(57)【要約】  単相又は多相交流電気モーター又は同期発電機は、主巻線と主巻線の磁界の不飽和を行う追加巻線とを備えている。各追加巻線には、少なくとも一つのコンデンサを通して、それに対応する主巻線と異なる位相角及び逆向きの磁界で電力が供給される。各主巻線及び追加巻線に用いられる導線の総断面積は、所定の大きさであり、有利には、その比率は、主巻線を約２／３、追加巻線を約１／３とし、各コンデンサの値は、予め規定されている。各追加巻線の巻数は、それに対応する主巻線の巻数の５０％〜１００％である。二つの巻線は、一回の作業で同時に製作される。
2008543267.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電気モーターの効率を改善する方法であって、
第一の導線に関する第一の線径と第二の導線に関する第二の線径を、第一の線径が第二の線径よりも大きくなるように選定する工程と、
主巻線を形成するように、第一の導線を巻装する工程と、
追加巻線を形成するように、第二の導線を巻装する工程と、
コンデンサを追加巻線と直列に電気的に接続する工程と、
これらの追加巻線とコンデンサを主巻線に対して並列に電気的に接続する工程と、
主巻線内の電流が第一の向きに流れ、追加巻線内の電流が第一の向きと逆の第二の向きに流れるように、追加巻線を主巻線と逆向きに電気的に接続する工程と、
を有する方法。
【請求項２】
当該の主巻線、追加巻線及びコンデンサを電気モーターの相毎に構成する工程を更に有する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
当該の主巻線を三つ構成する工程と、
当該の追加巻線及びコンデンサを三つ構成する工程と、
三つの主巻線と三つの追加巻線及びコンデンサとをデルタ構成で電気的に接続する工程と、
を更に有する請求項２に記載の方法。
【請求項４】
当該の主巻線を三つ構成する工程と、
当該の追加巻線及びコンデンサを三つ構成する工程と、
三つの主巻線と三つの追加巻線及びコンデンサとを星形構成で電気的に接続する工程と、
を更に有する請求項２に記載の方法。
【請求項５】
当該の交流電気モーターが全負荷時に必要とする電流を決定する工程と、
当該の交流電気モーターに供給する線間電圧を決定する工程と、
当該の交流電気モーターが全負荷時に必要とする電流に実験による係数を乗算した積を取得し、その積を当該の線間電圧の平方根で除算することによって、当該のコンデンサのキャパシタンスを決定する工程と、
を更に有する請求項１に記載の方法。
【請求項６】
当該の実験による係数に対して、約０．２５×１０6 〜約０．３０×１０6 の範囲の値を割り当てる工程を更に有する請求項５に記載の方法。
【請求項７】
当該の第一の線径と第二の線径を、第一の線径の断面積が第二の線径の断面積の約３／２倍〜３倍の比率の大きさとなるように選定する工程を更に有する請求項１に記載の方法。
【請求項８】
当該の第一の導線の第一の長さを選定する工程と、
当該の第二の導線の第二の長さを第一の導線の長さの約半分となるように選定する工程と、
を更に有する請求項１に記載の方法。
【請求項９】
当該の第一の導線の第一の長さを選定する工程と、
当該の第二の導線の第二の長さを、第一の導線の長さの約半分から第一の導線の長さに等しい長さの範囲となるように選定する工程と、
を更に有する請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
当該の第一の導線を巻装する工程を実行している間の少なくとも一部の時間の間に、当該の主巻線を形成するように第一の導線を巻装する工程と当該の追加巻線を形成するように第二の導線を巻装する工程とを同時に実行する工程を更に有する請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
所定の巻数の主巻線と、
主巻線の所定の巻数の少なくとも半分に等しく、かつ主巻線の所定の巻数を上回らない巻数の追加巻線と、
追加巻線と直列に電気的に接続されたコンデンサと、
を備えており、
これらのコンデンサと追加巻線が、主巻線と並列に電気的に接続されており、
電流が主巻線を通って第一の向きに流れ、追加巻線を通って第二の向きに流れ、第二の向きが第一の向きと逆になるように、追加巻線が主巻線と逆向きに接続されている、
単相電気モーター。
【請求項１２】
当該の主巻線が、所定の第一の断面積を有する導線から構成され、当該の追加巻線が、所定の第二の断面積を有する導線から構成されており、
この第一の断面積に対する第二の断面積の比率が一定であり、
その比率が、約２／３〜１／３である、
請求項１１に記載の単相電気モーター。
【請求項１３】
二つの半区間が互いに直列に電気的に接続された主巻線と、
二つの半区間が互いに直列に電気的に接続された追加巻線と、
追加巻線の二つの半区間と直列に電気的に接続されたコンデンサと、
を備えており、
これらの追加巻線とコンデンサが、主巻線と並列に接続されており、
追加巻線の半区間を通って流れる電流が主巻線の半区間を通って流れる電流と逆向きに流れるように、追加巻線の半区間の各々が、それに対応する主巻線の半区間と逆向きに接続されている、
単相電気モーター。
【請求項１４】
当該の追加巻線の各半区間の巻数が、当該の主巻線の各半区間の所定の巻数の少なくとも半分に等しく、かつ当該の主巻線の各半区間の所定の巻数を上回らない請求項１３に記載の単相電気モーター。
【請求項１５】
始動用巻線、始動用コンデンサ及び切替手段が、互いに直列に、かつ当該の主巻線及び追加巻線と並列に接続されている請求項１４に記載の単相電気モーター。
【請求項１６】
二つの半区間が互いに並列に電気的に接続された主巻線と、
二つの半区間が互いに直列に電気的に接続された追加巻線と、
追加巻線の二つの半区間と直列に接続されたコンデンサと、
を備えており、
これらの追加巻線の半区間とコンデンサが、主巻線と並列に接続されており、
追加巻線の半区間を通って流れる電流が主巻線の半区間を通って流れる電流と逆向きに流れるように、追加巻線の半区間の各々が、それに対応する主巻線の半区間と逆向きに接続されており、
追加巻線の各半区間の巻数が、主巻線の各半区間の所定の巻数の少なくとも半分に等しく、かつ主巻線の各半区間の所定の巻数を上回らない、
単相電気モーター。
【請求項１７】
二つの半区間が互いに並列に電気的に接続された主巻線と、
二つの半区間が互いに並列に接続された追加巻線と、
追加巻線の二つの半区間と直列に電気的に接続されたコンデンサと、
を備えており、
これらの追加巻線の半区間とコンデンサが、主巻線と並列に電気的に接続されており、
追加巻線の半区間を通って流れる電流が主巻線の半区間を通って流れる電流と逆向きに流れるように、追加巻線の半区間の各々が、それに対応する主巻線の半区間と逆向きに接続されており、
追加巻線の各半区間の巻数が、主巻線の各半区間の所定の巻数の少なくとも半分に等しく、かつ主巻線の各半区間の所定の巻数を上回らない、
単相電気モーター。
【請求項１８】
二つの半区間が互いに直列に電気的に接続された主巻線と、
二つの半区間が互いに並列に接続された追加巻線と、
追加巻線の二つの半区間と直列に接続されたコンデンサと、
を備えており、
これらの追加巻線の半区間とコンデンサが、主巻線と並列に接続されており、
追加巻線の半区間を通って流れる電流が主巻線の半区間を通って流れる電流と逆向きに流れるように、追加巻線の半区間の各々が、それに対応する主巻線の半区間と逆向きに接続されており、
追加巻線の各半区間の巻数が、主巻線の各半区間の所定の巻数の少なくとも半分に等しく、かつ主巻線の各半区間の所定の巻数を上回らない、
単相電気モーター。
【請求項１９】
デルタ構成で互いに接続された第一、第二及び第三の主巻線と、
デルタ構成で互いに接続された第一、第二及び第三の追加巻線と、
を備えており、
第一、第二及び第三の主巻線と追加巻線が、互いに入れ子にして物理的に重ね合わされており、
第一、第二及び第三の主巻線を通って流れる電流が第一の向きに流れ、第一、第二及び第三の追加巻線を通って流れる電流が第一の向きと逆の第二の向きに流れるように、第一、第二及び第三の追加巻線が、それぞれ第一、第二及び第三の主巻線と逆並列に接続されており、
各追加巻線が、第一、第二及び第三の主巻線に供給される電流と異なる位相で電流を供給されるように、第一、第二及び第三のコンデンサが、それぞれ第一、第二及び第三の追加巻線と直列に接続されており、
第一、第二及び第三の追加巻線が、それらに対応する主巻線の巻数の５０％〜１００％の所定の巻数を有する、
デルタ結線された三相電気モーター。
【請求項２０】
星形構成で互いに電気的に接続された第一、第二及び第三の主巻線と、
星形構成で互いに電気的に接続された第一、第二及び第三の追加巻線と、
を備えており、
第一、第二及び第三の主巻線と追加巻線が、互いに入れ子にして物理的に重ね合わされており、
第一、第二及び第三の主巻線を通って流れる電流が第一の向きに流れ、第一、第二及び第三の追加巻線を通って流れる電流が第一の向きと逆の第二の向きに流れるように、第一、第二及び第三の追加巻線が、それぞれ第一、第二及び第三の主巻線と逆並列に接続されており、
各追加巻線が、第一、第二及び第三の主巻線に供給される電流と異なる位相で電流を供給されるように、第一、第二及び第三のコンデンサが、それぞれ第一、第二及び第三の追加巻線と直列に接続されており、
第一、第二及び第三の追加巻線が、それらに対応する主巻線の巻数の５０％〜１００％の所定の巻数を有する、
星形結線された三相電気モーター。
【請求項２１】
デルタ構成で互いに電気的に接続された第一、第二及び第三の主巻線と、
デルタ構成で互いに電気的かつ機械的に接続された第一、第二及び第三の追加巻線と、
を備えており、
第一、第二及び第三の主巻線と追加巻線が、互いに入れ子にして物理的に重ね合わされており、
第一、第二及び第三の追加巻線が、第一、第二及び第三の主巻線のデルタ構成内において入れ子になっており、
第一、第二及び第三の主巻線を通って流れる電流が第一の向きに流れ、第一、第二及び第三の追加巻線を通って流れる電流が第一の向きと逆の第二の向きに流れるように、第一、第二及び第三の追加巻線が、それぞれ第一、第二及び第三の主巻線と逆並列に接続されており、
第一、第二及び第三のコンデンサが、それぞれ第一、第二及び第三の追加巻線と直列に接続されており、
第一、第二及び第三の追加巻線が、それらに対応する主巻線の巻数の５０％〜１００％の所定の巻数を有する、
デルタ結線された三相電気モーター。
【請求項２２】
デルタ構成で互いに電気的かつ機械的に接続された第一、第二及び第三の主巻線と、
星形構成で互いに電気的に接続された第一、第二及び第三の追加巻線と、
を備えており、
第一、第二及び第三の主巻線と追加巻線が、互いに入れ子にして物理的に重ね合わされており、
第一、第二及び第三の主巻線を通って流れる電流が第一の向きに流れ、第一、第二及び第三の追加巻線を通って流れる電流が第一の向きと逆の第二の向きに流れるように、第一、第二及び第三の追加巻線が、それぞれ第一、第二及び第三の主巻線と逆並列に接続されており、
第一、第二及び第三のコンデンサが、それぞれ第一、第二及び第三の追加巻線と直列に接続されており、
第一、第二及び第三の追加巻線が、それらに対応する主巻線の巻数の５０％〜１００％の所定の巻数を有する、
デルタ結線された三相電気モーター。
【請求項２３】
星形構成で互いに電気的に接続された第一、第二及び第三の主巻線と、
デルタ構成で互いに電気的に接続された第一、第二及び第三の追加巻線と、
を備えており、
第一、第二及び第三の主巻線と追加巻線が、互いに入れ子にして物理的に重ね合わされており、
第一、第二及び第三の主巻線を通って流れる電流が第一の向きに流れ、第一、第二及び第三の追加巻線を通って流れる電流が第一の向きと逆の第二の向きに流れるように、第一、第二及び第三の追加巻線が、それぞれ第一、第二及び第三の主巻線と逆並列に接続されており、
第一、第二及び第三のコンデンサが、それぞれ第一、第二及び第三の追加巻線と直列に接続されており、
第一、第二及び第三の追加巻線が、それらに対応する主巻線の巻数の５０％〜１００％の所定の巻数を有する、
星形結線された三相電気モーター。
【請求項２４】
デルタ構成で互いに電気的に接続された第一、第二及び第三の主巻線と、
デルタ構成で互いに電気的に接続された第一、第二及び第三の追加巻線と、
を備えており、
第一、第二及び第三の主巻線と追加巻線が、互いに入れ子にして物理的に重ね合わされており、
第一、第二及び第三の主巻線を通って流れる電流が第一の向きに流れ、第一、第二及び第三の追加巻線を通って流れる電流が第一の向きと逆の第二の向きに流れるように、第一、第二及び第三の追加巻線が、それぞれ第一、第二及び第三の主巻線と逆並列に接続されており、
各追加巻線が、第一、第二及び第三の主巻線に供給される電流と異なる位相で電流を供給されるとともに、１２０°の位相シフトが実現されるように、第一、第二及び第三のコンデンサが、それぞれ第一、第二及び第三の追加巻線と直列に接続されており、
第一、第二及び第三の追加巻線が、それらに対応する主巻線の巻数の５０％〜１００％の所定の巻数を有する、
デルタ結線された三相電気モーター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この一部継続出願は、本発明者により２００３年６月２４日に出願された同時係属中の特許文献１の優先権を主張するものであり、２００２年６月２５日に出願した特許文献２と関連している。
【０００２】
本発明は、電気モーター及び同期発電機に関する。より詳しくは、広い負荷範囲に渡って非常に高い効率で動作するモーター又は発電機に関する。
【背景技術】
【０００３】
単相交流電気モーターは、典型的には、低い馬力の用途に使用される。その範囲は、数分の１馬力から約１０馬力までに渡る。三相モーターは、典型的には、要求される馬力が１０馬力を越える場合に使用される。
【０００４】
１９８４年５月１日にワンラス氏に特許された、発明の名称が「磁束密度を制御する形の多相電気機械」である特許文献３は、主巻線と追加の制御巻線を備えた固定子鉄心を開示している。多相機械において、固定子鉄心内の磁束密度を制御することによって、磁束密度を最適化している。より詳しくは、多相固定子の主巻線は、磁心に巻装されており、複数の巻線が配備され、各巻線が単相を提供するものである。各巻線には、コンデンサが直列に接続されている。これらのコンデンサが、無効電力を低減している。
【０００５】
１９７６年９月９日に公開されたウェン氏による、発明の名称が「単相誘導モーター」である特許文献４により、別のモーター巻線技術が開示されている。ウェン氏は、始動用コンデンサの電圧を増大するために、二つの始動用巻線を備えた単相モーターを開示している。ウェン氏は、動作中の力率を向上させるとともに、始動トルクを改善するために、二組の始動用巻線を備えた単相誘導モーターも開示している。
【０００６】
ワンラス氏とウェン氏のモーターは、これまでに周知の全てのモーターと同様に、全負荷時に最大の効率で動作するが、低い負荷状態では効率が低下する。このように、従来のモーターの力率は、全負荷状態時では０．９０を越えるが、低い負荷では０．５０以下となる。
【０００７】
電力会社は、この力率と全く逆の比率で電気モーターにエネルギーを供給してきている。力率０．７０で動作するモーターは、力率１（０．９９９又は１．００）で動作するモーターよりも３０％多いアンペア数を使用する。発電機が供給する電力は、そのようなアンペア需要を賄うために過負荷になると同時に、そのことを駆動部（ディーゼル又はタービン）に伝えて、駆動部が、新たな需要に応えるために、より一層多くのエネルギーを必要とする。キロワット単位での新たな需要は、当初の需要と同じである。唯一変化するのは、力率である。従って、全ての負荷において高い力率で動作することができないモーターを使用することは避けるべきである。
【０００８】
そのため、全ての負荷に渡って高い力率で動作するモーターが必要とされている。しかし、数十年の間、そのような低い負荷での低い効率がモーターの固有の特性であるため、モーターは、加わる負荷が低下すると常に低い効率で動作するものだという従来からの技術思想が有った。低い負荷状態における０．９０以上の範囲の力率は、実現不可能であると考えられてきた。
【０００９】
電力会社にとって、力率（Ｐ／Ｆ）の悪い標準的なモーターを使用する顧客に電力を供給する場合、不利な発電となる。そのようなモーターが、多くの場合低いデューティサイクル（無負荷〜７５％の負荷）で使用されたり、そのようなモーターが、Ｖ．Ｆ．Ｄ（可変周波数駆動）により電力を供給されると、その不利益は一層拡大する。周波数を低減して、モーターの速度を低下させた場合、力率が自動的に低下してしまう。
【００１０】
例えば、力率０．８８で４６０ボルト、３０アンペアを必要とするモーター（Ａ）は、２１．０３ＫＷを消費する（３０アンペア×４６０ボルト×１．７３２×０．８８Ｐ／Ｆ）。
【００１１】
平均Ｐ／Ｆが０．６８で動作する同じ馬力の別のモーター（Ｂ）も、２１．０３ＫＷを消費する。アンペア数は、３８．８３アンペアに増大する（３８．８３アンペア×４６０ボルト×１．７３２×０．６８Ｐ／Ｆ）。
【００１２】
モーター（Ａ）が消費するＫＷ数は、モーター（Ｂ）が消費するＫＷ数と同じである。このことは、モーター（Ｂ）に電力を供給するのに、電力会社がモーター（Ａ）に電力を供給する場合よりも２９．４％多くのアンペア数を発電機から発生させなければならないことを意味する。電気を発生させる発電機は、典型的には、ディーゼルエンジン又は蒸気タービンによって駆動されている。発電機に負荷をかけている時と負荷をかけていない時の比率が現状通りである場合、前述したモーターの比較結果により、直ちに同じ２１．０３ＫＷを発電するのに、モーター（Ａ）よりもモーター（Ｂ）の方が、２９．４％多くのエネルギーコスト（ディーゼル燃料、石炭、それらと同等の物）がかかることとなる。
【００１３】
モーター（Ｂ）の所有者は、２１．０３ＫＷに対して、モーター（Ａ）の所有者よりも多くの料金を支払うべきであると結論付けることができる。それに代わって、モーター（Ｂ）の所有者は、当該の力率の低いモーターを力率の高いモーターに交換する必要がある。
【特許文献１】米国特許出願第１０／６０２，９６６号明細書
【特許文献２】フランス国特許出願第０２０７８２００００号明細書（フランス国特許第２８４１４０４号明細書）
【特許文献３】米国特許第４，４４６，４１６号明細書
【特許文献４】ドイツ国特許出願第２５０８３７４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
そこで、必要なことは、モーターの力率を向上させて、従来の力率の低いモーターが必要とするエネルギーと比べて、与えられた仕事を実行するのに必要なエネルギーを低減するようにモーターを改善することである。例えば、力率を０．９８に向上することができれば、電流は、２６．９３アンペアに低下する。そのアンペア数に４６０ボルト、１．７３２及び０．９８Ｐ／Ｆを乗算すると、２１．０３ＫＷとなる。必要な電流が、０．６８のＰ／Ｆで３８．８３アンペア、０．８８のＰ／Ｆで３０．０アンペア、０．９８のＰ／Ｆで２６．９３アンペアとなることに留意されたい。
【００１５】
しかし、本発明を考案した時に考慮した従来技術を全体的に顧みるに、モーター分野の当業者にとって、モーターの力率を大幅に向上させる方法は明らかではなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、動作範囲全般に渡って、即ち、無負荷から全負荷までの動作範囲において、交流電気モーターの効率を改善する先駆的な方法である。極めて新しい工程は、第一の導線に対する第一の線径と第二の導線に対する第二の線径を、第一の線径が第二の線径よりも大きくなるように選定する工程を有する。第一の導線は、主巻線を形成するように巻装されており、第二の導線は、追加巻線を形成するように巻装されている。追加巻線の巻数は、少なくとも主巻線の巻数の半分に等しく、主巻線の巻数と等しくても良いが、それを越えてはならない。コンデンサを追加巻線と直列に電気的に接続する。次に、これらの追加巻線とコンデンサを第一の巻線に対して並列に電気的に接続する。第一の巻線内の電流が第一の向きに流れ、追加巻線内の電流が第一の向きと逆の第二の向きに流れるように、追加巻線を主巻線と逆向きに接続する。
【００１７】
主巻線、追加巻線及びコンデンサを単相又は多相電気モーターの相毎に配備する。
【００１８】
三相モーターでは、三つの主巻線と三つの追加巻線及びコンデンサは、デルタ結線又は（Ｙ（ワイ）構成としても知られている）星形結線される。
【００１９】
追加巻線と直列のコンデンサに関して、キャパシタンス値をマイクロファラッド単位で決定するために、全負荷において交流電気モーターが必要とする電流を、そこに供給される線間電圧として決定する。マイクロファラッド単位での値は、全負荷において交流電気モーターが必要とする電流と実験による係数（定数）とを乗算した積を取得し、その積を線間電圧の平方根で除算することによって得られる。
【００２０】
この実験による係数は、約０．２５×１０6 〜約０．３０×１０6 の範囲である。
【００２１】
第一と第二の線径は、第一の線径の断面積が第二の線径の断面積の約３／２倍〜３倍の大きさとなるように選定される。
【００２２】
第一の導線を巻装して主巻線を形成する工程は、有利には、第二の導線を巻装して追加巻線を形成する工程と同時に行われる。そのような追加巻線の巻装は、第一の導線を巻装する工程を行っている間の少なくとも一部の時間の間に行われる。
【００２３】
本発明の交流電気モーターは、全ての負荷状態に渡って非常に高い効率で動作する。ここで使用する場合、「交流電気機械」という用語は、単相式又は少なくとも三つの相を有する多相式の交流電気モーターを含むものとする。その用語は、少なくとも二つの極を有する同期発電機も含むものとする。便宜上、これ以降の記述は、電気モーターを示すものとするが、モーターとの各記述は、ここで定義された通りの広い意味の「電気機械」という用語に置き換えることができるものと理解する。
【００２４】
本発明の新規な電気モーターは、従来のモーターと同様な主巻線を有する。しかし、不飽和化機能を果たす追加巻線も配備されていることが相違する。各追加巻線は、コンデンサと直列に電気的に接続されている。各追加巻線及びコンデンサは、主巻線と並列に電気的に接続されている。重要なこととして、主巻線を流れる電流の向きが追加巻線を流れる電流の向きと逆になるように、追加巻線は、それに対応する主巻線と逆向きに接続される。更に、主巻線を流れる電流は、追加巻線を流れる逆向きの電流と位相がずれている。正しい大きさのコンデンサによって、本発明の方法を実施するのに必要な正確な位相シフトが可能となる。
【００２５】
各主巻線と追加巻線に使用される線の総断面積は、特有の比率に応じて、各巻線に配分される。特に、総断面積を１と定義した場合、主巻線の断面積は、約２／３であり、追加巻線の断面積は約１／３である。
【００２６】
本発明は、更に、交流電気モーターの新規な巻線方法である。特に、電気モーターの二つの巻線は、有利には、単一の工程として１回の作業で一度に製作される。
【００２７】
本発明は、追加巻線と直列のコンデンサの値をマイクロファラッド単位で計算する方法でもある。マイクロファラッド単位でのコンデンサの値は、実際の全負荷時の電流と正比例するとともに、線間電圧の平方根と反比例する。その分子には、定数又は０．２５×１０6 〜０．３×１０6 の範囲の倍率が乗算される。
【００２８】
本発明による単相電気モーターは、主共通点と電気的に接続された第一及び第二の主巻線と線間電圧の第一及び第二の主電圧線とを有する。それは、更に、巻線コンデンサと電気的に接続された第一及び第二の追加巻線と第一及び第二の主巻線と並列な第一及び第二の電圧線とを有する。第一及び第二の追加巻線の各々は、それに対応する第一又は第二の主巻線と逆向きの磁界を発生する。
【００２９】
始動用巻線は、第一及び第二の電圧線の中の予め選定された線と始動用コンデンサとの間に電気的に接続される。始動用コンデンサと第一及び第二の電圧線の中の予め選定された線との間には、スイッチが電気的に接続される。
【００３０】
各第一及び第二の主巻線の主導線の断面積は、それに対応する第一又は第二の追加巻線の断面積の約２倍である。この３／２〜３倍という倍率は、単相巻線と多相巻線の両方に対して適用される。
【００３１】
本発明は、モーターの力率を改善するだけでなく、電力消費量も低減するという別の特徴も有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
本発明の特徴及び対象を完全に理解するためには、添付図面を参照されたい。
【００３３】
ここで、図１を参照すると、従来技術の単相モーターが模式的に図示され、全体として符号１０で表示されているのが分かる。
【００３４】
単相モーター１０は、動作用巻線１２、始動用巻線１４及び動作用コンデンサ１６を有する。コンデンサ１６は、動作速度を達成した場合、始動シーケンス後直ちに始動用巻線を無効化する。それは、モーター１０の力率を改善しない。巻線１４を通って流れる電流は、モーターの用途によって必要な回転方向を決定するために、巻線１２と関連して流れる。
【００３５】
単相電気モーターは、通常始動用巻線回路の一部を構成する遠心スイッチ又は断路リレーと直列な始動用コンデンサを有する。動作用コンデンサの大きさをマイクロファラッド単位で正確に計算することは、電気モーターの効率を最適化し、それによって、始動トルク、始動及び運転電流、並びに温度を増大させることとなる。
【００３６】
例えば、図２は、そのような改善された単相電気モーターを模式的に図示しており、全体として符号１０ａで表示している。モーター１０ａは、動作用巻線１２、始動用巻線１４、始動用コンデンサ１６、遠心スイッチ又は断路リレー１８、並びに動作用コンデンサ２０を有する。
【００３７】
図３は、主巻線２１，２３及び２５をデルタ構成に配置した従来技術の三相モーターの模式図である。三相の各入力線間電圧は、Ｒ，Ｓ及びＴで表示されている。
【００３８】
図４は、主巻線２１，２３及び２５を星形構成に配置した従来技術の三相モーターの模式図である。三相の各入力線間電圧は、Ｒ，Ｓ及びＴで表示されている。星形結線の中心点は、０で表示されている。
【００３９】
従来技術の三相電気モーターの場合、極の数は、特定の用途の速度要件によって決まる。星形又はデルタ構成は、特定の用途において必要とされるトルク、馬力及び電圧を供給するような内部結線構造である。
【００４０】
図５は、従来技術の改善されたデルタ構成の三相電気モーター３０を図示している。三つの主巻線は、２１，２３及び２５で表示されており、三つの追加巻線は、２７，２９及び３１で表示されている。追加巻線のコンデンサは、３３，３５及び３７で表示されており、三相の線間電圧は、Ｒ，Ｓ及びＴで表示されている。
【００４１】
追加巻線２７は、コンデンサ３３と直列であり、これらの追加巻線２７とコンデンサ３３は、主巻線２１と並列に電気的に接続されている。追加巻線２７は、主巻線２１と同じ向きに接続されている。従って、主巻線２１と追加巻線２７を通って流れる電流は同じ向きである。コンデンサ３３は、追加巻線を流れる電流の位相を変化させ、その結果その電流は、主巻線２１を通って流れる電流と位相がずれる。このことは、モーターの無効電力を低減するとともに、定格の全負荷においてのみモーターの力率を改善する。巻線２７，２９及び３１の巻数は、巻線２１，２３及び２５と同じである。
【００４２】
追加巻線２９は、コンデンサ３５と直列であり、これらの追加巻線２９及びコンデンサ３５は、主巻線２３と並列に電気的に接続されている。追加巻線２９は、主巻線２３と同じ向きに接続されている。従って、主巻線２３と追加巻線２９を通って流れる電流は同じ向きである。コンデンサ３５は、追加巻線を通って流れる電流の位相を変化させ、その結果その電流は、主巻線２３を通って流れる電流と位相がずれる。このことは、モーターの無効電力を低減するとともに、定格の全負荷においてのみモーターの力率を改善する。
【００４３】
追加巻線３１は、コンデンサ３７と直列であり、これらの追加巻線３１及びコンデンサ３７は、主巻線２５と並列に電気的に接続されている。追加巻線３１は、主巻線２５と同じ向きに接続されている。従って、主巻線２５と追加巻線３１を通って流れる電流は同じ向きである。コンデンサ３７は、追加巻線を通って流れる電流の位相を変化させ、その結果その電流は、主巻線２５を通って流れる電流と位相がずれる。このことは、モーターの無効電力を低減するとともに、定格の全負荷においてのみモーターの力率を改善する。
【００４４】
図６は、従来技術の星形構成の三相電気モーターを図示している。三つの主巻線は、２１，２３及び２５で表示されるとともに、三つの追加巻線は、２７，２９及び３１で表示されている。追加巻線のコンデンサは、３３，３５及び３７で表示されるとともに、三相の線間電圧端子は、Ｒ，Ｓ及びＴで表示されている。主巻線の星形の中心点は、ＯＰで表示されるとともに、追加巻線の星形の中心点は、ＯＳで表示されている。図５のデルタ構成と同様に、各追加巻線は、それに対応するコンデンサと直列に電気的に接続されるとともに、直列に接続された追加巻線及びコンデンサの各々は、それに対応する主巻線と並列に電気的に接続されている。追加巻線は、それらに対応する主巻線と同じ向きに接続されている。各追加巻線の巻数は、それに対応する主巻線と同じである。
【００４５】
図７は、従来技術の電気モーターの巻線図である。それは、巻線の内部結線構造を図示するとともに、四つの極を示しており、各極は、それぞれ位相Ａ，Ｂ及びＣ用として表示されている（主巻線Ｙと追加巻線Ｖの両方における位相Ａ用の四つの極、位相Ｂ用の四つの極、位相Ｃ用の四つの極）。線Ｒの接続点は、主巻線Ｙに関して４０で表示され、追加巻線Ｖに関して４２で表示されている。線Ｓでは、主巻線Ｙに関して４４で表示され、追加巻線Ｖに関して４６で表示されている。線Ｔでは、主巻線Ｙに関して４８で表示され、追加巻線Ｖに関して５０で表示されている。追加巻線のコンデンサは、５２，５４及び５６で表示されている。この巻線パターンは、物理的に不平衡であることに留意されたい。デルタ結線４４は、デルタ結線４０と４８に対して同じ形態となっていない。
【００４６】
更に、デルタ結線４６は、デルタ結線４２と５０に対して同じ形態となっていない。このような物理的な不平衡は、回転子の回転方向に関して（時計回り又は反時計回りに）、二つの巻線間における位相角のずれに影響を与える。このような形式の巻線の内部結線構造は、一方の回転方向におけるエネルギー節約に影響を与える。
【００４７】
図５，６及び７の技術を従来技術の三相電気モーターに適用すると、全体的な銅密度の約１５％の向上と従来の巻線の二つの別個の巻線部分への（１／２の比率での）分離が実現される。
【００４８】
標準的なモーターを図５，６及び７の方式に変換するためには、次の条件が必要となる。
【００４９】
・全体的な銅密度の約１５％の向上
・従来の巻線の二つの別個の巻線部分への（１／２の比率での）分離
・当初の巻線配置の隣接する極の重ね巻きへの変換（二次磁極式構成は使用不可能）
・全体的な回路規模を同じとして、当初の結線形式のデルタ構成への変換（この技術は、星形構成の選択肢を提供するが、実地試験では、効率と電力消費量の両方において改善を示していない）
・次の式により、追加巻線のキャパシタンス値の計算
Ｃ＝Ｐ×｛（４６０）2 ／（Ｅ）2 ｝×１．５
ここで、Ｃは、位相毎のマイクロファラッド単位でのキャパシタンス値、
Ｐは、電気モーターの理論的な定格馬力、
１．５は、研究実験から導き出された倍率、
４６０は、一定の基本電圧である。
【００５０】
この公式は、モーターの負荷パラメータにおいて作用する実際の電磁界を考慮していないので、最適なキャパシタンス値を正確には算出しない。このような形式の電気モーターは、より良好な力率で動作し、そのため一定のエネルギーを節約するものである。しかし、これらは、品質が低く、耐用年数が比較的短い。
【００５１】
図８Ａ，８Ｂ，８Ｃ及び８Ｄは、本発明の技術思想を組み入れた単相電気モーターを図示している。
【００５２】
図８Ａでは、主巻線は、中心点０で分離され、それぞれ６２ａと６２ｂで表示された、二つの半区間で図示されている。主巻線の中心点は、デュアル電圧方式のために使用され、そのため標準的なモーターと同様に電圧の変更又は出力馬力の変更の際に必要であれば、直列又は並列に接続するとの選択肢を可能としている。
【００５３】
同様に、追加巻線も、６４ａと６４ｂで表示された、コンデンサ６６と直列な二つの半区間を有する。始動用巻線は、６８で表示され、始動用コンデンサは、７０で表示され、遠心スイッチ又は断路リレーは、７２で表示されている。重要なこととして、追加巻線６４ａ，６４ｂは、それらに対応する主巻線６２ａ，６２ｂと逆並列に接続されている。
【００５４】
図８Ｂでは、主巻線は、互いに並列に電気的に接続され、それぞれ６２ａと６２ｂで表示された、二つの半区間で図示されている。それ以外の全ての点において、図８Ｂの回路は、図８Ａの回路と同じである。
【００５５】
図８Ｃでは、追加巻線６４ａ，６４ｂは、互いに並列に、かつコンデンサ６６とは直列に電気的に接続されている。それ以外の全ての点において、図８Ｃの回路は、図８Ｂの回路と同じである。
【００５６】
図８Ｄでは、追加巻線６４ａ，６４ｂは、互いに並列に、かつコンデンサ６６とは直列に電気的に接続されている。それ以外の全ての点において、図８Ｄの回路は、図８Ａの回路と同じである。
【００５７】
図９は、本発明の技術思想を取り入れたデルタ結線された三相電気モーターを模式的に図示している。主巻線は、２２，２４及び２６で表示され、デルタ結線されている。追加巻線は、２８，３０及び３２で表示され、追加巻線のコンデンサは、３４，３６及び３８で表示されている。追加巻線及びそれらに対応する追加巻線のコンデンサも、デルタ構成で電気的に接続されている。三つの主巻線のデルタ結線点は、Ｒ，Ｓ及びＴで表示されている。入力線間電圧の接続点は、Ｒａ，Ｓａ及びＴａで表示されている。各追加巻線は、それに対応する主巻線とは異なる位相で電力を供給され、それによって、逆の電磁界状態に置かれている。各追加巻線も、本発明の方法により正確な位相シフトを生成する所定の値のコンデンサを有する。
【００５８】
追加巻線２８は、コンデンサ３４と直列であり、これらの巻線及びコンデンサ３４は、主巻線２４と並列に電気的に接続されている。追加巻線２８は、主巻線２４とは逆に接続されている。従って、主巻線２４を通って流れる電流は、第一の向きに流れ、追加巻線２８を通って流れる電流は、このの第一の向きとは逆の第二の向きに流れる。
【００５９】
追加巻線３０は、コンデンサ３６と直列であり、これらの追加巻線３０及びコンデンサ３６は、主巻線２６と並列に電気的に接続されている。追加巻線３０は、主巻線２６とは逆に接続されている。従って、主巻線２６を通って流れる電流は、第一の向きに流れ、追加巻線３０を通って流れる電流は、この第一の向きとは逆の第二の向きに流れる。
【００６０】
追加巻線３２は、コンデンサ３８と直列であり、これらの追加巻線３２及びコンデンサ３８は、主巻線２２と並列に電気的に接続されている。追加巻線３２は、主巻線２２とは逆に接続されている。従って、主巻線２２を通って流れる電流は、第一の向きに流れ、追加巻線３２を通って流れる電流は、この第一の向きとは逆の第二の向きに流れる。
【００６１】
追加巻線２８，３０及び３２の巻数は、それらに対応する主巻線２２，２４及び２６よりも少ない。しかし、追加巻線の巻数がそれらに対応する主巻線と同じであったとしても、モーターの動作において改善が見られる。しかし、追加巻線の巻数が主巻線の巻数を上回る場合、効率は著しく低下する。更に、追加巻線の巻数がそれらに対応する主巻線の巻数の半分より少ない場合、効率は又もや著しく低下する。そのため、各追加巻線の巻数は、それに対応する主巻線の巻数の５０％〜１００％にすべきであると結論付けることができる。実際の比率は、用途に依存し、更に、図１３と１４に図示されている通り、追加巻線の回路数を増減することによって、巻数を変更することができる。
【００６２】
図１０は、本発明の技術思想を組み入れた星形結線された三相電気モーターを模式的に図示している。三つの主巻線は、２２，２４及び２６で表示され、星形構成で結線されている。三つの追加巻線は、２８，３０及び３２で表示され、星形構成で結線さている。追加巻線のコンデンサは、３４，３６及び３８で表示されている。星形の結線点は、０で表示され、三つの線間電圧の接続点は、Ｒ，Ｓ及びＴで表示されている。
【００６３】
図９のデルタ構成と同様に、各追加巻線は、それに対応するコンデンサと直列に電気的に接続されており、直列接続された追加巻線及びコンデンサの各々は、それに対応する主巻線と並列に電気的に接続されている。追加巻線は、それらに対応する主巻線と逆向きに接続されており、各追加巻線の巻数は、少なくとも主巻線の巻数の半分に等しく、主巻線の巻数以下である。
【００６４】
より詳しくは、各追加巻線は、それに対応する主巻線と異なる位相で電力を供給される。主巻線２４と並列に電気的に接続された、巻線２２と物理的に入れ子にされるとともに、逆向きに接続された追加巻線２８は、コンデンサ３４を介して、主巻線２４の線Ｒと接続されている。主巻線２６と並列に電気的に接続された、巻線２４と物理的に入れ子にされるとともに、逆向きに接続された追加巻線３０は、コンデンサ３６を介して、主巻線２６の線Ｓと接続されている。主巻線２２と並列に電気的に接続された、巻線２６と物理的に入れ子にされるとともに、逆向きに接続された追加巻線３２は、コンデンサ３８を介して、主巻線２２の線Ｔと接続されている。このことは、明らかに追加巻線の電磁界が逆向きに有ることを示している。
【００６５】
図１１は、本発明にもとづき、各極が、それぞれ位相Ａ，Ｂ及びＣ用として表示された四つの極（主巻線Ｙと追加巻線Ｖの両方における位相Ａ用の四つの極、位相Ｂ用の四つの極及び位相Ｃ用の四つの極）を有し、これらの極がデルタ構成で隣接する三相電気モーターの内部結線図を図示している。線Ｒ用の接続点は、主巻線Ｙに対しては８０で表示され、追加巻線Ｖに対しては８２ａ，８２ｂで表示されている。線Ｓ用の接続点は、主巻線Ｙに対しては８４で表示され、追加巻線Ｖに対しては８６ａ，８６ｂで表示されている。主巻線Ｙの接続点８８は、線Ｔ用であり、接続点９０ａ，９０ｂは、追加巻線Ｖ用である。追加巻線のコンデンサは、それぞれ９２，９４及び９６で表示されている。
【００６６】
言い換えると、各主巻線及び追加巻線のデルタ結線の三つのデルタ結線点は、それぞれ主巻線に対して８０，８４及び８８で表示され、追加巻線に対して８２ａ，８２ｂ，８６ａ，８６ｂ及び９０ａ，９０ｂで表示されている。これらの接続構成は、主巻線Ｙにおいて、完全に対称的であり、互いに等間隔である。この新規な構成は、効率及び回転方向と関連したエネルギー節約問題を改善するものである。この図面は、デルタ構成において、速度が異なり、回路が複数個有る場合の回転と関連した問題を改善する四つの極と一つの回路のデルタ構成を図示している。
【００６７】
図１２に図示されている巻線の効率は、新規な巻線の中で最も高い。主巻線は、２２，２４及び２６で表示され、デルタ結線されている。追加巻線は、２８，３０及び３２で表示され、それらに対応する主巻線と逆に接続されていることに留意されたい。追加巻線に対して直列のコンデンサは、それぞれ３４，３６及び３８で表示されている。主巻線と追加巻線の両方は、デルタ構成で配置されている。追加巻線は、デルタ結線された主巻線内において物理的に入れ子に重ね合わされている。電力線との直接的又は固定的な接続が無い、即ち、巻線は、コンデンサを介してのみ電力を供給されるので、最も高い効率が実現される。このことは、互いに逆向きの電流と関連する問題を解消するとともに、主巻線の最も大きな不飽和を可能とするものである。
【００６８】
図１３に図示されている巻線の効率は、二番目に高い。主巻線２２，２４及び２６は、デルタ構成で配置されているが、追加巻線２８，３０及び３２は、星形構成に結線されて、主巻線のデルタ構成内において物理的に入れ子に重ね合わされている。巻線のコンデンサ３４，３６及び３８は、それぞれ追加巻線２８，３０及び３２と直列である。
【００６９】
図１４は、図１３の巻線と同じ効率を持つ巻線を図示している。主巻線２２，２４及び２６は、互いに星形構成で電気的に接続されているが、それぞれ対応する追加巻線２８，３０及び３２内において物理的に入れ子に重ね合わされている。追加巻線２８，３０及び３２は、デルタ構成で電気的に接続されて、主巻線の星（Ｙ）形構成内において物理的に入れ子に重ね合わされている。全ての実施形態と同様に、巻線のコンデンサ３４，３６及び３８は、それらに対応する追加巻線２８，３０及び３２と直列である。更に、全ての実施形態と同様に、追加巻線は、それらに対応する主巻線と逆向きに接続されており、追加巻線及びコンデンサは、それらに対応する主巻線と並列である。
【００７０】
三番目に良い効率は、図１５及び図９に模式的に図示されている実施形態によって得られる。主巻線２２，２４及び２６と追加巻線２８，３０及び３２の両方は、デルタ構成で電気的かつ物理的に入れ子に重ね合わされているが、図１４と１５を比較すると、追加巻線２８，３０及び３２は、図１５では、図１４と比べて反時計回りに１２０°回転した位置に有ることが分かる。従って、追加巻線３０は、隣接する主巻線２２と並列に配置されるとともに、それと逆向きに接続されており、追加巻線３２は、隣接する主巻線２４と並列に配置されるとともに、それと逆向きに接続されており、追加巻線２８は、隣接する主巻線２６と並列に配置されるとともに、それと逆向きに接続されている。
【００７１】
従来の単相又は三相電気モーターを本発明の技術思想を取り入れたモーターに変換することは、次の利点を有する。第一は、従来のモーターと比べて銅の密度が変わらないことである。第二は、従来の巻線を二つの異なる別個の巻線に分割する比率が約３：１又は３：２となることである。更に、巻線の配置、隣接又は連続する極の当初の形式を変更する必要が無いことである。
【００７２】
本発明による両方の巻線は、単一の工程において、一回の作業だけで同時に巻装、挿入することが可能である。
【００７３】
相毎に追加巻線のコンデンサのマイクロファラッド単位での値を計算することが可能である。この値は、相毎の全負荷時の実際のアンペア単位での電流と正比例するとともに、ボルト単位での線間電圧の平方根と反比例する。次に、その値は、約０．２５×１０6 〜０．３×１０6 の倍率によって決定される。この二つの巻線の新規な相互接続方式は、電磁界を逆向きに、そして互いに異なる位相で接続することである。
【００７４】
この新規な巻線は、全ての負荷に渡って、全体的な効率を向上させ、力率を大幅に改善するとともに、始動及び動作電流を著しく低下させるものである。例として、無負荷時に約６アンペアを必要とする従来の１０馬力のモーターは、ここに開示した通り、追加巻線とコンデンサを追加した場合、約０．６アンペアしか必要としない。全負荷状態において、従来約０．７４〜０．８４の力率で動作していた同じモーターが、この新規な開示にもとづき巻装すると、２５％の機械的負荷から機械的な全負荷に渡って、０．９９の力率で動作することとなる。
【００７５】
単相電気モーターでは、第一及び第二の主巻線は、それらの対応する第一の端部を主共通点と電気的に接続されるとともに、それらの対応する第二の端部を線間電圧の第一及び第二の電圧線と電気的に接続される。第一及び第二の追加巻線は、それぞれ巻線のコンデンサと直列に電気的に接続されるとともに、第一及び第二の電圧線は、第一及び第二の主巻線と逆並列に接続される。第一及び第二の追加巻線の各々は、それに対応する第一及び第二の主巻線が発生する電磁界と逆向きに電磁界を発生させる。
【００７６】
第一及び第二の主巻線は、第一の線径を有し、第一及び第二の追加巻線は、それぞれ第二の線径を有する。第一の線径は、第二の線径の約２倍である。
【００７７】
多相電気モーターは、線間電圧が加わっている三つの接続点においてデルタ構成で結線された複数の主巻線を有する。各主巻線は、第一の線径を有する。追加巻線と巻線のコンデンサは、各主巻線と並列に接続されている。追加巻線は、当該の第一の線径よりも小さい第二の線径を有する。追加巻線をそれに対応する主巻線と逆向きに接続することは、それに対応する主巻線の電磁界の向きと逆向きに電磁界を発生させる。
【００７８】
本発明は、負荷状態の全範囲に渡って交流モーター又は同期発電機の効率を大幅に改善するので、先駆的な発明である。多くの場合、無負荷及び低負荷状態においても、０．９０より大きな力率でモーターを動作させることが可能である。そのような性能は、モーターを動作させるのに必要な電力を半分に削減する。本発明によって、米国内で交流電気モーターが消費する全電力の約６４％もの多くの省エネルギーが実現される。本発明の先駆的な状況に鑑みて、添付の請求項は、侵害行為から本発明の核心又は真髄を保護するために、法律的に広く解釈される資格を有する。
【００７９】
２００２年６月２５日に出願された特許文献２を本明細書において参照し、ここに組み込むものとする。
【００８０】
従って、前述した対象及び先の記述から明らかとなる対象が効率的に得られるものと見込まれる。本発明の範囲から逸脱することなく、前記の構成に一定の変更を加えることができるので、先の記述に含まれる、或いは添付図面に図示された全ての事項は、説明するためのものであって、制限を加える意味に解釈してはならないものとする。
【００８１】
特許請求の範囲は、ここで述べた本発明の包括的な特徴及び特定の特徴の全て、並びに言語の問題として行間に述べられているかもしれない本発明の範囲の全ての明細を包含することを意図するものであると理解されたい。
【００８２】
以上の通り、本発明の記載を終える。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】従来技術の単相電気モーターの模式図
【図２】改善された従来技術の単相電気モーターの模式図
【図３】従来技術のデルタ構成の三相モーターの模式図
【図４】従来技術の星形構成の三相モーターの模式図
【図５】従来技術のデルタ構成の三相モーターの模式図
【図６】従来技術の星形構成の三相モーターの模式図
【図７】従来技術の四つの極を備えた電気モーターの内部結線図
【図８Ａ】本発明の技術思想を取り入れた単相電気モーターの模式図
【図８Ｂ】本発明の技術思想を取り入れた単相電気モーターの模式図
【図８Ｃ】本発明の技術思想を取り入れた単相電気モーターの模式図
【図８Ｄ】本発明の技術思想を取り入れた単相電気モーターの模式図
【図９】本発明の技術思想を取り入れたデルタ構成の三相電気モーターの模式図
【図１０】本発明の技術思想を取り入れた星形構成の三相電気モーターの模式図
【図１１】本発明の技術思想を取り入れた四つの極を備えた三相電気モーターの隣接する極をデルタ構成とした内部結線図
【図１２】本発明の技術思想を取り入れたデルタ構成のモーターの模式図
【図１３】本発明の技術思想を取り入れたデルタ構成のモーターの模式図
【図１４】本発明の技術思想を取り入れた星形（Ｙ）構成のモーターの模式図
【図１５】本発明の技術思想を取り入れたデルタ構成のモーターの模式図
【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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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