(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電流を発生させる方法において、
夫々のコミュテータ端子へ接続されているＤＣ巻した複数のロータコイルを具備するロータを、該ロータと電磁的に結合されており且つ少なくとも１個のステータ巻線とＡＣパワー用出力とを具備しているステータに対して、機械的回転速度で回転させ、
前記機械的回転速度とは独立的に設定可能な磁界回転速度で回転するロータ磁界を形成するために前記ロータコイルへコイル付勢パワーを送るために、前記ロータと共に、各ロータコイルに接続されており且つオン状態とされた場合に前記コイル付勢パワーを通過させる少なくとも１個のトランジスタを有している電子的コミュテータ回路（８０）を回転させ、
自己同期用のフェーズロック回路からの出力に応答してデジタルコミュテーションスイッチング回路が前記電子的コミュテータ回路（８０）の前記トランジスタのオン／オフ状態を制御して前記コイル付勢パワーの少なくともタイミングを制御して、前記ＡＣパワーの選択した周波数に対して前記機械的回転速度と前記磁界回転速度との間の選択した速度関係を発生させ、前記機械的回転速度が変化する場合に前記選択した周波数と前記出力の位相を維持する、ことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１において、前記選択した周波数がパワーグリッドの線周波数であることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１において、前記ロータコイル間の夫々の接続部へ送られる上昇ランプと下降ランプとの間で交番する電圧ランプで該デジタルコミュテーションスイッチング回路を制御することを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１において、前記選択した周波数がパワーグリッド以外の供給源からの位相信号に関連していることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本明細書は発電機等の電気的機械の分野におけるものであって、更に詳細には、原動機の機械的回転速度及び発電機の出力周波数の一方又は両方を互いに実質的に独立的に変化させる能力、及び例えば高ＲＰＭ原動機がより低い出力周波数の発電機を駆動する場合のように機械的回転速度と出力周波数とを一致させることが困難である装置を使用する場合にトルクギアボックスに対する必要性を取除くことに関するものである。
【背景技術】
【０００２】  発電機は一世紀を超えて使用されており、その原理はファラディ及びフーケの時代に遡るものであり且つ以下のように簡単に記述されていた。即ち、磁界内にあるワイヤが機械的な力（電磁力よりも大きい）によって該磁界と相対的に移動される場合には、該ワイヤにおける電流又は該ワイヤを横断しての電圧が発生され、従って、機械的な運動が電力へ変換される。エネルギ発生スタンダードの種々の条件を満足させるために、異なる形態の発電機システムが考案されている。それら全てはファラディの起電力原理に従うものであるということが可能であり、それより後になってレンツによってより詳細に記述されることとなった。【０００３】  広範に使用されているタイプの発電機はＡＣ発電機であるが、ある適用例においてはＤＣ発電機が使用されている。ＡＣ発電機の多くの形態が存在しており、最も一般的なものは電力を供給するコイルが静止しており且つその中に電流を誘起する磁界が回転する発電機である。典型的な同期型ＡＣ発電機の主要なコンポーネントはステーターとローターである。ローターは、典型的に、交番する極性の偶数個のポールを有している。各ポールは界磁コイルを有しており、且つ該界磁コイルは電気的に接続されて界磁巻線を形成している。励起器がＤＣ電流を界磁巻線内に供給し、且つ結果的に発生するｍｍｆ（起磁力）が所望の回転磁界を発生する。該励起器はローターと同一の原動機（例えば、水力タービン、又は蒸気又はガスタービン）によって駆動されるＤＣ発電機とすることが可能である。ＤＣ電流がブラシ及びスリップリングを介してローター界磁巻線内へ流れる。「ブラシレス」励起器においては、ＤＣ電流はメインローターへ直接的に接続されている別個のローター上に配置されている別個のＡＣ巻線から得ることが可能であり、該ローター上に配置されている整流器回路を介し且つこのＡＣ電流を整流する。【０００４】  所望のｅｍｆ（起電力）が発生されるステーター又は電機子巻線が、典型的に、ステーターの内側又は外側表面上のスロット内に規則的に配列されて配置されている。ステーター巻線は、コイル側部が１個のポール分割して離されているように配列されているコイルを有している。例えば、４ポールローターと共に使用するためには、それらは９０度離されている。原動機がローターを回転させると、ローター上の界磁巻線が発生する磁束が電機子巻線を掃引し、その中に所望のｅｍｆを誘起させる。４ポールローターの場合には、ローターが１８０機械的角度にわたって回転する場合にｅｍｆの完全なサイクルが得られ、それは３６０電気的角度に対応している。ｎＲＰＭで機械的に回転されるｐポール発電機（ｐは正の整数）のより一般的な場合においては、Ｈｚにおける電気的周波数はポール数ｐ及びＲＰＭ単位での機械的回転速度に対してｆ＝ｐｎ／１２０として関連している。逆に、ｎ＝１２０ｆ／ｐである。【０００５】  単相ＡＣ発電機はステーター上に単一の電機子巻線を具備しているが、これは、典型的に、機械的振動及び電力脈動等のファクターのために低パワー適用例に対してのみ使用される。より高いパワーに対する最も一般的な構成は３相システムであり、それは等しいｒｍｓ値（４番目の中立端子と相���的に）を有しているが１２０度離れた位相を有している３個の端子において３つの電圧を発生する。【０００６】  同期型発生器は、典型的に、パワーグリッド（しばしば、昇圧変圧器を介して）へ電力を供給するが、幾つかの条件が満足される場合にのみ該グリッドへ接続させることが可能である。即ち、（ａ）該グリッドの周波数と発電機ｅｍｆとが同一である（例えば、６０Ｈｚグリッドの場合に、発電機のローターは２ポールローターの場合には３６００ＲＰＭで、４ポールローターの場合には１８００ＲＰＭ、等々で回転させる）；（ｂ）発電機及びグリッドの位相シーケンスが同一であり；（ｃ）発電機のｅｍｆがグリッド電圧と同一であり；（ｄ）発電機のｅｍｆとグリッド電圧との間に位相差が存在しないことである。これら４つの条件の全てが満足される場合にのみ、発電機を該グリッドへ安全に接続させるか又は接続させたままとしてそれに対してパワーを供給することが可能である。【０００７】  ＡＣ同期型発電機は、典型的に、その機械的回転速度を線周波数へリンクさせ、従って２ポール６０Ｈｚ発電機は３６００ＲＰＭで回転し且つ２ポール５０Ｈｚ発電機は３０００ＲＰＭで回転するので、原動機の効率的な動作を達成すること、又は１つの出力周波数から別の出力周波数へ変化すること、又は負荷変化に対して効果的に且つ効率的に応答するような態様で原動機を動作させることが困難である場合がある。例えば、原動機の改良に伴って、非常に高いＲＰＭで動作することが許容される場合にあるエンジンは非常に高い馬力を発生することが可能である。このことは所望の出力電気周波数と適合しない場合があり、且つエンジン重量を減少させ且つその効率を改善するが全体的な効率を減少させ且つメインテナンス及びコストを増加させることとなる重いトルクギアボックスを付加せねばならないことを意味する場合がある。【０００８】  典型的な公知の発電機はＯ．Ｉ．  Ｅｌｇｅｒｄ  ｅｔ  ａｌ．著「電力エンジニアリング（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｐｏｗｅｒ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）」、第二版、チャプマン・アンド・ホール、インターナショナル・トンプソン出版１９９８において説明されており、それをここにおいて引用によって取込み且つその題名により以下において引用する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  以下に説明する好適実施例は、所望により別の出力周波数を発生しながら便利な機械的速度において発電機を駆動する能力を提供することにより公知の従来技術のこれらの欠点及びその他の欠点を解消している。別の言い方をすると、ローターが発生する磁界がローターの機械的回転速度とは実質的に独立した速度で回転することが可能である。その結果、原動機は、そうでない場合には所望の出力電気周波数によって支配される速度とは実質的に異なる速度でローターを回転させることが可能であり、例えば、高速タービンがそれ自身の速度でローターシャフトを駆動し尚且つ６０Ｈｚ又は５０Ｈｚパワーグリッドへパワーを供給することが可能である。別の例として、同一の発電機を６０Ｈｚか又は５０Ｈｚのいずれかのパワーグリッドへ電力を供給するために使用することが可能であり、その差はローターの機械的回転速度を変化させることの必要性なしにローターが発生する磁界の回転速度を確立し且つ維持する電子的制御の設定におけるもののみである。更に別の例として、固定周波数の電力線へ電力を供給することのない発電機は原動機のＲＰＭを変化させる必要性なしに多数の出力周波数のうちのいずれか１つにおいて効率的に動作させることが可能である。更に、負荷条件は、電気的周波数を一定に維持するか又は異なる態様で変化させながら、電流負荷と一致させるために原動機の速度を変化させることによって説明することが可能である。このように、原動機は現在の負荷に対して効率的な速度で動作させることが可能であるが、発電機の出力周波数は同一に止まるか、又は所望の態様で変化することが可能である。
【００１０】  親特許において説明したように、このような利点は主に機械的又は主に電子的な制御によって達成することが可能である。主に機械的な実現例においては、界磁巻線へパワー即ち電力を供給するブラシを駆動するのに必要な差動速度が、駆動速度及び所望の出力周波数が選択された後に決定される。主に電子的な実現例は、より多くの設計自由度を可能とさせ、且つコンピュータ時代のエレクトロニクス及び原理が好適な結果に対する自動同期を可能とさせる。電流同期型発電機の場合に使用される過渡的安定化ケージを取除くことは重要な開発ステップである。安定化ケージはインダクションモーターローターシステムに対して設計されるものであるので、界磁巻線と電機子との間のスリップ周波数は、ローターが同期からずれた速度で稼動している場合に強い逆起電力を発生し、このことは非同期運動に対してバッキングトルクを発生する。
【００１１】  ここに開示するシステム及び方法の１つの目的は、ゼロの機械的速度で開始する送電線と同期することが可能な電子的転流（整流）回路を提供することである。別の目的とするところは、インダクションモーターケージなしで発電機を安定化させることである。更なる目的は、ブラシレス同期型発電機を容易にブラシレスユニバーサル（普遍的）発電機へ変換させることである。更に別の目的とするところは、例えば単相及び三相発電機のような公知の発電機において存在するような例えばローター及び界磁巻線、及びステーター及び電機子巻線、及びコミュテーターバー（整流子片）等の公知の発電機の基本的な構成及び配置の殆どを継続して使用することを可能としながら発電機の動作を改善することである。付加的な目的は以下に説明する詳細な説明から自明なものとなる。
【発明を実施するための形態】
【００１２】  図１ａはブラシとコミュテーターバー（整流子片）との間の相対的回転における正から負の方向へＡＣ発電機のステーターにおける１組の電機子コイルの電流流れ方向を変換させるためのスイッチとして機能する典型的な機械的ブラシシステムの一部を示している。それは、又、隣接する電機子コイルを負から正へ変換させる。図１ａに示されているように、正電圧レベルにあるブラシ１０は従来のコミュテーターバー即ち整流子片１２の一部であるコミュテーターバーセグメントａと電気的に接触している。この電気的接触の結果として、電流（Ａa）が図１に示した方向において且つ図示してあり且つ同一の電機子巻線の一部であるその他のコイルにおける表示した方向においてコイル１４の周りを移動する。説明の便宜上、単相発電機が示してあるが、この原理は三相発電機にも適用される。図１ｂに示したように、同一のブラシ１０とコミュテーターバー１２との間の相対的な運動がブラシ１０をコミュテーターバーセグメントｂとの電気的接触状態とさせ且つセグメントａとの電気的接触から離脱させると、同一の電機子コイル１４における電流（Ｉb）の方向は電流（Ｉa）の方向とは反対であり、且つブラシ１０のセグメントｂとの接触によるその他のコイルにおける電流の方向は図１ｃに示した如くである。図１ｃはコミュテーターバー１２と相対的な２つの異なる位置にある同一のブラシ１０（ブラシとコミュテーターバーとの間の相対的運動期間中の異なる時間におけるものと仮定）及びセグメントａとの電気的接触及びセグメントｂとの電気的接触に起因する電流の方向を示している。
【００１３】  図２はコミュテーターバー１２の１個のセグメントのスイッチング期間中における電流（Ｉ）の時間的履歴を示している。ブラシ１０とコミュテーターバーとの間の接触表面はブラシの比較的高い固有抵抗を介しての電流の流れを規制する。図２に示されているコミュテーション（転流又は整流）時間における線形時間電流プロファイルは残りの電機子コイル１４に対して一定の電流の流れを維持するために望ましいものである。
【００１４】  図３は図１ａ−１ｃに関連して説明したタイプのブラシ構成を置換することが可能な３２セグメントコミュテーターに対する電子的スイッチング回路の詳細な回路概略図であり、図３ａは１個のコミュテーターバーセグメントに対するドライバーの拡大したものである。任意の適宜の低損失トランジスタシステムを使用することが可能であり、図３に示した回路は各コミュテーターバーセグメントに対して一対のＮ型及びＰ型電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を使用している。典型的なコミュテーターバースイッチング回路を使用して、図３においては、機能的マスタースイッチングコンピュータからの入力信号がシーケンスにおいて使用すべきコミュテーターバーのセグメントを決定する。特定のセグメントが選択され、且つスイッチされることが必要な電流方向に依存して、Ｎチャンネル又はＰチャンネルのいずれかのＦＥＴがバイアスされたゲート入力においてランプ信号を受取る。
【００１５】  図３ａは図３に示した回路のコミュテーターセグメントドライバーのうちの１つを示している。制御信号１＿Ｐに応答して、ＰチャンネルトランジスタＱ４１がターンオンして電源３０を夫々のコミュテーターバーセグメントへ電気的に接続されている「１＿Ｃｏｍｍｕｔａｔｉｎｇ  Ｂａｒ」の記号が付されている出力端子へ接続させる。逆に、制御信号１＿Ｎに応答して、ＮチャンネルトランジスタＱ５３がターンオンして同一の出力端子「１＿Ｃｏｍｍｕｔａｔｉｎｇ  Ｂａｒ」を接地へ接続させる。コンデンサＣ６１及びＣ８５がＦＥＴＱ４１及びＱ５３を横断して接続されており、磁気格納エネルギをピックアップする（ＰチャンネルＱ５１を横断するＣ６１及びＮチャンネルＱ５３を横断するＣ８５）。ＦＥＴコンデンサＣ７３は安定化コンデンサであり、それは更に過渡的な電圧を吸収する。抵抗Ｒ４１及びＲ５３はバイアス及びゲート制御回路の一部である。電源３０は界磁巻線へＤＣ電流を供給するための公知のタイプの励起器回路とすることが可能である。
【００１６】  図３ｂはブラシレス構成発電機に関連して詳細に説明したリスカゴ電機子形態と等価な回路である。
【００１７】  図４は完全なデジタルコミュテーションスイッチング回路をブロック図の形態で示している。図４において、「偶数整流子片」及び「奇数整流子片」は交互の整流子片セグメントを表わしている。偶数及び奇数の番号を付けたセグメントは異なる信号によって駆動される。何故ならば、１個のコミュテーターバー（整流子片）セグメント（例えば、奇数のもの）がランプ型ゲート信号によってターンオンされる場合に、前の偶数コミュテーターバー（整流子片）セグメントは同一のコミュテーターバータイムスロット期間中に反対の位相のランプ信号によってターンオフされる。更に、１８０度離れているＰチャンネル及びＮチャンネルドライバーの対が同時にターンオン及びオフされるが、これらのトランジスタの相補的な特性のために、ゲートは、夫々、電源電圧及び接地を基準とする反対の位相のランプ（勾配電圧）を必要とする。
【００１８】
図３の例においては、３２個のコミュテーターバー即ち整流子片が存在しており、２１番目のセグメント上のＰチャンネルＦＥＴＱ２５と同時に５番目のコミュテーターバーセグメント上のＮチャンネルＦＥＴＱ５７がターンオンされる。この同一の時間期間中に、４番目のセグメント上のＮチャンネルＦＥＴＱ５６及び２０番目のセグメント上のＰチャンネルＦＥＴＱ２４がターンオフされる。コミュテーターバーセグメントの数が４によって割算可能なものでない場合には、奇数及び偶数Ｎ及びＰチャンネル装置は対構成とはされない。例えば、２２セグメントコミュテーターバーの場合には、５番目のセグメント上のＮチャンネルは１６番目のセグメント上のＰチャンネルと同時にターンオンされる。
【００１９】  コミュテーターバーセグメントという用語はユーザに明らかなものである。何故ならば、これはＡＣ発電機の典型的な要素だからである。ここに開示した実施例において同一の構造を使用することが可能であるが、重要な側面は、１個のセグメントが電機子巻線における特定の点へ電気的に接続されるということである。開示した実施例においてはブラシ又はスリップリングを使用することは必要ではないので、コミュテーターバー（整流子片）セグメントは、単に、例えば出力端子「１＿Ｃｏｍｍｕｔａｔｉｎｇ  Ｂａｒ」等のドライバ出力端を永久的なものとすることが可能な（然しながら必要なものではないが）接続を介して電気的に接続させることが可能な端子とすることが可能である。
【００２０】
図４に示した制御回路は電圧制御型オシレータ（ＶＣＯ）１６によって周波数を発生する。発電機がグリッドと同期されていることが必要でない場合には、ＶＣＯ１６の出力周波数は、例えば、可変抵抗装置１６ａによって手作業により制御することが可能である。ＶＣＯ１６の出力は、２５６ステップを介してのＶＣＯ１６からの１個のパルスに対してカウントアップするアップ／ダウンカウンタ１８を制御し、その方向はアップ／ダウン制御２０からの信号によって逆転されて２５６ステップカウントダウンし、このシーケンスが繰返し行われる。パワーグリッドに対して（又は何等かのその他のスタンダードに対して）同期されている発電機を動作させることが所望される場合には、アップ／ダウンカウンタ１８を図５に示し且つ以下に説明するコンポーネントからの信号によって制御することが可能であり、その場合に、ＶＣＯ１６を使用することは必要ではなく且つ図４から省略することが可能である。カウンタ１８のデジタル出力（２５６ステップアップ又は２５６ステップダウン）はＡ／Ｄ変換器２１においてアナログアップ・ランプ又はダウン・ランプ信号へ変換され、該アナログランプに対する振幅制御は手作業によって動作させることが可能であるか又は変換器２１からのランプに対して所望の振幅レベルを維持するフィードバックループを介して制御することが可能な可変抵抗装置２１ａによって与えられる。変換器からのアナログランプは相補的増幅器２１ｂ及び２１ｃを介して通過し且つ、夫々、正のランプ（ｒａｍｐ＋）及び負のランプ（ｒａｍｐ−）として表われる。これら２つのランプは互いに鏡像であり且つ１８０度位相がずれている。増幅器２１ｂの出力は鋸歯状波形であり且つ増幅器２１ｃの出力は別の鋸歯状波形であり、一方は他方が負のピークを有している箇所において正のピークを有している。これらのランプは差動増幅器２９ａ乃至２９ｄへ供給され、該増幅器は、更に、可変オフセット制御２８ａを介してＤＣ／ＤＣコンバータ２８等の電源から入力を受取る。図４においてＶの記号で示されており且つＶｃｃ電源として作用する電圧源はエレクトロニクスに電力を供給する。制御２８に起因するオフセットの機能について図４ａに関連して以下に説明する。増幅器２９ａ及び２９ｂの出力は、夫々、「偶数Ｐ」及び「偶数Ｎ」の記号を付けた信号としてマルチプレクサ２２へ供給され、且つ増幅器２９ｃ及び２９ｄの出力は「奇数Ｐ」及び「奇数Ｎ」の記号を付けた信号として同様のマルチプレクサ２４へ供給される。これらのマルチプレクサはセグメントカウンタ２６の制御下で動作して各ランプに対してそれらの出力を相次ぐコミュテーターバーセグメントへスイッチさせる。
【００２１】  図４ａを参照すると、増幅器２９ａ乃至２９ｄからのランプが「偶数Ｐ」、「奇数Ｐ」、「偶数Ｎ」、「奇数Ｎ」に対して図４に示したのと同一の表記方法を使用して示してある。図４ａに示したように、夫々のランプ信号は１８０度位相がずれており、且つ例えば図４における２８ａ等のオフセット回路を介してオフセットされて図３ａにおける例えばＱ４１及びＱ５３等のトランジスタのスレッシュホールド電圧を考慮に入れている。図４ａにおける記号は１個のコミュテーターバー（セグメント）周期の期間を表わしており、それは１個のアップランプ又は１個のダウンランプの期間に対応している。図４ａは、又、２つの隣接するコミュテーターバーセグメントに対する２つのドライバ（例えば、図３ａのドライバ）が同時的にターンオンされ、従って局所的なコイルが短絡される時間期間を表わしている。
【００２２】
再度図４を参照すると、マルチプレクサ２２及び２４の各々は３２個の出力を有しており（３２セグメントコミュテーターバーを使用する場合）、夫々、セグメントドライバ２２ａ及び２２ｂ、２４ａ及び２４ｂへ進行する。マルチプレクサ２２は偶数番号のコミュテーターバーセグメントに対して該ドライバに信号を供給し且つマルチプレクサ２４は奇数番号のコミュテーターバーセグメントに対して該ドライバへ信号を供給する。ドライバ２２ａ及び２２ｂは、実際には、図３ａのドライバと同一である１６個の回路である。マルチプレクサ２４から「奇数Ｐドライバ」と記号の付けたブロックへ進行する出力は、実際には、図３ａにおける「１ Ｐ」の記号を付けた端子等の入力端子へ進行し、且つ図４における「奇数Ｎドライバ」と記号の付けたブロックへ進行する出力は、実際には、図３ａにおける「１ Ｎ」の記号の付けた端子等の入力端子へ進行する。図４における「奇数コミュテーターバー」と記号の付けた出力は、実際には、図３ａにおける「１ Ｃｏｍｍｕｔａｔｉｎｇ  Ｂａｒ」と記号の付けた出力と同じである。勿論、３２セグメント発電機の場合には、１６個の偶数番号コミュテーターバーセグメントの各々に対して夫々のドライバ回路及び夫々の入力及び出力信号が存在している。図３ａ及び４における記号及び奇数番号の１６個のコミュテーターバーセグメントが関連しているという事実に鑑み、マルチプレクサ２４及び要素２４ａ及び２４ｂの構造及び動作は同様である。
【００２３】  図５は自己同期用のフェーズロック回路を示しており、それは純粋に機械的なシステムにおいては使用可能なものではないか又は完全に実際的なものではない構成である。この回路は、発電機３１の任意のシャフト速度において発電機３１が電力線３２における線電圧の位相と同期することを可能とさせる。例えば、図５において、線電圧の位相は光学的結合器３４を介してサンプリングすることが可能である。発電機３１におけるローターが回転しており且つ発電機が開回路電圧を出力している場合には、光学的結合器３６は位相検知器３８における線電圧信号と位相比較するために自分で発生した電圧を検知するために使用される。電子的スイッチ３９を介して位相検知器３８によって制御される電圧制御型オシレータ４０の出力は光学的結合器４２を介して図４におけるアップ／ダウンカウンタ１８内へ供給され、図４におけるＶＣＯ１６の出力の使用を置換させる。
【００２４】  動作について説明すると、スイッチ３９が図示した位置にあり且つ位相検知器３８が発電機３１の出力及び電力線３２（電源３２ａからではない）から入力を受取ると、位相検知器３８は、実際に許容可能な位相エラーのウインドウを可能とさせるロックエラー発生源３８ａからの信号によって変化されてその２つの入力の間の任意の位相差に関連する信号を発生する。回路４４は、フェーズロックが達成されたときを検知し、且つＬＥＤインジケータ４４はこのことを表示するために点灯し、従ってパワースイッチ（不図示）は、その目的のためのその他の条件が満足される限り（ＥＭＦ、位相シーケンス、周波数）、発電機３１の出力をパワーグリッドへ接続させるために閉じることが可能である。
【００２５】  所望により、発電機３１は位相信号の別の供給源３２ａに対して同様の態様で位相同期させることが可能であり、その場合には、電力線３２から位相入力が使用されることはない。
【００２６】  位相同期が必要とされないか又は所望されない場合には、スイッチ３９は図示したものと反対の位置に対して使用することが可能であり、それにより位相検知器３８をＶＣＯ４０から切断し、且つ手作業によるか又はその他の態様で可変抵抗を包含することが可能な装置４５からの信号によってＶＣＯ４０の出力周波数を制御する。
【００２７】  スタートアップはこのような発電機に対して現在使用される手順と同様のものとすることが可能であり、発電機を適宜の出力周波数及びＥＭＦ及び適宜の位相シーケンス（多相発電機が使用される場合）とさせるために励起器及びフィードバック回路を使用する。スタートアップにおける付加的なトルクはシャフト速度を変化させる場合があるが、フェーズロック回路はそれを同期状態に維持するために速度を調節する。任意の機械的又は電気的な原動機とすることが可能なドライバは適切な機械的エネルギを供給するためにトルク及びＲＰＭ条件における変化を検知することが可能である。
【００２８】  図６は上述したコミュテーター制御回路がシャフトと共に回転するように発電機３１シャフト上に装着している典型的な機械的装置を示している。該回路へのパワー即ち電力は整流器を介してスリップリングか又は自己励起器システムのいずれかから来る。該機械的装置は一連のディスク６０を有しており、それらは典型的な電子的ガラスファイバー回路基板を有している。これらのディスク６０はセグメントドライバ、即ち夫々のセグメントに対して図３に示したような回路を担持している。付加的なディスク６２は電圧調整器及びドライバ論理及び光検知器６６等の該ドライバに対する論理回路を担持することが可能である。該ディスクはローターシャフトと共に回転する。前述したＶＣＯ４０は回転部品と共に装着されることは必要ではなく、且つその出力が光検知器６８によって検知され従って光学的な分離を与える変調されたレーザー６８を介して回転部品へ周波数情報を供給する。ＶＣＯ１６は図６におけるＶＣＯ４０を置換することが可能であり、又はパワーグリッド電圧は光学的信号を介してシステム内へ供給するためにフェーズロック回路に対する基準周波数として作用する。自己励起器（図７参照）が界磁巻線を駆動するのに必要なパワー及び該エレクトロニクスに対するパワーを供給する場合には、このことは該装置をブラシレスとさせることを可能とする。
【００２９】
図７は典型的なブラシレス可変速度同期型発電機を示している。機械的シャフト７０はメイン発電機界磁巻線（図７において「電機子」の記号を付してある）及び励起器電機子７４へ取付けられている。界磁巻線７２へ供給される電圧は励起器コイル７６によって制御され、該コイルは外部制御回路からその信号を受取る。発生されたＡＣパワーは、最初に、整流器回路７８を介して供給され、次いで電子的コミュテーションシステム８０へ供給される。電子的コミュテーションシステム８０は、界磁巻線７２上の個々のコイルのスイッチングを制御する。このことはローター界磁を発生し、それはステーターにおける典型的な電機子コイルと相互作用を行い、ステーターコイルはパワー即ち電力を発生する。この特許開示に基づく典型的なブラシレス形態（構成）は、タンデムに動作する通常の同期型発電機の自己励起電源及びＤＣブラシ型コミュテーション電機子を有している。このシステムは機械的電気変換器として動作し、そのフィールドを使用して、機械的エネルギが電気的エネルギを増幅させ、それをより高い発電機出力レベルへ上昇させる。該機械的エネルギは、又、該励起器内へ供給され、このことはメイン電機子システムによる増幅用の信号として解釈することが可能である。この構成において通常のフィードバック制御を使用することが可能であるが、励起器システムのフィールドは、通常、ＤＣ電源を使用する。ここでの開示において、ＤＣ又は回転ＡＣ電源のいずれかが機能的である。ＡＣ励起は回転型又は非回転型のいずれかのフィールドと共に動作することが可能であるが、典型的に、回転型のＡＣフィールドが使用される場合には、該フィールドが機械的シャフトの反対方向に回転することが望ましい。このことはより高い速度において発電機に対する所要のエネルギを増幅させる。前述したように、且つ逆ＥＭＦに起因して、該発電機のフィードバック制御は通常の同期型発電機のものとは異なる場合がある。フィードバック制御はトルク／ＲＰＭ関係が関与するものであるので、使用される特定の原動機タイプに依存して個別的にプログラムされる。
【００３０】ブラシレス構成
最近の同期型発電機はブラシレスである傾向がある。ＡＣ励起器の界磁コイルは外部供給源によって供給されるか又は発電機の出力へリンクされている。該励起器に対する別の電源はＶａｒｉａｃである。励起器電機子は可変周波数ＡＣパワーを発生し、それはＤＣパワーへ変換されて発電機のローター巻線へ供給される。ＡＣ励起器は発電機のローターと同一のシャフト上にあるので、それはブラシ型発電機が必要とするスリップリングに対する必要性を取除いており、発電機をブラシレスとさせる。ブラシレス構成の同一の一般的なタイプをこの特許開示において使用することが可能であるが、外部制御システムからの電子信号は光学的結合器から供給することが可能である。更に、ＡＣ励起器フィールドは、シャフトが回転していない間にパワーを発生することに貢献することが可能である。従って、励起器フィールドの回転方向は、シャフトの回転方向と反対とすべきであり、従ってシャフトが究極的に移動を開始する場合により高い電圧を発生することが可能である。このことはメイン電機子巻線へ供給するより高い電力発生となり、且つ周波数が任意のシャフト速度においてゼロへ減少しないことを確保する。
【００３１】  好適な可変周波数発電機の形態はブラシレス形態である。ブラシレス同期型発電機の電機子は、コミュテーターバー（整流子片）なしであるがコミュテーター接続を具備するＤＣ電機子としてメイン電機子界磁巻線が構成されるように巻回されている。電子的コミュテーターシステムは線周波数と発電機の実際のシャフトＲＰＭとの間のコミュテーション速度を通信して差動的コミュテーション速度を提供する。同一のシャフト上のＡＣ励起器は発電機の電機子に対するパワーを供給する。それはＤＣ電力源へ変換され、その形態をブラシレスとさせる。発電機のフィールド強度は励起器のフィールド強度によって制御され、且つ励起器フィールドはＤＣ電源又はＡＣ電源のいずれかにより制御することが可能である。ＡＣ電源が励起器フィールドを制御する場合には、好適には、この電源は励起器に対する回転フィールドを供給する。その回転は機械的なシャフトのものと反対方向とすべきである。線周波数に対する電子的コミュテーターへの入力及び機械的シャフトＲＰＭは光学的結合器によりリンクされたフェーズロック型ＲＰＭを形成すべきである。実際の機械的形態は、電子的コミュテーションが励起器電機子、整流器、玉軸受け、機械的駆動におけるメインフィールド電機子を有する全体的な電機子シャフトの端部に位置されるように行うことが可能である。機械的ＲＰＭ速度はガスタービン、蒸気タービン、水力タービン、風力タービン、又は内燃機関等の機械的原動機によるトルク曲線ヘリンクさせることが可能である。このリンクは原動機に対する特に経済的な動作を提供することが可能である。例えば、負荷条件に拘わらずに３６００ＲＰＭで回転している単一シャフト型のガスタービンの効率を検討する。ガスタービンが従来の同期型発電機を駆動している場合には、その効率は部分的負荷条件下において非常に迅速に経過する。ガスタービンはそれでも３６００ＲＰＭで稼動せねばならないので、それは同一の量の空気を処理する。使用される制御方法は作業温度を減少させ、そのことは熱的動的効率を低下させる。然しながら、ガスタービンがこの特許明細書に開示したタイプの可変速度発電機を使用する場合には、それは３６００ＲＰＭより低い速度において部分的負荷条件下においてより生産的に動作することが可能である。それはより少ない作業流体（空気）を処理し且つエンジン仕様に鑑み可及的に高い動作温度を維持する。従って、ガスタービンの部分的負荷効率は本明細書に開示した発電機システムの使用により増加される。
【００３２】  別の例として、ディーゼルエンジンが発電機用の原動機である場合には、このようなエンジンは、そのＲＰＭがトルク負荷と共に変化することが可能である場合に最良に動作することが知られている。然しながら、典型的な従来システムはディーゼル発電機セットとして構成されているので、ディーゼルエンジンはその負荷条件に拘わらずに同期された速度で稼動せねばならない。この動作は自然のディーゼルエンジン動作特性に一致するものではない。その結果、ディーゼルエンジンは制限された負荷範囲においてのみ動作することが可能であり、そうでない場合には、それはその熱的効率のかなりの部分を犠牲にせねばならず且つ高い燃料消費を必要とする。然しながら、本明細書に開示したような実施例においては、ディーゼルエンジンＲＰＭは負荷変化と共に変化することが可能である。
【００３３】  ここでの重要な設計基準は、図３、３ａ、３ｂに示されるように、過渡的状態を抑圧する手段としての全てのトランジスタを横断してのシャントコンデンサの使用である。電機子構成は、例えば電機子片をリンクするコンデンサによって、例えば発電機がピストンエンジンにより駆動される場合等の脈動トルク条件下での使用に対して内蔵されている安定化特性を有している。該コンデンサは、又、電機子コイルの始動からの誘導エネルギの格納及びその電流方向のスイッチングの二重の機能を果たす。炭素ブラシシステムと異なり、このシステムは誘導エネルギが熱へ抵抗的に散逸することを可能とさせる。それがユーティリティ電送線へリンクすることなしに孤立した電源として動作する限り、該発電機は、又、所望の周波数において動作するための線電圧周波数の代わりに基準としてオシレータ回路が使用することが可能である。図３ｂに示したように、コミュテーターバー即ち整流子片をリンクするコンデンサは脈動トルクを安定化させ、高いインパルス条件において、この回路はリスカゴインダクションモータ電機子のように動作する。
【００３４】  機械的シャフトが静止している場合には、電子的ブラシの回転ＲＰＭは発電機の発電周波数に近似することが可能であり、このことが発生する場合には、可変周波数自己同期発電機はエネルギ変換器となる。従って、それはバッテリバンク又は燃料セルのＤＣエネルギ供給源を変換させること、又はパワーシステムに対して異なる所望の周波数を発生するためにエネルギ変換器内へ供給する周波数を使用すること等の目的のために使用することが可能である。この動作方法が可能である理由は、本明細書に開示した可変周波数同期発電機の構成によるものである。特別の適用例の場合には、発電機巻線の励起器側を発電機エネルギが必要とする条件と適宜一致するように設計することが可能である。ＤＣ−ＡＣ変換器に関して、励起器は最早必要とはされず、局所的なオシレータを線電圧同期用の基準としてＤＣ電源のみを電子的コミュテーターへ供給することが可能である。
【００３５】効果
自動同期型フェーズロック回路を具備する電子的コミュテーションシステムは同期型発電機を動作させるのに著しく容易な態様を提供している。何故ならば、機械的ギアボックスを完全に除去することが可能だからである。該フェーズロック回路は発電機の同期動作を加速させる。このことは動作上の便宜性を提供し且つ必要とされるコンポーネントを物理的に減少させ、それにより製造及びメインテナンスコストを減少させる。殆どの発電機システムはモータシステムを逆にした態様で動作することが可能であるので、本明細書に開示した原理は電気モータの構成にも適用される。
【００３６】  モータを駆動するためには、今日の可変速度駆動回路は、典型的に、ＡＣ電源をＤＣ電源へ変換し、次いでＡＣを可変周波数へ変換させる。このことはこのようなシステムを高価で且つ非効率的なものとさせる場合がある。上述したような制御は可変速度駆動の古いシステムを置換させることが可能であり、且つ発電機周波数変換器と可変速度駆動の結合は産業的適用に対する電気エネルギの使用において主要な改良を提供することが可能である。ポンプ、ファン、可変速度駆動製紙機械、織物作業等の適用例は、全て、上述した制御原理を使用することにより利点を得ることが可能であり、且つこれらの原理の最も重要な適用例は電気自動車である場合がある。この特許明細書の開示を使用することは電気自動車をより廉価なものとさせることが可能であり、且つより迅速に電気自動車をより広い範囲に使用させることが可能である。電気モータへ適用される場合に本明細書に開示した可変速度駆動は、高速鉄道及び電気的船舶推進システム用の動力伝達システムを変化させることが可能である。差動速度をオプチカルファイバー結合器を介して供給することが可能であるので、制御適用例の将来の補強としてフライバイワイヤ（ｆｌｙ−ｂｙ−ｗｉｒｅ）制御システムとしてコンピュータ制御システムへリンクされた単一のオプチカルファイバーワイヤを使用してシステムを制御することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】  典型的な機械的炭素ブラシコミュテーションシステム及びブラシが１つのコミュテーターバーから次のものへ移動する場合に発生される電機子コイルにおける電流を示した概略図。
【図１ｂ】  典型的な機械的炭素ブラシコミュテーションシステム及びブラシが１つのコミュテーターバーから次のものへ移動する場合に発生される電機子コイルにおける電流を示した概略図。
【図１ｃ】  典型的な機械的炭素ブラシコミュテーションシステム及びブラシが１つのコミュテーターバーから次のものへ移動する場合に発生される電機子コイルにおける電流を示した概略図。
【図２】  コミュテーションバー（整流子片）の電流スイッチングプロファイルを示したグラフ図。
【図３】  図３ｃ、３ｄ、３ｅの結合状態を示した概略図。
【図３ａ】  ブラシ又はスリップリングを必要とすることなしにコミュテーターバー及び界磁巻線へパワーを供給する場合に使用される電子回路を示した概略図。
【図３ｂ】  ブラシ又はスリップリングを必要とすることなしにコミュテーターバー及び界磁巻線へパワーを供給する場合に使用される電子回路を示した概略図。
【図３ｃ】  コミュテーターバー及び界磁巻線へパワーを供給する場合に使用される電子回路の一部を詳細に示した概略回路図。
【図３ｄ】  コミュテーターバー及び界磁巻線へパワーを供給する場合に使用される電子回路の一部を詳細に示した概略回路図。
【図３ｅ】  コミュテーターバー及び界磁巻線へパワーを供給する場合に使用される電子回路の一部を詳細に示した概略回路図。
【図４】  ローターの機械的回転速度とは実質的に独立的な速度においてローター磁界を回転させるコミュテーターバーへパワーを供給する制御回路を示した概略ブロック図。
【図４ａ】  界磁巻線電流を制御するランプ電圧を説明するのに有用なタイミング線図。
【図５】  パワーグリッド又は周波数、位相、ｅｍｆ、位相シーケンスでの何等かのその他の基準と発電機を同期させるフェーズロック回路を示した概略図。
【図６】  ローターの機械的回転速度とは実質的に独立的にローターの磁界の回転を電子的に制御する典型的な装置を示した概略図。
【図７】  典型的なブラシレス可変速度同期型発電機を示した概略図。
【図１ａ】
0005318310.tif 000002
【図１ｂ】
0005318310.tif 000003
【図１ｃ】
0005318310.tif 000004
【図２】
0005318310.tif 000005
【図３】
0005318310.tif 000006
【図３ａ】
0005318310.tif 000007
【図３ｂ】
0005318310.tif 000008
【図３ｃ】
0005318310.tif 000009
【図３ｄ】
0005318310.tif 000010
【図３ｅ】
0005318310.tif 000011
【図４】
0005318310.tif 000012
【図４ａ】
0005318310.tif 000013
【図５】
0005318310.tif 000014
【図６】
0005318310.tif 000015
【図７】
0005318310.tif 000016