(57)【要約】【課題】より小さく、軽いパッケージでより多くの出力を供給し、制御に良く応答し、修理が安価で容易であり、既成の電気機械設計より効率的な電気モータ、発電機及び他の機械を提供する。【解決手段】適応電気機械はその制御を動的に適用し、ユーザー入力、機械作動条件及び機械作動パラメータを変化させることにより最適性能を供給する。機械の電磁気回路を絶縁することは独立した機会のパラメータの有効な制御を可能にし、多くの自由度を最適化させる。インホイール適用モータを有する電気自動車は小さい弾性力で高い出力を可能にする、良好なトルク密度を与える。モータ制御システムは、始動、加速、回転、制動、高速での走行を含むような、車両の動作条件、それによる一貫した高効率の提供に適用可能である。風力の適用発電機は風の状態を変え、一貫した最適性能の供給に適用可能である。【選択図】図３
2006238698.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子と、
複数の固定子の鉄芯エレメントを有する固定子であって、前記複数の固定子の鉄芯エレメントはグループに分類され、各グループの固定子の鉄芯エレメントは少なくとも１つの固定子の鉄芯エレメントを有し、各グループの固定子の鉄芯エレメントは多相機械の対応する１つの位相と関連し、各グループの前記固定子の鉄芯エレメントはそれぞれの他のグループの前記固定子の鉄芯エレメントから構造的に分離されている固定子と、
それぞれの他のグループの電気的流れとは無関係に各グループの固定子の鉄芯エレメントの電気的流れを制御するためのコントローラと、
を備え、前記多相機械の各位相はそれぞれの他の位相とは無関係に制御可能であることを特徴とする多相電気機械。
【請求項２】
回転子と、
複数の固定子の鉄芯エレメントを有する固定子であって、前記複数の固定子の鉄芯エレメントはグループに分類され、各グループの固定子の鉄芯エレメントは少なくとも１つの固定子の鉄芯エレメントを有し、各グループの固定子の鉄芯エレメントは多相機械の対応する１つの位相と関連し、各グループの前記固定子の鉄芯エレメントはそれぞれの他のグループの前記固定子の鉄芯エレメントから構造的及び電磁気的に分離されている固定子と、
それぞれの他のグループの電気的流れとは無関係に各グループの固定子の鉄芯エレメントの電気的流れを制御するためのコントローラと、
を備え、前記多相機械の各位相はそれぞれの他の位相とは無関係に制御可能であり、それにより、動的に選択可能な速度及びトルクで前記回転子と前記固定子間の位相対的回転を安定させることを特徴とする多相電気機械。
【請求項３】
前記機械は効率を有し、前記コントローラはそれぞれの選択されたトルク及び速度のため前記機械の効率を最適化するように動作可能である請求項２に記載の機械。
【請求項４】
第１の部材と、
複数の鉄芯エレメントを有する第２の部材であって、前記複数の鉄芯エレメントはグループに分類され、各グループの鉄芯エレメントは少なくとも１つの鉄芯エレメントを有し、各グループの鉄芯エレメントは多相機械の対応する１つの位相と関連し、各グループの前記鉄芯エレメントはそれぞれの他のグループの前記鉄芯エレメントから構造的及び電磁気的に分離されている第２の部材と、
それぞれの他のグループの電気的流れとは無関係に各グループの鉄芯エレメントの電気的流れを制御するためのコントローラと、
を備え、前記多相機械の各位相はそれぞれの他の位相とは無関係に制御可能であり、それにより、動的に選択可能な方向及び力で前記第１の部材と前記第２の部材間の位相対的動きを安定させることを特徴とする多相電気機械。
【請求項５】
第１の部材及び第２の部材と、複数の鉄芯エレメントを有する前記第１及び第２の部材の少なくとも１つの部材であって、前記複数の鉄芯エレメントはグループに分類され、各グループの鉄芯エレメントは少なくとも１つの鉄芯エレメントを有し、各グループの鉄芯エレメントは多相機械の対応する１つの位相と関連し、各グループの前記鉄芯エレメントはそれぞれの他のグループの前記鉄芯エレメントから構造的及び電磁気的に分離されている部材と、
それぞれの他のグループの電気的流れとは無関係に各グループの鉄芯エレメントの電気的流れを制御するためのコントローラと、
を備え、前記多相機械の各位相はそれぞれの他の位相とは無関係に制御可能であり、それにより、動的に選択可能な方向及び力で前記第１の部材と前記第２の部材間の位相対的動きを安定させることを特徴とする多相電気機械。
【請求項６】
複数の鉄芯エレメントを有する少なくとも１つの部材であって、前記複数の鉄芯エレメントはグループに分類され、各グループの鉄芯エレメントは少なくとも１つの鉄芯エレメントを有し、各グループの鉄芯エレメントは多相機械の対応する１つの位相と関連し、各グループの前記鉄芯エレメントはそれぞれの他のグループの前記鉄芯エレメントから構造的及び電磁気的に分離されている部材と、
それぞれの他のグループの電気的流れとは無関係に各グループの鉄芯エレメントの電気的流れを制御するためのコントローラと、
を備え、前記多相機械の各位相はそれぞれの他の位相とは無関係に制御可能であり、それにより、動的に選択可能な方向及び力で前記少なくとも１つの部材の動きを安定させることを特徴とする多相電気機械。
【請求項７】
複数の鉄芯エレメントを有する少なくとも１つの部材を備え、前記複数の鉄芯エレメントはグループに分類され、各グループの鉄芯エレメントは少なくとも１つの鉄芯エレメントを有し、各グループの鉄芯エレメントは多相機械の対応する１つの位相と関連し、各グループの前記鉄芯エレメントは、構造的と電磁気的の少なくとも１つで、それぞれの他のグループの前記鉄芯エレメントから分離され、それぞれの他のグループの電気的流れとは無関係に各グループの鉄芯エレメントの電気的流れを制御可能にし、
前記多相機械の各位相はそれぞれの他の位相とは無関係に制御可能であり、それにより、動的に選択可能な方向及び力で前記少なくとも１つの部材の動きを安定させることを特徴とする多相電気機械。
【請求項８】
前記機械は重量を有し、前記トルク及び重量が比を定義し、該比は２０Ｎｍ／ｋｇ以上の値を有している請求項２に記載の機械。
【請求項９】
前記機械は体積を有し、前記トルク及び体積が比を定義し、該比は３９，０００Ｎ／ｍ2以上の値を有している請求項２に記載の機械。
【請求項１０】
前記機械は少なくとも０ＲＰＭと５００ＲＰＭの間の範囲の速度、及び少なくとも５０ＲＰＭと３００ＲＰＭの範囲のあらゆる速度において８０％以上の効率で動作可能である請求項２に記載の機械。
【請求項１１】
少なくとも回転子と固定子を備え、該固定子が複数の固定子の鉄芯エレメントを有する多相電気機械を供給し、
前記複数の固定子の鉄芯エレメントをグループに分類し、各グループの固定子の鉄芯エレメントは少なくとも１つの固定子の鉄芯エレメントを有し、各グループの固定子の鉄芯エレメントは前記多相機械の対応する１つの位相と関連し、
各グループの前記固定子の鉄芯エレメントをそれぞれの他のグループの前記固定子の鉄芯エレメントから構造的に分離し、
それぞれの他のグループの電気的流れとは無関係に各グループの固定子の鉄芯エレメントの電気的流れを制御する、
ことを含み、前記多相機械の各位相はそれぞれの他の位相とは無関係に制御可能であることを特徴とする方法。
【請求項１２】
少なくとも回転子と固定子を備え、該固定子が複数の固定子の鉄芯エレメントを有する多相電気機械を供給し、
前記複数の固定子の鉄芯エレメントをグループに分類し、各グループの固定子の鉄芯エレメントは少なくとも１つの固定子の鉄芯エレメントを有し、各グループの固定子の鉄芯エレメントは前記多相機械の対応する１つの位相と関連し、
各グループの前記固定子の鉄芯エレメントをそれぞれの他のグループの前記固定子の鉄芯エレメントから構造的及び電磁気的に分離し、
それぞれの他のグループの電気的流れとは無関係に各グループの固定子の鉄芯エレメントの電気的流れを制御する、
ことを含み、前記多相機械の各位相はそれぞれの他の位相とは無関係に制御可能であり、それにより、動的に選択可能な速度及びトルクで前記回転子と前記固定子間の位相対的回転を安定させること含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
前記機械は効率を有し、各グループの固定子の鉄芯エレメントの電気的流れを制御するステップはそれぞれの選択されたトルク及び速度のため前記機械の効率を最適化するように電気的流れを制御することを含んでいる請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
少なくとも第１の部材と第２の部材とを備え、該第２の部材が複数の鉄芯エレメントを有する多相電気機械を供給し、
前記複数の鉄芯エレメントをグループに分類し、各グループの鉄芯エレメントは少なくとも１つの鉄芯エレメントを有し、各グループの鉄芯エレメントは前記多相機械の対応する１つの位相と関連し、
各グループの前記鉄芯エレメントをそれぞれの他のグループの前記鉄芯エレメントから構造的及び電磁気的に分離し、
それぞれの他のグループの電気的流れとは無関係に各グループの鉄芯エレメントの電気的流れを制御する、
ことを含み、前記多相機械の各位相はそれぞれの他の位相とは無関係に制御可能であり、それにより、動的に選択可能な方向及び力で前記第１の部材と前記第２の部材間の位相対的動きを安定させること含むことを特徴とする方法。
【請求項１５】
少なくとも第１の部材と第２の部材とを備え、前記第１の部材と前記第２の部材の少なくとも１つが複数の鉄芯エレメントを有する多相電気機械を供給し、
前記複数の鉄芯エレメントをグループに分類し、各グループの鉄芯エレメントは少なくとも１つの鉄芯エレメントを有し、各グループの鉄芯エレメントは前記多相機械の対応する１つの位相と関連し、
各グループの前記鉄芯エレメントをそれぞれの他のグループの前記鉄芯エレメントから構造的及び電磁気的に分離し、
それぞれの他のグループの電気的流れとは無関係に各グループの鉄芯エレメントの電気的流れを制御する、
ことを含み、前記多相機械の各位相はそれぞれの他の位相とは無関係に制御可能であり、それにより、動的に選択可能な方向及び力で前記第１の部材と前記第２の部材間の位相対的動きを安定させること含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
複数の鉄芯エレメントを有する少なくとも１つの部材を有する多相電気機械を供給し、
前記複数の鉄芯エレメントをグループに分類し、各グループの鉄芯エレメントは少なくとも１つの鉄芯エレメントを有し、各グループの鉄芯エレメントは前記多相機械の対応する１つの位相と関連し、
各グループの前記鉄芯エレメントをそれぞれの他のグループの前記鉄芯エレメントから構造的及び電磁気的に分離し、
それぞれの他のグループの電気的流れとは無関係に各グループの鉄芯エレメントの電気的流れを制御する、
ことを含み、前記多相機械の各位相はそれぞれの他の位相とは無関係に制御可能であり、それにより、動的に選択可能な方向及び力で前記少なくとも１つの部材の動きを安定させること含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
複数の鉄芯エレメントを有する少なくとも１つの部材を有する多相電気機械を供給し、
前記複数の鉄芯エレメントをグループに分類し、各グループの鉄芯エレメントは少なくとも１つの鉄芯エレメントを有し、各グループの鉄芯エレメントは前記多相機械の対応する１つの位相と関連し、
各グループの前記鉄芯エレメントを、構造的と電磁気的の少なくとも１つで、それぞれの他のグループの前記鉄芯エレメントから分離し、それぞれの他のグループの電気的流れとは無関係に各グループの鉄芯エレメントの電気的流れの制御を可能にする、
ことを含み、前記多相機械の各位相はそれぞれの他の位相とは無関係に制御可能であり、それにより、動的に選択可能な方向及び力で前記少なくとも１つの部材の動きを安定させることを特徴とする方法。
【請求項１８】
前記機械は重量を有し、前記トルク及び重量が比を定義し、該比は２０Ｎｍ／ｋｇ以上の値を有している請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
前記機械は体積を有し、前記トルク及び体積が比を定義し、該比は３９，０００Ｎ／ｍ2以上の値を有している請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
前記機械は少なくとも０ＲＰＭと５００ＲＰＭの間の範囲の速度で、及び少なくとも５０ＲＰＭと３００ＲＰＭの範囲のあらゆる速度において８０％以上の効率で動作可能である請求項１２に記載の方法。
【請求項２１】
多相電気機械を製造する方法であって、
少なくとも回転子と固定子を供給し、該固定子が複数の固定子の鉄芯エレメントを有し、
前記複数の固定子の鉄芯エレメントをグループに分類し、各グループの固定子の鉄芯エレメントは少なくとも１つの固定子の鉄芯エレメントを有し、各グループの固定子の鉄芯エレメントは前記多相機械の対応する１つの位相と関連し、
各グループの前記固定子の鉄芯エレメントをそれぞれの他のグループの前記固定子の鉄芯エレメントから構造的に分離し、
それぞれの他のグループの電気的流れとは無関係に各グループの固定子の鉄芯エレメントの電気的流れを制御する、
ことを含み、前記多相機械の各位相はそれぞれの他の位相とは無関係に制御可能であることを特徴とする多相電気機械を製造する方法。
【請求項２２】
多相電気機械を製造する方法であって、
少なくとも回転子と固定子を供給し、該固定子が複数の固定子の鉄芯エレメントを有し、
前記複数の固定子の鉄芯エレメントをグループに分類し、各グループの固定子の鉄芯エレメントは少なくとも１つの固定子の鉄芯エレメントを有し、各グループの固定子の鉄芯エレメントは前記多相機械の対応する１つの位相と関連し、
各グループの前記固定子の鉄芯エレメントをそれぞれの他のグループの前記固定子の鉄芯エレメントから構造的及び電磁気的に分離し、
それぞれの他のグループの電気的流れとは無関係に各グループの固定子の鉄芯エレメントの電気的流れを制御する、
ことを含み、前記多相機械の各位相はそれぞれの他の位相とは無関係に制御可能であり、それにより、動的に選択可能な速度及びトルクで前記回転子と前記固定子間の位相対的回転を安定させること含むことを特徴とする多相電気機械を製造する方法。
【請求項２３】
多相電気機械を製造する方法であって、
少なくとも第１の部材と第２の部材を供給し、該第２の部材が複数の鉄芯エレメントを有し、
前記複数の鉄芯エレメントをグループに分類し、各グループの鉄芯エレメントは少なくとも１つの鉄芯エレメントを有し、各グループの鉄芯エレメントは前記多相機械の対応する１つの位相と関連し、
各グループの前記鉄芯エレメントをそれぞれの他のグループの前記鉄芯エレメントから構造的及び電磁気的に分離し、
それぞれの他のグループの電気的流れとは無関係に各グループの鉄芯エレメントの電気的流れを制御する、
ことを含み、前記多相機械の各位相はそれぞれの他の位相とは無関係に制御可能であり、それにより、動的に選択可能な方向及び力で前記第１の部材と前記第２の部材間の位相対的動きを安定させること含むことを特徴とする多相電気機械を製造する方法。
【請求項２４】
多相電気機械を製造する方法であって、
少なくとも第１の部材と第２の部材を供給し、前記第１の部材と前記第２の部材の少なくとも１つが複数の鉄芯エレメントを有し、
前記複数の鉄芯エレメントをグループに分類し、各グループの鉄芯エレメントは少なくとも１つの鉄芯エレメントを有し、各グループの鉄芯エレメントは前記多相機械の対応する１つの位相と関連し、
各グループの前記鉄芯エレメントをそれぞれの他のグループの前記鉄芯エレメントから構造的及び電磁気的に分離し、
それぞれの他のグループの電気的流れとは無関係に各グループの鉄芯エレメントの電気的流れを制御する、
ことを含み、前記多相機械の各位相はそれぞれの他の位相とは無関係に制御可能であり、それにより、動的に選択可能な方向及び力で前記第１の部材と前記第２の部材間の位相対的動きを安定させること含むことを特徴とする多相電気機械を製造する方法。
【請求項２５】
多相電気機械を製造する方法であって、
複数の鉄芯エレメントを有する少なくとも１つの部材を供給し、
前記複数の鉄芯エレメントをグループに分類し、各グループの鉄芯エレメントは少なくとも１つの鉄芯エレメントを有し、各グループの鉄芯エレメントは前記多相機械の対応する１つの位相と関連し、
各グループの前記鉄芯エレメントをそれぞれの他のグループの前記鉄芯エレメントから構造的及び電磁気的に分離し、
それぞれの他のグループの電気的流れとは無関係に各グループの鉄芯エレメントの電気的流れを制御する、
ことを含み、前記多相機械の各位相はそれぞれの他の位相とは無関係に制御可能であり、それにより、動的に選択可能な方向及び力で前記少なくとも１つの部材の動きを安定させること含むことを特徴とする多相電気機械を製造する方法。
【請求項２６】
多相電気機械を製造する方法であって、
複数の鉄芯エレメントを有する少なくとも１つの部材を供給し、
前記複数の鉄芯エレメントをグループに分類し、各グループの鉄芯エレメントは少なくとも１つの鉄芯エレメントを有し、各グループの鉄芯エレメントは前記多相機械の対応する１つの位相と関連し、
各グループの前記鉄芯エレメントを、構造的と電磁気的の少なくとも１つで、それぞれの他のグループの前記鉄芯エレメントから分離し、それぞれの他のグループの電気的流れとは無関係に各グループの鉄芯エレメントの電気的流れの制御を可能にする、
ことを含み、前記多相機械の各位相はそれぞれの他の位相とは無関係に制御可能であり、それにより、動的に選択可能な方向及び力で前記少なくとも１つの部材の動きを安定させることを特徴とする多相電気機械を製造する方法。
【請求項２７】
可動エレメントと、
固定エレメントと、
前記可動エレメント及び又は前記固定エレメントの部分に巻かれた配線によりエネルギーを与えられた少なくとも２つの電磁気回路であって、各電磁気回路は十分に絶縁され、制御及び最適化に対する電気機械の有効な応答を増加させるため電磁気回路間の電磁気と電気の干渉が実質的に除去されるようになっている電磁気回路と、
少なくとも２つの機械制御機構を供給し、前記機械制御機構の１つを選択し、該選択した機械制御機構に従って各電磁気回路のエネルギー供給を制御するためのコントローラと、
を備えていることを特徴とする適応電気機械。
【請求項２８】
可動エレメントと、
固定エレメントと、
前記可動エレメント及び又は前記固定エレメントの部分に巻かれた配線によりエネルギーを与えられた少なくとも２つの電磁気回路と、
少なくとも２つの機械制御機構を供給し、前記少なくとも２つの機械制御機構の１つを選択し、該選択した機械制御機構に従って各電磁気回路のエネルギー供給を制御し、ユーザー入力、機械作動条件及び機械作動パラメータに応じて、機械制御機構を動的に選択することにより機械性能を最適化するためのコントローラと、
を備えていることを特徴とする適応電気機械。
【請求項２９】
可動エレメントと、
固定エレメントと、
前記可動エレメント及び又は前記固定エレメントの部分に巻かれた配線によりエネルギーを与えられた少なくとも２つの電磁気回路であって、各電磁気回路は他の電磁気回路から十分に絶縁され、電磁気回路間の電気と電磁気の干渉を実質的に除去する電磁気回路と、
を備えていることを特徴とする適応電気機械。
【請求項３０】
可動エレメントと、
固定エレメントと、
少なくとも２つの電磁気回路であって、それぞれが前記可動エレメント及び又は前記固定エレメントの別の部分に巻かれた配線を有し、それぞれの部分が非磁性材料によってのみ、他の部分に構造的に接続されることを特徴とする適応電気機械。
【請求項３１】
可動エレメントと、
固定エレメントと、
前記可動エレメント及び又は前記固定エレメントの部分に巻かれた配線を有する少なくとも２つの電磁気回路と、
（最大効率又は最適トルク等の）機械の向上した性能を得るため、ユーザー入力、機械作動条件及び機械作動パラメータに応じて、機械の作動中、電磁気回路のエネルギー供給を動的に制御するためのコントローラと、
を備えていることを特徴とする適応電気機械。
【請求項３２】
少なくとも２つの電磁気回路を有する電気機械の性能を向上させるための方法であって、
それぞれの前記電磁気回路にエネルギーを供給するため、少なくとも２つの機械制御機構を供給し、
モータの作動中、前記機械制御機構の間を動的に選択し、前記電磁気回路のエネルギー供給を、ユーザー入力、機械作動条件及び機械作動パラメータに動的に適応させる、
ステップを含んでいることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願は、一般に、（電気モータ及び電気発電機を含む）電気機械に関する。より詳細には、この発明は電気機械のための新しい「適用」構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、電気モータ産業は、新しい要求のある適用と同様の電子制御システム、特に、電気輸送における新しい開発により駆り立てられる科学の進歩の重要な機会を与えている。従来の電気モータの新しい世代は広範囲に渡る機械入力を変え、電子制御をし、モータのいくつかの特性を最適化することをユーザに許容している。
【０００３】
最新のマイクロプロセッサの使用は複雑な電子モータ制御を可能にする。実際、電子制御は電気モータの非常に最新の適用のほとんどの重要な部分となっている。しかし、モータ自体の設計は過去の５０年に渡りあまり進歩していない。それは従来のモータ設計により自然に限定及び制限されるモータの性能を向上させる最新の制御のための能力を作る。電気発電機の開発も同様である。
【０００４】
この発明は最近のハイテクの飛躍的進歩を適用し、１世紀以上前に開発された基本的な電気機械(モータ、発電機、及び機械)の構造を改善する。本発明による新しい「適用」構造を有する電気モータ、発電機及び他の機械はより小さく、軽いパッケージでより以上の出力を供給し、制御に良く応答し、修理が安価で容易であり、既成の電気機械設計より効率的である。
【０００５】
電気機械、特に、電気モータ及び発電機は最新産業の基礎を形成している。しかし、それらの重要性に関わらず、電気機械はたいてい一世紀古い技術のままである。マイケル・ファラデーは、1831年に基本のＤＣ電気機械を可能にする原理を最初に発見した。ニコラ・テスラは1800年代後半に最初のＡＣモータでさらなる飛躍をした。ファラデー、テスラ及び他の人達はこれらの同じ原理を電気発電機に適用した。トーマス・エジソン及び他の発明家は、後に、特に、ＤＣ電力の発生に関して発展をさせた。
【０００６】
勿論、２０世紀の革命的な技術発展は電気機械技術を置き去りにはしなかった。科学技術は小さい（ミリワット）マイクロモータから巨大な（メガワット）水力発電機までの驚くべき適用を発展させた。しかし、コンピュータ技術の爆発的な発達とは異なり、電気機械技術の発達は比較的ゆっくり徐々になされた。事実、テスラの書いたものから電気モータ及びエジソンの書いたものから発電機のそれぞれの図面及び記載は、現在のエンジニアにとって非常によく見かけるものである。
【０００７】
しかし、電力及び電気モータの莫大な使用により、１世紀古い電気機械の設計は、過去に利用できなかった最新の技術を使用して、最新にされなければならない。化石燃料、核エネルギー、及び他の源から電力へのエネルギーの変換、及びその後のこの電力の機械出力への変換は、現在の産業に必須である。このプロセスはより良くなされるべきである。
【０００８】
電気機械の各種タイプは、誘導、同期、切替磁気抵抗、ブラシレスＤＣの各タイプがあり、それぞれ利点及び欠点を有している。これらのタイプの電気発電機及びモータは改善されているが、他の領域での利点を得るため、ある領域での欠点を受け入れて妥協することを避けられる電気機械のタイプはない。常に、最適の性能を与え、広範囲の作動条件に適用できる電気機械は、既成の構造を超えて著しい進歩を遂げるだろう。
【０００９】
妥協は避けるのが困難であるが、自動車のための実際の電気推進システムを作る試みである米国特許5,549,172は自動車に２個のモータを使用する極端な手段である。その発明は自動車の運転条件の全範囲に渡り良く作動する既成の自動車がないことを認識している。したがって、その発明は、低速で高効率のモータを高速で高効率のモータと組合わせることにより全体のシステム性能を向上させようとしている。明らかな欠点は、２個の完全に別個の電気モータを必要とすることである。
【００１０】
そのような多くの電気機械を使用すると、電気機械の性能の向上はすばらしい効果を有することができる。現在の産業社会は莫大な量の電力を消費している。
1988年における１２×１０12キロワット時の世界での使用が2020年には２２×１０12キロワット時とほぼ２倍になると見積もられている。これは1950年のほぼ２キロワット時以下の世界消費に対照する。
【００１１】
電気モータはこの電力消費のほとんど、すなわち、発生したすべての電力の約３分の２を消費している。そして、電気発電機はそのほとんどすべてを作り出している。それは電力を作り出し、それを現在の産業に動力を供給するために重要なこれらの電気機械を作る。
【００１２】
電気機械はどのようにして改善できるのか？  例えば、電気モータのため、効率は主な性能の基準である。広範な作動条件における高効率の電気モータの切迫した必要性がある。他の性能の基準は、モータを動かすための高い始動トルク、ギアなし、低速での高いトルク、コギングのないトルク、増加したトルク出力、システム重量当りのトルク、増加した信頼性、いくらか故障しても動作する能力、サービス及び保守の容易性、車両における、軽い全体重量及び限られた出力要求と整合する高トルク及び電力密度を含んでいる。
【００１３】
これらの領域の向上は電気モータの性能に大きな差を作ることができる。それ自体は巨大な値である。しかし、価値ある追加として、効率及び性能の十分な改善が現在存在しない電気モータの適用を可能にするだろう。
【００１４】
例えば、既成の電気モータは合理的な効率と競合的なコストで道路車両の厳格な性能要求を満たすことはできない。電気モータは目覚しい向上は道路車両に動力を与えるときにそれらに燃焼機関に対する真の代用をさせることができる。これらの性能要求を満たすことのできる電気モータ技術は真に「可能な技術」であり、それは緊急に必要とされる。
【００１５】
同様に、発電機のため、いろいろな作動条件において機械エネルギーを電力に変換するときの高効率のための真の必要性がある。改善のための他の領域は、運転及び停止中の重量の減少、構造及びメンテナンスの容易化、ギアなし、別々よりむしろタービン内に発電機を収容する能力、低い初期主要コストを含んでいる。
【００１６】
ここで再度言うと、既成の発電機設計を改善することは１世紀古い設計を更新させるだろう。しかし、発電機でも、効率及び性能の十分な向上は現在経済的でないエネルギー源によってさえ電力を発生させることができるだろう。例えば、風力発電機は中間の領域、及び低風速でさえ、競合的となるかもしれない。既成の発電機はそれらの条件において動作する支援を要求する。
【００１７】
電気機械の性能の向上は大きな経済上の差異を作ることがある。電気モータにより作られたより安価な電気エネルギー及び機械出力は、発展した経済において経済生産性を高めるだろう。低コストの電気及び機械出力は発展した経済における経済成長に重要である。新しい電気機械技術は増加する要求にもかかわらず電力を低価格に維持するのに役立つ。
【００１８】
より良い電気機械は環境の利点ももたらす。より効率的な機械は無駄なエネルギーを少なくする結果を生じさせ、エネルギー製造により生じる環境への害を減少させる。電気自動車が内燃出力の自動車に対する実現性のある代用となった場合、空気汚染は非常に減少されるだろう。エネルギーのための要求が増大すると、より良い電気機械がもたらす効率及び環境に対する害の減少はより一層重要となる。
（関連の出願）
この出願は、いずれも係属中の、2001年4月5日に出願されたMaslovらの米国出願No.09/826,423、2001年4月5日に出願されたMaslovらの米国出願No.09/826,422、2001年10月1日に出願されたMaslovらの米国出願No.09/966,102、2001年11月27日に出願されたPyntikovらの米国出願No.09/993,596、2002年6月19日に出願されたMaslovらの米国出願No.10/173,610、2002年7月31日に出願されたMaslovらの米国出願No.60/399,415、2002年11月8日に出願されたMaslovらの米国出願No.10/290,537、2003年1月29日に出願されたMaslovらの米国出願No.10/353,075、2003年1月29日に出願されたMaslovらの米国出願No.10/353,083に関し、及び又はそれらの出願の優先権を主張するものであり、すべて本出願と共に譲渡されている。これらの出願の明細はここにインコーポレイテッドバイリファレンスされている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１９】
（発明の概要）
適応の電気機械技術は所定の適用において電気機械の性能を向上させる可能性を有している。この向上は、最適の機械性能の範囲を拡大することにより、又は機械の全体効率を増加させることにより、又は従来の機械でまったく達成できなかった結果を達成することにより、又はいくつかの他の方法で、可能となる。
【００２０】
適応電気機械技術が革命的な進歩、又は少しずつの進歩を表すかどうかは時間だけが語るだろう。新しい技術は、実質的な発展、展開及び試験により証明されるだけである。しかし、この発明によって設計された適応電気機械は既成の電気モータ及び発電機の構造にいろいろな必要な著しい進歩を与える可能性を有している。（この発明の概要及び詳細な説明を通して、この発明により設計された電気機械は「適応電気機械」と呼ばれるだろう。）
この発明による適応構造は、電力エレクトロニクス、デジタル信号プロセッサ、半導体、及び進歩した磁気及び軟鉄材料の各種分野での最近の進歩を利用している。これらの及び他の進歩を使用して、適応電気機械は、ファラデー及びテスラが最初にそれらを発明して以来、固執した電気モータ及び発電機の性能の幾つかの根本的な限界を克服する。
【００２１】
現在の電気モータは複雑で、マイクロプロセッサを基にした制御システムを有することがよくある。しかし、適応電気機械は、干渉を除去するため機械の電磁気回路を絶縁し、その後、それぞれの他の回路の電気的流れとは無関係にそれぞれの回路の電気的流れを制御することによりそれぞれの独立した電磁気回路に十分な最適制御を与えることにより、機械動作上でより良い制御を提供する。より良い制御は最適化するより良い機会を意味する。可変速度を達成するために高い始動トルクをあきらめるように、使用するモータのタイプの選択において妥協を受け入れさせるよりむしろ、その適応性質のため、適応電気機械は広範囲な条件に渡り最適の性能を供給する。
【００２２】
さらに、適応機械は、通常、デジタルを基にしたプログラム可能なコントローラを使用する。これらのコントローラは適応電気機械を使用する全体の適応制御を非常に容易にすることができ、全体制御の重要部分をソフトウェアにする。これは、特定の適用機械の開発、実行、動作、及び改良の間、大きな費用節約に直接導く。これらの利点のため、適応機械は、特定の適用の設計者及び製造者による実行及び使用のため、及び適用機械を使用する適用の最終的なエンドユーザとして魅力的である。
【００２３】
適応電気機械は、多くの適用において、コストの減少と同様に、効率、信頼性、メンテナンスの容易性、及び性能を向上させる。しかし、おそらく、より重要なこれらの機械は「可能化技術」を提供する。電気モータにとって、これは車両の内燃機関と競合的な電気モータの可能性を意味する。発電機にとって、これは、現在、高コストのため現実的ではない、中間及び低速風領域のように、電源から有益に発生した電力の可能性を意味する。
【００２４】
適応電気機械は各種主な利点のための可能性を有している。これらの利点の幾つかは以下を含んでいる。
【００２５】
改善した全体効率―従来の電気機械は、幾つかの特定の機械の速度、又は幾つかの特定の負荷、又は幾つかの他の特定の条件のため、適応電気機械と同じ、又は高い、特定の効率を有することができる。しかし、機械の動作の全体範囲、又は実環境で機械動作の全体効率を考慮すると、適応電気機械は、従来の機械により取り掛かることのできない最終的な優れた効率を得る。
【００２６】
改善した全体効率―適応の電気機械は既成の従来の電気機械により達成できない性能を供給する。それらは、適応モータ技術のすべての特徴により、ユーザに広範囲の動作特性、容易な制御及び優れた全体性能を与えるが、機械の全体設計のプロセスのための目的方向のアプローチによりもっと明確である。
【００２７】
広範囲な動作―従来の電気機械と比べて、適応電気機械は、多くの優れた性能の特徴、トルク、速度、効率等のような最も広範囲の動作特性を有している。これらの最も重要な特性の範囲を拡大する能力は設計者及び製造者にそれらの製品を改善するための多数の新しい機会を与える。それらは適応モータが統合される適用の特定の性能を改善し、これらの適用の性能特性及び機能を改善し、又は従来の電気機械により達成不可能であった適用をユーザに与える。
【００２８】
一定の適用において非常の増加した効率―適応電気機械は、既成の機械より著しく良い効率を示し、特に、それらは可変速度で動作する。勿論、効率はエネルギーを浪費される程度にだけ改善可能であるので、機械の全体効率が９０％を越えた場合、改善の余地はほとんどない。しかし、動作条件が広く変わる電気自動車のような適応において、幾つかの場合には、適応電気機械は従来の機械より５０％以上良い全体効率を有している。自動車に動力を供給する電気モータのより良い効率は採用される所定のバッテリーセット及びバッテリー技術のための自動車の範囲を拡大し、それは大きい利点である。
【００２９】
小さい寸法及び重量―適応電気機械のコンパクトな設計はスペース及び又は重量が重視される適用における配置を可能にし、輸送でのような電気モータの新しい使用を可能にする。高いトルク密度（機械の質量の各キログラムのためのより良い機械出力）は高出力の要求が制限のある空間の利用と位相容れない適用を可能にする。電気車両において、インホイール（in-wheel）適応モータは、アンスプラング（unsprung）質量、サスペンション及びステアリングの挑戦を許容し、全体性能を犠牲にすることなく高い費用効果に取り組ませる。
【００３０】
人体の安全／低電圧―適応電気機械構造は、通常、５０ボルト以下の低電圧でほとんどのモータを作動させてもよい。これは、多くの既成の電気自動車及びハイブリッドカーにおいてＡＣ誘導モータにより要求される高電圧（通常、３００ボルト）と比較され、人体に対するそれらの危険性により厳格な安全手段を要求する。
【００３１】
開発及び実行の容易性―適応機械技術の使用を望む製造者及び設計者は、各種適用のための適応機械設計の構造の均一性及び簡略性を利用することができる。
設計プロセスの適用及び一貫性のために特別に要求される目的の関数を知ることは、適応機械の設計及び容易な開発が以下の単純な標準手続きにより広範囲のエンドユーザの適用をすることを可能にする。
【００３２】
低システムコスト―ほとんどの場合、適応電気機械は従来の電気機械（及びそれらの制御システム）より低システムコストを有している。部分的に、これは適応電気機械がまったく初めから設計された組み込み制御を有し、適用のため全体設計の一部分となる。また、デジタルのソフトウェアを基にした制御は、通常、同様のアナログ回路より安い。別の重要なコストの問題は制御システムの電力エレクトロニクスに関連し、適応電気機械は、通常、それぞれのチャンネルで動力の少ない制御チャンネルをもっと有し、チャンネルを切り替えるため、電力エレクトロニクスの全体コストを著しく減少させる。
【００３３】
低製造コスト―材料及び労働費を節約するため、適応電気機械は従来機械より製造コストが実質的に安くなる。特に、適応電気機械をモジュールにする機会はそれらを製造するのを非常に容易にすることができる。
【００３４】
設計及び再設計の低コスト―初期設計及び第１の適用機械の適用への統合、同一製造者による他の適用機械の設計及び統合は円滑且つ継ぎ目がない。同一の数学モデル及び同様の制御エレクトロニクスは主としてソフトウェア開発レベルへの設計（及び特に再設計又は改良）の集中への移行を可能にすべきである。これは非常に有効に設計、再設計、及び改良させ、従来の電気モータ及び発電機産業より、早い開発及び回転回数及び安価な開発プロセスを可能にする。
【００３５】
ソフトウェアを基にした制御―適応電気機械のための制御は、通常、ソフトウェアを基にしている。これは、実際の適用において、適応電気機械の実行及び細かい調整を非常に促進することにより、設計者及び製造者に非常な利点を供給する。ハードウェア制御システムでは、開発中にそれらを微調整するには物理的に変更しなければならず、ハードウェアは交換によってのみ改良及び改善可能である。ソフトウェアでは、将来の改良及び改善と同様に非常に多くの微調整が、特定の電気機械の同一のトポロジー、ハードウェア、及びコントローラ内のソフトウェアレベルで容易に行うことができる。
【００３６】
振動及び騒音の減少―従来の機械と対照的に、適応電気機械は、通常、少ないコギングトルクと少ないフラッタの早く円滑な動作を示している。適応電気機械は機械の構成部品の磨耗に適合し、振動及び騒音が機械が経年変化しても増大しないようになっている。適応機械はまた診断をも行い、過度の磨耗又は損傷が問題を引き起こしたときにオペレータに知らせてもよい。
【００３７】
安定性の増大―適応モータは小負荷で有効に作動し、通常、非常に高いピークトルクが可能であるので、ユーザ及び同様に有用なシステムは従来のモータより有利な電力要因から利点を得る。適応機械は長い平均故障間隔を有し、従来の機械より長く使用される。
【００３８】
容易な点検及び修理―適応電気機械は容易に点検及び修理される別個のモジュールを有している。特に、大きな電気機械では、全体の機械よりむしろ単一のモジュールを修理し又は交換する能力は、非常に点検の時間及びコストを削減することができる。
【００３９】
容易な改良―適応電気機械により、電気機械にとってソフトウェアにより改良することが可能である。基本的な機械構造は一定のままであるが、制御機構のような機械の多くの重要な特性はソフトウェアを変更することにより改良される。
好ましくは、これは遠隔で又はインターネットを介して行われてもよく、ソフトウェアは異なる作動条件で利用可能である。
【００４０】
モジュールの改良―適応電気機械は、電磁気システム、制御システム、及びソフトウェアの３つの特有のモジュールからなる。改良はこれらのモジュールの丁度幾つかの構成部品を交換することにより部分的な方法でなされてもよい。行う最も容易な改良はソフトウェアを含むものであり、それは通常、コントローラの簡単な再プログラムにより可能である。新しいデジタル又は電力エレクトロニクスはコントローラの改良に導き、それはソフトウェア又は機械のハードウェアの改良を含まない。概念では、これはＰＣの改良に似ており、異なるモジュール又は構成部品（ディスクドライブ、プロセッサ、メモリ、プログラム、動作システム）は、しばしば全体のコンピュータシステムの分解検査なしで改良可能である。
【００４１】
故障の許容―適応電気機械は故障に高い許容値を有している。ほとんどの場合、電気機械は、必要は時にその電磁気回路の全能力の３０％以下で作動する。
早い納入及び設置―適応電気機械は従来の対照物より小さな寸法を有している。
小さな寸法、及び個々の電磁気回路のモジュラーの性質は、（1,000馬力以上の）大きい適応電気機械でさえ、高価な分解及びその後の現場での再組み立て及び試験なしで顧客に直接製造及び船積みさせ、それにより、低コスト及び高速設置を可能にする。
【００４２】
新しい適用―適応機械及び性能の優れた特性は、従来の機械により達成することができないが、前に実施できなかった新しい適用の開発に導く。１つの例は電気輸送領域であってもよく、機械変速機及びギアは全くの電子制御により完全に廃止されると共に置き換えるかもしれない。
【００４３】
これらの及び他の利点により、適応電気機械は多くの適用のため非常に改善した性能を供給する。２つの例は適応電気機械が既成の電気機械設計よりどのようによく行われているかを示しており、特に、機械は可変速度で動作する必要がある。電気モータの例として、自動車に動力を供給する４個で１セットのインホイール電気モータを説明する。電気発電機の例として、風力タービンにより動力を供給される電気発電機を説明する。
【００４４】
しかし、当業者は、適応電気機械設計がこれらの２つの例より非常に広く適用できることを認識するだろう。事実、すべての電気モータ及び発電機の適用は適応電気機械設計を使用することにより改善されてもよい。
【００４５】
例えば、適応モータ設計のための適用はすべての種類の車両、船、潜水艦、エスカレータ、クレーン及びエレベータのための推進力を含んでいる。それらはまた、ポンプ、ファン、ブロアー、コンプレッサ、及びベルト駆動として使用される大型の電気モータ（1,000馬力以上）を含んでいる。これらのモータは、鋼の製造、パルプ及び紙処理、化学、油及びガス精製、採鉱及びヘビーデューティな適用等の大型処理産業にとって重要である。一般的に、適応モータはほとんどすべての可変速度の既成の適応モータ設計より優れている。
【００４６】
特に、ファン及びポンプは産業界において使用されるモータの５０％以上を使用する。ほとんどのファン及びポンプは流量制御の幾つかの形を使用し、需要と供給を一致させる。ほとんどのモータは可変速度ではよく機能しないので、一般的に、流量を制御するために（ファンのダンパー又はポンプの絞り弁のような）機械的方法が用いられる。これらの方法は、流れへの抵抗を増大することにより、そして、その最も効率的な速度から外れてファン又はポンプを運転することにより、エネルギーを浪費している。
【００４７】
動作条件の範囲に渡り効率良く動作可能な適応モータは非常に良い解決法を提供する。遠心式ファン及びポンプのため、流量が速度に比例している間、電力の入力は速度の曲線に比例する。それは、ファン又はポンプの速度（又は流量）が最大値から丁度２０％減少したときに電力消費がほとんど５０％減少する可能性があることを意味している。ファン及びポンプの機械的な流量制御を使用することによりエネルギーを浪費する代わりに、それらを駆動する適応モータを使用することによりエネルギーは節約可能である。
【００４８】
適応電気機械のための可能性ある適用は、多くの異なる産業界の市場から来る。複雑に制御された機械の動作が要求され、その動作のパラメータが可変の場合には、適応モータが効果を示す。ほとんどの場合、適応発電機はそれらの従来の対照物より性能が優れている。一般的に、適応モータ及び発電機を使用する適用が優れた性能を提供する３つの既成市場がある。
【００４９】
既成の電気モータ及び発電機の市場、このよく発展し、成熟した市場は、販売が年に110億ドル以上であり、強力な競争に巻き込まれている。しかし、高トルク又は可変速度が要求されるそれぞれの場合において、適応電気機械は強い利点を有している。適用の特別な例は、手工具、ポンプ、冷蔵庫及びコンプレッサのためのモータ、風力発電機、ロボット工学等を含んでいる。
【００５０】
既成の小型の内燃機関市場、この市場は電気モータ及び発電機市場より非常に大きく、年間販売が約250億ドルであり、またよく発展し、成熟している。この市場での幾つかの適用は、チェーンソー、庭のトラクター、庭の工具、及び他の芝生、家及び娯楽機器からなる。適応電気モータはこれらの適用で現在使用されているモータより性能がまったく優れている。しかし、これらの適用をガソリンの消費から変更する他の重要な理由が多数もある。政府の奨励、環境問題、騒音、効率、及び安全性はガソリン駆動の内燃機関より優れた適応電気モータを作る多数の結果のうちのほんの少しである。
【００５１】
既成の小型輸送市場、この市場の適用は、ゴルフカート、車椅子、倉庫の補助車、自転車、スクータ等の個々の輸送のための２輪及び３輪車両を含んでいる。
この大きな市場はそれらの優れた性能特性のため適応電気モータにとって最良のものの１つであってもよい。
【００５２】
適応電気機械が既成の機械より優れている既成市場に加えて、適応電気機械のための最大の単一の将来市場は、電気輸送市場、より詳細には、電気自動車、トラック、及びバス、及びそれらのための推進システムにあることは明らかである。（トラック、バス、軍、及び国際市場は言うまでもなく）乗用車のための米国国内市場は巨大な年間6,500億ドル市場を示している。
【００５３】
適応電気モータは（詳細については後述するように）輸送市場に大きな改善をもたらす。多くの場合、適応電気モータの独特な特徴は、すべての動作モードにおいて車両の最適効率を供給しながら、輸送での適用のため、変速機、ギアボックス、レジューサー、差動装置、冷却システム等の使用を不必要にさせる。以下は適応電気モータが使用されるときに交換又は除去される幾つかの機構のリストである。
【００５４】
内燃機関
適用モータ＝                      ＋ギアボックス
＋レジューサシステム
＋制動システムの一部
＋ＡＢＳシステムの一部
＋ステアリングシステムの一部
＋サスペンションシステムの一部
＋冷却システム
＋発電機
＋始動装置／バッテリーシステム
【００５５】
実際、適応電気モータ技術は全体の設計コンセプト、車両への通常のアプローチ及び技術に影響を与える。さらに非常に重要な考えは自動車の全体の電気／電子制御及びソフトウェアを基にしたその制御の性質から来る。車両及びその推進システムのための集中電子制御システムにより、集中交通制御、経路プログラム化、自動車速度制御装置、自動車の自動操縦、事故回避、行方不明車及び盗難車の発見、電子的に又はワイヤレスで思うように自動車を点検、修理及び改良をする能力、自動車の将来のソフトウェアの改良等のの終わりのない将来設計の機会を容易に想像することができる。
【００５６】
適応発電機設計のための適用は、油、ガス、潮汐エネルギー、太陽エネルギー、生物分解性燃料、及び水力、原子力及び風力タービンを使用して電力を発生させることを含んでいる。しかし、より一般的には、それらは機械エネルギーを電気に変換する他の適用のほとんどを含んでいる。
【００５７】
適応電気機械の特定の適用の最初の例は電気車両である。電気モータにより車両に動力を供給することは実質的な問題を提起する。動作条件は常に変化する。
始動は低速で高トルクを必要とする。速度制御は効率を要求する。バッテリーの出力の制限が範囲を制限する。高速道路での通行は高速での高トルクのバーストを必要とする。しかし、自動車の車輪に重いエンジンを配置することは、自動車にとって道路上でうまく操縦するに重すぎるアンスプラング質量を付加する。既成のモータは合理的な効率且つ競合的なコストでこれらの性能要求を達成することはできない。
【００５８】
適応電気機械はそれらの問題を解決する。電気自動車の動力システムとして、適応電気機械は電気自動車の４個の車輪のそれぞれに直接取り付けられてもよい。ローカルデジタル信号プロセッサ（「ＤＳＰ」）は、任意又はできる限り電気モータ内に取り付けられるが、それぞれのモータを制御する。意思決定アルゴリズムは車両性能を追跡すると共に分析し、ほぼ同時に負荷要求を明らかにし、それに応じてエネルギーを送る。
【００５９】
モータは必要なようにそれ自体を変更し、全速度で、すべての環境で、すべての領域に渡り、効率を改善するため、秒毎に何千回まで、局所的にそのＤＳＰを使用する。制動の間、モータは発電機及び制動／ＡＢＳシステムの両方として作動し、最も有効な方法で再利用するため制動から再生エネルギーを得る。
【００６０】
適応モータの構造は、全体の固定子を修理する必要なく、個々の固定子極対のインホイール車両のモータを修理又は交換させてもよい。さらに、適用モータのコントローラは、１以上の固定子の極対が不能又は損なわれていたとしても、モータを稼動させるようにプログラムされてもよい。
【００６１】
適応モータでは、固定子の極対を形成する電磁気材料は効率を増すために従来の設計からかなり減少されてもよい。軟磁性合成物（「ＳＭＣ」）の使用のように、注意深い設計は、機械の形成要素を改善し、モータの寸法及び運転質量を減少するのに役立つ。これはまた、動作周波数及び誘導レベルの正味の鉄芯損失を減少させ、したがって、効率を増大させるのに役立つ。
【００６２】
さらに、モータの全体質量の減少は、モータがインホイール自動車のモータであるときに大きい差を作る。車輪のアンスプラング質量の減少は自動車の操縦を非常に改善する。インホイールモータを使用して自動車を運転するときの主な問題は、きつい寸法及び重量制限内で自動車を運転する十分な動力をホイール電気モータから得ることである。
【００６３】
従来のモータと比べて、４個のインホイール適用モータを有する電気自動車の推進システム設計は多くの利点を供給する。モータは従来のモータより少ない構成部品を有し、より低コスト及び軽量に導く。モータ設計は、駆動アセンブリに付き１つだけの可動部品を有し、ギア又はブラシがなく、高信頼性を提供する。
上述したように、モータ設計はまた過失に高い許容値を提供し、モータは、必要な場合には、その全体電磁気回路能力の３０％以下で動作可能である。
【００６４】
車両の４個のモータにより、それぞれのモータは１つのモータが自動車を駆動するときに要求される４分の１の電流を必要とする。電気車両は、大気中への排出物質がなく、熱がほとんどなく、騒音もほとんどない、環境にやさしい動力を供給する。適応モータは、ギア付き又はギアなしの直接駆動での使用において、標準のハブに適合するように車輪に設置されてもよい。
【００６５】
適応モータは、バッテリー、ガソリン発電機、又は他の電源からの電力を受け入れてもよい。重要なことに、車両は低電圧、通常は５０ボルト以下で作動する。これは、人体への危険のため厳しい安全手段を要求される、多くの既成の電気自動車及びハイブリッドカーにおいてＡＣ誘導モータにより必要とされる高電圧（通常は300ボルト）と比較する。
【００６６】
上記はすべて重要な利点であるが、適応電気モータの主な利点は、高低の運転速度で、性能、効率および出力（又はトルク）が増大することである。車両を運転するための既成の燃焼エンジン及び電気モータは広範囲の運転速度及び条件で効率よく動作しない。適応モータもそうである。
【００６７】
適応電気機械のための特定の適用の第２の例は、風力発電機である。風力から電力を発生させることは電気発電機にとって実質的な問題を提起する。風速と風向は頻繁に変化する。厳しい制限が風力タービン内の重量及び寸法を管理する。
電力グリッドは一定の周波数がそれに供給されることを要求する。さらに、回転速度は発生した電力の周波数に影響を与える。
【００６８】
電流設計はこれらの問題に取り組むために交換条件を作る。効率を損なうステップアップギア、可変タービン速度で一定の動力を送る複雑な電気システム、又は低風速で大騒音を作り出す一定速度設計を使用する場合がある。既成の発電機は遅く又は早く変化する風速の領域のために実施するのに十分これをしない。
【００６９】
適応発電機はそれらの問題を解決する。風力発電機システムとして、適応電気機械は風車の風力タービンのシャフトに直接接続されてもよい。この回転電気機械の基本構造は、車両用電気モータのため、上述したようであってもよい。
【００７０】
電気発電機内に取り付けられるデジタル信号プロセッサが発電機を制御してもよい。意思決定アルゴリズムがタービン性能を追跡すると共に分析し、ほぼ同時に機械動力能力を明らかにし、それに応じて発電機に制御入力を送る。
【００７１】
発電機は、すべての風速及び条件で効率を改善するため、秒毎に数千回まで、必要とされるそれ自体を変更する。発電機は、電圧変動を積極的に修正し、高調波成分を最小にすることにより、電力グリッドへの接続のため、非同期電力又は同期電力のいずれかを作ってもよい。
従来の発電機と比べると、適応風車タービン発電機システムは多くの利点を供給する。適応発電機は従来の発電機より少ない構成部品を有し、低コスト及び軽量に導く。適応発電機設計は、駆動アセンブリに付き１つだけの可動部品を有し、ギア又はブラシがなく、高信頼性を提供する。発電機設計はまた過失に高い許容値を提供し、発電機は、必要な場合には、その全体電磁気構造の３０％以下で動作可能である。
【００７２】
複数の発電機がそれぞれのタービンで使用されてもよい。風車タービンの適応発電機は、大気中への排出物質がなく、熱がほとんどなく、騒音もほとんどない、環境にやさしい動力を供給する。適応発電機は、多くの場合、風力タービン内に適合し、非効率のギア構成を使用することなく、それにより直接駆動されてもよい。発電機は、風速が急に変化したときでさえ、中間の領域で効率よく作動し、風速を低下させる。
【００７３】
上記はすべて重要な利点であるが、従来技術を超えた適応発電機の最も重要な利点は、可変タービン速度で、効率及び出力を改善することである。風車タービンのための既成の発電機は広範囲の作動速度及び条件で効率よく動作する。適応発電機もそうである。
【００７４】
電気モータの制御の改善は長く掛かる目標である。しかし、従来のモータでは、多すぎる要因がモータの駆動信号に影響を与え、制御機構の改善に真の影響を与える。効率的に制御される構造を供給することにより、適応電気機械は広範囲な条件に渡り性能を改善する可能性を与える。
【００７５】
従来技術の問題はこれらの発展した制御機構が作動速度の狭い範囲以上に渡って従来の電気機械の電磁気回路を有効に制御できないことである。電磁気回路間の磁気及び電気の干渉は特に狭い範囲の作動速度への試験的及び誤り調整によってのみ効率的な制御を達成させた。
【００７６】
したがって、従来の電気モータは狭い範囲の作動速度において高効率となるように設計可能であった。それらは、作動速度が広範囲での使用の間に変化するときには一貫して効率的に動的に制御することはできなかった。
【００７７】
適応電気機械は制御に有効に応じるように作られてもよい。従来の三位相モータのコントローラは電流（振幅及び周波数）及び二位相遅れだけを制御する。これは、各位相のエネルギー供給形態が同じで時間により変わらないと仮定すると、全部で４個の独立した制御可能なパラメータを与える。
【００７８】
そのような少数の制御可能なパラメータは、特に、広範囲の作動条件において、モータの所望の性能を出すことができない場合がよくある。さらに、効率、トルクリップル、連続的なトルク出力、機械及び音響騒音、過度のヒステリシス、渦電流及び異常鉄芯損失、不十分な温度管理、位相互インダクタンス及びクロストーク（変圧器効果）のような問題及び同様の問題はこれらの限定されたパラメータにより容易に管理することはできない。
【００７９】
したがって、多くの従来の開発は制御可能なパラメータの数を増加させる試みがなされてきた。開発の幾つかは位相の数を３から５，７，１５又はそれ以上に増やしている。励磁プロフィールでの他の作業、及び高調波の振幅及び位相遅れの管理は励磁電流にある。これらの開発は、最も普及している戦略である、ＤＣ電流のパルス幅変調処理、又はＡＣ出力を発生するパルス幅変調ベースの変換装置により、従来のモータを制御するためのすべての既存技術を使用して試された。
【００８０】
しかし、これらの開発は少しずつの改善のみを達成した。これは、従来の多相モータが電磁気回路間の電気及び電磁気の干渉を実質的に除去するのに十分なようにお互いから絶縁された電磁気回路を有していないという１つの主な理由のためである。結果として、モータの１つの制御可能なパラメータの変化はモータの電磁気回路に複雑で動的な変化を引き起こすことがある。幾つかの点において、コントローラのパラメータは真にお互いから独立して制御されることはできない。
【００８１】
これは従来の電気機械を適応電気機械と比べることによりよく理解できる。図１は従来の電気モータのための概略図を示している。磁気固定子３０２は、モータのタイプにより幾つかの磁石３０４を含み、永久磁石又は電磁石であってもよい。磁石３０４はお互いにすべて電気的及び電磁的に接続されている。磁石３０８を有する回転子３０６はまた、永久磁石又は電磁石のいずれかであり、電気的及び又は磁気的に統合されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００８２】
図１の概略図は各種のＡＣ及びＤＣ電気モータを包含している。最も伝統的なブラシ付きＤＣモータは回転子３０６に電磁石３０８を含んでおり、それはブラシ及び固定子３０２の永久磁石３０４により整流される。ＤＣモータの他のタイプは、サーボモータ、ステップモータ等を含み、他の設計を有しているが、依然として同じ一般的な概略図を有している。
【００８３】
ブラシレスモータは永久磁石３０８及び電磁石３０４を有しているだろう。他のタイプのＤＣモータ、特に、巻線ＤＣモータも同一の構造のもとにある。ＡＣモータはまた通常、この同じ配列内にある。通常、三位相誘導コイルの配列がなされ、五位相以上はかなりまれである。
【００８４】
このタイプの標準配列により、固定子３０２のためにだけ、又は固定子３０２と回転子３０６の両方のための、いずれかの入力電圧Ｖ及び電流Ａの制御に最も注意が向けられる。ＡＣモータでは、すべての三位相が能動的に制御可能であり、その能力はＡＣコントローラで現在なされた進歩の多くに遅れている。サーボモータ、ステップモータ、及び巻線モータは２個以上のパラメータをすべて制御できるが、能動的に制御可能なものに限定される。
【００８５】
従来の電気モータの典型的な性能特性は図２に示されている。図２（ａ）は実際のＦＢＩ−４００１シリーズのＤＣモータのための速度−トルク曲線及びその出力−速度曲線を示している。このモータは1997年にゼネラルモーターにより作られた最初のＦＶ−１電気自動車で使用されていた。
【００８６】
図２（ｂ）に示された同様の特性は、ユニーク・モビリティ社により作られた異なるタイプのＤＣモータから来ている。このモータは、ＺＡＰ電気自転車及び他の輸送の適用で使用されている。明確に分かるように、有用なトルクはモータの速度の増加により急速に減少し、それは従来の電気モータの最大の欠点の１つである。
【００８７】
適応電気機械のための１つの目的はモータのためのいわゆる目的の関数を達成することであり、それは特定の適用においてモータから最も望まれるモータのパラメータを明らかにすることを必要とする。設計の仕事は日常的に、要求されるパラメータを達成しようとするときに目的の関数と共に行う。モータ設計の真の差は設計処理がモータの主な特性及びパラメータにどのように早く影響を与え始めるかである。従来の適用では、主な決定は、モータのどのタイプが使用されるか、ＡＣ又はＤＣか、及びどの特定の副タイプ又は狭いグループのモータ構成が考えられるかである。
【００８８】
その主な決定後、設計者のために残された柔軟性はすでに急に少ない選択に減少される。モータが正確な仕様に設計されたとき、モータの性能に真に影響を与えるものはモータに供給される電圧と電流のちょうど２個のパラメータである。
多相ＡＣモータ、幾つかのサーボモータ、及び他のものにおいて、自由に変化しやすいパラメータの真の数は多く、おそらく三位相ＡＣモータにおいて５から６個のパラメータ（３個の電圧及び位相角）となる。
【００８９】
適応モータのコンセプトの陰の中心の考えは、できる限り近く達成される特定の目的の関数のためモータの通常動作の間、能動的に制御可能な十分な変数を許容することである。図３は適用モータの実施例の概略図を示しており、それは従来のモータのための図１の概略図と似ている。しかし、少なくとも１つの実質的な差はすべての電磁気回路が独立して制御可能なことである。
【００９０】
図３に示された適応電気モータでは、固定子３０２のためのＮ個の独立した電磁気回路と回転子３０６のためのＭ個の独立した電磁気回路を有することは、取り扱う２（Ｎ＋Ｍ）の独立した変数を与える。これらの変数を適切に制御することにより、要求された目的の関数にもっと近くなり、それは適用電気機械の従来の機械との著しい差となる。
【００９１】
図４（Ａ）はモータの作動速度の一定の範囲において一定のトルクを有するモータの要求を定義している。従来のモータ３２２（図２（ａ）も参照）の真のトルク−速度曲線、及び適応電気モータの多数の変数での最適化により達成可能な曲線３２４であるように、所望の速度とトルクの曲線３２０が示されている。
【００９２】
図４（Ｂ）はモータのシャフトの作動負荷、通常の従来のモータ特性３４２、及び適用モータの性能の可能性３４４の範囲に渡り、一定速度が要求される適用において、理想的に要求される目的の関数３４０を示している。
【００９３】
上記と同様に、図４（Ｃ）はモータ速度又は負荷の範囲に渡り特定の高効率を要求する目的の関数を扱う。そのような要求は幾つかのエネルギーの制限された適用、例えば、宇宙飛行での適用又はバッテリー駆動モータで発生する。この図４（Ｃ）は目的の関数３６０、従来のモータが与えることができるもの３６２、及び適用モータのための最適化された特性３６４を示している。
【００９４】
これらの例からもっと一般的な最適化理論に変えると、モータを最適に制御することは多変量の、きわめて非線形の多最小関数の一般的な最小化タスクであり、通常、「損失」又は「目的」関数と呼ばれる。制御対象物により、例えば、所定の速度及びトルクでのモータ損失（最も通常の制御対象物）を最小化し、又は速度及びトルクの範囲の平均モータ損失を最小化し、又は所定の速度及びトルクで又は速度及びトルクの範囲においてトルクリップルを最小化することができる。
【００９５】
他の制御の目的は形式化されることがよくある。これらの目的は、騒音の最小化又は電磁気放射、又はモータの特定の移行性質を作ること（例えば、モータ速度の加速を要求すること）のような単純なモータ関連のパラメータを取り扱ってもよい。また、それらは、制御されるモータにより駆動される大コンベアの特定の速度プロフィールからのずれを最小にし、又は道路上ので電気車両のため最もエネルギー効率の良い自動速度制御を提供する等、そのようなモータを使用する複雑なシステムの性能を最適化することを取り扱ってもよい。
【００９６】
そのような現実の複雑な最適化タスクを取り扱うとき、最初に、最小化において目的の関数に影響を与えるかもしれない、すべてのパラメータ、又は変数を明らかにすべきである。電気モータにとって、これらは通常、励磁回路の電気パラメータ（各回路のための電流、これらのプロフィール及び周波数、個々の回路間の位相遅れ等）である。
【００９７】
しかし、それらはまた機械的又は電気機械的に制御される幾つかのパラメータを含んでいてもよい。これらのパラメータは、（費用の理由のためリレーにより整流されうことがよくあるが電子制御されることもできる）モータで現在動力を供給されている回転又はコイルの整流された数、（たいてい電磁機械的手段により制御されるが電磁的に独立した次元特性の材料を使用することにより達成されることもできる）可変のエアギャップ又は可変の磁気抵抗、（複数のエアギャップ、複数の固定子軸上のモータ配列のような）複数に分割されたモータのためのモータ部分又は部品の整流された数、トルクリップル及びコギングトルクを減少させるための多相モータの制御された励磁、及び他の同様なパラメータを含んでいる。
【００９８】
すべてのそのような可変パラメータが明らかにされ、目的の関数へのそれらの影響が決定されると共に表示されると、最適化は数学の判断力で開始可能である。最初に従われる１つの複雑で込み入った手順（及びその手順は極端な複雑さのため全体として又は意図的に見落とされることがよくある）はお互いから真に独立した変数（数学では標準化と呼ばれる、又は直交させるもの、多次元の可変空間の変数）を明らかにすることである。この手順は可変空間の実際の寸法、重要さを誇張できない結果を与える。
【００９９】
多くの従来の最適化機構は、位相互依存性の正当な分析をすることなく、変数の総数を増加させようとした。しばしば、従来技術の電気モータ設計は、共通の固定子の磁気経路に集中した巻線を導入し、これらの電気的に独立した集中巻線を独立して制御しようとしている。独立した集中巻線の比較的少数から始めて、所望の最適（最小）目的の関数を出すための制御の能力は損なわれ、独立した集中巻線の数のさらなる増加はもはやモータの性能を向上させることはない。
【０１００】
この場合の従来技術の限界は、巻線間の電気及び電磁気的な干渉を実質的に除去するのに巻線が十分絶縁されていない事実のため、そのような「独立した」電気変数が実際にお互いから独立していないことである。そのような巻線間の重要なクロスインダクタンスは制御された変数を互いに依存させる。最適化理論の用語において、電気的に独立した集中巻線の数の増加はモータ性能の最適化のため独立した変数の増加とならない。
【０１０１】
他の従来の試みはもっと伝統的な三位相モータの配列を取り扱い、三位相のそれぞれに投入された電流の形状において幾つかの独立した高い等級の高調波を導入しようとしている。そのような高調波は投入された任意の電流形状を定義する意味において独立した変数となることを意図されている。
【０１０２】
制限は、再び、公知の従来技術の磁気経路のトポロジーのため、これらの高調波はモータの性能を最適化する目的のため独立した変数とならない。再度、これは三位相モータの位相が高いクロスインダクタンスを有し、異なる動力供給機構の下に動力を供給され又は供給されなかったとき、お互いに重要な干渉を行う。
【０１０３】
再度、幾つかの点では、位相毎の電流の形の高い高調波の数のさらなる増加は、もはやモータ性能の最適化のため独立した変数の数の増加を生じさせない。まったく同様の結果は、モータの位相間の電気的及び電磁気的な干渉を実質的に除去するためにそれぞれのモータの位相の十分な絶縁を有しないモータのゆがんだ励磁電流を使用する他の従来技術の試みにおいて観察される。
【０１０４】
他の要因又は変数も、エアギャップの大きさ又は寸法のような、電気モータの性能に影響を及ぼす。したがって、可変のエアギャップの配置（可変磁気抵抗）は多くの従来技術の実施においてで考えられた。このエアギャップサイズの変数は巻線への電気入力から独立しているので、この変数の追加は目的の関数を最適化する能力を著しく改善し、そのような配列の欠点は費用及び実際の実施の複雑さである。
【０１０５】
他の従来技術の開発は、分配巻線又は集中巻線配列のいずれかにおいて、モータの異なる巻線で動力を供給されるコイル又は回転の数を整流しようとしている。そのような変更はモータの電磁気回路の根本的なパラメータを変え、制御のために利用可能な独立した変数の数の増加となる。これは、そのようなモータの性能を向上させると共に制御の柔軟性を増す結果となり、再度、小型化は高コスト及び実施の複雑化となり、たいていの場合には、比較的低信頼性で乏しい全体の寿命特性のリレーを伴う。
【０１０６】
さらに他の従来技術の配列は、モータの分離した有形部分が独立して活性化又は動力を供給されるような方法で、分かれたモータを取り入れることにより同じ問題を解決しようとしている。最もしばしば、これは、同一シャフト又は固定子フレームに同軸に接続された幾つかの固定子アセンブリを有する軸上のエアギャップの磁束モータの形でなされるが、放射状の光束配列もまた公知である。そのような配列のために使用される名称の幾つかは、分かれた電磁気モータアレイ（Segmented Electromagnetic Motor Arrays）、カスケードモータ配列、モータクラッチング等である。
【０１０７】
ここで再度、全巻き及び又は固定子電機子の部分的使用によるすべての他の電気機械的配列に関して、利点は広範囲における良好な性能である。しかし、欠点は、特に、重く、低トルク密度、高価、複雑な制御、そして低信頼性である。
【０１０８】
本当に必要とされるもの（及び従来技術が欠けており、取り組むことのできないもの）は、１個の単純なモータ配列内で容易に電子的に制御される多数の独立変数を有する能力であり、これらの独立変数の制御は最適のモータ性能を与え、所定の目的のために最良の目的の関数を達成することができる。そして、従来技術がそうすることを避けていることは、電気巻線がそれらの間の電気的及び電磁気的な干渉を実質的に除去するために十分に絶縁されていないという事実である。
【０１０９】
もし、お互いから変数の位相互依存を簡単に取り除いたとしたら、我々は、他のより良い制御を可能な電気機械を有し、他の電気機械設備より良い性能を達成する可能性を有している。従来技術の共通磁気経路のモータは、共通磁気経路に沿ったクロスインダクタンス及び電機巻線間の同様の干渉により、そのような変数の独立を可能にしない。
【０１１０】
これらの変数を独立にする１つの方法は、クロスインダクタンスを除去することである。すなわち、それぞれのサブシステムがサブシステム間の電気的及び電磁気的な干渉を実質的に除去するために他のサブシステムから十分に絶縁されるように磁気経路を幾つかの磁気的に絶縁されたサブシステムに分けることである。このように設計された適応電気機械は機械の電磁気回路を十分に絶縁することにより、より良い制御及び最適化を達成し、その後、それぞれの他の回路の電気的流れとは無関係にそれぞれの回路の電気的流れを制御することにより、各独立した電磁気回路に対して十分な最適制御を供給する。
【０１１１】
適応構造により、非常に多数の変数が、機械内で効率よく且つ独立して制御可能である。それぞれの電磁気回路内で、電流の振幅及び電流のプロフィール（周波数、形状、プロフィールの開始及び停止の位相遅れ等）は個々に及び独立して制御されてもよい。電磁気回路の数が増加すると、全体のモータのための制御可能な変数の数も増加する。
【０１１２】
重要な目的は機械の動作を制御する変数の数を増加させることであるが、それぞれの変数が機械の動作にかなり貢献するような方法でである。従来の機械では、変数の変更は、たとえあったとしても、予想できる所望の効果をほとんど有することはないので、変数の数の増加はすぐに減少する結果となる。
【０１１３】
多数の変数のこの重要な目的に達すると、それぞれは実質的な効果を有し、適応電気機械の利点の多くを可能にする。所定のモータ速度で要求されるトルクを出すような、標準の制御目的が達成され、その後、実質的且つ根本的に拡大される。
【０１１４】
依然として交換条件があるが、各種の性能の目的はまた、動作速度が変化するときにモータの効率を最大にし、音響及び機械的／電気機械的騒音を減少し、トルクリップルを管理し、電源の電流要求を最適化するように、達成されてもよい。同様の実施の利点は発電機にとっても可能となる。
【０１１５】
適応構造は多くの新しい制御機構に電気機械を利用してもよい。適応構造では、電気機械は作動条件に適合され、広範囲の作動速度において出力及び効率を増大させる等、最適の性能を供給する。
【０１１６】
柔軟な制御は適応電気機械の重要な顕著な特徴を考慮されてもよい。柔軟な制御は、何かの適用において適応電気機械を設計及び実施するときに利便性及び均一性を与える。さらに、ソフトウェアレベルで実施された制御はモータ又はコントローラの実際の交換なしでソフトウェアレベルに将来の改良の可能性をもたらす。
【０１１７】
そのソフトウェアの改良能力は、改良時に費用節約となるだけでなく、機械の実際の物理的交換を要求することなく、適応電気機械の現存手段の、それらがあることをまだ知られていない将来のタスクへの適合を可能にする。それはまた、ハードウェアの変更に対するソフトウェア設計の柔軟性を開発者及びユーザに与える。
【０１１８】
高トルクは適応電気モータの別の顕著な特徴であってもよい。従来の電気モータはトルクを十分に能動的に管理し、又は設計レベルでトルクに影響を与えることはできない。それは、特定の適用のための特定のタイプの従来のモータの選択が利用可能なトルクプロフィールを大きく決定するからである。
【０１１９】
対照的に、適応モータは、通常、極めて高トルクだけでなく、高い始動トルクをも有する。それはまた、必要な場合、トルクを増加する特定のアルゴリズムを許容し、一般的に、モータの作動条件の範囲においてトルクを能動的に管理する。
【０１２０】
広範囲の作動条件における最適性能の可能性は、推進、車両輸送での適用、及び他の特別の適用のように、最も必要な適用に適した適応電気機械を作る。特に、適応電気モータが許容する極端に広範囲の作動速度は、それらが以前必要としていた適用において、機械的ギア及び変速機のための必要性を排除する。
【０１２１】
これの最良の例は乗用車である、今まで、電気モータを有する電気自動車及びハイブリッドのガス／電気カーはまた、変速機、ギア、差動装置及び適応電気モータが不必要にさせる他の機械システムを有している。
【０１２２】
要約すると、適応電気機械が既成の電気機械を超えて提供する幾つかの利点は、
・設計、実行、機械の作動を通して機能する一定で一貫したコンセプト
・製造プロセスを容易にし、そのプロセスに関するコストを減少させ単純な機械トポロジー
・設計が簡単で、製造が安価で、点検及び改良の容易なデジタルを基にしたコントローラ
・全モータに必要とされる電力の一部分だけをそれぞれの電磁気回路に供給する出力電力エレクトロニクス。これは、（低電圧が使用可能であるので）これらのエレクトロニクスのコストを飛躍的に削減し、人体への危険性を減少させ、起こり得る機能不全の影響を減少させる。
・アナログエレクトロニクスにより実行するには高価すぎる、精巧な制御アルゴリズムの実行を可能にする、ソフトウェアレベルの制御。さらに、将来の改良はソフトウェアレベルだけでなされてもよく、改良コストを大幅に削減する。
・以前達成不可能であった性能の特徴を有する適用を与える機会に導く、顕著な全体性能特性
【０１２３】
適応電気機械技術の背後の重要な考えは、すべての特別な機械の設計は機械が使用される特定の適応ニーズにより行われることである。適用により満たされる特定のニーズを分析し、その後、適応機械のための目的の関数を適切に定式化することにより、成功した設計プロセスが正確に所望の性能特性を達成可能な適応機械の開発に導く。
【０１２４】
従来の電気設計技術の制限は所望の性能特性の非常に粗く近似した一致だけを設計者に達成させる。多くの場合には、これは機械でレジューサ及びギアを使用する必要性に導き、多くの場合には、最終ユーザの幾つかの特定の要求を十分に満たす適用を開発する能力をなくさせる。
【０１２５】
上述したように、適応電気機械技術への１つの鍵は機械の電磁気回路の独立した制御を可能にしている。これらの電磁気回路又は「位相」が独立して制御されない場合、最適の目的の関数は多相機械で得られることはできない。適応機械のトポロジーは電磁気回路の独立した励磁を可能にするように構成され、他の回路とは無関係に各回路への電気的流れを制御させ、したがって、制御された変数を独立にさせる。磁石間の空間配置、これらの磁石の数、それらの比例数、磁石の形状等、すべては適応電気機械トポロジーの重要な部分である。
【０１２６】
適応機械コンセプトの別の重要な部分は適応機械の電磁気回路に電力を供給する方法にある。これを示すため、図５は固定子の複数の電磁石３０４の上方の回転子の磁石３０８を示している。電磁石が電力を供給される方法により、結果として生じる力の異なるパターンが起こる。したがって、目的の関数にぴったりと近似する機械の性能を容易にする方法で固定子の電磁石３０４の電力供給を可能にするので、適応機械のためのコントローラは重要で機械の非常に重要な部分となる。
【０１２７】
適応機械にどのように異なるパターンの電圧供給が形成されるかの特定の例が図６に示されている。１本の線３８０は回転子磁石３０８の交流極と位相互に作用する単純なシヌソイド波形を表し、このように各固定子磁石３０４は単純なシヌソイド電流波形により電力を供給可能である。別の線３８２は別のオプション、ステップ電力供給を示し、それはまた実行が簡単である。図７は起こり得る電力供給の電流波形の幾つかのさらなる例を示している。
【０１２８】
これは重要な結果に導く。同じ適応電気機械は各種方法で電力を供給することができ、それにより、同じ機械が、従来の機械では不可能であった、各種方法で実行するように作られる。さらに、電磁気回路の数が大きい場合、特定の目的の関数がより正確に近似され、各電磁気回路のための電力エレクトロニクスは安価で簡単で、起こり得る機能不全の影響は小さくなる。
【０１２９】
ほとんどの適応機械コントローラはデジタルのマイクロプロセッサを基にしたプログラム可能なコントローラとなる。ソフトウェア及びそのようなコントローラのための適切なソフトウェア開発の重要性は非常に重要になる。事実、特定の波形を形成するすべての手段は、ハードウェアではなく、ソフトウェアレベルでよく実行されている。
【０１３０】
実際、簡単な表明が適応電気機械の莫大な利点を示している。それは、作動条件に適合する適応電気機械の能力、従来の機械では不可能な方法で作動する能力、それらのソフトウェアの変更能力、容易に改良させるそれらの能力等を与える。ソフトウェアの利点のための全体リストが効果を示す。
【０１３１】
この発明にしたがって設計され、実行された適応電気機械は、ここに記載された適応機械のコンセプト及び技術の幾つか又はすべてを使用する。大きく言うと、適応電気機械コンセプト及び技術を適用するため最も実際的な設計となるであろう適応機械の実施例として少なくとも３つの実質的なグループがある。
【０１３２】
第１に、最も単純な配列が図８に示されているものであり、適応電気機械の一実施例は、永久磁石３０４を有する回転子３０６と、電磁石３０４を有する固定子３０２とを有している。それは、主としてコスト、簡略化、及び信頼性関連の一定の利点を有しているが、また重要な欠点も有している。その回転子３０６は機械の電磁気システムにおいて電流を誘導することなく、自由に回転することができない。幾つかの適用では、これは不適切である。例えば、輸送での適用のような、他の適用では、電流を誘導することなく自由に回転するこの能力は非常に望ましい。
【０１３３】
図９は、僅かに異なる配列、いわゆる巻線回転子であり、回転子３０６の磁石３０８は実際に別の励磁を有する電磁石である。この配列は機械の回転部分に電力を与える幾分複雑なタスクを与えるので、追加コストが必要であり、幾らか信頼性を減少させる。
【０１３４】
しかし、この設計の非常に重要な部分は、回転子３０６の電磁石３０８が励磁されないとき、回転子３０６は固定子３０２の電磁石回路３０４で電流を誘導することなく自由に回転できることであり、これは輸送でのような適用にとって非常に望ましい特徴である。したがって、このタイプの適応機械は非常に重要である。
【０１３５】
最後に、図１０は適応機械の最も一般的なタイプの一実施例を示しており、機械のすべての磁石に独立した励磁を可能にするものである。回転子３０６の電磁石３０８及び固定子３０２の電磁石３０４はすべて独立して励磁されてもよい。
たとえこの設計が最も柔軟性及び独立変数の最大数を提供したとしても、その実施のコストは高く、この設計は最も精巧な適用でのみ正当化される。
【０１３６】
適応１ｋＷの電気モータの一実施例をほぼ同じ馬力をもたらす従来の三位相の永久磁石のブラシレスモータ設計と比較すると、以下の表に示される結果をもたらす。これらの結果に加えて、説明された適応１ｋＷの電気モータは、少なくとも０ＲＰＭと５００ＲＰＭの間の範囲の速度で、少なくとも５０ＲＰＭと３００ＲＰＭの間のすべての速度において８０%以上の効率で、作動可能であることに注目すべきである。
【０１３７】
2006238698.tif 000003
表１：従来の三位相永久磁石のブラシレスモータ設計に対する適応１ｋＷモータの一実施例のための測定値の比較
【０１３８】
2006238698.tif 000004
表２：従来の三位相永久磁石のブラシレスモータ設計に対する適応１ｋＷモータの一実施例の価格、トルク及び重量の比較
【０１３９】
以下の表３は、４個の他の従来のモータと比較した、（それぞれ１７ｋＷの４個のモータにより全体で６８ｋＷを供給する）４個の１７ｋＷの適応モータの一実施例の性能を示している。これらの結果に加えて、記載された１７ｋＷの適応電気モータは39,000Ｎ／ｍ2のトルク／体積率を有していることに注目すべきである。
【０１４０】
2006238698.tif 000005
表３：４個の他の従来のモータと比較した、（それぞれ１７ｋＷの４個のモータにより全体で６８ｋＷを供給する）４個の１７ｋＷの適応モータの一実施例の性能
【０１４１】
以下の表４は、従来の三位相発電機と比較した適応発電機の一実施例の性能を示している。
2006238698.tif 000006
表４：従来の三位相永久磁石のブラシレス直接駆動発電機の設計と適応発電機の一実施例との比較
【０１４２】
適応電気機械のさらなる利点は当業者に容易に明らかとなるだろう。以下の詳細な説明は本発明の好適な実施例だけを示している。本発明は他の異なる態様が可能であり、その幾つかの詳細は、本発明から逸脱することなく、いろいろな明白な点での変更が可能である。したがって、図面及び説明は、本来、例示としてみなされ、限定するものとすべきではない。
【０１４３】
この発明は、添付した図面において、例として示されており、限定するために示されているのではない。
【０１４４】
この発明の詳細な説明を通して、この発明により設計された電気機械は「適応電気機械」と呼ばれるだろう。図１１は、Ｎ位相の適応電気機械の例と比較したＮ位相の従来の電気機械のブロック図を示している。この例では、各位相の適応電気機械は従来技術の単一の電気機械に対応する。（この説明では、「電磁気回路」及び「位相」は一般的に互換性をもって使用されている。）
図１２は適応電気モータの一実施例のブロック図を示している。この例では、コントローラ６０は、ユーザ入力、検知した作動条件、及び検知した機械作動パラメータに基づいて制御信号を発生する。
【０１４５】
ユーザ入力は電気機械の作動中にユーザが変更するパラメータである。通常の例は電気車両の速度を制御するために使用される絞り弁、又は車両を停止するために使用されるブレーキである。機械の作動条件は機械動作に影響を与える機械外部の条件である。例は電気自動車の速度、又は自動車が回転するかどうかを含んでいる。機械の作動条件は機械内部のパラメータである。例はモータの回転速度及びモータの回転子のその固定子に対する位相対位置を含んでいる。
【０１４６】
この実施例では、各電磁気回路、又は位相は回路間の電気的及び電磁気的な干渉を実質的に排除するため他の電磁気回路のそれぞれから十分絶縁されていてもよい。これは変更されると共に制御される独立した機械のパラメータの数を増加させる。結果として、これは、制御及び最適化に対する電気機械の有効な応答を増加させる。
【０１４７】
さらに、他のそれぞれから構造的及び又は電磁気的に分離される各電磁気回路は、コントローラから別の制御信号を受け取り、したがって、それぞれの他のグループの電気的流れとは無関係に電磁気回路の各グループの電気的流れを制御する。それは、それぞれの他の位相とは無関係に各電磁気回路又は位相を制御可能であり、それにより、動的に選択可能な速度及びトルクで回転子と固定子間の位相対的回転を安定させる。コントローラは各選択された速度及びトルクのため電気機械の効率を最適化するために動作可能である。
【０１４８】
図１３は適応電気機械１０の実施例の基本構造の外皮切断図の例を示している。図１３に示された幾つかのエレメントは図１４の分解図に詳細に示されている。この例では、電気機械１０は円形固定子３０を取り囲む円形の永久磁石の回転子２０を有している。しかし、適応電気機械は、回転子以外の可動エレメント、又は固定子以外の固定エレメントを備え、又は第１の部材及び第２の部材、又は少なくとも１つの部材を備えている。
【０１４９】
この例では、回転子２０及び固定子３０はエアギャップにより分離されている。回転子２０及び固定子３０は固定シャフト３６で中心をつけられ、回転子２０の回転軸に配置されている。
【０１５０】
この例では、固定子３０は、７個の強磁性的に絶縁されたエレメント、又は固定子又は「鉄芯エレメント」グループを有している。それぞれの固定子グループ３２は磁気的に透過材料から作られ、各他の固定子グループとの直接接触から分離されている。各固定子グループは別の電磁気回路を形成し、それぞれは固定子の独立した部分に巻かれた巻線を有し、各部分は非磁性材料によってのみ構造的に接続されている。又は各固定子グループはそれらの２個の極のそれぞれに形成された巻線３４を有している。又は適応電気機械は少なくとも２個の巻線を有し、可動エレメント又は固定エレメントのいずれか又はその両方の部分に巻かれた電源供給可能な電磁気回路を形成する。
【０１５１】
７個の固定子グループ３２がこの例に示されており、各グループは２個の突出電磁気極を有し、それぞれ実質的にエアギャップに沿って実質的に等しく間隔を置いている。各固定子グループはグループ間の（誘導電流及び電磁束のような）電気的及び電磁気的な干渉を実質的に除去するために実質的に絶縁されていてもよい。
【０１５２】
この例では、回転子２０は１６個の永久磁石２２を有している。示された永久磁石はエアギャップに沿って実質的に等しく間隔を置いており、非磁性の円形後ろ板２４に取り付けられている。後ろ板２４はアルミニウム又は他の非磁性透過材料から形成されている。後ろ板２４は電気機械のハウジングの一部を形成し、それはそれに取り付けられる側壁２６を有している。
【０１５３】
回転子の永久磁石２２により作られた磁束は回転子の永久磁石２２の後ろに取り付けられた透磁性エレメント（図示せず）を付加することにより高められてもよい。示された固定子の極及び回転子の磁石の数は単に例示である。いろいろな比が使用され、所望の作動パラメータを供給する。例えば、長い距離を隔てた少ない電磁石は異なるトルク及び又は速度特性を作る。
【０１５４】
電気機械１０の電源供給機構及び極の外形の設計は重要な設計上の問題である。モータとして作動する電気機械を設計するとき、目的は、回転子／固定子の磁気抵抗を最小にし、無負荷最小速度で所望のピークトルクを与えながら、許容可能な整流トルクシグナチャ―、トルクリップル及びコギングトルクを達成する。
これらの問題は詳細な有限エレメントのシミュレーションを実行し、最適化合成トルク及び力ベクトルを合成することにより考慮に入れられてもよい。これらのシミュレーション技術は当業者に公知である。
【０１５５】
一実施例では、永久磁石２２は公称のＢＨ最大のネオジム鉄ホウ素又は238から398ｋＪ／ｍ３（30から50ＭＧＯｅ）の間の範囲のエネルギー生成物を備えている。矩形断面で先細端部に円形部分の磁石を形成することは、望ましくない磁束の交差干渉を最小にするのに役立つ。好ましくは、磁石２２は放射状に磁化され、回転子の各仕切られた部分のため後ろ板２４の平面に垂直な強磁性双極子を供給する。
【０１５６】
磁石２２の曲がった容量の外形の最適化はまた、予定の適用のため、磁石のサブシステムの透磁度及び反動特性をも最適化する。さらなる変更は電磁固定子グループ３２と永久磁石回転子アセンブリの間で発達した磁石の電位差分布を修正するため、電磁鉄芯の３次元極形状を使用してなされる。そうすることは電源供給の整流及び回転子２０の角度変位の間に起こるコギングを減少させる。
【０１５７】
回転子２０の幾つかの他のパラメータが特定の適用のためのより最適化性能を達成するために考えられてもよい。例えば、これらの他のパラメータの幾つかは以下を含んでいてもよい。
・磁石の等級
・磁石の等級のエネルギー密度及び全体の磁気特性
・要求された消磁要因を作る磁石の寸法及び大きさ、したがって、磁石アセンブリの全体作動条件
・それらの極性化と同様に、永久磁石の磁気構成
・磁石の熱安定性
・意図した適用のため磁石の製造でとられる仕上げ及び後処理ステップ
・磁石の位置及び取付け間隔
・機械の最大角速度での磁石部分の表面及び副表面の渦電流効果
・磁石の曲面における磁化の均等性
・磁石の放射状及び軸上極性化の均一性
・固定子の２個の別々の近接した磁石の間のギャップの最適化
・磁石の端部の機械的特徴
・後ろの鉄リングにより供給される磁石の戻り磁束経路
【０１５８】
図１３及び１４に示された例では、電気機械の側壁２６は取り除き可能であり、全体装置を交換することなく、損傷した又は修理する必要のある個々の固定子グループを取り出したり、交換したりすることを容易にさせる。固定子の鉄芯部分３２のそれぞれは位相互に交換可能とされているので、固定子１０の保守は、板間のほぼ交差位置で予備の固定子の鉄芯部分３２を挿入し、巻線の端部を接続する比較的簡単なこととなる。
【０１５９】
示された固定子の鉄芯部分３２はシャフト３６に中心に固定される堅い骨格構造４０に固定されてもよい。固定子グループの数に等しい数の背部材４２は、骨格構造４０の中心から幾つかのＵ形状の板４４に外側に延びている。Ｕ形状の板４４及び固定子の鉄芯部分３２の側部は固定子部分３２が骨格構造４０に固定される交差孔を含んでいる。それぞれのＵ形状の板４４は固定子の鉄芯部分３２の近接対に取り付けられている。
【０１６０】
それぞれの固定子の鉄芯部分３２及び背部材４２の隣接対は共に、回路エレメントが含まれる空間を定義する。堅い背部分４２は回路盤４５を収容するのと同様に必要な構造支持を供給するのに十分な表面領域を有している。回路盤又はハイブリッドモジュールは従来の方法で各背部分に取り付けられていてもよい。
【０１６１】
この機械で使用される電磁鉄芯の複雑な三次元トポロジーを可能にするため、要求される電磁鉄芯は、好ましくは、薄板状の電気スチールとは対照的に、軟磁性合成物（「ＳＭＣ」）粉末合金、又は合金の焼結粉末材料（「ＳＰＭ」）から製造されていてもよい。これらのＳＭＣ及びＳＰＭ合金は、意図した適用のため、厳しい幾何学的制限及び要求される電磁特性を明記させてもよく、それはその後、示された電力要求とさらに対照される。
【０１６２】
さらにその上、ＳＭＣ合金は、適用の磁束密度レベル及び励磁周波数で許容可能な特定の電力損失（Ｗ／ｋｇ）及び位相対的等磁性の実現化を促進する。これは、材料の重量及び製造オーバヘッドの著しい減少により、所望のピークトルク出力を達成可能にする。
【０１６３】
ＳＭＣ材料の使用は、複雑な磁気経路及び三次元磁界の分配による電気機械の製造、ＳＭＣ材料の非等方性から生じる利点を促進する。三次元の磁界を規定する能力により、粉末治金学の柔軟性は、効率的な電力出力の増加及び重量の削減により電磁気設計アセンブリの著しい合理化と同様に複雑な形状の部品の効率的生産を可能にする。
【０１６４】
幾つかの公知なウェット及びドライ圧縮方法及び熱処理技術は、これらのＳＭＣ材料において、所望の密度、したがって、所望の磁気特性を達成するために利用可能である。ＳＭＣ材料の圧縮及び熱処理により、達成される熱伝導率は、1,000S/ｍと同じ高さであり、重要な誘導レベルで減少されるが十分な透磁性レベルを有している。そのような高い伝導率は、高い誘導及び高い磁界の励磁周波数（すなわち、モータの角速度）での渦電流損失をかなり減少させる。
【０１６５】
これらの固有の特性は高い作動磁束密度及び励磁周波数の下に過度の渦電流損失と同様に渦電流の減少の重要な役割を果たすと信じられている。しかし、ＳＭＣ材料はそれらの非理想的な粒子構造の形成により高いヒステリシス損失を示す傾向があり、圧縮の間、粉末格子に誘導される不均一な大粒子により合成される。
【０１６６】
そのような損失要素のための考えは、機械の磁石組立てにおける鉄芯損失の最小化と同様に機械の効率計算においても非常に重要である。これは、順番に、電気機械の十分な熱管理及び冷却のために使用される設備に影響を及ぼす。
【０１６７】
軟磁性合成物はまた円滑な表面仕上げで良好な寸法精度及び安定性を示し、それは励磁コイルの設計において、そしてさらに不可欠な電磁気回路の熱管理において、重要な要因となる。三次元で磁界を定義する能力により、最適化された磁気結合構造及び高トルク／正味の重量比で合理化された磁気回路を設計することにより、トルクの増加及び機械の過度の重量の減少において、著しい改善が達成される。
【０１６８】
関連性のある許容値と共に、要求された鉄芯の結合構造及び鉄芯の寸法は、回転子の永久磁石の結合極対と固定子の電磁石の間に発生した磁界の磁石の電位勾配を最大にするため、公知の三次元の有限エレメントのシミュレーション及び合成技術を使用して最適化される。磁石の電位差の変化は接線方向及び放射方向の力を生じさせ、それは部分的に整列された電磁極と永久磁石極の間に発生する。
システムの旋回シャフトの周りに作用するこれらの力のモーメントは所定の励磁電流密度の下にモータの合成トルクを発生し、電気機械が発電機として作用しているときに鉄芯巻線に電流を誘導する。
【０１６９】
固定子１０の幾つかの他のパラメータが調整され、特定の適用のため、より最適な性能を達成する。例えば、幾つかの他のパラメータは以下を含んでいる。
・電磁気回路の設計
・電磁鉄芯の極の間隙及び絶縁
・磁石／電磁石の許容されるエアギャップ
・鉄芯材料の電力損失（ヒステリシス／渦電流／異常損失）
・材料の飽和磁束密度及び透磁率
・熱の管理温度及び物理的安定性
・機械剛性及び環境安定性
・所定の適用における固定子システムの励磁電流、位相角、衝撃係数、全体シーケンス及び制御機構
・選択された電力供給機構に関する最適角度配置
・角度に関する位相磁気抵抗の変化、したがってインダクタンスの変化
【０１７０】
既成の技術及びトポロジー設計は、本当に複雑な駆動方法が駆動電流の励磁プロフィール又は位相角を変えるために行われる範囲を除いて、モータの固有の動的な特性を変更させない。これは、通常、位相の進み又は電流波形のいずれかの変化として行われる。代わりに、電流又は磁石の電位の統合方法がモータの電磁気回路の鉄芯設計内に組み込まれることができた場合には、高価な電流検知設備は除去されるかもしれない。
【０１７１】
この方法は、現存の設計でより適用可能な適応電気機械で使用される電磁鉄芯の巻線構成及びトポロジーで適用可能である。これらの設計は磁界の独特な統合方法を鉄芯でさせ、鉄芯内の磁束分配の変更、したがって、回転子／固定子の境界で異なるエアギャップの磁束密度を作り出させる。これらのエアギャップの磁束密度の変化はモータの広いサーボ機構の作動範囲を促進し、それは本質的にここまで説明したほとんどの軸方向及び放射方向の設計に限定されていた。
【０１７２】
これは理想的には、複雑な励磁又は電流の磁石回路なしに、高トルク及び本当に大きい速度範囲が同一の磁石回路から予想される適用に適している。これの設計及び実施は鉄芯設計の形及び高い機械の形状要素に基づいており、それは通常、軟磁性合成物材料を使用して達成される。
【０１７３】
制御回路は固定子１０の部分に巻かれた電磁気回路のそれぞれへの電気的流れを制御することを必要とされている。各回路盤は制御回路エレメント及びスイッチを含み、それらは適当な巻線接続部を介して電流を与え、背部分が取り付けられる固定子の鉄芯部分３２の巻線に電力を供給するために必要とされる。すべての制御回路エレメント及びスイッチは単一回路盤に集積され、空間及び重量を非常に節約させる。しかし、電力導線の電磁石への接近は取り組む必要のある電磁気と無線の干渉問題を発生させる。
【０１７４】
電源は固定子の鉄芯部分３２又は電磁気回路に電力を供給する電流を供給する。電気機械が主にモータとしての使用を意図されているとき、バッテリー４６により示されるモータ電源は固定子の空間内に組み込まれている。バッテリーのための適当なレセプタクル（図示せず）は背部分４２に固定される。従来の種類のレセプタクルは、交換又は再充電のためバッテリーの容易な除去を可能にする。
【０１７５】
それぞれの空間のための１つのバッテリーが示されているが、必要なモータ出力を供給するのに十分な能力のある商業的に入手可能なバッテリータイプ又はバッテリーパックが使用されている。したがって、特定の電池特性及びモータの駆動要求により、他のエレメントの位置のための１以上の空間を使用することが可能である。
【０１７６】
電気モータが主に発電機として使用されるとき、固定子の空間は制御システムとして使用されてもよい、これは別個の制御ボックスのための必要性を排除し、タービンハウジング内の空間が不足する風力発電機のような適用に有利である。
【０１７７】
図１５は図１３及び１４の電気機械システムの三次元の外観図の例を示し、電気車両のためのインホイールモータとしての使用のために設計されている。この例では、回転子のハウジングの外側リング２４及び側壁２６は車輪のハブを形成するために構成され、タイヤ（図示せず）はスポークを介して直接又は間接的に取り付けられる。回転子の車輪のハウジングはベアリング３８を介して固定シャフト３６の周りの回転のためジャーナル（journal）されてもよい。円筒形状の回転子のハウジング構造は固定子構造を取り囲んでいてもよい。
【０１７８】
固定子１０及び回転子２０の構造及びそれらのエレメントが変更されるいろいろな異なる方法がある。例えば、１つの変形では、それぞれの固定子グループ内の極はすべてのグループのために一定の放射状のギャップにより分離されていてもよい。これらのギャップの範囲は近接の固定子グループの極間の空間とは異なってもよい。固定子極のギャップ及びグループの空間は回転子の角の極のギャップとはそれぞれ異なる。
【０１７９】
固定子の環状構造の放射状範囲、すなわち、内径と外径との間の距離は実質的に回転の中心軸と固定子の内径との間の距離以下である。この比較的狭い放射状の固定子の大きさはエアギャップで焦点に集まる各固定子のエレメント構造内に有利に集中させる。この形状、及び近くの固定子の鉄芯エレメントグループからの漂遊変圧器の磁束効果の不足によって、高トルク出力はより有効に得られる。
【０１８０】
図１３は（７個の固定子極グループの）１４個の固定子極と１６個の回転子極を示している。しかし、固定子極と固定子極の間の比較的独立した次元の関係は極及び次元の数を設定するのに柔軟性を許容する。固定子極グループの奇数、好ましくは、素数は最適性能を可能にするのに好ましい。数は決して７に限定されるものではなく、例示だけの目的のためここに開示されている。同様に、各固定子の鉄芯エレメント（又は固定子極）グループは丁度１個の鉄芯エレメント（又は固定子極対）を備え、又は共通の絶縁された透磁性構造を共有する複数の鉄芯エレメントを備えていてもよい。各固定子の鉄芯エレメントグループは多相機械の位相と関連していてもよい。
【０１８１】
広い速度範囲において正確な制御を得るのが望ましい作動環境において、多数の固定子極及び回転子極が実行されてもよい。そのような実行は使用される制御システムの制御能力と調和し、したがって、別の固定子の鉄芯エレメントグループの数はまた設定される。
【０１８２】
図１６は図１３から１５に示された電気機械を電気モータとして駆動するために使用される典型的な制御システムの例のブロック図を示している。この例では、固定子の巻線３４は電子スイッチセット５２を介して電源５０から供給される駆動電流により電力を供給されてもよい。国際整流器IRFIZ48N-NDのような酸化金属半導体電界効果トランジスター（ＭＯＳＦＥＴ）のＨブリッジは電子スイッチセットとして使用されていてもよい。電流パルスのタイミングはコントローラ６０の制御に従う。
【０１８３】
コントローラ６０は位置センサー６２から受信したフィードバック信号及び速度アップロキシメーター５０に応答する。各位相の巻線３４の電流は７個の電流センサー６６のうちの１個により検知され、各位相の巻線の出力はコントローラ６０に供給される。F.W.Bell SM-15のようなホール効果の電流センサーが使用されてもよい。さらに、コントローラ６０は、図１２に示されているように、各種他の入力を受信可能であってもよい。
【０１８４】
コントローラ６０はマイクロプロセッサ又は同等のマイクロコントローラを含んでいてもよい。一実施例では、テキサスインスツルメントのデジタル信号プロセッサTMS320LF2407APGがコントローラとして作用する。
【０１８５】
図１６に示された実施例では、位置センサー６２が単一装置により概略的に示されている。代わりに、幾つかのセンサーはエアギャップに沿って固定子部分に適当に配置され、回転子の磁石の回転を検出してもよい。位置センサー６２は、（Allegro Microsystems 92B5308又は別のホール効果装置等の）公知な磁気検知装置、巨大な磁気抵抗（ＭＧＲ）センサー、リードスイッチ、非晶質センサーを含むパルスワイヤセンサー、レゾルバー又は光学、磁気、誘導又は容量性センサーであってもよい。
【０１８６】
図１７は適応電気モータのための制御システム実行の例の詳細なブロック図を示している。適応電気発電機の制御システムの実行は幾つかの点で異なる。
【０１８７】
図１７では、ＤＣ電源１４０はハイブリッド出力ブロック１４２を介して２以上の多相モータの固定子の位相巻線３８に電力を供給する。他の図面に関連してより詳細に記載されているように、出力ブロック１４２はパルス幅変調コンバータ及びゲートドライバによりコントローラ６０に結合される電子スイッチセットを備えている。各位相の巻線はコントローラからパルス変調出力電圧を受け取るために接続された制御端子を有する切り替えブリッジに接続されていてもよい。
代わりに、スイッチングブリッジ及びゲートドライバはコントローラ出力電圧につなげられた増幅器により置き換えられてもよい。
【０１８８】
電流センサー４５は位相巻線のそれぞれで電流を別々に検知し、コントローラにその情報を供給する。コントローラ６０はこの目的のため幾つかの入力を有し、又は電流センサーからの信号は単一のコントローラ入力に多重送信されると共に接続されてもよい。
【０１８９】
回転子の位置及び速度センサー１４６は回転子の位置及び速度のフィードバック信号をコントローラ６０に供給する。センサーは周知のレゾルバー、エンコーダ又はそれらの同等物及び周知の方法で位置信号を速度信号に変換する速度アプロキシメータを備えている。
【０１９０】
主な電源バスはコントローラ６０を電源１４０に接続してもよい。トルク要求入力１４７及びプロフィール選択装置１４８を含むユーザ入力はまたコントローラ６０に来る。コントローラ６０に結合されるのは、プログラムＲＡＭメモリ１５０、プログラムＲＯＭ１５２、データＲＡＭ１５４及びプロフィールメモリ１５６である。これらの示された装置は単に周知の記憶設備を表しており、コントローラは記憶された任意のデータ及びプログラムデータにアクセスする。
【０１９１】
プロフィールメモリ１５６は発明の概念を示す目的のため図１７に別々に示されている。プロフィールメモリは関連の制御機構の実行により得られるモータ電流波形を命令するモータ制御機構プログラムの部分を記憶するＲＯＭを備えていてもよい。プロフィールメモリではプロフィール関数ライブラリー及び又はルックアップ表の形式で記憶されてもよい。プロフィールメモリのデータ構造は実時間計算及び最適化ルーチンの形式であってもよい。ＲＯＭの代わり又はそれの追加として、実時間のモータ作動の間、装置はその計算を供給可能である。
【０１９２】
車両駆動の適用例では、トルク要求入力１４７はユーザの絞り弁により要求されるトルクを表わしてもよい。絞り弁の増大は速度を増大させる要求となり、それはトルクを増大させることにより達成されてもよい。また、それは上り坂の駆動のように、重負荷条件の下に同じ車両速度を維持するためトルクを増加させる命令であってもよい。
【０１９３】
作動において、機能性を追跡する制御システムのトルクは、駆動条件の変更、負荷勾配、領域等のような、外部条件を変えることを介して所定のトルク要求入力のため安定した状態のトルク作動を維持すべきであり、ドライバの絞り命令に適応すべきである。制御システムは実行される特定のモータ制御機構により、異なってトルク入力の要求に答えてもよい。
【０１９４】
２以上のモータ制御機構の間の選択はユーザに適当な応答を得させる。各制御機構は、効率、トルク能力、応答能力、出力損失等に関する独特の特性を有する特別のモータの電流波形プロフィールを生成してもよい。
【０１９５】
モータ巻線への電流の供給の適用のための電子スイッチの使用及び制御は当分野で公知である。図１８（ａ）は個々の固定子の鉄芯部分の巻線のためのスイッチセット及びドライバの例の部分回路図を示している。それぞれの固定子の巻線３４はスイッチセット５２として作用する４個の電界効果トランジスターのブリッジ回路において接続されていてもよい。パルス幅変調のためのこのブリッジは要求される集積レベルにより全部又は半分のブリッジ回路となってもよい。各種の公知の電子スイッチエレメントは、例えば、二極式のトランジスターのように固定子の巻線３４に適当な方向で駆動電流を導くために使用されてもよい。
【０１９６】
ブリッジの左側の２個の電界効果トランジスター（５３及び５５）は、ブリッジの右側の２個の他の電界効果トランジスター（５４及び５６）のように、電源において直列に接続されていてもよい。固定子の巻線３４は２個の直列電界効果トランジスター回路の接続ノード間で接続されていてもよい。ゲートドライバ５８はコントローラ６０から受信した制御信号に応答し、電界効果トランジスターのゲート端子に作動信号を与える。
【０１９７】
上部左側の電界効果トランジスター５３及び下部右側の電界効果トランジスター５６は一方向のモータの電流のため同時に作動されてもよい。逆方向の電流のため、上部右側の電界効果トランジスター５４及び下部左側の電界効果トランジスター５５は同時に作動されてもよい。ゲートドライバ５８はコントローラ６０で集積されていてもよく、又は別のドライバ回路を備えていてもよい。
【０１９８】
コントローラ６０は、固定子エレメントの特定の寸法構成に基づいて、受信したエンコーダ信号と整合される最適な時限制御信号を出力するように制御されてもよい。したがって、プログラム化は固定子極及び回転子極の数、固定子のグループ化の数、固定子極及び回転子極の寸法及びモータ構造の各種ギャップの寸法を考慮に入れることができる。
【０１９９】
コントローラ６０がそうするようにプログラムされると、適応電気機械から得られる優れたモータトルク及び速度特性は、たとえ１個以上の個々の固定子エレメントのグループが機能できなかったとしても、十分な作動をすることができる。したがって、１以上の機能しない固定子エレメントグループを有するモータ又は発電機は、それが固定子エレメントグループを変えるのに好都合となるまで、使用され続けることができる。
【０２００】
この実施例では、コントローラ６０にとって各電気機械の適用のため適当な制御システムでプログラム化されることが重要となる。これらの制御システムが設計され、実行されたとき、２つの主なグループの問題に取り組むことが重要である。最初は、構成であり、制御システムの構造を設計し、可能で有効な所望の制御アルゴリズムを実行させる。第２は、アルゴリズムであり、創造し、設計し、正確なパラメータ値を定義する制御アルゴリズムを開発し、機械及びその制御装置に供給され、所望の動作を作る。
【０２０１】
図１２に示された例に示されているように、コントローラ６０は少なくとも３種類の入力を受信することができる。この例では、最初の入力は、例えば、車両モータのための所望の加速又は制動のような、ユーザ入力を含んでいる。第２に、例として、車両モータにおける、車輪速度、車輪の傾斜角度、及び車両が回転する角度、又は風力発電機における、風速及び風速の変化のような、機械の検知作動条件である。第３に、電気機械の回転速度及び回転子の位相対位置のような、検知した機械作動パラメータである。
【０２０２】
制御構造の実施例の例が図１６に示されており、電源は、並列又は直列又はより整流された配列でそれぞれのモータ巻線又は巻線３４にそれぞれ接続された複数の独立したスイッチセット５２に電力を供給する。少なくとも位置の検知は、好ましくはモータのために供給される。各モータはその独立した絶対的な角度位置センサーを有する必要があることに注目しなさい。これは、光学、誘導、容量又は磁気のような、幾つかの技術に基づいている。
【０２０３】
当業者は、モータの回転速度、適用トルク、モータ温度、故障検知、及び位相毎の電流を検知するように、他の検知が行われることができることを認識するだろう。センサーからの情報はコントローラ６０に行き、それはセンサーからの入力、及びおそらくモータのオペレータ及び環境からの追加入力に基づいて、特定のモータ制御機構の実行の責任を有している。
【０２０４】
一般的に、コントローラ６０の電子スイッチセットは整流するＨブリッジであり、それは好ましくは酸化金属半導体電界効果トランジスター（ＭＯＳＦＥＴトランジスター）、ＩＧＢＴトランジスター、サイリスター及び当業者にとって周知の他の同様のデバイスを使用してなされてもよい。スイッチの１つの可能性のある実行が図１８（ａ）に示されており、ＭＯＳＦＥＴトランジスターはコントローラ６０からの制御信号に基づいてゲートドライバにより作動される。
【０２０５】
図１９は制御構造の例を示している。この例では、すべてのスイッチ（５２ａから５２ｆ）及びすべてのモータ巻線３４は位相互に独立している。したがって、１以上の巻線の故障又は機能不全は残りの機能不全を引き起こさない。後述するように、故障条件はできるだけ正常に近いようにモータの作動を維持するように設計される特別の制御アルゴリズムを使用することにより克服されてもよい。
【０２０６】
図２０はモータの故障の許容値が図１９に示されたものより高い設備の例を示しており、コントローラ６０は１つの故障点であるかもしれない。図２０に示された設計では、すべての位置検出は他の位相から独立した位相毎ベースで行われてもよく、（コントローラ６０として作用する）それらの論理を有するゲートドライバ（６８ａから６８ｆ）はお互いからも分離されていると共に独立していてもよい。ゲートドライバは、例えば、Intersil ＭＯＳＦＥＴゲートドライバHIP4082IBであってもよい。τ
図２０に示された例では、位相はパルス幅変調発電機７０を共有していてもよいが、それは図２１に示されたようにそっくりに作られてもよい。図２１に示された例はまたデジタル信号プロセッサを導入し、それはパルス幅変調発電機の機能性を制御し、個々の位相毎の電流入力を使用し、閉ループの電流又はトルクトラッキングアルゴリズムを実行する可能性を作る。
【０２０７】
各種の異なるアルゴリズムがコントローラ６０で実行され、最適の結果を達成する。例えば、適応電気モータのためのコントローラはトルクトラッキング制御機構を使用してもよい。制御システムは、たとえ、要求された速度、加速、トルク又は他のパラメータの変更のように、作動条件の変更があったとしても、オペレータの命令が変わらないときには安定した状態の作動を維持するように設計されていてもよい。制御システムはまた、トルクコマンドの変更を正確及び円滑に受け入れるようにオペレータの速度入力に応答するように設計されてもよい。
【０２０８】
図２２のブロック図はトルクコントローラの方法の例を示している。この例はこれらの目的を得るために個々の回路のパラメータ値と同様に検知したモータの作動条件を考慮に入れるフィードフォワードの補償式を使用している。この例の正確なトルク追跡のため、位相毎の所望の電流の軌跡は以下の式により選択されてもよい。
【０２０９】
【数１】
2006238698.tif 000007
【０２１０】
Ｉdiは位相毎の所望の電流軌跡を示し、τdはユーザの要求したトルクコマンドを示し、Ｎsは位相巻線の総数を示し、Ｋτiは位相毎のトルク伝達係数を示し、θiはｉ番目の位相巻線と回転子の参照点の間の位相対的位置の変位を表す。位相毎の電流の大きさはトルク伝達係数Ｋτiの位相毎の値による。
【０２１１】
所望の位相電流を出すため、以下の位相毎の電圧制御式が位相の巻線のためのドライバに適用されてもよい。
【０２１２】
【数２】
2006238698.tif 000008
【０２１３】
図２２は、通常、参照符号８０で示されている方法の例を示しており、コントローラは、トルクコマンド入力及び位相電流センサー、位置センサー及び速度検出器から受信した信号を使用して、実時間でこの電圧制御式の構成部品を引き出してもよい。
【０２１４】
この例では、絞り弁に応答する、外部のユーザが要求した（所望の）トルクコマンドτd（ｔ）はコントローラの機能ブロック８２に入力されてもよい。回転子位置θはコントローラの機能ブロック８４に入力されてもよい。ブロック８４は回転子位置、永久磁石の極対数（Ｎr）、固定子の位相数（Ｎs）、及び特定の位相の位相遅れに基づいて励磁角度θi(ｔ)を表す出力を作り出してもよい。コントローラの機能ブロック８４の出力はコントローラの機能ブロック８２に供給されてもよい。
【０２１５】
このように受信した励磁角度の入力を使用して、コントローラの機能ブロック８２は、上記した式により、ユーザの要求したトルクτd（ｔ）がモータにより作り出されるように、位相電流がどのようにＮs位相間に分配されるかを決定する。コントローラの機能ブロック８６はブロック８２から受け取った所望の位相電流Ｉdi（ｔ）と検知した位相電流Ｉi（ｔ）間の差を計算し、位相電流のトラックエラー信号ｅi（ｔ）を出力する。このエラー信号はコントローラ機能ブロック８８の利得要素ｋsにより掛け合わされる。
【０２１６】
電流のフィードバック利得の効果は測定ノイズ及びモデルパラメータの不正確さによりシステム妨害の拒絶を介して全体システムのエラー強さを増加させることである。ブロック８８の出力はコントローラ機能ブロック９０に与えられてもよい。ブロック９０は位相巻線３４の選択制御された電圧供給のためゲートドライバ５２への電圧信号Ｖi（ｔ）を変える時間を出力してもよい。Ｖi（ｔ）はインダクタンス、誘導戻り起電力及び抵抗の影響を補償する構成部品を有している。
【０２１７】
位相巻線内のインダクタンスの存在を補償するため、ＬｄＩdi／ｄｔ項は、ｄＩdi／ｄｔが所望の位相電流Ｉdi（ｔ）から引き出した標準時間を示すが、位相電圧の計算に付加されるコントローラ機能ブロック９０に入力されてもよい。ＬｄＩdi／ｄｔの決定はコントローラ機能ブロック９２でなされ、τd（ｔ）、θi（ｔ）及びω（ｔ）の受信した入力により作用する。
【０２１８】
誘導戻り起電力を補償するため、Ｅi項はコントローラ機能ブロック９４から機能ブロック９０への入力として位相電圧計算に付加されてもよい。戻り起電力の補償値は励磁角度及び速度から得られてもよく、戻り起電力係数Ｋeiを使用してブロック９４への入力として受信される。巻線抵抗及び寄生抵抗での電圧降下のために弱まった電界を補償するため、ＲiＩi（ｔ）項はコントローラ機能ブロック９６から機能ブロック９０への入力として位相電圧計算で付加されてもよい。
【０２１９】
作動では、コントローラ６０はそれぞれの位相巻線の個々の電圧供給のためゲートドライバ６８に制御信号Ｖi（ｔ）を継続的に出力してもよい。この個々の電力供給は選択されたモータ制御機構に従ってコントローラ６０により制御されてもよい。ゲートドライバ６８は各スイッチセット５２に電圧を供給し、巻線が選択されるシーケンスがコントローラ６０で確立されたシーケンスと適合するようになっている。シーケンスは図２２の図に一般的に示されただけのリンクを介してゲートドライバ６８に伝達されてもよい。
【０２２０】
各連続制御信号Ｖi（ｔ）は対応する位相巻線で検知された特定の電流、すぐに検知された回転子の位置及び速度、及び各位相のために特に予め決定されるモデルパラメータＫei及びＫτiに関連していてもよい。したがって、折よく検知したモータのフィードバック信号に加えて、それぞれ得られた制御信号Ｖi（ｔ）のため、好ましくは、コントローラ６０は制御信号が対応する特別の位相に特有のパラメータにアクセスしてもよい。
【０２２１】
したがって、コントローラ６０は各種固定子の位相間の個々の位相特性の差を補償する能力を有していてもよい。電圧制御ルーチンの補償値以上／以下を避けるため、利用される位相毎の回路パラメータはそれらの実際の位相値に正確に一致されてもよい。
【０２２２】
位相毎のトルク伝達係数Ｋτiは各位相の位相毎のトルク分配を得る。このパラメータはその位相のために適用される電流毎に発生する有効トルクの比に比例してもよい。位相により作られたトルクは鉄芯と永久磁石の間のエアギャップに作られた有効な磁石の電位差の関数としてもよく、それは有効なエアギャップの磁束密度を作り出す。
【０２２３】
電磁石の鉄芯の結合構造の設計は電流密度を考慮に入れてもよく、鉄芯を飽和状態にすることなく材料の誘導を最適化するため、鉄芯の各部分でアンペアと回転の関数となる。しかし、鉄芯材料の磁気特性はしばしば、固定子の鉄芯を通して均質ではない。モータが分離し、電磁気的に絶縁された電磁石の鉄芯により構成された場合、不整合がもっと表明されてもよい。
【０２２４】
巻線及びインダクタンスの変化はまたトルク定数及び戻り起電力の係数パラメータを決定するのに貢献している。エアポケットが巻線に形成された場合、鉄芯に作られた有効な磁束に減損が起こる。高いパッキング要素が一定の巻線を通して達成されてもよいが、ワイヤ製造に変化がある。したがって、公称のモータのトルク伝達係数及び公称の戻り起電力係数がコントローラにより使用された場合、位相の特性の変化は全体のモータ出力のトルクリップルを作り出す。
【０２２５】
図２２に示されたトルクコントローラの方法の例は、位相毎のトルク伝達係数及び各位相のために予め決定される戻り起電力係数を適用することにより、この問題を回避している。
【０２２６】
図２２に示された計算法は実時間で連続的に行われてもよい。ブロック８２に示された式は一実施例でトルクをトラッキングするため所望の電流を供給するように選択される。この式は、有効なトルクトラッキング以外の要素も重要な場合には修正されてもよい。例えば、他の目的は、より速い速度、拡大される範囲、より大きなトルク等を含んでいてもよい。したがって、ブロック８２の式はさらなる考えに合わせるために変更されてもよい。
【０２２７】
図２２に示されたコントローラの方法の例は、統合された実行機構で行われ、特定の位相パラメータがそれぞれの発生された制御電圧出力の代わりとなる。代わりに、コントローラ６０は、例えば、図１２に示された部分ブロック図に示されているように、各固定子の位相ｎのため別の制御ループを供給してもよい。
【０２２８】
各Ｎsモータの位相のため、対応する制御ループ６０iが供給されてもよい。各制御ループは各モータ位相のための関連のパラメータを含んでいてもよい。制御ループは適当なモータ位相の電力供給シーケンスに従って作動されてもよく、制御電圧の発生のため検知したモータフィードバック信号だけを必要とする。
【０２２９】
図２２に示された制御方法の代わりの実施例では、所望の位相毎の電流Ｉdi（ｔ）はルックアップ表に記憶された値に関連してτd（ｔ）、θi（ｔ）の受信した入力から実時間で決定されてもよい。
【０２３０】
このモータ制御機構に図２２のブロック８２に示された式はトラッキングトルク出力の制御信号Ｖi（ｔ）のための所望の電流の構成部品にシヌソイド波形プロフィールを供給してもよい。正弦波の電流の軌跡Ｉsin（ｔ）は以下の式から生成される。
【０２３１】
【数３】
2006238698.tif 000009
【０２３２】
Ｉmは位相電流の大きさを示し、Ｎrは永久磁石対の数を示し、θiは測定した位相毎の回転子の位置信号を示している。このシヌソイド電流波形のプロフィールはより効率的なモータ作動を供給する。
【０２３３】
たとえ、もしかしてシヌソイド波形のプロフィールにより達成される効率が幾分犠牲となったとしても、ブロック８２のための異なる式は図２２のトルクトラッキング機能性のために使用されてもよく、他の作動の局面を明らかにするため異なる電流波形のプロフィールを得る。より高いトルク作動のため、図２２に示されたブロック８２の式は、次式のように矩形波の電流波形の軌跡Ｉsq（ｔ）をもたらす式により置き換えられてもよい。
【０２３４】
【数４】
2006238698.tif 000010
【０２３５】
ｓｇｎ（ｘ）は標準シグナム関数を示し、ｘ＞０の場合に１、ｘ＝０の場合に０、そしてｘ＜０の場合に−１と定義される。
図１７に示されたプロフィールメモリ１５６はコントローラ６０により使用されるデータを記憶し、上記された式を満たす電流値を得る。矩形波のプロフィールのため、式ＬiｄＩdi／ｄｔが初期設定されてもよい。データはプロフィール関数ライブラリにルックアップ表として記憶されてもよく、それぞれのモータ制御機構は対応するルックアップ表を有している。ルックアップ表の各入力は、対応するモータ制御機構のためトルク要求値と回転子位置の特定の組合わせのため、図２２のブロック８２の出力として示されている電流値を示してもよい。
【０２３６】
制御機構が選択され、シヌソイド波形が作られる場合、対応するプロフィールのメモリデータがアクセスされる。対応する制御機構が選択された場合、矩形波のプロフィールメモリデータがアクセスされてもよい。代わりに、プロフィールメモリは各プロフィールのためのデータを記憶し、所望の電流値Ｉdiは実時間でコントローラにより繰り返し計算される。シヌソイド及び矩形波の波形のための式が図示の目的のため上記されているが、他の波形のプロフィールは異なる動作目的のために利用されてもよい。図７は使用される波形の幾つかの例を示している。
【０２３７】
例えば、シヌソイド波形のプロフィールはそのより効率的な作動によりバッテリーの寿命を延ばすために使用されてもよい。しかし、ほとんどの場合、電源は最大電流の放出率（１０アンペア等）のために定格される。そのため、ユーザが１０アンペアの最大電流ドロー（draw）に位相関するトルクコマンドを要求した場合、モータ出力はシヌソイド電流プロフィールのためにほぼ５４Ｎｍに制限されてもよい。
【０２３８】
ユーザがシヌソイド波形のプロフィールが供給可能以上にトルクを発生させたい場合、コントローラは矩形波のプロフィールに切り替えてもよい。矩形波のプロフィールは電源の１０アンペアの最大定格を超えることなくほぼ６８Ｎｍを作り出してもよい。しかし、電力損失はシヌソイドモータ制御機構のための約１４０Ｗから矩形波のモータ制御機構のための約２５０Ｗまで増加してもよい。
【０２３９】
プロフィールデータの選択はモータ作動の間、適当なように自動的にコントローラによりなされることができる。代わりに、ユーザはコントローラ入力１４８でプロフィール選択信号を入力することによりプロフィールの１つに対応する作動モードを選択する。プロフィールの選択動作は図２３で示されたフローチャートに関連して説明されてもよい。
【０２４０】
説明は特定の例に関係し、プロフィールメモリは、（シヌソイドモータ電流波形を作るための制御機構である）高効率のプロフィールモータ制御機構を実行し、（矩形波のモータ電流波形を作り出すための制御機構である）高トルクプロフィールを実行するためのデータを含んでいてもよい。この例は、他のプロフィールのためのデータがプロフィールメモリに記憶され、異なる電流波形が割り当てられる作動条件の下にアクセスされるように、単に例示である。
【０２４１】
コントローラにより検知されるプロフィール選択信号のないときは、自動プロフィール選択モードが呼び出されてもよい。ステップ１００では、コントローラはユーザプロフィールの選択信号が入力４８で受信されるかどうかを検知し、自動モードが呼び出されるかどうかを決定する。
【０２４２】
ステップ１００の決定が否定的な場合、コントローラはステップ１０２で、受信したプロフィール選択信号が高トルクプロフィール選択であるかどうかを決定する。そうでなければ、適当な遅れの後、コントローラはステップ１０４で、プロフィールメモリにアクセスし、高効率のプロフィールのルックアップ表からデータを検索する。検索されたデータはトルク要求及び検知した回転子の位置レベルの瞬間値のため所望の電流値Ｉdiをもたらす。
【０２４３】
代わりに、ステップ１０２で決定されたように、高トルクプロフィールが選択された場合、対応するルックアップ表はステップ１０６でアクセスされ、この表の適当な値Ｉdiが得られる。両方のステップ１０４と１０６からの処理フローはステップ１００に戻り、受信したユーザのプロフィール選択がまだあり、そのような選択の特性が上述した方法で続くかどうかを決定する。ステップ１０４及び１０６での作動は、プロフィールの切り替えの過渡的な影響を克服するのに十分長い期間、ステップ１０２での選択の後に発生する。したがって、ステップ１００への処理フローの戻りのための適当な遅れは、複数の連続的なフィードバックサンプリングのために延びてもよい。
【０２４４】
ユーザのプロフィール選択入力信号がなく、システムが切られていない場合、コントローラはステップ１００で、波形プロフィールが自動的に選択されることを決定する。この自動モードにおいて、ステップ１０８で、高効率プロフィールのモータ制御機構でのシステムがユーザの要求したトルク入力のためのトルクトラッキング要求に合致する能力を有しているかどうかの決定がコントローラによりなされる。そのような決定は図２２のブロック１７０の出力からのコントローラＶi（ｔ）の値に関連してなされ、それはユーザの要求したトルク入力とモータ速度の値から得られるだろう。トルクコマンドは、得られた制御電圧が電源の電圧レベルを超えない場合に満たされる。
【０２４５】
この出力の得られたレベルがステップ１０８で決定されたように電源電圧を超えなかった場合、コントローラはトルクトラッキングのため高効率のモータ制御機構により要求された電圧を適用する。適当な遅れの後、コントローラはプロフィールメモリにアクセスし、ステップ１１０において高効率のプロフィールのルックアップ表からデータを検索する。
【０２４６】
代わりに、得られた電圧レベルが電源電圧より高い場合、ステップ１０８で、電源容量が超えている決定がなされる。適当な遅れの後、コントローラはプロフィールメモリにアクセスし、ステップ１１２において高トルクのプロフィールのルックアップ表からデータを検索する。両方のステップ１１０及び１１２からの処理フローはステップ１００に戻り、上述した方法で続く。上述した遅れは、作動が１つの作動プロフィールモードから別のモードへ変わった場合に、割り当てられる。
【０２４７】
ステップ１０８で示された自動モードのプロフィール選択は実時間ベースでトルク容量の閾値の反復計算により行われ、トルク要求とモータ速度の各種組合せのための電圧の計算はあらかじめなされ、プロフィールメモリのルックアップ表の適当なプロフィールとつながっていてもよい。図２４は、示した例により、トルク及び速度の値のため高効率のプロフィールモードの選択と高トルクのプロフィールモードの選択のための範囲の間のそのようなルックアップ表において、境界を示す曲線である。
【０２４８】
ルックアップ表は速度と要求したトルクの多数の組合せのための上述したコントローラの電圧／供給電圧の比較をすることにより定式化されてもよい。図２４に示した曲線より上の速度／トルクは高効率のプロフィールの作動モードにおいてトルクを追跡するシステムの能力の範囲を超えていてもよい。このルックアップ表にアクセスすることによりコントローラは、曲線の下の点により示された速度／トルクの組合せのため高効率のプロフィールモードを選択してもよく、残りの点のため高トルクプロフィールモードを選択してもよい。
【０２４９】
一度、機械制御機構が選択されると、コントローラは選択された機械制御機構に従って各電磁気回路の電力供給を制御する。モータでは、電磁気回路のこの電力供給は切り替え回路を制御することによりなされ、適当な電流波形のプロフィールを各電磁気回路に適用する。発電機では、電磁気回路のこの電力供給はＩＧＢＴのファイヤリングを制御することによりなされ、各電磁気回路で誘導された電圧及び電流をほぼ形作る。
【０２５０】
コントローラは、ユーザ入力、機械作動条件及び機械作動パラメータに応じて、機械制御機構を動的に選択することにより適応電気機械の性能を最適化してもよい。これをするため、適応電気機械な上述したものに加えて、各種制御アルゴリズムの使用を可能にする。例えば、少なくとも３タイプのアルゴリズムが適応電気機械で使用されてもよい。
【０２５１】
第１は性能指向アルゴリズムであり、ほとんど又はすべての制御可能なパラメータは所定の速度及びトルクで所望の性能特性を最適化するために計算されてもよい。上述したトルクトラッキングモータ制御システムはこのカテゴリ内にある。
【０２５２】
第２は故障を避けるために指向されたアルゴリズムであり、ほとんど又はすべての制御可能なパラメータは特定の故障情報に基づいて再計算され、所定の速度−トルクプロフィールは維持され、他の所望の性能特性はまた可能な程度まで最適化可能である。
【０２５３】
第３は製造公差及び磨耗を取り扱うために適応されたアルゴリズムである。これらのアルゴリズムは、仕様に沿って製造されているが、モータの各部分はその仕様からの多少の偏差を有しているという前提に基づいている。これらのアルゴリズムは、磨耗により生じた偏差と同様に、そのような偏差を修正する。
【０２５４】
機械の制御機構において各種アルゴリズムを実行することにより、適応電気機械は作動の間に機械の電磁気回路の電力供給を動的に調整するためのコントローラを有していてもよい。ユーザ入力に応じて電力供給を調整すると、機械作動条件及び機械作動パラメータは（最大効率又は最適化トルクのような）機械の性能を向上させるためになされてもよい。
【０２５５】
適応電気モータの１つの本来の適用は、車両駆動としての使用である。適応電気モータは車両駆動に加えて広範囲の適用で使用されてもよい。車両駆動の実行において、回転子が固定子を取り囲むのが好ましいが、他の適用では、回転子を取り囲む固定子が好適な設計となってもよい。したがって、各内側及び外側の環状部材が固定子又は回転子のいずれかを備え、電磁石のグループ又は永久磁石リングのいずれかを備えることは、本発明の思想内である。また、巻かれた突出極が示されているが、代わりに巻線が非突出溝付構造に供給されてもよい。
【０２５６】
特定の電磁石の電力供給シーケンスはいろいろな理由により変わる。電磁石の電力供給はエアギャップの周囲に沿って又は異なる順序で連続的に切り替えられてもよい。電磁石のグループは、個々にプログラムされた時間で切り替えられたとしても、絶えずすべて電力を供給されていてよい。逆に、個々の電磁石は、所定の連続的誘導、任意に誘導、又は不連続的に誘導される間隔で電力を断たれてもよい。
【０２５７】
ここに記載されたこの発明の一実施例は通常、ブラシレスＤＣモータを考えているが、当業者であれば、記載された原理は同期式の交流モータ及び各種パルス波形により電力を供給可能な巻線エレメントを有するモータにも適用可能であることが分かるだろう。
【０２５８】
モータを駆動するための電源はバッテリーに限定されるものではないが、例えば、交流電源を含んでいてもよい。そのような交流電源は直流又はパルス波形の供給に変換されてもよく、又はそのような変換をすることなく交流の同期モータとしてモータを駆動するために使用されてもよい。
【０２５９】
この発明のさらなる実施例は複数の電気機械を製造する方法に関する。多相電気機械を製造するための１つの方法の実施例は少なくとも１つの部材を供給することを含み、その部材は複数の鉄芯エレメントを備えている。その後、鉄芯エレメントはグループに分類され、各グループは少なくとも１つの鉄芯エレメントを有し、鉄芯エレメントの各グループは多相機械の位相の１つと関連している。
【０２６０】
その後、各グループの鉄芯エレメントは構造的及び又は電磁気的にそれぞれの他のグループの鉄芯エレメントから分離され、それぞれの他のグループの電気的流れとは無関係に各グループの鉄芯エレメントにおける電気的流れの制御を可能にする。その後、多相機械の各位相はそれぞれの他の位相とは無関係に制御可能であり、それにより、動的に選択可能な方向及び力で少なくとも１つの部材の動きを安定させる。
【０２６１】
多相電気機械を製造する方法に関連するこの発明の一実施例は回転子又は他の可動部材、固定子又は他の固定部材、及び他のエレメント及びステップをさらに備えていてもよい。
【０２６２】
適応電気機械はまた電気発電機として使用されていてもよい。発電機として使用されるとき、適応電気機械は電気モータとして使用されるときと同一の基本構造を有していてもよい。しかし、よりよい結果を達成するため、電磁気回路の設計は通常、制御システムが使用されるものと異なっていてもよい。
【０２６３】
図１８（ｂ）は適応電気発電機のための別の電磁気回路のためのスイッチセット及びドライバーの例を示している。この例では、各電磁気回路はブリッジ整流器に４個のダイオード（２１４，２１６，２１８及２２０）を含んでいてもよい。この例はまた、誘導子２２２、ダイオード２２４、コンデンサー２２６、及び絶縁されたゲートバイポーラトランジスター（ＩＧＢＴ）２２８を含んでいる。
ＩＧＢＴ２２８は代わりにＭＯＳＦＥＴであってもよい。
【０２６４】
この例では、各ＩＧＢＴ２２８はデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）２３０に接続されていてもよい。各種電磁気回路はノード２３２で接続されてもよく、並列に配列されてもよく、それぞれは図１８（ｂ）の構成部品を有している。代わりに、通常の「三位相」システムは、同じ４個のダイオードブリッジ整流器を有する三位相のＹ字状回路構成の幾つかの固定子エレメントの巻線を分岐させることにより構成されてもよい。
【０２６５】
回転子を回転すると、固定子極の巻線に誘導されたＡＣ電流を発生する。ブリッジ整流ダイオード（２１４，２１６，２１８及び２２０）は電流に作用し、大量のリップルを有する整流されたＤＣ電流ＶRを作り出す。その後、誘導子２２２、ＩＧＢＴ２２８、ダイオード２２４及びコンデンサー２２６はその電流に作用し、所望の一定のＤＣ出力Ｖoutを作り出す。
【０２６６】
ＤＳＰ２３０は、例えば、２０ｋＨｚの一定周波数を有するパルス幅変調信号及び変化する衝撃係数をＩＧＢＴ２２２に送り、ＩＧＢＴ２２２のファイヤリングを制御する。衝撃係数は式
【数５】
2006238698.tif 000011
を使用してＤＳＰ２３０により繰り返し計算されてもよい。
【０２６７】
ＶRはブリッジ整流器（２１４，２１６，２１８及び２２０）と誘導子２２２の間の点でＤＳＰ２３０によりサンプリングされてもよい。ＤＳＰ２３０がＩＧＢＴ２２２へのその信号をパルス幅変調する衝撃係数はＩＧＢＴ２２２が電流を下げる期間を決定してもよい。ＤＳＰ２３０がＩＧＢＴ２２２へのその信号をパルス幅変調する２０ｋＨｚの作動周波数は５０ミリ秒続く時間を有する信号に変換してもよい。５０ミリ秒の間、ＩＧＢＴ２２２が電流を下げる期間をその幅が決定するパルスはＩＧＢＴ２２２で受け取られてもよい。
【０２６８】
例えば、ＤＳＰ２３０は０．８のＶR／Ｖout比を計算するとき、０．２の衝撃係数を有する信号はＩＧＢＴ２２２に送られ、５０ミリ秒のうちの１０ミリ秒間続くパルスがＩＧＢＴ２２２で受け取られることを意味し、５０ミリ秒間の間隔の２０％の電流をＩＧＢＴ２２２に下げさせる。ＤＳＰ２３０は、適当な作動電圧Ｖop以下の電圧ＶRを検知したときにＩＧＢＴ２２２にそのパルス幅変調信号の伝達をやめる。
【０２６９】
図２５は、ＤＳＰ２３０がそのパルス幅変調信号を送り、ＩＧＢＴ２２２ファイヤリングを制御している間の、時間におけるリップルされた整流ＤＣ電圧ＶR３００及び適当な作動電圧Ｖopを示している。所望の一定ＤＣ出力電圧Ｖout
も示されている。低い検知された整流電圧で、ＶRがＶop以下の場合、ＤＳＰ２３０により計算される衝撃係数はその最大値の１に近づくのでＩＧＢＴ２２２のファイヤリングをパルス幅変調するには不十分である。代わりに、コンデンサー２２６はＶRが選択されたＶop以下の期間、放電する。
【０２７０】
このように、電子フィードバックは従来システムで利用された機械的フィードバックと対照的にＶRの形で利用されてもよい。これは、既存のＤＣブラシレス発電機設計に必要な回転子の角度位置フィードバックの必要性を排除し、一定のＤＣ出力Ｖoutの発生を制御し、高価でない電子コンポーネント及び制御を使用可能にさせる。
【０２７１】
さらに、ＤＳＰ２３０がＩＧＢＴ２２８をパルス幅変調する高く一定の周波数は誘導子２２２及びコンデンサー２２６にそれぞれ非常に小さいインダクタンス及び静電容量を保有させることができる。さらなる位相が適応発電機の設計に加えられると、インダクタンス及び静電容量の値は、ＶR内にあるリップルが小さくなるにつれて、さらに低下する。
【０２７２】
すべてのこれらの理由のため、適応発電機のコストは従来のＤＣブラシレス発電機システムの約３分の１になると見積もられる。さらに、シュートスルー（shoot-through）故障はＭＯＳＦＥＴブリッジを４個のダイオードブリッジ整流器と交換することにより適応発電機において排除される。
【０２７３】
適応電気モータでは、各種発電機制御機構がコントローラを使用して行われ、発電機を各種条件に適応させてもよい。モータでは、これらの条件は、ユーザ入力、（風速又は風向等の）検知した機械作動条件、及び検知した機械作動パラメータの組合せであってもよい。
【０２７４】
この開示では、本発明の好適な実施例又は実施例だけが示され、説明されているが、広い用途のうちの数例である。本発明は各種他の組合せ及び環境においての使用が可能であり、ここに説明した発明のコンセプトの範囲内において変更又は修正が可能であることが認識されるはずである。
【０２７５】
当業者に明らかなように、適応電気機械は回転する電気機械に限定される必要はないが、（電車の推進に使用されるもの等の）リニヤモータ及び他のタイプの電気機械でも使用可能である。回転する電気機械では、固定子と回転子の両方が電磁石を有することができ、又は一方又は他方が永久磁石を有することもできる。
【図面の簡単な説明】
【０２７６】
【図１】１個の従来の電気モータの概略図を示している。
【図２（ａ）】２個の従来のＤＣモータのための通常のトルク−速度線図及び出力−速度分布を示している。
【図２（ｂ）】２個の従来のＤＣモータのための通常のトルク−速度線図及び出力−速度分布を示している。
【図３】適応電気モータの一実施例の概略図を示している。
【図４（Ａ）】トルク−速度分布のための通常の目的の関数を示している。
【図４（Ｂ）】速度−負荷分布のための通常の目的の関数を示している。
【図４（Ｃ）】効率分布のための通常の目的の関数を示している。
【図５】適応モータの一実施例の磁気システムの力の図を示している。
【図６】適応モータの一実施例の異なる波面の形成の図を示している。
【図７】適応モータの電源供給のために使用される波形の幾つかの例を示している。
【図８】永久磁石を有する適応モータの一実施例の概略図を示している。
【図９】巻線回転子を有する適応モータの一実施例の概略図を示している。
【図１０】独立して電源供給可能な回転子の電磁気回路を有する適応モータの一実施例の概略図を示している。
【図１１（ａ）】従来の電気機械のブロック図の例を示している。
【図１１（ｂ）】適応電気機械の一実施例のブロック図の例を示している。
【図１２】適応電気機械の一実施例のブロック図の例を示している。
【図１３】７個の電磁気回路を有する適応電気機械の一実施例の基本構造の外皮切断図の例を示している。
【図１４】７個の電磁気回路を有する適応電気機械の一実施例の分解図の例を示している。
【図１５】電気車両のインホイールモータとしての使用のため設計された、図４及び５の電気機械システムの３次元外観図の例を示している。
【図１６】電気モータとして適応電気機械を駆動するために使用される制御システムの一実施例のブロック図の例を示している。
【図１７】適応電気モータのための制御システムの実行の一実施例のより詳細なブロック図を示している。
【図１８（ａ）】比較のため、適応電気モータのための個々の電磁気回路の一実施例の部分回路図を示している。
【図１８（ｂ）】比較のため、適応電気発電機のための個々の電磁気回路の一実施例の部分回路図を示している。
【図１９】独立したスイッチセットを有する適応電気モータの制御構造の一実施例のブロック図の例を示している。
【図２０】独立した位置センサ及びスイッチセットを有する適応電気モータの制御構造の一実施例のブロック図の例を示している。
【図２１】独立した位置センサ、スイッチセット、及びパルス幅変調発電機、及びデジタル信号プロセッサを有する適応電気モータの制御構造の一実施例のブロック図の例を示している。
【図２２】適応モータの一実施例の制御システムにおける使用のためのトルクコントローラ方法を示すブロック図の例を示している。
【図２３】モータの電流波形を選択するプロセスのフローチャートを示している。
【図２４】モータトルクと速度の各種値の分布間の境界を表す曲線を示している。
【図２５】適応電気発電機の一実施例の整流された出力電圧を示している。
【図１】
2006238698.tif 000012
【図２（ａ）】
2006238698.tif 000013
【図２（ｂ）】
2006238698.tif 000014
【図３】
2006238698.tif 000015
【図４（Ａ）】
2006238698.tif 000016
【図４（Ｂ）】
2006238698.tif 000017
【図４（Ｃ）】
2006238698.tif 000018
【図５】
2006238698.tif 000019
【図６】
2006238698.tif 000020
【図７】
2006238698.tif 000021
【図８】
2006238698.tif 000022
【図９】
2006238698.tif 000023
【図１０】
2006238698.tif 000024
【図１１（ａ）】
2006238698.tif 000025
【図１１（ｂ）】
2006238698.tif 000026
【図１２】
2006238698.tif 000027
【図１３】
2006238698.tif 000028
【図１４】
2006238698.tif 000029
【図１５】
2006238698.tif 000030
【図１６】
2006238698.tif 000031
【図１７】
2006238698.tif 000032
【図１８（ａ）】
2006238698.tif 000033
【図１８（ｂ）】
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【図１９】
2006238698.tif 000035
【図２０】
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【図２１】
2006238698.tif 000037
【図２２】
2006238698.tif 000038
【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
2006238698.tif 000041