JP2016518097A - 磁束スイッチング変調磁極機械 - Google Patents

Abstract

磁束スイッチング変調磁極機械のための固定子であって、固定子が、固定子鉄心、コイル、及び少なくとも２個の永久磁石を備え、固定子鉄心が、少なくとも４個の同軸の環状の固定子鉄心部材を備え、各々がそれぞれセットの半径方向に突出する歯を備え、各々の環状の固定子鉄心部材の歯が周方向に沿って分配され、環状の固定子鉄心部材は、互いに対して軸方向に変位し、各々の環状の固定子鉄心部材の歯は、各々の隣接する環状の固定子鉄心部材の歯に対して周方向に変位し、コイルは、環状の固定子鉄心部材と同軸に配置され且つ歯のセットのうちの２つの間に軸方向に挟まれ、永久磁石は、軸方向に磁化され且つ環状の固定子鉄心部材のうちの２個の間に軸方向に挟まれる。

Description

本発明は、一般的に磁束スイッチング変調磁極機械（ｆｌｕｘ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ｐｏｌｅ ｍａｃｈｉｎｅ）に関する。

長年にわたり、変調磁極機械、たとえば、クロー・ポール型機械、ランデル型機械、及び、横方向磁束機械（ＴＦＭ）などのさまざまな電気機械の設計が提案されてきた。これらの機械の原理を用いる電気機械は、早くも１８９０年頃にはＷ．Ｍ．Ｍｏｒｄｅｙによって、１９１０年にはＡｌｅｘａｎｄｅｒｓｓｏｎ及びＦｅｓｓｅｎｄｅｎによって開示された。そのような機械への興味を増大させる１つの理由は、この設計によって他の公知の機械設計と比較して非常に高いトルク出力が可能になることである。

国際公開第２００７／０２４１８４号には、複数の歯を含む実質的に円形である第１の固定子鉄心セクションと、複数の歯を含む実質的に円形である第２の固定子鉄心セクションと、第１及び第２の円形の固定子鉄心セクションの間に配置されたコイルと、複数の永久磁石を含む回転子と、を含んでいる電気的な回転機械が開示されている。第１の固定子鉄心セクション、第２の固定子鉄心セクション、コイル及び回転子は、幾何学的な共通の軸を取り囲み、第１の固定子鉄心セクション及び第２の固定子鉄心セクションの複数の歯は、回転子に向かって突出するように配置される。さらに、第２の固定子鉄心セクションの歯は、第１の固定子鉄心セクションの歯に対して周方向に変位し、回転子の永久磁石は、軟磁性材料から形成された軸方向に延在する磁極片によって周方向に互いに分離している。

先行技術の横方向磁束変調磁極機械の欠点の１つは、通常それらを製造するのに比較的費用がかかることである。特に、そのような機械の回転子は、比較的複雑な構造を有し、多数の永久磁石を備える。

最近、Jianhu Yanらの「Magnetic Field Analysis of a Novel Flux Switching Transverse Flux Permanent Magnet Wind Generator with 3-D FEM、International Conference on Power Electronics and Drive Systems、2009年、332〜335頁には、風力発電機に使用される横方向磁束永久磁石機械が記載されており、永久磁石が回転子ではなくて固定子の中に配置される。特に、そのような機械は、従来の横方向磁束永久磁石機械と比べてスペースの高い活用度のせいで、大規模で低速の風力発電の用途に有望であるとして説明されている。

しかしながら、この先行技術の機械の固定子は、依然として多数の構成要素を必要としている。

Z.Q. Zhuらの「Novel Linear Flux-Switching Permanent Magnet Machines」、International Conference on electrical machines and systems、 2008年、2948〜2953頁にも、同様の機械が開示されている。

国際公開第２００７／０２４１８４号 米国特許第６３４８２６５号

Jianhu Yanら、「Magnetic Field Analysis of a Novel Flux Switching Transverse Flux Permanent Magnet Wind Generator with 3-D FEM」、International Conference on Power Electronics and Drive Systems、2009年、332〜335頁 Z.Q. Zhuら、「Novel Linear Flux-Switching Permanent Magnet Machines」、International Conference on electrical machines and systems、 2008年、2948〜2953頁 David Jiles、「Introduction to Magnetism and Magnetic materials」、第１版、1991年、ISBN 0 412 38630 5 (HB)、74頁

製造及び組立てが比較的廉価である変調磁極機械を提供することが広く望まれている。また、高い構造安定性、低い磁気抵抗、有効な磁束通路の誘導性、低重量、小型、高容量特定性能（ｈｉｇｈ ｖｏｌｕｍｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）などのうちの１つ又は複数というような、良好な性能パラメータを有する機械を提供することが望まれている。さらに、そのような機械のための構成要素を提供することが望まれている。

第１の態様によれば、本明細書に開示されるのは、ｎが正の整数である、ｎ相を備える磁束スイッチング変調磁極機械用の固定子であり、固定子は、固定子鉄心、ｎ個のコイル、及び少なくともｎ＋１個の磁石を備える。固定子鉄心は、各々が少なくとも１セットの半径方向に突出する歯を備え、各々のセットの歯が周方向に沿って分配された複数の同軸の環状の固定子鉄心部材を備え、環状の固定子鉄心部材は、互いに対して軸方向に変位し、各々の環状の固定子鉄心部材の歯は、各々の隣接する環状固定子鉄心部材の歯に対して周方向に変位している。各々のコイルは、環状固定子鉄心部材と同軸に配置され、歯のセットのうちの２つの間に軸方向に挟まれる。各々の磁石は、軸方向に磁化され、環状の固定子鉄心部材のうちの２個の間に軸方向に挟まれる。

したがって、本明細書に開示されるのは、多数の構成要素を必要とせずにその構成要素が能率的に製造できる変調磁極機械用の固定子の実施例である。

環状の鉄心部材は、軸と、対応する半径方向及び周方向を画定する。固定子鉄心部材、コイル及び回転子は、共通の幾何学軸を取り囲む。回転機械では、横方向とは、機械の軸方向であり、運動の方向とは、機械の周方向である。

各々の磁石は、永久磁石若しくは電磁石又はそれらの組合せにすることができる。少なくとも（ｎ＋１）個の磁石の各々は、歯のセットの異なる対の間に挟まれて異なる軸方向の位置で位置付けされる。いくつかの実施例では、各々の磁石は、軸方向に磁化されて固定子鉄心部材と同軸に配置される環状の永久磁石である。その結果、僅かの数の永久磁石が必要とされるだけであり、したがって、多数の永久磁石の組立て及び取付けが厄介な工程になり得るので、機械の組立ても簡略化される。たとえば、永久磁石は、ＮｄＦｅＢ又はフェライトから形成することができる。また、永久磁石は、リングとして形成される場合、高い性能を実現することができる。代替的には、少なくとも（ｎ＋１）個の磁石の各々は、複数の磁石要素から組み立てることができる。たとえば、いくつかの円弧を組み立てることによりリングが形成される場合、リング状の永久磁石の代わりに、複数の円弧状の永久磁石を用いることができる。双方の場合において、固定子は、（ｎ＋１）個のリング状の磁石をそれぞれの軸方向位置に備える。

いくつかの実施例では、固定子は、軸方向に積み重ねられる２（ｎ＋１）個の固定子鉄心部材を備える。固定子鉄心部材の各々の対は、磁石及びコイルが交互の順序を形成するように、少なくとも（ｎ＋１）個の磁石のうちの１個又はｎ個のコイルのうちの１個のいずれかで分離することができる。具体的には、いくつかの実施例では、磁石のうちの第１の磁石は、固定子鉄心部材のうちの第１の固定子鉄心部材と第２の固定子鉄心部材との間に挟まれ、磁石のうちの第２の磁石は、固定子鉄心部材のうちの第３の固定子鉄心部材と第４の固定子鉄心部材との間に挟まれ、コイルは、第２の固定子鉄心部材と第３の固定子鉄心部材との間に挟まれる。したがって、固定子鉄心部材は、軸方向に積み重ねられ、固定子鉄心部材の各々の対は、磁石及びコイルが交互の順序を形成するように、磁石又はコイルのいずれかで分離される。

固定子鉄心は、いくつかの独立した構成要素から製造することができる。たとえば、いくつか又は各々の固定子鉄心部材は、他の固定子鉄心部材から分離しているそれぞれの固定子鉄心構成要素として形成することができる。したがって、一個体の構成要素は、たとえば、Ｐ／Ｍ法によって都合よく製造することができる。

各々の固定子鉄心部材は、環状の固定子鉄心バックと、固定子鉄心バックから回転子に向けて半径方向に延びる１セットの歯と、を備え、固定子鉄心バックは、半径方向及び軸方向の磁束通路を提供しており、固定子鉄心部材のそれぞれの歯と、固定子鉄心部材に軸方向に隣接する固定子の他の構成要素、具体的には、磁石のうちの１個又は固定子鉄心部材のうちの別の１個と、の間で、たとえば、２個の固定子鉄心部材を連結する適切な軸方向磁束ブリッジを介して、磁束の有効な伝達が可能になる。したがって、磁石は、固定子鉄心バックと半径方向に整列することができる。たとえば、各々の固定子鉄心バックは、内側半径を有する内側周辺部と、外側半径を有する外側周辺部とを画定し、各々の永久磁石は、内側半径及び外側半径の間に半径方向に延びることができる。

２個の隣接する固定子鉄心部材の歯は、列と列が軸方向に離間して周方向に延びるギャップで分離される周方向の歯列をそれぞれ形成する。コイルは、それぞれの歯列の間の周方向に延びるギャップの中に収容されるそのような一対の固定子鉄心部材の間に挟まれる。コイル巻線は、歯の半径方向の寸法に対応する半径方向の厚さを有することができる。コイル巻線は、歯根元部から、すなわち、固定子鉄心バックの外側周辺部から歯先端部まで半径方向に延びることができる。しかしながら、歯先端部と回転子との間に明確なエア・ギャップを形成してコイルが回転子の動きを阻害するのを回避するために、歯先端部がコイルの外側に僅かだけ半径方向に延在することが望ましいことがあり得ると理解されよう。

いくつかの実施例では、固定子鉄心は、コイルを間に挟む固定子鉄心部材を連結している磁束ブリッジを備える。磁束ブリッジは、固定子鉄心部材の間、具体的には、それぞれの固定子鉄心部材の固定子鉄心バックの間に少なくとも１つの軸方向の磁束通路を形成するように作動可能である。

磁束ブリッジは、独立の構成要素、たとえば、固定子鉄心部材から独立し且つ間に挟まれる環状の構成要素として提供することができ、又は、固定子鉄心部材の一方若しくは双方に一体化することができる。この目的のために、固定子鉄心部材は、ブリッジ・セクション、たとえば、別の固定子鉄心部材に向かう軸方向磁束通路を形成する固定子鉄心バックから軸方向に延びる環状のフランジ形式のものをさらに備えることができる。したがって、鉄心バック及びブリッジ・セクションは、それぞれ固定子鉄心部材の歯の間に磁束通路を形成することができる。１個の固定子鉄心部材のブリッジ・セクションは、隣接する固定子鉄心部材の鉄心バックに当接することができる。代わりに、双方の隣接する固定子鉄心部材は、それらのブリッジ・セクションが互いに向かって突出し且つ当接するように、ブリッジ・セクションを各々が備えることができる。さらに代わりに、２個の固定子鉄心部材及びそれらを連結する磁束ブリッジは、一体化した単一の構成要素として形成することができる。したがって、固定子鉄心部材は、対で相互連結することができる。

一般的に、いくつかの実施例では、軸方向に積み重ねた固定子鉄心部材は、積み重ねのそれぞれ端部を形成する２個の外側の固定子鉄心部材と、外側の固定子鉄心部材の間に位置する２ｎ個の内側の固定子鉄心部材と、を備える。いくつかの実施例では、各々の固定子鉄心部材は、固定子を形成するために、他の固定子鉄心部材とコイルと磁石と共に組み立てられるべき独立の構成要素として形成される。他の実施例では、内側の固定子鉄心部材のいくつか又はすべては、一対の固定子鉄心部材が一体の構成要素として形成されるように、対で相互連結することができる。したがって、内側の固定子鉄心部材のすべてが対で連結される場合、２（ｎ＋１）個の固定子鉄心部材は、（ｎ＋２）個の独立した構成要素で形成されることになる。たとえば、各々のそのような構成要素は、２つの周方向の歯列を備えることができ、これらの列は、コイルを収容するための周方向のギャップを形成するように軸方向に離間される。固定子構成要素は、歯列の間に磁束通路を形成する磁束ブリッジをさらに備える。次いで、これらの構成要素は、各々の対の固定子構成要素の間に磁石が挟まれるように、積み重ねることができる。

いくつかの実施例では、固定子は、ｎ個（ｎが１よりも大きい整数であり、たとえば、ｎ＝３）の位相を有し、固定子がｎ個のコイルと（ｎ＋１）個の磁石を備え、固定子鉄心が２（ｎ＋１）個の固定子鉄心部材を備える多相機械用の固定子である。固定子の要素は、固定子鉄心部材の間に挟まれる磁石及びコイルが軸方向に交互の順序を形成するために、磁石又はコイルが、隣接する固定子鉄心部材の各々の対の間に挟まれるように、軸方向に配置することができる。コイル鉄心部材は、２個の外側の固定子鉄心部材と２ｎ個の内側の固定子鉄心部材とを含む軸方向の順序を画定する。固定子鉄心部材の歯は、すべてが同じ形状及び軸方向寸法を有することができる。隣り合う歯のセットの間の軸方向の隙間は、磁石及びコイルの軸方向寸法のそれぞれに依存する場合がある。

いくつかの実施例では、固定子は、３相機械用であり、３個のコイルと４個の磁石を備え、固定子鉄心は、８個の同軸の環状の固定子鉄心部材を備え、各々がそれぞれセットの半径方向に突出するＮ個の歯を備え、Ｎは１より大きい整数である。コイルは、環状の固定子鉄心部材と同軸に配置され且つ歯のセットのうちの２つの間に軸方向に挟まれ、磁石は、軸方向に磁化され且つ環状の固定子鉄心部材のうちの２個の間に軸方向に挟まれる。ところで、単一相の実施例では、４個の固定子鉄心部材が、３相固定子の実施例では、８個の固定子鉄心部材が存在する。磁石を間に挟む固定子鉄心部材の歯のセットは、互いに対して１２０度／Ｎの（機械的）角度だけ周方向に変位し、コイルを間に挟む固定子鉄心部材の歯のセットは、互いに対して１８０度／Ｎの（機械的）角度だけ周方向に変位する。したがって、単一相では、２セットの歯は、０機械的角度であり、他の２セットは、変位し、この場合、１８０機械的角度だけ変位する。

したがって、多相固定子の実施例では、固定子鉄心部材の大多数が２相に役立つので、３つの独立した位相ではなくて共通の磁束通路が利用される。実際、内側の固定子鉄心部材のすべてが２相に磁束通路を形成する。

その結果生まれる３相機械の実施例では、連続したトルク及び安定した３相誘導電圧が提供される。

いくつかの実施例では、固定子は、永久磁石と、固定子鉄心部材と同軸であり且つ永久磁石の軸方向位置に配置される追加のコイルと、を備える。すなわち、各々の追加のコイルは、永久磁石のうちの１個と同じ固定子鉄心部材の対の間に挟まれる。たとえば、追加のコイルは、永久磁石を取り囲むことができる。これらの追加のコイルを通して供給されるＤＣ電流により、永久磁石からの磁束が補強され、したがって、同一容量のために生じるトルクが増大される。随意的に、磁束を無効化するために電流を加える代わりに、たとえば、高速で、磁束を低減することが望ましい場合に、追加の磁束補強用のコイルの電流は、低減又は切断さえすることができ、したがって、より効率的な機械を提供できる。

本発明は、上述及び後述する固定子を含む異なった態様、対応する方法、装置、及び／又は製造手段に関し、各々が、最初に記載した態様に関連して上述した利益及び利点のうちの１つ又は複数をもたらし、また、各々が、最初に記載した態様に関連して述べた実施例及び／又は添付の特許請求の範囲に開示した実施例に対応する１つ又は複数の実施例を有する。詳細には、本発明は、本明細書に開示される固定子と回転子を備える磁束スイッチング変調磁極機械に関する。

回転子の実施例は、何ら永久磁石を備えないが、複数の磁束導体すなわち磁極を備える。いくつかの実施例では、回転子は、管状の回転子を形成するために並列配置された複数の軸方向に延びる回転子磁極片を備える。各々の回転子磁極片は、回転子の軸方向に延びる長手方向軸を有する細長いロッドにすることができる。回転子磁極片は、固定子鉄心部材のすべてを横断して軸方向に延びることができる。機械は、２ｐの軸方向に延びる回転子磁極片を回転子が備えるｐ極機械にすることができる。同様に、各々の固定子鉄心部材は、ｐ／２個の歯を備えることができる。したがって、回転子構造は、簡単であり、多数の異なった形式の構成要素を必要としないし、先行技術の変調磁極機械のような多数の永久磁石の組立体も必要としない。さらに、回転子構造の実施例は、機械的に安定しており頑丈である。

以下、本明細書中に記載する機械の実施例は、回転子が永久磁石又はコイルのいずれも備えていないので、受動回転子機械として言及する場合もある。

本明細書中に記載の固定子鉄心及び／又は回転子の実施例は、粉末冶金（Ｐ／Ｍ）製造方法による製造に極めて都合良くできている。したがって、いくつかの実施例では、固定子鉄心部材及び／又は回転子磁極片は、圧縮成形された軟磁性粉末などの軟磁性材料で形成され、これにより、固定子鉄心及び／又は回転子構成要素の製造が単純化され、しかも、軟磁性材料の中に有効な３次元磁束通路が形成され、固定子鉄心及び／又は回転子の中に、たとえば、半径方向、軸方向、及び周方向の磁束通路構成要素を可能にする。

ここで、そして以下において、軟磁性という用語は、磁化され得るが磁場から移動すると磁化したままとならない傾向がある材料の材料特性を引用することを意図している。一般的に材料は、その保磁力が１ｋＡ／ｍを越えないときに軟磁性であると説明することができる（たとえば、David Jilesの「Introduction to Magnetism and Magnetic materials」第１版、1991年、ISBN 0 412 38630 5 (HB)、74頁を参照のこと）。

本明細書中で使用される「軟磁性複合材料」（ＳＭＣ）という用語は、プレス成形／圧縮成形及び熱処理される３次元（３Ｄ）磁気特性を有する金属粉末構成要素を引用することを意図している。ＳＭＣ構成要素は通常、複雑な形状を有する場合のある均一な等方性の構成要素を単一ステップで形成するために圧縮成形される表面が絶縁された鉄粉末粒子から構成される。

軟磁性粉末は、たとえば、軟磁性の鉄粉末又はコバルト若しくはニッケル若しくはそれらを部分的に含む合金を含む粉末にすることができる。軟磁性粉末は、電気絶縁性の被覆を有する不規則形状の粒子を有する、実質上純粋水アトマイズ鉄粉末又は海面鉄粉末にすることができる。これとの関連で、「実質上純粋」という用語は、粉末が実質上含有物を有しておらず、Ｏ、Ｃ、及びＮなどの不純物の量が最低限に維持されるべきことを意味する。重量ベースの平均粒子寸法は通常、３００μｍより下、１０μｍより上にすることができる。

しかしながら、軟磁性金属粉末又は合金粉末は、軟磁性の特性が十分であり且つ粉末が型圧縮成形に適していれば、どれでも使用することができる。

粉末粒子の電気的絶縁は、無機材料で形成することができる。特に適しているのは、酸素含有及びリン含有の絶縁バリアを有する純鉄で基本的に構成される粉末をベースにした粒子に関する米国特許第６３４８２６５号（参照により本明細書に組み込む）に開示された絶縁形式である。絶縁された粒子を有する粉末は、スウェーデンのＨｏｇａｎａｓ ＡＢ社から市販されている、Ｓｏｍａｌｏｙ（登録商標）５００、Ｓｏｍａｌｏｙ（登録商標）５５０、又はＳｏｍａｌｏｙ（登録商標）７００として入手することができる。

したがって、回転子磁極片及び／又は固定子鉄心部材を形作ることは、いわゆる成形用の金型を用いる工具などの適切な圧縮成形工具により、軟磁性粉末から回転子磁極片又は固定子鉄心部材を圧縮成形することで、効果的に実行できる。代わりに、回転子磁極片は、積層板、軟鋼又は他の適切な軟磁性材料から形成することができる。同様に、固定子鉄心部材は、積層板から形成することができる。鉄心バック・セクションは、任意の適切な磁性の及び磁性的に十分に等方性の材料、たとえば、軟磁性粉末から形成することができる。

本発明の上記及び／又は別の目的、特徴、並びに、利点については、添付図面を参照して、本発明の実施例の以下の図解的で非制限的な詳細な説明によってより明らかになろう。

３相磁束スイッチング変調磁極機械の実例を示し、特に図１ａは、この機械の磁気的に活性な構成要素を示す図であり、他方、図１ｂは、３相磁束スイッチング変調磁極機械の実例の２極セグメントのさらに詳細を示す図である。 固定子鉄心部材の実例を示す図である。 図解的に示した無負荷の鎖交磁束通路の実例を有する固定子及び回転子の実例の軸方向配置を示す図である。 本明細書中に記載される磁束スイッチング変調磁極機械の回転子の実例を示す図である。 固定子鉄心部材の他の実例を示す図である。

以下の記載では、本発明をどのように実施し得るかを例示する添付図面に言及する。

図１は、３相磁束スイッチング変調磁極機械の実例を示す。特に図１ａは、機械の磁気的に活性な構成要素の図を示し、その一方、図１ｂは、３相磁束スイッチング変調磁極機械の実例の２極セグメントのさらに詳細な図を示す。

機械は、固定子と回転子を備える。固定子は、固定子構成要素のいくつかを共有する３つの固定子位相セクション１０ａ、１０ｂ、１０ｃを備える。

固定子は、リング状の歯付き円板として各々が形成される８個の環状の固定子鉄心部材１０１−１、・・・、１０１−８を備える。図２には、固定子鉄心部材の実例が示されている。具体的には、図２ａは、軸方向から見た固定子鉄心部材の側面図を示し、図２ｂは、半径方向から見た固定子鉄心部材の側面図を示し、図２ｃは、固定子鉄心部材の３次元の図を示す。固定子鉄心部材は、リング状の固定子鉄心バック２１０を備えており、そこから複数の歯１０２が半径方向に突出している。図２の実例では、固定子鉄心部材１０１は、８０極機械に対応する４０個の歯を備える。しかしながら、代替の実施例が異なる数の磁極に対応する異なる数の歯を備える場合があると理解されるであろう。歯１０２は、固定子鉄心部材１０１の外周に規則正しく分配される。本実例では、すべての歯は、等しい形状及び寸法を有し、そのそれぞれの隣接するものから均等に離間される。図２の実例では、固定子鉄心部材は、回転子が固定子を取り囲む外側回転子機械用である。したがって、歯は、固定子鉄心部材から半径方向外方に突出している。しかしながら、代替の実施例では、内側回転子機械用の固定子鉄心部材は、リング状の鉄心バックの内周から半径方向内方に突出している歯を有する場合があると理解されるであろう。いずれにしても、各々の歯１０２の先端部は、回転子に対向する境界面２１１を画定し、対応する回転子の境界面と共に、回転子から固定子を分離している機械のエア・ギャップを画定している。各々の固定子鉄心部材は、Ｐ／Ｍ法によって圧縮成形して一部品にすることができる。代わりに、固定子鉄心部材は、別の適切な軟磁性材料で形成することができる。

再度図１を参照すると、８個の固定子鉄心部材は、共通軸に沿って軸方向に積み重ねられる。すべての固定子鉄心部材は、同じ数の歯を有し、すべての固定子鉄心部材の歯は、等しい形状及び寸法を有し、そのそれぞれの隣接するものから均等に離間される。固定子鉄心部材は、互いに対して回転され、そのそれぞれの歯は、対応する他の固定子鉄心部材の歯から周方向に変位、すなわち、固定子鉄心部材によって画定される周方向に沿って変位する。その結果、各々の固定子鉄心部材の歯は、それぞれの隣接した固定子鉄心部材の歯に対して所定の角度位置で位置付けされる。

固定子は、４個の永久磁石１０３−１、・・・、１０３−４を別々に有する。各々の永久磁石は、軸方向に磁化された円板状のリングとして形成される。各々の永久磁石は、固定子鉄心部材１０１−１、・・・、１０１−８と同軸に位置付けされると共に、各々の固定子鉄心部材が永久磁石によって隣の固定子鉄心部材の一方から分離されるように、２個の隣接している固定子鉄心部材の間に挟まれる。永久磁石は、永久磁石によって発生する軸方向の磁束が永久磁石を間に挟む固定子鉄心部材の鉄心バック部分に入ることができるように、固定子鉄心部材の鉄心パック部分と半径方向に整列する。磁化の向きの配向は、軸方向に沿って磁石から磁石に交番する。

固定子は、固定子鉄心部材によって画定された共通の軸の周りに各々が巻回される３個のコイル１０４−１、１０４−２、及び１０４−３をさらに備える。コイルは、永久磁石又はコイルのどちらかが固定子鉄心部材の各々の対の間に軸方向に挟まれるように、固定子鉄心部材の間に挟まれる。コイルは、一対の隣接した固定子鉄心部材の歯の間に形成されたギャップの中に収容される。すなわち、コイルは、歯１０２と半径方向に整列される。

コイルを間に挟む固定子鉄心部材の対は、環状の磁束ブリッジ１０６によってさらに連結される。磁束ブリッジ１０６は、隣接する固定子鉄心部材を軸方向に連結すると共に、それらの固定子鉄心部材の鉄心バック・セクションの間に軸方向磁束通路を形成する。したがって、図１の実例では、各々のコイルは、対応する磁束ブリッジを取り囲む。しかしながら、内側回転子機械では、構成要素の半径方向配置が反転される場合、すなわち、磁束ブリッジがコイルを取り囲む場合があると理解されよう。磁束ブリッジは、固定子鉄心部材から分離した別個の構成要素として形成することができる。代わりに、磁束ブリッジは、それがつながる固定子鉄心部材の対のうちの一方に一体化することができ、たとえば、固定子鉄心部材の鉄心バック部分から同対の他の固定子鉄心部材に向けて軸方向に突出する環状のフランジとして一体化することができる。さらに代わりに、磁束ブリッジのそれぞれの部品を各々の固定子鉄心部材に一体化して、これらの部品が、たとえば、図５に関連して説明したように、磁束ブリッジを共同して形成するようにすることができる。そのような実施例では、磁束ブリッジによって連結される固定子鉄心部材は、同一の形状及び寸法を有することができ、したがって、単一の工具セットを用いて都合よく製造することができる。

さて、図１の実例では、固定子構成要素の軸方向の配置構成は、次のとおりである。固定子鉄心部材１０１−１、第１の配向で軸方向に磁化された永久磁石１０３−１、固定子鉄心部材１０１−２、固定子鉄心部材１０１−３、第１の配向に対向する第２の配向で軸方向に磁化された永久磁石１０３−２、固定子鉄心部材１０１−４、固定子鉄心部材１０１−５、第１の配向で軸方向に磁化された永久磁石１０３−３、固定子鉄心部材１０１−６、固定子鉄心部材１０１−７、第２の配向で軸方向に磁化された永久磁石１０３−４、固定子鉄心部材１０１−８。

３個のコイル１０４−１、１０４−２、及び、１０４−３は、それぞれ固定子鉄心部材１０１−２及び１０１−３の歯の間、固定子鉄心部材１０１−４及び１０１−５の歯の間、並びに、固定子鉄心部材１０１−６及び１０１−７の歯の間に収容される。

一般的に、本明細書で記載した機械の実施例では、製造及び組立てをすべき構成要素は、比較的僅かな数だけ必要とされ、特に、永久磁石の数は僅かである。

それぞれの固定子鉄心部材の歯の角度位置は、次の固定子鉄心部材１０１−１（２４０度）、固定子鉄心部材１０１−２（０度）、固定子鉄心部材１０１−３（１８０度）、固定子鉄心部材１０１−４（３００度）、固定子鉄心部材１０１−５（１２０度）、固定子鉄心部材１０１−６（２４０度）、固定子鉄心部材１０１−７（６０度）、固定子鉄心部材１０１−８（１８０度）というように電気角で表現することができる。

したがって、機械的な角度の点から、２個の隣り合う固定子鉄心部材の歯は、１２０度／Ｎ又は１８０度／Ｎのいずれかだけ互いに対して変位し、ここでＮは各々の固定子鉄心部材の歯の数である。具体的には、永久磁石によって分離される固定子鉄心部材は、それらのそれぞれの歯が１２０度／Ｎだけ互いに対して変位するように互いに対して回転され、その一方、それらの間にコイルを収容する固定子鉄心部材は、それらのそれぞれの歯が１８０度／Ｎだけ互いに対して変位するように互いに対して回転される。

回転子は、並列配置される細長いロッドとして形成された回転子磁極片１０５を備え、それらの長手方向軸が互いに平行であり且つ管状の回転子構造を形成するように固定子鉄心部材の共通軸に平行である。回転子磁極片は、８個の固定子鉄心部材のすべてを横断して軸方向に延びるように寸法付けされる。固定子磁極対ごとに１個の回転子磁極片が存在し、これはｐ極機械がｐ／２個の回転子磁極片を必要とすることを意味する。回転子磁極片は、（図１が磁気的に活性な部品のみを示しているように、明示的に示されない）プラスチック又はアルミニウムなどの適切な非磁性材料によって周方向に分離されている。たとえば、回転子磁極片は、管状サポートの中に埋め込むことができ、このサポートは、各々の回転子磁極片をチャネルの１つに収容するように、固定子に対面するその表面上に軸方向に延びるチャネルを複数有する。回転子磁極片は、任意の適切な軟磁性材料から形成することができ、たとえば、適切なＰ／Ｍ法によって軟磁性粉末から圧縮成形することができる。

したがって、８０極３相バージョンの図１の機械は、８個の固定子鉄心部材、３個のコイル、４個の磁石、及び４０個の回転子磁極片から製造することができる。構成要素の数の縮小を示すために、論文「Novel Linear Flux-Switching Permanent Magnet Machines」（同上）に提案された８０極バージョンの先行技術の機械が、４８０個の磁石、２４０個の固定子Ｕセクション、４８０個の固定子リターン・セクション、３個のコイル、及び２４０個の回転子磁極片を必要とする、ということを言及することは興味深い。

図３は、図解的に示した無負荷の鎖交磁束通路の実例を有する固定子及び回転子の実例の軸方向配置を示す。具体的には、図３は、どのように３相磁束スイッチング変調磁極機械の実例が、連続したトルク及び安定した３相誘導電圧を提供するために、３つの独立した位相ではなくて共通の磁束通路を用いるかを示している。図３は、図１に関連してすべてが表現されている固定子鉄心部材１０１−１、・・・、１０１−８、永久磁石１０３−１、・・・、１０３−４、及びコイル１０４−１、・・・、１０４−３を含む、回転子磁極片１０１及び固定子の一部を図示している図１の機械の部分断面を示す。図３では、各々の永久磁石の磁化の向きが矢印で示されている。

図３ａでは、回転子の第１の角度位置のための位相のうちの１つの位相の無負荷の磁束が線３１５で図解的に示され、その一方、図３ｂは、回転子の別の角度位置における線３１６の同一位相の無負荷の磁束を示す。どちらの場合も、図示した磁束は、コイル１０４−１を取り囲んでいる。

図３ａでは、磁束通路３１５は、永久磁石１０３−２から固定子鉄心部材１０１−３及び磁束ブリッジ１０６を介して固定子鉄心部材１０１−２に軸方向に延びて、そこから固定子鉄心部材１０１−２の歯を介して半径方向外方に導かれる。次いで、磁束は、エア・ギャップ３１７を通過して回転子磁極片１０５に至り、そこから磁束が固定子鉄心部材１０１−４の軸方向位置まで軸方向に移動する。固定子鉄心部材１０１−４の軸方向位置で、磁束は、半径方向内方にエア・ギャップ３１７を横断して固定子鉄心部材１０１−４に移動し、半径方向外方の固定子鉄心部材の鉄心バックに移動する。そこから、磁束は、軸方向に永久磁石１０３−２に戻る。

図３ｂでは、磁束通路３１６は、永久磁石１０３−１から固定子鉄心部材１０１−２及び磁束ブリッジ１０６を介して固定子鉄心部材１０１−３に軸方向に延びて、そこから固定子鉄心部材１０１−３の歯を介して半径方向外方に導かれる。次いで、磁束は、エア・ギャップ３１７を通過して回転子磁極片１０５に至り、そこから磁束が固定子鉄心部材１０１−１の軸方向位置まで軸方向に移動する。固定子鉄心部材１０１−１の軸方向位置で、磁束は、半径方向内方にエア・ギャップ３１７を横断して固定子鉄心部材１０１−１の歯に移動し、半径方向外方の固定子鉄心部材の鉄心バックに移動する。そこから、磁束は、軸方向に永久磁石１０３−１に戻る。

理解し得るように、回転子磁極片の磁気極性は、角度位置によって固定子磁極ごとに一回交番する。さらに、回転子磁極片の角度位置は、３個のコイルの各々の周りの鎖交磁束の方向を画定する。固定子の歯の角度位置は、固定子実装型の永久磁石の配置と組み合わせることにより、機械が３相動作用に安定化して３相可変周波数ＡＣの供給時に連続したトルクを確実に発生させる。

図４は、本明細書中に記載される磁束スイッチング変調磁極機械用の回転子の実例を示す。具体的には、図４ａは、軸方向から見た回転子の側面図を示し、図４ｂは、半径方向から見た回転子の側面図を示し、図４ｃは、回転子の３次元の図を示す。全体が４１８で示される回転子は、並列配置される細長いロッドとして形成された回転子磁極片１０５を備え、それらの長手方向軸が互いに平行であり且つ管状の回転子構造を形成するように回転子の共通軸に平行である。回転子磁極片１０５は、回転子構造の全体を横断して軸方向に延びるように寸法付けされる。回転子磁極片は、適切な軟磁性材料から、たとえば、Ｐ／Ｍ法によって軟磁性粉末から形成することができる。回転子は、プラスチック又はアルミニウムなどの適切な非磁性材料から形成された略管状のサポート構造４１９をさらに備える。管状のサポート構造は、各々の回転子磁極片をチャネルの１つに収容するように、円筒面の１つの上に軸方向に延びるチャネルを複数備える。図４の実例では、回転子は、外側回転子機械用であり、回転子磁極片を収容するチャネルは、管の内面に配置される。内側回転子機械用の回転子では、回転子磁極片は、管状のサポート構造又は円筒状構造の外面に配置することができる。

図５は、固定子鉄心部材の他の実例を示す。具体的には、図５ａは、軸方向から見た固定子鉄心部材の側面図を示し、図５ｂは、半径方向から見た固定子鉄心部材の側面図を示し、図５ｃは、固定子鉄心部材の３次元の図を示す。図５の固定子鉄心部材は、リング状の固定子鉄心バック２１０を備えてそこから複数の歯１０２が半径方向に突出する点で、図２の固定子鉄心部材と同様である。図５の実例では、固定子鉄心部材１０１は、８０極機械に対応する４０個の歯を備える。

しかしながら、代替の実施例では、異なる数の磁極に対応する異なる数の歯を備えることができると理解されよう。歯１０２は、固定子鉄心部材１０１の周囲に規則正しく分配される。本実例では、すべての歯は、均等な形状及び寸法を有し、それぞれの隣り合うものから均等に離間される。図５の実例では、固定子鉄心部材は、回転子が固定子を取り囲む外側回転子機械用である。したがって、歯は、固定子鉄心部材から半径方向外方に突出する。しかしながら、代替の実施例では、内側回転子機械用の固定子鉄心部材は、リング状の鉄心バックの内周から半径方向内方に突出している歯を有する場合があると理解されるであろう。いずれにしても、各々の歯１０２の先端部は、回転子に対向する境界面２１１を画定し、対応する回転子の境界面と共に、回転子から固定子を分離している機械のエア・ギャップを画定している。各々の固定子鉄心部材は、Ｐ／Ｍ法によって圧縮成形して一部品にすることができる。固定子鉄心部材は、固定子鉄心部材の鉄心バック部分から軸方向に突出する環状フランジ５３１をさらに備える。したがって、図５に示す形式の２個の固定子鉄心部材が並列配置されてそれぞれのフランジが互いに当接する場合、一対の歯付きリングが形成されて、これらのリングが環状の磁束ブリッジで連結され、他方、歯がそれぞれギャップを画定し、これにより、コイルが歯列のそれぞれで軸方向に挟まれるように、ギャップの内側にコイルを巻くことが可能になる。

上記において、３相機械の実施例について説明した。いくつかの実施例では、単一相磁束スイッチング変調磁極機械を設けることができる。単一相機械の実例は、４個の固定子鉄心部材、２個の永久磁石、及び単一コイルを備えており、図１の機械の１相の固定子鉄心部材、永久磁石、及びコイルに対応している。一般に、磁束スイッチング変調磁極機械のための固定子は、固定子鉄心、コイル、及び少なくとも２個の磁石を備える場合があり、固定子鉄心が少なくとも４個の同軸の環状の固定子鉄心部材を備え、各々がそれぞれセットの半径方向に突出する歯を備え、各々の環状の固定子鉄心部材の歯が周方向に沿って分配され、環状の固定子鉄心部材は、互いに対して軸方向に変位し、各々の環状の固定子鉄心部材の歯は、各々の隣接する環状の固定子鉄心部材の歯に対して周方向に変位し、コイルは、環状の固定子鉄心部材と同軸に配置され且つ歯のセットのうちの２つの間に軸方向に挟まれ、磁石は、軸方向に磁化され且つ環状の固定子鉄心部材のうちの２個の間に軸方向に挟まれる。

いくつかの実施例について詳細に記載及び図示したが、本発明は、それらに限定されず、以下の特許請求の範囲に明確にされる主題の範囲内において他のやり方で具体化することもできる。具体的には、他の実施例を利用することができ、また、本発明の範囲から逸脱することなく構造的及び機能的な修正を行うことができると理解されるべきである。

本明細書に開示した本発明の実施例は、電動自転車又は他の電動車両、特に、軽量の車両用の直接車輪駆動モータに使用することができる。そのような用途では、高トルク、比較的低速度及び低費用といった要求が課される場合がある。それらの要求は、適合するために少容量の永久磁石を使用している小型の幾何構造において比較的多い磁極数を有するモータによって充足することができ、回転子組立ての改善した手順によって費用の要求が満たされる。さらに、本明細書中に開示した固定子及び機械の実施例は、大型車両／牽引の用途などの先行技術の変調磁極機械が利用されていた用途、風力発電、タービン、再生可能エネルギ発電、ミキサー、ステッパ／位置決めモータなど、特に、低回転速度で高トルクが望ましい用途で使用することができる。

いくつかの手段を列挙している装置請求項では、それらの手段のいくつかは、ハードウエアの全く同じアイテムで具体化することができる。特定の解決策が、互いに異なる従属請求項に詳述され又は異なる実施例に記載されているという単なる事実は、それらの解決策を有利に組み合わせることができないということを意味しない。

「備える／備えている」という用語は、この明細書で使用される場合に、記述した特徴、完全なもの、ステップ又は構成要素の存在を特定するために解釈されるが、１つ又は複数の他の特徴、完全なもの、ステップ、構成要素或いはそれらの組合せの存在又は追加を除外するものではないということが強調されるべきである。

Claims (14)

1. ｎが正の整数である、ｎ相を備える磁束スイッチング変調磁極機械のための固定子であって、
   前記固定子は、固定子鉄心、ｎ個のコイル、及び少なくとも（ｎ＋１）個の磁石を備え、
   前記固定子鉄心は、各々が１セットの半径方向に突出する歯を備え、各々のセットの歯が周方向に沿って分配された複数の同軸の環状の固定子鉄心部材を備え、
   前記環状の固定子鉄心部材は、互いに対して軸方向に変位し、
   各々の環状の固定子鉄心部材の歯は、各々の隣接する環状の固定子鉄心部材の歯に対して周方向に変位し、
   各々のコイルは、前記環状の固定子鉄心部材と同軸に配置され且つ前記歯のセットのうちの２つの間に軸方向に挟まれ、
   各々の磁石は、軸方向に磁化され且つ前記環状の固定子鉄心部材のうちの２個の間に軸方向に挟まれる、固定子。
2. 各々の磁石は、前記固定子鉄心部材に同軸に配置される環状の永久磁石である、請求項１に記載の固定子。
3. 少なくとも２（ｎ＋１）個の固定子鉄心部材を備え、
   前記磁石のうちの第１の磁石は、前記固定子鉄心部材のうちの第１の固定子鉄心部材と第２の固定子鉄心部材との間に挟まれ、
   前記磁石のうちの第２の磁石は、前記固定子鉄心部材のうちの第３の固定子鉄心部材と第４の固定子鉄心部材との間に挟まれ、
   前記コイルは、前記第２の固定子鉄心部材と前記第３の固定子鉄心部材との間に挟まれる、請求項１又は２に記載の固定子。
4. 前記固定子鉄心部材のうちの１個又は複数は、他の固定子鉄心部材から分離したそれぞれの固定子鉄心構成要素として形成される、請求項１から３までのいずれか一項に記載の固定子。
5. 前記コイルを間に挟む前記固定子鉄心部材を連結している磁束ブリッジを備え、
   前記磁束ブリッジは、前記固定子鉄心部材の間に少なくとも軸方向磁束通路を形成するように作動可能である、請求項１から４までのいずれか一項に記載の固定子。
6. 前記固定子は、ｎが１よりも大きい、ｎ相を備える多相機械のための固定子であり、
   前記固定子は、ｎ個のコイルと（ｎ＋１）個の磁石を備え、
   前記固定子鉄心は、２（ｎ＋１）個の固定子鉄心部材を備える、請求項１から５までのいずれか一項に記載の固定子。
7. 隣接する固定子鉄心部材の各対の間には、磁石又は鉄心が挟まれて、固定子鉄心部材の間に磁石及びコイルが挟まれた交互の軸方向順序が形成される、請求項６に記載の固定子。
8. 前記固定子は、３相機械用であり、３個のコイルと４個の磁石を備え、
   前記固定子鉄心は、８個の同軸の環状の固定子鉄心部材を備え、各々が半径方向に突出するＮ個の歯のセットをそれぞれ有し、Ｎは１より大きい整数であり、
   前記コイルは、前記環状の固定子鉄心部材と同軸に配置され且つ前記歯のセットのうちの２つの間に軸方向に挟まれ、
   前記磁石は、軸方向に磁化され且つ前記環状の固定子鉄心部材のうちの２個の間に軸方向に挟まれ、
   磁石を間に挟む前記固定子鉄心部材の前記歯のセットは、互いに対して１２０度／Ｎの角度だけ周方向に変位し
   コイルを間に挟む前記固定子鉄心部材の前記歯のセットは、互いに対して１８０度／Ｎの角度だけ周方向に変位する、請求項６又は７に記載の固定子。
9. 前記固定子鉄心部材は、圧縮成形された軟磁性粉末で形成される、請求項１から８までのいずれか一項に記載の固定子。
10. 前記固定子鉄心部材と同軸であり且つ前記磁石の軸方向位置に配置される追加のコイルを備える、請求項１から９までのいずれか一項に記載の固定子。
11. 請求項１から１０までのいずれか一項に記載の固定子と回転子とを備える磁束スイッチング変調磁極機械。
12. 前記回転子は、管状の回転子を形成するために並列配置された複数の軸方向に延びる回転子磁極片を備える、請求項１１に記載の磁束スイッチング変調磁極機械。
13. 前記機械は、ｐ極機械であり、前記回転子は、２ｐの軸方向に延びる回転子磁極片を備える、請求項１２に記載の磁束スイッチング変調磁極機械。
14. 前記回転子磁極片は、圧縮成形された軟磁性粉末で形成される、請求項１１から１３までのいずれか一項に記載の磁束スイッチング変調磁極機械。