(57)【要約】      （修正有）【課題】固定子のＭＭＦ高調波が存在すると、力が不均衡になってトルクリップルが生じる。トルクリップルによる機械の損失を低減すること。【解決手段】永久磁石機１０は、固定子コア１８と、複数の固定子歯２０と、この固定子コアに結合された複数の固定子巻線２４とから成る固定子１２を含む。固定子は、固定子巻線が電流で励磁されると固定子の回転磁場が発生するように構成される。固定子の回転磁場は、同期分調波成分と超調波成分の両方を含む。永久磁石機は更に、固定子内に配置された回転子１４も含む。回転子は、回転子コア２６と、この回転子コアに結合された複数の回転子磁石３２から成る。更に、この回転子磁石は、固定子巻線が電流で励磁されると、分調波及び超調波回転磁場が回転子磁場内に発生するような、所定の配向プロファイルを有するように構成される。【選択図】図１
2013051868.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子コアと、複数の固定子歯と、前記固定子コアに結合された複数の固定子巻線とから成る固定子と、
回転子コアと、該回転子コアに結合された複数の回転子磁石とから成る、前記固定子内に配置された回転子と、
を備えた装置であって、
同期調波成分と分調波成分とを含む電流が前記複数の固定子巻線に供給されると、前記固定子が固定子分調波及び超調波回転磁場を発生させ、前記回転子の回転が回転子分調波及び超調波回転磁場を発生させるような所定の配向プロファイルを、前記複数の回転子磁石が有し、且つ、前記固定子の分調波及び超調波回転磁場と前記回転子の分調波及び超調波回転磁場とが相互作用して、前記回転子に補助トルクを誘導する、装置。
【請求項２】
前記電流が前記複数の固定子巻線に供給されると、前記固定子が固定子同期回転磁場を発生し、前記回転子が回転子同期回転磁場を発生し、前記固定子同期回転磁場と前記回転子同期回転磁場とが相互作用して、前記回転子に同期トルクを生成し、前記同期トルクに加えて前記回転子に補助トルクが生成される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
分数スロット集中永久磁石機から構成され、前記複数の固定子巻線が複数の固定子コイルから構成され、該固定子コイルの各々が、前記複数の固定子歯のうち対応する固定子歯に巻回される、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記所定の配向が、前記回転子コアの外周の１つの半部に沿って配置された１つの極性の１セットの回転子磁石と、前記回転子コアの外周の別の半部に沿って配置された逆の極性の別のセットの回転子磁石とを含み、該複数の回転子磁石が互いに１７〜１９°の範囲の角度で離間している、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記外周の前記１つの半部が前記回転子コアの外周に沿って０°〜１８０°の角度で延在し、前記外周の前記別の半部が前記回転子コアの外周に沿って１８０°〜３６０°の角度で延在する、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記回転子コアが複数の回転子積層体を含み、前記複数の回転子磁石が該複数の回転子積層体内に埋設される、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記回転子コアの外周に沿って配置され、前記回転子コアの外周に沿って概ね連続する正の正弦波プロファイルを形成する前記複数の回転子磁石によって、前記所定の配向が構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記複数の回転子磁石が１つのセットのＳ極の磁石と別のセットのＮ極の磁石とから成り、該１つのセットのＳ極の磁石が、前記回転子コアの周囲に沿って該別のセットのＮ極の磁石と交互に配置される、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
ｔが前記回転子磁石の厚さであり、ａ１及びｂ１が定数であり、θが０°〜１８０°の範囲にわたる前記回転子コアの周囲を横切る機械的後退角であるとき、前記回転子コアの周囲の１つの半部に沿って配置された各磁石の厚さが、関係式ｔ＝（ａ１＋ｂ１×ｓｉｎθ）によって概ね定められる、請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
θが１８０°〜３６０°の範囲にわたるとき、前記回転子コアの周囲の別の半部に沿って配置された各磁石の厚さが、関係式ｔ＝（ａ１−ｂ１×ｓｉｎθ）によって概ね定められる、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記回転子コアが複数の回転子積層体を含み、該複数の回転子積層体内に概ね連続する正の正弦波プロファイルが形成されるように該回転子積層体内に配置された複数の回転子磁石によって、前記所定の配向が構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
固定子コアと、複数の固定子歯と、該固定子コアに結合された複数の固定子巻線とから成る固定子と、
回転子コアと、該回転子コアの周囲に沿って配置された複数の回転子磁石とから成る、前記固定子内に配置された回転子と、
を備えた装置であって、
該複数の回転子磁石が、該回転子コアの周囲の１つの半部に沿って配置された１つの極性の１セットの回転子磁石と、該回転子コアの周囲の別の半部に沿って配置された逆の極性の別のセットの回転子磁石とを含み、該複数の回転子磁石が互いに１７〜１９°の範囲の角度で離間している、装置。
【請求項１３】
前記周囲が、前記回転子コアの外周である、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記外周の前記１つの半部が、前記回転子コアの外周に沿って０°〜１８０°の角度で延在し、前記外周の前記別の半部が、前記回転子コアの外周に沿って１８０°〜３６０°の角度で延在する、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
固定子コアと、複数の固定子歯と、該固定子コアに結合された複数の固定子巻線とから成る固定子と、
回転子コアと、該回転子コアの周囲に沿って配置された複数の回転子磁石とから成る、前記固定子内に配置された回転子と、
を備えた装置であって、
前記回転子コアの周囲に沿って概ね連続する正の正弦波プロファイルが形成されるように、前記複数の回転子磁石が前記回転子コアの周囲に沿って配置される、装置。
【請求項１６】
前記周囲が、前記回転子コアの外周である、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記複数の回転子磁石が、１セットのＳ極の磁石と別のセットのＮ極の磁石とから成り、前記１セットのＳ極の磁石と前記別のセットのＮ極の磁石とが、前記回転子コアの外周に沿って交互に配置される、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
ｔが前記回転子磁石の厚さであり、ａ１及びｂ１が定数であり、θが０°〜１８０°の範囲にわたる前記回転子コアの周囲を横切る機械的後退角であるとき、前記回転子コアの外周に沿って配置された各磁石の厚さが、関係式ｔ＝（ａ１＋ｂ１×ｓｉｎθ）によって概ね定められる、請求項１６に記載の装置。
【請求項１９】
θが１８０°〜３６０°の範囲にわたるとき、前記回転子コアの外周に沿って配置される各磁石の厚さが、関係式ｔ＝（ａ１−ｂ１×ｓｉｎθ）によって概ね定められる、請求項１６に記載の装置。
【請求項２０】
固定子が、固定子歯と複数の固定子巻線とから成り、回転子が、回転子コアと、該回転子コアの周囲に沿って配置された所定の配向プロファイルを有する複数の回転子磁石とから成る、固定子及び回転子を備えた装置を準備するステップ
と、
所定の位相シーケンスで電力を前記複数の固定子巻線に供給し、前記固定子を用いて固定子分調波及び超調波回転磁場と、前記回転子を用いて回転子分調波及び超調波磁場とを発生させることにより、前記固定子の分調波及び超調波回転磁場と、前記回転子の分調波及び前記超調波回転磁場とが相互作用して、回転子に補助トルクを誘導するステップと、
を含む、方法。
【請求項２１】
前記所定の位相シーケンスが、第１の位相、第２の位相、及び第３の位相を含み、前記位相の各々が、１２０°の位相角で相互に離間している、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記第１の所定の位相シーケンスで電力を供給するステップが、相互に作用して前記回転子に同期トルクを生成する、固定子同期回転磁場と回転子同期回転磁場とを発生する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記所定の位相シーケンスが、前記第１の位相と前記第２の位相と前記第３の位相との第２の位相シーケンスを含み、該第２の所定の位相シーケンスで電力を供給すると、前記固定子の分調波及び超調波回転磁場と、前記回転子の分調波及び超調波回転磁場とが発生する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１の位相シーケンスの前記第１、第２、及び第３の位相の第１の位相電流のセットと、前記第２の位相シーケンスの前記第１、第２、及び第３の位相の第２の位相電流のセットとを重畳させるステップを更に含む、請求項２３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に提示する実施形態は、概して電気機械に関し、特に、各コイルが単一の固定子歯に巻回された複数の分数スロット集中巻線を有する永久磁石機に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば分数スロット集中巻線を有する永久磁石等の電気機械は一般に、複数のスロットを設けたコアを有する固定子を含む。固定子のスロットには、複数の巻線が巻回されている。固定子内には回転子が配置され、この回転子は複数の永久磁石を含む。機械の動作は大抵、実質的に回転子にトルクを発生する、固定子巻線への電流の注入を含む。
【０００３】
このような機械の利点のひとつが、平滑なトルクが発生することである。電気機械の別の利点は、障害許容力がより高く、障害がある状態であっても機械が動作可能なことにある。固定子巻線が励磁すると、固定子の周囲に磁場が誘導される。この磁場は、高い起磁力（ＭＭＦ）の長波を生じる。機械の動作時に、高いＭＭＦ調波を伴った固定子の周囲に誘導される磁場は、回転子の周囲の磁場と相互に作用する。固定子のＭＭＦ高調波が存在すると、力が不均衡になってトルクリップルが生じるため、機械に損失が生じることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７５６４１５８号明細書
【発明の概要】
【０００５】
改良型の電気機械が必要である。
【０００６】
本発明の一実施形態により、永久磁石機を提供する。この永久磁石機は、固定子コアと、複数の固定子歯と、固定子コアに結合された複数の固定子巻線とから成る固定子を備える。この固定子は、同期調波成分及び分調波成分を含む電流で固定子巻線が励磁されると、固定子の回転磁場を発生するように構成される。固定子の回転磁場は、同期分調波成分と超調波成分の両方を含む。永久磁石機は更に、固定子内に配置された回転子も含む。回転子は、回転子コアと、回転子コアに結合された複数の回転子磁石を含む。回転子磁石は更に、固定子巻線が同期調波成分及び分調波成分を含む電流で励磁されると、分調波及び超調波回転磁場が回転子磁場内に発生するような所定の配向プロファイルを有するように構成される。固定子の分調波及び超調波回転磁場は、回転子の分調波及び超調波回転磁場と相互作用して、永久磁石機内に補助トルクを生成する。
【０００７】
本発明の別の実施形態により、永久磁石機の動作方法を提供する。本方法は、電力を所定の位相シーケンスで永久磁石機の複数の固定子巻線に供給して、固定子を用いて固定子の分調波及び超調波回転磁場を発生するステップを含む。また、所定の位相シーケンスの電流を用いて、回転子を介して回転子の分調波及び超調波回転磁場を発生する。固定子の分調波及び超調波回転磁場と、回転子の分調波及び超調波回転磁場は、相互に作用して、回転子に補助トルクを誘導する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施例による、例示的回転子磁石配置を有する永久磁石機の断面図である。
【図２】本発明の一実施例による永久磁石機内の固定子の三次元図である。
【図３】本発明の一実施例による、例示的回転子磁石配置を有する回転子の断面図である。
【図４】従来の１０極回転子磁石配置の模式図である。
【図５】本発明の一実施例による２極回転子磁石配置の模式図である。
【図６】本発明の一実施例による１０極及び２極回転子磁石配置の模式図である。
【図７】本発明の一実施例による、固定子の磁場内にある高調波の次数と、複数の固定子の巻線関数とを対比したグラフである。
【図８】本発明の一実施例による、例示的回転子磁石の模式図である。
【図９】本発明の一実施例による、例示的回転子磁石配置を有する永久磁石機の断面図である。
【図１０】図９の実施形態による例示的回転子磁石配置の模式図である。
【図１１】本発明の一実施例による例示的回転子磁石配置の模式図である。
【図１２】本発明の一実施例による、固定子巻線に沿った時間に対する三相電流の流れを表すグラフである。
【図１３】本発明の一実施例による、固定子巻線に沿った時間に対する三相電流の流れを表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
全図面を通して同一の符号で同一の部分を表す添付図面を参照して以下の詳細な説明を読めば、本発明の上記及びその他の特徴、態様、及び利点が、より明解になるであろう。
【００１０】
以下に詳細に記載するように、本発明の実施形態は、永久磁石機及びその動作方法に関する。本発明の一実施形態により、永久磁石機を提供する。この永久磁石機は固定子を備え、固定子は、固定子コアと、複数の固定子歯と、固定子コアに結合された複数の固定子巻線とから成る。固定子は、固定子巻線が多相電流で励磁されると固定子の磁場を発生するように構成される。永久磁石機は更に、固定子内の空洞に配置された回転子を含む。この回転子は、回転子コアと、回転子コアに結合された複数の回転子磁石とを含む。回転子磁石は、固定子の磁場と相互作用してトルクを生成する回転磁場を発生するように構成される。回転子磁石は、固定子巻線が多相電流で励磁されると固定子及び回転子磁場内に分調波及び超調波回転磁場が発生するような所定の配向プロファイルを有する。多相電流は、同期調波成分と超調波成分を含む。固定子の分調波及び超調波回転磁場と、回転子の分調波及び超調波回転磁場は、相互に作用して回転子内に補助トルクを生成する。補助トルクは更に、固定子の磁場の分調波及び超調波回転磁場のトルク遅延作用を打ち消すように作用する。
【００１１】
図１は、固定子１２と、固定子１２内の空洞１６内部に配置された回転子１４とを有する、永久磁石機１０の断面図である。図示の実施形態では、永久磁石機１０が、分数スロット集中永久磁石機を含む。固定子１２は更に、固定子歯２０と複数の固定子スロット２２とを有する固定子コア１８を含む。固定子コア１８は更に、固定子歯２０に巻回された複数の固定子巻線２４を含む。一実施形態では、複数の固定子巻線２４が銅線コイルから成る。
【００１２】
図示の本実施形態では、回転子１４が、回転子コア２６と、軸３０を中心に回転する回転子シャフト２８とを含む。回転子コア２６は更に、回転子コア２６の外周３４に沿って配置された複数の回転子磁石３２を含む。更なる実施形態では、回転子磁石３２が、所定の配向プロファイルを有し、回転子コア２６の外周３４に沿って配置される。回転子磁石３２の配向プロファイルについては、添付図面を参照して更に詳説する。回転子磁石３２は、固定子１２と回転子１４との間の空隙に磁場を生成するように構成される。
【００１３】
本発明の特定の実施形態では、固定子コア１８に結合された複数の固定子巻線２４に多相電流を供給することによって、永久磁石機１０が作動する。当業者に周知のように、分数スロット集中巻線機では、固定子スロット２２の数は回転子磁石３２の数と同じではない。
【００１４】
一実施形態では、複数の固定子巻線２４が多相電流によって励磁されると、固定子１２の周囲に磁場が発生する。固定子１２の周囲の磁場は、回転子１４内に同期トルクを誘導する。永久磁石機１０の定常動作時、回転子磁石３２は同期トルクによって生ずる回転磁場とロックインし、永久磁石機は同期化されると言える。
【００１５】
本発明の一実施形態によると、複数の固定子巻線２４は、同期調波成分と分調波成分の両方を含む多相電流によって励磁される。この励磁の結果、固定子１２の周囲に発生する磁場は、分調波成分と超調波成分の回転磁場を含む。これら分調波と超調波の回転磁場が固定子の磁場内に存在するため、回転子の通常の回転磁場と同期しない、或る一定の回転磁場が生成される。固定子の磁場内のこれら分調波と超調波の回転磁場は、永久磁石機１０の動作中に振動損失及び電磁損失を引き起こす。本発明の実施形態によると、回転子コア２６の周囲３４に沿って配置された所定の配向プロファイルを有する回転子磁石３２が存在することにより、固定子１２と回転子１４との間の空隙に、磁場が発生する。回転子磁石３２のこの所定の配向プロファイルにより、回転子の磁場内に分調波及び超調波回転磁場が発生する。回転子の磁場内に発生するこれらの分調波及び超調波の回転磁場は、固定子の磁場内にある分調波及び超調波の回転磁場の作用を打ち消す役割を果たす。永久磁石機１０の動作中、固定子の磁場の分調波及び超調波の回転磁場と回転子の磁場の分調波及び超調波の回転磁場とが相互に作用して、永久磁石機１０内に生成される同期トルク以外のトルクが生成される。この付加的なトルクは「補助」トルクの役割を果たし、永久磁石機１０の効率と速度を高める。付加的なトルクは更に、固定子の磁場の分調波及び超調波の回転磁場のトルク遅延作用を打ち消す役割も果たす。
【００１６】
図２は、固定子１２の三次元図を示す。前述のように、固定子１２は、固定子歯２０と複数の固定子スロット２２とを有する固定子コア１８を含む。固定子コア１８は更に、固定子歯２０に巻回された複数の固定子巻線２４を含む。図示の実施形態では、複数の固定子巻線２４が複数のコイル２３を含み、各コイル２３が、固定子歯２０のうちの対応する歯に巻回されている。
【００１７】
図３は、所定の配向プロファイルを有する複数の回転子磁石３２を有する、回転子１４の断面図である。図示の実施形態では、回転子コア２６の周囲３４が、１つの半部４０と別の半部４２から成る。回転子磁石３２は、１つの極性３６の磁石が回転子コア２６の周囲３４の１つの半部４０に沿って配置され、反対の極性３８の回転子磁石３２が、周囲３４の別の半部４２に沿って配置されるように、回転子コア２６の周囲３４に沿って配置されている。１つの半部４０は、回転子コア２６の周囲３４に沿って、例えば０°〜１８０°との間に延在している。別の半部４２は、回転子コア２６の周囲３４に沿って、例えば１８０°〜３６０°との間に延在している。一実施形態では、Ｎ極の磁石３２は、回転子コア２６の周囲３４の１つの半部４０に沿って配置され、Ｓ極の回転子磁石３２は、周囲３４の別の半部４２に沿って配置される。別の実施形態では、磁石３２を逆の極性で配置する。
【００１８】
図４は、従来の１０極回転子配置４８の模式図である。Ｎ極の複数の回転子磁石５０とＳ極の複数の回転子磁石５２とから成る１０極回転子配置４８が、回転子コアの周囲に沿って交互に構成されている。より具体的には、図示した従来配置では、Ｎ極の３つの回転子磁石５０と、Ｓ極の２つの磁石５２とが、回転子コアの両方の半部に沿って交互に配置されている。このような回転子磁石配置４８の結果、或る一定の高調波回転磁場が回転子の磁場内に発生する。この回転子磁石配置４８によって発生する高調波磁場は、複数の固定子巻線が多相電流で励磁される際に固定子磁場内に存在する分調波及び超調波回転磁場のトルク遅延作用を打ち消すことができない。この回転子磁石配置４８によって発生する高調波磁場には、固定子の磁場内に存在する分調波及び超調波回転磁場を打ち消すことができる、さしたる高調波が無い。
【００１９】
図５は、本発明の一実施例による２極回転子配置５４の模式図である。２極回転子配置５４は、回転子コアの１つの半部に沿って配置されたＮ極の１つの回転子磁石５６と、回転子コアの別の半部に沿って配置されたＳ極の別の回転子磁石５８とを含む。図３に示した前述の実施形態と同様に、回転子磁石５４及び５６は、１８°の角度だけ離間している。このような所定の回転子磁石配置５４は、回転子の磁場内に分調波及び超調波回転磁場を発生する。
【００２０】
図６は、本発明の一実施例による回転子磁石３２の所定の配置の模式図である。図示の実施形態において、回転子磁石３２の所定の配置は、１０極及び２極の回転子磁石配置を組み合わせたものである。回転子磁石３２の所定の配置は、回転子の周囲の１つの半部に沿って配置された１つの極性３６の回転子磁石と、周囲の別の半部に沿って配置された、逆の極性３８の回転子磁石とから成る。この所定の配置は更に、相互に隣接する回転子磁石３２の間に１８°の空隙を含んでいる。図示の実施形態では、Ｎ極の回転子磁石３６を、相互の間に１８°の空隙を有して配置されるものとして示している。また、Ｓ極の磁石３８を、相互の間に１８°の空隙を有して配置されるものとして示している。或る実施形態では、磁石間の空隙は１７°〜１９°の範囲にある。磁石３２のこの所定の配置により、固定子の磁場内に存在する分調波及び超調波回転磁場を打ち消すことができる分調波及び超調波回転磁場を、回転子の磁場内に発生させる。
【００２１】
図７は、永久磁石機の巻線関数の高調波スペクトル６０のグラフである。ｘ軸は固定子の磁場内に存在する高調波の次数を表し、ｙ軸は複数の固定子巻線の巻数関数を表している。図示の実施形態では、１次、３次、５次、７次、９次、及び１１次の調波６１、６５、６４、６６、６７、６９を、固定子の磁場内の支配的な調波６２として示している。図示の実施形態では、永久磁石機は、複数の固定子巻線が多相電流で励磁され、磁場が固定子の周囲に発生すると７次調波６６で動作する１０極１２スロット機である。
【００２２】
このような実施形態では、５次調波６４は同期トルク生成成分である。１次及び３次調波６１及び６５は、分調波とよばれ、７次、９次、１１次調波６６、６７、及び６９は、超調波とよばれる。このような実施形態では、１１次調波６９は、永久磁石機内に生成されるトルクへの補助作用を有し、１次、７次、及び９次調波６１、６６、６７は、永久磁石機内に生成されるトルクと相反する作用を有する。グラフから、５次分調波６４は７次基本調波６６と比較してマグニチュードが大きく、前者は同期トルク生成成分であることがわかる。従来の機械では、この５次分調波６４は、複数の固定子巻線が多相電流によって励磁されると、回転子磁場と同期しない回転磁場を発生するので、永久磁石機内に振動損失及び電磁損失を生じる。図７に示すように、固定子の磁場は、概ね正弦波パターン６２を辿る。従来の機械では、固定子コイルの分布、又は固定子スロット内の巻線の幾何学的影響により、回転子と固定子の間の空隙内の磁場の分布が変形し、回転子の磁場と同期しない分調波及び超調波回転磁場が生成される。これらの分調波及び超調波回転磁場により、永久磁石機に振動損失と電磁損失が生じる。
【００２３】
本発明の実施形態によると、固定子の磁場に関連する分調波及び超調波回転磁場のトルク遅延作用は、回転子の磁場内に分調波及び超調波回転磁場を誘導することによって除去できる。例えば、図１、３、５、及び６を参照して本明細書で説明する回転子磁石の配置は、固定子の磁場内の５次分調波６４のマグニチュードと同様の調波回転磁場を回転子の磁場内に発生する。回転磁場内のこれらの高調波回転磁場は、複数の固定子巻線２４が多相電流によって励磁されると、固定子１２の回転磁場内に存在する分調波及び超調波回転磁場のトルク遅延作用を打ち消す役割を果たす。
【００２４】
図８は、本発明の別の実施例による回転子１４の断面図である。前述の実施形態と同様に、固定子の空洞内部に回転子１４を配置する。図示の実施形態では、回転子１４が、層板積層体６８を有する回転子コア２６を含む。回転子磁石３２は、回転子コア２６内の層板積層体６８の間に配置されるか、層板積層体６８内に埋設される。
【００２５】
図９は、本発明の一実施例による永久磁石機７０の断面図である。機械７０は、固定子７２と、固定子７２内の空洞７５内部に配置された回転子７４とを含む。固定子７２は、固定子歯７８と複数の固定子スロット８０とを有する固定子コア７６を含む。固定子コア７６は更に、固定子歯７８に巻回された複数の固定子巻線８２を含む。図示の実施形態では、回転子７４が、回転子コア８４と、軸８８を中心に回転する回転子シャフト８６とを含む。回転子コア８４は更に、回転子コア８４の周囲に沿って配置された複数の回転子磁石９０を含む。回転子コア８４の周囲９２に沿って０°〜１８０°の間に延在する１つの半部を、参照番号９４で示す。回転子コア８４の周囲９２に沿って１８０°〜３６０°の間に延在する別の半部を、参照番号９６で示す。回転子磁石９０は、固定子７２と回転子７４との間の空隙内に磁場を生成するように構成される。
【００２６】
図示の実施形態では、回転子コア８４の周囲９２に沿って配置された所定の配向プロファイルを有する回転子磁石９０があるために、固定子７２と回転子７４との間の空隙に磁場が発生する。図示の実施形態では、Ｎ極９８とＳ極１００の回転子磁石９０が交互に位置するように、回転子磁石９０が回転子コア８４の周囲９２に沿って配置されている。回転子磁石９０は、複数の連続する正の正弦波プロファイル（図示せず）を概ね形成するように、回転子コアの周囲９２に沿って配置されている。回転子コア８４の周囲９２に沿った回転子磁石９０の所定の配置は、回転子の磁場内に分調波及び超調波回転磁場を発生する。回転子の磁場内に発生するこれらの分調波及び超調波の回転磁場は、固定子の磁場内に存在する同様の回転磁場の作用を打ち消す役割を果たし、その結果、付加的なトルクが発生する。この付加的なトルクは補助トルクの役割を果たし、永久磁石機７０の効率と速度を高める。
【００２７】
図１０は、図９の実施形態による回転子磁石９０の所定の配置の断面図である。図示の実施形態では、回転子磁石９０が、複数の連続する正の正弦波プロファイル１０２を概ね形成するように回転子コアの周囲９２に沿って配置されている。回転子磁石９０の成形は、ｔは回転子磁石の厚さであり、ａ１及びｂ１は定数であり、θは０°〜１８０°の範囲にわたる回転子コア８４の周囲９２の部分９４を横切る機械的後退角であるとき、回転子コア８４の周囲９２の１つの部分９４に沿って配置された各磁石の厚さが、関係式ｔ＝（ａ１＋ｂ１×ｓｉｎθ）によって概ね定められるように行われる。ａ１及びｂ１の値は定数であり、永久磁石機７０の設計パラメータに依存する。
【００２８】
更に、回転子磁石９０の成形は、ｔが回転子磁石の厚さであり、ａ１及びｂ１が定数であり、θが１８０°〜３６０°の範囲にわたる回転子コア８４の周囲９２の部分９６を横切る機械的後退角であるとき、回転子コア８４の周囲９２の別の部分９６に沿って配置された各磁石の厚さが、関係式ｔ＝（ａ１−ｂ１×ｓｉｎθ）によって概ね定められるように行われる。この場合も、ａ１及びｂ１の値が定数であり、永久磁石機７０の設計パラメータに依存する。Ｎ極の磁石９８とＳ極の磁石１００とは、回転子コア８４の周囲９２に沿って交互に配置されている。
【００２９】
図１１は、本発明の別の実施例による回転子７４の断面図である。前述の実施形態と同様に、固定子の空洞内部に回転子７４が配置されている。図示の実施形態では、回転子７４が、層板積層体１１４を有する回転子コア７６を含む。回転子磁石９０は、回転子コア７６内の層板積層体１１４の間に配置されるか、又は層板積層体内１１４に埋設される。
【００３０】
図示の実施形態では、回転子磁石９０が、複数の連続する正の正弦波プロファイル１０２を概ね形成するように、回転子コア７６の層板積層体１１４の間に配置されるか、層板積層体１１４内に埋設される。Ｎ極の回転子磁石９８とＳ極の回転子磁石１００は、回転子コア７６の層板積層体１１４の間に交互に配置されるか、層板積層体１１４内に埋設される。
【００３１】
図１２は、永久磁石機の固定子巻線内での三相電流の流れを表すグラフである。ｘ軸はミリ秒単位の時間１０４を表し、ｙ軸は特定の周波数を有する電流１０６をアンペアで表している。電流１０６は、同期調波成分を有する三相電流である。この電流１０６は、「第１の所定の位相シーケンス」ともよばれる位相シーケンスＡＢＣで固定子巻線に供給される。ここで、Ａ位相１０８は第１の位相を表し、Ｂ位相１１０は第２の位相を表し、Ｃ位相１１２は電流１０６の第３の位相を表す。図示の実施形態では、Ａ位相１０８がＢ位相１１０に先行し、Ｂ位相がＣ位相１１２に先行しており、各位相間の位相角は１２０°である。固定子巻線がこのような電流１０６によって励磁されると、固定子の磁場内に同期回転磁場が発生する。前述のように、固定子の磁場内の同期回転磁場は、回転子の磁場内の同様の回転磁場と相互作用する。固定子と回転子の同期回転磁場の相互作用は、永久磁石機内に同期トルクを生成する。
【００３２】
図１３は、永久磁石機の固定子巻線内の三相電流の流れを表すグラフである。ｘ軸はミリ秒単位の時間１１６を表し、ｙ軸は特定の周波数を有する電流１１８をアンペアで表す。電流１１８は、分調波成分を有する三相電流である。この電流１１８は、「第２の所定の位相シーケンス」ともよばれる位相シーケンスＡＣＢで固定子巻線に供給され、Ａ位相１０８は電流１１８の第１の位相を表し、Ｃ位相１１２は電流１１８の第２の位相を表し、Ｂ位相１１０は電流１１８の第３の位相を表している。図示の実施形態では、Ａ位相１０８がＣ位相１１２に先行し、Ｃ位相１１２がＢ位相１１０に先行しており、各位相間の位相角が１２０°である。固定子巻線がこのような電流１１８によって励磁されると、これらの巻線は固定子の磁場内に分調波及び超調波回転磁場を生成する。前述のように、固定子の磁場内のこれらの分調波及び超調波回転磁場は、前述の実施形態で記載したように、回転子磁石の所定の配向プロファイルにより、回転子で生成される回転子の磁場内の同様の分調波及び超調波回転磁場と相互作用する。固定子と回転子の分調波及び超調波回転磁場の相互作用は、永久磁石機内に付加的な補助トルクを生成する。
【００３３】
別の実施形態によると、図１２及び図１３に示す両方の電流１０６及び１１８の重畳によって、永久磁石機の固定子巻線内に注入される多相電流内に同期調波成分と分調波成分の両方を含めることが可能になる。なお、「重畳」という用語は、２つの電流１０６と１１８の加算を意味する。両方の電流１０６と１１８との間の位相シーケンスによって、これらの両方の電流によって生成されるトルクが相反せず、相補する方向に作用することが確実になる。同期調波成分と分調波成分の両方を含むこのような電流を注入すると、固定子の磁場内に同期回転磁場と高調波回転磁場の両方が発生する。前述の実施形態で記載した固定子の同期回転磁場及び高調波回転磁場と、回転子の同期回転磁場及び高調波回転磁場との相互作用により、永久磁石機内に同期トルクと付加的な補助トルクの両方が生成される。この付加的なトルクは、補助トルクとして作用し、永久磁石機の全体的効率と速度とを高める。
【００３４】
図１２及び１３を参照すると、永久磁石機械の固定子巻線に注入された電流１０６及び１１８の各々が、２つの位相シーケンスを含んでおり、その１つはＡＢＣであり、もう１つはＡＣＢである。第１の所定の位相シーケンスＡＢＣでは、Ａ位相１０８がＢ位相１１０に先行し、Ｂ位相がＣ位相１１２に先行し、各々の位相間の位相角が１２０°である。同様に、第２の所定の位相シーケンスＡＣＢでは、Ａ位相１０８がＣ位相１１２に先行し、Ｃ位相１１２がＢ位相１１０に先行し、各々の位相間の位相角は１２０°である。
【００３５】
第１の所定の位相シーケンスＡＢＣの場合、電流１０６の位相Ａ１０８内の位相電流Ａ1は、Ｉ1が固定子巻線に注入された電流Ａ1の同期成分のマグニチュードであり、ｆ1が電流Ａ1の同期成分の周波数であり、θ1が固定子巻線に注入された電流Ａ1の同期成分の位相角であるとき、方程式Ａ1＝Ｉ1×ｓｉｎ（２π×ｆ1＋θ1）によって表される。第２の所定の位相シーケンスＡＢＣの場合、電流１１８の位相Ａ１０８内の位相電流Ａ2は、Ｉ2が固定子巻線に注入された電流Ａ2の分調波成分のマグニチュードであり、ｆ2が電流Ａ2の同期成分の周波数であり、θ2が固定子巻線に注入された電流Ａ2の分調波成分の位相角であるとき、方程式Ａ2＝Ｉ2×ｓｉｎ（２π×ｆ2＋θ2）によって表される。巻線に注入される全電流は、２つの位相電流の総和、即ちＡ1＋Ａ2である。
【００３６】
同様に、第１の所定の位相シーケンスＡＢＣの場合、位相Ｂ１１０内の電流１０６の位相電流Ｂ1は、Ｉ1が固定子巻線に注入された電流Ｂ1の同期成分のマグニチュードであり、ｆ1が電流Ｂ1の同期成分の周波数であり、θ1が固定子巻線に注入された電流Ｂ1の同期成分の位相角であるとき、方程式Ｂ1＝Ｉ1×ｓｉｎ（２π×ｆ1＋θ1−２π／３）によって表される。第２の所定の位相シーケンスＡＣＢの場合、位相Ｂ１１０内の電流１１８の位相電流Ｂ2は、Ｉ2が固定子巻線に注入される電流Ｂ2の分調波成分のマグニチュードであり、ｆ2が電流Ｂ2の分調波成分の周波数であり、θ2が固定子巻線に注入される電流Ｂ2の分調波成分の位相角であるとき、方程式Ｂ2＝Ｉ2×ｓｉｎ（２π×ｆ2＋θ2−２π／３）によって表される。巻線に注入される全電流は、２つの位相電流の総和、即ちＢ1＋Ｂ2である。
【００３７】
同様に、第１の所定の位相シーケンスＡＢＣの場合、位相Ｃ１１２内の電流１０６の位相電流Ｃ1は、Ｉ1が固定子巻線に注入された電流Ｃ1の同期成分のマグニチュードであり、ｆ1が電流Ｃ1の同期成分の周波数であり、θ1が固定子巻線に注入された電流Ｃ1の同期成分の位相角であるとき、方程式Ｃ1＝Ｉ1×ｓｉｎ（２π×ｆ1＋θ1＋２π／３）によって表される。第２の所定の位相シーケンスＡＣＢの場合、位相Ｃ１１２内の電流１１８の位相電流Ｃ2は、Ｉ2が固定子巻線に注入された電流Ｃ2の分調波成分のマグニチュードであり、ｆ2が電流Ｃ2の分調波成分の周波数であり、θ2が固定子巻線に注入された電流Ｃ2の分調波成分の位相角であるとき、方程式Ｃ2＝Ｉ2×ｓｉｎ（２π×ｆ2＋θ2＋２π／３）によって表される。巻線に注入される全電流は、２つの位相電流の総和、即ちＣ1＋Ｃ2である。
【００３８】
両方の電流１０６及び１１８の重畳と、電流１０６の位相電流Ａ1、Ｂ1、Ｃ1と電流１１８の位相電流Ａ2、Ｂ2、Ｃ2との間の位相シーケンスによって、両方の電流１０６、１０８が相反せず、相補する方向に作用することが確実になる。同期調波成分と分調波成分の両方を含む電流１０６、１１８の注入により、固定子の磁場内に同期回転磁場と高調波回転磁場の両方が発生する。前述の実施形態で記載したように、固定子の同期回転磁場及び高調波回転磁場と、回転子の同期回転磁場及び高調波回転磁場との相互作用により、永久磁石機内に同期トルクと付加的な補助トルクの両方が生成される。この付加的なトルクは、補助トルクとして作用し、永久磁石機の全体効率と速度を高める。
【００３９】
有利には、本発明の各種実施形態により、分数スロット集中巻線ベースの永久磁石機内に必然的に生じる損失が無くなる。加えて、損失を生じる固定子磁場内の分調波回転磁場は、回転子の分調波回転磁場と相互作用して、永久磁石機に付加的なトルクを生成するようになっている。この付加的なトルクによって、永久磁石機が高速で損失を伴わずに効率的に動作可能になる。本発明の各種実施形態によって、改善した電力密度と効率で永久磁石機を動作させることができる。
【００４０】
本明細書では本発明の或る一定の特徴を図示及び説明したが、当業者には多くの修正及び改変が想到されよう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の本質に含まれる、このような修正及び改変を全て網羅することを意図していることを理解されたい。
【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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【外国語明細書】
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