KR20120104206A

KR20120104206A - 자속량 가변 회전 전기 시스템

Info

Publication number: KR20120104206A
Application number: KR1020127012304A
Authority: KR
Inventors: 요시카즈 이치야마
Original assignee: 유겐가이샤 쿠라 기주츠 겐큐쇼
Priority date: 2009-10-13
Filing date: 2010-10-08
Publication date: 2012-09-20
Also published as: US20110084567A1; CN102648570B; WO2011046070A1; JP2011217587A; JP4649625B1; US8373325B2; CN102648570A; KR101355533B1

Abstract

1이상의 전기자와 회전자가 대향하고, 회전자 표면에는 서로 다른 극으로 자화된 자성체 돌출극을 둘레 방향으로 교대로 가짐과 아울러 자성체 돌출극 내에 제어 자석을 갖고, 또한 회전자의 자극을 일괄해서 여자 하는 여자 코일을 갖고, 회전 전기의 출력에 따라 여자 코일 및 전기자 코일에 의한 자속이 동일 방향으로 흐르는 제어 자석의 자화 상태를 불가역적으로 변경하고, 전기자 코일과 쇄교하는 자속량을 제어하는 회전 전기 시스템이다. 이동체의 발전기겸 전동기 시스템에 이용하고, 구동용 전동기로서는 종래 이상의 회전 속도 범위에서의 사용과 저전류ㆍ대토크 출력을 기대할 수 있는 이외에 제동시의 에너지 회수를 가능하게 해서 종합적인 에너지 소비량을 개선할 수 있다.

Description

자속량 가변 회전 전기 시스템{VARIABLE-FLUX DYNAMO-ELECTRIC SYSTEM}

본 발명은 영구 자석 계자를 가진 발전기, 전동기를 포함하는 회전 전기 시스템에 관한 것이다.

영구 자석 계자와 전기자의 상대적 회전에 의해 전자적으로 발생되는 전력을 인출하는 발전기, 또는 전기자에 공급되는 전류에 의해 발생되는 자계와 영구 자석 계자의 상호작용에 의해 영구 자석 계자와 전기자의 상대적 회전을 발생시키는 전동기 등의 회전 전기 장치는 에너지 효율이 우수하고, 영구 자석의 기술적 진보에 따른 일상적으로 널리 사용되고 있다. 그러나, 그러한 회전 전기(電機)는 영구 자석으로부터의 자속이 일정하므로 전동기로서 이용되거나 발전기로서 이용되더라도 넓은 회전 속도 범위에서 항상 최적의 출력이 얻어진다는 의미는 아니다.

즉, 전동기의 경우는 고속 회전 영역에서는 역기전력(발전 전압)이 지나치게 높은 결과가 되어 제어가 곤란하게 되고, 약계자 제어로서 계자 강도를 약화시키는 여러가지 수단이 제안되어 있다. 또한, 발전기의 경우, 넓은 회전 속도 범위에 있어서 발전 전압을 소정의 레벨로 하기 위해 다만 계자 전류 제어에 의한 정전압 발전기 또는 반도체에 의한 발전 전압의 정전압화 회로가 이용되고 있다.

전동기에서는 리드 위상 전류에 의한 약계자 제어가 널리 채용되어 있지만, 에너지 효율, 제어 범위에는 한계가 있다. 자석 여자 회전 전기에 있어서의 에너지 효율의 높이를 희생으로 하지 않고, 회전 전기의 계자 제어를 기계적인 편차에 의해 행하는 시도가 있다(예를 들면 특허 제4243651호). 이것은 계자 조건을 기계적인 편차로서 유지할 수 있으므로 계자 제어에 따른 에너지 손실을 최소한으로 남겨서 고에너지 효율의 회전 전기를 실현할 수 있다.

에너지 손실을 최소한으로 남기는 다른 계자 제어 방법은 회전 전기의 운전중에 영구 자석의 자화 상태를 불가역적으로 변경하는 것이며, 일본 특허 공개 2006-280195, 일본 특허 공개 2008-048514, 일본 특허 공개 2008-125201 등의 기술 제안이 있다. 이것들은 전기자에 대향하는 회전자 자극을 고항자력을 가지는 영구 자석과 저항자력을 가지는 영구 자석으로 구성하고, 전기자 코일이 만드는 자계에 의해 저항자력의 영구 자석의 자화를 변경하려고 하고 있다. 그러나, 전기자 코일의 근방에 저항자력 자석이 배치되는 구성은 예견하기 어려운 사고에 의해 상기 영구 자석의 자화가 변경될 가능성이 항상 있고, 시스템의 안정성에는 중대한 걱정이 남는다. 또한, 고전압ㆍ대전류 펄스에 의한 자화 변경은 전자 회로에 중대한 데미지를 줄 가능성이 남는다.

따라서, 본 발명이 해결하려고 하는 과제는 시스템의 안정성을 유지하면서 강 및 약계자 제어를 가능하게 해서 출력을 최적으로 제어할 수 있는 회전 전기 시스템 및 자속량 제어 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 의한 회전 전기 시스템에 있어서, 회전자는 자화가 고정의 영구 자석에 의해 서로 다른 극으로 자화된 자성체 돌출극을 둘레 방향으로 교대로 갖고, 자성체 돌출극 내부에 제어 자석이 배치되고, 회전자를 일괄해서 여자하도록 여자 코일이 배치되고, 전기자 코일이 생성하는 자속 및 여자 코일이 생성하는 여자 자속이 같은 방향으로 흐르는 제어 자석의 자화가 선택적으로 변경된다. 그 구체적인 구성은 이하에 규정된다.

회전 전기 장치는 전기자 및 회전자가 상대적으로 회전가능하게 구성되고, 회전자는 둘레 방향으로 배치된 1이상의 자성체 돌출극을 갖고, 자성체 돌출극 내 및 또는 인접하는 자성체 돌출극 사이에 배치된 영구 자석에 의해 둘레 방향으로 인접하는 자성체 돌출극이 서로 다른 극으로 자화되고, 전기자는 1이상의 자성체 톱니와, 자성체 톱니에 권회된 전기자 코일이 둘레 방향으로 배치된다. 인접하는 상기 자성체 돌출극의 적어도 한쪽에 있어서, 전기자로부터 떨어진 자성체 돌출극 내부에 제어 자석이 배치되고, 더욱이 여자 자로 부재와, 여자 코일이 배치되고, 여자 코일은 여자 자로 부재 및 전기자 및 제어 자석을 포함하는 자로에 일괄해서 자속을 발생시키도록 배치되고, 전기자 코일에 의한 자속만에 의해서는 상기 제어 자석의 자화 상태가 변경되지 않도록 자화 방향 길이와 항자력의 곱이 설정되고, 회전 전기 장치는 여자 코일에 의한 여자 자속 및 전기자 코일에 의한 자속이 같은 방향으로 흐르는 상기 제어 자석의 자화 상태가 불가역적으로 변경되도록 구성된다. 회전 전기 장치의 출력을 최적화하도록 상기 출력에 따라 상기 제어 자석의 자화 상태를 변경하고, 전기자 코일과 쇄교하는 자속량이 제어된다. 최적화 대상으로 하는 출력은 출력 토크, 회생 제동시의 제동력 및 회수 에너지량, 발전 전압 등이다.

자성체 돌출극 내 및 또는 인접하는 자성체 돌출극 사이에 배치된 영구 자석은 자화 변경되기 어려운 크기의 항자력을 갖는다. 제어 자석이 배치되는 자성체 돌출극 내의 위치는 전기자로부터 떨어진 측에서 전기자 코일이 발생하는 자속의 영향을 받기 어려운 위치를 나타낸다. 더욱이 제어 자석은 전기자 코일이 통상 발생시키는 자속에 의해서는 자화 변경되기 어렵고, 또한 여자 코일 및 전기자 코일로부터 같은 방향으로 흐르는 합성 자속에 의해 자화 변경가능해지도록 자화 용이함인 자화 방향 길이와 항자력의 곱이 설정된다. 인접하는 자성체 돌출극 내에 각각 제어 자석이 배치될 경우는 인접하는 제어 자석의 자화 방향은 서로 역이고, 여자 코일이 발생하는 여자 자속의 방향을 변경하고, 순차적으로 그 자화 상태가 변경된다.

여자 자속의 자로 구성 예로서 전기자 및 회전자에 일괄해서 여자 자속을 공급하는 구성이 있다. 여자 자로 부재는 그 양단이 전기자와 회전자가 미소 간극을 통해서 교대로 늘어서는 전기자 및 회전자군의 끝에 배치된 회전자 또는 전기자와 자기적으로 결합되어 여자 자로 부재, 회전자, 전기자로 폐자로를 구성하고, 여자 코일은 그 폐자로에 자속을 발생시키도록 배치된다. 자기적으로 결합되는 것은 2개의 자성체끼리가 직접적으로 접속되고, 또는 미소 간극을 통해서 대향하도록 배치되는 상태를 나타낸다. 여자 코일은 축을 둘레 회전하는 구성으로서 정지측으로의 배치가 가능하다. 회전 전기 장치는 1이상의 원통형 전기자와 회전자가 직경 방향으로 공극을 통해서 대향하는 구조, 1이상의 원반형 전기자와 회전자가 축방향으로 공극을 통해서 대향하는 구조, 1이상의 원추면 형상의 전기자와 회전자가 공극을 통해서 대향하는 구조 등 어느 구조도 가능하다.

여자 자속의 자로 구성의 다른 예로서 축방향으로 늘어서는 2개의 회전자가 전기자와 대향하는 구성이 있다. 여자 코일은 2개 회전자 사이 또는 전기자의 축방향 중간에 배치되어 전기자, 제 1 회전자, 제 2 회전자로 구성하는 폐자로에 여자 자속을 발생시킨다. 여자 자속은 제 1 회전자, 제 2 회전자를 서로 역방향으로 흐르게 하고, 또한 전기자 코일로부터의 자속은 둘레 방향으로 인접하는 자성체 돌출극에는 서로 역방향으로 흐르도록 발생되는 것으로 해서 제 1 회전자, 제 2 회전자 내에 있어서 축방향으로 늘어서지 않는 제어 자석의 자화가 동시에 변경된다.

제어 자석은 자화 용이함이 다른 1이상의 자석 요소가 병렬로 접속되는 구성, 또는 자화 용이함, 즉 자화 방향 길이와 항자력의 곱이 연속적으로 변경되는 자석으로 구성된다. 상기 제어 자석의 구성의 목적은 전기자 코일에 쇄교하는 자속량의 제어에 있고, 자화 용이함의 다른 자석 요소의 배치는 1개의 단면 내에 한정되지 않고, 회전자 전체에 배분된다. 자성체 돌출극을 자성체 돌출극 근방의 영구 자석과 같은 극성으로 자화하는 자석 요소는 제 1 자화로 하고, 제 1 자화의 자석 요소는 전기자 코일과 쇄교하는 자속량을 증가하게 된다.

상기 회전 전기 시스템에 있어서, 여자 자속을 제어 자석에 집중시켜서 제어 자석의 자화를 용이하게 변경하는 구성이 있다. 즉, 영구 자석의 적어도 한쪽의 자극 측에는 도체가 배치되고, 도체에 유기되는 과전류에 의해 펄스형 자속이 영구 자석 내를 흐르기 어렵게 구성된다. 도체에는 과전류에 의한 발열을 억제하도록 도전성이 우수한 소재가 이용된다. 상기 구성에 의해, 전기자 코일이 생성하는 쌍방향의 펄스형 자속은 영구 자석을 통과하기 어렵고, 제어 자석에 집중되고, 제어 자석의 자화는 용이하게 변경된다.

상기 회전 전기 시스템에 있어서, 제어 자석으로부터의 자속에 더해서 더욱이 여자 코일에 공급하는 전류에 의한 자속을 중첩해서의 계자 제어가 가능하다. 대소의 두께를 갖는 제어 자석이 둘레 방향으로 인접하는 자성체 돌출극 내에 교대로 배치되고, 여자 코일에 의한 자속의 통과하기 쉬움에 차이가 제공된다. 제어 자석에 불가역적인 자화 변화가 생기지 않을 정도의 자속 조정 전류를 제어 자석의 각 자화 상태에 있어서 여자 코일에 공급하고, 유기된 자속을 제어 자석으로부터의 자속에 중첩해서 전기자를 흐르게 하는 자속량을 조정한다. 제어 자석의 자화는 연속적으로 변경이 가능해도, 제어 자석의 자화 변경은 대부분의 경우는 간헐적으로 실시되고, 결과로서 전기자를 흐르게 하는 자속량은 이산적으로 제어되는 것이 많다. 본 발명에서는 제어 자석의 각 자화 상태에 있어서 여자 코일이 유기하는 자속을 제어 자석으로부터의 자속에 중첩시켜서 전기자를 흐르게 하는 자속량을 정밀히 제어한다.

회전 전기 시스템은 전기자 코일로의 전류를 입력으로 해서 회전력을 출력으로 하면 전동기이며, 회전력을 입력으로 해서 전기자 코일로부터 전류를 출력하면 발전기이다. 전동기 또는 발전기에 있어서 최적의 자극 구성은 존재하지만, 가역적이며, 상기 회전 전기 시스템은 전동기, 발전기 중 어느 하나에도 적용된다.

도 1은 제 1 실시예에 의한 회전 전기의 종단면도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 회전 전기의 전기자 및 회전자의 단면도이다.
도 3은 전기자, 회전자의 확대된 단면도 및 강계자에 있어서의 자속의 흐름을 나타낸다.
도 4는 전기자, 회전자의 확대된 단면도 및 약계자에 있어서의 자속의 흐름을 나타낸다.
도 5는 전기자, 회전자의 확대된 단면도 및 계자를 약하게 하기 위한 전기자 코일 및 여자 코일로부터의 자속의 흐름을 나타낸다.
도 6은 전기자, 회전자의 확대된 단면도 및 계자를 강하게 하기 위한 전기자 코일 및 여자 코일로부터의 자속의 흐름을 나타낸다.
도 7은 제 2 실시예에 의한 회전 전기의 종단면도이다.
도 8은 도 7에 나타낸 회전 전기의 전기자 및 회전자의 단면도이다.
도 9는 전기자, 회전자의 확대된 단면도 및 강계자에 있어서의 자속의 흐름을 나타낸다.
도 10은 전기자, 회전자의 확대된 단면도 및 약계자에 있어서의 자속의 흐름을 나타낸다.
도 11은 전기자, 회전자의 확대된 단면도 및 계자를 약하게 하기 위한 전기자 코일 및 여자 코일로부터의 자속의 흐름을 나타낸다.
도 12는 전기자, 회전자의 확대된 단면도 및 계자를 강하게 하기 위한 전기자 코일 및 여자 코일로부터의 자속의 흐름을 나타낸다.
도 13(a), 도 13(b), 도 13(c), 도 13(d)는 도 7에 나타낸 제어 자석의 일부의 종단면도를 나타내고, 도 13(a)는 자석 요소(131,132,133)가 함께 제 1 자화인 상태를 나타낸다. 도 13(b)는 자석 요소(131, 132)가 제 1 자화, 자석 요소(133)가 제 2 자화인 상태를 나타낸다. 도 13(c)는 자석 요소(131)가 제 1 자화, 자석 요소(132,133)가 제 2 자화인 상태를 나타낸다. 도 13(d)는 자석 요소(131,132,133)가 함께 제 2 자화인 상태를 나타낸다.
도 14는 제 3 실시예에 의한 회전 전기 시스템의 블록도이다.
도 15는 제 4 실시예에 의한 회전 전기의 종단면도이다.
도 16은 도 15에 나타낸 회전 전기 전기자 및 회전자의 단면도이다.
도 17은 도 15에 나타낸 회전 전기 회전자의 사시도이다.
도 18(a)는 전기자, 회전자의 확대된 단면도 및 강계자에 있어서의 자속의 흐름을, 도 18(b)는 전기자, 회전자의 확대된 단면도 및 약계자에 있어서의 자속의 흐름을 나타낸다.
도 19는 회전자의 사시도이며, 제어 자석의 자화 변경을 위해 공급되는 여자 코일 및 전기자 코일로부터의 자속의 방향을 나타낸다.
도 20은 회전자의 사시도이며, 제어 자석의 자화 변경을 위해 공급되는 여자 코일 및 전기자 코일로부터의 자속의 방향을 나타낸다.
도 21은 제 5 실시예에 의한 회전 전기의 종단면도이다.
도 22은 도 21에 나타낸 회전 전기 전기자 및 회전자의 단면도이다.
도 23은 도 21에 나타낸 회전 전기 회전자의 사시도이다.
도 24(a)는 전기자, 회전자의 확대된 단면도 및 강계자에 있어서의 자속의 흐름을, 도 24(b)는 전기자, 회전자의 확대된 단면도 및 약계자에 있어서의 자속의 흐름을 나타낸다.
도 25는 회전자의 사시도이며, 제어 자석의 자화 변경을 위해 공급되는 여자 코일 및 전기자 코일로부터의 자속의 방향을 나타낸다.
도 26은 제 6 실시예에 의한 회전 전기 시스템의 블록도이다.

이하에 본 발명에 의한 회전 전기 시스템에 대해서 그 실시예 및 원리 작용 등을 도면을 참조하면서 설명한다.

제 1 실시예

본 발명에 의한 회전 전기 시스템의 제 1 실시예를 도 1 내지 도 6을 이용해서 설명한다. 제 1 실시예는 레이디얼 갭 구조의 회전 전기 시스템이며, 여자 코일은 회전축을 둘레 회전하도록 배치되어 있다.

도 1은 레이디얼 갭 구조의 회전 전기에 본 발명을 적용한 실시예를 나타내고 있다. 회전축(11)은 베어링(13)을 통해서 하우징(12)에 회전가능하게 지지되고, 외주측으로부터 내주측으로 제 1 전기자, 회전자(17), 제 2 전기자가 순서대로 배치되어 있다. 회전자(17)는 외주면 및 내주면에 있어서 제 1 전기자, 제 2 전기자와 각각 대향하고, 번호 18은 외주측의 표면 자극부와, 내주측의 표면 자극부 사이에 배치된 제어 자석을 나타내고, 번호 19는 회전자 지지체를 나타낸다. 제어 자석(18)은 회전자(17) 내에 있어서 제 1 전기자, 제 2 전기자에 있어서의 자성체 톱니로부터 떨어진 위치에 배치되고, 제어 자석(18) 내의 화살표는 자화 방향을 나타낸다.

제 1 전기자, 제 2 전기자는 각각 회전자(17)와 대향하고, 하우징(12)에 고정되어 있다. 제 1 전기자는 원통형 자기 요크(15)로부터 직경 방향으로 연장되는 자성체 톱니(14), 자성체 톱니(14)에 권회된 전기자 코일(16)을 갖고, 제 2 전기자는 원통형 자기 요크(1b)로부터 직경 방향으로 연장되는 자성체 톱니(1a), 자성체 톱니(1a)에 권회된 전기자 코일(1c)을 갖는다.

하우징(12)은 연철로 구성되어 여자 자로 부재에 상당하고, 원통형 자기 요크(15)와 원통형 자기 요크(1b)를 자기적으로 결합시켜 여자 코일(1d)이 원통형 자기 요크(15), 자성체 톱니(14), 회전자(17), 자성체 톱니(1a), 원통형 자기 요크(1b), 하우징(12)을 포함하는 자로에 여자 자속을 발생시키도록 배치되어 있다.

도 2는 도 1의 A-A'에 따른 전기자 및 회전자의 단면도를 나타내고, 상호의 관계를 설명하기 위해 구성 부분의 일부에 번호를 부여하고 있다. 회전자(17)의 표면 자극부의 내주면 및 외주면에 있어서, 자성체 돌출극과 영구 자석이 둘레 방향으로 교대로 배치되고, 내주면 있어서의 자성체 돌출극과 외주면에 있어서의 자성체 돌출극은 직경 방향으로 늘어서 있다. 표면 자극부의 외주면에 있어서 인접하는 자성체 돌출극은 번호 21,23으로 대표되고, 인접하는 영구 자석이 번호 26, 28로 대표되어 있다. 마찬가지로 표면 자극부의 내주면에 있어서 인접하는 자성체 돌출극은 번호 22, 25로 대표되고, 인접하는 영구 자석은 번호 27, 29로 대표되어 있다. 또한, 직경 방향으로 늘어서 있는 자성체 돌출극(21,22) 끼리 자성체 돌출극(23,25) 끼리는 서로 같은 방향으로 자화되고, 둘레 방향으로 늘어서 있는 자성체 돌출극(21,23) 끼리, 자성체 돌출극(22,25) 끼리는 서로 다른 방향으로 자화되도록 인접하는 영구 자석은 서로 역방향의 자화를 갖도록 배치되어 있다. 예를 들면, 영구 자석(26)과 영구 자석(27), 영구 자석(28)과 영구 자석(29), 영구 자석(26)과 영구 자석(28), 영구 자석(27)과 영구 자석(29)은 각각 서로 역방향의 자화를 갖는다. 번호 2a는 영구 자석(26), 영구 자석(27) 사이, 영구 자석(28), 영구 자석(29) 사이에 배치된 비자성체를 나타낸다.

자성체 돌출극(21,22) 사이에는 직경 방향 자화를 갖는 제어 자석(18)이 배치되고, 자성체 돌출극(23,25) 사이에는 직경 방향 자화를 갖는 제어 자석(24)이 배치되어 있다. 둘레 방향으로 인접한 제어 자석(18,24)의 자화 방향은 서로 역으로 설정되어 있다. 본 실시예에서는 제어 자석(18,24)의 자화 상태를 변경하고, 회전자(17)로부터 제 1 전기자, 제 2 전기자 측에 누설되는 자속량이 제어된다. 영구 자석(26,27,28,29), 제어 자석(18,24) 내의 화살표는 자화 방향을 나타낸다.

영구 자석(26,27,28,29)은 회전 구동시에 전기자 코일의 영향을 받기 어려운 항자력이 큰 네오디뮴 자석으로 구성되고, 제어 자석(18,24)은 여자 코일(1d) 및 전기자 코일(16,1c)의 합성 자속에 의해 자화 변경가능하도록 항자력이 약 110kA/m로 자화 방향 두께가 8mm의 알니코 자석으로 구성되어 있다.

제 1 전기자는 하우징(12)에 고정된 원통형 자기 요크(15)와, 원통형 자기 요크(15)로부터 직경 방향으로 연장되는 복수의 자성체 톱니(14)와, 자성체 톱니(14)에 권회된 전기자 코일(16)로 구성되어 있다. 제 2 전기자는 원통형 자기 요크(1b)와, 원통형 자기 요크(1b)로부터 직경 방향으로 연장되는 복수의 자성체 톱니(1a)와, 자성체 톱니(1a)에 권회된 전기자 코일(1c)로 구성되어 있다. 제 1 전기자, 제 2 전기자에는 회전자의 16자극에 대하여 24개의 전기자 코일이 각각 배치되어 있다.

도 3은 도 2의 일부를 확대해서 나타내고, 강계자에 있어서의 자속의 흐름을 설명한다. 점선 31은 영구 자석(26,27,28,29)으로부터의 자속을 대표해서 나타내고, 점선 32는 제어 자석(18,24)으로부터의 자속을 대표해서 나타내고 있다. 동도에 나타낸 바와 같이 영구 자석(26,27,28,29)으로부터의 자속(31)과 제어 자석(18,24)으로부터의 자속(32)이 자성체 돌출극(21,23,22,25) 내를 각각 같은 방향으로 흐를 경우, 전기자 코일(16,1c)과 쇄교하는 자속량이 증대된다. 따라서, 제어 자석(18)에 있어서 외경 방향의 자화가 제 1 자화, 내경 방향의 자화가 제 2 자화에 상당하고, 제어 자석(24)에 있어서 내경 방향의 자화가 제 1 자화, 외경 방향의 자화가 제 2 자화에 상당한다.

도 4는 제어 자석(18,24)의 자화 방향이 도 3에 나타낸 상태와 역의 상태를 나타내고 있다. 제어 자석(18), 영구 자석(29), 제어 자석(24), 영구 자석(28)은 폐자로를 구성하고, 또한 제어 자석(18), 영구 자석(27), 제어 자석(24), 영구 자석(26)은 폐자로를 구성해서 전기자 측에 흐르는 자속량이 감소된다. 점선 41은 상기 폐자로를 흐르는 자속을 대표해서 나타내고, 도 4의 경우가 약계자의 상태에 상당한다. 이 상태에서 전기자 측에 흐르는 자속량은 영구 자석(26,27,28,29), 제어 자석(18,24)의 포화 자속 밀도, 자극 면적 등에 의해 설정된다.

본 실시예에서는, 제어 자석(18,24)의 자화 상태를 도 3, 도 4에 나타낸 상태 중 어느 하나로 제어해서 전기자 코일과 쇄교하는 자속량이 제어된다. 도 3의 경우가 강계자의 상태이며, 도 4의 경우가 약계자 상태에 상당한다. 이하에 제어 자석(18,24)의 자화 상태를 제어하는 구성 및 동작 원리를 설명한다.

도 1에 나타낸 바와 같이 여자 자로 부재에 상당하는 하우징(12)은 제 1 전기자의 원통형 자기 요크(15)와 제 2 전기자의 원통형 자기 요크(1b)를 자기적으로 결합하고, 여자 코일(1d)이 제 1 전기자, 회전자, 제 2 전기자, 하우징(12)을 포함하는 자기 회로에 자속을 발생시키도록 하우징(12)의 일부 및 회전축(11)을 둘레 회전해서 배치되어 있다. 여자 코일(1d)이 제 1 전기자, 회전자, 제 2 전기자를 일괄해서 여자하는 구성이며, 제어 자석(18,24)의 자화 변경은 도 5, 도 6을 이용해서 설명된다.

도 5은 도 3에 나타낸 상태로부터 약계자로 하기 위해서 제어 자석(18)의 자화를 변경하는 원리를 설명하기 위한 도이다. 여자 코일(1d)은 제어 자석(18)의 자화 방향과 역방향으로 흐르는 여자 자속을 일괄해서 회전자에 공급한다. 점선 51로 나타낸 여자 자속이 자성체 돌출극(21), 제어 자석(18), 자성체 돌출극(22)을 이 순서로 흐르고, 점선 52로 나타낸 여자 자속이 자성체 돌출극(23), 제어 자석(24), 자성체 돌출극(25)을 이 순서로 흐른다.

자성체 돌출극(21,22)에 각각 자성체 톱니(14,1a)가 대향했을 때에 전기자 코일(16,1c)에 여자 자속(51)과 같은 방향으로 흐르는 자속을 자성체 돌출극(21,22) 내에 발생하는 전류가 공급된다. 전기자 코일(16,1c)에 의해 발생된 자속은 점선 53,54에 의해 대표해서 나타내어져 있다. 자속(53)은 영구 자석(26,28)의 자화 방향과 역방향으로 흐르므로 영구 자석(26,28) 내를 흐르기 어렵고, 자속(54)은 영구 자석(27,29)의 자화 방향과 역방향으로 흐르므로 영구 자석(27,29) 내를 흐르기 어렵다. 따라서, 자속(53)과 자속(54)은 제어 자석(18) 내를 여자 자속(51)과 같은 방향으로 흐르기 쉽다. 또한, 자성체 돌출극(23,25) 및 제어 자석(24) 내에 있어서, 여자 자속(52)과 자속(53,54)은 서로 역방향으로 흐른다. 그들의 자속은 서로 상쇄되고, 제어 자석(24) 내를 흐르는 자속은 적다. 따라서, 여자 코일(1d), 전기자 코일(16,1c)에 의한 자속은 제어 자석(18)에 집중되고, 제어 자석(18)의 자화가 반전된다.

회전자를 회전 구동할 시에 전기자 코일(16,1c)로부터 자속(53,54)이 회전자에 더하여지지만, 영구 자석(26,27,28,29)에는 네오디뮴 자석을 주체로 하는 항자력이 큰 영구 자석으로 구성되므로 그들의 자화는 영향을 받지 않는다. 또한, 제어 자석(18,24)의 자화 용이함인 항자력과 자화 방향 길이의 적은 자속(53,54), 또는 자속(51,52)만에 의해서는 자화 상태가 변경되지 않는 정도로 설정된다.

이와 같이 여자 코일(1d), 전기자 코일(16,1c)에 의해 발생되는 자속은 제어 자석(18)에 집중되고, 제어 자석(18)의 자화 방향이 반전된다. 제어 자석(18)의 자화 변경에 계속해서 제어 자석(24)의 자화가 변경된다. 여자 코일(1d)에 공급하는 전류의 방향을 변경하고, 제어 자석(18)의 자화 변경과 같은 상기 스텝으로 제어 자석(24)의 자화가 변경된다.

도 6은 도 4에 나타낸 상태로부터 강계자로 하기 위해서 제어 자석(18)의 자화를 변경하는 원리를 설명하기 위한 도이다. 제어 자석(18)의 자화를 약계자 상태로부터 강계자 상태로 변경하는 과정은 다소 곤란을 수반한다. 즉, 전기자 코일로부터 16,1c의 자속은 자성체 돌출극 사이에 배치된 영구 자석(26,28,27,29)으로 단락되고, 제어 자석(18)에 자속을 집중시키는 것이 곤란해진다. 본 발명에서는 여자 코일(1d)로부터의 여자 자속과 전기자 코일(16,1c)로부터의 자속은 중첩되고, 영구 자석(26,28,27,29)을 자기적으로 포화함으로써 제어 자석(18)에 자속이 집중된다.

여자 코일(1d)은 제어 자석(18)의 자화 방향과 역방향으로 흐르는 여자 자속을 일괄해서 회전자에 공급한다. 점선 61로 나타낸 여자 자속이 자성체 돌출극(22), 제어 자석(18), 자성체 돌출극(21)을 이 순서로 흐르고, 점선 62로 나타낸 여자 자속이 자성체 돌출극(25), 제어 자석(24), 자성체 돌출극(23)을 이 순서로 흐른다.

자성체 돌출극(21,22)에 각각 자성체 톱니(14,1a)가 대향했을 때에 여자 자속(61)과 같은 방향으로 흐르는 자속을 자성체 돌출극(21,22) 내에 발생하는 전류가 전기자 코일(16,1c)에 공급된다. 전기자 코일(16,1c)에 의해 발생된 자속은 점선 63,64에 의해 대표해서 나타내어져 있다. 자속(63)이 흐르는 방향은 영구 자석(26,28)의 자화 방향과 같아서 영구 자석(26,28) 내를 흐르기 쉽고, 자속(64)이 흐르는 방향은 영구 자석(27,29)의 자화 방향과 같아서 영구 자석(27,29) 내를 흐르기 쉽다. 그 때문에, 자속(63,64)은 제어 자석(18) 내에 집중되기 어렵다. 자성체 돌출극(23,25) 및 제어 자석(24) 내에 있어서, 여자 자속(62)과 자속(63,64)은 서로 역방향으로 흐른다. 그들의 자속은 서로 상쇄되고, 제어 자석(24) 내를 흐르는 자속은 적다. 따라서, 자속(63,64)에 의해 영구 자석(26,28,27,29)을 자기적으로 포화시키도록 전기자 코일(16,1c)에 공급하는 전류를 크게 해서, 여자 코일(1d), 전기자 코일(16,1c)에 의한 자속은 제어 자석(18)에 집중되고, 제어 자석(18)의 자화가 반전된다.

제어 자석(18)의 자화 변경에 계속해서 제어 자석(24)의 자화가 변경된다. 여자 코일(1d)에 공급하는 전류의 방향을 변경하고, 제어 자석(18)의 자화 변경과 같은 상기 스텝으로 제어 자석(24)의 자화가 변경된다.

본 실시예에 있어서, 제어 자석(18,24)은 서로 인접하는 자성체 돌출극 내에 배치되어 있으므로 그들의 자화 변경은 순차적으로 단시간에 종료가능하지만, 자화 변경에 요하는 시간은 여자 코일(1d)에 공급하는 전류의 스위칭 시간에 좌우된다. 여자 코일(1d)에 의한 여자 자속은 하우징(12)을 흐르므로 고주파 성분을 포함하는 좁은 펄스형 자속은 흐르기 어렵다. 더욱이 여자 코일(1d)의 권회수를 많게 할 경우는 인덕턴스가 크게 되고, 전류의 스위칭에는 시간을 필요로 한다. 권회수를 작게 하고, 압분철심으로 하우징(12) 내주부를 구성함으로써 좁은 펄스형 자속의 통과를 용이하게 하고, 제어 자석의 자화 변경을 단시간에 종료시킬 수 있다.

도 3 - 도 6에 있어서, 이해를 쉽게 하기 위해서 영구 자석, 제어 자석, 전기자 코일, 여자 코일 각각으로부터의 자속을 다르게 한 선으로 대표해서 나타냈다. 자성체 내에서 자기적인 포화가 생기지 않는 한, 자속은 중첩된다. 이들의 도는 이해를 쉽게 하기 위해서 모델적으로 도시된 것이다.

본 실시예의 회전 전기 장치에 있어서, 자성체 돌출극 사이의 영구 자석은 전기자에 근접하므로 네오디뮴 자석의 채용이 바람직하다. 제어 자석은 전기자보다 먼 위치에 배치되고, 여자 코일 및 전기자 코일의 합성 자속에 의해 자화 변경가능한 범위로 자화 방향 길이와 항자력의 곱이 설정된다. 제어 자석의 자화 변경은 전기자 코일로부터의 자속만에 의해서는 곤란하지만, 여자 코일로부터의 여자 자속과 아울러 자화 변경이 가능해지는 것이며, 제어 자석의 자화 상태는 안정적으로 유지된다. 제어 자석에는 알니코 자석, 네오디뮴 자석, 그 밖의 자석이 사용가능하며, 여자 코일 및 전기자 코일의 각 사양, 더욱이 전원의 사양과 맞춰서 선정된다.

이상, 도 1 내지 도 6을 이용해서 제 1 실시예의 구성을 나타내고, 전기자 코일과 쇄교하는 자속량 변경을 위해서 제어 자석의 자화 변경의 원리를 설명했다. 본 실시예에 나타낸 회전 전기 장치는 계자제어가능한 전동기 또는 발전기로서 동작하지만, 계자 제어에 관계되는 이외의 구성은 종래의 회전 전기 장치와 같고, 전동기 또는 발전기로서의 동작의 설명은 생략한다.

본 실시예에서는 자화 반전시키려고 하는 제어 자석(18)을 포함하는 자성체 돌출극(21,22)에 각각 동상의 전기자 코일이 동시에 대향하도록 구성되어 있지만, 본 발명의 구성은 이것에 한정되지 않는다. 여자 코일은 전기자 및 회전자에 일괄해서 여자 자속을 공급하고, 전기자 코일이 여자 자속의 흐름을 제어해서 자화 변경하는 제어 자석에 자속을 집중시킨다. 본 발명의 취지에 따라 전기자 코일의 구성을 변경하는 것은 물론 가능하다.

또한, 본 실시예는 2개의 전기자를 갖는 레이디얼 갭 구조이지만, 2개의 전기자를 갖는 액시얼 갭 구조로 하는 것도 가능하다. 그 경우에는, 제 1 전기자, 회전자, 제 2 전기자를 원반형으로 형성하고, 축방향에 이 순서로 배치한다. 여자 코일은 회전축을 둘레 회전하도록 회전자의 외주측 또는 내주측에 배치된다.

제 2 실시예

본 발명에 의한 회전 전기 시스템의 제 2 실시예를 도 7 내지 도 13을 이용해서 설명한다. 제 2 실시예는 레이디얼 갭 구조의 회전 전기 시스템이며, 제어 자석은 자화 용이함이 다른 자석 요소의 병렬 접속으로서 구성되어 있다.

도 7은 레이디얼 갭 구조의 회전 전기에 본 발명을 적용한 실시예의 종단면도를 나타내고, 회전축(71)이 베어링(73)을 통해서 하우징(72)에 회전가능하게 지지되어 있다. 전기자는 하우징(72)에 고정된 원통형 자기 요크(75)로부터 직경 방향으로 연장되는 자성체 톱니(74)와, 자성체 톱니(74)에 권회된 전기자 코일(76)을 갖고 있다. 회전자는 표면 자극부(77), 원통형 자기 코어(79), 회전자 지지체(7a)를 가져서 회전축(71)과 함께 회전한다. 하우징(72)은 연철을 주체로 하는 자성체로 구성되고, 원통형 자기 코어(79)의 양단에 미소 간극을 통해서 대향하고, 여자 코일(78)이 하우징(72), 원통형 자기 코어(79), 표면 자극부(77), 자성체 톱니(74), 원통형 자기 요크(75)로 구성되는 자로에 여자 자속을 발생시키도록 회전축(71)을 둘레 회전해서 배치되어 있다.

도 8은 도 7의 B-B'에 따른 전기자 및 회전자의 단면도를 나타내고, 상호의 관계를 설명하기 위해서 구성 부분의 일부에 번호를 부여하고 있다. 표면 자극부(77)는 자성체가 집합 자석에 의해 둘레 방향으로 구분된 구성이다. 중간 자성체 돌출극(83)의 양측면에 거의 같은 자화 방향의 자석판(85,86)이 배치된 조합은 자기적으로는 자석과 등가의 집합 자석이다. 즉, 회전자의 표면 자극부(77)는 자성체 돌출극과 집합 자석이 둘레 방향으로 교대로 늘어서서 구성되어 있다. 인접하는 자성체 돌출극을 자성체 돌출극(81), 자성체 돌출극(82)으로서 서로 다른 방향으로 자화되도록 인접하는 집합 자석의 자화 방향은 서로 반전해서 구성되어 있다. 자성체 돌출극(81,82) 각각의 둘레 방향 양측면에 배치된 자석판은 V자상의 배치이며, 자석판의 교차 각도는 자속 배리어에 바람직한 각도로 설정한다. 자석판(84,85,86,87)에 부여된 화살표는 자석판(84,85,86,87)의 판면에 거의 직교하는 자화 방향을 나타낸다.

자성체 돌출극(81)의 내주측에는 제어 자석(88)이 배치되고, 자성체 돌출극(82)의 내주측에는 제어 자석(89)이 배치되어 있다. 어느 하나의 제어 자석(88,89)도 자성체 톱니(74)로부터 벗어난 위치에 배치되고, 제어 자석(88,89) 내의 화살표는 자화 방향을 나타내고 있다. 자석판(84,85)과 제어 자석(88)은 자성체 돌출극(81)을 같은 극성으로 자화하고, 자석판(86,87)과 제어 자석(89)은 자성체 돌출극(82)을 같은 극성으로 자화하고 있다. 집합 자석은 중간 자성체 돌출극(83) 및 자석판(85,86)에 의해 구성되고, 여자 코일(78)로부터의 자속이 중간 자성체 돌출극(83)을 통해서 전기자 측에 흐르지 않도록 비자성체(8b)가 집합 자석의 내주측에 배치되어 있다. 더욱이 제어 자석(88,89)은 축방향으로 반복 배치된 두께가 다른 자석 요소의 병렬 접속으로서 각각 구성되고, 그 구성은 도 13에 나타내어져 있다.

전기자는 하우징(72)에 고정된 원통형 자기 요크(75)와, 원통형 자기 요크(75)로부터 직경 방향으로 연장되는 복수의 자성체 톱니(74)와, 자성체 톱니(74)에 권회된 전기자 코일(76)로 구성되어 있다. 전기자의 자성체 톱니(74) 선단에는 직경 방향으로 짧은 가포화 자성체 결합부(8a)를 인접하는 자성체 톱니(74) 선단부 사이에 배치되어 있다. 자성체 톱니(74) 및 가포화 자성체 결합부(8a)는 규소 강판을 형으로 떠내서 적층되고, 전기자 코일(76)을 권회한 후, 압분철심으로 구성된 원통형 자기 요크(75)로 조합시켜서 전기자로 되어 있다.

가포화 자성체 결합부(8a)는 인접하는 자성체 톱니(74) 끼리를 기계적으로 연결시켜서 자성체 톱니(74)의 지지 강도를 향상시키고, 자성체 톱니(74)의 불필요한 진동을 억제시킨다. 가포화 자성체 결합부(8a)의 직경 방향의 길이는 짧게 설정해서 용이하게 자기적으로 포화하는 형상으로 했으므로 전기자 코일(76)이 발생시키는 자속 또는 영구 자석으로부터의 자속에 의해 용이하게 포화하고, 그 경우에 전기자 코일(76)이 발생시키는 자속 및 자속의 단락을 약간의 양으로 한다. 전기자 코일(76)에 전류가 공급되면, 시간과 함께 가포화 자성체 결합부(8a)는 자기적으로 포화시켜져서 주변에 자속을 누설시키지만, 자기포화된 가포화 자성체 결합부(8a)에 나타나는 실효적인 자기 공극의 경계는 클리어가 아니므로 누설하는 자속의 분포는 완만하게 되고, 가포화 자성체 결합부(8a)는 이 점에서도 자성체 톱니(74)에 가해지는 힘의 시간 변화를 완만하게 해서 진동 억제에 기여한다.

본 실시예에 있어서, 더욱이 제어 자석(88,89)은 자화 용이함이 다른 자석 요소의 병렬 접속으로서 구성되고, 도 13은 자성체 돌출극(81)에 배치된 제어 자석(88)의 종단면도를 나타낸다. 제어 자석(88)은 자화 방향 길이가 다른 자석 요소(131,132,133)에 의해 구성되고, 자석 요소(131,132,133)는 이 순서로 반복되어 축방향으로 늘어서고, 자성체에 의해 병렬에 접속되어 있다. 전기자 코일(76), 여자 코일(78)에 의해 자계가 가해지면, 자석 요소(131,132,133)을 상하에 끼워 있는 자성체 사이의 자기 포텐셜 차이는 거의 같아서 각 자석 요소 내에서는 자기 포텐셜 차이를 길이로 나눈 값에 상당하는 자계 강도가 가하여지고, 그 자계 강도가 항자력을 초과한 자석 요소의 자화가 변경된다. 따라서, 짧은 자석 요소가 자화되기 쉽고, 긴 자석 요소는 자화되기 어렵다. 제어 자석(89)도 같은 구성으로 자화 방향이 제어 자석(88)과 역이다.

도 9, 도 10, 도 11, 도 12는 도 8에 나타낸 전기자 및 회전자의 일부를 확대해서 나타낸 단면도이며, 이들의 도를 이용해서 자속의 흐름을 설명한다. 이들의 도에 있어서, 전기자 코일(76)은 U상, V상, W상의 전기자 코일을 각각 전기자 코일(91,92,93)로서 둘레 방향으로 반복 배치되어 있다. 또한, 본 실시예에 있어서 제어 자석(88,89)은 각각 3개의 자석 요소로 구성되고, 3개의 자석 요소는 각각 다른 자화 방향을 취득한다. 도 9, 도 10에서는 수에서 능가하는 자석 요소의 자화 방향을 제어 자석(88,89) 각각의 자화 방향으로서 나타내어져 있다.

도 9에 있어서, 점선 94는 자석판(84,85,86,87)으로부터의 자속을 대표해서 나타내고, 점선 95는 제어 자석(88,89)으로부터의 자속을 대표해서 나타내고 있다. 동도에 있어서, 자성체 돌출극(81,82)은 폭이 좁은 자성체에서 서로 연결되어 있지만, 폭이 좁은 자성체는 용이하게 자기적으로 포화하므로 자기적으로는 무시할 수 있다. 자석판(84,85)과 제어 자석(88)이 자성체 돌출극(81)을 S극으로 자화하고, 자석판(86,87)과 제어 자석(89)이 자성체 돌출극(82)을 N극으로 자화하는 경우가 전기자 코일과 쇄교하는 자속량을 대로 하는 상태이다. 제어 자석(88)의 자화 방향을 내경 방향으로 하는 상태는 도 13(a), 도 13(b)에 나타낸 바와 같이 2개 이상의 자석 요소의 자화 방향이 내경 방향인 상태에 상당하고, 제어 자석(88)에 있어서 내경 방향의 자화가 제 1 자화, 외경 방향의 자화가 제 2 자화에 상당한다. 제어 자석(89)에 있어서, 외경 방향의 자화가 제 1 자화, 내경 방향의 자화가 제 2 자화에 상당한다.

도 10은 도 9에 나타낸 상태로부터 제어 자석(88,89)의 자화 방향이 반전된 상태이다. 제어 자석(88,89)과 자석판(85,86)은 폐자로를 구성하고, 제어 자석(88,89)과 자석판(84,87)은 폐자로를 구성해서 전기자 측에 흐르는 자속량이 감소된다. 점선 101은 폐자로를 구성하고 있는 자속을 대표해서 나타내고, 도 10의 경우가 약계자의 상태에 상당한다. 이 상태로 전기자 측에 흐르는 자속량은 자석판(84,85,86,87), 제어 자석(88,89)의 포화 자속 밀도, 자극 면적 등에 의해 설정된다. 제어 자석(88)의 자화 방향을 외경 방향으로 하는 각 자석 요소의 자화 상태는 도 13(c), 도 13(d)에 나타낸 바와 같이 2개 이상의 자석 요소의 자화 방향이 외경 방향인 상태에 상당한다.

본 실시예에서는, 제어 자석(88,89)의 자화 상태를 변경해서 전기자 코일과 쇄교하는 자속량을 제어한다. 이하에 제어 자석(88,89)의 자화 상태를 제어하는 구성 및 동작 원리를 설명한다.

도 7에 나타낸 바와 같이 여자 자로 부재에 상당하는 하우징(72)은 전기자의 원통형 자기 요크(75)와 원통형 자기 코어(79)와 자기적으로 결합하고, 여자 코일(78)은 하우징(72), 원통형 자기 코어(79), 표면 자극부(77), 자성체 톱니(74), 원통형 자기 요크(75)로 구성되는 자로에 여자 자속을 발생시키도록 배치되어 있다. 회전자 양단에 배치된 여자 코일(78)은 모두 동일한 구성이며, 어느 하나의 여자 코일(78)도 표면 자극부(77)를 같은 방향으로 여자한다. 이 구성은 축 길이가 긴 회전 전기 장치에 있어서 충분한 양의 여자 자속을 균등하게 공급하기 위해서이며, 축길이가 짧은 회전 전기 장치의 경우는 한쪽의 여자 코일(78)만으로 충분하다. 여자 코일(78)은 전기자, 회전자를 일괄해서 여자하는 구성이며, 제어 자석(88,89)의 자화 상태 변경은 도 11, 도 12, 도 13을 이용해서 설명된다.

도 11은 제어 자석(88)을 약계자측으로 자화 변경하는 원리를 설명하기 위한 도이며, 제어 자석(88,89)은 내경 방향의 자화를 가지는 자석 요소, 외경 방향의 자화를 가지는 자석 요소를 각각 대표해서 나타내고 있다. 제어 자석(88)을 약계자측에 변경하는 것은 도 13(a), 도 13(b), 도 13(c)로부터 각각 도 13(b), 도 13(c), 도 13(d)의 상태로 변경하도록 제어 자석(88)을 구성하는 자석 요소에 있어서 외경 방향의 자화를 갖는 자석 요소의 수를 증가시키는 것이며, 여자 코일(78), 전기자 코일(91,92,93)에 의해 제어 자석(88) 내를 외경 방향으로 흐르는 자속이 공급되어 제어 자석(88)은 약계자측으로 자화 변경된다.

여자 코일(78)은 자성체 돌출극(81,82) 내를 외경 방향으로 흐르는 여자 자속을 일괄해서 회전자에 공급한다. 점선 113으로 나타낸 여자 자속이 제어 자석(88), 자성체 돌출극(81) 내를 흐르고, 점선 114로 나타낸 여자 자속이 제어 자석(89), 자성체 돌출극(82) 내를 흐른다.

전기자 코일(91)이 배치된 자성체 톱니가 자성체 돌출극(81)에 대향했을 때에 자성체 돌출극(81) 내를 여자 자속(113)과 동일 방향으로 자속이 흐르도록 전기자 코일(91)에 전류를 공급하고, 자성체 돌출극(82)에 대향하는 자성체 톱니에 권회된 전기자 코일(92,93)에 자성체 돌출극(82) 내를 여자 자속(114)과 역방향으로 자속이 흐르도록 전류를 공급한다. 전기자 코일(91,92,93)에 의한 자속이 점선 111,112로서 대표해서 나타내고, 자속(112)은 영구 자석(85,86)을 포함하는 작은 자로에 흐르는 자속, 자속(111)은 제어 자석(88,89)을 포함하는 큰 자로에 흐르는 자속을 나타내고 있다.

자성체 돌출극(81) 내에서 자속(111,112)이 흐르는 방향은 여자 자속(113)이 흐르는 방향과 같아서, 자성체 돌출극(82) 내에서 자속(111,112)이 흐르는 방향은 여자 자속(114)이 흐르는 방향과 역이다. 자성체 돌출극(82) 내에서 여자 자속(114)과 자속(111,112)이 상쇄되는 정도의 전류가 전기자 코일(91,92,93)에 공급되면 제어 자석(89)을 흐르는 자속은 거의 제로가 되고, 제어 자석(88)에 자속이 집중되고, 제어 자석(88)의 자화가 반전된다.

회전자를 회전 구동할 시에 있어서 전기자 코일로부터 자속(111,112)이 회전자에 가해진다. 자속(111)이 흐르는 자로는 자속(112)이 흐르는 자로에 비해서 길므로 자속(112)의 양은 자속(111)의 양에 비해서 크다. 그러나, 자속(112)이 흐르는 방향은 영구 자석(85,86)의 자화 방향과 역이지만, 영구 자석(85,86)에는 항자력이 큰 네오디뮴 자석으로 구성되므로 그들의 자화는 영향을 받지 않는다. 또한, 제어 자석(88,89)의 자화 용이함을 나타내는 항자력과 자화 방향 길이의 적은 자속(111)만에 의해서는 자화 상태가 변경되지 않는 정도로 설정되므로 제어 자석(88,89)의 자화 상태는 안정적으로 유지된다.

이와 같이 여자 코일(78), 전기자 코일(91,92,93)로부터의 자속은 제어 자석(88)에 집중되고, 제어 자석(88)을 구성하는 자석 요소의 자화가 변경된다. 도 13을 참조하면서 각 자석 요소의 자화 상태와 전기자 코일의 쇄교 자속량의 관계를 더욱 설명한다.

제어 자석(88)은 자석 요소(131,132,133)가 이 순서로 반복하고 축방향으로 늘어서서 구성된다. 자석 요소(131,132,133)의 길이 상당의 자석판(84,85)으로부터 전기자 측에 흐르는 자속량을 기준으로 해서 1.0으로 하고, 각 자석 요소로부터 전기자 측에 흐르는 자속량을 0.25로 하면, 도 13(a)의 경우 자성체 돌출극(81)을 통해서 전기자 측에 흐르는 자속량은 1.75에 상당한다.

도 13(a)에 있어서 전기자 측에 흐르는 자속량을 감소시킬 경우, 가장 자화 방향 길이의 작은 자석 요소(133)의 자화 방향만을 반전시키도록 전기자 코일(91,92,93), 여자 코일(78)에 전류가 공급된다. 그 결과가 도 13(b)에 나타낸 상태이며, 자석 요소(132,133)로부터의 자속은 서로 상쇄되어 제어 자석(88)으로부터의 자속량은 0.25가 되고, 자성체 돌출극(81)을 통해서 전기자 측에 흐르는 자속량은 1.25가 된다.

더욱이 도 13(b)에 있어서 전기자 측에 흐르는 자속량을 감할 경우, 자석 요소(132)의 자화 방향만을 반전시키고, 자석 요소(131)의 자화 상태에는 영향을 주지 않는 전류가 전기자 코일(91,92,93), 여자 코일(78)에 공급된다. 그 결과가 도 13(c)에 나타낸 상태이며, 제어 자석(88)으로부터의 자속은 자석판(84,85)로부터의 자속과 부분적으로 상쇄되고, 자성체 돌출극(81)을 통해서 전기자 측에 흐르는 자속량은 0.75가 된다.

더욱이 도 13(c)에 있어서 전기자 측에 흐르는 자속량을 감할 경우, 가장 자화 방향 길이가 긴 자석 요소(131)의 자화 방향을 반전시키도록 전기자 코일(91,92,93), 여자 코일(78)에 전류가 공급된다. 그 결과가 도 13(d)에 나타낸 상태이며, 자성체 돌출극(81)을 통해서 전기자 측에 흐르는 자속량은 0.25가 된다.

도 12는 제어 자석(88)을 강계자측으로 자화 변경하는 원리를 설명하기 위한 도이며, 제어 자석(88,89)은 각각 제어 자석(88) 내의 외경 방향의 자화를 가지는 자석 요소, 제어 자석(89) 내의 내경 방향의 자화를 가지는 자석 요소를 대표해서 나타내고 있다. 제어 자석(88)을 강계자측으로 자화 변경하는 것은 제어 자석(88)을 구성하는 자석 요소에 있어서 내경 방향의 자화를 갖는 자석 요소의 수를 증가시키는 것이며, 여자 코일(78), 전기자 코일(91,92,93)에 의해 제어 자석(88) 내를 내경 방향으로 흐르는 자속을 공급한다.

제어 자석(88)을 약계자 상태로부터 강계자로 자화 변경하는 과정은 다소 곤란을 수반한다. 즉, 전기자 코일로부터의 자속은 자성체 돌출극 사이에 배치된 자석판으로 단락되고, 제어 자석(88)에 자속을 집중시키는 것이 곤란해진다. 본 발명에서는 여자 코일로부터의 여자 자속과 전기자 코일로부터의 자속은 중첩되고, 자석판을 자기적으로 포화하는 것에 의해 제어 자석(88)에 자속이 집중된다.

여자 코일(78)은 제어 자석(88)의 자화 방향과 역방향으로 흐르는 여자 자속을 일괄해서 회전자에 공급한다. 점선 123으로 나타낸 여자 자속이 자성체 돌출극(81), 제어 자석(88) 내를 흐르고, 점선 125로 나타낸 여자 자속이 제어 자석(89), 자성체 돌출극(82) 내를 흐른다.

전기자 코일(91)이 배치된 자성체 톱니가 자성체 돌출극(81)에 대향했을 때에 자성체 돌출극(81) 내를 여자 자속(123)과 동일 방향으로 자속이 흐르도록 전기자 코일(91)에 전류를 공급하고, 자성체 돌출극(82)에 대향하는 자성체 톱니에 권회된 전기자 코일(92,93)에 자성체 돌출극(82) 내를 여자 자속(125)과 역방향으로 자속이 흐르도록 전류를 공급한다. 전기자 코일(91,92,93)에 의한 자속이 점선 121,122로서 대표해서 나타내고, 자속(122)은 영구 자석(85,86)을 포함하는 작은 자로에 흐르는 자속, 자속 121은 제어 자석(88,89)을 포함하는 큰 자로에 흐르는 자속을 나타내고 있다.

자성체 돌출극(81) 내에서 자속(121,122)이 흐르는 방향은 여자 자속(123)이 흐르는 방향과 같아서, 자성체 돌출극(82) 내에서 자속(121,122)이 흐르는 방향은 여자 자속(125)이 흐르는 방향과 역이다. 또한, 여자 자속(123)이 흐르는 방향과 제어 자석(88)의 자화 방향은 역이므로 여자 자속(123)의 일부는 점선 124로 나타낸 바와 같이 영구 자석(85,86), 제어 자석(89)을 통해서 흐른다. 자성체 돌출극(82) 내에서 여자 자속(125)과 자속(121,122)이 상쇄되는 정도의 전류를 전기자 코일(91,92,93)에 공급하면, 여자 자속(125)은 거의 제로가 되지만, 여자 자속(124)은 대가 된다. 이 상태에서는 제어 자석(88)에 충분한 자속이 공급되지 않고, 제어 자석(88)의 자화는 반전되지 않는다.

더욱이 전기자 코일(91,92,93)에 공급하는 전류를 대로 하고, 자속(122)에 의해 영구 자석(85,86)을 자기적으로 포화하게 하면, 여자 코일(78)과 전기자 코일(91,92,93)에 의한 자속은 제어 자석(88)에 집중되고, 제어 자석(88)의 자화가 반전된다.

여자 코일(78)에 의한 여자 자속(123)과 전기자 코일(91,92,93)에 의한 자속(121,122)은 함께 제어 자석(88)을 같은 방향으로 흐르게 해서 자석 요소의 자화를 변경한다. 이하에는 도 13을 참조하면서 각 자석 요소의 자화 상태와 전기자 코일의 쇄교 자속량의 관계를 더욱 설명한다.

제어 자석(88)의 자화가 도 13(d)에 나타낸 상태에서 전기자 코일과의 쇄교 자속량은 가장 적고, 자성체 돌출극(81)을 통해서 전기자 측에 흐르는 자속량은 0.25이다. 전기자 코일과의 쇄교 자속량을 증가시키기 위해서는 제어 자석(88) 내를 내경 방향으로 흐르는 자속을 공급해서 내경 방향의 자화를 갖는 자석 요소 수를 증가시키는 것이다. 자화 방향 길이가 가장 짧은 자석 요소(133)만을 내경 방향으로 반전시키는 크기의 전류가 공급되고, 이 결과는 도시되지 않지만, 자성체 돌출극(81)을 통해서 전기자 측에 흐르는 자속량은 0.75가 된다.

더욱이 전기자 코일과의 쇄교 자속량을 증가시킬 경우, 자석 요소(132)의 자화 방향을 반전시키고, 자석 요소(131)의 자화에 영향을 주지 않는 크기의 전류가 여자 코일(78), 전기자 코일(91,92,93)에 공급되고, 자석 요소(132)의 자화 방향은 내경 방향으로 된다. 이 상태는 도시되지 않지만, 자성체 돌출극(81)을 통해서 전기자 측에 흐르는 자속량은 1.25가 된다.

더욱이 전기자 코일과의 쇄교 자속량을 증가시킬 경우, 자화 방향 길이가 가장 긴 자석 요소(131)의 자화 방향을 반전시키는 크기의 전류를 여자 코일(78), 전기자 코일(91,92,93)에 공급해서 자석 요소(131)의 자화 방향을 내경 방향으로 한다. 이 상태가 도 13(a)이며, 자성체 돌출극(81)을 통해서 전기자 측에 흐르는 자속량은 1.75가 된다.

상기 스텝에 있어서, 제어 자석(89)에는 충분한 자속은 공급되지 않고, 제어 자석(89)을 구성하는 자석 요소의 자화는 변경되지 않는다. 제어 자석(89)은 제어 자석(88)과 같은 구성이지만, 각 자석 요소의 자화의 방향이 역이다. 상기 제어 자석(88)의 자화 상태 변경과 같은 스텝으로 제어 자석(89)의 자화 상태를 변경한다.

도 9 내지 도 12에 있어서, 이해를 쉽게 하기 위해서 자석판, 제어 자석, 전기자 코일, 여자 코일 각각으로부터의 자속을 다르게 한 선으로 대표해서 나타냈다. 자성체 내에서 자기적인 포화가 생기지 않는 한, 자속은 중첩된다. 이들의 도는 이해를 쉽게 하기 위해서 모델적으로 도시된 것이다.

본 실시예에서는 자화 방향 길이가 다른 자석 요소를 축방향으로 늘어 놓았으므로 전기자 코일과 쇄교하는 자속량은 축방향으로 변동하고, 역기전압, 출력 토크도 축방향으로 변동한다. 그러나, 제어 자석으로부터의 자속은 축방향으로 분산되어 평균화되는 경향이 있고, 역기전압이 축방향으로 변동해도 전기자 코일 내에서 평균화된다. 출력 토크가 축방향으로 변동하고, 진동을 일으킬 가능성은 있지만, 각 자석 요소 자석의 배열 주기를 작게 하는 것으로 해소된다.

본 실시예에서는 자화 방향 길이가 다른 자석 요소의 병렬 접속에 의해 제어 자석이 구성되었지만, 자화 방향 길이가 연속적으로 변하는 구성, 항자력이 다른 자석 요소를 병렬 접속하는 구성도 제어 자석으로서 가능하다. 또한, 각 자석 요소를 축방향으로 늘어 놓는 대신에 각 자성체 돌출극 내에서 둘레 방향으로 늘어 놓는 것도 물론 가능하다.

또한, 제어 자석(88), 제어 자석(89) 각각의 최소 자화 방향 길이를 다른 값으로 함으로써 여자 코일(78)에 의해 전기자를 흐르는 자속량의 미조정을 행하는 구성도 가능하다. 즉, 영구 자석의 포화 자속량은 일정하고, 영구 자석의 비투자율은 공극에 근접하므로 영구 자석의 두께가 클 경우에는 외부로부터의 자속에 대하여 영구 자석을 쌍방향의 자속의 격리 부재로 할 수 있다. 제어 자석(88)의 최소 자화 방향 길이가 제어 자석(89)의 그것보다 작게 설정했을 경우, 여자 코일(78)에 의한 자속은 제어 자석(89)보다 제어 자석(88)을 많이 통과해서 흐르고, 제어 자석(88), 제어 자석(89)의 자화 상태를 변경하지 않는 정도의 자속 조정 전류를 여자 코일(78)에 공급함으로써 전기자 코일(76)과 쇄교하는 자속량을 실효적으로 조정할 수 있다.

이와 같이 여자 코일(78) 및 전기자 코일(91,92,93)에 공급하는 전류를 변하게 하고, 제어 자석(88,89)에 있어서의 제 1 자화, 제 2 자화에 각각 대응하는 자석 요소 수를 변하게 해서 전기자를 흐르는 자속량은 제어된다. 전기자를 흐르는 자속량과 전류의 관계는 설계 단계에서 맵 데이터로서 설정한다. 그러나, 회전 전기의 양산 단계에서는 부재료의 치수의 변동, 자기 특성의 변동도 존재해서 전기자를 흐르는 자속량의 정밀한 제어가 곤란해질 경우가 있다. 그러한 경우에는 회전 전기를 조립후에 회전 전기 각각에 상기 관계를 검사하고, 상기 맵 데이터를 수정한다.

더욱이 자성체는 온도에 의한 영향을 받기 쉽고, 경시 변화에 의한 영향도 걱정될 경우에는 회전 전기의 운전중에 자화 전류와 그 결과인 제어 자석(88,89)의 자화 상태의 관계를 감시해서 상기 맵 데이터를 수정하는 정보를 학습적으로 취득할 수도 있다. 전기자를 흐르는 자속량을 직접 파악하는 것은 어렵지만, 전기자 코일(76)에 나타나는 유기 전압을 참조해서 전기자를 흐르는 자속량을 추정한다.

예를 들면, 전기자 코일(76)에 나타나는 유기 전압의 진폭은 전기자 코일(76)과 쇄교하는 자속량 및 회전 속도에 거의 비례한다. 제어 자석(88,89) 내의 제 1 자화의 자석 요소 수를 증가시키도록 여자 코일(78) 및 전기자 코일(91,92,93)에 전류를 가한 결과로서 유기 전압의 진폭의 변화량이 목표값보다 작은 경우는 동일 조건에 있어서의 전류의 진폭을 대로, 유기 전압의 진폭의 변화량이 목표값보다 클 경우는 동일 조건에 있어서의 전류의 진폭을 작게 하도록 자화 변경을 위해 공급하는 전류에 관계되는 파라미터를 수정한다.

이상, 도 7 내지 도 13을 이용해서 제 2 실시예의 구성을 나타내고, 전기자 코일과 쇄교하는 자속량 변경을 위해 제어 자석의 자화 변경의 원리를 설명했다. 본 실시예에 나타낸 회전 전기 장치는 계자 제어가능한 전동기 또는 발전기로서 동작하지만, 계자 제어에 관계되는 이외의 구성은 종래의 회전 전기 장치와 같아서, 전동기 또는 발전기로서의 동작의 설명은 생략한다.

본 실시예는 전기자를 흐르는 자속량을 제어해서 출력을 최적화하는 시스템이며, 전동기 시스템으로서의 제어를 설명한다. 회전 전기가 전동기로서 이용될 경우에 있어서, 자속량 제어를 행해서 회전력을 최적으로 제어한다. 회전 속도가 소정의 값보다 크게 되어 전기자 코일과 쇄교하는 자속량을 작게 할 때에는 제어 자석(88)에 있어서 내경 방향의 자화를 가지는 자석 요소 수를 감소시키도록 전기자 코일(91,92,93), 여자 코일(78)에 전류를 흘려서 제어 자석(88)의 자화 상태를 변하게 하고, 제어 자석(89)에 있어서 외경 방향의 자화를 가지는 자석 요소 수를 감소시키도록 전기자 코일(91,92,93), 여자 코일(78)에 전류를 흘려서 제어 자석(89)의 자화 상태를 변경한다.

회전 속도가 소정의 값보다 작게 되어 전기자 코일과 쇄교하는 자속량을 크게 할 때에는 제어 자석(88)에 있어서 외경 방향의 자화를 가지는 자석 요소 수를 감소시키도록 전기자 코일(91,92,93), 여자 코일(78)에 전류를 흘려서 제어 자석(88)의 자화 상태를 변하게 하고, 제어 자석(89)에 있어서 내경 방향의 자화를 가지는 자석 요소 수를 감소시키도록 전기자 코일(91,92,93), 여자 코일(78)에 전류를 흘려서 제어 자석(89)의 자화 상태를 변경한다.

회전 전기가 발전기로서 이용될 경우에 있어서, 자속량 제어를 행해서 발전 전압을 소정의 전압이 되도록 제어하는 정전압 발전 시스템을 설명한다. 발전 전압이 소정의 값보다 크게 되어 전기자 코일과 쇄교하는 자속량을 작게 할 때에는 제어 자석(88)에 있어서 내경 방향의 자화를 가지는 자석 요소 수를 감소시키도록 전기자 코일(91,92,93), 여자 코일(78)로 전류를 흘려서 제어 자석(88)의 자화 상태를 변하게 하고, 제어 자석(89)에 있어서 외경 방향의 자화를 가지는 자석 요소 수를 감소시키도록 전기자 코일(91,92,93), 여자 코일(78)에 전류를 흘려서 제어 자석(89)의 자화 상태를 변경한다.

발전 전압이 소정의 값보다 작게 되어 전기자 코일과 쇄교하는 자속량을 크게 할 때에는 제어 자석(88)에 있어서 외경 방향의 자화를 가지는 자석 요소 수를 감소시키도록 전기자 코일(91,92,93), 여자 코일(78)로 전류를 흘려서 제어 자석(88)의 자화 상태를 변하게 하고, 제어 자석(89)에 있어서 내경 방향의 자화를 가지는 자석 요소 수를 감소시키도록 전기자 코일(91,92,93), 여자 코일(78)에 전류를 흘려서 제어 자석(89)의 자화 상태를 변경한다.

제 3 실시예

본 발명의 제 3 실시예에 의한 회전 전기 시스템을 도 14를 이용해서 설명한다. 제 3 실시예는 제 2 실시예의 회전 전기 시스템에 있어서, 각 자성체 돌출극 내의 제어 자석의 자화 상태를 각각 개별로 감시하고, 모든 제어 자석의 자화 상태를 제어하는 회전 전기 시스템이다.

제 2 실시예는 여자 코일(78), 전기자 코일(76)에 공급하는 전류에 의해 제어 자석(88,89)의 자화 상태를 불가역적으로 변경하고, 전기자 코일(76)에 쇄교하는 자속량을 변하게 한다. 그 경우에, 제 2 실시예는 제어 자석(88,89)의 자화 상태가 바로 변경된 여부를 알기 위해서 전기자 코일(76)에 나타나는 유기 전압의 진폭 변화를 감시하고, 자화 상태 변경의 조건을 수정할 수 있다.

그러나, 제어 자석(88,89)은 각각의 자성체 돌출극 내에 배치되어 각각의 자기 특성은 미묘하게 다르고, 제어 자석(88,89)의 자화 상태가 자성체 돌출극마다 다른 가능성이 있다. 각 자성체 톱니에 권회된 전기자 코일(76)이 직렬로 접속된 전기자 코일 전체에 나타나는 유기 전압의 감시에 의해 각각의 제어 자석(88,89)의 자화 상태 검출은 곤란하고, 정확한 자화 상태 제어는 어렵다.

본 실시예는 상기 불량으로의 대처를 가능하게 하는 시스템이며, 각각의 자성체 돌출극 내의 제어 자석의 자화 상태를 검출하고, 자화 상태 변경의 조건을 수정할 수 있다. 즉, 본 실시예는 하나의 전기자 코일에 나타나는 유기 전압의 감시 수단을 갖고, 회전자의 회전과 함께 각각의 자성체 돌출극 내의 제어 자석의 자화 상태를 순차적으로 검출한다. 제어 자석의 자화 상태 변경이 목표와 다른 경우에는, 그 제어 자석의 자화 변경 시에 전기자 코일에 공급하는 전류를 U상, V상, W상을 단위로서 수정한다.

도 14는 본 실시예에 있어서 제어 자석의 자화 상태 변경을 위한 제어 블록도를 나타내고, 도 14를 이용해서 제어 자석의 자화 상태 제어의 스텝을 설명한다. 번호 141은 도 7에 나타낸 제 2 실시예의 회전 전기를 나타내고, 번호 142는 제어부를, 번호 143,144,145는 전기자 코일(91,92,93) 각각를 구동하는 회로를, 번호 147은 여자 코일(78)에 전류를 공급하는 회로를, 번호 148은 회전자의 위치 센서를, 번호 146은 전기자 코일(91)에 속하는 하나의 전기자 코일에 나타나는 유기 전압을 검출하기 위한 전압 검출기를 각각 나타낸다.

본 실시예에 있어서, 제어 자석(88)의 자화 상태는 약계자측(외경 방향의 자화를 가지는 자석 요소 수를 증가시키는)으로 변경되고, 스텝의 개략은 더욱이 도 11을 참조해서 이하에 설명된다. 여자 코일(78)은 자성체 돌출극(81,82) 내를 외경 방향으로 흐르는 여자 자속(113,114)을 일괄해서 회전자에 공급한다. 위치 센서(148)의 출력에 따라 전기자 코일(91)이 배치된 자성체 톱니가 자성체 돌출극(81)에 대향했을 때에 자성체 돌출극(81) 내를 여자 자속(113)과 동일 방향으로 자속이 흐르도록 전기자 코일(91)에 전류를 공급하고, 자성체 돌출극(82)에 대향하는 자성체 톱니에 권회된 전기자 코일(92,93)에 자성체 돌출극(82) 내를 여자 자속(114)과 역방향으로 자속이 흐르도록 전류를 공급한다. 전기자 코일(91,92,93)에는 각각 구동 회로(143,144,145)로부터 상기 전류가 공급되고, 제어 자석(88)의 자화 상태가 변경된다. 계속해서 제어 자석(89)의 자화도 같은 스텝으로 변경된다.

제어 자석의 자화 상태의 변경 후에 전압 검출기(146)는 회전자의 회전과 함께 자성체 톱니(74)에 유입하는 자속량에 기인하는 유기 전압의 순시 진폭을 검출하고, 회전자의 위치 센서(148)의 출력과 아울러 각각의 제어 자석의 자화 상태를 확인한다. 제어부(142)는 이 결과에 의거하고, 유기 전압의 진폭의 변화량이 목표값보다 작은 경우는 제어 자석의 자화 상태의 변경을 위해 전기자 코일에 가해지는 전류의 진폭을 크게 하고, 상기 전기자 코일에 나타나는 유기 전압의 진폭의 변화량이 목표값보다 클 경우는 제어 자석의 자화 상태의 변경을 위해 전기자 코일에 가해지는 전류의 진폭을 작게 설정한다.

도 14를 참조해서 설명된 상기 제어 스텝에 의해 제어 자석의 자화 상태는 전둘레에서 균일하도록 제어된다. 자화 변경을 위해 구동 회로(143,144,145)로부터 상단위로 전기자 코일에 전류를 공급했지만, 하나의 전기자 코일에만 자화 상태 변경을 위한 전류를 가하는 것으로 해서 더욱 세세한 제어도 가능하다. 또한, 여자 코일(78)에 공급하는 전류량을 변하게 하는 것도 가능하고,회전 전기의 사양에 의해 여러가지 수정은 가능하다.

제 4 실시예

본 발명에 의한 회전 전기 시스템의 제 4 실시예를 도 15 내지 도 20을 이용해서 설명한다. 제 4 실시예는 2개의 회전자가 축방향으로 늘어서고, 레이디얼 갭을 통해서 전기자와 대향하는 회전 전기이며, 여자 코일은 2개의 회전자 사이에 배치되어 있다.

도 15는 레이디얼 갭 구조의 회전 전기에 본 발명을 적용한 실시예의 종단면도를 나타내고, 회전축(151)이 베어링(153)을 통해서 하우징(152)에 회전가능하게 지지되어 있다. 전기자는 하우징(152)에 고정된 원통형 자기 요크(155)로부터 직경 방향으로부터 연장되는 자성체 톱니(154)와, 자성체 톱니(154)에 권회된 전기자 코일(156)을 갖고 있다. 제 1 회전자는 표면 자극부(158), 제어 자석(159)을 갖고, 제 2 회전자는 표면 자극부(15a), 제어 자석(15b)을 갖고, 2개의 회전자는 원통형 자기 코어(157)를 공통 부재로서 회전축(151)에 고정되어 있다. 원통형 자기 코어(157)는 각각의 회전자의 원통형 자기 코어와 여자 자로 부재가 일체화된 구조이며, 축방향으로 자속이 흐르기 쉬운 압분철심으로 구성되어 있다.

여자 코일(15c)은 2개의 회전자 사이에 상당하는 표면 자극부(158,15a) 사이에 원통형 자기 코어(157)를 둘레 회전하도록 배치되고, 원통형 자기 코어(157), 제어 자석(159), 표면 자극부(158), 자성체 톱니(154), 원통형 자기 요크(155), 자성체 톱니(154), 표면 자극부(15a), 제어 자석(15b)으로 구성되는 자로에 여자 자속을 발생시킨다. 여자 코일(15c)에는 브러시(15e), 슬립 링(15d)을 통해서 전류가 공급된다.

도 16은 도 15의 C-C'에 따른 전기자 및 회전자의 단면도를 나타내고, 상호의 관계를 설명하기 위해서 구성 부분의 일부에 번호를 부여하고 있다. 표면 자극부(158)은 원통형 자성체 기판이 동판 및 영구 자석에 의해 둘레 방향으로 구분된 구성이다. 인접하는 자성체 돌출극은 번호 161,162로 대표해서 나타내어지고, 제 1 자성체 돌출극(161), 제 2 자성체 돌출극(162)이 둘레 방향으로 교대로 늘어서 있다. 더욱이 인접하는 영구 자석을 번호 163,164로 대표해서 나타내고, 영구 자석(163,164)이 둘레 방향 자화를 가져서 둘레 방향으로 교대로 늘어서 있다. 제 1 자성체 돌출극(161), 제 2 자성체 돌출극(162)이 서로 다른 방향으로 자화되도록 인접하는 영구 자석(163,164)의 자화 방향은 서로 반전해서 배치되어 있다.

도 15에 나타낸 제어 자석(159)은 제 1 자성체 돌출극(161)의 내주측에 배치된 제어 자석(165), 제 2 자성체 돌출극(162)의 내주측에 배치된 제어 자석(166)로서 식별되어 있다. 어느 것의 제어 자석(165,166)도 자성체 톱니(154)로부터 벗어난 위치에 배치되고, 제어 자석(165,166) 내, 영구 자석(163,164) 내의 화살표는 자화 방향을 나타내고 있다. 번호 167은 영구 자석(163,164) 각각의 양측에 배치된 동판을 나타내고, 번호 168은 영구 자석 끝, 제어 자석 끝에 배치된 비자성체를 대표해서 나타낸다.

동판(167)과 영구 자석(163,164) 각각의 사이에는 자성체의 자로가 존재하도록 간격이 제공되고, 동판(167)의 두께는 자기저항은 크게 되지만 자속을 통과할 수 있는 정도, 약 0.5밀리미터에 설정되어 있다. 전기자 코일(156)이 생성하는 교류 자속은 동판(167)에 과전류를 생기게 하고, 영구 자석(163,164)에 가해지는 자계 강도는 억제되고, 영구 자석(163,164)으로부터의 직류적인 자속은 동판(167)과 영구 자석(163,164) 사이의 자로를 통해서 또는 동판(167)을 통해서 흐른다. 전기자 코일이 생성하는 자속은 전기자 표면으로부터 벗어나는 것에 따라 확산해서 자계 강도는 작아진다. 회전자의 구동 시에, 주로 인접하는 자성체 톱니(154) 사이에서 누설되는 자속이 회전자에 가해지고, 제어 자석은 자성체 돌출극의 내부에 배치되어 있으므로 제어 자석에 가해지는 자계 강도도 억제된다. 제어 자석이 배치되는 자성체 돌출극 내부의 위치는 회전자의 구동 시에 전기자 코일이 생성하는 자속이 제어 자석의 자화 상태에 불가역적인 영향을 주지 않는 위치이다.

전기자는 하우징(152)에 고정된 원통형 자기 요크(155)와, 원통형 자기 요크(155)로부터 직경 방향으로 연장되는 자성체 톱니(154)와, 자성체 톱니(154)에 권회된 전기자 코일(156)로 구성되어 있다. 전기자의 자성체 톱니(154) 선단에는 직경 방향으로 짧은 가포화 자성체 결합부(169)를 인접하는 자성체 톱니(154) 선단부 사이에 배치되어 있다. 자성체 톱니(154) 및 가포화 자성체 결합부(169)는 규소 강판을 형으로 떠내서 적층되고, 전기자 코일(156)을 권회한 후, 압분철심으로 구성된 원통형 자기 요크(155)로 조합시켜서 전기자로 되어 있다.

도 16에는 제 1 회전자에 상당하는 표면 자극부(158)의 자극 구성이 도시되어 있다. 도 17에 있어서 회전자 전체의 사시도를 나타내고, 제 2 회전자에 상당하는 표면 자극부(15a)의 자극 구성을 설명하고, 표면 자극부(158,15a)의 상호의 관계가 설명된다. 표면 자극부(15a)의 구성은 표면 자극부(158)와 모두 동일하고, 원통형 자성체 기판이 동판(167) 및 둘레 방향 자화를 갖는 영구 자석(173,174)에 의해 둘레 방향으로 구분되고, 서로 다른 극으로 자화된 제 1 자성체 돌출극(171), 제 2 자성체 돌출극(172)이 둘레 방향으로 교대로 배치되어 있다. 더욱이 도 15에 나타낸 제어 자석(15b)이 제어 자석(175,176)으로서 각각 제 1 자성체 돌출극(171), 제 2 자성체 돌출극(172)의 내주측에 배치되어 있다. 제 1 자성체 돌출극(161)은 영구 자석(163,164)에 의해 S극으로 자화되고, 제 1 자성체 돌출극(171)은 영구 자석(173,174)에 의해 S극으로 자화되고, 제 1 자성체 돌출극(161), 제 1 자성체 돌출극(171)이 축방향으로 늘어서 있다.

도 18(a), 도 18(b)는 도 16에 나타낸 전기자 및 회전자의 일부를 확대해서 나타낸 단면도이며, 이들의 도를 이용해서 자속의 흐름을 설명한다. 이들의 도에 있어서, 전기자 코일(156)은 U상, V상, W상의 전기자 코일을 각각 전기자 코일(181,182,183)로서 둘레 방향으로 반복 배치되어 있다.

도 18 (a)에 있어서, 점선 184는 영구 자석(163,164)으로부터의 자속을 대표해서 나타내고, 점선 185는 제어 자석(165,166)으로부터의 자속을 대표해서 나타내고 있다. 동도에 있어서, 자성체 돌출극(161,162)은 폭이 좁은 자성체에서 서로 연결되어 있지만, 폭이 좁은 자성체는 용이하게 자기적으로 포화하므로 자기적으로는 무시할 수 있다. 동도에 나타낸 바와 같이 영구 자석(163,164)과 제어 자석(165,166)이 제 1 자성체 돌출극(161)을 S극으로 자화하고, 제 2 자성체 돌출극(162)을 N극으로 자화하고 있다.

도 18(b)는 도 18 (a)에 나타낸 상태로부터 제어 자석(165,166)의 자화 방향이 반전된 상태이다. 제어 자석(165,166)과 영구 자석(163,164)은 폐자로를 구성해서 전기자 측에 흐르는 자속량이 감소된다. 점선 186은 폐자로를 구성하고 있는 자속을 대표해서 나타내고, 도 18(b)의 경우가 약계자의 상태에 상당한다. 이 상태에서 전기자 측에 흐르는 자속량은 영구 자석(163,164), 제어 자석(165,166)의 포화 자속 밀도, 자극 면적 등에 의해 설정된다. 도 18(a), 도 18(b)에 나타낸 바와 같이 제어 자석(166)의 자화 방향을 외경 방향으로 하고, 제어 자석(165)의 자화 방향을 내경 방향으로 할 경우가 전기자 코일과 쇄교하는 자속량을 크게 하는 상태이며, 제어 자석(166)에 있어서는 외경 방향의 자화가 제 1 자화에 상당하고, 제어 자석(165)에 있어서는 내경 방향의 자화가 제 1 자화에 상당한다.

본 실시예에서, 영구 자석(163,164,173,174)은 자화 상태가 변경되기 어려운 네오디뮴 자석으로 구성되고, 제어 자석(165,166,175,176)은 영구 자석(163,164,173,174)에 비해서 자화 변경이 용이한 알니코 자석으로 구성되고, 제어 자석(165,166,175,176)의 자화 상태를 변경해서 전기자 코일과 쇄교하는 자속량이 제어된다. 이하에 제어 자석(165,166,175,176)의 자화 상태를 제어하는 구성 및 동작 원리를 설명한다. 도 15에 나타낸 바와 같이 여자 코일(15c)은 표면 자극부(158,15a) 사이에 회전축(151)을 둘레 회전하도록 배치되고, 원통형 자기 코어(157), 제어 자석(159), 표면 자극부(158), 자성체 톱니(154), 원통형 자기 요크(155), 자성체 톱니(154), 표면 자극부(15a), 제어 자석(15b)으로 구성되는 자로에 여자 자속을 발생시킨다.

도 19, 도 20을 참조하면서 제어 자석(165,166,175,176)의 자화 상태를 선택적으로 제어하는 스텝이 설명된다. 도 19는 제어 자석(165)의 자화 방향을 외경 방향으로 변경하고, 제어 자석(176)의 자화 방향을 내경 방향으로 변경할 경우를 나타낸다. 여자 자속이 제어 자석(165) 내를 외경 방향으로 흐르고, 제어 자석(176) 내를 내경 방향으로 흐르도록 여자 전류가 여자 코일(15c)에 미리 공급된다. 번호 191, 번호 192, 번호 193, 번호 194는 각각 제 1 자성체 돌출극(161) 내, 제 2 자성체 돌출극(162) 내, 제 1 자성체 돌출극(171) 내, 제 2 자성체 돌출극(172) 내를 흐르는 여자 자속의 방향을 나타낸다.

더욱이 전기자 코일에 의한 자속이 제어 자석(165) 내를 외경 방향으로 제어 자석(176) 내를 내경 방향으로 흐르도록 전기자 코일에 전류가 공급된다. 도 18(a)에 있어서, 제 1 자성체 돌출극(161) 내를 외경 방향으로 자속(195)이 경과하도록 제 1 자성체 돌출극(161)에 상대하는 전기자 코일(182,183)에 전류가 공급된다. 더욱이 제 2 자성체 돌출극(162) 내를 내경 방향으로 자속(197)이 흐르도록 제 2 자성체 돌출극(162)과 대향하는 전기자 코일(181)에 전류가 공급된다. 자속(195)과 자속(196)은 각각 제 1 자성체 돌출극(161,171) 내를 같은 방향에 흐르고, 자속(197)과 자속(198)은 각각 제 2 자성체 돌출극(162,172) 내를 같은 방향으로 흐른다.

전기자 코일에 의한 자속(195)과 여자 코일에 의한 여자 자속(191)이 제 1 자성체 돌출극(161) 내를 동일 방향으로 흐르고, 전기자 코일에 의한 자속(198)과 여자 코일에 의한 여자 자속(194)이 제 2 자성체 돌출극(172) 내를 동일 방향으로 흐른다. 자속(197)과 여자 자속(192)이 제 2 자성체 돌출극(162) 내를 서로 역방향으로 흐르고, 자속(196)과 여자 자속(193)이 제 1 자성체 돌출극(171) 내를 서로 역방향으로 흐른다. 따라서, 제 2 자성체 돌출극(162) 내 및 제 1 자성체 돌출극(171) 내에는 충분한 자속이 흐르지 않으므로 제어 자석(166,175)의 자화 상태는 영향을 받지 않는다. 제 1 자성체 돌출극(161) 내 및 제 2 자성체 돌출극(172) 내에는 충분한 자속이 흐르고, 제어 자석(165)은 외경 방향으로 자화 방향이 변경되고, 제어 자석(176)은 내경 방향으로 자화 방향이 변경된다.

도 20은 제어 자석(166)의 자화 방향을 내경 방향으로, 제어 자석(175)의 자화 방향을 외경 방향으로 변경하는 경우를 나타낸다. 여자 코일(15c)에 공급하는 전류의 극성이 도 19의 경우와 역으로 되고, 번호 201,202,203,204는 각각 자성체 돌출극(161,162,171,172) 내를 흐르는 여자 자속의 방향을 나타낸다. 따라서, 전기자 코일의 발생시키는 자속과 여자 자속이 제 2 자성체 돌출극(162) 내를 서로 같은 방향으로 흐르고, 제 1 자성체 돌출극(171) 내를 서로 같은 방향으로 흐른다. 그리고 제어 자석(166)의 자화 방향이 내경 방향으로, 제어 자석(175)의 자화 방향이 외경 방향으로 변경된다.

이와 같이 상기 스텝에 따라 도 18(a)에 나타낸 제어 자석(165,166,175,176)의 자화 상태가 도 18(b)에 나타낸 상태로 변경되고, 또는 역으로 도 18(b)에 나타낸 상태로부터 도 18(a)에 나타낸 상태로 변경된다. 그것에 따라 전기자 코일(156)(181,182,183)과 쇄교하는 자속량이 제어된다.

제 1, 제 2 실시예에 있어서는 제어 자석의 자화 방향이 약계자 상태로부터 강계자 상태로 변경될 때, 여자 코일 및 전기자 코일의 발생하는 자속은 영구 자석에도 흐르고, 제어 자석에 자속을 집중시키는 것은 용이하지 않다. 본 실시예에서는 영구 자석(163,164,173,174)의 자극 근방에 동판(167)이 배치되어 있으므로 전기자 코일(156)(181,182,183)이 생성하는 펄스형 자속은 과전류를 생기게 해서 동판(167)을 통과하기 어렵고, 제어 자석(165,166,175,176)에 집중된다. 따라서, 제어 자석(165,166,175,176)의 자화 변경 시에 여자 코일 및 전기자 코일에 공급하는 전류를 작게 할 수 있다.

이상, 도 15 내지 도 20을 이용해서 본 실시예의 구성을 나타내고, 제어 자석의 자화 변경을 위해 선택된 제어 자석에 자속을 집중시키는 스텝을 중심으로 설명했다. 본 실시예에 나타낸 회전 전기 장치는 계자 제어가능한 전동기 또는 발전기로서 동작하지만, 계자 제어에 관계되는 이외의 구성은 종래의 회전 전기 장치와 같아서, 전동기 또는 발전기로서의 동작의 설명은 생략한다.

본 실시예에서는 영구 자석(163,164,173,174)의 자극 근방에 동판(167)을 배치해서 제어 자석(165,166,175,176)의 자화 변경 시에 필요한 여자 코일 및 전기자 코일에 공급하는 전류를 작게 했다. 동판(167)은 또한 회전자의 회전 구동 시에 전기자 코일의 생성하는 교류 자속을 통과하기 어렵고, 영구 자석(163,164,173,174)에 가해지는 자계 강도를 감할 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는 영구 자석(163,164,173,174)에 네오디뮴 자석이 이용될 수 있었지만, 동판(167)의 두께, 동판(167)과 영구 자석(163,164,173,174) 사이의 자로폭을 적절히 설정해서 영구 자석(163,164,173,174)에 희토류 이외의 저항 자력 자석 소재를 이용할 수 있다.

제 5 실시예

본 발명에 의한 회전 전기 시스템의 제 5 실시예를 도 21 내지 도 25를 이용해서 설명한다. 제 5 실시예는 2개의 회전자가 축방향으로 늘어서고, 레이디얼 갭을 통해서 전기자와 대향하고, 주로 릴럭턴스(reluctance) 토크에 의해 회전 구동된다. 기동 토크가 개선되고, 회생 제동시의 제어가 개선된다.

도 21은 레이디얼 갭 구조의 회전 전기에 본 발명을 적용한 실시예의 종단면도를 나타내고, 회전축(151)이 베어링(153)을 통해서 하우징(152)에 회전가능하게 지지되어 있다. 전기자는 하우징(152)에 고정된 원통형 자기 요크(155)로부터 직경 방향으로 연장되는 자성체 톱니(154)와, 자성체 톱니(154)에 권회된 전기자 코일(156)을 갖고 있다. 제 1 회전자는 표면 자극부(211), 제 2 회전자는 표면 자극부(212)를 갖고, 2개의 회전자는 원통형 자기 코어(216)를 공통 부재로서 회전축(151)에 고정되어 있다. 각각의 표면 자극부는 둘레 방향으로 인접한 자성체 돌출극의 한 방향에만 자석을 갖고, 도 21에는 영구 자석(213), 제어 자석(214)이 도시되어 있다. 영구 자석(213), 제어 자석(214)은 축방향으로 교대로 배치되어 있다. 원통형 자기 코어(216)는 각각의 회전자의 원통형 자기 코어와 여자 자로 부재가 일체화된 구조이며, 축방향으로 자속이 흐르기 쉬운 압분철심으로 구성되어 있다. 여자 코일(215)은 회전축(151)을 둘레 회전하도록 전기자 측에 고정되고, 원통형 자기 코어(216), 표면 자극부(211), 자성체 톱니(154), 원통형 자기 요크(155), 자성체 톱니(154), 표면 자극부(212)를 포함하는 자로에 여자 자속을 발생시킨다.

도 22는 도 21의 D-D'에 따른 전기자 및 회전자의 단면도를 나타내고, 상호의 관계를 설명하기 위해서 구성 부분의 일부에 번호를 부여하고 있다. 표면 자극부(211)는 둘레 방향으로 교대로 볼록부와 오목부를 표면에 갖는 자성체로 구성되어 있다. 인접하는 볼록부는 제 1 자성체 돌출극(221), 제 2 자성체 돌출극(222)으로서 둘레 방향으로 교대로 배치되어 있다. 번호 223은 오목부를 나타낸다. 제 2 자성체 돌출극(222)의 전기자로부터 떨어진 내부에는 영구 자석(213), 제어 자석(214)(도 22에는 도시되지 않은)이 배치되고, 제 1 자성체 돌출극(221), 제 2 자성체 돌출극(222)이 서로 다른 방향으로 자화되어 되어 있다. 번호 224는 영구 자석(213) 끝에 배치된 비자성체를 나타내고, 영구 자석(213) 내의 화살표는 자화 방향을 나타내고 있다. 오목부(223)에서는 회전자의 표면에 있어서의 자기저항이 크며, 릴럭턴스 토크가 크게 된다. 전기자의 구성은 도 16에 나타낸 제 4 실시예와 같으므로 다시 설명은 생략한다.

도 22에는 제 1 회전자에 상당하는 표면 자극부(211)의 자극 구성이 도시되어 있다. 도 23에 있어서 회전자 전체의 사시도를 나타내고, 제 2 회전자에 상당하는 표면 자극부(212)의 자극 구성을 설명하고, 표면 자극부(211,212)의 상호의 관계가 설명된다. 표면 자극부(212)의 구성은 표면 자극부(211)과 거의 같아서, 둘레 방향으로 볼록부와 오목부를 갖는 자성체로 구성되어 있다. 인접하는 자성체 돌출극이 번호 231,232로 대표해서 나타내어져 있고, 제 1 자성체 돌출극(231), 제 2 자성체 돌출극(232)이 둘레 방향으로 교대로 배치되어 있다. 전기자로부터 벗어난 제 1 자성체 돌출극(231)의 내부에 영구 자석(233)(도 23에는 도시되지 않은), 제어 자석(234)이 배치되고, 제 1 자성체 돌출극(231), 제 2 자성체 돌출극(232)이 서로 다른 방향으로 자화되어 있다. 여자 코일(215)은 회전축(151)을 둘레 회전하도록 전기자 측에 고정되지만, 동도에 있어서 표면 자극부(211,212)와 여자 코일(215)의 위치 관계가 이해되어 쉬운 양 여자 코일(215)은 표면 자극부(211,212) 사이에 나타내어져 있다.

표면 자극부(211)와 표면 자극부(212)의 상위점은 영구 자석 및 제어 자석의 위치이다. 제 1 자성체 돌출극(221)은 영구 자석(213), 제어 자석(214)에 의해 S극으로 자화되고, 제 1 자성체 돌출극(231)은 영구 자석(233), 제어 자석(234)에 의해 S극으로 자화되고, 동종의 극성인 제 1 자성체 돌출극(221), 제 1 자성체 돌출극(231)이 축방향으로 늘어서 있다.

본 실시예는 둘레 방향으로 인접하는 자성체 돌출극 중 한쪽에 배치된 영구 자석 및 제어 자석의 두께를 제로로 한 한 극단적인 구성 예이며, 여자 코일(215)에 의해 전기자 코일(156)과 쇄교하는 자속량의 조정이 가능하다. 즉, 자석의 포화 자속량은 일정하고, 자석의 비투자율은 공극에 근접하므로, 자기적으로 포화된 자석을 쌍방향의 자속에 대하여 격리 부재로 할 수 있다. 여자 코일(215)로부터 여자 자속이 공급되었을 경우, 제 1 자성체 돌출극(221) 및 제 2 자성체 돌출극(232)은 원통형 자기 코어(216)를 통해서 직접 접속되어 있으므로 여자 자속이 제 1 자성체 돌출극(221) 및 제 2 자성체 돌출극(232)을 통해서 전기자 측에 용이하게 흐른다. 번호 235,236은 제 1 자성체 돌출극(221) 및 제 2 자성체 돌출극(232)을 통해서 전기자 측에 흐르는 각각의 여자 자속의 방향을 나타내고, 여자 코일(215)에 공급되는 전류의 방향에 의해 여자 자속(235,236)의 방향은 제어된다.

도 24(a), 도 24(b)는 도 22에 나타낸 전기자 및 회전자의 일부를 확대해서 나타낸 단면도이며, 이들의 도를 이용해서 자속의 흐름을 설명한다. 이들의 도에 있어서, 전기자 코일(156)은 U상, V상, W상의 전기자 코일을 각각 전기자 코일(181,182,183)로서 둘레 방향으로 반복 배치되어 있다.

도 24(a)에 있어서, 점선 241은 영구 자석(213), 제어 자석(214)(도 24에는 도시되지 않은)으로의 자속을 대표해서 나타내고 있다. 도 24(b)는 도 24(a)에 나타낸 상태로부터 제어 자석(214)(도 24에는 용도 도시되지 않은)의 자화 방향이 반전된 상태이다. 영구 자석(213)으로부터의 자속(242)은 축방향으로 흘러서 도 24에는 나타내지 않고 있는 제어 자석(214)과 폐자로를 구성해서 전기자 측에 흐르는 자속량이 감소된다. 도 24(b)의 경우가 약계자의 상태에 상당한다. 이 상태로 전기자 측에 흐르는 자속량은 영구 자석(213), 제어 자석(214)의 포화 자속 밀도, 자극 면적 등에 의해 설정된다.

제 2 표면 자극부에 있어서의 영구 자석(233)과 제어 자석(234)의 관계는 도시되어 있지 않지만, 도 24(a), 도 24(b), 도 23에 나타낸 바와 같이 제어 자석(214)의 자화 방향을 외경 방향으로 하고, 제어 자석(234)의 자화 방향을 내경 방향으로 할 경우에 전기자 코일과 쇄교하는 자속량을 크게 한다. 제어 자석(214)에 있어서는 외경 방향의 자화가 제 1 자화에 상당하고, 제어 자석(234)에 있어서는 내경 방향의 자화가 제 1 자화에 상당한다.

본 실시예에서는, 영구 자석(213,233)은 자화 상태가 변경되기 어려운 네오디뮴 자석으로 구성되고, 제어 자석(214,234)은 영구 자석(213,233)보다 자화 상태의 변경이 용이한 알니코 자석으로 구성되어 있다. 그리고 여자 코일(215) 및 전기자 코일(156)에 의해 제어 자석(214,234)의 자화 상태를 변경해서 전기자 코일과 쇄교하는 자속량이 제어된다. 이하에 제어 자석(214,234)의 자화 상태를 제어하는 구성 및 동작 원리를 설명한다. 도 21에 나타낸 바와 같이 여자 코일(215)은 전기자 측의 축방향 중간에 회전축(151)을 둘레 회전하도록 배치되고, 원통형 자기 코어(216), (제어 자석(214)), 표면 자극부(211), 자성체 톱니(154), 원통형 자기 요크(155), 자성체 톱니(154), 표면 자극부(212), (제어 자석(234))으로 구성되는 자로에 여자 자속을 발생시킨다.

도 25를 참조하면서 제어 자석(214,234)의 자화 상태를 변경하는 스텝을 설명한다. 도 25는 제어 자석(214)의 자화 방향을 내경 방향으로 변경하고, 제어 자석(234)의 자화 방향을 외경 방향으로 변경할 경우를 나타낸다. 여자 자속이 제어 자석(234) 내를 외경 방향으로 흐르고, 제어 자석(214) 내를 내경 방향으로 흐르도록 여자 전류가 여자 코일(215)에 미리 공급된다. 번호 251, 번호 252, 번호 253, 번호 254는 각각 제 1 자성체 돌출극(221) 내, 제 2 자성체 돌출극(222) 내, 제 1 자성체 돌출극(231) 내, 제 2 자성체 돌출극(232) 내를 흐르는 여자 자속의 방향을 나타낸다.

더욱이 전기자 코일에 의한 자속이 제어 자석(234) 내를 외경 방향으로, 제어 자석(214) 내를 내경 방향으로 흐르도록 전기자 코일에 전류가 공급된다. 도 24(a)에 있어서, 제 2 자성체 돌출극(222) 내를 내경 방향으로 자속(257)이 흐르는 제 2 자성체 돌출극(222)에 대향하는 전기자 코일(181)에 전류가 공급된다. 제 1 자성체 돌출극(221) 내를 외경 방향으로 자속(255)이 흐르도록 제 1 자성체 돌출극(221)과 대향하는 전기자 코일(182,183)에 전류가 공급된다. 자속(256)은 제 1 자성체 돌출극(231) 내를 자속(255)과 같은 방향으로 흐르고, 자속(258)은 제 2 자성체 돌출극(232) 내를 자속(257)과 같은 방향으로 흐른다.

전기자 코일에 의한 자속(256)과 여자 코일에 의한 여자 자속(253)이 제 1 자성체 돌출극(231) 내를 동일 방향으로 흐르고, 전기자 코일에 의한 자속(257)과 여자 코일에 의한 여자 자속(252)이 제 2 자성체 돌출극(222) 내를 동일 방향으로 흐른다. 전기자 코일에 의한 자속(255)과 여자 코일에 의한 여자 자속(251)이 제 1 자성체 돌출극(221) 내를 서로 역방향으로 흐르고, 전기자 코일에 의한 자속(258)과 여자 코일에 의한 여자 자속(254)이 제 2 자성체 돌출극(232) 내를 서로 역방향으로 흐른다. 따라서, 제 1 자성체 돌출극(231) 내 및 제 2 자성체 돌출극(222) 내에는 충분한 자속이 흐르고, 제어 자석(234)은 외경 방향으로, 제어 자석(214)은 내경 방향으로 자화 방향이 변경된다.

이와 같이 상기 스텝에 따라 도 24(a)에 나타낸 강계자 상태가 도 24(b)에 나타낸 약계자 상태로 변경되고, 또는 역으로 도 24(b)에 나타낸 상태로부터 도 24(a)에 나타낸 상태로 변경된다. 그것에 따라 전기자 코일(156)(181,182,183)과 쇄교하는 자속량이 제어된다. 도 24(b)에 나타낸 약계자 상태가 도 24(a)에 나타낸 강계자 상태로 변경될 경우, 제어 자석의 자화 상태를 변경하기 위한 자속이 영구 자석측에 흘러들 가능성이 있다. 그 경우에는 영구 자석을 자기적으로 포화하고, 제어 자석에 충분한 자속을 공급하도록 전기자 코일 및 여자 코일에 공급하는 전류를 충분히 크게 한다. 더욱이 영구 자석의 자극 근방에 도체판을 배치하고, 펄스형 자속이 영구 자석을 흐르기 어렵게 구성해서 제어 자석의 자화 상태 변경을 쉽게 할 수 있다.

본 실시예는 릴럭턴스 토크만을 이용해서 회전 구동하는 회전 전기 시스템을 나타내고 있다. 통상은 도 24(b)에 나타낸 바와 같이 전기자를 흐르는 자속량이 최소로 되고, 회전자가 회전 구동된다. 그러나, 릴럭턴스 토크만으로는 기동 토크가 작으므로 제어 자석(214,234)을 도 24(a)에 나타낸 자화 상태로서 전기자를 흐르는 자속량이 크게 되고, 더욱이 여자 코일(215)에 의해 도 23에 나타낸 여자 자속(235,236)을 발생시켜서 기동 토크를 크게 한다.

더욱이 회생 제동시에 영구 자석(213), 제어 자석(214)을 도 24(a)에 나타낸 자화 상태로 하고, 여자 코일(215)에 공급하는 전류를 제어해서 회생 제동력을 제어하고, 저속까지 효율적으로 에너지는 회수된다. 종래 방법에서는 자기 에너지의 축적, 에너지 회수의 스텝이 반복되고, 에너지 회수가 가능하지만, 본 실시예에 의해 더욱 고효율로 에너지 회수가 가능해진다.

제 6 실시예

본 발명의 제 6 실시예인 회전 전기 시스템을 도 26에 의해 설명한다. 제 6 실시예는 제 2 실시예의 회전 전기 시스템을 인휠 모터로서 전륜에 조립하고, 전륜 구동의 엔진과 조합시킨 하이브리드카 시스템이다.

동도에 있어서, 전륜 구동의 엔진(262)은 트랜스미션(263), 구동 축(269)을 통해서 전륜에 조립된 회전 전기(261)에 결합되고, 엔진(262)과 회전 전기(261)에 의해 하이브리드카는 구동된다. 제어 장치(264)는 상위 제어 장치로부터의 지령(26b)을 수신하고, 구동 회로(265)를 통해서 회전 전기(261)를 전동기로서 구동하고, 자속량 제어 회로(266)를 통해서 전기자에 유입하는 자속량을 제어한다. 더욱이 제어 장치(264)는 상위 제어 장치로부터의 지령(26b)을 수신하고, 전기자 코일(76)의 인출 선(26c)에 나타나는 발전 전력을 정류 회로(267)를 통해서 정류하고, 배터리(268)를 충전하는 구성이다.

회전 전기(261)만으로 하이브리드카를 구동할 때는 트랜스미션(263)에 있어서 엔진(262)을 분리하고, 회전 전기(261)의 부하를 경감한다. 저회전 속도 영역에서 회전 전기(261)의 자석 토크를 강화할 필요가 있을 경우는 제어 자석(88,89) 내의 제 1 자화의 자석 요소 수를 증대시키도록 전류가 여자 코일(78),전기자 코일(76)에 가해져서 제어 자석(88,89)의 자화 상태가 변경되고, 전기자를 흐르는 자속량이 크게 된다. 고회전 속도 영역에서 약계자로 할 경우에는 제어 자석(88,89) 내의 제 2 자화의 자석 요소 수를 증대시키도록 전류가 여자 코일(78), 전기자 코일(76)에 가해져서 제어 자석(88,89)의 자화 상태가 변경되고, 전기자를 흐르는 자속량이 작게 된다.

엔진(262)의 회전력만으로 하이브리드카를 구동할 때는 제어 자석(88,89) 내의 제 2 자화의 자석 요소 수를 최대로 하도록 여자 코일(78), 전기자 코일(76)에 전류가 공급되고, 전기자를 흐르는 자속량을 최소한으로 한다. 이 상태에서 회전자로부터 누설되는 자속량은 최소가 되므로 엔진(262)에 의해 회전자가 회전되어도 과전류 손해는 적다.

회전 전기(261) 및 엔진(262)으로 하이브리드카를 구동할 때는 트랜스미션(263)에 있어서 엔진(262)을 구동 축(269)에 결합하고, 양자로 하이브리드카를 구동한다. 엔진(262)의 구동력에 여력이 있고, 회전 전기(261)를 발전기로서 배터리(268)를 충전시킬 수 있다. 전기자 코일(76)의 인출 선(26c)에 나타나는 발전 전력을 정류 회로(267)를 통해서 직류로 변하게 하고, 배터리(268)를 충전시킨다.

그 경우에 제어 장치(264)는 발전 전압이 배터리(268)를 충전하는 최적인 전압보다 클 경우는 제어 자석(88,89) 내의 제 2 자화의 자석 요소 수를 증대시키도록 전류가 여자 코일(78), 전기자 코일(76)에 가해져서 제어 자석(88,89)의 자화 상태가 변경되고, 전기자를 흐르는 자속량이 작게 된다. 발전 전압이 배터리(268)를 충전하는 최적인 전압보다 작을 경우는 제어 자석(88,89) 내의 제 1 자화의 자석 요소 수를 증대시키도록 전류가 여자 코일(78), 전기자 코일(76)에 가해져서 제어 자석(88,89)의 자화 상태가 변경되고, 전기자를 흐르는 자속량이 크게 된다.

배터리(268)에 충전할 경우에 회전 전기 시스템을 정전압 발전기로 하는 것으로 발전 전압을 변환하는 컨버터는 불필요하다. 또한, 더욱이 배터리(268)가 전압의 종류가 다른 복수 종의 배터리로 구성될 경우에서도 스위칭 회로를 부가해서 각각의 배터리에 최적인 발전 전압으로 제어하는 것으로 고가인 컨버터를 불필요하게 할 수 있다. 또한, 배터리(268)에 충전할 때에 자속량 제어와 함께 충전 전류를 제어해서 구동 부하와 발전 부하의 배분 제어도 가능하다.

본 실시예는 또한 하이브리드카의 제동시에 있어서의 에너지 회수 시스템으로서도 유효하게 기능한다. 브레이크 페달의 움직임에 따르고, 지령(26b)을 통해서 회생 제동의 지시를 수신하면, 제어 장치(264)는 자속량 제어 회로(266)를 통해서 제 1 자화의 자석 요소 수를 증대시키도록 여자 코일(78), 전기자 코일(76)에 전류를 공급해서 제 1 자화의 자석 요소 수를 증대시켜서 전기자를 흐르는 자속량을 크게 하고, 발전 전력으로 배터리(268)에 충전시킨다.

전기자 코일(76)과 쇄교하는 자속량은 증대되므로 인출되는 전력은 크고, 전기２중층 콘덴서 외의 축전 시스템에 일시적으로 축적해서 제동력의 확보와 에너지 회수를 크게 한다. 종래는 저속에서 충분한 에너지를 회수할 수 없었지만, 본 실시예에서는 전기자 코일(76)과 쇄교하는 자속량을 자유자재로 제어할 수 있으므로 저속에 있어서도 에너지 회생을 가능하게 하고, 제동력을 확보할 수 있다. 회전 전기(261)는 구동용 전동기로서 이용되는 체격이므로 회생 제동용의 발전기로서 충분한 제동력을 발생할 수 있다.

본 실시예는 하이브리드카의 발전기겸 전동기로서 이용된 회전 전기 시스템이지만, 전기 자동차에 있어서의 회전 전기 시스템으로 하는 것도 당연히 가능하다. 그 경우에는 상기 실시예에 있어서 하이브리드카의 엔진(262), 트랜스미션(263), 구동 축(269)을 제거하고, 본 발명에 의한 회전 전기 시스템만으로 전기 자동차를 구동하고, 제동시에 있어서의 에너지 회수 시스템을 구성한다.

이상, 본 발명의 회전 전기 시스템에 대해서 실시예를 제시해서 설명했다. 이들의 실시예는 본 발명의 취지, 목적을 실현하는 예를 나타낸 것이며 본 발명의 범위를 한정하는 것은 없다. 예를 들면 상기 설명에 있어서 레이디얼 갭 구조의 회전 전기 장치를 실시예에 열거해서 설명했지만, 당연히 거의 원반형의 전기자와 회전자가 축방향으로 대향하는 액시얼 갭 구성의 회전 전기 장치, 더욱이 회전자와 전기자와 회전자가 이 순서로 축방향으로 대향하는 구조 등의 회전 전기 장치도 가능하다. 더욱이, 상기 실시예에 있어서의 회전자의 자극 구성, 전기자의 구성, 여자부의 구성 등은 각각 조합을 변경해서 본 발명의 취지를 실현하는 회전 전기 장치를 구성할 수 있는 것은 물론이다.

본 발명을 적용한 회전 전기 시스템은 종래의 회전 전기와 같이 자석 토크 및 릴럭턴스 토크를 이용할 수 있고, 더욱이 발전 기능을 개선하고, 또한 그 발전 기능을 제어할 수 있다. 이동체의 발전기겸 전동기 시스템에 이용해서 구동용 전동기로서는 종래 이상의 회전 속도 범위에서의 사용과 저전류ㆍ대토크 출력을 기대할 수 있는 이외에 제동시의 에너지 회수를 가능하게 해서 종합적인 에너지 소비량을 개선할 수 있다.

Claims

회전자는 전기자와의 대향면에 있어서 둘레 방향으로 배치된 1이상의 자성체 돌출극을 갖고, 상기 자성체 돌출극 내 및 또는 인접하는 자성체 돌출극 사이에 배치된 영구 자석에 의해 둘레 방향으로 인접하는 자성체 돌출극이 서로 다른 극으로 자화되고, 상기 전기자는 상기 회전자와의 대향면에 있어서 1이상의 자성체 톱니와 상기 자성체 톱니에 권회된 전기자 코일이 둘레 방향으로 배치되고, 상기 전기자와 상기 회전자가 미소 간극을 통해서 서로 대향하고 또한 상대적으로 회전가능하게 구성된 회전 전기 장치로서:
둘레 방향에 인접하는 상기 자성체 돌출극의 적어도 한쪽에 있어서 전기자와의 대향면으로부터 떨어진 자성체 돌출극 내부에 제어 자석이 배치되고, 더욱이 여자 자로 부재와 여자 코일을 갖고, 상기 여자 코일은 여자 자로 부재 및 전기자 및 회전자를 포함하는 자로에 일괄해서 여자 자속을 발생시키도록 배치되고, 상기 전기자 코일에 의한 자속만에 의해서는 상기 제어 자석의 자화 상태가 변경되지 않도록 자화 방향 길이와 항자력의 곱이 설정되고, 상기 여자 코일에 의한 여자 자속 및 전기자 코일에 의한 자속이 같은 방향으로 흐르는 상기 제어 자석의 자화 상태가 불가역적으로 변경되도록 구성되고, 상기 회전 전기 장치의 출력을 최적화하도록 상기 출력에 응해서 상기 제어 자석의 자화 상태를 변경하고, 상기 전기자 코일과 쇄교하는 자속량이 제어되는 것을 특징으로 하는 회전 전기 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 여자 자로 부재의 양단은 전기자와 회전자가 미소 간극을 통해서 교대로 늘어서는 전기자ㆍ회전자군의 양단에 배치된 회전자 또는 전기자와 각각 자기적으로 결합되고, 상기 여자 코일은 여자 자로 부재와 전기자와 회전자를 포함하는 자로에 일괄해서 자속을 발생시키도록 배치되는 것을 특징으로 하는 회전 전기 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 전기자와 상기 회전자가 미소 간극을 통해서 교대로 늘어서는 전기자ㆍ회전자군의 끝에 배치된 회전자는 자성체 돌출극이 자성체 기판에 배치되고, 상기 자성체 기판은 여자 자로 부재의 일단과 자기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 회전 전기 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 전기자와 상기 회전자가 미소 간극을 통해서 교대로 늘어서는 전기자ㆍ회전자군의 끝에 배치된 전기자는 전기자 코일 및 자성체 톱니가 자기 요크에 배치되고, 상기 자기 요크는 여자 자로 부재의 일단과 자기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 회전 전기 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 전기자, 상기 회전자, 상기 전기자가 미소 간극을 통해서 이 순서로 늘어서고, 상기 회전자는 비자성체 및 또는 영구 자석에서 자성체를 둘레 방향으로 구분해서 형성된 복수의 자성체 돌출극을 갖고, 둘레 방향으로 인접하는 자성체 돌출극은 서로 다른 방향으로 자화되고, 제어 자석은 2개의 면의 거의 중간에 배치되는 것을 특징으로 하는 회전 전기 시스템.
제 1 항에 있어서,
2개의 회전자인 제 1 회전자 및 제 2 회전자가 축방향으로 늘어서서 전기자와 직경 방향으로 대향하도록 배치되고, 같은 극성으로 자화된 제 1 회전자의 자성체 돌출극과 제 2 회전자의 자성체 돌출극은 축방향으로 늘어서고, 상기 제 1 회전자 및 상기 제 2 회전자에 원통형 자기 코어가 배치되고, 제어 자석은 둘레 방향으로 인접하는 적어도 한쪽의 자성체 돌출극 내부에 배치되고, 상기 여자 자로 부재는 제 1 회전자의 원통형 자기 코어와 제 2 회전자의 원통형 자기 코어를 자기적으로 결합하도록 배치되고, 상기 여자 코일은 전기자와 제 1 회전자와 여자 자로 부재와 제 2 회전자로 구성되는 자로에 여자 자속을 발생시키도록 배치되는 것을 특징으로 하는 회전 전기 시스템.
제 1 항에 있어서,
제어 자석은 자화 방향 길이와 항자력의 곱이 서로 다른 자석 요소를 자성체에 의해 병렬 접속해서 구성되고, 상기 자석 요소는 자화 방향이 서로 역인 제 1 자화, 제 2 자화 중 어느 하나의 자화를 갖고, 상기 제 1 자화를 갖는 자석 요소는 영구 자석이 자성체 돌출극을 자화하는 극성과 같은 극성으로 자성체 돌출극을 자화하는 것을 특징으로 하는 회전 전기 시스템.
제 1 항에 있어서,
제어 자석 내에 있어서 반전되어야 할 자화에 역방향으로 흐르는 여자 자속이 여자 코일에 의해 회전자에 일괄해서 공급되고, 반전되어야 할 자화를 갖는 제어 자석을 포함하는 자성체 돌출극과 대향하는 전기자 코일에 의해 상기 자화 방향과 역방향의 자속이 발생되고, 상기 제어 자석의 자화 상태가 변경되는 것을 특징으로 하는 회전 전기 시스템.
제 1 항에 있어서,
제어 자석 내에 있어서 반전되어야 할 자화에 역방향으로 흐르는 여자 자속이 여자 코일에 의해 회전자에 일괄해서 공급되고, 상기 전기자 코일은 반전되어야 할 자화를 갖는 제어 자석을 포함하는 자성체 돌출극 내에 상기 자화 방향과 역방향의 자속을 발생함과 아울러 상기 자성체 돌출극에 인접하는 자성체 돌출극에 상기 자화 방향과 동일 방향의 자속을 발생시키도록 전류가 공급되어 상기 제어 자석의 자화 상태를 변경하는 것을 특징으로 하는 회전 전기 시스템.
제 1 항에 있어서,
제어 자석 내에 있어서 반전되어야 할 자화에 역방향으로 흐르는 여자 자속이 여자 코일에 의해 회전자에 일괄해서 공급되고, 반전되어야 할 자화를 갖는 제어 자석을 포함하는 자성체 돌출극과 대향하는 자성체 톱니에 상기 자화 방향과 역방향의 자속을 발생함과 아울러 상기 자성체 돌출극에 인접하는 자성체 돌출극에 대향하는 자성체 톱니에 상기 자화 방향과 동일 방향의 자속을 발생시키도록 전기자 코일에 전류가 공급되어 상기 제어 자석의 자화 상태를 변경하는 것을 특징으로 하는 회전 전기 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 영구 자석의 적어도 한쪽의 자극과 자성체 돌출극 사이에는 비자성 도체가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 전기 시스템.
제 1 항에 있어서,
자성체의 2개의 측면에 영구 자석을 배치해서 구성된 집합 자석이 자성체 돌출극 사이에 배치되고, 여자 코일이 발생하는 여자 자속이 상기 자성체를 통과하기 어렵도록 상기 자성체에 비자성체가 배치되는 것을 특징으로 하는 회전 전기 시스템.
제 1 항에 있어서,
자화 방향 두께가 상대적으로 큰 제어 자석과 자화 방향 두께가 상대적으로 작은 제어 자석이 둘레 방향으로 교대로 배치되고, 자속 조정 전류가 여자 코일에 공급되고, 전기자 코일과 쇄교하는 자속량이 조정되는 것을 특징으로 하는 회전 전기 시스템.
제 1 항에 있어서,
적어도 1개의 전기자 코일에 나타나는 유기 전압의 감시 수단이 배치되고, 회전자의 회전과 함께 상기 전기자 코일에 쇄교하는 자속에 기인하는 유기 전압이 감시되고, 제어 자석의 자화 상태의 변경 후에 있어서 각 제어 자석의 자화에 기인해서 상기 전기자 코일에 나타나는 유기 전압의 진폭의 변화량이 목표값보다 작은 경우는 제어 자석의 자화 상태의 변경을 위해 여자 코일 및 전기자 코일에 가해지는 전류의 진폭을 크게 하고, 각 제어 자석의 자화에 기인해서 상기 전기자 코일에 나타나는 유기 전압의 진폭의 변화량이 목표값보다 클 경우는 제어 자석의 자화 상태의 변경을 위해 여자 코일 및 전기자 코일에 가해지는 전류의 진폭을 작게 설정하는 것을 특징으로 하는 회전 전기 시스템.
제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
더욱이 제어 장치를 갖고, 회전력을 입력으로 하고, 발전 전력을 출력으로 하는 회전 전기 시스템으로서, 자성체 돌출극 주변에 배치된 영구 자석이 자성체 돌출극을 자화하는 극성과 같은 극성으로 자성체 돌출극을 자화하는 자석 요소를 제 1 자화로 하고, 전기자 코일에 유기되는 발전 전압이 소정의 값보다 클 때에 제어 장치는 제 1 자화의 자극 면적을 감소시키도록 전류를 여자 코일 및 전기자 코일에 공급해서 전기자를 흐르는 자속량이 적게 되고, 전기자 코일에 유기되는 발전 전압이 소정의 값보다 작을 때에 제어 장치는 제 1 자화의 자극 면적을 증가시키도록 전류를 여자 코일 및 전기자 코일에 공급해서 전기자를 흐르는 자속량이 많게 되고, 발전 전압이 소정의 값으로 제어되는 것을 특징으로 하는 회전 전기 시스템.
제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
더욱이 제어 장치를 갖고, 전기자 코일로의 공급 전류를 입력으로 하고, 회전력을 출력으로 하는 회전 전기 시스템으로서, 자성체 돌출극 주변에 배치된 영구 자석이 자성체 돌출극을 자화하는 극성과 같은 극성으로 자성체 돌출극을 자화하는 자석 요소를 제 1 자화로 하고, 회전 속도가 소정의 값보다 크고 전기자를 흐르는 자속량을 감소시킬 때에 제어 장치는 제 1 자화의 자극 면적을 감소시키도록 전류를 여자 코일 및 전기자 코일에 공급해서 전기자를 흐르는 자속량이 적게 되고, 회전 속도가 소정의 값보다 작고 전기자를 흐르는 자속량을 증대시킬 때에 제어 장치는 제 1 자화의 자극 면적을 증가시키도록 전류를 여자 코일 및 전기자 코일에 공급해서 전기자를 흐르는 자속량이 많게 되고, 회전력이 최적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 회전 전기 시스템.
제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
더욱이 제어 장치를 갖고, 전기자 코일로의 공급 전류를 입력으로 하고, 회전력을 출력으로 하는 회전 전기 시스템으로서, 자성체 돌출극 주변에 배치된 영구 자석이 자성체 돌출극을 자화하는 극성과 같은 극성으로 자성체 돌출극을 자화하는 자석 요소를 제 1 자화로 하고, 회전 속도를 감소시킬 경우에 제어 장치는 전기자 코일에 배터리를 접속함과 아울러 제어 자석 내의 제 1 자화의 자극 면적을 증대시키도록 전류를 여자 코일 및 전기자 코일에 공급해서 전기자를 흐르는 자속량을 많게 하고, 회전 에너지가 발전 전력으로서 인출되는 것을 특징으로 하는 회전 전기 시스템.
회전자는 전기자와의 대향면에 있어서 둘레 방향으로 배치된 1이상의 자성체 돌출극을 갖고, 상기 자성체 돌출극 내 및 또는 인접하는 자성체 돌출극 사이에 배치된 영구 자석에 의해 둘레 방향으로 인접하는 자성체 돌출극이 서로 다른 극으로 자화되고, 상기 전기자는 상기 회전자와의 대향면에 있어서 1이상의 전기자 코일을 둘레 방향으로 갖고, 상기 전기자와 상기 회전자가 미소 간극을 통해서 서로 대향하고 또한 상대적으로 회전가능하게 구성된 회전 전기 장치의 자속량 제어 방법으로서:
둘레 방향으로 인접하는 상기 자성체 돌출극의 적어도 한쪽으로 자화 변경가능한 제어 자석을 배치하고, 더욱이 전기자와, 회전자를 포함하는 자로에 일괄해서 여자 자속을 발생시키도록 축을 둘레 회전하는 여자 코일을 배치하고, 전기자 코일에 의한 자속만에 의해서는 상기 제어 자석의 자화 상태가 변경되지 않도록 자화 방향 길이와 항자력의 곱을 설정하고, 상기 여자 코일에 의한 여자 자속 및 전기자 코일에 의한 자속이 같은 방향으로 흐르는 상기 제어 자석만의 자화 상태를 불가역적으로 변경하도록 구성하고, 상기 제어 자석의 자화 상태를 변경하고, 상기 전기자 코일과 쇄교하는 자속량을 제어하는 것을 특징으로 하는 자속량 제어 방법.