(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の永久磁石を有するロータと、
複数の第１のスロットおよび複数の第２のスロットを有するステータであって、前記第１のスロットが前記ロータに対向する前記ステータの周辺部に位置し、前記第２のスロットが前記ロータに対して前記第１のスロットの反対側に位置する、ステータと、
複数の前記第１のスロットおよび第２のスロット内に配置された少なくとも電力巻線と、
前記電力巻線が中に配置された少なくとも１つの第１のスロットを囲む、前記ステータおよびロータ内で画定された少なくとも一次磁気回路と、
前記電力巻線が中に配置された前記第２のスロットの少なくとも１つを囲む少なくとも二次磁気回路であって、前記ステータの共通部分を前記一次磁気回路と共用し、前記共通部分とは別個の、前記ステータの磁気飽和可能な部分を含む二次磁気回路と、
前記複数の第２のスロット内に前記電力巻線に隣接して配置された少なくとも１つの制御巻線と、
前記ステータ内で画定され、前記ステータの前記磁気飽和可能な部分を含む三次磁気回路であって、前記制御巻線を流れる電流と動作可能に関連付けられた三次磁気回路と、
前記制御巻線に接続され、前記ステータの前記磁気飽和可能な部分を実質的に飽和させるのに十分な量の前記電流を前記制御巻線に流すように適合された電流源と、
前記磁気飽和可能な部分の飽和レベルを変化させるために、前記制御巻線に供給される前記電流を変化させるように適合されたコントローラと、
を備える交流発電機／モータ。
【請求項２】
前記二次磁気回路が前記第２のスロットの１つのみを囲む請求項１に記載の交流発電機／モータ。
【請求項３】
前記制御巻線が、前記電力巻線が中に配置された前記第２のスロットとは別個であるが、それに隣接する第２のスロット内に配置された請求項１に記載の交流発電機／モータ。
【請求項４】
前記磁気飽和可能な部分が、前記別個であるが互いに隣接する第２のスロット間に配置された請求項３に記載の交流発電機／モータ。
【請求項５】
前記制御巻線が、前記電力巻線に対して交互に反転する巻線パターンで前記第２のスロット内に配置された請求項１に記載の交流発電機／モータ。
【請求項６】
前記ロータが、永久磁石ロータであることを特徴とする請求項１に記載の交流発電機／モータ。
【請求項７】
ロータおよびステータを有する交流発電機／モータであって、前記ステータが複数の一次磁気回路および複数の二次磁気回路を有し、前記一次磁気回路の各々が前記ステータと前記ロータとの間に協働するように画定され、かつ前記ステータの少なくとも１つの電力巻線の第１の部分を囲み、前記二次磁気回路の各々が前記一次磁気回路の外側に配置された前記電力巻線の第２の部分を囲み、少なくとも１つの制御巻線は、前記二次磁気回路に対応することで制御巻線を通る飽和制御電流が前記一次磁気回路を保持するステータ部分とは異なる前記二次磁気回路を保持するステータの一部を磁気飽和させ、前記二次磁気回路の１つにおいて、対応する制御巻線および電力巻線の第２の部分が、同一方向にステータの周りを巻き、他の二次磁気回路において、対応する制御巻線および電力巻線の第２の部分が、反対方向に前記ステータの周りを巻くように、前記二次磁気回路が対をなすことを特徴とする交流発電機／モータ。
【請求項８】
前記ステータが、前記電力巻線の前記第２の部分および前記制御巻線の一部分が配置された複数の第２のスロットを有するとともに、前記二次磁気回路の各々が、前記第２のスロットの少なくとも１つを囲むことを特徴とする請求項７に記載の交流発電機／モータ。
【請求項９】
前記ステータが、前記電力巻線の前記第１の部分が配置された複数の半径方向の第１のスロットを有するとともに、前記一次磁気回路の各々が前記第１のスロットの少なくとも１つを囲むことを特徴とする請求項７に記載の交流発電機／モータ。
【請求項１０】
前記ロータが永久磁石ロータであることを特徴とする請求項７に記載の交流発電機／モータ。
【請求項１１】
交流発電機用の交流電流を発生させるための交流発電機であって、前記交流発電機が、ロータ、ステータアッセンブリおよび飽和装置を有し、前記ステータアッセンブリが、前記交流発電機用の交流電流を発生するための少なくとも１つの電力巻線を有し、この電力巻線は、互いに直列に接続された少なくとも一対の要素を有し、前記要素は、前記ステータアッセンブリに対して、互いに周方向に空間を隔てており、前記ロータおよび前記ステータアッセンブリは、磁束を生成する少なくとも２つの一次磁気回路を画定するように協働し、前記一次磁気回路の１つは、前記電力巻線の前記要素の１つの、第１の部分を囲み、他の前記一次磁気回路の１つは、前記電力巻線の、他の前記要素の第１の部分を囲み、前記ステータアッセンブリは磁束を生成する少なくとも一対の二次磁気回路を画定し、二次磁気回路の１つが、前記電力巻線の前記要素の１つの、第２の部分を囲み、他の二次磁気回路の１つが、前記電力巻線の、他の前記要素の第２の部分を囲み、前記二次磁気回路が前記一次磁気回路から離れて存在し、前記飽和装置が各々の前記二次磁気回路の少なくとも一部と対応し、各々の二次磁気回路の前記少なくとも一部が、前記一次磁気回路から離れて存在し、前記飽和装置が、選択された周波数で各々の二次磁気回路の前記一部を選択的に磁気飽和するように構成され、前記飽和装置が、前記二次磁気回路を囲む磁束と同一方向において、前記二次磁気回路の１つを磁気飽和する一方、前記二次磁気回路を囲む磁束と反対方向において、他の二次磁気回路を磁気飽和するように構成されることを特徴とする交流発電機。
【請求項１２】
前記二次磁気回路の各々が、電力巻線の要素の１つのみを囲むことを特徴とする請求項１１に記載の交流発電機。
【請求項１３】
前記ステータが、前記第１の部分の電力巻線が配置された複数の半径方向の第１のスロットを有するとともに、前記一次磁気回路の各々が、前記第１のスロットの少なくとも１つを囲むことを特徴とする請求項１１に記載の交流発電機。
【請求項１４】
前記飽和装置が、前記二次磁気回路と対応する少なくとも１つの制御巻線を備え、前記制御巻線を流れる飽和制御電流が、前記二次磁気回路の前記少なくとも一部を磁気飽和することを特徴とする請求項１１に記載の交流発電機。
【請求項１５】
前記ロータが永久磁石ロータであることを特徴とする請求項１１に記載の交流発電機。
【請求項１６】
交流発電機用交流電流を発生させる交流発電機であって、前記交流発電機が、ロータと、前記交流発電機用交流電流を供給する少なくとも１つの電力巻線を有するステータアッセンブリと、を有し、前記電力巻線が、互いに直列に接続された少なくとも一対の要素を有し、前記要素が、前記ステータアッセンブリに対して互いに周方向に離れて空間を隔てており、前記ロータおよび前記ステータアッセンブリが、磁束を生成する少なくとも２つの一次磁気回路を画定するように協働し、前記一次磁気回路の１つが、前記電力巻線の前記要素の１つの、第１の部分を囲み、他の前記一次磁気回路の１つが、前記電力巻線の、他の前記要素の第１の部分を囲み、前記ステータアッセンブリは、磁束を生成する少なくとも一対の二次磁気回路を画定し、前記二次磁気回路の１つが、前記電力巻線の前記要素の１つの、第２の部分を囲み、他の前記二次磁気回路の１つが、前記電力巻線の、他の前記要素の第２の部分を囲み、前記二次磁気回路が、一次磁気回路の外側にあり、前記二次磁気回路が、前記二次磁気回路を保持する前記ステータの少なくとも一部を囲むように巻かれた少なくとも１つの制御巻線を備えた飽和装置を有し、前記二次磁気回路の少なくとも一部が、前記一次磁気回路を保持するステータ部分とは別個に存在し、飽和閾電流が、前記制御巻線を流れる場合、前記制御巻線は、前記二次磁気回路を保持する前記ステータの前記一部を磁気飽和するように構成され、前記二次磁気回路の１つは、対応する電力巻線の要素の第２の部分と同一方向に巻かれた制御巻線を有し、他の二次磁気回路の１つが、対応する電力巻線の要素の第２の部分に対して反対方向に巻かれた制御巻線を有することを特徴とする交流発電機。
【請求項１７】
前記制御巻線が、前記電力巻線の要素の各々の前記第２の部分に対して、複数の巻数比を有することを特徴とする請求項１６に記載の交流発電機。
【請求項１８】
前記二次磁気回路の各々が、前記電力巻線の１つの要素のみを囲むことを特徴とする請求項１６に記載の交流発電機。
【請求項１９】
前記ステータが、前記第１の部分の電力巻線を配置した複数の半径方向の第１のスロットを有するとともに、前記一次磁気回路の各々が前記第１のスロットの少なくとも１つを囲むことを特徴とする請求項１６に記載の交流発電機。
【請求項２０】
前記ロータが永久磁石ロータであることを特徴とする請求項１６に記載の交流発電機。
【請求項２１】
ロータおよびステータを有する交流発電機であって、前記ステータが、少なくとも１つの電力巻線を有し、前記ステータが、少なくとも２つの一次磁気回路と、前記ロータおよび前記一次磁気回路から離れた少なくとも２つの二次磁気回路と、を画定し、前記電力巻線が、前記一次磁気回路によってのみ囲まれた電力巻線の第１の部分と、前記二次磁気回路によってのみ囲まれた電力巻線の第２の部分と、を有し、前記交流発電機が、前記一次磁気回路が不飽和な状態で、交流出力を調整するために、相対的に反対方向に、対を形成する二次磁気回路の各々の少なくとも一部を磁気飽和する手段と、制御装置と、をさらに有し、制御装置が、前記対を形成する二次磁気回路の各々の前記少なくとも一部の飽和レベルを選択的に制御するために前記手段を制御するように構成されていることを特徴とする交流発電機。
【請求項２２】
前記ステータが、前記電力巻線の第１の部分が配置された複数の半径方向のスロットを有するとともに、前記一次磁気回路が、選択された前記複数の半径方向のスロットを囲むことを特徴とする請求項２１に記載の交流発電機。
【請求項２３】
前記複数の半径方向のスロットが、前記ロータの反対側のステータの周囲に設けられることを特徴とする請求項２２に記載の交流発電機。
【請求項２４】
前記複数の半径方向のスロットよりも、前記ロータから半径方向に離れて設けられた複数の第２のスロットを備え、前記電力巻線の第２の部分が、各々の前記第２のスロット内に設けられ、前記第２のスロットが、前記一次磁気回路の外側のステータ内に設けられることを特徴とする請求項２３に記載の交流発電機。
【請求項２５】
磁気飽和のための前記手段が、前記ステータ内に少なくとも１つの制御巻線を有し、前記制御巻線を流れる飽和制御電流が、前記二次磁気回路の前記少なくとも一部を磁気飽和するように、前記少なくとも１つの制御巻線が前記二次磁気回路に対応していることを特徴とする請求項２１に記載の交流発電機。
【請求項２６】
前記少なくとも１つの制御巻線が、少なくとも１つの電力巻線の前記第２の部分に対して複数の巻数比を有することを特徴とする請求項２５に記載の交流発電機。
【請求項２７】
前記ロータが永久磁石ロータであることを特徴とする請求項２１に記載の交流発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流発電機およびモータなど電気機械に関し、詳細には、そのような機械の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１を参照すると、典型的な永久磁石（ＰＭ）型の交流発電機またはモータは、回転可能なシャフト１０８上に取り付けられた、永久磁石１０４を支持するロータ１０２を有する。ステータ１１０は、継鉄１１６に取り付けられた複数の歯１１４の間に複数の巻線１１２を有する。（例示を簡単にするために、図１中の巻線１１２の隣接する要素は、接続されていない状態で示されている。）交流発電機モードで動作させたときには、外部トルク源がシャフトを回転させ、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ループする。磁束がロータの回転によって変化すると、巻線１１２内に電圧が発生し、それにより、負荷が機械の出力に接続されたとき出力電流が生じる。モータモードで動作させたときには、外部電源（図示せず）からの電圧が巻線１１２に印加され、得られた電流によりステータおよびロータ内に磁束が誘導され、それにより、適切に制御されたとき、ロータが回転してトルクを生成する。ＰＭ型機械は、図１に示されるような「内側ロータ」構成、または「外側ロータ」構成（図示せず）を有することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来技術のＰＭ型交流発電機の出力電圧および周波数はロータ速度によって決まり、このことは、ロータ速度を独立に制御することができないという課題を提示する。したがって、電気機械全般の、特にＰＭ型機械の制御性を改善することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
１つの態様では、本発明は、複数の永久磁石を有するロータと、複数の第１のスロットおよび複数の第２のスロットを有するステータであって、第１のスロットが、ロータに対向するステータの周辺部に位置し、第２のスロットがロータに対して第１のスロットの反対側に位置する、ステータと、複数の前記第１のスロットおよび第２のスロット内に配置された少なくとも電力巻線と、電力巻線が中に配置された少なくとも１つの第１のスロットを囲む、ステータおよびロータ内で画定された少なくとも一次磁気回路と、電力巻線が中に配置された第２のスロットの少なくとも１つを囲む少なくとも二次磁気回路であって、ステータの共通部分を一次磁気回路と共用し、共通部分とは別個の、ステータの磁気飽和可能な部分を含む二次磁気回路と、複数の第２のスロット内に電力巻線に隣接して配置された少なくとも制御巻線と、ステータ内で画定され、ステータの磁気飽和可能な部分を含む三次磁気回路であって、制御巻線を流れる電流と動作可能に関連付けられた三次磁気回路と、制御巻線に接続され、ステータの前記磁気飽和可能な部分を実質的に飽和させるのに十分な量の前記電流を制御巻線に流すように適合された電流源と、磁気飽和可能な部分の飽和レベルを変化させるために、制御巻線に供給される前記電流を変化させるように適合されたコントローラと、を備える交流発電機／モータを提供する。
【０００５】
別の態様では、本発明は、ロータおよびステータのアセンブリを備える、交流発電機／発電機およびモータの少なくとも１つとして動作可能な機械であって、このアセンブリが、少なくとも電力巻線を含むステータを有し、また一次磁気回路および二次磁気回路ならびに飽和制御アセンブリを有し、一次磁気回路が、ロータを含み、制御巻線の少なくとも第１の部分を囲み、二次磁気回路が、一次磁気回路から離れた、電力巻線の少なくとも第２の部分を囲み、一次磁気回路と二次磁気回路が、電力巻線に電流が流れたとき磁気結合され、二次磁気回路が、磁気飽和可能な部分を含み、飽和制御アセンブリが、二次磁気回路の磁気飽和可能な部分と動作可能に関連付けられ、かつ前記飽和可能な部分の飽和レベルを制御可能に変化させるように動作可能である、機械を提供する。
【０００６】
別の態様では、本発明は、磁気ロータと、本体、ならびに、ステータに対するロータの移動に少なくとも部分的に応答して電圧および電流を発生させるように適合された少なくとも１つの電力巻線を有するステータであって、電力巻線と直列の少なくとも１つの可飽和インダクタをさらに備え、可飽和インダクタの可飽和コアの一部がステータの本体に固有に設けられた、ステータと、可飽和コア部分の飽和レベルを選択的に制御するように適合された飽和制御装置と、を備える交流発電機を提供する。
【０００７】
別の態様では、本発明は、ロータと、少なくとも電力巻線を含むステータと、を有する、交流発電機／発電機およびモータの少なくとも１つとして動作可能な電気機械であって、ロータを含み、かつ電力巻線の少なくとも第１の部分を囲む一次磁気回路と、電力巻線の少なくとも第２の部分を囲む二次磁気回路であって、電力巻線に電流が流れたとき一次磁気回路と磁気結合され、磁気飽和可能な部分を含む二次磁気回路と、前記飽和可能な部分の飽和レベルを制御可能に変化させる手段と、を備える電気機械を提供する。
【０００８】
別の態様では、本発明は、負荷に接続された少なくとも１つの交流発電機を必要とし、交流発電機が、磁気ロータと、ステータと、少なくとも１つの電力巻線と、を有し、電力巻線が、ロータを含む一次磁気回路に対応し、一次磁気回路は、電力巻線の少なくとも第１の部分を囲み、この電力巻線は、ステータ内に画定された二次磁気回路に更に対応し、二次磁気回路が、一次磁気回路に磁気結合されていると共に磁気飽和可能な部分を含み、二次磁気回路が、電力巻線の少なくとも第２の部分を囲む、負荷に接続された電気出力を調節する方法であって、電力巻線内で出力電流を発生させるように、ステータに対してロータを移動させるステップと、二次磁気回路の一部分の飽和レベルを制御可能に変化させるステップと、を含む方法を提供する。
【０００９】
別の態様では、本発明は、そのような機械間で電力を共用する方法を提供する。さらに他の発明も本明細書および添付図面において開示されており、本出願はそのような発明をすべて特許請求する。
【００１０】
次に、本発明をよりよく理解するために、また本発明がどのように実施され得るかをより明確に示すために、本発明の好ましい実施形態に従って作成された物品を示す添付の図面を一例として参照する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図２を参照すると、本発明による永久磁石（ＰＭ）型電気機械の一部が符号１０で示されている。例示および説明を簡単にするために、図２は、電気機械１０の線形の配置を示しているが、この機械は、一般に、ロータを内側または外側に備えた円形の構造を有することが好ましいことを理解されたい。図２および付随する説明は本質的に概略であること、また見やすくするために、この設計の多くの慣例的な詳細が省略されていることも、当業者には理解されるであろう。機械１０は、電力を発生させる交流発電機、または電力を機械的トルクに変換するモータ、あるいはその両方として構成されてよい。以下の説明は、交流発電機およびモータの両方、または交流発電機もしくはモータとして動作可能な電気機械を対象とする。
【００１２】
交流発電機／モータ１０は、ステータ２０に対して回転するように取り付けられた、永久磁石１４を備えたロータ１２を有する。ステータ２０は、少なくとも１つの電力巻線２２と、好ましくは少なくとも１つの制御巻線２４と、を有し、この実施形態のステータ２０は、３つの電磁的に独立した電力巻線２２（位相は、丸数字１、２、３によってそれぞれ表される）と、それに対応して３つの独立した制御巻線２４と、を備えた三相設計を有する。電力巻線および制御巻線は、この実施形態では巻線エアギャップ２６によって分離され、複数の隣接する歯３０の間にある半径方向のスロット２８内に配置される。（図２における例示を簡単にするため、制御巻線２４の隣接する要素は接続されていない状態で示される。説明を簡単にするため、隣接するスロット２８は、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄなどとして示される。）電力巻線２２および制御巻線２４は互いに電気的に分離される。継鉄３２、または本願で述べられているような制御磁束バスは、スロット２８の間を延びる。ロータエアギャップ３４は、一般的な形でロータ１２とステータ２０を分離する。ステータのコアまたは「ブリッジ」部分、すなわち「電力磁束バス」３６部分もまた、電力巻線２２の隣接部分の間の隣接する一対の歯３０の間を延びる。
【００１３】
ＰＭ型機械１０の材料は、設計者によって適切であると判断される任意のものでよい。発明者が好ましいものとする材料は、サマリウムコバルト永久磁石、銅製の電力巻線および制御巻線、磁気機械の製造に一般に使用される電気用ケイ素鋼などの、ステータ歯に適した可飽和電磁気材料、電力磁束バス、および制御磁束バスである。ステータ歯、電力磁束バス、制御磁束バスは、必要に応じて、互いに一体であっても一体でなくてもよい。設計者は、所望の機械性能などを生み出すために、少なくとも部分的には機械内の磁気回路（後述）の所望の特性に基づいて、ロータおよびステータの寸法ならびに材料を選択することになる。後述するように、制御磁束バス３２は磁気飽和可能である。
【００１４】
この実施形態における電力巻線２２は、単一の導体から成り、その導体は、電力磁束バス３６の第１の側でスロット２８に入り、他方の端部で電力磁束バス３６を横切り、電力磁束バス３６の第２の、または他方の側（すなわち、第１の側、または入口側とは反対側）でスロット２８を出て、同じ位相の次のスロット２８に進むが、その際、電力巻線２２は、好ましくは、上述のように電力磁束バス３６の第１の側ではなく、第２の側からこの次のスロットに入る。
【００１５】
一方、制御巻線２４は、この実施形態では、下記で述べる理由で好ましくは２５回など複数回、制御磁束バスの周りに巻き付けられる。隣接する適切な（すなわち、電力巻線との位相の対応を維持するのに適切な）スロット間の巻線の方向は、やはり下記でさらに述べるように、制御巻線内に誘導される電圧が正味ゼロとなるように、スロット間で同じであり、したがって電力巻線２２に対して交互に反対になるのが好ましい。制御巻線２４は、電流源および制御システム５０（図３参照）に接続され、この制御システムは、この実施例では、可変直流電流源と、さらに下記で述べるような機能を有することが好ましい、適切なソリッドステート制御システムと、を含む。そのような電流源によって供給される電流は、後述されるように、制御磁束バス３２を十分に飽和することが好ましい。
【００１６】
図３を参照すると、上述のような交流発電機／モータ１０は、複数のパワーインダクタ２２’（すなわち、電力巻線２２の、スロット部分２８ｂ内に位置する部分と等価）に接続された複数の交流電流源１２’（すなわち、それぞれが、電力巻線２２の、スロット部分２８ａ内に位置する部分と共に移動する磁気ロータシステムと等価）を有する等価回路１０’により、概略的に表すこともでき、電流源１２’およびパワーインダクタ２２’は直列で交互に配置される。パワーインダクタ２２’には、可飽和コア３２’（可飽和制御磁束バス３２と等価）を有する複数の制御インダクタ２４’（すなわち、制御巻線２４と等価）が関連付けられる。制御インダクタ２４’は、下記でさらに述べるように、この実施例では、符号５０で表される可変直流電流源および制御システムに接続される。したがって、電力巻線２２、制御巻線２４および制御磁束バス３２は、本発明では協働して、ステータ１２に搭載された可飽和インダクタをもたらすことが分かる。可飽和インダクタは、交流電力を調節するのに有用であることが知られており、さらに後述されるように、１つの態様において、本発明は、この一般的なタイプの調節方式を実装する一体の手法を提供する。
【００１７】
再び図２を参照すると、使用の際、交流発電機モードでは、ロータ１２はステータ２０に対して移動され、磁石１４と電力巻線２２の相互作用によって、一次磁束の経路つまり一次磁気回路６０に沿ってＰＭ型機械１０内に一次磁束が生じる。一次磁束は電力巻線内に電圧を誘導し、この電圧により、電気負荷が接続されたとき誘導電流が生じ、この誘導電流は、二次磁束が隣接する二次磁束の経路つまり二次磁気回路６２を循環するようにする。したがって、一次磁気回路６０および二次磁気回路６２は、電流が電力巻線内を流れたとき磁気結合される。二次磁気回路６２は、大部分がロータおよび一次磁気回路６０から隔離されている。（この説明は、述べられている実施形態の位相「１」のみに該当すること、また、他の位相に関して同様の相互作用などが生じることを理解されたい。）本開示に照らして、多くの状況において、無負荷状態の間、電力巻線内で最小電流を維持するために、調節装置を含めることが望ましい可能性があることを、当業者なら理解するであろう。
【００１８】
一次磁気回路６０は、ロータ１２と、ロータエアギャップ３４と、電力磁束バス３６と、ステータ歯３０の、ロータ１２と電力磁束バス３６の間にある部分と、を含む。一次磁気回路６０は、電力巻線２２の第１の部分を囲み、使用の際、交流発電機として電力巻線２２内に電流フローを生じさせる。二次磁気回路６２は、電力磁束バス３６と、制御磁束バス３２と、ステータ歯３０の、制御磁束バス３２と電力磁束バス３６の間にある部分と、を含む。この実施形態では、二次磁気回路６２は、スロット２８ｂ内にある電力巻線２２の第２の部分および制御巻線２４の一部分を囲む。電力磁束バス３６は、スロット２８を、２つのスロット部分または開口部２８ａ、２８ｂに分割するが、１つの開口部２８ａは電力巻線のみのためのものであり、別の開口部２８ｂは電力巻線と制御巻線のためのものである。一次磁気回路６０は開口部２８ａを囲み、二次磁気回路６２は開口部２８ｂを囲む。開口部２８ａは、好ましくは、開口部２８ｂよりも半径方向においてロータに近接している。電力磁束バス３６は、好ましくは、一次磁気回路６０および二次磁気回路６２の経路の両方に共通であり、したがって、一次磁気回路６０および二次磁気回路６２は、上述のように磁気結合される。
【００１９】
図２に部分的に示されているように、三次磁気回路６４は、好ましくは制御磁束バス３２の周りを循環する（すなわち、この実施形態では、三次磁気回路６４はステータ全体を循環するので、三次磁気回路６４の一部のみが示されている）。制御磁束バス３２は、好ましくは、二次磁気回路６２および三次磁気回路６４の経路の両方に共通であり、したがって、二次磁気回路６２および三次磁気回路６４もまた磁気結合される。上述のように、制御磁束バス３２の少なくとも一部分は飽和可能である。
【００２０】
交流発電機として動作させたとき、本発明は、次に述べるように、制御巻線（１つまたは複数）２４に供給される電流を操作することにより、電力巻線（１つまたは複数）２２の出力を制御できるようにする。
【００２１】
上述のように、等価パワーインダクタ２２’は、電力巻線２２の、スロット２８ｂ内にある部分と、二次磁気回路６２と、によって形成され、これは図３の等価回路によって概略的に表されるとおりである。制御巻線２４は、二次磁気回路６２を共用するが、上述のように好ましくは各スロット内で電力巻線２２と同じ方向で巻かれるので、得られる効果は、可飽和インダクタが交互に反転されることによってもたらされるものと同様であり、好ましくは、二次磁気回路６２内の磁束によって制御巻線２４内で実質的に正味の電圧が生成されない。
【００２２】
電流源５０からの直流電流を制御巻線２４に印加することにより、制御磁束バス３２内に直流磁束循環回路６４が生じる。図２に示された時点では、制御磁束バス３２の三次磁気回路６４内にある直流磁束は、スロットＡ内では、二次磁気回路６２内の交流磁束と同一方向であるが、スロットＤ内では、制御磁束バス３２の三次磁気回路６４内にある直流磁束の方向は、二次磁気回路６２内の交流磁束と反対であることが分かる。制御巻線２４内で直流電流が増加されると、制御磁束バス３２内の磁束密度が増加され、その結果、最終的に飽和磁束密度に達する。飽和は、制御磁束バス内の、交流磁束と直流磁束が同じ方向である領域において最初に達成されること、また、直流制御電流がより高くなると、磁束の方向に関わらず、制御磁束バスの両方の領域が飽和状態になることが理解されるであろう。飽和が生じると、電力巻線内の電流による二次磁気回路６２内の交流磁束は、非常に顕著に低減される。
【００２３】
上述のように、電力巻線２２に対する制御巻線２４のパターンにより、好ましくは、制御巻線２４内に誘導される正味の電圧はほぼゼロになり、それによって制御が簡単になる。また、両方の制御磁束バス３２を通る直流制御電流は、電力巻線２２に対して異なる方向で磁束を生成するので、交流電力の一方のサイクルにおいて、一方の制御磁束バス３２の方が飽和レベルが高くなる一方、他方のサイクルでは、他方の制御磁束バス３２の方が飽和レベルが高くなり、したがって、各半サイクルを通じて制御動作を均等にする傾向がある。
【００２４】
飽和されると、磁性材料は磁束を伝導する能力を実質的に失い、そのため、交流磁力（ＨAC）と直流磁界特性（ＨDC）のさらなる変化との両方に対して、見かけ上非磁性になる。したがって、制御磁束バス３２内のこの飽和状態の正味の効果は、二次磁気回路６２によるインダクタンスを事実上除去し、それにより、機械のインダクタンスを大幅に低減することである。
【００２５】
さらに、例えば外部負荷の増加によって、または動作速度の上昇による発生出力電圧の増加によって、電力巻線２２内の電流フローが増加すると、制御磁束バス３２の、磁束方向が瞬間的に反対になっている部分は、飽和レベルがより低くなり、それによってインダクタンスが比例的に増加する。この効果は、出力電流がある程度一定に維持されるようにする傾向がある。したがって、本発明により、交流発電機の出力電流は、制御電流の関数になる。二次磁気回路６２によって形成された等価パワーインダクタ２２’の最大インダクタンスは、二次磁気回路６２を担持する部分の物理的寸法に関連する。電力巻線２２の短絡電流は、次式によって、制御巻線２４内のアンペア回数に関連する。
【００２６】
ＩＰ×Ｎｐ＋Ｋ＝ＩＣ×Ｎｃ
式中、ＮｐおよびＮｃはそれぞれ、電力巻線２２および制御巻線２４の巻数、ＩＰおよびＩＣはそれぞれ、電力巻線２２および制御巻線２４内の電流であり、Ｋは、電力巻線２２および他の機械設計上の特徴部の最大インダクタンスに反比例する定数である。
【００２７】
これにより、電力巻線２２の出力を操作することが可能になるので、制御巻線２４は、ＰＭ型機械１０の制御電源として使用することができる。したがって、「制御」電流をＰＭ型機械１０の電力巻線２２によって、典型的には整流器と関連して発生させることができるので、ＰＭ型機械の動作を制御する手段は、機械それ自体の内部で得ることができる。いくつかの例では、電子電流制御と共に、制御電流の外部供給源が必要とされないことがあるが、電流をある程度制御するため、制御巻線を整流出力電流と直列に配置してもよい。このように、本発明の新規な構造は、それ自体が機械の制御システムに対する多くの新規な可能性があり、そのいくつかの実施例を次に述べる。
【００２８】
例えば、交流発電機１０の出力（すなわち、電力巻線２２から）は、制御巻線２４を電力供給源５０に接続することによって制御することができ、制御巻線２４に印加される電流は、好ましくは制御磁束バス３２を完全に飽和するのに十分なものであり、そのような飽和は、この実施形態では制御磁束バス３２に巻き付けられた制御巻線２４を通る電流によって誘導される、三次磁気回経路６４に沿って流れる磁束によって生じる。飽和が生じたとき、二次磁気回路６２の周りの磁束は効果的に除去され、電力巻線２２と二次磁気回路６２との磁気的関係は、電力巻線２２内のインダクタンスが事実上除去されるようなものである。したがって、より多くの電流を電力巻線２２内に流すことが可能になる。制御電流供給源５０によって与えられる電流レベルは、必要に応じて連続的に変化させることができ、それにより、ある範囲のロータ速度および電気負荷にわたって、電力巻線２２の出力電流（したがって、最終的には出力電圧）が調節される。例えば、一定の出力電圧制御を行うために、電流源５０の制御システムによってフィードバック制御回路を使用し、交流発電機の出力電圧（すなわち、電力巻線２２の出力）を固定の基準（例えば、所望の出力電圧レベル（１つまたは複数）を表す）に比較することで、交流発電機の出力電圧が所望の基準レベルよりも低い場合、制御電流を増加させて、飽和レベルを上昇させ、さらに出力電流、電圧を増加させるためにコマンドが送られて、制御することができる。同様に、交流発電機の出力電圧が所望の基準値（上述の基準値と同じであっても同じでなくてもよい）を上回ったとき、制御電流を減少させて、飽和レベルを、したがって出力電流を減少させるコマンドが同様に送られ、やはり最終的に出力電圧の制御をも可能にする。このようにして、交流発電機の出力電圧を調節することができる。
【００２９】
別の制御方法では、電流が制御巻線２４に供給されていない場合、電力巻線２２の出力は減少され、また意図的に機械の構造によって制限することができ、その結果、機械のインピーダンスは、短絡電流を、機械が損傷することなく安定して扱うことができる電流に制限するのに十分なものとなる（すなわち、短絡電流が十分に低くなり、例えば、機械の過熱などの危険を引き起こさないことになる）。
【００３０】
他の多数の制御方式も可能であり、それには、急速に変化する電流を用いて、交流発電機出力の周期的な振幅変調を引き起こし、それにより、機械の原周波数（すなわち、交流発電機の速度と極対の周波数とを掛けたもの）とは異なる新たな出力周波数（または側波帯）を発生させる、制御電流（すなわち、制御巻線２４内の電流）の変調制御が含まれる。
【００３１】
磁束は、好ましくは、三次磁気回路６４を同じ方向で制御磁束バス３２の周りで循環させる。上述のように、制御巻線２４は、上述の三相機械の特定の位相に対応するスロット内に設けられるが、電力巻線２２は、その位相の隣接するスロットそれぞれに関連付けられた磁石１４の極の配置が反対であることにより、各スロット内で反対方向に巻かれる。上述のように、三次磁気回路６４の方向を確実に同一にするため、制御巻線２４は、好ましくはすべてのスロット内で同じ方向に巻かれる。やはり上述のように、制御巻線２４内に誘導される電圧は正味ゼロであり、これは、直流制御電流を供給するために必要な直流電位が比較的低いので望ましく、したがって、制御巻線２４上の有意な交流電位を除去するために特に考慮すべきことはない。
【００３２】
本発明はまた、複数の交流発電機／発電機間で負荷が共用されることを可能にすることが有利である。制御巻線は機械の出力電流を制御する。したがって、図５を参照すると、複数の交流発電機１０が単純な整流器６０に接続されている場合、整流器の出力は、共通の負荷回路を供給するように共に直接接続される可能性がある。負荷電流に対する各交流発電機の寄与は、制御された電流源５０’から各交流発電機に供給される直流電流（この実施例の場合）の制御によって設定される。このようにして、単一の交流発電機が故障または停止した場合、５０として一体化された制御システムは、これを感知し、好ましくは故障または停止した交流発電機による不足を補うように、１つまたは複数の残りの交流発電機の電流寄与を増加させることによって、負荷のシームレスな共用を実現する。
【００３３】
また、本発明を用いて、適切に位相調節された交流発電機１０を共に直接接続することもでき、それにより、位相が整合された（例えば、上述のような位相「１」）複数の交流発電機１０の交流出力を、図６に示されるように並列に接続することができる。電流共用制御は、制御システム５０’’を介して行われ、この制御システムは、上述のように各交流発電機内の制御電流も調整する。これは、単一の機械の最大直径またはシャフト長さを、例えばロータの動力学上の理由、または他の理由で特定の値より低く維持しなければならない場合に、機械的配置のいくつかの利点を得る。このようにして、例えば、単一のシャフト７０上にある２つの、より小型の機械１０は、共用された、より大きな共通負荷回路に対して十分に大きな電力を出力することができる。
【００３４】
上記の例のどちらにおいても、これは、電力を共用することができる、はるかに単純な手段を可能にし、従来技術の複雑な制御システムを必要としない。この特徴は、「２チャネル」電気機械においても、有利に使用することができる。再び図５および図６を参照すると、例えば、両方の機械１０は、単一のロータおよびステータのアセンブリに一体化することができる。
【００３５】
別の実施形態では、上述のように、電力磁束バス３６は、故障によって正常な動作温度を超過した場合に熱保護を実現するように、上記に組み込まれた本出願人の同時係属の出願に従って、キュリー点が低い材料を備えてもよい。
【００３６】
上記で開示されているものなどの制御方式は、個々に用いられてもよく、または、必要に応じて、複数の制御機構が同時にＰＭ型機械内に存在できるようにするために組み合わされてもよい。従来技術の幾何学形状が固定されたＰＭ型機械は、一般に、運転される速度によって制御する以外のやり方で制御することができないので、本発明のこの制御可能性という特徴は、特に、機械の出力を制御するために機械の回転速度それ自体を使用することができない応用例において、ＰＭ型機械の設計者にとって非常に価値があるものである。本発明はまた、航空宇宙産業向けの応用例に適した、堅牢で確実な設計を提供する。本発明によって提供される電力共用の機会もまた無視することができない。
【００３７】
図４に示されている別の実施形態では、制御巻線２２４は、閉スロット部分２２８ｂに隣接する別個の閉スロット２２８ｃ内に設けられる。二次磁気回路２６２および三次磁気回路２６４は、制御磁束バス２３２を共用する。図４中の参照番号は図２のものと同様であるが、２００ずつ増分されている。
【００３８】
図示されていないが、別の実施形態では、飽和制御のために制御巻線２４および制御電流源５０に依拠するのではなく、その代わりに、制御磁束バスは、適切な制御および駆動システムによって永久磁石を制御磁束バスに近接させて飽和させることができ、その制御および駆動システムは、機械的、電気的、電子的、または他のもの、あるいはそれらの組合せであってよい。
【００３９】
本発明はまた、モータを制御するために使用されてもよい。例えば、始動モータとして使用されたとき、本発明は、モータのインピーダンスを変化させ、それによって、モータリング中に生じるトランジェント電流を制御するために使用されてもよく、電力巻線のインダクタンスが可変であるため、ロータｍｍｆと電機子ｍｍｆとの間の位相角が可変なので、トルク速度の関係もまた、制御巻線を使用してある程度調整することができる。同様に、交流発電機／発電機について他の制御モードも可能である。例えば、簡単に上述したように、飽和レベルを適切に変化させる、または変調することにより、交流発電機の速度が変化したとき、発生する周波数を可変シフトすることによって電力巻線内の出力交流電流の周波数を制御し、それによって所望の一定の出力周波数を提供してもよい。これは、交流発電機の出力周波数が２つ以上の周波数成分（すなわち、和周波数（または側波帯）および差周波数（または側波帯））から成るように、振幅変調技法を使用して行われてもよい。周波数の１つを適切にフィルタリング、減算、または検出することにより、交流発電機の周波数と制御周波数との和または差に関連する、新たな単一の出力周波数が得られる。変調された交流発電機の出力の包絡線を能動的に整流することにより、新たな電力周波数を得ることもできる。
【００４０】
したがって、上記の説明は例示のみを目的としたものであり、当業者であれば、開示された本発明の範囲から逸脱することなく、述べられている実施形態に他の変更を加えることができることを理解するであろう。例えば、機械は、単相または多相、あるいは単チャネルまたは多チャネルであってよい。巻線は、スロット当たりの巻数が１つまたは複数であってよく、巻線の巻数は必ずしも整数でなくてもよく、電力巻線の数は制御巻線の数と等しくなくてもよく、また、１つのスロット内に１つまたは複数の巻線が存在してよい。巻線は、任意の導体（１つまたは複数）（すなわち、単一の伝導体、２つ以上のワイヤ、絶縁され積層されたリッツ線など）とすることも、超伝導体とすることもできる。多相の機械では、既知の技法によるデルタ接続またはＹ接続された巻線があってもよい。巻線が互いに電気的に分離されている限り、電力巻線と制御巻線との間にエアギャップがなくてもよい。ロータは、任意の適切な電磁構成とすることができ（すなわち、永久磁石ロータは必須ではない）、また、外側ロータ構成または内側ロータ構成で、あるいは他の任意の適切な構成で設けられてよい。他の巻線構成が可能であり、上述のものを全く使用しなくても、装置全体にわたって使用しなくてもよい。また、述べられている磁気回路は、任意の適切な形でステータ（および／またはロータ）内に配置することができる。同様に、ステータおよびロータもまた任意の適切な構成を有してよい。任意の適切な飽和手段が使用されてよい。上述のいくつかの実施形態では、飽和を制御するために直流電源が好ましいが、当業者であれば理解するように、場合によっては、所望の結果を得るために交流電源も使用できる。
【００４１】
本発明の範囲内にあるさらに他の修正形態が、本開示を検討することで当業者には明らかとなり、そのような修正形態は、添付の請求項による均等物に含まれるものとする。本願では、用語「交流発電機」は、包括的に、電気を発生させるために使用される装置を意味するように使用されることがあり、したがって、出力交流電流を発生させるための装置に限定されることを必ずしも意図しないことを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】従来技術の永久磁石型交流発電機／モータのある程度概略化した断面図。
【図２】本発明による交流発電機／モータのある程度概略化した部分断面図。
【図３】図２の交流発電機／モータの機能的側面を示す、等価回路の部分概略図。
【図４】図２に類似するが本発明の別の実施形態を示す図。
【図５】本発明の別の態様を概略的に示すブロック図。
【図６】本発明の別の態様を概略的に示すブロック図。
【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５】
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【図６】
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