(57)【要約】【課題】永久磁石機械のフェライト磁石の消磁を防止する。【解決手段】永久磁石機械は、ステータアセンブリおよびロータアセンブリを含み、トルクを発生するためにステータ磁場と相互作用する磁場を生成するために、複数のフェライト永久磁石がステータアセンブリまたはロータアセンブリ内に配置される。電気機械のコントローラは、ロータアセンブリがステータアセンブリに対して回転するように、ステータ磁場を生成するためにステータ巻線に主要な界磁電流を印加するようにプログラムされる。コントローラは、二次的な磁場を選択的に生成するために、ステータ巻線に二次的な電流を印加するようにさらにプログラムされ、二次的な磁場は、フェライト永久磁石を加熱するために、ステータアセンブリおよびロータアセンブリの少なくとも一方に渦電流を誘起する。【選択図】図１
2015084640.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータアセンブリ（５８）であって、
複数のステータ歯（４６、７６）を含むステータコア（７４）と、
交流によって励磁される場合にステータ磁場を生成するための、前記複数のステータ歯（４６、７６）に巻き付けられたステータ巻線（１８、５２、８２）と、を含むステータアセンブリ（５８）と、
前記ステータアセンブリ（５８）に対して回転するように構成され、エアギャップ（１５）によって前記ステータアセンブリ（５８）から分離されるロータアセンブリ（５６）と、
前記ステータアセンブリ（５８）または前記ロータアセンブリ（５６）の一方の中に配置され、トルクを発生するために前記ステータ磁場と相互作用する磁場を生成するように構成される複数のフェライト永久磁石（３２、５０、７２、９４）と、
コントローラ（２２）であって、
前記ロータアセンブリ（５６）が前記ステータアセンブリ（５８）に対して回転するように、前記ステータ磁場を生成するために前記ステータ巻線（１８、５２、８２）に主要な界磁電流を印加するようにプログラムされ、
二次的な磁場を選択的に生成するために前記ステータ巻線（１８、５２、８２）に二次的な電流を選択的に印加して、前記二次的な磁場が、前記複数のフェライト永久磁石（３２、５０、７２、９４）を加熱するために、前記ステータアセンブリ（５８）および前記ロータアセンブリ（５６）の少なくとも一方に渦電流を誘起するようにプログラムされるコントローラ（２２）と、を含む永久磁石機械（１０、４０、５４、８４、９０）。
【請求項２】
前記ロータアセンブリ（５６）は、電気伝導性材料で形成されるリング素子（９６）を含み、前記ステータ巻線（１８、５２、８２）に前記二次的な電流が印加されることに応答して、渦電流が前記リング素子（９６）に誘起される、請求項１に記載の永久磁石機械（１０、４０、５４、８４、９０）。
【請求項３】
前記リング素子（９６）は、前記ロータアセンブリ（５６）上に、またはその中に配置され、そのようにして、前記リング素子（９６）は、前記複数のフェライト永久磁石（３２、５０、７２、９４）に隣接して配置される、請求項２に記載の永久磁石機械（１０、４０、５４、８４、９０）。
【請求項４】
前記リング素子（９６）は、前記ステータアセンブリ（５８）に短絡するか、または外部抵抗性素子または誘導性素子を用いて前記ステータアセンブリ（５８）に接続される、請求項２に記載の永久磁石機械（１０、４０、５４、８４、９０）。
【請求項５】
前記ロータアセンブリ（５６）は、前記複数のフェライト永久磁石（３２、５０、７２、９４）に隣接して配置される磁気熱量素子（９８）を含み、前記磁気熱量素子（９８）は、磁場にさらされた場合に熱を発生させるように構成される、請求項１に記載の永久磁石機械（１０、４０、５４、８４、９０）。
【請求項６】
前記二次的な電流は前記主要な界磁電流の周波数より高い周波数を有し、前記二次的な電流の周波数値は１０Ｈｚの低い周波数に達する、請求項１に記載の永久磁石機械（１０、４０、５４、８４、９０）。
【請求項７】
前記二次的な電流は、動作電流波形の近傍の周波数であるが前記主要な界磁電流の前記周波数に等しくない周波数を有する脈動電流である、請求項１に記載の永久磁石機械（１０、４０、５４、８４、９０）。
【請求項８】
前記電気機械（１０）の前記複数のフェライト永久磁石（３２、５０、７２、９４）の温度をモニターするように構成される温度測定機構（２５）をさらに含み、前記温度測定機構（２５）は、前記ステータアセンブリ（５８）または前記ロータアセンブリ（５６）の少なくとも一方に配置される、請求項１に記載の永久磁石機械（１０、４０、５４、８４、９０）。
【請求項９】
前記コントローラ（２２）は、
前記電気機械（１０）の前記複数のフェライト永久磁石（３２、５０、７２、９４）の温度について、前記温度測定機構（２５）からフィードバックを受け取り、
前記測定された磁石温度を磁石温度のしきい値と比較し、
前記測定された磁石温度が前記磁石温度のしきい値より低い場合には、前記二次電流を前記ステータ巻線（１８、５２、８２）に印加するようにさらにプログラムされる、請求項８に記載の永久磁石機械（１０、４０、５４、８４、９０）。
【請求項１０】
前記コントローラ（２２）は、前記ステータ巻線（１８、５２、８２）に印加される前記二次電流を前記印加された主要な界磁電流に重畳させるようにプログラムされる、請求項１に記載の永久磁石機械（１０、４０、５４、８４、９０）。
【請求項１１】
前記コントローラ（２２）は、印加されている前記主要な界磁電流が存在しない場合には、前記二次電流を前記ステータ巻線（１８、５２、８２）に印加するようにプログラムされる、請求項１に記載の永久磁石機械（１０、４０、５４、８４、９０）。
【請求項１２】
フェライト永久磁石電気機械（１０、４０、５４、８４、９０）を加熱する方法であって、前記方法は、
複数のステータ歯（４６、７６）を含むステータコア（７４）と、
交流によって励磁された場合にステータ磁場を生成するための、前記複数のステータ歯（４６、７６）に巻き付けられたステータ巻線（１８、５２、８２）と、を含むステータアセンブリ（５８）を提供するステップと、
前記ステータアセンブリ（５８）に対して回転するように構成され、エアギャップ（１５）によって前記ステータコア（７４）から分離されるロータアセンブリ（５６）を提供するステップと、
トルクを発生するために前記ステータ磁場と相互作用する磁場を生成するように構成され、前記ステータアセンブリ（５８）または前記ロータアセンブリ（５６）のどちらかに配置される複数のフェライト永久磁石（３２、５０、７２、９４）を提供するステップと、
前記複数のフェライト永久磁石（３２、５０、７２、９４）の消磁を防止するために前記複数のフェライト永久磁石（３２、５０、７２、９４）を選択的に加熱するステップと、を含み、
前記複数のフェライト永久磁石（３２、５０、７２、９４）を選択的に加熱するステップは、
二次的な磁場を選択的に生成するために前記ステータ巻線（１８、５２、８２）に二次的な電流を印加することにより前記複数のフェライト永久磁石（３２、５０、７２、９４）を加熱するステップであって、前記二次的な磁場は、前記複数のフェライト永久磁石（３２、５０、７２、９４）を加熱するために前記ステータアセンブリ（５８）および前記ロータアセンブリ（５６）の少なくとも一方に渦電流を誘起するステップと、
前記ロータアセンブリ（５６）上に、またはその中に配置されるリング素子（９６）において渦電流を誘起することにより前記複数のフェライト永久磁石（３２、５０、７２、９４）を加熱するステップであって、前記リング素子（９６）に誘起される渦電流は前記リング素子（９６）を加熱するステップと、
前記複数のフェライト永久磁石（３２、５０、７２、９４）に隣接して配置される磁気熱量素子（９８）に磁場を印加することによって、前記複数のフェライト永久磁石（３２、５０、７２、９４）を加熱するステップであって、前記複数の磁気熱量素子（９８）は前記磁場にさらされた場合に加熱するステップと、のうちの１つまたは複数のステップを含む方法。
【請求項１３】
前記リング素子（９６）において渦電流を誘起することにより前記複数のフェライト永久磁石（３２、５０、７２、９４）を加熱するステップは、前記ステータ巻線（１８、５２、８２）に前記二次的な電流を印加することにより前記リング素子（９６）に渦電流を誘起するステップを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記ステータ巻線（１８、５２、８２）に前記二次的な電流を印加することにより前記複数のフェライト永久磁石（３２、５０、７２、９４）を加熱するステップは、前記電気機械の動作電流波形の周波数より高い周波数を有し、１０Ｈｚまでの低い周波数に及ぶ二次的な電流を印加するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記ステータ巻線（１８、５２、８２）に前記二次的な電流を印加することにより前記複数のフェライト永久磁石（３２、５０、７２、９４）を加熱するステップは、前記電気機械の動作電流波形の近傍の周波数であって前記動作電流波形の周波数に等しくない周波数を有する脈動電流を印加するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記フェライト永久磁石（３２、５０、７２、９４）電気機械の温度を測定するステップと、
前記測定された磁石温度を磁石温度のしきい値と比較するステップと、
前記測定された磁石温度が前記磁石温度のしきい値より低い場合には、前記複数のフェライト永久磁石（３２、５０、７２、９４）の消磁を防止するために前記複数のフェライト永久磁石（３２、５０、７２、９４）を選択的に加熱するステップと、をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
ステータアセンブリ（５８）であって、
複数のステータ歯（４６、７６）を含むステータコア（７４）と、
交流によって励磁された場合にステータ磁場を生成するための、前記複数のステータ歯（４６、７６）に巻き付けられたステータ巻線（１８、５２、８２）と、を含むステータアセンブリ（５８）と、
前記ステータアセンブリ（５８）によって規定されるキャビティ（７８）内に配置され、前記ステータアセンブリ（５８）に対して回転するように構成され、エアギャップ（１５）によって前記ステータコア（７４）から分離されるロータアセンブリ（５６）と、
前記ロータアセンブリ（５６）に配置され、トルクを発生するために前記ステータ磁場と相互作用する磁場を生成するように構成される複数のフェライト永久磁石（３２、５０、７２、９４）と、
前記複数のフェライト永久磁石（３２、５０、７２、９４）に予熱を提供するように構成される発熱素子と、を含み、前記発熱素子は、
電気伝導性材料で形成され、前記ロータアセンブリ（５６）上に、またはその中に配置されるリング素子（９６）であって、前記リング素子（９６）を加熱するために、前記ステータ巻線（１８、５２、８２）に脈動電流が印加されることに応答して、渦電流が前記リング素子（９６）に誘起される、リング素子（９６）と、
前記複数のフェライト永久磁石（３２、５０、７２、９４）に隣接して配置され、磁場にさらされた場合に熱を発生させるように構成される複数の磁気熱量素子（９８）と、のうちの一方を含む、内部永久磁石機械（５４、８４、９０）。
【請求項１８】
コントローラ（２２）をさらに含み、前記コントローラ（２２）は、
前記ステータ磁場を生成するために前記ステータ巻線（１８、５２、８２）に主要な電流を印加して、前記ロータアセンブリ（５６）が前記ステータアセンブリ（５８）に対して回転するようにプログラムされ、
二次的な磁場を選択的に生成するために前記ステータ巻線（１８、５２、８２）に二次的な電流を選択的に印加して、前記二次的な磁場が、前記複数のフェライト永久磁石（３２、５０、７２、９４）を加熱するために、前記ロータアセンブリ（５６）に渦電流を誘起するようにプログラムされる、請求項１７に記載の内部永久磁石機械（５４、８４、９０）。
【請求項１９】
前記二次的な電流は、前記主要な電流の周波数より高い周波数を有し、６０Ｈｚの低い周波数に達する高周波交流のうちの１つを含む、請求項１８に記載の内部永久磁石機械（５４、８４、９０）。
【請求項２０】
前記リング素子（９６）および前記磁気熱量素子（９８）のうちの前記一方において生成された前記熱は、加熱を提供するために、前記複数のフェライト永久磁石（３２、５０、７２、９４）へ伝導される、請求項１７に記載の内部永久磁石機械（５４、８４、９０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は一般的には電気機械に関し、特にフェライト永久磁石を含む永久磁石電気機械であって、フェライト永久磁石の消磁を防止するために電気機械のステータおよび／またはロータが加熱される永久磁石電気機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な産業における電気機械の使用は、時間とともに多くの工業、商業、および運輸業においてより広く普及し続けている。電気機械の高い性能を実現するために、永久磁石（ＰＭ）材料を用いる選択は多くの用途についてますます一般的になっている。このような機械において、ＰＭは従来の設計における電磁石を置き換えることができ、あるいは、ＰＭの性質および特性の最良の使用をするために新しいトポロジーを開発することができる。
【０００３】
開発された１つのＰＭ電気機械トポロジーは「ステータ永久磁石機械」と呼ばれ、それは機械のＰＭがステータに配置されるように設計される電気機械である。したがって、ステータ永久磁石機械は、これらに限らないが、永久磁石フラックススイッチング機械、永久磁石フラックス反転機械、および２重突出永久磁石機械に関連することができる。開発された別のＰＭ電気機械トポロジーは「内部永久磁石（ＩＰＭ）機械」と呼ばれ、それは機械のＰＭがロータの複数の積層内に埋め込まれるように設計される電気機械である。したがって、ＩＰＭ機械は、航空機、自動車、および工業的使用を含む様々な用途で広く用いられるＩＰＭモーターまたは発電機に関連することができる。
【０００４】
ＰＭ電気機械を構築し動作させる際に考慮される１つの問題は、ＰＭの消磁である。用いられるＰＭのタイプによるが、電気機械が極めて高い温度または極めて低い温度にさらされる場合に、ＰＭの消磁が発生するおそれがある。例えば、ＰＭが希土類磁石である場合には、ＰＭを極めて高い温度にさらすことにより、ＰＭがより消磁されやすくなるおそれがある。逆に、ＰＭがフェライト磁石である場合には、ＰＭを低温（例えば、−４０°〜６０℃）にさらすことにより、ＰＭがより消磁されやすくなるおそれがある。
【０００５】
ＰＭ電気機械においてフェライト磁石の使用が希土類磁石の使用と比較してコストを削減することができると認識される。したがって、このようなＰＭ電気機械ではフェライト磁石の使用が望ましいものとなり得る。フェライト磁石は、より低い温度では希土類磁石と比較して消磁されやすいが、より高い温度では希土類磁石よりも消磁されにくい。したがって、低温でフェライト磁石の消磁を防止するための解決策を提供することができれば、フェライト磁石ＰＭ機械は希土類磁石ＰＭ機械に対する望ましい代替物となり得る。
【０００６】
したがって、ＰＭ機械のフェライト磁石の消磁を防止するためのシステムおよび方法を提供することが望ましい。広範囲の周囲温度で使用可能であり、改善された耐食性および改善された安定性を示すフェライト磁石ＰＭ機械を提供することはさらに望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１２／０２９９４０９号明細書
【発明の概要】
【０００８】
本発明の一態様によれば、永久磁石機械は、複数のステータ歯を含むステータコアと、交流によって励磁される場合にステータ磁場を生成するための、複数のステータ歯に巻き付けられたステータ巻線と、を有するステータアセンブリを含む。また、永久磁石機械は、ステータアセンブリに対して回転するように構成され、エアギャップによってステータアセンブリから分離されるロータアセンブリと、ステータアセンブリまたはロータアセンブリの一方の中に配置され、トルクを発生するためにステータ磁場と相互作用する磁場を生成するように構成される複数のフェライト永久磁石と、コントローラであって、ロータアセンブリがステータアセンブリに対して回転するように、ステータ磁場を生成するためにステータ巻線に主要な界磁電流を印加するようにプログラムされ、二次的な磁場を選択的に生成するためにステータ巻線に二次的な電流を選択的に印加して、二次的な磁場が、複数のフェライト永久磁石を加熱するために、ステータアセンブリおよびロータアセンブリの少なくとも一方に渦電流を誘起するようにプログラムされるコントローラと、を含む。
【０００９】
本発明の別の態様によれば、フェライト永久磁石電気機械を加熱する方法は、複数のステータ歯を含むステータコアと、交流によって励磁された場合にステータ磁場を生成するための、複数のステータ歯に巻き付けられたステータ巻線と、を含むステータアセンブリを提供するステップと、ステータアセンブリに対して回転するように構成され、エアギャップによってステータコアから分離されるロータアセンブリを提供するステップと、トルクを発生するためにステータ磁場と相互作用する磁場を生成するように構成され、ステータアセンブリまたはロータアセンブリのどちらかに配置される複数のフェライト永久磁石を提供するステップと、を含む。また、本方法は、複数のフェライト永久磁石の消磁を防止するために複数のフェライト永久磁石を選択的に加熱するステップを含み、複数のフェライト永久磁石を選択的に加熱するステップは、二次的な磁場を選択的に生成するためにステータ巻線に二次的な電流を印加して、複数のフェライト永久磁石を加熱するためにステータアセンブリおよびロータアセンブリの少なくとも一方に渦電流を誘起することにより複数のフェライト永久磁石を加熱するステップと、ロータアセンブリ上に、またはその中に配置されるリング素子において渦電流を誘起してリング素子を加熱することにより、複数のフェライト永久磁石を加熱するステップと、複数のフェライト永久磁石に隣接して配置される磁気熱量素子に磁場を印加することによって、複数のフェライト永久磁石を加熱するステップであって、複数の磁気熱量素子は磁場にさらされた場合に加熱するステップと、のうちの１つまたは複数のステップを含む。
【００１０】
本発明のさらに別の態様によれば、内部永久磁石機械は、複数のステータ歯を含むステータコアと、交流によって励磁された場合にステータ磁場を生成するための、複数のステータ歯に巻き付けられたステータ巻線と、を含むステータアセンブリを含む。また、内部永久磁石機械は、ステータアセンブリによって規定されるキャビティ内に配置され、エアギャップによってステータコアから分離されてステータアセンブリに対して回転するように構成されるロータアセンブリと、ロータアセンブリに配置され、トルクを発生するためにステータ磁場と相互作用する磁場を生成するように構成される複数のフェライト永久磁石と、複数のフェライト永久磁石に予熱を提供するように構成される発熱素子と、を含む。発熱素子は、電気伝導性材料で形成され、ロータアセンブリ上に、またはその中に配置されるリング素子であって、リング素子を加熱するために、ステータ巻線に脈動電流が印加されることに応答して、渦電流がリング素子に誘起される、リング素子と、複数のフェライト永久磁石に隣接して配置され、磁場にさらされた場合に熱を発生させるように構成される複数の磁気熱量素子と、のうちの一方を含む。
【００１１】
様々な他の特徴および利点は、以下の詳細な説明および図面から明らかになろう。
【００１２】
図面は、本発明を実施するために現在考えられる好適な実施形態を示す。
【００１３】
図面の説明は以下の通りである。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態による永久磁石機械の図である。
【図２】本発明の実施形態による永久磁石機械の図である。
【図３】本発明の実施形態によるフラックススイッチング永久磁石機械の模式図である。
【図４】本発明の実施形態によるスポークロータ永久磁石機械の模式図である。
【図５】本発明の実施形態による表面永久磁石機械の模式図である。
【図６】本発明の実施形態による内部永久磁石（ＩＰＭ）機械の一部の模式図である。
【図７】本発明の実施形態による内部永久磁石（ＩＰＭ）機械の一部の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施形態は、フェライト永久磁石を含む永久磁石電気機械であって、フェライト永久磁石の消磁を防止するために電気機械のステータおよび／またはロータが加熱される永久磁石電気機械に関する。本発明の実施形態によれば、フェライト永久磁石の加熱を実現するために、様々な制御方式および／または構成要素が用いられる。このような制御方式および／または構成要素は、ステータ永久磁石機械および内部永久磁石機械の両方で用いることができる。さらに、このような制御方式および／または構成要素は、ロータがステータの内部に配置される「内部電気機械」、またはロータがステータの中に配置される「外部電気機械」または「インサイドアウト電気機械」の両方で用いることができる。
【００１６】
図１および図２に、本発明の実施形態から利益を得ることができる典型的な電気機械１０を示す。電気機械１０は、ロータ１４を半径方向に取り囲み、ロータ１４に沿って軸方向に延長するステータ１２（例えば、積層１３で形成される積層された鉄のステータ）を含み、ステータ１２とロータ１４との間にはエアギャップ１５が存在する。ステータ１２は、複数のステータポール１６をさらに含み、各ステータポール１６は半径方向に対向するステータポールとステータポール対を形成する。ステータポール対１６ａおよび１６ｂは、コントローラ２２によって制御可能である電源２０（例えば、制御されたＡＣ電源）を介して従来の方法で駆動することができる位相巻線１８が巻き付けられる。別々の位相巻線１８が、他のステータポール１６にも同様に含まれる。本発明の実施形態によれば、後でより詳しく述べるように、電気機械１０のステータおよび／またはロータの加熱を可能にするために、付加的な電源２４が位相巻線１８に別々の電流を提供するために用いられる。さらにまた、電気機械（すなわち、後述するように、機械の永久磁石）の温度をモニターするように構成される、例えば熱電対などの温度測定デバイスまたはセンサー２５が電気機械１０に含まれてもよく、温度センサー２５は、図１に擬似的に示すように、ステータアセンブリまたはロータアセンブリの少なくとも一方に配置される。
【００１７】
図１に示すように、ロータ１４は複数の突出したポール片２６を有する突出したロータとして形成されるが、ロータは代替的構造（例えば、丸いロータ）を有してもよいことが認識される。一実施形態によれば、図２で提供されるロータ１４の図で分かるように、ロータ１４は一体の積層２８のスタックで構築されるが、ロータコアが単一片として形成されてもよいことが認識される。例えば、コアが鋼から機械加工されるか、あるいは焼結された磁性材料から形成される。ロータ１４は、突出した磁極として働く複数の突起／歯２６を含む。ロータ１４の中央部分は、ドライブシャフト３０が挿入され得るロータ孔を含み、ロータ１４はその周りに回転することができる。
【００１８】
本発明の実施形態によれば、電気機械の正確な構造は、多くの形式のうちの１つを取ることができる。例えば、電気機械は、ステータに埋め込まれたフェライト永久磁石３２（擬似的に示す）を含むステータ永久磁石機械（例えば、永久磁石フラックススイッチング機械、永久磁石フラックス反転機械、または２重突出永久磁石機械）として構成することができる。このようなステータ永久磁石機械では、巻線１８の電流はフェライト磁石３２と関係する磁場と相互作用してロータ１４を回転させる。電気機械は、その代わりに、ロータに固定された、またはそれに埋め込まれたフェライト永久磁石３２（擬似的に示す）を含む内部永久磁石（ＩＰＭ）機械（例えば、スポークロータ永久磁石機械）として構成されてもよい。このようなＩＰＭ機械では、巻線１８の電流はフェライト磁石３２と関係する磁場と相互作用してロータ１４を回転させる。
【００１９】
本発明の実施形態により実施することができる様々なフェライト永久磁石電気機械のより具体的な実施例を図３〜図７に示す。図３〜図７の永久磁石電気機械の各々では、ステータおよび／またはロータは、低温でフェライト永久磁石の消磁を防止するために加熱され、フェライト永久磁石の加熱を実現するために、機械の制御方式および／または構成要素が用いられる。
【００２０】
最初に図３に、本発明の実施形態によるフラックススイッチング永久磁石機械４０の模式的な平面図を示す。フラックススイッチング永久磁石機械４０では、ステータ４２はロータ４４に対して配置されて示され、ステータ４２およびロータ４４はそれぞれの歯４６、４８を有する。永久磁石５０は、ステータ積層４２のそれぞれの歯に埋め込まれる。ロータ４４およびステータ４２は異なる数の歯を有し、したがって、ステータ４２に対してロータ４４がいかなる方向であっても、複数のロータ歯のうちのある１つは最も近いステータ歯に対してオフセットしている。交流がステータ巻線５２を流れると、変化する磁場が生成され、永久磁石５０から生じる固定磁場に重畳される。結果として生じる複合磁場は時間とともに変化し、それがステータ歯４６に対してロータ歯４８をリラクタンスが最小となる位置に持ってこようとするので、ロータ４４をステータ４２内で回転させる。
【００２１】
図４に、分割型スポークロータ永久磁石機械として構成される、ロータアセンブリ５６およびステータアセンブリ５８を含む内部永久磁石（ＩＰＭ）機械５４を示す。ロータアセンブリ５６は、ロータシャフト６２に配置されるロータコア６０を含み、ロータコア６０はＩＰＭ機械５４の縦軸の周りを回転するように構成される。シャフト６２はメインシャフト本体６６に形成される複数の突起６４を有するように構築され、突起６４はメインシャフト本体６６の周りに円周方向に、およびメインシャフト本体６６の軸方向の長さに沿って形成される。
【００２２】
図４に示すように、ロータコア６０は、複数の別々の突出したロータポール６８から形成される分割型ロータとして構築される。ロータポール６８の各々は、それぞれの突起６４に配置される積層のスタック（図示せず）から形成される。ロータポール６８を形成する積層のスタックはシャフト６２の周りに円周方向に配置され（すなわち、ぴったりとはめ込まれ）、そのようにして、極間ギャップ７０（すなわち、ぴったりとはめ込まれた凹部）が隣接するロータポール６８間に形成される。永久磁石７２は極間ギャップ７０に配置され、永久磁石７２はロータ５６とステータ５８との間のエアギャップにおいて半径方向の磁場を生成する。永久磁石７２によって生成された磁場は、ステータ磁場とさらに相互作用して、トルクを発生する。
【００２３】
ＩＰＭ機械１０のステータアセンブリ５８は、ステータコア７４の中心にキャビティ７８を形成するように円周方向に配置される複数のステータ歯７６を有するステータコア７４を含む。ステータアセンブリ５８は磁場を生成し、キャビティ７８を規定する内部表面を伴って縦軸に沿って延長する。ロータアセンブリ５６は、上記のように、ステータコア４０によって規定されるキャビティ７８内に配置される。ステータアセンブリ５８は、歯７６に巻き付けられる分布巻線８２を受け取るためのステータスロット８０を含む。巻線８２は、例えば、銅コイルとして形成することができ、ＡＣ電流によって励磁されると、エアギャップにおいてほとんど正弦波の回転磁界を生じるように機能することができる。
【００２４】
次に図５〜図７には、概して丸いロータ（すなわち、その上に突出したロータポールがない）を組み込む付加的なＩＰＭ機械を示す。図５は、外部表面８９に固定された／埋め込まれた表面永久磁石８８（ＳＰＭ）を有するロータ８６を有するＩＰＭ機械８４を示す。図６および図７は、ロータ（すなわち、ロータ積層のスタック内）に埋め込まれた永久磁石９４を有するロータ９２を有するＩＰＭ機械９０の一部をそれぞれ示す。図６は、Ｕ字型パターンおよびＶ字型パターンで埋め込まれたフェライト永久磁石９４を有するロータ９２を示し、図７は、Ｖ字型パターンで埋め込まれたフェライト永久磁石９４を有するロータ９２を示す。
【００２５】
図３〜図７は、本発明の実施形態を組み込むことから利益を得ることができる電気機械の実施例を単に例示するものであることが認識される。すなわち、本発明の実施形態は、複数の異なるタイプのフェライト永久磁石電気機械で実施することができる。このように、本発明の実施形態は、図３〜図７に示して説明した電気機械のタイプだけに限定されるものではない。
【００２６】
本発明の例示的実施形態によれば、図１〜図７に示す永久磁石電気機械の各々は、低温で発生するおそれがあるフェライト永久磁石の消磁を防止するために、そのステータおよび／またはロータを加熱することができる。すなわち、例えば機械の始動の際に存在するかもしれないが、フェライトＰＭを低温（例えば、−４０°〜６０℃）にさらすことによって、ＰＭがより消磁されやすくなるおそれがあると認識される。したがって、本発明の実施形態は、フェライト永久磁石の加熱を実現するために用いられる機械の制御方式および／または構成要素を提供し、このような加熱は、電気機械の通常動作の前に、および／または電気機械の初期動作の間に磁石を「予熱する」ために望ましいことである。
【００２７】
図１に戻って、本発明の一実施形態によれば、コントローラ２２は、フェライト永久磁石３２を加熱するために電気機械１０において熱を発生させるようにプログラムされ、それは、電気機械のタイプに応じて、ステータ１２またはロータ１４のいずれかに含まれてもよい。この熱を発生するために、コントローラ２２は、複数のフェライト永久磁石３２を加熱するのに役立つ渦電流を誘起するように構成される二次的な磁場を選択的に生成するために、電源２４が二次的な電流をステータ巻線１８に印加させるようにプログラムされる。電源２４によって印加される二次的な電流は、ロータ１４をステータ１２に対して回転させるステータ磁場を生成する電源２０によってステータ巻線１８に印加される主要な界磁電流から分離される（それの代わりに、または、それと結合して印加される）。すなわち、ステータ巻線１８に印加される二次的な電流は、印加された主要な界磁電流に重畳されてもよいし、または印加されている主要な界磁電流が存在しない場合には、ステータ巻線１８に印加されてもよい。
【００２８】
一実施形態によれば、電源２４によって巻線１８に印加される二次的な電流は、ステータ１２の主要な界磁電流波形の近傍の（しかし主要な界磁電流に等しくない）周波数を有する交流波形であり、二次的な電流はステータ１２の脈動界磁を準備する。これは、ステータとロータとの間のエアギャップ１５において、ならびにステータ１２および／またはロータ１４において磁場を生成し、その磁場は、熱を発生させるために、ステータ／ロータ積層１３、２８およびステータもしくはロータに位置するフェライト永久磁石３２において渦電流を誘起する。
【００２９】
別の実施形態によれば、電源２４により巻線１８に印加される二次的な電流は、高周波電流である（例えば１０Ｈｚであり、主要な電流の周波数より高い）。高周波の二次的な電流は、渦電流を誘起するために、ステータ／ロータ積層１３、２８および／またはフェライト永久磁石３２と相互作用することができる磁場を生成する。これらの渦電流は、ステータ１２および／またはロータ１４において、フェライト永久磁石３２へ伝導する熱を発生させる。
【００３０】
本発明の別の実施形態によれば、そして例として図４を参照すると、フェライト永久磁石７２の加熱を促進するために、別個の構成要素が永久磁石機械５４に含まれる。その構成要素は、リングを形成するために互いに溶接されまたはろう付けされた電気伝導性材料（例えば、アルミニウム、銅、または銅合金）で形成されるリング素子９６の形であり、ステータ巻線８２に二次的な電流が印加されることに応答して、渦電流がリング素子９６に誘起される。図４に示すように、リング素子９６がステータ５８とロータ５６との間のエアギャップに隣接して配置されるように、リング素子９６はロータアセンブリ５６の外部表面に配置される。しかし、本発明の別の実施形態によれば、その代わりにリング素子９６はロータによって規定される開口（すなわち、ロータ積層に形成される開口）に配置されてもよいことが認識される。本発明の実施形態によれば、リング素子９６は、ステータ５８に短絡してもよく、または外部抵抗性素子もしくは誘導性素子を用いて接続されてもよい。上述し図４に示したリング素子９６は、誘導モーターで見いだすかもしれない鳥かご状ロータのエンドリングと混同しないように留意されたい。リング素子９６はこのようなエンドリングとは異なる構成要素であり、リング素子９６は、ステータ巻線８２に二次的な電流が印加されることに応答して、そこに渦電流が誘起されるように機能するからである。
【００３１】
動作中に、リング素子９６をステータ５８の脈動電流によって加熱することができる。すなわち、ステータに脈動電流が存在すると、リング素子９６に渦電流が誘起される。これらの脈動電流は、電気機械５４と関係するコントローラ（例えば、図１のコントローラ２２）によって生成され、コントローラは、電源が制御された二次電流をステータ巻線８２に印加させるようにプログラムされている。誘起された渦電流によってリング素子９６に発生する熱は、フェライト永久磁石７２に伝導し、それを加熱する。
【００３２】
リング素子９６は、図４のスポークロータＩＰＭ機械５４について示しているが、リング素子９６は、フェライト永久磁石を加熱するために、様々な構造の様々なＩＰＭ機械に含まれてもよいことが認識される。リング素子から永久磁石への熱伝導の速度および効率を改良するために、リング素子９６は、永久磁石に近接するように、ロータに、またはその上に形成／配置することができる。
【００３３】
本発明の別の実施形態によれば、そして例として図６および図７を参照すると、フェライト永久磁石の加熱を促進するために、別個の構成要素が永久磁石機械９０に含まれる。構成要素９０は、磁場にさらされると熱を発生する磁気熱量材料（例えば、ガドリニウム、ゲルマニウム、およびシリコンの合金）で形成される素子９８の形である。図６および図７に示すように、磁気熱量素子９８は、例えばロータ積層スタックに存在する開口／エアポケットなどのロータ９２内に配置され、そのようにして、磁気熱量素子９８はフェライト永久磁石９４に近接して、またはそれに隣接して配置される。
【００３４】
動作中に、ＤＣまたは脈動電流でステータを励磁することによって、磁気熱量素子９８を加熱することができる。すなわち、電気機械９０と関係するコントローラ（例えば、図１のコントローラ２２）は、磁気熱量素子９８がさらされる磁場を生成するために、電源が制御された二次電流をステータ巻線に印加させるようにし、それによって、磁気熱量素子９８を加熱する。磁場によって磁気熱量素子９８に発生する熱は、フェライト永久磁石９４に伝導し、それを加熱する。
【００３５】
磁気熱量素子９８は、図６および図７のＩＰＭ機械９０について示しているが、磁気熱量素子９８は、フェライト永久磁石を加熱するために、ステータ永久磁石機械およびＩＰＭ機械を含む様々な構造の様々な永久磁石機械に含まれてもよいことが認識される。磁気熱量素子から永久磁石への熱伝導の速度および効率を改良するために、磁気熱量素子９８は、永久磁石に近接するように、ステータまたはロータに配置することができる。
【００３６】
ここで図１に戻ると、フェライト永久磁石３２の加熱は、電気機械１０の条件によって決定されるように選択的に実行することができると認識される。すなわち、上述したように、電気機械１０が例えば、−４０°〜６０℃の動作温度である場合に、フェライト永久磁石３２の加熱はフェライト永久磁石３２の消磁を防止するために望ましいものとなり得る。このような温度は、電気機械１０の機械始動の際に存在する可能性があり、したがって、電気機械の通常動作の前に、および／または電気機械の初期動作の間に、フェライト永久磁石３２を「予熱する」ために、電気機械において選択的に熱を発生できることが望ましい。
【００３７】
電気機械１０（すなわち、フェライト永久磁石３２）の予熱がいつ必要となるか／要求されるかを決定するために、例えば熱電対２５などの温度測定デバイスまたは機構は、コントローラ２２と有効に通信し、電気機械１０のステータ１２および／またはロータ１４の、すなわち永久磁石３２の温度についてフィードバックをそれに提供する。コントローラ２２は、電気機械１０の温度について熱電対２５からフィードバックを受け取り、可能性がある消磁を防止するためにフェライト永久磁石３２の予熱が要求されるかどうかを決定するために、測定された温度をしきい値温度設定と比較するようにプログラムされる。しきい値温度設定は、例えば６０℃に設定することができる。測定温度がしきい値温度より低い場合には、コントローラ２２は、二次的な磁場を生成するために、二次的な電流をステータ巻線１８に（電源２４によって）印加し、それによって、複数のフェライト永久磁石３２を加熱するために、ステータ１２およびロータアセンブリ１４の少なくとも一方に渦電流を誘起させる。本発明の実施形態によれば、永久磁石３２を予熱するために、全負荷界磁電流を電気機械１０に印加する２、３ミリ秒から２、３秒前に、二次的な電流を印加することができる。それから、電気機械１０の始動のために主要な界磁電流を印加することができ、二次的な電流は、例えば測定温度が最小しきい値温度より高くなって一定期間の後にオフされるまで印加され続ける。
【００３８】
ロータがステータの内側に配置される様々な「内部電気機械」について、本発明の例示的実施形態を上で説明しているが、本発明のさらなる実施形態は、ロータがステータの周りに配置される「外部電気機械」または「インサイドアウト電気機械」を対象とすることができ、このような電気機械もまた本発明の範囲内であるとみなされることが認識される。このような実施形態では、永久磁石を有するロータは、例えば洗濯機モーターで典型的に見られるように、巻線を含むステータの外部にあってもよい。
【００３９】
有益に、本発明の実施形態は、このように電気機械のフェライト永久磁石の消磁を防止するために、フェライト永久磁石を加熱するためのシステムおよび方法を提供する。フェライト永久磁石を加熱するために、制御方式および／または構成要素が実施され、制御方式および／または構成要素は、ステータ永久磁石機械および内部永久磁石機械の両方で用いることができる。制御方式および構成要素は、フェライト永久磁石電気機械を広範囲にわたる周囲温度で使用できるようにし、耐食性を改善し、安定性を改善する。
【００４０】
したがって、本発明の一実施形態によれば、永久磁石機械は、複数のステータ歯を含むステータコアと、交流によって励磁される場合にステータ磁場を生成するための、複数のステータ歯に巻き付けられたステータ巻線と、を有するステータアセンブリを含む。また、永久磁石機械は、ステータアセンブリに対して回転するように構成され、エアギャップによってステータアセンブリから分離されるロータアセンブリと、ステータアセンブリまたはロータアセンブリの一方の中に配置され、トルクを発生するためにステータ磁場と相互作用する磁場を生成するように構成される複数のフェライト永久磁石と、コントローラであって、ロータアセンブリがステータアセンブリに対して回転するように、ステータ磁場を生成するためにステータ巻線に主要な界磁電流を印加するようにプログラムされ、二次的な磁場を選択的に生成するためにステータ巻線に二次的な電流を選択的に印加して、二次的な磁場が、複数のフェライト永久磁石を加熱するために、ステータアセンブリおよびロータアセンブリの少なくとも一方に渦電流を誘起するようにプログラムされるコントローラと、を含む。
【００４１】
本発明の別の実施形態によれば、フェライト永久磁石電気機械を加熱する方法は、複数のステータ歯を含むステータコアと、交流によって励磁された場合にステータ磁場を生成するための、複数のステータ歯に巻き付けられたステータ巻線と、を含むステータアセンブリを提供するステップと、ステータアセンブリに対して回転するように構成され、エアギャップによってステータコアから分離されるロータアセンブリを提供するステップと、トルクを発生するためにステータ磁場と相互作用する磁場を生成するように構成され、ステータアセンブリまたはロータアセンブリのどちらかに配置される複数のフェライト永久磁石を提供するステップと、を含む。また、本方法は、複数のフェライト永久磁石の消磁を防止するために複数のフェライト永久磁石を選択的に加熱するステップを含み、複数のフェライト永久磁石を選択的に加熱するステップは、二次的な磁場を選択的に生成するためにステータ巻線に二次的な電流を印加して、複数のフェライト永久磁石を加熱するためにステータアセンブリおよびロータアセンブリの少なくとも一方に渦電流を誘起することにより複数のフェライト永久磁石を加熱するステップと、ロータアセンブリ上に、またはその中に配置されるリング素子において渦電流を誘起してリング素子を加熱することにより、複数のフェライト永久磁石を加熱するステップと、複数のフェライト永久磁石に隣接して配置される磁気熱量素子に磁場を印加することによって、複数のフェライト永久磁石を加熱するステップであって、複数の磁気熱量素子は磁場にさらされた場合に加熱するステップと、のうちの１つまたは複数のステップを含む。
【００４２】
本発明のさらに別の実施形態によれば、内部永久磁石機械は、複数のステータ歯を含むステータコアと、交流によって励磁された場合にステータ磁場を生成するための、複数のステータ歯に巻き付けられたステータ巻線と、を含むステータアセンブリを含む。また、内部永久磁石機械は、ステータアセンブリによって規定されるキャビティ内に配置され、エアギャップによってステータコアから分離されてステータアセンブリに対して回転するように構成されるロータアセンブリと、ロータアセンブリに配置され、トルクを発生するためにステータ磁場と相互作用する磁場を生成するように構成される複数のフェライト永久磁石と、複数のフェライト永久磁石に予熱を提供するように構成される発熱素子と、を含む。発熱素子は、電気伝導性材料で形成され、ロータアセンブリ上に、またはその中に配置されるリング素子であって、リング素子を加熱するために、ステータ巻線に脈動電流が印加されることに応答して、渦電流がリング素子に誘起される、リング素子と、複数のフェライト永久磁石に隣接して配置され、磁場にさらされた場合に熱を発生させるように構成される複数の磁気熱量素子と、のうちの一方を含む。
【００４３】
この明細書は、本発明を開示するために実施例を用いており、最良の形態を含んでいる。また、いかなる当業者も本発明を実施することができるように実施例を用いており、任意のデバイスまたはシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含んでいる。本発明の特許され得る範囲は、請求項によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例が請求項の文字通りの言葉と異ならない構造要素を有する場合、または、それらが請求項の文字通りの言葉と実質的な差異がなく等価な構造要素を含む場合には、このような他の実施例は特許請求の範囲内であることを意図している。
【符号の説明】
【００４４】
１０  電気機械
１２  ステータ
１３  積層
１４  ロータ
１５  エアギャップ
１６  ステータポール
１８  位相巻線（ステータ巻線）
２０  電源
２２  コントローラ
２４  電源
２５  温度センサー
２６  ポール片（突起／歯）
２８  積層
３０  ドライブシャフト
３２  フェライト永久磁石
４０  フラックススイッチング永久磁石機械
４２  ステータ
４４  ロータ
４６  ステータ歯
４８  ロータ歯
５０  永久磁石
５２  ステータ巻線
５４  内部永久磁石（ＩＰＭ）機械
５６  ロータアセンブリ
５８  ステータアセンブリ
６０  ロータコア
６２  ロータシャフト
６４  突起
６６  メインシャフト本体
６８  ロータポール
７０  極間ギャップ
７２  フェライト永久磁石
７４  ステータコア
７６  ステータ歯
７８  キャビティ
８０  ステータスロット
８２  ステータ巻線
８４  ＩＰＭ機械
８６  ロータ
８８  表面永久磁石
８９  外部表面
９０  ＩＰＭ機械
９２  ロータ
９４  フェライト永久磁石
９６  リング素子
９８  磁気熱量素子
【図１】
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【図２】
2015084640.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2015084640.tif 000007
【図６】
2015084640.tif 000008
【図７】
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