(57)【要約】      （修正有）【課題】モーター／発電機の共通の励磁機段を有する同期機を提供する。【解決手段】同期機は、フレーム１１０、シャフト１１５、主要セクション１２０、および励磁機セクション１２５を有する。主要セクション１２０は、フレーム１１０に取り付けられた固定子巻線１３０およびシャフト１１５に取り付けられた回転子巻線１３５を有する。励磁機セクション１２５は、変圧器１４０および整流器１４５を有する。変圧器１４０は、フレーム１１０に取り付けられた一次巻線１４０Ａおよびシャフト１１５に取り付けられた二次巻線１４０Ｂを有する。整流器１４５は、シャフト１１５に取り付けられ、二次巻線１４０Ａの出力を整流して、整流された出力を回転子に供給する。制御部は、一次巻線１４０Ａに高周波制御信号を供給する。この信号は、二次巻線１４０Ｂと磁気的に結合され、整流され、次いで、同期機の動作を制御するために回転子に印加される。【選択図】図２
2016073189.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期機（１００）であって、
フレーム（１１０）と、
前記フレームの少なくとも１つの端部から延伸するシャフト（１１５）と、
主要セクション（１２０）であって、
前記フレームに取り付けられた固定巻線（１３０）、および
前記シャフトに取り付けられ、前記固定巻線から離間され、前記固定巻線と磁気的に結合されている回転巻線（１３５）
を備える主要セクション（１２０）と、
励磁機セクション（１２５）であって、
互いに磁気的に結合されている一次巻線（１４０Ａ）および二次巻線（１４０Ｂ）を有する変圧器（１４０）であって、前記巻線のそれぞれが、ディスクの形状であり、前記二次巻線が、外半径を有し、かつ前記シャフトに固定されており、前記一次巻線が、内半径を有し、かつ前記フレームに取り付けられており、前記外半径が、前記内半径未満であり、前記二次巻線が、前記一次巻線内に配置されている変圧器（１４０）、
前記二次巻線の出力を整流し、該整流された出力を前記回転巻線に供給する、前記シャフトに固定された整流器（１４５）、ならびに
前記二次巻線の出力と前記整流器とを接続し、前記整流器の整流された前記出力と前記回転巻線とを接続する複数の導電体（１３７、１４２）
を備える励磁機セクション（１２５）と
を備える同期機（１００）。
【請求項２】
前記一次巻線に制御信号を供給する制御部（１７０）をさらに備える、請求項１に記載の同期機。
【請求項３】
制御信号を前記一次巻線に制御可能に供給する制御部をさらに備え、該制御部が、前記制御信号のデューティサイクル、周波数、または出力電圧の少なくとも１つを変更する、請求項２に記載の同期機。
【請求項４】
前記同期機が、入力トルクが前記シャフトに加えられている場合に出力周波数を有する出力電圧を供給する同期発電機として動作し、
前記制御部が、前記制御信号に、前記出力電圧の前記出力周波数よりも少なくとも数倍高い周波数を持たせる、
請求項２に記載の同期機。
【請求項５】
前記同期機が、入力周波数を有する入力電圧が前記固定巻線に印加されている場合に同期モーターとして動作し、
前記制御部が、前記制御信号に、前記入力電圧の前記入力周波数よりも少なくとも数倍高い周波数を持たせる、
請求項２に記載の同期機。
【請求項６】
前記固定巻線が、界磁巻線であり、前記回転巻線が、電機子巻線である、請求項１に記載の同期機。
【請求項７】
前記同期機が、入力トルクが前記シャフトに加えられている場合に同期発電機として動作する、請求項１に記載の同期機。
【請求項８】
前記同期機が、入力電圧が前記固定巻線に印加されている場合に同期モーターとして動作する、請求項１に記載の同期機。
【請求項９】
同期モーターまたは同期発電機のいずれかとして動作可能な同期機を製造する方法であって、
フレーム（１１０）を用意するステップと、
前記フレームに固定巻線（１３０）を取り付けるステップと、
前記フレームの少なくとも１つの端部から延伸するシャフト（１１５）を設けるステップと、
前記シャフトに回転巻線（１３５）を取り付けるステップであって、前記回転巻線が、前記固定巻線から離間され、かつ前記固定巻線と磁気的に結合される、ステップと、
前記フレームに変圧器の一次巻線（１４０Ａ）を取り付けるステップと、
前記シャフトに前記変圧器の二次巻線（１４０Ｂ）を取り付けるステップであって、前記二次巻線が、前記一次巻線から離間され、かつ前記一次巻線と磁気的に結合される、ステップと、
前記シャフトに整流器（１４５）を固定するステップであって、前記整流器の入力と前記二次巻線とを接続し、前記整流器の出力と前記回転巻線とを接続する、ステップと
を含み、
前記一次巻線が内半径を有し、前記二次巻線が外半径を有し、前記外半径が前記内半径未満であり、前記二次巻線が前記一次巻線内に配置されるか、または、前記一次巻線および前記二次巻線がそれぞれディスクの形状であり、前記一次巻線のディスクが第１の平面を規定し、前記二次巻線が前記シャフトの端部に取り付けられ、前記二次巻線のディスクが第２の平面を規定し、前記第１の平面および前記第２の平面が平行であるが異なり、前記シャフトが、前記第１の平面を貫通しないかのいずれかである方法。
【請求項１０】
前記一次巻線が内半径を有し、前記二次巻線が外半径を有し、前記外半径が前記内半径未満であり、前記二次巻線が前記一次巻線内に配置され、
さらに、前記一次巻線および前記二次巻線がそれぞれディスクの形状であり、前記一次巻線のディスクが平面を規定し、前記二次巻線のディスクが、実質的にそれと同じ平面にある、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記一次巻線および前記二次巻線がそれぞれディスクの形状であり、前記一次巻線のディスクが第１の平面を規定し、前記二次巻線が前記シャフトの端部に取り付けられ、前記二次巻線のディスクが第２の平面を規定し、前記第１の平面および前記第２の平面が平行であるが異なり、前記シャフトが前記第１の平面を貫通せず、
さらに、前記シャフトが通路を有し、前記通路に導体を配置することによって前記二次巻線が前記整流器と接続される、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
同期機は、同期モーター（同期モーターモード）または同期発電機（同期発電機モード）のいずれかとして動作され得る電気機械である。従来、同期機は、２つの別々の独立した励磁機界磁巻線を有する。また、従来、２つの別々の独立した制御部（一方の制御部は、同期モーターモードのための励磁機界磁巻線用であり、もう一方の制御部は、同期発電機モードのための励磁機界磁巻線用である）が使用されてきている。２つの励磁機界磁巻線および２つの制御部の使用は、同期機およびこれが使用されるシステムをより複雑で、より重量があり、より信頼性の低いものにしている。従来の同期機の二重の励磁構成要素は、同期機の全体積および全重量の２０〜３０％を示す場合がある。一部の従来のシステムは、単一の再構成可能な界磁巻線のみを使用しているが、それでもなお、２つの別々の独立した制御部を使用しており、その結果、２つの別々の独立した制御部は、適切な制御部と界磁巻線とを接続するためにスイッチまたは接触器を使用している。二重の界磁巻線、二重の制御部、ならびに／またはスイッチおよび／もしくは接触器は、システムのコスト、重量、体積、および複雑度を増加させ、システムの全体的な信頼性に悪影響を与える。Ｒｏｓｅｎらの特許文献１は、回転変圧器を使用する同期モーター・発電機システムを開示している。
【０００２】
また、従来の同期機は、低周波励磁電流を使用しており、エネルギー損失を回避するために、大きな界磁巻線が使用されている。これらの大きな界磁巻線は、巻線に使用される高価な銅の量および重量を大幅に増加させている。さらに、従来の低周波励磁電流の場合、界磁巻線に発生する逆起電力は、回転子の速度によって著しく影響される。これは、起動工程中の安定性の問題の原因となり得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第５，７７０，９０９号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
同期モーターまたは同期発電機のいずれかとして動作可能な同期機が開示される。同期機は、フレーム、シャフト、主要セクション、および励磁機セクションを有する。主要セクションは、フレームに取り付けられる固定子（固定巻線（電機子巻線であってもよい））およびシャフトに取り付けられる回転子（回転巻線（界磁巻線であってもよい））を有し、固定子および回転子は、互いに磁気的に結合される。励磁機セクションは、変圧器および整流器を有する。変圧器は、フレームに固定される一次巻線およびシャフトに固定される二次巻線を有する。一次巻線および二次巻線は、互いに離間され、互いに磁気的に結合される。整流器は、二次巻線に電気的に接続され、回転子に機械的に連結され、二次巻線の出力を整流して整流された出力を回転子に供給する。変圧器の一次巻線および二次巻線はそれぞれ、ディスクの形状である。
【０００５】
制御部は、同期機の動作を制御するために制御信号を一次巻線に供給する。
【０００６】
一実施形態において、一次巻線は、内半径を有し、ディスクは、シャフトに対して垂直な平面を規定し、二次巻線は、内半径よりも小さな外半径を有し、これにより、二次巻線は、一次巻線内に配置される。
【０００７】
別の実施形態において、一次巻線は、シャフトの端部の位置でフレームに取り付けられ、一次巻線のディスクは、シャフトに対して垂直な第１の平面を規定し、二次巻線は、シャフトの端部の近くでシャフトに固定され、二次巻線のディスクは、シャフトに対して垂直な第２の平面を規定し、第２の平面は、第１の平面と平行であり、第１の平面から離間され、シャフトは、第１の平面を貫通せず、シャフトは、導電体が整流器と二次巻線または回転子の少なくとも一方とを接続するように配置される通路を有する。
【０００８】
また、同期モーターまたは同期発電機のいずれかとして動作可能な同期機を製造する方法が開示される。本方法は、フレームを用意するステップと、フレームに固定子を取り付けるステップと、フレームの少なくとも１つの端部から延伸するシャフトを設けるステップと、シャフトに回転子を取り付けるステップと、フレームに変圧器の一次巻線を取り付けるステップと、一次巻線から離間させるが、一次巻線と磁気的に結合するように変圧器の二次巻線をシャフトに取り付けるステップと、シャフトに整流器を固定するステップであって、整流器の入力と二次巻線とを電気的に接続し、整流器の出力と回転子とを電気的に接続するステップとを含む。二次巻線が、一次巻線内に取り付けられ、これらが同じ平面にくるか、または、二次巻線が、一次巻線に対向するように取り付けられ、これらが、異なる平面にくるかのいずれかである。通路は、導電体が、整流器から二次巻線および／または回転子まで通り得るようにシャフトに設けられる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】例示的な同期機の概略図である。
【図２】同期機の例示的な一実施形態を示す概略図である。
【図３】同期機の別の例示的な実施形態を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、例示的な同期機１００の概略図である。同期機１００は、フレーム１１０、シャフト１１５、主要セクション１２０、および励磁機セクション１２５を有する。主要セクション１２０は、フレームに取り付けられた固定子１３０（固定巻線（電機子巻線であってもよい））およびシャフト１１５に取り付けられた回転子１３５（回転巻線（界磁巻線であってもよい））を有する。フレーム１１０の部分または全体は、同期機１００を収容するケーシングの一部であってもよいし、あるいはこれとは別個のものであってもよい。
【００１１】
励磁機セクション１２５は、変圧器１４０および整流器１４５を有する。変圧器１４０は、フレーム１１０に取り付けられた一次巻線１４０Ａおよびシャフト１１５に取り付けられた二次巻線１４０Ｂを有する。二次巻線１４０Ｂは、一次巻線１４０Ａから離間され、一次巻線１４０Ａと磁気的に結合されている。整流器１４５は、複数の導電体１３７によって二次巻線１４０Ｂと電気的に接続され、複数の導電体１４２によって回転子１３５と電気的に接続されており、二次巻線１４０Ｂの出力を整流して、整流された出力を回転子１３５に供給する。表現の都合および簡潔さのために、「導電体」および「複数の導電体」は、本明細書では場合によって単に「導体」と呼ばれる。整流器１４５は、シャフト１１５への取り付けまたは別の所望の適切な技術（変圧器１４０の二次巻線を伴う整流器１４５を含むものなど）のいずれかによってシャフト１１５に固定される。必要に応じて、二次巻線１４０Ｂおよび／または整流器１４５の出力は、回転子１３５に印加される前にフィルタリングまたは平滑化されてもよい。
【００１２】
また、固定セクション１５０および回転セクション１５５を有するものとして同期機１００を考えてもよく、この場合、固定セクション１５０は、フレーム１１０、一次巻線１４０Ａ、および固定子１３０を備え、回転セクション１５５は、シャフト１１５、回転子１３５、二次巻線１４０Ｂ、および整流器１４５を備える。
【００１３】
固定子１３０に接続された電気ライン１６５は、動作が同期モーターモードの場合は入力電圧および電力を同期機１００に供給する入力ラインとしての役割を果たし、動作が同期発電機モードの場合は同期機１００からの出力電圧および電力を供給する出力ラインとしての役割を果たす。
【００１４】
制御部１７０は、電気ライン１６５の１つ以上のパラメータを監視し、導体１８０を介して一次巻線１４０Ａに出力制御信号を供給する。制御部１７０は、電気ライン１６５の電圧、電流、周波数、および／または位相などであるが、これらに限定されないパラメータを監視してもよい。監視されるパラメータは、同期機１００がモーターまたは発電機のどちらとして動作しているかに部分的に依存し得る。これらの入力パラメータは、必要に応じて、これらが制御部１７０に供給される前にノイズを低減するためにフィルタリングされてもよい。
【００１５】
制御信号は、パルス幅変調（ＰＷＭ）ＡＣ信号などであるが、これに限定されない交流波形電圧（ＡＣ電圧）である。制御信号は、矩形波形（パルス幅変調スイッチングシステムによって供給されるものなど）を有することが好ましいが、正弦波形または別の所望の波形であってもよい。制御部１７０は、制御信号のパルス幅、電圧（パルス電圧であってもよい）、または周波数（パルス周波数であってもよい）の少なくとも１つを制御する。制御信号は、ＡＣ信号の複数のパルスもしくは複数の周期、ＡＣ信号の単一パルスもしくは単一周期、ＡＣ信号の周期の一部、またはこれらの組み合わせであってもよい。例えば、監視される入力パラメータに応じて、制御信号は、ＡＣ信号の２つのパルスもしくは２つの周期であってもよいし、ＡＣ信号の６−１／２パルスもしくは６−１／２周期であってもよいし、またはＡＣ信号の全周期未満であってもよい。パルスは、様々な長さを有するセット、異なるセット内に異なる数を有するセット、および／またはセット間に様々な間隔を有するセットであってもよい。制御信号は、必要に応じて、一次巻線１４０Ａに供給される前にフィルタリングされてもよい。
【００１６】
制御信号は、「高周波」制御信号である。すなわち、制御信号は、入力周波数（モーターモード）（すなわち、電気ライン１６５の入力信号の周波数）よりも高く、かつ出力周波数（発電機モード）（すなわち、電気ライン１６５の出力信号の周波数）よりも高い周波数を有する。制御信号の周波数は、電気ライン１６５の電圧の周波数よりも少なくとも数倍高いことがより好ましい。制御信号の周波数は、回転子１３５の回転速度によって生じる励磁への影響を最小限に抑えるために電気ライン１６５の電圧の周波数の少なくとも１０倍であることがさらにより好ましい。また、より高い周波数が使用されてもよい。また、より低い周波数が使用されてもよいが、周波数が低くなるにつれて、巻線１４０Ａ、１４０Ｂのサイズ、重量、およびコストが増加し得るし、一次巻線と二次巻線との結合が、シャフトの回転速度によって影響されるようになり得る。一実施態様において、変圧器１４０に供給される制御信号の周波数は、電気ライン１６５の電圧の周波数が４００Ｈｚの場合、１０ｋＨｚである。加えて、制御信号のためにそのようなより高い周波数を使用することにより、変圧器１４０は、従来のシステムの励磁機の電機子巻線に比べて、より小さな巻線およびより少ない鉄を使用することができるようになる。
【００１７】
また、制御部１７０は、同期機１００の動作の他のパラメータまたは態様（限定としてではなく例として、回転速度、シャフト角度位置、その変化など）を監視してもよい。例えば、シャフト位置エンコーダ（図示せず）が、シャフトの角度位置を供給するためにシャフトに接続されてもよい。そのとき、制御部１７０は、それに応じて導体１８０への制御信号を調整してもよい。例えば、機械が、モーターとして動作されており、シャフト角度位置の変化が、モーターが同期動作を維持することができ得ないことを示すような負荷である場合、一次巻線１４０Ａ、したがって、回転子１３５に供給される電力が増加されてもよい。別の例として、機械が、発電機として動作されており、ライン１６５の出力電圧が増加している場合、一次巻線１４０Ａに供給される電力が低減されてもよい。制御部１７０は、例えばパルス幅、パルス繰返し数、導体１８０への制御信号の振幅、および／またはパルスパターン（例えば、一組のパルスにおいてどれくらい多くのパルスが供給されるか、パルスの各セット間の時間など）を調整することによって電力を変更してもよい。
【００１８】
この同期機設計は、同期モーターモードおよび同期発電機モードの両方のための単一のコンパクトな高周波励磁機セクション１２５の使用を実現する。言及したように、一次巻線１４０Ａおよび二次巻線１４０Ｂは、離間された関係にある。すなわち、それらは、互いに接触しておらず、二次巻線１４０Ｂは、シャフト１１５が回転するにつれて動くのに対して、フレーム１１０に取り付けられた一次巻線１４０Ａは動かない。制御部１７０は、高周波制御信号（入力電圧）を一次巻線１４０Ａに供給し、これにより、二次巻線１４０Ｂに高周波ＡＣ出力電圧を誘導する。この高周波ＡＣ出力電圧は、直流（ＤＣ）を回転子１３５に供給するために整流器１４５によって整流される。整流器１４５は、限定としてではなく例として、全波整流器またはブリッジ整流器であってもよい。
【００１９】
制御部１７０からの高周波出力は、より小さな変圧器１４０の使用を可能にし、その結果、励磁機セクション１２５のサイズを低減し、さらには、銅および鉄の浪費を低減する。また、高周波は、より広い制御帯域幅を可能にし、これにより、より良好な機械速度安定性およびより良好なトルク制御を実現する。また、この単一の励磁機セクション１２５は、機械アーキテクチャの簡略化、そこで使用される銅および／または鉄の重量の低減、体積の低減、ならびに励磁源の数の低減（部品数の削減）を実現する。その結果、この単一の高周波励磁機セクション１２５は、上で言及した従来のシステムに比べてより良好な効率およびより高い信頼性を実現する。
【００２０】
図１から分かるように、同期モーター動作および同期発電機動作の両方のために、ただ１つの回転子１３５およびただ１つの制御部１７０が使用されている。従来の設計で使用されている二重の回転子および制御部の除去により、同期機１００の体積、重量、および構成要素の数が低減される。
【００２１】
さらに、変圧器１４０に高周波ＡＣ入力電圧を使用することによって、回転子１３５に供給される電圧は、従来の同期機の場合よりも安定する。回転子１３５へのより安定した電圧は、同期機１００を起動する工程の安定性および制御を改善する。
【００２２】
図２は、同期機１００の例示的な一実施形態を示す概略図であり、フレーム１１０、シャフト１１５、固定子１３０、回転子１３５、変圧器巻線１４０Ａ、１４０Ｂ、整流器１４５、および軸受１６０Ａ、１６０Ｂを示している。また、フレーム１１０の孔、グロメット、または他の開口部１１０Ａ（必須ではないが好ましくはシールされた）を介して一次巻線１４０Ａに接続された導体１８０が示されている。また、導体１３７および１４２が示されている。例証の都合および明瞭さのために、これらの導体１３７および１４２は、シャフト１１５から離間されているものとして示されている。しかしながら、実際には、これらの導体は、これらの導体にかかる遠心力を最小限に抑えるためにシャフト１１５に直接取り付けられることが好ましい。また、それらは、シャフトの溝（図示せず）に配置されてもよい。溝は、シャフト１１５の強度および完全性への影響を最小限に抑えるために可能な限り浅くされる。必要に応じて、導体１３７および１４２は、シャフト１１５の通路（図３に示されているものなど）に配置されてもよい。
【００２３】
図２の実施形態において、変圧器巻線１４０Ａ、１４０Ｂのそれぞれは、ディスクの形状であることが好ましく、特定の実施態様にとって便利で適切な幅、長さ、深さ、線径、および巻数を有してもよい。一次巻線１４０Ａは、「外側」巻線であると考えられてもよく、二次巻線１４０Ｂは、「内側」巻線であると考えられてもよい。一次巻線１４０Ａは、シャフト１１５の中心線１１５Ａを基点として内半径１４０Ａ１を有し、二次巻線１４０Ｂは、シャフト１１５の中心線１１５Ａを基点として外半径１４０Ｂ１を有する。外半径１４０Ｂ１は、内半径１４０Ａ１未満であり、そのため、巻線１４０Ｂは、巻線１４０Ａの内側に収まり、巻線１４０Ａの内部にある。巻線１４０Ａ、１４０Ｂの間隔は、巻線１４０Ａ、１４０Ｂが互いに磁気的に結合されるように十分に小さくなっている。巻線１４０Ａおよび１４０Ｂは、実質的に同じ平面１７５にあることが好ましい。巻線１４０Ａおよび１４０Ｂは、必ずしも、厳密に同じ平面１７５になくてもよく、互いにわずかにずれていてもよい。巻線１４０Ａおよび１４０Ｂは、これらの間の磁気結合が、回転子１３５に対して適切な電力供給および制御を行うのに十分ならば、互いにずれている場合であっても、実質的に同じ平面にあると考えられる。巻線１４０Ａおよび１４０Ｂは、容器（１４０Ａ２および１４０Ｂ２などの）であって、それぞれ巻線を保護し、巻線を適所に保持する容器内にある。容器は、巻線からの磁力線のための閉路を形成し、巻線間の磁気結合を強化する役割を果たすフェライトまたは他の材料から作られることが好ましい。また、シャフト１１５は、シャフト１１５が強磁性材料から作られているか、または強磁性材料を含む場合（特に、容器が結合を強化する材料から作られていない場合に）、磁束を集中させ、結合を強化する役割を果たし得る。
【００２４】
フレーム１１０は、段付きフレームとして示されている（そこでは、フレームの一部分は、フレームの別の部分と異なる半径を有する）が、このことは必須ではなく、フレームは、異なる形状（図３に示されているように、その全長にわたって同じ半径を有するものなど）を有してもよい。また、フレーム１１０は、単一閉端のものとして示されているが、すなわち、端部１１０Ｂが開放され、端部１１０Ｃが閉鎖されていることにより、シャフト１１５が、フレームの端部１１０Ｂのみから延伸するようになっているが、このことは必須ではない。また、端部１１０Ｃは、開放端部であってもよく、これにより、シャフト１１５は、端部１１０Ｂおよび端部１１０Ｃの両方から延伸してもよい。加えて、励磁機セクション１２５は、フレーム１１０の閉鎖端部１１０Ｃに位置するものとして示されているが、その代わりに、フレーム１１０の開放端部１１０Ｂに位置してもよい。
【００２５】
図３は、同期機１００の別の例示的な実施形態を示す概略図である。この実施形態において、変圧器巻線１４０Ａ、１４０Ｂは、「内側」巻線および「外側」巻線ではなく、それらは、並列巻線または対向巻線であるが、それらは、同じ平面にない。それどころか、巻線１４０Ａは、平面１７５Ａにあり、巻線１４０Ｂは、平面１７５Ｂにあり、このため、それらは互いに対向している。それらは、同様にディスクの形状であることが好ましい。この実施形態において、二次巻線１４０Ｂから整流器１４５までの導体１３７は、少なくとも部分的にシャフト１１５の通路または中空セクション１１５Ｂ内にあり、これにより、導体１３７が、軸受１６０Ｂに干渉しないようになっている。
【００２６】
代替的な実施形態において、整流器１４５は、必要に応じて、軸受１６０Ｂの外側に、すなわち、軸受１６０Ｂと端部１１０Ｃとの間に配置されてもよい。この代替的な実施形態では、導体１３７は、通路１１５Ｂ内にあってもなくてもよいが、整流器１４５から回転子巻線１３５までの導体１４２は、少なくとも部分的にシャフト１１５の通路１１５Ｂ内にあり、これにより、導体１４２が、軸受１６０Ｂに干渉しないようにされる。
【００２７】
整流器１４５は、図２および図３において二次巻線１４０Ｂとは別個のものとして示されているが、このことは必須でない。例えば、整流器１４５は、容器１４０Ｂ２内または内部に組み込まれてもよい。
【００２８】
また、通路１１５Ｂの設計は、例えば励磁機セクション１２５が軸受１６０Ｂと端部１１０Ｃとの間にくることが求められる場合に、図２の実施形態に使用されてもよい。
【００２９】
図２の実施形態は、上で説明した利点および利益に加えて別の点でも好適である。同期機１００が、例えばねじ回し（screw drive）に使用される場合、シャフト１１５にかかる圧縮力および引張力が、シャフト１１５をその長さに沿って（すなわち、端部１１０Ｂまたは１１０Ｃに向かってまたはこれから離れるように）わずかにずらし得るが、ずれは、巻線１４０Ａおよび１４０Ｂの間の磁気結合にわずかな影響しか及ぼさない。
【００３０】
図３の実施形態は、上で説明した利点および利益に加えて、別の点（巻線１４０Ａおよび１４０Ｂに加わる遠心力の低減）でも好適である。巻線１４０Ａおよび１４０Ｂが、軸線１１５Ａのより近くにあるため、それらに加わる遠心力は、図２の実施形態において加わる力を下回る。この遠心力の低減は、一部のより小さなサイズの同期機にとってそうであるように、非常に高い回転／分の速度で動作される同期機１００にとって重要であり得る。
【００３１】
したがって、２つの別々の励磁段変圧器または再構成可能な巻線を使用する代わりに、単一の励磁機段変圧器１４０を使用することにより、機械の銅および鉄の重量が低減され、２つの変圧器が使用される場合に必要とされるスイッチおよび接触器の数が低減される。さらに、２つ以上の励磁源ではなく、ただ１つの励磁機源（制御部１７０）が使用される。単一の制御部１７０は、動作のモーターモードおよび発電機モードの両方に関して同期機１００を制御し、制御設計を簡略化し、構成要素の数を低減する。低周波制御信号の代わりに、高周波制御信号は、より良好な制御を実現する。
【００３２】
同期モーターまたは同期発電機のいずれかとして同期機を動作させる方法は、（１）出力トルクを供給する同期モーターとして同期機を動作させるために第１の交流電圧を一次巻線に印加し、第２の交流電圧を固定子に印加するステップまたは（２）出力電圧を供給する同期発電機として同期機を動作させるために第１の交流電圧を一次巻線に印加し、入力トルクをシャフトに加えるステップを含む。第１の交流電圧の電圧、周波数、またはデューティサイクルの少なくとも１つが、同期機を同期モーターとして動作させる場合の出力トルクおよび同期機を同期発電機として動作させる場合の出力電圧を制御するために調整される。
【００３３】
さらに、本開示は、以下の条項に記載の実施形態を含む。
（条項１）同期機（１００）であって、フレーム（１１０）と、フレームの少なくとも１つの端部から延伸するシャフト（１１５）と、主要セクション（１２０）であって、フレームに取り付けられた固定巻線（１３０）およびシャフトに取り付けられ、固定巻線から離間され、固定巻線と磁気的に結合されている回転巻線（１３５）を備える主要セクション（１２０）と、励磁機セクション（１２５）であって、互いに磁気的に結合されている一次巻線（１４０Ａ）および二次巻線（１４０Ｂ）を有する変圧器（１４０）であって、各巻線が、ディスクの形状であり、二次巻線が、外半径を有し、かつシャフトに固定されており、一次巻線が、内半径を有し、かつフレームに取り付けられており、外半径が、内半径未満であり、二次巻線が、一次巻線内に配置されている変圧器（１４０）、二次巻線の出力を整流し、整流された出力を回転巻線に供給する、シャフトに固定された整流器（１４５）、ならびに二次巻線の出力と整流器とを接続し、整流器の整流された出力と回転巻線とを接続する複数の導電体（１３７、１４２）を備える励磁機セクション（１２５）とを備える同期機（１００）。
【００３４】
（条項２）一次巻線に制御信号を供給する制御部（１７０）をさらに備える、条項１に記載の同期機。
【００３５】
（条項３）制御信号を一次巻線に制御可能に供給する制御部をさらに備え、該制御部が、制御信号のデューティサイクル、周波数、または出力電圧の少なくとも１つを変更する、条項２に記載の同期機。
【００３６】
（条項４）同期機が、入力トルクがシャフトに加えられている場合に出力周波数を有する出力電圧を供給する同期発電機として動作し、制御部が、制御信号に、出力電圧の出力周波数よりも少なくとも数倍高い周波数を持たせる、条項２に記載の同期機。
【００３７】
（条項５）同期機が、入力周波数を有する入力電圧が固定巻線に印加されている場合に同期モーターとして動作し、制御部が、制御信号に、入力電圧の入力周波数よりも少なくとも数倍高い周波数を持たせる、条項２に記載の同期機。
【００３８】
（条項６）固定巻線が、界磁巻線であり、回転巻線が、電機子巻線である、条項１に記載の同期機。
【００３９】
（条項７）同期機が、入力トルクがシャフトに加えられている場合に同期発電機として動作する、条項１に記載の同期機。
【００４０】
（条項８）同期機が、入力電圧が固定巻線に印加されている場合に同期モーターとして動作する、条項１に記載の同期機。
【００４１】
（条項９）同期機であって、フレーム（１１０）と、フレームの少なくとも１つの端部から延伸し、かつその中に形成された通路を有するシャフト（１１５）と、主要セクション（１２０）であって、フレームに取り付けられた固定巻線（１３０）およびシャフトに取り付けられ、固定巻線から離間され、固定巻線と磁気的に結合されている回転巻線（１３５）を備える主要セクション（１２０）と、励磁機セクション（１２５）であって、互いに離間され、かつ互いに磁気的に結合されている一次巻線および二次巻線を有する変圧器（１４０）であって、各巻線がディスクの形状であり、一次巻線がシャフトの端部の位置でフレームに取り付けられており、一次巻線のディスクがシャフトに対して垂直な第１の平面（１７５Ａ）を規定しており、二次巻線がシャフトの端部の近くでシャフトに固定されており、二次巻線のディスクがシャフトに対して垂直な第２の平面（１７５Ｂ）を規定しており、第２の平面が第１の平面と平行であり、かつ第１の平面から離間されており、シャフトが第１の平面を貫通していない変圧器（１４０）、シャフトに取り付けられた整流器（１４５）であって、二次巻線の出力を整流し、整流された出力を回転巻線に供給する、電気的に接続されている整流器（１４５）、整流器の整流された出力と回転巻線とを電気的に接続する第１の導体（１４２）、ならびに二次巻線の出力と整流器とを電気的に接続する第２の導体（１３７）を備え、第１の導体の少なくとも一部または第２の導体の少なくとも一部がシャフトの通路内にある励磁機セクション（１２５）とを備える同期機。
【００４２】
（条項１０）一次巻線に制御信号を供給する制御部（１７０）をさらに備える、条項９に記載の同期機。
【００４３】
（条項１１）固定巻線が界磁巻線であり、回転巻線が電機子巻線である、条項９に記載の同期機。
【００４４】
（条項１２）同期機が、入力トルクがシャフトに加えられている場合に同期発電機として動作する、条項９に記載の同期機。
【００４５】
（条項１３）同期機が、入力電圧が固定巻線に印加されている場合に同期モーターとして動作する、条項９に記載の同期機。
【００４６】
（条項１４）一次巻線に制御信号を供給する制御部をさらに備え、該制御部が、制御信号のデューティサイクル、周波数、または出力電圧の少なくとも１つを変更する、条項９に記載の同期機。
【００４７】
（条項１５）一次巻線に制御信号を供給する制御部をさらに備え、同期機が、入力トルクがシャフトに加えられている場合に出力周波数を有する出力電圧を供給する同期発電機として動作し、制御部が、制御信号に、出力電圧の出力周波数よりも少なくとも数倍高い周波数を持たせる、条項９に記載の同期機。
【００４８】
（条項１６）一次巻線に制御信号を供給する制御部をさらに備え、同期機が、入力周波数を有する入力電圧が固定巻線に印加されている場合に同期モーターとして動作し、制御部が、制御信号に、入力電圧の入力周波数よりも少なくとも数倍高い周波数を持たせる、条項９に記載の同期機。
【００４９】
（条項１７）第１の導体の少なくとも一部がシャフトの通路内にある、条項９に記載の同期機。
【００５０】
（条項１８）同期モーターまたは同期発電機のいずれかとして動作可能な同期機を製造する方法であって、フレーム（１１０）を用意するステップと、フレームに固定巻線（１３０）を取り付けるステップと、フレームの少なくとも１つの端部から延伸するシャフト（１１５）を設けるステップと、シャフトに回転巻線（１３５）を取り付けるステップであって、回転巻線が、固定巻線から離間され、固定巻線と磁気的に結合されるステップと、フレームに変圧器の一次巻線（１４０Ａ）を取り付けるステップと、シャフトに変圧器の二次巻線（１４０Ｂ）を取り付けるステップであって、二次巻線が、一次巻線から離間され、一次巻線と磁気的に結合されるステップと、シャフトに整流器（１４５）を固定するステップであって、整流器の入力と二次巻線とを接続し、整流器の出力と回転巻線とを接続するステップとを含み、一次巻線が内半径を有し、二次巻線が外半径を有し、外半径が内半径未満であり、二次巻線が一次巻線内に配置されるか、または、一次巻線および二次巻線がそれぞれディスクの形状であり、一次巻線のディスクが第１の平面を規定し、二次巻線がシャフトの端部に取り付けられ、二次巻線のディスクが第２の平面を規定し、第１の平面および第２の平面が平行であるが異なり、シャフトが第１の平面を貫通しないかのいずれかである方法。
【００５１】
（条項１９）一次巻線が内半径を有し、二次巻線が外半径を有し、外半径が内半径未満であり、二次巻線が一次巻線内に配置され、さらに、一次巻線および二次巻線がそれぞれディスクの形状であり、一次巻線のディスクが平面を規定し、二次巻線のディスクが実質的にそれと同じ平面にある、条項１８に記載の方法。
【００５２】
（条項２０）一次巻線および二次巻線がそれぞれディスクの形態であり、一次巻線のディスクが第１の平面を規定し、二次巻線がシャフトの端部に取り付けられ、二次巻線のディスクが第２の平面を規定し、第１の平面および第２の平面は平行であるが異なり、シャフトが第１の平面を貫通せず、さらに、シャフトが通路を有し、導体を通路に配置することによって二次巻線が整流器と接続される、条項１８に記載の方法。
【００５３】
「約（About）」、「ほぼ（approximately）」、「実質的に（substantially）」、および同様の用語は、本明細書で使用される場合、相対的な用語であり、２つの値は同一ではない場合があるが、それらの違いは、機器または方法がそれでもなお、示されている結果もしくは所望の結果をもたらすか、または装置の動作または方法が、その所期の目的を果たし得ないところまで悪影響を受けない程度のものであることを示している。
【００５４】
本明細書で説明されている主題は、教示、提案、および説明の目的のための例証として提供されており、限定または制限を行うものではない。図示の実施形態の組み合わせおよび代替形態は、考えられ、本明細書で説明され、特許請求の範囲に述べられる。図示され、説明されている実施形態および用途に厳密に従わずに、また以下の特許請求の範囲から逸脱することなく、本明細書で説明されている主題に対して、様々な修正および変更がなされ得る。
【００５５】
上で説明した主題は、例証としてのみ提供されており、限定として解釈されるべきではない。本明細書で図示され、説明されている例示的な実施形態および用途に従わずに、本明細書で説明されている主題に対して、様々な修正および変更がなされ得る。本明細書で提示されている主題は、構成要素、特徴、および動作に特有の言葉で説明されてきたが、添付の特許請求の範囲は、本明細書で説明されている特定の構成要素、特徴、または動作に必ずしも限定されないことが理解されるべきである。それどころか、特定の構成要素、特徴、および動作は、特許請求の範囲を実施する例示的な形態として開示されている。
【符号の説明】
【００５６】
１００  同期機
１１０  フレーム
１１０Ａ  開口部
１１０Ｂ  開放端部
１１０Ｃ  閉鎖端部
１１５  シャフト
１１５Ａ  中心線
１１５Ｂ  通路
１２０  主要セクション
１２５  励磁機セクション
１３０  固定子
１３５  回転子
１３７、１４２、１８０  導体
１４０  変圧器
１４０Ａ  一次巻線
１４０Ａ１  内半径
１４０Ａ２、１４０Ｂ２  容器
１４０Ｂ  二次巻線
１４０Ｂ１  外半径
１４５  整流器
１５０  固定セクション
１５５  回転セクション
１６０Ａ、１６０Ｂ  軸受
１６５  電気ライン
１７０  制御部
１７５  平面
１７５Ａ  第１の平面
１７５Ｂ  第２の平面
【図１】
2016073189.tif 000003
【図２】
2016073189.tif 000004
【図３】
2016073189.tif 000005
【外国語明細書】
2016073189000001.pdf