JP2004320972A - 永久磁石回転電機、永久磁石回転電機の制御方法、車両、風力発電機システム、及びエンジン発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 大きな変換機やリアクトルが必要な無効電流調整装置や機械的変位機構等を必要とせず、簡素で部品点数が少なく小型で、しかも信頼性に非常に優れた、電機子巻線電圧が調整可能な永久磁石回転電機を提供することを目的とする。
【解決手段】 電機子巻線群３を有する固定子２と、永久磁石５による界磁極を有する回転子４と、制御電流が供給され、永久磁石５からの磁束の磁路形成部の磁気抵抗を変化させる制御巻線群６と、制御巻線群６に流れる制御電流を制御することによって、電機子巻線群３に誘起される電圧を制御する制御回路７とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は永久磁石回転電機の電機子巻線に発生する誘起起電力を制御する永久磁石回転電機、永久磁石回転電機の制御方法、車両、風力発電機システム、及びエンジン発電機に関するものである。

永久磁石発電機は、回転子に界磁手段として永久磁石を用いるため界磁巻線による励磁回路が不要であり構造が簡単であるが、誘起電圧は磁石の磁束量によって決まり一定であるため電圧調整ができない。

従来技術１（特許文献１）では、永久磁石発電機の発電機巻線端子に無効電流調整装置を接続し、発電機巻線端子電圧を調整する技術が開示されている。図３０（特許文献１の公報内の図１に相当）において、永久磁石形同期発電機１の負荷に他励コンバータあるいは自励コンバータなどの変換機５の出力端に直流リアクトル６を接続した電流形無効補償装置からなる無効電流調整装置７を接続し、この無効電流調整装置７に流れる電流を増減させることにより、発電機１の電機子反作用を増減させて電圧調整を行う。

また、従来技術２（特許文献２）では、ロータないしステータを軸方向に変位させる軸方向変位機構を用いて発電量を制御する技術が開示されている。図３１（特許文献２の公報内の図２に相当）において、軸方向変位機構１００はレバー１０６が連結されたプランジャ１０４を持つソレノイド１０２を備え、またステータ７８が取り付けられたディスク１０８はロータ７４とステータ７８とを相対回転させるロータシャフト６４に対してその軸方向に変位可能に構成されている。ソレノイド１０２が励磁されるとプランジャ１０４は図２図３１において右側に移動し、支点１０９を介してディスク１０８に取り付けられたレバー１０６の自由端が左方に変位しステータコイル８２を左方向に移動させる。ステータコイル８２が実線の位置にあるとき、ステータコイル８２を鎖交する磁束密度は最大で発電量は最大、最左翼位置にあるとき磁束密度が最小となり発電量は最小となる。ＥＣＵ５４はソレノイド１０２をデューティ比制御することによりプランジャ１０４のストローク量を零から最大値までの値に調節してステータの軸方向変位量を調整し発電量を最大値から最小値の任意の値に制御している。

また、従来技術３（特許文献３）では、第１の固定子巻線がインバータにて制御され、第２の固定子巻線が制御機能を持った整流器にて制御される電動機兼用発電機（Ｍ／Ｇ）の技術が開示されている。図３２（特許文献３の公報内の図１に相当）において、第１の固定子巻線たる主巻線１６Ａは三相結線され、回転子１４と共に電動機および発電機としても機能する回転電機を構成し、インバータ２０Ａが整流器として動作するときは主巻線１６Ａ上に誘起された三相交流がインバータ２０Ａにより整流され主バッテリー２６が充電される。またインバータ２０Ａがインバータとして動作するときは、インバータ２０Ａにより主バッテリー２６からの出力を三相交流に変換し主巻線１６Ａに供給、これにより主巻線１６Ａにて生じた磁束が回転子１４からの励磁束と鎖交し回転子１４にトルクが与えられる。第２の固定子巻線たる補助巻線１６Ｂａ〜Ｂｄは回転子１４と共に発電機を構成し、補助巻線１６Ｂａ〜Ｂｄ上に誘起された交流は整流器２４Ａに供給され整流される。エンジン１０により回転駆動されているため補助巻線１６Ｂａ〜Ｂｄ上に誘起された交流電圧は回転数に比例し変動する。チョッパー回路４０により昇圧または降圧制御された一定電圧にて補機バッテリー３２を充電する。

また、図３３に従来技術４の構成を示す。図３３は、永久磁石回転電機１００を電気自動車に搭載した時のブロック図である。永久磁石回転電機１００は、永久磁石５による界磁極を有する回転子４とインバータ１０により駆動される電機子巻線群３を有する固定子２で構成され、車輪１４を回転させる。インバータ１０は高圧系バッテリー１２を電源としている。

インバータ１０は永久磁石回転電機１００を回転させるために、始動時および低速時は最大トルク／磁束制御によりトルク出力が最大になるように出力制御される。

永久磁石回転電機１００は、インバータ１０により駆動されることにより、車輪を回転させる。
特開平３−９８４９８号公報 特開平９−９８５５８号公報 特開平９−１６３７０１号公報

しかしながら、特許文献１記載の発電機巻線端子電圧の調整手段の場合、無効電流調整装置を構成するために他励コンバータあるいは自励コンバータなどの変換機、大きなリアクトル、電流センサーなどが必要であり形状が大きくなりまた価格も高価になる。

また、特許文献２記載の発電量制御手段の場合、ステータまたはロータを軸方向に変位させる機構のために、形状が軸方向および径方向にかなり大きくなる。また、機械的制御手段のため信頼性に問題がある。

さらに、特許文献３記載の第２の固定子巻線出力を制御する手段の場合、第２の固定子巻線出力が回転数に比例し変動するため制御のためのチョッパー回路に用いる半導体が耐電圧の高いものが必要となる。また、そのため損失が増加し効率低下をともなう。さらに、１４Ｖバッテリ−系電圧の過電圧レベルを超える場合は、安全のため絶縁型チョッパーが必要となるため大型化し、かつ価格も高価になる。

さらに、従来技術４では、車輪１４が高速回転域になってくると、電機子巻線群３に誘起される誘起起電力がインバータ１０の電源である高圧系バッテリー１２の電圧より高くなり、電機子巻線群３に電流が流れなくなり、車輪１４を回転できなくなってくる。

本発明は、上記問題点に鑑み、大型の半導体を用いた変換機や大きなリアクトル、電流センサーや機械的変位機構等を必要とせず、また第２の電機子巻線出力時にも整流出力をチョッパー回路等で制御する必要がないため、簡素で部品点数が少なく小型で、しかも信頼性に非常に優れた、低価格な永久磁石回転電機、永久磁石回転電機の制御方法、風力発電機システム、及びエンジン発電機を提供することを目的とする。

また、本発明は、上記問題点に鑑み、高トルク、高速回転可能な永久磁石回転電機、永久磁石回転電機の制御方法、車両を提供することを目的とするものである。

上述した課題を解決するために、第１の本発明は、電機子巻線群を有する固定子と、
永久磁石による界磁極を有する回転子と、
制御電流が供給され、前記永久磁石からの磁束の磁路形成部の磁気抵抗を変化させる制御巻線群と、
前記制御巻線群に流れる前記制御電流を制御することによって、前記電機子巻線群に誘起される電圧を制御する制御回路とを備えた、永久磁石回転電機である。

また、第２の本発明は、インバータにて駆動される電機子巻線群と他の電機子巻線群と
を有する固定子と、
永久磁石による界磁極を有する回転子と、
制御電流が供給され、前記永久磁石からの磁束の磁路形成部の磁気抵抗を変化させる制御巻線群と、
前記制御巻線群に流れる前記制御電流を制御することによって、前記電機子巻線群に誘起される電圧を制御する制御回路とを備えた、永久磁石回転電機である。

また、第３の本発明は、インバータにて駆動される電機子巻線群を有する固定子と、
永久磁石による界磁極を有する回転子と、
制御電流が供給され、前記永久磁石からの磁束の磁路形成部の磁気抵抗を変化させる制御巻線群と、
前記制御巻線群に流れる前記制御電流を制御することによって、前記電機子巻線群に誘起される電圧を制御する制御回路とを備えた、永久磁石回転電機である。

また、第４の本発明は、前記電機子巻線群は、前記固定子歯部に半径方向に巻線されている、第１〜３の本発明のいずれかの永久磁石回転電機である。

また、第５の本発明は、前記電機子巻線群は、前記固定子ヨーク部に円周方向に巻線されている、第１〜３の本発明のいずれかの永久磁石回転電機である。

また、第６の本発明は、前記制御巻線群は、前記永久磁石からの磁束の磁路形成部に巻線されている、第１〜３の本発明のいずれかの永久磁石回転電機である。

また、第７の本発明は、前記制御巻線群は、前記固定子のヨーク部または歯部または双方にて回転軸方向に巻線されている、第１〜３の本発明のいずれかの永久磁石回転電機である。

また、第８の本発明は、前記制御巻線群は、（１）前記固定子のヨーク部内に設けられた円周方向に平行な空隙の上下にて各々円周方向に、（２）または前記固定子の歯部内に設けられた半径方向に平行な空隙の上下にて各々半径方向に、（３）または双方にて巻線され、前記永久磁石からの磁束により誘起される電圧を互いに打ち消すように接続されている、第１〜３の本発明のいずれかの永久磁石回転電機である。

また、第９の本発明は、前記制御回路は、前記電機子巻線の出力に接続された整流平滑回路の出力電圧を検出する、第１〜３の本発明のいずれかの永久磁石回転電機である。

また、第１０の本発明は、前記制御回路は、前記電機子巻線の出力電圧のピーク値を検出する、第１〜３の本発明のいずれかの永久磁石回転電機である。

また、第１１の本発明は、前記制御回路は、電機子巻線出力に接続された整流回路の出力電流を検出する、第１〜３の本発明のいずれかの永久磁石回転電機である。

また、第１２の本発明は、前記制御巻線群に供給される電流は、ＤＣ電流である、第１〜３の本発明のいずれかの永久磁石回転電機である。

また、第１３の本発明は、前記制御巻線群は、直列接続されている、第１〜３の本発明のいずれかの永久磁石回転電機である。

また、第１４の本発明は、前記制御巻線群に供給されるＤＣ電流は、前記電機子巻線の出力に接続された整流回路を経由して接続されるコンデンサより供給される、第１２の本発明の永久磁石回転電機である。

また、第１５の本発明は、前記制御巻線群に供給される電流は、前記電機子巻線の誘起起電力周波数より高い周波数成分を有する、第１〜３の本発明のいずれかの永久磁石回転電機である。

また、第１６の本発明は、前記制御巻線群に供給される電流は、正方向電流のみで構成されている、第１５の本発明の永久磁石回転電機である。

また、第１７の本発明は、前記制御巻線群に供給される電流は、正方向および負方向電流にて構成されている、第１５の本発明の永久磁石回転電機である。

また、第１８の本発明は、前記制御巻線群は、前記固定子のヨーク部にて円周方向にまたは歯部にて半径方向に巻線されている、第１７の本発明の永久磁石回転電機である。

また、第１９の本発明は、前記制御巻線群に供給される電流は、前記制御巻線群自身の誘起起電力により供給される、第１８の本発明の永久磁石回転電機である。

また、第２０の本発明は、前記制御巻線群に供給される電流は、周波数制御される、第１５〜１８の本発明のいずれかの永久磁石回転電機である。

また、第２１の本発明は、前記電機子巻線群が駆動されるインバータは、高圧系バッテリーを電源とし、前記他の電機子巻線出力は整流回路を経由し低圧系バッテリーと接続されており、
前記高圧系バッテリーは、第１の所定の電圧より高い電圧を供給し、前記低圧系バッテリーは、前記第１の所定の電圧より低い電圧である第２の所定の電圧より低い電圧を供給する、第２の本発明の永久磁石回転電機である。

また、第２２の本発明は、前記他の電機子巻線の出力には整流回路が接続されており、
前記整流回路は、制御機能を有している、第２の本発明の永久磁石回転電機である。

また、第２３の本発明は、第１〜３の本発明のいずれかの永久磁石回転電機を搭載した車両である。

また、第２４の本発明は、第１〜３の本発明のいずれかの永久磁石回転電機を搭載した風力発電機システムである。

また、第２５の本発明は、第１〜３の本発明のいずれかの永久磁石回転電機を搭載したエンジン発電機である。

また、第２６の本発明は、電機子巻線群を有する固定子と、
永久磁石による界磁極を有する回転子とを備えた永久磁石回転電機を制御する永久磁石回転電機の制御方法であって、
制御電流が供給される制御巻線群によって、前記永久磁石からの磁束の磁路形成部の磁気抵抗を変化させる磁気抵抗変化ステップと、
前記制御巻線群に流れる前記制御電流を制御することによって、前記電機子巻線群に誘起される電圧を制御する制御ステップとを備えた、永久磁石回転電機の制御方法である。

また、第２７の本発明は、インバータにて駆動される電機子巻線群と他の電機子巻線群とを有する固定子と、
永久磁石による界磁極を有する回転子とを備えた永久磁石回転電機を制御する永久磁石回転電機の制御方法であって、
制御電流が供給される制御巻線群によって、前記永久磁石からの磁束の磁路形成部の磁気抵抗を変化させる磁気抵抗変化ステップと、
前記制御巻線群に流れる前記制御電流を制御することによって、前記電機子巻線群に誘起される電圧を制御する制御ステップとを備えた、永久磁石回転電機の制御方法である。

また、第２８の本発明は、インバータにて駆動される電機子巻線群を有する固定子と、
永久磁石による界磁極を有する回転子とを備えた永久磁石回転電機を制御する永久磁石回転電機の制御方法であって、
制御電流が供給される制御巻線群によって、前記永久磁石からの磁束の磁路形成部の磁気抵抗を変化させる磁気抵抗変化ステップと、
前記制御巻線群に流れる前記制御電流を制御することによって、前記電機子巻線群に誘起される電圧を制御する制御ステップとを備えた、永久磁石回転電機の制御方法である。

第１の本発明の構成により、永久磁石回転電機の電機子巻線出力端子電圧を一定に制御する場合にも、大型の半導体を用いた変換機や大きなリアクトル、電流センサーや機械的変位機構等を必要としないため、簡素で部品点数が少なく小型で、しかも信頼性に非常に優れた、低価格な永久磁石回転電機を構成することができる。

第２の本発明の本構成により、永久磁石回転電機の電機子巻線出力端子電圧を一定に制御する場合にも、大型の半導体を用いた変換機や大きなリアクトル、電流センサーや機械的変位機構等を必要とせず、また第２の電機子巻線出力時にも整流出力をチョッパー回路等で制御する必要がないため、簡素で部品点数が少なく小型で、しかも信頼性に非常に優れた、低価格な永久磁石回転電機を構成することができる。

第３の本発明の構成により、インバータにて回転制御する場合、制御巻線による操作を追加するのみで高速まで回転可能であるため、電機子巻線の巻数の削減等のトルク低下となる対策によらず高トルク、高速回転可能な永久磁石回転電機を構成することができる。

本発明の永久磁石回転電機によれば、永久磁石回転電機の電機子巻線出力端子電圧を一定に制御する場合、制御巻線の電流を変化させることのみで可能であるため、大型の半導体を用いた変換機や大きなリアクトル、電流センサーや機械的変位機構等を必要としない。また、インバータにて回転制御する場合、制御巻線による操作を追加するのみで高速まで回転可能であるため、電機子巻線の巻数の削減等のトルク低下となる対策によらず高トルク、高速回転可能な永久磁石回転電機、永久磁石回転電機の制御方法、車両、風力発電機システム、及びエンジン発電機を構成することができる。

したがって、簡素で部品点数が少なく小型で、しかも信頼性に非常に優れた、低価格な永久磁石回転電機、永久磁石回転電機の制御方法、車両、風力発電機システム、及びエンジン発電機を構成できる効果を有している。

以下、本発明の永久磁石回転電機の各実施形態について、図１から図２９を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態の永久磁石回転電機について、図１〜図１０を参照しつつ説明する。図１は本発明の第１の実施形態の永久磁石回転電機１および周辺回路を含むエンジン発電機構成時のブロック図である。図２と図３は制御巻線群６が固定子ヨーク部２ａに、図４と図５は制御巻線群６が固定子歯部２ｂに回転軸方向に巻線される時の永久磁石回転電機１の断面図および側面図である。また、図６（ａ）は固定子２を形成する材料の磁化特性、図６（ｂ）は固定子磁気抵抗制御部２ｃの透磁率と制御巻線電流の関係を示す図である。図７は永久磁石５のＮ極からＳ極への磁路形成部を模式化した図である。図８（ａ）は制御巻線電流がないときの永久磁石回転電機１内のベクトル図、図８（ｂ）は制御巻線電流があるときの永久磁石回転電機１内のベクトル図である。また、図９は電機子巻線電流と電機子巻線端子電圧ピーク値の関係を表す図である。図１０は制御回路７の具体的回路例である。

図１は第１の実施形態の永久磁石回転電機によるエンジン発電機の構成を示している。永久磁石回転電機１は、永久磁石５による界磁極を有する回転子４と電機子巻線群３および永久磁石５からの磁束の磁路形成部に巻線される制御巻線群６を有する固定子２とで構成される。回転子４はエンジン８により回転される。電機子巻線群３の出力端子は負荷９および制御回路７に接続され、また制御巻線群６は制御回路７に接続される。制御回路７は電機子巻線群３の出力端子に接続される整流平滑回路７ｃおよびピーク電圧検知回路７ｂと制御巻線群６に接続される制御巻線電流変更回路７ａにより構成される。

永久磁石回転電機１は、一定速にて回転するエンジン８により回転子４が回転される。回転子４に組み込まれた永久磁石５により回転磁界が発生し、固定子２に巻かれている電機子巻線群３に電圧（誘起起電力）が誘起される。電機子巻線群３の出力端子に接続された負荷９により電機子巻線群３に電流が流れる。図８（ａ）に示すように電機子巻線群３に電流（ベクトルＩ）が流れると電機子巻線の巻線抵抗（R）による電圧降下（ベクトルRI）および電機子巻線のインダクタンス（L）による電圧降下（ベクトルωＬＩ）による合成電圧降下（ベクトルＺＩ）が生じる。これは電機子反作用による電圧降下と呼ばれている。そのため電機子巻線の端子電圧（ベクトルＯＢ）は、電機子巻線に発生する誘起起電力（ベクトルＯＡ）より電機子反作用による降下分（ベクトルＢＡ）低下する。さらに負荷９が重くなり電機子巻線電流が大きくなると電機子反作用での降下分も大きくなり（ベクトルＣＡ）、電機子巻線の端子電圧はさらに低下する（ベクトルＯＣ）。

図２および図３は三相集中巻き式の埋め込み磁石型同期発電機の固定子ヨーク部に制御巻線を適用したときの断面図および側面図である。図３（ａ）は、Ｘ方向の側面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）におけるＡ−Ａ‘の断面図である。

図２に示すように回転子４に埋め込まれた永久磁石５のＮ極から発生する磁束５ａは、その磁路形成部である回転子４、回転子４と固定子歯部２ｂの間の空隙、対向する固定子歯部２ｂを通過し左右の固定子ヨーク部２ａ、固定子歯部２ｂ、空隙、回転子４を経由し永久磁石５のＳ極に流れる。各固定子歯部２ｂには電機子巻線３が備えられており、通過する磁束（Φ）により電機子巻線３に誘起起電力（ｅ_ｏ）が発生する。この誘起起電力（ｅ_ｏ）は、磁束（Φ）電機子巻線巻数（Ｎ）磁石対数（ｐ）回転数（ｆ）との間に次の関係がある。

ｅ_o∝Φ×Ｎ×ｐ×ｆ
また、永久磁石５の磁化力により作り出される磁束は前記磁路形成部を形成する部分の材質、形状により決まる磁気抵抗と呼ばれる特性により通過する磁束量が異なる。図７はこの磁路形成部を模式化した図である。回転子４の部分はその影響が無視できるほどであるので省略している。空隙部分の長さｌ_ｏ、断面積Ｓ_ｏ、固定子歯部の長さｌ_１、断面積Ｓ_１、固定子ヨーク部の長さｌ_２、断面積Ｓ_２、空隙の透磁率μ_０、固定子材質の透磁率μ_ｅとすると磁路形成部の磁気抵抗Ｒは次式で示される。

Ｒ＝２（ｌ_ｏ／（μ_０Ｓ_ｏ）＋ｌ_１／（μ_ｅＳ_１）＋ｌ_２／（μ_ｅＳ_２））
固定子２に用いられる材質は主として図６ａに示されるような非線形な磁化特性を持つ強磁性体であり、通常使用域においてはその透磁率μeは空隙の材質である空気の数千〜数万倍の値である。したがって通常状態においては、磁気抵抗Rは次式となる。

Ｒ≒２ｌ_o／（μ₀Ｓ_o）
図３（ａ）のＸ方向側面図に示すように制御巻線６は固定子ヨーク部２ａに回転軸方向に巻かれており、矢印に示すような制御巻線磁束６ａが流れる。永久磁石磁束５ａは、固定子歯部２ｂを通過後矢印に示すように左右に分かれ、再び左右の固定子歯部２ｂに流れる。図面中、◎印は図面より垂直方向に出る方向、×印は図面に垂直方向に入る方向を表す。図３（ａ）のＸ方向側面図、図３（ｂ）のＡ−Ａ′断面図において固定子ヨーク部２ａの下の部分は永久磁石磁束５ａに制御巻線磁束６ａが加わる。このとき、左右の固定子歯部２ｂ近辺の固定子ヨーク部２ａでは上の部分にて永久磁石磁束５ａに制御巻線磁束６ａが加わる。永久磁石磁束５ａに制御巻線磁束６ａが加わることで、図６ａに示した磁化特性にて磁化エネルギーがＨ１からＨ２に移行し、磁束密度もＢ１からＢ２となりΔＢとΔＨの比である透磁率がμ１からμ２に低下する。さらに、制御巻線磁束６ａを増やすことで、透磁率はμ３とさらに低下する。制御巻線磁束６ａは制御巻線６の巻数および制御巻線６に流す電流によって定まることはいうまでもない。図６ｂは制御巻線電流と固定子磁気抵抗制御部２ｃの透磁率の関係を示している。制御巻線磁束６ａが加わることで、図７に示した斜線部の固定子磁気抵抗制御部２ｃの透磁率μ_eは空隙の透磁率μ₀に近づいてくる。また、空隙部分の長さｌ_oに対して固定子ヨーク部の長さｌ₂は数十〜数百倍のため、制御巻線磁束６ａが加わるときの磁気抵抗Rは次式に変化し、磁気抵抗Ｒは大きくなる。

Ｒ≒２（ｌ_ｏ／（μ_０Ｓ_ｏ）＋ｌ_２／（μ_ｅＳ_２））
永久磁石５の起磁力は一定のため磁路形成部を流れる磁束（Φ）と、磁気抵抗Ｒとの積Φ×Ｒは一定であるが、制御巻線磁束６ａが加わることで磁気抵抗Ｒが大きくなり磁束（Φ）は減少する。

したがって、電機子巻線３に発生する誘起起電力（ｅ_ｏ）は低下する。

図８（ｂ）は制御巻線６に流す電流にて電機子巻線３の端子電圧を一定に制御するときのベクトル図である。電機子巻線３の端子電圧（ベクトルＯＣ）を端子電圧（ベクトルＯＤ）に制御する場合、電機子巻線３の端子電圧（ベクトルＯＤ）に電機子反作用での降下分（ベクトルＤＤ′）を加えた誘起起電力（ベクトルＯＤ′）になるように磁気抵抗Ｒを制御巻線磁束６ａを加えることで制御する。負荷が軽い場合は、その電流での電機子反作用での降下分（ベクトルＥＥ′）を加えた誘起起電力（ベクトルＯＥ′）に制御する。無負荷時は、誘起起電力（ベクトルＯＦ）に制御され電機子巻線３の端子電圧となる。電機子巻線３の端子電圧は、制御により誘起起電力をＡＤ′Ｅ′Ｆと変化させることで円弧ＤＥＦを移動する。また、電機子巻線のインダクタンス（Ｌ）は巻数の二乗を磁気抵抗Ｒで除したものであるため磁気抵抗Ｒが大きくなることで小さくなる。そのため、図８（ｂ）には記載していないが、電機子反作用降下分のうちインダクタンス（L）による電圧降下（ベクトルωLI）が小さくなるため制御幅が拡大される。図９は制御巻線電流の有無による電機子巻線端子電圧と電機子巻線電流の特性図である。制御巻線電流がないときは、図８（ａ）のＡＢＣ線上を移動する特性となり、電機子巻線端子電圧は電機子巻線電流の増加にしたがい低下する。制御巻線電流があるときは、図８（ｂ）のＦＥＤ線上を移動する特性となり電機子巻線端子電圧は一定となる。

回転子４が回転し永久磁石５の極性がＳ極になった場合は、図２および図３の永久磁石磁束５ａの方向が逆になり固定子ヨーク部２ａの上の部分で永久磁石磁束５ａに制御巻線磁束６ａが加わるようになることのみが異なり動作は同じである。

また、図３に示すように固定子ヨーク部２ａの制御巻線６が巻線される部分には永久磁石磁束５ａは通過しないため、制御巻線６には永久磁石磁束５ａによる電圧は発生しない。そのため、制御巻線電流の操作はＤＣ電流にて可能であり制御回路７が簡素化できる。

図１０は制御回路７の具体的回路の一例である。電機子巻線群３の出力端子に接続される整流平滑回路７ｃはダイオード７ｃ１およびコンデンサ７ｃ２にて構成され制御回路７の電源を作成する。電機子巻線群３の出力端子は一定に制御されるため、コンデンサ７ｃ２の電圧も一定となる。この回路例においては半波整流回路を用いているが、全波整流回路やさらにＤＣ−ＤＣコンバータを用いれば電源電圧がより安定し制御精度はさらに向上する。また、回路例においては電機子巻線群３の出力端子より制御回路７の電源を作成しているが、他のＤＣ電源やバッテリーでも問題はない。ピーク電圧検知回路７ｂは電機子巻線群３の出力端子に接続されるダイオード７ｂ１、コンデンサ７ｂ２によりピーク電圧を検出する。コンデンサ７ｂ２は、電機子巻線群３の出力周波数の１サイクル間一定電圧以上を確保するためのものである。抵抗７ｂ３、７ｂ４にて検知電圧を分割し、制御巻線電流変更回路７ａの制御用増幅器７ａ９に入力する。制御巻線電流変更回路７ａ内の制御用増幅器７ａ９にて基準電圧７ａ８と比較し、抵抗７ａ５経由にてトランジスタ７ａ２のベース電流を制御する。抵抗７ａ６およびコンデンサ７ａ７は負帰還回路である。電機子巻線群３の出力端子電圧が上昇した場合、制御用増幅器７ａ９の入力電位が上昇することで制御用増幅器７ａ９の出力電位が低下しトランジスタ７ａ２のベース電流を増加させる。コンデンサ７ｃ２よりトランジスタ７ａ１、抵抗７ａ３、トランジスタ７ａ２、抵抗７ａ４により増幅された電流が制御巻線群６に供給され、制御巻線磁束６ａが増加する。固定子磁気抵抗制御部２ｃの磁気抵抗Ｒが大きくなり誘起電圧が低下することで、電機子巻線群３の出力端子電圧は低下し一定に制御される。なお、図１０は制御回路７の一例であり、種々の回路にて構成でき、この限りではない。

制御巻線群６には前述のように電圧発生がないため、回路例のように直列に接続可能であり制御電流が大きく削減可能である。もちろん並列接続も可能である。

図４と図５は制御巻線群６が固定子歯部２ｂに回転軸方向に巻線される時の永久磁石回転電機１の断面図および側面図である。図５（ａ）は、側面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）におけるＢ−Ｂ’断面図である。固定子磁気抵抗制御部２ｃが固定子ヨーク部２ａから固定子歯部２ｂに変わるのみで動作は同じである。

以上説明したように、第１の実施形態の永久磁石回転電機は電機子巻線の出力端子電圧を一定に制御する場合、特許文献１にて開示されている無効電流調整装置や、特許文献２にて開示の軸方向変位機構を使用することなく、磁路形成部に巻線された制御巻線のＤＣ電流を変化させることのみで可能である。

したがって、永久磁石回転電機の電機子巻線出力端子電圧を一定に制御する場合、制御巻線のＤＣ電流を変化させることのみで可能であるため、大型の半導体を用いた変換機や大きなリアクトル、電流センサーや機械的変位機構等を必要としないため、簡素で部品点数が少なく小型で、しかも信頼性に非常に優れた、低価格な永久磁石回転電機およびエンジン発電機を構成することができる。

なお、本実施形態においては、電機子巻線を固定子歯部に備えた事例を記載しているが、固定子ヨーク部に備えてもよい。たとえば、制御巻線を固定子歯部に電機子巻線を固定子ヨーク部に備える場合である。

また、本実施形態においては、永久磁石回転電機として三相集中巻き式の埋め込み磁石型同期発電機の事例を記載しているが、相数、巻線方式、界磁方式によらずいかなる回転電機においても実施可能である。

また、本実施形態においては、永久磁石回転電機として１出力の三相集中巻き式の埋め込み磁石型同期発電機の事例を記載しているが、多出力巻線の場合にも実施可能であり、各々の出力巻線に対して制御回路を設ければ、各々独自に制御可能である。また、巻線界磁式回転電機の多出力巻線にて１出力を巻線界磁の磁束にて制御し、他の巻線を本実施形態の磁気抵抗制御にて制御を行うことも実施可能である。

また、本実施形態においては、制御巻線電流をＤＣ電流にての制御事例を記載しているが、ＡＣ電流にても実施可能である。

また、本実施形態においては、永久磁石回転電機がエンジンにより回転される場合を記載しているが、電動機やガスタービンにて回転される場合も同様である。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態の永久磁石回転電機について、図１１〜図１４を参照し説明する。本発明の第２の実施形態の永久磁石回転電機は、第１の実施形態と磁路形成部の磁気抵抗を変化させるための制御巻線の巻線方法および磁束の流れのみが異なるため、その部分についてのみ説明し、第１の実施形態の永久磁石回転電機におけるものと同じ機能、構成を有するものには同じ符号を付してその説明を省略する。また、他の動作についても第１の実施形態と同一のため省略する。

図１１と図１２は、制御巻線群６が固定子ヨーク部２ａ内に設けられた円周方向に平行な空隙の上下にて各々円周方向に巻線される時の永久磁石回転電機の断面図および側面図である。図１２（ａ）は、Ｘ方向側面図であり、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）におけるＡ−Ａ‘断面図である。また、図１３と図１４は、制御巻線群６が固定子歯部２ｂ内に設けられた半径方向に平行な空隙の上下にて各々半径方向に巻線される時の永久磁石回転電機の断面図および側面図である。

図１２（ａ）のＸ方向側面図において、円周方向に平行な空隙の上下に巻線される各々の制御巻線６は、永久磁石磁束５ａにより誘起される電圧を互いに打ち消すように接続されている。たとえば、上下に巻線される各々の制御巻線６は、巻数および巻き方向を同一とし、巻き終わり同士を接続することで巻き始め端子間には誘起される電圧が互いに打ち消され電圧発生がない。したがって、第１の実施形態と同様にＤＣ電流にての操作が可能であり、制御回路７が簡素化できる。この巻き始め端子間にＤＣ電流を流すことで、図１２（ａ），（ｂ）に示すような上下の制御巻線6間を流れる閉ループの制御巻線磁束６ａが発生する。図１２（ａ）のＸ方向側面図、図１２（ｂ）のＡ−Ａ′断面図において固定子ヨーク部２ａの上の部分にて永久磁石磁束５ａに制御巻線磁束６ａが加わる。永久磁石磁束５ａに制御巻線磁束６ａが加わることで固定子磁気抵抗制御部２ｃの磁気抵抗が変化し、電機子巻線群３の端子電圧が一定に制御される。図１３と図１４は固定子磁気抵抗制御部２ｃが固定子ヨーク部２ａから固定子歯部２ｂに変わるのみで動作は同じである。

以上説明のように、本実施形態の永久磁石回転電機においても、第１の実施形態と同様に、電機子巻線の出力端子電圧を一定に制御する場合、特許文献１にて開示されている無効電流調整装置や、特許文献２にて開示の軸方向変位機構を使用することなく、磁路形成部に巻線された制御巻線のＤＣ電流を変化させることのみで可能である。

したがって、永久磁石回転電機の電機子巻線出力端子電圧を一定に制御する場合、制御巻線のＤＣ電流を変化させることのみで可能であるため、大型の半導体を用いた変換機や大きなリアクトル、電流センサーや機械的変位機構等を必要としないため、簡素で部品点数が少なく小型で、しかも信頼性に非常に優れた、低価格な永久磁石回転電機およびエンジン発電機を構成することができる。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態の永久磁石回転電機について、図１５〜図１９を参照し説明する。本発明の第３の実施形態の永久磁石回転電機は、第１の実施形態と磁路形成部の磁気抵抗を変化させるための制御巻線の巻線方法および制御巻線を流れる電流が電機子巻線の誘起起電力周波数より高い周波数成分を有することのみが異なるため、その部分についてのみ説明し、第１の実施形態の永久磁石回転電機におけるものと同じ機能、構成を有するものには同じ符号を付してその説明を省略する。また、他の動作についても第１の実施形態と同一のため省略する。

図１５（ａ）は、制御巻線群６が固定子歯部２ｂ内の回転軸方向上部に巻線される時の回転軸上方よりみた永久磁石回転電機の部分平面図である。図１５（ｂ）はそのＡ−Ａ′‘’にての部分断面図である。図１６は固定子を形成する強磁性体に印加される交流周波数とその交流透磁率変化を示す図である。図１７（ａ）は制御巻線群６に電機子巻線の誘起起電力周波数より高い周波数成分を含む電流を流すためのブロック図であり、図１７（ｂ）は制御巻線群６に流れる電流波形である。

図１５（ａ）および（ｂ）に示すように制御巻線群６は固定子歯部２ｂの上部に回転軸方向に巻線されている。そのため永久磁石磁束５ａは制御巻線群６と鎖交しないため、制御巻線群６には永久磁石磁束５ａによる電圧は発生しない。図１７（ａ）のブロック図に示すように、第１の実施形態における図１の制御回路７からの出力を受け周波数変換回路１６内のＶ−ｆ変換回路１６ａにより電圧に応じた周波数に変換されドライブ回路１６ｂによりスイッチ１６ｃをオンオフする。スイッチ１６ｃのオンにより制御巻線６１には低圧系バッテリー１３から制御巻線６１の有するインダクタンス値により決定される三角波電流が流れる。

スイッチ１６ｃがオフすると、オンにより制御巻線６１に蓄えられた励磁エネルギーは制御巻線６２に逆起電力を発生させダイオード１６ｄを経由し低圧系バッテリー１３にもどされる。

なお、Ｖ−ｆ変換回路１６ａは最低周波数の設定を電機子巻線の誘起起電力周波数としておく。このようにして、制御巻線６１および制御巻線６２が巻線される固定子歯部２ｂには電機子巻線の誘起起電力周波数より高い交流周波数の磁束が印加される。電機子巻線群３ａの端子電圧が高い場合制御回路７の出力は高くなり、Ｖ−ｆ変換回路１６ａの出力周波数は電機子巻線の誘起起電力周波数ｆｏより高いｆ１となる。制御巻線６１および制御巻線６２に流れる電流により固定子歯部２ｂの制御巻線群６の巻線された斜線部には交流周波数ｆ１の磁束が印加される。図１６に示すように、固定子を形成する強磁性体は印加される周波数の増加により交流透磁率が低下する特性がある。固定子歯部２ｂの斜線部の透磁率は永久磁石磁束５ａの周波数ｆｏのときの交流透磁率μｏから交流周波数ｆ１の交流透磁率μ１となり、磁気抵抗が大きくなる。そのため電機子巻線群３ａに鎖交する磁束が低下し、電機子巻線群３ａに誘起される電圧が低下する。さらに電機子巻線群３ａの端子電圧が高い場合は、制御電流周波数をｆ２としさらに交流透磁率μ２とすることで誘起される電圧を低下させる。このように制御巻線電流の周波数を周波数制御させることで電機子巻線群３ａの端子電圧を一定に制御することができる。

第１および第2の実施形態に比較して制御電流を増加させることなく、交流周波数成分の周波数を変化させることで制御可能である。

なお制御巻線電流値は制御巻線の有するインダクタンス値により決定されるため制御巻線の巻数にて調整する。また制御巻線６２の巻数を制御巻線６１の巻数より多くすることにより低圧系バッテリー１３の電圧より確実に高くすることも可能である。また制御巻線電流波形として、不連続電流時の場合を説明したが、直流分を含んだ連続電流でも同様である。

また図１７（ａ）のブロック図にては制御巻線６１および制御巻線６２を用いたが１巻線にてももちろん可能である。

また本発明の第３の実施形態の他の一例を図１８、図１９にて説明する。図１８に示すように制御巻線群６は固定子歯部２ｂに電機子巻線群３と同様に巻線されている。そのため制御巻線６には電機子巻線３と同様に誘起起電力が発生する。図１９（ａ）は制御巻線群６に電機子巻線の誘起起電力周波数より高い周波数成分を含む電流を流すためのブロック図であり、図１９（ｂ）は制御巻線の電圧、スイッチ１６ｃの電流および制御巻線６に流れる電流波形である。

図１９（ａ）に示すように周波数変換回路１６のスイッチ１６ｃは制御巻線群６に接続された整流回路１１の出力に接続される。スイッチ１６ｃオンにより整流回路１１の出力は短絡され、制御巻線６の有するインダクタンス値により決定される三角波電流が流れる。スイッチ１６ｃオフにより制御巻線６に蓄えられた励磁エネルギーはダイオード１６ｄを経由し低圧系バッテリー１３に充電される。このように制御巻線群６に誘起起電力周波数より高い交流周波数成分の電流を流すことで、同様に固定子歯部２ｂには電機子巻線の誘起起電力周波数より高い交流周波数の磁束が印加され磁気抵抗の上昇により電機子巻線の端子電圧を抑制し、周波数制御することで一定に制御できる。

図１９（ｂ）は整流回路１１が全波整流回路のときの各波形であり制御巻線６の電流は電機子巻線の誘起起電力周波数を含み同一位相である。したがって電機子巻線に鎖交する磁束を打ち消す減磁効果も有している。

以上説明のように、本実施形態の永久磁石回転電機においても、第１の実施形態と同様に、電機子巻線の出力端子電圧を一定に制御する場合、特許文献１にて開示されている無効電流調整装置や、特許文献２にて開示の軸方向変位機構を使用することなく、磁路形成部に巻線された制御巻線の電流を変化させることのみで可能である。

したがって、永久磁石回転電機の電機子巻線出力端子電圧を一定に制御する場合、制御巻線の電流を変化させることのみで可能であるため、大型の半導体を用いた変換機や大きなリアクトル、電流センサーや機械的変位機構等を必要としないため、簡素で部品点数が少なく小型で、しかも信頼性に非常に優れた、低価格な永久磁石回転電機およびエンジン発電機を構成することができる。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態の永久磁石回転電機について、図２０〜図２５を参照し説明する。図２０は本発明の第４の実施形態の永久磁石回転電機１および周辺回路を含む車両搭載時のブロック図である。永久磁石回転電機１は、永久磁石５による界磁極を有する回転子４とインバータ１０により駆動される電機子巻線群３ａおよび整流回路１１経由にて低圧系バッテリー１３に接続される他の電機子巻線群３ｂ、そして永久磁石５からの磁束の磁路形成部に巻線される制御巻線群６を有する固定子２で構成される。回転子４は車両のエンジン８により回転される。インバータ１０は高圧系バッテリー１２を電源としている。制御巻線群６は、制御回路７に接続される。制御回路７は、低圧系バッテリー１３に接続される電圧検知回路７ｄと制御巻線群６に接続される制御巻線電流変更回路７ａにより構成される。図２１と図２２は、制御巻線群６が固定子ヨーク部２ａに回転軸方向に巻線される時の永久磁石回転電機１の断面図および側面図である。また、図２３と図２４は、制御巻線群６が固定子ヨーク部２ａ内に設けられた円周方向に平行な空隙の上下にて、各々円周方向に巻線される時の永久磁石回転電機１の断面図および側面図である。図２５は制御巻線電流の有無による永久磁石回転電機１の回転数と低圧系バッテリー１３の電圧の関係を示す図である。

第１の実施形態の永久磁石回転電機におけるものと同じ機能、構成を有するものには同じ符号を付してその説明を省略する。永久磁石回転電機１は、交差点等でのアイドリングストップ後の始動や高速運転での加速力アップ時のエンジンアシスト動作時には、高圧系バッテリー１２を電源としてインバータ１０により駆動される電機子巻線群３ａにてモーターとして動作する。また、ブレーキ時や高速回転時などには発電機として動作し高圧系バッテリー１２を充電する。他の電機子巻線群３ｂは回転子４からの回転磁界により常時発電機として動作し、整流回路１１経由にて低圧系バッテリー１３を充電する。制御回路７の電圧検知回路７ｄにて低圧系バッテリー１３の電圧を検知し、その電圧が一定になるよう制御巻線電流変更回路７ａにより低圧系バッテリー１３から制御巻線群６に流れる電流を制御する。この制御巻線電流に応じて磁路形成部の磁気抵抗が変化し、電機子巻線群３ｂの誘起起電力が低圧系バッテリー１３の電圧が一定になるよう変化する。

図２５は、永久磁石回転電機１の回転数変化による低圧系バッテリー１３の電圧特性である。制御巻線電流がないときは電機子巻線群３ｂの誘起起電力が回転数に比例し変化するため、低圧系バッテリー１３の電圧も同様に上昇する。制御巻線電流があるときは、電機子巻線群３ｂの誘起起電力が制御されるため、低圧系バッテリー１３の電圧も一定となる。本実施形態の永久磁石回転電機１は図２１と図２２に示すように、制御巻線群６は電機子巻線群３ｂが巻線される固定子歯部２ｂの左右の固定子ヨーク部２ａに設けられている。制御巻線磁束６ａが、固定子ヨーク部２ａの下の部分にて永久磁石磁束５ａに加わり、この部分の磁気抵抗を変化させる。磁気抵抗、誘起起電力変化の動作については、第１の実施形態と同一のため省略する。

また、制御回路７の具体的回路例は示さないが、図１０にて示した回路例の整流平滑回路７ｃを削除したものにて問題はない。また、ピーク電圧検知回路７ｂは電圧検知回路７ｄとしても実施可能である。また、図２３と図２４に示したように、制御巻線群６が固定子ヨーク部２ａ内に設けられた円周方向に平行な空隙の上下にて各々円周方向に巻線される場合も同様に制御可能である。図２１〜図２４にては、制御巻線群６を固定子ヨーク部２ａに設けているが、図４、図５、図１３、図１４のように固定子歯部２ｂでも実施可能である。

なお、本実施形態においては高圧系バッテリー１２、低圧系バッテリー１３を記載しているが、コンデンサ、電気二重層コンデンサなどのエネルギー蓄積部品でも同様である。

また、整流回路１１の出力電流も検出しておけば、バッテリーの過充電も防止可能である。

なお、整流回路１１は整流動作のみでなく制御機能を持った構成にすれば、低回転数時に電機子巻線３ｂの誘起起電力が低圧系バッテリー１３の電圧以下になった場合にも昇圧し、低圧系バッテリー１３の電圧は一定となり、回転数に対しての制御幅は拡大される。

以上の説明のように、本実施形態の永久磁石回転電機においても、第１の実施形態と同様に電機子巻線の出力端子電圧を一定に制御する場合、特許文献１にて開示されている無効電流調整装置や、特許文献２にて開示の軸方向変位機構を使用することなく、また特許文献３にて開示の第２の電機子巻線出力時にも整流出力をチョッパー回路等で制御する必要もなく、磁路形成部に巻線された制御巻線のＤＣ電流を変化させることのみで可能である。

したがって、永久磁石回転電機の電機子巻線出力端子電圧を一定に制御する場合、制御巻線のＤＣ電流を変化させることのみで可能であるため、大型の半導体を用いた変換機や大きなリアクトル、電流センサーや機械的変位機構等を必要とせず、また、第２の電機子巻線出力時にも整流出力をチョッパー回路等で制御する必要がないため、簡素で部品点数が少なく小型で、しかも信頼性に非常に優れた、低価格な永久磁石回転電機および車両を構成することができる。

（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態の永久磁石回転電機について、図２６、図２７を参照し説明する。図２６は本発明の第５の実施形態の永久磁石回転電機１および周辺回路を含む電気自動車搭載時のブロック図である。永久磁石回転電機１は、永久磁石５による界磁極を有する回転子４とインバータ１０により駆動される電機子巻線群３および永久磁石５からの磁束の磁路形成部に巻線される制御巻線群６を有する固定子２で構成され車輪１４を回転させる。インバータ１０は高圧系バッテリー１２を電源としている。また、電機子巻線群３の出力端子は制御回路７に接続され、制御巻線群６も制御回路７に接続される。制御回路７は、電機子巻線群３の出力端子に接続される整流平滑回路７ｃ、およびピーク電圧検知回路７ｂと制御巻線群６に接続される制御巻線電流変更回路７ａにより構成される。第１〜第３の実施形態の永久磁石回転電機におけるものと同じ機能、構成を有するものには、同じ符号を付してその説明を省略する。

インバータ１０は永久磁石回転電機１を回転させるために、始動時および低速時は最大トルク／磁束制御によりトルク出力が最大になるように出力制御される。しかし高速回転域になってくると、電機子巻線群３に誘起される誘起起電力がインバータ１０の電源である高圧系バッテリー１２の電圧より高くなり、電機子巻線群３に電流が流れなくなり、車輪１４を回転できなくなってくる。そのため、インバータ１０の制御は弱め磁束制御と呼ばれる制御になり、電機子巻線群３の出力端子電圧を低下させ、インバータ１０による制御を可能にする。

図２７は永久磁石５より流れる磁束ψ_a、電機子巻線群３のインダクタンスＬ、電機子巻線群３に流れる電流ｉ_t、端子電圧ν_tの永久磁石５のＮ極方向をｄ軸、それよりπ／２進んだ方向をｑ軸としたときのベクトル図である。電機子巻線群３に流れる電流ｉ_t0はｑ軸からの位相をβ₀としたときｉ_q0、ｉ_d0に分解される。電機子巻線群３のインダクタンスＬのｄ軸、ｑ軸成分をＬ_d、Ｌ_qとすると、電機子反作用Ｌ_dｉ_d0、Ｌ_qｉ_q0により減磁され電機子巻線群３の鎖交磁束はψ_t0となる。この鎖交磁束ψ_t0により、電機子巻線群３の端子電圧はν_t0となる。電流位相をβ₀からβ_１にすることで、永久磁石５より流れる磁束ψ_aを減磁させる電機子反作用Ｌ_dｉ_d１は大きくなり、Ｌ_qｉ_q１は小さくなる。

電機子巻線群３の鎖交磁束はψ_t１と低下し、これによる電機子巻線群３の端子電圧もν_t１に低下する。しかし、電流位相βによる電機子巻線群３の鎖交磁束の減少は９０度までで最大になり、それ以上は低下しない。また、実際には、制御の精度、永久磁石回転電機個々のパラメータ等により９０度までは制御できず限界があり、高速回転数には限界がでてくる。電機子巻線群３の出力端子電圧がある電圧になると、電機子巻線群３の出力端子に接続されるピーク電圧検知回路７ｂおよび制御巻線電流変更回路７ａの動作により、制御巻線群６にＤＣ電流を流し始め固定子磁気抵抗制御部２ｃの磁気抵抗を変化させる。これにより、永久磁石５より流れる磁束はψ_a´と低下し、またインダクタンスＬもＬ´に低下するため電機子巻線群３の鎖交磁束はψ_t´に低下する。したがってこの鎖交磁束による電機子巻線群３の端子電圧もν_t´に低下する。そのため、インバータ１０は高圧系バッテリー１２より電機子巻線群３に電流を流し、車輪１４を回転できる。したがって、電機子巻線の巻数の削減等のトルク低下になる対策によらず高速回転ができるため、高トルク、高速回転可能な永久磁石回転電機が構成可能である。磁気抵抗、磁束変化の動作については、第１の実施形態と同一のため省略する。また、制御回路７も第１の実施形態と同一のため省略する。永久磁石回転電機１の具体的構成例も、第１および第２の実施形態に記載のものと同一で実施可能である。

以上説明のように、本実施形態の永久磁石回転電機においては、インバータを使用した弱め磁束制御方法での制御限界である最高回転数を、電機子巻線の巻数の削減等のトルク低下となる対策によらず、磁路形成部に巻線された制御巻線のＤＣ電流を変化させることのみでさらに高速にすることが可能である。

したがって、永久磁石回転電機をインバータにて回転制御する場合、制御巻線による操作を追加するのみで高速まで回転可能であるため、電機子巻線の巻数の削減等のトルク低下となる対策によらず、高トルク、高速回転可能な永久磁石回転電機および車両を構成することができる。

（第６の実施形態）
本発明の第６の実施形態の永久磁石回転電機について、図２８、図２９を参照し説明する。図２８は、本発明の第６の実施形態の永久磁石回転電機１および周辺回路を含む風力発電機構成時のブロック図である。永久磁石回転電機１は、永久磁石５による界磁極を有する回転子４と、電機子巻線群３ａおよび整流回路１１経由にて低圧系バッテリー１３に接続される他の電機子巻線群３ｂ、そして永久磁石５からの磁束の磁路形成部に巻線される制御巻線群６を有する固定子２で構成される。回転子４は、プロペラ等の風力により回転エネルギーを発生する回転体１５により回転される。電機子巻線群３ａの出力端子は負荷９および制御回路７に接続され、また制御巻線群６は制御回路７に接続される。制御回路７は電機子巻線群３ａの出力端子に接続されるピーク電圧検知回路７ｂと制御巻線群６に接続される制御巻線電流変更回路７ａにより構成され、低圧系バッテリー１３を電源とする。第１〜第４の実施形態の永久磁石回転電機におけるものと同じ機能、構成を有するものには同じ符号を付してその説明を省略する。

風力により回転エネルギーを発生する回転体１５により回転される回転子４は、永久磁石５による回転磁界を発生させる。電機子巻線群３ａおよび３ｂには回転磁界からの鎖交磁束による誘起起電力が発生し、負荷９に電力を供給し、また整流回路１１経由にて低圧系バッテリー１３を充電する。

図２９は、電機子巻線群３ａが巻線されている固定子歯部２ｂに制御巻線群６を回転軸方向に設けた場合の永久磁石回転電機１の事例を示している。電機子巻線群３ａの出力端子に接続されるピーク電圧検知回路７ｂと制御巻線群６に接続される制御巻線電流変更回路７ａの動作により、電機子巻線群３ａの出力端子電圧ピークを一定にするよう、低圧系バッテリー１３から制御巻線群６に電流を流し、電機子巻線群３ａの誘起起電力を制御する。磁気抵抗、誘起起電力変化の動作については、第１第１の実施形態と同一のため省略する。

また、制御回路７の具体的回路例は示さないが、図１０にて示した回路例の整流平滑回路７ｃを削除したものにて問題はない。回転体１５の回転数変化が大きく低圧系バッテリー１３の変動が大きくなる場合は、整流回路１１にDCＤＣ―DC−―ＤＣコンバータ等の制御機能を持たせるか、または電機子巻線群３ｂに対しても制御回路７および制御巻線群６を設ければよい。また、図２９は制御巻線群６が固定子歯部２ｂに回転軸方向に巻線される事例を示したが、第１〜第４の実施形態にて示した事例でも問題はない。

以上説明したように、第６の実施形態の永久磁石回転電機は、電機子巻線の出力端子電圧を一定に制御する場合、特許文献１にて開示されている無効電流調整装置や、特許文献２にて開示の軸方向変位機構を使用することなく、磁路形成部に巻線された制御巻線のＤＣ電流を変化させることのみで可能である。

したがって、永久磁石回転電機の電機子巻線出力端子電圧を一定に制御する場合、制御巻線のＤＣ電流を変化させることのみで可能であるため、大型の半導体を用いた変換機や大きなリアクトル、電流センサーや機械的変位機構等を必要としないため、簡素で部品点数が少なく小型で、しかも信頼性に非常に優れた、低価格な永久磁石回転電機および風力発電機を構成することができる。

本発明にかかる永久磁石回転電機、永久磁石回転電機の制御方法、車両、風力発電機システム、及びエンジン発電機は、簡素で小型、高信頼性の特徴を有し、発電機、モーター等として有用である。電気自動車等のモータージェネレーターや屋外用また可搬型発電機等の用途にも適用できる。

本発明の第１の実施形態の永久磁石回転電機１および周辺回路を含むエンジン発電機構成時のブロック図 本発明の第１の実施形態における制御巻線群６が固定子ヨーク部２ａに回転軸方向に巻線される時の永久磁石回転電機１の断面図 （ａ）本発明の第１の実施形態における制御巻線群６が固定子ヨーク部２ａに回転軸方向に巻線される時の永久磁石回転電機１の側面図 （ｂ）同図（ａ）のＡ−Ａ’面での断面図 本発明の第１の実施形態における制御巻線群６が固定子歯部２ｂに回転軸方向に巻線される時の永久磁石回転電機１の断面図 （ａ）本発明の第１の実施形態における制御巻線群６が固定子歯部２ｂに回転軸方向に巻線される時の永久磁石回転電機１の側面図 （ｂ）同図（ａ）のＡ−Ａ’面での断面図および断面図 （ａ）固定子２を形成する材料の磁化特性図 （ｂ）固定子磁気抵抗制御部２ｃの透磁率と制御巻線電流の関係を示す図 永久磁石５のＮ極からＳ極への磁路形成部を模式化した図 （ａ）制御巻線電流がないときの永久磁石回転電機１内のベクトル図 （ｂ）制御巻線電流があるときの永久磁石回転電機１内のベクトル図 電機子巻線電流と電機子巻線端子電圧ピーク値の関係を表す図 制御回路７の具体的回路例を示した図 本発明の第２の実施形態における制御巻線群６が固定子ヨーク部２ａ内に設けられた円周方向に平行な空隙の上下にて各々円周方向に巻線される時の永久磁石回転電機１の断面図 （ａ）本発明の第２の実施形態における制御巻線群６が固定子ヨーク部２ａ内に設けられた円周方向に平行な空隙の上下にて各々円周方向に巻線される時の永久磁石回転電機１の側面図 （ｂ）同図（ａ）のＡ−Ａ’面での断面図 本発明の第２の実施形態における制御巻線群６が固定子歯部２ｂ内に設けられた半径方向に平行な空隙の上下にて各々半径方向に巻線される時の永久磁石回転電機１の断面図 本発明の第２の実施形態における制御巻線群６が固定子歯部２ｂ内に設けられた円周方向に平行な空隙の上下にて各々円周方向に巻線される時の永久磁石回転電機１の側面図および断面図 （ａ）本発明の第３の実施形態における制御巻線群６が固定子歯部２ｂ内に回転軸方向に巻線される時の回転軸方向上方からみた永久磁石回転電機１の部分平面図 （ｂ）同図（ａ）のＡ−Ａ’面での部分断面図 固定子２を形成する材料の交流周波数と交流透磁率の関係を表す図 （ａ）本発明の第３の実施形態における制御巻線群６に電機子巻線の誘起起電力周波数より高い周波数成分を含む電流を流すためのブロック図 （ｂ）同図（ａ）の制御巻線６に流れる電流波形 本発明の第３の実施形態における他の一例の回転軸方向上方からみた永久磁石回転電機１の部分平面図 （ａ）本発明の第３の実施形態における他の一例の制御巻線群６に電機子巻線の誘起起電力周波数より高い周波数成分を含む電流を流すためのブロック図 （ｂ）同図（ａ）の制御巻線の電圧、スイッチ１６ｃの電流および制御巻線６に流れる電流波形 本発明の第４の実施形態の永久磁石回転電機１および周辺回路を含む車両搭載時のブロック図 本発明の第４の実施形態における制御巻線群６が固定子ヨーク部２ａに回転軸方向に巻線される時の永久磁石回転電機１の断面図 （ａ）本発明の第４の実施形態における制御巻線群６が固定子ヨーク部２ａに回転軸方向に巻線される時の永久磁石回転電機１の側面図 （ｂ）同図（ａ）のＡ−Ａ’面での断面図 本発明の第４の実施形態における制御巻線群６が固定子ヨーク部２ａ内に設けられた円周方向に平行な空隙の上下にて各々円周方向に巻線される時の永久磁石回転電機１の断面図 （ａ）本発明の第４の実施形態における制御巻線群６が固定子ヨーク部２ａ内に設けられた円周方向に平行な空隙の上下にて各々円周方向に巻線される時の永久磁石回転電機１の側面図 （ｂ）同図（ａ）のＡ−Ａ’面での断面図 永久磁石回転電機１の回転数変化による低圧系バッテリー１３の電圧特性図 本発明の第５の実施形態の永久磁石回転電機１および周辺回路を含む電気自動車搭載時のブロック図 永久磁石５より流れる磁束ψ_a、電機子巻線群３のインダクタンスＬ、電機子巻線群３に流れる電流ｉ_t、端子電圧ν_tの永久磁石５のＮ極方向をｄ軸、それよりπ／２進んだ方向をｑ軸としたときのベクトル図 本発明の第６の実施形態の永久磁石回転電機１および周辺回路を含む風力発電機構成時のブロック図 本発明の第６の実施形態における電機子巻線群３ａが巻線されている固定子歯部２ｂに制御巻線群６を回転軸方向に設けた場合の永久磁石回転電機１の断面図 従来の発電機巻線端子に無効電流調整装置を接続した永久磁石発電機の構成図 従来のロータないしステータを軸方向に変位させる軸方向変位機構を用いた永久磁石発電機の構成図 従来の第１の固定子巻線がインバータにて制御され第２の固定子巻線が制御機能を持った整流器にて制御される電動機兼用の発電機の構成図 従来の永久磁石回転電機１００を電気自動車に搭載した時のブロック図

符号の説明

１ 永久磁石回転電機
２ 固定子
２ａ 固定子ヨーク部
２ｂ 固定子歯部
３ 電機子巻線群
３ａ 電機子巻線群
３ｂ 他の電機子巻線群
４ 回転子
５ 永久磁石
５ａ 永久磁石磁束
６ 制御巻線群
６１，６２ 制御巻線
６ａ 制御巻線磁束
７ 制御回路
７ａ 制御巻線電流変更回路
７ｂ ピーク電圧検知回路
７ｃ 整流平滑回路
７ｄ 電圧検知回路
７ａ１，７ａ２ トランジスタ
７ａ３〜７ａ６，７ｂ３，７ｂ４ 抵抗
７ａ７，７ｂ２，７ｃ２ コンデンサ
７ａ８ 基準電圧
７ａ９ 制御用増幅器
７ｂ１，７ｃ１ ダイオード
８ エンジン
９ 負荷
１０ インバータ
１１ 整流回路
１２ 高圧系バッテリー
１３ 低圧系バッテリー
１４ 車輪
１５ プロペラ等の風力により回転エネルギーを発生する回転体
１６ 周波数変換回路
１６ａ Ｖ−ｆ変換回路
１６ｂ ドライブ回路
１６ｃ スイッチ
１６ｄ ダイオード
１００ 永久磁石回転電機

Claims (28)

1. 電機子巻線群を有する固定子と、
   永久磁石による界磁極を有する回転子と、
   制御電流が供給され、前記永久磁石からの磁束の磁路形成部の磁気抵抗を変化させる制御巻線群と、
   前記制御巻線群に流れる前記制御電流を制御することによって、前記電機子巻線群に誘起される電圧を制御する制御回路とを備えた、永久磁石回転電機。
2. インバータにて駆動される電機子巻線群と他の電機子巻線群と
   を有する固定子と、
   永久磁石による界磁極を有する回転子と、
   制御電流が供給され、前記永久磁石からの磁束の磁路形成部の磁気抵抗を変化させる制御巻線群と、
   前記制御巻線群に流れる前記制御電流を制御することによって、前記電機子巻線群に誘起される電圧を制御する制御回路とを備えた、永久磁石回転電機。
3. インバータにて駆動される電機子巻線群を有する固定子と、
   永久磁石による界磁極を有する回転子と、
   制御電流が供給され、前記永久磁石からの磁束の磁路形成部の磁気抵抗を変化させる制御巻線群と、
   前記制御巻線群に流れる前記制御電流を制御することによって、前記電機子巻線群に誘起される電圧を制御する制御回路とを備えた、永久磁石回転電機。
4. 前記電機子巻線群は、前記固定子歯部に半径方向に巻線されている、請求項１〜３のいずれかに記載の永久磁石回転電機。
5. 前記電機子巻線群は、前記固定子ヨーク部に円周方向に巻線されている、請求項１〜３のいずれかに記載の永久磁石回転電機。
6. 前記制御巻線群は、前記永久磁石からの磁束の磁路形成部に巻線されている、請求項１〜３のいずれかに記載の永久磁石回転電機。
7. 前記制御巻線群は、前記固定子のヨーク部または歯部または双方にて回転軸方向に巻線されている、請求項１〜３のいずれかに記載の永久磁石回転電機。
8. 前記制御巻線群は、（１）前記固定子のヨーク部内に設けられた円周方向に平行な空隙の上下にて各々円周方向に、（２）または前記固定子の歯部内に設けられた半径方向に平行な空隙の上下にて各々半径方向に、（３）または双方にて巻線され、前記永久磁石からの磁束により誘起される電圧を互いに打ち消すように接続されている、請求項１〜３のいずれかに記載の永久磁石回転電機。
9. 前記制御回路は、前記電機子巻線の出力に接続された整流平滑回路の出力電圧を検出する、請求項１〜３のいずれかに記載の永久磁石回転電機。
10. 前記制御回路は、前記電機子巻線の出力電圧のピーク値を検出する、請求項１〜３のいずれかに記載の永久磁石回転電機。
11. 前記制御回路は、電機子巻線出力に接続された整流回路の出力電流を検出する、請求項１〜３のいずれかに記載の永久磁石回転電機。
12. 前記制御巻線群に供給される電流は、ＤＣ電流である、請求項１〜３のいずれかに記載の永久磁石回転電機。
13. 前記制御巻線群は、直列接続されている、請求項１〜３のいずれかに記載の永久磁石回転電機。
14. 前記制御巻線群に供給されるＤＣ電流は、前記電機子巻線の出力に接続された整流回路を経由して接続されるコンデンサより供給される、請求項１２記載の永久磁石回転電機。
15. 前記制御巻線群に供給される電流は、前記電機子巻線の誘起起電力周波数より高い周波数成分を有する、請求項１〜３のいずれかに記載の永久磁石回転電機。
16. 前記制御巻線群に供給される電流は、正方向電流のみで構成されている、請求項１５記載の永久磁石回転電機。
17. 前記制御巻線群に供給される電流は、正方向および負方向電流にて構成されている、請求項１５記載の永久磁石回転電機。
18. 前記制御巻線群は、前記固定子のヨーク部にて円周方向にまたは歯部にて半径方向に巻線されている、請求項１７記載の永久磁石回転電機。
19. 前記制御巻線群に供給される電流は、前記制御巻線群自身の誘起起電力により供給される、請求項１８記載の永久磁石回転電機。
20. 前記制御巻線群に供給される電流は、周波数制御される、請求項１５〜１８のいずれかに記載の永久磁石回転電機。
21. 前記電機子巻線群が駆動されるインバータは、高圧系バッテリーを電源とし、前記他の電機子巻線出力は整流回路を経由し低圧系バッテリーと接続されており、
    前記高圧系バッテリーは、第１の所定の電圧より高い電圧を供給し、前記低圧系バッテリーは、前記第１の所定の電圧より低い電圧である第２の所定の電圧より低い電圧を供給する、請求項２記載の永久磁石回転電機。
22. 前記他の電機子巻線の出力には整流回路が接続されており、
    前記整流回路は、制御機能を有している、請求項２記載の永久磁石回転電機。
23. 請求項１〜３のいずれかに記載の永久磁石回転電機を搭載した車両。
24. 請求項１〜３のいずれかに記載の永久磁石回転電機を搭載した風力発電機システム。
25. 請求項１〜３のいずれかに記載の永久磁石回転電機を搭載したエンジン発電機。
26. 電機子巻線群を有する固定子と、
    永久磁石による界磁極を有する回転子とを備えた永久磁石回転電機を制御する永久磁石回転電機の制御方法であって、
    制御電流が供給される制御巻線群によって、前記永久磁石からの磁束の磁路形成部の磁気抵抗を変化させる磁気抵抗変化ステップと、
    前記制御巻線群に流れる前記制御電流を制御することによって、前記電機子巻線群に誘起される電圧を制御する制御ステップとを備えた、永久磁石回転電機の制御方法。
27. インバータにて駆動される電機子巻線群と他の電機子巻線群とを有する固定子と、
    永久磁石による界磁極を有する回転子とを備えた永久磁石回転電機を制御する永久磁石回転電機の制御方法であって、
    制御電流が供給される制御巻線群によって、前記永久磁石からの磁束の磁路形成部の磁気抵抗を変化させる磁気抵抗変化ステップと、
    前記制御巻線群に流れる前記制御電流を制御することによって、前記電機子巻線群に誘起される電圧を制御する制御ステップとを備えた、永久磁石回転電機の制御方法。
28. インバータにて駆動される電機子巻線群を有する固定子と、
    永久磁石による界磁極を有する回転子とを備えた永久磁石回転電機を制御する永久磁石回転電機の制御方法であって、
    制御電流が供給される制御巻線群によって、前記永久磁石からの磁束の磁路形成部の磁気抵抗を変化させる磁気抵抗変化ステップと、
    前記制御巻線群に流れる前記制御電流を制御することによって、前記電機子巻線群に誘起される電圧を制御する制御ステップとを備えた、永久磁石回転電機の制御方法。

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