JP2593444B2 - モータ発電機無停電電力系ユニツト - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、電圧および周波数が不規則になったり、不
定期間の間電力が完全に遮断されたりすることのある交
流電力源により同期駆動モータが附勢され、かつ電力源
が使用可能な交流をモータに給電している際には常に、
また電力の遮断期間中には多数秒にわたる十分な期間の
間所望なほぼ一定の周波数および電圧の交流電力を発電
機が負荷に供給でき、これらのモータおよび発電機を支
持台にて結合させた比較的コンパクトで、運転が静か
で、かつ高効率のモータ発電機無停電電力系ユニットに
関するものである。

［本発明の背景］ 多くの電気的および電子的な装置は適切な機能をする
ために比較的一定で、しかも正確な特性を呈する交流電
力を必要とする。このような敏感な装置の場合には、周
波数または電圧が所定の下限値および上限値から実質的
に多少とも変化したり、または電力が短期間完全に遮断
されたりすると、装置が重大な誤動作をしたり、または
故障したりし、またその装置そのものまたはその装置に
よる作業のいずれか、または双方が損害を受けたり、破
壊したりする。例えばコンピュータは、僅か数サイクル
のごく短い交流電力障害および20％程度の僅かな電圧低
下をまねく電力線の故障または過電圧および高電圧スパ
イク或いは毎秒当り半サイクル程度の僅かな周波数変化
などにより、プログラムが破壊されたり、または処理中
の作業を適切に完成できなくなり、しかもメモリに支障
を来たし、またコンピュータによって操作される電気機
械が故障してしまい、加工中の材料が損傷されたり、ま
たは破壊されたりする。

殆どの電気的および電子的装置は公益企業の交流電力
線によって給電され、通常これらの電力線は全く信頼で
きるものであり、特定の電圧および周波数の交流を伝送
している。しかし、公益企業の電力線が、低電圧および
過電圧の双方に実質的電圧変動を来たしたり、数サイク
ルから数秒まで継続する短期の停電を屡々起したりする
ような微かな故障を多数回受け、これらの故障が１年間
に数千回を数えることもあり、また時には１度に数分か
ら１日以上に及ぶ長時間にわたる交流電力の大きな支障
および完全な電力遮断を受けたりすることは周知であ
る。電気公益企業の通常の運転処置に極端な気象，火
災，事故および同様な出来事が伴なうと、「電気低下」
として知られる電圧の大幅な低下をまねいたり、または
長期にわたり電力を完全に停止させたりする。代表的な
公益企業のものでは、このような異常事態（不規則性）
および妨害が10〜15秒以上継続してもそれ全体の５％以
下である。コンピュータに実質的な悪影響を及ぼし得る
至る所にて起こる送電線の異常事態に関し、100本より
多少多い電力線の問題点を４ケ月の期間にわたり書き留
めた或る大きな公益企業の最近の研究では、この企業の
送電線がこの期間内に0.5秒以下停電したのは全部で８
回であり、0.5〜１秒停電したのは７回であり、１〜30
秒以上の停電は３回であった。他の企業の送電線ではこ
のような異常事態の回数は斯かる回数以上となり得る。
一般に、30秒以上継続する重大な異常事態は全体の１％
〜５％である。

交流給電の異常事態に対して過敏性の電気的および電
子的装置を保護するために交流級電源と斯様な装置との
間に介在させる種々の保護装置が提案されている。斯種
保護装置の幾つかのものは低コストで最小限の保護を行
うようにしたものであり、これらは電圧スパイク抑制器
および線路フィルタ等を具えている。さらに大きな保護
をするためには分離変成器および電圧調整器の如きさら
に高価な装置を用いることができる。電圧スパイクおよ
び同様な電圧並びに周波数の不規則性に対する保護をす
るため、及び約1/10秒から最大約1/3秒までの短期の電
力遮断中に電力を供給するようにもするためには、さら
に高価なモータ発電機装置を使用する。しかし、通常連
続運転する必要のある市販のモータは発電機装置の全電
気効率は比較的低く、その効率は10〜20KWの装置では約
65％〜75％の範囲内であり、それよりも高容量の50〜10
0KWの装置の場合には効率がごく僅かに高くなるだけで
ある。さらに、約1/3秒以下であるこれら装置の「ライ
ド・スルー」（ride through）時間は、停電が約1/3秒
から15〜60秒まで続く多くの場合に、負荷に給電するの
に十分でなく、また負荷を予備エンジン−発電機装置に
移し代えるのにも十分な時間がとれない。数秒および数
時間まで継続する電力遮断に対して完全に保護するため
には、電気的な変換器に結合させた１組の蓄電池と、電
子制御アレイと、バッテリー充電器とを具えている複雑
で、高価な装置が屡々用いられる。これらのバッテリー
を基本とする装置は別個にバッテリー室を必要とし、頻
繁に、しかも多数回に及び保守を必要とし、また多くの
場合僅か３〜４年の使用後にバッテリーを交換する必要
がある。

病院な警察署のような、電気装置および設備に常時給
電する必要のある所では、通常交流電力線が完全に故障
した場合に作動させる予備のガソリンまたはディーゼル
エンジン駆動の電気的な発電機ユニットから成るバック
アップ装置を正常の公益企業の送電線に接続しておく必
要がある。交流送電線が完全に遮断された場合に、適切
に保守してあるエンジン発電機ユニットを始動させて、
電力を供給し始めるまでには約数秒、代表的には５〜10
秒かかる。この数秒間の間に、コンピュータおよびコン
ピュータに接続されていたり、またはそれによって制御
されている他の敏感な装置は、プログラムやメモリが壊
れたり、作業ができなくなることが屡々あり、或いはま
た装置が実際に破壊されることもある。

約98％までの電力線の異常事態および欠陥を管理する
ために、ユーティリティラインまたは他の交流電源から
正常の交流電力を取出し、かつ少なくとも約15秒から１
分間継続する完全な電力遮断を含む給電ラインの如何な
る異常事態にも拘らず、周波数および電圧値が選定され
たほぼ一定の交流を発生して、敏感な負荷に送給する比
較的低コストの無停電電力系（NIPS）ユニットを利用で
きるようにすることが切望されており、斯様なNIPSユニ
ットは電気的効率が高く、使用および保守が簡単で、し
かも安価であり、また、信頼度が高い。斯様な15秒〜１
分のライド−スルー時間によって、過敏性装置のオペレ
ータはその装置を安全な状態に戻したり、ロボット装置
またはコンピュータ制御の装置にて処理中の作業を完全
に処理したり、またはその作業を止めさせることがで
き、これにより装置および／または作業の損害をなくし
たり、または最小にすることができる。本発明はこれら
の所望特性を有するNIPSユニットを提供するものであ
る。負荷への連続交流給電が常時所望される個所におけ
る斯様なNIPSのライド−スルー時間は、補助のエンジン
−発電機を作動させてNIPSモータに交流を供給して、そ
れが過敏性負荷に所望な交流を絶えず発生し続けるよう
にするのに十分である。

［先行技術］ 本発明は、1970年７月21日に発行された「電力発電
機」なる名称の米国特許第3,521,149号;1976年１月６日
に発行された「回転子が１個だけの定周波モータ発電機
装置」なる名称の米国特許第3,931,535号および1979年
９月18日発行の「無停電電力系」なる名称の米国特許第
4,168,459号に開示されているような本発明の発明者の
１人による先の発明をさらに改善したものである。これ
らの特許のモータ発電機ユニットを組立て、かつ作動さ
せる際に遭遇した重大な問題の１つは、そのユニットを
始動させ、全速度にまで持たらし、ついで全交流負荷電
力にて斯様な全速度でユニットを附勢できる経済的で、
適当な大きさのモータを形成することにあった。これら
の特許になった発電機装置にて実際に最高の回転慣性を
得るためには、60Hzの交流を供給する場合には約3600RP
Mに作動し、また50Hzの交流を供給する場合には約3000R
PMに作動する２極回転子を用いるのが望ましいことを確
かめた。実用に適した交流モータは市販されておらず、
またモータおよび発電機を始動させてそのような全速度
にまで持たらすことができるものはかつてなかった。米
国特許第4,168,459号の第１図に示したような7.5KWのユ
ニットの慣性モーメントは約240lb−ft²であり、NEMAガ
イドラインはこのような条件下で斯様な発電機を始動さ
せて全速度にまで加速するのに300馬力の誘導モータを
提案している。多くの大手のモータ製造者は斯かる用途
に適う大きさおよび価格のモータについて調べたが、唯
一等してそのようなものを提供することも、また示唆す
ることもできなかった。幾人かの大手の製造者はテスト
される特殊な始動制御部付きの特注の誘導モータのサン
プルを提供したが、いずれも斯かる用途には作動が極め
て劣ることを確かめた。

斯かる重大な問題を克服するために、前記米国特許の
発明者は、米国特許第4,168,459号の第１図に示してあ
るような２個の交流モータを組合わせた最良の実用的な
ものを工夫し、その一方のモータは約10馬力（7.5KW）
の始動交流モータとし、これを回転抵抗の高い特殊構造
のモータで構成し、他方のモータは定格が約20馬力（18
kW）の運転モータとし、これを慣例の高効率の交流誘導
モータをもって構成して、始動モータが発電機とモータ
との合体回転子を全運転速度の75％〜80％にまで持たら
した後にこの運転モータをモータ発電機ユニットに接続
して、このユニットを駆動させるようにした。斯かる米
国特許に示されるような多数のNIPSユニットが数年来製
造されて市販されていた。これらのユニットにおける２
個のモータが回転子を全速度にまで持たらすには約４分
かかった。さらに、２個のモータおよびそれらに必要な
スイッチ、相互接続線並びに制御部の使用によってNIPS
ユニットのコストが実質上明らかに増大し、しかもユニ
ットの全効率も低減した。米国特許第4,168,459号の装
置に同期モータを使用するのが好適であると云うことは
知られておらず、また利用されたこともなく、同期モー
タを第２モータすなわち、運転モータとして用いること
さえも知られていなかった。同期２極モータはめったに
なく、このようなモータは非常に妥当な慣性負荷に接続
しても同期速度に至らしめるには特殊な問題がある。さ
らにこれらのモータは100KW以下の出力寸法ではめった
に製造されない。従って、前記米国特許第4,168,459号
の装置では、第２、すなわち運転モータを必然的に常時
同期速度以下で作動させる誘導モータとし、従って発電
機の励磁コイルを常に附勢して、永久磁性材料層におけ
るＮおよびＳ磁極のパターンを絶えず補正して発電機の
交流出力電位が一定の周波数および電圧となるようにす
る必要があった。

特に本発明に携わった発明者は、比較的小形ではある
が、高い始動および運転トルクを発生して、NIPSユニッ
トを容易に始動させ回転させることができ、静かに、し
かも円滑に静止状態から運転速度にまで加速でき、また
極めて高い慣性負荷を受けるも、容易に同期速度にまで
至らしめて、その速度を維持する電気効率が極めて高
く、しかも高電流または過度な始動電流を引込むことも
全くない新規な同期モータを開発した。

米国特許第3,391,535号は、その第４図に示されるよ
うに、例えば誘導モータと交流発電機とを単一の回転子
で合体させることを教示しているも、この場合の合体は
主としてそれを周波数変換器等に用いるようにするため
であり（第１欄第27〜31行）、ライド−スルー時間を長
くするために回転子の回転慣性を極めて高くする必要が
あると云う意味からではなかった。斯様な合体構造は、
高回転慣性負荷を始動させ、それを許容すべりにて全速
度で作動させて、定格が例えば7.5KW〜10KWの出力容量
の発電機を回転させるのに50〜60馬力（37〜45KW）より
遥かに上の過度に大形な誘導モータを必要とするので、
高慣性の用途には、殆ど実用されなかった。このような
モータと発電機の容量および寸法の大きな不一致はコス
トを過度に高めるだけでなく、全く非能率であった。同
期モータは、それらを同期速度に至らしめる条件に極め
て厳しいために、既知または市販の同期モータで斯様な
合体ユニットに使用できるものはなかった。同期モータ
は誘導により始動させ、同期速度に近い点まで加速し、
そこで界磁極を附勢して、1/2サイクル以内に全同期速
度にまで急速に加速する必要がある。このために慣性負
荷の値を小さくする必要があり、このことは従来の同期
モータのいずれについても云えることである。

前述したような従来の特許には本発明の多くの重大な
特徴について全く教示してなく、また開示してもいな
い。特に、本発明ではモータと発電機の双方の固定子に
フィードバック巻線を設けており、これらのフィードバ
ック巻線の利用形態および各励磁コイルに発生した交流
電位でそれぞれの交流出力を供給する電気回路は新規な
ものであり、従来技術の教えとは全くかけ離れている。
従って、発電機ではその発電機の固定子におけるフィー
ドバック巻線の交流出力電位を回路に通し、回転子が同
期速度にある限り斯かる交流電位を供給して、励磁コイ
ルに同時に発生する交流電位をいずれも有効に相殺また
は抑圧せしめるようにする。発電機は殆どの用途におい
て同期速度にて回転させることからして、発電機の励磁
コイルは常時附勢する必要はなく、これらの励磁コイル
は周波数および電圧制御手段から直接供給される交流電
位によってより一層簡単に、しかも適切に附勢すること
ができる。回転子の永久磁石材料層を励磁コイルだけに
より磁化し、かつフィードバック巻線と共振回路を組合
わせて、励磁コイルに対する外部交流電源を不要とした
モータは従来なかった。さらに、交流出力の電圧を正確
に制御できる電力巻線を発電機の固定子に配置すること
も全く新規なことである。本発明の他の新規性について
は以下の説明からも明らかにされる。

［発明の概要］ 本発明の主目的は、低コストで、高高率で、信頼で
き、静かで、しかも保守が簡単かつ安価で、整流子、ス
リップリングまたはブラシのいずれもない比較的コンパ
クトな交流モータ発電機NIPS（無停電電力系）ユニット
を提供することにある。

NIPSユニットには通常、時折の完全な電力遮断を含む
広範囲の異常事態を交流電力線が受けたりする公益企業
の交流電力線または他の交流源からの交流電力を供給す
る。NIPSユニットのモータは始動電流が比較的低くて済
む新規な同期モータであり、このモータは電力線に直接
接続することができ、しかもモータおよび発電機の共通
回転子である高回転慣性の負荷を始動させて、加速する
ことができ、これらの回転子を過度な電流を引込むこと
なく容易に、しかも円滑に同期速度にまで持たらすよう
にする。発電機の出力は周波数および電圧値が選定され
たほぼ一定の交流電位であり、これは電力ラインの異常
事態および電力ラインが15秒〜１分程度完全に遮断され
ても全く関係なく過敏性の負荷に供給される。合体回転
子の回転エネルギーは、公益企業の交流電力が遮断され
た場合にこの遮断期間の間所望な交流出力を発生させる
のに十分である。従って過敏性の負荷は、約15秒〜１分
よりもさらに継続する異例の完全なる電力遮断を含んで
いる交流電力源から完全に隔離され、かつ絶縁される。
これにより過敏性装置のオペレータには幾らかの時間が
与えられるので、オペレータは装置を停止させて、作業
を安全に終了させたり、または所要に応じ補助のエンジ
ン発電機ユニットを始動させ、それを全出力にまで持た
らして、NIPSユニットのモータがまだ走行している間
で、しかもそのモータがその最低作動速度に達する前に
前記補助ユニットによりNIPSユニットのモータに交流を
供給したりすることができる。従って、電力ラインの異
常事態に無関係に周波数または電圧が何等目立って変化
しない交流出力を負荷に供給することができる。

モータ発電機NIPSユニットの好適形態のものは中央固
定子を囲み、かつその周わりを回転する高回転慣性の共
通回転子を具えている。本発明のこの形態のものは、モ
ータおよび発電機の固定子部品を支持する固定の細長形
軸部材を弾性的に支承する支持体を具えており、軸部材
の各端部または各端部付近にハウジングを取付け、この
ハウジング内に減摩軸受の固定レースを確実に取付け、
他方のレースを大きな円筒状シェル部材に支持させて、
これに固着させ、シェル部材の内部に固定子部品を囲む
モータおよび発電機の回転子部分を入れ、これらの回転
子部品を前記軸受と同軸的に回転可能とする。円筒状シ
ェル部材およびこれに取付けたモータと発電機の回転子
部品は極めて高い回転慣性を呈する。

円筒状シェル部材の内壁部の一端にはモータ回転子の
コア部５を取付ける。モータ回転子は３つの主要部品、
すなわち（１）シェル部材の軸線と同軸の円形露出面を
有するフェライトの如き電気的抵抗値の高い磁化可能な
永久磁性材料製の第１層と、（２）珪素鋼のラミネーシ
ョンの積層体の如き渦電流損が低くて透磁率の高い強磁
性材料から成る第１層支持用の環状支持リングと、
（３）導電率が高い強磁性材料であって、しかも（ａ）
前記第２部品である支持リングの積層体と一体にその積
層体に埋設するかまたはそれに配置して、回転磁界が通
過する際に高電流を発生するものか、（ｂ）前記第２部
品を支持する軟鋼または鉄製の環状リングの如き導電性
の良好な強磁性材料製の環状リングのようなもののいず
れともすることのできるものとの３つの部品をもって構
成する。

環状の発電機回転子コアは、シェル部材の内部にて環
状のモータ回転子コアに隣接する位置からシェル部材の
内部空間の他端まで延在させる。環状の発電機コアは電
気的に絶縁性の材料を被着した珪素鋼板の如き高透磁率
の軟磁性材料製のラミネーションで構成でき、このコア
の丸い円筒状の内側面をシェル部材の回転軸線と同軸と
し、かつ前記コアの円筒状内側面にフェライトの如き磁
化可能な永久磁石材料製の層を１つ以上確実に付着し、
これらの各層の露出面を円筒状とし、かつシェル部材の
回転軸線と同軸とする。

シェル部材の内部に囲まれる細長形の固着または固定
軸部材の部分に同期駆動モータの固定子および発電機の
固定子を取付ける。軸部材には、環状のモータ回転子コ
アと半径方向に整列させて渦電流損の低い軟磁性材料製
の溝付磁性コアを回転子コアと軸方向に同じ広がりで並
置されるように取付け、この溝付磁性コアの外側の円筒
面を回転子の軸線と同軸とし、この外側円筒面とモータ
回転子コアにおける永久磁性材料層の円筒面との間に回
転隙間を設ける。溝付コアは２つの比較的大きな溝を有
しており、これらの溝を分離する軟磁性材料の部分を楔
状とし、前記大形溝内に励磁コイルを設けて、前記楔状
の部分が磁極片を形成するようにする。固定子コアには
１個以上の励磁コイルを設けることができ、好ましくは
これらの励磁コイルを固定子コアの円周方向に互いに対
称的に離間させて配置する。励磁コイルに単相交流が流
れると、磁極片の先端にＮおよびＳ極が交互に代わる強
い磁束が発生し、この磁束は回転子の回転中に磁極片の
幅狭の露出先端部の直ぐ隣りを通過する永久磁石材料層
を交互に選定磁気強度のＮおよびＳ磁極の所定パターン
に磁化することができる。モータの固定子コアにおける
残りの溝には電力巻線を配置して、これらの巻線が交流
電力を受電すると、回転子コアに相互作用する回転磁界
を発生して、この回転子コアを回転させるようにする。
電力巻線および励磁コイルに対するリード線は開口部を
経て固定軸部材の端部における中空部に通してから外部
へと延在させて、それらのリード線を遮断器ヒューズお
よび制御部に接続し、つぎに公益企業の交流電力線へと
接続する。幾つかの溝内にはフィードバック巻線も設け
て、これらの巻線を励磁コイルを一緒に共振回路に接続
する。

固定の細長形軸部材には、発電機の回転子を成す環状
コア部材における各磁性材料層を半径方向に整列させ
て、これらの磁性材料層と同数で、しかも軸方向に同じ
広がりをもつ軟磁性で、低渦電流損の材料から成る溝付
固定子コアを並置する。以後、発電機により３相交流出
力を発生させるには３つの磁性材料層と３つの固定子コ
アを用いるものとし、単相交流出力を発生させるには単
一の固定子を用い、２相交流出力を発生させるには２つ
の固定子コアを用いるようにし、相数に応じた固定子コ
アを用いるものとする。各コア部材の外側面はシェル部
材の回転軸線と同軸とし、また回転子コアにおける隣接
する永久磁性材料層に対して回転隙間をもって配置す
る。これらの各固定子コアはモータの固定子コアにほぼ
似ており、各固定子コアは２個の隣接する比較的大きな
溝を有しており、これらの溝間における楔状の磁極部分
にはその２つの溝内にて楔状の磁極部分を丸く囲む励磁
コイルを巻装する。３つの各励磁コイルが制御手段から
の所望な周波数および大きさの単相交流で附勢される
と、これらの励磁コイルはＮおよび極が交互に代わる強
い磁束を発生し、また磁極片として作用する楔状部分が
回転子コアにおける永久磁性材料製の関連する層に密接
して離間されているので、回転子の回転中に斯かる永久
磁性材料層は上記磁極片によってＮおよびＳ磁極のパタ
ーンに磁化される。これら３組の大形溝は固定子コアの
円周方向にて互いに対称的に配置するのが好適である。
従って、軸部材の端部から見た場合に、３つの固定子コ
アの内の最初のコアにおける大形溝は或る所定の位置に
あり、つぎのコアにおける大形溝はその位置から時計方
向に120゜の個所にあり、第３コアにおける大形溝は第
１コアの大形溝に対して反時計方向に120゜の位置にあ
るようになる。

各固定子コアの周囲の残りの部分に沿って小さな溝を
均等に配置する。それらの小形溝には回転子の磁化層の
回転中に交流電位を発生する巻線を配置する。すべての
発電機固定子コアにおける小形溝は軸方向に真直ぐ延長
した線にほぼ整列させるのが好適である。３個のすべて
の固定子コアに各巻線の同じ巻回ターンを同時に設ける
ことは本発明の特徴の１つである。従って、或る巻線の
各単一の巻線ターン、すなわち導線はすべてのコアを通
る軸線に対してほぼ平行に延在し、また２つ以上の巻回
ターンが単一巻線を成す終端部の巻回ターンは最初と最
後のコアの最外側面に位置するだけとなる。巻線を斯様
に配置することにより、各巻線は各コアの交流電位で附
勢され、また各巻線は各コアにてその交流電位の1/3を
受電するだけとなる。所定巻線における最終巻回ターン
からのリード線は固定支持軸の端部における中央の中空
部に通ずる通路または溝に直接通し、その中空部に通し
てから発電機の外部へと進める。３相発電機の３つの励
磁コイルに対するリード線も外部から固定支持軸の端部
における中空部を経て支持軸の壁部を通る溝または通路
に通してから端部コアの表面に沿って半径方向に上向き
に延在させ、２対のリード線は端部コアの溝を経て延在
させ、一対のリード線は第２コアに延在させ、また残り
の一対のリード線は第３コアにまで延在させて、これら
のリード線を各励磁コイルに接続する。

また、各発電機の固定子コアには幾つかの選択した溝
内にフィードバック巻線も設ける。これらのフィードバ
ッグ巻線は回転子における磁化層が近くを通過する際に
交流電位を発生し、かつこれと同時に励磁コイルにも同
様な交流電位を発生する。所定コアにおけるフィードバ
ッグ巻線に発生した交流電位をそのコアの励磁コイルに
伝送するための回路手段も設ける。

発電機の回転子が同期速度で回転している場合には、
励磁コイルに斯様に自動発生する交流をなくすのが望ま
しく、そこで、励磁コイルに発生する如何なる交流もフ
ィードバック巻線からの交流電位によって殆ど相殺また
は抑圧するように回路手段を調整して、制御手段が発電
機の励磁コイルにI²Rの損失分だけを有効に供給するよ
うにする。しかし、回転子が上記同期速度以下またはそ
れ以上の速度になると、フィードバック巻線からの少な
くとも或る程度の大きさの交流によって励磁コイルに発
生する交流が変化して補充電圧を発生して制御手段から
の交流電圧を補充し、かつ励磁制御回路を安定化させる
ため、回転子における永久磁性層の磁極パターンは、所
定周波数の出力を維持すべく調整されるようになる。

特に発電機用制御部のための補充交流電力源として小
形永久磁石（PM）発電機を円筒状シェルの一端に取付け
る。このPM発電機の回転子は通常モータ部における円筒
状シェルの外側面にこのシェルと一緒に回転し得るよう
に取付けたリングを具えており、このリングは一定の順
序でＮおよびＳ磁極を呈する永久磁石層を内部に有して
おり、また固定子は固定支持体に取付けた軟磁性材料製
の溝付コアを具えており、このコアにおける電力発生巻
線は回転子がその近くを通過する際に交流を発生する。

電気的および電子式制御手段を設けて、円筒状シェル
の端板の外側に設けた高周波永久磁石発電機に発生した
高周波の交流を取出し、これを所望周波数および大きさ
の交流に変換してから、主発電機における数個の励磁コ
イルに正しい位相関係にて供給して、関連する各回転子
コアにおける磁化可能永久磁石材料層を各々が所望な磁
束密度を有する所望なＮおよびＳ磁極の正確なパターン
に磁化する。このように磁化すると、回転中の磁化層は
この層の影響を受ける個所の固定子巻線の部分に周波数
が正確に選定された交流電位を発生し、また数個の固定
子コアのすべてにおける電力巻線に発生する総合電圧は
所望な出力電圧となる。極めて正確で、密な電圧制御の
ために、３個のコアの内の２つのコアにおける励磁コイ
ルを制御して、これら励磁コイルの交流電位を他のコイ
ルの交流電位に対して位相変化（移相）させ、第３コア
の励磁コイルの交流位相に対して少量だけ１つは遅ら
せ、他の１つは進めることができる。この場合実際には
電力巻線が周波数は同じであるが、僅かに位相のずれに
３つの交流電位をベクトル的に加算し、総電圧を低減さ
せるが、それは３個のすべての励磁コイルの交流位相が
正確な場合に発生される電圧により正確に制御された電
圧となる。

前述したように、３層機には３個の別個の固定子コア
があり、例えばその各々が隣接コアの励磁極の位置から
120゜の機械角度離れた位置に個々の励磁極を有してい
る。しかし、出力巻線は３個のすべての固定子コアを経
て連続的に旋回する。これにより各層からの出力電圧は
あらゆる通常の動作速度にて互いに120゜の電気角度変
位したままとなる。

大部分の用途にとっては、発電機出力の交流周波数を
公益企業の送電線（ユーティリティライン）または他の
電力源から取出される交流電力の周波数と同じとするの
が望ましい。例えば、米国およびカタダ国における殆ど
すべての公共ユーティリティ電力の周波数は60Hzであ
る。これらの国にて用いられているコンピュータ，ロボ
ット装置，機械制御装置，最新の通信装置，テレビジョ
ン等は60Hzの交流で作動させるべく設計されている。こ
れがため、これらの国では本発明の発電機を60Hzの一定
周波数の交流を発生するようにプログラムする。欧州の
殆どの国では公共ユーティリティによって発生される交
流の周波数は50Hzであり、そこで使用される殆どの電子
式および電気的装置は50Hzの交流電力で機能すべく設計
されている。本発明による発電機は、50Hzまたは他の周
波数のパワー出力をするよう容易にプログラムすること
ができる。

本発明によるモータ発電機の回転子は、50Hzまたは60
Hzの交流電力のいずれかを給電する場合にも極めて満足
に作動し、かつ２極モータは50Hzの交流電力給電の場合
に3000RPMの同期速度に達し、また60Hzの交流電力給電
の場合には3600RPMの同期速度に達する。適切な周波数
の交流を発電機の励磁コイルに供給して、発電機の巻線
が60Hzまたは50Hzの正確な交流出力を発生するようなパ
ターンに励磁コイルが永久磁性材料層を磁化するように
するためには電子制御部をごく僅か変更するだけで済
む。

モータと発電機の回転子が同期速度で回転する場合に
幾つかの利点が得られる。一端同期速度に達すると、発
電機における３つの永久磁性材料層のＮおよびＳ極のパ
ターンは一定となり、このパターンは正常の状況下では
変更する必要がない。これがだめ、発電機における励磁
コイルへの交流電力を完全にターン・オフさせることが
できる。しかし、発電機負荷が突然変位したり、または
電力ラインの交流周波数が突然変化したりすることによ
る回転磁界の変化を補償するため、および発電機の負荷
が変化したり、または電力ラインの周波数が変化する場
合に生ずる「ハンチング」もなくすために、励磁コイル
の交流電力を短期間ターン・オンさせることができる。
例えば、斯かる交流電力を回転子の１回転または２回転
の間ターン・オンさせ、ついで５〜10回転の間ターン・
オフさせることができる。また、励磁コイルは大きな負
荷変化が生じたか、または生じていることを示す発電機
の電圧調整制御吹からの信号によって附勢することもで
きる。このような断続的に励起させる手段は発電機の電
子制御部に設ける。

［実施例］ 第１図には本発明によるモータ発電機NIPS（無停電電
力系）ユニット10の背面図を部分的に切り欠きして斜視
図にて示してあり、また第２図はモータ発電器そのもの
を一層詳細に示している。ユニット10は支持台12を具え
ており、これには水平に配置する厚手の円筒状開口ケー
シング14を取付け、このケーシングの内部に第１図に示
すような右側のモータと左側の発電機とから成るモータ
ー発電機そのものを収納させる。第１図に示してあるキ
ャビネット16用のヒンジドア17のように、内部に接近し
得るようにするヒンジドアを各々有している一連のキャ
ビネット16,18,20および22と、押ボタン制御部および信
号ランプを有している制御パネル19とを円筒状ケーシン
グ14の前方およびその両端部における支持台12に配置す
る。上記４つのキャビネットの内部にはモータおよび発
電機の双方に対する遮断器，スイッチ，ヒューズ，制御
手段および必要なリード線並びに他の配線をキャビネッ
ト間の配線用出し入れダクトと一緒に位置させる。キャ
ビネット16および18の双方には通風孔16Aを設け、これ
らの通風孔を適当に配置し、一方のキャビネット18に冷
却空気を入れて、その冷却空気を制御キャビネット，モ
ータおよび発電機を経て循環させるように内部的に循環
させ、キャビネット16の通風孔16Aからは暖まった空気
を排気し得るようにする。

ケーシング14の各端部付近に小ねじによって着脱自在
に固定される対抗対を成す厚手のブラケット24によっ
て、モーター発電機ユニットをケーシング14内に適切に
支持するための弾性で、緩衝性の支持手段を形成する。
各ブラケットの上にはエラストマー材料製のパッドまた
はグロメット25を載せ、これらの各パッドの上にラグ26
を置き、これらのすべてを例えば、各ブラケット，パッ
ドおよびラグにボルトを通してナットで締めるようなボ
ルトとナット手段によって所定位置に保持せしめると共
に、ラグとブラケットとの間にて多少の弾性運動が行え
るようにする。第２図に詳細に示してあるように、ケー
シング14の各端部に一対のラグ26があり、一方の対を成
す各ラグはモータ分に隣接した円板28に溶接するか、ボ
ルト締めするか、または他の方法で確実に取付け、他方
の対を成す各ラグは発電機部に隣接した円板29に取付け
る。両円板28および29の外周とケーシング14の壁部との
間には十分な隙間を設ける。２枚の円板はモータと発電
機との全重量を支えるため、これらの円盤並びにラグお
よびブラケットはかかる重量を適切に支持すべく設計す
る必要がある。ケーシング14は断面が円筒状のものとし
て示してあるが、これは他の断面形状のものとすること
もでき、この場合にはモーター発電機の組立，設置およ
び保守のために要求されるように、モーター発電機をそ
れに取り付けてある円板28おび29と一緒摺動させてケー
シングに出し入れできるようにする必要がある。

支持円板29の外周は可撓性のダイヤフラムまたは軟質
シール29Aによってケーシング14の内壁に封止する。円
板29には冷却空気を出し入れする穴29Bをあけてある。
円板28の外周とケーシング14との間の十分な隙間も冷却
空気を通過させる。円板28および29には各々大きな中央
口をあけ、これを経て各軸受ハウジンク30および31の少
なくとも一部分を突出させたり、或いは入れ易くしたり
する。各軸受ハウジング30および31は隣接する円板28お
よび29にピッタリ押当てる平坦面を有しており、このよ
うな軸受ハウジングを小ねじによって各円板28および29
に着脱自在に固定させる。軸受ハウジング30および31内
には玉軸受32または他の減摩軸受を位置させる。この場
合、内レースは軸受ハウジングに対して回転しないよう
に固定させるも、外レースは第２図に示すように軸方向
に摺動し得るように設置して熱膨張に順応させる。モー
タ部における軸受32の内側、即ち可動玉レース内には平
坦な厚手の円形ディスク36に固着させたハブ部材34を取
付け、また、発電機部における軸受32にも平坦な厚手の
円形ディスク37に固着させたハブ部材35を取り付ける。

ディスク36および37の外周を厚肉の回転自在の円筒状
シェル40の各端部にそれぞれ溶接、ボルト締め、または
他の方法で固着し、このシェル内に回転慣性の高い共通
回転子を形成するモータの発電機の回転子部品を位置さ
せて、これらの部品をシェルの内壁に固着する。回転子
の製造、組立および平衡化を容易とするために、シェル
40は別個のモータ部42と発電機部43とで構成し、これら
の部分を適当な締め付け手段によってモータ固定子およ
び発電機固定子を囲む剛性アセンブリとして連結する。
しかし、シェル40は特に定格出力が小さいユニットの場
合には、少なくとも一方の端部が開放している単一の円
筒状シェルとして形成することができる。

モータ部42と発電機部43とを単一体の回転子シェル40
を形成するように連結するには幾つかの技法を利用する
ことができる。その１つの方法では、モータ部42および
発電機部43を機械加工して相補的、または互いにつがう
円周面44および45をそれぞれ形成し、ついで第２図に明
示してあるように、衝合面44付近のモータ部42の外周に
深目の外部チャンネル、または条溝46を機械加工し、衝
合面44から前記条溝によって形成された肩部を経て小ね
じ用の複数個の穴を穿孔する。衝合面45に整合可能なね
じ穴を形成して、小ねじを条溝46から上記穿孔した穴を
経て発電機部43の整合可能な穴に螺合させることができ
るようにして、堅牢に組み立てられる単一体の回転子40
を形成する。或いはまた、断面がＵ−字をしている円形
バンドを用いてモータ部42と発電機部43とを連結するこ
ともでき、この場合には円形バンドのＵ−字状の双方の
肩部に穴をあけて、モータ部42と発電機部43の各衝合面
45および46のねじ穴に小ねじを掛合させることができ
る。モータ部42および発電機部43の外径は同じとするの
が好適であるが、いずれか一方の外径を他方よりも大き
くしたり、或いは回転子全体を多少円錐形にして、例え
ば大径モータを大径部の方に設置したりすることもでき
る。外径および内径が均一の回転子は、耐風摩擦が低く
なるから良好に機能し、しかも雑音レベルも極めて低
い。

モータ部42を参照するに、このモータの回転子部品は
衝合面44から入れるようにし、例えば３％〜５％の珪素
鋼または他の高透磁率の軟磁性材料製の絶縁ラミネーシ
ョンから成る環状コア50を内方に摺動させことによりあ
てがう。コア50はシェル40の内径壁52に沿ってそのコア
の一方の端面が内径壁52に機械加工した肩部56に衝合し
ている環状止めリング54に押し当てるまで押し込む。コ
アにクランプリング58を介して圧力をかけることによ
り、このコアを圧力下にて押して止めリング54に確実
に、しかも回転しないように据えて、クランプリング58
の外周を内壁52に溶接するか、または他の方法で固着す
る。コア50は一方の面から他方の面まで軸方向に貫通す
る送り孔60の円周リングを有しており、これらの送り孔
には埋込短絡導体62を設ける。所望されるモータ特性に
応じて、すべての送り孔に通す短絡導体62はアルミニウ
ムダイカスト製としたり、または銅、銅を主成分とする
合金、アルミニウム合金、鋼あるいは他の同様な材料製
の非絶縁棒とすることができ、これらの棒はそれらの端
部にてコアに連結するか、ろう付けするか、または溶接
する。埋込短絡導体62はコア全体に均等に離間させるの
が好適である。

コア50の内側面64は丸い円筒状をしており、この内側
面に電気抵抗値の高い磁化可能な永久磁性材料製の層66
を付着する。好適な永久磁性材料にはバリウム・フェラ
イト，バリウム・ストロンチウム・フェライトおよびス
トロンチウム・フェライトの如きフェライトが、または
絶縁性の樹脂結合剤に混合した粉末アルニコのようなも
のがある。層66はコアの一方の面から他方の面まで延在
する断面が矩形状をしている複数本の棒状のものか、ま
たはコアの一方の面から他方の面まで延在する複数個の
湾曲セグメントで構成することができ、この層の半径方
向の厚さは約0.2〜１インチ（0.5〜2.5cm）とする。場
合によっては永久磁性材料で予じめ形成した完全な円筒
状シェルを設けることができる。これらの永久磁性材料
製の小片，棒状のものまたはセグメントをエポキシまた
はシリコン樹脂か、あるいは他の適当な強力樹脂結合剤
で互いにしかもコア内側面64に接着する。

図面から明らかなように、磁性材料の背面から出る磁
束に対する低リラクタンス路を形成するために、コアの
内側面64における層66の底部と埋込短絡導体62とを半径
方向に十分に離間させてある。層66の外側、即ち露出面
68はシェル40の回転軸と同軸の丸い円筒状とする。

シェル40の発電機部43では、クランプリング70を肩部
72に当接させ、例えば３％〜５％の珪素鋼のような透磁
率の高い軟磁性材料製の絶縁ラミネーションの環状積層
体から成る発電機回転子コア74を衝合面45から入れて、
これを内壁76に沿って摺動させてコアの一方の面をクラ
ンプリング70に押し当てる。コアの他方の面に当てた外
側のクランプリング78に十分な圧力をかけ、このような
圧力下でクランプリング78を内壁76に溶接するか、また
は他の方法で固着して、コア74が発電機部43における所
定位置にて動かないようにする。コア50および74は双方
共壁部52および76にそれぞれ密に嵌合させる。

コア74の内側面80は丸い円筒状をしており、これには
１個以上の磁化可能な永久磁性材料層を付着し、所望な
交流出力の各層に対して別個の磁性材料層を設ける。こ
の永久磁性材料は層66に用いたものと同様なものとする
ことができ、しかも同じように製造して表面80に接着す
ることができる。第２図に示してあるように、３相発電
機の場合には３つの層82A,82Bおよび82Cがある。所要に
応じ、積層単一コア74の代りに各相82A,82Bおよび82Cの
各々に対する３つの別個の軟磁性材料製のコアを用いる
ことができる。層82A,82Bおよび82Cの露出面もシェル40
の回転軸と同軸のほぼ円筒状とする。

モータおよび発電機の固定子用支持手段は、最初の部
分が発電機部43から僅かに外方に延在し、しかもその発
電機部の個所から突出している小径のスタブ端91と、同
じく始端がモータ部42から外方への僅かに延在して、そ
のモータ部の個所から突出している小径のスタブ端92と
を有している固定の非回転支持軸90をもって構成する。
発電機のスタブ端91はブッシング35の穴に回転隙間をも
って延在させると共に、そのスタブ端を軸受ハウジング
31の壁部に着脱自在に取り付けて、スタブ端91が軸受ハ
ウジング31の壁部に回転しないで支持されるようにす
る。同様に、モータのスタブ端92もブッシング34の穴に
回転隙間もって延在させると共に、そのスタブ端を軸受
ハウジング30に着脱自在に、しかも回転できないように
支持させる。スタブ端91および92の外面には、軸90にお
ける大径中央軸部分95がある個所まで軸穴93および94を
それぞれあけると共に、大径部分95の外面から或角度で
１個以上の小さな入口96および97をあけ、これらの入口
を軸穴93および94と交差させて、モータおよび発電機の
固定子の電気部品に外部から電気導線、制御用リード線
および他の配線を入れることのできるようにするのが好
適である。

シェル40における衝合面44および45を位置させる軸90
に対する直径位置のまわりの大径表面部分95にはスペー
サブロック100を不可動的に固着する。ブロック100は大
径部分95の直径に極めて近い大きさを中央口をあけてあ
るスチールカラーで構成することができ、これを大径表
面部分95における斯かる位置に溶接するか、または他の
方法で適当に固着する。スペーサブロック100は丸い環
状のリング形態のものとするか、または六角形か、四角
形の外径をしているものとすることができ、或いは幾つ
かの扁平なものを丸いリング状に加工して、隙間に巻線
の巻回ターンの端部を収納させることのできるようにす
る外縁が磁性材料層66および82Aの半径付近まで延在す
るシールド102をブロック100の外周の中央点付近に溶接
して、モータ部と発電機部との間に電気的および磁気的
障壁を形成することができる。

３％〜５％の珪素鋼の如き透磁率の高い軟磁性金属製
の絶縁ラミネーションから成り、渦電流損が低くなるよ
うに積層して、軸90の大径部分95に等しいか、またはそ
れよりもごく僅かに大きい中央口をあけてある溝付のモ
ータ固定子コア104を左側から入れて、第２図に示すよ
うにそれが固定スペーサブロク100の一方の面と照合す
るまで軸90に押し込む。軸90の大径部分95の軸径よりも
僅かに大きい中央口をあけてあるベルビル座金106、即
ち鋼製の外方に中呈そりしたばねリングをコア104の外
側面108に当て、座金106の中央部が外側面108に殆ど照
合するまで座金106の中央部分に油圧機または他の圧縮
手段によって圧力をかける。定格が10〜20KWのモータ用
のコア104には数1000ポンド程度の圧力をかける。座金
の中央部または座金の外側面に当てる第２の厚手の鋼製
保持リングの中央部は、上述したような圧力をかけなが
ら軸面95に溶接する。圧縮手段を離すと、この圧縮され
たベルビル座金が軸90を張力下に置くので、雑音および
振動を低減させるのに望ましい。ついで第１および第２
図に概略的に示してある巻線110をコア104の溝内に配置
するが、これらの溝内には第３図につき詳述するように
幾つかの種々の巻線を配置する。コア104の外周面103は
磁性材料層66の表面68とほぼ同じ長さとすると共に、こ
の磁性材料層66との間に回転隙間を設けて、この層66に
接近させる。コア104の溝は所要に応じ僅かだけ傾ける
ことができる。

第３図に明示したように、モータ固定子コア104の溝
は２つ大きな溝151を具えており、これらの溝はコア外
周面103にテーパを付けて幅狭の磁極片152を形成する溝
壁154により形成される円錐状のコア部分150のまわりに
配置され、これらの溝内に単相交流で附勢される励磁コ
イル153を設けて、円錐状のコア部分150が幅狭の磁化面
または磁化チップ152をしている磁極片として機能し、
斯かるチップが順次強力にＮおよびＳ磁極に交互に磁化
されて、チップ152が磁化可能永久磁石材料層66を所望
な磁束強度を有するＮおよびＳ磁極の所望パターンに磁
化せしめるようにする。固定子コア104の外周面の残り
の部分には小さな溝160を多数設け、これらの溝には既
知の方法にて電力巻線162を配置して、これらの巻き線
を交流電源で附勢した場合に、これらの巻き線が回転磁
界を発生するようにする。回転磁界は磁化層66および短
絡導体62と相互作用して強力な回転トルクを発生し、回
転子に強力な負荷がかかっても回転子を同期速度にまで
持たらすようにする。

励磁コイル153に対する単相交流電源を形成するため
に、コア104における多数の溝のうちの数個の特定の溝
にモータのフィードバック巻線164を設けて、層66がそ
の巻線の近くを通過すると、回転している層66の磁束が
巻線164に交流電位を発生するようにする。この交流電
位は電源からの交流に関連して選定される大きさ、周波
数および位相の電位となる。同時に、層66が励磁コイル
153の近くを通過すると、層66の磁束が励磁コイル153に
交流電位を発生させる。共振回路手段を設け、これによ
りモータのフィードバック巻線164からの交流を励磁コ
イル153に伝導させて、この交流を励磁コイル153の交流
と結合させることにより、周波数および大きさが所望の
結合単相交流を発生させて、層66をコイル162によって
発生される回転磁界と実質上最適に相互作用するＮおよ
びＳ磁極のパターンに磁化させる。従って、励磁コイル
には外部から交流を供給する必要がない。このように、
励磁コイルに必要な単相交流を発生させるのにフィード
バックコイル手段を用いることは好都合である。しか
し、係属出願の米国特許願第06/679,834号現在は米国特
許第4,600,873号に教示してあるように、励磁コイルに
は少なくとも或程度は他の電源からの交流を供給するの
が良い。

第２付から明らかなように交流発電機の固定子は１個
以上のコアを具えており、多相発電機の各層に対して１
個づつ多数のコアがあり、第１および第２図には３相発
電機に対する３つのコアを特別に図示してある。渦電流
が低く、高透磁率を呈する軟自制材料製の３個の溝付積
層コア112A,112Bおよび112Cと、鋼製の介在スペーサ114
および116にはいずれにも軸90の大径部分95に等しい
か、またはそれよりも僅かに大きいあなをあけて、これ
らをコア112Aがスペーサブロック100の面と衝突するま
で軸90に通し、焼き戻したばねスチール製の密に嵌合す
るベルビル座金106、即ち外方に中低そりした弾性のば
ねスチールプレートを軸にあてがって、座金118の中低
そりした外側の中央部を殆ど平坦にするまで、コア112C
の外側面に十分な圧力をかけ、ついで座金106について
説明したと同様に座金118の中央の穴の周りを押し付け
ながらこの座金118を軸90に溶接して、発電機部43にお
ける軸を張力下に置くとともにコア112A,112Bおよび112
Cを圧力下に置くようにする。ベルビル座金106および11
8によって与えられる圧力はモータおよび発電機の固定
子コアを所定位置に確実に維持するだけでなく振動およ
び雑音をも低減させる。コア112A,112Bおよび112Cの外
側面は層82A,82Bおよび82Cの表面と相補的な丸い円筒状
とし、これらのコアを層82と互いに並べて配置すると共
に各長さもほぼ同一とし、しかもこれらのコアと層との
間には回転隙間を設け、これらすべてをシェル40の軸と
同軸とする。

発電機固定子コアの巻線120を第１および第２図では
略図的に示してある。発電機固定子のラミネーション，
溝の構造および溝に設ける、巻線の種類は第３図に示し
たようなモータ固定子におけるそれらと殆ど同様なもの
とする。要するに、各コア112A,112Bおよび112Cにおけ
る磁極片を形成するテーパ付の磁気コア部分の両側には
２個の隣接する大きな溝がある。これらの大きな各溝内
に励磁コイルを設ける。例えば、コア112Bに励磁コイル
113Bを示してあり、このコイルは単相の交流で附勢する
と回転子が回転するにつれて、磁化可能な永久磁性材料
製の隣接する層82Bをこのコア112Bの磁極片を介して所
望磁束密度のＮおよびＳ磁極の選択パターン磁化する。
コア112Aおよび112Cも軸方向に添って見た場合に互いに
120゜離して設けられる励磁コイル113Aおよび113C（図
示せず）を有している。

各固定子コア112A,112Bおよび112Cにおける残りの溝
は小さく、これらの溝には例えばエナメル銅線から成る
電力巻線120の巻回ターンを設ける。これらの電力巻線1
20は磁化された層82A,82Bおよび82Cからの磁束がこれら
の巻線の近くを通過すると交流を発生する巻線120は、
各巻回ターンが同時に３個のすべてのコア112A,112Bお
よび112Cに据えられるように小さな溝内に設けるのが好
適であり、各巻回ターンはコア112Aおよび112Cの外側面
にて終端させる。このことは巻き線の据付を簡単とし、
しかも迅速とするばかりでなく、各コアを別々に巻回す
る場合に必要とされる銅線の量よりも少ない銅線量で済
む。更に重要なことには、同じ電力巻き線を３個のすべ
ての固定子コアに通すと、各電力巻線が３個の各コアか
ら全交流電位のほぼ1/3の電位を受電することになり、
１個以上の励磁コイルにおける交流の大きさを変えるこ
とによって電圧調整を速やかに、しかも簡単に行って、
各層82A,82Bおよび82CのＮおよびＳ極の磁束パターンを
密に制御することができる。２つの励磁コイルの交流を
残りの励磁コイルの交流に対して移相させて、一方の交
流位相は進め、地方の交流位相は遅らせることによって
全交流電力巻線の出力を一層正確に電圧制御することが
できるため２つの交流電力巻線の電力量を密に制御して
交流巻線に発生する全電圧を低減させることができ、斯
くして電力巻き線における全積分交流出力を低減させ
る。交流発電機の交流出力導線はコア112Cの外側面から
座金118を通り越して入口97に通し、軸穴93を経てキャ
ビネット22内の制御スイッチに導き、発生させた交流を
その制御スイッチから過敏性負荷へと伝導させる。

発電機の各固定子コア112A,112Bおよび112Cにおける
巻線は選択した溝内に別個のフィードバック巻線115A,1
15Bおよび115Cも含んでおり第２図では115Bだけしか示
してないが、第５図にはすべてのフィードバック巻線を
略図にて示してある。これらのフィードバック巻線は、
それらに関連する各磁化された層82A,82B及び82Cからの
磁束が近くを通り過ぎる際に交流電位を発生し、この電
位は大きさおよび周波数並びに位相関係が選定されたも
のである。これと同時に各磁化された層の磁束は各励磁
コイル113A,113Bおよび113Cにも交流電位を発生する。
各フィードバック巻線からそのコアの励磁コイルに交流
電位を伝導する回路手段を設けて、回転子40が同期速度
で回転している場合に、各励磁コイルに発生する交流電
位を上記回路手段によってほぼ抑圧して、制御手段によ
り周波数および大きさが所望通りに制御された単相交流
だけが各励磁コイルを有効に附勢するようにする。しか
して、同期速度以下またはそれ以上の速度では、フィー
ドバック巻線からの交流電位が各励磁コイルを附勢する
制御手段からの単相交流を有利に補充して、各層82A,82
Bおよび82Cの磁化パターンを最適とするので、これによ
り電力巻線に発生する交流電位の電圧および周波数はほ
ぼ所望なものとなる。

主交流発電機の制御部を附勢するための補助交流電源
を形成するために、発電機部43における主交流発電機か
らの所望される交流の周波数よりも高い周波数の交流を
発生する小型永久磁石（PM）発電機128を設けてある。
このPM発電機128はディスクプレート36の外側面に配置
するのが好適である。PM発電機の回転子はシェル40より
も直径が僅かに小さくて短い丸いリングで構成する。こ
のリングはディスクプレート36の外側面に着脱自在に固
定させるか、またはディスクプレート36の外側面と一体
の部分とすることができる。リング130の内周にはＮお
よびＳ磁極が交互に連続して得られるように極性が固定
配置される例えばバリウム・ストロンチウム・フェライ
トのような永久磁石層132を接着する。この層132に並置
された高透磁率の軟磁性材料製のラミネーションから成
り、軸受ハウジング30に着脱自在にクランプする幅狭で
環状の溝付積層体134をもって構成するPM発電機の固定
子を軸受ハウジング30に取付け、積層体134の溝には巻
線136を設ける。これらの巻線には、その近くを磁化し
た層132が通り過ぎる際に交流電位が発生する。巻線136
に発生させる交流の周波数は望ましくは600Hzとするの
が良く、また、主交流発電機は60Hzの交流を発生する。
主交流発電機が50Hzの交流を発生するユニットでは、PM
発電機128は500Hzの交流を発生することになる。PM発電
機128により発生させる交流の高周波範囲は100Hzから10
00Hz以上とすることができる。

モータ用の制御部はキャビネット16内に収納させる。
これらの制御部は第１図のブロック140内に示した遮断
器、ヒユーズ，スイッチおよびセンサから成り、これら
を軸穴94に通すリード線142と一緒にキャビネット16内
に収納させる。キャビネット18および20には第１図のブ
ロック144に示した発電機制御部を入れ、これら制御部
のリード線143はキャビネット22に通してから軸穴93に
通し、ついで入口97を経て発電機の固定子に導く。PM発
電機128からのリード線148はプレート28に通し、このリ
ード線により発電機制御部144における制御手段に高周
波の交流を伝導させる。制御パネル19における押ボタン
または他の制御スイッチを手動操作してモータを始動さ
せ、このモータを同期速度にさせることができる。作業
速度に達したら発電機の出力接触器を手動または自動的
に作動させて、発電機により発生した電流をリード線14
5を経て負荷に供給する。制御パネル19には電流計、電
圧型、制御信号灯、警報灯および回転速度指示器等を設
けることができる。

第４図を参照するに、ここにはモータ部42における同
期モータ用の電気的動作兼制御手段の回路図を示してあ
り、特に固定子巻線を適当に変形して、これらの固定子
巻線に対する回路を示してある。３相入力線として示し
た外部電力線200は遮断器ユニット202に入れる。キャビ
ネット16内に収納させる遮断器ユニット202内には遮断
器素子だけでなく、関連する避雷器，ヒューズおよび他
の安全兼制御部品も設ける。遮断器ユニット202からの
３本のリード線204はタップ切換え二重投入スイッチ206
に入り、これにて各線は３ブレード・スイッチの１つの
ブレードを附勢することができるタップ切換器は遮断器
ユニット202内に内臓させる接触器とするか、あるいは
手動か、電磁弁か回転子速度に応答するアクチュエータ
によって作動することのできる別個のスイッチとするこ
とができる。正規のトルク負荷の下でモータを静止状態
から指導させるために、スイッチ206は、全開位置から
各ブレードまたは接点がリード線210A,210Bおよび210C
に接続されている各接点に掛合するまで動かして、交流
電位を各コイル形成用巻線162の終端部に伝送して、全
コイルを附勢すると共に各コイルの全インピーダンスを
有効にする。所定の入力線によって供給される交流のア
ンペア数な斯様なコイルインピーダンスによって決定さ
れ、またこのような電流によって所定の大きさの回転磁
界が生じ、この回転磁界が回転子を回転させて加速する
のに有効な或る特定の回転トルク反動を生ぜしめるよう
になる。このようにして全巻線を附勢することをモータ
の「正常モード」と称する。

例えば、中間速度から完全な同期速度にまでモータを
加速する場合のように、正常モードにて有効とされる回
転トルクよりもさらに高い回転トルクが所望されること
がある。斯様な高いトルクが望まれる場合には、先ずタ
ップ切換えスイッチ206を作動させて、ブレードまたは
接点をリード線210A,210Bおよび210Cから切り離し、つ
いでこれらのブレードを線212A,212Bおよび212Cに電気
的に接触させて、巻線162を形成するコイルにおける各
タップ214A,214Bおよび214Cにそれぞれ交流電位を伝送
する。これらのタップは交流電位を各コイルの少数巻回
ターンに伝送するだけであり、これによりコイルの実行
インピーダンスが小さくなるため、同じ交流線路電圧に
対して実質上より大きなアンペア数により巻線162が附
勢されて、回転磁界の磁束は増大し、しかも回転子のト
ルクも直ちに増大する。実際上、タップ位置によってト
ルクは２〜３倍に増大した。これをモータの「加速モー
ド」と称する。

第４図に示すように、フィードバック巻線164は容量
性の共振回路を介して励磁コイル153に接続し、フィー
ドバック巻線の第１端子からのリード線220を速度応答
スイッチ兼制御ユニット222に接続し、このユニット222
からの出力リード線226を励磁コイル153の一方の端子に
接続し、かつ励磁コイルの他方の端子からのリード線22
8をコンデンサ230の一方の端子に接続し、リード線221
によてフィードバック巻線164からの第２端子をコンデ
ンサ230の多端に接続する。用途によってはコンデンサ2
30を破線にて示すようにリード線226と228との間に接続
して、励磁コイル153およびフィードバック巻線164と並
列にすることができる。第４図ではフィードバック巻線
164が励磁コイル153と直径的にほぼ反対側の溝内に配置
されるように図示してあるが、実際にはフィードバック
巻線を他の位置の溝内に配置することができ、このよう
な位置の選定はモータの特殊な設計および用途に応じて
決定する。

励磁回路の作動はつぎの通りである。回転子速度がそ
の同期速度のほぼ75％〜80％に達すると、回転子と相互
作用する固定子の回転磁界により発生されるトルク、特
に回転子トルクを磁化する短絡導体62によって発生され
る誘導磁界により速度応答スイッチ222が作動してリー
ド線220からリード線226への回路を閉じ、磁化された回
転子によって発生されるフィードバック巻線からの交流
電位がこの回路を経てコンデンサ230の両端に伝送され
る。これと同時に、層66並びに回転子コアにおける如き
回転中の回転子の磁極および固定子の回転磁界によって
励磁コイル153にも交流が発生する。共振回路はこれら
数種の交流電位を結合させて、大きさおよび位相が選定
された単相交流電流が励磁コイル153を経て流れ、しか
も磁極片150の先端152に強力な交番磁束を発生させて、
磁性層66の選択部分が飽和レベルにまで磁化されて、強
力な連続するＮおよびＳ磁極のパターンとなるようにす
る。層66におけるこられの磁極は回転磁界と強力に相互
作用してトルクを十分に高める。回転子は迅速に、しか
も平滑に速度を増大するので同期速度が直ちに達成さ
れ、また全負荷を回転子に難なくかけることができる。

本発明の同期モータは正常モードでも、加速モードで
も始動させることができ、或いは又、同期速度のおおよ
そ75％〜80％に達するまでこれらのモードを順次とらせ
るとができ、ついで励磁コイルを附勢して回転子を所望
のモードで加速し続けて、同期速度に到達させる。

用途によっては、速度感応スイッチ222が励磁コイル
に対する共振回路を閉じる際に、これと同時にタップ切
換えスイッチ206を作動させて、電力線200の交流電力に
より全ての固定子巻線162を附勢するのが望ましくこれ
がためライン224からの信号によってスイッチ222により
附勢され、かつ制御されつソレノイドの如き手段は、２
極60Hzモータの場合には2700〜2900RPMの回転数に達し
た時に附勢され、またこの場合にスイッチ206は交流電
力がリード線210A,210Bおよび210Cにのみ供給されて全
ての巻線162を附勢するように位置付けられる。いずれ
の場合にも、回転子が同期速度に達すると、タップ切換
えスイッチ206によって低インピーダンス巻線への電力
が遮断され、全巻線が交流電力線に接続される。

タップ214A,214Bおよび214C並びにタップ切換えスイ
ッチ206はモータ内に設ける必要も、またモータ内で使
用する必要もないものである。これらは主としてモータ
を重負荷または可変負荷にて加速可能とするために設け
るものである。巻線162における低インピーダンスタッ
プの使用が特に所望される場合とは、線路電圧が短時間
遮断され、モータが減速し始め、例えば3600RPMから290
0〜3100RPMまで低下する場合（２極60Hzモータの場合）
であり、斯かる回転速度にて交流線路電圧が復帰する
と、その交流電圧がタップ214A,214Bおよび214Cに伝送
されるため、回転子は短期の過負荷状態でも再び同期速
度にまで加速される。

発電機部43における発電機巻線の作動および制御を理
解するためには第５図を参照する必要があり、ここには
励磁コイル113A,113Bおよび113Cを適当に附勢するのに
好適な大きさ、および位相関係にある単相交流を発生さ
せるのに適している回路および発電機の交流出力電力の
電圧制御手段を示してある。PM発電機128の巻線136に発
生する比較的高周波の交流電力はリード線148によって
制御手段144（第１図に示したブロック図を参照）に伝
送され、この制御手段は給電ユニット240を具えてお
り、ここでは斯かる交流の一部が整流されて直流電流が
形成され、この直流電流がリード線242によって発振器
ディバイダ・ドライバ兼位相ユニット244に伝送され
る。ユニット240は変成器的に結合される一連の二次コ
イルも有しており、一次コイルはライン148からの高周
波交流を受電し、これらの一次コイルに結合される３つ
の二次コイルからの２次交流電位はリード線204A,204B
および204Cによって励磁器駆動ユニット248A,248Bおよ
び248Cにそれぞれ伝送される。これらの各励磁器駆動ユ
ニットは、例えば60Hzの主発電機出力の場合に、給電源
240から受電される高周波の交流を正確に60Hzの交流に
変換する。このような60Hzの交流は第１固定子に早急さ
れ、例えば第１励磁器駆動ユニット248Aからの交流はリ
ード線250Aからチョークコイル252Aを経てその各発電機
励磁コイル113Aに早急される。励磁コイル113Aを有する
同じ回路にフィードバック巻線115Aから伝送される交流
電位が給電されており、このフィードバック巻線115Aの
半分が励磁コイル113Aの一方の端子に、残りの半分が他
方の端子に接続されているため、フィードバック巻線11
5Aの電位は一般に層82Aの磁界による掃引によって励磁
コイル113Aに発生されるいずれの電位に対しても反対と
なる。コンデンサ245Aを図示のようにリード線253Aおよ
び255Aによって接続して第１励磁器駆動ユニットの回路
を完成させる。同期速度では、フィードバックコイル11
5Aの交流電位は磁化層82Aが近くを通過する際にこれよ
り励磁コイル113Aに発生する交流電位にほぼ等しくな
る。回転子が同期速度以下またはそれ以上の速度にある
場合には、フィードバックコイルの交流と励磁コイルの
交流が合成されて正味の交流となり、この交流により励
磁コイルが磁化されている層82の磁化力を変えて、斯様
な速度変動を補償する。第２および第３の励磁器駆動ユ
ニット248Bおよび248Cも同様に作動する。

作動中、附勢された励磁コイル113A,113Bおよび113C
は、層82A,82Bおよび82Cが回転すると、これらの層をそ
れぞれ所望な磁束レベルに、しかもＮおよびＳ極の所望
パターンに磁化し、これにより電力発生巻線120A,120B
および120Cが斯様な磁化層に磁束を遮えぎり、励磁コイ
ルを附勢するのに望ましい電圧および周波数の正確な交
流を発生する。例えば、励磁コイル113A,113Bおよび113
Cに供給する電流は、磁性層82A,82Bおよび82Cを本来飽
和させるのに十分な大きさの値にほぼ固定される。しか
し所要に応じ、巻線120A,120Bおよび120Cに発生する電
圧を制御するために、例えば電圧基準ライン256を出力
リード線145Aに接続し、斯かる電圧をユニット244に伝
送して、このユニットが所望な交流制御出力電圧を発生
し、この電圧がリード線158A,158Bおよび158Cにより励
磁器駆動ユニット248A,248Bおよび248Cに伝送されて、
リード線250A,250Bおよび250Cを経てチョークコイル252
A,252Bおよび252Cに所望な交流電圧を発生して励磁コイ
ル113A,113Bおよび113Cに所定の磁界強度を発生させる
ことができる。

巻線120A,120Bおよび120Cに発生する出力電圧を制御
するために、各リード線145A,145Bおよび145Cと中性導
線174との間に可変無効負荷調整器258A,258Bおよび258C
を介在させることができる。このような無効負荷調整器
の各々はリード線145Cと174との間に介在させる例えば2
0,40および80ミリヘンリーの複数個のリアクタンスコイ
ルで構成することができ、また電圧感応制御手段を設け
て、これらのリアクタンスコイルの１個以上を或る回路
に接続して、その回路により電機子反作用によって回転
磁界を有効に降下させて、リード線145Aにおける電圧を
低下させることができる。調整ユニット258A,258Bおよ
び258C内に設けるか、またはこれら各ユニットの外部に
設けることのできる電圧感応手段には電圧の変化に応答
する電子的または電気的な自動切換手段を設けて、電圧
が所定の電圧範囲以上となるか、またはそれ以下に降下
する場合に、１個以上のリアクタンスコイルを回路に接
続したり、切離したりすることができる。負荷調整器は
オペレータが出力回路の電圧計を読取って、各無効コイ
ルに対するスイッチを手動で開閉することによって操作
できることは勿論である。これにより発生交流出力電圧
を±２％以内で容易に制御することができ、例えば120V
の出力電圧範囲では±2.5Vの電圧範囲内で制御すること
ができる。

発電機の交流出力を最高精度をもって連続的に可変電
圧制御するために、例えばコア112Aおよび112Bの電力巻
線120Aの部分に発生する交流電位を、コア112Cに発生す
るコイル120Aのその部分における交流電位の位相に対し
て或る選択量だけ移相させる。コア112Aにおけるコイル
に発生する交流電位の移相は、その電位の位相を所定量
だけ遅らせ、またコア112Bにおけるコイルに発生する交
流電位の位相をコア112Cにおけるコイル120Aに発生する
交流の位相に対して同じ量だけ進めるようにして行う。
これがため、巻線120Aに発生する全ベクトル的積分交流
電位は、移相を行わない場合よりもさらに小さい値にま
で制御することができる。同様に、巻線120Bおよび120C
に発生する交流電位も移相によって制御することができ
る。所望な移相を行うには種々の手段を用いることがで
きる。斯種の１つの方法は、各励磁コイル113A,113Bお
よび113Cに供給される単相交流の位相を制御して、層82
A,82Bおよび82Cを磁化して、ＮおよびＳ磁極の移相パタ
ーンを形成し、ついでこれらの層82A,82Bおよび82Cによ
る掃引によって巻線120の部分に移相交流を発生させる
方法である。励磁コイルの交流電位を移相させる電気的
および電子的手段は米国特許第4,177,414号に開示され
ており、特にその第5,7Aおよび7B図並びにこれら各図に
関連する明細書中の説明を参照することができる。

任意の種々の電子的な手段を設けて、NIPSユニットの
モータおよび発電機の双方における励磁コイルに供給す
る単相交流の供給間隔を制御することができる。励磁コ
イル113および153に時々単相交流を繰返し供給するのに
好適な位置手段は電子回路の標準TTLディバイダチップ
で構成して、モータが同期速度に達した後に例えば１秒
のような時間をとるようにし、そこで第４図のスイッチ
222をライン224を介して作動させることにより回路220,
226,228および221を経て例えば10秒のような長時間励磁
コイル153に交流を流し、ついでこのようなオンおよび
オフサイクルを繰返すようにする。このようなオン期間
は50Hzまたは60Hzの交流の１サイクル程度の短かさで、
せいぜい数秒程度とすることができ、またそれに続くオ
フ期間はそれよりも４〜20倍も長くすることができる。
これにより励磁コイルでのエネルギーの使用が少なくて
済み、従ってNIPSユニットの全効率が改善される。

さらに、同期速度に達した後でも回転子が「ハンチン
グ」する場合がある。すなわち同期速度達成後に回転子
が同期速度よりも速いか、または遅い速度で長期回転す
ることもあり、このようなことは負荷の突然の変化また
は電源ラインの周波数変化によって生じたりする。回転
子が「ハンチング」しなくなり、安定な同期速度に戻る
ようにするためには、周波数感応時間手段に結合させる
電子回路のTTLディバイダチップを用いる電子的な手段
を設けて励磁コイルを附勢することにより「ハンチン
グ」をなくすことができる。

本発明のモータおよび発電機双方の回転子には磁化す
ることのできる種々の磁性材料を用いることができる。
例えば層82A,82Bおよび82Cはフェライトの如き電気的に
非導電性の永久磁性材料で構成するのが好適である。ア
ルニコ合金の如き金属性の永久磁性材料を用いることも
でき、この場合には粉末材料を樹脂結合剤と混合させ
て、これにおける励磁磁束による渦電流を許容レベルに
まで低減させるようにして製造する。

本発明の実施にあたり、バイウム・フェライトおよび
／またはストロンチウム・フェライトによって優れた結
果が得られた。新規の改良タイプのフェライトおよび同
様な磁化可能永久磁性材料を現在利用でき、また、将来
これらのさらに開発されたものを磁化可能永久磁性材料
層に形成するのに利用することもできる。テストモータ
及びテスト発電機にて良好な結果が得られた２個のフェ
ライトのヒステリシス曲線を第６図に示してある。グレ
ード（Grade）５フェライトなる商標名にて数年来市販
されている延伸バリウム・フェライトを実際のモータの
磁路を表わすものとして、0.33インチ（0.84cm）の厚さ
のサンプルに対してヒステリシス・ループ・テストを行
なった。この際、磁化力を最初は一方向に加え、つぎに
反対方向に加えて、サンプルに対する誘導磁界の強さ
（ガウス）を磁化力（エルステッド）に対してプロット
した。曲線Ｍはこのサンプルに対するヒステリシス・ル
ープを示す。この材料の閉回路磁気パラメータBrは4000
ガウスであり、またHcは2300エルステッドである。

S4109なる商標名にて市販されている他のフェライト
を同様にテストした所、これは前記のものよりも遥かに
正方形で、しかも小さいヒステリシス・ループＮを呈し
た。この場合のフェライトの対応する閉回路特性のBrは
4100ガウスであり、またHcは900エルステッドである。
このサンプルの厚さは0.64インチ（1.63cm）としたが、
このサンプルを飽和状態に至らしめるのに必要な磁力
は、曲線Ｍの長さが短いサンプル材料を飽和させるのに
必要な磁化力よりも小さかった。このことからして励磁
器部品に費用をかけたり、又は変更したりすることな
く、S4109のフェライトに似ているタイプの厚い層を用
いることができる。本発明の発電機では、特定の定格電
圧にて送給させることのできる負荷を発電機のインピー
ダンスの関数とする。交流発電機では、このインピーダ
ンスは一般に電機子反作用により生ずる。電機子反作用
の効果は、例えばフェライト層の厚さを２倍にすると1/
2に低減する。これがため、材料S4109のような特性を呈
する材料を用いることによって、発電機の定格を例えば
グレード５の如きより一層慣例のフェライト材料を用い
た場合に必要とされる発電機の定格よりも遥かに高くす
ることができる。

これらの曲線の内の第２象限の形状が上述したような
利点を例記している。曲線Ｍにおける点0mは第２象限に
おける代表的な動作点である。この点0mにおいて曲線Ｍ
は急峻な傾斜を呈し、また点0nと較べて低いガウス値を
呈するため、材料Ｎに対する代表的な動作点ではより一
層厚い磁石を用いることができる。材料Ｎの動作点Onの
磁気強度（ガウス）は材料Ｍの動作点0mにおけるよりも
約50％大きく、またこの磁石層の厚さが厚いために曲線
の勾配が平坦となり、しかも材料Ｍよりも優れた発電機
特性となる。

第２図のフェライト層66又は82A,82Bおよび82Cの最適
厚さはフェライト又はその他の永久磁性材料の特性に依
存する。従って、フェライトＭ及び他の同様なフェライ
トは、40馬力までのモータ又は出力30kWの発電機に対し
ては約0.2〜0.4インチ（約0.5〜1.0cm）の厚さの層とし
て使用することができ、またこれより高い定格のモータ
又は発電機に対しては約0.3〜0.5インチ（約0.75〜1.3c
m）の厚さの層として使用することができるのに対し、
曲線Ｎの材料は40馬力（30kW）のモータ又は発電機に対
しては約0.5〜0.7インチ（約1.2〜1.8cm）の厚さで使用
するのが有効であり、またこれよりも馬力及び出力の高
いモータ又は発電機には１インチ（2.54cm）の厚さと
し、さらにそれ以上の例えば40馬力以上のモータ又は60
kWの発電機には約１インチ（2.54cm）以上の厚さとして
使用できた。動作点0mと0nにおける曲線Ｍ及びＮによっ
て示される相対的透磁率は本質的には１である。厚目の
磁性層を用いれば固定子巻線からの磁界が通る磁気エア
ギャップが有効に増大し、電気機械のインピーダンスは
反比例して低減する。これにより、曲線Ｎで示した特性
を呈する磁性材料を使用すれば、過剰トルク角度に達す
る前にモータが多くの線路電流を受電することになり、
従って同じ大きさの電気機械から十分多くのトルクを発
生させることができる。同様に2/4勾配の曲線によって
電気機械の電圧調整が決定されるから、発電機に曲線Ｎ
のフェライト材料を用いると良好な結果が得られた。上
述したような磁性材料を用いると所定の定格に対する電
気機械の全体の寸法が極めて小さくなる。

フェライト材料Ｎはモータの層66及び発電機の層82A,
82Bおよび82Cに用いた場合に顕著な結果を生じた。これ
らは保磁力Hc（エルステッド）が完全飽和材料の残留誘
導磁界Ｂ（ガウス）の数値より約45％低い数値を呈する
からである。同様な特性を呈する他の任意のフェライ
ト、又は磁化可能永久磁性材料でも本発明のモータ及び
発電機の双方に使用するのに極めて好適である。

本発明のユニットは既に説明したような本願人の斬新
な同期モータによって実用可能となり、しかも便利とな
ったが、回転慣性の高い回転子を有している発電機を駆
動させることのできる他の改良同期モータを開発して、
これを利用し得ることは想定し得ることである。従っ
て、上述したようなモータの代わりに斯様な同期モータ
を用いて、ここに図示し、また説明した高効率の発電機
を駆動させることができる。

全回転慣性が434Lb−ft²の25馬力（18.7kW）の公称定
格を有している本来の２極構造の第１及び２図に示した
構造のモータ発電機を208ボルトの60Hz3相交流で附勢し
て、電流及びトルクのテストを静止状態から同期速度ま
での速度について実施した。モータを正常モードで電力
線に接続して、全電力巻線を附勢した場合、初期の引込
み電流は最大約106アンペアであったが、この電流値は
回転子が2800RPMの速度に達するまでに75アンペアにま
でゆっくりと低下した。モータの始動トルクは30Lb−ft
であり、これは約2800RPMの速度点まで一定であった。2
800RPMの速度にて励磁コイルが単相交流で附勢されて、
線路引込電流は74アンペアにまで直ちに低下したが、ト
ルク値は約48Lb−ftにまで上昇し、回転子の速度が増大
するにつれてアンペア数は、3600RPMの同期速度に引込
まれる直前の点における約46アンペアの値までほぼ直線
的に降下した。同期速度におけるトルク及び入力電流の
値は、接続する負荷に必要な値とする。いずれの場合に
も、このモータは相当大きな負荷をかけた場合でも容易
に、しかも円滑にその同期速度にまで加速した。この高
慣性の回転子構造に必然的に附随する高い風損にも拘ら
ず、テストの結果、モータの効率は25馬力の出力レベル
で91％であり、15馬力の出力レベルでごく僅かに89％に
まで低下し、7.5馬力の出力負荷をかけた場合にのみ79
％に低下することが示された。大多数のモータの場合に
は、このような割合の相当大きな負荷出力の低下によっ
て効率が通常は著しく低減し、60％〜70％以下になるこ
ともしばしばある。

これと同じテストモータも、全巻線の約75％だけが附
勢されて、インピーダンスが全巻線のインピーダンスの
50％よりも僅かに高くなるような点に固定子電力巻線の
タップを設けることによって「加速モード」で附勢し
た。最初に流れる電流のアンペア数は約210であり、初
期トルクは約50.3Lb−ftであった。トルクは2800RPMに
達するまで44Lb−ftに定常に低下し、また電流値は178
アンペアに低下した。2800RPMにて励磁コイルが附勢さ
れ、トルクは60Lb−ft以上にまで増大し、しかも電流は
3600RPMの同期速度に達する直前には96アンペアに低下
した。

テストモータを繰返し始動し、かつ正常モードと加速
モードで2800RPMの速度に加速し、ついで励磁コイルを
附勢して、回転子を全負荷同期速度に至らしめ、つぎに
路線電力を遮断して単期間給電を停止して、モータを31
50RPM及びそれ以下にまで減速させ、その時点で全交流
電力を復帰させた。各テストにおいて、モータは負荷を
かけたままで再始動し、かつ円滑に加速し、電気的なサ
ージも、加熱も、また他の支障もなく速かに完全な同期
速に達した。本発明モータの他の望ましい有効な特徴
は、あらゆる回転速度において静かであると云うことに
ある。前述した25馬力（18.7kW）のモータの雑音レベル
は１メートル離れた所で70dB以下である。

上述したモータを用いているモータ発電機NIPSユニッ
トは、２極モータ及び２極交流発電機の双方の回転子部
品を内蔵している回転子シェルを有しており、ここにシ
ェルの外径は16.5インチ（41.9cm）とし、その壁厚は１
インチ（2.54cm）とし、また回転子ラミネーション及び
永久磁石材料を含む全重量は約1200ポンド（約545kg）
として回転慣性は434Lb−ft²（13.5スラグーft²）とし
た。モータに公益事業の電力線からの60Hz交流を給電し
た場合、このモータは３分以下で3600RPMの同期速度に
簡単に達し、しかもこの同期速度での負荷への発電機出
力は42アンペアで、208ボルトの３相交流であり、これ
が全負荷に送給され、この３相交流電圧は60アンペア又
はそれ以上のかなりの過負荷がかかる場合でも数分以内
に安全に高めることができた。

遮断器を用いてモータへの線路交流電力を遮断し、か
つ3600RPMと、全出力電力を送給できると共にその電圧
を維持し得る速度としては実際上低い回転速度と思われ
る3150RPMとの間の回転子の回転エネルギーを変換する
ことにより、特定電圧にて目立った電圧変化を起こすこ
となく60Hzの完全なる交流出力を交流発電機部によって
全負荷に供給し続けるテストを行なった。中位の大きさ
及び重量であると思える上記所定重量の回転子の場合、
回転子が3150RPMにまで降下して運転するのに約23％の
回転子運動エネルギーが利用され、全負荷には15秒程度
の間60Hzの交流が供給された。

電力線の停電の場合に、発電機から通常の全負荷出力
以下の交流を供給すれば良い場合には、電力が完全に停
電した後に発電機が斯様な低減負荷出力を15秒よりも長
い期間給電するようにする。可変負荷に対するライド−
スルー時間を示している第７図の曲線に示すように、全
負荷出力は15秒程度供給し、発電機の全負荷定格の100
％よりも小さい負荷に対しては15秒以上の期間供給す
る。停電後に発電機は全負荷出力の約20％を約30秒間供
給し、定格負荷出力の50％を20秒間供給する。従って、
NIPSの発電機が５つの異なる負荷に給電しており、各負
荷が全負荷にてほぼ等しい交流電力を必要とし、かつ４
つの負荷は左程問題なく、そしてこれらの負荷は数秒以
内にサイクルダウンさせることができるが、残りの１つ
の負荷は臨界動作状態にあり、長期のライド−スルー時
間を必要とすると云うような実際の場合に、最後のユニ
ットは発電機により少なくとも約30秒の間は十分給電す
ることができた。

全交流出力にて例えば30〜40秒のような長期のライド
−スルー時間が望まれる場合には、回転子シェルの厚さ
を厚くして回転運動エネルギーを増大させるだけで極め
て適切な価格でNIPSユニットを提供することができる。
例えば、シェル壁部の厚さを１インチから2.5インチ
（2.54cm〜6.4cm）に厚くすることによってユニットの
価格を適切にし、ライド−スルー時間を２倍以上に大き
くすることができる。このように回転子シェルに余分の
回転質量を設けることは速かに、しかも簡単に行なうこ
とができ、しかも最も有効であり、例えば、外部軸受等
を必要とする外部ホイールを用いるよりも電気機械の設
計変更が少なくて済む。また、完全に独立したものであ
り、しかも全体の容量も小さいから、外部ホイールを有
する電気機械よりも遥かに小形で、かつ静かである。

本発明発電機からの交流出力の周波数は、定常状態の
期間及びライド−スルー期間のいずれの場合にも容易に
60Hz±0.2に維持させることができる。発電機の出力電
圧は定常状態の場合並びに不平衡負荷状態が100％にま
で達することのある不平衡負荷状態のいずれの場合でも
極めて容易に±５％又はそれより良好な値に調整するこ
とができる。交流出力の全高調波ひずみは代表的には５
％以下である。

本発明モータ発電機NIPSユニットの重大なる所望な特
性は、そのユニットが極めて静かに作動し、ユニットか
ら３フィート離れた所で雑音レベルが約60〜65dB−Ａで
あると云うことにある。これは、発電機も普通の交流発
電機よりも本来静かであるが、ユニットに用いられる同
期速度にて走行するモータに因る所が大である。回転子
のシェルの外部が滑らかなために、風による雑音も非常
に低減される。

モータは、電圧がそのモータ用に規定される定格電圧
の＋10％から−20％に変化する交流電力が供給される場
合でも全く良好に作動する。

周波数および電圧が正確に一定である交流を必要とす
る過敏性負荷には、周波数および電圧の正確性を必要と
しない交流電力を必要とする設備および周辺装置が関連
付けられることが屡々あると認められている。例えば、
電子データプロセッサおよびコンピュータは、通常高レ
ベルの照明をする必要がある窓なしの部屋に設置され、
しかもそれらには小形モータまたは交流を整流すること
によって発生させた直流により作動させる装置、すなわ
ちプリンタ，タイプライタおよび電気的エネルギーによ
って作動させる他のユニットを設けている。照明は斯様
な設備には特に問題がある。その理由は、停電が生じた
場合に、部屋が全く暗くなり、オペレータが作動中の装
置を停止したり、または作業周期を低下させることが極
めて困難となるからである。またコンピュータによって
作動させるロボット機械が、例えば溶接作業または部品
の転送作業の真っ最中である場合、コンピュータには本
発明のモータ発電機により給電がなされているが、ロボ
ット機械は通常電力線に直接接続されているために、そ
のロボット機構の機能が突然停止してしまい、特に電力
が僅か数秒または数分の遅れで回復したとしても溶接ま
たは転送中の作業はだめになるか、または不適切に処理
されることになる。

短期または瞬間的な外部交流電力の停電中に生ずる斯
様な問題をなくすか、または克服するために、本発明の
他の例によれば、交流モータそのものを、そのモータの
回転エネルギーを利用する交流発電機に変換して、これ
により照明装置を附勢するための電圧および周波数が適
度に変化する使用可能な交流を例えば15秒以上発生させ
ると共に、これと同時にコンピュータまたは他の交流過
敏性負荷に正確な交流を給電する交流発電機と一緒に補
助の周辺機器または他の機構を駆動させる。

第８図には本発明のモータ発電機NIPSユニットに基づ
く完全なデュプレックス・システムを略図にて示してあ
る。モータ発電機ユニット10は公共の電力線200からの
交流が流れている場合の期間と、電力線200に停電が生
じた場合の多数秒にわたる期間とのいずれの場合にも周
波数および電圧値が正確に一定である交流を過敏性負荷
用の出力端子300に供給する負荷回路導線145を有してい
る。停電期間中または交流電力線200に異常状態が生じ
ている期間中には、逆電力センサユニット304からの信
号（ライン302を経由する）が遮断器140を作動させて、
電力線200と本システム側の回路を直ちに遮断する。こ
の時には、後に述べるように、ユニット10におけるモー
タの電力巻線162（第４図参照）は発電機の固定子巻線
と同様の機能を果たすので、その電力巻線162からライ
ン142を介してライン306に交流を給電する。すなわちラ
イン306は、回転中のモータの電力巻線162により発生さ
れた電力を、出力端子310を介して照明装置および他の
重要な補助モータ並びに他の周辺装置（いずれも図示せ
ず）に供給する。モータの電力巻線により発生される交
流については、ライン145に供給される交流のように電
圧および周波数を正確なものとする必要はなく、斯様な
周辺ユニットに利用できされすれば良い。回転子用のシ
ェルを一層重くすることによって、発電機とモータとの
双方からの交流出力を15秒までの短期停電に対して全負
荷にて容易に維持し得るようになる。

第８図に示したシステムの特徴は、短期間の停電中に
発電機43（第２図，第５図参照）によって発生される交
流の周波数および位相に対応する単相交流でモータ励磁
コイル153（第４図参照）を附勢する手段を備えている
ことにある。このような手段は、第８図に示すように、
停電応答制御スイッチ312を備えている。この制御スイ
ッチ312は、電力線200が交流を供給していないことを示
す信号をライン314を経て逆電力センサ304から受信する
のに応答して、交流発電機の出力を、ライン318,停電応
答制御スイッチ312およびライン316を介してモータ励磁
コイル153（第４図参照）に供給する。従ってモータ励
磁コイル153は、発電機の出力ライン145に現われる交流
と同じ周波数および電圧の交流で附勢される。これによ
り、ライン306の周波数は一定のままとなる。

本発明によるモータ発電機NIPSユニットは種々の大き
さおよび種々の出力範囲に製造し得ることは勿論であ
り、出力が5KVA以下の交流発電機を有している小形ユニ
ットから、100KVA以上の交流発電容量の大形ユニットま
で同じようにして製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるモータ発電機NIPSユニットを部分
的に切欠し、後方から見た斜視図、 第２図は第１図のユニットに適するモータ発電機の内部
構造を詳細に示す正面垂直断面図、 第３図は第２図のIII−III線上でのモータの垂直断面
図、 第４図はモータの平面および電気回路図、 第５図は発電機用制御回路の一例を示すブロック線図、 第６図は２つのフェライト材料のヒステリシスループを
プロットした特性図、 第７図は大きさが変化する負荷に対する発電機のライド
−スルー時間をプロットした特性図、 第８図は種々のタイプの負荷への本発明NIPSユニットの
適用例を示すブロック線図である。 10……モータ発電機NIPSユニット、 12……支持台、 14……ケーシング、 16,18,20,22……キャビネット、 16A……通風孔、 17……ヒンジドア、 19……制御パネル、 24……ブラケット、 25……グロメット、 26……ラグ、 28,29……円板、 29A……シール、 30,31……軸受ハウジング、 32……減摩軸受、 34,35……ハブ部材、 36,37……円形ディスク、 40……円筒状シェル、 42……モータ部、 43……発電機部、 44,45……衝合面、 46……条溝、 50……環状コア、 52……シェル内壁、 54……止めリング、 56……肩部、 58……クランプリング、 60……送り孔、 62……短絡導体、 64……コア内側面、 66……永久磁性材料層、 68……層表面、 70……クランプリング、 72……肩部、 74……発電機回転子コア、 76……コア内壁、 80……コア内側面、 82A,82B,82C……永久磁性材料層、 90……支持軸、 91,92……スタブ端、 93,94……軸穴、 95……大径部分、 96,97……入口、 100……スペーサブロック、 102……シールド、 103……固定子コア外周面、 104……モータの溝付固定子コア、 106……ベルビル座金、 110……巻線、 112A,112B,112C……発電機固定子コア、 113A,113B,113C……発電機励磁コイル、 114,116……スペーサ、 115A,115B,115C……フィードバック巻線、 118……ベルビル座金、 120……固定子巻線、 128……永久磁石（PM）発電機、 130……PM発電機の回転子、 132……永久磁石層、 134……PM発電機の固定子、 136……固定子巻線、 140……モータ制御部、 142,143,145,148……リード線、 144……発電機制御部、 150……磁極片、 151……大形溝、 152……磁化チップ、 153……励磁コイル、 154……溝壁、 160……小形溝、 162……固定子巻線、 164……フィードバック巻線、 174……中性導線、 200……外部電力線、 202……遮断器ユニット、 204……リード線、 206……タップ切換二重投入スイッチ、 210A,210B,210C……タップ、 221……リード線、 222……速度応答スイッチ兼制御部、 224,226,228……リード線、 230……コンデンサ、 240……給電ユニット、 242……リード線、 244……発振ディバイダ・ドライバ兼位相ユニット、 245A,245B,245C……コンデンサ、 248A,248B,248C……励磁器駆動ユニット、 250A,250B,250C……リード線、 252A,252B,252C……チョークコイル、 256……電圧基準ライン、 258A,258B,258C……可変無効負荷調整器、 300……過敏性負荷、 304……逆電力センサユニット、 306……ライン、 312……停電応答制御スイッチ、 314,316……ライン。

フロントページの続き (72)発明者 ロニー ジエイ．バーバー アメリカ合衆国 33507 フロリダ州 ブラデントン 25 ストリート ウエス ト 5705 (56)参考文献 特開 昭54−98944（ＪＰ，Ａ)

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発生される電圧および周波数が不規則にな
   ること、あるいは、不定期間にわたって供給電力が完全
   に遮断されることが生じる交流電力源により同期モータ
   が駆動され、 前記同期モータを駆動するに足りる交流が前記交流電力
   源から供給されている際には常に、また前記交流電力源
   からの供給電力が遮断された際には数秒ないし数十秒の
   期間にわたって、所定の周波数および電圧を有する交流
   電力が交流発電機から負荷に供給され、 前記同期モータおよび前記交流発電機は支持台上に保持
   されており、 比較的コンパクトであり、運転が静かで、かつ高効率の
   モータ発電機無停電電力系ユニットであって、 前記支持台に取付けられる前記同期モータは、 前記交流電力源から供給される交流で付勢されて回転磁
   界を発生する固定子と、 始動時から同期速度に至るまでの各速度にて、前記交流
   発電機の回転子を駆動させるための高トルクを発生する
   回転子とを備えており、 前記支持台に取付けられる前記交流発電機は、 前記支持台における軸受に同軸回転するよう取付けた回
   転自在の円筒形状部材と、該円筒形状部材の内壁に固着
   されており軟磁性材料から成る少くとも１つの軟磁性体
   と、該軟磁性体に取付けられ、前記円筒形状部材の回転
   軸と同軸の円筒状露出表面を有する硬磁性材料層とを含
   む、回転慣性の高い回転子と、 前記支持台に固定され、かつ前記円筒状部材の内部に配
   置した軸部材と、該軸部材に固着されたスロット付き円
   筒面を有すると共に、該スロット付き円筒面を前記硬磁
   性材料層とほぼ同一の広がりをもって対向させ、該材料
   層と該円筒面との間に回転隙間をあけて配置した軟磁性
   材料製の少なくとも１つのコア部材と、前記スロット内
   に配置した交流電力発生巻線と、前記コア部材に設けら
   れている２つの隣接スロットの間に介在する磁極片と、
   該磁極片に巻回されている励磁コイルとを有し、前記励
   磁コイルが単相交流で付勢されるとき、極性が交互に替
   わる前記磁極片による強い磁束によって、該回転子の回
   転中に前記磁極片に対向配置されている前記硬磁性材料
   層をＮおよびＳ磁極のパターンに磁化する固定子とを備
   えており、 さらに前記同期モータは、 前記同期モータ固定子の固定子コアに設けられている特
   定スロット内に配置されるフィードバック巻線と、 前記同期モータ回転子の同期回転中に、該回転子の表面
   に設けた硬磁性材料層が磁化されたことによって生じる
   磁極の通過によって該フィールドバック巻線に誘起され
   る交流電位が、該硬磁性材料層を磁化させるために同期
   モータ固定子側に設けた励磁コイルに誘起される交流電
   位を実質的に抑圧するように該フィードバック巻線を該
   励磁コイルに接続する回路とを備え、 さらに加えて、前記交流発電機は、 所望周波数の単相交流を発生し、該単相交流を発電機固
   定子側に設けた前記励磁コイルに供給して、該励磁コイ
   ルを巻回してある前記磁極片が前記硬磁性材料層をＮお
   よびＳ磁極の選択パターンに磁化して、これにより前記
   交流電力発生巻線にほぼ一定の交流周波数を誘起させる
   手段を備えた ことを特徴とするモータ発電機無停電電力系ユニット。
2. 【請求項２】前記交流発電機は、 軸方向に離間した位置にて取付けられ、かつ各々の露出
   表面が円筒状を成す硬磁性材料製の複数個の層を有して
   いる少なくとも１個の軟磁性材料製の回転子本体と、 前記複数の硬磁性材料層に対向配置され、該硬磁性材料
   層の個数と同数のスロット付きコア本体を有し、該コア
   本体の各々には励磁コイルを有しており、さらに該コア
   本体にはフィードバック巻線を該励磁コイルに接続する
   回路と、多相交流を発生する交流電力巻線とを含む固定
   子と を備えたことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   のモータ発電機無停電電力系ユニット。
3. 【請求項３】前記発電機の回転子における硬磁性材料層
   を、完全に飽和させた磁性材料の残留誘導磁界Br（ガウ
   ス）の値より約0.45小さい保持力Hc（エルステッド）を
   有する磁性材料で構成することを特徴とする特許請求の
   範囲第１項に記載のモータ発電機無停電電力系ユニッ
   ト。
4. 【請求項４】前記交流発電機の固定子において、前記交
   流電力発生巻線は、該発電機固定子を成すすべてのコア
   本体の溝に通過させる共通の巻回ターンを有することを
   特徴とする特許請求の範囲第２項に記載のモータ発電機
   無停電電力系ユニット。
5. 【請求項５】前記同期モータおよび前記交流発電機の双
   方の固定子を同じ軸部材に取付け、かつ前記同期モータ
   および前記交流発電機の双方の回転子を回転自在の前記
   円筒形状部材の内部に配置し、該円筒形状部材によって
   前記軸部材および前記モータと前記発電機の固定子のま
   わりを囲み、前記モータと前記発電機の各固定子は、前
   記軸部材に確実に固着した軟磁性材料製のラミネーショ
   ンから成るスロット付コアと、前記軸部材の両端に固着
   され、前記スロット付コアを弾性的に圧縮して、前記軸
   部材を張力下に維持する圧縮手段とを備えることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項に記載のモータ発電機無停
   電電力系ユニット。
6. 【請求項６】前記同期モータおよび前記交流発電機の双
   方の回転子が、円形内側面の回転自在の円筒形状部材の
   内壁に固着された軟磁性材料製の磁性体を備えており、
   該磁性体に対して硬磁性材料層を付着し、該硬磁性材料
   層の露出内側面を前記円筒形状部材の回転軸と同軸の丸
   い円筒状となし、複数本の短絡導体を前記モータ回転子
   における軟磁性材料製の磁性体に通すと共に、該複数本
   の短絡導体を前記硬磁性材料層にほぼ平行に配置し、前
   記同期モータの回転子における硬磁性材料層を、前記同
   期モータの固定子を成すスロット付コアとの間に回転隙
   間をあけて前記同期モータのスロット付コアに対向配置
   し、前記同期モータの固定子におけるスロット内に前記
   交流電力源からの交流で付勢されたとき回転磁界を発生
   する電力巻線を設け、２つの隣接するスロット内に配置
   された励磁コイルと、該２つの隣接するスロット間にお
   ける磁極片を形成するコア部分とが、前記励磁コイルを
   単相交流で付勢する場合に前記同期モータの回転子にお
   ける硬磁性材料層をＮおよびＳ磁極のパターンに磁化
   し、かつ他のスロット内にフィードバック巻線を配置
   し、共振回路により前記フィードバック巻線を前記励磁
   コイルと接続して、当該回転子の回転中に移動磁界が前
   記フィードバック巻線および励磁コイルの双方に電位を
   誘起させ、前記共振回路がこれら双方の電位を単相交流
   電位に合成して、該単相交流電位が前記硬磁性材料層を
   ＮおよびＳ磁極の選択パターンに随意磁化することを特
   徴とする特許請求の範囲第５項に記載のモータ発電機無
   停電電力系ユニット。
7. 【請求項７】発生される電圧および周波数が不規則にな
   ること、あるいは、不定期間にわたって供給電力が完全
   に遮断されることが生じる交流電力源により同期モータ
   が駆動され、 前記同期モータを駆動するに足りる交流が前記交流電力
   源から供給されている際には常に、また前記交流電力源
   からの供給電力が遮断された際には数秒ないし数十秒の
   期間にわたって、所定の周波数および電圧を有する交流
   電力が交流発電機から負荷に供給され、 前記同期モータおよび前記交流発電機は支持台上に保持
   されており、 比較的コンパクトであり、運転が静かで、かつ高効率の
   モータ発電機無停電電力系ユニットであって、 前記支持台に取付けられる前記同期モータは、 前記交流電力源から供給される交流で付勢されて回転磁
   界を発生する固定子と、 始動時から同期速度に至るまでの各速度にて、前記交流
   発電機の回転子を駆動させるための高トルクを発生する
   回転子とを備えており、 前記支持台に取付けられる前記交流発電機は、 前記支持台における軸受に同軸回転するよう取付けた回
   転自在の円筒形状部材と、該円筒形状部材の内壁に固着
   されており軟磁性材料から成る少くとも１つの軟磁性体
   と、該軟磁性体に取付けられ、前記円筒形状部材の回転
   軸と同軸の円筒状露出表面を有する硬磁性材料層とを含
   む、回転慣性の高い回転子と、 前記支持台に固定され、かつ前記円筒状部材の内部に配
   置した軸部材と、該軸部材に固着されたスロット付き円
   筒面を有すると共に、該スロット付き円筒面を前記硬磁
   性材料層とほぼ同一の広がりをもって対向させ、該材料
   層と該円筒面との間に回転隙間をあけて配置した軟磁性
   材料製の少なくとも１つのコア部材と、前記スロット内
   に配置した交流電力発生巻線と、前記コア部材に設けら
   れている２つの隣接スロットの間に介在する磁極片と、
   該磁極片に巻回されている励磁コイルとを有し、前記励
   磁コイルが単相交流で付勢されるとき、極性が交互に替
   わる前記磁極片による強い磁束によって、該回転子の回
   転中に前記磁極片に対向配置されている前記硬磁性材料
   層をＮおよびＳ磁極のパターンに磁化する固定子とを備
   えており、 さらに前記同期モータは、 前記同期モータ固定子の固定子コアに設けられている特
   定スロット内に配置されるフィードバック巻線と、 前記同期モータ回転子の同期回転中に、該回転子の表面
   に設けた硬磁性材料層が磁化されたことによって生じる
   磁極の通過によって該フィールドバック巻線に誘起され
   る交流電位が、該硬磁性材料層を磁化させるために同期
   モータ固定子側に設けた励磁コイルに誘起される交流電
   位を実質的に抑圧するように該フィードバック巻線を該
   励磁コイルに接続する回路とを備え、 さらに加えて、前記交流発電機は、 所望周波数の単相交流を発生し、該単相交流を発電機固
   定子側に設けた前記励磁コイルに供給して、該励磁コイ
   ルを巻回してある前記磁極片が前記硬永久磁性材料層を
   ＮおよびＳ磁極の選択パターンに磁化して、これにより
   前記交流電力発生巻線にほぼ一定の交流周波数を誘起さ
   せる手段を備えた 無停電電力系ユニットにおいて、 前記交流電力源と前記同期モータとの間に回路制御手段
   と遮断手段とを設け、前記交流電力源の故障時に該交流
   電力源と該同期モータとの間の回路を遮断すると共に、
   斯様な前記交流電力源の故障中に前記同期モータの固定
   子巻線を他を負荷に接続し、かつ前記交流発電機から単
   相交流を前記同期モータの励磁コイルに供給する手段を
   設けたことを特徴とするモータ発電機無停電電力系ユニ
   ット。