(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡＣ発電機において、
電機子巻線を担持している電機子及びステータ巻線を担持しているステータが設けられており、前記電機子は前記ステータに対して回転すべく装着されており、
前記電機子は本ＡＣ発電機の定常状態動作において電機子機械的回転速度で前記ステータに対して回転するものであり、
本ＡＣ発電機の定常状態動作において前記電機子巻線をして電機子磁界回転速度で前記ステータに対して回転する電機子磁界を発生させるシーケンスで前記電機子巻線へ電力を供給する手段が設けられており、前記電力を供給する手段は前記シーケンスで前記電機子巻線に電力を供給するために電源と前記電機子巻線との間におけるスイッチング装置を包含しており、
前記電機子巻線によって発生される前記回転する電機子磁界は、本ＡＣ発電機が電気的負荷へ供給する前記ステータ巻線内にＡＣ電流を誘起させ、
前記電機子機械的回転速度と前記電機子磁界回転速度とは本ＡＣ発電機の定常状態動作において選択した量だけ異なっている、
ことを特徴とするＡＣ発電機。
【請求項２】
請求項１において、前記電機子巻線と電気的且つ機械的に結合されており且つ前記電機子機械的回転速度で前記電機子と共に回転する整流子が設けられており、電源へ結合されており且つ前記電機子の回転速度とは異なる回転速度で前記整流子に対して機械的に回転し且つ前記整流子と周期的に接触するブラシが設けられており、前記電機子磁界が本ＡＣ発電機の定常状態動作において前記選択した量だけ前記電機子機械的回転速度とは異なる速度で前記ステータに対して回転する、ことを特徴とするＡＣ発電機。
【請求項３】
請求項１において、夫々のソリッドステートスイッチング装置が前記電機子巻線を電源へ接続させており、且つ本ＡＣ発電機の定常状態動作において前記ステータに対しての前記電機子によって発生される磁界の回転速度と前記ステータに対しての前記電機子の機械的回転速度との間の選択した差異を発生させるシーケンスにおいて、前記ソリッドステート装置を個別的にスイッチオンさせて夫々の電機子巻線の前記電源への電気的接続を確立し且つスイッチオフさせて夫々の電機子巻線を前記電源から切断させる、ことを特徴とするＡＣ発電機。
【請求項４】
電機子巻線を担持しており回転する電機子及びステータ巻線を担持しているステータを具備しているＡＣ発電機を定常状態で動作させる方法において、
前記ＡＣ発電機の定常状態動作において前記ステータに対して前記電機子を機械的回転速度で回転させ、
前記ＡＣ発電機の定常状態動作において前記ステータに対して電機子磁界回転速度で回転する電機子磁界を前記電機子巻線をして発生させるシーケンスにおいて前記電機子巻線へ電力を供給し、
前記電力を供給する場合に、前記シーケンスにおいて前記電機子巻線へ電力を供給するスイッチング装置を介して前記電機子巻線へ電力を供給し、
前記電機子巻線によって発生される前記回転する磁界は前記ＡＣ発電機が電気的負荷へ供給するＡＣ電流を前記ステータ内に誘起させ、
前記電機子機械的回転速度と前記電機子磁界回転速度とは前記ＡＣ発電機の定常状態動作において選択した量だけ異なるものである、
ことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項４において、前記電力を供給する場合に、前記電機子巻線と電気的且つ機械的に結合されており且つ電機子機械的回転速度で前記電機子と共に回転する整流子、及び電源へ結合されており且つ前記電機子の回転速度とは異なる回転速度で前記整流子に対して機械的に回転して前記整流子と周期的な電気的接触を行うブラシが使用され、前記ＡＣ発電機の定常状態動作において前記選択した量だけ前記電機子機械的回転速度と異なる回転速度で前記ステータに対して前記電機子磁界を回転させる、ことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項４において、前記電力を供給する場合に、夫々のソリッドステートスイッチング装置を介して前記電機子巻線を電源へ接続させ、且つ、前記電機子をして前記ＡＣ発電機の定常状態動作において前記選択した量だけ前記電機子磁界の回転速度とは異なる回転速度で前記ステータに対して機械的に回転させるシーケンスにおいて、前記ソリッドステート装置を個別的にスイッチオンさせて夫々の電機子巻線の電源への接続を確立し且つスイッチオフさせて夫々の電機子巻線を電源から切断させる、ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本特許明細書に記載しているシステム及び方法は、モータ及び発電機等の電気的マシン（装置）の分野に関するものであって、更に詳細には、ロータ（電機子）の機械的回転とそれを発生する磁界との間の角速度における選択的な差異で定常状態においてこのようなマシンを動作させることを可能とすることに関連するものである。別の言い方をすれば、定常状態において、ロータの磁界（磁束）の回転が同期されるが、同期速度と異なるロータの機械的速度を有することが所望される場合にトルクギアリングに対する必要性を解消するようにロータの機械的速度が選択的に異なるものである。
【０００２】
１つの例は原動機と発電機との間においてトルク伝達用ギアリングを使用することなしに、発電機の典型的な同期速度よりも高い速度（例えば、５０又は６０Ｈｚにおける電力用の夫々３０００又は３６００ｒｐｍよりも高い速度）においてより効率的に動作するタービン等の原動機で発電機を駆動するための能力である。
【０００３】
【従来の技術】
電気モータは一世紀にわたって使用されており、その原理はファラディ（Ｆａｒａｄａｙ）及びフーケ（Ｆｏｕｑｕｅｔ）に遡る。この原理を簡単に説明すると、磁界内におけるワイヤに沿って流れる電流は該ワイヤを該磁界と相対的に押す力を発生し、従って、電力を機械的な力へ変換し、且つ、逆に、磁界内のワイヤを機械的な力（起電力より大きい）によって磁界と相対的に移動させると、該ワイヤにおいて電流又は電圧が発生し、従って機械的な運動が電力へ変換させる。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／モータシステムが考案されている。広義に分類すると、発電機又はモータとして作用する電気的マシン（装置）は、（１）直流（又はＤＣ）、（２）交流（又はＡＣ）、及び（３）インダクション型である。これらの全ては、後になってより精密にレンツによって記述されたものであるがファラディの起電力原理に従うものということができ、その効果としては、磁界に露呈される電流を担持しているワイヤは電流と磁界の両方に垂直な合成力を発生するものである。
【０００４】
典型的なＤＣマシンは、基本的に空間内において（又は、少なくとも、ロ―タの回転軸と相対的に）静止しているステータ磁界（磁束）を発生するステータと、整流子（コミュテータ）セグメントで終端している電機子（アーマチュア）巻線を担持しているロータとを有している。ブラシが整流子セグメントと電気的接触を行って、電力をロータ電機子巻線へ担持し、且つ、それにより、電機子内においてロータ磁界を発生し、その軸角度がステータ磁界のものと角度を形成し、起電力を発生する。電機子がある角度を介して回転した後に、新たな組の整流子セグメントが該ブラシと電気的に接触し、それにより、継続して起電力を供給する。定常状態において、電機子が固定されているステータ磁界内において回転する場合に、電機子によって発生される磁界も空間内においてほぼ固定されており（整流子セグメントのものに関連している角度を介してのみ移動する）、然しながら、電機子巻線と相対的に、電機子によって発生される磁界はロータの機械的速度とほぼ同一の角速度で逆方向に回転している。該マシンが電気モータとして動作する場合には、電機子巻線を介しての電流が高ければ高いほど、それが発生するトルクは一層大きい。一方、該巻線は固定されているステータ磁界内において回転するので、該電機子巻線も電力を発生する。その回転が速ければ速いほど、電機子巻線においてこのような態様で発生される電力は一層高い。この電力（「逆起電力」）は電機子を介して印加される電力に逆らって、電機子内の電流の流れを減少させる。このことは、典型的なＤＣモータがランナウェイ速度ｒｐｍに到達することを防止する。ステータ磁界と電機子磁界との結合は磁束の軸を歪ませる。あるより高い品質のＤＣモータは回転速度に従ってブラシ位置を移動させモータの効率、従って、出力を改善させることが可能である。このことは、ブラシ位置が電機子磁界の軸方向を制御することを意味している。同様に、発電モードにおいては、該ブラシは、時々、電気的出力を改善させるために発電機速度に従って回転される。
【０００５】
典型的なＡＣ発電機／モータは、磁界が時間と共に空間内における方向を変化させるという点で時間的に変化する磁界内において動作する。ＤＣ発電機のコミュテータ即ち整流子が一対の電気的導電性リングと交換され一対のブラシがそれらと接触されている場合（回転している電機子から電力を抽出するため）、それは典型的なＡＣ発電機となる。
【０００６】
電機子及び磁界の位置を逆にすると、該電気的ブラシを除去することが可能である。電力出力は磁界強度に比例し且つその周波数は回転速度の直接的な関数である。この逆転は最近の同期型発電機の設計の基礎である。一対のスリップリング及びブラシからＤＣ電流が回転磁界に供給される。この電流の調節が電力出力を制御する。同期型発電機の利点は、回転磁界が設計された固定磁束を横切ることはなく、従って殆ど又は全く逆起電力が発生されないという点である。本システムは、更に、電流をＤＣ電流へ整流される小型ＡＣ発電機を介して供給することが可能であるように洗練されている。小型ＡＣ発電機の強度がそのＤＣ磁界強度を規制する。小型ＡＣ・ＤＣ発電機は電機子と同一のシャフト上に装着することが可能であり、且つその出力は電機子フィードへ永久的に接続されており、従ってスリップリング及びブラシを除去している。モータ動作モードにおいては、回転磁界が供給されねばならず、それを行う便利な方法は、デルタ又はＹ巻線を具備する３相ＡＣ電力を使用することによるものである。そのＡＣマシンは、電機子がＤＣモードにある間に磁界を回転させ、それと対照的に、ＤＣマシンにおいては、ＤＣモード（即ち固定）における磁界を有しており、磁界は電機子において逆方向に回転する。
【０００７】
インダクションモータ／発電機は回転磁界を有しており、それは３相ＡＣ電源によって又は単相ＡＣのいずれかによって発生させることが可能であるが、それ自身に対する誘導巻線短絡によって該磁界の角部を遅滞させる。モータの所望の簡単化は、電機子巻線をリスカゴの形状とすることが可能であるという事実である。電機子内の電流は磁界と電機子との間の回転速度における差異によって誘起されるか又は発生される。その差はスリップ（滑り）速度と呼ばれる。インダクションモータが同期速度で動作している場合には、巻線内の導体は磁界と実質的な相互作用を行うものではなく、従って誘導電流が動作用の力を供給することはない。従って。インダクションモータは磁界回転速度と相対的に遅滞されるか又はそれを超えて加速されねばならない。従って、インダクションマシンは混合モードマシンである。それは簡単であるという利点を有しているが、一定速度又は固定した周波数のマシンとして便利に使用することが可能なものではない。
【０００８】
ＡＣ同期型マシンはその回転速度を商用周波数とリンクさせ、従って、殆どの６０Ｈｚマシンは３６００ｒｐｍで回転し且つ５０Ｈｚマシンは３０００ｒｐｍで回転し、又はその速度の整数割合で回転する。このことは、発電機を駆動する原動機が同期された速度で動作されねばならない（基準周波数が与えられねばならないインダクション発電機を除く）という点において発電業界及びマシン設計者に対して困難性を発生する場合がある。原動機の改善がなされるに連れ、ある原動機エンジンは、非常に高いｒｐｍで動作することが許容される場合に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、エンジンの重量を減少させることが可能であるが重たいトルクギアボックスを付加せねばならず、そのことはメインテナンス及びコストを増加させることを意味している。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本明細書は、原動機（駆動するもの又は駆動されるものいずれか）が電力送電線網周波数に直接的にリンクした速度で回転させる必要性がないように、原動機がロータを駆動する重たい機械的なギアボックスの機能を置換する電気的又は電子的制御を使用する回転磁界同期型発電機又はモータを記載している。６０Ｈｚとシステムの間の変更は比較的容易に行われる。コンピュータ制御型システムの場合には、この変化はソフトウエアプログラミングによって比較的簡単に行うことが可能である。
【００１０】
例示的な実施例においては、電力が電機子巻線へ供給され、その結果電磁界がロータのものと選択的に異なる角速度で回転する。従って、ロータの角速度はそれが発生する磁界に関する角速度の制限から切り離すことが可能である。その結果、一例では、何等機械的なギアリング即ち歯車構成なしで、タービンが特に効率である角速度で高速タービンが発電機のロータを駆動することが可能であり、その結果ステータ巻線内に誘起されるパワー即ち電力は所望の電力送電線周波数、例えば５０Ｈｚ又は６０Ｈｚである。別の例は、モータを可変ロータ速度で簡単且つ効率的に動作させることが可能である。
【００１１】
ここに開示するシステムの１つの利点は、原動機及び電気マシンが異なる動作速度を有する場合にその機械的構成を簡単化させ、従ってギアボックスは除去されるか又は出力のトルクを担持するものではない。その結果得られるパッケージは寸法、重量及びコストを減少させることが可能である。
【００１２】
別の利点は、機械的なギアボックスを電気的又は電子的な構成で置換している点であり、従ってギアを変えること即ち自動的変速は連続的なプロセスとなることが可能である。このことは乗物、船舶及びターボプロップ航空機、宇宙船及びその他の使用に対する電気的推進概念を変化させる場合がある。
【００１３】
別の利点は、比較的小型の電気的導体で且つ重量を節約して高電流ＤＣモータを高電圧ＡＣマシンへ変換させることである。ＡＣ電圧はＤＣよりもより容易に変化させることが可能であるが、今日の電子技術を介してのＤＣからＡＣへの変換は比較的都合のよいものである。
【００１４】
更に別の利点は、シャフト速度とは独立した周波数で電気システムを動作させる能力である。
【００１５】
本明細書に記載した回転磁界電気的マシンの１つの利点は、それが、基本的には、必然的に同期速度で回転するシャフトがない同期型のマシンであるという点である。
【００１６】
本マシンの別の利点は、それは同期されているが、低い電機子電流又は低いトルクで回転速度をより低く維持するための供給電流を規制する手段として作用することの可能な逆起電力を発生するという点である。このような速度規制は、公知のタイプの大型の電気モータを始動させることが必要である場合に困難な問題となる場合がある。始動用回路は非常に複雑なものとなる場合があり且つ時折動作させることが非常に困難となる場合がある。
【００１７】
別の利点はブラシ及び整流子を置換するために例えば光学的結合等の非接触性のカップリング即ち結合を使用している点であり、従って所謂ブラシレス（無ブラシ）動作を達成することが可能である。
【００１８】
ソリッドステート回路はパルス又は波形整形を与えることが可能であり、２つの整流子が同時的にブラシと接触する場合に発生する傾向のある急激的な放電の問題を緩和している。
【００１９】
本明細書に記載したシステムの更に別の利点は、より低いトルクでのより高い回転速度は同一の馬力を発生し且つその逆も又真であるので、都合良くスケールアップ又はスケールダウンすることが可能であり、電気モータ／発電機を更に軽量化することを可能としている点である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、基本的に、典型的な電気・運動相互作用マシン即ち装置を例示している。ステータ磁界２０はＤＣ供給源１によって電力が供給されるコイル１０によって発生される磁束である。ロータ即ち電機子（アーマチュア）３０が供給源又は負荷２へ接続されているコイル１５からロータ磁束を発生する。電気的吸引力が電機子３０を回転させる。要素２が負荷であり且つエンジン（不図示）が電機子３０を駆動してそれを適宜の角速度でステータコイル１０と相対的に回転させる場合には、電気的パワー即ち電力がコイル１５内に発生され且つ負荷２へ供給される。要素２が、そうではなく、コイル１５へ供給される適宜変化する電流も供給源である場合には、ロータ３０はステータコイル１０と相対的に回転する。
【００２１】
図２は、基本的に、永久磁石によって発生させることが可能なＤＣ磁界２１を使用するＤＣモータ／発電機を例示している。ロータ３１は電機子巻線１６が具備されており、ｘの記号は電流がワイヤの中に入っていくことを表しており且つドットの記号はワイヤから電流が出て来ることを表している。ブラシ４０は、ロータ３１が回転するに従い、電機子巻線１６へ電流を供給する。動作について説明すると、モータとして定常状態にある場合に、適切な極性の電力をブラシ４０を介して巻線１６へ供給すると、ロータ磁界が発生され、それはステータ磁界２１と相対的にロータ３１を回転させる。発電機としての定常状態動作においては、ステータ磁界２１と相対的に回転するロータ３１は巻線１６内に電流を誘起させ、それはブラシ４０を介して負荷（不図示）ヘ送られる。
【００２２】
図３は、基本的に、ＡＣ発電機を例示している。ステータ磁界２１はＤＣ又は永久磁石の磁界である。電機子コイル１８はスリップリング５０及び５１へ接続しており、電機子コイル１８がステータ磁界２１内を回転する場合に電流及び電圧を採取する。電機子コイル１８の回転は標準のＡＣ波形に一致する正弦波形を発生する。
【００２３】
図４ａは、基本的に、インダクションモータ／発電機を例示している。回転磁界がポール２２周りのステータ磁界巻線２３に関して単相ＡＣ電力供給源即ち電源によって発生される。時間遅延短絡回路コイル２４がポール２２の角部に位置されており、回転ステータ磁界運動を発生させる。ロータはリスカゴ３２の形態の電機子であり、それは磁界巻線２３へ印加されたＡＣ周波数と異なる周波数で回転し誘導電流を発生し、且つその結果発生する相互作用力がロータ３２を押すか又は牽引する。ロータ３２が回転ステータ磁界の速度よりもより遅い速度で回転している場合には、その差分速度がリスカゴ内に電流を発生する。このことは、どのようにしてインダクションモータが動作するかである。一方、ロータが回転磁界よりもより速い速度で駆動される場合には、該システムは発電機となる。
【００２４】
図４ｂは端部１７において終端しており巻線の代わりに真っ直ぐな導体１９及び回転運動のためにロータの構造を支持するシャフト６０を具備している電機子３２の斜視図である。
【００２５】
図５ａは２個のポール及び三相ステータ磁界巻線２４及びロータの周りのコイルによって回転ＤＣ磁界を発生するロータ３４を具備する同期型発電機／モータを例示した断面である。これらのロータコイルも又動作を制御する手段として作用する。該ロータはステータ磁界と同期されているので、基本的には誘起電流又は逆起電力は存在しない。図５ｂは外側に回転磁界２６を有しており且つ４個のポールを具備するロータ３６を具備している４極同期型発電機を例示した断面である。これは２ポールマシンと同一の周波数を有しているが、ロータは図５ａの２ポールマシンのものの半分の速度で回転する。図５ｃは三相磁界巻線の記号であり、該記号におけるワイヤ間の角度は位相間の角度を表している。
【００２６】
図６は整流用ＤＣモータの断面を例示しており、その場合に、ステータがＤＣ磁界２１を発生し且つロータ１６は整流子セグメント８０及び接触用ブラシ４０を具備する典型的な巻線構成を有している。各整流用セグメントは、通常、２組の電機子コイルへ接続している。
【００２７】
図７ａは回転磁界発生機の原理を断面で例示している。ステータコイル２２における回転磁界外側の構成は三相ＡＣ発電機／モータの場合と同一である。回転磁界はインダクション型又は任意のその他のタイプの電気マシンの場合のように単相システムとすることが可能である。該ロータ内側は典型的な整流型のロータシステムであって、整流子セグメント８０及びブラシ４０が、整流子セグメント８０と接触しているが、ブラシ４０はロータと同心的なシャフト６１上に装着されており且つ外側磁界のものと同期した速度で回転する点が異なっている。ブラシ４０は、更に、一対のスリップリング５０及び５１へ接続されている。電流がブラシ４２及び４３を介してスリップリングへ接続される。ＤＣ供給源（不図示）からの電力供給は必要な電流を供給する。図５ａに示したような従来の同期型発電機に対して異なる点は、ロータをＡＣ電力に対して異なる速度で回転させることが可能であり、従って、それは逆起電力電圧を発生させる。従って、磁界制御器は電流フィードバック回路であり、一方従来のシステムはフィードバックのない電圧制御型とすることが可能である。この設計の逆起電力電圧は、インダクションモータが最初に始動される場合に発生する電流の突進を制限する。ロータが同一の同期速度で回転している場合には、基本的に逆起電力電圧は存在せず、発電機は同期型マシンと同一の態様で動作する。ロータが同期速度よりも高い速度で回転している場合には（小型ガスタービン及び高速ガソリンエンジンの場合に予期される条件）、ロータ速度が高ければ高いほど、逆起電力電圧はより高いものと予測され（又は定電圧電源におけるより低い電流）、従って起電力を減少させ且つロータをモータとして減速させる。このことは、ロータの速度を自己制限的なものとすることが可能であることを意味している。発電機として、反対の効果が発生し、自己調節効果を与えるためにロータ加速よりも高い速度で印加電圧を増加させるフィードバック制御回路が必要である。一方、発電機として、速度制御は、通常、エンジン自身によって与えられ、従ってそれは問題ではない。同じブラシレス回路はスリップリング５０及び５１及びブラシ４２及び４３を置換すべく修正するか又は修正せずに適用することが可能であることが予測される。
【００２８】
図７ｂは、小型ＡＣ発電機をロータとして同一のシャフト６１上に装着することが可能であることを例示しており、ＡＣ電力をＤＣへ整流し且つ電流をスリップリングなしで図７ａにおける回転磁気コイルへ電流を供給する。従って、このことはブラシ発電機として公知である。
【００２９】
図８ａ及び８ｂは、ブラシが磁界と同一の方向及び速度（即ち、同期型）で回転するが、ロータが反対方向に駆動することが可能な例を示している。この構成が発電機として動作している場合には、逆起電力電圧が印加電圧と直列（加法的）であり、従って同一の制限トルクを発生する。全ての場合において、ブラシ位置はロータ磁界の軸方向を決定する。ブラシ速度はωbとして表してあり、回転磁界はωfとして表してあり、回転シャフト速度はωsとして表してある。ωsはωfとは異なるものとすることが可能であるが、ωbはωfと等しい。
【００３０】
図９ａは典型的な機械的構成を例示しており、その場合に、ロータの機械的回転とそれが発生する電磁界の回転との間の角速度において選択的な差異を与えることが可能である。電機子シャフト６０は軸受７２によって支持されているが、ブラシ４０は、シャフト６２を別の軸受７０によって支持させ且つ電機子シャフト６０と同軸状にさせている異なる構成体６３上に装着されている。図９ｂは軸受７５によって支持されている回転ブラシ４０を電機子シャフト６０と結合させ、その構成を電気的に結合された同期型発電機とさせているギア７４及び７３を具備するギアシステムを使用した場合を示している。これは、更に、図９ｃに示されており、その場合には、ギアシステムがマシンのトルク負荷を担持するものでないことを理解することが可能である。図９ｄは、回転ブラシ４０を電気端子Ｘ及びＹと結合している外側ギア７４と接続させる接続用ロッド７６の位置を断面で示している。接続用ロッド７６はシャフト６１の周りに同心状に配列されているものではないので、これら２つの間のギャップを埋めるためにスペーサ７７が必要である。例えば遊星歯車機構等のその他のギアリング即ち歯車機構を使用することが可能である。
【００３１】
図１０はロータの角速度を回転電磁界のものと選択的に異なるものとさせるために、ソリッドステート装置の導通を制御するための光学的にトリガされる光センサーを使用した構成を示している。例えばＣＭ３００ＨＡ−ＩＺＥ等の現代のソリッドステートトランジスタは５００Ｖにおいて５００アンペアの電流をスイッチさせることが可能である。このことはこの作業のために充分以上のものである。整流子要素８１が一対の光学的に結合されたソリッドステート装置１０２及び２０１へ接続されており、そのうちの１つは正の方向であり且つ他方は負の方向である。これらのソリッドステート装置はそれらの夫々の電流バスバー９０及び９１で終端されており、それらはロータ巻線へ電流を供給する。正及び負のバスバー９０及び９１がリングの形態とすることもここに開示したシステムの１つの側面である。正の装置１０２は光学的センサー１０４を有しており且つ負の装置２０１は光学的センサー２０４を有している。該装置は、機械的な回転ブラシを置換させるために発光ダイオード又は任意の明確的なスイッチングシステムによってトリガされる。バスバーは通常の同期型発電機／モータにおけるのと同一の態様で接続させることが可能であり、従ってそれをブラシレスマシンとさせる。
【００３２】
図１１ａ−１１ｄは機械的ブラシシステムの特性の幾つかを例示している。ブラシが２つの整流子要素と接触している場合に、それは該コイルの１つのセグメントを短絡させ、且つトラップされた磁気エネルギは、電流が逆転される前に解除されねばならない。このことはサージ電流及び目に見えるスパークを発生させる傾向となる。図１１ｄは、ブラシ整流はステップ関数であり、それは急激的に発生するという事実を示している。従って、コイルのインダクタンスのために、実際の整流は直線的な変換ほど理想的なものではない。
【００３３】
図１２ａは非線形ブラシ整流から発生する方形波電気パルスを示している。これは光学的結合の場合にも発生する場合があるが、緩衝（平滑化）回路によって、該パルスをベル形状（図１２ｂ）とさせることが可能であり、該電流を基本的に直線的に解除させることを可能とする。図１２ｂは個別的なパルスの包絡線を示しており、例えば、３個のパルスが使用される場合には、中央のものが他の２つの側部のパルスよりも一層大きい。
【００３４】
図１３は角速度が電気マシンのロータのものから選択的に異なることが可能な回転電磁界を発生する場合に使用される光学的リング構成の一例を示している。静止リング３００は不透明であり且つ絶縁性物質であって、正及び負の電流制御回路をトリガするための個別的な発光装置３１０及び３２０を具備している。該発光装置３１０及び３２０は時間的に順番に発光し静止リング３２０において回転を模倣させる。装置３１０は正の要素（例えば図１０における１０２）をトリガし且つ装置３２０は負の要素（例えば図１０における２０１）をトリガする。該リングはその機能又は効果を著しく変えることなしに円筒状又は別の形状とすることが可能である。
【００３５】
図１４は角速度を電気マシンにおけるロータのものと選択的に異なるものとすることの可能な回転電磁界を発生する場合に使用することの可能な光学的結合の別の例である。発光体１２０は供給源１４０によってトリガされる。光は光学的（例えば、赤）フィルタ１２１を介して通過する。その前面に赤フィルタを具備している回転センサー１２２が不当な干渉なしで発光体１２０からの光信号を採取する。１８０度位置における緑要素１３０は同時的にトリガされ且つそれからの光は緑フィルタ１３１を介して通過し且つ回転センサー１３２によって検知され、それは、発光体１３０からの光によってトリガされる場合に、負の電流を導通させる。従って、該赤及び緑要素はブラシ及び整流子として機能するが、電子的制御及び性能が改善されている。これらの発光体は、図１５ａ及び１５ｂに関連して以下に説明するように制御されるシーケンスでトリガすることが可能である。
【００３６】
図１５ａは、信号がデジタル置換回路１４０を介して進行して図１５ｂに示したような形状の精密に遅延された方形波信号１４１，１４２，．．．，１５０及び「戻る」を発生し整流用光信号を模倣するソリッドステート装置を例示している。
【００３７】
図１６ａ−１６ｃは図１３−１５ｂに関連して説明した所望の機能を実行することが可能なソリッドステート回路を例示している。図１６ａは前述した発光回路をトリガする可変幅方形波パルス（図１５ｂ参照）を発生する回路を例示している。図１６ｂはトリガ用パルス４００を受取り且つ選択した順番で発光対４１０を活性化させる制御回路４０５の形態を例示している。図１６ｃは図１０に示したブラシレス光学的スイッチング回路の別の形態を例示しており、整流子要素４４０と接続した電機子巻線４５０が付加されている。将来においてはより新しい装置が使用可能となる可能性があるが、本明細書に開示したシステム及び方法の意図した機能を変えるものではない。
【００３８】
図１７は回転磁界電気マシンの主要のコンポーネントを断面で例示している。ステータ５００はステータコイル５１０を有しており且つ整流子セグメント５３０は定常状態においてステータ５００内側で回転するロータ（不図示）によって担持される電機子巻線へ電気的に結合されている。該マシンが定常状態において発電機として動作されるものと仮定すると、該電機子巻線は回転電磁界５２０を発生し、それはステータ巻線５１０内に電流を誘起し、それは負荷へ供給される。整流子セグメント５３０を担持するロータの機械的回転速度を考慮に入れて、所望の角速度で電磁界５２０を回転させる構成とされており矢印５５０で示した順番で整流子セグメント５３０への電流の供給を制御するためにホトダイオード５６２を活性化させるべく前述したような光学的スイッチング構成によって発光体５６０が制御される。２つの角速度（ロータの及び電磁界５２０の）は付勢用発光体５６０のシーケンスによって決定された選択された量だけ異なることが可能であり、そのことは、電子的又はソフトウエア制御で行うことが可能であり、従ってその速度差を自由に選択及び／又は変化させることを可能としている。該マシンがモータとして動作されるものと仮定すると、回転磁界の角速度を整流子セグメント５３０を担持しているロータのものとは選択的に異なるものとすることが可能であるという点において同様の考慮事項が適用される。
【００３９】
従来の発電機／モータにおいては、電機子及びそれが発生する磁界は、典型的に、磁界巻線の同期速度において基本的に回転する。このことは、電機子を同期速度でのみ回転することを強制させる。対照的に、ここに開示したシステム及び方法は電機子レベルにおける同期された磁界速度を使用するものであるが、物理的電機子速度を何等かのその他の値とすることを可能としている。このことは独特の幾何学的形状に起因する近似を考慮に入れて、電機子速度ωAに拘わらずにブラシ速度ωBが磁界回転速度ωFと等しいように（即ち、ωB＝ωF）機械的又は電子的に（例えば、コンピュータを介して）駆動制御される回転整流システムによって達成される。電機子速度とブラシ速度との間の差を維持することが可能であり、且つ差分速度として公知である（差分速度＝ωA−ωB）。このことは逆起電力がランナウェイ速度を自己制限的なものとさせることを可能とし、且つ電機子のシャフト速度を検知することによってコンピュータフィードバックを可能とする。磁界速度は「ブラシ速度」を電子的に発生させる位相角度にあり、従って結果的に得られる電機子磁界は同期し且つ同位相で回転する。
【００４０】
従って、本特許明細書に開示したシステム及び方法は、ＡＣ及びＤＣ電気モータ／発電機システムに対して電子的に制御されるトルク変換システムを使用することによって重たく且つ複雑な機械的ギアボックスに対する必要性を解消することを可能としている。このことは、重量、複雑性、コストを節約する。光学的に制御されるブラシ移動システムは、特に、ＡＣ同期型電力適用例において特に効果的である。モータが速度を変化させる場合にはブラシ位置を変化させるか又は調節すべきであることが既知である。過去においては、異なる速度で移動させるために第三ブラシが形成されていた。それは光学的に結合された整流で置換させることが可能であり、その場合には、リングの一部のみが必要であり且つフィードバックを介して発光体を最大磁界強度位置の周りに自動的に調節させることが可能である。ここに開示したシステム及び方法は電力発生セットのパッケージングを著しく簡単、低コスト及び軽量のものとさせることを可能としている。ここに開示したシステム及び方法は、従って、ＤＣ電気モータ／発電機及びＡＣ同期型モータ／発電機を光学的に結合した整流の概念と結合させることを可能とし、且つギアリング即ち歯車機構が使用される場合には、それはトルクを担持することを必要とするものではない。エネルギ変換装置として、モータが同期された電力を発生しており且つロータが例えば高速で回転している場合には、トルクと回転速度とを掛けたものもパワー即ち電力であり、従って入力シャフトはより低いトルクでパワーを伝達することが可能である。このことは、基本的に、コスト及びその他の不所望の結果を招来することなしに、機械的なギアボックスのタスクを達成する。このアプローチの枝分かれは非常に基本的なものであって、それらは例えば電気自動車などの適用例に対する電気・運動システム構成を変化させ、且つしばしば部分負荷動作に対して最適化されていない同期型水力タービンの動作を変化させる。適用例は無数である。
【００４１】
ここに開示したシステム及び方法は、特に、適宜のソリッドステートスイッチング装置の現在の入手可能性により都合の良いものとされている。例えば局所化された磁気パルス又は電界効果装置等の光学的システム以外の装置を使用してソフト結合を達成することが可能である。勿論、ここに開示したシステム及び方法はブラシシステムを除外するものではない。機械的なブラシシステムは小型の寸法において且つ特別の適用例に対して特に実用的なものである場合がある。
【００４２】
上述した説明は本発明の好適実施例の完全な開示を与えるものであるが、種々の修正、別の構成及び均等物を本発明の精神及び範囲を逸脱することなしに使用することが可能である。従って、上述した説明及び例示は本発明の範囲を制限するものとして解釈すべきではなくそれは特許請求の範囲によって画定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  電気・運動マシンの基本的原理を示した概略図。
【図２】  典型的な直流モータ又は発電機の形態を原理的に示した概略図。
【図３】  典型的な交流発電機を示した概略図。
【図４ａ】  典型的なインダクションモータ／発電機の概略断面図。
【図４ｂ】  インダクションモータ／発電機のリスカゴロータ／電機子を示した概略斜視図。
【図５ａ】  ２極同期型三相発電機／モータの概略断面図。
【図５ｂ】  ４極発電機／モータの概略断面図。
【図５ｃ】  三相電界巻線の記号を示した概略図。
【図６】  ＤＣモータ／発電機及び典型的な巻線及び整流子構造の概略断面図。
【図７ａ】  回転フィールド三相発電機／モータを示した概略図。
【図７ｂ】  ブラシレス動作における同期型発電機／モータに対して使用される回路と同一であるか又は同様の回転フィールド電機子へ電流を供給する回路を示した概略図。
【図８ａ】  ロータ速度と異なるものとすることが可能な三相回転フィールド速度に同期された速度で回転する電機子フィールド（ブラシ及び整流子位置によって制御される）を示した概略図。
【図８ｂ】  ロータ速度と異なるものとすることが可能な三相回転フィールド速度に同期された速度で回転する電機子フィールド（ブラシ及び整流子位置によって制御される）を示した概略図。
【図９ａ】  機械的回転ブラシ構成を示した概略図。
【図９ｂ】  回転シャフトでブラシを駆動する典型的な歯車機構を示した概略図。
【図９ｃ】  典型的な歯車機構の端部を示した概略図。
【図９ｄ】  図９ｂの詳細を示した概略断面図。
【図１０】  単一セグメントのソリッドステート整流子構成の一例を示した概略図。
【図１１ａ】  整流動作及びブラシ要素からのスパークの原因を示した概略図。
【図１１ｂ】  整流動作及びブラシ要素からのスパークの原因を示した概略図。
【図１１ｃ】  整流動作及びブラシ要素からのスパークの原因を示した概略図。
【図１１ｄ】  整流動作及びブラシ要素からのスパークの原因を示した概略図。
【図１２ａ】  機械的整流システムによって発生される波形を示した概略図。
【図１２ｂ】  電気的波形整形によって発生される調節された波形を示した概略図。
【図１３】  ステータ及びロータに対する光学的結合用ホイールを示した概略図。
【図１４】  フォトダイオードへ信号を送信するために着色フィルタを介して結合された２つの異なる色の発光ダイオード（ＬＥＤ）を使用した一例を示した概略図。
【図１５ａ】  ＬＥＤを順番にトリガするための制御された遅延を有するソリッドステートパルス発生器を示した概略図。
【図１５ｂ】  ＬＥＤを順番にトリガするための制御された遅延を有するソリッドステートパルス発生器を示した概略図。
【図１６ａ】  方形パルスを発生する集積回路チップを示した概略図。
【図１６ｂ】  トリガパルスを経路付け信号へ変換させる回路を示した概略図。
【図１６ｃ】  トリガ入力としてフォトダイオードを具備している高電圧高電流回路及び単一整流セグメントの構成を示した概略図。
【図１７】  電気マシンの断面を示した概略断面図。
【符号の説明】
１  ＤＣ電源
２  供給源（負荷）
１０  ステータコイル
１５  コイル
１６  電機子巻線
１８  電機子コイル
２０  ステータ磁界
２２  ポール（極）
３０  電機子（アーマチュア）
３１  ロータ
３２  リスカゴ
４０  ブラシ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図９ｃ】
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【図９ｄ】
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【図１０】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１１ｃ】
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【図１１ｄ】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５ａ】
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【図１５ｂ】
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【図１６ａ】
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【図１６ｂ】
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【図１６ｃ】
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【図１７】
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