(57)【要約】  本実施形態は、数式Ｒn＝２Ｓn−Ｆpによって定義される数値関係を利用して、回転子極の数Ｒnと固定子極の数Ｓnの複数の組合せを提供する多回転子極のスイッチト・リラクタンス機械（ＨＲＳＲＭ）であり、このときＳn＝ｍ×Ｆpであり、Ｆpが、固定子と回転子の極が完全に整列したときの固定子における独立した磁束経路の最大数であり、ｍが相の数である。この数式により、改善された雑音性能及び設計の融通性が機械に与えられる。この数式により、選択されたｍ及びＦpについて固定子極及び回転子極の特定の数がさらに与えられる。ＨＲＳＲＭは、様々な数の相を有するように設計することができる。ＨＲＳＲＭは、１回転当たりのストローク数が多いことから、より滑らかなトルク・プロファイルを提供する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多回転子極のスイッチト・リラクタンス機械（ＨＲＳＲＭ）であって、
複数の固定子極を含む固定子と、
複数の回転子極を含む回転子と、を備え、
前記複数の回転子極が、前記複数の固定子極とある数値関係にあり、
数式：Ｒn＝２Ｓn−Ｆp、
によって定義される前記数値関係を利用して、前記固定子極と前記回転子極の複数の組合せを提供し、
ここで、Ｓn＝ｍ×Ｆp、Ｆp＞２、ｍ＞１、並びに、ｍ及びＦpは独立変数であり、Ｒnは前記回転子極の数であり、Ｓnは前記固定子極の数であり、Ｆpは、前記固定子極と前記回転子極が完全に整列したときの前記固定子における独立した磁束経路の最大数であり、ｍは相の数である、ＨＲＳＲＭ。
【請求項２】
様々な数の相をさらに含む、請求項１に記載のＨＲＳＲＭ。
【請求項３】
前記数式により、選択されたｍ及びＦｐについて前記固定子極及び前記回転子極の特定の数が提供される、請求項１に記載のＨＲＳＲＭ。
【請求項４】
前記ＨＲＳＲＭは、モータとして、発電機として、又はそれらの両方として動作してもよい、請求項１に記載のＨＲＳＲＭ。
【請求項５】
前記回転子極の数は、前記固定子極の数よりも多い、請求項１に記載のＨＲＳＲＭ。
【請求項６】
回転式の設計に利用される、請求項１に記載のＨＲＳＲＭ。
【請求項７】
線形の設計に利用される、請求項１に記載のＨＲＳＲＭ。
【請求項８】
前記回転子は、前記固定子の外側にある、請求項１に記載のＨＲＳＲＭ。
【請求項９】
各回転子極は、前記回転子極の周囲の周りで前記固定子極の磁束を曲げる役割を果たす複数の磁束ガイドを構成する、請求項１に記載のＨＲＳＲＭ。
【請求項１０】
前記回転子極の前記複数の磁束ガイドが前記固定子極と整列したときに、最大インダクタンスが得られ、前記回転子極の前記複数の磁束ガイドが前記固定子極と整列していないときに、最小インダクタンスが得られる、請求項９に記載のＨＲＳＲＭ。
【請求項１１】
多回転子極のスイッチト・リラクタンス機械（ＨＲＳＲＭ）であって、
複数の固定子極を含む固定子と、
複数の回転子極を含む回転子と、を備え、
前記ＨＲＳＲＭは、
数式：Ｒn＝２Ｓn−Ｆp、
によって定義される数値関係を利用して、前記回転子極と前記固定子極の複数の組合せを提供し、
ここで、Ｓn＝ｍ×Ｆp、Ｆp＞２、ｍ＞１、並びに、ｍ及びＦpが独立変数であり、Ｒnが前記回転子極の数であり、Ｓnが前記固定子極の数であり、Ｆpが、前記固定子極と前記回転子極が完全に整列したときの前記固定子における独立した磁束経路の最大数であり、ｍが相の数である、ＨＲＳＲＭ。
【請求項１２】
回転子位置に対するインダクタンスの高い変化率をさらに提供する、請求項１１に記載のＨＲＳＲＭ。
【請求項１３】
様々な数の相をさらに含む、請求項１１に記載のＨＲＳＲＭ。
【請求項１４】
前記数式により、選択されたｍ及びＦｐについて前記固定子極及び前記回転子極の特定の数が提供される、請求項１１に記載のＨＲＳＲＭ。
【請求項１５】
前記ＨＲＳＲＭは、モータとして、発電機として、又はそれらの両方として動作してもよい、請求項１１に記載のＨＲＳＲＭ。
【請求項１６】
前記回転子極の数は、前記固定子極の数よりも多い、請求項１１に記載のＨＲＳＲＭ。
【請求項１７】
回転式の設計に利用される、請求項１１に記載のＨＲＳＲＭ。
【請求項１８】
線形の設計に利用される、請求項１１に記載のＨＲＳＲＭ。
【請求項１９】
前記回転子は、前記固定子の外側にある、請求項１１に記載のＨＲＳＲＭ。
【請求項２０】
各回転子極は、前記回転子極の周囲の周りで前記固定子極の磁束を曲げる役割を果たす複数の磁束ガイドを構成する、請求項１１に記載のＨＲＳＲＭ。
【請求項２１】
前記回転子極の前記複数の磁束ガイドが前記固定子極と整列したときに、最大インダクタンスが得られ、前記回転子極の前記複数の磁束ガイドが前記固定子極と整列していないときに、最小インダクタンスが得られる、請求項２０に記載のＨＲＳＲＭ。
【請求項２２】
前記固定子極は細く、それにより高い占積率を容易にする、請求項１１に記載のＨＲＳＲＭ。
【請求項２３】
複数の回転子極を含む回転子と、それぞれが複数の巻線を有する複数の固定子極を含む固定子と、を備える多回転子極のスイッチト・リラクタンス機械（ＨＲＳＲＭ）のための回転子極の数を推定する方法であって、
（ａ）少なくとも１つの固定子極に通電するステップであって、残りの固定子極の前記巻線のそれぞれが開回路状態である、通電するステップと、
（ｂ）前記少なくとも１つの固定子極に電流を流すステップと、
（ｃ）磁束を誘導するステップであって、前記磁束は、前記複数の固定子極を通る経路をたどる、誘導するステップと、
（ｄ）固定子極と回転子極が完全に整列するときに前記固定子における独立した磁束経路の最大数（Ｆp）を記憶するステップと、
（ｅ）相の数（ｍ）を算出するステップと、
（ｆ）数式：Ｓn＝ｍ×Ｆp、
を利用して固定子極の数（Ｓn）を判定するステップであって、
Ｆp＞２、ｍ＞１、ｍ及びＦpが独立変数である、判定するステップと、
（ｇ）数式：Ｒn＝２Ｓn−Ｆp、
を利用して前記回転子極の数（Ｒn）を推定するステップと、
を含む方法。
【請求項２４】
トルク・リップルを最小量にすることができ、さらに前記スイッチト・リラクタンス機械のトルク品質を向上させる、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
回転子位置に対するインダクタンスの高い変化率を提供する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
様々な数の相を有する前記スイッチト・リラクタンス機械を可能にする、請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
前記数式により、改善された雑音性能及び設計の融通性が前記スイッチト・リラクタンス機械に与えられる、請求項２３に記載の方法。
【請求項２８】
前記スイッチト・リラクタンス機械が、１回転当たりのストローク数が多いことから、滑らかなトルク・プロファイルを呈する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２９】
前記固定子極は、高い占積率を容易にするのに十分なほどナローである、請求項２３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、多回転子極のスイッチト・リラクタンス機械（ＨＲＳＲＭ）に関し、より詳細には、回転子極と固定子極の複数の組合せを提供し、それにより、スイッチト・リラクタンス・モータ駆動装置において雑音及び振動を低減するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電磁シミュレーション機能及びパワー・エレクトロニクスが進化したことにより、スイッチト・リラクタンス・モータ（ＳＲＭ）が、電気モータ用途の魅力的な候補になってきている。ＳＲＭ駆動装置の肯定的な面には、より幅広い動作範囲にわたるそれら本来の可変スピード機能、簡単な構造、堅牢な性能、及び低い製造コストが含まれる。ＳＲＭは、凸型の回転子極と固定子極を有するブラシレスの同期機械である。それぞれの固定子極には集中巻があるが、回転子には巻線や永久磁石がない。ＳＲＭは、固定子極と回転子極のいくつかの組合せを有することができ、通常、回転子の極数は固定子より少ない。正反対にある固定子極の巻線の対が、直列又は並列に接続されて、多相ＳＲＭの独立した機械相巻線を形成する。理想的には、１つの固定子極から回転子に入る磁束は、正反対の固定子極から回転子を出る磁束との均衡を保ち、それにより相間で相互の磁気結合はない。回転子の角度位置と同期した所定のシーケンスで各相巻線において電流を切り替えることによって、トルクが生成される。こうして、互いに近づきあう回転子極と固定子極の間で磁気吸引力が生じる。各相の固定子極に最も近い回転子極が回転して整列位置を過ぎる前に、その相において電流がオフに切り替えられ、それにより、磁気吸引力が負のトルク、すなわち制動トルクを生成するのを防止する。こうして、回転子角度に対して相巻線に適切に通電することによって、正転又は逆転の動作、及びモータ駆動又は発電の動作を得ることができる。
【０００３】
従来のＳＲＭに比べて、ＨＲＳＲＭは、トルク・リップル及び音響雑音に効果的に対処する静的トルク機能がより高い。ＳＲＭとＨＲＳＲＭでは、パワー・コンバータの設計パラメータが異なる。これは、ＨＲＳＲＭが、異なるインダクタンス・プロファイル、及びより多数のストロークを有するからである。従来のＨＲＳＲＭに関する最も信頼性の高い技法では、相コイルの自己インダクタンスを利用して位置を推定する。ＨＲＳＲＭは、従来のＳＲＭと同一円周に、より多数の回転子極を有する。より多数の回転子極により、励磁ごとの角度移動が小さくなる。しかし、回転子極の数が多いと、隙間が小さくなり、２つの回転子極の間の弧長（又は角度長さ）は、より短くなる。その結果、ＨＲＳＲＭの自己インダクタンスのプロファイルがより平坦になり、望ましくない位置推定につながる。
【０００４】
別の従来の手法には、スイッチト・リラクタンス機械が記載されており、この機械は、モータとして動作するか、発電機として動作するか、又はそれらの両方として動作するかに関わらず、トルク・リップル及び音響雑音が最小量でありながら、電力密度及びトルク生成が向上したＳＲＭを提供するような固定子極と回転子極の数の新しい関係を有する。この発明は、Ｓ／Ｒの極数が６極／１０極、８極／１４極、又は１０極／１８極の構成など、Ｒ＝２Ｓ−２として表すことができる固定子極Ｓ個、ここでＳ＞２、及び回転子極Ｒ個の、凸型の回転子極と固定子極の数値関係を有するＳＲＭを提供する。また、この発明は、回転機械の例示的な形態に関して記載されるが、他の形態の回転機械に加えて、線形機械及び反転機械にも等しく適用可能である。だが、この手法は、１つの特定の式を記載しており、この式は、所与の数の固定子極に対して、回転子極の考えられる数を１つしか記載していない。例として、１６個の固定子極から３０個の回転子極が導かれる。
【０００５】
別の手法には、１つ又は複数の相を支持するＳＲＭが記載されており、各相は、固定子、回転子、及びコイルを備える。固定子は中空の円筒状であり、隣接する固定子極同士の間に凹所が形成されるように、内向きに延在する固定子極を備える。コイルは固定子極に巻かれ、凹所を占めている。回転子は、固定子の内側に位置決めされ、外向きに延在する極を有する。回転子極及び固定子極は、回転中心において最大値０．５の電極ピッチを有する角に対する。異なる相が、ＳＲＭの軸に沿って分配される。動きを維持するのに必要な最小転流角を回転子が回って通るまで、電流を制御した状態で相に通電し、この相に蓄積されたエネルギーを使用することにより相を惰性で回転させることによって相への通電を停止し、それと同時に、連続して隣接した第２の相に通電することによって生成されるリラクタンス・トルクにより、回転子が回転する。この従来の手法は、回転子及び固定子の組合せを２倍にしただけであり、機械の中の磁気回路（磁束経路）と、固定子極又は回転子極の数とのいかなる関係も提示していない。
【０００６】
さらに別の手法には、２相のスイッチト・リラクタンス機械が記載されており、この機械は、低コストで高性能な駆動装置の一部として効果的に使用するための固定子として、不連続なコア構造体を使用する。この不連続な固定子コア構造体は、回転子の位置に関わらず、回転子極と、固定子の不連続なコア構造体の固定子極との間で、短い磁束経路及び最大オーバーラップを含む。このようなコア構造体の例示的な構成には、Ｅコア、Ｌコア、及びＩコアの構成がある。鋼及びマグネット・ワイヤの使用を、従来のＳＲＭ設計より少なくすることにより、固定子材料及び巻線材料のコスト節約がもたらされる。より短い磁束経路によってコア損失が低減し、相抵抗の低下によって銅損が低減するので、この新規のＳＲＭの効率が改善される。新規のＳＲＭを２相同時に励磁することによって、転流中のトルク・リップルを、既存の２相ＳＲＭに比べて低減することができる。この従来の手法は、縮小した固定子を有するＨＲＳＲＭのもう１つの幾何形状を紹介しているが、異なる構成を予測するのに使用することができるいかなる電磁的な関係も示していない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、固定子極よりも多数の回転子極を備え、大きいトルク・リップル及び音響雑音の問題に対処することのできる多回転子極のスイッチト・リラクタンス機械（ＨＲＳＲＭ）が必要とされている。こうしたスイッチト・リラクタンス機械は、トルク・リップルを最小量にすることができ、さらに機械のトルク品質を向上させることができる。こうしたＨＲＳＲＭは、特定の数式によって定義される数値関係を利用して、回転子極と固定子極の複数の組合せを提供する。こうした機械は、雑音性能及び設計の融通性を向上させやすい。本実施形態は、これらの重要な目的を達成することによって、この分野の上述した欠点を克服する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
先行技術に見出された制限を最小に抑えるため、また本明細書を読めば明らかになる他の制限を最小に抑えるために、本発明は、複数の固定子極を含む固定子と、複数の回転子極を含む回転子とを備える多回転子極のスイッチト・リラクタンス機械（ＨＲＳＲＭ）であって、数式：
Ｒn＝２Ｓn−Ｆp
によって定義される数値関係を利用して、回転子極と固定子極の複数の組合せを提供する多回転子極のスイッチト・リラクタンス機械（ＨＲＳＲＭ）であり、ここで、Ｓn＝ｍ×Ｆp、Ｆp＞２、ｍ＞１、並びにｍ及びＦpが独立変数であり、Ｒnが回転子極の数であり、Ｓnが固定子極の数であり、Ｆpが、固定子極と回転子極が完全に整列したときの固定子における独立した磁束経路の最大数であり、ｍが相の数である。
【０００９】
本発明は、回転子極／固定子極の構成を改善することにより、発生する雑音及び振動を低減することができるスイッチト・リラクタンス機械（ＳＲＭ）に関する。改善された構成によって、回転子位置に対するインダクタンスの変化率を高くすることができ、それにより機械のトルク品質を改善することができる。提案する式は、選択されたｍ及びＦpについて固定子極及び回転子極の特定の数をもつ、雑音性能及び設計の融通性を改善する数式を提示する。一例では、４相の機械であるｍ＝４、且つ、考えられる４つの独立した磁束経路のある機械を表すＦp＝４のとき、結果的に１６極／２８極のＳＲＭが得られる。この式の実施形態は、固定子極と回転子極のいくつかの他の実行可能な組合せによって説明されてもよい。提案する式を利用して、様々な数の相及び固定子／回転子の構成をもつ機械を設計することが可能である。本発明は、回転式又は線形の両方の設計に応用できるＳＲＭであって、トルク・リップル及び音響雑音が最小量でありながら、電力密度及びトルク生成が向上したＳＲＭを提供するような固定子極と回転子極の数の関係を含むＳＲＭを提供する。特に、本発明は、Ｓｎ／Ｒｎの極数が１６極／２８極の構成である機械など、Ｒｎ＝２Ｓｎ−Ｆｐとして表すことができる固定子極Ｓｎ個、及び回転子極Ｒｎ個の、凸型の回転子極及び固定子極の数値関係を有するＳＲＭを提供する。本発明は、モータとして動作するか、発電機として動作するか、又はそれらの両方として動作するかにかかわらず、ＳＲＭを提供する。提案されるトポロジは、従来のＳＲＭとほとんど同様に、整列したときに最高のインダクタンスを有し、整列していない位置で最低のインダクタンスを有する。従来のＳＲＭに採用されるすべての従来のパワー・エレクトロニック・コンバータ及び制御ストラテジを、提案するＳＲＭに適用することができる。提案するＳＲＭは、１回転当たりのストローク数が多いことから、より滑らかなトルク・プロファイルを呈する。これにより、従来のＳＲＭに比べてより良好なピーク及び平均のトルク・プロファイルが提供される。
【００１０】
本発明の第１の目的は、動作中に機械から発生する雑音特性及び振動レベルが低減されたＨＲＳＲＭを提供することである。
【００１１】
本発明の第２の目的は、従来のＳＲＭ及びＨＲＳＲＭに比べて、機械のトルク・リップルが最小量でトルク品質が改善されたＨＲＳＲＭを提供することである。
【００１２】
本発明の第３の目的は、高電力密度及び高トルクのＨＲＳＲＭを提供することである。
【００１３】
本発明の第４の目的は、様々な相の数を有するＨＲＳＲＭを提供することである。
【００１４】
本発明の第５の目的は、数式によって定義される数値関係を利用して、回転子極と固定子極の複数の組合せを有するＨＲＳＲＭを提供することである。
【００１５】
本発明の第６の目的は、高い信頼性及び効率を呈するＨＲＳＲＭを提供し、それによりこうしたモータの消費者コストを低減することである。
【００１６】
本発明の第７の目的は、ＨＲＳＲＭ内の独立した磁束経路を考慮した数学的設計式を提示することである。
【００１７】
本発明の上記その他の利点及び特徴は、当業者にとって本発明を理解可能なものにするために、具体的に説明される。
【００１８】
図中の要素は、これらをさらにわかりやくし、本発明のこれら様々な要素及び実施形態の理解を向上させるために、必ずしも原寸に比例して描かれていない。さらに、本発明の様々な実施形態の明確な図を提供するために、当業界において一般的であり、よく理解されていることが知られている要素は示していない。したがって、明瞭且つ簡潔にするために、図では形式上一般化されている。
【００１９】
本発明の前述した態様、及びそれに伴う利点の多くは、添付のチャート及び図面とともに以下の詳細な説明を参照することによって同発明がよりよく理解されるときに、より容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】スイッチト・リラクタンス・モータの断面図である。
【００２１】
【図２】提案する式の例としての１６極／２８極ＳＲＭを示す図である。
【００２２】
【図３】提案する式の例としての１６極／２８極ＳＲＭの３Ｄ図である。
【００２３】
【図４Ａ】本発明の好ましい実施形態による、コイル及び回転子組立体のない１６極／２８極ＳＲＭの１６個の固定子極を示す図である。
【００２４】
【図４Ｂ】本発明の好ましい実施形態による、固定子組立体のない１６極／２８極ＳＲＭの２８個の回転子極を示す図である。
【００２５】
【図５Ａ】４つの独立した短磁束経路ができるように修正することができる１６極／２８極ＳＲＭのコイル構成を示す図である。
【００２６】
【図５Ｂ】４つの独立した短磁束経路ができるように修正することができる１６極／２８極ＳＲＭのコイル構成を示す図である。
【００２７】
【図５Ｃ】交互の巻線組合せを示す１６極／２８極ＳＲＭの有限要素解析シミュレーションを示す図である。
【００２８】
【図６】多回転子極のスイッチト・リラクタンス機械（ＨＲＳＲＭ）のための回転子極の数を推定する方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明のいくつかの実施形態及び用途について検討する以下の説明では、本発明の一部を構成する添付図面を参照し、添付図面には、本発明が実施され得る特定の実施形態が例として示される。本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態が利用されてもよく、変更が加えられてもよいことが、理解されるべきである。
【００３０】
本発明の様々な特徴を以下で説明するが、これらの特徴は、それぞれを互いに独立して使用することも、他の特徴と組み合わせて使用することもできる。しかし、本発明の任意の単一の特徴は、上で論じた課題のいずれにも対処しない場合があり、又は上記で説明した課題のうちの１つ又は複数に対処する場合がある。さらに、上記で説明した課題のうちの１つ又は複数は、以下に説明する特徴のうちのいずれの特徴によっても完全には対処されない場合がある。ここで、本発明の範囲及び領域を限定しない添付図面を参照しながら、本発明を説明する。本発明のいくつかの実施形態及び用途を検討する以下の説明では、本発明の一部を構成する添付図面を参照し、添付図面には、本発明が実施され得る特定の実施形態が例として示される。本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態が利用されてもよく、変更が加えられてもよいことが、理解されるべきである。
【００３１】
本発明は、
数式：Ｒn＝２Ｓn−Ｆp
によって定義される数値関係を利用して、回転子極と固定子極の複数の組合せをロバイドし、ここで、Ｓn＝ｍ×Ｆp、Ｆp＞２、ｍ＞１、並びにｍ及びＦpは独立変数であり、Ｒnは回転子極の数であり、Ｓnは固定子極の数であり、Ｆpは、固定子と回転子の極が完全に整列したときの固定子における独立した磁束経路の最大数を表し、且つＦp＞２であり、ｍは相の数であり、且つｍ＞１であり、ｍ及びＦpは独立変数である。
【００３２】
まず図１を見ると、スイッチト・リラクタンス・モータ１００の断面図が示してある。スイッチト・リラクタンス・モータ１００は、固定子１０２と、固定子１０２の内側で回転する回転子１０４と含む。固定子１０２は、複数の固定子極１０６を含み、回転子１０４は、複数の回転子極１０８を含む。回転子１０４が回転すると、空隙１１０によって、固定子極１０６が回転子極１０８から離れる。図１に示すスイッチト・リラクタンス・モータ１００は、固定子１０２が８個の固定子極１０６を含み、回転子１０４が６個の回転子極１０８を含むので、８極／６極ＳＲＭと呼ばれる。スイッチト・リラクタンス・モータ１００の固定子極と回転子極の他の実行可能な組合せは、本発明の教示から恩恵を受けることができる。巻線１１２、例えば銅巻線は、各固定子極１６の周りに巻かれる。正反対にある固定子極１０６の対の巻線１１２は、直列又は並列に接続される。相電流は、直列又は並列に接続された固定子極１０６の対の巻線１１２を通って送られ、固定子１０２に対する回転子１０４の角度位置に基づきオン及びオフにされる。
【００３３】
励磁した固定子極１０６に回転子極１０８が吸引されることによって、スイッチト・リラクタンス・モータ１００において電磁トルクが生成される。例えば、固定子極１０６の巻線１１２を通る電流をオンにすることにより固定子極１０６を励磁すると、空隙１１０に電磁力密度が作られる。この電磁力密度の接線成分に起因して、固定子極１０６の近くの回転子極１０８が固定子極１０６に吸引される。同様に、固定子極１０６の近くの、正反対にある回転子極１０８が、固定子極１０６に吸引され、自らをそれに整列させようとする。こうして、電磁トルクの力が生成され、回転子１０４を反時計回りに回す。
【００３４】
図２は、１６個の集中固定子コイル／固定子極１０６、及び２８個の回転子極１０８を有する、提案する式の例としての１６極／２８極ＳＲＭを示す。図３は、１６個の集中固定子コイル／固定子極１０６及び２８個の回転子極１０８を有する回転子と固定子を示す、提案する式の例としての１６極／２８極ＳＲＭの３Ｄ図を示す。
【００３５】
図４Ａは、本発明の好ましい実施形態による、コイル及び回転子組立体のない１６極／２８極ＳＲＭの１６個の固定子極１０６を示す。図４Ｂは、本発明の好ましい実施形態による、固定子組立体のない１６極／２８極ＳＲＭの２８個の回転子極１０８を示す。
【００３６】
図５Ａ及び図５Ｂは、４つの独立した短磁束経路１４０Ａ〜１４０Ｄができるように修正することができる１６極／２８極ＳＲＭのコイル構成を示す。図５Ａは、２つの独立した磁束経路１４０Ａ及び１４０Ｂ、機械内の第２の四分円１３２、並びに第４の四分円１３６を示す１６極／２８極ＳＲＭの有限要素解析シミュレーションを示す。図５Ｂは、２つの独立した他の磁束経路１４０Ｃ及び１４０Ｄ、機械内の第１の四分円１３０、並びに第３の四分円１３４を示す１６極／２８極ＳＲＭの有限要素解析シミュレーションを示す。図５Ｃは、交互の巻線組合せを示し、機械内の４つの独立した磁束経路１４０Ｅ、１４０Ｆ、１４０Ｇ、及び１４０Ｈになる１６極／２８極ＳＲＭの有限要素解析シミュレーションを示す。さらに別の実施形態では、ＳＲＭは、外部回転子／内部固定子の設計である。
【００３７】
図６に示すように、複数の回転子極を含む回転子と、それぞれが複数の巻線を有する複数の固定子極を含む固定子とを備える多回転子極のスイッチト・リラクタンス機械（ＨＲＳＲＭ）のための回転子極の数を推定する方法が開示される。図６の第１のステップは、ブロック１５２に示すように、複数の回転子極を含む回転子と、それぞれが複数の巻線を有する複数の固定子極を含む固定子とを備えるＨＲＳＲＭを提供することを含む。次いで、ブロック１５４に示すように、少なくとも１つの固定子極に通電する。ここで、残りの固定子極の巻線のそれぞれは開回路状態である。ブロック１５６に示すように、上記の少なくとも１つの固定子極に電流を流す。次に、ブロック１５８に示すように、磁束を誘導し、その磁束は複数の固定子極を通る経路をたどる。ブロック１６０に示すように、固定子極と回転子極が完全に整列したときの固定子における独立した磁束経路の最大数（Ｆp）を記憶する。次いで、ブロック１６２に示すように、相の数（ｍ）を算出する。最後に、数式Ｓn＝ｍ×Ｆpを利用して固定子極の数（Ｓn）を判定することであって、ここで、Ｆp＞２、ｍ＞１、ｍ及びＦpは独立変数である判定することが、ブロック１６４に示される。したがって、ブロック１６６に示すように、数式Ｒn＝２Ｓn−Ｆpを利用して回転子極の数（Ｒn）を推定することが達成される。
【００３８】
本発明は、回転子極／固定子極の構成を改善することにより、発生する雑音及び振動を低減することができるスイッチト・リラクタンス機械（ＳＲＭ）に関する。改善された構成によって、回転子位置に対するインダクタンスの変化率を高くすることができ、それにより機械のトルク品質を改善することができる。システムは、ある数値関係にある凸型の回転子極と固定子極を有するスイッチト・リラクタンス機械を提供する。提案する式は、選択されたｍ及びＦpについて固定子及び回転子の極の特定の数をもつ、雑音性能及び設計の融通性を改善する数式を提示する。一例では、４相の機械であるｍ＝４、且つ、考えられる４つの独立した磁束経路をもつ機械であるＦｐ＝４のとき、結果的に１６極／２８極のＳＲＭが得られる。
表１：提案する式をｍ＝４として使用した、固定子極と回転子極の実行可能な組合せの、すべてではないが一部は以下の通りである。
【００３９】
【表１】
2020522212.tif 000003
【００４０】
この式の実施形態は、固定子極と回転子極のいくつかの他の実行可能な組合せによって説明することができる。提案する式を利用して、様々な数の相及び固定子／回転子の構成をもつ機械を設計することが可能である。本発明は、回転式又は線形の両方の設計に応用できるＳＲＭであって、トルク・リップル及び音響雑音が最小量でありながら、電力密度及びトルク生成が向上したＳＲＭを提供するような固定子極と回転子極の数の関係を含むＳＲＭを提供する。特に、本発明は、Ｓn／Ｒnの極数が１６極／２８極の構成など、Ｒn＝２Ｓn−Ｆpとして表すことができる固定子極Ｓｎ個、及び回転子極Ｒｎ個の、凸型の回転子極と固定子極の数値関係を有するＳＲＭを提供する。本発明は、モータとして動作するか、発電機として動作するか、又はそれらの両方として動作するかにかかわらず、ＳＲＭを提供する。提案されるトポロジは、従来のＳＲＭとほとんど同様に、整列したときに最高のインダクタンスを有し、整列していない位置で最低のインダクタンスを有する。従来のＳＲＭに採用されるすべての従来のパワー・エレクトロニック・コンバータ、及び制御ストラテジを、提案するＳＲＭに適用することができる。提案するＳＲＭは、１回転当たりのストローク数が多いことから、より滑らかなトルク・プロファイルを呈する。これにより、従来のＳＲＭに比べてより良好なピーク及び平均のトルク・プロファイルが提供される。より細い固定子極は、より高い占積率、すなわち、より多くの巻線を容易にし、これにより、相巻線の巻線抵抗、及び熱限界が著しく改善される。
【００４１】
本発明の好ましい実施形態の前術の説明は、例示及び説明を目的として提示されてきた。前の説明は、排他的であること、又は開示された厳密な形態に本発明を限定することを意図していない。上記の教示に照らして、多くの修正形態及び変形形態が可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によって限定されるべきではなく、添付の特許請求の範囲、及びその等価物によって限定されることが意図される。
【図１】
2020522212.tif 000004
【図２】
2020522212.tif 000005
【図３】
2020522212.tif 000006
【図４Ａ】
2020522212.tif 000007
【図４Ｂ】
2020522212.tif 000008
【図５Ａ】
2020522212.tif 000009
【図５Ｂ】
2020522212.tif 000010
【図５Ｃ】
2020522212.tif 000011
【図６】
2020522212.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】令和1年12月2日(2019.12.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多回転子極のスイッチト・リラクタンス機械（ＨＲＳＲＭ）であって、
複数の固定子極を含む固定子と、
複数の回転子極を含む回転子と、を備え、
前記複数の回転子極が、前記複数の固定子極とある数値関係にあり、
数式：Ｒｎ＝２Ｓｎ−Ｆｐ、
によって定義される前記数値関係を利用して、前記固定子極と前記回転子極の複数の組合せを提供し、
ここで、Ｓｎ＝ｍ×Ｆｐ、Ｆｐ＞２、ｍ＞１、並びに、ｍ及びＦｐは独立変数であり、Ｒｎは前記回転子極の数であり、Ｓｎは前記固定子極の数であり、Ｆｐは、前記固定子極と前記回転子極が完全に整列したときの前記固定子における独立した磁束経路の最大数であり、ｍは相の数であり、前記相の数と前記独立した磁束経路の最大数は、前記固定子極と前記回転子極の複数の組合せを決定する、ＨＲＳＲＭ。
【請求項２】
様々な数の相をさらに含む、請求項１に記載のＨＲＳＲＭ。
【請求項３】
前記数式により、選択されたｍ及びＦｐについて前記固定子極及び前記回転子極の特定の数が提供される、請求項１又は２に記載のＨＲＳＲＭ。
【請求項４】
前記回転子は、前記固定子の外側にある、請求項１から３のいずれか一項に記載のＨＲＳＲＭ。
【請求項５】
各回転子極は、前記回転子極の周囲の周りで前記固定子極の磁束を曲げる役割を果たす複数の磁束ガイドを構成する、請求項１から４のいずれか一項に記載のＨＲＳＲＭ。
【請求項６】
多回転子極のスイッチト・リラクタンス機械（ＨＲＳＲＭ）であって、
複数の固定子極を含む固定子と、
複数の回転子極を含む回転子と、を備え、
前記ＨＲＳＲＭは、
数式：Ｒｎ＝２Ｓｎ−Ｆｐ、
によって定義される数値関係を利用して、前記回転子極と前記固定子極の複数の組合せを提供し、
ここで、Ｓｎ＝ｍ×Ｆｐ、Ｆｐ＞２、ｍ＞１、並びに、ｍ及びＦｐが独立変数であり、Ｒｎが前記回転子極の数であり、Ｓｎが前記固定子極の数であり、Ｆｐが、前記固定子極と前記回転子極が完全に整列したときの前記固定子における独立した磁束経路の最大数であり、ｍが相の数であり、前記相の数と前記独立した磁束経路の最大数は、前記回転子極と前記固定子極の複数の組合せを決定する、ＨＲＳＲＭ。
【請求項７】
回転子位置に対するインダクタンスの高い変化率であって、前記スイッチト・リラクタンス機械のトルク品質を改善可能な前記変化率をさらに提供する、請求項６に記載のＨＲＳＲＭ。
【請求項８】
様々な数の相をさらに含む、請求項６又は７に記載のＨＲＳＲＭ。
【請求項９】
前記数式により、選択されたｍ及びＦｐについて前記固定子極及び前記回転子極の特定の数が提供される、請求項６から８のいずれか一項に記載のＨＲＳＲＭ。
【請求項１０】
前記回転子は、前記固定子の外側にある、請求項６から９のいずれか一項に記載のＨＲＳＲＭ。
【請求項１１】
各回転子極は、前記回転子極の周囲の周りで前記固定子極の磁束を曲げる役割を果たす複数の磁束ガイドを構成する、請求項６から１０のいずれか一項に記載のＨＲＳＲＭ。
【請求項１２】
複数の回転子極を含む回転子と、それぞれが複数の巻線を有する複数の固定子極を含む固定子と、を備え、前記回転子極と前記固定子極の複数の組合せを提供する多回転子極のスイッチト・リラクタンス機械（ＨＲＳＲＭ）のための回転子極の数を推定する方法であって、
（ａ）少なくとも１つの固定子極に通電するステップであって、残りの固定子極の前記巻線のそれぞれが開回路状態である、通電するステップと、
（ｂ）前記少なくとも１つの固定子極に電流を流すステップと、
（ｃ）磁束を誘導するステップであって、前記磁束は、前記複数の固定子極を通る経路をたどる、誘導するステップと、
（ｄ）固定子極と回転子極が完全に整列するときに前記固定子における独立した磁束経路の最大数（Ｆｐ）を記憶するステップと、
（ｅ）相の数（ｍ）を算出するステップと、
（ｆ）数式：Ｓｎ＝ｍ×Ｆｐ、
を利用して固定子極の数（Ｓｎ）を判定するステップであって、
Ｆｐ＞２、ｍ＞１、ｍ及びＦｐが独立変数であり、前記相の数と前記独立した磁束経路の最大数が、前記回転子極及び固定子極の複数の組合せを決定する、判定するステップと、
（ｇ）数式：Ｒｎ＝２Ｓｎ−Ｆｐ、
を利用して前記回転子極の数（Ｒｎ）を推定するステップと、
を含む方法。
【請求項１３】
回転子位置に対するインダクタンスの高い変化率であって、前記スイッチト・リラクタンス機械のトルク品質を改善可能な前記変化率を提供する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
様々な数の相を有する前記スイッチト・リラクタンス機械を可能にする、請求項１２又は１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記数式により、改善された雑音性能及び設計の融通性が前記スイッチト・リラクタンス機械に与えられる、請求項１２から１４のいずれか一項に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
本発明の好ましい実施形態の前術の説明は、例示及び説明を目的として提示されてきた。前の説明は、排他的であること、又は開示された厳密な形態に本発明を限定することを意図していない。上記の教示に照らして、多くの修正形態及び変形形態が可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によって限定されるべきではなく、添付の特許請求の範囲、及びその等価物によって限定されることが意図される。
以下の項目は、国際出願時の特許請求の範囲に記載の要素である。
（項目１）
多回転子極のスイッチト・リラクタンス機械（ＨＲＳＲＭ）であって、
複数の固定子極を含む固定子と、
複数の回転子極を含む回転子と、を備え、
前記複数の回転子極が、前記複数の固定子極とある数値関係にあり、
数式：Ｒｎ＝２Ｓｎ−Ｆｐ、
によって定義される前記数値関係を利用して、前記固定子極と前記回転子極の複数の組合せを提供し、
ここで、Ｓｎ＝ｍ×Ｆｐ、Ｆｐ＞２、ｍ＞１、並びに、ｍ及びＦｐは独立変数であり、Ｒｎは前記回転子極の数であり、Ｓｎは前記固定子極の数であり、Ｆｐは、前記固定子極と前記回転子極が完全に整列したときの前記固定子における独立した磁束経路の最大数であり、ｍは相の数である、ＨＲＳＲＭ。
（項目２）
様々な数の相をさらに含む、項目１に記載のＨＲＳＲＭ。
（項目３）
前記数式により、選択されたｍ及びＦｐについて前記固定子極及び前記回転子極の特定の数が提供される、項目１に記載のＨＲＳＲＭ。
（項目４）
前記ＨＲＳＲＭは、モータとして、発電機として、又はそれらの両方として動作してもよい、項目１に記載のＨＲＳＲＭ。
（項目５）
前記回転子極の数は、前記固定子極の数よりも多い、項目１に記載のＨＲＳＲＭ。
（項目６）
回転式の設計に利用される、項目１に記載のＨＲＳＲＭ。
（項目７）
線形の設計に利用される、項目１に記載のＨＲＳＲＭ。
（項目８）
前記回転子は、前記固定子の外側にある、項目１に記載のＨＲＳＲＭ。
（項目９）
各回転子極は、前記回転子極の周囲の周りで前記固定子極の磁束を曲げる役割を果たす複数の磁束ガイドを構成する、項目１に記載のＨＲＳＲＭ。
（項目１０）
前記回転子極の前記複数の磁束ガイドが前記固定子極と整列したときに、最大インダクタンスが得られ、前記回転子極の前記複数の磁束ガイドが前記固定子極と整列していないときに、最小インダクタンスが得られる、項目９に記載のＨＲＳＲＭ。
（項目１１）
多回転子極のスイッチト・リラクタンス機械（ＨＲＳＲＭ）であって、
複数の固定子極を含む固定子と、
複数の回転子極を含む回転子と、を備え、
前記ＨＲＳＲＭは、
数式：Ｒｎ＝２Ｓｎ−Ｆｐ、
によって定義される数値関係を利用して、前記回転子極と前記固定子極の複数の組合せを提供し、
ここで、Ｓｎ＝ｍ×Ｆｐ、Ｆｐ＞２、ｍ＞１、並びに、ｍ及びＦｐが独立変数であり、Ｒｎが前記回転子極の数であり、Ｓｎが前記固定子極の数であり、Ｆｐが、前記固定子極と前記回転子極が完全に整列したときの前記固定子における独立した磁束経路の最大数であり、ｍが相の数である、ＨＲＳＲＭ。
（項目１２）
回転子位置に対するインダクタンスの高い変化率をさらに提供する、項目１１に記載のＨＲＳＲＭ。
（項目１３）
様々な数の相をさらに含む、項目１１に記載のＨＲＳＲＭ。
（項目１４）
前記数式により、選択されたｍ及びＦｐについて前記固定子極及び前記回転子極の特定の数が提供される、項目１１に記載のＨＲＳＲＭ。
（項目１５）
前記ＨＲＳＲＭは、モータとして、発電機として、又はそれらの両方として動作してもよい、項目１１に記載のＨＲＳＲＭ。
（項目１６）
前記回転子極の数は、前記固定子極の数よりも多い、項目１１に記載のＨＲＳＲＭ。
（項目１７）
回転式の設計に利用される、項目１１に記載のＨＲＳＲＭ。
（項目１８）
線形の設計に利用される、項目１１に記載のＨＲＳＲＭ。
（項目１９）
前記回転子は、前記固定子の外側にある、項目１１に記載のＨＲＳＲＭ。
（項目２０）
各回転子極は、前記回転子極の周囲の周りで前記固定子極の磁束を曲げる役割を果たす複数の磁束ガイドを構成する、項目１１に記載のＨＲＳＲＭ。
（項目２１）
前記回転子極の前記複数の磁束ガイドが前記固定子極と整列したときに、最大インダクタンスが得られ、前記回転子極の前記複数の磁束ガイドが前記固定子極と整列していないときに、最小インダクタンスが得られる、項目２０に記載のＨＲＳＲＭ。
（項目２２）
前記固定子極は細く、それにより高い占積率を容易にする、項目１１に記載のＨＲＳＲＭ。
（項目２３）
複数の回転子極を含む回転子と、それぞれが複数の巻線を有する複数の固定子極を含む固定子と、を備える多回転子極のスイッチト・リラクタンス機械（ＨＲＳＲＭ）のための回転子極の数を推定する方法であって、
（ａ）少なくとも１つの固定子極に通電するステップであって、残りの固定子極の前記巻線のそれぞれが開回路状態である、通電するステップと、
（ｂ）前記少なくとも１つの固定子極に電流を流すステップと、
（ｃ）磁束を誘導するステップであって、前記磁束は、前記複数の固定子極を通る経路をたどる、誘導するステップと、
（ｄ）固定子極と回転子極が完全に整列するときに前記固定子における独立した磁束経路の最大数（Ｆｐ）を記憶するステップと、
（ｅ）相の数（ｍ）を算出するステップと、
（ｆ）数式：Ｓｎ＝ｍ×Ｆｐ、
を利用して固定子極の数（Ｓｎ）を判定するステップであって、
Ｆｐ＞２、ｍ＞１、ｍ及びＦｐが独立変数である、判定するステップと、
（ｇ）数式：Ｒｎ＝２Ｓｎ−Ｆｐ、
を利用して前記回転子極の数（Ｒｎ）を推定するステップと、
を含む方法。
（項目２４）
トルク・リップルを最小量にすることができ、さらに前記スイッチト・リラクタンス機械のトルク品質を向上させる、項目２３に記載の方法。
（項目２５）
回転子位置に対するインダクタンスの高い変化率を提供する、項目２３に記載の方法。
（項目２６）
様々な数の相を有する前記スイッチト・リラクタンス機械を可能にする、項目２３に記載の方法。
（項目２７）
前記数式により、改善された雑音性能及び設計の融通性が前記スイッチト・リラクタンス機械に与えられる、項目２３に記載の方法。
（項目２８）
前記スイッチト・リラクタンス機械が、１回転当たりのストローク数が多いことから、滑らかなトルク・プロファイルを呈する、項目２３に記載の方法。
（項目２９）
前記固定子極は、高い占積率を容易にするのに十分なほどナローである、項目２３に記載の方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2020522212.tif 000013
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2020522212.tif 000014
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４Ａ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４Ａ】
2020522212.tif 000015
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４Ｂ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４Ｂ】
2020522212.tif 000016
【国際調査報告】
2020522212.tif 000017