特表 2024-509201 ＡＣ及びＤＣロータコイルを備えた電気機械内での無線電力伝送

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-02-29

(54)【発明の名称】ＡＣ及びＤＣロータコイルを備えた電気機械内での無線電力伝送

(51)【国際特許分類】

   H02K 19/36 20060101AFI20240221BHJP

   H02K 19/26 20060101ALI20240221BHJP

   H02P 25/02 20160101ALI20240221BHJP

【ＦＩ】

H02K19/36 A

H02K19/26

H02P25/02

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023553609

(86)(22)【出願日】2022-03-04

(85)【翻訳文提出日】2023-10-30

(86)【国際出願番号】 US2022019041

(87)【国際公開番号】W WO2022187715

(87)【国際公開日】2022-09-09

(31)【優先権主張番号】63/157,563

(32)【優先日】2021-03-05

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】520456860

【氏名又は名称】タウ モーターズ，インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100134832

【弁理士】

【氏名又は名称】瀧野 文雄

(74)【代理人】

【識別番号】100165308

【弁理士】

【氏名又は名称】津田 俊明

(74)【代理人】

【識別番号】100115048

【弁理士】

【氏名又は名称】福田 康弘

(72)【発明者】

【氏名】ペニントン ウォルター ウェズリー サード

(72)【発明者】

【氏名】スウィント イーサン バジェット

(72)【発明者】

【氏名】スティーヴンソン グレゴリー ゴードン

(72)【発明者】

【氏名】ダ コスタ アンソニー

(72)【発明者】

【氏名】オーウェン マイケル パーカー

(72)【発明者】

【氏名】ルビン マシュー ジェイ．

(72)【発明者】

【氏名】プラインドル マティアス

【テーマコード（参考）】

5H505

5H619

【Ｆターム（参考）】

5H505DD05

5H505EE30

5H505HA05

5H505HA16

5H505HB01

5H619BB06

5H619BB08

5H619PP02

5H619PP12

5H619PP32

5H619PP33

5H619PP35

5H619PP36

(57)【要約】

ステータは、関連するステータ巻線を備えた複数のステータ極を画定する。ロータは、強磁性材料を備えた関連する歯を備えた複数の固定ロータ極を画定する。固定ロータ極は、実質的にステータによってエネルギーを与えられるように構成された関連するロータ巻線を有する。ロータ巻線のそれぞれが歯に関連付けられている。ロータ巻線のそれぞれは、ステータに流れるＡＣ電流によって誘導されるＡＣ電流を流すように構成された交流（ＡＣ）コイル（又は補助コイル）を含む。直流（ＤＣ）コイル（又は一次コイル）は、ステータ巻線によって生成される磁界によって励磁可能なロータ磁界を画定し、ロータとステータの間に相対力を生成する。ＤＣコイルは、ＡＣコイルによって少なくとも部分的に電力供給又は制御される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

通電されてステータ極を画定するように構成されたステータ巻線を含むステータと、
強磁性材料を含む関連する複数の歯を有する固定ロータ極を画定するように通電されるように構成されたロータ巻線を含むロータであって、前記固定ロータ極は前記ステータ極と相互作用して、前記ロータと前記ステータとの間に相対力を生成し、前記ロータ巻線のそれぞれは、前記複数の歯のうちのそれぞれの少なくとも１つの歯と関連付けられ、前記ロータ巻線のそれぞれは、前記ステータに流れるＡＣ電流によって誘導される第１の電流を流すように構成された補助コイルと、前記固定ロータ極のそれぞれを画定する第２の電流を流すように構成された一次コイルとを含む、ロータと、
前記ロータ巻線の第１のロータ巻線の前記補助コイル及び前記一次コイルに電気的に結合され、前記第１のロータ巻線の前記補助コイルに誘導される前記第１の電流を受け取り、前記補助コイルに誘導される前記第１の電流から前記第１のロータ巻線の前記一次コイルに前記第２の電流を生成するように構成される整流器と、
を備えることを特徴とする界磁巻線同期電気機械。

【請求項2】

前記ロータのスタック長は、前記ステータのスタック長と実質的に同様であることを特徴とする請求項１に記載の界磁巻線同期電気機械。

【請求項3】

前記ステータ巻線を駆動して、前記ロータ巻線に前記第１の電流を誘導し、
前記ステータ巻線を駆動して、前記ロータの前記固定ロータ極と相互作用する起磁力を提供する磁場を生成し、前記ロータを前記ステータに対して移動させるように構成されたコントローラを更に備える
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の界磁巻線同期電気機械。

【請求項4】

前記整流器はパッシブ整流器を備えることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の界磁巻線同期電気機械。

【請求項5】

前記パッシブ整流器は、ブリッジ整流器を含むことを特徴とする請求項４に記載の界磁巻線同期電気機械。

【請求項6】

前記整流器は、アクティブ整流器を含むことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の界磁巻線同期電気機械。

【請求項7】

前記アクティブ整流器は、１つ又は複数のゲートを備えることを特徴とする請求項６に記載の界磁巻線同期電気機械。

【請求項8】

前記整流器は、共振キャパシタを備えることを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の界磁巻線同期電気機械。

【請求項9】

前記共振キャパシタの両端の電圧を調整するように構成されている電圧レギュレータを更に備えることを特徴とする請求項８に記載の界磁巻線同期電気機械。

【請求項10】

前記整流器は、前記整流器のＤＣ側に二次インダクタを備えることを特徴とする請求項１～９のいずれか１項に記載の界磁巻線同期電気機械。

【請求項11】

同期座標系内の前記第１のロータ巻線の前記一次コイルのＤ軸は、ロータシャフトから前記ロータ巻線の前記ロータ極を通って半径方向外側に延びることを特徴とする請求項１～１０のいずれか１項に記載の界磁巻線同期電気機械。

【請求項12】

同期座標系における前記第１のロータ巻線の前記補助コイルのＤ軸は、前記同期座標系における前記第１のロータ巻線の前記一次コイルのＤ軸と実質的に一致することを特徴とする請求項１～１１のいずれか１項に記載の界磁巻線同期電気機械。

【請求項13】

同期座標系における前記第１のロータ巻線の前記補助コイルのＤ軸は、前記同期座標系における前記第１のロータ巻線の前記一次コイルのＤ軸に対して実質的に垂直であることを特徴とする請求項１～１１のいずれか１項に記載の界磁巻線同期電気機械。

【請求項14】

前記第１のロータ巻線の前記補助コイルは、前記ロータの胴部（トランク）に最大２０％延在することを特徴とする請求項１３に記載の界磁巻線同期電気機械。

【請求項15】

前記第１のロータ巻線の前記補助コイルは、前記一次コイルのＤ軸磁路の一部のみをカバーすることを特徴とする請求項１３に記載の界磁巻線同期電気機械。

【請求項16】

同期座標系における前記第１のロータ巻線の前記補助コイルのＤ軸は、前記同期座標系における前記第１のロータ巻線の前記一次コイルのＤ軸に対して斜めであることを特徴とする請求項１～１５のいずれか１項に記載の界磁巻線同期電気機械。

【請求項17】

前記ロータ巻線のそれぞれの前記補助コイルは第１の補助コイルであり、前記ロータ巻線のそれぞれは第２の補助コイルを更に含むことを特徴とする請求項１～１６のいずれか１項に記載の界磁巻線同期電気機械。

【請求項18】

前記ロータ巻線の前記第１の補助コイルと前記第２の補助コイルは、同期座標系において異なるＤ軸配列を有することを特徴とする請求項１７に記載の界磁巻線同期電気機械。

【請求項19】

前記ロータ巻線のそれぞれの前記第１の補助コイル及び前記第２の補助コイルは、それぞれ、同期座標系内の前記ロータ巻線のそれぞれの一次コイルのＤ軸とは異なる、前記同期座標系内のＤ軸を有することを特徴とする請求項１７又は１８に記載の界磁巻線同期電気機械。

【請求項20】

前記ロータ巻線のそれぞれについて、前記一次コイルのＤ軸は、前記第１の補助コイルのＤ軸と前記第２の補助コイルのＤ軸を二等分することを特徴とする請求項１９に記載の界磁巻線同期電気機械。

【請求項21】

前記ロータ巻線のそれぞれは、更に第３の補助コイルを備えることを特徴とする請求項１７～２０のいずれか１項に記載の界磁巻線同期電気機械。

【請求項22】

前記補助コイルと前記一次コイルとの間にスペーサを更に備えることを特徴とする請求項１～２１のいずれか１項に記載の界磁巻線同期電気機械。

【請求項23】

前記ロータに回転的に固定されたプリント回路基板を更に備え、前記プリント回路基板は前記整流器を含むことを特徴とする請求項１～２２のいずれか１項に記載の界磁巻線同期電気機械。

【請求項24】

前記ロータ巻線のそれぞれの前記補助コイル内のＡＣ電圧は、前記ロータ巻線の前記一次コイル内の電圧の５倍、１０倍、又は１００倍の群から選択される少なくとも１つであることを特徴とする請求項１～２３のいずれか１項に記載の界磁巻線同期電気機械。

【請求項25】

前記ロータ巻線のそれぞれの前記一次コイル内のＤＣ電流は、前記ロータ巻線の前記補助コイル内の電流の５倍、１０倍、又は１００倍の郡から選択される少なくとも１つであることを特徴とする請求項１～２４のいずれか１項に記載の界磁巻線同期電気機械。

【請求項26】

複数の整流器を更に備え、前記整流器は前記複数の整流器のうちの第１の整流器であり、
前記複数の整流器の各整流器は、
前記ロータ巻線のそれぞれのロータ巻線に関連付けられ、
前記ロータに回転的に固定されており、
前記ロータ巻線のそれぞれの前記補助コイル及び前記一次コイルに電気的に結合され、
前記ロータ巻線のそれぞれについて、前記補助コイルに誘導される前記第１の電流を受け取り、前記補助コイルに誘導される前記第１の電流から前記一次コイルに前記第２の電流を生成するように構成される
ことを特徴とする請求項１～２５のいずれか１項に記載の界磁巻線同期電気機械。

【請求項27】

前記一次コイルは同期座標系の長（major）Ｄ軸上に配置され、
前記補助コイルは前記同期座標系の短（minor）Ｄ軸上に配置される
ことを特徴とする請求項１～２６のいずれか１項に記載の界磁巻線同期電気機械。

【請求項28】

前記補助コイルは、前記一次コイルのインピーダンスより少なくとも１０倍、少なくとも５０倍、又は少なくとも１００倍低いインピーダンスを有することを特徴とする請求項１～２７のいずれか１項に記載の界磁巻線同期電気機械。

【請求項29】

界磁巻線同期電気機械を作動させる方法であって、
前記界磁巻線同期電気機械のロータの複数のロータ巻線の第１のロータ巻線の補助コイルによって、前記界磁巻線同期電気機械のステータに流れるＡＣ電流によって誘導される第１の電流を流し、前記ステータは、通電されてステータ極を画定するように構成されたステータ巻線を含み、前記ロータ巻線は、強磁性材料を含む関連する複数の歯を有する固定ロータ極を画定するように通電されるように構成されており、
整流器によって、前記補助コイルに誘導された前記第１の電流を受け取り、前記整流器は、前記ロータに回転的に固定されており、前記第１のロータ巻線の前記補助コイル及び一次コイルに電気的に結合され、
前記整流器によって、前記補助コイルに誘導された前記第１の電流から第２の電流を生成し、
前記一次コイルによって、前記整流器から前記第２の電流を流し、前記第２の電流は、前記ステータ極と相互作用する前記固定ロータ極のうちの１つの固定ロータ極を画定し、前記ロータと前記ステータとの間に相対力を生成する、
ことを含むことを特徴とする方法。

【請求項30】

コントローラによって、前記ステータ巻線を駆動して、前記ロータ巻線に前記第１の電流を誘導し、
前記コントローラによって、前記ステータ巻線を駆動して磁場を生成し、前記磁場は、前記ロータの固定ロータ極と相互作用する起磁力を提供して前記ロータを前記ステータに対して移動させる
ことを更に含むことを特徴とする請求項２９に記載の方法。

【請求項31】

前記整流器はパッシブ整流器を備えることを特徴とする請求項２９又は３０に記載の方法。

【請求項32】

前記整流器は、アクティブ整流器を含むことを特徴とする請求項２９又は３０に記載の方法。

【請求項33】

前記アクティブ整流器の１つ又は複数のゲートを制御して、前記ロータ巻線に誘導される前記第１の電流を整流する
ことを更に含むことを特徴とする請求項３２に記載の方法。

【請求項34】

電圧レギュレータによって、前記整流器の共振キャパシタの両端の電圧を調整する
ことを更に含むことを特徴とする請求項２９～３３のいずれか１項に記載の方法。

【請求項35】

前記整流器は、前記整流器のＤＣ側に二次インダクタを備える
ことを特徴とする請求項２９～３４のいずれか１項に記載の方法。

【請求項36】

同期座標系内の前記第１のロータ巻線の前記一次コイルのＤ軸は、ロータシャフトから前記ロータ巻線の前記ロータ極を通って半径方向外側に延びる
ことを特徴とする請求項２９～３５のいずれか１項に記載の方法。

【請求項37】

同期座標系における前記第１のロータ巻線の前記補助コイルのＤ軸は、前記同期座標系における前記第１のロータ巻線の前記一次コイルのＤ軸と実質的に一致する
ことを特徴とする請求項２９～３６のいずれか１項に記載の方法。

【請求項38】

同期座標系における前記第１のロータ巻線の前記補助コイルのＤ軸は、前記同期座標系における前記第１のロータ巻線の前記一次コイルのＤ軸に対して実質的に垂直である
ことを特徴とする請求項２９～３６のいずれか１項に記載の方法。

【請求項39】

前記第１のロータ巻線の前記補助コイルは、前記ロータの胴部（トランク）に最大２０％延在する
ことを特徴とする請求項３８に記載の方法。

【請求項40】

前記第１のロータ巻線の前記補助コイルは、前記一次コイルのＤ軸磁路の一部のみをカバーする
ことを特徴とする請求項３８に記載の方法。

【請求項41】

同期座標系における前記第１のロータ巻線の前記補助コイルのＤ軸は、前記同期座標系における前記第１のロータ巻線の前記一次コイルのＤ軸に対して斜めである
ことを特徴とする請求項２９～３６のいずれか１項に記載の方法。

【請求項42】

前記ロータ巻線のそれぞれの前記補助コイルは第１の補助コイルであり、前記ロータ巻線のそれぞれは第２の補助コイルを更に含む
ことを特徴とする請求項２９～４１のいずれか１項に記載の方法。

【請求項43】

前記ロータ巻線の前記第１の補助コイルと前記第２の補助コイルは、同期座標系において異なるＤ軸配列を有する
ことを特徴とする請求項４２に記載の方法。

【請求項44】

前記ロータ巻線のそれぞれの前記第１の補助コイル及び前記第２の補助コイルは、それぞれ、同期座標系内の前記ロータ巻線のそれぞれの前記一次コイルのＤ軸とは異なる、前記同期座標系内のＤ軸を有する
ことを特徴とする請求項４２又は４３に記載の方法。

【請求項45】

前記ロータ巻線のそれぞれについて、前記一次コイルのＤ軸は、前記第１の補助コイルのＤ軸と前記第２の補助コイルのＤ軸を二等分する
ことを特徴とする請求項４３又は４４に記載の方法。

【請求項46】

前記ロータ巻線のそれぞれは、更に第３の補助コイルを備える
ことを特徴とする請求項４２～４５のいずれか１項に記載の方法。

【請求項47】

前記整流器は、前記ロータに回転的に固定されたプリント回路基板に配設される
ことを特徴とする請求項２９～４６のいずれか１項に記載の方法。

【請求項48】

前記ロータ巻線のそれぞれの前記補助コイル内のＡＣ電圧は、前記ロータ巻線の前記一次コイル内の電圧の５倍、１０倍、又は１００倍の群から選択される少なくとも１つである
ことを特徴とする請求項２９～４７のいずれか１項に記載の方法。

【請求項49】

前記ロータ巻線のそれぞれの前記一次コイル内の前記第２の電流は、前記ロータ巻線の前記補助コイル内の電流の５倍、１０倍、又は１００倍の郡から選択される少なくとも１つである
ことを特徴とする請求項２９～４８のいずれか１項に記載の方法。

【請求項50】

複数の整流器を更に備え、前記整流器は前記複数の整流器のうちの第１の整流器であり、
前記複数の整流器の各整流器は、
前記ロータ巻線のそれぞれのロータ巻線に関連付けられ、
前記ロータに回転的に固定されており、
前記ロータ巻線のそれぞれの前記補助コイル及び前記一次コイルに電気的に結合され、
前記ロータ巻線のそれぞれについて、前記補助コイルに誘導される前記第１の電流を受け取り、前記補助コイルに誘導される前記第１の電流から前記一次コイルに前記第２の電流を生成するように構成される
ことを特徴とする請求項２９～４９のいずれか１項に記載の方法。

【請求項51】

前記一次コイルは同期座標系の長（major）Ｄ軸上に配置され、
前記補助コイルは前記同期座標系の短（minor）Ｄ軸上に配置される
ことを特徴とする請求項２９～５０のいずれか１項に記載の方法。

【請求項52】

前記補助コイルは、前記一次コイルのインピーダンスより少なくとも１０倍、少なくとも５０倍、又は少なくとも１００倍低いインピーダンスを有する
ことを特徴とする請求項２９～５１のいずれか１項に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

＜関連出願の相互参照＞
本出願は、２０２１年３月５日に出願された、「ＡＣ及びＤＣロータコイルを備えた電気機械内での無線電力伝送」というタイトルの米国仮特許出願第６３／１５７，５６３号を参照し、その全文を本明細書に組み込む。

【0002】

＜連邦政府の支援による研究に関する言明＞
該当なし。

【0003】

本発明は、電気モータ及び発電機に関する。

【背景技術】

【0004】

電気モータは、一般に、ステータと呼ばれることが多い固定コンポーネントと、ロータと呼ばれることが多い回転コンポーネントを備える。電流は電磁場に変換され、ステータとロータの間に機械的な力又はトルクを及ぼし、仕事を行うために使用される。発電機も同様の原理で動作し、機械的な力が電流に変換される。主に回転力又はトルクの観点から説明するが、ここで説明する原理はリニアモータにも適用できる。リニアモータの場合、幾つかの実装では、ロータが固定コンポーネントとして機能し、ステータが平行移動コンポーネントとして機能する。

【発明の概要】

【0005】

本開示は、交流及び直流ロータコイルを有する電気機械内で電力を無線で伝送することに関する。

【0006】

本開示内で説明される主題の実装は、以下の特徴を備えた界磁巻線同期電気機械である。ステータは、通電されてステータ極を画定するように構成されたステータ巻線を含む。ロータは、強磁性材料を含む関連する歯を有する固定ロータ極を画定するように通電されるように構成されたロータ巻線を含む。前記固定ロータ極は前記ステータ極と相互作用して、前記ロータと前記ステータとの間に相対力を生成し、前記ロータ巻線のそれぞれは、複数の歯のうちのそれぞれの少なくとも１つの歯と関連付けられる。前記ロータ巻線のそれぞれは、前記ステータに流れるＡＣ電流によって誘導されるＡＣ電流を流すように構成された補助コイルと、前記固定ロータ極のそれぞれを画定するＤＣ電流を流すように構成された一次コイルとを含む。この機械は、更に、前記ロータ巻線の第１のロータ巻線の前記補助コイル及び前記一次コイルに電気的に結合された整流器を含む。前記整流器は、前記第１のロータ巻線の前記補助コイルに誘導されるＡＣ電流を受け取り、前記補助コイルに誘導されるＡＣ電流から前記第１のロータ巻線の前記一次コイルにＤＣ電流を生成するように構成される。

【0007】

本開示内で説明される主題の別の実装は、界磁巻線同期電気機械のための方法である。前記方法は、前記界磁巻線同期電気機械のロータの複数のロータ巻線の第１のロータ巻線の補助コイルによって、前記界磁巻線同期電気機械のステータに流れるＡＣ電流によって誘導されるＡＣ電流を流し、前記ステータは、通電されてステータ極を画定するように構成されたステータ巻線を含み、前記ロータ巻線は、強磁性材料を含む関連する複数の歯を有する固定ロータ極を画定するように通電されるように構成されており、
整流器によって、前記補助コイルに誘導された前記ＡＣ電流を受け取り、前記整流器は、前記ロータに回転的に固定されており、前記第１のロータ巻線の前記補助コイル及び一次コイルに電気的に結合され、
前記整流器によって、前記補助コイルに誘導された前記ＡＣ電流からＤＣ電流を生成し、
前記一次コイルによって、前記整流器から前記ＤＣ電流を流し、前記ＤＣ電流は、前記ステータ極と相互作用する前記固定ロータ極のうちの１つの固定ロータ極を画定し、前記ロータと前記ステータとの間に相対力を生成する、ことを含む。

【0008】

本開示内で説明される主題の別の実装は、以下の特徴を備えた界磁巻線同期電気機械である。ステータは、関連するステータ巻線を備えた複数のステータ極を画定する。ロータは、強磁性材料を備えた関連する歯を備えた複数の固定ロータ極を画定する。固定ロータ極は、実質的にステータによってエネルギーを与えられるように構成された関連するロータ巻線を有する。ロータ巻線のそれぞれが歯に関連付けられている。ロータ巻線のそれぞれは、ステータに流れるＡＣ電流によって誘導されるＡＣ電流を流すように構成された交流（ＡＣ）コイルを含む。直流（ＤＣ）コイルは、ステータ巻線によって生成される磁界によって励磁可能なロータ磁界を画定し、ロータとステータの間に相対力を生成する。ＤＣコイルは、ＡＣコイルによって少なくとも部分的に電力供給又は制御される。

【0009】

幾つか実装では、前記ロータのスタック長は、前記ステータのスタック長と実質的に同様である。

【0010】

幾つか実装では、前記界磁巻線同期電気機械は、前記ステータ巻線に通電するように構成されたコントローラを含む。前記コントローラは、前記ステータ巻線に電流を流すことによって前記ステータ巻線に駆動信号を送ることによって、前記ステータ内にステータ磁界を生成するように構成されている。前記ステータ磁界により、前記ＡＣコイル内に電流が誘導される。前記コントローラは、前記ＤＣコイルと相互作用する起磁力を生成して、前記ステータに対して前記ロータを移動させるように構成されている。

【0011】

幾つか実装では、前記ＡＣコイルは、整流器によって前記ＤＣコイルに電気的に接続される。

【0012】

幾つか実装では、前記整流器はパッシブ（passive）整流器を備える。

【0013】

幾つか実装では、前記パッシブ整流器は、ブリッジ整流器を含む。

【0014】

幾つか実装では、前記整流器は、アクティブ（active）整流器を含む。

【0015】

幾つか実装では、前記アクティブ整流器は、１つ又は複数のゲートを備える。

【0016】

幾つか実装では、前記整流器は、共振キャパシタを備える。

【0017】

幾つか実装では、電圧レギュレータは、前記共振キャパシタの両端の電圧を調整するように構成されている。

【0018】

幾つか実装では、前記整流器は、前記整流器のＤＣ側に二次インダクタを備える。

【0019】

幾つか実装では、ＤＣコイルのＤ軸は、ロータ極の移動平面に対して垂直である。

【0020】

幾つか実装では、ＡＣコイルのＤ軸は、ＤＣコイルのＤ軸と実質的に一致する。

【0021】

幾つか実装では、ＡＣコイルのＤ軸は、ＤＣコイルのＤ軸に対して実質的に垂直である。

【0022】

幾つか実装では、前記ＡＣコイルは前記ロータの胴部（トランク）に最大２０％延在する。

【0023】

幾つか実装では、前記ＡＣコイルは、前記ＤＣコイルのＤ軸磁路の一部のみをカバーする。

【0024】

幾つか実装では、前記ＡＣコイルは第１のＡＣコイルであり、前記ロータは更に第２のＡＣコイルを含む。

【0025】

幾つか実装では、前記第１のＡＣコイルと前記第２のＡＣコイルは、Ｄ軸の配置が異なる。

【0026】

幾つか実装では、前記第１のＡＣコイル及び前記第２のＡＣコイルは、それぞれ、ＤＣコイルのＤ軸とは異なるＤ軸を有する。

【0027】

幾つか実装では、スペーサはＡＣコイルとＤＣコイルの間にある。

【0028】

幾つか実装では、プリント回路基板はロータの端にある。

【0029】

幾つか実装では、前記ＡＣコイル内のＡＣ電圧は、ＤＣコイル内の電圧の５倍、より好ましくは１０倍、より好ましくは１００倍である。

【0030】

幾つか実装では、ＤＣコイル内のＤＣ電流は、ＡＣコイル内の電流の５倍、より好ましくは１０倍、より好ましくは１００倍である。

【0031】

本開示内で説明される主題の実装は、以下の特徴を有する方法である。電力信号は、関連するステータからロータによって受信される。制御信号はステータからロータによって受信される。制御信号は、電力信号の振幅よりも小さい振幅を有する。電力信号と制御信号に応じてステータとロータによって起磁力が発生する。

【0032】

幾つか実装では、電力信号を受信することは、ステータからロータＡＣコイルによってＡＣ信号を受信することを含む。

【0033】

幾つか実装では、起磁力を生成することは、受信したＡＣ信号をＤＣ電流に整流することを含む。ＤＣ電流は、ＤＣロータコイルを通過し、ＤＣ電流がＤＣコイルを通過することに応答して磁界が生成される。

【0034】

幾つか実装では、制御信号を受信することは、ロータＡＣコイルによってＡＣ信号を受信することを含む。

【0035】

幾つか実装では、前記ＡＣ信号は、周波数変調された制御信号を含む。

【0036】

幾つか実装では、前記ＡＣ信号は、振幅変調信号を含む。

【0037】

幾つか実装では、前記ＡＣ信号は、電流角度変調信号を含む。

【0038】

幾つか実装では、前記ＡＣ信号は、歯の通過周波数信号を含む。

【0039】

この開示から、本明細書に記載の主題が以下の利点を与えることは明らかである。ここで説明する概念により、標準的な巻線界磁同期機と比較して、電気機械内のより効率的な電力伝達機構、及び、場合によっては熱能力が可能になる。或いは、又は、これに加えて、本明細書に記載の概念は、巻線界磁同期機内で、半導体デバイスにかかるストレスを軽減し、電流／トルクリップルを減少させ、回路のサイズを制限する。

【0040】

本開示で説明される主題の１つ又は複数の実装の詳細は、添付の図面及び以下の説明に記載される。主題の他の特徴、態様、及び利点は、説明、図面、及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0041】

【図1】図１は、電気駆動システムの一例の概略図である。

【図2A】図２Ａは、電気巻線用の例示的な電源スイッチの概略図である。

【図2B】図２Ｂは、本開示の態様で使用できるインバータ回路トポロジの概略図である。

【図2C】図２Ｃは、本開示の態様で使用できるインバータ回路トポロジの概略図である。

【図3A】図３Ａは、ＡＣロータコイル及びＤＣロータコイルの配置例の回路図である。

【図3B-3C】図３Ｂ－３Ｃは、本開示の態様とともに使用できる例示的なアクティブ整流器回路の回路図である。

【図4A-4C】図４Ａ－４Ｃは、例示的なロータ極及び関連する巻線の平面断面図である。

【図5A】図５Ａは、例示的なロータの平面図である。

【図5B】図５Ｂは、図５Ａの例示的なロータの側断面斜視図である。

【図6A】図６Ａは、例示的なロータの平面図である。

【図6B】図６Ｂは、図６Ａの例示的なロータの側断面斜視図である。

【図7A】図７Ａは、例示的なロータの平面図である。

【図7B】図７Ｂは、図７Ａの例示的なロータの側断面斜視図である。

【図8A】図８Ａは、例示的なロータの斜視図である。

【図8B】図８Ｂは、図８Ａの例示的なロータの平面図である。

【図8C】図８Ｃは、図８Ａの例示的なロータの平面断面図である。

【図8D】図８Ｄは、図８Ａの例示的なロータの側断面斜視図である。

【図9A】図９Ａは、例示的なロータの平面断面図である。

【図9B】図９Ｂは、図９Ａの例示的なロータの側断面斜視図である。

【図10A】図１０Ａは、例示的なロータの平面図である。

【図10B】図１０Ｂは、図１０Ａの例示的なロータの平面断面図である。

【図10C】図１０Ｃは、図１０Ａの例示的なロータの斜視図である。

【図10D】図１０Ｄは、図１０Ａの例示的なロータの側断面斜視図である。

【図11A】図１１Ａは、例示的なロータの平面図である。

【図11B】図１１Ｂは、図１１Ａの例示的なロータの平面断面図である。

【図11C】図１１Ｃは、ＤＣコイルの端部をすぐ過ぎた部分における、図１１Ａの例示的なロータの極の平面断面図である。

【図11D】図１１Ｄは、図１１Ａの例示的なロータの斜視図である。

【図12】図１２は、２つのＡＣコイルを含む例示的なＡＣロータコイル及びＤＣロータコイル配置の回路図である。

【図13A】図１３Ａは、例示的なロータの斜視図である。

【図13B】図１３Ｂは、ロータのバックアイアン（back-iron）を示していない、図１３Ａの例示的なロータの斜視図である。

【図13C】図１３Ｃは、図１３Ａの例示的なロータの平面断面図である。

【図13D】図１３Ｄは、図１３Ａの例示的なロータの極の平面断面図である。

【図14A】図１４Ａは、例示的なロータの平面図である。

【図14B】図１４Ｂは、図１４Ａの例示的なロータの平面断面図である。

【図14C】図１４Ｃは、図１４Ａの例示的なロータの斜視図である。

【図14D】図１４Ｄは、図１４Ａの例示的なロータの極の平面断面図である。

【図15】図１５は、例示的なロータの平面断面図である。

【図16】図１６は、振幅変調及び電流角度変調に応答するＡＣ及びＤＣコイルの三次元応答プロットを含む。Ｙ軸は電流を示し、Ｘ軸は電流フェーザ角度を示し、Ｚ軸は時間を示す。

【図17】図１７は、本開示の態様とともに使用できるコントローラのブロック図である。

【図18】図１８は、本開示の態様とともに使用できる例示的な方法のフローチャートである。

【図19】図１９は、本開示の態様による界磁巻線同期モータを制御する例示的な方法のフローチャートである。

【図20】図２０は、本開示の態様による界磁巻線同期モータを制御するハイブリッド制御方式の例示的な方法のフローチャートである。

【図21】図２１は、例示的なモータの平面断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0042】

様々な図面における同様の参照番号及び指定は、同様の要素を示す。

【0043】

本開示による実装では、モータのロータ巻線は、ステータ巻線の振動電流（例えば、振動、摂動、変調、及び／又は脈動を伴う電流）によって充電される。充電されると、ロータ巻線にはロータ電流が流れ、この電流がステータ巻線の電流によって生成される磁界と結合し、ロータに起電力を生成する。

【0044】

巻線界磁同期機は、ステータの巻線を励起して可変磁束起磁力源を提供することによってトルクを生成する。従来の巻線型界磁同期機の界磁巻線（つまり、ロータ巻線又はコイル）は、界磁巻線を流れる電流に応じてエアギャップに磁界を生成する。界磁電流は通常、外部電源によって供給され、ブラシやスリップリングなどによってロータに伝達される。励磁された同期機の巻線はステータアセンブリの一部であり、三相（通常、単相又は多相）のステータ巻線とステータ上の磁路が含まれる。巻線電流は、フィールドアセンブリによって確立される磁界との相互作用によってトルクを生成する。従来の巻線界磁同期機の欠点には、ロータ界磁を生成する補助電源が必要であることが含まれる。更に、カーボンブラシを備えた機械式スリップリングには寿命があり、メンテナンスが必要である。更に、巻線フィールド同期機械に関連する動的シールとブラシは液体冷却の選択肢を妨げるため、機械の出力密度が制限される。

【0045】

本開示は、パワーエレクトロニクスと制御戦略を使用し、界磁巻線の起磁力が機械のステータ巻線とロータの巻線上に作成された回路との間の無線電力伝送を通じて生成されるようにする巻線界磁同期機について説明する。このような配置は、ステータ巻線が変圧器の一次巻線として機能し、ロータ巻線が変圧器の二次巻線として機能する、一種の変圧器として考えられ、モデル化することができる。

【0046】

ロータ上に確立される回路は、短絡コイル又は整流コイルの場合があり、後者の回路の電流は、巻線の回路自体内で交流（ＡＣ）が直流（ＤＣ）に変換されるように半導体デバイスによって整流される。このような整流には、パッシブ（例えば、ダイオード）回路、アクティブ（例えば、ゲート、ＭＯＳＦＥＴ、又はＩＧＢＴ）回路、又はそれらの組み合わせが含まれてもよい。パッシブ整流回路とアクティブ整流回路の両方が、本開示を通じて説明される。

【0047】

いずれの場合も、より効率的な電力伝達メカニズムを作成し、半導体デバイスへのストレスを軽減し、電流／トルクリップルを減少させ、回路のサイズ（たとえば、回路コンポーネントのボルトアンペア定格）を制限するために、ロータ回路の電力伝達コンポーネントを起磁力コンポーネントから分離するのに有利である。これらのコンポーネントを分離するために、ロータには、電力伝達用の少なくとも１つのＡＣ巻線又はコイルと、起磁力用のＤＣ界磁巻線又はコイルが含まれる場合があり、ＡＣ巻線に伝達された電力が整流されてＤＣ界磁巻線又はコイルに電力が供給され、起磁力コンポーネントが生成される。このようなＡＣ巻線又はコイルは、（電力伝送及び／又は通信用の）補助巻線（auxiliary winding）又は副巻線（minor winding）とも呼ばれ、ＤＣ巻線又はコイルは、（起磁力コンポーネントを生成するための）一次巻線（primary winding）又は主巻線（major winding）と呼ばれることがある。従って、本開示全体にわたる様々な実施形態において、ＡＣコイル、補助コイル（auxiliary coil）、及び副コイル（minor coil）という用語は交換可能に使用され、ＤＣコイル、一次コイル（primary coil）、及び主コイル（major coil）という用語は交換可能に使用されてもよい。更に、ＡＣコイルは通常又は実質的にＡＣ電流のみを流し、ＤＣコイルは通常又は実質的にＤＣ電流のみを流すことができるが、少なくとも幾つかの場合には、特に断りのない限り、ＡＣコイルは、ある程度のＤＣ電流を流してもよく（例えば、ＡＣコイル内の電流は、ＡＣコンポーネント、ＤＣコンポーネント、又はＡＣコンポーネントとＤＣコンポーネントの両方を含む可能性がある）、また、ＤＣコイルは、ある程度のＡＣ電流を流してもよく（例えば、ＤＣコイル内の電流は、ＡＣコンポーネント、ＤＣコンポーネント、又はＡＣコンポーネントとＤＣコンポーネントの両方を含む可能性がある）。幾つかの実施形態では、ＤＣコイル内の電流のＤＣコンポーネントは、ＤＣコイル内の電流のＡＣコンポーネントよりも大きい。幾つかの実施形態では、ＡＣコイル内の電流のＡＣコンポーネントは、ＤＣコイル内の電流のＤＣコンポーネントよりも大きい。更に、本明細書で更に説明するように、ＡＣ巻線又はコイル（又は補助巻線）は、短軸を有する、又は短軸上にあると呼ばれてもよく、一方、ＤＣ巻線又はコイル（又は一次巻線）は、長軸を有する、又は長軸上にあると呼ばれてもよい。

【0048】

この開示は、電力伝送及び起磁力生成のためにロータ極自体に様々な軸を作成することによって、それぞれ電力伝送及び起磁力のためにロータ巻線内のＡＣコンポーネントとＤＣコンポーネントを分離することについて説明する。これは、ＡＣコイル（受電コイル）とＤＣコイル（起磁力コイル）を含むロータ巻線によって実現される。特定の実装では、ＡＣコイルとＤＣコイルの両方の軸は同じであってもよいし（例えば、両方のコイルの中心が互いに揃っている、及び／又は、ロータ極と揃っている）、又は、異なっていてもよい。

【0049】

これらのＡＣ軸とＤＣ軸は、同期座標系のロータ極の一次Ｄ軸上にあるＤＣ巻線（又はコイル）と組み合わせて使用するロータの上に置かれている少なくとも１つのＡＣ界磁巻線（又はコイル）を利用して作成できる。両方の巻線は同じ回路の一部であり、ＡＣコイルからの電流が整流されてＤＣコイルにＤＣ電流が生成されるように動作する。

【0050】

図１は、電気モータ１０２と、電気モータ１０２に結合されたモータコントローラ１０４とを含む電気駆動システム１００を示す。モータコントローラ１０４は、電気モータ１０２を動作させて負荷１１０を駆動するように構成されている。負荷１１０は、ギアセット、車輪、ポンプ、コンプレッサ、又は複数のモータをリンクして並列運転できる別のモータなどの、追加の歯車列であってもよい。

【0051】

電気モータ１０２は、モータハウジング１０５に対して回転可能な出力シャフト１０７を有し、出力シャフト１０７は、モータコンポーネントの回転及び他の運動に関する基準であると考えられる。使用時、出力シャフト１０７は、適切な電力及びモータコントローラ１０４からの信号によって電気的に作動されると、電気モータ１０２が回転動力を与えることができる負荷１１０に結合することができる。出力シャフト１０７は、モータを通って延びることができ、モータの両端が露出しているため、モータの両端で回転力を伝達できる。モータハウジング１０５は、出力シャフト１０７の回転軸に関して回転対称であることができるが、任意の外形であってもよく、一般に、モータ動作中のハウジングの回転を防止するためにモータハウジング１０５を他の構造に固定するための手段を含むことができる。

【0052】

電気モータ１０２は、ステータなどのアクティブ（active）磁気コンポーネント１０６と、ロータなどのパッシブ（passive）磁気コンポーネント１０８とを含む。説明のため、以下では、アクティブ磁気コンポーネントの代表例として「ステータ」を使用し、パッシブ磁気コンポーネントの代表例として「ロータ」を使用する。

【0053】

ロータ１０８はステータ１０６に関連付けられており、ロータ１０８は、例えば、インターナルロータラジアルギャップモータ（internal rotor radial-gap motor）では、ステータ１０６内に配置されることができ、例えば、アキシャルギャップモータ（axial-gap motor）やリニアモータ（linear motor）では、ステータに平行に配置されることができ、例えば、アウタロータラジアルギャップモータ（outer rotor radial-gap motor）では、ステータの周囲に配置されることができる。以下により詳細に説明するように、適切に制御されたステータ１０６内の電気的活動は、ロータ１０８の運動を駆動する。ロータ１０８は、出力シャフト１０７に回転的に固定又は結合されており、結果として生じるロータ運動の回転コンポーネントが出力シャフト１０７に伝達され、これにより、出力シャフト１０７が回転する。ステータ１０６はハウジング１０５に固定されており、これにより、動作中に、ロータ１０８は、ステータ１０６の周りを移動する、又はステータ１０６と平行に移動する。

【0054】

電線のループを通って流れる電流により、実質的に均一な起磁力（magnetomotive force (MMF)）が生じ、その結果、巻かれた領域又は囲まれた領域内にモータ極が生じる。一般的なモータでは、このようなループは、必要な電流負荷を運ぶのに十分な直径を持っているが、駆動周波数の表皮深さがループを完全に貫通するのに十分なほど薄い。極の磁場の強度を高めるために、ワイヤを多く巻いたり、ループを重ねたりすることができる。このトポロジは、通常、巻線界極と呼ばれる。このような重なったループのセットはコイルと呼ばれる。この開示の目的上、ステータ又はロータ内で一緒に動作する１つ又は複数のコイルを巻線と呼ぶ。場合によっては、コイルは、ロータ又はステータの複数の歯に重なって取り囲むことができる。このように重なったコイルは、アーマチュア又は分布巻線と呼ばれる。極はこの分布巻線の磁気中心であり、そのため、極は、巻線を流れる駆動電流に応じて、このような分布巻線内の個々のコイルに対して移動することができる。

【0055】

ステータ１０６は、関連する電気巻線を有する複数のステータ極を画定し、ロータ１０８は、本開示を通じてさらに詳細に示される例のように、複数のロータ極を含む。ロータ１０８は、ステータ１０６とともに、この開示を通じてさらに詳細に説明される例などのように、ステータ極とロータ極との間に公称エアギャップを画定する。ロータ１０８は、運動方向に沿ってステータ１０６に対して移動可能である。

【0056】

図２Ａは、個々の電気巻線１３２に対する例示的な電源スイッチ２００を示す。電源スイッチ２００は、Ｈ形のような構成において、電気巻線１３２を中心として、４つのスイッチング素子２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、及び２０２ｄを含むＨブリッジ回路を有することができる。スイッチング素子２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、及び２０２ｄは、バイポーラ又はＦＥＴトランジスタとすることができる。各スイッチング素子２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、及び２０２ｄは、それぞれのダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、及びＤ４と結合することができる。ダイオードはキャッチダイオードと呼ばれ、ショットキータイプであってよい。ブリッジの上端は電源、例えばバッテリＶ_ｂａｔに接続され、下端は接地される。スイッチング素子２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、及び２０２ｄのゲートは、それぞれの制御電圧信号を各スイッチング素子２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、及び２０２ｄに送信するように動作可能なモータコントローラ１０４（図１）に結合することができる。制御電圧信号は、直流（ＤＣ）電圧信号又は交流（ＡＣ）電圧信号とすることができる。

【0057】

スイッチング素子２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、及び２０２ｄは、モータコントローラ１０４（図１）によって個別に制御することができ、独立してオン及びオフにすることができる。場合によっては、スイッチング素子２０２ａ及び２０２ｄがオンになると、ステータの左側のリードが電源に接続され、右側のリードがグランドに接続される。電流がステータを通って流れ始め、電気巻線１３２を順方向に通電する。場合によっては、スイッチング素子２０２ｂ、２０２ｃがオンになると、ステータの右側のリードが電源に接続され、左側のリードがグランドに接続される。電流がステータを通って流れ始め、電気巻線１３２を逆方向、逆方向に通電する。すなわち、スイッチング素子を制御することによって、電気巻線１３２は２つの方向のいずれかに通電／作動することができる。主に単相Ｈブリッジ構成を使用するものとして図示及び説明されているが、本開示から逸脱することなく、典型的な６スイッチインバータシステムを多相機械に使用することもできる。

【0058】

モータコントローラ１０４は、本開示を通じて更に詳細に説明されるように、それぞれの極通電デューティサイクルでスイッチ２００を連続的に動作させて、ステータ極とロータ極との間のエアギャップを横切る磁束を生成するように構成することができる。スイッチを制御してステータ極に順次通電し、ロータを引っ張る局所的な引力を生成できる。このような連続的な通電（又は作動）により、ロータ１０８、出力シャフト１０７、及び負荷１１０の回転を引き起こすことができる。

【0059】

図２Ｂ～２Ｃは、電力スイッチングを実施するように構成された例示的なインバータ２５０、２７０を示す。インバータ２５０、２７０は、本開示を通して説明されるように、例えば、モータコントローラ１０４、（図１７に関して以下に説明される）モータコントローラ１７００の一部として、及び／又はステータ又はロータの一部として実装されてもよい。

【0060】

図２Ｂの例では、インバータ２５０は三相２レベルインバータである。図示しないステータ巻線Ａ、Ｂ、及びＣ（ノード２５２ａ、２５２ｂ、２５２ｃで導電的に結合される）は、スイッチ２５４によって、正の電圧レール２５６に切り替え可能に導電的に結合され、また、スイッチ２５８によって、負の電圧レール２６０に切り替え可能に導電結合される。ステータ巻線自体は、例えば、Ｙ字構成又はデルタ構成で構成されうる。レール２５６、２６０は、キャパシタ２６２によって導電的に結合される。幾つか実装では、レール２５６、２６０は、電圧源ではなく電流源に対応する。

【0061】

スイッチコントローラ２６４は、スイッチ２５４、２５８をアクティブに（能動的に）制御して、ステータ巻線に三相電力を導入し（例えば、ロータを移動させる）、及び／又は、ステータ巻線に適切な電圧／電流を使用して信号をロータに伝える。幾つかの実施形態では、スイッチコントローラ２６４は、コントローラ１０４又はモータコントローラ１７００に組み込まれてもよい。

【0062】

図２Ｃは、３レベル中性点クランプ（neutral point clamp (NPC)）インバータ２７０の一例を示し、これは、別段の指示がない限り、インバータ２５０について説明したように動作する。図示しないステータ巻線Ａ、Ｂ、及びＣ（ノード２７２ａ、２７２ｂ、２７２ｃで導電的に結合される）は、一対のスイッチ２７４によって、正の電圧レール２７６に切り替え可能に導電的に結合され、また、一対のスイッチ２７８によって、負の電圧レール２８０に切り替え可能に導電結合される。一対のダイオード２８６は、一対のスイッチ２７４、２７８のそれぞれのセットの間に導電的に結合される。スイッチ２７４、２７８は、スイッチコントローラ２８４によって制御される。幾つかの実施形態では、スイッチコントローラ２８４は、コントローラ１０４又はモータコントローラ１７００に組み込まれてもよい。

【0063】

例示的なインバータ２７０では、ステータ巻線Ａ、Ｂ、及びＣは、（例えば、星型構成で）中性点Ｎに導電的に結合され、中性点Ｎへの導電結合は、直接であってもよいし、１つ又は複数の電気素子を介在させてもよい。中性点Ｎもまた、ダイオード２８６の各一対内で導電的に結合される。２つのキャパシタ２８２は、中性点Ｎを正及び負の電圧レール２７６、２８０に導電的に結合する。インバータ２５０で述べたように、幾つか実装では、レール２７６、２８０は、電圧源ではなく電流源を表す。

【0064】

電気機械の動作は、静止座標系、同期座標系、又は磁気座標系に関連して説明することができる。静止座標系はステータの視点から観察され、ステータは静止しているように見えるが、ロータは回転中心軸の周りを回転しているように見える。同期座標系はロータの視点から観察され、ロータは静止しているように見えるが、ステータは回転しているように見える。これは、ロータと直接機械的に通信しているエンコーダーによって観察される位置と一致する。磁気座標系は、ステータによって形成される磁場の観点から観察される。この観点から見ると、同期分散巻線モータのロータは比較的静止しているように見えるが、トルクリップルが存在する場合はわずかな振動が含まれる可能性がある。更に、ロータの極は磁場の「後」又は「前」に見える場合がある。

【0065】

モータのコンポーネント及び制御は、モータロータ及び／又はステータのＤ軸４０６（図４Ａ～図４Ｃに示される例）及びＱ軸を参照して議論されることがある。モータの直軸又はＤ軸４０６は、エアギャップ４１８に垂直な極４０８の中心線として定義されてよく、ステータ極４１１（図４Ａ～４Ｃ参照）又はロータ極４０８のいずれかに適用されてよい。ロータは、同期座標系で見られるように、各極のＤ軸４０６によって特徴付けられてもよい。巻線ロータでは、界磁巻線が単一の大きなスロットに集中しているか、複数の小さなスロットに広がっているかに関係なく、Ｄ軸４０６は、コイル又は界磁巻線の合成磁気中心の中心点である。ステータ極も同様に特徴付けることができる。

【0066】

Ｑ軸は、磁気座標系内でＤ軸に垂直である（つまり、ロータ極が４つある機械では電気的に９０°、又は、幾つか実装では、ｎ_ｐ個の極を備えた機械の場合３６０°／ｎ_ｐ）。幾つか実装では、Ｑ軸は電気的にＤ軸に対して垂直であり、両方ともロータが回転する平面内にある。一般に、Ｑ軸に沿った力はトルクなどの起電力を生成する。トポロジ的には、ロータ又はステータのＱ軸は通常、２つの極の間に直接配置される。Ｑ軸４０７が図４Ａ～４Ｃに示されている。Ｑ軸は、電気座標系ではＤ軸から９０°オフセットしているが、図４Ａ～４Ｃの機械座標系では、Ｑ軸４０７はＤ軸から４５°オフセットしている（機械サイクルごとに極数／２電気サイクルがあり、図示の機械は４つの極を有するため）。

【0067】

軸は、ロータの歯との関係に関して「長」（major）又は「短」(minor）と表現されることもある。長Ｄ軸は、同期座標系におけるステータに対するロータ歯のＤ軸であり、長Ｑ軸は、このロータ歯のＱ軸である。例えば、ＤＣ巻線が１つのロータの歯の周りに集中して巻かれたコイルである場合、ＤＣ巻線（及びコイル）のＤ軸は、ロータ極の長Ｄ軸と一致してもよく、長Ｑ軸は電気座標系のこのＤ軸に垂直であってもよい（図４Ａ～Ｃに示す機械的座標系では４５度オフセット）。長軸の主な機能はトルクの生成であるが、他の目的にも使用される場合がある（例えば、ロータのフラックスやバルク電力伝送）。短Ｄ軸は、本明細書で説明される様々なＡＣコイルなどの補助コイルに特有のサブ座標系として説明されてもよい。短Ｄ軸（すなわち、本明細書で説明されるＡＣコイルのＤ軸）は、ステータとロータとの間の無線電力伝送、及び／又はステータとロータとの間のデータ通信（双方向又は一方向）に使用されてもよい。短Ｄ軸は、長Ｄ軸の磁路に対して本質的に「差動」の磁路を提供する。従って、この短軸のチャネル上の鎖交磁束の変動は長Ｄ軸には結合せず、むしろ、それらの磁束ループは長Ｄ軸の磁束ループよりも小さい経路で閉じる。幾つかの例では、短Ｄ軸のループは、その磁路の一部を長Ｄ軸と共有することができる。以下の様々な実施形態に関して説明及び図示されるように、補助コイル又はＡＣコイルの短Ｄ軸は、関連するロータ極の長Ｄ軸と位置合わせされてもよく（例えば、図４Ａ～Ｃを参照）、長Ｄ軸に対して垂直であってもよく（例えば、図８Ａ～Ｄを参照）、又は長Ｄ軸に対して斜めであってもよい（例えば、図１０Ａ～Ｄを参照）。短Ｑ軸は、補助コイル又はＡＣコイルに関連するＱ軸である。

【0068】

長軸（例えば、長Ｄ軸）は電力伝送及び／又はデータ信号伝達に使用されてもよいが、ステータとロータとの間の電力伝送及び／又はデータ通信にＡＣコイルに関連する短Ｄ軸などの短軸を使用することは、幾つかの理由から有益であってもよい。例えば、短Ｄ軸を使用すると、長Ｄ軸を介した電力伝送と比較して、小さな体積での鎖交磁束の変化を使用する電力伝送により、電力伝送のコア損失を小さくできるかもしれない。更に、短Ｄ軸を使用すると、高トルク条件下でもモータの形状の一部の磁気飽和が低くなり、ステータからロータ回路への結合が向上するため、より高い電力伝達限界が得られる可能性がある。更に、短Ｄ軸を使用すると、追加のステータ制御信号を必要とせずに、関連するＡＣコイルが（結果的に小さなＤ軸磁束変動をもたらす）スロット通過効果からのエネルギーを利用することを可能にてもよい。更に、短Ｄ軸を使用すると、スロット通過効果によるトルクリップルが低減される可能性がある。つまり、スロット通過効果からのエネルギー伝達は、長Ｄ軸上のスロット通過効果によって生成されるトルクリップルに対してバランスをとることができる。更に、短Ｄ軸磁路上の電力伝達には実質的にＤＣコンポーネントがないため、短Ｄ軸を使用すると、実質的に純粋なＡＣ ＭＭＦが可能になる可能性がある。その結果、短Ｄ軸上の電子機器の電流及び電圧要件は、長Ｄ軸に必要な電流及び電圧要件よりも低くてもよい。

【0069】

制御信号をＤ軸とＱ軸に変換できるシステムでは、３番目の軸（Ｚ軸）は、ＱコンポーネントとＤコンポーネントが見られる平面に直交するように存在する。Ｚ軸コンポーネントは、Ｄ軸又はＱ軸に直接マッピングされない信号量（例えば、制御信号及び／又は電力信号）を有するものとして説明されてもよい。幾つか実装では、本明細書で説明される制御信号及び／又は電力信号のＺ軸コンポーネントは実質的にゼロである。この開示内では主に、Ｄ軸及びＱ軸に沿った信号／電力注入を使用してロータを制御／電力供給するものとして説明されているが、本開示から逸脱することなく、Ｚ軸に沿って制御信号及び／又は電力信号を注入することが可能である。例えば、補助コイル（例えば、ＡＣコイル）は、中性電圧が存在する場合、例えばステータとロータとの間にある形態の容量結合がある場合、ｚ軸と通信することができる。

【0070】

電流フェーザ角度４１７は、ステータの磁気中心に対するロータのＤ軸４０６の相対角度である（図４Ａ～４Ｃに示される例）。正の電流フェーザ角度は、ステータの磁気中心がロータの極よりも運動方向の前方にあることを示す。このような状況により、ステータの磁気中心がロータ極をステータの磁気中心に向かって「引っ張る」ことになる。同様に、負の電流角度は、ステータの磁気中心がロータ極の後ろにあることを示す。このような状況では、ロータ極が反対方向に「引っ張られる」。このような負の電流フェーザ角度４１７は、制動状況で使用することができる。幾つか実装では、９０°を超える電流フェーザ角度４１７を使用することができる。このような大きなフェーザ電流角４１７は、隣接する極を運動方向に「押す」ことができる。同様に、９０°未満の電流フェーザ角度４１７を使用して、ブレーキ動作中などに隣接する極を反対方向に「押す」ことができる。静止座標系と同期座標系の間の電流フェーザ角度４１７の変換は、次の方程式を使用して行うことができる。
θ_e=(P/2)θ_m, （１）
但し、θ_ｅは、同期座標系内の電流フェーザ角度であり、Ｐは、ステータ極の数であり、θ_ｍは、静止座標系における電流フェーザ角度である。電流フェーザ角度に関係なく、Ｄ軸コンポーネントとＱ軸コンポーネントに分解できる。一般に、本明細書に記載のモータ及び発電機では、Ｄ軸コンポーネントはロータ極内の磁界を「充電」又は変調するように作用し、一方、Ｑ軸コンポーネントはロータ極に力又はトルクを与えるように作用する。Ｄ軸はまた、本開示を通じて詳細に説明されるように、ステータ巻線からロータ巻線へ制御信号を直接、並列送信するために使用することもできる。この開示全体を通して、「電流角度」及び「電流フェーザ角度」という用語が使用される。尚、ステータによって生成された合成信号の合計により、「電流フェーザ角度」に沿った信号が得られ、一方、個々の信号、例えば、Ｄ軸のみに沿った信号は、「電流角度」で注入されるものとして説明できる。特定の例として、短軸のｄ／ｑ軸システムは、Ｄ軸の短軸のピークがＤ軸の長軸の両側に位置するように、追加の周期を持つ正弦波にすることができる。２つの波形の相関がゼロになる可能性があるため、Ｄ軸の短軸は長軸のＤ／Ｑシステムのヌル軸にマッピングされるか、ヌル軸の部分空間と見なすことができる。このタイプのフィールド分布の実施形態は、以下に更に詳細に説明される、図８Ａ～８Ｄに示される。ただし、Ｄ軸の短軸は共通の正弦波である必要はない。例えば、Ｄ軸の短軸は、Ｄ軸の長軸の磁界の両側に正／負のピークがあり、広いゼロ応答セクションを持つ「ウェーブレット」である可能性がある。以下に更に詳細に説明される、図１３～１５は、このパターンを生成する可能性のあるコイルの配置及び接続を示す。

【0071】

各ロータ極に関連する巻線には、強磁性材料の歯に関連するＡＣコイルとＤＣコイルが含まれる。図３Ａは、そのような例示的なＡＣロータコイル３０２及びＤＣロータコイル３０４の配置の回路３００である。ＡＣロータコイル３０２は、ステータによって生成されるＡＣ電流によって誘導されるＡＣ電流／電圧を流すように構成されている。図示されたＡＣロータコイル３０２は、ＡＣロータコイル３０２に関連する固有抵抗３０６及び固有インダクタンス３０８を含む。ＤＣコイル３０４は、動作中、ステータ巻線によって生成される磁場によって（すなわち、全体を通じて説明される無線電力伝送を介して）通電可能なロータ界磁巻線を画定する。通電されたロータ界磁巻線は磁界を生成し、この磁界がステータ巻線によって生成される磁界と相互作用して、ロータとステータの間に相対力を生成する。図示のＤＣコイル３０４は、任意のワイヤコイルに関連する固有抵抗３１０及び固有インダクタンス３１２を含む。

【0072】

ＤＣコイル３０４は、ＡＣコイル３０２によって少なくとも部分的に影響を受ける。つまり、ＡＣコイル３０２内の電流及び電圧は「浮動」することができ、又は、独立変数として機能することができる。一方、ＤＣコイル３０４内の電流及び電圧はＡＣコイル３０２の状態に依存する。例えば、図示の実装では、ＡＣロータコイル３０２は、パッシブ整流器３１４によってＤＣロータコイル３０４に電力を供給する。換言すれば、ＤＣコイル３０４は整流コイルであり、ＡＣコイル３０２は非整流コイルである。すなわち、巻線（ＡＣコイル３０２とＤＣコイル３０４の両方を含む）に通電するには、ステータ磁界はＡＣコイル３０２内に電流を誘導し、その後整流されてＤＣ電流としてＤＣコイル３０４に流れる。ＤＣコイル３０４を通るこのＤＣ電流は、ＤＣコイル３０４とステータとの間に起磁力を生成し、ステータに対してロータを移動させる。

【0073】

幾つか実装では、動作中、ＡＣコイル３０２内の電圧は、ＤＣコイル３０４内の電圧よりも大きい（例えば、５倍、１０倍、又は１００倍）。幾つか実装では、ＤＣコイル３０４内の電流は、ＡＣコイル３０２内の電流より大きい（例えば、５倍、１０倍、又は１００倍）。これは、部分的には、ＤＣコイル３０４が、ロータ内で運動を引き起こす起磁力に関して支配的なコイルであるためであり、このような起磁力は、通常、ロータコイル内の大電流によって実現される。

【0074】

図示のように、回路はパッシブ整流器３１４、より具体的には４つのダイオードを含むブリッジ整流器を含む。ブリッジ整流器を使用するものとして示されているが、本開示から逸脱することなく、ハーフブリッジ整流器又はアクティブ整流器を含む他の整流器を使用することができる。

【0075】

図３Ｂ～３Ｃは、前述のパッシブ整流器３６４の代わりに使用することができる例示的なアクティブ整流器回路３５０ａ及び３５０ｂの回路図である。図３Ｂのアクティブ整流器回路３５０ａは、非対称ブリッジ回路３５０ａとも呼ばれ、２つのダイオード３５２ａ、３５２ｂ及び２つのスイッチ３５４ａ、３５４ｂを含む。ダイオード３５２ａ及びスイッチ３５４ａはそれぞれ、ＤＣコイル３０４（図３Ａ）の第１のノード３５６ａに結合され、ダイオード３５２ｂ及びスイッチ３５４ｂはそれぞれ、ＤＣコイル３０４の第２のノード３５６ｂに結合される。それぞれのダイオード／スイッチ対間のノード３５６は、ＤＣコイル３０４の両端に対応する。ダイオード３５２ａ及びスイッチ３５４ｂはそれぞれＡＣコイルの第１のノード３６０ａに結合され、ダイオード３５２ｂ及びスイッチ３５４ａはそれぞれＡＣコイルの第２のノード３６０ｂに結合される。すなわち、それぞれ別個のそれぞれのダイオードスイッチ対間のノード３６０は、ＡＣコイル３０２（図３Ａ）の２つの端にそれぞれ結合される。幾つか実装では、キャパシタ３５８は、ダイオード／スイッチ／ロータ巻線アセンブリと並列に配線される。幾つか実装では、キャパシタ３５８は、所望の共振周波数に合わせてサイズを決めることができる。このようなキャパシタは、ブリッジ整流器３６４などのパッシブ的整流システムに同様に含めることができる。

【0076】

例えば、ｐ－ｎ接合ダイオード、ガスダイオード、ツェナーダイオード、又はショットキーダイオードなどの、幾つかのタイプのダイオードが図３Ａ～３Ｂの回路で使用することができる。幾つか実装では、ショットキーダイオードが使用される場合、ショットキーダイオードは炭化ケイ素ダイオードであってもよい。ダイオードの選択は、電圧降下、逆電圧降伏、回復時間などの様々な要因に応じて決まる。所望の動作条件に応じて、異なるダイオードを使用できる。幾つかのタイプのダイオードを列挙したが、本開示から逸脱することなく他のダイオードを使用することもできる。

【0077】

幾つか実装では、各スイッチ３５４ａ、３５４ｂは、１つ又は複数のトランジスタを含む。例えば、バイポーラ接合トランジスタ、ＦＥＴ（例えば、ＭＯＳＦＥＴ）、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ、及び絶縁ゲートバイポーラ接合トランジスタなど、幾つかのタイプのトランジスタを使用することができる。幾つか実装では、スイッチ３５４ａ、３５４ｂはリレーを含むことができる。ロータ巻線電流がスイッチ３５４ａ、３５４ｂを通過するため、スイッチ３５４ａ、３５４ｂに含まれるトランジスタは、例えば、数アンペア（multiple amps）など、大電流用の定格であってよい。

【0078】

図３Ｃは、例示的なフルブリッジアクティブ整流回路３５０ｂを示す。フルブリッジアクティブ整流回路３５０ｂは、ダイオード３５２ａ、３５２ｂがスイッチ３５４ｃ、３５４ｄに置き換えられることを除いて、非対称ブリッジ回路３５０ａと同様に動作する。幾つか実装では、この置換により、少なくとも各スイッチが対応するダイオードよりも低い実効オン抵抗を有することができるため、非対称ブリッジ回路３５０ａに比べてフルブリッジ回路３６０における導通損失を低減することができる。スイッチ３５４ｃ、３５４ｄに加えて、フルブリッジ回路は、図３Ｂを参照して説明したように、スイッチ３５４ａ、３５４ｂ及びキャパシタ３５８も含む。

【0079】

ロータ上の各アクティブ整流器回路（例えば、各回路３５０ａ及び／又は３５０ｂ）は、対応する制御回路によって駆動されてもよい。すなわち、対応する制御回路は、アクティブ整流器のスイッチング素子を（例えば、それぞれのＰＷＭ信号で）駆動して、入力ＡＣ電流をアクティブに整流し、ＤＣ電流を生成して出力する。例えば、制御回路は、アクティブ整流器の各スイッチング素子（例えば、３５４ａ、３５４ｂ、３５４ｃ、及び／又は３５４ｄ）に結合されたロータマイクロプロセッサ又はゲート駆動ユニットを含んでもよい。制御回路は、本明細書で説明するように、ステータから無線で受信したデータ信号に基づいて、又は「自己同期」制御方式に基づいてスイッチング素子を駆動してもよい。例えば、自己同期から受信又は検出されたデータ信号制御情報は、アクティブ整流器の有効化／無効化、閾値の設定、及び／又はスイッチングレートの設定を制御回路に指示してもよい。ＡＣ電流をＤＣ電流に整流するために制御回路がスイッチング素子に提供する特定の制御信号（例えば、ＰＷＭ信号）は、フルブリッジ回路又は非対称ブリッジ回路を使用するアクティブ整流のための既知の技術に従って生成されてもよい。

【0080】

アクティブ整流回路３５０ａ及び／又は３５０ｂの幾つか実装では、共振キャパシタ３５８の両端の電圧を調整するように構成された電圧レギュレータ３７０は、本明細書で説明される整流回路のいずれに含まれてもよい。電圧レギュレータ３７０は、電圧フィードバック信号を監視し、その信号を指令された電圧値又は基準電圧値と比較し、フィードバック信号と基準電圧値との間の誤差を制御（一般に、低減又は最小化）するように回路を制御する回路であってもよい。或いは、又は、これに加えて、幾つか実装は、整流器のＤＣ側に、ロータＤＣコイルから磁気的に絶縁された二次インダクタ３７２を含むことができる。しかしながら、幾つかの実施形態では、電圧レギュレータ３７０及び二次インダクタ３７２の一方又は両方がアクティブ整流回路３５０ａ及び／又は３５０ｂに含まれない。

【0081】

使用される特定の整流器回路、及び整流器回路を組み込む本明細書に記載の特定の電気機械の実施形態に関係なく、（付随する電圧調整器、二次インダクタ、及び／又は制御回路を含む）整流器回路は、特定のモータのロータに回転的に固定されてもよい。換言すれば、本明細書で説明される電気機械の実施形態のそれぞれは、ロータ及びロータシャフトとともにステータに対して回転する、ロータ巻線の１つ又は複数のＡＣコイルをそのロータ巻線のＤＣコイルと接続する、整流器回路を含んでもよい。例えば、整流器回路は、ロータ又はロータシャフトに固定された（例えば、ＰＣＢに埋め込まれたトレースによって相互接続されたＰＣＢ上の表面又はスルーマウント回路要素の組み合わせ、又はその他のＰＣＢ設計手法によって定義される）プリント回路基板（ＰＣＢ）上に含まれていてもよい。例えば、幾つかの実施形態では、ＰＣＢはロータの軸方向側に取り付けられてもよい（例えば、図５Ａ～５ＢのＰＣＢ５５０、及び、図６Ａ、７Ａ、１０Ａ、及び１１Ａの同様のＰＣＢ（ラベルなし）を参照）。他の実施形態では、整流器回路を組み込んだＰＣＢは、ロータシャフト又はロータの別の部分に固定されるか、又はその中に含まれる。ＰＣＢ５５０などのＰＣＢは、図示される１つ又は複数の実施形態には示されていない場合があるが、そのようなＰＣＢは存在し、ＰＣＢ５５０と同様の方法でロータとともに回転するようにロータに固定されてもよい。

【0082】

アクティブ又はパッシブ整流回路の制御には、様々な制御方式を使用できる。一部の制御方式は、ステータからロータへの特別な制御信号の送信を必要としない「自己同期型」であり、むしろ、ロータ側の回路は、ロータ巻線に通電してロータの動きを駆動する同じＤ軸及び／又はＱ軸電流によってロータ巻線に誘導される電流に基づいてアクティブ整流回路を制御する。他の制御方式は「信号駆動型」であり、ステータ巻線からロータ巻線へのＤ軸電流及び／又はＱ軸電流に埋め込まれるエンコードされた信号（つまりデータ信号）が含まれ、モーターステータスデータをステータからロータに渡す。一部の制御方式には、自己同期機能と信号駆動機能の両方が含まれている。

【0083】

ステータ側の電流はステータ側の電圧に対応する可能性があるため、電流に埋め込まれた信号を含むスキームは、電圧に埋め込まれた信号を含む等価なスキームに対応してもよい。ステータ側電圧の信号に関して本開示で説明される実装は、ステータ側電流の信号と等価であり、また、ステータ側電流の信号を説明することもでき、またその逆も同様である。

【0084】

これらの方式では、追加のステータとロータの結合要素は必要なく、むしろ、信号は、ロータ巻線の通電と動作にすでに使用されているステータ巻線とロータ巻線を使用して送信される。この技術は、特別な検出器、センサ、又は有線結合を組み込む方式と比較して、コストを削減し、パフォーマンスと柔軟性を向上させるのに役立つ。

【0085】

このような制御方式の例は、２０２１年３月５日に出願された米国仮特許出願第６３／１５７，５６０号に記載されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

【0086】

図４Ａ～４Ｃは、ステータ４０２及びロータ４０４（４０４ａ、４０４ｂ、４０４ｃ）を備えた例示的な電気機械４００ａ、４００ｂ、及び４００ｃの平面断面図である。以前は、Ｄ軸４０６はロータの極４０８と位置合わせされるものとして定義されていた。「モータ極」は、特定の時点でエアギャップ全体に単一極性の磁束を放出するステータ又はロータのトポロジカルセクションとして説明できる。電気モータの極番号や位置を決定する際には、ステータ又はロータのバックアイアンに流れる磁束が考慮される。極は通常、５，０００ガウスを超える可能性のある高磁場領域によって特徴付けられる。極は永久磁石又は電磁場から生じうる。ステータ又はロータの極の数は製造中に固定されることが多いが、本明細書で説明する幾つか実装では、ロータ、ステータ、又は両方の極の数は動作中に変更することができる。

【0087】

ステータ４０２は巻線４１０を含む。巻線４１０は、本開示から逸脱することなく、突出、集中ステータ巻線、分散巻線、及び／又は非重なりステータ巻線を含むことができる。単一の極を有する断面として示されているが、ロータ４０４（４０４ａ、４０４ｂ、４０４ｃ）はそれぞれ、関連するロータコイル４１２（４１２ａ、４１２ｂ、４１２ｃ）を有する複数のロータ極４０８を画定する。幾つか実装では、ロータ４０４のスタック長は、ステータ４０２のスタック長と実質的に（例えば、±５％～１０％）同様である。

【0088】

前述したように、ロータ極４０８は、ロータ極の磁気中心にＤ軸を有する。Ｄ軸４０６を有するロータ極４０８に加えて、ＡＣコイル４１４とＤＣコイル４１６は両方ともそれぞれＡＣコイルのＤ軸とＤＣコイルのＤ軸を有する。極のＤ軸と同様に、ＡＣコイルのＤ軸とＤＣコイルのＤ軸は、それぞれのコイルの合成磁気中心の中心点に位置合わせされる。図４Ａ～４Ｃでは、ロータ極のＤ軸、ＡＣコイルのＤ軸、及びＤＣコイルのＤ軸はすべて互いに位置合わせされている（すなわち、図示のＤ軸４０６は、ロータ極、ＡＣコイル、及びＤＣコイルのそれぞれのＤ軸を表す）。図４Ａでは、ＤＣコイル４１６ａがＡＣコイル４１４ａを取り囲んでいる。図４Ｂでは、ＡＣコイル４１４ｂはＤＣコイル４１６ｂを取り囲んでいる。図４Ｃでは、ＡＣコイル４１４ｃはＤＣコイル４１６ｃ上に放射状に積層される。同様に、本開示から逸脱することなく、ＡＣコイル４１４ｃとＤＣコイル４１６ｃの位置を切り替えることができる。

【0089】

ロータ極４０８は、ロータ表面上にトポロジ的に且つ電気的に固定される。ステータロータは、極がモータの同期座標系に対してトポロジ的に且つ電磁的に固定又は静的に保持されるロータであり、例えば、ロータ４０４は固定極ロータである。すなわち、（固有のレベルのトルクリップルを考慮して）ロータ４０４は常に、ステータによって提供される駆動周波数と実質的に同じ速度で、又は同期して回転する。したがって、本明細書で説明するような固定極ロータを含むモータでは、同期座標系は磁気座標系と同じである。このため、固定極モータは「同期」モータと呼ばれることがよくある。界磁巻線ロータ、表面ＰＭロータ、リラクタンスモータ、内部ＰＭロータはすべて固定極ロータの例である。固定極ロータの設計は、ロータのＤ軸４０６領域（ロータ極の中心）における強磁性材料の利用を最大化し、巻線界磁ロータの場合には、有効な磁気中心がＤ軸４０６と一致することを保証する。その結果、特定のサイズと出力定格では、固定ポールロータの方がシフトポールロータよりも効率的であると考えられる。ただし、固定極ロータは、動的負荷条件及び動的運転速度下で固定極ロータを一定の電流フェーザ角度に維持することが困難であるため、制御が困難である。例えば、負荷の変化中にモータを加速したり速度を維持したりするには、位置センサからの入力に基づいて電流フェーザ角度４１７、電流の大きさ、及び／又は駆動周波数をアクティブに調整することが必要となる。本明細書で説明される概念は、ステータ磁界とロータ、例えばロータ４０４が動作中に相互の同期性を維持するため、主に同期機械に適用できる。

【0090】

対照的に、シフトポールロータのポールは、地形的又は電磁的に固定されておらず、動作中に静止した座標系に対して移動する。つまり、ロータは常に「スリップ」し、ステータによって提供される駆動周波数に遅れるか、同期が取れなくなる。そのため、これらのモータは「非同期」モータと呼ばれることがよくある。シフトポールロータの例には、巻線及びかご形誘導ロータ、電機子巻線ロータ、ブラシモータ、及び他の同様のモータが含まれる。シフト極ロータは動作中に電流フェーザ角度４１７を自己調整できるが、極がロータ表面全体で均一に移動できるようにするために、Ｄ軸強磁性材料とＱ軸界磁巻線の間で設計上の譲歩を行う必要がある。その結果、このようなモータの電気抵抗は高くなり、より多くの始動電流が必要となり、所定のサイズと出力定格のシフトポールロータでは磁界強度が低くなる。

【0091】

ロータ４０４の磁界は、最終的に、ステータ巻線４１０によって生成される磁界によって付勢されるように構成されている。これは、磁界がロータ磁界に誘導的に電力を伝達し、その電力が捕捉されて付勢源として使用されるためである。ロータ４０４及びステータ巻線４１０は、励起されたロータ磁界に応じて相互に移動するように構成されている。ロータ４０４は、ステータ巻線４１０を除くステータ４０２のコンポーネントから実質的にエネルギー的に絶縁されている。更に、ロータ４０４及びステータ巻線４１０は、一方向（例えば、ステータからロータへ、又はロータからステータへ）又は双方向（ステータからロータへ、及び、ロータからステータへ）に信号（例えば、データ信号）を通信することができる。更に、ロータ４０４は、例えばスロット効果によりシステムエネルギーを収集する（harvest）ように構成されてもよい。ステータとロータの電力伝送、ステータとロータの通信、及びシステムエネルギーの収集（harvesting）についてはそれぞれ、本明細書で更に詳細に説明する。

【0092】

電気機械内では、ステータとロータを結合して、動作中の電力伝送、信号伝送、及び／又は界磁変調を可能にすることができる。結合は、直接結合又は間接結合として分類できる。直接結合は、エアギャップ４１８などの主動作エアギャップに沿ってステータとロータとの間で発生する。間接結合は、主動作エアギャップ４１８から離れた二次界面に沿って発生する。

【0093】

直接結合は通常、誘導結合として特徴付けられる。例えば、かご形誘導ロータはステータに直接結合されていると見なされる。直接結合は一般的であり、非同期マシンでは容易に制御されるが、同期マシンとの直接結合は、本開示全体にわたって説明される理由により、制御が困難である。例えば、電流の大きさ及び／又は周波数が適切に維持されていることを確認するために、ロータの位置を知る必要があることがよくある。

【0094】

間接結合は二次結合に沿って動作し、半径方向又は軸方向に配置でき、電気接点、別個のエアギャップに沿った誘導結合、容量結合、又は光学結合を介して通信してもよい。二次カップリングは電気機械の効率や全体的な制御性を向上させるために様々な機能に使用できるが、多くの場合、追加のコンポーネントが必要になるため、そのようなシステムを利用する機械の重量、複雑さ、故障頻度、コスト（運用コストと資本コストの両方）が増加する可能性がある。

【0095】

結合は更に、電力結合又は信号結合のいずれかに分類できる。パワーカップリングはステータからロータに電力を伝達し、主動作エアギャップに沿って起磁力を直接駆動するために使用され、それによってトルクが生成される。信号結合は、ステータとロータの間で信号を送信し、ロータ内の電気回路を個別に調整したり、温度や固定座標系に対する位置などのロータの状態を監視したりするために使用できる。信号結合は、モータの定格電力に比べて非常に低い電力レベル（例えば、モーターの定格電力の５％未満）で送信する。

【0096】

本開示を通じて説明されるような、エネルギー的に絶縁されたモータ及び発電機は、主に（標準的な電磁シールド許容範囲内で）直接結合を使用して、間接結合又は二次結合を使用せずに、ステータとロータとの間で電力及び信号を伝送する。本明細書で説明される電気機械は、電力結合と信号結合の両方のために、ロータ４０４とステータ４０２との間の直接結合を含む。直接信号結合は、例えばアクティブな整流器の状態を制御するために使用できる。直接電力結合は、例えば、ロータのＡＣコイルに電力を供給して整流し、ＤＣ電流としてＤＣコイルに供給するために使用できる（例えば、直接信号結合によって制御されてもよい）。

【0097】

或いは、又は、これに加えて、直接結合を使用して、例えばＡＣコイル４１４に電力を伝達することができる。同様に、直接結合を使用して、トルクを生成し、機械の磁束を制御し、及び／又は、ロータの回転速度を制御することができる。直接結合アプリケーションで使用される信号には、ロータ４０４への信号全体、ベクトル合計コンポーネント（Ｄ軸又はＱ軸など）、又は、特定のベクトルに重ね合わせることができる特定の制御チャネルのコンポーネント（トルク、動力伝達、データなど）が含まれてもよい。幾つか実装では、直接結合は、ロータからのフィードバックを受信するために、例えばロータの位置を決定するために使用できる。

【0098】

幾つか実装では、ロータ４００は、ロータ４００内に埋め込まれた永久磁性材料を含む。このような実装では、ロータ４００は、例えば各ロータ極の間に実質的にスポーク状の配置で配置された永久磁性材料のチャネルを含むことができるが、本開示から逸脱することなく、永久磁性材料の他の配置を使用することもできる。永久磁性材料は、フェライト、ＳｍＦｅＮ、Ｎ３５、又はＮ４５などの様々な材料を含むことができる。（使用される場合には）より低出力の永久磁性材料が通常使用されるが、本開示から逸脱することなく、より少量のより高出力の磁性材料を使用することができる。永久磁性材料が使用される実装では、永久磁性材料は、各ロータ極４０８の長手方向の長さ全体にわたって、又は各ロータ極４０８を部分的に横切って延在することができる。幾つか実装では、永久磁性材料は、複数の層、積層、又はセグメントで構成できる。

【0099】

幾つか実装では、永久磁性材料は、実質的に各ロータ極４０８の間に正味の磁力を生じさせうる。幾つか実装では、永久磁性材料は、永久磁性材料からの正味の磁力がロータ極４０８と整列するように配置することができる。一般に、永久磁性材料の配置は、ロータ内の磁性材料の所望の断面磁束密度に依存する。永久磁性材料がロータ巻線内に配置される実装では、周囲のロータ巻線の電荷を調整することによって、永久磁性材料の各セットの磁束を個別に調整及び／又は変調することができる。このような実装は、強力なステータ磁界によって引き起こされる可能性のある減磁からも磁石を保護する。永久磁性材料がロータ巻線によって囲まれていない実装では、ステータ磁界によって引き起こされる磁束の調整が、ロータ４０４内の複数のセットの永久磁性材料に影響を与える可能性がある。本開示の主題は、永久磁性材料を含むものとして時々説明されるが、永久磁性材料を含まないロータにも依然として適用可能である。

【0100】

ロータ極内に永久磁性材料が使用される幾つか実装では、関連する巻線と極性は、コンストラクティブな整流（constructive rectification）、磁気書き込み（磁束充電）、及び／又は非コンストラクティブな整流（deconstructive rectification）を提供するように配置できる。コンストラクティブな整流に関しては、巻線に通電して永久磁性材料の磁界を増加又は増大させることができる（例えば、材料の極性又はＭＭＦに対してコンストラクティブに）。このようなコンストラクティブな整流は、不要な磁場や高調波に対する磁気シールドを提供したり、ロータ極の残留磁場（Ｂ）が動作中の残留値から増加するロータの磁場を増強するために使用できる。言い換えれば、巻線を介したコンストラクティブな整流により、永久磁石材料の磁界が増幅される。磁気書き込みに関しては、巻線を介したコンストラクティブな整流によって永久磁性材料が残留磁場に磁化され、材料の磁化とも呼ばれる。非コンストラクティブな整流に関しては、巻線に通電して永久磁性材料の磁界を減少又は減少させる（例えば、磁界を弱める）ことができる。ロータ巻線に関連する整流器がアクティブ整流器（例えば、図３Ｂ～Ｃに示されるような制御可能なスイッチング素子を含む）である場合、整流器は双方向整流を可能にし、整流器を制御するコントローラ（例えば、コントローラ１０４又は１７００）は、整流器を選択的に制御することができ、スイッチング素子の制御を通じて、必要に応じてコンストラクティブ又は非コンストラクティブな整流を提供する。

【0101】

図５Ａは、例示的なロータ５００の平面図である。図５Ｂは、例示的なロータ５００の側断面斜視図である。ロータ５００は、本明細書で説明する相違点を除いて、ロータ４００（４００ａ、４００ｂ、及び４００ｃ）と実質的に同様である。ロータ５００は４つの極５０８を有する。各極５０８は、巻線部分５１０及びキャップ５１１を含む強磁性材料の中央歯５０９と関連付けられ、歯５０９を取り囲むＡＣ巻線若しくはコイル５１４及びＤＣ巻線若しくはコイル５１６を有する。より具体的には、ＤＣコイル５１４及びＡＣコイルは両方とも各歯５０９の巻線部分５１０の周りに巻き付けられ、巻線部分５１０及びキャップ５１１（端フランジとも呼ばれる）によって画定されるチャネル５１２を通って延在する。ロータの一端又は両端には、プリント回路基板（ＰＣＢ）５５０がある。巻線は、例えば、はんだ付け、クランプ、又はプラグによってＰＣＢ５５０に導電接続される。ＰＣＢ５５０は、本開示全体にわたって説明される整流器などの、個別回路コンポーネント及び／又は集積回路コンポーネントを含むことができる。シャフト５５２は、ロータを通って延び、ロータがステータ又はハウジング内で回転できるように支持する。この実装では、ＡＣコイル５１６は、ＤＣコイル５１４と径方向に平行であり、ＤＣコイル５１４を取り囲んでいる。ＤＣコイル５１４は、ＡＣコイル５１６の径方向長さ５５４よりも長い径方向長さ５５２を有する。ＡＣコイル５１６及びＤＣコイル５１４は両方とも、ロータ極のＤ軸と位置合わせされたそれぞれのＤ軸を有する。すなわち、ロータ極５０８、ＡＣコイル５１６、及びＤＣコイル５１４のＤ軸はすべて、半径方向外側に延在し、運動方向に対して垂直である。

【0102】

図６Ａは、例示的なロータ６００の平面図である。図６Ｂは、例示的なロータ６００の側断面斜視図である。ロータ６００は、本明細書で説明する相違点を除いて、例示的なロータ５００と実質的に同様である。図６Ａ～６Ｂにおいて、図５Ａ～６Ｂの番号に１００を加えた同様の番号は、同様のコンポーネントを示すために使用される（例えば、図６Ａでは、ロータ極には「６０８」の番号が付されているが、図５Ａでは、ロータ極には「５０８」の番号が付されている）。ＡＣコイル６１６及びＤＣコイル６１４は、互いに半径方向に積み重ねられる。より具体的には、ＤＣコイル６１４及びＡＣコイル６１６は両方とも、各歯６０９の巻線部分６１０の周りに巻き付けられ、巻線部分６１０及びキャップ６１１によって画定されるチャネル６１２を通って延びる。ＤＣコイル６１４はＡＣコイル６１６よりもシャフト６５２から半径方向に遠いものとして示されているが、この開示から逸脱することなく２つを逆にしてもよい。実質的に同じサイズとして示されているが、ＡＣコイル６１６及びＤＣコイル６１４は、本開示から逸脱することなく、互いに異なるサイズ（例えば、異なる巻数、巻線面積、又は異なるワイヤ体積）であってもよい。例えば、幾つか実装では、ＡＣコイルの面積、ワイヤ直径、及び／又は巻数６１６は、ＤＣコイル６１４よりも大きい。幾つか実装では、ＤＣコイルの面積、ワイヤ直径、及び／又は巻数６１４は、ＡＣコイル６１６よりも大きい。

【0103】

図７Ａは、例示的なロータ７００の平面図である。図７Ｂは、例示的なロータ７００の側断面斜視図である。ロータ７００は、本明細書に記載される相違点を除いて、例示的なロータ６００と実質的に同様である。図７Ａ～７Ｂにおいて、図６Ａ～６Ｂの番号に１００を加えた同様の番号は、同様のコンポーネントを示すために使用される。例示的なロータ７００は、それぞれの歯７０９のＡＣコイル７１６とＤＣコイル７１４との間にスペーサ７５４を含む。それぞれの歯７０９のＡＣコイル７１６及びＤＣコイル７１４は、歯７０９の巻線部分７１０の周りに巻き付けられる。従って、スペーサ７５４、ＡＣコイル７１６、及びＤＣコイル７１４は、それぞれ、巻線部分７１０及びキャップ７１１によって画定されるチャネル７１２を通って延びる。スペーサは、非磁性材料で構成される。幾つか実装では、スペーサ７５４は、プラスチック、ガラス繊維、又は他の絶縁材料などの非金属材料で作られている。他の実施形態では、それはフェライトから構成されてもよい。この分離により、ＡＣコイル７１６とＤＣコイル７１４が互いに分離される（例えば、高周波ＡＣシールド）。スペーサ７５４は、組み立て中及び／又は動作中に巻線を機械的に保持及び／又は編成するために使用することもできる。幾つか実装では、スペーサ７５４は、巻線の温度を調節するために冷却流体を運ぶことができる冷却チャネルを画定する。

【0104】

図８Ａは、例示的なロータ８００の斜視図である。図８Ｂは、例示的なロータ８００の平面図である。図８Ｃは、例示的なロータ８００の平面断面図である。図８Ｄは、例示的なロータ８００の側面断面斜視図である。例示的なロータ８００は、本明細書に記載される相違点を除いて、例示的なロータ５００と実質的に同様である。図８Ａ～８Ｂにおいて、図５Ａ～５Ｂの番号に３００を加えた同様の番号は、同様のコンポーネントを示すために使用される。

【0105】

ロータ８００の各歯８０９は、特定の歯８０９の巻線部分の周りに巻き付けられ、巻線部分８１０とキャップ８１１によって画定されるチャネル８１２を通って延びるＤＣコイル８１４を含む。各歯８０９はさらに、キャップ８１１に沿って延びる第１のチャネル８１３ａと、ロータの幹８５６内の第２のチャネル８１３ｂとを含み、ＡＣコイル８１６は、チャネル８１３ａ～ｂを通って延在し、チャネル８１３ａ～ｂを介して歯８０９の周りに巻かれる。従って、ロータ８００は、ＤＣコイル８１４を含み、各ＤＣコイルのＤ軸は、関連するロータ極８０８のＤ軸と位置合わせされる。すなわち、ＤＣコイル８１４のＤ軸は、ロータ８００の移動方向に対して垂直である。しかしながら、ＡＣコイル８１６は、それぞれのＤＣコイル８１４に対して垂直である。すなわち、ＡＣコイルのＤ軸は、（標準的な製造公差の範囲内で）それぞれのＤＣコイルのＤ軸に対して実質的に垂直であり、ＡＣコイルのＤ軸をＤＣのＤ軸及びロータ極のＤ軸からオフセットさせると、ロータを回転させる電流フェーザ角度からオフセットされたロータ極にＡＣ信号を送信できるようになる。つまり、この配置では２つの異なるチャネルが存在する。そのため、コイルの物理的角度が異なるため、電力、信号、及びＭＭＦ信号が、異なるチャネル間でロータと同時に交換される可能性がある。幾つか実装では、ＡＣコイルは、ロータの胴部（トランク）８５６内に最大２０％延在する。この文脈における「胴部（トランク）」とは、ロータ極の歯がロータから伸びる仮想的な円筒のことである。

【0106】

最大トルクは、その直交角（例えば、電気座標系で９０°）又はＤＣコイルのＱ軸上で（理論上）発生するが、スロッティング効果、リラクタンストルク、その他の効果により、このピークトルクモーメントが純粋な直角位相から遠ざかることがよくある。例えば、巻線界磁同期機では、電気座標系の４５～９０°の間でピークトルクが発生しうる。幾つか実装では、ピークトルクは電気座標系内で６０～８０°の間で発生する。ピークトルクの正確な電流フェーザ角度は、負荷と飽和に基づいて変化しうる。ＡＣコイルとＤＣコイルはそれぞれＤ軸とＱ軸を持っているため、充電及び／又は電力伝送は、ＡＣコイルを独自のＤ軸に接続することによって行われ、これは機械の長Ｄ軸とは異なるかもしれない。この開示全体を通して議論されるように、動作電流角度は、信号のＱ軸及びＤ軸ベクトルコンポーネントによって定義される。Ｄ軸に信号を注入すると、電流フェーザ角度が目的のトルク負荷（例えば、アンペアあたりの最大トルク、ＭＴＰＡなど）よりも小さくなり、トルクが奪われる。そのため、Ｑ軸に信号（変調や摂動など）をインジェクトすると、純粋なＤ軸インジェクションで経験できる条件よりも高いトルク条件下での電力伝達が可能になる。Ｑ軸に沿った電力注入はＤ軸と直交するため、より滑らかな磁場がＤ軸上に生成され、トルクリップルが減少する。更に、この配置により、電力伝達磁束がＤ軸磁束（例えば、トルク生成用のＤＣコイルからの磁束）から分離され、ＡＣコイルの回路コンポーネントを小さくすることができる（例えば、電圧及び／又は電流定格が低くなる）。幾つか実装では、例えば、Ｄ軸とＱ軸の両方に電力ＡＣコイルを使用すると、両方の軸で電力を変調して伝送できるため、必要な制御に関係なく一定の電力伝送が可能になる。

【0107】

図９Ａは、例示的なロータ９００の平面断面図である。図９Ｂは、例示的なロータ９００の側断面斜視図である。ロータ９００は、本明細書で説明する相違点を除いて、ロータ８００と実質的に同様である。図９Ａ～９Ｂにおいて、図８Ａ～８Ｂの番号に１００を加えた同様の番号は、同様のコンポーネントを示すために使用される。ロータ９００のＡＣコイル９１６はＤＣコイル９１４に対して垂直であるが、ＡＣコイル９１６はロータ極９０８を完全に貫通しておらず、代わりに、ＡＣコイル９１６は、それぞれのＤＣコイル磁路の一部を通って延びるだけである。すなわち、ロータ９００の第２チャネル９１３ｂは、ロータ８００の第２チャネル８１３ｂよりもロータ中心から径方向外側に位置している。

【0108】

この配置により、ＡＣコイルがＱ軸磁束に関与できるようになるが、（文字通りＤＣ巻線とＤ軸に直交する）ロータ８００のように電気座標系内で純粋に９０°ではない。ＡＣコイル全体を磁極面全体に（そして磁極の表面近くに）広げることで、磁束を磁極面自体全体に分散させて固定することができる。或いは、又は、これに加えて、このような配置は、スロッティングやその他の現象から発生する高次高調波や、電力伝送信号を含む高周波注入から磁極面の鉄の積層をシールドするのに役立つ（つまり、コア損失を低減できる）。

【0109】

図１０Ａは、例示的なロータ１０００の平面図である。図１０Ｂは、例示的なロータ１０００の平面断面図である。図１０Ｃは、例示的なロータ１０００の斜視図である。図１０Ｄは、例示的なロータ１０００の側断面斜視図である。ロータ１０００は、本明細書で説明する相違点を除いて、ロータ８００と実質的に同様である。図１０Ａ～１０Ｄにおいて、図８Ａ～８Ｄの番号に２００を加えた同様の番号は、同様のコンポーネントを示すために使用される。

【0110】

ロータ１０００の各歯１００９は、特定の歯１００９の巻線部分１０１０の周囲に巻き付けられ、巻線部分１０１０とキャップ１０１１によって画定されるチャネル１０１２を通って延びるＤＣコイル１０１４を含む。各歯１００９はさらに、キャップ１０１１に沿って延びる第１のチャネル１０１３を含み、ＡＣコイル１０１６は、チャネル１０１２及びチャネル１０１３を通って延在し、チャネル１０１２及び１０１３を介して歯１００９の周りに巻かれる。従って、ロータ１０００のＡＣコイル１０１６は、それぞれのロータ極Ｄ軸又はそれぞれのＤＣコイルＤ軸のいずれかと整列するＡＣコイルＤ軸を有さない。代わりに、ＡＣコイル１０１６は、運動方向に向かって、又は運動方向から離れる方向に角度が付けられている。ＤＣコイル１０１４に対するＡＣコイル１０１６の角度は、機械的に０°より大きく９０°より小さい。例えば、Ｄ軸（又は長軸）上で更に変調又は通信したい場合、この範囲は０～６０°、０～４５°、１０～２０°、又は１０～２０°になる。別の例として、Ｑ軸上でより多くの変調又は通信が必要な場合（例えば、長軸と短軸の分離）、この範囲は３０～９０°、４５～９０°、７０～９０°、又は８０～９０°になる。更に、幾つかの例では、ＡＣコイルとＤＣコイルは、９０°を超えて、例えば１１０°、又は９０～１１０°の間で結合することができる。

【0111】

同期座標系からは、他の角度も可能である。例えば、ＡＣコイルのＤ軸がロータ極のＱ軸と一致する場合がある。すなわち、ＡＣコイル１０１６は、同期座標系においてＤＣコイル１０１４から９０°にあってもよい。この配置により、ＡＣコイルによって一時的に制限されない磁束経路が提供される。すなわち、この配置は、ＡＣコイルが全ての磁束を遮断する代わりに、ＡＣコイルが磁束をより広い表面に拡散させるように作用する、少なくとも１つの磁束経路を提供する。このような配置では、２つの時間ステップ、つまり、コイルによって囲われていないコーナー（ｔ１）と、コイルの下の領域（ｔ２）と、が提供される。従って、コーナーはすぐに帯電し、時間が経つと帯電はより広い領域に拡散する可能性がある。或いは、又は、これに加えて、この配置により、シリコン回路と充電段階の間の直接結合が除去又は低減される。例えば、コーナーの磁束は０．５テスラから１．５テスラの間で振動する可能性があるが、その後、より長い時間スケールで極領域全体に拡散し、実質的に磁束を平均して実質的に１テスラにする。従って、この構成により、より速く充電でき、ロータが時間の経過とともに磁束を整理できるようになる。この結果、充電はステータ磁界によって個別に制御されるものではなく、制御に依存しない注入となる。

【0112】

図１１Ａは、例示的なロータ１１００の平面図である。図１１Ｂは、例示的なロータ１１００の平面断面図である。図１１Ｃは、ＤＣコイルの端部をすぐ過ぎた部分における、例示的なロータ１１００の極の平面断面図である。図１１Ｄは、例示的なロータ１１００の斜視図である。ロータ１１００は、本明細書で説明する相違点を除いて、ロータ５００と実質的に同様である。図１１Ａ～１１Ｄにおいて、図５Ａ～５Ｂの番号に６００を加えた同様の番号は、同様のコンポーネントを示すために使用される。各ロータ極１１０８は、強磁性材料の歯１１０９と関連付けられ、ＤＣコイル１１１４と第１及び第２のＡＣコイル１１１６ａ及び１１１６ｂを含む。ＤＣコイル１１１４は、各歯１１０９の巻線部分１１１０の周囲に巻き付けられ、巻線部分１１１０及びキャップ１１１１（端フランジとも呼ばれる）によって画定されるチャネル１１１２を通って延在する。ロータ１１００のＡＣコイル１１１６ａ～ｂは、ロータ極１１０８のキノコ型キャップ１１１１の軸方向長さに沿って延びるそれぞれの溝又はチャネル１１１３ａ及び１１１３ｂに沿って延びる。ＡＣコイル１１１６ａ及び１１１６ｂのＤ軸は、主コイル（ＤＣコイル１１１４）のＤ軸に対して直交するように平行であってもよい。他の例では、ＡＣコイル１１１６ａ及び１１１６ｂは、ＡＣコイル１１１６ａ及び１１１６ｂのＤ軸がＤＣコイル１１１４のＤ軸に対して斜め又は鋭角となるように角度を付けられてもよい（例えば、Ｖ字形）。ＡＣコイル１１１６ａ～ｂは、直列に配線されてもよいし（例えば、共有整流回路を用いて）、あるいはＰＣＢ５５０に独立して（直接）接続されてもよい（例えば、それぞれの整流回路を用いて）。幾つかの例では、ＡＣコイル１１１６ａ及び１１１６ｂを流れる電流は、互いに実質的に同位相であり、一方のＡＣコイルの電流が他方のＡＣコイルの電流を打ち消してしまうのを防止又は制限する。以下に説明する図１２は、２つのＡＣコイルを有するロータの例示的な回路図を提供し、ロータ１１００の少なくとも幾つかの実施形態のＤＣコイル及びＡＣコイルの回路を説明する。しかしながら、アクティブに制御される整流器回路など、他の回路をＡＣコイル１１１６ａ～ｂ及びＤＣコイル１１１４とともに使用することもできる。ＡＣコイル１１１６ａ～ｂは、ＤＣコイル１１１４と同じ程度までロータの長さを延長しない。例えば、図１１Ｄは、ＡＣコイル１１１６ａ～ｂが、ＤＣコイル１１１４の長さ（長さＤＣ）よりも短い長さ（長さＡＣ）を有することを示す。代わりに、ＡＣコイルの終端は、キャップからＤＣコイル１１１４の端の下のＰＣＢ５５０まで延びている。一方向に集中するＡＣコイル１０１６を有するロータ１０００とは異なり、ロータ１１００は方向的に独立している。すなわち、ロータ１０００は、極上のＡＣコイル１０１６の非対称性により、トルク生成及びタイミングに関してトルクを優先する。つまり、ロータ１０００は単一方向に回転するのがより理想的であるが、ロータ１１００は性能特性に違いなくどちらの方向に回転してもよい。

【0113】

図１２は、第１のＡＣコイル１２０２ａ及び第２のＡＣコイル１２０２ｂを含む例示的なＡＣロータコイル及びＤＣロータコイル回路１２００の回路図である。回路１２００は、本明細書で説明する相違点を除いて、回路３００と実質的に同様とすることができる。図示の実施形態では、各ＡＣコイル１２０２ａ、１２０２ｂは、それぞれ別個の整流器１２１４ａ及び１２１４ｂによってＤＣコイル１２０４に結合される。ＤＣコイル１２０４及びＡＣコイル１２０２ａ及び１２０２ｂの両方は、全て、同じロータ上のロータ極、典型的には同じロータ極又はロータ歯、又は他の実施形態では、同じロータ上の隣接する又は対称的に対向するロータ極に関連付けられる。各整流器は、単一のＤＣコイル１２０４にＤＣ電流を供給する。ＡＣコイル１２０２ａ及び１２０２ｂは、ステータによって生成されるＡＣ電流によって誘導されるＡＣ電流／電圧を流すように構成されている。図示のＡＣコイル１２０２ａ及び１２０２ｂは、ワイヤの任意のコイルに関連する固有の抵抗１２０６及びインダクタンス１２０８を含む。ＤＣコイル１２０４は、ステータ巻線によって生成される磁界によって（すなわち、全体を通じて説明される無線電力伝送を介して）通電可能なロータ界磁巻線を画定するように構成されている。通電されたＤＣコイル１２０４、又はロータ界磁巻線は、ステータ巻線によって生成される磁場と相互作用する磁場を生成し、ロータとステータとの間に相対力を生成する。図示のＤＣコイル１２０４は、任意のワイヤコイルに関連する固有の抵抗１２１０及びインダクタンス１２１２を含む。ＤＣコイル１２０４は、ＡＣコイル１２０２ａ及び１２０２ｂのそれぞれによって少なくとも部分的に影響を受ける。例えば、図示の実装形態では、ＡＣコイル１２０２ａ及び１２０２ｂは、それぞれのパッシブ整流器１２１４ａ及び１２１４ｂによってＤＣコイル１２０４に電力を供給する。すなわち、巻線（ＡＣコイル１２１４ａ及び１２１４ｂとＤＣコイル１２０４との両方を含む）に通電するために、ステータ磁界はＡＣコイル１２１４ａ及び１２１４ｂ内に電流を誘導し、その後、整流器１２１４ａ及び１２１４ｂによって整流され、電流としてＤＣコイル１２０４に流れる。これにより、ＤＣコイル１２０４とステータとの間に起磁力が発生し、ロータをステータに対して移動させる。

【0114】

図示のように、回路はパッシブ整流器１２１４ａ及び１２１４ｂ、より具体的には４つのダイオードを含むブリッジ整流器を含む。ブリッジ整流器を使用するものとして示されているが、本開示から逸脱することなく、ハーフブリッジ（整流器３５０ａを参照）又はアクティブ整流器（整流器３５０ｂを参照）を含む他の整流器を使用することができる。同様に、整流器の一方又は両方を、本明細書で説明するアクティブ整流器実装のいずれかと置き換えることができる。主に別個の整流器１２１４ａ及び１２１４ｂを有するように示されているが、ＡＣコイル１２０２ａ及び１２０２ｂは、本開示から逸脱することなく単一の整流器によってＤＣコイル１２０４に結合することができる。回路１２００及びその注目される変形（例えば、他の注目される整流器の１つを含む）は、上述した図１１Ａ～１１Ｄのロータ１１００の少なくとも幾つかの実施形態、また、図１３Ａ～１３Ｄ及び１４Ａ～１４Ｄに示されるロータ１３００及び１４００の少なくとも幾つかの実施形態に適用可能であるかもしれない。

【0115】

図１３Ａは、例示的なロータ１３００の斜視図である。図１３Ｂは、ロータのバックアイアン（back-iron）を示していない、例示的なロータ１３００の斜視図である。図１３Ｃは、例示的なロータ１３００の平面断面図である。図１３Ｄは、例示的なロータ１３００の極の平面断面図である。ロータ１３００は、本明細書で説明する相違点を除いて、ロータ１０００と実質的に同様である。図１３Ａ～１３Ｄにおいて、図１１Ａ～１１Ｄの番号に２００を加えた同様の番号は、同様のコンポーネントを示すために使用される。

【0116】

各ロータ極１３０８は、強磁性材料の歯１３０９と関連付けられ、ＤＣコイル１３１４と第１及び第２のＡＣコイル１３１６ａ及び１３１６ｂを含む。ＤＣコイル１３１４は、各歯１３０９の巻線部分１３１０の周囲に巻き付けられ、巻線部分１３１０及びキャップ１３１１（端フランジとも呼ばれる）によって画定されるチャネル１３１２を通って延在する。第１のＡＣコイル１３１６ａ及び第２のＡＣコイル１３１６ｂは、各ロータ極１３０８のキャップ１３１１内にある。より具体的には、ロータ１３００のＡＣコイル１３１６ａ～ｂは、キャップ１３１１の軸方向長さに沿って延びるそれぞれのチャネル１３１３ａ及び１３１３ｂに沿って延びる。図示のように、第１のＡＣコイル１３１６ａは第１のＡＣコイルＤ軸１３６２ａを有し、第２のＡＣコイル１３１６ｂは二等分バタフライ配置で配置された第２のＡＣ Ｄ軸１３６２ｂを有する。第１のＡＣ Ｄ軸１３６２ａも第２のＡＣ Ｄ軸１３６２ｂも、ＤＣコイルのＤ軸１３６０と位置合わせされていない。ＤＣコイル軸１３６０は、ロータ極Ｄ軸と（標準的な製造公差及び動作公差内で）実質的に位置合わせされている。第１のＡＣ Ｄ軸１３６２ａと第２のＡＣ Ｄ軸１３６２ｂも同様に互いに位置がずれている。しかしながら、幾つか実装では、第１のＡＣ Ｄ軸１３６２ａ及び第２のＡＣ Ｄ軸１３６２ｂは、ロータ極Ｄ軸１３６０から、ロータの運動方向に向かって及び遠ざかる対称的なオフセットを有する。ＤＣコイル１３１４に対するＡＣコイル１３１６ａ、１３１６ｂの角度は、機械的に０°より大きく９０°より小さい。例えば、Ｄ軸（又は長軸）上で更に変調又は通信したい場合、この範囲は０～６０°、０～４５°、１０～２０°、又は１０～２０°になる。別の例として、Ｑ軸上でより多くの変調又は通信が必要な場合（例えば、長軸と短軸の分離）、この範囲は３０～９０°、４５～９０°、７０～９０°、又は８０～９０°になる。更に、幾つかの例では、ＡＣコイルとＤＣコイルは、９０°を超えて、例えば１１０°、又は９０～１１０°の間で結合することができる。同期座標系からは、他の角度も可能であり、例えば、ＡＣコイルのＤ軸１３６２ａ、１３６２ｂは、ステータ極のＱ軸と正又は負の方向に整列してもよい（例えば、ＡＣコイル１３１６ａ～ｂがＤＣコイル１３１４に対して垂直に配置される例）。このような構成は、第１のＡＣコイル１３１６ａと第２のＡＣコイル１３１６ｂとの間の鎖交磁束の不均衡によって引き起こされる固有のＡＣ摂動を利用する。磁束も磁極面全体に広がる。長軸座標系（例えば、ＤＣコイル１３１４に対して）における０°（純粋なＤ軸アライメント）と９０°（純粋なＱ軸アライメント）との間の介在角又は斜角において、ＡＣコイル１３１６ａ及び１３１６ｂは、長軸座標系のＤ軸とＱ軸の両方に結合することができる。幾つかの例では、長軸における最大結合角度は、副コイル（ＡＣコイル）のＤ軸を構成することができる。

【0117】

幾つか実装では、二等分されたバタフライ配置で２つの別個のＡＣコイル１３１６ａ、１３１６ｂを動作させる代わりに、単一の導体又はワイヤを８の字状に巻いたり、バタフライ状に接続したりして、２つのＡＣコイルを効果的に提供し、最終的には同様の最終効果を得ることができる。この配置により、整流器に接続する必要があるワイヤの数が減る（ひいては、整流器の数も減る）。更に、導体又はワイヤが共有されているため、一方のＡＣコイルの制御はもう一方のＡＣコイルの制御から独立できなくなる可能性がある。（例えば、コイルは１つの連続した導電性要素から形成されているため、コイルの１つだけを介して電流を流すことはできない）。

【0118】

図１４Ａは、例示的なロータ１４００の平面図である。図１４Ｂは、例示的なロータ１４００の平面断面図である。図１４Ｃは、例示的なロータ１４００の斜視図である。図１４Ｄは、例示的なロータ１４００の極の平面断面図である。ロータ１４００は、本明細書で説明する相違点を除いて、ロータ１３００と実質的に同様である。図１４Ａ～１４Ｄにおいて、図１３Ａ～１３Ｄの番号に１００を加えた同様の番号は、同様のコンポーネントを示すために使用される。

【0119】

各ロータ極１４０８は、強磁性材料の歯１４０９と関連付けられ、ＤＣコイル１４１４と第１及び第２のＡＣコイル１４１６ａ及び１４１６ｂを含む。ＤＣコイル１４１４は、各歯１４０９の巻線部分１４１０の周りに巻き付けられ、巻線部分１４１０及びキャップ１４１１（端フランジとも呼ばれる）によって画定されるチャネル１４１２を通って延びる。図１４Ａ～１４Ｄのバタフライ（二等分又は接続）配置は、ロータ極１４０８のキノコ型キャップ１４１１の下に延びる第１のＡＣコイル１４１６ａ及び第２のＡＣコイル１４１６ｂを含む。より具体的には、ロータ１４００のＡＣコイル１４１６ａ～ｂは、キャップ１４１１の軸方向長さに沿って延びる共有チャネル１４１３にそれぞれ沿って延びる。キノコ形のキャップ１４１１の下にあるＡＣコイル１４１６ａ、１４１６ｂの部分は、ＤＣコイル１４１４の一部分によって覆われている。このような配置は、ＡＣコイルを保持するのに役立つ。

【0120】

図１５は、例示的なロータ１５００の平面断面図である。例示的なロータ１５００は、本明細書に記載される相違点を除いて、ロータ１３００と実質的に同様である。図１５において、図１４Ａ～１４Ｄの番号に１００を加えた同様の番号は、同様のコンポーネントを示すために使用される。

【0121】

各ロータ極１５０８は、強磁性材料の歯１５０９と関連付けられ、ＤＣコイル１５１４と、第１、第２、及び第３のＡＣコイル１５１６ａ～ｃを含む。ＤＣコイル１５１４及びＡＣコイル１５１６ａは、各歯１５０９の巻線部分１５１０の周りに巻き付けられ、巻線部分１５１０及びキャップ１５１１（端フランジとも呼ばれる）によって画定されるチャネル１５１２を通って延びる。ＤＣコイル１５１４は、第１のＡＣコイル１５１６ａに隣接し、第１のＡＣコイル１５１６ａと平行である。ＤＣコイル１５１４のＤ軸は、第１のＡＣコイル１５１６ａのＡＣ Ｄ軸とほぼ位置合わせされてもよい。キノコ形のキャップ１５１８内には、第２のＡＣコイル１５１６ｂと第３のＡＣコイル１５１６ｃがある。より具体的には、ＡＣコイル１５１６ｂは、キャップ１５１１の軸方向の長さに沿って延びるチャネル１５１３ａ及び１５１３ｂに沿って延びる。そして、ＡＣコイル１５１６ｃは、キャップ１５１１の軸方向の長さに沿って延びるチャネル１５１３ｂ及び１５１３ｃに沿って延びる。従って、チャネル１５１３ｂは、ＡＣコイル１５１６ｂとＡＣコイル１５１６ｃの両方を案内する共有チャネルである。

【0122】

第２のＡＣコイル１５１６ｂ及び第３のＡＣコイル１５１６ｃは、８の字配置で巻かれた単一の導体又はワイヤによって、又は、ロータ１３００のＡＣコイル１５１６ａ～ｃをＤＣコイル１５１４と接続する整流器に別々に結合された２つの導体又はワイヤによって、形成することができる。ＡＣコイル１５１６ａ～ｂは、（例えば、共有整流回路と）直列に配線されてもよく、又は、それぞれの整流回路を用いてＰＣＢ５５０に独立して（直接）接続されてもよい。ＤＣコイル１５１４のＤ軸は、第２のＡＣコイル１５１６ｂ及び第３のＡＣコイル１５１６ｃのそれぞれのＡＣ Ｄ軸に対してほぼ傾斜していてもよい。更に、第２のＡＣコイル１５１６ｂのＡＣ Ｄ軸と第３のＡＣコイル１５１６ｃのＡＣ Ｄ軸は異なっていてもよい（すなわち、整列していなくてもよい）。図示された例では、これらのＡＣ Ｄ軸は互いに斜めであってもよい。しかし、他の例では、ＡＣコイル１５１６ａ及び１５１６ｂは、それぞれのＤ軸が互いに垂直になるようにロータ１５００上に配置されてもよい。この３つのＡＣコイル配置により、複数のＡＣコイルを異なる角度で配置することで、より柔軟な制御及び／又は電力伝送スキームが可能になり、より幅広い角度での電力伝送も可能になる。別の整流器回路が３番目のＡＣコイルに提供されることになる（つまり、別個のＡＣコイルごとに１つの整流器）以外は、図１２に示すのと同様を使用することもできる。第３の整流回路は、２つの整流回路１２１４ａと１２１４ｂの間に（ダイオード間のそれぞれの中点ノードを介して）結合され、また（上部及び下部電圧レールを介して）第３のＡＣコイルにも結合されてよい。

【0123】

本開示は幾つか実装を説明したが、本開示の主題は、ＡＣコイル及びＤＣコイルを備えた任意の界磁巻線同期ロータに適用することができる。ステータ及びロータのトポロジ及び駆動機構に関する更なる例及び詳細は、米国特許出願第１７／１５１，９７８号に記載されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

【0124】

モータの動作及び制御に関する以下の説明は、本明細書に記載される電気機械の実施形態のそれぞれに適用可能であり、実施される可能性がある。動作中、電力伝達のための特定の摂動（例えば、信号、電界及び／又は磁束の変化、磁束の磁界の変化など）を伴う磁界指向制御又はベクトル制御を使用して、ロータ磁界の様々な側面を制御することができる。これらの摂動により、ＡＣコイルと結合するＡＣ励起が生成される。従って、ロータ電流、つまりＤＣコイルに整流できるＡＣ巻線に誘導される電流の直接の相関関係が、ステータとインバータから効果的に誘導される。言い換えれば、高周波信号は、システムのＡＣコンポーネントに加えて、Ｄ軸及びＱ軸フィールド（コントローラによって制御される）の電流の関数である機械の動的な動作を生み出すことができる。このような周波数は、その周波数が所定の回路のステータからＡＣコイルに電力を伝達する範囲内になるように選択されてもよい。周波数は、ロータの回転速度及び／又はコントローラのスイッチング速度によって調整することもできる。幾つか実装では、これは１００～３００Ｈｚ、他の場合は３００～１０００、他の場合は１～５ｋＨｚ、５ｋｈｚ～１０ｋＨｚ、１０ｋＨｚ以上である。幾つか実装では、キャパシタを使用すると、より高い周波数で共振回路が有効になる可能性がある。或いは、又は、これに加えて、インピーダンス整合を非共振回路で使用することができる。周波数は、機械の速度（ロータの毎分回転数（ＲＰＭ）など）に依存する。幾つか実装では、場合によっては、トルクリップルを引き起こすトルク発生との相互作用を防ぐために、基本周波数より少なくとも５～１０倍高い周波数の固定摂動（信号）を選択できる（例えば、回転を維持するために必要な周波数）。数ある戦略の中でも、ベクトル変調を使用して摂動を定義することができる。

【0125】

ベクトル制御変調は、Ｄ軸又はＱ軸のいずれかに結合するために直接使用でき、振幅変調（ＡＭ）、電流角度変調（ＣＡＭ）、又はその両方で実現できる。ＡＭとＣＡＭの相対的な有効性は、変調の大きさと変化率の両方に比例する（後者は周波数変調、ＦＭと呼ばれてもよい）。ＦＭは、回路トポロジやデバイスと組み合わせて、共振やインピーダンス整合を確立するためにさらに使用できる。幾つか実装では、非共振又はインピーダンスネットワーク回路は、本開示から逸脱することなく使用することができる。

【0126】

例示的なベクトル制御は、ｉ_ｄ、ｉ_ｑ、及びｉ_ｚを、Ｄ－Ｑ座標系（例えば、主制御コンポーネント）で表される基本周波数における電流とすることによって説明されてもよい。次に、Ｄ／Ｑ軸のいずれかに独立した励磁を追加し、基本電流に重畳して合計ステータ電流を生成することができる。

【数1】

【0127】

ここで、独立した摂動信号は、モータコントローラ（例えば、図１のモータコントローラ１０４、スイッチコントローラ２６４又は２８４（図２Ｂ～Ｃ）、又は図１７のモータコントローラ１７００）によって選択されてもよい。通常、解析を簡素化するために摂動は正弦波になるように選択できる。例えば、そのような摂動は次のようにさらに説明できる。

【数2】

摂動の大きさと周波数はコンポーネントごとに独立して選択できる。幾つか実装では、摂動は１つの軸に適用される。つまり、他の２つの軸には摂動は適用されず、電力伝達のための場励起を生成するために使用される。例えば、電力伝送及び／又は制御の目的でＡＣコイルのＤ軸にのみ摂動を適用することで、ＭＭＦステータ信号との干渉を低減し、トルクリップルを低減できる。或いは、又は、これに加えて、Ｄ軸の摂動はトルクリップルに対抗する試みに使用でき、Ｄ軸の摂動が不十分な場合はＱ軸の摂動を使用でき、基本的には複数の軸の噴射を使用して正味の効果を生み出すことができる。幾つか実装では、Ｑ軸の摂動をＤ軸の摂動と組み合わせて使用して、回転ベクトル注入を形成できる。Ｚ軸の摂動はトルクリップルに影響を与えず、Ｄ－Ｑ座標系の知識を必要としない。しかしながら、幾つか実装では、Ｚ軸は摂動に使用されず、Ｚ軸の摂動は実質的に０である。

【0128】

ベクトル注入には、一定の大きさと一定の角速度を持つベクトルの動きを記述し、Ｄ－Ｑ座標系内の円を記述するという利点がある。従って、この概念は、一定の全体的な摂動をもたらす回転磁場の生成として実現できる。

【0129】

前述したように、ロータ磁界の制御は、コントローラ（例えば、コントローラ１０４、２６４、２８４、又は１７００）によって、振幅変調（ＡＭ）、電流角度変調（ＣＡＭ）、及び／又は周波数変調（ＦＭ）を使用してステータ巻線を介して、操作できる。特定の電流角度での振幅変調（ＡＭ）を使用して、ＡＣコイルに電力を伝送でき、最大の電力は、ＡＣコイルへの最大結合の電流角度（Ｄ－Ｑ座標系内）で伝達される。例えば、同期座標系軸に対してＱ軸と位置合わせされたＡＣコイルの場合（つまり、ＡＣ Ｄ軸がロータ極のＱ軸と位置合わせされている場合）、最大の電力伝達はフェーザ電流角度が電気角９０°のときに発生する（ここで、電気的０°は同期座標系のＤ軸として定義される）。別の例では、ＡＣコイルがロータ極のＤ軸と位置合わせされている場合、ＡＣコイルは同期座標系の電気的０°で最大の結合を持つ。ＡＭは、振幅と周波数によって定義できる。

【0130】

電流角度変調（ＣＡＭ）を使用して、ＡＣコイルに電力を伝送でき、電流角度の振動は、Ｄ－Ｑ座標系で定義された電流角度の設定動作点の周りで定義される（例えば、電流角度を調整して、アンプあたりの目標トルク（ＭＴＰＡ）を達成できる）。ＣＡＭの摂動は、振動、大きさ、周波数によって定義できる。幾つか実装では、ＣＡＭ戦略を使用して、ＡＣ摂動を意図的に作成することができる。例えば、電流角度は、実質的に３００Ｈｚの振動周波数で、電場内の最大トルク出力角度点７０°を中心に＋／－５ｄｅｇ振動する可能性がある（標準周波数制御誤差内）。このような電流角度制御により、３００Ｈｚの電気領域で６５～７５°の振動が提供され、合計１０°の振れが生じる。他の実施形態では、発振は多かれ少なかれ、及び／又は異なる公称設定値又は周波数付近で発生する可能性がある。

【0131】

ステータの起磁力の大きさの変調（ＦＭ）の周波数を変えると、システムの応答や電力伝送の効率に影響を与える可能性がある。更に、制御装置と回路は、システムをＡＣコイルの共振点の近くに置くように調整したり、ＡＣコイルとステータコイル－インダクタシステムのネットワーク整合インピーダンスを作成したりすることができる。このような共振周波数には、効率的な結合が形成され、ＡＣコイルのサイズを縮小できるという利点があり、これはインピーダンス整合システムでも同様である。幾つか実装では、ＡＣ結合は、非共振周波数又はインピーダンス整合周波数で実現できる。使用する結合方法に関係なく、転送される電力量を調整できる。同様に、異なる結合ストラテジーを使用して異なる目標を達成することもできる。例えば、迅速な応答が必要な場合には、より大量のＡＭ又はＦＭ結合を使用することができる。より高い周波数ではＦＭを使用し、より低い周波数ではＡＭを使用する方が、トルクリップルを簡単に軽減できるかもしれない。

【0132】

局所的な磁束変動は、スロット効果により機械が回転すると自然に発生し、鎖交磁束の変化によりＡＣ応答を生成することで電力を伝達するために使用することもできる。つまり、ＡＣ応答は、ステータの歯を通過するロータ極の歯通過周波数によって生成される（ステータ巻線が突極性及び／又は集中していると仮定する）。このような固有の変動に依存する実装では、磁場全体の高周波変動/摂動が低減されるか、不必要になる可能性がある。有利なことに、このアプローチでは、発生する損失（スイッチング損失やコア損失など）が少なくなる。ただし、歯の通過周波数はロータの回転速度の関数であるため、これらの変動は完全に制御可能ではない。回転速度が高くなると、局所的なスロット効果と磁束変動の関数として、より効果的なＡＣ応答が得られる傾向がある。

【0133】

幾つか実装では、ハイブリッド方式は、制御方式が局所磁束変動に加えてＡＣインポーズを利用するように適合させることができる。これにより、ＡＣ信号を介した明示的な制御方法と、局所的な磁束変動の効率の利点が提供される。例えば、低速、高トルク条件、又は大きなトルクステップが必要な場合に、ＡＣ信号を利用できる。回転速度が高く、トルク要件が低い場合は、磁束要求がそれほど高くないため、局所的な磁束変動が使用される。以下で説明する図２０は、ハイブリッド制御方式を実装するための例示的な方法２０００を提供する。

【0134】

図１６は、Ｄ軸及びＱ軸の両方における振幅変調及び電流角度変調に応答するＡＣコイルの三次元応答プロットを含む。Ｙ軸は電流を示し、Ｘ軸は電流フェーザ角度を示し、Ｚ軸は時間を示す。プロットは、一定の摂動振幅と周波数での電流角度の掃引にわたる巻線内の誘導ＡＣ電流を示している。ＡＭは、純粋に相対結合の関数として動作し、Ｑ軸コイルは、同期座標系において電気的に９０°において最大結合を持ち、同期座標系において電気的に０°と１８０°の両方において最小結合を持つ。Ｄ軸コイルは逆応答を示す。

【0135】

逆に、ＣＡＭは位相が９０°ずれた応答を引き出す。つまり、Ｑ軸コイルは、同期座標系において電気的に０°及び１８０°で完全に結合し、電気的に９０°でほとんど結合しない（例えば、全く又はほぼゼロ）。Ｄ軸コイルは逆応答を示す。

【0136】

図１７は、本開示の態様とともに使用することができる例示的なコントローラ１７００のブロック図である。コントローラ１７００は、前述したモータコントローラ１０４に加えて、又はその代わりに使用することができる。前者の例では、コントローラ１７００及びモータコントローラ１０４を単一の統合コントローラに組み合わせることができ、又はコントローラ１７００及びモータコントローラ１０４を別々で個別の（separate, discrete）コントローラとすることができる。同様に、コントローラ１７００は、スイッチコントローラ２６４又は２８４（図２Ｂ～２Ｃを参照）、或いはその機能を組み込むことができる。コントローラ１７００は、とりわけ、電気機械４００のパラメータを監視し、電気機械４００の様々な動作パラメータを作動及び／又は調整するための信号を送信することができる。更に、主に電気機械４００に関して説明したが、コントローラ１７００（及び本明細書に記載の他のコントローラ）は、電気機械４００と同様の方法で、本明細書に記載の任意の電気機械（例えば、電気モータ１０２を含む）と同様に使用することができる。換言すれば、コントローラは、とりわけ、電気機械のパラメータを監視し、電気機械の様々な動作パラメータを作動及び／又は調整することができる（例えば、とりわけ、これらの電気機械のアクティブ整流器を制御することによって）。これらの電気機械のロータは、図５Ａ～１５に関して図示及び説明したものを含め、本明細書で説明するロータのいずれかの形態をとることができる。

【0137】

図１７に示すように、コントローラ１７００は、特定の例では、（例えば、１つのプロセッサ又は複数のプロセッサとして実装される）プロセッサ１７５０と、プロセッサ１７５０に本明細書に記載の動作を実行させる命令を含む（例えば、１つのメモリ又は複数のメモリとして実装される）メモリ１７５２と、を含む。プロセッサ１７５０は、例えばロータ位置センサ又は電流センサを含む電気機械４００内のコンポーネントと通信を送受信するための入出力（Ｉ／Ｏ）インターフェース１７５４に結合される。特定の例では、コントローラ１７００は更に、電気機械４００の様々な電気機械コンポーネント（ステータへの電力信号又は駆動信号を含む）のうちの１つ又は複数、並びに、電気機械４００に設けられる他のセンサ（例えば、温度センサ、振動センサ、及び他のタイプのセンサ）と、ステータスを通信し、作動信号及び／又は制御信号を送信することができる。通信は、有線、無線、又は有線と無線の組み合わせで行うことができる。幾つか実装では、コントローラ１７００は、異なる場所、例えば車両の異なる部分内に配置された異なる部分を備えた分散型コントローラであってもよい。本開示から逸脱することなく、追加のコントローラを、スタンドアロンコントローラ又はネットワーク化されたコントローラとしてコントローラ１７００と組み合わせて使用することができる。

【0138】

コントローラ１７００は、電気機械４００を制御するために様々なレベルの自律性を有することができる。例えば、コントローラ１７００は、負荷及び／又は速度の変化の感知を開始することができ、オペレータは、電力周波数、制御周波数、電流の大きさ、及び／又は電流角度を調整することができる。或いは、コントローラ１７００は、負荷及び／又は速度の変化の感知を開始し、オペレータから追加の入力を受け取り、オペレータからの他の入力なしで電力周波数、制御周波数、電流の大きさ、及び／又は電流角度を調整することができる。或いは、コントローラ１７００は、負荷及び／又は速度の変化の感知を開始し、オペレータからの入力なしで電力周波数、制御周波数、電流の大きさ、及び／又は電流角度を調整することができる。同様に、本明細書で説明するすべての制御方式では、さまざまな結合方法を異なるチャネル又は制御軸で使用できる。例えば、ＡＭ結合を１つのチャネルで使用し、ＦＭ結合を別のチャネルで使用できる。

【0139】

例えば、動作中、コントローラ１７００は、制御信号をステータ巻線４１０に送信することによって、ステータ巻線に通電し、ステータ内にステータ磁場を生成するように構成されたコントローラであってもよい。例えば、コントローラ１７００は、電源からステータ巻線への電流の印加を制御するスイッチング素子用の制御信号（例えば、それぞれのパルス幅変調（ＰＷＭ）制御信号）を生成することができる（例えば、図２Ｂ～２Ｃのスイッチコントローラ及びスイッチング素子に関して以下で更に説明するように）。

【0140】

コントローラ１７００は、電流角度及び大きさでステータに電流を送り、電気機械４００の動作条件に応じて電流の角度及び大きさをアクティブに調整することによって、ステータ磁場を生成するように構成されることができる。幾つか実装では、電流の角度と大きさを調整して、望ましい結果やロータコイルの結合を達成することができる。或いは、又は、これに加えて、コントローラ１７００は、位置センサから位置ストリームを受信することができる。位置ストリームはロータの位置を表す。位置ストリームは、アナログ又はデジタルの電気信号又は電磁信号とすることができる。位置ストリームの受信に応答して、コントローラ１７００は、存在するトルクリップルの有無、又は重大度を決定することができる。次いで、コントローラ１７００は、トルクリップルが存在するという決定に応答して電流角度及び／又は電流の大きさを調整することができる。

【0141】

幾つか実装では、電流フェーザ角度４１７は、高トルク状態の間、移動方向においてロータ極４０８より前に増加する。つまり、トルク単位当たりのより大きな電流が必要な場合、電流フェーザ角度４１７が増加する可能性がある。一般に、電流フェーザ角度４１７が増加すると、Ｄ軸コンポーネントが減少するため、ロータコイル４００はよりアクティブになる（コイルを流れる電流が増加する）。換言すれば、各ロータ巻線の磁界は、電流フェーザ角度４１７が増加するにつれてより速く減衰する。コイル内の活動が大きくなると、軽減することなくトルクリップルが増加する可能性があるが、電流振幅は、各極が経験するＤ軸コンポーネントの増加中に増加することができ、増加した電流フェーザ角度４１７によって生成される潜在的な負のトルクに対抗することができる。

【0142】

或いは、又は、これに加えて、電流フェーザ角度４１７は、高速、低トルク動作中に減少する。或いは、又は、これに加えて、ブレーキ操作中に電流角度が負になる可能性がある。使用される動作モードに関係なく、コントローラ１７００は、所与の状況における電気機械４００の現在の要求を満たすように電流角度及び／又は電流振幅を調整することができる。コントローラは、例えば５０～１０００ヘルツ（Ｈｚ）などの幅広い周波数で、ステータを介してロータと通信することができる。幾つか実装では、通信は、１００～１０００Ｈｚで行われる。いずれにせよ、このシステムは従来のシステムよりも速く変更を伝達できる。例えば、従来のかご型誘導機は、実質的に７Ｈｚで通信する。より高い周波数の伝送能力により、コントローラ１７００は、動作条件に関係なく、トルクリップルをアクティブに低減し、動作条件の変化に迅速に適応することができる。

【0143】

或いは、又は、これに加えて、コントローラ１７００は、低速及び／又は高トルク条件中にＡＣ信号の大きさ及び／又は周波数を増加させることができる。或いは、又は、これに加えて、コントローラ１７００は、より高い回転速度及び／又はより低いトルク条件において、ＡＣ信号の大きさ及び／又は周波数を減少させることができる。

【0144】

或いは、又は、これに加えて、コントローラは、ロータ上のアクティブ整流器（図３Ｂ～３Ｃ）と通信し、制御することができる。従って、ロータ巻線を流れる電流は、フェーザ電流の角度及び／又は大きさに代えて、又は、それに加えて、アクティブに調整することができる。

【0145】

図１８は、本開示の態様とともに使用できる例示的な方法１８００のフローチャートである。１８０２で、関連するステータからロータによって電力信号が受信される。電力信号を受信することは、ロータＡＣコイルによって、関連するステータからＡＣ信号を受信することを含む。

【0146】

１８０４で、制御信号がステータからロータによって受信される。制御信号の振幅は電力信号より小さく、例えば、電気機械の電力定格の最大５％の振幅である。制御信号を受信することは、ロータＡＣコイルによって、関連するステータからＡＣ信号を受信することを含む。このような信号には、周波数変調や振幅変調などで電力信号上に変調された制御信号が含まれる場合がある。幾つか実装では、制御信号は、電力信号とは別々で別個の（separate and distinct）信号であってもよい。

【0147】

１８０６において、電力信号及び制御信号に応答してステータ及びロータによって起磁力が生成される。起磁力の生成には、受信したＡＣ信号をＤＣロータコイルを通過するＤＣ電流に整流することが含まれる。ＤＣ電流がＤＣコイルに流れると、磁界が発生する。

【0148】

図１９は、本開示の態様とともに使用できる方法１９００のフローチャートである。方法１９００のすべて又は一部は、本開示と一致する、コントローラ１７００、モータコントローラ１０４、及び／又はアクティブ整流器によって実行されうる。方法１７００は、他のコントローラ及びシステムによって実装することもできる。

【0149】

ブロック１９０５では、界磁巻線同期電気機械のロータの複数のロータ巻線のうちの第１のロータ巻線の補助（例えば、交流（ＡＣ））コイルが、界磁巻線同期電気機械のステータに流れるＡＣ電流によって誘導される第１の電流（例えば、ＡＣ電流）を流す。ステータは、通電されてステータ極を画定するように構成されたステータ巻線を含み、ロータ巻線は、通電されて、強磁性材料を含む関連する複数の歯を備えた固定ロータ極を画定するように構成されている。ステータは、例えば、ステータ１０８、ステータ４０２、又は本明細書で説明される別のステータであってもよい。同様に、ロータは、ロータ１０６、４０４ａ、４０４ｂ、４０４ｃ、５００、６００、７００、８００、９００、１０００、１１００、１３００、１４００、１５００、又は本明細書に記載の別のロータであってもよい。ステータ巻線は、本明細書に記載されるように、コントローラ（例えば、コントローラ１０４又は１７００）によって生成される電流を介して通電されて、ステータ極を画定することができる。例えば、コントローラは、インバータブリッジのスイッチング素子を駆動して、ステータの各相のステータ巻線にそれぞれのＡＣ電流信号を印加するスイッチコントローラ（例えば、スイッチコントローラ２６４又は２８４）を組み込んでもよい（例えば、図２Ｂ～Ｃを参照）。ＡＣ電流信号は、本開示を通じて説明される１つ又は複数の制御技術を使用して、モータの１つ又は複数の制御チャネル又は軸（例えば、同期座標系のＤ軸又はＱ軸）に沿って生成できる。例えば、コントローラは、制御チャネル又は軸（例えば、Ｄ軸又はＱ軸）に沿って電流信号を注入してもよく、その結果、制御チャネル又は軸に沿ってステータ巻線を介して、（振幅、周波数、又は位相が変調された）変調信号が生成され、これにより、ロータの１つ又は複数のロータ巻線に電流が誘導される。

【0150】

ブロック１９１０において、整流器は、第１の電流（例えば、補助コイル（例えば、ＡＣコイル）に誘導されるＡＣ電流）を受け取る。整流器は、ロータに回転的に固定され、ＡＣコイル及び第１のロータ巻線の一次コイル（例えば、ＤＣコイル）に電気的に結合される。整流器は、整流器３００、３５０ａ、３５０ｂ、１２００、又は別のアクティブ整流器であってもよい。整流器はプリント回路基板（ＰＣＢ５５０又は別のＰＣＢなど）に統合することができ、これは、ロータに回転的に固定される（例えば、ロータ又はロータシャフトとともに回転するように固定される）。整流器は、ＡＣコイルとの導電接続を介してＡＣコイルに誘導される第１の電流を受け取ることができる。例えば、ＡＣコイルは、整流器を組み込んだＰＣＢの端子に接続された導電性リード線を備えている場合がある。

【0151】

ブロック１９１５において、整流器は、ＡＣコイルに誘導された第１の電流から第２の電流（例えば、ＤＣ電流）を生成する。例えば、パッシブ整流器（整流器３００又は１２００など）の場合、整流器は、ＡＣ電流をパッシブ的に整流して、そのダイオード及び／又は他のディスクリート回路コンポーネント及びそれらの相互接続を介してＤＣ電流を生成する。別の例として、アクティブ整流器（例えば、整流器３５０ａ及び３５０ｂ）の場合、対応する制御回路がアクティブ整流器のスイッチング素子を（例えば、それぞれのＰＷＭ信号で）駆動し、ＡＣ電流をアクティブに整流し、ＤＣ電流を生成する。整流器と同様に、制御回路はロータに回転的に固定される場合がある。例えば、制御回路は、整流器と同じＰＣＢ上に、又はロータに回転的に固定された別のＰＣＢ上に、ロータマイクロプロセッサ又はゲート駆動ユニットを含むことができる。制御回路は、上述したように、ステータから無線で受信したデータ信号に基づいて、又は「自己同期」制御方式に基づいてスイッチング素子を駆動することができる。整流器は、第２の電流を１次コイルに出力する（例えば、ＤＣコイルへのＤＣ電流）。

【0152】

ブロック１９２０において、一次コイルは、整流器から第２の電流を流し、第２の電流は、ステータ極と相互作用してロータとステータとの間に相対力を生成する（固定ロータ極のうちの）１つの固定ロータ極を画定する。例えば、２番目の電流により固定ロータ極とそれに対応する磁場が発生し、ステータ巻線の電流によって生成される磁場と相互作用する（例えば、押されたり引かれたりする）。この相互作用により、（例えば、所望の方向、所望の速度、及び／又は所望のトルクで）ロータを回転させる起磁力が発生する。

【0153】

方法１９００は、ＡＣ又は補助コイル、ＤＣ又は一次コイル、及び第１のロータ巻線に関連する整流器に関して説明されているが、ロータの各ロータ巻線も同様に、１つ又は複数のＡＣコイル、ＤＣコイル、及び整流器を含むことができ、同様の原理で動作することができる。

【0154】

上で述べたように、方法１９００は、本明細書に開示されるロータの実施形態のそれぞれで使用することができる。幾つかの実施形態では、方法１９００は、複数のＡＣコイルの使用など（例えば、図１１Ａ、１２、１３Ａ、１４Ａ、及び１５を参照）、特定のロータ設計の特定の特徴に対応するための追加のステップを含む。例えば、第１のロータ巻線の各ＡＣコイルは、ステータによって誘導されたＡＣ電流を流し、整流器に電流を供給することができる。整流器は、２つ以上のＡＣコイルから受け取ったＡＣ電流の和をさらに整流し、ＤＣ電流をＤＣコイルに出力してもよい。

【0155】

更に、上で説明したように、幾つかの例では、ＡＣコイル（場合によっては複数のＡＣコイル）は、ステータによって無線送信されたデータ信号を受信するように構成されてもよい。整流器に関連する制御回路又は別個の制御回路は、データを符号化する周波数、大きさ、及び／又は位相変調について誘導ＡＣ電流を監視し、そのような変調をデータに復号することによってデータ信号を検出するように構成されてもよい。前述したように、これらのデータ信号は、アクティブ整流器を制御する制御回路に制御情報を提供することができる。特定の実施形態では、ロータ上のＡＣコイルを介して信号を送信してステータと通信することができ、これらのデータ信号は、ロータ速度、電流レベル、温度、又は他の状態情報などの機械の制御情報を提供することができる。

【0156】

図２０は、本開示の態様で使用できる局所的な磁束変動に加えてＡＣ印加を使用して電気機械を制御するためのハイブリッド制御方式の方法２０００のフローチャートである。方法２０００の全て又は一部は、本開示に従って、コントローラ１７００、モータコントローラ１０４、及び／又はアクティブ整流器によって実行されてもよい。方法２０００は、他のコントローラ及びシステムによって実装することもできる。

【0157】

ブロック２００５において、ロータのＤＣコイルは、ロータのＡＣコイルによって捕捉されたステータから無線で伝送された電力に基づいて駆動される。例えば、ブロック２００５を実装するには、コントローラ（例えば、コントローラ１７００、モータコントローラ１０４など）は、図１９の方法１９００を実行して、ここで説明する電気機械の１つを制御してもよい。

【0158】

ブロック２０１０において、コントローラは、ロータの回転速度を示すモータ特性を決定する。例えば、モータ特性は、コントローラによって決定されるロータの回転速度であってもよい。回転速度は、例えば、ロータ位置センサ（例えば、１つ又は複数のホールセンサ）の出力を使用して、或いはステータコイルのゼロクロスを検出する電流又は電圧センサによって決定されてもよい。他の例では、モータ特性は、スロット効果によりロータ（例えば、ＡＣコイル）が受ける磁束変化量であってもよく、これはロータの回転速度に応じて変化し、従って回転速度を示してもよい。

【0159】

ブロック２０１５では、コントローラはモータ特性に基づいてＡＣコイルによって捕捉される電力の比率を調整し、ここで、捕捉された電力の比率は、（ｂ）捕捉されるシステム磁束の変動により誘導される電力の量に対する、（ａ）捕捉されたステータから無線で転送された電力の量である。一例として、コントローラはモータ特性を速度閾値と比較する場合があり、これは、特定のロータ速度を示す閾値であり、モータ特性を考慮した適切な単位で表される（例えば、１分あたりの回転数、１分あたりのゼロクロス数、１分あたりの磁束変化など）。コントローラがモータ特性が速度閾値を超えていると判断した場合（つまり、ロータの回転速度が速度閾値を超えていることを示す)、コントローラは比率を調整して、捕捉されるステータからの無線伝送電力の量を減らしたり、捕捉されるシステム磁束の変動によって誘導される電力の量を増やしたりする。例えば、この調整を行うために、コントローラは、ロータへの無線電力伝送を提供することを目的とした固定子巻線への変調又は注入を低減してもよい。この減少により、システム磁束の変動が自然に又は本質的にロータのＡＣコイルに追加の電流を誘導し、ステータ巻線から受け取って取り込まれる電力の減少を補ってもよい。

【0160】

ブロック２０２０では、ＤＣコイルは、（前のブロック２０１５で）調整された比率でＡＣコイルによって捕捉された電力に基づいて駆動される。例えば、ブロック２０２０を実装するために、コントローラは図１９の方法１９００を実行し続けてステータからのワイヤレス電力伝送を提供してもよく、ＡＣコイルはステータとシステム磁束変化の両方から電力を取得してもよく、ＤＣコイルは、ＡＣ電源又は入力として、ＡＣコイルによって捕捉された電力の新しい比率を使用するロータ上の整流器によって駆動される。

【0161】

ブロック２０２０の後、方法２０００（又はコントローラ）は、ブロック２０１５及び２０２０を通過する前に、ブロック２０１０に戻ってモータ特性（すなわち、更新されたモータ特性）を再度決定することができ、これにより、モータ特性に基づいて取り込まれる電力の比率が継続的に調整される。従って、ブロック２０１０をさらに通過すると、コントローラは、モータ特性がもはや速度閾値を超えないと判断することができる(つまり、ロータの回転速度が速度閾値を下回っていることを示す）、コントローラは比率を調整して、捕捉されるステータからの無線伝送電力の量を増加させたり、捕捉されるシステム磁束の変動によって誘導される電力の量を減少させたりする。例えば、この調整を行うために、コントローラは、ロータへの無線電力伝送を提供することを目的とした固定子巻線への変調又は注入を増加させることができる。モータ速度の低下を考慮すると、システム磁束の変動はすでに減少している可能性があり、及び／又は、この変調若しくは注入の減少が、システム磁束の変動が自然に若しくは本質的にロータのＡＣコイルに誘導する電流を、減少させる可能性がある。

【0162】

幾つかの例では、比率は次のように調整される。ロータ速度が速度閾値を超えていると判断されると、ＡＣコイルはシステム磁束の変化によって実質的に完全に電力供給され、ロータ速度が速度閾値を下回っていると判定されると、ＡＣコイルは、変調又はステータ巻線への注入によって実質的に完全に電力供給される。

【0163】

インダクタンスが一致しないロータコイル
本明細書に開示される電気機械の幾つかの実施形態では、ＡＣコイル及びＤＣコイルを備えたロータを有し、ロータの歯又は極（又は各ロータの歯又は極）のＡＣコイルとＤＣコイルには、実質的に異なるインダクタンスが与えられる。これらの「インダクタンスが不整合」の実施形態では、ＤＣコイルにはＡＣコイルよりも高いインダクタンスが与えられてもよい。ＡＣコイル、ＤＣコイルとも呼ばれるが、ここで説明する他のＡＣ及びＤＣコイルと同様、ＡＣコイルは、補助（auxiliary）コイル又は副（minor）コイルと呼ばれることもあり、ＤＣコイルは、一次（primary）コイル又は主（major）コイルと呼ばれることもある。更に、ＡＣコイルは、電力及び／又はデータ信号を無線で（例えば固定子巻線から）受信することができるため、アンテナ又はアンテナコイルと呼ばれることがある。

【0164】

これらの不整合なインダクタンスの実施形態では、電気機械の動作中に、ステータからロータへワイヤレス電力を伝送し、他の実施形態について上述したのと同様の技術を使用して、高周波信号変調を生成し、１つ又は複数のステータコイルを介して駆動される低周波搬送信号に課すことができる。ここで、変調周波数は、例えば、キャリア信号周波数の１０倍以上、キャリア信号周波数の１００倍以上、又はキャリア信号周波数の１０００倍以上である。幾つかの実施形態では、変調周波数は、５００Ｈｚを超え、１，０００Ｈｚを超え、５，０００Ｈｚを超え、又は１０，０００Ｈｚを超えてもよい。変調信号は電磁波を生成し、ステータからロータに電力を伝達し、電磁波は、ロータ極に巻かれた異なるインダクタンスの２つのコイル（ＡＣコイルとＤＣコイル）と相互作用する。第１の（ＡＣ）コイルは、第２のインダクタンス（ＤＣ）が高いコイルよりもインダクタンスが低く（例えば、少なくとも１０分の１、少なくとも５０分の１、又は少なくとも１００分の１）、整流回路（例えば、ハーフブリッジ又はフルブリッジダイオード整流器などの部分整流又は完全整流回路）へのＡＣ入力と電気的に接続されている。整流回路は、最初のコイルからエネルギーを受け取り、そのエネルギーを整流電源に変換（つまり、整流）する。信号は高インダクタンスのコイルとも相互作用するが、このコイルのインダクタンスが高いため、大幅な電力伝送をブロックする仮想インピーダンスが生成され、これは、第２（ＤＣ）コイルでは望ましくないことである。換言すれば、ステータは、第２（ＤＣ）コイルにおける誘導変調を通じて第２（ＤＣ）コイルに影響を与えることなく、第１（ＡＣ）コイルに電力を無線伝送してもよい。例えば、ＡＣコイルはＤ軸注入に比較的よく結合する可能性があり、一方、ＤＣコイルは同じＤ軸注入との結合が比較的弱く、理想的には、ロータに磁束を与えるための純粋な抵抗負荷として機能する。その結果、異なるインダクタンス（不整合なインダクタンス）の２つのコイルを使用して、二次電力伝送ステップを使用せずに、ロータ極に正味ＤＣ電流を生成できる。

【0165】

幾つかの実施形態では、異なるインダクタンスレベルのコイルを提供するには、異なる巻き数を使用できる。例えば、より高いインダクタンスのコイルは、より低いインダクタンスのコイルよりも多くの巻数を有する場合がある。幾つかの例では、これらのコイルは、巻き数を除けば、構造がほぼ同様であってもよい。

【0166】

更なる幾つかの実施形態では、効果を更に高めるために、二次誘導材料（漏れインダクタ）を高インダクタンスコイルと磁気的に連通させて配置し、高インダクタンスコイルのインダクタンスを、ターン数に比例せずに、更に高めてもよい。この漏れインダクタは、高インダクタンスコイルの端巻線の周りに、閉じた又は部分的に閉じたリングとして配置でき、ロータと同様の特性の磁性鉄、或いは他の誘導性材料で作ることができる。

【0167】

幾つかの実施形態では、高インダクタンスコイルのインダクタンスを更に高めるため、ＡＣコイルではなく、高インダクタンス（ＤＣ）コイルの端巻線は、強磁性材料に埋め込まれたり、包まれたりしてもよい。これには、ターンごとに界磁巻線上で線形スナバとして機能するという追加の利点もあり、回転子巻線に誘導される可能性があるロータ回路コンポーネント（ダイオードやキャパシタなど）を高電圧から保護し、及び／又は、他の方法で使用できるものよりも低い電圧定格の回転子回路コンポーネントの使用を可能にするかもしれない。１つの例示的な実装形態では、フェライト「キャップ」を、ロータの一端又は両端におけるＤＣコイルのエンドターンの周囲に射出成形することができる。

【0168】

幾つかの実施形態では、高インダクタンス（ＤＣ）コイルと低インダクタンス（ＡＣ）コイル間のインダクタンス分離を更に強化するため、ＤＣコイルに対する上記の変更の代わりに又はそれに加えて、ＡＣコイルのエンドターンは、追加の漏れを最小限に抑えるために、ロータの歯の角で「ヘアピン」ターンで製造される（それにより、インダクタンスが減少する）。

【0169】

図２１は、ステータ２１０２と、不整合なインダクタンスを有するコイルを有するロータ２１０４とを含む例示的なモータ２１００の平面断面図である。例示的なモータ２１００は、本明細書で説明する相違点を除いて、ロータ６００と実質的に同様である。図２１において、図６Ａ～６Ｂの番号に１５００を加えた同様の番号は、同様のコンポーネントを示すために使用される。

【0170】

各ロータ極２１０８は、強磁性材料の歯２１０９と関連付けられ、ＤＣコイル２１１４及びＡＣコイル２１１６を含む。ＤＣコイル２１１４及びＡＣコイル２１１６は、各歯２１０９の巻線部分２１１０の周りに巻き付けられ、巻線部分２１１０及びキャップ２１１１（端フランジとも呼ばれる）によって画定されるチャネル２１１２を通って延びる。ＤＣコイル２１１４は、ＡＣコイル２１１６に隣接し、平行である。ＤＣコイル２１１４のＤ軸は、ＡＣコイル２１１６のＡＣ Ｄ軸とほぼ位置合わせされてもよい。ＡＣコイル２１１６は、同じ半径方向位置で巻線部分２１１０の周囲に複数回巻き付けられＡＣコイル２１１６が巻線部分２１１０に沿って半径方向に大きく延在しないようにする「パンケーキ」コイル、又はほぼ平坦なコイルである(例えば、コイルを形成する巻線導体の直径の１倍又は数倍以上)。この例におけるロータ極２１０８当たり単一のＡＣコイル２１１６を考慮すると、図３Ａ、３Ｂ、及び３Ｃの回路図は、この実施形態に適用可能である。しかしながら、幾つかの例では、図３Ａの回路図は、図３Ｂ～図３Ｃのキャパシタ３５８及び３７０と同様に、整流器の出力の両端間に接続される（モータ２１００内の個別のキャパシタ又は暗黙的な静電容量の形で）静電容量を更に含んでもよい。

【0171】

更に、モータ２１００は、上述のように、不整合なインダクタンスのロータコイルを備えた電気機械の一例であってもよい。すなわち、そのような例では、ＡＣコイル２１１６は、ＤＣコイル２１１４よりも著しく高いインダクタンスを有する。

【0172】

したがって、主題の特定の実装について説明した。他の実装及び変形例は、以下の特許請求の範囲内にあり、本開示の利益を享受する。そのようなすべての実装及び変化例を包含することが意図されており、従って、上記の説明は、限定的な意味ではなく例示としてみなされるべきである。他の実装は、以下の特許請求の範囲内に含まれる。場合によっては、特許請求の範囲に記載されているアクションを異なる順序で実行しても、望ましい結果を達成することができる。更に、添付の図に示されるプロセスは、望ましい結果を達成するために、必ずしも示される特定の順序又は一連の順序を必要とするわけではなく、さまざまな要素が追加、並べ替え、結合、省略、又は変更されてもよい。更に、幾つかの非限定的な例では、専用の並列処理デバイス、又は大規模システムの一部として相互運用するように構成された別個のコンピューティングデバイスによって、特定の操作を並列に実行することができる。

【0173】

１つ又は複数の実施形態が、以下の説明及び添付の図面において説明及び図示される。これらの実施形態は、本明細書で提供される特定の詳細に限定されず、様々な方法で修正することができる。更に、本明細書に記載されていない他の実施形態が存在する可能性がある。また、複数のコンポーネントによって実行される機能を統合して、単一のコンポーネントによって実行することもできる。同様に、１つのコンポーネントによって実行されるものとして本明細書で説明される機能は、複数のコンポーネントによって分散方式で実行されてもよい。更に、特定の機能を実行すると説明されているコンポーネントは、ここで説明されていない追加の機能も実行する場合がある。例えば、特定の方法で「構成」されているデバイス又は構造は、少なくともその方法で構成されているが、記載されていない方法で構成されていることもある。

【0174】

幾つかの非限定的な例では、ソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、又はそれらの組み合わせを使用して方法のコンピュータ化された実装を含む本開示の態様は、標準的なプログラミング又はエンジニアリング技術を使用するシステム、方法、装置、又は製品として実装されることができ、プロセッサ装置、コンピュータ（例えば、メモリに動作可能に結合されたプロセッサ装置）、又は、本明細書で詳述する態様を実装するための別の電子的に動作するコントローラを制御する。従って、例えば、本発明の非限定的な例は、非一時的なコンピュータ可読媒体上に具体的に具体化された一連の命令として実装することができ、これにより、プロセッサ装置は、コンピュータ可読媒体からの命令の読み取りに基づいて命令を実装できるようになる。本発明の幾つかの非限定的な例は、以下の説明と一致する様々なコンピュータハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアなどが含め、自動化装置、専用コンピュータ、又は（特別にプログラム及び構成された）汎用コンピュータなどの装置が含む（又は利用する）ことができる。

【0175】

本明細書で使用される「製品」（article of manufacture）という用語は、任意のコンピュータ読み取り可能なデバイス、キャリア（例えば、非一時的信号）、又は媒体（例えば、非一時的媒体）からアクセス可能なコンピュータプログラムを包含することを意図している。例えば、コンピュータ可読媒体には、磁気記憶装置（ハードディスク、フロッピーディスク、磁気ストリップなど）、光ディスク（コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）など）、スマートカード及びフラッシュメモリデバイス（カード、スティックなど）が含まれるが、これらに限定されない。更に、搬送波は、電子メールの送受信や、インターネットやローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）などのネットワークへのアクセスに使用されるような、コンピュータ読み取り可能な電子データを搬送するために使用できることを理解されたい。当業者であれば、特許請求される主題の範囲又は精神から逸脱することなく、これらの構成に対して多くの修正を加えることができることを認識するであろう。

【0176】

本発明による方法、又はそれらの方法を実行するシステムの特定の動作は、図に概略的に表されるか又は本明細書で説明される場合がある。別段の指定又は制限がない限り、特定の空間的順序での特定の操作の図での表現は、それらの操作が特定の空間的順序に対応する特定の順序で実行されることを必ずしも必要としない場合がある。同様に、図に表される、又は本明細書に開示される特定の動作は、本発明の特定の非限定的な例に応じて、明示的に図示又は説明されるのとは異なる順序で実行することができる。更に、幾つかの非限定的な例では、専用の並列処理デバイス、又は大規模システムの一部として相互運用するように構成された別個のコンピューティングデバイスによって、特定の操作を並列に実行することができる。

【0177】

本明細書でコンピュータ実装の文脈で使用される場合、別段の指定又は制限がない限り、「コンポーネント」、「システム」、「モジュール」などの用語は、ハードウェア、ソフトウェア、ハードウェアとソフトウェアの組み合わせ、又は実行中のソフトウェアが含む、コンピュータ関連システムの一部又はすべてを包含することを意図している。例えば、コンポーネントは、プロセッサデバイス、プロセッサデバイスによって実行される（又は実行可能な）プロセス、オブジェクト、実行可能ファイル、実行スレッド、コンピュータプログラム、又はコンピュータであってもよいが、これらに限定されない。例として、コンピュータ上で実行されるアプリケーションとコンピュータの両方をコンポーネントにすることができる。１つ又は複数のコンポーネント（又はシステム、モジュールなど）が実行のプロセス又はスレッド内に存在してもよく、１台のコンピュータ上にローカライズされてもよく、２つ又は複数のコンピュータ又は他のプロセッサデバイス間で分散されてもよく、又は、別のコンポーネント（又はシステム、モジュールなど）内に含まれてもよい。

【0178】

本明細書で使用される「コントローラ」、「プロセッサ」、及び「コンピュータ」という用語には、コンピュータプログラムを実行できる任意のデバイス、又は記載された機能を実行するように構成された論理ゲートを含む任意のデバイスが含まれる。例えば、これにはプロセッサ、マイクロコントローラ、フィールドプログラマブルゲートアレイ、プログラマブルロジックコントローラなどが含まれる場合がある。別の例として、これらの用語には、１つ又は複数のプロセッサ及びメモリ、及び／又は任意の種類のプロセッサ、ＣＰＵ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ、又はソフトウェア命令を実行できる他のデバイスなどの１つ又は複数のプログラム可能なハードウェア要素が含まれてもよい。

【0179】

更に、本明細書で使用される表現及び用語は説明を目的としたものであり、限定するものとしてみなされるべきではない。例えば、本明細書における「備える」（comprising）、「含む」（including）、「包含する」（containing）、「有する」（having）、及びそれらの変形の使用は、その後に列挙されるアイテム及びその等価物、並びに追加の項目を包含することを意味する。更に、「接続された」及び「結合された」という用語は広範に使用され、直接的及び間接的な接続及び結合の両方を包含し、物理的又は電気的な接続又は結合を指してもよい。「実質的に」（substantially）という修飾語は、特定の動作、状態、又は他の用語（例えば、実質的に閉じた）を修飾するために使用される場合、当業者にとってその使用の文脈内で明らかな量を指しうるものであり、そして、少なくとも幾つかの実施形態では、これは、修飾された用語の９０％、９５％、９９％、又は９９．５％を指す。更に、２つ以上の項目で使用される「及び／又は」という表現は、項目を個別にカバーすることと、両方の項目を一緒にカバーすることを意図する。例えば、「ａ及び／又はｂ」は、ａ、ｂ、及びａとｂをカバーすることを意図する。別段の指定又は制限がない限り、「Ａ、Ｂ、及びＣの少なくとも１つ」、「Ａ、Ｂ、及びＣの１つ以上」などに類似した語句は、「Ａ又はＢ又はＣ」、又は、Ａ、Ｂ、及び／又はＣのうち複数又は１つの組み合わせも含めて、「Ａ、Ｂ、及び／又はＣの任意の組み合わせ」を意味することが意図される。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7A】

【図7B】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図8D】

【図9A】

【図9B】

【図10A】

【図10B】

【図10C】

【図10D】

【図11A】

【図11B】

【図11C】

【図11D】

【図12】

【図13A】

【図13B】

【図13C】

【図13D】

【図14A】

【図14B】

【図14C】

【図14D】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【国際調査報告】