(57)【要約】  本発明は、固定されたステータ（１２）と、多相のステータ巻線（１３）と、ロータ（１１）とを有する電気同期機械（１０）に関しており、ロータは、その外周にわたり、あらかじめ定めた順序で、複数の永久磁石と電気的に励磁される極とを有しており、ロータの極数は、ロータの少なくとも１つの励磁コイル（１８）における励磁電流の強さおよび方向に依存して切換制御可能である。上記の機械の効率を改善するため、また励磁コイルの数ないしは全コイル断面積を低減するため、ロータ（１１）は、軸方向に積層された金属薄板パケット（２５）からなる鉄心を有しており、この金属薄板パケットには、少なくとも１つの励磁コイル（１８）を収容するために切り込み溝（１９）が外周に設けられており、上記の少なくとも１つの励磁コイル（１８）は、ロータ（１１）の外周において、少ない方の極数の極区分（Ｐｔ）に等しいステップ幅（ＳＷ）で配置されている。
2011512776.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定のステータ（１２）およびロータを有する電気機械（１０）であって、
前記のステータは、有利には多相のステータ巻線（１３）を有しており、
前記のロータは、作業エアギャップ（１６）を介してステータと協調動作し、またその外周にわたってあらかじめ定めた順序で、永久磁石（１７）および少なくとも１つの励磁コイル（１８）によって電気的に励磁される複数の極を有しており、
前記のロータの極数は、少なくとも１つの励磁コイルにおける励磁電流（Ｉｅ）の強さおよび方向に依存して切換制御可能である形式の電気機械において、
前記のロータ（１１）は、軸方向に積層された金属薄板パケット（２５）からなる鉄心を有しており、
前記の金属薄板パケットには、少なくとも１つの励磁コイル（１８）を収容するために外周に切り込み溝（１９）が設けられており、
前記の少なくとも1つの励磁コイル（１８）は、少ない方の極数の極区分（Ｐｔ）に等しいステップ幅（ＳＷ）でロータ（１１）の外周に配置されていることを特徴とする
電気機械。
【請求項２】
前記の少なくとも１つの励磁コイル（１８）の巻線ヘッド（２０）は、金属薄板パケット（２５）の端面にて、ロータ外周に配置されかつ半径方向に磁化される少なくとも１つの永久磁石（１７）の下側をそれぞれ弦状に案内される、
請求項１に記載の電気機械。
【請求項３】
前記のステータ巻線（１３）の出力電圧（Ｕａ）は、前記の少なくとも１つの励磁コイル（１８）における励磁電流（Ｉｅ）の強さおよび方向を変更することにより、有利には負荷および温度に依存して許容最大値と最小値との間で制御可能である、
有利には自動車用の多相交流ジェネレータである、請求項１または２に記載の電気機械。
【請求項４】
前記の機械（１０）の通常動作にて、ロータ（１１）は多い方の極数を有しており、
前記の少なくとも１つの励磁コイル（１８）における励磁電流（Ｉｅ）の強さおよび方向を選択して、前記の永久磁石（１７）との協調動作により、極性が交互に代わるほぼ同じ強さ極がロータ外周に生じるようにした、
請求項１から３までのいずれか１項に記載の電気機械。
【請求項５】
前記のロータ（１１）は、直径上で互いに対向する切り込み溝（１９）に入れられたただ１つの励磁コイル（１８）を有しており、
該励磁コイルは、有利には巻線ヘッド（２０）にて分けられてロータ軸（２１）の周りに案内されており、また
前記励磁コイルは、ロータ外周にて切り込み溝（１９）の間に配置されかつ直径上で互いに対向する少なくとも２つの永久磁石（１７）と協調動作する、
請求項１から４までのいずれか１項に記載の電気機械。
【請求項６】
半径方向に極性が交互に代わる２つの永久磁石（１７）は、前記の励磁コイル（１８）の２つの切り込み溝（１９）に対してそれぞれ９０°ずれている、
請求項５に記載の電気機械。
【請求項７】
４つの永久磁石（１８）が前記のロータ外周に配置されており、
前記の切り込み溝（１９）の間で、半径方向の極性が同じ２つずつの磁石は、互いにほぼ同じ大きさの間隔（ａ）を有し、また切り込み溝（１）に対してほぼ同じ大きさの間隔（ａ）を有する、
請求項５に記載の電気機械。
【請求項８】
６つの永久磁石（１８）が前記のロータ外周に配置されており、
前記の切り込み溝（１９）の間で、半径方向の極性が同じ３つずつの磁石は、互いにほぼ同じ大きさの間隔（ａ）を有し、ないしは切り込み溝（１９）に対してほぼ同じ大きさの間隔（ａ）を有する、
請求項５に記載の電気機械。
【請求項９】
前記のロータ（１１）は、それぞれ互いに９０°ずらされた切り込み溝（１９）に入れられた少なくとも２つの、有利には４つの励磁コイル（１８）を有しており、
当該励磁コイルは、前記の切り込み溝（１９）の間でロータ外周に配置されかつ半径方向に極性が交互に代わる４つの永久磁石（１７）と協調動作する、
請求項２に記載の電気機械。
【請求項１０】
前記の有利には４つの永久磁石（１７）は、隣の切り込み溝（１９）に対して１つずつの外周間隔（ａ）を有しており、
ここで該外周間隔は、前記の磁石の外周幅（ｂ）に等しいため、励磁コイル（１８）にて相応する励磁電流が流れる際に、ロータ外周にて、有利には１２個の極である多い方の極数から、有利に４つの極である少ない方の極数に切換制御可能である、
請求項１から９までのいずれか１項に記載の電気機械。
【請求項１１】
前記の多相のステータ巻線（１３）の極数は、前記の切換制御可能なロータ（１１）の多い方の極数に等しい、
請求項４に記載の電気機械。
【請求項１２】
前記のステータ巻線（１３）は三相に構成されており、
スター形結線または三角結線でブリッジ整流器（３３）の入力側に接続されている、
請求項１から１１までのいずれか１項に記載の電気機械。
【請求項１３】
前記のステータ巻線（１３ｂ）は５相に構成されており、
スター形結線、リング形結線またはスター形直列結線でブリッジ整流器（３３ａ）の入力側に接続されている、
請求項１から１１までのいずれか１項に記載の電気機械。
【請求項１４】
前記のステータ巻線（１３ｃ）は６相に構成されており、
二重スター形結線、二重三角結線でブリッジ整流器（３３ｂ）の入力側に接続されている、
請求項１から１１までのいずれか１項に記載の電気機械。
【請求項１５】
前記のブリッジ整流器（３３）の出力側は制御器（３２ａ）に接続されており、
当該制御器の出力側は、前記のロータ（１１）の少なくとも１つの励磁コイル（１８）に接続されており、
前記の制御器（３２ａ）は、前記のブリッジ整流器（３３）の出力電圧（Ｕａ）に依存して、励磁電流の強さおよび方向を変更可能である、
請求項１２から１４までのいずれか１項に記載の電気機械。
【請求項１６】
前記のロータ（１１）の金属薄板パケット（２５）の２つの端面に１つずつのファン（２８）が配置されている、
請求項１から１５までのいずれか１項に記載の電気機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
従来の技術
本発明は、固定のステータと、ハイブリッド励磁式ロータとを有する、請求項１の上位概念に記載された電気機械に関する。
【０００２】
このような同期機械は、固定式の網、例えば固定の三相交流網における動作にも、電気変換装置を介する動作にも好適である。さらにこのような機械は、ジェネレータ動作において多相のスタータ巻線システムにおいて誘導電圧を制御するのにも好適であり、これは例えば自動車の車載電源に必要である。これらの電気機械では、ロータの外周における極の一部は永久磁石によって励磁され、別の一部は電気的に励磁される。
【０００３】
WO 2004/017496からは極を切り換えることのできる同期機械が公知であり、ここではロータの極の切換は、極回転子（Polrad）の励磁コイルにおける電流方向を変更することによって行われ、これは多相ステータ巻線の出力電圧の制御に使用される。ここでは励磁電流を連続的に制御することにより、多い方の極数に対して設計した多相のステータ巻線の出力電圧を広い範囲で変化させることができる。上記の従来技術では、例えば図１ａおよび１ｂによれば、１２極と６極との間で切換制御可能な装置において、半径方向に磁化される３つの永久磁石ならびに３つの励磁コイルが必要であり、励磁コイルは、多い方の極数の極区分のステップ幅で、半径方向に外周を向いた１つずつの脚部に配置される。ここで不利であるのは、対称的な極配置に対して永久磁石毎に、相応する起磁力のために励磁コイルが必要になることである。これにより、ロータにおいてスペースおよび相応の大きさの銅断面積が必要になる。さらにこの従来技術において永久磁石がロータ外周において同じ極性を有することは不利である。その理由は、これにより、隣の極を介して磁気的な逆流が必然的に発生することによって、組み立てられた状態で帯磁が困難になるからである。
【０００４】
上記のような同期機械の別の実施形態は、WO 99/67871から公知である。しかしながらここではロータにおいて永久磁石が半径方向に配置されており、弦状に磁化される。ここでも永久磁石の間に励磁コイルが、半径方向に外周に向かって延びる１つずつの脚部に配置されており、これらは、極数の多い方の極区分のステップ幅を有する。ここでも同様に対称的な極配置において励磁コイルの数は永久磁石の数に等しく、すべての励磁コイルは、完全な起磁力が得られるように設計しなければならない。１２極のロータを有する機械に対しては、相応の大きさの銅断面積および所要スペースを有する４つの励磁コイルが必要になる。さらにここでも不利であるのは、永久磁石の完全な帯磁は、組み立てた状態でロータに実践的に実現できないことである。それは、ロータ外周に磁化ヘッドを有する場合、永久磁石の内側の領域は、完全な外周に達しないからである。
【０００５】
US 2007/0090713 A1からは、極切換可能なハイブリッド励磁式ロータを有する多相電気機械が公知である。この機械は、自動車おいて、車両駆動器を始動するためのモータ動作にも、車載電源網を給電するためのジェネレータ動作にも共に使用される。上記の二重の機能を最適化するため、極切換可能ロータの少ない方の極数に等しい極数で機械のステータ巻線を設計する。また機械の電磁的な損失を低減するため、スター結線のステータ巻線に、後置接続されるブリッジ整流器のスター点結合部を設け、これによってジェネレータ動作において、出力される起電力のリップルを低減している。
【０００６】
発明の開示内容
本発明による解決手段によって達成しようとするのは、電気機械を殊にジェネレータモードに対して設計して、付加的な回路コストなしに電磁的な損失を少なく維持し、電気機械の出力が同じ場合にロータの励磁コイルに対して全体的に必要な断面積を低減し、ひいては必要な銅の量ならびに電気的な励磁に必要な出力およびスペースを低減することである。
【０００７】
ハイブリッド励磁式極回転子を有する電気機械において、請求項１の特徴部分に記載した特徴的構成によってつぎのような利点が得られる。すなわち、金属薄板パケットにより、殊にロータにおいて磁気的な高調波によって生じる電磁的な損失が簡単な手段が大幅に回避され、また従来技術に比べて励磁コイルのステップ幅が数倍あることにより、コイル断面積が同じ場合にコイル数を低減するか、ないしはコイル数が同じ場合にその断面積を低減することができる。これにより、出力が同じ場合に、銅の量を低減して一層コスト的に有利にまた一層コンパクトにロータを作製することができる。別の利点であるのは、ここではロータの永久磁石を、組み込まれた状態で簡単に帯磁できることである。
【０００８】
従属請求項に記載された手段により、請求項１に記載された特徴的構成の有利な実施形態および発展形態が得られる。
【０００９】
ここで励磁コイルのステップ幅を大きくするために重要であるのは、金属薄板パケットの端面において、励振コイルの巻線ヘッドをそれぞれ弦状に、ロータ外周に配置されかつ半径方向に磁化される少なくとも１つの永久磁石の下側を案内することである。
【００１０】
上記の機械の損失熱を排出するため、金属薄板パケットの２つの端面に１つずつのファンを配置する。ここで自動車用の多相交流ジェネレータとして上記の電気機械を使用するのに殊に有利であるのは、励磁コイルの励磁電流の強さおよび方向を変更することにより、有利には負荷および温度に依存して、許容最大値と値０との間ステータ巻線の出力電圧を制御できる場合である。例えば、出力を目下の消費に適合させて一定の電源電圧を維持する。また有利には機械の通常動作において、ロータは多い方の極数を有し、ここで励磁コイルにおける励磁電流の強さおよび方向を選択して、永久磁石との協調動作において、極性が交互に代わるほぼ同じ強さの極が極回転子外周に得られるようにする。励磁電流の増大は、誘導電圧の増大に結び付き、ひいてはより大きな出力が送出される。またこの逆も成り立つ。
【００１１】
上記の電気機械の殊にコスト的に有利な１実施形態は、上記のロータが、直径上で互いに対向する切り込み溝に入れられたただ１つの励磁コイルを有しており、この励磁コイルが有利には巻線ヘッドにおいて分けられてロータ軸の周りに案内されており、また上記の励磁コイルが、ロータ外周において切り込み溝の間に配置されかつ直径上で互いに対向する少なくとも２つの永久磁石と協調動作することによって得られる。ここで有利には半径方向に極性が交互に代わる２つの永久磁石は、励磁コイルの２つの切り込み溝に対して９０°ずれて配置される。本発明の発展形態において、多い方の極対の数に対して提案されるのは、４つの永久磁石がロータ外周に配置されており、上記の切り込み溝の間に半径方向の極性が同じ２つずつの磁石が、互いにほぼ同じ間隔を有し、また切り込み溝に対してほぼ同じ間隔を有することである。さらに多くの極対の数は有利には、６つの永久磁石がロータ外周に配置されており、上記の切り込み溝の間に極性が交互に代わる３つずつの磁石が、互いにほぼ同じ間隔を有しまた切り込み溝に対してほぼ同じ間隔を有することによって得ることができる。
【００１２】
自動車におけるジェネレータに対して殊に有利な実施形態は、上記のロータが、それぞれ互いに９０°ずらされた４つの切り込み溝に入れられた少なくとも２つの、有利には４つの励磁コイルを有しており、これらの励磁コイルが、切り込み溝の間においてロータ外周に配置されかつ半径方向に極性が交互に代わる少なくとも４つの永久磁石と協調動作することによって得られる。ここで有利には上記の４つの永久磁石は、隣の２つの切り込み溝に対し、磁石の外周幅に等しい１つずつの外周間隔を有しているため、相応する励磁電流をロータ外周の励磁コイルに流す場合、ロータ外周において極数を４極から１２極に切換制御可能である。
【００１３】
さらにジェネレータ動作に対して機械の最適化の観点から重要であるのは、多相のステータ巻線の極数が、切換制御可能なロータの多い方の極数に等しいことである。ここで最も簡単なケースではステータ巻線は、三相に構成され、またスター形結線または三角結線でブリッジ整流器の入力側に接続される。出力電圧のリップルの低減によるステータの一層良好な活用は、ステータ巻線を５相に構成してスター形結線、リング形結線またはスター形直列結線でブリッジ整流器の入力側に接続する場合に得られる。比較的出力の大きな機械に対して有利であるのは、上記のステータ巻線を６相に構成して、二重スター形結線、二重三角結線でブリッジ整流器の入力側に接続する場合である。
【００１４】
本発明の発展形態では、ロータ極数の切換機能が、値ゼロまでの出力電圧の制御に使用でき、これは上記のブリッジ整流器の出力側と制御器とを接続することによって行われる。この制御器の出力側は、ロータ（１１）の少なくとも１つの励磁コイル（１８）に接続されており、この制御器は、ブリッジ整流器における出力電圧に依存して励磁電流の強さおよび方向を変えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】ハイブリッド励磁式ロータを有する本発明の電気機械の概略横方向断面図である。
【図２】図１の機械の長手方向断面図である。
【図３】４つの永久磁石および制御可能な２つの励磁コイルを有するロータの横方向断面図である。
【図４】整流器および制御器を有する機械の回路構造の２つの変形実施形態を示す図である。
【図５】ジェネレータ動作における上記の機械の出力電圧の経過を励磁電流に依存して示す線図である。
【図６】分割された励磁コイルおよび１２極と４極との間で電気的な切換制御を有する図３のロータを示す図である。
【図７】６極と２極との間で切換制御可能なロータと、２個の永久磁石と、分割された励磁コイルとを有する機械を示す図である。
【図８】１０極と２極との間で切換制御可能なロータと、４個の永久磁石と、ただ１つの励磁コイルとを有する機械を示す図である。
【図９】１４極と２極との間で切換制御可能なロータと、６個の永久磁石と、ただ１つの励磁コイルとを有する機械を示す図である。
【図１０】ステータ巻線およびその接続の１実施形態を示す図である。
【図１１】ステータ巻線およびその接続の別の１実施形態を示す図である。
【図１２】ステータ巻線およびその接続のさらに別の１実施形態を示す図である。
【００１６】
以下では、図面に基づき、例示によって本発明を詳しく説明する。
【００１７】
本発明の実施形態
図１および２には簡略化した形態の横方向断面および長手方向断面で電気機械が示されており、またこの電気機械には参照符号１０が付されており、この電気機械には同期機械としてハイブリッド励磁式ロータ１１が設けられている。この機械は、三相のステータ巻線１３を有する固定のステータ１２を有している。図１〜３に記載された第１実施例において、電気機械１０は、１２極のステータ巻線１３を有する自動車用の三相ジェネレータであり、ステータ巻線１３の３つの巻線ストランドＲ，ＳおよびＴは、３つの切り込み溝のコイルステップ幅で、ステータ金属薄板パケット１５の切り込み溝１４に入れられており、図１では外周の一部にわたって示されている。ステータ１２は、作動エアギャップ１６を介して、ステータ１２に回転可能に支承されたロータ１１と協調動作する。ロータ１１はその外周に、あらかじめ定められた順序で複数のＮ極ＮおよびＳ極Ｓを有しており、これらは永久磁石１７ならびに励磁コイル１８によって構成される。ここでロータ１１の極数は、励磁コイル１８における励磁電流の強さおよび方向に依存して切換制御することができる。図２からわかるのは、ロータ１１の鉄心が軸方向に積層された金属薄板パケット２５から構成されることであり、この金属薄板パケットはロータシャフト２１の中央領域に固定されている。励磁コイル１８を収容するため、開いた切り込み溝１９が金属薄板パケット２５の外周に打ち抜かれている。永久磁石１７は、金属薄板パケット２５の打ち抜かれたポケット２６に入れられている。ポケット２６は、外側を閉じることができ、この場合にこれによって磁石１７が軸方向に見てポケットに押し込まれることになる（図６）。これにより、ポケット２６の幾何学形状によって遠心力を受け止めて、ロータ１１における磁石１７の確実な保持を保証することができる。磁石材料は有利には希土類元素からなる。金属薄板パケット２５は溶接によって張り合わされる。しかしながらこの代わりにリベット止め、接着（接着ラッカー）またははめ込みを使用することも可能である。
【００１８】
上記の機械のケーシングは、２つの支承シールド１２ａおよび１２ｂとからなり、これらの支承シールドの間にステータ金属薄板パケット１５がはめ込まれている。ロータ１１は、そのロータシャフト２１の両側が軸受２７を介して支承シールド１２ａ，１２ｂに回転可能に収容されている。金属薄板パケット２５の軸方向の端面には１つずつのファン２８が固定されている。支承シールド１２ａ，１２ｂの開口部２９を介して冷却エアがファン２８によって軸方向に吸引され、スタータ巻線１３の巻線ヘッド１３ａならびにロータ１１において、またステータ１２に沿って最終的に半径方向に外部に向かってブロアされる。ロータシャフト２１の後方の端部では、支承シールド１２ｂの後ろに、ステータ１２からロータ１１への励磁電流伝送部としてスリップリング装置３０が固定されており、これは、固定のブラシ装置３１と協調動作して励磁コイル１８に電流を供給する。ブラシ装置３１は上記の個所に、ロータ１１に対する電流供給ユニットとして、制御器３２ならびにブリッジ整流器３３と共に後ろ側の支承シールド１２ｂ外側に固定されている。これらの構成部分は保護キャップ３４によって覆われており、この保護キャップは冷却エアを流入させるために端面に多くの換気スリット３５を有する。
【００１９】
図３にはロータ１１の外周に発生する極の並びが示されており、この極の並びは、励磁コイル１８を通って励磁電流Ｉｅが矢印方向に流れる場合に生じる。ここでは２つの励磁コイル１８がロータ１１の４つの切り込み溝１９に入れられており、これらの切り込み溝は互いに９０°ずつずれており、ロータ１１の外周の方向を向いている。切り込み溝１９の間のロータ外周には４つの永久磁石１７が配置されており、これらの永久磁石は、半径方向の極性が交互に代わり、励磁コイル１８と協調動作する。これにより、励磁電流Ｉｅの図３に示した電流方向において、極性が交互に代わる１２極がロータ外周に得られる。励磁コイル１８における電流方向を逆転することにより、ロータ１１の極数を切換制御することができ、ここでは電気的に励磁される場Φeを逆転することにより、ロータ外周る各切り込み溝１９の両側に形成される極がそれぞれその極性を変える。このことは図３において括弧内に示した極性によって示されている。これによってロータ外周に、極性が対称でかつ交互に代わる４極の装置が得られるのである。
【００２０】
本発明において励磁コイル１８の数の低減は、励磁コイル１８をステップ幅ＳＷでロータ１１の外周に配置することによって得られ、このステップ幅は、図１によれば、ロータ１１の少ない極数（ここでは結果的に４極になる）の極区分Ｐｔに等しい。従来技術に比べて数倍にも大きなこのステップ幅はつぎのようにして得られる。すなわち、励磁コイル１８の巻線ヘッド２０が、ロータ１１の端面において、ロータ外周に配置されかつ半径方向に磁化される永久磁石１７のうちの１つの永久磁石の下側でそれぞれ弦状に案内されることによって得られるのである。電気機械１０の通常動作では、励磁コイル１８における励磁電流Ｉｅの強さおよび方向を選択して、永久磁石１７との協調動作において、多い方の極数をロータが有しかつロータ外周において、極性が交互に代わるほぼ強さの同じ極が得られるようにする。このためにさらに、４つの永久磁石１７がそれぞれ、隣の切り込み溝１９に対して図３のように磁石の外周幅ｂに等しい外周間隔ａを有するようにする。
【００２１】
図４ａには機械１０の電気接続が示されている。ステータ巻線１３の３つの相Ｒ，ＳおよびＴは三角結線で互いに接続されており、これらの相は、その３つの出力側ａ，ｂおよびｃによって、ブリッジ整流器３３の１つずつのブリッジ入力側３３ａ，３３ｂ，３３ｃに接続されている。ブリッジ整流器３３はその出力側３３ｄ，３３ｅにおいて、出力電圧Ｕａを制御する制御器３２に接続されている。励磁コイル１８は、一方の端部がブリッジ整流器出力側３３ｄのプラス電位にあり、他方の端部が制御器３２の出力側３２ｂに接続されており、これによって励磁電流は、出力電圧Ｕａに依存して変化する。
【００２２】
図４ｂには、図４ａによる回路の変形実施形態として、スター結線の三相ステータ巻線１３と、２極の出力側３２ｂ，３２ｃを有する制御器３２ａとが示されており、これらの出力側に機械１０の励磁コイル１８が接続されている。この制御器３２ａにより、励磁電流の強さも方向も共に出力電圧Ｕａに依存して変化させることができる。制御器３２ａにはさらに温度センサ３６が取り付けられており、この温度センサを介して出力電圧Ｕａを機械１０の温度に依存して追従制御することができる。自動車において機械１０を動作させる際にはブリッジ整流器３３の出力側３３ｄ，３３ｅを介し、自動車の車載電源網３８を給電する蓄電池３７が再充電される。
【００２３】
ここで図５を用いて詳しく説明するのは、図４ｂに記載した回路により、励磁コイル１３における励磁電流の強さおよび方向を変えることによって、有利には負荷および温度に依存して許容最大値と値０との間で、図１および２の三相ジェネレータのステータ巻線１３の出力電圧Ｕａを制御できることである。ここでは上記の機械の１つの相における出力電圧Ｕａの、励磁電流Ｉｅに依存する経過をロータ１１の半回転（機械的な１８０°）にわたって時間軸ｔについて示している。したがって１２極の三相ステータ巻線１３では、ロータ１１が半回転する際に３つの完全な周期が得られる。
【００２４】
最大許容励磁電流Ｉｅ>>0の場合、１２極のロータ１１により、あらかじめ設定された負荷においてステータ巻線１３に最大出力電圧Ｕa1が形成され、この最大出力電圧によって公知のように、整流器構造ユニットを介して自動車の車載電源網における各蓄電池を給電することができる。同様に公知でありかつここで示さない手法より、電気機械１０の出力電圧Ｕａは、自動車車載電源網における直流電圧に依存して、多かれ少なかれ大きく落ち込んで制御される。図１に示した電気機械１０に対してこのことが意味するのは、ステータ巻線１３において励磁電流Ｉｅ＞０を相応に低減すると、相応に低減された出力電圧Ｕａ２が生じることである。ここでこれはロータ１１における電気的な励磁が弱くなることにより、ロータ１１の全体的な磁場が減衰することによる。全体的の磁場の上記のような減衰は、励磁電流Ｉｅ＝０まで継続し、ここではなお相対的に小さな出力電圧Ｕａ３がステータ巻線１３に誘導される。
【００２５】
ここで励磁コイル１８における励磁電流Ｉｅ＜０の方向が代わると、図２のようにロータ１１における極数が１２極から４極に切換制御される。この場合、スタータ巻線１３の巻線ストランドにおける個々のコイルに互いに逆向きの電圧が誘導され、これらは多かれ少なかれ部分的に互いに打ち消し合う。ここでこの際に生じる出力電圧Ｕａ４は、電圧値０を中心とした小さな範囲で動く。最後的に励磁電流Ｉｅを逆方向に一層大きな値Ｉｅ＞＞０に増大させると、１８０°だけ電気的にシフトした出力電圧Ｕａの半波を有する図５に破線で示した出力電圧Ｕａ５が得られる。この機械が、固定の網における動作において無効電力の制御に使用される場合、無効電流制御に対して、誘導される電圧は、最大値と最小値との間で制御可能でなければならないことになり、これは０または負になってはならないのである。そうでなければ上記の機械は不安定な状態になってしまうのである。
【００２６】
本発明にしたがって構成されたハイブリッド励磁式かつ極切換可能なロータを有する図１の同期機械の別の実施例は、図６〜９に概略的に示されている。
【００２７】
図６ａおよび６ｂにはロータ１１ａの断面が示されており、ここでは図３の２つの励磁コイル１８が、外周にわたって均一に分割されかつそれぞれ巻線回数が半分の４つの励磁コイル１８ａによって置き換えられている。ここで励磁コイル１８ａにおける電流の方向は矢印で示されている。
【００２８】
したがって図６ａによれば、励磁コイル１８ａと永久磁石１７との協調動作より、ロータ外周に１２極の配置構成が得られ、また図６ｂのように励磁巻線１８ａにおける電流の方向を変えることによってロータ外周に４極の構成が得られる。２つの極数に対し、ロータ外周にわたる極の順序は対称のままであることにより、ロータの安定した磁気的および温度的な負荷が保証される。
【００２９】
図7ａ，７ｂおよび７ｃにはロータ１１ｂを有する機械１０ａが断面で略示されており、このロータは、巻線ヘッドにおいて２つの半分部分１８ａに分けられた１つの励磁コイル１８を有しており、これは、ロータ１１の互いに直径上で対向する２つの切り込み溝１９に入れられている。ここで励磁コイル１８の２つの部分１８ａは、巻線ヘッドにおいてロータシャフト２１の周囲を案内されている。さらにここでは半径方向に極性が交代する２つの永久磁石１７が、励磁コイル１８の２つの切り込み溝１９に対してそれぞれ９０°だけずれてロータ１２の外周に配置されている。
【００３０】
この実施例において、図７ａの機械１０ａのステータ金属薄板パケット１５ａは、内周に１８個の切り込み溝１４を有しており、孔数ｎ＝１の場合にこれらの切り込み溝に３つの相Ｒ，Ｓ，Ｔを有するステータ巻線１３が入れられる。したがって相および極毎に１つの切り込み溝の場合、ステータ巻線１３は６極に構成されることになる。励磁コイル１８の２つの半分部分１８ａにおいて電流が矢印で示した方向になっている場合、図７ｂに対し、極性が交互に代わるほぼ同じ強さの６つの極がロータ外周に構成される。励磁コイル１８において電流方向を逆転すると、これによって電気的に励磁される磁束Φeもその方向を代えるため、ここでは図７ｃのようにロータ外周に２つの極だけが構成されて、これらの２つの極はそれぞれ外周の半分にわたって分割される。
【００３１】
図８ａ，８ｂおよび８ｃに示した別の実施例では、ここでもロータ１１ｃにおいて直径上で互いに対向する切り込み溝１９に入れられたただ１つの励磁コイル１８が示されており、ここでこの励磁コイルは、例えば、２つの巻線ヘッドにおいて、図示しないロータシャフトの１つずつの半分を中心として周囲に案内されている。しかしながらここでは４つの永久磁石１７がロータ外周に配置されており、２つの切り込み溝１９の間に２つずつの永久磁石１７が、同じ半径方向の極性で設けられている。永久磁石１７は、互いほぼ同じ間隔を有し、またロータ１１ｃの切り込み溝１９に対してほぼ同じ間隔を有する。
【００３２】
この実施例において、図８ａに示した機械１０ｂのステータ金属薄板パケット１５ｂは、内周に３０個の切り込み溝１４を有しており、孔数ｎ＝１の場合にこれらの切り込み溝に３つの相Ｒ，Ｓ，Ｔを有するステータ巻線１３が入れられる。したがって相および極毎に１つの切り込み溝の場合、ステータ巻線１３は１０極に構成されることになる。４つの永久磁石１７が図示した極性を有しまた励磁コイル１８において電流が矢印によって示した方向を有する場合、図８ｂにおいてロータ外周にＮ極およびＳ極からなる１０極の構成が交互の極の順序で得られる。図８ｃによれば、励磁コイル１８における電流方向を逆転することにより、この実施例は、１２極の配置構成に切換制御することができ、ここでロータ外周の上側半分はＳ極として下側半分はＮ極として構成される。
【００３３】
図９ａ，９ｂおよび９ｃに示した別の実施例でも１つの励磁コイル１８が、ロータ１１ｄの、直径上で互いに対向する切り込み溝に入れられている。しかしながらここでは６つの永久磁石１７がロータ外周につぎのように配置されている。すなわち、切り込み溝１９の間に、半径方向に同じ極性を有するそれぞれ３つの永久磁石１７が、互いにほぼ同じ間隔するか、ないしは切り込み溝に対してほぼ同じ間隔を有するように配置されているのである。この実施例において、図９ａに示した機械１０ｃのステータ金属薄板パケット１５ｃは、内周に４２個の切り込み溝１４を有しており、孔数ｎ＝１の場合にこれらの切り込み溝に３つの相Ｒ，Ｓ，Ｔを有するステータ巻線１３が入れられる。したがって相および極毎に１つの切り込み溝の場合、ステータ巻線１３は１４極に構成されることになる。ここでも励磁コイル１８において矢印で示した方向に電流を切換制御することにより、ロータ外周において極数が切換制御される。図９ｂのように電流方向を設定すると、ロータ外周に、交互に極性が代わりかつほぼ同じ強さの極を有する１４極の構成が得られる。図９ｃのように励磁コイル１８において電流方向を逆転すると、切り込み溝１９の両側に対して電気的に励磁された極の極性が代わり、ロータ外周にわたって２極の対称的な構成が得られ、ここでこの構成は、ロータ外周の上側半分にＮ極を、また下側半分にＳ極を有する。
【００３４】
図６〜９に示した実施例において、ロータ外周にわたる磁場の構成は、相応する力線経過によって示されており、永久磁石１７の磁束はΦmで、また電気的に励磁された磁束はΦeで示されている。さらに上記の実施例において、ロータ１１の、多い方の極数に対して、ロータ外周においてできる限り均一に極を分散させるのに重要であるのは、永久磁石１７が、隣の切り込み溝１９に対して、永久磁石１７の外周幅ｂに等しい外周間隔ａを有するか、ないしは互いにそれぞれこの外周間隔ａを有することである。
【００３５】
半径方向に磁化された永久磁石１７をロータ１１の外周に配置することによって可能になるのは、ロータを組み立てた状態で簡単にこれらの永久磁石を帯磁状態にすることである。それぞれ同じ個数のＮ極およびＳ極が設けられているため、外側からロータ外周に載置される磁化装置による磁化過程において磁束は永久磁石によって互い打ち消される。さらにＮ極はＳ極に対して大きな間隔を有するため、これらは、そのエッジまでの全幅において良好に帯磁状態にすることができ、極エッジにおける帯磁過程の際に力線は、障害となる漏れ磁束を有しない。励磁コイル１８を永久磁石１７の半径方向に下側に配置することにより、永久磁石１７の帯磁を励磁コイル１８におけるパルス電流によって行うことも可能である。
【００３６】
図１０，１１および１２には、電気機械１０のステータ巻線１３の別の変形実施形態およびブリッジ整流器３３との接続が示されている。図１０では機械１０ｄは５相のステータ巻線１３ｂによって構成されており、その５つの相ストランドは互いに接続されていわゆるスター形直列回路になっている。この代わりに真のスター形回路またはリング形直列回路を対象とすることも可能である。ステータ巻線１３ｂの５つの出力側は、ブリッジ整流器３３ａの５つのダイオードブリッジの１つずつの入力側に接続されている。ここでも制御器３２が励磁コイル１８を給電するためにブリッジ整流器３３ａの出力側に接続されている。
【００３７】
図１１および１２では上記の機械のステータ巻線１３ｃは６相に構成されており、図１１によれば、６つの相Ｒ１，Ｓ１，Ｔ１およびＲ２，Ｓ２，Ｔ２は二重スター形結線に接続されている。ここではステータ巻線１３ｃの６つの出力側は、ブリッジ整流器３３ｂの６つのダイオードブリッジの１つずつの入力側に接続されている。図１２によれば、６つの相ストランドＲ１，Ｓ１，Ｔ１およびＲ２，Ｓ２，Ｔ２は二重三角結線に接続されており、ここでもステータ巻線１３ｃの６つの出力側は、ブリッジ整流器３３ｂの６つのダイオードブリッジの１つずつの入力側に接続されている。
【００３８】
本発明は図示して説明した実施例には制限されない。とりわけ比較的大きくかつ出力も大きいハイブリッド励磁式ロータを有する機械では、相応に個数の多い励磁コイル１８および永久磁石１７によって大きな極数を実現することができる。このような機械は、固定の交流電流網ないしは三相網において、励磁電流を介する無効電流の制御にも回転数切り換えにも共に使用可能である。したがって例えば可能であるのは、ステータ巻線が２極と６極との間で切り換え可能な電気機械においてロータ極の切換制御により、機械回転数を３倍に増大するかないしは３分の１に低減することである。周波数変換器ないしはインバータによってモータ動作で作動するこのような電気機械においてさらに、フィードバックを介して周波数変換器の切換周波数を高めれば、ロータ１１における励磁電流の制御により、回転数の増大に結び付く弱め界磁制御を実現することができる。
【００３９】
本発明のすべての実施形態において励磁コイル１８は、ステップ幅ＳＷでロータ１１の外周に配置されており、ここでこのステップ幅は、それぞれ少なく方の極数の極区分Ｐｔに等しい。
【００４０】
ここで永久磁石１７は、平坦状の磁石、皿状の磁石またはいわゆるパンの塊状の磁石として構成されてロータ外周に配置される。ここでこれは永久磁石を例えば図１および２にしたがってロータ１１の相応する切り欠き部に固定するか、または図４〜７にしたがってロータ外周に接線方向に配置される相応のスリットに軸方向に押し込められる。
【００４１】
より多くの極数を構成するためにロータにおいてパターンの繰り返しを実現することができる。例えば、図６ａおよび６ｂによる配置は、図７ｂおよび７ｃの配置を倍にしたものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図９ｃ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年5月27日(2010.5.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定のステータ（１２）およびロータを有する電気機械（１０）であって、
前記のステータは、多相のステータ巻線（１３）を有しており、
前記のロータは、作業エアギャップ（１６）を介してステータと協調動作し、またその外周にわたってあらかじめ定めた順序で、複数の永久磁石（１７）および少なくとも１つの励磁コイル（１８）によって電気的に励磁される複数の極を有しており、
前記のロータの極数は、少なくとも１つの励磁コイルにおける励磁電流（Ｉｅ）の強さおよび方向に依存して切換制御可能である形式の電気機械において、
前記のロータ（１１）は、軸方向に積層された金属薄板パケット（２５）からなる鉄心を有しており、
前記の金属薄板パケットには、少なくとも１つの励磁コイル（１８）を収容するために外周に切り込み溝（１９）が設けられており、
前記の少なくとも1つの励磁コイル（１８）は、少ない方の極数の極区分（Ｐｔ）に等しいステップ幅（ＳＷ）でロータ（１１）の外周に配置されていることを特徴とする
電気機械。
【請求項２】
前記の少なくとも１つの励磁コイル（１８）の巻線ヘッド（２０）は、金属薄板パケット（２５）の端面にて、ロータ外周に配置されかつ半径方向に磁化される前記の複数の永久磁石（１７）のうちの少なくとも１つの下側をそれぞれ弦状に案内される、
請求項１に記載の電気機械。
【請求項３】
前記のステータ巻線（１３）の出力電圧（Ｕａ）は、前記の少なくとも１つの励磁コイル（１８）における励磁電流（Ｉｅ）の強さおよび方向を変更することにより、許容最大値と最小値との間で制御可能である、
請求項１または２に記載の電気機械。
【請求項４】
前記の電気機械は、自動車用の多相交流ジェネレータである、
請求項３に記載の電気機械。
【請求項５】
前記の出力電圧（Ｕａ）は、負荷および温度に依存して制御可能である、
請求項３または４に記載の電気機械。
【請求項６】
前記の機械（１０）の通常動作にて、ロータ（１１）は多い方の極数を有しており、
前記の少なくとも１つの励磁コイル（１８）における励磁電流（Ｉｅ）の強さおよび方向を選択して、前記の永久磁石（１７）との協調動作により、極性が交互に代わるほぼ同じ強さの極がロータ外周に生じるようにした、
請求項１から５までのいずれか１項に記載の電気機械。
【請求項７】
前記のロータ（１１）は、直径上で互いに対向する切り込み溝（１９）に入れられたただ１つの励磁コイル（１８）を有しており、
該励磁コイルは、巻線ヘッド（２０）にて分けられてロータ軸（２１）の周りに案内されており、また
前記励磁コイルは、ロータ外周にて切り込み溝（１９）の間に配置されかつ直径上で互いに対向する少なくとも２つの永久磁石（１７）と協調動作する、
請求項１から６までのいずれか１項に記載の電気機械。
【請求項８】
半径方向に見て極性が異なる前記の永久磁石（１７）が、ロータ外周に２つ配置されており、
当該の２つの永久磁石（１７）は、前記の励磁コイル（１８）の２つの切り込み溝（１９）に対してそれぞれ９０°ずれている、
請求項７に記載の電気機械。
【請求項９】
前記の永久磁石（１７）がロータ外周に４つ配置されており、
前記の切り込み溝（１９）の間で、半径方向の極性が同じ２つずつの磁石は、互いにほぼ同じ大きさの間隔（ａ）を有し、また切り込み溝（１）に対してほぼ同じ大きさの間隔（ａ）を有する、
請求項７に記載の電気機械。
【請求項１０】
前記の永久磁石（１７）がロータ外周に６つ配置されており、
前記の切り込み溝（１９）の間で、半径方向の極性が同じ３つずつの磁石は、互いにほぼ同じ大きさの間隔（ａ）を有し、ないしは切り込み溝（１９）に対してほぼ同じ大きさの間隔（ａ）を有する、
請求項７に記載の電気機械。
【請求項１１】
前記のロータ（１１）は、それぞれ互いに９０°ずらされた切り込み溝（１９）に入れられた少なくとも２つの励磁コイル（１８）を有しており、
当該励磁コイルは、前記の切り込み溝（１９）の間でロータ外周に配置されかつ半径方向に極性が交互に代わる４つの永久磁石（１７）と協調動作する、
請求項２に記載の電気機械。
【請求項１２】
前記のロータ（１１）は、それぞれ互いに９０°ずらされた切り込み溝（１９）に入れられた４つの励磁コイル（１８）を有する、
請求項１１に記載の電気機械。
【請求項１３】
前記の永久磁石（１７）がロータ外周に２つ設けられており、
当該の２つの永久磁石（１７）は、隣の切り込み溝（１９）に対して１つずつの外周間隔（ａ）を有しており、
ここで該外周間隔は、前記の磁石の外周幅（ｂ）に等しいため、励磁コイル（１８）にて相応する励磁電流が流れる際に、ロータ外周にて、６個の極である多い方の極数から、２個の極である少ない方の極数に切換制御可能である、
請求項１から６までのいずれか１項に記載の電気機械。
【請求項１４】
前記の永久磁石（１７）がロータ外周に４つ設けられており、
当該の４つの永久磁石（１７）は、隣の切り込み溝（１９）に対して１つずつの外周間隔（ａ）を有しており、
ここで該外周間隔は、前記の磁石の外周幅（ｂ）に等しいため、励磁コイル（１８）にて相応する励磁電流が流れる際に、ロータ外周にて、１２個の極である多い方の極数から、４個の極である少ない方の極数に切換制御可能である、
請求項１から６までのいずれか１項に記載の電気機械。
【請求項１５】
前記の永久磁石（１７）がロータ外周に６つ設けられており、
当該の６つの永久磁石（１７）は、隣の切り込み溝（１９）に対して１つずつの外周間隔（ａ）を有しており、
ここで該外周間隔は、前記の磁石の外周幅（ｂ）に等しいため、励磁コイル（１８）にて相応する励磁電流が流れる際に、ロータ外周にて、１８個の極である多い方の極数から、６個の極である少ない方の極数に切換制御可能である、
請求項１から６までのいずれか１項に記載の電気機械。
【請求項１６】
前記の多相のステータ巻線（１３）の極数は、前記の切換制御可能なロータ（１１）の多い方の極数に等しい、
請求項６に記載の電気機械。
【請求項１７】
前記のステータ巻線（１３）は三相に構成されており、
スター形結線または三角結線でブリッジ整流器（３３）の入力側に接続されている、
請求項１から１６までのいずれか１項に記載の電気機械。
【請求項１８】
前記のステータ巻線（１３ｂ）は５相に構成されており、
スター形結線、リング形結線またはスター形直列結線でブリッジ整流器（３３ａ）の入力側に接続されている、
請求項１から１６までのいずれか１項に記載の電気機械。
【請求項１９】
前記のステータ巻線（１３ｃ）は６相に構成されており、
二重スター形結線、二重三角結線でブリッジ整流器（３３ｂ）の入力側に接続されている、
請求項１から１６までのいずれか１項に記載の電気機械。
【請求項２０】
前記のブリッジ整流器（３３）の出力側は制御器（３２ａ）に接続されており、
当該制御器の出力側は、前記のロータ（１１）の少なくとも１つの励磁コイル（１８）に接続されており、
前記の制御器（３２ａ）は、前記のブリッジ整流器（３３）の出力電圧（Ｕａ）に依存して、励磁電流の強さおよび方向を変更可能である、
請求項１７から１９までのいずれか１項に記載の電気機械。
【請求項２１】
前記のロータ（１１）の金属薄板パケット（２５）の２つの端面に１つずつのファン（２８）が配置されている、
請求項１から２０までのいずれか１項に記載の電気機械。
【国際調査報告】
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2011512776.tif 000025
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