(57)【要約】それぞれの回転子極の中心半径方向軸（central radial axis）のまわりに非対称のリラクタンス（４０５）を有する複数の回転子極（４０４）と、回転子極と同じ幅を有する複数の突起した固定子極（４０２）とを有する二相スイッチトリラクタンスモータ（図４）。
2005528076.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二相スイッチトリラクタンスモータのための回転子であって、
それぞれの回転子極の半径方向中心軸（central radial axis）のまわりに、各々非対称のリラクタンスを有する複数の突起した回転子極を備え、
該回転子極の各々は、同じ回転子極の面の弧を有し、
該回転子極は、該回転子極の面の弧よりも大きいピッチを有する複数の突起した固定子極によって提供された電磁磁束の影響下で、全ての該回転子の位置に対して一回転方向に優先的なトルクの発生を提供するために使用可能である、回転子。
【請求項２】
該回転子極が、それぞれの極の末端で、延長されたアーチ状の部分を有する請求項１に記載の回転子。
【請求項３】
該複数の回転子極の２つが、該回転子上の半径方向に相互に対向して配置され、
該２つの回転子極の非対称のリラクタンスが、それらのそれぞれの半径方向中心軸のまわりで略同一の対称性を有する請求項１に記載の回転子。
【請求項４】
該複数の回転子極の２つが、回転子上に隣接して配置され、
該２つの回転子極の非対称のリラクタンスが、それらのそれぞれの半径方向中心軸のまわりで略反対の対称性を有する請求項１に記載の回転子。
【請求項５】
該回転子が、回転の軸の周りで釣り合う請求項４に記載の回転子。
【請求項６】
複数の該回転子極が、該回転子上の半径方向に相互に対向して配置される対として与えられ、
該回転子極の各対について、該回転子極の対の非対称のリラクタンスが、それらのそれぞれの半径方向中心軸のまわりで略同一の対称性を有する請求項１に記載の回転子。
【請求項７】
少なくとも２対の隣接した回転子極に対し、該回転子極の隣接する対の非対称のリラクタンスが、それらのそれぞれの半径方向中心軸のまわりで略反対の対称性を有する請求項６に記載の回転子。
【請求項８】
該回転子極の少なくともまた別の隣接した２対に対して、該回転子極の隣接する対の非対称のリラクタンスが、それらのそれぞれの半径方向中心軸のまわりで略同一の対称性を有する請求項７に記載の回転子。
【請求項９】
該回転子極が、非対称のリラクタンスを提供するためにスロットを形成される請求項１に記載の回転子。
【請求項１０】
該回転子極の各々が、その半径方向中心軸の両側にスロットを形成される請求項９に記載の回転子。
【請求項１１】
該スロットの１つ以上が、部分的に永久磁石で満たされる請求項９に記載の回転子。
【請求項１２】
該スロットの１つの中に配置された回転子位置センサを更に備える請求項９に記載の回転子。
【請求項１３】
該回転子極が、非対称のリラクタンスを提供するために周囲の輪郭が与えられる請求項１に記載の回転子。
【請求項１４】
該回転子極は、非対称のリラクタンスを提供するためにそれらの末端で周囲の輪郭が与えられ、
該回転子極のそれぞれに対して、回転子極の中心軸の両側上の末端の部分には、円形の弧とは異なる弧を有する輪郭が与えられる請求項１に記載の回転子。
【請求項１５】
二相スイッチトリラクタンスモータであって、
電磁束を伝達するために使用可能である複数の突起した固定子極を有する固定子と、
電磁束を受けた際に全ての回転子位置に対して一回転方向に優先的なトルクを発生させるよう、輪郭が与えられるかスロットが形成された、複数の突起した回転子極を有する回転子と、を備え、
該回転子極のそれぞれの末端の弧が、該固定子極のピッチより小さい二相スイッチトリラクタンスモータ。
【請求項１６】
該輪郭付与又は該スロット形成が、それぞれの回転子極の半径方向中心軸のまわりに非対称なリラクタンスを有する各回転子極を提供する請求項１５に記載の二相スイッチトリラクタンスモータ。
【請求項１７】
該複数の回転子極の２つは、回転子上で半径方向に相互に対向するように配置され、
該２つの回転子極の非対称のリラクタンスは、それらのそれぞれの半径方向中心軸のまわりで略同一の対称性を有する請求項１６に記載の二相スイッチトリラクタンスモータ。
【請求項１８】
該複数の回転子極の２つは、隣接して回転子上に隣接して配置され、
該２つの回転子極の非対称のリラクタンスは、それらのそれぞれの半径方向中心軸のまわりで略反対の対称性を有する請求項１６に記載の二相スイッチトリラクタンスモータ。
【請求項１９】
複数の該回転子極が、該回転子上の半径方向に相互に対向して配置される対として与えられ、
該回転子極の各対について、該回転子極の対の非対称のリラクタンスが、それらのそれぞれの半径方向中心軸のまわりで略同一の対称性を有する請求項１６に記載の二相スイッチトリラクタンスモータ。
【請求項２０】
少なくとも２対の隣接した回転子極に対し、該回転子極の隣接する対の非対称のリラクタンスが、それらのそれぞれの半径方向中心軸のまわりで略反対の対称性を有する請求項１９に記載の二相スイッチトリラクタンスモータ。
【請求項２１】
該回転子極のそれぞれが、その半径方向中心軸の両側に少なくとも１つのスロットを与えられる請求項１５に記載の二相スイッチトリラクタンスモータ。
【請求項２２】
該固定子が４つの極を有し、該回転子が６つの極を有する請求項１５に記載の二相スイッチトリラクタンスモータ。
【請求項２３】
該固定子と該回転子極とが、実質的に対称な周囲幅を有する請求項１５に記載の二相スイッチトリラクタンスモータ。
【請求項２４】
該回転子極はスロットが形成され、該スロットは少なくとも部分的に永久磁石で満たされ、
該永久磁石は、同期したトルクを提供して、回転子極によって与えられたリラクタンストルクを増大するように使用可能である請求項１５に記載の二相スイッチトリラクタンスモータ。
【請求項２５】
回転子極はスロットが形成され、該スロットは少なくとも部分的に永久磁石で満たされ、
該永久磁石は、回転子の位置情報を提供するセンサとして使用可能である請求項１５に記載の二相スイッチトリラクタンスモータ。
【請求項２６】
二相スイッチトリラクタンスモータであって、
電磁束を伝達するために使用可能である４つのみの突起した固定子極を有する固定子と、
電磁束を受けた際に全ての回転子の位置に対して一回転方向の優先的なトルクを発生させるよう、輪郭が与えられ又はスロットが形成された６つのみの突起した回転子極を有する回転子と、を備え、
４つの固定子極は、等しい末端の面の弧を有し、
６つの回転子極は等しい末端の面の弧を有する、二相スイッチトリラクタンスモータ。
【請求項２７】
該輪郭付与又は該スロット形成は、それぞれの回転子極の半径方向中心軸のまわりに非対称なリラクタンスを有する各回転子極を提供する請求項２６に記載の二相スイッチトリラクタンスモータ。
【請求項２８】
該回転子極の２つは、回転子上で半径方向に相互に対向して配置され、
該２つの回転子極の非対称のリラクタンスは、それらのそれぞれの半径方向中心軸のまわりで略同一の対称性を有する請求項２７に記載の二相スイッチトリラクタンスモータ。
【請求項２９】
該回転子極の２つは、回転子上に隣接して配置され、
該２つの回転子極の非対称のリラクタンスは、それらのそれぞれの半径方向中心軸のまわりで略反対の対称性を有する請求項２７に記載の二相スイッチトリラクタンスモータ。
【請求項３０】
該回転子極が、該回転子上に半径方向に相互に対向して配置され、
該回転子極の各対について、該回転子極の対の非対称のリラクタンスが、それらのそれぞれの半径方向中心軸のまわりで略同一の対称性を有する請求項２７に記載の二相スイッチトリラクタンスモータ。
【請求項３１】
少なくとも２対の隣接した回転子極に対し、該回転子極の隣接する対の非対称のリラクタンスが、それらのそれぞれの半径方向中心軸のまわりで略反対の対称性を有する請求項３０に記載の二相スイッチトリラクタンスモータ。
【請求項３２】
二相スイッチトリラクタンスモータであって、
電磁磁束に従って回転するために使用可能である複数の突起した回転子極を有している回転子と、
磁束を伝達する際に全ての回転子位置に対して回転子の一回転方向に優先的なトルクを発生させるように輪郭が与えられる複数の突起した固定子極を有する固定子と、
を備える二相スイッチトリラクタンスモータ。
【請求項３３】
該固定子極が等しい末端の面の弧を有し、該回転子極が等しい末端の面の弧を有する請求項３２に記載の二相スイッチトリラクタンスモータ。
【請求項３４】
該回転子極の面の弧が、固定子極のピッチより小さい請求項３３に記載の二相スイッチトリラクタンスモータ。
【請求項３５】
該輪郭付与により、それぞれの固定子極の半径方向中心軸の周りに非対称の有効エアギャップを有する各固定子極を提供する請求項３２に記載の二相スイッチトリラクタンスモータ。
【請求項３６】
該固定子極の２つは、直径方向に相互に対向して配置され、
該２つの固定子極の非対称な有効エアギャップは、それらのそれぞれの半径方向中心軸のまわりに略同一の対称性を有する請求項３２に記載の二相スイッチトリラクタンスモータ。
【請求項３７】
二相スイッチトリラクタンスモータないし永久磁石ブラシレス直流モータであって、
４つの内側の隅部を画定する固定子積層体と、
該固定子積層体の別々の内側の隅部に配置される４つのみの突起した固定子極を有する固定子と、
を備える二相スイッチトリラクタンスモータないし永久磁石ブラシレス直流モータ。
【請求項３８】
固定子極の一つ以上のまわりに巻かれる巻線と、
固定子積層体に巻線を固定するコイルラップと、
を更に備える請求項３７に記載の二相スイッチトリラクタンスモータないし永久磁石ブラシレス直流モータ。
【請求項３９】
該コイルラップはワイヤーであり、
該ワイヤーの２つの端部は、スポット溶接部によって共に保持される請求項３８に記載の二相スイッチトリラクタンスモータないし永久磁石ブラシレス直流モータ。
【請求項４０】
該コイルラップはプラスチックであり、
該プラスチックのラップの２つの端部は、巻線を固定するために結束される請求項３８に記載の二相スイッチトリラクタンスモータないし永久磁石ブラシレス直流モータ。
【請求項４１】
該コイルラップは、撚糸又は非磁性のスチールストリップである請求項３８に記載の二相スイッチトリラクタンスモータないし永久磁石ブラシレス直流モータ。
【請求項４２】
該固定子極の１つのまわりに平坦な内側の周面を有する固定子の背面の鉄を更に備え、
巻かれた巻線の最大表面積を画定する面が、固定子背面の鉄の平坦な面と平行になるよう、巻かれた巻線の端部が固定子の背面の鉄の平坦な表面に接する請求項３８に記載の二相スイッチトリラクタンスモータないし永久磁石ブラシレス直流モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多相スイッチトリラクタンスマシン（ＳＲＭ）に関し、更に具体的には、二相自己起動形ＳＲＭに関する。更に、発明は、ＳＲＭ及び永久磁石ブラシレス直流（ＤＣ）マシン（ＰＭＢＤＣＭ）に関し、更に具体的には、ＳＲＭとＰＭＢＤＣＭにおいて振動及び音響ノイズを低減する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
関連技術の二相スイッチトリラクタンスマシン（ＴＰＳＲＭ）は、特定の回転子位置、すなわち、回転子極が固定子極同士の間の中間にある場合に電磁トルクを発生しない。このような回転子位置で発生することができる電磁トルクは、両方の相ともにゼロである。したがって、一方又は両方の相巻線を励磁しても、その静止位置から回転子を動かす助力にはならない。この理由で、これらのマシンは静止状態からの自己始動ができない。ゼロトルクというこの特殊な問題は、２つよりも多い相巻線を有するＳＲＭの場合は生じない。
【０００３】
自然に生じる疑問としては、何故、三以上の相を有するＳＲＭを用いることで二相のマシンから完全に離れることが、できないのかということである。その答えは、ＴＰＳＲＭは、三相以上のマシンと比較して、例えば制御可能なパワースイッチやパワーダイオード等、電力変換器に要する電源デバイスの数は少なくてよいという事実に見出される。電力変換器の電源デバイスの数が少なくなるということは、電力変換器のコストを大きく節減するに役立つ。電力変換器におけるこのコスト節減は、モータ駆動系統全体のより大きなコスト低減につながる。
【０００４】
更に、電源デバイスの数の低減は、追加の利益を与える。例えば、用いるデバイスの数の少ない電力変換器では、電源デバイスの温度管理用ヒートシクを小型化し、ゲートドライブ回路を低減し、ゲーティング電源を低減し、駆動回路とゲーティング電源の部品数を低減することができる。更に、このように電源デバイスが低減されるため、この電力変換器が用いることができるパルス幅変調（ＰＷＭ）チャネルが少なくなり、制御負荷が低減されるが、それは、三以上の相の制御に対して、ここでは二つの相だけを制御すればよいからである。これらの因子の全ては、部品数を低減し、電力変換器の制御用に用いられるマイクロコントローラーを単純化することに貢献し、モータ駆動系統のコストを大きく低減する。ＳＲＭの原理と操作は、多くの出版物で説明され、また、非特許文献１に説明され、これは参照事項として本願に包含される。簡潔さのために、この説明の全てをここで与えるものではなく、ここで指定した文献を参照することで得られるだろう。
【０００５】
図１は、関連技術のＴＰＳＲＭを例示する。ＴＰＳＲＭ１００は、４つの突起した固定子極１０２と、６つの突起した回転子極１０４を有する回転子１０３とを有する固定子１０１を有する。回転子１０３は、シャフト１０５の軸の周りで固定子１０１の範囲内で回転するためのシャフト１０５に取り付けられる。固定子極１０２は、同心円状の固定子巻線１０６〜１０９に巻かれている。それぞれ、直径に沿って対向する固定子極１０２上の固定子巻線１０６、１０７、１０８、１０９は、通常直列に接続され、場合によっては並列に接続され、そして、２つの直列に接続されたコイルは、一般に固定子相と呼ばれる相巻線を構成する。したがって、４極固定子１０１は、２つの相巻線又は２つの固定子相を持つ。
【０００６】
回転子は、ＴＰＳＲＭにおいて一般に２つの極を持つ。しかしこの明細書に関しては、ＴＰＳＲＭ１００は６極回転子１０３を有する。この組み合わせは、４／６マシンと呼ばれ、この最初の数字は固定子極１０２の数を示し、後の数字は回転子極１０４の数を示している。
【０００７】
図２は、図１に例示されるＴＰＳＲＭについての鎖交磁束を、相巻線で固定した固定子励振を用いて回転子位置の関数としてプロットしたグラフを例示する。図３は、図１に例示されるＴＰＳＲＭについての電磁トルクを、相巻線で固定した固定子励振を用いて回転子位置の関数としてプロットしたグラフを例示する。鎖交磁束は、相巻線における巻線の巻数を関連づけるフラックスのラインの積として定義され、二次元の有限要素解析法を用いてここで計算される。電磁トルクは、マシン内のフラックスと電流によりマシンのエアギャップ内に発生するトルクであり、相巻線に与えられた励弧電流について、回転子位置特性に対する鎖交磁束より計算される。
【０００８】
一組の固定子極１０２に関して回転子極１０４が対称であるため、鎖交磁束２０１と２０２は左右対称であり、そしてそれゆえに、トルク特性３０１と３０２は左右対称であり、その結果、トルク３０１と３０２が同時に両方の相についてゼロである場合が生じる。
静止又は始動の回転子位置がこれらに一致するなら、ゼロトルクのこれらの場合は、ＴＰＳＲＭ１００を始動させることを困難にする。したがって、設備がこれらの同時ゼロトルクの場合を排除することができないなら、ＴＰＳＲＭ１００は、いずれの回転方向に対しても自己起動が内在的に不可能である。
【０００９】
二相ＳＲＭは、１９６９年以後研究されている。これらのＴＰＳＲＭの大部分では、４つの固定子極と２つの回転子極を有している。あらゆる方向の起動能力を有するためには、これらのマシンは形状が与えられた回転子極を有していた。このような形状の回転子極は、Byrneらにより特許文献１に記載されている。
【００１０】
Byrneは、１００度よりも大きな大変長い磁極円弧の形を有する回転子極の形状を開示し、これは、ＳＲＭについて一般的ではなく、また弓形の極として文献に示されている。Byrneはまた、角度位置に関して線形であるフラックスを発生する目的で、回転子極の末端部の半数を台形状スロットを有するものが占めることを開示する。この特徴は、回転子位置に関してフラックスの勾配を一定にし、トルクを一定にする。回転子のスロットを有する部分が固定子極と調心されれば、回転子のスロットを有しない部分が固定子極と調心される場合と比較して、流入する磁束は半分だけである。そういうわけで、回転子極は、１００度よりも大きな円弧を有する。
【００１１】
特許文献２、特許文献３及び特許文献４は、ＴＰＳＲＭに自己起動能力を提供するためのまた１つのアプローチを開示する。このアプローチは、２つのステップ部分を有する回転子極を備え、これはステップ回転子磁極面として知られており、回転子極対の低部又は高部のエアギャップ部品が、相の固定子極のいずれか一方に近づくようにされる。これにより、電磁トルクを発生させるために利用できるリラクタンス変化が確実に存在するようにしている。このアプローチの不利益は、より広い回転子極が用いられるということであり、これによりトルク密度が低下し、磁束と回転子位置とが非線形の関係になる。磁束と回転子位置とが非線形の関係であるため、ＴＰＳＲＭは、トルクむら（torque ripple）が大きく、またトルク定数が変化し、マシンの制御を困難にする。
【００１２】
特許文献５は、磁極片を用いることで、ＴＰＳＲＭによりオーバラップトルクを形成するもう一つの方法を開示する。両方の相が同時に励磁される時、磁極片は、フリンジングフラックスの経路を与える。回転子極が、一組の固定子極と完全に調心した時、このフリンジングフラックスは、起動トルクを発生する。これは、相互の鎖交磁束のために生じるトルクと考えることもできる。磁極片は、一組の固定子極の上を覆い、自らの領分として他の磁極の組に近づくため、磁極片は、相互の鎖交磁束を際立たせるので、磁束の経路を通した相互の結合を容易にする。ここで回転子にスロットを与えることは、回転子位置関係に対してリニアフラックスを与えるものであり、始動トルクを大きくするものではない。また、この技術は、固定子と回転子極の間で２対１の比を有するマシンを目的とする。
【００１３】
特許文献２、特許文献３及び特許文献４はまた、二相又は三相ＳＲＭでステップエアギャップ回転子を用いて自己起動能力を与えるための様々な他のアプローチを開示する。第２の固定子巻線及び第３の固定子巻線は、補助巻線と呼ばれている。これらは、主に通常のトルクを増大させるために用いられるか、起動時に用いられる。
【００１４】
特許文献２は、二つの相の同時励振が、始動時及び運転時の両方においてトルクの増大を発生させることを開示する。同時励振を実現するための制御システムが提示されるが、この制御システムは、その複雑さが認められており、そのため、電流プロファイリングを与えない。
【００１５】
特許文献３は、トルクの始動又は増大のために、補助巻線が選択的に利用されることを開示する。また、固定子極のシフトが、起動目的のために用いられる。
【００１６】
また特許文献４は、２つの補助巻線が起動トルクの生成のために用いられることを開示する。全てのこれらのアプローチでは、ＳＲＭの可変速度操作を実現させるためには、３つ以上の制御可能なスイッチが必要である。更に、これらのステップ状のエアギャップを用いるアプローチでは、通常の二相ＳＲＭの必要性を大きく変更することはない。
【００１７】
特許文献６は、もう一つのアプローチを開示し、そこでは、ＳＲＭは、８つの固定子極と４つの回転子極を有し、一方の回転子極の対は、他方より広くなっている。トルクを生成するために両方の相を用いる時、この構成はあらゆる可能な回転子位置でゼロでないトルクを与える。このアプローチでは、広い回転子極の前述のアプローチを改良したと思われるが、全ての回転子極用ではなく１組の回転子極だけのためのものである。
【００１８】
Pengovに対し発行された特許文献７及び特許文献８では、回転子極の１つの組が他の組より広いという、同様のアプローチを開示する。Pengovは、両方の組の極が、第１の相のそれぞれの固定子極に調心され、同時に幅広い回転子極の組が、第２の相の固定子極と連通する構成を開示する。これらの構成は、隣の相ないし続きの相に、好ましいトルクを発生させるという特徴を与える。このコンセプトは、三相ＳＲＭ及び四相ＳＲＭにまで広げられた。このアプローチの不利益は、回転子極の１つの組は、回転子極の他の組の２倍以上広くなければならず、このため、回転子の鉄の体積及び質量が高くなる。このように、これらのアプローチは、マシンの出力密度を低減する。更に、これらのアプローチでは、マシン相に磁束を存在させるための方式が多種であることにより、制御システムを複雑にする。
【００１９】
自己起動形ＴＰＳＲＭを与えるための上記された関連技術のアプローチの一部では、回転子の機械構造に起伏を持つため、固定子と回転子極とを調心させる際、エアギャップを不均一にする。これらのアプローチは、垂直の力を誘導する傾向があり、それゆえに、わずかにより高い音響ノイズを発生させる場合がある。これは、まだ証明されていないが、電磁構造及びマシンのインダクタンスカーブの勾配から推論することができる。したがって、全ての回転子位置で電磁トルクを発生する良好で改良された方法が望ましい。
【００２０】
ここで引用される全ての文献は、参照事項として本開示に包含される。
【特許文献１】米国特許第3,956,678号
【特許文献２】米国特許第5,747,962号
【特許文献３】米国特許第5,844,343号
【特許文献４】米国特許第6,005,321号
【特許文献５】米国特許第4,698,537号
【特許文献６】米国特許第6,028,385号
【特許文献７】米国特許第6,046,568号
【特許文献８】米国特許第6,051,903号
【非特許文献１】"Switched Reluctance Motor Drives", R. Krishnan, CRC Press, June 2001
【発明の開示】
【００２１】
マシンの二つの相の組み合わせにより、本発明は、ゼロトルクの回転子位置の瞬間を克服する。何れか一方の相において、あらゆる瞬間でトルクはゼロとならないため、このマシンは、静止状態から何れの回転方向に対しても始動することができる。何れの方向からも始動することが可能であるため、モータとして何れの方向へも運転することも可能である。同様に、ジェネレータとして何れの方向へも運転することができるので、マシンのトルク対スピードの特性において四象限操作を与える。本発明は、現在利用できる何れの電力変換器のトポロジーの１つと組み合わせても、可変速モータ駆動システムを実現することができる。
【００２２】
本発明の具体例は、次のカテゴリーに広く分類される。
（i）固定子及び／又は回転子極の形状付与。調心された固定子と回転子極との間の有効エアギャップが単調に増加又は減少する長さを有するように、固定子と回転子極とは、輪郭が与えられる。この輪郭付与は、全ての極に対し対称でなくてもよく、それは、輪郭の状態を、隣り合う回転子極間で交換できるからである。
（ii）回転子極のスロット形成。回転子極にはスロットが形成され、不均一なエアギャップとリラクタンスとが与えられる。これにより、二つの相の電磁気的特性についてオーバラップが生じるようになる。この特徴が、両方の相においてゼロトルクの場合が同時に生じることを防止する。
（iii）固定子又は回転子極相シフト。相シフトも、両方の相においてゼロトルクの場合が同時に生じることを防止する。
（iv）ＳＲＭにおける振動と音響ノイズの低減。ノイズ低減は、固定子極の配置とＳＲＭの背面の鉄の形状選択を慎重に考慮することにより実現することができる。更に、法線力により生じた音響ノイズと振動とを低減するため、ＳＲＭコイルを適所に保持する構造を用いてもよい。
【００２３】
同時に、ここに開示された特徴により、高性能なＴＰＳＲＭの実現を可能にする。
【００２４】
したがって、本発明の目的は、関連技術のデバイスで遭遇する欠点及び問題点を克服することにある。
【００２５】
本発明のもう１つの目的は、自己起動能力をＴＰＳＲＭに提供することにある。
【００２６】
本発明の更に別の目的は、ステップ状エアギャップ回転子極を用いることなく、ＴＰＳＲＭに自己起動能力を提供することにある。
【００２７】
本発明の更なる目的は、様々な幅の回転子極を用いることなく、自己起動能力をＴＰＳＲＭに提供することにある。
【００２８】
本発明の更なる目的は、回転子の鉄の質量及び体積を低減しつつ、トルクむらの低いＴＰＳＲＭを提供することにある。
【００２９】
本発明の更なる目的は、４つの固定子極のみを有する固定子を用いつつ、上記の特徴の全てを提供することにある。
【００３０】
本発明の更なる目的は、同じ幅の回転子極を有するＴＰＳＲＭを提供することにある。
【００３１】
本発明の更なる目的は、自己起動を可能とし、かつ、全ての操作速度で所望のトルクを与えることができるＴＰＳＲＭを提供することにある。
【００３２】
本発明の更なる目的は、固定子極の形状付与、回転子極の形状付与又は回転子極の相シフトを用いて、上記の特徴を与えることにある。
【００３３】
本発明の更なる目的は、輪郭付与又はスロット形成により、回転子又は固定子極の形状付与を行うことにある。
【００３４】
本発明の更なる目的は、固定子積層体（lamination）の角にその固定子極を配置することにより、ＴＰＳＲＭによって発生される音響ノイズを低減することにある。
【００３５】
本発明の更なる目的は、巻線のベースから挿入され、固定され、溶接されて、巻線を加速から守るタイ-ラップを用いて、固定子の鉄にＴＰＳＲＭの固定子巻線を結合することにより、振動を低減し、ＴＰＳＲＭの信頼性を向上することにある。
【００３６】
本発明の更なる目的は、ＴＰＳＲＭの固定子背面にある鉄の滑面の内周に対して平らになるように、ＴＰＳＲＭの巻線を配置することにより、このように、コイルの結束の密着性を高めて、法線力によって誘導される振動に抵抗するのを可能し、音響ノイズを低減することにある。
【００３７】
それぞれの回転子極の半径方向中心軸（central radial axis）の周りに非対称のリラクタンスを有する複数の突起した回転子極を有する二相スイッチトリラクタンスモータの回転子によって、本発明の目的の全体又は一部を実現することができる。回転子極の各々の幅は同じであり、回転子極を用いて、全ての回転子位置に対して一回転方向のトルクを優先的に発生させるようにすることができる。そのような優先的なトルクの発生は、回転子極の幅よりあまり小さくない幅を有する複数の突起した固定子極によって与えられる電磁束の影響で生じる。
【００３８】
電磁束を伝達するために使用可能である複数の突起した固定子極を有する固定子を備える二相スイッチトリラクタンスモータによって、本発明の目的の全体又は一部を実現することができる。更に、モータは複数の突起した回転子極を有する回転子を備え、これらの回転子極は、輪郭が与えられ、あるいはスロットが形成され、電磁束を受けて、全ての回転子位置に対して一回転方向のトルクを優先的に発生させる。ここでも、固定子と回転子極の幅は、さほどかけ離れておらず、例えば、固定子対回転子極の比が０．５である等である。
【００３９】
電磁束を伝達するために使用可能な４つの突起した固定子極を有する固定子と、電磁束を受けた際に全ての回転子の位置に対して一回転方向の優先的なトルクを発生させるよう、輪郭が与えられ又はスロットが形成された６つの突起した回転子極を有する回転子とを有している二相スイッチトリラクタンスモータにより、本発明の目的の全体又は一部を更に実現することができる。上記４つの固定子極の幅は等しく、また上記４つの回転子極の幅は等しいが、回転子と固定子極の幅はわずかに異なっていてもよい。
【００４０】
電磁束に従って回転するように使用可能である複数の突起した回転子極を有する回転子を有する二相スイッチトリラクタンスモータにより、本発明の目的の全体又は一部を更に実現することができる。モータの固定子は、磁束を伝達する際に全ての回転子位置に対して回転子の一回転方向に優先的なトルクを発生させるように輪郭が与えられる複数の突起した固定子極を有している。
【００４１】
内側の４つの角が定義された固定子積層体を有する二相スイッチトリラクタンスモータ又は永久磁石ブラシレス直流モータによって、本発明の目的の全体又は一部を更に実現することができる。更にモータは、固定子積層体の内側の４つの離れた角にそれぞれ配置される４つの突起した固定子極を有する固定子を備えている。
【００４２】
本発明の好適な具体例は、明細書の以下の各パラグラフに更に記載され、添付の図面と共に読むことにより良く理解されるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
発明の第１の具体例は、調心中に、固定子と回転子極との間の均一なエアギャップに影響を及ぼすことなく、かつ、回転子極の弧を大きくすることなく、二相スイッチトリラクタンスマシーン（ＴＰＳＲＭ）の全ての回転子の位置に対し電磁的トルクを提供することを目指す。その代わりに、スロット（つまり、穴）を設けた回転子極を提供することによって、鎖交磁束の等価的な相の置換が実現される。このスロットは、様々な形状とすることができる。
【００４４】
図４は、回転子極内に、中心を外れたスロットを有するＴＰＳＲＭを例示する。ＴＰＳＲＭ４００は、４つの突起した固定子極４０２を有する固定子４０１と、６つの突起した回転子極４０４を有する回転子４０３とを有している。回転子極４０４のそれぞれは、回転子極スロット４０５を有し、この回転子極スロット４０５は、それぞれの回転子極４０４の半径方向中心軸４０７からオフセットすることで、固定子４０１と回転子４０３との間を流れる磁束に好適な経路を与える。一方の側に不均等な回転子極スロットの軸を作ることで、エアギャップリラクタンスが増加するので、その側の磁束の流れが低減する。他の側の磁束は増大するが、これは、それが有している鉄の量がかなり多いことと、磁束経路に面する正味のエアギャップが少ないこととによるものである。その結果、オフセットされた回転子極スロット４０５は、優先的な起動方向を回転子４０３に与えるようになる。
【００４５】
隣接する回転子極４０４は、オフセットされた回転子極スロット４０５に対して、逆対称性ないし鏡像対称性を有する。換言すれば、一方の回転子極のスロット軸は、その右側により近づき、他方でこれに隣接する回転子極は、その左側の方にスロット軸を有することになるだろう。これは、必然的に高い鎖交磁束の変化率を提供し、ここで鎖交磁束の一つは反時計回りの方向、次の一つは時計回りの方向である。鎖交磁束の高い変化率は、特定の方向に対するトルクを高め、よって、この方向での回転を上昇させる。
【００４６】
オフセットされた回転子極スロット４０５は、全ての回転子の位置で発生されるトルクに対して有益な効果をもたらすばかりでなく、駆動の両回転方向に関し、回転子極から幾分かの鉄を取り除く。鉄を取り除くことにより、回転子を軽くすることができるので、回転子の慣性を小さくする。これは、トルク対慣性の比率、これは機器の加速度でもあるが、この比率をできるだけ最大にしてプロセスサイクル時間を低減する必要のある高機能の用途に対して有利である。また、軽量が主要な関心事及び選択肢である航空宇宙産業の用途もあるだろう。
【００４７】
回転子極のスロット形成の多くの選択が、図面に示される。固定子極を回転子極と調心する際、これら全てにつき、同等でない有効エアギャップが形成されるという、同一の効果が与えられる。したがって、ここで例示された選択の各々では、ＴＰＳＲＭを両方向に起動させるための一方向のトルク発生能力が提供される。
【００４８】
図５は、相巻線中に固定された固定子励起を用い、図４に例示されるＴＰＳＲＭに関する鎖交磁束を、回転子の位置の関数としてプロットしたグラフを例示する。図６は、相巻線中に固定された固定子励起を用い、図４に例示されるＴＰＳＲＭに関する電磁トルクを、回転子の位置の関数としてプロットしたグラフを例示する。図５の１相の鎖交磁束５０１、２相の鎖交磁束５０２の試験、及び図６の１相のトルク６０１、２相のトルク６０２の試験によって理解されると思われるが、ＴＰＳＲＭ４００は、ゼロでないトルクの発生のために必要な相シフトを発生しない。その理由は、機器の回転子構造には現実に非対称性がないからである。もし回転子極の先端（leading edge）がスロットを有するならば、回転子極の直径方向に対向する後縁（trailing edge）も同じくスロットを有している。このため、一方の回転子極の磁束経路の非対称性は、直径方向に対向する回転子極の磁束経路の非対称性によりキャンセルされてしまう。図５から、１相の鎖交磁束の最大値と２相の鎖交磁束の最小値が同時に発生し、それにより、回転子のトルクの総和がゼロになるということが、理解されるだろうが、これは、図６に示されているトルクの特徴によって立証されている。
【００４９】
図７は、直径方向に対向する回転子極の回転子極スロットの非対称の構成を例示する。
ＴＰＳＲＭ７００は、４つの突起した固定子極７０２を有する固定子７０１と、６つの突起した回転子極７０４を有する回転子７０３とを備えている。回転子極７０４のそれぞれは、回転子極スロット７０５を有し、この回転子極スロット７０５は、それぞれの回転子極の半径方向中心軸７０７の中心から外れることで、固定子７０１と回転子７０３との間で流れに好適な経路を磁束のために与える。一方の側に不均等な回転子極スロットの軸を作ることで、エアギャップリラクタンスを増やすことにより、その側の磁束の流れを低減する。他の側の磁束が増大するが、これは、そこが有している鉄の量がかなり多い事と、磁束経路に面する正味のエアギャップが少ない事とによるものである。その結果、オフセットされた回転子極スロット７０５は、優先的な起動方向を回転子７０３に提供する傾向がある。
【００５０】
回転子極７０４は、回転子７０３上で直径方向に相互に対向するように沿って配置され、対向する一対の回転子極を通る半径方向中心線の周りに、逆対称性ないし鏡像対称性を有している。別の言い方をすれば、回転子極の対を形成する回転子極７０４のそれぞれは、そのそれぞれの半径方向中心軸の周りに同じ対称性を有している。回転子極７０４の６つの隣接したペアのうちの４つは、これらのそれぞれの半径方向中心軸の周りに対向する鏡像対称性を有している。例示のため、回転子極のスロットは、図７では多少誇張される。
【００５１】
図８は、直径方向に対向する回転子極の回転子極スロットの別の非対称の構成を例示する。ＴＰＳＲＭ８００は、４つの突起した固定子極８０２を有する固定子８０１と、６つの突起した回転子極８０４を有する回転子８０３とを有している。固定子極８０２のそれぞれは、その周りに同心で巻かれる固定子巻線８０６を有する。回転子極８０４のそれぞれは、回転子極スロット８０５を有し、この回転子極スロット８０５は、それぞれの回転子極の半径方向中心軸８０７の中心から外れることで、固定子８０１と回転子８０３との間で流れに好適な経路を磁束のために与える。
【００５２】
回転子極８０４は、回転子８０３上で直径方向に相互に対向するように沿って配置され、対向する一対の回転子極を通る半径方向中心線の周りに、逆対称性ないし鏡像対称性を有している。別の言い方をすれば、回転子極の対を形成する回転子極８０４のそれぞれは、そのそれぞれの半径方向中心軸の周りに同じ対称性を有している。６つの回転子極８０４の隣接する対のいずれも、これらそれぞれの半径方向中心軸の周りで逆対称性ないし鏡像対称性を有していないという点で、ＴＰＳＲＭ８００はＴＰＳＲＭ７００とは異なっている。その代わりに、回転子極８０４の隣接した対の全てが、これらそれぞれの半径方向中心軸８０７の周りに同様の対称性を有している。また、ＴＰＳＲＭ８００の回転子極スロット８０５については、これらそれぞれの回転子極８０４のサイズに比例するよう、より現実に即して例示した。
【００５３】
回転子の鉄極の領域は、固定子極の領域と少なくとも等しいか、わずかに低くてもよく、また、回転子極のスロットは通常は、磁束流れのための運転中の回転子の鉄の領域よりも非常に小さい（例えば、＜３５％）。これは普通のデザインであるが、特定の用途に合わせるため、これらの特徴を、変化させてもよい。スロットが形成された部分が固定子極８０２を通過するまで、回転子８０３時計回りの方向の中に回転した時、回転子回路が提供するリラクタンスは高い。スロットが形成されていない部分（すなわち、鉄の領域）が固定子極８０２を通過する際は、リラクタンスは最小である。リラクタンスの不均等は、この構成によって発生される。
【００５４】
図９は、相巻線中に固定された固定子励起を用い、図８に例示されるＴＰＳＲＭに関する鎖交磁束を、回転子の位置の関数としてプロットしたグラフを例示する。図１０は、相巻線中に固定された固定子励起を用い、図８に例示されるＴＰＳＲＭに関する電磁トルクを、回転子の位置の関数としてプロットしたグラフを例示する。図９の１相の鎖交磁束９０１と２相の鎖交磁束９０２を調べることで理解されると思われるが、ＴＰＳＲＭ８００のための鎖交磁束は、著しい相シフトを呈している。この相シフトは、正と負のサイクルに対して同じでないトルクのプロファイルを提供するが、これは図１０の１相のトルク１００１と２相のトルク１００２とを調べることで理解されると思われる。負のサイクルは、所要時間が正のサイクルより短い。これは、ＴＰＳＲＭ８００は、起動トルク発生の優先的な方向を提供することを示すものである。
【００５５】
回転子の６０度のピッチに対して、負のトルクのデッドゾーンが２箇所あることが、図１０より理解されよう。反時計回りに関する負のトルクの要求と時計回りに関する正のトルクの要求とを慣例によって仮定すれば、これらのデッドゾーンがあることで、反時計回り方向について、ＴＰＳＲＭ８００の起動中に一時待ちの期間が２つできてしまう。
【００５６】
図１１は、図７に例示されるＴＰＳＲＭのより現実的な表現を例示する。ＴＰＳＲＭ１１００は、４つの突起した固定子極１１０２を有する固定子１１０１と、６つの突起した回転子極１１０４を有する回転子１１０３とを有している。固定子極１１０２のそれぞれは、その周りに同心で巻かれる固定子巻線１１０６を有する。回転子極１１０４のそれぞれは、回転子極スロット１１０５を有し、この回転子極スロット１１０５は、それぞれの回転子極の半径方向中心軸１１０８の中心から外れることで、固定子１１０１と回転子１１０３との間で流れに好適な経路を磁束のために与える。
【００５７】
回転子極１１０４を、回転子１１０３上で相互に直径方向に対向するように配置することで、対向する一対の回転子極を通る半径方向中心線の周りに、逆対称性ないし鏡像対称性が与えられる。別の言い方をすれば、回転子極の対を形成する回転子極１１０４のそれぞれは、そのそれぞれの半径方向中心軸の周りに同じ対称性を有している。ＴＰＳＲＭ１１００の回転子極スロット１１０５については、これらそれぞれの回転子極１１０４のサイズに比例するよう、より現実に即して例示したという点で、ＴＰＳＲＭ１１００は、ＴＰＳＲＭ７００と異なっている。
【００５８】
回転子極１１０４の６つの隣接した対のうちの４つが、オフセット回転子極スロット１１０５に対して鏡像対称性を有するため、また、回転子極スロット１１０５のそれぞれが、回転子極スロット１１０５の近傍の回転子極１１０４のリラクタンスを増大するため、一対の回転子極スロット１１０５が回転子極１１０４の一方に時計回りに回転する際、鎖交磁束は、リラクタンスの増加を経験する。
【００５９】
図１２は、相巻線中に固定された固定子励起を用い、図１１に例示されるＴＰＳＲＭに関する鎖交磁束を、回転子の位置の関数としてプロットしたグラフである。図１３は、相巻線中に固定された固定子励起を用い、図１１に例示されるＴＰＳＲＭに関する電磁トルクを、回転子の位置の関数としてプロットしたグラフである。図１２の１相の鎖交磁束１２０１と２相の鎖交磁束１２０２とを調べることで理解されると思われるが、隣接する回転子極１１０４の対は、ある程度同様だが位置的にシフトしている鎖交磁束１２０１、１２０２を発生させる。
【００６０】
位置的にシフトした鎖交磁束１２０１、１２０２は、電磁トルクの相シフトを発生させるが、これは図１３の１相のトルク１３０１と２相のトルク１３０２とを調べることで理解されると思われる。ピークと谷が、回転子位置の等しい間隔ではなく不規則な間隔で生じるため、二つの相の固定子鎖交磁束１２０１、１２０２は、相互に左右対称でない。このような不規則性は、ＴＰＳＲＭ１１００の隣接する回転子極の対の鏡像スロット対称性によって与えられていた。
【００６１】
図１２を再び参照すれば、鎖交磁束１２０１及び１２０２は線形でないことが理解されよう。図１１を参照すれば、回転子極の弧幅１１０８は、固定子極の弧幅１１０９よりあまり広くないことが理解されよう。回転子極弧１１０８の幅は、スロットが形成されていない領域が調心中に固定子極１１０２に直面する際、回転子極１１０４が確実に過飽和しないようにするために要する量だけ、広くなっている。過飽和が生じない用途に対し、回転子極の弧幅１１０８及び固定子極の弧幅１１０９は、同じ幅を有していてもよい。
【００６２】
回転子の位置に対する非線形の鎖交磁束１２０１、１２０２が、回転子位置に関して非線形のトルクを発生させる。したがって、励起が一定である場合でも、トルクは回転子位置の範囲に対して一定でなく、これが図１３から理解されよう。非制御のままなら、このトルク発生は、ＴＰＳＲＭ１１００において問題になるだろう。この問題は、電流を固定子電流に関して制御することで克服される。このような電流の制御は、高性能な用途及び非常に低速度での位置決め用途に必要とされるだけである。高速（例えば、＞３００ｒｐｍ）を要する全ての他の用途は、重要な問題とならなければ、低いトルクむら又は脈動を必要とするというわけではないだろう。
【００６３】
ＴＰＳＲＭ１１００における起動トルク生成に関しては、２つの固定子の相に対し、同時にゼロトルクとなる場合はない。常時、正のトルクと負のトルクのどちらも、ＴＰＳＲＭ１１００に対して利用可能である。ＴＰＳＲＭ１１００が、トルクが正で時計回りの回転が要望される回転子の位置にある場合、固定子相が機器を始動するに十分なエネルギーだけが与えられる。回転子位置の場合のように、トルクがその時点で両方の相に対して負となる場合、一方又は両方の固定子相は、負のトルクを提供して反時計回りの回転を発生させるよう、エネルギーが与えられてもよい。
【００６４】
正のトルクを発生できる点まで回転子が回転した時、正のトルクを提供できる対応する固定子相にエネルギーが与えられ、その結果、機器が時計回りの方向に駆動できるようになる。トルクが小さく、ゼロ交差点の近傍である場合（例えば、ピークトルクの約２５％等）、電流を増加して、ＴＰＳＲＭ１１００の起動のためにトルクを強化してもよい。あるいは、両方の固定子相を励磁して、必要な起動トルクに合った合計のトルクを発生させることができる。このような処置は、固定子相トルク１３０１及び１３０２がゼロ交差の瞬間の近くにある時に必要となるだけである。
【００６５】
この説明より、ＴＰＳＲＭ１１００のトルク特性は、回転子の停止に従い起動中に一時停止もあり得るとしても、両方向に起動することも含めた四象限動作を与えることができる能力の十分あることが理解されよう。大多数の実際的な用途は、この一時停止を受け入れることができる。
【００６６】
起動中の洗練された制御によって、一時停止を除去することが十分に可能である。この制御は、機器にブレーキをかけて所定の回転子位置で止めることによってなされ、要望された方向に始動するための位置にあるというだけでなく、起動トルクが最大となるようにされる。あるいは、ＴＰＳＲＭ１１００の初期駆動を行うことによりこの制御を与えることで、ＴＰＳＲＭ１１００を負荷に結合する前に、回転子１１０３を特定の方向への起動及び運転のための良い回転子位置に配置させる。そのような動作のための制御は基本的なものであり、よって、この説明を省略する。
【００６７】
ＴＰＳＲＭ１１００は、以下の利点を提供する。
１．回転子極１１０４のオフセット回転子極スロット１１０５は、それぞれ、回転子極スロット１１０５が半径方向軸１１０７の右側又は左側にオフセットであるかどうかに従い、時計方向又は反時計方向に対して有効エアギャップを増加させ又は低減する。
２．回転子極１１０４のオフセットされたスロット形成により、組み合わせの二つの相に対してゼロ-トルクの瞬間なしに、一方向に優先的なトルク生成を提供する。
３．ＴＰＳＲＭ１１００の時計方向の起動は、回転の方向のそれに対応する相がゼロトルクとなる場合、次のように達成される。一つの相についてトルクが負で、他の相ではゼロである場合、ＴＰＳＲＭ１１００が初期的に反時計方向に駆動されるように負のトルクの機器の相は励磁される。４極固定子及び６極回転子に対して、回転子極が３０度移動した時、ＴＰＳＲＭ１１００の方向を、他の相励起によって時計回りの方向に逆転させることができる。これにより、機器及び電力変換器のコストを低減するが、これは主に相の数が少ないことから生じる。
４．ＴＰＳＲＭ１１００は、二つの相の電力変換器により内在的に四象限動作ができる。この四象限動作の能力は、ＴＰＳＲＭ１１００を、機器に実現される多数の用途において有利な状況に置く。
５．回転子極１１０４及び固定子極１１０２は左右対称の構造を有し、したがって、機械的なアンバランスは予定されない。それゆえに、半径方向の引張り力は、ＴＰＳＲＭ１１００では予定されない。これにより、より長い耐久性及びより静かな機器動作が与えられる。
６．ＴＰＳＲＭ１１００はまた、単相誘導モータと同様に、主となる相の役目を果たす一つの相と補助相の役目を果たす他相とを有する単相ＳＲＭとして運転される。
７．回転子極１１０４にスロットを付与することにより、回転子１１０３から鉄を取り除き、その重量を低減する。これは、回転子１１０３の慣性を下げかつその加速能力を増加させる有益な効果を有し、これらは両方とも航空宇宙産業及び国防の用途や、また、工作機械サーボ及びスピンドルモータドライブに望ましい品質である。
８．回転子極スロット１１０５を回転子極１１０４に隣接して配置するこの手法は、二相中で、トルクが非対称か対称かの性質と、回転子位置に関するトルクの量とを決定する。
９．回転子極スロット１１０５は、一相及び二相の機器だけでなく多相の機器にも適用して、トルクを形成し、音響ノイズを低減し、電力密度を増加させることができる。
１０．また、回転子極スロット１１０５を永久磁石で満し、高速動作に理想的な内部の永久磁石機器の新しい型式をつくることができ、また、同期したトルクでリラクタンストルクを上昇させることによりトルクを発生することができる。
１１．また、回転子極スロット１１０５を用いて、永久磁石を収容し、ＴＰＳＲＭ１１００の制御に必要な回転子の位置を計るというセンサの役目を果たすことができる。このように、回転子極スロットは、トルク波形の整形とセンサの収容という２つの異なる機能を果たす。
１２．回転子極スロット１１０５の目的は、関連技術の装置の場合のように回転子位置対鎖交磁束が線形の関係をつくらないことであり、回転子極の弧を過度に拡張することなく重なり合うゼロではないトルク特性を得ることである。また、ＴＰＳＲＭ１１００は、回転子極弧が非常に小さい場合においても自動始動できる能力を提供する。
【００６８】
図１４は、輪郭が与えられた回転子極を有するＴＰＳＲＭを例示する。ＴＰＳＲＭ１４００は、４つの突起した固定子極１４０２を有する固定子１４０１と、６つの突起した回転子極１４０４を有する回転子１４０３とを備えている。固定子極１４０２のそれぞれは、その周りに同心で巻かれる固定子巻線１４０６を有する。回転子極１４０４のそれぞれは、徐々に先細りした末端を有することで、固定子１４０１と回転子１４０３との間で流れに好適な経路を磁束のために与える。回転子極１４０４の末端を先細りさせることにより、これらの極が整列する際に回転子極１４０４と固定子極１４０２との間のエアギャップを大きくする。エアギャップを大きくすることで、リラクタンスを大きくし、固定子極１４０２と回転子極１４０４の先細り部分との間に流れる可能性のある磁束を低減する。その結果、回転子極１４０４の末端を先細りさせることで、優先的な起動方向を回転子１４０３に提供する。
【００６９】
また、回転子極１４０４の末端を先細りさせることで、反時計方向と時計方向の両方とも、必然的な高い変化率を鎖交磁束に提供する。両回転方向に対する鎖交磁束の率が高くなれば、それぞれの方向に対して大きな量のトルクを発生させ、そのため、これらの方向の中に回転を生じさせる。
【００７０】
図１５は、図１４に例示される回転子極の波形整形を更に詳細に例示する。図１５の中に例示されるように、回転子極１４０４’の末端は、２つの極を調心する際にその端部が固定子極１４０２に直面するが、これは、末端弧の一方から他方へと単調に増加するエアギャップにより徐々に形づくられる。
【００７１】
固定子極に直面する回転子の鉄の薄いリップで、狭く増大するエアギャップを有する回転子極にスロットをつけることによって、等価な効果を奏す別の形状が実現される。この形状は、固定子極と同様に、回転子極を均一にし、滑化する。しかしながらこの構成では、回転子の薄いリップが特定の角度で飽和してしまうことがあるため、望ましくない振動が生じる場合がある。
【００７２】
図１６は、相巻線中に固定された固定子励起を用い、図１４に例示されるＴＰＳＲＭに関する鎖交磁束を、回転子の位置の関数としてプロットしたグラフを例示する。図１７は、相巻線中に固定された固定子励起を用い、図１４に例示されるＴＰＳＲＭに関する電磁トルクを、回転子の位置の関数としてプロットしたグラフを例示する。１相の鎖交磁束１６０１と２相の鎖交磁束１６０２のそれぞれの特性は、回転子１４０３の位置を推定するためには理想的である。１相のトルク１７０１と２相のトルク１７０２の特性は、スロットが形成されたＴＰＳＲＭのそれよりも非常にシャープなピークをそれぞれ有しているものの、概して同様の傾向を有している。トルク特性のシャープさは、輪郭プロファイルによって修正することができる。
【００７３】
図１８は、図１４に例示されるＴＰＳＲＭの回転子極に対するもう一つの輪郭プロファイルを例示する。回転子極１４０４’の形状は、連続的に縮小するエアギャップを有するように与えられるが、これは、その末端弧が、一方から他方へ向かう弧に沿って横断するからである。この例では、弧に沿って、回転子極１４０４’の側から弧長の約１／３だけ離れた位置をとるこの点では、エアギャップを最小にすることができる。弧が、この点から向こう側の方へ、その長さ方向に沿って更に横断しているため、末端弧の向こう側でエアギャップが最大となるまで、エアギャップは引き続いて増加する。この輪郭プロファイルでは、突出が大きくなるため、両方向に対して良好な起動トルクを発生させる。再び、一対の回転子極に対する対称性は、構造上成し遂げられる。
【００７４】
図１９は、図１８に例示される輪郭が与えられた回転子極波形を有する図１４のＴＰＳＲＭについて、回転子の位置の関数としてプロットされる鎖交磁束のグラフである。図２０は、図１８に例示される輪郭が与えられた回転子極波形を有する図１４のＴＰＳＲＭについて、回転子の位置の関数としてプロットされる電磁トルクのグラフである。１相の鎖交磁束１９０１と２相の鎖交磁束１９０２は、図１５で例示されるそれらと比べてシャープさの低い変化を有している。しかしながら、１相のトルク特性２００１と２相のトルク特性２００２はそれぞれ、シャープさのより大きなトルク変化を有している。鎖交磁束１９０１及び１９０２とトルク特性２００１及び２００２とは、輪郭を与える変数全ての関数であり、例えば、ピークが回転子極にあり極の頂点の両側に勾配がある等である。ＴＰＳＲＭ１４００が回転子極１４０４’又は１４０４”の輪郭を使用するかどうかにかかわらず、両方とも、両方向に一様に自動始動が可能な能力を与える。
【００７５】
図２１は、半分の回転子極の輪郭を有するＴＰＳＲＭを例示する。ＴＰＳＲＭ２１００は、４つの突起した固定子極２１０２を有する固定子２１０１と、６つの突起した回転子極２１０４を有する回転子２１０３とを有している。固定子極２１０２のそれぞれは、その周りに同心で巻かれる固定子巻線２１０６を有する。回転子極２１０４のそれぞれは、末端弧の半分に徐々に先細りした末端を有することで、固定子２１０１と回転子２１０３との間で流れに好適な経路を磁束のために与える。各回転子極２１０４の末端弧の他の半分は、先細りしていないが、回転子極２１０４が固定子極２１０２と調心された時には、円の弧等、従来の弧の一定のエアギャップを有している。
【００７６】
図２２は、図２１で例示されるＴＰＳＲＭに関し、回転子の位置の関数としてプロットされる鎖交磁束のグラフを例示する。図２３は、図２１で例示されるＴＰＳＲＭに関し、回転子の位置の関数としてプロットされる電磁トルクのグラフを例示する。１相の鎖交磁束２２０１と２相の鎖交磁束２２０２は、非常に柔らかく変化している。ゆえに、１相のトルク特性２３０１と２相のトルク特性２３０２は、輪郭が与えられた回転子極１４０４”に対応するトルク特性と比較して、シャープさはかなり低くなっており、これは図２０に例示される。ＴＰＳＲＭ２１００はまた、両方向への自己起動に対して役立つ。
【００７７】
ＴＰＳＲＭ１４００及びＴＰＳＲＭ２１００は、以下の利点を提供する。
１．回転子極の波形整形により、それぞれ、より大きいエアギャップが左側又は右側にあるかどうかに従い、時計方向又は反時計方向に対して有効エアギャップを増加させ又は低減する。
２．回転子極の波形整形により、組み合わせの二つの相に対して回転子の位置におけるゼロトルクの瞬間なしに、一方向に優先的なトルク生成を提供する。
３．ＴＰＳＲＭの時計方向の起動は、回転の方向のそれに対応する相がゼロトルクとなる場合、次のように達成される。一つの相についてトルクが負で他の相ではゼロである場合、ＴＰＳＲＭが初期的に反時計方向に駆動されるように負のトルクの機器の相は励磁される。４極固定子及び６極回転子に対して、回転子極が３０度移動した時、ＴＰＳＲＭの方向を、他の相励起によって時計回りの方向に逆転させることができる。これにより、機器及び電力変換器のコストを低減するが、これは主に相の数が少ないことから生じる。
４．ＴＰＳＲＭは、二相の電力変換器により内在的に四象限動作ができる。この四象限動作の能力は、ＴＰＳＲＭ１１００を、機器に実現される多数の用途において有利な状況に置く。
５．回転子は、一対の回転子極に対してのみ左右対称であるため、過度の機械的なアンバランスは予定されない。それゆえに、半径方向の引張り力は、ＴＰＳＲＭでは予定されない。
６．ＴＰＳＲＭはまた、主となる相の役目を果たす一つの相と補助相の役目を果たす他の相とを有する単相のＳＲＭとして運転される。
【００７８】
図２４は、輪郭が与えられた固定子極を有するＴＰＳＲＭを例示する。ＴＰＳＲＭ２４００は、４つの突起した固定子極２４０２を有する固定子２４０１と、６つの突起した回転子極２４０４を有する回転子２４０３とを有している。固定子極２４０２のそれぞれは、その周りに同心で巻かれる固定子巻線２４０６を有する。回転子極２４０４のそれぞれは、徐々に先細りした末端を有することで、固定子２４０１と回転子２４０３との間で流れに好適な経路を磁束のために与える。回転子極２４０２の末端を先細りさせることで、回転子極２４０４と固定子極２４０２とが調心された際にこれらの極の間のエアギャップを大きくする。エアギャップを大きくすることで、リラクタンスを大きくし、固定子極２４０２の先細り部分と回転子極２４０４の間に流れる可能性のある磁束を低減する。その結果、回転子極２４０２の末端を先細りさせることで、優先的な起動方向を回転子２４０３に提供する。
【００７９】
前述の回転子極への輪郭付与により得られると同じ利点を、固定子極への輪郭付与により得ることができ、また、固定子極への輪郭付与は、回転子極について記載されると同じ方法でできる。したがって、ここでの説明と、これらの構造から得られる利点とを反復することは、簡潔さのために省略される。
【００８０】
図２５Ａは、各回転子極に中心を外れたアーチ状のくさび形のスロットを有するＴＰＳＲＭを例示する。図２５Ｂは、図２５Ａに例示される回転子極のスロットの構成を更に詳細に例示する。ＴＰＳＲＭ２５００は、４つの突起した固定子極２５０２を有する固定子２５０１と、６つの突起した回転子極２５０４を有する回転子２５０３とを有している。各回転子極スロット２５０５は、回転子極２５０４の末端に最も近い上端が回転子極２５０４の末端弧と同じ形を有するように、形成される。各回転子極スロット２５０５の底部と上端部の間の高さが、それぞれの回転子極２５０４の半径方向中心軸からの距離によって増加するよう、各回転子極スロット２５０５の底端部は、先細りさせられる。回転子極２５０４の回転子極スロット２５０５を有する方の側においては、これは回転子極２５０４のエアギャップを効果的に大きくする。
【００８１】
更に、有効エアギャップは、半径方向中心軸から弧に沿って横切る距離に応じて、回転子極２５０４の末端弧に沿って増加する。更に、固定子相Ａ及びＢに関して非対称性を与えるように、回転子極スロット２５０５は、それぞれの回転子極２５０４の半径方向中心軸から外れている。オフセットされた回転子極スロット２５０５の有効エアギャップ非対称性は、あらゆる回転子位置に対してゼロでないトルクを保証するに要するトルクの非対称性を提供する。
【００８２】
回転子極２５０４を、回転子２５０３上で相互に直径方向に対向するように配置することで、対向する回転子極の対を通る半径方向中心線の周りに、逆対称性ないし鏡像対称性が与えられる。別の言い方をすれば、回転子極の対を形成する回転子極２５０４のそれぞれは、そのそれぞれの半径方向中心軸の周りに同じ対称性を有している。この構成により、回転子極２５０４の重量を対称的に分布させる。回転子極２５０４の６つの隣接したペアのうちの４つは、これらのそれぞれの半径方向中心軸の周りに対向する鏡像対称性を有している。例示のため、回転子極スロットは図２５では多少誇張されている。
【００８３】
図２６は、回転子極スロットを有する図２５のＴＰＳＲＭを、それぞれの回転子極のサイズに比例して、より現実的に例示する。図２６はまた、同心で各固定子極２５０２に巻かれる固定子巻線２６０６を示す。図２７は、図２６に例示されるＴＰＳＲＭに関し、回転子の位置の関数としてプロットする鎖交磁束のグラフを例示する。図２８は、図２６で例示されるＴＰＳＲＭに関し、回転子の位置の関数としてプロットする磁気トルクのグラフを例示する。図２７の１相の鎖交磁束２７０１と２相の鎖交磁束２７０２を調べることで理解されると思われるが、隣接する回転子極２５０４の対は、ある程度同様だが位置的にシフトしている鎖交磁束２７０１、２７０２を発生させる。位置的にシフトした鎖交磁束２７０１、２７０２は、電磁トルクの相シフトを発生させるが、これは図２８の１相のトルク２８０１と２相のトルク２８０２を調べることで理解されると思われる。１相の鎖交磁束２７０１および２相の鎖交磁束２７０２の特性と、１相のトルク２８０１と２相のトルク２８０２とは、図１２及び１３にＴＰＳＲＭ１１００として例示されるものに非常に類似している。ＴＰＳＲＭ１１００とＴＰＳＲＭ２５００の両方について、鎖交磁束及びトルク特性は非常になめらかであり、シャープな変化はない。回転子極２５０４に回転子極スロット２５０５（すなわち穴）を選択的に配置することで、大変良好なトルク波形を実現して起動トルクを最大にすることができ、また、より広範囲の回転子位置にわたって安定したトルクを実現してＴＰＳＲＭ２５００の脈動トルクを最小に抑えることができる。
【００８４】
図２９は、矩形及び曲形の両方のスロットを有する回転子極を例示する。回転子極２９０４のスロット形成は、１以上の外接弧形２９０５’、１以上の矩形２９０５”、その他の規則的又は不規則的な形状のものを形成する工程を有していてもよい。しかしながら、この組み合わせのスロット形成では、回転子極の半径方向中心軸の中心を外れるように配置して非対称エアギャップを形成する必要がある。この非対称エアギャップにより、回転子位置に関して非対称鎖交磁束を分散させる。エアギャップにおけるこの非対称性と、その結果として生じる鎖交磁束の分散により、非対称トルクが発生し、それにより、両方の相の貢献度を合わせて考えれば全ての回転子位置においてゼロではないトルクが発生する。この特徴は、あらゆる回転子の位置からあらゆる方向に機器を起動及び運転する事を、独自的な方法で可能にする。
【００８５】
回転子極スロット２９０５’及び２９０５”を回転子極２９０４内に配置する方法、形状及びサイズは、起動トルクの要求及び用途の性質により決定される。
【００８６】
図３０は、図２９に例示される回転子極スロット形成の構成を有するＴＰＳＲＭを例示する。ＴＰＳＲＭ３０００は、４つの突起した固定子極３００２を有する固定子３００１と、６つの突起した回転子極３００４を有する回転子３００３とを有している。固定子極３００２のそれぞれは、その周りに同心で巻かれる固定子巻線３００６を有する。各回転子極スロット３００５’は、回転子極３００４の末端に最も近い上端が回転子極３００４の末端弧と同じ曲率を有するように、形成される。各回転子極スロット３００５’の底部と上端部の間の高さが、それぞれの回転子極３００４の半径方向中心軸からの距離によって増加するよう、各回転子極スロット３００５’の底端部は、先細りさせられる。回転子極３００４の半径方向中心軸の他方の側には、３つの矩形の回転子極溝３００５”が形成されている。回転子極スロット３００５’と３００５”とを組み合わせて、回転子極３００４の半径方向中心軸に関して非対称的に配置することにより、ＴＰＳＲＭ３０００の両方の相を考慮すれば、全ての回転子の位置に対して有効エアギャップの非対称性とゼロではないトルク特性とが保証される。
【００８７】
回転子極３００４を、回転子３００３上で相互に直径方向に対向するように配置することで、対向する回転子極の対を通り抜ける中心半径方向の線の周りに、逆対称性ないし鏡像対称性が与えられる。別の言い方をすれば、回転子極の対を形成する回転子極３００４のそれぞれは、そのそれぞれの半径方向中心軸の周りに同じ対称性を有している。この構成により、回転子極３００４の重量を対称的に分布させる。回転子極３００４の６つの隣接したペアのうちの４つは、これらのそれぞれの半径方向中心軸の周りに対向する鏡像対称性を有している。
【００８８】
図３１は、図３０に例示されるＴＰＳＲＭに関し、回転子の位置の関数としてプロットされる鎖交磁束のグラフを例示する。図３２は、図３０に例示されるＴＰＳＲＭに関し、回転子の位置の関数としてプロットされる電磁トルクのグラフを例示する。図３１の１相の鎖交磁束３１０１と２相の鎖交磁束３１０２を調べることで理解されると思われるが、隣接する回転子極３１０４の対は、ある程度同様だが位置的にシフトしている鎖交磁束３１０１、３１０２を発生させる。位置的にシフトした鎖交磁束３２０１、３２０２は、電磁トルクの相シフトを発生させるが、これは図３２の１相のトルク３２０１と２相のトルク３２０２を調べることで理解されると思われる。１相の鎖交磁束３２０１と２相の鎖交磁束３２０２の特性と、１相のトルク３２０１と２相のトルク３２０２は、図１２及び１３に例示されるＴＰＳＲＭ１１００のそれ並びに図２７及び２８に例示されるＴＰＳＲＭ２５００のそれに非常に類似している。ＴＰＳＲＭ１１００、ＴＰＳＲＭ２５００とＴＰＳＲＭ３０００のそれぞれについて、鎖交磁束及びトルク特性は非常になめらかであり、シャープな変化はない。回転子極３００４に回転子極スロット３００５を選択的に配置することで、大変良好なトルク波形を実現して起動トルクを最大にすることができ、また、より広範囲の回転子位置にわたって安定したトルクを実現してＴＰＳＲＭ３０００の脈動トルクを最小に抑えることができる。これらの鎖交磁束とトルク特性は、ある一つのデザインについて示されているが、回転子極スロット３００５’と３００５”の数又はサイズの変化に伴い、様々な用途で変わる要求に応ずるため特性を変化させることができる。
【００８９】
図３３は、曲形のスロット内に点在する矩形又は円弧状のスチールストライプを有する曲形のスロット形成を有うる回転子極を例示する。回転子極スロット３３０５は、回転子極３３０４の末端に最も近い上端が回転子極３３０４の末端弧と同じ曲率を有するように、形成される。各回転子極スロット３３０５の底部と上端部の間の高さが、回転子極３３０４のそれぞれの半径方向中心軸からの距離によって増加するよう、各回転子極スロット３３０５の底端部は、先細りさせられる。
【００９０】
回転子極スロット３３０５は、半径方向中心軸から離れる方向の距離を増加させる有効エアギャップを有している。更に、回転子極スロット３３０５は、回転子極スロット３３０５内のスロット部分の多重度を提供するために回転子積層体材料３３１７を介在させる。この構成では、回転子極の一つの部分に、曲形及び矩形に形成された各スロットを組み合わせる。用いられる特定のスロットの形成の構成は、様々な因子、例えば用途、起動トルク、音響ノイズなどに基づいて選択される。二相の機器では、回転子極スロットの構成は、図３０の中に示す構成に非常に類似するようにすることができる。
【００９１】
ＴＰＳＲＭ１１００、１４００、２１００、２４００、２５００及び３０００は、以下の特徴又は利点を提供する。
１．回転子極スロットを導入することにより、ＴＰＳＲＭにゼロでないトルク特性を発生させる。
２．回転子極スロットは、たくさんの構成を使用することができ、これは、ここで例示又は記載されるサイズ、形状、場所や数に限られない。
３．回転子極スロットのスパンは、回転子極の弧の半分の長さであり、一般的には回転子極の弧全体の３５％よりもずっと小さい。
４．回転子極スロットは、先縁又は後縁の何れかにおける直径方向に対向する回転子極の各組に配置されることで、リラクタンス対回転子の位置関係に非対称性を与え、それゆえ鎖交磁束に非対称性を与える。
５．連続する回転子極の回転子極スロットは、相互に対向していてもよく、すなわち、回転子極スロットの配置の順番が、相互に対して逆にされる。６つの回転子極によるＴＰＳＲＭの場合、このことが、少なくとも１つの直径方向に対向した回転子極の組について生じ得る。
６．回転子中の回転子極スロットの形状及び寸法は、自己起動のために望ましいトルク特性の関数として選択される。
７．回転子極スロットは、回転子極の一方の近くに配置されてもよく、よって、回転子極軸に関して非対称に配置されてもよい。一般に、スロット軸と回転子極軸、又はこれらの有効エアギャップは、一致しない。
８．固定子極又は回転子極に対する輪郭付与を同様に非対称とすることで、リラクタンスに非対称性を与える。
９．回転子極スロットのコンセプト及びここで記載される革新性は、トルク波形整形のために、より高次の相のＳＲ機器に適用できる。
１０．回転子極又は固定子極への輪郭付与のコンセプト及び革新性は、トルク波形整形のために、より高次の相のＳＲ機器に直接適用できる。
１１．ここに記載したコンセプト及び革新性は、力の形成のために、線形運動ＳＲＭに適用可能かつ拡張可能である。
１２．１つの回転子極のスロットのみにより、回転子極に大きい極の弧を必要とすることなく、自己起動が達成される。これは、回転子極の弧が、固定子極弧と等しいか、必要であれば、わずかに、より大きくすることができる事と相当な関連性を有し、これにより、回転子の鉄の重量を軽量化でき、回転子の慣性を小さくでき、よって、回転子の加速度を高くすることができ、更に、機器の電力密度（通常、W/Kg又はW/lbで表される）も高くすることができる。
１３．回転子中の回転子極スロット並びに固定子又は回転子極の輪郭付与の目的は、ＴＰＳＲＭにゼロではないトルク特性を発生することであって、鎖交磁束対回転子の位置関係を線形にする目的ではない。鎖交磁束対回転子の位置を示している図から理解されるように、この事実は明白である。
１４．負のトルク間隔がある場合であっても、それらを適切に起動するために利用することができるのであって、前述のごとく制御下で規則的に運転するために利用するわけではない。
１５．ＴＰＳＲＭは、時計方向及び反時計方向に自己起動をすることができる。
【００９２】
発明のもう一つの具体例は、スイッチトリラクタンス及び永久磁石ブラシレス直流（ＤＣ）機器（ＰＭＢＤＣＭ）の製造及び音響のノイズ制御に関する問題を解決することを指向するものである。本具体例は、特に二相ＳＲＭ及びＰＭＢＤＣＭに有用であるが、複数相のこの種の機器に対しても適用可能である。本具体例の革新性は、以下を含む。
１．音響のノイズを低減するためのデザイン手段と
２．同心の固定子巻線を固定して、音響ノイズを更に減少することができるデザイン手段。
【００９３】
ＳＲＭにおいて音響ノイズを低減するという挑戦は、関連技術の技法により多くの方法で取り組まれている。これらの技法は、"Switched Reluctance Motor Drives", R. Krishnan, CRC Press, June 2001に記載されるように、電子スイッチング制御と、機器の背面の鉄の厚さを厚くするように設計することとを含む。これらの手段では、他の種類の機器に比べて音響ノイズを有するＳＲＭを生じる一方、機器の音響ノイズを低減するために利用可能な更なる方法がある。
【００９４】
半径方向力、あるいは法線力として知られる力が、電気機器に存在する音響ノイズを主に発生させる。したがって、音響ノイズを低減する１つの方法は、半径方向の力を最小にすることである。これは、機器のデザインの段階で達成することができる。しかしながら、半径方向力と接線力との比率を最小にして、これを超えると有用な接線力が不利にされるという特定のレベルとすることができる。そして、他の手段が必要である。
【００９５】
音響のノイズを低減する１つの方法は、製造の許容範囲が原因でＳＲＭでは避けられないレベルへと、半径方向の力を最小にすることである。そして、固定子構造のこれらの半径方向力の衝撃は、固定子極及びその背面の鉄の中の鉄の経路を増大することによって低減してもよい。これは、二相ＳＲＭにおいて実行することができ、更に詳細には、同心で巻かれたＰＭＢＤＣＭにおいて実行することができる。しかしながら、ＰＭＢＤＣＭでは、音響ノイズは非常に小さく、その理由は、まるでそれらがエアギャップであるかようにＰＭＢＤＣＭの永久磁石は振る舞うため、ＳＲＭと比較してより大きい等価エアギャップを有するからである。
【００９６】
図３４は、固定子積層体の内側隅部に位置する極を有する４極固定子を例示する。固定子３４０１は、固定子積層体３４１２の別々の隅部に配置される４つの固定子極３４０２を有している。固定子極３４０２のそれぞれは、その周りに同心で巻かれる固定子巻線３４０６を有する。
【００９７】
図３５は、固定子積層体の内側隅部同士の間に中途に位置する極を有する関連技術の４極固定子を例示する。固定子３５０１は、それぞれが固定子積層体３５１２の別々の隅部に配置される４つの固定子極３５０２を有している。固定子極３５０２のそれぞれは、その周りに同心で巻かれる固定子巻線３５０６を有する。
【００９８】
図３６Ａは、図２４と図３５に例示される固定子について、固定子極及び背面の鉄の長さの比較を例示する。図３５に例示されるような、４つの隅部同士の間の中間に固定子極を配置する場合と比較して、固定子３４０１の隅部に固定子極３５０２を配置することにより、固定子極及びその背面の鉄の長さを著しく増加させる。より具体的には、固定子極３５０２のこの特定の配置により、固定子極長を、ｒ−ｒｉｓで与えられる長さから１．４１４ｒ−ｒｉｓで与えられる長さへ増加させ、ここでｒは、正方形の固定子積層体の内側の円の半径であり、ｒｉｓは、固定子極チップでの固定子積層体の内側の半径であり、これらは図３６Ａで示すようである。
【００９９】
ｋをｒｉｓとｒとの比率として定義することで、固定子極の長さの増加を次のように表現できる。
ｆ（ｋ）＝（１．４４−ｋ）／（１−ｋ）
【０１００】
図３６Ｂは、図３４と図３５の固定子極同士の間の内側円の半径の比率の関数として固定子極長のプロットを例示する。曲線３６０１が示すように、この戦略をとることで、極の長さは、４５％〜７５％だけ効果的に増加する。
【０１０１】
この戦略では、半径方向力を低減しないが、機器中で音響ノイズを引き起こす固定子の振動を最小にするために、強化された音響インピーダンスを提供する。図３４を調べることで理解されると思われるが、固定子ボルト穴３４１３は、固定子の磁束経路を妨げない。この構成とは対称的に、追加の固定子背面の鉄の厚さがデザインに組み入れられないならば、固定子３５０１の円形の固定子積層体３５１２の固定子ボルト穴３４１３が、固定子磁束経路へ有害な影響を与える。
【０１０２】
図３７は、固定子へ固定子巻線を固定するためのコイルラップを例示する。次に図３４及び図３７を参照すれば、スチールワイヤーコイルラップ３７１０が、固定子積層体３４１２にパンチにより形成された固定子積層体穴３７１１の前方の側３７１１’及び後方の側３７１１”に挿入される。コイルラップ３７１０は、固定子巻線３４０６の上を通り、巻線３４０６の外側３７１４で溶接される。あるいは、コイルラップ３７１０は、固定子積層体穴３７１１の一方側３７１１’／３７１１”へ溶接することができ、次いで、固定子巻線３４０６のまわりに巻かれ、引張力により引かれる。それから、コイルラップ３７１０は、固定子積層体穴３７１１の他方側３７１１’／３７１１”に挿入され、溶接されて、固定子巻線３４０６を適所に保つ。このコイルラッピングのプロセスを、固定子巻線３４０６の部分に対して実行し、固定子極３４０２の両側と４つの固定子極の各々に対して拡張する。コイルラップ３７１０で固定子巻線３４０６を包むことにより、関連技術の装置に用いられるようなウェッジの必要性を完全に取り除く。
【０１０３】
あるいは、スチールワイヤーを用いる代わりに、産業グレードの撚糸やナイロン撚糸を、コイルラップ３７１０として用いることができる。撚糸を用いる場合、コイルラップ３７１０用いて、各固定子巻線３４０６を固定子積層体３４１２に結んでもよい。プロセスを確実実行することを容易にするためには、１つの穴だけでなく２つの穴を、一方の側に固定子巻線に固定するために用いることができる。撚糸を用いる利点は、柔軟である点と、スチールワイヤーに必要である溶接が必要でない点である。
【０１０４】
関連技術の装置のウェッジでは、ウェッジの固定に対する支持を提供するために突出部、リップや極片状の構造体を有する固定子極に用いた場合に、ワイヤーラップより取付けが容易である場合がある。しかしながら、これらの固定用構造体の１つに対してウェッジを用いる不利益は、単一の動作として機器の巻き及び挿入を行うのでない限り、巻線の挿入が困難なことであり、よって、製造原価を高くしてしまう。
【０１０５】
ＳＲＭ固定子極は、一般にオーバーハング、リップ又は極片を有しておらず、その主な理由は、積層体のパンチングのコストの低減を実現するためである。また、これらの固定構造体を省略することで、機器に基づく多くの製造操作なしでコイルのより簡単な設置を支持する。
【０１０６】
ここで開示されたコイルラップ３７１０は、設置しやすく、非常に強く、また、主な磁束経路に影響を及ぼすことなく、かつ正規の磁束経路を妨げることなく、巻線を固定するために、固定子積層体芯を用いている。図３４から理解されるようにコイルラップ３７１０を固定する固定子積層体穴３７１１を形成するために除去される鉄は、磁束流れのために必要な領域に影響を及ぼさず、したがって、固定子鉄内の磁束密度を増大させない。要するに、これらの穴は、機器の電磁気に影響を及ぼさない。このような穴が、図３５で例示される関連技術の固定子にパンチで形成されるなら、鉄の損失が、磁束の流れをゆがめ、固定子鉄中の磁束密度を増大させ、コアの損失を高くしてしまうだろう。したがって、正方形の積層体の隅部に固定子極及びコイルを配置することにより、理想的、自然的な構成を積層体中の拠り所となる穴に提供する。
【０１０７】
図３８は、固定子極が固定子積層体の隅部同士の間の中心に置かれた場合での、固定子巻線を固定するための構造を例示する。固定子積層体３８１２は、固定子極３８０２に外接するフラットなベース３８１５を有するよう、斜角がつけられている。固定子巻線３８０６は、固定子極３８０２に巻かれ、固定子巻線３８０６を形成するワイヤーコイルは、平らなベース３８１５に完全に接している。固定子巻線３８０６は、コイルラップ３７１０により、固定子積層体穴３７１１を経由して固定子積層体３８１２に固定される。
【０１０８】
アーチ状のベース３５１６を用いるのでなく、図３５で例示されるように、平坦な固定子極ベースに斜角をつけることにより、コイルを固定する固定子穴を提供するに十分なスペースが得られる。このスペースは、主となる磁束経路を妨げず、磁束密度上昇やコア損失の上昇に至らない。このような構成は、図３４及び３７に例示される固定技法を拡張したものである。
【０１０９】
図３８に例示される固定構造は、固定子巻線コイルが固定子の背面の鉄及び固定子極の両方の側と接触するようになるという利点を提供する。この構成は、熱消散のための接触領域を最大にし、かつ、機器に対する熱ローブスト性を高める。その結果、この構成は機器の出力密度を増大させるが、それは、そのコイル温度が機器における同じ電力出力に対してより低いからである。関連技術ＳＲＭコイルは、固定子極の側との物理的な接触を有するだけであり、固定子背面の鉄との接触はほとんどない。その結果、これらの関連技術のＳＲＭは、熱導通経路が乏しいため、コイル温度がより高くなる。
【０１１０】
図３４〜３８に例示される固定子構造及びコイルラップ以下の特徴又は利点を支持し又は提供する。
１．音響ノイズを低減するため、固定子積層体の隅部に位置する４つの極を有する二相ＳＲＭ又はＰＭＢＤＣＭを備える。
２．半径方向力に起因する固定子振動に対して、強化された音響インピーダンスを提供する隅部極を備えるが、この半径方向力は、磁力によって誘導され製作公差によって悪化する。
３．固定子積層体の機械的な固定を妨げない偶部極と、磁気経路を妨げないゆえに機器に力又は磁束生産を生じさせる固定子積層体ボルトとを備える。
４．固定子巻線を、ウェッジなしで固定できる。
５．巻線を固定するために用いられるコイルラップは、磁束経路を妨げない。
６．巻線を固定するために用いるコイルラップは、多相でＳＲＭ及びＰＭＢＤＣＭに同心で巻かれる固定子巻線に拡張可能である。
７．コイルラップは、非磁性、非電気伝導性材料としてもよい。
８．コイルラップは、ワイヤーの場合はスポット的に溶接いてもよく、あるいは撚糸又はプラスチックラップの場合は結束してもよい。ワイヤーラップの引張力は、初期力によって調節でき、ワイヤーラップの長さを調節することができる。
９．固定子極及び固定子背面の鉄の両方に実質的に接触させる方法で、固定子コイルを固定できる。この特徴は、機器動作中固定子コイルの温度を下げることを助力する。温度を下げることで、機器コイルの寿命を伸ばし機器の信頼性を増大させるが、それは、コイルは故障する可能性が非常に低く絶縁破壊が生じる可能性が非常に低いからである。
１０．固定子巻線を、産業グレードのポリマー撚糸又はナイロングレード撚糸で固定することで、製造プロセスを単純化することができる。また、１つ以上の穴を用いて、撚糸で固定子巻線を固定してもよい。
【０１１１】
上述の説明は、本発明を例示し記載するものである。しかしながら、ここでの開示内容は、本発明の好適な具体例のみを示して記載するものであるが、本発明は、様々な他の組み合わせ、修正及び環境で使用ができると考えられる。また、ここで説明したように、いわゆる当業者において上記の示唆と同一であると考えられる本発明の思想の範囲内で、本発明を変形又は修正することができる。
【０１１２】
ここに記載される具体例は、既知の発明の実施の最良の形態を説明する意図であり、また当業者が、これら及びその他の具体例において、本発明の特定の用途又は使用により要求されるだろう様々な修正をもって本発明を利用できるようにする意図である。したがって、この発明の詳細な説明は、本発明をここで明らかにした形態に限定する意図ではない。
【０１１３】
本出願は、２００２年５月２４日に出願された米国仮出願番号60/382,608、60/382,609及び60/382,610に基づく優先権を主張するものであり、さらに本出願は、これと同日に出願された代理人整理番号L1081.03101、L1081.03102、L1081.03104及びL1081.03105を有する、出願人の同時係属中のＰＣＴ国際特許出願に記載される開示内容をここに参照により援用するものである。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】関連技術のＴＰＳＲＭを例示する図
【図２】相巻線中に固定された固定子励起を用い、図１に例示されるＴＰＳＲＭに関する鎖交磁束を、回転子の位置の関数としてプロットしたグラフ
【図３】相巻線中に固定された固定子励起を用い、図１に例示されるＴＰＳＲＭに関する電磁トルクを、回転子の位置の関数としてプロットしたグラフ
【図４】回転子極中に中心から外れてスロットを有するＴＰＳＲＭを例示する図
【図５】相巻線中に固定された固定子励起を用い、図４に例示されるＴＰＳＲＭに関する鎖交磁束を、回転子の位置の関数としてプロットしたグラフ
【図６】相巻線中に固定された固定子励起を用い、図４に例示されるＴＰＳＲＭに関する電磁トルクを、回転子の位置の関数としてプロットしたグラフ
【図７】直径方向に対向する回転子極における回転子極スロットの非対称配置を例示する図
【図８】直径方向に対向する回転子極における回転子極スロットの別の非対称配置を例示する図
【図９】相巻線中に固定された固定子励起を用い、図８に例示されるＴＰＳＲＭに関する鎖交磁束を、回転子の位置の関数としてプロットしたグラフ
【図１０】相巻線中に固定された固定子励起を用い、図８に例示されるＴＰＳＲＭに関する電磁トルクを、回転子の位置の関数としてプロットしたグラフ
【図１１】図７に例示されるＴＰＳＲＭのより現実的な大洋を例示する図
【図１２】相巻線中に固定された固定子励起を用い、図１１に例示されるＴＰＳＲＭに関する鎖交磁束を、回転子の位置の関数としてプロットしたグラフ
【図１３】相巻線中に固定された固定子励起を用い、図１１に例示されるＴＰＳＲＭに関する電磁トルクを、回転子の位置の関数としてプロットしたグラフ
【図１４】輪郭が与えられた回転子極を有するＴＰＳＲＭを例示する図
【図１５】図１４に例示される回転子極の波形整形をより詳細に例示する図
【図１６】相巻線中に固定された固定子励起を用い、図１４に例示されるＴＰＳＲＭに関する鎖交磁束を、回転子の位置の関数としてプロットしたグラフ
【図１７】相巻線中に固定された固定子励起を用い、図１４に例示されるＴＰＳＲＭに関する電磁トルクを、回転子の位置の関数としてプロットしたグラフ
【図１８】図１４に例示されるＴＰＳＲＭの回転子極に対するもう一つの輪郭プロファイルを例示する図
【図１９】図１８に例示される輪郭が与えられた回転子極波形を有する図１４のＴＰＳＲＭについて、回転子の位置の関数としてプロットされる鎖交磁束のグラフ
【図２０】図１８に例示される輪郭が与えられた回転子極波形を有する図１４のＴＰＳＲＭについて、回転子の位置の関数としてプロットされる電磁トルクのグラフ
【図２１】半分の回転子極の輪郭を有するＴＰＳＲＭを例示する図
【図２２】図２１で例示されるＴＰＳＲＭに関し、回転子の位置の関数としてプロットされる鎖交磁束のグラフ
【図２３】図２１で例示されるＴＰＳＲＭに関し、回転子の位置の関数としてプロットされる電磁トルクのグラフ
【図２４】輪郭が与えられた固定子極を有するＴＰＳＲＭを例示する図
【図２５Ａ】各回転子極に中心を外れたアーチ状のくさび形のスロットを有するＴＰＳＲＭを例示する図
【図２５Ｂ】図２５Ａに例示される回転子極のスロットの構成を更に詳細に例示する図
【図２６】回転子極スロットを有する図２５のＴＰＳＲＭを、それぞれの回転子極のサイズに比例してより現実的に例示する図
【図２７】図２６に例示されるＴＰＳＲＭに関し、回転子の位置の関数としてプロットする鎖交磁束のグラフ
【図２８】図２６に例示されるＴＰＳＲＭに関し、回転子の位置の関数としてプロットする磁気トルクのグラフ
【図２９】矩形及び曲形の両方のスロットを有する回転子極を例示する図
【図３０】図２９に例示される回転子極スロット形成の構成を有するＴＰＳＲＭを例示する図
【図３１】図３０に例示されるＴＰＳＲＭに関し、回転子の位置の関数としてプロットされる鎖交磁束のグラフ
【図３２】図３０に例示されるＴＰＳＲＭに関し、回転子の位置の関数としてプロットされる電磁トルクのグラフ
【図３３】曲形のスロット内に点在する矩形又は円弧状のスチールストライプを有する曲形のスロット形成を有うる回転子極を例示する図
【図３４】固定子積層体の内側隅部に位置する極を有する４極固定子を例示する図
【図３５】固定子積層体の内側隅部同士の間に中途に位置する極を有する関連技術の４極固定子を例示する図
【図３６Ａ】図２４と図３５に例示される固定子について、固定子極及び背面の鉄の長さの比較を例示する図
【図３６Ｂ】図３４と図３５の固定子極同士の間の内側円の半径の比率の関数として固定子極長のプロットを例示する図
【図３７】固定子へ固定子巻線を固定するためのコイルラップを例示する図
【図３８】固定子極が固定子積層体の隅部同士の間の中心に置かれた場合での、固定子巻線を固定するための構造を例示する図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６Ａ】
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【図３６Ｂ】
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【図３７】
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【図３８】
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【国際調査報告】
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