(57)【要約】【課題】本発明の目的は、単純で経済的なコア構造をもつ横磁束機械装置（TFMA）を提供することである。【解決手段】このTFMAは、積層鉄板をもつコアを採用する。コアは、３D磁束通路を作るために、左斜め部及び右斜め部を有する。斜め部をもつ積層鉄コアを用いる複数の３D構造が、開示される。斜め部を使用することにより、コアはムカデのように見える。CTFMと呼ばれるこのムカデ状のTFMは複数のタイプをもつ。このCTFMのための複数のモータ構造及び複数のモータ駆動回路も開示される。【選択図】図３
2013039020.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動可能な移動コア(４X-４T、 ４U１-４W２、 ４U-４W、 ６００)に面するステータコア(２X-２T、 ２U１-２W２、 ２U-２W)の左ティース(２１L、 ２１１-２１３)と右ティース(２１R、 ２１２-２１４)との間に延在するスペースに巻かれた単相巻線(３X-３T、 ３U１-３W２、 ３U-３W)をもつ少なくとも１つの単相横磁束機械（TFM)と、
単相巻線(３X-３T、 ３U１-３W２、 ３U-３W)に接続されるパワーコンバータ（８、９）と、
パワーコンバータ（８、９）を制御するコントローラ（３００）とを備え、
ステータコア (２X-２T、 ２U１-２W２、 ２U-２W)は、移動コア(４X-４T、 ４U１-４W２、 ４U-４W、 ６００)の移動方向に延在し、かつ、左ティース(２１L、 ２１１-２１３)と右ティース(２１R、 ２１２-２１４)とを磁気的に接続する横磁束機械装置（TFMA）において、
前記コア（２X-２T、２U１-２W２、２U-２W、４X-４T、４U１-４W２、４U-４W）はさらに、斜めに延在する斜め部（２５L、４５L、２５R、４５R）を有し、
前記斜め部（２５L、４５L、２５L、４５R）は、前記ティース（２１L、４１L、２１R、４１R）をヨーク部（２４、４４）に磁気的に接続し、
前記コア（２X-２T、２U１-２W２、２U-２W、４X-４T、４U１-４W２、４U-４W）は、曲げ部をもつ積層鉄板(７)で本質的に作られていることを特徴とする横磁束機械装置。
【請求項２】
斜め部（２５L、２５R、４５L、４５R）は、真っ直ぐに延在している請求項１記載のTFMA。
【請求項３】
斜め部（２５L、２５R、４５L、４５R）とティース（２１L、４１L、２１R、４１R）との間の角度は、２５度から６５度の範囲内にある請求項２記載のTFMA。
【請求項４】
前記斜め部（２５L、４５L、２５R、４５R）は、一方向へ斜めに延在する左斜め部（２５L、４５L）と、もう一つの方向へ斜めに延在する右斜め部（２５R、４５R）とを含み、
左斜め部（２５L、４５L）はそれぞれ、左ティース（２１L、４１L）をヨーク部（２４、４４）に接続し、
右斜め部（２５R、４５R）はそれぞれ、右ティース（２１R、４１R）をヨーク部（２４、４４）に接続し、
各左ティース（２１L、４１L）と各右ティース（２１R、４１R）は、移動方向（PH)へ交互に配列される請求項１記載のTFMA。
【請求項５】
コア（２U、２V、２W）は、左コア（２L）と右コア（２R）を有し、
左コア（２L）は、左ティース（２１L、２１１）と、左斜め部（２５L）と、左ヨーク部（２４L）と、移動方向（PH)へ延在する１つの長手部（２７）とを有し、
右コア（２R）は、右ティース（２１R、２１４）と、右斜め部（２５R）と、右ヨーク部（２４R）と、移動方向（PH)へ延在するもう一つの長手部（２７）とを有し、
移動方向へ交互に配列された左ヨーク部（２４L）及び右ヨーク部（２４R）は、前記ヨーク部（２４）を構成する請求項１記載のTFMA。
【請求項６】
左コア（２L）はさらに、左ティース（２１L)と長手部（２７）とを接続する下左斜め部（２５０L）を有し、そして
右コア（２R）はさらに、右ティース（２１R)と長手部（２７）とを接続する下右斜め部（２５０R）を有する請求項５記載のTFMA。
【請求項７】
コア（２U、２V、２W）はさらに、左コア（２L)と右コア（２R）との間に配置された少なくとも１つの中央コア（２C１、２C２）を有し、
各単相巻線（３U、３V、３W）は、各２つのコア（２L、２C１、２C２、２R）の間の各スペースに配置され、
中央コア（２C１、２C２）は、左ティース（２１L）と、左斜め部（２５L）と、左ヨーク部（２４L）と、右ティース（２１R）と、右斜め部（２５R）と、右ヨーク部（２４R）と、長手部（２７）とを有し、
長手部（２７）は、左ティース（２１L）及び右ティース（２１R）を左ヨーク部（２４L）及び右ヨーク部（２４R）に接続する請求項５記載のTFMA。
【請求項８】
中央コア（２C１、２C２）はさらに、下左斜め部（２５０L)と下右斜め部（２５０R）とを有し、
下左斜め部（２５０L)は、左ティース（２１L）と長手部（２７）とを接続し、
下右斜め部（２５０R)は、右ティース（２１R）と長手部（２７）とを接続する請求項７記載のTFMA。
【請求項９】
TFMAは、斜め部（２５L、２５R、４５L、４５R）及びティース（２１L、２１R、４１L、４１R）の少なくとも１つを保持するためのティースホルダ（１a-１d）を有し、
非磁性金属材でできたティースホルダ（１a-１d）は、長手部（１０a-１０d）及び複数の突出部（１０L、１０R）を有し、
移動方向（PH）へ延在する長手部（１０a-１０d）は、ヨーク部（２４）及び斜め部（２５L、２５R、４５L、４５R）の少なくとも１つと接触し、
各突出部（１０L、１０R）は、移動方向（PH）にて互いに隣接する２つの斜め部（２５L、２５R、４５L、４５R）の各スペースへ長手部（１０a-１０d）から突出している請求項１記載のTFMA。
【請求項１０】
各突出部（１０L、１０R）は、斜め部（２５L、２５R、４５L、４５R）及びティース（２１L、２１R、４１L、４１R）の少なくとも１つに形成された凹部（２９）と結合するための凸部(１９)を有する請求項９記載のTFMA。
【請求項１１】
前記TFMは、移動コア（４X-４T)のティース（４１L、４１R）の間のスペースに設けられた永久磁石層（６）をもつ横磁束スイッチドリラクタンス機械（TFSRM）からなる請求項１記載のTFMA。
【請求項１２】
この永久磁石層（６）は、N極領域（６N）とS極領域（６S)とを有し、
N極領域（６N）は、左ティース（４１L、４１L）の間に設けられ、
S極領域（６S）は、右ティース（４１R、４１R）の間に設けられる請求項１１記載のTFMA。
【請求項１３】
前記TFMは、タンデム配列された複数の横磁束巻ロータ機械（TFWRM）からなり、
前記TFWRMはそれぞれ、移動コア（４U-４W）のリング状のスペースに巻かれたリング状の界磁巻線（６U、６V、６W）及びリング状の二次巻線(６０U、６０V、６０W)を有し、
前記TFWRMは更に、二次巻線(６０U、６０V、６０W)に誘導された二次電圧を整流し、かつ、直列接続された界磁巻線（６U、６V、６W）に界磁電流を供給するための整流器(６００)を有する請求項１記載のTFMA。
【請求項１４】
パワーコンバータ（９）は、高周波電流及び台形波の電流の少なくとも１つを前記TFWRMの単相巻線（３U、３V、３W）に供給する請求項１３記載のTFMA。
【請求項１５】
整流器(６００A)は、３つの二次巻線(６０U、 ６０V、 ６０W)を界磁巻線(６U、６V、６W)に接続する３相ダイオード整流器からなる請求項１３記載のTFMA。
【請求項１６】
TFWRMはそれぞれ、リング状の一次界磁巻線(３０U、３０V、３０W)を有し、
一次界磁巻線(３０U、３０V、３０W)は、直列接続されている請求項１５記載のTFMA。
【請求項１７】
前記TFMは、前記移動コア（４U１-４W２、４U-４W）のティース（４１L、４１R）を個別に囲む籠形の二次巻線（２００、２００A）を有する横磁束誘導機械（TFIM）からなる請求項１記載のTFMA。
【請求項１８】
パワーコンバータ（９）は、前記TFIMの始動時に、横磁束シンクロナスリラクタンス機械（TFSynRM)及び横磁束スイッチドリラクタンス機械（TFSRM)のいずれかとして前記TFIMを駆動する請求項１７記載のTFMA。
【請求項１９】
３つの単相巻線（３U１、３V１、３W１）をもつ３つのTFIMは、パワーコンバータ（９）の第１の３相インバータ（９E)により駆動される第１発電電動機（MG１）を構成し、
３つの単相巻線（３U２、３V２、３W２）をもつ３つのTFIMは、パワーコンバータ（９）の第２の３相インバータ（９F)により駆動される第２発電電動機（MG２）を構成し、
パワーコンバータ（９）は、第１発電電動機（MG１）の各ターミナルを第２発電電動機（MG２）の各ターミナルに接続するための接続切換スイッチ（９H)を有し、
前記コントローラ（３００）は、前記接続切換スイッチ（９H)をオンする以前に共通の３相電圧を前記２つのインバータ（９E、９F)に与える請求項１７記載のTFMA。
【請求項２０】
６つの横磁束シンクロリラクタンス機械（TFSynRM）及び６つの横磁束誘導機械（TFIM)のどちらかからなる前記TFMは、一方向へタンデム配列され、
これら６つのTFMは、３つのTFMからなる第１グループと、他の３つのTFMからなる第２グループとにより構成され、
前記パワーコンバータは、U相レグ（９０１）とV相レグ（９０２）とW相レグ（９０３）ともつ９スイッチインバータ（９）を有し、
U相レグ（９０１）は、直列接続された上スイッチ（UH）、中間スイッチ（UM）及び下スイッチ（UL）を有し、
前記V相レグ（９０２）は、直列接続された上スイッチ（VH）、中間スイッチ（VM）及び下スイッチ（VL）を有し、
前記W相レグ（９０３）は、直列接続された上スイッチ（WH）、中間スイッチ（WM）及び下スイッチ（WL）を有し、
前記第１グループの前記３つの単相巻線は、前記３つの上スイッチ（UH、VH、WH）と前記３つの中間スイッチ（UM、VM、WM）との間の３つの接続点（C１、C２、C３)に個別に接続され、
前記第２グループの前記３つの単相巻線は、前記３つの中間スイッチ（UM、VM、WM）と前記３つの下スイッチ（UL、VL、WL）との間の３つの接続点（C４、C５、C６)に個別に接続され、
前記コントローラ（３００）は、直列接続モードと並列接続モードとを有し、
前記コントローラ（３００）は、前記第１グループと前記第２グループとを直列接続することにより、低速領域にて前記直列接続モードを実行し、そして
前記コントローラ（３００）は、前記第１グループと前記第２グループとを並列接続することにより、高速領域にて前記並列接続モードを実行する請求項１記載のTFMA。
【請求項２１】
４つの横磁束スイッチドリラクタンス機械（TFSRM）からなる４つの前記TFMは、一方向へタンデム配列され、
前記パワーコンバータ（８）は、X相レグ（８０１）、Y相レグ（８０２）、Z相レグ（８０３）及びT相レグ（８０４）をもつ４相パワーコンバータをもち、
前記X相レグ（８０１）は、前記４つのTFSRMのうちの第１のTFSRMのX相巻線（３X）に接続される上スイッチ（T１）及び下ダイオード（D１）を有し、
前記Y相レグ（８０２）は、前記４つのTFSRMのうちの第２のTFSRMのY相巻線（３Y）に接続される上スイッチ（T２）及び下ダイオード（D２）を有し、
前記Z相レグ（８０３）は、前記４つのTFSRMのうちの第３のTFSRMのZ相巻線（３Z）に接続される下スイッチ（T３）及び上ダイオード（D３）を有し、
前記T相レグ（８０４）は、前記４つのTFSRMのうちの第４のTFSRMのT相巻線（３T）に接続される下スイッチ（T４）及び上ダイオード（D４）を有し、
前記上スイッチ（T１、T２）及び前記上ダイオード（D３、D４）は、高電位DC線(１０００)に接続され、そして、
前記下ダイオード（D１、D２）及び前記下スイッチ（T３、T４）は、低電位DC線(２０００)に接続される請求項１記載のTFMA。
【請求項２２】
前記パワーコンバータ(８)はさらに、３つの追加スイッチ（T６、T７、T８）を有し、
前記X相巻線（３X）及び前記Y相巻線（３Y）の下端は、前記追加スイッチ（T６）を介して前記Z相巻線（３Z）及び前記T相巻線（３T）の上端に接続され、
前記Z相巻線（３Z）及び前記T相巻線（３T）の上端は、前記追加スイッチ（T７）を介して前記高電位DC線(１０００)に接続され、
前記X相巻線（３X）及び前記Y相巻線（３Y）の下端は、前記追加スイッチ（T８）を介して前記低電位DC線(２０００)に接続され、そして、
前記コントローラ（３００）は、直列接続モードと並列接続モードとをもち、そして
前記コントローラ（３００）は、前記直列接続モードにて前記追加スイッチ（T６）をオンし、前記並列接続モードにて前記追加スイッチ（T６）をオフする請求項２１記載のTFMA。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、横磁束機械（TFM)及びこのTFMを駆動する駆動装置を含む横磁束機械装置（TFMA）に関する。より詳しくは、本発明は、積層鉄板で形成されたコアをもつTFMAに関する。
【背景技術】
【０００２】
高トルク/重量比、高出力/重量比及び少ない銅損をもつので、多数の極と短い電流経路をもつ横磁束機械（TFM）は、魅力的な電気機械である。
【０００３】
米国特許第７、８３０、０５７号は、図１に示されるタンデムTFMを提案している。このTFMは、分割された多数のコア片で作られている。しかし、分割型コア構造は、磁気抵抗の増大とロバストネス（頑丈さ）の低減とを引き起こす。
【０００４】
図２は、ソフトマグネティックコンポジッツ（SMC）から作られたコアを用いるもう一つの先行TFMを示す。しかし、SMCコアの磁気特性及び頑丈さは十分ではない。
【０００５】
電気自動車および風力タービンは、ギヤ損失及び慣性質量を低減可能なダイレクトドライブ（DD）機械を強く待ち望んでいる。しかし、高速領域での高い起電圧及び永久磁石コストのため、永久磁石をもつ先行TFMは、可変速機械にとって好適ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７、８３０、０５７号
【発明の概要】
【０００７】
本発明の１つの目的は、積層鉄板を用いた簡素なコア構造をもつ横磁束機械装置（TFMA）を提供することである。本発明のもう１つの目的は、低減された損失をもつTFMAを提供するである。発明の更にもう一つの目的は、優れたトルク特性をもつTFMAを可変速用途に提供することである。
【０００８】
本発明の第１の様相において、このTFMは、斜め部をもつ積層鉄板でできた積層コアをもつ。ヨーク部とティースとを磁気的に接続するこの斜め部は、鉄板を曲げて作られる。コアは、左ティース、右ティース、左斜め部、右斜め部及びヨーク部を有する。この斜め部をもつコアはムカデのように見えるので、このムカデ状のTFMはCTFMと呼ばれる。斜めに延在する斜め部は真っ直ぐに延在することが望ましい。斜め部とティースとの間の角度は、２５度から６５度の間の範囲にあることが望ましい。
【０００９】
しかしながら、在来の径方向磁束機械（RFM)は長い開発の歴史をもつので、このCTFMがただ特有のコア構造をもつだけでは、RFMとの競争において十分ではない。CTFMは回転磁界を効率良く形成する在来の３相回転原理と異なる回転原理をもつので、CTFMはRFMの開発結果をストレートに利用することができない。言い換えると、適切な機械構造及び適切な駆動システムがCTFMのために開発されねばならない。このため、独特の機械構造と駆動システムがCTFMのために開発された。
【００１０】
単相誘導電動機のトルクを発生するための横磁束誘導機械（TFIM）が提案される。CTFMのロータハウジングは、ロータのティース又は斜め部を支持するために支持部材を必要とする。この支持部材は、周知の籠形二次巻線として機能する。このTFIMのロータコアが各ロータティースの周囲に籠形二次巻線を収容可能な多くのスペースをもつので、このTFMは低い二次巻線の電気抵抗をもつ。
【００１１】
リング形状又は円弧形状の二次巻線の大きな断面と及び短い長さは、TFIMの二次銅損を低減する。TFIMは、本質的に起動トルクを発生できない。しかし、TFIMは二重突極構造をもつので、本発明のTFIMは、単相シンクロナスリラクタンスモータ又は単相スイッチドリラクタンスモータとして始動される。
【００１２】
単相シンクロナスリラクタンスモータのトルクを発生するための横磁束シンクロナスリラクタンス機械（TFSynRM）が提案される。このTFSynRMは、ロータティース間のスペースに配置された永久磁石層をもつことができる。
【００１３】
単相スイッチドリラクタンスモータのトルクを発生させるための横磁束スイッチドリラクタンス機械（TFSRM）が提案される。TFMのロータが大きな空間をもつため、このTFSRMは大量の永久磁石層をもつことができる。したがって、この永久磁石層の追設により、このTFSRMの体格は増加されない。
【００１４】
単相同期モータの磁石トルクを発生するための横磁束巻ロータ機械（TFWRM)が提案される。このTFWRMは、左ティースと右ティースとの間のスペースに延在する界磁巻線をもつ。さらに、タンデム配置された３つのTFWRMは、ロータに固定された３つの二次巻線及び３相全波ダイオード整流器をもつ。この整流器は、３つの二次巻線に誘起された３相二次電圧を整流した後、界磁巻線に界磁電流を給電する。界磁巻線が短い長さをもつので、界磁巻線は小さい電気抵抗をもつ。それで、界磁巻線の銅損が低減される。
【００１５】
台形波形の各電流又は基本波成分と異なる周波数をもつ各
交流電流が、各ステータコアに巻かれた各単相巻線に給電される。ステータ電流により励磁される起磁力の高調波成分は、二次巻線に二次交流電圧を誘導する。
【００１６】
３相タンデム配置された複数のTFMを駆動するための９スイッチ・インバータが提案される。この９スイッチ・インバータは、並列接続を直列接続に切り換えることにより相電流方向が変化するという問題を有する。しかし、タンデム配列されたTFIM及びタンデム配列されたTFSynRMのトルクは、この接続切換により変化されないことがわかった。
【００１７】
タンデム配列された４つの単相TFSRMを駆動するための４相パワーコンバータが提案される。各単相TFSRMは、ラジアル磁束構造をもつ従来の４相SRMよりも長期のインダクタンス増加期間をもつ。その結果、２つの上スイッチと２つの下スイッチをもつこの４相パワーコンバータは、電流リップル及びトルクリップルを減らすことができることがわかった。そのうえ、この４相パワーコンバータは、直列接続を並列接続に切り換えることができる。
【００１８】
タンデムTFMと略称されるタンデム配列された複数のTFMが提案される。このタンデムTFMの複数のコアは、ロータ軸方向にオーバーラップされる。これにより、このタンデムTFMは、短いロータ軸長をもつことができる。本発明の他の特徴と効果が実施例において説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、分割コアをもつ従来のTFMを示す軸方向横断面図である。
【図２】図２は、SMCコアをもつ従来のTFMの模式横断面図である。
【図３】図３は、タンデム配置された３個のTFIMを示す軸方向横断面図である。
【図４】図４は、図３に示される軸方向積層ステータコアの軸方向横断面図である。
【図５】図５は、図４に示されるステータコアを示す部分側面図である。
【図６】図６は、図４に示されるステータコアの部分平面図である。
【図７】図７は、図３に示されるロータティースの配列を示す周方向展開図である。
【図８】図８は、図３に示されるステータティースの配列を示す周方向展開図である。
【図９】図９は、図３に示されるTFIMを駆動するためのTFMAを示すブロック回路図である。
【図１０】図１０は、図９に示されるTFMAの接続切換動作を示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、図３に示されるTFIMを用いる２台の発電電動機をもつシリーズ-ハイブリッド車の電力システムを示す概略構成である。
【図１２】図１２は、２台の発電電動機の共通周波数と、図１１に示される２台の発電電動機の２つのロータ速度と均等な２つのロータ周波数とを示す。
【図１３】図１３は、図１１に示される電力システムの接続切換動作を示すフローチャートである。
【図１４】図１４は、軸方向にタンデム配列された３つのTFSynRMを示す軸方向横断面図である。
【図１５】図１５は、軸方向にタンデム配列されたデユアル３相TFIMを示す軸方向横断面図である。
【図１６】図１６は、図１５に示されるタンデムTFIM又タンデムTFSynRM）を駆動するための９スイッチ・インバータの回路図である。
【図１７】図１７は、図１６に示される９スイッチ・インバータの直列接続モードを示す回路図である。
【図１８】図１８は、図１６に示される９スイッチ・インバータの並列接続モードを示す回路図である。
【図１９】図１９は、図１６に示される９スイッチ・インバータの接続切換動作を示すフローチャートである。
【図２０】図２０は、軸方向にタンデム配列された３つのTFWRM（横磁束巻ロータ機械）を示す軸方向横断面図である。
【図２１】図２１は、図２０に示されるTFWRMの界磁巻線に界磁電流を供給するためのロータ回路を示す回路図である。
【図２２】図２２は、３つの単相巻線に三相ステータ電流を供給するための３相インバータを示す回路図である。
【図２３】図２３は、基本波電流成分及び高周波電流成分を示すベクトル図である。
【図２４】図２４は、図２０に示されるTFWRMの１つの相巻線に通電される電流の波形図である。
【図２５】図２５は、図２０に示されるTFWRMのトルク制御を示すフローチャートである。
【図２６】図２５は、図２０に示されるロータティースの配列を示す周方向展開図である。
【図２７】図２０は、図２０に示されるステータティースの配列を示す周方向展開図である。
【図２８】図２８は、図２０に示されるロータティースの第１位置を示す周方向展開図である。
【図２９】図２９は、図２０に示されるロータティースの第２位置を示す周方向展開図である。
【図３０】図３０は、図２０に示されるロータティースの第３位置を示す周方向展開図である。
【図３１】図３１は、図２０に示されるロータティースの第４位置を示す周方向展開図である。
【図３２】図３２は、軸方向にタンデム配列された他のTFWRMを示す軸方向横断面図である。
【図３３】図３３は、図３２に示されるTFWRMの界磁電流回路を示す回路図である。
【図３４】図３４は、軸方向にタンデム配列された３つのTFPMの一例を示す軸方向横断面図である。
【図３５】図３５は、図３４に示されるロータの極領域の配列を示す周方向展開図である。
【図３６】図３６は、図３４に示されるステータのティースの配列を示す周方向展開図である。
【図３７】図３７は、図３４に示される永久磁石ロータの第１磁化工程を示す部分展開図である。
【図３８】図３８は、図３４に示される永久磁石ロータの第２磁化工程を示す部分展開図である。
【図３９】図３９は、軸方向にタンデム配列された３つのTFPMの他例を示す軸方向横断面図である。
【図４０】図４０は、図３９に示されるロータの極領域の配列を示す周方向展開図である。
【図４１】図４１は、図３９に示されるステータの分離された各コアを示す軸方向模式断面図である。
【図４２】図４２は、図３９に示されるステータティースの配列を示す周方向展開図である。
【図４３】図４３は、図３９に示されるステータコアのヨーク部の配列を示す周方向展開図である。
【図４４】図４４は、軸方向にタンデム配列された３つのTFPMの他例を示す軸方向横断面図である。
【図４５】図４５は、図４４に示されるTFPMのステータコアの分離状態を示す軸方向横断面図である。
【図４６】図４６は、図４４に示されるTFPMの磁束を示す模式図である。
【図４７】図４７は、図４４に示される左コアを示す側面図である。
【図４８】図４８は、図４４に示されるTFPMのステータコアを示す側面図である。
【図４９】図４９は、図４４に示されるステータティースの配列を示す模式展開図である。
【図５０】図５０は、図４４に示される永久磁石円筒の極領域の配列を示す模式展開図である。
【図５１】図５１は、タンデム配列された４つのTFSRMの一例の軸方向断面図である。
【図５２】図５２は、図５１に示されるステータティースの配列を示す周方向展開図である。
【図５３】図５３は、図５１に示されるロータティースの配列を示す周方向展開図である。
【図５４】図５４は、タンデム配列された４つの磁石層付きTFSRMの他例の軸方向断面図である。
【図５５】図５５は、図５４に示されるロータティースの配列を示す周方向展開図である。
【図５６】図５６は、図５４に示されるステータティースの配列を示す周方向展開図である。
【図５７】図５７は、図５４に示される直流駆動TFSRMの動作を示す模式側面図である。
【図５８】図５８は、図５４に示される直流駆動TFSRMと同じ構造をもつ交流駆動TFSynRMの動作を示す参考図である。
【図５９】図５９は、図５１又は図５４に示されるTFSRMを駆動するための非対称４相パワーコンバータを示す回路図である。
【図６０】図６０は、図５１及び図５４に示されるTFSRMのインダクタンス及びモータ電流の波形を示すタイミングチャートである。
【図６１】図６１は、図５９に示されるパワーコンバータで用いられる直列接続モードの第１タイミングを示す回路図である。
【図６２】図６２は、図５９に示されるパワーコンバータで用いられる直列接続モードの第２タイミングを示す回路図である。
【図６３】図６３は、図５９に示されるパワーコンバータで用いられる直列接続モードの第３タイミングを示す回路図である。
【図６４】図６４は、図５９に示されるパワーコンバータで用いられる直列接続モードの第４タイミングを示す回路図である。
【図６５】図６５は、図５９に示されるパワーコンバータで用いられる並列接続モードの第１タイミングを示す回路図である。
【図６６】図６６は、図５９に示されるパワーコンバータで用いられる並列接続モードの第２タイミングを示す回路図である。
【図６７】図６７は、図５９に示されるパワーコンバータで用いられる並列接続モードの第３タイミングを示す回路図である。
【図６８】図６８は、図５９に示されるパワーコンバータで用いられる並列接続モードの第４タイミングを示す回路図である。
【図６９】図６９は、図５１に示されるTFSRMの発電電流の波形及びインダクタンスを示すタイミング・チャートである。
【図７０】図７０は、図５９に示されるパワーコンバータで用いられる発電機モードの第１タイミングを示す回路図である。
【図７１】図７１は、図５９に示されるパワーコンバータで用いられる発電機モードの第２タイミングを示す回路図である。
【図７２】図７２は、図５９に示されるパワーコンバータで用いられる発電機モードの第３タイミングを示す回路図である。
【図７３】図７３は、図５９に示されるパワーコンバータで用いられる発電機モードの第４タイミングを示す回路図である。
【図７４】図７４は、図５９に示されるパワーコンバータで用いられる発電機モードの第５タイミングを示す回路図である。
【図７５】図７５は、図５９に示されるパワーコンバータで用いられる発電機モードの第６タイミングを示す回路図である。
【図７６】図７６は、図５９に示されるパワーコンバータで用いられる発電機モードの第７タイミングを示す回路図である。
【図７７】図７７は、図５９に示されるパワーコンバータで用いられる発電機モードの第８タイミングを示す回路図である。
【図７８】図７８は、図５１及び図５４に示されるタンデムTFSRMを運転するための変形パワーコンバータを示す回路図である。
【図７９】図７９は、周方向にタンデム配列をもつ二重３相TFIMを示す軸方向横断面図である。
【図８０】図８０は、図７９に示されるTFIMの配列を示す模式側面図である。
【図８１】図８１は、図７９に示される分割ステータコア及びティースホルダを例示するための軸方向横断面図である。
【図８２】図８２は、図７９に示されるステータコアを示す部分側面図である。
【図８３】図８３は、図７９に示されるTFMを示す側面展開図である。
【図８４】図８４は、図７９に示されるステータコアを示す軸方向横断面図である。
【図８５】図８５は、図７９に示されるステータティースの１つの配列の周方向展開図である。
【図８６】図８６は、図７９に示されるステータティースのもう一つの配列の周方向展開図である。
【図８７】図８７は、図７９に示されるTFIMのもう一つの配列を示す模式側面図である。
【図８８】図８８は、図７９に示されるロータティースの周方向展開図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図３-図８８は、コアバックにティースを接続する斜め部をもつ積層コアを有するムカデ形TFMA（CTFMAと呼ばれる）を示すための複数の実施例を示す。実施例１を示す図３-図１９は、３つ又は６つの横磁束誘導機械（TFIM)又は横磁束同期リラクタンス機械（TFSynRM）のタンデムTFIM技術及びタンデムTFSynRM技術を開示する。実施例２を示す図２０-図３３は、３つの横磁束巻ロータ機械（TFWRM）をもつタンデムTFWRM技術を開示する。実施例３を示す図３４-図５０は、３つの横磁束永久磁石機械（TFPM）をもつタンデムTFPM技術を開示する。実施例４を示す図５１-７８は、４つの横磁束スイッチドリラクタンス機械（TFSRM)をもつタンデムTFSRM技術を開示する。実施例５を示す図７９-図８８は、３つのTFIMをもつ周方向-タンデムTFIM技術を開示する。この周方向-タンデム構造は他のCTFMにも適用することができる。下記の実施例で開示される技術の一部は、公知のコア構造をもつ従来のTFMにも有用である。
【００２１】
第１実施例
図３に示されるTFMAは、ロータ軸方向にタンデム配列された３つの単相TFIMを有する。U相TFIMは、U相ステータ１UとU相ロータコア４Uとを有する。V相TFIMは、V相ステータ１VとV相ロータコア４Vとを有する。W相TFIMは、W相ステータ１WとW相ロータコア４Wを有する。ステータ１U、１V及び１Wは、ステータハウジング１００に取り付けられている。U相ステータ１Uは、U相巻線３Uを収容するU相ステータコア２Uを有している。V相ステータ１Vは、V相巻線３V相を収容するV相ステータコアを有している。W相ステータ１Wは、W相巻線３Wを収容するW相ステータコアを有している。ステータコア２U、２V及び２Wと相巻線３U、３V及び３Wは、各々環状に形成されている。
【００２２】
ステータハウジング１００は、円盤状の前ハウジング１０１と椀状の後ハウジング１０２とを有してる。前ハウジング１０１、ティースホルダ１a、U相ステータコア２U、ティースホルダ１b、V相ステータコア２V、ティースホルダ１c、W相ステータコア２W、１dティースホルダ及び後ハウジング１０２のディスク部分は、ロータ軸２０１のロータ軸方向AXへ順番に配置されている。ティースホルダ１a-１dと、ステータコア２U、２V及び２Wと、ロータコア４U、４V及び４Wとの詳細な構造は後で説明される。
【００２３】
冷却導管４００は、ティースホルダ１a-１dの各環状凹部に巻かれている。これらの凹部は、アルミニウムでできたティースホルダ１a-１dの外周表面に沿って周方向PHへ延在している。後ハウジング１０２は、ステータ１U-１W、ティースホルダ１a-１d及び冷却導管４００を収容している。冷却流体（C．F．）が冷却導管４００の中を流れている。後ハウジング１０２のシリンダ部の内周面は、ステータコア２U-２W、ティースホルダ１a-１d及び冷却導管４００の外周面と接触している。好適には、ティースホルダ１a-１dは、渦電流を減らすための絶縁層（図示せず）を介してステータコア２U-２Wに接触する。この絶縁層は、２枚の軟鉄板７（図４に示される）の間の隙間７１gと７４gとの間に挿入される樹脂層と同プロセスで作られている。
【００２４】
ロータ軸方向タンデム配置されたロータコア４U、４V及び４Wは、ダイカスト法で製造されるロータハウジング２００に固定されている。アルミニウムまたは銅でできたロータ・ハウジング２００は、ロータ軸２０１に固定されている。ロータ軸２０１は、ベアリングを介してステータハウジング１００に保持されている。ロータハウジング２００は、３個の単相TFIMのいわゆる籠形二次巻線を構成する。ロータハウジング２００は、３つのロータコア４U-４Wの３つのスロットに配置された３つのリング部４０を有している。ロータコア４U-４Wは、ステータコア２U-２Wに個別に面している。ロータ軸２０１は、ロータ軸方向へ延在するヒートパイプ２０２を有している。銅板でできた冷却ディスク２０３は、後ハウジング１０２の外端面に隣接する位置にてロータ軸２０１に固定されている。冷却ディスク２０３は、入口２０４と出口２０５とをもつケース２０６で覆われている。冷却ディスク２０３が回転する時、冷却ディスク２０３上の空気境界層は自身の遠心力で冷却ディスク２０３の両ディスク面を離れる。ロータコア４U-４W及びロータハウジング２００の発生熱は、ヒートパイプ２０２でロータ軸２０１を通じて冷却ディスク２０３に伝達される。熱パイプ２０２の蒸気は、後方へ流れる。円筒状の液体表面の全部分がロータ軸中心線から等距離にあるため、ヒートパイプ２０２は、液体回帰のための構造を要しない。言い換えれば、凝縮液体が自身の遠心力で回帰するため、ヒートパイプの熱輸送能力は優れている。
【００２５】
U相ステータコア２UとU相巻線３UをもつU相ステータ１Uが、図４-図６を参照して説明される。他のステータ１V及び１Wは、U相ステータ１Uと本質的に同じである。ロータコア４U-４Wの各々は、U相ステータコア２Uと同じ構造をもつ。ステータコア２Uは、左ステータティース２１L、右ステータティース２１R、環状のヨーク部２４、左斜め部２５L及び右斜め部２５Rからなる。ステータティース２１L、２１Rは、径方向RA内側へ突出している。環状のヨーク部２４は、周方向PHへ延在している。左ステータティース２１L、右ステータティース２１R、左斜め部２５L及び右斜め部２５Rは各々、周方向PHへ配列されている。
【００２６】
各左斜め部２５Lは、各左ステータティース２１Lとヨーク部２４とを繋いでいる。各右斜め部２５Rは、各右ステータティース２１Rとヨーク部２４とを繋いでいる。左斜め部２５Lは、ヨーク部２４から前方へ斜めに延在している。右斜め部２５Rは、ヨーク部２４から後方へ斜めに延在している。左ステータティース２１Lと右ステータティース２１Rとは、U相コア２Uの環状スロットに収容されたU相巻線３Uを越えてロータ軸方向AXに隣接している。三角形の横断面をもつ環状の樹脂スペーサ８００は、左ステータティース２１Lと右ステータティース２１Rとの間のスロットの上部に挿入されている。
【００２７】
図４に示されるように、ステータコア２Uは、ロータ軸方向へ積層された６枚の軟鉄板７で構成されている。各プレート７は、左ティース７１L、右ティース７１R、環状のヨーク部７４、左斜め部７５L及び右斜め部７５Rからなる。左ティース７１L及び右ティース７１Rは、径方向内側へ突出している。ヨーク部７４は、周方向PHへ延在している。斜めに延在する各左斜め部７５Lは、各左ティース７１L及びヨーク部７４を繋いでいる。斜めに延在する各右斜め部７５Rは、各右ティース７１Rとヨーク部７４とを繋いでいる。したがって、ステータコア２Uは、ロータ軸方向に積層された複数の軟鉄板７で構成されている。同様に、もう一つのステータコア４V、４W及びロータコア４U、４V、４Wも、ステータコア４Uと同様に、ロータ軸方向に積層された複数の軟鉄板からなる。斜め方向へ真っ直ぐに延在する左斜め部７５Lは、平鉄板のプレスにより形成される。平鉄板のプレスにより形成された右斜め部７５Rは、斜め方向へ真っ直ぐに延在している。
【００２８】
螺旋状に積層された軟鉄板は、ロータ軸方向に積層された複数の軟鉄板７の代わりに採用されることができる。互いに隣接するヨーク部７４の各ペア間に、各環状隙間７４gが形成されることがわかる。同様に、ロータ軸方向AXにて互いに隣接する左ティースの各ペアの間に、ティース形の各隙間７１gが形成される。同様に、ティース形の各隙間７１gが、ロータ軸方向AXにおいて互いに隣接する右ティース７１Rの各ペア間に形成される。各隙間７４g、７１gは、軟鉄粉を含む各樹脂層で埋められる。樹脂層は、鉄損の高調波成分を低減する。樹脂層を使う代わりに、ヨーク部７４及びティース７１L、７１Rは磁気振動低減のためロータ軸方向AXへ湾曲乃至屈曲又は突出されることができる。結局、ステータコア２Uは、複数の軟鉄板７のロータ軸方向積層工程で作られる。
【００２９】
図５は、ステータコア２Uを模式的に示す部分側面図である。図６は、ステータコア２Uの部分平面図である。左ステータティース２１Lと右ステータティース２１Rは、周方向PHへ交互に配列される。２つの左ステータティース２１Lは、１つのステータティースとほぼ等しい周方向幅をもつスペースを越えて互いに隣接している。同様に、２つの右ステータティース２１Rは、１つのステータティース２１Rとほぼ等しい周方向幅をもつスペースを越えて互いに隣接している。左斜め部２５Lと右斜め部２５Rは、周方向PHに交互に配列される。２つの左斜め部２５Lは、斜め部２５Lとほぼ等しい周方向幅をもつスペースを越えて互いに隣接している。同様に、２つの右斜め部２５Rは、斜め部２５Rとほぼ等しい周方向幅をもつスペースを越えて互いに隣接している。
【００３０】
各ロータコア４U-４Wは、左ロータティース４１L、右ロータティース４１R、環状のヨーク部４４、左斜め部４５L及び右斜め部４５Rからなる。左ロータティース４１Lと右ロータティース４１Rは、径方向外側へ突出している。ヨーク部４４は、周方向PHへ延在している。左ロータティース４１L、右ロータティース４１R、左斜め部４５L及び右斜め部４５Rは、各々周方向PHへ配列されている。各左斜め部４５Lは、各左ロータティース４１Lとヨーク部４４とを繋いでいる。各右斜め部４５Rは、各右ロータティース４１Rとヨーク部４４とを繋いでいる。左斜め部４５Lは、ヨーク部４４から前方へ斜めに延在している。右斜め部４５Rは、ヨーク部４４から後方へ斜めに延在している。左ロータティース４１Lと右ロータティース４１Rは、ロータハウジング２００のリング部分４０で埋められたリング状のスロットを越えてロータ軸方向AXにて互いに隣接している。リング部４０は、籠形二次巻線の一部である。左ロータティース４１Lは、径方向RAにおいてステータティース２１Lに面している。右ロータティース４１Rは、径向RAにおいて右ステータティース２１Rに面している。
【００３１】
ステータコア２Uのステータティース２１L及びロータコア４Uのロータティース４１LはU相電気角をもつ。ステータコア２Vのステータティース２１L及びロータコア４Vのロータティース４１LはV相電気角をもつ。ステータコア２Wのステータティース２１L及びロータコア４Wのロータティース４１LはW相電気角をもつ。これら３つの電気角の各２つの間の各角度は、１２０度である。結局、図３に示されるTFMAは３つの単相TFIM（横磁束単相誘導機械）を有している。図７は、ロータティース４１L、４１Rの１つの配列を示す部分展開図である。図８は、ステータティース２１L、２１Rの１つの配列を示す部分展開図である。
【００３２】
図９は、図３に示される３つのTFIMをもつTFMAを示すブロック回路図である。３相インバータ９は、３つのTFIMの単相巻線３U-３WにU相電圧、V相電圧及びW相電圧を個別に印加する。検出されたロータ角度は、誘導電動機モード及びリラクタンスモータモードをもつコントローラ３００に伝送される。各TFIMが二重突極構造をもつので、これら３つのTFIMは、各々リラクタンストルクを発生することができる。言い換えれば、ステータコア２U-２Wは突極タイプであり、ロータコア４U-４Wも突極タイプである。故に、３つのTFIMの各磁気抵抗は、ロータ角度に従って変化する。他方、３つのTFIMはそれぞれ単相誘導モータであるため、３つのTFIMは始動トルクを発生させることができない。結局、回転始動のために、３つのTFIMは、単相シンクロナスリラクタンスモータまたは単相スイッチドリラクタンスモータとして駆動される。
【００３３】
図１０は、２つのモードのどちらかの一つの選択を示すフローチャートである。最初に、ロータ位置、ロータ角速度及びトルク指令値を含む情報がステップS２００にて検出される。次のステップ２０２にて、誘導モータトルクTiとシンクロナスリラクタンストルクTrが、検出された情報及び記憶マップに従って計算される。TFIMの速度がゼロである時、誘導モータトルクTiがゼロであることは重要である。巻線３U-３Wがdロータ軸インダクタンスLdとqロータ軸インダクタンスLqとの差をもつので、各TFIMはシンクロナスリラクタンストルクTr（=（Ld-Lq）IdIq）を発生することができる。トルクTrは、dロータ軸インダクタンスLd、qロータ軸インダクタンスLq、dロータ軸電流Id及びqロータ軸電流Iqに応じて計算される。さらに、ステータティースとロータティースとの両方が突極であるため、各TFIMはスイッチドリラクタンストルクを発生することができる。
【００３４】
シンクロナスリラクタンスモータ（TFSynRM）又はスイッチドリラクタンスモータ（TFSRM)としてTFIMを始動した後、ステップS２０２にて誘導モータモードがベターか否かが効率とトルク値に基づいて判断される。誘導モータ動作の効率が同期電動機動作の効率より高い場合に、誘導モータモードが選択される。誘導モータモードはステップS２０４で選択され、リラクタンスモータモードはステップS２０６で選択される。もう一つの事例では、ロータ温度が所定閾値より高いかどうかが、ステップS２０２にてさらに判断される。リラクタンスモータ・モードの採用によりロータ銅損が低減されるので、ロータ温度がより高いときにリラクタンスモータモードが選択される。
【００３５】
図１１は、シリーズ・ハイブリッド車の電力システムを示す模式ブロック回路図である。この電力システムは、エンジン側の発電電動機（MG１）、車輪側の発電電動機（MG２）、エンジン側の３相インバータ９E、車輪側の３相インバータ９F、DC電源９G及び接続切換リレー９Hからなる。発電電動機MG１、MG２の各々は、図３に示される３つのTFIMで構成されている。MG１の３つの相巻線３U１、３V１及び３W１はそれぞれ、３相インバータ９Eの３つのレグに接続されている。MG２の３つの相巻線３U２、３V２及び３W２はそれぞれ、３相インバータ９Fの３つのレグに接続されている。DC電源９Gの高電位端子は、インバータ９E、９Fの高電位端子に接続されている。接続切換リレー９Hは３つの相巻線３U１、３V１、３W１と２つの相巻線３U２、３V２、３W２とを個別に接続する。
【００３６】
３つの相巻線３U１、３V１、３W１は３つの相電圧Vu１、Vv１、Vw１を個別に有する。３つの相電圧Vu１、Vv１、Vw１間の各位相差は電気角１２０度である。３つの相巻線３U２、３V２、３W２は、それぞれ３つの相電圧Vu２、Vv２、Vw２を有している。３つの相電圧Vu２、Vv２、Vw２間の各位相差は電気角１２０度である。コントローラ３００は、６つの電圧VU１、Vv１、Vw１、Vu２、Vv２、Vw２の周波数及び電圧を制御する。共通周波数foは、MG１が発電機として駆動され、MG２がモータとして駆動される場合に選択される。電圧Vu１、Vv１、Vw１は同期周波数f１をもち、それはMG１のロータ速度に相当する。電圧Vu２、Vv２、Vw２は同期周波数f２をもち、それらはMG２のロータ速度に相当する。２つの同期周波数f１、f２の差が小さいとき、接続切換リレー９Hがオンされる。したがって、U相巻線３U１、３U２が直結される。V相巻線３V１、３V２が直結される。W相巻線３W１、３W２が直結される。MG１に接続される内燃機関の出力がMG１及びMG２の効率を高く維持するために制御される。結局、６つの相電圧Vu１、Vv１、Vw１、Vu２、Vv２及びVw２は各々、共通の周波数foをもつ。
【００３７】
図１２は、共通周波数fo、MG１の相当周波数fg及びMG２の相当周波数fmを示す。相当周波数fgは、MG１のロータ速度に相当する。相当周波数fmは、MG２のロータ速度に相当する。共通周波数は、相当周波数fgとfmの間の中間値をもつ。したがって、リレー９Hがオンにされる時、MG１はスリップ率Smをもち、MG２はスリップ率Sgをもつ。MG１とMG２の間の電流バランスを実現するために、共通周波数foが制御される。リレー９Hがオンにされるとき、インバータ９E、９Fは停止されることができる。
【００３８】
図１３は、リレー９Hの制御を示すフローチャートを示す。最初に、MG１及びMG２のロータ速度を含む情報がステップS３００にて検出される。次のステップS３０２にて、リレー９Hの接続状態がオン状態からオフ状態へ、もしくは、オフ状態からオン状態へ切り換えられるべきか否かが判断される。インバータ９E、９Fが共通周波数foをもつ時、リレー９Hはオンされる。言い換えれば、インバータ９E、９Fは、リレー９Hのオン又はオフの前に共通周波数foで運転される（S３０４）。共通周波数foと６相電圧VU１-Vw２とを制御することにより、MG１とMG２の電流差が低減される。次のステップS３０６にて、リレー９Hの電流Irelayが所定値より低いかどうかが判断される。ステップS３０８にて、リレー電流Irelayが所定値より小さくなった後、リレー９Hの状態が切り換えられる。これにより、リレーのスパークが低減される。
【００３９】
第１変形態様
第１実施例の第１変形態様が、図１４を参照して説明される。図１４は、ロータコア４U４wのの３つのリング部４０の省略を除いて、図３と本質的に等しい。したがって、図１４に示されるTFMは、ロータ軸方向タンデム単相シンクロナスリラクタンス横磁束機（TFSynRM）又はロータ軸方向タンデム単相横磁束スイッチドリラクタンス機械（TFSRM）になる。
【００４０】
第２変形態様
第１実施例の第２変形態様が、図１５ー１９を参照して説明される。図１５は、タンデム配列される二重（デユアル）３相TFIMを示すロータ軸方向横断面図である。ステータ１は、U相巻線３U１及び３U２、V相巻線３V１及び３V２及びW相巻線３W１及び３W２をもつ、ステータコア２U１、２V１、２W１、２U２、２V２、２W２を有している。ロータ４は、ロータコア４U１、４V１、４W１、４U２、４V２、４W２をもつ。ロータハウジング２００の外周面は、銅シリンダ２００Aで被覆されている。ロータティース４１L、４１Rの先端面が銅シリンダ２００Aから露出している。いわゆる籠形二次導体（巻線）の電気抵抗の低減により、TFIMの銅損が低減される。図１５に示される６つの相TFIMは、相数を除いて図３に示されるTFIMと本質的に同じである。図１５に示されるTFIMは、銅シリンダ２００Aの省略によりTFSynRM又はTFSRMになる。
【００４１】
図１６は、図１５に示される二重３相TFIM又は二重３相TFSynRMを運転するための９スイッチ・インバータ９の回路図である。図１６に示されるインバータ９は、３つの上スイッチUH、VH、WHと、３つの中間スイッチUM、VMとWMと、３つの下スイッチUL、VL、WLを有する。インバータ９は、U相レグ９０１、V相レグ９０２、W相レグ９０３からなる。U相レグ９０１は、直列接続された３つのスイッチUH、UM、ULからなる。V相レグ９０２は、直列接続された３つのスイッチVH、VM、VLからなる。W相レグ９０３は、直列接続された３つのスイッチWH、WM、WLからなる。
【００４２】
上スイッチUH、VH、WHと中間スイッチUM、VM、WMとの間の３つの上接続点C１-C３は、上の３相巻線３Kの３つの相巻線３U１、３V１、３W１に個別に接続されている。下スイッチUL、VL、WLと中間スイッチUM、VM、WMとを接続する３つの下接続点C４-C６は、下の３相巻線３Lの３つの相巻線３U２、３V２、３W２に個別に接続されている。上スイッチUH、VH、WHの各上端は、高電位DC線１０００に接続されている。下スイッチUL、VL、WLの各下端は、低電位DC線２０００に接続されている。３相巻線３Kと３相巻線３Lは、各々星形接続を有している。
【００４３】
コントローラ３００は、ゲート電圧SHを上スイッチに、ゲート電圧SMを中間スイッチに、ゲート電圧SLを下スイッチに印加する。さらに、コントローラ３００は、検出情報に従って直列接続モードか並列回路モードを選択する。図１７は、直列接続モードの１つの状態を例示する。直列接続モードにおいて、同レグの上スイッチと下スイッチは、同じ状態を有している。直列接続モードにおいて、中間スイッチは、同レグの上スイッチ及び下スイッチと逆の状態を有している。図１８は、並列接続モードの１つの状態を例示する。並列接続モードでは、同相の上スイッチと下スイッチは、互いに逆の状態を有している。並列接続モードでは、すべての中間スイッチUM、VM、WMはオンされる。
【００４４】
図１９は、好適な接続の選択を示すフローチャートである。最初に、ステップS４００にてロータ速度を含む所定情報が検出される。次のステップS４０２にて、TFMAが所定の高速域で駆動されるか否かが判断される。デユアル３相TFIM（図２４に示される）またはTFSynRMが高速域で駆動されるとき、並列接続モードが選択される（ステップS４０４）。デユアル３相TFIMまたはデユアル３相TFSynRMが低速域で駆動されるとき、直列接続モードが選択される（ステップS４０６）。したがって、この６相ステータ巻線の等価ターン数は、高速域で低減されることができる。
【００４５】
３つの相巻線３U２、３V２、３W２の各相電流は、直列接続モードと並列接続モードとで反対の流れ方向をもつことがわかる。しかし、誘導モータトルクは、電流方向の変更に関係しない。同様に、シンクロナスリラクタンスモータトルクは、電流方向の変更に関係しない。したがって、９スイッチ・インバータ９は、３つの相巻線の等価ターン数を切り換えることができる。
【００４６】
第２実施例
図２０は、ロータ軸方向にタンデム配列された３つの単相TFWRM（横磁束巻ロータ機械）を示すロータ軸方向横断面図である。図２０に示される３つのTFWRMは、界磁巻線６U、６V、６W及び二次巻線６０U、６０V、６０Wの追加以外は、図１４に示される３つのTFSynRMと本質的に同じである。リング状のU相界磁巻線６U及びリング状のU相二次巻線６０Uは、U相ロータ４Uの左ティース４１Lと右ティース４１Rの間のスペースに収容されている。リング状のV相界磁巻線６V及びリング状のV相二次巻線６０Vは、V相ロータ４Vの左ティース４１Lと右ティース４１Rの間のスペースに収容されている。リング状のW相界磁巻線６W及びリング状のW相二次巻線６０Wは、W相ロータ４Wの左ティース４１Lと右ティース４１Rの間のスペースに収容されている。
【００４７】
図２０に示される３つのTFWRMのロータ回路が図２１に示される。星形接続をもつ二次巻線６０U、６０V、６０Wは、３相全波ダイオード整流器６００を通じて界磁巻線６U、６V、６Wに界磁電流Ifを供給する。界磁巻線６U、６V、６Wは、互いに直列接続されている。図２１に示されるこの整流器６００の代わりに、３相半波整流器が採用されることができる。図２１に示されるこの整流器６００の代わりに、３相半波整流器が採用されることができる。更に、界磁巻線６U、６V、６Wを兼ねる各二次巻線６０U、６０V、６０Wは、各ダイオードを通じて短絡されることもできる。図２２は、３つのステータコア２U、２V、２Wに個別に巻かれた３つの単相巻線３U、３V、３Wに接続される３相インバータ９を示す。このインバータ９は、TFWRMが３相発電機として作動する場合に整流器として振る舞う。
【００４８】
このインバータ９は、U相励磁電流IUh、V相励磁電流IVh、W相励磁電流IWhからなる対称３相励磁電流Ihを供給する。さらに、インバータ９は、U相基本電流IU０、V相励磁電流IV０、W相励磁電流IW０からなる対称３相励磁電流I０を供給する。
【００４９】
励磁電流Ih及び基本電流I０の周波数が、図２３に示される。図２３において、電流I０、Ihはそれぞれ、正弦波形をもつ。励磁電流Ihの周波数fhは、基本電流I０の周波数よりも高い。滑り率Sは、(fh-f０)/fhの値に等しい。３つの二次巻線６０U、６０V、６０Wにそれぞれ二次電圧を誘導するために、ロータ４のロータティース４１L、４１Rに起磁力（MMF）の空間高調波を用いることができる。言い換えれば、たとえ正弦波電流がたとえ３つの単相巻線３U、３V、３Wに供給されても、起磁力が空間的に変調されるので、図２０に示されるTFWRMの二重突極構造は、起磁力の空間高調波を発生する。この起磁力（MMF）の高調波は、二次巻線６０U、６０V、６０Wにそれぞれ交流二次電圧を誘導する。
【００５０】
他の事例によれば、３つの相巻線３U、３V、３Wに供給される各相電流は、図２４に示されるようなそれぞれ台形波形をもつ。台形波形の電流は、基本電流I０に加えて多くの高調波成分を含む。
【００５１】
TFWRMのトルク制御例が図２５を参照して説明される。ステップ４００にて、トルク指令値Tiが読み込まれる。次のステップS４０２で、各相電流の波形と振幅が、記憶マップからサーチされる。トルク指令値Tiが大きいとき、相電流変化率及び振幅が増加される。トルク指令値Tiが小さいとき、相電流変化率及び振幅が減少される。さらに、モータ速度が低い時に高周波の励磁電流Ihが台形の相電流に追加される。なぜなら、モータ速度が低い時に誘導二次電圧の周波数が減少するからである。結局、台形波形の基本電流I０の供給により、又は、励磁電流Ihの供給により、又はTFWRMの二重突極構造の利用により、二次電流が誘導される。インバータ９は、決定された基本電流I０及び決定された励磁電流Ihを供給する。
【００５２】
界磁巻線６U、６V、６Wが抵抗と見なせ、かつ、励磁電流Ihの周波数が高いため、励磁巻線６０U、６０V、６０Wは、多くの巻数を要求されないことが重要である。対称３相基本電流I０が供給される時、直列接続された界磁巻線６U、６V、６Wに誘導される電圧の和は、ほぼゼロである。
【００５３】
図２６は、ロータティース４１L、４１Rの配列を示す。U相ロータコア４Uの左ティース４１L、V相ロータコア４Vの右ティース４１R及びW相ロータコア４Wの左ティース４１Lは、N極に磁化される。U相ロータコア４Uの右ティース４１R、V相ロータコア４Vの左ティース４１L及びW相ロータコア４Wの右ティース４１Rは、S極に磁化される。図２７は、ステータ１の左ティース２１L及び右ティース２１Rの配列を示す。
【００５４】
図２８-図３１は、U相ロータコア４UのU相左ティース４１Lの周方向位置を示す。U相左ティース４１Lは、N極に磁化される。図２８に示される第１ロータ位置にて、左ティース４１Lの先端面は、S極に磁化される。左ティース４１Lは、左ティース２１Lにより吸引される。図２９に示される第２ロータ位置にて、U相基本電流Iuは停止される。図３０に示される第３ロータ位置にて、左ティース４１Lの先端面は、N極に磁化される。左ティース４１Lは、N極をもつ左ティース２１Lにより反発される。図３１に示される第４ロータ位置にて、U相基本電流Iuは停止される。
【００５５】
第１変形態様
図２０に示されるTFWRMの第１変形態様が図３２、図３３を参照して説明される。図３２は、軸方向にタンデム配置された３つのTFWRMをもつ他のTFMAを示す軸方向横断面図である。図３２に示される３つのステータは、ステータコア３U、３V、３Wの環状スロットに巻かれた一次界磁巻線３０U、３０V、３０Wの追加を除いて、図２０に示される３つのTFWRMと本質的に同じである。環状のU相一次界磁巻線３０Uは、ステータコア２Uに巻かれている。環状のV相一次界磁巻線３０Vは、ステータコア２Vに巻かれている。環状のW相一次界磁巻線３０Wは、ステータコア２Wに巻かれている。さらに、図３２は、冷却空気（C.A.）が流れる冷却空気通路を示す。冷却空気は、ティース４１L、４１Rの回転によって発生される。
【００５６】
３相インバータ９は、三相フルブリッジダイオード整流器に変更される。調整トランジスタ９０は、直列接続された一次界磁巻線３０U、３０V、３０Wを流れる一次界磁電流If１を制御するためにPWMスイッチングされる。フリーホイーリングダイオード３００は、一次界磁巻線３０U、３０V、３０Wと並列接続されている。図３３に示されるローター回路３０００は、図２１に示されるローター回路と同じある。
【００５７】
図３２-３３に示されるTFWRMの発電機動作が、以下に説明される。一次界磁電流If１は、直列接続された一次界磁巻線３０U、３０V、３０Wに供給される。これにより、U相ステータコア２Uのティース２１L、V相ステータコア２Vのティース２１R及びW相ステータコア２Wのティース２１Lは、N極に磁化される。U相電圧VU２、 V相電圧VV２及びW相電圧VW２が、３つの二次巻線６０U、６０V、６０Wに個別に誘導される。整流器６００は、このU相電圧VU２、 V相電圧VV２及びW相電圧VW２からなる３相二次電圧を整流し、界磁電流Ifを界磁巻線６U、６V及び６Wに供給する。したがって、ティース４１L、４１Rが磁化される。U相ローターコア４Uのティース４１L、V相ロータコア４Vのティース４１R及びW相ロータコアのティース４１Lは、S極に磁化されることが望ましい。言い換えれば、界磁電流Iｆ、一次界磁電流If1が周方向における同一方向に流れる。したがって、３つの交流電圧が、３つの単相巻線３U、３V、３Wに誘導される。整流器９は、誘導された３相電圧を整流する。
【００５８】
界磁巻線６U、６V及び６Wは、二次巻線６０U、６０V及び６０W及び一次界磁巻線３０U、３０V及び３０Wよりも非常に大きな巻数をもつ。界磁巻線６U、６V及び６Wはそれぞれ、二次巻線６０U、６０V及び６０W及び一次界磁巻線３０U、３０V及び３０Wのそれぞれよりも５倍以上、更に好適には１０倍の巻数をもつことが好ましい。したがって、大きなインダクタンスをもつ界磁巻線６U、６V及び６Wは、大きな磁気エネルギーを蓄積する。それは、大きな磁束を励起きすることを意味する。さらに、界磁電流Ifの電流リップルが低減される。たとえロータが回転されても、一次界磁巻線３０U、３０V及び３０Wのインダクタンスの合計、並びに、界磁巻線６U、６V及び６Wのインダクタンスの合計はそれぞれ、ほぼ一定である。言い換えると、たとえロータが回転されても、３つのTFWRMのステータティース２１L、２１Rとロータティース４１L、４１Rのオーバーラップ面積（対面面積）は、ほぼ一定である。これにより、一次界磁巻線３０U、３０V及び３０Wに誘導される電圧の合計は、ほぼゼロになる。界磁巻線６u-６Wの銅損として消費される電力がロータの機械的エネルギーから供給されることが重要である。さらに、たとえTFWRMがユニポーラタイプであるとしても、TFWRMは多数の歯２１L-２１R、４１L-４１Rをもつことができるため、巻線３０U-３０W、６０U-６０Wの巻数が低減される。他の変形態様によれば、一次界磁巻線３０U-３０Wは省略される。電流If１の代わりに、巻線３U-３WにDC一次界磁電流If１を流すことが可能である。
【００５９】
第３実施例
図３４は、軸方向にタンデム配列された３つの単相TFPMを示す軸方向概略断面図である。ステータ１は、図３に示されるステータ１と本質的に同じである。しかし、図３４に示されるTFPMは、鉄板でできたロータコア４U-４Wをもたない。図３４に示されるロータ４は、ロータ４の非磁性ロータ部６０５の外周面に固定された永久磁石円筒６００により構成されている。図３５に示されるように、永久磁石円筒６００の外周面は、周方向に交互配置されたN極領域６N及びS極領域６Sを有している。図３６は、ステータコア４U-４Wのステータティース２１L、２１Rを示す。ロータ４は、３つの単相巻線３Uー３Wに３相電流を供給することにより回転する。上記３相TFPMは既に公知である。
【００６０】
図３７、図３８は、永久磁石の磁化工程を示す。最初に、図３７に示されるように奇数行番号のN極領域N１及び偶数行番号S２が磁化される。次に、図３８に示されるように奇数行番号のN極領域N２及び偶数行番号S１が磁化される。これにより、永久磁石円筒６００は、周方向PHへ磁化されない。言い換えると、すべての極領域N１、N２、S１、S２が同時に磁化される時、S極領域S２からN極領域N１への周方向磁束通路と、S極領域S１からN極領域N２への周方向磁束通路とが、形成される。ステータティース２１Lが、隣接のN極領域N１とS極領域S２の両方に面する時、上記周方向磁束通路は、U相ステータコア２U及びU相ロータコア４U内に鞍形磁束通路を形成する。この鞍形磁束通路はU相巻線３Uと鎖交しない。それは、モータトルクの大幅な低下を引き起こす。隣接する２つの極領域が順番に磁化される時、鞍形磁束通路の形成が抑制される。
【００６１】
第１変形態様
図３９-図４３は、TFPMをもつ他のTFMAを示す。図３９は、ロータ軸方向にタンデム配列された３つの単相TFPMを示すロータ軸方向横断面図である。図３９に示されるステータコア２U、２V、２Wは、本質的に図３に示されるステータコア２U、２V、２Wと同じである。けれども、図３９に示されるステータコア２U、２V、２Wはさらに、リング部２７及び下斜め部２５０L、２５０Rを有している。更に、図３９に示されるステータコア２U、２V、２Wは、リング状のヨーク部２４の代わりに、セグメント化されたヨーク部２４L、２４Rを有している。
【００６２】
図３９において、三つのステータコア２U、２V、２Wは、左コア２L、２つの中央コア２C１、２C２及び右コア２Rで作られている。環状のコア２L、２C１、２C２及び２Rは、ロータ軸方向AXへ順番に配列されている。コア２L、２C１、２C２及び２Rは、ロータ軸方向に積層された鉄板で別々に作られている。環状のロータコア４U、４V及び４Wは、ロータ軸方向に積層された鉄板で別々に作られている。ロータコア４U、４V及び４Wは、在来の円筒形状を有している。３つの永久磁石リング１０はそれぞれ、ロータコア４U、４V及び４Wの各外周面に固定されている。ロータコア４U、４V及び４Wのスロットに所定数の永久磁石を挿入することも可能である。図３９に示されるステータコアは、TFPMを除く他のTFMにより採用されることもできる。図３９は、３つの永久磁石リング１０を示す周方向展開図である。各永久磁石リング１０は、周方向交互に配列されたN極領域とS極領域を有している。
【００６３】
図４１は、図３９に示されるステータ２U、２V及び２Wの組み立て工程を示す。１つの左コア２L、２つの中央コア２C及び１つの右コア２Rが用いられる。けれども、２つの中央コアの１つは、紙シートの制約のため、図示されていない。左コア２１Lは、左ヨーク部２４L、上左斜め部２５L、環状の左リング部２７、下左斜め部２５０L及び左ティース部２１Lからなる。上左斜め部２５Lは、リング部２７から径方向外側へ突出している。各ヨーク部２４Lは、各上左斜め部２５Lから径方向外側へ突出している。下左斜め部２５０Lは、リング部２７から斜めかつ径方向内側へ突出している。各左ティース部２１Lは、各下左斜め部２５０Lからから突出している。各部２１L、２５０L、２５L及び２４Lはそれぞれ、周方向PHへ配列されている。
【００６４】
右コア２Rは、右ヨーク部２４R、上右斜め部２５R、環状の右リング部２７、下右斜め部２５０R及び右ティース部２１Rからなる。各上右斜め部２５Rは、リング部２７から斜めにかつ径方向外側へ突出している。各右ヨーク部２４Rは、各上右斜め部２５Rから径方向外側へ突出している。下右斜め部２５０Rは、リング部２７から斜めに突出している。各右ティース部２１Rは、各下右斜め部２５０Rから径方向内側へ突出している。各部２１R、２５０R、２５R及び２４Rはそれぞれ、周方向PHに配列されている。
【００６５】
中央コア２C１、２C２はそれぞれ、左ヨーク部２４L、右ヨーク部２４R、上左斜め部２５L、上右斜め部２５R、環状のリング部２７、下左斜め部２５０L、下右斜め部２５０R、左ティース２１L及び右ティース２１Rからなる。周方向PHに交互に配列された各斜め部２５R、２５Lは、リング部２７から斜めに突出している。各ヨーク部２４Rは、各部２５Rから径方向外側へ突出している。各ヨーク部２４Lは、各斜め部２５Lから径方向外側へ突出している。周方向PHへ交互に配列された斜め部２５０R、２５０Lは、リング部２７から斜めに突出している。各右ティース２１Rは、各部２５０Rから径方向内側へ突出している。各左ティース２１Lは、各部２５０Lから径方向内側へ突出している。各部２１L、２１R、２４L、２４R、２５L、２５R、２５０L及び２５０Rは各々、周方向PHに配列されている。
【００６６】
図４２は、左ティース部２１L及び右ティース部２１Rの周方向展開図である。図４３は、左ヨーク部２４L及び右ヨーク部２４Rの周方向展開図である。各相の左ヨーク部２４L及び右ヨーク部２４Rは、周方向へ交互にに配置されている。各相の隣接したヨーク部２４L、２４Rは、周方向PHに交互に接触している。
【００６７】
第２変形態様
図４４-図５０は、TFPMをもつ他のTFMAを示す。図４４は、ロータ軸方向にタンデム配列された３つのTFPMのロータ軸方向横断面図である。図４４に示されるステータコア２U、２V、２Wは、図３９に示されるステータコア２U、２V、２Wと基本的に同じである。ステータコア２U、２V、２Wは、左ステータコア２L、中央コア２C１、２C２、右コア２Rからなる。しかし、図４４に示されるステータコア２U、２V、２Wは、図３９に示される下斜め部２５０L、２５０Rとティース２１L、２１Rをもたない。図４４に示されるステータコア２L、２C１、２C２、２Rは、ティース２１１-２１４を個別に有している。ステータコア２Lは、リング部２７から突出しているティース２１１をもつ。左側ステータコア２C１は、リング部２７から突出しているティース２１２をもつ。右側ステータコア２C２は、リング部２７から突出しているティース２１３をもつ。ステータコア２Rは、リング部２７から突出しているティース２１４をもつ。
【００６８】
図４５は、互いに分離されたステータコア２L、２C１、２C２及び２Rを示す。ステータコア２Lのティース状ヨーク部２４Lと左中央ステータコア２C１のティース状ヨーク部２４Rは、周方向PHにおいて交互に配列されている。左中央ステータコア２C１のティース状ヨーク部２４Lと右中央ステータコア２C２のティース状ヨーク部２４Rは、周方向PHにおいて交互に配列されている。右中央ステータ２C２のティース状ヨーク部分２４Lと右ステータコア２Rのティース状ヨーク部２４Rは、周方向PHにおいて交互に配列されている。
【００６９】
図４４に示されるロータ４は、非磁性ロータ部６０５に固定されたシリンダ状永久磁石６００を有する。図４４に示されるロータ４は、図３４に示されるロータ４又は在来の横磁束永久磁石機（TFPM）のロータと本質的に同じである。
【００７０】
図４６は、図４４に示されるTFPMの磁束を示すための模式図である。実線は、永久磁石６００の磁束を示す。点線は、３相巻線３U、 ３V、３Wを流れる３相電流Iu、Iv、Iwにより励磁された磁束を示す。図５０に示されるように、永久磁石６００は、N極領域とS極領域とからなる列６０１-６０４を有している。図４６に示されるように、列６０１は、磁束Fuをティース２１１に供給する。列６０２は、磁束Fwをティース２１２を供給する。列６０３は、磁束Fv、Fuをティース２１３に供給する。列６０４は、磁束Fu、Fvをティース２１３に供給する。磁束Fu、Fv、Fwの各２つの間の各位相差は、電気角１２０度である。言い換えると、ティース２１１-２１４に浸透している永久磁石磁束Fu、Fv、Fwは、ロータ４を回転させることにより空間変調される。
【００７１】
ロータが回転する時、U相巻線３Uと鎖交するU相磁石磁束Fuは、ほぼ正弦波形を有する。同様に、V相巻線３Vと鎖交するV相磁石磁束Fvは、ほぼ正弦波形を有する。同様に、W相巻線３Wと鎖交するW相磁石磁束Fwは、ほぼ正弦波形を有する。このように、このTFPMは、３相正弦波形の３相モータトルク又は３相正弦波形の３相発電電圧を発生する。
【００７２】
図４７は、左コア２Lの部分側面図である。左コア２Lは、左ティース２１L、リング部２７、左斜め部２５L及び左ヨーク部２４Lを有している。各左斜め部２５Lは、リング部２７と各左ヨーク部２４Lとを繋いでいる。左ティース２１Lは、リング部２７から径方向内側へ突出している。同様に、右コア２Rは、右ティース２１R、リング部２７、右斜め部２５R及び右ヨーク部２４Rを有している。各右斜め部２５Rは、リング部２７と各右ヨーク部２４Rを繋いでいる。右ティース２１Rは、リング部２７から径方向内側に突出している。
【００７３】
図４８は、左コア２L及び中央コア２C１からなるUステータコア２Uの部分側面図である。左ヨーク部２４L及び右ヨーク部２４Rは、周方向へ交互に配列され、かつ、互いに接触している。ヨーク部２４L、２４Rは、図３に示される環状のヨーク部２４を構成している。ステータティース２１L、２１Rはリング部２７から突出しているので、ステータティース２１L、２１Rの振動が減少する。ステータコア２V、２Wは、ステータコア２Uと同じ構造をもつ。
【００７４】
図４９は、ティース２１１-２１４の配列を示す模式展開図である。ステータティース２１１-２１４は、図４２に示されるステータティース２１L、２１Rの配列と異なっている。たとえコア２L、２C１、２C２、２Rがロータ軸方向AXにおいてオーバーラップされていても、ティース２１１-２１４の周方向位置は自由であることが重要である。
【００７５】
図５０は、永久磁石円筒６００の極領域N１-N５及びS１-S５の配列を示す模式周方向展開図である。図５０は、N極領域N１-N５及びS極領域S１-S５を含む５つの行６０７-６１１を有している。N極領域N１-N５及びS極領域S１-S５は、周方向PHにおいて交互に配列されている。磁化された中間領域６０５が、永久磁石円筒６００内に磁路を形成するべく、列６０１-６０４の隣接する２つの間に配置されている。この中間領域６０５は、ロータ軸方向AXに磁化されている。しかし、永久磁石円筒６００は、周方向PHへ磁化されていない。周方向PHに延在する磁路をキャンセルするために、偶数行６０８、６１０は、奇数行６０７、６０９、６１１が磁化された後で、磁化（着磁）される。
【００７６】
第４実施例
第４実施例が図５１-図７８を参照して説明される。図５１-図７８は、ロータ軸方向にタンデム配列された４相横磁束スイッチドリラクタンス機械（TFSRM）を開示する。図５１は、このTFSRMを示すロータ軸方向横断面図である。図５２は、X相ステータ１X、Y相ステータ１Y、Z相ステータ１Z、T相ステータ１Tを有するステータのステータティース２１L、２１Rを示す周方向展開図である。図５３は、ロータティース４１L、４１Rの配列を示す周方向展開図である。このステータは、ロータ軸方向タンデム配列されたX相ステータコア２X、Y相ステータコア２Y、Z相ステータコア２Z、T相ステータ２Tを有している。４つのステータコア２X、２Y、２Z、２Tのそれぞれが、図１４に示されるステータコア２Uと同じコア構造を有している。それぞれリング形状をもつX相巻線３X、Y相巻線３Y、Z相相巻線３Z、T相巻線３Tは、４つの環状スロットに個別に収容されている。ステータコア２X-２Tとティースホルダ１a-１eは、ステータハウジング１００に収容されている。
【００７７】
ロータ４は、X相ロータコア４X、Y相ロータコア４Y、Z相ロータコア４Z、T相ロータ４Tを有している。４つのロータコア４X、４Y、４Z、４Tは、図１４に示されるU相ロータコア４Uと同じ構造をもつ。隣接した２つのステータコアの間の各電気角は９０度である。
【００７８】
この第４実施例の第１変形態様が、図５４-図５６を参照して説明される。図５４は、ロータ軸方向タンデム構造をもつ４相永久磁石スイッチドリラクタンスハイブリッド機械（TFPMSRMと呼ばれる）を示すロータ軸方向横断面図である。図５４-図５６に示されるTFPMSRMは、永久磁石層６を除いて図５１-図５３に示される４相TFSRMと本質的に同じである。永久磁石層６は、ティース４１L、４１Rの先端面を除いて、ロータコア４X-４Tの外周面を被覆するフエライト磁石で作られている。図５５は、S極領域６S及びN極領域６Nの配列をす周方向展開図である。図５４は、図５６に示されるステータティース２１L、２１Rの配列を示す周方向展開図である。N極領域６Nは、X相ロータコア４Xの左ロータティース４１L、Yロータコア４Yの右ロータティース４１R、Z相ロータコア４Zの左ロータティース４１L、Tロータコア４Tの右ロータティース４１Rに隣接する位置に配置されている。同様に、S極領域SNは、X相ロータコア４Xの右ロータティース４１R、Yロータコア４Yの左ロータティース４１L、Z相ロータコア４Zの右ロータティース４１R、T相ロータコア４Tの左ロータティース４１Rに隣接する位置に配置されている。
【００７９】
この４相TFPMSRMは、スイッチドリラクタンストルクと永久磁石トルクとを同時に発生する。図５７は、一方向へ移動するロータコア４Xの４つの位置P１-P４を示すモータ動作図である。初期位置P１にて、左ロータティース４１Lは、各２つの左ステータティース２１Lの間に位置する。各N極領域６Nは、左ステータティース２１Lに対面している。それから、X相電流IXがX相巻線３Xに供給される。ティース２１LがN極になるため、第２位置P２にて、ティース２１Lはティース４１Lを引っ張る。左ロータティース４１Lは右方向へ移動し、第３位置P３にて次のステータティース２１Lに対面する。それから、X相電流が止められる。他のロータコアがロータコア４Xを第３位置P３を経由して第４位置P４に動かす。モータ動作において巻線３Xのインダクタンスが増加する位置P１から位置P３までの期間の間中、このTFPMSRMは、ロータティースの吸引トルク（スイッチドリラクタンスモータ・トルク）と、N極領域６Nの反発しトルク（永久磁石トルク）とを発生するので、このTFPMSRMのトルクは増加される。
【００８０】
X相巻線３Xに流れる相電流IXが直流電流であることが重要である。結局、トルクが電流供給期間の延長無くして増加されるので、この直流駆動のTFPMSRMは、小さい銅損及び小さい鉄損をもつ。さらに、永久磁石層６がロータティース４１L、４１Rの間の大きなスペースに配置されるため、このTFPMSRMは寸法の増大を必要としない。
【００８１】
図５８は、AC駆動のTFPMSRMのモータ動作を示す参考図である。図５８は、一方向へ移動するロータコア４Xの４つの位置P１-P４を示すモータ動作図である。図５８に示される位置P１から位置P３までのトルクパターンは、図５７に示されるトルクパターンと同じである。しかし、図５８に示される位置P４におけるトルクは、図５７の位置P４におけるトルクと異なっている。位置P４において、X相ステータコア２Xの左ティース２１Lは、S極となる。なぜならX相巻線３Xの交流相電流１Xは、反対方向に流れるからである。これにより、左ステータティース２１Lは、N極領域６N及び左ロータティース４１Lを吸引する。左ロータティース４１Lの吸引トルクは、ブレーキトルクとなる。結局、全トルクはほとんど増加せず、電流供給期間の延長により銅損及び鉄損が増加する。更に、この交流駆動法は、直流駆動の非対称パワーコンバータに比べてより多くのスイッチング素子を要するインバータを必要とする。
【００８２】
図５９は、図５１に示されるTFSRM及び図５４に示されるTFPMSRMを駆動するための４相非対称パワーコンバータ８を示す回路図である。パワーコンバータ８は、レグ８０１-８０４を備えている。直列接続された上トランジスタT１及び下ダイオードD１からなるX相レグ８０１は、インダクタンスLxをもつX相ステータ巻線３Xに、X相電流IXを供給する。直列接続された上トランジスタT２及び下ダイオードD２からなるY相レグ８０２は、インダクタンスLｙをもつY相ステータ巻線３Yに、Y相電流IYを供給する。直列接続された下トランジスタT３及び上ダイオードD３からなるZ相レグ８０３は、インダクタンスLｚをもつZ相ステータ巻線３Zに、Z相電流IZを供給する。直列接続された下トランジスタT４及び上ダイオードD４からなるT相レグ８０４は、インダクタンスLｔをもつT相ステータ巻線３Tに、T相電流ITを供給する。
【００８３】
パワーコンバータ８はさらに、接続切換スイッチT６、上スイッチT７、下スイッチT８をもつ。したがって、パワーコンバータ８は、７つのトランジスタと４つのフリーホィーリングダイオードだけを有している。
【００８４】
上スイッチT１、T２と、上ダイオードD３、D４とは、高電位DC線１０００に接続されている。下ダイオードD１、D２と下スイッチT３、T４は、低電位DC線２０００に接続されている。X相巻線３Xの下端及びY相巻線３Yの下端は、Z相巻線３Z及びT相巻線３Tの上端に、接続切換スイッチT６を通じて接続されている。Z相巻線３Z及びT相巻線３Tの上端は、上スイッチT７を通じて上のDCリンク線１０００に接続されている。X相巻線３XとY相巻線３Yとの下端は、下スイッチT８を通じて下のDCリンク線２０００に接続されている。
【００８５】
４つの相電流IX、IY、IZ、ITは、トランジスタT１-T６のスイッチングにより制御される。パワーコンバータ８を制御するコントローラ３００は、直列接続モードと並列接続モードとを有している。図５８は、モータ動作における相電流IX、IY、IZ、ITと、相巻線３X、３Y、３Z、３TのインダクタンスLx、Lｙ、Lz、Ltの波形を示すタイミングチャートである。低速時のモータ動作と発電機動作において、コントローラ３００は、スイッチT６がオンされ、スイッチT７とT８がオフされる直列接続モードに指令する。高速時のモータ運転において、コントローラ３００は、スイッチT６がオフされ、スイッチT７、T８がオンされる並列接続モードを指令する。図５８に示されるように、相電流IX、IY、IZ、ITは、モータ動作においてほぼ台形の波形をもつ。１つの相の電流増加期間と、もう一つの相の電流減少期間が、電気角約６０度だけオーバーラップされる。電流増加期間の１つの相電流と電流減少期間のもう１つの相電流との合計は、ほぼ一定である。
【００８６】
モータ動作の直列接続モードが、パワーコンバータ８の回路図を示す図６１-図６４を参照して説明される。直列接続モードにおいて、接続切換スイッチT６がオンされ。スイッチT７、T８がオフされる。図６１は、電気角０度（=３６０度）の電流IX、IY、ITを示す。通常において、スイッチT４は、相巻線３Tに定電流を供給するためにPWMスイッチングされる。図６２は、電気角９０度の電流IX、IZ、ITを示す。通常では、スイッチT１は、定電流供給のためにPWMスイッチングされる。図６３は、電気角１８０度の電流IX、IY、IZを示す。通常では、スイッチT３は、定電流供給のためにPWMスイッチングされる。図６４は、電気角２７０度の電流IY、IZ、ITを示す。通常では、スイッチT２は、定電流供給のためにPWMスイッチングされる。結局、直列接続モータモードにおいて、X相電流IXとY相電流IYとの合計は、Z相電流IZとT相電流ITのどちらかとなる。同様に、直列接続モータモードにおいて、Z相電流IZとT相電流ITの合計は、X相電流IXとY相電流IYのどちらかとなる。直列接続モードにおいて、ダイオードを通じてのDC電源へリカバリ電流を回帰させる場合には、上スイッチと下スイッチのオンしているペアは、同時にオフされることができる。
【００８７】
モータ動作の並列接続モードが、パワーコンバータ８の回路図を示す図６５-図６８を参照して説明される。並列接続モードでは、接続切換スイッチT６はオフされ、スイッチT７とT８はオンされる。したがって、X相電流IX及びY相電流IYは、Z相電流IZ及びT相電流ITから独立している。図６５は、電気角３６０度の電流IX、IY、ITを示す。図６６は、電気角９０度の電流IX、IZ、ITを示す。図６７は、電気角１８０度の電流IX、IY、IZを示す。図６８は、電気角２７０度の電流IY、IZ、ITを示す。通常では、スイッチT１-T４は各々、定電流期間においてPWMスイッチングされる。フリーホィーリング電流は、パワーコンバータ８及び相巻線を循環する。結局、パワーコンバータ８は直列接続と並列接続とを切り換えることができる。直流リンク電圧が各巻線に完全に印加されるので、モータトルクは、並列接続の採用により、高速領域において増加される。
【００８８】
図５１に示される４相TFSRM及び図５４に示される４相TFPSRMの発電機動作が、図６９-図７７を参照して説明される。図６９は、発電機動作における電流IX-IT及びインダクタンスLX-LTを示すタイミングチャートである。発電機動作において、発電電流をDC電源（図示せず）に供給するために、接続切換スイッチT６はオンされる。スイッチT７とT８はオフされる。したがって、ダイオードD１-D４は、リカバリダイオードとして動作する。図７０-７７は、電流IX-ITを示す回路図である。図７０は、電気角３６０度の電流IX、IY、IZを示す。図７１は、電気角４５度の電流IY、IZを示す。図７２は、電気角９０度の電流IY、IZ、ITを示す。図７３は、電気角１３５度の電流IY、ITを示す。図７４は、電気角１８０度の電流IX、IY、ITを示す。図７５は、電気角２２５度の電流IX、ITを示す。図７６は、電気角２７０度の電流IX、IZ、ITを示す。図７７は、電気角３１５度の電流IX、IZを示す。
【００８９】
図７８は、この４相TFSRMを駆動するためのパワーコンバータ８Aを示す回路図である。パワーコンバータ８Aは、トランジスタT６-T８をもたない。したがって、パワーコンバータ８Aは並列接続モードで運転されない。しかし、パワーコンバータ８Aは直列接続モードを運転することができる。
【００９０】
第５実施例
周方向タンデム構造をもつCTFMを示す第５実施例が図７９-図８８を参照して説明される。図７９は、周方向タンデム構造をもつ３相TFIMのロータ軸方向横断面図である。図８０は、図７９に示される３相TFIMの模式側面図である。３つのステータコア２U、２V、２Wの２セットが周方向へ順番に配列されている。６のステータコアはそれぞれ６０度の円弧形状を有している。
【００９１】
図７９において、ステータ１は、ロータ軸方向に配列されたステータコア２A、２Bをもつ。U相巻線３Uの２つの円弧部は個別に、ステータコア２A、２Bの円弧状スロットに収容されている。椀状の前ハウジング１０１及び椀状の後ハウジング１０２を備えるステータハウジング１００は、ロータ軸方向に順番に配列されたティースホルダ１a、ステータコア２A、ティースホルダ１b、ステータコア２B、ティースホルダ１dを収容している。ロータ４は、ロータ軸方向にタンデム配列された環状のロータコア４A、４Bをもつ。籠形二次巻線を構成する銅シリンダ２００Aは、ロータ軸２０１に固定されたロータハウジング２００に固定されている。
【００９２】
図８０に示されるように、２セットの円弧状ステータコア２U、２V、２Wは、周方向に配列されている。しかし、２セットのステータコア２U、２V、２Wは、環形の共通ヨーク部２４を有している。言い換えれば、ステータコア２Aのステータティース２１L、２１R及び斜め部２５L、２５Rは、２セットのステータコア２U、２V、２Wに属している。同様に、ステータコア２Bのステータティース２１L、２１R及び斜め部２５L、２５Rは、２セットのステータコア２U、２V、２Wに属している。円弧形の６つの相巻線３U、３V、３Wのそれぞれは、ほぼ６０度をもつ。U相巻線３Uは、隣接した２つのステータコア部２Uに巻かれている。V相巻線３Vは、隣接した２つのステータコア部２Vに巻かれている。W相巻線３Wは、隣接した２つのステータコア部２Uに巻かれている。
【００９３】
図８１は、分離されたステータコア２A、２B及びティースホルダ１a、１b、１c、dの軸方向断面図である。図８２は、ステータ２Aの部分側面図である。ティースホルダ１a-１dは、非磁性材料たとえばアルミニウムで作られている。ティースホルダ１a-１dはそれぞれ径方向内側に突出する突出部１０Tと、リング部１０aとを有する。１つのティースホルダの突出部１０Tの数は、ステータコア２Aの左ティース２１Lと右ティース２１Rのどちらかの数に等しい。リング部１０aの内側斜面１０dは、斜め部２５L、２５Rの外側斜面２５aと接触する。
【００９４】
ステータティース２１L、２１Rの周方向側の各側面は、ロータ軸方向AXに延在する凹部２９を有している。突出部１０Tの周方向側の各側面は、ロータ軸方向AXに延在する凸部１９を有している。各凸部１９は、周方向へ突出する。各凸部２９は、各凹部２９と接触している。言い換えれば、凸部２９及び凹部２９は、互いにジョイントしている。ティースホルダ１a-１dのリング部１０ａから突出するステータティース２１L、２１Rを支持するので、ステータティース２１L、２１Rの振動が制止される。
【００９５】
図８３は、周方向PHにおいて互いに隣接するU相巻線３U及びV相巻線３Vの端部近傍でのステータコア２A及びロータコア４Aの側面を示す部分展開図である。ステータコア２A、２Bの各々は、ステータティース２１L、２１Rの省略により、エンドスロット２０００Aをもつ。３U相巻線３Uのコイルエンド部３００Uと、V相巻線３Vのコイルエンド部３００Vとは、図８３に示されるようにエンドスロット２０００Aに収容されている。
【００９６】
図８４は、U相巻線３Uをもつステータコア２Aを示すロータ軸方向横断面図である。円弧状の巻線３U、３Vのそれぞれは、絶縁層で被覆された銅テープで作られている。径方向RAにおいて所定幅をもつ巻かれた銅テープは、ステータコア２Aの環状スロットに収容されている。銅テープ３１０の両端部３１１、３１２は各々、曲げられた後、径方向外側へ延在している。軸方向に積層された銅テープ３１０は、高い占積率、優れた放熱能力、低い表皮効果を実現する。結局、ステータ巻線３Uは、従来の丸形導体線との比較において、高い電流密度と低い銅損とをもつ。それは、コンパクトな機械の実現を意味する。
【００９７】
図８５は、２つの相巻線３U、３Vをもつステータコア２A、２Bの周方向展開図である。図８４は、２つの相巻線３U、３Vの変形周方向展開図である。U相巻線３Uのコイルエンド３００は、内側部３Ua、中央部３Ub、外側部３Ucを有する。V相巻線３Vのコイルエンド３００は、内側部３Va、中央部３Vb、外側部３Vcを有する。図８６で示すように、コイルエンド３００の３つの部分は、隣接の２つのティース２１L、２１Rの間の異なるスペースに巻かれている。したがって、エンドスロット２０００Aは、短縮される。
【００９８】
ステータコアの他の変形が図８７に示される。図８７は、周方向タンデム構造をもつ二重３相TFIMの模式側面図である。ステータコア２A、２Bは、周方向へ順番に配列された６つのステータコア２U１、２V１、２W１、２U２、２V２、２W２を有している。６つの相巻線３U１-３W２は、６つのステータコア２U１、２V１、２W１、２U２、２V２、２W２に別々に巻かれている。これにより、この二重３相TFIMは、図１６に示される９スイッチインバータ９により駆動されることができる。図８８は、スキューされたロータティース４１L、４１Rの周方向展開図である。
【００９９】
追加説明
本発明の他の様相が説明される。公知のTFMは、ステータコアのリング状のスロットに巻かれた単相巻線をもつ。ステータコアは、左ティース、右ティース及びヨーク部をもつ。このヨーク部は、左ティースと右ティースとを磁気的に接続する。単相巻線は、左ティースと右ティースとの間のスペースを移動コアの移動方向（長手方向）へ延在する。本発明のCTFMと従来のTFMとの違いは、斜めに延在する斜め部（２５L、２５R）にある。下記に説明される特徴は、在来のTFMにより採用されることができる。
【０１００】
図１０は、横磁束誘導機械（TFIM)の始動トルクを発生するためにリラクタンスモードを採用することを示す。図１１-図１３はそれぞれTFIMからなる２つの発電電動機を示す。所定の運転条件において、この２つのTFIMは、リレーのスパークを低減するために２つのTFIMに共通の３相電圧を印加した後、リレーにより直結される。この共通の３相電圧の周波数は、２つのTFIMの同期周波数の間の範囲内に制御される。
【０１０１】
図１６は、タンデム配列された６つのTFIMまたは６つのTFSynRMのステータ巻線の等価巻数を切換可能な９スイッチ３相インバータを示す。図２０-図３３は、３つの二次巻線と整流器と３つの界磁巻線とを含むロータ回路をもつ３つのTFWRMを示す。これら二次巻線及び界磁巻線は、ロータコアのリング状のスロットに収容される。好適には、星形接続された３つの二次巻線は、直列接続された３つの界磁巻線に３相全波ダイオード整流器を通じて界磁電流を給電する。さらに、ステータコアに巻かれた一次界磁巻線が開示される。この一次界磁巻線は、オルタネータや風力発電機のような横磁束発電機に好適である。
【０１０２】
図３７-図３８は、周方向磁路を低減するための順次磁化工程を示す。図５４-図５７は、電力損失の増加無しにスイッチドリラクタンストルクと磁石トルクとの両方を同時発生可能な４相TFPMSRMを示す。図５９-７８は、このTFSRM及びTFPMSRMを駆動するめの４相パワーコンバータを示す。この４相パワーコンバータは、巻線の直並列切換が可能である。
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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【図６３】
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【図６４】
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【図６５】
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【図６６】
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【図６７】
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【図６８】
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【図６９】
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【図７０】
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【図７１】
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【図７２】
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【図７３】
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【図７４】
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【図７５】
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【図７６】
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【図７７】
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【図７８】
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【図７９】
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【図８０】
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【図８１】
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【図８２】
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【図８３】
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【図８４】
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【図８５】
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【図８６】
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【図８７】
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【図８８】
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