JP3879413B2 - 搬送システム及び回転電機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は永久磁石を界磁に用いた回転電機に係り、特に搬送システムの駆動，回生を行う回転電機およびその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術による永久磁石回転電機において、誘導起電力Ｅは回転子に配置されている永久磁石が発生する一定磁束Φと回転電機の回転角速度ωによって決定される。つまり、回転電機の回転角速度ω（回転数）が上昇すると、回転電機の誘導起電力は比例して上昇する。
【０００３】
よって、低速領域で高トルクが得られるが、回転数の可変速範囲が狭いために高速領域の運転は困難であったが、弱め界磁制御技術により高速運転領域を広げる。
【０００４】
また、特開２０００−１５５２６２では永久磁石が発生する磁束の弱め界磁方法として、ばねとガバナを用いて遠心力を利用した機構を用いる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術で述べた弱め界磁制御技術により高速運転領域を広げることは、弱め界磁電流による発熱や効率低下などにより限界がある。
【０００６】
また、特開２０００−１５５２６２による方法では、ばねとガバナの構造が複雑である。
【０００７】
本発明は、簡単な構造で永久磁石が発生する磁束の弱め界磁が可能な回転電機を提供し、更に、搬送システムの発進等の低回転領域における高トルク特性と、高回転領域において高出力特性が得られる永久磁石形回転電機を備えた搬送システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、回転電機において、巻線を有する固定子と、回転方向に順次異なった極性のものを並べて構成した第１及び第２の界磁用磁石が回転軸上に設けられたものであって、この第１及び第２の界磁用磁石が固定子の磁極に対向するように固定子に対して配置された回転子とを有し、第１及び第２の界磁用磁石の磁気作用力と回転子に発生するトルクの方向とに応じて第１及び第２の界磁用磁石が回転軸の軸方向と回転方向に変位できるように構成されていることを特徴とする。また、本発明は、回転電機において、巻線を有する固定子と、回転方向に順次異なった極性のものを並べて構成した第１乃至第３の界磁用磁石が回転軸上に設けられたものであって、この第１乃至第３の界磁用磁石が固定子の磁極に対向するように固定子に対して配置された回転子とを有し、第１乃至第３の界磁用磁石の磁気作用力と回転子に発生するトルクの方向とに応じて、回転軸上に固定された第３の界磁用磁石の両端に位置する第１及び第２の界磁用磁石が回転軸の軸方向と回転方向に変位できるように構成されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明は、搬送システムにおいて、車輪を有する台車と、この台車の動力源であって、車輪の車軸に動力を伝達する回転電機と、外部から前記台車内に電力を取り入れる集電装置と、回転電機の電力を制御する電力変換器とを有し、回転電機は、巻線を有する固定子と、回転方向に順次異なった極性のものを並べて構成した第１及び第２の界磁用磁石が回転軸上に設けられたものであって、この第１及び第２の界磁用磁石が固定子の磁極に対向するように固定子に対して配置された回転子とを有するものであり、第１及び第２の界磁用磁石の磁気作用力と回転子に発生するトルクの方向とに応じて、第１の界磁用磁石が第２の界磁用磁石に対して回転軸の軸方向と回転方向に変位できるように構成されたものであることを特徴とする。また、本発明は、搬送システムシステムにおいて、車輪を有する台車と、この台車の動力源であって、車輪の車軸に動力を伝達する回転電機と、外部から前記台車内に電力を取り入れる集電装置と、回転電機の電力を制御する電力変換器とを有し、回転電機は、巻線を有する固定子と、回転方向に順次異なった極性のものを並べて構成した第１及び第２の界磁用磁石が回転軸上に設けられたものであって、この第１及び第２の界磁用磁石が固定子の磁極に対向するように固定子に対して配置された回転子とを有するものであり、第１及び第２の界磁用磁石の磁気作用力と前記回転子に発生するトルクの方向とに応じて第１及び第２の界磁用磁石が回転軸の軸方向と回転方向に変位できるように構成されたものであることを特徴とする。さらに、本発明は、搬送システムにおいて、車輪を有する台車と、この台車の動力源であって、車輪の車軸に動力を伝達する回転電機と、外部から前記台車内に電力を取り入れる集電装置と、回転電機の電力を制御する電力変換器とを有し、回転電機は、巻線を有する固定子と、回転方向に順次異なった極性のものを並べて構成した第１乃至第３の界磁用磁石が回転軸上に設けられたものであって、この第１乃至第３の界磁用磁石が前記固定子の磁極に対向するように前記固定子に対して配置された回転子とを有するものであり、第１乃至第３の界磁用磁石の磁気作用力と回転子に発生するトルクの方向とに応じて、回転軸上に固定された第３の界磁用磁石の両端に位置する第１及び第２の界磁用磁石が回転軸の軸方向と回転方向に変位できるように構成されたものであることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
図１は本実施例の永久磁石形同期回転電機の配置レイアウトを示したものである。
【００１３】
回転電機を動力源として用いる搬送システムには様々であるが、その一例として、鉄道車両システムの実施例を示したのが図１である。
【００１４】
図１において、回転電機２と直接又は間接に取り付けられた車輪８３を備えて、前記回転電機の電力を制御する電力変換器４と、電気車１と集電装置８５を有する鉄道車両システムである。
【００１５】
ここに、前記電気車とは電気を動力として使用する鉄道車両である。また、鉄道車両システムも含めた広い意味の搬送システムにおいては台車に相当する意味を持つ。
【００１６】
また、集電装置は車外から電気車（もしくは台車）内に電力を取り入れる装置であり、架空線８６式ではパンターグラフ、第三軌条式では集電器であり、工場内の搬送システムには非接触集電装置でもある。
【００１７】
図１の下に示す回転電機２は継手８１と歯車装置８２を介して車軸８４に動力を伝達する構造を示す。前記回転電機２の左右には図２に示すストッパー２４を必要に応じてシャフトと平行に可変可能な機構２５Ｒ，２５Ｌを持つ。
【００１８】
図２は図１の回転電機の回転子同磁極中心がずれた場合の概略を示す。固定子鉄心１０には電機子巻線１１がスロット内に巻装されており、内部に冷媒が流れる冷却路１２をもったハウジング１３に結合されている。
【００１９】
永久磁石埋め込み型回転子２０はシャフト２２に固定した第１回転子２０Ａとシャフト２２と分離した第２回転子２０Ｂからなる。勿論、永久磁石埋め込み型回転子のみならず、表面磁石型回転子でも良い。
【００２０】
第１回転子２０Ａには、永久磁石２１Ａが回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる。同じく、第２回転子２０Ｂには、永久磁石２１Ｂが回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる。第１の界磁用磁石と第２回転子の２つの回転子を同一軸上に配置した界磁用磁石は固定子磁極に対向している。
【００２１】
第２回転子２０Ｂの内径側はナット部２３Ｂとなり、それに当たるシャフトにはボルトのネジ部２３Ａとなり、お互いにネジの機能を持たせると、第２回転子２０Ｂはシャフトに対して回転しながら軸方向に移動可能である。
【００２２】
また、第２回転子２０Ｂが固定子の中心から所定の変位以上はみ出さないように前記第２回転子２０Ｂの側面から離れたところにはストッパー２４を設ける。さらに、サーボ機構であるストッパー駆動用アクチュエータ２５を設けて、前記ストッパー２４をシャフトと平行に左右に移動可能にすれば、第１の界磁用磁石と第２の界磁用磁石との磁極中心がずれる値を変えることが出来る。結果的には、電機子巻線１１がスロット内に巻装されている固定子に対して、第１の界磁用磁石と第２の界磁用磁石からなる全体の有効磁束量を制御可能である。
【００２３】
上記の構造にすることで、トルクの方向に応じて永久磁石の有効磁束量を変化することについて述べる。
【００２４】
基本的に固定子には電機子巻線と回転子には永久磁石を用いる回転電機において、電動機として働く時と、回生（もしくは発電機）として働く時の回転子の回転方向が同じであれば、電動機として働く時と、回生（もしくは発電機）として働く時の回転子が受けるトルクの方向は反対になる。
【００２５】
また、同じ電動機として働く時、回転子の回転方向が反対になれば、トルク方向も反対になる。同じく、同じ回生（もしくは発電機）として働く時、回転子の回転方向が反対になれば、トルク方向も反対になる。
【００２６】
上記に説明した回転方向とトルク方向による基本理論を本発明の実施形態に係る回転電機に適用すると以下の通りである。
【００２７】
鉄道車両システムの車両１が発進し、もしくは搬送システムの台車が発進時等のように低回転領域においては、図３に示すように、第１回転子２０Ａと第２回転子２０Ｂの同磁極の中心が揃うようにし、固定子磁極と対向する永久磁石による有効磁束量を最大にして、高トルク特性が得られる。
【００２８】
次に高回転領域において高出力特性として働く時は、シャフト２２に対して第２回転子２０Ｂはボルトのネジ部からナット部が外れるように第１回転子２０Ａと第２回転子２０Ｂの間の間隔が広がりながら同磁極の中心がずれて、固定子磁極と対向する永久磁石による有効磁束量を少なくすることになり、言い換えると弱め界磁効果があり、高回転領域において高出力発電特性が得られる。
【００２９】
第１回転子２０Ａと第２回転子２０Ｂの間の間隔が広がりながら同磁極の中心がずれて、固定子磁極と対向する永久磁石による有効磁束量が少ない状態の概略を図４に示す。
【００３０】
図３と図４の左下にはボルトの頭部６１，ボルトのネジ部６０とナット部６２に関係した図を示すが、ボルトの頭部６１は第１回転子２０Ａ，ナット部６２は第２回転子２０Ｂに相当するものである。ボルトのネジ部６０（図２内の２３Ａに相当する）が同じ方向に回転するとすれば、ナット部６２にかかるトルクの方向によって該ナット部６２は締まったり外れたりするように、第２回転子２０Ｂも回転子のトルク方向によって同じ動きをする。
【００３１】
本発明の回転電機による誘導起電力の作用について説明する。
【００３２】
図５に永久磁石形同期回転電機の回転角速度に対する有効磁束，誘導起電力，端子電圧の特性を示す。
【００３３】
永久磁石形同期回転電機の誘導起電力Ｅは永久磁石が発生する磁束Φと回転電機の回転角速度ωによって決定される。つまり図５（ａ）に示す様に、回転子に配置されている永久磁石が発生する磁束Φ１が一定ならば、回転角速度ω（回転数）が上昇すると、回転電機の誘導起電力Ｅ１は比例して上昇する。しかし、前記電力変換器４の電源端子電圧や容量の制限があり、回転電機が発生する誘導起電力もある条件値以下に抑えなければならない。その為永久磁石形同期回転電機では、ある回転数以上の領域では永久磁石が発生する磁束を減らす為のいわゆる弱め界磁制御を行わなくてはならない。
【００３４】
誘導起電力が回転角速度に比例して上昇する為、弱め界磁制御の電流も大きくしなければならない故に、１次導体であるコイルに大電流を流す必要があり、おのずとコイルの発生する熱が増大する。そのため、高回転領域における回転電機としての効率の低下，冷却能力を超えた発熱による永久磁石の減磁等が起こりうる可能性がある。
【００３５】
例えば、図５（ａ）に示す様に、永久磁石が発生する磁束Φ１がある回転角速度ω１（回転数）のポイントで磁束Φ２に変わると、回転電機の誘導起電力Ｅ１から誘導起電力Ｅ２特性に変化することで誘導起電力の最大値を制限することが可能である。
【００３６】
図５（ｂ）は同様に回転角速度ω（回転数）に応じてより細かく磁束Φが変われば、誘導起電力Ｅも一定に保つことが可能であることの概略を示す。
【００３７】
更に、図５（ｂ）に示した特性を得る手段の実施例の一つとして、前記第１の界磁用磁石はシャフトに固定し、前記第２の界磁用磁石はシャフトと可動自在に結合すると共に、シャフトにはボルトのネジ部と第２の界磁用磁石の内周側はナット部になりお互いにネジの機能を持たせて接続し、第２の界磁用磁石の側面から離れたところにはストッパーを設け、ストッパーを回転速度に応じてシャフトと平行に可変可能なサーボ機構を持たせた回転電機を用いることで可能である。
【００３８】
図６は図１の回転電機の制御ブロック図を示したものである。
【００３９】
まず、タービンコントローラ及び単独に設置しているセンサからの情報（圧縮機圧力，ガス温度，運転モード，燃料ガススロットル開度etc ）、および永久磁石形同期回転電機２の回転数を基に、運転判断部１０１が永久磁石形同期回転電機２の運転動作を判断して電流指令値を出力する。運転判断部１０１から出力された電流指令値は、現在の永久磁石形同期回転電機２の電流値との差分に対して非干渉制御等を行っている電流制御ブロック１０２に入力する。
【００４０】
電流制御ブロック１０２からの出力は回転座標変換部１０３で３相の交流に変換され、ＰＷＭインバータ主回路１０４を介して永久磁石形同期回転電機２を制御する。また、永久磁石形同期回転電機２の各相の電流(少なくとも２相の電流)および回転数（タービン回転数でもよい。また変速機がある場合にはタービン回転数の逓倍した値を用いても良い。）を検出し、各相の電流は２軸変換ブロック１０５で、２軸電流に変換し、電流指令値にフィードバックしている。また、回転数，磁極位置らは検出器１０６で検出され、磁極位置変換部１０７と速度変換部１０８らを通して各制御ブロックにフィードバックされる。
【００４１】
尚、図６における実施例では、回転電機２の位置・速度センサ、ならびに回転電機の電流センサがある場合のものを示したが、これらの一部のセンサを排除し、センサレスにより回転電機２を駆動するタイプの制御構成のものでも、同様に実施可能である。
【００４２】
また、本発明の永久磁石形同期回転電機は、運転状況に応じて第１回転子と第２回転子の両磁極中心を揃えたり、ずらせたりすることになるので、前記第１の界磁用磁石と第２の界磁用磁石との合成磁極位置のずれに応じて前記電力変換器を制御するコントローラによる電流供給の進角を補正する機能を持つ。
【００４３】
電流供給の進角を補正する実施例について述べる。
【００４４】
前記第１の界磁用磁石はシャフトに固定し、前記第２の界磁用磁石はシャフトと可動自在に結合すると共に、シャフトにはボルトのネジ部と第２の界磁用磁石の内周側にはナット部になりお互いにネジの機能を持たせると、第２の界磁用磁石は回転しながら軸方向に移動する。
【００４５】
運転状況に応じて第１回転子と第２回転子の磁極中心が一致したり、ずれたりする場合の回転角と軸方向変位量の関係を図１３に示す。
【００４６】
図１３において、第２回転子の回転角θと軸方向変位量ΔＬは比例関係であり、変位測定器６４を用いて軸方向変位量ΔＬを測定し、電力変換器のコントローラにフィードバックされ第１の界磁用磁石と第２の界磁用磁石との合成磁極位置のずれ角に換算した値として、電流供給の進角を補正する最適制御に用いる。
【００４７】
図７は本発明の他の実施形態をなす回転電機を示す。
【００４８】
前記第１回転子２０Ａはシャフト２２に固定し、前記第２回転子２０Ｂはシャフト２２と可動自在に結合すると共に、シャフトの一部にはボルトのネジ部23Ａと第２の界磁用磁石の内周側にスリーブ４１を固定し、かつスリーブ４１の内側にナット部２３Ｂを固定したものを一体化すれば、シャフト２２に対して第２回転子２０Ｂはボルトのネジ部からナット部が外れる方向に第１回転子２０Ａと第２回転子２０Ｂの間の間隔が広がりながら回転する。
【００４９】
第２の界磁用磁石の内周側とシャフト２２間にはわずかな遊びがあることで、回転と共に第２の界磁用磁石の内周側とシャフト２２間に鎖交磁束変化が生じると、電食等の障害があるが、前記スリーブ４１は鉄より電気抵抗率が高い非磁性体を用いることで、第２の界磁用磁石の内周側とシャフト２２間には磁気的にも、電気的にも絶縁を行う効果がある。
【００５０】
前記第２の界磁用磁石と前記シャフト間には回転運動と往復運動及び複合運動を案内出来るようにスリーブ４１の内側に支持機構４０Ａ，４０Ｂを備えた。
【００５１】
第２回転子２０Ｂはシャフトの一部にボルトのネジ部２３Ａを設け、これとお互いにネジの機能を持たせて、第２の界磁用磁石の側面から離れたところには移動可能なストッパー２４を設ける。ストッパー２４とシャフト間、ストッパーと第２回転子２０Ｂの側面間には回転運動と往復運動及び複合運動を案内出来るように支持機構４２，４７を設ける。支持機構４２はスラスト軸受の機能を持ち、支持機構４７はラジアル軸受でありながら回転運動と往復運動及び複合運動を案内する機能を持つ。
【００５２】
さらに、ばね４８を設けることで、支持機構４２はスラスト軸受としてその機能が向上する効果がある。
【００５３】
ストッパー２４はシャフトと平行に移動可能なサーボ機構の一例として電磁クラッチについて述べる。
【００５４】
電磁クラッチの構成は、ヨーク４４にコイル４６が巻かれて、ストッパー２４は可動鉄心の機能を兼用することで良い。ヨーク４４とコイル４６は回転電機のフレーム４９、若しくは車体の一部に（図に示せず）固定し、ヨーク４４とストッパー２４の間にばね４５を備えて励磁遮断時の復帰装置の機能を持つ。回転電機のフレーム４９とシャフト２２の間には軸受５０で支える。
【００５５】
図７はコイル４６に無励磁状態の概略であり、図８はコイル４６に励磁状態の概略を示す。
【００５６】
コイル４６を励磁することでヨーク４４は強力な電磁石となり、可動鉄心の機能を兼用するストッパー２４を吸引する。
【００５７】
ここに示した電磁クラッチはストッパー２４をシャフトと平行に可変可能なサーボ機構の一例であり、油圧アクチュエータ，回転機とボールネジなどによる直線駆動装置，リニアモータなどを用いることで、より細かなストッパーの位置決めが可能である。
【００５８】
図９は第２回転子２０Ｂの内側に固定されるスリーブ４１の一例を示す。
【００５９】
それらの固定方法の一つとして、第２回転子２０Ｂとスリーブ４１からなる２つの部品の接する面のお互いに凸凹を設けて固定した。また、シャフト２２に固定した第１回転子２０Ａとシャフト２２と分離した第２回転子２０Ｂの内側違いの概略を示す。
【００６０】
図１０は本発明の他の実施例を示す。
【００６１】
前記第１の界磁用磁石と前記第２の界磁用磁石が接する前記第１の界磁用磁石側面に凹部５３を設け、前記第２の界磁用磁石には前記スリーブの機能を兼ねた突起部５４を設けた構造である。突起部５４はスリーブ４１と一体ものでも良いし、第２回転子２０Ｂと一体ものでも良い。よって、スリーブ４１の十分なスペースが確保出来、ばね４８，支持機構４０Ａ，４０Ｂ，ナット部２３Ｂらを有効に配置することで、第２回転子２０Ｂの軸長積厚が薄い回転電機に有効な手法の一つである。
【００６２】
図１１は本発明の他の実施例を示す。
【００６３】
図１１に示す基本構成要素は図７と同じであるが、電磁クラッチに相当する一部を変更した一例である。図１１はコイル４６が励磁状態であり、励磁遮断時はばね４５によりヨーク４４とストッパー２４は切り離れる。また、第２回転子
２０Ｂにトルクが加わるボルトのネジ部２３Ａとナット部２３Ｂの相互作用によるネジの機能により推力が得られる特性を持つ。よって、ネジとトルクの相互関係でストッパー２４を押し出す推力が加われば、コイル４６の励磁を遮断するとストッパー２４はヨーク４４と切り離れる。ヨーク４４はアーム５２を介してフレーム４９、若しくは台車本体の一部に（図に示せず）固定される。
【００６４】
図１１に示す電磁クラッチは、図７，図８の説明と同じくストッパー２４をシャフトと平行に可変可能なサーボ機構の一例であり、油圧アクチュエータ，回転機とボールネジなどによる直線駆動装置，リニアモータなどを用いることで、より細かなストッパー２４の位置決めが可能である。
【００６５】
勿論、各図に示した各々の構成要素は様々な方法で組合せることが可能であり、用途に合わせて加えたり、取り外すことは言うまでもない。
【００６６】
図１２は本発明の他の実施形態をなす回転電機を示す。
【００６７】
本発明の回転電機の特徴として、第１回転子２０Ａはシャフト２２に対してしっかり固定されているのに対して、第２回転子２０Ｂはシャフト２２に対して自由度を持つことになる。従って、第２回転子２０Ｂとシャフト２２間にはわずかな機械的な寸法の遊びがあり、大きなトルクや遠心力などが加わると偏心することもあり得る。よって、第１の界磁用磁石を有する第１回転子２０Ａと前記固定子間のエアギャップＧａｐ１より第２の界磁用磁石を有する第２回転子２０Ｂと前記固定子間のエアギャップＧａｐ２の方が大きくしたことで、偏心による第２回転子２０Ｂと前記固定子との機械的な接続を省く効果がある。
【００６８】
図１５は本発明の他の実施形態をなす回転電機を示す。
【００６９】
本発明の回転電機の特徴として、第２回転子２０Ｂの外周側の長さより内周側の長さを短くし、第２回転子２０Ｂ内側にストッパー２４とサーボ機構（ストッパー駆動用アクチュエータ）２５を備えた構造である。よって、ストッパー２４とサーボ機構２５による回転子全体の軸方向長さを押さえる効果がある。
【００７０】
以上の本発明の説明では、４極機を対象に述べたが、２極機、又は、６極機以上に適用出来る事は言うまでもない。一例として、図１４には本発明を８極機に適用した場合の永久磁石形同期回転電機の回転子概略図を示す。また、回転子においては埋め込み磁石形でも、表面磁石形でも適用出来る事は言うまでもない。
【００７１】
図１６に本発明の他の実施形態をなす回転電機を示す。
【００７２】
図１６は、一次巻線を有する固定子と界磁用磁石とシャフトとを有する回転子からなる回転電機において、前記界磁用磁石は、回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第１の界磁用磁石と回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第２の界磁用磁石を有し、両方の界磁用磁石は軸方向と回転方向に変位する機構を有することを特徴とする回転電機を示す。
【００７３】
図１１に示す前記回転電機は、一方の界磁用磁石が他方の界磁用磁石に対して変位する機構は、一方の界磁用磁石はシャフトに固定し、他方の界磁用磁石はシャフトとは可動自在にする構造であったが、図１６に示す前記回転電機は両方の界磁用磁石は軸方向と回転方向に変位する機構を有することが大きな違いである。
【００７４】
図１６において、両方の界磁用磁石の間には中央ストッパー６４をシャフト
２２の備え、両方の界磁用磁石の左右変位を抑える機能を持つ。これらの動きを図３と図４に示すようにボルトとナットに対応した例を図１８に示す。
【００７５】
図１８において、図１８の（１）に示すように左右両方のナットが中央ストッパー６４を挟んで同磁極で揃っているが、左右両方のナットに同じ方向のトルクが加わると片方のナットは外側に外れて行く。
【００７６】
よって、行きと帰りの回転方向が反対になる回転電機を用いる鉄道車両システムにおいて、電気車の発進等の低回転領域における高トルク特性が要求される場合は、図１８の（１）に示すように左右両方の界磁用磁石を強制的に揃え、高回転領域において高出力特性が要求される場合は、図１８の（２）（３）に示すように左右両方のストッパー２４を必要に応じて可変可能にすれば、両方の界磁用磁石による合成磁界が変化することになり、弱め界磁効果が得られる。
【００７７】
図１７に本発明の他の実施形態をなす回転電機を示す。
【００７８】
図１７は、回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第１の界磁用磁石と回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第２の界磁用磁石を有し、両方の界磁用磁石は軸方向と回転方向に変位する機構を有し、前記第１の界磁用磁石と前記第２の界磁用磁石との間に回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第３の界磁用磁石を有することを特徴とする回転電機を示す。基本的な構造は図１６に示す構造にして、更に回転子中央部に第３の界磁用磁石２０Ｃをシャフト２２に固定した例である。図１６において、前記第１の界磁用磁石と前記第２の界磁用磁石との軸方向幅は同じくする。
【００７９】
図１６と図１８とは同じく、図１７の回転子部をボルトとナットに対応した例を図１９に示し、基本的な動作原理は図１８と同様である。
【００８０】
図１６から図１９において、前記第１の界磁用磁石と前記第２の界磁用磁石とは軸方向と回転方向に変位する機構は、前記第１の界磁用磁石と前記第２の界磁用磁石はシャフトとは可動自在にすると共に、シャフトには同一方向のボルトのネジ部を有する。前記シャフトの前記ネジ部に対して、前記第１の界磁用磁石と前記第２の界磁用磁石の内周側にはナット部になりお互いにネジの機能を持たせたことを特徴とする回転電機である。
【００８１】
図２０と図２１に本発明の他の実施形態をなす回転電機を示す。
【００８２】
図２０と図２１は、本発明の回転電機の回転方向が同じである場合、車軸（出力軸）の回転方向を切り替える機構の一例であり、出力軸の回転方向を切り替える機構としては、回転を反転させるギア９３とクラッチ９０を有する。このような機構を用いることで、鉄道車両のように行きと帰りの車軸８４の回転方向が反対になる場合、本発明の回転電機の回転方向を同じにした一例である。
【００８３】
また、図２１は車軸８４の回転方向が同じの場合、本発明の回転電機の回転方向を反対にすれば、回転子に備えた両方の界磁用磁石の合成磁界を変化することができる。
【００８４】
【発明の効果】
本発明の永久磁石形同期回転電機は第１の界磁用磁石と第２の界磁用磁石の磁極中心を変化させるという構成により、固定子磁極と対向する永久磁石による有効磁束量を可変出来るという効果があり、広範囲可変速搬送システムの回転電機に適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態をなす回転電機と鉄道車両とのレイアウト図を示す。
【図２】図１の回転電機の全体概略を示す。
【図３】図１の回転電機の回転子同磁極中心が揃った場合概略を示す。
【図４】図１の回転電機の回転子同磁極中心がずれた場合概略を示す。
【図５】図１の回転電機の回転角速度に対する諸特性を示す。
【図６】図１の回転電機の制御ブロック図を示す。
【図７】本発明の他の実施形態をなす回転電機を示す（アクチュエータＯＦＦ状態）。
【図８】本発明の他の実施形態をなす回転電機を示す（アクチュエータＯＮ状態）。
【図９】本発明の他の実施形態をなす回転電機の回転子の内側を示す。
【図１０】本発明の他の実施形態をなす回転電機の回転子の内側を示す。
【図１１】本発明の他の実施形態をなす回転電機を示す（アクチュエータＯＮ状態）。
【図１２】本発明の他の実施形態をなす回転電機の回転子概略図を示す（Ｇａｐの差を付ける）。
【図１３】本発明の他の実施形態をなす回転電機の軸方向変位測定の概略図を示す。
【図１４】本発明の他の実施形態をなす回転電機の回転子概略図を示す（８極機に適用した場合）。
【図１５】本発明の他の実施形態をなす回転電機の回転子概略図を示す（ストッパーを第２回転子の内側に備える）。
【図１６】本発明の他の実施形態をなす回転電機を示す（両方の界磁用磁石は軸方向と回転方向に変位する機構を有する構造）。
【図１７】本発明の他の実施形態をなす回転電機を示す（第１と第２と第３の界磁用磁石を有する構造）。
【図１８】図１６の回転電機の補足説明を示す。
【図１９】図１７の回転電機の補足説明を示す。本発明の他の実施形態をなす回転電機を示す。
【図２０】本発明の他の実施形態をなす回転電機を示す。
【図２１】本発明の他の実施形態をなす回転電機を示す。
【符号の説明】
２…回転電機、４…電力変換器、１０…固定子鉄心、１１…電機子巻線、１３…ハウジング、２０…回転子、２０Ａ…第１回転子、２０Ｂ…第２回転子、２１…永久磁石、２１Ａ…第１回転子永久磁石、２１Ｂ…第２回転子永久磁石、２２…シャフト、２３…ネジ、２４…ストッパー、２５…ストッパー駆動用アクチュエータ、１０１…運転判断部、１０２…電流制御、１０３…回転座標変換部、１０４…ＰＷＭインバータ主回路、１０５…２軸変換部。
【発明の属する技術分野】
本発明は永久磁石を界磁に用いた回転電機に係り、特に搬送システムの駆動，回生を行う回転電機およびその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術による永久磁石回転電機において、誘導起電力Ｅは回転子に配置されている永久磁石が発生する一定磁束Φと回転電機の回転角速度ωによって決定される。つまり、回転電機の回転角速度ω（回転数）が上昇すると、回転電機の誘導起電力は比例して上昇する。
【０００３】
よって、低速領域で高トルクが得られるが、回転数の可変速範囲が狭いために高速領域の運転は困難であったが、弱め界磁制御技術により高速運転領域を広げる。
【０００４】
また、特開２０００−１５５２６２では永久磁石が発生する磁束の弱め界磁方法として、ばねとガバナを用いて遠心力を利用した機構を用いる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術で述べた弱め界磁制御技術により高速運転領域を広げることは、弱め界磁電流による発熱や効率低下などにより限界がある。
【０００６】
また、特開２０００−１５５２６２による方法では、ばねとガバナの構造が複雑である。
【０００７】
本発明は、簡単な構造で永久磁石が発生する磁束の弱め界磁が可能な回転電機を提供し、更に、搬送システムの発進等の低回転領域における高トルク特性と、高回転領域において高出力特性が得られる永久磁石形回転電機を備えた搬送システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、回転電機において、巻線を有する固定子と、回転方向に順次異なった極性のものを並べて構成した第１及び第２の界磁用磁石が回転軸上に設けられたものであって、この第１及び第２の界磁用磁石が固定子の磁極に対向するように固定子に対して配置された回転子とを有し、第１及び第２の界磁用磁石の磁気作用力と回転子に発生するトルクの方向とに応じて第１及び第２の界磁用磁石が回転軸の軸方向と回転方向に変位できるように構成されていることを特徴とする。また、本発明は、回転電機において、巻線を有する固定子と、回転方向に順次異なった極性のものを並べて構成した第１乃至第３の界磁用磁石が回転軸上に設けられたものであって、この第１乃至第３の界磁用磁石が固定子の磁極に対向するように固定子に対して配置された回転子とを有し、第１乃至第３の界磁用磁石の磁気作用力と回転子に発生するトルクの方向とに応じて、回転軸上に固定された第３の界磁用磁石の両端に位置する第１及び第２の界磁用磁石が回転軸の軸方向と回転方向に変位できるように構成されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明は、搬送システムにおいて、車輪を有する台車と、この台車の動力源であって、車輪の車軸に動力を伝達する回転電機と、外部から前記台車内に電力を取り入れる集電装置と、回転電機の電力を制御する電力変換器とを有し、回転電機は、巻線を有する固定子と、回転方向に順次異なった極性のものを並べて構成した第１及び第２の界磁用磁石が回転軸上に設けられたものであって、この第１及び第２の界磁用磁石が固定子の磁極に対向するように固定子に対して配置された回転子とを有するものであり、第１及び第２の界磁用磁石の磁気作用力と回転子に発生するトルクの方向とに応じて、第１の界磁用磁石が第２の界磁用磁石に対して回転軸の軸方向と回転方向に変位できるように構成されたものであることを特徴とする。また、本発明は、搬送システムシステムにおいて、車輪を有する台車と、この台車の動力源であって、車輪の車軸に動力を伝達する回転電機と、外部から前記台車内に電力を取り入れる集電装置と、回転電機の電力を制御する電力変換器とを有し、回転電機は、巻線を有する固定子と、回転方向に順次異なった極性のものを並べて構成した第１及び第２の界磁用磁石が回転軸上に設けられたものであって、この第１及び第２の界磁用磁石が固定子の磁極に対向するように固定子に対して配置された回転子とを有するものであり、第１及び第２の界磁用磁石の磁気作用力と前記回転子に発生するトルクの方向とに応じて第１及び第２の界磁用磁石が回転軸の軸方向と回転方向に変位できるように構成されたものであることを特徴とする。さらに、本発明は、搬送システムにおいて、車輪を有する台車と、この台車の動力源であって、車輪の車軸に動力を伝達する回転電機と、外部から前記台車内に電力を取り入れる集電装置と、回転電機の電力を制御する電力変換器とを有し、回転電機は、巻線を有する固定子と、回転方向に順次異なった極性のものを並べて構成した第１乃至第３の界磁用磁石が回転軸上に設けられたものであって、この第１乃至第３の界磁用磁石が前記固定子の磁極に対向するように前記固定子に対して配置された回転子とを有するものであり、第１乃至第３の界磁用磁石の磁気作用力と回転子に発生するトルクの方向とに応じて、回転軸上に固定された第３の界磁用磁石の両端に位置する第１及び第２の界磁用磁石が回転軸の軸方向と回転方向に変位できるように構成されたものであることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
図１は本実施例の永久磁石形同期回転電機の配置レイアウトを示したものである。
【００１３】
回転電機を動力源として用いる搬送システムには様々であるが、その一例として、鉄道車両システムの実施例を示したのが図１である。
【００１４】
図１において、回転電機２と直接又は間接に取り付けられた車輪８３を備えて、前記回転電機の電力を制御する電力変換器４と、電気車１と集電装置８５を有する鉄道車両システムである。
【００１５】
ここに、前記電気車とは電気を動力として使用する鉄道車両である。また、鉄道車両システムも含めた広い意味の搬送システムにおいては台車に相当する意味を持つ。
【００１６】
また、集電装置は車外から電気車（もしくは台車）内に電力を取り入れる装置であり、架空線８６式ではパンターグラフ、第三軌条式では集電器であり、工場内の搬送システムには非接触集電装置でもある。
【００１７】
図１の下に示す回転電機２は継手８１と歯車装置８２を介して車軸８４に動力を伝達する構造を示す。前記回転電機２の左右には図２に示すストッパー２４を必要に応じてシャフトと平行に可変可能な機構２５Ｒ，２５Ｌを持つ。
【００１８】
図２は図１の回転電機の回転子同磁極中心がずれた場合の概略を示す。固定子鉄心１０には電機子巻線１１がスロット内に巻装されており、内部に冷媒が流れる冷却路１２をもったハウジング１３に結合されている。
【００１９】
永久磁石埋め込み型回転子２０はシャフト２２に固定した第１回転子２０Ａとシャフト２２と分離した第２回転子２０Ｂからなる。勿論、永久磁石埋め込み型回転子のみならず、表面磁石型回転子でも良い。
【００２０】
第１回転子２０Ａには、永久磁石２１Ａが回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる。同じく、第２回転子２０Ｂには、永久磁石２１Ｂが回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる。第１の界磁用磁石と第２回転子の２つの回転子を同一軸上に配置した界磁用磁石は固定子磁極に対向している。
【００２１】
第２回転子２０Ｂの内径側はナット部２３Ｂとなり、それに当たるシャフトにはボルトのネジ部２３Ａとなり、お互いにネジの機能を持たせると、第２回転子２０Ｂはシャフトに対して回転しながら軸方向に移動可能である。
【００２２】
また、第２回転子２０Ｂが固定子の中心から所定の変位以上はみ出さないように前記第２回転子２０Ｂの側面から離れたところにはストッパー２４を設ける。さらに、サーボ機構であるストッパー駆動用アクチュエータ２５を設けて、前記ストッパー２４をシャフトと平行に左右に移動可能にすれば、第１の界磁用磁石と第２の界磁用磁石との磁極中心がずれる値を変えることが出来る。結果的には、電機子巻線１１がスロット内に巻装されている固定子に対して、第１の界磁用磁石と第２の界磁用磁石からなる全体の有効磁束量を制御可能である。
【００２３】
上記の構造にすることで、トルクの方向に応じて永久磁石の有効磁束量を変化することについて述べる。
【００２４】
基本的に固定子には電機子巻線と回転子には永久磁石を用いる回転電機において、電動機として働く時と、回生（もしくは発電機）として働く時の回転子の回転方向が同じであれば、電動機として働く時と、回生（もしくは発電機）として働く時の回転子が受けるトルクの方向は反対になる。
【００２５】
また、同じ電動機として働く時、回転子の回転方向が反対になれば、トルク方向も反対になる。同じく、同じ回生（もしくは発電機）として働く時、回転子の回転方向が反対になれば、トルク方向も反対になる。
【００２６】
上記に説明した回転方向とトルク方向による基本理論を本発明の実施形態に係る回転電機に適用すると以下の通りである。
【００２７】
鉄道車両システムの車両１が発進し、もしくは搬送システムの台車が発進時等のように低回転領域においては、図３に示すように、第１回転子２０Ａと第２回転子２０Ｂの同磁極の中心が揃うようにし、固定子磁極と対向する永久磁石による有効磁束量を最大にして、高トルク特性が得られる。
【００２８】
次に高回転領域において高出力特性として働く時は、シャフト２２に対して第２回転子２０Ｂはボルトのネジ部からナット部が外れるように第１回転子２０Ａと第２回転子２０Ｂの間の間隔が広がりながら同磁極の中心がずれて、固定子磁極と対向する永久磁石による有効磁束量を少なくすることになり、言い換えると弱め界磁効果があり、高回転領域において高出力発電特性が得られる。
【００２９】
第１回転子２０Ａと第２回転子２０Ｂの間の間隔が広がりながら同磁極の中心がずれて、固定子磁極と対向する永久磁石による有効磁束量が少ない状態の概略を図４に示す。
【００３０】
図３と図４の左下にはボルトの頭部６１，ボルトのネジ部６０とナット部６２に関係した図を示すが、ボルトの頭部６１は第１回転子２０Ａ，ナット部６２は第２回転子２０Ｂに相当するものである。ボルトのネジ部６０（図２内の２３Ａに相当する）が同じ方向に回転するとすれば、ナット部６２にかかるトルクの方向によって該ナット部６２は締まったり外れたりするように、第２回転子２０Ｂも回転子のトルク方向によって同じ動きをする。
【００３１】
本発明の回転電機による誘導起電力の作用について説明する。
【００３２】
図５に永久磁石形同期回転電機の回転角速度に対する有効磁束，誘導起電力，端子電圧の特性を示す。
【００３３】
永久磁石形同期回転電機の誘導起電力Ｅは永久磁石が発生する磁束Φと回転電機の回転角速度ωによって決定される。つまり図５（ａ）に示す様に、回転子に配置されている永久磁石が発生する磁束Φ１が一定ならば、回転角速度ω（回転数）が上昇すると、回転電機の誘導起電力Ｅ１は比例して上昇する。しかし、前記電力変換器４の電源端子電圧や容量の制限があり、回転電機が発生する誘導起電力もある条件値以下に抑えなければならない。その為永久磁石形同期回転電機では、ある回転数以上の領域では永久磁石が発生する磁束を減らす為のいわゆる弱め界磁制御を行わなくてはならない。
【００３４】
誘導起電力が回転角速度に比例して上昇する為、弱め界磁制御の電流も大きくしなければならない故に、１次導体であるコイルに大電流を流す必要があり、おのずとコイルの発生する熱が増大する。そのため、高回転領域における回転電機としての効率の低下，冷却能力を超えた発熱による永久磁石の減磁等が起こりうる可能性がある。
【００３５】
例えば、図５（ａ）に示す様に、永久磁石が発生する磁束Φ１がある回転角速度ω１（回転数）のポイントで磁束Φ２に変わると、回転電機の誘導起電力Ｅ１から誘導起電力Ｅ２特性に変化することで誘導起電力の最大値を制限することが可能である。
【００３６】
図５（ｂ）は同様に回転角速度ω（回転数）に応じてより細かく磁束Φが変われば、誘導起電力Ｅも一定に保つことが可能であることの概略を示す。
【００３７】
更に、図５（ｂ）に示した特性を得る手段の実施例の一つとして、前記第１の界磁用磁石はシャフトに固定し、前記第２の界磁用磁石はシャフトと可動自在に結合すると共に、シャフトにはボルトのネジ部と第２の界磁用磁石の内周側はナット部になりお互いにネジの機能を持たせて接続し、第２の界磁用磁石の側面から離れたところにはストッパーを設け、ストッパーを回転速度に応じてシャフトと平行に可変可能なサーボ機構を持たせた回転電機を用いることで可能である。
【００３８】
図６は図１の回転電機の制御ブロック図を示したものである。
【００３９】
まず、タービンコントローラ及び単独に設置しているセンサからの情報（圧縮機圧力，ガス温度，運転モード，燃料ガススロットル開度etc ）、および永久磁石形同期回転電機２の回転数を基に、運転判断部１０１が永久磁石形同期回転電機２の運転動作を判断して電流指令値を出力する。運転判断部１０１から出力された電流指令値は、現在の永久磁石形同期回転電機２の電流値との差分に対して非干渉制御等を行っている電流制御ブロック１０２に入力する。
【００４０】
電流制御ブロック１０２からの出力は回転座標変換部１０３で３相の交流に変換され、ＰＷＭインバータ主回路１０４を介して永久磁石形同期回転電機２を制御する。また、永久磁石形同期回転電機２の各相の電流(少なくとも２相の電流)および回転数（タービン回転数でもよい。また変速機がある場合にはタービン回転数の逓倍した値を用いても良い。）を検出し、各相の電流は２軸変換ブロック１０５で、２軸電流に変換し、電流指令値にフィードバックしている。また、回転数，磁極位置らは検出器１０６で検出され、磁極位置変換部１０７と速度変換部１０８らを通して各制御ブロックにフィードバックされる。
【００４１】
尚、図６における実施例では、回転電機２の位置・速度センサ、ならびに回転電機の電流センサがある場合のものを示したが、これらの一部のセンサを排除し、センサレスにより回転電機２を駆動するタイプの制御構成のものでも、同様に実施可能である。
【００４２】
また、本発明の永久磁石形同期回転電機は、運転状況に応じて第１回転子と第２回転子の両磁極中心を揃えたり、ずらせたりすることになるので、前記第１の界磁用磁石と第２の界磁用磁石との合成磁極位置のずれに応じて前記電力変換器を制御するコントローラによる電流供給の進角を補正する機能を持つ。
【００４３】
電流供給の進角を補正する実施例について述べる。
【００４４】
前記第１の界磁用磁石はシャフトに固定し、前記第２の界磁用磁石はシャフトと可動自在に結合すると共に、シャフトにはボルトのネジ部と第２の界磁用磁石の内周側にはナット部になりお互いにネジの機能を持たせると、第２の界磁用磁石は回転しながら軸方向に移動する。
【００４５】
運転状況に応じて第１回転子と第２回転子の磁極中心が一致したり、ずれたりする場合の回転角と軸方向変位量の関係を図１３に示す。
【００４６】
図１３において、第２回転子の回転角θと軸方向変位量ΔＬは比例関係であり、変位測定器６４を用いて軸方向変位量ΔＬを測定し、電力変換器のコントローラにフィードバックされ第１の界磁用磁石と第２の界磁用磁石との合成磁極位置のずれ角に換算した値として、電流供給の進角を補正する最適制御に用いる。
【００４７】
図７は本発明の他の実施形態をなす回転電機を示す。
【００４８】
前記第１回転子２０Ａはシャフト２２に固定し、前記第２回転子２０Ｂはシャフト２２と可動自在に結合すると共に、シャフトの一部にはボルトのネジ部23Ａと第２の界磁用磁石の内周側にスリーブ４１を固定し、かつスリーブ４１の内側にナット部２３Ｂを固定したものを一体化すれば、シャフト２２に対して第２回転子２０Ｂはボルトのネジ部からナット部が外れる方向に第１回転子２０Ａと第２回転子２０Ｂの間の間隔が広がりながら回転する。
【００４９】
第２の界磁用磁石の内周側とシャフト２２間にはわずかな遊びがあることで、回転と共に第２の界磁用磁石の内周側とシャフト２２間に鎖交磁束変化が生じると、電食等の障害があるが、前記スリーブ４１は鉄より電気抵抗率が高い非磁性体を用いることで、第２の界磁用磁石の内周側とシャフト２２間には磁気的にも、電気的にも絶縁を行う効果がある。
【００５０】
前記第２の界磁用磁石と前記シャフト間には回転運動と往復運動及び複合運動を案内出来るようにスリーブ４１の内側に支持機構４０Ａ，４０Ｂを備えた。
【００５１】
第２回転子２０Ｂはシャフトの一部にボルトのネジ部２３Ａを設け、これとお互いにネジの機能を持たせて、第２の界磁用磁石の側面から離れたところには移動可能なストッパー２４を設ける。ストッパー２４とシャフト間、ストッパーと第２回転子２０Ｂの側面間には回転運動と往復運動及び複合運動を案内出来るように支持機構４２，４７を設ける。支持機構４２はスラスト軸受の機能を持ち、支持機構４７はラジアル軸受でありながら回転運動と往復運動及び複合運動を案内する機能を持つ。
【００５２】
さらに、ばね４８を設けることで、支持機構４２はスラスト軸受としてその機能が向上する効果がある。
【００５３】
ストッパー２４はシャフトと平行に移動可能なサーボ機構の一例として電磁クラッチについて述べる。
【００５４】
電磁クラッチの構成は、ヨーク４４にコイル４６が巻かれて、ストッパー２４は可動鉄心の機能を兼用することで良い。ヨーク４４とコイル４６は回転電機のフレーム４９、若しくは車体の一部に（図に示せず）固定し、ヨーク４４とストッパー２４の間にばね４５を備えて励磁遮断時の復帰装置の機能を持つ。回転電機のフレーム４９とシャフト２２の間には軸受５０で支える。
【００５５】
図７はコイル４６に無励磁状態の概略であり、図８はコイル４６に励磁状態の概略を示す。
【００５６】
コイル４６を励磁することでヨーク４４は強力な電磁石となり、可動鉄心の機能を兼用するストッパー２４を吸引する。
【００５７】
ここに示した電磁クラッチはストッパー２４をシャフトと平行に可変可能なサーボ機構の一例であり、油圧アクチュエータ，回転機とボールネジなどによる直線駆動装置，リニアモータなどを用いることで、より細かなストッパーの位置決めが可能である。
【００５８】
図９は第２回転子２０Ｂの内側に固定されるスリーブ４１の一例を示す。
【００５９】
それらの固定方法の一つとして、第２回転子２０Ｂとスリーブ４１からなる２つの部品の接する面のお互いに凸凹を設けて固定した。また、シャフト２２に固定した第１回転子２０Ａとシャフト２２と分離した第２回転子２０Ｂの内側違いの概略を示す。
【００６０】
図１０は本発明の他の実施例を示す。
【００６１】
前記第１の界磁用磁石と前記第２の界磁用磁石が接する前記第１の界磁用磁石側面に凹部５３を設け、前記第２の界磁用磁石には前記スリーブの機能を兼ねた突起部５４を設けた構造である。突起部５４はスリーブ４１と一体ものでも良いし、第２回転子２０Ｂと一体ものでも良い。よって、スリーブ４１の十分なスペースが確保出来、ばね４８，支持機構４０Ａ，４０Ｂ，ナット部２３Ｂらを有効に配置することで、第２回転子２０Ｂの軸長積厚が薄い回転電機に有効な手法の一つである。
【００６２】
図１１は本発明の他の実施例を示す。
【００６３】
図１１に示す基本構成要素は図７と同じであるが、電磁クラッチに相当する一部を変更した一例である。図１１はコイル４６が励磁状態であり、励磁遮断時はばね４５によりヨーク４４とストッパー２４は切り離れる。また、第２回転子
２０Ｂにトルクが加わるボルトのネジ部２３Ａとナット部２３Ｂの相互作用によるネジの機能により推力が得られる特性を持つ。よって、ネジとトルクの相互関係でストッパー２４を押し出す推力が加われば、コイル４６の励磁を遮断するとストッパー２４はヨーク４４と切り離れる。ヨーク４４はアーム５２を介してフレーム４９、若しくは台車本体の一部に（図に示せず）固定される。
【００６４】
図１１に示す電磁クラッチは、図７，図８の説明と同じくストッパー２４をシャフトと平行に可変可能なサーボ機構の一例であり、油圧アクチュエータ，回転機とボールネジなどによる直線駆動装置，リニアモータなどを用いることで、より細かなストッパー２４の位置決めが可能である。
【００６５】
勿論、各図に示した各々の構成要素は様々な方法で組合せることが可能であり、用途に合わせて加えたり、取り外すことは言うまでもない。
【００６６】
図１２は本発明の他の実施形態をなす回転電機を示す。
【００６７】
本発明の回転電機の特徴として、第１回転子２０Ａはシャフト２２に対してしっかり固定されているのに対して、第２回転子２０Ｂはシャフト２２に対して自由度を持つことになる。従って、第２回転子２０Ｂとシャフト２２間にはわずかな機械的な寸法の遊びがあり、大きなトルクや遠心力などが加わると偏心することもあり得る。よって、第１の界磁用磁石を有する第１回転子２０Ａと前記固定子間のエアギャップＧａｐ１より第２の界磁用磁石を有する第２回転子２０Ｂと前記固定子間のエアギャップＧａｐ２の方が大きくしたことで、偏心による第２回転子２０Ｂと前記固定子との機械的な接続を省く効果がある。
【００６８】
図１５は本発明の他の実施形態をなす回転電機を示す。
【００６９】
本発明の回転電機の特徴として、第２回転子２０Ｂの外周側の長さより内周側の長さを短くし、第２回転子２０Ｂ内側にストッパー２４とサーボ機構（ストッパー駆動用アクチュエータ）２５を備えた構造である。よって、ストッパー２４とサーボ機構２５による回転子全体の軸方向長さを押さえる効果がある。
【００７０】
以上の本発明の説明では、４極機を対象に述べたが、２極機、又は、６極機以上に適用出来る事は言うまでもない。一例として、図１４には本発明を８極機に適用した場合の永久磁石形同期回転電機の回転子概略図を示す。また、回転子においては埋め込み磁石形でも、表面磁石形でも適用出来る事は言うまでもない。
【００７１】
図１６に本発明の他の実施形態をなす回転電機を示す。
【００７２】
図１６は、一次巻線を有する固定子と界磁用磁石とシャフトとを有する回転子からなる回転電機において、前記界磁用磁石は、回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第１の界磁用磁石と回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第２の界磁用磁石を有し、両方の界磁用磁石は軸方向と回転方向に変位する機構を有することを特徴とする回転電機を示す。
【００７３】
図１１に示す前記回転電機は、一方の界磁用磁石が他方の界磁用磁石に対して変位する機構は、一方の界磁用磁石はシャフトに固定し、他方の界磁用磁石はシャフトとは可動自在にする構造であったが、図１６に示す前記回転電機は両方の界磁用磁石は軸方向と回転方向に変位する機構を有することが大きな違いである。
【００７４】
図１６において、両方の界磁用磁石の間には中央ストッパー６４をシャフト
２２の備え、両方の界磁用磁石の左右変位を抑える機能を持つ。これらの動きを図３と図４に示すようにボルトとナットに対応した例を図１８に示す。
【００７５】
図１８において、図１８の（１）に示すように左右両方のナットが中央ストッパー６４を挟んで同磁極で揃っているが、左右両方のナットに同じ方向のトルクが加わると片方のナットは外側に外れて行く。
【００７６】
よって、行きと帰りの回転方向が反対になる回転電機を用いる鉄道車両システムにおいて、電気車の発進等の低回転領域における高トルク特性が要求される場合は、図１８の（１）に示すように左右両方の界磁用磁石を強制的に揃え、高回転領域において高出力特性が要求される場合は、図１８の（２）（３）に示すように左右両方のストッパー２４を必要に応じて可変可能にすれば、両方の界磁用磁石による合成磁界が変化することになり、弱め界磁効果が得られる。
【００７７】
図１７に本発明の他の実施形態をなす回転電機を示す。
【００７８】
図１７は、回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第１の界磁用磁石と回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第２の界磁用磁石を有し、両方の界磁用磁石は軸方向と回転方向に変位する機構を有し、前記第１の界磁用磁石と前記第２の界磁用磁石との間に回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第３の界磁用磁石を有することを特徴とする回転電機を示す。基本的な構造は図１６に示す構造にして、更に回転子中央部に第３の界磁用磁石２０Ｃをシャフト２２に固定した例である。図１６において、前記第１の界磁用磁石と前記第２の界磁用磁石との軸方向幅は同じくする。
【００７９】
図１６と図１８とは同じく、図１７の回転子部をボルトとナットに対応した例を図１９に示し、基本的な動作原理は図１８と同様である。
【００８０】
図１６から図１９において、前記第１の界磁用磁石と前記第２の界磁用磁石とは軸方向と回転方向に変位する機構は、前記第１の界磁用磁石と前記第２の界磁用磁石はシャフトとは可動自在にすると共に、シャフトには同一方向のボルトのネジ部を有する。前記シャフトの前記ネジ部に対して、前記第１の界磁用磁石と前記第２の界磁用磁石の内周側にはナット部になりお互いにネジの機能を持たせたことを特徴とする回転電機である。
【００８１】
図２０と図２１に本発明の他の実施形態をなす回転電機を示す。
【００８２】
図２０と図２１は、本発明の回転電機の回転方向が同じである場合、車軸（出力軸）の回転方向を切り替える機構の一例であり、出力軸の回転方向を切り替える機構としては、回転を反転させるギア９３とクラッチ９０を有する。このような機構を用いることで、鉄道車両のように行きと帰りの車軸８４の回転方向が反対になる場合、本発明の回転電機の回転方向を同じにした一例である。
【００８３】
また、図２１は車軸８４の回転方向が同じの場合、本発明の回転電機の回転方向を反対にすれば、回転子に備えた両方の界磁用磁石の合成磁界を変化することができる。
【００８４】
【発明の効果】
本発明の永久磁石形同期回転電機は第１の界磁用磁石と第２の界磁用磁石の磁極中心を変化させるという構成により、固定子磁極と対向する永久磁石による有効磁束量を可変出来るという効果があり、広範囲可変速搬送システムの回転電機に適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態をなす回転電機と鉄道車両とのレイアウト図を示す。
【図２】図１の回転電機の全体概略を示す。
【図３】図１の回転電機の回転子同磁極中心が揃った場合概略を示す。
【図４】図１の回転電機の回転子同磁極中心がずれた場合概略を示す。
【図５】図１の回転電機の回転角速度に対する諸特性を示す。
【図６】図１の回転電機の制御ブロック図を示す。
【図７】本発明の他の実施形態をなす回転電機を示す（アクチュエータＯＦＦ状態）。
【図８】本発明の他の実施形態をなす回転電機を示す（アクチュエータＯＮ状態）。
【図９】本発明の他の実施形態をなす回転電機の回転子の内側を示す。
【図１０】本発明の他の実施形態をなす回転電機の回転子の内側を示す。
【図１１】本発明の他の実施形態をなす回転電機を示す（アクチュエータＯＮ状態）。
【図１２】本発明の他の実施形態をなす回転電機の回転子概略図を示す（Ｇａｐの差を付ける）。
【図１３】本発明の他の実施形態をなす回転電機の軸方向変位測定の概略図を示す。
【図１４】本発明の他の実施形態をなす回転電機の回転子概略図を示す（８極機に適用した場合）。
【図１５】本発明の他の実施形態をなす回転電機の回転子概略図を示す（ストッパーを第２回転子の内側に備える）。
【図１６】本発明の他の実施形態をなす回転電機を示す（両方の界磁用磁石は軸方向と回転方向に変位する機構を有する構造）。
【図１７】本発明の他の実施形態をなす回転電機を示す（第１と第２と第３の界磁用磁石を有する構造）。
【図１８】図１６の回転電機の補足説明を示す。
【図１９】図１７の回転電機の補足説明を示す。本発明の他の実施形態をなす回転電機を示す。
【図２０】本発明の他の実施形態をなす回転電機を示す。
【図２１】本発明の他の実施形態をなす回転電機を示す。
【符号の説明】
２…回転電機、４…電力変換器、１０…固定子鉄心、１１…電機子巻線、１３…ハウジング、２０…回転子、２０Ａ…第１回転子、２０Ｂ…第２回転子、２１…永久磁石、２１Ａ…第１回転子永久磁石、２１Ｂ…第２回転子永久磁石、２２…シャフト、２３…ネジ、２４…ストッパー、２５…ストッパー駆動用アクチュエータ、１０１…運転判断部、１０２…電流制御、１０３…回転座標変換部、１０４…ＰＷＭインバータ主回路、１０５…２軸変換部。
Claims (24)
- 巻線を有する固定子と、
回転方向に順次異なった極性のものを並べて構成した第１及び第２の界磁用磁石が回転軸上に設けられたものであって、該第１及び第２の界磁用磁石が前記固定子の磁極に対向するように前記固定子に対して配置された回転子とを有し、
前記第１及び第２の界磁用磁石の磁気作用力と前記回転子に発生するトルクの方向とに応じて前記第１及び第２の界磁用磁石が前記回転軸の軸方向と回転方向に変位できるように構成されている
ことを特徴とする回転電機。 - 請求項１に記載の回転電機において、
前記回転子が低速で一方向又は他方向に回転する場合、前記第１及び第２の界磁用磁石の磁極中心を並べた状態が保持され、
前記回転子が高速で一方向に回転する場合、前記第１の界磁用磁石が保持された状態で前記第２の界磁用磁石が前記第１の界磁用磁石に対して変位させられ、前記第１及び第２の界磁用磁石の磁極中心を並べた状態から前記第１及び第２の界磁用磁石の磁極中心がずらされ、
前記回転子が高速で他方向に回転する場合、前記第２の界磁用磁石が保持された状態で前記第１の界磁用磁石が前記第２の界磁用磁石に対して変位させられ、前記第１及び第２の界磁用磁石の磁極中心を並べた状態から前記第１及び第２の界磁用磁石の磁極中心がずらされる
ことを特徴とする回転電機。 - 請求項１に記載の回転電機において、
前記第１及び第２の界磁用磁石の磁気作用力と前記回転子に発生するトルクの方向とに応じて前記第１及び第２の界磁用磁石を前記回転軸に対してその軸方向と回転方向に可動させる機構と、
前記第１及び第２の界磁用磁石の可動を抑制する機構とを有する
ことを特徴とする回転電機。 - 請求項３に記載の回転電機において、
前記可動機構は、
前記第１及び第２の界磁用磁石が前記回転軸に対して可動自在なように前記第１及び第２の界磁用磁石と前記回転軸とを結合するものであって、
前記第１及び第２の界磁用磁石に設けられたナット機構と、前記回転軸に設けられたボルト機構から構成されたネジ機構である
ことを特徴とする回転電機。 - 請求項３に記載の回転電機において、
前記可動抑制機構は、
前記第１の界磁用磁石と前記第２の界磁用磁石との間の前記回転軸上に設けられたものと、
前記第１の界磁用磁石の前記第２の界磁用磁石側とは反対側及び前記第２の界磁用磁石の前記第１の界磁用磁石側とは反対側に設けられ、前記回転軸に沿って移動可能に構成されたものとを有する
ことを特徴とする回転電機。 - 巻線を有する固定子と、
回転方向に順次異なった極性のものを並べて構成した第１乃至第３の界磁用磁石が回転軸上に設けられたものであって、該第１乃至第３の界磁用磁石が前記固定子の磁極に対向するように前記固定子に対して配置された回転子とを有し、
前記第１乃至第３の界磁用磁石の磁気作用力と前記回転子に発生するトルクの方向とに応じて、前記回転軸上に固定された前記第３の界磁用磁石の両端に位置する前記第１及び第２の界磁用磁石が前記回転軸の軸方向と回転方向に変位できるように構成されている
ことを特徴とする回転電機。 - 請求項６に記載の回転電機において、
前記回転子が低速で一方向又は他方向に回転する場合、前記第１乃至第３の界磁用磁石の磁極中心を並べた状態が保持され、
前記回転子が高速で一方向に回転する場合、前記第１及び第３の界磁用磁石の磁極中心を並べた状態で前記第２の界磁用磁石が前記第３の界磁用磁石に対して変位させられ、前記第１乃至第３の界磁用磁石の磁極中心を並べた状態から前記第２及び第３の界磁用磁石の磁極中心がずらされ、
前記回転子が高速で他方向に回転する場合、前記第２及び第３の界磁用磁石の磁極中心を並べた状態で前記第１の界磁用磁石が前記第３の界磁用磁石に対して変位させられ、前記第１乃至第３の界磁用磁石の磁極中心を並べた状態から前記第１及び第３の界磁用磁石の磁極中心がずらされる
ことを特徴とする回転電機。 - 請求項６に記載の回転電機において、
前記第１乃至第３の界磁用磁石の磁気作用力と前記回転子に発生するトルクの方向とに応じて前記第１及び第２の界磁用磁石を前記回転軸に対してその軸方向と回転方向に可動させる機構と、
前記第１及び第２の界磁用磁石の可動を抑制する機構とを有する
ことを特徴とする回転電機。 - 請求項８に記載の回転電機において、
前記可動機構は、
前記第１及び第２の界磁用磁石が前記回転軸に対して可動自在なように前記第１及び第２の界磁用磁石と前記回転軸とを結合するものであって、
前記第１及び第２の界磁用磁石に設けられたナット機構と、前記回転軸に設けられたボルト機構から構成されたネジ機構である
ことを特徴とする回転電機。 - 請求項８に記載の回転電機において、
前記可動抑制機構は、前記第１の界磁用磁石の前記第２の界磁用磁石側とは反対側及び前記第２の界磁用磁石の前記第１の界磁用磁石側とは反対側に設けられ、前記回転軸に沿って移動可能に構成されたものである
ことを特徴とする回転電機。 - 請求項１又は６に記載の回転電機において、
前記巻線は、前記第１の界磁用磁石の変位或いは前記第２の界磁用磁石の変位に応じて進角が補正された電流の供給を受ける
ことを特徴とする回転電機。 - 請求項１又は６に記載の回転電機において、
前記第１及び第２の界磁用磁石と前記回転軸との間には、前記第１及び第２の界磁用磁石の運動を案内する支持機構が設けられている
ことを特徴とする回転電機。 - 請求項１又は６に記載の回転電機において、
前記第１及び第２の界磁用磁石は、前記回転軸と磁気的及び電気的に絶縁するスリーブを介して前記回転軸上に設けられている
ことを特徴とする回転電機。 - 請求項１３に記載の回転電機において、
前記スリーブは、鉄より電気抵抗率が高い非磁性体である
ことを特徴とする回転電機。 - 請求項５又は１０に記載の回転電機において、
前記第１の界磁用磁石の前記第２の界磁用磁石側及び前記第２の界磁用磁石の前記第１の界磁用磁石側にばねが設けられており、
該ばねは前記第１及び第２の界磁用磁石の運動を案内する
ことを特徴とする回転電機。 - 車輪を有する台車と、
該台車の動力源であって、前記車輪の車軸に動力を伝達する回転電機と、
外部から前記台車内に電力を取り入れる集電装置と、
前記回転電機の電力を制御する電力変換器とを有し、
前記回転電機は、
巻線を有する固定子と、
回転方向に順次異なった極性のものを並べて構成した第１及び第２の界磁用磁石が回転軸上に設けられたものであって、該第１及び第２の界磁用磁石が前記固定子の磁極に対向するように前記固定子に対して配置された回転子とを有するものであり、
前記第１及び第２の界磁用磁石の磁気作用力と前記回転子に発生するトルクの方向とに応じて、前記第１の界磁用磁石が第２の界磁用磁石に対して前記回転軸の軸方向と回転方向に変位できるように構成されたものである
ことを特徴とする搬送システム。 - 請求項１６に記載の搬送システムにおいて、
前記台車が低速度領域にある場合、前記第１及び第２の界磁用磁石の磁極中心を並べた状態が保持され、
前記台車が高速度領域にある場合、前記第１の界磁用磁石が前記第２の界磁用磁石に対して変位させられ、前記第１及び第２の界磁用磁石の磁極中心がずれる
ことを特徴とする搬送システム。 - 車輪を有する台車と、
該台車の動力源であって、前記車輪の車軸に動力を伝達する回転電機と、
外部から前記台車内に電力を取り入れる集電装置と、
前記回転電機の電力を制御する電力変換器とを有し、
前記回転電機は、
巻線を有する固定子と、
回転方向に順次異なった極性のものを並べて構成した第１及び第２の界磁用磁石が回転軸上に設けられたものであって、該第１及び第２の界磁用磁石が前記固定子の磁極に対向するように前記固定子に対して配置された回転子とを有するものであり、
前記第１及び第２の界磁用磁石の磁気作用力と前記回転子に発生するトルクの方向とに応じて前記第１及び第２の界磁用磁石が前記回転軸の軸方向と回転方向に変位できるように構成されたものである
ことを特徴とする搬送システム。 - 請求項１８に記載の搬送システムにおいて、
前記台車が低速度領域にあって一方向又は他方向に進行している場合、前記第１及び第２の界磁用磁石の磁極中心を並べた状態が保持され、
前記台車が高速度領域にあって一方向に進行している場合、前記第１の界磁用磁石が保持された状態で前記第２の界磁用磁石が前記第１の界磁用磁石に対して変位させられ、前記第１及び第２の界磁用磁石の磁極中心を並べた状態から前記第１及び第２の界磁用磁石の磁極中心がずらされ、
前記台車が高速度領域にあって他方向に進行している場合、前記第２の界磁用磁石が保持された状態で前記第１の界磁用磁石が前記第２の界磁用磁石に対して変位させられ、前記第１及び第２の界磁用磁石の磁極中心を並べた状態から前記第１及び第２の界磁用磁石の磁極中心がずらされる
ことを特徴とする搬送システム。 - 車輪を有する台車と、
該台車の動力源であって、前記車輪の車軸に動力を伝達する回転電機と、
外部から前記台車内に電力を取り入れる集電装置と、
前記回転電機の電力を制御する電力変換器とを有し、
前記回転電機は、
巻線を有する固定子と、
回転方向に順次異なった極性のものを並べて構成した第１乃至第３の界磁用磁石が回転軸上に設けられたものであって、該第１乃至第３の界磁用磁石が前記固定子の磁極に対向するように前記固定子に対して配置された回転子とを有するものであり、
前記第１乃至第３の界磁用磁石の磁気作用力と前記回転子に発生するトルクの方向とに応じて、前記回転軸上に固定された前記第３の界磁用磁石の両端に位置する前記第１及び第２の界磁用磁石が前記回転軸の軸方向と回転方向に変位できるように構成されたものである
ことを特徴とする搬送システム。 - 請求項２０に記載の搬送システムにおいて、
前記台車が低速度領域にあって一方向又は他方向に進行している場合、前記第１乃至第３の界磁用磁石の磁極中心を並べた状態が保持され、
前記台車が高速度領域にあって一方向に進行している場合、前記第１及び第３の界磁用磁石の磁極中心を並べた状態で前記第２の界磁用磁石が前記第３の界磁用磁石に対して変位させられ、前記第１乃至第３の界磁用磁石の磁極中心を並べた状態から前記第２及び第３の界磁用磁石の磁極中心がずらされ、
前記台車が高速度領域にあって他方向に進行している場合、前記第２及び第３の界磁用磁石の磁極中心を並べた状態で前記第１の界磁用磁石が前記第３の界磁用磁石に対して変位させられ、前記第１乃至第３の界磁用磁石の磁極中心を並べた状態から前記第１及び第３の界磁用磁石の磁極中心がずらされる
ことを特徴とする搬送システム。 - 請求項１６乃至２１のいずれかに記載の搬送システムを用いたことを特徴とする鉄道車両システム。
- 車輪を駆動する動力源として電気車に搭載され、電力変換装置によってその駆動が制御されるものであって、
巻線を有する固定子と、
回転方向に順次異なった極性のものを並べて構成した第１及び第２の界磁用磁石が回転軸上に設けられたものであって、該第１及び第２の界磁用磁石が前記固定子の磁極に対向するように前記固定子に対して配置された回転子とを有し、
前記第１及び第２の界磁用磁石の磁気作用力と前記回転子に発生するトルクの方向とに応じて前記第１及び第２の界磁用磁石が前記回転軸の軸方向と回転方向に変位できるように構成されている
ことを特徴とする回転電機。 - 車輪を駆動する動力源として電気車に搭載され、電力変換装置によってその駆動が制御されるものであって、
巻線を有する固定子と、
回転方向に順次異なった極性のものを並べて構成した第１乃至第３の界磁用磁石が回転軸上に設けられたものであって、該第１乃至第３の界磁用磁石が前記固定子の磁極に対向するように前記固定子に対して配置された回転子とを有し、
前記第１乃至第３の界磁用磁石の磁気作用力と前記回転子に発生するトルクの方向とに応じて、前記回転軸上に固定された前記第３の界磁用磁石の両端に位置する前記第１及び第２の界磁用磁石が前記回転軸の軸方向と回転方向に変位できるように構成されている
ことを特徴とする回転電機。
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