよび摩擦のばらつきや、回転子の磁石特性のばらつきなどにより、同一回転速度であっても合成磁束がばらつくので、所望の特性を得るのが困難である。
さらに、磁石式同期回転電機を発電機として使用する場合には、発生する合成磁束が回転速度によって変化するうえ、負荷に対する磁束の調整手段がないので、当初の回転速度が同一であっても、接続負荷が大きいときには電機子反作用が大きいことから発電電圧が低下し、接続負荷が小さいときには電機子反作用が小さいことから高い電圧が発生してしまう。

特開平１０−１５５２６２号公報

従来の磁石式同期回転電機では、第１の回転子から発生した磁束が、固定子を介して第２の回転子に戻るので、固定子内に磁束が発生するうえ発生磁束が回転子の回転とともに変化するので、大きな渦電流損失が固定子に発生して効率を低下させてしまうという課題があった。

また、遠心力を利用した磁束可変機構を用いているが、バネ部材、おもり、摩擦、磁石特性などのばらつきに起因して、同一回転速度でも合成磁束がばらついて、所望の特性が得られないという課題があった。
さらに、発電機として使用する場合には、合成磁束が回転速度によって変化するので、接続負荷が大きいときは電機子反作用が大きいことから発電電圧が低下し、接続負荷が小さいときには電機子反作用が小さいことから高い電圧が発生してしまうという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、損失を抑制して高効率化を実現するとともに、合成磁束のばらつきによる特性変動を抑制し、確実に最大トルクが得られる磁石式同期回転電機を得ることを目的とする。

この発明による磁石式同期回転電機は、電機子巻線を有する固定子と、固定子に対向して回転する回転軸と、第１の永久磁石を有し回転軸に固定された第１の回転子と、第２の永久磁石を有し回転軸に設けられた第２の回転子と、第１および第２の回転子の間に設けられたバネ部材とを備え、第２の回転子は、第１の回転子に対して回転軸の軸方向に対向配置されるとともに、第１の回転子に対して相対的に回転可能に設けられ、バネ部材は、第１の回転子の第１の磁束と、第２の回転子の第２の磁束との合成磁束がほぼゼロになるように、第２の回転子を回転させるための戻しトルクを発生する磁石式同期回転電機において、第１および第２の永久磁石は、埋込磁石構造を有し、第１の回転子の固定子に対向する面側の回転子鉄心と、第２の回転子の固定子に対向する面側の回転子鉄心との間には、磁気的な空間からなる磁路が設けられたものである。

この発明によれば、何もしない状態では合成磁束がゼロとなり、第１の永久磁石と第２の永久磁石との磁気吸引力により合成磁束のゼロ点が安定点となり、合成磁束の最大点も不安定な方のトルクゼロ点となり、通電しないときに不安定なトルクゼロ点から、磁束ゼロの安定点に回転位置を戻す働きをすることにより、高効率化を実現するとともに特性変動を抑制し、確実に最大トルクを得ることができる。

実施の形態１．
以下、図面を参照しながら、この発明の実施の形態１について詳細に説明する。
図１はこの発明の実施の形態１に係る磁石式同期回転電機を示す断面図である。
図１において、磁石式同期回転電機は、電機子巻線２を有する固定子１と、固定子１に対向して回転する回転軸１０と、第１の永久磁石２１を有し回転軸１０に固定された第１の回転子１１と、第２の永久磁石２２を有し回転軸１０に設けられた第２の回転子１２と、第１および第２の回転子１１、１２の間に設けられたバネ部材１３と、第１および第２の回転子１１、１２の間に形成された空気層２０と、回転軸１０に設けられ且つ第２の回転子１２に固定された円筒部材２３と、円筒部材２３の一端に対向配置されて第２の回転子１２の回転位置を検出する回転位置センサ２４（位置検出器）とを備えている。

図２は第１および第２の回転子１１、１２の相対位置関係を示す斜視図である。
図２において、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、第２の回転子１１に対する第２の回転子１２の相対角度θを、固定子１の３相の電機子巻線２ｕ、２ｖ、２ｗに流れる電機子電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗと関連付けて示している。

図１および図２において、固定子１に設けられた電機子巻線２は、３相（ｕ、ｖ、ｗ）に対応した各巻線２ｕ、２ｖ、２ｗを含む。
第２の回転子１２は、第１の回転子１１に対して回転軸１０の軸方向に対向配置されるとともに、第１の回転子１１に対して相対的に回転可能に設けられている。
バネ部材１３は、第１の回転子１１の第１の磁束φ１と、第２の回転子１２の第２の磁束φ２との合成磁束φがほぼゼロになるように、第２の回転子１２を回転させるための戻しトルクを発生する。

すなわち、第２の回転子１２は、バネ部材１３を含む戻し機構により、第１の回転子１１の磁束φ１と第２の回転子１２の磁束φ２とを合成したギャップ磁束φが、ほぼゼロになる回転位置が安定点となるように構成されている。
また、第２の回転子１２は、安定点（合成磁束φのゼロ点）から、回転軸１０の回転方向に関して、相対回転移動が可能に構成されている。

回転軸１０に固定された第１の回転子１１は、鉄製の円板を積層して外周部に複数の穴を形成し、周方向に沿った各穴に対して、Ｎ極およびＳ極の磁極が交互に配置するように、それぞれ第１の永久磁石２１が挿入されて構成される。
一方、第２の回転子１２は、第１の回転子１１と同様の構成を有しているが、第１の回転子１１に対して相対的に回転可能な構造とするために、第２の回転子１２の内径には、回転軸１０に対して回転可能にはめ合わせられた円筒部材２３が圧入固定されている。

次に、磁石式同期回転電機を電動機として適用した場合を例にとり、図１および図２に示したこの発明の実施の形態１による動作について説明する。
まず、電機子巻線２に電流が流れていない状態においては、第１の永久磁石２１の磁極に対し、第２の永久磁石２２の磁極が反対極性となるように対向している。
また、第１および第２の回転子１１、１２の対向面は、空気層２０などの非磁性材が介在されており、第１および第２の回転子１１、１２は、第１および第２の永久磁石２１、２２および回転軸１０を介して磁気回路が形成されている。
すなわち、第１および第２の永久磁石２１、２２から発生するほとんどの磁束は、空気層２０、第１および第２の回転子１１、１２を通り、また、磁束の一部は、回転軸１０を通って、第１および第２の回転子１１、１２内を循環している。

このときの磁気回路状態は、磁気的に安定であるうえ、さらに、バネ部材１３は、第２の回転子１２の第１の回転子１１に対する相対回転位置を保持している。
この状態において、回転軸１０が、外部からの駆動力や惰性回転などの回転力を受けると、第１および第２の永久磁石２１、２２の磁束φが第１および第２の回転子１１、１２内を循環しているので、回転軸１０の回転力が固定子１の鉄心に伝達することはない。

また、固定子１の鉄心に達する磁束が存在したとしても、その磁束は極わずかであり、固定子１に渦電流損が発生することはほとんどない。
また、固定子１の鉄心に達する磁束が存在したとしても、その磁束は、固定子１の電機子巻線２とは鎖交することなく、第１および第２の回転子１１、１２に戻ってくるので、電機子巻線２に起電力を発生することはない。
なお、第１および第２の回転子１１、１２の各鉄心も積層構造を有しているが、各回転子１１、１２と一体に回転するので、渦電流損失を生じることはない。

また、第１および第２の回転子１２の間には、磁気的な空間として空気層２０が形成されており、第１および第２の回転子１２の間に磁束が通りにくいように構成されているので、固定子１に流れた磁束が固定子１の鉄心の積層方向（回転軸１０の軸方向）に流れることを抑制して、固定子１の鉄損を低く抑制することができる。

なお、上記実施の形態１では、第１および第２の回転子１１、１２の間に介在される非磁性体として空気層２０を設けたが、空気層２０に代えて、たとえば図３のように、導電体からなる銅板３０を設けてもよい。
図３においては、第１または第２の回転子１１、１２の一方の回転子面（この場合、第２の回転子１２の対向面）に銅板３０が固着されている。

これにより、第１および第２の回転子１１、１２が互いに相対回転する際に、回転子間の磁束が変化するので、銅板３０に渦電流が発生し、第１および第２の回転子１１、１２が相対的に移動し難くなる。
この結果、銅板３０は、ダンパとして機能し、第１および第２の回転子１１、１２の過渡的または振動的な相対移動を抑制して、両回転子の合成磁束を安定させる効果がある。

また、ダンパとしては、図３の構成例に限らず、たとえば図４のように、第１および第２の回転子１１、１２の相互対向面に、それぞれ、別の永久磁石３１と銅板３０とを設けてもよい。
図４においては、第１の回転子１１に永久磁石３１が設けられ、第２の回転子１２に銅板３０が設けられている。
また、図３または図４のような磁気的なダンパに限らず、液体や空気などの流体を介在させた機械式ダンパを用いてもよい。

また、上記実施の形態１では、バネ部材１３として、機械式のスプリングを用いたが、たとえば図５のように、第１および第２の回転子１１、１２の相互対向面に、それぞれ、さらに別の永久磁石３１、３２を設けてもよい。
図５においては、第１および第２の回転子１１、１２の各磁束が互いにキャンセルされる位置で、一方のＮ極と他方のＳ極とが互いに向き合うように、第１および第２の回転子１１、１２の相互対向面に永久磁石３１、３２が設けられている。

なお、上記実施の形態１では、電動機の駆動回路について言及しなかったが、たとえば図６のように構成された回路を適用することができる。
図６は電動機を駆動するためのインバータを含む制御回路を電動機とともに示す回路構成図である。
図６において、電動機４０には、３相の電機子巻線２ｕ、２ｖ、２ｗに電機子電流を供給するインバータ５０と、インバータ５０を制御する制御回路６０と、インバータ５０および制御回路６０に電源を供給するバッテリ７０とが接続されている。

インバータ５０は、電機子電流（相電流）ｉｕ、ｉｗを検出する電流検出器５１、５２と、３対のトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６からなるブリッジ回路とを備えている。
各トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６は、それぞれ、エミッタ・コレクタ間に逆並列接続されたダイオードを有し、ベース端子に制御回路からの制御信号が入力されるようになっている。

電動機４０内の回転位置センサ２４は、第２の回転子１２の回転位置を検出して制御回路６０に入力する。
また、インバータ５０内の電流検出器５１、５２は、ｕ相及びｗ相の電機子電流ｉｕ、ｉｗを検出して制御回路６０に入力する。なお、ｖ相の電機子電流ｉｖは、他の２相の電機子電流ｉｕ、ｉｗから、制御回路６０内の演算により求められる。

以下、電動機４０に関連させて、図６に示したインバータ５０および制御回路６０の動作について説明する。
制御回路６０は、第２の回転子１２の回転位置と、固定子１の電機子電流ｉｕ、ｉｗとに基づいて、インバータ５０内のブリッジ回路を駆動制御する。

電動機４０を回転駆動する場合、まず、制御回路６０は、第２の回転子１２にトルクＴ２が発生するように、電機子巻線２に少しだけ電機子電流を流す。
このとき、第２の回転子１２には正方向のトルクＴ２が発生するが、第２の回転子１２に対向配置された第１の回転子１１の磁極は、第２の回転子１２の磁極とは正反対なので、第１の回転子１１には負のトルクＴ１が発生する。

この時点では、回転軸１０にはトルクＴが発生しないが、第２の回転子１２に発生した正方向のトルクＴ２は、第２の回転子１２のみを回転させることになる。
これにより、第１の回転子１１に対する第２の回転子１２の相対位置がずれるので、バネ部材１３により、第１の回転子１１に対して正方向のトルクＴ１が発生する。

この結果、回転軸１０に正方向のトルクＴが発生して、回転軸１０は回転を開始する。
ここで、電機子巻線２に供給する電機子電流を増大させると、第２の回転子１２に発生するトルクＴ２は大きくなるが、第１の回転子１１との相対回転位置がずれているので、第１の回転子１１に発生する負のトルクＴ１は小さい。したがって、回転軸１０には、さらに大きな正方向トルクＴが発生する。

続いて、さらに電機子電流を増大させると、第２の回転子１２に発生するトルクＴ２がさらに大きくなるとともに、第２の回転子１２の相対位置が、第１の回転子１１の磁極と同一極性になるので、第１の回転子１１にも正方向のトルクＴ１が発生するようになる。
このとき、第２の回転子１２のトルクＴ２は、第１の回転子１１のトルクＴ１と同一値であり、バネ部材１３の強さ（スプリング付勢力）を、両回転子１１、１２の合計トルクＴの半分、すなわち第２の回転子１２のトルクＴ２と同一値に設定しておけば、最大トルク時に、丁度、第１の回転子１１と第２の回転子１２との回転位置が一致する。

しかし、仮に、バネ部材１３の付勢力を第２の回転子１２の最大トルクよりも大きい値に設定した場合には、最大の電機子電流を流しても、第２の回転子１２の回転位置が第１の回転子１１と一致することがないので、最大磁束を得ることができない。
逆に、バネ部材１３の付勢力を第２の回転子１２の最大トルクよりも小さい値に設定した場合には、最大トルクを出力しようとして電機子電流を増大させたときに、第２の回転子１２は、第１の回転子１１と磁束が一致するところを超えてさらに相対回転してしまうことになる。

したがって、たとえば、第１および第２の回転子１１、１２の各磁束φ１、φ２が一致する位置にストッパ手段（図示せず）を設けておけば、バネ部材１３の付勢力が弱い場合であっても、または、バネ部材１３の付勢力がばらついた場合であっても、最大トルク時には、第１および第２の回転子１１、１２の磁束φ１、φ２が一致したところで使用することができ、確実に最大トルクを得ることができる。

その後、電動機４０の回転速度が上昇し、逆起電力が大きくなると、電機子電流が小さくなってくる。
これにより、第２の回転子１２に発生するトルクＴ２が減少するので、バネ部材１３の付勢力によって、第１の回転子１１に対する第２の回転子１２の相対角度が小さくなり、電機子巻線２に鎖交する磁束が小さくなる。
このとき、第１および第２の回転子１１、１２の永久磁石２１、２２（図１参照）の磁束を弱めた場合と同じ状態になるので、小さい逆起電力で電流を流し続けることが可能であり、電動機４０の高速運転が可能になる。

また、何らかの故障によって電機子電流を流すことができなくなった場合には、第２の回転子１２は、バネ部材１３と第１、第２の永久磁石２１、２２との作用により、初期位置に復帰するので、電機子巻線２に鎖交する磁束が無くなり、高速回転中であっても、過大な電圧を発生して機器などを破損することはない。

また、第２の回転子１２の直軸（ｄ軸）に負の電流を流すことにより、電機子巻線２への印加電圧を低く抑制することもできる。
すなわち、この場合、第１および第２の回転子１１、１２に対して埋込磁石構造の永久磁石２１、２２を用いているので、横軸インダクタンスが直軸インダクタンスよりも大きい逆突極特性を示し、リラクタンストルクによりトルクＴを大きくすることができる。

このような電動機４０の電圧方程式から、第２の回転子１２を基準とした座標における直軸電圧ｖｄおよび横軸電圧ｖｑは、第１の回転子１１と第２の回転子１２との相対角度θと、第２の回転子１２を基準とした回転座標系における直軸（ｄ２軸）および横軸（ｑ２軸）の電流ｉｄ２、ｉｑ２とを用いて、次式（１）のように表すことができる。

ただし、式（１）において、ｒは電機子抵抗、ωは電機角速度であり、Ｌｄ１、Ｌｑ１は、第１の回転子１１の第１の回転子１１座標における直軸インダクタンスおよび横軸インダクタンスである。
また、Ｌｄ２、Ｌｑ２は、第２の回転子１２の第２の回転子１２座標における直軸インダクタンスおよび横軸インダクタンスである。
さらに、φ１、φ２は、第１および第２の回転子１１、１２の各永久磁石２１、２２による電機子巻線２の鎖交磁束である。
一方、第２の回転子１２から発生するトルクＴ２は、次式（２）のように表される。

ここで、バネ部材１３の変位・トルク特性に基づく付勢力Ｔｓを、相対角度θの関数として、次式のように表すものとする。

Ｔｓ＝Ｔｓ（θ）

このとき、第２の回転子１２は、バネ部材１３を介して、第１の回転子１１と結合されているので、第２の回転子１２のトルクＴ２は、次式で表される。

Ｔ２＝Ｔｓ（θ）

したがって、相対角度θが一意的に決定される。
ここで、付勢力Ｔｓの関数Ｔｓ（θ）は、次式で表される。

Ｔｓ（θ）＝ｋ（θ−１８０）

ただし、上式において、ｋはバネ定数である。
上式から、関数Ｔｓ（θ）は、θ＝１８０度においてバネ部材１３の戻しトルクがゼロになるような線形特性を有する。
これにより、第２の回転子１２のトルクＴ２が決定すれば、バネ部材１３の変位が決定し、第１の回転子１１と第２の回転子１２との相対角度θが決定する。
よって、上記電圧方程式から、電機子巻線２の端子電圧が求められる。
一方、第１の回転子１１のトルクＴ１は、次式（３）で与えられる。

したがって、合成トルクＴは、次式（４）で与えられる。

以上から明らかなように、回転位置センサ２４から得られる第２の回転子１２の回転位置に基づいて、電動機４０のトルクＴおよび端子電圧を制御可能なことが分かる。
なお、上記電圧方程式（１）には、第１の回転子１１と第２の回転子１２との相対角度θが入っているが、突極性を持たない回転子の場合には、Ｌｄ＝Ｌｑとなる。
したがって、上式（１）内の第１および第２の回転子１１、１２に関する直軸・横軸インダクタンスを、それぞれＬ１（Ｌｄ１、Ｌｑ１）、Ｌ２（Ｌｄ２、Ｌｑ２）とすれば、式（１）、次式（５）のように表され、非常に簡単になる。

式（５）は、通常の磁石式電動機の電圧方程式に「−ωφ１・ｓｉｎθ」および「ωφ１・ｃｏｓθ」の項が加えられたのみなので、これらの項を補正項に加えることのみで、従来のベクトル制御による電流制御が可能になる。

ただし、トルクＴ１、Ｔ２、Ｔの式（２）〜（４）にも相対角度θが入っているので、従来のベクトル制御のように、トルクＴと横軸電流ｉｑとが比例関係「Ｔ∝ｉｑ」というわけには行かない。

しかし、直軸・横軸電流ｉｄ２、ｉｑ２に対するトルク特性をあらかじめ求めておき、トルク指令値に対して直軸・横軸電流ｉｄ２、ｉｑ２をマップ参照して与えればよい。
このときのマップ作成の際に、損失が最小になるようにマップを設定しておけば、高効率の運転が可能となる。

図７〜図１２はこの発明の実施の形態１に係るトルク特性の具体例を示す説明図であり、図７〜図１２において、縦軸は第２の回転子１２に対する電機子電流の位相角を示している。
図７は、電機子電流の位相角と、第１の回転子１１に対する第２の回転子１２の相対角度θとの関係を示しており、電機子電流の位相角は、相対角度θに対してほぼ正相関的に増減する。

図８は電機子電流の位相角と第１の回転子１１のトルクＴ１との関係を示し、図９は電機子電流の位相角と第２の回転子１２のトルクＴ２との関係を示している。
電機子電流の位相角は、第１の回転子１１のトルクＴ１の増減にほぼ逆相関的に増減し、第２の回転子１２のトルクＴ２の増減に正相関的に増減する。

図１０は電機子電流の位相角と電機子巻線２の各相の線間電圧との関係を示し、図１１は電機子電流の位相角と電機子巻線２の各相の線電流との関係を示し、図１２は電機子電流の位相角と電機子トルクとの関係を示している。
電機子電流の位相角は、線間電圧、線電流および電機子トルクに対してほぼ正相関的に増減する。

図７〜図１２のうち、特に図７〜図９から明らかなように、第１の回転子１１に対する第２の回転子１２の相対角度θは、第１および第２の回転子１１、１２の各トルクＴ１、Ｔ２の増加にともなって、ゼロになっていくことが分かる。

図１３はこの発明の実施の形態１に係る電動機４０の回転速度−トルク特性を示す説明図であり、横軸は回転軸１０の回転速度、縦軸は回転軸１０のトルクＴを示している。
図１３においては、比較を容易にするため、この発明の実施の形態１によるトルク特性を実線で示し、第１の回転子１１に対して第２の回転子１２が相対移動しない場合のトルク特性を破線で示している。
図１３から明らかなように、この発明の実施の形態１によれば、電動機４０の回転速度が大きくなっても、破線特性の場合と比べてトルクＴが得られるので、運転可能であることが分かる。

ここで、上記電圧方程式（１）が導かれる過程について、さらに具体に説明する。
まず、第２の回転子１２の電圧方程式（Ｖｄ２、Ｖｑ２）は、次式（６）のように表される。

また、第１の回転子１１の電圧方程式（Ｖｄ１、Ｖｑ１）は、次式（７）のように表される。

一方、第１の回転子１１の電流（ｉｄ１、ｉｑ１）は、第２の回転子１２の電流（ｉｄ２、ｉｑ２）を回転座標変換した値であり、第２の回転子１２と第１の回転子１１とが成す相対角度θを用いて、次式（８）のように表される。

また、第１の回転子１１の電圧（Ｖｄ１２、Ｖｑ１２）は、相対角度θを用いて、第２の回転子１２の座標で表すと、次式（９）のようになる。

また、第１の回転子１１の電圧方程式（Ｖｄ１２、Ｖｑ１２）は、第２の回転子１２の座標で表すと、次式（１０）のようになる。

したがって、第１および第２の回転子１１、１２の合成電圧（Ｖｄ、Ｖｑ）は、第２の回転子１２の座標で表すと、次式（１１）となり、上記式（１）が得られることになる。

また、第１の回転子１１のトルクＴ１は、次式（１２）となり、上記式（３）が得られることになる。

同様にして、第２の回転子１２のトルクＴ２を表す上記式（２）が得られ、さらに、合成トルクＴ表す上記式（４）が得られる。
一方、Ｌｄ１＝Ｌｑ１＝Ｌ１とすると、上記式（１）は上記式（５）のように簡略化されるとともに、第１の回転子１１のトルクＴ１を表す上記式（３）は、次式（１３）のように簡略化される。

この結果、合成トルクＴ表す式（４）も次式（１４）のように簡略化される。

なお、相対角度θは、第２の回転子１２のトルクＴ２とバネ部材１３の付勢力Ｔｓとが釣り合う角度位置により決定する。

以上の通り、この発明の実施の形態１に係る磁石式同期回転電機は、電動機巻線２を有する固定子１と、回転軸１０と、回転軸１０に固定された永久磁石２１を有する第１の回転子１１と、第１の回転子１１と相対的に回転可能な永久磁石２２を有し且つ第１の回転子１１に軸方向に対向する第２の回転子１２と、第１の回転子１１と第２の回転子１２との間に設けられたバネ部材１３とを備えている。

バネ部材１３は、第１の回転子１１の磁束φ１と、第２の回転子１２の磁束φ２との合成磁束φが、ほぼゼロとなるように、第２の回転子１２を回転させるよう設けられている。
これにより、何もしない状態では、第１および第２の回転子１１、１２の合成磁束φは、ゼロになる。
また、第１の回転子１１の永久磁石２１と、第２の回転子１２の永久磁石２２との磁気吸引力により、合成磁束φがゼロとなる点が安定点であるが、合成磁束φ２が最大の回転位置も不安定な方のトルクゼロ点になる。
したがって、バネ部材１３は、通電しないときに不安定なトルクゼロ点から、合成磁束φがゼロとなる安定点に向けて、第２の回転子１２の回転位置を戻す働きをするので、高効率化を実現するとともに特性変動を抑制して、確実に最大トルクを得ることができる。

また、第２の回転子１２は、第１の回転子１１に対して、回転軸１０の回転方向と同一方向または反対方向に相対回転可能であり、第２の回転子１２の相対回転により、合成磁束φが変化する。
すなわち、第２の回転子１２は、電動機４０として機能する力行時においては、回転軸１０の回転方向に相対回転して磁束を増大させ、発電時においては、回転軸１０の反回転方向に相対回転して磁束を増大させることができる。

また、第２の回転子１２の回転位置を検出する回転位置センサ２４（位置検出器）と、第２の回転子１２の回転位置に対して正または負のトルクを発生するように、固定子１の電機子巻線２に流れる電機子電流を制御する制御回路６０（制御手段）とを備えている。
したがって、第２の回転子１２の回転位置に応じて、第２の回転子１２にトルクＴ２を発生させると、第１の回転子１１の回転位置は、バネ部材１３の付勢力に逆らって、第１の回転子１１の磁束φ１と第２の回転子１２の磁束φ２との合成磁束φが大きくなるように移動することができる。
また、このとき、電機子電流を増大させると、合成磁束φが増大する電動機４０を実現することができる。

また、第２の回転子１２を回転軸１０の回転方向に移動させて、第２の回転子１２の磁束φ２と第１の回転子１１の磁束φ１とが同位相になったときに、バネ部材１３の付勢力Ｔｓによる第２の回転子１２に対する戻しトルクが、電動機４０の最大トルクの約１／２以下（第２の回転子１２のトルクＴ２と釣り合う）となるように設定されており、最大トルクを出力するときに最大磁束が得られるので、少ない電流で効率がよい電動機４０を実現することができる。

また、第２の回転子１２を回転軸１０の回転方向に移動させて、第１の回転子１１と第２の回転子１２との磁束が同位相になったときに、第２の回転子１２の回転位相がそれ以上進まないように作用するストッパ（図示せず）を設けることにより、バネ部材１３の特性がばらついても、最大磁束を得ることができる。

また、第１および第２の回転子１１、１２の間に空気層２０などからなる磁気的な空間を設けたので、第１の回転子１１から発生した磁束φ１は、固定子１を通って第１の回転子１１に帰還するようになり、固定子１の鉄心の積層方向に磁束を作らない（作ったとしても、その磁束は小さい）ので、渦電流損失を抑制することができる。

また、第１および第２の回転子１２の永久磁石２１、２２は、埋込磁石構造を有しているので、第１および第２の回転子１１、１２の各表面の鉄を通って、各発生磁束φ１、φ２が各回転子内で循環するので、固定子１を軸方向に通る磁束が小さくなり、鉄損を抑制することができる。

さらに、第１および第２の回転子１１、１２の間に磁気的または流体的なダンパを設けることにより、トルクリップルによって第２の回転子１２が振動的な相対回転するのを防止することができる。

実施の形態２．
なお、上記実施の形態１では、磁石式同期回転電機を、電動機４０として適用した場合を例にとって説明したが、発電機として適用してもよい。
以下、磁石式同期回転電機を発電機として適用したこの発明の実施の形態２について説明する。
この場合も、図６に示すインバータ５０を用いた回路構成を適用するものとする。

まず、電機子巻線２に接続されたインバータ５０により、第２の回転子１２に負のトルクＴ２を発生するように電機子電流を流す。
これにより、第２の回転子１２には、負のトルクＴ２が発生するが、第１の回転子１１には、第１の回転子１１の永久磁石２１の磁極位置が第２の回転子１２の永久磁石２２の磁極位置とは正反対であることから、正のトルクＴ１が発生する。

したがって、この時点では、回転軸１０にトルクＴが発生しないので、磁石式同期回転電機は発電しない。
しかし、第２の回転子１２に負のトルクＴ２が発生しているので、第２の回転子１２は、第１の回転子１１に対して相対回転する。
これにより、第１の回転子１１と電機子電流との回転位相がずれるので、第１の回転子１１の正方向トルクＴ１が減少し、第２の回転子１２との相対移動によって、第１の回転子１１は、バネ部材１３から負のトルクを受ける。

したがって、回転軸１０に負のトルクＴが発生し、回転軸１０の回転速度を維持するためには、外部から回転軸１０を駆動する必要がある。
このとき、第２の回転子１２による発電量と、第１の回転子１１による回転軸１０の駆動エネルギとの差が発電量となって、磁石式同期回転電機は、発電を開始する。
また、電機子電流が増加すると、第２の回転子１２の相対移動量はさらに大きくなり、第２の回転子１２に負のトルクＴ２を発生する電機子電流は、第１の回転子１１に対しても、負のトルクＴ１を発生させるようになる。

したがって、電機子電流の増加にともない、第１および第２の回転子１１、１２の回転子磁束φ１、φ２が増加して、発電量を増加させることになる。
一方、発電が不要な場合には、電機子電流を減少させることにより、第２の回転子１２の相対移動量が減少するので、電機子巻線２の鎖交磁束が減少して、発電量を減少させることができる。
このように、高速回転時においては、電機子電流を減らすことにより、回転子磁束φ１、φ２が小さくなるので、電機子電流を制御しながら発電量を制御することができる。

なお、発電量の制御は、インバータ５０の直流出力端の電圧をモニタしておき、直流出力端電圧が所定電圧（たとえば、１４Ｖ）を超えたときには、発電量指令を小さく設定するように実行される。これにより、電機子電流を低減して磁束φ１、φ２を低減し、発電量を低減することができる。

一方、インバータ５０の直流出力端電圧が所定電圧（たとえば、１４Ｖ）を下回ったときには、発電量指令を大きく設定することにより、電機子電流を増大させて磁束を増加させ、発電量を増大させることができる。
上記動作を繰り返すことにより、インバータ５０の直流出力端電圧を所定電圧（たとえば、１４Ｖ）に制御することができる。

このように、磁石式同期回転電機を発電機として適用した発電時においても、回転軸１０の回転速度と必要な発電量とから、損失が最小となる電機子電流をあらかじめ求めておき、第２の回転子１２を基準とした電機子電流を流すことにより、高効率の運転を実現することができる。
なお、このときのバネ部材１３の強さは、電動機４０（図６参照）の駆動時と同一である必要はなく、ねじれ方向によりバネ部材１３の特性が異なるものであってもよい。

この発明の実施の形態１による磁石式同期回転電機の断面図である。 この発明の実施の形態１による磁石式同期回転電機の動作を説明する概念図である。 この発明の他の実施の形態１による磁石式同期回転電機の断面図である。 この発明の他の実施の形態１による磁石式同期回転電機の断面図である。 この発明の他の実施の形態１による磁石式同期回転電機の断面図である。 この発明の実施の形態１による結線図である。 この発明の実施の形態１に係る相対角度θに対する電機子電流の位相角特性を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る第１の回転子のトルクＴ１に対する電機子電流の位相角特性を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る第２の回転子のトルクＴ２に対する電機子電流の位相角特性を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る回転速度に対するトルク特性を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る電機子巻線の線間電圧に対する電機子電流の位相角特性を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る電機子巻線の線電流に対する電機子電流の位相角特性を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る回転軸の回転速度−トルク特性を示す説明図である。

符号の説明

１ 固定子、２、２ｕ、２ｖ、２ｗ 電機子巻線、１０ 回転軸、１１ 第１の回転子、１２ 第２の回転子、１３ バネ部材、２０ 空気層（磁気的な空間）、２１ 第１の永久磁石、２２ 第２の永久磁石、２４ 回転位置センサ（位置検出器）、３０ 銅板（ダンパ）、３１ 永久磁石（ダンパ）、３１、３２ 永久磁石（バネ部材）、４０ 電動機、６０ 制御回路（制御手段）、ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ 電機子電流。

Claims (9)

1. 電機子巻線を有する固定子と、
   前記固定子に対向して回転する回転軸と、
   第１の永久磁石を有し前記回転軸に固定された第１の回転子と、
   第２の永久磁石を有し前記回転軸に設けられた第２の回転子と、
   前記第１および第２の回転子の間に設けられたバネ部材とを備え、
   前記第２の回転子は、前記第１の回転子に対して前記回転軸の軸方向に対向配置されるとともに、前記第１の回転子に対して相対的に回転可能に設けられ、
   前記バネ部材は、前記第１の回転子の第１の磁束と、前記第２の回転子の第２の磁束との合成磁束がほぼゼロになるように、前記第２の回転子を回転させるための戻しトルクを発生する磁石式同期回転電機において、
   前記第１および第２の永久磁石は、埋込磁石構造を有し、
   前記第１の回転子の前記固定子に対向する面側の回転子鉄心と、前記第２の回転子の前記固定子に対向する面側の回転子鉄心との間には、磁気的な空間からなる磁路が設けられたことを特徴とする磁石式同期回転電機。
2. 前記第２の回転子は、前記回転軸の回転方向に対して同一方向または反対方向となるように、前記第１の回転子に対して相対回転可能に構成されたことを特徴とする請求項１に記載の磁石式同期回転電機。
3. 前記第２の回転子の回転位置を検出する位置検出器と、
   前記第２の回転子の回転位置に対して正または負のトルクを発生するように前記電機子巻線の電機子電流を制御する制御手段と
   を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁石式同期回転電機。
4. 前記第２の回転子を前記回転軸の回転方向に移動させて、前記第２の磁束と前記第１の磁束とが同位相になったときの前記バネ部材の戻しトルクは、前記磁石式同期回転電機の最大トルクの約１／２以下に設定されたことを特徴とする請求項３に記載の磁石式同期回転電機。
5. 前記第２の回転子を前記回転軸の回転方向に移動させて、前記第１および第２の磁束が同位相になったときに、前記第２の回転子の回転位相がそれ以上進まないように作用するストッパ手段を備えたことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の磁石式同期回転電機。
6. 前記第１および第２の回転子の間にダンパを設けたことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の磁石式同期回転電機。
7. 前記ダンパは、前記第１または第２の回転子の相互対向面に設けられた銅板により構成されたことを特徴とする請求項６に記載の磁石式同期回転電機。
8. 前記ダンパは、前記第１または第２の回転子の一方の相互対向面に設けられた銅板と、前記第１または第２の回転子の他方の相互対向面に設けられた永久磁石とにより構成されたことを特徴とする請求項６に記載の磁石式同期回転電機。
9. 前記バネ部材は、前記第１および第２の回転子の相互対向面に設けられた永久磁石により構成されたことを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の磁石式同期回転電機。

Images