JPH11514195A

JPH11514195A - 界磁弱化（又は増強）機能を備えた二重突極永久磁石機械

Info

Publication number: JPH11514195A
Application number: JP9505120A
Authority: JP
Inventors: リポ，トーマス・エイ; リー，ユー
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: 1995-07-05
Filing date: 1996-05-14
Publication date: 1999-11-30
Also published as: BR9610552A; EP0836761A1; MX9800177A; CA2226004A1; WO1997002645A1; AU5857996A; US5825113A

Abstract

(57)【要約】永久磁石機械（１０）は、可変リラクタンス機械及び永久磁石の双方の原理を組み合わせるものであり、ロータ突極（１２）を有するロータ（１１）と、ステータ突極（１６、１７）を有するステータ（１４）とを備えている。一対の弓形のフェライト系永久磁石（２１、２２）は、それぞれのステータ極（１６、１７）の下方にてステータヨーク（１５）内に埋め込まれており且つ機械（１０）の中心軸線（１３）の周りで対称に配置されている。永久磁石（２１）により発生された一次的磁束を増強し、又は弱化する界磁巻線が特殊な配置にて巻かれている。

Description

【発明の詳細な説明】界磁弱化（又は増強）機能を備えた二重突極永久磁石機械発明の背景１．発明の分野本発明は、可変リラクタンス機械、特に、界磁を弱化し、又は増強する機能を備え、モータ又は発電機として機能する、二重に突出した永久磁石を有するマシン（機械）に関する。２．背景技術の説明電気機械にて高性能を実現しようとして、永久磁石（ＰＭ）材料を選択することは、多くの用途において益々、一般的なものとなりつつある。従来の永久磁石機械に共通する１つの不利益な点は、界磁束を制御することが十分ではなく、そのため、こうした機械が広い速度範囲に亙って作動することが制限されることである。従来の永久磁石機械の性能を向上させようとする努力の１つの成果として、二重突極を有する永久磁石機械の着想から、電気機械を理解するための新たな視点が得られる。一般に、可変リラクタンス機械の原理と永久磁石を励起させることとを組み合わせる結果、上述した有利な点、即ち、構造が簡単で且つ出力密度が高いという有利な点を持つ機械が得られる。更に、この型式の機械は、固有のリラクタンストルクを利用することにより、より高速度にて良好に作動することができる。二重突極を有する永久磁石機械は、従来の機械よりも出力密度がより高く且つより高性能である。二重突極を有する永久磁石機械の構造において、ロータ（回転子）及びステータ（固定子）の各々は、等しい角度間隔にて離間した突極を備えており、二重突極を有する幾つかの構造体にてその角度間隔が異なるようにすることが可能である。ステータの突極は、それぞれの巻線を有する。磁束を発生させる永久磁石をロータ内に組み込むことができる。このことは、例えば、米国特許第5,304,882 号に記載されている。又は、例えば、1992年8月6日付けで出願された米国特許出願第07/926,765号に記載され且つ本出願の図１及び図２に図示するように、永久磁石をステータ内に組み込むようにすることもできる。二重突極を有する構造体は、永久磁石、又は補助的な界磁巻線と協働し、モータ（又は発電機）の磁気回路を変化させ、これにより、鎖交磁束を向上させる。しかしながら、上述した構造体は、永久磁石がステータ内に組み込まれた二重突極を有する機械の全ての有利な点を保つ一方、次のような性質上の問題点もある。１．永久磁石をステータ内に組み込むという特殊な配置の結果、現在、市販されている機械のハウジングに適さない方形、又は楕円形の形状をした機械となる。円形の機械を使用する場合、より多くの鋼及び希土類系永久磁石が必要となり、その結果、ステータヨーク（継鉄）の鋼が完全に活用されないないことになる。更に、機械の全体的なコストは、著しく高いものとなる。２．必要な時に、界磁束を十分に制御し得ないこと。このことは、また、界磁の励起手段として永久磁石を採用するその他の交流の電気機械において重大な性質上の問題点である。円筒状の形状であり、全体的なコストが低く、界磁を弱化し、又は増強することのできる機能を持ち、減磁に対して容易に保護することができ、しかも軽量であるという特徴と組み合わせて、二重突極を有する永久磁石機械に固有の特徴である、出力電圧が大きく、応答が迅速で且つ高効率であるという特徴を利用することが極めて望ましい。発明の簡単な説明このため、本発明の１つの目的は、二重突極を有する永久磁石構造体の可変リラクタンス機械であって、モータ、又は発電機として効率的に且つ経済的に使用することのできる、ステータ内に組み込んだ固定の永久磁石を有する可変リラクタンス機械を提供することである。本発明の別の目的は、出力密度が高く、界磁を弱化し、又は増強することができ、減磁保護が容易にでき、低コストで且つ軽量な二重突極を有する永久磁石型機械を提供することである。本発明の更に別の目的は、希土類系永久磁石ではなくて、ステータ内に組み込んだフェライト系永久磁石を利用し、これらの永久磁石が特殊な方法にてステータ内に配置されるようにした、２つの突極を有する円筒状の形状の永久磁機械を提供することである。本発明の更に別の目的は、ステータが２つの巻線を有し、その一方の巻線が常に機械の磁束路と接続され且つ界磁を弱化し、又は増強し得るような方法にて配置された、二重突極を有する永久磁石機械を提供することである。本発明の教示によれば、永久磁石機械は、中心軸線の周りで回転可能に取り付けられたロータであって、等しい角度間隔にて離間したロータ突極と、その断面が円形の形状をしたステータヨークを有するステータとを更に備え、ステータ突極は、中心軸線の周りで等しい角度間隔にて離間し且つステータヨークから内方に伸長している。一対の弓（アーチ）形（円形断面）の永久磁石は、ステータヨーク内に埋め込まれ、その永久磁石の各々は、ステータヨークのそれぞれ第一又は第二の部分内にあり且つ対応するステータ極の下方にある。界磁巻線が第一及び第二の部分内に介在されており、ステータヨークの長さに沿って巻かれている。この界磁巻線は、一次的磁束路と恒久的に結合されている。ステータには、電機子巻線が巻かれており、その巻線の各々は、直径方向に対向した一対のステータ極の周りで個々にコイル状に巻かれている。第一及び第二の永久磁石は、フェライト系永久磁石であり、これらの永久磁石は、機械を磁化する主たる磁束源として機能し得るように機械の中心軸線に対して直角（横切る方向）に極（分極）が形成される。界磁巻線が励起手段により励起されたならば、第一及び第二の永久磁石により発生された主たる磁束を増強し又は弱化するため、磁化又は減磁アンペア数（アンペアターン）を発生させることができる。界磁巻線が励起されない場合、ロータの角度の関数として、電機子コイルにより界磁巻線を接続する磁束を変化させることで、界磁巻線に発生した電圧を測定することによってその巻線を使用して、ロータの位置を検出することができる。適当な手段が３相の交流電流を調整されていない直流に変換する。ロータ極対ステータ極との比が４：６であり、電機子巻線が３相の電機子巻線であるならば、機械は、モータとして、又は３相発電機として作動する。ロータ極対ステータ極の比が６：４であるならば（例えば、ステータ極が４つで、ロータ極が６つの場合）、一対の電機子巻線をステータ極の周りに巻かれ、変換器（コンバータ）手段をこれらの電機子巻線に接続し、第一及び第二の電機子巻線から得られる交流電流を直流電流に変換し、機械が１相発電機として機能し得るようにすることができる。本発明の機械が機能するためには、永久磁石及び界磁巻線の双方が必須のものではないことが当業者に理解されよう。永久磁石を除去する（鉄と交換する）ことにより、その他の簡略化したこの位相の形態のものが実現可能であり、その場合、界磁巻線のみを使用して励起させる。これと代替的に、永久磁石だけを残して、界磁巻線は除去するようにしてもよい。界磁を弱化し且つ増強する機能は無くなるが、形成される機械は、永久磁石型機械として満足し得るように機能する。本発明のその他の目的、特徴及び有利な点は、添付図面と共に、好適な実施の形態及びその改変例に関する以下の詳細を参照することにより、当業者に明らかになるであろう。図面の簡単な説明図１は、従来技術の二重突極を有する３相永久磁石モータの断面図である。図２は、従来技術の二重突極を有する１相永久磁石型発電機の断面図である。図３は、本発明の二重突極を有する３相永久磁石モータの断面図である。図４は、図３のモータの変換器のトポロジー図である。図５は、図３のモータの別の変換器のトポロジー図である。図６は、本発明の界磁を弱化する、二重突極を有する永久磁石（ＦＷＤＳＰＭ）モータの速度制御トポロジー図である。図７は、図３の界磁を弱化する、二重突極を有する永久磁石（ＦＷＤＳＰＭ）モータの作動原理を示す図である。図８は、本発明のモータの電流波形を示す図である。図９は、永久磁石のみが励起されるとき、界磁を弱化する、二重突極を有する永久磁石（ＦＷＤＳＰＭ）モータの磁束の分布状態を示す図である。図１０は、電機子電流のみが励起されたときの界磁を弱化する、二重突極を有する永久磁石モータのプロトタイプにおける磁束の分布状態を示す図である。図１１は、異なるレベルの界磁の電流励起状態下にある永久磁石鎖交磁束対モータ角度相を概略図的に示す図である。図１２は、異なる界磁の励起状態下における界磁を弱化する、二重突極を有する永久磁石モータのトルク−速度特性を示す概略図である。図１３は、本発明の二重突極を有する１相の永久磁石型発電機の断面図である。図１４は、本発明の界磁を弱化する、二重突極を有する永久磁石型発電機（ＢＤＭ）の巻線の接続状態を示す図である。図１５は、本発明の界磁を弱化する、二重突極を有する永久磁石型発電機（ＵＤＭ）の巻線の接続状態を示す図である。図１６は、図８の発電機の変換器のトポロジー図である。図１７は、界磁を弱化する、二重突極を有する永久磁石型発電機（ＢＤＭ）の制御位相の図である。図１８は、界磁を弱化する、二重突極を有する永久磁石型発電機（ＵＤＭ）の制御トポロジー図である。図１９は、界磁を弱化する、二重突極を有する永久磁石型発電機（ＢＤＭ）のＶＲＭと比較したときのエネルギ変換状態を概略図的に示す図である（Ｗ、Ｗ′ は、ＶＲＭ、及び界磁を弱化する、二重突極を有する永久磁石に対するエネルギ変換面積である）。図２０は、界磁を弱化する、二重突極を有する永久磁石型発電機（ＵＤＭ）のＶＲＭと比較したときのエネルギ変換状態を概略図的に示す図である（Ｗ、Ｗ′ は、ＶＲＭ、及び界磁を弱化する、二重突極を有する永久磁石に対するエネルギ変換面積である）。図２１は、双方向モード（理想的な形態）における界磁を弱化する、二重突極を有する永久磁石機械のトルク発生状態を概略図的に示す図である。図２２は、単方向作動モード（理想的な形態）における界磁を弱化する、二重突極を有する永久磁石機械のトルク発生状態を概略図的に示す図である。図２３は、ＰＭのみが励起されたときの界磁を弱化する、二重突極を有する永久磁石型発電機の磁束の分布状態を示す図である。図２４は、電機子電流だけが励起されたときの界磁を弱化する、二重突極を有する永久磁石型発電機の磁束の分布状態を示す図である。図２５は、異なるレベルの界磁電流を励起させた状態下における、永久磁石の鎖交磁束対ロータ角度相を概略図的に示す図である。図２６は、本発明の発電機（ＵＤＭ）のシュミレーション結果を概略図的に示す図である。図２７は、本発明の発電機（ＢＤＭ）シュミレーション結果を概略図的に示す図である。説明本発明の二重突極を有する３相永久磁石（ＰＭ）機械１０、即ち、界磁を弱化する、二重突極を有する永久磁石（ＦＷＤＳＰＭ）モータの断面図を示す、図３を参照すると、ロータ（回転子）１１は、別個の積層（ラミネート）された複数の層から成っており、該複数の積層の各々は、π／２ラジアンという間隔角度θ ｒにて配置された、４つのロータの突極１２を形成し得るように打ち抜かれている。ロータ極１２の各々は、π／６ラジアンに等しいか、又は僅かに大きい極円弧角度θｐｒを有する。ロータ１１は、当該技術分野の当業者に公知であるように、中心軸線１３の周りで回転可能に取り付けられている。ステータ（固定子）１４は、円形の断面形状を有するステータヨーク１５を有する。該ステータ１４は、複数の別個の積層から成っており、該複数の積層の各々は、ステータの突極を形成し得るように打ち抜かれている。図３に最も良く図示するように、ステータ１４は、３つのステータ極１６と、３つのステータ極１７とを有しており、ステータ極１６は、ステータヨーク１５の第一の部分１８内に配置され、ステータ極１７は、ステータヨーク１５の第二の部分１９内に配置されている。これらの第一の部分１８及び第二の部分１９は、その形状及び寸法の点で互いに類似しており、中心軸線１３の周りで対称に配置されている。ステータ極１６、１７は、π／３ラジアンという間隔角度θｓにて分離されており、該ステータ極の各々は、π／６ラジアンという極円弧角度θｐｓを有している。第一の部分１８及び第二の部分１９は、各々π／６ラジアンという間隔角度２０にて互いに離れた位置にある。一対の弓形のフェライト系永久磁石（ＰＭ）２１、２２が、ステータヨーク１５内に埋め込まれており、永久磁石２１がステータヨーク１５の第一の部分１８内に配置され且つステータ極１６の下に介在されており、永久磁石２２は、ステータヨーク１５の第二の部分１９内に配置され且つステータ極１７の下の位置に介在されている。永久磁石２１、２２は、円筒体のセグメントの形状とされており、ステータヨーク１５の長さに沿って伸長している。図１に最も良く図示するように、永久磁石２１、２２は、ステータヨーク１５の形状に従い、その断面にて円形のセグメント状の形状をしている。このため、永久磁石２１、２２は、モータ全体の寸法を不必要に増大させることなく、ステータ内に組み込まれる。永久磁石２１、２２は、静止しているため、ステータヨーク１５と永久磁石２１、２２の間の磁力は、これらの永久磁石２１、２２を所定位置に保持するのに十分に大きい。従って、従来の任意の固定手段を使用して、永久磁石２１、２２を固着することができる。ステータ１４には、３相の交流電流に対応する３つの電機子巻線Ａ、Ｂ、Ｃが巻かれている。該電機子巻線の各々（例えば、相Ａの巻線）は、直列に接続された２つのコイル＋Ａ、−Ａから成っており、その巻線の各々は、ステータ極１６の一方の周りに巻かれ、また、ステータ極１７の対応する直径方向の反対側の１つに巻かれている。ステータ／ロータ極のその他の配置も可能であることが当業者に理解されよう。例えば、12／８等といった、６／４の倍数とすることも可能である。必須の特徴は、永久磁石２１、２２が常に一定のリラクタンス磁束路に面していることである、即ち、重なり合うステータ／ロータ極の総面積が一定に保たれるようにすることである。図３の電機子巻線の配置は、完全に一回転する間、一例として次のような交番相の順序となるようにする。即ち、＋Ａ、＋Ｂ、＋Ｃ、−Ａ、−Ｂ、−Ｃとなり、また、３相の電機子巻線が従来の可変リラクタンス機械にて作動するのと同一の方法にて機能するようにする。図３に図示した実施の形態のもう１つの必須の特徴は、間隔角度２０内にてステータヨーク１５の第一の部分１８と第二の部分１９との間にて介在され且つステータヨーク１５の長さ（図示せず）に沿って巻かれた界磁巻線Ｆを備える点である。この界磁巻線は、常に、中心軸線１３に対して直角に（横切る方向に）極（分極）が形成される永久磁石２１、２２により発生された一次的磁束路と接続されており、このため、次の２つの機能を果たす。１．当業者に公知の手段により界磁巻線Ｆが励起されたとき、その巻線を使用して必要な磁化又は減磁アンペア数（アンペアターン）を発生させ、永久磁石２１、２２により設定される既存の界磁を増強し又は弱化させることができる。本発明の機械による界磁を弱化し、又は界磁を増強する機能は、界磁巻線Ｆの特殊な配置により可能とされる。特に、この場合、界磁巻線に作用する総リラクタンスは、顕著な界磁巻線を許容するのに十分、小さく、また、必要な磁化又は減磁アンペア数を提供することができる。２．界磁巻線Ｆが励起されないとき、この界磁巻線を使用して、ロータ角度を関数として、電機子コイル＋Ａ、−Ａ、＋Ｂ、−Ｂ、＋Ｃ、−Ｃにより界磁巻線に鎖交する磁束を変化させることにより、界磁巻線Ｆに生ずる電圧を測定することでロータ位置を検出することができる。このフィードバックを使用すれば、センサ不要又はエンコーダ不要の制御が実現可能となる。図４及び図５には、本発明の上述した実施の形態を駆動するのに適した２つの別個の変換器のトポロジーが示してあり、図６には、本発明の二重突極を有する永久磁石モータの界磁を弱化するのが可能な制御トポロジーの１つが図示されている。図４の実施の形態において、ブリッジ整流器２３が設けられている。ブリッジ整流器２３は、３相の交流電力の入力を未調整の直流に変換する。コンデンサ２４がリプルを平滑すべくブリッジ２３の両端に並列に接続されている。また、３つの個々の電流スイッチ２５乃至２７もブリッジ整流器２３及びコンデンサ２４と並列に接続されている。電流スイッチの各々は、少なくとも２つのスイッチ装置を備えている（例えば、スイッチ２５は、スイッチ装置２８、２９を含む）。これらのスイッチ装置は、ステータ巻線Ａ乃至Ｃの対応する１つと直列に接続された従来のトランジスタ、又はサイリスタ（補助的な転流手段とともに）とすることができる。また、電流スイッチ２５乃至２７の各々は、変換器（コンバータ）をバイポーラ型変換器とする目的のため、２つの追加的なスイッチ装置を含むことができる（例えば、スイッチ２７は、スイッチ装置３０、３１を含むことができる）。更に、無効（ｒｅａｃｔｉｖｅ）エネルギが流れるための経路を提供すべく、参照番号３２乃至３５で図示するようなダイオードがスイッチ装置の１つを横断するように並列に設けられている。図５の実施の形態において、この機械の中性線は、図４のＤＣリンクコンデンサ２４を等しい２つの静電容量に分割することにより、ＤＣバス上の中心点に接続されている。図４に比較したように、６つのスイッチ装置があればよい。スイッチ装置の各々の機能は、図４における機能と同一である。図６に図示するように、第３相の電流が零である間に、等しい正及び負の電流がモータの３相の２つに流れるようにすることが理想的である。このようにして、モータの中性線３８内に電流が流れることがないようにするのが理想的である。しかしながら、実際的な事情を考慮するならば、モータ電流が一方の相から別の相に遷移する各期間の間、僅かな電流パルスがこのモータの中性線３８内を流れる。従って、この電流がＤＣリンクコンデンサの定格値に与える効果は、最小である。図６に最も良く図示するように、電流制御装置内にデルタ調整装置が使用され、また、界磁電圧の制御装置としてＰＷＭ整流器が使用される。この界磁電圧制御装置の機能は、次の通りである。ｉ）ＰＭの界磁を増強し、又は弱化するため、適正なアンペア数を提供すること。この場合の制御装置の挙動は、極性の変化機能を備える直流電圧源と同様である。 ii）モータの飽和レベルを制御することにより、電流の整流を助け且つトルクのリプルを軽減すること。この場合の制御装置の挙動は、簡単な直流源よりも直流成分を有する交流電圧源により深く関係している。界磁巻線と電機子巻線とが相互に結合する結果、ロータ角度が変化すると、界磁巻線に特殊な交流電流成分が生じる。この機構に基づいて、界磁を弱化する、二重突極を有する永久磁石モータに対してエンコーダ不要の制御を実現することが可能となる。永久磁石が存在し、また、機械の二重突極を有する構造体のため、界磁を弱化する、二重突極を有する永久磁石モータ内にて、ＰＭトルク（反作用トルク）及びリラクタンストルクという、２種類のトルクが発生する。図７に図示するように、通常、この設計における所望のトルクである、最大ＰＭトルクが得られるように、相のＰＭ鎖交磁束を変化させることで、電流を適正に制御しなければならない。他方、突出する構造のため、リラクタンストルクが生じ、このトルクは、通常の作動速度にてトルクリプルの原因となる。より平坦にトルクを発生させるため、リラクタンストルクは、可能な限り小さいように制御しなければならない。モータの設計上の観点から見て、インダクタンスの大きさ及びその波形は、設計時に慎重に選択する必要がある。提案されたモータである、界磁を弱化する、二重突極を有する永久磁石モータの位相において、電機子反作用磁束の一部は、磁石を貫通し、図７に図示するように、特殊な自己インダクタンスの波形となる。この波形の有利な点は、自己インダクタンスの変化に起因するリラクタンストルクを打ち消し、その結果、この２つの突極を有する構造体におけるトルクの変動を少なくすることを確実にすることである。また、インダクタンスの大きさは、界磁電流を調節することで制御することもできる。界磁の増強モードを使用する（界磁アンペア数を磁化する）とき、モータの鉄心は、電機子反作用磁束を制限するように高度に飽和される。この機構に基づいて、この型式のモータのトルクリプルは、相電流に影響を与えることなく、制御することが可能であり、このことは、この設計の極めて重要な特徴である。以下に説明するように、この特徴の結果、このモータのトルク特性は、２ｐ.ｕ.となる（牽引駆動を目的とする適用例にとって極めて望ましい特徴である）。図３乃至図７に関して説明した機械は、モータとして、又は３相発電機の何れとして作動可能である。この機械は、リラクタンストルクを発生させ得るように、電流を制御することにより、又は界磁の弱化制御と相俟って、低速度運転の通常の電流波形を保つことにより、極めて高速度にて作動させることが可能である。本発明は、ステータ／ロータ極の比が６／４に保たれるならば、出力の定格値、又は機械の極数に関係なく、極めて広い速度範囲に亙って種々の高性能電気機械の駆動システム及び発電を目的とする適用例に適している。この機械の３相型のものの相電圧の等式は、次のように表すことができる。ここで、｛ｅ_ma、ｅ_mb、ｅ_mc｝は、磁石及び鎖交磁束に起因して誘導されたｅｍｆであり、その時間同感数は、次の通りである。及び、従って、次のようになる。等式（４）は、次のように書き換えることができる。ここで、ａ）入力されるパワーはｂ）銅損失量はｃ）ＰＭトルクはｄ）リラクタンストルクはｅ）電機子巻線に蓄えられたエネルギはまた、（１）から、界磁を弱化する、二重突極を有する永久磁石モータの動的等式を次のように表すことができる。ここで、ａ）［Ｖ］は、制御ベクトルｂ）［Ｅ］は、ＰＭ電圧ベクトルｃ）［Ｒ］は、抵抗マトリックス（１１）における機械のパラメータは、モータの有限要素解析（ＦＥＡ）を使用すれば、最も容易に得ることができ、本明細書にて誘導された動的等式を使用することによりデジタルコンピュータによるシュミレーションを行うことが可能となる。更に、このモデルに基づいて制御方法又はベクトル［Ｖ］の軌跡を研究することができる。ＰＭの電圧ベクトルは、次のように書き表すことができる。ここで、 Φ_ma＝相Ａにより鎖交された無負荷ＰＭ磁束 Φ_mb＝相Ｂにより鎖交された無負荷ＰＭ磁束 Φ_mc＝相Ｃにより鎖交された無負荷ＰＭ磁束Ｌ_ma＝界磁巻線と相Ａとの間の相互インダクタンスＬ_mb＝界磁巻線と相Ｂとの間の相互インダクタンスＬ_mc＝界磁巻線と相Ｃとの間の相互インダクタンスｉ_f＝界磁巻線電流通常、界磁電流ｉ_fは、極めてゆっくりと変化し、波形Ｌ_ma、Ｌ_mb、Ｌ_mcは、 Φ_ma、Φ_mb、Φ_mcの波形と同じである。従って、［Ｅ］が界磁巻線電流の関数であるという事実にも拘わらず、等式（４−１１）は、依然として有効である。この場合、ｉ_fは、簡単に別個の制御変数と考えることができる。界磁を弱化する、二重突極を有する永久磁石モータとしての10ｋＷのプロトタイプのモータの作動原理を実証するために、そのモータについて有限要素解析を行った。この解析の主たる目的は、機械の設計及び制御の双方に必要とされるパラメータを得ることであった。図９には、永久磁石を励起させるだけで励起させたときの磁束の分布状態が示してある。作用可能なステータ極にて、４乃至１という極めて高い磁束密度が得られることが理解できる。フェライト系磁石内の作用点の磁束密度は、僅か0.3 テスラ（Ｔｅｓｌａ）に過ぎないが、空隙内では、1.2テスラ程度の磁束密度が容易に達成可能であるのが分かる。一方、この事実から、二重突極を有する永久磁石構造体における磁束の収束機能が従来の埋込み型の永久磁石機械を遥かに上廻ることが明らかになる。図１０には、１つの電機子電流しか存在しないときの磁束の分布状態が図示されている。ステータ及びロータの極が半分重なり合ったときに生ずる最大のインダクタンス位置が示されている。ロータ位置を関数とするインダクタンスプロファイルのこの特殊な設計の結果、上述したように、トルクリプルが軽減される。図１１には、各種レベルの界磁電流の励起時における、永久磁石鎖交磁束対ロータ角度相が示されている。界磁電流及び磁石が同一方向への磁束を発生させる働きをするとき、極めて高度の界磁の付勢が可能となることに留意すべきである。これとは逆に、その２つの界磁が反対であるならば、空隙内の正味磁束は、必要であるならば、零になるまで駆動することができる。ＦＥＡは、ＭＭＦを減磁することにより、永久磁石の界磁を完全に打ち消すことができることを示す。このＭＭＦは、界磁の単位電流（本明細書にておいて、界磁の単位電流とは、銅の体積電流密度が3,000Ａ／in²に達する時点をいうものとする）の60乃至90％のみを使用することにより、界磁巻線により提供される。このＦＥＡの研究を利用して、図１２に示すように、モータトルク対速度特性を求めることができる。界磁の増強モードを使用するとき、モータの開始トルク機能は、２ｐ.ｕ.程度と大きくすることができることが分かる。この場合、このモード下にて高度の飽和状態が実現され、インダクタンスの大きさを著しく小さくし、これにより、コギング（ｃｏｇｇｉｎｇ）トルクを小さくすることができる。上記の解析に基づいて、界磁を弱化する、二重突極を有する永久磁石モータの出力密度が得られる。リラクタンストルクは、通常の作動状態下にて、機械のトルクの発生に役立つ平均トルクに何ら寄与しないため、出力されるパワーを計算するためには、永久磁石のトルクしか考慮しない。永久磁石の鎖交磁束に起因する、相逆ｅｍｆ（ｂａｃｋ−ｅｍｆ）は、次式で表すことができる。ここで、Ｐ_s＝ステータの極数Ｎ_p＝極当りの巻数 Φ_pm＝１つの極コイルにより接続された最高ＰＭ磁束（Ｗｂ） ωｒ＝ロータ速度（ラジアン／秒） θ_d＝ＰＭ磁束の変化の半周期（ラジアン）ｍ＝相の数及び、ｎ_s＝機械の速度（ｒｐｍ）表面の電流密度から、次式が得られる。ここで、Ｄ_i＝ステータの内径（Ｍ）Ｉ_rms＝相電流のｒｍｓ値（Ａ）（１９）から、Ｎ_pを次式で表すことができる。極当りの永久磁石の磁束は、次式のようになる。ここで、Ｋ_d＝ＰＭ磁束の漏洩係数Ｌ_e＝積み重ね長さ（Ｍ）Ｂ_g＝空隙内の磁束密度（テスラ）（１６）乃至（２１）から、次のようになる。ここで、 η＝効率このモータの出力パワーは、次の通りであることに留意すること。Ｐ_out＝ＭxＥxＩ_avgxη＝ＭxＥxＫ_ixＩ_nnsxη ここで、Ｉ_avgは、平均相電流であり、電流係数Ｋ_iは、次式で表される。従って、界磁を弱化する、２つの突極を有する永久磁石モータの出力等式は、次のように得ることができる。この結果を誘導機械（ＩＭ）の周知の出力等式と比較すれば、次式が得られる。このようにして、２つの機械の出力密度比を求めることができる。界磁を弱化する、２つの突極を有する永久磁石モータの定数Ｋ_dは、一般に、0 .8乃至0.9であり、これは、ＩＭにおける力の係数と略同一範囲にあることに留意すべきである。空隙の磁束密度は、界磁を弱化する、二重突極を有する永久磁石モータにおけるツース（ｔｏｏｔｈ）磁束と同一であり、このため、界磁を弱化する、２つの突極を有する永久磁石モータにおけるツース磁束とすることができ、このため、ＩＭの値の２倍の値を選択することが可能である。この解析に基づいて、力の密度比は、更に次式で表すことができる。界磁を弱化する、二重突極を有する永久磁石モータにおける波形（図７に図示）のため、１回のストロークにおける電気角度60°がそのときの整流時間に等しいと仮定するならば、Ｋ₁は、次式のように計算することができる。従って、次式のようになる。偏差値により、界磁巻線の助けを受けずに、力密度を９％増大させることが可能である。また、２つのモータに対するステータの表面電流密度は等しいものと仮定したことを想起する必要がある。しかしながら、界磁を弱化する、二重突極を有する永久磁石モータは、ロータ電流を必要としないため、界磁を弱化する、二重突極を有する永久磁石モータの電流密度はＩＭよりも大きくなる可能性がある。現実には、界磁の増強モードを使用することにより、界磁を弱化する、二重突極を有する永久磁石モータ内にてより高いパワー密度を達成することが可能である。１つのｐ.ｕ.界磁電流を使用したと仮定するならば、ＦＥＡから極当りの磁束の結合は50％増大し、このことは、得られる永久磁石のトルクが50％だけ増すことを意味する。この機械の機能は、次式のように確認することができる。界磁電量の励起に起因する更なる銅損失量は、次の通りである。 P_cuf=ρ×J×V_cuf (30) ここで、 ρ＝銅の抵抗率Ｊ＝体積電流密度Ｖ_cuf＝界磁巻線の銅の体積提案した設計における体積Ｖ_cufは、１相の電機子巻線Ｖ_cuの銅の体積の約1.5 倍である。このため、電機子巻線の銅損失量は、次式で表すことができる。 P_cu=3×ρ×J×V_cu (31) 従って、上述の解析から、出力される力は50％、増大する一方、銅損失量は50％増す。鉄損失量を無視するならば、モータの効率は等しい。しかしながら、１ｐ.ｕ.の界磁増強モードにおいて、機械の良好な全体的性能を犠牲にすることのない、力の密度比は、次式のようになる。 ξ=1.5×1.09=1.635 (33) 界磁を弱化する、二重突極を有する３相永久磁石モータの10ｋＷの原型について、デジタルシュミレーションを行った。機械のデータ及び性能の計算結果は、以下に掲げる通りである。機械データステータの外径 266.7ｍｍ（10.5インチ）ステータの内径 152.4ｍｍ（６インチ）積み重ね長さ 177.8ｍｍ（７インチ）ステータの極数６極ロータの極数４極ステータ／ロータの極の円弧角度 30°/30° ステータの溝の深さ 16.51ｍｍ（0.65インチ）機械の速度 1800ｒｐｍ機械の性能直流バス電圧 250Ｖ最大インダクタンス 1.79ｍＨ最小インダクタンス 0.35ｍＨ最高相電流 100Ａ相電流ＲＭＳ 70.6Ａ出力パワー 10.6ｋＷ効率 96.5％このシュミレーションは、誘導された動的等式及びＦＥＡから得られたパラメータに基づくものである。機械の電流及び電圧波形並びにトルクの発生状態は、機械の基本的な動的挙動を示す、図８に図示されている。特に、興味を引くことは、ＰＭ及びリラクタンス構成要素の双方から成るこの機械のトルク発生状態である。特に、反作用トルクが全体のトルクに与える影響は極めて僅かにであることに留意すべきである。このシュミレーションは、有限要素解析法に基づくものであるが、電流を関数としてインダクタンスを計算するため、ロータの幾つかの位置のみを選択した。インダクタンスの値を補間するために隣接する任意の２つの位置の間に直線状の関係があるものと仮定した。このシステムの非線形の完全な挙動を詳細にシュミレーションすべく、現在、モータのより正確な形式のものを開発しているところである。上述の説明から、また、図３乃至図１２に図示するところから、100％の界磁の弱化が可能であり且つ２ｐ.ｕ.トルク機能を有する新規な型式のモータが本明細書にて提案される。該モータは、性能が向上し、力密度が高く、低コストで、また、界磁の制御性の点で優れ、更に、広範囲の界磁の弱化領域を必要とする、可変速度の駆動体に対する堅固な構造体を提供する。二重突極を有するこの機械の形態は、正弦波状に分布する磁束の型式よりもより高い磁束密度を提供し、また、二重突極を有するその他のＰＭ構造体よりもより平滑にトルクを発生する。それは、自己インダクタンスの変化程度対ロータ角度に起因するリラクタンストルクを著しく打ち消すことが可能であるからである。他方、希土類系永久磁石よりも遥かに低廉であるフェライト系永久磁石を使用すべく、この設計では十分なスペースが確保されている。更に、この特殊な配置のため、界磁巻線が受けるＰＭリラクタンスはかなり低く、このため、必要とされるアンペア数は比較的少なく、巻かれた界磁巻線へのスペースを確保するのに十分である。実際には、この方法により、界磁の弱化機能が100％の永久磁石機械を実現することが可能となる。このモータのもう１つの有利な点は、界磁巻線が界磁の増強モードにて作用するとき、開始トルク機能は、２ｐ.ｕ.程度と大きくなり、通常の速度のとき、機械から出力される力を30％増大させることができる点である。図１３乃至図２７を参照すると、二重突極を有する１相の永久磁石型発電機３９として機能する本発明の別の実施の形態は、６つのロータ突極４１から成るロータ４０と、４つのロータ突極４３、４４から成るステータ４２とを備えている。これらのロータ極４１は、π／３という間隔角度θｒにて配置されている。ロータ極４１の各々は、極円弧角度θｐｒを有する。該ステータ４２は、円形の断面形状を有する円筒体を構成するステータヨーク４５を備えている。該ステータヨーク４５は、図３と同様に、図３の２０よりも大きい間隔角度４８で分離された２つの部分４６、４７を備えている。２つのステータ極４３は、部分４６内に配置される一方、２つのステータ極４４は、ステータヨーク４５の部分４４内に配置される。図１３に図示するように、一対の弓形のフェライト系永久磁石４９、５０が、ステータヨーク４５内に埋め込まれており、また、中心軸線５１に対して直角に極が形成され、発電機３９を磁化する主たる磁束源として機能する。第一及び第二の電機子巻線５２、５３は、それぞれのステータ極４３、４４にて巻かれている。該電機子巻線の各々は、その間にて直列に接続された第一及び第二のコイル５４、５４′、５５、５５′から成っており、直径方向に対向したステータ極４３、４４の周りで個々に巻かれている。電機子巻線５２のコイル５４′は、電機子巻線５３のコイル５５に接続されている。界磁巻線５６は、部分４６、４７の間に介在されており、また、ステータヨーク４５の長さに沿って巻かれている。界磁巻線５６が励起されたならば、該巻線は、永久磁石４９、５０により発生された一次磁束を増強し又は弱化させ得るように磁化又は減磁アンペア数を発生させる。界磁巻線の励起手段５７は、当業者に公知であり、図１３に概略図的に図示されている。作動原理及び制御トポロジーを説明するため、界磁を弱化する、二重突極を有する永久磁石型発電機の２つの作動モード、即ち、その一方が「双方向モード」（ＢＤＭ）であり、もう一方が「単方向モード」（ＵＤＭ）であるモードについて検討する。図１４、図１５、図１６、図１７、図１８には、それぞれ、巻線接続具及び可能な制御トポロジーが示されている。図１６に図示するように、変換器５８は、電機子巻線５２、５３から得られた交流を１相の直流に変換する働きをし、この直流は、フィルタリング部分及び出力側に供給される。図１４に図示するように、ＢＤＭは、次のことに基づいている。即ち、２つの極巻線が１つの永久磁石の下、１相として接続され、この１相は、永久磁石の磁束のものと比較して、自己インダクタンスの２倍の周波数の変化を生じさせ、従って、相互インダクタンスは全く考える必要がない形態に基づくものである。この場合、相電流は双方向であり、その結果、Ｂ−Ｈ面（図１９に図示）の２つの四半分部分にてエネルギ変換が為される。リラクタンストルクは、通常の速度にて変動し、電流を調和させ、このため、機械のインダクタンスは可能な限り小さく設計する必要がある。他方、ＵＤＭは、電機子巻線の２相の接続に基づいている（図１５に図示）。この場合、機械は、ＳＲＭと同様に作動されて、λ−Ｉ面上にて第一の四半分部分においてのみエネルギ変換が為され（図１９、図２０に図示）、このため、各相に対する半周期のみを使用して、電機子反作用を生じさせ、常に、永久磁石界磁を磁化して、これにより、機械を略飽和状態に駆動する。電機子反作用は、ＵＤＭにて、リラクタンストルクの形態にて利用可能とされ、このトルクに対するインダクタンスをより大きく設計することができ、制御トポロジーは、ＳＲＭの形態と同様に、より簡単なものとなる（図１８参照）。ＵＤＭに対するインダクタンスの変化程度対ロータ角度の周期は、ＰＭ磁束が結合する周期と同一であり、このことは、平滑にリラクタンストルクを発生するのに役立つ。その双方の作動モードにおけるトルクの発生は、図２１及び図２２に図示されている。この新規な機械の相電圧等式は、次のように表すことができる。ここで、及び、従って、次のようになる。等式（３７）は、次のように書き換えることができる。ここで、ａ）入力されるパワーは、次の通り。ｂ）銅損失量は、次の通り。ｃ）このトルクのＰＭ部分は、次の通り。ｄ）リラクタンストルクは、次の通り。ここで、ｅ）電機子巻線に蓄えられたエネルギは、次の通り。また、等式（３４）から、界磁を弱化する、二重突極を有する永久磁石型発電機の動的等式は、次式で表すことができる。ここで、１）［Ｖ］は、制御ベクトル。２）［Ｅ］は、ＰＭ電圧ベクトル。３）［Ｒ］は、抵抗マトリックス。等式（４４）の機械のパラメータは、有限要素解析（ＦＥＡ）により得ることができ、提示した動的等式を使用することにより、デジタルコンピュータによるシュミレーションを行うことができる。更に、このモードに基づいて制御方法、又はベクトル［Ｖ］の軌跡を研究することができる。特に、この機械のＰＭ界磁の制御特性を研究しなければならず、このことが、将来の論文の対象となろう。ＰＭ電圧ベクトルは、次のように書き表すことができる。ここで、 Φ_ma＝相Ａにより鎖交された無負荷ＰＭ磁束。 Φ_mb＝相Ｂにより鎖交された無負荷ＰＭ磁束。Ｌ_ma＝相Ａに対する界磁巻線の磁化インダクタンス。Ｌ_mb＝相Ｂに対する界磁巻線の磁化インダクタンス。ｉ_f＝界磁巻線回路。作動原理を実証すべく、界磁を弱化する、二重突極を有する永久磁石型発電機の本発明による５ｋＷのプロトタイプについて有限要素解析を行った。図２３には、永久磁石のみを励起させた状態のときの磁束の分布状態が図示されている。１つのステータ極の磁束が極めて高密度であることが明らかである。フェライト系磁石の残りの磁束密度は、0.4テスラに過ぎない場合であっても、空隙内にて1 .5テスラ程度の磁束密度は容易に実現可能である。一方、このことは、磁束の集束機能が４倍であり、従来の埋め込んだ型式の永久磁石機械を遥かに上廻るものであることを実証する。図２４には、電機子電流のみが存在するときの磁束の分布状態が図示されている。ステータ及びロータ極が半分重なり合ったときに生じる最大のインダクタンス位置が図示されている。この時点にて、この電機子電流により発生されるリラクタンストルクは零である。単位界磁電流（本明細書にて、単位界磁電流とは、銅の体積電流密度が3000Ａ／in²に達する時点として定義する）の60乃至90％使用するだけで、界磁巻線による減磁ＭＭＦが提供される。界磁を弱化する、二重突極を有する永久磁石型発電機の５ｋＷの原型の設計に対するデジタルシュミレーションを行った。機械のデータ及び性能の計算結果は、以下に掲げる通りである。機械のデータステータの外径 28.5ｃｍステータの内径 20.0ｃｍ積み重ね長さ 18.3ｃｍステータの極数４極ロータの極数６極ステータ／ロータの極の円弧角度 20°/30° ステータの溝の深さ 1.8ｃｍ機械の性能（ＢＤＭ）直流バス電圧 150Ｖ最大インダクタンス 0.81ｍＨ最小インダクタンス 0.20ｍＨ相の最高電流 75Ａ相電流ＲＭＳ 64.5Ａ出力パワー 5.31ｋＷ効率 96.0％機械の性能（ＵＤＭ）直流バス電圧 150Ｖ最大インダクタンス 0.76ｍＨ最小インダクタンス 0.57ｍＨ相の最高電流 63Ａ相電流ＲＭＳ 55.4Ａ出力パワー 5.21ｋＷ効率 96.0％このシュミレーションは、誘導された動的等式及びＦＥＡから得られたパラメータに基づくものである。双方の作動モードに対する電流及び電圧の波形がそれぞれ図２６及び図２７に図示されている。このシュミレーションは、有限要素解析に基づくものであるが、想定した２つの隣接する位置間のインダクタンス及び簡単な成形インダクタンスの変化を計算し得るように幾つかのロータ位置を選択した。また、その結果、インダクタンスは、直線状に変化し、ＥＭＦは「方形」であると想定したことが理解できる。図１３乃至図２７に関して上述したように、提案された思想に基づいて、高電力密度、低コスト及び機械的に堅固な構造体と組合わさった、永久磁石の励起により界磁を弱化させる機能を備える新規な電気機械が具体化可能である。この解析から、この発電機は高性能の特徴を失うことなく、極めて広い速度範囲に亙って作動可能であることが分かり、このことは、この新規な型式の永久磁石型発電機は、発電を目的とする可変速度（特に、高速度）の適用例に極めて採用可能であることを示す。低コストにてこの永久磁石型発電機の界磁の弱化機能が具体化可能であるから、近い将来、この型式の機械を広範囲に使用することが可能となる。本発明にて提案し且つ図１３乃至図２７に関して説明した機械は、ステータ／ロータの極の比が４／６に維持される限り、出力、又は速度範囲、或いは機械の極数に関係なく、広範囲に亙る高性能の発電を目的とする適用例に適したものである。希土類系永久磁石に代えて、フェライト系永久磁石を利用して、永久磁石の特別な配置、形状及び位置決めと共に、可変リラクタンスの機械の原理を組み合わせる結果、電気機械の製造メーカは、低コストで軽量な機械、より高い力密度の機械、界磁の弱化又は増強機能を備え、更に、減磁に対するより容易な保護手段を実現することが可能となる。本発明の基礎となる思想の好適な実施の形態及び特定の改変例に関して詳細に説明したが、上記基本的な原理を理解することにより、各種のその他の実施の形態及びこの実施の形態の特定の変更及び改変例が当業者に明らかであろう。このため、添付した請求の範囲の記載の範囲内において、本発明は、本明細書に具体的に記載した以外の形態にて実施することが可能であることを理解すべきである。

【手続補正書】特許法第１８４条の４第４項【提出日】１９９６年１２月１０日【補正内容】１９条補正による請求の範囲（１５項を取り消し、１項、５項、１６項、１７項は補正し、その他の項は補正せず。）１．永久磁石機械において、中心軸線の周りで回転し得るように取り付けられたロータであって、該中心軸線の周りで等しい間隔角度の位置に離間され且つ半径方向外方に伸長する複数のロータ突極を有するロータと、ステータとを備え、該ステータが、ステータヨークであって、円形の断面形状を有し且つ中心軸線の周りで対称に配置された、第一及び第二の同様の部分を有するステータヨークと、中心軸線の周りで等しい間隔角度の位置に離間され且つステータヨークから半径方向内方に伸長する第一及び第二の複数のステータ突極とを備え、該第一の部分が前記第一の複数のステータ極を有し、前記第二の部分が前記第二の複数のステータ極を有し、前記ステータヨーク内に埋め込まれた第一及び第二の弓形の永久磁石とを備え、該第一の永久磁石が、ステータヨークの前記第一の部分と前記第一の複数のステータ極との間に介在され、前記第二の永久磁石が、ステータヨークの第二の部分と前記第二の複数のステータ極との間に介在され、複数の電機子巻線であって、該巻線の各々が、前記第一の複数のステータ極の１つのステータ極の周りでコイル状に巻かれ且つ前記第二の複数のステータ極の直径方向に対向したステータ極の周りでコイル状に巻かれた、複数の電機子巻線と、一次的磁束路と恒久的に結合され且つ前記第一の部分と第二の部分との間に介在され、前記ステータヨークの長さに沿って巻かれた界磁巻線とを備える、永久磁石機械。２．請求項１に記載の機械において、前記第一及び第二の永久磁石が前記ステータヨークの長さに沿って伸長し且つその断面が円形の形状をしている、機械。３．請求項１に記載の機械において、前記第一及び第二の永久磁石がフェライト系永久磁石である、機械。４．請求項１に記載の機械において、前記複数の電機子巻線が３相の電機子巻線である、機械。５．請求項１に記載の機械において、前記第一及び第二の永久磁石が、該機械を磁化する主たる磁束源として機能し得るように前記中心軸線に対して半径方向の磁化方向を横切るように極が形成されるようにした、機械。６．請求項５に記載の機械において、前記界磁巻線が、励起されたとき、第一及び第二の永久磁石により発生された一次的磁束を増強し又は弱化する磁化又は減磁アンペア数を発生させる、機械。７．請求項５に記載の機械において、前記界磁巻線がロータの位置を検出する、機械。８．請求項１に記載の機械において、前記複数のロータ極が４つのロータ極を含み、前記第一の複数のステータ極が３つのステータ極を含み、前記第二の複数のステータ極が３つのステータ極を含み、前記複数の電機子巻線が３つの電機子巻線を備え、該３つの電機子巻線の各々が共に接続された２つのコイルを備え、該コイルの各々が直径方向に対向した１つのステータ極の１つの周りに巻かれ、前記３つの電機子巻線の各々が３相の交流電源の別個の相に接続される、機械。９．請求項８に記載の機械において、前記電機子巻線に接続され且つ３相の交流電流電力を未調整の直流電流に変換する変換器手段を更に備える、機械。１０．請求項１に記載の機械において、前記界磁巻線の励起手段を更に備える、機械。１１．請求項１に記載の機械において、前記複数のロータ極対前記複数のステータ極との比が４：６である、機械。１２．請求項１１に記載の機械において、モータとして機能する、機械。１３．請求項１１に記載の機械において、発電機として機能する、機械。１４．請求項１に記載の機械において、前記複数のロータ極が６つのロータ極を含み、前記複数のステータ極が４つのステータ極を含み、前記複数の電機子巻線が第一及び第二の電機子巻線を含み、前記第一及び第二の電機子巻線の各々がその間にて直列に接続された第一及び第二のコイルを備え、該第一及び第二のコイルの各々が直径方向に対向したステータ極の１つの周りに巻かれ、第一の電機子巻線の第二のコイルが第二の巻線の第一のコイルに接続され、前記第一の電機子巻線の第一のコイルに接続され且つ前記第二の電機子巻線の第二のコイルに接続された変換器手段を更に備え、該変換器手段が、第一及び第二の電機子巻線から得られた１相の交流電流を直流に変換する、機械。１５．請求項１に記載の機械において、前記複数のロータ極対前記複数のステータ極との比が４：６である、機械。１６．永久磁石機械にして、中心軸線の周りで回転し得るように取り付けられたロータであって、該中心軸線の周りで等しい間隔角度の位置に離間され且つ半径方向外方に伸長する４つのロータ突極を有するロータと、ステータとを備え、該ステータが、ステータヨークであって、円形の断面形状を有し且つ中心軸線の周りで対称に配置された第一及び第二の同様の部分を有するステータヨークと、中心軸線の周りで等しい間隔角度の位置に離間され且つステータヨークから内方に伸長する６つのステータ突極とを備え、該第一の部分が前記第一の３つのステータ極を有し、前記第二の部分が別の３つのステータ極を有し、前記ステータヨーク内に埋め込まれた第一及び第二の弓形のフェライト系永久磁石を備え、該第一及び第二の磁石が、該機械を磁化する主たる磁束源として機能し得るように前記中心軸線に対して半径方向の磁化方向を横切るように極が形成されるようにし、該第一の永久磁石が、ステータヨークの前記第一の部分と前記第一の３つのステータ極との間に介在され、前記第二の永久磁石がステータヨークの第二の部分と前記別の前記別の３つのステータ極との間に介在され、該第一及び第二の永久磁石がステータヨークの長さに沿って伸長し且つその断面にて円形の形状をしており、３相の電機子巻線であって、該巻線の各々が前記第一の３つのステータ極の１つのステータ極の周りでコイル状に巻かれ、前記別の３つのステータ極の直径方向に対向したステータ極の周りでコイル状に巻かれた、３相の電機子巻線と、前記第一の部分と第二の部分との間に介在され且つステータヨークの長さに沿って巻かれた界磁巻線とを備え、該界磁巻線が、励起されたとき、第一及び第二の永久磁石により発生された一次的磁束を増強し又は弱化させるように磁化又は減磁アンペアターンを発生させ、前記界磁巻線が、作動されないとき、ロータの位置を検出し、前記３つの電機子巻線の各々が３相の交流電源の別個の相に接続され、前記電機子巻線に接続され且つ３相の交流電力を未調整の直流電流に変換する変換器手段と、前記界磁巻線の励起手段とを備える、永久磁石機械。１７．永久磁石型の１相発電機において、中心軸線の周りで回転し得るように取り付けられたロータであって、該中心軸線の周りで等しい間隔角度の位置に離間され且つ半径方向外方に伸長する６つのロータ突極を有するロータと、ステータとを備え、該ステータが、ステータヨークであって、円形の断面形状を有し且つ中心軸線の周りで対称に配置された第一及び第二の同様の部分を有するステータヨークと、中心軸線の周りで等しい間隔角度の位置に離間され且つステータヨークから半径方向内方に伸長する４つのステータ突極とを備え、該第一の部分が前記第一の２つのロータ極を有し、前記第二の部分が別のステータ極を有し、前記ステータヨーク内に埋め込まれた第一及び第二の弓形のフェライト系永久磁石を備え、該第一及び第二の磁石が、該機械を磁化する主たる磁束源として機能し得るように前記中心軸線に対して半径方向の磁化方向を横切るように極が形成されるようにし、該第一の永久磁石がステータヨークの前記第一の部分と前記第一の２つのステータ極との間に介在され、前記第二の永久磁石がステータヨークの第二の部分と前記別の２つのステータ極との間に介在され、該第一及び第二の永久磁石がステータヨークの長さに沿って伸長し且つその断面が円形の形状をしており、第一及び第二の電機子巻線であって、該巻線の各々がその間にて直列に接続された第一及び第二のコイルを有し、該第一及び第二のコイルの各々が、直径方向に対向したステータ極の周りでコイル状に巻かれ、前記第一の電機子巻線の前記第二のコイルが、前記第二の電機子巻線の前記第一のコイルに接続され、前記第一の部分と第二の部分との間に介在され且つ前記ステータヨークの長さに沿って巻かれた界磁巻線とを備え、該界磁巻線が、励起されたとき、第一及び第二の永久磁石により発生された一次的磁束を増強し又は弱化させるように磁化又は減磁アンペアターンを発生させ、前記界磁巻線の励起手段と、前記第一の電機子巻線の前記第一のコイルに接続され且つ前記第二の電機子巻線の前記第二のコイルに接続された変換器手段とを備え、該変換器手段が、前記第一及び第二の電機子巻線から得られた交流電流を１相の直流に変換する、永久磁石型の１相発電機。【手続補正書】【提出日】１９９８年４月１４日【補正内容】「請求の範囲」を次のように補正する（元の請求項１５削除）。『１．永久磁石機械において、中心軸線の周りで回転し得るように取り付けられたロータであって、該中心軸線の周りで等しい角度間隔の位置に離間され且つ半径方向外方に伸長する複数のロータ突極を有するロータと、ステータとを備え、該ステータが、ステータヨークであって、円形の断面形状を有し且つ中心軸線の周りで対称に配置された、第１及び第２の同様の部分を有するステータヨークと、中心軸線の周りで等しい角度間隔の位置に離間され且つステータヨークから半径方向内方に伸長する第１及び第２の複数のステータ突極とを備え、前記第１の部分が前記第１の複数のステータ極を有し、前記第２の部分が前記第２の複数のステータ極を有し、前記ステータヨーク内に埋め込まれた第１及び第２のアーチ形の永久磁石とを備え、該第１の永久磁石が、ステータヨークの前記第１の部分と前記第１の複数のステータ極との間に介在され、前記第２の永久磁石が、ステータヨークの第２の部分と前記第２の複数のステータ極との間に介在され、複数の電機子巻線であって、該巻線の各々が、前記第１の複数のステータ極の１つのステータ極の周りに、そして前記第２の複数のステータ極の直径方向に対向したステータ極の周りにコイル状に巻かれた、複数の電機子巻線と、一次的磁束路と恒久的に結合され且つ前記第１の部分と第２の部分との間に介在され、前記ステータヨークの長さに沿って巻かれた界磁巻線と、を備えた、永久磁石機械。２．請求項１に記載の機械において、前記第１及び第２の永久磁石が前記ステータヨークの長さに沿って伸長し且つその断面が円形の形状をしている、機械。３．請求項１に記載の機械において、前記第１及び第２の永久磁石がフェライト系永久磁石である、機械。４．請求項１に記載の機械において、前記複数の電機子巻線が３相の電機子巻線である、機械。５．請求項１に記載の機械において、前記第１及び第２の永久磁石が、該機械を磁化する主たる磁束源として機能し得るように前記中心軸線に対して半径方向の磁化方向を横切るように極が形成されるようにした、機械。６．請求項５に記載の機械において、前記界磁巻線が、励起されたとき、第１及び第２の永久磁石により発生された一次的磁束を増強し又は弱化する磁化又は減磁アンペアターンを発生させる、機械。７．請求項５に記載の機械において、前記界磁巻線がロータの位置を検出する、機械。８．請求項１に記載の機械において、前記複数のロータ極が４つのロータ極を含み、前記第１の複数のステータ極が３つのステータ極を含み、前記第２の複数のステータ極が３つのステータ極を含み、前記複数の電機子巻線が３つの電機子巻線を備え、該３つの電機子巻線の各々が共に接続された２つのコイルを備え、該コイルの各々が直径方向に対向した１つのステータ極の１つの周りに巻かれ、前記３つの電機子巻線の各々が３相の交流電源の別個の相に接続される、機械。９．請求項８に記載の機械において、前記電機子巻線に接続され且つ３相の交流電流電力を未調整の直流電流に変換する変換器手段を更に備える、機械。１０．請求項１に記載の機械において、前記界磁巻線の励起手段を更に備える、機械。１１．請求項１に記載の機械において、前記複数のロータ極対前記複数のステータ極との比が４：６である、機械。１２．請求項１１に記載の機械において、モータとして機能する、機械。１３．請求項１１に記載の機械において、発電機として機能する、機械。１４．請求項１に記載の機械において、前記複数のロータ極が６つのロータ極を含み、前記複数のステータ極が４つのステータ極を含み、前記複数の電機子巻線が第１及び第２の電機子巻線を含み、前記第１及び第２の電機子巻線の各々がその間にて直列に接続された第１及び第２のコイルを備え、該第１及び第２のコイルの各々が直径方向に対向したステータ極の１つの周りに巻かれ、第１の電機子巻線の第２のコイルが第２の巻線の第１のコイルに接続され、前記第１の電機子巻線の第１のコイルに接続され且つ前記第２の電機子巻線の第２のコイルに接続された変換器手段を更に備え、該変換器手段が、第１及び第２の電機子巻線から得られた１相の交流を直流に変換する、機械。１５．永久磁石機械において、中心軸線の周りで回転し得るように取り付けられたロータであって、該中心軸線の周りで等しい角度間隔の位置に離間され且つ半径方向外方に伸長する４つのロータ突極を有するロータと、ステータとを備え、該ステータが、ステータヨークであって、円形の断面形状を有し且つ中心軸線の周りで対称に配置された第１及び第２の同様の部分を有するステータヨークと、中心軸線の周りで等しい角度間隔の位置に離間され且つステータヨークの半径方向内方に伸長する６つのステータ突極とを備え、該第１の部分が前記第１の３つのステータ極を有し、前記第２の部分が別の３つのステータ極を有し、前記ステータヨーク内に埋め込まれた第１及び第２のアーチ形のフェライト系永久磁石を備え、該磁石が、該機械を磁化する主たる磁束源として機能し得るように前記中心軸線に対して半径方向の磁化方向を横切るように極が形成されるようにし、該第１の永久磁石が、ステータヨークの前記第１の部分と前記第１の３つのステータ極との間に介在され、前記第２の永久磁石がステータヨークの第２の部分と前記別の３つのステータ極との間に介在され、該第１及び第２の永久磁石がステータヨークの長さに沿って伸長し且つその断面にて円形の形状をしており、３相の電機子巻線であって、該巻線の各々が前記第１の３つのステータ極の１つのステータ極の周りに、そして前記別の３つのステータ極の直径方向に対向したステータ極の周りにコイル状に巻かれた、３相の電機子巻線と、前記第１の部分と第２の部分との間に介在され且つステータヨークの長さに沿って巻かれた界磁巻線とを備え、該界磁巻線が、励起されたとき、第１及び第２の永久磁石により発生された一次的磁束を増強し又は弱化させるように磁化又は減磁アンペアターンを発生させ、前記界磁巻線が、作動されないとき、ロータの位置を検出し、前記３つの電機子巻線の各々が３相の交流電源の別個の相に接続され、前記電機子巻線に接続され且つ３相の交流電力を未調整の直流電流に変換する変換器手段と、前記界磁巻線の励起手段と、を備えた、永久磁石機械。１６．永久磁石型の１相発電機において、中心軸線の周りで回転し得るように取り付けられたロータであって、該中心軸線の周りで等しい角度間隔の位置に離間され且つ半径方向外方に伸長する６つのロータ突極を有するロータと、ステータとを備え、該ステータが、ステータヨークであって、円形の断面形状を有し且つ中心軸線の周りで対称に配置された第１及び第２の同様の部分を有するステータヨークと、中心軸線の周りで等しい間隔角度の位置に離間され且つステータヨークから半径方向内方に伸長する４つのステータ突極とを備え、該第１の部分が前記第１の２つのロータ極を有し、前記第２の部分が別のステータ極を有し、前記ステータヨーク内に埋め込まれた第１及び第２のアーチ形のフェライト系永久磁石を備え、該磁石が、該機械を磁化する主たる磁束源として機能し得るように前記中心軸線に対して半径方向の磁化方向を横切るように極が形成されるようにし、前記第１の永久磁石がステータヨークの前記第１の部分と前記第１の２つのステータ極との間に介在され、前記第２の永久磁石がステータヨークの第２の部分と前記別の２つのステータ極との間に介在され、該第１及び第２の永久磁石がステータヨークの長さに沿って伸長し且つその断面が円形の形状をしており、第１及び第２の電機子巻線であって、該巻線の各々がその間にて直列に接続された第１及び第２のコイルを有し、該第１及び第２のコイルの各々が、直径方向に対向したステータ極の周りでコイル状に巻かれ、前記第１の電機子巻線の前記第２のコイルが、前記第２の電機子巻線の前記第１のコイルに接続され、前記第１の部分と第２の部分との間に介在され且つ前記ステータヨークの長さに沿って巻かれた界磁巻線とを備え、該界磁巻線が、励起されたとき、第１及び第２の永久磁石により発生された一次的磁束を増強し又は弱化させるように磁化又は減磁アンペアターンを発生させ、前記界磁巻線の励起手段と、前記第１の電機子巻線の前記第１のコイルに接続され且つ前記第２の電機子巻線の前記第２のコイルに接続された変換器手段とを備え、該変換器手段が、前記第１及び第２の電機子巻線から得られた交流を１相の直流に変換する、永久磁石型の１相発電機。』

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＣＡ，ＣＮ，ＣＺ，ＥＥ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＲＯ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者リー，ユーアメリカ合衆国ウィスコンシン州53705, マディソン，“ディー”・イーグル・ハイツ 946

Claims

【特許請求の範囲】１．永久磁石機械において、中心軸線の周りで回転し得るように取り付けられたロータであって、該中心軸線の周りで等しい間隔角度の位置に離間され且つ外方に伸長する複数のロータ突極を有するロータと、ステータとを備え、該ステータが、ステータヨークであって、円形の断面形状を有し且つ中心軸線の周りで対称に配置された、第一及び第二の同様の部分を有するステータヨークと、中心軸線の周りで等しい間隔角度の位置に離間され且つステータヨークから内方に伸長する第一及び第二の複数のステータ突極とを備え、該第一の部分が前記第一の複数のステータ極を有し、前記第二の部分が前記第二の複数のステータ極を有し、前記ステータヨーク内に埋め込まれた第一及び第二の弓形の永久磁石とを備え、該第一の永久磁石が、ステータヨークの前記第一の部分と前記第一の複数のステータ極との間に介在され、前記第二の永久磁石が、ステータヨークの第二の部分と前記第二の複数のステータ極との間に介在され、複数の電機子巻線であって、該巻線の各々が、前記第一の複数のステータ極の１つのステータ極の周りでコイル状に巻かれ且つ前記第二の複数のステータ極の直径方向に対向したステータ極の周りでコイル状に巻かれた、複数の電機子巻線と、一次的磁束路と恒久的に結合され且つ前記第一の部分と第二の部分との間に介在され、前記ステータヨークの長さに沿って巻かれた界磁巻線とを備える、永久磁石機械。２．請求項１に記載の機械において、前記第一及び第二の永久磁石が前記ステータヨークの長さに沿って伸長し且つその断面が円形の形状をしている、機械。３．請求項１に記載の機械において、前記第一及び第二の永久磁石がフェライト系永久磁石である、機械。４．請求項１に記載の機械において、前記複数の電機子巻線が３相の電機子巻線である、機械。５．請求項１に記載の機械において、前記第一及び第二の永久磁石が、該機械を磁化する主たる磁束源として機能し得るように前記中心軸線を横切る方向に極が形成されるようにした、機械。６．請求項５に記載の機械において、前記界磁巻線が、励起されたとき、第一及び第二の永久磁石により発生された一次磁束を増強し又は弱化する磁化又は減磁アンペアターンを発生させる、機械。７．請求項５に記載の機械において、前記界磁巻線がロータの位置を検出する、機械。８．請求項１に記載の機械において、前記複数のロータ極が４つのロータ極を含み、前記第一の複数のステータ極が３つのステータ極を含み、前記第二の複数のステータ極が３つのステータ極を含み、前記複数の電機子巻線が３つの電機子巻線を備え、該３つの電機子巻線の各々が共に接続された２つのコイルを備え、該コイルの各々が直径方向に対向した１つのステータ極の１つの周りに巻かれ、前記３つの電機子巻線の各々が３相の交流電流源の別個の相に接続される、機械。９．請求項８に記載の機械において、前記電機子巻線に接続され且つ３相の交流電流電力を未調整の直流電流に変換する変換器手段を更に備える、機械。１０．請求項１に記載の機械において、前記界磁巻線の励起手段を更に備える、機械。１１．請求項１に記載の機械において、前記複数のロータ極対前記複数のステータ極との比が４：６である、機械。１２．請求項１１に記載の機械において、モータとして機能する、機械。１３．請求項１１に記載の機械において、発電機として機能する、機械。１４．請求項１に記載の機械において、前記複数のロータ極が６つのロータ極を含み、前記複数のステータ極が４つのステータ極を含み、前記複数の電機子巻線が第一及び第二の電機子巻線を含み、前記第一及び第二の電機子巻線の各々がその間にて直列に接続された第一及び第二のコイルを備え、該第一及び第二のコイルの各々が直径方向に対向したステータ極の１つの周りに巻かれ、第一の電機子巻線の第二のコイルが第二の巻線の第一のコイルに接続され、前記第一の電機子巻線の第一のコイルに接続され且つ前記第二の電機子巻線の第二のコイルに接続された変換器手段を更に備え、該変換器手段が、第一及び第二の電機子巻線から得られた１相の交流電流を直流に変換する、機械。１５．請求項１に記載の機械において、前記複数のロータ極対前記複数のステータ極との比が４：６である、機械。１６．永久磁石機械にして、中心軸線の周りで回転し得るように取り付けられたロータであって、該中心軸線の周りで等しい間隔角度の位置に離間され且つ外方に伸長する４つのロータ突極を有するロータと、ステータとを備え、該ステータが、ステータヨークであって、円形の断面形状を有し且つ中心軸線の周りで対称に配置された第一及び第二の同様の部分を有するステータヨークと、中心軸線の周りで等しい間隔角度の位置に離間され且つステータヨークから内方に伸長する６つのステータ突極とを備え、該第一の部分が前記第一の３つのステータ極を有し、前記第二の部分が別の３つのステータ極を有し、前記ステータヨーク内に埋め込まれた第一及び第二の弓形のフェライト系永久磁石を備え、該第一及び第二の磁石が、該機械を磁化する一次的磁束源として機能し得るように前記中心軸線を横切る方向に極が形成されるようにし、該第一の永久磁石が、ステータヨークの前記第一の部分と前記第一の３つのステータ極との間に介在され、前記第二の永久磁石がステータヨークの第二の部分と前記別の３つのステータ極との間に介在され、該第一及び第二の永久磁石がステータヨークの長さに沿って伸長し且つその断面が円形の形状をしており、３相の電機子巻線であって、該巻線の各々が前記第一の３つのステータ極の１つのステータ極の周りでコイル状に巻かれ、前記別の３つのステータ極の直径方向に対向したステータ極の周りでコイル状に巻かれた、３相の電機子巻線と、前記第一の部分と第二の部分との間に介在され且つステータヨークの長さに沿って巻かれた界磁巻線とを備え、該界磁巻線が、励起されたとき、第一及び第二の永久磁石により発生された一次的磁束を増強し又は弱化させるように磁化又は減磁アンペアターンを発生させ、前記界磁巻線が、作動されないとき、ロータの位置を検出し、前記３つの電機子巻線の各々が３相の交流源の別個の相に接続され、前記電機子巻線に接続され且つ３相の交流電力を未調整の直流電流に変換する変換器手段と、前記界磁巻線の励起手段とを備える、永久磁石機械。１７．永久磁石型の１相発電機において、中心軸線の周りで回転し得るように取り付けられたロータであって、該中心軸線の周りで等しい間隔角度の位置に離間され且つ外方に伸長する６つのロータ突極を有するロータと、ステータとを備え、該ステータが、ステータヨークであって、円形の断面形状を有し且つ中心軸線の周りで対称に配置された第一及び第二の同様の部分を有するステータヨークと、中心軸線の周りで等しい間隔角度の位置に離間され且つステータヨークから内方に伸長する４つのステータ突極とを備え、該第一の部分が前記第一の２つのステータ極を有し、前記第二の部分が別の２つのステータ極を有し、前記ステータヨーク内に埋め込まれた第一及び第二の弓形のフェライト系永久磁石とを備え、該第一及び第二の磁石が、該機械を磁化する主たる磁束源として機能し得るように前記中心軸線を横切る方向に極が形成されるようにし、該第一の永久磁石がステータヨークの前記第一の部分と前記第一の２つのステータ極との間に介在され、前記第二の永久磁石がステータヨークの第二の部分と前記別の２つのステータ極との間に介在され、該第一及び第二の永久磁石がステータヨークの長さに沿って伸長し且つその断面が円形の形状をしており、第一及び第二の電機子巻線であって、該巻線の各々がその間にて直列に接続された第一及び第二のコイルを有し、該第一及び第二のコイルの各々が、直径方向に対向したステータ極の１つの周りでコイル状に巻かれ、前記第一の電機子巻線の前記第二のコイルが、前記第二の電機子巻線の前記第一のコイルに接続され、前記第一の部分と第二の部分との間に介在され且つステータヨークの長さに沿って巻かれた界磁巻線とを備え、該界磁巻線が、励起されたとき、第一及び第二の永久磁石により発生された一次的磁束を増強し又は弱化させるように磁化又は減磁アンペアターンを発生させ、前記界磁巻線の励起手段と、前記第一の電機子巻線の前記第一のコイルに接続され且つ前記第二の電機子巻線の前記第二のコイルに接続された変換器手段とを備え、該変換器手段が、前記第一及び第二の電機子巻線から得られた交流電流を１相の直流に変換する、永久磁石型の１相発電機。