JP6376409B2 - 交流励磁同期回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、界磁巻線を含まず、少なくとも多相巻線と電機子鉄心を含む交流励磁同期回転電機に関する。

小型高性能、長寿命で高信頼のためには、永久磁石界磁のブラシレス構造をとることが一般的である。広い回転域で使用する用途においては、界磁の強さを可変にすることが求められる。ところが、前述の永久磁石界磁では界磁を可変にすることが困難であるため、損失が生じたり、特性に限界があったりした。そこで、永久磁石界磁でなく、巻線界磁方式をとることが考えられる。巻線は永久磁石に比べてどうしても巻装スペースが大きくなるために、巻線を取り囲む鉄心も含めて、極めて大きな体積を必要とする。そのため、巻線界磁方式では、元々の小型高性能の課題を達成するのが困難になっていた。

従来では、全体の体格を減少させ、磁気飽和もなく、高速回転も可能とすることを目的とするハイブリッド励磁形同期機に関する技術の一例が開示されている（例えば特許文献１を参照）。このハイブリッド励磁形同期機は、固定子の外側にあって、回転子バックヨークの内側に電機子鉄心とギャップを介して対峙し、周方向に鉄心突極と永久磁石とを交互に配置し、しかも軸方向にＮ極側とＳ極側とに分けて永久磁石を配置すると共に、Ｎ極側とＳ極側との永久磁石が軸方向に並ばないように互い違いに配置した回転子を有する。

特開２０００−０４１３６７号公報

しかし、特許文献１の技術では、電機子巻線とは別個に励磁巻線を必要とし、固定子のバックヨーク内に埋め込む。永久磁石と同等の界磁を得るには、上述したように励磁巻線を取り囲む鉄心も含めて、極めて大きな体積を必要とするという問題が残る。また、励磁巻線の巻線作業や組立作業の工程に時間を要するという問題もある。

本発明はこのような点に鑑みてなしたものであり、小型化と可変界磁とを両立すべく、界磁巻線をもたず、可変界磁の実現を図るものである。そのため、ステータ巻線を利用して界磁起磁力を与えることを目的とする。

上記課題を解決するためになされた第１の発明は、交流励磁同期回転電機（１０）において、多相巻線（１２ａ）と、前記多相巻線を巻装する電機子鉄心（１２ｂ）と、前記多相巻線と前記電機子鉄心とを囲む外側ヨーク鉄心（１１ａ，１１ｃ）と、界磁巻線を含まず、前記電機子鉄心に対向して回転自在に配置され、軸方向の一方側は前記外側ヨーク鉄心と接近して磁束（φｒ）が流れる接近対向部（１３ａ２，１３ｂ２）を有するとともに、前記軸方向の他方側は前記外側ヨーク鉄心との間で磁束の流れを阻止する磁気抵抗部（１４）をそれぞれ有する複数の磁極（１３ａ，１３ｂ）とを有し、前記多相巻線に通電する多相交流によって前記電機子鉄心に生じる起磁力を前記磁極に導くことで、前記磁極を直流界磁として作動させることを特徴とする。この構成によれば、電機子鉄心に生じる起磁力を磁極に導くことで、磁極を直流界磁として作動させる。ブラシレスでかつ界磁が印加できるので、従来技術の問題点の解決、すなわち界磁巻線がなくてもブラシレス可変界磁が可能となる。

第２の発明は、前記磁極間の位置を基準として回転方向（Ｄｒ）にプラスを採るときの電機子起磁力の位相角（β）とするとき、前記位相角を電気角で０度以外に選定して出力する制御を行う制御部（２０）を有することを特徴とする。この構成によれば、制御部は磁極の位置を基準とする電機子起磁力の位相角を０度以外に選定して出力する制御を行う。ブラシレスでかつ界磁が印加できるので、従来技術の問題点の解決、すなわち界磁巻線がなくてもブラシレス可変界磁が可能となる。

第３の発明は、前記多相巻線（１２ａ）は、全節巻線であることを特徴とする。この構成によれば、全節巻線で巻装するので、誘導起電力を大きくすることができ、機械角で１８０度離れた部位の電機子鉄心に同じ起磁力を発生させることができる。

第４の発明は、前記外側ヨーク鉄心の一部または全部は、前記多相巻線と前記電機子鉄心とを含むステータ（１２）を支えるフレーム（１１）を兼ねることを特徴とする。この構成によれば、外側ヨーク鉄心の一部または全部がフレームを兼ねるので、材料や部品数等を削減することができ、削減できた分だけコストを低減できる。

第５の発明は、前記磁極の内側に設けられ、径方向に着磁される第１磁石（１５）を有することを特徴とする。この構成によれば、磁極を流れる磁束によるリラクタンストルクに対して、第１磁石によるマグネットトルクが加わるので、全体のトルクが向上する。

第６の発明は、前記接近対向部は、周方向に延びて形成される部位である鍔部位（１３ａ３，１３ｂ３）を含むことを特徴とする。この構成によれば、鍔部位もまた外側ヨーク鉄心との間で磁束が流れるので、外側ヨーク鉄心との間で磁束が流れる領域（あるいは面積）が広がる。よって、磁極と外側ヨーク鉄心との間で磁束が流れ易くなり、トルクを高めることができる。

第７の発明は、前記磁気抵抗部は、前記磁極と前記外側ヨーク鉄心との間に設けられる空間（１４ａ，１４ｂ）であることを特徴とする。この構成によれば、磁極と外側ヨーク鉄心との間に空間を設けるだけでよいので、簡単な構造で磁束漏れを確実に阻止することができる。

第８の発明は、前記接近対向部は、複数の前記磁極について周方向に連続して円環状（すなわち環状体）に形成されることを特徴とする。この構成によれば、接近対向部は周方向に連続する円環状であるので、外側ヨーク鉄心との間で回転子の位置に関係なく均一に磁束を流すことができ、回転が安定する。

第９の発明は、周方向に隣り合う前記磁極の相互間に設けられ、周方向に着磁される第２磁石（１８）を有することを特徴とする。この構成によれば、磁極を流れる磁束によるリラクタンストルクだけでなく、第２磁石によるマグネットトルクが加わるので、全体のトルクが向上する。

第１０の発明は、前記磁気抵抗部は、前記磁極と前記外側ヨーク鉄心との間に設けられ、前記磁極と反発する方向に着磁される第３磁石（１４ｃ，１４ｄ）であることを特徴とする。この構成によれば、第３磁石は磁極と反発する方向に着磁されるので、磁束は第３磁石に向かって流れず、外側ヨーク鉄心に向かって流れ易くなる。したがって、磁束の漏洩を防止することができる。

第１１の発明は、前記制御部は、電気角で０度を境として、０度＜β＜９０度の前記位相角で発電機トルクを出力し、−９０度＜β＜０度の前記位相角で電動機トルクを出力するように界磁起磁力を前記磁極に与える制御を行うことを特徴とする。この構成によれば、位相角を０度＜β＜９０度にするか−９０度＜β＜０度にするかで、発電機か電動機かの作動を容易に切り替えることができる。

第１２の発明は、前記制御部は、前記位相角を−１０度から−７０度までの範囲内、または、＋１０度から＋７０度までの範囲内で制御することを特徴とする。この構成によれば、これらの範囲内で位相角を制御すると、外側ヨーク鉄心を有しない回転電機よりも大きなトルクが得られる。

なお、「多相巻線」は固定子巻線と同義であり、一本状の巻線でもよく、複数の導体線やコイル等を電気的に接続して一本状にしたものでもよい。多相巻線の相数は、三相以上であれば問わない。「巻装」は巻いて装うことを意味し、巻き回す意味の「巻回」と同義に用いる。「外側ヨーク鉄心」は、バイパスヨークコアとも呼ばれ、電機子鉄心および磁極との間で磁束が流れれば、形態（例えば形状や材料等）を問わない。「磁極」は、Ｎ極またはＳ極の極性を帯びる磁性体が該当する。磁性体は、磁束が流れることを条件として材質（材料を含む）や構成などを問わない。例えば、軟磁性材で構成してもよく、磁石で構成してもよく、軟磁性材と磁石を組み合わせて構成してもよい。「交流励磁同期回転電機」は、回転する部材（例えば軸やシャフト等）を有する機器であれば任意である。例えば、発電機，電動機，電動発電機等が該当する。発電機には電動発電機が発電機として作動する場合を含み、電動機には電動発電機が電動機として作動する場合を含む。

交流励磁同期回転電機の第１構成例を模式的に示す断面図である。 交流励磁同期回転電機の第１構成例を一部破断して示す斜視図である。 図１に示す矢印III方向からみた側面図である。 ロータの第１構成例を模式的に示す斜視図である。 多相巻線の一部であるコイルを模式的に示す平面図である。 多相巻線の一部であるコイルを模式的に示す斜視図である。 制御部と多相巻線の接続例を示す回路図である。 多相巻線に通電する多相交流の制御例を示す波形図である。 位相角を説明する模式図である。 位相角が負値の場合における磁束の流れを模式的に示す断面図である。 位相角が０の場合における磁束の流れを模式的に示す断面図である。 位相角が正値の場合における磁束の流れを模式的に示す断面図である。 トルクと位相角との関係例を示すグラフ図である。 ロータの第２構成例を模式的に示す斜視図である。 交流励磁同期回転電機の第２構成例を模式的に示す断面図である。 ロータの第３構成例を模式的に示す斜視図である。 ロータの第４構成例を模式的に示す側面図である。 交流励磁同期回転電機の第３構成例を模式的に示す断面図である。 磁極の変形例を模式的に示す断面図である。 交流励磁同期回転電機の第４構成例を模式的に示す断面図である。 交流励磁同期回転電機の第５構成例を模式的に示す断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面に基づいて説明する。なお、特に明示しない限り、「接続する」という場合には電気的に接続することを意味する。各図は、本発明を説明するために必要な要素を図示し、実際の全要素を図示しているとは限らない。上下左右等の方向を言う場合には、図面の記載を基準とする。英数字の連続符号は記号「〜」を用いて略記する。例えば、「ロータ１３Ａ〜１３Ｆ」は「ロータ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｅ，１３Ｆ」を意味する。符号の英文字は大文字と小文字とで別の要素を意味する。例えば、図１に示すロータ１３Ａと磁極１３ａは別の要素である。部材間の固定方法は問わない。「外側」は径方向における外径側や外周側を意味し、「内側」は径方向における内径側や内周側を意味する。

〔実施の形態１〕
実施の形態１は図１〜図１３を参照しながら説明する。図１，図２に示す交流励磁同期回転電機１０Ａは、界磁巻線を含まない交流励磁同期回転電機１０の一例である。交流励磁同期回転電機１０Ａは、ステータ１２，ロータ１３Ａ，第１磁石１５，軸受１６，回転軸１７などをフレーム１１内に有する。交流励磁同期回転電機１０Ａの内外には、交流励磁同期回転電機１０Ａ全体の制御を司る制御部２０が設けられる。なお図１の上側半分には、磁極１３ａ（すなわち磁極本体１３ａ１や接近対向部１３ａ２など）が断面となるように示す。また図１の下側半分には、磁極１３ｂ（すなわち磁極本体１３ｂ１や接近対向部１３ｂ２など）が断面となるように示す。

フレーム１１は、筐体やハウジングなどに相当し、形状や材料等を任意に設定してよい。このフレーム１１は、少なくともステータ１２を支持して固定するとともに、軸受１６を介して回転軸１７を回転自在に支持する。本形態におけるフレーム１１の一部または全部には、外側ヨーク鉄心１１ａ，１１ｃやバックヨークコア１１ｂなどを含む。

外側ヨーク鉄心１１ａ，１１ｃは、それぞれ多相巻線１２ａと電機子鉄心１２ｂを囲むように、例えば図３に示すように円板形状（具体的にはドーナツ盤形状）に形成される。バックヨークコア１１ｂは、例えば円筒形状に形成される。外側ヨーク鉄心１１ｃ，バックヨークコア１１ｂ，磁極１３ａおよび電機子鉄心１２ｂは、磁気回路ＭＣ１を構成する。外側ヨーク鉄心１１ａ，バックヨークコア１１ｂ，磁極１３ｂおよび電機子鉄心１２ｂは、磁気回路ＭＣ２を構成する。なお、矢印で図示する磁気回路ＭＣ１，ＭＣ２の向きは一例であり、時期や位置等に応じて逆向きになる場合がある。

電機子や固定子に相当するステータ１２は、多相巻線１２ａや電機子鉄心１２ｂなどを有する。多相巻線１２ａは、電機子巻線，固定子巻線，ステータコイルなどに相当し、三相以上の巻線である。多相巻線１２ａは、電機子鉄心１２ｂに巻装される。多相巻線１２ａの構成例については後述する（図５〜図７を参照）。

回転子に相当するロータ１３Ａは、界磁巻線を含まないロータ１３の一例である。ロータ１３Ａは、複数の磁極１３ａや、複数の磁極１３ｂ、支持部材１３ｃ、複数の第１磁石１５ａ、複数の第１磁石１５ｂなどを有する。複数の磁極１３ａは、それぞれ所定の極性（本形態ではＮ極）を有し、第１磁石１５ａおよび支持部材１３ｃを介して回転軸１７に固定される。複数の磁極１３ｂは、それぞれ磁極１３ａとは異なる極性（本形態ではＳ極）を有し、第１磁石１５ｂおよび支持部材１３ｃを介して回転軸１７に固定される。この構成によって、ロータ１３Ａと回転軸１７は一体的に回転する。

複数の磁極１３ａと複数の磁極１３ｂは、周方向に交互に配置される（図２，図４を参照）。磁極１３ａ，１３ｂの数は任意に設定してよい。磁極１３ａの内側に設けられる第１磁石１５ａは、径方向（例えば図１に示す矢印Ｄ１方向）に着磁される。磁極１３ｂの内側に設けられる第１磁石１５ｂは、径方向（例えば図１に示す矢印Ｄ２方向）に着磁される。第１磁石１５ａ，１５ｂはいずれも第１磁石１５の一例であり、種類を問わず任意の磁石を適用することができる。第１磁石１５ａ，１５ｂに起因する磁束φｍ（すなわち磁石磁束）は、磁気回路ＭＣ１，ＭＣ２に作用し、マグネットトルクとして加わる。磁極１３ａ，１３ｂはいずれも磁性材で成形され、支持部材１３ｃは非磁性材で成形される。磁極１３ａ，１３ｂの構成例については後述する（図３，図４を参照）。

電機子鉄心１２ｂと磁極１３ａの間と、電機子鉄心１２ｂと磁極１３ｂの間は、それぞれギャップＧ１が設けられる。磁極１３ａと外側ヨーク鉄心１１ｃの間と、磁極１３ｂと外側ヨーク鉄心１１ａの間は、それぞれギャップＧ２が設けられる。ギャップＧ１，Ｇ２の大きさ（あるいは間隔）は、磁気回路ＭＣ１，ＭＣ２が形成できる範囲において、それぞれ任意に設定してよい。Ｇ１＝Ｇ２でもよく、Ｇ１≠Ｇ２でもよい。

図４には、ロータ１３Ａの構成例を示す。磁極１３ａは、磁極本体１３ａ１に対して、接近対向部１３ａ２，テーパ部１３ａ４などを有する。接近対向部１３ａ２には、周方向に延びて形成される部位である鍔部位１３ａ３を含む（破線で図示）。接近対向部１３ａ２は磁極本体１３ａ１の一方側（図４では下側）に設けられ、テーパ部１３ａ４は磁極本体１３ａ１の他方側（図４では上側）に設けられる。

磁極１３ｂは、磁極本体１３ｂ１に対して、接近対向部１３ｂ２，テーパ部１３ｂ４などを有する。接近対向部１３ｂ２には、周方向に延びて形成される部位である鍔部位１３ｂ３を含む。接近対向部１３ｂ２は磁極本体１３ｂ１の一方側（図４では上側）に設けられ、テーパ部１３ｂ４は磁極本体１３ｂ１の他方側（図４では下側）に設けられる。

磁極１３ａと磁極１３ｂは、軸方向において互いに反対方向となるように配置される。この配置によって、図１に示す空間１４ａ，１４ｂが生じる。空間１４ａ，１４ｂは、それぞれ磁束の流れを阻止する磁気抵抗部１４に相当する。空間１４ａは、外側ヨーク鉄心１１ａと磁極１３ａとの間に形成される。空間１４ｂは、外側ヨーク鉄心１１ｃと磁極１３ｂとの間に形成される。

コイルＬ１，Ｌ２を用いて、多相巻線１２ａの１相分を構成する例を図５，図６に示す。図５では分かり易くするために、コイルＬ１を実線で示し、コイルＬ２を二点鎖線で示すとともに多少ずらして記載する。コイルＬ１，Ｌ２は、いずれも軸方向と周方向とを交互に蛇行させて波状に形成する。コイルＬ１とコイルＬ２は、軸方向において互いに反対方向となるように配置される。コイルＬ１，Ｌ２を用いて全節巻線としてもよい。

コイルＬ１，Ｌ２は、いずれもコイルエンド部ＣＥとスロット収容部ＳＬとを含む。コイルエンド部ＣＥは、電機子鉄心１２ｂから突出する部位であり、径方向に曲げられるクランク部ＣＲを有する。スロット収容部ＳＬは、電機子鉄心１２ｂ（例えばティース相互間に形成されるスロット）に収容される部位である。

図７には、制御部２０と多相巻線１２ａとの接続例を示す。本形態の多相巻線１２ａは三相（例えばＵ相，Ｖ相，Ｗ相）である。Ｕ相コイルＬ１ｕはＵ相のコイルＬ１に相当し、Ｕ相コイルＬ２ｕはＵ相のコイルＬ２に相当する。Ｖ相コイルＬ１ｖはＶ相のコイルＬ１に相当し、Ｖ相コイルＬ２ｖはＶ相のコイルＬ２に相当する。Ｗ相コイルＬ１ｗはＷ相のコイルＬ１に相当し、Ｗ相コイルＬ２ｗはＷ相のコイルＬ２に相当する。

Ｕ相コイルＬ１ｕとＵ相コイルＬ２ｕは、一方側端部（図７では右側端部）で直列接続する。同様にして、Ｖ相コイルＬ１ｖとＶ相コイルＬ２ｖ、Ｗ相コイルＬ１ｗとＷ相コイルＬ２ｗは、いずれも一方側端部で直列接続する。Ｕ相コイルＬ１ｕの他方側端部（図７では左側端部）は、制御部２０に接続する。同様にして、Ｖ相コイルＬ１ｖおよびＷ相コイルＬ１ｗの他方側端部は、制御部２０に接続する。Ｕ相コイルＬ２ｕ、Ｖ相コイルＬ２ｖ、Ｗ相コイルＬ２ｗの他方側端部（図７では左側端部）は、いずれもグラウンドＧＮＤに接続する。グラウンドＧＮＤは共通電位であり、必ずしも０[Ｖ]とは限らない。接地されたグラウンドＧＮＤは０[Ｖ]になる。

上述した接続によって、制御部２０から見て、Ｕ相コイルＬ１ｕとＵ相コイルＬ２ｕには互いに逆方向にＵ相電流Ｉｕが流れる。同様に、Ｖ相コイルＬ１ｖとＶ相コイルＬ２ｖには互いに逆方向にＶ相電流Ｉｖが流れ、Ｗ相コイルＬ１ｗとＷ相コイルＬ２ｗには互いに逆方向にＷ相電流Ｉｗが流れる。

制御部２０からＵ相コイルＬ１ｕ，Ｖ相コイルＬ１ｖ，Ｗ相コイルＬ１ｗに流す電流を太線で表し、Ｕ相コイルＬ２ｕ，Ｖ相コイルＬ２ｖ，Ｗ相コイルＬ２ｗに流れる電流を細線で表すと図８のようになる。区別し易くするため、Ｕ相コイルＬ１ｕ，Ｌ２ｕに流れるＵ相電流Ｉｕは実線で示し、Ｖ相コイルＬ１ｖ，Ｌ２ｖに流れるＶ相電流Ｉｖは一点鎖線で示し、Ｗ相コイルＬ１ｗ，Ｌ２ｗに流れるＷ相電流Ｉｗは二点鎖線で示す。多相巻線１２ａに多相交流を通電して電機子鉄心１２ｂに生じる起磁力を磁極１３ａ，１３ｂに導くことで、磁極１３ａ，１３ｂを直流界磁として作動させることができる。

時刻Ｔ０から時刻Ｔｓまでの期間を１周期とする。位相角βは、多相交流（この場合は三相交流）に含まれるＵ相電流Ｉｕ，Ｖ相電流Ｉｖ，Ｗ相電流Ｉｗと多相巻線１２ａ（この場合は三相巻線）とが形成する回転起磁力と、ロータ１３の磁極１３ａ，１３ｂとの間の電気角である。図９には、多相巻線１２ａに多相交流を通電して電機子鉄心１２ｂに生じる回転磁界（二極モデル）と、磁極１３ａ，１３ｂとの関係をモデル化して表す。

図９に示す回転磁極ＲＭａ，ＲＭｂは、多相巻線１２ａに多相交流を通電することで電機子鉄心１２ｂに生じる回転磁界の磁極である。回転磁極ＲＭａ，ＲＭｂは、それぞれ図形の矢印で図示するような極性（すなわちＮ極，Ｓ極）に磁化され、例えば回転方向Ｄｒに回転する。当該回転磁界の回転起磁力は「電機子起磁力」に相当し、符号「Ｆｒ」のベクトルで示す。ロータ１３の磁極１３ａに関して、ｄ軸（極央）とｑ軸（極間）とをそれぞれベクトル（実線の矢印）で示す。磁極１３ａ，１３ｂ間の位置（すなわち図９ではベクトルで示すｑ軸）を基準として回転方向Ｄｒにプラスを採るとき、各々ベクトルで示すｑ軸と回転起磁力Ｆｒとの間の角度が「位相角β」に相当する。なお、図９における回転方向Ｄｒは左回転の例を示すが、右回転の場合も同様であるので図示を省略する。右回転の場合は、位相角βも逆方向（すなわち右回転がプラス方向）になる。また、図９では２極モデルの例を示すが、４極以上の場合も同様である。

制御部２０が制御する位相角βに応じて磁束φｒの流れが変わり、図１０〜図１２に示す。図１０には、位相角βが０度＜β＜９０度の範囲内における磁束φｒ，φｍの流れを示す。磁束φｒは、外側ヨーク鉄心１１ｃから磁極１３ａを経て電機子鉄心１２ｂに流れる（図１の磁気回路ＭＣ１を参照）。図示を省略するが、電機子鉄心１２ｂから磁極１３ｂを経て外側ヨーク鉄心１１ａにも磁束φｒが流れる（図１の磁気回路ＭＣ２を参照）。第１磁石１５ａ，１５ｂに起因する磁束φｍは、磁極１３ａを経て電機子鉄心１２ｂに流れ、磁束φｒに加わる。位相角βが０度＜β＜９０度の範囲内のとき、交流励磁同期回転電機１０Ａは発電機として作動する。

図１１には、位相角βが０度の場合における状態を示す。磁束φｒは、ほとんど流れないに等しい。この場合の交流励磁同期回転電機１０Ａは発電機と電動機のいずれも作動しない。

図１２には、位相角βが−９０度＜β＜０度の範囲内における磁束φｒ，φｍの流れを示す。図１０とは逆に、磁束φｒは電機子鉄心１２ｂから磁極１３ａを経て外側ヨーク鉄心１１ｃに流れる。図示を省略するが、外側ヨーク鉄心１１ａから磁極１３ｂを経て電機子鉄心１２ｂにも磁束φｒが流れる。第１磁石１５ａ，１５ｂに起因する磁束φｍは、磁極１３ａを経て外側ヨーク鉄心１１ｃに流れ、磁束φｒに加わる。位相角βが−９０度＜β＜０度の範囲内のとき、交流励磁同期回転電機１０Ａは電動機として作動する。

上述した位相角βとトルクＦとの関係例を図１３に示す。実線で示す特性線Ｆ１は、交流励磁同期回転電機１０Ａの構成で得られる特性線である。一点鎖線で示す特性線Ｆ２は、交流励磁同期回転電機１０Ａから第１磁石１５ａ，１５ｂを除いた構成で得られる特性線である。二点鎖線で示す特性線Ｆ３は、磁石がない状態でステータの励磁電流トルクのうちリラクタンストルク（ロータ磁極の正突極性による鉄片引き込みトルク）成分である。なお、正突極とするため、ｄ軸インダクタンスＬｄはｑ軸インダクタンスＬｑよりも大きく設定される（Ｌｄ＞Ｌｑ）。また、図１３に示す「degE」は電気角の「度」を意味する。

位相角β１において、特性線Ｆ１と特性線Ｆ２との間にはトルク差Ｆａがあり、特性線Ｆ２と特性線Ｆ３との間にはトルク差Ｆｂがある。トルク差Ｆａは、第１磁石１５ａ，１５ｂによるマグネットトルクに起因する。トルク差Ｆｂは、多相巻線１２ａに流す電流Ｉ（例えばＵ相電流Ｉｕ，Ｖ相電流Ｉｖ，Ｗ相電流Ｉｗ）によって電機子鉄心１２ｂに生じる励磁電流トルクに起因する。すなわち外側ヨーク鉄心１１ａ，１１ｃを設けたことにより、多相巻線１２ａのコイルエンド部ＣＥに生じる起磁力を利用するためである。

制御部２０は、トルクＦが特性線Ｆ３よりも大きくなる範囲で位相角βを設定するとよい。特性線Ｆ３よりも大きくなる範囲は、例えば−９０度＜β＜０度の範囲内における位相角βについて目的トルクＦｐ以上となる範囲や、０度＜β＜９０度の範囲内における位相角βについて目的トルクＦｍ以下となる範囲が該当する。従来よりも大きくトルクＦを確保するには、−７０度≦β≦−１０度の範囲内や、＋１０度≦β≦＋７０度の範囲内で制御するのが望ましい。

上述した実施の形態１によれば、以下に示す各作用効果を得ることができる。

（１）交流励磁同期回転電機１０Ａは、多相巻線１２ａと、多相巻線１２ａを巻装する電機子鉄心１２ｂと、多相巻線１２ａと電機子鉄心１２ｂとを囲む外側ヨーク鉄心１１ａ，１１ｃと、界磁巻線を含まず、電機子鉄心１２ｂに対向して回転自在に配置され、軸方向の一方側は外側ヨーク鉄心１１ａ，１１ｃと接近して磁束φｒが流れる接近対向部１３ａ２，１３ｂ２を有するとともに、軸方向の他方側は外側ヨーク鉄心１１ａ，１１ｃとの間で磁束φｒの流れを阻止する磁気抵抗部１４をそれぞれ有する複数の磁極１３ａ，１３ｂとを有し、多相巻線１２ａに通電する多相交流によって電機子鉄心１２ｂに生じる起磁力を磁極１３ａ，１３ｂに導くことで、磁極１３ａ，１３ｂを直流界磁として作動させる構成とした（図１〜図１３を参照）。この構成によれば、電機子鉄心１２ｂに生じる起磁力を磁極１３ａ，１３ｂに導くことで、磁極１３ａ，１３ｂを直流界磁として作動させる。ブラシレスでかつ界磁が印加できるので、従来技術の問題点を解決できる。すなわち、交流励磁同期回転電機１０Ａを小型化することができ、界磁巻線がなくてもブラシレス可変界磁が可能となる。

（２）磁極１３ａ，１３ｂ間の位置を基準として回転方向Ｄｒにプラスを採るときの電機子起磁力の位相角βとするとき、位相角βを電気角で０度以外に選定して出力する制御を行う制御部２０とを有する構成とした（図１〜図１３を参照）。この構成によれば、電機子起磁力（すなわち回転磁界）の位相角βを０度以外に選定して出力する制御を行う。ブラシレスでかつ界磁が印加できるので、従来技術の問題点を解決できる。すなわち、交流励磁同期回転電機１０Ａを小型化することができ、界磁巻線がなくてもブラシレス可変界磁が可能となる。

（３）多相巻線１２ａは、全節巻線で電機子鉄心１２ｂに巻装する構成とした（図１を参照）。この構成によれば、誘導起電力を大きくすることができ、機械角で１８０度離れた部位の電機子鉄心１２ｂに同じ起磁力を発生させることができる。

（４）外側ヨーク鉄心１１ａ，１１ｃの一部または全部は、多相巻線１２ａと電機子鉄心１２ｂとを含むステータ１２を支えるフレーム１１を兼ねる構成とした（図１を参照）。この構成によれば、フレーム１１を兼ねるので、材料や部品数等を削減することができ、削減できた分だけコストを低減できる。

（５）磁極１３ａ，１３ｂの内側に設けられ、径方向に着磁される第１磁石１５ａ，１５ｂを有する構成とした（図１，図２，図４を参照）。この構成によれば、第１磁石１５ａ，１５ｂの耐遠心力が向上する。また、磁極１３ａ，１３ｂを流れる磁束φｒによるリラクタンストルクに対して、第１磁石１５ａ，１５ｂによるマグネットトルクが加わるので、全体のトルクＦが向上する。

（６）接近対向部１３ａ２，１３ｂ２は、周方向に延びて形成される部位である鍔部位１３ａ３，１３ｂ３を含む構成とした（図４を参照）。この構成によれば、鍔部位１３ａ３，１３ｂ３もまた外側ヨーク鉄心１１ａ，１１ｃとの間で磁束φｒが流れるので、外側ヨーク鉄心１１ａ，１１ｃとの間で磁束φｒが流れる領域（あるいは面積）が広がる。よって、磁極１３ａ，１３ｂと外側ヨーク鉄心１１ａ，１１ｃとの間で磁束φｒが流れ易くなり、トルクＦを高めることができる。

（７）磁気抵抗部１４は、磁極１３ａ，１３ｂと外側ヨーク鉄心１１ａ，１１ｃとの間に設けられる空間１４ａ，１４ｂである構成とした（図１を参照）。この構成によれば、磁極１３ａ，１３ｂと外側ヨーク鉄心１１ａ，１１ｃとの間に空間１４ａ，１４ｂを設けるだけよいので、簡単な構造で磁束φｒの漏れを確実に阻止することができる。

（１１）制御部２０は、電気角で０度を境として、０度＜β＜９０度の位相角βで発電機トルクを出力し、−９０度＜β＜０度の位相角βで電動機トルクを出力するように界磁起磁力を磁極１３ａ，１３ｂに与える制御を行う構成とした（図１３を参照）。この構成によれば、位相角βを０度＜β＜９０度の範囲内にするか、−９０度＜β＜０度の範囲内にするかで、電動機か発電機かの作動を容易に切り替えることができる。

（１２）制御部２０は、位相角βを電気角で−１０度から−７０度までの範囲内、または、＋１０度から＋７０度までの範囲内で制御する構成とした（図１３を参照）。この構成によれば、これらの範囲内で位相角βを制御すると、外側ヨーク鉄心１１ａ，１１ｃを有しない交流励磁同期回転電機よりも大きなトルクＦが得られる。

〔実施の形態２〕
実施の形態２は図１４を参照しながら説明する。なお図示および説明を簡単にするため、特に明示しない限り、実施の形態１で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。よって、実施の形態１と相違する点を中心に説明する。

図１４に示すロータ１３Ｂは、界磁巻線を含まないロータ１３の一例である。ロータ１３Ｂは、ロータ１３Ａと同様にして、複数の磁極１３ａや、複数の磁極１３ｂ、支持部材１３ｃ、複数の第１磁石１５ａ、複数の第１磁石１５ｂなどを有する。ロータ１３Ｂがロータ１３Ａと相違するのは、鍔部位１３ａ３，１３ｂ３を有しない点である。

ロータ１３Ｂを適用しても、図１に示す磁気回路ＭＣ１，ＭＣ２を構成することができる。すなわち、磁気回路ＭＣ１，ＭＣ２に沿った磁束φｒが流れ、多相巻線１２ａに流す電流Ｉによって励磁電流トルクを発生させることができる（図１を参照）。また、第１磁石１５ａ，１５ｂを起因とする磁束φｍが磁束φｒに加わるので、全体のトルクＦにマグネットトルクを加えることができる（図１０，図１２を参照）。

上述した実施の形態２によれば、（６）を除いて実施の形態１と同様の作用効果を得ることができる。

〔実施の形態３〕
実施の形態３は図１５，図１６を参照しながら説明する。なお図示および説明を簡単にするため、特に明示しない限り、実施の形態１，２で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。よって、実施の形態１，２と相違する点を中心に説明する。

図１５に示す交流励磁同期回転電機１０Ｃは、界磁巻線を含まない交流励磁同期回転電機１０の一例である。交流励磁同期回転電機１０Ｃは、交流励磁同期回転電機１０と同様に、ステータ１２，ロータ１３Ｃ，第１磁石１５，軸受１６，回転軸１７などをフレーム１１内に有する。交流励磁同期回転電機１０Ｃは、交流励磁同期回転電機１０Ａに備えるロータ１３Ａに代えて、ロータ１３Ｃを適用する点が相違する。

回転子に相当するロータ１３Ｃは、界磁巻線を含まないロータ１３の一例である。ロータ１３Ｃは、ロータ１３Ａと同様に、複数の磁極１３ａや、複数の磁極１３ｂ、支持部材１３ｃ、複数の第１磁石１５ａ、複数の第１磁石１５ｂなどを有する。ロータ１３Ｃがロータ１３Ａと相違するのは、図１６に示すように、環状体１３ａ５，１３ｂ５を接近対向部１３ａ２，１３ｂ２に含む点である。環状体１３ａ５は周方向に隣り合う鍔部位１３ａ３どうしを連続させた部位であり、環状体１３ｂ５は周方向に隣り合う鍔部位１３ｂ３どうしを連続させた部位である。

ロータ１３Ｃを適用しても、図１に示す磁気回路ＭＣ１，ＭＣ２を構成することができる。すなわち、磁気回路ＭＣ１，ＭＣ２に沿った磁束φｒが流れ、多相巻線１２ａに流す電流Ｉによって励磁電流トルクを発生させることができる（図１を参照）。また、第１磁石１５ａ，１５ｂを起因とする磁束φｍが磁束φｒに加わるので、全体のトルクＦにマグネットトルクを加えることができる（図１０，図１２を参照）。

上述した実施の形態３によれば、（６）を除いて実施の形態１と同様の作用効果を得ることができ、さらに下記の作用効果を得ることができる。

（８）接近対向部１３ａ２，１３ｂ２は、複数の磁極１３ａ，１３ｂについて周方向に連続して円環状に形成される環状体１３ａ５，１３ｂ５を含む構成とした（図１５，図１６を参照）。この構成によれば、環状体１３ａ５，１３ｂ５は周方向に連続するので、外側ヨーク鉄心１１ａ，１１ｃとの間でロータ１３Ｃの位置に関係なく均一に磁束φｒを流すことができる。したがって、ロータ１３Ｃを安定して回転させることができる。

〔実施の形態４〕
実施の形態４は図１７を参照しながら説明する。図１７は、図１に示す矢印III方向からみた側面図である。なお図示および説明を簡単にするため、特に明示しない限り、実施の形態１〜３で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。よって、実施の形態１〜３と相違する点を中心に説明する。

図１７に示すロータ１３Ｄは、界磁巻線を含まないロータ１３の一例である。ロータ１３Ｄは、複数の磁極１３ａや、複数の磁極１３ｂ、支持部材１３ｃなどを有する。ロータ１３Ｄがロータ１３Ａと相違するのは、複数の第１磁石１５ａおよび複数の第１磁石１５ｂに代えて、複数の第２磁石１８ａおよび複数の第２磁石１８ｂを有する点である。それぞれの第２磁石１８ａ，１８ｂは第２磁石１８に相当する。第２磁石１８ａ，１８ｂの最外径は、ステータ１２への影響を抑えるために、磁極１３ａ，１３ｂの最外径よりも小さくするとよい。

複数の第２磁石１８ａは、図１７に図形の矢印で示す周方向に着磁され、周方向に隣り合う磁極１３ａと磁極１３ｂとの相互間に設けられる。具体的には周方向に隣り合う磁極本体１３ａ１と磁極本体１３ｂ１との相互間に設けられる。

複数の第２磁石１８ｂは、第２磁石１８ａと逆方向であって図１７に図形の矢印で示す周方向に着磁され、周方向に隣り合う磁極１３ａと磁極１３ｂとの相互間に設けられる。具体的には第２磁石１８ａが設けられない位置であって、周方向に隣り合う磁極本体１３ａ１と磁極本体１３ｂ１との相互間に設けられる。

ロータ１３Ｄを適用しても、図１に示す磁気回路ＭＣ１，ＭＣ２を構成することができる。すなわち、磁気回路ＭＣ１，ＭＣ２に沿った磁束φｒが流れ、多相巻線１２ａに流す電流Ｉによって励磁電流トルクを発生させることができる（図１を参照）。また、第２磁石１８ａ，１８ｂを起因とする磁束φｍが磁束φｒに加わるので、全体のトルクＦにマグネットトルクを加えることができる（図１０，図１２を参照）。

上述した実施の形態４によれば、（５）を除いて実施の形態１と同様の作用効果を得ることができ、さらに下記の作用効果を得ることができる。

（９）周方向に隣り合う磁極１３ａ，１３ｂの相互間に設けられ、周方向に着磁される第２磁石１８ａ，１８ｂを有する構成とした（図１７を参照）。この構成によれば、磁極１３ａ，１３ｂを流れる磁束φｒによるリラクタンストルクだけでなく、第２磁石１８ａ，１８ｂを起因とする磁束φｍによるマグネットトルクが加わるので、全体のトルクＦが向上する。

〔実施の形態５〕
実施の形態５は図１８を参照しながら説明する。なお図示および説明を簡単にするため、特に明示しない限り、実施の形態１〜４で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。よって、実施の形態１〜４と相違する点を中心に説明する。

図１８に示す交流励磁同期回転電機１０Ｅは、界磁巻線を含まない交流励磁同期回転電機１０の一例である。交流励磁同期回転電機１０Ｅは、交流励磁同期回転電機１０と同様に、ステータ１２，ロータ１３Ｅ，第１磁石１５，軸受１６，回転軸１７などをフレーム１１内に有する。交流励磁同期回転電機１０Ｅは、交流励磁同期回転電機１０Ａに備えるロータ１３Ａに代えて、ロータ１３Ｅを適用する点が相違する。

回転子に相当するロータ１３Ｅは、界磁巻線を含まないロータ１３の一例である。ロータ１３Ｅは、ロータ１３Ａと同様に、複数の磁極１３ａや、複数の磁極１３ｂ、支持部材１３ｃ、複数の第３磁石１４ｃ、複数の第３磁石１４ｄ、複数の第１磁石１５ａ、複数の第１磁石１５ｂなどを有する。ロータ１３Ｅがロータ１３Ａと相違するのは、テーパ部１３ａ４，１３ｂ４を無くすとともに、さらに複数の第３磁石１４ｃと複数の第３磁石１４ｄを備える。各々の第３磁石１４ｃ，１４ｄは、いずれも磁気抵抗部１４に相当する。

第３磁石１４ｃは、磁極１３ａについて接近対向部１３ａ２とは軸方向に反対側に設けられ、図形の矢印で図示するように磁極１３ａと反発する方向に着磁される。この着磁によって、磁極１３ａから外側ヨーク鉄心１１ａに流れようとする磁束φｒを阻止するとともに、第３磁石１４ｃに起因する磁束φｍ（すなわち磁石磁束）が磁気回路ＭＣ１に作用し、マグネットトルクとして加わる。

第３磁石１４ｄは、磁極１３ｂについて接近対向部１３ｂ２とは軸方向に反対側に設けられ、図形の矢印で図示するように磁極１３ｂと反発する方向に着磁される。この着磁によって、磁極１３ｂから外側ヨーク鉄心１１ｃに流れようとする磁束φｒを阻止するとともに、第３磁石１４ｄに起因する磁束φｍ（すなわち磁石磁束）が磁気回路ＭＣ２に作用し、マグネットトルクとして加わる。

上述した実施の形態５によれば、（７）を除いて実施の形態１と同様の作用効果を得ることができ、さらに下記の作用効果を得ることができる。

（１０）磁気抵抗部１４は、磁極１３ａ，１３ｂと外側ヨーク鉄心１１ａ，１１ｃとの間に設けられ、磁極１３ａ，１３ｂと反発する方向に着磁される第３磁石１４ｃ，１４ｄである構成とした（図１８を参照）。この構成によれば、第３磁石１４ｃ，１４ｄは磁極１３ａ，１３ｂと反発する方向に着磁されるので、磁束φｒは第３磁石１４ｃ，１４ｄに向かって流れず、外側ヨーク鉄心１１ａ，１１ｃに向かって流れ易くなる。したがって、磁束φｒの漏洩を防止することができる。また、第３磁石１４ｃ，１４ｄに起因する磁束φｍによってマグネットトルクが加わるので、トルクＦをさらに高めることができる。

〔他の実施の形態〕
以上では本発明を実施するための形態について実施の形態１〜５に従って説明したが、本発明は当該形態に何ら限定されるものではない。言い換えれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施することもできる。例えば、次に示す各形態を実現してもよい。

上述した実施の形態１〜４の磁極１３ａ，１３ｂは、図１９に二点鎖線で示す角度θ１で平面形状のテーパ部１３ａ４，１３ｂ４を有する構成とした。この形態に代えて、角度θ１よりも小さい角度θ２（すなわちθ２＜θ１）のテーパ部１３ａ７，１３ｂ７を有する構成としてもよく、曲面形状のテーパ部１３ａ６，１３ｂ６を有する構成としてもよい。要するに、磁極１３ａ，１３ｂに設けられるテーパ部によって、磁気抵抗部１４となる空間１４ａ，１４ｂが形成されればよい。磁極１３ａ，１３ｂの形状が相違するに過ぎないので、実施の形態１〜４と同様の作用効果を得ることができる。

上述した実施の形態１，２，３，５では、磁極１３ａの内側に第１磁石１５ａを設け、磁極１３ｂの内側に第１磁石１５ｂを設ける構成とした（図１，図２，図４，図１４〜図１６，図１８を参照）。この形態に代えて、図２０に示すように、磁極１３ａ，１３ｂの内側に第１磁石１５ａ，１５ｂを設けず、磁極１３ａ，１３ｂを支持部材１３ｃに固定する構成としてもよい。この構成によれば、マグネットトルクが無くなるので、図１３に特性線Ｆ２で示すトルクＦしか得られないものの、従来技術よりはトルクが向上する。その他については、実施の形態１，２，３，５と同様の作用効果を得ることができる。

上述した実施の形態１，２，３，５の磁極１３ａ，１３ｂは、第１磁石１５ａ，１５ｂおよび支持部材１３ｃを介して回転軸１７に固定する構成とした（図１，図１５，図１８を参照）。この形態に代えて、図２１に示すように、支持部材１３ｃを介さずに回転軸１９に固定する構成としてもよい。回転軸１９は、回転軸１７と支持部材１３ｃを共通にした部材に相当する。支持部材１３ｃの形態が相違するに過ぎないので、実施の形態１，２，３，５と同様の作用効果を得ることができる。

上述した実施の形態１〜５では、コイルＬ１，Ｌ２を用いて多相巻線１２ａを電機子鉄心１２ｂに巻装する構成とした（図５，図６を参照）。この形態に代えて、他の巻装形態で多相巻線１２ａを電機子鉄心１２ｂに巻装する構成としてもよい。他の巻装形態は、集中巻や分布巻などが該当する。集中巻は、例えば電機子鉄心１２ｂに形成されるティースに対して多相巻線１２ａを集中的に巻装する。分布巻は、複数のティースに渡って多相巻線１２ａを巻装する。巻装形態が相違するに過ぎないので、実施の形態１〜５と同様の作用効果を得ることができる。

上述した実施の形態１〜５では、第１磁石１５ａ，１５ｂ、第２磁石１８ａ，１８ｂ、第３磁石１４ｃ，１４ｄをそれぞれ単体で用いる構成とした（図１，図２，図４，図１４，図１５〜図１８を参照）。この形態に代えて、一以上の磁石について複数の分割磁石で構成してもよい。単体の磁石を用いるか、複数の分割磁石を用いるか否かの相違に過ぎないので、実施の形態１〜５と同様の作用効果を得ることができる。

上述した実施の形態４のロータ１３Ｄは、複数の第１磁石１５ａおよび複数の第１磁石１５ｂに代えて、複数の第２磁石１８ａおよび複数の第２磁石１８ｂを有する構成とした（図１７を参照）。この形態に代えて、実施の形態１，２，３，５と同様に、磁極１３ａ，１３ｂと支持部材１３ｃとの間に第１磁石１５ａ，１５ｂを介在させたうえで、第２磁石１８ａ，１８ｂを設ける構成としてもよい。この構成によれば、第１磁石１５ａ，１５ｂによるマグネットトルクだけでなく、第２磁石１８ａ，１８ｂによるマグネットトルクも加わるので、トルクＦをさらに向上させることができる。その他については、実施の形態４と同様の作用効果を得ることができる。

１０（１０Ａ，１０Ｃ，１０Ｅ） 交流励磁同期回転電機（回転電機）
１１ａ，１１ｃ 外側ヨーク鉄心（バイパスヨークコア）
１２ａ 多相巻線
１２ｂ 電機子鉄心
１３ａ，１３ｂ 磁極
１３ａ２，１３ｂ２ 接近対向部
１４ 磁気抵抗部
１４ａ，１４ｂ 空間（磁気抵抗部）
１４ｃ，１４ｄ 第３磁石（磁気抵抗部）
１５（１５ａ，１５ｂ） 第１磁石
１８（１８ａ，１８ｂ） 第２磁石
２０ 制御部

Claims (12)

1. 多相巻線（１２ａ）と、
   前記多相巻線を巻装する電機子鉄心（１２ｂ）と、
   前記多相巻線と前記電機子鉄心とを囲む外側ヨーク鉄心（１１ａ，１１ｃ）と、
   界磁巻線を含まず、前記電機子鉄心に対向して回転自在に配置され、軸方向の一方側は前記外側ヨーク鉄心と接近して磁束（φｒ）が流れる接近対向部（１３ａ２，１３ｂ２）を有するとともに、前記軸方向の他方側は前記外側ヨーク鉄心との間で磁束の流れを阻止する磁気抵抗部（１４）をそれぞれ有する複数の磁極（１３ａ，１３ｂ）とを有し、
   前記多相巻線に通電する多相交流によって前記電機子鉄心に生じる起磁力を前記磁極に導くことで、前記磁極を直流界磁として作動させることを特徴とする交流励磁同期回転電機（１０）。
2. 前記磁極間の位置を基準として回転方向（Ｄｒ）にプラスを採るときの電機子起磁力の位相角（β）とするとき、前記位相角を電気角で０度以外に選定して出力する制御を行う制御部（２０）を有することを特徴とする請求項１に記載の交流励磁同期回転電機。
3. 前記多相巻線（１２ａ）は、全節巻線であることを特徴とする請求項１または２に記載の交流励磁同期回転電機。
4. 前記外側ヨーク鉄心の一部または全部は、前記多相巻線と前記電機子鉄心とを含むステータ（１２）を支えるフレーム（１１）を兼ねることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の交流励磁同期回転電機。
5. 前記磁極の内側に設けられ、径方向に着磁される第１磁石（１５）を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の交流励磁同期回転電機。
6. 前記接近対向部は、周方向に延びて形成される部位である鍔部位（１３ａ３，１３ｂ３）を含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の交流励磁同期回転電機。
7. 前記磁気抵抗部は、前記磁極と前記外側ヨーク鉄心との間に設けられる空間（１４ａ，１４ｂ）であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の交流励磁同期回転電機。
8. 前記接近対向部は、複数の前記磁極について周方向に連続して円環状に形成されることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の交流励磁同期回転電機。
9. 周方向に隣り合う前記磁極の相互間に設けられ、周方向に着磁される第２磁石（１８）を有することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の交流励磁同期回転電機。
10. 前記磁気抵抗部は、前記磁極と前記外側ヨーク鉄心との間に設けられ、前記磁極と反発する方向に着磁される第３磁石（１４ｃ，１４ｄ）であることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の交流励磁同期回転電機。
11. 前記制御部は、電気角で０度を境として、０度＜β＜９０度の前記位相角で発電機トルクを出力し、−９０度＜β＜０度の前記位相角で電動機トルクを出力するように界磁起磁力を前記磁極に与える制御を行うことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の交流励磁同期回転電機。
12. 前記制御部は、前記位相角を−１０度から−７０度までの範囲内、または、＋１０度から＋７０度までの範囲内で制御することを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の交流励磁同期回転電機。

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