JP2024026430A - 電動機 - Google Patents
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Abstract
【課題】運動方向にアライメントされた磁気誘導動力をより大きい成分により与えること。【解決手段】電動機は、電気巻線が関連付けられた複数の固定子極を有する固定子と、複数の回転子極を有する回転子とを有する。回転子は、隣接する回転子極間に磁束障壁を有し、磁束障壁は、回転子極材料より高い導電率を有する材料をそれぞれ有する。磁束障壁は、強磁性材料の外で互いに電気的に絶縁される。渦電流は、急峻磁場の相殺的干渉を引き起こすために磁束障壁内に誘起され、それにより、磁束障壁は、いくつかの場合、回転子極上の誘起原動力を増加させるように作用する斥力を生じるモータ動作中の磁束を抑制するように効果的に作用する。【選択図】図12
Description
関連出願の相互参照
本出願は、参照により開示全体が本明細書に援用される、2018年8月7日出願の米国仮特許出願第62/715,386号に対する優先権を主張する。
本出願は、参照により開示全体が本明細書に援用される、2018年8月7日出願の米国仮特許出願第62/715,386号に対する優先権を主張する。
技術分野
本発明は、電動機及びそのような電動機の操作に関する。
本発明は、電動機及びそのような電動機の操作に関する。
背景
電動機の性能が特徴付けられ得る方法の2つは、それらのトルク/力及びそれらの出力によるものである。回転モータの出力は、モータが生成するトルクと、その出力軸の角速度との積である。リニアモータに関して、出力は、直線力と速度との積である。従来、モータ性能を直接的に増加させる以下の2つの基本的手段が存在する:(1)モータの寸法を増加させること、及び(2)モータ自体内により強い磁場を生成することである。モータの最終寸法は、その特に有用な応用を制限する一方、磁場を増加させ、それにより電磁力を増加させることは、よりよいモータ性能及びモータ技術のさらに広い応用を可能にするうえで重要であると考えられ得る。小型パッケージにおける直接駆動による応用を可能にする許容可能な高い性能(例えば、高トルク/力及び出力密度)を提供する新しいモータ設計の必要性がある。
電動機の性能が特徴付けられ得る方法の2つは、それらのトルク/力及びそれらの出力によるものである。回転モータの出力は、モータが生成するトルクと、その出力軸の角速度との積である。リニアモータに関して、出力は、直線力と速度との積である。従来、モータ性能を直接的に増加させる以下の2つの基本的手段が存在する:(1)モータの寸法を増加させること、及び(2)モータ自体内により強い磁場を生成することである。モータの最終寸法は、その特に有用な応用を制限する一方、磁場を増加させ、それにより電磁力を増加させることは、よりよいモータ性能及びモータ技術のさらに広い応用を可能にするうえで重要であると考えられ得る。小型パッケージにおける直接駆動による応用を可能にする許容可能な高い性能(例えば、高トルク/力及び出力密度)を提供する新しいモータ設計の必要性がある。
概要
本発明の様々な態様は、運動方向にアライメントされた磁気誘導動力をより大きい成分により与えるために(有用なトルク及び/又は直線力を与えるために)、磁束の経路を変えるために受動極間に配置された磁束障壁を有する電動機(モータ)を特徴とする。
本発明の様々な態様は、運動方向にアライメントされた磁気誘導動力をより大きい成分により与えるために(有用なトルク及び/又は直線力を与えるために)、磁束の経路を変えるために受動極間に配置された磁束障壁を有する電動機(モータ)を特徴とする。
本発明の一態様によると、電動機は、複数の固定子極と固定子極に関連付けられた電気巻線とを有する固定子と、複数の回転子極を有する回転子とを有する。回転子は、固定子に対して可動であり、かつ固定子極と回転子極との間の公称間隙を固定子と共に画定する。回転子極は、強磁性材料の層であって、強磁性材料より小さい導電性である界面により、少なくとも回転子の表面において互いに分離された強磁性材料の層が積層されたスタックのものである。回転子は、隣接する回転子極間に磁束障壁を有し、磁束障壁は、強磁性材料より高い導電率を有する材料をそれぞれ有する。磁束障壁は、強磁性材料の外で互いに電気的に絶縁される。
本明細書で使用されるように、用語「電動機」は、機械力から電力を生成する発電機も含む。
「公称間隙」は、固定子(又は能動磁気部品)極と回転子(又は受動磁気部品)極との相対移動面間の間隙を意味し、この間隙にわたり、磁束が、回転子(又は受動磁気部品)上に力を誘起するためにモータ動作中に延びる。それぞれの透磁性構造(巻線内を流れる電流によって磁束が生成される)に関連付けられた電気巻線を含むモータの部分を参照するために用語「能動磁気部品」を使用する。「能動磁気部品」の極は、「能動極」と呼ばれる。電気巻線は、通常、対応する能動極に対して固定された関係で保持されることになる。巻かれた固定子は、能動磁気部品の一例である。公称間隙にわたって受動磁気部品内に延びるために能動磁気部品によって生成される磁束によって原動力が誘起されるモータの部分を参照するために用語「受動磁気部品」を使用する。「受動磁気部品」の極は、「受動極」と呼ばれる。巻かれていない回転子は、受動磁気部品の一例である。公称間隙は、例えば、半径方向間隙モータにおけるように半径方向又は軸方向間隙モータにおけるように軸方向であり得、空気若しくは他の気体又はさらに冷媒などの液体によって充填され得る。
「磁束障壁」は、磁場を変更することによって電流の流れが誘起される少なくとも1つの導電経路を画定する構造を意味する。一般的に、渦電流は、急峻な磁場の相殺的干渉を引き起こすために磁束障壁内に誘起され、それにより、磁束障壁は、いくつかの場合、受動極上の誘起原動力を増加させるように作用する斥力を生じるモータ動作中の磁束の変化を抑制するように効果的に作用する。
「導電性」は、電気を通すための材料の性向を意味する。電流が主方向に流れるように制約されたワイヤなどの構造に関して、「導電性」は、主方向における導電率を意味する。
「互いに電気的に絶縁された」は、磁束障壁内の電位に対するオーム抵抗が磁束障壁間のオーム抵抗より少なくとも10倍低いことを意味する。磁束障壁が強磁性物体の外で互いに絶縁されることは、磁束障壁が層の強磁性材料を介して電気的に連通する状態にあることを除外しない。実際、多くの場合、磁束障壁は、強磁性材料を介して電気的に接続される。
いくつかの実施形態では、磁束障壁の少なくともいくつかは、層のスタックの複数の界面にわたる導電帯をそれぞれ含む。
「導電性」は、材料又は構造が、典型的なモータ動作電圧において非晶質炭素と少なくとも同程度に導電性であるか又は1000ジーメンス/メートルより大きい導電率を有することを意味する。導電材料の例は、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、鉄及び電磁鋼(粒子配向性のもの又はそうでないもの)を含む。非導電材料の例は、非充填樹脂、空気、木及び綿を含む。非導電性である、すなわち導電性でない材料を参照するために用語「絶縁体材料」を使用する。
いくつかの例では、導電帯は、鉄、ニッケル及びコバルトからなる群から選択される元素又は元素の組み合わせを質量分率で少なくとも20%、いくつかの場合には40%又はいくつかの場合には60%含む。いくつかの場合、導電帯を有する磁束障壁のそれぞれは、導電帯と異なる材料の導電層も有し、回転子の外面を少なくとも部分的に形成する。
いくつかの構成では、導電帯は、銅、アルミニウム、黄銅、銀、亜鉛、金、熱分解グラファイト、ビスマス、グラフェン及びカーボンナノチューブからなる群から選択される元素を質量分率で少なくとも1%、いくつかの場合には5%又はいくつかの場合には15%含む。
導電帯は、公称間隙と平行に延び、かつ様々な材料の中間層界面を形成する離散的層を有し得るか又はそれらの層からなり得る。いくつかの場合、様々な材料の1つは、銅を含むか又はそれから本質的になり、様々な材料の別のものは、ニッケルを含むか又はそれから本質的になる。
多くの場合、導電帯は、公称間隙に面する露出面を有する。
いくつかのモータでは、導電帯を有する磁束障壁のそれぞれは、導電性ループを形成するために層のスタックの両端において互いに電気的に接続された少なくとも2つの導電帯を含む。
いくつかの実施形態では、磁束障壁の少なくともいくつかは、層のスタックの強磁性材料層に対して平行に切り取られた断面において、公称間隙から離れるように延びる2つの離間された突起と、これらの2つの突起を接続する表面層とを含む形状をそれぞれ有する。2つの突起は、例えば、強磁性材料層のスタックの一部分の両側に配置され得る。
いくつかの実施形態では、磁束障壁の少なくともいくつかは、層のスタックの複数の界面と交差し、かつ間隙において回転子の表面を形成する露出面を有する、回転子と固定子との間の相対運動の方向における一定の幅及び公称間隙に対して垂直な一定の厚さの導電層をそれぞれ有する。
「一定の幅」は、層が両縁を有するが、例えば回転子の全外周の周囲に(又は線形受動磁気部品の全長に沿って)広がらないことを意味する。
同様に、「一定の厚さ」は、層が制限された深さまで延びるが、例えば回転子を完全には貫通しないことを意味する。
いくつかの場合、層の幅は、層の厚さの2倍より大きく、いくつかの場合には5倍より大きく、及びいくつかの場合には10倍より大きい。
いくつかのモータでは、層は、モータ動作条件において層厚さより大きい電流表皮深さを有する材料で形成される。
「電流表皮深さ」は、導体の表面からの深さ(電流、特に所与の周波数で変化する磁場から誘起される渦電流が主として流れる)を意味する。所与の材料に対して、表皮深さは、次式のように計算され得る。
ここで、「f」は、磁気スイッチング周波数であり、μは、材料の透磁率(H/mm)であり、及びσは、材料の導電率(%AICS)である。
「透磁率」は、通常、材料が磁場の形成を支援するための能力を意味する。材料の透磁率は、ASTM A772に従って判断され得る。材料が「透磁性」であると言うとき、材料が少なくとも1.3×10-6ヘンリー/メートルの透磁率を有することを意味する。
いくつかの例では、層は、強磁性材料によって画定されるチャネル内に配置されており、複数のプレート又はそのすべてのプレートの強磁性材料と電気的に接触し得る。
いくつかの場合、公称間隙は、層の付近より層においてより薄い。
いくつかの実施形態では、各磁束障壁は、導電材料より高い透磁性である(すなわちより高い透磁率を有する)芯材の芯を中心とするループを形成する導電材料を含む。いくつかの場合、芯材も強磁性である。例えば、芯材と回転子極の強磁性材料との両方がプレートの積層スタックの隣接部を形成し得る。
いくつかの配置では、ループは、公称間隙を境界付ける回転子の外面の一部を形成する。芯は、ループによって囲まれた回転子の外面の一部を形成し得る。
いくつかの場合、ループは、公称間隙を境界付け、かつ強磁性材料の層の縁を含む回転子の表面の下に配置される。
いくつかのモータでは、ループは、ループ内の非導電性破断部などにより、ループに沿って離散的位置に形成され得るキャパシタンスを定める。
ループは、好適には、強磁性材料の伝搬可能範囲内の共振周波数を有する。
「伝搬可能範囲」は、静的周波数条件下で(例えば、印可磁場の少なくとも5サイクルにわたって行われる所与の周波数の透磁率測定により)測定されるように、透磁率が60hzにおける透磁率に対して10db以下だけ低下する周波数範囲を意味する。
多くのモータでは、スタックの層間の界面は、強磁性材料の酸化面からなる。他のいくつかのモータでは、界面は、強磁性層によって交互配置された樹脂膜のシートなどの絶縁体材料のシートを含む。
多くの実施形態では、回転子は、固定子内に配置される。他のいくつかの実施形態では、回転子極は、固定子極の外側に配置される。
いくつかのモータでは、公称間隙は、回転子の半径方向外側面によって少なくとも部分的に区切られる半径方向間隙である。他のいくつかのモータでは、公称間隙は、回転子の回転軸に対して垂直な軸方向間隙である。
いくつかのモータでは、各回転子極(及び/又は各固定子極)は、その間の凹部を画定する複数の歯を有する。
いくつかの実施形態では、各固定子極は、固定子極の両縁に沿って延びる磁束遮蔽部であって、磁束遮蔽部間に配置される固定子極の材料より高い導電率を有する材料で形成される磁束遮蔽部を有する。
本発明の別の態様によると、電動機は、関連付けられた電気巻線を有する複数の能動極を画定する第1の面と、間隙を画定するために第1の面に対して第1の方向に可動であり、かつ第1の面から離間された第2の面とを有する受動磁気部品を含む。第2の面は、第1の材料の一連の離間された受動極であって、その間にスロットを画定する一連の離間された受動極を形成し、スロットは、第1の方向にゼロでない角度で延びる。各スロットは、スロットに沿って延び、かつスロットに沿った導電経路を形成する、第2の材料を含むそれぞれの磁束障壁を含む。磁束障壁は、スロット内の第1の材料に固定され、かつ第1の材料を通してのみ互いに接続される。
いくつかの実施形態では、スロットは、第1の方向に対して垂直に(すなわち、ゼロでない角度は、90度である)延びる。
いくつかの場合、磁束障壁は、スロットを充填する。
いくつかのモータでは、磁束障壁は、スロットの両側で第1の材料と接触(好適には電気的に接触)している。
いくつかの構成では、磁束障壁は、第2の面の一部を形成する露出面を有する。
いくつかのモータでは、受動極は、スロットがスタックのいくつかのプレートと交差するように積層されたプレートのスタックの縁表面領域を含む。好適には、各磁束障壁の第2の材料は、スタックのいくつかのプレートと交差し、及び/又はスタックのプレートのそれぞれと直接接触する。
第2の材料は、好適には、第1の材料より高い導電率を有する。
いくつかの例では、磁束障壁のそれぞれは、第2の材料から本質的になる。
いくつかの場合、第2の材料は、鉄、ニッケル及びコバルトからなる群から選択される元素又は元素の組み合わせを質量分率で少なくとも20%、いくつかの場合には40%又はいくつかの場合には60%含む。
いくつかの例では、磁束障壁のそれぞれは、第2の材料の導電層と、回転子の外面を少なくとも部分的に形成する第3の材料の導電層とを含む。
いくつかの実施形態では、第2の材料は、銅、アルミニウム、黄銅、銀、亜鉛、金、熱分解グラファイト、ビスマス、グラフェン及びカーボンナノチューブからなる群から選択される元素を質量分率で少なくとも1%、いくつかの場合には5%又はいくつかの場合には15%含む。
いくつかの構成では、各磁束障壁は、公称間隙と平行に延び、かつ様々な材料の中間層界面を形成する複数の離散的層を含む。いくつかの例では、様々な材料の1つは、銅を含むか又は銅であり、様々な材料の別のものは、ニッケルを含むか又はニッケルである。
いくつかの実施形態では、磁束障壁の少なくともいくつかは、公称間隙から離れるように延びる2つの離間された突起と、これらの2つの突起を接続する表面層とを含む断面形状をそれぞれ有する。いくつかの場合、この断面形状を有する磁束障壁は、2つの突起間かつ表面層下に配置された透磁性材料をそれぞれさらに含む。
いくつかの場合、各磁束障壁の第2の材料は、第2の材料より高い透磁性の芯材のそれぞれの芯を中心とする導電性ループを形成する。芯材は、強磁性であり得る。いくつかの構成では、芯材及び第1の材料は、プレートの単一スタックの隣接部を形成する。
いくつかの例では、ループは、公称間隙を境界付ける回転子の外面の一部を形成する。例えば、芯は、ループによって囲まれた回転子の外面の一部を形成し得る。
いくつかのモータでは、ループは、公称間隙を境界付け、かつ第1の材料で形成される受動磁気部品の表面の下に配置される。
いくつかのモータでは、ループは、ループ内の非導電性破断部などにより、ループに沿って離散的位置に形成され得るキャパシタンスを画定する。
ループは、好適には、第1の材料の伝搬可能範囲内の共振周波数を有する。
いくつかの実施形態では、能動磁気部品は、モータの固定子であり、受動磁気部品は、モータの回転子である。いくつかの例では、公称間隙は、回転子の半径方向外側面によって少なくとも部分的に区切られる半径方向間隙である。他のいくつかの例では、公称間隙は、回転子の回転軸に対して垂直な軸方向間隙である。
いくつかの場合、各受動極及び/又は各能動極は、その間の凹部を画定する複数の歯を有する。
いくつかの場合、各能動極は、能動極の両縁に沿って延びる磁束遮蔽部であって、磁束遮蔽部間に配置された固定子極の材料より高い導電率を有する材料で形成された磁束遮蔽部を有する。
いくつかの例では、モータは、リニアモータである。
本発明の別の態様によると、電動機は、電気巻線が関連付けられた複数の能動極を有する能動磁気部品と、能動磁気部品に対して可動であり、かつ透磁性磁極材料の複数の受動極を有する可動受動磁気部品とを含む。能動磁気部品及び受動磁気部品は、能動極と受動極との間の公称磁気間隙をその間に画定する。受動磁気部品は、受動磁気部品の隣接する受動極を接続する磁束障壁を有し、各磁束障壁は、透磁性磁極材料と異なる導電材料を含み、かつ透磁性芯材を中心とする少なくとも1つの導電経路を画定する。磁束障壁は、極材料の外で互いに電気的に絶縁され、隣接する磁束障壁は、1つの磁束障壁の導電材料内に画定されるそれぞれの導電経路も、他の磁束障壁の導電材料内に画定される導電経路の部分を囲まないように配置される。
好適には、芯材は、導電材料より高い透磁性である。
いくつかの場合、芯材及び極材料は、同一の材料特性を有する。
いくつかの例では、磁束障壁は、隣接する極対内に延びる。
いくつかのモータでは、磁束障壁は、受動磁気部品の磁気的に活性な広がりにわたる導電材料の少なくとも1つのループをそれぞれ含む。いくつかの場合、各磁束障壁は、それぞれ極材料及び芯材の外で互いに絶縁される導電材料の複数のループを有する。
いくつかの実施形態では、各磁束障壁は、鉄、ニッケル及びコバルトからなる群から選択される元素又は元素の組み合わせを質量分率で少なくとも20%、いくつかの場合には40%又はいくつかの場合には60%含む。
いくつかの場合、各磁束障壁は、銅、アルミニウム、黄銅、銀、亜鉛、金、熱分解グラファイト、ビスマス、グラフェン及びカーボンナノチューブからなる群から選択される元素を質量分率で少なくとも1%、いくつかの場合には5%又はいくつかの場合には15%含む。
いくつかの例では、芯材は、強磁性である。いくつかの配置では、芯材及び極材料は、プレートの単一スタックの隣接部を含む。
ループは、いくつかのモータでは、公称間隙を境界付ける受動磁気部品の外面の一部を形成する。芯は、ループによって囲まれた受動磁気部品の外面の一部を形成し得る。
ループは、公称間隙を境界付け、かつ第1の材料で形成される受動磁気部品の表面の下に配置され得る。
いくつかの場合、ループは、ループに沿った離散的位置に形成されるキャパシタンスなどのキャパシタンスを画定する。
好適には、ループは、第1の材料の伝搬可能範囲内の共振周波数を有する。
いくつかの実施形態では、磁束障壁の少なくともいくつかは、スタックの複数の界面と交差し、かつ間隙において受動磁気部品の表面を形成する露出面を有し、受動磁気部品と能動磁気部品との間の相対運動の方向における一定の幅及び公称間隙に対して垂直な一定の厚さの導電層をそれぞれ有する。
いくつかの応用では、層の幅は、層の厚さの2倍より大きく、いくつかの場合には5倍より大きく、いくつかの場合には10倍より大きい。
いくつかの場合、層は、層厚さより大きい電流表皮深さを有する材料で形成される。
層は、第1の材料によって画定されるチャネル内に配置され得る。
いくつかの場合、公称間隙は、層の付近より層においてより薄い。
いくつかのモータでは、能動磁気部品は、モータの固定子であり、受動磁気部品は、モータの回転子である。公称間隙は、回転子の半径方向外側面によって少なくとも部分的に区切られる半径方向間隙又は回転子の回転軸に対して垂直な軸方向間隙であり得る。
いくつかの実施形態では、各受動磁気部品極及び/又は各能動磁気部品極は、その間に凹部を画定する複数の歯を有する。
いくつかの例では、各能動磁気部品は、極の両縁に沿って延びる磁束遮蔽部であって、磁束遮蔽部間に配置される能動磁気部品の材料より高い導電率を有する材料で形成される磁束遮蔽部を有する。
いくつかの場合、モータは、リニアモータである。
本発明の別の態様によると、電動機は、電気巻線が関連付けられた複数の能動極を画定する第1の面と、間隙を画定するために第1の面に対して可動であり、かつ第1の面から離間された第2の面とを有する受動磁気部品を含む。第2の面は、第2の面の極間表面領域によって分離された第1の材料の一連の離間された極表面領域を有する。受動磁気部品は、導電性で低エネルギー積の第2の材料を含み、かつそれぞれ透磁性材料の外で互いに電気的に絶縁されるそれぞれの極間表面領域の両側の極表面領域のそれぞれの隣接する対を接続する内部経路を画定する透磁性材料を含む。
「低エネルギー積」は、1立方メートル当たり100キロジュール未満のエネルギー積(B×H)を有する材料の性質を意味する。エネルギー積は、残留磁気と保磁力との積であることも理解される。一般的に、PMモータにおいて使用される永久磁石材料は、低エネルギー積を有しない。
いくつかの実施形態では、透磁性材料は、強磁性材料より低い導電性である界面により、少なくとも極表面領域において互いに分離された強磁性材料の層のスタックを形成する。
いくつかの例では、受動磁気部品は、第3の材料の帯を含み、各帯は、受動磁気部品内のそれぞれの極間表面領域の下にあり、電流抑制界面全体に広がる。第3の材料は、例えば、鉄、ニッケル及びコバルトであり得るか又はそれを含み得る。好適には、第3の材料は、第2の材料より高い透磁率を有する。
いくつかの構成では、第2の材料は、帯の一方の側と強磁性材料の層の縁との間に延びる。
いくつかのモータでは、第2の材料は、第1の材料より低い透磁率を有する。
いくつかの実施形態では、極間表面領域の少なくとも1つの極間表面領域の第2の材料は、受動磁気部品内に第2の面から約1~50mm、いくつかの場合には2~25mm又はいくつかの場合には5~15mmの全深さまで延びる。
いくつかの構成では、極間表面領域の少なくとも1つの極間表面領域の第2の材料は、第1の方向に広がりを有し、受動磁気部品内に第2の面からその広がりの2~2000%(又はいくつかの場合には5~500%又はいくつかの場合には10~200%)の全深さまで延びる。
いくつかの場合、第2の面は、第1の方向に沿って第1の面に対して可動であり、極間表面領域は、極表面領域の磁気的に活性な広がりにわたり、第1の方向に対して垂直な第2の方向に連続的である。
いくつかのモータでは、透磁性材料は、それぞれ第1の方向に延びる強磁性材料の層のスタックを形成する。
いくつかの場合、第2の材料は、銅を含むか又はそれから本質的になる。
いくつかのモータでは、受動磁気部品は、回転子であり、能動磁気部品は、固定子である。極間表面領域及び極表面領域は、併せて回転子の円筒面を形成し得、例えば、間隙は、回転子と固定子との間の半径方向間隙である。又は極間表面領域及び極表面領域は、併せて回転子の端面を形成し得、間隙は、回転子と固定子との間の軸方向間隙である。いくつかの場合、端面は、回転子の回転軸に対して垂直である。
いくつかの実施形態では、極間表面領域は、それぞれ第2の材料によって囲まれた透磁性芯材をさらに含む。いくつかの場合、芯材は、第1の材料と同じ材料である。
いくつかの例では、第2の面の極表面領域は、その間のスロットを画定し、第2の面の極間表面領域は、スロット内に配置される第2の材料によって形成される。好適には、スロットは、第1の面と第2の面との間の相対運動の方向に対してゼロでない角度(90度など)で延びる。いくつかの場合、第2の材料は、スロット内の第1の材料に固定される。いくつかの例では、スロットは、第2の材料によって充填され、及び/又は第2の材料は、スロットの両側で第1の材料に接触している。
いくつかの例では、極表面領域は、スロットがプレートのスタックのいくつかのプレートと交差するように積層されたプレートのスタックの縁表面領域を含む。好適には、各スロット内の第2の材料は、スタックのいくつかのプレートと交差し、及び/又はスタックのプレートのそれぞれと直接接触する。
第2の材料は、好適には、第1の材料より高い導電率を有する。
いくつかのモータでは、極間表面領域のそれぞれは、第2の材料から本質的になる。
第2の材料は、鉄、ニッケル及びコバルトからなる群から選択される元素又は元素の組み合わせを質量分率でいくつかの例では20%、いくつかの場合には40%又はいくつかの場合には60%含む。
いくつかの例では、第2の材料は、銅、アルミニウム、黄銅、銀、亜鉛、金、熱分解グラファイト、ビスマス、グラフェン及びカーボンナノチューブからなる群から選択される元素を質量分率で少なくとも1%、いくつかの場合には5%又はいくつかの場合には15%含む。
いくつかの実施形態では、極間表面領域は、極表面領域間に配置された磁束障壁の表面を含む。
いくつかの場合、各磁束障壁は、公称間隙と平行に延び、かつ銅及びニッケルなどの様々な材料の中間層界面を形成する離散的層を有する。
いくつかの例では、磁束障壁の少なくともいくつかは、公称間隙から離れるように延びる2つの離間された突起と、これらの2つの突起を接続する表面層とを含む断面形状をそれぞれ有し、例えば透磁性材料が2つの突起間に及び表面層下に配置される。
いくつかの構成では、各極間表面領域の第2の材料は、第2の材料より高い透磁性の芯材のそれぞれの芯を中心とする導電性ループを形成する。いくつかの場合、芯材は、強磁性である。いくつかの場合、芯材及び第1の材料は、プレートの単一スタックの隣接部である。いくつかの例では、芯は、ループによって囲まれた第2の面の一部を形成する。ループは、第2の面から離間され得、及び/又はキャパシタンスを画定し得、例えば、キャパシタンスは、ループに沿った離散的位置に形成される。好適には、ループは、第1の材料の伝搬可能範囲内の共振周波数を有する。
いくつかのモータでは、各極表面領域(及び/又は能動磁気部品の各極)は、その間の凹部を画定する複数の歯を有する。
いくつかの例では、能動磁気部品の各極は、極の両縁に沿って延びる磁束遮蔽部であって、磁束遮蔽部間に配置された能動磁気部品の極の材料より高い導電率を有する材料で形成された磁束遮蔽部を有する。
いくつかの場合、モータは、リニアモータである。
本発明の別の態様によると、電気駆動システムは、磁気抵抗モータ及びモータコントローラを含む。磁気抵抗モータは、電気巻線が関連付けられた複数の能動極を画定する能動磁気部品と、複数の受動極を有し、能動磁気部品に対して可動であり、能動極と受動極との間の公称間隙を能動磁気部品と共に画定する受動磁気部品とを含む。モータコントローラは、それぞれの電気巻線又は能動磁気部品の巻線の組に接続された複数のスイッチを有し、(a)能動極と受動極との間の公称間隙にわたって磁束を生成するために、それぞれの磁極通電デューティサイクルについてスイッチを順次動作させること、及び(b)各能動極の通電デューティサイクル中、能動極の巻線を通る電流をパルス化することであって、隣接する能動極の巻線が通電されない少なくとも3つのパルスの系列を含む、パルス化することを行うように構成される。モータの電気巻線は、電流パルス化中の通電された能動極の巻線を通る最大電流と最小電流との比が少なくとも4:1であるように構成される。
いくつかの実施形態では、モータコントローラは、各能動極の通電デューティサイクル中に電流を2Hz~1MHz、いくつかの場合には10Hz~20kHz、いくつかの場合には100Hz~5kHzのパルス周波数でパルス化するように構成される。
いくつかの例では、モータコントローラは、モータ速度変更中、パルス周波数を、少なくとも、能動極毎の通電デューティサイクル周波数がパルス周波数の少なくとも2分の1であるモータ速度まで維持するように構成される。
いくつかの応用に関して、モータコントローラは、1通電デューティサイクル当たり1パルスに対応するモータ速度未満においてのみ電流をパルス化するように構成される。
いくつかの場合、電気巻線の少なくとも1つは、並列に導電接続され、かつ共通芯の周囲に巻かれる複数のコイルを有する。
いくつかの場合、電気巻線の少なくとも1つは、編組みワイヤの巻線である。
いくつかの実施形態では、能動磁気部品は、固定子であり、受動磁気部品は、回転子軸を中心とする回転により、固定子に対して可動な回転子である。回転子は、固定子内に配置され得る。公称間隙は、例えば、回転子の半径方向外側面によって少なくとも部分的に区切られる半径方向間隙又は回転子軸に対して垂直な軸方向間隙であり得る。
いくつかの例では、受動磁気部品は、隣接する受動極間において、それぞれ受動極より高い導電率を有する磁束障壁をさらに含む。磁束障壁は、受動極の外で互いに電気的に絶縁される。
いくつかの場合、受動極は、透磁性材料の層のスタックによって形成される。磁束障壁の少なくともいくつかは、スタックの複数の層と交差する導電帯をそれぞれ含み得る。導電帯は、鉄、ニッケル及びコバルトからなる群から選択される元素又は元素の組み合わせを質量分率でいくつかの場合には少なくとも20%、いくつかの場合には40%又はいくつかの場合には60%含む。導電帯を有する磁束障壁のそれぞれは、通電帯と異なる材料の導電層であって、受動磁気部品の外面を少なくとも部分的に形成する導電層をさらに含み得る。いくつかの例では、導電帯は、銅、アルミニウム、黄銅、銀、亜鉛、金、熱分解グラファイト、ビスマス、グラフェン及びカーボンナノチューブからなる群から選択される元素を質量分率で少なくとも1%、いくつかの場合には5%又はいくつかの場合には15%含む。いくつかの構成では、導電帯は、公称間隙と平行に延び、かつ様々な材料(銅及びニッケルなど)の中間層界面を形成する離散的層を有する。
導電帯は、公称間隙に面する露出面を有し得る。
いくつかの場合、導電帯を有する磁束障壁のそれぞれは、導電性ループを形成するために層のスタックの両端において互いに電気的に接続された少なくとも2つの導電帯を含む。
いくつかの実施形態では、磁束障壁の少なくともいくつかは、スタックの層に対して平行に切り取られた断面において、公称間隙から離れるように延びる2つの離間された突起と、これらの2つの突起を接続する表面層とを含む形状をそれぞれ有する。2つの突起は、スタックの一部の両側に配置され得る。
いくつかの構成では、磁束障壁の少なくともいくつかは、スタックの複数の層と交差し、かつ間隙において受動磁気部品の表面を形成する露出面を有する、受動磁気部品と能動磁気部品との間の相対運動の方向における一定の幅及び公称間隙に対して垂直な一定の厚さの導電層をそれぞれ有する。いくつかの応用では、層の幅は、層の厚さの2倍より大きく、いくつかの場合には5倍より大きく、及びいくつかの場合には10倍より大きい。
層は、層厚さより大きい電流表皮深さを有する材料で形成され得、及び/又は透磁性材料によって画定されたチャネル内に配置され得る。いくつかの場合、公称間隙は、層の付近より層においてより薄い。
いくつかの実施形態では、各磁束障壁は、導電材料より高い透磁性である芯材の芯を中心とするループを形成する導電材料を含む。芯材は、強磁性であり得、及び/又は芯材及び受動極の透磁性材料は、プレートの積層スタックの隣接部であり得る。
いくつかの場合、ループは、公称間隙を境界付ける受動磁気部品の外面の一部を形成する。
いくつかの場合、芯は、ループによって囲まれた受動磁気部品の外面の一部を形成する。
ループは、公称間隙を境界付け、かつスタックの層の縁を含む受動磁気部品の表面の下に配置され得る。
いくつかの例では、ループは、ループに沿った離散的位置において形成されるキャパシタンスなどのキャパシタンスを画定する。好適には、ループは、受動極の透磁性材料の伝搬可能範囲内の共振周波数を有する。
いくつかの実施形態では、受動磁気部品は、透磁性磁極材料の隣接する受動極を接続する磁束障壁をさらに含み、磁束障壁は、それぞれ極材料と異なる導電材料を有し、かつ透磁性芯材を中心とする少なくとも1つの導電経路を画定する。好適には、磁束障壁は、極材料の外で互いに電気的に絶縁され、隣接する磁束障壁は、1つの磁束障壁の導電材料内に画定されるいかなる導電経路も、別の磁束障壁の導電材料内に画定されるいかなる導電経路のいかなる部分も囲まないように配置される。
いくつかの場合、各受動極及び/又は各能動極は、その間の凹部を画定する複数の歯を有する。
いくつかの例では、各能動磁気部品は、能動極の両縁に沿って延びる磁束遮蔽部であって、磁束遮蔽部間に配置される能動磁気部品の材料より高い導電率を有する材料で形成される磁束遮蔽部を有する。
いくつかの応用では、最大電流と最小電流との比は、少なくとも7:1である。いくつかの例では、最大電流と最小電流との比は、少なくとも10:1である。
本発明の別の態様は、電動機を駆動する方法を特徴とする。本方法は、
(a)一連の能動極と、空隙に沿って配置された一連の受動極を有する受動磁気部品との間の空隙に沿って配置された一連の能動極の第1の能動極を、第1の能動極に関連付けられた電気巻線を通る電流をパルス化することであって、一連の能動極の隣接する能動極の巻線が通電されない少なくとも3つのパルスの系列を含む、パルス化することによって通電させることと、
(b)一連の能動極の第2の能動極を、第2の能動極に関連付けられた電気巻線を通る電流をパルス化することであって、第1の能動極の巻線が通電されない少なくとも3つのパルスの系列を含む、パルス化することによって通電させ、第2の能動極に関連付けられた電気巻線を通る電流のパルス化中の最小電流に対する最大電流の比が少なくとも4:1である電流波形に従い、第2の能動極に関連付けられた電気巻線を通して電流を通過させることと、
を含む。
(a)一連の能動極と、空隙に沿って配置された一連の受動極を有する受動磁気部品との間の空隙に沿って配置された一連の能動極の第1の能動極を、第1の能動極に関連付けられた電気巻線を通る電流をパルス化することであって、一連の能動極の隣接する能動極の巻線が通電されない少なくとも3つのパルスの系列を含む、パルス化することによって通電させることと、
(b)一連の能動極の第2の能動極を、第2の能動極に関連付けられた電気巻線を通る電流をパルス化することであって、第1の能動極の巻線が通電されない少なくとも3つのパルスの系列を含む、パルス化することによって通電させ、第2の能動極に関連付けられた電気巻線を通る電流のパルス化中の最小電流に対する最大電流の比が少なくとも4:1である電流波形に従い、第2の能動極に関連付けられた電気巻線を通して電流を通過させることと、
を含む。
いくつかの例では、第1の能動極を通電させることは、電流を2Hz~1MHz、いくつかの場合には10Hz~20kHz、いくつかの場合には100Hz~5kHzのパルス周波数でパルス化することを含む。
いくつかの場合、第1の能動極を通電させ、かつその後、第2の能動極を通電させることは、第1の能動極から空隙にわたる第1の能動極と受動極との間の第1の力と、第2の能動極から空隙にわたる第2の能動極と受動極との間の第2の力とを生成することを含む。
いくつかの例では、第1及び第2の力は、能動極と受動極との間の相対運動を誘起する。相対運動は、能動極に対する受動磁気部品の運動を含み得る。
いくつかの場合、受動磁気部品は、モータの回転子であり、相対運動は、回転子の回転運動を含む。
本方法のいくつかの例は、回転子速度を検出し、かつ検出された回転子速度に応じてパルス電流の周波数を制御することを含む。
いくつかの例は、回転子速度変更中、電流パルス周波数を、少なくとも、各能動極が通電される周波数がパルス周波数の少なくとも2分の1である回転子速度まで維持することも含む。
いくつかの場合、電流は、1回の磁極通電当たり1パルスに対応する回転子速度未満においてのみ、第1及び第2の極に関連付けられた電気巻線を介してパルス化される。
いくつかの例では、本方法は、第2の能動極を通電させた後、第1の能動極より第2の能動極の反対側に配置された一連の能動極の第3の能動極を、第3の能動極に関連付けられた電気巻線を通る電流をパルス化であって、第1及び第2の能動極の巻線が通電されない少なくとも3つのパルスの系列を含む、パルス化することによって通電されることを含む。
いくつかの実施形態では、本方法は、第3の能動極を通電させた後、第1の能動極に関連付けられた電気巻線を通る電流をパルス化することによって第1の能動極を再び通電させ、かつその後、第2の能動極に関連付けられた電気巻線を通る電流をパルス化することによって第2の能動極を再び通電させ、かつその後、第3の能動極を再び通電させることをさらに含む。
いくつかの例では、第1の能動極に関連付けられた電気巻線を通る電流をパルス化することは、第1の能動極に関連付けられた電気巻線を通る電流のパルス化中の最小電流に対する最大電流の比が少なくとも4:1又はいくつかの場合には少なくとも7:1である電流波形に従い、第1の能動極に関連付けられた電気巻線を通して電流を通過させる。
いくつかの例では、第1の能動極に関連付けられた電気巻線を通る電流をパルス化することは、並列に導電接続され、かつ共通芯の周囲に巻かれる複数のコイルを通る電流をパルス化することを含む。
いくつかの場合、第1の能動極に関連付けられた電気巻線を通る電流をパルス化することは、電圧源と、第1の能動極に関連付けられた電気巻線との間で第1のスイッチを複数のサイクルにわたって開閉するように操作することを含む。
いくつかの実施形態では、第1の能動極に関連付けられた電気巻線を通る電流をパルス化することは、第1の能動極から空隙にわたって受動極に隣接する第1の磁束障壁内に渦電流を生成し、磁束障壁は、空隙にわたって受動極より高い導電性を有する。
いくつかの例では、受動磁気部品は、第2の磁束障壁をさらに含み、第1の能動極から空隙にわたる受動極は、第1の磁束障壁と第2の磁束障壁との間に配置され、第1の磁束障壁及び第2の磁束障壁は、受動極の外で互いに電気的に絶縁される。
いくつかの場合、受動極は、透磁性材料の層のスタックによって形成される。
いくつかの例では、第1の磁束障壁内の渦電流は、第1の能動極から磁束を遠ざける役割を果たす。
いくつかの構成では、第1の磁束障壁は、第1の能動極から空隙にわたる受動極と、隣接する受動極との間に配置され、磁束障壁は、導電材料より高い透磁性である芯材の芯を中心とする導電材料のループを形成する。
いくつかの実施形態では、受動磁気部品は、一連の受動極の隣接する対の受動極間に磁束障壁をさらに含み、磁束障壁は、それぞれ受動極を形成する材料と異なる導電材料を含み、かつ透磁性芯材を中心とする少なくとも1つの導電経路を画定する。
いくつかの場合、磁束障壁は、一連の受動極の外で互いに電気的に絶縁される。
隣接する磁束障壁は、好適には、1つの磁束障壁の導電材料内に画定されるいかなる導電経路も、別の磁束障壁の導電材料内に画定されるいかなる導電経路のいかなる部分も囲まないように配置される。
いくつかの例では、モータは、各能動極の両縁に沿って延びる磁束遮蔽部であって、磁束遮蔽部間に配置される能動磁気部品の材料より高い導電率を有する材料で形成される磁束遮蔽部を有する。いくつかの場合、磁束遮蔽部は、隣接する電気巻線間の間隙内に延びる。例えば、磁束遮蔽部は、空隙から、隣接する能動極を接続する透磁性ヨークまで延び得る。
いくつかの場合、最大電流と最小電流との比は、少なくとも7:1又は少なくとも10:1である。
本発明のいくつかの態様は、電動機の性能を向上させる(例えば、トルク及び出力密度を高める)ための磁束障壁を特徴とする。磁束障壁は、動的(又は一時的)反磁性特性を有する。モータ内の磁束障壁を利用することにより、トルクの著しい利得は、磁束をほぼ接線方向に向けることによって達成され得る。ここで、磁場は、半径方向力(又は法線力)を接線方向に沿って方向転換することによって変えられる。すなわち、動作中の平均力ベクトルは、ほぼ接線方向である。ここで、従来のモータ設計における優勢力ベクトルは、本来、半径方向である。
磁束障壁の透磁率は、磁束障壁内の渦電流の磁気周波数を調整することによって(例えば、能動極の電気巻線を通る電流をパルス化することによって)制御され得る。このようにして、電動機は、様々な磁気周波数において著しく異なる磁気特性を有し得る。低周波数では、磁束障壁の特性は、強磁性であり、中間動作周波数から高動作周波数では、磁束障壁の透磁率は、空気の透磁率未満であり得、磁束障壁の特性は、反磁性である。
本発明は、磁場が電磁サイクルを通して広がるのではなく、実質的に反射される高リアクタンス回路も生成し得る。これは、磁束フリンジングを低減又は除去し得る。従来の永久磁石(PM)モータと異なり、ほぼゼロの磁束が、本発明に従って設計されたモータ内の磁束障壁内に広がり、動作中の減磁(保磁力)及び過剰熱を回避し得る。さらに、反磁性磁束障壁は、動作中に磁場を生成せず、したがって磁場が全くない(逆方向に存在し、次に閉じる磁場でない)ため、PMモータと異なって挙動する。
本発明は、その性能を改善するために様々なタイプのモータに適用され得る。モータは、半径方向間隙モータ、又は軸方向間隙モータ、又はリニアモータであり得る。例えば、モータは、切り替え磁気抵抗モータ(SRM)、誘導モータ(IM)又は永久磁石モータ(PM)であり得る。
本明細書において開示される本発明の様々な例は、著しいトルク/力及び出力密度を有する特に高いモータ性能を提供し得、静止系においてだけでなく、車両を推進するための本質的に滑らかかつ効率的な出力軸動力を提供するために使用され得る。これらの設計思想は、モータ自体の突極比を増加させることにより、トルク及び出力をより効率的に増加させ得、他方を犠牲にして一方を生かす従来のトレードオフのいくつかを回避する。このモータは、受動条件下で永久磁石モータと共に発生し得る磁気破断の回避のため、サイクル動作中のより高いシステム効率も取得し得る。
本発明の1つ又は複数の実施形態の詳細について、添付図面及び以下の本明細書に説明する。本発明の他の特徴、目的及び利点は、本明細書及び添付図面からかつ特許請求の範囲から明白になる。
図面の説明
電気駆動システムの一例の概略図である。
電力スイッチングを含むモータコントローラの概略図である。
電気巻線の例示的電力スイッチの概略図である。
各デューティサイクル内のパルス電流を含む磁極通電デューティサイクルの電流プロファイルを示す。
回転子及び固定子を含む半径方向間隙モータを示す。
図4の一部分の拡大図である。
積層プレートのスタックで作られた回転子の斜視図である。
隣接する極間のスロット内に充填された磁束障壁を有する回転子を示す。
ミスアライメント位置における極間の空気による磁束を示す。
1/2アライメント位置における極間の空気による磁束を示す。
アライメント位置における極間の空気による磁束を示す。
ミスアライメント位置における極間の磁束障壁による磁束を示す。
1/2アライメント位置における極間の磁束障壁による磁束を示す。
アライメント位置における極間の磁束障壁による磁束を示す。
隣接する極間に磁束障壁を有する又は有しない力を示す。
隣接する極間のスロット内の透磁性材料の上の導電層を含む磁束障壁を有する別の回転子の斜視図である。
動作中の図11の固定子及び回転子間の磁束を示す。
隣接する極間のスロット内に導電層と透磁性層とを交互配置することによって作られた磁束障壁を有する別の回転子の斜視図である。
図13の回転子内の磁束路を示す。
隣接する極間のスロット内の透磁性材料を囲む導電層で作られた磁束障壁を有する別の回転子の斜視図である。
隣接する極(「遮蔽極」)間の透磁性芯を中心とする導電性ループで作られた磁束障壁を有する別の回転子の斜視図である。
図15の回転子の側面図である。
それぞれ離散的キャパシタを有する遮蔽極で作られた磁束障壁を有する別の回転子の概略図である。
それぞれ隣接する極間の透磁性材料の外面に鋳込まれた導電層で作られた磁束障壁を有する別の回転子の斜視図である。
それぞれ隣接する極間の透磁性材料の外面上に形成された導電層で作られた磁束障壁を有する別の回転子の斜視図である。
固定子と図18の回転子とを含むモータを示す。
様々な磁束障壁材料に関する生成された力への磁気周波数の影響を示す。
回転子に沿って縦方向に延び、かつ最上部導電層によって導電接続された導電帯を含む磁束障壁を有する別の回転子の斜視図である。
磁束障壁のない図21の回転子を示す。
図21の回転子内の磁束障壁を示す。
回転子の内部に分散磁束障壁を有する別の回転子の斜視図である。
磁束障壁のない図24の回転子の斜視図である。
図24の回転子の内部に複数の分散部分を有する磁束障壁の斜視図である。
図26の磁束障壁の分散部分を示す。
隣接する回転子極のスロット内に磁束障壁を有するモータの各極上の複数の離散的歯を示す。
回転子極のスロット内に磁束障壁を有する軸方向間隙モータの斜視図である。
隣接する極間の磁束障壁として遮蔽極を有する軸方向間隙モータ内の回転子を示す。
図29の遮蔽極を有する回転子の開放図である。
図29の遮蔽極を有する回転子の開放図である。
図29の遮蔽極を有する回転子の開放図である。
固定子極の縁内に延び、かつ隣接する固定子極間のスロット内に充填された導電材料を含む磁束障壁を有する固定子の斜視図である。
回転子に対する図33の固定子の概略図である。
固定子極の縁上に形成され、かつ隣接する固定子極間のスロット内に充填された導電材料を含む磁束障壁を有する別の固定子の斜視図である。
回転子に対する図35の固定子の概略図である。
隣接する固定子極間のスロット内に嵌め込まれ、かつ固定子極の縁に整合された導電材料を含む磁束障壁を有する別の固定子の斜視図である。
図37の固定子の概略図である。
回転子極間に磁束障壁を有する回転子を含む例示的リニアモータの斜視図である。
図39のリニアモータの概略図である。
多重歯固定子極及び回転子極内に充填された磁束障壁を含む別の例示的リニアモータの斜視図である。
図41のリニアモータの概略図である。
様々な図内の同様の参照符号は、同様の要素を指示する。
詳細な説明
本開示の実施形態は、電動機の性能を増加させるために磁束障壁を使用するシステム、装置及び方法を提供する。モータの磁束障壁の様々な設計/構成が提示され、論述される。磁束障壁は、能動磁気部品(例えば、固定子)と受動磁気部品(例えば、回転子)との間の磁気間隙を通る磁束が集中され、かつほぼ接線方向に方向転換され、これによりトルクを増加させ得るように、動作周波数において反磁性特性を示すように構成される。
本開示の実施形態は、電動機の性能を増加させるために磁束障壁を使用するシステム、装置及び方法を提供する。モータの磁束障壁の様々な設計/構成が提示され、論述される。磁束障壁は、能動磁気部品(例えば、固定子)と受動磁気部品(例えば、回転子)との間の磁気間隙を通る磁束が集中され、かつほぼ接線方向に方向転換され、これによりトルクを増加させ得るように、動作周波数において反磁性特性を示すように構成される。
例示的電気駆動システム
図1は、電動機102と、電動機102に結合されたモータコントローラ104とを含む電気駆動システム100を示す。モータコントローラ104は、負荷110を駆動するために電動機102を動作させるように構成される。負荷110は、複数のモータが並列にリンクされ、動作され得る遊星歯車組又は別のモータなどの追加歯車列であり得る。
図1は、電動機102と、電動機102に結合されたモータコントローラ104とを含む電気駆動システム100を示す。モータコントローラ104は、負荷110を駆動するために電動機102を動作させるように構成される。負荷110は、複数のモータが並列にリンクされ、動作され得る遊星歯車組又は別のモータなどの追加歯車列であり得る。
電動機102は、モータ筐体105に対して回転可能な出力軸107(モータ部品の回転及び他の運動に対する基準であると考えられる)を有する。使用中、出力軸107は、モータ102がモータコントローラ104からの適切な電力及び信号によって電気的に活性化されると、回転動力を与え得る負荷110に結合され得る。出力軸107は、モータを貫通し、かつ両端において露出され得る。これは、回転動力がモータの両端において伝達され得ることを意味する。筐体105は、出力軸の回転軸を中心に回転対称であり得るが、任意の外形のものであり得、通常、モータ動作中の筐体回転を防止するために筐体を他の構造に固定する手段を含み得る。
電動機102は、固定子などの能動磁気部品106及び回転子などの受動磁気部品108を含む。図解目的のために、以下では、固定子が能動磁気部品の代表的例として使用され、回転子が受動磁気部品の代表的例として使用される。
回転子108は、固定子106に関連付けられ、例えば内部回転子半径方向間隙モータにおいて固定子106内に又は例えば軸方向間隙モータにおいて固定子に対して平行に配置され得る。以下により詳細に説明されるように、正しく制御された固定子106内の電気的活動が回転子108の運動を駆動する。回転子108は、その結果の回転子運動のいかなる回転成分も出力軸107に伝達されるように出力軸107に回転可能に結合され、出力軸107を回転させる。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に対して平行に動くようにモータ102に固定される。
固定子106は、図4においてさらなる詳細に示されるように、関連付けられた電気巻線を有する複数の固定子極を画定し、回転子108は、複数の回転子極を含む。以下の図5においてさらなる詳細と共に示されるように、回転子108は、固定子極と回転子極との間の公称空隙を固定子106と共に画定する。回転子108は、運動方向に沿って固定子106に対して可動である。図2に示すように、固定子106は、回転子108を中心に円周方向に離間された複数の独立に活性化可能な巻線132を有する。固定子106の複数の隣接する巻線132は、巻線組と同時に活性化可能であり、固定子106は、固定子106を中心に離間された複数のこのような多重巻線組を含み得る。モータ102は、固定子106の巻線132を活性化するように動作可能なスイッチ134の組を有する巻線コントローラ130も含み得る。スイッチ134は、半導体スイッチ(例えば、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)などのトランジスタ)であり得る。巻線コントローラ130は、スイッチ134のゲートに結合されており、それぞれの制御電圧を各スイッチ134に送信するように動作可能である。制御電圧は、直流(DC)電圧であり得る。巻線コントローラ130は、モータコントローラ104内に存在し得る。
3つのスイッチのみが図2に示されるが、モータコントローラ104は、固定子極毎のスイッチ又は複数のコイルを通電させるための複数のスイッチを有し得ることが理解されるであろう。隣接する極対は、共通スイッチを介して直列にワイヤ接続され得るが、このような場合、2つの運動する回転子の瞬間的高速性は、より遅い極と比較して若干大きい逆起電力(EMF)、すなわち逆EMFを生成し、かつさらに大きい相対的動力を瞬間的に引き出し、これにより追加加速度と相対速度の分離とを提供し得る。より高い周波数励起は、動作中の低周波高調波リプルの影響を低減し得る。スイッチ134は、並列誘導負荷リアクトルを使用することにより、入れ子式構成の複数の回転子間の相対速度のバランスをとるために並列にワイヤ接続され得る。入れ子式回転子構成を有するいくつかの実施形態では、システム内の個々の回転子は、個々に駆動され得、いかなる高調波周波数も、所与の回転子への負荷を低減することにより、1つの回転子から別の回転子にバイパスされ得る。他のいくつかの実施形態では、回転子は、内側リングと外側リングとの間の力の局所的バランスをとるために対として入れ子にされ得る。
図2Aは、個々の電気巻線132の別の例示的電力スイッチ200を示す。電力スイッチ200は、H字状構成で中心に電気巻線132を備えた4つのスイッチング素子202a、202b、202c、202dを含む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、バイポーラ又はFET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、それぞれのダイオード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ており、ショットキータイプのものであり得る。ブリッジの上端は、電源(例えば、電池Vbat)に接続され、下端は、接地される。スイッチング素子のゲートは、それぞれの制御電圧信号を各スイッチング素子に送信するように動作可能な巻線コントローラ130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。
スイッチング素子は、コントローラ130によって個々に制御され得、独立にオン/オフされ得る。いくつかの場合、スイッチング素子202a、202dがオンされれば、固定子の左リードが電源に接続され、右のリードは、グラウンドに接続される。電流が固定子を貫流し始め、電気巻線132を順方向に通電させる。いくつかの場合、スイッチング素子202b、202cがオンされれば、固定子の右のリードが電源に接続され、左のリードは、グラウンドに接続される。電流が固定子を貫流し始め、電気巻線132を逆方向に通電させる。すなわち、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方向の何れかに通電/活性化され得る。
モータコントローラ104(例えば、巻線コントローラ130)は、図8A~8Cにおいてさらに詳細に説明されるように、固定子極と回転子極との間の空隙にわたる磁束を生成するために、それぞれの磁極通電デューティサイクルについてスイッチ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、回転子を引っ張る局所的引力を生成するために固定子極を順次通電させるように制御され得る。このような順次通電(又は活性化)は、回転子108、出力軸107及び負荷110の回転を引き起こし得る。
以下にさらに詳細に論述されるように、様々なタイプ及び構成の磁束障壁が回転子108及び/又は固定子106内に実装され得る。磁束障壁は、通常、動作中に空気より大きい反磁性特性を有する。
いくつかの例では、磁束障壁は、アルミニウム、銅、黄銅、銀、亜鉛、金、熱分解グラファイト、ビスマス、グラフェン又はカーボンナノチューブなどの単一材料で作られる。いくつかの例では、銅-鉄、ニッケル-鉄、リード-鉄、黄銅-鉄、銀-鉄、亜鉛-鉄、金-鉄、ビスマス-鉄、アルミニウム-鉄、熱分解黒鉛-鉄、グラフェン-鉄、カーボンナノチューブ-鉄又はAlinco(アルミニウム-ニッケル-コバルト)合金などの強磁性複合材料が磁束障壁として使用され得、多くの場合、回転子極を作る強磁性材料(例えば、鉄)より高い導電率を有する。いくつかの場合、磁束障壁(例えば、銅-鉄で作られた)は、強磁性材料より低い実効透磁率を有する。いくつかの場合、磁束障壁(例えば、ニッケル-鉄で作られた)は、強磁性材料より高い実効透磁率を有する。いくつかの例では、磁束障壁は、導電材料より高い透磁性である芯材の芯を中心とするループを形成する導電材料の遮蔽極として構築される。ループの導電材料のため、遮蔽極も、芯材(例えば、鉄であり得る)より高い実効導電率を有し得る。
興味のある別の材料特性(EMF遮蔽因子と呼ばれる)は、導電率と透磁率との商(例えば、ジーメンス/ヘンリー)である。2つの材料のEMF遮蔽因子は、これらの材料の等寸法試料の伝導の主面(例えば、磁気システムにおいて動作中に経験されるような面の配向)がヘルムホルツコイルの励起中に生成される磁場に対して垂直であるように、これらの等寸法試料を非伝導支持体上に配置し、次にこれらの試料を、これらの試料より大きい直径を有する2つの並列ヘルムホルツコイル間で動かすことによって同時に判断され得る。所与の励起波形(例えば、電圧、形状、周波数)に関して、ヘルムホルツコイルの電流は、EMF遮蔽因子の増加が一定の励起中に電流の増加として観測されるように、コイル間の材料のEMF遮蔽因子に比例することになる。
上に指摘したようにかつ以下にさらに詳細に論述されるように、磁束障壁は、反磁性であるように構成される。磁束障壁の透磁率は、磁束障壁を介して磁気周波数を調整することによって制御され得る。このようにして、モータは、様々な磁気周波数において著しく異なる磁気特性を有し得る。低周波数では、磁束障壁は、強磁性体における又はその近くの透磁率を有し得、中間動作周波数から高動作周波数では、磁束障壁の透磁率は、好適には、空気の透磁率未満であり、磁束障壁の特性は、反磁性である。
図9A~9Cにおいてさらに詳細に示されるように、反磁性材料又は構造を回転子及び/又は固定子内に実装することでモータの動作中の集中磁束を改善する手段を提示し得る。具体的には、固定子極と回転子極とが完全に非アライメント状態で配置されると、著しい内部電磁反射(磁束障壁の反磁性特性に起因する)は、磁束障壁を介した磁気伝達を著しく抑制する。磁束遮蔽部は、いくつかの従来のモータと同様に、磁束障壁が、隣接する極間の空気スロットで置換される場合に著しく大きくなり得る。この反磁性体遮蔽部は、電磁極の磁気抵抗が回転子を引っ張る一方、磁束障壁に回転子を効果的に押させる。この効果は、1サイクル当たりでより多くのエネルギーがモータシステムから生成されることを可能にする。
反磁性磁束障壁を動作周波数下で動作させるために、図3に示すように、各能動極の極通電(磁極通電)デューティサイクル中、モータコントローラ104は、極の巻線を通る電流をあるパルス周波数においてパルス化するように構成される。各極を低速において順に一回パルス化する誘導モータと異なり、モータコントローラ104は、単一極の電流を低速で複数回パルス駆動する。後続極をパルス駆動する前の同じ極へのこのような複数のパルスが一の通電デューティサイクルを構成する。いくつかの例では、モータコントローラは、少なくとも3つのパルスの系列を含む極の通電デューティサイクル中に能動極の巻線を通る電流をパルス化する。この系列中、隣接する能動極の巻線は、通電されない。各極の電気巻線を含む電気回路は、電流パルス化中の通電された極の巻線を通る最大電流と最小電流との比が少なくとも4:1、いくつかの場合には少なくとも7:1又はいくつかの場合にはさらに10:1であるように構成される。パルス間の巻線を通る最小電流は、ゼロ程度に低いことがあり得る。
パルス電流は、反磁性磁束障壁内に渦電流を誘起する交番磁気強度(例えば、磁場)を引き起こす。所与の磁束障壁材料に関して、パルス周波数が高いほど、渦電流が大きくなる。誘起される渦電流は、印加された交番磁界と対向する二次磁場を生成し、これにより反発力を生成する。図9A~9C及び図10においてより詳細に示すように、反発力は、磁束を回転子と固定子との間の相対運動の方向に沿ってほぼ接線方向に集中及び方向転換し得、したがって仕事をするために利用可能な力を増加させる。また、様々な材料又は設計を有する磁束障壁は、様々な反磁性特性を有し得る。磁束障壁の反磁性特性が高いほど、所与の磁気(パルス)周波数において誘起される渦電流が大きくなる。したがって、生成される水平力は、図20を参照して以下にさらに詳細に論述されるように、磁気周波数及び磁束障壁の構造に応じたものである。
反磁性磁束障壁の磁気周波数(及び生成される水平力)は、各能動極の通電デューティサイクル中の極の巻線を通る電流のパルス周波数によって判断される。パルス周波数は、例えば、いくつかの場合には2Hz~1MHz、いくつかの場合には10Hz~20kHz、いくつかの場合には100Hz~5kHzである。いくつかの場合、モータコントローラは、モータ速度変更中、パルス周波数を、少なくとも、能動極毎の通電デューティサイクル周波数がパルス周波数の少なくとも2分の1であるモータ速度まで維持するように構成される。いくつかの場合、モータコントローラは、1通電デューティサイクル当たり1パルスに対応するモータ速度未満においてのみ電流をパルス化するように構成される。いくつかの実装では、電気巻線の少なくとも1つは、並列に導電接続され、かつ共通芯の周囲に巻かれる複数のコイルを含む。このような電気巻線は、パルス間の電流のより速い減衰を可能にする低リアクタンスを有し得る。
例示的モータ
図4は、固定子410及び回転子420を含む例示的モータ400を示す。モータ400、固定子410及び回転子420は、それぞれ図1の電動機102、固定子106及び回転子108であり得る。モータ400は、切り替え磁気抵抗モータ(SRM)などの半径方向間隙モータであり、回転子420は、固定子410内に配置される。図5は、図4の一部分の拡大図である。
図4は、固定子410及び回転子420を含む例示的モータ400を示す。モータ400、固定子410及び回転子420は、それぞれ図1の電動機102、固定子106及び回転子108であり得る。モータ400は、切り替え磁気抵抗モータ(SRM)などの半径方向間隙モータであり、回転子420は、固定子410内に配置される。図5は、図4の一部分の拡大図である。
固定子410は、固定子芯414と、固定子芯414を囲む関連付けられた電気巻線416とをそれぞれ含む一連の円周方向に離間された固定子極412を特徴とする。固定子410は、例えば、固定子背面プレート402(例えば、ヨーク又は背面鉄心)から突出し、これにより固定子スロット418及び固定子芯414を生成し得る複数の固定子突起を有し得る。隣接する固定子極412間にスロット418が存在する。固定子芯414は、1つの連続材のものであり得るか、又はモータ内で組み立てられる個別部品の組み合わせのものであり得る。連続材は、固定子アセンブリ内に許容されるゼロ空気とのより大きい寸法整合性を提供する一方、固定子筐体によって機械的アラインメント状態で維持された一連の離散的固定子極は、効率的製造及び組み立てを可能にし得る。固定子突起の端子端は、固定子突起及び背面鉄心又はヨークに対して分散的、直線的又は下位である。この例では、固定子突起は、図5に示すように、直線的であり、かつヨークから、固定子410と回転子420との間に画定された空隙430におけるそれらの遠端まで一定の断面の固定子突起である。
固定子極412は、電力電子部品と固定子芯414との間の電磁伝達を可能にし、極巻線間に電気的絶縁を有する。電気巻線416は、絶縁又はエナメルマグネットワイヤなどのワイヤの導電性コイル又は絶縁された銅帯などの複数の溶接された導電帯を含み得る。電気巻線416は、リッツワイヤなどの編組みワイヤの巻線を含み得る。リッツワイヤは、高周波数動作に使用され得、矩形又は平坦ワイヤなどの他の構成は、巻線密度を増加させ、かつ表皮効果を増加させるために使用され得る。各電気巻線416は、並列に導電接続され、かつ共通固定子芯414の周囲に巻かれる複数のコイルを含み得る。
回転子420は、その間のスロット423を画定する一連の円周方向に離間された回転子極422も有する。回転子420は、運動方向に固定子410の表面401に対して可動な表面402を有する。スロット423は、運動方向に対してゼロでない角度(例えば、90度)で延びる。回転子420の表面402は、固定子極412と回転子極422との間の空隙430を画定するために固定子410の表面401から離間される。空隙430は、空気以外の別の流体で充填され得ることに注意すべきである。
空隙430は、動作中、一貫して維持され得る。以下に説明されるモータでは、固定子極412及び回転子極422は、固定子極412に対する回転子極422の接触から生じる破局的損傷を防止するためにゼロでない空隙を維持すべきである。図5に示すように、空隙430は、運動方向に対して垂直な深さDgを有する。深さDgは、0.05~2.0ミリメートルの範囲であり得る(例えば、250キロワット(kW)未満の出力を有するモータに関して)。回転子極422は、運動方向に沿った幅W1を有し得、回転子スロット423は、運動方向に沿った幅W2及び運動方向に対して垂直な深さDsを有し得る。以下にさらに詳細に論述されるように、空隙430の寸法は、生成される水平力に影響を与え得る。いくつかの例では、スロット423は、空隙430の深さ(Dg)の50~500倍の好ましい深さDsと、空隙430の深さDgの25~100倍の表面402における好ましい幅W2とを有する。以下にさらに詳細に論述されるように、固定子410と回転子420との間の磁束流を変え得、かつモータ400の性能を変更し得る磁束障壁が回転子極422間のスロット423内及び/又は固定子極412間のスロット418内に配置され得る。この例では、磁束障壁がスロットを充填する。空隙430及びスロット423の寸法は、モータ400の性能に影響を与え得る。
図6は、強磁性材料の積層601のスタックで作られた例示的固定子芯600の斜視図である。回転子芯600は、図4の回転子420のために使用され得る。積層601は、強磁性材料より低い導電性である界面603により、少なくとも回転子600の表面において互いに分離される。したがって、界面は、積層の強磁性材料と比較して電流抑制的である。いくつかの場合、界面603は、強磁性材料の酸化面からなる。例えば、強磁性材料は、鉄(Fe)であり得、界面は、酸化鉄(FeOX)で作られ得る。いくつかの場合、界面603は、強磁性層601と交互配置される絶縁体材料のシートを含む。例えば、絶縁体材料のシートは、樹脂膜のシートを含み得る。
積層601は、出力軸(例えば、図1の出力軸107)が挿入され得、かつ回転子芯600と共に可動であり得る軸方向穴605を有する回転子本体606を画定する。積層601は、回転子本体606から半径方向に突出し、かつ軸方向穴605に対して平行に軸方向に延びる一連の離間回転子極602も画定する。突出回転子極602は、軸方向穴605に対して平行な軸方向に延びるスロット604を画定する。
例示的磁束障壁
以下では、SRM、軸方向間隙モータ及びリニアモータを含む電動機の磁束障壁の様々な設計/構成が提示され、論述される。
以下では、SRM、軸方向間隙モータ及びリニアモータを含む電動機の磁束障壁の様々な設計/構成が提示され、論述される。
導電帯を有する例示的磁束障壁
図7は、磁束障壁が、隣接する回転子極間のスロットを充填する例示的回転子700を示す。回転子700は、図6の回転子芯600を含み得、回転子極702は、図6の回転子極602であり得る。回転子極702は、強磁性材料より低い導電性である界面によって互いに分離された強磁性材料の層のスタックのものであり得る。
図7は、磁束障壁が、隣接する回転子極間のスロットを充填する例示的回転子700を示す。回転子700は、図6の回転子芯600を含み得、回転子極702は、図6の回転子極602であり得る。回転子極702は、強磁性材料より低い導電性である界面によって互いに分離された強磁性材料の層のスタックのものであり得る。
隣接する回転子極702は、スロット(例えば、図6のスロット604)を画定する。回転子700は、隣接する回転子極702間かつ隣接する回転子極702のスロット内に磁束障壁704を含む。磁束障壁704は、強磁性材料より高い導電率をそれぞれ有する。磁束障壁704は、回転子700の強磁性材料の外で互いに電気的に絶縁されるが、回転子材料を介して互いに電気的に接続され得る。
図7に示すように、磁束障壁704は、回転子700の軸方向に沿って(例えば、図6の軸方向穴605に対して平行に)延び、かつ層のスタックの複数の界面と交差する導電帯の形式であり得る。いくつかの例では、導電帯は、アルミニウム、銅、黄銅、銀、亜鉛、金、熱分解グラファイト、ビスマス、グラフェン又はカーボンナノチューブなどの単一材料で形成される。いくつかの例では、導電帯は、導電帯(例えば、銅-鉄)が回転子芯の強磁性材料より高い導電率を有し得るように、銅-鉄、ニッケル-鉄、リード-鉄、黄銅-鉄、銀-鉄、亜鉛-鉄、金-鉄、ビスマス-鉄、アルミニウム-鉄、熱分解黒鉛-鉄、グラフェン-鉄、カーボンナノチューブ-鉄又はAlinco(アルミニウム-ニッケル-コバルト)合金などの複合材料を含む。いくつかの場合、導電帯は、銅、アルミニウム、黄銅、銀、亜鉛、金、熱分解グラファイト、ビスマス、グラフェン及びカーボンナノチューブからなる群から選択される元素を質量分率で少なくとも1%、いくつかの場合には5%、いくつかの場合には15%含む。いくつかの場合、導電帯は、鉄、ニッケル及びコバルトからなる群から選択される元素又は元素の組み合わせを質量分率で少なくとも20%、いくつかの場合には40%、いくつかの場合には60%含む。回転子700は、回転子極702間のスロットが磁束障壁で充填されるようにスロット内に磁束障壁704の1つ又は複数の材料を直接鋳込むことによって作製され得る。
回転子極702間のスロット内の磁束障壁704を有する回転子700は、モータ(例えば、図4のモータ400)内の図4の回転子420として使用され得る。回転子700は、固定子(例えば、図4の固定子410)と共に、固定子極と回転子極との間の公称間隙(例えば、図6の間隙630)を画定する。導電帯は、公称間隙に面する露出面を有する。多くの場合、導電帯の露出面は、回転子極の表面と共に円筒面を形成する。
磁束障壁の影響
図8A~C及び図9A~Cは、固定子極と回転子極との間かつ公称間隙を通る磁束に対する磁束障壁の影響を示す。図8A~Cは、完全非アライメント位置(図8A)、1/2アライメント位置(図8B)及び完全アライメント位置(図8C)における回転子極間に磁束障壁がない(例えば、空気がスロットを充填する)磁束を示す。
図8A~C及び図9A~Cは、固定子極と回転子極との間かつ公称間隙を通る磁束に対する磁束障壁の影響を示す。図8A~Cは、完全非アライメント位置(図8A)、1/2アライメント位置(図8B)及び完全アライメント位置(図8C)における回転子極間に磁束障壁がない(例えば、空気がスロットを充填する)磁束を示す。
固定子極802(例えば、図4の固定子極412)が通電されると、磁場が生成され、磁束が固定子極802と回転子極804(例えば、図4の回転子極422又は図6の回転子極602)との間に流れる。回転子極804は、回転子極804と固定子極802との間に画定される公称間隙805に対して平行な運動方向に固定子極802に対して可動である。
完全非アライメント位置では、図8Aに示すように、磁束810は、運動方向に対してある角度で流れる。磁束810の一部は、固定子極802に隣接し、かつ空気で充填されたスロット803を介して回転子極804に流れ、磁束810の一部は、回転子極804に隣接し、かつ空気で充填されたスロット806を介して回転子極804に流れる。1/2アライメント位置では、図8Bに示すように、磁束820は、公称間隙805を貫流する部分を多く有し、固定子スロット803及び回転子スロット806を貫流する部分が少ない。磁束820と運動方向との角度は、より大きくなる。アライメント位置では、図8Cに示すように、磁束830は、公称間隙805を介してほぼ半径方向に回転子極804に流れる。磁束830と運動方向との角度は、ほぼ90度になる。
図9A~Cは、同じ3つの相対的回転子-固定子位置であるが、磁束障壁は、隣接する回転子極904間のスロットを充填し、回転子極は、完全非アライメント位置(図9A)、1/2アライメント位置(図9B)及び完全アライメント位置(図9C)にある。固定子極902が通電されると、磁場が生成され、磁束は、固定子極902から回転子極904に流れ、回転子極904及び固定子極902は、公称間隙905を画定する。
非アライメント位置では、図9Aに示すように、磁束910は、運動方向に対してある角度で流れる。磁束910の一部は、固定子極902に隣接するスロット903を介して回転子極904に流れ、磁束910の一部は、回転子極904に隣接するスロット内に充填された磁束障壁906を介して回転子極904に流れる。しかし、図8Aの磁束810と比較して、磁束障壁906を介した磁束の一部は、磁束810が集中され、かつ運動方向に沿ってより接線方向に方向転換されるように、より公称間隙905に沿って延びるために大きく抑制及び偏向される。同様に、1/2アライメント位置では、図9Bに示すように、磁束920は、図8Bの磁束820と比較してより集中され、特に、磁束障壁906を介した磁束の一部は、大きく抑制及び反発される。アライメント位置では、図9Cに示すように、磁束930は、磁束830と同様であり、公称間隙905を実質的に通して回転子極904に流れる。
動作磁気周波数下において、磁束障壁は、磁束を遠ざけ、これにより回転子極に対する反発力を生成するために反磁性特性を呈示する。固定子と回転子極とが非アライメント状態で配置されると、磁束障壁における著しい内部電磁反射が極間の磁束の正味方向を変える。磁束障壁によって充填されたスロットにおける遮蔽反磁性体は、回転子を所望の運動方向に効果的に押す一方、固定子極と回転子極との間の磁気引力は、回転子を同じ方向に引っ張る。このようにして、このような反磁性障壁を使用することにより、磁力線のベクトルは、半径方向力がほぼ運動方向に沿って方向付けられるようにモータの動作中に修正され得る。これは、固定子に対して回転子を推進する役割を果たす磁気誘導力の割合を増加させる。この効果は、電気駆動システム(例えば、図1の電気駆動システム100)からの所与の入力エネルギーから、1サイクル当たりでより多くの有用な運動エネルギーを生成する。例えば、回転子極が固定子極に対する完全非アライメント位置から完全アライメント位置まで走行すると、磁束障壁を有するスロットの随伴エネルギーの差は、空気などの磁束障壁のないスロットの随伴エネルギーの差よりはるかに大きく、これもフリンジング磁場を良好に回避し得る。換言すれば、実効突極比が増加されている。
図10は、隣接する極間に磁束障壁を有する及び有しない正味磁気誘導力を示す。固定子1010の固定子極1012(例えば、図4の固定子極412)が通電されると、磁場が生成され、磁束が固定子極1012から回転子1020の回転子極1022(例えば、図4の回転子極422又は図6の回転子極602)に流れる。回転子1020は、固定子1010に対して運動方向に可動であり、固定子1010と共に公称間隙1015を画定する。
隣接する回転子極1022間のスロット1024内に空気のみが存在すると、固定子極1012と回転子極1022との間の引力は、運動方向に対して角度θ0の正味瞬間的引力F0を引き起こす。隣接する回転子極1022間のスロット1024内に及び/又は隣接する固定子極1012間のスロット1014内に磁束障壁906が存在すると、固定子極1012と回転子極1022との間の引力は、運動方向に対して角度θ1の正味引力F1を引き起こす。図9A及び図9Bにおいて上に論述したように、磁束障壁は、磁束を遠ざけて、固定子極に対する反発力を効果的に生成するために反磁性特性を呈示し得る。この結果、正味引力F1は、運動方向に沿ってより大きい成分を有するように方向転換される。すなわち、F1cosθ1>F0cosθ2であり、ここで、F1は、F0とほぼ同一であり得る。回転子極1022が完全非アライメント位置にある場合、図9Aに示すように、角度は、最小であり、水平力は、最大である。回転子極1022が1/2アライメント位置にある場合、図9Bに示すように、磁気抵抗に最大変化があり、最大トルクが取得され得る。
帯の上に導電層を有する例示的磁束障壁
図11は、隣接する回転子極1102間のスロット内に磁束障壁1104を有する別の回転子1100の斜視図である。図7の回転子700と同様に、回転子極1102は、強磁性材料より低い導電性である界面によって互いに分離された強磁性材料の層のスタックで作られる。界面は、電流抑制的であり得る。磁束障壁1104は、それぞれ複数の界面と交差する導電帯1108を含み、強磁性材料の外で互いに電気的に絶縁される。図7の回転子700の磁束障壁704と異なり、回転子1100の磁束障壁1104は、帯1108を覆う導電層1106を追加的に含む。導電層1106は、導電帯1108と異なる材料で作られており、導電帯1108より高い導電率を有し得る。いくつかの例では、帯1108は、鉄、ニッケル又はコバルトで作られ、導電層1106は、銅、アルミニウム、黄銅、銀、亜鉛、金、熱分解黒鉛、ビスマス、グラフェン又はカーボンナノチューブで作られる。回転子1100は、導電帯1108の材料を回転子極1102のスロット内に鋳込み、かつめっき又はスパッタリングなどにより、導電層1106を導電帯1108の上に蒸着することによって作製され得る。
図11は、隣接する回転子極1102間のスロット内に磁束障壁1104を有する別の回転子1100の斜視図である。図7の回転子700と同様に、回転子極1102は、強磁性材料より低い導電性である界面によって互いに分離された強磁性材料の層のスタックで作られる。界面は、電流抑制的であり得る。磁束障壁1104は、それぞれ複数の界面と交差する導電帯1108を含み、強磁性材料の外で互いに電気的に絶縁される。図7の回転子700の磁束障壁704と異なり、回転子1100の磁束障壁1104は、帯1108を覆う導電層1106を追加的に含む。導電層1106は、導電帯1108と異なる材料で作られており、導電帯1108より高い導電率を有し得る。いくつかの例では、帯1108は、鉄、ニッケル又はコバルトで作られ、導電層1106は、銅、アルミニウム、黄銅、銀、亜鉛、金、熱分解黒鉛、ビスマス、グラフェン又はカーボンナノチューブで作られる。回転子1100は、導電帯1108の材料を回転子極1102のスロット内に鋳込み、かつめっき又はスパッタリングなどにより、導電層1106を導電帯1108の上に蒸着することによって作製され得る。
回転子1100の外面及び固定子1120の外面は、図12に示すように公称間隙1130を画定する。回転子1100は、固定子1120に対して運動方向に可動である。導電層1106は、回転子1100の外面を少なくとも部分的に形成する。動作中、固定子1120の固定子極1122が、例えば、図3に示すようなデューティサイクルのパルス電流によって通電されると、交番磁界が生成され、対応する磁束1202が固定子極1122から公称間隙1130を通して回転子極1102に流れる。パルス磁場は、渦電流1204を磁束障壁1104の導電層1106内に誘起する。渦電流1204は、上に論述したように、印加される交番磁界と対向する二次磁場を生成し得、これにより磁束1202の正味方向を変えるために反発力を生成する。
導電層1106は、運動方向に一定の幅Wと、運動方向(又は公称間隙1130)に対して垂直な方向に沿った回転子1100の外面からの一定の厚さTとを有し、層のスタックの複数の界面と交差する。層1106の幅Wは、好適には、層1106の厚さTの2倍より大きく、いくつかの場合には5倍より大きく、及びいくつかの場合には10倍より大きい。導電帯1108は、層1106より大きい厚さのものであり得る。
いくつかの例では、層1106の厚さTは、渦電流1204が外面と表皮深さとの間の層1106の表皮において主として流れ、隣接する回転子極1102方向に運動方向に沿って層1106内で長距離にわたって伝播するように、特定の動作周波数における層1106の材料の電流表皮深さより大きい。このようにして、磁束1202は、層1106内でより集中され得、かつ運動方向に沿ってより大きい水平力を引き起こすためにより接線方向に方向転換され得る。
交互層の対を有する例示的磁束障壁
図13は、隣接する回転子極1302間のスロット内に磁束障壁1304を有する別の回転子1300の斜視図である。図11の回転子1100と同様に、回転子極1302は、強磁性材料より低い導電性である界面によって互いに分離された強磁性材料の層のスタックで作られ得る。磁束障壁1304は、回転子1300の強磁性材料の外で互いに電気的に絶縁される。図11の回転子1100の磁束障壁1104と異なり、回転子1300の各磁束障壁1304は、隣接する回転子極1302間のスロット内に配置された複数対の交互層1306、1308で作られる。離散的層1306、1308は、公称間隙に対して平行に延び、様々な材料の中間層界面を形成する。特定の例では、層1306は、銅で作られ、層1308は、ニッケルで作られる。層1306は、層1308より高い導電性であり得、層1308は、層1306より高い透磁性であり得る。回転子1300は、層1306、1308を回転子極1302間のスロット内に交互に蒸着することによって作製され得る。
図13は、隣接する回転子極1302間のスロット内に磁束障壁1304を有する別の回転子1300の斜視図である。図11の回転子1100と同様に、回転子極1302は、強磁性材料より低い導電性である界面によって互いに分離された強磁性材料の層のスタックで作られ得る。磁束障壁1304は、回転子1300の強磁性材料の外で互いに電気的に絶縁される。図11の回転子1100の磁束障壁1104と異なり、回転子1300の各磁束障壁1304は、隣接する回転子極1302間のスロット内に配置された複数対の交互層1306、1308で作られる。離散的層1306、1308は、公称間隙に対して平行に延び、様々な材料の中間層界面を形成する。特定の例では、層1306は、銅で作られ、層1308は、ニッケルで作られる。層1306は、層1308より高い導電性であり得、層1308は、層1306より高い透磁性であり得る。回転子1300は、層1306、1308を回転子極1302間のスロット内に交互に蒸着することによって作製され得る。
図13Aに示すように、各層1306は、公称間隙に対して垂直な方向に一定の厚さT1を有し、各層1308は、公称間隙に対して垂直な方向に一定の厚さT2を有する。いくつかの例では、層1306の厚さT1は、特定の動作周波数において層1306の材料の電流表皮深さより小さいように構成され、層1308の厚さT2は、特定の動作周波数において層1308の材料の電流表皮深さより小さいように構成される。このようにして、図13Aに示すように、固定子から回転子1300に流れる磁束1310は、複数の層1306、1308を通して伝播し得、渦電流1312と、したがって二次磁場とを複数の層1306、1308内に生成させる。
遮蔽極を有する例示的磁束障壁
図14は、隣接する回転子極1402間のスロット内に磁束障壁1404を有する別の回転子1400の斜視図である。図11の回転子1100と同様に、回転子極1402は、強磁性材料より低い導電性である界面によって互いに分離された強磁性材料の層の積層スタックで作られる。界面は、電流抑制的であり得る。磁束障壁1404は、それぞれ強磁性材料の外で互いに電気的に絶縁される。帯の上に導電層を有する図11の回転子1100の磁束障壁1104と異なり、回転子1400の磁束障壁1404は、隣接する回転子極1402間のスロット内の芯材の芯1408を囲む導電材料の層1406を有する。芯1408の芯材は、層1406の導電材料より高い透磁性であり得る。芯1408は、回転子極と同じ材料のものであり得る。
図14は、隣接する回転子極1402間のスロット内に磁束障壁1404を有する別の回転子1400の斜視図である。図11の回転子1100と同様に、回転子極1402は、強磁性材料より低い導電性である界面によって互いに分離された強磁性材料の層の積層スタックで作られる。界面は、電流抑制的であり得る。磁束障壁1404は、それぞれ強磁性材料の外で互いに電気的に絶縁される。帯の上に導電層を有する図11の回転子1100の磁束障壁1104と異なり、回転子1400の磁束障壁1404は、隣接する回転子極1402間のスロット内の芯材の芯1408を囲む導電材料の層1406を有する。芯1408の芯材は、層1406の導電材料より高い透磁性であり得る。芯1408は、回転子極と同じ材料のものであり得る。
層1406は、3つの層部分1406a、1406b、1406cを含む。層部分1406aは、隣接する回転子極1402間の極間表面領域を覆い、回転子1400の外面の一部分を形成する。各芯1408は、それぞれの極間表面領域の下にある。極間表面領域は、回転子1400の極表面領域の完全に磁気的に活性な広がりにわたり、運動方向に対して垂直な方向に連続的であり得る。層部分1406b、1406cは、層のスタックの界面にわたりかつ隣接する回転子極1402と磁束障壁の芯1408との間で層部分1406aから延びる。
図11の層1106と同様に、各層部分1406a、1406b、1406cは、層部分1406aを通る磁束が、隣接する回転子極1402に向かってより接線方向に方向転換され、層部分1406b、1406cが極と芯1408との間の磁束を抑制又は遮蔽する役割を果たすように、層1406の導電材料の電流表皮深さより大きい厚さを有し得る。層部分1406aは、運動方向に延びる一定の幅を有する。層部分1406b、1406cは、回転子1400の外面から全深さまで強磁性材料内に延びる。全深さは、例えば、約1~50mm、いくつかの場合には約2~25mm、いくつかの場合には約5~15mm及び層部分1406aの幅の2~2000%、いくつかの場合には5~500%、いくつかの場合には10~200%である。
層1406の導電材料は、銅を含み得る。いくつかの実施形態では、芯1408の芯材及び回転子極1402の強磁性材料は、同一の材料特性を有する(例えば、鉄で作られる)。芯1408及び回転子極1402は、層の積層スタックの隣接部分であり得る。
いくつかの場合、回転子1400は、極1402と隣接する芯1408との間に間隙を有する芯1408を形成するために芯材を回転子(例えば、図6の回転子600)の隣接する極間のスロット内に蒸着し、かつ次に層1406を形成するために導電材料を間隙及び芯1408の最上部内に蒸着することによって作製され得る。いくつかの場合、整形された強磁性材料の層は、導電材料を受け入れるスロットを形成するようにアラインメントされて積層され、次に、導電材料は、導電層1406を形成するために間隙内かつ上面領域の上に鋳込まれるか又はそうでなければ蒸着される。
磁束障壁1404は、遮蔽極と考えられ得る。各遮蔽極は、回転子極と同じ寸法を有し得る。低周波数又はDC静的条件では、回転子極と遮蔽極との区別は、ほとんどないが、中周波数及び高周波数動作下では、遮蔽極の磁気抵抗は、空気の磁気抵抗を超え、より高いトルク密度を生じる。したがって、隣接する回転子極間に遮蔽極を形成することにより、磁気抵抗極(固定子極及び回転子極)の動作中の磁力線のベクトルは、磁場がほぼ接線方向であるように独自に修正され得る。これは、モータが接線力より一桁大きい可能性がある半径方向力(又は法線力又は半径方向圧力)を接線力として利用することを可能にする。遮蔽極はまた、モータの磁束フリンジング特性をさらに低減するために隣接する固定子極組まで拡張され得る。
図15は、隣接する回転子極1502間の磁束障壁1504としての遮蔽極の別の例を有する別の回転子1500の斜視図である。各磁束障壁1504は、隣接する極1502間の透磁性芯1508を中心とする導電性ループ1506で作られる。ループ1506は、同様の透磁率の材料であるが、あまり導電性でない材料によって分離された導電材料の薄層(例えば、酸化銅、エナメル、アルミニウム又は酸化アルミニウムによって分離された銅の層)のスタックであり得る。図14の回転子1400と同様に、回転子極1502は、強磁性材料より低い導電性である界面によって互いに分離された強磁性材料の層の積層スタックで作られ得る。磁束障壁1504は、回転子極1502の極表面領域間の極間表面領域を形成しており、したがって表面遮蔽極と考えられ得る。極間表面領域及び極表面領域は、回転子1500の外面(又は端面)を画定する。各芯1508は、それぞれのループ1506によって囲まれた外面の一部を形成する。各ループ1506は、図15Aに示すように回転子1500の円筒状外面の一部を形成する。
ループ1506は、導電性低エネルギー生成物で作られ得る。例えば、ループ1506は、銅で作られ得る。芯1508の材料は、ループ1506の材料より高い透磁性である。芯材は、強磁性体(例えば、鉄)であり得る。芯1508の芯材と回転子極1502の強磁性材料とは、層のスタックの隣接部などのように同一であり得る。いくつかの実施形態では、回転子1500は、ループ1506の形状及び位置に従って層のスタックの強磁性材料の領域をエッチングすることにより、かつ次にループ1506を形成するために導電材料をエッチングされた領域内に蒸着する/鋳込むことにより形成される。代替的に、磁束障壁は、芯1508自体内に配置された導電性低エネルギー生成物で形成され得る。
磁束障壁1504の導電性ループ1506は、重ならず、かつ強磁性材料の外で互いに電気的に絶縁される。磁束障壁1504は、強磁性材料を通してのみ互いに接続される。磁束障壁1504は、芯1508の芯材を中心とする少なくとも1つの導電経路(例えば、ループ1506)を画定する。「重ならない」は、1つの磁束障壁の導電材料内に画定されるいかなる導電経路も、別の磁束障壁1504の導電材料内に画定されるいかなる導電経路の部分も囲まないように、隣接する磁束障壁1504が配置されることを意味する。
図15に示すように、磁束障壁1504のループ1506は、導電材料(例えば、銅)で作られた閉回路を形成し得る。いくつかの実施形態では、磁束障壁は、導電材料の開ループによって遮蔽極として形成され得る。例えば、図16は、隣接する回転子極1602間に磁束障壁1604を有する別の回転子1600の概略図である。磁束障壁1604は、磁束障壁1604が、図16に示すように破断部1608(例えば、空隙)を有する開ループ1606を有することを除いて、図15の磁束障壁1504と同様である。
開ループ1606も導電材料(例えば、銅)で作られ得る。開ループ1606は、開ループ1606に沿って離散的位置に形成され得るキャパシタンスを画定する。例えば、開ループ1606の2つの対向する端面が空隙1608を形成し、キャパシタを形成する。開ループ1606は、回転子1600の回転子極1602の透磁性材料(例えば、鉄)の伝搬可能範囲内の共振周波数を有するように構成され得る。いくつかの実施形態では、回転子1600は、開ループ1606の形状及び位置に従って透磁性材料の領域をエッチングすることにより、かつループ1606を取得するために導電材料をエッチングされた領域内に蒸着する/鋳込むことにより形成される。間隙1608は、導電材料の蒸着中に形成され得、各間隙を形成するために細長い材料を剥離又はそうでなければ除去することによって生成され得る。各キャパシタンス間隙1608は、好適には、スタックの少なくとも1つの層界面にわたる。
表面層を有する例示的磁束障壁
図17は、隣接する回転子極1702間に磁束障壁1704を有する別の回転子1700の斜視図である。各磁束障壁1704は、隣接する極1702間の極間表面領域を形成する導電層1706を含む。図15の回転子1500と同様に、回転子極1702は、強磁性材料より低い導電性である界面によって互いに分離された強磁性材料の層の積層スタックで作られ得る。しかし、導電性ループ1506を有する図15の磁束障壁1504と異なり、導電層1706は、極間表面領域を完全に覆い、回転子1700の外面の一部を形成する。導電層1706は、スタックの磁気的に活性なプレートのほぼすべてと交差し、かつ好適にはスタックのプレートのそれぞれと直接接触する。
図17は、隣接する回転子極1702間に磁束障壁1704を有する別の回転子1700の斜視図である。各磁束障壁1704は、隣接する極1702間の極間表面領域を形成する導電層1706を含む。図15の回転子1500と同様に、回転子極1702は、強磁性材料より低い導電性である界面によって互いに分離された強磁性材料の層の積層スタックで作られ得る。しかし、導電性ループ1506を有する図15の磁束障壁1504と異なり、導電層1706は、極間表面領域を完全に覆い、回転子1700の外面の一部を形成する。導電層1706は、スタックの磁気的に活性なプレートのほぼすべてと交差し、かつ好適にはスタックのプレートのそれぞれと直接接触する。
導電層1706は、例えば、極間領域を形成するために層のスタックの強磁性材料をエッチングし、かつ導電材料を極間領域内に鋳込むことにより、外面下に形成され得る。
図18は、隣接する回転子極1802間に磁束障壁1804を有する別の回転子1800の斜視図である。回転子1700の外面下に形成される導電層を有する図17の磁束障壁1704と異なり、各磁束障壁1804は、回転子1800の円筒状外面上に形成された導電層1806を含む。
図19に示すように、導電層1806は、固定子1900と回転子1800の極1802とによって画定される公称間隙1910に向かって外面から延びる厚さを有する。固定子1900は、関連付けられた電気巻線1904を有する複数の固定子極1902を画定する外面を有する。導電層1806は、回転子1800の円筒状外面の上に形成されるため、公称間隙1910内にあり、回転子と固定子との間のクリアランスを層1806の付近よりも層1806においてより低くする。
磁束障壁材料/構成の力への影響
図20は、一定の範囲の周波数下で様々な磁束障壁(例えば、様々な材料/構成)を有するモータによって生成される力を示す。ここで、力は、回転子が固定子に対して可動である運動方向に対して平行な有効力を指す。周波数は、固定子の固定子極を通電させる電流のパルス周波数によって制御され得る磁束障壁内に誘起される渦電流の磁気周波数を指す。
図20は、一定の範囲の周波数下で様々な磁束障壁(例えば、様々な材料/構成)を有するモータによって生成される力を示す。ここで、力は、回転子が固定子に対して可動である運動方向に対して平行な有効力を指す。周波数は、固定子の固定子極を通電させる電流のパルス周波数によって制御され得る磁束障壁内に誘起される渦電流の磁気周波数を指す。
曲線2002は、隣接する回転子極間のスロットを充填する受動材料としての空気を表し、有効力は、低周波数にわたって一定のままであり、かつ最終的に高周波数において(例えば、点2001における芯限界を超えると)急速に減衰する。曲線2004は、低周波数においてほぼ空気として挙動するが、交差周波数(交差点2005における)を超えると、増加する動的非強磁性磁束障壁としての単一充填材料(例えば、銅)を表す。曲線2006は、動的強磁性磁束障壁としての遮蔽極(例えば、ループ極)を表し、ここで、より低い周波数において(例えば、交差周波数未満において)、有効力は、空気によるものより低い一方、有効力は、周波数と共に(例えば、交差周波数を超えると)、曲線2004によって表されるストレート非強磁性材料(例えば、銅)充填材によるものより速く劇的に増加する。曲線2006に沿って、点2003は、導電性スロットの磁気抵抗下側力限界を示し、点2005は、交差周波数を示し、及び点2007は、空隙制限ピーク力を示す。
低速度における力の低下を回避するために、モータは、例えば、各極巻線を通る電流を低回転/分(RPM)でパルス化し、それによって出力力を増加させることにより、高い磁気周波数で動作され得る。遮蔽極の力が低周波数において空気より低い理由は、相対的磁気抵抗非対称性をもたらす交互強磁性磁束通路が存在することに大きく起因し得る。高周波数では、モータは、交差周波数において発生する相対的誘導遮蔽によって支配される。これは、遮蔽極の突極比が空気の突極比に等しい(実効的に、遮蔽極の表皮深さは、空気の表皮深さによく類似している)点2005である。周波数が増加すると、遮蔽極の突極比は、増加し続ける。
曲線2012は、ストレート充填材料磁束障壁としての非強磁性超伝導体を表し、ここで、比較的低い周波数においてすら空気より大きい力利得が誘起される。いくつかの場合、磁束障壁は、例えば、材料比(例えば、芯の透磁性材料に対するループの導電材料の比)、材料自体、材料の層状化(例えば、単一材料又は材料の組み合わせ)、磁気界面に対する材料層の配向又は幾何学形状(例えば、空隙に対する深さ、幅及び相対的近接性)を調整することにより、曲線2006及び/又は交差点2005が可能な限り左側の遠くまで移動され得るように構成され得る。例えば、曲線2006の遮蔽極が10:90比の銅と回転子鉄心とで作られたとしても、曲線2006は、66:33比の銅と回転子鉄心とで作られる遮蔽極を有する曲線2008となり得る。
加えて、磁束障壁の構造もモータの性能に影響を与え得る。磁束障壁が交互導電層及び透磁性層(例えば、銅及びニッケル)の対で作られる場合(例えば、図13の磁束障壁1304)、生成される力と周波数との関係は、超伝導体の曲線2012により近い曲線2010によって表され得る。
回転子の内部の例示的磁束障壁
図21~23は、強磁性回転子材料の表面の下に導電性素子を有する磁束障壁2104を有する別の回転子2100を示す。図22に示すように、回転子本体2102は、強磁性材料の積層のスタックで作られる。これらの積層は、強磁性材料より低い導電性である界面によって少なくとも回転子の表面において互いに分離される。界面は、電流抑制的であり得る。スタックは、その長さに沿って延び、界面と交差する穴2107を画定する。
図21~23は、強磁性回転子材料の表面の下に導電性素子を有する磁束障壁2104を有する別の回転子2100を示す。図22に示すように、回転子本体2102は、強磁性材料の積層のスタックで作られる。これらの積層は、強磁性材料より低い導電性である界面によって少なくとも回転子の表面において互いに分離される。界面は、電流抑制的であり得る。スタックは、その長さに沿って延び、界面と交差する穴2107を画定する。
図23に示すように、各磁束障壁は、スタックの各界面と交差するためにスタックの各層を貫通し、かつ回転子内に少なくとも1つの導電性ループを形成するために導電プレート2108によってスタックの両端において互いに電気的に接続される少なくとも2つの導電帯2110(4つが示される)を有する導電構造を含む。各導電帯は、回転子プレートのスタック内の対応する縦穴2107内に挿入されるか又は鋳込まれており、かつ次にプレート2108に溶接又は半田付けされ得る。図21に戻って参照すると、各導電構造は、導電帯間のかつそれを直接囲む強磁性プレートの部分と共に、2つの隣接する回転子極2106間の磁束障壁2104を形成する。
図24~図26Aは、回転子の強磁性材料の内部に導電素子を有する磁束障壁2410を有する別の回転子2400を示す。図6の回転子600と同様に、回転子本体2402は、強磁性材料の積層のスタックで作られ得る。これらの積層は、強磁性材料より低い導電性である界面によって少なくとも回転子の表面において互いに分離される。界面は、電流抑制的であり得る。回転子2400は、回転子本体2402の中心の穴2401を画定する。穴2401は、図6の穴605と同様であり得、出力軸(例えば、図1の出力軸107)が挿入され得、回転子2400と共に可動であり得る。
図25に示すように、回転子本体2402は、回転子本体の半径方向最外部を形成する一連の離間された回転子極2404を画定し、隣接する極2404は、その間のスロット2406を画定する。回転子本体2402は、その長さに沿って平行に延びる穴2408も画定する。
隣接する回転子極2402間のスロット2406を充填する代わりに、磁束障壁2410のそれぞれは、回転子表面の下の回転子本体2402の磁気的に活性な広がりにわたる少なくとも1つのループを形成する導電性素子を含む。図26に示すように、各磁束障壁2410の導電構造は、それぞれ回転子本体2402の強磁性材料の外で互いに絶縁された導電材料の複数のループ2412、2414、2416を含む。図26Aに示すように、各ループ(例えば、ループ2416)は、導電プレート2420によってスタックの両端において互いに電気的に接続された少なくとも2つの導電帯2418を含む。組み立てられると、導電帯のそれぞれは、図25に示すように、回転子本体の対応する穴2408に沿って延びる。プレート2420は、隣接する回転子極2404の磁気的に活性な広がり上に両端を有する湾曲形状を有し得る。湾曲形状は、スロット2406の形状に基づき得る。図24に戻って参照すると、磁束障壁2410のループ2412、2414、2416は、スロット2406に向かって直列に配置され得る。ある意味では、各磁束障壁の導電性ループ構造は、隣接する回転子極内に延びるか又は隣接する回転子極の隣接部分にわたる。
磁束障壁2410は、強磁性材料の外で互いに電気的に絶縁される。隣接する磁束障壁2410は、好適には、1つの磁束障壁の導電材料内に画定されるいかなる導電経路も、別の磁束障壁の導電材料内に画定されるいかなる導電経路のいかなる部分も囲まないように配置される。磁束障壁2410は、磁束遮蔽部として機能し得る。
動作中、帯2418、2420(及び外側帯)によって囲まれた強磁性材料に侵入しようとする一時的電磁場が電流をこれらの電帯内に流れさせ得、この結果の電流は、磁束が囲まれた領域に侵入することを効果的に阻止する役割を果たし得る。次に、磁束は、セグメント2416、2414、2412間の狭いチャネルを辿り、この結果、高磁気抵抗の経路を両側に有する低磁気抵抗の経路を生じる。磁束障壁2410によって囲まれた領域は、磁気伝播が阻止され、この結果、明確な低磁気抵抗経路と高磁気抵抗経路とを生じる。力は、固定子極と回転子極との間の空隙ではなく、むしろ回転子内の遮蔽極/非遮蔽領域(例えば、図15に示すような)に作用する。囲まれた芯領域と囲まれていない領域との間の界面は、疑似芯界面と考えられ得る。
複数の離散的歯を有する極の例示的磁束障壁
モータの歯状固定子-回転子界面は、固定子-回転子界面における表面積に応じてトルクを最大化するために生成され得る。従来のモータは、通常、比較的弱い磁場相互作用に起因して、表面積に応じたそれらのトルクによって制限される。各極上に複数の離散的歯を含み、かつ同じ極のモータの歯間距離を効果的に低減することにより、所与の走行距離に関して極が通電され得るサイクル数が増加する。具体的には、複数の歯を単一極上に置くことにより、表面積に応じた力が増加され得る。
モータの歯状固定子-回転子界面は、固定子-回転子界面における表面積に応じてトルクを最大化するために生成され得る。従来のモータは、通常、比較的弱い磁場相互作用に起因して、表面積に応じたそれらのトルクによって制限される。各極上に複数の離散的歯を含み、かつ同じ極のモータの歯間距離を効果的に低減することにより、所与の走行距離に関して極が通電され得るサイクル数が増加する。具体的には、複数の歯を単一極上に置くことにより、表面積に応じた力が増加され得る。
所与の表面積に対してより高い規定力を実現するにもかかわらず、このような設計におけるより高い出力密度は、著しい漏洩磁束に起因して制限され得る。この漏洩磁束の主要源の1つは、歯間に生成され、歯数が増加するにつれて漸進的に小さくなるスロットの空気に由来する。したがって、多重歯極を有するモータを使用してモータ性能を増加させるために、歯数を増加させることによって生成される増加された規定力がより低い電流負荷において使用され得る。この手法下では、モータは、システムにおいて比較的少ない数の全極を維持するが、個々の極上の表面幾何学的形状が1つの極弧当たりでより多くの電気的サイクルを提供することを可能にすることにより、増加された数のスイッチングサイクルを提供し得る。具体的には、所与の規定力は、400~700アンペア×巻数の起磁力(MMF)を有する極において生成され得る一方、典型的な極は、同じ力を支援するために3,000~4,000アンペア×巻数のMMFを必要とするであろう。より小さいアンペア×巻数は、より小さい空間を必要とするため、これは、トルク及び出力及びトルク密度の利得を達成するために高周波数において動作される比例的に小さいヨーク及び巻線を有するマルチスロット手法を利用するモータを可能にする。
固定子と回転子歯との間の関係は、0.6:1~1.4:1、より好適には0.8:1~1.2:1の比が好ましい。従来のスロットに関して、空隙比に対する歯幅は、10:1より大きいことが好ましく、直接駆動トラクション応用に関して30:1~100:1がより好ましく、高速度を必要とする応用に関して30:1が好ましい。固定子極に関して、1つの極当たりの歯数は、所与の空隙の力を最大化する1つの極当たりの歯数の20~90%、より好適には40~80%に入ることが好ましい。
所与の空隙に関して、最大整数未満(例えば、最大の約50~80%)の歯によってピーク力を得ることが好ましい。ピーク力後、力の利得は、漸近し始め、かつ比較的無視できるようになる。モータ設計の特定の空隙において、1つの穴当たりの歯数によって力を最適化するためのより多くの要因が考慮され得る。例えば、増加された空気スロットは、追加漏洩磁束と突極性の低下とを引き起こし得る。また、より少なくかつより大きい極は、より大きい出力密度を可能にし、さらに飽和に至るような高い電流負荷を扱う。さらに、以下に論述されるように、歯スロットは、モータ性能にも影響を与え得る反磁性材料によって充填され得る。
所与の極に関して、最大インダクタンスは、歯寸法が低下し、歯数が増加するために同じままである。しかし、最小インダクタンスは、一層小さくなるスロット内の空気の透磁率に起因して増加する。したがって、1サイクル当たりの全エネルギーは、1つの極当たりの歯数が増加すると結果として低下する。
図27は、モータの各極上に複数の離散的歯を含むモータ2700を示す。モータ2700は、固定子2710及び回転子2720を含む。固定子2710及び回転子2720の外面が空隙2715を画定する。モータ2700は、固定子2710の各固定子極2712がその間にスロット2716を有する複数の歯2714を含み、かつ回転子2720の各回転子極2722がその間にスロット2726を有する複数の歯2724を含むことを除いて、図4のモータ400と同様である。隣接する固定子極2712間にスロット2718が存在し得る一方、回転子2720は、回転子2720の外面に沿った連続的交互歯2724及びスロット2726を含み得ることに留意されたい。
磁束障壁は、隣接する回転子歯2724間及び/又は隣接する固定子歯2714間に形成され得る。磁束障壁は、図7の磁束障壁704、図11の磁束障壁1104、図13の磁束障壁1304又は図14の磁束障壁1404と同様であり得る。
磁束障壁材料は、1サイクル当たりの全エネルギーを増加させるために、動作中に空気より大きい反磁性特性を有する誘導性材料であり得る。これは、動的磁束障壁を生成する。このような反磁性特性を提供するためにインダクタのインピーダンスを使用することは、結果として、低周波数、中間周波数及び高周波数(例えば、2Hz~1MHz)動作中により大きい突極比を生じる。上に論述したように、これは、アルミニウム、銅、黄銅、銀、亜鉛、金、熱分解黒鉛、ビスマス、グラフェン若しくはカーボンナノチューブ又はより好適には超伝導体などの全金属単一材料の表皮効果を使用することによって実現され得る。超伝導体は、0.5Hz以上の周波数において動作され得、銅は、20KHz~1MHzの中間~高周波数において動作され得る。他のいくつかの実施形態では、100Hz~20kHzにおいて動作され得る銅-鉄、ニッケル-鉄、リード-鉄、黄銅-鉄、銀-鉄、亜鉛-鉄、金-鉄、ビスマス-鉄、アルミニウム-鉄、熱分解黒鉛-鉄、グラフェン-鉄、カーボンナノチューブ-鉄又はAlinco(アルミニウム-ニッケル-コバルト)合金などの強磁性複合材料が使用され得る。他のいくつかの実施形態では、より高いインダクタンス充填材が等価インピーダンスを生成する(低周波数においてループ極又は遮蔽極(例えば、銅遮蔽鉄極)を構築することなど)ために使用され得る。反磁性材料と強磁性材料とのこのような組み合わせがメタ材料の特性を近似する。構造的に、このスロット充填が回転子面及び固定子面の滑らかで連続的表面を近似し始め、かつ歯の寸法が低下すると、このようなスロット充填材料は、動作時に生成される力によって引き起こされる物理的変形を防止するための機械的支持体としての役割を果たし得る。
歯が所与の極上でより小さくなると、スロットは、互いにより近接し得、かつその結果の漏洩磁束は、突極比と、1サイクル当たりの作業との両方(及びしたがってトルク)を低下させる。空気を、反磁性材料を近似する材料(例えば、単一反磁性材料又は反磁性材料と強磁性材料との組み合わせ)によって置換することにより、変速機と同様に、実効電磁気低下としてモータの歯数を増加させる処理を行うことが可能である。1サイクル当たりのエネルギーと、したがってトルクとは、所与の極寸法の1つの極当たりの歯数を増加させる結果として低下するが、トルク及び出力密度は、反磁性材料を使用して突極比を増加させることによって達成され得る。特に、反磁性スロット充填を有する極設計又は構成のさらなる利点は、多くの歯数を有する極上の磁場が、典型的なモータ内の一定の反転磁場とは対照的に所与の極上に単一方向に発生することである。
図20において上に論述したように、低周波数では、生成された有効力は、反磁性磁束障壁が空気のように見え、したがって影響がないか又は影響がほとんどないため、周波数に応じて一定又はフラットなままである。中間周波数~高周波数では、磁束遮蔽効果は、より優勢となり始め、力は、周波数の上昇と共に増加し続ける。したがって、スロットを反磁性磁束障壁によって充填することにより、低駆動電流(したがってより少ない巻線)が使用され得、したがってより少ないワイヤを使用することによって資金を節約し、抵抗損を低減することによって効率を増加させ得る。さらに、モータ性能は、高駆動電流を使用することによって(例えば、飽和を介して)さらに改善され得る。また、スロット深さは、生成される水平力に影響を及ぼす。結果として得られる力は、空隙に対して垂直な方向に沿ったスロットの深さに実質的に比例し得る。
磁束障壁を有する軸方向間隙モータ
図28は、隣接する回転子極間に磁束障壁を有する例示的軸方向間隙モータ2800の斜視図である。軸方向間隙モータ2800は、固定子2802に対して平行に配置された回転子2804を有する。回転子2804は、中央孔2801を画定し、出力軸は、回転子2804が出力軸と共に回転可能となるように中央孔2801内に配置され得る。
図28は、隣接する回転子極間に磁束障壁を有する例示的軸方向間隙モータ2800の斜視図である。軸方向間隙モータ2800は、固定子2802に対して平行に配置された回転子2804を有する。回転子2804は、中央孔2801を画定し、出力軸は、回転子2804が出力軸と共に回転可能となるように中央孔2801内に配置され得る。
回転子2804は、回転子の回転軸(又は出力軸の回転軸)を中心とする回転によって固定子2802に対して可動である。回転子2804の端面は、回転子の回転軸に対して垂直である。回転子2804の端面は、公称間隙2803を画定するために回転軸に沿って固定子2802の端面から離間される。公称間隙2803は、固定子2802の端面と回転子2804の端面との間のかつ回転子の回転軸に沿った軸方向間隙である。
固定子2802は、それぞれ関連付けられた電気巻線2814によって囲まれた固定子極芯2812を含む一連の固定子極2810を画定する。固定子2802の電気巻線2814は、独立に活性可能であり、かつ固定子を中心に円周方向に離間される。回転子2804は、その間に磁束障壁2830を有する一連の回転子極2820を有する。各磁束障壁2830は、透磁性材料の芯を囲む導電性ループを有する。磁束障壁、回転子極及び回転子背面プレートの芯は、すべて一連の強磁性材料(例えば、プレス加工及び焼結された粉末によって形成される)の一部分であり得る。磁束障壁の導電性ループは、例えば、芯の上にプレス加工される銅リングであり得る。
図29~32は、別の軸方向間隙モータの回転子2900の様々な図を示す。回転子2900は、回転子極2920を形成する極表面領域と、極表面領域間に磁束障壁2930によって形成される極間表面領域とを含む平坦な活性端面(図示しない固定子に面する)を有する。この例では、磁束障壁2930は、図14の遮蔽極1404と同様に遮蔽極である。
各磁束障壁2930は、芯材の芯2934を中心とするループ2932を形成する導電材料を含む。芯材は、導電材料より高い透磁性である。芯材は、強磁性であり得る。芯2934の芯材及び回転子極2920の極材料は、同じであり得、芯2934及び回転子極2920は、連続的回転子本体全体(例えば、焼結鉄粉末の)を形成する。磁束障壁の導電材料は、形成された回転子芯内に鋳込まれ得る。
図29~32に示すように、各ループ2932は、5つのループ部分2932a、2932b、2932c、2932d、2932eを含む。ループ部分2932aは、回転子2900の端面の一部を形成する。
ループ部分2932bは、回転軸に対して平行な方向に沿って、一定の深さを有する広がりまで延び、回転子2900の外側半径方向面の一部を形成する。端面は、外側半径方向面に対して垂直である。ループ部分2932cは、回転軸に対して平行な方向に沿って、一定の深さを有する広がりまで延び、回転子2900の内側半径方向面の一部を形成する。ループ部分2932cの深さは、ループ部分2932bの深さと同一であり得る。
ループ部分2932d、2932eは、隣接する回転子極2920と芯2934との間の遮蔽壁を形成するために回転子の内側半径方向面から回転子の外側半径方向面まで半径方向に沿って延びる。ループ部分2932d、2932eも、ループ部分2932b、2932cの深さと同一であり得る深さを有する広がりまで回転子本体内に延びる。ループ部分のそれぞれは、一貫して同一である(好適には特定の動作周波数においてループ2932の導電材料の電流表皮深さより大きい)厚さを有し得る。
磁束障壁を有する固定子
磁束障壁は、性能をさらに増加させるためにモータの固定子内にも設けられ得る。
磁束障壁は、性能をさらに増加させるためにモータの固定子内にも設けられ得る。
図33は、固定子極3310間に配置された磁束障壁3320を有する固定子3300を示す。固定子極3310は、透磁性ヨーク3302内に収容され得るか、又は透磁性ヨーク3302に接続され得る。各固定子極3310は、関連付けられた電気巻線3314によって囲まれた固定子芯3312を含む。固定子芯3312(及びヨーク)は、長手軸に沿って延びる強磁性材料の層のスタックで作られ得る。これらの層は、強磁性材料より低い導電性である界面によって互いに分離される。固定子芯3312は、ヨーク3302から突出する固定子突起であり得る。
各磁束障壁3320は、固定子極3310の両縁に沿って延びる磁束遮蔽部であって、固定子芯3312の強磁性材料より高い導電率を有する材料で形成される磁束遮蔽部を形成する。磁束障壁3320は、隣接する電気巻線3314間の間隙内に延び得る。図34に示すように、磁束障壁3320は、空隙3350から、隣接する固定子極3310を接続するヨーク3302まで延び得る。空隙3350は、固定子3300の2つの外面と回転子3400との間に画定される。回転子3400は、上に論述したように、その間に磁束障壁3420を有する一連の回転子極3410を含む。
図33及び図34に示すように、電気巻線3314によって囲まれた各固定子芯3312は、固定子3300の外周に沿って角度幅W0を有する。磁束障壁3320は、隣接する磁束障壁3320の両縁間の空隙における固定子芯3312の角度幅W1が、電気巻線3314によって囲まれた固定子芯3312の角度幅W0より小さくなるように固定子芯3312の面におけるノッチ内に延びる。すなわち、W1<W0である。
図35は、固定子極3510間に配置された磁束障壁3520を有する別の固定子3500を示す。図33~34の固定子3300と同様に、各固定子極3510は、関連付けられた電気巻線3514によって囲まれた固定子芯3512を含む。固定子芯3512は、電流抑制界面を有する透磁性プレートのスタックとして形成された、透磁性ヨーク3502から突出する固定子突起であり得る。各磁束障壁3520は、固定子芯3512の材料より高い導電率を有する材料で形成され、スタックの界面と交差する。図36に示すように、磁束障壁3520は、空隙3550からヨーク3502まで延び得、固定子3500と回転子3600との間に画定された空隙3550において隣接するする固定子極3510を接続する。回転子3600は、上に論述したように、その間に磁束障壁3620を有する一連の回転子極3610を含む。
モータ3500は、固定子芯の角度幅が空隙からヨーク3502までほぼ一定であるという点で図33~34のものと異なる。すなわち、W0=W1である。
図37は、固定子極3710間に配置された磁束障壁3720を有する別の固定子3700を示す。図33~34の固定子3300と同様に、各固定子極3710は、関連付けられた電気巻線3714によって囲まれた固定子芯3712を含む。固定子芯3712は、電流抑制界面を有する強磁性プレートのスタックとして形成された固定子芯及びヨークを有する、透磁性ヨーク3702から突出する固定子突起であり得る。各磁束障壁3720は、導電材料で形成され、固定子芯の強磁性プレート界面の少なくとも大部分と交差する。図38に示すように、磁束障壁3520は、固定子3700の内面から、隣接する固定子極3710を接続するヨーク3502まで延び得る。
固定子芯3712は、磁束障壁3720の対応するスロット内に収容される縦方向連続タブを有する。巻線が芯上に組み立てられた後、磁束障壁は、縦方向に挿入され、固定子芯のタブによって適所に保持され得、巻線をさらに固定する。
磁束障壁を有するリニアモータ
上に論述したように、磁束障壁は、回転子極及び/又は固定子極が円周方向に配置される半径方向間隙モータ及び軸方向間隙モータにおいて構成され得る。以下では、回転子極及び/又は固定子極が直線的に配置され、かつ固定子と回転子との相対運動が直線に沿う磁束障壁を有するリニアモータが論述される。
上に論述したように、磁束障壁は、回転子極及び/又は固定子極が円周方向に配置される半径方向間隙モータ及び軸方向間隙モータにおいて構成され得る。以下では、回転子極及び/又は固定子極が直線的に配置され、かつ固定子と回転子との相対運動が直線に沿う磁束障壁を有するリニアモータが論述される。
図39及び図40は、固定子3910及び回転子3950を含む例示的リニアモータ3900を示す。回転子3950は、運動方向に沿って固定子3910に対して可動であり、かつ運動方向に対して垂直な幅を有する公称間隙3940を固定子3910と共に画定する。
固定子3910は、運動方向に沿って直線的に配置され、かつ透磁性ヨーク又は背面プレート3902によって直線的に接続される一連の固定子極3920を画定する。各固定子極3920は、関連付けられた電気巻線3924によって囲まれた固定子芯3922を含む。固定子芯3922は、それぞれ運動方向に沿って延びる強磁性材料の層のスタックで作られ得る。これらの層は、強磁性材料より低い導電性である界面によって互いに分離される。固定子芯3922は、ヨーク3902から突出する固定子突起であり得る。固定子突起は、その間のスロット3930を画定する。
回転子3950は、その間に磁束障壁3970を有し、かつ運動方向に沿って離間された一連の回転子極3960を含む。磁束障壁3970は、図15の磁束障壁1504と同様に遮蔽極であり得る。各磁束障壁3970は、隣接する回転子極3960間の透磁性芯3974を中心とする導電性ループ3972で作られる。回転子極3960は、強磁性材料より低い導電性である界面によって互いに分離された強磁性材料の層の積層スタックで作られ得る。磁束障壁3970は、それぞれ運動方向に対して平行な平坦外面を有し、回転子極3960の極表面領域間の極間表面領域を形成する。極間表面領域及び極表面領域は、回転子3950の外面(又は端面)を画定する。各芯3974は、それぞれのループ3972によって囲まれた外面の一部を形成する。ループ3972は、銅などの導電性低エネルギー生成物で作られ得る。芯3974の材料は、ループ3972の材料より高い透磁性である。芯3974の材料及び回転子極3960の強磁性材料は、層のスタックの隣接部であり得る。磁束障壁3970のループ3972は、重ならず、かつ強磁性材料の外で互いに電気的に絶縁される。磁束障壁3970は、可能な限り強磁性材料を通してのみ互いに電気的に接続される。
図41及び図42は、固定子4110及び回転子4150を含む別の例示的リニアモータ4100を示し、固定子4110及び回転子4150は、図27に関して上に述べたように複数の歯極をそれぞれ有するが、歯間の導電材料がループを形成する。回転子4150は、運動方向に沿って固定子4110に関して可動であり、運動方向に対して垂直な幅を有する公称間隙4440を固定子4110と共に画定する。
図39~40の固定子3910と同様に、固定子4110は、運動方向に沿って直線的に配置され、かつ透磁性ヨーク又は背面プレート4102によって直線的に接続される一連の固定子極4120を画定する。各固定子極4120は、関連付けられた電気巻線4124によって囲まれた固定子芯4122を含む。固定子芯4122は、それぞれ運動方向に沿って延びる強磁性材料の層のスタックで作られ得る。これらの層は、強磁性材料より低い導電性である界面によって互いに分離される。固定子芯4122は、ヨーク4102から突出する固定子突起であり得る。固定子突起は、その間のスロット4130を画定する。固定子3910と異なり、固定子極4120(又は固定子芯4122)は、固定子極4120の少なくとも外面において、その間にスロット4122bを有する複数の歯4122aを含む。上に論述したように、磁束障壁は、複数の固定子極歯4122a間のスロット4122b内に形成される。示された構成では、各固定子極の2つの左スロット4122b内の材料は、左の固定子歯4122aの周囲にループを形成し、2つの右スロット内の材料は、右の固定子歯4122aの周囲に第2のループを形成する。この構成では、2つのループは、外側の2つの固定子極歯を介して磁束侵入を遮蔽する役割を果たす。代替的に、歯間スロット4122bのそれぞれを充填する導電材料は、導電材料内に設定された渦電流の効果を介して別個の局所的磁束反射器としての役割を果たす(隣接するスロットの材料によってループを形成することなく)。別の代替案として、各スロット4122b自体は、遮蔽極磁束障壁を含み得る。
回転子4150は、運動方向に沿って直線的に配置された一連の回転子極を含む。各回転子極は、隣接する歯4160間のスロット内に磁束障壁4170を有する複数の歯4160を含む。各磁束障壁4170は、図39の磁束障壁3970と同様に遮蔽極であり得る。各磁束障壁4170は、隣接する回転子極歯4160間の透磁性芯4174を中心とする導電性ループ4172で作られる。ループ4172は、導電性低エネルギー生成物で作られ得る。芯4174の芯材は、ループ4172の材料より高い透磁性である。芯4174の芯材及び回転子極4160の強磁性材料は、層のスタックの隣接部であり得る。磁束障壁4170のループ4172は、重ならず、かつ強磁性材料の外で互いに電気的に絶縁される。磁束障壁4170は、強磁性材料を通してのみ互いに接続され得る。
磁束障壁を有するモータの動作
磁束障壁の効果は、様々な周波数下の水平力によって変わり得る。図20に示すように、水平力は、遮断周波数(例えば、10Hz)を超えると増加し始め得、低周波数(例えば、10Hz)と高周波数(例えば、105Hz)との間の増加は、1桁を超え得る。高周波数では、磁束障壁は、回転子極に向かって磁束を集中し、運動方向に沿った力の成分を増加させるためにより強い反磁性特性を呈示し得る。
磁束障壁の効果は、様々な周波数下の水平力によって変わり得る。図20に示すように、水平力は、遮断周波数(例えば、10Hz)を超えると増加し始め得、低周波数(例えば、10Hz)と高周波数(例えば、105Hz)との間の増加は、1桁を超え得る。高周波数では、磁束障壁は、回転子極に向かって磁束を集中し、運動方向に沿った力の成分を増加させるためにより強い反磁性特性を呈示し得る。
有効力は、動作条件によっても影響を受け得る。飽和状態下及び高周波数において、磁束障壁は、回転子極に向かって磁束を集中するためにより強い反磁性特性(不飽和状態と比較して)を呈示し得る。有効力は、周波数が増加すると増加し続け得る。例えば、高周波数(例えば、105Hz)では、水平力は、駆動電流が10アンペア*巻数(不飽和動作条件に対応する)から200アンペア*巻数(飽和動作状態に対応する)まで増加すると2桁増加し得る。
上に指摘したように、1つの極当たりの歯数は、有効力にも影響を与え得る。1つの極当たりの歯数の増加は、力の漸進的増加を引き起こし得る。しかし、間隙寸法がより大きく(例えば、1.0mmに)なると、力は、1つの極当たりの歯数が増加すると低下し得る。
磁束障壁を有する構成に関して、各極組は、パルス-DC又はパルス-AC電流下で動作され得る。
この動作は、高インダクタンス及び低抵抗磁束障壁を利用し、その結果、磁場と同相である高リアクタンスを生じる。磁場が一次コイル及び磁気抵抗歯を登ると、磁場は、遮蔽歯を介して反射され、この結果、磁場に対する高インピーダンスを生じる。このシステムは、50%のデューティサイクル(例えば、非アライメント位置からアライメント位置まで)のみを通して交番磁気信号を介して動作され得る。デューティサイクルにわたって(例えば、非アライメント位置からアライメント位置まで)継続することで逆トルクを生じ得る。
より高いリアクタンス磁束障壁は、従来機と比較してより効率的にトルクを生成し得るより高い力率系も可能にし得る。高リアクタンス、高インピーダンス磁束障壁設計は、磁束のほぼすべてが全作業サイクルにわたって磁束障壁に侵入することを防止し得る。このようにして、モータは、広範囲の温度(例えば、室温~高温)において超伝導モータにおいてのみ以前に経験される反磁性特性から恩恵を受け得る。これは、臨界温度超で消磁する傾向がある永久磁石モータと比較して温度に対してあまり敏感でない可能性もある。
磁束障壁を有する上述のモータは、方形波電流によって動的に駆動され得る。上述のモータが動的に駆動されれば、方形波が、比較的低い周波数(50Hzなど)において脈動しながら磁束障壁内に大きいリアクタンスを誘起するために、等価正弦波より比較的低いスイッチング周波数において使用され得る。これは、部分的には、正弦波とは対照的に方形波内の高割合の高調波値に起因する。これは、パルス幅変調(PWM)スイッチングによって必要とされる高周波数に起因する電力電子装置によって必要とされるスイッチング損失も低減する。このような動作では、比較的薄い(例えば、0.127mm)積層が、鉄芯及び低ゲージ(例えば、0.2mm)における渦電流損失を低減するために使用され得、リッツワイヤ巻線ですら芯巻線内の表皮効果損失を低減するために一次コイル内で利用され得る。
上述のモータは、コイルのより高い巻線効率からも恩恵を受け得る。巻線の典型的なスロット充填比は、所与のスロット領域の30~40%であるが、隣接する極間のスロット内の磁束障壁を充填するために鋳造技術を利用することにより、モータは、磁束障壁のスロット容積のほぼすべて(例えば、85~95%)を利用し得る。これは、モータの一次巻線に必要な全ワイヤの量を低減し得、したがって一次巻線が典型的なモータと比較してより少ない巻線回数を使用することを可能にする。
上に指摘したように、反磁性磁束材料によってスロットを充填することで、モータの動作中に磁束を集中する手段を提示する。具体的には、固定子及び回転子が非アライメント状態で配置されると、著しい内部電磁気反射は、対向する極表面からの磁気伝播の大部分を妨げる。この反磁性遮蔽は、磁場スロットが回転子を効果的に押すことを可能にする一方、電磁気極の磁気抵抗は、回転子を引っ張る。この効果は、1サイクル当たりでより多くのエネルギーがシステムから生成されることを可能にし、永久磁石がいくつかの構成において生成し得る効果と同様である。
この効果は、高渦電流による減磁を受け得る永久磁石を上回る顕著な利点を提供する。この効果は、永久磁石の保磁性を調べるB-H曲線において見られ得る。上述のモータでは、高リアクタンス磁束障壁は、無限保磁性によって反対方向の永久磁石を近似し得る。したがって、磁束障壁は、典型的な永久磁石モータにおいて実現され得るものを超える磁場レベルを実現するために印可磁場を反射し得、大きい逆EMFを生成することにより、トルク密度、出力密度及び効率を増加させ得る。さらに、永久磁石は、前述のように上昇温度において消磁される一方、磁束障壁は、典型的な永久磁石より華氏100度超高い温度に耐えることができる材料で構築され得る。
さらに、永久磁石が一定の磁場を生成する場合、反磁性磁束障壁が過渡状態において動的に存在する。これは、永久磁石モータが、利用する動力に関わらず生成され得るEMFに起因して時折破局的であり得るデントトルク、コギングトルク及びブレーキトルクを生じ得るため、効率と安全性との両方に利点がある。上記モータは、ベアリングの抵抗からのみの損失で長期間の間効果的に惰性回転するように制御され得る。
さらに、連続電流を生成する有効誘導負荷を有するIMと異なり、各磁束障壁内の電流は、サイクル毎にほぼゼロまで戻ることが許容される。モータの動作周波数が高いほど、反射を維持するために各磁束障壁において必要とされる必要電流が小さくなる。本システムは、反応性であるため、エネルギーは、各スイッチングサイクル内に回転子の運動エネルギーに弾性的に戻されるか又は変換される。
反磁性磁束障壁スロット充填は、所与の用途のためにかつ動作中に動的に調節され得る。空気と異なり、本システムの磁気特性は、所与の位置の起磁力(MMF)の振幅とMMFの周波数との両方において調節され得る。これは、モータのスイッチング周波数を変更することによってシステムの磁束特性を弱めるか又は強化することにより、リアルタイム適応化を可能にする。これは、一次コイル上の逆EMFを変更し得、これにより、モータが従来のモータより広い速度範囲を実現することを可能にし得る。従来のモータは、磁場の大きさを変更するために使用される固定突極比に基づく固定逆EMFを有する。モータは、モータの動作の活性化周波数に加えて磁場の大きさを変更し得る。
高速度では、モータは、反応性磁気抵抗モータとして動作し得る。従来のSRM動作では、ピーク電圧は、固定子及び回転子(又は固定子-回転子歯)の非アライメント位置の始まりにおいて印加され、及び電流は、固定子及び回転子(又は固定子-回転子歯)がアラインメント点に到達するまで急速に増加される。この時点で逆電圧が印加され、電流は、ゼロまで低下する。従来のSRMにおけるロックされた回転子(失速)状態では、電流は、パルス化されるよりむしろ連続的に印加される。磁束障壁を有するモータでは、失速中、電流は、活性なコイルを介してパルス化される。極スイッチング周波数がモータ加速中に磁束障壁の交差周波数を超えると、各極は、単一パルスによって励起される。
例示的工程
本開示の実施形態は、電動機を駆動する方法を提供する。電動機は、図1の電動機102であり得、本方法は、モータコントローラ(例えば、図1のモータコントローラ104)によって行われ得る。
本開示の実施形態は、電動機を駆動する方法を提供する。電動機は、図1の電動機102であり得、本方法は、モータコントローラ(例えば、図1のモータコントローラ104)によって行われ得る。
動作中、モータコントローラは、一連の能動極と空隙に沿って配置された一連の受動極を有する受動磁気部品との間の空隙に沿って配置された一連の能動極の第1の能動極を、第1の能動極に関連付けられた電気巻線を通る電流をパルス化することによって通電させる。パルス電流は、一連の能動極の隣接する能動極の巻線が通電されない少なくとも3つのパルスの系列を含む。第1の能動極に関連付けられた電気巻線を通る電流をパルス化することは、第1の能動極に関連付けられた電気巻線を通る電流のパルス化中の最小電流に対する最大電流の比が少なくとも4:1、7:1又はさらに10:1である電流波形に従い、第1の能動極に関連付けられた電気巻線を通して電流を通過させる。
いくつかの場合、第1の能動極に関連付けられた電気巻線は、共通芯と並列に導電接続され、かつ共通芯に巻かれた複数のコイル含む。モータコントローラは、並列に導電接続された複数のコイルを通る電流をパルス化し得る。
いくつかの例では、モータコントローラは、電圧源と、第1の能動極に関連付けられた電気巻線との間において複数のサイクル内で開閉するように第1のスイッチを動作させることにより、第1の能動極に関連付けられた電気巻線を通る電流をパルス化する。第1のスイッチは、第1の能動極に関連付けられ、かつ第1の能動極に導電的に結合され得る。第1のスイッチは、図2のスイッチ134又は図2Aの電力スイッチ200であり得る。
第1の能動極が通電された(複数の電流パルスにより)後、モータコントローラは、第2の能動極に関連付けられた電気巻線を通る電流をパルス化することによって一連の能動極の第2の能動極を通電させる。第2の能動極のパルス電流は、第1の能動極の巻線が通電されない少なくとも3つのパルスの系列を含み、電流波形に従い、第2の能動極に関連付けられた電気巻線を通して電流を通過させる。電流波形では、第2の能動極に関連付けられた電気巻線を通る電流のパルス化中の最小電流に対する最大電流の比は、少なくとも4:1、7:1又はさらに10:1である。
第1の能動極は、電流を2Hz~1MHz、いくつかの場合には10Hz~20kHz、いくつかの場合には100Hz~5kHzのパルス周波数でパルス化することによって通電され得る。第1の能動極を通電させ、かつその後、第2の能動極を通電させることは、第1の能動極から空隙にわたる第1の能動極と受動極との間の第1の力と、第2の能動極から空隙にわたる第2の能動極と受動極との間の第2の力とを生成する。第1及び第2の力は、能動極と受動極との間の相対運動を誘起し得る。相対運動は、能動極に対する受動磁気部品の運動を含み得る。
いくつかの例では、受動磁気部品は、モータの回転子であり、相対運動は、回転子の回転を含む。モータコントローラは、さらに、回転子速度を検出し、検出された回転子速度に応じてパルス電流の周波数(又はパルス周波数)を制御し得る。モータコントローラは、回転子速度変更中、電流パルス周波数を、少なくとも、各能動極が通電される周波数がパルス周波数の少なくとも2分の1である回転子速度までさらに維持し得る。電流は、1回の磁極通電当たり1パルスに対応する回転子速度未満においてのみ、第1及び第2の極に関連付けられた電気巻線を介してパルス化され得る。
第2の能動極を通電させた後、モータコントローラは、第1の能動極よりむしろ第2の能動極の反対側に配置された一連の能動極の第3の能動極を、第3の能動極に関連付けられた電気巻線を通る電流をパルス化することであって、第1及び第2の能動極の巻線が通電されない少なくとも3つのパルスの系列を含む、パルス化することによってさらに通電させ得る。第3の能動極を通電させた後、モータコントローラは、第1の能動極に関連付けられた電気巻線を通る電流をパルス化することによって第1の能動極を再び通電させ、かつその後、第2の能動極に関連付けられた電気巻線を通る電流をパルス化することによって第2の能動極を再び通電させ、かつその後、第3の能動極を再び通電させ得る等である。
上に指摘したように、磁束障壁は、受動磁気部品内に実装され得る。いくつかの例では、第1の能動極に関連付けられた電気巻線を通る電流をパルス化することで、第1の能動極から空隙にわたって受動極に隣接する第1の磁束障壁内に渦電流を生成する。磁束障壁は、空隙にわたって受動極より高い導電率を有する。受動磁気部品は、第2の磁束障壁をさらに含み得、第1の能動極から空隙にわたる受動極は、第1の磁束障壁と第2の磁束障壁との間に配置される。第1及び第2の磁束障壁は、受動極の外で互いに電気的に絶縁される。
いくつかのモータでは、受動極は、透磁性材料の層のスタックによって形成される。第1の磁束障壁内の渦電流は、第1の能動極から磁束を遠ざける役割を果たす。いくつかの例では、第1の磁束障壁は、第1の能動極から空隙にわたる受動極と、隣接する受動極との間に配置され、磁束障壁は、導電材料より高い透磁性である芯材の芯を中心とする導電材料のループを形成する。
いくつかの場合、受動磁気部品は、一連の受動極の隣接する対の受動極間に磁束障壁をさらに含み、磁束障壁は、それぞれ受動極を形成する材料と異なる導電材料を含み、かつ透磁性芯材を中心とする少なくとも1つの導電経路を画定する。磁束障壁は、一連の受動極の外で互いに電気的に絶縁される。隣接する磁束障壁は、1つの磁束障壁の導電材料内に画定されるいかなる導電経路も、別の磁束障壁の導電材料内に画定されるいかなる導電経路のいかなる部分も囲まないように配置され得る。
いくつかの実施形態では、モータは、各能動極の両縁に沿って延びる磁束遮蔽部であって、磁束遮蔽部間に配置される能動磁気部品の材料より高い導電率を有する材料で形成される磁束遮蔽部をさらに含む。磁束遮蔽部は、隣接する電気巻線間の間隙内に延び得る。磁束遮蔽部は、空隙から隣接する能動極を接続する透磁性ヨークまで延び得る。
例示的冷却及び熱緩和
電動機は、動作中(特に高周波数動作中)に著しい熱を発生し、冷却を必要とし得る。能動冷却系は、流体冷媒をモータ内に循環させることにより、表面の間歇的又は連続的冷却を提供するために使用され得る。冷却系は、参照によりその全体が本明細書に明示的に援用される、2018年3月23日出願の「Electric Motor」という名称の継続特許出願米国特許出願第62/675,207号において説明されるような冷却系であり得る。
電動機は、動作中(特に高周波数動作中)に著しい熱を発生し、冷却を必要とし得る。能動冷却系は、流体冷媒をモータ内に循環させることにより、表面の間歇的又は連続的冷却を提供するために使用され得る。冷却系は、参照によりその全体が本明細書に明示的に援用される、2018年3月23日出願の「Electric Motor」という名称の継続特許出願米国特許出願第62/675,207号において説明されるような冷却系であり得る。
また、動作温度が低下されれば、磁束障壁の効率及び出力が所与の周波数に関して増加し得る。通常、動作条件は、-80℃~300℃である。冷媒は、温度をさらに抑制し、磁束障壁の反磁性特性を増加させるためにモータ系に追加され得る。
冷媒は、熱緩和のために使用される任意の従来の流体であり得る。動作条件では、冷媒は、1~500センチポアズの範囲内の低粘度流体(高冷却効率と高回転動力学との両方を可能にする水又はモータ油など)であり得る。冷媒は、動作中に生成される振動の制動を提供するだけでなく、高回転速度において生成される高調波に復元力も提供する。
能動冷却は、電気コイル及び機械的接触面から熱を吸収するための媒体を提供することにより、より大きい出力密度を可能にし得る。能動潤滑系は、流体潤滑剤をモータ内に循環することにより、表面の間歇的又は連続的潤滑を提供するために使用され得る。例えば、流体ポンプは、潤滑剤が流体ラインを介して流体ポンプからモータに流れることを機械的に促進し得、潤滑剤は、能動潤滑及び/又は流体冷却をモータ内の特定の位置に提供するために指向性ノズルを介して放出され得る。次に、流体は、モータの基部における油受け皿内に重力的に溜まり、かつ再循環のために流体ラインを介してポンプに還流し得る。このようにして、モータ回転子アセンブリは、冷たい非浸漬環境において動作し得る。加えて、潤滑剤の一部は、用途の特別な必要性を満足するため、潤滑剤の温度及び/又は粘度を変調するために潤滑剤に熱を加えるか又は潤滑剤から熱を除去するために熱交換器を通過し得る。
冷媒は、熱緩和のために使用される任意の従来の流体であり得る。動作条件では、冷媒は、1~500センチポアズの範囲内の低粘度流体(高冷却効率と高回転動力学との両方を可能にする水又はモータ油など)であり得る。冷媒は、動作中に生成される振動の制動を提供し得るだけでなく、高回転速度において生成される高調波に復元力も提供し得る。
モータは、モータアセンブリ内で放出される冷媒を重力的に収集し、かつそれを戻り流体ライン方向に向けるための収集皿を含み得る。
冷媒系は、圧力勾配を冷媒に提供して流体系内の循環をもたらす流体ポンプを有し得る。このようなポンプは、回転ポンプなどの定容量型ポンプであり得るか、又はギヤ若しくはピストンポンプなどの可変容量型ポンプであり得る。ポンプは、機械力源又は電源に操作可能に接続され得、モータ動作中に連続的又は断続的に動作され得る。ウェットサンプ能動潤滑系は、流体ライン内及び冷却系内に油を循環するために収集皿に操作可能に接続された単一流体ポンプを有し得る。この場合、油供給量の大部分は、収集皿内にある。代替的に、複数の流体ポンプは、収集皿からの流体が貯蔵タンク内にポンプで連続的に送り込まれるドライサンプ能動冷却構成で動作され得、好適にはその断面積に対して高い高さを有し、及び第2のポンプは、冷媒循環を完了するために、別の制御された流量下で流体をモータにポンプで送り戻し得る。
冷媒系は、例えば、固定子極を含むモータアセンブリ内の特定の位置に冷媒を導くために1つ又は複数の指向性ノズルを有し得る。
他の実施形態
上述のモータのいかなるものも、動的エネルギーから電気的エネルギーを生成するように制御され得る(例えば、モータに再生可能にブレーキをかけるために)。これは、拡張中に順方向EMFを生成するために最小空隙の点において(又は最小空隙の点から若干遅れた点においてすら)固定子電流がパルス化されるように励起信号のタイミングを変えることによって達成され得る。このようにして、たとえモータが、出力軸に印可されるトルクによって機械的に逆駆動可能でなくても、電流が生成され、関連付けられた電池内の貯蔵部に導かれる一方、減速度トルクがモータを遅らせるために回転子に印加される。
上述のモータのいかなるものも、動的エネルギーから電気的エネルギーを生成するように制御され得る(例えば、モータに再生可能にブレーキをかけるために)。これは、拡張中に順方向EMFを生成するために最小空隙の点において(又は最小空隙の点から若干遅れた点においてすら)固定子電流がパルス化されるように励起信号のタイミングを変えることによって達成され得る。このようにして、たとえモータが、出力軸に印可されるトルクによって機械的に逆駆動可能でなくても、電流が生成され、関連付けられた電池内の貯蔵部に導かれる一方、減速度トルクがモータを遅らせるために回転子に印加される。
上述のモータのいかなるものも、動的エネルギーから電気的エネルギーを生成するように制御され得る(例えば、モータに再生可能にブレーキをかけるために)。これは、拡張中に順方向EMFを生成するために最小空隙の点において(又は最小空隙の点から若干遅れた点においてすら)固定子電流がパルス化されるように圧縮波のタイミングを変えることによって達成され得る。このようにして、たとえモータが、出力軸に印可されるトルクによって機械的に逆駆動可能でなくても、電流が生成され、関連付けられた電池内の貯蔵部に導かれる一方、減速度トルクがモータを遅らせるために回転子に印加される。
多くの例が例示目的のために説明されたが、これまでの説明は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲を限定するように意図されていない。以下の特許請求の範囲内の他の例及び修正形態が存在しておりかつ存在することになる。
Claims (19)
- 関連付けられた電気巻線(416、1904、2814、3314、3514)を有する複数の固定子極(412、802、902、1012、1122)を画定する固定子(410、420、1010、1120、1900)であって、前記電気巻線に関連付けられた複数の能動極(412、802、902、1012、1122)を有する能動磁気部品(106)を含む固定子(410、420、1010、1120、1900)、及び
複数の回転子極(422、602、804、904、1022)を含む回転子(420、600、700、1020、1100)であって、前記固定子に対して可動であり、且つ前記固定子極と前記回転子極との間の公称間隙(805、905、1015、1130、1910)を前記固定子と共に画定し、前記回転子極は、透磁性極材料を含む、回転子(420、600、700、1020、1100)
を含む電動機であって、
前記回転子は、隣接する回転子極間に磁束障壁(704、906、1104、1304、1404)を含み、前記磁束障壁は、前記透磁性極材料と異なる導電性を有する第2の材料をそれぞれ含み、特に、前記磁束障壁の導電性は、前記透磁性極材料の導電性より大きく、
前記磁束障壁は、前記回転子極の外で互いに電気的に絶縁される、電動機。 - 前記回転子極(422、602、804、904、1022)の前記透磁性極材料は、強磁性材料の層であって、前記強磁性材料より小さい導電性である界面により、少なくとも前記回転子(420、600、700、1020、1100)の表面において互いに分離された強磁性材料の層のスタックを含む、請求項1に記載の電動機。
- 前記回転子(420、600、700、1020、1100)は、前記透磁性極材料の一連の離間された受動極であって、その間にスロット(604)を画定する一連の離間された受動極を画定する受動磁気部品(108)を含み、前記スロットは、第1の方向に非ゼロ角度で延び、
各スロットは、前記スロットに沿って延び、且つ前記スロットに沿った導電経路を形成する、前記第2の材料を含むそれぞれの磁束障壁(704、906、1104、1304、1404)を含み、
前記磁束障壁は、前記スロット内の前記透磁性極材料に固定され、且つ前記透磁性極材料を通してのみ互いに接続される、請求項1又は2に記載の電動機。 - 前記受動磁気部品(108)は、透磁性極材料を含む複数の受動極を含み、
前記受動磁気部品は、前記受動磁気部品の隣接する受動極を接続する前記磁束障壁をさらに含み、前記磁束障壁(704、906、1104、1304、1404)は、それぞれ前記透磁性極材料と異なる導電材料を含み、且つ透磁性芯材料を中心とする少なくとも1つの導電経路を画定し、
隣接する磁束障壁は、いかなる磁束障壁の前記導電材料内に画定されるいかなる導電経路も、別の磁束障壁の前記導電材料内に画定されるいかなる導電経路のいかなる部分も囲まないように配置される、請求項3に記載の電動機。 - それぞれの電気巻線(416、1904、2814、3314、3514)又は前記能動磁気部品(106)の巻線の組に結合された複数のスイッチ(134)を含むモータコントローラ(104、130)をさらに含み、前記モータコントローラは、
前記能動極と前記受動極との間の前記公称間隙(805、905、1015、1130、1910)にわたって磁束を生成するために、それぞれの極通電デューティサイクルについて前記スイッチ(134)を順次動作させること、及び
各能動極の通電デューティサイクル中、前記能動極の前記巻線を通る電流をパルス化することであって、隣接する能動極の巻線が通電されない少なくとも3つのパルスの系列を含む、パルス化すること
を行うように構成され、
前記電動機の前記電気巻線は、電流パルス化中の通電された能動極の前記巻線を通る最大電流と最小電流との比が少なくとも4:1、具体的には少なくとも7:1、より具体的には10:1であるように構成される、請求項1~4の何れか一項に記載の電動機。 - 前記第2の材料は、それぞれの極を中心とする導電性ループ(1606)を形成する、請求項1~5の何れか一項に記載の電動機。
- 前記ループは、キャパシタンス(1608)を画定する、請求項6に記載の電動機。
- 前記キャパシタンス(1608)は、前記ループ(1606)に沿った離散的位置に形成される、請求項7に記載の電動機。
- 前記ループは、前記透磁性極材料の伝搬可能範囲内の共振周波数を有する、請求項6~8の何れか一項に記載の電動機。
- 前記回転子は、前記固定子内に配置される、請求項1~9の何れか一項に記載の電動機。
- 前記公称間隙(805、905、1015、1130、1910)は、前記回転子の半径方向外側面によって少なくとも部分的に境界付けられる半径方向間隙である、請求項1~10の何れか一項に記載の電動機。
- 前記第2の材料は、前記磁束障壁の層厚さより大きい電流表皮深さを有する、請求項1~11の何れか一項に記載の電動機。
- 請求項1に記載の電動機を駆動する方法であって、
前記複数の能動極と、前記公称間隙に沿って配置された一連の受動極を有する前記受動磁気部品(108)との間の前記公称間隙(805、905、1015、1130、1910)に沿って配置された前記複数の能動極(412、802、902、1012、1122)の第1の能動極を、前記第1の能動極に関連付けられた前記電気巻線(416、1904、2814、3314、3514)を通る電流をパルス化することであって、前記複数の能動極の隣接する能動極の巻線が通電されない少なくとも3つのパルスの系列を含む、パルス化することによって通電させること、及び、その後、
前記複数の能動極の第2の能動極を、前記第2の能動極に関連付けられた前記電気巻線を通る電流をパルス化することであって、前記第1の能動極の前記巻線が通電されない少なくとも3つのパルスの系列を含む、パルス化することによって通電させ、前記第2の能動極に関連付けられた前記電気巻線を通る電流のパルス化中の最小電流に対する最大電流の比が少なくとも4:1、具体的には少なくとも7:1、より具体的には10:1である電流波形に従い、前記第2の能動極に関連付けられた電気巻線を通して電流を通過させること
を含む方法。 - 回転子速度を検出し、且つ前記検出された回転子速度に応じて前記パルス電流の周波数を制御することをさらに含む、請求項13に記載の方法。
- 回転子速度変更中、電流パルス周波数を、少なくとも、各能動極が通電される周波数が前記パルス周波数の少なくとも2分の1である回転子速度まで維持することをさらに含む、請求項14に記載の方法。
- 第1の能動極に関連付けられた前記電気巻線(416、1904、2814、3314、3514)を通る電流をパルス化することは、前記第1の能動極から前記公称間隙(805、905、1015、1130、1910)にわたって受動極に隣接する第1の磁束障壁(704、906、1104、1304、1404)内に渦電流を生成し、前記磁束障壁は、前記公称間隙にわたって前記受動極より高い導電率を有する、請求項13~15の何れか一項に記載の方法。
- 前記第1の能動極を通電させ、且つその後、前記第2の能動極を通電させることは、前記第1の能動極から前記公称間隙(805、905、1015、1130、1910)にわたる前記第1の能動極と受動極との間の第1の力と、前記第2の能動極から前記公称間隙にわたる前記第2の能動極と受動極との間の第2の力とを生成する、請求項13~16の何れか一項に記載の方法。
- 前記第1及び第2の力は、前記能動極と前記受動極との間の相対運動を誘起する、請求項17に記載の方法。
- 前記相対運動は、前記回転子(420、600、700、1020、1100)の回転を含む、請求項18に記載の方法。
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