JP2024509200A - アクティブに整流されたロータ巻線を使用した電気機械内の電力のワイヤレス伝送 - Google Patents

アクティブに整流されたロータ巻線を使用した電気機械内の電力のワイヤレス伝送 Download PDF

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Abstract

ステータは、関連するステータ巻線を備えた複数のステータ極を定義する。ロータは、ステータによって実質的に通電されるように構成された関連するロータ巻線を備えた複数のロータ極を画定する。ロータは、ステータ巻線によって生成される磁場によって励磁可能なロータ磁場を画定し、ロータとステータとの間に相対力を生成する。アクティブ整流器は、１つ又は複数の第１のロータ巻線に導電的に結合される。アクティブ整流器は、１つ又は複数の第２ロータ巻線によってステータから無線で受信された信号に応答して、１つ以上の第１ロータ巻線を流れる電流の方向を制御するように構成される。【選択図】図１

Description

＜関連出願の相互参照＞
本出願は、２０２１年３月５日に出願された、「アクティブに整流されたロータ巻線を使用した電気機械内の電力のワイヤレス伝送」というタイトルの米国仮特許出願第６３／１５７，５６０号を参照し、その全文を本明細書に組み込む。
＜連邦政府の支援による研究に関する言明＞
該当なし。
本発明は、電気モータ及び発電機に関する。
電気モータは、一般に、ステータと呼ばれることが多い固定コンポーネントと、ロータと呼ばれることが多い回転コンポーネントを備える。電流は電磁場に変換され、ステータとロータの間に機械的な力又はトルクを及ぼし、仕事を行うために使用される。発電機も同様の原理で動作し、機械的な力が電流に変換される。主に回転力又はトルクの観点から説明するが、ここで説明する原理はリニアモータにも適用できる。リニアモータの場合、幾つか実装では、ロータが固定コンポーネントとして機能し、ステータが平行移動コンポーネントとして機能する。
本開示の様々な態様は、アクティブに整流されるロータ巻線を備えたモータを特徴とする。ロータ電流のアクティブ整流により、トルク生成効率の向上、モータ状態の制御の向上、その他の利点が得られる。
本開示で説明される主題の実装は、以下の特徴を備えた電気機械である。通電されてステータ極を画定するように構成されたステータ巻線を含むステータ。通電されて前記ステータ極と相互作用して前記ステータとの間に相対力を生成するロータ極を画定するように構成されたロータ巻線を含むロータ。前記ロータは前記ステータに磁気結合され、前記ステータから無線で電力伝送信号を受信するように構成されている。前記電気機械は、前記ロータに回転的に固定され、前記ロータ巻線の１つ又は複数の第１のロータ巻線に導電的に結合されたアクティブ整流器を更に含む。前記アクティブ整流器は、前記電力伝送信号から電気エネルギーを取得し、前記電力伝送信号から捕捉された前記電気エネルギーを前記１つ又は複数の第１のロータ巻線に導くことによって、前記１つ又は複数の第１のロータ巻線を流れる電流を制御する。
本開示で説明される主題の実装は、以下の特徴を含むモータ制御方法である。ロータによってステータから無線で電力伝送信号を受信し、前記ステータは、通電されてステータ極を画定するように構成されたステータ巻線を含み、前記ロータは、通電されて前記ステータ極と相互作用して前記ロータと前記ステータとの間に相対力を生成するロータ極を画定するように構成されたロータ巻線を含むように構成されており、前記ロータに回転的に固定されたアクティブ整流器によって、前記電力伝送信号から電気エネルギーを捕捉し、前記アクティブ整流器は、前記ロータ巻線の１つ又は複数の第１のロータ巻線に導電的に結合され、前記アクティブ整流器によって、前記電力伝送信号から捕捉された前記電気エネルギーを前記１つ又は複数の第１のロータ巻線に導くことによって、前記１つ又は複数の第１のロータ巻線を流れる電流を制御する。
本開示による電気機械の別の例は、以下の特徴を含む。関連するステータ巻線を持つ複数のステータ極を画定するステータ。実質的にステータによって通電されるように構成された関連するロータ巻線を備えた複数の固定ロータ極を画定するロータ。ロータは、ステータ巻線によって生成される磁場によって励磁可能なロータ磁場を画定し、ロータとステータとの間に相対力を生成する。アクティブ整流器は、１つ又は複数の第１のロータ巻線に導電的に結合される。前記アクティブ整流器は、ロータ巻線のうちの１つ又は複数の第２ロータ巻線によってステータから無線又は誘導的に受信される信号に応じて、１つ又は複数の第１のロータ巻線を流れる電流の方向を制御するように構成されている。
本開示で説明される主題の実装は、以下の特徴を備えたモータ制御方法である。ステータ電流は、モータのステータのステータ巻線を通じて送られ、ステータ電流は、モータのロータ内の１つ又は複数の第１のロータ巻線に直接結合する磁場を生成し、ステータに対するロータの移動を引き起こす。１つ又は複数のデータ信号がステータ電流に埋め込まれている。１つ又は複数のデータ信号は、ステータ電流によって生成される磁場の変調を生成するように構成される。変調は、変調が１つ又は複数の第２のロータ巻線によって受信されると、受信された変調に応答してアクティブ整流器が制御されるようになっている。
本開示で説明される主題の実装は、以下の特徴を備えたモータ制御方法である。ステータのステータ巻線は通電されて、ステータ内にステータ磁場を生成する。対応するロータ磁場は、磁束を確立することによって、ロータ磁場によってロータ極内の強磁性材料内で変更される。ロータの接線方向の力は、ステータの磁場の変化によって生成される。発生した接線方向の力によりロータが移動する。データ信号は、通電されたステータ巻線によって生成される。データ信号は次のようなものである：データ信号が１つ又は複数の第２ロータ巻線によって受信されると、アクティブ整流器は、受信したデータ信号に応じて制御され、エアギャップにおける磁束の通電遅れを制御し、エアギャップは、ステータの内面とロータの外面との間に画定される。受信されたデータ信号に応答して、ロータ内の磁束の減衰が、ステータ磁場の変化に応答して、１つ又は複数の第１のロータ巻線内の電流によって制御される。
前述の実装には、次の機能のいずれかを含むことができ、次の機能の全てを含むことができ、次の機能を全く含まなくてもよい。
幾つかの実装では、電気機械はコントローラを含む。
幾つかの実装では、コントローラは、複数の固定ロータ極のうち最も近いものに対して測定された電流角度でステータ巻線に電流を流すことによってトルク制御信号をステータ巻線に送信することによって、ステータ巻線に通電し、ステータ内にステータ磁場を生成するように構成されている。コントローラは、ロータ内の磁束の変化を制御するためにステータ巻線を介してデータ信号を送信するように構成することもできる。データ信号はトルク制御信号と異なっていてもよい。
幾つかの実装では、コントローラは、動作条件に応じて電流角度を調整し、動作条件に応じて送られる電流の大きさを調整するように構成される。ロータは、動作中にステータ巻線によって生成される磁場との同期を維持することができる。
幾つかの実装では、ロータには永久磁石が埋め込まれている。
幾つかの実装では、複数の固定ロータ極の１つに関連付けられた各ロータ巻線は、単一の対応するアクティブ整流器に導電的に結合される。
幾つかの実装では、信号を受信する１つ又は複数の第２のロータ巻線には、電流の方向が制御される１つ又は複数の第１のロータ巻線が含まれる。
幾つかの実装では、アクティブ整流器は、Ｈブリッジ構成で配置された複数のゲートを含む。アクティブ整流器は、Ｈブリッジ構成で配置された２つのダイオードと２つのゲートを含んでもよい。２つのダイオードは、少なくとも１つのロータ巻線と直列に配置されてもよい。２つのゲートは、１つ又は複数の第１巻線と直列に配置されてもよい。
幾つかの実装では、ゲートは、１つ又は複数の第２のロータ巻線によってステータから誘導的に受け取られた信号に応答して作動する。
幾つかの実装では、ゲートにはトランジスタが含まれる。
幾つかの実装では、電気機械は、１つ又は複数の第２のロータ巻線において、ステータ巻線によって生成された磁場によって誘導された電気信号を検出するように構成されたロータ制御部を含む。ロータ制御部は、ロータの動作設定値を示すデータ信号を電気信号から抽出するように構成されてもよい。ロータ制御部は、動作設定値に応答してアクティブ整流器のスイッチング動作を制御するように構成されてもよい。
幾つかの実装では、データ信号は振幅変調又は周波数変調によって電気信号に埋め込まれる。
幾つかの実装では、動作設定値には、ロータ巻線電圧設定値、ロータ巻線電流設定値、又はロータ電圧周波数設定値が含まれる。
幾つかの実装では、スイッチング動作の制御には、ロータ巻線電圧を対応するステータ巻線電圧よりも先行させ、ロータ巻線電流を積極的に弱めることを含む。
幾つかの実装では、電気機械は、１つ又は複数の第２のロータ巻線において、ステータ巻線によって生成された磁場によって誘導された電気信号を検出するように構成されたロータ制御ユニットを含む。ロータ制御部は、検出された電気信号に基づいてステータの動作状態を推定するように構成されてもよい。ロータ制御部は、推定された動作状態に応じてアクティブ整流器のスイッチング動作を制御するように構成されてもよい。
幾つかの実装では、ステータの動作状態には、ステータ巻線電圧が含まれる。
幾つかの実装では、ロータ巻線のうちのｎ個のロータ巻線が互いに導電的に結合される。電気機械は、更に、ｎ個の電圧成分を含む電圧を前記ステータ巻線に印加するように構成されたコントローラを備え、各電圧成分は、電圧成分に対応する電流によって生成される磁場によってｎ個のロータ巻線のそれぞれに結合する。ｎ個の電圧成分はそれぞれ別個の位相によって特徴付けられ、前記別個の位相は約３６０／ｎ度ずつ分離される。
幾つかの実装では、ｎ個のロータ巻線は、ロータの異なるそれぞれの極対に含まれている。
幾つかの実装では、アクティブ整流器は、ｎ個のロータ巻線のそれぞれに導電的に結合された共有キャパシタを備え、アクティブ整流器はｎ個のロータ巻線のそれぞれに流れる電流の方向を制御する間、共有キャパシタはエネルギーを蓄積する。
幾つかの実装では、ロータはｎ個の追加のロータ巻線を備える。
幾つかの実装では、ｎ個の追加のロータ巻線のそれぞれは、ｎ個のロータ巻線のうちの対応する１つとの極対に含まれる。
幾つかの実装では、ｎ個のロータ巻線は、アクティブ整流器によってｎ個の追加のロータ巻線に導電的に結合される。
幾つかの実装では、ｎ個の追加のロータ巻線は、アクティブ整流器に対してデルタ構成で導電的に結合される。
幾つかの実装では、ｎ個のロータ巻線は、直列に導電的に結合される。ｎ個のロータ巻線は、ｎ個の電圧成分に関して交互の極性で直列に導電的に結合されてもよい。
幾つかの実装では、電気機械は、アクティブ整流器及び１つ又は複数の第１のロータ巻線に導電的に結合されたローパスフィルタを含む。ローパスフィルタのＤＣ出力は、前記アクティブ整流器のＤＣ出力に導電的に結合されてもよい。
幾つかの実装では、アクティブ整流器は、ステータ巻線によって１つ又は複数の第１のロータ巻線に誘導される周期電圧にゼロシーケンスを導入するように構成されている。
幾つかの実装では、アクティブ整流器は、１つ又は複数の第１のロータ巻線に、前記ステータ巻線の対応する周期電圧と比較して約９０度シフトした周期電圧を生じさせるように構成される。
幾つかの実装では、アクティブ整流器は、１つ又は複数の第１のロータ巻線を介して、非ゼロのＤＣ電流を生成するように構成されている。
幾つかの実装では、ステータ極に関連し前記ステータ巻線によって生成される磁場は、対応するロータ極と実質的に沿っているＤ成分と、電気座標系内の対応するロータ極に９０度先行するＱ成分と、を含む。
幾つかの実装では、信号は、Ｄ成分の変調に含まれる。
幾つかの実装では、信号は、Ｑ成分の変調に含まれる。
幾つかの実装では、信号は、Ｄ成分とＤ成分の両方の変調に含まれる。
幾つかの実装では、１つ又は複数の第１のロータ巻線は、ステータとロータが誘導結合される第１の制御可能な軸に沿ってステータによって実質的に通電されるように構成され、信号は、ステータとロータが結合されている第２の異なる制御可能な軸に沿って誘導的に受信される。
幾つかの実装では、１つ又は複数の第１のロータ巻線は、ステータとロータが誘導結合される第１の制御可能な軸に沿ってステータによって実質的に通電されるように構成され、信号は、第１の制御可能な軸に沿って誘導的に受信される。
幾つかの実装では、磁場は、制御可能な軸に沿って１つ又は複数の第２のロータ巻線に結合し、信号は、変調された磁場の振幅、変調された磁場の周波数、又はその両方に基づく制御可能な軸上の電力伝送によって１つ又は複数の第２ロータ巻線によって誘導的に受信される。
幾つかの実装では、ステータ巻線によって生成される磁場は、対応するロータ極と実質的に沿っているＤ成分と、電気座標系内の対応するロータ極に９０度先行するＱ成分と、Ｄ成分及びＱ成分に直交するｚ成分と、を含み、信号は、ｚ成分の変調に含まれる。
幾つかの実装では、磁場は、１つ又は複数の制御可能な軸上で１つ又は複数の第１のロータ巻線及び１つ又は複数の第２のロータ巻線に結合される。
幾つかの実装では、相対力は、１つ又は複数の制御可能な軸のうちの第１の制御可能な軸に沿ったカップリングによって生成され、信号は、第１の制御可能な軸に沿って誘導的に受信される。
幾つかの実装では、アクティブ整流器によって、ロータ巻線の第１のセットにおける実質的なＤＣ電流、及びロータ巻線の第２の異なるサブセットにおける実質的な振動電流を生成するように構成される。
幾つかの実装では、アクティブ整流器は、ロータに取り付けられた１つ又は複数の回路基板に含まれる。
幾つかの実装では、１つ又は複数の第２のロータ巻線は、１つ又は複数の第１のロータ巻線を含む。
幾つかの実装では、信号の周波数は、ステータからロータに送信される、信号とは異なる、トルク制御信号の周波数とは独立である。
幾つかの実装では、ロータは複数のロータ極を画定する。ステータ巻線に通電されてもよい。複数の固定ロータ極のうち最も近いものに対して測定された電流角度でステータ巻線に電流を流すことによってトルク制御信号をステータ巻線に送信することによって、ステータ巻線に通電し、ステータ内にステータ磁場を生成されてもよい。データ信号は、ステータ巻線を介して送信され、ロータ内の磁束の変化を制御することができ、データ信号はトルク制御信号とは異なる。
幾つかの実装では、動作条件に応答して電流角度が調整されてもよい。
幾つかの実装では、動作条件に応答しステータ電流の大きさが調整されてもよい。
幾つかの実装では、ロータは、動作中にステータ電流によって生成される磁場との同期が維持される。
幾つかの実装では、１つ又は複数のゲートがアクティブ整流器内で作動する。
幾つかの実装では、ステータ電流によって生成される磁場によって誘導される電気信号が、１つ又は複数の第２のロータ巻線で検出される。ロータの動作設定値を示すデータ信号は、検出された電気信号から抽出されてもよい。１つ又は複数のゲートは、動作設定値に応じて制御されてもよい。
幾つかの実装では、データ信号は振幅変調又は周波数変調によって電気信号に埋め込まれる。
幾つかの実装では、動作設定値には、ロータ巻線電圧設定値、ロータ巻線電流設定値、又はロータ電圧周波数設定値が含まれる。
幾つかの実装では、ステータ電流によって生成される磁場によって誘導される電気信号が、１つ又は複数の第２のロータ巻線で検出される。検出された電気信号に基づいてステータの動作状態が推定されてもよい。１つ又は複数のゲートは、推定された動作状態に応じて作動してもよい。ステータの動作状態には、ステータ巻線電圧を含んでもよい。
幾つかの実装では、ステータ電流によって生成される磁場はロータ電流を誘導する。
幾つかの実装では、アクティブ整流器は、ロータ電流のＤＣコンポーネントがロータ電流のリップルの大きさの少なくとも約２倍になるように制御される。
幾つかの実装では、ゼロシーケンスは、磁場によって１つ又は複数の第１のロータ巻線に誘起される周期電圧に導入される。
幾つかの実装では、ステータ巻線の対応する周期電圧と比較して実質的に９０度シフトされた周期電圧が、１つ又は複数の第１のロータ巻線に生じる。
幾つかの実装では、ｎ個の周期的な電圧がステータ巻線に印加される。ｎ個の周期電圧はそれぞれｎ個のロータ巻線に、ｎ個の周期電圧に関連するステータ電流によって、結合するようにタイミングが調整され、ｎ個のロータ巻線は互いに導電的に結合されている。ｎ個の周期電圧はそれぞれ別個の位相によって特徴付けられ、別個の位相は約３６０／ｎ度ずつ分離される。
幾つかの実装では、１つ又は複数の第１のロータ巻線の電圧にローパスフィルタリングが適用される。
幾つかの実装では、エネルギーは、１つ又は複数の第１のロータ巻線のうちの少なくとも２つに共通の共有キャパシタに蓄積される。
幾つかの実装では、ステータ電流によって生成される磁場は、対応するロータ極と実質的に沿っているＤ成分と、電気座標系内の対応するロータ極に９０度先行するＱ成分と、を含む。
幾つかの実装では、１つ又は複数のデータ信号は、Ｄ成分の変調に含まれる。
幾つかの実装では、１つ又は複数のデータ信号は、Ｑ成分の変調に含まれる。
幾つかの実装では、１つ又は複数のデータ信号は、Ｄ成分とＤ成分の両方の変調に含まれる。
幾つかの実装では、磁場は、１つ又は複数の第１のロータ巻線に、ステータとロータが誘導結合される第１の制御可能な軸に沿って結合し、変調は、ステータとロータが結合されている第２の異なる制御可能な軸に沿って誘導的に受信される。
幾つかの実装では、磁場は、１つ又は複数の第１のロータ巻線に、ステータとロータが誘導結合される第１の制御可能な軸に沿って結合し、信号は、第１の制御可能な軸に沿って誘導的に受信される。
幾つかの実装では、磁場は、制御可能な軸に沿って１つ又は複数の第１のロータ巻線に結合し、変調は、変調された磁場の振幅、変調された磁場の周波数、又はその両方に基づく制御可能な軸に沿って誘導的に受信される。
幾つかの実装では、ステータ電流によって生成される磁場は、対応するロータ極と実質的に沿っているＤ成分と、電気座標系内の対応するロータ極に９０度先行するＱ成分と、Ｄ成分及びＱ成分に直交するｚ成分と、を含む。１つ又は複数のデータ信号は、ｚ成分の変調に含まれる。
幾つかの実装では、磁場は、１つ又は複数の制御可能な軸上で１つ又は複数の第１のロータ巻線及び１つ又は複数の第２のロータ巻線に結合される。
幾つかの実装では、動きは、１つ又は複数の制御可能な軸のうちの第１の制御可能な軸に沿ったカップリングによって生成され、１つ又は複数のデータ信号は、第１の制御可能な軸に沿って誘導的に受信される。
幾つかの実装では、実質的なＤＣ電流がロータ巻線の第１のセットに印加され、実質的に振動する電流がロータ巻線の第２のセットに印加される。
幾つかの実装では、１つ又は複数のデータ信号の周波数は、モータのロータ内の１つ又は複数の第１のロータ巻線に直接結合してロータの移動を引き起こす磁場を生成するステータ電流の周波数とは独立している。
アクティブな整流が行われない場合、モータのロータ側電流には、結合されるステータ側電流とロータ巻線に結合されたパッシブ部品に（例えば、ＬＣ時定数を定義するパッシブ部品）に依存する、タイミングと生成／減衰特性を持つ。アクティブ整流は、ロータ巻線電流の正確な選択、調整、及び随時（on-the-fly）変更を可能にし、効率（例えば、動力伝送効率、トルク効率）を最大化し、モータの動作モードを定義する。
この開示の多くは、効率を高め、及び／又は回路設計の制約を回避するアクティブ整流の実装に関する。例えば、異なる極対の巻線がアクティブ整流器回路の全部又は一部を共有してもよく、必要な回路部品の総量を減らすだけでなく、回路動作を改善する（例えば、ピーク電圧を下げる）こともできる。一部の実装は、結合されたロータ巻線のセット内のＡＣ電流とＤＣ電流の分離に関し、これにより、考えられる利点の中でも特に、アクティブ整流器回路の最大電力を削減できる。幾つかの実装は、極対内の異なる巻線でＡＣ電流とＤＣ電流を分離することを含む。
本開示の一部はアクティブ整流器回路の制御に関する。自己同期制御設計により、必要な回路の複雑さを軽減できる。一部の設計は信号ベースであり、ステータ巻線からのデータ信号がロータ巻線に送信される。（例えば、個別のブラシ、センサ、又は無線コンポーネントとは対照的に）この方法でのデータ信号の送信は、回路の複雑さとコストを削減することもできる。異なる励磁軸間でトルク制御、電力伝送、及びデータ信号機能を分離することにより、高度な設計の柔軟性が可能になる。
本開示で説明される主題の１つ又は複数の実装の詳細は、添付の図面及び以下の説明に記載される。以下の説明では、図を通して、同じ部分を指すために同じ参照番号が使用される。主題の他の特徴、態様、及び利点は、説明、図面、及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。
図１は、例示的な電気駆動システムの概略図である。 図２は、電気巻線用の例示的な電源スイッチの概略図である。 図３Ａ及び３Ｂは、アクティブに整流されたロータ巻線を備えた例示的な電気機械の側面図及び斜視図である。 図４Ａ－４Ｃは、例示的なアクティブに整流されたロータ巻線についての、それぞれ、正面図、斜視図、及び側面図である。 図５Ａ及び５Ｂは、本開示の態様とともに使用することができる例示的なアクティブ整流器の回路図である。 図６Ａ及び６Ｂは、本開示の態様とともに使用することができる例示的なロータ制御回路トポロジの概略図である。 図７Ａは、例示的な電気機械のコンポーネントの電圧の経時的なプロットである。 図７Ｂは、本開示の態様とともに使用することができる例示的なロータ制御回路トポロジの概略図である。 図８は、例示的な電気機械のコンポーネントの電流及び電圧の経時的なプロットである。 図９は、本開示の態様とともに使用することができる例示的な回路トポロジのブロック図である。 図１０は、本開示の態様とともに使用することができる、例示的なアクティブ整流器を含む例示的な回路トポロジの概略図である。 図１１は、例示的な電気機械のコンポーネントの電流及び電圧の経時的なプロットである。 図１２は、ｎ個の巻線コイル及びｎ個の整流器を備えた例示的なロータ回路トポロジの概略図である。 図１３は、本開示の態様とともに使用することができる、回路トポロジの概略図である。 図１４は、本開示の態様とともに使用することができる、回路トポロジの概略図である。 図１５は、本開示の態様とともに使用することができる、回路トポロジの概略図である。 図１６は、本開示の態様とともに使用することができる、回路トポロジの概略図である。 図１７Ａ－１７Ｃは、ＡＣ電圧とＤＣ電圧の経時的なプロットである。 図１８は、本開示の態様とともに使用することができる、回路トポロジの概略図である。 図１９は、本開示の態様とともに使用することができる、回路トポロジの概略図である。 図２０Ａは、本開示の態様とともに使用することができる、回路トポロジの概略図である。 図２０Ｂは、経時的な電圧のプロットである。 図２１Ａ－２１Ｂは、それぞれ、アクティブ整流ロータを含むモータの側面図及び斜視図である。 図２１Ｃ－２１Ｆは、アクティブ整流器を含むロータの図である。 図２１Ｇ－２１Ｊは、アクティブ整流器を含む別のロータの図である。 図２２は、本開示の態様とともに使用することができる、例示的なコントローラのブロック図である。 図２３は、本開示の態様とともに使用することができる、方法のフローチャートである。 図２４は、本開示の態様とともに使用することができる、方法のフローチャートである。 図２５は、本開示の態様とともに使用することができる、インバータ回路トポロジの概略図である。 図２６は、本開示の態様とともに使用することができる、インバータ回路トポロジの概略図である。 図２７は、本開示の態様とともに使用することができる、方法のフローチャートである。
様々な図面における同様の参照番号及び指定は、同様の要素を示す。
本開示による実装では、モータのロータ巻線は、ステータ巻線の振動電流によって充電される。充電されると、ロータ巻線にはロータ電流が流れ、この電流がステータ巻線の電流によって生成される磁場と結合し、ロータに起電力を生成する。
ただし、ロータ電流の一部の特性はモータの機能に悪影響を与える可能性がある。例えば、起電力の大きさはロータ電流の強さに関係するため、ロータ電流のリップルによってロータの起電力トルクにリップルが生じ、モータの動作が不均一になる可能性がある。別の例として、ロータ電流のリップルは、直接的（ロータ巻線を「再充電」する必要があるため）又は間接的に（リップルにより、例えばロータの積層などで渦電流損失が増加するため）、電力損失を表す可能性がある。従って、ロータ巻線に導電的に結合された制御要素、例えばロータ電流リップルを低減するように構成された制御要素を導入することが有益である可能性がある。
第１のステップとして、ロータ巻線は、例えば、ロータ巻線に短絡されたパッシブ整流器（例えば、ダイオード）によってパッシブ的に整流されてもよい。このようなパッシブ整流器は、ロータ巻線内の電流を一方向にし、ステータ巻線の振動駆動電流に対して非対称の誘導応答を生成し、モータ動作中のロータ電流リップルを低減する。
ただし、パッシブ整流には欠点がある場合がある。第１に、ダイオードを使用して実装されたパッシブ整流器は、各ダイオードが対応する電圧降下（例えば、数十分の１ボルト）をダイオードに導入するため、ロータコイルに損失をもたらす。この電圧降下は、ロータ巻線に伝送される無駄な電力を表すだけでなく、放熱を生成し、放熱は、冷却などによって考慮する必要があるか、整流器の動作を損なう可能性がある。
第２に、場合によっては、パッシブ整流の実装は、ロータの電流サイクルにロック状態を導入することを意味する。ロック状態では、ロータ巻線を流れるロータ電流はゼロに減少し、その結果、ロータ巻線上の反発トルクもゼロに減少する。
従って、本開示に記載されているように、ロータ巻線はアクティブに整流され、（パッシブ整流システムと比較して）電流リップルが低減され、モータ効率が向上する。言い換えれば、ステータ巻線はロータ巻線に無線で電力を伝送することができ（ステータからロータへの正味電力伝送）、また、アクティブ整流器は、無線で伝送された電力から電気エネルギーを取得し、この電気エネルギーのロータ巻線への印加を制御して、ロータ磁場を生成することができる。ロータ磁場は、ステータ巻線によって生成されるステータ磁場と相互作用してトルクを生成し、ロータを回転させる。幾つかの実装では、アクティブ整流器は、ステータ巻線自体から送信される信号によって制御されるため、ブラシやセンサを組み込んだシステムと比較してモータの複雑さが軽減される。
このような無線電力伝送及び制御信号伝送のためのステータとロータの直接結合には、幾つかの利点がある。第１に、動的条件下で２つのシステム（ステータとロータなど）を適切な位置に維持するための複雑さと累積誤差を軽減できる。第２に、ロータのスタック高さを低くすることができ、ロータの軸方向の長さを増大させるスリップリングやその他の二次カップリングアセンブリがロータに含まれていないため、よりコンパクトなパッケージングが可能になる。第３に、液冷が二次カップリングに干渉することなく液冷が可能になる。第４に、一次多相ステータインバータを信号と電力の両方に利用できるようにすることで、二次電力インバータの必要性をなくすか減らすことができる。更に、無線電力伝送用のステータとロータの直接結合にアクティブ整流を採用すると、パッシブ整流に比べて幾つかの利点が得られる。得られる利点は、トルク出力の増加、トルクリップルの低減、ロータ電流を比較的一定に保つことができること、消費電力の低減、過渡性能の向上、ステータインバータへのストレスの低減、充電のための整流に「デッドゾーン」がないこと、ヒステリシス（例えば、鎖交磁束のリップルが最小限に抑えられる）及び渦電流（例えば、リップルの振幅が小さいと渦電流損失が減少する）の観点からコア損失が低下すること、ロータ界磁巻線の極性を制御する能力、ロータ磁場の極性又はロータ極を再構成する能力、及び／又は磁束が弱まる追加の機会（例えば、磁束を弱めるためのＬ／Ｒ時定数の代わりに磁束を弱めるアクティブ制御）、のうち１つ又は複数を含む。
図１は、電気モータ１０２と、電気モータ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、電気モータ１０２を動作させて負荷１１０を駆動するように構成されている。負荷１１０は、ギアセット、車輪、ポンプ、コンプレッサ、又は複数のモータをリンクして並列運転できる別のモータなどの、追加の歯車列であってもよい。
電気モータ１０２は、モータハウジング１０５に対して回転可能な出力シャフト１０７を有し、出力シャフト１０７は、モータコンポーネントの回転及び他の運動に関する基準であると考えられる。使用時、出力シャフト１０７は、適切な電力及びモータコントローラ１０４からの信号によって電気的に作動されると、電気モータ１０２が回転動力を与えることができる負荷１１０に結合することができる。出力シャフト１０７は、モータを通って延びることができ、モータの両端が露出しているため、モータの両端で回転力を伝送できる。モータハウジング１０５は、出力シャフト１０７の回転軸に関して回転対称であることができるが、任意の外形であってもよく、一般に、モータ動作中のハウジングの回転を防止するためにモータハウジング１０５を他の構造に固定するための手段を含むことができる。
電気モータ１０２は、ステータなどのアクティブ（active）磁気コンポーネント１０６と、ロータなどのパッシブ（passive）磁気コンポーネント１０８とを含む。説明のため、以下では、アクティブ磁気コンポーネントの代表例として「ステータ」を使用し、パッシブ磁気コンポーネントの代表例として「ロータ」を使用する。
ロータ１０８はステータ１０６に関連付けられており、ロータ１０８は、例えば、インターナルロータラジアルギャップモータ（internal rotor radial-gap motor）では、ステータ１０６内に配置されることができ、例えば、アキシャルギャップモータ（axial-gap motor）やリニアモータ（linear motor）では、ステータに平行に配置されることができ、例えば、アウタロータラジアルギャップモータ（outer rotor radial-gap motor）では、ステータの周囲に配置されることができる。以下により詳細に説明するように、適切に制御されたステータ１０６内の電気的活動は、ロータ１０８の運動を駆動する。ロータ１０８は、出力シャフト１０７に回転的に結合されており、結果として生じるロータ運動の回転コンポーネントが出力シャフト１０７に伝送され、これにより、出力シャフト１０７が回転する。ステータ１０６はハウジング１０５に固定されており、これにより、動作中に、ロータ１０８は、ステータ１０６の周りを移動する、又はステータ１０６と平行に移動する。
電線のループを通って流れる電流により、実質的に均一な起磁力（magnetomotive force (MMF)）が生じ、その結果、巻かれた領域又は囲まれた領域内にモータ極が生じる。一般的なモータでは、このようなループは、必要な電流負荷を運ぶのに十分な直径を持っているが、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ほど薄い。極の磁場の強度を高めるために、多数のターン、又はグループとして巻かれたワイヤの共延ループが使用されてもよい。このトポロジは、通常、巻線界極と呼ばれる。このようなグループとして巻かれたワイヤの共延ループのセットはコイルと呼ばれる。この開示の目的上、ステータ又はロータ内で一緒に動作する１つ又は複数のコイルを巻線と呼ぶ。
場合によっては、コイルは、ロータ又はステータの複数の歯に重なって取り囲むことができる。このように重なったコイルは、アーマチュア又は分布巻線と呼ばれる。極はこの分布巻線の磁気中心であり、そのため、極は、巻線を流れる駆動電流に応じて、このような分布巻線内の個々のコイルに対して移動することができる。
ステータ１０６は、関連する電気巻線を有する複数のステータ極を画定し、ロータ１０８は、本開示を通じてさらに詳細に示される例のように、複数のロータ極を含む。ロータ１０８は、ステータ１０６とともに、この開示を通じてさらに詳細に説明される例などのように、ステータ極とロータ極との間に公称エアギャップを画定する。ロータ１０８は、運動方向に沿ってステータ１０６に対して移動可能である。
図２は、個々の電気巻線１３２に対する別の例示的な電源スイッチ２００を示す。電源スイッチ２００は、Ｈ形のような構成において、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、及び２０２ｄを含むＨブリッジ回路を有することができる。スイッチング素子２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、及び２０２ｄは、バイポーラ又はＦＥＴトランジスタとすることができる。各スイッチング素子２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、及び２０２ｄは、それぞれのダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、及びＤ４と結合することができる。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ってよい。ブリッジの上端は電源、例えばバッテリＶｂａｔに接続され、下端は接地される。スイッチング素子２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、及び２０２ｄ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２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、及び２０２ｄに送信するように動作可能なモータコントローラ１０４（図１）に結合することができる。制御電圧信号は、直流（ＤＣ）電圧信号又は交流（ＡＣ）電圧信号とすることができる。
スイッチング素子２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、及び２０２ｄは、モータコントローラ１０４（図１）によって個別に制御することができ、独立してオン及びオフにすることができる。場合によっては、スイッチング素子２０２ａ及び２０２ｄがオンになると、ステータの左側のリードが電源に接続され、右側のリードがグランドに接続される。電流がステータを通って流れ始め、電気巻線１３２を順方向に通電する。場合によっては、スイッチング素子２０２ｂ、２０２ｃがオンになると、ステータの右側のリードが電源に接続され、左側のリードがグランドに接続される。電流がステータを通って流れ始め、電気巻線１３２を逆方向、逆方向に通電する。すなわち、スイッチング素子を制御することによって、電気巻線１３２は２つの方向のいずれかに通電／作動することができる。主に単相Ｈブリッジ構成を使用するものとして図示及び説明されているが、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もできる。
モータコントローラ１０４は、本開示を通じて更に詳細に説明されるように、それぞれの極通電デューティサイクルでスイッチ２００を連続的に動作させて、ステータ極とロータ極との間のエアギャップを横切る磁束を生成するように構成することができる。スイッチを制御してステータ極に順次通電し、ロータを引っ張る局所的な引力を生成できる。このような連続的な通電（又は作動）により、ロータ１０８、出力シャフト１０７、及び負荷１１０の回転を引き起こすことができる。
モータのコンポーネント及び制御は、モータロータ及び／又はステータのＤ軸３１２（図３Ａに示される例）及びＱ軸を参照して議論されることがある。モータの直軸又はＤ軸３１２は、エアギャップ３１４に垂直な極３０８の中心線として定義されてよく、ステータ極又はロータ極３０８のいずれかに適用されてよい。ロータは、同期座標系で見られるように、各極のＤ軸３１２によって特徴付けられてもよい。巻線ロータでは、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広がっているかに関係なく、Ｄ軸３１２は、コイル又は界磁巻線の合成磁気中心の中心点である。ステータ極も同様に特徴付けることができる。
Ｑ軸は、磁気座標系内でＤ軸（例えば、Ｄ軸が０°において）に垂直である（つまり、ロータ極が４つある機械では電気的に９０°、又は、幾つかの実装では、ｎｐ個の極を備えた機械の場合３６０°／ｎｐ）。幾つかの実装では、Ｑ軸は電気的にＤ軸に対して垂直であり、両方ともロータが回転する平面内にある。一般に、Ｑ軸に沿った力はトルクなどの起電力を生成する。トポロジ的には、ロータ又はステータのＱ軸は通常、２つの極の間に直接配置される。
軸は、ロータ極との関係に関して「長」（ｍａｊｏｒ）又は「短」（ｍｉｎｏｒ）と表現されることもある。本明細書に記載される例示的な実施形態は、Ｄ軸及びＱ軸に言及する場合、特に指示がない限り、長Ｄ軸及び長Ｑ軸を指す。しかしながら、本開示による幾つかの実施形態では、ステータ－ロータ結合（例えば、電力伝送及び／又はデータ信号伝送）は、短軸上で行われてもよい。例えば、ロータ極のＤ軸からずれたＤ軸を持つロータコイルは、独自の短Ｄ軸を持っていると言える。
制御信号をＤ－Ｑ軸コンポーネントに変換できるこのようなシステムでは、３番目のｚ軸コンポーネントも存在し、Ｄ軸又はＱ軸に直接マッピングされない信号量として記述することができる（例えば、幾つかの実施形態では、Ｑ成分及びＤ成分が見られる平面に直交するコンポーネントとして記述することができる）。
電流フェーザ角度３１８は、ステータの磁気中心に対するロータのＤ軸３１２の相対角度である（図３Ａに示される例）。正の電流フェーザ角度は、ステータの磁気中心がロータの極よりも運動方向の前方にあることを示す。このような状況により、ステータの磁気中心がロータ極をステータの磁気中心に向かって「引っ張る」ことになる。同様に、負の電流角度は、ステータの磁気中心がロータ極の後ろにあることを示す。このような状況では、ロータ極が反対方向に「引っ張られる」。このような負の電流フェーザ角度３１８は、制動状況で使用することができる。幾つかの実装では、９０°を超える電流フェーザ角度３１８を使用することができる。このような大きなフェーザ電流角３１８は、隣接する極を運動方向に「押す」ことができる。同様に、９０°未満の電流フェーザ角度３１８を使用して、ブレーキ動作中などに隣接する極を反対方向に「押す」ことができる。静止座標系と同期座標系の間の電流フェーザ角度３１８の変換は、次の方程式を使用して行うことができる。
θｅ＝（Ｐ／２）θｍ， （１）
但し、θｅは、同期座標系内の電流フェーザ角度であり、Ｐは、ステータ極の数であり、θｍは、静止座標系における電流フェーザ角度である。電流フェーザ角度に関係なく、Ｄ軸コンポーネントとＱ軸コンポーネントに分解できる。一般に、本明細書に記載のモータ及び発電機では、Ｄ軸コンポーネントはロータ極内の磁場を「充電」又は変調するように作用し、一方、Ｑ軸コンポーネントはロータ極に力又はトルクを与えるように作用する。この実施形態及び本明細書に記載の他の実施形態では、変調磁場が一次トルク生成チャネルに直交しているため、電力伝送は電気機械のトルク性能に干渉しない。Ｄ軸はまた、本開示を通じて詳細に説明されるように、ステータ巻線からロータ巻線へのデータ信号の直接的な並列伝送、又は制御信号のコンポーネントとして、又はその両方に使用することもできる。
図３Ａ及び３Ｂは、例示的な電気機械３００の側面図及び斜視図である。電気機械３００は、関連するステータ巻線３０４を有する複数のステータ極を画定するステータ３０２を含む。「モータ極」は、特定の時点でエアギャップ全体に単一極性の磁束を放出するステータ又はロータのトポロジカルセクションとして説明できる。電気モータの極番号や位置を決定する際には、ステータ又はロータのバックアイアンに流れる磁束が考慮される。極は通常、５，０００ガウスを超える可能性のある高磁場領域によって特徴付けられる。極は永久磁石又は電磁場から生じうる。ステータ又はロータの極の数は製造中に固定されることが多いが、本明細書で説明する幾つかの実装では、ロータ、ステータ、又は両方の極の数は動作中に変更することができる。
ここに図示されているステータ３０２は突型（salient）集中ステータ巻線３０４を有するものとして図示されているが、本開示から逸脱することなく分散及び／又は非重なりステータ巻線も同様に使用することができる。ロータ３０６は、関連するロータコイル３１０を有する複数のロータ極３０８を画定する。
様々なステータ及びロータのトポロジ及び駆動機構に関する更なる詳細は、米国仮特許出願第１７／１５１，９７８号に記載されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
図示されているように、ロータコイル３１０のそれぞれはアクティブ整流器３１１に短絡されている。各コイル３１０に対してアクティブ整流器を有するように図示されているが、本開示から逸脱することなく他の構成を使用することもできる。例えば、複数のロータコイルを単一のアクティブ整流器に直列又は並列に導電結合することができる。アクティブ整流器トポロジの例は、本開示全体にわたって提供される。アクティブ整流器のコンポーネントの選択は、電圧降下、逆電圧降伏、回復時間などの様々な要因に応じて決まる。所望の動作条件に応じて、異なるコンポーネントを使用できる。アクティブ整流器により、パッシブ整流方式と比較してリップルが低減され、電流がロータコイル３１０のそれぞれを通って所望の方向に所望の大きさで選択的に流れることが可能になる。
アクティブ整流器３１１はそれぞれのコイル３１０上に配置されるように示されているが、幾つかの実装形態では、アクティブ整流器はロータ内又はロータ上の別の場所に配置される。例えば、幾つかの実施形態では、アクティブ整流器３１１はロータコア内又はロータコア上に配置される。
アクティブ整流器３１１は、回路結合器４２２によってロータコイル３１０に導電的に結合される（図４Ａ及び図４Ｂを参照）。幾つかの実装では、回路結合器４２２は、ロータコイル３１０自体の延長部、例えば、ロータコイル３１０を形成する銅配線の絶縁された長さである。幾つかの実装では、回路結合器４２２は、別個の構成要素、例えばアクティブ整流器３１１に差し込まれ、ロータコイル３１０にも（例えば、クランプ又はクリップによって）取り付けられるケーブルである。
アクティブ整流器３１１自体は、幾つかの実装形態では、筐体内部に回路コンポーネントを封入する筐体を含む。エンクロージャは、例えば、プラスチック又は他の絶縁材料で作ることができる。
この開示を通じてより詳細に説明されるように、エンクロージャ内では、回路構成要素（例えば、トランジスタ、キャパシタ、ダイオード、インダクタ、及び／又は抵抗、幾つか実装では、集積回路及び／又は回路基板上に統合される）の組み合わせが、ロータコイル３１０内の電流のアクティブ整流を実現する。幾つかの実装では、ポッティング材は、回路コンポーネントが占有していないエンクロージャ内のスペースの一部又は全てを埋める。
幾つかの実装では、アクティブ整流器３１１は、１つ又は複数のコイルインターコネクト（interconnects）３２２を含む。コイルインターコネクト３２２は、１つ又は複数のコイル又は巻かれた界磁極を相互に又は別個の電気回路に接続することができるワイヤの領域である。インターコネクトは動作中に小さなローカルＭＭＦのみを生成する。これは、インターコネクトが通常、ステータ及びロータのスロットに対して実質的に垂直であるため、モータのエアギャップ全体にわたる均一な磁場生成に大きく寄与しないという事実と結びついている。図示の実装にはアクティブ制御回路（例えば、アクティブ整流器３１１）が含まれているが、コイルインターコネクト３２２内に他の個別コンポーネントを含めることもできる。例えば、ダイオードなどのパッシブ整流コンポーネントを含めることができる。或いは、又は、これに加えて、トランジスタや四極管などのアクティブ回路を含めることもできる。
ロータ極３０８は、ロータ表面上にトポロジ的に且つ電気的に固定される。ステータロータは、極がモータの同期座標系に対してトポロジ的且つ電磁的に固定又は静的に保持されるロータであり、例えば、ロータ３０６は固定極ロータである。すなわち、（固有のレベルのトルクリップルを考慮して）ロータ３０６は常に、ステータによって提供され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。従って、同期座標系は磁気座標系と同じである。このため、固定極モータは「同期」モータと呼ばれることがよくある。界磁巻線ロータ、表面ＰＭロータ、リラクタンスモータ、内部ＰＭロータは全て固定極ロータの例である。固定極ロータの設計は、ロータのＤ軸３１２領域（ロータ極の中心）における強磁性材料の利用を最大化し、巻線界磁ロータの場合には、有効な磁気中心がＤ軸３１２に沿うことを保証する。その結果、特定のサイズと出力定格では、固定ポールロータの方がシフトポールロータよりも効率的であると考えられる。ただし、固定極ロータは、動的負荷条件及び動的運転速度下で固定極ロータを一定の電流フェーザ角度に維持することが困難であるため、制御が困難である。例えば、負荷の変化中にモータを加速したり速度を維持したりするには、位置センサ３１６からの入力に基づいて電流フェーザ角度３１８、電流の大きさ、及び／又は駆動周波数をアクティブに調整することが必要となる。本明細書で説明される概念は、ステータ磁場とロータ、例えばロータ３０６が動作中に相互の同期性を維持するため、主に同期機械に適用できる。
対照的に、シフトポールロータのポールは、地形的又は電磁的に固定されておらず、動作中に静止した座標系に対して移動する。つまり、ロータは常に「スリップ」し、ステータによって提供される駆動周波数に遅れるか、同期が取れなくなる。そのため、これらのモータは「非同期」モータと呼ばれることがよくある。シフトポールロータの例には、巻線及びかご形誘導ロータ、電機子巻線ロータ、ブラシモータ、及び他の同様のモータが含まれる。シフト極ロータは動作中に電流フェーザ角度３１８を自己調整できるが、極がロータ表面全体で均一に移動できるようにするために、Ｄ軸強磁性材料とＱ軸界磁巻線の間で設計上の譲歩を行う必要がある。その結果、このようなモータの電気抵抗は高くなり、より多くの始動電流が必要となり、所定のサイズと出力定格のシフトポールロータでは磁場強度が低くなる。
ロータ３０６の磁場は、磁場がロータ磁場に誘導的に電力を伝送し、その電力が捕捉されて付勢源として使用されて、ステータ巻線３０４によって生成される磁場によって、最終的に、付勢されるように構成されている。ロータ３０６及びステータ３０２は、励起されたロータ磁場に応じて相互に移動するように構成されている。ロータ３０６は、ステータ巻線３０４を除くステータ３０２のコンポーネントから実質的にエネルギー的に絶縁されている。
電気機械内では、ステータとロータを結合して、動作中の電力伝送、データ信号伝送、及び／又は界磁変調を可能にすることができる。結合は、直接結合又は間接結合として分類できる。直接結合は、エアギャップ３１４などの主動作エアギャップに沿ってステータとロータとの間で発生する。間接結合は、主動作エアギャップから離れた二次界面に沿って発生する。
直接結合は通常、誘導結合として特徴付けられる。例えば、かご形誘導ロータはステータに直接結合されていると見なされる。直接結合は一般的であり、非同期マシンでは容易に制御されるが、同期マシンとの直接結合は、本開示全体にわたって説明される理由により、制御が困難である。例えば、電流の大きさ及び／又は周波数が適切に維持されていることを確認するために、ロータの位置を知る必要があることがよくある。
間接結合は二次結合に沿って動作し、半径方向又は軸方向に配置でき、電気接点、別個のエアギャップに沿った誘導結合、容量結合、又は光学結合を介して通信してもよい。二次カップリングは電気機械の効率や全体的な制御性を向上させるために様々な機能に使用できるが、多くの場合、追加のコンポーネントが必要になるため、そ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、コスト（運用コストと資本コストの両方）が増加する可能性がある。
本開示を通じて説明されるような、エネルギー的に絶縁されたモータ及び発電機は、主に（標準的な電磁シールド許容範囲内で）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、ステータとロータとの間で電力及び信号を伝送する。本明細書で説明される電気機械は、電力結合と信号結合の両方のために、ロータ３０６とステータ３０２との間の直接結合を含む。直接信号結合は、例えばアクティブ整流器３１１の状態を制御するために使用できる。直接電力結合は、例えば、ロータ界磁巻線を介してアクティブ整流器３１１に通電し、最終的には、（例えば、直接信号結合によって制御されうる）ロータ界磁巻線に戻すのに使用できる。
ロータ３０６は、ロータ３０６内に埋め込まれた永久磁性材料３２０を含む。図示のように、ロータ３０６は、各ロータ極間に実質的にスポーク状に配置された永久磁性材料３２０のチャネルを含む。しかしながら、本開示から逸脱することなく、永久磁性材料３２０の他の配置を使用することもできる。永久磁性材料３２０は、フェライト、ＡｌＮｉＣｏ、ＳｍＦｅＮ、ＮｄＦｅＢ、又はＳｍＣｏを含む様々な材料を含むことができる。通常、より低出力の永久磁性材料が使用されるが、本開示から逸脱することなく、より少量のより高出力の磁性材料を使用することもできる。永久磁性材料３２０は、各ロータ極３０８の長手方向の全長にわたって、又は各ロータ極３０８の一部にわたって延在することができる。幾つかの実装では、永久磁性材料３２０は、複数の層又は積層体で構成することができる。
図示されるように、永久磁性材料３２０は、実質的に各ロータ極３０８の間に正味の磁力を生じさせる。幾つかの実装では、永久磁性材料は、永久磁性材料３２０からの正味の磁力がロータ極３０８と整列するように配置することができる。一般に、永久磁性材料３２０の配置は、ロータ内の磁性材料の所望の断面磁束密度に依存する。永久磁性材料３２０がロータコイル３１０内に配置される実装では、周囲のロータコイル３１０の電荷を調整することによって、永久磁性材料３２０の各セットの磁束を個別に調整及び／又は変調することができる。このような実装は、強力なステータ磁場によって引き起こされる可能性のある減磁からも磁石を保護する。永久磁性材料３２０がロータコイルによって囲まれていない実装では、ステータ磁場によって引き起こされる磁束の調整が、ロータ３０６内の複数のセットの永久磁性材料３２０に影響を与える可能性がある。本開示の主題は、永久磁性材料３２０を含むものとして時々説明されるが、永久磁性材料を含まないロータにも依然として適用可能である。
図４Ａ～４Ｃは、例示的なロータコイル３１０の正面図、側面図、及び斜視図である。図３Ａ及び３Ｂに示されるように、各ロータコイル３１０は、ロータ極３０８などの各極の周囲に単一のコイルを有する独自の巻線として機能する。従って、ロータは、集中巻線、突型（salient）巻線、及び／又は非重なり（non-overlapping）巻線を含むものとして説明することができる。幾つかの実装では、各コイルの巻線方向は、隣接する各ロータ極３０８と交互になることができる。例えば、突型巻線、集中巻線、及び／又は非重なり巻線を有するステータを使用する実装形態では、そのような配置を使用することができる。或いは、アクティブ整流器３１１の整流方向は、隣接する各極と交互になるように制御することができ、同様の結果が得られる。幾つかの実装では、隣接するロータ極間で巻き方向を交互にする必要はない。例えば、分布巻を備えたステータを使用する実装では、そのような配置を使用できる。ロータコイル３１０は、（例えば、アクティブ整流器３１１を介して）それ自体で短絡された単一のワイヤ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ができる。幾つかの実装では、例えば、アクティブな整流器を共有するために、同じ極性の極を互いに短絡することができる。このような構成は、本開示全体にわたって説明される。同様に、各極の巻き方向に応じて、反対の極性の極が互いに短絡してもよい。一般に、ロータコイルは、電力伝送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。本開示の文脈における「電流表皮深さ（Electrical current skin depth）」とは、電流、特に所定の周波数で変化する磁場から誘導される渦電流が主に流れる導体の表面からの深さを指す。特定の材料について、表皮深さは次のように計算できる。
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、σは、材料の導電率である。ロータコイル３１０内で完全な表皮深さの貫通を達成することにより、ロータコイル３１０内で均一なインダクタンスが可能になる。幾つかの実装では、駆動周波数は、０ヘルツから２０ヘルツまで拡張できる。幾つかの実装では、駆動周波数の範囲は、１００ヘルツから３０００ヘルツである。一般に、ロータコイルは、ロータからの磁場の変化に応じてロータ内の磁束の減衰がロータコイル内の電流によって抵抗されるように配置されている。
従来、同期モータには材料を磁化するための磁化電流がないため、工場又は設置前に磁石を磁化する必要があった。そのため、使用中に磁性体が減磁した場合、（例えば、ステータに過大な負荷がかかるため）磁石が破損する可能性があり、又は、モータが完全に動作不能になる可能性がある。ロータコイル３１０は、ステータの潜在的な減磁効果から永久磁石を保護するのに役立つ。
ロータコイル３１０のそれぞれに結合されたアクティブ整流器３１１は、動作中のモータ内のトルクリップルを低減するのに役立つ。アクティブ整流器３１１は、部分的には、エアギャップ３１４における磁束の通電の遅延を低減することによってこれを行う。ロータコイル３１０は、磁場の変化に応じたロータ巻線内の電流によるロータ内の磁束の減衰に抵抗するが、ロータコイル３１０は、ロータコイル３１０がさらされる駆動サイクルの部分に関係なく、整流なしでこの機能を実行する。すなわち、整流されていないロータコイルは、駆動周波数の正の部分と負の部分の両方に対して対称である。このような構成では、測定可能な量のトルクリップルが発生する可能性がある。
パッシブ的に整流されるロータコイルの場合、ロータコイルは、第１の電流がゼロに減少するまで、ロータ巻線内に第１の方向に第１の電圧を誘導することによって、磁束の第１の変化を可能にし、磁束の２回目の変化により、ロータ巻線内に２番目の方向の電流が誘導される。アクティブに制御されるロータ回路では、ロータ極電流をゼロにすることなく、ボルト秒のエネルギーをロータに加えることができる。例えば、ロータ巻線内の電流を選択的に一方向にすることができ、動作中のトルクリップルを大幅に低減できる。
例えば、様々な実装において、ロータ電流のＤＣコンポーネントは、ロータ電流のリップルの大きさの少なくとも２倍、ロータ電流のリップルの大きさの少なくとも５倍、ロータ電流のリップルの大きさの少なくとも１０倍、ロータ電流のリップルの大きさの少なくとも２０倍、ロータ電流のリップルの大きさの少なくとも５０倍、又は、ロータ電流のリップルの大きさの少なくとも１００倍である。
動作中、コイル３１０及びアクティブ整流器３１１を流れる電流は、ゼロ又は非ゼロなどの所望の量まで減少することが可能であり、又はアクティブ整流器３１１によってアクティブにゼロ又は非ゼロにすることができる。電流が所望の量まで減少することが許容される場合、この演算は、電流フェーザ角度３１８を９０°未満に減少させることによって実行できる（つまり、隣り合う極を「押す」のではなく、極を「引く」)。コイル３１０及び整流器３１１内の電流は、電流フェーザ角度が９０°未満である持続時間内に減衰することが許容される。このような継続時間は、ロータの速度と飽和度に応じて、数ミリ秒から２秒の範囲になる。結果として生じる磁場は、Ｄ軸変調によって行われるロータ磁場コイルのＤ軸との相互作用を通じてエネルギーを与えることができ、又は、幾つかの実施形態では、機械の電流フェーザ角度又は大きさ（通常は０°～９０°の間）の変調である。
幾つかの実装では、アクティブ整流器３１１は、アクティブに減衰時間を大幅に短縮することができる。例えば、パッシブ整流システムと比較して、減衰時間は１０分の１、１００分の１、１０００分の１、又はそれ以上短縮されうる。減衰後、コイル３１０内の電流が増加するにつれて、電流フェーザ角度（又はフェーザの大きさ）が増加する。このプロセス全体を通じて、電流フェーザ角度３１８を調整する際にリップル電流を打ち消すために、電流の大きさは、電流フェーザ角度３１８及び整流の方向と併せて変調することができる。
特定のモータ動作中、例えば、ロータがロックされた状態（例えば、始動時など）において、Ｑ軸（９０°）と負のＤ軸（１８０°）の間で動作する場合、実質的な誘導減衰を伴って（例えば場の維持）高レベルの電荷が使用さる。このような制御スキーム（コイル３１０と組み合わせた）の下では、ロータ磁場は、電流フェーザ角度３１８又は電流の大きさに基づいて変調することができる。これにより、動作中の動作範囲が広くなる可能性がある。負のＤ軸からＱ軸への動作は、永久磁性材料３２０を（少なくとも部分的に）保護するシールド効果を提供し、これにより、永久磁石同期モータと比較して、より少ない磁性材料、より低い保磁力材料、又はその両方を使用することが可能になる。もう１つの利点は、永久磁石モータと比較して、Ｄ軸インジェクションによる磁場の弱めが一定ではないことである。同様に、ロータの磁場は、ステータを通過する電流の大きさによって調整できる。多くの場合、電流の大きさと電流フェーザ角度の両方を同時に調整して、必要なロータ磁場を変調することができる。
図５Ａは、前述したアクティブ整流器３１１に使用できるアクティブ整流器の少なくとも一部の例示的なトポロジである。アクティブ整流器は、２つのダイオード５０２ａ、５０２ｂと２つのスイッチ５０４ａ、５０４ｂを含む非対称ブリッジ回路５００を含む。ダイオード５０２ａ及びスイッチ５０４ａはそれぞれロータ巻線の第１のノード５０６ａに結合され、ダイオード５０２ｂ及びスイッチ５０４ｂはそれぞれロータ巻線の第２のノード５０６ｂに結合される。それぞれのダイオード／スイッチ対間のノード５０６は、ロータ巻線の両端に対応する。キャパシタ５０８は、ダイオード／スイッチ／ロータ巻線アセンブリと並列に配線される。スイッチ５０４ａ、５０４ｂを制御する回路コンポーネントの例は、図５Ａには示されておらず、図６Ａ～図７Ｂを参照して説明する。
例えば、ｐ－ｎ接合ダイオード、ガスダイオード、ツェナーダイオード、又はショットキーダイオードなどの、幾つかのタイプのダイオードを使用することができる。幾つかの実装では、ショットキーダイオードが使用される場合、ショットキーダイオードは炭化ケイ素ダイオードであってもよい。ダイオードの選択は、電圧降下、逆電圧降伏、回復時間などの様々な要因に応じて決まる。所望の動作条件に応じて、異なるダイオードを使用できる。幾つかのタイプのダイオードを列挙したが、本開示から逸脱することなく他のダイオードを使用することもできる。
幾つかの実装では、各スイッチ５０４ａ、５０４ｂは、１つ又は複数のトランジスタを含む。例えば、バイポーラ接合トランジスタ、ＦＥＴ（例えば、ＭＯＳＦＥＴ）、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ、及び絶縁ゲートバイポーラ接合トランジスタなど、幾つかのタイプのトランジスタを使用することができる。幾つかの実装では、スイッチ５０４ａ、５０４ｂはリレーを含むことができる。ロータ巻線電流がスイッチ５０４ａ、５０４ｂを通過するため、スイッチ５０４ａ、５０４ｂに含まれるトランジスタは、例えば、数アンペア（multiple amps）など、大電流用の定格であってよい。
図５Ｂは、例示的なフルブリッジ整流器回路５１０を示す。フルブリッジ整流器回路５１０は、ダイオード５０２ａ、５０２ｂがスイッチ５０４ｃ、５０４ｄに置き換えられることを除いて、非対称ブリッジ回路５００と同様に動作する。幾つかの実装では、この置換により、少なくとも各スイッチが対応するダイオードよりも低い実効オン抵抗を有することができるため、非対称ブリッジ回路５００に比べてフルブリッジ整流器回路５１０における導通損失を低減することができる。スイッチ５０４ｃ、５０４ｄに加えて、フルブリッジ回路は、図５Ａを参照して説明したように、スイッチ５０４ａ、５０４ｂ及びキャパシタ５０８も含む。スイッチ５０４ａ、５０４ｂを制御する回路コンポーネントの例は、図５Ｂには示されておらず、図６Ａ～７Ｂを参照して説明する。
一般に、ステータ巻線は、トルク制御信号、電力伝送信号、データ信号の３種類の信号で駆動される。トルク制御信号は、トルク制御信号を受信するステータ巻線に磁場を生成し、この磁場がロータ巻線の磁場と相互作用して、ステータに対するロータの動きを駆動する。電力伝送信号は、ステータからロータに電力を無線で（又は誘導的に）伝送する変調又は変調信号（例えば、振幅又は周波数が変調された信号）であり、例えば、ロータ巻線に通電して起磁結合用の磁場を生成したり、ロータ上の回路に電力を供給したりすることに最終的には使えるかもしれない。データ信号は、データ（エンコードされた制御情報など）をステータからロータに無線で（又は誘導的に）伝送する変調である。幾つかの例では、ステータ巻線は、複数のタイプのステータ信号として分類され得る信号（例えば、多目的信号）で駆動される。例えば、ステータ巻線は、トルク制御信号と電力伝送信号の両方として分類される信号で駆動されてもよく、この場合、信号はステータ巻線に磁場を生成し、ステータに対するロータの動きを駆動し、また電力はステータからロータに誘導的に伝送される。幾つかの例では、ステータ巻線は、ステータ巻線を通る信号がこれらのステータ信号の１つ又は複数の重畳となるように、これらのステータ信号の１つ又は複数によって同時に駆動されてもよい。例によっては、ロータ巻線もトルク制御信号で駆動されてよく（例えば、それぞれのロータ巻線に磁場を生成し、ステータ巻線の磁場と相互作用してロータを回転させる）、電力伝送信号で駆動されてもよく（例えば、余剰電力を誘導的にステータ巻線に戻すため）、及び／又は、データ信号で駆動されてもよい（例えば、データをロータ巻線からステータ巻線に誘導的に伝送するため）。
Ｄ／Ｑ結合アプローチは、本開示に含まれるマシンを制御するために採用されてもよく、これによって、磁場Ｄ／Ｑ成分（制御可能なチャネル／軸）を使用して機械内でトルクを生成及び制御し、ステータとロータの間で電力を伝送し、ロータ回路に指令を与えるために、Ｄ／Ｑシステムが確立され利用されてもよい。
同期Ｄ／Ｑ座標系のロータ巻線の観点から見ると、幾つかの実装では、トルク制御信号は公称ＤＣ信号として現れる場合があり、ステータからの電力伝送信号は、これらの公称ＤＣ信号から変調されたＡＣ又はＤＣ信号成分として現れることがあり、データ信号は、これらの公称ＤＣ信号から変調されたＡＣ又はＤＣ信号成分として現れることがある。
数学的には、Ｄ／Ｑ表現では、ステータ巻線のトルク制御電流は次のように表すことができる。
Ｉｑ＝Ｉｍａｇ＊ｓｉｎ（θｅ）
Ｉｄ＝Ｉｍａｇ＊ｃｏｓ（θｅ）
Ｉｚ＝０
ここで、θｅは、同期座標系内の電流フェーザ角度であり、Ｉｍａｇは、パーク変換を介してＩｑ及びＩｄに変換された、特定の励起の電流の大きさである。ｚ軸は、Ｄ軸、Ｑ軸に直交する軸である。幾つかの実装では、Ｉｚはゼロ、又は実質的にゼロ（例えば、無視できる強度の場）であり、無視することができるが、他の実装では、適切なマシントポロジが与えられた場合、電力伝送及び／又はデータ信号伝送はＺ軸上で実行できる。
電力伝送及び／又はデータ信号変調は、以下のようにこれらのコンポーネントの１つ以上に重畳できる。
ＩＤ，ｔｏｔａｌ＝ＩＤ＋ＩＤ，ｍｏｄ
ＩＱ，ｔｏｔａｌ＝ＩＱ＋ＩＱ，ｍｏｄ
Ｉｚ，ｔｏｔａｌ＝Ｉｚ＋Ｉｚ＿ｍｏｄ
各Ｉｍｏｄには、電力伝送信号、データ信号、又はその両方を含めることができる。
４極ロータの実施形態で純粋な直角位相で動作（θｅ＝９０°）すると、
ＩＱ＝Ｉｍａｇ
ＩＤ＝０
Ｉｚ＝０
であり、ＩＤ，ｍｏｄ及び／又はＩＺ，ｍｏｄは、０信号に対して適用される変調である。しかし、ＩＤ，ｍｏｄ及び／又はＩＺ，ｍｏｄは、０信号に対する変調である必要はない。例えば、θｅ≠９０°の場合、ＩＤ，ｍｏｄは、同期座標系内のゼロではないＤＣ値に対する変調である。尚、Ｄ／Ｑ座標系内の「ＤＣ」信号は、例えば、特定の動作点の同期座標系への三相交流信号の変換を表す公称ＤＣ信号であり、ＤＣ信号はモータの状態に応じて変化する可能性がある。
幾つかの実装では、ＩＤ，ｍｏｄ、ＩＱ，ｍｏｄ、及び／又はＩｚ＿ｍｏｄに含まれるデータ信号は、独立したデータを搬送する別個のデータ信号励振であり、本質的に個別に処理できる。しかし、幾つかの実装では、データ信号は、例えば、電流角度及び／又は総電流の大きさの変調において、ＩＤ，ｍｏｄ、ＩＱ，ｍｏｄ、及びＩｚ＿ｍｏｄの２つ以上の組み合わせに埋め込まれる。幾つかの実装では、ロータ回路構成は、データ信号励起によるステータとの相互作用に使用できる制御可能な軸を定義するのに役立つ。
「電力伝送」及び関連用語は、無視できない起磁力を生成するのに十分な量のロータ巻線に通電するステータとロータの結合を指す。「データ信号伝送」及び関連用語（データ信号など）は、主にデータ伝送を表すステータとロータの結合を指し、例えば、無視できない起電力を発生させるほどロータ巻線に十分な電力を供給しない。
ある場合には、電力伝送は、伝送される電力の大きさによってデータ信号伝送と区別されてもよい。例えば、電力伝送は、データ信号伝送の少なくとも１０倍、少なくとも１００倍、又は少なくとも１０００倍の、ステータ巻線からロータ巻線へ伝送される電力に関連してもよい。ある場合には、電力伝送は、関連するステータ電圧の大きさによってデータ信号伝送と区別されてもよい。例えば、電力伝送に関連するステータ電圧は、データ信号に関連するステータ電圧の少なくとも１０倍、少なくとも１００倍、又は少なくとも１０００倍であってもよい。ある場合には、電力伝送は、伝送が行われる周波数によってデータ信号伝送と区別されてもよい。例えば、データ信号伝送を表す電流や磁場は、電力伝送を表す電流及び／又は磁場の周波数の少なくとも１０倍、少なくとも１００倍、又は少なくとも１０００倍である周波数で振動するかもしれない。ある場合には、電力伝送は、それぞれのステータ電流の形式によってデータ信号伝送と区別されてもよい。
ステータＤ軸とロータ巻線の間の関係は、エアギャップのあるステータＤ軸巻線とロータ巻線を含む等価回路を使用してモデル化できる。例えば、三相巻線界磁同期モータにこの手法を使用すると、電力伝送のためのＤ軸電流（ＩＳ）は次のように表すことができる。
ＩＳは、Ｄ軸電流であり、Ｌｍは、励磁インダクタンスであり、ＬＳは、ステータＤ軸インダクタンスであり、ＬＲは、ロータ巻線インダクタンスであり、ωは、周波数であり、ＶＲは、ロータ巻線電圧であり、ＶＳは、ステータＤ軸電圧であり、
は、フェーザ角度である。φが９０°付近にあり、漏れインダクタンスが励磁インダクタンスに比べて小さいと仮定すると、ＩＳの振幅は次のように近似できる。
更に、ステータ巻線とロータ巻線の間の電力伝送は、巻線の巻数比（つまり、各コイルセットの巻数）に基づいて増減させることができる。
実装は、本開示で明示的に説明されるＤ軸結合及びＱ軸結合の例に限定されない。一般に、ステータからロータへの界磁結合（トルク制御、電力伝送、及び／又はデータ信号）は、モータ内の様々な制御可能なチャネル（軸）にわたって実装できる。トルク制御、動力伝送、及び／又はデータ信号伝送は、適切なステータトポロジ、ロータトポロジ、及び／又は励磁パターンに基づいて、これらの軸の１つ、２つ、又はそれ以上において、トルクを制御し、電力を結合又は伝送し、データ信号を伝送するステータ側の発振電流を使用して実行されてよい。ある場合には、軸は機能間で共有されるが、場合によっては１つの軸が単一の機能専用になることもある。例えば、適切なロータ回路トポロジがあれば、電力伝送を第１軸で実行し、データ信号を第２の異なる軸で送信したり、１つの軸を両方に使用したりできる。
ある例では、ステータとロータは、他の制御可能なチャネル（軸）を介して制御される。例えば、電気機械は、ＭＫ座標系と呼ばれる別の同期座標系に関して説明することができる。ＭＫ座標系には、相互インダクタンス軸（Ｍ軸）、漏れインダクタンス軸（Ｋ軸）、直角位相軸（Ｑ軸）、ヌル軸（Ｎ軸）が含まれおり、それぞれは、（例えば、Ｄ軸、Ｑ軸、Ｎ軸に関して）、上述したように、電気機械におけるトルクの制御、電力の伝送、及び／又はデータ信号の伝送に使用できる制御可能な軸であってもよい。例えば、Ｍ軸、Ｄ軸、Ｑ軸、及び／又はＮ軸に変調を導入することにより、ロータはステータ巻線から誘導的に電力変換信号及び／又はデータ信号を受信できる。
ここで説明するＤ軸とＱ軸を有する直接直交ヌルロータ（direct-quadrature-null-rotor (DQNR)）座標系と同様に、コントローラは、適切な変換を使用して、静止座標系（例えば、制御可能な軸としてステータとロータの位相を含む）とＭＫ座標系の間で変換し、又は、ＤＱＮＲ座標系とＭＫ座標系の間で変換してもよい。例えば、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｒ（静止）座標系から（回転）ＭＫ座標系への変換に適用されるＭＫ変換は次のようになる。
例えば、ＩＭ、ＩＫ、ＩＱ、及びＩＮｕｌｌを決定するために、モータコントローラ１３５は、ＭＫ変換にＩＡ、ＩＢ、ＩＣ、及びＩＲの一次元電流行列を乗算して、ＩＭ、ＩＫ、ＩＱ、及びＩＮｕｌｌのＭＫ座標系内の１次元の電流行列を取得してもよい。
直接軸（Ｄ軸）、直角位相軸（Ｑ軸）、ヌル軸（Ｎ軸）、ロータ界磁軸（Ｒ軸）（ＤＱＮＲ）座標系を使用した巻線界磁同期モータの制御方式と比較して、ＭＫ座標系を使用する制御スキームは、Ｄ軸とＲ軸の間のクロスカップリングを排除又はほぼ排除することで、制御の複雑さを軽減できる。ＭＫ基準系及び電気機械におけるその使用の更なる詳細及び説明は、２０２１年７月７日に出願された同時係属中の米国仮出願第６３／２１９，０９６号に記載されており、参照により本明細書に組み込まれる。
更に、本開示による幾つかの実施形態は、巻線以外にステータ－ロータ結合要素を含まないが、幾つかの実施形態は、追加の結合要素、例えば、ブラシ、スリップリング、光送信機／センサなどを含む。これらの追加の結合要素は、幾つかの実施形態では、データ信号送信及び／又は電力伝送に使用され、界磁結合軸と並んで代替の制御可能な軸を表すことができる。
機能をさまざまな制御可能な軸に分散できるさまざまな方法に加えて、機能をさまざまなロータ巻線に分散することもできる。最初のロータ巻線はデータ信号伝送に使用され、２番目の異なるロータ巻線は電力伝送に使用され、トルク制御は、第１及び第２のロータ巻線の一方又は両方への結合によって、又は第３の巻線への結合によって行われてもよい。更に、異なる機能を行う巻線は、ステータからの同じ磁束にさらされる（たとえば、極対を形成する）場合もあれば、異なる磁束にさらされる場合もある。幾つかの実装では、１つのロータ巻線がデータ信号伝送と電力伝送の両方に使用される。
例えば、（以下でより詳細に説明する）図１６では、巻線１６０２ａ及び１６０４ａは、第１の磁束にさらされる第１の極対を形成し、巻線１６０２ｂ及び１６０４ｂは、第２の磁束にさらされる第２の極対を形成する。幾つかの実装では、例えば、巻線１６０２ａ、１６０２ｂを介したＡＣ電力伝送によって巻線１６０４ａ、１６０４ｂに通電するために、電力伝送は両方の磁束を通じて行われる。しかしながら、データ信号は、電力伝送信号とは異なり、第１の磁束、第２の磁束、又は両方の磁束を介して伝送されてもよい。例えば、第１の磁束内のデータ信号が、（例えば、ロータ巻線１６０２ａ及び／又は１６０４ａの電流／電圧から）抽出されてもよく、巻線１６０２ａ、１６０４ａだけでなく巻線１６０２ｂ、１６０４ｂ、及びロータ内の他の巻線についてアクティブ整流器のスイッチングを決定するために使用されてもよく、データ信号は必ずしも第２の磁束にも含まれることがない。
図１６の文脈における自己同期ロータ制御スキームにおける機能巻線リンケージの例では、ステータの状態（例えば、ステータ巻線の電圧及び／又は電流）は、ロータ巻線１６０２ａの電圧及び／又は電流と、ロータ巻線１６０２ａだけでなく、幾つかの実装では、他のロータ巻線、例えば、ロータ巻線１６０４ａ、１６０２ｂ、１６０４ｂ、及び／又は他のロータ巻線についてのアクティブ整流の制御に使用される推定の結果とに基づいて、推定されてもよい。
アクティブ整流器回路の制御には、様々な制御方式を使用できる。一部の制御方式は、ステータからロータへの特別なデータ信号の送信を必要としない「自己同期型」であり、むしろ、ロータ側の回路は、（例えば、動力伝送信号及び／又はトルク制御信号に基づいて）ロータ巻線に通電してロータの動きを駆動する同じＤ軸及び／又はＱ軸電流によってロータ巻線に誘導される電流に基づいてアクティブ整流器回路を制御する。他の制御方式は、例えば、ステータ巻線からロータ巻線へのＤ軸電流及び／又はＱ軸電流に埋め込まれた（例えば、動力伝送信号又はトルク制御信号に組み込まれた）データ信号などの、エンコードされたデータ信号を含むという点で「信号駆動型」であり、モーターステータスデータをステータからロータに渡す。信号駆動制御方式は、代替的又は追加的に、動力伝送及び／又はトルク制御に使用される軸とは別の軸にデータ信号を含むことができる。一部の制御方式には、自己同期機能と信号駆動機能の両方が含まれている。
ステータ側の電流はステータ側の電圧に対応する可能性があるため、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等価なスキームに対応する可能性がある。ステータ側電圧の信号に関して本開示で説明される実施形態は、ステータ側電流の信号と等価であり、また、ステータ側電流の信号を説明することもでき、またその逆も同様である。
これらの方式では、ステータとロータの追加の結合要素が必ずしも必要ではなく、むしろ、幾つかの実装では、信号は、ロータ巻線の通電と動作にすでに使用されているステータ巻線とロータ巻線を使用して送信される。これにより、ステータからロータに信号を送信するための特別な検出器、センサ、有線若しくは無線接続、又はブラシを組み込む方式と比較して、コストが削減され、パフォーマンスと柔軟性が向上する。
図６Ａは、ロータ制御のための例示的な回路図を示す。この例では、ロータ巻線６００は、ロータ巻線６００内の電流を整流するアクティブ整流器回路６０２に結合される。推定部６０４は、ロータ電流ＩＲ及びロータ電圧ＶＲを測定又は推定し、これらの値に基づいて推定ステータＡＣ電圧ＶＳを決定するように構成されている。ＶＳに基づいて、推定部６０４は、アクティブ整流器回路６０２の切り替え可能な要素を制御して、ロータ電流に所望のタイミング及びレベルを与える。
例えば、ステータと電圧巻線の一部の構成では、ステータ電圧ＶＳは、方程式ＶＳ＝Ｌｋ・ｄＩｋ／ｄｔ＋ＶＲによって、ＩＲ及びＶＲに関係付けられる。ここで、Ｌｋはステータとロータの間の実効漏れインダクタンスであり、Ｉｋはロータ漏れ電流（ロータ電流のインジェクションコンポーネント（injection component））である。従って、ロータ側の測定又はＩｋ及びＶＲの推定により、ＶＳの推定が可能になる。これは自己同期計算である。なぜならば、ＶＳは、別個のデータ信号に基づくのではなく、電力伝送信号及び／又はトルク制御信号によって誘導されるロータ電流／電圧に基づいて推定されるためである。
この式はステータ－ロータシステムの１つの考えられるモデルを表しているが、他のモデルを代わりに使用して、ロータ巻線の電圧及び／又は電流に基づいてステータ側の値を推定することもできる。例えば、推定部６０４内のデジタルメモリは、ステータ－ロータシステムの１つ以上の数学的モデルを記憶し、これらのモデルをデジタルロジックと組み合わせて使用して、推定ステータ信号パラメータを決定してもよい。
ＶＳに基づいて実行できる制御機能の例には、次の１つ又は複数が含まれる。ステータＡＣ電圧の位相が推定され、ロータ電流／電圧波形が直角位相で制御されて電力伝送を制御する（例えば、電力伝送を最大化するため）。ステータＡＣ電圧の周波数を推定し、ロータ電流／電圧波形を制御して、ステータのＡＣ電圧の周波数と一致する周波数を持つようにする、又は、ステータＡＣ電圧と異なる事前定義された関係を持つようにする。ステータＡＣ電圧の振幅を推定し、及び、ロータ電圧波形を制御して、ステータＡＣ電圧の振幅と一致するか、ステータＡＣ電圧の振幅の２倍の振幅を持つようにする、又は、ステータＡＣ電圧と異なる事前定義された関係を持つようにする。
ＶＳ及びＩＳの両方を測定又は推定する必要はない場合があり、むしろ、幾つか実装では、これらの値のうちの１つだけが測定又は推定され、制御機能はその測定又は推定に基づいて実行される。
図６Ｂは、自己同期制御方式の詳細な例を示す。ロータ巻線６００は、ロータ巻線６００内の電流を整流するアクティブ整流器回路６０２に結合される。推定部６０６は、これらの値に基づいて、ロータ電流ＩＲ及びロータ電圧ＶＲを測定又は推定し、推定ステータＡＣ電圧ＶＳを決定し、推定ステータＡＣインジェクション周波数ｆＳ、及び推定ステータＡＣインジェクション位相φＳを決定するように構成されている。
インジェクション周波数ｆＳに基づいて、コンバータ部６０８は、対応するロータ電流設定値ＩＲ，Ｓｐを決定する。この決定は、ｆＳ及びＩＲ，Ｓｐとの間の所定の関係に基づいて行われる。例えば、幾つかの実施形態では、より低いステータＡＣインジェクション周波数でより多くの電力が伝送され、所定の関係によって、逆にｆＳからＩＲ，Ｓｐが決定される。
ロータ電流設定値ＩＲ，Ｓｐ及び測定又は推定されたロータ電流ＩＲは、ゲート駆動ユニット６１２に入力を提供する比較器６１０に供給され、入力は、ロータ電流をロータ電流設定値に一致させるためにゲート駆動ユニット６１２によって使用される。例えば、幾つかの実装では、ロータ位相φＲは、推定されたステータＡＣインジェクション位相φＳに基づいて、ステータＡＣ電圧とロータ電圧／電流との間の相対位相を増減させるように調整される。相対位相は伝送される電力量を調整し、従ってロータ電流を調整する。
ゲート駆動ユニット６１２は、例えば、トランジスタのゲート電圧又はトランジスタのベース電圧を変調することによって、アクティブ整流器回路６０２内のスイッチング素子（例えば、トランジスタ）を制御する。
この例では、推定ステータＡＣ電圧ＶＳは、ゲート駆動ユニット６１２、比較器６１０、又は別のロータ論理ユニットに直接供給されないが、幾つか実装では、ＶＳは、アクティブ整流器回路６０２の要素を制御するために使用される論理演算でも使用される、又は、代わりに使用される。
様々な実装において、この例の論理演算以外の他の論理演算を使用して、ロータ電流／電圧が、ステータ電圧によって誘導された、測定又は推定されたロータ電流及び／又は電圧に基づく、特定の振幅、周波数、位相、又はその他のパラメータを持つようにしてもよい。推定部は、測定又は推定されたＶＲ及びＩＲ以外のデータを入力として受け取ってもよく、例えば、これらの値の測定又は推定の代わりに、又はそれらに加えて、ロータ回路は、ＶＲ及び／又はＩＲの極性切り替えイベントを検出し、それらのイベントに基づいて推定を行うことができる。
また、推定されたステータ側パラメータの例ＶＳ、ｆＳ、及びφＳの他に、例えば、ステータ電流ＩＳ又はステータ電流／電圧極性切り替えイベントなどの、他のステータ側パラメータを推定することもできる。フェーズロックループ法は、ロータ周波数をステータ周波数に同期させたり、ロータ周波数の特定の相対位相を設定したり、その他のロータ側制御を実行したりするために使用できる。
図７Ａは、信号駆動型ロータ制御方式で使用されるステータ側電圧の例を示す。本開示を通じて説明されるように、ステータ側電力伝送電圧７００は、ロータ巻線への電力伝送を実行するために使用される。ただし、（様々な実装において、例えばトルク制御電圧でありうる）電力伝送電圧７００に加えて、追加のデータ信号７０２は、ステータ巻線電圧に埋め込まれており、（普遍的ではない）この例では、電力伝送電圧７００と同じ制御可能な軸に沿っている。データ信号は、結果として生じるロータ電圧設定値７０４を制御するために、ロータ内の検出器部によって使用される。この例では、電力伝送とデータ信号伝送の両方が同期座標系のＤ軸上で実行され、両方の結合は同じロータ巻線７１２に接続される。しかしながら、上で述べたように、これは一般に当てはまる必要はない。
データ信号７０２は、同じくデータ信号７０２と同じ制御可能な軸に沿って結合される電力伝送電圧７００よりも著しく高い周波数を有するように構成される。例えば、幾つかの実装では、電力伝送電圧又はトルク制御電圧の周波数は、１００Ｈｚ～５００Ｈｚであり、データ信号の周波数は１ｋＨｚ～１０ｋＨｚである。更に、データ信号の周波数は、ステータインバータのスイッチング周波数の２倍未満、例えば、ステータインバータのスイッチング周波数の１／１０未満であってもよい。
データ信号及び電力伝送信号は、トルク制御信号及びロータの基本的な動き（回転周波数など）に対して特定の周波数関係を持つ必要はない。例えば、データ信号と電力伝送信号は、トルク制御信号の高次高調波である必要はない。むしろ、駆動周波数（トルク制御信号の周波数）は、他の信号（例えば、電力伝送信号やデータ信号）の周波数から独立していてもよく、モータ動作状態の変化は、例えばデータ信号の対応する変化に反映される必要はない。例えば、ロータ速度の変更はトルク制御速度の変更に同期して対応でき、データ信号周波数及び／又は電力信号周波数は一定に維持したり、ＦＭデータ送信用に変調したりできる。
例えば、第１の動作モード中、トルク制御信号は周波数f1を有してよく、第２の動作モード中、トルク制御信号は、f1とは異なる周波数f2を有してよく、両方の動作モード中のデータ信号及び／又は電力伝送信号は、一定の周波数、又はＦＭデータ伝送を実行するために一定の周波数から変調された周波数を有してよい。
この様々なステータとロータの相互作用の切り離しにより、ロータ側の回路設計の柔軟性が向上し、ロータの動作条件に基づく信号伝送に制限される必要がなくなる。
図７Ａの例では、データ信号７０２は、バイナリのオン／オフデータをロータ巻線に送信する。データ信号７０２がオン／アクティブであるとき（例えば、タイムスパン７０６の間）、ロータ電圧設定値７０４は正になるように制御される。データ信号７０２がオフ／非アクティブであるとき（例えば、タイムスパン７０７の間）、ロータ電圧設定値７０４は負になるように制御される。従って、データ信号７０２は、ロータ電圧設定値７０４（従って、非理想性及びスイッチング遅延を無視したロータ電圧）を引き起こして、９０°の位相遅れで電力伝送電圧７００と一致する周波数を有する。
動作上、図７Ａの例示的な制御スキームは、ロータ内の検出部にハイパスフィルタ又はバンドパスフィルタを含めることによって実装されうる。これにより、検出部はデータ信号７０２を電力伝送電圧７００から分離し、それに応じてロータ電圧設定値７０４を調整することができる。
図７Ａの例は、ロータ電圧の極性を制御するための単純なバイナリデータ送信を含む。ただし、ここで説明する方法を使用して、他の多くの種類のデータを送信することもできる。例えば、単なる極性情報に加えて、ロータ電流、ロータ電圧、ロータ周波数、及び／又はロータ位相の実際の設定値は、ステータ側データ信号の適切な構成とロータ側検出部と他のスイッチング及びロジック要素の相補的な構成とによって、送信されることができる。データ信号は、様々なフォーマットのうちの１つ又は複数の形式であってよい。例えば、振幅変調（ＡＭ）及び／又は周波数変調（ＦＭ）を使用して、データ信号内のデータをステータからロータに送信することができる。
図７Ｂは、図７Ａの例示的な信号駆動ロータ制御方式を実装する例示的なトポロジの概略図を示す。他の情報の中でも特に制御情報を符号化することができるデータ信号は、ステータ巻線７１０の電圧に埋め込まれ、対応する電圧をロータ巻線７１２に誘導する。検出部７１４は、全体のロータ電流ＩＲを測定し（他の実装では、代わりに又は追加で、他のロータパラメータが測定されてもよい）、全体のロータ電流から、符号化された情報を含むデータ信号を示す又は表す信号電流を抽出する。検出部７１４は、所定の論理を使用して、信号電流に基づいてロータ電圧設定値ＶＲ，ｓｐを生成する。ロータ電圧設定値ＶＲ，ｓｐは、ゲート駆動ユニット７１６によって使用され、アクティブ整流器７１８内のスイッチング素子を制御し、特に、スイッチング素子にロータ電圧をロータ電圧設定値ＶＲ，ｓｐと等しくさせる。
検出部７１４は、検出されたデータ信号を正しく抽出して解釈するように（つまり、エンコードされた情報をデコードするように）構成されており、ゲート駆動ユニット７１６に出力を提供し、この出力はゲート駆動ユニット７１６によって理解され、アクティブ整流器７１８を制御する。この検出部７１４は、アナログ回路を介した「ハードコーディング」を含むことができ、「ハードコーディング」は、検出されたロータ電流及び／又は電圧から特定の種類の信号を抽出するように構成され、対応する出力、抽出と出力を実行するようにプログラムされた構成可能なデジタルロジック、又はこれらの要素の組み合わせ、を提供するように構成される。例えば、検出部７１４のフィルタリング回路は、まずデータ信号を分離してもよく、検出部７１４のアナログ／デジタル変換器は、データ信号をデジタルデータストリームに変換してもよく、検出部７１４のマイクロプロセッサ（例えばコントローラ）は、デジタルデータストリームを分析して出力（例えばロータ電圧周波数設定値）を取得し、出力をゲート駆動ユニット７１６に渡してもよく、ゲート駆動ユニット７１６は、ロータ動作を出力に一致させるために必要なスイッチング動作を実装する。
ロータ上のマイクロプロセッサは、例えば、ロータ上の１つ以上のキャパシタ、例えば、ロータのアクティブ整流器に含まれる１つ又は複数のキャパシタ、によって電力を供給されてもよい。これらのキャパシタはステータによって間接的に充電されるため、モータがオフのときは非充電状態になり、従ってマイクロプロセッサもオフになる。しかし、幾つかの実装では、アクティブ整流器は、キャパシタが充電され、マイクロプロセッサに電力が供給されてスイッチング動作を制御できるようになるまで、パッシブ的に動作する。この機能に関連する特徴は、図２０を参照してより詳細に説明される。
マイクロプロセッサは、例えば、ロータに取り付けられ、電力伝送にも使用される制御可能な軸に結合するように配置された追加のコイルなどの、ロータ内又はロータ上に含まれる専用の低電圧変圧器によって代替又は追加で電力を供給されてもよい。追加のコイルの巻数は、マイクロプロセッサが動作するために必要な電圧を提供するように構成されてもよい。従って、電力伝送信号は、アクティブ整流を可能にするために、マイクロプロセッサに個別の専用電力も供給する。
幾つかの実装では、マイクロプロセッサは、代替又は追加で、例えばロータに含まれるバッテリなどのロータ電源によって電力を供給される。
この開示ではデータ信号を他の信号に「埋め込まれている」と表現することがあるが、幾つかの実装では、データ信号（Ｄ／Ｑ定式化における）は非ゼロ信号に「埋め込まれ」ていないが、特定の制御可能な軸に沿った唯一の信号である。
幾つかの実装では、自己同期型及び信号駆動型の制御方式は、同時に、又は相互に組み合わせて使用される。例えば、自己同期を使用してロータ電圧周波数を制御したり、データ信号を抽出して解釈してロータ電流設定値を制御したりすることができる。
集合的に、検出部７１４、ゲート駆動ユニット７１６、及びアクティブ整流の制御に関与する他のユニット及び／又は回路（例えば、図６Ｂに示される比較器６１０及びコンバータ部６０８）は、制御に基づいているか自己同期方式であるかにかかわらず、ロータ制御ユニットと呼ばれることがある。
図８は、図５Ｂのアクティブ整流器に導電的に結合されたロータ巻線のステータ側及びロータ側の電流及び電圧の例を示す。具体的には、曲線８００は、生成された磁場に基づいてロータ巻線によって感知される、ステータからのＤ軸電圧の例（例えば、Ｄ軸インジェクション電圧とも呼ばれる電力伝送信号）を示し、曲線８０２は、アクティブ整流器によって制御される、ロータ巻線にかかる電圧を示し、曲線８０４は、アクティブ整流器によって制御される、ロータ巻線を流れる電流を示し、曲線８０６は、キャパシタ５０８の両端の電圧を示す。
図８に示すように、Ｄ軸電圧８００は、５０％のデューティサイクルの方形波である。幾つかの実装では、Ｄ軸電圧８００は０Ｖを中心とする。しかし、幾つかの実装では、Ｄ軸電圧８００は、トルク生成に寄与し、ステータ上にＤ軸電流を生成するＤＣオフセット電圧を含む。
この例のロータ電圧８０２は、一般にＤ軸電圧８００を反映するが、アクティブ整流器の動作により９０°遅れる。更に、（アクティブ整流器の設定されたスイッチングパターンのため）ロータ電圧８０２は、ロータ電圧８０２の各周期にわたって負のシーケンス８１２と比較してロータ電圧８０２の正のシーケンス８１０を短縮するゼロシーケンス８０８を含む。
一般に、ロータ電圧８０２とＤ軸電圧８００との間の位相は、アクティブ整流器の特定の構成に依存し、アクティブ整流器が引き起こすように構成されている任意の値を取ってもよい。幾つかの実装では、インジェクション電圧による電力伝送は位相の正弦に応じて変化するため、約９０°の位相ではロータ巻線への電力伝送が向上する。このインジェクション電圧角度を明示的に制御できることは、パッシブ整流に対するアクティブ整流のもう１つの利点であり、これは、電力伝送を最大化するだけでなく、ステータとロータ間の動力伝送の大きさと方向を変調するために使用できるからである。幾つかの実装では、このインジェクション角度を制御することで、ステータとロータ上の特定の半導体デバイスを優先的に選択することができる（例えば、ボルトアンペア定格を最小限に抑え、コストを大幅に削減できる）。
ゼロシーケンスのため、ロータ電圧８０２の平均値はゼロ未満となり、ロータ巻線にＤＣ電圧成分とＤＣ電流成分が生成される。幾つかの実装では、ＤＣ電圧及びＤＣ電流は、必ずしもゼロシーケンスを含まず、正相８１０及び負相８１２の不等な持続時間を設定するアクティブ整流器から生じる。ＤＣ電気コンポーネントは、ロータ巻線の磁場生成機能、例えば、ステータ磁場と結合してトルクを生成する磁場の生成に対応する。
ロータ電流８０４は実質的にＤＣであり、キャパシタがロータ巻線とエネルギーを交換するときのキャパシタ電圧８０６のリップルに対応するリップルを伴う。実質的にＤＣのロータ電流８０４は、Ｑ軸ステータ電圧によって結合され、ステータに対してロータを移動させることができる。幾つかの実装では、アクティブ整流によるトルクと電流リップルはパッシブ整流によるものよりも小さくなる。
本開示の他の箇所で説明するように、ロータのパッシブ整流では、場合によっては、ロータ電流をインジェクションサイクルごとに一度ゼロに駆動し、その後再充電することが必要となるかもしれない。このプロセスには、例えば、数十ミリ秒かかる場合がある。この時間は、主に反発力によるトルクが、より小さな主にリラクタンス駆動のトルクに置き換えられるため、伝送される合計トルクの損失を表す。本開示で説明するように、アクティブに整流されたロータ電流は（モータの定常状態動作の場合）実質的に一定であるため、時間の経過とともに伝送される総トルクが増加する。
幾つかの実装では、リップル電流により発生する渦電流を低減することができる。ロータ電流がより一定に保たれるため、他のモータ部品をより単純に、又はより大きな許容差で（例えば、可変磁気抵抗を考慮せずに）設計することができる。ロータ電流に対するアクティブ制御を実装して、ロータフィールドに蓄積されたエネルギーを積極的に削減することができ、ロータ磁場の強度を意図的かつ積極的に低下させ、モータを低出力モードにしてもよい。対照的に、パッシブシステムにおける場のエネルギー減衰は、純粋にシステムのＬ／Ｒ時定数に基づいている可能性があり、動作中に容易に変更することはできない。
幾つかの実装では、アクティブ磁場が弱まっている間、ロータの電圧がステータの電圧よりも進むように、ステータとロータの間のインジェクション信号（電圧など）の角度を調整することによって、電力をロータからステータに向けることができる。これにより、ロータからの電力を迅速に放散できるだけでなく、回生やステータ側でのより効果的な熱放散などの生産的な目的のためにこの電力を捕捉することができる。アクティブな磁場の弱めは、アクティブな整流器がそれに応じてインジェクション角度をシフトさせる適切なデータ信号によって引き起こされる可能性がある。更に、場合によっては、ロータがステータから過剰な電力（例えば、ロータ巻線を駆動しロータ回路に電力を供給するために必要以上の過剰な電力）を受け取ることもある。これに応じて、ロータはロータ巻線を介してステータ巻線に電力を送り返すことができる（例えば、ロータの電圧がステータの電圧よりも進むように、ステータとロータの間のインジェクション信号（例えば、電圧）の角度を調整することによって）。
パッシブ整流とは対照的に、アクティブ整流の別の利点は、特定の動作モード下で、ロータ巻線の極性を切り替えるようにアクティブ整流器回路を構成できることである。例えば、第一の方向に電流を流すアクティブ整流器は、第二の反対方向に電流を流すように切り替わることがあるが、これはパッシブ整流では不可能なこともある。その結果、コントローラ（例えば、コントローラ１０４）は、ロータを再構成して、例えば、ロータの極数を変更することができる。このような再構成可能なロータに関するさらなる詳細は、２０２１年５月１３日に出願された米国仮特許出願第６３／１８８，３７４号に記載されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本明細書に開示される様々な実施形態では、アクティブ整流器を備えたロータは、１つ以上の整流器、１つ以上のコントローラ、及び１つ以上の巻線の構成を記述する様々なトポロジを有してもよい。例えば、ここで説明する各ロータには、次のトポロジの１つが含んでもよい。
（１）ロータは、ロータ巻線ごとに１つのアクティブ整流器と１つのコントローラ（関連する整流器を制御するため）を含む。
（２）ロータは、巻線ごとに１つのアクティブ整流器と、（各アクティブ整流器を制御するための）中央ロータコントローラが含む。
（３）ロータは、ロータ巻線によって共有される中央アクティブ整流器と、（中央アクティブ整流器を制御するための）中央ロータコントローラとを含む。
（４）巻線のグループがアクティブな整流器及び／又はコントローラ（関連する巻線のグループの整流器を制御するため）を共有する、第２又は第３のトポロジのハイブリッドであって、巻線のグループは、同様の極性の巻線がグループ化されてアクティブ整流器及び／又はコントローラを共有するように定義されてもよい。
多軸電圧インジェクションによるアクティブ整流
図９は、アクティブ整流器９００のトポロジの別の例の概略図を示す。以下に詳述するように、アクティブ整流器９００は、２軸電圧インジェクションとも呼ばれる２軸電圧インジェクション用に構成されてもよい。この実装形態では、第１のロータ巻線９０２ａは第１のアクティブ整流器サブ回路９０４ａによって整流され、第２のロータ巻線９０２ｂは第２のアクティブ整流器サブ回路９０４ｂによって整流される。第１のロータ巻線９０２ａ及び第１のアクティブ整流器サブ回路９０４ａは、第２のロータ巻線９０２ｂ及び第２のアクティブ整流器サブ回路９０４ｂに並列に配線される。キャパシタネットワーク９０６は、両方の巻線９０２ａ、９０２ｂ及び両方のアクティブ整流器サブ回路９０４ａ、９０４ｂに並列に配線される。
第１のロータ巻線９０２ａ及び第２のロータ巻線９０２ｂは、それぞれ、大きさがほぼ等しく、位相が逆である（例えば、１８０°の位相差を持つ２つの電圧波形）Ｄ軸電圧インジェクション（例えば、電力伝送電圧）を受け取る。これらのＤ軸電圧インジェクションは、例えばモータコントローラ１０４によって、又はステータ巻線の電圧及び電流を制御する別の制御ユニットによって設定される。この開示全体を通して説明したように、図９の説明は、Ｄ軸以外の別の制御可能な軸上で電圧インジェクションを受けるロータ巻線を同様に説明してもよい。
幾つかの実装では、ロータ巻線９０２ａ、９０２ｂが受けるＤ軸電圧インジェクションは実質的に等しく、逆であるため、第１のアクティブ整流器サブ回路９０４ａがエネルギーをキャパシタネットワーク９０６に伝送しているとき、第２のアクティブ整流器サブ回路９０４ｂは、キャパシタネットワーク９０６からエネルギーを受け取っている。逆に、第１のアクティブ整流器サブ回路９０４ａがキャパシタネットワーク９０６からエネルギーを受け取っているとき、第２のアクティブ整流器サブ回路９０４ｂはエネルギーをキャパシタネットワーク９０６に伝送している。従って、キャパシタネットワーク９０６に伝送される最大合計瞬間電力は、１つのロータ巻線及び１つのアクティブ整流器サブ回路のみが（同じＤ軸電圧インジェクションパターンで）キャパシタネットワーク９０６に結合された場合と比較して、減少する。従って、このようなトポロジでは、単一の整流器とロータ巻線が単一のキャパシタに結合されているトポロジよりも小さなキャパシタを使用できる。
図１０は、アクティブ整流器９００の一般的な設計に従ったアクティブ整流器１０００の実際の実装を示す。アクティブ整流器１０００は、２つのアクティブ整流器サブ回路１００２ａ、１００２ｂを含み、そのそれぞれは、図５Ｂを参照して説明したフルブリッジ整流器である。アクティブ整流器サブ回路１００２ａ、１００２ｂは、共通のキャパシタ１００４を共有し、それぞれのロータ巻線１００６ａ、１００６ｂに結合される。各アクティブ整流器サブ回路１００２ａ、１００２ｂは、複数のスイッチ、例えばスイッチ１００８を含む。
定常状態のモータ動作では、アクティブ整流器サブ回路１００２ａ、１００２ｂ内のスイッチ１００８は以下のように動作する。ａ）実質的なＤＣ電流は、アクティブ整流器サブ回路１００２ａ、１００２ｂ、及び１００２ｂに結合されたそれぞれのロータ巻線に維持される。ｂ）アクティブ整流器サブ回路１００２ａ、１００２ｂによってキャパシタ１００４に伝送されるそれぞれの電力は、１８０°位相がずれている。
図９～図１０の回路例は、モータの極対設計の観点から解釈できる。極対は、ステータからの特定の磁束への曝露に対応する。ロータ巻線１００６ａは第１の極対に含まれ、ロータ巻線１００６ｂは第２の極対に含まれる。ステータ電圧位相は、２つの極対からの巻線が、１８０度位相が異なるＤ軸電圧インジェクションを受けるように構成されている。
エネルギーの授受とエネルギーの取り出しを同時に行うアクティブ整流器は、共通のキャパシタネットワークを形成し（例えば、アクティブ整流器９００、１０００）、幾つかの実装では、共通キャパシタに伝送される最大合計瞬間電力が減少する。従って、別々の巻線に別々の静電容量が使用された場合又は異なる電力プロファイルがキャパシタに伝送された若しくはキャパシタから伝送された場合と比べて、アクティブ整流器に必要な総静電容量は減少する。幾つかの実装では、合計の共通静電容量は、１０分の１、２０分の１、又はそれ以上に減少する可能性がある。幾つかの実装では、キャパシタの電圧リップルは、単一のコイルと単一のキャパシタに接続された整流器を備えたシステムと比較して低減され、アクティブ整流器のストレスと損失が軽減される。
加えて、幾つかの実装では、トルクリップル（例えば、図８に示すロータ電流リップルによって表される）は、ロータ電流リップルが２つのアクティブ整流器サブ回路間でかなりの程度相殺される可能性があるため、減少する可能性がある。トルクリップルの減少は、損失の低減、動作ノイズの低減、及び／又は必要な制御方法の簡素化につながる可能性がある。
この効果は、例えば、図１２、図１６、及び図１９に示されるような実装形態のように、異なる界磁束にさらされた複数の巻線が導電的に結合される本開示の実装においても同様に見られ得る。インジェクションのたびにトルクリップルが発生するが、等しく位相分離された軸（３６０°／ｎ位相又はインターリーブなど）により、トルクリップルの合計が相殺される。
図１１は、例示的なアクティブ整流器１０００の定常状態動作に対応する例示的な回路波形を示す。曲線１１００は、ステータからロータ巻線１００６ａを介して第１のアクティブ整流器サブ回路１００２ａに伝送されるＤ軸電力を示し、曲線１１０２は、ロータからロータ巻線１００６ｂを介して第２のアクティブ整流器サブ回路１００２ｂに伝送されるＤ軸電力を示し、曲線１１０４は、曲線１１００と曲線１１０２の和（換言すれば、共通キャパシタ１００４に伝送される総電力）を示し、曲線１１０６は、キャパシタ１００６の電圧を示す。図９～図１０を参照して説明したように、曲線１１００及び１１０２は１８０°位相がずれており、図８を参照して説明したように、曲線１１００及び１１０２はそれぞれゼロシーケンスも含む。
アクティブ整流器１０００の構成、並びに、アクティブ整流器１０００に伝送される及びアクティブ整流器１０００内で伝送される電気信号により、図８～図９を参照して説明したように、キャパシタ電力１１０４の最大瞬時値は減少する。更に、幾つかの実装では、キャパシタ電圧１１０６のリップルが減少する、及び／又は、キャパシタ１００６の総静電容量が減少する。
図９～１０の例示的なアクティブ整流器回路トポロジ及び対応するステータ側の電圧パターンは、共通のキャパシタを共有し、ｎ個のそれぞれのＤ軸電圧によって励起されるｎ個の結合されたロータ巻線の場合に一般化できる。ｎ個のＤ軸電圧は３６０°／ｎずつ位相が離れるように調整されており、各ロータ巻線に結合されたアクティブ整流器（又はアクティブ整流器サブ回路）は、同じく３６０°／ｎずつ位相がずれた信号によって電力を共通のキャパシタに伝送する。従って、キャパシタに伝送されるピーク総電力は減少し、図１０及び図１１を参照して説明したようにモータの動作及び設計に利点がもたらされる。幾つかの実装では、ｎ個のＤ軸電圧は互いにインターリーブされる。
図９～１１は、ｎ＝２の場合の回路と対応する信号の例を示す（つまり、２軸又は２軸電圧インジェクションを使用）。
ｎ＝３の場合の一部の実装では、３つのロータ巻線は、それぞれのアクティブ整流器サブ回路を介して、共通のキャパシタによって互いに導電的に結合されている。対応するステータは３つのロータ巻線を励磁するために３軸インジェクションを実行する。３つのインジェクション軸は１２０°位相が離れている。なお、「３軸インジェクション」とはステータとロータの全体構成を指しており、Ｑ軸、Ｄ軸、Ｚ軸などの「制御可能な軸」の説明とは区別される。
図１２は、ｎ個の結合されたロータ巻線１２０２に対する例示的なアクティブ整流器回路１２００の概略図を示す。各ロータ巻線１２０２は、対応するアクティブ整流器サブ回路１２０４によってアクティブに整流される。アクティブ整流器サブ回路１２０４は、互いに並列に配線され、１つ以上のキャパシタを含む共通のキャパシタネットワーク１２０６を共有する。各アクティブ整流器サブ回路１２０４は、それぞれの結合されたロータ巻線１２０２内の電流のアクティブ整流を実行する。アクティブ整流は、ｎ個のアクティブ整流器サブ回路１２０４によってキャパシタネットワーク１２０６に伝送される電力が３６０°／ｎ度ずつ位相がずれるものである。幾つかの実装では、図１２に示される各ロータ巻線は、ロータの異なる極対からのものであり、ロータには少なくともｎ個の極対がある。幾つかの実装では、伝送された電力は互いにインターリーブされる。
多軸スプリットコイルインジェクションによるアクティブ整流
この開示を通じて説明されるように、アクティブ整流は、スイッチとして機能する半導体デバイスによって実装されてもよい。しかしながら、場合によっては、半導体デバイス（例えば、図５Ｃのスイッチ５０４ａ～５０４ｄ）は、比較的高い瞬間電力レベルにさらされるかもしれない。
具体的には、場合によっては、アクティブに整流されたロータ巻線電流（例えば、図８の曲線８０４）は、比較的大きなＤＣ成分と比較的小さなＡＣ（リップル）成分を含む。一方、場合によっては、アクティブに整流されたロータ巻線電圧（例えば、図８の曲線８０２）には、比較的大きなＡＣ成分と比較的小さなＤＣ成分が含まれる。ロータ巻線電圧の比較的大きいＡＣ成分は、ステータ巻線からロータ巻線への効率的な電力伝送が可能にし、一方、ロータ巻線電圧の比較的小さなＤＣ成分は、例えばロータ巻線電圧信号に導入されたゼロシーケンスによって生成されうる。
電力は電圧×電流（Ｖ×Ａ）なので、電流と電圧のＡＣ成分とＤＣ成分がそれぞれ分離されていないと、大きなＤＣ電流成分と大きなＡＣ電圧成分により、アクティブ整流器で処理される平均電力と比較して、アクティブ整流器回路のピーク電力が高くなる。平均電力は、ロータ巻線のＤＣ電圧とロータ巻線のＤＣ電流の積に等しい。例えば、幾つかの実装では、ピーク電力は平均電力の１０倍を超える。これは、アクティブ整流器回路のコンポーネント（半導体デバイスなど）がそれに応じて高い電力定格を持たなければならず、コンポーネントのサイズが増大することを意味する。更に、幾つかの実装では、高いピーク電力は、それに対応して伝導損失などの高い損失が起こる。
しかしながら、幾つかの実装では、アクティブ整流器（及び、幾つかの実装では、ステータ側電圧）は、ロータの電流と電圧のＡＣ成分とＤＣ成分が分離されるように構成されている。従って、アクティブ整流器回路コンポーネントは、次のいずれかを伝送する。ａ）比較的大きなＤＣ電流と比較的小さなＤＣ電圧、又は、ｂ）比較的小さなＡＣ電流と比較的大きなＡＣ電圧。これにより、アクティブ整流器回路コンポーネントが比較的大きなＤＣ電流と比較的大きなＡＣ電圧の両方を流すような設計となっている場合と比較して、各コンポーネントのピークＶ×Ａが減少する。以下でさらに詳細に説明するように、図１３～図１６は、ＡＣ及びＤＣの電流及び電圧成分を分離できるそれぞれのアクティブ整流器回路を示す。
以下でさらに詳細に説明するように、図１３は、ＡＣ及びＤＣの電流及び電圧成分を分離できるそれぞれのアクティブ整流器回路を示す。ステータからのＤ軸電力伝送信号に結合するロータ巻線１３０２は、２つの並列入力、すなわちアクティブ整流器サブ回路１３０４及びローパスフィルタ１３０６で終端される。同時に、アクティブ整流器サブ回路１３０４は、回路１３００の「ＡＣ側」（ロータ巻線１３０２を含むＡＣ側）を回路１３００の「ＤＣ側」から分離し、「ＤＣ側」には、ローパスフィルタ１３０６が含まれる。キャパシタ１３１０は、アクティブ整流プロセス中にエネルギーを蓄積し、ロータ巻線電流のリップルを平滑化する。
アクティブ整流器サブ回路１３０４は、本開示を通じて説明されるように実装されてもよく、例えば、ステータ巻線からロータ巻線で受信されたデータ信号に基づいて切り替わる１つ以上のアクティブスイッチを含む非対称ブリッジ又はフルブリッジによって実装される。
幾つかの実装では、回路１３００のＤＣ側のドライバ回路１３０８により、ＤＣ電気部品をキャパシタ１３１０とは別に制御できるようになり、例えば、キャパシタ１３１０に第１の電圧を維持し、回路１３００のＤＣ側に第２の異なるＤＣ電圧を維持する。
動作中、アクティブ整流器サブ回路１３０４は、ロータ巻線１３０２に実質的にＡＣ電流１３１２を印加し、アクティブ整流器サブ回路１３０４内の半導体デバイスがより低い電流ストレスにさらされるようにする。ＤＣ電流１３１４は、アクティブ整流器サブ回路１３０４からローパスフィルタ１３０６を介してロータ巻線１３０２に伝送され、このＤＣ電流１３１４はＱ軸磁場と結合してロータ上に起電力を生成する。
幾つかの実装では、ローパスフィルタ１３０６の入力ポート１３１６における入力インピーダンスは、Ｄ軸インジェクション周波数において高く（例えば、ステータからのＤ軸電力伝送電圧インジェクション信号の周波数において）、そうでなければ、例えば、入力ポート１３１６全体で事実上短絡されるなど、ステータとロータ間の動力伝送が悪影響を受ける可能性がある。例えば、幾つかの実装では、入力ポート１３１６における入力インピーダンスは、ステータＤ軸漏れインダクタンスとロータ漏れインダクタンスを含む、システム内の総漏れインダクタンスのインピーダンスよりも高く、これにより、電力伝送が増加しうる。このシステムは、総漏れインダクタンスと入力インピーダンスの間の分圧器として理解できる。
ステータＤ軸漏れインダクタンスは、ステータ巻線と直列の漏れインダクタンスとステータ巻線と並列の漏れインダクタンスの組み合わせとして表すことができ、ロータ漏れインダクタンスは、ロータ巻線と直列の漏れインダクタンスを少なくとも含む。
この開示全体を通して説明したように、図１３の説明は、Ｄ軸以外の別の制御可能な軸上で電圧インジェクションを受けるロータ巻線を同様に説明してもよい。
アクティブ整流器回路１３００の一具体例を図１４に示す。この例のアクティブ整流器回路１４００では、インダクタ１４０２がローパスフィルタリングを実装する。図１３及び図１４の実装は、本明細書で説明する相違点を除いて、その他の点では実質的に同様である。
インダクタ１４００は、効率的なローパスフィルタリングを実装するためのエネルギーの主な貯蔵庫として機能するため、システム内の総漏れインダクタンスのインピーダンスよりも大幅に大きい（例えば、少なくとも約１０倍大きい）インダクタンスを有する。
図１５は、漏れインダクタンスの適切な選択によって回路設計にローパスフィルタリング機構が組み込まれているアクティブ整流器回路１５００の実装を示す。具体的には、第１のロータ巻線１５０２はアクティブ整流器サブ回路１５０４によって終端され、第２のロータ巻線１５０６はアクティブ整流器サブ回路１５０４のＤＣ出力によって終端される(幾つかの実装では、ドライバ回路１５０５が介在する）。この開示を通じて説明されるように、キャパシタネットワーク１５０８は、アクティブ整流プロセス中にエネルギーを蓄積及び放出する。
幾つかの実装では、２つのロータ巻線１５０２、１５０６は互いに並んで巻かれており、例えば、同じロータポールの周りに巻かれ、その結果、２つのロータ巻線１５０２、１５０６はステータからの同じＤ軸電圧にさらされる（極対に含まれる）。
第１のロータ巻線１５０２及び第２のロータ巻線１５０６はそれぞれ、それぞれの漏れインダクタンス１５１０、１５１２によって特徴付けられ、漏れインダクタンス１５１０、１５１２は、図１５では個別のコンポーネントとして示されているが、幾つかの実装では、それぞれのロータ巻線１５０２、１５０６の設計に埋め込まれている。例えば、ステータとロータの間のエアギャップの長さと幅によって、ロータ及び／又はステータのポールの形状によって、ポールスロットの構成によって、又はこれらの要素の組み合わせによって、漏れインダクタンスを決定してもよい。第２のロータ巻線１５０６の漏れインダクタンス１５１２は、第１のロータ巻線１５０２の漏れインダクタンス１５１０よりも著しく大きい（例えば、少なくとも約１０倍大きい）。第２のロータ巻線１４０６の漏れインダクタンス１５１２も、ステータ側のＤ軸全体の漏れインダクタンスよりも大幅に大きい（例えば、少なくとも約１０倍大きい）。
この開示全体を通して説明したように、図１５の説明は、Ｄ軸以外の別の制御可能な軸上で電圧インジェクションを受けるロータ巻線を同様に説明してもよい。
図１６は、ＡＣ及びＤＣの電流及び電圧成分を分離するアクティブ整流器回路１６００の実装を示す。この実装形態では、第１のロータ極は、第１のＡＣロータ巻線１６０２ａ及び第１のＤＣロータ巻線１６０４ａによって通電される。第２のロータ極は、第２のＡＣロータ巻線１６０２ｂ及び第２のＤＣロータ巻線１６０４ｂによって通電される。ロータ巻線１６０２ａ、１６０４ａ及び１６０２ｂ、１６０４ｂの対は、それぞれ異なるロータ極の周りに巻かれる。例えば、磁性材料のそれぞれの部分の周りに円周方向に巻き付けられる。同じ界磁束にさらされるため、巻線１６０２ａ、１６０４ａは第１の極対に含まれ、巻線１６０２ｂ、１６０４ｂは第２の極対に含まれる。
ロータ巻線の第１の対１６０２ａ、１６０４ａは、第１のステータ側Ｄ軸電圧１６０５ａによって励起され、ロータ巻線の第２の対１６０２ｂ、１６０４ｂは、第２のステータ側Ｄ軸電圧１６０５ｂによって励起される。幾つかの実装では、図９～図１１を参照して説明したとおり、２つのＤ軸電圧１６０５ａ、１６０５ｂは、逆極性を持ち、例えば、互いに位相が１８０度ずれている。
ＡＣロータ巻線１６０２ａ、１６０２ｂは、それぞれのＤ軸に関して逆の極性で直列に導電的に結合される（例えば、巻線の巻き方向が互いに反対である、又は、巻き方向は同じ方向であるが、巻き線間の電気的結合により、極性が逆になるように巻き線の端が接続される）。
ＡＣロータ巻線１６０２ａ、１６０２ｂの残りのノードは、アクティブ整流器サブ回路１６０６の入力１６１２（例えば、ＡＣロータ巻線１６０２ａ、１６０２ｂを互いに直列に結合しないノード）で終端される。アクティブ整流器サブ回路１６０６は、キャパシタネットワーク１６０８及びドライバサブ回路１６１０に導電的に結合される。
ＤＣロータ巻線１６０４ａ、１６０４ｂは、それぞれのＤ軸に対して一致する極性で直列に導電的に結合される。この直列結合に加えて、ＤＣロータ巻線１６０４ａ、１６０４ｂは、ドライバサブ回路１６１０の出力１６１４にも結合される。
この例示的な回路１６００は、逆極性のＤ軸電圧と組み合わせて、ロータ巻線の電圧と電流のＡＣ成分とＤＣ成分を効果的に分離する。まず、アクティブ整流器サブ回路１６０６は、ＡＣロータ巻線１６０２ａ、１６０２ｂにＡＣ電圧及び電流を印加し、これらのＡＣ信号成分は、ステータからロータへの電力伝送を行う。更に、ＡＣロータ巻線１６０２ａ、１６０２ｂは逆極性で直列に配線されるが、印加されるＤ軸電圧も逆極性を有するため、ＡＣロータ巻線１６０２ａ、１６０２ｂのそれぞれの電圧が増加する。従って、アクティブ整流器サブ回路１６０６の入力１６１２における総ＡＣ電圧は、ＡＣロータ巻線１６０２ａ、１６０２ｂのそれぞれにおけるＡＣ電圧のピーク振幅の２倍を有する。
第２に、ＤＣロータ巻線１６０４ａ、１６０４ｂは極性を合わせて直列に配線されているため、これらの巻線１６０４ａ、１６０４ｂのＡＣ成分は互いに打ち消し合う。（アクティブ整流器サブ回路１６０６及びキャパシタネットワーク１６０８に導電結合され、そこからエネルギーを引き出す）ドライバサブ回路１６１０から出力されるＤＣ電圧は、ＤＣロータ巻線１６０４ａ、１６０４ｂにＤＣ電流を供給し、この電流はステータからのＱ軸電圧に結合してロータを動かす。この実装では、個別のインダクタは必要ない。従って、回路コスト及び／又はサイズは、図１３の実装と比較して削減されてもよい。
幾つかの実装では、ＤＣロータ巻線１６０４ａ、１６０４ｂは、ＡＣロータ巻線１６０２ａ、１６０２ｂよりも高い巻数を有する。これにより、（Ｖ／ｔｕｒｎを維持しながら）巻線端子電圧の増加と（Ａ×ｔｕｒｎを維持しながら）巻線端子電流の減少が促進される可能性がある。従って、ドライバサブ回路１６１０に対する電流及び電圧ストレスが軽減されうる。幾つかの実装では、ドライバサブ回路は含まれておらず、ＤＣロータ巻線１６０４ａ、１６０４ｂはキャパシタネットワーク１５０８に直接導電的に結合されている。
巻数比は、回路１６００のＡＣ側と回路１６００のＤＣ側のピーク電圧が等しいか、又はほぼ等しい（例えば、互いに５０％以内、互いに２５％以内、又は互いに１０％以内)。これにより、アクティブ整流器サブ回路１６０６及びドライバサブ回路１６１０において大幅な電圧降下（又は昇圧）を実行する必要性を回避することができる。幾つかの実装では、巻数比は、これらのピーク電圧を提供する巻数比とは異なる。
更に、ＡＣ電気部品とＤＣ電気部品が分離されているため、本開示全体で説明されているように、ピークキャパシタ電力が低減され、それに応じて、必要なキャパシタのサイズ、コスト、及び／又は定格電力が低減される。
回路１６００は、ＡＣ電気部品とＤＣ電気部品の効果的な分離を実現するだけでなく、それに対応して、電力伝送及び磁場発生機能の効果的な分離も実現する。ステータからロータへの電力伝送は、ＡＣロータ巻線を介して行われ、一方、ステータで生成された磁場と結合してトルクを生成する磁場の生成は、ＤＣロータ巻線を介して行われる。
幾つかの実装では、多軸インジェクションは、ステータ巻線の別々のセットでコモンモード（ＣＭ）と差動モード（ＤＭ）のステータ励磁を分離することによって実装される。ＣＭステータ励磁場は、ＤＣなどの低周波であり、ステータＣＭコイルは、ＣＭ電流を強制するために直列に接続されてもよい。ＤＭ場は、正弦波、台形、又は鋸歯状などの中周波又は高周波の場（例えば、ＣＭ場よりも高い周波数）である。ステータＤＭコイルは、スター型やデルタ型などの様々な配置で接続であってよい。ＣＭ及びＤＭ磁場の生成は、他の方法、例えばステータコイルの幾何学的形状の変更によって実装されてもよい。
幾つかの実装では、ＣＭ及びＤＭステータ励磁は、三相ステータインジェクション及び２軸インジェクションと組み合わせて使用される。
この開示全体を通して説明したように、図１６の説明は、Ｄ軸以外の別の制御可能な軸上で電圧インジェクションを受けるロータ巻線を同様に説明してもよい。
図１７Ａ～１７Ｃは、アクティブ整流器１６００の時間依存の電圧値及び電流値の例を示す。
図１７Ａに示すように、第１のＤ軸電圧１７００ａ（図１６のＤ軸インジェクション１６０５ａに相当）及び第２のＤ軸電圧１７００ｂ（図１６のＤ軸インジェクション１６０５ｂに相当）は、３６０°／２＝１８０°位相がずれている。
図１７Ｂに示されるように、ＡＣロータ巻線１６０２ａ、１６０２ｂは逆の極性で直列に配線されているため、位相の異なるＤ軸電圧１７００ａ、１７００ｂは相殺されず、むしろ、アクティブ整流器サブ回路１６０６は、ＡＣロータ巻線１６０２ａ、１６０２ｂからの正味電圧１７０２（アクティブ整流器サブ回路１６０６の入力１６１２の電圧に対応）を、Ｄ軸電圧１７００ａ、１７００ｂのピーク振幅の２倍を有する５０％デューティサイクル方形波にする。
台形ＡＣ電流１７０４は、巻線１６０２ａ、１６０２ｂを含む誘導システムにおける２つの入力方形波電圧の組み合わせから生じる。
図１７Ｃに示すように、ＡＣロータ巻線１６０２ａ、１６０２ｂからの信号がアクティブ整流器サブ回路１６０６によって整流されるため、また、ＤＣロータ巻線１６０４ａ、１６０４ｂの極性が一致する直列配線により、ＤＣロータ巻線１６０４ａ、１６０４ｂからの反射ＡＣ電圧が打ち消されるため、ＤＣロータ巻線１６０４ａ、１６０４ｂを流れる電流１７０６は実質的にＤＣである。同様に、ドライバサブ回路１６１０の出力１６１４における電圧に対応する、ＤＣロータ巻線１６０４ａ、１６０４ｂからの正味電圧１７０８も実質的にＤＣである。
電流と電圧のＡＣ成分とＤＣ成分が分離されているため、半導体コンポーネントのピーク電力が低減され、幾つかの実装では、コンポーネントのサイズとコストが削減され、損失が削減される。
更に、図１６の実装では（及び、図１９を参照して説明したように、３つ以上のインジェクション軸を備えた実装の場合）、複数のインジェクション軸に対応する巻線がアクティブ整流器サブ回路１６０６を共有するため、総半導体部品数を減らすことができ、幾つかの実装では、それに応じて寄生損失も減少する。
また、幾つかの実装では、アクティブ整流器サブ回路１６０６の入力１６１２におけるＤＣ電流はゼロ又はほぼゼロであるため、また、図１７Ｂに示すようにこの入力１６１２では電流が電圧よりも進んでいるため、アクティブ整流器サブ回路１６０６におけるソフトスイッチングに必要な回路を削減することができる。電圧が高から低へ、又は低から高に切り替わるにつれて、進み電流（例えば、電流１７０４）がアクティブ整流器サブ回路１６０６内の静電容量を充電し、アクティブ整流器サブ回路１６０６のスイッチにおける電流スパイクを低減する。
図１８は、アクティブ整流器サブ回路１６０６、キャパシタネットワーク１６０８、及びドライバサブ回路１６１０を実装する例示的な回路１８００を示す。直列配線されたＡＣロータ巻線１６０２ａ、１６０２ｂは、ＡＣ入力１８０２で終端される。２つのダイオード１８０４及び２つのスイッチ１８０６（スイッチ１８０６は、例えば、Ｄ軸電圧に埋め込まれたデータ信号に基づいて制御される）は、キャパシタネットワーク１８０８を使った、ＡＣ信号のアクティブ整流を実装し、この実装では２つのキャパシタ１８１０を含む。
ドライバサブ回路である別のダイオード１８１２及び別のスイッチ１８１４は、例えば、キャパシタネットワーク１６０８の電圧などのキャパシタネットワークの電圧とは無関係に、結合されたＤＣ巻線（例えば、ＤＣ巻線１６０４ａ、１６０４ｂ）を、ＤＣ巻線をキャパシタから結合／切り離すことによって制御できるようにする。ドライバサブ回路がない場合、ＤＣ巻線電圧はキャパシタ電圧と等しくなる。ドライバサブ回路を使用すると、キャパシタネットワーク上で大きな電圧を維持できるため、電力伝送に有利になる。
図１６～図１８を参照して説明される実装例は、３つ以上のＤ軸インジェクション軸に拡張できる。幾つかの実装では、ｎ個のＤ軸インジェクション軸は、対応するｎ対のＡＣロータ巻線とＤＣロータ巻線に通電する。ＡＣロータ巻線は、極性が交互になるように直列に配線されており、ＤＣロータ巻線は、極性が一致するように直列に配線される。ＡＣロータ巻線は、（例えば、図１９に示すように）デルタ構成で共通のアクティブ整流器サブ回路と共通のキャパシタネットワークに導電結合されており、ＤＣ電流がＤＣロータ巻線に出力されるようにする。
幾つかの実装では、ｎ個のＤ軸電圧の合計はゼロ又はほぼゼロになる。例えば、幾つかの実装では、ｎ個のＤ軸電圧は、３６０°／ｎずつ位相がずれた信号に一致する。更に、幾つかの実装では、アクティブ整流器サブ回路によってＡＣロータ巻線に印加される電圧の合計は、ゼロ又はほぼゼロである。幾つかの実装では、ＡＣロータ巻線に印加される電圧はインターリーブされる。
図１９は、３対のロータ巻線に通電するために３軸インジェクションを使用するアクティブ整流器１９００の例を示す。特に、３つのＡＣロータ巻線１９０２ａ、１９０２ｂ、及び１９０２ｃは、それぞれのＤ軸に関して反対の極性で直列に一緒に配線され、３つのＤＣロータ巻線１９０４ａ、１９０４ｂ、及び１９０４ｃは、それぞれのＤ軸に関して極性が一致するように直列に配線される。３軸ステータ側Ｄ軸電圧インジェクション１９０５ａ、１９０５ｂ、１９０５ｃは、３６０°／３＝１２０°ずつ位相がずれている。
幾つかの実装では、巻線１９０２ａ及び１９０４ａは、第１の極対に含まれており、巻線１９０２ｂ及び１９０４ｂは、第２の極対に含まれており、巻線１９０２ｃ及び１９０４ｃは、第３の極対に含まれる。
この実装では、及び本開示で説明する他のＡＣ／ＤＣ分離回路では、極対の数は、ステータの相及び／又は軸の数と同じである必要はない。例えば、幾つかの実装では、ロータには、存在するステータの相及び／又は軸よりも多くの極対が含まれている。幾つかの実装では、ロータには、存在するステータの相及び／又は軸よりも多くの極対が含まれており、少なくとも幾つかのロータ極対は平行に巻かれている。
６つのスイッチ（例えば、スイッチ１９０６）は、ＡＣロータ巻線１９０２ａ、１９０２ｂ、及び１９０２ｃを通る電流のアクティブ整流を実施し、アクティブ整流中にキャパシタ１９０８がエネルギーを蓄積する。
この開示全体を通して説明したように、図１９の説明は、Ｄ軸以外の別の制御可能な軸上で電圧インジェクションを受けるロータ巻線を同様に説明してもよい.
図１９の例示的なアクティブ整流器は、ｎ＞２を有するアクティブ整流器の他の例とともに、図１６～図１８のｎ＝２の場合を参照して説明した利点の一部又は全てを有してもよい。例えば、ＡＣコンポーネントとＤＣコンポーネントが効果的に分離されているため、ピーク電力要件が軽減される。コンポーネントの重量、サイズ、コストを削減する。アクティブ整流器回路における損失を低減することができる。総部品数を減らすことができる。キャパシタの総コスト及び／又はサイズが削減される可能性がある。
更に、図５Ａ～５Ｂ、９～１０、１２～１６、及び１９の例示的なアクティブ整流器を含め、この開示で説明されている様々なアクティブ整流器は、本開示を通じて説明されるアクティブ整流の利点の一部又は全てを提供することができる。例えば、アクティブ整流により、トルクリップルが減少し、電力効率が向上する。
電圧ガバナ付きアクティブ整流器回路
上で述べたように、幾つかの実装形態によるアクティブ整流器は最終的にステータから電力を取得するため、電力が供給されていない状態でモータ動作を開始する。例えば、アクティブ整流器内のキャパシタが充電されていない、又は変圧器として機能する専用のロータ巻線によって電力がまだ伝送されていないなど、スイッチング動作の制御に必要なエネルギーが存在しないため、モータの動作開始時にアクティブなスイッチング動作を実行できない可能性がある。アクティブ制御がないため、過電圧により回路コンポーネントが損傷したり、ロータの機能が妨げられたりする可能性がある。
そのような過電圧及び他の電圧スパイク（例えば、スイッチング周波数での過渡電圧）を防止又は軽減するには、幾つかの実装では、アクティブ整流器は電圧ガバナを含む。図２０Ａは、非対称ブリッジアクティブ整流器回路２０００の一例の回路図を示す。ノード２００２のロータ巻線は、回路２０００のパッシブ部品とともにアクティブ整流を実現するダイオード２００４及び２つのアクティブ制御スイッチ２００６に結合される。パッシブ部品の異なる配置及び組み合わせを含む、電圧ガバナを含む回路の他の構成も実装することができる。
回路２０００のスイッチによって見られる最大電圧は、キャパシタ２００８にかかる電圧である。アクティブゲート制御がない場合、アクティブ的に制御されるスイッチ２００６は、実装によっては、開、閉、及び／又はフローティング構成では制御されず、いずれにしても、電流をアクティブに整流するために同期してスイッチングすることはない。図２０Ａの例に示すように、アクティブ制御スイッチ２００６は開いたままである。
キャパシタ電圧２００８を制御し、アクティブなゲート制御がない場合に電圧が所定の最大値を超えないようにするには、回路２０００は、ガバナスイッチ２０１０にかかる電圧が最大値を超えた場合にロータ巻線を短絡させるガバナスイッチ２０１０を含む。ガバナスイッチ２０１０は、外部コントローラ又はゲートドライバに依存しないトランジスタ及び／又はパッシブ部品の組み合わせを含んでもよい。
幾つかのアクティブ整流実装では、アクティブ整流器内のスイッチは、電力が供給されていない状態にあるときにスイッチがパッシブ的に動作するように実装されてもよい。例えば、幾つかの実装では、バイポーラ接合トランジスタは、アクティブ制御がない場合に２つの端子間の電流を整流する。従って、モータの起動時、「アクティブ整流器」はアクティブ制御が使用可能になるまでパッシブ整流器として機能する。
図２０Ｂは、例示的なアクティブ整流器２０００及び電圧調整のない別のアクティブ整流器回路（図示せず）の過渡動作に対応する例示的な回路波形を示す。曲線２０２０は、回路２０００に含まれるガバナスイッチ２０１０によるキャパシタ２００８にかかる電圧を示す。曲線２０２２は、回路２０００内のガバナスイッチ２０１０のオン／オフ状態を示す。曲線２０２４は、ガバナスイッチがない場合のキャパシタ２００８にかかる電圧を示す。ガバナスイッチ２０１０がない場合、キャパシタ２００８の電圧は継続的に上昇し、過電圧の可能性を引き起こすことが見られる（キャパシタ２００８の電圧は最終的に反射バス電圧に達する）。対照的に、曲線２０２０は最大値に制限されている。
アクティブスイッチングがない場合にアクティブ整流器の過電圧を防止するための電圧ガバナ及びアクティブ整流器回路トポロジの他の実装も本開示の範囲内である。
ここで説明したコンポーネントとサブ回路に加えて、ロータ巻線に結合されたアクティブ整流器には他のコンポーネントが含まれる場合がある。例えば、幾つかの実装では、アクティブ整流器は、回路パラメータ、例えばキャパシタ電圧及び／又はロータ電流を測定し、幾つかの実装では、本開示で明示的に説明されるもの以外の制御機能を実行するためのアナログ及び／又はデジタル構成要素を含む。幾つかの実装では、アクティブ整流器は、例えば、ロータ内で、ロータとステータの間で、又はロータと別のコントローラーコンポーネントの間で、アナログ及び／又はデジタル信号を交換するため、１つ以上の通信デバイスが含む。
本開示の様々な実装は、Ｄ軸カップリング（例えば、図６～１９を参照して説明した実装）を参照して説明された。しかしながら、例えば、Ｑ軸に沿った、又は確立され得る別の軸に沿った、モータ内に存在する可能性のある任意の１つ以上の制御可能な軸に沿ったカップリングについては、同等の実装が本開示の範囲内に含まれる。
アクティブ整流器回路のモータ構造
図２１Ａ～２１Ｂは、アクティブ整流ロータ２１０１を含むモータ２１００の機械的実装例を示す。プリント回路基板（ＰＣＢ）２１０２は、例えば、アナログ回路要素、デジタル回路要素、パッシブ回路要素、アクティブ回路要素、及び／又は、アクティブ整流器及びロータ制御ユニットの集積回路などの、回路要素２１０４を含む。ＰＣＢ２１０２は、ロータ２１０１のコア２１０６上に軸方向に配置され、例えば、ワイヤやケーブルなどのインターコネクト（interconnects）２１１０によってロータ巻線２１０８に導電接続される。ＰＣＢ２１０２は、モータ軸が通過できる穴２１１２を画定する。
幾つかの実装では、図２１Ｂに示されるように、ＰＣＢ２１０２は、ＰＣＢ２１０２を所定の位置に固定する筐体２１１４内に配置される。
アクティブ整流器回路の他の構成及び配置も可能である。例えば、幾つかの実装では、アクティブ整流器回路は、ロータの軸方向ではなく半径方向に配置されたＰＣＢに含まれている。幾つかの実装では、アクティブ整流器の部分は、ロータの複数の領域全体、例えば、ロータコアの２つの対向する軸方向表面上に分散される。
図２１Ｃ～Ｆは、図３の電気機械３００などのモータに使用されるアクティブ整流ロータ２１２０の別の例示的な機械的実装を示す。より具体的には、ロータ２１２０は、ロータ２１２０のロータシャフト２１２４に一体化されたアクティブ整流器アセンブリ２１２２を含む。図２１Ｃは、ロータ２１２０の軸方向の図であり、図２１Ｄは、図２１Ｃの軸方向図の線Ａ－Ａに沿った断面図であり、図２１Ｅは、アクティブ整流器アセンブリ２１２２の斜視図であり、図２１Ｆは、ロータ２１２０の分解図である。図２１Ｃを参照すると、ロータ２１２０は６つのロータ巻線２１２６を含む。図２１Ｄを参照すると、ロータシャフト２１２４は、ロータ２１２０とともに回転するように、ロータ２１２０に固定的に結合される。ロータシャフト２１２４及びロータ２１２０は、ロータ２１２０を組み込んだ電気機械のステータに対して回転的に固定された静止部分を有するベアリング２１２８の周りを回転する。ロータシャフト２１２４は、シャフトハウジングにおけるキャップ又はリテーナ２１３２の取り外し及び取り付けを介して選択的にアクセス可能なキャビティ２１３０を更に含む。キャビティ２１３０は、アクティブ整流器アセンブリ２１２２を受け入れて保持し、アクティブ整流器アセンブリ２１２２もロータ２１２０に（例えば、接着剤、摩擦、キャップ２１３２、キー、シート、リテーナ、又は物理的取り付けのための他の機構などを介して）固定的に結合されるようにする。従って、アクティブ整流器アセンブリ２１２２は、ロータ２１２０及びロータシャフト２１２４に対して回転的に固定され、アクティブ整流器アセンブリ２１２２がロータ２１２０及びロータシャフト２１２４とともに回転する。
図２１Ｅに戻り、アクティブ整流器アセンブリ２１２２は、本体２１３４、キャパシタ、及びキャップ又はハウジング２１３６を含むカートリッジを形成する。図２１Ｆの分解図では、アクティブ整流器及びロータ制御ユニットの回路要素（例えば、アナログ回路要素、デジタル回路要素、パッシブ回路要素、アクティブ回路要素、及び／又は集積回路）を含むプリント回路基板（ＰＣＢ）２１３８のスタックが示されている。換言すれば、ＰＣＢスタック２１３８は、ロータ２１２０のアクティブ整流器アセンブリ２１２２のアクティブ整流器及びロータ制御ユニットを含む。アクティブ整流器及びロータ制御ユニットは、（例えば、図６Ａ～Ｂ、７Ｂ、９、１０、１２～１６、１８～１９、又は２０Ａに関して）本明細書で説明されるアクティブ整流器及びロータ制御ユニットのいずれであってもよい。例えば、アクティブ整流器には、スイッチ（例えば、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＧａＮトランジスタなど）及び／又はダイオードを備えたＨブリッジ（フル又は非対称）が含まれてもよく、ロータ制御ユニットには、低電圧電源を備えたローカルマイクロコントローラー（ＭＣＵ）が含まれてもよい。アクティブ整流器及び／又はロータ制御ユニット、従ってＰＣＢスタック２１３８は、ＰＣＢスタック２１３８の相互接続２１３９（例えば、シャフト内の通路を通ってロータ巻線にアクセスする導体など）によってロータ巻線２１２６に導電接続される。幾つかの実施形態では、ロータ巻線は、シャフト２１２４の外側に位置するＰＣＢ又は相互接続２１４１で接続することができ、これは、次に、２１３９の相互接続を介してＰＣＢスタック２１３８（及びその上のコンポーネント）に接続される。ＰＣＢスタック２１３８内には、高電圧バスバー相互接続２１４０と並んで、低電圧コネクタが存在する。バスバー２１４０は、それぞれの絶縁板２１４２によって覆われ、保持されてもよく、これは、接着剤、超音波溶接、又はカートリッジコンポーネントハウジング２１３６による機械的保持によって所定の位置に保持されてもよい。或いは、特定の実施形態では、バスバー相互接続は、ＰＣＢスタック２１３８とともに２１３６の内部に配置されてもよい。アクティブ整流器アセンブリ２１２２は、例えば、キャパシタ２１４４及び／又はＰＣＢスタック２１３８の１つ以上のＰＣＢ上のキャパシタ（例えば、図示の例では、ＰＣＢスタック２１３８の右端の３つのＰＣＢがフィルムキャパシタを含む）などの、エネルギー蓄積素子をさらに含んでもよい。他の例では、アクティブ整流器アセンブリ２１２２は、キャパシタ２１４４に加えて、又はキャパシタ２１４４の代わりに、インダクタ、スーパーキャパシタ、又は二次（充電可能）バッテリを含む。更に、特定の実施形態では、これらのエネルギー貯蔵装置を組み合わせて使用されてもよい。エネルギー蓄積素子は、本明細書に記載されるように、ステータによって無線で伝送され、アクティブ整流器によって捕捉された電気エネルギーを蓄積するために、ＰＣＢスタック２１３８のアクティブ整流器に結合される。ＰＣＢスタック２１３８の様々な回路基板は、コネクタ、接点、ハーネス、はんだ付けなどを介して互いに接続されてもよい。
少なくとも幾つかの実施形態では、アクティブ整流器アセンブリ２１２２のカートリッジフォームファクタにより、ドロップインアセンブリ及び交換が可能になるだけでなく、コンポーネントとボードとの間の効果的な電圧絶縁が可能になる。カートリッジはまた、アクティブ整流器アセンブリ２１２２への流体の進入を防止するために、密封され、又はキャビティ２１３０内に密封されてもよく、それによって、アクティブ整流器アセンブリ２１２２全体にわたって、及び、アクティブ整流器アセンブリ２１２２を横切る、直接冷却流の使用が可能になる。従って、図２１Ｃ～Ｆの実施形態及びそれに続く図２１Ｇ～Ｊの実施形態は、以下の１つ又は複数を可能にする。（１）冷却の改善－直接液体冷却（浸漬又は噴霧）、（２）機械キャビティからの隔離、（３）アクティブ整流器回路にかかる力の減少、（４）電力密度の増加、又は（５）サブアセンブリカートリッジに基づくメンテナンスと組み立ての容易性の向上。
図２１Ｇ～Ｊは、図３の電気機械３００などのモータに使用されるアクティブ整流ロータ２１５０の別の例示的な機械的実装を示す。より具体的には、ロータ２１５０はアクティブ整流器アセンブリ２１５２を含む。図２１Ｇは、ロータ２１５０の軸方向の図である。図２１Ｈは、図２１Ｇの軸方向図の線Ａ－Ａに沿った断面図である。図２１Ｉは、アクティブ整流器アセンブリ２１５２の斜視図である。図２１Ｊは、ロータ２１５０の分解図である。
図２１Ｇ～Ｊの実施形態は、図２１Ｄ及び図２１Ｆに示すキャパシタ２１４４の代わりに、より大きなキャパシタ２１５４（図２１Ｈ及び図２１Ｊを参照）を含めて収容することを除いて、図２１Ｃ～Ｆの実施形態と同様である。従って、ロータ２１２０の構成要素の参照符号に使用されたのと同様の番号がロータ２１５０の構成要素の参照符号に使用され、上記と同様の説明がロータ２１５０について同様の番号が付された構成要素に適用される。
モータ制御
図２２は、本開示の態様とともに使用することができる、例示的なコントローラ２２００のブロック図である。コントローラ２２００は、前述したモータコントローラ１０４に加えて、又はその代わりに使用することができる。前者の例では、コントローラ２２００及びモータコントローラ１０４を単一の統合コントローラに組み合わせることができ、又はコントローラ２２００及びモータコントローラ１０４を別個の個別のコントローラとすることができる。コントローラ２２００は、とりわけ、電気機械３００のパラメータを監視し、電気機械３００の様々な動作パラメータを作動及び／又は調整するための信号を送信することができる。（例えば、図３Ａ及び３Ｂの）アクティブ整流器３１１は、本開示内で説明されるアクティブ回路のいずれかを含むことができ、例えば、電気機械３００の動作パラメータを作動及び／又は調整するために、コントローラ２２００によって制御されてもよい。更に、主に電気機械３００に関して説明されるが、コントローラ２２００は、電気機械３００の場合と同様の方法で、本明細書に記載される電気機械（例えば、電気モータ１０２を含む）のいずれかと併用することができる。換言すれば、コントローラ２２００は、とりわけ、電気機械のパラメータを監視し、電気機械の様々な動作パラメータを作動及び／又は調整することができる（例えば、とりわけ、これらの電気機械のアクティブ整流器を制御することによって）。これらの機械のアクティブ整流器は、本明細書で説明するアクティブ整流器のいずれかの形態をとることができる。
図２０に示すように、コントローラ２２００は、特定の例では、（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）プロセッサ２２５０と、プロセッサ２２５０に本明細書に記載の動作を実行させる命令を含む（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）メモリ２２５２と、を含む。プロセッサ２２５０は、例えば、ロータ位置センサ又は電流センサを含む、電気機械３００内の構成要素と通信を送受信するための入出力（Ｉ／Ｏ）インターフェース２２５４に結合される。特定の例では、コントローラ２２００は更に、電気機械３００の様々な電気機械コンポーネントのうちの１つ又は複数と、また、電気機械３００に設けられる他のセンサ（例えば、温度センサ、振動センサ、及び他の種類のセンサ）と、状態を通信することができ、更に、（ステータへの電力信号又は駆動信号を含む）作動信号及び／又は命令信号を送信することができる。通信は、有線、無線、又は有線と無線の組み合わせで行うことができる。幾つかの実装では、コントローラ２２００は、（例えば、車両の様々な部分など）異なる部分が異なる場所に配置された分散型コントローラであってもよい。本開示から逸脱することなく、追加のコントローラを、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２２００と組み合わせて使用することができる。
コントローラ２２００は、電気機械３００を制御するためにさまざまなレベルの自律性を有することができる。例えば、コントローラ２２００は負荷及び／又は速度の変化の感知を開始することができ、オペレータは電力周波数、電流の大きさ、及び／又は電流角度を調整する。或いは、コントローラ２２００は、負荷及び／又は速度の変化の感知を開始し、オペレータからの追加入力を受信し、オペレータからの他の入力なしで周波数、電流の大きさ、及び／又は電流角度を調整することができる。或いは、コントローラ２２００は、オペレータからの入力なしに、負荷及び／又は速度の変化の感知を開始し、周波数、電流の大きさ、及び／又は電流角度を調整することができる。
例えば、動作中、コントローラ２２００は、命令信号をステータ巻線３０４に送信することによって、ステータ巻線に通電し、ステータ内にステータ磁場を生成するように構成されたコントローラでありうる。例えば、コントローラ２２００は、電源からステータ巻線への電流の印加を制御するスイッチング素子用の制御信号（例えば、それぞれのパルス幅変調（ＰＷＭ）制御信号）を生成することができる（例えば、図２５～２６のスイッチコントローラ及びスイッチング素子に関して以下でさらに説明するように）。コントローラは、現在の角度と大きさでステータに電流を流し、電気機械３００の動作条件に応じて電流の角度と大きさを積極的に調整することによってステータ磁場を生成するように構成できる。或いは、又は、これに加えて、コントローラ２２００は、位置センサ３１６から位置ストリームを受信することができる。位置ストリームはロータの位置を表す。位置ストリームは、アナログ又はデジタルの電気信号又は電磁信号とすることができる。位置ストリームの受信に応答して、コントローラ２２００は、存在するトルクリップルの有無、又は重大度を決定することができる。次いで、コントローラ２２００は、トルクリップルが存在するという決定に応答して電流角度及び／又は電流の大きさを調整することができる。
幾つかの実装では、電流フェーザ角度３１８は、高トルク状態の間、移動方向においてロータ極３０８より先に増加する。すなわち、トルク単位当たりのより大きな電流が必要とされる場合には、電流フェーザ角度３１８の増加につながる可能性がある。一般に、電流フェーザ角度３１８が増加すると、Ｄ軸成分が減少するため、ロータコイル３１０はより活性になる（コイルを流れる電流が増加する）。換言すれば、各ロータ巻線の磁場は、電流フェーザ角度３１８が増加するにつれてより速く減衰する。コイル内の活動が大きくなると、軽減することなくトルクリップルが増加する可能性があるが、しかしながら、電流振幅は、各極が受けるＤ軸成分の増加中に増加することができ、増加した電流フェーザ角度３１８によって生成される潜在的な負のトルクに対抗することができる。或いは、又は、これに加えて、現在のフェーザ角度３１８は、高速、低トルク動作中に減少する。或いは、又は、これに加えて、ブレーキ操作中に現在の角度が負になる可能性がある。使用される動作モードに関係なく、コントローラ２２００は、所与の状況における電気機械３００の現在の需要を満たすように電流角度及び／又は電流振幅を調整することができる。コントローラ２２００は、例えば、５０～１０００ヘルツ（Ｈｚ）などの、幅広い周波数でステータを介してロータと通信することができる。幾つかの実装では、通信は、１００～１０００Ｈｚで行われる。いずれにせよ、このシステムは従来のシステムよりも速く変更を伝送できる。例えば、従来のかご型誘導機は、実質的に７Ｈｚで通信する。高周波伝送の機能により、コントローラ２２００は、動作条件に関係なく、トルクリップルを積極的に低減し、動作条件の変化に迅速に適応することができる。
或いは、又は、これに加えて、コントローラ２２００は、ロータ上のアクティブ整流器３１１と通信し、これを制御することができる。従って、ロータ巻線を流れる電流は、フェーザ電流の角度及び／又は大きさに代えて、又はそれに加えてアクティブに調整することができる。
図２３は、本開示の態様とともに使用することができる、方法２３００のフローチャートである。方法２３００の全て又は一部は、本開示に従って、コントローラ２２００、モータコントローラ１０４、アクティブ整流器、及び／又はロータ制御ユニットによって実行されてもよい。ステータ電流は、モータのステータのステータ巻線を通じて送られ、ステータ電流は、モータのロータ内のロータ巻線に直接結合する磁場を生成し、ステータに対するロータの移動を引き起こす（２３０２）。１つ又は複数のデータ信号がステータ電流に埋め込まれている。データ信号は、ステータ電流によって生成される磁場の変調を生成するように構成される（２３０４）。変調は、変調がロータ巻線のうち１つ又は複数のロータ巻線によって受信されると、受信された変調に応答してアクティブ整流器が制御されるようになっている。
図２４は、本開示の態様とともに使用することができる、方法２４００のフローチャートである。方法２４００の全て又は一部は、本開示に従って、コントローラ２２００、モータコントローラ１０４、アクティブ整流器、及び／又はロータ制御ユニットによって実行されてもよい。ステータのステータ巻線は通電されて、ステータ内にステータ磁場を生成する（２４０２）。ロータ極内の強磁性材料内の対応するロータ磁場は、磁束を確立することによって、ロータ磁場によって変更される（２４０４）。ロータの接線方向の力は、ステータの磁場の変化によって生成される（２４０６）。発生した接線方向の力によりロータが移動する（２４０８）。データ信号は、通電されたステータ巻線によって生成される（２４１０）。データ信号は次のようなものである：データ信号が少なくとも１つのロータ巻線によって受信されると、アクティブ整流器は、受信したデータ信号に応じて制御され、エアギャップにおける磁束の通電遅れを制御し、エアギャップは、ステータの内面とロータの外面との間に画定され、受信されたデータ信号に応答して、ロータ内の磁束の減衰が、ステータ磁場の変化に応答して、少なくとも１つのロータ巻線内の電流によって制御される。
図２５～２６は、電力スイッチングを実施するように構成された例示的なインバータ２５００、２６００を示す。インバータ２５００、２６００は、本開示を通して説明されるように、例えば、モータコントローラ１０４、コントローラ２２００として、及び／又はステータ又はロータの一部として実装されてもよい。
図２５の例では、インバータ２５００は三相２レベルインバータである。図示しないステータ巻線Ａ、Ｂ、及びＣ（ノード２５０２ａ、２５０２ｂ、２５０２ｃで導電的に結合される）は、スイッチ２５０４によって、正の電圧レール２５０６に切り替え可能に導電的に結合され、また、スイッチ２５０８によって、負の電圧レール２５１０に切り替え可能に導電結合される。ステータ巻線自体は、例えば、Ｙ字構成又はデルタ構成で構成されうる。レール２５０６、２５１０は、キャパシタ２５１２によって導電的に結合される。幾つか実装では、レール２５０６、２５１０は、電圧源ではなく電流源に対応する。
スイッチコントローラ２５１４は、スイッチ２５０４、２５０８をアクティブに（アクティブ的に）制御して、ステータ巻線に三相電力を導入し（例えば、ロータを移動させる）、及び／又は、ステータ巻線に適切な電圧／電流を使用して信号をロータに伝える。幾つかの実施形態では、スイッチコントローラ２５１４は、コントローラ１０４又はコントローラ２２００に組み込まれてもよい。
図２６は、３レベル中性点クランプ（neutral point clamp (NPC)）インバータ２６００の一例を示し、これは、別段の指示がない限り、インバータ２５００について説明したように動作する。図示しないステータ巻線Ａ、Ｂ、及びＣ（ノード２６０２ａ、２６０２ｂ、２６０２ｃで導電的に結合される）は、一対のスイッチ２６０４によって、正の電圧レール２６０６に切り替え可能に導電的に結合され、また、一対のスイッチ２６０８によって、負の電圧レール２６１０に切り替え可能に導電結合される。一対のダイオード２６１６は、一対のスイッチ２６０４、２６０８のそれぞれのセットの間に導電的に結合される。スイッチ２６０４、２６０８は、スイッチコントローラ２６１４によって制御される。幾つかの実施形態では、スイッチコントローラ２６１４は、コントローラ１０４又はコントローラ２２００に組み込まれてもよい。
例示的なインバータ２６００では、ステータ巻線Ａ、Ｂ、及びＣは、（例えば、星型構成で）中性点Ｎに導電的に結合され、中性点Ｎへの導電結合は、直接であってもよいし、１つ又は複数の電気素子を介在させてもよい。中性点Ｎもまた、ダイオード２６１６の各一対内で導電的に結合される。２つのキャパシタ２６１２は、中性点Ｎを正及び負の電圧レール２６０６、２６１０に導電的に結合する。インバータ２５００で述べたように、幾つか実装では、レール２６０６、２６１０は、電圧源ではなく電流源を表す。
ある例では、コントローラ１０４、２２００、２５１４、又は２６１４のうちの１つ又は複数は、多入力多出力（ＭＩＭＯ）コントローラを含むか、又は多入力多出力（ＭＩＭＯ）コントローラとして実装され、多入力多出力（ＭＩＭＯ）コントローラは、例えば、Ｒ軸とＤ軸の電流誤差を受信する２つの入力（例えば、ＩＲ＿Ｅｒｒｏｒ＝ＩＲ＿Ｄｅｓｉｒｅｄ－ＩＲ＿Ｍｅａｓｕｒｅｄ；ＩＤ＿Ｅｒｒｏｒ＝ＩＤ＿Ｄｅｓｉｒｅｄ－ＩＤ＿Ｍｅａｓｕｒｅｄ）と、Ｒ軸とＤ軸の電圧を制御する２つの出力を含む。ここで、ＩＲ＿Ｄｅｓｉｒｅｄ及びＩＤ＿Ｄｅｓｉｒｅｄは、事前に設定された値、及び／又は、（例えば、ユーザー入力デバイスから受信したもの、又はメモリから取得した）モーターシステムに入力された入力トルク又は速度動作点の値から変換された値であってもよい。速度又はトルクから所望の電流（又は電圧）への変換は、ルックアップテーブル、動的フィードバックコントローラー、又はモデルベースのコントローラによって実行できる。ＩＲ＿Ｄｅｓｉｒｅｄ及びＩＤ＿Ｄｅｓｉｒｅｄは、本明細書に説明されるように、ステータからロータに、又は、ロータからステータに、送信される任意の所望のデータ信号又は電力伝送信号（一般に、ＩＲ＿ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ及びＩＤ＿ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ信号と呼ばれる場合がある）を組み込んでもよく、又は、信号が埋め込まれてもよい。ＩＲ＿Ｍｅａｓｕｒｅｄは、本明細書で説明されるように、ロータ上の電流センサ又は推定器から取得され、ロータ巻線からステータ巻線に通信されるデータ信号を介して（例えば、制御チャネル又は軸に沿ってアクティブ整流器によって適用される変調を介して）無線でコントローラに通信されてもよい。或いは、これは、センサ、推定器、又はオブザーバーを介してロータ上で直接測定できる。ＩＤ＿Ｍｅａｓｕｒｅｄは、ステータの位相の電流測定値又は推定値をＲＤＱＮ基準フレームに変換することによって（例えば、クラーク変換及びパーク変換を使用して）取得してもよい。ＭＩＭＯコントローラのＲ軸電圧出力は、本明細書で説明する技術を使用して、データ信号としてロータに無線で通信してもよく、（例えば、図７Ｂに関して上述したように）ロータ巻線上で所望の電圧レベルを達成するためにアクティブ整流器を制御するために使用されてもよい。或いは、特定の実施形態では、ＩＲ＿ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎは、ステータによってロータに課せられ、ロータ信号はステータ信号に埋め込まれたパターンを通過する（ＩＤ＿ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）。ＩＤ＿ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎにより、ロータ回路（アクティブ整流器など）がロータ巻線を制御して、ロータがその信号に対して直角位相（つまり、９０°位相が異なる）になるようにする。ロータがＩＤ＿ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎと直角位相にあることに応答して、ＩＲ＿ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎがロータ巻線に効果的に発生する。この信号送信は二次的な目的として説明され、ステータによって配信される望ましいロータ信号（ＩＤ＿ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）の大きさと周波数によって示されてもよく、これにより、ロータコントローラは、主なＩＲ動作と並行して、ステータ信号に対する動作の位相を選択できる。主な動作は、トルクを発生させる可能性のある磁場を確立することとして説明できる。逆に、第２の目的は、ステータからロータへのエネルギーの伝送を引き起こすステータ及び／又はロータの信号、又はその２つの間における信号であるが、トルクや磁場エネルギーに大きな変化はない。Ｄ軸電圧出力は、ステータの各相（例えば、三相システムのＶＡ、ＶＢ、ＶＣ）に望ましい電圧レベルを提供するために、ＲＤＱＮ座標系からステータの固定座標系に変換できる。これらの所望の電圧レベルは、各相のステータコイルを駆動するスイッチング素子のＰＷＭデューティサイクルに所望の電圧レベルをマッピングするルックアップテーブル、関数、モデル、又はアルゴリズムへの入力として提供される（例えば、図２５及び２６のスイッチング素子２５０４及び２６０４を参照）。次いで、コントローラは、決定されたデューティサイクルに従ってこれらのスイッチング素子を駆動することができる。動作中、ＭＩＭＯコントローラは入力電流誤差を継続的に受信してサンプリングし、ロータとステータを駆動するための出力制御電圧を生成する（主な目的と副次的な目的に従って）。
図２７は、本開示の態様とともに使用することができる、方法２７００のフローチャートである。方法２７００の全て又は一部は、本開示に従って、コントローラ２２００、モータコントローラ１０４、アクティブ整流器、及び／又はロータ制御ユニットによって実行されてもよい。方法２７００は、他のコントローラ及びシステムによって実装することもできる。
ブロック２７０５では、ロータによってステータから無線で電力伝送信号を受信する。ここで、ステータは、通電されてステータ極を画定するように構成されたステータ巻線を含み、ロータは、通電されてロータ極を画定するように構成されたロータ巻線を含む。ロータ極は、ステータ極と相互作用して（例えば、磁気的に相互作用又は磁気結合して）、ロータとステータとの間に相対力を生成してもよい。ステータは、例えば、ステータ１０８、ステータ３０２、又は本明細書に記載の別のステータであってもよい。同様に、ロータは、ロータ１０６、ロータ３０４、ロータ２１０１、ロータ２１２０、ロータ２１５０、又は本明細書に記載の別のロータであってもよい。ステータ巻線は、本明細書に記載されるように、コントローラ（例えば、コントローラ１０４又は２２００）によって生成されるトルク制御信号を介して通電されて、ステータ極を画定してもよい。例えば、コントローラは、インバータブリッジのスイッチング素子を駆動してトルク制御信号をステータ巻線に印加するスイッチコントローラ（例えば、スイッチコントローラ２５１４又は２６１４）を組み込んでもよい（例えば、図２５及び２６を参照）。トルク制御信号は、モータの１つ以上の制御チャネル又は軸（例えば、Ｄ軸、Ｑ軸、Ｎ軸、Ｍ軸、Ｋ軸など）に沿って生成されてもよい。ステータ極とロータ極は、相互作用するそれぞれの磁場に関連付けられており、その結果、ロータにトルクが発生する（例えば、ロータを回転させる）。
更に、ステータ極とロータ極は相互作用して、ロータ上の電流だけでなく、エアギャップ内に磁場を確立してもよい。このロータへの電流の確立は、ステータとロータ間の信号の送信を通じて行われてもよく、ステータからロータに電力伝送信号を送信するには、コントローラは、本開示を通じて説明される技術のうちの１つ以上を使用してステータ巻線を駆動してもよい。例えば、電力伝送信号は、制御チャネル又は軸（例えば、Ｄ軸、Ｑ軸、Ｎ軸、Ｍ軸、Ｋ軸など）に沿ってインジェクションされ、その結果、制御チャネル又は軸に沿ってステータ巻線を介して変調信号（振幅又は周波数が変調）が生成され、これにより、ロータの１つ又は複数のロータ巻線に電力伝送信号が誘導される。これらの電力信号及び／又はデータ信号は、個別に、またはトルク制御信号と併せて通過させてもよい。
ブロック２７１０において、アクティブ整流器は、電力伝送信号から電気エネルギーを取得する。ここで、アクティブ整流器はロータに回転的に固定され、ロータ巻線のうちの１つ又は複数の第１のロータ巻線に導電的に結合される。アクティブ整流器は、アクティブ整流器３１１、５００、５１０、６０２、７１８、９００、１０００、１２００、１３００、１４００、１５００、１６００、１９００、２０００、又は別のアクティブ整流器であってもよい。電気エネルギーを捕捉するために、アクティブ整流器は対応する制御回路によって制御される（例えば、ロータ上のマイクロプロセッサ又はゲート駆動ユニットを参照）。例えば、制御回路は、アクティブ整流器のスイッチング素子を（例えば、それぞれのＰＷＭ信号を使用して）駆動し、変調電力伝送信号からの電気エネルギーを、１つ以上の個別で別々の（discrete, separate）エネルギー貯蔵要素（例えば、本明細書に記載され、様々な回路図及び図面に示されているキャパシタ、インダクタ、バッテリ、スーパーキャパシタなど）に蓄積させ、それは、ロータ巻線自体を含んでもよい（ロータ巻線はインダクタとして機能する）。エネルギー貯蔵要素は、例えば、無線電力の受信又はステータからのデータ伝送と同時にトルクを生成するためにロータ巻線に電力を供給するなど、ロータバス電圧を維持するのに役立ちうる。代替的又は追加的に、電気エネルギーを捕捉するために、制御回路は、アクティブ整流器のスイッチング素子を（例えば、それぞれのＰＷＭ信号で）駆動して、変調電力伝送信号からの電気エネルギーがアクティブ整流器とロータ巻線に流れ続けるようにしてもよく、これにより、アクティブ整流器とロータ巻線が共振回路又はフォワードコンバータとして機能するようにし、ここでは、電気エネルギーが出力されるのとほぼ同じ速度で電気エネルギーが捕捉される。
ブロック２７１５において、アクティブ整流器は、電力伝送信号から捕捉された電気エネルギーを１つ又は複数の第１のロータ巻線に導くことによって、１つ又は複数の第１のロータ巻線を流れる電流を制御する。電流の流れを制御するために、アクティブ整流器は対応する制御回路によって制御される（例えば、ロータ上のマイクロプロセッサ又はゲート駆動ユニットを参照）。例えば、制御回路はアクティブ整流器のスイッチング素子を（例えば、それぞれのＰＷＭ信号を使用して）駆動し、捕捉された電気エネルギーが、エネルギー貯蔵素子、ロータ巻線、又は共振回路からロータ巻線を通って、所望の大きさ及び方向で流れるようにする。ある例では、アクティブ整流器は、ステータＤ軸電圧よりも遅れる、（例えば、一般に方形波形状を有する）周期的な電圧信号をロータ巻線上に生成するように駆動される（例えば、図８を参照）。図８に示すように、このアプローチでは一般に、（キャパシタ電圧８０６の上昇によって示されるように）ロータ電圧が方形波サイクルの低い部分にある間に電力が捕捉され、そして、（キャパシタ電圧８０６の低下によって示されるように）方形波サイクルの高い部分にあるときに、捕捉された電力でロータ巻線を駆動する。追加的又は代替的に、本出願全体を通じて（例えば、他のアクティブ整流器トポロジに関して）説明された他のアクティブ整流器制御スキームのうちの１つ又は複数も、ブロック２７１５で使用されてよい。
上で述べたように、方法２７００は、本明細書に開示するアクティブ整流器の実施形態のそれぞれとともに使用されてもよい。幾つかの実施形態では、方法２７００は、複数のアクティブ整流器及び共有キャパシタの使用（例えば、図９～１２を参照）、ローパスフィルタの適用（図１３～１５を参照）、ＡＣ成分とＤＣ成分の分離（例えば、図１３～１９を参照）、及びガバナスイッチの適用（例えば、図２０Ａを参照）など、特定のアクティブ整流器トポロジの特定の機能に対応するための追加のステップを含む。
更に、上で説明したように、幾つかの例では、捕捉された電気エネルギーは、ロータ上の他の回路要素（例えば、アクティブ整流器を制御するために使用されるロータ上の（on-rotor）マイクロプロセッサ）に電力を供給するために適用されてもよい。更に、上で説明したように、幾つかの例では、アクティブ整流器は、ロータによって捕捉された余剰電力をステータに送り返す、及び／又は、データ（例えば、ロータ位置、ロータ温度、ロータ電流、又はその他の状態）をステータに送信するように制御される。
局所的な磁束変動は、スロット効果によりロータが回転すると自然に発生し、鎖交磁束の変化によりＡＣ応答を生成することで電力を伝送するために使用することもできる。つまり、ＡＣ応答は、ステータの歯を通過するロータ極の歯通過周波数によって生成される（ステータ巻線が突極性及び／又は集中していると仮定する）。このような固有の変動に依存する実装では、磁場全体の高周波変動/摂動が低減されるか、不必要になる可能性がある。有利なことに、このアプローチでは、発生する損失（スイッチング損失やコア損失など）が少なくなる。ただし、歯の通過周波数はロータの回転速度の関数であるため、これらの変動は完全に制御可能ではない。回転速度が高くなると、局所的なスロット効果と磁束変動の関数として、より効果的なＡＣ応答が得られる傾向がある。
ここに記載される電動機械と方法の幾つか実装では、ハイブリッド方式は、制御方式が局所磁束変動に加えてＡＣインポーズ又はインジェクション（例えば、ステータからロータへのワイヤレス電力伝送用）を利用するように適合させることができる。これにより、ＡＣ信号を介した明示的な制御方法と、（例えば、スロッティング効果によって引き起こされる）局所的な磁束変動の効率の利点が提供される。例えば、低速、高トルク条件、又は大きなトルクステップが必要な場合に、ＡＣ信号を利用できる。回転速度が高く、トルク要件が低い場合は、磁束要求がそれほど高くないため、局所的な磁束変動が使用される。このようなハイブリッド制御方式の更なる詳細は、「ＡＣ及びＤＣロータコイルを備えた電気機械内での無線電力伝送」というタイトルを有し、弁護士整理番号１７５０７３．０００３２を有し、米国仮出願第６３／１５７，５６３号に対する優先権を主張する、同時提出されたＰＣＴ出願の図２０において及び図２０に関して提供され、その全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。
特許請求の範囲における、異なる名称で示される巻線のグループへの言及は、特許請求の範囲に示されていない限り、それらのグループが異なること又は別個の別個のセットを形成することを意味するものではない。
以上、主題の特定の実装について説明した。他の実装及び変形例は、以下の特許請求の範囲内にあり、本開示の利益を享受する。そのような全ての実装及び変化例を包含することが意図されており、従って、上記の説明は、限定的な意味ではなく例示としてみなされるべきである。場合によっては、特許請求の範囲に記載されているアクションを異なる順序で実行しても、望ましい結果を達成することができる。更に、添付の図に示されるプロセスは、望ましい結果を達成するために、必ずしも示される特定の順序又は一連の順序を必要とするわけではなく、さまざまな要素が追加、並べ替え、結合、省略、又は変更されてもよい。更に、幾つかの非限定的な例では、専用の並列処理デバイス、又は大規模システムの一部として相互運用するように構成された別個のコンピューティングデバイスによって、特定の操作を並列に実行することができる。
１つ又は複数の実施形態が、以下の説明及び添付の図面において説明及び図示される。これらの実施形態は、本明細書で提供される特定の詳細に限定されず、様々な方法で修正することができる。更に、本明細書に記載されていない他の実施形態が存在する可能性がある。また、複数のコンポーネントによって実行される機能を統合して、単一のコンポーネントによって実行することもできる。同様に、１つのコンポーネントによって実行されるものとして本明細書で説明される機能は、複数のコンポーネントによって分散方式で実行されてもよい。更に、特定の機能を実行すると説明されているコンポーネントは、ここで説明されていない追加の機能も実行する場合がある。例えば、特定の方法で「構成」されているデバイス又は構造は、少なくともその方法で構成されているが、記載されていない方法で構成されていることもある。
幾つかの非限定的な例では、ソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、又はそれらの組み合わせを使用して方法のコンピュータ化された実装を含む本開示の態様は、標準的なプログラミング又はエンジニアリング技術を使用するシステム、方法、装置、又は製品として実装されることができ、プロセッサ装置、コンピュータ（例えば、メモリに動作可能に結合されたプロセッサ装置）、又は、本明細書で詳述する態様を実装するための別の電子的に動作するコントローラを制御する。従って、例えば、本発明の非限定的な例は、非一時的なコンピュータ可読媒体上に具体的に具体化された一連の命令として実装することができ、これにより、プロセッサ装置は、コンピュータ可読媒体からの命令の読み取りに基づいて命令を実装できるようになる。本発明の幾つかの非限定的な例は、以下の説明と一致する様々なコンピュータハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアなどが含め、自動化装置、専用コンピュータ、又は（特別にプログラム及び構成された）汎用コンピュータなどの装置が含む（又は利用する）ことができる。
本明細書で使用される「製品」（article of manufacture）という用語は、任意のコンピュータ読み取り可能なデバイス、キャリア（例えば、非一時的信号）、又は媒体（例えば、非一時的媒体）からアクセス可能なコンピュータプログラムを包含することを意図している。例えば、コンピュータ可読媒体には、磁気記憶装置（ハードディスク、フロッピーディスク、磁気ストリップなど）、光ディスク（コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）など）、スマートカード及びフラッシュメモリデバイス（カード、スティックなど）が含まれるが、これらに限定されない。更に、搬送波は、電子メールの送受信や、インターネットやローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）などのネットワークへのアクセスに使用されるような、コンピュータ読み取り可能な電子データを搬送するために使用できることを理解されたい。当業者であれば、特許請求される主題の範囲又は精神から逸脱することなく、これらの構成に対して多くの修正を加えることができることを認識するであろう。
本発明による方法、又はそれらの方法を実行するシステムの特定の動作は、図に概略的に表されるか又は本明細書で説明される場合がある。別段の指定又は制限がない限り、特定の空間的順序での特定の操作の図での表現は、それらの操作が特定の空間的順序に対応する特定の順序で実行されることを必ずしも必要としない場合がある。同様に、図に表される、又は本明細書に開示される特定の動作は、本発明の特定の非限定的な例に応じて、明示的に図示又は説明されるのとは異なる順序で実行することができる。更に、幾つかの非限定的な例では、専用の並列処理デバイス、又は大規模システムの一部として相互運用するように構成された別個のコンピューティングデバイスによって、特定の操作を並列に実行することができる。
本明細書でコンピュータ実装の文脈で使用される場合、別段の指定又は制限がない限り、「コンポーネント」、「システム」、「モジュール」などの用語は、ハードウェア、ソフトウェア、ハードウェアとソフトウェアの組み合わせ、又は実行中のソフトウェアが含む、コンピュータ関連システムの一部又は全てを包含することを意図している。例えば、コンポーネントは、プロセッサデバイス、プロセッサデバイスによって実行される（又は実行可能な）プロセス、オブジェクト、実行可能ファイル、実行スレッド、コンピュータプログラム、又はコンピュータであってもよいが、これらに限定されない。例として、コンピュータ上で実行されるアプリケーションとコンピュータの両方をコンポーネントにすることができる。１つ以上のコンポーネント（又はシステム、モジュールなど）が実行のプロセス又はスレッド内に存在してもよく、１台のコンピュータ上にローカライズされてもよく、２つ以上のコンピュータ又は他のプロセッサデバイス間で分散されてもよく、又は、別のコンポーネント（又はシステム、モジュールなど）内に含まれてもよい。
本明細書で使用される「コントローラ」、「プロセッサ」、及び「コンピュータ」という用語には、コンピュータプログラムを実行できる任意のデバイス、又は記載された機能を実行するように構成された論理ゲートを含む任意のデバイスが含まれる。例えば、これにはプロセッサ、マイクロコントローラ、フィールドプログラマブルゲートアレイ、プログラマブルロジックコントローラなどが含まれる場合がある。別の例として、これらの用語には、１つ又は複数のプロセッサ及びメモリ、及び／又は任意の種類のプロセッサ、ＣＰＵ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ、又はソフトウェア命令を実行できる他のデバイスなどの１つ又は複数のプログラム可能なハードウェア要素が含まれてもよい。
更に、本明細書で使用される表現及び用語は説明を目的としたものであり、限定するものとしてみなされるべきではない。例えば、本明細書における「備える」（comprising）、「含む」（including）、「包含する」（containing）、「有する」（having）、及びそれらの変形の使用は、その後に列挙されるアイテム及びその等価物、並びに追加の項目を包含することを意味する。更に、「接続された」及び「結合された」という用語は広範に使用され、直接的及び間接的な接続及び結合の両方を包含し、物理的又は電気的な接続又は結合を指してもよい。「実質的に」（substantially）という修飾語は、特定の動作、状態、又は他の用語（例えば、実質的に閉じた）を修飾するために使用される場合、当業者にとってその使用の文脈内で明らかな量を指しうるものであり、そして、少なくとも幾つかの実施形態では、これは、修飾された用語の９０％、９５％、９９％、又は９９．５％を指す。更に、２つ以上の項目で使用される「及び／又は」という表現は、項目を個別にカバーすることと、両方の項目を一緒にカバーすることを意図する。例えば、「ａ及び／又はｂ」は、ａ、ｂ、及びａとｂをカバーすることを意図する。別段の指定又は制限がない限り、「Ａ、Ｂ、及びＣの少なくとも１つ」、「Ａ、Ｂ、及びＣの１つ以上」などに類似した語句は、「Ａ又はＢ又はＣ」、又は、Ａ、Ｂ、及び／又はＣのうち複数又は１つの組み合わせも含めて、「Ａ、Ｂ、及び／又はＣの任意の組み合わせ」を意味することが意図される。

Claims (97)

  1. 通電されてステータ極を画定するように構成されたステータ巻線を含むステータと、
    通電されて前記ステータ極と相互作用して前記ステータとの間に相対力を生成するロータ極を画定するように構成されたロータ巻線を含むロータであって、前記ロータは前記ステータに磁気結合され、前記ステータから無線で電力伝送信号を受信するように構成されている前記ロータと、
    前記ロータに回転的に固定され、前記ロータ巻線の１つ又は複数の第１のロータ巻線に導電的に結合されたアクティブ整流器と、
    を備え、
    前記アクティブ整流器は、
    前記電力伝送信号から電気エネルギーを取得し、
    前記電力伝送信号から捕捉された前記電気エネルギーを前記１つ又は複数の第１のロータ巻線に導くことによって、前記１つ又は複数の第１のロータ巻線を流れる電流を制御する
    ように構成されていることを特徴とする電気機械。
  2. 前記アクティブ整流器に結合されたエネルギー蓄積素子を更に備え、
    前記アクティブ整流器は、更に、前記電力伝送信号から捕捉された前記電気エネルギーを前記エネルギー蓄積素子に蓄積するように構成され、
    前記電気エネルギーを前記１つ又は複数の第１のロータ巻線に導くことは、前記エネルギー蓄積素子に蓄積された電気エネルギーを引き出すことと、前記引き出した電気エネルギーを前記１つ又は複数の第１のロータ巻線に導くこととを含む
    ことを特徴とする請求項１に記載の電気機械。
  3. 前記ロータは、更に、前記ステータから、前記アクティブ整流器の制御情報がエンコードされているデータ信号を無線で受信し、
    前記アクティブ整流器は、更に、前記制御情報に応答して前記１つ又は複数の第１のロータ巻線を流れる電流を制御するように構成される
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電気機械。
  4. 前記ロータは、前記電力伝送信号に基づいて前記ステータの動作状態を推定して制御情報を決定するように構成されたロータ制御部を更に含み、
    前記アクティブ整流器は、更に、前記制御情報に応答して前記１つ又は複数の第１のロータ巻線を流れる電流を制御するように構成されている
    ことを特徴とする請求項１～３のうちいずれか１項に記載の電気機械。
  5. 前記アクティブ整流器は、前記電力伝送信号から前記電気エネルギーを捕捉し、前記１つ又は複数の第１のロータ巻線を通る電流の流れを制御するように選択的に制御されるように構成された制御可能なスイッチを含む
    ことを特徴とする請求項１～４のうちいずれか１項に記載の電気機械。
  6. 前記ロータによって無線で受信される前記電力伝送信号は、前記１つ又は複数の第１のロータ巻線によって受信されるか、又は前記ロータ巻線の１つ又は複数の第２のロータ巻線によって受信される
    ことを特徴とする請求項１～５のうちいずれか１項に記載の電気機械。
  7. 前記ステータ巻線を流れる電流を制御して前記ステータ巻線に通電して前記ステータ極を画定し、前記電力伝送信号を前記ロータに無線で送信するコントローラ
    を備えることを特徴とする請求項１～６のうちいずれか１項に記載の電気機械。
  8. 前記コントローラは、前記ステータ巻線を流れる前記電流を制御して前記ステータ巻線に通電して前記ステータ極を画定するために、前記ロータ極のうち最も近いロータ極に対して測定された電流角度で前記ステータ巻線にトルク制御信号を送るように構成されている
    ことを特徴とする請求項７に記載の電気機械。
  9. 前記コントローラは、前記ステータ巻線を流れる前記電流を制御して前記電力伝送信号を前記ロータに無線で送信するために、前記ステータ巻線を介して前記電力伝送信号を送るように構成されており、
    前記電力伝送信号はトルク制御信号とは異なる
    ことを特徴とする請求項７～８のうちいずれか１項に記載の電気機械。
  10. 前記コントローラは、更に、前記ステータ巻線を流れる前記電流を制御して前記ステータ巻線を介してデータ信号を送り、前記データ信号を前記ロータに無線で送信するように構成されており、
    前記データ信号はトルク制御信号とは異なり、制御情報を含む
    ことを特徴とする請求項７～９のうちいずれか１項に記載の電気機械。
  11. 前記コントローラは、更に、
    動作条件に応答して電流角度を調整し、
    前記動作条件に応答して前記トルク制御信号の電流の大きさを調整し、
    前記ロータの回転は、動作中に前記ステータ巻線によって生成される前記ステータ極の磁場と同期して維持される
    ことを構成されることを特徴とする請求項８～１０のうちいずれか１項に記載の電気機械。
  12. 前記ロータは、前記ロータ内に埋め込まれた永久磁石を含む
    ことを特徴とする請求項１～１１のうちいずれか１項に記載の電気機械。
  13. 前記ロータ極の１つに関連付けられた各ロータ巻線は、単一の対応するアクティブ整流器に導電的に結合される
    ことを特徴とする請求項１～１２のうちいずれか１項に記載の電気機械。
  14. 前記アクティブ整流器は、Ｈブリッジ構成で配置された複数のゲートを備える
    ことを特徴とする請求項１～１３のうちいずれか１項に記載の電気機械。
  15. 前記アクティブ整流器は、Ｈブリッジ構成で配置された２つのダイオードと２つのゲートを備え、
    前記２つのダイオードは、前記１つ又は複数の第１のロータ巻線と直列に配置され、
    前記２つのゲートは、前記１つ又は複数の第１のロータ巻線と直列に配置される
    ことを特徴とする請求項１～１４のうちいずれか１項に記載の電気機械。
  16. 前記ロータは、更に、前記ステータからデータ信号を無線で受信し、
    前記ゲートは、前記ロータによって前記ステータから無線で受信された前記データ信号に応答して作動する
    ことを特徴とする請求項１４～１５のうちいずれか１項に記載の電気機械。
  17. 前記ゲートはトランジスタを含む
    ことを特徴とする請求項１４～１５のうちいずれか１項に記載の電気機械。
  18. ロータ制御部を備え、
    前記ロータ制御部は、
    前記ステータから無線で受信した前記電力伝送信号から、前記ロータの動作設定値を示すデータ信号を抽出し、
    前記動作設定値に応答して前記アクティブ整流器のスイッチング動作を制御する
    ように構成されていることを特徴とする請求項１～１７のうちいずれか１項に記載の電気機械。
  19. 前記データ信号は、振幅変調又は周波数変調によって前記電力伝送信号に埋め込まれる
    ことを特徴とする請求項１８に記載の電気機械。
  20. 前記動作設定値は、ロータ巻線電圧設定値、ロータ巻線電流設定値、又はロータ電圧周波数設定値を含む
    ことを特徴とする請求項１８～１９のうちいずれか１項に記載の電気機械。
  21. 前記スイッチング動作の制御は、ロータ巻線電圧を対応するステータ巻線電圧よりも先行させ、ロータ巻線電流をアクティブに弱めることを含む
    ことを特徴とする請求項１８～２０のうちいずれか１項に記載の電気機械。
  22. ロータ制御部を備え、
    前記ロータ制御部は、
    前記ステータから無線で受信した前記電力伝送信号に基づいて、前記ステータの動作状態を推定し、
    前記推定された動作状態に応答して、前記アクティブ整流器のスイッチング動作を制御する
    ように構成されていることを特徴とする請求項１～１７のうちいずれか１項に記載の電気機械。
  23. 前記ステータの前記動作状態は、ステータ巻線電圧を含む
    ことを特徴とする請求項２２に記載の電気機械。
  24. 前記ロータ巻線のうちのｎ個のロータ巻線が互いに導電的に結合され、
    前記電気機械は、更に、コントローラを備え、前記コントローラは、
    ｎ個の電圧成分を含む電圧を前記ステータ巻線に印加し、各電圧成分は、前記電圧成分に対応する電流によって生成される磁場によって前記ｎ個のロータ巻線のそれぞれに結合し、
    前記ｎ個の電圧成分はそれぞれ別個の位相によって特徴付けられ、前記別個の位相は約３６０／ｎ度ずつ分離される
    ように構成されることを特徴とする請求項１～２３のうちいずれか１項に記載の電気機械。
  25. 前記ｎ個のロータ巻線は、前記ロータの異なるそれぞれの極対に含まれている
    ことを特徴とする請求項２４に記載の電気機械。
  26. 前記アクティブ整流器は、前記ｎ個のロータ巻線のそれぞれに導電的に結合された共有キャパシタを備え、
    前記アクティブ整流器は前記ｎ個のロータ巻線のそれぞれに流れる電流の方向を制御する間、前記共有キャパシタはエネルギーを蓄積し、
    ことを特徴とする請求項２４～２５のうちいずれか１項に記載の電気機械。
  27. 前記ロータはｎ個の追加のロータ巻線を備え、
    前記ｎ個の追加のロータ巻線のそれぞれは、前記ｎ個のロータ巻線のうちの対応する１つとの極対に含まれ、
    前記ｎ個のロータ巻線は、前記アクティブ整流器によって前記ｎ個の追加のロータ巻線に導電的に結合される
    ことを特徴とする請求項２４～２６のうちいずれか１項に記載の電気機械。
  28. 前記ｎ個の追加のロータ巻線は、前記アクティブ整流器に対してデルタ構成で導電的に結合される
    ことを特徴とする請求項２７に記載の電気機械。
  29. 前記ｎ個のロータ巻線は、直列に導電的に結合される
    ことを特徴とする請求項２４～２８のうちいずれか１項に記載の電気機械。
  30. 前記ｎ個のロータ巻線は、前記ｎ個の電圧成分に関して交互の極性で直列に導電的に結合される
    ことを特徴とする請求項２９に記載の電気機械。
  31. 前記アクティブ整流器及び前記１つ又は複数の第１のロータ巻線に導電的に結合されたローパスフィルタ
    を備えることを特徴とする請求項１～３０のうちいずれか１項に記載の電気機械。
  32. 前記ローパスフィルタのＤＣ出力は、前記アクティブ整流器のＤＣ出力に導電的に結合される
    ことを特徴とする請求項３１に記載の電気機械。
  33. 前記アクティブ整流器は、前記ステータ巻線によって前記１つ又は複数の第１のロータ巻線に誘導される周期電圧にゼロシーケンスを導入するように構成されている
    ことを特徴とする請求項１～３２のうちいずれか１項に記載の電気機械。
  34. 前記アクティブ整流器は、前記１つ又は複数の第１のロータ巻線に、前記ステータ巻線の対応する周期電圧と比較して約９０度シフトした周期電圧を生じさせるように構成される
    ことを特徴とする請求項１～３３のうちいずれか１項に記載の電気機械。
  35. 前記アクティブ整流器は、前記１つ又は複数の第１のロータ巻線を介して、非ゼロのＤＣ電流を生成するように構成されている
    ことを特徴とする請求項１～３４のうちいずれか１項に記載の電気機械。
  36. 前記ステータ極に関連し前記ステータ巻線によって生成される磁場は、対応するロータ極と実質的に沿っているＤ成分と、電気座標系内の前記対応するロータ極に９０度先行するＱ成分と、を含み、
    前記電力伝送信号は、前記Ｄ成分の変調、前記Ｑ成分の変調、又は、前記Ｄ成分と前記Ｑ成分の両方の変調に含まれる
    ことを特徴とする請求項１～３５のうちいずれか１項に記載の電気機械。
  37. 前記ステータ極に関連し前記ステータ巻線によって生成される磁場は、対応するロータ極と実質的に沿っているＤ成分、電気座標系内の前記対応するロータ極に９０度先行するＱ成分、並びに前記Ｄ成分及び前記Ｑ成分に直交するｚ成分を含み、
    前記電力伝送信号は、前記ｚ成分の変調に含まれる
    ことを特徴とする請求項１～３５のうちいずれか１項に記載の電気機械。
  38. 前記電力伝送信号は、前記１つ又は複数の第１のロータ巻線に通電するための無線電力伝送を提供し、
    前記ロータは、更に、前記ステータ巻線から、前記アクティブ整流器の制御情報がエンコードされているデータ信号を無線で受信し、
    前記電力伝送信号は、前記ステータと前記ロータが誘導結合される第１の制御可能な軸に沿って無線で受信され、
    前記データ信号は、前記ステータと前記ロータが結合されている第２の異なる制御可能な軸に沿って無線で受信される
    ことを特徴とする請求項１～３５のうちいずれか１項に記載の電気機械。
  39. 前記電力伝送信号は、前記１つ又は複数の第１のロータ巻線に通電するための電力の無線伝送を提供し、
    前記ロータは、更に、前記ステータ巻線から、前記アクティブ整流器の制御情報がエンコードされているデータ信号を無線で受信し、
    前記電力伝送信号と前記データ信号は、前記ステータと前記ロータが無線で磁気結合されている第１の制御可能な軸に沿って無線で受信され、
    前記第１の制御可能な軸は、回転座標系の軸である
    ことを特徴とする請求項１～３５のうちいずれか１項に記載の電気機械。
  40. 前記電力伝送信号は、制御可能な軸に沿って前記ロータによって無線で受信され、
    前記ステータと前記ロータは、前記ステータの磁場の変調された振幅、ステータの磁場の変調された周波数、又はその両方に基づいて、前記制御可能な軸に磁気結合されている
    ことを特徴とする請求項１～３５のうちいずれか１項に記載の電気機械。
  41. 前記ステータは、１つ又は複数の制御可能な軸上の前記１つ又は複数の第１のロータ巻線に結合される
    ことを特徴とする請求項１～３５のうちいずれか１項に記載の電気機械。
  42. 前記相対力は、前記１つ又は複数の制御可能な軸のうちの第１の制御可能な軸に沿ったカップリングによって生成され、
    前記電力伝送信号は、前記第１の制御可能な軸に沿って無線で受信される
    ことを特徴とする請求項４１に記載の電気機械。
  43. 前記アクティブ整流器は、前記ロータ巻線の第１のサブセットにおける実質的なＤＣ電流、及び前記ロータ巻線の第２の異なるサブセットにおける実質的な振動電流を生成するように構成される
    ことを特徴とする請求項１～４２のうちいずれか１項に記載の電気機械。
  44. 前記アクティブ整流器は、前記ロータに取り付けられた１つ又は複数の回路基板に含まれる
    ことを特徴とする請求項１～４３のうちいずれか１項に記載の電気機械。
  45. 前記１つ又は複数の回路基板は、前記ロータのロータシャフトに組み込まれる
    ことを特徴とする請求項４４に記載の電気機械。
  46. 前記電力伝送信号の周波数は、前記相対力を生成するために前記ステータ巻線に送られるトルク制御信号の周波数とは独立である
    ことを特徴とする請求項１～４５のうちいずれか１項に記載の電気機械。
  47. 前記ロータは、更に、前記ステータ巻線から、前記アクティブ整流器の制御情報がエンコードされているデータ信号を無線で受信し、
    前記データ信号の周波数は、前記相対力を生成するために前記ステータ巻線に送信されるトルク制御信号の周波数とは独立している
    ことを特徴とする請求項１～４６のうちいずれか１項に記載の電気機械。
  48. モータを制御する方法であって、
    ロータによってステータから無線で電力伝送信号を受信し、前記ステータは、通電されてステータ極を画定するように構成されたステータ巻線を含み、前記ロータは、通電されて前記ステータ極と相互作用して前記ロータと前記ステータとの間に相対力を生成するロータ極を画定するように構成されたロータ巻線を含むように構成されており、
    前記ロータに回転的に固定されたアクティブ整流器によって、前記電力伝送信号から電気エネルギーを捕捉し、前記アクティブ整流器は、前記ロータ巻線の１つ又は複数の第１のロータ巻線に導電的に結合され、
    前記アクティブ整流器によって、前記電力伝送信号から捕捉された前記電気エネルギーを前記１つ又は複数の第１のロータ巻線に導くことによって、前記１つ又は複数の第１のロータ巻線を流れる電流を制御する
    ことを含むことを特徴とする方法。
  49. 前記アクティブ整流器によって、前記電力伝送信号から捕捉された前記電気エネルギーを前記アクティブ整流器に結合されたエネルギー蓄積素子に蓄積する
    ことを更に含み、
    前記電気エネルギーを前記１つ又は複数の第１のロータ巻線に導くことは、前記エネルギー蓄積素子に蓄積された電気エネルギーを引き出すことと、前記引き出した電気エネルギーを前記１つ又は複数の第１のロータ巻線に導くこととを含む
    ことを特徴とする請求項４８に記載の方法。
  50. 前記ロータによって、前記ステータから、前記アクティブ整流器の制御情報がエンコードされているデータ信号を無線で受信する
    ことを更に含み、
    前記アクティブ整流器によって、前記１つ又は複数の第１のロータ巻線を流れる電流を制御することは、前記制御情報に応じて行われる
    ことを特徴とする請求項４８～４９のうちいずれか１項に記載の方法。
  51. 前記ロータのロータ制御部によって、前記電力伝送信号に基づいて前記ステータの動作状態を推定して制御情報を決定する
    ことを更に含み、
    前記アクティブ整流器によって、前記１つ又は複数の第１のロータ巻線を流れる電流を制御することは、前記制御情報に応じて行われる
    ことを特徴とする請求項４８～５０のうちいずれか１項に記載の方法。
  52. 前記アクティブ整流器の制御可能なスイッチを選択的に制御して、前記電力伝送信号から前記電気エネルギーを捕捉し、前記１つ又は複数の第１のロータ巻線を通る電流の流れを制御する
    ことを更に含むことを特徴とする請求項４８～５１のうちいずれか１項に記載の方法。
  53. 前記ロータによって無線で受信される前記電力伝送信号は、前記１つ又は複数の第１のロータ巻線によって受信されるか、又は前記ロータ巻線の１つ又は複数の第２のロータ巻線によって受信される
    ことを特徴とする請求項４８～５２のうちいずれか１項に記載の方法。
  54. コントローラによって、前記ステータ巻線を流れる電流を制御して前記ステータ巻線に通電して前記ステータ極を画定し、前記電力伝送信号を前記ロータに無線で送信する
    ことを更に含むことを特徴とする請求項４８～５３のうちいずれか１項に記載の方法。
  55. 前記コントローラは、前記ステータ巻線を流れる前記電流を制御して前記ステータ巻線に通電して前記ステータ極を画定するために、前記ロータ極のうち最も近いロータ極に対して測定された電流角度で前記ステータ巻線にトルク制御信号を送る
    ことを特徴とする請求項５４に記載の方法。
  56. 前記コントローラは、前記ステータ巻線を流れる前記電流を制御して前記電力伝送信号を前記ロータに無線で送信するために、前記ステータ巻線を介して前記電力伝送信号を送り、
    前記電力伝送信号はトルク制御信号とは異なる
    を特徴とする請求項５４～５５のうちいずれか１項に記載の方法。
  57. 前記コントローラによって、前記ステータ巻線を流れる前記電流を制御して前記ステータ巻線を介してデータ信号を送り、前記データ信号を前記ロータに無線で送信する
    ことを更に含み、
    前記データ信号は前記トルク制御信号とは異なり、制御情報を含む
    ことを特徴とする請求項５４～５６のうちいずれか１項に記載の方法。
  58. 前記コントローラによって、動作条件に応答して電流角度を調整し、
    前記コントローラによって、前記動作条件に応答して前記トルク制御信号の電流の大きさを調整する
    ことを更に含み、
    前記ロータの回転は、動作中に前記ステータ巻線によって生成される前記ステータ極の磁場と同期して維持される
    ことを特徴とする請求項５４～５７のうちいずれか１項に記載の方法。
  59. 前記ロータは、前記ロータ内に埋め込まれた永久磁石を含む
    ことを特徴とする請求項４８～５８のうちいずれか１項に記載の方法。
  60. 前記ロータ極の１つに関連付けられた各ロータ巻線は、単一の対応するアクティブ整流器に導電的に結合される
    ことを特徴とする請求項４８～５９のうちいずれか１項に記載の方法。
  61. 前記アクティブ整流器は、Ｈブリッジ構成で配置された複数のゲートを備える
    ことを特徴とする請求項４８～６０のうちいずれか１項に記載の方法。
  62. 前記アクティブ整流器は、Ｈブリッジ構成で配置された２つのダイオードと２つのゲートを備え、
    前記２つのダイオードは、前記１つ又は複数の第１のロータ巻線と直列に配置され、
    前記２つのゲートは、前記１つ又は複数の第１のロータ巻線と直列に配置される
    ことを特徴とする請求項４８～６１のうちいずれか１項に記載の方法。
  63. 前記ロータによって、前記ステータからデータ信号を無線で受信し、
    前記ロータによって前記ステータから無線で受信された前記データ信号に応答して、前記ゲートを作動させる
    ことを更に含むこと特徴とする請求項６１～６２のうちいずれか１項に記載の方法。
  64. 前記ゲートはトランジスタを含む
    ことを特徴とする請求項６１～６３のうちいずれか１項に記載の方法。
  65. 前記ロータのロータ制御部によって、前記ステータから無線で受信した前記電力伝送信号から、前記ロータの動作設定値を示すデータ信号を抽出し、
    前記ロータ制御部によって、前記動作設定値に応答して前記アクティブ整流器のスイッチング動作を制御する
    ことを更に含むこと特徴とする請求項４８～６４のうちいずれか１項に記載の方法。
  66. 前記データ信号は、振幅変調又は周波数変調によって前記電力伝送信号に埋め込まれる
    ことを特徴とする請求項６５に記載の方法。
  67. 前記動作設定値は、ロータ巻線電圧設定値、ロータ巻線電流設定値、又はロータ電圧周波数設定値を含む
    ことを特徴とする請求項６５～６６のうちいずれか１項に記載の方法。
  68. 前記スイッチング動作の制御は、ロータ巻線電圧を対応するステータ巻線電圧よりも先行させ、ロータ巻線電流をアクティブに弱めることを含む
    を特徴とする請求項６５～６７のうちいずれか１項に記載の方法。
  69. 前記ロータのロータ制御部によって、前記ステータから無線で受信した前記電力伝送信号に基づいて、前記ステータの動作状態を推定し、
    前記ロータのロータ制御部によって、前記推定された動作状態に応答して、前記アクティブ整流器のスイッチング動作を制御する
    ことを更に含むこと特徴とする請求項４８～６４のうちいずれか１項に記載の方法。
  70. 前記ステータの前記動作状態は、ステータ巻線電圧を含むこと
    を特徴とする請求項６９に記載の方法。
  71. 前記ロータ巻線のうちのｎ個のロータ巻線が互いに導電的に結合され、
    前記方法は、
    ｎ個の電圧成分を含む電圧を前記ステータ巻線に印加し、各電圧成分は、前記電圧成分に対応する電流によって生成される磁場によって前記ｎ個のロータ巻線のそれぞれに結合する
    ことを更に含み、
    前記ｎ個の電圧成分はそれぞれ別個の位相によって特徴付けられ、前記別個の位相は約３６０／ｎ度ずつ分離されている
    ことを特徴とする請求項４８～７０のうちいずれか１項に記載の方法。
  72. 前記ｎ個のロータ巻線は、前記ロータの異なるそれぞれの極対に含まれている
    ことを特徴とする請求項７１に記載の電気機械。
  73. 前記アクティブ整流器は前記ｎ個のロータ巻線のそれぞれに流れる電流の方向を制御する間、前記アクティブ整流器の共有キャパシタによって、エネルギーを蓄積し、
    ことを更に含み、
    前記共有キャパシタは、前記ｎ個のロータ巻線のそれぞれに導電的に結合されている
    こと特徴とする請求項７１～７２のうちいずれか１項に記載の方法。
  74. 前記ロータはｎ個の追加のロータ巻線を備え、
    前記ｎ個の追加のロータ巻線のそれぞれは、前記ｎ個のロータ巻線のうちの対応する１つとの極対に含まれ、
    前記ｎ個のロータ巻線は、前記アクティブ整流器によって前記ｎ個の追加のロータ巻線に導電的に結合される
    ことを特徴とする請求項７１～７３のうちいずれか１項に記載の方法。
  75. 前記ｎ個の追加のロータ巻線は、前記アクティブ整流器に対してデルタ構成で導電的に結合される
    ことを特徴とする請求項７４に記載の方法。
  76. 前記ｎ個のロータ巻線は、直列に導電的に結合される
    を特徴とする請求項７１～７５のうちいずれか１項に記載の方法。
  77. 前記ｎ個のロータ巻線は、前記ｎ個の電圧成分に関して交互の極性で直列に導電的に結合される
    ことを特徴とする請求項７６に記載の方法。
  78. ローパスフィルタによって、前記アクティブ整流器と前記１つ又は複数の第１のロータ巻線との間で信号をフィルタリングする
    ことを含み、
    前記ローパスフィルタは、前記アクティブ整流器及び前記１つ又は複数の第１のロータ巻線に導電的に結合されている
    ことを特徴とする請求項４８～７７のうちいずれか１項に記載の方法。
  79. 前記ローパスフィルタのＤＣ出力は、前記アクティブ整流器のＤＣ出力に導電的に結合される
    ことを特徴とする請求項７８に記載の方法。
  80. 前記アクティブ整流器によって、前記ステータ巻線によって前記１つ又は複数の第１のロータ巻線に誘導される周期電圧にゼロシーケンスを導入する
    ことを更に含むことを特徴とする請求項４８～７７のうちいずれか１項に記載の方法。
  81. 前記アクティブ整流器によって、前記１つ又は複数の第１のロータ巻線に、前記ステータ巻線の対応する周期電圧と比較して約９０度シフトした周期電圧を生じさせる
    ことを更に含むことを特徴とする請求項４８～８０のうちいずれか１項に記載の方法。
  82. 前記アクティブ整流器によって、前記１つ又は複数の第１のロータ巻線を介して、非ゼロのＤＣ電流を生成する
    ことを更に含むことを特徴とする請求項４８～８１のうちいずれか１項に記載の方法。
  83. 前記ステータ極に関連し前記ステータ巻線によって生成される磁場は、対応するロータ極と実質的に沿っているＤ成分と、電気座標系内の前記対応するロータ極に９０度先行するＱ成分と、を含み、
    前記電力伝送信号は、前記Ｄ成分の変調、前記Ｑ成分の変調、又は、前記Ｄ成分と前記Ｑ成分の両方の変調に含まれる
    ことを特徴とする請求項４８～８２のうちいずれか１項に記載の方法。
  84. 前記ステータ極に関連し前記ステータ巻線によって生成される磁場は、対応するロータ極と実質的に並ぶＤ成分、電気座標系内の前記対応するロータ極に９０度先行するＱ成分、並びに前記Ｄ成分及び前記Ｑ成分に直交するｚ成分を含み、
    前記電力伝送信号は、前記ｚ成分の変調に含まれる
    ことを特徴とする請求項４８～８２のうちいずれか１項に記載の方法。
  85. 前記電力伝送信号は、前記１つ又は複数の第１のロータ巻線に通電するための無線電力伝送を提供し、
    前記ロータは、更に、前記ステータ巻線から、前記アクティブ整流器の制御情報がエンコードされているデータ信号を無線で受信し、
    前記電力伝送信号は、前記ステータと前記ロータが誘導結合される第１の制御可能な軸に沿って無線で受信され、
    前記データ信号は、前記ステータと前記ロータが結合されている第２の異なる制御可能な軸に沿って無線で受信される
    ことを特徴とする請求項４８～８２のうちいずれか１項に記載の方法。
  86. 前記電力伝送信号は、前記１つ又は複数の第１のロータ巻線に通電するための電力の無線伝送を提供し、
    前記ロータは、更に、前記ステータ巻線から、前記アクティブ整流器の制御情報がエンコードされているデータ信号を無線で受信し、
    前記電力伝送信号と前記データ信号は、前記ステータと前記ロータが無線で磁気結合されている第１の制御可能な軸に沿って無線で受信され、
    前記第１の制御可能な軸は、回転座標系の軸である
    ことを特徴とする請求項４８～８２のうちいずれか１項に記載の方法。
  87. 前記電力伝送信号は、制御可能な軸に沿って前記ロータによって無線で受信され、
    前記ステータと前記ロータは、前記ステータの磁場の変調された振幅、ステータの磁場の変調された周波数、又はその両方に基づいて、前記制御可能な軸に磁気結合されている
    を特徴とする請求項４８～８２のうちいずれか１項に記載の方法。
  88. 前記ステータは、１つ又は複数の制御可能な軸上で前記１つ又は複数の第１のロータ巻線に結合される
    を特徴とする請求項４８～８２に記載の方法。
  89. 前記相対力は、前記１つ又は複数の制御可能な軸のうちの第１の制御可能な軸に沿ったカップリングによって生成され、
    前記電力伝送信号は、前記第１の制御可能な軸に沿って無線で受信される
    を特徴とする請求項８８に記載の方法。
  90. 前記アクティブ整流器によって、前記ロータ巻線の第１のサブセットにおける実質的なＤＣ電流、及び前記ロータ巻線の第２の異なるサブセットにおける実質的な振動電流を生成する
    ことを更に含むことを特徴とする請求項４８～８９のうちいずれか１項に記載の方法。
  91. 前記アクティブ整流器は、前記ロータに取り付けられた１つ又は複数の回路基板に含まれる
    を特徴とする請求項４８～９０のうちいずれか１項に記載の方法。
  92. 前記１つ又は複数の回路基板は、前記ロータのロータシャフトに組み込まれる
    ことを特徴とする請求項９０に記載の方法。
  93. 前記電力伝送信号の周波数は、前記相対力を生成するために前記ステータ巻線に送られるトルク制御信号の周波数とは独立であること
    を特徴とする請求項４８～９２のうちいずれか１項に記載の方法。
  94. 前記ロータによって、前記ステータ巻線から、前記アクティブ整流器の制御情報がエンコードされているデータ信号を無線で受信する
    ことを更に含み、
    前記データ信号の周波数は、前記相対力を生成するために前記ステータ巻線に送信されるトルク制御信号の周波数とは独立している
    ことを特徴とする請求項４８～９３のうちいずれか１項に記載の方法。
  95. ｎ個の周期電圧を前記ステータ巻線に印加する
    ことを更に含み、
    前記ｎ個の周期電圧はそれぞれｎ個のロータ巻線に、ｎ個の周期電圧に関連するステータ電流によって、結合するようにタイミングが調整され、前記ｎ個のロータ巻線は互いに導電的に結合されており、
    前記ｎ個の周期電圧はそれぞれ別個の位相によって特徴付けられ、前記別個の位相は約３６０／ｎ度ずつ分離される
    ことを特徴とする請求項４８～９４のうちいずれか１項に記載の方法。
  96. 前記アクティブ整流器は、前記１つ又は複数の第１のロータ巻線の電圧にローパスフィルタリングを適用するように制御される
    ことを特徴とする請求項４８～９５のうちいずれか１項に記載の方法。
  97. 電気機械を制御する方法であって、
    ステータのステータ巻線に通電して前記ステータ内にステータ磁場を生成し、
    磁束を確立することによってステータ磁場によって、ロータ極内の強磁性材料内の対応するロータ磁場を変更し、
    前記ステータ磁場の変化によって前記ロータの接線方向の力を生成し、
    前記生成した接線方向の力によって、前記ロータを移動させ、
    前記通電されたステータ巻線によって、データ信号を生成する
    ことを含み、
    前記データ信号は、前記データ信号が１つ又は複数の第２ロータ巻線によって受信されると、アクティブ整流器は、前記受信したデータ信号に応答して制御され、エアギャップにおける磁束の通電遅れを制御するように構成され、前記エアギャップは前記ステータの内面と前記ロータの外面との間に画定され、
    前記受信されたデータ信号に応答して、前記ロータ内の磁束の減衰が、前記ステータ磁場の変化に応答して、１つ又は複数の第１のロータ巻線内の電流によって制御される
    ことを特徴とする方法。
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