(57)【要約】  典型的なパワー・システムはステータ巻線の多数の組をもつ電気機械を含むことができ、各組の巻線は別個のスイッチ・マトリクスを通って共通電圧バスに結合され、巻線の各々は、ステータ磁束高調波が実質的に低減されるようにステータのまわりに空間的に全節で配置することができる。低減されたステータ磁束高調波は相電流高調波含有量に関連することがある。事例の用途では、そのようなパワー・システムは、機械エネルギーをＤＣ電圧バス上の電気エネルギーに移転するために発電モードで運転することができる。いくつかの例示的な実施形態では、パワー・システムは、例えば、機内搭載（例えば、船舶、航空機、鉄道）パワー・システムに好適な高パワーおよび高速（例えば、８０００ｒｐｍ以上で１ＭＷ）のモータリングおよび／または発電機能を提供することができる。
2010508802.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータの表面の端から端まで実質的に均等に分配された複数の巻線場所をもつステータと、
前記複数の巻線場所の中に実質的に対称に配置され、いくつか（Ｎ）の組のマルチプル（Ｍ）相巻線を形成するように接続された複数のコイル中に形成された複数の導体であって、前記巻線の各々に対して、前記コイルの各々が全節巻を形成するように単一極にまたがり、前記Ｎ組の巻線の各々が、動作中第１の周波数範囲内の磁束の高調波含有量を実質的に低減するように互いに対して実質的にオフセットされる複数の導体と
を含む電気機械と、
前記Ｎ組の巻線の各々に対応する実質的に独立したＮモジュールを含む処理ステージであって、前記Ｎモジュールの各々が前記対応するＭ巻線の各々に接続するためのＭ入力ポートを有し、第１および第２の出力ポートを有し、前記Ｎモジュールの各々に対する前記第１および第２の出力ポートが、電圧バスの第１のノードおよび第２のノードに接続可能である処理ステージと
を備えるエネルギー処理システム。
【請求項２】
前記電気機械がリニア機械を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記電気機械が回転機械を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記電圧バスと電気分配システムとの間のエネルギー移送を可能にするインターフェイスをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記電気分配システムが船舶搭載電気分配システムを含む、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記船舶搭載電気分配システムがＤＣ（直流）分配システムを含む、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記モジュールの各々がフィルタを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記モジュールの各々がブリッジ整流器を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記モジュールの各々が能動スイッチ・マトリクスを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記電圧バスがＤＣ（直流）電圧バスを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記ステータが、隣接する巻線場所の巻線間に複数の歯状構造体をさらに含み、前記複数の歯状構造体の各々が実質的に同じサイズを有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記複数の巻線場所の各々がスロットを含み、前記スロットの各々が実質的に同じ幅を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記第１の周波数範囲が、前記機械の基本電気周波数の高調波よりも実質的に低い周波数を含み、前記基本電気周波数の前記高調波数が２×Ｍ×（Ｎ−１）である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記電気機械が、ギャップによって前記ステータから分離された永久磁石ロータをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記ギャップが、動作中、流体で少なくとも部分的に充填される、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記ギャップ中の前記流体の実質的な部分が可燃性流体を含む、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記Ｎモジュールの各々のための前記第１および第２の出力ポートが、電圧バスの前記第１のノードと第２のノードとの間に直列に接続される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記Ｎモジュールの各々のための前記第１および第２の出力ポートが、電圧バスの前記第１のノードと第２のノードとの間に並列に接続される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
電気機械エネルギー変換を可能にする方法であって、
対応する複数のスロットによって分離された一連の歯状構造体をもつステータと、
前記複数のスロット中に実質的に対称に配置され、いくつか（Ｎ）の組のマルチプル（Ｍ）相巻線を形成するように接続された複数のコイル中に形成された複数の導体であって、前記巻線の各々に対して、前記コイルの各々が全節巻を形成するように単一極にまたがり、前記Ｎ組の巻線の各々が、動作中第１の周波数範囲内の磁束の高調波含有量を実質的に低減するように互いに対して実質的にオフセットされる複数の導体と
を含む電気機械を供給するステップと、
前記Ｎ組の巻線の各々に対応する実質的に独立したＮモジュールを含む処理ステージを使用して、前記電気機械と電圧バスとの間のエネルギーを処理するステップであって、前記Ｎモジュールの各々が前記対応するＭ巻線の各々に接続するためのＭ入力ポートを有し、第１および第２の出力ポートを有し、前記Ｎモジュールの各々に対する前記第１および第２の出力ポートが、前記電圧バスの第１のノードおよび第２のノードに接続可能であるステップと
を含む方法。
【請求項２０】
前記電気機械を、第２の数（Ｎ２）の組のマルチプル（Ｍ）相巻線をもつ第２の電気機械と取り替えるステップをさらに含み、前記巻線の各々に対して、前記コイルの各々が全節巻を形成するように単一極にまたがり、前記Ｎ２組の巻線の各々が、動作中第２の周波数範囲内の第２の磁束の高調波含有量を実質的に低減するように互いに対して実質的にオフセットされる、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記処理ステージを、前記対応するＭ巻線の各々に接続するためのＭ入力ポートを有し、第１および第２の出力ポートを有するＮ２モジュールを含む第２の処理ステージと取り替えるステップをさらに含み、前記Ｎ２モジュールの各々に対する前記第１および第２の出力ポートが、前記電圧バスの前記第１のノードおよび前記第２のノードに接続可能である、請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２００６年１０月２７日に出願された「Ｅｎｅｒｇｙ  Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の米国特許仮出願第６０／８６３，２３３号、２００６年１１月８日に出願された「Ｅｎｅｒｇｙ  Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍという名称の米国特許仮出願第６０／８６４，８８２号、２００７年３月１５日に出願された「Ｈｉｇｈ−Ｓｐｅｅｄ，Ｓｌｅｅｖｅｄ  Ｒｏｔｏｒ  ｆｏｒ  Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｍａｃｈｉｎｅｓ」という名称の米国特許仮出願第６０／８９５，０２５号、および２００７年５月２１日に出願された「Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍｓ」という名称の米国特許出願第１１／７５１，４５０号の優先権を主張するものである。優先権出願の各々の図および詳細な説明の部分の開示は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
様々な実施形態はモータリング・システムおよび／または発電システムに関する。いくつかの例示的な実施形態は、例えば、高速および／または高パワー運転の可能な機内搭載用途で使用することができる。
【背景技術】
【０００３】
いくつかのパワー・システムは、機械エネルギーを電気エネルギーに変換し、および／または電気エネルギーを機械エネルギーに変換することができる。例えば、発電システムは、機械エネルギーを電気エネルギーに変換することができる電気機械などの原動機および電気機械要素を含むことができる。同様に、モータリング・システムは、電気機械に連結された機械負荷を含むことができる。そのようなシステムは、一般に、電気エネルギーを処理する（例えばＡＣ（交流）をＤＣ（直流）にまたは逆に変換することによって）ための受動または能動制御型パワー・エレクトロニクス・デバイスを含む。さらに、そのようなシステムは、電気分配ネットワークの様々な区間において分離のためまたは電圧レベルの整合のために変圧器を使用することができる。
【発明の概要】
【０００４】
典型的なパワー・システムは多数の組のステータ巻線をもつ電気機械を含むことができ、各組の巻線は別個のスイッチ・マトリクスを通って共通電圧バスに結合され、巻線の各々は、ステータ磁束高調波が実質的に低減されるようにステータのまわりに空間的に全節で配置することができる。低減されたステータ磁束高調波は相電流高調波含有量に関連することがある。事例の用途では、そのようなパワー・システムは、機械エネルギーをＤＣ電圧バス上の電気エネルギーに移転するために発電モードで運転することができる。いくつかの例示的な実施形態では、パワー・システムは、例えば、機内搭載（例えば、船舶、航空機、鉄道）パワー・システムに好適な高パワーおよび高速（例えば、８０００ｒｐｍ以上で１ＭＷ）のモータリングおよび／または発電機能を提供することができる。
【０００５】
様々な実施形態において、電気機械のステータ巻線は、相巻線の組の数（Ｎ）、巻線の各組の相の数（Ｍ）、およびパワー・エレクトロニクス・コンバータ中のデバイスのスイッチング周波数の関数である高調波次数を含むパワー・エレクトロニクスからの時間高調波電流の影響を実質的に低減するかまたは取り消すように接続することができる。例えば、機械の所与のステータ巻線構成に関して、発電運転のためにエアギャップ磁束高調波を低減することができる。これらの実施形態は、機械のステータのコストおよび複雑さを増加させるが、駆動部のコストを低減し、システムの総コスト低減および全体システム性能の改善を伴う。
【０００６】
いくつかの電力発電の例では、各Ｍ相巻線の組からのＡＣ電圧は対応するスイッチ・マトリクスによって整流され、スイッチ・マトリクスは、例えば、Ｍ相受動ブリッジ整流器、または制御型スイッチング要素をもつ能動制御型パワー・エレクトロニクス・コンバータとすることができる。発電モードの運転では、スイッチ・マトリクスの各々からの整流出力信号は、共通電圧バスに接続するために並列、直列、またはそれの組合せで配置することができる。いくつかの実施形態では、電気機械は永久磁石ロータを有することができ、機械は回転機械またはリニア機械として構成することができる。
【０００７】
いくつかの実施形態は１つまたは複数の利点を提供することができる。例えば、いくつかの実施形態は、実質的に低減した電力損失を有することができるダイオード・ブリッジなどの受動整流器を含むことができる。例えば、スイッチ・マトリクスの各々および各巻線によって扱われる平均電流は実質的に低減することができ、それにより、必要なデバイス定格をさらに低下させることができる。さらに、いくつかの実施形態は、多数のデバイスにわたって電力損失の分布を改善させることができる。そのような定格低減の検討により、例えば、より低コスト、より広範に入手可能なスイッチング・デバイス、低減された熱管理コスト（例えば、能動冷却、ヒートシンクなど）の利用が可能になる。そのような利点は、設計、製造、組立て、および構成要素コストの実質的な節約をさらにもたらすことができる。
【０００８】
いくつかの電力発電システムでは、実質的に低減されたコスト、サイズ、重量、およびより高い信頼性と効率を含む利点を得るために、簡単な受動（例えば、非制御型）低コスト整流器デバイスをいくつかの実装形態で使用することができる。さらに、高調波磁束を実質的に低減すると、有利には、ロータに結合することがある高調波エネルギーを低減することによって電気機械のロータの電力損失を低減することができる。様々な実施形態では、ＡＣ機械モジュールのレイアウトおよび構造により、同様のコストまたはより低いコストの場合の高速高パワーＡＣ駆動部の設計が簡単化され、例えば、冗長性実装のコストを低減することによって、有利には、信頼性が改善され得る。
【０００９】
他の特徴および利点は、説明および図から、ならびに特許請求の範囲から明らかになる。様々な実施形態の詳細は、添付の図および以下の説明に記載される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】例示的なパワー・ステージの概略図である。
【図１Ｂ】例示的なパワー・ステージの概略図である。
【図２】高速負荷にトルクを供給するためにモータリング・モードで作動する例示的なパワー・ステージの概略図である。
【図３】電気機械のステータ巻線構成の例示的な図である。
【図４】モータリング・モードの動作を示すための例示的な電圧波形および電流波形のプロットである。
【図５】発電モードで作動する例示的なパワー・ステージの概略図である。
【図６】発電モードの動作を示すための例示的な電圧波形および電流波形のプロットである。
【図７Ａ】線電流によるエアギャップの例示的な磁束密度のプロットである。
【図７Ｂ】線電流によるエアギャップの例示的な磁束密度のプロットである。
【図８】様々な巻線構成の例示的なハブ損失のプロットである。
【図９】船舶の電化システムの例示的なネットワークを示す図である。
【図１０】様々な変圧器のない電気ネットワーク・トポロジーの例示的な電流波形のプロットである。
【図１１】発電およびモータリング・トポロジーを有する例示的なシステムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１Ａ、１Ｂは、機械エネルギーを電気エネルギーに（例えば高電力ＤＣ発電）、または電気エネルギーを機械エネルギーに（例えば高速モータリング用途）に変換することができる例示的なシステムを示す。図１Ａに示されるように、システム１００は１列に並べられたいくつか（Ｎ）のスイッチ・マトリクス１０５ａ〜１０５ｎ、電気機械１１０、および電圧バス１１５を含む。スイッチ・マトリクス１０５ａ〜１０５ｎの各々は、モータリング用のＭ相インバータ、および／または発電用のＭ相ダイオード・ブリッジを含むことができる。スイッチ・マトリクス１０５ａ〜１０５ｎの各々はそれぞれポート１２０ａ〜１２０ｎを含み、ポート１２０ａ〜１２０ｎの各々は、電気機械１１０のステータ巻線のＮ個の対応する組のうちの１つに接続するために１組の端子（図示せず）を含む。いくつかの実施形態では、ポート１２０〜１２０ｎのうちの１つまたは複数は、機械の巻線の組の巻線（例えば、オープン・デルタ構成巻線用）に関連する中性点に接続するために１つまたは複数の端子を含むことができる。スイッチ・マトリクス１０５ａ〜１０５ｎの各々はそれぞれポート１２５ａ〜１２５ｎも含み、ポート１２５ａ〜１２５ｎの各々は電圧バス１１５に接続するための１対の端子を含む。
【００１２】
機械１１０はＮ組の巻線を有するステータ（図示せず）を含む。例えば、電気機械１１０はリニア機械を含むことができる。別の例では、電気機械１１０は回転機械を含むことができる。様々な用途において、システム１００は、発電機として作動する場合、機械エネルギーを受け取り、電気エネルギーを出力することができ、および／またはシステムは、モーターとして作動する場合、電気エネルギーを受け取り、機械エネルギーを出力することができる。
【００１３】
様々な実施形態において、マルチプル・ステータ電流高調波がシステム１００の作動中実質的に低減されるように、機械１１０のＮ組の巻線は各々互いに位相シフトされる。実質的に低減される高調波の数は、巻線の各組の相の数のＭと、巻線の組の数のＮとの関数である。
【００１４】
いくつかの例（例えば２つの巻線層をもつ）では、あるステータ構成にとって可能な多相（Ｍ）巻線の組の数（Ｎ）は、
Ｎ＝ステータ・スロットの数／（Ｍ、極の数）
によって計算することができる。様々な実施形態では、巻線の組の数（例えば、極当たりのコイルの数）に基づいて高調波は実質的に低減または取り消される。一実施形態では、４８個のスロット・ステータは、限定ではなく例として、Ｎ＝２またはＮ＝４を使用することができる。様々な例は、様々な数の極当たりのコイル、巻線層、相の数、ステータ・スロットなどを有することができる。実質的に低減または取り消されない最初の高調波成分は、巻線の組の数（Ｎ）の関数として、３相（Ｍ＝３）システムの場合（６Ｎ±１）となることがある。位相シフトは、相の数（Ｍ）および巻線の組の数（Ｎ）の関数としてπ／（Ｍ×Ｎ）である。
【００１５】
Ｎ組の巻線の各々は、ポート１２０ａ〜１２０ｎの対応するものに接続される。機械１１０内で、巻線の組の各々は別の巻線から電気的に分離される。モータリングの場合、エネルギーは、電圧バス１１５から対応するスイッチ・マトリクス１０５ａ〜１０５ｎを通って巻線の各組に別々に送られる。発電の場合、エネルギーは、巻線の各組から対応するスイッチ・マトリクス１０５ａ〜１０５ｎを通って電圧バス１１５に別々に供給される。
【００１６】
様々な実施において、バス１１５の電圧は実質的に単極とすることができる。電圧バス１１５は、ポート１２５ａ〜１２５ｎの各々の正端子に接続する正のレール（例えばノード）と、ポート１２５ａ〜１２５ｎの各々の負端子に接続する負のレール（例えばノード）とを含む。電圧バス１１５はスイッチ・マトリクス１０５ａ〜１０５ｎからＤＣ電圧を受け取る。いくつかの実装形態では、スイッチ・マトリクス１０５ａ〜１０５ｎは、電圧バス１１５の単極の電圧を反転させることができる。例えば、スイッチ・マトリクス１０５ａ〜１０５ｎの各々はＭ相インバータを使用して電圧を反転させることができる。
【００１７】
いくつかの実装形態では、スイッチ・マトリクス１０５ａ〜１０５ｎは反転させた電圧を使用してＡＣ波形を供給し、機械１１０の対応するＭ相巻線の各々を駆動する。例えば、スイッチ・マトリクス１０５ａ〜１０５ｎは、例えば、制御された電流、電圧、トルク、速度、および／または位置を与えるように調整することができる。スイッチ・マトリクス中のスイッチは、いくつかの例では、機械に与えられた基本電気周波数でもしくはその近くで、または基本周波数より実質的に上の周波数で作動することができる。スイッチ・マトリクス中のスイッチを制御する技法は、限定はしないが、ベクトル制御、磁界方向制御、位相制御、ピーク電流制御、平均電流制御、および／またはパルス幅変調またはこれらもしくは他の技法の組合せを含むことができる。
【００１８】
例えば、いくつかのシステムでは、スイッチング周波数は、出力基本周波数、線電流で必要とされる高調波レベル、負荷インピーダンス、半導体デバイスのタイプ、および使用される駆動トポロジーなどの要因に基づくことができる。一般に、スイッチング損失は、例えば、スイッチング周波数と直接に関係することがある。最大接合部温度または安全動作域は、一般に、製造業者のデータシートで指定することができる。
【００１９】
高速用途（例えば８０００ｒｐｍ以上）において高電力（例えば１メガワット以上）を供給するには、ＡＣ機械の設計および関連する駆動エレクトロニクスに対する様々な実際的な課題が存在することがある。そのようなシステムを設計する際、１つの課題はステータ高調波電流に関連する損失を含む。例えば、ステータ高調波電流は、ステータ・コアにおける余分な銅損および鉄損を引き起こすことがある。いくつかの例では、ステータ高調波電流は、さらに、ロータに結合するエアギャップ磁界に高調波成分を注入し、ロータの損失を増加させることがある。システム１００は、巻線の組の数（ｎ）と巻線の各組の相の数（ｍ）とに関係する位相シフトを利用することによって高調波電流を軽減する。一例では、システム１００は、高調波電流中の高調波成分を（６ｎ±１）成分まで低減する（例えば、ｎ＝４の場合、高調波電流中の第１の高調波は２３次成分および２５次成分となる）。
【００２０】
したがって、電圧バス１１５の電圧リプル周波数は（６Ｎｆｍａｘ）に存在することがあり、ここで、ｆｍａｘは電気機械の最大出力周波数である。一般に、ｆｍａｘは、高速機械の場合キロヘルツ範囲にある。いくつかの例では、電圧バス１１５の品質は、高周波スイッチング絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）を使用することなくまたは実質的に減らしたフィルタ処理で改善される。
【００２１】
駆動部および機械はシステムと見なすことができる。設計基準は一般に機械と駆動部とを共に整合させることを含むことができる。場合によっては、駆動部コストが実際の機械を上回ることがあり、したがって、ＡＣ駆動部またはパワー・エレクトロニクスに基づいたシステム全体を最適化することが最も費用効果的な手法となることがある。
【００２２】
いくつかの実施形態では、スイッチ・マトリクス１０５ａ〜１０５ｎは、電圧バス１１５につなぎ合わせるのに直列および／または並列の組合せでつなぎ合わせることができる。図１Ｂに示したように、システム１５０は、並列したスイッチ・マトリクスの対を直列に組み合わせるように接続されているスイッチ・マトリクス１０５ａ〜１０５ｎを含む。例えば、スイッチ・マトリクス１０５ａはスイッチ・マトリクス１０５ｂと直列に接続され、スイッチ・マトリクス１０５ｎ−１はスイッチ・マトリクス１０５ｎと直列に接続される。この例では、直列に接続されたスイッチ・マトリクス１０５ａ〜１０５ｎの群は、電圧バス１１５とつなぎ合わせるために並列に接続される。
【００２３】
図２は、高速負荷２０５にトルクを供給するためにモータリング・モードで作動する例示的なパワー・ステージ２００の概略図である。例えば、パワー・ステージ２００を使用して、遠心圧縮機駆動部、一体式密閉型圧縮機駆動部、高速送風機、および／またはターボ構成要素用テストベッドに電力供給することができる。一例では、パワー・ステージ２００は空間シフト型分相モーターおよびＮ＝４の駆動システムを含むことができる。図示の例では、パワー・ステージ２００は４つの巻線の組２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃ、２１５ｄを含む。巻線２１５ａ〜２１５ｄの各々は、隣接する巻線から１５°の位相差を有するように構成される。いくつかの実装形態では、パワー・ステージ２００は、共通ＤＣノード２３０から給電する２レベル駆動部を含むことができる。
【００２４】
図示の例では、電気機械１１０は非同期機械または同期機械（例えば永久磁石同期機械）とすることができる。機械のステータは、相の総数＝３×Ｎを有する空間シフト型分相巻線を含むことができ、ここで、Ｎは独立した非接地３相巻線の組の数である。いくつかの実装形態では、Ｎは、ステータ中のスロットの数、ロータ極の数、および必要とされる高調波取消しの量に基づいて選択することができる。隣接する３相巻線間に（π／３Ｎ）電気位相差があり得る。同様のステータ構造および巻線レイアウトの検討はモータリング用途および発電用途に適用することができる。
【００２５】
前述の例において、３相巻線の組２１５ａ〜２１５ｄはそれぞれ３相インバータ・スイッチ・マトリクス２２５ａ、２２５ｂ、２２５ｃ、２２５ｄによって給電することができる。発電用途では、３相巻線の組２１５ａ〜２１５ｄはそれぞれＡＣ−ＤＣコンバータ・スイッチ・マトリクス２２５ａ〜２２５ｄに給電することができる。いくつかの例では、ＡＣ−ＤＣコンバータの各々は６パルス・ダイオード・ブリッジとすることができる。Ｎ個のインバータ・セルは、入力において並列に接続し、主ＤＣリンクから給電することができる。別の実施形態では、各インバータ・セルは、Ｎ個の別個のＤＣリンクをもたらす個別のＤＣリンクを有することができる。別の実装形態では、各インバータ・セルは、ゼロ電圧ベクトル注入を利用し、分離された３相電源から３相受動または能動整流器を通して給電されるｎレベルＤＣ−ＡＣコンバータを含むことができる。整流器、ＤＣリンク区間、およびｎレベル・コンバータは、これらのＮインバータ・セルのうちの１つを代表することができる。
【００２６】
例示的な例では、インバータ・セルのスイッチングは、給電されている対応するステータ巻線と同期することができる。各インバータ・セルの基本出力波形は、隣接するインバータ・セルから（π／３Ｎ）だけ位相シフトすることができる。ステータ巻線のレイアウトのために、いくつかの高調波は実質的に低減するかまたは取り消すことができる。いくつかの例では、各インバータ・セルは出力基本周波数でまたはそれの非常に近くで切り替え、さらにモーター電流中の高調波のレベルを実質的に低減することができる。
【００２７】
いくつかの実施形態は１つまたは複数の利点をもたらすことができる。例えば、標準のＡＣコンバータ・トポロジーおよび冷却方法を使用する場合、より高い基本周波数のために、いくつかのシステムは低減した機械の重量および体積を有することができる。いくつかの実施形態では、半導体デバイスなどのＡｃ駆動構成要素の出力能力は、依然として線電流の高調波歪みを低く保持しながら低いスイッチング周波数を使用することによって向上することができる。最適化されたステータ・サイズは、より高い周波数のＰＷＭインバータ動作に、または１つの３相ダイオード・ブリッジだけの使用に関連する可能性のあるスイッチング高調波損失を扱うように引き下げられた要求条件に基づいて得ることができる。ロータへの高調波結合／加熱は実質的に低減することができる。パワー・コンバータのモジュール設計は、いくつかの実施形態では、実質的な故障許容を与えることができ、それにより改善された冗長性およびより高い可用性をもたらすことができる。コイル当たりの巻数および極当たりのコイルの数に応じて異なる接続をすることによって、ステータ巻線絶縁への応力を低減し、および／または巻線の絶縁電圧レベルを低減することができる。いくつかの実施形態は、一般に、高いシステム効率およびより低い総コストを達成することができる。いくつかの実施形態は、ＰＷＭ制御技法を必要とせず、および／またはギヤレス高速ＡＣコンバータ・システムを提供できる。
【００２８】
図３は、電気機械１１０の例示的なステータ巻線構成３００を示す。いくつかの例では、巻線構成３００は、４８スロット／４極ステータで使用することができる。図示の構成表示では、構成３００は垂直線によって示されるような４８スロットを含む。対応するスロットに関連するいくつかのスロット番号が、垂直線上に置かれた数で示される。
【００２９】
いくつかの実施形態では、ステータ構成３００はＮスロットを別々に分割することができる。一例では、ステータは、Ｎスロットによって分離される一連の歯状構造体を含む。例えば、Ｎ相をステータ構成３００のこれらのＮスロット（Ａ１、Ａ２、Ａ３…ＡＮ）に挿入することができる。次に、ステータ構成３００は、Ｎ組の３相巻線を含むことができる。いくつかの例では、各巻線の組は、ステータに全節で巻いている単一巻きコイルを含むことができる。他の例では、各巻線の組は、ステータに全節で巻いている多巻きコイルを含むことができる
【００３０】
いくつかの実施形態では、スロット開口寸法は実質的に等しくすることができる。例えば、歯幅は実質的に等しくすることができる。他の実施形態では、巻線がステータ・コア材料で実質的に形成される場合などに、ステータ構成３００は歯のないステータ設計（例えばトロイダル巻線）を含むことができる。
【００３１】
図示の例では、構成３００は、極当たり４スロットを含む。一例では、ステータ構成３００は、極の各々に等しい数のスロットを含むことができる。例えば、ステータの各極は１２スロットを含むことができる。構成３００は、各極の１２スロットを別々に分割する。例えば、３相（ｍ＝３）をステータの１２スロットに挿入することができる。その結果、ステータは４組の３相巻線（例えばｎ＝４）を有するように構成することができる。いくつかの実施形態では、各スロットが１相だけを含むように巻線を分配することができる。図示の例では、巻線１の相Ａ（Ａ１）はスロット１、１３、２５、３７を占め、巻線２の相Ａ（Ａ２）はスロット２、１４、２６、３８を占める。
【００３２】
いくつかの例は、特定のスロット数、相数、巻数、極数などを有するように説明されるが、そのような例は限定ではなく例として与えられ、他の構成も考えられる。
【００３３】
いくつかの例では、構成３００は、ステータ鉄と、ステータとロータとの間のエアギャップとの高調波を実質的に緩和することができる。例えば、構成３００は、鉄損およびトルク・リプルの観点から発電機の相電流中の５次および７次の高調波成分の影響を実質的に低減することができる。図示の例では、エアギャップ磁束の取り消されない第１の高調波成分が（６Ｎ±１）に存在することがある。いくつかの実施形態では、機械の取り消されない第１の高調波磁束成分が、２×Ｍ×（Ｎ±１）に存在することがある。
【００３４】
図４は、モータリング・モードの動作を示すための例示的な波形４００、４３０、４６０のプロットを示す。いくつかの例では、隣接する３相巻線からの位相シフト高調波がステータのコアで総計される場合、実質的な高調波の低減が生じることがある。図示の例では、高調波成分のいくつかが実質的に効果的に取り消されて、約０．５％の近似的な全高調波歪み（ＴＨＤ）をもたらした。直流および直角位相電流、ｉｑおよびｉｄの波形も示される。最大パワー動作で運転している永久磁石同期ＡＣモーターの場合のＮ＝４、ｉｄ＝０．０の実効電流波形が示される。同期のｄ軸およびｑ軸電流波形は、ＰＷＭ動作なしで実質的に低いリプル含有量を有する。
【００３５】
いくつかの実装形態では、依然としてＡＣ駆動部の簡単で最小限のＰＷＭ動作を可能にしながら高調波注入を実質的に避けることができる。例えば、これは、いくつかの実装形態では、（π／３Ｎ）だけ電気的に位相シフトされているＮ個の電流波形を使用することによって達成することができ、ここで、Ｎは３相巻線の組の数である。各巻線は、実質的に完全ブロックまたは非常に低いパルス幅変調周波数で運転しており、高調波電流を注入しているコンバータによって駆動することができる。
【００３６】
Ｎが３相巻線の組の数として、（π／３Ｎ）だけ電気的に位相シフトされるＮ個の電流波形を利用することによって、高調波電流は実質的に緩和することができる。この位相シフトの効果が図６に示され、高調波成分は（６Ｎ±１）成分まで取り消される。Ｎ＝４の場合、最初の高調波成分は２３次および２５次となる。そのため、ステータに注入される実効電流波形は、典型的な整流器３相ブリッジ波形よりも非常に低いＴＨＤ値を有することができる。
【００３７】
主ＤＣリンク（例えば電圧バス１１５）の電圧リプル周波数は（６×Ｎ×ｆｍａｘ）に存在することがあり、ここで、ｆｍａｘは発電機の最大出力周波数であり、これは、通常、高速機械では数キロヘルツの範囲にある。いくつかの例では、構成３００は、ＤＣリンクの伝送品質を改善することができる。
【００３８】
図５は例示的な高速高電力発電システム（ＨＳＨＰＧＳ）５００を示す。ＨＳＨＰＧＳ５００は、発電モードで作動するパワー・ステージ５１０を含む。パワー・ステージ５１０は、高速原動機５０５と、Ｎ＝４の空間シフト型分相巻線ステータ５０５とを含む。一例では、ステータ５１５は、図３を参照して説明したような巻線構成を含むことができる。一例では、ステータ５１５は、原動機５０５の機械エネルギーを電気エネルギーに処理することができる。ステータ５１５はパワー処理ステージ５２０に結合される。パワー処理ステージ５２０は、ステータ５１５から電力を受け取り、パワー処理ステージ５２０に接続された電気デバイスに電気エネルギーを分配することができる。
【００３９】
いくつかの実装形態では、原動機５０５はギャップによってステータ５１５から分離することができる。ギャップは、液体もしくはガス、またはそれの組合せで充填することができる。一例では、ロータとステータとの間のギャップは、空気、メタン、窒素、水素、油、または液相もしくは気相のこれらもしくは他の適切な材料の組合せで部分的にまたは実質的に充填することができる。
【００４０】
図示の例では、パワー処理ステージ５２０はスイッチ・マトリクス５２５ａ、５２５ｂ、５２５ｃ、５２５ｄを含む。スイッチ・マトリクス５２５ａ〜５２５ｄの各々は、ステータ５１５の巻線の組のうちの１つに接続される。パワー処理ステージ５１５は２つの主ＤＣリンク５３０、５３５を含む。ＤＣリンク５３０、５３５は両方とも、スイッチ・マトリクス５２５ａ〜５２５ｄの出力ポートの１つに結合する。図示のように、スイッチ・マトリクスは、ＤＣリンク５３０、５３５に並列に接続される。動作中、スイッチ・マトリクス５２５ａ〜５２５ｄはステータ５１５からＡＣ電力を受け取り、ＤＣ電力をＤＣリンク５３０、５３５に出力することができる。いくつかの実装形態では、電力信号の周波数は、パワー・ステージ５１５からパワー処理ステージ５２０まで減少することができる。
【００４１】
ＤＣリンク５３０、５３５はＤＣ電力をＤＣ分配システム５４０に供給する。図示の例では、ＤＣ分配システム５４０はマルチプルＤＣ−ＡＣコンバータ５４５ａ〜５４５ｎと、マルチプルＤＣ−ＤＣコンバータ５５０ａ〜５５０ｎとを含む。いくつかの実施形態では、ＤＣ−ＡＣコンバータ５４５ａ〜５４５ｎは、様々なＡＣデバイスをサポートするためにＤＣリンク５３０、５３５からのＤＣ電力をＡＣ電力に変換することができる。この例では、ＤＣ−ＡＣコンバータ５４５ａ〜５４５ｎの各々は、対応するＡＣフィルタ５５５ａ〜５５５ｎに結合される。図示のように、ＡＣフィルタ５５５ａ〜５５５ｎは、４８０Ｖから６９０Ｖの実効電圧で５０Ｈｚまたは６０ＨｚのＡＣ電力などの３相ＡＣ電力出力を供給することができる。ＤＣ−ＤＣコンバータ５４５ａ〜５４５ｎは昇圧コンバータまたは降圧コンバータを含むことができる。いくつかの例では、ＤＣ−ＤＣコンバータ５４５ａ〜５４５ｎは、ＤＣリンク５３５、５４０のＤＣ電力を使用して、ＤＣ用途に電力を供給することができる。
【００４２】
いくつかの実装形態では、パワー処理ステージ５２０はフィルタ、ブリッジ整流器、および／または他のパワー調整構成要素を含むことができる。いくつかの実装形態では、スイッチ・マトリクス５２５ａ〜５２５ｄは能動スイッチ・マトリクスとすることができる。ＤＣ電力の発電またはＤＣ電力を使用するモータリングのためのシステムの例示的な実施形態は、２００６年１０月２７日に出願された、Ａｈｍａｄらによる「Ｅｎｅｒｇｙ  Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の米国特許仮出願第６０／８６３，２３３号、および２００６年１１月８日に出願された、Ａｈｍａｄらによる「Ｅｎｅｒｇｙ  Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の米国特許仮出願第６０／８６４，８８２号に記載されている。例示的な例のために、これらの文献からの詳細な説明の部分および対応する図の開示は、参照により本明細書に組み込まれる。任意の特定の特徴が、組み込まれた開示の中に重要または必要なものとして記載されている範囲で、そのような特徴づけはその文献に当てはまるものであり、本明細書に開示されるすべての実施形態に当てはまるものでないことが理解されよう。
【００４３】
いくつかの実装形態では、高速永久磁石（ＰＭ）同期発電機は、アキシャルまたはラジアル・ギャップＰＭ発電機などのロータ構造に基づいて分類することができる。例えば、ラジアル・ギャップＰＭ発電機は、ロータ動力学に基づいたより高い電力定格で使用することができる。いくつかの実施形態では、ラジアルＰＭ発電機は表面実装または埋込み磁石発電機にグループ分けすることができる。表面実装ＰＭ発電機は、埋込み磁石ベース発電機よりも製造するのに費用対効果が大きくかつ簡単である。いくつかの例では、表面実装ＰＭ発電機は、所要の封じ込めを行うためにスリーブを使用し、塊状ロータ・コア、またはハブは径方向剛性を増加させることができる。高い回転速度の磁石片を収納するために様々なスリーブ構造体を使用することができる。例えば、いくつかのスリーブまたはメンブレンは高強度ニッケルベース合金および／または複合炭素繊維材料のいずれかを含むことができる。
【００４４】
高速のスリーブ型（例えば表面実装）ＰＭ発電機は、スリーブ厚さに起因する非スリーブ型ＰＭ発電機よりも大きい磁気エアギャップと、同等の量の磁束がより大きい磁気ギャップを通るように強制するのに必要とされる増加した磁石厚さとを含むことがある。いくつかの例では、より大きい磁気ギャップは、短絡条件下でより良好な減磁保護を与えることができる。
【００４５】
磁気軸受を利用することよって、発電機は潤滑油不要システムの利点を得ることができる。いくつかの例では、磁気軸受は、いくつかのタイプの機械軸受よりも少ない損失でより高速で作動することができる。高速ＰＭ発電機を使用すると、発電システムは、減少したシステム重量、より高い運転効率、低減された維持管理コスト、および同じ電力定格の従来の解決策よりも小さい外囲器で構築することができる。
【００４６】
高速発電機の損失を低減するために、システム１００およびシステム５００は、例えば、機械のエアギャップで高調波取消しを達成することによって機械損失を最小に保ちながらＮ個の受動３相整流器に接続できるようにするためにＮ組の全節、３相、空間シフト型分相巻線を含むことができる。
【００４７】
いくつかの実施形態では、比較的薄く低損失のケイ素鋼を使用して高周波数動作下の損失を抑制することができる。有限要素分析（ＦＥＡ）技法および公開されている閉形分析手法を使用して、渦電流によるロータ損失を、時間きざみ回転グリッド・ソルバーの使用により予測することができる。場合によっては、磁石の軸セグメント化と、隣接する磁石間または磁石とシャフトとの間の電気絶縁とを考慮することなしに解を２次元分析で得ることができる。
【００４８】
一例では、有限要素分析ツールを使用して、時間依存変数としてのロータ温度の影響、炭素繊維の引張力、および巻線送り速度を含めて、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）母材中での炭素繊維をもつロータの巻線プロセスを作り直すことができる。製作公差に応じてノードごとにロータ形状をランダムに生成して、システム・モデルを提供することができる。
【００４９】
モデルの実行により見いだされた静的応力を応力解析ツールに入力して、作動中のロータの動的応力をモデル化することができる。例えば、様々な温度での、ならびに変動する温度下の超過速度条件での公称作動速度を含む多数の作動条件に対してロータをモデル化することができる。
【００５０】
一例では、ＦＥＡロータ・ダイナミクス・ソフトウェア・パッケージを使用して、発電機の自由−自由固有周波数およびモード形を分析することができる。ツールの解決手法は、ノードを生成するために画定された区域の質量および慣性を一かたまりにすることである。ノードは質量のないビームによって接続される。磁気軸受は、可変の剛性および減衰をもつ動的支持体としてモデル化される。この発電機で使用される磁気軸受は、シャフトの片端に対して１つがある２つのラジアル支持軸受と、任意の軸負荷を補償する結合端部にある別個の能動スラスト軸受とからなる。発電機サイズに適合したカップリングを選び、それはカンチレバー加重としてモデル化することができる。
【００５１】
例示的な例では、全ロータ重量は２０００ポンドを超え、軸受スパンは約６２インチとすることができる。ロータは、発電機の最大作動速度に近い第１の前屈モードを有することができる。いくつかの例では、軸補剛をロータに加えると、２１０２９ｒｐｍの第１の前屈モードがもたらされ、それは、許容された発電機超過速度の１８０００ｒｐｍより１７％上である。
【００５２】
損失の分析は前述の電磁気モデリング・ツールによって与えることができる。ランプト・パラメータ・モデルを使用して、ロータ、ステータ、および冷却ジャケットを含む発電機形状をモデル化し、コイル絶縁および炭素繊維当たり周囲温度４０℃の状態で１５０℃の最大温度を維持するのに必要とされる正確な質量流量を決定することができる。
【００５３】
ステータ地鉄への圧入による別個のアルミニウム冷却ジャケットは、水／グリコール冷却流れによって熱を取り出す。カーテン気流は、末端巻線からの熱を取り出し、さらに、空気が中央スタックを強制的に通され、空気は末端巻線ハウジングを通って発電機の両側に存在する。この空気は、エアギャップおよびステータの歯先を冷却するのに必要とされる。
【００５４】
一例示的実施形態では、小型化した１００ｋＷ背面組合せ電動発電機システムを構成することができる。一例では、発電機のステータは、提案したマルチプル空間シフト分割３相巻線構造で構成することができる。一例では、モーターの第２のステータは、従来の短節巻（Ｎ＝１）で構築することができる。いくつかの実施形態では、ステータは２４スロットを有することができ、２極ＰＭインコネルベース金属スリーブ・ロータを使用することができる。隣接するスロット間の電気位相シフトは１５°であり、それはシミュレートされた４８スロットで４極の場合と等価である。
【００５５】
いくつかの実施形態では、発電機のステータは４組の３相巻線からなる。各巻線の組は、例えば、６スロットを占める３相単一スロット全節巻を含むことができる。例えば、各巻線の組は、定格を５００Ｈｚで４００Ｖおよび２５ｋＷとすることができる。別の実施形態では、Ｍ＝４およびＮ＝５である。
【００５６】
いくつかの実装形態では、ステータは分相巻線構造および短節ステータに比べて比較的長い末端巻線で構成することができる。この差は例えば０．５インチ未満となることがある。例えば、各３相巻線の組は、各々が低い誘導性で容量性のｄｃリンクをもつ３相ダイオード・リッジ整流器に給電することができる。４つの整流器の出力は、直接にまたはネットワーク構成で１つの共通ＤＣバスに一緒に結合され、ＤＣ負荷バンクに接続される。いくつかの実施形態では、スロット地鉄および歯先などの様々な場所で温度を測定し記録するために、ステータはいくつかの熱電対を備えることができる。
【００５７】
図７Ａ、７Ｂは、エアギャップの全同期フレーム磁束密度および線電流の例示的なプロットを示す。図７Ａに示すように、プロット７００、７２０は、短節コイルでＮ＝１の巻線構成を使用して得られる。プロット７００は、短節コイルでＮ＝１を有する場合について、スロット電流時間変動の影響を含むエアギャップのネット磁束密度を示す。図７Ｂに示すように、プロット７４０、７８０は、全節コイルでＮ＝４の巻線構成を使用して得られる。プロット７４０は、スロット電流時間変動の影響を含むエアギャップのネット磁束密度を示す。
【００５８】
プロット７２０およびプロット７６０はそれぞれ曲線７２５、７６５を示す。曲線７２５、７６５の厚さは、ロータが出会う磁束リプル、したがって、スリーブ、磁石、およびハブのロータ損失を表す。いくつかの例では、高い磁束リプルは、磁石およびハブにより高い渦電流損を誘導することがある。図示のように、磁束リプルは、プロット７６０のＮ＝４の場合、実質的に低減することができる。
【００５９】
図８は、様々な巻線構成の例示的なハブ損失のプロット８００、８５０を示す。プロット８００は、様々な巻線構成の場合のハブ損失を示す。図示の例では、Ｎ＝１の短節構成、Ｎ＝１の全節構成、Ｎ＝２の全節構成、およびＮ＝４の全節構成の巻線構成が示される。１００％損失はベースライン値としてＮ＝１の短節構成に対して設定される。この例では、Ｎ＝１の全節構成、Ｎ＝２の全節構成、およびＮ＝４の全節構成のハブ損失はそれぞれ１００．４％、７％、および２％である。したがって、２つ以上のいくつかの巻線をもつ全節巻構成は実質的にハブ損失を低減することができる。
【００６０】
プロット８５０は、様々な巻線構成のピークツーピーク・トルク・リプルを示す。図示の例では、Ｎ＝１の短節構成、Ｎ＝１の全節構成、Ｎ＝２の全節構成、およびＮ＝４の全節構成の巻線構成が示される。１００％損失はベースライン値としてＮ＝１の短節構成に対して設定される。この例では、Ｎ＝１の全節構成、Ｎ＝２の全節構成、およびＮ＝４の全節構成のハブ損失はそれぞれ１２１％、７％、および２％である。したがって、２つ以上のいくつかの巻線をもつ全節巻構成は実質的にトルク・リプルを低減することができる。
【００６１】
図９は、機内搭載用途用の例示的な区域ＤＣ分配ネットワーク９００を示す。ネットワーク９００は３つの区域９０５、９１０、９１５を含む。例えば、区域９０５、９１０、９１５の各々は船の別個の領域とすることができる。
【００６２】
いくつかの実施形態では、ネットワーク９００は、例えば、船の左舷側および右舷側の２つの推進モーター９３０、９３５に給電する２つの高速主発電機９２０、９２５を含む。さらに、発電機９２０、９２５は、船舶運用荷重９４０ａ、９４０ｂ、９４０ｃに電力を供給することができる。ネットワーク９００はバックアップＨＳ発電機システム９４５を含む。
【００６３】
いくつかの実施形態では、海上作業台船および航空機で同様に実施することができる。いくつかの実施形態では、発電機９２０、９２５は、２つの個別の８ＭＷ、１５０００ｒｐｍ、４８スロット・ステータ、４極ロータＰＭ同期発電機である。発電機９２０、９２５の各々は、例えば、２つの主ガス・タービンに結合することができる。いくつかの例では、ステータは、図３を参照しながら説明したように、空間シフト分相巻線構成で巻きつけることができる。いくつかの実施形態では、各Ｍ相巻線の組は受動Ｍ相整流器ブリッジに給電することができる。例えば、ブリッジの出力は並列に接続され、共通電圧バス９５０に給電する。
【００６４】
いくつかの実装形態では、船舶運用荷重９４０ａ〜９４０ｃは、ネットワーク９００の残りの部分との接地電流相互作用を分離し制限するために、独立の区域９０５、９１０、９１５の各々から降圧変圧器および正弦波フィルタを通して給電することができる。いくつかの例では、負荷９４０ａ〜９４０ｃは、故障の場合に異なる区域から給電することもできる。バックアップ発電機システム９５０は、同様のトポロジー、例えば、１５０００ｒｐｍで作動し、Ｎ＝４に対して構成された１ＭＷの発電機で使用することができる。
【００６５】
図示の例では、電気ネットワーク９００は、ＰＭ発電機ユニットに関してＮ＝４の場合の機内搭載用途を含むことができる。発電機９２０、９２５、９４５の各々はそれぞれ整流器ブリッジ９５５、９６０、９６５を含む。いくつかの実施形態では、整流器ブリッジ９５５、９６０、９６５は、機械の高い基本周波数（５００Ｈｚ）を扱うために高速回復ダイオードを含むことができる。例えば、整流器ブリッジ９５５、９６０、９６５の各々の電力定格は、Ｎで除算された定格電力とすることができる。いくつかの実施形態では、整流器ブリッジ９５５、９６０、９６５は、空冷または液冷とすることができ、発電機ハウジング内にパッケージ化することができる。いくつかの実装形態では、発電機パッケージは、統合保護、開閉装置、およびＤＣインターフェイス・バス・バーをもつ小型中電圧ＤＣ発電機を含むことができる。いくつかの実施形態では、ネットワーク９００は、システム全体に対して最小の劣化で欠陥のあるセグメントまたは区域を分離するために保護デバイスを含むことができる。
【００６６】
ネットワーク９００は船の端から端までＤＣ電力を分配する。図示のように、共通電圧バス９５０はリング形状である。共通電圧バス９５０は、スイッチ・モジュール９７０ａ、９７０ｂ、９７０ｃ、９７０ｄ、９７０ｅ、９７０ｆを使用して、区域９０５、９１０、９１５に応じて分割することができる。一例では、スイッチ９７０ａ〜９７０ｆは、区域９０５、９１０、９１５の各々を電気的に分離することができ、その結果、ネットワーク９００は、分離された区域を加えるおよび／または除去することによって再構成することができる。いくつかの例では、分離された区域９０５、９１０、９１５はシステム冗長性および柔軟性を与えることができる。例えば、区域９０５、９１０、９１５のうちの１つまたは複数の故障の場合、モーター９３０、９３５および荷重９４０ａ〜９４０ｃは依然として別の区域から給電することができる。様々な実施形態において、スイッチ・モジュール９７０ａ〜９７０ｆは、一方向または双方向半導体スイッチ、固体リレーなどとすることができる。スイッチ・モジュール９７０ａ〜９７０ｆを使用して、ネットワーク９００は、発電機９２０、９２５、９４５の巻線の１つまたは複数の組を対応する処理モジュールから切り離すことができ、および／または１つまたは複数の処理モジュールを電圧バス９５０から切り離すことができる。いくつかの実施形態では、ネットワーク９００は関連する巻線を実質的にオフ状態に維持することができ、一方、残りの組の巻線およびモジュールは能動制御型スイッチ・マトリクス、スイッチング制御信号を使用して作動し続ける。一例では、Ｎ番目の組の巻線の巻線故障の場合、システムは、Ｎ−１個の巻線の組および対応するＮ−１個の処理モジュールで作動することができる。場合によっては、電気機械は過負荷状態で運転されることがある。別の例では、（エレクトロニクスの開路または短絡による）処理ステージのＮ番目のものの故障の場合、スイッチ・モジュール９７０ａ〜９７０ｆのうちの１つまたは複数を開にして、故障したモジュールを機械の関連する巻線からおよび／または電圧バスから切り離すことができる。
【００６７】
いくつかの例では、ネットワーク９００は、ロータへの高調波結合／加熱が最小の状態で、受動整流器線電流波形を有しながら高調波損失を低減することができる。いくつかの実装形態では、発電機９２０、９２５および／または９４５は、高速能動整流器の必要性を実質的に低減または除去し、コスト、サイズおよび／または重量を低減することができる。例えば、能動整流器から受動整流器になると、重量低減は９０％よりも多くなることがある。さらに、負荷コンバータのＡＣ−ＤＣ電力電子ビルディング・ブロック（ＰＥＢＢ）を除去する（ＤＣ分布が使用されるので）ことによって、ＡＣ推進駆動部に関して重量／サイズの平均で３０％から４０％のさらなる低減を得ることができる。一例では、発電機９２０、９２５、または９４５のうちの１つまたは複数は、約２８インチの高さ、約５３インチの長さ、約１８６５ポンドの重量、および約２．３７ｋＷ／ｋｇまたは３７７０ｋＷ／ｍ３のパワー密度を有することができる。
【００６８】
受動整流器を使用することによって、高いシステム信頼性／残存力およびより低い運転コストを達成することができる。いくつかの例では、より高いシステム効率を受動整流器の使用によって得ることができる。例示的な例では、概算で２％高い効率が、能動整流器に対して受動整流器を使用することによって達成することができる。いくつかの例では、システム効率はより良好な全燃料効率をもたらすことができる。
【００６９】
いくつかの実施形態では、発電機９２０、９２５、９４５は、ロードポイント・コンバータにおいて制御された出力を維持しながらより広い原動機速度範囲を有することができる。前述のように、ネットワーク９００は冗長性（Ｎ個の整流器）による障害許容システムとすることができる。例えば、過剰定格によって、ネットワーク９００はより高いシステム可用性（Ｎ＋１）になることができる。区域の発電、分配、およびインテリジェント電力システム管理を有することによって、低下した区間の自動バイパスを可能にするようにネットワーク９００を設計することができるので、単一ポイント故障はシステム性能への悪影響を制限することができる。
【００７０】
図示の例では、発電機９２０、９２５、９４５は、変圧器のない電気ネットワーク・トポロジーを使用する並列運転を有することができる。いくつかの例では、発電機９２０、９２５、９４５は随意に相間変圧器（ＩＰＴ）を含むことができる。図１０は、逆起電力（ＥＭＦ）波形およびＩＰＴあり／なしの様々な場合のＤＣ電流の例示的なプロット１０００、１０２０、１０４０、１０８０を示す。プロット１０００は、ＩＰＴを使用するシステムについて、Ｒ負荷に対する全負荷電流および個別のブリッジＤＣ電流を示す。プロット１０２０は、ＩＰＴなしのシステムおよび正弦波逆ＥＭＦの場合のＲ負荷に対する全負荷電流および個別のブリッジＤＣ電流を示す。プロット１０４０は、ＩＰＴなしのシステムおよび実際の逆ＥＭＦの場合のＲ負荷に対する全負荷電流および個別のブリッジＤＣ電流を示す。プロット１０８０は、ＩＰＴなしで正弦波逆ＥＭＦ、ＩＰＴありで正弦波逆ＥＭＦ、およびＩＰＴなしで実際の逆ＥＭＦの場合の線電流を示す。
【００７１】
各巻線の組の中性点は互いに分離されているので、パワー密度を改善するために、発電機９２０、９２５、９４５は絶縁変圧器を含まなくてもよい。ネットワーク９００は、発電機９２０、９２５、９４５の間の中性点電圧移動が最小である簡単化された接地方式を含むことができる。簡単化された接地方式を使用すると、ネットワーク９００は特別な制御方式またはフィルタ方式を緩和することができる。
【００７２】
いくつかの実装形態では、ネットワーク９００は、電圧バス９５０の電圧制御および負荷分担を管理するために発電機９２０、９２５、９４５へのマスタスレーブ・コマンドを出すことができるプロセッサとつなぎ合わせることができる。他の実装形態では、電圧バス９５０の電圧制御および負荷分担は、各ロードポイント・コンバータに電圧ドループ制御を有することによって制御することができる。いくつかの実施形態では、発電機９２０、９２５、９４５の作動周波数領域は１２ｋＨｚに存在することができる。いくつかの例では、ＤＣリンクの品質は、高周波スイッチングＩＧＢＴまたは任意のフィルタ構成要素の必要なしで改善することができる。
【００７３】
図１１は、発電およびモータリングを行うことができる例示的なシステム１１００を示す。システム１１００は、発電ステージ１１０５、パワー処理ステージ１１１０、およびモータリング・ステージ１１１５を含む。
【００７４】
発電ステージ１１０５は、ＡＣ電力を発電するための発電機１１２０を含む。発電機１１２０は、スロットによって分離された一連の歯状構造体をもつステータを含むことができる。図示の例では、発電ステージ１１０５は、４組の巻線１１２５ａ、１１２５ｂ、１１２５ｃ、１１２５ｄを含む。巻線１１２５ａ〜１１２５ｄは、ステータのスロットに実質的に対称に配置することができる。巻線１１２５ａ〜１１２５ｄはＭ相を含むことができる。この例では、巻線１１２５ａ〜１１２５ｄの各々は３相を含む。他の例では、Ｍは、２、３、４、８、または２以上の他の数とすることができる。限定ではなく例として、巻線１１２５ａ〜１１２５ｄの各々は、隣接する巻線から１５°の位相差を有することができる。いくつかの例では、巻線１１２５ａ〜１１２５ｄの構成は、作動中、第１の周波数領域内の磁束の高調波含有量を実質的に低減することができる。
【００７５】
パワー処理ステージ１１１０は、発電機側整流器ブリッジ１１３０ａ、１１３０ｂ、１１３０ｃ、１１３０ｄ、キャパシタ１１３５ａ、１１３５ｂ、１１３５ｃ、１１３５ｄ、およびモーター側インバータ１１４０ａ、１１４０ｄ  １１４０ｃ、１１４０ｂを含む。この例では、発電機ステージ１１０５からＡＣ電力を受け取るために、発電機側整流器ブリッジ１１３０ａ〜１１３０ｄの各々は対応する組の巻線１１２５ａ〜１１２５ｄに結合される。発電機側整流器ブリッジ１１３０ａ〜１１３０ｄの各々は３つの入力ポートを含む。他の例では、整流器ブリッジ１１３０ａ〜１１３０ｄはＭ入力ポートを含み、ここで、Ｍは対応する巻線の各々の相の数である。整流器ブリッジ１１３０ａ〜１１３０ｄは、受け取ったＡＣ電力を出力用の実質的なＤＣ電力に変換することができる。整流器ブリッジ１１３０ａ〜１１３０ｄの各々は２つの出力ポートを含む。出力ポートによって、整流器ブリッジ１１３０ａ〜１１３０ｄの各々は対応するキャパシタ１１３５ａ〜１１３５ｄに接続することができる。
【００７６】
キャパシタ１１３５ａ〜１１３５ｄの各々は、対応するモーター側インバータ１１４０ａ〜１１４０ｄに結合される。モーター側インバータ１１４０ａ〜１１４０ｄは、電圧バスからＤＣ電力を受け取り、モータリング・ステージ１１１５にＡＣ電力を出力することができる。この例では、キャパシタ１１３５ａ〜１１３５ｄは、パワー信号中の不要周波数成分をフィルタ処理するためのフィルタ要素を含むことができる。他の実施形態では、他のフィルタ要素（例えばコモンモード・チョーク）を使用することもできる。
【００７７】
図示の実装形態では、発電機側整流器ブリッジ１１３０ａ〜１１３０ｄとモーター側インバータ１１４０ａ〜１１４０ｄとは並列に接続される。他の実装形態では、直列接続と並列接続との他の組合せを使用して、発電機側整流器ブリッジ１１３０ａ〜１１３０ｄとモーター側インバータ１１４０ａ〜１１４０ｄとを接続することができる。例えば、整流器ブリッジ１１３０ａ〜１１３０ｄとインバータ１１４０ａ〜１１４０ｄとは、２つの群をなして共通電圧バスに接続することができ、図１Ｂを参照して説明したように各群は並列に接続される。
【００７８】
例示的な例として、整流器ブリッジ１１３０ａ〜１１３０ｂを直列に接続することができ、整流器ブリッジ１１３０ｃ〜１１３０ｄを直列に接続することができる。いくつかの例では、整流器ブリッジ１１３０ａ〜１１３０ｂの群の出力は、キャパシタ１１３５ａ〜１１３５ｂに接続することができる。いくつかの例では、整流器ブリッジ１１３０ｃ〜１１３０ｄの群の出力は、キャパシタ１１３５ｃ〜１１３５ｄに接続することができる。例えば、いくつかの例では、整流器ブリッジ１１３０ａ〜１１３０ｄおよび／またはインバータ１１４０ａ〜１１４０ｄの２つ以上が共通電圧バスを共有することができる。
【００７９】
モータリング・ステージ１１１５はインバータ１４０ａ〜１４０ｄからＡＣ電力を受け取る。図示の例では、モータリング・ステージ１１１５は４組の巻線１１５０ａ、１１５０ｂ、１１５０ｃ、１１５０ｄを含む。巻線１１５０ａ〜１１５０ｄの各々は対応するインバータ１１４０ａ〜１１４０ｄからＡＣ電力を受け取ることができる。モータリング・ステージ１１１５はモーター１１５５を含む。いくつかの例では、モーター１１５５は、巻線１１５０ａ〜１１５０ｄから電力を受け取り、機械動力を出力する。
【００８０】
いくつかの実装形態では、高速高パワー用途は、パワー・エレクトロニクスに重大な要件を有することがあり、それが全システム・コストを著しく増加させることがある。一般に、駆動部コストが機械コストよりも著しく高くなることがある。いくつかの実装形態では、システム１１００などのシステムのための電気分配プラットフォーム設計者は、駆動部最適化、および駆動部能力に機械パラメータを整合させることに集中することがある。
【００８１】
いくつかの例では、システム１１００の構成は、単一またはＮ組の多相（例えば５相）ステータ巻線に給電するＮ個のマルチプルモジュールに整合させることができる。いくつかの例では、電流要件および電圧要件に基づいて異なるステータ巻線構成を選択することができる。いくつかの実装形態では、システム１１００は、単独型高速機械パッケージと駆動部パッケージとを含むことができる。例えば、発電機１１２０またはモーター１１５５はパワー処理ステージ１１１０を変更せずに独立して取り替えることができる。いくつかの例では、システム１１１０は、費用対効果が大きい高速高パワー解決策とすることができる。
【００８２】
駆動部解決策のいくつかの例を高速高パワー解決策に適用し、モジュール手法を使用してより高いシステム・パワー定格を達成することができる。高速を達成するために、いくつかの実施形態では、パワー・エレクトロニクスは、機械相電流中のより高いＴＨＤ値で（例えば、より低いスイッチング周波数を可能にすることによって）運転することができる。
【００８３】
いくつかの実施形態では、高速発電用途用のシステムは高速交流発電機を含むことができる。例えば、これらの用途は、ガス・タービン駆動発電と、大きいディーゼル船舶搭載エンジン用の排気回収用途のためのターボ・エキスパンダと、廃熱および廃棄蒸気回収用途のためのターボ・エキスパンダとを含むことができる。
【００８４】
いくつかの実装形態では、例示的な機内搭載発電システムは、高速ＡＣ永久磁石（ＰＭ）発電機に直接結合されるガスまたは蒸気タービンなどの高速原動機を含むことができる。一例では、発電機のステータは、３相巻線の組（Ｎ）を含む。３相巻線の各組は３相の６パルス・ダイオード・ブリッジに給電することができる。他の例では、発電機のステータは、（Ｎ）組の（Ｍ）相巻線を含む。Ｍ相巻線の各組は、Ｍ相の２×Ｍパルス・ダイオード・ブリッジに給電することができる。Ｎダイオード・ブリッジのすべての出力は、例えば、並列に接続され、主ＤＣリンク（例えば電圧バス）に給電することができる。様々な例では、ＤＣリンクは、独立型電源としてまたは分配型発電システムの一部として所要の出力電圧を発生させることができる１つまたは複数のＤＣ／ＡＣおよび／またはＤＣ−ＤＣコンバータに給電することができる。
【００８５】
いくつかの実施形態は、適切な発電システム（例えば船舶搭載発電システムおよび熱回収システム）を選択する際に、サイズおよび／または重量が重要な役割を果たす用途などの様々な用途で１つまたは複数の利点を有することができる。
【００８６】
駆動システムの例示的な実施形態は、２００６年１１月８日に出願されたＲａｅｄらによる「Ｅｎｅｒｇｙ  Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ」という名称の米国特許出願第６０／８６４，８８２号に記載されている。例示的な例のために、米国特許出願第６０／８６４，８８２号からの詳細な説明の部分および対応する図の開示は、参照により本明細書に組み込まれる。任意の特定の特徴が、組み込まれた開示の中で重要または必要なものとして記載されている範囲で、そのような特徴づけはその文献に当てはまるものであり、本明細書に開示されるすべての実施形態に当てはまるものでないことが理解されよう。
【００８７】
様々な例が図を参照しながら説明されたが、さらなる実施形態が可能である。例えば、いくつかの実施形態は、ステータの歯幅および／またはスロット幅を変更することによって適応することができる。そのような幅を変更すると、例えば、巻線コイル間に追加の位相シフト（例えば±Δθ）を与えることができ、それによりステータ高調波取消しを改善することができる。例えば、オーバーラップ（例えばシェーディング）絶縁、ワイヤ・レイアウト（例えば、ワイヤが抵抗、インダクタンス、巻線間キャパシタンスなどに関連するとき）は、例えば、歯のないステータ構成をもつ実施形態の場合を含めて、ステータ高調波電流取消しを利用するかまたは改善するように調整することができる。
【００８８】
いくつかの実施形態はＮ組の巻線を含み、巻線の各組はＭ相を有することができる。例えば、Ｎは、２以上（例えば、２、３、４、５、６、７、８、１０、１２、１５、１８、２０、２１、２４、…、５０、またはそれ以上）とすることができる。一例では、Ｎは、極当たりのコイルの数と等しくすることができる。別の例では、Ｎは、極当たりのコイルの数よりも少なく（例えば半分）とすることができる。いくつかの例では、Ｍは、３よりも大きく（例えば、３、４、５、６、７、８、１０、１２、１５、１８、２０、２１、２４、…、５０、またはそれ以上）することができる。他の例では、Ｍは２または１とすることができる。いくつかの実装形態では、巻線は全節とすることができる。他のいくつかの実装形態では、１つまたは複数の巻線は実質的に短節を有することができる。いくつかの実装形態では、電気機械は、整数のスロット／極／相（ｓｌｏｔｓ−ｐｅｒ−ｐｏｌｅ−ｐｅｒ−ｐｈａｓｅ）または非整数のスロット／極／相を含むことができる。
【００８９】
いくつかの実施形態は、能動的に制御されるパワー電子スイッチ（例えば絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ、ＩＧＢＴ）を含むことができる。他の実施形態は受動パワー電子スイッチ（例えばダイオード）を含むことができる。いくつかの実装形態では、スイッチ・マトリクス（例えばスイッチ・マトリクス１０５ａ〜１０５ｎ）は直列に接続することができる。いくつかの例では、スイッチ・マトリクスの１つまたは複数の出力は別個の負荷に給電することができる。いくつかの実装形態では、Ｎ個の巻線の組をもつ単一の電気機械は、発電モードの運転でＮまで（例えば、Ｎ、Ｎ−１、Ｎ−２など）のスイッチ・マトリクス（例えば、受動的または能動的に制御される）に接続することができ、さらに、モータリング・モードの運転でＮまで（例えば、Ｎ、Ｎ−１、Ｎ−２など）のスイッチ・マトリクス（例えば、能動的に制御される）に接続することができる。様々な例において、発電モードの運転のためのスイッチ・マトリクスの数は、モータリング・モードの運転のためのスイッチ・マトリクスの数と同じである必要がない。いくつかの例では、能動制御型スイッチ・マトリクスの１つまたは複数は、モータリング・モードおよび発電モードの両方で単一の電気機械に役立つことができる。
【００９０】
いくつかの実装形態では、発電またはモータリングのシステム（例えば、システム１００またはシステム１５０）は、機械１１０とスイッチ・マトリクス１０５ａ〜１０５ｎとの間に受動フィルタ要素を含むことができる。例えば、システム１００はスイッチ・マトリクス１０５ａ〜１０５ｎの後に受動フィルタ要素を含むことができる。別の例では、システム１５０は、機械１１０とスイッチ・マトリクス１０５ａ〜１０５ｎとの間に能動フィルタ要素を含むことができる。いくつかの例では、システム１００は、スイッチ・マトリクス１０５ａ〜１０５ｎの後に能動フィルタ要素をさらに含むことができる。いくつかの実施形態では、フィルタ要素は共通接続ポイントを有することができる。様々な実施において、受動フィルタ要素はＩＰＴを含むことができる。
【００９１】
いくつかの実施形態では、ステータ巻線は２層巻線または単層巻線を有することができる。いくつかの実施形態では、ステータ・コイルの一部はステータの一方の端部で終端することができ、残りのコイルはステータの反対側の端部で終端する。
【００９２】
いくつかの実施形態では、電力発電システム（例えばシステム５００）は、マルチプル（Ｎ）多相（Ｍ相）巻線の組を有するステータおよび多相巻線の組ごとのパワー電子スイッチ・マトリクスをもつリニア電気機械を含むことができる。他の実施形態では、電力発電システム（例えばシステム５００）は、マルチプル（Ｎ）多相（Ｍ相）巻線の組を有するステータ、マルチパルス変圧器、および多相巻線の組ごとのパワー電子スイッチ・マトリクスをもつ回転電気機械を含むことができる。いくつかの例では、マルチパルス変圧器はモータリング用途で使用することができる。他の実施形態では、電力発電システム（例えばシステム５００）は、マルチプル（Ｎ）多相（Ｍ相）巻線の組を有するステータ、マルチパルス変圧器、および多相巻線の組ごとのパワー電子スイッチ・マトリクスをもつリニア電気機械を含むことができる。様々な実施形態において、例えば、エアギャップ磁束高調波取消しは、同期、誘導、巻線形ロータ、磁気抵抗、永久磁石を含む様々なタイプの機械設計に適用することができる。
【００９３】
いくつかの実施形態は、実質的に低いスイッチング周波数（例えば、ダイオード・ブリッジの場合の基本周波数）で駆動半導体デバイスをスイッチングすることによって、高速機械のステータ高調波電流に関連する損失を実質的に制御することができる。デバイスのスイッチング損失は、モーターおよびパワー・エレクトロニクスの温度に対処するために熱管理の強化を必要とすることがある。これが、例えば、システム温度を低減し、それにより、寿命の増加を可能にするか、または単にシステムからより多くのパワー容量を可能にし、例えば、それにより、半導体、バス・バー、および／またはケーブルなどの駆動システム構成要素からの熱を除去するための冷却機構の必要性を低減または除去することができる。高パワーおよび中電圧から高電圧の用途に適用されるとき、スイッチング周波数の低減は、一般に、ＡＣ駆動デバイスの繰り返しスイッチングに耐えるための絶縁定格の低減を伴う。基本の（または基本の近くの）スイッチング周波数は、さらに、隣接するシステムに悪影響を及ぼす可能性のある伝導および／または放射ＥＭＩ（電磁干渉）の排出を低減することができる。これらおよび他の結果により、駆動部統合化およびパッケージングを簡素化することができる。
【００９４】
いくつかの高耐久性の用途（例えば船舶）では、システムは、一般に、耐故障性であることが要求される。いくつかの手法は、オンラインであるが負荷を共有していないコールド・スタンバイ・ユニットまたはホット・ランニング・モジュールを必要とするか、または、負荷を共有し、各々が（全負荷＋Ｘ％）／Ｎで定格化されているＮ個のユニットを含むことになる。これにより、駆動部または機械の故障の場合でさえ連続運転（恐らく定格低減することなくＸの値に基づいて）が可能になる。
【００９５】
機械１１０がタービンなどの高速原動機に結合されるいくつかの用途では、例えば、バス１１５の電圧は原動機の調速機によって制御することができる。
【００９６】
いくつかの用途において、電圧バス回路はいくつかの様々な負荷および／または電源を含むことができる。電圧バス１１５は、例えば、ＤＣ電力系統（例えば、変圧器のないシステム）を使用する船舶、航空機、または他の環境に搭載される分散負荷に供給するためのＤＣ送電を備えることができる。負荷は、限定はしないが、スイッチ・モードおよび／またはリニア負荷、ＤＣからＡＣへの負荷（例えば推進システムまたは鉄道システム）、ＤＣモーター、照明、加熱、またはこれらもしくは他の負荷の組合せを含むことができる。
【００９７】
ＡＣ発電機と組み合わせて空間シフト分相Ｎステータ巻線を使用すると、ＡＣからＤＣ電圧に変換するのに簡単なダイオード・ブリッジを使用できるようになり、これ以上損失を機械に追加することなく、または機械を過熱させることなしに高速、高価、大型、高損失の能動整流システムの必要性を避けられる。
【００９８】
受動整流は能動整流ほど高価でないかもしれないが、典型的な受動整流器では、電流波形が時間高調波成分によって歪むことがある。すなわち、５次、７次、また基本周波数の高次倍数。電流波形歪みは機械に損失を追加することがあり、それがシステムの電力および／または速度能力を制限することがある。
【００９９】
典型的な能動整流器では、機械がより速く回転すると、スイッチング・デバイスは一般により高い周波数で切り替わる。しかし、デバイスがより速く切り替わると、スイッチング損失が増加し、それがスイッチング・デバイスの著しい熱放出をもたらすことがある。さらに、スイッチング損失はデバイスの動作電力に比例する。したがって、駆動部のスイッチング損失が、システム全体の速度および／またはパワー能力を決定することがある。
【０１００】
受動整流器のスイッチング損失および伝導損失は、一般に、能動整流器の対応する損失よりも少ない。受動整流器の線電流に存在する余分な高調波が余分な損失を発生させずにフィルタ処理される場合、受動整流器はより高い全システム効率を与える。
【０１０１】
いくつかの発電用途は、エアギャップ磁束分布の高調波取消しを達成するために、互いに位相シフトされたマルチプル３相巻線システム、典型的には、電気的に３０度だけ位相シフトされた２つの３相巻線の組を使用する。
【０１０２】
マルチプル３相巻線発電機は、通常、独立した中性点をもつ正弦波的に分布したマルチプル相巻線の組を含む。いくつかの巻線は、Ｙ字、デルタ、スター、または他の適切な構成で配置することができる。各巻線の組は、可変ピッチ要因を伴うマルチプルコイル／極／相の構成からなる。
【０１０３】
より高速の機械ほど一般にサイズおよび重量は減少する。これにより、より高いパワー密度がもたらされ、その結果としてより困難な熱管理問題がもたらされる。スイッチング・デバイスと同様に、機械を大型にするか、または熱管理システムを改善して、機械を過熱から保護することができる。しかし、活性材料が本質的に減少すると、機械を大型化するためのコストまたは機械用の熱管理システムをより効果的に実施するためのコストが相殺される。
【０１０４】
高速機械と異なり、改善された熱管理方式のコストを相殺するためにパワー・エレクトロニクスのサイズまたは定格は減少せず、高速動作に関連した損失を処理するためにパワー・エレクトロニクスのサイズおよび定格が増加することさえある。これは、高周波整流を含み、典型的な線周波数に反転させる場合、パワー・エレクトロニクスが機械よりも概算で２倍から３倍のコストを要する一因になる。例えば、パワー・エレクトロニクスを最適化および簡素化すると、機械コストの増加と比較検討した場合、管理総コストを実質的に低減することができる。例えば、電流波形歪みを低減すると、パワー・エレクトロニクスの損失および／または電気機械の損失を低減することができる。さらに、簡素化および構成要素数の低減は、有利には、予測ＦＩＴ（Ｆａｉｌｕｒｅ  Ｉｎ  Ｔｉｍｅ）率に関連する全システム信頼性を改善することができる。
【０１０５】
一般に、いくつかの実施形態は、高速原動機、電気機械ユニット（例えば高速永久磁石機械）、および１つの３相一次巻線と、Ｎ個の３相受動整流器ブリッジに給電するマルチプル３相二次巻線をもつ高周波（例えば、実質的に１２０Ｈｚ基本周波数を超える）マルチパルス（６Ｎ）変圧器と共に使用するためのシステムを含む。この実施形態は、能動整流システムの必要性または機械ステータ巻線の変更なしに、受動整流器を使用しながら機械のエアギャップ磁束の低次高調波取消しを達成することができる。
【０１０６】
高速、高パワー密度、高極数システム構成用の例示的なトポロジーは、駆動部コストを最小にしながら、限定はしないが冷却技法を含めて半導体に対する技術的制限に対処することができる。いくつかの実施形態では、冷却は、ロータとステータとの間のギャップに熱移送流体（例えば液化ガス、またはそれの組合せ）の軸流および／または熱移送流体の流れを使用する末端巻線冷却を含むことができる。限定ではなく例として、ギャップ中の流体の実質的な部分は、メタン、水素、窒素、天然ガス、油、あるいは可燃性の場合もありそうでない場合もあるこれらおよび／または他の流体の組合せを含むことができる。例えば、冷却システムは、エアギャップを通る強制軸空気流と、ロータの一方または両方の端部で末端巻線を冷却するための独立した空気カーテンとの両方を含むことができる。そのようなシステムの例は、共同発明者によって２００７年３月１５日に出願されたＳａｂａｎらによる「Ｈｉｇｈ−Ｓｐｅｅｄ，Ｓｌｅｅｖｅｄ  Ｒｏｔｏｒ  ｆｏｒ  Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｍａｃｈｉｎｅｓ」という名称の同時係属仮出願の米国特許仮出願第６０／８９５，０２５号に記載されており、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。いくつかの例は、ロータおよび／またはステータ構成要素をギャップ中の媒体から分離するためにそれらをスリービングするための保護物を含むことができる。一例では、ロータ・スリーブはロータに付着され、ロータと共に回転することができ、ロータの全長またはロータの長さの一部だけに延びることができる。いくつかの例では、ステータ・スリーブはステータに固定され、一般には、完全にステータを分離することができる。
【０１０７】
いくつかの実施形態は、ステータが相電流中にある高調波に対してフィルタとして働くことができるようにインダクタンス、エアギャップ、および巻線構成を制御することによって機械ステータをフィルタとして構成する例示的なトポロジーを含む。これは、受動整流器ブリッジに接続する前の機械への外部フィルタの使用を緩和する。トポロジーは、単一のコイル／極／相の使用に基づく高速ＡＣ機械ステータ巻線構成を含むことができる。そのような構成は、機械に著しい複雑さおよびコストを加えることなしにＮ＞２を経済的に達成し、一方、機械電磁気設計中の電流／電圧設計トレード・オフの柔軟性を拡大する利点を提供することができる。
【０１０８】
発電機にＮ組のＭ相巻線を有し、各組が専用のＭ相パワー・エレクトロニクス・コンバータ（例えば受動ダイオード・ブリッジ）に給電する実施形態は、コンバータ側もしくは機械側、または両方の側の故障のいずれかの場合に故障許容および連続運転を与えることができる。定格低減は、個別のコンバータ・ブロックおよび機械巻線の組のサイズ設定に依存することになる。
【０１０９】
低減されたサイズ、重量、および占有面積に関する高速機械の属性は、パワー・エレクトロニクスおよび補助装置側で整合させることができる。絶縁変圧器、電流共有リアクタ、または相間変圧器（ＩＰＴ）は順応性のある範囲の周知の機能に役立つように組み込むことができるが、システム・トポロジーはそのような要素の必要なしにシステム分離および冗長性を実質的に可能にする。
【０１１０】
いくつかの実施形態を説明した。それにもかかわらず、様々な変更を行い得ることが理解されるであろう。例えば、開示された技法のステップが異なる順序で行われる場合、または開示されたシステムの構成要素が異なる方法で組み合わせられる場合、または構成要素が他の構成要素と取り替えられるかまたはそれで補われる場合、有利な結果を達成することがある。したがって、他の実施は説明の範囲内にある。
【図１Ａ】
2010508802.tif 000003
【図１Ｂ】
2010508802.tif 000004
【図２】
2010508802.tif 000005
【図３】
2010508802.tif 000006
【図４】
2010508802.tif 000007
【図５】
2010508802.tif 000008
【図６】
2010508802.tif 000009
【図７Ａ】
2010508802.tif 000010
【図７Ｂ】
2010508802.tif 000011
【図８】
2010508802.tif 000012
【図９】
2010508802.tif 000013
【図１０】
2010508802.tif 000014
【図１１】
2010508802.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成21年5月11日(2009.5.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータの表面の端から端まで実質的に均等に分配された複数の巻線場所をもつステータと、
前記複数の巻線場所の中に実質的に対称に配置され、いくつか（Ｎ）の組のマルチプル（Ｍ）相巻線を形成するように接続された複数のコイル中に形成された複数の導体であって、前記巻線の各々に対して、前記コイルの各々が全節巻を形成するように単一極にまたがり、前記Ｎ組の巻線の各々が、動作中第１の周波数範囲内の磁束の高調波含有量を実質的に低減するように互いに対して実質的にオフセットされる複数の導体と
を含む電気機械と、
前記Ｎ組の巻線の各々に対応する実質的に独立したＮモジュールを含む処理ステージであって、前記Ｎモジュールの各々が前記対応するＭ巻線の各々に接続するためのＭ入力ポートを有し、第１および第２の出力ポートを有し、前記Ｎモジュールの各々に対する前記第１および第２の出力ポートが、電圧バスの第１のノードおよび第２のノードに接続可能である処理ステージと
を備えるエネルギー処理システム。
【請求項２】
前記電気機械がリニア機械を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記電気機械が回転機械を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記電圧バスと電気分配システムとの間のエネルギー移送を可能にするインターフェイスをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記電気分配システムが船舶搭載電気分配システムを含む、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記モジュールの各々がフィルタを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記モジュールの各々がブリッジ整流器を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記モジュールの各々が能動スイッチ・マトリクスを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記電圧バスがＤＣ（直流）電圧バスを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記ステータが、隣接する巻線場所の巻線間に複数の歯状構造体をさらに含み、前記複数の歯状構造体の各々が実質的に同じサイズを有し、前記複数の巻線場所の各々がスロットを含み、前記スロットの各々が実質的に同じ幅を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記第１の周波数範囲が、前記機械の基本電気周波数の高調波よりも実質的に低い周波数を含み、前記基本電気周波数の前記高調波数が２×Ｍ×（Ｎ−１）である、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記Ｎモジュールの各々のための前記第１および第２の出力ポートが、電圧バスの前記第１のノードと第２のノードとの間に直列に接続される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記Ｎモジュールの各々のための前記第１および第２の出力ポートが、電圧バスの前記第１のノードと第２のノードとの間に並列に接続される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
電気機械エネルギー変換を可能にする方法であって、
対応する複数のスロットによって分離された一連の歯状構造体をもつステータと、
前記複数のスロット中に実質的に対称に配置され、いくつか（Ｎ）の組のマルチプル（Ｍ）相巻線を形成するように接続された複数のコイル中に形成された複数の導体であって、前記巻線の各々に対して、前記コイルの各々が全節巻を形成するように単一極にまたがり、前記Ｎ組の巻線の各々が、動作中第１の周波数範囲内の磁束の高調波含有量を実質的に低減するように互いに対して実質的にオフセットされる複数の導体と
を含む電気機械を供給するステップと、
前記Ｎ組の巻線の各々に対応する実質的に独立したＮモジュールを含む処理ステージを使用して、前記電気機械と電圧バスとの間のエネルギーを処理するステップであって、前記Ｎモジュールの各々が前記対応するＭ巻線の各々に接続するためのＭ入力ポートを有し、第１および第２の出力ポートを有し、前記Ｎモジュールの各々に対する前記第１および第２の出力ポートが、前記電圧バスの第１のノードおよび第２のノードに接続可能であるステップと
を含む方法。
【請求項１５】
前記電気機械を、第２の数（Ｎ２）の組のマルチプル（Ｍ）相巻線をもつ第２の電気機械と取り替えるステップであって、前記巻線の各々に対して、前記コイルの各々が全節巻を形成するように単一極にまたがり、前記Ｎ２組の巻線の各々が、動作中第２の周波数範囲内の第２の磁束の高調波含有量を実質的に低減するように互いに対して実質的にオフセットされるステップと、
前記処理ステージを、前記対応するＭ巻線の各々に接続するためのＭ入力ポートを有し、第１および第２の出力ポートを有するＮ２モジュールを含む第２の処理ステージと取り替えるステップであって、前記Ｎ２モジュールの各々に対する前記第１および第２の出力ポートが、前記電圧バスの前記第１のノードおよび前記第２のノードに接続可能であるステップとをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【国際調査報告】
2010508802.tif 000016
2010508802.tif 000017
2010508802.tif 000018