JP7741799B2 - 可変磁束メモリモータを磁化および制御する方法 - Google Patents

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関連出願へのクロスリファレンス
本出願は、２０１９年１０月２５日に出願され「ＭＥＴＨＯＤＳ ＯＦ ＭＡＧＮＥＴＩＺＩＮＧ ＡＮＤ ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧ Ａ ＶＡＲＩＡＢＬＥ－ＦＬＵＸ ＭＥＭＯＲＹ ＭＯＴＯＲ」と題された米国仮出願第６２／９２６，１２６号に対して、米国特許法第１１９条（ｅ）に準拠して優先権を主張するものである。その内容は、参照によりその全体が本明細書に援用される。

可変磁束メモリモータなどの、永久磁石を含む同期電気モータは、それらの高い効率のために、産業用途、商業用途、および住居用途において、扇風機、ポンプ、圧縮機、エレベータ、および冷蔵庫、産業用機械、ならびに電気モータ車両などの、幅広い用途を有する。また、同期電気モータの回転子において巻線の代わりに永久磁石を使用するので、回転子冷却をする必要がない。これらの利点は、他の利点（例えば、ブラシレスであること）と一緒に、高トルク、高効率、または維持管理の少なさが電気モータに必要とされる場所で、同期電気モータを普及させる。

１つの態様では、本発明の実施形態は、可変磁束メモリモータ（ＶＦＭＭ）の回転子内の軟質磁石を磁化する方法を対象とする。方法は、０．１ミリ秒（ｍｓ）以上かつ２ｍｓ以下の持続時間を有する電流の第１のパルスを生成すること、および、第１のパルスが終了するときに軟質磁石の磁化状態を第１の磁化状態に設定するために、ＶＦＭＭの固定子巻線に第１のパルスを印加することを含む。

本発明の他の態様は、以下の説明および添付の特許請求の範囲から明らかになるであろう。

同期電気モータを示す図である。 本発明の１つまたは複数の実施形態による可変磁束メモリモータ（ＶＦＭＭ）の断面図である。 本発明の１つまたは複数の実施形態によるＶＦＭＭ回転子の磁化曲線を示す図である。 本発明の１つまたは複数の実施形態によるＶＦＭＭ回転子の磁化曲線を示す図である。 本発明の１つまたは複数の実施形態によるＶＦＭＭ回転子の磁化曲線を示す図である。 本発明の１つまたは複数の実施形態による軟質磁石を磁化するための電流のパルスを示す図である。 図４Ａに示された電流のパルスに応答した軟質磁石の磁化曲線を示す図である。 図４Ｂに示された磁化曲線に対応する残留磁化を示す図である。 本発明の１つまたは複数の実施形態による電流のパルスに対応する軟質磁石の磁化を示す図である。 本発明の１つまたは複数の実施形態による軟質磁石の磁化のための電流パルスを示す図である。 軟質磁石の磁化を測定するためのデバイスを示す図である。 軟質磁石の磁化を測定するためのデバイスを示す図である。 本発明の１つまたは複数の実施形態によるＶＦＭＭの固定子巻線の簡易化した回路モデルを示す図である。 本発明の１つまたは複数の実施形態によるＶＦＭＭの固定子巻線を示す図である。 本発明の１つまたは複数の実施形態によるＶＦＭＭの固定子巻線およびセンスコイルの簡易化した回路モデルを示す図である。 本発明の１つまたは複数の実施形態によるＶＦＭＭを磁化する方法を示す流れ図である。 本発明の１つまたは複数の実施形態によるＶＦＭＭを磁化する方法を示す流れ図である。 本発明の１つまたは複数の実施形態によるダイヤグラムである。

次に、添付の図面を参照しながら、本発明の特定の実施形態を詳細に説明する。種々の図における同様の要素は、一貫性のために同様の参照番号によって示される。

以下の本発明の実施形態の詳細な説明では、本発明のより十分な理解を提供するために、多数の具体的な詳細が述べられる。しかし、それらの具体的な詳細を伴わずに本発明が実施され得ることは、当業者には明らかであったろう。他の例では、説明を不必要に複雑にすることを避けるために、良く知られている特徴は、詳細に説明されていない。

図１は、回転子（１０１）、固定子（１０２）、および回転子ハブ（１０４）の周りに配置された固定子巻線（１０３）を含む従来の同期電気モータ（１００）（以下、「同期モータ」と呼ばれる）の分解組立図を示す。同期モータはまた、入力電源、冷却ファン、回転子位置センサ、温度センサ、液体冷却ハウジング、などに接続するための端子箱を含み得る。回転子（１０１）は、複数の磁極を含み、そのそれぞれが、永久磁石（１０５）（ＰＭ）を含む。

同期モータ（１００）は、各位相が他の２つの位相から１２０°だけ遅れる３相ＡＣ入力を介して動作する。３相ＡＣ入力を作り出すために、電力変換装置が、高電圧ＤＣ源（例えば、電池）から電力変換装置に供給されたＤＣ電力を変換し得る。同期モータに３相ＡＣ入力を印加することにより、固定子巻線は、ＰＭ（１０５）の磁界と相互作用する３相磁界を作り出し、かつ、回転子（１０１）を定常状態における一定数の毎分回転数（ＲＰＭ）速度（以下、「ＲＰＭ」と呼ばれる）で回転させる。同期モータのＲＰＭは、磁極の数、利用可能電圧、およびＰＭによって提供されかつ固定される磁束鎖交数（λ_ｍ）などの、限定要因に固定される。同期モータは、産業用途、商業用途、および住居用途において、扇風機、ポンプ、圧縮機、エレベータ、および冷蔵庫、産業用機械、ならびに電気車両などの、幅広い用途を有する。

１つまたは複数の実施形態では、ＰＭによって提供されるλ_ｍは固定されるため、ＰＭを含む同期モータは、狭い定電力速度範囲（ＣＰＳＲ）を有し、この定電力速度範囲は、モータの駆動が、限られたモータの入力電圧および電流の値で一定の出力を維持することができる、速度範囲である。したがって、弱め磁束制御法を実施することなどの高度な制御技法を使用せずに同期モータのＣＰＳＲを増大させることは、難しい。同期モータに対する狭いＣＰＳＲの範囲のために、同期モータによって駆動されるシステムのＣＰＳＲを変化させるのに、動力伝達システムを使用することが必要とされ得る。そのような高度な方法を使用することでさえ、同期モータのＣＰＳＲを２から３拡大する。他方では、１つまたは複数の実施形態によるＶＦＭＭのＣＰＳＲは、４から６を達成し得る。

一般に、本発明の実施形態は、ＶＦＭＭの設計、ＶＦＭＭのための回転子、およびＶＦＭＭを磁化する方法に関する。ＶＦＭＭは、ＶＦＭＭの動作中にＶＦＭＭの回転子磁石の磁化が調整（すなわち、変化）され得る、同期モータの一タイプである。回転子磁石の磁化の調整（以下、単純さのために「ＶＦＭＭ磁化」と呼ばれる）は、ＶＦＭＭのＲＰＭを変化させる。１つまたは複数の実施形態によれば、ＶＦＭＭ磁化の変化を促進するために、回転子磁石は、アルミニウム・ニッケル・コバルト（ＡｌＮｉＣｏ）またはいくつかのタイプのセラミックスなどの軟質強磁性材料で作られる。以下、軟質強磁性材料で作られた回転子磁石は、「軟質磁石」と呼ばれる。軟質磁石は、低保磁力磁石（ＬＣＦ）である。１つまたは複数の実施形態によれば、軟質磁石は、１～９等級のＡｌＮｉＣｏ、または、ＡｌＮｉＣｏ、鋳造物、セラミックス、同じ等級のサマリウム・コバルト、もしくはこれらの材料の焼結構造物で構成された磁石であり得る。ＶＦＭＭの所望の機能を得るために当業者は特定量のこれらの材料を使用し得ることが、明らかである。

ＶＦＭＭの限られた電圧による最大達成可能ＲＰＭは、ＶＦＭＭ磁化を変化させることを通じてより効率的に得られ得るので、１つまたは複数の実施形態によるＶＦＭＭは、同期モータのより優れた代用品である。言い換えれば、ＶＦＭＭのＣＰＳＲは、同期モータのＣＰＳＲと比較して、より広い範囲を有し得る。したがって、ＶＦＭＭに動力伝達システムを結合する必要がない。

１つまたは複数の実施形態によれば、軟質磁石は、軟質磁石がモータの内側に組み付けられているときに、迅速かつ効率的に磁化および消磁され得る。したがって、ＶＦＭＭを使用することにより、組立中に磁化または消磁されるので、電気モータが装備されたシステムの製造費用が、潜在的に減少する。

軟質強磁性材料は、高い透磁性（鉄とニッケルの合金などの硬質強磁性材料と同じ）を有するが、飽和保磁力は低い（硬質強磁性材料とは異なる）。軟質強磁性材料の低い飽和保磁力により、軟質強磁性材料の磁化を変化させることは、硬質強磁性材料と比較して、相対的により小さな磁界を必要とする。

１つまたは複数の実施形態では、ＶＦＭＭの回転子の磁石として軟質磁石のみが使用される場合があり、また、回転子上に硬質磁石（すなわち、硬質強磁性材料で作られた磁石）が取り付けられない場合がある。あるいは、１つまたは複数の実施形態では、軟質磁石および硬質磁石の両方が、ＶＦＭＭの回転子の磁石として使用され得る。硬質磁石は、希土類材料で作られ、かつ、軟質磁石（例えば、ＡｌＮｉＣｏ）よりも遙かに高価であるので、本発明の実施形態は、硬質磁石のみを使用する同期モータに優る利点を有し得る。したがって、ＶＦＭＭにおいて硬質磁石の代わりに軟質磁石を部分的にまたは全体的に使用することにより、従来の同期モータと比較して、ＶＦＭＭの製造費用が大幅に減少する。

さらに、軟質磁石を使用することの別の利点は、ＶＦＭＭの全磁石の全体的な磁化の制御および変化が、広範囲で行われ得ることである。１つまたは複数の実施形態によれば、軟質磁石の全体的な磁化は、０％磁化（すなわち、軟質磁石は、完全に消磁される）から１００％磁化（すなわち、軟質磁石は、それらの最大容量まで磁化される）まで、任意の値に変化され得る。この磁化の変化は、短時間（例えば、約１ミリ秒）で起こり得る。

対照的に、硬質磁石は、それらの磁化を容易には変化させようとしない。したがって、硬質磁石の磁化を変化させることは、ＶＦＭＭまたは他のタイプの同期モータの動作電力よりも遙かに多くの電力を必要とする。例えば、いくつかの等級のネオジミウム鉄ボロン（ＮｄＦｅＢ）およびサマリウム・コバルト（ＳｍＣｏ）などの硬質磁石の磁化を変化させることは、軟質磁石の磁化を変化させるのに必要とされる電力の１０倍を超える電力を必要とする場合がある。

１つまたは複数の実施形態によれば、電流（以下、「グリッチ電流（ｇｌｉｔｃｈ ｃｕｒｒｅｎｔ）」と呼ばれる）が、ＶＦＭＭまたはＶＦＭＭを制御する制御装置における望ましくないグリッチが原因で生成され得る。固定子巻線の動作電流よりも著しく大きな電流が固定子巻線を通過した場合、この電流は、軟質磁石の磁化を、望ましくない値に一時的に変化させ得る。しかし、固定子巻線が耐えることができる別の電流により、軟質磁石の磁化を回復させることは容易になるであろう。軟質磁石は（磁化を変化させるのに大電流を必要とする硬質磁石と比較して）異なる磁化を容易に受け入れることができるので、グリッチ電流がどれほど大きくとも、軟質磁石の磁化は、グリッチ電流よりも相対的に小さな電流を介して回復され得る。

他方では、（ＶＦＭＭなどの）軟質磁石を有する同期モータが硬質磁石を含み、また、グリッチ電流が硬質磁石の磁化を変化させる場合、固定子巻線における電流を介して硬質磁石の磁化を回復させることは、困難になるであろう。硬質磁石を回復させることができるそのような電流は、同期モータの固定子巻線または他の部品が耐えるには大きすぎる場合がある。例えば、そのような大電流は、固定子巻線を焼く可能性があり、または、回転子や巻線などの同期モータの種々の構成要素を変位させる可能性がある。硬質磁石を回復させるために、同期モータは、開放されなければならず、また、硬質磁石は、高磁界下に置かれる同期モータから分離されなければならない。しかし、上述のように、軟質磁石を回復させることは、ＶＦＭＭを分解することを必要としない。

１つまたは複数の実施形態では、ＶＦＭＭのための磁化基底線（ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ ｂａｓｅｌｉｎｅ）を作り出すために、特定の数または量の硬質磁石が使用され得る。硬質磁石の磁化は変化しにくいので、硬質磁石の磁化は、磁化基底線になり、軟質磁石の磁化は、全体的な磁化を磁化基底線から（ＶＦＭＭのトルクおよびＲＰＭに応じて、基底線からより高いまたはより低い磁化へ）変化させることになる。

図２は、本発明の１つまたは複数の実施形態によるＶＦＭＭ（２００）の断面図を示す。図２のＶＦＭＭ（２００）は、隣接した固定子歯（２０２）間のスロット内に固定子巻線を保持する固定子（２０１）、および回転子（２０３）を含む。回転子（２０３）は、回転子鉄心（２０６）上に取り付けられた軟質磁石（２０４）および鉄くさび（２０５）を含む。回転子（２０３）は、シャフト（２０８）上に取り付けられる。回転子（２０３）は、軟質磁石（２０４）および鉄くさび（２０５）を一緒に保持するスリーブ（２０７）を含む。スリーブ（２０７）は、径方向において０．５から３ミリメートル（ｍｍ）の厚さであり得る。厚さは、軟質磁石（２０４）および鉄くさび（２０５）が及ぼす遠心力によって決定される。あるいは、１つまたは複数の実施形態では、スリーブ（２０７）は、軟質磁石（２０４）、鉄くさび（２０５）、および／または回転子鉄心（２０６）のうちのいずれか１つに付着し得る。

これらの実施形態では、スリーブ（２０７）は、軟質磁石（２０４）、鉄くさび（２０５）、および／または回転子鉄心（２０６）に付着しない、非結合材料によるものであり得る。非結合スリーブ（２０７）は、炭素繊維ＨＥＸ ＴＯＷ ＩＭ１０またはケブラートウ（すなわち、ケブラー撚糸）によるものであり得る。あるいは、スリーブ（２０７）は、回転子組立体の一部であり得る。

ＶＦＭＭ（２００）のためのｄ軸（直軸）およびｑ軸（横軸）は、図２に示されている。Ｄ軸は、回転子の磁界がそのピークに位置する軸である。例えば、図２におけるｄ軸は、隣接した鉄くさび（２０５）間に存在する隣接した磁極の中間にあり、そこでは、回転子（２０３）の磁界は、最高である。ｑ軸は、ｄ軸から９０度位相だけ離れている。例えば、図２におけるｑ軸は、各磁極の軟質ＲＭ（２０４）間にあり、そこでは、回転子（２０３）の磁界は、最低である。

ＶＦＭＭの実施形態に関するさらなる詳細が、参照によりその全体が本明細書に援用される、２０１９年４月１２日に出願され「Ａ ＶＡＲＩＡＢＬＥ－ＦＬＵＸ ＭＥＭＯＲＹ ＭＯＴＯＲ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＯＦ ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧ Ａ ＶＡＲＩＡＢＬＥ－ＦＬＵＸ ＭＯＴＯＲ」と題された米国特許出願第１６／３８３，２７４号で開示されている。

本発明の１つまたは複数の実施形態では、ＶＦＭＭのインダクタンスの影響が開示される。図３は、２００マイクロヘンリー（μＨ）のインダクタンスに対応するＶＦＭＭの設計１、および、３３μＨのインダクタンスに対応するＶＦＭＭの設計２を示す。１．５キロアンペア（ｋＡ）の一定の振幅を有するステップ電流（ｓｔｅｐ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ）が、ＶＦＭＭに供給され、ステップ電流に応答したＶＦＭＭの磁化（すなわち、Ｂ－Ｈ曲線）が、図３に示されるように、表示される。磁化プロットにおいて、磁化曲線より下の領域（すなわち、磁化曲線と「Ｂ」（磁界）軸との間の領域）は、ＶＦＭＭによって消費されたエネルギーを示す。したがって、（より低いインダクタンスを有する）設計２のＶＦＭＭによって消費されたエネルギーは、（より高いコンダクタンスを有する）設計１よりも約５０％低い。消費電力のこの減少は、設計２のためのＶＦＭＭの最大磁化（すなわち、最高磁界（Ｂ））が設計１のためのＶＦＭＭの最大磁界よりも約１６％しか低くないことを考慮すると、かなりのものである。

ＶＦＭＭを磁化するために、軟質磁石のｄ軸において電流が印加される。次いで、電流は、ＶＦＭＭのトルクを高く維持するために、除去される。したがって、電流のパルスは、通常、ＶＦＭＭに供給される。本発明の１つまたは複数の実施形態では、電流のパルスの持続時間は、ＶＦＭＭの効率を高めるために、減少される（すなわち、軟質磁石の磁化の所定のレベルを得るために、ＶＦＭＭによって消費される電力を減少する）。これらの知見は、図４Ａ～４Ｃおよび図５を参照しながら以下に説明される。

図４Ａは、低出力ＶＦＭＭ（すなわち、３０キロワット（ｋＷ）未満）を磁化するための典型的なパルス持続時間である約１８ミリ秒（ｍｓ）の持続時間を有する三角形状の長パルス（長パルス）および、約１ｍｓの持続時間を有する三角形状の短パルス（短パルス）を示す。１ｍｓパルスは、２ｍｓを超えるものである高出力ＶＦＭＭ（すなわち、１００ｋＷ超）のための典型的なパルス持続時間よりも、著しく短い。１つまたは複数の実施形態では、パルスの持続時間とは、電流のパルスの振幅がパルスのピーク振幅の１０％以上である期間である。図４Ａにおける短パルスは、フィルタリングされ得る負のオーバーシュートを有する。

図４Ｂは、図４Ａに示されたパルスに応答したＡｌＮｉＣｏ－９軟質磁石の磁化曲線を示す。電流がゼロからパルスのピーク振幅まで増大するときに、軟質磁石における平均磁束は増大する。ピーク振幅において、（１８ｍｓの持続時間を有する）より長いパルスに対応する軟質磁石の平均磁束は、（１ｍｓの持続時間を有する）より短いパルスに対応する軟質磁石の平均磁束よりも、０．３テスラ（Ｔ）だけ高い。しかし、パルスがピーク振幅からゼロまで減衰するときに、より長いパルスに対応する軟質磁石の平均磁束は、より短いパルスに対応する平均磁束より多く減少する。図４Ｂに示されるように、パルスがオーバーシュートにおいて負になる前にゼロまで減衰するときに、より長いパルスに対応する軟質磁石の平均磁束は、より短いパルスに対応する平均磁束よりも約０．０５Ｔしか高くない。

図４Ｂおよび４ＣはＡｌＮｉＣｏ－９軟質磁石のために用意されたものであるが、当業者は、本発明はＡｌＮｉＣｏ－９に限定されるものではなく、また、本発明の実施形態は他のタイプの軟質磁性材料に及び得ることを理解する。例えば、本発明の実施形態は、他の等級のＡｌＮｉＣｏに及び得る。

図４Ｂに示されるように、負のオーバーシュートにおいて、より短いパルスは、負のオーバーシュートにおける負となり、次いでゼロで安定する（すなわち、安定したゼロ電流）。負のオーバーシュート後であっても、より長いパルスに対応する軟質磁石の平均磁束は、より短いパルスに対応する軟質磁石の平均磁束よりも約０．１５Ｔしか高くない。言い換えれば、２つのパルスが同じピーク振幅からゼロまで減衰するときに、軟質磁石の消磁は、より短いパルスに対する応答においてより少なくなる。以下、パルス後の安定してゼロである電流における平均磁束は、「残留磁化」と呼ばれる。図４Ｂおよび４Ｃは、図４Ａに示されたより長いパルスおよびより短いパルスに対応する軟質磁石の残留磁化を示す。

図４Ｂによれば、より短いパルスに応答した軟質磁石の残留磁化は、より長いパルスに応答したものよりも約１６％低いが、より短いパルスによって消費された電力は、より長いパルスによって消費された電力の約５％である。したがって、著しく少ない電力による軟質磁石の高い磁化が達成され得る。

本発明の１つまたは複数の実施形態では、電流のパルスの持続時間は、０．１ｍｓ以上であり得る。本発明の１つまたは複数の実施形態では、電流のパルスの持続時間は、０．３ｍｓ以上かつ２ｍｓ以下であり得る。より具体的には、パルスの持続時間は、１ｍｓ以上であり得る。１つまたは複数の実施形態では、図４Ａ～４Ｃに示されるように、パルスの持続時間は、１ｍｓ以上であり得、かつ、１つのパルスのみが軟質磁石を磁化する。

本発明の１つまたは複数の実施形態では、それぞれが１ｍｓ未満の持続時間を有する複数の連続したパルスが、軟質磁石を磁化し得る。複数の連続した短パルスを使用することにより、軟質磁石の残留磁化は、消費電力を低く保ちながら増大され得る。これらの実施形態の一例である図５は、軟質磁石を磁化するために、それぞれが約０．５ｍｓの持続時間を有する２つの連続したパルスが使用されることを示す。第１のパルスの後、軟質磁石の残留磁化は、約０．８Ｔにとどまる。次いで、第２のパルスが、この残留磁化を約０．９Ｔのより高い残留磁化へ増大させる。図５におけるパルスの組合せによって消費される電力の量は、図４Ａに示されたより長いパルスによって消費される電力の約８％であるが、図５におけるパルスの組合せおよび図４Ａに示されたより長いパルスに応答した残留磁化は、ほぼ同じである。

本発明の１つまたは複数の実施形態では、軟質磁石を磁化するために、３つ以上の連続したパルスが使用され得る。例えば、それぞれが０．５ｍｓの持続時間を有する１０個の連続したパルスが、１０ｍｓの期間で使用され得る。１０個の連続したパルスを用いても、パルスによって消費される全電力は、図４Ａに示された１８ｍｓの長パルスの約３０％になるであろう。したがって、短パルスを使用することにより、ＶＦＭＭ内の軟質磁石の高い磁化が達成され得ると同時に、軟質磁石を磁化するために消費される電力が著しく減少され得る。

電流パルスの持続時間および形状は、軟質磁石を磁化するための必要量のエネルギーを提供する電源の実際的制限に依存し得る。例えば、軟質磁石が完全に消磁され（軟質磁石の電流ＭＳが０％である）、また、軟質磁石を２０％ＭＳおよび１００％ＭＳまで磁化することが１０００Ａおよび４０００Ａの直軸電流（Ｉ_ｄ）をそれぞれ必要とすると仮定する。これらの２つの電流が、同じ持続時間を有するパルスにおいて軟質磁石に与えられた場合、その電源をパルスする電流の形状は、図５Ｂに示されるように、電源の能力に応じて異なり得る。

短電流パルスを提供する電源の能力は、電流パルスが提供される回路（例えば、軟質磁石を磁化するために使用される拡張部）のインダクタンスに依存する。例えば、より高いインダクタンスを有するより大きな巻線の場合、電流パルスの時定数は、より高くなる。言い換えれば、より大きな巻線インダクタンスの場合、電流パルスは、標的電流ピークに達するのにより時間がかかる。

図６Ａ～６Ｂは、軟質磁石を磁化しかつ図４Ｂおよび５に示された磁化曲線を測定するための機構を示す。図６Ａでは、２つの鉄部品（６０２）が、隣同士に配置される。電磁コイル（６０４）が、電磁コイル（６０４）への電流（例えば、電流のパルス）の印加に応じて鉄部品（６０２）の内側に磁束を誘導するために、鉄部品（６０２）の周りに配置される。磁化されるべき軟質磁石は、鉄部品（６０２）間の間隙（６０６）内に配置される。鉄部品（６０２）の内側の誘導された磁束は、軟質磁石を磁化する。軟質磁石の磁化曲線を測定するために、１つまたは複数の測定コイル（６０８）が、鉄部品（６０２）間の小さな空隙（６１０）内に配置される。軟質磁石の磁束は、鉄部品（６０２）の磁束により測定コイル内に誘導された電気信号を介して測定される。

１つまたは複数の実施形態によれば、固定子巻線は、ＶＦＭＭを磁化しかつ回転子を回転させるのに必要な磁束を作り出す。図７Ａは、Ｙ字形構成で巻かれた固定子巻線の簡易化した回路モデルを示す。互いに１２０度だけ遅れる位相Ａ、Ｂ、およびＣを保有する３つの固定子巻線（すなわち、第１の固定子巻線（７０１Ａ）、第２の固定子巻線（７０１Ｂ）、および第３の固定子巻線（７０１Ｃ））が存在する。例えば、位相Ａがゼロである場合、位相Ｂは１２０度であり、位相Ｃは－１２０度である。３つの固定子巻線は、ヌルに接続される。３つの固定子巻線のそれぞれは、同じ方向に巻かれかつ互いに接続された、複数の巻線コイルを含み得る。

図７Ｂは、１つまたは複数の実施形態による例として、３つの固定子巻線が固定子に巻かれる方法を示す。固定子巻線のそれぞれは、複数の巻線コイルを含む。図７Ｂに示された例では、位相Ａ、Ｂ、およびＣのための固定子巻線のそれぞれが、２０個の巻線コイルを含む。３つの位相のそれぞれに対して、巻線コイルは、単一の位相（すなわち、位相Ａ、Ｂ、およびＣのうちの１つ）を保有する。

図７Ｂに示された例では、固定子スロット（７０２）のそれぞれが、１つの巻線コイルの一端と、別の巻線コイルの一端とを収容する。例えば、図７Ｂの拡大図に示された固定子スロット２は、位相Ａのための巻線コイルの端部を収容する上部セクション（２Ｔ）と、位相Ｂのための巻線コイルの端部を収容する底部セクション（２Ｂ）とを含む。

１つまたは複数の実施形態によれば、位相Ａ、Ｂ、およびＣのそれぞれは、軟質磁石のＭＳを測定するために、センスコイルを（巻線コイルに加えて）有し得る。したがって、３つのセンスコイル（すなわち、第１、第２、および第３のセンスコイル）が存在し得る。センスコイルは、固定子巻線上に配置されるかまたは固定子巻線に組み込まれてよいが、センスコイルは、固定子巻線から電気的に絶縁される。図７Ｃは、Ｙ字形構成で巻かれている、位相Ａ、Ｂ、およびＣにそれぞれ対応する第１、第２、および第３のセンスコイル（それぞれ、７０４Ａ、７０４Ｂ、７０４Ｃ）を含む第１、第２、および第３の固定子巻線（それぞれ、７０１Ａ、７０１Ｂ、７０１Ｃ）の、簡易化した回路モデルを示す。固定子巻線およびセンスコイルは特定の機能を得るためにΔ（デルタ）構成で巻かれ得ることを、当業者は理解したであろう。

１つまたは複数の実施形態では、軟質磁石を磁化または消磁するために大電流パルスが必要とされ得るので、固定子巻線は、Ｙ字形構成では各位相に対するＶＦＭＭの電力線における電流パルスはその位相のための固定子巻線における電流に等しいので、Ｙ字形構成で巻かれ得る。したがって、固定子巻線における電流は、電力線における電流を制御および測定することにより、直接制御されかつ簡単に測定され得る。しかし、Δ構成では、固定子巻線の電流は、必ずしも電力線の電流に等しいとは限らない。

１つまたは複数の実施形態では、センスコイルは、軟質磁石の磁束を使用して、逆起電力（ｂｅｍｆ）を誘導的に生成する。ｂｅｍｆの強度（振幅）は、軟質磁石のＭＳおよび回転子位置を示す。ｂｅｍｆは、インダクタンスや抵抗などの固定値を含むパラメータを有する。ｂｅｍｆはまた、角速度、角度位置、電流などの変数値を含むパラメータを有する。１つまたは複数の実施形態では、軟質磁石のＭＳを測定するために、これらの固定値および変数値パラメータは、知られていなければならない。

１つまたは複数の実施形態によれば、図７Ｃに示されたセンスコイルの３本の電線間の電圧が測定され、次いで、固定子巻線の位相間の実際の電圧を得るために、転換比が応用される。転換比は、センスコイル対固定子巻線の巻数の比である。例えば、固定子巻線のそれぞれに対する巻数は、１９０であってよい。この例では、巻線コイルのそれぞれに対して１巻きのみのセンスコイルが使用された場合、位相のそれぞれに対するセンスコイルの巻数は、２０である。したがって、この例における転換比は、２０／１９０≒０．１０５である。１つまたは複数の実施形態では、１７５ｋＷ ＶＦＭＭに対する転換比は、０．０８７４であり得る。

１つまたは複数の実施形態では、軟質磁石のＭＳは、方程式λ_ｍ＝Ｖ_ｓ／（Ｋ×ω）に基づいて判定され、式中、λ_ｍは、磁束鎖交数であり、Ｖ_ｓは、センスコイルの測定された電圧であり、ωは、ＲＰＭでありかつ定常状態において一定であり、Ｋは、ＶＦＭＭのｄ軸およびｑ軸の抵抗およびインダクタンスならびに転換比などの構成上の値に関連する定数であり、構成上の値は、ＶＦＭＭの定常状態において不変である。定常状態において一定のＫおよびω、ならびにセンスコイルにおいて誘導されたＶ_ｓを有することにより、λ_ｍを判定することができる。次いで、ＭＳは、λ_ｍに転換比を掛けることにより、λ_ｍから得ることができ、転換比は、定数であり、かつ、ＶＦＭＭの設計に依存する。

１つまたは複数の実施形態では、上記の方程式は、以下の通りに展開され得る。
Ｖ_ｑ＝（ｒ_ｓ×Ｉ_ｑ）＋（λ_ｍ×ω）＋（ω×Ｌ_ｄ×Ｉ_ｄ）
式中、Ｖ_ｑは、センスコイル上で誘導されたｑ軸電圧であり、Ｌ_ｄは、ｄ軸インダクタンスであり、Ｉ_ｄは、ｄ軸電流であり、Ｉ_ｑは、ｑ軸電流であり、ｒ_ｓは、位相のそれぞれにおけるセンスコイルの抵抗でありかつ一定である。λ_ｍを測定するために、Ｉ_ｄは、ゼロであると見なされるべきであり、Ｉ_ｑは、ＶＦＭＭを制御するフィールドオリエンテッド制御装置を通過する位相電流に等しい。したがって、センスコイルによって測定されるＶ_ｑを知ること、ならびに定常状態において一定なｒ_ｓ、Ｉ_ｑ、およびωを有することにより、λ_ｍを判定することができる。

１つまたは複数の実施形態によれば、固定子巻線に供給されたＩ_ｄのパルスが、ＶＦＭＭ磁化を変化させることができ、したがって、ＶＦＭＭのＲＰＭを変化させることができる。軟質磁石のＭＳを変化させる能力により、ＶＦＭＭの最大ＲＰＭは変更され得る。したがって、ＶＦＭＭは、電気モータのトルク対速度比を変更するための動力伝達システムを必要とすることなく、使用され得る。

１つまたは複数の実施形態によれば、制御装置が、軟質磁石の磁化を制御する。制御装置は、ｂｅｍｆ波形（以下、「ｂｅｍｆ」と呼ばれる）に基づいて軟質磁石のＭＳを判定し得る。１つまたは複数の実施形態では、制御装置は、情報を保存およびコンパイルし、かつ、情報に従って軟質磁石の磁化を変更するようにＶＦＭＭドライブ（例えば、発明者、電源、など）に命令することができる。制御装置は、ＭＳの制御を行うために記憶装置（例えば、ＲＡＭ）に接続された処理装置（例えば、ＣＰＵ）を含むコンピュータであってよい。

図８は、軟質磁石のＭＳの手動制御の方法を表す流れ図を示し、したがって、制御装置を使用してＶＦＭＭのトルクを手動で制御する方法を示す。以下、ＭＳの手動制御は、トルク、したがってＭＳを変更するための初期命令が人間によって開始される、制御手順である。非限定的な例として、ＶＦＭＭが電気車両のモータである場合、命令は、変速（ｇｅａｒ ｓｈｉｆｔ）、または運転者からの電気車両の速度を上げる命令であり得る。あるいは、ＶＦＭＭが産業用機械装置のモータである場合、命令は、オペレータの制御盤での入力を介してなされ得る。

ステップ８０５（Ｓ８０５）において、制御装置は、ＭＳを変更する命令を受信する。例えば、命令は、ＭＳを変更することを必要とするモータトルク／ＲＰＭの増大または減少であり得る。

Ｓ８１０において、制御装置は、Ｓ８０５において受信した命令に基づいて、理想的ＭＳを決定しかつ設定する。例えば、命令が変速である場合、理想的ＭＳは、選択された歯車に対する理想的ＭＳとして最も至適なＭＳに関連する予備的分析（例えば、表）に基づいて決定される。例えば、歯車１が、１００％のＭＳに関係し、一方で、歯車２が、８０％のＭＳに関係し得る。

１つまたは複数の実施形態によれば、１００％のＭＳは、軟質磁石が、それらの全容量まで、またはＶＦＭＭの特定の設計もしくは機能に基づいた最大磁化として決定される（または、それに限定される）軟質磁石の磁化まで磁化された、軟質磁石のＭＳであり得る。他方では、０％のＭＳは、軟質磁石が完全に消磁された、軟質磁石のＭＳである。

１つまたは複数の実施形態による別の例では、所望のＲＰＭ／トルクを得るための命令が受信されたときに、制御装置は、所望のＲＰＭ／トルクを理想的ＭＳに関連付ける表から、理想的ＭＳを見つけることができる。以下の表１は、所望のＲＰＭ／トルクを理想的ＭＳに関連付ける例示的な表を示す。

Ｓ８１５において、制御装置は、ＶＦＭＭのｂｅｍｆを測定する。１つまたは複数の実施形態によれば、ｂｅｍｆは、回転子によりセンスコイルにおいて生成される電圧である。ｂｅｍｆは、一定の因子により、λ_ｍに比例する。したがって、ｂｅｍｆは、実時間ＭＳ（すなわち、測定時における軟質磁石の実際のＭＳ）を示す。

Ｓ８２０において、制御装置は、Ｓ８１５において測定されたｂｅｍｆの値を過渡誤差から修正することができる。例えば、ＶＦＭＭまたは電力変換装置の過渡運転により、測定されたｂｅｍｆは、実時間ＭＳを与えない過渡誤差／ノイズ（例えば、火花、振動、など）を含む可能性がある。制御装置は、実時間ＭＳのより現実的な値を得るために、ｂｅｍｆから過渡誤差／ノイズを除去することができる。

Ｓ８２５において、制御装置は、ｂｅｍｆに基づいて実時間ＭＳを判定する。例えば、制御装置は、様々なｂｅｍｆ値を実時間ＭＳの値に関連付ける表に基づいて、実時間ＭＳを判定することができる。１つまたは複数の実施形態では、制御装置は、Ｓ８２０からの修正されたｂｅｍｆに基づいて、実時間ＭＳを判定する。あるいは、制御装置は、実時間ＭＳを判定するために、ｂｅｍｆの未修正の値を使用することができる。

１つまたは複数の実施形態では、制御装置は、未修正のまたは修正されたｂｅｍｆから実時間ＭＳを判定することができ、次いで、制御装置は、実時間ＭＳの最終値を得るために、値実時間ＭＳに何らかの補正（例えば、ノイズの選別）を適用することができる。

１つまたは複数の実施形態によれば、Ｓ８０５からの命令後、実時間ＭＳおよび理想的ＭＳは、同時に判定され得る。これを行うために、Ｓ８１５からＳ８２５は、Ｓ８１０と同時に行われ得る。

Ｓ８３０において、制御装置は、磁化差（ΔＭＳ）を得るために、Ｓ８２５から得られた実時間ＭＳから、Ｓ８１０から得られた理想的ＭＳを減算する。ΔＭＳの絶対値≦閾値（例えば、理想的ＭＳの５％）である場合、実時間ＭＳは、理想的ＭＳに十分に近く、実時間ＭＳを変更する必要はない。そうでなければ、制御装置は、以下で説明されるＳ８３５を続ける。

Ｓ８３５において、制御装置は、Ｓ８３０から得られたΔＭＳに基づいて、Ｉ_ｄパルスを決定しかつ設定する。例えば、制御装置は、ΔＭＳの様々な値をＩ_ｄパルスの値に関連付ける表に基づいて、Ｉ_ｄパルスを決定し得る。別の例では、Ｉ_ｄパルスは、図４Ａ～４Ｃおよび図５を参照して上述された電流のパルスに類似すると思われ得る。

Ｓ８４０において、制御装置は、Ｓ８３５から決定されたＩ_ｄパルスをＶＦＭＭの固定子巻線に送る命令をする。例えば、この命令は、Ｉ_ｄパルスを生成して固定子巻線に送るために、電力変換装置に送信され得る。

１つまたは複数の実施形態によれば、Ｉ_ｄパルスの継続時間、形状、または数は、ＶＦＭＭのトルク／ＲＰＭに基づいて決定され得る。１つまたは複数の実施形態によれば、Ｉ_ｄパルスの継続時間は、約１ミリ秒（ｍｓ）であり得る。

１つまたは複数の実施形態では、Ｓ８４０の後、制御装置は、ΔＭＳが閾値の範囲内にあるか否かを判定するために、Ｓ８１５に戻ってＳ８１５およびＳ８１５後のステップをやり直すことができる。ΔＭＳが閾値の範囲内にない場合、制御装置は、実時間ＭＳを調整するために、別のＩ_ｄパルスを適用する。このプロセスは、ΔＭＳが閾値の範囲内に入るように実時間ＭＳが調整されるまで、継続し得る。

図９は、制御装置を使用して軟質磁石のＭＳを自動的に制御する方法を表す流れ図を示す。以下、ＭＳの自動制御は、ＶＦＭＭの最高電力効率を維持するためにＶＦＭＭのＲＰＭおよびトルクに基づいてＭＳを自動的に調整する制御プロセスである。

Ｓ９０５において、制御装置は、ＶＦＭＭのＲＰＭを測定する。

Ｓ９１０において、制御装置は、ＶＦＭＭのトルクを判定する。１つまたは複数の実施形態によれば、制御装置は、以下で説明されるＳ９２０および／またはＳ９２５で測定されたｂｅｍｆに基づいて、トルクを判定することができる。

Ｓ９１５において、制御装置は、ＶＦＭＭに対して設定される基準に対応する理想的ＭＳを判定しかつ設定する。例えば、基準は、Ｓ９０５において判定されたＲＰＭ、Ｓ９１０において判定されたトルク、最小磁気特性図、最低コイル温度、などに基づく最大効率（例えば、出力効率）であり得る。例えば、制御装置は、ＲＰＭおよびトルクの値を理想的ＭＳの値と関連付ける表へのアクセスを有し、これは、設定基準をもたらす。この表から、制御装置は、測定されたＲＰＭおよびトルクに対応する理想的ＭＳを判定する。

図１０は、設定基準が出力効率である例のためのＲＰＭおよびトルクに関するＶＦＭＭの電力効率の熱グラフ（ｔｈｅｒｍａｌ ｇｒａｐｈ）を示す。１つまたは複数の実施形態では、ＶＦＭＭの効率マップの各点は、電力効率を示し、理想的ＭＳが、その点と関連付けられる。

Ｓ９２０において、制御装置は、ＶＦＭＭのｂｅｍｆを測定する。これは、上記で説明されたＳ８１５と同様である。１つまたは複数の実施形態によれば、制御装置はまた、ｂｅｍｆに基づいてＶＦＭＭのλ_ｍを計算し得る。次いで、制御装置は、λ_ｍに基づいてＳ９１０のためのトルクを判定し得る。

例えば、トルクは、以下の方程式に基づいて計算することができる：
トルク＝（３／２）×（磁極の数／２）×λ_ｍ×Ｉ_ｑ、
式中、λ_ｍは、ｂｅｍｆに基づいて決定される。

Ｓ９２５において、制御装置は、Ｓ８１５における測定されたｂｅｍｆを過渡誤差から修正することができる。これは、上記で説明されたＳ８２０と同様であり得る。１つまたは複数の実施形態によれば、制御装置は、修正されたｂｅｍｆに基づいてλｍを計算することができる。あるいは、制御装置は、修正されていないｂｅｍｆに基づいてλｍを計算し、次いでλ_ｍを過渡誤差から修正することができる。

Ｓ９３０において、制御装置は、修正されたｂｅｍｆに基づいて実時間ＭＳを判定する。これは、上記で説明されたＳ８２５と同様であり得る。１つまたは複数の実施形態によれば、制御装置は、λ_ｍに基づいて実時間ＭＳを判定することができる。例えば、制御装置は、様々なλ_ｍ値を実時間ＭＳの値に関連付ける表上で、実時間ＭＳを調べることができる。

Ｓ９３５は、Ｓ８３０と同様である。さらに、１つまたは複数の実施形態によれば、ΔＭＳの絶対値≦閾値である場合、実時間ＭＳは、理想的であり、実時間ＭＳを変更する必要はない。この場合、制御装置は、Ｓ９０５に戻ることができる。そうでなければ、制御装置は、Ｓ９４０に続く。

Ｓ９４０は、上記で説明されたＳ８３５と同様である。

Ｓ９４５は、上記で説明されたＳ８４０と同様である。

１つまたは複数の実施形態では、Ｓ９４５の後、制御装置は、ΔＭＳが閾値の範囲内であるか否かを判定するために、Ｓ９２０に戻ってＳ９２０およびＳ９２０後のステップをやり直すことができる。ΔＭＳが閾値の範囲内にない場合、制御装置は、実時間ＭＳを調整するために、別のＩ_ｄパルスを適用する。このプロセスは、ΔＭＳが閾値の範囲内に入るように、実時間ＭＳを調整し続けることができる。

１つまたは複数の実施形態では、図８～９を参照しながら説明されたＭＳの手動および自動制御のそれぞれにおけるステップは、別段の定めがない限り、上記で説明された順序とは異なる順序で行われ得る。ステップは、ＭＳの所望の制御を得るために、省略され得るか、または複数回行われ得る。

本発明は、限られた数の実施形態に関して説明されてきたが、本開示の便益を有する当業者は、本明細書において開示される本発明の範囲から逸脱しない他の実施形態が考案され得ることを理解するであろう。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ制限されるものとする。

Claims (12)

1. 可変磁束メモリモータ（ＶＦＭＭ）の回転子内の軟質磁石を制御する方法であって、
   前記軟質磁石によって生成される逆起電力を測定すること、
   測定された前記逆起電力に基づいて前記軟質磁石の測定時の磁化状態を判定すること、
   前記軟質磁石の理想的磁化状態と前記測定時の磁化状態との差に基づいて第１のパルスを決定することであって、前記第１のパルスが、前記ＶＦＭＭの固定子巻線に印加するための０．１ミリ秒（ｍｓ）以上かつ２ｍｓ以下の持続時間を有する、第１のパルスを決定すること、
   生成した前記第１のパルスを前記ＶＦＭＭの前記固定子巻線に印加することであって、前記第１のパルスは、生成した前記第１のパルスを印加することが終了したときに前記軟質磁石の磁化状態を第１の磁化状態に設定すること、
   前記ＶＦＭＭの前記固定子巻線に印加するための０．１ｍｓ以上かつ２ｍｓ以下の持続時間をそれぞれが有する複数の電流の連続したパルスを生成すること、および、
   生成した前記複数の連続したパルスを前記ＶＦＭＭの前記固定子巻線に印加すること
   を含み、
   前記複数の連続したパルスは、前記複数の連続したパルスを印加することが終了したと
   きに前記軟質磁石の前記磁化状態を標的磁化状態に設定し、
   前記標的磁化状態が、前記第１の磁化状態よりも高く、
   前記複数の連続したパルスが前記第１のパルスを含む、方法。
2. 前記第１のパルスの前記持続時間が、１ｍｓ以下である、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１のパルスの前記持続時間が、０．３ｍｓ以上である、請求項１に記載の方法。
4. それぞれが０．３ｍｓ以上かつ１ｍｓ未満の持続時間を有する１つまたは複数の連続したパルスが、前記軟質磁石を磁化し、
   前記１つまたは複数の連続したパルスは、前記第１のパルスを含む、
   請求項１に記載の方法。
5. 前記第１のパルスの前記持続時間が、１ｍｓ以上であり、
   前記第１のパルスのみが、前記軟質磁石を磁化する、
   請求項１に記載の方法。
6. 前記軟質磁石が、ＡｌＮｉＣｏである、請求項１に記載の方法。
7. 前記軟質磁石が、ＡｌＮｉＣｏ－９である、請求項１に記載の方法。
8. 前記第１のパルスの形状が、三角形である、請求項１に記載の方法。
9. 前記第１のパルスを決定することの後、前記ＶＦＭＭの前記固定子巻線に印加するための０．１ｍｓ以上かつ２ｍｓ以下の持続時間を有する電流の第２のパルスを生成すること、および、
   前記第１のパルスを印加することの後、生成した前記第２のパルスを前記ＶＦＭＭの前記固定子巻線に印加すること
   をさらに含み、
   前記第２のパルスは、生成した前記第２のパルスを印加することが終了したときに前記軟質磁石の前記磁化状態を第２の磁化状態に設定し、
   前記第２の磁化状態が、前記第１の磁化状態よりも高い、請求項１に記載の方法。
10. 請求項１に記載の方法を含む、前記ＶＦＭＭの前記軟質磁石の前記磁化状態を制御する方法であって、
    前記軟質磁石の前記磁化状態を変更する命令を受信すること、
    前記命令に基づいて前記軟質磁石の前記理想的磁化状態を決定すること、
    前記理想的磁化状態と前記第１の磁化状態との差の絶対値が所定の閾値の範囲内に入るように前記軟質磁石の前記測定時の磁化状態を前記第１の磁化状態に調整するために、前記ＶＦＭＭの前記固定子巻線に前記第１のパルスを送ること
    をさらに含む、方法。
11. 請求項１に記載の方法を含む、前記ＶＦＭＭの前記軟質磁石の前記磁化状態を自動的に制御する方法であって、
    前記ＶＦＭＭの速度を測定すること、
    前記ＶＦＭＭのトルクを判定すること、
    前記ＶＦＭＭの前記速度および前記トルクに基づいて前記軟質磁石の前記理想的磁化状態を決定すること、および、
    前記理想的磁化状態と前記第１の磁化状態との差の絶対値が所定の閾値の範囲内に入るように前記測定時の磁化状態を前記第１の磁化状態に調整するために、前記ＶＦＭＭの前記固定子巻線に前記第１のパルスを送ること
    をさらに含む、方法。
12. 請求項４に記載の方法を含む、前記ＶＦＭＭの前記軟質磁石の前記磁化状態を自動的に制御する方法であって、
    前記ＶＦＭＭの速度を測定すること、
    前記ＶＦＭＭのトルクを判定すること、
    前記ＶＦＭＭの前記速度および前記トルクに基づいて前記軟質磁石の前記理想的磁化状態を決定すること、および、
    前記理想的磁化状態と前記第１の磁化状態との差の絶対値が所定の閾値の範囲内に入るように前記測定時の磁化状態を前記第１の磁化状態に調整するために、前記ＶＦＭＭの前記固定子巻線に前記第１のパルスを送ること
    をさらに含む、方法。