WO2011046070A1

WO2011046070A1 - 磁束量可変回転電機システム

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Publication number: WO2011046070A1
Application number: PCT/JP2010/067725
Authority: WO
Inventors: 義和市山
Original assignee: 有限会社クラ技術研究所
Priority date: 2009-10-13
Filing date: 2010-10-08
Publication date: 2011-04-21
Also published as: CN102648570A; KR20120104206A; KR101355533B1; JP2011217587A; US8373325B2; JP4649625B1; US20110084567A1; CN102648570B

Abstract

　一以上の電機子と回転子とが対向し，回転子表面には互いに異極に磁化された磁性体突極を周方向に交互に有すると共に磁性体突極内に制御磁石を有し，更に回転子の磁極を一括して励磁する励磁コイルを有し，回転電機の出力に応じて励磁コイル及び電機子コイルによる磁束が同方向に流れる制御磁石の磁化状態を不可逆的に変え，電機子コイルと鎖交する磁束量を制御する回転電機システムである。移動体の発電機兼電動機システムに用いて，駆動用電動機としては従来以上の回転速度範囲での使用と低電流・大トルク出力が期待できる他に制動時のエネルギー回収を可能として総合的なエネルギー消費量を改善できる。

Description

磁束量可変回転電機システム

　本発明は，永久磁石界磁を持つ発電機，電動機を含む回転電機システムに関する。

　永久磁石界磁と電機子との相対的回転によって電磁的に生ずる電力を取り出す発電機，或いは電機子に供給する電流によって生ずる磁界と永久磁石界磁との相互作用により永久磁石界磁と電機子との相対的回転を生ずる電動機等の回転電機装置はエネルギー効率に優れ，永久磁石の技術的進歩に伴い日常的に広く使われている。しかしそのような回転電機は、永久磁石からの磁束が一定であるので電動機として用いられるにしても発電機として用いられるにしても広い回転速度範囲で常に最適の出力が得られる訳ではない。

　すなわち，電動機の場合は高速回転域では逆起電力（発電電圧）が高すぎる結果となって制御が困難となり，弱め界磁制御として界磁強度を弱める種々の手段が提案されている。また発電機の場合，広い回転速度範囲に於いて発電電圧を所定のレベルとする為に専ら界磁電流制御による定電圧発電機或いは半導体による発電電圧の定電圧化回路が用いられている。

　電動機では進み位相電流による弱め界磁制御が広く採用されているが，エネルギー効率，制御範囲には限界がある。磁石励磁回転電機に於けるエネルギー効率の高さを犠牲にすることなく，回転電機の界磁制御を機械的な偏倚により行う試みがある（例えば特許第４２４３６５１号）。これは界磁条件を機械的な偏倚として保持できるので界磁制御に伴うエネルギー損失を最小限に留めて高エネルギー効率の回転電機を実現出来る。

　エネルギー損失を最小限に留める他の界磁制御方法は，回転電機の運転中に永久磁石の磁化状態を不可逆的に変更することであり，特開２００６－２８０１９５，特開２００８－０４８５１４，特開２００８－１２５２０１等の技術提案がある。これらは電機子に対向する回転子磁極を高抗磁力を持つ永久磁石と低抗磁力を持つ永久磁石で構成し，電機子コイルの作る磁界により低抗磁力の永久磁石の磁化を変更しようとしている。しかしながら，電機子コイルの近傍に低抗磁力磁石が配置される構成は予見し難い事故により前記永久磁石の磁化が変更される可能性が常にあり，システムの安定性には重大な懸念が残る。また，高電圧・大電流パルスによる磁化変更は電子回路に重大なダメージを与える可能性が残る。

　したがって，本発明が解決しようとする課題は，システムの安定性を維持しながら強め及び弱め界磁制御を可能として出力を最適に制御できる回転電機システム及び磁束量制御方法を提供する事である。

　本発明による回転電機システムに於いて，回転子は磁化が固定の永久磁石により互いに異極に磁化された磁性体突極を周方向に交互に有し，磁性体突極内部に制御磁石が配置され，回転子を一括して励磁するよう励磁コイルが配置され，電機子コイルが生成する磁束及び励磁コイルが生成する励磁磁束が同じ方向に流れる制御磁石の磁化が選択的に変更される。その具体的な構成は以下に規定される。

　回転電機装置は電機子及び回転子が相対的に回転可能に構成され，回転子は周方向に配置された一以上の磁性体突極を有し，磁性体突極内及び或いは隣接する磁性体突極間に配置された永久磁石により周方向に隣接する磁性体突極が互いに異極に磁化され，電機子は一以上の磁性体歯と，磁性体歯に巻回された電機子コイルとが周方向に配置される。隣接する前記磁性体突極の少なくとも一方に於いて，電機子から離れた磁性体突極内部に制御磁石が配置され，更に励磁磁路部材と，励磁コイルとが配置され，励磁コイルは励磁磁路部材及び電機子及び制御磁石を含む磁路に一括して磁束を発生するよう配置され，電機子コイルによる磁束のみによっては前記制御磁石の磁化状態が変更されないように磁化方向長さと抗磁力の積が設定され，回転電機装置は励磁コイルによる励磁磁束及び電機子コイルによる磁束が同じ方向に流れる前記制御磁石の磁化状態が不可逆的に変更されるよう構成される。回転電機装置の出力を最適化するよう前記出力に応じて前記制御磁石の磁化状態を変え，電機子コイルと鎖交する磁束量が制御される。最適化の対象とする出力とは，出力トルク，回生制動時の制動力及び回収エネルギー量，発電電圧等である。

　磁性体突極内及び或いは隣接する磁性体突極間に配置された永久磁石は磁化変更され難い大きさの抗磁力を有する。制御磁石が配置される磁性体突極内の位置は，電機子から離れた側で，電機子コイルが発生する磁束の影響を受け難い位置を指す。さらに制御磁石は電機子コイルが通常発生させる磁束によっては磁化変更され難く，且つ励磁コイル及び電機子コイルから同じ方向に流れる合成磁束によって磁化変更可能となるよう磁化容易さである磁化方向長さと抗磁力の積が設定される。隣接する磁性体突極内にそれぞれ制御磁石が配置される場合は隣接する制御磁石の磁化方向は互いに逆であり，励磁コイルが発生する励磁磁束の方向を変え，順次にその磁化状態が変更される。

　励磁磁束の磁路構成例として電機子及び回転子に一括して励磁磁束を供給する構成がある。励磁磁路部材はその両端が電機子と回転子とが微小間隙を介して交互に並ぶ電機子及び回転子群の端に配置された回転子或いは電機子と磁気的に結合されて励磁磁路部材，回転子，電機子で閉磁路を構成し，励磁コイルはその閉磁路に磁束を発生するよう配置される。磁気的に結合されるとは，二つの磁性体同士が直接に接続され，或いは微小間隙を介して対向するよう配置される状態を指す。励磁コイルは軸を周回する構成として静止側への配置が可能である。回転電機装置は一以上の円筒状電機子と回転子が径方向に空隙を介して対向する構造，一以上の円盤状電機子と回転子が軸方向に空隙を介して対向する構造，一以上の円錐面形状の電機子と回転子とが空隙を介して対向する構造等，何れの構造も可能である。

　励磁磁束の磁路構成の他の例として軸方向に並ぶ二つの回転子が電機子と対向する構成がある。励磁コイルは二つの回転子間或いは電機子の軸方向中間に配置されて電機子，第一回転子，第二回転子で構成する閉磁路に励磁磁束を発生させる。励磁磁束は第一回転子，第二回転子を互いに逆方向に流れ，また電機子コイルからの磁束は周方向に隣接する磁性体突極には互いに逆方向に流れるよう発生されるとして，第一回転子，第二回転子内に於いて軸方向に並んでいない制御磁石の磁化が同時に変更される。

　制御磁石は磁化容易さの異なる一以上の磁石要素が並列に接続される構成，或いは磁化容易さ，すなわち，磁化方向長さと抗磁力の積が連続的に変わる磁石で構成される。上記制御磁石の構成の目的は電機子コイルに鎖交する磁束量の制御にあり，磁化容易さの異なる磁石要素の配置は一つの断面内に限定されることなく，回転子全体に配分される。磁性体突極を磁性体突極近傍の永久磁石と同じ極性に磁化する磁石要素は第一磁化とし，第一磁化の磁石要素は電機子コイルと鎖交する磁束量を増す事になる。

　上記回転電機システムに於いて，励磁磁束を制御磁石に集中させて制御磁石の磁化を容易に変更する構成がある。すなわち，永久磁石の少なくとも一方の磁極側には導体が配置され，導体に誘起される渦電流によりパルス状磁束が永久磁石内を流れ難く構成される。導体には渦電流による発熱を抑制するよう導電性に優れる素材が用いられる。上記構成により，電機子コイルが生成する双方向のパルス状磁束は永久磁石を通過し難く，制御磁石に集中され，制御磁石の磁化は容易に変更される。

　上記回転電機システムに於いて，制御磁石からの磁束に加えて更に励磁コイルに供給する電流による磁束を重畳しての界磁制御が可能である。大小の厚みを有する制御磁石が周方向に隣接する磁性体突極内に交互に配置され，励磁コイルによる磁束の通過しやすさに差が設けられる。制御磁石に不可逆的な磁化変化を生ぜしめない程度の磁束調整電流を制御磁石の各磁化状態に於いて励磁コイルに供給し，誘起された磁束を制御磁石からの磁束に重畳して電機子を流れる磁束量を調整する。制御磁石の磁化は連続的に変更が可能であっても，制御磁石の磁化変更は殆どの場合は間歇的に実施され，結果として電機子を流れる磁束量は離散的に制御される事が多い。本発明では制御磁石の各磁化状態に於いて励磁コイルが誘起する磁束を制御磁石からの磁束に重畳させて電機子を流れる磁束量を精密に制御する。

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

第一の実施例による回転電機の縦断面図である。図１に示された回転電機の電機子及び回転子の断面図である。電機子，回転子の拡大された断面図及び強め界磁に於ける磁束の流れを示す。電機子，回転子の拡大された断面図及び弱め界磁に於ける磁束の流れを示す。電機子，回転子の拡大された断面図及び界磁を弱める為の電機子コイル及び励磁コイルからの磁束の流れを示す。電機子，回転子の拡大された断面図及び界磁を強める為の電機子コイル及び励磁コイルからの磁束の流れを示す。第二の実施例による回転電機の縦断面図である。図７に示された回転電機の電機子及び回転子の断面図である。電機子，回転子の拡大された断面図及び強め界磁に於ける磁束の流れを示す。電機子，回転子の拡大された断面図及び弱め界磁に於ける磁束の流れを示す。電機子，回転子の拡大された断面図及び界磁を弱める為の電機子コイル及び励磁コイルからの磁束の流れを示す。電機子，回転子の拡大された断面図及び界磁を強める為の電機子コイル及び励磁コイルからの磁束の流れを示す。図１３（ａ），１３（ｂ），１３（ｃ），１３（ｄ）は図７に示された制御磁石の一部の縦断面図を示し，図１３（ａ）は磁石要素１３１，１３２，１３３が共に第一磁化である状態を示す。図１３（ｂ）は磁石要素１３１，１３２が第一磁化，磁石要素１３３が第二磁化である状態を示す。図１３（ｃ）は磁石要素１３１が第一磁化，磁石要素１３２，１３３が第二磁化である状態を示す。図１３（ｄ）は磁石要素１３１，１３２，１３３が共に第二磁化である状態を示す。第三の実施例による回転電機システムのブロック図である。第四の実施例による回転電機の縦断面図である。図１５に示された回転電機の電機子及び回転子の断面図である。図１５に示された回転電機の回転子の斜視図である。（ａ）は電機子，回転子の拡大された断面図及び強め界磁に於ける磁束の流れを，（ｂ）は電機子，回転子の拡大された断面図及び弱め界磁に於ける磁束の流れを示す。回転子の斜視図であり，制御磁石の磁化変更の為に供給される励磁コイル及び電機子コイルからの磁束の方向を示す。回転子の斜視図であり，制御磁石の磁化変更の為に供給される励磁コイル及び電機子コイルからの磁束の方向を示す。第五の実施例による回転電機の縦断面図である。図２１に示された回転電機の電機子及び回転子の断面図である。図２１に示された回転電機の回転子の斜視図である。（ａ）は電機子，回転子の拡大された断面図及び強め界磁に於ける磁束の流れを，（ｂ）は電機子，回転子の拡大された断面図及び弱め界磁に於ける磁束の流れを示す。回転子の斜視図であり，制御磁石の磁化変更の為に供給される励磁コイル及び電機子コイルからの磁束の方向を示す。第六の実施例による回転電機システムのブロック図である。

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

　本発明による回転電機システムの第一実施例を図１から図６を用いて説明する。第一実施例は，ラジアルギャップ構造の回転電機システムであり，励磁コイルは回転軸を周回するよう配置されている。

　図１はラジアルギャップ構造の回転電機に本発明を適用した実施例を示している。回転軸１１はベアリング１３を介してハウジング１２に回動可能に支持され，外周側から内周側に第一電機子，回転子１７，第二電機子が順に配置されている。回転子１７は外周面及び内周面に於いて第一電機子，第二電機子とそれぞれ対向し，番号１８は外周側の表面磁極部と，内周側の表面磁極部との間に配置された制御磁石を示し，番号１９は回転子支持体を示す。制御磁石１８は回転子１７内において第一電機子，第二電機子に於ける磁性体歯から離れた位置に配置され，制御磁石１８内の矢印は磁化方向を示す。

　第一電機子，第二電機子はそれぞれ回転子１７と対向し，ハウジング１２に固定されている。第一電機子は円筒状磁気ヨーク１５から径方向に延びる磁性体歯１４，磁性体歯１４に巻回された電機子コイル１６を有し，第二電機子は円筒状磁気ヨーク１ｂから径方向に延びる磁性体歯１ａ，磁性体歯１ａに巻回された電機子コイル１ｃを有する。

　ハウジング１２は軟鉄で構成されて励磁磁路部材に相当し，円筒状磁気ヨーク１５と円筒状磁気ヨーク１ｂとを磁気的に結合させ，励磁コイル１ｄが円筒状磁気ヨーク１５，磁性体歯１４，回転子１７，磁性体歯１ａ，円筒状磁気ヨーク１ｂ，ハウジング１２を含む磁路に励磁磁束を発生するよう配置されている。

　図２は図１のＡ－Ａ’に沿う電機子及び回転子の断面図を示し，相互の関係を説明する為に構成部分の一部に番号を付している。回転子１７の表面磁極部の内周面及び外周面に於いて，磁性体突極と永久磁石とが周方向に交互に配置され，内周面於ける磁性体突極と外周面に於ける磁性体突極とは径方向に並んでいる。表面磁極部の外周面に於いて隣接する磁性体突極は番号２１，２３で代表され，隣接する永久磁石が番号２６，２８で代表されている。同様に表面磁極部の内周面に於いて隣接する磁性体突極は番号２２，２５で代表され，隣接する永久磁石は番号２７，２９で代表されている。また，径方向に並んでいる磁性体突極２１，２２同士，磁性体突極２３，２５同士は互いに同じ方向に磁化され，周方向に並んでいる磁性体突極２１，２３同士，磁性体突極２２，２５同士は互いに異なる方向に磁化されるよう隣接する永久磁石は互いに逆方向の磁化を有するよう配置されている。例えば，永久磁石２６と永久磁石２７，永久磁石２８と永久磁石２９，永久磁石２６と永久磁石２８，永久磁石２７と永久磁石２９はそれぞれ互いに逆方向の磁化を有する。番号２ａは永久磁石２６，永久磁石２７間，永久磁石２８，永久磁石２９間に配置された非磁性体を示す。

　磁性体突極２１，２２間には径方向磁化を有する制御磁石１８が配置され，磁性体突極２３，２５間には径方向磁化を有する制御磁石２４が配置されている。周方向に隣り合う制御磁石１８，２４の磁化方向は互いに逆に設定されている。本実施例では制御磁石１８，２４の磁化状態を変え，回転子１７から第一電機子，第二電機子側に漏れる磁束量が制御される。永久磁石２６，２７，２８，２９，制御磁石１８，２４内の矢印は磁化方向を示す。

　永久磁石２６，２７，２８，２９は回転駆動時に電機子コイルの影響を受け難いよう抗磁力が大のネオジウム磁石で構成され，制御磁石１８，２４は励磁コイル１ｄ及び電機子コイル１６，１ｃの合成磁束によって磁化変更可能なように抗磁力が約１１０ｋＡ／ｍで磁化方向厚みが８ｍｍのアルニコ磁石で構成されている。

　第一電機子はハウジング１２に固定された円筒状磁気ヨーク１５と，円筒状磁気ヨーク１５から径方向に延びる複数の磁性体歯１４と，磁性体歯１４に巻回された電機子コイル１６とから構成されている。第二電機子は円筒状磁気ヨーク１ｂと，円筒状磁気ヨーク１ｂから径方向に延びる複数の磁性体歯１ａと，磁性体歯１ａに巻回された電機子コイル１ｃとから構成されている。第一電機子，第二電機子には回転子の１６磁極に対して２４個の電機子コイルがそれぞれ配置されている。

　図３は図２の一部を拡大して示し，強め界磁に於ける磁束の流れを説明する。点線３１は永久磁石２６，２７，２８，２９からの磁束を代表して示し，点線３２は制御磁石１８，２４からの磁束を代表して示している。同図に示されるように永久磁石２６，２７，２８，２９からの磁束３１と制御磁石１８，２４からの磁束３２とが磁性体突極２１，２３，２２，２５内をそれぞれ同じ方向に流れる場合，電機子コイル１６，１ｃと鎖交する磁束量が増大される。したがって，制御磁石１８に於いて，外径方向の磁化が第一磁化，内径方向の磁化が第二磁化に相当し，制御磁石２４に於いて，内径方向の磁化が第一磁化，外径方向の磁化が第二磁化に相当する。

　図４は制御磁石１８，２４の磁化方向が図３に示す状態と逆の状態を示している。制御磁石１８，永久磁石２９，制御磁石２４，永久磁石２８は閉磁路を構成し，また制御磁石１８，永久磁石２７，制御磁石２４，永久磁石２６は閉磁路を構成して電機子側に流れる磁束量が減少される。点線４１は上記閉磁路を流れる磁束を代表して示し，図４の場合が弱め界磁の状態に相当する。この状態で電機子側に流れる磁束量は永久磁石２６，２７，２８，２９，制御磁石１８，２４の飽和磁束密度，磁極面積等によって設定される。

　本実施例では，制御磁石１８，２４の磁化状態を図３，図４に示された状態の何れかに制御して電機子コイルと鎖交する磁束量が制御される。図３の場合が強め界磁の状態であり，図４の場合が弱め界磁状態に相当する。以下に制御磁石１８，２４の磁化状態を制御する構成及び動作原理を説明する。

　図１に示されるように励磁磁路部材に相当するハウジング１２は第一電機子の円筒状磁気ヨーク１５と第二電機子の円筒状磁気ヨーク１ｂとを磁気的に結合し，励磁コイル１ｄが第一電機子，回転子，第二電機子，ハウジング１２を含む磁気回路に磁束を発生するようハウジング１２の一部及び回転軸１１を周回して配置されている。励磁コイル１ｄが第一電機子，回転子，第二電機子を一括して励磁する構成であり，制御磁石１８，２４の磁化変更は図５，図６を用いて説明される。

　図５は図３に示した状態から弱め界磁とする為に制御磁石１８の磁化を変更する原理を説明する為の図である。励磁コイル１ｄは制御磁石１８の磁化方向と逆方向に流れる励磁磁束を一括して回転子に供給する。点線５１で示す励磁磁束が磁性体突極２１，制御磁石１８，磁性体突極２２をこの順で流れ，点線５２で示す励磁磁束が磁性体突極２３，制御磁石２４，磁性体突極２５をこの順で流れる。

　磁性体突極２１，２２にそれぞれ磁性体歯１４，１ａが対向した時に電機子コイル１６，１ｃに励磁磁束５１と同じ方向に流れる磁束を磁性体突極２１，２２内に発生する電流が供給される。電機子コイル１６，１ｃにより発生された磁束は点線５３，５４により代表して示されている。磁束５３は永久磁石２６，２８の磁化方向と逆方向に流れるので永久磁石２６，２８内を流れ難く，磁束５４は永久磁石２７，２９の磁化方向と逆方向に流れるので永久磁石２７，２９内を流れ難い。したがって，磁束５３と磁束５４は制御磁石１８内を励磁磁束５１と同じ方向に流れ易い。また，磁性体突極２３，２５及び制御磁石２４内に於いて，励磁磁束５２と磁束５３，５４とは互いに逆方向に流れる。それらの磁束は互いに相殺され，制御磁石２４内を流れる磁束は少ない。したがって，励磁コイル１ｄ，電機子コイル１６，１ｃによる磁束は制御磁石１８に集中され，制御磁石１８の磁化が反転される。

　回転子を回転駆動するに際して電機子コイル１６，１ｃから磁束５３，５４が回転子に加えられるが，永久磁石２６，２７，２８，２９にはネオジウム磁石を主体とする抗磁力が大の永久磁石で構成されるのでそれらの磁化は影響を受けない。また，制御磁石１８，２４の磁化容易さである抗磁力と磁化方向長さとの積は磁束５３，５４，或いは磁束５１，５２のみによっては磁化状態が変更されない程度に設定される。

　このように励磁コイル１ｄ，電機子コイル１６，１ｃにより発生される磁束は制御磁石１８に集中され，制御磁石１８の磁化方向が反転させられる。制御磁石１８の磁化変更に続いて制御磁石２４の磁化が変更される。励磁コイル１ｄに供給する電流の方向を変え，制御磁石１８の磁化変更と同じ上記のステップで制御磁石２４の磁化が変更される。

　図６は図４に示した状態から強め界磁とする為に制御磁石１８の磁化を変更する原理を説明する為の図である。制御磁石１８の磁化を弱め界磁状態から強め界磁状態に変更する過程はやや困難を伴う。すなわち，電機子コイルから１６，１ｃの磁束は磁性体突極間に配置された永久磁石２６，２８，２７，２９で短絡され，制御磁石１８に磁束を集中させる事が困難になる。本発明では励磁コイル１ｄからの励磁磁束と電機子コイル１６，１ｃからの磁束とは重畳され，永久磁石２６，２８，２７，２９を磁気的に飽和する事により制御磁石１８に磁束が集中される。

　励磁コイル１ｄは制御磁石１８の磁化方向と逆方向に流れる励磁磁束を一括して回転子に供給する。点線６１で示す励磁磁束が磁性体突極２２，制御磁石１８，磁性体突極２１をこの順で流れ，点線６２で示す励磁磁束が磁性体突極２５，制御磁石２４，磁性体突極２３をこの順で流れる。

　磁性体突極２１，２２にそれぞれ磁性体歯１４，１ａが対向した時に励磁磁束６１と同じ方向に流れる磁束を磁性体突極２１，２２内に発生する電流が電機子コイル１６，１ｃに供給される。電機子コイル１６，１ｃにより発生された磁束は点線６３，６４により代表して示されている。磁束６３の流れる方向は永久磁石２６，２８の磁化方向と同じで永久磁石２６，２８内を流れ易く，磁束６４の流れる方向は永久磁石２７，２９の磁化方向と同じで永久磁石２７，２９内を流れ易い。その為，磁束６３，６４は制御磁石１８内に集中され難い。磁性体突極２３，２５及び制御磁石２４内に於いて，励磁磁束６２と磁束６３，６４とは互いに逆方向に流れる。それらの磁束は互いに相殺され，制御磁石２４内を流れる磁束は少ない。したがって，磁束６３，６４により永久磁石２６，２８，２７，２９を磁気的に飽和させるよう電機子コイル１６，１ｃに供給する電流を大にして，励磁コイル１ｄ，電機子コイル１６，１ｃによる磁束は制御磁石１８に集中され，制御磁石１８の磁化が反転される。

　制御磁石１８の磁化変更に続いて制御磁石２４の磁化が変更される。励磁コイル１ｄに供給する電流の方向を変え，制御磁石１８の磁化変更と同じ上記のステップで制御磁石２４の磁化が変更される。

　本実施例に於いて，制御磁石１８，２４は互いに隣接する磁性体突極内に配置されているのでそれらの磁化変更は順次に短時間で終了可能であるが，磁化変更に要する時間は励磁コイル１ｄに供給する電流の切換時間に左右される。励磁コイル１ｄによる励磁磁束はハウジング１２を流れるので高周波成分を含む狭いパルス状磁束は流れ難い。さらに励磁コイル１ｄの巻回数を大とする場合はインダクタンスが大になり，電流の切換には時間を要する。巻き回数を小とし，圧粉鉄心でハウジング１２内周部を構成する事によって狭いパルス状磁束の通過を容易とし，制御磁石の磁化変更を短時間で終了させる事が出来る。

　図３－６に於いて，理解を容易にする為に永久磁石，制御磁石，電機子コイル，励磁コイルそれぞれからの磁束を異なった線で代表して示した。磁性体内で磁気的な飽和が生じない限り，磁束は重畳される。これらの図は理解を容易にする為にモデル的に図示されたものである。

　本実施例の回転電機装置に於いて，磁性体突極間の永久磁石は電機子に近いのでネオジウム磁石の採用が望ましい。制御磁石は電機子より遠い位置に配置され，励磁コイル及び電機子コイルの合成磁束によって磁化変更可能な範囲に磁化方向長さと抗磁力の積が設定される。制御磁石の磁化変更は電機子コイルからの磁束のみによっては困難であるが，励磁コイルからの励磁磁束と併せて磁化変更が可能となるのであり，制御磁石の磁化状態は安定的に維持される。制御磁石にはアルニコ磁石，ネオジウム磁石，その他の磁石が使用可能であり，励磁コイル及び電機子コイルの各仕様，更に電源の仕様と合わせて選定される。

　以上，図１から図６を用いて第一実施例の構成を示し，電機子コイルと鎖交する磁束量変更の為に制御磁石の磁化変更の原理を説明した。本実施例に示した回転電機装置は界磁制御可能な電動機或いは発電機として動作するが，界磁制御に関係する以外の構成は従来の回転電機装置と同じであり，電動機或いは発電機としての動作の説明は省略する。

　本実施例では磁化反転させようとする制御磁石１８を含む磁性体突極２１，２２にそれぞれ同相の電機子コイルが同時に対向するよう構成されているが，本発明の構成はこれに限定されない。励磁コイルは電機子及び回転子に一括して励磁磁束を供給し，電機子コイルが励磁磁束の流れを制御して磁化変更する制御磁石に磁束を集中させる。本発明の趣旨に沿って電機子コイルの構成を変更する事は勿論可能である。

　また，本実施例は二つの電機子を有するラジアルギャップ構造であるが，二つの電機子を有するアキシャルギャップ構造とする事も可能である。その場合には，第一電機子，回転子，第二電機子を円盤状に形成し，軸方向にこの順で配置する。励磁コイルは回転軸を周回するよう回転子の外周側或いは内周側に配置される。

　本発明による回転電機システムの第二実施例を図７から図１３を用いて説明する。第二実施例は，ラジアルギャップ構造の回転電機システムであり，制御磁石は磁化容易さの異なる磁石要素の並列接続として構成されている。

　図７はラジアルギャップ構造の回転電機に本発明を適用した実施例の縦断面図を示し，回転軸７１がベアリング７３を介してハウジング７２に回動可能に支持されている。電機子はハウジング７２に固定された円筒状磁気ヨーク７５から径方向に延びる磁性体歯７４と，磁性体歯７４に巻回された電機子コイル７６とを有している。回転子は表面磁極部７７，円筒状磁気コア７９，回転子支持体７ａを有して回転軸７１と共に回転する。ハウジング７２は軟鉄を主体とする磁性体で構成され，円筒状磁気コア７９の両端に微小間隙を介して対向し，励磁コイル７８がハウジング７２，円筒状磁気コア７９，表面磁極部７７，磁性体歯７４，円筒状磁気ヨーク７５で構成される磁路に励磁磁束を発生するよう回転軸７１を周回して配置されている。

　図８は図７のＢ－Ｂ’に沿う電機子及び回転子の断面図を示し，相互の関係を説明する為に構成部分の一部に番号を付している。表面磁極部７７は磁性体が集合磁石により周方向に区分された構成である。中間磁性体突極８３の両側面にほぼ同じ磁化方向の磁石板８５，８６が配置された組み合わせは磁気的には磁石と等価な集合磁石である。すなわち，回転子の表面磁極部７７は磁性体突極と集合磁石とが周方向に交互に並んで構成されている。隣接する磁性体突極を磁性体突極８１，磁性体突極８２として互いに異なる方向に磁化されるよう隣接する集合磁石の磁化方向は互いに反転して構成されている。磁性体突極８１，８２それぞれの周方向両側面に配置された磁石板はＶ字状の配置であり，磁石板の交差角度は磁束バリアに好適な角度に設定する。磁石板８４，８５，８６，８７に付された矢印は磁石板８４，８５，８６，８７の板面にほぼ直交する磁化方向を示す。

　磁性体突極８１の内周側には制御磁石８８が配置され，磁性体突極８２の内周側には制御磁石８９が配置されている。何れの制御磁石８８，８９も磁性体歯７４から離れた位置に配置され，制御磁石８８，８９内の矢印は磁化方向を示している。磁石板８４，８５と制御磁石８８は磁性体突極８１を同じ極性に磁化し，磁石板８６，８７と制御磁石８９は磁性体突極８２を同じ極性に磁化している。集合磁石は中間磁性体突極８３及び磁石板８５，８６により構成され，励磁コイル７８からの磁束が中間磁性体突極８３を介して電機子側に流れないように非磁性体８ｂが集合磁石の内周側に配置されている。更に制御磁石８８，８９は軸方向に繰り返し配置された厚みの異なる磁石要素の並列接続としてそれぞれ構成され，その構成は図１３に示されている。

　電機子はハウジング７２に固定された円筒状磁気ヨーク７５と，円筒状磁気ヨーク７５から径方向に延びる複数の磁性体歯７４と，磁性体歯７４に巻回された電機子コイル７６とから構成されている。電機子の磁性体歯７４先端には径方向に短い可飽和磁性体結合部８ａを隣接する磁性体歯７４先端部間に配置されている。磁性体歯７４及び可飽和磁性体結合部８ａはケイ素鋼板を型で打ち抜いて積層され，電機子コイル７６を巻回された後，圧粉鉄心で構成された円筒状磁気ヨーク７５と組み合わせて電機子とされている。

　可飽和磁性体結合部８ａは隣接する磁性体歯７４同士を機械的に連結させて磁性体歯７４の支持強度を向上させ，磁性体歯７４の不要な振動を抑制させる。可飽和磁性体結合部８ａの径方向の長さは短く設定して容易に磁気的に飽和する形状としたので電機子コイル７６が発生させる磁束或いは永久磁石からの磁束によって容易に飽和し，その場合に電機子コイル７６が発生させる磁束及び磁束の短絡を僅かな量とする。電機子コイル７６に電流が供給されると，時間と共に可飽和磁性体結合部８ａは磁気的に飽和させられて周辺に磁束を漏洩させるが，磁気飽和した可飽和磁性体結合部８ａに現れる実効的な磁気空隙の境界はクリアではないので漏洩する磁束の分布は緩やかとなり，可飽和磁性体結合部８ａはこの点でも磁性体歯７４に加わる力の時間変化を緩やかにして振動抑制に寄与する。

　本実施例に於いて，更に制御磁石８８，８９は磁化容易さの異なる磁石要素の並列接続として構成され，図１３は磁性体突極８１に配置された制御磁石８８の縦断面図を示す。制御磁石８８は磁化方向長さの異なる磁石要素１３１，１３２，１３３により構成され，磁石要素１３１，１３２，１３３はこの順で繰り返し軸方向に並び，磁性体によって並列に接続されている。電機子コイル７６，励磁コイル７８により磁界が加えられると，磁石要素１３１，１３２，１３３を上下に挟んでいる磁性体間の磁気ポテンシャル差（起磁力）はほぼ一様として各磁石要素内では磁気ポテンシャル差を長さで除した値に相当する磁界強度が加えられ，その磁界強度が抗磁力を越えた磁石要素の磁化が変更される。したがって，短い磁石要素が磁化されやすく，長い磁石要素は磁化され難い。制御磁石８９も同じ構成で磁化方向が制御磁石８８と逆である。

　図９，１０，１１，１２は図８に示された電機子及び回転子の一部を拡大して示した断面図であり，これらの図を用いて磁束の流れを説明する。これらの図に於いて，電機子コイル７６はＵ相，Ｖ相，Ｗ相の電機子コイルをそれぞれ電機子コイル９１，９２，９３として周方向に繰り返し配置されている。また，本実施例に於いて制御磁石８８，８９はそれぞれ３個の磁石要素から構成され，３個の磁石要素はそれぞれ異なる磁化方向を取り得る。図９，１０では数で勝る磁石要素の磁化方向を制御磁石８８，８９それぞれの磁化方向として示されている。

　図９に於いて，点線９４は磁石板８４，８５，８６，８７からの磁束を代表して示し，点線９５は制御磁石８８，８９からの磁束を代表して示している。同図に於いて，磁性体突極８１，８２は幅の狭い磁性体で互いに連結されているが，幅の狭い磁性体は容易に磁気的に飽和するので磁気的には無視できる。磁石板８４，８５と制御磁石８８とが磁性体突極８１をＳ極に磁化し，磁石板８６，８７と制御磁石８９とが磁性体突極８２をＮ極に磁化する場合が電機子コイルと鎖交する磁束量を大とする状態である。制御磁石８８の磁化方向を内径方向とする状態は図１３（ａ），（ｂ）に示されるように２個以上の磁石要素の磁化方向が内径方向である状態に相当し，制御磁石８８に於いて，内径方向の磁化が第一磁化，外径方向の磁化が第二磁化に相当する。制御磁石８９に於いて，外径方向の磁化が第一磁化，内径方向の磁化が第二磁化に相当する。

　図１０は図９に示す状態から制御磁石８８，８９の磁化方向が反転された状態である。制御磁石８８，８９と磁石板８５，８６は閉磁路を構成し，制御磁石８８，８９と磁石板８４，８７は閉磁路を構成して電機子側に流れる磁束量が減少される。点線１０１は閉磁路を構成している磁束を代表して示し，図１０の場合が弱め界磁の状態に相当する。この状態で電機子側に流れる磁束量は磁石板８４，８５，８６，８７，制御磁石８８，８９の飽和磁束密度，磁極面積等によって設定される。制御磁石８８の磁化方向を外径方向とする各磁石要素の磁化状態は図１３（ｃ），（ｄ）に示されるように２個以上の磁石要素の磁化方向が外径方向である状態に相当する。

　本実施例では，制御磁石８８，８９の磁化状態を変更して電機子コイルと鎖交する磁束量を制御する。以下に制御磁石８８，８９の磁化状態を制御する構成及び動作原理を説明する。

　図７に示されるように励磁磁路部材に相当するハウジング７２は電機子の円筒状磁気ヨーク７５と円筒状磁気コア７９と磁気的に結合し，励磁コイル７８はハウジング７２，円筒状磁気コア７９，表面磁極部７７，磁性体歯７４，円筒状磁気ヨーク７５で構成される磁路に励磁磁束を発生するよう配置されている。回転子両端に配置された励磁コイル７８は全く同一の構成であり，何れの励磁コイル７８も表面磁極部７７を同じ方向に励磁する。この構成は軸長の長い回転電機装置に於いて十分な量の励磁磁束を均等に供給する為であって，軸長の短い回転電機装置の場合は一方の励磁コイル７８のみで十分である。励磁コイル７８は電機子，回転子を一括して励磁する構成であり，制御磁石８８，８９の磁化状態変更は図１１，図１２，図１３を用いて説明される。

　図１１は制御磁石８８を弱め界磁側に磁化変更する原理を説明する為の図であり，制御磁石８８，８９は内径方向の磁化を持つ磁石要素,外径方向の磁化を持つ磁石要素をそれぞれ代表して示している。制御磁石８８を弱め界磁側に変更する事は図１３（ａ），（ｂ），（ｃ）からそれぞれ図１３（ｂ），（ｃ），（ｄ）の状態に変更するよう制御磁石８８を構成する磁石要素に於いて外径方向の磁化を有する磁石要素の数を増やす事であり，励磁コイル７８，電機子コイル９１，９２，９３によって制御磁石８８内を外径方向に流れる磁束が供給されて制御磁石８８は弱め界磁側に磁化変更される。

　励磁コイル７８は磁性体突極８１，８２内を外径方向に流れる励磁磁束を一括して回転子に供給する。点線１１３で示す励磁磁束が制御磁石８８，磁性体突極８１内を流れ，点線１１４で示す励磁磁束が制御磁石８９，磁性体突極８２内を流れる。

　電機子コイル９１が配置された磁性体歯が磁性体突極８１に対向した時に磁性体突極８１内を励磁磁束１１３と同方向に磁束が流れるよう電機子コイル９１に電流を供給し，磁性体突極８２に対向する磁性体歯に巻回された電機子コイル９２，９３に磁性体突極８２内を励磁磁束１１４と逆方向に磁束が流れるよう電流を供給する。電機子コイル９１，９２，９３による磁束が点線１１１，１１２として代表して示され，磁束１１２は永久磁石８５，８６を含む小さな磁路に流れる磁束，磁束１１１は制御磁石８８，８９を含む大きな磁路に流れる磁束を示している。

　磁性体突極８１内で磁束１１１，１１２の流れる方向は励磁磁束１１３の流れる方向と同じであり，磁性体突極８２内で磁束１１１，１１２の流れる方向は励磁磁束１１４の流れる方向と逆である。磁性体突極８２内で励磁磁束１１４と磁束１１１，１１２とが相殺される程度の電流が電機子コイル９１，９２，９３に供給されると，制御磁石８９を流れる磁束はほぼゼロになり，制御磁石８８に磁束が集中され，制御磁石８８の磁化が反転される。

　回転子を回転駆動するに際して電機子コイルから磁束１１１，１１２が回転子に加えられる。磁束１１１の流れる磁路は磁束１１２の流れる磁路に比して長いので磁束１１２の量は磁束１１１の量に比して大である。しかし，磁束１１２の流れる方向は永久磁石８５，８６の磁化方向と逆であるが，永久磁石８５，８６には抗磁力が大のネオジウム磁石で構成されるのでそれらの磁化は影響を受けない。また，制御磁石８８，８９の磁化容易さを示す抗磁力と磁化方向長さとの積は磁束１１１のみによっては磁化状態が変更されない程度に設定されるので制御磁石８８，８９の磁化状態は安定的に維持される。

　このように励磁コイル７８，電機子コイル９１，９２，９３からの磁束は制御磁石８８に集中され，制御磁石８８を構成する磁石要素の磁化が変更される。図１３を参照しながら各磁石要素の磁化状態と電機子コイルの鎖交磁束量との関係を更に説明される。

　制御磁石８８は磁石要素１３１，１３２，１３３がこの順で繰り返し軸方向に並んで構成される。磁石要素１３１，１３２，１３３の長さ相当の磁石板８４，８５から電機子側に流れる磁束量を基準として１．０とし，各磁石要素から電機子側に流れる磁束量を０．２５とすると，図１３（ａ）の場合，磁性体突極８１を介して電機子側に流れる磁束量は１．７５に相当する。

　図１３（ａ）に於いて電機子側に流れる磁束量を減ずる場合，最も磁化方向長さの小さい磁石要素１３３の磁化方向のみを反転させるよう電機子コイル９１，９２，９３，励磁コイル７８に電流が供給される。その結果が図１３（ｂ）に示される状態であり，磁石要素１３２，１３３からの磁束は互いに相殺されて制御磁石８８からの磁束量は０．２５となり，磁性体突極８１を介して電機子側に流れる磁束量は１．２５となる。

　更に図１３（ｂ）に於いて電機子側に流れる磁束量を減ずる場合，磁石要素１３２の磁化方向のみを反転させ，磁石要素１３１の磁化状態には影響を与えないような電流が電機子コイル９１，９２，９３，励磁コイル７８に供給される。その結果が図１３（ｃ）に示される状態であり，制御磁石８８からの磁束は磁石板８４，８５からの磁束と部分的に相殺され，磁性体突極８１を介して電機子側に流れる磁束量は０．７５となる。

　更に図１３（ｃ）に於いて電機子側に流れる磁束量を減ずる場合，最も磁化方向長さの長い磁石要素１３１の磁化方向を反転させるよう電機子コイル９１，９２，９３，励磁コイル７８に電流が供給される。その結果が図１３（ｄ）に示される状態であり，磁性体突極８１を介して電機子側に流れる磁束量は０．２５となる。

　図１２は制御磁石８８を強め界磁側に磁化変更する原理を説明する為の図であり，制御磁石８８，８９はそれぞれ制御磁石８８内の外径方向の磁化を持つ磁石要素，制御磁石８９内の内径方向の磁化を持つ磁石要素を代表して示している。制御磁石８８を強め界磁側に磁化変更する事は制御磁石８８を構成する磁石要素に於いて内径方向の磁化を有する磁石要素の数を増やす事であり，励磁コイル７８，電機子コイル９１，９２，９３によって制御磁石８８内を内径方向に流れる磁束を供給する。

　制御磁石８８を弱め界磁状態から強め界磁に磁化変更する過程はやや困難を伴う。すなわち，電機子コイルからの磁束は磁性体突極間に配置された磁石板で短絡され，制御磁石８８に磁束を集中させる事が困難になる。本発明では励磁コイルからの励磁磁束と電機子コイルからの磁束とは重畳され，磁石板を磁気的に飽和する事により制御磁石８８に磁束が集中される。

　励磁コイル７８は制御磁石８８の磁化方向と逆方向に流れる励磁磁束を一括して回転子に供給する。点線１２３で示す励磁磁束が磁性体突極８１，制御磁石８８内を流れ，点線１２５で示す励磁磁束が制御磁石８９，磁性体突極８２内を流れる。

　電機子コイル９１が配置された磁性体歯が磁性体突極８１に対向した時に磁性体突極８１内を励磁磁束１２３と同方向に磁束が流れるよう電機子コイル９１に電流を供給し，磁性体突極８２に対向する磁性体歯に巻回された電機子コイル９２，９３に磁性体突極８２内を励磁磁束１２５と逆方向に磁束が流れるよう電流を供給する。電機子コイル９１，９２，９３による磁束が点線１２１，１２２として代表して示され，磁束１２２は永久磁石８５，８６を含む小さな磁路に流れる磁束，磁束１２１は制御磁石８８，８９を含む大きな磁路に流れる磁束を示している。

　磁性体突極８１内で磁束１２１，１２２の流れる方向は励磁磁束１２３の流れる方向と同じであり，磁性体突極８２内で磁束１２１，１２２の流れる方向は励磁磁束１２５の流れる方向と逆である。また，励磁磁束１２３の流れる方向と制御磁石８８の磁化方向は逆であるので励磁磁束１２３の一部は点線１２４で示されるように永久磁石８５，８６，制御磁石８９を介して流れる。磁性体突極８２内で励磁磁束１２５と磁束１２１，１２２とが相殺される程度の電流を電機子コイル９１，９２，９３に供給すると，励磁磁束１２５はほぼゼロになるが，励磁磁束１２４は大となる。この状態では制御磁石８８に十分な磁束が供給されず，制御磁石８８の磁化は反転されない。

　更に電機子コイル９１，９２，９３に供給する電流を大とし，磁束１２２により永久磁石８５，８６を磁気的に飽和せしめると，励磁コイル７８と電機子コイル９１，９２，９３による磁束は制御磁石８８に集中され，制御磁石８８の磁化が反転される。

　励磁コイル７８よる励磁磁束１２３と電機子コイル９１，９２，９３による磁束１２１，１２２は共に制御磁石８８を同じ方向に流れて磁石要素の磁化を変更する。以下には図１３を参照しながら各磁石要素の磁化状態と電機子コイルの鎖交磁束量との関係を更に説明する。

　制御磁石８８の磁化が図１３（ｄ）に示される状態で電機子コイルとの鎖交磁束量は最も少なく，磁性体突極８１を介して電機子側に流れる磁束量は０．２５である。電機子コイルとの鎖交磁束量を増やすには制御磁石８８内を内径方向に流れる磁束を供給して内径方向の磁化を有する磁石要素数を増やす事である。磁化方向長さが最も短い磁石要素１３３のみを内径方向に反転させる大きさの電流が供給され，この結果は図示されていないが，磁性体突極８１を介して電機子側に流れる磁束量は０．７５となる。

　更に電機子コイルとの鎖交磁束量を増やす場合，磁石要素１３２の磁化方向を反転させ，磁石要素１３１の磁化に影響を与えないような大きさの電流が励磁コイル７８，電機子コイル９１，９２，９３に供給され，磁石要素１３２の磁化方向は内径方向とされる。この状態は図示されていないが，磁性体突極８１を介して電機子側に流れる磁束量は１．２５となる。

　更に電機子コイルとの鎖交磁束量を増やす場合，磁化方向長さが最も長い磁石要素１３１の磁化方向を反転させる大きさの電流を励磁コイル７８，電機子コイル９１，９２，９３に供給して磁石要素１３１の磁化方向を内径方向とする。この状態が図１３（ａ）であり，磁性体突極８１を介して電機子側に流れる磁束量は１．７５となる。

　上記のステップに於いて，制御磁石８９には十分な磁束は供給されず，制御磁石８９を構成する磁石要素の磁化は変更されない。制御磁石８９は制御磁石８８と同じ構成であるが，各磁石要素の磁化の方向が逆である。上記制御磁石８８の磁化状態変更と同じステップで制御磁石８９の磁化状態を変更する。

　図９から図１２に於いて，理解を容易にする為に磁石板，制御磁石，電機子コイル，励磁コイルそれぞれからの磁束を異なった線で代表して示した。磁性体内で磁気的な飽和が生じない限り，磁束は重畳される。これらの図は理解を容易にする為にモデル的に図示されたものである。

　本実施例では磁化方向長さの異なる磁石要素を軸方向に並べたので電機子コイルと鎖交する磁束量は軸方向に変動し，逆起電圧，出力トルクも軸方向に変動する。しかし，制御磁石からの磁束は軸方向に分散して平均化される傾向にあり，逆起電圧が軸方向に変動しても電機子コイル内で平均化される。出力トルクが軸方向に変動し，振動を引き起こす可能性はあるが，各磁石要素磁石の配列周期を小さくする事で解消される。

　本実施例では磁化方向長さの異なる磁石要素の並列接続により制御磁石が構成されたが，磁化方向長さが連続的に変わる構成，抗磁力の異なる磁石要素を並列接続する構成も制御磁石として可能である。また，各磁石要素を軸方向に並べる替わりに各磁性体突極内で周方向に並べる事も勿論可能である。

　更にまた，制御磁石８８，制御磁石８９それぞれの最小磁化方向長さを異なる値とする事により，励磁コイル７８により電機子を流れる磁束量の微調整を行う構成も可能である。すなわち，永久磁石の飽和磁束量は一定であり，永久磁石の比透磁率は空隙に近いので，永久磁石の厚みが大である場合には外部からの磁束に対して永久磁石を双方向の磁束の離隔部材と出来る。制御磁石８８の最小磁化方向長さが制御磁石８９のそれより小に設定した場合，励磁コイル７８による磁束は制御磁石８９より制御磁石８８を多く通過して流れ，制御磁石８８，制御磁石８９の磁化状態を変更しない程度の磁束調整電流を励磁コイル７８に供給する事により電機子コイル７６と鎖交する磁束量を実効的に調整できる。

　このように励磁コイル７８及び電機子コイル９１，９２，９３に供給する電流を変え，制御磁石８８，８９に於ける第一磁化，第二磁化にそれぞれ対応する磁石要素数を変えて電機子を流れる磁束量は制御される。電機子を流れる磁束量と電流との関係は設計段階でマップデータとして設定する。しかし，回転電機の量産段階では部材の寸法のバラツキ，磁気特性のバラツキも存在して電機子を流れる磁束量の精密な制御が困難になる場合がある。そのような場合には回転電機を組み立て後に回転電機個々に前記関係を検査し，前記マップデータを修正する。

　さらに磁性体は温度による影響を受けやすく，経時変化による影響も懸念される場合には回転電機の運転中に磁化電流とその結果である制御磁石８８，８９の磁化状態の関係を監視して前記マップデータを修正する情報を学習的に取得する事も出来る。電機子を流れる磁束量を直接に把握する事は難しいが，電機子コイル７６に現れる誘起電圧を参照して電機子を流れる磁束量を推定する。

　例えば，電機子コイル７６に現れる誘起電圧の振幅は電機子コイル７６と鎖交する磁束量及び回転速度にほぼ比例する。制御磁石８８，８９内の第一磁化の磁石要素数を増やすよう励磁コイル７８及び電機子コイル９１，９２，９３に電流を加えた結果として誘起電圧の振幅の変化量が目標値より小の場合は同一条件に於ける電流の振幅を大に，誘起電圧の振幅の変化量が目標値より大の場合は同一条件に於ける電流の振幅を小にするよう磁化変更の為に供給する電流に係わるパラメータを修正する。

　以上，図７から図１３を用いて第二実施例の構成を示し，電機子コイルと鎖交する磁束量変更の為に制御磁石の磁化変更の原理を説明した。本実施例に示した回転電機装置は界磁制御可能な電動機或いは発電機として動作するが，界磁制御に関係する以外の構成は従来の回転電機装置と同じであり，電動機或いは発電機としての動作の説明は省略する。

　本実施例は電機子を流れる磁束量を制御して出力を最適化するシステムであり，電動機システムとしての制御を説明する。回転電機が電動機として用いられる場合において，磁束量制御を行って回転力を最適に制御する。回転速度が所定の値より大となり電機子コイルと鎖交する磁束量を小とする時には制御磁石８８に於いて内径方向の磁化を持つ磁石要素数を減じるよう電機子コイル９１，９２，９３，励磁コイル７８に電流を流して制御磁石８８の磁化状態を変え，制御磁石８９に於いて外径方向の磁化を持つ磁石要素数を減じるよう電機子コイル９１，９２，９３，励磁コイル７８に電流を流して制御磁石８９の磁化状態を変える。

　回転速度が所定の値より小となり電機子コイルと鎖交する磁束量を大とする時には制御磁石８８に於いて外径方向の磁化を持つ磁石要素数を減じるよう電機子コイル９１，９２，９３，励磁コイル７８に電流を流して制御磁石８８の磁化状態を変え，制御磁石８９に於いて内径方向の磁化を持つ磁石要素数を減じるよう電機子コイル９１，９２，９３，励磁コイル７８に電流を流して制御磁石８９の磁化状態を変える。

　回転電機が発電機として用いられる場合において，磁束量制御を行って発電電圧を所定の電圧となるよう制御する定電圧発電システムを説明する。発電電圧が所定の値より大となり電機子コイルと鎖交する磁束量を小とする時には制御磁石８８に於いて内径方向の磁化を持つ磁石要素数を減じるよう電機子コイル９１，９２，９３，励磁コイル７８に電流を流して制御磁石８８の磁化状態を変え，制御磁石８９に於いて外径方向の磁化を持つ磁石要素数を減じるよう電機子コイル９１，９２，９３，励磁コイル７８に電流を流して制御磁石８９の磁化状態を変える。

　発電電圧が所定の値より小となり電機子コイルと鎖交する磁束量を大とする時には制御磁石８８に於いて外径方向の磁化を持つ磁石要素数を減じるよう電機子コイル９１，９２，９３，励磁コイル７８に電流を流して制御磁石８８の磁化状態を変え，制御磁石８９に於いて内径方向の磁化を持つ磁石要素数を減じるよう電機子コイル９１，９２，９３，励磁コイル７８に電流を流して制御磁石８９の磁化状態を変える。

　本発明の第三実施例による回転電機システムを図１４を用いて説明する。第三実施例は第二実施例の回転電機システムに於いて，各磁性体突極内の制御磁石の磁化状態をそれぞれ個別に監視し，全ての制御磁石の磁化状態を制御する回転電機システムである。

　第二実施例は，励磁コイル７８，電機子コイル７６に供給する電流によって制御磁石８８，８９の磁化状態を不可逆的に変え，電機子コイル７６に鎖交する磁束量を変える。その場合に，第二実施例は，制御磁石８８，８９の磁化状態が正しく変更されたか否かを知る為に電機子コイル７６に現れる誘起電圧の振幅変化を監視し，磁化状態変更の条件を修正する事が出来る。

　しかしながら，制御磁石８８，８９はそれぞれの磁性体突極内に配置されてそれぞれの磁気特性は微妙に異なり，制御磁石８８，８９の磁化状態が磁性体突極毎に異なる可能性がある。各磁性体歯に巻回された電機子コイル７６が直列に接続された電機子コイル全体に現れる誘起電圧の監視によって個々の制御磁石８８，８９の磁化状態検出は困難であり，正確な磁化状態制御は難しい。

　本実施例は上記不具合への対処を可能にするシステムであり，個々の磁性体突極内の制御磁石の磁化状態を検出し，磁化状態変更の条件を修正する事が出来る。すなわち，本実施例は一つの電機子コイルに現れる誘起電圧の監視手段を有し，回転子の回転と共に個々の磁性体突極内の制御磁石の磁化状態を順次に検出する。制御磁石の磁化状態変更が目標と異なった場合には，その制御磁石の磁化変更に際して電機子コイルに供給する電流をＵ相，Ｖ相，Ｗ相を単位として修正する。

　図１４は本実施例に於いて制御磁石の磁化状態変更の為の制御ブロック図を示し，図１４を用いて制御磁石の磁化状態制御のステップを説明する。番号１４１は図７に示す第二実施例の回転電機を示し，番号１４２は制御部を，番号１４３，１４４，１４５は電機子コイル９１，９２，９３それぞれを駆動する回路を，番号１４７は励磁コイル７８に電流を供給する回路を，番号１４８は回転子の位置センサーを，番号１４６は電機子コイル９１に属する一つの電機子コイルに現れる誘起電圧を検出する為の電圧検出器をそれぞれ示す。

　本実施例に於いて，制御磁石８８の磁化状態は弱め界磁側（外径方向の磁化を持つ磁石要素数を増やす）に変更され，ステップの概略は更に図１１を参照して以下に説明される。励磁コイル７８は磁性体突極８１，８２内を外径方向に流れる励磁磁束１１３，１１４を一括して回転子に供給する。位置センサー１４８の出力に応じて電機子コイル９１が配置された磁性体歯が磁性体突極８１に対向した時に磁性体突極８１内を励磁磁束１１３と同方向に磁束が流れるよう電機子コイル９１に電流を供給し，磁性体突極８２に対向する磁性体歯に巻回された電機子コイル９２，９３に磁性体突極８２内を励磁磁束１１４と逆方向に磁束が流れるよう電流を供給する。電機子コイル９１，９２，９３にはそれぞれ駆動回路１４３，１４４，１４５から上記の電流が供給され，制御磁石８８の磁化状態が変更される。引き続いて制御磁石８９の磁化も同様のステップで変更される。

　制御磁石の磁化状態の変更後に電圧検出器１４６は回転子の回転と共に磁性体歯７４に流入する磁束量に起因する誘起電圧の瞬時振幅を検出し，回転子の位置センサー１４８の出力と併せて個々の制御磁石の磁化状態を確認する。制御部１４２はこの結果に基づき，誘起電圧の振幅の変化量が目標値より小の場合は制御磁石の磁化状態の変更の為に電機子コイルに加えられる電流の振幅を大にし，前記電機子コイルに現れる誘起電圧の振幅の変化量が目標値より大の場合は制御磁石の磁化状態の変更の為に電機子コイルに加えられる電流の振幅を小に設定する。

　図１４を参照して説明された上記の制御ステップにより制御磁石の磁化状態は全周で均一となるように制御される。磁化変更の為に駆動回路１４３，１４４，１４５から相単位で電機子コイルに電流を供給したが，一つの電機子コイルにのみ磁化状態変更の為の電流を加える事にして更に細かい制御も可能である。また，励磁コイル７８に供給する電流量を変える事も可能であり，回転電機の仕様により種々の修正は可能である。

　本発明による回転電機システムの第四実施例を図１５から図２０を用いて説明する。第四実施例は，二つの回転子が軸方向に並び，ラジアルギャップを介して電機子と対向する回転電機であり，励磁コイルは二つの回転子間に配置されている。

　図１５はラジアルギャップ構造の回転電機に本発明を適用した実施例の縦断面図を示し，回転軸１５１がベアリング１５３を介してハウジング１５２に回動可能に支持されている。電機子はハウジング１５２に固定された円筒状磁気ヨーク１５５から径方向に延びる磁性体歯１５４と，磁性体歯１５４に巻回された電機子コイル１５６とを有している。第一回転子は表面磁極部１５８，制御磁石１５９を有し，第二回転子は表面磁極部１５ａ，制御磁石１５ｂを有し，二つの回転子は円筒状磁気コア１５７を共通の部材として回転軸１５１に固定されている。円筒状磁気コア１５７はそれぞれの回転子の円筒状磁気コアと励磁磁路部材とが一体化された構造であり，軸方向に磁束が流れやすいよう圧粉鉄心で構成されている。

　励磁コイル１５ｃは二つの回転子間に相当する表面磁極部１５８，１５ａ間に円筒状磁気コア１５７を周回するよう配置され，円筒状磁気コア１５７，制御磁石１５９，表面磁極部１５８，磁性体歯１５４，円筒状磁気ヨーク１５５，磁性体歯１５４，表面磁極部１５ａ，制御磁石１５ｂで構成される磁路に励磁磁束を発生させる。励磁コイル１５ｃにはブラシ１５ｅ，スリップリング１５ｄを介して電流が供給される。

　図１６は図１５のＣ－Ｃ’に沿う電機子及び回転子の断面図を示し，相互の関係を説明する為に構成部分の一部に番号を付している。表面磁極部１５８は円筒状磁性体基板が銅板及び永久磁石により周方向に区分された構成である。隣接する磁性体突極は番号１６１，１６２で代表して示され，第一磁性体突極１６１，第二磁性体突極１６２が周方向に交互に並んでいる。更に隣接する永久磁石を番号１６３，１６４で代表して示し，永久磁石１６３，１６４が周方向磁化を有して周方向に交互に並んでいる。第一磁性体突極１６１，第二磁性体突極１６２が互いに異なる方向に磁化されるよう隣接する永久磁石１６３，１６４の磁化方向は互いに反転して配置されている。

　図１５に示した制御磁石１５９は第一磁性体突極１６１の内周側に配置された制御磁石１６５，第二磁性体突極１６２の内周側に配置された制御磁石１６６として識別されている。何れの制御磁石１６５，１６６も磁性体歯１５４から離れた位置に配置され，制御磁石１６５，１６６内，永久磁石１６３，１６４内の矢印は磁化方向を示している。番号１６７は永久磁石１６３，１６４それぞれの両側に配置された銅板を示し，番号１６８は永久磁石端，制御磁石端に配置された非磁性体を代表して示す。

　銅板１６７と永久磁石１６３，１６４それぞれとの間には磁性体の磁路が存在するよう間隔が設けられ，銅板１６７の厚さは磁気抵抗は大となるが磁束が通過できる程度，約０．５ミリメートルに設定されている。電機子コイル１５６が生成する交流磁束は銅板１６７に渦電流を生じ，永久磁石１６３，１６４に加わる磁界強度は抑制され，永久磁石１６３，１６４からの直流的な磁束は銅板１６７と永久磁石１６３，１６４間の磁路を介し，或いは銅板１６７を介して流れる。電機子コイルが生成する磁束は電機子表面から離れるに従って拡散して磁界強度は小さくなる。回転子の駆動に際し，主として隣接する磁性体歯１５４間から漏れる磁束が回転子に加えられ，制御磁石は磁性体突極の内部に配置されているので制御磁石に加わる磁界強度も抑制される。制御磁石が配置される磁性体突極内部の位置は回転子の駆動に際して電機子コイルが生成する磁束が制御磁石の磁化状態に不可逆的な影響を与えない位置である。

　電機子はハウジング１５２に固定された円筒状磁気ヨーク１５５と，円筒状磁気ヨーク１５５から径方向に延びる磁性体歯１５４と，磁性体歯１５４に巻回された電機子コイル１５６とから構成されている。電機子の磁性体歯１５４先端には径方向に短い可飽和磁性体結合部１６９を隣接する磁性体歯１５４先端部間に配置されている。磁性体歯１５４及び可飽和磁性体結合部１６９はケイ素鋼板を型で打ち抜いて積層され，電機子コイル１５６を巻回された後，圧粉鉄心で構成された円筒状磁気ヨーク１５５と組み合わせて電機子とされている。

　図１６には第一回転子に相当する表面磁極部１５８の磁極構成が示されている。図１７に於いて回転子全体の斜視図を示し，第二回転子に相当する表面磁極部１５ａの磁極構成を説明し，表面磁極部１５８，１５ａの相互の関係が説明される。表面磁極部１５ａの構成は表面磁極部１５８と全く同一であり，円筒状磁性体基板が銅板１６７及び周方向磁化を有する永久磁石１７３，１７４により周方向に区分され，互いに異極に磁化された第一磁性体突極１７１，第二磁性体突極１７２が周方向に交互に配置されている。更に図１５に示された制御磁石１５ｂが制御磁石１７５，１７６としてそれぞれ第一磁性体突極１７１，第二磁性体突極１７２の内周側に配置されている。第一磁性体突極１６１は永久磁石１６３，１６４によってＳ極に磁化され，第一磁性体突極１７１は永久磁石１７３，１７４によってＳ極に磁化され，第一磁性体突極１６１，第一磁性体突極１７１が軸方向に並んでいる。

　図１８（ａ），（ｂ）は図１６に示された電機子及び回転子の一部を拡大して示した断面図であり，これらの図を用いて磁束の流れを説明する。これらの図に於いて，電機子コイル１５６はＵ相，Ｖ相，Ｗ相の電機子コイルをそれぞれ電機子コイル１８１，１８２，１８３として周方向に繰り返し配置されている。

　図１８（ａ）に於いて，点線１８４は永久磁石１６３，１６４からの磁束を代表して示し，点線１８５は制御磁石１６５，１６６からの磁束を代表して示している。同図に於いて，磁性体突極１６１，１６２は幅の狭い磁性体で互いに連結されているが，幅の狭い磁性体は容易に磁気的に飽和するので磁気的には無視できる。同図に示されるように永久磁石１６３，１６４と制御磁石１６５，１６６とが第一磁性体突極１６１をＳ極に磁化し，第二磁性体突極１６２をＮ極に磁化している。

　図１８（ｂ）は図１８（ａ）に示す状態から制御磁石１６５，１６６の磁化方向が反転された状態である。制御磁石１６５，１６６と永久磁石１６３，１６４は閉磁路を構成して電機子側に流れる磁束量が減少される。点線１８６は閉磁路を構成している磁束を代表して示し，図１８（ｂ）の場合が弱め界磁の状態に相当する。この状態で電機子側に流れる磁束量は永久磁石１６３，１６４，制御磁石１６５，１６６の飽和磁束密度，磁極面積等によって設定される。図１８（ａ），（ｂ）に示されるように制御磁石１６６の磁化方向を外径方向とし，制御磁石１６５の磁化方向を内径方向とする場合が電機子コイルと鎖交する磁束量を大とする状態であり，制御磁石１６６に於いては外径方向の磁化が第一磁化に相当し，制御磁石１６５に於いては内径方向の磁化が第一磁化に相当する。

　本実施例で，永久磁石１６３，１６４，１７３，１７４は磁化状態が変更され難いネオジウム磁石で構成され，制御磁石１６５，１６６，１７５，１７６は永久磁石１６３，１６４，１７３，１７４に比して磁化変更が容易なアルニコ磁石で構成され，制御磁石１６５，１６６，１７５，１７６の磁化状態を変更して電機子コイルと鎖交する磁束量が制御される。以下に制御磁石１６５，１６６，１７５，１７６の磁化状態を制御する構成及び動作原理を説明する。図１５に示されるように励磁コイル１５ｃは表面磁極部１５８，１５ａ間に回転軸１５１を周回するよう配置され，円筒状磁気コア１５７，制御磁石１５９，表面磁極部１５８，磁性体歯１５４，円筒状磁気ヨーク１５５，磁性体歯１５４，表面磁極部１５ａ，制御磁石１５ｂで構成される磁路に励磁磁束を発生させる。

　図１９，２０を参照しながら制御磁石１６５，１６６，１７５，１７６の磁化状態を選択的に制御するステップが説明される。図１９は制御磁石１６５の磁化方向を外径方向に変更し，制御磁石１７６の磁化方向を内径方向に変更する場合を示す。励磁磁束が制御磁石１６５内を外径方向に流れ，制御磁石１７６内を内径方向に流れるよう励磁電流が励磁コイル１５ｃに予め供給される。番号１９１，番号１９２，番号１９３，番号１９４はそれぞれ第一磁性体突極１６１内，第二磁性体突極１６２内，第一磁性体突極１７１内，第二磁性体突極１７２内を流れる励磁磁束の方向を示す。

　更に電機子コイルによる磁束が制御磁石１６５内を外径方向に，制御磁石１７６内を内径方向に流れるよう電機子コイルに電流が供給される。図１８（ａ）に於いて，第一磁性体突極１６１内を外径方向に磁束１９５が流れるよう第一磁性体突極１６１に対向する電機子コイル１８２，１８３に電流が供給される。更に第二磁性体突極１６２内を内径方向に磁束１９７が流れるよう第二磁性体突極１６２と対向する電機子コイル１８１に電流が供給される。磁束１９５と磁束１９６はそれぞれ第一磁性体突極１６１，１７１内を同じ方向に流れ，磁束１９７と磁束１９８はそれぞれ第二磁性体突極１６２，１７２内を同じ方向に流れる。

　電機子コイルによる磁束１９５と励磁コイルによる励磁磁束１９１とが第一磁性体突極１６１内を同方向に流れ，電機子コイルによる磁束１９８と励磁コイルによる励磁磁束１９４とが第二磁性体突極１７２内を同方向に流れる。磁束１９７と励磁磁束１９２とが第二磁性体突極１６２内を互いに逆方向に流れ，磁束１９６と励磁磁束１９３とが第一磁性体突極１７１内を互いに逆方向に流れる。従って，第二磁性体突極１６２内及び第一磁性体突極１７１内には十分な磁束が流れないので制御磁石１６６，１７５の磁化状態は影響を受けない。第一磁性体突極１６１内及び第二磁性体突極１７２内には十分な磁束が流れ，制御磁石１６５は外径方向に磁化方向が変更され，制御磁石１７６は内径方向に磁化方向が変更される。

　図２０は制御磁石１６６の磁化方向を内径方向に，制御磁石１７５の磁化方向を外径方向に変更する場合を示す。励磁コイル１５ｃに供給する電流の極性が図１９の場合と逆にされ，番号２０１，２０２，２０３，２０４はそれぞれ磁性体突極１６１，１６２，１７１，１７２内を流れる励磁磁束の方向を示す。従って，電機子コイルの発生させる磁束と励磁磁束とが第二磁性体突極１６２内を互いに同じ方向に流れ，第一磁性体突極１７１内を互いに同じ方向に流れる。そして制御磁石１６６の磁化方向が内径方向に，制御磁石１７５の磁化方向が外径方向に変更される。

　このように上記ステップに従って図１８（ａ）に示される制御磁石１６５，１６６，１７５，１７６の磁化状態が図１８（ｂ）に示される状態に変更され，或いは逆に図１８（ｂ）に示す状態から図１８（ａ）に示す状態に変更される。それに伴って電機子コイル１５６（１８１，１８２，１８３）と鎖交する磁束量が制御される。

　第一，第二実施例においては制御磁石の磁化方向が弱め界磁状態から強め界磁状態に変更される際，励磁コイル及び電機子コイルの発生する磁束は永久磁石にも流れ，制御磁石に磁束を集中させる事は容易でない。本実施例では永久磁石１６３，１６４，１７３，１７４の磁極近傍に銅板１６７が配置されているので電機子コイル１５６（１８１，１８２，１８３）が生成するパルス状磁束は渦電流を生じて銅板１６７を通過し難く，制御磁石１６５，１６６，１７５，１７６に集中される。したがって，制御磁石１６５，１６６，１７５，１７６の磁化変更に際して励磁コイル及び電機子コイルに供給する電流を小に出来る。

　以上，図１５から図２０を用いて本実施例の構成を示し，制御磁石の磁化変更の為に選択された制御磁石に磁束を集中させるステップを中心に説明した。本実施例に示した回転電機装置は界磁制御可能な電動機或いは発電機として動作するが，界磁制御に関係する以外の構成は従来の回転電機装置と同じであり，電動機或いは発電機としての動作の説明は省略する。

　本実施例では永久磁石１６３，１６４，１７３，１７４の磁極近傍に銅板１６７を配置して制御磁石１６５，１６６，１７５，１７６の磁化変更に際して必要な励磁コイル及び電機子コイルに供給する電流を小とした。銅板１６７はまた回転子の回転駆動に際して電機子コイルの生成する交流磁束を通過し難くし，永久磁石１６３，１６４，１７３，１７４に加えられる磁界強度を減じる事が出来る。したがって本実施例では永久磁石１６３，１６４，１７３，１７４にネオジウム磁石が用いられたが，銅板１６７の厚み，銅板１６７と永久磁石１６３，１６４，１７３，１７４との間の磁路幅を適切に設定して永久磁石１６３，１６４，１７３，１７４に希土類以外の低抗磁力磁石素材を用いる事が出来る。

　本発明による回転電機システムの第五実施例を図２１から図２５を用いて説明する。第五実施例は，二つの回転子が軸方向に並び，ラジアルギャップを介して電機子と対向し，主としてリラクタンストルクにより回転駆動される。起動トルクが改善され，回生制動時の制御が改善される。

　図２１はラジアルギャップ構造の回転電機に本発明を適用した実施例の縦断面図を示し，回転軸１５１がベアリング１５３を介してハウジング１５２に回動可能に支持されている。電機子はハウジング１５２に固定された円筒状磁気ヨーク１５５から径方向に延びる磁性体歯１５４と，磁性体歯１５４に巻回された電機子コイル１５６とを有している。第一回転子は表面磁極部２１１，第二回転子は表面磁極部２１２を有し，二つの回転子は円筒状磁気コア２１６を共通の部材として回転軸１５１に固定されている。それぞれの表面磁極部は周方向に隣り合う磁性体突極の一方にのみ磁石を有し，図２１には永久磁石２１３，制御磁石２１４が示されている。永久磁石２１３，制御磁石２１４は軸方向に交互に配置されている。円筒状磁気コア２１６はそれぞれの回転子の円筒状磁気コアと励磁磁路部材とが一体化された構造であり，軸方向に磁束が流れやすいよう圧粉鉄心で構成されている。励磁コイル２１５は回転軸１５１を周回するよう電機子側に固定され，円筒状磁気コア２１６，表面磁極部２１１，磁性体歯１５４，円筒状磁気ヨーク１５５，磁性体歯１５４，表面磁極部２１２を含む磁路に励磁磁束を発生させる。

　図２２は図２１のＤ－Ｄ’に沿う電機子及び回転子の断面図を示し，相互の関係を説明する為に構成部分の一部に番号を付している。表面磁極部２１１は周方向に交互に凸部と凹部とを表面に有する磁性体で構成されている。隣接する凸部は第一磁性体突極２２１，第二磁性体突極２２２として周方向に交互に配置されている。番号２２３は凹部を示す。第二磁性体突極２２２の電機子から離れた内部には永久磁石２１３，制御磁石２１４（図２２には図示されていない）が配置され，第一磁性体突極２２１，第二磁性体突極２２２が互いに異なる方向に磁化されている。番号２２４は永久磁石２１３端に配置された非磁性体を示し，永久磁石２１３内の矢印は磁化方向を示している。凹部２２３では回転子の表面に於ける磁気抵抗が大であり，リラクタンストルクが大にされる。電機子の構成は図１６に示された第四実施例と同じであるので再度の説明は省略する。

　図２２には第一回転子に相当する表面磁極部２１１の磁極構成が示されている。図２３に於いて回転子全体の斜視図を示し，第二回転子に相当する表面磁極部２１２の磁極構成を説明し，表面磁極部２１１，２１２の相互の関係が説明される。表面磁極部２１２の構成は表面磁極部２１１とほぼ同じであり，周方向に凸部と凹部とを有する磁性体で構成されている。隣接する磁性体突極が番号２３１，２３２で代表して示され，第一磁性体突極２３１，第二磁性体突極２３２とが周方向に交互に配置されている。電機子から離れた第一磁性体突極２３１の内部に永久磁石２３３（図２３には図示されていない），制御磁石２３４が配置され，第一磁性体突極２３１，第二磁性体突極２３２が互いに異なる方向に磁化されている。励磁コイル２１５は回転軸１５１を周回するよう電機子側に固定されるが，同図に於いて表面磁極部２１１，２１２と励磁コイル２１５との位置関係が理解され易いよう励磁コイル２１５は表面磁極部２１１，２１２間に示されている。

　表面磁極部２１１と表面磁極部２１２との相違点は永久磁石及び制御磁石の位置である。第一磁性体突極２２１は永久磁石２１３，制御磁石２１４によってＳ極に磁化され，第一磁性体突極２３１は永久磁石２３３，制御磁石２３４によってＳ極に磁化され，同種の極性である第一磁性体突極２２１，第一磁性体突極２３１が軸方向に並んでいる。

　本実施例は周方向に隣接する磁性体突極の一方に配置された永久磁石及び制御磁石の厚みをゼロとした極端な構成例であって，励磁コイル２１５により電機子コイル１５６と鎖交する磁束量の調整が可能である。すなわち，磁石の飽和磁束量は一定であり，磁石の比透磁率は空隙に近いので，磁気的に飽和した磁石を双方向のの磁束に対して離隔部材と出来る。励磁コイル２１５から励磁磁束が供給された場合，第一磁性体突極２２１及び第二磁性体突極２３２は円筒状磁気コア２１６を介して直接に接続されているので励磁磁束が第一磁性体突極２２１及び第二磁性体突極２３２を介して電機子側に容易に流れる。番号２３５，２３６は第一磁性体突極２２１及び第二磁性体突極２３２を介して電機子側に流れるそれぞれの励磁磁束の方向を示し，励磁コイル２１５に供給される電流の方向により励磁磁束２３５，２３６の方向は制御される。

　図２４（ａ），（ｂ）は図２２に示された電機子及び回転子の一部を拡大して示した断面図であり，これらの図を用いて磁束の流れを説明する。これらの図に於いて，電機子コイル１５６はＵ相，Ｖ相，Ｗ相の電機子コイルをそれぞれ電機子コイル１８１，１８２，１８３として周方向に繰り返し配置されている。

　図２４（ａ）に於いて，点線２４１は永久磁石２１３，制御磁石２１４（図２４には図示されていない）からの磁束を代表して示している。図２４（ｂ）は図２４（ａ）に示す状態から制御磁石２１４（図２４には図示されていない）の磁化方向が反転された状態である。永久磁石２１３からの磁束２４２は軸方向に流れて図２４には示されていない制御磁石２１４と閉磁路を構成して電機子側に流れる磁束量が減少される。図２４（ｂ）の場合が弱め界磁の状態に相当する。この状態で電機子側に流れる磁束量は永久磁石２１３，制御磁石２１４の飽和磁束密度，磁極面積等によって設定される。

　第二表面磁極部に於ける永久磁石２３３と制御磁石２３４との関係は図示されていないが，図２４（ａ），（ｂ），図２３に示されるように制御磁石２１４の磁化方向を外径方向とし，制御磁石２３４の磁化方向を内径方向とする場合に電機子コイルと鎖交する磁束量を大となる。制御磁石２１４に於いては外径方向の磁化が第一磁化に相当し，制御磁石２３４に於いては内径方向の磁化が第一磁化に相当する。

　本実施例では，永久磁石２１３，２３３は磁化状態が変更され難いネオジウム磁石で構成され，制御磁石２１４，２３４は永久磁石２１３，２３３より磁化状態の変更が容易なアルニコ磁石で構成されている。そして励磁コイル２１５及び電機子コイル１５６により制御磁石２１４，２３４の磁化状態を変更して電機子コイルと鎖交する磁束量が制御される。以下に制御磁石２１４，２３４の磁化状態を制御する構成及び動作原理を説明する。図２１に示されるように励磁コイル２１５は電機子側の軸方向中間に回転軸１５１を周回するよう配置され，円筒状磁気コア２１６，（制御磁石２１４），表面磁極部２１１，磁性体歯１５４，円筒状磁気ヨーク１５５，磁性体歯１５４，表面磁極部２１２，（制御磁石２３４）で構成される磁路に励磁磁束を発生させる。

　図２５を参照しながら制御磁石２１４，２３４の磁化状態を変更するステップを説明する。図２５は制御磁石２１４の磁化方向を内径方向に変更し，制御磁石２３４の磁化方向を外径方向に変更する場合を示す。励磁磁束が制御磁石２３４内を外径方向に流れ，制御磁石２１４内を内径方向に流れるよう励磁電流が励磁コイル２１５に予め供給される。番号２５１，番号２５２，番号２５３，番号２５４はそれぞれ第一磁性体突極２２１内，第二磁性体突極２２２内，第一磁性体突極２３１内，第二磁性体突極２３２内を流れる励磁磁束の方向を示す。

　更に電機子コイルによる磁束が制御磁石２３４内を外径方向に，制御磁石２１４内を内径方向に流れるよう電機子コイルに電流が供給される。図２４（ａ）に於いて，第二磁性体突極２２２内を内径方向に磁束２５７が流れるよう第二磁性体突極２２２に対向する電機子コイル１８１に電流が供給される。第一磁性体突極２２１内を外径方向に磁束２５５が流れるよう第一磁性体突極２２１と対向する電機子コイル１８２，１８３に電流が供給される。磁束２５６は第一磁性体突極２３１内を磁束２５５と同じ方向に流れ，磁束２５８は第二磁性体突極２３２内を磁束２５７と同じ方向に流れる。

　電機子コイルによる磁束２５６と励磁コイルによる励磁磁束２５３とが第一磁性体突極２３１内を同方向に流れ，電機子コイルによる磁束２５７と励磁コイルによる励磁磁束２５２とが第二磁性体突極２２２内を同方向に流れる。電機子コイルによる磁束２５５と励磁コイルによる励磁磁束２５１とが第一磁性体突極２２１内を互いに逆方向に流れ，電機子コイルによる磁束２５８と励磁コイルによる励磁磁束２５４とが第二磁性体突極２３２内を互いに逆方向に流れる。従って，第一磁性体突極２３１内及び第二磁性体突極２２２内には十分な磁束が流れ，制御磁石２３４は外径方向に，制御磁石２１４は内径方向に磁化方向が変更される。

　このように上記ステップに従って図２４（ａ）に示される強め界磁状態が図２４（ｂ）に示される弱め界磁状態に変更され，或いは逆に図２４（ｂ）に示す状態から図２４（ａ）に示す状態に変更される。それに伴って電機子コイル１５６（１８１，１８２，１８３）と鎖交する磁束量が制御される。図２４（ｂ）に示される弱め界磁状態が図２４（ａ）に示される強め界磁状態に変更する場合，制御磁石の磁化状態を変更する為の磁束が永久磁石側に流れる可能性がある。その場合には永久磁石を磁気的に飽和し，制御磁石に十分な磁束を供給するよう電機子コイル及び励磁コイルに供給する電流を十分に大とする。更に永久磁石の磁極近傍に導体板を配置し，パルス状磁束が永久磁石を流れ難く構成して制御磁石の磁化状態変更を容易にする事が出来る。

　本実施例はリラクタンストルクを専ら利用して回転駆動する回転電機システムを示している。通常は図２４（ｂ）に示されるように電機子を流れる磁束量が最小とされ，回転子が回転駆動される。しかし，リラクタンストルクのみでは起動トルクが小さいので制御磁石２１４，２３４を図２４（ａ）に示す磁化状態として電機子を流れる磁束量が大とされ，更に励磁コイル２１５により図２３に示す励磁磁束２３５，２３６を発生させて起動トルクを大にされる。

　更に回生制動時に永久磁石２１３，制御磁石２１４を図２４（ａ）に示す磁化状態とし，励磁コイル２１５に供給する電流を制御して回生制動力を制御され，低速まで効率よくエネルギーは回収される。従来方法では磁気エネルギーの蓄積，エネルギー回収のステップが繰り返えされ，エネルギー回収が可能であるが，本実施例により更に高効率でエネルギー回収が可能となる。

　本発明の第六実施例である回転電機システムを図２６により説明する。第六実施例は第二実施例の回転電機システムをインホイールモータとして前輪に組み込み，前輪駆動のエンジンと組み合わせたハイブリッドカーシステムである。

　同図に於いて，前輪駆動のエンジン２６２は，トランスミッション２６３，駆動軸２６９を介して前輪に組み込まれた回転電機２６１に結合され，エンジン２６２と回転電機２６１によりハイブリッドカーは駆動される。制御装置２６４は上位制御装置からの指令２６ｂを受け，駆動回路２６５を介して回転電機２６１を電動機として駆動し，磁束量制御回路２６６を介して電機子に流入する磁束量を制御する。更に制御装置２６４は上位制御装置からの指令２６ｂを受け，電機子コイル７６の引き出し線２６ｃに現れる発電電力を整流回路２６７を介して整流し，バッテリー２６８を充電する構成である。

　回転電機２６１のみでハイブリッドカーを駆動する時はトランスミッション２６３に於いてエンジン２６２を切り離し，回転電機２６１の負荷を軽減される。低回転速度域で回転電機２６１の磁石トルクを強化する必要がある場合は制御磁石８８，８９内の第一磁化の磁石要素数を増すよう電流が励磁コイル７８，電機子コイル７６に加えられて制御磁石８８，８９の磁化状態が変更され，電機子を流れる磁束量が大とされる。高回転速度域で弱め界磁とする場合には制御磁石８８，８９内の第二磁化の磁石要素数を増すよう電流が励磁コイル７８，電機子コイル７６に加えられて制御磁石８８，８９の磁化状態が変更され，電機子を流れる磁束量が小とされる。

　エンジン２６２の回転力のみでハイブリッドカーを駆動する時は，制御磁石８８，８９内の第二磁化の磁石要素数を最大にするよう励磁コイル７８，電機子コイル７６に電流が供給され，電機子を流れる磁束量を最小にする。この状態で回転子から漏れる磁束量は最小になるのでエンジン２６２により回転子が回転されても渦電流損は少ない。

　回転電機２６１及びエンジン２６２でハイブリッドカーを駆動する時はトランスミッション２６３に於いてエンジン２６２を駆動軸２６９に結合し，両者でハイブリッドカーを駆動する。エンジン２６２の駆動力に余力があり，回転電機２６１を発電機としてバッテリー２６８を充電させる事が出来る。電機子コイル７６の引き出し線２６ｃに現れる発電電力を整流回路２６７を介して直流に変え，バッテリー２６８を充電させる。

　その場合に制御装置２６４は発電電圧がバッテリー２６８を充電する最適な電圧より大である場合は制御磁石８８，８９内の第二磁化の磁石要素数を増すよう電流が励磁コイル７８，電機子コイル７６に加えられて制御磁石８８，８９の磁化状態が変更され，電機子を流れる磁束量が小とされる。発電電圧がバッテリー２６８を充電する最適な電圧より小である場合は制御磁石８８，８９内の第一磁化の磁石要素数を増すよう電流が励磁コイル７８，電機子コイル７６に加えられて制御磁石８８，８９の磁化状態が変更され，電機子を流れる磁束量が大とされる。

　バッテリー２６８に充電する場合に回転電機システムを定電圧発電機とする事で発電電圧を変換するコンバータは不要である。また，更にバッテリー２６８が電圧の種類の異なる複数種のバッテリーで構成される場合でも切り替え回路を付け加えてそれぞれのバッテリーに最適の発電電圧に制御する事で高価なコンバータを不要に出来る。また，バッテリー２６８に充電する際に磁束量制御と共に充電電流を制御して駆動負荷と発電負荷の配分制御も可能である。

　本実施例はまたハイブリッドカーの制動時に於けるエネルギー回収システムとしても有効に機能する。ブレーキペダルの動きに応じ，指令２６ｂを通じて回生制動の指示を受けると，制御装置２６４は磁束量制御回路２６６を介して第一磁化の磁石要素数を増すよう励磁コイル７８，電機子コイル７６に電流を供給して第一磁化の磁石要素数を増して電機子を流れる磁束量を大とし，発電電力でバッテリー２６８に充電させる。

　電機子コイル７６と鎖交する磁束量は増えるので取り出せる電力は大きく，電気二重層コンデンサ他の蓄電システムに一時的に蓄えて制動力の確保とエネルギー回収を大にする。従来は低速で十分なエネルギーを回収できなかったが，本実施例では電機子コイル７６と鎖交する磁束量を自在に制御できるので低速に於いてもエネルギー回生を可能とし，制動力を確保できる。回転電機２６１は駆動用電動機として用いられる体格であるので回生制動用の発電機として十分な制動力を発生できる。

　本実施例はハイブリッドカーの発電機兼電動機として用いた回転電機システムであるが，電気自動車に於ける回転電機システムとする事も当然に可能である。その場合には上記実施例に於いてハイブリッドカーのエンジン２６２，トランスミッション２６３，駆動軸２６９を取り除き，本発明による回転電機システムのみで電気自動車を駆動し，制動時に於けるエネルギー回収システムを構成する。

　以上，本発明の回転電機システムについて，実施例を挙げて説明した。これらの実施例は本発明の趣旨，目的を実現する例を示したのであって本発明の範囲を限定するわけでは無い。例えば上記の説明に於いてラジアルギャップ構造の回転電機装置を実施例に挙げて説明したが，当然に略円盤状の電機子と回転子とが軸方向に対向するアキシャルギャップ構成の回転電機装置，更に回転子と電機子と回転子とがこの順で軸方向に対向する構造等の回転電機装置も可能である。更に，上記実施例に於ける回転子の磁極構成，電機子の構成，励磁部の構成等はそれぞれ組み合わせを変えて本発明の趣旨を実現する回転電機装置を構成できる事は勿論である。

　本発明を適用した回転電機システムは従来の回転電機と同様に磁石トルク及びリラクタンストルクを利用出来，更に発電機能を改善し，またその発電機能を制御できる。移動体の発電機兼電動機システムに用いて，駆動用電動機としては従来以上の回転速度範囲での使用と低電流・大トルク出力が期待できる他に制動時のエネルギー回収を可能として総合的なエネルギー消費量を改善できる。

Claims

回転子は電機子との対向面に於いて周方向に配置された一以上の磁性体突極を有し，磁性体突極内及び或いは隣接する磁性体突極間に配置された永久磁石により周方向に隣接する磁性体突極が互いに異極に磁化され，電機子は回転子との対向面に於いて一以上の磁性体歯と，磁性体歯に巻回された電機子コイルとが周方向に配置され，電機子と回転子とが微小間隙を介して互いに対向し且つ相対的に回転可能に構成された回転電機装置であって，周方向に隣接する前記磁性体突極の少なくとも一方に於いて，電機子との対向面から離れた磁性体突極内部に制御磁石が配置され，更に励磁磁路部材と，励磁コイルとを有し，励磁コイルは励磁磁路部材及び電機子及び回転子を含む磁路に一括して励磁磁束を発生するよう配置され，電機子コイルによる磁束のみによっては前記制御磁石の磁化状態が変更されないように磁化方向長さと抗磁力の積が設定され，励磁コイルによる励磁磁束及び電機子コイルによる磁束が同じ方向に流れる前記制御磁石の磁化状態が不可逆的に変更されるよう構成され，回転電機装置の出力を最適化するよう前記出力に応じて前記制御磁石の磁化状態を変え，電機子コイルと鎖交する磁束量が制御される事を特徴とする回転電機システム
請求項１記載の回転電機システムに於いて，前記励磁磁路部材の両端は電機子と回転子とが微小間隙を介して交互に並ぶ電機子・回転子群の両端に配置された回転子或いは電機子とそれぞれ磁気的に結合され，励磁コイルは励磁磁路部材と，電機子と，回転子とを含む磁路に一括して磁束を発生するよう配置される事を特徴とする回転電機システム
請求項２記載の回転電機システムに於いて，電機子と回転子とが微小間隙を介して交互に並ぶ電機子・回転子群の端に配置された回転子は磁性体突極が磁性体基板に配置され，前記磁性体基板は励磁磁路部材の一端と磁気的に結合される事を特徴とする回転電機システム
請求項２記載の回転電機システムに於いて，電機子と回転子とが微小間隙を介して交互に並ぶ電機子・回転子群の端に配置された電機子は電機子コイル及び磁性体歯が磁気ヨークに配置され，前記磁気ヨークは励磁磁路部材の一端と磁気的に結合される事を特徴とする回転電機システム
請求項２記載の回転電機システムに於いて，電機子，回転子，電機子が微小間隙を介してこの順で並び，回転子は非磁性体及び或いは永久磁石で磁性体を周方向に区分して形成された複数の磁性体突極を有し，周方向に隣接する磁性体突極は互いに異なる方向に磁化され，制御磁石は前記二つの面のほぼ中間に配置される事を特徴とする回転電機システム
請求項１記載の回転電機システムに於いて，二つの回転子である第一回転子及び第二回転子が軸方向に並んで電機子と径方向に対向するよう配置され，同じ極性に磁化された第一回転子の磁性体突極と第二回転子の磁性体突極とは軸方向に並び，第一回転子及び第二回転子に円筒状磁気コアが配置され，制御磁石は周方向に隣接する少なくとも一方の磁性体突極内部に配置され，前記励磁磁路部材は第一回転子の円筒状磁気コアと第二回転子の円筒状磁気コアとを磁気的に結合するよう配置され，前記励磁コイルは電機子と第一回転子と励磁磁路部材と第二回転子とで構成される磁路に励磁磁束を発生するよう配置される事を特徴とする回転電機システム
請求項１記載の回転電機システムに於いて，制御磁石は磁化方向長さと抗磁力の積が互いに異なる磁石要素を磁性体により並列接続して構成され，前記磁石要素は磁化方向が互いに逆である第一磁化，第二磁化の何れかの磁化を有し，第一磁化を有する磁石要素は永久磁石が磁性体突極を磁化する極性と同じ極性に磁性体突極を磁化する事を特徴とする回転電機システム
請求項１記載の回転電機システムに於いて，制御磁石内に於いて反転すべき磁化に逆方向に流れる励磁磁束が励磁コイルにより回転子に一括して供給され，反転すべき磁化を有する制御磁石を含む磁性体突極と対向する電機子コイルによって前記磁化方向と逆方向の磁束が発生され，前記制御磁石の磁化状態が変更される事を特徴とする回転電機システム
請求項１記載の回転電機システムに於いて，制御磁石内に於いて反転すべき磁化に逆方向に流れる励磁磁束が励磁コイルにより回転子に一括して供給され，電機子コイルは反転すべき磁化を有する制御磁石を含む磁性体突極内に前記磁化方向と逆方向の磁束を発生すると共に前記磁性体突極に隣接する磁性体突極に前記磁化方向と同方向の磁束を発生するよう電流が供給されて前記制御磁石の磁化状態を変更する事を特徴とする回転電機システム
請求項１記載の回転電機システムに於いて，制御磁石内に於いて反転すべき磁化に逆方向に流れる励磁磁束が励磁コイルにより回転子に一括して供給され，反転すべき磁化を有する制御磁石を含む磁性体突極と対向する磁性体歯に前記磁化方向と逆方向の磁束を発生すると共に前記磁性体突極に隣接する磁性体突極に対向する磁性体歯に前記磁化方向と同方向の磁束を発生させるよう電機子コイルに電流が供給されて前記制御磁石の磁化状態を変更される事を特徴とする回転電機システム
請求項１記載の回転電機システムに於いて，前記永久磁石の少なくとも一方の磁極と磁性体突極との間には非磁性導体が配置されている事を特徴とする回転電機システム
請求項１記載の回転電機システムに於いて，磁性体の二つの側面に永久磁石を配置して構成された集合磁石が磁性体突極間に配置され，励磁コイルが発生する励磁磁束が前記磁性体を通過し難いよう前記磁性体に非磁性体が配置される事を特徴とする回転電機システム
請求項１記載の回転電機システムに於いて，磁化方向厚みが相対的に大の制御磁石と磁化方向厚みが相対的に小の制御磁石とが周方向に交互に配置され，磁束調整電流が励磁コイルに供給され，電機子コイルと鎖交する磁束量が調整される事を特徴とする回転電機システム
請求項１記載の回転電機システムに於いて，少なくとも一つの電機子コイルに現れる誘起電圧の監視手段が配置され，回転子の回転と共に前記電機子コイルに鎖交する磁束に起因する誘起電圧が監視され，制御磁石の磁化状態の変更後に於いて各制御磁石の磁化に起因して前記電機子コイルに現れる誘起電圧の振幅の変化量が目標値より小の場合は制御磁石の磁化状態の変更の為に励磁コイル及び電機子コイルに加えられる電流の振幅を大にし，各制御磁石の磁化に起因して前記電機子コイルに現れる誘起電圧の振幅の変化量が目標値より大の場合は制御磁石の磁化状態の変更の為に励磁コイル及び電機子コイルに加えられる電流の振幅を小に設定される事を特徴とする回転電機システム
請求項１から請求項１４記載の何れかの回転電機システムに於いて，さらに制御装置を有し，回転力を入力とし，発電電力を出力とする回転電機システムであって，磁性体突極周辺に配置された永久磁石が磁性体突極を磁化する極性と同じ極性に磁性体突極を磁化する磁石要素を第一磁化とし，電機子コイルに誘起される発電電圧が所定の値より大の時に制御装置は第一磁化の磁極面積を減じるよう電流を励磁コイル及び電機子コイルに供給して電機子を流れる磁束量が小とされ，電機子コイルに誘起される発電電圧が所定の値より小の時に制御装置は第一磁化の磁極面積を増すよう電流を励磁コイル及び電機子コイルに供給して電機子を流れる磁束量が大とされ，発電電圧が所定の値に制御される事を特徴とする回転電機システム
請求項１から請求項１４記載の何れかの回転電機システムに於いて，さらに制御装置を有し，電機子コイルへの供給電流を入力とし，回転力を出力とする回転電機システムであって，磁性体突極周辺に配置された永久磁石が磁性体突極を磁化する極性と同じ極性に磁性体突極を磁化する磁石要素を第一磁化とし，回転速度が所定の値より大で電機子を流れる磁束量を減少させる時に制御装置は第一磁化の磁極面積を減じるよう電流を励磁コイル及び電機子コイルに供給して電機子を流れる磁束量が小とされ，回転速度が所定の値より小で電機子を流れる磁束量を増大させる時に制御装置は第一磁化の磁極面積を増すよう電流を励磁コイル及び電機子コイルに供給して電機子を流れる磁束量が大とされ，回転力が最適に制御される事を特徴とする回転電機システム
請求項１から請求項１４記載の何れかの回転電機システムに於いて，さらに制御装置を有し，電機子コイルへの供給電流を入力とし，回転力を出力とする回転電機システムであって，磁性体突極周辺に配置された永久磁石が磁性体突極を磁化する極性と同じ極性に磁性体突極を磁化する磁石要素を第一磁化とし，回転速度を減少させる場合に制御装置は電機子コイルにバッテリーを接続すると共に制御磁石内の第一磁化の磁極面積を増すよう電流を励磁コイル及び電機子コイルに供給して電機子を流れる磁束量を大とし，回転エネルギーが発電電力として取り出される事を特徴とする回転電機システム
回転子は電機子との対向面に於いて周方向に配置された一以上の磁性体突極を有し，磁性体突極内及び或いは隣接する磁性体突極間に配置された永久磁石により周方向に隣接する磁性体突極が互いに異極に磁化され，電機子は回転子との対向面に於いて一以上の電機子コイルを周方向に有し，電機子と回転子とが微小間隙を介して互いに対向し且つ相対的に回転可能に構成した回転電機装置の磁束量制御方法であって，周方向に隣接する前記磁性体突極の少なくとも一方に磁化変更可能な制御磁石を配置し，更に電機子と，回転子とを含む磁路に一括して励磁磁束を発生するよう軸を周回する励磁コイルを配置し，電機子コイルによる磁束のみによっては前記制御磁石の磁化状態が変更されないように磁化方向長さと抗磁力の積を設定し，励磁コイルによる励磁磁束及び電機子コイルによる磁束が同じ方向に流れる前記制御磁石のみの磁化状態を不可逆的に変更するよう構成し，前記制御磁石の磁化状態を変え，電機子コイルと鎖交する磁束量を制御する磁束量制御方法