JP5970471B2 - 磁界を弱める永久磁石モーター - Google Patents

Description

（関連出願への相互参照）
本出願は、２０１０年１２月１０日に出願された米国仮出願第６１／４２１，９５２号の利益を主張する。その仮出願の開示は、その全体が本明細書内に参考として援用される。

（技術分野）
本開示は、永久磁石モーターにおいて磁界を弱めることに関する。

（背景）
広い速度範囲に渡り高トルクを発生する能力を有し、かつ機械速度を制御する能力を有する効率の良い電気機械が求められている。特に、電気自動車またはハイブリッドカーのような車両、またはゼロおよび低速度において高トルクを必要とする他の電気発生用途のための電気駆動が求められる。

牽引力を提供する（例えば、電気自動車において）ために、高い一定出力速度比（ＣＰＳＲ）を有する電気モーターを有することが望ましい。図１を参照すると、電気モーターについて、速度の関数としてのトルクおよび出力が示される。低速度において高トルクが得られ、そのようなトルクが発進を手助けする。Ｎ_ｍｉｎへと達するにつれて、モーターの最大出力がアクセスされ、さらに速度が増加してもそれ以上の出力は得られない。Ｐ＝２×Π×Ｔ×Ｎであることを思い出すと、出力Ｐが一定であるため、速度Ｎが増加するにつれてトルクＴは低減する。ＣＰＳＲは、定格出力が発せられ得る最大速度（Ｎ_ｍａｘ）を、最大出力が得られる最低速度（Ｎ_ｍｉｎ）で割ったものである。Ｎ_ｍｉｎはまた、定格最大トルクが発せられ得る最高速度である。最大速度（Ｎ_ｍａｘ）は主に逆ＥＭＦ（逆起電力）電圧のリミットによって制限され、また、回転子への損傷またはモーターの他の固有の限界によっても制限される。図１において示される例では、ＣＰＳＲは２の係数である。

自動車用途においては４以上のＣＰＳＲを有することが望ましい。４以上のＣＰＳＲを有することはインダクションモーター、界磁コイルを有するモーター、またはスイッチドリラクタンスモーター技術により達成可能であるが、高出力密度および高効率により永久磁石モーターが好ましい。永久磁石（ＰＭ）モーターは、しかしながら、それほど広範囲のＣＰＳＲを本来は有さない。ＰＭモーターの制限されたＣＰＳＲに取り組むための、費用効果があり、軽量で、かつ効率の良い解決策を決定することにおいて相当量の努力が費やされている。

一代替案は電気モーターと最終駆動との間に変速機を提供することである。しかしながら、変速機は重く、コストも高く、かつ操縦者または制御装置のいずれかにより制御されなければならない。別の代替案は、電気モーターが電気的に励磁された界磁巻線を有する場合、電気モーターの磁界強度を電気的に調節することである。このアプローチは、永久磁場を有するモーターに対して利用可能ではない。

別のアプローチは磁界強度を弱めることであり、従って、所与の逆ＥＭＦまたは印加された電圧に対してモーター速度を増加させることである。任意の所与のモーターに対して、発生トルクは電流を磁界強度で掛けたものに比例し、ＲＰＭは電圧／磁界強度に比例する。そのため所与の出力（電圧×電流）に対して、モーターはある一定の量の機械出力（Ｔ×Ｎ）を作り出す。磁界強度が弱いと、モーターは同じ出力を作り出すが、速度はより速く、トルクはより低い。

電気モーターにおいて、回転子と固定子との間には空隙がある。モーターは通常、実用的である最小幅の空隙を有するように設計される。しかしながら、空隙を広くすることで磁界強度は弱められ得る。そのようなシステムは回転子および固定子が実質的にディスク型である軸方向磁束モーターにおいて利用されている。２つのディスク間の変位は磁界強度を低減するために増加され得る。径方向磁束モーターにおいて回転子は中心に位置し得、固定子は回転子の外側に円周方向に変位して配置され得る。回転子が例えば回転の軸に沿って変位されると、径方向磁束モーターの有効な磁界強度は低減される。回転子および固定子の相対的な位置を調節するメカニズムは比較的高価であり、かつモーターはより扱いにくいものとなる。巻線の一部分がオフにされる代替案、または回転子および固定子の相対的な位置が調節される代替案においては、電子制御装置が入力信号に基づいて調節を命令する。そのような制御装置は高価であり得る。

（概要）
本開示の実施形態に従うと、モーターの磁界強度は回転子および固定子のうちの少なくとも１つのバックアイアン（ｂａｃｋ ｉｒｏｎ）のリラクタンスを調節することにより変えられる。バックアイアンに薄い固定されたバックアイアン部分（一部の実施形態においては全く提供されない）および可動バックアイアン部分を提供することで磁界強度の調節が可能となる。可動バックアイアン部分が固定バックアイアンと接触している場合、２つのバックアイアンは１つのより大きなバックアイアンとして作用する。可動バックアイアン部分が固定バックアイアンから変位している場合、固定バックアイアンが実質的にバックアイアンの全体である。ほぼすべての磁束がこの薄い固定バックアイアン区間を通り抜けなければならないため、固定バックアイアンは「飽和」するか、またはその「磁気抵抗」もしくはリラクタンスが上がり、それによって磁界強度が低減する。

可動バックアイアンセグメントが回転子に用いられ、かつ回転子が中心固定子の外側にある実施形態において、第一の位置（固定バックアイアンと接触している）および第二の位置（固定バックアイアンから分離されている）間のバックアイアンセグメントの作動は、遠心力により引き起こされ得る。小さな磁力が固定および可動バックアイアンを接触状態に留めさせている。しかしながら、回転子の速度が増加するにつれて遠心力はこの弱い引力を上回り得、可動バックアイアンセグメントは固定バックアイアンから離され得る。そのような一実施形態においては、固定バックアイアンから離れる可動バックアイアンセグメントを受け止めるためにトレイまたは他の保持器が提供され得る。回転子速度が減少するにつれて可動バックアイアンセグメントは２つのバックアイアン間の磁力により固定バックアイアンへと引き戻され得る。他の実施形態において、可動バックアイアンセグメントはバネ、または固定バックアイアンへと向かう付勢力を提供するためのバネ負荷テザー連結（ｔｅｔｈｅｒｉｎｇ ｌｉｎｋａｇｅ）により固定バックアイアンにつながれる。一部の実施形態において、可動バックアイアンセグメントは異なる速度で移動し、それによって回転速度の関数としての磁界強度の円滑な推移が提供され得る。バックアイアンセグメントは、異なる密度の材料、さまざまな厚さまたはフットプリントサイズを使用することで異なる重量を有し、それゆえ異なる速度に反応する。可動バックアイアンセグメントがバネにより付勢される実施形態において、所望の反応を提供するためにバネ張力が調節され得る。機械式、電気式、空気式、液圧式アクチュエーターがまた、回転子のバックアイアンセグメントを移動させるために使用され得る。

図２において、３つの範囲の磁界強度を有するモーターが示される。図１で示されるものと同様に、ＣＳＰＲは２倍である。従って、磁界強度の第一の範囲には、１：２の比であるＮｍｉｎ１およびＮｍａｘ１がある。また、同じく１：２の比であるＮ_ｍｉｎ２およびＮ_ｍａｘ２をもつ第二の範囲の磁界強度がある。Ｎ_ｍｉｎ２がＮ_ｍａｘ１と等しくかつＮ_ｍｉｎ３とＮ_ｍａｘ２が等しければ、結果として生じるＣＳＰＲは８である。Ｎ_ｍｉｎ２はＮ_ｍａｘ１よりもわずかに小さいことが望ましくあり得るので、結果として生じるＣＳＰＲは８よりもやや小さくなり得る。

他の実施形態において、可動バックアイアンセグメントはアクチュエーターを使用して可動バックアイアンセグメントを移動させる回転子に用いられる。回転子の可動バックアイアンセグメントに作用する遠心力により可能となる受動制御において、回転子速度は可動バックアイアンセグメントが調節される唯一の要因である。アクチュエーターを能動的に制御することにより、操縦者から要求されるトルク、モーターに連結されたモーターまたはバッテリーパックの温度、バッテリーの充電レベル、または他の要因がアクチュエーターの制御を命令する電子制御ユニットに入力され得る。複数のバックアイアンセグメントおよび複数のアクチュエーターが、磁界強度における一連の段階を提供するために利用され得る。

さらに別の実施形態において、モーターの磁界強度は固定子リングのリラクタンスに影響を与えることで弱められ得る。これは、固定された固定子リングおよび１つまたは複数の可動固定子リングセグメントを有することで達成され得る。固定子は回転しないため、可動固定子リングセグメントを固定された固定子リングから分離させるためにアクチュエーターが使用される。

固定子が固定バックアイアンおよび可動バックアイアンセグメントを有する電気モーターを動作する方法がさらに開示される。可動バックアイアンセグメントはアクチュエーターにより、可動バックアイアンセグメントが固定バックアイアンと接触している第一の位置と、可動バックアイアンセグメントが固定バックアイアンから変位している第二の位置との間を移動させられる。電子制御ユニットは、モーター速度、モータートルクの要求、モーター温度、およびモーターに電気を供給するバッテリーの充電レベルのうちの１つまたは複数に基づいて可動バックアイアンセグメントを移動させるようにアクチュエーターに命令する。一実施形態において、所望の磁界強度は少なくともモーターの速度に基づいて決定される。電子制御ユニット（ＥＣＵ）は可動バックアイアンセグメントに連結されたアクチュエーターに命令することで磁界強度が連続的に変わるシステムにおいて所望の磁界強度を提供し、かつ磁界強度が段階的に変わるシステムにおいてほぼ所望の磁界強度を提供する。

一部の実施形態において、所望の磁界強度は動作モードにさらに基づく。例えば、バッテリーの充電レベルは最適な磁界強度（すなわち、良い効率を提供する磁界強度）に影響する。また、バッテリー再生またはバッテリー充電は、バッテリー放電よりも高い磁界強度（より高い電圧状態）を必要とする。それゆえ、ＥＣＵに提供されるそのような情報は動作モードに適切な所望の磁界強度を選択するために使用される。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
電気機械であって、該電気機械は、
複数の巻線を有する固定子と、
空隙分、該固定子から分離されている永久磁石を有する回転子であって、該回転子は複数の可動バックアイアンセグメントを有し、該複数の可動バックアイアンセグメントは、第一の位置と、該可動バックアイアンセグメントが該第一の位置におけるよりもさらに該磁石から離れた距離に移動させられている第二の位置との間で移動可能である、回転子と
を含み、
該電気機械の磁界は、該可動バックアイアンセグメントが該第二の位置にある場合、弱められている、機械。
（項目２）
前記第一の位置において、前記可動バックアイアンセグメントは、前記永久磁石、または、前記回転子の固定バックアイアンのうちの少なくとも１つと接触している、項目１に記載の電気機械。
（項目３）
前記第一の位置において、前記可動バックアイアンセグメントは、前記回転子の前記固定子から遠い側の表面に接触しており、前記磁石は、該回転子の該固定子に近い側の表面に付着されている、項目１に記載の電気機械。
（項目４）
前記可動バックアイアンセグメントの第一の群は、第一の重量を有し、該可動バックアイアンセグメントの第二の群は、第二の重量を有し、該第二の重量は、該第一の重量と異なる、項目１に記載の電気機械。
（項目５）
前記電気機械は、前記固定子が中心に位置し、前記回転子が該固定子の外側に円周方向に配置されている外部回転子電気機械である、項目１に記載の電気機械。
（項目６）
前記電気機械は、前記回転子が中心に位置し、前記固定子が該回転子の外側に円周方向に配置されている内部回転子電気機械である、項目１に記載の電気機械。
（項目７）
前記可動バックアイアンセグメントのうちの少なくとも１つに連結されているアクチュエーターをさらに含み、該アクチュエーターは、該可動バックアイアンセグメントのうちの少なくとも１つを前記第一の位置と前記第二の位置との間で移動させるように適合されている、項目１に記載の電気機械。
（項目８）
前記可動バックアイアンセグメントは、遠心力によって前記第二の位置へと移動し、該電気機械は、
該可動バックアイアンセグメントの外側に円周方向に提供されている位置決め装置をさらに含み、該位置決め装置は、該可動バックアイアンセグメントが予め決定された最大距離より大きく移動することを抑える、項目１に記載の電気機械。
（項目９）
前記可動バックアイアンセグメントは、遠心力によって前記第一の位置から前記第二の位置へ移動し、該可動バックアイアンセグメントは、磁力または前記位置決め装置の付勢力によって該第二の位置から該第一の位置へ戻る、項目８に記載の電気機械。
（項目１０）
該電気機械は、車両に連結されており、該車両は、
車両フレームと、
該フレームに連結されている車軸であって、前記固定子は、該車軸に連結され、前記回転子は、該固定子の外側に円周方向に配置されている、車軸と、
該車軸上で回転可能な車輪と
を含み、
該車輪が回転していない場合、前記可動バックアイアンセグメントは、前記第一の位置にあり、該車輪が閾値速度よりも高い速度で回転している場合、該可動バックアイアンセグメントは、遠心力により前記第二の位置へ移動させられている、項目１に記載の電気機械。
（項目１１）
電気機械であって、該電気機械は、
回転子と、
空隙分、該回転子から分離されている固定子であって、該固定子は、固定バックアイアンおよび複数の可動バックアイアンセグメントを有し、該複数の可動バックアイアンセグメントは、該可動バックアイアンが該固定バックアイアンと接触している第一の位置と、該可動バックアイアンセグメントが該固定バックアイアンから変位した第二の位置との間で移動可能である、固定子と
を含み、
該電気機械の磁界が該可動バックアイアンセグメントが該第二の位置にあるときに弱められている、電気機械。
（項目１２）
前記可動バックアイアンセグメントは、前記固定バックアイアンの前記固定子から遠い側の表面と接触している、項目１１に記載の電気機械。
（項目１３）
前記回転子が中心に位置し、前記固定子が該回転子の外側に円周方向に配置されている、項目１１に記載の電気機械。
（項目１４）
永久磁石電気機械を制御する方法であって、該方法は、
該電気機械に命令された出力レベルを決定することと、
該電気機械の現在速度を決定することと、
該現在速度および該出力レベルに基づいて、該電気機械の所望の磁界強度を決定することと、
回転子の可動バックアイアンセグメントを、該電気機械の該磁界強度が該所望の磁界強度と同程度である位置に移動させることと
を含む、方法。
（項目１５）
前記所望の磁界強度は、前記電気機械の高効率状態での動作を可能にする磁界強度である、項目１４に記載の方法。
（項目１６）
前記電気機械は、モーターとして動作しており、前記出力レベルは該電気機械の操縦者によって要求される、項目１４に記載の方法。
（項目１７）
前記電気機械は、発電機として動作しており、かつ前記所望の磁界強度は、該発電機に連結されている負荷によって必要とされる電圧により決定される、項目１４に記載の方法。
（項目１８）
前記負荷はバッテリーである、項目１７に記載の方法。
（項目１９）
発電機として動作する前記電気機械とモーターとして動作する該電気機械との間での動作における変更要求を受け取ることと、
該変更要求に基づいて、新たな動作出力レベルを決定することと、
前記現在速度および該新たな動作出力レベルに基づいて、該電気機械の前記所望の磁界強度を決定することと
をさらに含む、項目１４に記載の方法。
（項目２０）
前記電気機械が車両に連結されており、前記変更要求は、該電気機械が前記モーターとして動作している推進出力モードと該電気機械が前記発電機として動作している回生ブレーキモードとの間で変化することを含む、項目１９に記載の方法。

図１および図２は、モーター速度の関数としての、モーターにより提供されるトルクおよび出力のグラフである。 図１および図２は、モーター速度の関数としての、モーターにより提供されるトルクおよび出力のグラフである。 図３は、電気モーターの動力を備えたスクーターを示す。 図４は、電気モーターの一部分の断面である。 図５は、車輪に組み込まれた径方向磁束電気モーターの一部分の、断面の一部分である。 図６および図７は、接触位置および非接触位置にある可動バックアイアンセグメントを有する軸方向磁束モーターの回転子および固定子の端視図である。 図６および図７は、接触位置および非接触位置にある可動バックアイアンセグメントを有する軸方向磁束モーターの回転子および固定子の端視図である。 図８および図９は、回転子の外縁につながれた可動バックアイアンセグメントを有する軸方向磁束モーターの回転子の断面を示す。 図８および図９は、回転子の外縁につながれた可動バックアイアンセグメントを有する軸方向磁束モーターの回転子の断面を示す。 図１０は、種々の厚さの可動バックアイアンセグメントを有する回転子の断面を示す。 図１１〜図１３は、作動システムにより移動可能なバックアイアンセグメントを有する固定子を示す。 図１１〜図１３は、作動システムにより移動可能なバックアイアンセグメントを有する固定子を示す。 図１１〜図１３は、作動システムにより移動可能なバックアイアンセグメントを有する固定子を示す。 図１４は、モーターの磁気回路を分析するために使用され得る等価電気回路を示す。等価電気回路は、バックアイアンが抵抗器で表され、可動バックアイアンが固定子および回転子抵抗器と並列に示され、それらが離れた場合にそれらの連結が断ち切られた状態を表すためにスイッチを有する。バックアイアンが接触状態にある場合、スイッチは閉じられ２つの抵抗器は並列となるため、全抵抗は低くなる。 図１５は、可動バックアイアンセグメントが固定バックアイアンセグメントに接触している状態の、可動バックアイアンセグメントを有する内部回転子モーターの断面を示す。 図１６は、可動バックアイアンセグメントが固定バックアイアンセグメントから分離した状態の内部回転子モーターの断面を示す。 図１７は、３つのレベルの磁界強度に対してのトルク対ｒｐｍのグラフである。 図１８は、電圧−電流グラフ上の、一定出力の曲線の集合を示す。 図１９は、３つの動作モード（標準駆動、ローバッテリー、およびバッテリー再生）に対しての、ｒｐｍの関数としての最適な磁界強度を示す。

（詳細な説明）
特定の実施形態に関して最良の態様が詳細に説明されるが、当業者は下記の特許請求の範囲の範囲内で種々の代替の設計および実施形態を認識する。種々の実施形態が利点を提供するとして、または１つもしくは複数の所望の特性に関して他の実施形態よりも好まれるとして説明され得る。しかし、当業者が気がつくように具体的な用途および実行によって決まる所望のシステム属性を達成するために１つまたは複数の特性が損なわれ得る。これらの属性は、限定されることはないが、コスト、強度、耐久性、ライフサイクルコスト、市場性、外観、包装、サイズ、実用性、重量、製造可能性、組み立ての容易さなどを含む。１つまたは複数の特性に関して他の実施形態または従来技術による実行よりも望ましくないとみなされる実施形態が本明細書内で説明されるが、そのような実施形態は本開示の範囲外ではなく特定の用途において望ましくあり得る。要求に応じ、本発明の詳細な実施形態が本明細書内で開示される。しかしながら、開示される実施形態は本発明の単なる一例であり本発明は種々および代替の形態で具体化され得ることが理解される。図は必ずしも一定の縮小比ではなく、一部の特徴は特定の構成要素の詳細を示すために拡大または縮小され得る。それゆえ、本明細書内で開示される具体的な構造的および機能的な詳細は限定するためのものと解釈されるのではなく、本発明を種々に利用するために当業者を教示する単なる見本となる基準として解釈される。

当業者により理解されるように、いずれかの図を参照して示されおよび説明される実施形態の種々の特徴は、明瞭に示されていないまたは説明されていない代替の実施形態を生み出すために１つまたは複数の他の図において示される特徴と組み合わされ得る。示される特徴の組み合わせが典型的な用途のための代表的な実施形態を提供する。しかしながら、本開示の教示と一致する特徴の、種々の組み合わせおよび改変が特定の用途または実行において所望され得る。当業者は、明瞭に説明されているまたは示されているかどうかに関わらず類似の用途または実行を認識し得る。

モータースクーター１０が図３において示される。モータースクーター１０は、車軸１４が連結されたフレーム１２を有する。車軸１４は車輪１６の中心を通って連結され、車輪１６は車軸１４と共に回転可能である。車輪はリム２２を有し、リム２２にはタイヤ２４が取り付けられている。図５においてより詳細に説明されるように、固定子は車軸１４に連結され得、かつ回転子はリム２２に連結され得る。固定子および回転子は、カバー２６の裏側に搭載されたバッテリー（別個に視覚できない）によって電力を供給される電気モーターの要素である。モータースクーター１０は操縦者制御２８および３０を有し、操縦者はそれを通して出力および／またはブレーキの要求を指示し得る。操縦者制御２８および３０は、電子制御ユニット（図３において示されていない）に電子的に連結され得る。

電気モーターの形態は、円筒形シェル固定子により取り囲まれた円筒形回転子を有し、これは一般に内部回転子モーターと呼ばれる。小さな空隙分、回転子および固定子は分離される。内部回転子モーターはまた、磁束が回転子と固定子との間を半径方向に横切って進むので径方向磁束モーターであり得る。電気モーターの他の形態は、円筒形シェル回転子により取り囲まれた固定された内部固定子を有する外部回転子径方向磁束モーターである。モーターの他の種類は、ディスク型の回転子および固定子を有し得、それは磁束が回転子と固定子との間を軸方向に進むので軸方向磁束モーターと呼ばれる。

軸方向磁束モーターおよび径方向磁束モーターが議論されるが、本開示は専用モーター、専用発電機、ならびにモーターおよび発電機としての動作が交替するそれらを含む、電気機械に関する。本開示は全てのそのような電気機械に適用される。図３において、電気モータースクーターが示される。しかしながら、本開示は全ての自動車両：自動車、電動バイクなどに、およびより広くは全ての永久磁石電気機械に関する。

本開示の一実施形態に従った電気モーター５０の断面詳細が図４において示される。モーター５０は、空隙５６分、分離された回転子５２および固定子５４を有する。例証を簡便にするために、回転子５２および固定子５４は線形要素として示される。しかしながら、回転子５２は固定子５４に対して回転することがより一般的である。一構成において、回転子は軸６０の周りを回転し、回転子５２および固定子５４は矢印６２の方向に腕曲されている。外部回転子、またはインサイドアウトモーター（ｉｎｓｉｄｅ−ｏｕｔ ｍｏｔｏｒ）と呼ばれることもある代替の構成において、回転子は軸６４の周りを回転し、回転子５２および固定子５４は矢印６６の方向に腕曲される。

引き続き図４を参照すると、回転子５２は固定バックアイアン７０および複数の永久磁石７２を有する。複数の永久磁石７２は固定バックアイアン７０の、固定子５４に近い側の表面７１に付着されている。隣接する永久磁石７２は反対の極性を有する。すなわち、磁石の北極は隣接する磁石の南極の近くにある。回転子５２はまた、複数の可動バックアイアンセグメント７４を有する。複数の可動バックアイアンセグメント７４は固定バックアイアン７０の、固定子５４から遠い側の後部表面７５に隣接して設置される。以下でより詳細に説明されるように、可動バックアイアンセグメント７４は固定バックアイアン７０に移動可能に取り付けられ得る。別の実施形態において、電気モーター５０は比較的薄い固定バックアイアン７２を有するか、または固定バックアイアンを１つも有しない。この場合、可動バックアイアンセグメント７４は永久磁石７２に隣接して位置するか、または非磁性支持構造に設置される。

図４においてさらに示されるように、固定子５４は複数のスロットまたはチャネル７８を有する。スロットまたはチャネル７８は、スロット７８が空隙５６から延び広がるため遠位端７９において幅が広く、スロット７８は空隙５６の近くでは幅が狭い。スロット７８の間にはＴ型のポスト８０が形成される。ワイヤー８４の多くの巻きがＴ型ポスト８０の周りに巻かれ、ワイヤー８４はスロット７８を通って固定子バックアイアン８２から外側へと延びる。ワイヤー巻線の多くの巻き８４はスロット７８内で断面図で示される。図４においてはまた、磁束線８８が示されている。

図５において、図４に従って示される電気モーターは車輪９０に統合されている。ハブ９２は、固定子９４を支持するスポーク９３を有し、軸または車軸９６の周りを回転する。空隙９８が回転子１００を固定子９４から分離する。回転子１００は固定バックアイアン１０２および可動バックアイアンセグメント１０４を有する。可動バックアイアンセグメント１０４は、それらが固定バックアイアン１０２と接触している第一の位置において示される。可動バックアイアンセグメント１０４は、一実施形態において、磁気引力により固定バックアイアン１０２上に維持される。代替的に、可動バックアイアンセグメント１０４はバネ負荷テザーまたはバネにより固定バックアイアン１０２の方に向けて付勢される。回転子１００が回転すると、遠心力が磁力またはバネの力を上回ったときに可動バックアイアンセグメント１０４は固定バックアイアン１０２から分離するか、または固定バックアイアン１０２からある程度の距離だけ移動する。固定バックアイアン１０２から分離されたときの可動バックアイアンセグメント１０４を収容するためにトレイ１０６が提供される。トレイ１０６の外部表面１０８はタイヤ１１０を取り付けるためのリムを形成する。

図６および図７において、軸方向磁束モーター構成の回転子１２０が示される。図６および図７において示されるように、回転子は固定バックアイアン１２２および固定バックアイアン１２２に連結された可動バックアイアンセグメント１２４を有する。可動バックアイアンセグメント１２４が固定バックアイアン１２２から予め決定された最大距離よりも遠くに移動することを抑えるために、可動バックアイアンセグメント１２４は位置決め装置によってバックアイアン１２２に連結される。位置決め装置は少なくとも１つのテザー１２６を含み得る。一実施形態において、テザー１２６は付勢され得るか、またはバネ負荷され得る。他の代替実施形態において、可動バックアイアンセグメント１２４は付勢されていないテザー１２６によってつながれ得、それによって可動バックアイアンセグメント１２４は遠心力によってバックアイアンセグメント１４２に対して外側へと半径方向に浮遊することが可能である。テザー１２６は可動バックアイアンセグメント１２４が外側へ少しの距離より大きく移動することを防ぐ。

図６および図７において示されるように、テザー１２６はジョイント１２６ａで可動バックアイアンセグメント１２４に連結され、かつジョイント１２６ｂで固定バックアイアン１２２に連結される。空隙１２８分、固定子１３０から分離された回転子１２０の側面図が図７において示される。図７において、可動バックアイアンセグメント１２４は固定バックアイアン１２２に接触している。しかしながら図８において、回転子１２０が回転することで可動バックアイアンセグメント１２４は遠心力によってバックアイアン１２２からある程度の距離だけ分離し、それによって可動バックアイアンセグメント１２４とバックアイアン１２２との間に空隙が形成される。図６および図７においては示されていないが、固定子１３０はワイヤーのコイルを含む。

図８は軸方向磁束電気モーターのための回転子１３８の断面図を示し、この軸方向磁束電気モーターは、バネ１４４およびガイドピン１４５を含む位置決め装置によって互いに連結された固定バックアイアン１４０および可動バックアイアンセグメント１４２を有する。バネ１４４は可動バックアイアンセグメント１４２を固定バックアイアン１４０から遠ざけるように付勢し得、または可動バックアイアンセグメント１４２を固定バックアイアン１４０へと引き戻すために付勢力を提供し得る。図８において示されるのは回転子１３８が静止している状態、または可動バックアイアンセグメント１４２に作用する遠心力がバックアイアンセグメント１４２に作用するバネ張力よりも小さくなるような速度で回転している場合の状態である。

図９は閾値速度よりも速く回転する回転子１３８を示しており、バックアイアンセグメント１４２は遠心力によって固定バックアイアン１４０から半径方向に離れて移動している。固定バックアイアン１４０および可動バックアイアンセグメント１４２はわずかに角度がつけられており、それによって可動バックアイアンセグメント１４２が外側に半径方向に移動するにつれて固定バックアイアン１４０と可動バックアイアンセグメント１４２との間に軸方向の小さな隙間が生じる。隙間が形成されたことにより固定バックアイアン１４０に連結されたガイドピン１４５は可動バックアイアンセグメント１４２内のスリーブの中を滑る。

図１０において、固定バックアイアン１５０ならびに可動バックアイアンセグメント１５２、１５４および１５６の群を有する径方向磁束外部回転子機械の回転子１４８の一部分が示される。可動バックアイアンセグメント１５２、１５４および１５６の３つの群は、それぞれ異なる厚さまたは重量を有し得る。それゆえ、可動バックアイアンセグメントの１つの群は、他の可動バックアイアンセグメントよりも遅い速度で固定バックアイアン１５０から分離する。バックアイアンのリラクタンスを段階的に変化させることにより、速度が移行範囲で推移するにつれて磁界はより緩やかに変化する。他の代替実施形態において、種々の可動バックアイアンセグメントの群は異なる密度の材料から作られ、それゆえ可動バックアイアンセグメントは異なる重量を有する。別の代替実施形態において、バックアイアンセグメントはバネ負荷のテザーまたはバネのいずれかによりつながれる。所望の反応（すなわち、異なる速度範囲における群の分離）を提供するために、異なる群のバネ張力は異なる。

回転子のバックアイアンのリラクタンスを変えるための代替実施形態の説明が上述されており、そこにおいて、可動バックアイアンセグメントは遠心力によって作用され、それゆえ回転子の回転速度に基づいて移動する。代替的に、磁界強度に影響を与えるために固定子リングのリラクタンスが調節され得る。しかしながら、固定子は回転しないため可動固定子セグメントに作用する遠心力はなく、それゆえ固定子セグメントの動きを提供するためにアクチュエーターが使用される。

図１１において、外部回転子径方向機械における固定子１６０が、固定された固定子リング１６２を有して示される。可動固定子セグメント１６４は固定された固定子リング１６２と接触している状態で示される。ポスト１６６はねじ１６５を提供される。左ねじ１６５が一端に提供され、右ねじ１６５が反対の端に提供され、そして小さな電気モーター１７０（例えば、ステッパーモーター）により係合され得る歯１６８が提供される。ポスト１６６が一方向に回転することにより可動バックアイアンセグメント１６４は固定された固定子リング１６２から分離される。ポスト１６６がもう１つの方向に回転することにより可動固定子セグメント１６４は、可動固定子セグメントが固定された固定子リング１６２と接触している図１１で示される位置に戻される。固定子１６０内のワイヤーのコイルおよび固定子１６０を取り囲む永久磁石回転子は図１１において示されていない。

電子制御ユニット（ＥＣＵ）１７２がモーター１７０に動作を命令する。ＥＣＵ１７２はモーター速度、モーター巻線内を流れる電流、モーターにかかる電圧、動力車の操縦者が要求する速度、操縦者が要求するトルク、操縦者が要求するブレーキ力、システム温度、バッテリー１７８の充電レベル、地理的な位置などのうちの１つまたは複数から決定され得る信号を提供する種々のセンサーから入力１７４を受信する。ＥＣＵ１７２はまた、種々の機能を命令する（すなわち、入力１７４に基づいて制御出力１７６を提供する）。

図１２において、浅い傾斜路１８２を持つ固定された固定子リング１８０を有する軸方向磁束機械の固定子の端視図が示される。固定された固定子リング１８０はディスク型である。固定された固定子リング１８０にはステッパーモーター１８６または他のアクチュエーターに連結する可動固定子リング１８４が接触している。可動固定子リング１８４は傾斜路１８２と連結している内向きの傾斜路１８８を有する。可動固定子リング１８４がモーター１８６の作用により矢印で示される方向に回転すると、可動固定子リング１８４は傾斜路１８８が傾斜路１８２をずり上がることにより固定された固定子リング１８０から分離される。一連のそのような傾斜路は、可動固定子リングを適切に支持するために外縁上に提供される。

磁気システムは、図１４において示されるような簡略化された等価電気回路モデルを通して示され、分析され得る。図１４において、回転子２００は固定バックアイアン２０２および可動バックアイアンセグメント２０４を有しており、リラクタンスは抵抗としてモデル化される。固定子２０６は固定バックアイアンまたはリング２０８、および可動バックアイアンセグメントまたはリング２１０を有する。モーターは可動バックアイアンセグメント２０４および２１０の両方を有しない場合もあるが、モデルを示す図１４においては両方が含まれている。永久磁石２１２は固定バックアイアン２０２の表面上に提供される。固定子２０６は、中に巻線が巻かれる一連のスロットまたはチャネル２１４を有する。空隙２１６が回転子２００と固定子２０６との間で維持される。固定バックアイアン２０２は抵抗Ｒ_Ｒｆの抵抗器２２０としてモデル化される。可動バックアイアンセグメント２０４は固定バックアイアン２０２と接触していないので電流の流れにわずかにしか寄与しない。しかしながら、要素２０２と２０４とが接触している場合、抵抗器２２０は可動バックアイアンの抵抗と並列の固定バックアイアンの抵抗を有し、全抵抗を低くする。同様に、固定された固定子リング２０８と可動固定子リング２１０とが分離されている場合、固定子２０６は抵抗Ｒ_Ｓｆの抵抗器としてモデル化される。隣接する磁石２１２は電圧源Ｖ_１およびＶ_２である。空隙２１６は抵抗Ｒ_Ａ１およびＲ_Ａ２としてモデル化される。可動バックアイアンセグメント２０４は固定バックアイアンＲ_Ｒｆの抵抗と並列である抵抗Ｒ_Ｒｍとしてモデル化され得る。しかしながら、図１４で示されるように、可動バックアイアンセグメント２０４は固定バックアイアン２０２と接触していない。そのような構成をモデル化するために開いた状態のスイッチＳｗ_Ｒが図１４において示される。可動バックアイアンセグメント２０４が固定バックアイアン２０２に接触している場合、スイッチＳｗ_Ｒは閉じる。類似して、可動固定子バック２１０は固定された固定子リング２０８をモデル化した抵抗器Ｒ_Ｓｆと並列である抵抗器Ｒ_Ｓｍとしてモデル化される。しかしながら、示されるように、可動固定子リング２１０は固定された固定リング２０８と接触しておらず、それゆえスイッチＳ_ｗＳは図１４において開いた状態で示される。

図で示される例において、永久磁石は回転子に付着されて示される。一部の用途においては、しかしながら、永久磁石は回転子の開口部の中に例えば焼結材料によって鋳造される。それによって磁石を捕え、磁石が回転子から外れて磁石および回転子のアセンブリの磁気特性を変化させることを防ぐ。本開示はこのような内部永久磁石回転子構成にも適用可能である。

図１５において、内部回転子径方向磁束電気モーター２５０の一部分の断面が、可動バックアイアンセグメントが作動可能である一実施形態を示す。車軸２５２は軸受アセンブリ２５６の玉軸受２５４上で支えられる。一端にフランジ部分を有するアクチュエーターロッド２５８が車軸２５２内に取り付けられる。図１５において、ケーブル２６０がアクチュエーターロッド２５８に連結されている。ケーブル２６０に張力を加えること、または解放することによりロッド２５８は車軸２５２に対して移動させられる。モーター２５０は巻線２６２を有する固定子を有する。回転子は、磁石２６６が付着された固定バックアイアン２６４を含む。固定バックアイアン２６４は回転子の支持２６５に連結され、その回転子は軸受アセンブリ２５６上で回転する。可動バックアイアンセグメント２７０が提供されるが、図１５において示されるように、提供されるのはただ一つの可動バックアイアンセグメント２７０である。ベルクランク２７２がピボットジョイント２７４によって固定バックアイアン２６４に連結され、かつピボットジョイント２７６によって可動バックアイアンセグメント２７０に固定される。ベルクランク２７２はアクチュエーターロッド２５８のフランジ端に接触する。図１５において、可動バックアイアンセグメント２７０は固定バックアイアン２６４に接している。

ここで図１６を参照すると、アクチュエーターロッドは車軸２５２に対して左に変位されている。アクチュエーターロッド２５８のフランジ端が左に移動することによってベルクランク２７２はピボットジョイント２７４を中心に右回りに回転し、それによって可動バックアイアンセグメント２７０は下に引っ張る。ここで、固定バックアイアン２６４と可動バックアイアンセグメント２７０との間に空隙２７８が生じる。空隙２７８は磁界強度を弱める。可動バックアイアンセグメント３０６は、空隙３０８を有する所定の位置にある。１つのベルクランク２７２が各可動バックアイアンセグメント２７０を作動するために提供され得る。ベルクランク２７２は車軸に連結され得る。

図１５〜図１６に関係する内部回転子モーターの考察は、可動バックアイアンセグメントが外部制御の下で作動され得る一例示的なモーターに向けられている。示される例において、ケーブルが示される。しかしながら、リニアアクチュエーター、液圧作動、または多くの他の作動スキームによる電気的作動が代替的に使用され得る。アクチュエーターは操縦者制御の下であり得るか、または電子制御ユニットにより制御され得る。例えば、電子制御ユニットは車両およびモーターパラメーターについての信号を提供され得、そしてそれに従って移動するように可動バックアイアンセグメントに命令し得る。また、アクチュエーターロッドによって移動させられるベルクランクを有する特定の機械構成に限定する意図はない。多くの他の適切な構成が代わりに使用され得る。

図１７において、本開示の一実施形態に従って、モーターＲＰＭの関数としてのトルクのグラフが示される。実線の曲線３２０は、固定の磁界強度を有するモーターに対して広い速度範囲が所望される状況を示す。一定のトルク領域が幅広い速度範囲に渡って生じる。しかしながら、このような動作には２つの課題がある。最大トルクが制限されているという課題、さらに、速度範囲に渡って動作が所望されている程には到底効率的でないという課題である。曲線３２２は磁界強度がより高くなっている状態を示す。最大トルクは高いが、速度は３２４で示されるように制限されている。さらに高い磁界強度を有するモーターは、曲線３２６のような特性を有し、モーター速度が低いときに大きなトルクを有するが、速度範囲が非常に制限される。速度における制限は、モーター内の逆ＥＭＦが過剰になることによる。３つの範囲の磁界強度を提供することにより、モーターのダイナミックレンジは大きく改善されそれと共に効率は良くなる。従って、モーター速度が低くかつ所望のトルクが高いＡ地点での開始からモーター速度の増加が要求される場合、高い磁界強度は、同じ高いトルクを提供するＢ地点へのアクセスに適合し得る。地点Ｂを越えるとトルクは低下するであろうが、出力は一定（すなわち、Ｂ地点からＣ地点に渡って一定）である。しかしながら、曲線３２２により示されるように磁界強度が弱められなければ、モーター速度はごくわずかにしかさらに増加することができない。磁界強度を弱めることによりＤ、Ｅ、およびＦ地点がアクセス可能となり、Ｄ地点からＥ地点まではトルクが一定であり出力が増加し、Ｅ地点からＦ地点までは出力が一定でありトルクが減少する。同様に、磁界強度がさらに低下することは、ＧおよびＨ地点にアクセスすることを可能にする。３つのレベルの磁界強度を提供することによって、低速度で高トルクが提供され得、それと共に幅広い速度範囲、および速度範囲に渡ったピークに近い効率状態が提供され得る。

要求される出力を生成するためにモーターを最小電流／高圧点で動作することが望ましい。なぜなら、抵抗損失は電流の二乗に関係しており、それゆえ損失は低電流において最小限となるからである。その結果、モーターの効率は改善されモーターの望ましくない加熱が低減される。追加の利点は、モーターと関連するパワーエレクトロニクスがバッテリー電圧をそれほど降下させないのでエレクトロニクスがより簡素にかつより効率的になり得ることである。所望の範囲内で磁界強度データを選択することにより、図１８において示されるように、いくつかの出力および速度の曲線の集合が生成される。それゆえ、特定の速度および出力において効率的な状態でモーターを動作させるために、磁界強度は、図１８において示される関係性によって、すなわちモーター回転速度によって変えられる。

ここで図１８を参照すると、制御法がグラフを用いて示されている。電流の関数としての電圧のグラフ図１８はいくつかの出力レベルについて示される。曲線３３２は例えば２５Ｗを表し得、曲線３３４は５０Ｗを表し、かつ曲線３３６は１００Ｗを表し得る。電圧は、線３３８を越えての動作が可能でないように制限される。例えば、モーターに連結されるバッテリーが１２Ｖバッテリーである場合、線３３８の限界は１２Ｖである。可能な限り弱い電流で動作することがより効率的である。従って、所望の動作範囲が図１８において高効率エリア３４０として示される。モーター速度が変化するにつれて、制御システムはこの高効率エリア３４０内での動作を維持するために磁界強度を変化させるように作用する。

図１９において、標準動作モード（例えば、７２Ｖ、曲線３５０）について、モーター速度の関数としての最適な磁界強度が示される。バッテリーが少なくなるとバッテリー電圧は下がり、曲線３５２で示されるように最適な磁界強度は低下する。バッテリー再生モード（例えば、電気自動車における回生ブレーキの間）においては電圧はバッテリー電圧よりも高く、曲線３５４で示されるように最適な磁界強度はより高くなる。磁界強度が連続的に変わる実施形態において、磁界強度はモーターＲＰＭおよび動作モード（標準、ローバッテリー、再生など）の両方に基づいて選択される。磁界強度が段階的に変わる実施形態において、磁界強度段階は、モーターＲＰＭおよび動作モードの関数としての最適な磁界強度に可能な限り近くなるように選択される。

磁界強度を望ましいと標識された帯域内で維持することにより損失は最小限となる。このことは、連続的なアクチュエーターが１つまたは複数の可動バックアイアンセグメントを固定バックアイアンから離れるように移動させることで連続的に磁界強度を変えることにより、または所望の磁界強度（すなわち、電流が最小、または最小に近いことを可能にする磁界強度）を提供するために必要である数のセグメントを段階ごとに作動することにより達成され得る。上述の説明はまた、発電機として動作する電気機械に適用され得る。

種々の実施形態が上で説明されるが、それらの実施形態が本発明のすべての可能な形態を説明することは意図されていない。むしろ、本明細書中で使用される用語は限定するためではなく説明するための用語であって、本発明の精神および範囲から逸れることなく種々の変更が行われ得ることが理解される。加えて、種々に実行される実施形態の特徴は、本発明のさらなる実施形態を形成するために組み合わせられ得る。

Claims (18)

1. 電気機械であって、該電気機械は、
   複数の巻線を有する固定子と、
   空隙分、該固定子から分離されている永久磁石を有する回転子であって、該回転子は複数の可動バックアイアンセグメントを有し、該複数の可動バックアイアンセグメントは、第一の位置と、該可動バックアイアンセグメントが該第一の位置におけるよりもさらに該磁石から離れた距離に移動させられている第二の位置との間で移動可能であり、該複数の可動バックアイアンセグメントのうちの少なくとも１つの可動バックアイアンセグメントは、該複数の可動バックアイアンセグメントのうちの残りの可動バックアイアンセグメントとは独立して移動する、回転子と
   を含み、
   該電気機械の磁界は、該可動バックアイアンセグメントが該第二の位置にある場合、弱められている、電気機械。
2. 前記第一の位置において、前記可動バックアイアンセグメントは、前記永久磁石、または、前記回転子の固定バックアイアンのうちの少なくとも１つと接触している、請求項１に記載の電気機械。
3. 前記第一の位置において、前記可動バックアイアンセグメントは、前記回転子の前記固定子から遠い側の表面に接触しており、前記磁石は、該回転子の該固定子に近い側の表面に付着されている、請求項１に記載の電気機械。
4. 前記可動バックアイアンセグメントの第一の群は、第一の重量を有し、該可動バックアイアンセグメントの第二の群は、第二の重量を有し、該第二の重量は、該第一の重量と異なる、請求項１に記載の電気機械。
5. 前記電気機械は、前記固定子が中心に位置し、前記回転子が該固定子の外側に円周方向に配置されている外部回転子電気機械である、請求項１に記載の電気機械。
6. 前記電気機械は、前記回転子が中心に位置し、前記固定子が該回転子の外側に円周方向に配置されている内部回転子電気機械である、請求項１に記載の電気機械。
7. 前記可動バックアイアンセグメントのうちの少なくとも１つの可動バックアイアンセグメントに連結されているアクチュエーターをさらに含み、該アクチュエーターは、該可動バックアイアンセグメントのうちの該少なくとも１つの可動バックアイアンセグメントを前記第一の位置と前記第二の位置との間で移動させるように適合されている、請求項１に記載の電気機械。
8. 前記可動バックアイアンセグメントは、遠心力によって前記第二の位置へと移動し、該電気機械は、
   該可動バックアイアンセグメントの外側に円周方向に提供されている位置決め装置をさらに含み、該位置決め装置は、該可動バックアイアンセグメントが予め決定された最大距離より大きく移動することを抑える、請求項１に記載の電気機械。
9. 前記可動バックアイアンセグメントは、遠心力によって前記第一の位置から前記第二の位置へ移動し、該可動バックアイアンセグメントは、磁力または前記位置決め装置の付勢力のうちの少なくとも１つによって該第二の位置から該第一の位置へ戻る、請求項８に記載の電気機械。
10. 前記電気機械は、車両に連結されており、該車両は、
    車両フレームと、
    該フレームに連結されている車軸であって、前記固定子は、該車軸に連結され、前記回転子は、該固定子の外側に円周方向に配置されている、車軸と、
    該車軸上で回転可能な車輪と
    を含み、
    該車輪が回転していない場合、前記可動バックアイアンセグメントは、前記第一の位置にあり、該車輪が閾値速度よりも高い速度で回転している場合、該可動バックアイアンセグメントは、遠心力により前記第二の位置へ移動させられている、請求項１に記載の電気機械。
11. 電気機械であって、該電気機械は、
    回転子と、
    空隙分、該回転子から分離されている固定子であって、該固定子は、固定バックアイアンおよび複数の可動バックアイアンセグメントを有し、該複数の可動バックアイアンセグメントは、該可動バックアイアンセグメントが該固定バックアイアンと接触している第一の位置と、該可動バックアイアンセグメントが該固定バックアイアンから変位した第二の位置との間で移動可能である、固定子と
    を含み、
    該固定子が中心に位置し、該回転子が該固定子の外側に円周方向に配置されており、
    該電気機械の磁界が該可動バックアイアンセグメントが該第二の位置にあるときに弱められている、電気機械。
12. 永久磁石電気機械を制御する方法であって、該方法は、
    該電気機械に命令された出力レベルを決定することと、
    該電気機械の現在速度を決定することと、
    該現在速度および該出力レベルに基づいて、該電気機械の所望の磁界強度を決定することと、
    回転子の複数の可動バックアイアンセグメントのうちの可動バックアイアンセグメントを、該電気機械の磁界強度が該所望の磁界強度と同程度である位置に移動させることであって、該複数の可動バックアイアンセグメントのうちの該可動バックアイアンセグメントは、該複数の可動バックアイアンセグメントのうちの残りの可動バックアイアンセグメントとは独立して移動させられる、ことと
    を含む、方法。
13. 前記所望の磁界強度は、前記電気機械の高効率状態での動作を可能にする磁界強度である、請求項１２に記載の方法。
14. 前記電気機械は、モーターとして動作しており、前記出力レベルは該電気機械の操縦者によって要求される、請求項１２に記載の方法。
15. 前記電気機械は、発電機として動作しており、かつ前記所望の磁界強度は、該発電機に連結されている負荷によって必要とされる電圧により決定される、請求項１２に記載の方法。
16. 前記負荷はバッテリーである、請求項１５に記載の方法。
17. 発電機として動作する前記電気機械とモーターとして動作する該電気機械との間での動作における変更要求を受け取ることと、
    該変更要求に基づいて、新たな動作出力レベルを決定することと、
    前記現在速度および該新たな動作出力レベルに基づいて、該電気機械の前記所望の磁界強度を決定することと
    をさらに含む、請求項１２に記載の方法。
18. 前記電気機械が車両に連結されており、前記変更要求は、該電気機械が前記モーターとして動作している推進出力モードと該電気機械が前記発電機として動作している回生ブレーキモードとの間で変化することを含む、請求項１７に記載の方法。
    

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