JP2015039251A - 磁石励磁回転電機システム - Google Patents

Abstract

【課題】磁束位相制御によりシンプルな構造の界磁制御回転電機システムを実現する。【解決手段】永久磁石励磁の回転子に第一及び第二電機子を対向させ，第二電機子をハウジング１２に対して可動に構成し，第一及び第二電機子の電機子コイル１６、１ｂの誘起電圧位相を変えて誘起電圧振幅を制御する。同相の電機子コイルを隣接する磁性体歯１４に互いに逆方向となるよう巻回した三相電機子コイルとして第二電機子に作用する振動的な力が抑制されると共に誘起電圧振幅はほぼ線形に制御される。更に電機子反作用を利用して第二電機子を変位させ，短時間の応答で界磁制御可能な回転電機装置及び界磁制御方法を提供する。【選択図】図１

Description

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。

永久磁石を回転子表面近傍の磁性体内に埋め込んだ回転電機装置（ＩＰＭ）は電機子電流の位相制御による弱め界磁が可能で普及しているが，制御範囲には限界がある。磁石励磁のエネルギー効率の高さを犠牲にすることなく界磁制御を可能として広い回転速度範囲で使用可能とする為に永久磁石を有する回転子を軸方向に２分し，一方を回転軸に対して変位させ，電機子コイルと鎖交する磁束の位相を制御して実効的に弱め界磁を実現する提案がある（特許文献１，２，３）。更に電機子を軸方向に２分し，一方を他方に対して変位させ，電機子コイルと鎖交する磁束の位相を制御する提案がある（特許文献４，５）。

これらの磁束位相制御によれば電機子コイルと鎖交する磁束量の制御範囲を大に出来，更に二つの電機子の一方を変位させる構成は変位機構をシンプルに出来る。その場合に固定側及び可動側の電機子同士の干渉回避，或いは軽量化を目的としてコンパクトな集中巻き電機子コイルを採用したいが，コギングトルクの影響で線形性が著しく損なわれる。例えば，同相の電機子コイルが軸方向に並ぶ位置から一方の電機子を周方向に可動とする構成では，二つの電機子位置が異なるのでそれぞれの電機子に於いて同相の電機子コイルが重なり合う領域の中心位置を電機子の位置と見なし，回転子の位置に応じて電機子電流を切り替える。

図２０は８ポール１２スロットの集中巻きの電機子及び回転子構成に於いて，回転子を駆動するトルクと電機子位置との関係を示す。縦軸２０５はトルク（ニュートン・メートル）を，横軸２０６は電機子の変位量（角度）を示している。回転方向を時計回りとしているので左半分の負の角度は前記中心位置より回転方向側に変位している電機子，右半分の正の角度は前記中心位置より逆回転方向側に変位している電機子を示している。実際に回転子が受けるトルクは前記中心位置より正負に等量変位した二つの電機子から受けるトルクの和となるが，この図に示されるように回転子が前記中心位置にある場合の駆動トルク２０１，前記中心位置から６度回転した位置に於ける駆動トルク２０２，前記中心位置から９度回転した位置に於ける駆動トルク２０３は何れも左右非対称であり，制御の線形性が大きく損なわれている。

番号２０４は回転子が前記中心位置にある場合に変位した電機子から受けるコギングトルクを示しているが，コギングトルク２０４の増減傾斜が周方向の一方に偏り，駆動トルク２０１．２０２．２０３に相乗的に反映される結果である。回生制動時に電機子が電機子反作用により受ける付勢方向と制動トルクを大にする方向とが一致するよう可動側電機子の変位方向は逆回転方向に設定したいが（図２０に於いて正の変位），振動的な力が可動側電機子に常に作用する事になる。その結果，可動側電機子の変位機構に振動ノイズを発生させ，変位機構を必要以上に頑丈にする必要がある。また，電機子，回転子，電機子が軸方向に並ぶアキシャルギャップ構造では二つの電機子を同一の磁路内に含む磁気的な結合状態が前記トルクカーブを更に複雑化する。

米国特許３７１３０１５ 特表平０５−５０８３００ 特開２００２−１６５４２６ 米国特許５２００６５９ 特開２００５−１６０２７８

したがって，本発明が解決しようとする課題は，磁束の位相制御による弱め界磁方法を適用した回転電機装置に於いて，線形性に優れた実効磁束量制御方法，弱め界磁方式の回転電機システムを提供する事である。

請求項１の発明は，電機子との対向面に於いて周方向に隣接する磁性体突極が永久磁石により互いに異極に磁化された回転子と，前記回転子との対向面に於いて一以上の磁性体歯及び磁性体歯に巻回された電機子コイルが周方向に配置された第一電機子及び第二電機子とを有し，回転子は第一電機子及び第二電機子それぞれと微小間隙を介して互いに対向し且つ回転可能に構成された回転電機装置であって，同一の相に属する第一電機子の電機子コイル及び第二電機子の電機子コイルペアが互いに直列に接続され，第一電機子がハウジングに固定され，第二電機子がハウジングに対して周方向に可動に構成され，第二電機子をハウジングに静止するよう保持すると共に保持力を一時的に緩めて第二電機子を回転子の通常の回転方向である順回転方向と逆方向に変位させるステータ保持手段が配置され，電機子を励振する振動的トルク変動が抑制されるように第一電機子と回転子，回転子と第二電機子それぞれに於いて同相の電機子コイルが隣接する磁性体歯に互いに逆方向となるよう巻回された三相電機子コイル群と，前記三相電機子コイル群の電機子コイル数とは異なる数で最も近い偶数個の磁性体突極とで構成される磁極組み合わせが周方向に１組以上配置され，回転電機装置の出力を最適化するように前記出力に応じてステータ保持手段は第二電機子を周方向に変位させ，電機子コイルと鎖交する実効的な磁束量が制御される事を特徴とする。

本発明は回転子に対向する同一構成の二つの電機子の一方を他方に対して変位させ，二つの電機子の電機子コイルそれぞれと鎖交する磁束の位相を制御して実効的に鎖交磁束量を制御する回転電機装置である。回転子と電機子の磁極構成に於いて同相の電機子コイルが隣接する磁性体歯に互いに逆方向となるよう巻回され，回転子の磁性体突極数を第一電機子，第二電機子それぞれに於ける磁性体歯数と異なる数で最も近い偶数個とされ，或いは前記電機子コイル群と磁性体突極群の磁極組み合わせが一組以上配置される。

同相の電機子コイルである隣接する電機子コイルが互いに逆方向の磁界を差動的に回転子に作用させ，前記磁界分布に対応して磁性体歯と同等サイズで互いに逆方向に磁化された磁性体突極に選択的に回転トルクを発生させる。また，隣り合う電機子コイルに差動的に鎖交する磁束により誘起電圧を発生する。すなわち，上記電機子コイル構成は一種のフィルター特性を有し，トルク変動，電圧変動を抑圧する。また，磁性体歯数と磁性体突極数とは近いが異なる関係であり，磁性体歯と磁性体突極とが対向する同じ組み合わせ状態が同時には集中し難い。したがって，回転子と電機子に於ける磁気的結合状態の変動は分散されて電機子を励振する振動的トルク変動は緩和され，電機子変位を容易にすると共に電機子コイルと鎖交する実効的な磁束量と電機子変位量の関係はほぼ線形に制御される。

回転子の通常回転方向を順回転方向として第二電機子を変位させる方向をその逆方向とすると，電動機では回生制動時に電機子反作用により第二電機子が付勢される方向が実効的に電機子コイルと鎖交する磁束量が大となる方向であって回生制動力を大にする方向である。この場合，振動的なトルク変動が可動側である第二電機子を励振するように現れる可能性があるが，同相の電機子コイルが隣接する磁性体歯に互いに逆方向となるよう巻回された三相電機子コイル群と，前記三相電機子コイル群の電機子コイル数とは異なる数で最も近い偶数個の磁性体突極とで構成される磁極組み合わせが周方向に１組以上配置される磁極構成により第二電機子を励振する作用力は抑制される。

ステータ保持手段にはアクチュエータ駆動のギア機構，ブレーキ機構，手動変位機構等が用いられ，第二電機子をハウジングに固定或いは周方向に変位させる。電機子コイルと鎖交する実効的な磁束量が制御されるとは，第一及び第二電機子の電機子コイルと鎖交する前記磁束の総量は変わらないが，第二電機子が第一電機子に対して周方向に変位されるのでそれぞれの電機子コイルに誘起される電圧位相が異なり，第一電機子及び第二電機子の電機子コイルに誘起される電圧のベクトル和としての合成誘起電圧振幅が制御される事である。最適化の対象とする出力とは，電動機の場合には回転駆動力，回生制動時の制動力及び回収エネルギー量，発電機の場合には発電電圧等である。

請求項２の発明は，請求項１記載の回転電機システムに於いて，第一電機子と回転子，回転子と第二電機子それぞれに於ける磁極組み合わせが８ポール９スロット，１０ポール９スロット，１０ポール１２スロット，１４ポール１２スロットの何れかの整数倍である事を特徴とする。請求項１の発明に於ける電機子コイルと磁性体突極の典型例が８ポール９スロット，１０ポール９スロット，１０ポール１２スロット，１４ポール１２スロットの何れかの整数倍である磁極構成である。ポールは回転子の磁性体突極数，スロットは電機子コイルを巻回する磁性体歯間を示すので例えば８ポール９スロットはＮ極，Ｓ極に磁化された８個の磁性体突極を有する回転子と，９個の電機子コイルを有する電機子との組み合わせを示している。９スロットの場合は例えばＵ相のコイルがＵ−，Ｕ＋，Ｕ−のように隣り合って周方向に並び，１２スロットの場合は例えばＵ相のコイルがＵ＋，Ｕ−のように隣り合って周方向に並ぶ構成である。Ｕに続く＋，−は巻線の方向を示す。９スロットの場合，異なる数で最も近い偶数は８，１０であり，１２スロットの場合，異なる数で最も近い偶数は１０，１２である。

請求項３の発明は，請求項１記載の回転電機システムに於いて，第二電機子の基準位置は第一電機子から磁性体突極の周方向周期の整数倍だけ周方向に変位した位置である事を特徴とする。第二電機子の変位範囲は回転子の磁性体突極周期相当，即ち電気角にして約１８０度である。第一電機子と第二電機子との周方向変位量が磁性体突極の周方向周期の整数倍に設定された場合，前記同相電機子コイルペアがそれぞれ同時に同じ極性である磁性体突極に正対する構成，前記同相電機子コイルペアがそれぞれ同時に異なる極性である磁性体突極に正対する構成がある。前者の構成に於いて前記同相電機子コイルペアは通電により回転子に同一極性を示すよう互いに直列に接続され，後者の構成に於いて前記同相電機子コイルペアは通電により回転子に異なる極性を示すよう互いに直列に接続される。

請求項４の発明は，請求項１記載の回転電機システムに於いて，第一電機子，回転子，第二電機子がそれぞれ微小間隙を介してこの順で軸方向に並び，永久磁石の一端から流れ出る磁束が第一電機子及び第二電機子を含む磁路を流れて前記永久磁石の他端に環流するよう構成されている永久磁石が回転子に含まれ，前記永久磁石は交互に磁化方向を変えて周方向に配置され，第一電機子はハウジングに固定され，第二電機子はハウジングに対して周方向に可動に構成されている事を特徴とする。第一電機子，回転子，第二電機子がこの順で軸方向に並ぶアキシャルギャップ構造は第一電機子，第二電機子が互いに機械的に干渉し難く，回転電機装置はコンパクトに実現される。最もシンプルな回転子構造は，軸方向の磁化を有する永久磁石が交互に磁化方向を反転されて周方向に配置された構成であり，前記永久磁石は第一電機子，第二電機子を共にその磁路内に含み，第二電機子を変位させる事により永久磁石磁路の磁気抵抗変化を伴ってトルク変動或いは電機子に振動的な力を作用させる可能性があるが，請求項１に規定した磁極構成により抑制される。

請求項５の発明は，請求項１記載の回転電機システムに於いて，回転子に負荷が接続され，駆動制御回路が更に配置され，回転電機装置の出力を最適化するように前記出力に応じて駆動制御回路は回転子を回転駆動或いは回生制動させるよう電機子コイルを流れる電流を制御し，同時にステータ保持手段により第二電機子の保持力を一時的に緩め，回転子及び第二電機子間の作用力を少なくとも利用して第二電機子を周方向に回転変位させ，電機子コイルと鎖交する実効的な磁束量を制御する事を特徴とする。

電機子コイルを流れる電流により回転子を回転駆動すると，回転子と電機子との間には互いに反発する力が作用し，電機子はハウジングに固定されているので回転子が回転駆動される。その場合に於いて電機子がハウジングに対して可動に構成されていれば，回転子と電機子とは互いに逆方向に駆動される事になる（電機子反作用）。また，回転子が外力により回転されている状態で電機子コイルから電力が取り出されると，回転子は減速される（回生制動）ので電機子には回転子の回転方向と同じ方向の力が作用する。駆動制御回路は半導体スイッチ素子群より構成され，回転子を回転させる為の駆動電流供給，或いは誘起電圧整流の双方に兼用可能として特に回路量を増やすこと無く，上記機能は実現される。

本発明は第一電機子，第二電機子を回転子に対向させ，第一電機子をハウジングに固定，第二電機子をハウジングに可動に構成し，上記の回転子−電機子間の作用力を利用して第二電機子を第一電機子に対して変位させる。この際，一般に回転子より電機子の質量は大きいので電機子反作用により電機子を変位させるには回転子に負荷が接続されている事が必要になる。第二電機子の慣性モーメントを回転子及び負荷の総合慣性モーメントよりも小に設定し，第二電機子の変位を更に容易にする。

請求項６の発明は，請求項５記載の回転電機システムに於いて，ステータ保持手段は第二電機子をハウジングに保持するブレーキ機構を含み，制御装置は第二電機子の変位量を変える際にはブレーキ機構による第二電機子の保持力を一時的に緩め，駆動制御回路は回転子を回転駆動或いは回生制動させるよう電機子コイルを流れる電流を制御し，回転子及び第二電機子間の作用力を第二電機子変位に利用する事を特徴とする。ブレーキ機構は他にチャッキング機構，クラッチ機構，デテント機構等名称は異なるが趣旨を同じくする種々の構成で実現できる。定常回転ではブレーキ機構により第二電機子をハウジングに保持し，第二電機子の周方向変位量を変える時のみ第二電機子の保持力を一時的に緩める。

請求項７の発明は，請求項５記載の回転電機システムに於いて，ステータ保持手段は第二電機子に配設されたギア及び前記ギアと噛み合うウオームギア機構及びアクチュエータを含み，ウオームギア機構が第二電機子の停止位置を保持すると共にアクチュエータがウオームギアを回転駆動して第二電機子を周方向方向に変位させて第二電機子の停止位置を変える構成とし，制御装置は第二電機子の変位量を変える際にはアクチュエータを回転駆動させて第二電機子の停止位置を変えるよう付勢すると共に駆動制御回路は回転子を回転駆動或いは回生制動させるよう電機子コイルを流れる電流を制御し，回転子及び第二電機子間の作用力を第二電機子変位に利用する事を特徴とする。

回転駆動中に電機子には回転子と逆方向に力が作用しており，ウオームギア機構は作用力に抗して第二電機子を停止させている。第二電機子を回転方向と逆方向に変位させる場合には，モータがウオームギア機構を駆動して第二電機子を回転方向と逆方向に付勢する。これは第二電機子を保持する力を緩める事と同じであり，小出力のアクチュエータで第二電機子の変位量を制御出来る。第二電機子を回転方向に変位させる場合には，モータがウオームギア機構を駆動して第二電機子を回転方向に付勢すると共に回転子を回生制動，或いは逆方向に回転駆動するよう駆動制御回路により電機子コイルを流れる電流を制御する。

請求項８の発明は，請求項５記載の回転電機システムに於いて，第二電機子の変位量を変える際に第二電機子への電機子反作用が大となるよう駆動制御回路は第二電機子と回転子との相対位置を基準として回転子を回転駆動或いは回生制動させるよう電機子コイルを流れる電流を制御し，回転子及び第二電機子間の作用力を第二電機子変位に利用する事を特徴とする。回転子を回転駆動させるに際して通常は第二電機子の基準位置と第二電機子の現在位置との中間に第一電機子と第二電機子の合成電機子が存在すると見なし，回転子位置に応じて電機子コイルに供給する電流を切り替える。本発明では第二電機子の変位量を変える場合には第二電機子への作用力が大となるよう第二電機子と回転子の相対位置を基準に電機子電流の切り替えタイミングを制御して回転子を駆動する。

請求項９の発明は，請求項５記載の回転電機システムに於いて，第二電機子の変位量を変える際に第一電機子への電機子反作用と第二電機子への電機子反作用とが互いに逆方向となるタイミングで駆動制御回路は回転子を回転駆動或いは回生制動させるよう電機子コイルを流れる電流を制御し，回転子及び第二電機子間の作用力を第二電機子変位に利用する事を特徴とする。第一電機子と第二電機子間の相対変位量が大の場合は第一及び第二電機子の電機子コイルと鎖交する回転子からの磁束の流れる方向が互いに逆となるタイミングがあり，その時は第一電機子が回転子に作用する回転駆動力と，第二電機子が回転子に作用する回転駆動力とが互いに逆方向となる。第二電機子の変位に際して上記タイミングで電機子コイルに電流を流す事で回転子の回転状態への影響を実質的に小さく抑えながら第二電機子を変位させる作用力を得る事が出来る。

請求項１０の発明は，請求項１から請求項９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，回転速度が所定の値より大で電機子コイルと鎖交する実効的な磁束量を減少させる時には制御装置によりステータ保持手段を介して第二電機子の保持力を一時的に緩め，駆動制御回路を介して回転子を順方向に回転駆動する事により基準位置から第二電機子の変位を大として電機子コイルと鎖交する実効的な磁束量を減少させ，回転速度が所定の値より小で電機子コイルと鎖交する実効的な磁束量を増大させる時には制御装置によりステータ保持手段を介して第二電機子の保持力を一時的に緩め，駆動制御回路を介して回転子を回生制動する事により基準位置から第二電機子の変位を小として電機子コイルと鎖交する実効的な磁束量を増大させ，回転力が最適に制御される事を特徴とする。

請求項１１の発明は，請求項１から請求項９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，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は制御装置によりステータ保持手段を介して第二電機子の保持力を一時的に緩め，駆動制御回路を介して回転子を順方向に回転駆動する事により基準位置から第二電機子の変位を大として電機子コイルと鎖交する実効的な磁束量を減少させ，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は制御装置によりステータ保持手段を介して第二電機子の保持力を一時的に緩め，駆動制御回路を介して電機子コイルから出力させる電流を大とする事により基準位置から第二電機子の変位を小として電機子コイルと鎖交する実効的な磁束量を増大させ，発電電圧が所定の値に制御される事を特徴とする。

請求項１２の発明は，電機子との対向面に於いて周方向に隣接する磁性体突極が永久磁石により互いに異極に磁化された回転子と，前記回転子との対向面に於いて一以上の磁性体歯及び磁性体歯に巻回された電機子コイルが周方向に配置された第一電機子及び第二電機子とを有し，回転子は第一電機子及び第二電機子それぞれと微小間隙を介して互いに対向し且つ回転可能に構成された回転電機装置の実効的な磁束量制御方法であって，第一電機子と回転子，回転子と第二電機子それぞれに於いて同相の電機子コイルを隣接する磁性体歯に互いに逆方向となるよう巻回した三相電機子コイル群と，前記三相電機子コイル群の電機子コイル数とは異なる数で最も近い偶数個の磁性体突極とで構成する磁極組み合わせを周方向に１組以上配置し，同一の相に属する第一電機子の電機子コイル及び第二電機子の電機子コイルペアを互いに直列に接続し，第二電機子をハウジングに静止するよう保持すると共に保持力を一時的に緩めて第二電機子を周方向に変位させるステータ保持手段を有し，回転電機装置の出力を最適化するように前記出力に応じてステータ保持手段は第二電機子を周方向に変位させ，電機子コイルと鎖交する実効的な磁束量を制御する事を特徴とする実効的な磁束量制御方法である。

回転電機装置に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，一以上の略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，一以上の電機子と回転子とが円錐面形状の対向面を有する構造等が存在する。本発明は上記何れの構造の回転電機システムにも適用される。さらに，回転電機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，上記の請求項に規定する回転電機システム及び磁束量制御方法は電動機，発電機の何れにも適用される。

第一電機子，第二電機子，永久磁石励磁の回転子を有し，第二電機子が第一電機子に対して可動に構成された回転電機装置に於いて，実効的に電機子コイルと鎖交する磁束量が第二電機子の変位量に対してほぼ線形に制御される。その際，本発明による電機子と回転子の磁極組み合わせが電機子特に可動側電機子への振動的な作用力を抑制する。更に回転中に電機子と回転子間に働く作用力を利用して第二電機子が変位され，小出力のアクチュエータで第二電機子の変位量を変えて実効的に電機子コイルと鎖交する磁束量が制御される。本発明により，回転電機に於いて磁束の位相制御による弱め界磁制御が容易となり，低コストで出力制御可能な回転電機システムを実現出来る。

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回転子を第二電機子側から見た平面図である。 図１に示された回転電機の第二電機子を回転子側から見た平面図である。 図２，図３に示された回転子，第二電機子及び第一電機子のＡ−Ａ’に沿う周方向断面図を示し，第二電機子が基準位置にある場合を示す。 図２，図３に示された回転子，第二電機子及び第一電機子のＡ−Ａ’に沿う周方向断面図を示し，第二電機子が基準位置から変位した場合を示す。 図６（ａ）は図４に対応して電機子コイルと鎖交する磁束量及び誘起電圧を示し，図６（ｂ）は図５に対応して電機子コイルと鎖交する磁束量及び誘起電圧を示す。 図１に示された第一電機子，回転子，第二電機子の分解斜視図を示す。 図１に示された回転電機のステータ保持手段を示す平面図である。 磁束量制御を行う回転電機システムのブロック図である。 駆動制御回路の要部を示す。 第二の実施例による回転電機の縦断面図である。 図１１に示された回転電機の回転子を第二電機子側から見た平面図である。 図１１に示された回転電機の第二電機子を回転子側から見た平面図である。 図１２に示された回転子に於いてＢ−Ｂ’に沿う周方向断面図，図１３のＢ−Ｂ’に対応する第二電機子及び第一電機子の周方向断面図を示し，第二電機子が基準位置から変位した場合を示す。 図１２に示された回転子の分解斜視図を示す。 図１３に示された第二電機子の分解斜視図を示す。 図１１に示された回転電機のステータ保持手段を示す平面図である。 第三の実施例による回転電機に於いて回転子，第二電機子及び第一電機子の周方向断面図を示す。 ８ポール１２スロット，８ポール９スロット，１０ポール１２スロットの磁極構成に於ける駆動トルク変動を示す。 ８ポール１２スロットの磁極構成に於いて，駆動トルク，コギングトルク対電機子変位量の関係を示す。 ８ポール９スロット，１０ポール９スロット，１０ポール１２スロット，１４ポール１２スロットの磁極構成に於いて，駆動トルク対電機子変位量の関係を示す。

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１０，図１９から図２１を用いて説明する。第一実施例は，８ポール９スロットの磁極構成を持ち，第二電機子が第一電機子に対して周方向に変位され，電機子コイルに誘起される電圧が制御される磁石励磁回転電機である。図１はアキシャルギャップ構造の回転電機装置に本発明を適用した実施例の縦断面図を示し，回転軸１１がベアリング１３を介してハウジング１２に回動可能に支持されている。回転子は回転子サポート１８及び永久磁石１７を有して回転軸１１と共に回転する。永久磁石１７内の矢印は磁化方向を示す。回転子は非磁性のステンレススチールである回転子サポート１８にネオジウム磁石ブロックである永久磁石１７が固定されて構成されている。

第一電機子はハウジング１２に固定された円板状磁気ヨーク１５と，円板状磁気ヨーク１５から軸方向に伸びる磁性体歯１４と，磁性体歯１４に巻回された電機子コイル１６とを有する。第二電機子はハウジング１２に固定された円板状磁気ヨーク１ａと，円板状磁気ヨーク１ａから軸方向に伸びる磁性体歯１９と，磁性体歯１９に巻回された電機子コイル１ｂとを有する。円板状磁気ヨーク１５，１ａ，磁性体歯１４，１ｂは圧粉鉄心で構成されている。番号１ｃは円板状磁気ヨーク１ａを支持する第二電機子サポートを示し，ハウジング１２に対してベアリング１ｄを介して可動に支持され，周方向に変位するよう構成されている。番号１ｅはステータ保持手段の一部であるブレーキシューを示す。

図２は回転子を第二電機子側から見た平面図を示し，図３は第二電機子を回転子側から見た平面図を示し，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。図１に示した永久磁石１７は，図２に於いて隣接する永久磁石２１，２２として示され，互いに磁化方向が逆である。永久磁石２１，２２に示されたＮ，Ｓは第二電機子と対向する端面に於ける永久磁石の極性を示し，回転子の電機子との対向面にはそれぞれ８個の磁極（８ポール）が配置されている。回転子サポート１８は非磁性のステンレススチールで構成されている。番号２３は回転子の通常の回転方向である順回転方向を示す。

図３に於いて，図１に示した電機子コイル１ｂがＵ＋相，Ｕ−相，Ｖ−相，Ｖ＋相，Ｖ−相，Ｗ−相，Ｗ＋相，Ｗ−相，Ｕ−相の順で周方向に配置され，それらは更にそれぞれ番号３１から３９の番号が付されている。Ｕ，Ｖ，Ｗに続く＋，−の符号はコイルの巻線方向を示し，正の電流を流した時に＋で示す電機子コイルの回転子側にはＮ極が現れ，−で示す電機子コイルの回転子側にはＳ極が現れるよう構成されている。Ｕ＋相コイル３１にＵ−相コイル３２，３９が逆向きに直列接続されて第二電機子のＵ相コイルとされ，他のＶ相コイル，Ｗ相コイルも同様に接続される。第一電機子の平面図は示されていないが，電機子コイルの配置は第二電機子と同様である。本実施例に於いて，回転子の磁極数は８（８ポール），第一及び第二電機子の電機子コイル数はそれぞれ９で８ポール９スロットの磁極構成である。第一電機子と第二電機子に於いて，同相の電機子コイル同士は直列に接続されている。番号３ａは磁性体歯１９間の間隙を示している。

図４，５を用いて更に回転子，第一及び第二電機子の磁極構成を説明する。図４，５は図２，図３に示された回転子，第二電機子及び第一電機子のＡ−Ａ’に沿う周方向断面図を示し，図４は第二電機子が基準位置にある場合，図５は第二電機子が基準位置から変位した場合をそれぞれ示す。第二電機子のＵ＋相コイル３１，Ｕ−相コイル３２，Ｖ−相コイル３３に対応する第一電機子の電機子コイルがそれぞれＵ＋相コイル４１，Ｕ−相コイル４２，Ｖ−相コイル４３として示されている。

図４に示されるよう，Ｕ＋相コイル４１は永久磁石２１のＳ極に対向し，Ｕ＋相コイル３１が永久磁石２１のＮ極に正対するよう第一電機子及び第二電機子に於いて同相の電機子コイルが軸方向に並ぶ位置が第二電機子の基準位置となるよう配置されている。第一電機子に於いてはＵ，Ｖ，Ｗに続く＋，−の符号は正の電流を流した時に＋で示す電機子コイルの回転子側にはＳ極が現れ，−で示す電機子コイルの回転子側にはＮ極が現れるよう結線されている。したがって，Ｕ＋相コイル４１とＵ＋相コイル３１は通電された場合に異なる極性を回転子に示すよう直列接続されている。番号４ａはＵ＋相コイル３１の基準位置を示している。図５では第二電機子の電機子コイル３１，３２，３３が回転子の順回転方向２３とは逆方向に変位した場合を示し，変位量５１は電気角にして１２０度である。

図６（ａ）は図４に対応して電機子コイルと鎖交する磁束量及び誘起電圧を示し，図６（ｂ）は図５に対応して電機子コイルと鎖交する磁束量及び誘起電圧を示している。これらの図に於いて，横軸６５は回転子位置を示す。図６（ａ）に於いて，番号６１は電機子コイル４１と鎖交している磁束量を，番号６２は電機子コイル４１に誘起される電圧を示している。Ｖ相の電機子コイル，Ｗ相の電機子コイルにもそれぞれ位相がずれて磁束が鎖交し，電圧が誘起されるが，電機子コイル４１の場合を代表して示している。また，第二電機子の各電機子コイルにも同様に磁束が鎖交し，電圧が誘起される。しかし，第二電機子の変位量がゼロであって電機子コイル４１と電機子コイル３１と鎖交する磁束量，誘起電圧は同じである。

図６（ｂ）に於いては，第二電機子の電機子コイル３１−３９は回転子の順回転方向２３とは逆方向に変位されているので第二電機子の各電機子コイルの誘起電圧は第一電機子の各電機子コイルの誘起電圧より位相が進んで現れる。番号６３は電機子コイル３１と鎖交している磁束量を，番号６４は電機子コイル３１の誘起電圧を代表して示している。番号５１は第二電機子の変位量を示し，電気角で１２０度である。電機子コイル４１，３１それぞれの誘起電圧波形は同じであるが，位相が異なるのでベクトル和となるＵ相の電機子コイルに誘起される電圧は図６（ａ）の場合より振幅が抑えられる。また，番号６６は電機子コイル４１と電機子コイル３１と鎖交する磁束の方向が互いに異なる領域を示している。

図６（ａ），図６（ｂ）を用いて説明したようにＵ＋相の電機子コイル３１，４１に現れる誘起電圧６４，６２の振幅及び波形はほぼ同じであるが，両者間の位相差は第二電機子の基準位置からの変位量５１に比例する。電機子コイル３１，４１は直列に接続されているのでベクトル和となるＵ相の電機子コイルの誘起電圧振幅は第二電機子の基準位置からの変位量５１に比例して変化される。他のＶ相，Ｗ相の電機子コイルに誘起される電圧振幅も同様である。このように回転子内の永久磁石２１，２２からの磁束６３，６１はそれぞれ電機子コイル３１，４１と鎖交し，それぞれに起因する誘起電圧６４，６２がベクトル的に合成される。これは電機子コイルと鎖交する磁束量が第二電機子の基準位置からの変位量５１により実効的に制御される事と等価である。

図４，図５，図６を用いて説明されたように第二電機子を第一電機子に対して変位させる事により電機子コイルに現れる誘起電圧が制御される。以下では第二電機子の変位制御を図７−１０を用いて説明する。図７は第一電機子７１，回転子７２，第二電機子７３の分解斜視図を示し，回転子と電機子間の作用力を説明する。第一電機子７１，回転子７２，第二電機子７３は軸方向にそれぞれ微小間隙を介して配置され，回転子７２の通常の回転方向を順回転方向として番号２３で示され，第二電機子の電機子コイルは基準位置から番号７４で示す方向に変位される。

駆動制御回路が回転子を番号２３で示す方向に回転させるよう第一及び第二電機子の各電機子コイルに電流を供給すると，回転子７２には番号７５で示される方向に駆動力が作用し，同時に電機子反作用として第一電機子７１には番号７６で示される作用力，第二電機子７３には番号７７で示される作用力が働く。第一電機子７１はハウジング１２に固定されているが，第二電機子７３のハウジング１２に対する保持力が緩められた場合には作用力７７により第二電機子７３は作用力７７の方向に変位される。

図８は第二電機子サポート１ｃを円板状磁気ヨーク１ａ，磁性体歯１９，磁性体歯１９に巻回された電機子コイル１ｂ（電機子コイル３１−３９）と共にハウジング１２に保持し，一時的にその保持力を緩めるステータ保持手段を示している。同図に於いて，番号８１はブレーキシュー１ｅを回動可能に支持する回動ピンを示し，回動ピン８１はハウジング１２に固定されている。番号８２は二つのブレーキシュー１ｅの端点間に配置されたスプリングを示し，二つのブレーキシュー１ｅを第二電機子サポート１ｃに押しつけるよう付勢されている。番号８３は二つのブレーキシュー１ｅ間に配置された開閉素子を示し，開閉素子８３は長円形状で図示していないアクチュエータにより矢印８４の方向に回転駆動される。開閉素子８３の長径部はスプリング８２に抗して二つのブレーキシュー１ｅ間の間隙を大にして第二電機子サポート１ｃのハウジング１２に対する保持力を緩め，短径部により二つのブレーキシュー１ｅ間の間隙を小にして第二電機子サポート１ｃのハウジング１２に対する保持力を強める。

番号８５は第二電機子サポート１ｃに固定された回動規制ピンを示し，回動規制ピン８５は二つのブレーキシュー１ｅ間で変位可能に構成されて第二電機子の変位範囲を規定するよう構成されている。図８に於いて回動規制ピン８５の位置が基準位置に第二電機子が存在する状態，すなわち，図４，図６（ａ）の状態に対応し，番号８６で示し位置に回動規制ピン８５が変位した場合が図５，図６（ｂ）に示すよう第二電機子の変位量が更に大となって電気角にしてほぼ１８０度変位した場合に相当する。

図９は磁束量制御を行う回転電機システムのブロック図を示している。図９に於いて，回転電機９１は入力９２，出力９３を有するとし，制御装置９４は回転電機９１の出力９３及び回転子の位置信号９７を入力として磁束量を制御する。番号９６はステータ保持手段を制御するアクチュエータを示し，番号９５は電機子コイル１６，１ｂに駆動電流を供給する駆動制御回路を示す。回転電機９１が発電機として用いられるのであれば，入力９２は回転力であり，出力９３は発電電力となる。回転電機９１が電動機として用いられるのであれば，入力９２は駆動制御回路９５から電機子コイル１６，１ｂに供給される駆動電流であり，出力９３は回転トルク，回転速度となる。

図１０は駆動制御回路の要部１０２と電機子コイルの結線状態を簡略に示している。番号１０ａ，１０ｂ，１０ｃはそれぞれ第二電機子に於けるＵ相コイル，Ｖ相コイル，Ｗ相コイルを示し，番号１０ｄ，１０ｅ，１０ｆはそれぞれ第一電機子に於けるＵ相コイル，Ｖ相コイル，Ｗ相コイルを示す。第一電機子，第二電機子に於けるＵ相コイル１０ａ，１０ｄは直列に接続され，一方は中性点に接続され，他方はスイッチ素子１０３及び１０４に接続されている。第一電機子，第二電機子に於けるＶ相コイル１０ｂ，１０ｅは直列に接続され，一方は中性点に接続され，他方はスイッチ素子１０５及び１０６に接続されている。第一電機子，第二電機子に於けるＷ相コイル１０ｃ，１０ｆは直列に接続され，一方は中性点に接続され，他方はスイッチ素子１０７及び１０８に接続されている。番号１０１は電池を示し，番号１０２は駆動制御回路の一部であるスイッチ素子部を示す。上記スイッチ素子をオンオフ制御する制御部は図示されていない。

第二電機子７３の基準位置からの変位量を大にする場合を説明する。回転子７２が順回転方向２３に回転駆動されているなら常に第二電機子には作用力７７が働いているので制御装置９４はアクチュエータ９６を回転させて開閉素子８３の長径部により二つのブレーキシュー１ｅ間の間隙を大にして第二電機子サポート１ｃのハウジング１２に対する保持力を緩める。制御装置９４がアクチュエータ９６を回転させて開閉素子８３の短径部により二つのブレーキシュー１ｅ間の間隙を小にして第二電機子サポート１ｃのハウジング１２に対する保持力を強めるまで第二電機子７３は作用力７７により変位させ続けられる。

第二電機子７３の基準位置からの変位量は電機子コイルの誘起電圧振幅を参照して制御されるが，予め第二電機子サポート１ｃのハウジング１２に対する保持力を緩める単位時間を設定し，その時間単位で離散的に第二電機子７３の基準位置からの変位を制御する事も出来，システムの要求仕様に沿って設定される。回転子７２を順回転方向２３に回転駆動している駆動力が小さく，第二電機子７３の変位に時間を要するようなら一時的に駆動制御回路９５（１０２）から各電機子コイルに供給する電流を大にして加速し，第二電機子７３の変位に必要な作用力７７を大にする。

第二電機子７３の基準位置からの変位量を小にする場合を説明する。回転子７２が順回転方向２３に回転駆動されているなら制御装置９４はアクチュエータ９６を回転させて開閉素子８３の長径部により二つのブレーキシュー１ｅ間の間隙を大にして第二電機子サポート１ｃのハウジング１２に対する保持力を緩め，同時に制御装置９４は駆動制御回路９５（１０２）を介して整流して電力を取り出し，電池１０１に充電する回生制動モードに変更させる。電機子コイルを流れる電流により回転子７２は駆動力７５とは逆方向の制動力を受け，その反作用として第一電機子７１，第二電機子７３はそれぞれ作用力７６，７７とは逆方向の力を受け，第二電機子７３が変位される。制御装置９４がアクチュエータ９６を回転させて開閉素子８３の短径部により二つのブレーキシュー１ｅ間の間隙を小にして第二電機子サポート１ｃのハウジング１２に対する保持力を強めるまで第二電機子７３は変位させ続けられる。

回生制動モード中に回転子７２の回転速度は減少するが，電機子コイルと鎖交する磁束量は実効的に大となるので第二電機子７３を変位させる作用力が極端に減少する事はない。しかし，回転子７２の回転速度が比較的低い場合に第二電機子７３を変位させる作用力が十分でない場合がある。その場合には制御装置９４は駆動制御回路９５（１０２）を介して回転子７２を順回転方向２３とは逆方向に回転駆動させて第二電機子７３を変位させる。

以上，図７−１０を用いて説明したように第二電機子はステータ保持手段及び駆動制御回路９５（１０２）を介して変位制御され，電機子コイルと鎖交する磁束量は実効的に制御される。しかし，本実施例で第一電機子と第二電機子に於いて同相の電機子コイルが重なり合う領域の中心に電機子があると見なして回転子は駆動され或いは回生制動されている。したがって，第二電機子に加わる電機子反作用力が十分でない場合がある。すなわち，第二電機子の変位量が大である場合であって，この場合には第二電機子と回転子との相対的な位置関係を基準に回転子を駆動し或いは回生制動するようタイミングを変更して第二電機子への電機子反作用を大にさせる。

上記に説明したように本実施例では磁束量制御に際して回転子の回転駆動或いは回生制動に伴う電機子反作用の作用力を利用するので常に回転子の回転状態に大きな影響を与える懸念がある。本発明によれば，回転子の回転状態への上記影響を小さく抑えるよう制御する事も出来る。すなわち，図６（ｂ）に番号６６で示したように電機子コイル４１，３１とそれぞれ鎖交する磁束６１，６３の方向が互いに異なる領域が存在する。この領域６６に於いては第一電機子，第二電機子が回転子を回転駆動する方向は互いに逆であり，一部は相殺される。したがって，制御装置９４が領域６６に集中してパルス的に駆動制御回路９５（１０２）を介して回転子を順回転方向２３，或いはその逆方向に回転駆動させる事により回転子の回転状態に大きな影響を与える事無く，磁束量制御を行う事が出来る。

上記に説明したように第二電機子は電機子反作用を利用して変位される。しかし，一般に第二電機子は回転子より質量は大であるので効率よく変位させるには回転子に負荷が接続され，回転子と負荷を含めた回転側の慣性モーメントが第二電機子の慣性モーメントより大である事が望ましい。この点はまた上記のように領域６６中に於いて回転子に互いに逆方向となる回転駆動力を与える事が出来るので改善される。すなわち，第一電機子，第二電機子が回転子を駆動する力の一部を相殺させる事が出来るので実効的に回転子の質量は大となり，第二電機子の変位への作用力を得る事が容易となる。

以上，図１から図１０に示した回転電機に於いて，第二電機子を変位させる事で電機子コイルと鎖交する磁束量を実効的に制御できることを説明した。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，回転電機システムとしての制御を更に説明する。

回転電機が電動機として用いられる場合に於いて，磁束量制御を行って回転力を最適に制御する。制御装置９４は出力９３であ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アクチュエータ９６により第二電機子サポート１ｃのハウジング１２への保持力を一時的に緩め，電機子反作用を利用して第二電機子サポート１ｃ，第二電機子７３を順回転方向２３と逆方向に変位させて電機子コイルと鎖交する磁束量を実効的に小とする。

制御装置９４は出力９３であ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アクチュエータ９６により第二電機子サポート１ｃのハウジング１２への保持力を一時的に緩めると共に，駆動制御回路９５を介して電力を取り出し，電池１０１に充電させ，電機子反作用を利用して第二電機子サポート１ｃ，第二電機子７３を順回転方向２３と同方向に変位させて電機子コイルと鎖交する磁束量を実効的に大とする。

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。制御装置９４は出力９３であ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アクチュエータ９６により第二電機子サポート１ｃのハウジング１２への保持力を一時的に緩めると共に，駆動制御回路９５を介して回転子を順回転方向２３に回転駆動させ，電機子反作用を利用して第二電機子サポート１ｃ，第二電機子７３を順回転方向２３と逆方向に変位させて電機子コイルと鎖交する磁束量を実効的に小とする。

制御装置９４は出力９３であ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アクチュエータ９６により第二電機子サポート１ｃのハウジング１２への保持力を一時的に緩めると共に，駆動制御回路９５を介して取り出す電流を大にして電池１０１に充電させ，電機子反作用を利用して第二電機子サポート１ｃ，第二電機子７３を順回転方向２３と同方向に変位させて電機子コイルと鎖交する磁束量を実効的に大とする。

本実施例では電機子コイルを集中巻きとし，電機子及び回転子の磁極構造として８ポール９スロットを採用して電機子をコンパクト，軽量に構成して第二電機子の変位制御を容易とした。この磁極構造に関し，図１９，２０，２１を用いて更に説明を補足する。これらの図に示す駆動トルク，コギングトルクは磁界分析シミュレーションから得ている。

回転電機装置に於いて，回転子の磁極数（ポール数）と電機子コイル数との比を２対３とする構成が通常用いられる。回転子の６磁極に対して９個の電機子コイル，８磁極に対して１２個の電機子コイル等の構成がその例であるが，コギングトルク，騒音を抑制する為に通常は電機子コイルを複数の磁性体歯に渡って分布的に巻回する分布巻き構成が用いられる。しかし，分布巻き構成の場合，電機子コイルの結線が外側に膨らむ欠点がある。二つの電機子が軸方向に並んで回転子と対向するラジアルギャップ構造では干渉を避ける為に二つの電機子を軸方向に十分に離す必要があり，アキシャルギャップ構成では外径及び内径側にスペースを必要とする。更に可動部である第二電機子の重量が大になり，変位に時間を要する事になる。

したがって，電機子を可能な限りコンパクト，軽量化する為に電機子コイルは集中巻きとしたいが，性能上の不具合が種々存在する。図１９は電機子コイルを集中巻きとした各種磁極構成に於いて，駆動トルクの変動状態を示す。縦軸１９４が駆動トルク（ニュートン・メートル）であり，横軸１９５は周方向の角度を示す。番号１９１は８ポール１２スロット，番号１９２は８ポール９スロット，番号１９３は１０ポール１２スロットの駆動トルクをそれぞれ示している。

磁束位相制御では本実施例で説明したように二つの電機子と回転子とが対向し，二つの電機子間の変位量を制御して電機子コイルと鎖交する磁束量を実効的に制御する。二つの電機子の周方向位置は異なるが，第二電機子の基準位置と第二電機子の現在位置との中間に合成電機子があると見なして回転子を駆動する電流が供給される。図２０は８ポール１２スロットの集中巻きの電機子及び回転子構成に於いて，回転子を駆動するトルクと電機子の変位量との関係を示す。縦軸２０５はトルク（ニュートン・メートル）を，横軸２０６は電機子の変位量を角度で示している。回転方向を時計回りとしているので左半分の負の角度は前記合成電機子位置より回転方向側に変位している電機子，右半分の正の角度は前記合成電機子位置より逆回転方向側に変位している電機子を示している。

実際に回転子が受けるトルクは前記合成電機子位置より正負に等量変位した二つの電機子から受けるトルクの和となるが，この図に示されるように回転子が前記合成電機子位置にある場合の駆動トルク２０１，前記合成電機子位置から６度回転した位置に於ける駆動トルク２０２，前記合成電機子位置から９度回転した位置に於ける駆動トルク２０３は何れも左右非対称である。これはコギングトルク２０４に於ける増減の傾斜が周方向の一方に偏り，角度と共に減少する右半分の駆動トルクに相乗的に影響した結果であるが，制御の線形性を大きく損なう事になる。

回生制動時に電機子反作用が制動トルクを大にするよう本実施例では第二電機子の変位方向を逆回転方向としているが，振動的なトルク変動が図２０に於いて正の角度領域に相当する第二電機子に常に加わる事になるのでステータ保持手段に振動ノイズを発生させ，ステータ保持手段を必要以上に頑丈にする必要がある。また，本実施例のように電機子，回転子，電機子が軸方向に並ぶアキシャルギャップ構造では二つの電機子を同一の磁路内に含む磁気的な結合状態が前記トルクカーブを更に複雑化する。

図２１は図２０に於ける８ポール１２スロットの駆動トルクカーブに対応して８ポール９スロット，１０ポール９スロット，１０ポール１２スロット，１４ポール１２スロットの駆動トルクカーブをそれぞれ番号２１１，２１４，２１２，２１３で示している。縦軸２１５はトルク（ニュートン・メートル）を，横軸２１６は電機子の変位量を角度で示している。８ポール１２スロットでは微小間隙を介して対向する磁極数と磁性体歯数の比は２対３であり，同じ形状及び配置で磁極と磁性体歯が対向するタイミングが周方向に複数有り，コギングトルクが強調され易く，図２０に示されるようにコギングトルクの変動は大きい。

本実施例で採用した８ポール９スロットの磁極構成では周方向に８個の磁極と９個の磁性体歯が対向し，同じ形状及び配置で磁極と磁性体歯が対向する場面は一周当たり一つしかなく，コギングトルクが発生しても分散して大きな値とは成らない。また更に電機子コイルはＵ−相コイル３９，Ｕ＋相コイル３１，Ｕ−相コイル３２が隣り合って並んでいるように同じＵ相コイルが順次その向きを逆転されて並んでいる。同相の電機子コイルである隣接する電機子コイルが互いに逆方向磁界を差動的に回転子に作用させ，前記磁界分布に対応して磁性体歯と同等サイズである互いに逆方向に磁化された磁性体突極に選択的に回転トルクを発生させる。更に，隣り合う電機子コイルに差動的に鎖交する磁束により誘起電圧を発生する。

電機子コイルから回転子側に漏れる磁束分布は磁性体歯の形状寸法に左右されるが，本発明に於いては磁性体突極の数は電機子コイルとは異なる数で最も近い偶数個で構成され，磁性体歯と磁性体突極とが対向する周方向寸法はほぼ等しい。すなわち，上記電機子コイル構成は一種のフィルター特性を有し，隣接する磁性体歯に及ぶパラメータ変動，例えば空隙長，磁気回路の磁気抵抗等が有っても差動的に機能する電機子コイル構成によりその影響は相殺される。したがって，回転子と電機子に於ける磁気的結合状態の変動は分散されて回転子の永久磁石から電機子コイルと鎖交する実効的な磁束量に現れ難く，前記磁束量と電機子変位量の関係はほぼ線形に制御される。

その結果，図２１に示されるように本実施例で採用した８ポール９スロットの磁極構成に於いてコギングトルクの影響は若干残るが左右の対称性は著しく改善され，また変位角度が正の領域に於いても駆動トルクカーブは滑らかな変化であり，第二電機子に加わる振動的なトルク変動は抑えられている。本実施例では８ポール９スロットの磁極構成としたが，大型の回転電機に於いて，回転子の磁極数を１６スロットに，電機子は前記９スロットの電機子コイル構成を周方向に２組配置する構成とする事が出来る。コギングトルクは大となるが，駆動トルクに対する比は同じである。

８ポール９スロットに近い磁極構成に１０ポール９スロットがあり，図２１に駆動トルクカーブ２１４として示されている。これは８ポール９スロットと電機子コイルの配置を同じにし，駆動電流波形を同じにした場合であって同図では逆方向に回転駆動するよう駆動トルク極性が示されている。両者の違いは回転子の磁極数のみであり，その他の構成及び動作原理等は同じである。

本発明による回転電機システムの第二実施例を図１１から図１７を用いて説明する。第二実施例は，回転子からの漏れ磁束量が第一実施例の場合より大とされ，電機子コイルに誘起される電圧が制御される磁石励磁回転電機である。図１１はアキシャ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１１１がベアリング１１３を介してハウジング１１２に回動可能に支持されている。回転子は磁性体突極１１７，１１８，永久磁石１１９，回転子サポート１１ａ等を有して回転軸１１１と共に回転する。永久磁石１１９内の矢印は磁化方向を示す。

第一電機子はハウジング１１２に固定された円板状磁気ヨーク１１５と，円板状磁気ヨーク１１５から軸方向に伸びる磁性体歯１１４と，磁性体歯１１４に巻回された電機子コイル１１６とを有する。第二電機子は円板状磁気ヨーク１１ｃと，円板状磁気ヨーク１１ｃから軸方向に伸びる磁性体歯１１ｂと，磁性体歯１１ｂに巻回された電機子コイル１１ｄとを有する。番号１１ｅは円板状磁気ヨーク１１ｃを支持する第二電機子サポートを示し，ハウジング１１２に対してベアリング１１ｆを介して可動に支持されている。第二電機子サポート１１ｅの外周部にはネジが刻まれ，ウオームギア１１ｇが噛み合うよう構成されている。ウオームギア１１ｇは図示されていないアクチュエータにより回転駆動される。

図１２は回転子を第二電機子側から見た平面図を示し，図１３は第二電機子を回転子側から見た平面図を示し，相互の関係を説明する為に構成部分の一部に番号が付されている。図１２に於いて，図１１に示した磁性体突極１１８は軸と平行の磁化を有する永久磁石１１９，周方向の磁化を有する永久磁石１２３により周方向に交互に異極に磁化されるよう構成され，磁性体突極１１８は更に隣接する磁性体突極１２１，１２２として識別されている。すなわち，永久磁石１１９及び永久磁石１２３はそれぞれ周方向に交互に磁化方向が反転され，図１２に於いて磁性体突極１２１はＮ極に，磁性体突極１２２はＳ極に磁化されている。永久磁石１２３内の矢印は磁化方向を，磁性体突極１２１，１２２に記されたＮ，Ｓは磁化された極性を示している。番号１２４は回転子の通常の回転方向である順回転方向を示す。

図１３に於いて，電機子コイル１１ｄはＵ相，Ｖ相，Ｗ相の３相に結線されるが，その配置は第一実施例とは異なっている。番号１３１から１３ｃで示す電機子コイルは周方向にそれぞれＵ＋相，Ｕ−相，Ｖ−相，Ｖ＋相，Ｗ＋相，Ｗ−相，Ｕ−相，Ｕ＋相，Ｖ＋相，Ｖ−相，Ｗ−相，Ｗ＋相と示される各相の電機子コイルとして割り当てられている。Ｕ，Ｖ，Ｗに続く＋，−の符号は各電機子コイルの巻線方向を示している。Ｕ＋相コイル１３１，１３８は互いに直列に接続され，Ｕ−相コイル１３２，１３７は更に逆向きに直列に接続されて第二電機子のＵ相コイルが構成される。他のＶ相コイル，Ｗ相コイルも同様に構成される。番号１３ｄは隣接する磁性体歯１１ｂ間の間隙を示す。

第一電機子の平面図は示されていないが，電機子コイルの配置は第二電機子と同様である。本実施例に於いて，回転子の磁極数は１０，第一及び第二電機子の電機子コイル数はそれぞれ１２であり，いわゆる１０ポール１２スロットの構成である。第一電機子と第二電機子に於いて，同相の電機子コイル同士は直列に接続されている。

図１４を用いて更に回転子，第一及び第二電機子の磁極構成を説明する。図１４は図１２に示された回転子に於いてＢ−Ｂ’に沿う周方向断面図，図１３のＢ−Ｂ’に対応する第二電機子及び第一電機子の周方向断面図を示し，第二電機子が基準位置１４９から変位した場合を示す。図１１に示された磁性体突極１１７は更に磁性体突極１４４，１４５として識別され，磁性体突極１２１，１２２にそれぞれ軸方向に隣接する。磁性体突極１４４，１４５は永久磁石１４６及び永久磁石１１９により磁化され，それぞれＳ極，Ｎ極に磁化されている。番号１４８は回転子サポート１１ａの一部である支柱を示し，非磁性のステンレススチールで構成されている。

番号１４１，１４２，１４３は第二電機子コイルのＵ＋相コイル１３１，Ｕ−相コイル１３２，Ｖ−相コイル１３３に対応する第一電機子の各電機子コイルを示し，番号１４７は第二電機子が基準位置１４９から変位された変位量を示す。第二電機子の変位量１４７がゼロの場合にＵ＋相コイル１４１からＵ＋相コイル１３１が順回転方向１２４に回転子の一磁性体突極ピッチだけずれて配置された構成である。したがって，第二電機子が基準位置１４９にある場合，Ｕ＋相コイル１４１が磁性体突極１４４に正対する時，Ｕ＋相コイル１３１は磁性体突極１２２に正対する。磁性体突極１４４，磁性体突極１２２は共にＳ極に磁化されているので通電された場合にＵ＋相コイル１４１，Ｕ＋相コイル１３１は回転子側に同じ極性を示すように直列接続されている。その他の相の電機子コイルも同様に結線されている。

回転子の磁極構造を図１１，１２，１４に示すように例えば磁性体突極１２１を側面及び底面に配置された永久磁石１２３，１１９で磁化する構成にした理由は回転子からの漏れ磁束を最大とするためである。永久磁石１１９からの磁束に加えて永久磁石１２３からの磁束を加えて第二電機子側に磁束を漏洩させ，永久磁石１４６からの磁束を加えて第一電機子側に磁束を漏洩させる。残留磁束密度が大きな永久磁石素材はネオジウム磁石，アルニコ磁石等であるが，１テスラ余りであって磁性体の飽和磁石密度２テスラ程度である。磁性体突極１２１，１２２，１４４，１４５を構成する磁性体が磁気的に飽和に至る寸前までに永久磁石１２３，１４６の磁極面積を大にする。これにより本実施例による電動機では起動時に大きなトルクを得られ，発電機では低速で大きな発電電圧を得る事が可能となる。

回転子から電機子側に流れる磁束量が大であれば，少ない電機子電流で大トルクを期待出来るが，通常は高速回転まで実用可能とする為に回転子から電機子側に流れる磁束量は中間的な値に設定する。しかし，本実施例では第一電機子と第二電機子間の変位量を制御する事で電機子コイルの誘起電圧をほぼ１００％に近い範囲で制御出来る。したがって，実用可能な回転速度範囲を考慮して予め回転子から漏れる磁束量を中途半端に抑える必要はない。

この磁極構成では，図１４から容易に判明するように永久磁石１２３からの磁束は磁性体突極１２１，１２２を介して磁性体歯１１ｂ，円板状磁気ヨーク１１ｃを磁路として流れ，永久磁石１４６からの磁束は磁性体突極１４４，１４５を介して磁性体歯１１４，円板状磁気ヨーク１１５を磁路として流れるが，永久磁石１１９からの磁束は磁性体突極１２１，１２２，１４４，１４５，磁性体歯１１４，１１ｂ，円板状磁気ヨーク１１５，１１ｃを磁路として流れる。すなわち，第一電機子及び第二電機子は磁気的に結合されている状態であり，回転子の回転に伴ってコギングトルク，誘起電圧にスパイク状の変動が表れる可能性がある。

図１３を用いて示した電機子コイルの配置はいわゆる１０ポール１２スロットに於ける電機子コイルの配置構造である。図２０に於ける８ポール１２スロットの駆動トルクカーブに対応して図２１に１０ポール１２スロットの駆動トルクカーブ２１２が示されている。先に説明したように８ポール１２スロットでは微小間隙を介して対向する磁極数と磁性体歯数の比は２対３であり，同じ形状及び配置で磁極と磁性体歯が対向するタイミングが周方向に複数有り，コギングトルクが強調され易い。

本実施例で採用した１０ポール１２スロットの磁極構成では周方向に１０個の磁極と１２個の磁性体歯が対向してそれらの比は５対６である。したがって，同じ形状及び配置で磁極と磁性体歯が対向する場面は一周当たりの数が８ポール１２スロットより少なく，コギングトルクが発生しても分散して大きな値とは成らない。また更に電機子コイルはＵ＋相コイル１３１，Ｕ−相コイル１３２が隣り合って並んでいるように同じ相のコイルがその向きを逆転されて並んでいる。同相の電機子コイルである隣接する電機子コイルが互いに逆方向磁界を差動的に回転子に作用させ，前記磁界分布に対応して互いに逆方向に磁化された磁性体突極に選択的に回転トルクを発生させる。更に，隣り合う電機子コイルに差動的に鎖交する磁束により誘起電圧を発生する。

すなわち，上記電機子コイル構成は一種のフィルター特性を有し，隣接する磁性体歯に及ぶパラメータ変動，例えば空隙長，磁気回路の磁気抵抗等が有っても差動的に機能する電機子コイル構成によりその影響は相殺される。その結果，図２１に示されるように本実施例で採用した１０ポール１２スロットの磁極構成に於いてコギングトルクの影響は若干残るが左右の対称性は著しく改善され，また変位角度が正の領域に於いても駆動トルクカーブは滑らかな変化であり，第二電機子に加わる振動的なトルク変動は抑えられている。

このように本実施例では互いに磁気的に結合状態にあるアキシャルギャップ・ダブルステータ構成に１０ポール１２スロットの磁極構成を採用して回転子を介する第一電機子と第二電機子の磁気的結合を抑制し，コギングトルク，誘起電圧に現れる不要な変動を小に抑制している。回転電機のサイズに応じて一周に配置した１０ポール１２スロットの磁極配置をその整数倍として順次配置する構成も可能である。

本実施例が第一実施例と異なる点は磁性体突極数，電機子コイル数，電機子コイル配置の他に第二電機子の基準位置の設定が異なる事である。第一実施例では第一電機子及び第二電機子の同相電機子コイルペアが軸方向に並ぶ位置が第二電機子の基準位置に設定されている。本実施例では第二電機子が第一電機子より一磁性体突極ピッチずれた位置を第二電機子の基準位置とされている。このような配置とした理由は第一電機子の磁性体歯と第二電機子の磁性体歯が軸方向に並ぶ機会を減少させる事であり，第一電機子と第二電機子とが磁気的に結合される確率を減らしてコギングトルク，誘起電圧歪み等に影響し難くする事である。本実施例の構成では第一電機子から変位量１４７の半分だけずれた位置に合成電機子があると見なして回転子を駆動する為の電流制御を行う。

図１４に於いては第二電機子が第一電機子に比して周方向に変位され，その変位量は番号１４７で示されている。図５を用いて説明された第一実施例とは磁極構成が異なるが，第二電機子の変位量１４７に比例して電機子コイルに誘起される電圧が変わる事は同じであり，再度の説明は省略する。

図１５は本実施例に於ける回転子構造を説明する為の斜視図であり，構造を更に分かりやすくする為に磁極の一部１５１を取り出して示している。同図に示されるように回転子サポート１１ａは更に内筒部１５２，外筒部１５３，支柱１４８とから構成され，それらは非磁性のステンレススチールで構成されている。支柱１４８は内筒部１５２と外筒部１５３とを強固に一体化し，永久磁石１１９，１２３，１４６を構成する磁石片，磁性体突極１２１，１２２，１４４，１４５を構成する磁性体片が支柱１４８の周りに配置され，内筒部１５２，外筒部１５３で支持されている。

図１６は本実施例に於ける電機子構造を説明する為に示した第二電機子の斜視図であり，構造を更に分かりやすくする為に一つの磁性体歯１１ｂを取り出して示している。同図に示されるように円板状磁気ヨーク１１ｃを薄いケイ素鋼板を円板状に打ち抜いて積層し，同時に形成した挿入孔１６１に圧粉鉄心で構成された磁性体歯片が挿入し固定される。電機子コイル１１ｄは同図に示されていないが，磁性体歯１１ｂとなる磁性体歯片に電機子コイル１１ｄを巻回した後に円板状磁気ヨーク１１ｃに固定される。番号１６２はケイ素鋼板に渦電流が流れ難いよう形成したスリットである。ケイ素鋼板に設けるスリット１６２の位置は上下で変えて強度的に支障がないよう構成されている。磁性体歯１１ｂをケイ素鋼板片を積層して構成する事も可能であり，その場合は磁性体歯１１ｂを流れる最大磁束量を大に出来る。

図１７は図１１に示した回転電機の右側面を示す平面図であり，図１１及び図１７によりステータ保持手段を説明し，第二電機子の変位制御を説明する。図１１，１７に示されるように第二電機子サポート１１ｅの外周部にはネジが刻まれ，ウオームギア１１ｇが噛み合うよう構成されている。ウオームギア１１ｇにはハウジング１１２に固定されたアクチュエータ１７１により回転駆動される。ステータ保持手段は第二電機子サポート１１ｅの外周部に刻まれたネジ部，ウオームギア１１ｇ，アクチュエータ１７１で構成され，第二電機子の停止位置を決めるストッパーの役割を果たしている。

第二電機子の停止位置を変えるには，例えばアクチュエータ１７１によりウオームギア１１ｇを回転させ，第二電機子サポート１１ｅを次の停止位置の方向に付勢させる。これはストッパーの役割を果たしているウオームギア１１ｇが第二電機子サポート１１ｅの保持力を緩めた事と同じである。同時に第二電機子が電機子反作用により第二電機子サポート１１ｅが付勢されている方向に作用力を受けるよう駆動制御回路を介して電機子コイルを流れる電流を制御する。第二電機子サポート１１ｅが目標とする次の停止位置に達したら，アクチュエータ１７１の回転を止め，ウオームギア１１ｇで第二電機子サポート１１ｅをその位置に保持する。

第二電機子の変位制御に際してウオームギア１１ｇ及びアクチュエータ１７１は単に停止位置の変更及び保持を目的とするのでアクチュエータ１７１は小出力のモータ，ステップモータで十分である。勿論，大出力のアクチュエータ１７１及びウオームギア１１ｇにより第二電機子サポート１１ｅを次の停止位置の方向に変位させながら電機子反作用による作用力をアシストとして用いる事も可能である。電機子反作用に関しては第一実施例に於いて説明したので再度の説明は省略する。

以上，図１１から図１７に示した回転電機に於いて，第二電機子を変位させる事で電機子コイルと鎖交する磁束量を実効的に制御できることを説明した。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，回転電機システムとしての制御を図９及び図１０を用いて更に説明する。

回転電機が電動機として用いられる場合に於いて，磁束量制御を行って回転力を最適に制御する。制御装置９４は出力９３であ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アクチュエータ１７１によりウオームギア１１ｇを回転させ，第二電機子サポート１１ｅを回転子の順回転方向１２４とは逆方向に変位するよう付勢し，電機子反作用を利用して第二電機子サポート１１ｅを順回転方向１２４と逆方向に変位させて電機子コイルと鎖交する磁束量を実効的に小とする。

制御装置９４は出力９３であ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アクチュエータ１７１によりウオームギア１１ｇを回転させ，第二電機子サポート１１ｅを回転子の順回転方向１２４とは同方向に変位するよう付勢し，駆動制御回路９５を介して電力を取り出し，電池１０１に充電させ，電機子反作用を利用して第二電機子コイルサポート１１ｅを順回転方向１２４と同方向に変位させて電機子コイルと鎖交する磁束量を実効的に大とする。

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。制御装置９４は出力９３であ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アクチュエータ１７１によりウオームギア１１ｇを回転させ，第二電機子サポート１１ｅを回転子の順回転方向１２４とは逆方向に変位するよう付勢し，駆動制御回路９５を介して回転子を順回転方向１２４に回転駆動させ，電機子反作用を利用して第二電機子サポート１１ｅを順回転方向１２４と逆方向に変位させて電機子コイルと鎖交する磁束量を実効的に小とする。

制御装置９４は出力９３であ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アクチュエータ１７１によりウオームギア１１ｇを回転させ，第二電機子サポート１１ｅを回転子の順回転方向１２４とは同方向に変位するよう付勢し，駆動制御回路９５を介して取り出す電流を大にして電池１０１に充電させ，電機子反作用を利用して第二電機子サポート１１ｅを順回転方向１２４と同方向に変位させて電機子コイルと鎖交する磁束量を実効的に大とする。

本発明による回転電機システムの第三実施例を図１８を用いて説明する。第三実施例は，第二実施例とほぼ同じ構造であるが，回転子と電機子の磁極構成を１４ポール１２スロットとした構成である。相違点は一部であるので異なる点に集中して説明する。図１８は第二実施例に於いて図１４に対応する回転子，第二電機子及び第一電機子の周方向断面図である。

本実施例では第二実施例と同じ電機子構成であり，回転子の磁性体突極数が１４個であるので電機子の各構成部材には同一の番号を付し，回転子の構成部材には新規の番号を付している。第二電機子に対向する側には磁性体突極１８１，１８２が永久磁石１８５，１８６を挟んで交互に並び，第一電機子に対向する側には磁性体突極１８３，１８４が永久磁石１８７，１８８を挟んで交互に並ぶ構成であり，磁性体突極１８１，１８３間には永久磁石１８９，磁性体突極１８２，１８４間には永久磁石１８ａが配置されている。番号１８ｂは回転子サポート１１ａの一部である支柱を示し，非磁性のステンレススチールで構成されている。

第二実施例と同様に第二電機子の基準位置は第一電機子から回転子の磁性体突極ピッチだけずれた位置である。Ｕ＋相コイル１４１が磁性体突極１８３に正対した時に磁性体突極１８２に正対し，図１８では番号１８ｃで示され，同図に於いて第二電機子は基準位置から変位され，変位量は番号１８ｄで示されている。図１８に示されるように第三実施例と第二実施例の違いは回転子の磁極数のみであり，その他の構成及び動作原理等は省略する。

１４ポール１２スロットは１０ポール１２スロットに近い磁極構成であり，図２１に駆動トルクカーブ２１３として示されている。これは１０ポール１２スロットと電機子コイルの配置を同じにし，駆動電流波形を同じにした場合であって同図では逆方向に回転駆動するよう駆動トルク極性が示されている。また，駆動トルクカーブ２１２は右方向に，駆動トルクカーブ２１３は左方向に中心がややずれている。これは電機子コイルの配置に起因し，駆動トルクカーブ２１２では＋３度，駆動トルクカーブ２１３では−３度の点を基準とするよう駆動電流の位相を調整すると，駆動トルクカーブ２１２，２１３に於ける左右の対称性が改善される。

第三実施例の回転子は１４ポールであり，第二実施例の回転子は１０ポールである事を除いて第三実施例は第二実施例と同じ構成であるが，第一電機子と第二電機子との磁気的結合の機会が減らされる事で振動或いはノイズ面でやや改善される。第二実施例，第三実施例共に第二電機子の最大変位量は回転子の一磁性体突極ピッチであり，周方向角度にして第二実施例では３６度，第三実施例では２６度弱である。磁性体歯の数は１２であるので磁性体歯ピッチは３０度であるので第二実施例では最大変位量が磁性体歯ピッチを超え，第三実施例では最大変位量が磁性体歯ピッチを超えない。したがって，第三実施例では第二電機子の基準位置を適切に設定して磁性体歯間の空隙が軸方向に並ぶ状態を回避して，第一電機子と第二電機子とが磁気的に結合する機会を減らす事が出来る。

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，当然に略円筒状の電機子と回転子とが軸方向に対向するラジアルギャップ構成の回転電機装置も可能である。また，上記実施例に於ける回転子の磁極構成，電機子の構成，制御磁石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。

請求項１の発明は，電機子との対向面に於いて周方向に隣接する磁性体突極が永久磁石により互いに異極に磁化された回転子と，前記回転子との対向面に於いて一以上の磁性体歯及び磁性体歯に巻回された電機子コイルが周方向に配置された第一電機子及び第二電機子とを有し，回転子は第一電機子及び第二電機子それぞれと微小間隙を介して互いに対向し且つ回転可能に構成された回転電機装置であって，同一の相に属する第一電機子の電機子コイル及び第二電機子の電機子コイルペアが互いに直列に接続され，第一電機子がハウジングに固定され，第二電機子がハウジングに対して周方向に可動に構成され，第二電機子の基準位置は第一電機子から磁性体突極の周方向周期の整数倍だけ周方向に変位した位置とし，第二電機子をハウジングに静止するよう保持すると共に保持力を一時的に緩めて第二電機子を回転子の通常の回転方向である順回転方向と前記基準位置から逆方向の領域に変位させるステータ保持手段が配置され，第一電機子と回転子，回転子と第二電機子それぞれに於いて同相の電機子コイルが隣接する磁性体歯に互いに逆方向となるよう巻回された三相電機子コイル群と，前記三相電機子コイル群の電機子コイル数とは異なる数で最も近い偶数個の磁性体突極とで構成される磁極組み合わせが周方向に１組以上配置され，回転電機装置の出力に応じてステータ保持手段は第二電機子を周方向に変位して電機子コイルに誘起される電圧が制御される事を特徴とする。

本発明は回転子に対向する同一構成の二つの電機子の一方を他方に対して変位させ，二つの電機子の電機子コイルそれぞれに誘起される電圧の位相を変えて合計の誘起電圧（モータに於いては逆起電圧，発電機に於いては発電電圧とも称する）を制御し，実効的に電機子コイルとの鎖交磁束量を制御する回転電機装置である。回転子と電機子の磁極構成に於いて同相の電機子コイルが隣接する磁性体歯に互いに逆方向となるよう巻回され，回転子の磁性体突極数を第一電機子，第二電機子それぞれに於ける磁性体歯数と異なる数で最も近い偶数個とされ，或いは前記電機子コイル群と磁性体突極群の磁極組み合わせが一組以上配置される。

同相の電機子コイルである隣接する電機子コイルが互いに逆方向の磁界を差動的に回転子に作用させ，前記磁界分布に対応して磁性体歯と同等サイズで互いに逆方向に磁化された磁性体突極に選択的に回転トルクを発生させる。また，隣り合う電機子コイルに差動的に鎖交する磁束により誘起電圧を発生する。すなわち，上記電機子コイル構成は一種のフィルター特性を有し，トルク変動，電圧変動を抑圧する。また，磁性体歯数と磁性体突極数とは近いが異なる関係であり，磁性体歯と磁性体突極とが対向する同じ組み合わせ状態が同時には集中し難い。したがって，回転子と電機子に於ける磁気的結合状態の変動は分散されて電機子を励振する振動的トルク変動は緩和される。可動側である第二電機子が回転子を駆動する駆動トルクは図２０を用いて説明したように振動的となる傾向があるが，上記構成により第二電機子を励振する振動的トルク変動は抑制され，電機子変位を容易にすると共に電機子コイルと鎖交する実効的な磁束量と電機子変位量の関係はほぼ線形に制御される。

第二電機子の基準位置は第一電機子から磁性体突極の周方向周期の整数倍だけ周方向に変位した位置とし，回転子の通常回転方向を順回転方向として第二電機子を変位させる領域を前記基準位置から逆回転方向の領域とすると，電動機では回生制動時に電機子反作用により第二電機子が付勢される方向が実効的に電機子コイルと鎖交する磁束量が大となる方向であって回生制動力を大にする方向である。この場合，振動的なトルク変動が可動側である第二電機子を励振するように現れる可能性があるが，同相の電機子コイルが隣接する磁性体歯に互いに逆方向となるよう巻回された三相電機子コイル群と，前記三相電機子コイル群の電機子コイル数とは異なる数で最も近い偶数個の磁性体突極とで構成される磁極組み合わせが周方向に１組以上配置される磁極構成により第二電機子を励振する作用力は抑制される。

第二電機子の変位範囲は回転子の磁性体突極周期相当，即ち電気角にして約１８０度である。第一電機子と第二電機子との周方向変位量が磁性体突極の周方向周期の整数倍に設定された場合，前記同相電機子コイルペアがそれぞれ同時に同じ極性である磁性体突極に正対する構成，前記同相電機子コイルペアがそれぞれ同時に異なる極性である磁性体突極に正対する構成がある。前者の構成に於いて前記同相電機子コイルペアは通電により回転子に同一極性を示すよう互いに直列に接続され，後者の構成に於いて前記同相電機子コイルペアは通電により回転子に異なる極性を示すよう互いに直列に接続される。

ステータ保持手段にはアクチュエータ駆動のギア機構，ブレーキ機構，手動変位機構等が用いられ，第二電機子をハウジングに固定或いは周方向に変位させる。電機子コイルと鎖交する実効的な磁束量が制御されるとは，第一及び第二電機子の電機子コイルと鎖交する前記磁束の総量は変わらないが，第二電機子が第一電機子に対して周方向に変位されるのでそれぞれの電機子コイルに誘起される電圧位相が異なり，第一電機子及び第二電機子の電機子コイルに誘起される電圧のベクトル和としての合成誘起電圧振幅が制御される事である。電機子コイルへの誘起電圧制御により，電動機の場合には回転駆動力，回生制動時の制動力及び回収エネルギー量，発電機の場合には発電電圧等の出力が最適化される。

請求項２の発明は，請求項１記載の回転電機システムに於いて，第一電機子と回転子，回転子と第二電機子それぞれに於ける磁極組み合わせが８ポール９スロット，１０ポール９スロット，１０ポール１２スロット，１４ポール１２スロットの何れかの整数倍である事を特徴とする。請求項１の発明に於ける電機子コイルと磁性体突極の典型例が８ポール９スロット，１０ポール９スロット，１０ポール１２スロット，１４ポール１２スロットの何れかの整数倍である磁極構成である。ポールは回転子の磁性体突極数，スロットは電機子コイルを巻回する磁性体歯間を示すので例えば８ポール９スロットはＮ極，Ｓ極に磁化された８個の磁性体突極を有する回転子と，９個の電機子コイルを有する電機子との組み合わせを示している。９スロットの場合は例えばＵ相のコイルがＵ−，Ｕ＋，Ｕ−のように隣り合って周方向に並び，１２スロットの場合は例えばＵ相のコイルがＵ＋，Ｕ−のように隣り合って周方向に並ぶ構成である。Ｕに続く＋，−は巻線の方向を示す。９スロットの場合，異なる数で最も近い偶数は８，１０であり，１２スロットの場合，異なる数で最も近い偶数は１０，１４である。

請求項３の発明は，請求項１記載の回転電機システムに於いて，第一電機子，回転子，第二電機子がそれぞれ微小間隙を介してこの順で軸方向に並び，永久磁石の一端から流れ出る磁束が第一電機子及び第二電機子を含む磁路を流れて前記永久磁石の他端に環流するよう構成されている永久磁石が回転子に含まれ，前記永久磁石は交互に磁化方向を変えて周方向に配置され，第一電機子はハウジングに固定され，第二電機子はハウジングに対して周方向に可動に構成されている事を特徴とする。第一電機子，回転子，第二電機子がこの順で軸方向に並ぶアキシャルギャップ構造は第一電機子，第二電機子が互いに機械的に干渉し難く，回転電機装置はコンパクトに実現される。最もシンプルな回転子構造は，軸方向の磁化を有する永久磁石が交互に磁化方向を反転されて周方向に配置された構成であり，前記永久磁石は第一電機子，第二電機子を共にその磁路内に含み，第二電機子を変位させる事により永久磁石磁路の磁気抵抗変化を伴ってトルク変動或いは電機子に振動的な力を作用させる可能性があるが，請求項１に規定した磁極構成により抑制される。

請求項４の発明は，請求項１記載の回転電機システムに於いて，回転子に負荷が接続され，駆動制御回路が更に配置され，回転電機装置の出力を最適化するように前記出力に応じて駆動制御回路は回転子を回転駆動或いは回生制動させるよう電機子コイルを流れる電流を制御し，同時にステータ保持手段により第二電機子の保持力を一時的に緩め，回転子及び第二電機子間の作用力を少なくとも利用して第二電機子を周方向に回転変位させ，電機子コイルに誘起される電圧を制御する事を特徴とする。

請求項５の発明は，請求項４記載の回転電機システムに於いて，ステータ保持手段は第二電機子をハウジングに保持するブレーキ機構を含み，制御装置は第二電機子の変位量を変える際にはブレーキ機構による第二電機子の保持力を一時的に緩め，駆動制御回路は回転子を回転駆動或いは回生制動させるよう電機子コイルを流れる電流を制御し，回転子及び第二電機子間の作用力を第二電機子変位に利用する事を特徴とする。ブレーキ機構は他にチャッキング機構，クラッチ機構，デテント機構等名称は異なるが趣旨を同じくする種々の構成で実現できる。定常回転ではブレーキ機構により第二電機子をハウジングに保持し，第二電機子の周方向変位量を変える時のみ第二電機子の保持力を一時的に緩める。

請求項６の発明は，請求項４記載の回転電機システムに於いて，ステータ保持手段は第二電機子に配設されたギア及び前記ギアと噛み合うウオームギア機構及びアクチュエータを含み，ウオームギア機構が第二電機子の停止位置を保持すると共にアクチュエータがウオームギアを回転駆動して第二電機子を周方向方向に変位させて第二電機子の停止位置を変える構成とし，制御装置は第二電機子の変位量を変える際にはアクチュエータを回転駆動させて第二電機子の停止位置を変えるよう付勢すると共に駆動制御回路は回転子を回転駆動或いは回生制動させるよう電機子コイルを流れる電流を制御し，回転子及び第二電機子間の作用力を第二電機子変位に利用する事を特徴とする。

請求項７の発明は，請求項４記載の回転電機システムに於いて，第二電機子の変位量を変える際に第二電機子への電機子反作用が大となるよう駆動制御回路は第二電機子と回転子との相対位置を基準として回転子を回転駆動或いは回生制動させるよう電機子コイルを流れる電流を制御し，回転子及び第二電機子間の作用力を第二電機子変位に利用する事を特徴とする。回転子を回転駆動させるに際して通常は第二電機子の基準位置と第二電機子の現在位置との中間に第一電機子と第二電機子の合成電機子が存在すると見なし，回転子位置に応じて電機子コイルに供給する電流を切り替える。本発明では第二電機子の変位量を変える場合には第二電機子への作用力が大となるよう第二電機子と回転子の相対位置を基準に電機子電流の切り替えタイミングを制御して回転子を駆動する。

請求項８の発明は，請求項４記載の回転電機システムに於いて，第二電機子の変位量を変える際に第一電機子への電機子反作用と第二電機子への電機子反作用とが互いに逆方向となるタイミングで駆動制御回路は回転子を回転駆動或いは回生制動させるよう電機子コイルを流れる電流を制御し，回転子及び第二電機子間の作用力を第二電機子変位に利用する事を特徴とする。第一電機子と第二電機子間の相対変位量が大の場合は第一及び第二電機子の電機子コイルと鎖交する回転子からの磁束の流れる方向が互いに逆となるタイミングがあり，その時は第一電機子が回転子に作用する回転駆動力と，第二電機子が回転子に作用する回転駆動力とが互いに逆方向となる。第二電機子の変位に際して上記タイミングで電機子コイルに電流を流す事で回転子の回転状態への影響を実質的に小さく抑えながら第二電機子を変位させる作用力を得る事が出来る。

請求項９の発明は，請求項１から請求項８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，回転速度が所定の値より大で電機子コイルに誘起される誘起電圧を減少させる時には制御装置によりステータ保持手段を介して第二電機子の保持力を一時的に緩め，駆動制御回路を介して回転子を順方向に回転駆動する事により基準位置から第二電機子の変位を大として電機子コイルに誘起される誘起電圧を減少させ，回転速度が所定の値より小で電機子コイルに誘起される誘起電圧を増大させる時には制御装置によりステータ保持手段を介して第二電機子の保持力を一時的に緩め，駆動制御回路を介して回転子を回生制動する事により基準位置から第二電機子の変位を小として電機子コイルに誘起される誘起電圧を増大させ，回転力が最適に制御される事を特徴とする。

請求項１０の発明は，請求項１から請求項８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，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は制御装置によりステータ保持手段を介して第二電機子の保持力を一時的に緩め，駆動制御回路を介して回転子を順方向に回転駆動する事により基準位置から第二電機子の変位を大として電機子コイルに誘起される発電電圧を減少させ，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は制御装置によりステータ保持手段を介して第二電機子の保持力を一時的に緩め，駆動制御回路を介して電機子コイルから出力させる電流を大とする事により基準位置から第二電機子の変位を小として電機子コイルに誘起される発電電圧を増大させ，発電電圧が所定の値に制御される事を特徴とする。

請求項１１の発明は，電機子との対向面に於いて周方向に隣接する磁性体突極が永久磁石により互いに異極に磁化された回転子と，前記回転子との対向面に於いて一以上の磁性体歯及び磁性体歯に巻回された電機子コイルが周方向に配置された第一電機子及び第二電機子とを有し，回転子は第一電機子及び第二電機子それぞれと微小間隙を介して互いに対向し且つ回転可能に構成された回転電機装置の電機子コイルに誘起される誘起電圧制御方法であって，第一電機子と回転子，回転子と第二電機子それぞれに於いて同相の電機子コイルを隣接する磁性体歯に互いに逆方向となるよう巻回した三相電機子コイル群と，前記三相電機子コイル群の電機子コイル数とは異なる数で最も近い偶数個の磁性体突極とで構成する磁極組み合わせを周方向に１組以上配置し，同一の相に属する第一電機子の電機子コイル及び第二電機子の電機子コイルペアを互いに直列に接続し，第二電機子の基準位置は第一電機子から磁性体突極の周方向周期の整数倍だけ周方向に変位した位置とし，第二電機子をハウジングに静止するよう保持すると共に保持力を一時的に緩めて第二電機子を回転子の通常の回転方向である順回転方向と前記基準位置から逆方向の領域に変位させるステータ保持手段を有し，回転電機装置の出力に応じてステータ保持手段は第二電機子を周方向に変位させ，電機子コイルに誘起される誘起電圧を制御する事を特徴とする誘起電圧制御方法である。

電機子コイルから回転子側に漏れる磁束分布は磁性体歯の形状寸法に左右されるが，本発明に於いては磁性体突極の数は電機子コイルとは異なる数で最も近い偶数個で構成され，磁性体歯と磁性体突極とが対向する周方向寸法はほぼ等しい。すなわち，上記電機子コイル構成は一種のフィルター特性を有し，隣接する磁性体歯に及ぶパラメータ変動，例えば空隙長，磁気回路の磁気抵抗等が有っても差動的に機能する電機子コイル構成によりその影響は相殺される。したがって，回転子と電機子に於ける磁気的結合状態の変動は分散されて電機子を励振する振動的トルク変動は緩和される。

その結果，可動側である第二電機子が回転子を駆動する駆動トルクは図２０を用いて説明したように振動的となる傾向があるが，上記構成により第二電機子を励振する振動的トルク変動は抑制される。図２１に示されるように本実施例で採用した８ポール９スロットの磁極構成に於いてコギングトルクの影響は若干残るが左右の対称性は著しく改善され，また変位角度が正の領域に於いても駆動トルクカーブは滑らかな変化であり，第二電機子に加わる振動的なトルク変動は抑えられている。本実施例では８ポール９スロットの磁極構成としたが，大型の回転電機に於いて，回転子の磁極数を１６スロットに，電機子は前記９スロットの電機子コイル構成を周方向に２組配置する構成とする事が出来る。コギングトルクは大となるが，駆動トルクに対する比は同じである。

Claims (12)

1. 電機子との対向面に於いて周方向に隣接する磁性体突極が永久磁石により互いに異極に磁化された回転子と，前記回転子との対向面に於いて一以上の磁性体歯及び磁性体歯に巻回された電機子コイルが周方向に配置された第一電機子及び第二電機子とを有し，回転子は第一電機子及び第二電機子それぞれと微小間隙を介して互いに対向し且つ回転可能に構成された回転電機装置であって，同一の相に属する第一電機子の電機子コイル及び第二電機子の電機子コイルペアが互いに直列に接続され，第一電機子がハウジングに固定され，第二電機子がハウジングに対して周方向に可動に構成され，第二電機子をハウジングに静止するよう保持すると共に保持力を一時的に緩めて第二電機子を回転子の通常の回転方向である順回転方向と逆方向に変位させるステータ保持手段が配置され，第二電機子を励振する振動的トルク変動が抑制されるように第一電機子と回転子，回転子と第二電機子それぞれに於いて同相の電機子コイルが隣接する磁性体歯に互いに逆方向となるよう巻回された三相電機子コイル群と，前記三相電機子コイル群の電機子コイル数とは異なる数で最も近い偶数個の磁性体突極とで構成される磁極組み合わせが周方向に１組以上配置され，回転電機装置の出力を最適化するように前記出力に応じてステータ保持手段は第二電機子を周方向に変位させ，電機子コイルと鎖交する実効的な磁束量が制御される事を特徴とする回転電機システム
2. 請求項１記載の回転電機システムに於いて，第一電機子と回転子，回転子と第二電機子それぞれに於ける磁極組み合わせが８ポール９スロット，１０ポール９スロット，１０ポール１２スロット，１４ポール１２スロットの何れかの整数倍である事を特徴とする回転電機システム
3. 請求項１記載の回転電機システムに於いて，第二電機子の基準位置は第一電機子から磁性体突極の周方向周期の整数倍だけ周方向に変位した位置である事を特徴とする回転電機システム
4. 請求項１記載の回転電機システムに於いて，第一電機子，回転子，第二電機子がそれぞれ微小間隙を介してこの順で軸方向に並び，永久磁石の一端から流れ出る磁束が第一電機子及び第二電機子を含む磁路を流れて前記永久磁石の他端に環流するよう構成されている永久磁石が回転子に含まれ，前記永久磁石は交互に磁化方向を変えて周方向に配置され，第一電機子はハウジングに固定され，第二電機子はハウジングに対して周方向に可動に構成されている事を特徴とする回転電機システム
5. 請求項１記載の回転電機システムに於いて，回転子に負荷が接続され，駆動制御回路が更に配置され，回転電機装置の出力を最適化するように前記出力に応じて駆動制御回路は回転子を回転駆動或いは回生制動させるよう電機子コイルを流れる電流を制御し，同時にステータ保持手段により第二電機子の保持力を一時的に緩め，回転子及び第二電機子間の作用力を少なくとも利用して第二電機子を周方向に回転変位させ，電機子コイルと鎖交する実効的な磁束量を制御する事を特徴とする回転電機システム
6. 請求項５記載の回転電機システムに於いて，ステータ保持手段は第二電機子をハウジングに保持するブレーキ機構を含み，制御装置は第二電機子の変位量を変える際にはブレーキ機構による第二電機子の保持力を一時的に緩め，駆動制御回路は回転子を回転駆動或いは回生制動させるよう電機子コイルを流れる電流を制御し，回転子及び第二電機子間の作用力を第二電機子変位に利用する事を特徴とする回転電機システム
7. 請求項５記載の回転電機システムに於いて，ステータ保持手段は第二電機子に配設されたギア及び前記ギアと噛み合うウオームギア機構及びアクチュエータを含み，ウオームギア機構が第二電機子の停止位置を保持すると共にアクチュエータがウオームギアを回転駆動して第二電機子を周方向方向に変位させて第二電機子の停止位置を変える構成とし，制御装置は第二電機子の変位量を変える際にはアクチュエータを回転駆動させて第二電機子の停止位置を変えるよう付勢すると共に駆動制御回路は回転子を回転駆動或いは回生制動させるよう電機子コイルを流れる電流を制御し，回転子及び第二電機子間の作用力を第二電機子変位に利用する事を特徴とする回転電機システム
8. 請求項５記載の回転電機システムに於いて，第二電機子の変位量を変える際に第二電機子への電機子反作用が大となるよう駆動制御回路は第二電機子と回転子との相対位置を基準として回転子を回転駆動或いは回生制動させるよう電機子コイルを流れる電流を制御し，回転子及び第二電機子間の作用力を第二電機子変位に利用する事を特徴とする回転電機システム
9. 請求項５記載の回転電機システムに於いて，第二電機子の変位量を変える際に第一電機子への電機子反作用と第二電機子への電機子反作用とが互いに逆方向となるタイミングで駆動制御回路は回転子を回転駆動或いは回生制動させるよう電機子コイルを流れる電流を制御し，回転子及び第二電機子間の作用力を第二電機子変位に利用する事を特徴とする回転電機システム
10. 請求項１から請求項９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，回転速度が所定の値より大で電機子コイルと鎖交する実効的な磁束量を減少させる時には制御装置によりステータ保持手段を介して第二電機子の保持力を一時的に緩め，駆動制御回路を介して回転子を順方向に回転駆動する事により基準位置から第二電機子の変位を大として電機子コイルと鎖交する実効的な磁束量を減少させ，回転速度が所定の値より小で電機子コイルと鎖交する実効的な磁束量を増大させる時には制御装置によりステータ保持手段を介して第二電機子の保持力を一時的に緩め，駆動制御回路を介して回転子を回生制動する事により基準位置から第二電機子の変位を小として電機子コイルと鎖交する実効的な磁束量を増大させ，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
11. 請求項１から請求項９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，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は制御装置によりステータ保持手段を介して第二電機子の保持力を一時的に緩め，駆動制御回路を介して回転子を順方向に回転駆動する事により基準位置から第二電機子の変位を大として電機子コイルと鎖交する実効的な磁束量を減少させ，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は制御装置によりステータ保持手段を介して第二電機子の保持力を一時的に緩め，駆動制御回路を介して電機子コイルから出力させる電流を大とする事により基準位置から第二電機子の変位を小として電機子コイルと鎖交する実効的な磁束量を増大させ，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
12. 電機子との対向面に於いて周方向に隣接する磁性体突極が永久磁石により互いに異極に磁化された回転子と，前記回転子との対向面に於いて一以上の磁性体歯及び磁性体歯に巻回された電機子コイルが周方向に配置された第一電機子及び第二電機子とを有し，回転子は第一電機子及び第二電機子それぞれと微小間隙を介して互いに対向し且つ回転可能に構成された回転電機装置の実効的な磁束量制御方法であって，第一電機子と回転子，回転子と第二電機子それぞれに於いて同相の電機子コイルを隣接する磁性体歯に互いに逆方向となるよう巻回した三相電機子コイル群と，前記三相電機子コイル群の電機子コイル数とは異なる数で最も近い偶数個の磁性体突極とで構成する磁極組み合わせを周方向に１組以上配置し，同一の相に属する第一電機子の電機子コイル及び第二電機子の電機子コイルペアを互いに直列に接続し，第二電機子をハウジングに静止するよう保持すると共に保持力を一時的に緩めて第二電機子を周方向に変位させるステータ保持手段を有し，回転電機装置の出力を最適化するように前記出力に応じてステータ保持手段は第二電機子を周方向に変位させ，電機子コイルと鎖交する実効的な磁束量を制御する事を特徴とする実効的な磁束量制御方法

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