JP2008545363A - 電動機 - Google Patents

Abstract

少なくとも２つの電機子位相ペア巻線（１２）を有する電機子（１１）と、選択的・電気的スイッチに終端している界磁巻線（１７）を有する凸極回転子装置（１５）を有する電動機（１０）であって、前記スイッチが前記界磁巻線（１７）の電気的な連続性を決定する。また、前記界磁巻線（１７）の磁化を調整する制御手段が含まれており、それにより、任意の所定の瞬間において、１つの電機子位相ペアが前記界磁巻線を磁化するのに使用可能であり、他方の１つの電機子位相ペアがトルクの発生に応答する。

Description

発明の技術分野
本発明は電動機（電気式モータ、electric motor）に関する。

発明の背景
同期モータは、誘導モータおよびＤＣモータを凌ぐ本質的な利点を有する。同期モータにおいて、回転子のスピードは、同期モータに電力を供給するシステムの周波数に正確に比例する。したがって、同期モータはさらに、リーデング・パワー・ファクター（leading power factor) において、（一定の供給周波数に関して）一定のスピードで動作すると言う事実によって特徴づけられ、低い始動電流を持つ。そのようなモータの効率は一般的に、他の形式の電気式モータの効率よりも高い。

同期モータの電機子（アーマチュア、armature）は一般的に、通常、モータの固定子（ステータ、stator）または外側の環状リングに装着されている、１組のＡＣ多相分散化巻線とともに組み立てられている。そのような訳で、モータの界磁巻線（field winding ）は通常、回転子（ロータ、rotor ）の上に見いだされ、代表的には、１対の極より多くの極からなる。界磁極が回転子の界磁巻線によって励磁されることが、一般的に理解されている。回転子の界磁巻線を励磁する構成と方法は、同期モータの型式を決定する。一般的に、分離している励磁機（exciter)、スリップ・リング、ブラシが要求されている。

励磁機、スリップ・リング、ブラシは、リラクタンス（磁気抵抗）・トルクを展開することを容易にするため、固定子と回転子とを分離している空隙を横切るリラクタンス・パスを異ならせることによって設計されている回転子を有する同期誘導モータにおいて、排除されている。回転子の上に界磁巻線は存在せず、それ故、励磁源は要求されない。固定子の電機子巻線はそれ故、ＡＣ供給ラインから直接給電される。

誘導モータは製造することが簡単で安価であるが、同期モータの性能を提供しない。他方、スリップ・リング型同期モータは、動作のために要求される励磁機、スリップ・リングおよびブラシのため、より複雑であり、高価である。このことはまた、誘導モータが仮想的にメンテナンス・フリー（保守が不要）があるのに対して、メンテナンスの要求が増加している。ブラシ型ＤＣモータは、制御することが容易であり、優れた牽引特性を有するが、上記同様の欠点を有する。スリップ・リングとブラシとがブラシレス同期モータにおいては削除されているが、ＡＣブラシレス励磁機の構成は依然として、付加的な価格、スペースおよび複雑さを意味している。

永久磁石型同期モータは、最も魅力的にみえる。しかしながら、高い界磁強度の永久磁石を製造することと高価格、および、回転子にこれらの永久磁石を取り付ける方法、特に、大型の機械については、技術的な挑戦となる。永久磁石の最大界磁強度はまた、現在の技術水準によって制限されている。同期式誘導モータは、構造的に非常に簡単であるが、効率が相当低く、同様の性能について、スリップ・リング型同期モータに比べて、一般的にかなり大型である。実際、同期式誘導モータは、数キロワット（ＫＷ）を越える用途には見いだされていない。

発明の要約
本発明の観点によれば、下記を有する電動機（電気モータ、electric motor）が提供される。すなわち、当該電動機は、
１または複数の固定子位相を形成するように配設された固定子巻線を有する固定子と、
前記固定子内の凸極型回転子装置であって、回転子が空隙によって前記固定子から分離されており、前記回転子は、前記凸極型回転子装置が当該回転子と前記固定子との間の空隙を通るより高いおよびより低い磁気リラクタンス・パスを規定するような形状に形成され且つ構成されており、かつ、前記回転子はさらに当該回転子の凸極の周りに界磁巻線をさらに有し、前記界磁巻線が少なくとも１つの極ペアを形成するように構成されており、前記界磁巻線は選択的・電気的なスイッチに終端しており、当該選択的・電気的なスイッチは、当該スイッチを横切って印加されたリバース電圧バイアスが前記界磁巻線をオープン回路にするように前記界磁巻線の電気的な連続性を決定する、凸極型回転子装置と、
制御手段であって、当該制御手段は、付勢された固定子位相が誘導の期間前記スイッチを横切ったリバース電圧バイアスを印加するように、低いリラクタンス・パスを介して前記界磁巻線に結合されている前記固定子位相に電圧を印加することにより前記界磁巻線の磁化を調整するように構成されており、このリバース・バイアスが前記界磁巻線内の電流の流れを防止するが、前記固定子位相に印加された電圧が前記回転子内の磁束密度を高め、それから当該制御手段は、一旦、前記回転子内の所定の磁束密度に到達すると前記印加電圧を除去し、それにより、当該除去された前記印加電圧が前記スイッチを横切るフォワード電圧バイアスに対して電圧のリバースを誘導して前記界磁巻線内を電流が流れることを可能にし、前記電流は前記回転子内の磁束密度の崩壊を防止し、前記制御手段はさらに、前記界磁巻線を付勢するのには応答しない他の固定子位相に電圧を印加することにより当該電動機内のトルクの発生を調整するように構成されており、その結果、回転において、全ての固定子位相がトルクを発生し、前記回転子の界磁巻線の磁化を調整する昨日を交互に行うように、任意の所定の瞬間において、ある固定子位相が前記界磁巻線を磁化するのに利用可能であるが、他の単数の固定子位相および／または複数の固定子位相はトルクの発生に応答する、制御手段と
を有する。

電流が前記界磁巻線内を流れることを可能にされるとき、前記回転子内の磁束密度を効果的に捕捉することにより、前記界磁巻線内の前記選択的なスイッチが当該電動機の効率を向上させること、が理解されよう。このことは、もはや、たとえば、現存する誘導モータにおける場合と同様な、磁化電流を連続的に供給し、かつ、トルク電流を連続的に供給する固定子巻線を必要としない。

前記回転子を磁化させるために、当該電動機が切り換えられたモードのフライバック原理（flyback principle ）を用いていることが、さらに理解されよう。

前記固定子は、当該固定子における渦電流を減少させるため、複数のパックされたスロット（溝）が付けられた金属の薄層を有することができる。前記回転子は、当該回転子における渦電流を減少させるため、複数のパックされたスロットが付けられた金属の薄層を有することができる。

前記選択的なスイッチは、フリーホイール動作をするダイオードを有することができる。前記選択的なスイッチは、たとえば、トランジスタ、サイリスタなどのソリッドステート（半導体）デバイスを有することができる。

前記制御手段は、マイクロプロセッサを有することができる。前記制御手段は、固定子位相の付勢（energizing) を制御するため電子スイッチを有することができる。当該電子スイッチはトランジスタを有することができる。したがって、前記電子スイッチはＨ型ブリッジ回路構成に配設され得る。

前記制御手段は、前記固定子位相と相対的な前記回転子の位置を検出するためのセンサを含むことができ、それにより、正確な瞬間に、前記位相を付勢することを調整することができる。

前記制御手段は、前記固定子位相の電流および電圧特性から、前記回転子の位置を決定するように構成されることもできる。

前記制御手段は、たとえば、高速において、前記界磁巻線が前記回転子の毎数回転ごと磁化されるべきことを必要とし、他方、低速において、前記界磁巻線が前記回転子の１回転の間、複数回磁化させることを要求する、当該電動機のスピードに依存して前記回転子内の磁束を調整することができる。

前記制御手段は、適切な状況の下で、発電機として当該電動機を制御するように構成されることができる。

固定子位相は前記界磁巻線を磁化させるために専ら用いられることができる。したがって、固定子位相は当該電動機におけるトルクの発生に専ら用いられることができる。

発明の詳細な記述
さて、本発明は、添付した図面に関連づけた、制限のない例示によって、記述される。

添付図面に関連づけて、本発明に基づく電動機（電気モータ、electric motor）が参照符号１０によって一般的に示されている。

図１および図２を参照すると、電動機１０の外側の部材は、電子機巻線１２を保持する、パックされた溝を有する（slotted)鋼鉄の薄層（laminations)１１からなり、これらの電機子巻線１２は共に固定子１３を構成している。電機子巻線１２は２つに分離された巻線１２．１および１２．２に分割されており、これら２つの巻線１２．１および１２．２が２つの分離された位相を構成する。

同様に、内側の部材はパックされた鋼鉄の薄層１５からなり、当該パックされた鋼鉄の薄層１５は選択的なスイッチに終端している界磁巻線１７とともに駆動軸１６に相対的に固定されており、この選択的なスイッチは本実施の形態においてはフリーホイール動作をする（freewheeling) ダイオードまたは整流器１８であり、ダイオードまたは整流器は固定子１３に対して相対的に回転することが可能なように回転子（ロータ）１４を集合的に構成する。

説明のため、参照の座標系ｄ−ｑが図１に図解されていることが理解されよう。この座標系は回転子１４と相対的に関連している、または、回転子１４に参照付けられている。回転子１４の凸極( 又は、突極、salient pole）装置（構成）に関して、直接軸（direct axis)ｄにおける空隙が直交軸（quadrature axis)ｑにおける空隙よりも相当狭い。

ｑ軸に沿った磁気回路のリラクタンス（磁気抵抗）は、それゆえ、ｄ軸に沿ったリラクタンスより相当大きい。このことは本発明の重要な特徴であり、その動作モードに対して不可欠である。ｑ軸における高いリラクタンスは、所望の、回転子１４によるトルクを発生させる電機子位相の磁気結合を減少させる。ｑ軸に沿った大きな空隙はまた、界磁巻線１７のための空間（スペース）を提供し、その結果、凸極構造を生み出している。

本発明が、凸極の特性であるべき回転子１４を一般的に要求していることが理解されよう。薄層１５の形状は、リラクタンス型モータ（図示せず）のそれと同様であるが、電動機１０はリラクタンス・トルクに依存しては動作しない、つまり、界磁巻線１７とダイオード１８との組み合わせによる動作（作用）がトルクの発生に直接影響を与えている。

図示の実施の形態において、回転子１４は１対の極を有するが、他の実施の形態においては、回転子は多数の対の極を持つように構成することもできる。同様に、固定子１３は、さらなる実施の形態においては、２相より多くの相を有するように構成することができる。

さて、図１に図解した電機子位相巻線１２．１および１２．２と相対的な回転子１４の位置について参照する。本発明の１つの新規な観点は、その方法によって回転子１４の極対（pole pair)が磁化される方法であり、すなわち、その方法によって界磁巻線１７が励磁される方法である。一瞬の間、界磁巻線１７の動作を無視すると、電機子位相１２．１に印加される電流は、ｑ軸の方向において磁界を生成するであろう。同様に、電機子位相１２．２に印加される電流はｄ軸の方向において磁界を生成するであろう。ｑ軸におけるより大きなリラクタンスに依存して、ｄ軸方向における磁界はｑ軸における磁界よりかなりの程度大きな値であろう。

安定しているか回転するかの動作において、電機子位相１２．１および１２．２の正確なタイミングと切り換えにより、回転子１４の磁界の励磁が、ｄ軸に沿って最大で、ｑ軸に沿って最小（本質的に０）に維持されるであろう。

電機子位相巻線１２．１または１２．２の中心軸が回転子１４によって直接軸ｄに整列されたとき、特定の（particular) 電機子巻線が界磁巻線１７に強く結合される。同様に、電機子位相巻線１２．１または１２．２の中心軸が回転子１４によって直交軸ｑに整列されたとき、特定の電機子巻線が界磁巻線１７に弱く結合される。

図３はダイオード１８に終端している界磁巻線１７に強く結合されている電機子巻線１２．２の変圧器表記(transformer representation)２０の概略を示している。電機子巻線１２．２は変圧器２０の一次巻線として用いられており、界磁巻線１７が変圧器２０の二次巻線として用いられている。電機子位相巻線１２．２の中心軸が回転子によって直接軸ｄと整列されているときのみ、すなわち、強く結合されているときのみ、変圧器表記２０が有効であることが理解されるであろう。電機子巻線１２．２が界磁巻線１７と直交しているとき、相互に直交しているそれぞれの巻線の中心軸に依存する、変圧器の作用（動作）は存在しない。

慣例のように、黒点２１．１および２１．２は、それぞれの巻線について「同じ」極を示す。電機子位相１２．２の中心軸が回転子によってｄ軸と整列されているとき、完全な１サイクル回転において、回転子１４に２つの位置が存在する。

第１の位置において、正極電圧が一次巻線１２．２に印加されるように閉じられたスイッチ２２によって、ダイオード１８は図３に図解されているように、逆極性にバイアスされるであろう。第２の位置において、一次巻線１２．２に印加された正極電圧によって回転子１４が１８０度回転されて、ダイオード１８がフォワード・バイアス（順方向にバイアス）されるであろう（図示せず）。

第１の位置を考慮すると、スイッチ２２が閉じられ、その結果、正極電圧が一次巻線１２．２に印加される。二次巻線１７を電流が流れることを防止しているダイオード１８に逆バイアス電圧を印加する二次巻線１７に、電圧が誘導される。しかしながら、一次巻線１２．２における磁化電流、すなわち、回転子の薄層１５における磁束密度が、下記式に基づいて、増加する、または、０からランプ状（ramp up)に上昇する。

ｖ＝Ｌ×（ｄｉ／ｄｔ） …（１）
ｄｉ＝ｄｔ×（ｖ／Ｌ） …（２）
ただし、
ｖは、ボルト表記（Ｖ）の印加電圧であり、
Ｌは、ヘンリー（Ｈ）表記の一次インダクタンスであり、
ｄｉは、アンペア表記（Ａ）の電流の変化であり、
ｄｔは、秒表記（ｓ）の時間の変化である。

磁束密度が所定の値または所望の値に到達したとき、スイッチ２２がオープンにされる。このことは、０に減少しなければならない一次電流を遮断するので、電流の変化率ｄｉ／ｄｔは負になり、式（１）から一次巻線を横切る電圧は負になる。

したがって、二次巻線１７はまた、誘導を通じて電圧を反転することを経験し、ダイオード１８をフォワード・バイアス（順方向にバイアス）させて、導電状態にする。それゆえ、二次巻線１７内を流れることによって発生される電流は、第１の位置において、一次巻線１２．２によってコア（鉄心）の薄層１５内に生成された磁束密度に比例する。回転子の界磁巻線１７内の電流はコアの薄層１５内の磁束を効果的に捕捉する。

フォワード電圧が印加されているダイオード１８によって二次巻線１７を横切って印加されている電圧が、一次巻線１２．２を横切って初期に印加された電圧よりも相当低いことが理解されるであろう。式（１）から、このことは、二次巻線１７の電流の崩壊率ｄｉ／ｄｔ、すなわち、磁束密度の崩壊率が、一次巻線１２．２の電流のランプ率、すなわち、磁束密度のランプ率よりも相当低いことを意味している。

このように、界磁の磁化（field magnetization)の崩壊時間は、印加された電圧の正しい選択と二次巻線に対する一次巻線の巻数比によるランプ時間よりも数桁長い。たとえば、その最大の１０％以内に界磁の強さを維持するため、代表的な印加電圧は３００Ｖであり、ダイオードのフォワード（順）電圧は１Ｖであり、巻線比を考慮すると、一旦、回転子の界磁が最大磁化にあると、毎１５ｍｓごと５０μｓの間充電されるべきことが必要とされるのみである。

さて、固定子１３に相対してあるスピードで回転している回転子１４による図１の回転子１４の磁化についてのみ（および、トルクの発生はないこと）を考慮する。回転子１４に磁気的な「チャージ（charge) 」を付与するため、直接軸ｄの回転子１４が、電機子位相１２．１または１２．２の中心軸を通過して、中心軸に瞬間的に整列するときはいつでも、制御手段または電力駆動型電子回路（図示せず）は、正しい極性の電圧を特定の電機子位相１２．１または１２．２に短時間（briefly)印加する。

始動時点において、磁化「チャージ」時間は、回転が最高になる( ラニング・トップアップ(running top up)「チャージ」時間より１０倍長くなり、回転子１４の磁化の界磁が初期的にその最大値に到達する。高速で回転しているとき、回転子１４の磁化は数サイクルごとトッピング・アップすること（最高速に向けて上昇させること）にのみ必要なだけであり、他方、非常に低いスピードにおいては、回転子１４の磁化は１サイクル毎に数回（a few times)、トッピング・アップするために必要である。

本発明の好適な実施の形態において、ダイオード１８は、回転子巻線１７においてスイッチング要素として用いられている。しかしながら、電機子位相巻線１２．１および１２．２のスイッチングに適切に同期される任意の型式のスイッチング要素、たとえば、トランジスタ、サイリスタ、ＭＯＳＦＥＴＲ、および／または、これらに類似するスイッチング要素を用いることができることが理解されよう。

この技術分野の熟練者は、上述したことに類似する原理が、切り換えモード（switched mpde)電源におけるフライバック（flyback)変圧器の動作に用いられることを、理解するであろう。しかしながら、フライバック変圧器においては、エネルギーが一次巻線から抵抗性負荷に接続されている固定の二次巻線に連続的に移送されるが、この電動機１０においては、フライバック原理は、回転子を回転させることに関連している（in a relative)磁束密度を維持するために用いられている。

さて、電動機１０におけるトルクの発生について考察しよう。磁界内の導体を運び、かつ、磁界と直交する、電流に基づいて生成されるトルクは、ローレンツの力の式によって与えられる。

Ｆ ＝ ｌ・ｉ・Ｂ …（３）
ただし、
Ｆは、ニュートン（Ｎ）で表記する力であり、
ｌ（エル）は、メートル（Ｍ）で表記する導体の長さであり、
ｉは、アンペア（Ａ）で表記する導体を流れる電流であり、
Ｂは、テスラ（Ｔ）で表記する磁束密度である。

電動機におけるトルクは下記式で与えられる。

Ｔ ＝ Ｆ・ｒ
＝ （ｌ・ｉ・Ｂ）・ｒ （式３）から
…（４）
ただし、
ｒは、回転子の半径であり、
Ｔは、ニュートン・メートル（Ｎ・ｍ）で表記するトルクであり、
Ｆは、ニュートン（Ｎ）で表記する力である。

図１を参照して、回転子１４が十分磁化されていることを想定する。固定子コア（鉄心）１３を方位角的に（azimuthally）通過する磁束ライン１９は、電機子位相１２．２の導体を横切らないので、これらの導体は全く力を受けない。しかしながら、電機子位相１２．１の導体は、固定子１５から空隙を横切る回転子１４まで横切る磁束ライン１９に直交し、この磁束ライン１９内に直接置かれているから、その導体は式（４）に基づくトルクを経験する。

電機子位相巻線１２．１の導体が固定子１３内に固定されており、かつ、回転子１４は反作用を受けるから、回転子１４はその結果としてのトルクと運動（motion) を受ける。それゆえ、トルクが、より小さい状態で、または、ｄ軸、空隙内に配置されている固定子導体１２．１または１２．２内を流れる電流によって回転子１４内に発生される。

動作中、電機子位相１２．１および１２．２の両者は、電動機が回転しているとき、トルクと磁化するチャージを交互に発生する。トルクを発生する電流は、回転子のサイクルの大きな部分の期間に印加されるが、磁化は短時間（a fraction of the time) である。回転子１４の適切な位置の検出と電機子位相電流のフィードバックによって、マイクロプロセッサで制御される電力トランジスタは、位相の間に要求されるタイミングと電流の制御を遂行することができる。

回転子１４の角度の位置は、回転子１４に装着された検出要素とフィードバック回路によって直接決定されることができる。他方、その位置は電機子巻線の電圧と電流との特性から間接的に決定することができるのであり、その理由は、これら電機子巻線の電圧と電流とが、その角度の位置に依存して（直接軸と直交軸の間の空隙における差に依存して）回転子１４によって表される可変リラクタンスによる影響を受けるからである。

換言すれば、図４ａに示した第１の回転子の位置において、電流を流している（carrying) とき、電機子位相巻線１２．１がトルクを発生し、他方、同時に、電機子位相巻線１２．２が回転子１４内の磁界をチャージ・アップする。同様に、図４ｂに示した第２の回転子の位置において、役割は反転し、電機子位相巻線１２．２がトルクを発生し、電機子位相巻線１２．１が回転子１４内の磁界をチャージ・アップする。

１サイクルの完全な回転にわたる、電機子位相巻線１２．１および１２．２、および、回転子界磁巻線１７のそれぞれの電流Ｉ_12.1、Ｉ_12.2、および、Ｉ₁₇、並びに、回転子１４の磁束密度Ｂ₁₄と時間との関係を示すグラフが、特定の回転方向について、図５に図解されている。電機子位相電流Ｉ_12.1、Ｉ_12.2の波形は、図示のごとく、１フル・サイクルにおいて、２つのトルク発生セグメント（区分または部分）と、２つの磁化パルスからなる。

回転子１４の回転方向が、電機子位相電流Ｉ_12.1またはＩ_12.2の一方の極性を変化させることによって、または、電流Ｉ_12.1およびＩ_12.2の時間的な順序を容易に交換することによって、逆転することが理解されよう。

電動機１０は、図５に図示したように、トルク発生セグメントの電機子位相電流Ｉ_12.1およびＩ_12.2の極性を反転させ、同じタイミングで、磁化電流パルスの極性を反転させることにより、発電機として動作する。

電動機として動作するか発電機として動作するかに係わらず、順方向または逆方向において、電流のタイミングは回転子１４の位置に同期される。

電動機１０を駆動する制御手段の電子回路が図６に示されている。電動機１０の概略的な表記が、電機子巻線１２．１および１２．２、回転子１４、回転子の界磁巻線１７、および、フリーホィール動作をするダイオード１８を示しているものに含まれている。

図示の実施の形態において、ＤＣ電源（図示なし）が電動機１０のためのメインＤＣバス４５．１および４５．２に給電している。ＭＯＳＦＥＴトランジスタ４０．１，４０．２，４０．３，４０．４からなる「Ｈブリッジ」回路装置が電機子位相巻線１２．１に対する要求された電流を切り換えるために用いられ、そして、ＭＯＳＦＥＴトランジスタ４２．１，４２．２，４２．３，４２．４からなる「Ｈブリッジ」回路装置が電機子位相巻線１２．２に対する要求された電流を切り換えるために用いられる。

このことは、正および負の電流極性について、いずれかの位相を独立に制御することを可能にし、そして、パルス幅変調を使用することによって、電流の大きさ（振幅）を独立して制御することを可能にしている。

マイクロプロセッサ５２が、ＭＯＳＦＥＴ駆動インターフェース５０を介してＭＯＳＦＥＴのスイッチングを制御し、その結果、電流Ｉ_12.1、Ｉ_12.2、および、電流Ｉ₁₇のタイミング、大きさおよび極性を制御する。電流センサ要素４１．１，４１．２，４１．３，４１．４は、電流の大きさ（振幅）を制御するため、アナログからディジタルへの変換器５４を介してマイクロプロセッサ５２にフィードバック信号を提供する。

固定子１３に対して相対的な回転子１４の位置は、図５の図解に基づいて、位相電流Ｉ_12.1、Ｉ_12.2および回転子の界磁電流Ｉ₁₇について、大きさ（振幅）とタイミングを制御するため、マイクロプロセッサのために要求されている。回転子位置検出手段の例示が、回転子１４に回転可能に固定されているディスク３０と、電動機の固定子に相対的に固定されている４つの光学的な反射センサ３１．１，３１．２，３１．３，３１．４の使用によって図示されている。ディスク３０は、図示のごとく、反射するように色付けられている（白）の９０°セグメント（区分）を有し、ディスク３０の残りの２７０°セグメント（区分）は無反射である。

光学的センサ３１．１，３１．２，３１．３，３１．４の信号が、バッファまたは信号調整要素５６を介してマイクロプロセッサ５２に戻される。白で図示されているように、光学式センサ３１．２の下の反射要素として位置されるディスク３０によって、光学式センサ３１．２によって戻された信号が、たとえば、ディジタル「１」であり、残りのセンサ３１．１，３１．３，３１．４によって戻された信号が、ディジタル「０」である。それゆえ、マイクロプロセッサ５２は、光学式センサ３１によって戻されたディジタル・コンビネーションによって決定された、回転子１４の位置と同期している、図５に基づく電機子位相巻線１２．１および１２．２に印加する電流を制御する。

たとえば、磁気的に結合された位置検出手段、ダイレクト・スライド・コンタクト・スイッチ、コミュテータ（整流機、communicator) などの他の検出手段もまた、使用できる。

好適な実施の形態において、マイクロプロセッサ５２は、電動機の始動させるため、停止させるため、または、方向の変更させるため、ユーザ・インターフェース・パネル５８内に含まれているスイッチと可変抵抗の状態を監視する。電動機１０が始動すると、回転子１４は初期的に完全に非磁化される、すなわち、界磁巻線１７とフリーホィール動作するダイオード１８を通っては電流が全く流れない。

このように、回転子１４は、（図３およびその対応する記述自体により）、回転子の界磁巻線１７に強く結合される電機子巻線１２．１または１２．２のどちらかによっても、最初に、十分に磁化されるか、「チャージ」される。マイクロプロセッサ５２は、センサ３１から得られる信号から電機子巻線１２．１および１２．２に関する回転子１４の方向を決定し、回転子の界磁巻線１７に強く結合された巻線１２．１または１２．２を選択し、要求された電流の向きを決定する。マイクロプロセッサ５２は、「Ｈブリッジ」回路４０および４２から所望のＭＯＳＦＥＴトランジスタ対をスイッチ・オンにして、回転子１４内の磁束密度14を所望の値までチャージ・アップする。

回転子１４はこの過程の期間、定常状態に止まる。一旦、磁束密度が所望の値に到達すると、能動的またはチャージング中の電機子巻線１２．１または１２．２がスイッチ・オフにされる。それから、予めアイドル状態（idle) の電機子巻線１２．１または１２．２がスイッチ・オンにされてトルクを発生させる。もし電動機１０に結合された適切なまたは軽い負荷が存在するとき、電動機があるスピードまで加速し、電流のタイミングと制御は図５に図示のそれらに似ている。しかしながら、もし負荷が電動機１０にとって非常に大きい場合は、すなわち、ロックされた回転子１４または高い慣性負荷（inertia load)
ならば、第１の電機子巻線１２．１または１２．２は回転子１４の磁束密度をトッピング・アップすることを維持しなければならないが、第２の電機子巻線は回転子１４が回転を開始するまで連続的に駆動電流またはトルク電流を供給することを維持することをなさればならず、その結果、電機子巻線１２．１および１２．２は、回転子１４の位置に従ってトルク電流と磁化電流とを交互に供給することを開始する。

上記一般的な記述と機械的な、巻線および電子回路は、本発明の好適な実施の形態である。第２実施の形態は、常にトルク発生巻線である電機子巻線１２．１および１２．２と、常に巻線を磁化する固定子内に配設されている付加的な巻線１２．３および１２．４を用いて遂行される。この実施の形態の概略構成が図７に示されており、対応する電流のグラフが図８に示されている。

図５に図示のグラフは可能な電機子電流Ｉ_12.1、Ｉ_12.2の波形とタイミングの例示である。トルク発生電流部分が、１サイクルの１／４の期間、または、回転子１４の機械的な角度の９０°の期間、固定値として、簡単に、図示されている。これらの波形はトルクを最適化し、たとえば、階段状に余弦状などの、高調波（harmonics)を低減するように、修正されている。

電機子電流Ｉ_12.1、Ｉ_12.2の磁化電流パルス部分は、トルク発生部分より相当大きな振幅を有し得るが、そのパルス幅は１／１００倍またはそれよりも狭く、その結果、磁化電流の平均値またはＲＭＳ値がトルク電流の平均値またはＲＭＳより相当小さい。

たとえば、磁化パルスのＲＭＳ値は、ＲＭＳで１０Ａのトルク電流値に対して、単に０．５Ａにすぎない。したがって、磁化パルス電流は、トルク発生電流と比較して、固定子巻線１２内に殆ど熱損失を発生させない。磁化による損失の大部分は、回転子１７の巻線内に発生し、その理由は、回転子の界磁巻線の電流Ｉ₁₇が適切な値で相当連続に近いからである。

磁化飽和に接近しているとき、誘導電動機における最大磁化電流が、固定子の巻線の電流導通容量と余弦状の磁化電流の高調波の歪によって一般的に制限されることが理解されよう。永久磁石型モータの最大磁化は従来の磁石の製造についての電流の状態によって制限される。

ここで述べている電動機１０は、それらの欠点から解放され、比較可能な（comparable) 効率において、回転子について相当高い磁化と高いトルク電流が得られ、その結果、同じ寸法のモータに対して、より高い電力密度とトルクが得られる。

電動機１０の全体的な効率は、固定子１３の銅損に等しい回転子１４の銅損を維持することによって動的に最適化され得る。マイクロプロセッサ５２は、全スピード範囲と可変負荷にわたって、最適な効率のため、トルク電流と磁化電流の大きさを調整することができる。

上述した例示が本発明を図解するために提供され、さらに、本発明の理解のため当業界の熟練者を援助するために提供され、本発明の適切な範囲を正規に制限しているように解釈されるべきことを意味しないことを、理解すべきである。

本願の発明者は、本願発明の電動機が、同期モータ、誘導モータ、ブラシまたはブラシレスＤＣモータの全体性能を越えた全体性能を持っているという利点を考慮しているが、他方、誘導モータの簡単さ、価格が効果的な製造可能性を共に利点として考慮している。

本願の発明者はさらに、本実施の形態の電動機が、他の全ての形式のモータと比較して、高い電力密度と効率を持つことが利点であると考慮している。本願の発明者はさらに、本願の電動機が、牽引の用途において特別の用途を見いだしている、低い始動電流に対して高い始動トルクを有することが利点であることを考慮している。

本願発明者はまた、全４象限動作（監視すること、発電すること、順転（フォワード）および逆転）によって、全負荷範囲にわたって、最適な効率で動的なスピードとトルク制御が簡単に遂行できるという利点について考慮している。

図１は本発明に基づく、半径方向における横断面における、電動機を示す。 図２は図１に示した電動機について軸方向における断面図を示す。 図３は低い磁化リラクタンス・パスを介して界磁巻線と干渉する電機子位相を表した回路図を概略的に示す。 図４ａ、図４ｂは、電機子と相対的な異なる位置における電動機の回転子について、半径方向における横断面を示す。 図５は図１に図解した電動機の動作の期間、異なる界磁巻線と電機子巻線についての電流と磁束密度についてのグラフを示す。 図６は１実施の形態としての制御手段の概略を示す。 図７は電動機のさらなる他の実施の形態について、半径方向における横断面を示す。 図８は図７に図解した電動機の動作の期間、電機子巻線の電流についてのグラフを示す。

Claims (11)

1. 電動機であって、当該電動機は、
   ２つのそれぞれの電機子位相を形成するように配設された少なくとも２つの電機子巻線を有する電機子と、
   前記電機子内の凸極型回転子装置であって、回転子が空隙によって前記電機子から分離されており、前記回転子は、前記凸極型回転子装置が当該回転子と前記電機子との間の空隙を通るより高いおよびより低い磁気リラクタンス・パスを規定するような形状に形成され且つ構成されており、かつ、前記回転子はさらに当該回転子の凸極の周りに界磁巻線をさらに有し、前記巻線が少なくとも１つの極ペアを形成するように構成されており、前記界磁巻線は選択的・電気的なスイッチに終端しており、当該選択的・電気的なスイッチは、当該スイッチを横切って印加されたリバース電圧バイアスが前記界磁巻線をオープン回路にするように前記界磁巻線の電気的な連続性を決定する、凸極型回転子装置と、
   制御手段であって、当該制御手段は、付勢された電機子位相が誘導の期間前記スイッチを横切ったリバース電圧バイアスを印加するように、低いリラクタンス・パスを介して前記界磁巻線に結合されている前記電機子位相に電圧を印加することにより前記界磁巻線の磁化を調整するように構成されており、このリバース・バイアスが前記界磁巻線内の電流の流れを防止するが、前記電子機位相に印加された電圧が前記回転子内の磁束密度を高め、それから当該制御手段は、一旦、前記回転子内の所定の磁束密度に到達すると前記印加電圧を除去し、それにより、当該除去された前記印加電圧が前記スイッチを横切るフォワード電圧バイアスに対して電圧のリバースを誘導して前記界磁巻線内を電流が流れることを可能にし、前記電流は前記回転子内の磁束密度の崩壊を防止し、前記制御手段はさらに、前記界磁巻線を付勢するのには応答しない他のそれぞれの電機子位相に電圧を印加することにより当該電動機内のトルクの発生を調整するように構成されており、その結果、任意の所定の瞬間において、ある電機子位相が前記界磁巻線を磁化するのに利用可能であるが、他の電機子位相はトルクの発生に応答する、制御手段と
   を有する、電動機。
2. 前記選択的なスイッチが、フリーホィール動作を行うダイオードを含む、
   請求項１に記載の電動機。
3. 前記選択的なスイッチが、半導体・電子デバイスを含む、
   請求項１に記載の電動機。
4. 前記制御手段が、マイクロプロセッサを含む、
   請求項１〜３のいずれかに記載の電動機。
5. 前記制御手段が、前記電機子位相に電圧を印加することを制御するための電子式スイッチを含む、
   請求項１〜４のいずれかに記載の電動機。
6. 前記制御手段が、正確な瞬間において、前記電機子位相への電圧の印加を制御するように、前記電機子位相と相対的な前記回転子の位置を検出するセンサを含む、
   請求項１〜５のいずれかに記載の電動機。
7. 前記制御手段が、前記電機子位相の電流と電圧特性から前記回転子の位置を決定するように構成されている、
   請求項１〜５のいずれかに記載の電動機。
8. 前記制御手段が、当該電動機のスピードに依存して前記回転子内の磁束密度を調整する、
   請求項１〜７のいずれかに記載の電動機。
9. 前記制御手段が、適切な状況の下で発電機として当該電動機を制御するように構成されている、
   請求項１〜８のいずれかに記載の電動機。
10. 前記電機子位相が、前記界磁巻線を磁化させることに寄与する、
    請求項１〜９のいずれかに記載の電動機。
11. 前記電機子位相が、当該電動機内のトルクの発生に寄与する、
    請求項１〜１０のいずれかに記載の電動機。

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