JP2023536259A - 電気機械内の電力分配 - Google Patents

Abstract

電気機械が、固定子と、固定子電流を受けると固定子が発生した磁界によって励磁されて回転子と固定子との間に相対運動を発生させ得る回転子とを備える。コントローラが、固定子を通して、回転子の磁極のうちの最も近い磁極から測定されるある電流角で固定子電流を送り、電気機械の所望の動作出力を決定し、電気機械の所望の動作出力に対応する所望の回転子運動を決定するように構成される。コントローラは、所望の回転子運動を引き起こす、固定子に適用されるベクトル制御変調を計算し、ベクトル制御変調に基づいて固定子電流の電流角を調節して、回転子に所望の回転子運動を行わせ、電気機械の所望の動作出力を達成するように更に構成される。

Description

優先権の主張
[0001] 本出願は、２０２０年７月３１日に出願された米国特許出願第６３／０５９９２９号の米国特許法第１１９条（ｅ）の下での優先権の利益を主張するものであり、同米国特許出願の内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。

技術分野
[0002] 本発明は、電動機及び発電機に関する。

背景
[0003] 電動機は、一般に、固定子と呼ばれることが多い固定構成要素と、回転子と呼ばれることが多い回転構成要素とを備える。電流が電磁界に変換され、電磁界が固定子と回転子との間に機械的な力すなわちトルクを発生させる。機械的な力すなわちトルクは、仕事を行うために使用され得る。発電機も同様の原理で動作するが、機械的な力が電流に変換されることにより動作する。本明細書で説明される原理は、主に回転力すなわちトルクに関して説明されるが、リニアモータにも適用可能である。リニアモータの場合、いくつかの実装形態では、回転子は固定構成要素として機能し、固定子は並進移動される構成要素として機能する。

概要
[0004] 本開示は、電気機械内で電力を無線で伝達することに関する技術を説明する。

[0005] 本開示において説明される主題の例示的な実装形態は、以下の特徴を有する電気機械である。固定子が、付随した固定子巻線により複数の固定子磁極を画定する。回転子が、付随した回転子巻線により固定された複数の回転子磁極を画定する。回転子は、固定子巻線が発生した磁界によって励磁されて回転子と固定子との間に相対運動を発生させ得る磁界を画定する。回転子は、動作中、固定子が発生した磁界と同期した状態に維持される。コントローラが、固定子巻線を通して、回転子磁極のうちの最も近い磁極から測定されるある電流角で電流を送るように構成される。コントローラは、動作条件に応じて送られた電流の大きさを調節するように構成される。コントローラは、動作条件に応じて電流を調節するように構成される。

[0006] いくつかの実装形態では、固定子巻線が集中巻巻線を含む。

[0007] いくつかの実装形態では、固定子巻線が分布巻巻線を含む。

[0008] いくつかの実装形態では、固定子巻線が突極型巻線を含む。

[0009] いくつかの実装形態では、回転子巻線が集中巻巻線を含む。

[0010] いくつかの実装形態では、回転子巻線が突極型巻線を含む。

[0011] いくつかの実装形態では、回転子巻線が非重ね巻巻線を備える。

[0012] いくつかの実装形態では、回転子が永久磁石を含む。いくつかの実装形態では、永久磁石が、回転子磁極と実質的に整列する。

[0013] いくつかの実装形態では、コントローラは、固定子巻線を励磁するように更に構成される。いくつかの実装形態では、コントローラは、励磁された固定子巻線により固定子内に固定子磁界を発生させるように更に構成される。いくつかの実装形態では、コントローラは、固定子磁界により回転子内の強磁性材料内に対応する回転子磁界を発生させるように更に構成される。いくつかの実装形態では、コントローラは、固定子の磁界シフトによって回転子の接線方向の力を発生させるように更に構成される。いくつかの実装形態では、コントローラは、発生した接線方向の力によって回転子を動かすように更に構成される。いくつかの実装形態では、コントローラは、磁界シフトに応じた回転子コイル内の電流によって回転子内で磁束を維持するように更に構成される。固定子磁界と回転子とは、動作中、互いに同期した状態に維持される。

[0014] 本開示で説明される主題の例示的な実装形態は、電気機械を制御する方法である。固定子の固定子巻線が、励磁されて固定子内に固定子磁界を発生させる。回転子内の強磁性材料内で対応する回転子磁界が固定子磁界によって変化する。固定子磁界のシフトによって回転子の接線方向の力が発生する。発生した接線方向の力によって回転子が動く。固定子磁界と回転子とは、動作中、互いに同期した状態に維持される。回転子内の磁束の減衰が、磁界シフトに応じて回転子コイル内の電流によって抵抗される。電流が、固定子巻線を通して、回転子磁極のうちの最も近い磁極から測定されるある電流角で送られる。送られた電流の大きさが、動作条件に応じて調節される。電流角は、動作条件に応じて調節される。

[0015] 本開示で説明される主題の例示的な実装形態は、以下の特徴を有する巻線界磁回転子同期機械である。固定子が、付随した固定子巻線により複数の固定子磁極を画定する。回転子が複数の回転子磁極を画定する。回転子は、固定子と同期して回転するように構成される。回転子は、回転子磁極のそれぞれに付随した回転子巻線を備える。回転子巻線は、固定子巻線が発生した磁界によって励磁されるように構成される。励磁された回転子巻線は回転子磁界を発生させる。永久磁石が回転子内に埋め込まれる。コントローラが、固定子巻線を励磁するように構成される。コントローラは、固定子巻線を通して、回転子磁極のうちの最も近い磁極に対して測定されるある電流で電流を送ることによって固定子巻線に制御信号を送信することにより、固定子内で固定子磁界を発生させるように構成される。コントローラは、動作条件に応じて送られた電流の大きさを調節するように構成される。コントローラは、動作条件に応じて電流角を調節するように構成される。

[0016] いくつかの実装形態では、永久磁石は、回転子磁極と整列しない。

[0017] いくつかの実装形態では、固定子巻線が集中巻巻線を含む。

[0018] いくつかの実装形態では、固定子巻線が分布巻巻線を含む。

[0019] いくつかの実装形態では、固定子巻線が突極型巻線を含む。

[0020] いくつかの実装形態では、回転子巻線が集中巻巻線を含む。

[0021] いくつかの実装形態では、回転子巻線が突極型巻線を含む。

[0022] いくつかの実装形態では、回転子巻線が非重ね巻巻線を含む。

[0023] 本開示で説明される主題の１つ又は複数の実装形態の詳細は、添付の図面及び以下の説明に示される。主題の他の特徴、態様、及び利点も、説明、図面、及び特許請求の範囲から明らかになるはずである。

図面の簡単な説明
[0024]電気駆動システムの一例の概略図である。 [0025]電気巻線のための例示的な電源スイッチの概略図である。 [0026]例示的な電気機械の斜視図である。 [0026]例示的な電気機械の側面図である。 [0027]例示的な電気機械の斜視図である。 [0027]例示的な電気機械の側面図である。 [0028]例示的な電気機械の側面図である。 [0029]例示的な回転子コイルの正面図である。 [0030]図５Ａの回転子コイルの斜視図である。 [0031]図５Ａ及び図５Ｂの回転子コイルの側面図である。 [0032]本開示による、制御用に構成された電動機の概略図である。 [0033]本開示の態様で使用され得る例示的なコントローラのブロック図である。 [0034]本開示の態様で使用され得る方法のフローチャートである。 [0035]本開示の態様による、トルク増加要求に応じるための方法のフローチャートである。 [0036]本開示の態様による、トルク増加要求に応じるための方法の別のフローチャートである。 [0037]本開示の態様による、電動機を始動させるための方法のフローチャートである。 [0038]本開示の態様による、トルク増加要求に応じるための方法のフローチャートである。 [0039]様々な機械構成のための平均磁界強度のグラフである。

[0040] 各種図面において、同様の参照符号及び名称は同様の要素を指す。

詳細な説明
[0041] 本開示は、電磁気的に直接結合された回転子と固定子とを備えた巻線界磁同期電動機に関する。回転子の回転子磁極は、トポロジ的且つ電気的に回転子表面に固定される。回転子は、固定子巻線以外の固定子構成要素から実質的にエネルギー的に隔離される。つまり、回転子磁界は、固定子巻線が発生した磁界によって励磁されるように構成される。固定子磁界と回転子とは、動作中、互いに同期した状態に維持される。動作中、コントローラが、固定子を通して電流を送り、現在の動作条件又は変化する動作条件に応じて電流の大きさ及び角度を能動的に調節するように構成される。このような電動機は、高価な希土類磁石を必要とせず、また回転子内の巻線を励磁するための別個のブラシ又は励磁回路を必要とせずに、同期機械の効率で動作することができる。

[0042] 本明細書で説明される電気機械は、回転子磁極を画定する短絡された集中巻巻線を特徴とする。過渡的な減衰のために回転子内の短絡されたダンパーバーが提案されているが、このようなダンパーバーは限られた周波数応答を有する傾向にある。対照的に、短絡された集中巻巻線は、動作中、幅広い周波数にわたって効果的な過渡減衰を提供し得る。加えて、本開示内で説明される様々な電気機械は、回転子バックアイアンの飽和中に発生する固有の非線形性及び非対称性を利用し得る。つまり、コイル内のインダクタンスが非対称になり、結果として正味のトルクが発生する。

[0043] よって、本開示は、様々な異なる目標を達成するための電気機械又は電動機を制御するための主題を提供する。例えば、本開示は、希土類元素若しくはブラシや励磁回路などの摩耗要素を必要としないか依存を低減した状態で所望の動作目標を達成するための主題、又は望ましくないトルクリップルを制御するように設計された正味トルクを発生させるなどのシステムの他の動作態様を改善するためのシステム及び方法を提供する。

[0044] 図１は、電動機１０２と、電動機１０２に結合された電動機コントローラ１０４とを備える電気駆動システム１００を示している。電動機コントローラ１０４は、電動機１０２を動作させて負荷１１０を駆動するように構成される。負荷１１０は、ギヤセット、車両の車輪、ポンプ、コンプレッサ、又は複数の電動機を連結されて並列して動作され得る他の電動機などの付加的なギヤトレインであり得る。

[0045] 電動機１０２は、電動機ハウジング１０５に対して回転可能な出力シャフト１０７を有し、電動機ハウジング１０５は電動機構成要素の回転及び他の運動に関するデータムと見なされる。使用時には、出力シャフト１０７は、電動機コントローラ１０４からの適切な電力及び信号によって電気的に作動されると、電動機１０２が回転力を付与し得る負荷１１０に結合され得る。出力シャフト１０７は、電動機を通って延び、且つ両端が露出されもよく、つまり、回転力は電動機の両端で伝達され得る。電動機ハウジング１０５は、出力シャフト１０７の回転軸を中心として回転対称であり得るが、任意の外形形状であってもよく、一般に、電動機動作中のハウジング回転を防止するために、ハウジングを他の構造体に固定するための手段を備え得る。

[0046] 電動機１０２は、固定子などの能動磁気構成要素１０６と、回転子などの受動磁気構成要素１０８とを備える。以下、説明の目的で、能動磁気構成要素の代表例として固定子が使用され、受動磁気構成要素の代表例として回転子が使用される。

[0047] 回転子１０８は、固定子１０６に付随し、（例えば、内部回転子ラジアルギャップ電動機において）固定子１０６内に配置され得る、又は（例えば、アキシャルギャップ電動機又はリニアモータにおいて）固定子に平行に配置され得る。以下でより詳細に説明するように、適切に制御された固定子１０６の電気的活動が回転子１０８の運動を駆動する。回転子１０８は、結果として得られる回転子運動の任意の回転成分が出力シャフト１０７に伝達され、出力シャフト１０７を回転させるように、出力シャフト１０７に回転結合される。固定子１０６は、動作中に回転子１０８が固定子１０６を中心として又は固定子１０６に平行に動くように電動機１０２に固定される。

[0048] 電線のループを通って流れる電流は、実質的に一様な起磁力（ＭＭＦ）をもたらし、その結果、巻線領域すなわち包囲領域内に電動機磁極が得られる。一般的な電動機では、このようなループは、所望の電流負荷を担うのに十分な直径を有するが、駆動周波数の表皮深さがループを完全に貫通するのに十分な程度に薄い。磁極磁界強度を上げるために、多くの巻数、すなわちワイヤの重なるループが使用されてもよい。このトポロジは、一般に、巻線界磁型磁極と呼ばれる。このような重なるループの集合がコイルと呼ばれる。本開示の目的のために、固定子又は回転子内で一緒に作用する複数のコイルが巻線と呼ばれる。いくつかの例では、コイルが重なり、回転子又は固定子のいずれかの複数の歯を包囲し得る。このような重ね巻きのコイルは、電機子又は分布巻巻線と呼ばれ得る。磁極が、この分布巻巻線の磁気中心であり、そのため、磁極は、巻線を通過する駆動電流に応じて、このような分布巻巻線内の個々のコイルに対して移動することができる。

[0049] 本開示全体を通して更に詳細に説明される例のように、固定子１０６は、付随した電気巻線により複数の固定子磁極を画定し、回転子１０８は、複数の回転子磁極を含む。本開示全体を通して更に詳細に説明される例のように、回転子１０８は、固定子１０６と一緒に、固定子磁極と回転子磁極との間の名目上の空隙を画定する。回転子１０８は運動方向に沿って固定子１０６に対して移動可能である。

[0050] 図２は、個々の電気巻線１３２の別の例示的な電力スイッチ２００を示している。電力スイッチ２００は、電気巻線１３２を中心として４つのスイッチング素子２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、２０２ｄをＨ字形の構成で備えるＨブリッジ回路を有し得る。スイッチング素子２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、２０２ｄは、バイポーラ型又はＦＥＴ型のトランジスタであり得る。各スイッチング素子２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、２０２ｄは、対応するダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４と結合され得る。ダイオードはキャッチダイオードと呼ばれ、ショットキータイプであり得る。ブリッジの上端は電源、例えばバッテリＶ_ｂａｔに接続され、下端は接地される。スイッチング素子２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、２０２ｄのゲートは、対応する制御電圧信号を各スイッチング素子２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、２０２ｄに送信するように動作可能なコントローラに結合され得る。制御電圧信号は、ＤＣ電圧信号又はＡＣ（交流）電圧信号であり得る。

[0051] スイッチング素子２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、２０２ｄは、電動機コントローラ１０４によって個別に制御でき、独立にオン／オフにされ得る。いくつかの場合では、スイッチング素子２０２ａ及び２０２ｄがオンにされると、固定子の左リード線が電源に接続されると共に、右リード線が接地部に接続される。電流が固定子を通して流れ始め、順方向に電気巻線１３２を励磁する。いくつかの場合では、スイッチング素子２０２ｂ及び２０２ｃがオンにされると、固定子の右リード線が電源に接続されると共に、左リード線が接地部に接続される。電流が固定子を通して流れ始め、反対の逆順方向に電気巻線１３２を励磁する。つまり、スイッチング素子を制御することにより、電気巻線１３２は２つの方向のいずれかに励磁／作動され得る。主に単相のＨブリッジ構成を使用するとして図示及び説明したが、本開示から逸脱することなく典型的な６スイッチインバータシステムを多相機械に使用することができる。

[0052] 電動機コントローラ１０４は、固定子磁極と回転子磁極との間の空隙を横切る磁束を発生させるために、対応する磁極励磁デューティサイクルのためのスイッチ１３４又は２００を順次動作させるように構成され得る。スイッチは、固定子磁極を順次励磁して、回転子を引っ張る局所的な引力を発生させるように制御され得る。このような順次励磁（又は作動）により、回転子１０８、出力シャフト１０７、及び負荷１１０を回転させることができる。

[0053] 電動機の構成要素及び制御部は、電動機の回転子及び／又は固定子のＤ軸３１２（図３Ａ及び図３Ｂに例示）及びＱ軸に関連して論じられる場合がある。電動機における直軸、すなわちＤ軸３１２は、空隙３１４に直交する磁極の中心線として定義することができ、固定子磁極４１１（図４参照）又は回転子磁極４０８のいずれかに適用することができる。回転子は、同期基準座標系で見たときに各磁極におけるＤ軸３１２により特徴付けられ得る。巻線回転子では、Ｄ軸３１２は、界磁巻線が単一の大きなスロットに集中しているか複数の小さなスロットにわたっているかにかかわらず、コイル又は界磁巻線の結果として得られる磁気中心の中心点である。固定子磁極も同様に特徴付けられ得る。

[0054] Ｑ軸は、磁気基準座標系内でＤ軸に垂直（つまり、電気的に９０度）である。一般に、Ｑ軸に沿った力は、トルクなどの起電力を発生させる。トポロジ的には、回転子又は固定子のＱ軸は、一般に、直接２つの磁極間に位置する。

[0055] 制御信号がＤ－Ｑ軸成分に変換され得るようなシステムでは、第３のｚ軸成分も存在し、Ｄ軸又はＱ軸に直接マッピングされない信号又は磁気量として説明され得る。例えば、Ｑ成分及びＤ成分を求めることができる平面と直交する成分である。

[0056] 電流移相器角度３１８は、固定子の磁気中心に対する回転子磁極Ｄ軸の相対角度である（図３Ａ～図３Ｄに例示）。正の電流移相器角度は、固定子の磁気中心が運動方向において回転子磁極より進んでいることを示す。このような状況の結果、固定子の磁気中心が、固定子の磁気中心に向けて回転子磁極を「引っ張る」。同様に、負の電流角は、固定子の磁気中心が回転子磁極よりも遅れていることを示す。このような状況は、回転子磁極を反対方向に「引っ張る」。このような負の電流移相器角度３１８は、制動の状況で使用され得る。いくつかの実装形態では、９０°より大きい電流移相器角度３１８が使用され得る。このような大きな移相器電流角３１８は、運動方向に隣接する磁極を「押す」ことができる。同様に、－９０°未満の電流移相器角度３１８は、制動動作中など、反対方向に隣接する磁極を「押す」ために使用され得る。固定基準座標系と同期基準座標系との間の電流移相器角度３１８の変換は、次式を用いてなされ得る。
θ_ｅ＝（Ｐ／２）θ_ｍ （１）
θ_ｅは同期基準座標系における電流移相器角度であり、Ｐは固定子磁極の数であり、θ_ｍは固定基準座標系における電流移相器角度である。電流移相器角度にかかわらず、Ｄ軸成分とＱ軸成分とに分けることができる。一般に、本明細書で説明される電動機及び発電機では、Ｄ軸成分は回転子磁極内の磁界を「チャージ」又は変調するように作用すると共に、Ｑ軸成分は回転子磁極に力又はトルクをかけるように作用する。本開示全体を通して、動作条件に基づいて電流移相器角度３１８と電流振幅との両方を調節することが詳細に説明される。

[0057] 例えば、電流角、デューティサイクル、及びＤ軸からＱ軸への電流注入は、すべて変更することができる。いくつかの例では、瞬時Ｄ軸電流の増加は、Ｑ軸電流に対して、Ｄ軸注入期間中に少なくとも５％、１０％、２０％、又は３０％達成され得る。いくつかの例では、注入サイクル中、結果として得られる電流角の減少は、注入サイクル中に、例えば、５～６０度、１０～５０度、１５～４５度、又は２２．５～６７．５度達成され得る。いくつかの例では、２～７０ｍｓ、５～５０ｍｓ、又は１０～２５ｍｓの注入パルス幅が使用され得る。いくつかの例では、全動作時間の５％、１０％、１５％、又は２５％のチャージデューティサイクルが使用され得る。いくつかの例では、回転子電流がゼロに減少することによって決まる、電流角のＤ軸注入から通常動作への移行時間は、５００μｓ～１５ｍｓ、２ｍｓ～１２ｍｓ、又は４ｍｓ～１０ｍｓである。いくつかの例では、電流角は、１５度未満、１０度未満、又は５度未満変更される。いくつかの例では、Ｄ軸及びＱ軸の大きさは、Ｄ軸注入期間中に少なくとも５％、１０％、２０％、又は３０％同時に変わる。本システムは、電流制御又は電圧制御として動作されてもよい。例えば、特定の動作パラメータに関係なく、信号は、所望の許容範囲内になるように制御される、電流注入リップルの大きさの分散を有する電流源インバータを介して注入されてもよい。

[0058] 本開示全体を通して説明されるように、回転子上のコイル構造体は、回転子磁極を中心とした少なくとも１つのループを含む誘導結合を介して固定子からの電力／信号を受ける。いくつかの実装形態では、導電性ループのための回転子コイルは静電容量を形成し、いくつかの実装形態では、静電容量は、回転子コイル又は導電性ループの特定の部分によって形成され、挿入され、又は定義される。いくつかの実装形態では、回転子コイル又は導電性ループは共振周波数を含む。いくつかの実装形態では、回転子コイルの共振周波数は、透磁極又は回転子コイル材料の透過可能範囲にある。

[0059] 動作時、回転子磁極は、固定子のＤ軸信号を介して磁束注入され得ると共に、コイル構造体が磁極の磁束変化に抵抗して電流を流す。回転子のＱ軸信号が、磁束注入された機械にトルクを発生させる。いくつかのトポロジでは、例えば突極型巻線同期機械では、最大トルク／電流（maximum torque per ampere、ＭＴＰＡ）が６０～９０度の電流角で行われる。所与の動作条件（例えば、トルク及び速度）について、コントローラは、電流移相器角度を確立するＤ軸電流とＱ軸電流との組み合わせ（主制御部分）を含むＭＴＰＡ（例えば、ルックアップテーブル又はモデルベースの推定器を通して）を確立する。この電流移相器角度は、所望のレベルの回転子磁束を周期的に維持するために変調又は振動させられてもよく、観測器又は推定器によって監視されてもよいし、モデルベースの手法によって確立されてもよい。Ｄ軸が変調されて回転子磁束を増加させると、Ｑ軸の電流の大きさは比例して変調されて、トルクリップルを制限し、電流移相器角度の変化による悪影響を抑制してもよいし、電流移相器角度の変化を制限してもよい。

[0060] 図３Ａ及び図３Ｂは、例示的な電気機械３００の斜視図及び側面図である。電気機械３００は、付随した固定子巻線３０４により複数の固定子磁極を画定する固定子３０２を備える。「電動機磁極」は、ある時点で空隙を横切って単一極性の磁束を放出する固定子又は回転子のいずれかのトポロジセクションと説明され得る。電動機の磁極数又は位置を決定する際に、固定子又は回転子のバックアイアンに担持される磁束が考慮される。磁極は、一般に、５，０００ガウスを超え得る高磁界領域によって特徴付けられる。磁極は永久磁石又は電磁界に由来し得る。固定子又は回転子の磁極の数は製造時に固定されることが多いが、本明細書で説明されるいくつかの実装形態では、回転子、固定子、又はその両方の磁極の数を動作中に変更することができる。

[0061] 本明細書で例示される固定子３０２は、分散巻固定子巻線３０４を有するものとしてここでは示されているが、突極型巻線、集中巻線、及び／又は非重ね巻線の固定子も本開示から逸脱することなく同様に使用され得る。

[0062] 回転子３０６は、付随した回転子コイル３１０により複数の回転子磁極３０８を画定する。回転子磁極３０８は、トポロジ的且つ電気的に回転子表面に固定される。固定磁極回転子は、磁極が同期基準座標系に対してトポロジ的且つ電磁気的に固定される、又は静止状態で保持される回転子であり、例えば、回転子３０６は固定磁極回転子である。つまり、回転子３０６は、常に、固定子が提供する駆動周波数と実質的に同じ速度で、又は同期して回転する（トルクリップルの固有のレベルを許容する）。同期基準座標系は磁気基準座標系と同じである。この理由で、固定磁極電動機は、「同期」電動機と呼ばれることが多い。巻線界磁型回転子、表面永久磁石回転子、リラクタンス電動機、及び内部永久磁石回転子はすべて、固定磁極回転子の例である。固定磁極回転子の設計では、回転子のＤ軸３１２領域（回転子磁極の中心）で強磁性材料の利用を最大限にし、巻線界磁回転子の場合は、有効な磁気中心がＤ軸３１２と一致することを確保する。その結果、固定磁極回転子は、所与のサイズ及び定格電力では移動磁極回転子よりも効率が良いと考えられるが、固定磁極回転子は、動的な負荷条件及び動的な稼働速度の下で固定磁極回転子を一定の電流移相器角度に維持することが困難であるという点で、制御することが困難である。例えば、負荷の変化中に電動機を加速したり速度を維持したりすることは、位置センサ３１６からの入力に基づいて、電流移相器角度３１８、電流の大きさ、及び／又は駆動周波数を能動的に調節することを含む。本明細書で説明される概念は、固定子磁界と回転子、例えば回転子３０６とが動作中に互いに同期した状態にあることを維持するような同期機械に主に適用可能である。

[0063] 対照的に、移動磁極回転子の磁極は、トポロジ的又は電磁気的に固定されておらず、動作中、固定基準座標系に対して移動する。つまり、回転子は常に「滑り」、固定子が提供する駆動周波数に遅れを取る、すなわち同期から外れる。そのため、これらの電動機は「非同期」電動機と呼ばれることが多い。移動磁極回転子の例としては、巻線型かご形誘導回転子、電機子巻線型回転子、ブラシ電動機、及び他の同様の電動機が挙げられる。移動磁極回転子は動作中に電流移相器角度３１８を自己調節することができるが、磁極が回転子表面を均一に動くことができるようにするには、Ｄ軸の強磁性材料とＱ軸の界磁巻線との間で設計上の妥協がなされなければならない。その結果、所与のサイズ及び定格電力の移動磁極回転子では、そのような電動機の電気抵抗が高くなり、より多くの始動電流が必要とされ、磁界強度が低くなる。

[0064] 回転子３０６の磁界は、固定子巻線３０４が発生する磁界によって励磁されるように構成される。回転子３０６及び固定子３０２は、励磁された回転子磁界に応じて互いに対して移動するように構成される。回転子３０６は、固定子巻線３０４以外の固定子３０２の構成要素から実質的にエネルギー的に隔離される。

[0065] 電気機械内では、固定子と回転子とが結合されて、動作中の電力伝達、信号伝送、及び／又は電磁界変調を可能にし得る。結合は、直接結合又は間接結合として分類され得る。直接結合は、空隙３１４などの一次動作空隙に沿った固定子３０２と回転子３０６との間で生じる。間接結合は、一次動作空隙から離れた二次界面に沿って生じる。

[0066] 直接結合は、一般に、誘導結合として特徴付けられ、例えば、かご形誘導回転子は固定子に直接結合されると見なされる。非同期機械では直接結合が一般的であり容易に制御されるが、同期機械での直接結合は、本開示全体を通して説明される理由から、制御するのが困難である。例えば、電流の大きさ及び／又は周波数が適切に維持されることを確保するためには、回転子位置を把握する必要があることが多い。

[0067] 間接結合は、二次結合に沿って動作し、半径方向に向けられても軸方向に向けられてもよく、電気接点、別個の空隙に沿った誘導結合、容量結合、又は光学結合を介して連絡してもよい。二次結合は、電気機械の効率及び／又は全体的な制御性を向上させるための様々な機能に使用され得るが、このようなシステムを利用する機械の重量、複雑さ、故障頻度、及びコスト（運用コスト及び資本コストの両方）を増加させ得る付加的な構成要素を必要とすることが多い。

[0068] 結合は、電力結合又は信号結合として更に分類され得る。電力結合は、一次側動作空隙に沿って起磁力を直接駆動するために使用され、それによりトルクを発生させる電力を固定子から回転子に伝達する。信号結合は、回転子内の電気回路を個別に調節したり、温度又は固定基準座標系に対する位置など、回転子条件を監視するしたりするために使用され得る信号を固定子と回転子との間で伝達する。信号結合は、電動機の定格電力に対して極めて低い電力レベル、例えば電動機の定格電力の５％未満で送信する。いくつかの実装形態では、又はいくつかの動作パラメータの下では、信号結合は、例えば７．５％、５％、３％、又は２．５％の電動機の定格電力に対するレベルで電力を送信することが望ましい場合がある。

[0069] 本開示全体を通して説明されるようなエネルギー的に隔離された電動機及び発電機は、主に（標準的な電磁シールドの許容範囲内で）直接結合を使用して、間接結合又は二次結合を使用せずに、固定子と回転子との間で電力及び信号を伝達する。本明細書で説明される電気機械は、回転子３０６と固定子３０２との間で電力結合及び信号結合の両方に直接結合を含む。

[0070] いくつかの実装形態では、巻線回転子は、図３Ｂに示すように位置Ｄに位置するときに、又は位置Ｄから電流移相器角度の変調を通して位置Ｑに移行するときに、チャージされる必要がある、すなわちチャージされることから利益を得ることができる。チャージとは、１つ若しくは複数の回転子巻線に電流を発生させること、又は回転子における磁束を伝達、増加、若しくは蓄積することを意味し得、それぞれ固定子から回転子への何らかの電力伝達を伴い得る。このようなタスクは、例えば、固定子励起の電流移相器角度を前進変調すること（例えば、固定子励起の電流角を適宜進めたり遅らせたりすること）、固定子励起の電流移相器角度における変化の周波数を上げること、固定子における励起電流の大きさ（又はその結果として生じる信号成分のいずれか）を増やすこと、又はそれらの任意の組み合わせによって様々な仕方で実現され得る。いくつかの例では、回転子磁界は、例えば位置Ｄ’又はその付近で動作することによる（例えば、位置Ｑから位置Ｄ’への移行、又は位置Ｄ’からＱ’への移行することによる）場合、弱める（例えば、回転子及び／又は回転子磁界巻線に存在する電流又は磁束のレベルを低減する）必要があり得る。このようなタスクは、電流移相器角度を変調すること（例えば、固定子励起の電流角を適宜進めたり遅らせたりすること）、固定子励起の電流移相器角度の変化の周波数を下げること、固定子における励起電流の大きさ（又はその結果として生じる信号成分のいずれか）を減らすこと、又はそれらの任意の組み合わせなどによって様々な仕方で実現され得る。代替的又は追加的に、界磁を弱めることは、オーム損失による回転子磁界巻線電流の受動的損失を通して実現され得る。動作中、いくつかの実装形態では、固定子によって放出される信号と、回転子速度を決定する基本動作周波数との間に、周波数及び高調波の独立性が観測され得る。後述するように、本開示は、回転子を単に動かすことを超えて、システムの効率を高めること、システムにおける損失を制御すること、又はシステムの有効性を損なったり低下させたりし得る運用状況の可能性を軽減することなどの付加的な目標を優先した仕方で電動機の制御が実現され得ることを認識している。このようなシステムに関する更なる詳細は、本開示全体を通して、例えば、図６及び関連説明で説明される。

[0071] 図３Ｃ及び図３Ｄは、例示的な電気機械３５０の斜視図及び側面図である。電気機械３５０は、本明細書で説明される相違点を除き、電気機械３００と実質的に同様である。回転子３５６は、６つの回転子磁極３５８を備える。固定子３５２は、分布巻巻線３５４を備える。電気機械３５０は、６つの回転子歯（磁極３５８）と３６の固定子歯３７０とを有し、したがって回転子歯と固定子歯との比率は１：６である。これは、４つの回転子歯（磁極３０８）と１２の固定子歯３２０とを備え、したがって回転子歯と固定子歯との比率が１：３である電気機械３００とは異なる。本開示から逸脱することなく、他の回転子歯と固定子歯との比率を使用することもでき、例えば、１：２又は１：４の比率を使用することもできる。本開示から逸脱することなく、突極型集中巻の固定子巻線が使用されるか分散巻の固定子巻線が使用されるかにかかわらず、固定子の歯に対する回転子の歯の他の比率を使用することができる。

[0072] 図４は、例示的な電気機械４００の側面図である。電気機械４００は、本明細書で説明される相違点を除き、上述の電気機械３００と実質的に同様である。回転子４０６は外側に配置された回転子であり、固定子４０２は内側に配置された固定子である。換言すれば、回転子４０６は、固定子４０２を囲み、静止している固定子４０２を中心として回転する。固定子４０２は、突極型非重ね集中巻の固定子巻線４０４により固定子磁極４１１を画定する。回転子４０６は、回転子４０６内に埋め込まれた永久磁石材料４１６を含む。図示のように、各回転子磁極４０８は、「Ｗ」構成の略「Ｍ」字形で配置された永久磁石材料４１６の４つのチャネルを備えるが、本開示から逸脱することなく他の配置を使用することもできる。永久磁石材料４１６は、フェライト、ＳｍＦｅＮ、Ｎ３５、Ｎ４５を含む様々な材料を含むことができる。一般に磁力の低い永久磁石材料が使用されるが、本開示から逸脱することなく、より低量の強力な磁性材料を使用することもできる。永久磁石材料４１６は、各回転子磁極４０８の長手方向の全長にわたって延びることも、各回転子磁極４０８に部分的にわたって延びることもできる。いくつかの実装形態では、永久磁石材料４１６は、複数の層又は積層体で構成され得る。

[0073] 図示のように、永久磁石材料４１６は、各回転子磁極４０８と実質的に整列する正味の磁力をもたらす。いくつかの実装形態では、永久磁石材料は、永久磁石材料４１６に由来する正味の磁力が回転子磁極４０８から整列しないように配置され得る。一般に、永久磁石材料の配置は、回転子内の磁石材料の所望の断面磁束密度に依存する。永久磁石材料４１６が回転子コイル３１０内に配置される実装形態では、永久磁石材料４１６の各セットにおける磁束は、周囲の回転子コイル３１０のチャージを調節することによって、個別に調節及び／又は変調され得る。このような実装形態はまた、強力な固定子磁界によって引き起こされ得る減磁から磁石を保護する。永久磁石材料４１６が回転子コイルに囲まれていない実装形態では、固定子磁界によって引き起こされる磁束の調節は、回転子４０６内の永久磁石材料４１６の複数のセットに影響を与え得る。

[0074] 図５Ａ～図５Ｃは、例示的な回転子コイル３１０の正面図、側面図、及び斜視図である。図３Ａ、図３Ｂ、及び図４に示すように、各回転子コイル３１０は、単一のコイルが回転子磁極３０８又は４０８などの各磁極の周囲にある状態で、それ自身の巻線として機能する。そのため、回転子は、集中巻巻線、突極型巻線、及び／又は非重ね巻巻線を含むと説明され得る。いくつかの実装形態では、各コイルの巻線方向は、各隣接する回転子磁極３０８又は４０８で交互に切り替えられ得る。例えば、突極型巻線、集中巻巻線、及び／又は非重ね巻巻線を有する固定子を使用する実装形態では、このような配置が使用され得る。いくつかの実装形態では、巻線方向は、隣接する回転子磁極間で交互に切り替えられる必要はない。例えば、分散巻巻線を有する固定子を使用する実装形態では、このような配置が使用され得る。コイル３１０は、それ自体が短絡された単一のコイルとして示されているが、各コイルがそれ自体で短絡し、隣接するコイルと重ならない限り、他の幾何学的形状を使用することもできる。一般に、回転子コイルは、電力伝達周波数の電流表皮深さがコイルの導体を完全に貫通するように構成されることが多い。本開示に関連して、「電流表皮深さ」とは、電流、特に所与の周波数で変化する磁界から誘導される渦電流が主に流れる導体表面からの深さをいう。所与の材料について、表皮深さは次式のように計算され得る。
δ≒１／√πｆμσ （２）
「ｆ」は磁気スイッチング周波数、μは材料の透磁率（Ｈ／ｍｍ単位）、σは材料の電気伝導率である。回転子コイル３１０内での完全な表皮深さ貫通を達成することにより、回転子コイル３１０内のインダクタンスを一様にすることができる。いくつかの実装形態では、駆動周波数は０ヘルツ～２０ヘルツに広がり得る。いくつかの実装形態では、駆動周波数は１００ヘルツ～２０００ヘルツに及び得る。一般に、回転子コイルは、回転子内の磁束の減衰が、固定子からの磁界シフトに応じて回転子コイル内の電流によって抵抗されるように構成される。

[0075] 従来、同期電動機は、材料を磁化するための磁化電流を持たないため、工場において、又は設置前に磁石を磁化しなければならない。そのため、動作中に（例えば、固定子が負荷をかけすぎたために）磁石材料が減磁した場合、磁石が損傷することもあるし、電動機が全く動作しなくなることもある。回転子コイル３１０は、永久磁石を固定子の潜在的な減磁の影響から保護するのを助ける。Ｑ軸（９０°）とＤ軸（０°）との間で動作する場合、高レベルのチャージが、（例えば、磁界を維持する）実質的な誘導減衰を伴って発生する。磁束の変化に抵抗するように回転子コイル（３１０、４１０）を通過する電流により、減衰が観測され得る。このような制御スキームの下では（コイル３１０又は４１０と組み合わせて）、回転子磁界は電流移相器角度に基づいて変調され得る。このことにより、動作時の動作範囲が広くなり得る。Ｄ軸からＱ軸の動作は、いくつかの例では、磁石材料を保護する遮蔽効果を可能にし、このことにより、磁石材料の削減、低保磁力材料、又はその両方が可能になる。代替的又は追加的に、永久磁石機械の場合と比較して、Ｄ軸の注入によって界磁を弱めることが一定ではないことである。同様に、回転子磁界は、電流の大きさが固定子を通過することによって変調され得る。多くの場合、所望の回転子磁界変調のために電流の大きさと電流移相器角度との両方が同時に調節され得る。

[0076] 図６は、電動機６００の概略図を、回転子６０２と固定子６０４との間のアライメントと共に示している。位置Ｄは、対向する固定子６０４の磁極と回転子６０２の磁極とが整列する（すなわち、Ｎ－Ｓ及びＳ－Ｎ）ものとして定義される。位置Ｑ及びＱ’は、完全に位置合わせされていない磁極（すなわち、それぞれ、同種の磁極に接近すること、及び反対の磁極に接近すること）又は同種の固定子６０４の磁極と回転子６０２の磁極とが整列する（すなわち、Ｎ－Ｎ及びＳ－Ｓ）ためＤ及びＤ’に電気的に直交するものとして定義される。いくつかの実装形態では、特に突極性の高い回転子では、ピークトルクが（例えば、そのリラクタンス成分に起因して）同期基準座標系のＤ位置とＱ位置との間で発生する。円筒形回転子などの他の実装形態（例えば、突極性の低い機械）では、ピークトルクはＱ位置とＤ’位置との間で発生する。永久磁石電動機が使用される例では、ピークトルク動作によって高負荷で減磁し、高速で界磁を弱める必要があり得る。より弱い磁石が使用されると、サイズ／重量及び／又はトルク発生を損ない得る。

[0077] いくつかの実施形態では、永久磁石が使用されてもよい。減磁のリスクなしに磁気電流能力を高めるために、本明細書で説明される回転子巻線が使用される。低いトルクでは、回転子巻線電流を減らすことができ、コギング（抵抗性）トルクを下げ、より強い永久磁石の能動磁束を弱める必要性をなくすことができる。本明細書の電流移相器角度の変調を使用して、巻線回転子は、制御機構を通して磁束弱化又は磁束強化され得る（例えば、回転子界磁巻線内の電流の減少又は増加、回転子磁極本体内の磁束の減少又は増加）。非限定的な一例として、固定子からの同期励起の電流移相器角度が変調され得る。少なくともいくつかの構成では、例えば固定子界磁を制御する巻線回転子同期電動機などにおける二次制御システム又は付加的な整流ハードウェアは必要ではない。

[0078] 本明細書で説明されるように、本開示による巻線回転子構成は、追加の固定子－回転子間結合要素を必要としない。むしろ、信号は、固定子巻線及び回転子巻線を回転子積層体と共に使用して送信される。このことは、固定子から回転子に信号を送信するための特別な検出器、センサ、有線接続若しくは無線接続、又はブラシを組み込んだスキームと比較して、コスト及び構成部品を削減し、性能を改善（例えば、ブラシのオーム損失を排除）し、物理接点及び摩耗構成要素を排除又は制御し、パッケージサイズを縮小し、制御柔軟性を提供する。

[0079] 本明細書全体を通して説明されるように、図６に示すような制御信号がＤ－Ｑ軸成分に変換され得るシステムでは、第３のｚ軸成分も存在し、Ｄ軸又はＱ軸に直接マッピングされない信号又は磁気量として説明され得る。例えば、図示のようにＱ成分及びＤ成分を定義し得る平面と直交する成分である。

[0080] 動作時、特定の変調（例えば、信号、又は信号パラメータの変調）を伴うフィールド指向制御すなわちベクトル制御が、回転子磁界の様々な態様を制御するために使用され得る。これらの変調は、固定子と回転子との間を結合する信号励起を調節すること、及び回転子に対する固定子励起波（例えば、相対位置及び大きさ）を制御することに使用され得る。よって、回転子応答、すなわち回転子巻線に誘導される電流の直接的な関連付けが、固定子及びインバータによって事実上「操作」され得る。換言すれば、このような制御は、コントローラ１０４又はコントローラ７００（図７）などのコントローラによって調整されるように、Ｄ軸の磁界及びＱ軸の磁界における電流に応じた機械の動的挙動を形成し得る。他の戦略（例えば、トルク発生）の中でも、ベクトル変調は、電流移相器角度の変調を定義するのを助けるのに使用され得る。

[0081] 本開示は、与えられた固定子信号を通して回転子の応答に直接影響を与えるためにベクトル制御変調が使用され得ることを認識している。更に、これらの回転子の応答は、Ｄ軸又はＱ軸のいずれかで変調されてもよく、電流移相器角度変調を使用して実現されてもよい。電流移相器角度変調の相対的な有効性は、変調の大きさ及び（例えば、ある時間にわたる）変化率の両方に比例し得る。電流移相器角度を調節する速度は、コントローラによって変わり得、回転子の材料又は回転子の応答における意図された応答に対して選択され得る。いくつかの場合では機械の速度に基づいて周波数を選択することができ、他の場合では、固定変調を選択することができる。変調の周波数は、様々な考慮事項に基づいて選択され得る。例えば、いくつかの構成では、周波数は機械の基本周波数より少なくとも２～４倍高くてもよい。他の状況では、変調は機械の基本周波数より５～１０倍高くてもよい。また更なる構成では、周波数は機械の基本周波数より１０～３０倍高くてもよい。例えば、いくつかの構成では、周波数は、トルク発生との相互作用を防ぐように（例えば、トルクリップルを減らすように）選択され得る。
電流移相器角度は、ベクトル成分制御を用いて制御され得る。ベクトル成分制御は、図６に示すＤ－Ｑ基準座標系で表される基本周波数の電流をｉ_ｄ、ｉ_ｑ、及びｉ_ｚとすることにより説明され得る（例えば、電流移相器角度を含む主制御成分）。これらの信号は直接変調されてもよいし、或いは、基本電流に加算される独立な励起変調をＤ／Ｑ軸のいずれかに加えて、次のように総固定子電流とすることも可能である。
i_dtotal=i_d +i_dmodulation （３）
i_qtotal=i_q +i_qmoduation （４）
i_ztotal=i_z +i_zmodulation （５）
ここで、ｉ_ｄ、ｉ_ｑ、及びｉ_ｚは各軸に沿った通常の励磁電流であり、i_dexcitation、i_qexcitation、及びi_zexcitationは、詳細に後述するような電動機コントローラ又は他のコントローラによって選択及び制御され得る独立変調信号である。変調は、正弦波となるように選択することもできるし、任意の形態を取ることもでき、例えば、そのような変調は、更に次のように記述することができる。
i_dexcitation=m_d cos(w_dt) （６）
i_qexcitation=m_q sin(w_qt) （７）
i_zexcitation=m_z sin(w_zt) （８）
変調の大きさ及び周波数は、成分及びベクトル和ごとに独立に選択されて、電流移相器角度を変化させることも、電流移相器角度（γ）を直接制御して次のように主成分を変化させることもできる。
i_dtotal=i_d*cos(γ) （９）
i_qtotal=i_q*sin(γ) （１０）
i_ztotal=i_z*sin(γ) （１１）
同様に、設定された電流移相器角度に関して、次のような変調を行うこともできる。
i_dtotal=i_d*cos(γ+γ_moduation) （１２）
i_qtotal=i_q*sin(γ+γ_moduation) （１３）
i_ztotal=i_z*sin(γ+γ_moduation) （１４）
ここで、γ_{ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ}は、例えば、固定電流角を中心とした正弦波振動として記述され得る。
γ_dmoduation=m_d cos(w_dt) （１５）
γ_qmodulation=m_q sin(w_qt) （１６）
γ_zmodulation=m_z sin(w_zt) （１７）

[0082] それぞれの場合において、変調は単一の軸に適用されてもよく、それによって他の２つの軸には変調が適用されず、回転子の応答を生成するために使用され得る。代替的又は追加的に、トルクリップルを制御又は最小化することを目標として、Ｄ軸の電流変調を使用することもできるし、Ｑ軸の電流変調と並行して変化させることができる。Ｄ軸変調が不十分である場合、Ｑ軸変調を使用することができる。いくつかの実装形態では、Ｑ軸変調は、Ｄ軸変調と組み合わせて使用されて、回転するベクトル注入を形成する。Ｚ軸変調は、本質的にトルクリップルに影響を与えず、Ｄ－Ｑ基準座標系の知識も必要としない。しかしながら、Ｚ軸変調は、回転子への効果が限定されることが多いが、電力又は付随情報の結合（例えば、速度及び／又は位置）のいずれかのために、固定子を回転子に結合するために使用され得る。

[0083] 電流変調、すなわち電流の移相器振動の周波数はデューティサイクルで説明され得る。このデューティサイクルは、磁束注入（例えば、Ｄ軸）とトルク発生（例えば、Ｑ軸）との主成分に分割して動作を説明し得る。始動条件では、トルク発生のためのＤ軸とＱ軸との間の分割動作の前では、回転子の強い磁束注入のためのＤ軸でのデューティサイクルは１００％、又は７５～１００％、又は４０～１００％であってもよく、分割動作では、５０％－５０％分割、３０％－７０％、２０－８０％、１０－９０％分割（Ｄ軸：Ｑ軸）であり得る。また、これは、定常状態又は準定常状態での動作中に、電流移相器角度及び結果として得られる磁界がある角度を中心として５度、１０度、２０度、場合によっては３０～４５度変化する電流移相器角度を中心とした振動として現れることもある。いくつかの実装形態では、振動又は振幅変調の周波数は、回転子の応答を引き出すこと、及び／又は動作中のトルクリップルを制限することの両方に変化させることができる。

[0084] 加えて、制御戦略は、回転子コイルにおいて時間と共に減衰する磁束の量を制限するために、より高い周波数動作すなわちパルスを利用し得る。つまり、（時間と共に減衰する）回転子のＭＭＦサイクルの時間ステップを短くすることにより、回転子コイルを横切る磁束の分散を減らして磁束を強固にし、負のトルクモーメント又はそれに伴うトルクリップルを低減することが可能である。回転子に磁束注入するのを助け、トルクリップルを制限し、動作中の電流移相器角度間の移行を円滑にするために、スキュー信号、台形、又はパルス幅変調（ＰＷＭ）技法など、付加的な信号変調が使用されてもよい。

[0085] 固定子側の電流は固定子側の電圧に対応し得るため、電流に埋め込まれた信号を含むスキームは、電圧に埋め込まれた信号を含む同等のスキームに対応し得る。固定子側の電圧の信号に関連して本開示全体を通して説明される実装形態は、固定子側の電流の信号と同等であってもよく、またその逆であってもよく、同様に説明され得る。

[0086] 上述のように、回転子磁界の制御は、電流移相器角度の変調を使用して固定子巻線を通してコントローラによって操作され得る。この変調は、大きさ及び周波数によって定義され得、機械の磁界、固定子の励磁、及び主要制御成分によって観測され得る。電流移相器角度変調はＡＣコイルに電力を伝達するために使用され得、電流角の振動がＤ－Ｑ基準座標系によって定義される電流角の設定された動作点に関して定義される（例えば、電流角が変調されて１アンペア当たりの目標トルク、すなわちＭＴＰＡを達成し得る）。電流移相器角度変調摂動は、励磁磁場の振動、大きさ、及び周波数によって定義され得る。所与の電流移相器角度における電流の大きさの変調は、回転子への電力伝達、又は回転子内での応答を誘発するために使用され得、最大の応答は回転子に最も結合する（所与の磁極のＤ－Ｑ基準座標系における）電流角で見ることができる。例えば、同期基準座標系の軸に関してＤ軸に整列した巻線回転子の場合、電流移相器角が電気的に０°（ここで、電気的に０°とは同期基準座標系のＤ軸として定義される）のときに最大の電力伝達が起こる。

[0087] 図７は、本開示の態様で使用され得る例示的なコントローラ７００のブロック図である。コントローラ７００は、上述の電動機コントローラ１０４に追加的又は代替的に使用され得る。前者の例では、コントローラ７００と電動機コントローラ１０４とは、単一の統合されたコントローラに結合され得る、又はコントローラ７００と電動機コントローラ１０４とは、別個の個別のコントローラにされ得る。コントローラ７００は、とりわけ、電気機械（３００、４００）のパラメータを監視し、電気機械（３００、４００）の様々な動作パラメータを作動及び／又は調節する信号を送信し得る。図７に示すように、コントローラ７００は、特定の例では、プロセッサ７５０（例えば、１つのプロセッサ又は複数のプロセッサとして実装される）と、プロセッサ７５０に本明細書で説明される動作を実行させる命令を含むメモリ７５２（例えば、１つのメモリ又は複数のメモリとして実装される）とを備える。プロセッサ７５０は、例えば回転子位置センサ又は電流センサを含む電気機械（３００、４００）内の構成要素との通信を送信及び受信するための入出力（Ｉ／Ｏ）インターフェース７５４に結合される。特定の例では、コントローラ７００は、追加的に、電気機械（３００、４００）の様々な電気機械構成要素（固定子への電力信号又は駆動信号など）及び電気機械（３００、４００）に設けられた他のセンサ（例えば、温度センサ、振動センサ、及び他タイプのセンサ）のうちの１つ又は複数とステータスを通信し、作動信号及び／又は制御信号（固定子への電力信号又は駆動信号を含む）、を送信し得る。通信は、有線、無線、又は有線と無線との組み合わせとすることができる。いくつかの実装形態では、コントローラ７００は、様々な部分が異なる場所、例えば、車両の異なる部品内に配置された分散型コントローラとすることができる。付加的なコントローラが、本開示から逸脱することなく、スタンドアロンコントローラ又はネットワーク化されたコントローラとしてコントローラ７００と組み合わせて使用されてもよい。

[0088] コントローラ７００は、電気機械（３００、４００）を制御するための様々なレベルの自律性を有し得る。例えば、コントローラ７００は、負荷及び／又は速度の変化を検知し始めることができ、操作者は、電力周波数、電流の大きさ、及び／又は電流角を調節する。或いは、コントローラ７００は、負荷及び／又は速度の変化を検知し始め、操作者から追加の入力を受信し、操作者からの他の入力がない状態で、周波数、電流の大きさ、及び／又は電流角を調節し得る。或いは、コントローラ７００は、負荷及び／又は速度の変化を検知し始め、操作者からの入力がない状態で、周波数、電流の大きさ、及び／又は電流角を調節し得る。一般に、コントローラ７００は、所望の動作点を示す信号を受信することができ、現在の動作点を示す信号を受信することができ、次いで、現在の動作点を所望の動作点に収束させることに応じて、周波数、電流の大きさ、及び／又は電流角を調節することができる。

[0089] 例えば、動作時、コントローラは、固定子巻線に制御信号を送信することにより、固定子巻線を励磁し、固定子内で固定子磁界を発生させるように構成されたコントローラとすることができる。コントローラは、固定子を通して、ある電流角及び大きさで電流を送り、電気機械（３００、４００）の動作条件に応じて電流角及び大きさを能動的に調節することによって、固定子磁界を発生させるように構成され得る。いくつかの実装形態では、電流移相器角３１８は、高トルク条件中、移動方向において回転子磁極（３０８、４０８）より先に大きくなる。つまり、単位トルク当たりでより大きな電流が必要とされる場合では、電流移相器角３１８の増大につながり得る。一般に、電流移相器角度３１８が大きくなると、Ｄ軸成分３１２が少なくなることに起因して、回転子コイル（３１０、４１０）がより活性化される（コイルを通って流れる電流が多くなる）。換言すれば、電流移相器角度３１８が大きくなるほど、各回転子巻線の磁界は早く減衰する。コイル内の活性が高まると、緩和されないトルクリップルが増加することにつながり得るが、各磁極が経るＤ軸成分の増加の間に電流振幅が増加し、電流角３１８の増大によって発生する潜在的な負のトルクを打ち消すことができる。代替的又は追加的に、電流移相器角３１８は高速且つ低トルク動作時に小さくされる。代替的又は追加的に、電流角は、制動動作時に負になり得る。使用される動作モードにかかわらず、コントローラ７００は、所与の状況における電気機械（３００、４００）の現在の要求を満たすように電流角及び／又は電流振幅を調節することが可能である。

[0090] 特に、機械の主要構成要素の電流移相器角度又は電流振幅を動作中に調節して、トルクを発生させることができる。いくつかの例では、例えば、回転子が十分な磁界強度を有する場合、以前の時間ステップと比較して、磁化電流の印加がない（又は少ない）のであってもよい。高速動作などの他の例では、回転子磁界を低下させて逆起電力（ＥＭＦ）を減らし電圧ヘッドルームを提供し、コギングトルクを減らしてトルクリップルを制限し、能動的な弱め界磁動作を回避することが可能になり得る。

[0091] コントローラは、固定子を通じて、例えば５０～１０００ヘルツ（Ｈｚ）の広い範囲の周波数で、回転子と通信することが可能である。いくつかの実装形態では、通信は１００～１０００Ｈｚで行われる。いずれにせよ、本システムは、従来のシステムよりも高速に変化を伝えることができる。例えば、従来のかご形誘導機械は実質的に７Ｈｚで通信する。高周波伝送が可能であることにより、コントローラ７００は、動作条件にかかわらずトルクリップルを能動的に低減することができ、動作条件の変化にも迅速に対応することができる。

[0092] 図８は、本開示の態様で使用され得る方法８００のフローチャートである。方法８００の全部又は一部が、コントローラ７００及び／又はコントローラ１０４によって実行され得る。８０２において、固定子コイルが励磁される。８０４において、回転子内の強磁性材料内で対応する回転子磁界が固定子磁界によって変化する。８０６において、固定子磁界のシフトによって回転子の接線方向の力が発生する。８０８において、発生した接線方向の力によって回転子が動く。固定子磁界と回転子とは、動作中、互いに同期した状態に維持される。８１０において、回転子内の磁束の減衰が、磁界シフトに応じて回転子コイル内の電流によって抵抗される。８１２において、電流が、固定子を通して、ある電流角で送られる。通常、電流角は、移動方向において回転子磁極より進んでいる。いくつかの例では、８１４において、電流の大きさが動作条件に応じて調節される。いくつかの例では、８１６において、回転子磁極（Ｄ軸）に対する電流角が動作条件に応じて調節される。特に、８１４及び８１６が点線で示されているのは、両方のステップが必須ではなく、またその順序であることが必須でもないためである。つまり、電流の大きさと電流角とは相互に別個に独立して調節されてもよい。

[0093] その後、現時点での電気機械の動作出力が電気機械の所望の動作出力と比較される。現時点での電気機械の動作出力が電気機械の所望の動作出力にある場合、機械は、固定子電流の最も直近に調節されたパラメータを使用して動作を継続する。そうでない場合は、プロセスは、現時点での電気機械の動作出力が電気機械の所望の動作出力になるまで、固定子電流の大きさ又は電流角の少なくとも一方を調節することに戻って繰り返す。

[0094] 次に図９Ａを参照すると、本開示によるプロセス制御の非限定的な一例が提供されている。特に、図９Ａは、本開示による電動機システムを制御して増加したトルク９００を実現するための例示的なフローチャートを提供している。プロセス９００は、９０２においてトルク増加の要求又はリクエストにより開始する。本開示によれば、この要求を満たすことは、２つの並行なワークフローを行うこととして概念化され得る。しかしながら、実際には、コントローラは、独立した、並列した、又は他の異なるフローで動作するようにプログラム又は設計される必要はない。トルク増加の要求９０２を満たすために、コントローラは、９０４において増加したトルクを達成することが回転子磁束を増加させることによってなされ得ると判定する。これを行うために、９０６においてＩ_ｄを増加し、これにより９０８において回転子磁束が増加する。これは、所望の回転子トルクが達成されるまで続けられ、その後、９１０においてＩ_ｄを減少させる。しかしながら、回転子磁束を増加させようとしながら、コントローラは、トルクリップルを制御又は最小化することを目標として、Ｑ軸電流変調を使用することもできるし、Ｄ軸電流変調と並行して変化させることができることを認識している。よって、コントローラはまた、９１２においてトルク性能を維持するようにも働く。この目的のために、コントローラはまた、９１４においてＩ_ｑを変調し、それによって、９１６において所望のトルク増加を得るが、トルクリップルによって引き起こされ得るような不安定なトルク性能の悪影響は生じない。

[0095] 次に図９Ｂを参照すると、９２０におけるトルクの増加要求に応じるための制御プロセス９１８の別の非限定的な例が提供される。９２０における要求に応じて、コントローラは、増加したトルクを達成することは、９２２において回転子磁束の増加を要求することによって達成され得ると判定する。これを達成するために、コントローラは、９２４においてＤ軸に向かって電流角を変調しようとするが、これは、このことが９２４において回転子磁束を容易に増加させ、回転子磁界が、９２８においてＱ軸に向かって電流角を変調することによって更に制御されるためである。並行して、コントローラは、上述のようにＩ_ｑを変調することによって、９３０においてトルク性能を維持するように働く。よって、この結果、要求されたトルクの増大が９３４において実現される。

[0096] 次に図９Ｃを参照すると、所望のトルク形態の始動に到達するための制御プロセスの別の非限定的な例が、９３６において提供される。９３８において、始動時に、回転子がロックされる。回転を始めるために、９４０において、電流角はＤ軸に向かって変調され、９４２において、Ｄ軸に向かって回転子が移動するにつれて回転子磁束が確立又は増加される。９４４において、電流角はＱ軸に向かって変調され、このプロセスは９４６において所望のトルクが発生されるまで継続される。

[0097] 図９Ｄは、９４８において所望のトルクに到達するための制御プロセスの更に別の非限定的な例を提供する。この場合では、プロセスは、電動機が既に高速動作９５０している状態から開始する。９５２において、電流角変調のデューティサイクルが低減され、９５４において、電流変調の振幅が低減される。その結果、回転子磁束は９５６において減少する。９５８において、逆起電力が低下し、９６０において回転子磁束が減少するとコギングトルクが低下する。この制御は、９５０において電動機の高速回転が与えられると、最終的に９６２においてトルクの増加をもたらす。

[0098] このように、説明されたシステム及び方法は、正味の回転子磁界Ｄ軸電流注入をもたらす固定子Ｄ軸に沿った回転子磁界ラインの非対称磁束ベクトル制御に起因して、正弦波励磁を通してトルクの正味の増加に至ることがわかった。その結果、正味のＤ軸電流注入がアナログ回路による従来の回路において可能になった。回転子コイル構造を備えた機械は、飽和が少なく、平均トルクの発生という点で、短絡されたコイルの正味の利点をもたらす。正味のＤ軸電流注入により、回転子コイルの無効電流に起因して、同等の固定子励磁下でより大きなシート電流密度を得ることができる。

[0099] 図１０に示すように、３つの異なる内部永久磁石機械について、平均磁界強度のグラフが提供されている。１つ目の機械には、コイルは含まれていない。２つ目では、機械は短絡されたコイルを備える。図１０から明らかにわかるように、磁界強度は、コイルなしの機械と比較して、コイル構造体を備えた機械で増加する。

[0100] このように、発明の主題の特定の実装形態を説明してきた。他の実装形態が以下の特許請求の範囲に含まれる。いくつかの場合では、特許請求の範囲に記載された動作を異なる順序で実行することもでき、望ましい結果を依然として得ることができる。加えて、添付の図面に示されたプロセスは、望ましい結果を得るために、必ずしも示された特定の順序、又は連続した順序を必要としない。

Claims (21)

1. 固定子電流を受けるように構成された付随した固定子巻線により複数の固定子磁極を画定する固定子と、
   付随した回転子巻線により固定された複数の回転子磁極を画定する回転子であって、前記回転子は、前記固定子巻線が前記固定子電流を受けたことに応じて、前記固定子巻線が発生した磁界によって励磁されて前記回転子と前記固定子との間に相対運動を発生させ得る磁界を画定し、前記回転子は、前記電気機械の動作中、前記固定子が発生した前記磁界と同期した状態に維持される、回転子と、
   コントローラであって、
   前記固定子巻線を通して、前記回転子磁極のうちの最も近い磁極から測定されるある電流角で前記固定子電流を送り、
   前記電気機械の所望の動作出力を決定し、
   前記電気機械の前記所望の動作出力に対応する所望の回転子運動を決定し、
   前記所望の回転子運動を引き起こす、前記固定子に適用されるベクトル制御変調を計算し、
   前記ベクトル制御変調に基づいて前記固定子電流の前記電流角を調節して、前記回転子に前記所望の回転子運動を行わせ、前記電気機械の前記所望の動作出力を達成する
   ように構成されたコントローラと
   を備える、電気機械。
2. 前記コントローラが、前記ベクトル制御変調に基づいて前記固定子電流の大きさ又は周波数の少なくとも一方を変調するように更に構成される、請求項１に記載の電気機械。
3. 前記コントローラが、前記電気機械の１つの軸のみにおいて前記電流角を調節するように構成される、請求項１に記載の電気機械。
4. 前記１つの軸が、前記電気機械のＤ軸又はＱ軸のうちの一方である、請求項３に記載の電気機械。
5. 前記コントローラが、
   前記回転子が前記所望の回転子運動を行う間に、回転子トルクリップルを制御するように前記Ｄ軸の電流を変調し、
   前記電気機械の前記所望の動作出力を達成する
   ように構成される、請求項４に記載の電気機械。
6. 前記コントローラが、
   前記固定子電流の周波数又は振幅のうちの少なくとも一方を調節して、前記回転子に前記所望の回転子運動を行わせ、
   前記電気機械の前記所望の動作出力を達成する、又は前記回転子が前記所望の回転子運動を行っており、前記電気機械の前記所望の動作出力を達成しているときに、回転子トルクリップルを制御する
   ように更に構成される、請求項１に記載の電気機械。
7. 前記コントローラが、前記固定子の巻線に沿って回転子の磁極より進むように前記固定子電流の前記電流角を大きくし、増加したトルクを送達して、前記電気機械の前記所望の動作出力を達成するように構成される、請求項１に記載の電気機械。
8. 前記コントローラが、前記固定子電流の前記電流角を大きくしながら同時に前記固定子電流の大きさを大きくして、回転子トルクリップルを制御するように構成される、請求項７に記載の電気機械。
9. 前記コントローラが、前記固定子の前記電流角を小さくし、前記回転子の速度を上げた状態で減少したトルクを送達して、前記電気機械の前記所望の動作出力を達成するように構成される、請求項１に記載の電気機械。
10. 前記コントローラが、前記固定子の前記電流角を負にさせ、前記回転子の制動機能を実現して、前記電気機械の前記所望の動作出力を達成するように構成される、請求項１に記載の電気機械。
11. 前記固定子巻線が分布巻巻線を含み、前記回転子が、
    集中巻巻線、
    突極型巻線、
    非重ね巻巻線、又は
    永久磁石
    を含む、請求項１に記載の電気機械。
12. 前記回転子が永久磁石を含み、前記永久磁石が前記回転子磁極と実質的に整列する、請求項１１に記載の電気機械。
13. 前記コントローラが、
    前記固定子電流を使用して前記固定子巻線を励磁し、
    前記励磁された固定子巻線によって前記固定子内に固定子磁界を発生させ、
    前記固定子磁界により前記回転子内の強磁性材料内に対応する回転子磁界を発生させ、
    前記固定子の磁界シフトによって前記回転子の接線方向の力を発生させ、
    前記発生した接線方向の力によって前記回転子を動かし、
    前記磁界シフトに応じた回転子コイル内の電流によって前記回転子内で磁束を維持し、
    前記固定子磁界と前記回転子とが、動作中、互いに同期した状態に維持される
    ように更に構成される、請求項１に記載の電気機械。
14. 電気機械を制御するための方法であって、前記方法が、
    固定子電流により固定子の固定子巻線を励磁して前記固定子内に固定子磁界を発生させることと、
    前記固定子磁界により回転子内の強磁性材料内で対応する回転子磁界を変化させ、前記回転子が複数の回転子磁極を画定する、ことと、
    前記固定子磁界のシフトによって前記回転子の接線方向の力を発生させることと、
    前記発生した接線方向の力によって前記回転子を動かすことであって、前記固定子磁界と前記回転子とが、動作中、互いに同期した状態に維持される、ことと、
    前記磁界シフトに応じて回転子コイル内の電流によって前記回転子内の磁束の減衰に抵抗することと、
    前記電気機械の所望の動作出力に基づいて前記回転子磁極のうちの最も近くの磁極から測定される前記固定子電流の電流角を調節することと、
    前記電気機械の前記所望の動作出力に基づいて前記固定子電流の前記電流角とは独立に前記固定子電流の大きさを調節することと
    を含む、方法。
15. 前記電気機械の前記所望の動作出力に基づいて前記固定子電流の周波数を変調することを更に含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記電流角を調節することが、前記電気機械の１つの軸のみにおいて前記電流角のみを調節することを含む、請求項１４に記載の方法。
17. 前記電流角又は前記電流の大きさの少なくとも一方への調節を選択して、前記電気機械の前記所望の動作出力を達成しながら回転子トルクリップルを制御することを更に含む、請求項１４に記載の方法。
18. 巻線界磁回転子同期機械であって、
    付随した固定子巻線により複数の固定子磁極を画定する固定子と、
    複数の回転子磁極を画定する回転子であって、前記回転子が前記固定子と同期して回転するように構成され、前記回転子が前記回転子磁極のそれぞれに付随した回転子巻線を備え、前記回転子巻線が前記固定子巻線が発生した磁界によって励磁されるように構成され、前記励磁された回転子巻線が回転子磁界を発生させる、回転子と、
    コントローラであって、
    前記回転子磁極のうちの最も近い磁極に対して測定される大きさ及び位相角を有する固定子電流により前記固定子巻線を励磁し、
    次のことにより、前記巻線界磁回転子同期機械の所望の動作出力を達成する、すなわち、
    前記巻線界磁回転子同期機械の前記所望の動作出力を達成する回転子性能を決定することと、
    前記固定子電流の前記位相角又は前記大きさのうちの一方を調節して、前記巻線界磁回転子同期機械の前記所望の動作出力を達成することと、
    前記巻線界磁回転子同期機械の現在の動作出力を示す信号を受信することと、
    前記巻線界磁回転子同期機械の前記所望の動作出力に対して前記巻線界磁回転子同期機械の前記現在の動作出力を比較することと、
    前記固定子電流の前記位相角又は前記大きさのうちの他方を調節して、前記巻線界磁回転子同期機械の前記所望の動作出力を達成することと
    により、前記巻線界磁回転子同期機械の所望の動作出力を達成する
    ように構成されたコントローラと
    を備える、巻線界磁回転子同期機械。
19. 前記コントローラが、前記巻線界磁回転子同期電気機械の前記所望の動作出力に応じて、前記固定子電流の周波数を変調するように更に構成される、請求項１８に記載の巻線界磁回転子同期機械。
20. 前記電流角を調節するために、前記コントローラが、前記巻線界磁回転子同期電気機械の１つの軸のみにおいて前記電流角のみを調節するように更に構成される、請求項１８に記載の巻線界磁回転子同期機械。
21. 前記コントローラが、前記電流角又は前記電流の大きさの少なくとも一方への調節を選択して、前記巻線界磁回転子同期電気機械の前記所望の動作出力を実現しながら回転子トルクリップルを制御するように更に構成される、請求項１８に記載の巻線界磁回転子同期機械。

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