(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。本発明の他の対象は、インホイールモータやエンジンのクランクシャフトに結合された発電電動機やリニアモーター・ドライブのクランクシャフトの上でリニアコンプレッサのようない可変速用途において、優れたトルク特性をもつTFMAに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。斜め部を使用するコアはムカデのように見えるので、CTFMと呼ばれる。このCTFM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
2013165628.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コア（２X-２T、２U１-２W２、２U-２W、４X-４T、４U１-４W２、４U-４W）と単相巻線（３X-３T、３U１-３W２、３U-３W）とを有する少なくとも1つの単相横磁束機械（TFM）と、
このTFMを駆動するためのパワーコンバータ（８、９）と、
このパワーコンバータ（８、９）を制御するコントローラ（３００）とを備え、
前記コア（２X-２T、２U１-２W２、２U-２W、４X-４T、４U１-４W２、４U-４W）は、左ティース（２１L、４１L）、右ティース（２１R、４１R）及びヨーク部（２４、４４、２６）を有し、
前記ヨーク部（２４、４４、２６）は、左ティース（２１L、４１L）を右ティース（２１R、４１R）に磁気的に接続し、
前記単相巻線（３X-３T、３U１-３W２、３U-３W）は、左ティース（２１L）と右ティース（２１R）の間のスペースに、移動コア（４X-４T、４U１-４W２、４U-４W）の移動方向（PH）へ延在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）は更に、左斜め部（２５L、４５L）及び右斜め部（２５R、４５R）を有し、
一つの方向へ斜めに延在する各左斜め部（２５L、４５L）は、各左ティース（２１L、４１L）をヨーク部（２４、４４、２６）に接続し、
もう一つの方向へ斜めに延在する各右斜め部（２５L、４５R）は、各右ティース（２１R、４１R）をヨーク部（２４）に接続し、
各左ティース（２１L、４１L）及び各右ティース（２１R、４１R）は、移動方向（PH)へ交互に配列され、
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)により構成さ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】
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）と、左斜め部（２５L）と、左ヨーク部（２６L、２４L）と、移動方向（PH)へ延在する１つの長手部（２１C、２１０C）とを有し、
右コア（２R）は、右ティース（２１R）と、右斜め部（２５R）と、右ヨーク部（２６R、２４R）と、移動方向（PH)へ延在するもう一つの長手部（２１C、２１０C）とを有し、
前記1つの長手部（２１C、２１０C）は、左ティース（２１L）を左ヨーク部（２６L、２４L）に接続し、
前記もう一つの長手部（２１C、２１０C）は、右ティース（２１R）を右ヨーク部（２６R、２４R）に接続し、そして、
移動方向（PH)に交互に配列された左ヨーク部（２６L、２４L）及び右ヨーク部（２６R、２４R）は、前記ヨーク部（２４、２６）を構成する請求項１記載のTFMA。
【請求項５】
コア（２U、２V、２W）は更に、他の左斜め部（２５０L）及び他の右斜め部（２５０R）を有し、そして、
斜めに延在する各他の斜め部（２５０L、２５０R）は、各ティース（２１L、２１R）を長手部（２１０C）に接続する請求項４記載のTFMA。
【請求項６】
TFMAは、斜め部（２５L、２５R、４５L、４５R）とティース（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、そして、
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７】
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６記載のTFMA。
【請求項８】
前記TFMは、横磁束シンクロナスリラクタンス機械（TFSynRM）からなる請求項１記載のTFMA。
【請求項９】
前記TFMは、前記TFSynRMは、前記移動可能コア（４U1-４W2, 4U-4W, 4X-4T)のティース（４１L, 41R）の間に設けられた永久磁石層（６）を有し、
この永久磁石層（６）は、N極領域（６N）とS極領域（６S)とを有し、
このN極領域（６N）は、左ティース（４１L, 41L）の間に配置され、
このS極領域（６S)は、右ティース（４１R, 41R）の間に配置される請求項８記載のTFMA。
【請求項１０】
前記TFMは、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１１】
前記TFMは、前記TFSRMは、前記移動可能コア（４U1-４W2, 4U-4W, 4X-4T)のティース（４１L, 41L）の間に設けられた永久磁石層（６）を有し、
この永久磁石層（６）は、N極領域（６N）とS極領域（６S)とを有し、
このN極領域（６N）は、左ティース（４１L, 41L）の間に配置され、
このS極領域（６S)は、右ティース（４１R, 41R）の間に配置される請求項１０記載のTFMA。
【請求項１２】
前記TFMは、前記移動可能コア（４U-４W）に巻かれた界磁巻線（３０U、３０V、３０W, ６U, ６V, ６W）をもつ横磁束巻ローター機械（TFWRM）からなる請求項１記載のTFMA。
【請求項１３】
前記パワーコンバータ（８，９）は、発振器（１１A）、ロータリートランス（１１B）、整流器（１１C）及びフリーホイーリングダイオード（１１d）を含む誘導送電装置（IPT）(１１)を有し、
前記発振器（１１A）は、ロータリートランス（１１B）を通じて整流器（１１C）にパルス波形の発振電流を供給し、
前記ロータリートランス（１１B）は、界磁巻線（３０U、３０V、３０W）に界磁電流（Ie）を給電し、そして
前記フリーホイーリングダイオード（１１D）は、界磁巻線（３０U、３０V、３０W）と並列接続されている請求項１２記載のTFMA。
【請求項１４】
前記パワーコンバータ（９）は、インバータ（９０）と、界磁巻線（３０U、３０V、３０W）を短絡する少なくとも1つのロータダイオード（Du, Dv, Dw)とを有し、
前記インバータ（９０）は、単相巻線（３U-３W）に本質的に台形波形をもつ交流相電流を給電する請求項１２記載のTFMA。
【請求項１５】
３つの前記TFMAが、一方向へタンデム配列され、
前記パワーコンバータは、第1の３相インバータ（９A)と、第２の３相インバータ（９B)と、接続切換スイッチ（９C)とをもつ二重３相インバータ（９）を有し、
前記二重３相インバータ（９）の各レグは、前記３つのTFMの単相巻線（３U, 3V, 3W)の両端に個別に接続され、
前記コントローラ（３００）は、低速領域にて前記接続切換スイッチ（３C)をオフし、かつ、高速領域にて前記接続切換スイッチ（３C)をオンし、
前記コントローラ（３００）は、前記低速領域にて前記第２の３相インバータ（９B)の３つの上スイッチと３つの下スイッチとのどちらかをオンする請求項１記載のTFMA。
【請求項１６】
前記TFMは、前記移動可能コア（４U１-４W２、４U-４W）のティース（４１L、４１R）を個別に囲む二次巻線（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１７】
前記TFIMは、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1つとして、起動時に駆動される請求項１６記載のTFMA。
【請求項１８】
前記TFMの第1グループ（MG1）及び第２グループ（MG２）はそれぞれ、３つの前記TFIMからなり、
前記パワーコンバータ（９）は、第1の３相インバータ（９E）と、第２の３相インバータ（９E）と、接続切換スイッチ（９H)とを有し、
前記第1の３相インバータ（９E）は、前記第1グループ（MG1)を駆動し、
前記第２の３相インバータ（９F）は、前記第２グループ（MG２)を駆動し、
前記接続切換スイッチ（９H)は、前記第1の３相インバータ（９E）の各ターミナルと前記第２の３相インバータ（９F）の各ターミナルとを接続し、
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、共通周波数をもつ共通の３相電圧を前記２つのインバータ（９E, ９F)に与える請求項１６記載のTFMA。
【請求項１９】
前記TFMの第1グループは、３つの横磁束シンクロナスリラクタンス機械（TFSynRM)と３つの横磁束誘導機械（TFIM)のどちらかからなり、
前記TFMの第２グループは、３つの横磁束シンクロナスリラクタンス機械（TFSynRM)と３つの横磁束誘導機械（TFIM)のどちらかからなり、
前記パワーコンバータは、U相レグ（９０１）、V相レグ（９０２）及びW相レグ（９０３）を有する９スイッチインバータ（９）を有し、
前記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TFM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TFM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、低速領域にて前記第１グループと前記第２グループとを直列接続し、
前記コントローラ（３００）は、高速領域にて前記第１グループと前記第２グループとを並列接続する請求項１記載のTFMA。
【請求項２０】
４つの前記TFMは、４つの横磁束スイッチドリラクタンス機械（TFSRM）からなり、
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からなり、
前記X相レグ（８０１）は、前記４つのTFSRM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２１】
前記パワーコンバータ(８)は更に、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２０記載のTFMA。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、横磁束機械装置（TFMA）に関する。
【０００２】
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】
【０００３】
多数の極と短い電流経路をもつので、横磁束機械（TFM）は、高トルク/重量比、高出力/重量比及び少ない銅損をもつ。
【０００４】
けれども、TFMは、その複雑なコア構造の故に広く製造されるに至っていない。従来のTFMは、立体コア構造を製作するために、ソフトマグネティックコンポジット（SMC）のコアまたは分割積層コア（SLC）を用いている。SMCコア及びSLCの磁気特性及び頑丈さは十分とは言えない。他の理由は、単相の巻線をもつTFMの単相駆動原理にある。たとえば、単相誘導機械（TFIM）の始動トルクはゼロである。
【０００５】
減速ギヤ損失が無く、慣性質量が小さいダイレクトドライブ（DD）モーターを、電気自動車および風力タービンが待っていることが知られている。しかし、永久磁石同期ＤＤ機（DD/PMSM）は非常に高価となる。シンクロナスリラクタンスモーター（SynRM）、スイッチドリラクタンスモーター（SRM）及び誘導電動機（IM）のトルク/重量比は、十分とは言えない。
【０００６】
図１に示されるように、米国特許第７,８３０,０５７号は３つの単相TFMをもつタンデムTFMを提案している。このTFMは、互いに結合された分割コアをもつ。しかし、分割型コア構造は、高い磁気抵抗と低いロバストネス（頑丈さ）と複雑な構造とをもつ。
【０００７】
図２は、従来の三相のラジアル磁束機械（RFM)を駆動するためのデユアル三相インバータを示す。６つのレグと１つの接続切換スイッチとを備えるインバータは、三つの相巻線の接続を切り換えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第７,８３０,０５７号
【発明の概要】
【０００９】
本発明の一目的は、優れた磁気特性をもつ簡素なコアをもつ横磁束機械装置（TFMA）を提供することである。本発明のもう一つの目的は、低減された動力損失をもつ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。
【００１０】
本発明の第１の様相において、このTFMの積層コアは、３D磁路を作るための左斜め部及び右斜め部を有する。この斜め部の使用により、コアはムカデのように見える。CTFMと呼ばれるムカデのようなこのTFMは、以下に説明されるように多くのタイプを有する。さらに、このTFMを駆動するためのユニークなパワーコンバータが以下に説明される。
【００１１】
単相誘導電動機のトルクを発生する横磁束誘導機械（TFIM）が提案される。ロータのティース及び斜め部を支持しているロータハウジングは周知の篭形二次導体としてふるまう。TFMがロータティースの周囲に多くのスペースを有するので、TFIMは、二次巻線の低い電気抵抗をもつ。それは、TFIMの効率の改善を生じさせる。TFIMは、本質的に起動トルクをもたない。しかし、二重突極コア構造をもつこのTFIMは、単相のシンクロナスリラクタンスモーターとして始動することができる。
【００１２】
横磁束シンクロナスリラクタンス機械（TFSynRM）は、単相シンクロナスリラクタンスモーターのトルクを発生する。さらに、ロータティースの間のスペースに配置された永久磁石層をもつTFSynRMは、増加されたトルクをもつ。この永久磁石層の追加により、TFSynRMのサイズは増加されない。
【００１３】
横磁束スイッチドリラクタンス機械（TFSRM）は、単相スイッチドリラクタンスモーターのトルクを発生させる。さらに、ロータティースの間のスペースに配置される永久磁石層をもつTFSRMは、増加されたトルクをもつ。永久磁石層の追加により、TFSRMのサイズは、増加されない。
【００１４】
界磁巻線をもつ横磁束巻ロータ機械（TFWRRM）は、同期モーターのトルクを発生させる。TFMのロータは左ロータティースと右ロータティースの間に環状スロットをもつため、界磁巻線は低い電気抵抗をもつ。その結果、界磁銅損が低減される。
【００１５】
このTFWRMの界磁巻線は、ロータリートランスをもつ誘導送電装置（IPT）により給電される。しかし、IPT及び界磁巻線は、電力損失及び熱発生を有する。この問題は、フリーホィーリングダイオードとパルス状の一次電流を用いることにより改善される。他の例では、界磁電流を発生するために、TFWRMはステータ電流により誘導される起磁力の高調波成分を用いる。
【００１６】
３つの単相TFMsを運転するためのデユアル３相インバータが提案される。接続切換スイッチ付きのデユアル３相インバータは、RFMのためにすでに提案されていた。しかし、タンデム配列TFMが接続切換スイッチ付きのデユアル３相インバータを採用できるかどうかは知られていなかった。
【００１７】
６個のTFMを駆動する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、発明者によってRFMのためにすでに提案されていた。しかし、タンデム配列TFMが９スイッチ・インバータを採用できるかどうかは知られていなかった。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TFIMとタンデム配列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。
【００１８】
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よりも長い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、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。それは、可変速用途において好適である。本発明の他の特徴は実施例により説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、分割コアをもつ従来の単相TFMsを示す軸方向横断面図である。
【図２】図２は、３相ラジアル磁束機械を駆動するための接続切換スイッチ付き従来インバータを示す回路図である。
【図３】図３は、第１実施例の３個の軸方向タンデム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台の発電電動機の一般の周波数と図１１に示される２台の発電電動機の２つのロータに等しい２つのロータ頻度の頻度を表する。
【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、軸方向タンデム配列をもつ３つのTFSynRMを示す軸方向横断面図である。
【図１５】図１５は、図１４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１６】図１６は、図１４に示される３つのTFSynRMsのインダクタンス及び電流を示すタイミング・チャートである。
【図１７】図１７は、軸方向タンデム配列をもつ３つのTFSM（横磁束同期機）を示す軸方向横断面図である。
【図１８】図１８は、図１７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１９】図１９は、図１７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２０】図２０は、軸方向タンデム配列をもつ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に界磁電流を供給するための誘導送電装置（IPT）を示す回路図である。
【図２２】図２２は、図２１に示されるIPTの電流及びゲート電圧の波形を示すタイミング・チャートである。
【図２３】図２３は、図３と１４に示されるTFSynRM又はTFIMを駆動するためのデユアル３相インバータを示す回路図である。
【図２４】図２４は、軸方向タンデム配列をもつデユアル３相TFIMを示す軸方向横断面図である。
【図２５】図２５は、図２４に示されるタンデム配列TFIM又はタンデム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２６】図２６は、図２５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２７】図２７は、図２５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２８】図２８は、図２５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２９】図２９は、第２実施例の軸方向タンデム式の４つのFSRMを示す軸方向横断面図である。
【図３０】図３０は、図２９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３１】図３１は、図２９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３２】図３２は、永久磁石層をもつ４つのTFHMを示す軸方向横断面図である。
【図３３】図３３は、図３２に示される極領域及びロータティースの配列を示す周方向展開図である。
【図３４】図３４は、図３２に示されるステータティースの配列を示す周方向展開である。
【図３５】図３５は、図４１に示されるロータの動作を示す模式図である。
【図３６】図３６は、図２９及び図３２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３７】図３７は、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３８】図３８は、図３６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３９】図３９は、図３６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４０】図４０は、図３６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４１】図４１は、図３６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４２】図４２は、図３６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４３】図４３は、図３６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４４】図４４は、図３６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４５】図４５は、図３６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４６】図４６は、図２９に示されるTFSRM又はTFHM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４７】図４７は、図３６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４８】図４８は、図３６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４９】図４９は、図３６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５０】図５０は、図３６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５１】図５１は、図３６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５２】図５２は、図３６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５３】図５３は、図３６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５４】図５４は、図３６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５５】図５５は、図２９及び図３２に示される４相TFHM又は４相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５６】図５６は、第３実施例の周方向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５７】図５７は、図５６に示されるTFIMの配列を示す模式側面図である。
【図５８】図５８は、図５６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５９】図５９は、図５６に示されるステータコアを示す部分側面図である。
【図６０】図６０は、図５６に示されるTFIMを示す側面展開図である。
【図６１】図６１は、図５６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６２】図６２は、図５６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６３】図６３は、図５６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６４】図６４は、図５６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６５】図６５は、図６４に示されるロータティースの周方向展開図である。
【図６６】図６６は、第４実施例のステータコアを示す軸方向横断面図である。
【図６７】図６７は、図６６に示されるTFPMのステータコアを示す側面図である。
【図６８】図６８は、図６６に示されるTFPMのステータコアを示す軸方向横断面図である。
【図６９】図６９は、図６６に示されるステータコアの分離左コア及び分離右コアを示す軸方向横断面図である。
【図７０】図７０は、図６９に示される左コアを示す側面図である。
【図７１】図７１は、第５実施例の他の３つのTFPMを示す軸方向横断面図である。
【図７２】図７２は、図７１に示されるロータ極の配置を示す周方向展開図である。
【図７３】図７３は、図７１に示されるロータコアの分離左コア、分離共通コア及び分離右コアを示す軸方向模式断面図である。
【図７４】図７４は、図７１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７５】図７５は、図７１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７６】図７６は、第６実施例のTFWRMを示す軸方向横断面図である。
【図７７】図７７は、図８７に示されるTFWRMのパワーコンバータを示す回路図である。
【図７８】図７８は、第１位置のTFWRMのU相ロータコアを示す側面図である。
【図７９】図７９は、第２位置のTFWRMのU相ロータコアを示す側面図である。
【図８０】図８０は、第３位置のTFWRMのU相ロータコアを示す側面図である。
【図８１】図８１は、第４位置のTFWRMのU相ロータコアを示す側面図である。
【図８２】図８２は、図７６に示されるTFWRMにより採用された相電流波形を示す図である。
【図８３】図８３は、図７６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８４】図８４は、第７実施例のTFPMを示す軸方向横断面図である。
【図８５】図８５は、図８４に示される永久磁石ロータの極領域を示す部分展開図である。
【図８６】図８６は、図８４に示されるステータティースを示す部分展開図である。
【図８７】図８７は、第１位置の永久磁石ロータを示す部分展開図である。
【図８８】図８８は、第２位置の永久磁石ロータを示す部分展開図である。
【図８９】図８９は、第３位置の永久磁石ロータを示す部分展開図である。
【図９０】図９０は、第４位置の永久磁石ロータを示す部分展開図である。
【図９１】図９１は、図８４に示される永久磁石ロータの第１磁化工程及び第２磁化工程を示す部分展開図である。
【図９２】図９２は、図８４に示される永久磁石ロータの第３磁化工程及び第４磁化工程を示す部分展開図である。
【図９３】図９３は、図８４に示される永久磁石ロータの第１磁化工程及び第２磁化工程を示す部分展開図である。
【図９４】図９４は、図８４に示される永久磁石ロータの第３磁化工程及び第４磁化工程を示す部分展開図である。
【図９５】図９５は、図８４に示される永久磁石ロータの磁化例を示す部分展開図である。
【図９６】図９６は、第１位置にある永久磁石ロータを有する横磁束ステッピングモータを示す部分展開図である。
【図９７】図９７は、第２位置にある永久磁石ロータを有する横磁束ステッピングモータを示す部分展開図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図３-図９７は、バックヨークにティースを接続する斜め部付の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７つの実施例を示す。図３-図２８は、軸方向タンデム構造をもつ３相CTFMAに関する第１の実施例を示す。タンデムCTFMAは、TFIM（横磁束誘導機械）、TFSynRM（横磁束シンクロナスリラクタンス機械）、TFSRM（横磁束スイッチドリラクタンス機械）及びTFWRM（横磁束巻ロータ機械）を含む。図２９-図５５は、軸方向タンデム構造の４相CTFSRMに関する第２実施例を示す。図５６-図６５は、周方向タンデム構造の他のCTFMAに関する第３実施例を示す。図６６-図７０は、斜め部とティースとの間にリング部をもつ他のCTFMAに関する第４実施例を示す。図７１-図７５は、上斜め部と下斜め部との間にリング部をもつ他のCTFMAに関する第５の実施例を示す。図７６-８３は、他のタイプのTFTFWRMに関する第６実施例を示す。ステータ起磁力の高調波は、界磁巻線に交流二次電圧を誘導する。ダイオードにより短絡される界磁巻線は、ロータティースを磁化する。図８４-９７は、他のタイプのTFPMに関する第７実施例を示す。永久磁石ロータの複数の極領域は、複数の磁化動作により順番に磁化される。これらの実施例で開示される幾つかの技術は、従来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３相TFMAは、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、軸２０１の軸方向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。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。
【００２３】
軸方向タンデム配置されたロータコア４U、４V及び４Wは、ダイカスト方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、軸２０１に固定されている。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つの環形部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。軸２０１は、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。
【００２４】
冷却ディスク２０３が回転している時、冷却ディスク２０３の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で軸２０１を通じて冷却ディスク２０３に伝達される。円筒状の液体表面の全部分が軸中心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。熱パイプ２０２の蒸気は、後方へ流れる。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と本質的に同じ構造をもつ。
【００２５】
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。各左斜め部２５Lは、各左ステータティース２１Lとヨーク部２４とを接続している。各右斜め部２５Rは、各右ステータティース２１Rとヨーク部２４とを接続している。
【００２６】
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を介して軸方向AXへ互いに隣接している。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。スペー
サー８００は、軟鉄粉を含む。
【００２７】
図４に示されるように、ステータコア２Uは、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を接続する。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とを接続する。したがって、ステータコア２Uは、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、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、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、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、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とを接続している。各右斜め部４５Rは、各右ロータティース４１Rとヨーク部４４とを接続している。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で埋められた環状スロットを越えて軸方向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とロータコア４Uのロータティース４１Lとは、互いに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とロータコア４Vのロータティース４１Lとは、互いに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とロータコア４Wのロータティース４１Lとは、互いにW相電気角をもつ。２相間の電気角は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。ロータ角度が検出されて、誘導電動機モードとリラクタンスモーターモードと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、図１１に示すように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ーまたは単相スイッチドリラクタンスモーターとして駆動される。
【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。第１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１２１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、情報と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に誘導モータトルクTiがゼロであることは重大である。巻線３U-３Wがd軸インダクタンスLdとq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軸インダクタンスLd、q軸インダクタンスLq、d軸電流Idとq軸電流Iqに応じて計算される。
【００３４】
シンクロナスリラクタンスとしてTFIMを始動した後、効率とトルク値に基づいて誘導モータモードがベターか否かがステップS２０２にて判断される。誘導モータモードは、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選択される。誘導モータモードはステップS２０４で選択され、同期電動機モードはステップS２０６で選択される。もう一つの事例では、ステップS２０２にて、ロータ温度が所定閾値より高いかどうかがさらに判断される。シンクロナスリラクタンスモーター・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シンクロナスリラクタンスモーター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の高電位ターミナルは、インバータ９E、９Fの高電位ターミナルに接続されている。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。コントローラ３００は、６つの電圧VU１、Vv１、Vw１、Vu２、Vv２、Vw２の周波数を制御する。共通周波数foは、MG１が発電機として運低電位DCリンク７され、MG２がモーターとして運転される状況下で選択される。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。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、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。共通周波数foは、MG１とMG２の間で電流バランスを実現するために制御される。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。第１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。ステップS３０４にて、インバータ９Eと９FがMG１とMG２に共通周波数を供給する時に、リレー９Hの状態は切り換えられるべきである。共通周
波数の値と６相電圧VU１-Vw２の振幅とを制御することにより、MG１とMG２のトルクリップルを低減することが望ましい。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、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。図１５は、このTFSynRMのロータティース４１L、４１Rを示す周方向展開図である。このTFSynRMは、３相インバータにより駆動される。図１６は、このTFSynRMの３つのインダクタンスLu、Lv、Lwと３つの相電流Iu、Iv、Iwとを示すタイミングチャートである。U相電流IUは、インダクタンスLUをもつU相巻線３Uに供給される。V相電流Ivは、インダクタンスLvをもつV相巻線３Vに供給される。W相電流Iwは、インダクタンスLwをもつW相巻線３Wに供給される。
【００４０】
第１実施例の第２の変形態様が、図１７を参照して説明される。図１７は、軸方向タンデム構造をもつ３相横磁束永久磁石機械（TFPM）を示す軸方向横断面図である。３つの単相TFPMは、永久磁石層６を共有する。永久磁石層６は、ロータティース４１L、４１Rの間と、４１L、４１Lの間の全スペースを覆うフェライト磁石から作られている。ステータ１とロータ４は、永久磁石層６以外は図１４に示されるTFSynRMと基本的に同じである。図１８は、１７に示されるロータ４のロータティース、S極領域及びN極領域の配列を示す周方向展開図である。図１９は、図１７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１７に示される３相TFPMは、マグネットトルクとシンクロナスリラクタンストルクの両方を発生する。
【００４１】
第１実施例の第３変形態様が、図２０-図２２を参照して説明される。図２０は軸方向タンデム構造をもつ３相横磁束巻ロータ機械（TFWRM）を示す軸方向横断面図である。図２０に示されるステータ１及びロータ４は、ロータコア４U、４V、４Wに巻かれた環状の３つの界磁巻線３０U、３０V及び３０Wを除いて、図１７に示されるステータ１及びロータ４と同じである。図２１は、直列に接続された界磁巻線３０U、３０V、３０Wに界磁電流を送るための誘導送電装置（IPT）を示す回路図である。このIPTは、単相Hブリッジインバータ１１A、ロータリートランス１１B、全波ダイオード整流器１１C、フリーホィーリングダイオード１１Dを有している。Hブリッジ１１Aは、ステータハウジング１００に固定された一次フェライトコアに巻かれた一次巻線に高周波の発振電力を供給する。回転軸に固定され二次コアに巻かれた二次巻線１１Fは、整流器１１Cを通して界磁巻線３０U、３０V、３０Wにパルス波形の二次電流Ieを供給する。
【００４２】
図２２は、ゲート電圧V１-V４、二次電流Ie、フリーホィーリング電流Iff及び界磁電流Ifを示すタイミングチャートである。ゲート電圧V１、V３が高い時、に、二次電流Ieの正電流成分が流れる。同様に、ゲート電圧V２、V４が高い時、二次電流の負電流成分が流れる。デユーティ比（= Tx/（TxとTyとの合計））は、界磁電流Ifの指令値に応じて制御される。フリーホィーリング電流Iffは、電流中止期間Iy内にて、フリーホィーリングダイオード１１Dを通じて循環する。したがって、インバータ１１A、ロータリートランス１１B及び整流器１１Cは、期間Tyにて休止している。さらに、フリーホィーリング電流Iffからなる界磁電流Ifが、フリーホィーリングダイオード１１Dだけを巡回する。従って、IPTの電力損失が低減され、ロータリートランスが小さくなる。
【００４３】
第１実施例の第４の変形態様が、図２３を参照して説明される。図２３は、第１実施例の３つのTFMを運転するためのデユアル３相インバータ９を示す回路図である。図２３に示されるインバータ９は、３つのレグ３１-３３をもつ第１の３相インバータ９Aと、３つのレグ３４-３６をもつ第２の３相インバータ９Bと、接続切換スイッチ９Cとを有している。６つのレグ３１-３６の各々は、MOSトランジスタとフリーホィーリングダイオードとをもつ公知のハーフブリッジからなる。レグ３１の出力端は、相巻線３Uを通じてレグ３６の出力端に接続されている。レグ３２の出力端は、V相巻線３Vを通じてレグ３５の出力端に接続されている。レグ３３の出力端は、W相巻線３Wを通じてレグ３４の出力端に接続されている。
【００４４】
２つのインバータ９A、９Bの低電位DCターミナルを接続する接続切換スイッチ９Cがオンするとき、DC電源（図示せず）は高電位DC線１０００と低電位DC線２０００とを通じて、３相インバータ９A、９Bに直流電圧を印加する。接続切換スイッチ９Cは、高速域でオンされる。他方、接続切換スイッチ９Cは、低速域でオフされる。さらに、第２インバータ９Bを３相巻線３U-３w.の中性点に変更するために、第２インバータ９Bの３つのローサイドスイッチは、低速域でオンされる。コントローラ３００は、インバータ９Aと９Bと、接続切換スイッチ９Cとを制御する。したがって、オープンデルタ接続と星型接続とのどちらかを選択することができる。よく知られているように、３つのTFSynRMの３つの相電流の電気角は、ロータ角とトルク指令値に基づいて決定される。
【００４５】
第１実施例の第５変形態様が、図２４-図２８を参照して説明される。図２４は、軸方向タンデム配列された二重３相TFIMを示す軸方向横断面図である。ステータ１は、U相巻線３U１、３U２、V相巻線３V１、３V２及びW相巻線３W１、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、ロータティース４１Lと４１Rが挿入される貫通孔をもつ銅円筒２００Aで覆われている。したがって、いわゆる籠形第二の巻線の電気抵抗低減により、TFIMの銅損は低減される。図２０に示される６相TFIMsは、相数を除いて、図３に示されるTFIMと基本的に等しい。図２４に示されるTFIMは、銅シリンダー２００Aの省略によりTFSynRMになる。
【００４６】
図２５は、TFIMからなる二重（デユアル）３相TFM又は図２４に示される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２５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。
【００４７】
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。
【００４８】
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２６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２７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。
【００４９】
図２８は、好適な接続の選択を示すフローチャートである。第１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、ステップS４０４にて並列接続モードがで選択される。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、ステップS４０６にて、直列接続モードが選択される。したがって、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。
【００５０】
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ートルクは、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。
【００５１】
第２実施例
図２９-図５５に図示される第２実施例は、軸方向タンデム構造をもつ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２９は、TFSRMを示す軸方向横断面図である。図３０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のステータティース２１L、２１Rを示す周方向展開図である。図３１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。ステータは、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。
【００５２】
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９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。隣接した２つのロータコアの間の各電気角度は９０度である。
【００５３】
第２実施例の第１の変形態様が、図３２-図３４を参照して説明される。図３２は、軸方向タンデム構造をもつ４相横磁束ハイブリッド機械（TFHMと呼ばれる）を示す軸方向横断面図である。図３２-図３４に示されるTFHMは、永久磁石層６を除いて図２９-図３１に示される４相TFSRMと同じである。永久磁石層６は、図１７に示される永久磁石層６と、基本的に同じである。４つの単相TFHMは、永久磁石層６を共有する。永久磁石層６は、ティース４１L、４１Rの上面以外はロータコア４X-４Tの外周面を覆うフェライト磁石で作られている。図３３は、図３２に示されるロータ４のロータティース、S極領域、N極領域の配列を示す周方向展開図である。図３４は、図３２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。４相TFHMは、永久磁石層６でアシストされたスイッチドリラクタンストルクを発生する。
【００５４】
図３５は、１つの方向に移動するロータコア４Xのロータの４つの位置を示す。時点t１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、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。従って、ティースの吸引トルク（スイッチドリラクタンスモーター・トルク）と、押出しトルク（永久磁石トルク）とを、TFHMが用いることができるので、TFHMのトルクは増加される。
【００５５】
図３６は、図２９、図３２に示されるTFSRMとTFHMとを駆動する非対称４相パワーコンバータ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。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。
【００５６】
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。
【００５７】
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３７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３７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。
【００５８】
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３８-図４１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３８は、電気角３６０度（=０度）の電流を示す。好適には、スイッチT４は、定電流供給のためにPWMスイッチングされる。図３９は、電気角９０度の電流を示す。好適には、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４０は、電気角１８０度の電流を示す。好適には、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４１は、電気角２７０度の電流を示す。好適には、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は、Z相電流IZとT相電流IT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ために、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。
【００５９】
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４２-図４５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４２は、電気角３６０度の電流を示す。図４３は、電気角９０度の電流を示す。図４４は、電気角１８０度の電流を示す。図４５は、電気角２７０度の電流を示す。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が、パワーコンバータ８と相巻線を循環する。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。
【００６０】
この４相TFSRMの発電機動作が、図４６-図５４を参照して説明される。図４６は、発電機動作における電流及びインダクタンスを示すタイミングチャートである。発電機動作において、接続切換スイッチT６は、発電電流をDC電源（図示せず）に供給するために、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４７-５４は、電流を示す回路図である。図４７は、時点t１の電流を示す。図４８は、時点t２の電流を示す。図４９は、時点t３の電流を示す。図５０は、時点t４の電流を示す。図５１は、時点t５の電流を示す。図５２は、時点t６で電流を示す。図５３は、時点t７の電流を示す。図５４は、時点t８の電流を示す。
【００６１】
図５５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。
【００６２】
第３実施例
周方向タンデム構造をもつCTFMを示す第３実施例が図５６-図６５を参照して説明される。図５６は、周方向タンデム構造をもつ３相TFIMの軸方向横断面図である。図５７は、周方向に配列された３つのステータコア２U、２V、２Wの２つのセットの１つの配列を示す。
【００６３】
図５６において、ステータ１は、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。ボウル形の前ハウジング１０１とボウル形の後ハウジング１０２とを備えるステータハウジング１００は、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、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、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。
【００６４】
図５７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、周方向に配列備されている。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。
【００６５】
図５８-図５９はティースホルダ１a、１b、１c、dとステータコア２A、２Bを含む分割ステータ構造を示す。図５８は、ステータ２A、２Bとアルミニウムで作られたティースホルダ１a-１dを例示する軸方向横断面図である。図５９は、ステータコア２Aを示す部分側面図である。ティースホルダ１a-１dは、互いに同じ形をもつ。ティースホルダ１a-１dは、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、１つのステータコアの左ティース２１Lと右ティース２１Rのどちらかに等しい。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。
【００６６】
ステータティース２１L、２１Rの周方向側の各側面は、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、軸方向AXに延在する凸部１９を有している。各凸部２９は、周方向へ突出して、各凹部２９と接触している。ステータティース２１L、２１Rがティースホルダ１a-１dの突出部１０Tにより支えられているので、ステータティース２１L、２１Rの振動が制止される。
【００６７】
図６０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６０に示されるようにエンドスロット２０００Aに収容されている。
【００６８】
各円弧状巻線３U、３Vは、絶縁層で被覆された銅テープで作られている。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。図６１は、U相巻線３Uをもつステータコア２Aを示す軸方向横断面図である。ステータ巻線３Uは、螺旋状に巻かれた１５ターンの銅テープ３１０をもつ。銅テープ３１０の端部３１１、３１２は各々、二回曲がった後で径方向外側へ引き出されている。径方向に積層されたステータ巻線３U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。
【００６９】
図６２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６３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６３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。
【００７０】
ステータコアのもう一つの配列が図６４に示される。図６４は、周方向タンデム構造をもつデユアル３相TFIM又はデユアル３相TFSynRMの模式側面図である。周方向タンデム構造をもつステータ２A、２Bはそれぞれ、順番に周方向に配列された６つのステータコア２U１、２W２、V１、２U２、２W１、２V２をもつ。図に示される６つの相巻線３U１-３W２は、６つのステータコア２U１、２W２、２V１、２U２、２W１、２V２に巻かれている。したがって、二重３相TFIMまたはTFSynRMは、図２５に示される９スイッチ３相インバータ９で運転される。図６５は、図６４で使用したロータティース４１L、４１Rを示す周方向展開図である。
【００７１】
第４実施例
リング部付きのコアをもつCTFMを開示するための第４実施例が図６６-７０を参照して説明される。図６６は、軸方向にタンデム配列された３つのステータコア２U、２V、２Wを示す軸方向横断面図である。ステータコア２U、２V、２Wは、左コア２L及び右コア２１Rをそれぞれ有している。図６７は、ステータコア２Uの部分側面図である。相巻線３Uは、図６６に図示されていない。図６８は、U相ステータコア２Uの軸方向横断面図である。図６９は、互いに分離された左コア２L及び右コア２Rの模式側面図である。図７０は、左コア２Lの部分側面図である。
【００７２】
左コア２Lは、左ティース２１L、リング部２１C、左斜め部２５L及び左ヨーク部２６Lを有している。各左斜め部２５Lは、リング部２１Cと各左ヨーク部２６Lとを結合している。左ティース２１Lは、リング部２１C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２１C、右斜め部２５R及び右ヨーク部２６Rを有している。各右斜め部２５Rは、リング部２１Cと各右ヨーク部２６Rを結合している。右ティース２１Rは、リング部２１Cから径方向内側に突出している。
【００７３】
図６７に示されるように、左ヨーク部２６L及び右ヨーク部２６R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２６L、２６Rは、環状のヨーク部２６を構成している。ステータティース２１L、２１Rはリング部２１C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】
第５実施例
２つの斜め部の間の配置されたリング部をもつコアを有するCTFMを開示するための第５実施例が、図７１-７５を参照して説明される。図７１は、軸方向タンデム構造をもつ３つの単相TFPMを示す軸方向横断面図である。ステータコア２U、２V、２Wは、左コア２L、２つの中央コア２C及び右コア２Rで作られている。環状のコア２L、２C、２C及び２Rは、軸方向AXへ順番に配列されている。コア２L、２C及び２Rは、軸方向に積層された鉄板で作られている。環状のロータコア４U、４V及び４Wは、軸方向に積層された鉄板で作られている。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７２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。
【００７５】
図７３は、図７１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つの共通コア２C及び１つの右コア２Rが用いられる。けれども、２つの共通コアの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２１０L、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２１０L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２１０L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。
【００７６】
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２１０R、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２１０R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２１０R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。
【００７７】
２つの中央コア２C（１つだけ図示されている）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２１０C、下左斜め部２５０L、下右斜め部２５０R、左ティース部２１L及び右ティース部２１Rからなる。周方向PHに交互に配列された各部２５R、２５Lは、リング部２１０Cから斜めに突出している。各部２４Rは、各部２５Rから径方向外側へ突出している。各部２４Lは、各部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部分２５０R、２５０Lは、リング部２１０Cから斜めに突出している。各部２１Rは、各部２５０Rから径方向内側へ突出している。各部２１Lは、各部２５０Lから径方向内側へ突出している。部分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。４つの非磁性ティースホルダは、ステータコア２U、２V及び２Wに個別に隣接している。
【００７８】
図７４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７５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。
【００７９】
第６実施例
他のタイプの横磁束巻ロータ機械(TFWRM)を開示するための第６実施例が図７６-図８３を参照して説明される。図７６は、軸方向タンデム構造をもつ３つの単相TFWRMを示す軸方向模式断面図である。ステータ１は、IPTで励磁されるTFWRMを開示する図２０に示されるステータ１と本質的に同じである。しかし、図７６に示されるTFWRMは、ロータコアに印加される起磁力の高調波で励磁される。この起磁力の高調波は、ステータ電流の高調波によって発生される。さらに、ステータティースとロータティースの二重突極構造は、起磁力の空間高調波を発生する。
【００８０】
図７７は、TFWRMを駆動するためのパワーコンバータ９を示す。パワーコンバータ９は、三相インバータ９及びロータ回路９９を有する。ロータ回路９９は、U相ロータ回路９９U、V相ロータ回路９９V及びW相ロータ回路９９Wからなる。U相ロータ回路９９Uは、U相界磁巻線３０Uを短絡するダイオードDuを有する。V相ロータ回路９９Vは、V相界磁巻線３０Vを短絡するダイオードDｖを有する。W相ロータ回路９９Wは、W相界磁巻線３０Wを短絡するダイオードDｗを有する。各ロータ回路は、各界磁巻線３０U-３０W及び各ダイオードDu-Dwと直列接続される各インダクタンス要素６０を有する。インダクタンス要素６０は、界磁巻線３０U-３０Wの漏れインダクタンス成分からなる。
【００８１】
インバータ９０の各相電流は、各起磁力（MMF)を各ロータコア４U-４Wに加える。これにより、ロータコア４U、４Wの左ティース４１L、並びに、中間ロータコア４Vの右ティース４１Rは、N極に磁化される。ロータコア４U、４Wの右ティース４１R、並びに、中間ロータコア４Vの左ティース４１Lは、S極に磁化される。
【００８２】
図７８-図８１は、U相左ティース４１Lの位置を示す。図８２は、U相ロータコア４Uに印加されるU相起磁力の波形パターンを示す。U相起磁力は、U相巻線３uに台形波形のU相電流を供給することにより励起される。台形波形をもつU相電流は高調波を含む。さらに、U相電流により励起される起磁力の高調波は、ティース２１L、４１Lの形状に起因する空間高調波で増加される。起磁力中の高調波は、U相界磁巻線３０Uに交流二次電圧を誘導する。ダイオードDu-Dwの整流により、U相界磁電流Ifuが、界磁巻線３０Uを流れる。V相界磁電流Ifvは、界磁巻線３０Vを流れる。W相界磁電流Ifwは、界磁巻線３０Wを流れる。
【００８３】
図７８-図８２で示すように、U相電流の正半波は吸引力を発生する。逆に、U相流の負の半波は反発力を発生する。従って、リップルが小さいトルクが発生される。
【００８４】
図７６-８２に示される上記高調波整流タイプのFWRMのトルク制御が、図８３を参照して説明される。ステップS４６０で、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。言い換えれば、台形波形の各相電流が、各相巻線に供給される。台形の電流は、電流増加期間、定電流期間及び電流減少期間を有す。電流増加期間における電流増加率と、電流減少期間における電流減率が増加されると、MMFの高調波が増加される。電流増加期間の電流増加率と、電流減少期間の電流減少率が低下されると、MMFの高調波が減少する。したがって、ロータの界磁磁束は、相電流の電流変化率の変更により、制御される。さらに、モータトルクは、相電流の振幅Amと比例する。最高効率でのトルク、電流変化率及び振幅の組み合わせは、マップに記憶される。したがって、このマップを用いることにより、最高効率値のトルクが得られる。
【００８５】
第７実施例
他の横磁束永久磁石同期機械（TFPM）を開示する第７実施例が、図８４ー図９７を参照して説明される。図８４は、軸方向タンデム構造をもつ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１７に示されるステータ１と本質的に同じである。しかし、図８４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８４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８５に示されるように、永久磁石円筒６００の外円周面は、N極領域６N及びS極領域６Sを有している。図８６は、ステータコア４U-４Wのステータティース２１L、２１Rを示す。図８７-図９０は、０度、９０度、１８０度合及び２７０度におけるステータティース２１Lに面する極領域６N及び６Sを示す。
【００８６】
図９１-図９４は、永久磁石円筒６００の磁化プロセスを示す。極領域６Nと６Sは、４つのグループに分割される。第１グループは、N極領域N１及びS極領域S１からなる。第２グループは、N極領域N２及びS極領域S２からなる。第３グループは、N極領域N３及びS極領域S４からなる。第４グループは、N極領域N４及びS極領域S４からなる。図９１-図９２において、ティース６０１は、まだ磁化されていない永久磁石シリンダ６００の外周面６０２に隣接している。ティース６０１の数は、極領域６N、６Sの合計数の２５%である。
【００８７】
第１期間T１に、ティース６０１は、第１グループのための各領域に面している。図９１、図９３に示されるように、磁化電流の最初の通電後、N極領域N１とS極領域S１は、形成される。次の期間T２に、ティース６０１は動かされて、第２のグループのための各領域に面する。図９１、図９３に示されるように、磁化電流の２回目の通電後、N極領域N２とS極領域S２が形成される。次の期間T３に、ティース６０１は、第３のグループのための各領域に面する。図９２、図９４に示されるように、磁化電流の３回目の通電後、N極領域N３とS極領域S３が形成される。次の期間T４に、ティース６０１は、第４のグループのための領域に面する。図９２、図９４に示されるように、磁化電流の４回目の通電後、N極領域N４とS極領域S４が形成される。
【００８８】
言い換えれば、極領域６N、６Sの複数のグループが順番に磁化される。周方向PHにおいて隣接する少なくとも２つの領域が、順番に磁化される。したがって、図９３、図９４において矢印線で示される永久磁石磁束はほとんど軸方向AXすなわち横方向へ流れる。図９５は、実行されるべきではない他の磁化プロセスを示す。図９５において、ティース６０１の数は、極領域６N、６Sの合計数で等しい。磁化後に、図９５に点線で示される永久磁石磁束は、ほとんど周方向PHへと流れる。結果として、ステータ巻線３U、３V、３Wと交差する永久磁石磁束は大幅に減少される。
【００８９】
変形態様が永久磁石ステッピングモータを示す図９６-９７を参照して説明される。各ティース２１L、２１Rは、５つの小突出部６１０を有する。さらに、永久磁石シリンダ６００は、ステータティース２１Lの小突出部６１０に面しているN極領域６Nを有している。ステータティース２１Lの小突出部６１０に面しているS極領域は図示されない。永久磁石シリンダ６００付きのロータは、巻線６２０に供給されるパルス電流のパルス周波数に比例する速度で移動する。
【００９０】
追加説明
本発明の他の様相が、上記実施例を参照して説明される。従来のTFMは、コアに巻かれた単相巻線をもつ。コアは、左ティース、右ティース及びヨーク部をもつ。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の方へ延在する。本発明のCTFMと従来のTFMとの違いは、斜め部（２５L、２５R）にある。
【００９１】
図５８-図５９は、非磁性金属材から作られたティースホルダ（１a-１d）を示す。ティースホルダは、長手部（１０a-１０d）と複数の突出部（10L、10R）とをもつ。突出部（１０L、１０R）は、ティース（２１L、２１R）の凹部（２９）に結合する凸部(１９)をもつ。このティースホルダ（１a-１d）は、従来のTFMにより採用されることができる。
【００９２】
図３はロータの軸に固定された回転金属ディスク（２０３）を示す。この金属ディスク（２０３）は従来のTFMにり採用されることができる。図２０-図２２は、移動コア（４U-４W）に巻かれた界磁巻線（３０U、３０V、３０W）をもつTFWRMを示す。界磁巻線（３０U、３０V、３０W）は、インバータ（１１A）、ロータリートランス（11B）、整流器（11C）及びフリーホイーリングダイオード（11d）を含むIPT(11)により駆動される。インバータ（11A）は、界磁巻線（３０U、３０V、３０W）に界磁電流（If）を供給するために、ロータリートランス（11B）を通じて整流器（11C）に発振電流を給電する。界磁巻線（３０U、３０V、３０W）に並列接続されたフリーホイーリングダイオード（１１d）は、フリーホィーリング電流（Iff）を循環させる。インバータ（11A）は、パルス波形をもつ発振電流を供給する。TFWRMに界磁電流を供給するための上記のIPTは、従来のTFM又は従来のRFMによって採用されることができる。
【００９３】
図３２-図３５は、永久磁石層(６)を移動コアのティース（２１L、２１R）の周囲のスペースに埋設したTFSRMを示す。スイッチドリラクタンスモータートルクと永久磁石トルクを発生させるための上記のTFSRMは、従来のTFMにり採用されることができる。
【００９４】
図３６-図５５はタンデム配列された4つのTFSRMsを駆動する4相パワーコンバータ(８)を示す。パワーコンバータ(８)は上側の2つのスイッチ（T1、T2）と、下側の2つのスイッチ（T3、T4）と、4つのダイオード（D1-D4）とからなる４つのレグ（８０１-８０４）をもつ。上側の2つのスイッチと下側の2つのスイッチとは、互いに直列接続されている。このパワーコンバータは、従来のTFMによって採用されることができる。さらに、3つの追加スイッチ（T６-T８）をもつパワーコンバータ(８)は、直列接続を並列接続に変更する。このパワーコンバータは、従来のTFMによって採用されることができる。
【００９５】
図２３は、３相TFMの星形(Y)接続を開放デルタ接続に切り換える二重３相インバータ(９)を示す。この３相インバータは、従来のTFMによって採用されることができる。
【００９６】
図２４-図２８は、タンデム配列された6つのTFIMまたは6つのTFSynRMを駆動する９スイッチ・インバータ(９)を示す。6つのTFIMまたは6つのTFSynRMは、直列接続を並列回路に切り換えることができる。この９スイッチ・インバータは、従来のTFIMまたは従来のTFSynRMにより採用されることができる。
【００９７】
図７６-８３は、移動コア（４U-４W)に巻かれた界磁巻線（３０u、３０V、３０W）をもつ他のタイプのTFWRMを示す。界磁巻線（３０u、３０V、３０W）は、単相のワインディング（３u-３W）により給電される。高調波成分をもつ正弦波起磁力が、界磁巻線（３０u、３０V、３０W）に印加される。この高調波成分は、界磁巻線（３u-３W）に交流二次電圧を誘導する。ロータダイオードは、二次電圧を調整する。結局、左ティース（４１L)は、右ティース（４１R）と反対極性をもつ。上記のTFWRMは、従来のTFMによって使用されることができる。
【００９８】
図８４-９７は、永久磁石ロータ（６００）をもつ他のタイプのTFPMを示す。磁石磁束は、永久磁石ロータ（６００）の軸方向（横の方向）へ流れる。ロータ（６００）のN極領域６N及びS極領域６Sの複数のグループは、軸方向に横の永久磁石磁束を形成するために、順番に磁化される。軸の磁石磁束を形成するための上記順次磁化工程は、従来のTFMによって使用されることができる。
【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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【図８９】
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【図９０】
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【図９１】
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【図９２】
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【図９３】
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【図９４】
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【図９５】
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【図９６】
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【図９７】
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