(57)【要約】電動機、発電機、あるいはモータ兼発電機として動作可能な均衡型多重電圧装置用の固定子配列は、当該装置の回転子を囲むように構成された複数の円弧形状部分から成っている。当該円弧形状部分はそれぞれ、固定子巻線の組から成り、各組は少なくとも一つの巻線を有している。固定子配列に於いて直径方向に対向する位置に配置される円弧形状部分のペアの巻線は、当該装置に負荷の不均衡が生じないよう、同時に電源の投入・切断が行なわれる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機、発電機、あるいはモータ兼発電機として動作可能な装置用の固定子配列であって、
前記固定子配列は、前記装置の回転子を囲むように構成された複数の円弧形状部分を備え、前記円弧形状部分はそれぞれ複数の固定子巻線の組を含み、各組は少なくとも一つの巻線を有していて、
前記固定子配列に於いて直径方向の対向する位置に配置される複数のペアの前記円弧形状部分の巻線は、前記装置に負荷の不均衡が生じないよう、同時に電源の投入・切断が行なわれる、
ことを特徴とする固定子配列。
【請求項２】
直径方向に対向する位置に配置された前記円弧形状部分は、一つの駆動母線を共有する
ことを特徴とする請求項１に記載の固定子配列。
【請求項３】
少なくとも一つの前記円弧形状部分のペアは交流駆動部に接続して使用され、少なくとも一つの前記円弧形状部分の他ペアは直流駆動部に接続して使用される
ことを特徴とする請求項１に記載の固定子配列。
【請求項４】
前記複数のペアの円弧形状部分の前記巻線は、共有された出力と均一な電流を有するように、直列に接続される
ことを特徴とする請求項１に記載の固定子配列。
【請求項５】
前記円弧形状部分のペアの前記巻線は、同一の電圧と負荷を有する駆動部に接続される
ことを特徴とする請求項１に記載の固定子配列。
【請求項６】
前記巻線はそれぞれ、単一の固定子歯部にのみ巻回される
ことを特徴とする請求項１に記載の固定子配列。
【請求項７】
前記装置は、３対２のスロット対磁極比を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の固定子配列。
【請求項８】
少なくとも八個の前記円弧形状部分が前記回転子を囲む
ことを特徴とする請求項１に記載の固定子配列。
【請求項９】
十個の前記扇面体部が前記回転子を囲む
ことを特徴とする請求項１に記載の固定子配列。
【請求項１０】
均衡型多重電圧装置であって、
前記装置の回転子を囲むように構成された複数の円弧形状部分を備え、前記円弧形状部分はそれぞれ固定子巻線の集合体から成り、各集合体は少なくとも一つの巻線を有していて、
前記装置の固定子配列に於いて直径方向の対向する位置に配置される前記円弧形状部分のペアの巻線は、同時に電源の投入・切断が行なわれる、
ことを特徴とする均衡型多重電圧装置。
【請求項１１】
前記装置は多重電圧発電機である
ことを特徴とする請求項１０に記載の均衡型多重電圧装置。
【請求項１２】
前記装置はモータである
ことを特徴とする請求項１０に記載の均衡型多重電圧装置。
【請求項１３】
前記装置はモータ兼発電機である
ことを特徴とする請求項１０に記載の均衡型多重電圧装置。
【請求項１４】
直径方向に対向する位置に配置された前記円弧形状部分は、駆動母線を共有する
ことを特徴とする請求項１０に記載の均衡型多重電圧装置。
【請求項１５】
少なくとも一つの前記円弧形状部分のペアは交流駆動部に接続されて使用され、少なくとも一つの前記円弧形状部分の他ペアは直流駆動部に接続されて使用される
ことを特徴とする請求項１０に記載の均衡型多重電圧装置。
【請求項１６】
前記円弧形状部分のペアの前記巻線は、共有された出力と均衡電流を有するように、直列に巻回される
ことを特徴とする請求項１０に記載の均衡型多重電圧装置。
【請求項１７】
前記円弧形状部分のペアの前記巻線は、同一の電圧と負荷を有する駆動部に接続される
ことを特徴とする請求項１０に記載の均衡型多重電圧装置。
【請求項１８】
前記巻線はそれぞれ、単一の固定子歯部にのみ巻回される
ことを特徴とする請求項１０に記載の均衡型多重電圧装置。
【請求項１９】
前記装置は、３対２のスロット対磁極比を有する
ことを特徴とする請求項８に記載の均衡型多重電圧装置。
【請求項２０】
少なくとも八個の前記円弧形状部分が前記固定子を囲む
ことを特徴とする請求項１０に記載の均衡型多重電圧装置。
【請求項２１】
十個の前記扇面体部が前記固定子を囲む
ことを特徴とする請求項１０に記載の均衡型多重電圧装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の規定により、２０１１年１月３１日に出願された米国仮出願第６１／４３７，８６８号の優先権を主張するものであり、その全開示内容を本明細書に引用して援用する。
【０００２】
本発明は、電動機や発電機やモータ兼発電機として動作可能な装置の固定子配列を改良するものである。
【背景技術】
【０００３】
リポ等の米国特許第６２４２８８４号は、駆動電力が別々に供給される入力端子を備えた一対の巻線を有する二重固定子巻線誘導機を開示している。 二つの固定子巻線は、磁気結合を避けつつ巻線によって生じる回転力を分離するために、異なる磁極数を備えている。
【０００４】
リポ等の米国特許第６７１０４９５号は、同一基本周波数を有する二つの電源にそれぞれ基本周波数の三次高調波成分を加えて巻線に電力が供給される、一対の三相巻線を備えたモータを開示している。
【０００５】
クルーガーの米国特許第７３６５５０４号は、必要に応じ全体としてのトルクを増加するため、磁気的に非結合となる独立固定子巻線を複数セット備えたモータを開示している。
【０００６】
リポ等の特許（第６２４２８８４号）、リポ等の特許（第６７１０４９５号）、およびクルーガーの特許（第７３６５５０４号）は全て、必須ではないが発明対象に係るため、全内容を本明細書に援用する。
【０００７】
例えば、２８ＶＤＣ，１２０ＶＡＣ，２４０ＶＡＣなどの異なる複数の出力電圧で大電力を供給できるブラシレス発電機と電子駆動システムがあると望ましい。これに対し、通常は、必要電圧のうちの最大値などに併せて発電機の巻線を構成し、電子駆動ＡＣ／ＤＣ変換機を使用して直流電圧の出力を提供したり、変圧器や電子式ＡＣ／ＡＣ変換機を使用して異なる交流出力を提供したりする。ただ、この解決策は、大がかりで、重く、非効率的であり、かつ複雑である。異なる出力電圧の様々な電力が、時間と共に大きく変動し得る。例えば、ある時点で、２８ＶＤＣ出力の必要電力がゼロであるかと思うと、２４０ＶＡＣ出力では最大負荷電力が必要となったりする。
【０００８】
巻線が複数スロットにまたがる標準巻線を使用すると、並列する別の巻線の隣接コイル間で強い結合が発生し、上記のように巻線間の電圧結合を引き起こすことになる。単一歯部の巻線とすると、回転子の巻線周りに著しい力の不均衡が生じ、結果としてベアリングが過度に摩耗したり、ノイズが発生したりする。
【発明の概要】
【０００９】
本発明の目的の一つは、巻線が力均衡となり回転子の合力が無視できる程度となるように、異なる電圧が異なる負荷で動作するよう巻数が組める巻線を並列して別々に備える、三相ブラシレスモータ／発電機用の巻線構成を提供することである。
【００１０】
従って、本発明によれば、電動機、発電機、あるいはモータ兼発電機として動作可能な装置用の固定子配列は、当該装置の回転子を囲むように構成された複数の円弧形状部分から成っている。当該円弧形状部分はそれぞれ、固定子巻線の集合体から成り、各集合体は少なくとも1つの巻線を有している。固定子配列に於いて直径方向の対向する位置に配置される円弧形状部分のペアの巻線は、当該装置に負荷の不均衡が生じないよう、同時に電源の投入・切断が行なわれる。
【００１１】
様々な電圧の電力需要に対する標準的な解決方法としては、一般的にＤＣ／ＤＣおよびＤＣ／ＡＣ変換モジュールを用いて電子式電力変換を行なう。本発明によれば、異なる複数の電圧で電力を必要とする場合、より小型で、より軽く、より単純で、より効率的で、しかもより安価な解決策を提供できる。
【００１２】
本発明では、密封された巻線が適切な場合にはそれも利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】三つの円弧形状部分が均等に負荷された、既知の二重電圧・三円弧形状部分発電機と、回転子に生じる力ベクトルの概略図である。
【図２】図１と同様の概略図であるが、発電機の三つの円弧形状部分のうち二つのみが均等に負荷され、残りの一つは無負荷となっている。
【図３】本発明の一実施形態による、均衡型二重電圧発電装置の１２００ｒｐｍでの概略図である。
【図４】図３で示された装置のより高い１９００ｒｐｍでの概略図である。
【図５】本発明に係る均衡型二重電圧発電装置を組み込んだシステム全体の配線構造の概略図であり、物理的に向かい合う位置にあり、均衡する電圧を発電する複数の部分への電流供給を示している。
【図６】システム全体の配線構造に組み込まれた発電機で生じる不均衡な力の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下の説明に於いて、図面に図示し本発明の主題となる各構成は、主として「発電機」とするが、これから説明する原理は電動機の構成にも同様に適用可能であり、本発明は発電機への適用のみに限定されないことを理解されたい。
【００１５】
既知の、図１に概略的に図示した二重電圧発電機には、三つの円弧形状部分１０、１２、１４が備わっている。各円弧形状部分１０、１２、１４からの電力出力は、例えば、１０ｋＷである。図から明らかなように、円弧形状部分に均等に負荷が掛かる場合、発電機の回転子（図示せず）に発生する力ベクトル１６、１８、２０は均衡を保つ。
【００１６】
既知の二重電圧発電装置の使用中に、電気的負荷および隣り合う円弧形状部分の構造が等しくないことによって、磁気的に不均衡な負荷が発生するという問題が起こる。図２は、例えば、二つの隣り合う円弧形状部分１０と１２には均等に負荷が接続されるが、第三の円弧形状部分１４には負荷が接続されないときの、図１の発電機を示している。ここで、円弧形状部分１０と１２の各々からの出力電力は、例えば、１０ｋＷであり、一方当該円弧形状部分に全く負荷が接続されていないと、残りの円弧形状部分１４からの出力電力は０ｋＷとなる。このような状況では、発電機の回転子に円弧形状部分１４により生成される力ベクトル２０が無いので、回転アンバランス力ベクトル１６と１８が存在することによって大きな回転不均衡が生じてしまう。一例では、そのような不均衡は回転子一回転あたり約４００ポンド（約１８１ｋｇ）となることが複数回あった。
【００１７】
図３は、本発明に係る均衡型二重電圧発電機（またはモータ）３０の一実施形態の概略図である。図３で特定され、本明細書で図３の説明として述べる条件が存在する場合には、図示した巻線構成は、１２００ｒｐｍの回転子入力で動作すると考えられる。発電機３０は、対向する円弧形状部分がペアとなる１０個の円弧形状部分で形成され、このような各ペアはそれぞれの駆動母線を共有する。後記で説明するように、このような構成は、モータもしくは発電機の回転子の力ベクトル和がゼロになるという点で、均衡している。
【００１８】
図３の構成では、円弧形状部分３２と４２が共に第一円弧形状部分ペアを形成し、円弧形状部分３４と４４が共に第二円弧形状部分ペアを形成し、円弧形状部分３６と４６が共に第三円弧形状部分ペアを形成し、円弧形状部分３８と４８が共に第四円弧形状部分ペアを形成し、円弧形状部分４０と５０が共に第五円弧形状部分ペアを形成する。複数の個別の巻線が、円弧形状部分のそれぞれに含まれている。図示した条件下で、第一円弧形状部分ペアの円弧形状部分３２と４２は各々１２０ＶＡＣで動作して５．２ｋＷを出力し、第二と第五の円弧形状部分ペアである円弧形状部分３４と４４、円弧形状部分４０と５０は動作しておらず、第三と第四の円弧形状部分ペアである円弧形状部分３６と４６、円弧形状部分３８と４８は各々２８ＶＤＣで動作して４．６ｋＷを出力する。従って、図示した条件下では、２８ＶＤＣでの出力電力が１８．４ｋＷ，１２０ＶＡＣでの出力電力が１０．４ｋＷで、総出力電力は２８．８ｋＷである。
【００１９】
図３はまた、各円弧形状部分のＡＴ（アンペア・ターン）から受ける、発電機回転子上の標準化された力ベクトルを描出している。図３に図示した条件下では、第一ペアの円弧形状部分３２と４２の各々から発生する１２６８ＡＴ（の起磁力）が、それぞれ１．０の標準化された力ベクトル６０と６２になると考えられる。そして、第三および第四ペアの円弧形状部分３６と４６、および３８と４８の各々から発生する１０８５ＡＴが、それぞれ０．８６の標準化された力ベクトル６４と６６、および６８と７０になる。動作していない第二と第五の円弧形状部分ペア３４と４４、および４０と５０に関しては、ゼロの大きさの力ベクトル（つまり、力ベクトル無し）となる。
【００２０】
図４は、本発明に係る均衡型二重電圧発電機（または電動機）３０の概略図を、複数の異なる条件の下で示している。図４で示し、図４の本説明でも記す条件が存在するとき、図示した巻線構成は、１９００ｒｐｍの回転子入力で動作するものとする。前と同様に、この構成は、発電機の回転子の力ベクトルの和がゼロとなるように均衡している。
【００２１】
図４に示す条件下では、第一、第二、第五の扇型ペアの円弧形状部分３２と４２、３４と４４、４０と５０はそれぞれ、１２０ＶＡＣで動作して５．２ｋＷを出力し、一方、第三と第四ペアの円弧形状部分３６と４６、および３８と４８はそれぞれ、２８ＶＤＣで動作して４．６ｋＷを出力する。従って、図示した条件下では、２８ＶＤＣでの電力出力が１８．４ｋＷ，１２０ＶＡＣでの電力出力が３１．２ｋＷで、総電力出力は４９．６ｋＷである。
【００２２】
図４はまた、各円弧形状部分のＡＴから受ける、発電機回転子上の標準化された力ベクトルを描出している。図４に図示した条件下では、第一、第二、第五の扇型ペアの円弧形状部分３２と４２、３４と４４、４０と５０の各々から発生する１１２１ＡＴ（の起磁力）が、それぞれ１．０の標準化された力ベクトル６０と６２、６１と６３、７１と７３になると考えられる。そして、第三および第四ペアの円弧形状部分３６と４６、および３８と４８の各々から発生する９８０ＡＴが、それぞれ０．８７の標準化された力ベクトル６４と６６、および６８と７０になる。
【００２３】
各動作モードでは、発電機またはモータ３０全体に円弧形状部分を幾何学的に配置する方法により、モータまたは発電機の回転子に掛かる力を均衡させ、回転子に負荷を生む力ベクトルの総和はゼロとする。この均衡を達成するために、一つの駆動母線を共有し相応する円弧形状部分を互いに１８０度離して、つまり真向かいに配置する。均衡型二重電圧を上記説明のように構成することにより、発電機またはモータ３０全体の負荷が不均衡であっても、磁力負荷が確実に均衡するようになっている。各円弧形状部分における出力ワット数も、相応する出力ワット数の真向かいに配置されるので、熱上昇もほぼ対称形として観察される。
【００２４】
本発明に係る均衡型二重電圧発電機３０を組み込んだシステム全体の配線構造の概略図を図５に示す。ほんの一例として、図５に示すシステムは、三つの１２０ＶＡＣ動力８０、８２、８４と、二つの２８ＶＤＣ動力８６，８８を備えるものとする。なお、図５のシステムで利用される発電機３０は、八個の円弧形状部分を備え、図３と図４に示した十個の円弧形状部分とは異なることが判る。個々の動力８０、８２、８４、８６、８８に電流を供給するため、互いに真向かいにある円弧形状部分はいっしょに使用される。したがって、もし１２０ＶＡＣの動力８０だけに電流を供給して電力を出力し、他の動力８２，８４，８６，８８のいずれの出力も伴わないのであれば、発電機３０内で互いに１８０度離れて、つまり真向かいに配置された二つの円弧形状部分を使用して必要な電力を提供する。これらの円弧形状部分により動力８０に供給される電流ｉ１とｉ２は同一である。他の動作しない六つの円弧形状部分ペア由来の力ベクトルはゼロの大きさ（つまり、力ベクトルが無い）であるが、二つの動作する円弧形状部分自体が互いに１８０度離れて、つまり真向かいに位置しているので、動作している単一ペアの円弧形状部分によって発電機の回転子（図示せず）上に生じる同一の負荷Ｆ１とＦ２は対向する。発電機３０は、これらの負荷Ｆ１とＦ２を互いに真向かいに配置することによって磁気均衡を保ち、発電機の回転子やそれを支持する部品が不均衡に回転すること、およびこの回転の不均衡により生じる摩耗を最小限に抑えている。
【００２５】
図６は、関連動力１００用の電圧発電円弧形状部分が互いに真向かいに位置する配置ではなく、発電機回転子が不均衡に回転する可能性がある方法の概略図である。図６に示した負荷Ｆ１’とＦ２’を生ずる、発電機３０’の円弧形状部分は互いに物理的に隣接しているので、大きな力の不均衡が発生する可能性がある。図６の負荷Ｆ１’とＦ２’は大きさが同一であるかもしれないが、これらの負荷Ｆ１’とＦ２’は対向しないので、回転不均衡に起因する発電機回転子やその軸受に対する悪影響が増幅する可能性がある。
【００２６】
上記から明らかなように、本発明は、多くの並列部分を有するブラシレス電動機・発電機用の巻線方法であって、各々の並列部分は適切な巻数で巻かれて、機器を駆動するのに必要な交流入力電圧を提供し、その後さらに変換することはしないで、必要な交流出力電圧で電力を直接提供するか、必要な直流電圧に整流する。並列巻線は、１８０度離れた位置にある複数の並列巻線部からなるペアが常に複数個存在するように、選択される。巻線のペアとして必要なそれぞれの電圧・電力は共有され、対向する巻線が同じ電流、したがって、同じＡＴを有することが保証される。こうすることで、ペアを構成する、対向する巻線によって回転子に常に同じ力がかかることになり、そして、それらの巻線が１８０度離れているので、回転子にかかる正味の力はゼロとなる。
【００２７】
前述の並列巻線部のすべてのペアは、二つの方法で接続できる。第一の方法は、１８０度離れた同じ相の対応する複数のコイルを直列に接続する方法である。この方法によれば、強制的に、二つのコイルが出力を共有し、常に均一な電流、したがって、均衡力を有する。第二の方法は、単純に一方の巻線部を所定の電圧駆動・負荷部に接続し、ペアとなる１８０度対向する部位を同じ電圧の別の駆動・負荷部に接続するというものである。これらの駆動部は、名目上は負荷を共有するように、出力側で並列に接続する。この場合、力が均衡するかどうかは、駆動部が、対向する巻線部に等しい電流を流せるかどうかに依存する。この第二の方法によれば、対向する部位の接続が簡素化され、約１８０度の相互接続配線の引き回しが不要となる。
【００２８】
巻線部を選択する際にさらに考慮すべき点は、異なる負荷に給電する巻線間に相互結合が生じるおそれがあることである。これは、異なる巻線回数の場合に特に当てはまる。巻線間に何らかの相互結合があると、これらの巻線における電圧及び電流を制御する駆動部が、以下の二つの問題の影響を受けやすくなる。
【００２９】
１．電圧のパルス幅変調（ＰＷＭ）スイッチングの同期がとれず、したがって、ある巻線のＰＷＭスイッチングの際に近接する巻線に誘導電圧が発生することがある。
【００３０】
２．電気的基本周波数で、相互結合によってある巻線から他の巻線に電圧が誘導され、その電圧が各巻線の電流制御と干渉することがある。
【００３１】
従って、「拡がり」（スパン）が一つしかなく、隣り合う歯部との相互結合が最小となるよう単一歯部にコイルを巻回するために、巻線を集結させるか単一歯部巻線とした巻線を使用することが望ましい。
【００３２】
上記の基準を満たす巻線の例としては、スロット・磁極の組み合わせが、３０スロット・２０磁極や４８スロット・３２磁極などとなる。換言すれば、スロット対磁極の比は３対２が好適であり、ここで２は組み合わせのスロット数と磁極数の両方の共通因数となる。
【００３３】
上記の開示内容は、本発明を例示するためにだけ記載されたのであって、限定することを意図するものではない。開示された実施形態を本発明の精神と本質を取り込んで変更することは、当業者であれば想到できるので、本発明は、添付された特許請求の範囲および同等のものの範囲内のすべてを含むと解釈されるべきである。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成25年12月12日(2013.12.12)
【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】請求項１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１９】
前記装置は、３対２のスロット対磁極比を有する
ことを特徴とする請求項１０に記載の均衡型多重電圧装置
【国際調査報告】
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