JPH08506957A

JPH08506957A - 固定子永久磁石を有する二重突極型モータのための界磁弱め

Info

Publication number: JPH08506957A
Application number: JP6519150A
Authority: JP
Inventors: リポ，トーマス・エイ; リアオ，ユーフェン; リアン，フェン
Original assignee: エレクトリック・パワー・リサーチ・インスティチュート・インコーポレーテッド
Priority date: 1993-02-16
Filing date: 1994-02-15
Publication date: 1996-07-23
Also published as: AU6243694A; US5455473A; WO1994019855A1; AU677301B2; EP0685121A4; EP0685121A1; CA2154491A1

Abstract

(57)【要約】固定子に永久磁石を有する二重突極型可変リラクタンス・モータにおける界磁弱めのためのデバイスである。この界磁弱めは、モータの一定のパワー・レンジを増加させ、永久磁石に近接する固定子の側面に向かう方向及びそこから離れる方向へスチール・インセットを制御して運動させその周囲に制御可能なバイパス磁束経路を提供することによって達成される。また、この界磁弱めは、固定子の周囲に配置され離散的な磁気部分でモータの永久磁石をブリッジすることで主なエアギャップの磁束経路に加えて永久磁石の周囲に交替するバイパス磁束経路を提供することによって達成され得る。一定のパワー・レンジを維持するための第３の手段は、永久磁石それ自体を制御された軸方向にスライドさせて固定子に入れたり出したりすることによって達成される。

Description

【発明の詳細な説明】固定子永久磁石を有する二重突極型モータのための界磁弱め発明の背景１．発明の分野本発明は、静止永久磁石を固定子に有する二重突極型（ｄｏｕｂｌｙｓａｌｉｅｎｔ）構造を組み入れた高出力の永久磁石モータに関し、更に詳しくは、永久磁石の近くの固定子の側面に向かう方向及びそこから離れる方向にスチール・インセットを制御して運動させ、その周囲に制御可能なバイパス磁束経路を提供する界磁弱め（ｆｉｅｌｄｗｅａｋｅｎｉｎｇ）に関する。適切な制御によって、モータの一定のパワー・レンジを拡大することができる。２．背景の説明可変リラクタンス・モータ（ＶＲＭ）においては、トルクは、最小の磁気抵抗（リラクタンス）の位置に達するために自らを整列させる傾向を有する二重突極型の回転子及び固定子によって発生される。理想的なスイッチング条件の下では、ＶＲＭは高度に効率的となる潜在性を有する。不運なことに、実際のスイッチング条件は理想よりも劣っており、そのような条件を得ようとすると、結果的に、過剰な電圧と電流ストレスがスイッチング・デバイスにかかってしまう商業的には実際的でないコンバータ回路が必要になる。ＶＲＭを用いる駆動において、各位相における電流は、回転子がその位相に整列した直後に減少してゼロにならなければならない。問題は、大きなターンオフ・インダクタンスの存在にある。位相インダクタンスは、回転子がその位相と整列するときに最大になる。この大きなインダクタンスによって、磁界に蓄えられたエネルギに起因する電流の急激な減少が防止されるから、各位相における電流は、回転子が整列に至った直後にゼロにまで減少することはできない。その結果として、減少する残留電圧が、回転子の磁極（ポール）が対応する固定子の磁極に対する整列を通過する際に、有害な逆トルクを誘導する。この問題は、モータ速度が大きい場合に最も深刻である。上述の問題への１つの解答は、１９９２年８月６日に出願された米国特許出願第０７／９２６７６５号において与えられた。この出願には、固定子に静止永久磁石を有する二重突極型構造を組み入れた新たなタイプの永久磁石モータが開示されている。図１には、１９９２年８月６日に出願された米国特許出願第０７／９２６７６５号で与えられている二重突極型静止永久磁石モータ（ＤＳ² ＰＭ）の断面図が示されている。固定子１０は、複数の離散的なラミネート層から構成され、各層は、π／３ラジアンの角度間隔θ_sで配置された６つの突極型（又は、投影型）磁極１２を形成するようにパンチされている。各磁極１２は、π／６ラジアンの磁極円弧θ_ps を有する。回転子１６もまた、複数の離散的なラミネート層から成り、各層は、π／２ラジアンの角度間隔θ_rで配置された４つの突極型磁極１８を形成するようにパンチされている。各磁極１８もまた、π／６ラジアンと等しい又はπ／６ラジアンよりも若干大きい磁極円弧θ_prを有する。図１のＤＳ² ＰＭの実施例においては、固定子１０は、３つの位相Ａ−Ｃに対応する３つの短いピッチの巻線を用いて巻かれている。それぞれの短いピッチの巻線（たとえば、位相Ａの巻線）は、更に、直列に接続された２つの短いピッチのコイルＡ_1-2を有し、各巻線のコイルＡ₁及びＡ₂は、固定子磁極１２の直径方向に対向する対の周囲に巻かれている。更に、２つの永久磁石２２、２４が、固定子１０の内部に埋め込まれている。回転子１６ではなく固定子１０の内部に永久磁石２２、２４が含まれていることは、モータがより高速で動作でき、モータがより低いコストで製造可能であり、モータがそれ自体でよりよい界磁弱め動作性能を示す、という各点において、著しい効果を有する。永久磁石２２、２４は、それ自体で一次磁束を発生し、二次（電機子反作用）磁束が固定子磁極の巻線Ａ−Ｃによって誘導される。その空気と同等の透磁率によって、永久磁石２２、２４は、固定子１０を通過する二次磁束の通常の経路をブロックする非常に高いバイプレーナ（ｂｉ−ｐｌａｎａｒ）リラクタンスを与える。本発明による固定子磁極１２と回転子磁極１８との特定の構成によって、回転子１６のすべての位置に対して全体のオーバーラップする磁極エリアが一定に維持されることが保証される。このように、全体のエアギャップ・リラクタンス（これは、永久磁石の励磁に対する一次リラクタンスであるが）は、回転子１６の変位θ_dに対して不変であり、回転子１６の回転の間は、隣接する固定子磁極１２の間には永久磁石の磁束の実質的に線形の移動（ｔｒａｎｓｆｅｒ）が存在する。結果的に、永久磁石２２、２４は、負荷がなければ、コギング（ｃｏｇｇｉｎｇ）トルクを生じない。トルクはアクティブな固定子巻線Ａ−Ｃにおける鎖交磁束（ｆｌｕｘｌｉｎｋａｇｅ）の変化の結果として生じるので、固定子の巻線電流と永久磁石の磁束との間の相互作用に起因する反動（ｒｅａｃｔｉｏｎ）トルク成分が存在し、この反動トルクは、モータの主な駆動トルクである。また、巻線Ａ−Ｃの磁気経路のリラクタンスの変動に起因するリラクタンス・トルク成分も存在する。よって、ＤＰ² ＶＲＭは、永久磁石ブラシレス直流モータの原理だけでなく可変リラクタンスの原理にも基づいて動作する。反動トルク成分に関しては、図２が、永久磁石２２、２４から生じる、各位相における電流ｉと対応する鎖交磁束λとの変動を示している。正の電流は、その位相にリンクする磁束が増加する場合に与えられた位相の中に注入され、負の電流は、磁束が減少する場合に注入される。結果として、正の反動トルク成分が、アクティブな固定子磁極１２と回転子磁極１８との対の重なるすべてのエリアの上で生じ得る。リラクタンス・トルク成分に関しては、それぞれの位相におけるリラクタンス・トルクτ_erは、関連するパワー・コンバータのパルス幅変調によって対応する位相電流の正及び負のパルスの振幅が一定に保たれ相互に等しい場合には、平均でゼロである。更に、固定子巻線に加えられる電流ｉ_a、ｉ_b、ｉ_cの反転の瞬間は、図２に示された三角形の鎖交磁束の変動λ_a、λ_b、λ_cのピークの周囲に中心を有するように保たれなければならない。高速の動作においては、関連するパワー・コンバータは、もはや、パルス幅変調によって正及び負のパルスの電流振幅を一定に保つことはできない。この場合には、図１のモータに印加された電圧は、所望の電流が正及び負でなければならない期間では、単純な正であり次に負になる方形パルスとなる。これは、単一パルスの動作である。ＤＳ² ＶＲＭが高速における従来型の単一パルス動作によってパワーを与えられるとすると、位相電流は、高速では、もはや、一定振幅のパルスにはならない。結果的に、電流は、インダクタンスが増加する前半のストロークでピークになり、インダクタンスが減少する後半のストロークで急激に低下する。位相電流の不均衡な分布によって、一定馬力の速度範囲を拡大させるのに用いられ得るネットのリラクタンス・トルクが上昇する。反動トルクに加えてリラクタンス・トルクが存在することによって、この動作モードの間のトルク発生は著しく強化される。その結果として、一定のパワー・レンジは、より従来型の永久磁石型機械と比較して拡大され得る。この出願では、モータのすべての速度において上述の界磁弱めを達成するのに有効な方法及び装置を提案する。発明の概要本発明の目的は、同時出願中の米国特許出願第０７／９２６７６５号に記載されている静止永久磁石ＶＲＭの一定のパワー・レンジを、界磁弱めによって、増加させることである。本発明の別の目的は、固定子に静止永久磁石を有する二重突極型ＶＲＭ構造において、永久磁石又はスチール・インセットを制御して半径方向、軸方向、又は円周方向に運動させて、それぞれの永久磁石の周囲にバイパス磁束経路を与えることによる界磁弱めの方法及び装置を提供することである。本発明によれば、上で述べた及びそれ以外の問題は、静止永久磁石を有する二重突極型永久磁石モータ（すなわち、”ＤＳ² ＰＭ”モータ）と界磁弱めの特徴とを提供することによって達成される。ＤＳ² ＰＭは、中心軸の周囲に等しい角度間隔で離間した４の整数倍の個数の突極型磁極を有する回転子をもつ。このモータは、また、等しい角度間隔で離間した６の整数倍の個数の突極型磁極を有する固定子と、３つの位相Ａ−Ｃに対応する３つの固定子巻線と、を含む。それぞれの固定子巻線は、直径方向に対向する固定子磁極の対の周囲に巻かれている。たとえば、固定子／回転子の磁極の個数が６／４である実施例では、それぞれの固定子巻線は、直径方向に対向する固定子磁極の１つの対の周囲に巻かれ、固定子／回転子の磁極の個数が１２／８である実施例では、それぞれの固定子巻線は、直径方向に対向する固定子磁極の２つの対の周囲に巻かれる、等である。固定子は、更に、その固定子の対向する側面上に置かれ、磁束を生じる手段として機能する、複数の平坦な永久磁石を有する。これらの永久磁石は、好ましくは、平行六面体の形状を有し、固定子の直径方向に対向する側面上に配置され、リラクタンス・モータを磁気化する磁束源として機能する。界磁弱めの特徴は、各永久磁石の周囲に可変リラクタンスの磁束経路を与えるアセンブリによって達成される。この界磁弱めアセンブリは、更に、制御された軸方向又は半径方向の運動を与えるアクチュエータと、固定子の１つの側面に適合しアクチュエータに結合されたスチール・インセットと、を含む。このインセットは、固定子の方向又は固定子から遠ざかる方向にアクチュエータによって選択的に駆動され、永久磁石の中の１つの周囲に制御されたバイパス磁束経路を提供する。界磁弱めアセンブリは、固定子の方向にスチール・インセットを駆動することによって、永久磁石の周囲の磁束の流れを促進し、固定子巻線の永久磁石の鎖交磁束を減少させるトルクの要求に従って制御され得る。逆に、界磁弱めアセンブリは、スチール・インセットを固定子から引き寄せることによって、永久磁石の周囲の磁束の流れを妨げ、永久磁石の界磁を強化するようにも制御され得る。界磁弱めの別の特徴は、各永久磁石の周囲に同様に可変リラクタンスの磁束経路を与えるアセンブリによって達成される。この界磁弱めアセンブリは、更に、固定子を包囲する回転するバイパス・カラー（ｃｏｌｌａｒ）を含む。このバイパス・カラーは、離散的なアーチ状の交替する磁気／非磁気部分から構成される。アクチュエータ（ステッピング・モータなど）が、このバイパス・カラーを、固定子の周囲を増分的に回転させ、離散的なアーチ状部分と固定子における永久磁石との整列を制御する。カラーは、離散的な磁気部分が永久磁石をブリッジし永久磁石の周囲に制御されたバイパス磁束経路が提供されるまで回転され得る。逆に、カラーは、離散的な非磁気部分が永久磁石をブリッジし永久磁石の周囲のすべての磁束経路がブロックされるまで回転され得る。カラーの離散的な磁気／非磁気部分は、螺旋状の傾斜をもって形成され、固定子の周囲のカラーの回転がバイパス磁束経路の漸次の交替を生じさせ、固定子巻線のあり得る永久磁石の鎖交磁束の全体の範囲にわたる完全な制御が可能になる。界磁弱めの別の第３の特徴は、永久磁石自体を固定子の中から移動させリラクタンス・トルク成分を減少させるアセンブリによって達成される。この界磁弱めアセンブリは、更に、永久磁石を、制御しながら軸方向に固定子に挿入したり固定子から取り出したりするためのアクチュエータを含む。永久磁石は、この永久磁石が発生するリラクタンス・トルク成分の大きさを制御するトルクの要求に従って、アクチュエータによって選択的に駆動され得る。図面の簡単な説明本発明のこれ以外の目的、特徴及び効果は、次の添付された図面を参照することによって、以下で述べる好適実施例の詳細な説明とその修正とから更に明らかになろう。すなわち、図１は、１９９２年８月６日に出願された米国特許出願第０７／９２６７６５号で与えられている二重突極型静止永久磁石モータの断面図を示す。図２は、図１のモータの中の永久磁石２２、２４から生じるそれぞれの位相Ａ −Ｃにおける電流ｉ_a-cと対応する鎖交磁束λ_a-cのグラフである。図３は、実質的に図１で示した二重突極型静止永久磁石モータの断面図に、本発明による界磁弱めのための装置を付加したものである。図４は、図１に示した二重突極型永久磁石モータに同様に組み入れられた、本発明による界磁弱めのための別の装置の全体図である。図５は、図１に示した二重突極型永久磁石モータに同様に組み入れられた、本発明による界磁弱めのための第３の別の装置の断面図である。好適実施例の詳細な説明図１のＤＳ² ＰＭは、永久磁石ブラシレス直流モータの原理に加え可変リラクタンスの原理に基づいて動作する。特に、永久磁石２２、２４は、それ自体が、第１（エアギャップ）の磁束成分を発生し、他方で、第２（電機子反作用）の磁束成分が、固定子磁極の巻線Ａ−Ｃによって生じる。それぞれの位相におけるリラクタンス・トルクτ_erは、対応する位相電流が図２に示されている準方形波の波形上でとられる場合には、平均でゼロになる。これは、磁石２２、２４から出る磁束に起因し３つの固定子巻線Ａ−Ｃに結合された三角形の形状の鎖交磁束の変動λ_a、λ_b、λ_cが巻線において準方形のＥＭＦ（ＥＭＦは、鎖交磁束の時間に関する導関数である）を生じるという事実による。ＥＭＦと各位相における対応する電流との積を加えた結果がパワー出力となることは周知である。固定子電流それ自体が準方形波（ＥＭＦと同じ波形）である場合には、ＥＭＦと各位相における対応する電流との積を加えると一定のトルクになる。よって、固定子電流と永久磁石からの各位相における鎖交磁束との相互作用によって発生する反動トルク成分が、トルクを生じさせる主要な成分である。しかし、その空気と同様の透磁率によって、永久磁石２２、２４は、磁極整列で固定子１０を通過する電機子反作用磁束の通常の経路をブロックする非常に高いバイプレーナ・リラクタンスを与える。したがって、固定子の巻線は、整列した及び整列していない両方の位置において非常に小さい透磁度（ｐｅｒｍｅａｎｃｅ）、すなわち高いリラクタンス、に遭遇する。ゆえに、インダクタンスがこれらの位置では対応して小さくなることにより、それぞれの出て行く位相のターンオフと入ってくる位相のターンオンには、ほんの短い転換周期が必要となる。上述のように、ＤＳ² ＰＭは、一般に、高速では従来型の単一パルス動作により、低速ではパルス幅変調（ＰＷＭ）により、パワーを与えられる。高速では、位相電流は、一定には維持されない。結果的に、モータは、ネットのリラクタンス・トルクをピックアップする。反動トルクに加えてリラクタンス・トルクが存在することによって、高速動作の間の全体のトルク生成が強化される。永久磁石モータには多くの既知の応用例があるが、トルクは一定に保たれなければならないので、ＤＳ² ＰＭにおけるトルク特性の変動は、問題を生じる。界磁弱め（ｆｉｅｌｄｗｅａｋｅｎｉｎｇ）は、電源（この場合には、ソリッドステート・パワー・コンバータ）がその最大電圧に達し図１の準方形の電流波形を制御することになる地点を超える速度での、モータの一定のパワー・レンジを拡大するための有効な技術である。図３は、同時出願中の米国出願第０７／９２６７６５号に実質的に記載された突極型永久磁石モータの断面図である。更に、図３のモータは、本発明による界磁弱め装置を組み入れている。界磁弱めは、それぞれの永久磁石２２、２４の両端において働きその周囲にバイパス磁束経路を提供する１対の磁束発散（ｆｌｕｘｄｉｖｅｒｓｉｏｎ）アセンブリ１０、３０によって達成される。第１の磁束発散アセンブリ１０は、更に、電気・機械的ソレノイド式のアクチュエータ、液圧式、又は、線形、漸次、又は段階的ないずれかの態様で軸方向の運動を与える任意の他の従来型のデバイスであり得るアクチュエータ１２を含む。アクチュエータ１２は、付勢アーム１４を介してスチール・インセット１６に動作的に接続されている。同様に、第２の磁束発散アセンブリ３０は、更に、電気・機械式のソレノイド型アクチュエータ、又は、軸方向の運動を与える任意の他の従来型のデバイスであり得るアクチュエータ３２を含む。アクチュエータ３２は、付勢アーム３４を介してスチール・インセット３６に動作的に接続されている。スチール・インセット１６、３６は、好ましくは、モータのコーナーに密接に適合し、永久磁石２２、２４は、スチール・インセット１６、３６がその最小のリラクタンス（最大の界磁弱め）位置にある場合にこれらの磁石２２、２４と電機子反作用ＭＭＦとから見たリラクタンスを最小化するように、通常は設置されている。アクチュエータ１２、３２は、アーム１４、３４を介して動作し、各スチール・インセット１６、３６の、対応する永久磁石２２、２４に向かう方向及びそこから離れる方向への制御された軸方向の運動を可能にする。よって、磁束発散アセンブリ１０、３０は、インセット１６が永久磁石２２の両方の側面に接触し、同様に、インセット３６が永久磁石２４の両方の側面に接触する第１の位置に、スチール・インセット１６、３６を移動させるように動作され得る。この第１の位置では、インセット１６、３６は、それぞれが、対応する永久磁石２２、２４の周囲にバイパス磁束経路を与える。永久磁石２２、２４の空気と同様の透磁率が磁極整列において固定子１０を通過する電機子反作用磁束の通常の経路をブロックし、バイパス経路が、インセット１６、３６を通過して提供される。その結果として、電機子反作用磁束は、自由に永久磁石２２、２４の周囲を流れ、その磁気効果はゼロになる。同様にして、永久磁石磁束の一部が近道のバイパスを通過して発散することにより、エアギャップに入り固定子巻線Ａ−Ｃをリンクする磁束は、対応して減少する。この第１の位置では、永久磁石と電機子反作用との磁束の本質的に全部がバイパスを通過して発散される場合には、モータは、従来の切り替え式リラクタンス・モータとして動作する。逆に、磁束発散アセンブリ１０、３０は、対応する永久磁石２２、２４から離れた第２の位置にスチール・インセット１６、３６を引き戻すようにも動作させ得る。この第２の位置では、モータは、主に、永久磁石ブラシレス直流モータの原理に基づいて動作する。もちろん、それぞれの永久磁石２２、２４の周囲の種々の程度の磁束発散が、磁束発散アセンブリ１０、３０のスチール・インセット１６、３６を第１の位置と第２の位置との間の地点に位置させる動作によって、達成される。本発明による方法に従い、磁束発散アセンブリ１０、３０は、モータが高速で動作している場合には、インセット１６は永久磁石２２の両方の側面に接触し、同様に、インセット３６が永久磁石２４の両方の側面に接触する第１の位置にスチール・インセット１６、３６を移動させるように用いられる。こうして、永久磁石２２、２４に起因する磁束のリラクタンス成分は、スチール・インセット１６、３６を通過するバイパス磁束経路を通って循環する。永久磁石の界磁は弱められ、モータは、従来型の切り替え式リラクタンス・モータとして動作する。逆に、磁束発散アセンブリ１０、３０は、モータが低速で動作している場合には、エアギャップがインセット１６、３６を永久磁石２２、２４から分離する第２の位置にスチール・インセット１６、３６を引き寄せるように、用いられる。こうして、磁束の電機子反作用成分は永久磁石２２、２４によって禁止されるが、これは、その成分が、スチール・インセット１６、３６を通過するバイパス磁束経路を通って流れることができないからである。永久磁石の界磁は強化され、モータは、同時出願中の米国出願第０７／９２６７６５号に記載された静止永久磁石ＶＲＭとして動作する。磁束発散アセンブリ１０、３０は、モータの速度に従って動作させて、第１及び第２の位置の間の種々の地点にスチール・インセット１６、３６を連続的に配置し、それによって、一定のパワーを維持するために種々の程度の界磁弱めを行うことができる。よって、上述した界磁弱めの方式を用いることによって、同時出願中の米国出願第０７／９２６７６５号に記載された静止永久磁石ＶＲＭを、出力パワーを一定に保ちながら、低速における純粋な永久磁石動作から高速における切り替えられたリラクタンス・モータ動作に徐々に移行させることができる。本発明による界磁弱めを用いることによって、５対１又はより大きな一定パワー・レンジが可能になるが、このような仕様はある牽引（ｔｒａｃｔｉｏｎ）の応用例では特に望まれるものである。更に、本発明による界磁弱めのためのデバイスは、固定子に永久磁石を有する任意の永久磁石ＶＲＭの実施例に、容易かつ経済的に組み込むことができる。図４は、同時出願中の米国出願第０７／９２６７６５号に実質的に記載された突極型永久磁石モータに同様に組み入れられた本発明による界磁弱めのための別の装置の全体図である。図４の実施例では、界磁弱めは、固定子１０を包囲し回転可能にその上に設置されている磁束発散カラー４０によって達成される。磁束発散カラー４０は、複数の交替する磁気／非磁気の離散的部分から形成されている。磁束発散カラー４０は、カラー４０の角度位置の増分的な制御ができるように回転可能に駆動される。カラー４０の離散的な磁気部分は、永久磁石２２、２４をブリッジし、それによって、周囲にバイパス磁束経路を確立するように選択的に配置される。逆に、離散的な非磁気部分は、永久磁石２２、２４をブリッジし、それによって、すべてのバイパス磁束を妨げるように、選択的に配置される。好ましくは、カラー４０の磁気／非磁気の離散的部分は、螺旋状の傾斜を有するように形成されている。これによって、バイパス磁束経路の軸方向の延長が変化し、カラー４０の離散的な磁気部分は、任意のサイズのバイパス経路を確立するように配置される。磁束発散カラー４０は、電気・機械式のソレノイド型アクチュエータ、液圧式、又は、角度位置を制御する任意の他の従来型のデバイスであり得るアクチュエータ（図示せず）を含む。ステッピング・モータは、この目的に合致する。カラー４０は、好ましくは、固定子１０の円周に密接に適合しており、それによって、離散的な非磁気部分が永久磁石２２、２４を結ぶその最小のリラクタンス（最大の界磁弱め）位置にある場合に、永久磁石２２、２４と電機子反作用ＭＭＦから見たリラクタンスを最小化する。本発明による既に述べた方法に従って、カラー４０は、モータが高速で動作している場合には、カラーの離散的な磁気部分を永久磁石２２、２４の上に位置させバイパス磁束経路を確立するように配置される。このようにして、永久磁石２２、２４に起因する磁束の成分は、カラー４０を通過するバイパス磁束経路を通って循環する。エアギャップにおける永久磁石の界磁は弱められ、モータは、従来の切り替え式リラクタンス・モータとして動作する。逆に、カラー４０は、モータが低速で動作している場合には、非磁気部分を永久磁石２２、２４の上に位置させてバイパス磁束経路を除去するように配置される。このようにして、磁束の電機子反作用成分は、永久磁石２２、２４によって禁止されるが、これは、その成分がバイパス磁束経路を通って流れることができないからである。エアギャップにおける永久磁石の界磁は強化され、モータは、同時出願中の米国出願第０７／９２６７６５号に記載された静止永久磁石ＶＲＭとして動作する。カラー４０の各部分が図のように螺旋状の傾斜を有するように形成されている場合には、カラー４０は、モータの速度に従って回転し、一定のパワーを維持するために種々の程度の界磁弱めを実現する。界磁弱めを行うためには、カラー４０を連続的に回転させる必要はないことに注意すべきである。図４に示されている螺旋状の傾斜によって、界磁弱めの全体のレンジは、３０°の角度調整によって達成されると考えられる。図５は、本発明による界磁弱めのための更に別の装置の断面図である。図５の実施例は、同時出願中の米国出願第０７／９２６７６５号に実質的に記載された突極型永久磁石モータに同様に組み入れられる。図５の実施例では、界磁弱めは、永久磁石２２、２４それ自体を移動させることによって達成される。好ましくは、それぞれの永久磁石は、更に、２つの分離可能な部分を有する。たとえば、永久磁石２２は、図示したように、部分２２Ａ、２２Ｂから成る。固定子１０の軸方向に積み重ねられたラミネートは、永久磁石２２、２４の各部分が、図５に示されている軸方向にスライドして分離し固定子を出て行くことを可能にするように形成されている。アクチュエータ１３２は、永久磁石２２の一方の部分２２Ａを挿入及び引き寄せるように提供され、アクチュエータ１３６は、永久磁石２２の他方の部分２２Ｂを挿入及び引き寄せるように提供される。両方のアクチュエータ１３２、１３６は、電気・機械式のソレノイド型アクチュエータ、又は、軸方向の運動を与える任意の他の従来型のデバイスであり得る。アクチュエータ１３２は、付勢アーム１３４を介して永久磁石の部分２２Ａに動作的に接続され、アクチュエータ１３６は、付勢アーム１３８を介して永久磁石の部分２２Ｂに動作的に接続されている。アクチュエータ１３２、１３６は、アーム１３４、１３８を介して、固定子１０の積層されたラミネートの中への及びそこから外への、それぞれの永久磁石の部分２２Ａ、２２Ｂの制御された軸方向の運動を許容するように動作する。同一の配置が、永久磁石の部分２４Ａ、２４Ｂ（図示せず）を動作させるように提供される。このように、アクチュエータ１３２、１３６は、モータが低速で動作している場合には、永久磁石の部分２２Ａ、２２Ｂを第１の完全に挿入された位置に移動させ、永久磁石の部分２４Ａ、２４Ｂ（図示せず）に関しても同じように移動させ、よって永久磁石２２、２４のリラクタンス・トルク成分を増加させるように動作させ得る。エアギャップにおける永久磁石の界磁は強化され、モータは、同時出願中の米国出願第０７／９２６７６５号に記載された静止永久磁石ＶＲＭとして動作する。逆に、アクチュエータ１３２、１３６は、モータが高速で動作している場合には、永久磁石の部分２２Ａ、２２Ｂを引き抜いて第２の位置に移動させ、永久磁石の部分２４Ａ、２４Ｂ（図示せず）に関しても同じように移動させ、よって永久磁石２２、２４の反動トルク成分を減少させるように動作させ得る。アクチュエータ１３２、１３６は、モータの速度に従って動作され、一定のパワーを維持するために、種々の程度のリラクタンス・トルクを生じさせる。以上で、本発明の基本概念の好適実施例といくらかの修正について完全に説明したが、ここに示し説明した実施例のいくらかの変更と修正だけでなく種々のこれ以外の実施例も、上記の基本概念に親しむことにより、当業者にとっては自明になるだろう。したがって、以下に掲げる請求の範囲の範囲内で、本発明は、本明細書で特に示した以外にも実現し得ることを理解されたい。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者リアオ，ユーフェンアメリカ合衆国ウィスコンシン州53705, マディソン，イーグル・ハイツ 909―ビー (72)発明者リアン，フェンアメリカ合衆国ミシガン州48185，ウエストランド，ウエストウッド・サークル 37910

Claims

【特許請求の範囲】１．永久磁石モータであって、中心軸の周囲に等しい角度間隔で離間した複数の突極型磁極を有する回転子と、前記回転子を励磁して移動させる固定子であって、中心軸の周囲に等しい角度間隔で離間しており、前記回転子の磁極に対して、前記固定子の内部での前記回転子の回転の間に一定のエアギャップ・リラクタンスを提供するように、配列されている複数の突極型磁極と、平行六面体の形状を有し、前記固定子の直径方向に対向する側面の上に前記モータを磁気化する磁束源として機能するように配列された複数の永久磁石と、を備えている固定子と、前記永久磁石の周囲に可変リラクタンス磁束経路を提供する界磁弱めアセンブリであって、制御された軸方向の運動を与えるアクチュエータと、前記固定子の側面に適合するスチール・インセットであって、前記アクチュエータに結合されており、前記固定子の側面に向かう方向及びそこから離れる方向に前記アクチュエータによって選択的に駆動され、前記永久磁石の中の１つの周囲に制御されたバイパス磁束経路を提供する、スチール・インセットと、を備えている界磁弱めアセンブリと、を備えており、よって、前記界磁弱めアセンブリは、前記スチール・インセットを前記固定子の前記側面に向かう方向に駆動するトルク要求に従って制御され、それにより前記永久磁石の周囲の磁束の流れを促進し、また、前記界磁弱めアセンブリは、前記スチール・インセットを前記固定子の前記側面から離れる方向に引き寄せるように制御され、それにより前記永久磁石の周囲の磁束の流れを妨げ前記永久磁石の磁界を強化することを特徴とする永久磁石モータ。２．請求項１記載の永久磁石モータにおいて、前記複数の永久磁石は、延長した平行六面体の形状を有し前記回転子の軸の対向する側面上に平行に離間した第１及び第２の永久磁石を更に含み、前記界磁弱めアセンブリは、第１のスチール・インセットに結合され該第１のスチール・インセットに前記第１の永久磁石に向かう方向及びそれから離れる方向の制御された半径方向の運動を与える第１のアクチュエータと、第２のスチール・インセットに結合され該第２のスチール・インセットに前記第２の永久磁石に向かう方向及びそれから離れる方向の制御された半径方向の運動を与える第２のアクチュエータと、を更に含むことを特徴とする永久磁石モータ。３．請求項２記載の永久磁石モータにおいて、前記複数の固定子磁極は、π／３ラジアンの整数倍に等しい角度間隔で均等に離間した６の整数倍の個数の固定子磁極を更に備えていることを特徴とする永久磁石モータ。４．請求項３記載の永久磁石モータにおいて、前記固定子磁極は、π／６ラジアンの整数倍に等しい磁極円弧を有することを特徴とする永久磁石モータ。５．請求項２記載の永久磁石モータにおいて、前記複数の回転子磁極は、π／２ラジアンの整数倍に等しい角度間隔で均等に離間した４の整数倍の個数の回転子磁極を更に備えていることを特徴とする永久磁石モータ。６．請求項５記載の永久磁石モータにおいて、前記回転子磁極は、π／６ラジアンの整数倍に等しい磁極円弧を有することを特徴とする永久磁石モータ。７．請求項５記載の永久磁石モータにおいて、前記永久磁石は、それぞれが、前記固定子磁極の中の１つからπ／６ラジアンの整数倍だけ角度が変位している平坦な面を有することを特徴とする永久磁石モータ。８．請求項５記載の永久磁石モータにおいて、前記固定子は、等しい数の位相に対応する複数の固定子巻線を更に備えており、各固定子巻線は、直径方向に対向する２つの固定子磁極の周囲に巻かれていることを特徴とする永久磁石モータ。９．請求項３記載の永久磁石モータにおいて、前記複数の固定子磁極は、π／３ラジアンの角度間隔で均等に離間した６つの固定子磁極を更に備えていることを特徴とする永久磁石モータ。１０．請求項９記載の永久磁石モータにおいて、前記固定子磁極は、π／６ラジアンに等しい磁極円弧を有することを特徴とする永久磁石モータ。１１．請求項９記載の永久磁石モータにおいて、前記複数の回転子磁極は、π／２ラジアンの角度間隔で均等に離間した４つの回転子磁極を更に備えていることを特徴とする永久磁石モータ。１２．請求項１１記載の永久磁石モータにおいて、前記回転子磁極は、少なくともπ／６ラジアンの磁極円弧を有することを特徴とする永久磁石モータ。１３．請求項１１記載の永久磁石モータにおいて、前記永久磁石は、それぞれが、前記固定子磁極の中の１つからπ／６ラジアンの整数倍だけ角度が変位している平坦な面を有することを特徴とする永久磁石モータ。１４．請求項１１記載の永久磁石モータにおいて、前記固定子は、３つの位相に対応する３つの固定子巻線を更に備えており、各固定子巻線は、直径方向に対向する２つの固定子磁極の周囲に巻かれていることを特徴とする永久磁石モータ。１５．永久磁石モータであって、中心軸の周囲に等しい角度間隔で離間した４つの突極型磁極を有する回転子と、中心軸の周囲に等しい角度間隔で離間した６つの突極型磁極と３つの位相に対応する３つの固定子巻線とを有する固定子であって、各固定子巻線は２つの直径方向に対向する固定子磁極の周囲に巻かれており、更に、平行六面体の形状を有し前記固定子の直径方向に対向する側面の上に前記リラクタンス・モータを磁気化する磁束源として機能するように配列された複数の永久磁石を備えている固定子と、前記永久磁石の周囲に可変リラクタンス磁束経路を提供する界磁弱めアセンブリであって、前記永久磁石の中の１つに近接する前記固定子の１つの側面に適合する第１のスチール・インセットと、直径方向に対向する別の永久磁石に近接する前記固定子の別の側面に適合する第２のスチール・インセットと、前記第１のスチール・インセットに結合され、前記第１の永久磁石に向かう方向及びそれから離れる方向への制御された軸方向の運動を与え、その周囲に制御されたバイパス磁束経路を提供する第１のアクチュエータと、前記第２のスチール・インセットに結合され、前記第２の永久磁石に向かう方向及びそれから離れる方向への制御された軸方向の運動を与え、その周囲に制御されたバイパス磁束経路を提供する第２のアクチュエータと、を備えた界磁弱めアセンブリと、を備えており、よって、前記界磁弱めアセンブリを前記第１及び第２のスチール・インセットを前記固定子の対応する側面に向かう方向に移動させるように制御することにより、前記永久磁石の周囲の磁束の流れが促進され、前記界磁弱めアセンブリを前記第１及び第２のスチール・インセットを前記固定子の対応する側面から離れる方向に引き寄せるように制御することにより、前記永久磁石の周囲の磁束の流れが妨げられ、前記永久磁石によって生じるエアギャップ磁界が強化されることを特徴とする永久磁石モータ。１６．請求項１５記載の永久磁石モータにおいて、前記回転子磁極は、前記固定子の内部の前記回転子の回転の間に一定のエアギャップ・リラクタンスを提供するように前記固定子磁極に対して配置されていることを特徴とする永久磁石モータ。１７．請求項１６記載の永久磁石モータにおいて、前記固定子磁極は、π／３ラジアンの角度間隔で均等に離間していることを特徴とする永久磁石モータ。１８．請求項１７記載の永久磁石モータにおいて、前記固定子磁極は、π／６ラジアンの磁極円弧を有することを特徴とする永久磁石モータ。１９．請求項１８記載の永久磁石モータにおいて、前記回転子磁極は、π／２ラジアンの角度間隔で均等に離間していることを特徴とする永久磁石モータ。２０．請求項１９記載の永久磁石モータにおいて、前記回転子磁極は、π／６ラジアンに等しい又はπ／６ラジアンよりも若干大きな磁極円弧を有することを特徴とする永久磁石モータ。２１．中心軸の周囲に等しい角度間隔で離間した複数の突極型磁極を有する回転子と、中心軸の周囲に等しい角度間隔で離間し前記回転子の磁極に対して前記固定子の内部での前記回転子の回転の間に一定のエアギャップ・リラクタンスを提供するように配列されている複数の突極型磁極と前記固定子の直径方向に対向する側面の上に前記モータを磁気化する磁束源として機能するように配列された複数の永久磁石とを有する固定子と、を有する永久磁石モータにおいて永久磁石からの界磁を制御する方法であって、それぞれが前記永久磁石の中の１つの周囲に制御されたバイパス磁束経路を提供する複数のスチール・インセットを前記固定子に向かう方向に移動させることによって、前記永久磁石のエアギャップ界磁を減少させるステップと、前記複数のスチール・インセットを前記固定子から離れる方向に引き寄せることによって前記永久磁石のエアギャップ界磁を増加させ、よって、前記永久磁石の周囲のバイパス磁束経路を妨げるステップと、を含むことを特徴とする方法。２２．永久磁石モータであって、中心軸の周囲に等しい角度間隔で離間した複数の突極型磁極を有する回転子と、前記回転子を励磁して移動させる固定子であって、中心軸の周囲に等しい角度間隔で離間しており、前記回転子の磁極に対して、前記固定子の内部での前記回転子の回転の間に一定のエアギャップ・リラクタンスを提供するように、配列されている複数の突極型磁極と、平行六面体の形状を有し、前記固定子の直径方向に対向する側面に前記モータを磁気化する磁束源として機能するように置かれ、それぞれが更に前記固定子の中にスライド可能に置かれた協動する磁石部分を有する、複数の永久磁石と、を備えている固定子と、前記永久磁石部分のそれぞれに結合され、それに制御された軸方向の運動を与える複数のアクテュエータであって、前記永久磁石部分は前記アクテュエータによって前記固定子の中へ及びそこから外へ選択的に移動される、複数のアクテュエータと、を備えており、よって、前記永久磁石に起因する前記反動トルクは、前記アクテュエータを前記永久磁石部分を前記固定子の中に軸方向に移動させるように動作することによって前記トルク要求に従って増加され、前記永久磁石に起因する反動トルクは、前記アクテュエータを前記永久磁石部分を前記固定子から軸方向に引き寄せるように動作することによって前記トルク要求に従って減少させることを特徴とする永久磁石モータ。２３．請求項２２記載の永久磁石モータにおいて、前記複数の永久磁石は、前記回転子の軸の対向する側面の上に平行に離間し、延長した平行六面体において結合した１対の磁石部分を共に有する第１及び第２の永久磁石を更に含み、前記複数のアクテュエータは、それぞれが対応する永久磁石部分に結合されそれに制御された軸方向の運動を与える４つのアクテュエータを更に含むことを特徴とする永久磁石モータ。２４．請求項２３記載の永久磁石モータにおいて、前記複数の固定子磁極は、π／３ラジアンの整数倍に等しい角度間隔で均等に離間した６の整数倍の個数の固定子磁極を更に備えていることを特徴とする永久磁石モータ。２５．請求項２４記載の永久磁石モータにおいて、前記固定子磁極は、π／６ラジアンの整数倍に等しい磁極円弧を有することを特徴とする永久磁石モータ。２６．請求項２５記載の永久磁石モータにおいて、前記複数の回転子磁極は、π／２ラジアンの整数倍に等しい角度間隔で均等に離間した４の整数倍の個数の回転子磁極を更に備えていることを特徴とする永久磁石モータ。２７．請求項２６記載の永久磁石モータにおいて、前記回転子磁極は、π／６ラジアンの整数倍に等しい磁極円弧を有することを特徴とする永久磁石モータ。２８．請求項２２記載の永久磁石モータにおいて、前記複数の固定子磁極は、π／３ラジアンの角度間隔で均等に離間した６つの固定子磁極を更に備えていることを特徴とする永久磁石モータ。２９．請求項２８記載の永久磁石モータにおいて、前記固定子磁極は、π／６ラジアンに等しい磁極円弧を有することを特徴とする永久磁石モータ。３０．請求項２９記載の永久磁石モータにおいて、前記複数の回転子磁極は、π／２ラジアンの角度間隔で均等に離間した４つの回転子磁極を更に備えていることを特徴とする永久磁石モータ。３１．請求項３０記載の永久磁石モータにおいて、前記回転子磁極は、少なくともπ／６ラジアンの磁極円弧を有することを特徴とする永久磁石モータ。３２．中心軸の周囲に等しい角度間隔で離間した複数の突極型磁極を有する回転子と、中心軸の周囲に等しい角度間隔で離間し前記回転子の磁極に対して前記固定子の内部での前記回転子の回転の間に一定のエアギャップ・リラクタンスを提供するように配列されている複数の突極型磁極と前記固定子の直径方向に対向する側面の中に軸方向に挿入可能であり前記固定子の中に挿入された場合には前記モータを磁気化する磁束源として機能する複数の永久磁石とを有する固定子と、を有する永久磁石モータにおいて永久磁石からの界磁を制御する方法であって、前記モータの速度に従い前記永久磁石を前記固定子の中に軸方向にスライドさせることによって前記永久磁石の界磁を増加させるステップと、前記モータの速度に従い前記永久磁石を前記固定子の外へ軸方向にスライドさせることによって前記永久磁石の界磁を減少させるステップと、を含むことを特徴とする方法。３３．永久磁石モータであって、中心軸の周囲に等しい角度間隔で離間した複数の突極型磁極を有する回転子と、前記回転子を励磁して移動させる固定子であって、中心軸の周囲に等しい角度間隔で離間しており、前記回転子の磁極に対して、前記固定子の内部での前記回転子の回転の間に一定のエアギャップ・リラクタンスを提供するように、配列されている複数の突極型磁極と、平行六面体の形状を有し、前記固定子の直径方向に対向する側面に前記モータを磁気化する磁束源として機能するように置かれた複数の永久磁石と、を備えている固定子と、前記固定子を包囲しその周囲で回転可能であり前記永久磁石の周囲に制御されたバイパス磁束経路を提供し、前記永久磁石の中の１つにそれぞれ角度が対応する複数の非磁気部分を更に含む磁束バイパス・カラーと、を備えており、よって、前記磁束バイパス・カラーはトルクの要求に従って回転し前記磁気部分のそれぞれを前記対応する永久磁石をブリッジさせることで前記永久磁石の周囲の磁束の流れを促進し前記永久磁石の前記エアギャップ界磁を減少させ、また、前記磁束バイパス・カラーはトルクの要求に従って回転し前記非磁気部分のそれぞれを前記対応する永久磁石から変位させるることで前記永久磁石の周囲の磁束の流れを除去し前記永久磁石の界磁を減少させることを特徴とする永久磁石モータ。３４．請求項３３記載の永久磁石モータにおいて、前記複数の永久磁石は、延長した平行六面体の形状を有し前記回転子の軸の対向する側面の上に平行に離間した第１及び第２の永久磁石を更に含み、前記磁束バイパス・カラーは、前記第１の永久磁石に角度が対応した第１の非磁気部分と、前記第２の永久磁石に角度が対応した第２の非磁気部分と、前記非磁気部分と一体の１対の磁気部分と、を更に含むことを特徴とする永久磁石モータ。３５．請求項３３記載の永久磁石モータにおいて、前記磁束バイパス・カラーの前記非磁気部分は、螺旋状の傾斜を有して形成されていることを特徴とする永久磁石モータ。３６．請求項３４記載の永久磁石モータにおいて、前記複数の固定子磁極は、π／３ラジアンの整数倍に等しい角度間隔で均等に離間した６の整数倍の個数の固定子磁極を更に備えていることを特徴とする永久磁石モータ。３７．請求項３６記載の永久磁石モータにおいて、前記固定子磁極は、π／６ラジアンの整数倍に等しい磁極円弧を有することを特徴とする永久磁石モータ。３８．請求項３７記載の永久磁石モータにおいて、前記複数の回転子磁極は、π／２ラジアンの整数倍に等しい角度間隔で均等に離間した４の整数倍の個数の回転子磁極を更に備えていることを特徴とする永久磁石モータ。３９．請求項３８記載の永久磁石モータにおいて、前記回転子磁極は、π／６ラジアンの整数倍に等しい磁極円弧を有することを特徴とする永久磁石モータ。