(57)【要約】  “ハイブリッド型電気リラクタンス発動機”であり、固定子（１）内及び／又は回転子（２）内においてコイル（８）と永久磁石（９）とが相互に対向して配置されかつ永久磁石（９）がコイル（８）と平列に配置され、発動機の固定子（１）及び／又は回転子（２）のコイル（８）が励磁されると磁石（９）の磁束又は磁界が空隙内においてコイル（８）の磁束又は磁界と合わされ磁石（９）の磁束又は磁界の寄与により“一対”の又はより一層大きなトルクを生み出し、発動機の固定子（１）及び／又は回転子（２）が停止状態にされると磁石（９）の磁束又は磁界が時間の関数に従う電流の減少により時間の関数に従いコイル（８）の磁束が減少していくことに関連及び比例して環状体へ進入していくことを特徴とする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子（１）及び／又は回転子（２）内において、コイル（８）と永久磁石（９）とが相互に対向して配置され、かつ永久磁石（９）がコイル（８）に対して平列に配置されていることを特徴とする、ハイブリッド型電気リラクタンス発動機。
【請求項２】
前記発動機の固定子（１）及び／又は回転子（２）のコイル（８）が励磁されると、前記磁石（９）の磁束又は磁界が空隙内において前記コイル（８）の磁束又は磁界と合わされ、前記磁石（９）の磁束又は磁界の寄与により“一対の”又はより大きなトルクを生むことを特徴とする、請求項１記載のハイブリッド型電気リラクタンス発動機。
【請求項３】
前記発動機の固定子（１）及び／又は回転子（２）が励磁されない状態になると、前記磁石（９）の磁束又は磁界が、時間の関数に従う電流の減少により、時間の関数に従う前記コイル（８）の磁束の同一量の減少に関連及び比例して、環状体へ進入することを特徴とする、請求項１及び２記載のハイブリッド型電気リラクタンス発動機。
【請求項４】
前記磁石（９）の磁束が、前記コイル（８）の電流の切り替え関数に従って、最終的には前記コイル（８）の磁束又は磁界の切り替えにより、前記環状体から極へ、及び、前記極から前記環状体へ切り替えられ、前記コイル（８）に通電されて該コイル（８）に生じる磁束が前記磁石（９）により形成される磁束と同一の極性を有し、これらの磁束が環状体内に存在している場合、前記磁石（９）の磁束は前記環状体から出て前記コイル（８）の磁束と合わさり、一緒に前記極及び空隙へと伝えられ、前記コイル（８）での電流が停止状態になると、該コイル（８）の磁束が時間の関数に従って実質的にゼロにまで減少され、それと同時に、前記磁石（９）の磁束が前記環状体に進入することにより、前記コイル（８）の磁束が切り替えられると、前記磁石（９）の磁束が、低周波数又は高周波数で切り替えられるように構成されていることを特徴とする、請求項１，２及び３記載のハイブリッド型電気リラクタンス発動機。
【請求項５】
前記コイル（８）が、前記固定子（１）及び／又は回転子（２）の回路内、最外端内又は芯内において相互に対向するように配置され、前記コイル（８）の磁束が、経路又は脚部を通じて、前記極及び前記空隙へ伝えられ、相互に対向する前記コイル（８）が、従来の発動機の場合と同様に、直列に並べられた前記コイル（８）のインダクタンスよりも低いインダクタンスを有し、相互に対向するように配置されている前記コイル（８）が一又は複数の前記回転子（２）の動作状態における電流の通電に必要とする電圧が、直列コイルの発動機における同一の電流に対して必要となる電圧よりも低くなるように構成されていることを特徴とする、請求項１，２，３又は４記載のハイブリッド型電気リラクタンス発動機。
【請求項６】
全磁束、即ち、前記極内及び空隙内における前記永久磁石（９）及びコイル（８）の磁束の内の前記磁石（９）に対応する部分が、前記発動機のトルクを上昇させる前記磁束の寄与によって、前記発動機の効率を上げるように構成されていることを特徴とする、請求項１，２，３，４又は５記載のハイブリッド型電気リラクタンス発動機。
【請求項７】
前記磁石（９）の磁束の寄与により、又、鋼心及び銅（又は他の材料）線の巻線を有する前記コイル（８）の重量及び体積に対する前記磁石の重量及び体積を考慮に入れると、相互に対向するように配置された前記コイル（８）と前記永久磁石（９）とを備えかつ該永久磁石（９）が該コイル（８）に対して平列に配置された前記発動機が、同一のパワーを有する従来の発動機と比べより少ない重量及び体積を有していることを特徴とする、請求項１，２，３，４，５又は６記載のハイブリッド型電気リラクタンス発動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書は、人間の活動の多様な分野において用いられるタイプのハイブリッド型電気発動機について記載する特許発明に関するものである。更に一般的には、本明細書は、固定子内又は回転子内において、相互に対向するコイル及び永久磁石を備え、かつ永久磁石がコイルと並列に位置している電気機械に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電気機械は“電気機械エネルギー変換”として公知であるプロセスに関連し、従って、電気機械と、電気システムと機械システムとの間の連係とに関連している。
【０００３】
これらの機械では、変換は可逆的である。即ち、変換が機械的なものから電気的なものへと行われる場合にはその機械は発電機と呼ばれ、その一方で、変換が電気的なものから機械的なものへと行われる場合にはその機械は発動機と呼ばれる。これが、この型の機械が発電機又は発動機として動作可能とされる理由である。システムが交流による場合は交流機と呼ばれ、システムが直流による場合は直流機と呼ばれる（発電機又は発動機）。
【０００４】
上述の両分類の中には、磁束を発生させるために永久磁石を用いるものを含む、多様な発動機及び発電機が存在する。
【０００５】
電気機械（発動機又は発電機）では、永久磁石が固定子内において用いられかつコイルが回転子内において用いられるか、又は、磁石が回転子内において用いられかつコイルが固定子内において用いられる。これは、スペースの節約となる。というのは、永久磁石が鉄心及び銅線コイルを有する電磁石よりも占有するスペースが小さいからである。
【０００６】
磁石は、発動機又は発電機に使用されることが一般的であり、上述のスペース節約の理由により、セグメント化される。永久磁石は、コイルを有しないので、磁石を有する発動機のその部分に対応する１２Ｒによる熱損失を低減できるため、発動機の効率を若干上げるために用いられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般的に、永久磁石に依存する発動機の問題は、磁石によって作られる磁界の磁束が変化せずかつ恒久的であり、更には、この磁束を極小値から極大値へ、又、極大値から極小値へ制御することができないところにある。このことは、磁束が電流及びコイル巻線の本数に対応するため、完全に制御可能な磁束を形成する電磁石の場合とは異なる。
【０００８】
永久磁石を使用する従来の発動機においては、低電流は低磁束に対応しており、高電流は高磁束に対応している。
【０００９】
従って、例えば、固定子が永久磁石からなり回転子がコイルからなる場合、又はその逆の場合、直巻発動機を製作することは不可能である。
【００１０】
電磁石のみで動作する多くのタイプの可変速直巻発動機（回転子コイルが固定子コイルと直列）では、電圧を下げるにつれてアンペア数は下がる。従って、発動機速度は比例的に下がり、逆起電力も比例的に下がる。これとは逆に、電圧を上げるにつれてアンペア数は上がり、従って速度及び逆起電力も比例的に上がる。
【００１１】
永久磁石が固定子コイル内又は回転子コイル内に配置される発動機において、逆起電力は、永久磁石の磁束に比例するので、制御することはできない。
【００１２】
この問題を考慮する場合、発動機から電流が切断されると回転子は惰性により回転し続け、磁石の固定磁界の存在により逆起電力を生み、多くの場合不利益となるので、可変速発動機に永久磁石を取り付けることは推奨できない。
【００１３】
上記の不都合な点を視点においた、ハイブリッド型電気リラクタンス発動機に関する本特許発明の目的及び利点は、以下の図面によってより一層明らかなものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
上記図面に示すように、本明細書に記載のハイブリッド型電気発動機は、コイル８を有する一又は複数の鋼板固定子１と、それぞれに対応する鋼板回転子２とから形成されており、Ａ−Ａに沿った断面図を示す図１に示されているように、鋼板回転子２は、単一のシャフト３上に取り付けられ、それぞれ対応する固定子１に対して一直線上に並ぶように設けられている。
【００１５】
固定子１及び回転子２は、Ａ−Ａに沿った断面図、Ｂ−Ｂに沿った断面図、Ｃ−Ｃに沿った断面図、及び、Ｄ−Ｄに沿った断面図を示す図１、図２、図３及び図４から分かるように、偶数である同一の数の突極を備えている。
【００１６】
この新型発動機内のコイル８は、図２、図３及び図４に示すように、固定子１の外周又は最外端に位置し、Ｄ−Ｄに沿った断面図であり矢印がコイルの磁束の方向を示している図４に示すように、巻線が“相互に反対方向”に巻かれている。
【００１７】
永久磁石９は、Ｂ−Ｂに沿った断面図である図２に示すように各極部間に配置され、Ｂ−Ｂに沿った断面図である図２に示すようにコイル８に対して平行に配置され、Ｄ−Ｄに沿った断面図である図４に示すように“相互に磁極の位置が異なる”コイルと同様に配置されている（磁石の磁束の方向）。
【００１８】
固定子の全てのコイル８が同時に励磁されると、コイルの巻線が“相互に反対方向”に巻かれているため、Ｄ−Ｄに沿った断面図である図４に示すように、電流が流れることによってコイルに形成される磁束も“相互に反対方向”に向く。
【００１９】
コイル８によって形成されるこれらの磁束は、極脚部の経路を通過して“空隙（エアギャップ）”の方向へ進む。Ｄ−Ｄに沿った断面図である図４及び有限要素コンピュータプログラムによって生成された図である図５に示すように、この経路において、これらの磁束は、環状体方向（ｔｏｒｏｉｄ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）において永久磁石９により形成される磁束と合流する。
【００２０】
Ｄ−Ｄに沿った断面図である図４に示すように、永久磁石９の磁束はコイル８の磁束と対立している。これは、永久磁石９の磁束がコイル８の磁束と同一方向の極性を有し、相互に反発し合い、環状体から出て“空隙”の方向に進み、その結果、“空隙”内においてコイルの磁束と磁石の磁束とが合流し、回転子の極を通って固定子の極に至り回路を閉じるようになっていることによる。
【００２１】
従って、これらの磁束は、コイルの磁束のみを形成するのに必要な電流と同等の電流で得られる。
【００２２】
この永久磁石９からの磁気的寄与によって、本明細書に記載される発動機のトルクが上がる。有限要素法プログラムによって作成された図６及び図７には、回転子２の極が固定子１の極に対面している状態が示されている。
【００２３】
図１を更に参照すると、論議される発動機の他の基本的な構成部品が示されている。それらの構成部品は、この図において参照番号４により示される符号化器、参照番号５により示されるキーの内の一つ、参照番号６により示されるベアリング、及び、参照番号７により示される発動機のケース又は本体である。
【００２４】
図８は、同一の有限要素法プログラムによって作成され、回転子２の極が移動して固定子１の極と一直線に並ぶときの磁石及び電磁石の磁束を示している。同一の図である図６及び図７から明らかに分かるように、極内の磁気密度がコイル８の最端部又は芯部において検出される磁気密度と同一である。一方、その極の断面は、磁束をこの極に送るコイルの芯部の断面の合計の２倍となっている点が相違している。
【００２５】
極内において断面が２倍であるにも関わらず磁気密度が同一であることは、コイル８と並列に位置する磁石９の磁束の寄与によるものであり、このようにして、コイル８と磁石９の磁束が極及び空隙に送られる。有限要素法プログラムによって作成された図１０のグラフ（磁石を備える場合及びそれを備えない場合）に示すように、このことは、コイルのみに必要とされる同一のアンペアターンで発生する。この図１０のグラフから、磁石９が上述の状態にある場合には、トルクが磁石９の磁束の関数として上昇することが明らかである。
【００２６】
固定子１のコイル８における電流を切断すると、コイル８によって形成される磁束が極内において実質的にゼロにまで落ちる。Ｂ−Ｂに沿った断面図である図２及び有限要素コンピュータプログラムによって作成された図９に示すように、この状態では、磁石９の磁束は、コイル８の磁束の減少に比例して、即ち時間の関数に従うコイル８の磁束の減少に比例して、環状体に進入していく。
【００２７】
上記説明に基づき、コイル８の磁束を制御するだけで、磁石９の磁界が環状体から極へまた極から環状体へと切り替えられる（ｃｏｍｍｕｔｅｄ）。従って、図１１及び図１２のオシロスコープのグラフに示すように、磁石９の磁界又は磁束は、時間の関数に従うコイル８の電流の増減に応じて制御される。これらの図は、１２０ｃ／ｓの半波電流によって作成され、図１１はコイルのみ使用の場合であり、図１２はコイルに磁石を装着した場合を示している。
【００２８】
上述のグラフ及び記載の周波から、磁石９をこの装置に付加した場合、磁束又は磁界が増加することが明らかである。この磁束は、磁石９が本発明の上述の状態にある場合の磁石９からの磁束である。
【００２９】
従って、図１１及び図１２のオシロスコープのグラフに示すように、コイル８の切り替えによって、磁石９の磁束もまた空隙から環状体へまた環状体から空隙へと切り替えられることになり、コイル８電流が流れて電流に比例して及び時間の関数として磁束を生じさせると、磁石９の磁束がコイル８内の磁束と同じ比率に従ってかつそれと同時に環状体から出ていくという利点を有しているということを繰り返しておくことが重要である。
【００３０】
その結果、本明細書において先に説明したように、磁石９の磁束はコイル８の磁束と組み合わされ、両方の磁束が一緒に空隙へと伝えられる。コイル８からの電流が停止されると、コイル８の磁界又は磁束は時間の関数としてゼロに達するまで減少される。それと同時に、磁石９の磁界又は磁束は環状体に進入していき、空隙内においてはコイルの磁束の減少に同時に比例しつつその磁束がゼロに達するまで減少していく。
【００３１】
永久磁石９がコイル８に対して平列に位置する配置と同一の配置を、電気機械（発動機又は発電機）の固定子１、回転子２、又は固定子及び回転子に使用することができるということを指摘しておくことが重要である。従って、上述の状態において磁石９の磁束を切り替えるため、永久磁石９を固定子１の内部だけではなく回転子２の内部にも配置することができる。このことは、本発明の提案以前にはなされてはいなかった事柄である。
【００３２】
一又は複数の固定子１、コイル８、永久磁石９（コイルと永久磁石とが相互に対向しかつ永久磁石がコイルに対して平列に位置する）及び一又は複数の鋼板回転子２を備えるハイブリッド型リラクタンス発動機と呼ばれる電気機械では、図１３に示すように、極の切り替えは、電子切り替え器（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ｃｏｍｍｕｔｅｒ）１０により、一又は複数の固定子１の内部において行なわれる。図１３に示すように、電子切り替え器１０は、符号化器１１と、固定子の極に対する回転子１２の極の位置センサと、電流センサ１３と、これらのパラメータを制御する図１４に詳細に示されているマイクロプロセッサとを備えている。
【００３３】
上述の図１３には、ａ）パルスカウンタブロック１４と、ｂ）エネルギー回収回路ブロック１５と、ｃ）ＤＣ可変電源１６を示すブロックとが示されている。
【００３４】
この電子切り替え器は、鋼板内に代えて回転子内に磁石を有している同様の発動機に対して適用することが可能である。固定子内及び回転子内にコイル及び磁石を備える発動機に関しては、固定子内及び回転子内において、同一の電子切り替え器により切り替えが行なわれる。
【００３５】
発動機が対応する回転子を有する複数の固定子を備えている場合（これらの回転子が一本の軸に取り付けられている）、Ｄ−Ｄに沿った断面図である図４に示すように、一つの固定子−回転子の全ての極内から次の固定子−回転子の全ての極内へと順次切り替えが行われる。図４では、回転子の極の位置が固定子の極へと進入し、一直線に並んでいる。
【００３６】
一度この動きが完了すると、固定子内及び回転子内の電流が停止され、次の固定子及び回転子、それに続く固定子及び回転子が切り替えられ、均一のペアが得られる。このように、本発動機は、コイル及び永久磁石を有する固定子と鋼板回転子とからなっているか、又はコイル及び永久磁石を有する固定子と磁石のみを有する回転子とからなっているか、又はコイル及び永久磁石を有する固定子とコイル及び永久磁石を有する回転子とからなっている。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図２に示す断面Ａ−Ａに対応する、本特許発明に係るハイブリッド型電気発動機の一つを示す略断面図である。
【図２】図１に示す断面Ｂ−Ｂに対応し、矢印Ａが環状体内の磁石の磁束を示す、本特許発明に係るハイブリッド型電気発動機の略断面図である。
【図３】矢印Ａが環状体内の磁石の磁束を示す、図１に示す断面Ｃ−Ｃに対応する断面図である。
【図４】矢印Ｂがトルクを発生させる空隙内の磁石の磁束及びコイルの磁束を示す、図１に示す断面Ｄ−Ｄに対応する断面図である。
【図５】有限要素法プログラムに基づき得られた第一の再現図である。
【図６】０度及び２８００ＡＴで励磁された発動機を示す、有限要素法プログラムに基づき得られた第二の再現図である。
【図７】５０００ＡＴで励磁された固定子を示す、有限要素法プログラムに基づき得られた第三の再現図である。
【図８】１０度及び２８００ＡＴで励磁された発動機を示す、有限要素法プログラムに基づき得られた第四の再現図である。
【図９】（ａ）が磁束線を示し、（ｂ）が磁束密度を示す、有限要素法プログラムに基づき得られた第五の再現図である。
【図１０】磁石を備える場合と磁石を備えない場合との電気発動機のトルク及び回転角を比較するグラフである。
【図１１】磁石を備えない状態におけるオシロスコープが示す他のグラフである。
【図１２】磁石を備える状態における図１１のグラフと類似するグラフである。
【図１３】本明細書に記載の発動機の制御装置を示す略図である。
【図１４】図１３に概略的に示された制御装置の一部であるマイクロコントローラの略図である。
【図１５】ａ）が“電力供給”を示し、ｂ）が“電力回復”を示し、ｃ）が“符号化器から”を示し、ｄ）が“高調波フィルタ”を示し、ｅ）が“発動機”を示し、ｆ）が“符号化器からマイクロコントローラへ”を示し、ｇ）が“オプトカップラ”を示す、発動機の動作に関連する配電盤を示す略図である。
【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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【国際調査報告】
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