JP2016538817A - 横磁束形電気機械 - Google Patents

Abstract

本発明は、通常ロータではなく固定子上に配置される強磁性体励起素子を用いる、電気横磁束機械（モータまたはジェネレータ）の一例である。励起素子は、ほぼ完結した磁気回路に用いられ、この磁気回路は、ロータの動作によって断続的に完結される。これにより生成された磁束の変化は、巻き線にＥＭＦを生じさせ、ジェネレータやモータにおいて、適切なＥＭＦがモータを回転させるための変化磁束を生じさせる。

Description

本発明は、エネルギー変換装置に関し、特に、ブラシレス電気モータおよびジェネレータに関する。

ブラシレス電気モータおよびジェネレータの出力密度はしばしば重要である。なぜならば、様々な適用分野において、可能な限り小型で軽量の装置が有用であり、また、高価な磁気材料、第一鉄材料、導電性材料を節約できるからである。

横磁束形機械（ＴＦＭ）は、動作方向に直交する磁気回路を利用する。ＴＦＭは、従来の磁束機械よりも高い固有のトルクと出力密度を提供し、高エネルギー生産型の永久磁石材料の出現の恩恵を受けている。

当業者に知られているように、ＴＦＭを含む電気モータおよびジェネレータの出力密度は、その装置のＲＰＭに関連する。なぜならば、高いＲＰＭでより高い効率が得られるからである。そのため、永久磁石や電磁石巻き線等の磁気材料を通常搭載するロータの遠心力が、技術的限界を左右する。

このため、ＲＰＭを向上させてより高い出力密度を得ることにより、ＴＦＭを用いたエネルギー変換装置の性能を向上させることが、長年の課題であった。

本発明は、様々なＴＦＭを実現する。本発明は、「逆横磁束形機械（以降、ＩＴＦＭと称する。）」と呼ばれるＴＦＭの変形である。装置は、ロータの動作によって断続的に完結する、完結に近い磁気回路において、磁気励起素子を用いる。ジェネレータの場合には、このように生成される可変磁束が、巻き線にＥＭＦを生じさせるために用いられる。モータの場合には、モータを回転させるための可変磁束を生じさせるため、に適切なＥＦＭが用いられる。

ＩＴＦＭは、異なる磁束方向を有する磁気回路を完結するために、受動強磁性体（あるいは、磁気透過性の）素子（「スイッチ」）を用いる。

ＩＴＦＭのいくつかの実施形態では、永久磁石等の磁気励起素子は、従来装置のようなロータ上ではなく、固定子上に設けられる。ロータ上には、強磁性体スイッチ素子のみが設けられる。

以下、本発明のシステムおよび方法について実施形態を説明するが、これらはあくまでも例示であり、発明を限定するものではない。さらに、それぞれの固有の説明は、固有の方法またはシステムを実施するものであるが、そのように限定されることを要求するものではなく、そのような開示は、固有の実施形態の使用に関わらず、あらゆる表現を意図したものである。

図１は、従来のＴＦＭを示す。 図２Ａは、ロータ搭載のＣコアと固定子搭載の永久磁石とを用いた３相ＩＴＦＭの一実施形態を示す。 図２Ｂは、ロータ搭載のＣコアと固定子搭載の永久磁石とを用いた３相ＩＴＦＭの一実施形態を示す。 図３は、軸方向に対向する固定子搭載のＣコアとロータ搭載の永久磁石とを用いた一実施形態を示す。 図４は、軸方向において対向する固定子搭載のＣコアとロータ搭載の永久磁石とを２相巻き線と共に用いた一実施形態を示す。 図５は、軸方向において対向する固定子搭載のＣコアとロータ搭載の永久磁石とを２相巻き線と共に用いた一実施形態を示す。 図６は、３つのＣコア実施形態を利用し、固定子搭載の永久磁石を複数のスイッチ素子と共に備えた実施形態を示す。 図７は、３つのＣコア実施形態を利用し、固定子搭載の永久磁石を複数のスイッチ素子と共に備えた実施形態を示す。 図８は、３つのＣコア実施形態を利用し、固定子搭載の永久磁石を複数のスイッチ素子と共に備えた実施形態を示す。 図９は、櫛形（コーム）コアを用いた一実施形態を示す。 図１０は、櫛形（コーム）コアを用いた一実施形態を示す。 図１１は、３つのＩコアを用いた一実施形態を示す。 図１２は、反転Ｃコアを用いた一実施形態を示す。 図１３は、反転Ｃコアを用いた一実施形態を示す。 図１４は、Ｌコアを示す。 図１５は、Ｈコアを用いた一実施形態を示す。 図１６は、Ｅコアを用いた一実施形態を示す。

本発明は、例示のためであって限定的ではない、以下の詳細な実施形態の説明により理解されるであろう。説明を簡潔にするために、周知の特徴、方法、システム、手順、構成要素、回路等については、詳細な説明を省略する。

以下の説明において、「スイッチ」とは、磁気透過性材料（magnetically permeable material）の完結回路またはほぼ完結した回路の部分を通じて、断続的に磁束の方向を切り替えるための、受動強磁性体スイッチング素子を意味する。例えば、図５に示したスイッチは、永久磁石１２を含む。永久磁石１２は、受動強磁性体スイッチング素子１３，１４に磁気的に結合されている。受動強磁性体スイッチング素子１３，１４は、すべて、回転ロータ９上にある。永久磁石がＣコア４または５のようなＣコアによって回転すると、Ｃコアを通過する磁束が誘導され、コアと、エアギャップと、磁石１２を有する強磁性体素子１３および１４とによって、磁気回路が完結する。異なる方向性を有するもう一つの永久磁石が通過すると、Ｃコア４，５内に反対の方向性を有する磁束が誘導される。Ｃコアを通じて磁束の有効な反転を起こさせるためのこのような構成（または、磁気透過性材料のその他の構成）を、受動強磁性体スイッチと称する。

横磁束形機械（ここではＴＦＭ）は、一世紀以上前に最初に特許され、最近になって、高エネルギー永久磁石材料が利用できるようになったことにより、再び注目を集めている。しかしながら、ＴＦＭの完全な三次元構造は、他の電磁気機械よりも複雑な分析を必要とし、その設計を複雑なものとしている。

本発明は、「逆横磁束形機械」またはＩＴＦＭと称されるＴＦＭの変形である。この装置は、ロータの動作によって断続的に完結する、完結に近い磁気回路において、磁気励起素子を用いる。ＩＴＦＭは、磁束方向の変化を伴う回路を完結するために、受動強磁性体（または磁気透過性の）素子を用いる。いくつかの実施形態においては、これにより、待機や休止時間なく、励起のために磁石を用いることができる。これにより、より高い出力密度が得られ、あるいは、必要とされる磁石材料の量を削減することができる。

標準のＴＦＭとは異なり、本発明の磁気励起素子は、概して、固定子に設けることができる。また、ロータに設けられる場合であっても、ＩＴＦＭのデザインによる遠心力に対して耐性がある。

図１は、従来のＴＦＭを示す。このＴＦＭは、Ｃコア強磁性体固定子コア１０１と、リング状の固定子巻き線１０２と、ロータ永久磁石１０３と、強磁性体ロータコア１０４とを有する。当業者にとって明らかなように、ロータが回転すると、永久磁石１０３および強磁性体磁束リンケージセグメント１０５により、磁束コア１０１に断続的な磁束が生じる。図面からわかるように、固定子コア１０１は、三方で、固定子巻き線１０２を囲む。4番目の側面は、ロータ上に、ロータ強磁性体セグメント１０５により完結される。同様に、一つ以上の固定子巻き線が用いられる場合、モータの動作が可能である。ここからよくわかるように、ロータ上で磁石を確実に支持することは、非常に困難である。

本発明は、ＴＦＭの変形例であって、「逆横方向型磁束機械」と呼ばれる（以下ではＩＴＦＭと称する）。本発明において、磁気回路はロータの回転によって完結される。いくつかの実施形態において、ロータは、（例えば）強磁性体素子を、磁気回路を完結させる位置に移動させる。いくつかの実施形態において、例えば、磁力励起素子（永久磁石であっても巻き線であっても）およびほぼ完結した磁気回路が固定素子上に配置される。一方で、前記磁気回路の「欠損」部分は、ロータ上に配置され、当該ロータが回転にともなって前記磁力回路を断続的に完結させる。

（最初の実施例）
図２Ａおよび図２Ｂは、本発明にかかる装置の一実施形態の上面断面図（図２Ａ）と側面断面図（図２Ｂ）である。この実施形態は、固定子１がロータ７の外部に位置する、１相モジュール同期型の３相機械である。固定子ドラム２は、その内周に周期的に配置された強磁性体素子３を備えている。これらの強磁性体素子３は、適切に選択された帯磁方向（図示されているとおり）を持つ永久磁石であっても良く、この場合には、永久磁石機械を実現する。あるいは、強磁性体素子３は、積層されたトランスコアプレートのセットのような磁気透過性材料であっても良く、この場合には、ＤＣ励起巻き線が追加された誘導型機械を実現する。この実施形態は、３相機械を構成するために、図２Ｂに示すように、３つの連続する磁石素子を用いる。

固定子１は、相巻き線４（この場合は、３相機械であるので、３つの巻き線を用いる）を有する。永久磁石を用いる場合には、これらの巻き線は、この機械の動作巻き線としてのみ用いられる。誘導型機械（永久磁石を持たない）の場合は、ＤＣ励起巻き線のセットが追加される。後者の場合、励起巻き線は、励起巻き線におけるトータルの誘電電圧をなくすために、直列に接続されていても良い。

ドラム２は、ベアリング６を保持するディスク５に固定されている。これにより、固定子とロータ７との間の自由な回転が得られる。この実施形態では、ベアリングサポートを機械の一方の側だけで用いる「コンソール」構造が用いられている。ただし、ベアリングサポートは、通常よく見られるように、両側で用いられていても良い。

ロータは、シャフト８および一つまたはそれ以上の強磁性体パッシブ素子のセットをＣコア９の形状で備える（この実施例は３相機械であるので、セットの数は３である）。Ｃコアは、図面からわかるように、機械の回転軸に平行に配置されている。構成の簡略化のために、Ｃコア素子は、Ｃコアをその中心でカットすることにより、２つの半分部分から形成されていても良い。コアは、ディスク１０によってシャフトに強固に固定されている。ディスク１０は、Ｃコア９を保持するために設けられた台座１１を有している。Ｃコアは、固定子巻き線４を三側面から囲い込む。ロータが回転する間、磁気回路の磁束は、磁気励起素子に対するＣコアの位置に応じて断続的に変化する。その結果、相巻き線４は、誘導されたＥＭＦに反応する。この実施例における３相巻き線の電圧は、コアの位置で決定される角度によって適時に相互にシフトされる。例えば、ここに示されているような３相機械の場合は、相互に１２０度（電気的に）シフトされる。装置はジェネレータやモータとして、永久磁石やＤＣ励起を用いる多くの電気機械のように、このように動作する。

この装置の変形例は、シングル相およびマルチ相のジェネレータや、マルチ相のモータを含む。上記のように、マルチ相装置は、一般的に、複数の巻き線を同軸周りに有する。さらなる変形例では、永久磁石の代わりに、ＤＣが供給される電磁石が用いられる。

（効果）
さらなる実施形態を開示する前に、本発明概念の利点について説明する。

この装置に、ロータを囲む外部固定子、あるいはその逆、を適用することが可能である。外部固定子の場合、相巻き線と強磁性体励起素子が固定子に取り付けられ、巻き線を囲むコアは、スピニングロータに取り付けられている。内部固定子の場合は、コアと巻き線は固定子に固定され、受動強磁性体スイッチ素子は、ロータに固定されている。これらの実施形態では、最大のトルクとモーメントを得るための力が発生する半径（radius）を、最大化することができる。

他のＴＦＭ構造のように、それぞれの相に対する固定子巻き線は、回転運動の軸と同心であり、所定の巻き線セットと共通である。他の機械では、通常、それぞれのコアに対して巻き線がある。

磁気回路は、固定子巻き線を囲むＣコアのようなコアのセットを、概して、三側面に（あるいは、円形またはほかの形状のコアの場合、巻き線周りの回転のほとんどを完結させるように）備える。磁気回路を完結させるために必要な残りの部分は、強磁性体素子（モータまたはジェネレータ用の強磁性または永久磁石材料）で構成される。

コアは、Ｃコア（概ね「Ｃ」形状の断面、または、環状体の一部、あるいは、他の同様の形状を持つ）であっても良い。コアをほとんど完結な回路として形成することが好ましい。

本発明のコアは、渦電流を防止するために、全体が変圧器用鋼を用いて形成されていても良い。

固定子は、通常とは異なる構成において、切り替わる極性を持つ、磁気的にアクティブな素子のセットを含む。

装置は、様々な分野に適用することができる。例えば、トランスミッションを必要としない主電源またはハブモータとしての自動車用の電気モータ、電車用の電気モータ、コンプレッサモータ、ジェネレータ、風力タービン、シャフトジェネレータ、等に適用できる。

本発明の様々な実施形態において、磁石は、ロータとは対照的に、固定子上に配置される（不可避の磁力に加えて磁石上に遠心力が働かないので、信頼性の高いデザインを用いることが容易になる）。

さらに、反対の極性を持つ磁石が相対的に離して配置されるので、ロータに磁石が配置されている場合（一般的に磁石間の距離がより近く磁束がより強い）に比較して、磁束の漏れを小さくすることができる。これにより、リアクタンスを小さくし、力率を改善することができる。

（永久磁石の使用）
永久磁石を用いるＩＴＦＭの単相の実施形態では、ジェネレータのみ（モータではなく）が実施される。あるいは、ＩＴＦＭは、適切な相オフセットを生じさせるように配置された複数セットの巻き線、コア、および磁石を用いる、マルチ相のジェネレータまたはモータとして実施することができる。この構成によれば、図２~図４に示したような内部ロータ、または外部ロータ、を有する装置として実施できる。

誘導型機械の場合は、相巻き線に加えて、励起巻き線を必要とする。この場合、励起巻き線の全てを、内部でＥＭＦが誘導されないように、直列に巻いても良い。

このデザインによれば、図４に示したような内部ロータ、または、外部ロータ、を用いることが可能となる。説明の便宜上、図４の装置は、外部ロータを有するものとして変更できる。基盤５は固定された軸８に取り付けられ、ディスク９は回転ドラム２に接続されている。

いくつかの実施形態では、ロータは、固定子の中に配置されており、Ｃコア素子はロータ上に配置され、励起素子は外部固定子上に配置されている。

強磁性体素子は、永久磁石、または、渦電流を最小化するための積層された鋼層であっても良い。コアは、Ｃコアまたは環状体の一部であっても良い。

一般的に、磁束回路は、鉄損を最小化するために、全ての磁束が押し出し方向においてＣコアを通過するように設計されている。

全ての場合において、固定子相巻き線は、シングル巻き（single winding）で巻かれていても良いし、分割巻き（split winding）を用いて巻かれていても良い。

全ての場合において、ロータは、強磁性体素子を保持するシングルディスクであっても良いし、二つのディスクに分割されていても良い。

（ボビン）
ボビンは、本発明の多くの実施形態において、３つの異なる目的のために同時に使用される。すなわち、巻き線を保持するため、（Ｃコアの）励起素子の分配のため、および、トルクを固定子コアからハウジングドラムへ伝達するため、である。

（他の実施形態）
本発明は、様々な構成によって実施可能である。例えば、
積層された鋼層、Ｃ，Ｔ，Ｈコーム（ｃｏｍｂ）等の構成を持つ磁束スイッチ、
積層された鋼層、Ｃ，Ｔ，Ｅ，Ｈ等の構成を持つ磁気回路の固定子部、
一相巻き線または一相につき２つの巻き線の使用、
強磁性体素子を保持するシングルディスクに基づく、または、複数のディスクを備えた、ロータ構造。

考えられる変形例を以下に示す。

１．軸方向に対向するＣコアの実施形態
図３は、横向きに対向するコアを用いた装置のさらなる実施形態を示す。本実施形態のこの例では、固定子１は、ドラム２を含む。ドラム２の上には、基盤３が取り付けられている。アジマスリング４の形をした巻き線が、左または右に交互に向いたＣコア５（この例では強磁性体パッシブスイッチ）に発生する磁束の変化を包囲するために用いられる。これにより、一つのコアは、巻き線を一つの方向から包囲し（図中でその脚部が右にあるＣコアのように）、もう一つの半分が、他方の方向に配置されている（図中で、最初のＣコアの背後で、その脚部が左側に向けて配置されている他方のコアのように）。前記Ｃコア５は、基盤３によって定位置に固定されている。この基盤はボビンを含んでいても良い。このように、ボビンは、巻き線の支持のためと、Ｃコアの分配のためと、固定子からハウジングドラムへのトルク伝達のために用いられる。ドラム２は、ロータ軸８を保持するベアリング７ディスク６の二面に取り付けられている。

ロータ８は、半径方向に配置された磁気励起素子１０を保持するディスク９に取り付けられている。これらの素子は、図に示すような極性を持つ硬い強磁性体材料からなる永久磁石であっても良い。この場合、同期永久磁石機械を構成することができる。あるいは、前記素子は、この分野でよく知られているように、渦電流を抑制するために高い磁気透過性を持つ変圧器用鋼プレートのセットを含んでいても良い。この場合、ＡＣ巻き線に追加されたＤＣ励起巻き線が必要であり、同期誘導型機械が実現される。

この実施形態においても、コア５のそれぞれは、巻き線４を３側面で囲んでいる。磁気回路は、ロータ上の磁気素子１０がコア５に対向する位置に回転したときに、完結する。

２．ダブル巻き線の実施形態
図４および図５は、永久磁石によって励起される外部固定子を備えた、本発明のさらなる実施形態を示す。固定子１は、図示するようにドラム２を備える。固定子は、磁気透過性材料の、互いに対向して配置された２セットのＣコア３を保持する。コアのセットのそれぞれにおいて、リング状の巻き線４は、機械巻き線を保持する。巻き線は、３方向でコアに包囲されている。Ｃコア３は、ドラム２に固定された基盤５によって、定位置に固定されている。ドラム２は、両端でディスク６に結合され、ディスク６はベアリング７を支えて、ロータシャフト８の自由回転が可能になっている。

ロータシャフト８は、強磁性体励起素子１０を支持するディスク９を支える。強磁性体励起素子１０は、軸方向磁気方向（axial magnetic orientation）で、ロータ上に配置されている。軸方向磁気方向は、回転軸と平行である。強磁性体励起素子１０は、Ｃコアを通過するときに、磁気回路を周期的に励起する。

Ｃコアによって形成される前記磁気回路は、磁気励起素子が通過することによって周期的に閉じる。そして、誘導の原理により、包囲された磁束の変化によって、巻き線にＥＭＦが形成される。

図３のような永久磁石機械の場合、装置は、相巻き線として動作する、一つの巻き線のみを必要とする。そのような実施形態の二つは、１セットの巻き線とＣコアのみを有するジェネレータ構成用の単相装置を実現するために用いられる。あるいは、巻き線とＣコアのセットを複数、適切な角度間隔でさらに追加することにより、マルチ相を実現できる。ロータの回転中に、装置の相巻き線４にＥＭＦが誘導される。これにより、当該装置は、ジェネレータとして用いられる。同様にして、この装置は、巻き線の電流を適切に制御することにより、モータとして使用することができる。図２，３に示した実施形態とは異なり、この実施形態においては、二つの固定子巻き線を一つの相で用いることができる。図５は、この実施形態の他の実施例を示す。図示された素子は、マルチ相機械からの単相であっても良いし、単相ジェネレータの唯一の相であっても良い。

ここで、層１３，１４は、巻き線周りの磁束方向の受動切替器である。

ボビンは、巻き線を保持するため、Ｃコアの分配のため、および、固定子コアからハウジングドラムへのトルク伝達のため、に用いられている。

固定子は、固定子フレーム３に強固に接続されてＣコア４，５を保持する二つのボビン１，２を備えている。図示されているように、コアの脚部は、軸方向に向けられ、互いに向かい合っている。

コア４および５は、一つの角度ポールピッチでシフトされている。複数相が用いられる場合、異なる相モジュールは、対応する角度だけ互いにシフトされている。例えば、３相電気機械の場合であれば１２０電気角度だけシフトされている。

ロータシャフト９は、磁気励起素子（例えば永久磁石１２）を支持する二つの平行なディスク１０，１１を支持している。これらは極性を反転させ、「スイッチ」として動作する積層された鋼層１３，１４（これらの素子を通る磁束が、最も近いＣコアがどちら側にあるかによって、あるときは左へ向かい、ある時は右へ向かう限りにおいて）のような磁気透過性材料を備えている。

ロータが一つの角度ポールピッチで回転するたびに、スイッチ素子１３，１４の両方の磁束の向きは反転される。

磁石１２の数は、一つのボビンのＣコアの数の２倍であっても良い。

ディスクハウジング上の遠心力は、例えば、ケブラー（Kevlar）のような高い弾性率を有する材料で構成されたバンド１５を用いることで対処可能である。

３．「３つのＣコア」を備えた３相装置の実施形態
図６，７，８は、ボビン５，６，７に保持された３相巻き線２，３，４を備えた３相機械の実施形態を示す。標準的なＴＦＭやここに開示されたすべての実施形態のように、巻き線は、回転軸の周りにアジマス角を持って配置されている。

回転軸に平行な平行六面体やＴ形状の、例えば積層された鋼層９を備えた固定子磁束伝導素子が用いられている。

この実施形態においてパッシブスイッチとして機能する３セットのコア２２，２３，２４が、ロータ１５上に設けられている。ロータ１５は、コアを保持するディスク１８，１９，２０が固定されたシャフト１５を備えている。これらは、コアと磁石１１，１２，１３，１４の半径方向セットとを含む磁気回路を断続的に閉じるスイッチを構成する。Ｃコアの開放端は、磁石１１，１２，１３，１４の半径方向セットに向かって、放射状に外側に向いている。コアを覆うことでコアが遠心力に耐えられるように、例えばカーボンファイバーまたはケブラー等の支持バンド２５，２６，２７を用いても良い。ボビンは、３つの目的を有する。すなわち、巻き線を保持するため、コアを分配するため、およびトルクを伝達するため、である。本実施形態による利点は次のとおりである。この種の標準的な機械に必要とされる６セットの磁石の代わりに、４セットの磁石１１，１２，１３，１４が用いられ（例えば図８参照）、この実施形態では、固定子ドラム８に基盤９により結合されている。

図７に示すように、オーバーラップするＣコアは、３つのオーバーラップするＣコアが放射状に外へ突き出した４つの脚部を有することにより、実質的に、「４つに分かれた」１つのコアを構成している。これは、３つの脚部ではなく４つの脚部を有するＥコアのような構成をなしている。

明敏な読者であれば、４セットの磁石を用いることにより、この機械の寸法、容積、および高価な永久磁石材料の使用量は、すべて削減されることがわかるであろう。

前述の実施形態のように、ディスク２８，２９がロータと固定子とを接続することにより、ベアリング３０によって回転が可能となる。当業者に明らかなように、この実施形態においても、Ｃコアを有する外部ロータと励起手段および巻き線を有する内部固定子とを備えた一実施例を採用することができ、この実施例は本発明の範囲にある。

４．「コーム」Ｃコアの実施形態
図９および図１０は、「コームＣコア」をパッシブスイッチとして用いる実施形態を示す。固定子（図９）は、外部ドラム２と、相巻き線をそれぞれ有する３つのボビン３とを有する。ボビンに沿って、３セットの励起素子（永久磁石または励起巻き線）４，５，６が配置されている。３つの素子のそれぞれのセットは、図１０に示すように、極性が交互になるよう配置されている。

図１０に示すように、励起部材４，５，６は、１２０電気角度だけ互いにシフトされている。これにより、この装置は、３相機械として動作する。

ロータ７は、コーム上のコア素子８を支持する。コア素子８は、前述の実施形態における磁石スイッチの変形例であり、半径方向において対向する４つの櫛歯の形をなし、例えば積層された鋼コア材料からなる。前記の実施形態のように、ここでも節約の効果が得られる。この場合、４つの櫛歯は、必要とされたであろう６つの代わりに、用いられている。

コームコア８は、シャフト１１上のディスク９，１０上に、均一に配置され、強固に接続されており、前述のように、遠心力に耐えるようにバンド（図示せず）を用いて保持され得る。

第１および第２の櫛歯は、第１相巻き線を囲み、第２および第３の櫛歯は第２相巻き線を囲み、第３および第４の櫛歯は、第３相巻き線を囲む。

５．３つのＩコアの実施形態
図１１および図１２は、３相同期機械の実施形態を示す。この実施形態では、その磁石の全てを常時動作させてＥＭＦを生じさせる。また、この実施形態は、隣接する１セットの「Ｉコア」素子を用いる。

この実施形態においては、固定子１（図１１）は、外周に３つのボビン２，３，４を支持する。さらに３つのボビン５，６，７が内周に支持されている（ボビンは、巻き線を保持するため、Ｃコアの分配のため、および、固定子コアからハウジングドラムへトルクを伝達するため、に用いられる）。それぞれのボビンは、回転軸の周りにアジマス角をもって配置された相巻き線の半分を支持する。

内周および外周の半分の相巻き線は、直列にリンクすることができるペアを構成する。例えば、ボビン２および５に支持される巻き線は、第１相に共に用いられる。ボビン３および６は、第２相に共に用いられる巻き線を支持する。ボビン４および７は、第３相を形成するために共に用いられる巻き線を支持する。固定子ボビン、巻き線、およびＣコアは、ベアリング２４，２５（図１１）を介してロータ１４と回転結合する固定子フレーム１，２３に強固に接続されている。

他の実施形態と同様に、半分の相巻き線のそれぞれは、半分の巻き線２，３，４をそれぞれ包囲する３つのグループ８，９，１０として設けられたＣコアのグループで、３側面を包囲されている。さらに３つのグループ１１，１２，１３が、半分の巻き線５，６，７を包囲している。Ｃコアグループ８，９，１０の脚部は、内側へ向けられており、Ｃコアグループ１１，１２，１３の脚部は外側に向けられている。

コアグループ８，９，１０は、コアグループ１１，１２，１３の角度シフトに対して相対的な角度シフトを持って、分配されている。この角度シフトは、ポールピッチである。

説明された３相の実施形態と同様に、コア８，９，１０は、グループ１１，１２，１３がシフトされているのと同様に、１２０度（電気角度）だけ互いにシフトされている。

ロータ１４，１７は、ディスク１６に取り付けられたテイル２０によって円筒表面に配置された励起部材１８，５０，５１を支持している。メンバー１８は、ディスク１６によって回転シリンダ２０−２２上で、他端においてリング２２と結合されている。励起部材は、この例のように回転軸に平行に配置されても良い。励起永久磁石部材に取り付けられたコアセクション１５，１９，３０，３１（ここではパッシブスイッチとして機能する）によって、磁束は半径方向に導かれ、固定子Ｃコア８，９，１０，１１，１２，１３にリンクする。これらのコアセクション１５，１９，３０，３１および関連する永久磁石１８，５０，５１は、それぞれのコアグループ８，９，１０，１１，１２，１３に隣接したときに磁気回路を断続的に閉じる動作スイッチを構成する。

他の実施形態の変形例において、励起部材は、２つの同心シリンダの間に埋め込まれていても良いし、フレームに統合されていても良い。フレームは、Ｃコアによって形成される磁気回路を完結させ易いセクション１９を含む。セクション１９は、例えば、積層された鋼層を含む。これらのセクションは、図示された磁気励起素子１８と交互に、極性が交互に切り替わるように配置される。

ポールピッチと等しい角度でのロータの回転の後に、Ｃコアを通る磁束の極性は、それらの対向する励起素子の方向の切り替えに伴って、反転する。

磁気励起素子１８，５０，５１およびコア素子１５，３１，３０，１９は、フレーム２０内に共に支持される。フレームは、一方の側でディスク１６に、他方の側でリング２２に、強固に接続されている。いくつかの実施形態において、励起部材を遠心力に対して保持するために、支持バンド２１（例えばケブラー）を用いることができる。

６．反転Ｃコアの実施形態
図１３Ａおよび図１３Ｂは、「反転Ｃコア」を用いた実施形態を示す。

装置は、内部ロータ（図１３Ａ）または外部ロータ（図１３Ｂ）のいずれかを用いることができる。

固定子は、相巻き線１をボビン２（巻き線の保持のためと、Ｃコアの分配のためと、トルク伝達のために用いられる）の内側に保持している。ボビン２は、ボビンディスク４および５によって支持され、ハウジング９（図１３Ａの内部ロータの場合）または固定シャフト３（図１３Ｂの外部ロータの場合）に強固に取り付けられる。Ｃコア６は、相巻き線を囲み、その脚部が機械の回転軸に平行になるよう（軸３の周りに）配置されている。

Ｃコア６の外側の脚部は、例えば永久磁石７のような励起素子を有している。複数の磁石７の極性は交互に反対であることが好ましい。

ディスク１０は、ロータに取り付けられている。ロータの上には、磁気スイッチ１１（これらは、渦電流を減少させるために用いられる、単純に、軟鉄ブリキ（soft iron in plates）のような磁気透過性材料）が強固に取り付けられている。

ロータが回転するとき、図１３に示すように、スイッチ１１はコアの脚部の終端の間を通過し、Ｃコアにより形成される磁気回路を完結する。いくつかの実施形態において、磁気励起素子７の向きが位置に応じて異なるので、スイッチ１１を通る磁束は切り替わる。スイッチ１１の数は、いくつかの実施形態において、Ｃコアの数の半分である。

他の実施形態のように、ロータは、内部ロータまたは外部ロータである。図１３Ａに示す内部ロータの場合は、ディスク１０は回転シャフトに強固に接続される。図１３Ｂに示す外部ロータの場合は、ディスク１０は外部ロータドラム１２に強固に接続される。

ボビンディスク４、５は、ハウジング９に強固に接続される。図Bに示す外部ロータの場合は、ディスク４、５は固定シャフト３に強固に接続される。

７．Ｌコアの実施形態
磁気スイッチとして「Ｌコア」を用いた本発明のさらなる実施形態を図１４に示す。

固定子の相モジュールは、それぞれが相巻き線３、４を保持する２つのボビン１、２（本実施形態では、巻き線の保持のため、Ｃコアの分配のため、および、固定子コアからハウジングドラムへのトルクの伝達のため、にも用いられる）を備えている。ボビンは、ハウジング５に強固に取り付けられている。回転軸に平行な例えば平行六面体またはＴ形状の積層された鋼層６を有する固定子磁束伝導素子が設けられている。

半径方向に配置された永久磁石８のような磁気励起素子が、固定子に取り付けられ、外周に均等に分配されている。ロータは、シャフト１０に強固に取り付けられ均等に分配された２つのグループのＬ型コアスイッチ１１、１２を備えている。Ｌコアの半径方向の部分は、軸に平行であり、図１６に示すように、磁石９にほぼ接触している。１つのボビンのＬコアは、第２のボビンのＬコアに対して、１角度ポールピッチだけシフトされていても良い。図１６の平面において、第１ボビン１のＬコア１１は、図の平面内にあり、したがって、第２のボビンのＬコア１２は点線で図示されている。

遠心力に耐えられるようにＬ型コアを固定する方法としては、図示されているように、ケブラーのリングまたはバンドを用いることを含んで、いくつかの方法がある。

マルチ相機械の場合（例えば３相機械）、２つの隣接するＬコアを、Ｔコアに結合することができる。これにより、機械の軸サイズを若干減少させることができるが、構造は複雑になる。

ロータが回転する間、Ｌコアは巻き線３、４周りの磁束の向きを切り替える。これにより、この機械は、休止状態の磁石を含まず、所定の出力に対して従来の機械よりも小さいサイズで足りる。

８．Ｈコアの実施形態
Ｈ型のコアを用いた実施形態を図１５に示す。本実施形態においても、巻き線を保持するため、コアの分配のため、および、トルクの伝達のために、ボビンが使用される。固定子はシリンダ１を含む。シリンダ１は、機械の軸に同心であり、渦電流を防止するように設計されている。このシリンダ上で、３つの相グループ（この例では、３相機械）が配置されている。

機械のロータは、２つの同心シリンダ１０、１１を備えている。これらのシリンダのそれぞれに対して、好ましくは積層された鋼層からなる強磁性体素子１２のセットが搭載されている。これらのスイッチ１２は、励起素子層に対向している。

スイッチ２２、２３、２４とスイッチ１２、１３、１４は、機械の回転軸に平行に配置することができ、外周まわりに均等に分配することができる。外部ロータシリンダ１０に固定されたスイッチ２２、２３、２４は、外部相巻き線６のまわりの励起素子の磁気回路を閉じる。内部ロータシリンダ１１上に固定された他のスイッチのセット１２、１３、１４は、半相巻き線５の奇数の励起素子の磁気回路を閉じる。スイッチ１２、１３、１４は、スイッチ２２、２３、２４に対して１角度ポールピッチだけシフトされている。

スイッチ１２、１３、１４は図面の平面にないので、点線で図示されている。

ロータが１角度ポールピッチだけ回転されたとき、アジマス方向の磁気励起素子の切り替わる極性によって、半相巻き線まわりの磁束の極性は反転する。

このようにして、全ての磁石は常に動作状態となる。

シリンダ１０、１１は、ロータディスク１３に搭載されている。シリンダ１０に取り付けられている相巻き線のスイッチ２２、２３、２４は図１５の平面内にないので、擬似線で示されている。それらのそれぞれは、図示されている３相機械の場合には、他の外部相に対して１２０電気角度だけシフトされている。

巻き線４、６の励起の相シフトを実現するために、２つのオプションが考えられる。

１．固定子相グループ間に相シフトがなく、１２０電気角度の相シフトがロータ上で達成される（図１５に示すとおり）。

２．固定子相グループの間に１２０電気角度シフトが存在し、ロータ上にはシフトがない。

励起素子２は、交互の極性（アジマス角的に）を有し、シリンダ１の外部表面上に搭載されている。それぞれの素子は、シリンダ１の表面に固定された永久磁石と、半径方向に配置された積層鋼層３とを有する。

ボビン４は、半分の相巻き線５を保持する。もう半分の相巻き線６は、シリンダ１に、層３の間に、適切な絶縁材と共に巻かれている。半分の層巻き線５、６の２セットは、等業者に明らかなとおり、直列または並列に巻くことができる。

固定子シリンダ１は、固定子ディスク７に取り付けられている。固定されたシャフト（例えばハブモータへの応用）を持つ外部ロータの実施形態の場合は、ディスク７は、そのような実施形態では不動のシャフト８に接続されている。

内部ロータの実施形態の場合は、図１５に示すように、ディスク７は固定子ハウジング９に接続されている。

９．Ｅコアの実施形態
Ｅコアの実施形態は、図１６に示すように、以下のように実施される。

固定子は、Ｅ形状のコア１（Ｅコア）を含む２ｐの相素子を備える。

これらはサークルの周りに均等に分配されている。このコアの脚部２、３、４は、回転軸に平行である。

この構成におけるＥコアの３つの脚部により、固定子において、それぞれが脚部２、３、４を有する偶数個のＥコア１が設けられる。このコアは、変圧器用鋼の積層構造を備える。中央の脚部３は、永久磁石を備える。コアの脚部は、ディスク５、６の溝に嵌合する。複数の磁石は、極性が交互になるよう配置される。２つの絶縁ディスク５、６上の固定ハウジング７は、エンベロープに固定され、巻き線８を脚部２、３の間に保持する。巻き線９は、脚部３、４の間に固定される。脚部３に固定された磁石の端部には、好ましくは積層された変圧器用鋼の矩形１１が設けられる。ロータのシャフト１３は、好ましくは、渦電流を防止するためのディスク１２を備える。ディスク１２は、装置のシャフトに強固に接続されている。上述のように、ディスク１２は、矩形状の２つの半径方向セットの磁気スイッチに接続されている。セット１４のスイッチは、ロータの回転に伴って、脚部２、３の間を通過する。

セット１５のスイッチは、脚部３、４を通過する。それぞれのセットのスイッチの数は、コアの数の半分である。セット１４、１５の間に、セット１５が偶数のコア脚部の間にあるとき、かつ、（例えば）Ｎ?Ｓ方向にあるときに、スイッチ１４が奇数コアの間に逆の磁気方向（Ｓ?Ｎ）で位置するように、角度オフセットが設けられている。１ポールピッチ角度の回転の後、セット素子は効果的にスイッチされた位置をとる。

つまり矩形１１は、交互の方向において（上、下、そして上、など）回路を完結する磁束を有する。磁石がいつも「動作」することが、本発明の利点である。本発明の実施形態の前述の説明および図示は、説明の目的で提供された。網羅的であることを意図したものではなく、本発明を上記の説明のいずれの形態に限定しようとするものでもない。

上記で定義されたクレームで使用された用語は、その定義にしたがって解釈されるべきである。

クレーム中の参照番号は、クレームの一部ではなく、クレームを読みやすくするために用いられるにすぎない。これらの参照番号は、クレームをいかなる形態に限定するものと解釈されるべきではない。

Claims (18)

1. モータまたはジェネレータとして利用される横磁束形電気機械であって、
   （１）ロータ、（２）固定子、（３）アジマス角をもって配置された固定子相巻き線、（４）複数のコア素子、（５）固定子に設けられた磁気励起素子、および（６）ロータに設けられた強磁性体磁気スイッチを備え、
   前記強磁性体磁気スイッチは、同じ磁気励起素子からの反対の磁束方向を可能とし、
   前記スイッチは、前記コア素子により形成される磁気回路を完結させるために設けられ、
   前記磁気回路は、前記固定子相巻き線を通過し、
   前記スイッチは、前記コア素子を通って断続的に切り替わる磁束を生じさせ、前記複数のコア素子の少なくとも一部において磁束の変化を常時誘導する、横磁束形電気機械。
2. 前記相巻き線を保持し、前記コアを分配し、トルクを伝達するためのボビンをさらに含む、請求項１に記載の横磁束形電気機械。
3. 前記ロータが内部ロータであり、
   前記固定子は、前記ロータに外接する外部固定子である、請求項１に記載の横磁束形電気機械。
4. 前記コア素子の形状が、Ｃコア、Ｈコア、Ｉコア、Ｔコア、Ｌコア、Ｅコア、反転Ｃコア、およびコームコアを含むグループから選択される、請求項１に記載の横磁束形電気機械。
5. 軸方向に対向する複数のＣコアと巻き線とを用いた横磁束形電気機械であって、
   前記複数のＣコアは、方向が交互に異なり、互いに１角度ポールピッチだけシフトされており、
   前記巻き線は、前記Ｃコアが発生させる磁束を囲むアジマスリング形の巻き線であり、
   １つのコアは、前記巻き線を一の方向から三側面で囲み、隣接するコアは、前記巻き線を反対の方向から囲み、
   前記ロータは、半径方向に配置された強磁性体素子を支持し、
   前記相巻き線を保持し、前記コアを分配し、トルクを伝達するためのボビンをさらに含む、横磁束形電気機械。
6. 永久磁石によって励起される固定子を備えた横磁束形電気機械であって、
   ドラムと、アジマス角をもって対向する少なくとも２セットのＣコアとを含み、
   前記Ｃコアは、互いに１角度ポールピッチだけシフトされ、互いに対向するように配置された強磁性体材料を含み、
   アジマス角をもって配置されたリング形状の少なくとも２つの巻き線が、前記コアを通過し、
   前記ロータが、前記Ｃコアを断続的に励起するために配置された、複数の磁気励起素子を保持し、
   前記複数の磁気励起素子は、前記Ｃコアにおいて磁束の切り替わりを生じさせるために、交互の極性を有し、
   磁束が通過する動作エリアが増加する、横磁束形電気機械。
7. ３セットの外向きかつ半径方向に配置されたＣコアをロータ上に配した３相構造をとり、
   前記Ｃコアの中央のセットが、上部のセットのＣコアと下部のセットのＣコアと重なることにより、４つに分かれた１つのコアを形成し、
   前記固定子が、（１）回転軸と平行に配置された固定子磁束伝導素子、（２）交互の極性を有し、断続的に磁気回路に磁束を誘導するために設けられた４セットの強磁性体励起素子、および、（３）前記固定子磁束伝導素子と、適切なスイッチと、励起素子との間に位置し、３相固定子に配置された巻き線、を有する、請求項１〜３のいずれかに記載の横磁束形電気機械。
8. ３相構造をとり、
   相巻き線のそれぞれを３側面から囲む、４つ歯の櫛状のパッシブ磁気スイッチを有するロータと、
   前記相巻き線を有する固定子と、
   磁気回路を間欠的に完結させる磁気励起素子とを備え、
   前記磁気励起素子から４セットの半径方向の磁束を発生させるよう構成された、請求項１〜３のいずれかに記載の横磁束形電気機械。
9. 半分の固定子の２つに対向するロータを備えた３相構造をとり、
   前記固定子は、（１）相半巻き線および（２）コア素子を備え、
   相半巻き線は、両側から（２）コア素子で囲まれ、
   前記コア素子は、４つに分かれたＣコア型の素子が３セット重なり合うことで形成され、
   前記Ｃコア型の素子は、（３）別の３セットのＣコアに対向し、１角度ポールピッチだけシフトされ、
   前記ロータは、半径方向に配置され交互の極性を有する３つの励起部材を含み、
   前記３つの励起部材は、常時活動状態にあり、磁気回路のそれぞれを交互に閉じるために配置され、前記２つの半分の固定子の間の磁石の磁束を切り替える、請求項２または３に記載の横磁束形電気機械。
10. （１）相巻き線と（２）Ｃコアと（２）１つの強磁性体励起素子とを含む固定子を備えた横磁束形電気機械であって、
    前記相巻き線は前記Ｃコアで囲まれ、前記Ｃコアは、前記ロータの回転軸と平行に配置された脚部を有し、
    前記ロータは、受動強磁性体スイッチを含み、
    前記ロータは、回転し、前記Ｃコアの脚部とスイッチとの間の磁気回路を断続的に完結させ、
    前記相巻き線を保持し、前記コアを分配し、トルクを伝達するためのボビンを含む、固定子横磁束形電気機械。
11. ２つの重なる受動強磁性体スイッチを有するロータを含み、
    前記受動強磁性体スイッチは、互いに向かい合う複数のＬコアとして構成され、１角度ポールピッチだけシフトされ、
    前記横磁束形電気機械は、固定子をさらに含み、
    前記固定子は、
    （１）前記回転軸に平行に配置された固定子磁束伝導素子と、
    （２）交互の極性を有し、常に動作状態であって、前記磁気回路において断続的に磁束を誘導するために設けられた複数の強磁性体励起素子と、
    （３）前記固定子磁束伝導素子と適切なスイッチと前記励起素子との間に配置された、２つの相半巻き線と、を含む、請求項１および３に記載の横磁束形電気機械。
12. ３相構造をとり、
    固定子を含み、
    各相が、
    （１）アジマス角をもって配置されたＨコアと、
    （２）２つの相半巻き線とを有し、
    前記Ｈコアは、交互の極性を有する強磁性体励起素子であって、常に動作状態であり、前記Ｈコアの受動強磁性体の２つの側部を接続し、
    前記２つの相半巻き線は、前記Ｈコアの前記２つの側部の間に配置され、
    前記横磁束形電気機械は、各相が、前記Ｈコアを含む磁気回路を断続的に完結するための内部および外部磁気透過性スイッチ素子を有するロータをさらに含む、請求項１および３に記載の横磁束形電気機械。
13. 固定子を含み、
    前記固定子は、
    （１）脚部を前記固定子の回転軸に平行に配置した複数のＥコアと、
    （２）交互の極性を有し、常に動作状態にあり、前記Ｅコアの内方脚部に配置された磁気励起素子と、
    （３）前記Ｅコアに囲まれた２相巻き線と、を有し、
    前記機械は、ロータをさらに含み、
    前記ロータは、前記Ｅコアの脚部を通って断続的に回転し磁気回路を完結するよう構成された磁気透過性スイッチ素子を含む、
    請求項１および３に記載の横磁束形電気機械。
14. 前記ロータに配置されたスイッチが、ケブラーのような高弾性率材料のリングまたはバンドをさらに含む、請求項１〜１３のいずれかに記載の横磁束形電気機械。
15. 前記コアの受動強磁性体材料、スイッチ、および固定子磁束伝導素子（適用される場合）が、通過する渦電流を減少させるために配置された、積層された鋼層からなる、請求項１〜１４のいずれかに記載の横磁束形電気機械。
16. 前記励起が、強磁性体材料からなる永久磁石の代わりに、電磁石（ＤＣ巻き線を用いる）により行われる、請求項１〜１５のいずれかに記載の横磁束形電気機械。
17. 前記固定子は、外部ロータとしての前記ロータによって外接される内部固定子である、請求項１〜１６のいずれかに記載の横磁束形電気機械。
18. マルチ相機械を実装する、請求項１〜１７のいずれかに記載の横磁束形電気機械。

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