特許 7178104 電気機械及び電気機械動作方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-16

(45)【発行日】2022-11-25

(54)【発明の名称】電気機械及び電気機械動作方法

(51)【国際特許分類】

   H02K 16/02 20060101AFI20221117BHJP

   H02K 21/14 20060101ALI20221117BHJP

   H02K 21/16 20060101ALI20221117BHJP

   H02P 25/22 20060101ALI20221117BHJP

【ＦＩ】

H02K16/02

H02K21/14 M

H02K21/16 M

H02P25/22

【請求項の数】 36

(21)【出願番号】P 2019537361

(86)(22)【出願日】2018-01-16

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2020-02-27

(86)【国際出願番号】 GB2018050116

(87)【国際公開番号】W WO2018130859

(87)【国際公開日】2018-07-19

【審査請求日】2020-12-01

(31)【優先権主張番号】1700731.1

(32)【優先日】2017-01-16

(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB

(73)【特許権者】

【識別番号】508317402

【氏名又は名称】マグノマティックス リミテッド

【氏名又は名称原語表記】ＭＡＧＮＯＭＡＴＩＣＳ ＬＩＭＩＴＥＤ

【住所又は居所原語表記】Ｐａｒｋ Ｈｏｕｓｅ， Ｂｅｒｎａｒｄ Ｒｏａｄ， Ｓｈｅｆｆｉｅｌｄ， Ｓｏｕｔｈ Ｙｏｒｋｓｈｉｒｅ Ｓ２ ５ＢＱ Ｇｒｅａｔ Ｂｒｉｔａｉｎ

(74)【代理人】

【識別番号】100120662

【弁理士】

【氏名又は名称】川上 桂子

(74)【代理人】

【識別番号】100140327

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 千秋

(74)【代理人】

【識別番号】100206117

【弁理士】

【氏名又は名称】日野 光章

(74)【代理人】

【識別番号】100216770

【弁理士】

【氏名又は名称】三品 明生

(72)【発明者】

【氏名】カルバリー、 スチュアート

(72)【発明者】

【氏名】クメリセック、 ぺテル

【審査官】三澤 哲也

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１２－２１０９０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１６４１２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許第１０３３７８７１１（ＣＮ，Ｂ）

【文献】欧州特許出願公開第２６６０４４０（ＥＰ，Ａ２）

【文献】Shuangxia Niu, S.L. Ho, W.N.Fu，"Design of a Novel Electrical Continuously Variable Transmission System Based on Harmonic Spectra Analysis of Magnetic Field"，IEEE TRNSACTIONS ON MAGNETICS，vol.49 No.5，米国，IEEE，2013年05月07日，2161-2164

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｋ １６／０２

Ｈ０２Ｋ ２１／１４

Ｈ０２Ｋ ２１／１６

Ｈ０２Ｐ ２５／２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電気機械において、
第１回転子であって、第１の数の極対を有する第１磁場を生成する第１回転子と、
複数の磁極片を含む第２回転子であって、前記第１磁場を変調して第２の数の極対を有する第２磁場を生成するように前記複数の磁極片が配置された、第２回転子と、
前記第１の数の極対及び前記第２の数の極対と相互作用するように配置された第３磁場を生成するように配置された１つ以上の巻線を含む固定子と、
を含み、
前記磁極片の数は、前記第１の数の極対と前記第２の数の極対との和であり、前記第１の数の極対は、前記第２の数の極対と同一ではなく、
前記第３磁場は、前記第１の数の極対と前記第２の数の極対とを含み、
前記１つ以上の巻線の電流の振幅及び／又は位相角を異ならせることは、前記第１回転子と前記第２回転子との間のトルク比を変化させる、電気機械。

【請求項2】

前記第２回転子は、前記第１回転子と前記固定子との間に配置される、請求項１に記載の電気機械。

【請求項3】

前記一つ以上の巻線は、第１巻線セット及び第２巻線セットを含み、
前記第１巻線セットは、前記第２の数の極対と相互作用するように配置され、
前記第２巻線セットは、前記第１の数の極対と相互作用するように配置される、請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の電気機械。

【請求項4】

前記第１巻線セットの電流の周波数を変化させることは、前記電気機械の速度比を変化させる、請求項３に記載の電気機械。

【請求項5】

前記第２巻線セットの電流の振幅及び／又は位相角を変化させることは、前記電気機械のトルク比を変化させる、請求項３または請求項４のいずれか一項に記載の電気機械。

【請求項6】

前記第１巻線セット及び前記第２巻線セットのそれぞれは別個の電流入力を受信するように配置される、請求項３～５のいずれか一項に記載の電気機械。

【請求項7】

前記第１巻線セット及び前記第２巻線セットのそれぞれに対する別個の電流入力は、個別ドライバによって供給される、請求項６に記載の電気機械。

【請求項8】

前記一つ以上の巻線は単一巻線を含む、請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の電気機械。

【請求項9】

前記単一巻線は、ドライバから電流入力を受信するように配置される、請求項８に記載の電気機械。

【請求項10】

前記ドライバは、多相ドライバである、請求項９に記載の電気機械。

【請求項11】

前記単一巻線は複数のコイルを含み、前記複数のコイルそれぞれのコイルは、各ドライバから電流入力を受信するように配置される、請求項８に記載の電気機械。

【請求項12】

前記第１回転子は出力軸に連結される、請求項１～１１のいずれか一項に記載の電気機械。

【請求項13】

前記第２回転子は入力軸に連結される、請求項１～１２のいずれか一項に記載の電気機械。

【請求項14】

前記磁極片のうち少なくとも１つは強磁性材料で形成される、請求項１～１３のいずれ
か一項に記載の電気機械。

【請求項15】

前記第１の数の極対及び前記第２の数の極対の間には実質的に磁気結合が存在しない、請求項１～１４のいずれか一項に記載の電気機械。

【請求項16】

前記第１回転子は、前記電気機械の１つへ又は電気機械の１つから機械的動力を伝達するように配置され、前記第２回転子は、機械的動力を前記電気機械の他方へ又は他方から伝達するように配置される、請求項１～１５のいずれか一項に記載の電気機械。

【請求項17】

前記第１回転子、前記第２回転子、及び前記固定子は、ギア方式でトルクを伝達するように配置される、請求項１～１６のいずれか一項に記載の電気機械。

【請求項18】

電気機械の速度比及び／又はトルク比が変化される、請求項１～１７のいずれか一項に記載の電気機械。

【請求項19】

前記固定子は、前記一つ以上の巻線を介して前記電気機械へ及び／又は前記電気機械から電力を伝達するように配置される、請求項１～１８のいずれか一項に記載の電気機械。

【請求項20】

請求項１～１９のいずれか一項に記載の電気機械を含む車両パワートレイン。

【請求項21】

請求項１～２０のいずれか一項に記載の電気機械と、前記電気機械を動作させる制御手段とを含むシステム。

【請求項22】

前記制御手段は、前記第１回転子の要求される速度及び／又はトルク、並びに、前記第２回転子の要求される速度及び／又はトルクのうち少なくとも１つを示す少なくとも１つの命令を受信するように構成される、請求項２１に記載のシステム。

【請求項23】

前記制御手段は、前記命令に基づいて前記第１回転子、前記第２回転子、及び前記固定子の間の要求される速度比及び／又はトルク比を算出するように構成される、請求項２２に記載のシステム。

【請求項24】

前記制御手段は、前記第１回転子、前記第２回転子、及び前記固定子の間の要求される速度比及び／又はトルク比を達成するために、前記固定子上の一つ以上の巻線のうち１つ以上で電流の特性を決定するように構成される、請求項２３に記載のシステム。

【請求項25】

前記制御手段は、前記少なくとも１つの巻線で前記電流の特性を示す命令をドライバに提供するように構成され、前記ドライバは、前記電流を供給するように配置される、請求項２４に記載のシステム。

【請求項26】

電気機械を動作させる方法において、
前記電気機械は、
第１回転子であって、第１の数の極対を有する第１磁場を生成する第１回転子と、
複数の磁極片を含む第２回転子であって、前記第１磁場を変調して第２の数の極対を有する第２磁場を生成するように前記複数の磁極片が配置される、第２回転子と、
前記第１の数の極対及び前記第２の数の極対と相互作用するように配置された第３磁場を生成するように配置された１つ以上の巻線を含む固定子と、
を含み、
前記磁極片の数は、前記第１の数の極対と前記第２の数の極対との和であり、前記第１の数の極対は、前記第２の数の極対と同一ではなく、
前記第３磁場は、前記第１の数の極対と前記第２の数の極対とを含み、
前記１つ以上の巻線の電流の振幅及び／又は位相角を異ならせることは、前記第１回転子と前記第２回転子との間のトルク比を変化させ、
前記方法は、前記電気機械に、及び／又は電気機械から、機械的動力を伝達するステップを含む、方法。

【請求項27】

前記一つ以上の巻線は単一巻線を含み、前記単一巻線は前記第３磁場を生成するように配置される、請求項２６に記載の方法。

【請求項28】

前記電気機械は制御手段を含み、前記方法は、前記制御手段が前記第３磁場の要求される特性を示す命令を受信するステップをさらに含む、請求項２７に記載の方法。

【請求項29】

前記要求される特性は、第１の数の極対を有する第３磁場の成分の要求される特性及び第２の数の極対を有する第３磁場の成分の要求される特性を含む、請求項２８に記載の方法。

【請求項30】

前記第３磁場の要求される特性を生成するために、前記単一巻線の磁気原動力（ｍａｇｎｅｔｏ ｍｏｔｉｖｅ ｆｏｒｃｅ）を算出するステップをさらに含む、請求項２９に記載の方法。

【請求項31】

前記第３磁場の要求される特性を生成するために、前記単一巻線の磁気原動力を算出するステップは、
前記第１の数の極対を有する前記第３磁場の成分の要求される特性を生成するために、前記単一巻線の磁気原動力を算出するステップと、
前記第２の数の極対を有する前記第３磁場の成分の要求される特性を生成するために、前記単一巻線の磁気原動力を算出するステップと、
をさらに含む、請求項３０に記載の方法。

【請求項32】

前記第３磁場の要求される特性を生成するための前記単一巻線の磁気原動力は、
前記第１の数の極対を有する前記第３磁場の成分の要求される特性を生成するための単一巻線の磁気原動力と、
前記第２の数の極対を有する前記第３磁場の成分の要求される特性を生成するための単一巻線の磁気原動力の和である、請求項３１に記載の方法。

【請求項33】

前記第３磁場の要求される特性を生成するために、前記単一巻線の算出された磁気原動力から前記単一巻線の要求電流を算出するステップをさらに含む、請求項３０～３２のいずれか一項に記載の方法。

【請求項34】

前記単一巻線は、ドライバから電流入力を受信するように配置され、
前記方法は、前記制御手段が単一巻線に必要な電流を供給するようにドライバに命令を送信するステップをさらに含む、請求項３３に記載の方法。

【請求項35】

前記単一巻線は、複数の空間的に分布されたコイルを含み、
前記方法は、前記第３磁場の要求される特性を生成するために、前記算出された単一巻線の磁気原動力からそれぞれのコイルの要求電流を算出するステップをさらに含む、請求項３０～３２のいずれか一項に記載の方法。

【請求項36】

それぞれのコイルは、それぞれのドライバから電流入力を受信するように配置され、
前記方法は、前記制御手段がそれぞれのコイルに必要な電流を供給するように、各ドライバに命令を送信するステップをさらに含む、請求項３５に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の開示は、電気機械及び電気機械動作方法に関する。電気機械の実施形態は、磁気歯車部材（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｇｅａｒｅｄ ｍｅｍｂｅｒ）を含む。

【背景技術】

【0002】

ほとんどのギアリングソリューションは、機械式ギアリング配置を使用してきたが、従来の機械式配置の高トルク（ｈｉｇｈ－ｔｏｒｑｕｅ）伝達を提供する、より小型で、より軽量で、より効率的かつ安価なギアリングソリューションに対する関心及び需要が高まっている。磁気歯車配置（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｇｅａｒｉｎｇ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）は、このようなソリューションの一例である。

【0003】

磁気歯車は、磁場を用いて機械的な接触なしにトルクを伝達する。１つの形態において、磁気歯車は３つの主な構成要素を有し、その全ては互いに対して回転することができる。１つの既存の配置では、３つの構成要素のうち半径方向内側の１つが、第１の数の極対（ｐｏｌｅ ｐａｉｒ）を有する第１磁場を生成する。３つの構成要素のうち半径方向外側の１つは、第２の数の極対を有する第２磁場を生成する。３つの構成要素のうち半径方向中間の１つは自体の磁場を生成しない。その代わりに、非磁性及び非伝導性の構造によって支持される複数の強磁性磁極片（ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｐｏｌｅ ｐｉｅｃｅ）を有する。この第３の構成要素は、第１の構成要素と第２の構成要素との間の磁気回路の受動部分（ｐａｓｓｉｖｅ ｐａｒｔ）として動作する。磁極片の役割は、第１及び第２磁場をギア方式に相互作用するように変調することである。その結果、遊星機械式ギア配置（ｅｐｉｃｙｃｌｉｃ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｇｅａｒ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）と類似の方式で、３つの構成要素間でギア方式によりトルクを伝達することができる。

【0004】

他の形態の磁気歯車装置は、２つの永久磁石構成要素及び１つの変調リング構成要素を有する受動ギアと、磁気歯車の周りに巻回された固定子を有するモータジェネレーターと、回転する永久磁石回転子、回転する変調回転子、及び磁石と巻線の静的アレイ（ｓｔａｔｉｃ ａｒｒａｙ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｓ ａｎｄ ｗｉｎｄｉｎｇ）を有する一体型ギア（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｇｅａｒ）を有するモータジェネレーターと、３つの回転子、２つの永久磁石アレイと変調回転子及び回転子のうち１つの回転を制御するための固定子巻線を有する可変磁気歯車と、及び／又は１つの永久磁石回転子、変調回転子、及び変調した磁場と結合して回転速度及びそれに伴うギア比を制御することのできる固定子巻線を有する可変磁気歯車を含む。

【0005】

磁気歯車１００の一例が図１に示されている。この場合、外部構成要素１１０には、事実上、モータジェネレーターの固定子となる一組の巻線１１５が提供される。この配置は、運転モード又は発電モードでの動作と共に、ギアトルク伝達を可能にすることによって、磁気歯車と一般的な電気機械の機能を組み合わせる。この場合、第１磁場は、内部構成要素１３０上の永久磁石１３５によって生成される。第２磁場は、外部構成要素１１０上の巻線１１５に流れる電流によって生成される。上述したように、第３構成要素１２０は、複数の強磁性磁極片（ｐｏｌｅ ｐｉｅｃｅ）１２５を有する。第３構成要素１２０は、第１及び第２磁場をギア方式で相互作用するように変調する。その結果、トルクは、ギア方式で３つの構成要素１１０，１２０，１３０のうち任意の２つの間で、又は、遊星機械式ギア配置（ｅｐｉｃｙｃｌｉｃ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｇｅａｒ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）に類似の方式により、それら３つの全ての間で伝達することができる。また、遊星機械式ギア配置に類似の方式で、構成要素１１０，１２０，１３０間の速度比は、第２磁場が回転する速度を変えることによって変化される。第２磁場が回転する速度は、外部構成要素１１０上の巻線１１５に流れる電流の周波数を変えることによって変化される。その結果、可変の速度比を有するギア方式で３つの構成要素１１０，１２０，１３０の全ての間でトルクが伝達されることができる。

【0006】

図１に示したような磁気歯車配置は、「混合型」電気ハイブリッド自動車において使用される。混合型電気ハイブリッド自動車は、中速から高速の走行速度で、車両のエネルギー貯蔵システムから電力を補充するために車両エンジンの機械的動力を使用する車両である。これは、バッテリがその最小の充電限界値に達したときにのみ、エネルギー貯蔵システムの電力がエンジンの機械的動力で補充される他のタイプの電気ハイブリッド自動車とは対照的である。

【0007】

混合型電気ハイブリッド自動車では、内部構成要素１３０は、一般的に機械的動力を、車輪に伝達し、車輪から伝達される。中間構成要素１２０は、通常、車両のエンジンから機械的動力を伝達する。外側構成要素１１０は、固定されて一般的に車両のエネルギー貯蔵システムに電力を伝達し、車両のエネルギー貯蔵システムから電力が伝達される。

【0008】

有利には、無段変速機（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ ｖａｒｉａｂｌｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）（ＣＶＴ）を提供するために、内部構成要素１３０と中間構成要素１２０との間の速度比を前述した方式で制御することができる。これは、エンジンが内部構成要素の速度、すなわち、車輪への出力が中間構成要素の速度、すなわち、エンジンからの入力と本質的に分離されているため、エンジンが最も効率的な動作点で自由に動作できることを意味する。その結果、ハイブリッド自動車は、最も効率的な領域でエンジン動作地点をシフトすることなく、車輪速度の要求を満たすことができる。

【0009】

しかし、電気機械１００におけるトルク比は変わらない。これは、トルク比が機械式ギアシステムの幾何学的形状と固定子巻線によって形成される複数の極性によって決定されているためである。その結果、速度比が変化することにより、機械の３つの構成要素１１０，１２０，１３０の全てに電力が強制的に流れるようになる（構成要素１２０，１３０のうち少なくとも１つの速度がゼロではないことを仮定する）。これは、電力が外部構成要素１１０へ強制的に流れることを意味する。すなわち、電力は外部構成要素１１０上の巻線１１５を介して流れることになる。したがって、外部構成要素１１０上の巻線１１５を介して電気機械１００又は外部に流れる電力はゼロではない。

【0010】

電気機械１００の正味電力の流れが負である場合、すなわち、外部構成要素１１０が配置から電力を除去しなければならない場合、配置から除去しなければならない電力量が、車両の制限された容量のエネルギー貯蔵システムに格納するには多すぎる場合がある。余剰電力を管理するために、完全にバランスの取れた「単独（ｉｓｌａｎｅｄｅｄ）」電力システムを提供するために、余剰分は出力軸速度の駆動軸に戻る。余剰分は、第２電気機械を介して駆動軸に戻る。したがって、２つの電気機械がパワートレイン（ｐｏｗｅｒ ｔｒａｉｎ）上に提供され、それぞれが電力の流れを制御し、車両のエネルギー貯蔵システム又は車両のエネルギー貯蔵システムから電力を伝達するための各インバータを有する。

【0011】

精巧であるが、このアクセス方法にはいくつかの短所がある。１つの短所は、２台の電気機械が必要とされるため、システムが非常に複雑になることである。他の短所は、電気機械がそれぞれ自体のインバータを必要とすることである。車両のパワートレインのような複雑さは、車両のコスト及びサイズ、重量、信頼性、及び動的性能に悪影響を及ぼすため、好ましくない。

【0012】

したがって、本発明の実施形態のうち少なくとも一部の目的は、これらの問題を解決することにある。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0013】

一側面によれば、次を含む電気機械を提供する。電気機械は、第１回転子（前記第１回転子は、第１の数の極対を有する第１磁場を生成する）と、複数の磁極片を含む第２回転子（前記複数の磁極片は、第１磁場を変調して第２の数の極対を有する第２磁場を生成するように配置される）と、第１の数の極対及び第２の数の極対と第３磁場を生成するように配置された１つ以上の巻線を含む固定子とを含み、第１の数の極対及び第２の数の極対と第３磁場との相互作用は、第１回転子と第２回転子との間のトルク比を変化させる。

【0014】

第１回転子は、複数の永久磁石を含み得る。永久磁石は、第１磁場を生成するために配置され得る。

【0015】

第１回転子は、１つ以上の回転子巻線を含み得る。１つ以上の回転子巻線は、第１磁場を生成するために配置される。

【0016】

第３磁場と第１の数の極対及び第２の数の極対との相互作用は、選択的に予め決定されたトルク比に応じて、第１回転子及び第２回転子のそれぞれに互いに独立的に印加されるトルクを変化させることができる。

【0017】

第２回転子は、第１回転子と固定子との間に配置され得る。

【0018】

前記一つ以上の巻線は、第１巻線セット及び第２巻線セットを含み得る。第１巻線セットは、第２の数の極対と相互作用するように配置され、第２巻線セットは、第１の数の極対と相互作用するように配置され得る。

【0019】

第１巻線セットは、第２の数の極対を有する磁場を生成するように配置され得る。

【0020】

第２巻線セットは、第１の数の極対を有する磁場を生成するように配置され得る。

【0021】

第１回転子は、電気機械又の１つにまたは１つから機械的動力を伝達するように配置され、第２回転子は、機械的動力を電気機械の他方にまたは他方から伝達するように配置され得る。

【0022】

第１回転子及び第２回転子は、電気機械に機械的動力を伝達するように配置され得る。

【0023】

第１回転子及び第２回転子は、電気機械から機械的動力を伝達するように配置され得る。

【0024】

第１回転子、第２回転子、及び固定子は、ギア方式でトルクを伝達するように配置される。

【0025】

機械の速度比及び／又はトルク比は変化され得る。

【0026】

第１巻線セットの電流の周波数変化は、電気機械の速度比を変化させ得る。

【0027】

第１巻線セットによって生成された磁場が回転する速度変化は、電気機械の速度比を変化させ得る。

【0028】

第２巻線セットの電流の位相角及び／又は大きさの変化は、電気機械のトルク比を変化させ得る。位相角は、第１磁場に相対的に測定され得る。

【0029】

トルク比及び速度比は、電気機械に供給された正味電力（ｎｅｔ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ）が実質的にゼロになるよう逆に変化される。

【0030】

トルク比及び速度比は、外部ソースから電気機械に供給された正味電力が実質的にゼロになるよう逆に変化される。

【0031】

トルク比は、電気機械に供給された正味電力が実質的に正の値になるよう増加され得る。

【0032】

トルク比は、外部ソースから電気機械に供給された正味電力が実質的に正の値になるよう増加され得る。

【0033】

トルク比は、電気機械に供給された正味電力が実質的に負の値になるよう減少され得る。

【0034】

トルク比は、外部ソースから電気機械に供給された正味電力が実質的に負の値になるよう減少され得る。

【0035】

第１の数の極対の数は９であり得る。第２の数の極対の数は６であり得る。１５磁極片があり得る。

【0036】

固定子は、１つ以上の巻線を介して電気機械へ及び／又は電気機械から電力を伝送するように配置され得る。

【0037】

固定子は、複数の歯を含み得る。様々な歯のうち少なくとも１つの歯は、放射状で内側に突出している。少なくとも１つの歯は、１つ以上の巻線を保有し得る。

【0038】

機械のトルク比及び／又は速度比は、１つ以上の巻線で電流を変化させることにより変化される。

【0039】

１つ以上の巻線は、ドライバに電気的に結合され得る。ドライバは、コントローラに電気的に結合され得る。

【0040】

１つ以上の巻線は、インバータに接続され得る。インバータは、ＡＣ／ＤＣインバータであってもよい。インバータは、ＤＣリンクに接続される。ＤＣリンクは、エネルギー貯蔵装置に接続される。エネルギー貯蔵装置は、バッテリ、キャパシタ及び／又は燃料電池のうち少なくとも１つを含み得る。ＤＣリンクは、ＤＣ／ＤＣコンバータを介してエネルギー貯蔵装置に接続される。少なくとも１つの他の巻線は、ＡＣ／ＤＣインバータを介してＤＣリンクに接続される。

【0041】

１つ以上の巻線は、ＡＣ／ＡＣコンバータに接続される。ＡＣ／ＡＣコンバータは、マトリックスコンバータであってもよい。ＡＣ／ＡＣコンバータは、ＡＣ／ＤＣコンバータに接続される。変換されたＡＣ／ＤＣは、ＤＣ／ＤＣコンバータを介してエネルギー貯蔵装置に接続される。１つ以上の他の巻線がＡＣ／ＡＣコンバータに接続される。

【0042】

１つ以上の巻線には、非正弦波電流が印加され得る。非正弦波電流は、第１の数の極対及び第２の数の極対の共倍数に対して実質的に周期的に繰り返される。倍数は最小公倍数であってもよい。

【0043】

第１巻線セット及び第２巻線セットのそれぞれは、個別電流入力を受信するように配列され得る。

【0044】

第１巻線セット及び第２巻線セットのそれぞれに対する個別電流入力は、個別ドライバによって供給され得る。

【0045】

１つ以上の巻線は多相の空間的に分布された巻線であり得る。多相電流は、多相の空間的に分布された巻線に印加され得る。

【0046】

１つ以上の巻線は、３相空間的に分布された巻線であり得る。多相電流は、３相空間の分散巻線に印加され得る。３相の１２０度変位電流は、３相空間分配された巻線に印加され得る。

【0047】

第１巻線及び第２巻線セットのうち少なくとも１つは、多相空間的に分布された巻線であり得る。多相電流は、多相空間的に分布された巻線に印加され得る。

【0048】

第１巻線及び第２巻線セットのうち少なくとも１つは、３相空間の分散巻線であり得る。多相電流は、３相空間の分散巻線に印加され得る。３相の１２０度変位電流は、３相空間の分配された巻線に印加され得る。

【0049】

電気機械は、車両パワートレインに使用され得る。電気機械は、ハイブリッド自動車パワートレインに使用されてもよい。

【0050】

第２回転子は、入力軸に連結され得る。入力軸は、エンジンに連結され得る。

【0051】

第１回転子は、出力軸に連結される。出力軸は、駆動軸及び／又はプロペラ軸に連結され得る。

【0052】

電気機械は、線形電気機械であり得る。電気機械は、軸方向磁束機械（ａｘｉａｌ ｆｌｕｘ ｍａｃｈｉｎｅ）であり得る。

【0053】

複数の磁極片のうち少なくとも１つは、非磁性材料で形成され得る。磁極片のうち少なくとも１つは、強磁性材料で形成され得る。磁極片のうち少なくとも１つは、軸方向に積層された複数のラミネーション（ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）で形成され得る。磁極片のうち少なくとも１つは、軟磁性複合材料で形成され得る。

【0054】

一実施形態において、第１の数の極対の数は第２の数の極対の数と同一である。

【0055】

一実施形態において、第１の数の極対の数は第２の数の極対の数より多い。

【0056】

一実施形態において、磁極片の数は第１及び第２の数の極対の数の和である。

【0057】

一実施形態において、第１の数の極対及び第２の数の極対の間には実質的な磁気結合がない。

【0058】

全ての側面の選択的機能は、これを防止する確実な技術的非互換性がない限り、他の側面の選択的な機能であってもよい。

【0059】

第２側面によれば、第１側面に係る電気機械を動作させる方法が提供され、方法は、電気機械及び／又は電気機械から機械的動力を伝達する。

【0060】

第３側面によれば、第１側面に係る電気機械を動作させるためのコンピュータ手段が提供される。

【0061】

コンピュータ手段は、第１回転子の要求される速度及び／又はトルク及び／又は第２回転子の要求される速度及び／又はトルクのうち少なくとも１つを示す少なくとも１つの命令を受信するように構成される。

【0062】

コンピュータ手段は、命令に基づいて第１回転子、第２回転子、及び固定子の間の要求される速度比及び／又はトルク比を算出するように構成される。

【0063】

コンピュータ手段は、第１回転子、第２回転子、及び固定子の間の要求される速度比及び／又はトルク比を達成するために、固定子の上一つ以上の巻線のうち少なくとも１つから電流の特性を決定するように構成される。特性は、電流の位相角、周波数及び／又は振幅のうち少なくとも１つであり得る。

【0064】

コンピュータ手段は、少なくとも１つの巻線で電流の特性を示す命令をドライバに提供するように構成され、ドライバは、電流を供給するように配置される。

【0065】

ドライバは、コントローラに電気的に接続される。コントローラは、コンピュータ手段を含み得る。

【0066】

コンピュータ手段は、少なくとも１つの巻線で電流の特性を示す命令をドライバに提供するように構成される。

【0067】

命令は、印加される電流の要求される周波数、振幅及び／又は位相角のうち少なくとも１つを示し得る。

【図面の簡単な説明】

【0068】

本発明が具体化される特定の実施形態は、添付の図面を参照して単に例示的に次のように説明される。

【図1】従来技術の磁気歯車放射状場機械（ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ ｇｅａｒｅｄ ｒａｄｉａｌ ｆｉｅｌｄ ｍａｃｈｉｎｅ）の構成要素の軸方向図である。

【図2】第１実施形態である電気機械の構成要素の軸方向図である。

【図3】図２に示す電気機械の固定子上の第１巻線セットのパターンである。

【図4】図２に示す電気機械の固定子上の第２巻線セットのパターンである。

【図5】図２に示す電気機械の内部回転子に代替できる内部回転子の等角図である。

【図6】電気機械２００の回転子に隣接するエアギャップ又は領域における磁束密度が角度位置に応じてどのように変化するかを示すグラフである。

【図7】図２に示す磁極片によって適用される理想的な変調関数を示すグラフである。

【図8】図２に示す磁極片によって適用された実際の変調関数を近似化したグラフである。

【図9】固定子の内部表面に隣接するエアギャップで図２に示す電気機械の変調した磁束の高調波成分を示すグラフである。

【図10】図２に示す電気機械に対する第１及び第２巻線セットの磁気力とシステムトルクとの間の関係を示すグラフである。

【図11】第１巻線セットによって設定された磁場が電気機械で０度にあるとき、第１巻線セットに対する磁気原動力のパターンを示すグラフである。

【図12】第１巻線セットによって設定された磁場が電気機械で０度にあるとき、第２巻線セットに対する磁気原子力のパターンを示すグラフである。

【図13】第１及び第２巻線セットの磁気原動力パターンの重複を示すグラフである。

【図14】第１及び第２巻線セットに対するＭＭＦパターンの和を示すグラフである。

【図15】図１４に示す第１及び第２巻線セットに対するＭＭＦパターンの和の高調波成分を示すグラフである。

【図16】図２に示す電気機械が他の実施形態により接続されることができる電気構造を示す概略図である。

【図17】図２に示す電気機械が他の実施形態により接続されることができる電気構造を示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0069】

装置（ａｐｐａｒａｔｕｓ）
図２は、第１実施形態に係る磁気歯車放射状場機械（ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ ｇｅａｒｅｄ ｒａｄｉａｌ ｆｉｅｌｄ ｍａｃｈｉｎｅ）２００を示す。機械２００は、運転モード又は発電モードで使用することができ、例えば、混合型ハイブリッド電気自動車のパワートレインなど、複数の異なるパワートレイン配置（ｐｏｗｅｒ ｔｒａｉｎ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｓ）（図示せず）で使用される。

【0070】

機械２００は、外部固定子２１０、磁極片回転子２２０、及び内部回転子２３０を有する。固定子２１０、内部回転子２３０、及び磁極片回転子２２０は、環状であり、固定子２１０が磁極片回転子２２０の周りにリングを形成し、磁極片回転子２２０が内部回転子２３０の周りにリングを形成するよう同軸に取り付けられている。すなわち、内部回転子２３０は、磁極片回転子２２０の半径方向内側にあり、磁極片回転子２２０は、外部固定子２１０の半径方向内側にある。次に、これらのそれぞれについて順に説明する。

【0071】

固定子２１０は、その巻線の構成及び動作を除いて、従来の電気機械固定子と同様である。固定子２１０は、電磁鋼板のラミネーション（ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）から形成され、ラミネーションは機械の軸に垂直な平面にある。固定子２１０は、スロット型固定子である。固定子２１０は、半径方向内側に歯２１４を突出させる半径方向の外側環状本体２１２を有するよう形成される。歯２１４は、第１巻線セット２４０及び第２巻線セット２５０を収容するために隣接する歯２１４の間のスロット２１６を介して本体２１２の周りに均等に離隔されている。この実施形態において、５４個の歯２１４が存在するため、５４個のスロット２１６が存在する。第１巻線セット２４０は、スロット２１６で固定子２１０の外側環状体２１２と第２巻線セット２５０との間に半径方向にある。第１巻線セット２４０及び第２巻線セット２５０は３相巻線である。第１巻線セット２４０及び第２巻線セット２５０の正確な巻線パターンについて、それぞれ図３及び図４を参照しながら説明する。

【0072】

第１巻線セット２４０は、図３に示された巻線パターンに応じてスロット２１６に巻線される。図３は、９個の隣接ブロックを示す。各ブロックは、固定子２１０のスロット２１６を示す。各ブロックには、Ｕ、Ｖ及びＷの文字のうち２つが互いに積み重ねたものを有する。文字Ｕ、Ｖ、及びＷは、それぞれ第１巻線セット２４０の相巻線を示す。例えば、Ｕは第１相を示すことができる。Ｗは第２相、Ｖは第３相である。各文字の後に、正数の「＋」又は負数の「－」の符号が付されている。正の符号は、それぞれの相巻線の電流が紙面に垂直方向、かつ紙面から出る方向に流れていることを表す。負の符号は、それぞれの巻線の電流が紙面に垂直な方向、かつ紙面に向かう方向に流れていることを示す。全ての３つの位相は、９個の隣接するスロット２１６にわたって全体のコイル又は巻線を完成する。このパターンは、６回繰り返されて、固定子２１０の５４個のスロット２１６に第１巻線セット２４０を定義する。その結果、３相の１２０度変位電流が第１巻線セット２４０に印加されるとき、固定子２１０と磁極片回転子２２０との間のエアギャップに生成された磁場は６個の極対を有する。これは、図３の巻線パターンが固定子２１０の周囲に６回繰り返されているためである。

【0073】

当業者が理解するように、第１巻線セット２４０について図３に示された巻線パターンは、部分スロット（ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ－ｓｌｏｔ）巻線パターンである。これは、磁極（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｐｏｌｅ）及び電気位相当たりのスロット２１６の数がごく僅かであるためである。特に、図３の巻線パターンは、固定子２１０が５４個のスロット２１６を有するため、部分スロット巻線パターンである。第１巻線セット２４０によって設定された磁場は、１２極（６極対）を有する。位相数は３である。したがって、極性及び位相当たりスロット２１６の数は１．５である。

【0074】

第２巻線セット２５０は、図３に示されたものと同じフォーマットに従う、図４に示された巻線パターンによりスロット２１６に巻線されている。しかし、この場合に、図４は、隣接する６個のブロックのみを示す。これは、第２巻線セット２５０の３つの全ての位相が６個の隣接ブロック又はスロット２１６にわたって全体の巻線又はコイルを完成するためである。したがって、このパターンは、９回繰り返されて固定子２１０の５４個のスロット２１６のそれぞれに第２巻線セット２５０を定義する。その結果、３相の１２０度変位電流が第２巻線セット２５０に印加されるとき、固定子２１０と磁極片回転子２２０との間のエアギャップに生成される磁場は９個の極対を有する。

【0075】

当業者が理解するように、第２巻線セット２５０に対する図４に示された巻線パターンは、一体型スロット（又は、整数スロット）巻線パターンである。これは、磁極及び電気位相当たりのスロット２１６の数が整数であるためである。具体的に、図４に示す巻線パターンは、固定子２１０が５４個のスロットを有するため、一体型スロット巻線パターンである。第２巻線セット２５０によって設定された磁場は、１８極（９極対）を有する。位相の数は３である。したがって、極性及び位相当たりスロット２１６の数は１である。

【0076】

他の実施形態で、第１巻線セット２４０及び第２巻線セット２５０によって生成された磁場が互いに相互作用しなければ、第１巻線セット２４０及び第２巻線セット２５０に対する巻線パターンの任意の組合せを使用することができる。各巻線セットは、一体型スロット巻線、部分スロット巻線パターン、集中部分スロット巻線、又は、分散部分スロット巻線である。

【0077】

他の実施形態では、固定子２１０は１０８個のスロット２１６を有する。この実施形態において、第２巻線セット２５０は、１０８個のスロット２１６の半分を占め、第１巻線セット２４０は、スロット２１６のそれぞれの１つを占めている。この実施形態において、第１巻線２４０及び第２巻線２５０セットは、一体型スロット巻線である。しかし、第１及び第２巻線セットによって生成された磁場は、第１巻線セットが第２巻線セットの１．５倍の極対を有するとき相互作用しない。すなわち、第１及び第２巻線セットによって生成された磁場は、それぞれの極対の間に非整数倍の関係があることから、相互作用しない。

【0078】

図２をさらに参照すると、磁極片回転子２２０は、非磁性及び非導電性の環状維持構造物（図示せず）から形成される。維持構造物（ｒｅｔａｉｎｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）は、機械の軸と平行した方向に維持構造物の本体部を貫通して延びる複数のスロットを有するように形成される。スロットは、維持構造物の周りに均等に離隔されている。それぞれのスロットは、電気鋼鉄（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｔｅｅｌ）のような強磁性材料の磁極片２２２を維持するように配置される。磁極片２２２は、機械２００が動作しないときに非磁性化される。この実施形態において、維持構造物は、維持構造物の周りで均一に離隔した１５個のスロットを有する。したがって、維持構造物は、１５個の磁極片２２２を有している。使用時に、磁極片回転子２２０は、機械動力を機械に伝達するための入力軸に連結される。入力軸は、従来のエンジン又は他の原動機に連結される。

【0079】

さらに図２を参照すると、内部回転子２３０は、その半径方向最外面の周りに配置された１８個の永久磁石対２３２を有する。それぞれの永久磁石対２３２は、単一永久磁石を半分に分割することによって生成される。それぞれの永久磁石対内のそれぞれの永久磁石２３３は、第１端部２３４及び第２端部２３５を有する。第１端部は、内部回転子２３０の半径方向の外部表面にある。第２端部２３５は、第１端部２３４から半径方向内側に配置される。それぞれの対２３２内の２つの永久磁石２３３の第１端部２３４は互いに接触してもよい。各対２３２内の２つの永久磁石２３３の第２端部２３５は、それぞれ同一の永久磁石対２３２に属しない永久磁石２３３の第２端部２３５とそれぞれ接触してもよい。第１ウェッジ（ｗｅｄｇｅ）２３６は、それぞれの永久磁石対２３２の第１端部２３４と隣接する永久磁石対２３２の第１端部２３４間に円周方向に配置される。第２ウェッジ２３７は、それぞれの永久磁石対２３４内の永久磁石２３３の第２端部２３５間に円周方向に配置される。第１又は第２ウェッジ２３６，２３７の少なくとも１つは、鋼鉄で製造される。

【0080】

有利には、永久磁石２３３がウェッジ２３６，２３７によって回転子２３０上に機械的に固定され、硬化又は乾燥時間を必要とする接着剤のような手段により固定されていないため、内部回転子２３０の製造にかかる時間は他の手法に比べて短縮される。当業者は、接着剤のような固定手段が使用されれば、他の永久磁石が、別の永久磁石がそれに接近する前に回転子に接着されなければならない（接着剤がセッティングされるようにする）ことを、理解するであろう。これは、永久磁石又は回転子に取付けられている磁石が回転子に配置されている他の永久磁石と共に引力又は反発力によって離脱することを回避するために、実行されなければならない。これにより、各永久磁石２３３がウェッジ２３６，２３７との各位置の設定によって迅速に適所に機械的に固定される内部回転子２３０よりも、製造工程においてはるかに時間がかかる。

【0081】

図２に示された内部回転子２３０の一部の実施形態において、永久磁石２３３は、ウェッジ２３６，２３７及び接着剤によって内部回転子２３０上に適所に固定される。有利には、接着剤は、機械２００が動作中であるとき、ウェッジ２３６，２３７に対する永久磁石２３３の移動を制限する。すなわち、機械２００が動作中であるとき、それぞれの永久磁石２３３がそれぞれ拘束されたウェッジ２３６，２３７によって生成された孔内でがたつくことを防止する。さらに有利には、内部回転子２３０を製造するためにかかる時間は、永久磁石２３３を内部回転子２３０に固定するための方法として接着剤のみを使用する場合よりも短縮される。これは、永久磁石２３３が主にウェッジ２３６，２３７によって拘束されているため、他の永久磁石が近接する前にそれぞれの永久磁石が回転子に接着される（接着剤がセッティングされるようにする）必要がないためである。代わりに、永久磁石２３３は、上述したように、より迅速で連続的に固定されることができる。

【0082】

永久磁石対２３２は、隣接する永久磁石対２３２によって設定された隣接する磁場の極性が内部回転子２３０の円周の周りで交互になるように配置される。永久磁石対２３２は、内部回転子２３０と磁極片回転子２２０との間のエアギャップで放射状の磁場（ｒａｄｉａｌ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）(図示せず)を提供する。磁場は１８個の永久磁石対によって提供されるため、９極対がある。内部回転子２３０と磁極片回転子２２０との間のエアギャップ内の磁束は、基本的な９次高調波を有する。９次高調波は、９極対に該当する。使用時には、内部回転子２３０は、機械及び／又は機械から機械的な動力を伝達するための出力軸に連結される。出力軸は、駆動軸及び／又はプロペラ軸に連結されてもよい。

【0083】

他の実施形態において、図５に示された内部回転子３００は、機械２００の内部回転子２３０の代わりに使用できる。回転子３００は環状である。回転子３００は、その半径方向最外面の周りに個別的に配置された１８個の永久磁石３１０を有する。１８個の永久磁石は、隣接する永久磁石によって設定された隣接する磁場の極性が内部回転子２３０の周りで交互するように配置される。したがって、回転子３００は、永久磁石３１０の半径方向外側の空間に放射状磁場（図示せず）を提供する。別の実施形態における磁場も１８個の永久磁石によって提供されるため、９個の極対を有する。半径方向の磁場は、内部回転子２３０を参照して前の段落で説明した放射状の磁場と実質的に同じ特性を有する。その結果、内部回転子３００と関連して開示された本発明の任意の部分は、内部回転子２３０と同じく適用されると見なされてもよく、その逆であってもよい。

【0084】

図６は、電気機械２００の軸周りの角度位置と、磁極片回転子２２０と回転子３００との間のエアギャップ内の磁束密度との概略的な関係を示すグラフである。当業者が理解するように、磁束密度は軸周りの角度位置を有する磁束の正の値及び負の値の間で正弦波状に交互に示される。正の値は、Ｎ極（ｎｏｒｔｈ ｐｏｌｅ）を示す。負の値はＳ極（ｓｏｕｔｈ ｐｏｌｅ）を示す。正弦波は４０度ごとに繰り返される。これは、磁束が、回転子３００上の隣接している１８個の永久磁石３１０によって提供された磁場の結果であるためである。その結果、磁場は回転子の軸を中心に正から負へ、すなわち、Ｎ極からＳ極へ１８回変化する。したがって、３６０度を９で割った値（極対）が４０度になるため、正弦波の周期は４０度になる。

【0085】

図２をさらに参照すると、磁極片回転子２２０によって維持された磁極片２２２は、事実上、内部回転子２３０と磁極片回転子２２０との間のエアギャップ内の磁束に対するフラックスゲートとして作用する。上述したように、この磁束は、内部回転子２３０上の永久磁石２３３によって提供された磁場の結果である。理解されるように、磁極片回転子２２０と内部回転子２３０との間のエアギャップで内部回転子２３０により提供された磁束の一部は、磁極片回転子２２０を通過する。磁極片回転子２２０を通過できる部分は、磁極片回転子２２０の磁極片２２２と関連してエアギャップにおける磁束位置に依存する。磁極片回転子２２０の軸周りの所定の角度位置で、磁極片回転子２２０の磁極片２２２と内部回転子２３０との間に半径方向にある磁束は、磁極片回転子２２０を通過する。逆に、所定の角度位置で、磁極片回転子２２０の磁極片２２２と内部回転子２３０との間の放射状でない磁束は、磁極片維持構造体によって実質的に遮断され、磁極片回転子２２０の半径方向最外面には示されない。これは、磁極片維持構造が磁気的に不透過性であるためである。

【0086】

磁極片回転子２２０の半径方向最外面を通過して示される磁束は、内部回転子２３０によって提供された磁束の変調したバージョンと見なすことができる。したがって、固定子２１０と磁極片回転子２２０との間のエアギャップの磁場は、内部回転子２３０と磁極片回転子２２０との間のエアギャップ内の磁場を変調したバージョンである。

【0087】

図７は、内部回転子２３０と磁極片回転子２２０との間のエアギャップで内部回転子２３０によって生成された磁束に対して、磁極片回転子２２０の磁極片２２２によって適用される理想的な変調関数を示すグラフである。磁極片回転子２２０の半径方向最外面に示される磁束のパターンは、内部回転子２３０によって生成された変調関数と磁束の積である。ｙ軸は、磁束に適用される機能を示す。ｘ軸は、磁極片回転子２２０の軸周りの角度位置を示す。グラフは、角度位置が変化するにつれ変調関数が矩形波であることを示す。矩形波は、約２４度ごとに周期的に繰り返される。矩形波の上限値は１である。矩形波の下限値は０である。上限値である１は、磁極片２２２がある磁極片回転子２２０の軸周りの角度位置を示し、したがって、磁極片回転子２２０と固定子２１０との間のエアギャップで磁極片回転子２２０を介して磁束が浸透される位置を示す。下限値である０は、磁極片２２２のない磁極片回転子２２０の軸周りの角度位置を示し、したがって、磁束が磁極片回転子２２０を透過することのできない位置を示す。理論的に、磁極片回転子２２０の半径方向最外面に示される磁束は、基本的な６次高調波を有する。これは、６極対がある磁場に対応する。これは、次の式に示す理論的な関係によるものである。

【0088】

【数1】

【0089】

ここで、Ｎｓは、変調磁界の極対の数であり、Ｎｐｐは、磁極片２２２の数であり、Ｎｒは、回転子によって提供された磁場の極対の数である。したがって、磁極片数が１５個であり、回転子によって設定された磁場の極対が９である場合、変調磁界の極対の数は６である。上述したように、図７に示された変調機能は理想的である。しかし、実際に、実際変調機能は、理想化された変調機能から逸脱するであろう。磁極片回転子２２０の磁極片２２２が磁束によって飽和する可能性があるため、磁極片２２２間で磁束が漏れる恐れがあり、及び／又は磁極片２２２の実際的な幾何学的な形状に起因する可能性がある。

【0090】

図８は、内部回転子２３０と磁極片回転子２２０との間のエアギャップにおいて、内部回転子２３０によって提供された磁束に対して磁極片回転子２２０の磁極片２２２により適用された実際の変調関数をよく表す理論変調関数を示す。図７に示すように、磁極片回転子２２０の半径方向最外面に示される磁束は、エアギャップで内部回転子２３０によって提供される変調関数と磁束の積である。ｙ軸は、磁束に適用される機能を示す。ｘ軸は、磁極片回転子２２０の軸周りの角度位置を示す。変調関数は正弦波である。正弦波は、約２４度の周期で繰り返される。正弦波の上限値は１である。正弦波の下限値は０である。変調関数は、正弦項（ｔｅｒｍ）を含むため、磁極片回転子２２０の半径方向最外面に示される磁束は、単に６次高調波でない複数の高調波構成要素を有する。図８に示された場合、構成要素の１つは６次高調波である。以下で説明するように、他の構成要素は９次高調波である。したがって、磁極片回転子２２０の半径方向最外面における磁場は６極対成分及び９極対成分を有する。

【0091】

図８を参照して説明された変調関数は、次の方程式に示される。

【0092】

【数2】

【0093】

ここで、ω_{ｐｏｌｅｓ}は磁極片回転子２２０の回転速度をラジアン毎秒で示す。θはラジアン単位の磁極片回転子２２０の軸周りの角度位置であり、ｔは時間（秒）である。

【0094】

上述したように、磁極片回転子２２０の半径方向最外面に示される磁束パターンは、内部回転子２３０によって提供された磁束と変調機能の積である。

【0095】

したがって、磁極片回転子２２０の半径方向最外面に示される磁束のパターンは次の式に表現される。

【0096】

【数3】

【0097】

ここで、Ｂはテスラ単位における磁束密度である。θはラジアン単位における内部回転子２３０軸周りの角度位置であり、ω_{ｉｎｎｅｒ}はラジアン毎秒における内部回転子２３０の回転速度である。式（３）は、磁束密度の様々な高調波構成要素を表示するために次の標準三角法を用いて拡張される。

【0098】

【数4】

【0099】

式（３）の拡張された形態は次のとおりである。

【0100】

【数5】

【0101】

したがって、式（５）に定義されるように、磁極片回転子２２０の半径方向最外面に示される磁束は、３つの三角関数項（ｔｒｉｇｏｎｏｍｅｔｒｉｃ ｔｅｒｍｓ）が存在するため３つの高調波構成要素を有し、これは、６次の高調波次数に対応する最初の項、２４次の高調波次数に対応する２番目の項、９次の高調波次数に対応する３番目の項である。三つの構成要素の相対的な大きさは、各三角関数の項の前にあるスカラーにより示される。この場合、９次高調波（１／２）の大きさは６次（１／４）、及び２４次（１／４）高調波の大きさよりも大きい。６次及び２４次高調波の大きさは同一である。

【0102】

図９は、式（５）と関連して説明された磁束の高調波成分を示すグラフである。説明したように、これは、図８及び式（２）を参照して説明された変調関数の適用の結果として、磁極片回転子２２０の半径方向最外面に示される磁束である。グラフのｙ軸は高調波の大きさである。ｘ軸は高調波次数である。式（５）と共に、６次、９次、及び２４次高調波に対するグラフにピークが表示される。また、式（５）と共に、磁束の９次の高調波次数の大きさは、６次及び２４次高調波の大きさよりも大きい。磁束の２４次の高調波次数の大きさは、６次の高調波次数の大きさと同一である。６次、９次及び２４次の高調波次数は、それぞれ６、９、及び２４極対を有する磁場に対応する。

【0103】

実質的に、磁束密度の様々な高調波構成要素の相対的な大きさは図９に示す関係、及び式（５）で説明した関係とは異なる。これは、相対的大きさが機械２００の構成要素２１０，２３０，２４０間のエアギャップの大きさ、永久磁石２３３の大きさ、永久磁石２３３の形状、磁極片２２２の大きさ、及び磁極片２２２の形状に依存する。２４次の高調波次数のような高次高調波は、一般的に低次高調波よりも低い磁界浸透の深さ値を有しているため、様々な高調波構成要素の相対的な大きさも図９に表示された関係と式５に説明された関係とは異なる。したがって、高次高調波は、低次高調波よりも磁束生成部材から短い距離で効率よく消滅する可能性がある。すなわち、高次高調波の大きさは、低次高調波よりもエアギャップを横切ってより急速に減少する。

【0104】

機械２００は、固有のギア比（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｇｅａｒ ｒａｔｉｏ）を有する。固有のギア比は、内部回転子２３０の他方、前記磁極片回転子２２０及び第１巻線セット２５０によって設定された磁場は固定状態を維持するとき、内部回転子２３０、磁極片回転子２２０及び第１巻線セット２５０によって設定された磁場のうち任意の２つの間の速度比により定義される。この実施形態において、機械２００の固有のギア比は、永久磁石２３３によって設定された磁場内の極対の数に対する磁極片２２２の数の比である。当業者に明白なように、この実施形態において、機械２００の固有の比（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｒａｔｉｏ）は１５／９である。したがって、単の一例として、電気機械２００が固有の比として動作するとき、磁極片回転子２２０の速度及び入力トルクがそれぞれ１０００ＲＰＭ及び１００Ｎｍであれば、内部回転子の速度及び出力トルク２３０は、１６６７ＲＰＭ及び６０Ｎｍになる。

【0105】

他の実施形態（ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔｓ）において、機械２００は、異なる固有の比を有する。本明細書で、トルク比は、機械２００に入力されるトルクと機械２００から出力されるトルクとの間の比率である。本明細書で、速度比は、出力速度と入力速度との間の比率である。

【0106】

動作モード
次に図２を参照して、電気機械２００の一部の動作モードについて説明する。

【0107】

全てのモードにおいて、第１巻線セット２４０及び第２巻線セット２５０のそれぞれは各モータドライバ（図示せず）に接続されている。当業者が理解するように、モータドライバは、巻線に供給される電流の大きさ、周波数、及び形状因子（ｆｏｒｍ ｆａｃｔｏｒ）（すなわち、波形の形状）を設定するために使用される。以下の動作モードで、各ドライバは、適切な振幅と周波数で巻線セットに電流を供給するためのものである。各ドライバは、３相１２０度の変位電流をそれぞれの巻線セットに提供する。電流の周波数は、内部回転子２３０の回転速度に同期している。コントローラ（図示せず）は、ドライバに命令を提供する。各ドライバには、ドライバの各巻線セットに供給される電流の特性に対する指示が提供される。各巻線セット２４０、２５０の電流を互いに独立して制御することで、固定子２１０、磁極片回転子２２０、及び内部回転子２３０の間の速度比及びトルク比は、独立的に制御される。

【0108】

他の実施形態において、各ドライバは、その巻線セットにそれぞれ印加される電流の形態をさらに設定する。電流の形状は、電流が実質的に正弦波、実質的に矩形波、又は実質的に複素波になるように制御される。他の形態の電流も使用されてもよい。

【0109】

１つの動作モードで、電気機械２００は、純粋な電気モータモードとして動作する。このモードでは、速度及びトルク比も変わらない。このモードは、電気機械２００内の様々な磁場がどのように相互作用するかを理解しやすくするために説明される。

【0110】

このモードで、電流は、第２巻線セット２５０に供給される。巻線２５０は、９極対を有する磁場を生成する。この磁場は、固定子２１０と磁極片回転子２２０との間のエアギャップで生成される。したがって、この磁場の該当磁束は、基本的な９次高調波を有する。当業者が理解するように、第２巻線セット２５０によって生成された磁場は内部回転子２３０によって提供され、磁極片回転子２２０の半径方向最外面に示される磁場の９次高調波に固定される。

【0111】

このモードの動作方式では、第２巻線セット２５０における位相角及び電流の大きさは、第２巻線セット２５０によって生成された磁場が永久磁石２３３によって設定された磁場を「先に進む（ｌｅａｄ）」ように制御される。すなわち、第２巻線セット２５０の電流は、第２巻線セット２５０によって生成された磁場が内部回転子２３０によって提供された磁場に先に機械の周りに回転するよう制御される。すなわち、内部回転子２３０によって提供された磁場は、第２巻線セット２５０によって生成された磁場に追いつこうと試みる。磁場間の非ゼロ位相角は、内部回転子２３０に伝えられるトルクを起こす。内部回転子２３０へのトルクの伝達で内部回転子２３０が第１方向に回転するようにする。その結果、動力は、９次高調波を介して固定子２１０と内部回転子２３０との間で伝えられる。本発明の一実施形態に係る第１動作モードでは、電気機械２００は「電力均衡（ｐｏｗｅｒ ｂａｌａｎｃｅ）」モードとして動作するように制御される。有利には、このモード及び実際に後述する全ての動作モードにおいて、電気機械２００の構成要素間のトルク比が変化される。

【0112】

第１モードでは、電気機械２００に供給された総電力がゼロになるよう速度比とトルク比は互いに対して反比例に変わる。したがって、有利なことに、機械から電力が除去されないため、機械２００から除去された電力を機械的駆動トレインに復帰させるために別途の牽引モータ（ｔｒａｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ）を有する必要がない。したがって、はるかに簡単化、軽量化、安価化、小型化されたパワートレインが提供される。次に、第１モードにおける電気機械２００の第１動作モードについて詳細に説明する。

【0113】

第１モードでは、電流は第１巻線セット２４０に印加される。上述したように、第１巻線セット２４０の巻線パターンは６回繰り返され、このように磁場は、固定子２１０と磁極片回転子２２０との間のエアギャップで６極対に生成される。該当磁束は、基本的な６次高調波を有する。当業者が理解するように、第１巻線セット２４０によって生成された磁場は、磁極片回転子２２０の外周に示される変調された永久磁石磁場の６次高調波に固定及び／又は相互作用する。

【0114】

第１モードでは、機械的パワーは磁極片回転子２２０を介して電気機械２００に入力される。磁極片回転子２２０は、入力軸に連結される。入力軸は、従来におけるエンジン又は他の原動機に接続されて駆動される。第１巻線セット２４０における電流の周波数は、それが生成している磁場が固定的に維持されるよう（すなわち、回転しないように）制御されることができる。磁極片回転子２２０を回転させると、９極対を有する磁極片回転子２２０の半径方向内側面に回転磁場が発生する。回転磁場は、磁極方２２２による６極対磁界の変調（第１巻線セット２４０によって生成）によって生成される。当業者が理解するように、永久磁石２３３により生成された回転磁場及び磁場は全９極対を有するため、回転磁場は、内部回転子２３０上の永久磁石２３３を回転させるように作用する。その結果、２つの磁界は互いに固定され、磁極片回転子２２０を介して機械２００に入力される全ての損失を除いた全ての動力が内部回転子２３０に伝えられる。その結果、トルクは、第１巻線セットによって生成された磁場からの６極対を９極対に「変換（ｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ）」させる磁極片による６次及び９次高調波間の相互作用を介して内部ポーターに伝えられる。第１巻線セット２４０によって生成された磁場が固定されているため、内部回転子２３０は、一定の速度比で回転される。これは当業者に明らかなように、この場合に速度比は、機械の固有のギア比によって完全に定義される。また、内部回転子２３０は、一定のトルク比で回転される。以下で説明されたように、トルク比は機械の固有のギア比によって完全に定義される。

【0115】

しかし、第１巻線セット２４０によって生成された磁場は、第１巻線セット２４０内の電流の周波数を変化させることで回転させることができる。これは、電気機械２００内の構成要素間の速度比が機械の固有のギア比から既知の方式により変化するようにする。しかし、トルク比は固定されたまま維持されるが、その理由は、図１に示す磁気歯車を参照して上述したように、トルクがこのような方式により部材間で伝えられるとき、トルク比は、本質的に機械の幾何学的形状（機械の固有のギア比）によって定義される。その結果、電力は機械に出入りする。電力の流れる方向は、機械の正確な動作条件により決定される。例えば、速度比が増加すると、電力は第１巻線セット２４０を介して機械に流れるようになる。しかし、速度比が減少すると、電力は第１巻線セット２４０を介して機械から流出される。有利には、第１モードでは、第２巻線セット２５０に電流が印加され、同じ正の電力が第２巻線セット２５０を介して機械に流入又は流出される。これは、第１巻線セット２４０を介して機械２００に出入りする電力の均衡を合わせる。電力の流れは、第２巻線セット２５０に電流を印加して９次高調波を介して内部回転子２３０に直接トルクを伝達することでバランスをとる。９次高調波を介して内部回転子２３０に印加されたトルクは、６次及び９次高調波間の相互作用を介して伝えられるトルクとは無関係である。その結果、機械２００内の構成要素間のトルク比は、これ以上固定されない。代わりに、機械２００内の構成要素間のトルク比は、機械２００に供給される総電力がゼロになるよう速度比が減少して反比例して変化する。結果的に、速度比とトルク比は、機械の固有非によってこれ以上完全に定義されない。

【0116】

第２動作モードでは、他の実施形態によれば、電気機械２００は、「電力ブーストモード（ｐｏｗｅｒ ｂｏｏｓｔ ｍｏｄｅ）」として動作する。このモードで、内部回転子２３０上のトルクは、固有の比（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ ｒａｔｉｏ）で発生するトルク以上に増加する。上述したように、機械２００への正味電力の流れは速度比に依存する。固有の比によって定義されたよりも大きい場合、すなわち、速度比が増加するとき内部回転子２３０上に出力速度を与える速度比の場合、第１巻線セット２４０に供給される電力は正（ｐｏｓｉｔｉｖｅ）である。これは、電力がドライバから電気機械に流れているためである。内部回転子２３０の出力トルクを増加させるために、第２巻線セット２５０も正の電力の流れに動作し、内部回転子２３０にモータトルクを提供する。機械２００に供給される総電力は、これら２種類の肯定的な寄与の和である。逆に、固有の比で生じる速度よりも低い出力速度を提供する速度比に対して、すなわち、速度比が減少するとき、第１巻線セット２４０は機械２００からドライバに電力を復帰させる。しかし、内部回転子２３０のトルクを増加させるために、内部回転子２３０にモータトルクを提供するために第２巻線セット２５０は正の電力の流れとして動作する。機械２００に供給された総電力は、これら２種類の競争寄与の和であり、正味で正（ｎｅｔ ｐｏｓｉｔｉｖｅ）又は負又はゼロであってもよい。機械２００に供給された総電力が正味ゼロ（ｎｅｔ ｚｅｒｏ）であれば、機械２００は前述した第１動作モードで動作する。

【0117】

つまり、電力ブーストモード（ｐｏｗｅｒ ｂｏｏｓｔ ｍｏｄｅ）では、磁束の６次及び９次高調波構成要素間の相互作用を介して伝えられる機械の機械的電力出力量は、本質的に電力で補充される（正味電力機械２００は、説明したように負であってもよい）。余分電力は、第２巻線セット２５０を介して機械２００に供給される。

【0118】

第２モードにおける動作中に、トルクは、第１モードのように６次及び９次高調波間の相互作用を介して機械２００の構成要素間で伝えられる。また、第１モードと同様に、構成要素間の速度比は、第１巻線セット２４０の周波数を変化させることによって変更される。その動作に加えて、電流は第２巻線セット２５０に印加される。このモードで、位相角及び第２巻線セット２５０への電流の大きさは、９次高調波のみを介して内部回転子２３０にトルクを伝達するように制御される。当業者が理解するように、位相角及び電流の大きさは、９次高調波を介して内部回転子２３０に伝えられるトルクの量を変化させるように制御される。その結果、６次高調波と９次高調波との間の相互作用を介して内部回転子２３０に伝えられたトルクは、９次高調波を介して内部回転子２３０に伝えられたトルクによって補充され、電力ブーストモードを提供する。

【0119】

第３動作モードでは、他の実施形態によれば、電気機械２００は、「発電（ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）」モードで動作する。これは、電力ブーストモードの逆である。この実施形態において、固定子２１０上の巻線を介して機械２００に供給される電力量を増加させたり、機械２００に供給される順電力量を減少させたりするために、トルク比が内部回転子２３０上のトルクを減少させるように変化する。

【0120】

このモードにおける動作中に、トルクは、第１モードのように６次及び９次高調波間の相互作用を介して機械２００の構成要素の間で伝えられる。電流は第２巻線セット２５０に供給され、この電流は、電気機械の構成要素間の全体トルク比を減少させるように制御される。「脱落した（ｍｉｓｓｉｎｇ）」トルクは、第２巻線セット２５０を介して電気エネルギーとして機械２００の外部に伝えられる。第２動作モードのように、第１巻線セット２４０からの電力寄与は、機械２００の速度比に依存する。内部回転子２３０が固有の比で観察されるものよりも速く回転するような速度比であれば、正の電力が自然に第１巻線セット２４０に供給される。このモードで、第２巻線セット２５０の電流は、内部回転子２３０上のトルクを減少させるように配置され、電力が第２巻線セット２５０を介して復元される。第２巻線セット２５０を介して復帰した電力が第１巻線セット２４０に供給された電力よりも大きいとき、機械２００の正味電力は負の電力発電となる。内部回転子２３０の速度が固有の比で観察される速度よりも遅い速度比に対して、第１巻線セット２４０も電力を復帰させる。第２巻線セット２５０の電流は、内部回転子２３０上のトルクを減少させるように配置されているため、電力も第２巻線セット２５０を介して復元される。その結果、機械２００は、巻線２４０及び２５０の両方のセットから電力を発電するようになる。

【0121】

上記の説明は、理想的な無損失システムについて与えられていることに留意しなければならない。当業者は、実際に、常に電力損失があることを理解するのであろう。特に、発電モードにおける低電力条件において、電力損失は、ドライバに戻される電力よりも大きい場合もあり、結果的に、システムは電力を戻すことができない場合もある。

【0122】

第３モードにおける１つの動作方式で、磁極片回転子２２０における機械的動力入力は一定に維持され、内部回転子２３０における機械的動力出力はトルク比を減少させることによって減少される。

【0123】

第３モードにおける他の動作方式で、磁極片回転子２２０において機械２００に入力された全ての機械的パワーは、電気エネルギーに変換される。この場合、内部回転子２３０に伝えられた正味トルクはゼロである。

【0124】

つまり、電気機械２００の主な利点は、機械２００内の構成要素間のトルク及び速度比が変化することができ、これらは互いに独立的に変わることができるということである。これは、トルクが独立的に制御可能な２つの高調波（６次及び９次）を介して内部回転子２３０に伝えられることができるためである。その結果、電気機械が駆動トレインの一部を形成するとき、電気機械２００が車輪（ｗｈｅｅｌ）のトルク要件及び速度要件の両方を満足させることができるため、第２電気機械２００に対する必要性が軽減される。

【0125】

図１０は、第１巻線セット２４０の磁気原動力の可変値に対する第２巻線セット２５０の磁気原動力とシステムギア比との間の関係を示すグラフを示す。磁気原動力は磁場を発生させる巻線の特性である。磁気回路の磁気原動力は、電気回路の電圧と同等に見なすことができる。それは、巻線回数（ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｗｉｎｄｉｎｇ ｔｕｒｎｓ）と巻線電流の関数である。第１巻線セット２４０の所定の磁気原動力に対して、第２巻線セット２５０の磁気原動力を変化させることは、制御された方式によりシステムギア比を変化させるため、グラフは、第２巻線セット２５０の電流がシステムギア比を制御するために使用され得ることを示す。

【0126】

代替実施形態では、第１巻線セット２４０によって設定された磁場と永久磁石２３３によって設定された磁場との間の位相角は、機械に印加されたトルクの方向を変えるために変化される。

【0127】

代替実施形態では、第１巻線セット２４０の電流は、システムギア（速度）比を制御するために用いられる。これはまた、図１０に示されたように、これは第２巻線セット２５０の所定の磁気原動力に対して第１巻線セット２４０の磁気原動力を変化させることで、システムギア（速度）比を変化させることを示す。要するに、第１巻線セット２４０又は第２巻線セット２５０の巻線のうち１つの固定された磁気原動力の場合、他のセットの磁気原動力はシステムギア（速度）比を変更するために使用される。これは、固定された磁気原動力を有する巻線セットが固定されたトルク寄与度を提供するが、可変的な磁気原動力を有する巻線セットは可変的なトルク寄与度を提供する。したがって、システムギア（速度）比が変更される。いずれかのセットにおける磁気力の大きさは、巻線の各セットで電流の振幅を制御することによって制御される。

【0128】

本発明の開示の実施形態で他のいずれかのモードに応じて使用され得る更なる動作モードでは、第１又は第２巻線セット２４０，２５０のうち１つの電流は、永久磁石２３３と共に第１又は第２巻線セット２４０，２５０の磁気結合を増加（ｂｏｏｓｔ）及び／又は抑制（ｓｕｐｐｒｅｓｓ）するように制御される。特に、この効果は後述されるが、第１又は第２巻線セットのうち１つの電流の位相角及び振幅を制御することによって達成される。後述するように、電流を制御することにより第１又は第２巻線２４０，２５０のうち他の１つと相互作用する永久磁石２３３の磁場は増加又は抑制される。電流は、また、機械２００の特定部分で磁束密度を増加又は減少させたり、及び／又は機械の磁気飽和を減少又は増加させたりすることによって回路の磁気抵抗を減少又は増加させるために制御される。

【0129】

例えば、第１巻線セット２４０及び内部回転子２３０によって生成された磁場間で伝えられるトルクに影響を及ぼすために、第２巻線セット２５０内の電流は、永久磁石２３３によって生成された磁場を増加及び／又は抑制するように制御される。１つの動作モードで、第２巻線セット２５０における電流は、磁場と永久磁石２３３によって生成された磁場間の位相角が０度又は１８０度になるよう制御される。両方の場合において、ゼロトルクが第２巻線セット２５０によって生成された磁場と永久磁石２３３によって生成された磁場との間で伝えられる。これは、トルクが位相角のサイン（ｓｉｎｅ）に比例するためである。しかし、第２巻線セット２５０によって生成された磁場は、内部回転子２３０と磁極片回転子２２０との間のエアギャップ内に依然として存在する。結果的に、エアギャップ内の磁場は、第２巻線セット２５０によって生成された磁場と永久磁石２３３によって生成された磁場の和である。したがって、第１巻線セット２４０により生成された磁場と永久磁石２３３によって生成された磁場との間で伝えられる最大トルクがエアギャップ内の磁場の振幅に依存するため、エアギャップ内の磁場を増加及び／又は抑制することによって、これらの２つの磁界間で伝えられる最大トルクが増加及び／又は減少する。言い換えれば、永久磁石２３３によって発生した磁場を増加及び／又は抑制することにより、永久磁石２３３によって生成された磁場は、第２巻線セット２５０によって生成された磁場と永久磁石２３３によって生成された磁場と間の位相角が０度であるとき増加（ｂｏｏｓｔｉｎｇ）する。永久磁石２３３によって生成された磁場は、第２巻線セット２５０によって生成された磁場と永久磁石２３３によって生成された磁場との間の位相角が１８０度であるとき抑制される。

【0130】

前述するように、逆に、第２巻線セット２５０及び内部回転子２３０によって生成された磁界間で伝えられるトルクに影響を及ぼすようにするため、第１巻線セット２４０の電流は、永久磁石２３３によって生成された磁場を増加及び／又は抑制するように制御される。これは、前述したように、磁極片回転子２２０と内部回転子２３０との間のエアギャップにおいて９極対を有する磁場を引き起こすため、第１巻線セット２４０（６極対を有する）によって生成された磁場は磁極片回転子２２０により変調される。１つの動作モードで、第１巻線セット２４０の電流は、この磁場と永久磁石２３３によって生成された磁場との間の位相角が０度又は１８０度になるよう制御される。場合の両方において、ゼロトルクが第１巻線セット２４０によって生成された磁場と永久磁石２３３によって生成された磁場との間で伝えられる。これは、トルクが位相角のサインに比例するためである。しかし、第１巻線セット２４０によって生成された磁場は、内部回転子２３０と磁極片回転子２２０との間のエアギャップ内に依然として存在する。したがって、エアギャップの合成磁場は、第１巻線セット２４０によって生成された磁場と永久磁石２３３によって生成された磁場の和である。したがって、第２巻線セット２５０によって生成された磁場と永久磁石２３３によって生成された磁場との間で伝えられる最大トルクがエアギャップ内の磁場の振幅に依存するため、エアギャップ内の磁場を増加及び／又は抑制することで、これらの２つの磁界間で伝えられる最大トルクが増加及び／又は減少される。言い換えれば、永久磁石２３３によって発生した磁場を増加及び／又は抑制することで、永久磁石２３３によって生成された磁場は、第１巻線セット２４０によって生成された磁場と永久磁石２３３によって生成された磁場と間の位相角が０度であるとき増加（ｂｏｏｓｔｉｎｇ）される。第１巻線セット２４０によって生成された磁場と永久磁石２３３によって生成された磁場と間の位相角が１８０°であるとき、永久磁石２３３によって生成された磁場は抑制される。

【0131】

代替固定子配置（Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ ｓｔａｔｏｒ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｓ）
固定子２１０は、デュアル高調波固定子（ｄｕａｌ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｓｔａｔｏｒ）の一例である。デュアル高調波固定子は、２つの互いに異なる極対構成要素、又は高調波を有する磁場を設定するために適切に巻線されたものである。デュアル巻線固定子は、２つの巻線を有している。本発明の開示において、巻線は、空間的及び時間的に変わる磁場を生成するための、電気機械の固定子の周りのコイル配置（ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）である。空間的及び時間的に変わる磁場は、時間により制御される電流の使用によって生成される。電流は、巻線の個別セクションで等しい必要はない。電流は、巻線の個別コイルで等しい必要はない。

【0132】

一実施形態において、電気機械２００の固定子２１０は、固定子２１０の固定子本体と構造的に類似の固定子本体を有する固定子に代替されるが、１つの巻線しか固定子本体の周りに配置されない。歯２１４の各歯は、巻線の単一コイルを保有する。動作時に、それぞれのコイルには自体の電力電子装置（ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）が提供される。各コイルには、個別的に制御可能な電流が適用される。固定子と磁極片回転子２２０との間のエアギャップで所望する磁界パターンが合成される。具体的に、各コイルに印加された電流は、その電力電子装置によって個別的に制御されて、６及び９極対構成要素を有するエアギャップ内に磁場を生成する。各コイルに印加された電流は、先に説明した方式でトルク及び速度比を変化させるように個々に制御される。

【0133】

次に、固定子２１０と磁極片回転子２２０との間のエアギャップに所望する磁場パターンを合成する方法について説明する。選択的に、マイクロ・プロセッサの形態を取る制御手段は、固定子２１０と磁極片回転子２２０との間のエアギャップで所望する磁場パターンを合成する方法を行うように配置される。まず、固定子２１０と磁極片回転子２２０との間のエアギャップで所望する磁場を発生させるＭＭＦパターンが算出される。上述したように、磁気原動力（ＭＭＦ）は、磁場を発生させる特定物質の特性である。本発明の開示において、固定子２１０上の１つ又は複数の巻線はＭＭＦを生成する。ＭＭＦ単位は、アンペアターン（ＡＴ）である。この実施形態で、固定子と磁極片回転子２２０との間のエアギャップでの所望する磁場パターンは、図２に示された前述した実施形態の第１巻線セット２４０と第２巻線セット２５０によって設定されたものである。したがって、固定子２１０と磁極片回転子２２０との間のエアギャップで所望する磁場を発生させる全体ＭＭＦパターンを決定するため、第１巻線セット２４０及び第２巻線セット２５０それぞれのＭＭＦパターンを算出することが適切である。

【0134】

ＭＭＦは、次の式により算出される。

【0135】

【数6】

【0136】

ここでＮは巻数であり、Ｉは回路の電流である。

【0137】

第１及び第２巻線セット２４０，２５０のそれぞれのコイルは、歯２１４のそれぞれの歯に既知の巻線回数を有する。したがって、式（６）を用いて、第１及び第２巻線セット２４０，２５０に対するそれぞれの巻線パターンに関する固定子２１０と磁極片回転子２２０との間のエアギャップ内のＭＭＦパターンが算出される。

【0138】

第１及び第２巻線セット２４０，２５０の３相のそれぞれにおける電流を考慮しなければならない。当業者が理解するように、任意の時間に、各位相の電流値は公示されており、図３及び図４にそれぞれ示された巻線パターンに適用され、それぞれ第１巻線セット２４０及び第２巻線セット２５０に対するＭＭＦパターンを算出することができる。

【0139】

電気機械２００で第１巻線セット２４０によって設定された磁場が０度であるとき、第１巻線セット２４０に対する結果的なＭＭＦパターンは図１１に示されている。図１１に示すｘ軸は、電気機械２００の軸を中心にした角度で位置する。図１１に示すｙ軸は、ＭＭＦの大きさを示す。図１１は、概略３６０度に６回繰り返される概略的な正弦波を示す。したがって、図１１は、第１巻線セット２４０に対するＭＭＦパターンの６極対特性を示す。第１巻線セット２４０によって設定された磁場が電気機械２００で他の角度に回転すればパターンは変化するが、６極対の本質は残る。

【0140】

電気機械２００で第２巻線セット２５０によって設定された磁場が０度であるとき、第２巻線セット２５０に対する合成されたＭＭＦパターンは図１２に示されている。図１２に示すｘ軸は、電気機械２００の周りの角度で位置する。図１２に示すｙ軸はＭＭＦの大きさを示す。図１２は、３６０度に９回繰り返される概略的な正弦波を示す。したがって、図１２は、第２巻線セット２５０に対するＭＭＦパターンの９極対特性を示す。第２巻線セット２５０によって設定された磁界が電気機械２００で他の角度に回転すればパターンは変化するが、９極対の本質は残る。

【0141】

第１巻線セット２４０及び第２巻線セット２５０の巻線に対する正味ＭＭＦパターンは、それぞれのＭＭＦパターンの和である。一旦合算されれば、合算されたＭＭＦパターンは、それぞれ６次及び９次極対構成成分及び各構成成分に分解され、独立的に相互作用する。

【0142】

図１３は、図１１及び図１２に関して前述した第１巻線セット２４０及び第２巻線セット２５０に対するＭＭＦパターンを同一軸上に重ねて示す図である。ｘ軸とｙ軸は、図１１及び１２に示す通りである。

【0143】

図１４は、図１１及び図１２に関して前述した第１巻線セット２４０及び第２巻線セット２５０に対するＭＭＦパターンの和を示す。ｘ軸とｙ軸は、図１１及び１２に示す通りである。図１４は、所定の時間で固定子２１０と磁極片回転子２２０との間のエアギャップで所望する磁場を発生させる正味ＭＭＦパターンを示す。図１４に示されたパターンは、第１巻線セット２４０及び第２巻線セット２５０それぞれによって設定された磁場の構成成分が電気機械２００で他の角度に回転するにつれて変わる。第１巻線セット２４０及び第２巻線セット２５０それぞれによって設定された磁場の構成成分は、同一方向又は互いに異なる方向に回転する。第１巻線セット２４０及び第２巻線セット２５０によって設定された磁場の構成成分の相対的な大きさは、電気機械２００の動作要求に適するように変化し得る。

【0144】

固定子２１０と磁極片回転子２２０との間のエアギャップで所望する磁場を発生させるＭＭＦパターンが上記で説明された方式により算出されれば、パターンの高調波成分（ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｏｎｔｅｎｔ）は、当業者に既知の方式で高速フーリエ変換（ＦＦＴ）アルゴリズムを用いて算出される。図１４に示されたＭＭＦパターンの高調波成分が図１５に図示されている。予想通り、図１５は、６次及び９次高調波のピークを示す。このピークは、それぞれ６及び９極対に該当する。

【0145】

固定子２１０と磁極片回転子２２０との間のエアギャップで所望する磁場を発生させるＭＭＦパターンを決定した後、それらが同一又は実質的に類似のＭＭＦパターンを生成することができれば、代替の巻線アクセス法が採択され得る。このような代替的な巻線アクセス法の１つは、電気機械２００の固定子２１０が固定子本体の周りに１つの巻線のみが配置されるが、固定子２１０の固定子本体と構造的に類似の固定子本体に代替される本実施形態の巻線方式である。歯２１４の各歯は、巻線の単一コイルを保有する。動作時に、各コイルには、コントローラを含むそれ自体の電源電子装置が提供される。それぞれのコントローラは、固定子２１０と磁極片回転子２２０との間のエアギャップで所望する磁場を発生させるＭＭＦパターンをもたらすために、そのコイルのＭＭＦ寄与度を決定する。そのために、各コントローラは、６次及び９次高調波で要求されるＭＭＦ寄与度を決定する。それらを合計する。そして、それぞれのコイルに対応する電流レベルを制御する。

【0146】

そのために要求される算出は、図３及び図４に示す巻線パターンから明らかである。例えば、図３に示された６極対巻線のスロットには「Ｕ＋Ｕ＋」が含まれている。したがって、コントローラは、回転子位置からＵ＋Ｕ＋に必要な位相電流を算出する。この実施形態で、第１スロットのコイルは、図４に示された９極対の巻線の第１スロットからの「Ｕ＋」をさらに含む。６極対構成要素のＵ＋は、９極対要素のＵ＋と関連がない。したがって、コントローラは、９極対構成要素のＵ＋に必要な位相電流をさらに算出する。したがって、最初のスロットでコイルに供給されなければならない総電流は、６極対構成要素のＵ＋Ｕ＋に必要な電流と、９極対構成要素のＵ＋に必要な電流とを合算して算出される。このような方式により、各コントローラは、６次及び９次高調波で要求されるＭＭＦ寄与度を決定する。それらを合算する。そして、そのそれぞれのコイルに対応する電流レベルを制御する。

【0147】

他の実施形態において、電気機械２００の固定子２１０は、構造的に類似の固定子本体を固定子２１０の固定子本体に代替する固定子に代替されるが、１つの巻線しか固定子本体の周りに配置されない。動作時に、巻線に電流が印加される。前述した方式で、電流は、コントローラによって合成されて固定子と磁極片回転子２２０との間のエアギャップで所望する磁界パターンを生成するようにする。具体的に、印加された電流は、６極対及び９極性構成成分を全て有しているエアギャップで磁場を設定するために合成される。

【0148】

この実施形態の一例として、１つの巻線のコイルは、固定子２１０と磁極片回転子２２０との間のエアギャップで所望する磁界パターンに要求されるＭＭＦパターンの対称性を用いるため、「位相（ｐｈａｓｅｓ）」にグループ化される。１つの巻線のコイルは、電気機械２００内の１つの巻線によって設定された磁場の全ての位置に対して、同一の要求されるＭＭＦを有するコイルとグループ化される。この場合、巻線は１８相に形成され、それぞれは電気機械２００の空間で同一に変位された３つのコイルを有する。これは、３が６と９の最小公約数であるためである。固定子と磁極片回転子２２０との間のエアギャップで所望する磁界パターンに必要なＭＭＦパターンの３方向対称が図１４に図示されており、これは、ＭＭＦパターンが電気機械２００の軸の周りに３回繰り返すことを示す。

【0149】

代替実施形態では、任意の数の巻線が固定子の周りに配置され、多相電流を印加することができる。巻線又は巻線に印加される電流は非正弦波であるか、又は、複数の重複正弦波の曲線を含み得る。

【0150】

代替動作方法（Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）
一実施形態では、トルクを伝達するために用いられる電気機械２００内の磁束の２つの高調波は、第１実施形態の電気機械２００で使用される高調波と異なるが、電気機械の当業者であれば理解されるように、このような変形が可能である。例えば、２次及び５次高調波を使用してもよい。当業者にわかるように、２つの高調波が機械内で互いに結合しないように選択されなければならない。

【0151】

一実施形態では、内部回転子２３０上の永久磁石２３３は、永久磁石２３３によって提供される磁場と実質的に同じ特性を有する磁場を生成するよう配置された巻線に代替される。電気機械、そのような変更は、当業者に理解し得る。

【0152】

一実施形態では、変調永久磁石磁場に存在する高調波及び高調波の相対的及び絶対的な大きさは、磁極片２２２の設計を修正することによって変形され、これは当業者に明らかであろう。

【0153】

一実施形態では、それぞれの巻線セットに関する磁束に存在する各高調波の大きさは、それぞれの巻線に利用可能なスロット２１６の面積量を調整することによって変化される。

【0154】

一実施形態の電気機械２００は、固定子巻線内の電流を制御することによって電力を加算及び／又は減算できるＣＶＴシステムである。電流制御は、コントローラを用いて行うことができる。

【0155】

一実施形態において、２つの３相インバータは、第１及び第２巻線セット２４０，２５０に電気的に接続される。他の実施形態において、１つのインバータは、第１及び第２巻線セット２４０，２５０の両方に電気的に接続される。

【0156】

応用（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）
一実施形態において、電気機械２００は、風力タービンのパワートレインに用いられる。

【0157】

一実施形態において、電気機械２００は、車両のパワートレインに使用され、１つ以上の補助構成要素に電力を供給する。有利には、このような構成要素は、前述した純粋な電気モードで電気機械２００によって動力を供給され得る。補助構成要素は、油圧圧縮システム、空気圧縮システム、２次ポンプシステム及び／又は空調圧縮機のうちの１つ以上を含んでもよい。

【0158】

一実施形態において、電気機械２００は、主電源に接続され、変速ドライブとして用いられる。例えば、電気機械２００は、産業機械（ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ）に電力を供給するために使用される。産業機械は、ポンプ、粉砕及び／又は製粉作業のうち少なくとも１つを行うように配置された機械装置を含み得る。

【0159】

一実施形態において、電気機械２００は、海洋推進パワートレイン（ｍａｒｉｎｅ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｉｎ）に用いられる。海上運送手段が岸に近いときには、純粋な電気モードで動力の供給を受けることが環境上の理由から有利である場合が多い。上述したように、電気機械２００は、純粋な電気モードで船舶用推進装置に動力を供給するために使用される。有利には、電気機械２００は、また、エンジンが走行している状態でプロペラが水中に落下したとき、プロペラ上にトルクが突然導入されることに対して強い。少なくとも電気機械２００が前述したモードを用いてプロペラ軸上のトルクがエンジン軸に伝えられることを回避するよう管理することができるためである。

【0160】

電力変換（ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）
上述したように、既知の混合型電気ハイブリッドパワートレインシステム（図示せず）は、２つの電気機械（これも図示せず）を含む。この場合、それぞれの電気機械２００は、専用のインバータを備える。各インバータは、ＤＣをＡＣに変換する。ＤＣは、車両のＤＣリンクに供給される。ＤＣリンクは、２つのインバータに連結されて２つのインバータ間に電源が流れるようにし、２つの電気機械間に電源が流れるようにする。ＤＣリンク電圧は、一般的に大きさが変わり得る。２つの電気機器の効率にとって潜在的に有益であるが、ＤＣリンクの電圧変化は、ＤＣリンクと車両のエネルギー貯蔵システムとの間にＤＣ／ＤＣコンバータを使用することを必要とする。電力が希望する電圧でエネルギー貯蔵システムに流入及び流出するために、そのようなＤＣ／ＤＣコンバータが必要である。記述された従来のシステムは、「２インバータシステム（ｔｗｏ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍ）」と呼ぶことができる。

【0161】

本発明の開示の実施形態において、電気機械２００は、混合型電気ハイブリッドパワートレインシステムの一部である。上述したように、有利には、電気機械２００が混合型電気ハイブリッドパワートレインシステムに採用されるとき、第２電気機械２００をシステムから除去することができる。

【0162】

本発明の開示の実施形態において、２つのＡＣ／ＤＣコンバータが電気機械と共に用いられる。第１巻線セット２４０に電流を供給する１つのインバータと、他のインバータは、第２巻線セット２５０に電流を供給する。このような実施形態が図１６に図示されている。図１６は、エネルギー貯蔵システム、例えば、バッテリがＤＣ／ＤＣコンバータに電気的に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータは、ＤＣリンクに電気的に接続される。ＤＣリンクは、２つのインバータに電気的に接続される。インバータのうちの１つは、第１巻線セット２４０のような第１巻線に電気的に接続され、インバータのうち他方の１つは、第２巻線セット２５０のような第２巻線に電気的に接続される。

【0163】

他の実施形態において、２つのインバータが除去され、第１及び第２巻線セット２４０，２５０は、ＡＣ／ＡＣコンバータを介して電気的に接続される。したがって、機械間のＤＣリンクのための必要性がなく、ＤＣ／ＤＣリンクは除去される。ＡＣ／ＡＣコンバータは、マトリックスコンバータになり得る。このような実施形態が図１７に図示されている。この図は、エネルギー貯蔵システム、例えば、バッテリはＡＣ／ＤＣコンバータに電気的に接続される。ＤＣ／ＡＣコンバータは、バッテリのＤＣ電流をＡＣ電流に変換する。ＡＣ電流は、ＡＣ／ＡＣコンバータに供給される。ＡＣ／ＡＣコンバータは、第１及び第２巻線セット２４０，２５０の全てに電気的に接続される。有利なことに、そのような配置はＤＣリンクがないため、ＤＣリンク上の容量を柔軟にする必要性を回避することができる。より有利には、上述したように、２つのインバータが除去される。したがって、このような配置は、大きさの減少により低コストのコンバータ設計をもたらす。その結果、車両駆動トレインの重量、大きさ、コスト、及びその他の関連要素が減少し得る。

【0164】

代替実施形態において、「生産された（ｐｒｏｄｕｃｅｄ）」及び「生産する（ｐｒｏｄｕｃｅｓ）」という単語は、「設定する（ｓｅｔ ｕｐ）」及び「設定する（ｓｅｔｓ ｕｐ）」という単語に代替される。

【0165】

代替実施形態において、本発明の開示で説明された実施形態は、当業者が理解されるように適切な変更を加える線形磁界機械及び／又は軸方向磁界機械のうち少なくとも１つにおいて使用される。

【0166】

明らかな技術的な不互換性なく可能であれば、本明細書に開示された他の実施形態の特徴は、更なる実施形態において組み合わされてもよく、一部の特徴は任意に省略されてもよい。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】