(57)【要約】      （修正有）【課題】巻線界磁フラックススイッチング電気機械を含む発電機システムを提供する。【解決手段】発電機システムは、シャフトの中央縦軸の周りを回転するように構成される回転可能なシャフト１２と、シャフト１２に装着されて、シャフト１２と共に中央縦軸１４の周りを回転するように構成されるパイロット永久磁石発電機（ＰＭＧ）１６と、を含む。システムは、ロータ２２およびステータ２０を含む巻線界磁フラックススイッチング電気機械１８を含む。ロータ２２は、シャフト１２に装着されて、シャフト１２と共に中央縦軸１４の周りを回転するように構成される。ステータ２０は、直流（ＤＣ）界磁コイル２６および交流（ＡＣ）アーマチュアコイル２８の両方を含む。ＤＣ界磁コイル２６は、ＤＣ界磁コイル２６を励磁するためのパイロットＰＭＧ１６に動作可能に接続される。【選択図】図１
2015077069.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機システム（１０）であって、
シャフト（１２）の中央縦軸（１４）の周りを回転するように構成される回転可能なシャフト（１２）と、
前記シャフト（１２）に装着されて、前記シャフト（１２）と共に前記中央縦軸（１４）の周りを回転するように構成されるパイロット永久磁石発電機（ＰＭＧ）（１６）と、
ロータ（２２）およびステータ（２０）を含む巻線界磁フラックススイッチング電気機械（１８）であって、前記ロータ（２２）は、前記シャフト（１２）に装着されて、前記シャフト（１２）と共に前記中央縦軸（１４）の周りを回転するように構成され、前記ステータ（２０）は、直流（ＤＣ）界磁コイル（２６）および交流（ＡＣ）アーマチュアコイル（２８）の両方を含み、前記ＤＣ界磁コイル（２６）は、前記ＤＣ界磁コイル（２６）を励磁するための前記パイロットＰＭＧ（１６）に動作可能に接続される、巻線界磁フラックススイッチング電気機械（１８）と、を含むシステム（１０）。
【請求項２】
前記パイロットＰＭＧ（１６）と前記ＤＣ界磁コイル（２６）との間に動作可能に接続される電圧調整器（３８）をさらに含む、請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項３】
前記ステータ（２０）の前記ＤＣ界磁コイル（２６）は、前記ステータ（２０）のアーク長に沿って、前記ステータ（２０）の前記ＡＣアーマチュアコイル（２８）に重なる、請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項４】
前記ＤＣ界磁コイル（２６）は複数のＤＣ界磁コイル（２６）を含み、前記ＡＣアーマチュアコイル（２８）は複数のＡＣアーマチュアコイル（２８）含み、前記ＤＣ界磁コイル（２６）は、前記ステータ（２０）のアーク長に沿って前記ＡＣアーマチュアコイル（２８）に重ならない、請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項５】
前記ＤＣ界磁コイル（２６）は、複数のＤＣ界磁コイル（２６）を含み、前記ＡＣアーマチュアコイル（２８）は、一組の三相巻線を表す第１、第２、および第３の位相のＡＣアーマチュアコイル（２８）を含み、前記ＤＣ界磁コイル（２６）は、前記第１、第２、および第３の位相のＡＣアーマチュアコイル（２８）と重なるように、前記ステータ（２０）のアーク長に沿って前記第１、第２、および第３の位相のＡＣアーマチュアコイル（２８）の間に交互配置される、請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項６】
前記ロータ（２２）は、ロータ基部（５８）と、前記ロータ基部（５８）から前記中央縦軸（１４）に対して半径方向に延びるロータ歯（６０）と、を含む、請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項７】
前記ロータ（２２）は、分割型ロータである、請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項８】
前記システム（１０）は、回転整流器を含まない、請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項９】
前記システム（１０）は、ブラシレス励磁器を含まない、請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項１０】
前記ステータ（２０）は、ステータ基部（４６）と、前記ステータ基部（４６）から前記中央縦軸（１４）に対して半径方向に延びるステータ歯（４８）と、を含み、前記ＤＣ界磁コイル（２６）は、少なくとも１つの対応するステータ歯（４８）の周りに巻き付けられ、前記ＡＣアーマチュアコイル（２８）は、少なくとも１つの対応するステータ（２０）の周りに巻き付けられる、請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項１１】
機体（８０２）と、
前記機体（８０２）に搭載されて、シャフト（８０６）の中央縦軸（１４）の周りを回転するように構成される回転可能なシャフト（８０６）を含むエンジン（８０４）と、
前記機体（８０２）に搭載される発電機システム（１０）と、を含み、前記発電機システム（１０）は、
前記エンジン（８０４）の前記シャフト（８０６）に装着されて、前記シャフト（８０６）と共に前記中央縦軸（１４）の周りを回転するように構成されるパイロット永久磁石発電機（ＰＭＧ）（１６）と、
ロータ（２２）およびステータ（２０）を含む巻線界磁フラックススイッチング電気機械（１８）であって、前記ロータ（２２）は、前記エンジン（８０４）の前記シャフト（８０６）に装着されて、前記シャフト（８０６）と共に前記中央縦軸（１４）の周りを回転するように構成され、前記ステータ（２０）は、直流（ＤＣ）界磁コイル（２６）および交流（ＡＣ）アーマチュアコイル（２８）の両方を含み、前記ＤＣ界磁コイル（２６）は、前記ＤＣ界磁コイル（２６）を励磁するための前記パイロットＰＭＧ（１６）に動作可能に接続される、巻線界磁フラックススイッチング電気機械（１８）と、を含む、航空機（８００）。
【請求項１２】
前記パイロットＰＭＧ（１６）と前記ＤＣ界磁コイル（２６）との間に動作可能に接続される電圧調整器（３８）をさらに含む、請求項１１に記載の航空機（８００）。
【請求項１３】
前記ステータ（２０）の前記ＤＣ界磁コイル（２６）は、前記ステータ（２０）のアーク長に沿って、前記ステータ（２０）の前記ＡＣアーマチュアコイル（２８）に重なる、請求項１１に記載の航空機（８００）。
【請求項１４】
前記ＤＣ界磁コイル（２６）は複数のＤＣ界磁コイル（２６）を含み、前記ＡＣアーマチュアコイル（２８）は複数のＡＣアーマチュアコイル（２８）含み、前記ＤＣ界磁コイル（２６）は、前記ステータ（２０）のアーク長に沿って前記ＡＣアーマチュアコイル（２８）に重ならない、請求項１１に記載の航空機（８００）。
【請求項１５】
前記ロータ（２２）は、ロータ基部（５８）と、前記ロータ基部（５８）から前記中央縦軸（１４）に対して半径方向に延びるロータ歯（６０）と、を含む、請求項１１に記載の航空機（８００）。
【請求項１６】
前記ロータ（２２）は、分割型ロータである、請求項１１に記載の航空機（８００）。
【請求項１７】
前記発電機システム（１０）は、回転整流器を含まない、請求項１１に記載の航空機（８００）。
【請求項１８】
前記発電機システム（１０）は、ブラシレス励磁器を含まない、請求項１１に記載の航空機（８００）。
【請求項１９】
発電機システム（９１０）であって、
シャフト（９１２）の中央縦軸（９１４）の周りを回転するように構成される回転可能なシャフト（９１２）と、
直流（ＤＣ）電源（９１６）と、
ロータ（９２２）およびステータ（９２０）を含む巻線界磁フラックススイッチング電気機械（９１８）であって、前記ロータ（９２２）は、前記シャフト（９１２）に装着されて、前記シャフト（９１２）と共に前記中央縦軸（９１４）の周りを回転するように構成され、前記ステータ（９２０）は、ＤＣ界磁コイル（９２６）および交流（ＡＣ）アーマチュアコイル（９２８）の両方を含み、前記ＤＣ界磁コイル（９２６）は、前記ＤＣ界磁コイル（９２６）を励磁するための前記ＤＣ電源（９１６）に動作可能に接続される、巻線界磁フラックススイッチング電気機械（９１８）と、を含むシステム（９１０）。
【請求項２０】
前記システム（９１０）は、前記巻線界磁フラックススイッチング電気機械（９１８）の他にはいかなる回転電気機械も含まない、請求項１９に記載のシステム（９１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
回転電気機械は、例えば自動車用途、航空宇宙用途、船舶用途、工業用途、および／またはこれらに類する多種多様な用途に用いられる。回転電気機械は、ロータおよびステータを含む。回転電気機械は電気モーターであってもよく、ロータは電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換するためにステータに対して回転する。また、回転電気機械は発電機を含み、ロータとステータとの間の相対的な回転が機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する。発電機の一例は、例えば、これに限らないが、航空機の電気システムに電力を供給するために航空機に搭載されて用いられる発電機である。
【０００３】
少なくともいくつかの既知の発電機システムは、三相巻線界磁同期式回転電気機械、すなわち、巻線界磁同期式発電機を含む。ブラシレス励磁器は、界磁巻線を励磁するために、巻線界磁同期式発電機に動作可能に接続される。ブラシレス励磁器は、制御可能な静止した直流（ＤＣ）励振、および、巻線界磁同期式発電機の回転する界磁巻線の主要な励振要件を満たす回転整流器に接続される三相回転アーマチュアを含む。電力は、パイロット永久磁石発電機（ＰＭＧ）によって、ブラシレス励磁器に供給される。
【０００４】
巻線界磁同期式発電機を含む既知の発電機システムは、不利な点がないわけではない。例えば、このような発電機システムのブラシレス励磁器および回転整流器は、コストを上昇させ、および／または、システムの信頼性を低下させることがあり得る。さらに、巻線界磁同期式発電機のロータの回転する有効巻線から熱を十分に取り除くことは困難である場合があり、それはシステムの信頼性を低下させるおそれがある。さらに、回転整流器および有効巻線のために、巻線界磁同期式発電機が比較的高い温度、比較的低い温度、湿気、化学薬品、塵、研磨材、衝撃負荷、振動、および／またはこれらに類するものにさらされる比較的厳しい環境での使用には、巻線界磁同期式発電機は適していない可能性がある。
【発明の概要】
【０００５】
一実施形態では、発電機システムは、シャフトの中央縦軸の周りを回転するように構成される回転可能なシャフトと、シャフトに装着されて、シャフトと共に中央縦軸の周りを回転するように構成されるパイロット永久磁石発電機（ＰＭＧ）と、を含む。システムは、ロータおよびステータを含む巻線界磁フラックススイッチング電気機械を含む。ロータは、シャフトに装着されて、シャフトと共に中央縦軸の周りを回転するように構成される。ステータは、直流（ＤＣ）界磁コイルおよび交流（ＡＣ）アーマチュアコイルの両方を含む。ＤＣ界磁コイルは、ＤＣ界磁コイルを励磁するためのパイロットＰＭＧに動作可能に接続される。
【０００６】
一実施形態では、航空機は、機体および機体に搭載されるエンジンを含む。エンジンは、シャフトの中央縦軸の周りを回転するように構成される回転可能なシャフトを含む。発電機システムは、機体に搭載される。発電機システムは、エンジンのシャフトに装着されて、シャフトと共に中央縦軸の周りを回転するように構成されるパイロット永久磁石発電機（ＰＭＧ）を含む。システムは、ロータおよびステータを含む巻線界磁フラックススイッチング電気機械を含む。ロータは、エンジンのシャフトに装着されて、シャフトと共に中央縦軸の周りを回転するように構成される。ステータは、直流（ＤＣ）界磁コイルおよび交流（ＡＣ）アーマチュアコイルの両方を含む。ＤＣ界磁コイルは、ＤＣ界磁コイルを励磁するためのパイロットＰＭＧに動作可能に接続される。
【０００７】
一実施形態では、発電機システムは、シャフトの中央縦軸の周りを回転するように構成される回転可能なシャフトと、直流（ＤＣ）電源と、巻線界磁フラックススイッチング電気機械と、を含む。電気機械は、ロータおよびステータを含む。ロータは、シャフトに装着されて、シャフトと共に中央縦軸の周りを回転するように構成される。ステータは、ＤＣ界磁コイルおよび交流（ＡＣ）アーマチュアコイルの両方を含む。ＤＣ界磁コイルは、ＤＣ界磁コイルを励磁するためのＤＣ電源に動作可能に接続される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】発電機システムの実施形態の模式図である。
【図２】図１に示す発電機の巻線界磁フラックススイッチング電気機械の実施形態の断面図である。
【図３】図２に示す電気機械の一部の拡大断面図である。
【図４】図２および３に示す電気機械の一部の模式図であって、図２および３に示す電気機械の直流（ＤＣ）界磁コイルおよび交流（ＡＣ）アーマチュアコイルの例示的実施形態のパターンを示す図である。
【図５】巻線界磁フラックススイッチング電気機械の別の実施形態の一部の拡大断面図である。
【図６】巻線界磁フラックススイッチング電気機械の別の実施形態の一部の拡大断面図である。
【図７】巻線界磁フラックススイッチング電気機械の別の実施形態の一部の拡大断面図である。
【図８】巻線界磁フラックススイッチング電気機械の別の実施形態の一部の拡大断面図である。
【図９】巻線界磁フラックススイッチング電気機械の別の実施形態の一部の拡大断面図である。
【図１０】巻線界磁フラックススイッチング電気機械の別の実施形態の一部の拡大断面図である。
【図１１】航空機の実施形態の模式図である。
【図１２】発電機システムの別の実施形態の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
特定の実施形態についての以下の詳細な説明は、添付の図面と共に読むと、より良く理解されよう。様々な実施形態は図面に示す配置および手段に限定されないことを理解すべきである。
【００１０】
本明細書において、単数で述べられた要素またはステップは、これらの複数を除外すると明示的に述べない限り、前記要素またはステップの複数を除外しないものとして理解すべきである。さらにまた、「一実施形態」の参照は、述べた特徴を組み込む付加的な実施形態の存在を除外するものと解釈されることを意図しない。さらに、そうではないと明示的に述べられない限り、特定の特性を有する１つまたは複数の要素を「含む」または「有する」実施形態は、その特性をもたない付加的なこのような要素を含んでもよい。
【００１１】
様々な実施形態は、巻線界磁フラックススイッチング電気機械を含む発電機システムを提供する。様々な実施形態の少なくとも１つの技術的効果は、発電機システムの構成要素の数の減少であり、それは発電機システムのコストを低減し、および／または信頼性を高めることができる。例えば、巻線界磁フラックススイッチング電気機械を用いることによって、発電機システムから回転整流器および／またはブラシレス励磁器を取り除くことができる。様々な実施形態の少なくとも１つの技術的効果は、例えば、巻線界磁同期式電気機械を含む既知の発電機システムと比較して、熱（システムの信頼性を低下させるおそれがある）がより容易に取り除かれる発電機システムである。様々な実施形態の少なくとも１つの技術的な効果は、巻線界磁同期式発電機を含む少なくともいくつかの既知の発電機システムよりも、発電機システムが比較的高い温度、比較的低い温度、湿気、化学薬品、塵、研磨材、および／またはこれらに類するものにさらされる環境により適した発電機システムである。
【００１２】
後述するように、様々な実施形態の巻線界磁フラックススイッチング電気機械のステータは、巻線界磁フラックススイッチング電気機械の有効巻線の全てを含む。このような受動的なロータの少なくとも１つの技術的効果は、例えば、巻線界磁同期式電気機械を含む既知の発電機システムと比較して、ロータがより機械的に堅牢で、したがって比較的高速、比較的高温、および／または比較的厳しい環境により適するように作ることができるということである。回転整流器、ブラシレス励磁器、および／またはロータの有効巻線を除去することによって、様々な実施形態の巻線界磁フラックススイッチング電気機械のＭＴＢＦは、少なくともいくつかの既知の発電機システムより高くすることができる。様々な実施形態の少なくとも１つの技術的効果は、ブラシレス励磁器を除去することで一組の巻線端部を除去することができるので、発電機システムの電力密度を上昇させる可能性があるということである。本明細書に記載および／または図示される巻線界磁フラックススイッチング電気機械は、モジュール方式の多相および／または複数の三相チャネル構成を実装することができる。
【００１３】
図１は、発電機システム１０の実施形態の模式図である。発電機システム１０は、例えば、これらに限らないが、自動車用途、航空宇宙用途、船舶用途、工業用途、および／またはこれらに類する任意の用途で電力を生成するために用いることができる。システム１０の用途の１つの非限定的な実施例は、例えば、これらに限らないが、航空機の電気システム（例えば、図１１に示す電気システム８０３）に電力を供給するため、航空機エンジン（例えば、図１１に示す航空機エンジン８０４）を始動するためのモーターとして用いるため、および／またはこれらに類することのための、航空機（例えば、図１１に示す航空機８００）への搭載である。
【００１４】
システム１０は、中央縦軸１４に沿って長さを延長する回転可能なシャフト１２を含む。シャフト１２は、中央縦軸１４の周りを回転するように構成される。シャフト１２は、システム１０を含むより大きいシステム（例えば、エンジン、航空機、および／またはこれらに類するもの）の別の構成要素のシャフトであってもよい。例えば、シャフト１２は、電気モーターの出力シャフト、燃焼エンジンのクランクシャフト、ガスタービンエンジンのシャフト、および／またはこれらに類するものであってもよい。
【００１５】
システム１０は、パイロット永久磁石発電機（ＰＭＧ）１６および巻線界磁フラックススイッチング電気機械１８を含む。電気機械１８は、ステータ２０およびロータ２２を含む。電気機械１８のロータ２２は、ロータ２２がシャフト１２と共に中央縦軸１４の周りを回転するように、シャフト１２に装着される。電気機械１８は発電機を含み、ロータ２２とステータ２０との間の相対的な回転が機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する。後で詳しく述べるように、電気機械１８のステータ２０は、電気機械１８の有効巻線２４の全てを含む。具体的には、ステータ２０は、直流（ＤＣ）界磁コイル２６および交流（ＡＣ）アーマチュアコイル２８の両方を含む。
【００１６】
パイロットＰＭＧ１６は、ロータ３０およびステータ３２を含む。図示する実施形態では、ロータ３０は、１つまたは複数の永久磁石３４を含み、ステータ３２は単相または三相アーマチュア３６を含む。パイロットＰＭＧ１６は、シャフト１２に装着される。具体的には、パイロットＰＭＧ１６のロータ３０は、ロータ３０がシャフト１２と共に中央縦軸１４の周りを回転するように、シャフト１２に装着される。図１に示すように、パイロットＰＭＧ１６は、電気機械１８のＤＣ界磁コイル２６に動作可能に接続され、パイロットＰＭＧ１６がＤＣ界磁コイル２６を励起するように構成される。具体的には、パイロットＰＭＧ１６のステータ３２のアーマチュア３６は、電気機械１８のＤＣ界磁コイル２６に電気的に接続され、パイロットＰＭＧ１６のアーマチュア３６が電気機械１８のＤＣ界磁コイル２６を励磁する電気信号（発電機システム１０の電圧調整器３８によってＤＣ電流に変換される）を生成する。
【００１７】
電圧調整器３８は、パイロットＰＭＧ１６と電気機械１８のＤＣ界磁コイル２６との間に動作可能に接続される。具体的には、電圧調整器３８は、パイロットＰＭＧ１６のアーマチュア３６と電気機械１８のＤＣ界磁コイル２６との間に動作可能に接続される。電圧調整器３８は、電気機械１８のＤＣ界磁コイル２６を励磁するＤＣ電流を連続的に調整することによって主発電機アーマチュア巻線２８（すなわち、ＡＣアーマチュアコイル２８）の出力電圧を調整するように構成される。システム１０は励磁器を用いないので、電圧調整器３８は巻線界磁フラックススイッチング電気機械１８のＤＣ界磁コイル２６に直接接続される。したがって、電圧調整器３８は、例えば、巻線界磁同期式回転電気機械（図示せず）を用いる発電機システムの電圧調整器と比較して、少なくともいくつかの既知の発電機システムの電圧調整器よりも強力であることを必要とする可能性がある。
【００１８】
上で簡単に説明したように、電気機械１８は巻線界磁フラックススイッチング電気機械１８である。本明細書において、「巻線界磁フラックススイッチング電気機械」は、電気機械の有効巻線の全てが電気機械のステータにある電気機械として定義される。言い換えれば、「巻線界磁フラックススイッチング電気機械」は、（ロータが受動的なロータであるように）電気機械のロータにいかなる有効巻線も含まない。電気機械１８のロータ２２は、歯状ロータまたは分割型ロータであってもよい。ＤＣ界磁コイル２６は、ＡＣアーマチュアコイル２８に重なってもよいし、あるいは重ならなくてもよい。言い換えれば、ＤＣ界磁コイル２６は、ＡＣアーマチュアコイル２８の間に重なるように交互配置されてもよく、あるいは、ＤＣ界磁コイル２６およびＡＣアーマチュアコイル２８は、重ならない集中巻線であってもよい。巻線界磁フラックススイッチング電気機械１８の実施形態の様々な実施形態は、後で記載され図示される。
【００１９】
図１に示す実施形態では、電気機械１８のステータ２０は、ロータ２２がステータ２０の内側で回転するようにロータ２２の周りに延長する。あるいは、ロータ２２は、ロータ２２がステータ２０の周りを回転するように構成されるように、ステータ２０の周りに延長する。図１で分かるように、図示する実施形態では、システム１０は、回転整流器（図示せず）またはブラシレス励磁器（図示せず）を含まない。
【００２０】
図２は、電気機械１８の実施形態の断面図である。電気機械１８のステータ２０はステータコア４０を含み、それは磁場を生成する。ステータコア４０は、アーク長ＡＬを延長する。ステータコア４０の（中央縦軸１４に対して）半径方向の内面４２は、ステータコア４０の中央開口４４を規定する。
【００２１】
ステータ２０の図示する実施形態では、ステータコア４０は、ステータ基部４６およびステータ基部４６から（中央縦軸１４に対して）半径方向に延長する複数のステータ歯４８を含む。ステータ歯４８は、ステータ基部４６からステータ歯４８の端部５０まで半径方向に延長する。ステータ２０の図示する実施形態では、ステータ歯４８は、ステータ基部４６から内側へ（中央縦軸１４に対して）半径方向に延長する。図２で分かるように、ステータ歯４８は、ステータ歯４８がステータコア４０のアーク長ＡＬに沿って互いに間隔を置くように、中央縦軸１４の周りに半径方向に配置される。ステータコア４０は、ステータコア４０のアーク長ＡＬに沿って、隣接するステータ歯４８の間に延長するステータスロット５２を含む。言い換えれば、ステータスロット５２は、ステータコア４０のアーク長ＡＬに沿って、ステータ歯４８とステータスロット５２との交互パターンでステータ歯４８と共に配置される。ステータスロット５２は、ステータ基部４６から（中央縦軸１４に対して）半径方向に延長する。ステータ２０の図示する実施形態では、ステータスロット５２は、ステータ基部４６から内側へ（中央縦軸１４に対して）半径方向に延長する。いくつかの代替的実施形態では、隣接するステータ歯４８の端部５０は、互いに接続される。
【００２２】
ステータ２０は、電気機械１８の有効巻線２４の全てを含む。具体的には、ＤＣ界磁コイル２６は対応するステータ歯４８の周りに巻き付けられ、ＡＣアーマチュアコイル２８は対応するステータ歯４８の周りに巻き付けられる。ＤＣ界磁コイル２６は、ステータコア４０のアーク長ＡＬに沿って、ＡＣアーマチュアコイル２８の間に交互配置される。具体的には、ＤＣ界磁コイル２６およびＡＣアーマチュアコイル２８は、ステータコア４０のアーク長ＡＬに沿って交互に配置される。任意に、ＤＣ界磁コイル２６は、ステータコア４０のアーク長ＡＬに沿って、ＡＣアーマチュアコイル２８に重なってもよい。
【００２３】
ＡＣアーマチュアコイル２８は、例えば、これらに限らないが、単相、三相、六相、および／またはこれらに類する任意の相数であってもよく、あるいはこれらの任意の相数を表してもよい。電気機械１８の図示する実施形態では、ＡＣアーマチュアコイル２８は、三相巻線の１つまたは複数の組を表す。具体的には、ＡＣアーマチュアコイル２８は、第１、第２、および第３の位相のＡＣアーマチュアコイル２８ａ、２８ｂ、および２８ｃをそれぞれ含む。コイル２６、２８ａ、２８ｂ、および２８ｃの各々は、明確にするため図２では異なるハッチングで示す。
【００２４】
ステータコア４０は、任意の数のステータ歯４８および任意の数のステータスロット５２を含むことができる。ステータ２０の図示する実施形態では、ステータコア４０は、２４個のステータ歯４８および２４個のステータスロット５２を含む。ステータコア４０は、任意の数のＤＣ界磁コイル２６および任意の数のＡＣアーマチュアコイル２８を含むことができる。ステータ２０がＡＣアーマチュアコイル２８の複数の位相を含む場合には、ステータ２０は位相の任意の数の組を含むことができる。例えば、電気機械１８の図示する実施形態では、ステータ２０は４組の三相巻線を含み、そうすると、ステータ２０は１２個のＡＣアーマチュアコイル２８を含む。
【００２５】
ロータ２２は、ロータコア５４を含む。ロータコア５４は、中央縦軸１４に沿って長さを延長する本体５６を含む。ロータコア５４の本体５６は、アーク長ＡＬ1を延長する。本体５６は、ステータ２０に対して中央縦軸１４の周りを回転するように構成される。ロータ２２の図示する実施形態では、本体５６は、ロータ基部５８と、ロータ基部５８から（中央縦軸１４に対して）半径方向に延長する複数の磁性セグメント６０と、ロータ基部５８から（中央縦軸１４に対して）半径方向に延長する複数の非磁性セグメント６２と、を含む。ロータ２２の図示する実施形態では、セグメント６０および６２は、ロータ基部５８から外側へ（中央縦軸１４に対して）半径方向に延長する。磁性セグメント６０および非磁性セグメント６２は、ロータコア５４のアーク長ＡＬ1に沿って、磁性セグメント６０と非磁性セグメント６２との交互パターンで配置される。言い換えれば、磁性セグメント６０は、磁性セグメント６０がロータコア５４のアーク長ＡＬ1に沿って互いに間隔を置くように、中央縦軸１４の周りに半径方向に配置され、非磁性セグメント６２は、ロータコア５４のアーク長ＡＬ1に沿って、隣接する磁性セグメント６０の間に延長する。ロータ２２の図示する実施形態では、ロータ２２は、磁性セグメント６０がロータコア５４のロータ歯６０を規定する歯状ロータである。
【００２６】
ロータコア本体５６のロータ基部５８は、ロータコア５４の中央開口６６を規定する（中央縦軸１４に対して）半径方向の内面６４を含む。ロータコア５４は、磁性セグメント６０および非磁性セグメント６２の端面６８および７０によってそれぞれ規定される円周を含む。図３で分かるように、ロータコア５４の円周は、ロータコア５４のアーク長ＡＬ1に沿って、ほぼ一定の曲率半径を有する。言い換えれば、ロータコア５４の円周がロータコア５４のアーク長ＡＬ1に沿ってほぼ滑らかであるように、端面６８および７０は、互いにほぼ同じ半径を有し、中央縦軸１４に沿って同心状に整列配置される。エアギャップＧは、ロータコア５４の円周とステータコア４０の半径方向の内面４２との間に延長する。ロータ基部５８は、シャフト１２にロータコア本体５６を装着するために、シャフト１２（図１）の対応するほぞ（図示せず）を受け取るように構成される１つまたは複数のほぞ穴（図示せず）を含んでもよい。シャフト１２にロータコア本体５６を装着するための他の配置を、ほぞ穴およびほぞに対してさらに提供してもよいし、あるいはそれらの代わりに提供してもよい。
【００２７】
ロータコア５４の本体５６は、複数の積層の１つまたは複数のスタックから形成することができる。積層の１つまたは複数のスタックを用いることに代わるものとして、ロータコア本体５６は、材料の単一部分として形成することができる。ロータコア本体５６のロータ基部５８は、磁性材料から磁性セグメント６０および／または非磁性セグメント６２と共に一体的に形成されてもよい。例えば、ロータコア５４の本体５６が積層のスタックから形成される場合には、スタック内の各積層または各層のロータ基部５８は、磁性材料から積層の磁性セグメント６０および／または非磁性セグメント６２と共に一体的に形成されてもよい。さらに、例えば、ロータコア本体５６が材料の単一部分として形成される実施形態では、ロータ基部５８は、磁性材料からロータコア５４の磁性セグメント６０および非磁性セグメント６２の全てと共に一体的に形成される材料の単一部分である。ロータ２２の図示する実施形態では、磁性セグメントは、ロータ２２が歯状ロータであるように、ロータ基部５８と磁気的にやり取りする。言い換えれば、ロータ基部５８は、磁束を運ぶ。積層のスタックで構築されるか、または材料の単一部分で構築されるかにかかわらず、ロータ２２の歯状ロータ構造は、ロータ基部から、かつ互いに磁気的に分離される、または分割される磁性セグメントを有するロータコアを含む「分割型」ロータ２２から、ロータ２２を区別する。ステータ２０および／またはロータ２２は、永久磁石を含んでもよいし、含まなくてもよい。
【００２８】
後で詳しく述べるように、磁性セグメント６０および非磁性セグメント６２は、磁性材料から互いに一体的に形成され、磁性材料から形成された後に、非磁性セグメント６２が非磁性になってもよい。他の実施形態では、後述するように、非磁性セグメント６２は磁性セグメント６０に対して個別部品として形成される。
【００２９】
ロータコア５４は、任意の数の磁性セグメント６０および／または非磁性セグメント６２を含んでもよい。例えば、ロータコア５４は、任意の数のロータ歯６０を含んでもよい。ロータコア５４は、ステータコア４０が含むステータ歯４８の数と同数のロータ歯６０を含んでもよい。あるいは、ステータコア４０は、ロータコア５４が含むロータ歯６０の数より大きい数の、またはより小さい数のステータ歯４８を含んでもよい。電気機械１８の図示する実施形態では、ロータコア５４は１４個のロータ歯６０を含み、そうして電気機械１８の図示する実施形態は、ロータ歯６０より大きな数のステータ歯４８を含む。
【００３０】
任意に、ロータ風損は、以下によって最小化される。（１）ロータ２２の１つの単一積層で作られる二相磁性材料を用いること（非磁性にする必要がある領域［例えば、非磁性セグメント６２および／またはこれに類するもの］は消磁される）、および／または（２）ロータ２２のアーク長に沿ったほぼ滑らかな表面としてロータ２２の円周を提供するために、隣接する磁性セグメント６０の間に挿入物を設けること。
【００３１】
電気機械１８の動作中に、ロータ２２の回転と結合するＤＣ界磁コイル２６は、電気機械１８の磁束の変化を生成する。ロータコア５４がステータコア４０に対して回転すると、磁束が次のＡＣアーマチュアコイル２８に結合して、ＤＣ界磁コイル２６の励磁は磁束の大きさおよび／または方向（すなわち、極性もしくは符号）を変化させる。したがって、ステータ２０に対するロータ２２の回転は、交互パターンで磁束の極性を「切り換え」て、ファラデーの法則によって、エネルギー変換を可能にするＡＣアーマチュアコイル２８のＡＣ電圧誘導を生じさせる。
【００３２】
図３は、電気機械１８の一部の拡大断面図である。図４は、電気機械１８の一部の模式図であって、ステータコア４０のアーク長ＡＬ（図４には示さず）に沿ってＤＣ界磁コイル２６およびＡＣアーマチュアコイル２８のパターンを示す。上で簡単に説明したように、ステータコア４０のアーク長ＡＬに沿ったＤＣ界磁コイル２６およびＡＣアーマチュアコイル２８のパターン内で、ＤＣ界磁コイル２６はＡＣアーマチュアコイル２８に重なってもよい。例えば、ＤＣ界磁コイル２６はＤＣ界磁コイル２６ｂを含み、ＡＣアーマチュアコイル２８はＡＣアーマチュアコイル２８ａａおよび２８ｂａを含む。電気機械１８の図示する実施形態では、コイル２８ａａおよび２８ｂａは異なる位相である。しかし、コイル２８ａａおよび２８ｂａは、他の実施形態では同じ位相であってもよい。ＡＣアーマチュアコイル２８ａａおよび２８ｂａは、ステータコア４０のアーク長ＡＬに沿って互いに対向するそれぞれの端部７２および７４を含む。図３および図４で分かるように、ＤＣ界磁コイル２６ｂは、ＡＣアーマチュアコイル２８ａａの端部７２およびＡＣアーマチュアコイル２８ｂａの端部７４に重なる。
【００３３】
上述したように、電気機械１８の図示する実施形態では、ＡＣアーマチュアコイル２８は、４組の第１、第２、および第３の位相のＡＣアーマチュアコイル２８ａ、２８ｂ、および２８ｃをそれぞれ含む。コイル２６、２８ａ、２８ｂ、および２８ｃの各々は、明確にするため図３では異なるハッチングで示す。２組の第１、第２、および第３の位相のＡＣアーマチュアコイル２８ａ、２８ｂ、および２８ｃだけを、明確にするため図３および図４に示す。さらに、ＤＣ界磁コイル２６ならびに第１、第２、および第３の位相のＡＣアーマチュアコイル２８ａ、２８ｂ、および２８ｃのパターンだけを、図３および図４を参照して具体的に説明する。図３および図４に示していないＤＣ界磁コイル２６ならびに第１、第２、および第３の位相のＡＣアーマチュアコイル２８ａ、２８ｂ、および２８ｃは、図３および図４に示し、以下で説明するＤＣ界磁コイル２６ならびに第１、第２、および第３の位相のＡＣアーマチュアコイル２８ａ、２８ｂ、および２８ｃのパターンと同じパターンを有することを理解すべきである。
【００３４】
図３および図４で分かるように、ＤＣ界磁コイル２６は、第１、第２、および第３の位相のＡＣアーマチュアコイル２８ａ、２８ｂ、および２８ｃと重なるように、ステータコア５４のアーク長ＡＬに沿って、第１、第２、および第３の位相のＡＣアーマチュアコイル２８ａ、２８ｂ、および２８ｃの間に交互配置される。具体的には、ステータコア５４のステータ歯４８は、ステータ歯４８ａ、４８ｂ、４８ｃ、４８ｄ、４８ｅ、４８ｆ、４８ｇ、および４８ｈを含み、それらはステータコア４０のアーク長ＡＬに沿って連続的に配置される。言い換えれば、ステータ歯４８ａおよび４８ｂは、ステータコア４０のアーク長ＡＬに沿って互いに隣接して配置され、ステータ歯４８ｂおよび４８ｃは互いに隣接して配置され、その他も同様である。第１の位相のＡＣアーマチュアコイル２８ａａは、ステータ歯４８ｂおよび４８ｃの周りに巻き付けられる。第２の位相のＡＣアーマチュアコイル２８ｂａは、ステータ歯４８ｄおよび４８ｅの周りに巻き付けられ、第３の位相のＡＣアーマチュアコイル２８ｃａはステータ歯４８ｆおよび４８ｇの周りに巻き付けられる。各ＡＣアーマチュアコイル２８が２つの対応するステータ歯４８の周りに巻き付けられるとして示しているが、各ＡＣアーマチュアコイル２８は、例えばＤＣ界磁コイル２６およびＡＣアーマチュアコイル２８の所定量のオーバーラップを提供するために、任意の数の対応するステータ歯４８の周りに巻き付けられてもよい。
【００３５】
ＤＣ界磁コイル２６ａは、ステータ歯４８ａおよび４８ｂの周りに巻き付けられる。ＤＣ界磁コイル２６ａは、ステータコア４０のアーク長ＡＬに沿って、第３の位相のＡＣアーマチュアコイル２８ｃｂの端部７６に重なり、第１の位相のＡＣアーマチュアコイル２８ａａの端部７８に重なる。図３で分かるように、第３の位相のＡＣアーマチュアコイル２８ｃｂの端部７６は、第１の位相のＡＣアーマチュアコイル２８ａａの端部７８と同じステータスロット５２ａ内で延長する。端部７６および７８は、ステータスロット５２ａ内で互いに対向する。
【００３６】
ＤＣ界磁コイル２６ｂは、ステータ歯４８ｃおよび４８ｄの周りに巻き付けられる。ＤＣ界磁コイル２６ｂは、ステータコア４０のアーク長ＡＬに沿って、第１の位相のＡＣアーマチュアコイル２８ａａの端部７２に重なる。また、ＤＣ界磁コイル２６ｂは、ステータコア４０のアーク長ＡＬに沿って、第２の位相のＡＣアーマチュアコイル２８ｂａの端部７４に重なる。図３で分かるように、ＤＣ界磁コイル２６ａの端部８０は、ＤＣ界磁コイル２６ｂの端部８２と同じステータスロット５２ｂ内で延長する。端部８０および８２は、ステータスロット５２ｂ内で互いに対向する。
【００３７】
ＤＣ界磁コイル２６ｃは、ステータ歯４８ｅおよび４８ｆの周りに巻き付けられる。ＤＣ界磁コイル２６ｃは、ステータコア４０のアーク長ＡＬに沿って、第２の位相ＡＣアーマチュアコイル２８ｂａの端部８４に重なる。また、ＤＣ界磁コイル２６ｃは、ステータコア４０のアーク長ＡＬに沿って、第３の位相のＡＣアーマチュアコイル２８ｃａの端部８６に重なる。ＤＣ界磁コイル２６ｄは、ステータ歯４８ｇおよび４８ｈの周りに巻き付けられる。ＤＣ界磁コイル２６ｄは、ステータコア４０のアーク長ＡＬに沿って、第３の位相のＡＣアーマチュアコイル２８ｃａの端部８８に重なる。また、ＤＣ界磁コイル２６ｄは、ステータコア４０のアーク長ＡＬに沿って、第１の位相のＡＣアーマチュアコイル２８ａｂの端部９０に重なる。
【００３８】
各ＤＣ界磁コイル２６が２つの対応するステータ歯４８の周りに巻き付けられるとして示しているが、各ＤＣ界磁コイル２６は、例えばＤＣ界磁コイル２６およびＡＣアーマチュアコイル２８の所定量のオーバーラップを提供するために、任意の数の対応するステータ歯４８の周りに巻き付けられてもよい。各ＤＣ界磁コイル２６は、対応するＡＣアーマチュアコイル２８に任意の量で重なってもよく、その量は１つまたは複数の電気的および／または機械的性質を有する電気機械１８を提供するように選択することができる。
【００３９】
次に図３だけを参照すると、ロータ２２の図示する実施形態では、磁性セグメント６０および非磁性セグメント６２は、磁性材料から互いにおよびロータ基部５８と共に一体的に形成される。それから、非磁性セグメント６２が磁性材料から形成された後に消磁されて、磁性セグメント６０および非磁性セグメント６２のパターンを形成する。一旦、非磁性セグメント６２が消磁されると、ロータコア５４の材料は「双状態材料」と呼ぶことができる。非磁性セグメント６２は、例えば、これに限らないが、レーザーの使用および／またはこれに類する任意の方法、手段、プロセス、構造、および／またはこれらに類するものを用いて消磁することができる。いくつかの代替的実施形態では、磁性セグメント６０および非磁性セグメント６２は、非磁性材料から互いにおよびロータ基部５８と共に一体的に形成され、磁性セグメント６０（および、例えばロータが歯状ロータである場合には、任意にロータ基部５８）はその後に磁化される。
【００４０】
上述したように、双状態材料を形成する代わりに、非磁性セグメント６２を磁性セグメント６０に対して個別部品として形成することができる。図５は、巻線界磁フラックススイッチング電気機械２１８の別の実施形態の一部の拡大断面図である。電気機械２１８は、ステータ２２０およびロータ２２２を含む。ロータ２２２は、ロータ基部２５８と、ロータ基部２５８から（中央縦軸２１４に対して）半径方向に延長する複数の磁性セグメント２６０と、ロータ基部２５８から（中央縦軸２１４に対して）半径方向に延長する複数の非磁性セグメント２６２と、を含む。磁性セグメント２６０および非磁性セグメント２６２は、ロータ２２２のアーク長に沿って、磁性セグメント２６０と非磁性セグメント２６２との交互パターンで配置される。ロータ２２２の図示する実施形態では、ロータ２２２は、磁性セグメント２６０がロータ２２２のロータ歯２６０を規定する歯状ロータである。
【００４１】
非磁性セグメント２６２は磁性セグメント２６０に対して個別部品として形成される。例えば、ロータ２２２は、ロータ２２２のアーク長に沿って隣接する磁性セグメント２６０の間に延長するロータスロット２６３を含む。ロータスロット２６３は、ロータ２２２のアーク長に沿って、磁性セグメント２６０とロータスロット２６３との交互パターンで磁性セグメント２６０と共に配置される。ロータスロット２６３は、ロータ基部２５８から（中央縦軸２１４に対して）半径方向に延長する。ロータ２２２の図示する実施形態では、ロータスロット２６３は、ロータ基部２５８から外側へ（中央縦軸２１４に対して）半径方向に延長する。非磁性セグメント２６２は、ロータスロット２６３を充填する充填材料である。言い換えれば、非磁性セグメント２６２は、ロータスロット２６３内で延長し、隣接する磁性セグメント２６０間のロータスロット２６３によって規定されるスペースを充填する。非磁性セグメント２６２を形成するために用いる充填材料は、いかなる非磁性材料であってもよい。
【００４２】
ロータ２２２は、磁性セグメント２６０および非磁性セグメント２６２の端面２６８および２７０によってそれぞれ規定される円周を含む。図５で分かるように、ロータ２２２の円周は、円周がロータ２２２のアーク長に沿ってほぼ滑らかであるように、ロータ２２２のアーク長に沿ってほぼ一定の曲率半径を有する。
【００４３】
任意に、ロータスリーブ２６５は、ロータ２２２の円周の周りに延長する。ロータスリーブ２６５は、ロータスロット２６３内で非磁性セグメント２６２の充填材料を保持することを容易にすることができる。図５から明らかなように、ロータスリーブ２６５は、ロータ２２２のアーク長に沿ってほぼ滑らかな円周を有するロータ２２２を提供することができる。ロータスリーブ２６５を含むいくつかの実施形態では、非磁性セグメント２６２を形成するために用いる充填材料は、空気および／または別の流体である。
【００４４】
ロータスリーブ２６５は、非磁性であってもよいし、非電気伝導性であってもよく、あるいはロータ２２２の他の構成要素と比較して低い電気伝導率を有してもよい。ロータスリーブ２６５が含まれる場合には、エアギャップはロータスリーブ２６５とステータ２２０の半径方向の内面２２６との間で規定することができる。ロータスリーブ２５３が含まれない場合には、エアギャップはロータコア２２４の円周とステータ２２０の半径方向の内面２２６との間に延長することができる。
【００４５】
図６は、巻線界磁フラックススイッチング電気機械３１８の別の実施形態の一部の拡大断面図である。電気機械３１８は、ステータ３２０およびロータ３２２を含む。ロータ３２２は、ロータ基部３５８と、ロータ基部３５８から（中央縦軸３１４に対して）半径方向に延長する複数の磁性セグメント３６０と、ロータ基部３５８から（中央縦軸３１４に対して）半径方向に延長する複数の非磁性セグメント３６２と、を含む。磁性セグメント３６０および非磁性セグメント３６２は、ロータ３２２のアーク長に沿って、磁性セグメント３６０と非磁性セグメント３６２との交互パターンで配置される。ロータ３２２の図示する実施形態では、ロータ３２２は、磁性セグメント３６０がロータ３２２のロータ歯３６０を規定する歯状ロータである。
【００４６】
磁性セグメント３６０は、中央縦軸３１４と交差する中央半径方向軸３５５に沿って、中央縦軸３１４に対して半径方向に延長する。中央半径方向軸３５５のうちの２つだけを、明確にするために図６に描いてある。図６で分かるように、各磁性セグメント３６０は、対応する中央半径方向軸３５５の周りに非対称である形状を有する。各磁性セグメント３６０は、対応する中央半径方向軸３５５の周りに非対称である任意の形状を有してもよい。中央軸３５５の周りに非対称な形状は、負荷条件下で電気機械３１８の出力トルクを増加させるロータポール形状を提供するように選択することができる。
【００４７】
図７は、巻線界磁フラックススイッチング電気機械４１８の別の実施形態の一部の拡大断面図である。図７は、分割型ロータ４２２を示す。電気機械４１８は、ステータ４２０およびロータ４２２を含む。ステータ４２０は、ステータ基部４４６およびステータ基部４４６から（中央縦軸４１４に対して）半径方向に延長するステータ歯４４８を含む。ステータ４２０は、ステータ４２０のアーク長に沿って隣接するステータ歯４４８の間に延長するステータスロット４５２を含む。
【００４８】
ステータ４２０は、対応するステータ歯４４８の周りに巻き付けられるＤＣ界磁コイル４２６および対応するステータ歯４４８の周りに巻き付けられるＡＣアーマチュアコイル４２８の両方を含む有効巻線４２４を含む。ＡＣアーマチュアコイル４２８は、例えば、これらに限らないが、単相、三相、六相、および／またはこれらに類する任意の相数であってもよく、あるいはこれらの任意の相数を表してもよい。電気機械４１８の図示する実施形態では、ＡＣアーマチュアコイル４２８は、第１、第２、および第３の位相のＡＣアーマチュアコイル４２８ａ、４２８ｂ、および４２８ｃを含む。コイル４２６、４２８ａ、４２８ｂ、および４２８ｃの各々は、明確にするため図７では異なるハッチングで示す。
【００４９】
図７で分かるように、ＤＣ界磁コイル４２６は、ステータ４２０のアーク長に沿って、ＡＣアーマチュアコイル４２８の間に交互配置される（すなわち、交互に配置される）。図７は、ＤＣ界磁コイル４２６がステータ４２０のアーク長に沿ってＡＣアーマチュアコイル４２８に重ならない実施形態を示す。むしろ、図７は、ＤＣ界磁コイル４２６がＡＣアーマチュアコイル４２８に重ならない集中巻線として、電気機械４１８の有効巻線４２４を示す。
【００５０】
ロータ４２２は、ロータ基部４５８と、ロータ基部４５８から（中央縦軸４１４に対して）半径方向に延長する複数の磁性セグメント４６０と、ロータ基部４５８から（中央縦軸４１４に対して）半径方向に延長する複数の非磁性セグメント４６２と、を含む。磁性セグメント４６０および非磁性セグメント４６２は、ロータ４２２のアーク長に沿って、磁性セグメント４６０と非磁性セグメント４６２との交互パターンで配置される。
【００５１】
ロータ４２２の図示する実施形態では、ロータ４２２は、分割型ロータコアを有する分割型ロータ４２２である。具体的には、磁性セグメント４６０は、ロータ基部４５８から、かつ互いに磁気的に分離される、または分割される。言い換えれば、ロータ基部４５８は、磁束を運ばない。
【００５２】
ロータ４２２は、複数の積層の１つまたは複数のスタックから形成することができる。積層の１つまたは複数のスタックを用いることに代わるものとして、ロータ４２２は、材料の単一部分として形成することができる。ロータ基部４５８は、磁性材料から磁性セグメント４６０および／または非磁性セグメント４６２と共に一体的に形成されてもよい。例えば、ロータ４２２が積層のスタックから形成される場合には、スタック内の各積層または各層のロータ基部４５８は、磁性材料から積層の磁性セグメント４６０および／または非磁性セグメント４６２と共に一体的に形成されてもよい。さらに、例えば、ロータ４２２が材料の単一部分として形成される実施形態では、ロータ基部４５８は、磁性材料からロータ４２２の磁性セグメント４６０および非磁性セグメント４６２の全てと共に一体的に形成される材料の単一部分である。ステータ４２０および／またはロータ４２２は、永久磁石を含んでもよいし、含まなくてもよい。
【００５３】
ロータ４２２の図示する実施形態では、磁性セグメント４６０および非磁性セグメント４６２は、二相磁性材料から互いにおよびロータ基部４５８と共に一体的に形成される。それから、非磁性セグメント４６２およびロータ基部４５８は、磁性材料から形成された後に消磁される。一旦、非磁性セグメント４６２およびロータ基部４５８が消磁されると、ロータ４２２の材料は「双状態材料」と呼ぶことができる。非磁性セグメント４６２およびロータ基部４５８は、例えば、これに限らないが、レーザーの使用および／またはこれに類する任意の方法、手段、プロセス、構造、および／またはこれらに類するものを用いて消磁することができる。
【００５４】
図８は、巻線界磁フラックススイッチング電気機械５１８の別の実施形態の一部の拡大断面図である。電気機械５１８は、ステータ５２０およびロータ５２２を含む。ロータ５２２は、ロータ基部５５８と、ロータ基部５５８から（中央縦軸５１４に対して）半径方向に延長する複数の磁性セグメント５６０と、ロータ基部５５８から（中央縦軸５１４に対して）半径方向に延長する複数の非磁性セグメント５６２と、を含む。磁性セグメント５６０および非磁性セグメント５６２は、ロータ５２２のアーク長に沿って、磁性セグメント５６０と非磁性セグメント５６２との交互パターンで配置される。ロータ５２２の図示する実施形態では、ロータ５２２は、磁性セグメント５６０がロータ基部５５８からおよび互いに磁気的に分離される分割型ロータである。
【００５５】
非磁性セグメント５６２は磁性セグメント５６０に対して個別部品として形成される。例えば、ロータ５２２は、ロータ５２２のアーク長に沿って隣接する磁性セグメント５６０の間に延長するロータスロット５６３を含む。ロータスロット５６３は、ロータ５２２のアーク長に沿って、磁性セグメント５６０とロータスロット５６３との交互パターンで磁性セグメント５６０と共に配置される。ロータスロット５６３は、ロータ基部５５８から（中央縦軸５１４に対して）半径方向に延長する。ロータ５２２の図示する実施形態では、ロータスロット５６３は、ロータ基部５５８から外側へ（中央縦軸５１４に対して）半径方向に延長する。非磁性セグメント５６２は、ロータスロット５６３を充填する充填材料である。言い換えれば、非磁性セグメント５６２は、ロータスロット５６３内で延長し、隣接する磁性セグメント５６０間のロータスロット５６３によって規定されるスペースを充填する。非磁性セグメント５６２を形成するために用いる充填材料は、いかなる非磁性および非電気伝導性材料であってもよい。
【００５６】
ロータ５２２は、磁性セグメント５６０および非磁性セグメント５６２の端面５６８および５７０によってそれぞれ規定される円周を含む。図８で分かるように、ロータ５２２の円周は、円周がロータ５２２のアーク長に沿ってほぼ滑らかであるように、ロータ５２２のアーク長に沿ってほぼ一定の曲率半径を有する。
【００５７】
任意に、ロータスリーブ５６５は、ロータ５２２の円周の周りに延長する。ロータスリーブ５６５は、ロータスロット５６３内で非磁性セグメント５６２の充填材料を保持することを容易にすることができる。ロータスリーブ５６５は、ロータ５２２のアーク長に沿ってほぼ滑らかな円周を有するロータ５２２を提供することができる。
【００５８】
ロータスリーブ５６５は、非磁性であってもよいし、非電気伝導性であってもよく、あるいはロータ５２２の他の構成要素と比較して低い電気伝導率を有してもよい。ロータスリーブ５６５が含まれる場合には、エアギャップはロータスリーブ５６５とステータ５２０の半径方向の内面５２６との間で規定することができる。ロータスリーブ５６５が含まれない場合には、エアギャップはロータ５２２の円周とステータ５２０の半径方向の内面５２６との間に延長することができる。
【００５９】
図９は、巻線界磁フラックススイッチング電気機械６１８の別の実施形態の一部の拡大断面図である。電気機械６１８は、ステータ６２０およびロータ６２２を含む。ロータ６２２は、ロータ基部６５８と、ロータ基部６５８から（中央縦軸６１４に対して）半径方向に延長する複数の磁性セグメント６６０と、ロータ基部６５８から（中央縦軸６１４に対して）半径方向に延長する複数の非磁性セグメント６６２と、を含む。磁性セグメント６６０および非磁性セグメント６６２は、ロータ６２２のアーク長に沿って、磁性セグメント６６０と非磁性セグメント６６２との交互パターンで配置される。ロータ６２２の図示する実施形態では、ロータ６２２は、磁性セグメント６６０がロータ基部６５８からおよび互いに磁気的に分離される分割型ロータである。
【００６０】
磁性セグメント６６０は、中央縦軸６１４と交差する中央半径方向軸６５５に沿って、中央縦軸６１４に対して半径方向に延長する。中央半径方向軸６５５のうちの２つだけを、明確にするために図９に描いてある。図９で分かるように、各磁性セグメント６６０は、対応する中央半径方向軸６５５の周りに非対称である形状を有する。各磁性セグメント６６０は、対応する中央半径方向軸６５５の周りに非対称である任意の形状を有してもよい。中央軸６５５の周りに非対称な形状は、負荷条件下で電気機械６１８の出力トルクを増加させるロータポール形状を提供するように選択することができる。
【００６１】
図１０は、巻線界磁フラックススイッチング電気機械７１８の別の実施形態の一部の拡大断面図である。電気機械７１８は、ステータ７２０およびロータ７２２を含む。ステータ７２０は、電気機械７１８の有効巻線７２４を含み、それはＤＣ界磁コイル７２６およびＡＣアーマチュアコイル７２８を含む。図１０で分かるように、ＤＣ界磁コイル７２６は、ステータ７２０のアーク長に沿って、ＡＣアーマチュアコイル７２８の間に交互配置される（すなわち、交互に配置される）。図１０は、ＤＣ界磁コイル７２６がステータ７２０のアーク長に沿ってＡＣアーマチュアコイル７２８に重ならない実施形態を示す。むしろ、図１０は、ＤＣ界磁コイル７２６がＡＣアーマチュアコイル７２８に重ならない集中巻線として、電気機械７１８の有効巻線７２４を示す。
【００６２】
ＡＣアーマチュアコイル７２８は、例えば、これらに限らないが、単相、三相、六相、および／またはこれらに類する任意の相数であってもよく、あるいはこれらの任意の相数を表してもよい。電気機械７１８の図示する実施形態では、ＡＣアーマチュアコイル７２８は、三相巻線の１つまたは複数の組を表す。
【００６３】
上述したように、発電機システム１０（図１）は、例えば、これらに限らないが、自動車用途、航空宇宙用途、船舶用途、工業用途、および／またはこれらに類する任意の用途で電力を生成するために用いることができる。図１１は、発電機システム１０を含む航空機８００の実施形態の模式図である。図示した実施例では、航空機８００は固定翼旅客機であるが、航空機８００は他のいかなるタイプの航空機であってもよい。
【００６４】
航空機８００は、機体８０２、１つまたは複数のエンジン８０４、電気システム８０３、および発電機システム１０を含む。エンジン８０４、電気システム８０３、および発電機システム１０は、機体８０２にそれぞれ搭載され、航空機８００の飛行中に、エンジン８０４、電気システム８０３、および発電機システム１０は機体８０２によって運ばれる。各エンジン８０４は、シャフトの中央縦軸の周りを回転するように構成される回転可能なシャフト８０６を含む。各エンジン８０４は、例えば、これらに限らないが、タービンエンジン、プロペラもしくは他のロータを駆動するエンジン、ラジアルエンジン、ピストンエンジン、ターボプロップエンジン、ターボファンエンジン、および／またはこれらに類する任意のタイプのエンジンであってもよい。２つのエンジンを示しているが、航空機８００は任意の数のエンジン８０４を含んでもよい。機体８０２の翼に配置されるように示しているが、各エンジン８０４は機体８０２に沿って他の任意の場所に配置されてもよい。
【００６５】
電気システムは、機体８０２に沿って様々な場所に配置される複数の電気部品８０８を含む。各電気部品８０８は、動作するために電力を消費する任意のタイプの電気部品であってもよい。図１１で分かるように、発電機システム１０は、エンジン８０４のうちの１つまたは複数のシャフト８０６に動作可能に接続される。システム１０は、エンジン８０４の作動を開始させるモーターとして用いられるように構成することができる。システム１０は、エンジン８０４の作動中に、電気システム８０３に電力を供給する発電機として用いられるように構成することができる。１つだけを示しているが、航空機８００は任意の数のシステム１０を含んでもよい。例えば、他のエンジン８０４は、動作可能にそれに接続される発電機システム１０を含んでもよい。機体８０２の翼の中に配置されるように示しているが、システム１０は機体８０２に沿って他の任意の場所に配置されてもよい。
【００６６】
図１２は、発電機システム９１０の別の実施形態の模式図である。発電機システム９１０は、例えば、これらに限らないが、自動車用途、航空宇宙用途、船舶用途、工業用途、および／またはこれらに類する任意の用途で電力を生成するために用いることができる。
【００６７】
システム９１０は、中央縦軸９１４に沿って長さを延長する回転可能なシャフト９１２を含む。シャフト９１２は、中央縦軸９１４の周りを回転するように構成される。シャフト９１２は、システム９１０を含むより大きいシステム（例えば、エンジン、航空機、および／またはこれらに類するもの）の別の構成要素のシャフトであってもよい。例えば、シャフト９１２は、電気モーターの出力シャフト、燃焼エンジンのクランクシャフト、ガスタービンエンジンのシャフト、および／またはこれらに類するものであってもよい。
【００６８】
システム９１０は、ＤＣ電源９１６および巻線界磁フラックススイッチング電気機械９１８を含む。電気機械９１８は、ステータ９２０およびロータ９２２を含む。電気機械９１８のロータ９２２は、ロータ９２２がシャフト９１２と共に中央縦軸９１４の周りを回転するように、シャフト９１２に装着される。電気機械９１８は発電機を含み、ロータ９２２とステータ９２０との間の相対的な回転が機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する。後で詳しく述べるように、電気機械９１８のステータ９２０は、電気機械９１８の有効巻線９２４の全てを含む。具体的には、ステータ９２０は、ＤＣ界磁コイル９２６およびＡＣアーマチュアコイル９２８の両方を含む。電気機械９１８のロータ９２２は、歯状ロータまたは分割型ロータであってもよい。ＤＣ界磁コイル９２６は、ＡＣアーマチュアコイル９２８に重なってもよいし、あるいは重ならなくてもよい。
【００６９】
ＤＣ電源９１６は、電気機械９１８のＤＣ界磁コイル９２６に動作可能に接続され、ＤＣ電源９１６がＤＣ界磁コイル９２６を励起するように構成される。具体的には、ＤＣ電源９１６は、電気機械９１８のＤＣ界磁コイル９２６を励磁する電気信号（発電機システム９１０の電圧調整器９３８によってＤＣ電流に変換される）を生成する。
【００７０】
電圧調整器９３８は、ＤＣ電源９１６と電気機械９１８のＤＣ界磁コイル９２６との間に動作可能に接続される。電圧調整器９３８は、電気機械９１８のＤＣ界磁コイル９２６を励磁するＤＣ電流を連続的に調整することによって主発電機アーマチュア巻線９２８（すなわち、ＡＣアーマチュアコイル９２８）の出力電圧を調整するように構成される。システム９１０は励磁器を用いないので、電圧調整器９３８は巻線界磁フラックススイッチング電気機械９１８のＤＣ界磁コイル９２６に直接接続される。したがって、電圧調整器９３８は、例えば、巻線界磁同期式回転電気機械（図示せず）を用いる発電機システムの電圧調整器と比較して、少なくともいくつかの既知の発電機システムの電圧調整器よりも強力であることを必要とする可能性がある。
【００７１】
上記および図１２から理解されるように、発電機システム９１０は単一の回転電気機械だけを用いる。図１２に示す実施形態では、電気機械９１８のステータ９２０は、ロータ９２２がステータ９２０の内側で回転するようにロータ９２２の周りに延長する。あるいは、ロータ９２２は、ロータ９２２がステータ９２０の周りを回転するように構成されるように、ステータ９２０の周りに延長する。図１２で分かるように、図示する実施形態では、システム９１０は、回転整流器（図示せず）またはブラシレス励磁器（図示せず）を含まない。
【００７２】
上記の説明は例示するものであって、限定することを意図したものではないことを理解すべきである。例えば、上記の実施形態（および／またはその態様）は、互いに組み合わせて用いることができる。さらに、本発明の範囲を逸脱せずに特定の状況または材料を本発明の教示に適応させるために、多くの修正を行うことができる。本明細書に記載した様々な構成要素の寸法、材料の種類、方向、ならびに数および位置は、特定の実施形態のパラメータを規定するためのものであって、決して限定するものではなく、単に例示的な実施形態にすぎない。特許請求の範囲の趣旨および範囲に含まれる多くの他の実施形態および修正は、上記の説明を精査すれば、当業者にとって明らかであろう。したがって、本発明の範囲は、添付した特許請求の範囲に与えられる均等物の完全な範囲と共に、添付した特許請求の範囲によって決定されなければならない。添付した特許請求の範囲において、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「そこにおいて（ｉｎ  ｗｈｉｃｈ）」という用語は、それぞれ「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」および「そこにおいて（ｗｈｅｒｅｉｎ）」という用語の平易な英語に相当するものとして用いられる。さらに、以下の特許請求の範囲において、「第１の」、「第２の」、および「第３の」などの用語は、単にラベルとして用いており、それらの対象物に対して数の要件を課すことを意図するものではない。さらに、以下の特許請求の範囲の限定は、そのような特許請求の範囲の限定が「のための手段（ｍｅａｎｓ  ｆｏｒ）」の後にさらなる構造のない機能についての記載が続くフレーズを明白に用いない限り、そしてそうするまでは、ミーンズ・プラス・ファンクション形式で書かれたものではなく、米国特許法第１１２条第６項に基づいて解釈されることを意図するものではない。
【符号の説明】
【００７３】
１０  発電機システム
１２  シャフト
１４  中央縦軸
１６  パイロット永久磁石発電機
１８  巻線界磁フラックススイッチング電気機械
２０  ステータ
２２  ロータ
２４  有効巻線
２６  ＤＣ界磁コイル
２８  ＡＣアーマチュアコイル
３０  ロータ
３２  ステータ
３４  永久磁石
３６  アーマチュア
３８  電圧調整器
４０  ステータコア
４２  半径方向の内面
４４  中央開口
４６  ステータ基部
４８  ステータ歯
５０  端部
５２  ステータスロット
５４  ロータコア
５６  ロータコア本体
５８  ロータ基部
６０  磁性セグメント（ロータ歯）
６２  非磁性セグメント
６４  半径方向の内面
６６  中央開口
６８  端面
７０  端面
７２  端部
７４  端部
７６  端部
７８  端部
８０  端部
８２  端部
８４  端部
８６  端部
８８  端部
９０  端部
２１４  中央縦軸
２１８  巻線界磁フラックススイッチング電気機械
２２０  ステータ
２２２  ロータ
２２４  ロータコア
２２６  半径方向の内面
２５３  ロータスリーブ
２５８  ロータ基部
２６０  磁性セグメント（ロータ歯）
２６２  非磁性セグメント
２６３  ロータスロット
２６５  ロータスリーブ
２６８  端面
２７０  端面
３１４  中央縦軸
３１８  巻線界磁フラックススイッチング電気機械
３２０  ステータ
３２２  ロータ
３５５  中央半径方向軸
３５８  ロータ基部
３６０  磁性セグメント（ロータ歯）
３６２  非磁性セグメント
４１４  中央縦軸
４１８  巻線界磁フラックススイッチング電気機械
４２０  ステータ
４２２  ロータ
４２４  有効巻線
４２６  ＤＣ界磁コイル
４２８  ＡＣアーマチュアコイル
４４６  ステータ基部
４５８  ロータ基部
４６０  磁性セグメント
４６２  非磁性セグメント
５１４  中央縦軸
５１８  巻線界磁フラックススイッチング電気機械
５２０  ステータ
５２２  ロータ
５２６  半径方向の内面
５５８  ロータ基部
５６０  磁性セグメント
５６２  非磁性セグメント
５６３  ロータスロット
５６５  ロータスリーブ
５６８  端面
５７０  端面
６１４  中央縦軸
６１８  巻線界磁フラックススイッチング電気機械
６２０  ステータ
６２２  ロータ
６５５  中央半径方向軸
６５８  ロータ基部
６６０  磁性セグメント
６６２  非磁性セグメント
７１８  巻線界磁フラックススイッチング電気機械
７２０  ステータ
７２２  ロータ
７２４  有効巻線
７２６  ＤＣ界磁コイル
７２８  ＡＣアーマチュアコイル
８００  航空機
８０２  機体
８０３  電気システム
８０４  航空機エンジン
８０６  シャフト
８０８  電気部品
９１０  発電機システム
９１２  シャフト
９１４  中央縦軸
９１６  ＤＣ電源
９１８  巻線界磁フラックススイッチング電気機械
９２０  ステータ
９２２  ロータ
９２４  有効巻線
９２６  ＤＣ界磁コイル
９２８  ＡＣアーマチュアコイル
９３８  電圧調整器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2015077069.tif 000013
【図１２】
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【外国語明細書】
2015077069000001.pdf