JP2013039020A - 横磁束機械 - Google Patents
横磁束機械 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2013039020A JP2013039020A JP2012041016A JP2012041016A JP2013039020A JP 2013039020 A JP2013039020 A JP 2013039020A JP 2012041016 A JP2012041016 A JP 2012041016A JP 2012041016 A JP2012041016 A JP 2012041016A JP 2013039020 A JP2013039020 A JP 2013039020A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- phase
- teeth
- core
- tfma
- rotor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/70—Wind energy
- Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
- Y02T10/62—Hybrid vehicles
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
- Y02T10/64—Electric machine technologies in electromobility
Landscapes
- Synchronous Machinery (AREA)
- Control Of Electric Motors In General (AREA)
- Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
Abstract
【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
【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
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (22)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012041016A JP2013039020A (ja) | 2011-07-13 | 2012-02-28 | 横磁束機械 |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012547216 | 2011-07-13 | ||
JP2012547216 | 2011-07-13 | ||
JP2012041016A JP2013039020A (ja) | 2011-07-13 | 2012-02-28 | 横磁束機械 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2013039020A true JP2013039020A (ja) | 2013-02-21 |
Family
ID=47888070
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2012041016A Pending JP2013039020A (ja) | 2011-07-13 | 2012-02-28 | 横磁束機械 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2013039020A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2018142649A1 (ja) * | 2017-02-04 | 2018-08-09 | 田中 正一 | 多重3相インバータ型モータ装置 |
JP7450150B2 (ja) | 2020-01-30 | 2024-03-15 | 有限会社シー・アンド・エス国際研究所 | リラクタンストルクを発生する同期電動機の数学モデルと同モデルに立脚した模擬・特性解析・制御装置 |
-
2012
- 2012-02-28 JP JP2012041016A patent/JP2013039020A/ja active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2018142649A1 (ja) * | 2017-02-04 | 2018-08-09 | 田中 正一 | 多重3相インバータ型モータ装置 |
JP7450150B2 (ja) | 2020-01-30 | 2024-03-15 | 有限会社シー・アンド・エス国際研究所 | リラクタンストルクを発生する同期電動機の数学モデルと同モデルに立脚した模擬・特性解析・制御装置 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5477161B2 (ja) | ダブルステータ型モータ | |
US8120215B2 (en) | Motor and control unit thereof | |
US10090742B2 (en) | Rotating electric machine | |
US7915778B2 (en) | Electric motor | |
US6177746B1 (en) | Low inductance electrical machine | |
JP5592848B2 (ja) | 横方向磁束型回転電機及び車輌 | |
US7911107B2 (en) | AC electric motor | |
US6590312B1 (en) | Rotary electric machine having a permanent magnet stator and permanent magnet rotor | |
JP4403253B1 (ja) | 磁束量可変軸方向間隙回転電機システム | |
JP6446932B2 (ja) | 回転電機 | |
CN108964396B (zh) | 定子分区式交替极混合励磁电机 | |
EP1230724A1 (en) | Low inductance electrical machine | |
US10320271B2 (en) | Electric machine | |
CN104038002B (zh) | 一种永磁偏置式混合磁轴承开关磁阻电机 | |
JP2010081782A (ja) | スイッチドリラクタンスモータ | |
EP3422541B1 (en) | Self-exciting synchronous reluctance generators | |
WO2012073388A1 (en) | Transverse flux machine | |
JP6424729B2 (ja) | 回転電機 | |
JP2013236412A (ja) | 横磁束機械装置 | |
JP2001145209A (ja) | 車両用回転電機 | |
JP2013039020A (ja) | 横磁束機械 | |
JP3800064B2 (ja) | 車両用回転電機 | |
JP2013165628A (ja) | 横磁束機械 | |
JP2013013304A (ja) | 横磁束機械 | |
JP2009142130A (ja) | 回転電機及び回転電機駆動装置 |