(57)【要約】本発明は、回転子（１２）と、固定子（２０）と、この固定子内に導電するよう設けた少なくとも一つの巻線（２２）と、この第１の巻線（２２）とは電気的に絶縁して第１の巻線（２２）に誘導結合した二次巻線（２４）とを有する電気機械（１０）を含み、この二次巻線（２４）を前記第１の巻線の出力電圧と電流のうちの少なくとも一方の制御に用いることができる。
2006529076.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流発電機として作動可能な電気機械であって、
軸線回りに回転するよう装着した永久磁石回転子と、
前記回転子に隣接する固定子であって、複数対の歯間の前記固定子内に画成した複数の半径方向スロットと、前記固定子に対し前記スロットのうちの少なくとも一つのスロット内に装着されて前記少なくとも一つのスロットを画成する一対の前記歯間に延びるブリッジとを含み、該ブリッジが前記少なくとも一つのスロットを少なくとも二つのスロット部に分割している固定子と、
第１の回路の少なくとも一部を形成する第１の巻線であって、該第１の回路が前記機械からの生成電気を給送するよう設けてあり、前記第１の巻線は少なくとも第１の脚部と第２の脚部とを含むループ部を有しており、該ループ部が前記少なくとも一つのスロット内に配設してあり、これにより前記第１の脚部を前記少なくとも二つのスロット部のうちの第１のスロット部内に前記ブリッジの第１の側に隣接させて配設し、前記第２の脚部を前記少なくとも二つのスロット部のうちの第２のスロット部内に前記ブリッジの第２の側に隣接させて配設し、前記ブリッジの前記第１と第２の側を互いに対向させた第１の巻線と、
第２の回路の少なくとも一部を形成する第２の巻線であって、該第２の回路は前記第１の回路とは電気的に絶縁してあり、前記第１の巻線の前記第２の脚部に隣接する前記固定子内に配設した第２の巻線と、
を備えることを特徴とする電気機械。
【請求項２】
前記第２の巻線は前記少なくとも二つのスロット部のうちの第２のスロット部内の少なくとも一つのスロット内に配設してあり、前記第２の巻線は前記ブリッジの第２の側に隣接させてあることを特徴とする請求項１記載の電気機械。
【請求項３】
前記少なくとも一つのスロットを併せ画成する前記ブリッジと前記一対の歯が、前記固定子内に少なくとも二つの磁気回路の一部を形成していることを特徴とする請求項１記載の電気機械。
【請求項４】
前記少なくとも二つのスロット部のうちの前記第１のスロット部は、前記少なくとも二つのスロット部のうちの前記第２のスロット部よりも半径方向に前記回転子に近づけてある  ことを特徴とする請求項１記載の電気機械。
【請求項５】
前記固定子は前記回転子に隣接する回転子面を有しており、前記複数の半径方向スロットは前記回転子面内に画成してあることを特徴とする請求項１記載の電気機械。
【請求項６】
前記少なくとも二つのスロット部のうちの前記第２のスロット部は、回転子磁気回路から遠く離してあることを特徴とする請求項１記載の電気機械。
【請求項７】
前記少なくとも一つのスロットを画成する前記一対の歯は、前記固定子内に互いに直に隣接させてあることを特徴とする請求項１記載の電気機械。
【請求項８】
前記第２の巻線は制御回路に接続してあることを特徴とする請求項１記載の電気機械。
【請求項９】
前記第２の巻線は電流制限部材を含むことを特徴とする請求項１記載の電気機械。
【請求項１０】
前記回転子はブラシレス回転子であることを特徴とする請求項１記載の電気機械。
【請求項１１】
前記ブリッジは少なくとも一部が低キュリー点材料で構成してあることを特徴とする請求項１記載の電気機械。
【請求項１２】
前記ブリッジは少なくとも一部がフェライトで作成されていることを特徴とする請求項１１記載の電気機械。
【請求項１３】
交流発電機として作動可能な電気機械であって、
回転可能な永久磁石回転子と、
前記回転子組立体に隣接して装着した固定子組立体であって、
第１の開口と第２の開口とを含む複数の開口であって、該第１と第２の開口が前記固定子組立体の一部により分離してある複数の開口と、
第１の回路に電気的に接続した第１の電気巻線であって、前記第１の回路が前記機械を交流発電機として作動させたときに前記機械から出力される電気を供給するよう設けてあり、少なくとも一部を前記第１の開口内に、少なくとも一部を前記第２の開口内に配設してループを少なくとも一部形成する第１の電気巻線と、
第２の回路に接続した第２の電気巻線であって、前記第１の電気巻線とは電気的に絶縁してあり、前記第１の巻線に隣接させて前記第２の開口内に配設した第２の巻線と、
を含む固定子組立体と、
を備えており、
前記固定子組立体の前記一部が前記固定子組立体内に少なくとも二つの磁気回路経路の一部を画成し、前記固定子周りの回転子回転の結果として生成される磁束を案内し、前記少なくとも二つの磁気回路経路のうちの第１の磁気回路経路が前記第１の開口及びその中の第１の巻線を少なくとも一部囲繞し、前記少なくとも二つの磁気回路のうちの第２の磁気回路が前記第２の開口及びその中の前記第１と第２の巻線を少なくとも一部囲繞し、前記第２の磁気回路は全体が前記固定子組立体内に画成してある、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項１４】
前記第１の電気巻線ループは、前記第１と第２の開口を隔てる前記固定子組立体の一部をほぼ巻いて巻回させてあることを特徴とする請求項１３記載の電気機械。
【請求項１５】
前記第１の開口は前記第２の開口よりも半径方向に前記回転子に近づけてあることを特徴とする請求項１３記載の電気機械。
【請求項１６】
前記第１と第２の電気巻線は互いに誘導結合させてあり、前記第２の電気巻線は前記回転子から誘導的には絶縁してあることを特徴とする請求項１３記載の電気機械。
【請求項１７】
前記回転子が前記固定子組立体周りを回転するときに、前記少なくとも二つの磁気回路のうちの前記第１の磁気回路の周囲を循環する磁束が前記少なくとも二つの磁気回路のうちの前記第２の磁気回路の周囲を磁束が循環するようにさせることを特徴とする請求項１３記載の電気機械。
【請求項１８】
交流発電機として作動可能な永久磁石機械であって、
回転可能な回転子と、
前記機械が交流発電機として作動するときに前記機械からの生成出力電気を給送するよう設けた機械出力端に電気的に接続した少なくとも一つの第１の巻線と、
電流制限装置を含む少なくとも一つの第２の巻線であって、前記第１の巻線とは電気的に絶縁した第２の巻線と、
前記回転子に隣接する固定子であって、少なくとも第１の開口と第２の開口とを画成しており、前記第１の巻線が前記第１の開口と第２の開口内に配設してあり、前記第２の巻線は前記第２の開口内にだけ配設してあり、前記固定子と前記回転子とが併せて前記第１の開口周囲に一次磁気回路経路を画成しており、それによって前記回転子と前記固定子の間の相対的な動きが一次磁束をして前記一次磁気回路経路の周りを流れさせ、それによって前記第１の巻線にかかる電圧と該第１の巻線を流れる関連電流とを誘起し、前記固定子はまた前記第２の開口周囲に前記固定子内に第２の磁気回路を画成しており、前記第１と第２の巻線が前記第１と第２の開口内に配設してあり、該第１と第２の開口を前記固定子内に位置決めし、これにより使用時に前記第１の巻線内に誘起される前記電圧と電流が前記第２の巻線内に二次電圧と関連電流とを誘起する固定子と、
を備えており、
前記電流制限装置が、前記第２の巻線内で所定の閾値電流を超えたときに前記第２の巻線内の電流を阻止し、それによって前記第２の巻線が前記第１の巻線内の最大電流を少なくとも所望の最大電流限界に制限する、
ことを特徴とする永久磁石機械。
【請求項１９】
前記第１の巻線内の前記電流が前記機械の出力電流を少なくとも一部供給することを特徴とする請求項１８記載の永久磁石機械。
【請求項２０】
前記第２の巻線内で所定の閾値電流を超えたときに、前記電流制限装置が前記第２の巻線を開回路にすることを特徴とする永久磁石機械。
【請求項２１】
交流発電機として作動可能な永久磁石機械であって、
複数の永久磁極を有する回転子と、
機械出力端に電気的に接続した第１の巻線であって、該出力端が前記機械から生成出力電気を給送するよう設けてある第１の巻線と、
電流制限装置を含む第２の巻線と、
前記回転子に隣接する固定子であって、前記第１と第２の巻線が該固定子内に配設してあり、該固定子と回転子とが併せて前記第１の巻線の一部の周りに第１の磁気回路を画成しており、前記固定子が前記第１と第２の巻線の一部の周りに前記固定子内に第２の磁気回路を画成している固定子と、
を備えており、
前記第１と第２の巻線は誘導結合させ、これにより使用時に前記回転子の回転により前記第１の巻線に誘起される電圧と電流が前記第２の巻線内に二次電圧と電流とを誘起し、前記第２の巻線内で所定の閾値電流を超えたときに、前記電流制限装置が前記二次巻線を流れる電流を阻止し、それによって前記第１の巻線内の最大電流を制限する、
ことを特徴とする永久磁石機械。
【請求項２２】
交流発電機として作動可能な永久磁石機械であって、
複数の永久磁極を有する回転子と、
前記回転子に隣接する固定子であって、該固定子内の少なくとも一つのスロット内に配設した少なくとも一つの第１の巻線と前記固定子内に配設した変圧器とを含み、前記第１の巻線を前記回転子に誘導結合させ、これにより前記回転子の回転が前記第１の巻線内に出力電圧及び電流を誘起し、前記変圧器が前記第１の巻線に電気的に接続してありかつ該第１の巻線の前記出力電圧及び電流の少なくとも一方を制御するよう設けてある固定子と、
を備えることを特徴とする永久磁石機械。
【請求項２３】
前記変圧器は少なくとも一次巻線と二次巻線を有しており、該一次巻線は前記第１の巻線の一部をなすことを特徴とする請求項２２記載の永久磁石機械。
【請求項２４】
交流発電機として作動可能な電気機械であって、
固定子と、
前記固定子に対向する永久磁石回転子と、
前記固定子内に配設され互いに電気的に絶縁した少なくとも二つの巻線と、
を備えており、
前記少なくとも二つの巻線のうちの第１の巻線が電力の生成と消費のうち少なくとも一方をなす前記固定子の一次巻線を備え、前記回転子の回転が前記一次巻線内に出力電圧及び電流を誘起し、前記少なくとも二つの巻線のうちの第２の巻線が前記固定子内の二次巻線を備え、該二次巻線は前記一次巻線の一部に隣接させて前記固定子内に配置し配設し、これにより前記一次巻線内に誘起される前記電流が前記二次巻線に少なくとも電圧を誘起するようにしてあり、前記二次巻線は実質的に前記一次巻線にのみ誘導結合させてあり、前記回転子とは誘導的には絶縁してあり、前記電気機械はさらに前記二次巻線内の電流を制御する手段を含み、それによって該手段が前記一次巻線内の電流に影響を及ぼすようにしてある、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項２５】
交流発電機として作動する永久磁石機械であって、
複数の永久磁極を有する回転子と、
前記回転子に隣接する固定子であって、複数の半径方向に延びる歯を画成する電磁コア部と、隣接する二つの歯の間に延びる少なくとも一つのブリッジ部と、前記コアに巻き付けるとともに前記少なくとも一つのブリッジ部に巻き付けた第１の巻線と、前記第１の巻線とは電気的に絶縁して前記第１の巻線に隣接させて前記固定子内に配設した第２の巻線であって、前記コア部の周りに巻回するけれども前記ブリッジ部から遠く離して配設した第２の巻線とを有する固定子と、
を備えることを特徴とする永久磁石機械。
【請求項２６】
前記第２の巻線は、使用時に前記第１の巻線内の最大電流を制御するよう設けた制御部材を含むことを特徴とする請求項２５記載の永久磁石機械。
【請求項２７】
前記ブリッジは前記二次巻線を前記第１の巻線の一部から分離することを特徴とする請求項２５記載の永久磁石機械。
【請求項２８】
作動時に回転力を出力するよう設けたシャフトを有するガス発生器と、
前記シャフトに駆動接続した交流発電機と、
を備える、ガスタービンエンジンであって、前記交流発電機は、
軸線回りに回転するよう装着した永久磁石回転子と、
前記回転子に隣接する固定子であって、複数対の歯間の前記固定子内に画成した複数の半径方向スロットと、前記固定子に対し前記スロットのうちの少なくとも一つのスロット内に装着されて前記少なくとも一つのスロットを画成する一対の前記歯間に延びるブリッジとを含み、該ブリッジが前記少なくとも一つのスロットを少なくとも二つのスロット部に分割している固定子と、
第１の回路の少なくとも一部を形成する第１の巻線であって、該第１の回路が前記機械からの生成電気を給送するよう設けてあり、前記第１の巻線は少なくとも第１の脚部と第２の脚部とを含むループ部を有しており、該ループ部が前記少なくとも一つのスロット内に配設してあり、これにより前記第１の脚部を前記少なくとも二つのスロット部のうちの第１のスロット部内に前記ブリッジの第１の側に隣接させて配設し、前記第２の脚部を前記少なくとも二つのスロット部のうちの第２のスロット部内に前記ブリッジの第２の側に隣接させて配設し、前記ブリッジの前記第１と第２の側を互いに対向させた第１の巻線と、
第２の回路の少なくとも一部を形成する第２の巻線であって、該第２の回路は前記第１の回路とは電気的に絶縁してあり、前記第１の巻線の前記第２の脚部に隣接する前記固定子内に配設した第２の巻線と、
を備えることを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項２９】
交流発電機の制御方法で、該交流発電機が複数の半径方向の歯の間に延びる少なくとも一つのコア部を有する固定子と、前記少なくとも一つのコア部の周りに巻回した第１の巻線と、該第１の巻線の一部に隣接する第２の巻線とを有しており、前記第１と第２の巻線が互いに電気的に絶縁してある前記方法であって、
前記回転子を回転させて一次電流を誘起し、それによって該一次電流により前記第２の巻線内に二次電流を誘起し、
前記第２の巻線内の前記電流を制御し、それによって前記第１の巻線内の最大電流を制限する、
各ステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項３０】
前記制御ステップは、前記第２の巻線内の電流を変更するステップを含むことを特徴とする請求項２９記載の方法。
【請求項３１】
前記二次電流は、事象の発生に応答して選択的に変更することを特徴とする請求項３０記載の方法。
【請求項３２】
前記事象は、前記第２の巻線内で閾値電流を超えることを含むことを特徴とする請求項３１記載の方法。
【請求項３３】
前記変更ステップは、前記第２の巻線内の電流を停止することを含むことを特徴とする請求項３１記載の方法。
【請求項３４】
永久磁石交流発電機の制御方法で、前記交流発電機が回転子と、固定子と、該固定子内にある少なくとも一つの巻き線であって、前記回転子の回転により前記巻線内に誘起される出力電流を導電するよう設けた少なくとも一つの巻線とを有する前記方法であって、
前記少なくとも一つの巻線とは電気的に絶縁した二次巻線を配設し、
前記少なくとも一つの巻線の一部に隣接して前記二次巻線を配置し、
前記少なくとも一つの巻線に前記二次巻線を誘導結合するとともに前記二次巻線を前記回転子から誘導的には絶縁し、それによって使用時に前記少なくとも一つの巻線により前記二次巻線に少なくとも電圧を誘起し、
前記二次巻線を用いて、前記少なくとも一つの巻線の前記電圧と電流のうちの少なくとも一方を制御する、
各ステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項３５】
前記二次巻線は、前記少なくとも一つの巻線中の最大短絡電流を制御するのに用いることを特徴とする請求項３４記載の方法。
【請求項３６】
前記少なくとも一つの巻線は、前記二次巻線内に電圧と電流を誘起することを特徴とする請求項３４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は交流発電機や電動機等の電気機械に係り、より詳しくはこの種の機械用の新規な構造体系に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１を参照するに、従来技術になる一般的な永久磁石（ＰＭ；ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  ｍａｇｎｅｔ）機械が１００で示してある。従来技術のＰＭ機械１００は保持リング１０６によりそこに装着した永久磁石１０４を備える回転子１０２を有しており、これが回転シャフト１０８に装着してある。回転子１０２は、鉄製裏当て１１６に取り付けた複数の歯１１４の間に点在させた複数の巻線１１２を有する固定子１１０に隣接させてある。（図解を簡単にするため、図１ｂの巻線１１２の隣接要素を接続せずに図示してある。）良く分かるように、ＰＭ機械１００は発電機／交流発電機モード又は電動機モードで動作させることができる。発電機／交流発電機モードで動作させたときに、外部トルク源がシャフト（すなわち、回転子と磁石）の回転を強制し、磁石と巻線の相互作用により磁束がスロット内の巻線を囲む。回転子が回転すると固定子構造内の磁束が変化し、この変化する磁束が巻線内に電圧を生成し、そのことが電気的装置への給電に用いるか或いはその後の使用へ向け保存することのできる出力電流を生成する。電動機モードで作動させると、外部電源からの電圧が固定子巻線に印加され、そのことが巻線内に電流を生成し、歯と鉄製裏当てで出来た磁気回路内に磁束を立ち上げることになる。適当な仕方で巻線に電流を供給すると、回転子が回転し、かくして使用可能なトルクを生成することができる。この種の機械の動作は、こうして良く理解される。
【０００３】
この種のＰＭ機械は、図１ａ，１ｂに示す「内部回転子」と図示２ａ，２ｂに示す「外部回転子」構造を有することができる。図２ａ，２ｂの参照符号は、図１ａ，１ｂを参照して説明した対応特徴部に対応するものである。しかしながら、「外部回転子」構造では回転子ヨーク１０８’が回転子シャフト１０８に置き換わっている。図解を簡単にするため、図２ｂの巻線の隣接要素もまた接続せずに図示してある。
【０００４】
交流発電機モードか電動機モードのいずれで動作するかに関係なく、これらの従来技術ＰＭ機械内の磁束経路が図３に部分的かつ単純に描いたようなものであり、磁路は矢印１１８で示してあり、極と仮想極は「Ｎ」又は「Ｓ」で表記してある。交流発電機の巻線１１２内に電圧を誘起する（或いは電動機の場合は、永久磁石１０６を用いて磁気吸引力を生成して回転子を回転させる）のは、前述の如く、この磁束１１８である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来技術のＰＭ機械（と特にＰＭ交流発電機）は、それらの効用を幾分か制限してきた少なくとも二つの限界を蒙る。すなわち、（１）ＰＭ交流発電機の出力は、（固定幾何形状の機械を前提とすれば）回転子速度を可変することで機械内で制御（すなわち、可変）できるだけであり、また、（２）機械内で短絡或いは他の内部不良が発生した場合、内部不良電流が特に大電力用途において機械に対し極端に破壊的となることがある。第１の欠点を参照するに、この固有の特徴が特に回転子回転速度が独立して制御できない環境下でＰＭ発電機の効用を制限する。それ故、ＰＭ機械の制御性を改善することは一般に望ましいこととなろう。
【０００６】
ＰＭ機械は高速応用分野における用途及び特にＰＭ機械を直接エンジンのタービンシャフトに装着する推進式或いは原動機式ガスタービンエンジン用の一体型始動発電機（ＩＳＧ；ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｓｔａｒｔｅｒ−ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）に幾つかの魅力的な利点をもたらすものである。このシャフトは、無論、ガスタービンエンジンの稼働に必要な如何なる速度（通常は０〜５０，０００ｒｐｍ範囲内のいずれか）でもって駆動され、従ってシャフト速度はＰＭ機械の可制御性限界に適合するよう可変することはできないが、そうではなくエンジンの機械出力要件により指令を受ける。それ故、ＩＳＧ設計者が巡航時のタービンシャフトの平均的定常状態速度を知り、かくしてＰＭ交流発電機システムを設計して巡航（通常、エンジンはその作動サイクルの大半を費やす）時の航空機システムに動力供給するのに必要な十分な電気出力を供給するが、（タービンシャフトが巡航速度の２倍で回転し、交流発電機の出力を倍増させる）離陸及び（タービンシャフト速度は巡航速度の半分であって、交流発電機の出力は半分になる）着陸のための適応を施さねばならない。この課題は巡航速度が全ての時間長に亙って維持されることの殆どない幾つかの軍用用途にとってより高次元の深刻さをもたらす。それ故、従来技術はＩＳＧ設計者に対しきわどい出力過剰と出力不足の筋書きを処理して満足すべき設計を達成しなければならない最適化問題を課すことになる。
【０００７】
従来技術設計に固有の他の欠点が存在し、それが複雑な機構及び製法を招いている。ニグレン（Ｎｙｇｒｅｎ）外に対する米国特許第６，５２５，５０４号は、高電圧発電機用途に用いるＰＭ機械の動作の幾つかの態様の制御に対する比較的複雑な解決策の一例を示すものである。この装置は機械の動作に対し制限された制御だけを提供し、その複雑さが航空機用途等のより高度の信頼性ならびにより軽量の用途に対しそれを不適切なものにしている。
【０００８】
従って、従来技術のこれら及び他の制約に対処する改善されたＰＭ機械を提供する必要性が存在し、そうすることが本発明の一つの目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
一つの態様では、本発明は、交流発電機として作動可能な電気機械であって、軸線回りに回転するよう装着した磁石回転子と、前記回転子に隣接する固定子であって、複数対の歯間の前記固定子内に画成した複数の半径方向スロットと、前記固定子に対し前記スロットのうちの少なくとも一つのスロット内に装着されて前記少なくとも一つのスロットを画成する一対の前記歯間に延びるブリッジとを含み、該ブリッジが前記少なくとも一つのスロットを少なくとも二つのスロット部に分割している固定子と、第１の回路の少なくとも一部を形成する第１の巻線であって、該第１の回路が前記機械からの生成電気を給送するよう設けてあり、前記第１の巻線は少なくとも第１の脚部と第２の脚部とを含むループ部を有しており、該ループ部が前記少なくとも一つのスロット内に配設してあり、これにより前記第１の脚部を前記少なくとも二つのスロット部のうちの第１のスロット部内に前記ブリッジの第１の側に隣接させて配設し、前記第２の脚部を前記少なくとも二つのスロット部のうちの第２のスロット部内に前記ブリッジの第２の側に隣接させて配設し、前記ブリッジの前記第１と第２の側を互いに対向させた第１の巻線と、第２の回路の少なくとも一部を形成する第２の巻線であって、該第２の回路は前記第１の回路とは電気的に絶縁してあり、前記第１の巻線の前記第２の脚部に隣接する前記固定子内に配設した第２の巻線とを備える電気機械を提供する。
【００１０】
別の態様では、本発明は交流発電機として作動可能な電気機械であって、回転可能な永久磁石回転子と、前記回転子組立体に隣接して装着した固定子組立体であって、第１の開口と第２の開口とを含む複数の開口であって、該第１と第２の開口が前記固定子組立体の一部により分離してある複数の開口と、第１の回路に電気的に接続した第１の電気巻線であって、前記第１の回路が前記機械を交流発電機として作動させたときに前記機械から出力される電気を供給するよう設けてあり、少なくとも一部を前記第１の開口内に、少なくとも一部を前記第２の開口内に配設してループを少なくとも一部形成する第１の電気巻線と、第２の回路に接続した第２の電気巻線であって、前記第１の電気巻線とは電気的に絶縁してあり、前記第１の巻線に隣接させて前記第２の開口内に配設した第２の巻線とを含む固定子組立体とを備えており、前記固定子組立体の前記一部が前記固定子組立体内に少なくとも二つの磁気回路経路の一部を画成し、前記固定子周りの回転子回転の結果として生成される磁束を案内し、前記少なくとも二つの磁気回路経路のうちの第１の磁気回路経路が前記第１の開口及びその中の第１の巻線を少なくとも一部囲繞し、前記少なくとも二つの磁気回路のうちの第２の磁気回路が前記第２の開口及びその中の前記第１と第２の巻線を少なくとも一部囲繞し、前記第２の磁気回路は全体が前記固定子組立体内に画成してある電気機械を提供する。
【００１１】
別の態様では、本発明は交流発電機として作動可能な機械であって、回転可能な回転子と、前記機械が交流発電機として作動するときに前記機械からの生成出力電気を給送するよう設けた機械出力端に電気的に接続した少なくとも一つの第１の巻線と、電流制限装置を含む少なくとも一つの第２の巻線であって、前記第１の巻線とは電気的に絶縁した第２の巻線と、前記回転子に隣接する固定子であって、少なくとも第１の開口と第２の開口とを画成しており、前記第１の巻線が前記第１の開口と第２の開口内に配設してあり、前記第２の巻線は前記第２の開口内にだけ配設してあり、前記固定子と前記回転子とが併せて前記第１の開口周囲に一次磁気回路経路を画成しており、それによって前記回転子と前記固定子の間の相対的な動きが一次磁束をして前記一次磁気回路経路の周りを流れさせ、それによって前記第１の巻線にかかる電圧と該第１の巻線を流れる関連電流とを誘起し、前記固定子はまた前記第２の開口周囲に前記固定子内に第２の磁気回路を画成しており、前記第１と第２の巻線が前記第１と第２の開口内に配設してあり、該第１と第２の開口を前記固定子内に位置決めし、これにより使用時に前記第１の巻線内に誘起される前記電圧と電流が前記第２の巻線内に二次電圧と関連電流とを誘起する固定子とを備えており、前記電流制限装置が、前記第２の巻線内で所定の閾値電流を超えたときに前記第２の巻線内の電流を阻止し、それによって前記第２の巻線が前記第１の巻線内の最大電流を少なくとも所望の最大電流限界に制限する機械を提供する。
【００１２】
別の態様では、本発明は交流発電機として作動可能な機械であって、複数の磁極を有する回転子と、機械出力端に電気的に接続した第１の巻線であって、該出力端が前記機械から生成出力電気を給送するよう設けてある第１の巻線と、電流制限装置を含む第２の巻線と、前記回転子に隣接する固定子であって、前記第１と第２の巻線が該固定子内に配設してあり、該固定子と回転子とが併せて前記第１の巻線の一部の周りに第１の磁気回路を画成しており、前記固定子が前記第１と第２の巻線の一部の周りに前記固定子内に第２の磁気回路を画成している固定子とを備えており、前記第１と第２の巻線は誘導結合させ、これにより使用時に前記回転子の回転により前記第１の巻線に誘起される電圧と電流が前記第２の巻線内に二次電圧と電流とを誘起し、前記第２の巻線内で所定の閾値電流を超えたときに、前記電流制限装置が前記二次巻線を流れる電流を阻止し、それによって前記第１の巻線内の最大電流を制限する機械を提供する。
【００１３】
別の態様では、本発明は交流発電機として作動可能な永久磁石機械であって、複数の永久磁極を有する回転子と、前記回転子に隣接する固定子であって、該固定子内の少なくとも一つのスロット内に配設した少なくとも一つの第１の巻線と前記固定子内に配設した変圧器とを含み、前記第１の巻線を前記回転子に誘導結合させ、これにより前記回転子の回転が前記第１の巻線内に出力電圧及び電流を誘起し、前記変圧器が前記第１の巻線に電気的に接続してありかつ該第１の巻線の前記出力電圧及び電流の少なくとも一方を制御するよう設けてある固定子とを備える永久磁石機械を提供する。
【００１４】
別の態様では、本発明は交流発電機として作動可能な電気機械であって、固定子と、前記固定子に対向する磁気回転子と、前記固定子内に配設され互いに電気的に絶縁した少なくとも二つの巻線とを備えており、前記少なくとも二つの巻線のうちの第１の巻線が電力の生成と消費のうち少なくとも一方をなす前記固定子の一次巻線を備え、前記回転子の回転が前記一次巻線内に出力電圧及び電流を誘起し、前記少なくとも二つの巻線のうちの第２の巻線が前記固定子内の二次巻線を備え、該二次巻線は前記一次巻線の一部に隣接させて前記固定子内に配置し配設し、これにより前記一次巻線内に誘起される前記電流が前記二次巻線に少なくとも電圧を誘起するようにしてあり、前記二次巻線は実質的に前記一次巻線にのみ誘導結合させてあり、前記回転子とは誘導的には絶縁してあり、前記電気機械はさらに前記二次巻線内の電流を制御する手段を含み、それによって該手段が前記一次巻線内の電流に影響を及ぼすようにしてある電気機械を提供する。
【００１５】
別の態様では、本発明は交流発電機として作動する電気機械であって、複数の磁極を有する回転子と、前記回転子に隣接する固定子であって、複数の半径方向に延びる歯を画成する電磁コア部と、隣接する二つの歯の間に延びる少なくとも一つのブリッジ部と、前記コアに巻き付けるとともに前記少なくとも一つのブリッジ部に巻き付けた第１の巻線と、前記第１の巻線とは電気的に絶縁して前記第１の巻線に隣接させて前記固定子内に配設した第２の巻線であって、前記コア部の周りに巻回するけれども前記ブリッジ部から遠く離して配設した第２の巻線とを有する固定子とを備える電気機械を提供する。
【００１６】
別の態様では、本発明は交流発電機の制御方法で、該交流発電機が複数の半径方向の歯の間に延びる少なくとも一つのコア部を有する固定子と、前記少なくとも一つのコア部の周りに巻回した第１の巻線と、該第１の巻線の一部に隣接する第２の巻線とを有しており、前記第１と第２の巻線が互いに電気的に絶縁してある前記方法であって、前記回転子を回転させて一次電流を誘起し、それによって該一次電流により前記第２の巻線内に二次電流を誘起し、前記第２の巻線内の前記電流を制御し、それによって前記第１の巻線内の最大電流を制限する各ステップを含む前記方法を提供する。
【００１７】
別の態様では、本発明は永久磁石交流発電機の制御方法で、前記交流発電機が回転子と、固定子と、該固定子内にある少なくとも一つの巻き線であって、前記回転子の回転により前記巻線内に誘起される出力電流を導電するよう設けた少なくとも一つの巻線とを有する前記方法であって、前記少なくとも一つの巻線とは電気的に絶縁した二次巻線を配設し、前記少なくとも一つの巻線の一部に隣接して前記二次巻線を配置し、前記少なくとも一つの巻線に前記二次巻線を誘導結合するとともに前記二次巻線を前記回転子から誘導的には絶縁し、それによって使用時に前記少なくとも一つの巻線により前記二次巻線に少なくとも電圧を誘起し、前記二次巻線を用いて、前記少なくとも一つの巻線の前記電圧と電流のうちの少なくとも一方を制御する各ステップを含む前記方法を提供する。
【００１８】
さらに他の発明を、この明細書に開示し、図面にも添付してある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明をより良く理解し、それを如何に実施できるかをより明確に示すため、本発明の好適な実施形態に従って作成した物品を示す添付図面をここで例示として参照することにする。
【００２０】
本発明になる永久磁石（ＰＭ）機械が、図４ａ〜４ｆ内に符号１０にて表わしてある。先ず図４ａ，４ｂを参照するに、ＰＭ機械１０はヨーク１６と保持スリーブ部１８とにより保持した複数の永久磁石１４を含む回転子１２を有する。機械１０はまた、本実施形態では巻線空隙２６により分離し鉄製裏当て３２内の複数の隣接歯３０間の半径方向スロット２８内に配設した少なくとも一つの一次巻線２２と少なくとも一つの二次巻線２４と（明瞭にすべく、この種の各巻線のうちの一つだけが図示してある）を含む固定子２０を有する。（図４ｂの図解を簡単にするため、二次巻線２４の隣接要素は接続せずに図示してある。）巻線空隙は絶縁体として役立ち、他の適当な絶縁体により置換することもできる。回転子空隙３４は回転子１２と固定子２０を通常の仕方で隔てており、固定子歯空隙３６が固定子２０の回転子境界面３８にて隣接歯３０を隔てている。一次巻線２２と二次巻線２４は、かくして互いに電気的な絶縁される。固定子２０はまた、以下により詳細に説明する如く、歯３０の隣接対を橋絡して一次巻線２２の隣接部分間を挿通するコアすなわち「ブリッジ」部４０を含む。
【００２１】
ＰＭ機械１０用の材料はどれも、設計者が適当と考える任意のものでよい。本発明者が好む材料は、以下の通りである。すなわち、サマリウム・コバルト永久磁石、マルエージ鋼（好ましくは、２５０又は３００）保持スリーブ、アルミニウム・ヨーク、銅製一次及び二次巻線、固定子歯用及び鉄製裏当て用の適当な電磁材料である。
【００２２】
図４ｃ，４ｅを参照するに、図４ａの実施形態の一次巻線２２はブリッジ４０の第１の側４０’のスロット２８ａの第１の端部２７に入る導体からなり、巻線２２の第１の脚部２３’がスロット２８ａを下り、巻線２２の終端巻部２３”がスロット２８ａの第２（すなわち、他方）の端部２９にてブリッジ４０と交差し、第２の脚部２３”’がスロット２８ａに沿って戻り、第１の端部２７、ただしブリッジ４０の第２の側４０”（すなわち、入った巻線の第１の側４０’とは反対側）からスロット２８ａを出る。一次巻線２２はそこで固定子の第１の端部２７沿いに次の適当なスロット２８ｂまで続き、再び固定子２８ｂの第１の端部２７から、ただし好ましくはブリッジ４０の第２の側４０”（すなわち、それが最後のスロット２８ａを出たのと同じブリッジ４０の側）から入る。一次巻線２２は次いでスロット２８ｂを下り、スロット２８ｂの第２の端部２９にてブリッジ４０周りに輪を描き、次いでスロット２８ｂまで戻り、スロット２８ｂの第１の端部２７を出て、再びここで第１の側４０’ブリッジ片上に来て、以下これを繰り返す。一次巻線２２は、こうして固定子２０内の所望スロット２８内に位置決めされる。この特定のパターンは（さらに以下に説明する如く）組立を容易にするとともに一次巻線２２用に規則正しい配置をもたらし、また有益なことにＰＭ機械１０９図７ｂ参照）内の巻線分離を支援する。
【００２３】
図４ｄを参照するに、図４ａ〜４ｆの実施形態内の二次巻線２４はリス籠構造をもたらす短絡巻線である。二次巻線２４はかくして、端部リング４４間に延びる複数の脚部４２を有する。
【００２４】
図４ｅを参照するに、至近距離からの一部等角断面が一次巻線２２と二次巻線２４の相対配置を示している（明瞭にするため一つの一次巻線２２の一部だけを図示してある）。動作時に、以下により詳細に説明する如く、磁石１４と巻線２２、及び巻線２２と２４の相互作用がＰＭ機械１０内に磁束を生成する。図４ｅを参照するに、一次磁束経路すなわち磁気回路４６及び二次磁束経路すなわち磁気回路４８が、図４ｅに概略示す如くＰＭ機械１０内に立ち上げられる。二次磁束経路は、回転子及び回転子磁気回路とは絶縁してある。
【００２５】
一次磁気回路４６には、回転子１２と、回転子空隙２４と、ブリッジ４０と、回転子１２とブリッジ４０間の固定子歯３０の一部とが含まれる。一次磁気回路は一次巻線２２を囲繞していて、使用時（以下にさらに説明する如く）に機械１０が交流発電機／発電機又は電動機として作動するかの別にそれぞれ応じて一次巻線２２内に電流を発生するか電流により生成されるかのいずれかとなる。二次磁気回路４８には、ブリッジ４０と、鉄製裏当て３２と、鉄製裏当３２とブリッジ４０間の固定子歯３０の一部とが含まれる。第２の磁気回路が、二次巻線２４を囲繞している。二次巻線２４は、さらに以下に説明する如く、制御目的に配設され、それ故に好ましくは機械１０の出力回路に接続はしていない。
【００２６】
再び図４ａを参照するに、固定子２０とブリッジ４０とスロット２８とは併せて二つのスロットすなわち開口２８’，２８”を画成しており、一方の開口２８’は一次巻線専用であり、別の開口２８”は一次及び二次巻線用となる。一次磁気回路が開口２８’を囲繞しており、その一方で二次磁気回路が開口２８”を囲繞している。図４ａ中、開口２８’はもう一方の開口２８”よりも半径方向に回転子に近づけてある。スロット２８内では、ブリッジ４０がスロット２８の半径方向最深部からスロット２８の半径方向最外部までの距離の一部に延び、それによって開口２８’，２８”を画成している。設計者は、少なくとも一部機械内の磁気回路の所望の特性に基づき、所望の機械性能等をもたらすべく固定子の残りの寸法だけでなくブリッジの大きさも選択する。図４ｅを参照するに、ブリッジ４０はまた好ましくは固定子面２７から２９まで全距離に延びており、かくして脚部２２ａ，２２ｃの長さ沿いに一次巻線２２に隣接している。脚部２３’は、開口２８”の長さに亙って延びるその脚部２５’沿いに巻線２４に対し好ましくは実質的に平行をなす。
【００２７】
図５ａ〜５ｃを参照するに、本発明の第２の「内部回転子」実施形態が図示してある。図４ａ〜４ｄを引用して説明したのと類似の要素を指し示すのに、同じ参照符号を用いるものとする。熟達した読み手はまた、典型的な「外部」と「内部」の回転子構造の構成ならびに動作における相対的な類似性ならびに差異を理解するものであり、かくしてここにさらに説明はしないことにする。以下に具体的には説明しない第２の実施形態の態様は、或いは前記した類似要素の説明に従ってなされるものと仮定することができる。
【００２８】
図５ａ，５ｂを参照するに、本発明の第２実施形態は別の複巻式多相構造をなす。換言するならば、好ましくは各相に一つずつの複数の一次巻線２２ならびに二次巻線２４が存在する。明瞭にするため、相は一つだけ表わすものとする。一つの相の巻線だけを後述するが、好ましくはこの説明は全相の巻線に対し当てはまるものである。
【００２９】
先ず図５ａを参照するに、一次巻線２２の各相は導体からなり、それは前記したのと同様の仕方でブリッジ４０の第１の側４０’のスロット２８ａの第１の端部２７に入り、スロット２８ａを下り、スロット２８ａの第２（すなわち、他方）の端部２９にてブリッジ４０と交差し、スロット２８ａに沿って戻り、第１の端部２７、ただしブリッジ４０の第２の端部４０”（すなわち、入った巻線の第１の側とは反対側）からスロット２８ａを出る。一次巻線２２はそこで固定子の第１の端部２７沿いに次の適当なスロット２８ｂまで続き、再びスロット２８ｂの第１の端部２７から、ただし好ましくはブリッジ４０の第２の端部４０”（すなわち、それが最後のスロット２８ａを出たのと同じブリッジ４０の側）から入る。一次巻線２２は次いでスロット２８ｂを下り、スロット２８ｂの第２の端部２９にてブリッジ４０周りに輪を描き、次いでスロット２８ｂまで戻り、スロット２８ｂの第１の端部２７を出て再びここで第１の側４０’ ブリッジ片上に来て、以下これを繰り返す。一次巻線２２は、かくして固定子２０内の所望のスロット２８に位置決めされる。
【００３０】
本実施形態では、二次巻線２４の各相はその相の一次巻線２２が専有するスロット２８ａの一端部２７に入り、次いで反対側の端部２９からスロット２８ｓを出て、次の適当なスロット２８ｂ（好ましくは、図５ａに図示した一次巻線２２のこの相が専有する次のスロット）へ続き、以下これを繰り返す導体からなる。
【００３１】
図５ｂを参照するに、一次巻線２２と二次巻線２４とブリッジ４０の相対配置を固定子２０内に見ることができる。図５ｃを参照するに、ＰＭ機械１０使用時の一次及び二次の磁気回路磁束経路４６，４８の概略表現がそれぞれ図示してある。
【００３２】
本発明の第３の実施形態が、図６ａ〜６ｆに開示してある。先ず図６ａ，６ｃを参照するに、この実施形態は、以下により詳しく説明する如く、一組（すなわち、チャンネル）の一次巻線２２を（明瞭になるよう）欠如させて図示した外部回転子３相二「チャンネル」ＰＭ機械である。前記実施形態を引用して説明した類似要素を指し示すのに同じ参照符号を図６ａ〜６ｆに用い、かくしてこれらの要素はここでは冗長に説明しないが、その代わりに必要に応じてのみ言及する。以下に具体的には説明しない第３の実施形態の態様が、或いはそれ故に上記の類似要素の説明に従ってなされることを想定することもできる。
【００３３】
上記に簡略に触れた如く、また以下により明白になるであろう理由から、本実施形態では、ＰＭ機械１０の固定子２０は概念的に「ａ」半体と「ｂ」半体に分割され、かくして巻線２２，２４は一次巻線「２２ａ」と「２２ｂ」及び二次巻線「２４ａ」と「２４ｂ」の用語でもって説明することにする。巻線２２，２４に関連する他の特徴もまた、「ａ」或いは「ｂ」特性として説明することができる。明瞭にするため一次巻線２２ｂは図６ａ〜６ｃに図示していないが、或いは一次巻線２２ａと同一のものと想定することもできる。
【００３４】
図６ａを参照するに、本実施形態では、所望の３相構造をもたらすべく、３本の一次巻線２２ａ、すなわち一次巻線２２ａ1，２２ａ2，２２ａ3が配設してある。各一次巻線２２ａには、関連する一次回路（図示せず）に対する接続の便宜を図るべくその固有の一次端子５０ａ（図６ｂ参照）が備わっている。二次巻線２４ａ，２４ｂはそれぞれリス籠型構成を有する（すなわち、脚部４２と端部リング４４を具備）とともに、それぞれ関連する二次回路への接続の便宜を図るべく二次端子５２ａ，５ｂを有している。図６ｄ，６ｅを参照するに、好ましくは（以下により詳しく説明する如く）二次巻線２４の各脚部４２はヒューズすなわちブレーカ要素５４等の電流制限装置を含む。固定子２０は、以下により詳しく説明する如く、その内周縁に画成され油移送機構として機能する複数の流路５８を有する。再び図６ａを参照するに、好ましくは紙製スペーサ５６が一次巻線２２と固定子２０の間及び二次巻線２４と固定子２０の間に絶縁目的に配置してある。
【００３５】
ブリッジ４０は好ましくは固定子２０と非一体としてあり、かくして図６ｃに概略図示した組立体として挿入され、そのことが都合よくは設計者をしてブリッジ４０と固定子２０用に異なる材料の選択を可能にする。例えば、ブリッジ材料は、以下により詳しく考察する如く、機械１０の磁気的特性或いは性能特性を変更するよう選択することができる。非一体化ブリッジ４０は、以下にさらに説明する如く、有益なことに機械の組立を容易にすることもできる。
【００３６】
特に図６ａ〜６ｃを参照するに、前述の如く本実施形態は、一次及び二次巻線の完全に独立した複数の「組」が備わっている点で「多チャンネル」構造体系を有する。この場合、この種の二つの組（すなわち、前記に簡略に説明した「ａ」と「ｂ」の組）が備わっており、すなわち一次巻線２２ａ，２２ｂ（明瞭にするため、一次巻線２２ｂは図示していない）と二次巻線２４ａ，２２ｂである。この多チャンネル構造体系により複数の電動機／交流発電機が同じ固定子内に存在できるようになり、それらは必要に応じて併合するか或いは独立させるかのいずれかで動作させることができる。例えば、通常の機械動作にあっては、複数組の巻線の出力が合成されて単一の出力を供給できるが、一組の巻線の停止が必要になる不良事象では、残りの一組（又は複数組）の巻線は影響を受けることなく動作し続けることになろう。このように、この特徴によって、同一機械内に二つ以上の電動機／発電機が存在させられるようになり（これは以下により詳細に説明）、それによって完全な停止が破局を招くであろう用途に非常に価値ある冗長性がもたらされる。
【００３７】
固定子２０は、その内容を本開示内に参照用に組み込む２００３年３月２１日に出願した本出願人の同時係属特許出願第１０／３９３，２５２号に従って好適に配設した歯空隙３６を有する。本開示には具体的に図示はしていないが、本出願人の前記同時係属出願から引用して組み込まれる如く、歯空隙３６は回転子に隣接する固定子面（すなわち、図４ｅ内の如く２８ａ近傍）には不要であるが、スロット２８は対向面（すなわち、固定子の「回転子面」に対向する面、すなわち図４ｅ内の２８ｂにより近い箇所）に開口しており、或いはスロット２８は２８ａや２８ｂのいずれかに隣接するこの種の開口は一切もたず、代わりに面２７，２９にのみ開口を有する。
【００３８】
一次巻線２２と二次巻線２４は、好ましくは単巻構造内に配設した単一の導体でそれぞれ出来ている。この単一の導体で単巻構造が好ましいのは、それが巻線内の短絡の可能性を低減するからである。一次巻線２２は好ましくは打抜き加工するか或いはさもなくば金属板で提供し、次いで固定子内に挿入する前に所望形状に予屈曲させる。一連の製造工程例が、図７ａに概略図示してある。都合良くは、固定子内に挿入する前にブリッジ４０を巻線内に挿入し、この着脱可能なブリッジ部と固定子の構造体系が固定子内に挿入する前に巻線を完全に予組立させ、それによって製造性を改善することができる。図７ｂを参照するに、一次巻線２２はまた好ましくは固定子２０内に組み付け、かくしてそれらを半径方向に互いに分離し、隣接巻線間の短絡防止保護を増強することができる。
【００３９】
図６ｃ，６ｄを参照するに、ブリッジ４０が固定子２０と一体ではないこの実施形態では、一次巻線２２は固定子２０の歯３０内に組み付ける前にブリッジ４０周りに「予巻回」することができる。ブリッジ４０周りの全巻数を一次巻線２２（この場合、１巻で出来ている）で作成したときは、一次巻線２２は前述した如く同じ側の中間から固定子２０のスロット２８に出入りする。この設計特徴が、都合良くは固定子２０のスロット２８内に挿入する前に一次巻線２２をブリッジ４０（と必要に応じてスペーサ５６）に予組立できるようにする。これにより、従前の巻回機械（とそれらの関連する製法ならびに公差難度）を現行の設計内で一緒くたにして回避できるようになる。
【００４０】
図８ａを参照するに、使用時に、電動機モードでも交流発電機モードでも、磁石と一次巻線２２の相互作用が一次磁束経路４６を立ち上げ、これが図８ａに実線の矢印で示す如く、歯３０の第１の部分（すなわち、上端）を下り、ブリッジ４０を横切り、隣接歯３０の対応する第１の部分まで戻り、次いで回転子へ向かってこれを貫通してループを完成する。この一次磁束経路が、一次巻線２２（閉じた一次回路）に電流を流させる（或いは、ＰＭ機械が電動機或いは交流発電機として動作するか如何に応じて、一次巻線２２に流れる電流の結果である）。図８ｂを参照するに、一次巻線２２を流れるこの電流が、歯３０の第２の部分（すなわち、下端部）を通り、鉄製裏当て３２を通り、隣接歯３０の対応する第２の部分を通って戻り、続いてブリッジ４０を介して戻って二次ループを閉じる二次磁束経路４８を立ち上げる。この二次磁気回路が、（閉じた二次回路内の）二次巻線２４を通って二次電流が流れるようにする。
【００４１】
二次経路４８内の磁束はかくして一次磁束経路４６とは反対側の二次巻線２４の一部を囲み、一次巻線２２と二次巻線２４の相互作用がかくして機械１０内に二次磁気回路を立ち上げる。それ故、明らかに理解できるように、本発明の一つ（又は複数）の磁束経路は一般的な従来技術のＰＭ機械に存在するものとは完全に異なるものとなる。以下により詳しく説明するが、本発明のこれらの特性はＰＭ機械の設計者に対し多くの利点を提示する。
【００４２】
交流発電機として使用したときに、ＰＭ機械は後程の使用に要求され或いは保存するものとして用いることのできる電圧と電流を生成しよう。しばしば、（通常、電圧、電流及び／又は周波数を可変し、恐らくはまた出力をＤＣ電流へ整流することで）或る記述からなる調整ステップが、交流発電機の生出力をより有益な形態へ変換するのに必要になる。背景技術に論じたように、交流発電機モードにおける通常動作でのガスタービン用一体型始動発電機（ＩＳＧ）用途では、エンジン速度と負荷における変動が、生成電気が電動油ポンプや燃料ポンプや他の補機等の航空機搭載システムにより使用可能となる前に、調整を必要とするＩＳＧ出力電流及び電圧を生み出す。それ故、ＰＭ機械１０の外部に機械出力（すなわち、好ましくは一次巻線２２の出力）を制御し調整する手段が配設されよう。
【００４３】
しかしながら、交流発電機として作動させたときは、本発明はまたここに説明する如く、出力一つ（又は複数）の一次巻線２２を少なくとも現行の一つ（又は複数）の二次巻線２４の操作を通じて所定範囲まで制御できるようにする。
【００４４】
再び図８ａ，８ｂを参照するに、要するに本発明は単純な等価回路により図９に概略示す如く、一次巻線２２と二次巻線２４の間に変圧器型関係を仕組むものであることは理解されよう。図４ａから６ｆに示した好適な実施形態では、等価「変圧器」は１対１変圧器であり、すなわち一次巻線２２内の巻数が二次巻線２４内の巻数（ここでは、それぞれがただ１巻を有する）に等しい。この種の「変圧器」では、一次巻線と二次巻線の間に以下の関係： 
Ｉ一次＊Ｖ一次＝Ｉ二次＊Ｖ二次
が存在する。
【００４５】
かくして、二次磁気回路内に発生した磁束は一つ（又は複数）の一次巻線２２内の電流に比例し、二次磁気回路内の磁気結合に反比例する。二次磁気回路の磁束は、磁気結合に比例しており、二次巻線２４内の電流に反比例する（すなわち、二次巻線に誘起される電流が二次磁束を相殺させる）。それ故、二次巻線２４を流れる電流はＰＭ機械１０の回転磁気系により一次巻線２２内に生成された電流に直接影響を及ぼし、電流は一次巻線内の電流の関数となる。二次巻線２４は一次巻線２４にのみ誘導結合され（漏洩等は除く）、かくして二次巻線２４と二次磁気回路４８は一次巻線２４が立ち上げる一次磁気回路４６内の磁束によってのみ影響を受ける（ブリッジがブリッジ材料のキュリー点温度以上となったときは、以下にさらに説明する種の低キュリー点ブリッジの場合は除く）。
【００４６】
本発明のこの態様が設計者をして二次巻線を使用させ、一次巻線２２の出力を操作させ、かくして二次巻線２４をＰＭ機械１０の制御源として使用できるようにする。ＰＭ機械の動作を制御する手段はかくして機械自体内で利用可能となり、何故なら「制御」電流をＰＭ機械１０内すなわち二次巻線２４内に生成できるからである。それ故に、一部の事例では、外部の制御電流源は一切必要なかろう。本発明の新規構造体系は、かくして二三の実例をここに説明する機械用の制御システムに対し多くの新規の可能性をもたらす。
【００４７】
一つの例示制御方式では、交流発電機モードにおけるＰＭ機械１０の出力（すなわち、一次巻線２２から）は二次巻線２４内の電流に直接影響を及ぼすことで機械的手段により制御することができる。再び図６ｄ，６ｅを参照するに、ヒューズ要素等の電流制限装置５４が好ましくは二次巻線２４の１つ又は複数の脚部４２（好ましくは全ての脚部）に備わっている。図８ａ，８ｂを参照するに、前述の如く、二次巻線２４内の電流は一次巻線２２内の電流の関数となる。かくして、（短絡等の内部不良の場合の如く）一次巻線内で電流が斯く上昇するにつれ、二次巻線内の電流もまたそうなる。図１２ｂを参照するに、使用時に、二次巻線２４内の電流が所定の閾値を超えた場合、ヒューズ要素５４が「飛び」、それによって二次巻線内に開回路が生成され（すなわち、二次電流は皆無となり）、一次回路と二次回路の間の電気的な相互関係が原因で一次回路の出力電流は制限されよう。二次巻線内に電流が存在しない状態では、一次磁気回路４６内の磁束が二次磁気回路４８内にかなりの磁束を誘起する。その結果、誘導リアクタンスは増加し、そのことを機械１０の最大同期インピーダンスに対する最大電流出力の制限に用いることができる。（ヒューズが開く前に、二次巻線内を二次電流が流れることができるときは、生成された二次磁束は反対方向にあり、かくして二次磁束を相殺する傾向にある。それ故、機械１０の動作は二次回路が開くまで比較的に二次の存在により影響を受けることはなくなる。）これにより、機械インピーダンスの制御が可能になり、交流発電機モードで動作するときにＰＭ機械１０に一次巻線２２内の短絡に対する固有の熱保護をもたらす。任意の適当なヒューズを、用いることができる。
【００４８】
ヒューズ５４が開く前（すなわち、通常の機械動作にあっては）図６ａ〜６ｆの実施形態内に開示した二次巻線２４は簡易短絡リス籠構成内で動作し、かくして一次巻線２２上には知覚し得る効果をもたないことになる。換言すれば、二次巻線２４を完全に短絡させると、ＰＭ機械１０は従来技術機械とほぼ同様の仕方で動作しよう。
【００４９】
第２例の制御方式では、電子手段により二次巻線２４内の電流に影響を及ぼして、一次巻線２２内の電流を制御することができる。二次巻線２４内の電流の直接的な電子制御は、二次巻線２４内の電流比例型或いは他の制御調整を用い、それによって一次巻線２２内の電流を制御する図１０，１１ａ，１１ｂに図示した実例の如くインピーダンス或いは他の制御システムにより達成することができる。
【００５０】
図１０は、機械１０用の二次巻線２４制御用のソリッドステート二次巻線電子制御回路６０のための簡単な構成の一例を示す。主要構成要素は、Ｄ1ブリッジ整流器とＱ1ＩＧＢＴデバイス（絶縁型ゲートバイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ））である。デバイスＱ1はまた、パワーＭＯＳＦＥＴや他のスイッチングデバイス等の別種のデバイスで置換することもできる。本例では、複数の二次巻線２４1，２４2，２４3（例えば、各相ごとに二次巻線を有する多相機械の例における如く）は好ましくはそれぞれ例えば図１０に示した６０等と同様の回路を有しており、それは単一の制御システムにより制御することもできる。Ｖs1、すなわち制御電圧はスイッチＱ1を「オン」又は「オフ」するのに用いられ、かくしてＤ1整流器ブリッジ内の平均ＤＣ電流の制御、従って二次巻線２４内のＡＣ電流の制御に用いることができる。この構成にあっては、二次巻線２４は好ましくは（一次巻線２２に対し）複巻を有し、これによりＱ1デバイスにより切り替えられる電流は一次主巻線２２内の電流の一部にのみ逓降され、それによって二次巻線２４に接続された低電流制御回路網をして一次巻線２２からの高電流機械出力を制御させる。（Ｑ1における切り替え電圧は一次機械電圧よりも概ね依然として高いものとなろうが、このことはやはり実際的であって、何故なら１５００Ｖを超えて動作するＱ1デバイスが利用可能であるからであることは理解されよう。）この制御構成は、機械１０の出力（すなわち、一次巻線２２の出力）がＤＣ電源としての用途に整流或いは必要に応じてさらに調整するときに電圧調整器として有用である。使用時に、二次に誘起された電流は二次回路内の要素によって影響を受け制御され、この制御が一次電流及び／又は電圧に必要に応じて影響を及ぼし、ＰＭ機械１０の動作と性能を制御する。
【００５１】
多くの他の制御方式もまた、可能である。図１１ａを参照するに、異なる二次巻線電子制御回路６０が図示してあり、そこでは二次巻線２４の出力は並列ダイオード６２及びトランジスタ６４対（この場合、トランジスタはＮＪＦＥＴである）を介して並列に給送されて、二次電流を変調し、かくして一次巻線２２の出力を制御する。図１１ｂを参照するに、二次巻線制御回路７０の第２実施形態が図示してあり、ここでは二次巻線２４の出力は感熱スイッチ７２に給送される。本開示の考察に基づき当業者には分かる如く、さらに他の制御方式が可能である。
【００５２】
第３例の制御方式にあっては、二次巻線２４内の電流は二次磁気回路内の磁気結合を可変することで影響を及ぼし、それによって一次巻線電流を制御することができる。例えば、再び図を参照するに、固定子歯３０や鉄製裏当て３２やブリッジ４０の如く構成要素の構造ならびに材料選択が二次磁気回路の磁気特性も変化させ、かくして設計者をしてＰＭ機械１０の性能を「制御」させる。以下にさらに示す一例では、二次磁気回路はフェライト等の低キュリー点材料を含み、機械が二次磁気回路でキュリー温度以上で動作するときは二次巻線の効果或いは効力は大幅に低減されよう。
【００５３】
上記の如く、非一体型ブリッジ片４０がＰＭ機械１０の組立に利点をもたらそう。また、簡潔に言及した如く、非一体型ブリッジの配設が設計者をしてブリッジ４０に関して異なる材料を選択させる。例えば、追加の短絡制御を、本開示内にその内容を参照用に組み込んだ本出願人の米国特許第６，３１３，５６０号（‘５６０号特許と呼ぶ）の教示に従ってＰＭ機械１０に備えることができる。‘５６０号特許は、フェライト等の低キュリー温度をもった材料（本説明中では低キュリー点材料と呼ぶ）を電気機械内で有益に活用し、不良が通常の動作温度を超過させる事象内での熱保護をもたらすことができる。この考え方は、ここに説明する如く、本発明内にも当てはめることができる。
【００５４】
再び図６ａ〜６ｆを参照するに、好ましくはブリッジ４０は歯３０とは異なる材料で出来ていて、そのことで設計者は一次及び二次の磁気回路の挙動を変更することができる。最も好ましくは、ブリッジ４０はフェライト等の‘５６０号特許に記載した種の低キュリー点材料で出来ている。
【００５５】
ここで、図１２ａを参照するに、使用時にこの種の熱保護実施形態の一次巻線２２は好ましくはブリッジ４０片に熱的に密結合させ、不良条件下での機械の迅速で効果的な制御を可能にする。ブリッジ４０の温度がフェライト製ブリッジ材料のキュリー点以上に昇温する不良事象にあっては、ブリッジ４０は磁束を導通させるその能力を失い始め、かくして（結果的に温度が増大し）固定子３０内の磁気回路内で「見えざるもの」となる。一次と二次の磁気回路はかくして一つの回路（符号４７）に合体されるが、それは磁束が（結果的に）もはやブリッジ４０と交差せず、すなわち磁束が少なくとも大幅に低減されるからである。
【００５６】
事実、好ましくは、低キュリー点材料は、ブリッジ４０のキュリー点に達したときに、ブリッジ４０は磁束がそこを貫通しないよう磁束を完全に停止（かくして、一次電流を完全に「停止」はしないが、むしろキュリー点に達してこれを超えた際にブリッジを貫通する磁束量を徐々に低減し、それによって一次電流を完全に停止するのではなく、一次電流をまさに「逓降」させる働きをもつよう選択する。ブリッジ４０により「逓降」される電流量は、ブリッジ材料キュリー温度に達した結果として経験する磁気的「短絡」量により制御され、かくしてブリッジ４０の材料だけではなく、とりわけ（ａ）歯のピッチ、（ｂ）鉄製裏当ての肉厚、（ｃ）歯の長さ、及び（ｄ）鉄製裏当て材料によっても影響を受ける。設計者はこの知識を用いて、機械不良が発生したときのＰＭ機械１０の性能の「逓降」を制御することができる。
【００５７】
本発明の低いキュリー点実施形態の有効性を高めるため、巻線とブリッジ４０の低キュリー点材料の間の熱的な密結合は好都合であり、かくして好ましいものとされる。この密結合は、一次巻線２２とブリッジ４０の間の密接触により達成され、かつ／又は巻線と低キュリー点材料の間の接着材の使用により高めることができる。
【００５８】
都合の良いことに、低キュリー点ブリッジ材料の使用は、二次巻線２４内の電流が例えばヒューズ５４を飛ばすには十分高くなく、なお継続する機械１０の動作が機械に対し損害を招き得る不良状況下において、ＰＭ機械１０に対し熱保護をもたらすことができる。かくして、本発明と併せた低キュリー点材料の使用が本質的に冗長安全システムの組み込みを可能にし得る。
【００５９】
ＰＭ機械１０の別の重要な利点は、低キュリー点材料を前述の如く用いたときに、内部不良が巻線のループ（或いは複数のループ）内の短絡である場合に、説明した低キュリー点実施形態が一つ（又は複数）の不良ループだけを停止或いは逓降させ、残りの巻線の動作にほぼ影響を及ぼさない点にある。ブリッジ及び固定子構成は、独立したフェライト製ブリッジ部と併せ、実際にはＰＭ機械１０内の別様の独立した交流発電機による複数の直列接続を形成する。
【００６０】
低キュリー点材料はまた、二次回路内で制御目的に使用することができる。例えば、低キュリー点材料（フェライト等）を本発明の二次磁気回路内、例えば鉄製裏当てに用いたとしたならば、この設計は二次回路内の低キュリー点材料がそのキュリー温度を超えて加熱された際に一次回路内の電流を増大せしめることになろう。このことは、ＰＭ機械１０用の性能基準や特定用途向け仕様によっては有益な特徴となろう。例えば、この特徴は冷却システムへの出力の増大に用い、かくして交流発電機として動作する機械が冷却力の供給と温度制御の両方をもたらすようにできよう。
【００６１】
図１３ａ，１３ｂを参照するに、本発明はＰＭ機械１０内に冷却材８０（好ましくは油）を含む冷却システムを含むものとして配設することができる。油は一次及び二次巻線を囲みかつそれらに沿う固定子ジャケット８２内の流路５８を循環し、それらの冷却を支援する。図１３ｂでは、挿入物８６内の油噴流８４が油を一次巻線の終端巻部へ導く。挿入物８６がアルミニウム或いは銅で出来ている場合、終端巻部の漂遊インダクタンスもまた低減され、それによって機械インピーダンス全体が低減する。
【００６２】
従って、前記に開示したもの等の制御方式を個別に用いるか、或いは必要に応じて複合させて、幾つかの制御機能をＰＭ機械内に同時存在させることができる。従来技術の固定幾何形状のＰＭ機械は通常、それらが動作する速度以外ではどうしても制御不能であるため、本発明のこの可制御性の特徴はＰＭ機械設計者にとって、特に機械の回転速度自体が機械出力の制御に用いることのできないこれらの用途において特に重要な価値をもつものである。本発明はまた、航空宇宙用途に適した頑丈で信頼に足る設計を提供するものである。
【００６３】
要するに、本発明は機械の磁気的構成内に組み込んだ一種の内部電流制限変圧器（説明した実施形態では１：１変圧器であるが、他の比率も可能）を提供するものである。この「一次側」は、交流発電機の主出力フィーダと直列に電気接続してあり、「二次側」は好ましくは所定の予選択温度を超えるとヒューズ或いは他の回路割り込み或いは電流制限手段により開回路となる短絡回路として構成してある。一般に、予選択する閾値温度は、それを超えると機械が熱損傷を受けやすくなる機械の最大安全維持作動温度（例えば、一般の電気機械構成材料を用いたときは約３００℃）となろう。二次側が開回路になると、無負荷状態下の「変圧器」の誘導リアクタンスの結果として一次側の電流は大幅に低減し、それによって機械インピーダンスの増大を招く。好ましくは、機械インピーダンスの増加（例えば、機械インピーダンスの倍増）は大きな増加であり、これにより  一次側での短絡電流が機械の最大動力定格に等しい値に効果的に制限されるようになる。この「変圧器」型構成を用いる利点は、各固定子スロットがその固有の「変圧器−ブレーカ」により保護され、かくしてヒューズ溶断対象である電圧が全発生電圧の一部（例えば、以下にさらに説明する種の二チャンネル３相機械内で１／６）に過ぎなくなる点にある。従って、二次側のブレーカ／ヒューズは回路が開くときに電弧を経験することはより少なそうである。
【００６４】
本発明の「変圧器」はまた固定子から遠く離し、一次巻線の一部と二次巻線の一部もしくは全部が固定子の外部に配設されるようにもできる。
【００６５】
上記した低キュリー点実施形態の正味の効果は、機械内に二つの熱保護方式が実装できる点にある。すなわち（１）固有でかつ自動的に反転可能（すなわち、非恒久的）な過負荷保護を提供し、中位から厳しい温度過負荷機械に対する恒久的な損害を防止する低キュリー点型過剰温度保護方式と、（２）（ｉ）最初に言及した機構が所望の時間内に短絡電流を十分に制御しないとき、及び／又は（ｉｉ）機械内の一つ（又は複数）の短絡抵抗が非常に低い状況が発生したときに自動的に反応する高温保護方式である。
【００６６】
上記の如く、本発明はまたとりわけ航空宇宙用途において有用な特有の冗長性を提供することのできる「多チャンネル」設計を含むものである。図１４を参照するに、図６ａ〜６ｆを参照して上記に説明した種のＰＭ機械１０は、要するに複数（説明したケースでは二つ）の独立した固定子に対して回転する単一の回転子を備えるものである。このように、回転子１２は「仮想」固定子２０ａ（一次巻線２２ａを備える部分）に対し、かつまた「仮想」固定子２０ｂ（一次巻線２２ｂを備える部分）に対し回転する。この、ＰＭ機械は、この場合「二つを一つにした機械である。これら二つの「機械」の出力端をそこで複合し、そのことが「二つの機械」を一つとして作動させる選択肢を可能にすることができる。ＰＭ機械１０はそこで好ましくは冗長型動力調整ユニット（ＰＣＵ；ｐｏｗｅｒ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ  ｕｎｉｔｓ）９０や油ポンプ９２や燃料ポンプ９４や液圧ポンプ９６や他の電動補機９８を含む完全な冗長補機システムに接続する。ガスタービンＩＳＧ用途にあっては、この二チャンネル或いは多チャンネル設計により完全な冗長システム（図１４中のシステムＡ＋システムＢ）をもたらして最小のハードウェアをもたせ、それによって重量ならびに空間を最小化して信頼性を増すことができる。また、発電機効率はＩ2損失に比例するため、一方の機械を全出力電流で稼働させるのではなく、それぞれを出力電流の１／２でもって二つの「機械」を斯く稼働させることはしばしば好ましいことである。さらに、二つの「機械」からの動力を必要に応じて適当な接続等を備えたＰＣＵ間で共有し、「機械」或いはＰＣＵ不良の場合に冗長性を可能にすることもできる。
【００６７】
とりわけ、本発明は、図１５に示したように、ガスタービンエンジン（ｇａｓ  ｔｕｒｂｉｎｅ  ｅｎｇｉｎｅ）「ＧＴ」内のシャフト（ｓｈａｆｔ）「Ｓ」により駆動する機械１０内の内部不良の場合の如く、連続的に駆動される内部短絡化永久磁石構成の過熱問題を阻止するのに特に良く適合するものである。本発明はまた、様々な速度にて駆動される（すなわち、作動する推進型航空機ガスタービンにより駆動される）交流発電機に対し所定レベルの制御を達成できるようにする。
【００６８】
上記の説明はただ例示的なものであることを意味し、当業者は開示された本発明範囲から逸脱することなく説明した実施形態を認識し、これに変形をなすことができる。例えば、この機械は単相或いは多相、単一チャンネル或いは多チャンネルとすることができる。この巻線はスロットごとに単巻或いは複巻を有することができ、一次巻線の巻数が二次巻線の巻数に一致せねばならないことはなく、巻線の巻数が必ずしも全数をもたねばならないことはなく、一次巻線の数が二次巻線の数に等しくなければならないことはなく、何故ならスロット内の１つ又は複数の巻線が恐らくスロット内に存在するであろうからである。様々な巻線種（リス籠、ラップ等）を用いることができ、この巻線は任意の一つ（又は複数）の導体（すなわち、単一の導体や１つ又は複数の結線や絶縁処理済みや積層処理済み等）或いは超伝導体とすることもできる。多相機械では、周知の技法に従ってジグザク状やデルタ型やＹ型結線巻線が存在しよう。巻線が互いに電気的に絶縁されている限り、一次巻線と二次巻線の間には空隙は必要ない。
【００６９】
回転子は電磁的（すなわち、永久磁石は不要である）なものとすることができ、外部構造内又は内部構造内とするか或いは任意の他の適当な構造とすることができる。ブリッジは１つ又は複数のスロット内に配設することができ、固定子の残りの部分に一体化したり非一体化したりできる。一つ（又は複数）の二次巻線を鉄製裏当ての周囲に巻回する場合は、二次ブリッジを例えば鉄製裏当ての形状にして配設することもできる。他の二次ブリッジ構成もまた、可能である。
【００７０】
二次巻線は、電動機モードにおける制御目的に用いることもできる。例えば鉄製裏当て等の回転子や固定子の他の部分を低キュリー点材料で設け、本発明の利点を達成することもできる。本開示の再検討に鑑み、本発明範囲内に包含されるさらに他の改変が当業者には明白となるであろうし、この種の改変が添付の特許請求の範囲になる均等物内に包含されることを意図するものである。本出願では、「交流発電機」という用語は一般に電気を生成するのに用いる装置を意味し、それ故に出力交流を生成する装置に限定する意図のないものであることは理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１ａ】従来技術になる一般的な永久磁石（ＰＭ）機械の断面図。
【図１ｂ】図１ａの従来技術装置の等角分解図。
【図２ａ】「外部回転子」構造を有する従来技術になる一般的なＰＭ機械の断面図。
【図２ｂ】図２ａの従来技術装置の等角分解図。
【図３】磁束経路を概略示す図１ａと同様の断面図。
【図４ａ】本発明になるＰＭ機械の断面図。
【図４ｂ】図４ａの装置の等角分解図。
【図４ｃ】図４ａの装置の一次巻線の一部（すなわち、数個の隣接ループ）の後部等角図。
【図４ｄ】図４ａの装置の二次巻線の等角図。
【図４ｅ】その細部を示しかつ装置内の一部の磁束経路を概略示すべく一部を切截した図４ａの装置の回転子及び固定子の一部の拡大等角図。
【図５ａ】巻線の細部を明らかにすべく固定子を仮想線で示した状態の本発明になるＰＭ機械の第２実施形態の等角分解図。
【図５ｂ】その細部を明らかにすべく一部を切截した図５ａの装置の固定子の一部の拡大等角図。
【図５ｃ】図５ａの装置内の磁束経路を概略示す図５ａの装置の一部拡大断面図。
【図６ａ】本発明のＰＭ機械の第３実施形態の等角分解図。
【図６ｂ】図６ａの装置の回転子の等角図。
【図６ｃ】図６ｂの回転子の後部等角図。
【図６ｄ】その細部を明らかにすべく一部を切截した状態の図６ａの装置の回転子及び固定子の一部の拡大等角図。
【図６ｅ】図６ｄに示した回転子及び固定子の一部の一部断面図。
【図６ｆ】図６ｅの６ｆ−６ｆ線に沿う断面図。
【図７ａ】本発明により一次巻線を形成する方法の概略等角図。
【図７ｂ】図７ａの巻線を示す固定子の一部を大幅に拡大した断面図。
【図８ａ】図６ｄ，６ｅにそれぞれ類似し本発明の始動時の電気的かつ磁気的な動作を概略表わす拡大等角図及び断面図。
【図８ｂ】図８ａにそれぞれ類似し図８ａに示した時間での瞬間直後の電気的かつ磁気的な動作を概略表わす拡大等角図及び断面図。
【図９】図６ａの装置の一つの位相の等価電気回路を示す概略図。
【図１０】二次巻線制御回路の一実施形態の概略図。
【図１１ａ】二次巻線制御回路の他の例の概略図。
【図１１ｂ】二次巻線制御回路の他の例の概略図。
【図１２ａ】図６ｄ，６ｅにそれぞれ類似し低キュリー点材料を用いた本発明の別の実施形態の電気的かつ磁気的な動作を概略表わす拡大等角図及び断面図。
【図１２ｂ】図６ｄ，６ｅにそれぞれ類似し本発明の二次巻線ヒューズが飛んだ後の電気的かつ磁気的な動作を概略表わす拡大等角図及び断面図。
【図１３ａ】本発明の別の実施形態の固定子の一部の拡大等角断面図。
【図１３ｂ】図１３ａの実施形態に関する代替設計の固定子の一部の拡大等角断面図。
【図１４】本発明の多チャネル版を採用する航空機補機システムの概略図。
【図１５】その断面を明らかにすべくエンジンの一部を取り去った状態の本発明を組み込んだガスタービンエンジンを示す図。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2006529076.tif 000009
【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
2006529076.tif 000023
【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
2006529076.tif 000027
【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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2006529076.tif 000037
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