JP2001512656A

JP2001512656A - 発電電動機械およびそのための制御動作システム

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Publication number: JP2001512656A
Application number: JP53240098A
Authority: JP
Inventors: ブラム，ディーター・ダブリュ
Original assignee: ブラム，ディーター・ダブリュ
Priority date: 1997-01-29
Filing date: 1998-01-29
Publication date: 2001-08-21
Also published as: CA2279337A1; US20020070694A1; US6222331B1; BR9807036A; AU5744398A; AU742180B2; WO1998034332A1; EP1012952A1

Abstract

(57)【要約】電動機または発電機として機能できる発電電動機械。この機械は固定子および電機子（８０）を含み、電機子コイル（ｃ１−ｃ７）の切換えは、電機子に設けられ電機子とともに回転するスイッチ制御アセンブリによって行なわれる。電動機としての動作では、直流がブラシを通して、電機子とともに回転するスリップリング（６８、７０）に供給され、供給されたＤＣ電流は初めに制御アセンブリのスイッチ手段（９２）を通して送られ、電流を回転子の回転に関し適切にタイミングが取られた関係で送る。これによって、電動機／発電機の動作に多様性が生まれ、現在ＤＣ電動機および発電機において通常用いられている従来のブラシ整流の使用に関連する問題の多くが解消する。

Description

【発明の詳細な説明】発電電動機械およびそのための制御動作システム発明の背景ａ）発明の分野本発明は一般に（電動機および発電機の両方を含む）電気的機械に関し、特に、電力を機械要素に供給するためのシステム（装置および方法）とそのための制御動作システムとに関する。より特定的には、これは、ブラシ整流を用いず、機械の最適化された性能を与え、機械自体の全体の設計がより良い性能のために改良可能となるような機械およびシステムに関する。さまざまな産業上の応用のために用いられるより一般的な電気的機械の１つは、少なくとも１組（対）の反対の位置に位置決めされた固定した南北の極を備える固定子と、極の間に位置決めされた回転子とを有する従来の整流子制御型ＤＣ電動機である。回転子はコイルを巻かれ、コイルは回転子の回転軸と平行に延び、回転子のまわりの周方向に間隔をあけられた場所に位置決めされる。回転子と相互接続され、回転子とともに回転する整流子を介して電力が回転子のコイルへと供給される。外部のＤＣ電源が、整流子の両側でそれに電気的に接触して位置決めされた静止ブラシを介して整流子回転子に接続される。整流子は、回転子内のコイルに電気的に接続されるセグメントからなる。したがって、回転子が回転すると、回転子の移動回転経路の一方の部分の間では一方の方向へ、次に、回転子の回転経路の他方の部分の間では逆の方向へと電流が各コイルを流れるように、電力が予め定められた順序で２つのブラシから整流子セグメントへと供給される。整流子は、コイルによって生じる磁界が固定子によって生じる磁界と相互作用して回転子の回転を生むように配列される。このような整流子制御型ＤＣ電動機にはさまざまな工業上の応用のためにいくつかの望ましい特徴がある。ある著しい利点は、この電動機が始動時に非常に高いトルクを発達させることができ、こうして交流から動作する同期電動機のような他の型の電気電動機にまさる著しい利点を与えることである。いくつかの応用のためのこのような整流子制御型ＤＣ電動機の別の利点は、回転子の回転速度をある動作要件に適うよう容易に変更できることである。たとえば、電動機は低速で非常に高いトルクを発達させることができるが、他の状況下においてもはるかに高い速度で動作可能である。しかしながら、整流子制御型ＤＣ電動機にはいくつかの欠点があり、これらの中には整流子およびブラシに関連した問題に関するものがある。整流子セグメントが互いから少なくとも短い距離だけ間隔をあけられて、隣接する整流子セグメント間のアーチ形成を避けることが必要である。しかしながら、ブラシは回転する整流子セグメントとの接触を絶えず作り出し、断たなければならない。これによってメンテナンスの問題が生じる。また、整流子およびブラシのリギングアセンブリと他の要因とのためにより高いコストが必要となる。別の欠点は、火花が発生する可能性のために、火花の発生が危険であろう環境においてこれらが使用されないということである。実用上の結果として、機械的整流子装置全体の回避が広く所望される。ブラシ／整流子制御システムに関する別の欠点は、スイッチ切換点の位置決めが通常電動機の動作条件に従って妥協されることである。理想的には、電動機が所与の望ましい電力出力および所与の速度で動作していれば、コイルに供給される電流のスイッチ切換が回転子の効率および他の性能を最適化するように完全に時間を定められるよう、ブラシが最適化された場所に配置され得る。しかしながら、電動機が高いトルクを発達させることが必要とされるように高負荷を与えられていれば、回転子が「遅れる」。この理由は、回転子が高いトルクを発達させているとき、固定子の南北の極の間の磁界全体が回転子の回転とは逆方向に曲がるか歪むためである。したがって、発生される磁界の動作的影響に関して、固定子の南北の極が実際にシフトする。また、電動機の回転速度がブラシの最適化された位置に影響を及ぼし得る。理想的には、スイッチ切換点がその動作モードに最適化されるように整流子ブラシがシフトされるべきである。ブラシを機械的にシフトするか他の方法でこの状況を補償するようさまざまな試みが先行技術においてなされてきたが、これらの試みは大部分において成功しておらず、および／または商業上実行可能でなかった。したがって、電動機に対して予期されるさまざまな動作条件に対処するよう、整流子およびブラシが妥協的な位置に配置されることが極めて頻繁にある。しかしながら、これを越え、整流子制御型ＤＣ電動機では、電動機の固有の動作特性のために機械設計全体がある点で妥協されなければならない。ブラシと整流子セグメントとの間で火花が発生する可能性があるという事実のため、この型の電動機に印加できる電圧レベルは限られている。また、電機子と回転子との間のエアギャップがある最小距離よりも大きくなければならず、これは、コイル内のコイルの整流（短絡）によって生じる誘起電流が整流子セグメント間に火花を発生する傾向があるためである。このより大きいギャップを有することに対する１つの不利点は、これがエアギャップにかけての経路における磁気経路の磁気抵抗を増加させ、したがって電動機によって発達可能なトルクを減少させることである。これは、電動機が高負荷で動作しているときの磁界のより大きな歪みのような他の複雑な問題を起こすことによって、事態を悪化させる。ＤＣ発電機はＤＣ電動機と実質的に同じである（または少なくとも類似している）が、逆のモードで動作する。すなわち、発電機においては、電力入力は一般に回転シャフトによってであり、出力はＤＣ電流である。ＤＣ電動機に固有の同じ利点および不利点が主にＤＣ発電機にも存在する。このようなＤＣ電動機のこれらの不利点を考えると、交流で動作する電動機の方が望ましいと考えられるであろう。なぜなら、これらは整流子とブラシとの相互作用を有さず（したがって、より少ない電力損失でより高い電圧の機械を可能とする）、また最小のエアギャップおよび最大の磁界強度で電動機設計を最適化することがより良くできるようになるためである。ある程度これは正しく、このような電動機がある応用では広く商業的に使用されている。しかしながら、交流で動作しないこのような電動機は典型的にスリップと、始動トルクの深刻な欠如と、可変速度に関する制御の困難さとを抱える。以上を鑑みて、本発明の目的は、電気機械一般、特に、本発明が上述のような問題の大部分を緩和するように十分に適合されるある型の電気エンジンのための改良された制御システムを提供することである。本発明はまた、電気電動機および発電機のための改良された電力および制御システムを提供することに加え、電動機または発電機自体がより効果的に設計されるようにするにあたって本発明によって提供される利点を最大化し、またより効率的な（ある場合ではより融通のきく）動作を可能にするための最適化された設計を有する電気電動機をさらに含む。発明の概要本発明は、電動機または発電機として動作できる発電電動機械に関する。機械のコイル内の電流の流れは効率的な電力伝達を最適化し、かつ先行技術に存在する問題の多くを緩和するよう最適化され得る。本発明は、磁界部材および電機子アセンブリを含む発電電動機械を含む。磁界部材は、磁極部分間を延びる磁束磁界を生じるように南北の磁気部分を有する。電機子アセンブリは磁束磁界中を回転するように機械内に回転可能に取付けられる。電機子アセンブリは、ａ．磁束磁界内のコア位置と、ｂ．上述のコアに隣接して位置決めされ、電機子アセンブリの位置決めの間に磁束磁界中を移動するように位置決めされる複数の誘導コイルを含むコイル手段と、ｃ．電機子アセンブリに取付けられてそれとともに回転可能であるスイッチ手段とを含む。スイッチ手段は、電流がコイル手段中を作動的に流されて磁束磁界内にコイル手段の望ましい相互作用を引き起こすような態様で、コイル手段に作動的に接続される。電機子アセンブリに接続されて、電力を伝達する関係でそれとともに回転可能な機械的伝達手段がある。また、スイッチ手段との作動的電力接続を有する電力伝達手段があり、したがって、電力伝達手段とコイル手段との間の電流はスイッチ手段によって選択的に制御される。さらに、上述のコイル内の電流の方向およびタイミングを制御するようにスイッチ手段を動作させる制御手段がある。本発明の好ましい実施例では、電力伝達手段が直流電力伝達手段である。また好ましい形態では、電力伝達手段は電機子アセンブリに回転可能に取付けられたスリップリング手段と、スリップ手段に作動的に係合するブラシ手段とを含む。また、好ましい形態では、制御手段（または制御手段の実質的な部分）がともに回転可能であるように電機子アセンブリ内に位置決めされ、制御手段への制御信号が電力伝達手段を介して伝達され得る。磁束磁界の配向および／または他の特性を確かめるために磁束磁界に対して位置決めされる磁界検知手段が設けられる。検知手段は制御手段に作動的に接続されて、制御手段がスイッチ手段のタイミングおよび／または動作を変更することを可能にし、磁束磁界に対するスイッチングの適切な関係を達成する。より特定的な形態では、検知手段は、関連のコイルに隣接して位置決めされて関連のコイルにおける電流の変化および／または条件を検知する複数のセンサを含む。ある特定の実施例では、各センサが磁束磁界に応答するセンサコイル手段と、センサコイル手段における電圧変化に応答して対応する信号を制御手段に送る手段とを含む。ある動作モードでは、機械は電動機として機能し、ここで、ＤＣ電流が電力伝達手段を介して導かれて、電力を電機子アセンブリに供給し、機械的伝達手段の回転を引き起こす。別のモードでは、機械は発電機として動作させられ、電力は機械的伝達手段に送られて機械的伝達手段の回転を引き起こして、電力伝達手段に伝達される、電機子アセンブリ内の電気を発生する。いくつかの実施例では、磁界部材はステータス磁界を与えるようにステータス南北磁極位置を含む。別の実施例では、磁界部材は磁界部材のまわりを周方向に移動する移動磁束磁界を発生する。本発明の他の特徴は以下の詳細な説明から明らかとなるであろう。図面の簡単な説明図１は、先行技術の整流子制御型ＤＣ電動機の部分断面側面図である。図２は、図１の線２−２でとった断面図であり、整流子およびブラシを示す。図３は、先行技術の回転子のコイルと、整流子と、その間の電気接続とを示すやや概略化された図である。図４は、負荷のもとで動作する先行技術の電動機を、固定子磁界内の結果として生じるシフトとともに示す、図３と同様の断面図である。図５は、整流子に係合する単一の整流子ブラシを示し、火花の発生による整流子セグメントの損傷をも示す概略図である。図６は、３つの異なる型のＤＣ電動機の動作特性を示すグラフである。図７は、起動加減抵抗器を備える先行技術のＤＣ電動機を示す概略図である。図８は、本発明の好ましい実施例の等角図である。図９は、図４の電動機の部分断面側面図である。図１０は、本発明の制御パッケージを示す概略図である。図１１は、本発明の制御回路の概略図である。図１２は、本発明の制御スイッチのある好ましい実施例を示し、２つの制御スイッチが示される。図１３は、スイッチング機能を有する、ＭＯＳＦＥＴのアレイである回路の別の部分を示す。図１４は、図９に示す構成の代替的な実施例である。図１５は、本発明のための監視回路の好ましい実施例を示す。図１６は、本発明の全体のシステムを示す概略図である。図１７は、電機子コイルと単数および複数のスイッチとの配列と、本発明の第２の実施例のスイッチとを示すやや概略化された図である。図１８は、本発明を組込む第３の実施例の概略図であり、固定子が４つの磁界コイルを含む。図１９は、変更されたスイッチング配列での第４の実施例の概略図であり、各コイルが２つのスイッチアセンブリを有する。図２０は、同期電動機の基本的動作設計を有する電動機内に組込まれた本発明を示す概略図であり、交流が固定子へと向けられて、固定子のまわりを同期的に周方向に移動する磁界を引き起こす。好ましい実施例の説明はじめに、「発明の背景」と題されたこの文書の前の部分に説明されたような典型的な先行技術の整流子制御型ＤＣ電動機をより詳細に説明し、その後、一般に先行技術を説明し、これが先行技術の電動機（または発電機）の動作特性、利点および不利点にいかに当てはまるかを説明する部分を続けると、本発明がより明確に理解されると考えられる。その後、本発明のより詳細な説明を行なう。以下の説明では、好ましい実施例が多くの場合「電動機」と称される（または電動機において用いられると説明される）が、この同じ装置が発電機として用いられ得ることを理解されたい。したがって、この装置をこの文書の一部では「エンジン」と称し、他の部分ではより特定的に「電動機」と呼ぶ。しかしながら、「電動機」という用語が用いられるとき、これはほとんどの場合この装置（すなわちエンジン）を発電機として用いることにも同様に当てはまることを理解されたい。さらに予備的な解説として、以下の２セクションでは、ともにコロンビア大学のフレデリック・ヘール氏（Mr．Frederick Hehr）およびジョージ・ハーネス氏（Mr．George Harness）による直流に関する著作「電気回路および機械」（“El ectrical Circuits and Machinery”）、第１巻を参照する。この著作は１９４０年に著作権を認められている。この本は（発電機および電動機の両方を含む）「発電電動機械」の情報を与える説明を有し、このような装置の設計および動作における多くの実用的局面をも説明している。これはさらに、たとえば、種々の型の電動機／発電機と、各々の利点および不利点と、遭遇される動作上の問題と、これらを解決するための試みと、種々の型の電動機／発電機が適合するであろうさまざまな応用とを記載している。この本は本特許発明の文書が準備された年（１９９８年）のほぼ５８年前に出版されたが、この本の内容は今日の電気機械に存在する利点、不利点、問題分野（およびその可能な解決法）に関して主として非常に関連があり、有益であることが最も興味深い。整流の問題および限界はこの１９４０年の論文の第２３６頁から第２４８頁に述べられている。主として、これらはなお今日の技術に存在する。この本の第７章「直流電動機」（“The Direct-current Motor”）では、さまざまな型のＤＣ電動機とそれらの特性とについての記載がある。その章の第３３４頁には、電動機が静止している時間からのその始動に関する問題と、必要とされる装置とが議論されている。ここでもまた、同じ問題が今日の電気電動機に存在する。したがって、これらの動作上の限界および問題が何十年にわたって公知であり、分析され、改良と限界への適合とのために業界においてある進歩がみられたが、根本的な問題および限界はなお電気的機械に関する今日の技術に残されている。ａ）先行技術の整流子制御型ＤＣ電動機の説明図１から図３を参照して、固定子１２および回転子１４を含む先行技術の電動機１０を示す。回転子１４は出力シャフト１６、整流子１８および１対のブラシ２０、２２を含む。電流を整流子１８を介して回転子１４に供給するために、ブラシ２０が正電源２４に接続され、ブラシ２２が負電源２６に接続される。回転子１４は全体的に円筒形の構成を有し、複数のコイル２８が回転子コア２９のまわりに巻かれ、これらのコイルは長手方向に、回転子シャフト１６の回転軸と平行に延びる。コイル２８は回転子の全長に沿って延び、回転子１４の円筒表面３０全体の実質的に周囲で、均等に間隔をあけられた周方向の場所で位置決めされる。固定子１２は、回転子１４の両側にそれぞれ位置決めされた北極セクション３２および南極セクション３４を含む。極セクション３２および３４の各々が凹状かつ円筒形に湾曲した極面３６を有し、各極面または表面３６が、回転子１４の円筒表面３０の隣接する表面部分とともに、関連の円筒形に湾曲したギャップ３８を規定する。ここで、コイル２８が典型的な整流子制御型ＤＣ電動機内で巻かれる態様を図示する図３を参照されたい（これは、上述の本「電気回路および機械」−第１巻、直流の第２００頁に示される）。以下の数段落において、電流が７つのコイル２８および整流子セグメント４０を流れる態様のいくぶん詳細な説明を行なう。先行技術の電動機の動作をこのように再検討することによって、先行技術に対する本発明の動作モードの相違と、通常の先行技術の配列にまさる本発明によって得られ得る利点とを読者がよりよく認識できると考えられる。ここに示す特定の電動機において、７つのコイル２８があり、したがって整流子１８は「ａ」から「ｇ」の符号をつけられた７つのセグメント４０を有する。整流子セグメント４０は同じ弓形の長さであり、これらは整流子のまわりに等間隔で配置される。図３に示すように、ブラシ２０および２２は整流子１８の内部に位置決めされるが、これは図示の目的のために行なわれているにすぎない。通常、ブラシ２０および２２は図１および図２に示すように整流子の外部に位置決めされる。図３のこの特定の図において、各コイルは単一の巻きだけを含むものとして示されるが、各巻きは、コア２９の両側で互いに対して正反対に位置決めされ、図３の破線で示すコイルセクション４４によって一方の端部で互いと直接接続される１対の誘電子セクション４２を含む。このように、コイル１−８は２つの誘電子セクション、すなわちセクション１および８を含み、これらはコイルセクションの断面を表わすために概略的に円として示される。セクション１は円の中央に点を示し、これは電流が紙面から上方向に流れていることを意味するが、セクション８は＋を示し、これは電流が紙面へと下方向に流れていることを意味する。コイル８は実線４８によって整流子セグメント「ｇ」に接続するが、セクション１は別の実線４８によって整流子セクション「ａ」に接続する。上述のように、誘電子セクション１および８の底端部が破線４４によって示すコイル部分によって相互接続される。２つの誘電子セクション１および８は回転子１８の長手軸と平行に延びる。この同じ説明は他のコイル２−９、３−１０等にも当てはまる。これらのコイルセクション１−１４２８は整流子１８によって直列に以下の態様で接続される。整流子セグメントＦの接続点５０で始まり、その点から下方向に実線接続４８に沿ってコイルセクション１１まで移動し、そこで破線４４に沿ってコイルセクション４の一方端まで戻る。コイルセクション４の他方端は破線として整流子セグメント「ｅ」の接続場所まで延びる。その特定の場所では、２つの整流子セグメント「ｅ」および「ｆ」が負のブラシ２０によって短絡されることがわかる。したがって、その特定の例ではコイルセクション４および１１に電流が流れない。これをさらに進めて、電流の流れを整流子セグメント「ｅ」からコイル２を横切ってコイルセクション９まで辿り、整流子セグメント「ｄ」へと戻ってみる。一連の接続はｅ−９−２−ｄ−７−１４−ｃ−５−１２−ｂ−３−１０−ａ−１ −８−ｇ−１３−６−ｆ−１１−４−ｅとなることがわかる。したがって、全コイルが直列に端と端とを接続されることがわかる。図３の特定の位置では整流子セグメントｂだけが正の端子に接続されることがわかる。上の接続を分析すると、整流子セグメントｅから整流子セグメントｂまでのさまざまなコイルを通る電流の流れがあることが示される。これは、「ｂ」で始まり、右にコイル場所「ａ」まで進み、次にさまざまな接続場所へ進み、整流子セグメント「ｅ」に至る直前の段落における一連の接続をみるとわかる。これは、初めに上に与えられる順序を見て、「ｅ」からｅ−９−２−ｄ−７−１４−ｃ−５−１２−ｂへと進むことによってわかる。次に、整流子セグメントｆとｂとの間のｆ−６−１３−ｇ− ８−１−ａ−１０−３−ｂのような電流の流れもある。上述のように、整流子セグメント「ｅ」はブラシ２２によって整流子セグメント「ｆ」に短絡される。上述のように、回転子１４がさらに図３の位置から時計回りの方向に回転するときに、整流子セグメント「ａ」および「ｂ」の両方が正のブラシ２０と接触し、したがって、コイル３および１０の２つの接続点の２つの接続するセグメント「ａ」および「ｂ」が短絡され、コイル３−１０を電流が流れないことがわかる。しかしながら、回転子１４が３６０°の１４分の１だけさらに回転すると、コイルセクション３および１０はコイルセクション５および１２が現在置かれている図３に示される位置に置かれ、コイルセクション３および１０には、反対方向にではあるが電流が再び流れ始めることとなる。そのときにブラシによってコイルが短絡すると、コイルは磁束線を切断し、かなりの電圧がコイルに発生し、コイルと、整流子セグメントとブラシ自体の部分とによって形成される経路に大きな電流が流れることとなる。「短絡電流」と呼ばれるこの電流が生じると、状況によっては、ブラシの接触時に致命的なスパーキングが引き起こされるおそれがある。この理由で、ブラシによってコイルが短絡したときに、コイルの中に少ししか、または全く電圧が誘導されないような位置で固定子の磁界に置かれるように、ブラシを整流子上に置く必要がある。図３に示される巻パターンは幾分概略的であり、実際の市販の機械では、異なった巻パターンが用いられてもよい。ヘールおよびハーネスの本には多くの異なった巻き方が示されており、多数のさまざまな回路巻線、すなわち波状または直列巻線などが示されている。また、図３には（この好ましい実施例においても）２つの極しか示されないが、（特に大型のエンジンの場合には）はるかに多くの数の極が設けられるであろう。ｂ）図３の先行技術のＤＣ電動機の動作上の特徴の説明以下の説明の多くはヘールおよびハーネスによる前述の出版物「電気回路および機械」に含まれる情報に基づく。したがって、このセクションに記載する内容に関しては、その本の特定的な頁および部分を時折参照することとする。ｉ．整流コイルの電流が逆流する位置にコイルの各々が達すると、コイルは整流子によって短絡する。短絡したコイルにおいて電流が逆流する時間は非常に短い。たとえば、直径が約１０インチであり、回転速度が１秒間に２０回転である整流子の場合、電流が十分に逆流するのに要する時間間隔は１秒の１０００分の１（０．００１）のオーダあろう。ブラシによってコイルが短絡するこの時間は、整流子の周辺速度と、ブラシの厚さと、整流子棒の間の絶縁の厚さとに依存する。絶縁の厚さは整流子棒またはセグメントの厚さの１５％を越えることはない。厚みの大きなブラシ（すなわち湾曲長さの大きなブラシ）を使用すると整流時間を延長できるが、これらを使用する場合、コイルがまだ電流を発生している時に主極の下からコイルが移動される前に整流が開始し得る。先に示したように電流がこのように迅速に変化する間、コイルのまわりの磁界が迅速に衰退する。整流が適切に行なわれない場合には高電圧スパイクがもたらされ、これによりスパーキングが生じる。スパーキングにより整流子セグメントの後縁および後方ブラシ先端部が摩耗する。これは、ヘールおよびハーネスの本の第２４２頁に印刷された図から引き出された図４に示される。上記の本には整流に関して起こり得る問題を軽減するためのさまざまな方法が説明されている。これらの中には、極の周辺で電磁力が発生するＥＭＦ整流がある。ブラシが整流子上まで前進され、これより極の先端部の下で磁界の縁部に短絡コイルが置かれるようになる。別の方法は整流極を使用する方法であり、適切な整流磁束が短絡コイルに与えられるためブラシのシフトが不要となる。これを行なうために、主極の中間点に、一連の巻線を備えた小さな極が置かれる。 ii ．電機子の反作用（磁界の歪み）電機子自体は、固定子によって設定された磁界に対して約９０°の角度で整列した磁界を設定する傾向にある。これにより静磁界に歪みが生じ、これは（ヘールおよびハーネスの本の第２５２頁に示される図から引出された）図５に示される。この特定的な図では歪みが幾分強調されているが、整流を適切に行なうためにブラシをシフトさせて適切な場所に置く必要はないことがわかるだろう。先に「発明の背景」の部分で説明したように、電動機１０が大きな負荷の下で動作する場合、回転子１４は遅れがちである。回転子１４が時計回りの方向に回転する図３に示される構成では、回転子は反時計回りの方向に遅れ、固定子極３２および３６の北および南磁界の中心が反時計回りの方向に有効にシフトすることとなる。先に示したとおり、さまざまな動作条件に応じて切換点をシフトさせるようブラシ２０および２２の位置をシフトすることは一般に、（ほとんどでなくても）多くの産業上の用途には実用的であるとされていない。したがって、ブラシ２０および２２の設定はある意味で妥協となるであろう。 iii ．直流電動機のタイプヘールおよびハーネスの本の第７章では、主な３つのタイプのＤＣ電動機、すなわち「分流」、「直列」および「複巻」電動機が説明されている（第３１６頁から始まる）。分巻電動機では、磁界は多くの巻数を有する細いワイヤにより、電動機の電機子と並列接続される。直列電動機では、磁界の巻線は、電機子と直列接続された、数回巻かれた重厚な巻線を有する。複巻電動機では２組の磁界コイルが設けられ、すなわちこれらは、多くの巻数を有する、電機子と並列である細いワイヤと、電機子と直列である、数回巻かれた重厚なワイヤとである。複巻電動機の直列巻線は、磁界を磁化する際に分巻を補助するように接続されるか、または２つの巻線のｍｍｆが互いに対向するように接続され得る。３つのタイプの電動機の特徴は下記のとおりである。ａ．分流電動機はかなりの起動トルクを有し、負荷の変化に関する速度変化が比較的小さい。これは、より一定な速度が負荷に要求され、要求される起動トルクが過度でない場合に用いられる。ｂ．直列電動機は負荷の変化とともに広い範囲の速度範囲で動作する。非常に軽い負荷の場合、電動機は「逃げやすい」。非常に大きな起動トルクを電動機らすため、重い起動トルクが要求される場合、およびその負荷に電動機が積極的に接続され得る場合に用いられる。ｃ．複巻電動機は分流電動機および直列電動機の間の特徴を有し、分流電動機のものよりも高い起動トルクを有し、直列電動機のものよりも小さな起動トルクを有する。ヘールおよびハーネスの本の第３２６頁の図から引出された図６には、３つのタイプの電動機の速度およびトルクの特徴が示され、トルクの値は縦軸に示され、電流は横軸に示される。 iv ．ＤＣ電動機の起動ＤＣ電動機の動作時に、誘導子コイルセクションに流れる電流は２つの電圧の和である電圧降下を経験し、すなわちこれらの電圧とは（ａ）ワイヤの抵抗による電圧降下成分と、（ｂ）固定子の磁束磁界を通過する誘導子コイルセクションから結果として得られる後方ＥＭＦとである。電流損失はＩ²Ｒに等しく、ここでＩは電流でありＲは抵抗である。電気電動機における損失Ｉ²Ｒは単に損失であり、熱として消散する。したがって、電流が非常に高いレベルに達する場合には電動機を燃焼してしまう。ＤＣ電動機が静止しており起動される場合の、実際の効果を検討することとする。分流電動機の静止電機子は供給ラインに直接接続され、電機子の電流中を流れる電流は下記の式によって計算される。Ｅ＝Ｅ_c＋Ｉ_aＲ_a ただしＥは電圧降下の合計であり、Ｅ_cはコイルによって発生した後方ＥＭＦであり、Ｉ_aは電機子の電流であり、Ｒ_aはコイルの抵抗である。次に、全負荷の場合の電流が４０アンペアであり電動機の電機子抵抗が約０．２オームである、１１０ボルトの電動機を例にあげる。電動機が指定された回転速度で全電力で動作する場合、電機子コイルにかかる電圧降下の多くはコイルに発生した後方ＥＭＦによるものであろう。しかしながら、電動機が静止しており後方ＥＭＦがなく、電機子に１１０ボルトが印加される場合、電機子の電流は１１０／０．２であり、これは５５０アンペアに等しく、全負荷電流は４０アンペアでしかないだろう。５５０アンペアのこの電流により、ブラシ、整流子および巻線が燃焼し、供給ラインのヒューズおよび回路ブレーカも飛んでしまう。しかしながら、電動機の動作後には、後方ＥＭＦによって電流が制限されるため、電機子には過剰な電流が流れない。しかし、電機子が加速する間、逆ＥＭＦは小さく、起動電流を制限するために何らかの他の手段を採用する必要がある。この問題を解決するために、ヘールおよびハーネスの出版物の第７章にはいくつかのデバイスが記載されており、これらのうち１つは幾分概略的に図７に示され、かつヘールおよびハーネスの出版物の第３３５頁の図から引出される。加減抵抗器が電機子と直列に置かれる。電機子の電流が起動時に６０アンペア（全負荷電流の１５０％）であれば、電機子回路の抵抗の合計は１１０／６０となる必要があり、これは１．８３オームに等しい。電動機の回転速度が増加すると、加減抵抗器の設定は、電動機が軌道に乗るまで抵抗を下げるように移動され、そのときに加減抵抗器が回路から有効に排除される。電動機によって発生したトルクは磁界の強さと直接関係し、磁界の強さは固定子の巻線および電機子のコイルの両方に流れる電流の量と直接関係する。固定子巻線の電流が一定であるとすると、この例では電機子に流れる電流は６０アンペア（設計電流の１５０％）であり、したがって、まさに起動しようとしている電機子は非常に高いトルク（設計速度で全電力で発生し得るトルクをおそらく１５０％上回る）を発生する。しかしながら、回転速度が非常に低く、かつ電力出力は力と距離とを掛けたものに等しいため、トルクが非常に高くても、実際に行なわれる仕事量はむしろ少ない。しかしながら、無駄になったエネルギは非常に大きく、これは加減抵抗器で消散する。電動機の回転速度が増加するにつれて、電流が実質的に一定のままであるとすると、電動機の電力出力は回転速度に比例して上昇し、加減抵抗器で消散する損失が減少する。ヘールおよびハーネスの文献の第３３５頁には、起動箱にある起動加減抵抗器についての説明があり、ここでは下記のように説明されている。「起動箱の抵抗を含むワイヤは砂またはエナメル中に埋め込まれるか、または磁器製の管に巻付けられ、それらは耐火材料の中に閉じ込められるため、オペレータが指定よりも長い時間回路の起動抵抗を維持することによりオーバーヒートさせ、ワイヤを融解したとしても、火事のリスクはない。」現代の非常に高電力の電気電動機では、エネルギを消散するデバイスは抵抗器バンクまたは大きな熱シンクを有する固体スイッチの形態である。ｖ．考慮すべき他の事項速度制御、発電制動および効率を高めるための設計上の考慮すべき他の事項（たとえばブラシ接触損失、磁界損失、摩擦、風損、ヒステリシスおよび渦電流など）に関する、設計および動作上考慮すべき事項がある。さらに、電気電動機の設計には、いくつかの設計上の制約などによって強いられる、最大電圧レベルなどの実際の制約がある。この発明の大部分はこれらの問題の多くをなくす（または少なくとも軽減する）ように設計され、先行技術ではその動作モードのために機械が特定的に設計されるようにするいくつかの設計上の妥協を許すことによってしかアプローチできなかった、さまざまなモードで効率よく動作する広い用途を有する電気機械を提供するように設計された。以上に背景としての情報を記載したが、次にこの発明の第１の好ましい実施例の説明を始める。ｃ）第１の好ましい実施例の説明まず、第１の好ましい実施例を示す図８および図９を参照する。この発明（電動機または発電機のいずれかとして用いられ得る）のエンジン６０は固定子６２と回転子６４とを含む（図面を簡単にするために固定子６２は図８には示していない）。回転子６４は出力シャフト６６と、全体が６７で示される複数のコイル巻線とを含む。しかしながら、前掲の部分で説明した先行技術の一般的なＤＣ電動機の場合のように整流子を設ける代わりに、２つのスリップリング６８および７０が設けられ、これらは関連のブラシ７２および７４を作動的に係合し、これらのブラシ７２および７４はさらにプラスおよびマイナス入力端子７６および７８に接続される。スリップリング７４と回転子６４との間にはこの発明の制御アセンブリ８０が作動的に位置付けられる。この制御アセンブリ８０は後により詳細に説明することとなるさまざまな機能を果たす。さらに電動機６０の全体的な構成を説明するために、固定子６２は上記の先行技術の電動機１０の固定子１２と実質的に同じであり（または同じであってもよく）、このため北極８２と南極８４とを含み得る。シャフト６６に平行な回転子の長さにわたって延びるように巻かれる点で、先行技術の電動機のコイル２８と類似した（または同じ）態様で巻かれた、７つのコイル６８がある。コイル６７は先行技術の電動機に関して先に述べたように直列に接続される。さらに、各コイル６７の各端部はコントロールパッケージ８０に接続される。次に、電動機１０を概略的に示す図１０を参照する。図１０の概略図の中央には７つのコイル６７が示され、これらは説明の目的でＣ１、Ｃ２などの符号がＣ７まで付される。コイルＣ１からＣ７は、コイルＣ１の端部の部分がＣ２の端部に接続され、コイルＣ２の他方端がコイルＣ３の端部に接続されるといった具合に、Ｃ１の端部にＣ７が接続されるまで、連続的に接続される。コイルＣ１からＣ７の接続点の各々には一般に８６が付される。正および負電力バス８８および９０が設けられ、これらの各々は６８および７０として示される前述のスリップリングのうちの関連のものに接続される（図１０には概略的にプラスおよびマイナス電力入力しか示されない）。７つの電力スイッチアセンブリ９２が設けられ、これらには９２−１から９２−７までの参照符号が付される。各電力スイッチアセンブリ９２−１から９２−７は図１０に幾分概略的に示され、図１０を参照して後により十分に説明することとする。各スイッチアセンブリ９２−１から９２−７は正電力スイッチ９４と負電力スイッチ９６とを含み、これらはそれぞれ正のバス８８および負のバス９０に接続される。電力スイッチ９４および９６の各組は関連の共通接合点１００で接続され、これはさらに、隣接した１対のコイル６７の間で関連の端子接続８６に接続される。この時点でこの発明の動作を簡単に説明すると、１つのスイッチアセンブリ９２の一方の正の電力スイッチ９４をオンにし、別のスイッチアセンブリ９２の負のスイッチ９６をオンにすると、これらのスイッチ間に接続されたコイルを介して、活性化された正のスイッチ９４に電流が流れ得ることが明らかである。適切な順序および適切なタイミングで、スイッチアセンブリの、適切なスイッチ９４および９６をオンおよびオフにすると、コイルＣ１からＣ７の導通パターンが最適な態様で制御されることが明らかである。コイルＣ１からＣ７の各々には関連のコイル監視デバイス１０２も設けられる。これらの機能を簡単に説明すると、各デバイス１０２は関連のコイルに流れる電流を検知する。電動機の起動時には、これらの監視デバイス１０２は、固定子６２の磁界に対する各コイルの相対的な位置を決定するために短時間活性化される。これにより、制御回路（後述）は、電動機の動作を適切に開始するためにいかにしてコイルＣ１からＣ７が励磁されるかを決定できるようになる。さらに、これらの監視デバイス１０２は後述の他の機能も果たす。この発明の制御アセンブリ８０の回路が図１１に示される。図１１には、スリップリング６８および７０と、ブラシ７２および７４と、電力入力端子７６および７８と、さらにバスライン８８および９０とが概略的に示される。外部制御電子装置１０３が設けられ、これは固定子６２に接続され、さらにはブラシ７２および７４にも接続される。制御回路は電圧調整器１０４を含み、これはバスライン８８および９０に接続され、制御された低電圧レベルで１つまたはそれ以上の出力１０６をもたらし、制御回路のさまざまな要素に電力を供給するようにする。マイクロプロセッサ１０８が設けられ、これはたとえばマイクロコントローラ（ｕＣ）、マイクロプロセッサ（ｕＰ）またはデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）のいずれかであってもよい。この装置１０８を以下、単にマイクロプロセッサ１０８と呼ぶ。マイクロプロセッサ１０８は孤立した複数のドライバ１１２への（１１０で概略的に示される）作動的接続を有し、これらのドライバ１１２は高電圧電力の高圧側スイッチ９４のそれぞれの入力端子１１４（図６参照）に取付けられる。関連の（孤立していない）複数のドライバ１１８に接続されるマイクロプロセッサ１０８からの複数の出力１１６があり、これらのドライバ１１８は低圧側スイッチ９６の入力端子１２０に接続される。マイクロプロセッサ１０８のコマンドに応答して、組１１２および１１８の各々のうちの選択されたドライバが、それらのそれぞれのスイッチ９４または９６にオン信号を与える。ＮＶＲＡＭ１２０は、電力が完全にオフになってもデータを記憶する不揮発性ＲＡＭである。記憶されるデータのタイプは電動機制御パラメータおよび動作データなどであろう。ＲＡＭ１２２は「スクラッチパッド」メモリ（読み書きメモリ）と呼ばれるものであり、これは一般的な計算およびデータ記憶などのためにマイクロプロセッサによって用いられる。ＲＯＭ１２４（読出専用メモリ）はマイクロプロセッサを動作するプログラムを記憶する。アナログマルチプレクサ１２６は極コイル電圧監視デバイス１０２からの入力を受ける。マルチプレクサ１２６はアナログデジタル変換器１２８に出力し、このアナログデジタル変換器１２８は、Ａ／Ｄ変換器１２８によって発生したデータをライン１３２を介してマイクロプロセッサ１０８に送る。アナログデジタル変換器はまた、ライン１３２を介してマイクロプロセッサ１０８と交信し、データを送ることができる状態であるかを示す。マイクロプロセッサ１０８からの制御信号はライン１３４および１３６を介してそれぞれ、マルチプレクサ１２６およびアナログデジタルコンピュータ１２８の両方に送られる。「外界」（電動機１０の外にある場所）との交信のために、無線周波数モデム１３８が設けられ、これはマイクロプロセッサ１０８および結合変圧器１４２（２つの変圧器コイル１４４およびコア１４６を含む）に対する交信リンク１４０を有し、この変圧器１４２は２つのスリップリング６８および７０に接続される。このモデム１３８は、電動機に流れる大きな電圧上に低電圧の無線周波数信号を重畳し得る、双方向の結合システムをもたらす。このため、マイクロプロセッサ１０８によって与えられた情報は、モデム１３８を介して電動機１０の外部の場所まで送られ、電動機１０の外部からマイクロプロセッサに情報が送られる。これに代えてアンテナによるＲＦ結合または光結合を用いてもよい。図１２は、電動機における異なった場所に位置付けられた電力スイッチアセンブリ９２のうちの２つを示す。電力スイッチ９４はシリコン制御整流器（ＳＣＲ）を含み、この整流器のアノードは高バスライン８８に接続され、カソードは接合点１００に接続され、この接合点１００は関連コイル６７の一端に接続される。電力スイッチ９６もＳＣＲを含むが、共通バスライン９０の間およびコイル６７の反対側の端部接続点に接続される。図１２の右側下端部にある第２のスイッチアセンブリ９２は図１２の上側左部分にあるスイッチアセンブリ９２と同じであり、バス８８および９０に同様に接続された２つのシリコン制御整流器９４および９６を含む。図１２を検討すると、１つのスイッチ９２の１つのＳＣＲ９４をオンにし、これと同時に第２のスイッチアセンブリのＳＣＲ９６をオンにすると、１つまたはそれ以上のコイル６７を介して、第１のＳＣＲ９４から、活性化されることとなる他方のスイッチアセンブリ９２のＳＣＲ９６に電流が流れることが明らかである。もちろん、図１２に示されるコイル６７は実際には直列に配置された数個のコイルであってもよい。図１２の電流の切換に用いられるＳＣＲの特徴のうちの１つは、ＳＣＲ９４または９６がオンになるとラッチされるようになり、かつ電流が妨げられるまでオフにはならないことである。したがって、図１２に示される２つのスイッチアセンブリ９２を遮断するために、図１３に示されるような切換回路が採用される。図１３には、直列および並列に配置されたＭＯＳＦＥＴ１５０のアレイが示される。並列に配置され供給バス８８に接続されたＭＯＳＦＥＴ１５０の第１の組１５２がある。互いに並列に接続されるが、第１の組１５２のＭＯＳＦＥＴ１５０と直列に接続され、かつ高電圧スリップリング６８に接続される、ＭＯＳＦＥＴ１５０の第２の組１５４がある。さらに、並列接続され、ＭＯＳＦＥＴの２つの組１５２および１５４間に直列に接続された、ＭＯＳＦＥＴの付加的な組としての、ＭＯＳＦＥＴの組１５６も設けられる。このように構成することの理由は、供給バス８８にかなりの量の電流が流れる可能性があり、ＭＯＳＦＥＴ１５０を並列に設けるとこのような大量の電流を流すことができるからである。組１５２、１５４および１５６を直列に設けることにより、ＭＯＳＦＥＴの１組にかかる電圧降下が減少する。図１３の切換回路のＭＯＳＦＥＴは通常は導通状態のままであろう。しかしながら、活性化されたスイッチアセンブリ９２のＳＣＲ９４／９６を遮断することが所望される場合、図１３のＭＯＳＦＥＴ１５０はごく短い時間だけ非導通状態にされ、図１２のスイッチアセンブリ９２への電流を妨げ、導通状態であったＳＣＲ９４および９６を遮断する。任意の時点では種々のスイッチアセンブリ９２からのＳＣＲ９４および９６は通常は２つしかないため、電流をこのように妨げても、システム全体の動作に大きな影響が及ぼされることはない。図１４は、図１２に示される回路の代替的な構成を示す。図１４の回路の基本的な形態は図１２の場合と同じであるが、高電圧スリップリングに接続される電力スイッチ９４が（ＳＣＲの代わりに）絶縁されたゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である点で異なる。また、共通のスリップリング９０に接続される電力スイッチ９６はＭＣＴである。図１４の回路における主な相違点は、これらのデバイス（ＩＧＴＢおよびＭＣＴ）がいずれも、電流を妨げる必要なく遮断されることである。図１４に示される構成を用いると、図１３の電流妨げ切換回路を用いる必要がなくなる。図１２の回路または図１３の回路を用いることの利点は全体的に、本出願の文書が準備された時点の価格によると、図１４の代替的な実施例の場合よりも図１２または図１３の構成のコストの方が低いことである。しかしながら、これらの要素を供給する際の経済が変化すれば、図１４の代替的な実施例がより望ましいことになるであろう。次に図１５を参照して、これは１つまたはそれ以上のコイル６７間の接合点８６における電圧を検知する監視回路１０２の好ましい実施例を示す。各接合点８６に対して２つの回路要素１６０および１６０ａが設けられる。回路要素１６０はＬＥＤ１６４を含み、これはＬＥＤ１６４と接合点８６との間に抵抗器１６６が接続された状態で、接合点８６と共通供給バス９０との間に接続される。ＬＥＤ１６４の輝度はＬＥＤに流れる電流に比例し、これは接続点８６とバスライン９０との間の電圧に比例する。ＬＥＤ１６４は光カプラ１６８を活性化するように位置付けられ、その一方の端子は電圧調整器１０４（図１１参照）から引出された電圧源１０６に抵抗器１７０を介して接続される。光カプラ１６８のこの同じ端子はまた、マルチプレクサの端子１７２にも接続される。光カプラ１６８が導通状態でない場合、マルチプレクサ端子１７０の電圧は１０６での電圧レベルに等しい。光カプラ１６８が導通状態であれば、抵抗器１７０に電流が流れ、マルチプレクサ端子１７０における電圧レベルを下げ、接合点８６での電圧を示すようにする。回路要素１６０ａは、ＬＥＤ１６４ａが高圧バスライン８８に接続されていることを除き、回路要素１６０と実質的に同じように動作する。したがって、接合点８６での電圧が共通ライン９０での電圧レベルと等しいとき、ＬＥＤ１６４ａを通る電流は最大であり、オプトカプラ１６８ａを活性化し、かつ関連のフォトカプラ端子１７０ａでの電圧降下を生じさせる。接合端子８６での電圧が上昇し高圧バスライン８８の電圧レベルに達すると、ＬＥＤ１６４ａを電流は流れず、したがってマルチプレクサ端子１７０ａでの電圧は電圧源１０６での電圧と同じになるであろう。他方、回路要素１６０のＬＥＤ１６４は明るくなり、オプトカプラ１６８を導通させ、マルチプレクサ端子１７０での電圧を降下させる。図１５の検知回路は、主バスライン８８および９０からのガルヴァーニ分離をもたらす。他の検知方法を用いることが可能であり、それでもガルヴァーニ分離がもたらされることを理解されたい。図１６は、本発明の全体のシステムを示す概略図である。上記の検知および制御要素に加え、図１６には、回転子の回転経路中のある時点での場所についての情報を提供する検知手段が示されている。これは、固定子に静止検知部材１８０を配置し（永久磁石またはコイルなど）、回転子に対応する検知ユニット１８２を配置する（ホール効果センサなど）ことによって非常に簡単に与えられる。回転子が完全に回転して検知部材１８２が検知部材１８０の近くにくると、信号が制御アセンブリ８０に送られる。このようにして、回転子６４の動作中のある時点における正確なホームインデックスを確かめる手段が提供される。図１６には、固定子６２および回転子６４（かなり概略的に示されている）を含むエンジン６０が示されており、制御アセンブリ８０は回転子６４に組込まれている。変圧器１７２を通して電力入力端子７６および７８に作動的に接続された外部制御エレクトロニクスユニット１７０が設けられている。同ユニット１７０は固定子６２にも接続される。エレクトロニクスユニットの外部制御のために１つ以上の入力源を与えることができる。図示されているのは第１にコンピュータ１７４であり、第２に手持ち端子１７６であり、第３にここでは簡単にオン／オフスイッチとして示されている簡単なスイッチ制御装置１７８である。実際には、速度制御、電力制御といった他の動作制御をスイッチ１７８に設けることも可能である。動作では、ユニット１７０は固定子６２への電流を制御する。さらに、このユニット１７０は回転子６４における制御アセンブリ８０への信号入力を与え、リターン信号を送ることが可能である。制御アセンブリ８０は、（ａ）命令、およびセンサからの入力を受取り、（ｂ）動作条件を確かめて電動機の性能を最適化し、（ｃ）適切な命令を与えてスイッチアセンブリ９２を動作させて命令を実行するための、全能力を有するように予めプログラムされる。各スイッチアセンブリ９２の電力スイッチ９４および９６を非常に素早くオンにおよびオフにすることができる。スイッチの動作のタイミング、ならびにこれらのスイッチ９４および９６がオンおよびオフにされる時間の長さを適切に制御することにより、電動機の以下の３つの動作要素すなわち、ａ．電動機の回転速度、ｂ．電動機への電力出力、ｃ．トルク、およびｄ．電動機の位相角度を制御することができる。前記のように、ＤＣ電動機の基本的な動作は、電流を適切なコイルを通して適切なタイミング関係で導き、各コイルセグメントを通る電流の方向が正しい方向にあるようにし、コイルの磁界と固定子の磁界との間に適切な相互作用が働くようにして、回転子の回転を生じさせるトルクを発生させることである。したがって、この同じコイルが上記の固定子の磁界から外れ、極性が反対の固定子の磁界に入ろうとするときには、電流は逆になるはずである。また上記のように、電動機の最適動作効率のためには、電動機内にある磁界に関するこの逆転のタイミングは重要である。図３に示した先行技術による電動機では、上記のように、電機子コイルを通る電流のスイッチングは整流子により制御される。本発明では、図１０に示すように、スイッチングは直列接続されたコイル間に接続される種々のスイッチアセンブリ９２によって行なわれる。もちろん、図１０ではコイル６７はかなり概略的に示されているが、実際の市場に出回っている電動機では、こうしたコイルは先行技術では既知の巻きパターンとよく似た態様で巻かれているであろうことを理解されたい。たとえば、上記のヘールおよびハーネスによる本では、第２０３頁から第２１６頁にわたって、電機子コイルを巻く種々の方法およびパターンが挙げられている。これらは２極電動機および多極セット電動機に対して挙げられたものである。図１０に示した配置では、コイルＣ−１、Ｃ−２およびＣ−３にある方向の電流が流れ、コイルＣ−７、Ｃ−６およびＣ−５にはその逆の方向の電流が流れているとすれば、正のスイッチ９４およびスイッチアセンブリ９２−１が導通するようにされ、一方コイルアセンブリ９２−４および９２−５の負のスイッチは導通している。コイルＣ−４は導通しておらず、これはコイルＣ−４が２つの隣接する固定子磁界の間にあるようなときに生じると考えられる。スイッチアセンブリ９２−１から９２−７の各々において適切なシーケンスで適切なスイッチングが行なわれるようにすることによって、電機子コイルは固定子磁界と相互作用して、上記のように電動機の回転を生じさせる。回転子６４を所望の回転速度で回転させるためには、適切なスイッチングの切換えを行なうシーケンスを加速または減速してより大きなまたはより小さなＲＰＭを達成する。電動機への電力入力に関しては、所与の条件の組（効率は同じままであると仮定する）に対し、電力出力は、電機子コイルを通る電流を課された電圧と掛け合わせたものに正比例する。本発明では、電力を、各電機子コイルが固定子磁界を通過する際に電流が各電機子コイルを流れる時間の量を制御することによって制御可能である。これはたとえば、コイルが特定の固定子の極の磁界を通る間に電流をスイッチオンおよびオフし、パルスの長さおよびパルス間の時間のずれを制御して所望の電力出力を得ることによって制御できる。その代わりとして、状況によっては、コイルが特定の固定子の磁界を通る際に電流がコイルを１つの連続する期間にわたって流れるようにし、単にその期間を変化させることによっても可能であろう。電機子電流がスイッチングするときの位相角度の制御に関しては、これを、スイッチングが生じてコイルにおける電流を逆にするときの期間をシフトすることによって行なう。したがって、図４を参照すると、スイッチングを遅延させることにより、スイッチングポイントを（図４に示すように）垂直からさらに最適化された位置に動かすことができる。本発明の望ましい特徴は、本発明により得られる多様性である。本明細書において先に異なるタイプのＤＣ電動機について述べ、その動作の特徴についても述べたことを思い出して頂きたい。これらは図６にまとめられている。たとえば、負荷が分巻の電動機において増大するにつれて、速度はある程度減少することを思い出して頂きたい。複巻電動機では、電流減少に伴う速度の低下はより著しい。本発明では、負荷の増大の際に速度を実質的に一定に保つことが可能である。これは、電機子コイルに対して同じスイッチングレートを維持し、電機子コイルを電流が流れる時間の長さを制御することによってトルクを制御し、負荷の増大に整合する適切なレベルでのトルクを維持するのに十分な電流となるようなレベルにすることによって行なわれる。本発明による特定的な利点があるもう１つの動作モードは始動モードである。電動機が静止していると仮定し、電動機を所望の動作速度までできるだけ迅速に加速するが電動機を過熱させないようにするのに十分なトルクで、電動機を動作させることが望ましいものと仮定する。本明細書で先に、これは先行技術においては、抵抗を通して生じる電流の大半を放散させることによって行なわれると述べたことを思い出して頂きたい。これは図７を参照して説明したものである。他方本発明では、適切な始動トルクは、電流を十分に低いレベルに下げることによって得られる（たとえば電流を送る期間をより短くするおよび／またはパルス間の時間間隔をより長くすることによって）。このように、本明細書において先に挙げた例では、電機子コイルを通る４０アンペアという最大実動作容量を有する電動機がある場合、この電動機が静止しており全電力が電機子コイルを流れているときに電機子電流は５５０アンペアにまでなり得る。本発明では、電機子電流をより短い期間オンすることによって、電流を所望のレベルに保って、全負荷下で回転する電動機を始動させるのに必要であるがＩ² Ｒ損失を適当な範囲内に保つ所望のトルクを発生させる。こうすることによって、始動の際に大量の電流を熱として放散させるためのさらなる装置は不要になる。本発明のもう１つの所望の特徴を探し求めるためには、本明細書において先に、先行技術によるＤＣ電動機における重大な動作問題の１つは、電機子の電流が逆になっているときに生じ得る電圧スパイクであり、これがいかにしてブラシにおける火花を生じさせ得るかであると示されていることを思い出して頂きたい。先行技術ではこの火花の問題を軽減するためにいくつかのステップが行なわれているが、この電圧スパイクはＤＣ電動機に多大なる制限を課し、用いることが可能な電圧差動を限定する。実際問題として、ＤＣ電動機では、隣接するブラシ接続間の最大実電圧差動は約２０ボルトを下回るように維持すべきである。また、電圧スパイクを十分に低いレベルに保つことの必要性は、電動機の全体の設計に影響を及ぼし、固定子および回転子の隣接する面の間のギャップの幅を制限する。このギャップの幅はギャップを通る磁束に影響する。このギャップが小さすぎれば、磁束密度のレベルは、たとえ適切な設計上の防衛手段が取られていたとしても不利な火花が生じる（先行技術の整流のように）レベルに電圧スパイクが上昇するのに十分なレベルまで到達する可能性がある。本発明では、コイルのスイッチングは先行技術の整流子なしで行なわれる。したがって本発明では、こうした電圧スパイクは、１つまたは複数のスイッチアセンブリ９２における適切なスイッチ９４または９６を非常に短い期間導通させて電圧スパイクが通常の電力のように適切な電力バスに導かれるようにして対応する。本発明の第２の実施例のスイッチングの配置は図１７に示されている。偶数の誘導性電機子コイルがあるため、所与のときにスイッチングされるコイルセグメントは２つ以上である。これらのコイルセグメント各々に対する電圧スパイクは互いに逆である。２つの電圧スパイクはしたがって同時に電力バスに導かれ、電力の損失なしで効果的に平衡のとれたものになる。図１７には、ＡからＧで示された８つの別々のスイッチが示されている。８つのコイルがあり、１から１６という数は各々、個々のコイルセグメントを表わしている。コイルセグメントは正反対になるように配置される。このようにして、セグメント１および９は１つのコイルを形成し、セグメント２−１０はもう１つのコイルセグメントを形成するといったようになる。図１７に示した配置の動作を説明すると、あるときにスイッチアセンブリの１つ（先行技術の実施例で９２で示されたようなもの）は導通した正のスイッチを有し、反対のスイッチアセンブリは導通した負のスイッチを有する。たとえば、もしスイッチＡが正でありスイッチＥが負であれば、電機子の一方側でコイルセグメントを通してある方向に電流が流れ、電機子の他方側で反対方向に電流が流れる。したがって、次の隣接するスイッチのペアが活性化され、スイッチアセンブリＡおよびＢにおけるスイッチがオフにされたとき、電流の流れのパターンは切換わって、そのとき回転子の北極および南極に隣接しているコイルを通して流れる電流の方向は、電動機の適切な回転を続行するのに適切な方向になる。図１８は、本発明の第３の実施例を示しており、電動機６０ａの固定子は２つの北極および２つの南極を有し、１８個のコイルがある。コイル間のスイッチングは、図１７において示したのとほぼ同じ態様で行なわれる。図１８に示した実施例は、本発明を複数の北極および南極のある電動機において実施できることを示している。図１９は、本発明の第４の実施例を示している。この実施例では、Ｃ−１ｂからＣ−６ｂで示した６つのコイルがある。第１の実施例と同様、各々が正および負のスイッチ９４および９５を有するスイッチアセンブリ９２がある。しかしながら、個々のコイルＣ−１ｂからＣ−６ｂは直列に接続されていない。その代わりに、各コイルの各端部は個々に関連付けられたスイッチアセンブリ９２に接続される。このように、図１９の実施例の動作では、各コイルは、関連する一方のスイッチアセンブリの正のスイッチ９４をオンにし、同時に、関連する他方のスイッチアセンブリ９２の負のスイッチ９６をオンにすることによって導通するようにされる。これは各コイルに対して個別に行なわれる。図２０は、本発明の第５の実施例を示しており、本発明のコンセプトが同期電動機に関連した設計に合うようにされている。同期電動機では、磁束磁界はＡＣ電流を通して発生し、この磁束磁界は静止している外部の部材（「固定子」）の周囲の経路を通過する。従来の同期電動機では、固定子内に位置する回転子は単に永久磁石を有するだけのことが多く、この場合の磁石の極は回転している磁束磁界に隣接するように位置決めされて、磁束磁界の回転運動が回転子極の極と相互作用して、回転子が固定子の周囲を移動する磁界と同期して回転するようにしている。本発明を同期電動機の基本的な設計に取入れるためには、回転子を、永久磁石として設ける代わりに、回転子に、本発明に従い形成して本発明のスイッチングおよび制御アセンブリを備えるようにした電機子が与えられる。電機子のスイッチアセンブリは、電機子とともに回転するスリップリングに作動的に接続したプラスおよびマイナスブラシがあるＤＣ磁界巻線に接続される（先行技術の実施例と同様）。この第５の実施例の動作は、磁束磁界の回転運動を重畳させて、コイル内の電機子電流のスイッチングによって生じる回転運動に加算するかまたはこれから減算することを除き、第１の実施例とほぼ同じである。したがって、もし磁束磁界が反時計回りに回転すれば、電機子電流がスイッチングされて時計回りの回転が生じ、磁束磁界が静止していれば、電機子電流のスイッチングにより与えられた移動の回転要素を、回転している磁束磁界により与えられた回転要素に加算する。他方、電機子における電流パターンを逆にして反時計回りの運動が生じるようにすると、磁束磁界の時計回りの回転運動および電機子の回転要素はお互いから減算される。本発明をＡＣ同期電動機の一般的な設計に取入れたことによって得られる利点については、本明細書において先に、この同期電動機の欠点の１つは、回転速度が同期電動機に課された磁界の回転速度により定められることであると述べたことを思い出して頂きたい。さらなる制限は、始動トルクがあまり良好でないことである。しかしながら、本発明の原理をこういった電動機において用いることにより、回転速度を、ゼロから、磁界の回転速度よりも実質的に大きな速度まで変化させることができる。このようにして、本発明をこの具体的な実施例において利用することにより、動作モードの選択においてさらなる多様性がもたらされる。本願の明細書の最初の部分で、本発明の装置は電動機または発電機のいずれかとして動作できることを示した。これは本明細書において開示したすべての実施例に当てはまる。したがって、本明細書における記載のほとんどは、具体的に、機械が電動機として動作する場合の本発明の用途に向けられているが、同じ原理を発電機として使用される同じまたはよく似た装置に取入れることが可能である。これがいかにして行なわれるかについて簡単に検討してみる。この装置を発電機として用いるとき、電力入力は、電力を電機子に供給して電機子を回転させる機械的電力入力である。誘導性コイルは固定子の磁界を通して移動し、電流が電機子コイルを流れるようにし、この電流は、制御アセンブリ８０からスリップリング６８および７０を通して流れ、直流としてブラシ７２および７６に送られる。電動機としての動作は本明細書において先に詳細に述べたとおりであるため、説明は繰返さない。本発明について基本的な教示から逸脱することなく種々の変形を行なうことが可能であることを理解されたい。

【手続補正書】【提出日】平成１１年７月３０日（１９９９．７．３０）【補正内容】請求の範囲１．発電電動機械であって、ａ．北および南磁極部分を有し前記磁極部分間に延在する磁束磁界を生じさせる磁界部材と、ｂ．前記機械に回転可能に設けられ磁束磁界を通して回転する電機子アセンブリとを含み、前記電機子アセンブリは、ｉ．前記磁束磁界に位置決めされたコアと、 ii．前記コアに隣接するように位置決めされかつ前記電機子アセンブリの回転中前記磁束磁界を通して動くように位置決めされた複数の誘導コイルを有するコイル手段と、 iii．前記電機子アセンブリに設けられてこれとともに回転可能になるようにされたスイッチ手段とを含み、前記スイッチ手段は、前記磁束磁界において前記コイル手段の所望の相互作用が生じるように電流が前記コイル手段を通して選択的に流れるようにする態様で、前記コイル手段に作動的に接続されており、前記発電電動機械はさらに、ｃ．前記電機子に接続され電力伝達の関係でともに回転可能である機械的伝達手段と、ｄ．前記回転可能電機子アセンブリと前記磁界部材の静止端子との間で電力を伝達するための電力伝達手段とを含み、ｅ．前記スイッチ手段は前記電力伝達手段および前記コイル手段と接続されており、前記電力伝達手段および前記コイル手段間の電流は前記スイッチ手段により選択的に制御され、前記発電電動機械はさらに、ｆ．前記スイッチ手段を動作させて前記コイルにおける電流の方向およびタイミングを制御する制御手段を含み、前記コイルにおける電流の流れを最適化させて電力伝達手段と機械的電力伝達手段との間で所望の電力伝達が行なわれるようにする、発電電動機械。２．前記電力伝達手段は直流電力伝達手段である、請求項１に記載の機械。３．前記電力伝達手段は、前記電機子アセンブリに回転可能に設けられたスリップリングと、スリップリングと作動的に係合するブラシ手段とを含む、請求項２に記載の機械。４．前記制御手段は前記電機子アセンブリにおいてともに回転可能なように位置決めされ、前記制御手段への制御信号は前記電力伝達手段を通して送られる、請求項３に記載の機械。５．前記制御手段は前記電機子アセンブリにともに回転可能となるように位置決めされる、請求項１に記載の機械。６．前記磁束磁界に関して位置決めされ前記磁束磁界の配向および／またはその他の特徴を確かめる磁界検知手段が設けられ、前記検知手段は前記制御手段に作動的に接続され、制御手段を能動化してスイッチ手段のタイミングを変えて磁束磁界に関するスイッチングの適切な関係を与える、請求項１に記載の機械。７．前記磁界検知手段は、複数の電機子極コイルに関連づけられかつ／または結びつけられて前記関連づけられかつ／または結びつけられた電機子極コイルにおける電流の変化および／または状態を検知する複数のセンサを含む、請求項６に記載の機械。８．前記センサ各々は、磁束磁界に相互作用を通して応答する電機子極コイル手段と、前記電機子極コイル手段における電圧の変化に応答して対応する信号を前記制御手段に送る手段とを含む、請求項７に記載の機械。９．前記機械は電動機として機能し、ＤＣ電流は前記電力伝達手段を通して導かれ電力を前記電機子アセンブリに供給しかつ前記機械的電力伝達手段の回転を生じさせる、請求項１に記載の機械。１０．前記機械は発電機として動作し、電力は前記機械的伝達手段に送られて前記機械的伝達手段の回転を生じさせ、電力伝達手段に送られる電気を前記電機子アセンブリに発生させる、請求項１に記載の機械。１１．前記磁界部材は静止した北および南磁極部分を含み、静止磁界をもたらす、請求項１に記載の機械。１２．前記磁界部材は前記磁界部材の周囲において移動する移動磁束磁界を生じさせる、請求項１に記載の機械。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims

【特許請求の範囲】１．発電電動機械であって、ａ．北および南磁極部分を有し前記磁極部分間に延在する磁束磁界を生じさせる磁界部材と、ｂ．前記機械に回転可能に設けられ磁束磁界を通して回転する電機子アセンブリとを含み、前記電機子アセンブリは、ｉ．前記磁束磁界に位置決めされたコアと、 ii．前記コアに隣接するように位置決めされかつ前記電機子アセンブリの回転中前記磁束磁界を通して動くように位置決めされた複数の誘導コイルを有するコイル手段と、 iii．前記電機子アセンブリに設けられてこれとともに回転可能になるようにされたスイッチ手段とを含み、前記スイッチ手段は、前記磁束磁界において前記コイル手段の所望の相互作用が生じるように電流が前記コイル手段を通して選択的に流れるようにする態様で、前記コイル手段に作動的に接続されており、前記発電電動機械はさらに、ｃ．前記電機子アセンブリに接続され電力伝達の関係でともに回転可能である機械的伝達手段と、ｄ．前記スイッチ手段との作動的電力接続を有する電力伝達手段とを含み、ｅ．前記スイッチ手段は前記電力伝達手段および前記コイル手段と接続されており、前記電力伝達手段および前記コイル手段間の電流は前記スイッチ手段により選択的に制御され、前記発電電動機械はさらに、ｆ．前記スイッチ手段を動作させて前記コイルにおける電流の方向およびタイミングを制御する制御手段を含み、前記コイルにおける電流の流れを最適化させて電力伝達手段と機械的電力伝達手段との間で所望の電力伝達が行なわれるようにする、発電電動機械。２．前記電力伝達手段は直流電力伝達手段である、請求項２に記載の機械。３．前記電力伝達手段は、前記電機子アセンブリに回転可能に設けられたスリップリング手段と、スリップリングと作動的に係合するブラシ手段とを含む、請求項２に記載の機械。４．前記制御手段は前記電機子アセンブリにおいてともに回転可能なように位置決めされ、前記制御手段への制御信号は前記電力伝達手段を通して送られる、請求項３に記載の機械。５．前記制御手段は前記電機子アセンブリにともに回転可能となるように位置決めされる、請求項１に記載の機械。６．前記磁束磁界に関して位置決めされ前記磁束磁界の配向および／またはその他の特徴を確かめる磁界検知手段が設けられ、前記検知手段は前記制御手段に作動的に接続され、制御手段を能動化してスイッチ手段のタイミングを変えて磁束磁界に関するスイッチングの適切な関係を与える、請求項１に記載の機械。７．前記磁界検知手段は、関連するコイルに隣接するように位置決めされて関連するコイルにおける電流の変化および／または状態を検知する複数のセンサを含む、請求項６に記載の機械。８．前記センサ各々は、磁束磁界に応答するセンサコイル手段と、センサコイル手段における電圧の変化に応答して対応する信号を前記制御手段に送る手段とを含む、請求項７に記載の機械。９．前記機械は電動機として機能し、ＤＣ電流は前記電力伝達手段を通して導かれ電力を前記電機子アセンブリに供給しかつ前記機械的伝達手段の回転を生じさせる、請求項１に記載の機械。１０．前記機械は発電機として動作し、電力は前記機械的伝達手段に送られて前記機械的伝達手段の回転を生じさせ、電力伝達手段に送られる電気を前記電機子アセンブリに発生させる、請求項１に記載の機械。１１．前記磁界部材は静止した北および南磁極部分を含み、静止磁界をもたらす、請求項１に記載の機械。１２．前記磁界部材は前記磁界部材の周囲において移動する移動磁束磁界を生じさせる、請求項１に記載の機械。