(57)【要約】【課題】多相モータおよび多相発電機として動作可能な電気機械とその使用方法を提供すること。【解決手段】電気機械を提供する。電気機械は、ステータ、ロータ、および複数のスイッチを含む。ステータは、主巻線と補助巻線を含む。ロータは、ステータに対してロータを回転させて少なくとも６相の交流ＡＣ電力を主巻線に発生させるように構成された原動機に結合可能である。複数のスイッチは、補助巻線とグループの主巻線の間でそれぞれ結合される。複数のスイッチは、複数のスイッチが閉じられるときに少なくとも６相を３相に変換するように構成される。【選択図】  図１
2017093287.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
補助巻線（２２０）と主巻線（２１０）を含み、前記主巻線（２１０）が前記主巻線（２１０）のグループにグループ分けされる、ステータ（１０４；３１０）と、
前記ステータ（１０４；３１０）に対して前記ロータ（１０６）を回転させて少なくとも６相の交流（ＡＣ）電力を前記主巻線（２１０）に発生させるように構成された原動機（１０８）に結合可能なロータ（１０６）と、
前記補助巻線（２２０）と前記グループの前記主巻線（２１０）の間でそれぞれ結合される複数のスイッチ（２６０；３２０）であって、前記複数のスイッチ（２６０；３２０）が閉じられるときに前記複数のスイッチ（２６０；３２０）が前記少なくとも６相を３相に変換するように構成される、複数のスイッチ（２６０；３２０）と、
を含む、電気機械（１０２；２００；３００）。
【請求項２】
前記複数のスイッチ（２６０；３２０）は、前記少なくとも６相のＡＣ電力を発生させるために前記原動機（１０８）が前記ロータ（１０６）を回転させるとき、開いており、前記複数のスイッチ（２６０；３２０）は、前記ロータ（１０６）をモータリング用に回転させるために３相ＡＣ電力が前記ステータ（１０４；３１０）に加えられるとき、閉じている、請求項１記載の電気機械（１０２；２００；３００）。
【請求項３】
前記補助巻線（２２０）は、前記複数のスイッチ（２６０；３２０）が開いているとき、減勢される、請求項２記載の電気機械（１０２；２００；３００）。
【請求項４】
前記主巻線（２１０）は、各相が他からシフトしている相を有している複数のセットの３相巻線を含む、請求項１記載の電気機械（１０２；２００；３００）。
【請求項５】
前記補助巻線（２２０）は、前記グループの前記主巻線（２１０）がそれぞれ前記補助巻線（２２０）と総計したときに前記３相と対応する共通電圧にのぼるように、それぞれの相および振幅を有する、請求項４記載の電気機械（１０２；２００；３００）。
【請求項６】
前記補助巻線（２２０）の前記それぞれの相および振幅は、前記補助巻線（２２０）のそれぞれのコイル長、コイル巻、およびコイルピッチの関数である、請求項５記載の電気機械（１０２；２００；３００）。
【請求項７】
前記ステータ（１０４；３１０）上の複数の追加の巻線であって、前記複数の追加の巻線が前記主巻線（２１０）と組み合わせて、前記原動機（１０８）が前記ロータ（１０６）を回転させるときに９相のＡＣ電力を発生させるように構成される、複数の追加の巻線を更に含み、
前記複数のスイッチ（２６０；３２０）は、前記複数の追加の巻線と前記グループの前記主巻線（２１０）の間で更にそれぞれ結合され、前記複数のスイッチ（２６０；３２０）が、前記９相を前記３相に変換するように更に構成される、請求項１記載の電気機械（１０２；２００；３００）。
【請求項８】
前記ロータ（１０６）は、回転するときに合計９相のＡＣ電力を前記主巻線（２１０）に発生させるように構成される、請求項１記載の電気機械（１０２；２００；３００）。
【請求項９】
主巻線（２１０）と補助巻線（２２０）を含み、多相の交流（ＡＣ）電力を発生させ且つ３相のＡＣ電力下でモータリングする、ために動作可能である電気機械（１０２；２００；３００）と、
３相ＡＣ電力下でモータリング時に前記補助巻線（２２０）を前記主巻線（２１０）に結合し且つ前記多相ＡＣ電力を発生させるときに前記補助巻線（２２０）を結合解除する、ように構成されたコントローラ（１１８）と、
前記多相ＡＣ電力を直流（ＤＣ）電力に整流するように構成された整流器（３４０、３５０）と、
前記整流器（３４０、３５０）の出力を組み合わせて前記ＤＣ電力をＤＣ出力電圧に変換するように構成された相間変圧器（３７０）と、
を含む、電気システム（１００）。
【請求項１０】
前記電気機械（１０２；２００；３００）は、
前記主巻線（２１０）と前記補助巻線（２２０）を含むステータ（１０４；３１０）と、
前記ステータ（１０４；３１０）に対して前記ロータ（１０６）を回転させて前記多相ＡＣ電力を前記主巻線（２１０）に発生させるように構成された原動機（１０８）に結合可能なロータ（１０６）と、
前記コントローラ（１１８）によって制御可能であり且つ前記補助巻線（２２０）とグループの前記主巻線（２１０）の間でそれぞれ結合される複数のスイッチ（２６０；３２０）であって、前記複数のスイッチ（２６０；３２０）が閉じられるときに前記複数のスイッチ（２６０；３２０）が前記多相ＡＣ電力を３相に変換するように構成された、複数のスイッチ（２６０；３２０）と、
を更に含む、請求項９記載の電気システム（１００）。
【請求項１１】
前記整流器（３４０、３５０）は、前記主巻線（２１０）のために出力端子（３９０）のそれぞれに結合された複数の多重パルス整流器（３４０、３５０）を含む、請求項９記載の電気システム（１００）。
【請求項１２】
前記整流器（３４０、３５０）のＤＣ出力を組み合わせて前記ＤＣ出力電圧を発生させるように構成されたフィルタ（３８０）を更に含む、請求項９記載の電気システム（１００）。
【請求項１３】
前記主巻線（２１０）は、２セットの３相巻線を含み、前記主巻線（２１０）は、６相ＡＣ電力を発生するように構成される、請求項９記載の電気システム（１００）。
【請求項１４】
前記補助巻線（２２０）は、前記２セットの３相巻線に結合可能である６つの補助巻線（２２０）を含む、請求項１３記載の電気システム（１００）。
【請求項１５】
補助ＤＣ電力を提供するように構成された補助電力源（１１４）と、
前記コントローラ（１１８）に結合され且つそれぞれのスイッチ（２６０；３２０）を介して前記電気機械（１０２；２００；３００）と前記補助電力源に更に結合可能であるＤＣバス（１１０）であって、前記ＤＣバスがモータリング時に前記補助電力源から前記電気機械（１０２；２００；３００）に電力を提供するように構成される、ＤＣバス（１１０）と、を更に含み、
前記コントローラ（１１８）は、スイッチ（１２４）を介してＡＣ負荷（１２０）に更に結合可能であり、前記コントローラ（１１８）は、前記ＤＣバスから前記ＡＣ負荷にＡＣ電力を提供するように更に構成される、請求項９記載の電気システム（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の分野は、一般に、多相電気機械に関し、特に、多相モータおよび多相発電機として動作可能な電気機械とその使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの公知の電気システムは、通常動作の経過中に電気的なモータリング（ｍｏｔｏｒｉｎｇ）と発電（ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）の双方を実行する。例えば、限定ではないが、航空機動力システムなどのある種の車両動力システムは、推進用のモータとして利用され、発電機として利用することもできる電気機械を含む。モータリングの間、補助源からの電力は、電気機械に加えられて、機械的負荷に取り付けられたロータを回転させる。機械的負荷は、例えば、限定ではないが、エンジンをかけるかまたは車両を加速させるために駆動シャフトを回転させることを含む。補助電力源は、例えば、限定ではないが、ＡＣ電力網、バッテリ、太陽電池アレイ、または任意の他の適切な機械的負荷用の電力源などの様々な交流（ＡＣ）と直流（ＤＣ）の電力源を含む。発電の間、原動機は、ロータを回転させてＡＣ電力を発生させる。発生したＡＣ電力は次いで、１つまたは複数のＡＣ負荷またはＤＣ負荷に分配される。
【０００３】
特定の公知の電気機械によって発生するＡＣ電力は、典型的には特定の電圧で１つまたは複数の相を備えて形成される。そういったＡＣ電力は、次いで変圧器によって妥当な電圧レベルに変換されて、所与のＡＣ負荷に動力供給し、更に整流器によってＤＣに変換されて、所与のＤＣ負荷に動力供給する。ＡＣ電力をＤＣ電力に整流すると、一般に、ＡＣ電力が多相、例えば、３相、６相、および、１２相であるとき、より高品質のＤＣ電力が生み出される。例えば、整流器の相シフトした出力は、組み合わされて、相シフトした高調波の消去のために低リップルの電圧および電流が形成される。同様に、補助電力下でのモータリングは、典型的には単相または３相の電力を利用する。その結果、モータリング（ｍｏｔｏｒ）と発電の双方を行う電気機械は、典型的には３相の電力を用いてそれを行う。
【０００４】
上述した公知のモータ−発電機電気機械を利用する多数の公知の電気システムは、一般に必要なモータリングと発電の機能を実行するために追加のパワーエレクトロニクスを含む。例えば、限定ではないが、公知の航空機動力システムは、自動変圧器ユニット（ａｕｔｏ−ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ  ｕｎｉｔ）（ＡＴＵ）と整流器とを含む自動変圧器整流器ユニット（ａｕｔｏ−ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ  ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ  ｕｎｉｔ）（ＡＴＲＵ）を含むことがある。発電のとき、ＡＴＵは、発生した３相電力を高次の多相電力、すなわち、６相以上、に変換する。多相電力は、次いでＤＣに整流され、ＡＣまたはＤＣ電気的負荷に分配される。多相電力に次いでＤＣ電力に変換するために使用する追加のパワーエレクトロニクスは、多くの場合、電気機械自体とほとんど同じ重さである。電気システムにおける重さの追加は、効率を低下させる。更に、必要な変圧器と整流器は、典型的にはそれら自体が損失を持っており、例えば、限定ではないが、転流損失と寄生損失を含んでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７８３０６８１号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施態様では、電気機械を提供する。電気機械は、ステータ、ロータ、および複数のスイッチを含む。ステータは、主巻線と補助巻線を含む。ロータは、ステータに対してロータを回転させて少なくとも６相の交流（ＡＣ）電力を主巻線に発生させるように構成された原動機に結合可能である。複数のスイッチは、補助巻線とグループの主巻線の間でそれぞれ結合される。複数のスイッチは、複数のスイッチが閉じられるときに少なくとも６相を３相に変換するように構成される。
【０００７】
他の実施態様では、電気機械を使用する方法を提供する。方法は、少なくとも６相の交流（ＡＣ）電力を電気機械のステータの主巻線に発生させることを含む。方法は、ステータの補助巻線をグループの主巻線に結合して少なくとも６相を３相に変換することを更に含む。方法は、電気機械の３相に加えられた補助ＡＣ電力下でモータリングすることを更に含む。
【０００８】
別の実施態様では、電気システムを提供する。電気システムは、電気機械、コントローラ、整流器、および変圧器を含む。電気機械は、主巻線と補助巻線を含む。電気機械は、多相交流（ＡＣ）電力を発生させるために動作可能であり、更に、３相ＡＣ電力下でモータリングするために動作可能である。コントローラは、３相ＡＣ電力下でモータリング時に補助巻線を主巻線に結合するように構成される。コントローラは、多相ＡＣ電力を発生させるときに補助巻線を結合解除するように更に構成される。整流器は、多相ＡＣ電力を直流（ＤＣ）電力に整流するように構成される。変圧器は、ＤＣ電力をＤＣ出力電圧に変換するように構成される。
【０００９】
本開示のこれらや他の特徴、態様、および利点については、図面全体にわたって同じ符号が同じ部品を指す添付の図面を参照して、以下の詳細な説明を解釈するとき、良好に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】例示的な電気システムの概略図である。
【図２】図１に示した電気システムで使用するための例示的な電気機械用の巻線の概略図である。
【図３】図１に示した電気システムで使用するための例示的な電気機械の概略図である。
【図４】図２および３に示した電気機械用の相図である。
【図５】図１、図２および３に示した電気機械などの電気機械を使用する例示的な方法の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
別段の表示がない限り、本明細書で提供する図面は、本開示の実施形態の特徴を示すことを意味している。これらの特徴は、本開示の１つまたは複数の実施形態を含む幅広い多様なシステムに適用可能であると考える。そういったように、図面は、本明細書に開示した実施形態の実施に必要とされる当業者に公知の従来の特徴をすべて含むことを意味していない。
【００１２】
以下の明細書と特許請求の範囲では、以下の意味を有するいくつかの用語を参照する。
【００１３】
単数形「１つ（ａ）」、「１つ（ａｎ）」、および「その（ｔｈｅ）」は、文脈上別に規定することが明らかな場合を除いて複数の対象を含む。
【００１４】
「任意選択の（ｏｐｔｉｏｎａｌ）」または「任意選択で（ｏｐｔｉｏｎａｌｌｙ）」は、その後に記載する事象若しくは事件が起き得るかまたは起き得ないこと、更に、その記載がその事象の起きる場合と起きない場合とを含むこと、を意味する。
【００１５】
「結合可能（ｃｏｕｐｌａｂｌｅ）」は、容易に結合され且つ互いから結合解除される２つ以上の対象の特性である。結合および結合解除は、例えば、限定ではないが、電気式または機械式にすることがある。結合は、直接でもよく、あるいは、結合と結合解除を円滑にするために追加の構成要素を含んでいてもよい。例えば、２つの電気回路は、１つまたは複数のスイッチを介して結合可能にすることがある。同様に、２つの機械式の構成要素は、ファスナにより、あるいは、歯車装置を介して結合可能にすることがある。
【００１６】
近似させる用語は、本明細書および特許請求の範囲の全体にわたりここに使用したように、許される変更が可能な任意の数量表示を修正するために適用することができ、それが関連する基本機能の変更を招くことがない。したがって、「約（ａｂｏｕｔ）」、「約（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」、および、「実質上（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」などの１つまたは複数の用語によって修正される数値は、その指示した数値に厳格に限定されるべきではない。少なくともいくつかの場合、近似させる用語は、その値を測定するための機器の精度に対応することがある。ここで本明細書および特許請求の範囲の全体にわたり、範囲の限定は、組合せおよび／または交換を行うことができ、そういった範囲は、文脈上や用語上別に規定することが明らかな場合を除き、同一視されると共にその中に含まれる部分範囲のすべてを含む。
【００１７】
本開示の実施形態は、多相電気機械に関する。本明細書に記載した電気機械は、多相発電と３相モータリングの能力を提供する。更に、本明細書に記載した電気機械は、モータリングの間、１セットの補助巻線を利用する。補助巻線は、特定の相と振幅を有するように設計され、したがって、その個々が対応する主巻線と組み合わされて、多相電気機械が３相電気機械に変換され、これにより、補助３相入力電力下でのモータリングが円滑になる。補助巻線は、電気機械が発電している間、減勢される。本明細書に記載した電気機械は、発生した多相ＡＣ電力をＤＣ出力電圧に変換するため、例えば、限定ではないが、整流器、フィルタ、および変圧器などのパワーエレクトロニクスを更に含む。
【００１８】
図１は、例示的な電気システム１００の概略図である。電気システム１００は、モータ／発電機１０２などの電気機械を含む。モータ／発電機１０２は、ステータ１０４とロータ１０６を含む。発電の間、ロータ１０６は、原動機１０８に結合可能であり、原動機１０８は、モータ／発電機１０２がモータリングしているときに、ステータ１０４に対してロータ１０６を回転させる。ある種の実施形態では、原動機１０８は、モータ／発電機１０２が発電しているときに、ロータ１０６から結合解除される。原動機１０８は、一般にエンジン、タービン、または任意の他の適切な機械的エネルギ源に結合された駆動シャフトを含む。原動機１０８は、ある種の実施形態では、ギヤボックス（図示せず）を介してロータ１０６に結合される。ロータ１０６は、ステータ１０４に対して回転するので、多相ＡＣ電力は、ステータ１０４で発生する。多相電力は、分配のためにＤＣ電力に変換される。
【００１９】
モータリングの間、ステータ１０４に加えられる電力は、ロータ１０６を回転させ、それは機械的負荷に結合可能である。機械的負荷は、ある種の実施形態では、エンジンをクランク作動させることを含む。機械的負荷は、例えば、限定ではないが、タービン、ドラム、および推進システムを含む任意の他の適切な機械的負荷を含むことがある。
【００２０】
電気システム１００は、発電機切断スイッチ１１２を介してモータ／発電機１０２のステータ１０４に結合可能であるＤＣメインバス１１０を含む。モータ／発電機１０２によって発生するＤＣ電力は、分配のためにＤＣメインバス１１０に供給される。電気システム１００は、補助電力切断スイッチ１１６を介してＤＣメインバス１１０に結合可能である補助電力源１１４を更に含む。発電の間、発電機切断スイッチ１１２は、閉じられて、モータ／発電機１０２がＤＣメインバス１１０を付勢できる。ある種の実施形態では、補助電力切断スイッチ１１６は、発電の間、開いている。他の実施形態では、補助電力切断スイッチ１１６は、補助電力源１１４のチャージを円滑にするために閉じられる。モータリングの間、発電機切断スイッチ１１２は、開かれ、補助電力切断スイッチ１１６は、閉じられる。補助電力源１１４は、ＤＣメインバス１１０を付勢して、最終的にモータ／発電機１０２のロータ１０６を回転させるために電力を提供する。補助電力源１１４は、ある種の実施形態では、電気エネルギを貯蔵するためのバッテリまたは他の適切なエネルギリザーバを含む。ある種の実施形態では、補助電力源１１４は、光電池、風力発電機、燃焼発電機、または他の適切な電力源を含む。
【００２１】
電気システム１００は、ＤＣメインバス１１０に結合されたコントローラ１１８を更に含む。モータリングの間、コントローラ１１８は、ＤＣメインバス１１０を介してモータ／発電機１０２のステータ１０４に提供される補助電力を調節するために構成される。コントローラ１１８は、ある種の実施形態では、ＡＣ負荷１２０に動力供給するためとモータ／発電機１０２をクランク作動させるためとに適した、ＤＣメインバス１１０からのＤＣ電力をＡＣ電力に変換するためのパワーエレクトロニクスを含む。そういったパワーエレクトロニクスは、例えば、限定ではないが、３相インバータを含む。コントローラ１１８は、モータ切断スイッチ１２２を介してＤＣメインバス１１０からステータ１０４に電力を提供する。コントローラ１１８は、負荷切断スイッチ１２４を介してＡＣ負荷１２０に電力を提供する。
【００２２】
ある種の実施形態では、電気システム１００は、先ずモータとして動作し、モータ／発電機１０２は、補助電力源１１４からの補助電力下でロータ１０６をクランク作動させて、エンジンをかける。モータリングの間、ある種の実施形態では、補助電力は、ステータ１０４だけに提供され、ＡＣ負荷１２０には分配されない。いったんエンジンが妥当な速度に達すると、電気システムは、発電に移行し、エンジンは、原動機１０８として動作する。発電の間、補助電力源１１４は、切断され、発生したＤＣ電力は、ＤＣメインバス１１０に加えられて、ＡＣ負荷１２０に分配される。
【００２３】
図２は、電気システム１００（図１に示した）で使用するための例示的な電気機械２００用の巻線の概略図である。電気機械２００は、主巻線２１０と補助巻線２２０を含む。主巻線２１０は、電気機械２００が発電機として作動している間、使用される。モータリングの間、電気機械２００は、主巻線２１０と補助巻線２２０の双方を使用する。電気機械２００は、２セットの３相（Ａ１、Ｂ１、Ｃ１と、Ａ２、Ｂ２、Ｃ２）に編成される６つの主巻線を含んでおり、これらのセットは、中性線２３０および２４０すなわちＮ１およびＮ２で補完される。
【００２４】
代替実施形態では、電気機械２００は、３より大きい任意の数の相を含む。例えば、ある種の実施形態は、６相、９相、および１２相などの３相の増分を含む。そういった実施形態の多相電力出力は、整流したＤＣ出力電力の高調波特性を改善する。
【００２５】
発電の間、電気機械２００は、巻線端子２５０でＡＣ電力を発生させる。更に、電気機械２００は、スイッチ２６０を開くことによって、補助巻線２２０を減勢して、補助巻線２２０が、端子Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ａ２、Ｂ２、およびＣ２で形成されるＡＣ電圧から分離される。主巻線２１０によって発生するＡＣ電圧は、相差によって他からそれぞれ相シフトされる。相差は、ある種の実施形態では、すべての相の間で一定である。代替実施形態では、相差は、相の間で様々である。
【００２６】
モータリングの間、電気機械２００は、主巻線２１０と補助巻線２２０を使用する。スイッチ２６０は、閉じられて、主巻線２１０のいくつかが補助巻線２２０のいくつかと結合される。主巻線を補助巻線と結合することは、各巻線の相のベクトル和に影響を及ぼし、３つ共通相がもたらされる。３相電力は、端子Ｘ１、Ｙ１、およびＺ１を介してこれらの共通相に加えられる。
【００２７】
補助巻線２２０の相と振幅すなわち電圧は、コイルの巻数、スロットシフト、コイル長、およびコイルスパン若しくはピッチの関数である。補助巻線２２０の個々は、主巻線２１０の１つと総計するように設計され、したがって、その結果生じる相と振幅は、主巻線２１０の他の１つまたは複数と共通する。電気機械２００は、６つの主巻線２１０を含み、それは、Ａ１およびＡ２、Ｂ１およびＢ２、Ｃ１およびＣ２のグループにグループ分けされる。補助巻線Ｙ１が主巻線Ａ１と総計されると、その結果生じる相と振幅は、Ｙ２と総計される主巻線Ａ２のそれと共通し、それらの端子は、結合することができる。同様に、補助巻線Ｘ１は、主巻線Ｂ１と総計され、補助巻線Ｚ１は、主巻線Ｃ１と総計される。スイッチ２６０が閉じているので、電気機械２００は、３相モータとして動作可能である。
【００２８】
代替実施形態では、スイッチ２６０は、スイッチ２６０が開いているときに電気機械２００が３相モータとして動作可能であり、スイッチ２６０が閉じているときに電気機械２００が発電機として更に動作可能である、ように構成される。
【００２９】
図３は、電気システム１００（図１に示した）で使用するための例示的な電気機械３００の概略図である。電気機械３００は、６相機械であり、主巻線Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ａ２、Ｂ２、およびＣ２と補助巻線Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１、Ｘ２、Ｙ２、およびＺ２とを有するステータ３１０を含む。ステータ３１０は、更に中性線Ｎ１およびＮ２を含む。補助巻線Ｘ１、Ｙ１、Ｚ１、Ｘ２、Ｙ２、およびＺ２は、スイッチ３２０を閉じることによって使用可能となり、電気機械３００が、モータリング端子３３０で、３相モータ電力に変換される。スイッチ３２０は、補助巻線を主巻線と結合させ、したがって、補助巻線の個々は、３相機械を形成するためにベクトル的に主巻線と総計される。
【００３０】
発電の間、多相ＡＣ電力は、主巻線Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ａ２、Ｂ２、およびＣ２上に発生する。多相ＡＣ電力は、整流器３４０および３５０を通過して、ＤＣ電力を形成する。ＤＣ電力は、次いで変圧器３６０および３７０、その後にフィルタ３８０を通過して、発電機端子３９０に出力ＤＣ電力を形成する。
【００３１】
図４は、電気機械２００および３００（それぞれ図２及び３に示す）の相図４００である。相図４００は、６相機械の発電相プロット４１０とモータリング相プロット４２０を含む。
【００３２】
発電相プロット４１０では、６つの主巻線に対応する６つの相が図示されている（Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ａ２、Ｂ２、およびＣ２）。６つの相は、２つの３相のセットに配列され、３相の個々は、他方から１２０度だけシフトされる。更に、３相のセットは、互いから３０度だけ相シフトされる。発電の間、ＡＣ電圧は、６つの相の個々で発生し、各相は互いからシフトしている。
【００３３】
モータリング相プロット４２０では、主相Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ａ２、Ｂ２、およびＣ２が示されている。モータリング相プロット４２０は、更に補助巻線Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２、Ｚ１、およびＺ２を図示している。モータリング相プロット４２０が更に図示していることは、補助巻線が主巻線に結合されるとき、６相機械は、相Ａ、相Ｂ、および相Ｃを有する３相機械に変換される、ということである。相Ａは、主相Ａ１およびＡ２と補助相Ｙ１およびＹ２の組合せである。主巻線Ａ１が補助巻線Ｙ１に結合されるとき、それぞれの相と振幅の総計は、相Ａの相と振幅である。同様に、主巻線Ａ２が補助巻線Ｙ２に結合されるとき、それぞれの相と振幅の総計は、相Ａの相と振幅である。同様に、相Ｂは、主相Ｂ１およびＢ２と補助相Ｘ１およびＸ２の組合せであり、相Ｃは、主相Ｃ１およびＣ２と補助相Ｚ１およびＺ２の組合せである。
【００３４】
補助巻線Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２、Ｚ１、およびＺ２の個々は、それらの相および振幅の、主巻線Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ａ２、Ｂ２、およびＣ２のうちの１つのものとのベクトル和が、主巻線のうちの他のものを備えた共通相および振幅を形成するように、設計される。例えば、モータリング相プロット４２０に示されるように、補助巻線Ｙ１は、相および振幅を形成するように、コイル長、巻数、コイルピッチ、およびスロット位置を有し、この相および振幅は、主巻線Ａ１と結合されたときに、主巻線Ａ２と補助巻線Ｙ２の和を備えた共通相および振幅である相Ａの相および振幅を形成する。
【００３５】
代替実施形態では、補助巻線Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２、Ｚ１、およびＺ２は、主巻線Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ａ２、Ｂ２、およびＣ２のうちの１セットの３相と結合される。例えば、補助巻線Ｙは、主巻線Ａ２と結合され、相ＹとＡ２のベクトル和は、Ａ１となる。中間の相Ａがもたらされるというよりも、モータリング相プロット４２０に示されているように、共通相および振幅は、単に相Ａ１である。
【００３６】
図５は、電気機械１０２、２００、および３００（それぞれ図１、２、及び３に示す）などの電気機械を使用する例示的な方法５００の流れ図である。次に図１、２、および５を参照すると、方法５００は、スタートステップ５１０で開始する。発電ステップ５２０で、ＡＣ電力の６つの相は、ステータ１０４の主巻線２１０で発生する。ある種の実施形態では、ＡＣ電力の６つの相は、整流器、変圧器、およびフィルタを通過して、ＤＣ出力電圧を形成する。
【００３７】
結合ステップ５３０では、補助巻線２２０は、スイッチ２６０によって主巻線２１０に結合される。補助巻線２２０と主巻線２１０の結合は、６相から３相への変換をもたらし、モータリングのために補助の３相電力を主巻線２１０と補助巻線２２０に加えるのが円滑になる。モータリングステップ５４０では、電気機械１０２は、３つの相を使用する補助の３相電力下でモータリングする。方法５００は、エンドステップ５５０で終了する。
【００３８】
上述した多相電気機械は、多相発電と３相モータリングの能力を提供する。本明細書に記載した電気機械は、モータリングの間、１セットの補助巻線を利用する。補助巻線は、特定の相と振幅を有するように設計され、したがって、その個々が対応する主巻線と組み合わされて、多相電気機械が３相電気機械に変換され、これにより、補助３相入力電力下でのモータリングが円滑になる。補助巻線は、発電している間、減勢される。本明細書に記載した電気機械は、発生した多相ＡＣ電力をＤＣ出力電圧に変換するため、例えば、限定ではないが、整流器、フィルタ、および変圧器などのパワーエレクトロニクスを更に含む。
【００３９】
本明細書に記載した方法、システム、および装置の例示的な技術的効果は、（ａ）単一の電気機械パッケージでの３相モータリングと多相発電、（ｂ）電力調整と相シフトのために必要なパワーエレクトロニクスの削減、（ｃ）パワーエレクトロニクスの削除による電気システムの軽量化、（ｄ）電気機械パッケージへの整流器、変圧器、およびフィルタの組み込み、（ｅ）損失の多いパワーエレクトロニクスの削除を介した電気システムの効率改善、および、（ｆ）軽量化を介したシステム全体の効率改善、のうちの少なくとも１つを含む。
【００４０】
多相電気機械用の方法、システム、および装置の例示的な実施形態は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されないし、むしろ、システムの構成要素および／または方法のステップは、本明細書に記載した他の構成要素および／またはステップから独立して別々に利用してもよい。例えば、方法は、他の非従来的な多相電気機械と組み合わせて使用してもよく、また、本明細書に記載したようなシステムと方法だけによる実施に限定されない。むしろ、例示的な実施形態は、削減されたコスト、軽減された複雑さ、商業的入手性、高温での改善された信頼性、および増加した記憶容量、から利益を得る可能性のある多くの他の用途、機器、およびシステムと関連して、実施および利用することができる。
【００４１】
本開示の様々な実施形態の特有の特徴が、幾つかの図面には示され、他ではそうでないこともあるが、それは単に便宜のためである。本開示の原理に従い、図面の任意の特徴は、任意の他の図面の任意の特徴と組み合わせて参照および／または権利請求することができる。
【００４２】
ここに記載した説明は、例を用いて、ベストモードを含めて本実施形態を開示していると共に、任意のデバイスやシステムを作成および使用することと任意の組み入れた方法を実行することとを含めて任意の当業者が本実施形態を実施できるようにもしている。特許性を有する本開示の範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者の想到する他の例を含むことができる。そういった他の例は、特許請求の範囲の文字通りの用語と異ならない構造要素を有する場合に、あるいは、特許請求の範囲の文字通りの用語に対する差異の実体がない等価な構造要素を含む場合に、特許請求の範囲の範囲内にあることが意図される。
【００４３】
最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
補助巻線（２２０）と主巻線（２１０）を含み、前記主巻線（２１０）が前記主巻線（２１０）のグループにグループ分けされる、ステータ（１０４；３１０）と、
前記ステータ（１０４；３１０）に対してロータ（１０６）を回転させて少なくとも６相の交流（ＡＣ）電力を前記主巻線（２１０）に発生させるように構成された原動機（１０８）に結合可能なロータ（１０６）と、
前記補助巻線（２２０）と前記グループの前記主巻線（２１０）の間でそれぞれ結合される複数のスイッチ（２６０；３２０）であって、前記複数のスイッチ（２６０；３２０）が閉じられるときに前記複数のスイッチ（２６０；３２０）が前記少なくとも６相を３相に変換するように構成される、複数のスイッチ（２６０；３２０）と、
を含む、電気機械（１０２；２００；３００）。
［実施態様２］
前記複数のスイッチ（２６０；３２０）は、前記少なくとも６相のＡＣ電力を発生させるために前記原動機（１０８）が前記ロータ（１０６）を回転させるとき、開いており、前記複数のスイッチ（２６０；３２０）は、前記ロータ（１０６）をモータリング用に回転させるために３相ＡＣ電力が前記ステータ（１０４；３１０）に加えられるとき、閉じている、実施態様１に記載の電気機械（１０２；２００；３００）。
［実施態様３］
前記補助巻線（２２０）は、前記複数のスイッチ（２６０；３２０）が開いているとき、減勢される、実施態様２に記載の電気機械（１０２；２００；３００）。
［実施態様４］
前記主巻線（２１０）は、各相が他からシフトしている相を有している複数のセットの３相巻線を含む、実施態様１に記載の電気機械（１０２；２００；３００）。
［実施態様５］
前記補助巻線（２２０）は、前記グループの前記主巻線（２１０）がそれぞれ前記補助巻線（２２０）と総計したときに前記３相と対応する共通電圧にのぼるように、それぞれの相および振幅を有する、実施態様４に記載の電気機械（１０２；２００；３００）。
［実施態様６］
前記補助巻線（２２０）の前記それぞれの相および振幅は、前記補助巻線（２２０）のそれぞれのコイル長、コイル巻、およびコイルピッチの関数である、実施態様５に記載の電気機械（１０２；２００；３００）。
［実施態様７］
前記ステータ（１０４；３１０）上の複数の追加の巻線であって、前記複数の追加の巻線が前記主巻線（２１０）と組み合わせて、前記原動機（１０８）が前記ロータ（１０６）を回転させるときに９相のＡＣ電力を発生させるように構成される、複数の追加の巻線を更に含み、
前記複数のスイッチ（２６０；３２０）は、前記複数の追加の巻線と前記グループの前記主巻線（２１０）の間で更にそれぞれ結合され、前記複数のスイッチ（２６０；３２０）が、前記９相を前記３相に変換するように更に構成される、実施態様１に記載の電気機械（１０２；２００；３００）。
［実施態様８］
前記ロータ（１０６）は、回転するときに合計９相のＡＣ電力を前記主巻線（２１０）に発生させるように構成される、実施態様１に記載の電気機械（１０２；２００；３００）。
［実施態様９］
電気機械（１０２；２００；３００）を使用する方法であって、
少なくとも６相の交流（ＡＣ）電力を前記電気機械（１０２；２００；３００）のステータ（１０４；３１０）の主巻線（２１０）に発生させることと、
前記ステータ（１０４；３１０）の補助巻線（２２０）をグループの前記主巻線（２１０）に結合して前記少なくとも６相を３相に変換することと、
前記電気機械（１０２；２００；３００）の前記３相に加えられた補助ＡＣ電力下でモータリングすることと、
を含む、方法。
［実施態様１０］
前記ステータ（１０４；３１０）の前記主巻線（２１０）に発生する前記６相ＡＣ電力を整流することと、
整流した電力信号をフィルタ処理して直流（ＤＣ）電力出力を形成することと、
を更に含む、実施態様９に記載の方法。
［実施態様１１］
前記少なくとも６相のＡＣ電力を発生させることは、
前記ステータ（１０４；３１０）に対してロータ（１０６）を回転させることと、
前記主巻線（２１０）のために相シフトしたＡＣ電圧を出力端子に形成することと、
を含む、実施態様９に記載の方法。
［実施態様１２］
補助巻線（２２０）をグループの前記主巻線（２１０）に結合することは、前記主巻線（２１０）の個々と対応する補助巻線（２２０）の間で結合されるそれぞれのスイッチ（２６０；３２０）を閉じることを含む、実施態様９に記載の方法。
［実施態様１３］
前記少なくとも６相のＡＣ電力を発生させる間、前記補助巻線（２２０）を減勢することを更に含む、実施態様９に記載の方法。
［実施態様１４］
前記補助巻線（２２０）の個々は、対応する主巻線（２１０）の対応する相および振幅と総計したときに、前記３相のうちの１つのための電圧および相にのぼるように、相および振幅を有する、実施態様９に記載の方法。
［実施態様１５］
主巻線（２１０）と補助巻線（２２０）を含み、多相の交流（ＡＣ）電力を発生させ且つ３相のＡＣ電力下でモータリングする、ために動作可能である電気機械（１０２；２００；３００）と、
３相ＡＣ電力下でモータリング時に前記補助巻線（２２０）を前記主巻線（２１０）に結合し且つ前記多相ＡＣ電力を発生させるときに前記補助巻線（２２０）を結合解除する、ように構成されたコントローラ（１１８）と、
前記多相ＡＣ電力を直流（ＤＣ）電力に整流するように構成された整流器（３４０、３５０）と、
前記整流器（３４０、３５０）の出力を組み合わせて前記ＤＣ電力をＤＣ出力電圧に変換するように構成された相間変圧器（３７０）と、
を含む、電気システム（１００）。
［実施態様１６］
前記電気機械（１０２；２００；３００）は、
前記主巻線（２１０）と前記補助巻線（２２０）を含むステータ（１０４；３１０）と、
前記ステータ（１０４；３１０）に対して前記ロータ（１０６）を回転させて前記多相ＡＣ電力を前記主巻線（２１０）に発生させるように構成された原動機（１０８）に結合可能なロータ（１０６）と、
前記コントローラ（１１８）によって制御可能であり且つ前記補助巻線（２２０）とグループの前記主巻線（２１０）の間でそれぞれ結合される複数のスイッチ（２６０；３２０）であって、前記複数のスイッチ（２６０；３２０）が閉じられるときに前記複数のスイッチ（２６０；３２０）が前記多相ＡＣ電力を３相に変換するように構成された、複数のスイッチ（２６０；３２０）と、
を更に含む、実施態様１５に記載の電気システム（１００）。
［実施態様１７］
前記整流器（３４０、３５０）は、前記主巻線（２１０）のために出力端子（３９０）のそれぞれに結合された複数の多重パルス整流器（３４０、３５０）を含む、実施態様１５に記載の電気システム（１００）。
［実施態様１８］
前記整流器（３４０、３５０）のＤＣ出力を組み合わせて前記ＤＣ出力電圧を発生させるように構成されたフィルタ（３８０）を更に含む、実施態様１５に記載の電気システム（１００）。
［実施態様１９］
前記主巻線（２１０）は、２セットの３相巻線を含み、前記主巻線（２１０）は、６相ＡＣ電力を発生するように構成される、実施態様１５に記載の電気システム（１００）。
［実施態様２０］
前記補助巻線（２２０）は、前記２セットの３相巻線に結合可能である６つの補助巻線（２２０）を含む、実施態様１９に記載の電気システム（１００）。
［実施態様２１］
補助ＤＣ電力を提供するように構成された補助電力源（１１４）と、
前記コントローラ（１１８）に結合され且つそれぞれのスイッチ（２６０；３２０）を介して前記電気機械（１０２；２００；３００）と前記補助電力源に更に結合可能であるＤＣバス（１１０）であって、前記ＤＣバスがモータリング時に前記補助電力源から前記電気機械（１０２；２００；３００）に電力を提供するように構成される、ＤＣバス（１１０）と、を更に含み、
前記コントローラ（１１８）は、スイッチ（１２４）を介してＡＣ負荷（１２０）に更に結合可能であり、前記コントローラ（１１８）は、前記ＤＣバスから前記ＡＣ負荷にＡＣ電力を提供するように更に構成される、実施態様１５に記載の電気システム（１００）。
【符号の説明】
【００４４】
１００  電気システム
１０２  モータ／発電機
１０４  ステータ
１０６  ロータ
１０８  原動機
１１０  ＤＣメインバス
１１２  発電機切断スイッチ
１１４  補助電力源
１１６  補助電力切断スイッチ
１１８  コントローラ
１２０  ＡＣ負荷
１２２  モータ切断スイッチ
１２４  負荷切断スイッチ
２００  電気機械
２１０  主巻線
２２０  補助巻線
２３０  中性線
２４０  中性線
２５０  巻線端子
２６０  スイッチ
３００  電気機械
３１０  ステータ
３２０  スイッチ
３３０  モータリング端子
３４０  整流器
３５０  整流器
３６０  変圧器
３７０  変圧器
３８０  フィルタ
３９０  発電機端子
４００  相図
４１０  発電相プロット
４２０  モータリング相プロット
５００  方法
５１０  スタートステップ
５２０  発電ステップ
５３０  結合ステップ
５４０  モータリングステップ
５５０  エンドステップ
Ａ１  主巻線
Ａ２  主巻線
Ｂ１  主巻線
Ｂ２  主巻線
Ｃ１  主巻線
Ｃ２  主巻線
Ｘ１  補助巻線
Ｘ２  補助巻線
Ｙ１  補助巻線
Ｙ２  補助巻線
Ｚ１  補助巻線
Ｚ２  補助巻線
Ａ  主巻線
Ｂ  主巻線
Ｃ  主巻線
Ｘ  主巻線
Ｙ  主巻線
Ｚ  主巻線
【図１】
2017093287.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2017093287.tif 000006
【図５】
2017093287.tif 000007
【外国語明細書】
2017093287000001.pdf