(57)【要約】  本発明の一実施例によれば、電気機械が固定子と回転子とを有する。固定子は、第一の脚と第二の脚を備えた、少なくとも１つの固定子極を有する。回転子は、少なくとも１つの回転子極を有する。回転子は、固定子に対して回転する。少なくとも１つの回転子極は、少なくとも１つの固定子極の第一の脚と第二の脚の間で回転するように構成される。
2008537472.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの固定子極を備えた固定子と、
少なくとも１つの回転子極を備えた回転子と、を有し、
前記少なくとも１つの固定子極は、第一の脚と、第二の脚とを有し、
前記回転子は、前記固定子に対して回転し、
前記少なくとも１つの回転子極は、前記少なくとも１つの固定子極の前記第一の脚と前記第二の脚の間で回転するように構成される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項２】
請求項１記載の電気機械であって、
前記少なくとも１つの固定子極はＵ字形状である、ことを特徴とする電気機械。
【請求項３】
請求項１記載の電気機械であって、
前記少なくとも１つの回転子極は強磁性材料から成る羽根状部材である、ことを特徴とする電気機械。
【請求項４】
電動機であることを特徴とする請求項１記載の電気機械。
【請求項５】
切替式反作用電動機であることを特徴とする請求項４記載の電気機械。
【請求項６】
発電機であることを特徴とする請求項１記載の電気機械。
【請求項７】
請求項１記載の電気機械であって、
前記少なくとも１つの回転子極及び前記少なくとも１つの固定子極は、前記少なくとも１つの回転子極が前記少なくとも１つの固定子極の前記第一の脚と前記第二の脚の間を回転したときに、前記少なくとも１つの回転子極上に生じた磁束が前記少なくとも１つの固定子極の前記第一の脚から前記少なくとも１つの固定子極を通って前記第二の脚へ流れるように構成される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項８】
請求項７記載の電気機械であって、
前記少なくとも１つの固定子極及び前記少なくとも１つの回転子極は、前記磁束が前記回転子の内部を横断しないように構成される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項９】
請求項８記載の電気機械であって、
前記回転子の内部は圧縮機である、ことを特徴とする電気機械。
【請求項１０】
請求項８記載の電気機械であって、
前記回転子の内部は拡張機である、ことを特徴とする電気機械。
【請求項１１】
請求項７記載の電気機械であって、
前記少なくとも１つの固定子極上に配置された少なくとも１つのコイルを更に有し、
前記少なくとも１つのコイルは、該少なくとも１つのコイルが作動すると前記磁束が生じるように構成される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項１２】
請求項１１記載の電気機械であって、
前記電気機械の内部部分と外部部分とを隔てるケースを更に有し、
前記少なくとも１つのコイルは前記ケースの外表面上に配置される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項１３】
請求項７記載の電気機械であって、
前記少なくとも１つの固定子極上に配置された少なくとも２つのコイルを更に有し、
前記少なくとも２つのコイルは前記第一の脚上及び前記第二の脚上に１つずつ配置され、
前記少なくとも２つのコイルは、該少なくとも２つのコイルが作動すると前記磁束が生じるように構成される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項１４】
請求項１記載の電気機械であって、
前記固定子は複数の固定子極を有し、
前記複数の固定子極の各々は第一の脚と第二の脚とを有し、
前記回転子は複数の回転子極を有し、
前記複数の回転子極の各々は前記複数の固定子極の各々の前記第一の脚と前記第二の脚の間で回転する、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項１５】
請求項１４記載の電気機械であって、
前記複数の固定子極及び前記複数の回転子極は、前記複数の固定子極の各々の上に生じた磁束が前記回転子の内部を横断しないように構成される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項１６】
請求項１５記載の電気機械であって、
前記回転子の内部は圧縮機である、ことを特徴とする電気機械。
【請求項１７】
請求項１５記載の電気機械であって、
前記回転子の内部は拡張機である、ことを特徴とする電気機械。
【請求項１８】
請求項１４記載の電気機械であって、
前記複数の固定子極の各々の上に配置された少なくとも１つのコイルを更に有し、
前記少なくとも１つのコイルは、該少なくとも１つのコイルが作動すると前記磁束が選択的に生じるように構成される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項１９】
請求項１８記載の電気機械であって、
前記電気機械の内部部分と外部部分とを隔てるケースを更に有し、
前記少なくとも１つのコイルは前記ケースの外表面上に配置される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項２０】
請求項１９記載の電気機械であって、
前記複数の固定子極の各々は前記ケースに着脱可能に連結されたカートリッジ上に配置される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項２１】
請求項１４記載の電気機械であって、
前記複数の固定子極の各々は、前記複数の固定子極の残りから電気的及び磁気的に隔離されている、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項２２】
請求項２１記載の電気機械であって、
前記複数の回転子極の各々は強磁性材料から成る羽根状部材である、ことを特徴とする電気機械。
【請求項２３】
請求項１記載の電気機械であって、
前記少なくとも１つの回転子極の少なくとも一部分は、前記少なくとも１つの固定子極の半径方向外側に配置される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項２４】
請求項２３記載の電気機械であって、
前記回転子は少なくとも１つの第二の回転子極を有し、
前記電気機械は、少なくとも１つの固定子極を備えた第二の固定子を有し、
前記第二の固定子の前記少なくとも１つの固定子極は、第一の脚と、第二の脚と、を有し、
前記回転子は、前記第二の固定子に対して回転し、
前記少なくとも１つの第二の回転子極は、前記第二の固定子極の前記第一の脚と前記第二の脚の間を回転するように構成され、
前記少なくとも１つの第二の回転子極の少なくとも一部分は、前記第二の固定子の前記少なくとも１つの固定子極の半径方向内側に配置される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項２５】
請求項２４記載の電気機械であって、
前記回転子はドラムである、ことを特徴とする電気機械。
【請求項２６】
請求項１記載の電気機械であって、
前記固定子極は第三の脚を更に有し、
前記回転子極は少なくとも１つの第二の回転子極を更に有し、
前記少なくとも１つの第二の回転子極は、前記少なくとも１つの固定子極の前記第二の脚と前記第三の脚の間で回転するように構成される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項２７】
請求項２６記載の電気機械であって、
前記固定子極は第四の脚を更に有し、
前記回転子は少なくとも１つの第三の回転子極を更に有し、
前記少なくとも１つの第三の回転子極は、前記少なくとも１つの固定子極の前記第三の脚と前記第四の脚の間で回転するように構成される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項２８】
請求項２６記載の電気機械であって、
前記第一の脚、前記第二の脚、及び、前記第三の脚の各々は、前記固定子極上に磁束を生じさせるコイルを有する、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項２９】
請求項１記載の電気機械であって、
前記第一の脚の少なくとも一部分は、前記少なくとも１つの回転子極の半径方向内側に配置され、
前記第二の脚の少なくとも一部分は、前記少なくとも１つの回転子極の半径方向外側に配置される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項３０】
請求項１記載の電気機械であって、
前記少なくとも１つの固定子極は５つ以上の固定子極であり、
前記少なくとも１つの回転子極は５つ以上の回転子極であり、
前記５つ以上の固定子極及び前記５つ以上の回転子極は、２セットの前記５つ以上の固定子極に同時に電流を流したときに２セットの前記５つ以上の回転子極を引き寄せることができるように構成される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項３１】
少なくとも１つの固定子極を備えた固定子と、
少なくとも１つの回転子極を備えた回転子と、を有し、
前記回転子は、前記固定子に対して回転し、
前記回転子及び前記固定子は、前記回転子が膨張したときに前記回転子極の表面が前記固定子極の表面と擦れてすれ違うような角度のインターフェースを持つ、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項３２】
電動機であることを特徴とする請求項３１記載の電気機械。
【請求項３３】
切替式反作用電動機であることを特徴とする請求項３２記載の電気機械。
【請求項３４】
発電機であることを特徴とする請求項３１記載の電気機械。
【請求項３５】
請求項３１記載の電気機械であって、
前記少なくとも１つの回転子極及び前記少なくとも１つの固定子極は、前記少なくとも１つの回転子極上に生じた磁束が前記回転子の内部を横断しないように構成される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項３６】
請求項３５記載の電気機械であって、
前記回転子の内部は圧縮機である、ことを特徴とする電気機械。
【請求項３７】
請求項３５記載の電気機械であって、
前記回転子の内部は拡張機である、ことを特徴とする電気機械。
【請求項３８】
請求項３５記載の電気機械であって、
前記少なくとも１つの固定子極上に配置された少なくとも１つのコイルを更に有し、
前記少なくとも１つのコイルは、該少なくとも１つのコイルが作動すると前記磁束が生じるように構成される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項３９】
請求項３８記載の電気機械であって、
前記電気機械の内部部分と外部部分とを隔てるケースを更に有し、
前記少なくとも１つのコイルは前記ケースの外表面上に配置される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項４０】
請求項３１記載の電気機械であって、
前記複数の固定子極の各々は、前記複数の固定子極の残りから電気的及び磁気的に隔離されている、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項４１】
請求項３１記載の電気機械であって、
前記少なくとも１つの回転子極の少なくとも一部分は前記少なくとも１つの固定子極の半径方向外側に配置される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項４２】
５つ以上の固定子極を備えた固定子と、
５つ以上の回転子極を備えた回転子と、を有し、
前記回転子は前記固定子に対して回転し、
前記５つ以上の固定子極及び前記５つ以上の回転子極は、２セットの前記５つ以上の固定子極に同時に電流を流すと２セットの前記５つ以上の回転子極が引き寄せられるように構成される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項４３】
請求項４２記載の電気機械であって、
前記５つ以上の固定子極の前記２セットの各々は１８０°離れている、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項４４】
請求項４２記載の電気機械であって、
前記５つ以上の固定子極は７つ以上の固定子極であり、
前記５つ以上の回転子極は７つ以上の回転子極であり、
前記７つ以上の固定子極及び前記７つ以上の回転子極は、３セットの前記７つ以上の固定子極に同時に電流を流すと３セットの前記７つ以上の回転子極が引き寄せられるように構成される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項４５】
請求項４２記載の電気機械であって、
前記５つ以上の固定子極はＵ字形状である、ことを特徴とする電気機械。
【請求項４６】
請求項４２記載の電気機械であって、
前記５つ以上の回転子極は強磁性材料から成る羽根状部材である、ことを特徴とする電気機械。
【請求項４７】
電動機であることを特徴とする請求項４２記載の電気機械。
【請求項４８】
切替式反作用電動機であることを特徴とする請求項４７記載の電気機械。
【請求項４９】
請求項４２記載の電気機械であって、
前記５つ以上の固定子極の各々は、第一の脚と、第二の脚と、を有し、
前記５つ以上の回転子極の各々は、前記５つ以上の固定子極の各々の前記第一の脚と前記第二の脚の間で回転する、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項５０】
請求項４２記載の電気機械であって、
前記５つ以上の固定子極及び前記５つ以上の回転子極は、前記５つ以上の固定子極の各々の上に生じた磁束が前記回転子の内部を横断しないように構成される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項５１】
請求項５０記載の電気機械であって、
前記回転子の内部は圧縮機である、ことを特徴とする電気機械。
【請求項５２】
請求項５０記載の電気機械であって、
前記回転子の内部は拡張機である、ことを特徴とする電気機械。
【請求項５３】
請求項４２記載の電気機械であって、
前記５つ以上の固定子極の各々の上に配置された少なくとも１つのコイルを更に有し、
前記少なくとも１つのコイルは、該少なくとも１つのコイルが作動すると選択的に前記磁束が生じるように構成される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項５４】
請求項５３記載の電気機械であって、
前記電気機械の内部部分と外部部分とを隔てるケースを更に有し、
前記５つ以上の固定子極の各々の上の前記少なくとも１つのコイルは、前記ケースの外表面上に配置される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項５５】
請求項５４記載の電気機械であって、
前記５つ以上の固定子極の各々は、前記ケースに着脱可能に連結されたカートリッジ上に配置される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項５６】
請求項４２記載の電気機械であって、
前記５つ以上の固定子極の各々は、前記複数の固定子極の残りから電気的及び磁気的に隔離される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項５７】
請求項４２記載の電気機械であって、
前記５つ以上の回転子極の少なくとも一部分は前記５つ以上の固定子極の半径方向外側に配置される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項５８】
少なくとも１つの固定子極を備えた固定子と、
少なくとも１つの第一の回転子極及び少なくとも１つの第二の回転子極を備えた回転子と、を有し、
前記少なくとも１つの固定子極は、第一の脚と、第二の脚と、第三の脚と、を有し、
前記回転子は、前記固定子に対して回転し、
前記少なくとも１つの第一の回転子極は、前記第一の脚と前記第二の脚の間で回転するように構成され、
前記少なくとも１つの第二の回転子極は、前記第二の脚と前記第三の脚の間で回転するように構成される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項５９】
請求項５８記載の電気機械であって、
前記少なくとも１つの第一の回転子極及び前記少なくとも１つの第二の回転子極は強磁性材料から成る羽根状部材である、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項６０】
電動機であることを特徴とする請求項５８記載の電気機械。
【請求項６１】
切替式反作用電動機であることを特徴とする請求項６０記載の電気機械。
【請求項６２】
発電機であることを特徴とする請求項５８記載の電気機械。
【請求項６３】
請求項５８記載の電気機械であって、
前記少なくとも１つの固定子極、前記少なくとも１つの第一の回転子極、及び、前記少なくとも１つの第二の回転子極は、磁束が前記回転子の内部を横断しないように構成される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項６４】
請求項６３記載の電気機械であって、
前記回転子の内部は圧縮機である、ことを特徴とする電気機械。
【請求項６５】
請求項６３記載の電気機械であって、
前記回転子の内部は拡張機である、ことを特徴とする電気機械。
【請求項６６】
請求項６３記載の電気機械であって、
前記少なくとも１つの固定子極上に配置された少なくとも１つのコイルを更に有し、
前記少なくとも１つのコイルは、該少なくとも１つのコイルが作動すると前記磁束が生じるように構成される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項６７】
請求項６６記載の電気機械であって、
前記電気機械を内部部分と外部部分とに隔てるケースを更に有し、
前記少なくとも１つのコイルは前記ケースの外表面上に配置される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項６８】
少なくとも１つの固定子極を備えた固定子と、
縁、少なくとも１つの第一の回転子極、及び、少なくとも１つの第二の回転子極を備えた回転子と、を有し、
前記少なくとも１つの固定子極は、第一の脚と、第二の脚と、を有し、
前記回転子は、前記固定子に対して回転し、
前記少なくとも１つの回転子及び前記少なくとも１つの固定子は、磁束が、前記第一の脚から前記少なくとも１つの第一の回転子極を通って前記縁へ流れるとともに、前記縁から前記少なくとも１つの第二の回転子極を通って前記第二の脚へ流れるように構成される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項６９】
請求項６８記載の電気機械であって、
前記回転子及び前記固定子は、前記回転子が膨張したときに前記回転子極の表面が前記固定子極の表面と擦れてすれ違うような角度のインターフェースを持つ、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項７０】
電動機であることを特徴とする請求項６８記載の電気機械。
【請求項７１】
切替式反作用電動機であることを特徴とする請求項７０記載の電気機械。
【請求項７２】
発電機であることを特徴とする請求項６８記載の電気機械。
【請求項７３】
請求項６８記載の電気機械であって、
前記少なくとも１つの固定子極、前記少なくとも１つの第一の回転子極、前記縁、及び、前記少なくとも１つの第二の回転子極は、磁束が前記回転子の内部を横断しないように構成される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項７４】
請求項７３記載の電気機械であって、
前記回転子の内部は圧縮機である、ことを特徴とする電気機械。
【請求項７５】
請求項７３記載の電気機械であって、
前記回転子の内部は拡張機である、ことを特徴とする電気機械。
【請求項７６】
請求項７３記載の電気機械であって、
前記少なくとも１つの固定子極上に配置された少なくとも１つのコイルを更に有し、
前記少なくとも１つのコイルは、該少なくとも１つのコイルが作動すると前記磁束が生じるように構成される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項７７】
請求項７６記載の電気機械であって、
前記電気機械の内部部分と外部部分とを隔てるケースを更に有し、
前記少なくとも１つのコイルは前記ケースの外表面上に配置される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項７８】
少なくとも１つの固定子極を備えた固定子と、
少なくとも１つの回転子極を備えた回転子と、を有し、
前記回転子は、前記固定子に対して回転し、
前記少なくとも１つの回転子極及び前記少なくとも１つの固定子極のうち少なくとも一方は、容易に飽和する材料又は磁束障壁から作られる、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項７９】
請求項７８記載の電気機械であって、
前記少なくとも１つの回転子極及び前記少なくとも１つの固定子極の双方が、容易に飽和する材料又は磁束障壁から作られる、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項８０】
請求項７８記載の電気機械であって、
前記少なくとも１つの回転子極の少なくとも一部分は強磁性材料から成る羽根状部材である、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項８１】
電動機であることを特徴とする請求項７８記載の電気機械。
【請求項８２】
切替式反作用電動機であることを特徴とする請求項８１記載の電気機械。
【請求項８３】
発電機であることを特徴とする請求項７８記載の電気機械。
【請求項８４】
請求項１乃至８３のいずれか一項記載の電気機械であって、
前記少なくとも１つの固定子極、前記少なくとも１つの第一の回転子極、及び、前記少なくとも１つの第二の回転子極は、前記磁束が前記回転子の内部を横断しないように構成される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項８５】
請求項８４記載の電気機械であって、
前記回転子の内部は圧縮機である、ことを特徴とする電気機械。
【請求項８６】
請求項８４記載の電気機械であって、
前記回転子の内部は拡張機である、ことを特徴とする電気機械。
【請求項８７】
請求項８４記載の電気機械であって、
前記少なくとも１つの固定子極上に配置された少なくとも１つのコイルを更に有し、
前記少なくとも１つのコイルは、該少なくとも１つのコイルが作動すると前記磁束が生じるように構成される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項８８】
請求項８７記載の電気機械であって、
前記電気機械の内部部分と外部部分とを隔てるケースを更に有し、
前記少なくとも１つのコイルは前記ケースの外表面上に配置される、
ことを特徴とする電気機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して電気機械に係り、特に高トルク型切替式反作用電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
切替式反作用電動機（ｓｗｉｔｃｈｅｄ  ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ  ｍｏｔｏｒ：ＳＲＭ）は、通常、鉄やニッケルやコバルトなどの磁性体から作られた部品を含む。ＳＲＭ内の対向する一組のコイルには、電流を流すことができる。電流が流されたコイルに内側の磁性体が引き寄せられることにより、内側アッセンブリがトルクを生成しながら回転する。一旦位置が揃うと、上記対向する一組のコイルへの電流は遮断され、次の対向する一組のコイルに電流が流される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の半径方向及び軸方向ＳＲＭにおいて、磁束は、固定子及び回転子の本体全体を通る長い経路を流れる。鉄が飽和すると磁束経路が非常に長くなるため、従来のＳＲＭでは、磁気推進力（ｍａｇｎｅｔｏ  ｍｏｔｉｖｅ  ｆｏｒｃｅ：ＭＭＦ）が大幅に低下する。ＭＭＦの損失を低減する１つの方法は、磁束密度が小さくなるように、固定子及び回転子を厚くすることである。しかしながら、この方法は、機械の重量、コスト、及び、サイズの増加を招く。したがって、本発明では、このような損失を、機械のジオメトリ及び種類に応じた磁束経路を最小化することによって低減する。
【０００４】
また、本発明では、新たな組み合わせの固定子／極の相互関係を導入する。この組み合わせにおいて、固定子極は、従来の円筒形状からＵ字形状へ変更されている。この構成により、磁束経路が短くなり、機械の効率、トルク、及びパワ密度が向上する。
【０００５】
本発明に係るセンサなしＳＲＭ及びブラシレスＤＣ電動機制御方法を用いると、本発明の隔離された回転子／固定子構造の利点を完全に得ることができる。
【０００６】
ＳＲＭは、固定子及び回転子の双方に凸状極を有する。固定子上には密に巻かれた巻線が備えられ、回転子上には巻線は存在しない。この構造は、安価で、でこぼこしており、ＳＲＭが幅広い速度範囲で高効率で作動するのを助ける。さらに、その変換器は、故障が発生しても許容して動き続ける。ＳＲＭは、過酷な環境でも非常に良好に作動できるため、メカニカルな機械（例えば、圧縮機、拡張機、エンジン、及び、ポンプなど）に一体化することができる。しかしながら、それらの動作は切替が必要であるため、ＳＲＭはパワスイッチ及びコントローラを必要とする。最近では安価なパワ半導体及びデジタル・コントローラが利用可能であるため、ＳＲＭは従来の電気機器に対する重大な競合相手となっている。
【０００７】
回転子及び固定子の極数及びサイズに応じて、ＳＲＭには複数の構成が存在する。また、従来の電気機械を用いる場合と同じように、ＳＲＭは、線形機械として、又は、回転機械として、又は、軸方向磁束機械として、組み立てることができる。これらの構成において、磁束は、鉄を通って、１８０電気角度流れる。鉄の飽和により、この長い経路は、ＭＭＦの大幅な低下をもたらし、当該機械のトルク密度、パワ、及び、効率を低下させる。固定子及び回転子の裏当て鉄のサイズを大きくすればこのＭＭＦの低下を回避できるが、残念ながら、同時に、電動機のサイズ、重量、及び、コストも増加してしまう。位相の両極励磁を用いることにより磁束経路を短くすることができるが、複雑な変換器が必要となってしまう。また、それらは、位相の電気伝導性に重なりが存在しない場合には適用できない。
【０００８】
図１Ａは、従来のＳＲＭ１００の概略図である。図１ＡのＳＲＭ１００は、固定子１１０と、回転子１４０とを有する。固定子１１０は、８つの固定された固定子極１２０（各々が誘電子コイル１２０を有する）を有し、内側の回転子１４０は、６つの回転する回転子極１５０（コイルなし）を有する。ＳＲＭ１００の部品は、通常、鉄やニッケルやコバルトなどの磁性体から作られる。ＳＲＭ１００の材料は、渦電流の効果を低減するために、積層されてもよい。任意の時点で、対向する一組のコイル１３０に電流が流される。回転子１４０の回転子極１５０の内側磁性体は、電流が流されたコイル１３０に引き寄せられて、内側回転子１４０全体をトルクを生成させながら回転させる。一旦位置合わせが実現されると、対向する一組のコイル１３０への電流は遮断され、次の対向する一組のコイル１３０に電流が流される。このようにコイル１３０に順に電流を流すことにより、回転子１４０はトルクを生成しながら回転する。一例を図１Ｂを参照して説明する。
【０００９】
図１Ｂは、図１ＡのＳＲＭ１００の点表記である。白丸は固定子極１２０を表し、黒丸は回転子極１５０を表している。固定子極１２０Ａ、１２０Ｂは、現時点で、回転子極１５０Ａ、１５０Ｂと位置が揃っている。したがって、この位置合わせに関連するコイル（固定子極１２０Ａ、１２０Ｂに関連するコイル）への電流は遮断され、別の一組のコイルに電流が流される。例えば、固定子極１２０Ｃ及び１２０Ｄに関連するコイルに電流が流される場合、回転子極１５０Ｃ、１５０Ｄが引き寄せられ、回転子１４０が反時計回りに回転する。図１のＳＲＭ１００は、元々、２つの対称部分から成る。
【００１０】
図２は、図１Ａの従来のＳＲＭ１００を通る長い磁束経路を概略的に示す図である。ＳＲＭ１００において、磁束は、固定子１１０及び回転子１４０の双方（例えば、固定子極１２０Ｇ、回転子極１５０Ｇ、回転子極１５０Ｈ、固定子極１２０Ｈ、及び、内側回転子１４０自体）を通って、１８０度横断しなければならない。このような長い磁束経路は、エネルギを熱として浪費する望ましくない渦を生成し得る。加えて、磁束密度が高いために、ＭＭＦの低下が非常に大きくなる。固定子１１０及び回転子１４０の裏当て鉄が薄い場合は特に。
【００１１】
ＭＭＦ低下の一例として、図３は、１位相・１馬力の機械のトルク生成におけるＭＭＦ低下の効果を示すグラフ１０５である。図３では、回転子角度１６０に対する出力トルク１７０の大きさがプロットされている。グラフ線１８０は、回転子１４０及び固定子１１０の裏当て鉄が飽和していないときのトルクを示しており、グラフ線１９０は、回転子１４０及び固定子１１０の裏当て鉄が飽和しているときのトルクを示している。トルク生成におけるＭＭＦ低下は、６％を超え得ることは明らかである。したがって、本発明は、磁束経路の長さを低減させる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一実施例によれば、電気機械が固定子と回転子とを有する。固定子は、第一の脚と第二の脚を備えた、少なくとも１つの固定子極を有する。回転子は、少なくとも１つの回転子極を有する。回転子は、固定子に対して回転する。少なくとも１つの回転子極は、少なくとも１つの固定子極の第一の脚と第二の脚の間で回転するように構成される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、様々な技術的利点が提供される。例えば、電気機械における極の対称性を向上させて、トルクを増加させることができる。また、例えば、熱的効果や遠心力効果によって部品が変形したときであっても、電気機械におけるギャップを非常に小さく維持することができる。また、電気機械が圧縮機や拡張機やポンプなどと一体化されたときに化学的に腐食し得る外部のコイルを電気機械の内部から隔離することができる。さらに、隣接する極から電気的及び磁気的に隔離されたＵ字状の極を用いることができるため、製造及び修理が容易な非磁気フレームに挿入されるモジュールとして極を組み立てることができる。また、Ｕ字状極を電動機ハウジングの外に配置することができるため、周囲とのより良好な熱的接触が得られ、オーバーヒートする傾向が低減される。また、電気機械の回転子に回転子の軸を横切らない磁束を生成することができる。また、電気機械の回転子の内部スペースを、圧縮機や、拡張機、エンジン、又は、ポンプなどのアイテムを収容するのに用いることができる。以上、本発明の利点の一部を列挙したが、本発明の実施例はこれらすべてを包含している場合もあれば、一部のみを包含している場合もあれば、１つも包含していない場合もある。他の利点は、以下の説明、添付図面、及び、請求項の記載から、当業者には容易に明らかになるであろう。
【００１４】
本発明の詳細は、以下により具体的に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の実施形態並びにその特徴及び利点は、以下の説明及び添付図面からより明らかにされる。添付図面において、同じ符号は同じ部品を示している。
【００１６】
以下に本発明の実施形態の例を示すが、本発明の実施形態は、既知の又は現存するあらゆる技術を用いて、実施することができる。本発明は、以下に示す実施例、図面、及び、技術に決して限定されるべきではない。加えて、図面は必ずしも実際のスケールでは描かれていない。
【００１７】
ここに示した実施形態は、電動機や発電機などの様々な電気機械、及び、そのような電動機及び発電機の種類バリエーションに利益をもたらす。種類バリエーションは、例えば、ＳＲＭ、永久磁石ＡＣ電動機、ブラシレスＤＣ（ＢＬＤＣ）電動機、切替式反作用発電機（ＳＲＧ）、永久磁石ＡＣ発電機、ブラシレスＤＣ発電機（ＢＬＤＣＧ）などである。実施例は電動機及び／又は発電機の１以上の種類バリエーションを参照して説明されているが、そのような実施例は他の種類バリエーションの電動機又は発電機を用いても実現できることは明らかである。したがって、ここに示した実施例の説明は、単に、本発明の実施形態の利点を提供し得る種類バリエーションの具体例を説明するためのものに過ぎない。例えば、本発明の実施例の中には、電動機（特にＳＲＭ）のトルクパワ及び効率を向上させるものがあるが、そのような実施例では、永久磁石ＡＣ電動機やＢＬＤＣ電動機を用いることも可能である。これら実施例を参照して説明された同じ利点のうちの一部は、ＳＲＧ、永久磁石ＡＣ発電機、及び、ＢＬＤＣＧを用いても実現可能である。
【実施例】
【００１８】
図４は、本発明の一実施例に係るＳＲＭ２００の点表記である。図４のＳＲＭ２００は、図１Ｂを参照して説明したＳＲＭと同じように作動する。但し、図１ＢのＳＲＭ１００が一度に２つの固定子極１２０に関連する２つのコイルに電流を流すのに対し、図４のＳＲＭは、一度に４つの固定子極２２０に関連する４つのコイルに電流を流す。このように電流を流すコイル／固定子極２２０を増やすことにより、トルクが増加する。
【００１９】
図４のＳＲＭ２００は、８つの回転子極２５０を持つ回転子と、１２個の固定子極２２０を持つ固定子と、を有する。固定子極２２０のうち磁化されたアクティブなものは、矢印２２５によって示されており、（例えば、回転子極２５０と固定子極２２０の間の）磁束鎖交を通る引力は、回転子が反時計回りに４０°進んだ回転を通る短い線２３５によって示されている。４５°において、この構成は０°における構成と同一に見える。これら様々な回転子角度を参照すると明らかなように、４つの固定子極２２０と４つの回転子極２５０の間の位置が合うとすぐに、４つの異なる固定子極２２０に電流が流されて、回転子極２５０がそれら４つの異なる固定子極２２０へ引き寄せられる。
【００２０】
図４のＳＲＭ２００は、４つの対称部分から成る。すなわち、いつでも、固定子極２２０の中の４つの極２２５に電流が流される。上述のように、これは従来のＳＲＭ（例えば、図１のＳＲＭ１００）の２倍である。電流が流される固定子極２２０が２倍になるため、トルクも２倍になる。
【００２１】
より多くの対称部分を加えて、トルクを更に増加させてもよい。例えば、６つの対称部分は、従来のＳＲＭと比べて、トルクを３倍にする。対称部分は、例えば図５Ａ及び５Ｂを参照して後述するように、回転子をＵ字状の固定子内で回転する羽根状の突起物として形成することによって増加させてもよい。対称部分は、後に詳述する他の方法によって増加させることもできる。
【００２２】
図５Ａ及び５Ｂは、本発明の一実施例に係る回転子／固定子構成３００を示している。便宜上、図５Ａ及び５Ｂの回転子／固定子構成３００をＳＲＭとして説明するが、既述のように、回転子／固定子構成３００は、他の種類の電動機としても用いることができる。また、回転子／固定子構成３００は、発電機などの他の種類の電気機械としても用いることができる。
【００２３】
図５Ａ及び５Ｂの回転子／固定子構成３００において、回転する本体３４０に取り付けられた羽根状の回転子極又は羽根３５０は、Ｕ字状の電磁石コア又はＵ字状固定子極３２０を貫いている。この構成において、磁束経路は、従来のＳＲＭと比べて、比較的短い。例えば、Ｕ字状極３２０のコイル３３００に電流を流すことによって生じた磁束は、円形のような経路で、Ｕ字状固定子極３２０の一方の脚３２２、そして羽根３５０を通って、Ｕ字状固定子極３２０の他方の脚３２４へ流れる。この短い経路は、上述の経路が長いという欠陥を低減することに加えて、対称性を向上させることもできる。なぜなら、この経路は、回転する本体３４０の中心を横断しないため、他の磁束経路にほとんど影響を与えないからである。加えて、この短い経路は、他の目的のために、回転する本体３４０の中心を用いることもできる。そのような実施例については、後に詳述する。さらに、この実施例では、半径方向負荷が回転子に加えられ、回転子上の軸方向負荷は均衡している。加えて、羽根３５０により半径が延伸されるため、生成されるトルクが増加する。
【００２４】
以下は、本発明の一実施例に係る、１枚の羽根３５０と極３２０のセットの間の電磁相互作用の一次分析である。図５Ａ及び５Ｂは、一組の羽根３５０と極３２０のセットの概略図である。ここで、ｒｉは外側圧縮機回転子３４０の外縁を定義し、ｒ０は羽根先端における半径であり、Δｒは羽根３５０の半径方向長さであり、αは羽根３５０の角度寸法であり、βはコイル３３０の角度寸法であり、θはコイル３３０内での回転子羽根３５０の重なり角度であり、Ａ（θ）は磁束鎖交が可能な面積であり、ｇは羽根３５０の各側面における隙間寸法であり、ｗｂは羽根３５０の幅であり、ｗｃはコアの幅である。
【００２５】
生成された磁気回路を通る磁束は、
【００２６】
【数１】
2008537472.tif 000003
である。ここで、Ｎはコイル３３０の巻き数であり、ｉはコイル３３０を通る電流であり、Ｒｃ及びＲｇはそれぞれコア及びエアーギャップのリラクタンスである。リラクタンスは、
【００２７】
【数２】
2008537472.tif 000004
である。ここで、ｌｃはコア材料の磁束長さであり、μはコア材料の透磁率であり、Ａｃはコアの横断面積であり、ｇはエアーギャップ厚さであり、μ０は自由空間（エアーギャップ）の透磁率であり、Ａｇは磁束鎖交が発生する隙間の面積である。羽根３５０の両側面に１つずつ存在する２つの隙間は、リラクタンス表現で説明される。磁気リラクタンスＲは電気抵抗と類似している。コイル材料の透磁率は空気の透磁率よりも大幅に大きいため、式１Ａにおいてはエアーギャップのリラクタンスが支配的となる。そこで、この表現をＲｇの代わりに式１Ａに入れると、
【００２８】
【数３】
2008537472.tif 000005
となる。エアーギャップは総リラクタンスを支配すると思われるので、インダクタンスＬは、
【００２９】
【数４】
2008537472.tif 000006
と表すことができる。ここで、λ＝Ｎφは磁束鎖交である。
【００３０】
磁場に蓄えられたエネルギは、
【００３１】
【数５】
2008537472.tif 000007
で与えられる。
【００３２】
式５Ａにおいては、Ｌ（θ）を表す表現が求められる。現在の前提の下では、インダクタンスが回転子角度に応じて変化する唯一の理由は、回転に伴ってエアーギャップＡｇ上の磁束鎖交面積が変化することである。図５Ａ及び５Ｂから、θとＡｇの間の関係は
【００３３】
【数６】
2008537472.tif 000008
と書くことができる。なぜなら、円弧長さｒ＊θ上の（ｒ＊＝１／２（ｒ０＋ｒｉ））半径方向長さΔｒ＝ｒ０−ｒｉをさっと通ることによって、エアーギャップ寸法は変化するからである。したがって、
【００３４】
【数７】
2008537472.tif 000009
であるから、式５Ａは、
【００３５】
【数８】
2008537472.tif 000010
と書き直せる。式７Ａを式８Ａに入れると、
【００３６】
【数９】
2008537472.tif 000011
となる。
【００３７】
エネルギ保存の原則から、ｄＷｆｌｄは、
【００３８】
【数１０】
2008537472.tif 000012
と表すことができる。
【００３９】
独立変数λ及びｒ＊θに対するｄＷｆｌｄの全微分は、
【００４０】
【数１１】
2008537472.tif 000013
である。
【００４１】
式１０Ａ及び１１Ａから、
【００４２】
【数１２】
2008537472.tif 000014
であることがわかる。
【００４３】
式４Ａのλ＝Ｌ（ｒ＊θ）ｉを式１２Ａへ入れると、
【００４４】
【数１３】
2008537472.tif 000015
というように、ｆｆｌｄをコイル電流ｉで表すことができる。
【００４５】
最終的に、半径ｒ＊において作用するｆｆｌｄから生成されるトルクが、個々の羽根３５０／極３２０セットについて必要となる。この結果得られるトルクは、
【００４６】
【数１４】
2008537472.tif 000016
である。
【００４７】
（ＳＲＭトルク生成）
上記分析の重要な結果は、図５Ａ及び５Ｂに示したような１つの羽根３５０と極３２０のセットの相互作用によって生成されたトルクについての
【００４８】
【数１５】
2008537472.tif 000017
という式である。
【００４９】
式（１）において、Ｔｆｌｄは磁場によって生成されたトルクであり、Ｎは固定子極コアまわりの巻線の巻き総数であり、μ０は自由空間の透磁率であり、Δｒ＝ｒ０−ｒｉ（回転子羽根の半径方向寸法）であり、ｒ＊＝ｒｉ＋Δｒ／２（羽根中心までの半径）であり、ｉはコイル電流であり、ｇはエアーギャップ寸法である。
【００５０】
例えば図５Ａ及び５Ｂの回転子／固定子構成３００などの回転子／固定子構成は、発電機圧縮機などの他の特徴や本願にその全体が組み込まれる米国特許公報第２００３／０２２８２３７号、米国特許公報第２００３／０２１５３４５号、米国特許公報第２００３／０１０６３０１号、米国特許第６３３６３１７号、及び、米国特許第６５３０２１１号に記載された他の実施形態と一体化させることも可能である。
【００５１】
一体化された圧縮機／ＳＲＭを設計するために、式（１）を適用するときには以下を前提とする。
【００５２】
１）磁束を運ぶのに積層されたＳｏｆｃｏｍａｇ（２．３テスラ飽和限界）が用いられる。
【００５３】
２）磁束は、飽和未満である２．０テスラに制限される。
【００５４】
３）４つの極は、任意の時点で磁化される。
【００５５】
４）積層板におけるフリンジ効果は無視する。
【００５６】
一例として、産業用圧縮機は、おおよそ２．６ＭＷを必要とする。３，６００ｒｐｍで運転すると、必要とされるトルクは、６，８９６Ｎｍである。この特定の容量を処理するために適切な回転子及びそのサイズは、ｒｉ＝１４インチ（０．３５５６メートル）である。熱膨張と軸受遊びを与える合理的なギャップ寸法は、ｇ＝０．０８０インチ（０．００２０３メートル）である。上記の前提２）により、電流と巻き数の積の最大値は、２テスラ磁束密度を超えないように計算することができる。また、上記の分析から、
【００５７】
【数１６】
2008537472.tif 000018
である。
【００５８】
Ｎｉの積の最大値は、６，４６８Ａとして計算することができる。ｒ＊＝ｒｉ＋Δｒ／２であるから、Δｒは、軸方向に重ねられた羽根／極アレイの数に応じて、トルク要求を満足するように選択される。既述のように、ある任意の一時点においてアクティブな羽根／極セットは４つである。重ねられたアレイの数をｍとすると、総トルクは、
【００５９】
【数１７】
2008537472.tif 000019
となる。
【００６０】
Δｒ＝４．５インチ（０．１２７メートル）に対して、ｒ＊＝１６．５インチ（０．４１９１メートル）である。ｍ＝３とすると、Ｔｔｏｔは、７，３２３Ｎｍと計算できる。結果として、３，６００ｒｐｍにおいて得られるパワ出力は、２．７６ＭＷである。
【００６１】
（ケース設計例）
図６〜１０は、本発明の一実施例に係る回転子／固定子構成４５０を示す。図６〜１０の回転子／固定子構成４５０は、圧縮機とともに用いられる。ただし、既述の通り、回転子／固定子構成４５０は、他の種類の電動機や発電機などの他の種類の電気機械として用いられることも可能である。図６〜１０の回転子／固定子構成４５０では、１２個の固定子極４４４と８つの回転子羽根４１２からなるアレイが３つ重ねられている。図６〜１０の圧縮機用回転子／固定子構成４５０は、図５Ａ及び５Ｂを参照して説明した回転子／固定子構成３００と同じように作動する。図６は、本発明の一実施例に係る回転子／固定子構成４５０の外側回転子アッセンブリ４００を示す。図６の外側回転子アッセンブリ４００は、軸受キャップ４０２と、軸受スリーブ４０４と、ポート板４０６と、吸排気ポート４０８と、回転子羽根４１２が取り付けられた２つの回転子セグメント４１０Ａ、４１０Ｂと、濡れていない圧縮領域を潤滑されたギア穴から隔離するシール板４１４と、外側ギア４１６（内部ギア）と、羽根４１２が取り付けられたエンドプレート４１８と、外側後部軸受４２０と、別の軸受キャップ４２２と、を有する。この実施例において、外側圧縮機回転子は、ＳＲＭの回転子として機能する。
【００６２】
この実施例において、回転子極の放射状アレイ４１３の各々には、８つの羽根４１２を備えた８つの外側回転子ロブ４１１が設けられる。このような対称性は、遠心力による応力／変形を最小化するのに必要となる場合もある。この構成において、回転子／固定子構成４５０の作動に用いられる強磁性体材料は、放射状アレイ４１３の羽根４１２のみに配置されてもよい。
【００６３】
図７は、本発明の一実施例に係る回転子／固定子構成４５０の内側回転子アッセンブリ４３０を示す。図７の内側回転子アッセンブリ４３０は、内側シャフト４３２と、重ねられた３つの（７つのロブを持つ）内側回転子４３４Ａ／４３４Ｂ／４３４Ｃと、平歯車４３６と、内側後部軸受４３８と、を有する。
【００６４】
本発明の特定の実施形態に係る外側回転子アッセンブリ４００や他の変形例の構成を持つ外側回転子アッセンブリ４００に対する内側回転子アッセンブリ４３０の動作の詳細は、本願にその全体が組み込まれる米国特許出願第２００３／０２２８２３７号、米国特許出願第２００３／０２１５３４５号、米国特許第６３３６３１７号、及び、米国特許第６５３０２１１号の中の１以上においてより詳細に説明されている。
【００６５】
図８は、本発明の一実施例に係る回転子／固定子構成４５０の固定子／圧縮機ケース４４０を示す。図８の本実施例に係る固定子／圧縮機ケース４４０は、等しい角度間隔で配置された１２個の固定子極４４４の３つのスタック４４２Ａ、４４２Ｂ、４４２Ｃを有する。固定子極４４４は、様々な方法でケース４４０に取り付けることができるが、外部コイルを用いる場合が図８には示されている。固定子極ごとに２つずつ設けられたコイル４４６Ａ、４４６Ｂは、３つずつセットになって非強磁性基板４４８に取り付けられ、ボルト穴カートリッジ４５０を形成する。コイル４４６Ａ、４４６Ｂは、例えば、銅製であるが、他の材料から作られてもよい。任意の固定子極４４４におけるコイル４４６の数を２より多くして、各コイルへ供給されなければならない電圧を低減してもよい。作動中、４つのカートリッジ４５０（９０°間隔）のすべての極を同時に磁化してもよい。磁化を順次発生させることにより、図６の外側回転子アッセンブリ４００が回転する。
【００６６】
図９は、本発明の一実施例に係る回転子／固定子構成４５０の複合アッセンブリ４６０の一部を切り落としたところを示している。複合アッセンブリ４６０は、一体化された図６〜８の外側アッセンブリ４００、内側アッセンブリ４３０、及び、固定子／圧縮機ケース４４０を有するとともに、軸受を支持するエンドプレート４６２と、気体吸排気ポート貫通穴４６４と、を有する。図１０は、複合アッセンブリ４６０を部分的な切り落としなしで示している。
【００６７】
作動中、回転子は遠心力及び熱的効果により膨張し得る。回転子極と固定子極の接触を防ぐために、通常はエアーギャップが大きくとられる。図５Ａ及び５Ｂを参照して説明した上述の式（１）は、トルクはエアーギャップによって大きく影響を受けることを示している。ギャップが小さくなると、トルクが大きくなる。したがって、このギャップをできる限り低減することが好ましい。本実施例は、熱及び遠心力で回転子が膨張しているときにもギャップが小さく維持されるようにする。
【００６８】
図１１は、回転子５４０が遠心力及び熱的効果により膨張したときにどのように形状を変化させるかを示す側面図である。回転子５４０は、回転軸５０３を有する。実線５０５は膨張前の回転子５４０を表し、破線５０７は膨張後の回転子５４０を表している。点５１０Ａ、５１２Ａ、及び、５１４Ａは、冷えた／静止位置における回転子５４０上の点を表し、点５１０Ｃ、５１２Ｃ、及び、５１４Ｃは、熱い／回転位置における回転子５４０上の同じ点を表している。左縁又は熱基準点５３０は所定の位置に保持されているため変化しない。右縁は自由に膨張する。点の軌跡５１０Ｂ、５１２Ｂ、及び、５１４Ｂは、熱基準点５３０からきれいに放射状になっており、熱基準点５３０から離れるほど軸方向に近くなる。
【００６９】
図１２は、本発明の一実施例に係る回転子／固定子構成６００を示している。回転子／固定子構成６００は、軸６０３まわりに回転する回転子６４０を有する。回転子６４０は、例えばコイル６３０に電流が流されたときに、固定子極６２０と相互作用する回転子極６５０を有する。図１２の回転子／固定子構成６００は、図５Ａ及び５Ｂの回転子／固定子構成３００と同じように作動するが、但し、回転子極６５０と固定子極６２０の間にインターフェース６４５を設けた点で異なる。図１２の回転子／固定子構成６００において、回転子極６５０と固定子極６２０の間のインターフェース６４５の角度は、図１１に示した回転子５４０の表面上の点の軌跡と同じである。これらの角度を一致させることにより、回転子極５４０の表面と固定子極６２０の表面とが、回転子６４０が回転し熱くなっているときであっても、エアーギャップ６４７を変えることなく、互いにすれ違う。このデザインにより、回転子の温度を問わず、非常に小さいエアーギャップを維持することができる。固定子極６２０を保持するハウジングは、一定の温度に維持されるものと仮定することができる。回転子極６５０と固定子極６２０のペアの単一の構成について、様々な異なるインターフェース６４５の角度が回転子６４０の表面上の点の軌跡に応じて提供され得る。
【００７０】
図１３Ａ及び１３Ｂは、本発明の別の一実施例に係る回転子／固定子構成７００Ａ、７００Ｂを示している。回転子／固定子構成７００Ａ、７００Ｂは、軸７０３まわりに回転する回転子７４０を有する。図１３Ａ及び１３Ｂの回転子／固定子構成７００Ａ、７００Ｂは、図５Ａ及び５Ｂの回転子／固定子構成３００と同じように作動し、回転子極７５０と、固定子極７２０Ａ、７２０Ｂと、コイル７３０Ａ、７３０Ｂと、を有する。図１３Ａの回転子／固定子構成７００Ａは、独立したユニットとして作動する３つのＵ字状固定子７２０Ａを示している。図１３Ｂの回転子／固定子構成７００Ｂは、３つのＵ字状固定子７２０Ａが一体化したかのように作動する単一のＥ字状固定子７１０Ｂを示している。このＥ字状固定子７２０Ｂにより、より高いトルク密度が実現される。図１３ＢではＥ字状固定子を示したが、固定子極を他の形状の単一のユニットに統合することも可能である。
【００７１】
図１４は、本発明の別の実施例に係る回転子／固定子構成８００を示している。既述の実施例と同様に、図１４の回転子／固定子構成８００も、様々な種類の電気機械（電動機や発電機など）とともに用いることができる。図１４の回転子／固定子構成８００は、図５Ａ及び５Ｂの回転子／固定子構成３００と同じように作動し、回転子極８５０と、Ｕ字状固定子極８２０と、を有する。但し、固定子極８２０は、回転子極８５０がＵ字状固定子極８２０の隙間を横断しないように、軸方向に９０°ずらされている。図５Ａ及び５Ｂと同様に、磁束経路は比較的短い。例えば、Ｕ字状極８２０上の電流が流されたコイルによって生成された磁束は、円形のような経路で、極８２０の一方の脚８２２、回転子極８５０、及び、別の回転子極８５０を通る回転子の縁を順に通って、極８２０の他方の脚８２４へ達する。
【００７２】
図１４の回転子／固定子構成８００は、３つの位相Ａ、Ｂ、及び、Ｃを有し、位相ごとに２組の固定子極８２０を有する。本実施例において、固定子極８２０は、非強磁性ヨーク８９０に挿入されたコイルを備えたＵ字状鉄芯である。固定子極８２０は、鉄以外の材料から作られてもよく、他の構成をとってもよい。固定子極８２０は、電気的及び磁気的に互いに隔離されてもよい。図１４の回転子８４０は、従来のＳＲＭの回転子のように作動する。但し、従来のＳＲＭとは異なり、回転子極８５０と固定子極８２０のピッチは同じである。
【００７３】
各位相の磁気リラクタンスは、回転子８４０の位置によって変化する。図１５に示すように、回転子極８５０が２つの固定子極８２０と位置が揃っていないとき、位相インダクタンスは最小となる。この位置をずれ位置と呼ぶ。回転子極８５０が固定子極８２０と位置が揃っているとき、磁気インダクタンスは最大となる。この位置を合わせ位置と呼ぶ。合わせ位置とずれ位置の間は、中間位置である。ＳＲＭトルクは、最小リラクタンス（最大インダクタンス）構成を見つけようとする磁気回路の傾向によって成長する。
【００７４】
図１４の構成では、回転子８４０が１つの位相と位置が揃ったとき、他の２つの位相とは完全には位置が揃っていない状態となるため、回転子８４０は、いずれの位相が次に励磁されるかに応じて、一方向に回転できる。磁束に関連する電流ｉを位相コイルに流すと、コエネルギ（ｃｏ−ｅｎｅｒｇｙ）Ｗ’は
【００７５】
【数１８】
2008537472.tif 000020
という定積分から求めることができる。
【００７６】
任意の回転子位置において１つの位相コイルにより生成されるトルクは、
【００７７】
【数１９】
2008537472.tif 000021
という式によって与えられる。
【００７８】
ＳＲＭの出力トルクは、すべての位相のトルクの合計であるので、
【００７９】
【数２０】
2008537472.tif 000022
となる。
【００８０】
飽和効果を無視すると、瞬間トルクは、
【００８１】
【数２１】
2008537472.tif 000023
となる。
【００８２】
式（７）から、ＳＲＭにおいて正のトルク（動力発生トルク）を生成するためには、位相バルクインダクタンスが増加して、回転子が固定子極へ向けて動いたときに、位相が励磁される必要があることがわかる。そのとき、位相が合わせ位置にあるときには、励磁されるべきではない。このサイクルは、磁束鎖交（λ）−位相電流（ｉｐｈ）平面におけるループとして示すことができる。このループは、図１６に示すようなエネルギ保存ループである。このループ（Ｓ）の内側の面積は、１ストロークにおいて変換されるエネルギに等しい。よって、機械の平均パワ（Ｐａｖｅ）及び平均トルク（Ｔａｖｅ）は、
【００８３】
【数２２】
2008537472.tif 000024
【００８４】
【数２３】
2008537472.tif 000025
として計算することができる。ここで、Ｎｐは位相あたりの固定子極ペアの数であり、Ｎｒは回転子極の数であり、Ｎｐｈは固定子位相の数であり、ωは回転子速度である。
【００８５】
位相の数、固定子極ピッチ、及び、固定子の位相間距離角度を変えることによって、様々な種類の、磁束経路が短いＳＲＭを設計することができる。
【００８６】
図１７は、本発明の別の実施例に係る回転子／固定子構成９００を示している。図１７の回転子／固定子構成９００は、図１４を参照して説明したモデルと同じように作動する２位相モデルである。図１７の構成９００は、回転子９４０と、回転子極９５０と、固定子極９２０と、脚９２２、９２４と、ヨーク９９０と、を有する。
【００８７】
図１８は、本発明の別の実施例に係る回転子／固定子構成１０００を示している。既述の他の実施例と同様に、図１８の回転子／固定子構成１０００は、様々な種類の電気機械（電動機や発電機など）と共に用いることができる。図１８の回転子／固定子構成１０００は、図１４の回転子／固定子構成１０００と同じように動作し、Ｕ字状固定子極１０２０と、回転子極１０５０と、非強磁性ヨーク１０８０と、位相Ａ、Ｂ、Ｃと、を有する。但し、図１８の回転子／固定子構成１０００において、回転子極１０５０は、固定子極１０２０から半径方向外側に配置される。したがって、回転子１０４０は、固定子極１０２０まわりに回転する。図１４と同様に、磁束経路は比較的短い。例えば、Ｕ字状極１０２０上で電流が流されたコイルによって生成された磁束は、円形のような経路で、固定子極１０２０の一方の脚１０２２及び回転子極１０５０を順に通り、固定子極８２０の他方の脚１０２４に達する。回転子／固定子構成１０００の用途は、例えば、ハイブリッド車、電気自動車、又は、燃料電池車などのハブに備えられた電動機である。この場合、車輪は、回転子１０４０に連結され、固定子１０２０まわりに回転する。加えて、この回転子／固定子構成１０００は、例えば図１９に示されたような永久磁石電動機にも提供できる。
【００８８】
図１９は、本発明の別の実施例に係る回転子構成１１００を示している。図１４の回転子／固定子構成１１００は、図１４の回転子／固定子構成１１００と同じように動作し、Ｕ字状固定子極１１２０と、非強磁性ヨーク１１９０と、位相Ａ、Ｂ、Ｃと、を有する。但し、回転子１１４０は、交互に並べられた永久磁石極１１５２、１１５４を有する。
【００８９】
図２０は、本発明の別の実施例に係る回転子／固定子構成１２００を示している。既述の他の実施例と同様に、図２０の回転子／固定子構成１２００は、様々な種類の電気機械（電動機や発電機など）と共に用いることができる。図２０の回転子／固定子構成１２００は、既述の複数の概念を統合したものであって、羽根１２５０Ａ、１２５０Ｂ（図５Ａ及び５Ｂ）と、Ｅ字状固定子極１２２０Ａ、１２２０Ｂ（図１３Ｂ）と、回転子極１２５０Ｂの半径方向内側の固定子極１２２０Ｂ（図６〜１０）と、回転子極１２５０Ｂの半径方向外側の固定子極１２２０Ａ（図１８）とを有する。固定子極１２２０Ａは、ドラム１２８５の半径方向内側及び外側の両側に設けられる。これにより、トルクが内側及び外側の両方から掛けられるため、トータルのトルク及びパワ密度が増加する。回転子極１２５０Ａ、１２５０Ｂは、例えば、ＳＲＭの一部品である強磁性材料（例えば鉄など）から作られる。回転子極１２５０Ａ、１２５０Ｂは、永久磁石電動機の一部品である、回転軸に平行な極を備えた永久磁石であってもよい。
【００９０】
図２１Ａ及び２１Ｂは、本発明の別の一実施例に係る回転子／固定子構成１３００を示している。既述の他の実施例と同様に、図２１Ａ及び２１Ｂの回転子／固定子構成１２００は、様々な種類の電気機械（電動機や発電機など）と共に用いることができる。図２１Ａ及び２１Ｂの回転子／固定子構成１３００は、図５Ａ及び５Ｂの回転子／固定子構成１３００と同じように作動し、回転子極１３５０と、Ｕ字状固定子極１３２０と、を有する。但し、回転子極１３５０が、回転子極１３５０の半径方向内側の固定子極１３２０の一脚１３２２と、回転子極１３５０の半径方向外側の固定子極１３２０の一脚１３２４の間で回転するように、回転子極１３５０とＵ字状極１３２０は９０°ずれている。図２１Ａ及び２１Ｂの回転子／固定子構成１３００においては、軸方向磁束と半径方向磁束が共存することは明らかである。
【００９１】
本実施例及び他の実施例において、固定子に磁気裏当て鉄は必ずしも必要ない。さらに、本実施例及び他の実施例において、回転子が磁気源を一切搭載していなくてもよい。さらに、回転子の裏当て鉄は、必ずしも強磁性材料から作られる必要はない。これにより、機械的負荷へのインターフェースの設計自由度が増す。
【００９２】
本発明及び他の実施例に係る構成によれば、パワ密度レベルが高くなり、力生成処理における固定子及び回転子の感応が良くなり、さらに、鉄損失が低くなるため、高周波数用途に対して良い解を提供できる。既述の様々な実施例において、固定子極の数及び回転子極の数は、所望の対速度トルク特性が得られるように、選択される。実施例によっては、固定子の冷却が非常に容易になる場合もある。さらに、モジュール構造を採用することにより、１以上の位相が故障したときでも、作動し続けることができるようにすることもできる。
【００９３】
（磁力の最適化）
図２２〜２５は、本発明の一実施例に係る磁力の最適化を示している。回転子の表面上の電磁力は２つの成分を持つ。一方は、移動方向に垂直な成分であり、他方は、移動方向の接線成分である。これらの力成分は、垂直力及び切線分力と呼ばれ、
【００９４】
【数２４】
2008537472.tif 000026
【００９５】
【数２５】
2008537472.tif 000027
に従って、磁場量から計算することができる。
【００９６】
最適化演算において、切線分力は、垂直力が最小限のレベルに維持されるか、可能であれば除去されるようにしつつ、最適化される必要がある。但し、これは、従来の電気機械変換機の場合である。逆に、垂直力は、電気機械エネルギ変換処理の支配的な生成物を形成する。これの主要な理由は、以下の連続定理により説明することができる。磁束線は空中から透磁性が比較的高い強磁性材料に入るため、磁束密度の切線分力及び垂直力は、
【００９７】
【数２６】
2008537472.tif 000028
【００９８】
【数２７】
2008537472.tif 000029
という式に従って変化する。
【００９９】
上記の二式は、エアーギャップにおける磁束線は、ほぼ垂直に鉄に入り、鉄に入ると直ちに方向を変える、ことを示唆している。換言すれば、ＳＲＭにおいて、回転子の表面には半径方向の力しか生じないことを示唆している。
【０１００】
図２２は、ＳＲＭドライブにおける磁束線の分布を示している。磁束密度Ｂがテスラ（Ｔ）単位で示されている。回転子の右側面に作用する半径方向の力（縁磁束１４００）は、回転子を正方向に推進する力を生成する（回転子の表面に対して）半径方向の力を生成する。これは、注目が必要なエリアである。この角へ向けてより多くの磁束が押されるほど、機械の作動がより良好となる。これは、飽和状態下でなぜＳＲＭがより効率的に作動するかを説明している。これは、飽和により、機械の有効ギャップが増加し、より多くの磁束線が縁経路を選択しているからである。
【０１０１】
縁エリアへ向かう磁束線の移動を促進するために、本発明の一実施例は、回転子の表面に複合材料を用いる。回転子表面の複合材料において、最上部分は、比較的低い磁束密度で比較的容易に飽和する材料によって形成される。これにより、電気機械エネルギ変換処理の比較的早い段階における縁回りが強化される。磁束障壁の形状又は複合材料の形状は、例えば、磁気構成の利点が完全に得られるように最適化される。磁束障壁は、回転子に垂直に進入してより多くの磁束線を縁エリアへ向けて押す半径方向の磁束を分別するために、回転子に設けられてもよい。図２３、２４、及び、２５は、これらの実施例を示している。
【０１０２】
図２３及び２４は、容易に飽和する材料又は磁束障壁１５９０Ａ、１５９０Ｂ、１５９０Ｃ、及び、１５９０Ｄを回転子１５５０Ａ、１５５０Ｂ及び固定子１５２０Ａ、１５２０Ｂの表面の下に配置したところを示している。容易に飽和する材料又は磁束障壁１５９０は、例えば、Ｍ−４５などである。回転子１５５０及び固定子１５２０用の強磁性材料は、例えば、ＨｙｐｅｒＣｏ−５０などである。容易に飽和する材料又は磁束障壁の形状、構成、及び、配置は、回転子及び固定子の構造に応じて変えることができる。
【０１０３】
図２５は、様々な合金についてのＢ−Ｈ曲線のグラフ１６００を示している。図２５のグラフ１６００は、合金１６０５、１６１５、及び、１６２５について、磁場Ｈ（１６８５）に対する磁束密度Ｂ（１６７５）をグラフ化したものである。
【産業上の利用可能性】
【０１０４】
いくつかの実施例を挙げて説明した本発明に係る磁束経路が短い構成は、固定子及び回転子の極の数及びサイズを変更することによって、あらゆるＳＲＭ用途に適用可能である。同様の構成は、軸方向場と線形電動機の場合にも利用可能である。
【０１０５】
上記実施例のいくつかは、回転子に永久磁石のＳ極／Ｎ極が交互に配置された永久磁石ＡＣ機械にも用いることができる。これら関連機械の双方、ＳＲＭ、及び、ＢＬＤＣは、電動機としても発電機としても用いることができる。
【０１０６】
加えて、上記実施例は、裏表をひっくり返して、固定子が内側に、回転子が外側にそれぞれ配置されたＳＲＭ又はＢＬＤＣ機械として用いることも可能である。換言すれば、上記実施例は、電動機としても、発電機としても、双方としても、用いることができる。
【０１０７】
様々な他の変更、置換、変形、入れ替え、及び、修正も当業者には明らかであろうが、本発明はそのような変更、置換、変形、入れ替え、及び、修正のすべてを請求項の範囲内に入るものとして包含することが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１Ａ】従来のＳＲＭの概略図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示したＳＲＭの点表記である。
【図２】図１Ａに示した従来のＳＲＭを通る長い磁束経路の概略図である。
【図３】１位相・１馬力のモータのトルク生成におけるＭＭＦ低下の効果を示すグラフである。
【図４】本発明の一実施例に係るＳＲＭの点表記である。
【図５Ａ】本発明の一実施例に係る回転子／固定子構成を示す図である。
【図５Ｂ】本発明の一実施例に係る回転子／固定子構成を示す図である。
【図６】本発明の一実施例に係る回転子／固定子構成の外側回転子アッセンブリを示す図である。
【図７】本発明の一実施例に係る回転子／固定子構成の内側回転子アッセンブリを示す図である。
【図８】本発明の一実施例に係る回転子／固定子構成の固定子／圧縮機ケースを示す図である。
【図９】本発明の一実施例に係る複合アッセンブリの一部を切り取った図である。
【図１０】図９の複合アッセンブリを切り取りなしで示す図である。
【図１１】遠心力効果及び熱的効果により膨張したときの回転子の形状変化を示す側面図である。
【図１２】本発明の別の一実施例に係る回転子／固定子構成を示す図である。
【図１３Ａ】本発明の別の一実施例に係る回転子／固定子構成を示す図である。
【図１３Ｂ】本発明の別の一実施例に係る回転子／固定子構成を示す図である。
【図１４】本発明の別の一実施例に係る回転子／固定子構成を示す図である。
【図１５】ずれ位置、中間位置、及び、合わせ位置を示す図である。
【図１６】エネルギ変換ループを示す図である。
【図１７】本発明の別の一実施例に係る回転子／固定子構成を示す図である。
【図１８】本発明の別の一実施例に係る回転子／固定子構成を示す図である。
【図１９】本発明の別の一実施例に係る回転子構成を示す図である。
【図２０】本発明の別の一実施例に係る回転子／固定子構成を示す図である。
【図２１Ａ】本発明の別の一実施例に係る回転子／固定子構成を示す図である。
【図２１Ｂ】本発明の別の一実施例に係る回転子／固定子構成を示す図である。
【図２２】ＳＲＭドライブにおける磁束線の構成を示す図である。
【図２３】回転子表面の下に配置された容易に飽和する材料又は磁束障壁を示す図である。
【図２４】回転子表面の下に配置された容易に飽和する材料又は磁束障壁を示す図である。
【図２５】様々な合金についてのＢ−Ｈ曲線を示すグラフである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１６】
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【図１７】
2008537472.tif 000051
【図１８】
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【図１９】
2008537472.tif 000053
【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
2008537472.tif 000060
【図２５】
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【国際調査報告】
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