(57)【要約】【課題】高い性能係数を有し、より低温度で運転される切替型ＤＣ電機を提供する。【解決手段】  固定子（３）、回転子（２）および切替手段（１１ａ、１１ｂ、１８ａ、１８ｂ）からなり、前記固定子（３）または回転子（２）の一つに組み付けられている励磁巻線（５）が多数の磁極（４ａ〜４ｌ）の磁化するように構成され、前記切替手段（１１ａ、１１ｂ、１８ａ、１８ｂ）がＤＣ電源（１９）とその出力を前記励磁巻線（５）の第１および第２の入力に切り替えるように接続され、前記ＤＣ電源（１９）が低電圧出力（−Ｖ）、中電圧出力（０Ｖ）、高電圧出力（＋Ｖ）を供給し、その使用において、前記中電圧出力は前記コイルの前記第１の入力に連続的に接続され、前記第２の入力は前記切替手段により前記高電圧出力（＋Ｖ）と前記低電圧出力（−Ｖ）とに循環的に切り替えられることを特徴とする切替型ＤＣ電機（１００）。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子、回転子および切替手段からなる切替型ＤＣ回転電機であって、前記固定子および回転子の一つが第１および第２の入力を有する励磁巻線からなり、該励磁巻線は電流を印加されると該励磁巻線に組み付けられた多数の同一の極を励磁させるように構成され、前記切替手段は、ＤＣ電源に連結されて前記励磁巻線の第１および第２入力への電気出力を切り替えるように構成され、前記ＤＣ電源は低電圧出力、高電圧出力、および前記高電圧出力と低電圧出力の中間の電位を有する中電圧出力を供給するもので、その使用において、前記中電圧出力は前記励起巻線の第１の入力に連続的に接続され、前記第２の入力は前記切替手段により前記高電圧出力と前記低電圧出力とに循環的に切り替えられることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項２】
請求項１に記載の切替型ＤＣ電機において、前記循環動作のサイクルには、前記第２の入力が前記低電圧出力もしくは高電圧出力のいずれかから切り離されている時間領域が含まれることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の切替型ＤＣ電機において、前記励磁巻線は該励磁巻線に組み付けられている隣接の極同士を互いに対抗する磁気極性に励磁するように構成されていることを特徴とする切替型ＤＣ回転電機。
【請求項４】
前記請求項のいずれか一つに記載の切替型ＤＣ電機において、前記低電圧出力と中電圧出力との電圧差は、前記中電圧出力と高電圧出力との電圧差と実質的に同一であることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項５】
前記請求項のいずれか一つに記載の切替型ＤＣ電機において、残りの前記固定子および回転子は、多数の同一の極から構成される前記励磁巻線から構成されないことを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項６】
前記請求項のいずれか一つに記載の切替型ＤＣ電機において、前記切替手段の切替は、前記回転子の回転に同期して行われることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項７】
請求項６に記載の切替型ＤＣ電機において、前記切替手段が、前記回転子の回転位置に基づいて前記切替手段の切替を引き起こすように設定された検出手段を有することを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項８】
請求項７に記載の切替型ＤＣ電機において、前記検出手段は光電センサーから構成されていることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項９】
請求項７または８に記載の切替型ＤＣ電機において、前記検出手段にタイミング・ホイールが組み付けられ、前記回転子の回転位置の基準が与えられることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項１０】
請求項６〜９のいずれか１項に記載の切替型ＤＣ電機において、前記第２入力は、前記回転子の極が前記固定子の極に対向する関係に位置した時に、前記高電圧出力もしくは前記低電圧出力に切り替えられることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項１１】
請求項６〜１０のいずれか１項に記載の切替型ＤＣ電機において、前記第２入力は、過渡電流が最小化するように選択された所定のモーメントに実質的になった時に、非接続状態に切り替えられることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項１２】
請求項１１に記載の切替型ＤＣ電機において、前記第２の入力は、前記循環期間に実質的に比例して、前記ＤＣ電源から切り離されることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項１３】
固定子、回転子および切替手段からなる切替型ＤＣ回転電機であって、前記固定子は、多数の磁極からなる一組の固定子極から構成され、前記回転子は、多数の磁極からなる一組の回転子極から構成され、前記固定子セットおよび回転子セットの一つが、磁界を発生させるように設定されるとともに、残りの固定子セットおよび回転子セットは、該セットの各極に組み付けられた励磁コイルから構成されており、前記コイルが、ＤＣ電源と、第１および第２の入力とによって、励磁されて、その結果、各極と協同して磁界を誘発し、前記コイルは、隣接の極同士を互いに対抗する磁気極性に励磁するように、前記切替手段によって制御される前記ＤＣ電極に接続されており、その使用において、前記固定子に対する前記回転子の回転により、前記一つのセットの磁界が他のセットの極に相対して移動し、前記ＤＣ電源は、低電圧出力、高電圧出力、および前記低電圧出力と高電圧出力との中間の電圧を有する中電圧出力を有し、その使用において、前記中電圧出力は前記コイルの前記第１の入力に連続的に接続され、前記第２の入力は前記切替手段により前記低電圧出力と前記高電圧出力とに循環的に切り替えられるように構成されていることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項１４】
固定子、回転子および切替手段からなる切替型ＤＣ回転電機であって、この回転電機においては、前記固定子および回転子の一つが第１および第２の入力を有する励磁巻線を有してなり、該励磁巻線は、該励磁巻線に組み付けられている第１の多数の同一の極を励磁させ、前記極の隣接同士を互いに対抗する磁気極性に励磁するように設定されており、残りの前記固定子および回転子が第２の多数の同一の極からなり、前記切替手段は、その出力を前記励磁巻線の第１の入力と第２の入力とへの循環動作に切り替えるＤＣ電源に連結され、該切替手段は、前記回転子の一つの極が前記固定子の一つの極に対向する関係に位置した時に、前記励磁巻線を励磁状態へ切り替えるように構成されていることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項１５】
請求項１４に記載の切替型ＤＣ電機において、前記循環動作のサイクルには、前記第２の入力が前記低電圧出力もしくは高電圧出力のいずれかから切り離されている時間領域が含まれることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項１６】
請求項１５に記載の切替型ＤＣ電機において、前記第２入力は、過渡電流が最小化するように選択された所定のモーメントに実質的になった時に、非接続状態に切り替えられることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項１７】
請求項１４〜１６のいずれか１項に記載の切替型ＤＣ電機において、前記切替手段の切替は、前記回転子の回転に同期して行われることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項１８】
請求項１７に記載の切替型ＤＣ電機において、前記切替手段が、前記回転子の回転位置に基づいて前記切替手段の切替を引き起こすように設定された検出手段を有することを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項１９】
請求項１８に記載の切替型ＤＣ電機において、前記検出手段は光電センサーから構成されていることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項２０】
請求項１８または請求項１９に記載の切替型ＤＣ電機において、前記検出手段にタイミング・ホイールが組み付けられ、前記回転子の回転位置の基準が与えられることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項２１】
請求項１４〜２０のいずれか１項に記載の切替型ＤＣ電機において、前記ＤＣ電源は、低電圧出力、高電圧出力、および前記低電圧出力と高電圧出力との中間の電圧を有する中電圧出力を供給し、その使用において、前記中電圧出力は、前記励磁巻線の前記第１の入力に連続的に接続され、前記第２の入力は前記切替手段により前記高電圧出力と前記低電圧出力との間の前記循環動作に切り替えられることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項２２】
前記請求項のいずれか１項に記載の切替型ＤＣ電機において、該電機が電気モータであることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項２３】
請求項１〜２１のいずれか１項に記載の切替型ＤＣ電機において、該電機が発電機であることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項２４】
前記請求項のいずれか１項に記載の切替型ＤＣ電機において、前記励磁コイルが固定子に連結していることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項２５】
請求項２４に記載の切替型ＤＣ電機において、前記回転子が、スリップ・リングを介してＤＣ電源から励磁される巻線から構成されていることを特徴とする切替型電機。
【請求項２６】
請求項２４に記載の切替型ＤＣ電機において、前記回転子が永久磁石から構成されていることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機に関するものである。詳しくは、本発明は、電気モータあるいは発電機の新規な構成および操作方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気モータは１００年以上に亘って広く使用されてきた。一般に、電気モータは、供給電源のタイプに基づいて、ＡＣ（交流）あるいはＤＣ（直流）に区別されている。各タイプには、多様な区分けがあり、非常に数多くの構造が特有の動作特性を得るために提供されている。
【０００３】
ダイオード、サイリスタや、ＳＣＲなどの大電流半導体装置の出現によって、ＡＣおよびＤＣモータにおける慣用の設計が大きく変化し、様々な適用において重要な改良が得られている。高精度位置検出装置に組み込まれるようなＤＣモータでは、整流子を用いない設計となっており、それにより、必要な保守整備が大幅に低減されている。かかる設計の数少ない例が、特許文献１、特許文献２および特許文献３に開示されている。しかしながら、これらに開示の装置では、それらの設計の慣用の型式に基づいた磁界の維持に依存している。
【０００４】
本発明の背景技術に関する前述の議論は、本発明の理解を容易にするためにのみ為されたものである。この議論は、言及のいかなる構成要素も、本出願の優先日において、オーストラリアにおける公知技術の一部であったことを承認もしくは是認するものではない。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第３，０２５，４４３号明細書
【特許文献２】米国特許第４，６７８，９７４号明細書
【特許文献３】国際公開第ＷＯ ８６／０６５６４号公報パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その課題は、高い性能係数を有し、より低温度で運転される切替型ＤＣ電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決するために、本発明にかかる切替型ＤＣ電機は、固定子、回転子および切替手段からなる切替型ＤＣ回転電機に属するものであり、この回転電機においては、前記固定子および回転子の一つが第１および第２の入力を有する励磁巻線からなり、該励磁巻線は電流が印加されると該励磁巻線に組み付けられた多数の極を帯磁させるものであり、前記切替手段はＤＣ電源に連結されて前記励磁巻線の第１および第２入力への電気出力を切り替えるものであり、前記ＤＣ電源は低電圧出力、高電圧出力、および前記高電圧出力と低電圧出力の中間の電位を有する中電圧出力を供給するもので、その使用において、前記中電圧出力は前記励起巻線の第１の入力に連続的に接続され、前記第２の入力は前記切替手段により前記高電圧出力と前記低電圧出力との間の循環動作に切り替えられる。
【０００８】
本発明の好適な構成によれば、前記循環動作のサイクルには、前記第２の入力が前記低電圧出力もしくは高電圧出力のいずれかから切り離されている時間領域が含まれる。
【０００９】
本発明の好適な構成によれば、前記励磁巻線は該励磁巻線に組み付けられている隣接の極同士を互いに対向する磁気極性に励磁するように構成されている。
【００１０】
本発明の好適な構成によれば、前記低電圧出力と中電圧出力との電圧差は、前記中電圧出力と高電圧出力との電圧差と実質的に同一である。
【００１１】
本発明の好適な構成によれば、残りの前記固定子および回転子は、多数の同一の極から構成される前記励磁巻線から構成されない。
【００１２】
本発明の好適な構成によれば、前記第２入力は、前記回転子の極が前記固定子の極に対向する関係に位置した時に、前記高電圧出力もしくは前記低電圧出力に切り替えられる。
【００１３】
本発明の好適な構成によれば、前記第２入力は、過渡電流が最小化するように選択された所定のモーメントに実質的になった時に、非接続状態に切り替えられる。
【００１４】
本発明の好適な構成によれば、前記第２の入力は、前記循環期間に実質的に比例して、前記ＤＣ電源から切り離される。
【００１５】
本発明の好適な構成によれば、前記切替手段の切替は、前記回転子の回転に同期して行われる。
【００１６】
前記切替手段は、前記回転子の回転位置に基づいて前記切替手段の切替を引き起こすように設定された検出手段を有する。
【００１７】
好適な実施形態によれば、前記検出手段は光電センサーからなる。
【００１８】
好適な実施形態によれば、前記検出手段にタイミング・ホイールが組み付けられ、前記回転子の回転位置の基準が与えられる。
【００１９】
さらなる態様によれば、本発明は、固定子、回転子および切替手段からなる切替型ＤＣ回転電機に属するものであり、この回転電機においては、前記固定子は、多数の磁極からなる一組の固定子極から構成され、前記回転子は、多数の磁極からなる一組の回転子極から構成され、前記固定子セットおよび回転子セットの一つが、磁界を発生させるように設定されるとともに、残りの固定子セットおよび回転子セットは、該セットの各極に組み付けられた励磁コイルから構成されており、前記コイルが、ＤＣ電源によって励磁されて、その結果、各極と協同して磁界を誘発し、前記コイルは、隣接の極同士を互いに対抗する磁気極性に励磁するように、前記切替手段によって制御される前記ＤＣ電極に接続されており、その使用において、前記固定子に対する前記回転子の回転により、前記一つのセットの磁界が他のセットの極に相対して移動し、前記ＤＣ電源は、低電圧出力、高電圧出力、および中電圧出力を有し、その使用において、前記中電圧出力は前記コイルの第１の入力に連続的に接続され、前記第２の入力は前記切替手段により前記低電圧出力と前記高電圧出力とに循環的に切り替えられるように設定されている。
【００２０】
さらなる態様によれば、本発明は、固定子、回転子および切替手段からなる切替型ＤＣ回転電機に属するものであり、この回転電機においては、前記固定子および回転子の一つが第１および第２の入力を有する励磁巻線からなり、該励磁巻線は、該励磁巻線に組み付けられている第１の多数の同一の極を励磁させ、前記極の隣接同士を互いに対抗する磁気極性に励磁するように設定されており、残りの前記固定子および回転子が第２の多数の同一の極からなり、前記切替手段は、ＤＣ電源に連結されて、その出力を前記励磁巻線の第１および第２入力に切り替えて循環動作におき、前記切替手段は、前記回転子の一つの極が前記固定子の一つの極に対向する関係に位置した時に、前記励磁巻線を励磁状態へ切り替える。
【００２１】
好適な実施形態によれば、該電機は電気モータである。
【００２２】
好適な実施形態によれば、前記励磁コイルは固定子に連結している。好適な実施形態によれば、前記回転子は永久磁石からなる。
【００２３】
好適な実施形態によれば、該電機は発電機である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に代表的な実施例を示すことにより、本発明をさらに詳しく説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
【実施例】
【００２５】
本発明の実施例は、切替手段により制御される電気モータの形態の回転電機からなる。この実施例を、図１〜１２を参照して説明する。
【００２６】
図に示すように、本実施例の電機モータ１００は、固定子アセンブリ３，ブラシ・アセンブリ８、および軸１とから構成されており、前記軸は、回転子アセンブリ２、スリップ・リング６ａおよび６ｂ、タイミング・ホイール９、および切替器１８ａおよび１８ｂを支持している。
【００２７】
前記固定子アセンブリ３は、一組の固定子の極４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆ，４ｇ，４ｈ，４ｉ，４ｊ，４ｋ、４ｌ、および固定子コイル５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ，５ｇ，５ｈ，５ｉ，５ｊ，５ｋ、５ｌから構成されている。固定子コイル５ａ，５ｃ，５ｅ，５ｇ，５ｉ，５ｋは、それぞれ時計回り方向に励磁電流を流すように構成された巻線を有し、固定子コイル５ｂ，５ｄ，５ｆ，５ｈ，５ｊ，５ｌは、それぞれ反時計回り方向に励磁電流を流すように構成された巻線を有しており、その結果、隣接の極同士は、互いに対抗する磁気極性を有している。前記固定子コイルは、互いに“パラレル”に、あるいは“シリアル”に回路接続されて前記固定子の励起巻線５が形成されても良く、そのために、全ての固定子コイルを励磁するために２つの入力線が必要となる。
【００２８】
前記回転子アセンブリ２は、第１の一組の“固定”磁極１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅ，１６ｆと、対抗する極性の第２の一組の“固定”磁極１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅ、１７ｆとから構成されており、好適な回転子巻線４により励磁されて磁界を発生する。前記タイミング・ホイール９は、前記回転子の多数の極対と対応する多数のタイミング・タグ１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆを有している。このタイミング・ホイールは前記軸に固定されて、軸と一体に回転可能となっている。
【００２９】
前記ブラシ・アセンブリ８は、前記スリップ・リングに支持されており、好適な回転子の電源２１から前記回転子コイルに励磁電流を送る一組のブラシ（不図示）から構成されている。この実施例において、前記回転子の電源２１はＤＣ電源を供給し、このＤＣ電源により、動作中、磁化を一定の極性にするが、磁化電流の強さに基づいて磁気強さを変えることは可能である。前記ブラシ・アセンブリ８と光電センサ１１ａ，１１ｂは、モータ・ハウジング（不図示）あるいは固定子アセンブリにより支持される。
【００３０】
前記切替手段は、前記光電センサ１１ａ、１１ｂから構成され、これら光電センサは、前記タイミング・ホイール９と協同するように実装され、電気切替器１８ａ、１８ｂと接続し、所定の方法により切替器１８ａ，１８ｂを始動させる。前記光電センサ１１ａおよび１１ｂは、前記タイミング・ホイール９のタイミング・タグと協同するように配置されている。前記光電センサ１１ａ、１１ｂは、好適な電源によって発光される。前記タイミング・ホイールが回転して、図５に示す位置になると、光電センサ１１ａからの光がタイミング・タグ１０ａから反射して光電センサ１１ａに戻り、該光電センサ１１ａの内部回路を閉じ、信号を電気切替器１８ａに送る。前記タイミング・ホイールが回転して、図６に示す位置になると、光電センサ１１ａからの光はもうタイミング・タグ１０ａから反射して光電センサ１１ａに戻ることはないので、該光電センサ１１ａの内部回路は開き、電気切替器１８ａへの信号が停止される。同様に、前記タイミング・ホイールが回転して、図７に示す位置になると、光電センサ１１ｂからの光がタイミング・タグ１０ａから反射して光電センサ１１ｂに戻り、該光電センサ１１ｂの内部回路を閉じ、信号を電気切替器１８ｂに送る。前記タイミング・ホイールが回転して、図８に示す位置になると、光電センサ１１ｂからの光はもうタイミング・タグ１０ａから反射して光電センサ１１ｂに戻ることはないので、該光電センサ１１ａの内部回路は開き、電気切替器１８ｂへの信号が停止される。
【００３１】
図１１に示すように、該電気モータ１００の固定子の励磁巻線５は、ＤＣ電源１９に接続されており、該ＤＣ電源１９の出力は、前記光電センサ１１ａおよび１１ｂによって始動される高速電気切替器１８ａおよび１８ｂによって、切り替えられる。本実施例では、３つの電圧レベルを有する電源を用いており、その内の中電圧は常に前記励磁巻線５の第１の接続端子に接続されている。前記ＤＣ電源１９は、＋Ｖ、０Ｖおよび−Ｖの電圧を供給する３供給線を有しており、前記０Ｖと＋Ｖとの間の電圧値は、−Ｖから０Ｖまでの電圧値と実質的に同一である。使用において、前記０Ｖ線は前記固定子コイルに入力する２つの入力接続線の第１の接続線に常に接続されている。前記固定子コイルへ入力する２つの接続線の第２の接続線は、その使用において、切替器１８ａおよび１８ｂによって、前記出力＋Ｖに接続、切断、−Ｖに接続、切断、そして＋Ｖに接続という、後に詳述する循環方法を繰り返すように、切り替えられる。したがって、前記第２の入力は、前記高電圧もしくは低電圧のいずれかから切断された時の前記各電圧パルス間の間隔と比較的同一の間隔を有することが明らかである。
【００３２】
かかる電圧は、多数のセルからなる電池を含む形態で供給することができ、前記中電圧は、中間のセルから取り出すことにより得られる。
【００３３】
前記切替器１８ａは、ＤＣ電流を、電源１９から、固定子コイル５ａから５ｌに向かう順に、供給するように接線されており、他方の切替器１８ｂは、ＤＣ電流を、電源１９から、固定子コイル５ａから５ｌに向かう順と逆順に、供給するように接線されている。
【００３４】
また、電源１９からの直流は、好適な回路を介して、前記光電センサ１１ａおよび１１ｂを通り、（適正なタイミングで）前記電気切替器１８ａあるいは１８ｂに供給され、これら切替器をオン、オフさせて、固定子コイル５ａ〜５ｌの励磁を行う。この記載の実施例では、前記固定子アセンブリは、１２個の固定子極４ａ〜４ｌを有し、前記回転子アセンブリは、１２個の回転子極１６ａ〜１６ｆおよび１７ａ〜１７ｆを有している。動作としては、６つのサイクルが、前記固定子コイル５ａ〜５ｌと、前記軸１および回転子アセンブリ２の各回転とによって、実行される。各サイクルは、４つの部分から構成されており、その４つの部分は：
（Ａ）電源１９からの直流が、切替器１８ａを介して固定子コイル５ａ〜５ｌに、５ａから５ｌに向かう方向に供給され、固定子極４ａ〜４ｌが磁化される（図５）。
（Ｂ）電源１９からの直流が、切替器１８ａを介して固定子コイル５ａ〜５ｌに、５ａから５ｌに向かう方向に供給されている状態が、切断され、固定子極４ａ〜４ｌの磁化が、減衰される（図６）。
（Ｃ）電源１９からの直流が、切替器１８ｂを介して固定子コイル５ａ〜５ｌに、５ａから５ｌに向かう方向と逆向きに供給され、固定子極４ａ〜４ｌが対抗する方向に磁化される（図７）。
（Ｄ）電源１９からの直流が、切替器１８ｂを介して固定子コイル５ａ〜５ｌに、５ａから５ｌに向かう方向と逆向きに供給されている状態が、切断され、固定子極４ａ〜４ｌの磁化が、減衰される（図８）。
【００３５】
前記切替信号が、前記光電センサ１１ａおよび１１ｂによって、前記切替器１８ａおよび１８ｂに送られ、該切替器が前記第２の入力を前記ＤＣ電源１９に切り替えるという切替信号のサイクルを、図１２にグラフ化して示した。
【００３６】
一つの全サイクルの間に、電圧が前記固定子コイル５ａ〜５ｌを横断して、０ボルトから＋Ｖボルトに上昇し、ほぼ瞬時に、前記切替手段が前記第２の入力を切断している所定の時間＋Ｖに維持され、次に、０ボルトに低下し、続いて、ほぼ瞬時に、−Ｖボルトに切り替えられ、第２の所定の時間−Ｖボルトに維持される。前記第２の所定の時間は、前記第１の所定の時間と実質的に同一の時間であり、この間、前記切替手段は再び第２の入力を切断し、電圧がほぼ０ボルトに上昇される。
【００３７】
前記高電圧もしくは低電圧への切替は、前記回転子の極が前記固定子の対応する極と直に対向する位置になった時と、可能限り同時的に行われるべきである。これは、切り替えを迅速に行うことが、前記励磁巻線５内に流れる電流を最小にするために、必要であるからである。試験によれば、本装置の能率は、実施され得る切替の精度および速度によって影響されることが、判明している。
【００３８】
同様に、前記高電圧もしくは低電圧からの前記第２の接続の切断は、前記循環期間の正確な瞬間に可能な限り近接して行われるべきである。この瞬間とは、該モータの構造の特性とそれを決定するパラメータであると見なされるが、その理由は、現時点では十分に理解されていない。しかしながら、最適の瞬間からの切替の偏差は、相当量の過渡電流を発生することになり、この過渡電流は、いくつかの構造の切替器を破壊するには十分なものである。試験したところ、本実施例のモータは、高電圧出力あるいは低電圧出力と接続した時のパルスとパルスの間の循環期間のほぼ３０％が切断されていることが必要である。
【００３９】
本実施例の切替型ＤＣ電気モータの操作を、さらに図５から８を参照して、詳しく説明する。操作において、モータコイルが励磁され、回転子の極１６ａ〜１６ｆがＮ極に磁化され、回転子の極１７ａ〜１７ｆがＳ極に磁化される（図４）。この磁気極性は、操作中に、逆転されない。
【００４０】
位置Ａ（図５）において、固定子の極４ａから４ｌは、それらのコイルが励磁されており、回転子の極１６ａ〜１６ｆおよび１７ａ〜１７ｆと対抗し始め、回転子２を時計回り方向に動ごくように誘発する。回転子２が位置Ｂ（図６）に到達すると、光電センサ１１からの電流が切断され、電気切替器１８ａ、および固定子コイル５ａ〜５ｌの回路が開かれ、ＤＣ電源１９からの電流が停止される。そして、逆起電力が、固定子コイル５ａ〜５ｆを、それらの電圧が０ボルトに落ちるまで、励磁し続ける。一方、回転子の極１７ａ〜１７ｆ、１６ａ〜１６ｆは、前記固定子の極４ａ〜４ｌに引きつけられて、前記回転子２を位置Ｂ（図６）と位置Ｃ（図７）との間で時計回り方向に誘導する。
【００４１】
前記回転子２とタイミング・ホイール・タブ１０ａとが位置Ｃ（図７）に到達すると、タイミング光電センサ１１ｂが点灯する。ＤＣ電源１９からの電流が、電気切替器１８ｂに流れて、該切替器１８ｂの内部回路を閉じ、ＤＣ電源１９からの電流を前記固定子コイル５ａから５ｌに５ａから５ｌへの向きと逆方向に流し、それらを−Ｖボルトに荷電し、固定子の極４ａ〜４ｌの磁気極性を逆向きに誘導する。回転子の極１７ａ〜１７ｆ、１６ａ〜１６ｆは、今や、固定子４ａ〜４ｌに対抗しており、対抗する固定子の極４ａ〜４ｌから遠のく時計回り方向に動き続ける。
【００４２】
回転子２が位置Ｄ（図８）に到達すると、光電センサ１１ａからの電流が切断され、電気切替器１８ｂ、および固定子コイル５ａ〜５ｌへの回路が開き、ＤＣ電源１９から固定子コイルへの電流が停止する。そして、逆起電力が、固定コイルの電圧が０ボルトに上昇するまで、固定子コイル５ａ〜５ｌを励磁し続ける。一方、回転子の極１６ａ〜１６ｆ、１７ａ〜１７ｆは固定子の極４ａ〜４ｌに引きつけられて、前記回転子２を位置Ｄ（図８）と該循環の繰り返しが再開始される位置Ｅとの間で時計回り方向に誘導する。
【００４３】
なお、前述の前記回転子の電源は、図１１に示すように、固定子の巻線へ電源を供給するために使用するＤＣ電源１９と独立に設けても良いし、回転子を励磁するＤＣ電源１９から得るようにしても良い。
【００４４】
また、本実施例では、固定子が有する極の数と同数の極を回転子に設けている。それぞれの実際的な数は、前述の実施例で使用した数と異なっていても良いが、Ｎ極とＳ極の磁極数は同数である必要がある。選択した極の数は、その特有な設計の動作特性に寄与する一つの因子である。本実施例の回転子の極の数を固定子の極数と異ならせることは可能であるが、やっかいな問題が生じることを覚悟しなければならない。
【００４５】
本実施例の設計は多くの変形が可能であり、それらも本発明の範疇にあることは、当業者に明らかであろう。例えば、固定子と回転子の極の対の数は、本実施例と異なっていても良い。また、励磁コイルを有する回転子は、永久磁石と置き換えても良い。その場合、回転子のスリップ・リングは必須である。前述の光電センサおよびタイミング・ホイール配列の替わりに他の多くの切替手段が使用可能である。例えば、磁気センサまたはホール効果センサを前記光電センサの替わりに使用可能である。さらに基本的には、前記切替型ＤＣ電源は、当該機械の動作の基本理論を変えることなしに、前記固定子によりは、むしろ前記回転子に適用し得る。同様に、基本的レベルでは、モータの製造に使用される理論は、逆転させることで、発電機に適用し得ることは、当業者にとって、周知のことである。したがって、前述の実施例は、簡単に、発電機に適用することができる。このようなあらゆる変形は、本発明の範囲にあることが理解されるべきである。
【００４６】
本実施例にかかる電気モータの試験によれば、本発明のモータは高い性能係数を有することが示された。また、本発明のモータは、従来設計のモータと比較して、より低温度で運転されることが確認された。
【００４７】
本明細書を通して、文脈上、そうでない場合以外は、用語“構成される”やその変形である“構成されている”は、記載の構成要素もしくは構成要素の群を含むが、その他の構成要素もしくは構成要素の群を排除しないことを意味している。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
以上のように、本発明によれば、高い性能係数を有し、より低温度で運転される切替型ＤＣ電機が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】第１の実施例にかかる切替ＤＣ電気モータの固定子、回転子および切替手段の背面等角投影図である。
【図２】図１に示した切替ＤＣ電気モータの固定子、回転子および切替手段の前面等角投影図である。
【図３】図１に示した切替ＤＣ電気モータの位置Ａにおける回転子の等角投影図である。
【図４】図３に示した切替ＤＣ電気モータの位置Ａにおける回転子の前面図である。
【図５】図１に示した切替ＤＣ電気モータの前面図であり、第１の位置（位置Ａ）にあるタイミング・ホイールを示す。
【図６】図１に示した切替ＤＣ電気モータの前面図であり、第２の位置（位置Ｂ）にあるタイミング・ホイールを示す。
【図７】図１に示した切替ＤＣ電気モータの前面図であり、第３の位置（位置Ｃ）にあるタイミング・ホイールを示す。
【図８】図１に示した切替ＤＣ電気モータの前面図であり、第４の位置（位置Ｄ）にあるタイミング・ホイールを示す。
【図９】図１に示した切替ＤＣ電気モータの固定子アセンブリの斜視図である。
【図１０】図１に示した切替ＤＣ電気モータの固定子アセンブリの前面図である。
【図１１】本発明の実施例の装置の回路図である。
【図１２】本発明の実施例における固定子の巻線の第２の入力が切替手段を介してＤＣ電源に接続するタイミングを示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１  軸
２  回転子アセンブリ
３  固定子アセンブリ
４  回転子巻線
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆ，４ｇ，４ｈ，４ｉ，４ｊ，４ｋ、４ｌ  一組の固定子の極
５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ，５ｇ，５ｈ，５ｉ，５ｊ，５ｋ、５ｌ  固定子コイル
６ａ、６ｂ  スリップ・リング
８  ブラシ・アセンブリ
９  タイミング・ホイール
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅ，１６ｆ  第１の一組の“固定”磁極
１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅ、１７ｆ  第２の一組の“固定”磁極
１８ａ、１８ｂ  切替器
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ  タイミング・タグ
１１ａ，１１ｂ  光電センサ
１９  ＤＣ電源
２１  回転子の電源
１００  電機モータ
【図１】
2007513595.tif 000003
【図２】
2007513595.tif 000004
【図３】
2007513595.tif 000005
【図４】
2007513595.tif 000006
【図５】
2007513595.tif 000007
【図６】
2007513595.tif 000008
【図７】
2007513595.tif 000009
【図８】
2007513595.tif 000010
【図９】
2007513595.tif 000011
【図１０】
2007513595.tif 000012
【図１１】
2007513595.tif 000013
【図１２】
2007513595.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成17年9月29日(2005.9.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子、回転子および切替手段からなる切替型ＤＣ回転電機であって、前記固定子および回転子の一つが第１および第２の入力を有する励磁巻線からなり、該励磁巻線は電流が印加されると該励磁巻線に組み付けられた多数の同一の極を励磁させるものであり、前記切替手段は、その使用において、ＤＣ電源に連結されて前記励磁巻線の第１および第２入力への電気出力を切り替えるものであり、前記ＤＣ電源は低電圧出力、高電圧出力、および前記高電圧出力と低電圧出力の中間の電位を有する中電圧出力を供給するもので、その使用において、前記中電圧出力は前記励起巻線の第１の入力に連続的に接続され、前記第２の入力は前記切替手段により前記高電圧出力と前記低電圧出力とに循環的に切り替えられ、前記循環動作のサイクルには、前記第２の入力が前記低電圧出力もしくは高電圧出力のいずれかから切り離されている時間領域が含まれることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項２】
請求項１に記載の切替型ＤＣ電機において、前記励磁巻線は該励磁巻線に組み付けられている隣接の極同士を互いに対抗する磁気極性に励磁するように構成されていることを特徴とする切替型ＤＣ回転電機。
【請求項３】
前記請求項のいずれか一つに記載の切替型ＤＣ電機において、前記低電圧出力と中電圧出力との電圧差は、前記中電圧出力と高電圧出力との電圧差と実質的に同一であることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項４】
前記請求項のいずれか一つに記載の切替型ＤＣ電機において、残りの前記固定子および回転子は、多数の同一の極から構成される前記励磁巻線から構成されないことを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項５】
前記請求項のいずれか一つに記載の切替型ＤＣ電機において、前記切替手段の切替は、前記回転子の回転に同期して行われることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項６】
請求項５に記載の切替型ＤＣ電機において、前記切替手段が、前記回転子の回転位置に基づいて前記切替手段の切替を引き起こすように設定された検出手段を有することを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項７】
請求項６に記載の切替型ＤＣ電機において、前記検出手段は光電センサーから構成されていることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項８】
請求項６または７に記載の切替型ＤＣ電機において、前記検出手段にタイミング・ホイールが組み付けられ、前記回転子の回転位置の基準が与えられることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項９】
請求項５〜８のいずれか１項に記載の切替型ＤＣ電機において、前記第２入力は、前記回転子の極が前記固定子の極に対向する関係に位置した時に、前記高電圧出力もしくは前記低電圧出力に切り替えられることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項１０】
請求項５〜９のいずれか１項に記載の切替型ＤＣ電機において、前記第２入力は、過渡電流が最小化するように選択された所定のモーメントに実質的になった時に、非接続状態に切り替えられることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項１１】
請求項１０に記載の切替型ＤＣ電機において、前記第２の入力は、前記循環期間に実質的に比例して、前記ＤＣ電源から切り離されることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項１２】
固定子、回転子および切替手段からなる切替型ＤＣ回転電機であって、前記固定子は、多数の磁極からなる一組の固定子極から構成され、前記回転子は、多数の磁極からなる一組の回転子極から構成され、前記固定子セットおよび回転子セットの一つが、磁界を発生させるように設定されるとともに、残りの固定子セットおよび回転子セットは、該セットの各極に組み付けられた励磁コイルから構成されており、前記コイルが、ＤＣ電源と、第１および第２の入力とによって、励磁されて、その結果、各極と協同して磁界を誘発し、前記コイルは、隣接の極同士を互いに対抗する磁気極性に励磁するように、前記切替手段によって制御される前記ＤＣ電極に接続されており、その使用において、前記固定子に対する前記回転子の回転により、前記一つのセットの磁界が他のセットの極に相対して移動し、前記ＤＣ電源は、低電圧出力、高電圧出力、および前記低電圧出力と高電圧出力との中間の電圧を有する中電圧出力を有し、その使用において、前記中電圧出力は前記コイルの前記第１の入力に連続的に接続され、前記第２の入力は前記切替手段により前記低電圧出力と前記高電圧出力とに循環的に切り替えられ、前記循環動作のサイクルには、前記第２の入力が前記低電圧出力もしくは高電圧出力のいずれかから切り離されている時間領域が含まれることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項１３】
固定子、回転子および切替手段からなる切替型ＤＣ回転電機であって、前記固定子および回転子の一つが第１および第２の入力を有する励磁巻線を有してなり、該励磁巻線は、該励磁巻線に組み付けられている第１の多数の同一の極を励磁させ、前記極の隣接同士を互いに対抗する磁気極性に励磁するように設定されており、残りの前記固定子および回転子が第２の多数の同一の極からなり、前記切替手段は、低電圧出力、高電圧出力、および前記低電圧出力と高電圧出力との中間の電圧を有する中電圧出力を有するＤＣ電源に連結され、その使用において、前記中電圧出力は前記励磁巻線の前記第１の入力に連続的に接続され、前記第２の入力は前記切替手段により前記高電圧出力と前記低電圧出力との間の前記循環動作に切り替えられ、前記切替手段は、前記回転子の一つの極が前記固定子の一つの極に対向する関係に位置した時に、前記励磁巻線を励磁状態へ切り替え、前記循環動作のサイクルには、前記第２の入力が前記低電圧出力もしくは高電圧出力のいずれかから切り離されている時間領域が含まれることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項１４】
請求項１２または請求項１３に記載の切替型ＤＣ電機において、前記第２入力は、過渡電流が最小化するように選択された所定のモーメントに実質的になった時に、非接続状態に切り替えられることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項１５】
請求項１４に記載の切替型ＤＣ電機において、前記切替手段の切替は、前記回転子の回転に同期して行われることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項１６】
請求項１５に記載の切替型ＤＣ電機において、前記切替手段が、前記回転子の回転位置に基づいて前記切替手段の切替を引き起こすように設定された検出手段を有することを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項１７】
請求項１６に記載の切替型ＤＣ電機において、前記検出手段は光電センサーから構成されていることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項１８】
請求項１６または１７に記載の切替型ＤＣ電機において、前記検出手段にタイミング・ホイールが組み付けられ、前記回転子の回転位置の基準が与えられることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項１９】
前記請求項のいずれか１項に記載の切替型ＤＣ電機において、該電機が電気モータであることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項２０】
請求項１〜１８のいずれか１項に記載の切替型ＤＣ電機において、該電機が発電機であることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項２１】
前記請求項のいずれか１項に記載の切替型ＤＣ電機において、前記励磁コイルが固定子に連結していることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【請求項２２】
請求項２１に記載の切替型ＤＣ電機において、前記回転子が、スリップ・リングを介してＤＣ電源から励磁される巻線から構成されていることを特徴とする切替ＤＣ型電機。
【請求項２３】
請求項２１に記載の切替型ＤＣ電機において、前記回転子が永久磁石から構成されていることを特徴とする切替型ＤＣ電機。
【国際調査報告】
2007513595.tif 000015
2007513595.tif 000016
2007513595.tif 000017