(57)【要約】  共振磁界励磁機中の漏れインダクタンスとコンデンサの共振を利用しエネルギーを回転式界磁巻線に伝送する、巻線界磁型同期機用ブラシレス磁界励磁機。この励磁機は、５０ｋＨｚを超える周波数での共振により、全ての出力レベルで同期巻線界磁型電動機の全体のサイズと重量を減らし、同期巻線界磁型機の実用上及び経済的な出力限界を数馬力及び分数馬力の機器にまで引き下げ、この出力帯で高効率の電動機及び発電機に現在使われている永久磁石を不要にする。【選択図】図１
2017516444.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トルク生成のためにロータ巻線を有しロータ磁石を有しない巻線界磁型同期機と、
電圧及び駆動周波数を有する少なくとも１つの矩形波ＡＣ電圧発電機と、
前記矩形波ＡＣ発電機に接続された少なくとも１つの共振磁界励磁機であって、回転型基準フレームと、固定型基準フレームと、可変漏れインダクタンスを持ち共振コンデンサに直列接続された回転変圧器を備えた共振回路とを有し、少なくとも５０ｋＨｚの共振周波数で共振モードで動作するようにした共振磁界励磁機と、
前記矩形波ＡＣ発電機及び前記共振磁界励磁機に接続された制御装置であって、前記共振磁界励磁機への電圧と電流を測定し、前記共振周波数を追跡し、ＡＣ電流の伝送が最大となるように、前記駆動周波数が前記共振周波数に実質的に一致するよう調節するようにした制御装置と、
前記共振磁界励磁機及び前記巻線界磁型同期機に接続され、前記ＡＣ電流を前記巻線界磁型同期機の前記ロータ巻線に流す前にＤＣ電流に変換するようにした整流器と
を備えた装置。
【請求項２】
前記巻線界磁型同期機は１０馬力以下の出力レベルで動作するようにした請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記巻線界磁型同期機は１０馬力を超える出力レベルで動作するようにした請求項１記載の装置。
【請求項４】
１つの矩形波ＡＣ電圧発電機と１つの共振磁界励磁機のある請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記巻線界磁型同期機はＡＣ電動機、ＡＣ発電機、及びＤＣ発電機からなる群のものである請求項１記載の装置。
【請求項６】
前記回転変圧器は、固定式の１次側と回転式の２次側を有し、これらが前記可変漏れインダクタンスを生む間隙を形成するようにされており、
前記共振コンデンサは前記回転変圧器に接続され、５０ｋＨｚ以上の周波数で前記可変漏れインダクタンスと共振するようにされており、
前記制御装置は、前記回転変圧器１次側を駆動するための可変周波数矩形波ＡＣ電圧信号を生成するようにされている
請求項１記載の装置。
【請求項７】
前記巻線界磁型同期機の効率は少なくとも９０パーセントである請求項１記載の装置。
【請求項８】
前記共振回路は前記回転型基準フレーム又は前記固定型基準フレームのいずれかにあってよい請求項１記載の装置。
【請求項９】
巻線界磁型同期機のためのロータ巻線と、
電圧及び駆動周波数を有する少なくとも１つの矩形波ＡＣ電圧発電機と、
前記矩形波ＡＣ発電機に接続された少なくとも１つの共振磁界励磁機であって、回転型基準フレームと、固定型基準フレームと、可変漏れインダクタンスを持ち共振コンデンサに直列接続された回転変圧器を備えた共振回路とを有し、少なくとも５０ｋＨｚの共振周波数で共振モードで動作するようにした共振磁界励磁機と、
前記矩形波ＡＣ発電機及び前記共振磁界励磁機に接続された制御装置であって、前記共振磁界励磁機への電圧と電流を測定し、前記共振周波数を追跡し、ＡＣ電流の伝送が最大となるように、前記駆動周波数が前記共振周波数に実質的に一致するよう調節するようにした制御装置と、
前記共振磁界励磁機及び前記巻線界磁型同期機のロータ巻線に接続され、前記ＡＣ電流を前記ロータ巻線に流す前にＤＣ電流に変換するようにした整流器と
を備えた装置。
【請求項１０】
前記巻線界磁型同期機は１０馬力以下の出力レベルで動作するようにした請求項９記載の装置。
【請求項１１】
前記巻線界磁型同期機は１０馬力を超える出力レベルで動作するようにした請求項９記載の装置。
【請求項１２】
１つの矩形波ＡＣ電圧発電機と１つの共振磁界励磁機のある請求項９記載の装置。
【請求項１３】
前記回転変圧器は、固定式の１次側と回転式の２次側を有し、これらが前記可変漏れインダクタンスを生む間隙を形成するようにされており、
前記共振コンデンサは前記回転変圧器に接続され、５０ｋＨｚ以上の周波数で前記可変漏れインダクタンスと共振するようにされており、
前記制御装置は、前記回転変圧器１次側を駆動するための可変周波数矩形波ＡＣ電圧信号を生成するようにされている
請求項９記載の装置。
【請求項１４】
前記共振回路は前記回転型基準フレーム又は前記固定型基準フレームのいずれかにあってよい請求項９記載の装置。
【請求項１５】
電圧及び駆動周波数を有する少なくとも１つの矩形波ＡＣ電圧発電機と、
前記矩形波ＡＣ発電機に接続された少なくとも１つの共振磁界励磁機であって、回転型基準フレームと、固定型基準フレームと、可変漏れインダクタンスを持ち共振コンデンサに直列接続された回転変圧器を備えた共振回路とを有し、少なくとも５０ｋＨｚの共振周波数で共振モードで動作するようにした共振磁界励磁機と、
前記矩形波ＡＣ発電機及び前記共振磁界励磁機に接続された制御装置であって、前記共振磁界励磁機への電圧と電流を測定し、前記共振周波数を追跡し、ＡＣ電流の伝送が最大となるように、前記駆動周波数が前記共振周波数に実質的に一致するよう調節するようにした制御装置と、
前記共振磁界励磁機及に接続され、前記ＡＣ電流を巻線界磁型同期機のロータ巻線に流す前にＤＣ電流に変換するようにした整流器と
を備えた装置。
【請求項１６】
前記巻線界磁型同期機は１０馬力以下の出力レベルで動作するようにした請求項１５記載の装置。
【請求項１７】
前記巻線界磁型同期機は１０馬力を超える出力レベルで動作するようにした請求項１５記載の装置。
【請求項１８】
１つの矩形波ＡＣ電圧発電機と１つの共振磁界励磁機のある請求項１５記載の装置。
【請求項１９】
前記回転変圧器は、固定式の１次側と回転式の２次側を有し、これらが前記可変漏れインダクタンスを生む間隙を形成するようにされており、
前記共振コンデンサは前記回転変圧器に接続され、５０ｋＨｚ以上の周波数で前記可変漏れインダクタンスと共振するようにされており、
前記制御装置は、前記回転変圧器１次側を駆動するための可変周波数矩形波ＡＣ電圧信号を生成するようにされている
請求項１５記載の装置。
【請求項２０】
前記共振回路は前記回転型基準フレーム又は前記固定型基準フレームのいずれかにあってよい請求項１５記載の装置。
【請求項２１】
トルク生成のためにロータ巻線を有しロータ磁石を有しない巻線界磁型同期機と、
電圧及び駆動周波数を有する少なくとも１つの矩形波ＡＣ電圧発電機と、
前記矩形波ＡＣ発電機に接続された少なくとも１つの共振磁界励磁機であって、回転型基準フレームと、固定型基準フレームと、可変漏れインダクタンスを持ち共振コンデンサに直列接続された回転変圧器を備えた共振回路とを有し、少なくとも５０ｋＨｚの共振周波数で共振モードで動作するようにした共振磁界励磁機と、
前記矩形波ＡＣ発電機及び前記共振磁界励磁機に接続された制御装置であって、前記共振磁界励磁機への電圧と電流を測定し、前記共振周波数を追跡し、ＡＣ電流の伝送が最大となるように、前記駆動周波数が前記共振周波数に実質的に一致するよう調節するようにした制御装置と、
前記共振磁界励磁機及び前記巻線界磁型同期機に接続され、前記ＡＣ電流を前記巻線界磁型同期機の前記ロータ巻線に流す前にＤＣ電流に変換するようにした整流器と
ＡＣ電源に接続されたブリッジ整流器と、
前記ブリッジ整流器及び前記矩形波ＡＣ電圧発電機に接続された整流子と、
前記整流子に接続された前記巻線界磁型同期機のステータと
を備えた装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は巻線界磁型同期機及びその効率的な操作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電動機と発電機は長年利用されてきた機械である。今日、高効率の大型電気機械、即ち定格１０馬力（ＨＰ）及びしばしば１００馬力以上の機械は高価な制御機構を備えた巻線界磁型装置を用い、小型機械、即ち定格１０馬力以下の機械は希土類ロータ磁石装置又は誘導ロータ界磁装置を用いる。希土類ロータ磁石装置は今後価格上昇が予想され、誘導ロータ界磁装置はエネルギー効率が低い。
【０００３】
エネルギーの経済的、環境的コストの上昇が予想されるため、低コストでエネルギー効率の高い電動機と発電機が必要とされている。
【発明の概要】
【０００４】
本発明はそのような必要性に対処すべく、効率の良い巻線界磁型電動機又は発電機を機器に応用することを可能にする装置を提供し、現在、同種の機器に応用されている永久磁石電動機又は誘導電動機の場合よりも低コスト又は高エネルギー効率を得る。このことは、３つの局面、即ち、機械、ロータ巻線を備えた装置、及びロータ巻線に取付可能な装置を伴う。第１の局面は５つの要素を備えた装置である。第１の要素は、トルク生成のためにロータ巻線を有しロータ磁石を有しない巻線界磁型同期機である。第２の要素は、電圧及び駆動周波数を有する少なくとも１つの矩形波交流（ＡＣ）電圧発電機である。第３の要素は、矩形波ＡＣ発電機に接続した少なくとも１つの共振磁界励磁機であり、この共振磁界励磁機は、（１）回転型基準フレームと、（２）固定型基準フレームと、（３）可変漏れインダクタンスを持ち共振コンデンサに直列接続された回転変圧器を備えた共振回路とを有する。共振磁界励磁機は５０ｋＨｚ以上の共振周波数で共振モードで動作するようにしている。第４の要素は、矩形波ＡＣ発電機及び共振磁界励磁機に接続した制御装置であり、（１）共振磁界励磁機への電圧と電流を測定し、（２）共振周波数を追跡し、（３）ＡＣ電流の伝送が最大となるように、駆動周波数が共振周波数に実質的に一致するよう調節するようにしている。第５の要素は、共振磁界励磁機及び巻線界磁型同期機に接続され、ＡＣ電流を巻線界磁型同期機のロータ巻線に流す前にＤＣ電流に変換する整流器である。
【０００５】
第２の局面は同様に５つの要素を備えた装置である。第１の要素は、巻線界磁型同期機のためのロータ巻線である。第２の要素は、電圧及び駆動周波数を有する少なくとも１つの矩形波ＡＣ電圧発電機である。第３の要素は、矩形波ＡＣ発電機に接続した少なくとも１つの共振磁界励磁機であり、この共振磁界励磁機は、（１）回転型基準フレームと、（２）固定型基準フレームと、（３）可変漏れインダクタンスを持ち共振コンデンサに直列接続された回転変圧器を備えた共振回路とを有する。共振磁界励磁機は５０ｋＨｚ以上の共振周波数で共振モードで動作するようにしている。第４の要素は、矩形波ＡＣ発電機及び共振磁界励磁機に接続した制御装置であり、（１）共振磁界励磁機への電圧と電流を測定し、（２）共振周波数を追跡し、（３）ＡＣ電流の伝送が最大となるように、駆動周波数が共振周波数に実質的に一致するよう調節するようにしている。第５の要素は、共振磁界励磁機及び巻線界磁型同期機のためのロータ巻線に接続され、ＡＣ電流をロータ巻線に流す前にＤＣ電流に変換する整流器である。
【０００６】
第３の局面は４つの要素を備えた装置である。第１の要素は、電圧及び駆動周波数を有する少なくとも１つの矩形波ＡＣ電圧発電機である。第２の要素は、矩形波ＡＣ発電機に接続した少なくとも１つの共振磁界励磁機であり、この共振磁界励磁機は、（１）回転型基準フレームと、（２）固定型基準フレームと、（３）可変漏れインダクタンスを持ち共振コンデンサに直列接続された回転変圧器を備えた共振回路とを有する。共振磁界励磁機は５０ｋＨｚ以上の共振周波数で共振モードで動作するようにしている。第３の要素は、矩形波ＡＣ発電機及び共振磁界励磁機に接続した制御装置であり、（１）共振磁界励磁機への電圧と電流を測定し、（２）共振周波数を追跡し、（３）ＡＣ電流の伝送が最大となるように、駆動周波数が共振周波数に実質的に一致するよう調節するようにしている。第４の要素は、共振磁界励磁機に接続され、ＡＣ電流を巻線界磁型同期機のロータ巻線に流す前にＤＣ電流に変換する整流器である。
【０００７】
本発明の諸局面により、誘導機より高効率で、永久磁石機に使われる高価な希土類ロータ磁石を使わず、従来不可能であった可変速度状況で用いられる電動機又は発電機等の巻線界磁型同期機の製造及び使用が可能になる。諸局面は、電動機もしくは発電機として、既存の永久磁石機もしくは誘導機に容易に挿入もしくは後付けするに適したロータ巻線を備えた装置として、又は新しい巻線界磁型同期機を作る際の使用に適した装置として用いてもよい。諸局面は、自動車等の大馬力機械から芝刈り機、ポンプ、コンプレッサ等の少馬力機械までの範囲の機械に用いてもよい。本発明の機械、及び機械に用いられる本発明の装置は、今日の機械技術に少なくとも５つの改良点をもたらす。第一に、それらは同期巻線界磁型の電動機及び発電機の実用上及び経済上の出力限界を分数馬力の機器にまで引き下げ、その出力帯で高効率電動機に現在使われている永久磁石を不要にする。第２に、より広い出力帯で、低効率の誘導電動機を高効率の巻線界磁型電動機で置き換えることが可能となり、エネルギー効率の国家目標達成に寄与する。第３に、全ての出力レベルで同期巻線界磁型電動機の全体のサイズ及び重量を減らすことができる。第４に、現在の永久磁石電動機・発電機の技術では利用できない弱め界磁、直接界磁制御、及びモニタリング等の機能を提供する。第５に、永久磁石を使用せずに永久磁石同期電動機とほぼ同じ高効率を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は巻線界磁型同期機に接続した本発明の装置の諸要素のブロック図である。
【図２】図２Ａは共振磁界励磁機の一実施形態の概略図であり、回転式基準フレーム上のコンデンサを示す。      図２Ｂは共振磁界励磁機の一実施形態の概略図であり、固定式基準フレーム上のコンデンサを示す。
【図３】図３Ａはポットコアアキシャル回転変圧器を用いた共振磁界励磁機の一実施形態を示す側面図である。      図３Ｂは図３Ａの実施形態の端面図である。
【図４】図４Ａはラジアル回転変圧器を用いた共振磁界励磁機の一実施形態の側面図である。      図４Ｂは図４Ａの実施形態の端面図である。
【図５Ａ】図５Ａは巻線界磁ロータに接続した本発明の装置の諸要素のブロック図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは図５に示す本発明の装置に接続したユニバーサル電動システムのブロック図である。
【図６】図６は巻線界磁ロータに接続可能な本発明の装置の諸要素のブロック図である。
【０００９】
本発明は様々な変形と代替形態になじむものであるが、図中に具体例を例示し、以下で詳細に説明する。しかしながら、記載した詳細な実施形態に限定する意図はないことが理解されるべきである。むしろ、本発明は、添付の請求の範囲で定義される本発明の範囲に入る全ての変形例、均等物、代替物を含むことを意図している。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明は既知の電動機技術、給電技術、ならびにデジタル及びソフトウェア技術のユニークな組み合わせにより新規の巻線界磁型電動機又は巻線界磁型発電機を得る。これら機械及び機械製造に用いられる装置は、既存の巻線界磁型同期機よりも安価な制御により１０馬力を超える出力レベルで、かつ可変速度で動作し、又は動作可能である。これら機械及び機械製造に用いられる装置は、１０馬力以下の出力レベルで、希土類ロータ磁石を使わずに動作し、又は動作可能である。これら機械及び機械製造に用いられる装置は、あらゆる出力レベルで、エネルギー効率の低い誘導電動機及び発電機に替わるものである。誘導機の効率が７０％未満であるのに対し、本発明の機械と本発明の装置で作られた機械の効率は９５％以上である。
【００１１】
本発明の巻線界磁型同期機及び巻線界磁型同期機の製造に用いられる本発明の装置は、１５０年間の電動機技術、５０年間の給電技術、及び３０年間のソフトウェア工学の収斂を示すものであり、新規の、自明でない、有益な新しい装置を生み出す。発明の文脈を提供するため、以下でこれら各分野について説明する。
（電動機技術）
【００１２】
ＩＥＥＥは２００６年の研究で、米国の電力消費の６０％が電動機によるものであり、これら電動機の大部分が７０％以下の効率で動作する誘導電動機であると報告した。電動機効率の法的制限を強化する法律が２００８年に可決、２０１０年に施行され、最も低効率で最も安価な誘導電動機は事実上違法となった。これは照明の効率基準強化を巡っていささかマスコミを騒がせたものと同じ法律であった。この法律制定以前は、購入価格が最も低い低効率の電動機が最も魅力的であった。法律制定後は、電動機所有の総費用に対して非常に注目が高まった。週７日、１日２４時間稼働する電動機のエネルギー費用は、電動機の寿命全体を通じて見れば初期費用の１０倍から２０倍になり得る。
【００１３】
電動機業界では、電動機は効率に応じて等級分けされている。最高効率のクラスはスーパープレミアムで、そのほとんどは永久磁石を含む電動機である。世界各国での効率に関する立法措置や、これら電動機に対する市場の拡大もあって、このクラスの電動機の市場は２０１１年から２０１７年の間に９倍に拡大すると予想される。
【００１４】
このことは多くの成長痛を伴うこととなった。その最も顕著なものは（これは最も深刻なものではないが）、中国による希土類素材国際市場の独占である。中国は、原料鉱物コストを引き下げることにより、競合する鉱山操業を事実上閉鎖に追い込んだ。その後、中国は原料鉱物価格を引き上げ、又はその販売を制限し、加工品（磁石等）の価格をより競争的にし、効果的に、顧客に加工品を購入させるようにしむけた。しかし、これは一時的な現象である。「希土類」という呼称に反し、希土類元素はさほど稀なものではない。希土類は全大陸に相当の埋蔵量がある。例外は希土類が最初に分離された西欧である（そのため「稀」と呼ばれた）。
【００１５】
より深刻な問題は、希土類元素を磁石に加工する工程が有毒で複雑な工程であり、世界は希土類磁石の急激な製造拡大にとても対応できないということである。長期的には、これは希土類磁石に持続的にプレミアムがつくということであり、永久磁石電動機及び発電機は、磁石を使わないものよりも本質的に高価になる。
【００１６】
近年、高効率の誘導電動機が知られるようになった。通常の誘導電動機の７０％に対し、これら電動機は最大８１％の効率を達成している。ロータにはアルミニウムに替えて銅を用い、電動機のロータを大きくし、磁束密度を減らすことで渦電流損を減らしている。しかし、その結果、定格出力が同じであれば普通効率の誘導電動機より重い構造となり、コストは定格出力が同等の永久磁石電動機に近いものになる。
【００１７】
しかし、電動機を作る方法は他にもある。スイッチトリラクタンスモータの登場は１８３０年まで遡る。直巻ＤＣ電動機も１８３０年代に登場した。誘導電動機の登場は１８８５年である。当初ダイナモと呼ばれた巻線界磁型発電機の登場は１８７０年代である。その類縁にあたる巻線界磁型電動機もほぼ同じ頃から存在している。これら全ての種類の電動機は、電流により電動機のロータに磁界を発生させる１又は複数の基本電磁構造を採用している。永久磁石電動機だけがロータの磁界を維持するのにエネルギーを必要としないが、これには磁石自体のコスト以上のコストがかかっている。
【００１８】
いかなる永久磁石電動機においても、ロータ磁石自体の磁界強度は一定である。これは有利でもあり不利でもある。速度ゼロのときに大きなトルクが必要な機器に用いる場合、ロータの磁界があるので容易かつ効率的にこの必要を満たすことができる。しかし、ロータの磁界が一定であることは、高速での回転速度が電源電圧に制約されることを意味する。また、電動機の速度を可変にする必要がある場合、電動機への最大電力を制御しなくてはならず、この制御に伴う損失が発生する。
【００１９】
全ての非磁石型電動機構造において、ロータの磁界強度は調節可能であり、電動機動作を最適化できる。直巻ＤＣ電動機においては、電流を機械的スリップリングに流すため、機械的な、また保守上の問題がある。スイッチトリラクタンスモータにおいては、ロータの磁界は常に変化するため、渦電流損、鉄損、及び大きな半径方向力が生じ、ノイズの原因となる。同様に、誘導電動機はロータがステータの磁界より少し遅れて回転するため、ロータ内に誘導される磁界が変化し、渦電流損と鉄損の原因となる。巻線界磁型電動機の場合はロータの磁界が変化しないため渦電流損や鉄損がない。また、本発明の巻線界磁型電動機は磁石を使わずに永久磁石電動機に近い効率を示す。
【００２０】
現在の巻線界磁型電動機は、１０馬力以上の出力レベルに限られ、主に系統電源と同期する速度で運転され、固定式機器、及び大型の固定式及び移動式の発電機に使用される。これは、磁界を励起するための電力を動くロータに供給する必要があるからである。このための現行技術はスリップリング、低周波誘導又は固定周波誘導技術を用いるもので、いずれも保守上の課題、サイズが大きくなること、又は機械的精度の制約といった問題があり、軸出力レベルが高い場合にのみ経済的合理性がある。
【００２１】
自動車や産業機器における電気牽引機器の活用増加により、高馬力の永久磁石型及び誘導型の電動機／発電機が開発された。永久磁石電動機／発電機の場合、外的機械エネルギーにより磁石ロータが回転し続けると障害が発生し得る。これは危険な状況につながる。誘導型の牽引電動機／発電機の場合、低速高トルク運転ではロータのＡＣ鉄損及び渦電流損が大きくなり特に効率が低い。巻線界磁型電動機は、上述のロータ巻線への電力供給における現行の制約のため、現在これらの機器には使われていない。
【００２２】
一般的に巻線界磁型同期機のロータに励磁電力を経済的に供給する方法があれば、より小さく、費用対効果が高く、全ての機器に応用できる、このクラスの電動機及び発電機が得られる。さらに、１０馬力以下の出力レベルで巻線界磁型同期機のロータに励磁電力を経済的に供給する方法があれば、このタイプの電動機が永久磁石電動機と競争することが可能になる。永久磁石電動機と高効率の誘導電動機の価格曲線は上昇しつつあり、巻線界磁型電動機の価格曲線は下降している。
（給電技術）
【００２３】
過去５０年間、給電技術は、既存の系統電力、電池電力、又は発電機電力を、固体回路を動かすための隔離された低電圧に転換することに集中してきた。電力レベルはミリワットからキロワット単位の範囲であり、開発目標はコスト低減、サイズ縮小、及び効率向上であった。
【００２４】
全ての隔離された電力供給は、変圧器を使って、隔離された負荷に電源からエネルギーを電磁伝送する。変圧器のサイズは、電力レベルが大きくなると大きくなり、動作周波数が大きくなると小さくなる。５０年にわたる継続的な研究の結果、材料の改良と製造技術の進歩が電源変圧器の設計を１ＭＨｚ以上の動作周波数、１００ワット／立法インチ以上の電力密度に押し上げた。
【００２５】
変圧器技術の進歩に伴い、これに追随すべく他の電力用部品、トランジスタ、ダイオード、及び受動部品も、損失、サイズ、速度、コストの面で進歩を遂げた。
【００２６】
回路トポロジーも進化し、損失要因となる動作条件を回避することにより損失をさらに減らす共振変換器等のアイデアが現れた。
（デジタル・ソフトウェア技術）
【００２７】
デジタル・ソフトウェア技術の電力制御への利用は比較的遅く、１９８０年代初めに現れ、サーボ機構等の高精度低電力機器の性能向上につながった。１９８０年代後半までには、デジタル制御された電力が全ての電動機技術に応用された。今日、磁界ベクトル制御等の技術は全ての出力帯で速度及びトルクを高度に制御するが、電動機への全ての電力供給を厳格に制御する必要があるため効率が悪い。
（本発明）
【００２８】
前述のとおり、米国では電力消費を削減する強いニーズがある。米国の電力消費の少なくとも６０％が電動機によるものである。現在、電子駆動装置の付加、誘導電動機の高価な改良、又は永久磁石電動機への転換により、これらの電動機の効率向上のための努力が協調して行われている。自動車業界のガソリン原動機から電動機への転換の傾向に合わせ、永久磁石電動機よりも安価で、誘導電動機よりも電力効率の高い電動機が求められている。これらの特性を本発明の巻線界磁型電動機に見出すことができる。また、多くの電動機が１０馬力以下の電力レベルで運転されることから、比較的非効率な誘導電動機や高価な磁石型電動機を減らしていくことが求められている。
【００２９】
本発明は３つの局面、即ち、機械、機械に容易に挿入できるロータ巻線を備えた装置、及びロータ巻線に接続可能な装置を伴う。
（第１の局面）
【００３０】
第１の局面は５つの要素を備えた装置である。第１の要素は、トルク生成のためにロータ巻線を有しロータ磁石を有しない巻線界磁型同期機である。いくつかの実施形態において、巻線界磁型同期機は電動機、ＡＣ発電機、及び直流（ＤＣ）発電機を備える。巻線界磁型同期機は、いくつかの実施形態において１０馬力以下の定格出力で動作するようになっている。巻線界磁型同期機は、いくつかの実施形態において１０馬力を超える定格出力で、いくつかの実施形態において５０馬力を超える出力レベルで、いくつかの実施形態において１００馬力を超える出力レベルで、動作するようになっている。またいくつかの実施形態において、１５０馬力を超える出力レベルで動作するようになっている。いくつかの実施形態において巻線界磁型同期機は、牽引電動機等の、オフラインの可変速度の機器内で動作する。いくつかの実施形態において巻線界磁型同期機は、ポンプやコンプレッサ等の、オンライン又はオフラインの機器として動作する。
【００３１】
第２の要素は、電圧及び駆動周波数を有する少なくとも１つの矩形波ＡＣ電圧発電機である。発電機は正弦波や三角波等、他の電圧波形を提供することもできるが、エネルギー伝搬には矩形波が最も単純で効率的である。
【００３２】
第３の要素は、矩形波ＡＣ発電機に接続した少なくとも１つの共振磁界励磁機である。この共振磁界励磁機は、（１）回転型基準フレームと、（２）固定型基準フレームと、（３）可変漏れインダクタンスを持ち共振コンデンサに直列接続された回転変圧器を備えた共振回路とを有する。共振磁界励磁機は５０ｋＨｚ以上の共振周波数で共振モードで動作するようにしている。いくつかの実施形態において、この装置は矩形波ＡＣ電圧発電機と共振磁界励磁機をただ１つずつ含む。いくつかの実施形態において、共振磁界励磁機の回転式部品は円形のプリント配線アセンブリ（ＰＷＡ）に実装される。これらの実施形態では、このアセンブリは電動機／発電機のシャフトとともに回転するので、バランスが取れるように注意が必要である。いくつかの実施形態において共振磁界励磁機は回転変圧器を含み、その漏れインダクタンスがコンデンサとともに共振回路を形成する。
【００３３】
第４の要素は、矩形波ＡＣ発電機及び共振磁界励磁機に接続した制御装置である。この制御装置は、（１）共振磁界励磁機への電圧と電流を測定し、（２）共振周波数を追跡し、（３）ＡＣ電流の電流伝送が最大となるように、駆動周波数が共振周波数に実質的に一致するよう調節するようにしている。制御装置は上記の機能を持つようにしたものであれば如何なるものでもよい。これには、例えば、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路、及びプログラマブル論理回路が含まれる。マイクロコントローラと回転変圧器を用いる実施形態において、制御装置は回転変圧器一次側への電圧と電流を監視し、共振又はそれに近い可変周波数の矩形波信号を生成して回転変圧器一次側を駆動する電力駆動装置に送る。
【００３４】
第５の要素は、共振磁界励磁機及び巻線界磁型同期機に接続され、ＡＣ電流を巻線界磁型同期機のロータ巻線に流す前にＤＣ電流に変換する整流器である。
【００３５】
本発明の装置は、同等の出力レベルで動作するようにした誘導機より高効率である。いくつかの実施形態は、同等の出力レベルで動作するようにしたプレミアム磁石電動機に迫る電力効率を持つようにしている。本発明のいくつかの実施形態においては、効率が少なくとも９０％に、いくつかの実施形態においては少なくとも９２％に、いくつかの実施形態においては少なくとも９４％に、またいくつかの実施形態においては少なくとも９５％になるようにしている。
【００３６】
本発明のいくつかの実施形態において、共振磁界励磁機はさらに特徴を有する。回転変圧器は固定式の１次側と回転式の２次側を有し、これらが可変漏れインダクタンスを生む間隙を形成するようにしている。共振コンデンサは回転変圧器に接続され、５０ｋＨｚ以上の周波数で可変漏れインダクタンスと共振するようにしている。さらに、これらの実施形態における制御装置は、回転変圧器１次側を駆動するための可変周波数矩形波ＡＣ電圧信号を生成するようにされている。
【００３７】
上記の実施形態において以下の構成が成り立つ。回転変圧器の１次側は機械の固定式基準フレームに取り付けられる。回転変圧器の２次側は、回転式基準フレームが動いても変圧器コア周囲の磁束通路が変化しないような状態で回転式基準フレームに取り付けられる。回転変圧器の１次側と２次側の間隙は、２次側が独立して回転することを可能にし、回転変圧器の漏れインダクタンスの決定に役立ち、固定式フレームから回転式フレームにエネルギーを磁気的に伝送する。共振コンデンサは回転変圧器の１次側又は２次側の巻線に直列接続される。このように、共振回路は回転型基準フレームにあっても固定型基準フレームにあってもよい。このコンデンサの値は回転変圧器の漏れインダクタンスと５０ｋＨｚ以上の周波数で共振するように選ばれる。２次側では、１又は複数のダイオードが整流装置内に接続され、その出力側がロータ界磁巻線に接続される。いくつかの実施形態において、第２のコンデンサが界磁巻線と並列接続されて低域フィルタを形成する。
【００３８】
永久磁石同期電動機及び巻線界磁型同期電動機のいずれにおいても、ロータの回転磁界により、電源と逆向きで磁界の強さとロータ速度の積に比例する逆起電力（ＥＭＦ）電圧が生じる。永久磁石同期電動機の場合には、これにより所定の電源につないだ電動機の最大速度が制約されるのみならず、電動機ステータへの電力供給を常に制御することが必要になる。これは、電動機ステータ巻線の電圧を２０ｋＨｚ以上の周波数でパルス幅変調することにより行うが、駆動系電子回路内の損失増大、電磁干渉（ＥＭＩ）の問題、及び軸受の孔食等の静電事象につながる。
【００３９】
本発明の第１の局面の一実施形態において、ロータ磁界とこれによる逆ＥＭＦ電圧は電源電圧とほぼ等しくなるように調節可能であり、ステータ巻線を変調する必要をなくすことができる。ステータ巻線は突極数と電動機速度の積に等しい数百Ｈｚまでの周波数でスイッチング又は整流することができる。これによりパルス幅変調（ＰＷＭ）スイッチング損失をなくし、ＥＭＩの影響範囲と静電効果を数桁減らすことができる。
（第２の局面）
【００４０】
第２の局面は同様に５つの要素を備えた装置である。第１の要素は、巻線界磁型同期機のためのロータ巻線である。第２の要素は、電圧及び駆動周波数を有する少なくとも１つの矩形波交流（ＡＣ）電圧発電機である。第３の要素は、矩形波ＡＣ発電機に接続した少なくとも１つの共振磁界励磁機であり、この共振磁界励磁機は、（１）回転型基準フレームと、（２）固定型基準フレームと、（３）可変漏れインダクタンスを持ち共振コンデンサに直列接続された回転変圧器を備えた共振回路とを有する。共振磁界励磁機は５０ｋＨｚ以上の共振周波数で共振モードで動作するようにしている。第４の要素は、矩形波ＡＣ発電機及び共振磁界励磁機に接続した制御装置であり、（１）共振磁界励磁機への電圧と電流を測定し、（２）共振周波数を追跡し、（３）ＡＣ電流の電流伝送が最大となるように、駆動周波数が共振周波数に実質的に一致するよう調節するようにしている。第５の要素は、共振磁界励磁機と巻線界磁型同期機のロータ巻線とに接続され、巻線界磁型同期機に取り付けられるとＡＣ電流をロータ巻線に流す前にＤＣ電流に変換する整流器である。いくつかの実施形態において、前記ロータ巻線は、同期永久磁石機又はカゴ型誘導機の永久磁石ロータと交換する形で後付けで用いることができる。本局面のいくつかの実施形態は既存の巻線界磁型同期機に後付けするのに適している。この局面の諸要素は前述のものと同様である。
（第３の局面）
【００４１】
第３の局面は４つの要素を備えた装置である。第１の要素は、電圧及び駆動周波数を有する少なくとも１つの矩形波ＡＣ電圧発電機である。第２の要素は、矩形波ＡＣ発電機に接続した少なくとも１つの共振磁界励磁機であり、この共振磁界励磁機は、（１）回転型基準フレームと、（２）固定型基準フレームと、（３）可変漏れインダクタンスを持ち共振コンデンサに直列接続された回転変圧器を備えた共振回路とを有する。共振磁界励磁機は５０ｋＨｚ以上の共振周波数で共振モードで動作するようにしている。第３の要素は、矩形波ＡＣ発電機及び共振磁界励磁機に接続した制御装置であり、（１）共振磁界励磁機への電圧と電流を測定し、（２）共振周波数を追跡し、（３）ＡＣ電流の電流伝送が最大となるように、駆動周波数が共振周波数に実質的に一致するよう調節するようにしている。第４の要素は、共振磁界励磁機に接続され、ＡＣ電流を巻線界磁型同期機のロータ巻線に流す前にＤＣ電流に変換する整流器である。これは現行技術、例えば、スリップリング交換や現在使われている低周波又は固定周波数の誘導装置に替わるものである。第３の局面のいくつかの実施形態は、巻線界磁型同期機の製造時に組み込むのに適している。この局面の諸要素は前述のものと同様である。
【００４２】
これら３局面のそれぞれにおいて、本発明への電力は、出力レベルに応じ降圧（ｂｕｃｋ）コンバータ、ハーフブリッジコンバータ、又はフルブリッジコンバータ等の種々の公知手段により調整又は調節できる。およそ全ての給電技術における他の公知技術も、巻線界磁型電動機ロータへの電力の調整又は調節に用いることができる。
【００４３】
その一例は、降圧コンバータを用い、ＡＣ電源線に同期した整流正弦波形電圧を供給して本発明の高周波矩形波発生器の振幅を変調するユニバーサルモーションシステムである。これは、巻線界磁型電動機ロータに、ＡＣ電源線に同期した整流正弦波形磁界を発生させる。巻線界磁型電動機のステータは三相電子整流子とブリッジ整流器を通してＡＣ電源線に接続されている。このブリッジ整流器の後ろにはフィルタコンデンサがないため電子整流子への電圧も電源線に同期した整流正弦波である。ロータの角度に応じて、電子整流子が適切なステータ巻線をこの整流正弦波に接続し所望の方向のトルクを生み出す。ロータ磁界とステータ磁界がともに同形かつ同期しているので、この装置への電源線電流は電源線電圧と同位相となり、動作時の力率が１となる。およそ全ての給電技術における他の公知技術も、ロータ電圧の調整又は調節に用いることができる。
【００４４】
我々の発明の一実施形態は、製造中止になりつつある従来型ユニバーサル電動機に挿入可能な代替品を提供する。現行のユニバーサル電動機はブラシを用いる。この型の電動機の動作出力は最大のもので約１ｋＷである。このレベルになると電力効率は４０％程度となり信頼性も低い。ますます多くの製造者が１ｋＷユニバーサルブラシ電動機の製造を中止し永久磁石ブラシ電動機に移行している。上で説明した組み合わせにより、ユニバーサルモーションシステムと組み合わせた本発明を１ｋＷユニバーサルブラシ電動機に挿入して置換することで、価格競争力があり信頼性と効率の高いユニバーサル電動機を構成することができる。単純な電子制御、及び希土類磁石を使わないことにより、この電動機は、製造中止のブラシ電動機でありながら、永久磁石ブラシレス電動機で代替する場合よりも高い価格競争力を維持する。本発明を組み込むことで電力効率９０％以上のユニバーサル電動機が得られる。
【００４５】
本発明の同じ実施形態は、低効率の単相誘導電動機の代替品をも提供する。低効率単相誘導電動機もまた市場から消えつつあり、電子駆動装置つき誘導電動機又は電子駆動装置つき永久磁石ブラシレス電動機に替われられようとしている。しかし、これらの駆動装置には電動機への電力全体を制御するためパルス幅変調（ＰＷＭ）技術が必要なことから、強い送電線高調波、強い電磁干渉、及び低い力率という難点があり、これら全ては、その緩和のために高価でかさばる力率矯正回路及びフィルタを必要とする。上記のとおり、本発明を用いるブラシレスユニバーサル電動機は、電源線に直接、力率１をもたらし、力率矯正回路は不要である。この電動機は電力のわずか３％をＰＷＭ技術にあてるため電磁気の影響範囲はずっと小さいものとなり、ＥＭＩフィルタの必要性は非常に小さくなり、又は完全になくなりさえする。
【００４６】
本発明の諸局面は、本発明のいくつかの実施形態を例示する図を通じて理解を深めることができる。同じ要素を示す場合には同じ番号を用いる。図１は、巻線界磁型同期機に接続した本発明の装置の諸要素のブロック図である。装置（１００）は、電圧及び駆動周波数を有する矩形波ＡＣ電圧発電機（１１０）を備える。矩形波ＡＣ電圧発電機１１０は、固定式フレームと回転型フレームを有する共振磁界励磁機（１２０）に接続され、共振磁界励磁機１２０は整流器（１３０）に接続される。制御装置（１４０）は、矩形波ＡＣ発電機１１０及び共振磁界励磁機１２０に接続される。整流器１３０は、巻線界磁ロータ（１５４）とステータ（１５８）を有する巻線界磁型同期機（１５０）にも接続される。この巻線界磁型同期機１５０との接続は、巻線界磁ロータ１５４との間になされる。
【００４７】
図２Ａは、共振磁界励磁機の一実施形態の概略図であり、回転式基準フレーム上のコンデンサを示す。共振磁界励磁機１２０は、固定式の１次側（１２２）、回転型の２次側（１２４）、及び間隙（１２６）を有する回転変圧器を備える。回転変圧器は、可変漏れインダクタンス（１２７）を持ち、共振コンデンサ（１２８）と直列に接続される。
【００４８】
図２Ｂは、共振磁界励磁機の一実施形態の概略図であり、固定式基準フレーム上のコンデンサを示す。共振磁界励磁機１２０は、固定式の１次側１２２、回転型の２次側１２４、及び間隙１２６を有する回転変圧器を備える。共振磁界励磁機１２０の固定型基準フレームはまた、可変漏れインダクタンス１２７を持ち共振コンデンサ１２８と直列接続される回転変圧器を備える。
【００４９】
図３Ａは、ポットコアアキシャル回転変圧器を用いた共振磁界励磁機の一実施形態を示す側面図である。共振磁界励磁装置（２００）の一実施形態を、巻線界磁ロータ（２１０）とそれを貫く巻線界磁型同期機シャフト（２２０）とともに示している。２次側磁性ポットコア（２３０）（回転変圧器２次側巻線は見えない）、１次側磁性ポットコア（２４０）（回転変圧器１次側巻線は見えない）、及び、整流器と共振コンデンサを実装したＰＷＡ（２５０）は、巻線界磁型同期機に物理的に連結され、巻線界磁ロータ２１０に電気的に接続されている。固定式１次側及びこれに関連する磁性コア（２４０）を除き、全ての要素は回転する。
【００５０】
図３Ｂは、図３Ａの実施形態の２次側磁性ポットコア２３０中の回転変圧器２次側を通る線２６０に沿った端面図である。ポットコア２３０中の回転変圧器２次側に囲まれた巻線磁界ロータシャフト２２０が示されている。２次側磁性ポットコア２３０は２次側巻線（２７０）を囲んでいる。回転変圧器１次側の断面も同じ構造を呈する。
【００５１】
図４Ａは、ラジアル回転変圧器を用いた共振磁界励磁機の一実施形態の側面図である。共振磁界励磁装置（３００）の別の実施形態が巻線界磁ロータ（３１０）とそれを貫く巻線界磁型同期機シャフト（３２０）とともに示されている。回転変圧器２次側（３７０）を伴った２次側磁性コア（３３０）、回転変圧器１次側（３８０）を伴った１次側磁性コア（３４０）、及び、整流器と共振コンデンサを実装したＰＷＡ（３５０）が、巻線界磁型同期機シャフト３２０に物理的に連結され、巻線界磁ロータ３１０に電気的に接続されている。巻線界磁型同期機シャフト３２０の回りに２次側巻線（３７０）と１次側巻線（３８０）が示されており、これらは間隙（３９０）で隔てられている。回転変圧器１次側３４０を除き、全ての要素は回転する。
【００５２】
図４Ｂは図４Ａの実施形態の磁性コア３３０中の回転変圧器２次側及び磁性コア３４０中の回転変圧器１次側を通る線３６０に沿った端面図である。磁性コア３３０中の回転変圧器２次側巻線３７０及び磁性コア３４０中の回転変圧器１次側３８０に囲まれた巻線界磁ロータシャフト３２０が示されている。２次側巻線（３７０）と１次側巻線（３８０）は間隙３９０で隔てられている。
【００５３】
図５Ａは巻線界磁ロータに接続した本発明の装置の諸要素のブロック図である。この図は、巻線界磁型同期機１５０に替えて巻線ロータ（１５４）がある点以外は、図１と同様である。巻線界磁ロータ１５４は永久磁石型又は誘導型の電動機又は発電機のロータを代替することが意図されている。
【００５４】
図５Ｂは、図５Ａに示す本発明の装置に接続したユニバーサル電動システムのブロック図である。組み合わせ（４００）はブリッジ整流器（４１０）に流れ込むＡＣ送電線電力を含む。ブリッジ整流器４１０は電子整流子（４２０）に接続され、電子整流子はさらに巻線界磁型電動機ステータ（４３０）に接続される。ブリッジ整流器４１０は降圧コンバータ（４４０）にも接続され、降圧コンバータは図５Ａの装置１００の矩形波発電機１１０に接続される。
【００５５】
図６は、巻線界磁ロータに接続可能な本発明の装置の諸要素のブロック図である。この図は、巻線界磁型同期機１５０が示されていない点以外は図１と同様である。この実施形態は、例えば巻線界磁型発電機のような既存の同期機の既存の巻線界磁ロータに取り付けることが意図されている。
【００５６】
本発明の第３の局面の一実施形態の動作機序を説明する。上述のとおり個々の要素は同様の機能を果たす別のものと交換してもよい。共振磁界励磁機は電気共振を利用し電動機ステータの固定式基準フレームからロータの回転式基準フレームにエネルギーを伝送し、界磁巻線に調節可能なＤＣ電流を供給する。マイクロコントローラは、（１）電流センサ又は変流器を介して回転変圧器１次側電流波形を監視し、また、回転変圧器１次側の電圧を監視し、（２）回転変圧器１次側を駆動する矩形波の周波数を共振周波数又はわずかにそれを下回る周波数に調節する。これにより１次側駆動回路におけるスイッチング損失が最小に抑えられるだけでなく、回転変圧器２次側に最も効率的にエネルギーを伝送できる。整流ダイオードは２次側の共振ＡＣ電流をＤＣに変換し界磁巻線に供給する。いくつかの実施形態において、マイクロコントローラは、矩形波ＡＣ発電機の電圧の制御も行い、ロータ磁界内の所望の電流レベルを維持する。他の実施形態も同様に動作する。
【００５７】
具体的な動作要件及び動作環境に適合させるための修正及び変更は当業者には明白であろう。したがって本発明は、開示の目的をもって説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の真の精神と範囲からの逸脱に当たらない全ての変更及び修正を含む。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
2017516444.tif 000008
【図６】
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【国際調査報告】
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