JP5295241B2 - 三相多巻線装置 - Google Patents

Description

Ｂ．関連出願及び優先権主張
本願は、その各々が本明細書で援用している２００７年８月２９日に出願された米国仮出願第６０／９６８，５７７号、２００７年８月２９日に出願された米国仮出願第６０／９６８，５８４号、及び、２００７年８月２９日に出願された米国仮出願第６０／９６８，６１０号の優先権の特典を主張するものである。
Ｃ−Ｅ．該当なし

本発明は、一般に及び様々な実施形態において小型三相多巻線装置に関する。

長年にわたって、三相変圧器は、一般に３つの脚を備える積層鉄心に取り付けられた銅又はアルミニウム巻線からなる３つのコイルによって構成されてきた。しかし、従来の３脚鉄心設計は、必ずしもあらゆる場合に最適な設計ではなかった。例えば従来の３脚鉄心設計には比較的多量のスペースが必要とされるので、この設計は多くの用途において必ずしも最適な設計ではなかった。

従来の３脚変圧器が、各々特定の電圧及び位相角を有する多数の三相二次巻線を必要とする用途の場合、二次巻線は、一般に各コイルから２つの構成巻線（即ち全部で３つのコイルから合計で６つの構成巻線）を必要とする。こうした用途の場合、二次巻線は、例えば、辺延び三角形状、ジグザグ形状又は多角形状をなすように構成できる。いかなる巻線であれその全ての構成巻線の巻数は整数値が望ましいので、指定の電圧及び／又は位相角を正確に与えるのはほぼ不可能であり、一般に近似値が必要とされる。二次巻線が、一様な間隔で、公称電圧は同じであるが位相角が異なるという特定の場合、構成巻線における位相角に近似することが可能な整数値の巻数の選択は制限されるので、位相角が異なる二次巻線は強制的に電圧が異なる結果になる可能性がある。従来の３脚変圧器に関するもう１つの問題は、二次巻線が一次巻線に対して異なる結合係数を有するということである。

一般に、近似を物理的に実施する上での困難は、変圧器の相対的コストを増大させ、こうした近似に伴う誤差は変圧器内における高調波相殺を劣化させることにある。

図１は、従来の三相変圧器３を含むＡＣ駆動装置１を例示する。この変圧器は、一次巻線５と、複数の三相二次巻線７を含み、各巻線は特定の電圧と位相角を有している。ＡＣ駆動装置１の出力側において、ＡＣモータの三相の各々が直列に接続された一連の電力セルによって駆動される。図１のＡＣ駆動装置の場合、相毎にＣＥＬＬＡ１〜Ａ６、ＣＥＬＬＢ１〜Ｂ６及びＣＥＬＬＣ１〜Ｃ６と表示した６つの電力セルが存在し、全部で１８の電力セルになる。他の実施例の場合には、相毎に別の数のセル（例えば１つのセル、３つのセル、９つのセル等）とすることもできる。ＡＣ駆動装置又はＡＣ電源に関して、各電力セルは、三相ＡＣ入力電力を受電して単相ＡＣ電圧を出力し、ＡＣ−ＤＣ整流器（再生式とすることが可能）、平滑フィルタ及び出力ＤＣ−ＡＣ変換器を含む装置である。

図１のＡＣ駆動装置の場合、変圧器３は、その一次巻線５にＲ、Ｓ及びＴと表示したポイントで地域発電所から三相ＡＣ入力電力を受電する。各電力セルは、変圧器３の専用二次巻線７から三相ＡＣ入力電力を受電する。１８個の二次巻線７は、公称電圧が同じであり、３ランクをなすように配列され、各ランクが６つの特定の公称位相角の１つを有している。１０度の倍数単位で異なる公称位相角が辺延び三角形状を利用して近似されるが、図１の場合、全ての二次巻線の平均位相角がその基準とされる。異なる位相角は、変圧器内において高調波相殺を生じさせる働きをする。各二次巻線７には、６つの構成巻線、即ち３つの内側三角構成巻線と３つの外側延長構成巻線が含まれている。構成巻線は全て整数の巻数にすべきであり、その巻数又は相互接続は各位相角毎に異なる。

所定の一次コイル群に結合された二次巻線構成コイルは、その一次コイルの周りで互いに垂直方向に変位している。様々な二次構成巻線がコイルに沿って異なる軸方向位置にあるので、一次巻線５に対するそれらの結合係数は異なっている。これは、整数の巻数要件に起因する電圧及び位相角の誤差によって生じる劣化に加えて、高調波相殺を更に劣化させることになりがちである。更に、従来の変圧器３の構造には利用されない比較的多量のスペースがあるので、従来の変圧器の全体サイズは比較的大きい。

１つの一般的な観点において、本明細書には三相多巻線装置を開示している。様々な実施形態によれば、この多巻線装置には、ハブとハブの外周を囲む外殻とを含む鉄心が含まれており、ハブと外殻は互いに対して固定位置についている。鉄心には、複数スロットも含まれている。鉄心以外に、多巻線装置には、スロットの少なくとも２つに配置された一次巻線と、空間的に分布した複数の二次巻線が含まれており、二次巻線の少なくとも１つは、その２つのスロットの少なくとも一方において一次巻線に近接して配置されている。

もう１つの一般的観点において、本願には指定の位相角のＡＣ電圧を発生するための方法が開示される。様々な実施形態によれば、この方法には、三相多巻線装置の固定一次巻線に第１のＡＣ電圧を印加するステップと、一次巻線にＡＣ電流を通すステップと、三相多巻線装置の鉄心によって形成される対称軸周りを回転する放射状磁界を発生するステップと、三相多巻線装置の空間的に分布した複数の固定二次巻線に第２のＡＣ電圧を誘導するステップを含んでいる。

もう１つの一般的観点において、本明細書はある装置を開示する。様々な実施形態において、この装置は、複数の電力セルと、電力セルの各々に接続された多巻線装置を含んでいる。前述のように、多巻線装置には、ハブとハブの外周を囲む外殻とを含む鉄心が含まれており、ハブと外殻は互いに対して固定位置についている。鉄心には、複数スロットも含まれている。鉄心以外に、多巻線装置には、スロットの少なくとも２つに配置された一次巻線と、空間的に分布した複数の二次巻線が含まれており、二次巻線の少なくとも１つは、その２つのスロットの少なくとも一方におい一次巻線に近接して配置されている。

以下、下記の図を参照し、本発明の様々な実施形態について説明する。

従来の三相変圧器を含むＡＣ駆動装置を例示した図 小型三相多巻線装置の様々な実施形態を例示した図 図２の小型三相多巻線装置の鉄心の様々な実施形態を例示した図 図２の小型三相多巻線装置の鉄心の様々な実施形態を例示した図 図２の小型三相多巻線装置の鉄心の他の様々な実施形態を例示した図 図２の小型三相多巻線装置の鉄心の更なる他の様々な実施形態を例示した図 図２の小型三相多巻線装置の鉄心及び巻線の更なる他の様々な実施形態を例示した図 図７の小型三相多巻線装置のコイルを例示したワイヤフレーム略図 図２の小型三相多巻線装置用鉄心構造の様々な実施形態を例示した図 指定の位相角のＡＣ電圧を発生する方法の様々な実施形態を例示した図 小型三相多巻線装置を含む装置の様々な実施形態を例示した図

本方法、システム及び材料について述べる前に理解しておくべきは、本開示が記載の特定の方法論、システム及び材料に限定されるものではない点である。と言うのは、これらは変わる場合があるためである。更に理解すべきは、本説明において用いる用語は、特定のバージョン又は実施形態の説明だけを目的とするものであって、その範囲を制限することを意図したものではない。例えば本明細書及び付属の請求項において用いる限りにおいて、単数形の「１つの〜」、「ある〜」、及び、「その〜」には、文脈において明確に別段の指示がなければ複数の言及対象が含まれる。更に、本明細書で用いる「〜を含む」という用語は、「〜を含むが、それに限定されるわけではない」ことを表わすように意図されている。別段の定義がない限り、本明細書で用いる全ての技術用語及び科学用語は、通常の当該技術者によって一般に理解されているのと同じ意味を持つ。

理解しておくべきは、本発明の図と説明の少なくとも一部は、本発明の明確な理解を得るために関連する要素に焦点を絞るように単純化しており、更には明瞭化のために削除しているが、当業者には分かるであろう他要素が、やはり本発明の一部を構成する可能性がある。しかし、こうした要素は当技術分野では周知のところであり、必ずしも本発明のより良い理解を容易にするものでもないので、ここではこうした要素の説明は行わない。

図２は、小型三相多巻線装置２の実施形態を例示している。小型三相多巻線装置２は、実用的な任意の数の極（例えば２極、４極、６極等）を備えるモータのような構造として構成されている。小型三相多巻線装置２は、様々な用途に利用できる。例えば小型三相多巻線装置２は、複数の電力セルを備えた交流（ＡＣ）電源、複数の電力セルを備えたＡＣ駆動装置、又は複数の電力セルを備えた直流（ＤＣ）電源等に利用できる。複数の電力セルを備えたＡＣ電源の実施形態については、例えば本明細書で参考迄に援用しているHammondに対する米国特許第５，６２５，５４５号（「５４５特許」）に記載がある。複数の電力セルを備えたＤＣ電源の様々な実施形態については、例えば本明細書で参考までに援用しているOpal他に対する米国特許第５，６３８，２６３号（「２６３特許」）に記載がある。ＤＣ電源に関連して、電力セルは、三相ＡＣ入力電力を受電して、単一ＤＣ電圧を出力し、ＡＣ−ＤＣ整流器（再生式とすることが可能）、平滑フィルタ及び出力ＤＣ−ＤＣ変換器を含む装置である。

説明を簡単化すべく、小型三相多巻線装置２をＡＣ駆動装置に関連して述べる。しかし明らかに、小型三相多巻線装置２は他の用途にも利用できる。図１に示すように、小型三相多巻線装置２は、円筒対称性の鉄心４を含んでいる。留意すべきは、円筒形状の鉄心は例証のために示したものであり、例えば三角対称性の鉄心といった他の幾何学形状を利用可能な点である。鉄心４の円周及び長さは用途によって変わる可能性がある。小型三相多巻線装置２には、一次巻線と位相偏移二次巻線も含まれている。明確化のため、鉄心内に配置された巻線部分は、図２では完全には例示しておらず、ただ巻線６として例示している。鉄心４は、任意の適合する方法で任意の適合する材料から製作できる。様々な実施形態によれば、鉄心４は透磁率の高い材料（例えば鋼又は第一鉄材料）から製作される。様々な実施形態によれば、鉄心４には鋼層のスタックが含まれる。これらの層は、鉄とシリコンの合金である電炉鋼の圧延シートから打抜くことができる。一次巻線と二次巻線は、ＡＣモータの巻線と同様に鉄心４の周りに分布する。

ＡＣモータにおいて見出されるように、三相多巻線装置２の一次巻線に三相電圧を印加すると放射状磁界が発生し、これが時間経過につれて構造軸の周りを回転する。この回転磁界によって、鉄心４の周りに分布した様々な巻線構成要素内に電圧が誘導される。ある特定の巻線構成要素の場合、誘導電圧の位相角は、その特定の巻線構成要素が取り付けられた物理的角度によって決まる。鉄心４の高透磁率が、磁界の発生に必要な電流を最小限に抑える働きをする。二次巻線は、所望の電気的位相角に対応する物理的角度で鉄心４内に配置される。鉄心４が鋼のような磁性材料から製作される実施形態の場合、鉄心４によって形成されたスロット内に巻線の全てを配置できる。スロット数は、スロットが所望の物理的角度で配置されるように選択できる。

ＡＣ駆動装置に用いる場合、巻線６は任意の数の極を有するように構成できる。極数が偶数の場合、磁界の各Ｎ極が対応するＳ極を備えることが確実になる。２つの極（１つのＮ極と１つのＳ極）が存在する場合、それらの極は各電気サイクル毎に構造周りを完全に１回転し、電気的位相角において利用可能な増分は３６０度をスロット数で割った値に等しい。４つの極が存在する場合、完全な１回転は２電気サイクルに相当し、電気的位相角における利用可能な増分は７２０度をスロット数で割った値に等しい。６つの極が存在する場合、完全な１回転は３電気サイクルに相当し、電気的位相角における利用可能な増分は１０８０度をスロット数で割った値に等しい。

図１の電力セル構成を備えたＡＣ駆動装置に用いられる場合、電気的位相角において必要とされる増分は、例えば１０度又はその倍数になると考えられる。従って、２極巻線を用いる場合、少なくとも３６のスロットを備えることになる可能性がある（即ち３６０度を３６のスロットで割ると、１０度の増分になる）。４極巻線を用いる場合、少なくとも７２のスロットを備えることになる可能性がある（即ち７２０度を７２のスロットで割ると、１０度の増分になる）。６極巻線を用いる場合、少なくとも１０８のスロットを備えることになる可能性がある（即ち１０８０度を１０８のスロットで割ると、１０度の増分になる）。明瞭化のため、図１〜６には、２極巻線の場合の１０度の位相角増分に相当する最小数（３６）のスロットを示している。しかし、様々な用途のために他の極数が利用できることは明らかである。

下記の表には、上述のＡＣ駆動装置と同様の装置における様々なセル数に対し、２極設計と６極設計の両方に必要とされる鉄心のスロット数を示している。２極設計では、最少のスロット数が可能になるが、各スロット毎に３つの二次構成コイルを保持することが必要になる。６極設計は、より多くのスロットが必要になるが、各スロット毎に保持する二次構成コイルを１つだけにすることが可能になる。

図３と４は、小型三相多巻線装置の鉄心の様々な実施形態を例示している。鉄心（従って用いられる場合には成層材スタック）には、第１部材１２と、第１部材１２の少なくとも一部を包囲する第２部材１４が含まれている。第１及び第２部材１２、１４は、一方がもう一方に対して移動しないという点で回転不能である。第１部材１２は鉄心の「内側」部材とみなし、第２部材１４は「外側」部材とみなすことができる。例示の実施形態の場合、第１部材１２は、ホイールのハブ及びスポークに似るように構成されており、第２部材１４は、ホイールのリム又は外殻に似るように構成されている。

図３と４の場合、第１部材１２には、ハブ１６と、ハブ１６に接続又は一体化された複数のスポーク１８が含まれている。ハブ１６には、表面２０と裏面２２が含まれている。スポーク１８は、表面２０の周りに等間隔に並んでおり、表面２０と協働して、表面２０の周りに等間隔に並んだ複数のスロット２４を形成している。明瞭化のため図３と４には示さないが、小型三相多巻線装置の一次巻線と二次巻線がスロット２４を占めている。裏面２２により、鉄心の中心を通る開口２６が形成されている。様々な実施形態によれば、ハブ１６はソリッドハブ（即ち鉄心の中心を通る開口がない）となし得る。

第２部材、即ち外殻１４には、表面２８と裏面３０が含まれている。表面２８は第２部材１４の外面、裏面３０は第２部材１４の内面とみなし得る。裏面３０により第１部材１２を収容するサイズの開口３２が形成されている。図３と４の場合、開口３２は第１部材１２で部分的に覆われている。第１部材１２が第２部材１４により包囲されると、第１部材１２と第２部材１４により、その間（即ちスポーク１８と第２部材１４の裏面３０の間）に間隔３４が形成される。他の実施形態では、第２部材１４は第１部材１２と一体化している。この場合には、第１部材１２と第２部材１４の間に間隔は生じない。

図５は、小型三相多巻線装置の鉄心の他の様々な実施形態を例示する。鉄心、従って用いられる場合には成層材スタックには、第１部材４０と、第１部材４０を包囲する第２部材４２が含まれている。第１部材４０は、鉄心の「内側」部材とみなすことができ、第２部材４２は、「外側」部材とみなし得る。

第１部材４０には、ハブ４４と、ハブ４４に接続又は一体化された複数のスポーク４６が含まれている。ハブ４４には、表面４８と裏面５０が含まれている。スポーク４６は、表面４８の周りに等間隔に並んでおり、表面４８と協働して、表面４８の周りに等間隔に並んだ複数のスロット５２を形成している。明瞭化のため図５には示していないが、小型三相多巻線装置の一次巻線及び／又は二次巻線がスロット５２を占めている。裏面５０によって、鉄心の中心を通る開口５４が形成されている。様々な実施形態によれば、ハブ４４はソリッドハブ（即ち鉄心の中心を通る開口がない）となし得る。

第２部材４２には、リム５６と、リム５６に接続又は一体化された複数のスポーク５８が含まれている。リム５６には、表面６０と裏面６２が含まれている。スポーク５８は、裏面６２の周りに等間隔に並んでおり、スポーク４６とアライメントがとられ、スポーク４６から間隔をあけて配置されている。スポーク４６、５８は、図５では長さがほぼ等しいように示しているが、スポーク４６の長さはスポーク５８の長さより短く或いは長くすることもできる。スポーク５８は裏面６２と協働して、裏面６２の周りに等間隔に並んだ複数のスロット６４を形成している。明瞭化のため図５には示さないが、小型三相多巻線装置の一次及び／又は二次巻線もスロット６４を占めている。スロット６４は、スロット５２とアライメントがとられている。スポーク５８によって、第１部材４０を収容するサイズの開口６６が形成されている。図５の場合、開口６６は第１部材４０によって部分的に覆われている。第１部材４０が第２部材４２によって包囲されると、第１部材４０と第２部材４２によって、その間（即ち、スポーク４６とスポーク５８の間）に間隔６８が形成される。様々な実施形態によれば、第２部材４２は第１部材４０と一体化している。こうした実施形態の場合、第１部材４０と第２部材４２の間に間隔は生じない。

図６は、小型三相多巻線装置の鉄心の更なる他の様々な実施形態を例示している。鉄心（従って用いられる場合には成層材スタック）には、第１部材７０と、第１部材７０を包囲する第２部材７２が含まれている。第１部材７０は、鉄心の「内側」部材、そして第２部材７２は、「外側」部材とみなし得る。

第１部材７０には表面７４と裏面７６が含まれている。裏面７６によって、鉄心の中心を通る開口７８が形成されている。他の実施形態によれば、第１部材７０はソリッド部材（即ち鉄心の中心を通る開口がない）となし得る。

第２部材７２は、リム８０と、リム８０に接続又は一体化された複数のスポーク８２を含み、リム８０は、表面８４と裏面８６を含んでいる。スポーク８２は、裏面８６の周りに等間隔に並んでおり、裏面８６と協働して、裏面８６の周りに等間隔に並んだ複数のスロット８８を形成している。明瞭化のため図６には示さないが、小型三相多巻線装置の一次及び／又は二次巻線がスロット８６を占めている。スポーク８２により第１部材７０を収容するサイズの開口９０が形成されている。図６では、開口９０は第１部材７０により部分的に覆われている。第１部材７０が第２部材７２で包囲されると、第１部材７０と第２部材７２により、その間（即ち第１部材７０の表面７４とスポーク８２の間）に間隔９２が形成される。他の実施形態では、第２部材７２は第１部材７０と一体化している。この実施形態の場合、第１部材７０と第２部材７２の間に間隔は生じない。

図３〜６に示す実施形態の各々に関して、磁界が各々の第１と第２部材を通って流れ、一次及び／又は二次巻線が各々のスロットを占めている。一次及び二次巻線は、全節又は短節構造をなすように構成できる。様々な実施形態では、一次巻線は鉄心の中心に近接して配置され、二次巻線は鉄心の中心からより遠くに配置されている。他の実施形態では、二次巻線は鉄心の中心に近接して配置され、一次巻線は鉄心の中心からより遠くに配置されている。一次及び／又は二次巻線が各々のスロットの全容積を占めない実施例では、ウェッジを利用し、スロットの残存容積を充填し得る。他の実施形態によれば、一次及び二次巻線の各々は、導電性材料（例えば銅）から製作され、導電材料を包囲する絶縁ジャケットを含んでいる。巻線の絶縁ジャケットにより、端巻部分に関し一次巻線と二次巻線の間及び異なる位相の一次巻線間に線間絶縁を施すことが可能になる。絶縁ジャケットによって、地絡を防止するため鉄心と巻線の間に線路接地絶縁を施すこともできる。

図７は、１０度の位相角増分を必要とし、図１に例示のような電力セル構成を施された、ＡＣ駆動装置に用いられる小型三相多巻線装置の様々な実施形態を例示している。単純化し、分かりやすくするため、図６に示す巻線構成は２極全節巻き構成である。しかし、明らかに他の構成（４極、６極、短節等）も利用できる。

図７は、最初にスロットの底部（即ちＲ、Ｓ及びＴで表わした鉄心の中心に最も近いスロット部分）に取り付けられた一次巻線コイルを示しているが、取り付け順序は変わる場合もある。一次巻線の各位相は、直列、並列又はその任意の組合せで接続することが可能な６つのコイルから構成されている。各コイルは、１つのスロットを通って上方に延び、もう１つのスロットを通って構造周りを半分程（１磁極ピッチ）下方に戻る１巻き以上の導体を備えている。各コイルの上方側は「＋」、各コイルの下方側は「−」と標記している。例えば図７では、位相Ｒの６つのコイルを上方側（「Ｒ＋」）が１１時と１時の間でそして下方側（「Ｒ−」）が５時と７時の間でスロット内に取り付けられている。位相Ｓの６つのコイルは、上方側（「Ｓ＋」）が３時と５時の間でスロット内に、下方側（「Ｓ−」）が９時と１１時の間でスロット内に取り付けられている。位相Ｔの６つのコイルは上方側（「Ｔ＋」）が７時と９時の間でスロット内に、下方側（「Ｔ−」）が１時と３時の間でスロット内に取り付けられている。各位相毎に６つのコイルからなる群は、各々Ｒコイル群、Ｔコイル群及びＳコイル群として識別される。

各二次巻線には、１つのスロットを通って上方に延び、もう１つのスロットを通って構造周りを半分程（１磁極ピッチ）下方に戻る１巻き以上の導体を備える３つのコイルが含まれている。図７の場合、二次巻線コイルを、Ａ、Ｂ又はＣで始まり、数字１、２、３、４、５又は６が後続する符号により表示している。英字と数字を組み合わせることで、どのセル（例えば図７に示す、以下で詳述するセル）がその二次巻線コイルにより給電されるかを示すことが可能になる。英字によりセルの位相群が識別され、他方数字によりセルのランクが識別される。図８は典型的なコイルの略図である。図７では、各コイルの上方側を「＋」で、他方各コイルの下方側を「−」で標記している。位相Ｒの６つの一次コイルと同じスロット内に取り付けられる二次コイルを、「Ｒ構成コイル」と称する。位相Ｔの６つの一次コイルと同じスロット内に取り付けられる二次コイルを、「Ｔ構成コイル」と称する。位相Ｓの６つの一次コイルと同じスロット内に取り付けられる二次コイルは、「Ｓ構成コイル」と称する。例えば複数セルを備える図７に示す電力供給システムに用いる場合、Ｒ構成コイル給電セルＣ１は、上方側（「Ｃ１Ｒ＋」）が１１時１０分の位置でスロット内に取り付けられ、下方側（「Ｃ１Ｒ−」）が５時１０分の位置でスロット内に取り付けられる。Ｒ構成コイル給電セルＣ２は、上方側（「Ｃ２Ｒ＋」）が１１時３０分の位置で、そして下方側（「Ｃ２Ｒ−」）が５時３０分の位置でスロット内に取り付けられる。Ｃ１ＲコイルとＣ２Ｒコイルの間における１スロットの変位により、それらの間に１０度の位相角が発生する。

同様に、Ｔ構成コイル給電セルＣ１は、上方側（「Ｃ１Ｔ＋」）が７時１０分の位置、そして下方側（「Ｃ１Ｔ−」）が１時１０分の位置でスロット内に取り付けられる。Ｔ構成コイル給電セルＣ２は、上方側（「Ｃ２Ｔ＋」）が７時３０分、そして下方側（「Ｃ２Ｔ−」）が１時３０分の位置でスロット内に取り付けられる。Ｃ１ＴコイルとＣ２Ｔコイルの間での１スロットの変位により、それらの間に１０度の位相角が発生する。

このパターンについて引き続き述べると、Ｓ構成コイル給電セルＣ１は、上方側（「Ｃ１Ｓ＋」）が３時１０分の位置、そして下方側（「Ｃ１Ｓ−」）が９時１０分の位置でスロット内に取り付けられる。Ｓ構成コイル給電セルＣ２は、上方側（「Ｃ２Ｓ＋」）が３時３０分の位置で、そして下方側（「Ｃ２Ｓ−」）が９時３０分の位置でスロット内に取り付けられる。Ｃ１ＳコイルとＣ２Ｓコイルの間における１スロットの変位に伴い、それらの間に１０度の位相角が発生する。

この応用例では、ＡＣ駆動装置は、３つの独立した二次巻線において同じ位相角が繰り返される必要があるので（例えばある特定のランクにおける３つの電力セルに関し）、図７に示すように、各スロット毎に３つの二次巻線のための構成コイルが収容されている。例えばセルＡ１、Ｂ１及びＣ１は同じ位相角を必要とし、従ってコイルＡ１ＲとＢ１ＲはコイルＣ１Ｒと同じスロット内にあり、コイルＡ１ＴとＢ１ＴはコイルＣ１Ｔと同じスロット内にあり、コイルＡ１ＳとＢ１ＳはコイルＣ１Ｓと同じスロット内にある。

図７は、３６のスロットを備えた２極構成を例示しているが、勿論、他の実施形態では他の極／スロット構成が利用される場合もある。実施例に応じ、極数の増加を利用して、幾つかの利点をもたらすことが可能となる。２極の場合、全磁束が鉄心周りを半分程（１磁極ピッチ）流れ、従って、第１及び第２部材における鋼はそれに応じたサイズにせねばならない。６極構成を利用すると、全磁束の１／３だけが鉄心周りを６０度（１磁極ピッチ）流れるので、第１及び第２部材の鋼を約２／３程減らすことが可能になる。２極の場合、各コイルの端巻部分は、鉄心を半分ほど（１磁極ピッチ）巻くのに十分な長さが必要とされる。例えば１０度の位相角増分を必要とし、６極構成をなすＡＣ駆動装置の場合、端巻部分は鉄心を６０度（１磁極ピッチ）巻きさえすればよく、導体材料の節約になり、電力の損失が減少する。実施例によっては、スロット数の増加を利用して、幾つかの利点をもたらすことが可能となる。３６のスロットの場合、一次巻線からの構成コイルに加えて、３つの二次巻線の各々の構成コイルが各スロット内に配置される。１０８のスロットの場合、ある特定の二次巻線の１つの構成コイルだけが各スロットを占めさえすればよく二次コイル間の絶縁を軽減することが可能になる。

図８は、図７の小型三相多巻線装置のコイル１００のワイヤフレーム略図を例示する。コイルの一部が、例えば図２に示す如く鉄心の２つのスロットに取り付けられている（例えば図８に示すようにスロット１０２ａを通って上方に、スロット１０２ｂを通って下方に延びている）。コイルの残りの部分には、導体が１つのスロットからもう１つのスロットに移る端巻部分１０４が含まれている。端巻部分１０４は、鉄心材料の回転磁界と相互作用しないので二次巻線電圧の一因とはならないが、それでも電流を流し、従って電力損失を生じる。図８の点線はスロット１０２ａ及び１０２ｂのスロット開口を示すが、勿論一般には各スロット毎に少なくとも２つのコイル（一次巻線に対して１つと二次巻線に対して１つ）が存在するので、コイル断面積はスロット断面積より小さい。上述の如く、他の実施形態によれば、ある特定のスロットには２つ以上（例えば２つ）の一次巻線に対するコイル及び／又は２つ以上（例えば３つ）の二次巻線に対するコイルが存在し得る。

図９は、交互構成をなす鉄心層の１つ１１０の一部に関する断面を例示している。ここで、内側部材１６は、長さが変化する一連の一体化スポーク又は延長部１１４を備えたセグメント１１２から組み立てられ、同様に、外側部材１４はセグメント１１６から組み立てられている。図９に示す例の場合、各交互スポーク１１４は、隣接するスポークに比べて長いか短いかの何れかである。外殻セグメント１１６は、従って、各スポークを受け入れるよう構成される。鉄心の各層は、層１１０と同様に構成されるが、組立て中、各層を少なくともスポーク１つ分回転させて、短い方のスポークが長い方のスポークの上に位置し、鉄心の組立て完了時にスポークの交互配置パターンが形成されるようにする。交互配置パターンを与えることで、組立て中に結果として生じる空隙（特にスポーク１１４に対する外殻１１６の接合中に生じる空隙）がなくなるか或いは大幅に縮小される。セグメント間の空隙もこの交互配置法によって縮小し又はなくなる。更なる利点には、大きい鉄心の場合、セグメントは完全な円形積層に比べて打抜きがより容易であり、結果として屑材料が減少し、かつ取扱いがより容易になる可能性がある。

同様に、鉄心の各層は幾つかのセグメント（例えば９つのセグメント）から組立て、互いに隣接配置して単一層を形成し得る。図９に例示の層１１０は、セグメント１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃ及び１１８ｄからなっている。鉄心の組立て中、個別の層を積層すると、セグメント化部分によって生じる継目（例えば１１８ａと１１８ｂとの間の継目）は上方の層と下方の層のセグメントによって覆われ、結果として、セグメント継目に関する交互配置パターンが形成される。

図１０は、指定の位相角の電圧を発生するための方法１５０の様々な実施形態を例示する。方法１５０は、上述の小型三相多巻線装置により実施できる。説明を容易にすべく、方法１５０の説明は小型三相多巻線装置によるその実施に関連して行うことにする。

このプロセスはステップ１５２で始まり、三相ＡＣ電圧が小型三相多巻線装置の一次巻線に印加される。三相ＡＣ電圧は、一次巻線のＲコイル群、Ｓコイル群、及び、Ｔコイル群の両端に印加できる。上述の如く、Ｒコイル群、Ｓコイル群及びＴコイル群に、小型三相多巻線装置の周りのスロットに配置された「上方」側と「下方」側を有する様々な巻き導体が含まれている。

プロセスはステップ１５２からステップ１５４に進み、ＡＣ電流（例えば磁化電流）が一次巻線を構成する様々な巻き導体を流れる。プロセスはステップ１５４からステップ１５６に進み、一次巻線を流れるＡＣ電流により小型三相多巻線装置の鉄心にＡＣ磁束が生じる。換言すれば、一次巻線を流れるＡＣ電流により小型三相多巻線装置の鉄心が磁化される。鉄心周りにおける導体の巻き構成のため、発生する磁界は、鉄心により形成される対称軸（例えば縦軸）周りを回転する放射状磁界である。構造の一部（例えば回転子）が回転磁界と共に回転するＡＣモータと対照的に、三相多巻線装置の構造のいかなる部分も回転しない。

プロセスはステップ１５６から１５８に進み、回転磁界によって小型三相多巻線装置の二次巻線にＡＣ電圧が誘導される。一般に、誘導ＡＣ電圧は一次巻線に印加されるＡＣ電圧よりも通常は低い。上述のように、各二次巻線に、小型三相多巻線装置の周りのスロットに配置された「上方」側と「下方」側を有する様々な巻き導体が含まれている。小型三相多巻線装置の構造及び構成のため、この装置の様々な実施形態は、各々の二次巻線によって特定の位相角の特定のＡＣ電圧が生じるように構成することができる。

様々な実施形態によれば、プロセスはステップ１５８からステップ１６０に進み、二次巻線に電流が流される。電流は二次巻線に接続された負荷（例えば電力セル）によって流すことができる。プロセスはステップ１６０からステップ１６２に進み、一次巻線に付加電流を生じさせて、二次電流のアンペアターンが相殺される。

図１１は、小型三相多巻線装置２０２を含む装置２００の様々な実施形態を例示する。この装置は、ＤＣ駆動装置や、図１１に示すＡＣ駆動装置等の電源として具現化できる。小型三相多巻線装置２０２は、従来の変圧器と同じ機能を果たし、所要のスペースが少なく、複数の構成巻線を利用することなく所望の位相角及び電圧をより正確に実現できる。

図１１に示すように、小型三相多巻線装置２０２の様々な二次巻線２０６は、単純な三角結線（延長部のない）を利用できる。他の実施形態では、二次巻線２０６は、単純な三角結線の代わりに単純なＹ結線を利用できる。従来の変圧器と異なり、小型三相多巻線装置２０２の様々な二次巻線２０６は、各位相群毎に１つの構成巻線しか備えておらず、全て同じ巻数であり、一次巻線２０４に対する結合係数は同じである。留意すべきは、図１１に示すところでは一次巻線はＹ結線を施しているが、一次巻線は他の構成をなすように（例えば三角結線）接続できる。

例証のため、本明細書では本発明の幾つかの実施形態について説明してきたが、当該技術者には明らかな如く、請求項により定義した本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、既述の実施形態に様々な修正、変更及び改変を施すことができる。例えば幾つかの実施形態では、小型三相多巻線装置は、１／２の電力で２つの独立した変圧器の機能性、１／３の電力で３つの独立した変圧器の機能性を与えるように構成できる。

本明細書に記載のモータの構造を利用することで、より少ない材料及びより少ない労力で、設置面積を小さくして三相多巻線装置を組み立てることが可能になる。更に、この二次巻線を製作して、より正確な位相角及び指定電圧を生じさせることが可能になる。

２ 小型三相多巻線装置、４ 鉄心、６ 巻線、１２ 第１部材、１４ 第２部材、１６ ハブ、１８ スポーク、２０ ハブ表面、２２ ハブ裏面、２４ スロット、２６ 開口、２８ 外殻表面、３０ 外殻裏面、３２ 開口、４０ 第１部材、４２ 第２部材、４４ 第１部材のハブ、４６ 第１部材のスポーク、４８ ハブの表面、５０ ハブの裏面、５２ スロット、５４ 開口、５６ 第２部材のリム、５８ 第２部材のスポーク、６０ リムの表面、６２ リムの裏面、６４ スロット、６６ 開口、７０ 第１部材、７２ 第２部材、７４ 第１部材の表面、７６ 第２部材の表面、７８ 開口、８０ 第２部材のリム、８２ 第２部材のスポーク、８４ リムの表面、８６ リムの裏面、 ８８ スロット、９０ 開口、１００ コイル、１０２ａ、１０２ｂ スロット、１０４ 端巻部分、１１０ 鉄心層、１１２ セグメント、１１４ 交互スポーク、１１６ セグメント、１１８ａ〜１１８ｄ セグメント、２０２ 小型三相多巻線装置、２０４ 一次巻線、２０６ 二次巻線

Claims (23)

1. ハブと、前記ハブに対して互いに固定位置にあり、前記ハブの外周を囲む外殻と、前記ハブと前記外殻との間に配置された複数のスロットとを有する鉄心と、
   複数のコイルを含んでおり、それら各コイルが前記複数のスロットのうちの少なくとも２つのスロットに配置された一次巻線と、
   空間的に分布した複数のコイルからなる二次巻線であって、そのうちの１つのコイルと他の少なくとも１つのコイルとが、前記２つのスロット各々において前記一次巻線の１つのコイルと近接して配置されている二次巻線と
   を有して、前記複数のスロットのそれぞれに、１つの前記一次巻線のコイルと複数の前記二次巻線のコイルとが配置されており、かつ
   前記各スロットにおける前記複数の二次巻線のコイルが、それぞれ独自の交流相を有する
   ことを特徴とする三相多巻線装置。
2. 前記スロットが、複数の巻線を受け入れるサイズを有し、前記受け入れた巻線の少なくとも一部を前記ハブと前記外殻の間に配置するように構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の三相多巻線装置。
3. 前記ハブ及び外殻によってその間の間隔が画定されている
   ことを特徴とする請求項２記載の三相多巻線装置。
4. 前記鉄心に、更に複数のスポークが含まれる
   ことを特徴とする請求項１記載の三相多巻線装置。
5. 前記ハブ及び外殻が複数のスポークによって接続されており、かつ
   前記スロットが、前記ハブ、外殻及びスポークによって形成されている
   ことを特徴とする請求項４記載の三相多巻線装置。
6. 前記複数のスポークが前記ハブから前記外殻に向かって延びており、かつ
   前記スロットが、前記ハブ、外殻、及び、スポークによって形成されている
   ことを特徴とする請求項４記載の三相多巻線装置。
7. 前記複数のスポークが、前記外殻から前記ハブに向かって延びており、かつ
   前記スロットが、前記ハブ、外殻及びスポークによって形成されている
   ことを特徴とする請求項４記載の三相多巻線装置。
8. 前記複数のスロットが、前記ハブ、前記外殻又は前記ハブと前記外殻の両方の組合せと一体化している
   ことを特徴とする請求項１記載の三相多巻線装置。
9. 前記鉄心の少なくとも一部が、複数の交互配置層から組み立てられている
   ことを特徴とする請求項１記載の三相多巻線装置。
10. 指定の位相角のＡＣ電圧を発生するための方法であって、
    ハブと、前記ハブに対して互いに固定位置にあり、前記ハブの外周を囲む外殻と、前記ハブと前記外殻との間に配置された複数のスロットとを有する鉄心と、複数のコイルを含んでおり、それら各コイルが前記複数のスロットのうちの少なくとも２つのスロットに配置された一次巻線と、空間的に分布した複数のコイルからなる二次巻線とを有し、それら複数の二次巻線のコイルのうちの１つのコイルと他の少なくとも１つのコイルとが、前記２つのスロット各々において前記一次巻線の1つのコイルと近接して配置されて、前記複数のスロットのそれぞれに、１つの前記一次巻線のコイルと複数の前記二次巻線のコイルとが配置されており、かつ、前記各スロットにおける前記複数の二次巻線のコイルがそれぞれ独自の交流相を有するように、三相多巻線装置を設け、当該三相多巻線装置における一次巻線に、第１のＡＣ電圧を印加するステップと、
    前記一次巻線にＡＣ電流を通すステップと、
    前記三相多巻線装置の前記鉄心によって形成される対称軸周りを回転する放射状磁界を発生するステップと、
    前記三相多巻線装置の空間的に分布した複数の二次巻線に、第２のＡＣ電圧を誘導するステップと
    を含むことを特徴とする方法。
11. 前記多巻線装置の前記鉄心に、更に、複数のスポークが含まれており、前記スロットが、前記ハブ、外殻、及びスポークによって形成されている
    ことを特徴とする請求項１０記載の方法。
12. 前記スポークによって、前記対称軸周りに前記放射状磁界が導かれる
    ことを特徴とする請求項１１記載の方法。
13. 前記スロットが、複数の巻線を受け入れるサイズを有し、前記受け入れた巻線の少なくとも一部を前記ハブと前記外殻の間に配置するように構成されている
    ことを特徴とする請求項１１記載の方法。
14. 複数の電力セルと、
    前記電力セルの各々に接続された多巻線装置を含む装置であって、
    前記多巻線装置が、請求項１から９のうちの１つの項に記載の三相多巻線装置である
    ことを特徴とする多巻線装置を含む装置。
15. 前記スロットが、複数の巻線を受け入れるサイズを有し、前記受け入れた巻線の少なくとも一部を前記ハブと前記外殻の間に配置するように構成されている
    ことを特徴とする請求項１４記載の多巻線装置を含む装置。
16. 前記ハブと前記外殻によってその間の間隔が画定されている
    ことを特徴とする請求項１５記載の多巻線装置を含む装置。
17. 前記鉄心に複数のスポークが更に含まれる
    ことを特徴とする請求項１４記載の多巻線装置を含む装置。
18. 前記一次巻線に端巻部分が含まれており、前記一次巻線が１つのスロットからもう１つのスロットに移るようになっている
    ことを特徴とする請求項１記載の多巻線装置。
19. 前記ハブと前記外殻がセグメントから組み立てられており、かつ
    前記外殻のセグメントが、前記ハブから半径方向の外側に突き出したスポークを受け入れるように構成されている
    ことを特徴とする請求項１記載の多巻線装置。
20. 前記一次巻線に端巻部分が含まれており、前記一次巻線が１つのスロットからもう１つのスロットに移るようになっている
    ことを特徴とする請求項１０記載の方法。
21. 前記ハブと前記外殻がセグメントから組み立てられており、かつ
    前記外殻のセグメントが、前記ハブから半径方向の外側に突き出したスポークを受け入れるように構成されている
    ことを特徴とする請求項１０記載の方法。
22. 前記一次巻線に端巻部分が含まれており、前記一次巻線が１つのスロットからもう１つのスロットに移るようになっている
    ことを特徴とする請求項１４記載の装置。
23. 前記ハブと前記外殻がセグメントから組み立てられており、かつ
    前記外殻のセグメントが、前記ハブから半径方向の外側に突き出したスポークを受け入れるように構成されている
    ことを特徴とする請求項１４記載の装置。
    

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