(57)【要約】本発明の方法および装置は、所望の出力周波数に基づいたオルタネータの一部の飽和レベルを変えること、および、好ましくは、直流または交流として適切な負荷にもたらされる所望の電気出力を生成するように出力を整流することにより、１つまたは複数の固定あるいは可変の速度オルタネータからの所望の出力周波数で電流を生成するためのものである。
2010504723.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のオルタネータおよび第２のオルタネータを備えた装置であって、
各オルタネータは、ロータおよびステータを有し、ステータは、ステータとロータの間に協働的に画定された複数のロータ磁気回路と、複数の二次磁気回路と、を有し、
各ロータ磁気回路は、ステータの少なくとも１つの電力巻線の第１の部分を取り囲み、各二次磁気回路は、ロータ磁気回路の外側に配置された前記電力巻線の第２の部分を取り囲み、
制御巻線にわたる飽和制御電流がロータ磁気回路と異なる二次磁気回路の少なくとも一部を磁気的に飽和させるように、少なくとも１つの制御巻線が前記二次磁気回路に関連し、
一方の二次磁気回路において、関連する制御巻線およびステータ巻線の第２の部分が同一の方向にステータの周りに巻かれ、他方の二次磁気回路では、関連する制御巻線およびステータ巻線の第２の部分が対向する方向に巻かれるように、二次磁気回路が対をなし、
前記装置は、さらに、
各オルタネータの少なくとも１つの制御巻線に接続され、かつ周期的な直流制御電流フローをもたらすように適合された制御電流源アッセンブリであって、前記直流電流フローは、二次磁気回路の前記部分を飽和させるのに要する飽和レベルを超える最大振幅を有する、制御電流源アッセンブリと、
前記第１のオルタネータの少なくとも１つの電力巻線からの交流を直流にコンバートする第１の整流器と、
前記第２のオルタネータの少なくとも１つの電力巻線からの交流を直流にコンバートする第２の整流器と、
前記整流器からの直流を交流出力にコンバインするコンバイナ回路と、
を備えることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記制御電流源アッセンブリは、各オルタネータに可変の振幅の直流制御電流フローを提供し、該フローは、他方にもたらされた電流と位相がずれて変化することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記制御電流源アッセンブリは、前記交流出力の半サイクルに対応する各オルタネータに間欠的な直流制御電流フローをもたらすことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記制御電流源アッセンブリは、半正弦パターンで変化する直流制御電流フローをもたらすことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
周期的な直流制御電流フローの周波数は、各オルタネータの回転速度から独立していることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
第１および第２のオルタネータは、共通の磁気ロータを有する単一の機械を有し、各オルタネータのステータは、前記機械のステータアッセンブリの実質的に独立したセクタとして画定され、前記ステータは、ステータアッセンブリ内で、互いに実質的に磁気的に分離されており、前記ステータの電力巻線は、互いに電気的に分離されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
各二次磁気回路は、各ステータ内に全体的に設けられることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
ステータは、２つの独立した部分を備え、
ロータ磁気回路および二次磁気回路は、前記ステータ部分のうち異なる部分に画定されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項９】
ステータは、複数の半径方向の第１のスロットを有し、このスロット内に電力巻線の第１の部分が位置し、
第１の磁気回路の各々が少なくとも１つの第１のスロットを取り囲むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
ステータは、複数の第２のスロットを有し、このスロット内に、電力巻線の第２の部分および制御巻線の一部が位置し、
第２の磁気回路の各々が１つの第２のスロットを取り囲むことを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
オルタネータ交流を生成するように原動機に駆動可能に接続された少なくとも１つのオルタネータを備えた装置であって、
オルタネータは、ロータと、ステータアッセンブリと、飽和装置と、を有し、ステータアッセンブリは、オルタネータ交流をもたらす少なくとも１つのステータ巻線を有し、ステータ巻線は、互いに連続的に接続された少なくとも一対のレッグを有し、レッグは、ステータアッセンブリに対して、互いに周方向に離間しており、
ロータおよびステータアッセンブリは、ロータ磁束を伝導する少なくとも２つのロータ磁気回路を画定するように協働し、１つのロータ磁気回路が、ステータ巻線の一方のレッグの第１の部分を取り囲み、他の１つのロータ磁気回路が、ステータ巻線の他方のレッグの第１の部分を取り囲み、
ステータアッセンブリは、磁束を伝導する少なくとも一対の二次磁気回路を画定し、１つの二次磁気回路が、ステータ巻線の一方のレッグの第２の部分を取り囲み、他の１つの二次磁気回路が、ステータ巻線の他方のレッグの第２の部分を取り囲み、二次磁気回路は、ロータ磁気回路から離間しており、
飽和装置は、各二次磁気回路の少なくとも一部に関連し、各二次磁気回路の少なくとも一部は、ロータ磁気回路から離間しており、飽和装置は、選択された周波数で、各二次磁気回路の前記部分を選択的に磁気的に飽和させるように適合され、飽和装置は、１つの二次磁気回路を循環する磁束と同じ方向に向かう１つの二次磁気回路を磁気的に飽和させ、かつ他の１つの二次磁気回路を循環する磁束と対向する方向に向かう他の１つの二次磁気回路を磁気的に飽和させるように適合され、
前記装置は、さらに、
ステータ巻線に接続され、かつオルタネータ交流を直流にコンバートする交流／直流コンバート回路と、
交流／直流コンバート回路に接続され、かつ選択された周波数に比例する出力周波数を有する交流出力に直流をコンバートする直流／交流コンバート回路と、
を備えることを特徴とする装置。
【請求項１２】
ステータは、複数の周辺スロットを有し、
ステータ巻線のレッグの第１の部分が、異なる前記スロット内に位置することを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
選択された周波数は、オルタネータの回転速度から独立していることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
原動機は、オルタネータを可変速度で駆動し、
選択された周波数は、実質的に固定されることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１５】
所望の周波数は、オルタネータの回転速度よりも低いことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１６】
前記交流出力をモニタするフィードバックモニタ回路をさらに備え、
前記モニタ回路は、飽和装置および直流／交流コンバート回路の少なくとも一方と通信することを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１７】
ステータアッセンブリは、ロータ磁気回路を画定する第１のステータと、二次磁気回路を画定する第２のステータと、を含むことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１８】
オルタネータ交流を生成するように原動機に駆動可能に接続された少なくとも１つのオルタネータを備えた装置であって、
オルタネータは、ロータと、オルタネータ交流をもたらす少なくとも１つのステータ巻線を有するステータアッセンブリと、を有し、
ステータ巻線は、互いに連続的に接続された少なくとも一対のレッグを有し、レッグは、ステータアッセンブリに対して互いに周方向に離間しており、
ロータおよびステータアッセンブリは、ロータ磁束を伝導する少なくとも２つのロータ磁気回路を画定するように協働し、１つのロータ磁気回路が、ステータ巻線の一方のレッグの第１の部分を取り囲み、他の１つのロータ磁気回路が、ステータ巻線の他方のレッグの第１の部分を取り囲み、
ステータアッセンブリは、磁束を伝導する少なくとも一対の二次磁気回路を画定し、１つの二次磁気回路が、ステータ巻線の一方のレッグの第２の部分を取り囲み、他方の二次磁気回路が、ステータ巻線の他方のレッグの第２の部分を取り囲み、二次磁気回路は、ロータ磁気回路から離間しており、
二次磁気回路は、飽和装置を有し、該飽和装置は、二次磁気回路の少なくとも一部に巻かれる少なくとも１つの制御巻線を有し、二次磁気回路の前記少なくとも一部は、ロータ磁気回路から離間しており、制御巻線は、飽和閾値電流が制御巻線を通るときに、二次磁気回路の前記部分を磁気的に飽和させ、一方の二次磁気回路は、関連するステータ巻線のレッグの第２の部分と同じ方向に巻かれた制御巻線を有し、他方の二次磁気回路は、関連するステータ巻線のレッグの第２の部分に対して対向する方向に巻かれた制御巻線を有し、
前記装置は、さらに、
選択された周波数および少なくとも前記飽和閾値電流の最大振幅を含む可変振幅電流を制御巻線にもたらす制御電流源と、
ステータ巻線に接続され、かつオルタネータ交流を直流にコンバートする交流／直流コンバート回路と、
交流／直流コンバート回路に接続され、かつ選択された周波数に比例する出力周波数を有する交流出力に直流をコンバートする直流／交流コンバート回路と、
を備えることを特徴とする装置。
【請求項１９】
制御巻線にもたらされる電流は、前記所望の周波数により振幅が変わる直流であることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
振幅は、半正弦で変わることを特徴とする請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
制御巻線は、ステータ巻線の各レッグの第２の部分に対して複数の巻数比を有することを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２２】
ステータは、複数の周辺スロットを有し、
ステータ巻線のレッグの第１の部分が、異なる前記スロット内に位置することを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２３】
選択された周波数は、オルタネータの回転速度から独立していることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２４】
原動機は、オルタネータを可変速度で駆動し、
選択された周波数は、実質的に固定されていることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２５】
選択された周波数は、オルタネータの純粋な出力周波数よりも低いことを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２６】
選択された周波数は、複素周波数であることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２７】
出力周波数は、選択された周波数と実質的に等しいことを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２８】
出力周波数は、実質的に、選択された周波数の半分であることを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２９】
前記交流出力をモニタするフィードバックモニタ回路をさらに備え、
前記モニタ回路は、制御電流源および直流／交流コンバート回路の少なくとも一方と通信することを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項３０】
ステータアッセンブリは、ロータ磁気回路を画定する第１のステータと、二次磁気回路を画定する第２のステータと、を含むことを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項３１】
直流／交流コンバート回路は、選択された周波数で駆動されるスイッチ装置を含むことを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項３２】
前記少なくとも１つのオルタネータは、制御電流源および交流／直流コンバート回路をそれぞれ有する少なくとも２つのオルタネータを含み、
直流／交流コンバート回路は、各オルタネータに関連する交流／直流コンバート回路から受ける直流を加え、交流出力をもたらすことを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項３３】
オルタネータは、実質的に同じ速度で駆動されることを特徴とする請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
オルタネータは、共通のロータを有し、
各ステータは、共通のステータ本体の重ならないセクタに設けられることを特徴とする請求項３３に記載の装置。
【請求項３５】
オルタネータは、同じ原動機によって駆動されることを特徴とする請求項３３に記載の装置。
【請求項３６】
各二次磁気回路は、ステータ巻線の１つのレッグだけを取り囲むことを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項３７】
ロータと、ステータアッセンブリと、飽和装置と、を有するオルタネータを備えた装置であって、
ステータアッセンブリは、少なくとも１つのステータ巻線を有し、ステータ巻線は、互いに連続的に接続された少なくとも一対のレッグを有し、レッグは、ステータアッセンブリに対して互いに周方向に離間しており、
ロータおよびステータアッセンブリは、ロータ磁束を伝導する少なくとも２つのロータ磁気回路を画定するように協働し、１つのロータ磁気回路が、ステータ巻線の一方のレッグの第１の部分を取り囲み、他の１つのロータ磁気回路が、ステータ巻線の他方のレッグの第１の部分を取り囲み、
ステータアッセンブリは、磁束を伝導する少なくとも２つの二次磁気回路を画定し、１つの二次磁気回路が、ステータ巻線の一方のレッグの第２の部分を取り囲み、他の１つの二次磁気回路が、ステータ巻線の他方のレッグの第２の部分を取り囲み、二次磁気回路は、ロータ磁気回路から離間しており、
飽和装置は、各二次磁気回路の少なくとも一部を磁気的に飽和させるように適合され、
各二次磁気回路の少なくとも一部は、ロータ磁気回路から離間しており、飽和装置は、１つの二次磁気回路を循環する磁束と同じ方向に向かう１つの二次磁気回路を磁気的に飽和させ、かつ他方の二次磁気回路を循環する磁束と対向する方向に向かう他方の二次磁気回路を磁気的に飽和させるように適合され、
前記装置は、ステータからの交流を直流にコンバートする整流器をさらに備えることを特徴とする装置。
【請求項３８】
飽和装置は、実質的に一定の飽和レベルで、各二次磁気回路の少なくとも一部を磁気的に飽和させるように適合されることを特徴とする請求項３７に記載の装置。
【請求項３９】
少なくとも１つのステータ巻線を含むステータを有する少なくとも１つのオルタネータを備える装置であって、
ステータは、少なくとも２つのロータ磁気回路と、ロータおよびロータ磁気回路から離間した少なくとも２つの二次磁気回路と、を画定し、ステータ巻線は、ロータ磁気回路によって囲まれる第１の部分と、二次磁気回路によって囲まれる第２の部分と、を有し
前記装置は、さらに、
対向する方向に向かう対をなす二次磁気回路の少なくとも一部を磁気的に飽和させる手段であって、これにより、オルタネータ出力を調節し、ロータ磁気回路を不飽和に維持する、手段と、
選択されたパターンにより飽和レベルを選択的に制御するように前記手段を制御する制御装置と、
ステータ巻線からの交流を直流にコンバートする整流器と、
整流器からの直流を、選択されたパターンに比例する出力パターンを有する交流出力にコンバートするインバータと、
を備えることを特徴とする装置。
【請求項４０】
振幅の偏差、および基準信号に対する交流出力の周波数の偏差の少なくとも一方をモニタする手段と、
前記偏差を減少するように制御装置の運転を変更する手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項３９に記載の装置。
【請求項４１】
発電システムにおいて交流を生成する方法であって、
前記発電システムは、少なくとも第１および第２のオルタネータを有し、各オルタネータは、少なくとも１つの電力巻線および少なくとも１つの制御巻線を有するステータを備え、各電力巻線は、複数のロータ磁気回路に関連する複数の第１の部分と、ロータ磁気回路から離間した複数の二次磁気回路に関連する複数の第２の部分と、を有し、各制御巻線は、各二次磁気回路の少なくとも一部を巻いており、各二次磁気回路の前記部分は、ロータ磁気回路から離間しており、
関連するステータ巻線の第２の部分と同じ方向に巻かれた制御巻線を有する各二次磁気回路に対し、関連するステータ巻線の第２の部分に対して対向する方向に巻かれた制御巻線を有する他の二次磁気回路が存在し、
前記交流生成方法は、
電力巻線において交流を誘導するように第１および第２のオルタネータを駆動するステップと、
選択されたパターンにより各オルタネータの制御巻線における制御電流フローの振幅を変えるステップであって、前記選択されたパターンの少なくとも一部が、二次磁気回路の前記部分を磁気的に飽和させるのに十分な電流振幅を有し、これにより、電力巻線において誘導される交流フローの振幅を制御する、ステップと、
各オルタネータの電力巻線からの電流を直流にコンバートするステップと、
選択されたパターンに比例するパターンを有する交流出力をもたらすように各オルタネータの直流を合成するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項４２】
基準振幅からの交流出力の瞬間的な振幅の偏差をモニタするステップと、
前記偏差を低減するように、振幅特性および選択されたパターンの周波数特性の少なくとも一方を変えるステップと、
をさらに含むことを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
交流をもたらす方法であって、
オルタネータを負荷システムに接続するステップであって、オルタネータは、ロータと、少なくとも１つのステータ巻線を含むステータアッセンブリと、を有し、ステータ巻線は、ステータアッセンブリに対して互いに円周方向に離間した少なくとも一対の連続的に接続されたレッグを有し、レッグは、第１および第２の部分をそれぞれ有する、接続ステップと、
ステータアッセンブリに対してロータを回転させるステップであって、これにより、第１の磁気経路に沿ってステータを通るロータ磁束をステータ巻線のレッグの第１の部分の周囲を循環させ、ステータ巻線において交流を誘導し、ステータ巻線において誘導された交流は、ステータアッセンブリにおける二次磁気経路においてステータ巻線のレッグの第２の部分の周囲に二次磁束フローを誘導し、二次磁気経路は、第１の磁気経路から離間しかつステータアッセンブリ内に全体的に画定される、回転ステップと、
第１の磁気経路から離間するステータアッセンブリの少なくとも２つの部分を、所望の周波数で、磁気的に飽和および非飽和にするステップであって、ステータアッセンブリの部分は、１つの第２の磁気経路の少なくとも一部を含み、これによって該経路にわたって第２の磁束フローを伝導し、少なくとも２つのステータアッセンブリの部分のうちの一方部分が、第２の磁束フローと同じ方向において瞬間的に飽和され、ステータアッセンブリの他方部分が、第２の磁束フローに対して対向する方向において瞬間的に飽和される、飽和および非飽和ステップと、
誘導される交流を直流に整流するステップであって、該直流は、所望の周波数に比例する周波数を有する周期成分を有する、整流ステップと、
前記直流を、所望の周波数に比例する周波数を有する交流出力に変えるステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項４４】
前記オルタネータを接続するステップが、前記オルタネータと並列に第２のオルタネータを接続することを含み、
前記回転させるステップ、磁気的に飽和および非飽和にするステップ、ならびに整流するステップが、両方のオルタネータに適用され、
前記変えるステップが、各オルタネータから得られた直流を加算することを含むことを特徴とする請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
一方のオルタネータから得られた直流により、交流出力の半サイクル部分がもたらされ、他方のオルタネータから得られた直流により、交流出力の異なる半サイクル部分がもたらされるように、前記飽和および非飽和にするステップが実行されることを特徴とする請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
１つの半サイクル部分が正電流の半サイクル部分であり、１つの半サイクル部分が負電流の半サイクル部分であることを特徴とする請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
交流出力と基準信号との間の誤差を判断するステップと、
前記誤差を低減させるように、磁気飽和振幅および前記所望の周波数の少なくとも一方を修正するステップと、
をさらに含むことを特徴とする請求項４３に記載の方法。
【請求項４８】
交流出力を生成する方法であって、
出力交流サイクルの正の側の半サイクルに対応する電気を生成するようにオルタネータを駆動するステップと、
前記出力交流サイクルの負の側の半サイクルに対応する電気を生成するように第２のオルタネータを駆動するステップと、
各オルタネータ出力を整流するステップと、
交流出力をもたらすようにオルタネータ出力を加算するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項４９】
一方のオルタネータが、任意の時点で電気を生成することを特徴とする請求項４８に記載の方法。
【請求項５０】
前記加算するステップが、一方のオルタネータを負荷に接続し、他方のオルタネータを切断するように、少なくとも１つのスイッチを閉じ、他のスイッチを開けるステップを含むことを特徴とする請求項４８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、発電に関し、特に、発電機およびこれに対応するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石（ＰＭ）オルタネータの出力電圧および周波数は、通常、オルタネータのロータ速度に依存する。これは、以下の場合に問題となる。例えば、航空機、船、自動車や発電エンジンなど、特に、原動機の可変速度運転の代わりに、特定の固定された電圧および周波数のオルタネータ出力が要求される、原動機によって駆動されるオルタネータにおいて、ロータ速度が独立的に制御できない電力調節において問題となる。存在する高出力電力を調節する手段の経済性および効果が制限される。従来の電子通信システムは、巨大でかつ高価である。本出願人による「電気機械の構造（Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ  ｆｏｒ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｍａｃｈｉｎｅ）」という名称の特許文献１、および「電気機械の飽和制御（Ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｍａｃｈｉｎｅ）」という名称で各々出願され同時継続中の米国特許出願番号第１０／９９６，４１１号および第１１／４２０，６１４号によって、新規の構造および方法が教示されているが、それでもなお電気を生成かつ調整する技術をさらに向上させる余地がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６９６５１８３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、本発明の目的は、電気を生成し、かつ調節する改良された方法および装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一態様においては、本発明は、第１のオルタネータおよび第２のオルタネータを備えた装置を提供するものであって、該装置の各オルタネータは、ロータおよびステータを有し、ステータは、ステータとロータの間に協働的に画定された複数のロータ磁気回路と、複数の二次磁気回路と、を有し、各ロータ磁気回路は、ステータの少なくとも１つの電力巻線の第１の部分を取り囲み、各二次磁気回路は、ロータ磁気回路の外側に配置された前記電力巻線の第２の部分を取り囲み、制御巻線にわたる飽和制御電流がロータ磁気回路と異なる二次磁気回路の少なくとも一部を磁気的に飽和させるように、少なくとも１つの制御巻線が前記二次磁気回路に関連し、一方の二次磁気回路において、関連する制御巻線およびステータ巻線の第２の部分が同一の方向にステータの周りに巻かれ、他方の二次磁気回路では、関連する制御巻線およびステータ巻線の第２の部分が対向する方向に巻かれるように、二次磁気回路が対をなし、前記装置は、さらに、各オルタネータの少なくとも１つの制御巻線に接続され、かつ周期的な直流制御電流フローをもたらすように適合された制御電流源アッセンブリであって、前記直流電流フローは、二次磁気回路の前記部分を飽和させるのに要する飽和レベルを超える最大振幅を有する、制御電流源アッセンブリと、前記第１のオルタネータの少なくとも１つの電力巻線からの交流を直流にコンバートする第１の整流器と、前記第２のオルタネータの少なくとも１つの電力巻線からの交流を直流にコンバートする第２の整流器と、前記整流器からの直流を交流出力にコンバインするコンバイナ回路と、を備える。
【０００６】
他の態様においては、本発明は、オルタネータ交流を生成するように原動機に駆動可能に接続された少なくとも１つのオルタネータを備えた装置を提供するものであって、該装置のオルタネータは、ロータと、ステータアッセンブリと、飽和装置と、を有し、ステータアッセンブリは、オルタネータ交流をもたらす少なくとも１つのステータ巻線を有し、ステータ巻線は、互いに連続的に接続された少なくとも一対のレッグを有し、レッグは、ステータアッセンブリに対して、互いに周方向に離間しており、ロータおよびステータアッセンブリは、ロータ磁束を伝導する少なくとも２つのロータ磁気回路を画定するように協働し、１つのロータ磁気回路が、ステータ巻線の一方のレッグの第１の部分を取り囲み、他の１つのロータ磁気回路が、ステータ巻線の他方のレッグの第１の部分を取り囲み、ステータアッセンブリは、磁束を伝導する少なくとも一対の二次磁気回路を画定し、１つの二次磁気回路が、ステータ巻線の一方のレッグの第２の部分を取り囲み、他の１つの二次磁気回路が、ステータ巻線の他方のレッグの第２の部分を取り囲み、二次磁気回路は、ロータ磁気回路から離間しており、飽和装置は、各二次磁気回路の少なくとも一部に関連し、各二次磁気回路の少なくとも一部は、ロータ磁気回路から離間しており、飽和装置は、選択された周波数で、各二次磁気回路の前記部分を選択的に磁気的に飽和させるように適合され、飽和装置は、１つの二次磁気回路を循環する磁束と同じ方向に向かう１つの二次磁気回路を磁気的に飽和させ、かつ他の１つの二次磁気回路を循環する磁束と対向する方向に向かう他の１つの二次磁気回路を磁気的に飽和させるように適合され、前記装置は、さらに、ステータ巻線に接続され、かつオルタネータ交流を直流にコンバートする交流／直流コンバート回路と、交流／直流コンバート回路に接続され、かつ選択された周波数に比例する出力周波数を有する交流出力に直流をコンバートする直流／交流コンバート回路と、を備える。
【０００７】
一態様においては、本発明は、オルタネータ交流を生成するように原動機に駆動可能に接続された少なくとも１つのオルタネータを備えた装置を提供するものであって、該装置のオルタネータは、ロータと、オルタネータ交流をもたらす少なくとも１つのステータ巻線を有するステータアッセンブリと、を有し、ステータ巻線は、互いに連続的に接続された少なくとも一対のレッグを有し、レッグは、ステータアッセンブリに対して互いに周方向に離間しており、ロータおよびステータアッセンブリは、ロータ磁束を伝導する少なくとも２つのロータ磁気回路を画定するように協働し、１つのロータ磁気回路が、ステータ巻線の一方のレッグの第１の部分を取り囲み、他の１つのロータ磁気回路が、ステータ巻線の他方のレッグの第１の部分を取り囲み、ステータアッセンブリは、磁束を伝導する少なくとも一対の二次磁気回路を画定し、１つの二次磁気回路が、ステータ巻線の一方のレッグの第２の部分を取り囲み、他方の二次磁気回路が、ステータ巻線の他方のレッグの第２の部分を取り囲み、二次磁気回路は、ロータ磁気回路から離間しており、二次磁気回路は、飽和装置を有し、該飽和装置は、二次磁気回路の少なくとも一部に巻かれる少なくとも１つの制御巻線を有し、二次磁気回路の前記少なくとも一部は、ロータ磁気回路から離間しており、制御巻線は、飽和閾値電流が制御巻線を通るときに、二次磁気回路の前記部分を磁気的に飽和させ、一方の二次磁気回路は、関連するステータ巻線のレッグの第２の部分と同じ方向に巻かれた制御巻線を有し、他方の二次磁気回路は、関連するステータ巻線のレッグの第２の部分に対して対向する方向に巻かれた制御巻線を有し、前記装置は、さらに、選択された周波数および少なくとも前記飽和閾値電流の最大振幅を含む可変振幅電流を制御巻線にもたらす制御電流源と、ステータ巻線に接続され、かつオルタネータ交流を直流にコンバートする交流／直流コンバート回路と、交流／直流コンバート回路に接続され、かつ選択された周波数に比例する出力周波数を有する交流出力に直流をコンバートする直流／交流コンバート回路と、を備える。
【０００８】
他の態様においては、本発明は、オルタネータを備えた装置を提供するものであって、オルタネータは、ロータと、ステータアッセンブリと、飽和装置と、を有し、ステータアッセンブリは、少なくとも１つのステータ巻線を有し、ステータ巻線は、互いに連続的に接続された少なくとも一対のレッグを有し、レッグは、ステータアッセンブリに対して互いに周方向に離間しており、ロータおよびステータアッセンブリは、ロータ磁束を伝導する少なくとも２つのロータ磁気回路を画定するように協働し、１つのロータ磁気回路が、ステータ巻線の一方のレッグの第１の部分を取り囲み、他の１つのロータ磁気回路が、ステータ巻線の他方のレッグの第１の部分を取り囲み、ステータアッセンブリは、磁束を伝導する少なくとも２つの二次磁気回路を画定し、１つの二次磁気回路が、ステータ巻線の一方のレッグの第２の部分を取り囲み、他の１つの二次磁気回路が、ステータ巻線の他方のレッグの第２の部分を取り囲み、二次磁気回路は、ロータ磁気回路から離間しており、飽和装置は、各二次磁気回路の少なくとも一部を磁気的に飽和させるように適合され、各二次磁気回路の少なくとも一部は、ロータ磁気回路から離間しており、飽和装置は、１つの二次磁気回路を循環する磁束と同じ方向に向かう１つの二次磁気回路を磁気的に飽和させ、かつ他方の二次磁気回路を循環する磁束と対向する方向に向かう他方の二次磁気回路を磁気的に飽和させるように適合され、前記装置は、ステータからの交流を直流にコンバートする整流器をさらに備える。
【０００９】
さらに別の態様においては、本発明は、オルタネータを備える装置を提供するものであって、オルタネータは、少なくとも１つのステータ巻線を含むステータを有し、ステータは、少なくとも２つのロータ磁気回路と、ロータおよびロータ磁気回路から離間した少なくとも２つの二次磁気回路と、を画定し、ステータ巻線は、ロータ磁気回路によって囲まれる第１の部分と、二次磁気回路によって囲まれる第２の部分と、を有し、前記装置は、さらに、対向する方向に向かう対をなす二次磁気回路の少なくとも一部を磁気的に飽和させる手段であって、これにより、オルタネータ出力を調節し、ロータ磁気回路を不飽和に維持する、手段と、選択されたパターンにより飽和レベルを選択的に制御するように前記手段を制御する制御装置と、ステータ巻線からの交流を直流にコンバートする整流器と、整流器からの直流を、選択されたパターンに比例する出力パターンを有する交流出力にコンバートするインバータと、を備える。
【００１０】
一態様においては、本発明は、発電システムにおいて交流を生成する方法を提供するものであって、前記発電システムは、少なくとも第１および第２のオルタネータを有し、各オルタネータは、少なくとも１つの電力巻線および少なくとも１つの制御巻線を有するステータを備え、各電力巻線は、複数のロータ磁気回路に関連する複数の第１の部分と、ロータ磁気回路から離間した複数の二次磁気回路に関連する複数の第２の部分と、を有し、各制御巻線は、各二次磁気回路の少なくとも一部を巻いており、各二次磁気回路の前記部分は、ロータ磁気回路から離間しており、関連するステータ巻線の第２の部分と同じ方向に巻かれた制御巻線を有する各二次磁気回路に対し、関連するステータ巻線の第２の部分に対して対向する方向に巻かれた制御巻線を有する他の二次磁気回路が存在し、前記交流生成方法は、電力巻線において交流を誘導するように第１および第２のオルタネータを駆動するステップと、選択されたパターンにより各オルタネータの制御巻線における制御電流フローの振幅を変えるステップであって、前記選択されたパターンの少なくとも一部が、二次磁気回路の前記部分を磁気的に飽和させるのに十分な電流振幅を有し、これにより、電力巻線において誘導される交流フローの振幅を制御する、ステップと、各オルタネータの電力巻線からの電流を直流にコンバートするステップと、選択されたパターンに比例するパターンを有する交流出力をもたらすように各オルタネータの直流を合成するステップと、を含む。
【００１１】
他の態様においては、本発明は、交流をもたらす方法を提供し、該方法は、オルタネータを負荷システムに接続するステップであって、オルタネータは、ロータと、少なくとも１つのステータ巻線を含むステータアッセンブリと、を有し、ステータ巻線は、ステータアッセンブリに対して互いに円周方向に離間した少なくとも一対の連続的に接続されたレッグを有し、レッグは、第１および第２の部分をそれぞれ有する、接続ステップと、ステータアッセンブリに対してロータを回転させるステップであって、これにより、第１の磁気経路に沿ってステータを通るロータ磁束をステータ巻線のレッグの第１の部分の周囲を循環させ、ステータ巻線において交流を誘導し、ステータ巻線において誘導された交流は、ステータアッセンブリにおける二次磁気経路においてステータ巻線のレッグの第２の部分の周囲に二次磁束フローを誘導し、二次磁気経路は、第１の磁気経路から離間しかつステータアッセンブリ内に全体的に画定される、回転ステップと、第１の磁気経路から離間するステータアッセンブリの少なくとも２つの部分を、所望の周波数で、磁気的に飽和および非飽和にするステップであって、ステータアッセンブリの部分は、１つの第２の磁気経路の少なくとも一部を含み、これによって該経路にわたって第２の磁束フローを伝導し、少なくとも２つのステータアッセンブリの部分のうちの一方部分が、第２の磁束フローと同じ方向において瞬間的に飽和され、ステータアッセンブリの他方部分が、第２の磁束フローに対して対向する方向において瞬間的に飽和される、飽和および非飽和ステップと、誘導される交流を直流に整流するステップであって、該直流は、所望の周波数に比例する周波数を有する周期成分を有する、整流ステップと、前記直流を、所望の周波数に比例する周波数を有する交流出力に変えるステップと、を含む。
【００１２】
さらに別の態様においては、本発明は、交流出力を生成する方法を提供するものであって、出力交流サイクルの正の側の半サイクルに対応する電気を生成するようにオルタネータを駆動するステップと、前記出力交流サイクルの負の側の半サイクルに対応する電気を生成するように第２のオルタネータを駆動するステップと、各オルタネータ出力を整流するステップと、交流出力をもたらすようにオルタネータ出力を加算するステップと、を含む。
【００１３】
上記および他の態様の詳細は、詳細な説明および図面から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】永久磁石オルタネータの断面図。
【図２】図１のオルタネータの一部を示す概略図。
【図３】図１，２の機械の例示的な電力巻線を示す図。
【図４】図１，２の機械の等価回路の一部を示す概略図。
【図５】本発明によるシステムを示す概略図。
【図６】図５のシステムの実施例を示す概略図。
【図６ａ】図６のシステムの他の実施例を示す概略図。
【図７】図６の制御電流変調器の実施例を示すブロック図。
【図８】図５に類似した他の実施例を示す概略図。
【図９】図１と類似したオルタネータの他の構成を示す断面図。
【図１０】図５，８と類似した他の実施例を示す概略図。
【図１１】他の実施例を示す概略図。
【図１２】本発明による方法のステップを示すフローチャート。
【図１３】他のオルタネータの構成の一部の断面図。
【図１４】さらに別のオルタネータの構成の一部の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
まず、図１，２を参照すると、永久磁石（ＰＭ）電気機械１０が図示されている。図および記載を簡略化するために、図１の電気機械１０を直線的に配置したものを図２示す。しかし、電気機械１０は、図１に図示したように、内側および外側ロータを含んだ円形の機械を有することが好ましいことを理解されたい（図１では外側ロータを図示）。図１，２およびこれに対応する記載は、概略的であり、簡潔化のため省略している場合があることを当業者であれば理解されるであろう。電気機械１０は、電力を生成するオルタネータおよび電力を機械的なトルクに変換するモータの少なくとも一方として構成されている。そのような機械のオルタネータとしての特徴について、以下に記載する。
【００１６】
機械１０は、永久磁石１４を有するロータ１２を備える。永久磁石１４は、スペーサ１６間に介在していてもよい。ロータ１２は、ステータ２０に対して回転するように取付けられる。永久磁石１４およびスペーサ１６を保持するように、保持スリーブ１８が設けられる。永久磁石１４間には磁路が設けられる。ステータ２０は、少なくとも１つの電力巻線２２および望ましくは少なくとも１つの制御巻線２４を有する。図示した実施例では、ステータ２０は、三相構造をなしており、３つの実質的に独立した電力巻線２２（図２に丸文字１，２，３で示す）、および対応する３つの制御巻線２４を有する。本実施例においける電力巻線は、星形接続であるが、所望であれば、三角（デルタ）接続であってもよく、または接続されていなくてもよい。本実施例では、電力巻線２２および制御巻線２４は、巻線エアギャップ２６によって隔てられ、ステータ２０における隣接の歯部３０間に設けられた径方向の位相（フェーズ）スロット２８内に配設される。この位相スロット２８は、スロット部２８’，２８”に分割される。明確に説明するために、図２において、隣接する位相スロット２８をそれぞれ符号Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄなどで示す。電力巻線２２は、制御巻線２４から電気的に絶縁されている。スロット２８間でかつスロット２８の底部（すなわち、図２におけるスロット部２８”の底部の下）において、裏鉄３２（ｂａｃｋ  ｉｒｏｎ：本出願では、制御磁束バス３２とも呼ぶ）が延在する。ロータ１２およびステータ２０は、通常の方法で、ロータエアギャップ３４によって離間されている。ステータ２０のコア、つまり「ブリッジ」部分（ステータ２０の「電力磁束バス」３６とも呼ぶ）が、スロット２８において隣接する対の歯部３０間に延び、２つの独立したスロット部２８’，２８”を形成する。第１のスロット２８’は、電力巻線２２だけを保持し、第２のスロット２８”は、互いに隣接する電力巻線２２および制御巻線２４を保持する。
【００１７】
設計者は、ＰＭ機械１０の材料を適切に決定してよい。発明者によって望まれる材料は、サマリウムコバルトの永久磁石、銅製の制御巻線および電力巻線、ならびに、例えば、Ｈｉｐｅｒｃｏ  ５０  ａｌｌｏｙ（カーペンター  テクノロジー  コーポレーションの商標）などの、ステータの歯部、電力束バスおよび制御磁束バス用の適切な可飽和電磁石材が望ましいが、電磁石機器の構成に通常用いられる電気ケイ素鋼などの他の適切な材料を用いてもよい。ステータの歯部、パワーフラックスバスおよび制御フラックスバスは、互いに一体的であっても、一体的でなくてもよい。
【００１８】
図３では、ステータにおいて三相形態で巻かれるように配置される例示的な１つの電力巻線２２を図示している。本実施例における各電力巻線２２は、単巻導体からなり、例えば、選択されたスロット２８の第１のスロット部分２８’（例えば、図２のスロットＡ）から入り、該スロットを通って、このスロットの対向する端部から出て、半径方向に電力束バス３６を横切り、同じスロット２８の第２のスロット部分２８”（例えば、スロットＡにおいて）に入る。その後、電力巻線は、選択されたスロットの長さを通って第２のスロット部２８”から出る。したがって、電力巻線が始めに入ったステータの同じ軸方向の側にあるスロット２８から出る。次いで、電力巻線２２の導体は、次に選択されたスロット２８（例えば、図２のスロットＤ）の第２のスロット２８”に進み、スロット２８に入ってこのスロットを通って延びる。次いで、巻線２２は、このスロットから出て、電力束バス３６を半径方向に横切り、選択されたスロット２８の第１のスロット２８’に入り、このスロットを通って延び、スロット２８’およびこの巻線が選択されたスロット２８のスロット２８”に入った隣接のステータから出る。電力巻線は、次いで、次の選択されたスロット２８（例えば、スロットＧ）に進み、同様の工程を繰り返す。位相（フェーズ）２に対応する第２の電力巻線２２は、適切に選択されたスロット（例えば、図２のスロットＢ）から始まり、同様の経路を通る。しかし、位相１の巻線２２に対して反対方向に巻かれることが望ましい。つまり、位相２の巻線２２は、スロット部分２８”から選択されたスロット（スロットＢ）に入り（位相１の巻線２２は、スロット部分２８’からスロットＡに入るため）、次いで、同様であるが、位相１の導体に対向する経路、スロットからスロット（例えば、スロットＢ，Ｅなど）を通って延びる。同様に、位相３の巻線２２は、位相２に対して反対方向に巻かれることが好ましく、したがって、スロット部２８’からステータの選択されたスロット（例えば、スロットＣ）に入り、位相１と同じパターンで、つまり、位相２のパターンと対向するように、スロットからスロット（例えば、Ｃ，Ｆなど）を通って延びる。したがって、各位相の電力巻線２２は、互いに対して対向する方向に巻かれる。
【００１９】
一方、制御巻線２４は、以下に説明するように、制御磁束バス３２の周りに巻かれる。図２を参照すると、本実施例では、制御巻線２４は、制御巻線と電力巻線の巻数比を２５：１とするように、制御磁束バス３２の周りを複数回（例えば、２５回）に亘って巻かれたループを形成することが好ましい。この理由については、以下に記載する。隣接する第２のスロット２８”間の巻線の方向は、スロットからスロットへと同じであることが好ましく、したがって、上記のように巻かれる同じ位相おける電力巻線２２に対して交互に対向する。このため、以下に説明するように、正味ゼロの電圧が各制御巻線２４に誘導される。望ましくは、制御磁束バス３２に亘る全てのループは、同じ方向である。電力巻線とともに制御巻線２４を必ずしも複数の位相に分離する必要はなく、隣接する順番に単にスロットからスロット（例えば、スロットＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄなど）に続いてもよいことを理解されたい。別の実施例として、電力巻線２２に応じて位相には分離しないが、インダクタンスを減少させ、したがって、ある状況における応答時間を向上させるように複数の制御巻線を提供することが望ましい場合がある。いくつかの制御巻線２４を直並列配列で提供することが好ましく、つまり、これは、いくつかのスロットの制御巻線２４が直列で接続さ、次いで、いくつかの巻線が並列で接続されて、電気機械用の制御巻線アッセンブリが提供される。電力巻線の巻き方向を交互にし、制御巻線の巻き方向を交互にしないことが好ましいが、電力巻線および制御巻線が偶数個のスロット内で、半分が同一方向に巻かれ、半分が対向する方向に巻かれることが好ましく、電力巻線２２における電流フローの結果として、実質的に正味ゼロの電圧が各制御巻線２４で誘導されることを確実にする。これにより以下に記載する機能が実現される。
【００２０】
制御巻線２４は、電流源５０に接続され（図４参照）、この電流源は、本実施例では、可変電流の直流（ＤＣ）源と、好ましくは以下に記載するような機能性を有する適切な固体制御システムと、を含む。複数の制御巻線２４が存在する場合には、各制御巻線２４を同じ電流源５０に接続してもよいし、個々の電流源に接続してもよい。各源から要求されるおおよその電流は、主に、要求される電力巻線出力電流、および制御巻線と電力巻線の巻数比によって画定される。これについては、当業者であれば本開示を参照することにより理解されるであろう。
【００２１】
図４を参照すると、機械１０の各位相は、複数の交流（ＡＣ）電圧源１２’（例えば、各々が、第１のスロット２８’に位置する電力巻線２２の部分と連動した可動磁気ロータシステムに相当する）を有する実質的な等価回路１０’に表すことができる。電圧源１２’は、複数のパワーインダクタ２２’（例えば、第２のスロット２８”に位置する電力巻線２２の部分に相当する）に接続される。電圧源１２’およびパワーインダクタ２２’は、交互に直列に配置されている。パワーインダクタ２２’には、可飽和コア３２’（制御磁束バス３２に相当する）を有する複数の制御インダクタ２４’（すなわち、制御巻線２４に相当する）が対応している。制御インダクタ２４’は、本実施例では、符号５０で示す可変直流電流源および制御システムに接続される。そのため、電力巻線２２、制御巻線２４および制御磁束バス３２が、ステータ１２内で少なくとも１つの可飽和コアインダクタを提供するように見える。以下に記載するように、可飽和コアインダクタは、他の電磁効果とともに、電力調整方法を実行するための統合的なアプローチを提供する。
【００２２】
再び図２を参照すると、機械１０がオルタネータモードにおいて用いられるとき、ロータ１２は、（すなわち、原動機によって）ステータ２０に対して回転する。磁石１４と、一次磁気回路の一部を形成するステータの部分との相互作用により、一次磁束路つまり磁気回路６０（本明細書ではロータ磁気回路とも呼ぶ）に沿ってＰＭ機械１０内に一次磁束が生じる。一次つまりロータ磁束は、電力巻線２２において電圧を誘起し、電気負荷が接続されているときに誘導電流が生じる。電力巻線２２における誘導電流により、隣接する二次磁束路つまり磁気回路６２を循環する二次磁束が生じる。本開示を参照することによって当業者によって理解されるように、電力巻線２２に電流フローが存在しない場合には、磁束が二次磁気回路を循環しない。二次磁気回路における磁束、つまり磁束の欠如は、一次磁気回路における磁束に直接影響しない。二次磁気回路６２における交流磁束は電力巻線における電流フローだけとなるように、二次交流磁気回路６２は、大部分において、ロータ１２および一次磁気回路６０から離れている。そのため、二次磁気回路は、一次磁気回路から離間して画定され、かつ一次磁気回路における磁束から独立して磁束を伝えるように提供される。図２から分かるように、一次磁気回路は、電力巻線２２の第１の部分（すなわち、スロット部２８’における部分）を取り囲み、二次磁気回路は、電力巻線２２の第２の部分（すなわち、スロット部２８”における部分）および本実施例では、制御巻線２４の一部分を取り囲んでいる。スロット部２８”は、一次磁気回路６０の外側に位置する。本記載は、図示された実施例において三相からなる位相「１」についてなされているが、残りの位相においても同様の相互作用が生じることを理解されたい。
【００２３】
当業者であれば、上記の記載を鑑みて、例えば、本出願人により２００６年４月２１日に出願され（出願番号第１１／３７９６２０号）、同時継続中の「Ｖｏｌｔａｇｅ−Ｌｉｍｉｔｅｄ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｍａｃｈｉｎｅ」など、無負荷時に電力巻線における最小電流を維持するために調節装置を含むことが多くの状況において望ましいことを認識されるであろう。上記出願は、参照により本願に組み込まれ、かつ以下に簡単に説明する。図２は、ステータに画定された点線で示された磁束路６１（本明細書においては便宜上、一次抑制磁束６１と呼ぶ）を示しており、これに沿って、ロータ磁石からの漏れ磁束が、磁石から歯部３０を通り、三次磁気回路６４に亘って流れ、これにより、ロータ磁束の一部が分岐し、制御磁束バス３２に沿って流れ、次いで、適切な歯部３０を介して対向する磁極の磁石へと流れる（そうでない場合には、ロータ磁束の一部は、一次磁気回路における電力束バス３６に沿って流れる）。この作用により、スロット２８の下部のスロット部２８”に設けられた電力巻線２２の部分に電圧が誘導される。この極性は、スロット２８の上部のスロット部２８’に設けられた電力巻線２２の部分において生じる電圧と異なる。また、これにより、スロット２８の上部のスロット部２８’に設けられた電力巻線２２の部分において生じる電圧が減少する。これは、磁束の一部が、制御磁束バス３２へと迂回するためである（そうでない場合には、ロータ磁束の一部は、一次磁気回路における電力束バス３６に沿って流れる）。これらの２つの作用により、制御巻線２４に電流がほとんどあるいは全く存在しないときに、（図４に示すように）有効な電圧源１２’が抑制される。制御巻線２４における電流が増すと、より少ない漏れ磁束が制御磁束バスを介して（すなわち、磁路６１に沿って）流れ、抑制効果が減少して、その結果、電力巻線２２において生じる電圧が増す。
【００２４】
さらに図２を参照すると、本実施例では、一次磁気回路６０は、ロータ１２、ロータエアギャップ３４と、電力束バス３６と、ロータ１２と電力束バス３６との間におけるロータ歯部３０の部分と、を含む。一次磁気回路６０は、電力巻線２２の一部を取り囲み、オルタネータとして使用される際は、一次磁気回路６０を循環する磁石からの磁束により、電力巻線２２に電流フローが生じる。（当業者であれば、ロータの回転により、電力巻線２２における電流フローがあるかないかに関わらず、磁束が一次磁気回路６０を循環することを認識されるであろう。）本実施例では、二次磁気回路６２は、電力束バス３６と、制御磁束バス３２と、制御磁束バス３２と電力束バス３６との間におけるロータ歯部３０の部分と、を含む。二次磁気回路６２は、一次磁気回路６０から離れているため、ロータ磁束は、二次磁気回路６２を循環しない。
【００２５】
さらに図２を参照すると、本実施例では、二次磁気回路６２は、第２のスロット部２８”における電力巻線２２および制御巻線２４を取り囲む。一次磁気回路６０は、第１のスロット部２８’を取り囲み、二次磁気回路６２は、第２のスロット部２８”を取り囲む。好ましくは、第１のスロット部２８’は、第２のスロット部２８”に比べて、半径方向にロータ１２に近接している。電力束バス３６は、一次および二次磁気回路に対して共通であることが好ましいが、必ずしもその必要はない。例えば、所望であれば、電力束バス３６を磁束線の方向に沿って二次磁気回路の上部から離間させ、図１３に図示するように、二次磁気回路を一次磁気回路から物理的に離間させてもよい（しかし、これにより、上記の無負荷／低負荷の電圧源の抑制作用は排除される）。図１３の実施例では、制御巻線２４は、セパレートステータ２１に設けられたスロット２８ｂ内に位置する。このステータ２１は、ステータ２０と同軸上に位置することが好ましいが、必須ではない。図１３では、制御巻線２４をモノリシック構造の環として概略的に図示しているが、適切な電源（図示せず）に接続され、かつ複数回巻かれた（多巻）導体であることが望ましい。電力巻線は、スロット２８ａ、２８ｂ内に位置しており、したがって、ステータ２０とステータ２１との間に延在する。電力巻線の端部折り返し（エンドターン）２３は、隣接するスロットの導体を結合する。（図１３の実施例は、３セットの電力巻線２２を有し（そのうちの１つを図示する）、１つの巻線セットが、三相システムの各位相に対応し、したがって、３セットの端部折り返し２３が図１３に図示されており、最も内側のセットは、図示した電力巻線２２に対応し、それ以外のセットは、図示しない隣接する位相に対応する。）ステータ２１は、制御磁束バス３２および二次磁気回路６２を提供し、ステータ２０は、電力束バス３６を提供する。電力束バス３６は、一次磁気回路６０の一部を形成し、ステータ２１は、二次磁気回路６２の一部を形成する。制御磁束バス３２は、二次磁気回路６２および三次磁気回路６４の一部を提供する。ステータ２１は、適切な方法で支持され、例えば、好ましくは、望ましくない振動などを防ぐ適切な手段（図示せず）とともに、ステータ２０（図示せず）との一体化を介して、ステータ２０に取付けられたサポート（図示せず）または他の適切な基盤を介して、あるいは電力巻線２２によって本来備わっているサポートを介して、支持される。さらに、別の形態を利用してもよく、その例が本出願人により２００６年５月２６日に出願された同時継続中の出願番号第１１／４２０６１４号の明細書に開示されている。
【００２６】
図２の実施例を参照すると、図２に部分的に図示されているように、三次磁気回路６４は、好ましくは制御バス３２の周りを循環する（すなわち、この実施形態では、三次回路はステータ２０全体を循環するが、三次回路の一部のみを示している）。制御磁束バス３２は、好ましくは、二次および三次磁気回路の経路の両方に共通である。少なくとも一部の制御磁束バス３２は、三次磁気回路６４における磁束密度により飽和可能である。
【００２７】
オルタネータとして作動するとき、機械１０は、制御巻線２４に供給される電流を操作することにより、電力巻線２２の出力を制御できるようにする。これについては、以下で説明する。
【００２８】
上述のように、等価パワーインダクタ２２’は、第２のスロット部２８”における電力巻線２２の部分と、二次磁気回路６２と、によって形成され、これは図４の等価回路によって概略的に表されるとおりである。制御巻線２４は、二次磁気回路６２の一部を共有するが、上述のように、好ましくは、各第２のスロット部２８”における制御磁束バス３２の周りに同じ方向に巻かれるので、得られる効果は、電力巻線２２に対して極性可飽和インダクタが交互に反転されることによってもたらされるものと同様であり、好ましくは、二次磁気回路６２内の磁束、あるいはロータ磁石からの一次抑制磁束６１によって全制御巻線２４内で実質的に正味の電圧が生成されない。
【００２９】
電流源５０からの直流を制御巻線２４に印加することにより、制御磁束バス３２内で回路６４を循環する直流磁束が生じる。図２に示された時点では、制御磁束バス３２の三次磁気回路６４内にある直流磁束は、スロットＡ内では、二次磁気回路６２内の交流磁束と同一方向であるが、スロットＤ内では、制御磁束バス３２の三次磁気回路６４内にある直流磁束の方向は、二次磁気回路６２内の交流磁束の方向と反対であることが分かる。制御巻線２４内で直流電流が増すと、制御バス３２内の磁束密度が増加して、最終的に飽和磁束密度に達する。制御巻線を通る実質的にあらゆる電流により、電力巻線電流が存在しない（すなわち、電力巻線電流からの対向する磁束が存在しない）ステータの対応する部分の飽和が生じるように機械を形成してもよい。飽和は、制御磁束バス３２内における、交流磁束と直流磁束が同じ方向である領域において最初に達成されること、また、電力位相巻線における電流が、磁束が異なる方向の領域における飽和を防ぐのに十分でない場合、直流制御電流がより高くなると、磁束の方向に関わらず、制御磁束バス３２の両方の領域が飽和状態になることが理解されるであろう。上記両領域の方が達成する点よりも電力巻線における電流が上昇した場合、この領域の一方が飽和でなくなる。飽和が生じると、電力巻線２２内の電流による二次磁気回路６２内の交流磁束は、非常に顕著に低減される。本明細書の記載から当業者が認識されるように、飽和は、実質的に一次磁気回路６０における磁束を変えないが、二次磁気回路６２における磁束に直接的に影響を与えるだけである。
【００３０】
上述のように、電力巻線２２に対する制御巻線２４のパターンにより、好ましくは、制御巻線２４に誘導される正味の電圧はほぼゼロになり、それによって制御が簡単になる。
本実施例では、１つの第２のスロット部２８”から次のスロット部へ、電力巻線２２の連続する巻き（ターン）は、それぞれ反対方向に巻かれ、電力巻線に隣接し対応する制御巻線２４の部分は、同一の方向に巻かれる。また、制御磁束バス３２を通る直流制御電流は、電力巻線２２に対して異なる方向に磁束を生成するので、制御磁束バス３２の１つのセクションは、交流電力の一方の半サイクルにおいて（例えば、正の方向つまり正極で）、飽和レベルが高くなり、制御磁束バス３２の他のセクションは、他方の半サイクルにおいて（例えば、負の方向つまり負極）、飽和レベルが高くなり、したがって、半サイクルの各々に亘って制御作用が等しくなる傾向にある。
【００３１】
飽和されると、磁性材料はさらなる磁束を伝導する能力を実質的に失い、そのため、交流磁力（ＨAC）と直流磁界特性（ＨDC）のさらなる変化との両方に対して、見かけ上非磁性になる。したがって、制御磁束バス３２内におけるこの飽和状態の正味の効果は、二次磁気回路６２によるインダクタンスを事実上除去し、それにより、機械のインダクタンスを大幅に低減する。また、この作用により、制御バスを循環するロータからの漏れ磁束（一次抑制磁束６１）が減少する。
【００３２】
さらに、例えば、外部負荷の増加によって、または動作速度の上昇による発生出力電圧の増加によって、電力巻線２２内の電流フローが増加すると、制御磁束バス３２における、磁束方向が瞬間的に反対になっている部分は、飽和レベルがより低くなり、それによってインダクタンスが比例的に増加する。この効果は、出力電流がある程度一定に維持されるようにする傾向があり、したがって、本発明により、オルタネータの出力電流は、制御電流の関数になる。二次磁気回路６２によって形成された等価パワーインダクタ２２’の最大インダクタンスは、二次磁気回路６２を担持するステータの部分の物理的な寸法および物質に関連する。ピーク電力巻線電流は、制御巻線における直流電流に関連しており、次式によって計算することができる。
【００３３】
Ｉｐ＝Ｋ＋（Ｉｃ×Ｎｃ／Ｎｐ）
当業者によって理解されるように、式中、ＮｐおよびＮｃは、それぞれ電力巻線および制御巻線の巻数であり、ＩｐおよびＩｃは、それぞれ電力巻線および制御巻線内の電流であり、Ｋは、電力巻線および他の機械設計上の特徴部の最大インダクタンスに反比例する定数である。
【００３４】
これにより、電力巻線２２の出力を操作することが許容されるので、制御巻線２４は、ＰＭ機械１０の制御源として使用することができる。したがって、「制御」電流をＰＭ機械１０の電力巻線２２によって、典型的には整流器と関連させて、発生させることができるので、ＰＭ機械１０の動作を制御する手段は、機械自体の内で利用することができる。いくつかの例では、電子電流制御と共に、制御電流の外部供給源が要求される（望ましい）場合があるが、制御巻線２４を整流された出力電流と直列に配置して、出力電圧をある程度調節するように用いてもよい。このように、本発明の構造は、それ自体が機械１０の制御システムに対する多くの新規な可能性があり、そのいくつかの実施例を以下に述べる。
【００３５】
例えば、図２，４を参照すると、オルタネータ１０の（すなわち、電力巻線２２からの）出力は、制御巻線２４を電力供給源５０に接続することによって制御することができ、好ましくは、制御巻線２４に流される電流は、所望の電力巻線電流で制御磁束バス３２を飽和するのに十分なものであり、そのような飽和は、この実施形態では、制御磁束バス３２に巻き付けられた制御巻線２４を通る電流によって誘導される、三次回路６４に沿って流れる磁束によって生じる。飽和が生じたとき、二次磁気回路６２の周りの交流磁束は効果的に除去され、電力巻線２２と二次磁気回路６２との磁気的関係は、電力巻線２２における二次磁気回路によるインダクタンスが事実上除去されるようなものである。したがって、制御された直流電流源によって生じる飽和磁束がない場合よりも、より多くの電流が電力巻線２２において流れることができる。この電力巻線電流の増加は、対向する方向の磁束の大きさが実質的に同等になるポイントにおいて制限され、その結果、この磁束が同等である状態がその特定の瞬間に生じる二次磁気回路の部分の脱飽和が生じる。脱飽和の効果により、対向する磁束の同等化に対応する瞬間にインダクタンスが突然増加し、次いで、電力巻線電流を対応する電流値に制限する。そのため、制御電流供給源５０によって与えられる電流レベルは、必要に応じて変化され、それにより、ある範囲のロータ速度および電気負荷にわたって、電力巻線２２の出力電流（したがって、最終的には出力電圧）を調節することができる。１つの例示的な用途において、一定の出力電圧制御を行うために、電流源５０の制御システムによってフィードバック制御回路（以下でさらに説明する）を使用し、オルタネータの出力電圧（すなわち、電力巻線２２の出力）と、固定された基準（例えば、所望の出力電圧レベルの代表値）とを比較し、オルタネータの出力電圧が所望の基準レベルよりも低い場合に、制御電流を増加させて、飽和レベルを上昇させ、さらに出力電流、したがって、所与の出力負荷にわたる電圧を増加させるようにコマンドを送るように制御を設定することができる。そのような制御システムは、周知であり、デジタルまたはアナログの手段により行ってもよい。第２の例示的な用途においては、制御巻線が、以下に記載するように適切に構成されるとき、電流源５０が、例えば、半正弦波パターン５２（図４に概略的に示す）などの所望のパターンにより制御電流を変化させ、それにより、飽和レベルに影響を及ぼす場合、電力巻線の交流出力の振幅の絶対値は、同じ一般的なパターンおよび周波数により変化し、したがって、有益な方法で調節され得る。これについては、図６〜１２を参照して、以下にさらに説明する。入力制御パターンは、所望であってよく、以下に記載するように、規則的または周期的である必要はない。好ましくは、入力制御は、オルタネータの未処理（ｒａｗ）の出力周波数よりも、より低い周波数を有することが望ましいが、これは、必ずしも必要ではなく、出力信号または所望の効果に応じるものである。
【００３６】
再び図２を参照すると、磁束は、好ましくは、三次磁気回路６４を同じ方向で制御磁束バス３２の周りで循環させる。上述のように、制御巻線２４は、上述の三相機械の特定の位相に対応する第２のスロット部２８”内に設けられるが、電力巻線２２は、その位相の隣接する第１のスロット部２８’に対応する磁石１４の対向する極の配置のため、各第１のスロット部２８’内で反対方向に巻かれる。上述のように、三次磁気回路６４の方向を確実に同一にするため、制御巻線２４は、好ましくは全ての第２のスロット部２８”内で同じ方向に巻かれる。上述のように、この電力および制御巻線の対応する部分間の関係あるいは同相および異相の結果として、制御巻線２４内に誘導される電圧は正味ゼロであり、これは、比較的低い直流電位が、直流制御電流を供給するため用いられるため望ましく、したがって、制御巻線２４上の有意な交流電位を除去するために特に考慮すべきことはない。
【００３７】
次に、図５を参照すると、（電力巻線２２および制御巻線２４を有する）機械１０を用いる交流電力発電システムが図示されている。本実施例における発電システムは、２つの可変または固定速度のオルタネータ２７０ａ，２７０ｂを用いており、好ましくは、各々が機械１０の設計を有し、各々が可変および固定周波数のＮ相電流２７１ａ，２７１ｂを提供する。システムの構成要素は、特定のオルタネータ２７０ａ，２７０ｂに対応する態様に用いる場合、接尾文字「ａ」や「ｂ」を含んだ参照数字とともに記載されるが、通常、エレメントを参照する場合には接尾文字を用いない。全波Ｎ相整流器などの電流整流器２７２ａ，２７２ｂは、各電力巻線２２のＮ相出力電流２７１ａ，２７１ｂを、直流出力２８０ａ，２８０ｂにコンバートする。整流器２７２ａ，２７２ｂは、望ましくない残留成分を除去するために、高周波フィルタなどのフィルタを含むことが好ましい。オルタネータ２７０ａ，２７０ｂは、ガスタービン、風車、水車または他の機械的な電力源など、同じまたは異なる原動機２６８によって駆動される。
【００３８】
制御装置２７４ａ，２７４ｂによってオルタネータ２７０ａ，２７０ｂの各々の制御巻線２４にもたらされる制御電流２７６ａ，２７６ｂを変更することによって、制御が行われ、これにより、前述のように（すなわち、制御装置２７４ａ，２７４ｂは、図４の電流源５０と同様の制御機能を有する）、オルタネータ２７０ａ，２７０ｂの交流出力電流（すなわち、電力巻線２２における出力電流）は、制御入力電流２７６ａ，２７６ｂに対して比例的に振幅が変化する。つまり、各制御巻線２４における制御電流が増すと、電力巻線２２におけるオルタネータ出力交流の絶対値は、上記の原理に応じて、比例的に振幅が増す。上記の原理により、所望の周波数で、半正弦波パターン（図５に概略的に示す入力電流パターン）などの所望のパターンで、かつ二次磁気回路６２に対応するステータの少なくとも一部を飽和させるのに十分なレベルにおいて各制御巻線２４にもたらされる入力制御電流２７６を変えることにより、オルタネータの電力巻線２２からの交流出力２７１の振幅の絶対値は、同じ通常のパターンおよび周波数に応じて変わる。制御巻線を通る実質的にあらゆる電流により電力巻線電流が存在しない（すなわち、電力巻線電流からの対向する磁束がない）制御磁束バスの飽和が生じるように、制御巻線および対応する制御磁束バスが構成されることが好ましい。オルタネータ２７０ａ，２７０ｂの電力巻線２２からの交流出力２７１ａ，２７１ｂが、整流器２７２ａ，２７２ｂによって交流から直流に整流されると、制御入力が半正弦波パターンであり、それにより入力制御信号に続く場合、直流出力２８０ａ，２８０ｂは、例えば、半正弦波パターン（図５に概略的に示す）で、制御入力信号２７６ａ，ｂと同相であり、比例的に変わる出力をもたらす。整流信号に適用される高周波フィルタリングは、整流信号に残存するリプルを排除し、所望の半正弦波の変調された直流出力だけを残す。この構成において制御される２つのオルタネータ２７０ａ，２７０ｂは、制御入力に対応するパターンで出力をそれぞれ生成し、次いで、これを加算機２８２によって適切な方法で合成し、所望であれば、ゼロ周波数（すなわち、交流）を含む所望の周波数（通常、オルタネータの基本的な電力周波数の約半分まで）で、全交流波出力２８４（図５に概略的に示す）を形成する。各機械からの整流された出力電流は、入力制御電流に直接的に関連し、所望の任意の形状に変化され得る。オルタネータ２７０ａ，２７０ｂの制御巻線２４のセットに相補的な波形を付与することにより、対称的な交流出力波形が結合された出力端子において生じる。各制御巻線２４に半波整流された信号（例えば、整流された正弦波の１つのこぶ（ハンプ））のように見える波を有する入力電流を提供することにより、同様の電流波形は、整流器２７２の出力回路を流れ、制御巻線と電力巻線との巻数比により増幅される。全ての他のサイクルの極性を反転させることにより、全交流波が再構成される。
【００３９】
次に図６を参照すると、図５のシステムの例がより詳細に図示されている。同じ参照符号は同じ構成要素を示している。１つまたは複数の原動機２６８がオルタネータ２７０ａ，２７０ｂを回転させ、オルタネータからＮ相電流出力２７１ａ，２７１ｂを生じさせる。この出力２７１ａ，２７１ｂは、前述のように、制御入力２７６ａ，２７６ｂおよびオルタネータ２７０ａ，２７０ｂの内部特性により振幅変調され、次いで、ユニット２７２ａ，２７２ｂにより整流され、加算（２８２）されて、以下に記載するように、システム出力電圧および電流２８４を負荷に提供する。半正弦制御入力（例えば）が、オルタネータ２７０ａ，２７０ｂに提供される場合、互いに位相から外れた制御入力、およびオルタネータ２７０ａ，２７０ｂの整流された出力は、負荷回路およびスイッチ２７７ａ，２７７ｂの各端部に接続される。対応する整流器の出力がゼロのときスイッチが整流器の出力にわたり短絡をもたらし、したがって、全正弦交流電流が負荷回路に流れるように、前記スイッチが配置されている。１つのオルタネータ２７０ａ，２７０ｂだけが所与の時間で出力電流を発生するように、制御入力がもたらされることが好ましい。出力電流の周波数は、好ましくは、入力制御電流の周波数だけに依存し、オルタネータ２７０ａ，２７０ｂの回転速度に依存しない。図６に示すように、制御電流は、処理および制御サイクルに入力するために、制御装置２７４にフィードバック２８６される合成された交流出力（２８０ａ，２８０ｂ）に基づいて制御される。前述のように、交流出力の大きさは、オルタネータ２７０ａ，２７０ｂにおける制御巻線と電力巻線との巻数比による制御入力の大きさに関連する。
【００４０】
図６を参照して、１つの適切な加算機２８２の詳細な構成について以下に説明する。加算機２８２は、２つのスイッチ２７７ａ，２７７ｂを含む。オルタネータ２７０ｂに制御電流がもたらされ、オルタネータが出力電流を流すとき（例えば、負荷への負の半サイクルのために）、スイッチ２７７ａが閉じられ、正の半サイクル電流を負荷に送るようにオルタネータ２７０ａに制御電流がもたらされたときに、スイッチ２７７ｂが閉じられる。この回路をもたらすために一方向スイッチが用いられる場合があるため、スイッチ２７７ａ，２７７ｂは、ＩＧＢＴトランジスタやＭＯＳＦＥＴデバイスなどの固体デバイスであることが好ましい。整流器２７２ａ，２７２ｂは、あらゆる適切なものとすることができ、好ましくは標準的な構成である。オルタネータ２７０ａへの制御電流がゼロまたはほぼゼロであるとき、整流器２７２ａの出力はゼロまたはほぼゼロであり、スイッチ２７７ａが閉じられると、整流器２７２ｂから負荷を通って反対方向に流れ始める電流の電流路をもたらし、かつ整流器２７２ａから流れることのある残留電流の分路をもたらす。スイッチ２７７ａ，２７７ｂは、スイッチを「オン」および「オフ」する間に比例的に制御され、波形におけるゼロ交差点に近い生成された波形の忠実度を向上させる。この全変調技術が用いられると、オリジナルのオルタネータ基本周波数が、実質的に排除され、結果として生じる出力電力周波数として制御変調要素だけが残る。
【００４１】
さらに図６を参照すると、他の態様において、この構成で所与の極性の直流出力を実現するために、好ましくは、１つの機械（例えば、２７０ａ）への入力制御電流は、選択された直流電流にセットされ、他の機械（例えば、２７０ｂ）は、ゼロ制御電流にセットされ、用いられていない機械整流器にわたるスイッチ（例えば、スイッチ２７７ｂ）は閉じられる。「通電している」機械２７０ａへの入力制御電流の大きさは、整流器２７２ａから要求される出力直流電流の程度、および巻数比などの機械特性に依存することを当業者であれば認識されるであろう。単極の直流出力電流が常にシステムから要求される場合は、図６のシステムは、「必要のない」オルタネータおよび機器を取り除き、単純化してもよく、したがって、図６ａに示すような単一のオルタネータを有するシステムを付与することができる（一定の制御電流が概略的に示されているが、これは要求されない）。再び図６を参照すると、他方で、所望であれば、システムからの直流出力の極性を即座に反転することができ、機械２７０ａ，２７０ｂが適切なスイッチとともに起動されると単に反転する。同様に、方形波出力電流が所望であれば、適切な変調（すなわち、制御）電流およびスイッチ制御信号をもたらす必要がある。
【００４２】
単一の制御可能な機械の利用を可能にして任意の交流出力波形を生成する他の整流および出力合成方法があり、これは、システムの制限内における所望の周波数の正弦曲線を含む。そのような１つの例は、図８を参照して以下に説明する。
【００４３】
図６の電力システムの出力から高忠実電力信号を得るため、図７に図示されたシステム構成を、任意選択で、変調（モジュレーション）およびスイッチ制御２７４をもたらすように用いてもよい。例えば、所望の固定された振幅の４００Ｈｚの正弦波の基準信号源２９０が、差分（ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｉｎｇ）誤差増幅器および信号スプリッタ２９２の１つの入力に提供される。差分増幅器２９２の他の入力は、電力システムの出力（すなわち、本実施例では４００Ｈｚの正弦波）から、負荷電流および電圧モニタ２９８によって生成されたフィードバック信号２８６によりもたされる。基準２９０と出力信号フィードバック２８６との間の差つまり誤差が決定される。これから、「補正」電流波形が生成され、この波形は、所望の出力（基準２９０に代表される）に対して、出力電力信号における誤差を除去するために、「純粋な（ｐｕｒｅ）」入力波から修正され、それにより、より「純粋な」出力波形を生じさせる。この補正された波形は、次いで、制御電流２７６の基準となり、信号スプリッタ２９２は、電流源２９４ａ，２９４ｂに適切な信号を供給する。したがって、図６の実施例では、補正された制御電流は、符号２７６ａ，２７６ｂで概略的に示された「純粋な」入力波から変動する。補正された変調制御電流は、オルタネータ２７０ａ，２７０ｂへの制御入力電流２７６ａ，２７６ｂとして提供される。この効果により、出力電力信号が、差分増幅器２９２の利得（ゲイン）パラメータに基づいた誤差帯域幅（エラーバンド）内で、基準信号２９０と同様になる。このように、制御巻線２４または整流システム２７２ａ，２７２ｂにおける、スイッチ２７７ａ，２７７ｂのスイッチ操作による交差点（クロスオーバ）ひずみを含む種々の非線形を最小化、好ましくは排除することができる。再び図６を参照すると、負荷に電流を提供する一方の整流システム（例えば、２７２ａ）から、負荷に電流を提供する他方の整流システム（例えば、２７２ｂ）に交換されるとき、スイッチ２７７ａ，２７７ｂのスイッチ操作による交差点ひずみは、また、好ましくは、スイッチ２７７ａ，２７７ｂが開閉する割合で、例えば、出力電流の変化の割合など、制御装置２７５ａ，２７５ｂによっても最小になる。この交差点ひずみの最小化技術は、オルタネータ２７０ａ，２７０ｂの出力電流２７１ａ，２７１ｂがゼロへと完全に減少できない状況において望ましく、これにより、スイッチ２７７ａ，２７７ｂは、残存電流の分岐路として効果的に機能する。前述のように、所与のスイッチ２７７ａ，２７７ｂの制御された、より遅いスイッチングは、基準信号の変化の割合をゼロ交差付近の変化率に一致させるように、回路出力電流の補正された変化率を提供し、これにより、交差点ひずみを最小化あるいは排除する。
【００４４】
生成された交流２８４の周波数制御に加えて、生成された交流２８４の振幅を調節することが可能である。生成された交流２８４の振幅を固定された基準（例えば、所望の振幅の代表値）と比較するため、変調およびスイッチ制御装置２７４によってフィードバック制御回路が用いられ、生成された交流２８４が所望の振幅以下のとき、制御電流の振幅を増加し、飽和レベルおよび生成された交流２８４の振幅を増加するためにコマンドが提供される。同様に、生成された交流２８４の振幅が所望の基準振幅（上記の基準振幅と同じであっても異なっていてよい）を超えているとき、制御電流の振幅を減少させ、飽和レベルおよび生成された交流の振幅を減少するためにコマンドが提供される。したがって、生成された交流の振幅を調節することができる。上述のように、任意の種類のフィードバック制御が本発明のオプションとして考慮されているが、所望であればこれを省略してもよい。
【００４５】
図８は、他の構成を図示しており、対称的な交流出力をもたらすように、単一の変調された（被変調）オルタネータ３７０および４つの双方向スイッチのフルブリッジが提供される。この構成では、図８に概略的に示すように、変調ユニット３７４によって制御巻線２４へと送られる変調信号３７６は、所望の最終出力信号と形状および周波数が類似した交流信号、あるいは（例えば、形状および周波数が類似した）最終出力信号として所望されるものの整流されたバージョンである全波とすることができる。制御入力３７６の第１の半サイクルの間に電流が増すと、波（例えば、正弦波）がゼロから増加し、次いでゼロへと減少し、整流器３８０の出力電流は、同様に増加し、次いで減少する。この制御入力３７６の第１の半サイクルが完了する（すなわち、制御電流波がゼロ入力電流に戻る）と、整流器３７２の出力３８０におけるスイッチ３７７が反転し、負荷への電流が反転する。次いで、交流制御電流がもたらされる（または、全波整流された制御電流がもたらされるところに再び増加するように）負の方向へと制御電流がゼロ以下に増加し始めると、出力電流が負荷において反対方向に増加し始める。これは、スイッチの位置が反転され、その後、ゼロまで減少し、それにより、交流正弦波の残りの半分を完了させるためである。
【００４６】
図９を参照すると、他の実施例として、本出願人による米国特許第６，９６５，１８３号明細書に記載された基本的な原理によるＮ相「デュアルチャネル」機械を、本発明の原理により修正し用いている。これについて、以下に詳細に説明する。デュアルチャネル機械４１０は、（本実施例において）、２つの周方向に配置された、別個でかつ完全に独立した（すなわち、電磁気的に隔てられた）一次巻線４２２と、ステータ４２０に設けられた対応する制御巻線４２４と、からなるＮ相のセットを有する。ステータ４２０は、２つのセクタつまり半部４２０ａ，４２０ｂに分割されており、該半部は、ステータを二分する線によって示されている。各チャネルの離間した巻線セット（例えば、４２２ａ，４２２ｂおよび４２４ａ，４２４ｂ）は、機械の離間したセクタつまり半部４２０ａ，４２０ｂに位置し、それにより、「１つで２つ（２イン１）」のチャネルを有する、つまり２チャネルの機械４１０をもたらす。２つのセットのＮ相巻線の各々は、独立的に制御可能であり、したがって、２つの別個の機械が提供される（すなわち、図６のように）のと同様の効果を有する。米国特許第６，９６５，１８３号明細書に記載されているように、この多チャネルの構成によって、同じステータ内に複数の独立的に制御可能なオルタネータが設けられ、これらは、所望のように、結合して、あるいは独立的に作動される。したがって、この特徴により、同一のステータ構造内に複数の機能的な「機械」が存在することとなる。
【００４７】
図９のステータは、２００６年５月１９日に本出願人によって出願され、同時継続中の「Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  Ｓｌｉｔ」（出願番号第１１／４１９，２３８号）に記載されているように、好ましくは、チャネルＡ，Ｂの三次磁気回路間のクロストークを妨げる手段を有する。前記明細書に記載されているように、クロストーク低減機能（例えば、ステータスリット４２１など）の存在は、チャネル内に三次磁気を実質的に含むように機能する。三次磁気磁束は、好ましくは、制御磁束バス４３２の全長に沿ってチャネルの境界へと移動し、そこで、クロストーク低減スリット４２１が、磁束の方向を電力磁束バス４３６へと変え、そこで、磁束は、他のクロストーク低減スリット４２１の近傍において経路が三次経路の始点に再び結合するまで、電力磁束バス４３６の全長に沿って戻る（図２の単一のチャネルの実施例では、この磁束は存在しないため、図示していない）。
【００４８】
図１０は、デュアルチャネル機械４１０を用いてオルタネータ４７０を提供する交流電力発電システムを図示する。オルタネータ４７０において、好ましくは、機械４１０の半部４２０ａは、図５のオルタネータ２７０ａに類似する機能性を提供し、機械４１０の他方の半部４２０ｂは、図５のオルタネータ２７０ｂに類似する機能性を提供する。電源制御装置４７４は、オルタネータ出力電流４７０ａ，４７０ｂを制御するように、適切な制御電流４７６ａ，４７６ｂをもたらすように適合された電流源を含む。前述のように、所望の出力周波数に対応する所望の全周期の半分の間、各々が所望の出力波形（この場合、台形波）の半分からなる、所望の出力周波数に対応する周期で交互に制御電流４７６ａ，４７６ｂを変えることにより、オルタネータ４７０のチャネルＡ，Ｂが、上記の方法で、変調制御され得る。
【００４９】
生成された交流４８４の周波数は、制御電流４７６ａ，４７６ｂの周波数、および交流の成分がリストア（修復）される周波数によって制御される。加えて、生成された交流４８４の振幅は、制御電流４７６ａ，４７６ｂの振幅により制御される。したがって、フィードバック４８６は、変調およびスイッチ制御装置４７４に任意選択的に提供され、これにより、制御電流の振幅は、生成された交流や電圧４８４の変動を補償するように自動的に調節され得る。
【００５０】
そのため、出力周波数は、制御され、かつ所望の固定された値にセットされるか、あるいはやがて変化してもよいことが分かる。これらは、全てオルタネータの機械的な速度とは関係していない。例えば、可変速度のガスタービンから直接的に発電機を駆動し、適切な制御入力を提供することによって一定の６０Ｈｚの交流出力をもたらすことができる。他の例では、適切な制御入力を提供することによって、航空用途で用いられる４００Ｈｚの交流をもたらすことができる。そのため、オルタネータの速度は、周波数を出力するためにもはや重要ではない。図５，６のように、複数のオルタネータが用いられている構成において、オルタネータ２７０ａ，２７０ｂの速度は、必ずしも等しい必要はない。全ての構成では、オルタネータの速度は、最小出力電圧および／または周波数の生成に要求される所与の最小速度より高いことが必要なだけである。最大制御電流におけるオルタネータの最小出力電圧は、最大磁束の変化の割合、およびロータからの磁束によりループされた巻線の長さなどの機械パラメータによって確定される。機械の速度や出力電圧は、出力波形に要求されるピーク電圧を再生することができるように整流器から交流出力を少なくとももたらすのに十分であることが好ましい。機械の速度は、好ましくは、この最小速度を超える任意の実用的な速度である。本発明の手法により付与される重量および大きさの利点を最大にするため、オルタネータの速度は、所望の出力電圧および電流を生成するのに要求されるオルタネータの大きさを最小にするように、できる限り高いことが好ましい。
【００５１】
図１２を参照すると、所望の周波数で変調された交流電力出力をもたらす方法が図示されている。１つまたは複数のオルタネータは、１つまたは複数の原動機によって駆動され（６００）、電力巻線２２における電気を誘導する。オルタネータの二次磁気回路における飽和は、所望の出力パターンにより選択的に制御され（６１０）、それにより、前述のように、オルタネータの出力に影響を与える。オルタネータの出力は、交流（ＡＣ）から直流（ＤＣ）にコンバートされ（６２０）（すなわち、オルタネータ出力の絶対値が得られる）、選択的にフィルタリングが実行される。直流信号は、次いで、入力パターンに対応する周波数を有する交流出力信号にリストアされる（６３０）。出力交流信号は、次いで、適切な負荷にもたらされる（６４０）。出力信号の忠実度を向上させるため、あるいは他のモニタリング機能や制御機能をもたらすように、フィードバックモニタリング（６５０）を用いてもよい。
【００５２】
本発明のアプローチによって、オルタネータ出力が、ゼロ周波数（すなわち、直流）から、ロータに用いられる磁石の数および速度によって制限される周波数まで変化し得る。変調（モジュレーション）は、ゼロと最大オルタネータ出力との間の任意の振幅にセットされ、そして、これは、オルタネータを回転させる原動機の電力によってのみ制限される。制御入力とオルタネータ出力との間の振幅効果を実現するため、制御巻線と電力巻線との巻数比は、１：１を超えることが好ましい。しかし、一般的に言えば、制御巻線におけるより低いインダクタンス（および、したがって、巻数比）は、交流励磁のために要求されるが、より高い巻数比によって、望ましいより高い振幅が生じ、そのため、最適化が、通常、要求される。オルタネータ出力の周波数が変調周波数よりも著しく大きい場合、トレードオフに影響を及ぼすことは、電力巻線電圧がとても高くなり得るときに、高電流における制御巻線では、まだ非常に低い電圧のままであり得るという事実である。
【００５３】
既存の６０Ｈｚタービン発電機のセットは、通常、６０Ｈｚの出力周波数を得るために、３６００ＲＰＭまたはそれ以下で作動する。この要求によって、有益な発電のため機械がとても大きくなり、一般的に、機械の重量および大きさは、所与の電力定格の運転速度に反比例する。標準的な電力を要する電車や船などの大きな乗物および石油プラットフォームや他の前哨地点は、低周波数電力を合成するために、低速発電機（高出力ギアボックス、および大きな３６００または１８００ＲＰＭ発電機）や高価な固体パワーエレクトロニクスおよび重いフィルタリングシステムなど電源の選択が制限される。本発明のアプローチによると、従来のシステムに比べて低重量および低コストである大出力の電源の付与が可能となる。そのため、本発明は、上記および他の問題に対する軽量、簡素かつ多用途の解決方法を提供するものである。高旋回速度（すなわち、オルタネータのステータとロータとの間の相対速度）を有する１つの原動機はシステムの大きさを最小化するが、オルタネータは、任意の適切な（１つまたは複数の）原動機によって駆動され、これにより、本発明のアプローチによってもたらされる低減されたスペースや重量などを用いることができる。本発明のシステムは、ガスタービンのメインシャフトにより駆動されるように十分に適合されており、低減された重量および大きさによって、ターボファン、ターボシャフトおよびターボプロップガスタービンなどの航空機エンジンに用いるように十分に適合される。
【００５４】
本発明は、正弦波、台形波、三角鋸歯波、方形波や他の所望の形状（波形）やパターンなどの異なる交流波形をもたらすように使用され得る。形状／パターンは、一定あるいは固定である必要はない。生成された交流２８４の形状は、制御電流２７６ａ，２７６ｂの適切な形状をもたらすことにより調節される。電気機械１０の設計により、オン／オフ方式とは対照的に、飽和の程度が変更され得る。したがって、生成された交流２８４は、所望のように変調され得る。しかし、電気機械１０は、構成に応じて、制御電流２７６ａ，２７６ｂの形状が所望の結果を実現するために補償しなければならない、十分な非線形挙動を有することを考慮に入れるべきである。加えて、前述のように、生成された電流２８４は、必ずしも周期的な交流である必要はないが、常に変化する電流としてもよいし、あるいは、前述のように、全く変化する必要はない（すなわち、直流とすることができる）。
【００５５】
他の実施形態では、１つまたは複数のオルタネータにおける飽和制御のために制御巻線２４および制御電流源５０に依存するのではなく、代わりに、飽和は、適切な制御および駆動システムにより制御磁束バスに近接した永久磁石によってもたらされ、この制御および駆動システムは、機械的、電気的、電子的、または他のもの、あるいはそれらの組合せであってよい。例えば、図１４を参照すると、１つまたは複数の適切な永久磁石８０を有する飽和アッセンブリは、適切な制御および駆動システム（図示せず）によって二次磁気回路６２に近接しており、この制御および駆動システムは、機械的、電気的、電子的、または他のもの、あるいはそれらの組合せであってよい。例えば、永久磁石８０は、回転、往復運動、振動や他の動きなどで制御可能に可動であるサポート８２に取付けられ、そのため、磁石が二次磁気回路の少なくとも一部の飽和レベルを周期的に変化させ、前述のように、電力巻線２２を適切に制御する。飽和周波数は、移動する永久磁石８０の速度および動きの制御を介して調節される。この永久磁石飽和アッセンブリにより、制御巻線２４および関連する回路を伴う電磁石アッセンブリの必要性が排除される。本明細書に記載された飽和制御の効果を実現するために、任意の他の適切な磁石または電磁石飽和手法を用いてもよい。
【００５６】
簡素化を目的として単相システムの出力を説明してきたが、システムの出力は、要求されるオルタネータの数および構成がそのように設けられている場合、所望の数の位相を有していてもよい。例えば、図１１を参照すると、タービン５６８は、６つの独立した電力巻線セット５２２ａ〜ｆおよび制御巻線５２４ａ〜ｆを有する三相電源システムをもたらすように、６つのチャネルを有する６チャネルオルタネータ５７０（「ａ」〜「ｆ」のチャネルを有する（図示せず））を駆動して、負荷にデュアルチャネル三相出力５８４を提供する。したがって、制御入力に応じてゼロ（すなわち、直流）から最大周波数へと変化可能な周波数を有する三相源がもたらされ、これは、高出力能力を要する多くの潜在的な用途を有し、かつ固体デバイスに比べて、特に高出力レベルにおいて、コスト、大きさ、複雑さの点において利点を付与する。
【００５７】
一般的に、磁性材料の飽和は、該材料における磁束密度の作動範囲における領域として画定され、ここで、磁化力（Ｈ）のさらなる増加によって、空気だけを含む場合の回路に認められるものを超えた磁束密度（Ｂ）の著しい変化が生じないことを当業者であれば理解されるであろう。また、磁性材料を飽和磁束密度よりも５０％低い磁束密度で作動させることは、５０％の飽和であると認識されず、むしろ全く飽和していない（すなわち、不飽和である）と認識されることを当業者であれば理解されるであろう。
【００５８】
上記の説明は例示のみを目的としたものであり、当業者であれば、開示された本発明の範囲から逸脱することなく、述べられている実施形態に他の変更を加えることができることを理解するであろう。例えば、オルタネータにおける位相の数は、変更可能であり、いくつであってもよい。オルタネータは、単相または多相、あるいは単チャネルまたは多チャネルであってよい。巻線は、スロット当たりの巻数が１つまたは複数であってよく、巻線の巻数は必ずしも整数でなくてもよい。電力巻線の数は、制御巻線の数と必ずしも等しくなくてもよく、また、１つまたは複数の巻線が１つのスロット内に存在してよい。巻線は、任意の（１つまたは複数の）導体（すなわち、単一の導体、２つ以上のワイヤ、絶縁され積層されたリッツ線など）とすることも、超電導体とすることもできる。多相のオルタネータでは、適切な技法によるデルタ接続またはＹ接続された巻線があってもよい。巻線が互いに電気的に分離されている限り、電力巻線と制御巻線との間にエアギャップがなくてもよい。ロータは、任意の適切な電磁構成とすることができ（すなわち、永久磁石ロータは必須ではない）、また、外側ロータ構成または内側ロータ構成で、あるいは他の任意の適切な構成で設けられてよい。他の巻線構成が可能であり、上述のものを全く使用しなくても、装置全体にわたって使用しなくてもよい。また、述べられている磁気回路は、任意の適切な方法でステータ（および／またはロータ）内に配置することができる。同様に、ステータおよびロータもまた任意の適切な構成を有してよい。例えば、ステータはスロットを有していなくてもよく、任意の適切なステータ形態を用いてもよい。任意の適切な飽和手段が使用されてよい。上述のいくつかの実施形態では、飽和を制御するために直流電源が好ましいが、所望の結果を得るために適切である場合には、交流電源を使用してもよい。制御入力は、一定、周期的でなくてもよく、または一定の周波数や振幅を有していてもよいし、音声信号などの複素周波数を有していてもよく、またゼロ周波数（直流）を有していてもよい。整流器は、従来型である必要はないが、交流信号の絶対値を得る適切な手段であるか、該手段を有していてもよい。インバータ、加算機などは、従来型である必要はないが、入力からの交流信号を提供する適切な手段であるか、該手段を有していてもよい。前述した整流器、加算機、インバータなどは、例示的なものに過ぎず、本明細書において教示された本発明の範囲から逸脱することなく、交流から直流または直流から交流にコンバートする適切な手段を用いることができる。二次磁気回路の一部だけが上述の実施例では飽和しているが、所望であれば、ロータ磁気回路が飽和しないのであれば二次磁気回路全体が飽和してもよい。本発明の範囲内にあるさらに他の修正形態が、本開示を検討することで当業者には明らかとなり、そのような修正形態は、以下の特許請求の範囲に含まれる。
【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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【図６ａ】
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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】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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