(57)【要約】      （修正有）【課題】逆起電力を減少させるために、装置が作動している間にローターの相対的な角度変位を調整するための機構を備えた二重ローターの電気同期機の必要性が存在する。高いトルク負荷を担持することができる調整機構の必要性も存在する。【解決手段】電気同期機には、ハウジングと、当該ハウジング内に回転可能に支持されている第一及び第二のシャフトとが備えられ、当該第一及び第二のシャフトの各々は、対応するローターが固定されており、これらは両方とも永久磁石界磁極を有している。各ローターは、対応する環状のステータによって包囲されており、ステータコイルが両方のステータに巻かれている。第一のシャフトと第二のシャフトとの間に遊星変速機が結合されており、当該遊星変速機は、第一及び第二のシャフトが回転中に、第一のシャフトに対する第二のシャフトの配向角を調整するように作動可能である。【選択図】図１
2008182875.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気同期機を製造する方法であり、
所定の特定された同期機のための第一のローター長さ及び第二のローター長さのためのローターの合計長さを予め決定するステップと、
所定の特定された所望の基準速度及び最大速度に応じて、各ローターのための異なる別個のローター長さを決定するステップと、
前記決定された異なる別個のローター長さによって前記電気同期機を製造するステップと、を含む方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であり、
Δ＝基準速度／最大速度である場合に、
第一のローターの長さ＝（０．５＋Δ／２）＊ローターの全長さ、とされ、
第二のローターの長さ＝（０．５−Δ／２）＊ローターの全長さ、とされる方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であり、
前記電気同期機を駆動するための少なくとも１つの電動機装置の特定の定格電圧に対して、前記基準速度での逆起電力に基づいてコイルの第一の数を決定するステップと、
前記決定された第一の数のコイルによって電気同期機を製造するステップと、を更に含んでいる方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法であり、
前記コイルの第一の数が、前記最大速度での逆起電力に基づいている場合に必要とされるコイルの第二の数より増され、それによって、コイルの当該増やされた数によって電気同期機の電流要件が減じられるようにした方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】
本発明は、ブラシレスの永久磁石電動機及び発電機、特に、ハイブリッド車両又は工作機械において使用されるもののような広い速度範囲に亘って作動しなければならないブラシレスの永久磁石電動機及び発電機に関する。より特定すると、本発明は、電動機の作動中におけるこのような電動機の制御に関する。
（関連出願の記載）
本願は、２００６年１０月２６日にRonald D Bremnerによって出願された“二重ローター電磁装置”という名称の米国特許出願第１１／５８８５４６号の一部継続出願に基づくものであり、同一発明者及び出願人によるものである。
【背景技術】
【０００２】
ブラシレスの永久磁石電動機は、その速度に比例した逆起電力を有している。高速度においては、電動機の逆起電力は、電源が供給し得る量よりも遙かに高くなり得る。この速度以上においては、電動機の磁界を弱めるために、逆起電力を有する位相からずれた位相の付加的な電流出力が付加されなければならない。このことは、“弱め界磁”として知られており、Unique  Mobility，Inc．に付与された米国特許第５，６７７，６０５号に説明されている。この電流は電力損失及び熱を形成するので、電子部品が高い電流容量を有することを必要とする。
【０００３】
この問題を解決するための一つの試みが米国特許第６，９９８，７５７号に記載されている。当該米国特許においては、多重ローター同期機が、ステータコアの外周及び内周に設けられている第一及び第二のローターを含んでいる。第二のローターの内部に設置されている機構は、第一のローターと第二のローターとの相対的な回転を制御している。２つのローターを備えた電磁装置が米国特許第４，７３９，２０１号に記載されている。ローターは、トルクリップルを減少させるために、相対的に角度を付けて配置されるけれども、ローター間の相対的な角度変位を制御又は変化させるための機構は記載されていない。２つのローターを備えた別の電磁装置が米国特許第６，９７５，０５５号に記載されている。この装置においては、界磁石を備えた２つのローターが、ねじが切られたロッドにねじ止めされている。
【０００４】
しかしながら、これらの装置のいずれもが、簡素で、低廉で、装置が作動している間に作動することができ且つ高いトルク負荷を支えることができるローターの相対的な角度変位を調整するための機構を有していないことが明らかである。更に、これらの装置のいずれも、互いに１８０度で整合されたローターによる逆起電力を提供するローターを使用していない。
【発明の開示】
【０００５】
従って、本発明は、簡素で且つ低廉なローターの相対的な角度変位を調整するための機構を備えた二重ローター電磁装置を提供することを目的としている。
本発明のもう一つ別の目的は、このような装置が作動しつつある間に作動することができる機構を備えている二重ローター電磁装置を提供することである。
【０００６】
本発明の更にもう一つ別の目的は、高いトルク負荷を支えることができるこのような機構を備えた二重ローター電磁装置を提供することである。
これらの及びその他の目的は、電気同期機がハウジングと当該ハウジング内に回転可能に支持されている一対のシャフトとを含んでいる本発明によって達成される。第一のローターが第一のシャフトと共に回転するように固定されており、第二のローターが第二のシャフトと共に回転するように固定されている。これらのローターは両方とも、永久磁石の界磁極を担持している。第一の環状のステータが、ハウジング内に取り付けられ且つ第一のローターを包囲している。第二の環状のステータが、ハウジング内に取り付けられ且つ第二のローターを包囲している。これらのステータは両方ともステータコイルが巻かれている。第一のステータと第二のステータとは空隙によって分離されている。第一のシャフトと第二のシャフトとの間には結合機構が結合されており、当該結合機構は、第一及び第二のシャフトの回転中に、第一のシャフトに対する第二のシャフトの配向角を調整するように作動可能である。
【０００７】
当該結合機構は、第一のシャフトに結合された第一の太陽歯車、第二のシャフトに結合された第二の太陽歯車、第一の太陽歯車に結合された第一の遊星歯車セット、第二の太陽歯車に結合された第二の遊星歯車セット、前記第一及び第二の遊星歯車セットを回転可能に支持している遊星枠、ハウジングに固定され且つ前記第一の遊星歯車セットとかみ合い係合している固定されたリング歯車、ハウジングによって回転可能に支持され且つ前記第二の遊星歯車セットとかみ合い係合している可動のリング歯車、を備えた遊星変速機である。
【０００８】
本発明による電気同期機を制御する方法は、各々が異なる長さを有し且つ少なくとも１つの磁石の対が外周に取り付けられている２つのローター間の所望の整合角度を決定するステップを含んでいる。当該電気同期機内の２つのローター間の角度の整合は、当該同期機の作動中に、遊星機構を使用して自動的に所望の整合角度に変えられる。０度の角度の整合すなわち２つのローターが相対的に整合せしめられたときの基準速度での逆起電力が、１８０度の角度整合すなわちローター同士が相対的に一杯まで不整合とされたときの最大速度での逆起電力と等しくなるようにできる。
【０００９】
本発明による電気同期機を製造する方法は、所定の特定された同期機がちょうど１つのローターを有するようにされている場合に、当該特定された同期機のローター全長さを決定するステップを含んでいる。所定の特定された所望の基準速度及び最大速度に基づいて、２つのローターの各々に対して異なる別個のローター長さが決定される。当該電気同期機は、前記決定された異なる別個のローター長さによって製造される。異なる別個のローター長さは、以下の式に基づいて決定される。
【００１０】
すなわち、Δ＝基準速度／最大速度である場合に、
第一のローターの長さ＝（０．５＋Δ／２）＊ローターの全長さ、とされ、
第二のローターの長さ＝（０．５−Δ／２）＊ローターの全長さ、とされる。
【００１１】
当該同期機を駆動するための少なくとも１つの電子電動機の特定の定格電圧に対して、基準速度における逆起電力に基づいたコイルの第一の数が決定され、当該決定されたコイルの第一の数によって電気同期機が製造される。従って、１つのローター又は０度で整合された等しい長さの２つのローターを有する電気同期機に対して、前記コイルの第一の数は、最大速度での逆起電力に基づいている場合に必要とされるコイルの第二の数より増され、それによって、コイルの当該増やされた数によって前記電気同期機の電流要件が減じられるようにされる。
【好ましい実施形態の説明】
【００１２】
図１を参照すると、多重ローター電磁同期機１０はハウジングを備え、当該ハウジングは、第一の端部ハウジング１２と、中央ハウジング１４と、第二の端部ハウジング１６とを含んでいる。円筒形のハウジングリング１８が、第二の端部ハウジング１６から突出しており且つ遊星歯車機構２０を包囲している。ウォーム歯車２４を備えたアクチュエータ２２がハウジングリング１８に取り付けられている。
【００１３】
図２を参照すると、中央ハウジング１４は、内側スリーブ３０と外側スリーブ３２とを備えている。端部プレート１９がハウジングリング１８を覆っている。複数の水冷通路３４が内側スリーブ３０の外周面に形成されており、これらの通路３４は、外側スリーブ３２によって覆われ且つシールされている。スリーブ３０は、Ｔ字形状の断面を有し且つアルミニウムのような熱伝導性材料によって形成されるのが好ましい。スリーブ３０は、円筒形の縁３３の内面から径方向内方へ突出している環状の中央脚部３１を備えている。端部ハウジング１２は中央穴３６を備えている。端部プレート１９は中央の止まり穴３８を形成している。ベアリング４０が穴３６内に取り付けられており、ベアリング４２が穴３８内に取り付けられており、それによって、２つの部分からなるシャフトアセンブリ４４を回転可能に支持している。
【００１４】
シャフトアセンブリ４４は、第一の中空の外側シャフト４６と第二の中実の内側シャフト４８とを含んでいる。第二のシャフト４８は、より大きな直径部分５０と、第一のシャフト４６を回転可能に受け入れるより小さな直径部分５２とを含んでいる。シャフト４８のより大きな直径部分５０は、ベアリング４０によって回転可能に支持されており、小径部分５２の端部５３はベアリング４２によって回転可能に支持されている。より大きな直径部分５０は、第一のシャフト４６内を通り、第一のシャフト４６の軸線方向端部から外方へ突出している端部５３へと延びている。ベアリングスリーブ４９は、シャフト４８のより大きな直径部分とより小さい直径部分とを結合している肩部に隣接した中空シャフト４６の内側端部を回転可能に支持している。
【００１５】
中空の環状ステータ５４及び５６は、シャフトアセンブリ４４と同心状のハウジングの内側に非回転状態で取り付けられており、鋼によって作られているのが好ましい。一般的な中空環状コイルアセンブリ５８が、ステータ５４及び５６の内側に非回転状態で取り付けられており且つこれらもまたシャフトアセンブリ４４と同心状である。
【００１６】
第一のローター６０は、第一のシャフト４６と共に回転するように当該シャフトと一体化されるか又は固定的に取り付けられている。第二のローター６２は、第二のシャフト４８のより大きな直径部分５０と共に回転するように当該部分と一体化されるか又は固定的に取り付けられ、第一のローター６０から軸線方向に隔置されている。空隙によって、ステータアセンブリ５４及び５６がローター６０及び６２から隔てられている。
【００１７】
環状の磁気検知リング６１か、ローター６０の外側端面の隣でシャフト４６に取り付けられている。環状の磁気検知リング６３は、ローター６２の外側端面の隣でシャフト５０に取り付けられている。磁気検知リング６１及び６３は、一般的な検知リングであり且つこれらが取り付けられているシャフトの位置を示す信号を提供するために使用しても良い。当該モーターは三相巻線を有しているのが好ましい。コントローラ（図示せず）は、シャフトの検知された位置に基づいて巻線に電流を送る。
【００１８】
図２及び５を参照すると、遊星変速機２０はハウジングリング１８によって包囲されている。遊星変速機２０は、第一のシャフト４６の外側端部に形成された第一の太陽歯車７２と、スプライン（図示せず）によって内側シャフト４８の端部５３に一緒に回転できるように取り付けられ且つ固定された第二の太陽歯車７４とを含んでいる。太陽歯車７２及び７４は、同じ外径を有しているのが好ましい。回転可能な遊星枠７５は、複数の遊星枠の支柱７６を含んでいる。第一の遊星歯車セット７８は、第一の太陽歯車７２の歯とかみ合い係合するために支柱７６に回転可能に取り付けられている。第二の遊星歯車セット８２が、太陽歯車７４とかみ合い係合するために支柱７６上に遊星歯車７８に隣接して回転可能に取り付けられている。固定のリング歯車８４は、リングハウジング１８の内面に固定されており且つ第一の遊星歯車７８とかみ合い係合している。可動のリング歯車８６が、固定のリング歯車８４に隣接しているリングハウジング１８内に回転可能に取り付けられている。リング歯車８６は、第二の遊星歯車８２とかみ合い係合している。アクチュエータ２２のウォーム歯車２４は、リング歯車８６の外側面上に形成された歯とかみ合い係合している。
【００１９】
図３に最も良く見られるように、第一のローター６０は、環状のローター部材９０と、その周囲に取り付けられた複数の永久磁石９１〜９６とを含んでいる。磁石９１，９３及び９５は、Ｎ磁極が径方向外方に向いている。磁石９２，９４及び９６は、磁石９１，９３及び９５の各対間に配置されており且つＳ磁極が径方向外方を向いている。その結果、ローター６０の外周に沿って前進するときに、各磁石は、隣接する磁石と反対のすなわち１８０度ずれた磁極の向きを有している。各ローターは、少なくとも１つの磁石の対を備えており、当該磁石の対のうちの第一の磁石は、Ｎ磁極が径方向外方を向いており、当該磁石の対のうちの第二の磁石は、Ｓ磁極が径方向外方を向いている。この磁石の対のうちの第一の磁石及び第二の磁石は、互いに１８０度離して取り付けられている。１以上の磁石の対が、同様にそれ自体位置決めされ且つ外方へ放射される磁極がローターの外周に沿って等間隔で隔置された磁石の対間でＮ極とＳ極とが互い違いになるように、磁石の対が等間隔で隔置されている。
【００２０】
図４に最も良く見られるように、第二のローター６２は、環状のローター部材１００と、その外周に取り付けられた複数の永久磁石１０１〜１０６とを含んでいる。磁石１０１，１０３及び１０５は、Ｎ磁極が径方向外方を向いている。磁石１０２，１０４及び１０６は、磁石１０１，１０３及び１０５の各対間に配置されており且つＳ磁極が径方向外方を向いている。この結果、第二のローター６２の外周に沿って前進するときに、各磁石は、隣接する磁石と反対のすなわち１８０度ずれた磁極の向きを有している。磁石９１〜９６及び１０１〜１０６は、同じ角度幅を有しているのが好ましい。これらの磁石もまた、同じ軸線方向長さを有していても良い。
【００２１】
図２に最も良く見られるように、ステータ５４及び５６は軸線方向に隔てられており、これらの間の空隙は、スリーブ３０の脚部３１によって塞がれている。図３及び４に最も良く見られるように、スリーブ３０の脚部３１は、径方向内方へ延びており且つ各々がコイル５８のうちの対応する一つを収容している複数の溝孔３７を含んでいる。その結果、脚部３１は、各コイル５８の内側端部以外の全てを包囲して熱をコイル５８から効率良く逃がす。
【００２２】
ローター６０及び６２は、電動機の速度で回転する。図６に示されているように、基準速度以下においては、ローター６０及び６２は、当該ローターの各々の磁石９１〜９６及び１０１〜１０６のＮ極及びＳ極が径方向において同じ整合状態を有するように相対的に配向されている。このことにより、各コイル部分５８内の電圧が最大逆起電力を形成するようにされる。基準電動機速度以上においては、ローター６０及び６２は、リング歯車８６を回転させることによって、意図的に相対的に不整合状態とされる。例えば、図１においてリング歯車８６を反時計方向に回転させることによって、太陽歯車７４、シャフト４８及び第二のローター６２が第一のローター６０に対して時計方向に回転せしめられるであろう。遊星変速機２０においては、電動機１０が作動している間に、ローター６０及び６２の整合が変化せしめられ且つ制御され、遊星変速機２０は、高出力及び高トルクレベルでの作動に耐えるであろう。
【００２３】
ローター６０及び６２のうちの一方並びに当該一方のローターに取り付けられた磁石は、他方のローター及びその磁石よりも軸線方向においてより長いのが好ましい。例えば、図２においては、ローター６２は、５５％乃至４５％の比率でローター６０よりも軸線方向に長い。その結果、図６に示されているように整合されたローター６０及び６２における基準速度においては、逆起電力の総計は、最大（１００％）であろう。ローター６０と６２との不整合によって逆起電力り総計が減少する。従って、この同じ速度において、ローターが一杯まで不整合状態とされている場合には、逆起電力の総計は、最大値（５５％〜４５％）の１０％であろう。基準速度の１０倍においては、ローターは一杯まで不整合とされた場合には、逆起電力の総計は、基準速度での最大値の１００％（１０×（５５〜４５））であろう。
【００２４】
別の方法として、各ローター上の磁石が同じ大きさ及び形状を有しており且つ同じ磁気特性を有している場合には、ローターは一杯まで（６個の磁石を担持しているローターにおいて６０度ずつ）不整合とされ得る。この結果、ローター６０のＮ磁極はローター６２のＳ磁極と整合せしめられ、逆起電力は発生されないであろう。このように、ローター１０は、過回転作動中に逆起電力電圧を発生しない構造とすることができ、それによって、コイル５８の電圧の過負荷及び短絡に対して保護することができる。
【００２５】
本発明の一実施形態は、存在する場合に所望のレベルの逆起電力（起電力）電圧を達成するために、基準速度以上及び以下において電動機が作動している間にローターの割り振りを制御する。ローターの割り振りの制御は、ローターの相対的な整合を制御することを含んでいる。基準速度は、ローターが整合されたときに最大の許容可能な逆起電力を生成する如何なる選択された速度とすることもできる。
【００２６】
基準速度以下では、ローターは、第一のローターのＮ極が第二のローターのＮ極と整合されるように互いに整合されるであろう。ローターが基準速度以上において整合される場合には、電動機は、所望されるよりも大きな逆起電力を発生するであろう。従って、基準速度以上においては、ローターは、逆起電力がほぼ一定のままであるように割り振られるであろう。市販によって入手可能な電動機コントローラは、一定の逆起電力を必要としない。しかしながら、本発明の一実施形態においては、適正に一定の逆起電力を有することによって、コントローラがより低い電流によって作動するのが可能になる。
【００２７】
各ローターが等しい長さを有する場合には、ローターが１８０度で整合されているときに逆起電力はゼロになるであろう。しかしながら、ローターが等しい長さでない場合には、１８０度での逆起電力は次の式によって決定される。
【式１】
【００２８】
2008182875.tif 000003
【００２９】
式中、Δは、ローターの長さによって決定される逆起電力比率であり、
ａは、第一のローターの長さであり、
ｂは、第二のローターの長さであり、
Ｖ０は、０度の整合における逆起電力であり、
Ｖ１８０は、１８０度の整合における逆起電力である。
上式から、ローターの好ましい長さは、基準速度と最大速度とによって決定することができる。この速度比は、
【式２】
【００３０】
2008182875.tif 000004
【００３１】
式中、Ｒspeedは速度比である。ＲspeedがΔに等しく設定され、整合角度が１８０に等しく設定されている場合には、最大速度での逆起電力は、基準速度において整合されたローターの逆起電力と同じであろう。
【００３２】
上式から、ａ及びｂの長さは、次式によって決定することができる。
第一のローターの長さ＝（０．５＋Δ／２）＊ローターの全長さ
第二のローターの長さ＝（０．５−Δ／２）＊ローターの全長さ
電気同期機は、ただ一つのローターを有している所定の特定電気同期機にとって必要とされるローターの全長さを予め決定することによって、構成し、設計し、製造することができる。次いで、各ローターに対して、所定の所望基準速度及び最大速度に応じて異なる別個のローター長さを決定することができる。第一のローターの長さと第二のローターの長さとの合計は、所定のローターの全長さと等しくなる。
【００３３】
次の数学的な恒等式が存在する。
【式３】
【００３４】
2008182875.tif 000005
【００３５】
式中、
ａは、一番目のサイン波の振幅であり、
ｂは、二番目のサイン波の振幅であり、
ｃは、結果的に得られるサイン波の振幅であり、
αは、一番目の波と二番目の波との間の位相角である。
βの関係は、当該好ましい実施形態の装置においては使用されていない。
【００３６】
一つの実施形態においては、ローターの長さはサイン波の振幅に比例している。従って、“ａ”は、第一のローターの長さを両方のローターの長さの合計で割った値である。言い換えると、第一のローターの長さが５０ｍｍであり、第二のローターの長さが５０ｍｍである場合には、ａは５０／１００＝０．５０である。第一のローターの長さが３０ｍｍであり、第二のローターの長さが７０ｍｍである場合には、ａは３０／１００すなわち０．３０である。値“ｂ”は、第二のローターの長さを両方のローターの長さの合計で割った値である。好ましい実施形態においては、“ａ”及び“ｂ”は、“ａ”プラス“ｂ”が常に１に等しいように規定されている。
【００３７】
両方のローターが同じ長さ、ａ＝ｂ＝０．５０である場合に、
αは、一つのローターが第二のローターと比較して割り振りされる角度である。どのローターが他のローターより前方に割り振りされるかは問題ではない。
【００３８】
ｃは、ローターが整合された場合に、電動機がどの程度の大きさの逆起電力を発生するかに比較して、電動機がどの程度大きな逆起電力を発生するかを決定するであろう。上の恒等式から、ｃの最大値は１であり、これはｃｏｓα＝１すなわちα＝０°であるときに生じる。
【００３９】
電動機が基準速度よりも遅い速度で作動している場合には、ｃは１に等しいように設定され、０°の割り振り角度を有するようにローターが整合されるであろう。電動機が基準速度より速い速度で作動している場合には、逆起電力は減じられるであろう。
【００４０】
標準的な永久磁石の装置の場合には、逆起電力は次の式に基づく。
【式４】
【００４１】
2008182875.tif 000006
【００４２】
式中、Ｅは逆起電力であり、
ｋＥは電圧常数であり、
ωｍは電動機速度である。
【００４３】
この実施形態に記載されている同期機に対しては、同期機の速度が基準速度よりも高速であるときには、上の式は以下のように修正することができる。
【式５】
【００４４】
2008182875.tif 000007
【００４５】
式中、Ｅは一定の逆起電力として維持されており、
ｃ（ω）は、ｃ（ω）＝ωｂ／ωｍ  （式中、ωｂは同期機の基準速度である）として計算される変数である。
【００４６】
上記の恒等式は、以下のように処理することができる。
【式６】
【００４７】
2008182875.tif 000008
【００４８】
電動機の速度が基準速度以上に変化すると、ｃは上式によって減じられるであろう。括弧内の値のアークコサイン（arccos）は、ローターが整合される必要がある角度を付与するであろう。
【００４９】
一つの実施形態においては、アークコサインの計算は、当該装置が作動している間にプロセッサによって行われる。他の実施形態においては、電動機の速度に基づく計算を行うことによって予め作られたルックアップ表が使用される。このルックアップ表は、ローターが所望の逆起電力のために整合される必要がある電動機の速度の割り振りに対する所望の角度を有している。
【００５０】
更に別の実施形態においては、ローターの所望の割り振り角度が、電動機の検知された逆起電力に基づいて決定される。これは、例えばＡ／Ｄコンバータを使用することによって電動機の逆起電力を測定することによって行うことができる。電動機の逆起電力が基準速度での逆起電力よりも高いときには、逆起電力が正しくなるまで所望の割り振り角度で増分される。逆起電力を検知する一実施形態においては、ここに記載されているローター位置センサーの一つ又は両方を取り除くことができる。
【００５１】
ローター間の角度不整合が、同期機が作動している間にプロセッサによって判定されるか、ルックアップ表を使用して判定されるか、同期機の逆起電力を測定することによって判定されるかに拘わらず、判定値は、アクチュエータによって必要とされる形態で入力されてローターが判定された値に基づいて変更されて整合状態とされる。アクチュエータは、信号を受け取り、当該信号に応答して、ローターの相対的な角度位置を変える。
【００５２】
ローターの相対的な角度位置を相対的に制御するための実施形態においては、一つのリング歯車は停止しており、第二のリング歯車は回転可能である。ローターは、回転可能なリング歯車を動かすことによって整合せしめられる。このリング歯車は、リング歯車にトルクを付与するシリンダによって回転させても良い。当該シリンダは、液圧によるものであっても、空気圧によるものであっても、電気的なものであっても良い。図７は、シリンダ７０１によって調整できるリング歯車を備えた構造を図示している。
【００５３】
別の方法として、リング歯車は、リング歯車と係合し且つそれを回転させるウォーム歯車によって回転させても良い。リング歯車を備えた構造が図1及び２に示されている。アクチュエータ２２はウォーム歯車２４を駆動する。
【００５４】
電気同期機を制御するための方法は、各々がその外周に少なくとも一対の磁石を有する２つのローター間の所望の整合角度を決定し、当該同期機の作動中に当該同期機内の前記２つのローター間の角度の整合を前記所望の整合角度へと自動的に変える。前記所望の整合角度の決定は、同期機の速度及び逆起電力のうちの少なくとも１つに基づく。プロセッサのうちの少なくとも１つ、ルックアップ表及び同期機の検知された逆起電力のうちの少なくとも１つが当該決定をするために利用される。当該方法は更に、同期機の速度が基準速度よりも大きいか否かを判定すること、及び同期機の速度が基準速度よりも大きい場合に前記所望の整合角度を決定することを更に伴う。当該同期機の逆起電力は、同期機の現在の速度に応答して同期機内の２つのローター間の角度整合を自動的に変えることによって制御される。同期機の速度が基準速度から更に増加すると、結果的に得られる逆起電力は、基準速度で作動している同期機によって生じる基準の逆起電力によって一定に保たれる。
【００５５】
電気同期機を制御するための装置は、同期機の現在の状態（この現在の状態には、同期機の速度の少なくとも１つ、同期機の逆起電力及び各々が異なる長さを有し且つその外周に取り付けられた少なくとも１つの磁石の対を有している２つのローター間の整合角度が含まれる）を検知するためのセンサーと、同期機の作動中及び前記現在の状態に基づいた入力を受け取ることに応答して当該同期機内の２つのローター間の角度の整合を自動的に変えるアクチュエータとを含んでいる。同期機の逆起電力は、同期機の現在の速度に応答して、同期機内の２つのローター間の角度の整合を自動的に変えるアクチュエータによって制御される。
【００５６】
電気同期機を制御するための装置は、同期機の速度に基づいて、各々が異なる軸線方向長さを有している２つのローター間の所望の整合角度を決定するための制御ロジックと、同期機の作動中の速度の変化に応答して、前記決定された所望の整合角度によって同期機内の２つのローター間の角度整合を自動的に変えるアクチュエータとを含んでいる。前記制御ロジックは、同期機の速度が基準速度よりも速い場合に所望の整合角度を決定し、前記アクチュエータは、前記基準速度以上の速度変化に応答して角度整合を自動的に変える。当該同期機の逆起電力は、同期機の現在の速度に応答して同期機内の２つのローター間の角度整合を自動的に変えるアクチュエータによって制御される。
【００５７】
図８は、割り振り角度が決定される方法のフロー図である。このプロセスは、ステップ８０１において始まり、ステップ８０２において、電動機の速度が基準速度よりも速いか否かを判定する。答えが是である場合には、次いで、ステップ８０３において、基準速度を電動機速度で割った値に等しい逆起電力比として“ｃ”が計算される。ステップ８０４においては、所定の電動機に対して定数“ａ”及び“ｂ”が使用される。これらの定数は、電動機の製造者から入手可能である。定数“ａ”は、ローター１の長さをローターの全長さで割ったローター１の比である。定数“ｂ”は、１−“ａ”に等しいローター２の比である。ステップ８０６においては、整合角度が、既に記載したようにして計算される。次いで、図９に示されているように、整合サブルーチン８１０までプロセスが続けられる。しかしながら、ステップ８０２まで戻って、電動機速度が基準速度以下である場合には、次いで、ステップ８０７において整合角度がゼロに等しくされる。図９に示されているように、プロセスは、整合サブルーチン８１０へと続く。
【００５８】
図９は、整合サブルーチン８１０のフロー図であり、装置の誤差が判定される方法を示している。ステップ８１１及び８１２の各々において、ローター１及び２の電気的な角度が入力される。次いで、ステップ８１４において、ローター１の電気的角度からローター２の電気的角度を差し引くことによって相対的な位置が判定される。ステップ８１５において、前記整合角度から前記相対的な位置を差し引くことによって誤差が判定される。ステップ８２０において、プロセスは割り振りサブルーチンによって続けられる。
【００５９】
図１０は、割り振りサブルーチン８２０のフロー図であり、ひとたび誤差があることがわかったときに、割り振りが如何にして生じるかを示している。決定ブロック８２２は、誤差の絶対値がヒステリシスバンドより大きいか否かを判定する。これが否である場合には、当該ルーチンはステップ８２６において出て行く。是である場合には、割り振り角度が小さすぎるか否かの判定８２３が行われる。これが是である場合には、ステップ８２５において割り振り角度が増される。否である場合には、ステップ８２４において割り振り角度が減じられる。次いで、ルーチンはステップ８２６において出て行く。
【００６０】
図１１Ａは一実施形態のフロー図である。電気同期機を制御するための方法は、各々がその外周に少なくとも一対の磁石を有する２つのローター間の所望の整合角度を決定し（ステップ２１０）、当該同期機の作動中に当該同期機内の前記２つのローター間の角度の整合を前記所望の整合角度へと自動的に変える（ステップ２２２）。前記所望の整合角度の決定２１０は、同期機の速度２０１及び逆起電力２０２のうちの少なくとも１つに基づく。プロセッサ２１１、ルックアップ表２１２及び同期機の検知された逆起電力２１３のうちの少なくとも１つが当該決定をするために利用される。当該方法は更に、同期機の速度が基準速度よりも大きいか否かを判定することを更に伴う（ステップ２２０）。答えが否である場合には、角度整合は、０度に調整されるか又は保たれる（ステップ２２３）。速度が基準速度よりも速い場合には、角度整合は変えられる（ステップ２２２）。当該同期機の逆起電力は、同期機の現在の速度に応答して同期機内の２つのローター間の角度整合を自動的に変えることによって制御される。同期機の速度が基準速度から更に増加すると、結果的に得られる逆起電力は、基準速度で作動している同期機によって生じる基準の逆起電力によって一定に保たれる。
【００６１】
図１１Ｂは、好ましい実施形態のブロック図である。電気同期機を制御するための装置２４０は、同期機の速度２５１、同期機の逆起電力２５２、及び、各々が異なる軸線方向長さを有し且つ各々がその外周に取り付けられた少なくとも１つの磁石の対を有している２つのローター間の整合角度２５３のうちの少なくとも１つである同期機の現在の状態を検知するためのセンサー２５０と、同期機の作動中に且つ前記現在の状態に基づいた入力の受け取りに応答して同期機内の２つのローター間の角度の整合を自動的に変えるアクチュエータ２６０とを含んでいる。同期機の逆起電力は、同期機の現在の速度に応答して同期機内の２つのローター間の角度の整合を自動的に変えるアクチュエータによって制御される。
【００６２】
電気同期機２８０を制御するための装置２４０は更に、同期機の速度に基づいて、各々が異なる軸線方向長さを有している２つのローター間の所望の整合角度を決定するための制御ロジック２７０と、同期機の作動中の速度の変化に応じて、前記決定された所望の整合角度によって同期機内の２つのローター間の角度の整合を自動的に変えるアクチュエータ２６０とを含んでいる。制御ロジック２７０は、同期機の速度が基準速度よりも速い場合に所望の整合角度を決定し、アクチュエータ２６０は、基準速度を越える速度の変化に応答して、角度調整を自動的に変える。同期機の逆起電力は、同期機の現在の速度に応じて、同期機内の２つのローター間の角度整合を自動的に変えるアクチュエータによって制御される。
【００６３】
図１２は、本発明の一実施形態の制御ロジックのフロー図である。同期機の速度がセンサーによって検知され且つ制御ロジックに入力され（ステップ９０１）、当該制御ロジックは、速度が基準速度より速いか否かを判定する（ステップ９０３）。答えが否である場合には、速度が基準速度以上であるか否かという判定がステップ９０３でなされるまで速度がステップ９０１において検知され続ける。速度が基準速度以上である場合には、制御ロジックは、ローターの相対的な回転を判定して所望の角度調整を達成する（ステップ９０５）。この判定は、ここに提供されている計算に従って、マイクロコード、プログラムコード化された指示及びプロセッサを使用して行うことができ、又は所定の同期機用として予め形成されたルックアップ表を使用して行うことができる。入力に基づいて、制御ロジックは、所望の角度調整を達成するために、ローターが調整することを必要としているか否かを判定する（ステップ９０７）。答えが否である場合には、制御はステップ９０１へと戻る。答えが是である場合には、アクチュエータ信号が送られ、決定された所望の角度整合に基づいて一つのローターの他のローターに対する角度位置を回転させる（ステップ９０９）。次いで、逆起電力が測定される（ステップ９１１）。制御ロジックは、測定された逆起電力が所望のレベルにあるか否かを判定する（ステップ９１３）。答えが否である場合には、ローターの相対的な角度調整が調整され（ステップ９０９）、制御は、逆起電力の測定へステップ９１１へと戻る。ステップ９１３において逆起電力が所望のレベルにあると判定されると、次いで、制御はステップ９０３へと移り、速度が基準速度以上であるか否かが判定される（ステップ９０３）。
【００６４】
図１３は、電気同期機を製造するためのプロセスのフロー図である。大きさを含む所定の電気同期機のための規格についての入力が受け取られる（ステップ９５１）。一つのローターに対して必要とされるローターの全長さが、所定の特定された同期機に対して決定される（ステップ９６１）。所定の電気同期機に対する基準速度と最大速度とを特定する入力が受け取られる（ステップ９５２）。ステップ９５２におけるこの入力及びステップ９６１で決定されたローターの全長さから、異なるローター長さの決定がなされる（ステップ９６２）。同期機を駆動するために少なくとも１つの装置の定格電圧を特定する入力が受け取られる（ステップ９５３）。これによって、基準速度において必要とされるコイルの数が決定される。種々のローター長さ及び決定された数のコイルを有している電気同期機が製造される（ステップ９７０）。
【００６５】
種々の軸線方向長さのローターを包含している上記の実施形態の利点は、ローターが一杯まで不整合状態とされたとき、すなわち磁石の対の各々に対して相互に１８０度で整合されているときに、電気同期機が逆起電力を提供することができる点である。
【００６６】
上記の実施形態の利点は、電動機すなわち電気同期機が、低速で極めて少ない電流を必要とするように設計することができることである。所定のローター及びステータの設計においては、電動機内のコイルの数は、同期機に対して見積もられる最大逆起電力によって制限される。一般的な永久磁石による装置においては、この最大逆起電力は最大定格速度において生じる。ここに示した実施形態においては、この最大値はより遅い基準速度において生じる。ここに記載された実施形態は、同期機の逆起電力が基準速度以上の速度において減少せしめられて、逆起電力が基準速度において一定に維持されるのを可能にする。従って、コイルの数は増すことができる。例えば、同期機の逆起電力が半分に切りつめられている場合には、コイルの数は２倍にすることができる。
【００６７】
当該同期機の電流要件は、コイルの数及び同期機のアンペアターン条件によって決定される。電流要件は、アンペアターンをコイルの数で割った値である。従って、コイルの数が２倍である場合には、電流要件は半分に切り詰められる。同様に、逆起電力が３分の１まで減じられると、コイルの数は３倍にすることができ、電流要件は、元の電流要件の３分の１まで減じられるであろう。従って、逆起電力が減じられるのと同じ割合の量だけ電流要件を減じることができる。同様に、電流条件は、コイルの数が増されるのと同じ割合量だけ減少させることができる。このことにより、パワーエレクトロニクスの電流要件が減じられる。
【００６８】
上記の同期機のもう一つ別の利点は、コイルの数が増大せしめられない場合には、パワーエレクトロニクスの電圧要件が減じられることである。最大逆起電力は減じられ、従って、定格電圧の装置を使用することができる。上記のうちの両方ともが、パワーエレクトロニクスのコストを低減させるであろう。
【００６９】
“角度整合”という用語が、一つのローター上の磁石の向きが他のローター上の磁石の向きに対して形成する角度を指していることは注意されるべきである。ローターが、これらのローター間にある相対角度を達成する方法で整合されている場合には、ローターは角度整合状態にあると言われる。角度が０度以外の如何なる角度である場合にも、ローターはまた不整合状態であると言うことができる。不整合及び整合という用語は、相対的な角度のずれ又はある角度の不整合を記載するために、ここでは互換的に使用しても良い。角度整合は、０度での整合及び如何なる不整合をも含んでいる。
【００７０】
以上、本発明を特定の実施形態に関連して説明したが、上記の説明を参考にすれば、多くの代替例、変形例及び変更例が当業者に明らかとなるであろうということが理解される。例えば、ローター及び磁石は、種々の大きさ、形状及び材料を有することができ、又は、ローターは、より少ない若しくはより多くの磁石を担持することができる。従って、本発明は、特許請求の範囲の精神及び範囲に含まれるそのような代替例、変形例及び変更例の全てを包含することを意図している。
【００７１】
また、好ましい実施形態を説明したが、添付の特許請求の範囲に規定されている本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変形を施すことができることも明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】図１は、端部プレートが除去された状態の、本発明を実施化している電磁装置の斜視図である。
【図２】図２は、図１の電磁装置の断面図である。
【図３】図３は、図２の線３−３に沿った断面図である。
【図４】図４は、図２の線４−４に沿った断面図である。
【図５】図５は、図１の電磁装置の端面図である。
【図６】図６は、図１のローターアセンブリの斜視図である。
【図７】図７は、ローターの相対的な角度位置を変えるためにソレノイドを使用した本発明の一実施形態による電磁同期機の斜視図である。
【図８】図８は、割り振り角度を決定するための制御論理フロー図である。
【図９】図９は、整合サブルーチンのフロー図である。
【図１０】図１０は、角度割り振りのためのサブルーチンのフロー図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明の一実施形態の制御論理のフロー図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、本発明の一実施形態のシステムのブロック図である。
【図１２】図１２は、本発明の一実施形態の制御論理のフロー図である。
【図１３】図１３は、電気同期機を製造するためのプロセスのフロー図である。
【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１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【外国語明細書】
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