JP6393916B2 - 電気回転機 - Google Patents

Description

本発明は、ロータとステータとを有する電気回転機に関する。

例えば、電気回転機として同期電動発電機（モータジェネレータ）があり、１台で電動機（モータ）又は発電機（ジェネレータ）として作動される。 ハイブリッド自動車では、特許文献１に開示されているように、車輪駆動系に動力分配機構を介して、エンジンと２台のモータジェネレータを連動連結し、１台のモータジェネレータでエンジンの始動及び動力補助、発電に使用し、他方を動力補助、回生発電等に使用している。

特許文献２においては、モータジェネレータを２台直結して、両方をモータ又はジェネレータとし、また１台をモータに、他方をジェネレータとして使用可能にしている。 特許文献３においては、円筒形ロータの内外周面にそれぞれステータを対向させ、両ステータの巻線の電気角を周方向で１８０°ずらした誘導電動機、同期電動機が開示されている。 特許文献４に開示された誘導反発吸引原理を利用した回転電機は、誘導反発吸引原理を利用した回転電機の固定子に供給される、永久磁石型回転子の回転速度に同期した３相電流に対して、この３相電流から９０度位相がずれた電流を重畳することにより、前記永久磁石型回転子を中心に戻そうとする電磁力を発生させるように構成されている。 特許文献５に開示された回転型周波数変換装置は、電動機と発電機とを軸連結して、周波数の異なる系統間で電力の授受を行うように構成されている。

特開２０１２−２３２６７１号公報 特開２０１０−０２８８８７号公報 特開２００９−２４７０４６号公報 特開２０１３−１４６１５８号公報 特開２００９−２７３２６８号公報

前記特許文献１〜５の技術では、１台のモータジェネレータは、電動態様（モータ態様）と発電態様（ジェネレータ態様）とに切り替え可能であるが、瞬間においてはどちらか一方の態様のみで、２つの態様を同時に採り得ることができなく、電動態様で駆動されるロータで発電態様を持続させることは困難になっている。

本発明は、このような従来技術の問題点を解決できるようにした電気回転機を提供することを目的とする。
本発明は、永久磁石で表裏に磁界部を形成した１個のロータを電動態様と発電態様とに同時に使用して、持続的に発電できるようにした電気回転機を提供することを目的とする。
本発明は、永久磁石で表裏に磁界部を形成する１個のロータに対向する２つのステータ磁界に発生する磁界の能力差をつけて、能力の高いステータ磁界に給電しかつ能力の低いステータ磁界から集電可能にして、持続的に発電できるようにした電気回転機を提供することを目的とする。
本発明は、永久磁石で表裏に磁界部を形成する１個のロータを両端が自由端の円筒体に形成し、第１ステータ又は第２ステータとの間に磁気間隙形成手段及び磁気位置設定手段を設けて、ロータを浮上状態で回転させて、持続的に発電できるようにした電気回転機を提供することを目的とする。
本発明は、永久磁石で表裏に磁界部を形成する１個のロータを両端が自由端の円筒体に形成し、第２ステータの巻線を大電流供給可能な超電導体で形成し、ロータを浮上状態で回転させて、第１ステータの巻線から持続的に発電できるようにした電気回転機を提供することを目的とする。

本発明における課題解決のための具体的手段は、次の通りである。
第１に、永久磁石を円周方向に配列して表裏各面にそれぞれ第１磁界部と第２磁界部とを形成した回転自在なロータと、このロータの外周面の第１磁界部と対面して第１ステータ磁界を形成する巻線を設けた第１ステータと、ロータの内周面の第２磁界部と対面して第２ステータ磁界を形成する巻線を設けた第２ステータと、前記第１ステータと第２ステータとを固定しかつロータを包囲したケースとを有しており、
前記第１ステータ又は第２ステータの一方の巻線に給電してロータを回転駆動する給電装置と、駆動されるロータの回転によって他方の巻線に発生する誘導電流を取り出す集電装置とを備えた制御部を有しており、
少なくとも給電側のステータの巻線を超電導材で形成しており、
前記ロータは、第１磁界部及び第２磁界部を設けた円筒部の両端が自由端の円筒体であり、第１ステータ又は第２ステータとロータとの間にロータを磁気で浮上させて径方向間隙を形成する磁気間隙形成手段及び軸方向相対位置を適正にする磁気位置設定手段を有することを特徴とする。
第１の特徴は、１台の電気回転機で、両端が自由端の１個のロータを共用して電動態様と発電態様とを同時に採って、持続的に発電することができる。

第２に、制御部は永久電流スイッチ及び限流器を有する超電導制御ユニットを備え、給電側の超電導巻線に永久電流を供給可能であることを特徴とする。
第２の特徴は、給電側の超電導巻線に永久電流を供給して、効率よく持続的に発電することができる。
第３に、第２ステータの巻線を超電導材で形成して給電装置に接続し、第１ステータを集電装置に接続し、第２ステータの超電導巻線に供給する電流を第１ステータの巻線で発生する誘導電流より大きくしていることを特徴とする。
第３の特徴は、第２ステータの超電導巻線に電流を供給して、効率よくロータを駆動して持続的に発電することができる。

第４に、給電装置は、給電側の巻線に給電する電流をステータ周方向等間隔にかつ複数同時に同極に励磁可能であることを特徴とする。
第４の特徴は、両端が自由端の１個のロータを、給電電流でステータとの間に間隙を形成しかつ軸方向相対位置を適正にすることができる。

第５に、集電側の巻線は、誘導電流がステータ周方向等間隔にかつ複数同時に同極に励磁可能になっていることを特徴とする。
第５の特徴は、両端が自由端の１個のロータを、誘導電流でステータとの間に間隙を形成しかつ軸方向相対位置を適正にすることができる。

第６に、集電側のステータに周方向間隔をおいて設けた巻線は、主ループとこれと逆向きに巻いた副ループとをステータの軸心方向に隣接しかつそれらループを８の字結線しており、前記主ループは副ループよりもロータの永久磁石との対向面積が大きいことを特徴とする。
第６の特徴は、１個のロータを誘導電流でステータとの間に間隙を形成しかつ軸方向相対位置を適正にすることができ、かつ、集電効率を高くすることができる。

第７に、ロータが停止しているときに、ロータと第１ステータ及び第２ステータとの間に径方向間隙を形成する間隙保持手段を設けていることを特徴とする。
第７の特徴は、ロータが停止しているときに、ロータと第１ステータ及び第２ステータとの間の接触を回避することができる。
第８に、ロータ、第１ステータ及び第２ステータとでなる組がロータの軸心方向に複数組設けられており、一方のロータは両端が自由端の磁気で浮上する前記円筒体で形成され、他方のロータは端部にケース外に突出する出力軸部を連結していることを特徴とする。
第８の特徴は、１組のロータ、第１ステータ及び第２ステータで発電し、他の１組のロータ、第１ステータ及び第２ステータで駆動力の取り出しができる。

第９に、第１磁界部及び第１ステータと第２磁界部及び第２ステータとは、給電側と発電側の交流電流の周波数が異なっていることを特徴とする。
第９の特徴は、給電と異なる周波数の発電を効率よくすることができる。
第１０に、第１ステータ及び第２ステータの両方の巻線を超電導材で形成し、前記ロータの永久磁石は、ロータ内に埋め込んでその両端でロータ表裏の第１磁界部と第２磁界部とを形成する超電導バルクであることを特徴とする。
第１０の特徴は、ロータの永久磁石を簡単に形成でき、強力な磁界を着磁できる。

本発明によれば、永久磁石３で表裏に磁界部４ａ、４ｂを形成した１個のロータ５を電動態様と発電態様とに同時に使用して、持続的に発電することができる。
また、本発明によれば、永久磁石３で表裏に磁界部４ａ、４ｂを形成した１個のロータ５に対向する２つのステータ磁界α、βに発生磁界の能力差をつけて、能力の高いステータ磁界に給電しかつ能力の低いステータ磁界から集電可能にして、持続的に発電することができる。

また、本発明によれば、永久磁石３で表裏に磁界部４ａ、４ｂを形成した１個のロータ５を、両端が自由端の円筒体に形成し、第１ステータ７ａ又は第２ステータ７ｂとの間に磁気間隙形成手段及び磁気位置設定手段を設けて、ロータ５を浮上状態で回転させて、持続的に発電することができる。
また、本発明によれば、第２ステータ７ｂの巻線６が表面積の小さなものであっても、超電導巻線６への大電流供給により、第１ステータ７ａの巻線６の発生磁界より大きな磁界を発生でき、第１ステータ磁界αと第２ステータ磁界βとの間に発生磁界の能力差を明確につけることができる。

本発明の第１実施形態を示す断面正面図である。 図１のＸ−Ｘ線断面図である。 第１実施形態の電気回転機を移動機体に適用した概略図である。 同電気回転機の第１作動例を示す説明図である。 同電気回転機の第２作動例を示す説明図である。 同電気回転機の第３作動例を示す説明図である。 本発明の第２実施形態を示す断面正面図である。 図７のＹ−Ｙ線断面図である。 第２実施形態の電気回転機を移動機体に適用した概略図概略図である。 本発明の第３実施形態を示す断面正面図である。 図１０のＺ−Ｚ線断面図である。 本発明の第４実施形態を示す断面正面図である。 図１２のＷ−Ｗ線断面図である。 本発明の第５実施形態を示す断面正面図である。 図１４のＶ−Ｖ線断面図である。 第５実施形態の展開説明図である。 本発明の第６実施形態を示す断面正面図である。 本発明の第７実施形態を示す断面正面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１〜６は本発明の第１実施形態の電気回転機１Ａを示しており、図１〜３において、電気回転機１Ａは三相交流用の電動発電機（モータジェネレータ）であって、自動車、電車、船舶等の移動機体１５に搭載されていて、給電装置９、集電装置１０、インバータ（コンバータを含む）１６及びバッテリ１７等を備えた制御部１８と接続されており、また移動機体１５の回転軸、推進軸等の外部回転部材１２と連動連結されている。
図１、２において、前記電気回転機１Ａは大別して、１個のロータ５と、２個のステータ７ａ、７ｂと、これらを収納しかつ支持するケース８と、このケース８に固定されていてステータ７ｂを支持する支持体１３と有し、ステータ７ａ、７ｂは三相交流電流を給電及び集電可能になっている。

前記ロータ５は、円筒形の円筒部５ａと、この円筒部５ａの一端に連結された回転軸部５ｂと、この回転軸部５ｂと一体成形された出力軸部５ｃとを有し、出力軸部５ｃの自由端はケース８から突出され、円筒部５ａ、回転軸部５ｂ及び出力軸部５ｃはそれぞれ軸受２０、２１、２２を介してケース８に対して回転自在に支持されている。
円筒部５ａは表裏に円形の外周面と内周面とを有し、外周面には永久磁石３ａを円周方向に複数個配列して第１磁界部４ａが形成され、内周面には永久磁石３ｂを円周方向に複数個配列して第２磁界部４ｂが形成されている。
第１ステータ７ａは珪素鋼板を多数枚重ねて巻線（コイル）６ａを分巻き又は集中巻きして形成し、ケース８の外周壁８ａの内周面に圧入固定したものであり、内周面に第１回転磁界（第１ステータ磁界、表回転磁界）αを形成し、この第１回転磁界αをロータ５の第１磁界部４ａと僅少径方向間隙（ラジアルギャップ）を介して対面させている。

第２ステータ７ｂは珪素鋼板を多数枚重ねて巻線（コイル）６ｂを分巻き又は集中巻きして形成し、ケース８の中心に固定した水平状の支持体１３の外周面に嵌着固定したものであり、外周面に第２回転磁界（第２ステータ磁界、裏回転磁界）βを形成し、この第２回転磁界βをロータ５の第２磁界部４ｂと僅少径方向間隙を介して対面させている。
前記ロータ５の第１磁界部４ａと第１ステータ７ａの第１回転磁界αとはインナロータモータ構造（第１回転部Ｍ１）になっており、また、ロータ５の第２磁界部４ｂと第２ステータ７ｂの第２回転磁界βとはアウタロータモータ構造（第２回転部Ｍ２）になっており、第１回転部Ｍ１及び第２回転部Ｍ２のスロット数及び極数は適宜設定される。
前記水平状の支持体１３は、一端側がケース８の側壁８ｂに嵌入固定され、軸受２０を介してロータ５の円筒部５ａの一端を支持しており、他端側は軸受２１を介して円筒部５ａ及び回転軸部５ｂ及び出力軸部５ｃを支持している。

前記ケース８の外周壁８ａには水等の冷却用冷媒を流通する流通路１１ａが形成され、支持体１３にも冷却用冷媒を流通する流通路１１ｂが形成され、これら流通路１１ａ、１１ｂは外部の冷却装置１１に接続されており、ケース８内部へ冷却用冷媒を循環できるようになっている。
なお、ロータ５の円筒部５ａの両端は、ケース８に軸受を介して回転自在に支持してもよく、また、軸受２０，２１、２２はラジアル軸受、スラスト軸受の他、磁気軸受でもよい。
前記ロータ５の円筒部５ａの第１磁界部４ａは、それぞれ永久磁石３ａをＮ極とＳ極とが周方向交互になるように配置しており、珪素鋼板に磁石孔を形成して埋め込んだ埋め込み構造であり、各永久磁石３ａにより外周面側の珪素鋼板部分も第１磁界部４ａを形成している。第２磁界部４ｂも同様に、永久磁石３ｂをＮ極とＳ極とが周方向交互になるように埋め込み配置している。
ロータ５の円筒部５ａの第１磁界部４ａと第２磁界部４ｂとは別個の永久磁石３ａを周方向同位相に配置しており、互いに対向する永久磁石３ａは第１磁界と第２磁界とを異なる極で形成して、対向する永久磁石３ａ同士が一連の磁力線の磁路を形成している。しかし、第１磁界と第２磁界とを同一の極で形成することも可能である。

図３において、第１実施形態の電気回転機１Ａを車両に適用して、内燃機関３０を搭載した車両のシリーズパラレルハイブリッドシステムを示しており、内燃機関３０を搭載しないと電気自動車又は電車になる。
電気回転機１Ａのロータ５の出力軸部５ｃは、移動機体１５の回転力が伝達される動力伝達手段、減速装置、動力分配機等の外部回転部材１２と連動連結されており、外部回転部材１２から内燃機関３０又は車輪３１へ駆動力が伝達され、内燃機関３０又は車輪３１から電気回転機１Ａへ回転力が伝達される。
制御部１８は、電気回転機１Ａの制御系だけでなく、移動機体１５の運行に関する情報を取得するとともに内燃機関３０を制御する車両制御ユニット、インバータ、コンバータ等を有する。

図１〜３において、前記制御部１８の給電装置９は、第１ステータ７ａ及び第２ステータ７ｂの一方又は両方の巻線６（６ａ、６ｂ）に給電してロータ５を回転駆動可能になっており、集電装置１０は、第１ステータ７ａ及び第２ステータ７ｂの一方又は両方の巻線６から発電した電力を集電可能になっている。また、第１ステータ７ａと第２ステータ７ｂの一方に給電するときに、他方は給電を停止して発電することができる。
即ち、制御部１８は、車両の停止、走行、減速等のいずれの状態でも、第１ステータ７ａと第２ステータ７ｂとは、共通のロータ５を回転させて、一方を電動態様（モータ態様）にしかつ同時に他方を発電態様（ジェネレータ態様）にすることができる。
特に、車両が略定速状態でトルク変動が少ないとき、必要トルクが小さいとき又は減速するとき等に、第１ステータ７ａ又は第２ステータ７ｂの一方に給電して電動態様にして駆動力を得ながら、同時に他方を発電態様にしてバッテリ１７に充電することができる。

そして、電気回転機１Ａは電動態様と発電態様とを同時に実現できるので、シリーズパラレルハイブリッド車両において、モータジェネレータと別個に内燃機関３０で駆動するジェネレータを設ける必要はない。
なお、第１回転磁界αのスロット数及び永久磁石３ａの個数に対して第２回転磁界βのスロット数及び永久磁石３ｂの個数を異ならせたり、第１回転磁界αと第２回転磁界βの巻線長さを異ならせたりして、第１回転部Ｍ１と第２回転部Ｍ２とに出力、発電量等の能力差をつけてもよい。
前記電気回転機１Ａは、第１ステータ７ａ及び第２ステータ７ｂに常温巻線を巻いていて、冷却装置１１の冷媒は、水、油等である。第１ステータ７ａと第２ステータ７ｂの少なくとも一方の巻線を超電導材（超伝導材）で形成する場合は、冷却装置１１の冷媒に液体窒素、液体ヘリウムを用い、超電導巻線製巻線のステータＳを臨界温度以下の超電導発生温度まで冷却させる。

超電導巻線６は大きく強い電流を流すことができるので、巻線６の磁界強度（発生磁界能力）を高くすることができ、発電側の誘導電流より能力（発生磁界能力）を高くすることができ、第２ステータ７ｂの巻線６ｂが第１ステータ７ａの巻線６ａより短くても、ステータ磁界の能力の高くすることができる。制御部１８に永久電流スイッチ、限流器等を有する超電導制御ユニットを備えておいて、三相交流の強い電流、永久電流を供給可能にする。
電気回転機１Ａは、第１ステータ７ａ及び第２ステータ７ｂに常温巻線又は超電導巻線を巻いていて、ロータ５を兼用する電動発電機、回転型周波数変換機、相数変換機、電圧変換機等に使用できる。給電側の巻線に直流電流を供給して直流電動機発電機としてもよい。

図４〜６は、図１〜３に示した電気回転機１Ａ及び内燃機関３０を搭載したシリーズパラレルハイブリッド車両における電動・発電（Ｍ・Ｊ）の作動態様を示している。なお、第１ステータ７ａの巻線６を第２ステータ７ｂの巻線６より多く（磁界強さ能力が高い）しており、実線は第１ステータ７ａ、１点鎖線は第２ステータ７ｂ、点線は内燃機関３０のそれぞれの作動を示している。
図４に示す第１作動例は、始動の状態ａ１で内燃機関３０を車両停止状態から始動すると同時に両ステータ７ａ、７ｂを電動態様（Ｍ）にして、強力な起動力を出し、状態ｂで最大加速、大トルクを得る。定速走行、中トルクの状態ｃになると、第２ステータ７ｂを電動態様から発電態様（Ｊ）に変更して電力を得、また、トルクの必要量が減少するとき、負荷が小さい定速走行中又は減速で車両慣性力が大きいときは、第２ステータ７ｂを発電態様にして状態ｄ（定速走行、小トルク、小発電）にし、さらに減速時又は制動時は、第２ステータ７ｂとともに第１ステータ７ａを発電態様の状態ｅにして、エネルギを回生して、回生エネルギ、制動力を得る。内燃機関３０は、走行負荷が小さい定速走行中又は車両慣性力が大きいときに、適宜停止される。
前記第１作動例において、状態ｃの後半及び状態ｄは、ロータ５の表裏で第１ステータ７ａの電動態様と第２ステータ７ｂの発電態様とが同時に発生し、外部回転部材１２に電動回転力を伝達しながら第２ステータ７ｂで発電することができる。

図５に示す第２作動例は、状態ａ２で内燃機関３０を車両停止状態から始動すると同時に両ステータ７ａ、７ｂを同時に発電態様にしており、状態ｆで内燃機関３０で車両を低速走行させ、両ステータ７ａ、７ｂで大発電を行う。この場合、車両を走行させずに、大発電のみ行ってもよく、切替の状態ｃから一方のステータ（ここでは第２ステータ７ｂ）を発電態様に変更すると、定速走行、小トルク、小発電の状態ｄとなる。状態ｅは両ステータ７ａ、７ｂ及び内燃機関３０の作動停止を示している。状態ｅから状態ａ２、あるいは第１ステータ７ａ及び第２ステータ７ｂの一方を発電態様にしかつ他方を電動態様にする状態ａ３へ移行できる。
前記第２作動例において、状態ｃの後半、状態ｄ及び状態ａ３は、ロータ５の表裏で第１ステータ７ａ及び第２ステータ７ｂの電動態様と発電態様とが同時に発生している。

図６に示す第３作動例は、状態ａ３で内燃機関３０を始動し、第１ステータ７ａを電動態様にすると同時に第２ステータ７ｂを発電態様にしており、そのまま、状態ｄ（定速走行、小トルク、小発電）にして第２ステータ７ｂの発電態様を持続する。そして、必要に応じて第２ステータ７ｂによる発電を停止したりし（状態ｇ）、また状態ｄから減速・停止の状態ｅに変更して第２ステータ７ｂとともに第１ステータ７ａを発電態様にする。前記状態ｇは発電負荷を小さくするだけで、状態ｄと同様に、ロータ５の表裏で第１ステータ７ａ及び第２ステータ７ｂの電動態様と発電態様とが同時に発生し、外部回転部材１２に電動回転力を伝達しながら第２ステータ７ｂで持続的な発電をすることができる。
前記電気回転機１Ａは、内燃機関を割愛すれば電気自動車、電車となり、第１ステータ７ａと第２ステータ７ｂとに電動態様と発電態様とを同時に作用できる。

図７〜９は第２実施形態を示しており、この電気回転機１Ｂは出力軸部５ｃの両端がケース８から突出した三相交流電動機発電機であって、出力軸部５ｃの一端部が内燃機関３０の出力軸に外部回転部材１２を介して連動し、他端部が移動機体１５の回転軸、推進軸等の外部回転部材１２と連動連結されている。
電気回転機１Ｂのロータ５は、円筒部５ａと回転軸部５ｂと出力軸部５ｃとがそれぞれ別個に形成され、出力軸部５ｃの両端は自由端であってケース８から突出されている。内周側のステータ７ｂを支持する支持体１３は円筒形状に形成され、一端側がケース８に固定され、他端が自由端となっており、この円筒形状の支持体１３内に出力軸部５ｃが貫通配置されている。
ロータ５の円筒部５ａに埋設された永久磁石３は円筒部５ａにＮ・Ｓ極を径方向にして貫通していて、その径方向両端で円筒部５ａの表裏に円形外周面の第１磁界部４ａと円形内周面の第２磁界部４ｂとを形成している。

ケース８の外周壁８ａに固定される第１ステータ７ａと、支持体１３の外周面に嵌着固定される第２ステータ７ｂとは、常温用巻線６ａ、６ｂを巻いてもよく、一方又は両方を超電導材の巻線としてもよい。超電導巻線とする場合は、冷却装置１１も超電導用とし、ケース８の外周を断熱ケース２９で包囲する。
前記第１ステータ７ａと第２ステータ７ｂとに超電導巻線を巻いて、電気回転機１Ｂを超電導回転機とする場合、永久磁石３にバルク磁石を採用し、第１ステータ７ａ及び第２ステータ７ｂを臨界温度以下の超電導発生温度まで冷却しながら又は臨界温度にしてから、周方向同位相で互いに反対でかつ波形に制御したパルス磁場を与えて、バルク磁石に着磁させる。
このバルク磁石の着磁は波形制御パルス着磁方法として知られているが、この着磁方法を、電気回転機１Ｂを構成するロータ５と第１ステータ７ａ及び第２ステータ７ｂとの間で行うことができ、バルク磁石の消磁は高温にすればできるので、バルク磁石の着磁・消磁・リセットが、着磁装置を用いることなく、電気回転機製作後にも、いつでもどこでも容易に着磁することができ、永久磁石３の磁力を常に良好に維持できる。

図１０、１１に示す本発明の第３実施形態において、電気回転機１Ｃは第１ステータ７ａと第２ステータ７ｂのスロット数が異なっており、ロータ５は円筒部５ａの両端部が自由端状の回転軸部５ｂとなっていて、ケース８から突出した出力軸部を備えていない。この電気回転機１Ｃは回転型周波数変換機、サイクロコンバータ、風力発電機の可変速機（ＤＦＭ）等として利用できる。
ケース８の内周面に圧入された第１ステータ７ａは、巻線６ａを分巻き又は集中巻きして内周面に第１回転磁界αを形成し、ケース８の側壁８ｂに固定の支持体１３の外周面に嵌着した第２ステータ７ｂも、巻線６ｂを分巻き又は集中巻きして外周面に第２回転磁界βを形成している。第２ステータ７ｂのスロットは第１ステータ７ａより少なく、例えば、５：６の比率となっている。巻線６は常温巻線又は超電導巻線である。
ロータ５の円筒部５ａは前記第１実施形態と同様に、円形の外周面と内周面とを有し、外周面には永久磁石３ａを円周方向に複数個配列して第１磁界部４ａが形成され、内周面には永久磁石３ａを円周方向に複数個配列して第２磁界部４ｂが形成されている。

ケース８の側壁８ｂ及び蓋部材８ｃの内側側面に回転軸部５ｂと同心のリング状の軸受支持部材３６、３７を設け、この軸受支持部材３６、３７に回転軸部５ｂの端部を挿入する環状溝を形成し、この環状溝内と回転軸部５ｂの内周面、外周面及び端面との間に、回転軸部５ｂをスラスト方向及びラジアル方向に位置規制する永久磁石又は電磁石を設けて磁気の軸受４０、４１を構成している。
即ち、磁気の軸受４０、４１は、ロータ５が高速回転しているときに、ロータ５と第１ステータ７ａ又は第２ステータ７ｂとの間に径方向間隙を形成する磁気間隙形成手段及び軸方向相対位置を適正にする磁気位置設定手段を構成し、ロータ５が停止しているとき及び低速回転しているときに作動して、ロータ５と第１ステータ７ａ又は第２ステータ７ｂとの間に径方向間隙を形成する間隙保持手段を構成する。
前記電気回転機１Ｃは、１つのロータ５と第１ステータ７ａ及び第２ステータ７ｂとの間で、電動態様と発電態様とを常に同時に発生することができ、第２ステータ７ｂに５０サイクルの電流を供給してロータ５を回転させると、ロータ５と第１ステータ７ａとは６０サイクルの発電機となり、また、逆に第１ステータ７ａに６０サイクルの電流を供給してロータ５を回転させると、ロータ５と第２ステータ７ｂとは５０サイクルの発電機となり、供給電流から周波数変換した電流を発電できる。

前記制御部１８の給電装置９は、第１ステータ７ａ及び第２ステータ７ｂの一方又は両方の巻線６（６ａ、６ｂ）に給電してロータ５を回転駆動可能になっており、集電装置１０は、第１ステータ７ａ及び第２ステータ７ｂの一方又は両方の巻線６から発電した電力を集電可能になっている。また、第１ステータ７ａと第２ステータ７ｂの一方に給電するときに、他方は給電を停止して発電することができる。
従って、発電開始時には、第１ステータ７ａ及び第２ステータ７ｂに同時に電流を供給して電動態様にし、ロータ５が高速回転してから、一方のステータ７を発電態様にし、ロータ５が停止するときには、ロータ５の慣性回転により第１ステータ７ａ及び第２ステータ７ｂで同時に回生発電をすることが可能になる。
なお、前記第１回転磁界αのスロット数及び永久磁石３ａの個数に対して第２回転磁界βのスロット数及び永久磁石３ｂの個数を異ならせたり、第１回転磁界αと第２回転磁界βの巻線長さを異ならせたりして、第１回転部Ｍ１と第２回転部Ｍ２とに出力、発電量等の能力差（発生できる磁界の強さの差に由来する能力差）をつけてもよい。

図１２、１３に示す本発明の第４実施形態において、電気回転機１Ｄのロータ５は、円筒形の円筒部５ａのみで構成され、外周面に永久磁石３ａを周方向複数個配列して第１磁界部４ａが形成され、内周面に永久磁石３ｂを周方向複数個配列して第２磁界部４ｂが形成され、永久磁石３ａ、３ｂの個数、即ち、５：６の比率で磁極数が異なっている。この電気回転機１Ｄは、回転型周波数変換機として利用できる。
第１ステータ７ａと第２ステータ７ｂの巻線６ａ、６ｂは常温用又は超電導用であり、一方を電動態様としかつ他方を発電態様として使用されるが、電動態様のステータ７には、１８０°偏位した２箇所で同一磁極が形成されるように電流が供給され、ロータ５に１８０°対極位置で同一の吸引力又は反発力を発生させ、ロータ５と第１ステータ７ａ及び第２ステータ７ｂとの間に適切な僅少径方向間隙を確保し、吸引力によって軸心方向の位置も常に適正に維持できるようにしている。
即ち、１２０°間隔で３つのスロットをＵ相・Ｖ相・Ｗ相に設定し、この相組を１８０°偏位して２相組つくり、また、９０°間隔で４相組つくることにより、ロータ５をステータ７による回転磁界で支持できる。

電動態様のステータ７の周方向同一磁極は、１８０°偏位の２箇所、９０°偏位の４箇所、４５°偏位の８箇所等、複数同時に励磁させればよく、ロータ５を電動態様のステータ７から磁力で浮き上がらせればよい。ロータ５の磁界部４ａ、４ｂと第１ステータ７ａと第２ステータ７ｂの巻線６ａ、６ｂとの間の周方向等間隔の吸引力又は反発力は、ロータ５の磁気間隙形成手段となり、吸引力はステータ７に対するロータ５の軸方向の磁気位置設定手段となり、第１ステータ７ａと第２ステータ７ｂとの間でロータ５を磁気軸受で回転自在に支持することになる。
前記第３、第４実施形態の電気回転機１Ｃ、１Ｄは、ロータ５は磁気軸受で支持されていて、機械的摩擦がないので回転効率が高く、１個のロータ５を回転するだけであるので、電動機と発電機とを別個に製作して軸連結する回転型周波数変換機に比べて、回転ロスが少なく、周波数変換効率を大幅に向上できる。

また、前記第３、第４実施形態の電気回転機１Ｃ、１Ｄは、第２ステータ７ｂの巻線６ｂを超電導材で形成すると、大電流、永久電流を供給することができ、その電磁力は、第１ステータ７ａの巻線６ａで励磁される誘導起電力より大きくかつ強くできる。即ち、第２ステータ７ｂの巻線６ｂは界磁形成表面積が小さくとも、超電導の特性により、第１ステータ７ａの巻線６ｂより強い磁界を発生するように能力差をつけることができ、持続的に電力を取り出す発電機にもなる。
前記第１、３実施形態の電気回転機１Ａ、１Ｃは、ロータ５の表裏磁界部形成構造は、例えば、ロータ５の内周と外周とに２個でハの字状になる永久磁石３ａを周方向複数組配置したり、第１実施形態の第１磁界部４ａと第２磁界部４ｂの永久磁石３ａ、３ｂの埋設位相を異ならせ、周方向において、第１磁界部４ａの永久磁石３ａ間に第２磁界部４ｂの永久磁石３ｂが位置するようにしたりしてもよい。

図１４〜１６に示す本発明の第５実施形態において、電気回転機１Ｅは、三相交流発電用の超電導電動機発電機であって、給電装置９、集電装置１０、超電導制御ユニット４５、インバータ１６及びバッテリ１７等を備えた制御部１８と接続されている。
前記電気回転機１Ｅは、１個のロータ５と、２個のステータ７ａ、７ｂと、これらを収納しかつ支持するケース８と、このケース８に固定されていてステータ７ｂを支持する支持体１３と、ケース８を外側から覆う断熱ケース２９とを有し、これらは円筒形であって、軸心は縦向きに配置されており、ステータ７ａ、７ｂに設けられた巻線６ａ、６ｂは超電導材で形成され、それぞれ三相交流電流を給電及び集電可能になっている。
前記ロータ５は、前記電気回転機１Ｄと同様に、両端が自由端の円筒体で形成されていて、円筒部のみであって外部と繋がる軸部は存在しない。ロータ５の永久磁石３ａは、前記電気回転機１Ｂと同様に、径方向の両端で第１磁界部４ａと第２磁界部４ｂとを形成しており、第２磁界部４ｂ側よりも第１磁界部４ａ側の面積を小さくして、回転時にロータ５から飛び出さないように埋設されている。この永久磁石３ａは波形制御パルス着磁が可能なバルク磁石が採用されている。

第１ステータ７ａはアルミ合金、ステンレス等の非磁性材料又は磁性材料で形成され、ケース８の外周壁８ａの内周面に固定したものであり、内周面に第１回転磁界（第１ステータ磁界）αを形成する巻線６ａを取り付け、ロータ５と僅少径方向間隙（ラジアルギャップ）を介して対面させている。
前記ロータ５の第１磁界部４ａと第１ステータ７ａの第１回転磁界αとは８極１２スロットのインナロータ超電導発電機構造（第１回転部Ｍ１）になっており、巻線６ａは集電側の巻線であって、そこに発生する誘導電流を取り出す集電装置１０と接続されている。
第１ステータ７ａは１つの極を作る巻線６ａが、主ループｊとこれと逆向きに巻いた副ループｋとをロータ５の軸心方向に隣接し、かつそれら主副ループｊ、ｋを上下方向８の字結線しており、主ループｊは副ループｋよりもロータ５の永久磁石３との対向面積が大きくなっている。

ロータ５の第１磁界部４ａは周方向等間隔（例えば、１８０°間隔）で同極になっており、巻線６ａはロータ５が回転して永久磁石３が対面してくると、主ループｊが永久磁石３と同極となって電磁誘導によって起電力と反発力とが発生し、周方向等間隔でロータ５を軸心側に押さえるので磁気で径方向間隙を形成し（磁気間隙形成手段となる）、その誘導起電力が副ループｋに流れて永久磁石３と異極になって吸引力が発生し、この吸引力がロータ５を浮上させかつ第１ステータ７ａに対してロータ５の軸方向相対位置を適正にする磁気の位置設定手段となる。
即ち、ロータ５は回転すると、巻線６ａとの間の誘導反発吸引作用によって、第１ステータ７ａに対して径方向同心でかつ浮上して軸方向適正位置に保持される。
第１ステータ７ａは、主ループｊと副ループｋの永久磁石３と対向する面積を同一にしてもよいが、主ループｊを大きくする方が誘導起電力を大きくでき、また、ロータ５を軽量に形成できるので、浮上用吸引力は大きくなくても支障はない。

第２ステータ７ｂは、ステンレス等の非磁性材料又は磁性材料で形成され、ケース８の中心に固定した縦筒状の支持体１３の外周面に嵌着固定されている。第２ステータ７ｂは外周面に第２回転磁界βを形成する超電導巻線６ｂを取り付け、ロータ５の第２磁界部４ｂと僅少径方向間隙を介して対面させている。
前記ロータ５の第２磁界部４ｂと第２ステータ７ｂの第２回転磁界βとは８極１２スロットのアウタロータ超電導電動機構造（第２回転部Ｍ２）になっており、超電導巻線６ｂは給電側の巻線であって、そこに電流を供給する給電装置９と接続されている。
この巻線６ｂは、１つの極を作る巻線が、レーストラック型、パンケーキ型等の１つのループであり、周方向等間隔で同極に励磁して、ロータ５の永久磁石３に対して吸引力又は反発力を与えて、ロータ５を第２ステータ７ｂの軸心側に押さえながら（磁気間隙形成手段となる）回転させる。超電導巻線６ｂの電磁力により永久磁石３は吸引されるので、その吸引力はロータ５の軸方向相対位置を拘束し（浮上力を発生する）、ロータ５が軸方向に移動するのを規制する（磁気位置設定手段となる）。
即ち、巻線６ｂに界磁電流を供給してロータ５を回転すると、永久磁石３との間の回転磁界反発吸引作用によって、第２ステータ７ｂに対してロータ５は径方向同心でかつ浮上して軸方向適正位置に保持される。巻線６ｂに供給する回転界磁電流は、周方向１８０°間隔、９０°間隔等で同極に励磁できる。

第２ステータ７ｂは第１ステータ７ａより小径で体積が小さく（巻線長さが短く、界磁形成表面積が小さい）、少なくともこの第２ステータ７ｂは超電導巻線６ｂが巻かれており、超電導制御ユニット４５内の永久電流スイッチ、限流器等と接続され、三相交流の永久電流を供給可能になっている。
第２ステータ７ｂの超電導巻線６ｂに強い電流、永久電流を供給すると、その電磁力は、第１ステータ７ａの巻線６ａで励磁される誘導起電力より大きくかつ強くできる。即ち、第２ステータ７ｂの巻線６ｂは界磁形成表面積が小さくとも、超電導の特性により、第１ステータ７ａの巻線６ｂより強い磁界を発生するように能力差をつけることができる。
第１ステータ７ａとケース８との間、第２ステータ７ｂと支持体１３との間、及びケース８の底壁８ｂには、冷却装置１１からの冷媒が流通できる流通路１１ａが形成され、支持体１３は内部空洞になっていて、冷媒が貯留されるとともに超電導制御ユニット４５が収納されている。
前記ケース８は底壁８ｂに外周壁８ａ及び支持体１３が固定され、外周壁８ａの上端開口を蓋部材８ｃで閉鎖しており、この蓋部材８ｃの下面にはテーパ凸部８ｄが形成され、支持体１３の上端開口に嵌入して、支持体１３の上端を支持している。

ケース８は底壁８ｂに環状の間隙保持手段４７が配置されている。この間隙保持手段４７は下レース４７ａ上に多数個の回転体４７ｂを配列し、ロータ５の下端面に上レース４７ｃを形成したスラストベアリング構造であり、ロータ５が回転し始めるとき及び停止するとき等の低速回転のときに、浮上力が弱いので、ロータ５を回転自在に受けてケース８との間の摩擦を低減する。前記間隙保持手段４７は回転体４７ｂを球体にし、上レース４７ｃを円弧凹面にすると、ロータ５に調心作用をし、回転体４７ｂを円錐体にし、上レース４７ｃをロータ５の軸心を中心とする円錐面にすると、ロータ５に調心作用をし、停止時及び低速回転時に、ロータ５と第１ステータ７ａ又は第２ステータ７ｂとの間に径方向間隙を形成しかつその間隙を保持する。
前記ケース８の蓋部材８ｃの上に冷却装置１１を構成する冷媒タンク４８が載置又は取り付けられており、この冷媒タンク４８には流通路１１ａへ供給する冷媒を貯溜するとともに超電導巻線４９と磁気遮蔽板５０とが配置され、超電導エネルギ貯蔵装置となっている。巻線４９は制御部１８と接続されていて、電気を貯電、給電でき、磁気遮蔽板５０は巻線４９で発生する電磁気を閉ループにして遮蔽する。
断熱ケース２９はスペーサを介してケース８を支持して空間２９ａを形成しており、この空間２９ａとケース８内の空間とは真空装置５４に接続され、空間２９ａは外部からの熱の伝播を防止する真空空間になっている。

前記第５実施形態の電気回転機１Ｅにおいて、第２ステータ７ｂの超電導巻線６ｂに供給する電流は直流でもよく、始動時に巻線６ａ、６ｂにともに給電し、終了時に巻線６ａ、６ｂにともに集電してもよい。また、８極１２スロットを異なる極数スロット数にしてもよく、巻線６ａ、６ｂを６対５にして発電周波数を電動周波数と異ならせて、周波数変換、電圧変換等をしてもよい。また、ロータ５、２個のステータ７ａ、７ｂ、ケース８、支持体１３等は鋼板で形成してもよく、第１ステータ７ａの巻線６ａを超電導材で形成したり、支持体１３の内部を真空にしてもよい。
前記電気回転機１Ｅは第１〜４実施形態の電気回転機１Ａ〜１Ｄと同様に、第２ステータ７ｂの巻線６ｂを超電導材で形成すると、大電流、永久電流を供給することができ、その磁界強さ（電磁力）は、第１ステータ７ａの巻線６ａで励磁される誘導起電力より大きくかつ強くでき、持続的に発電することができる。

図１７に示す第６実施形態において、電気回転機１Ｆは、三相交流発電用の超電導電動機発電機であって、電気回転機１Ｅと異なる点は、ロータ５、ステータ７、ケース８及び支持体１３が、軸心横向きの円筒形であって、支持体１３内の空洞は断熱ケース２９内と連通していて真空になっている。
第２ステータ７ｂの超電導巻線６ｂはレーストラック型等の１つのループであるのに対して、第１ステータ７ａの巻線６ａは、主ループｊと、主ループｊを挟んでロータ５軸心方向両側の副ループｋとで形成され、各副ループｋは主ループｊと逆向きに巻かれていて、８の字結線（図１７に１点鎖線で示す。）されており、主ループｊは２つの副ループｋよりも永久磁石３との対向面積が大きくなっている。
ロータ５の第１磁界部４ａは周方向等間隔で同極であり、巻線６ａはロータ５が回転して永久磁石３が対面してくると、主ループｊが永久磁石３と同極となって電磁誘導により起電力と反発力とが発生し、周方向等間隔でロータ５を軸心側に押さえるので磁気で径方向間隙を形成し、その誘導電流が主ループｊの両側の副ループｋに流れて永久磁石３と異極になって磁気の吸引力が発生し、この吸引力がロータ５の両自由端を同時に同力で吸引し、第１ステータ７ａに対してロータ５の軸方向相対位置を適正にする。

よって、永久磁石３と巻線６ａとの間で、誘導反発吸引作用が生じ、磁気間隙形成手段と磁気位置設定手段とが構成される。
符号４７は間隙保持手段であり、摩擦抵抗の少ない減摩材で半球形状に形成した突起であり、第２ステータ７ｂの軸心方向両側の外周面の上側に複数、ロータ５の軸心方向両側自由端の外周面に周方向等間隔に多数形成されており、ロータ５が低速回転のときに、ロータ５を回転自在に受けてステータ７ａ、７ｂとの間の摩擦を低減し、停止時に径方向間隙を形成する。
前記電気回転機１Ｆは、ロータ５と超電導巻線６ｂとの間でも、界磁電流により、磁気の回転トルクだけでなく、反発力を吸引力により磁気間隙形成手段と磁気位置設定手段とが構成される。
第２ステータ７ｂの超電導巻線６ｂに強電流、永久電流を流すと、超電導の特性により、その電磁力を第１ステータ７ａの巻線６ａで励磁される誘導起電力より大きくかつ強くでき、第１ステータ７ａの巻線６ｂより強い電磁力を発生するように能力差をつけることができ、持続的に発電することができる。

図１８に示す第７実施形態において、電気回転機１Ｇは、軸心方向に２組の超電導電気回転機１ＧＬ、１ＧＲをケース８内に組込んでおり、電気回転機１ＧＬは電気回転機１Ｄと同様の電動機発電機であり、電気回転機１ＧＲは電気回転機１Ａと同様の回転トルク取り出し可能な電動機発電機であり、かつ外部回転部材を介して移動機体の運動エネルギを回生する回生機である。
前記電気回転機１Ｇは、２個のロータ５Ｌ、５Ｒと、内外周のステータ７ａ、７ｂと、これらを収納しかつ支持するケース８と、このケース８に固定されていてステータ７ｂを支持する支持体１３と、ケース８を外側から覆う断熱ケース２９と有し、これらは円筒形であって、軸心は横向きに配置されている。
第１ロータ５Ｌは永久磁石３ａＬが埋め込まれていて両端が自由端の円筒形であり、第２ロータ５Ｒは永久磁石３ａＲが埋め込まれた円筒部５ａと、この円筒部５ａの一端に連結された回転軸部５ｂと、この回転軸部５ｂと一体成形された出力軸部５ｃとを有している。
２個のロータ５Ｌ、５Ｒに対向して、第１ステータ７ａの内周には左右巻線６ａＬ、６ａＲが、第２ステータ７ｂの外周には左右巻線６ｂＬ、６ｂＲがそれぞれ設けられており、各巻線６ａ、６ｂは超電導材で形成され、レーストラック形状の１つのループに巻かれ、三相交流電流を給電及び集電可能になっている。

前記巻線６ａＬ、６ａＲ、６ｂＬ、６ｂＲは超電導制御ユニット４５と接続され、ステータ７ａ、７ｂの流通路１１ａは冷却装置１１と接続され、ケース８内の空間及び断熱ケース２９内の空間２９ａは真空装置５４と接続されている。
第２ロータ５Ｒの出力軸部５ｃには２個の伝動体５７、５８が設けられ、移動機体１５の回転力が伝達される動力伝達手段、減速装置、動力分配機等の外部回転部材１２と連動連結され、また、冷却装置１１及び真空装置５４を駆動するように連動連結されている。
電気回転機１Ｇは、超電導巻線６ｂＬ、６ｂＲに大電流、永久電流を供給して強い電流で２個のロータ５Ｌ、５Ｒを回転駆動し、巻線６ａＬ、６ａＲから誘導電流を集電し、同時に第２ロータ５Ｒの出力軸部５ｃから回転駆動力を取り出す。巻線６ａＬ、６ａＲ、６ｂＬ、６ｂＲは同時に又は独立して給電及び集電が可能である。

なお、本発明は前記実施形態における構造及び各部材の形状、位置関係は、図１〜１８に示すように構成することが最良であるが、部材、構成を種々変形したり、組み合わせを変更したりすることもできる。
例えば、電動態様のステータ７の巻線６を超電導巻線とした超電導電気回転機としても、３Ｋ宇宙背景放射空間で使用する場合は冷却装置を省略してもよい。

１ 電気回転機
３ 永久磁石
４ａ 第１磁界部
４ｂ 第２磁界部
５ ロータ
５ａ 円筒部
５ｂ 回転軸部
５ｃ 出力軸部
６（６ａ、６ｂ） 巻線
７ ステータ
７ａ 第１ステータ
７ｂ 第２ステータ
８ ケース
９ 給電装置
１０ 集電装置
１１ 冷却装置
１２ 外部回転部材
１３ 支持体
１８ 制御部
α 第１回転磁界（第１ステータ磁界）
β 第２回転磁界（第２ステータ磁界）

Claims (10)

1. 永久磁石を円周方向に配列して表裏各面にそれぞれ第１磁界部と第２磁界部とを形成した回転自在なロータと、このロータの外周面の第１磁界部と対面して第１ステータ磁界を形成する巻線を設けた第１ステータと、ロータの内周面の第２磁界部と対面して第２ステータ磁界を形成する巻線を設けた第２ステータと、前記第１ステータと第２ステータとを固定しかつロータを包囲したケースとを有しており、
   前記第１ステータ又は第２ステータの一方の巻線に給電してロータを回転駆動する給電装置と、駆動されるロータの回転によって他方の巻線に発生する誘導電流を取り出す集電装置とを備えた制御部を有しており、
   少なくとも給電側のステータの巻線を超電導材で形成しており、
   前記ロータは、第１磁界部及び第２磁界部を設けた円筒部の両端が自由端の円筒体であり、第１ステータ又は第２ステータとロータとの間にロータを磁気で浮上させて径方向間隙を形成する磁気間隙形成手段及び軸方向相対位置を適正にする磁気位置設定手段を有することを特徴とする電気回転機。
2. 前記制御部は永久電流スイッチ及び限流器を有する超電導制御ユニットを備え、給電側の超電導巻線に永久電流を供給可能であることを特徴とする請求項１に記載の電気回転機。
3. 第２ステータの巻線を超電導材で形成して給電装置に接続し、第１ステータを集電装置に接続し、第２ステータの超電導巻線に供給する電流を第１ステータの巻線で発生する誘導電流より大きくしていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電気回転機。
4. 前記給電装置は、給電側の巻線に給電する電流をステータ周方向等間隔にかつ複数同時に同極に励磁可能であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電気回転機。
5. 前記集電側の巻線は、誘導電流がステータ周方向等間隔にかつ複数同時に同極に励磁可能になっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電気回転機。
6. 前記集電側のステータに周方向間隔をおいて設けた巻線は、主ループとこれと逆向きに巻いた副ループとをステータの軸心方向に隣接しかつそれらループを８の字結線しており、前記主ループは副ループよりもロータの永久磁石との対向面積が大きいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電気回転機。
7. 前記ロータが停止しているときに、ロータと第１ステータ及び第２ステータとの間に径方向間隙を形成する間隙保持手段を設けていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の電気回転機。
8. 前記ロータ、第１ステータ及び第２ステータとでなる組がロータの軸心方向に複数組設けられており、一方のロータは両端が自由端の磁気で浮上する前記円筒体で形成され、他方のロータは端部にケース外に突出する出力軸部を連結していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の電気回転機。
9. 前記第１磁界部及び第１ステータと第２磁界部及び第２ステータとは、給電側と発電側の交流電流の周波数が異なっていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の電気回転機。
10. 前記第１ステータ及び第２ステータの両方の巻線を超電導材で形成し、前記ロータの永久磁石は、ロータ内に埋め込んでその両端でロータ表裏の第１磁界部と第２磁界部とを形成する超電導バルクであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の電気回転機。

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