JP6208210B2 - プログラマブル電気コンバータのためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

関連出願
本開示は、その内容が参照されることにより全体的に本出願に明示的に組み入れられる、２０１２年３月２８日出願の「ＳＹＳＴＥＭ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ Ａ ＰＲＯＧＲＡＭＭＡＢＬＥ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＮＶＥＲＴＥＲ」と題する米国仮特許出願第６１／６１７，４７１号の優先権を主張する。本開示はまた、その内容が参照されることにより全体的に本出願に明示的に組み入れられる、２０１３年３月１５日出願の「ＳＹＳＴＥＭ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ Ａ ＰＲＯＧＲＡＭＭＡＢＬＥ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＮＶＥＲＴＥＲ」と題する米国特許出願第１３／８４２，９５３号の優先権も主張する。

本発明は概して電気コンバータの分野に関し、より詳細にはプログラマブル電気コンバータに関するが、これに限定するものではない。

電磁式機械は発電機としてもしくはモータとして、又は同時にこれら２つとして使用されてきた。電磁式機械の動作は、機械の駆動に使用されるエネルギのタイプによって及び機械の動作から得られるエネルギのタイプによって決定される。例えば、電気エネルギが機械に送られ機械エネルギが機械から取り除かれる場合、機械はモータとして動作する。同様に、機械エネルギが機械に送られ電気エネルギが機械から取り除かれる場合、機械は発電機として作用する。電気エネルギを機械に送り、機械から電気エネルギと機械エネルギとの両方を取り除くことによるなどして、機械がモータ及び発電機の両方として作用する場合もあり得る。

一般的に、電磁式機械はロータ及びステータを含むのが通常であり、これらコンポーネントの一又は両方は電気的に誘導される磁極を有する。磁極から発せられる磁束線は回転運動にエネルギを与える又はその近傍に設けられた導体において電流を誘起する働きをする。このような電磁式装置は、円の外周に配置され一般的に静止したＣ型磁石を含み、Ｃ型磁石の開口部を介して連通する円の外周に配置された複数のコイルを有する。

永久磁石を介してコイルを回転させるために外部トルク力などの機械エネルギが中央シャフトに印加された場合、機械は発電機として動作する。発電機モードで動作する際、外部トルク源によってシャフトを（次いでこれによりロータ及び磁石を）回転させ、磁石と巻線との相互作用により、スロット内の巻線をループする磁束が生じる。ロータが回転するにつれ、ステータ構造の磁束は変化し、変化する磁束によって巻線に電圧が生成され、結果として、電気的装置への電力供給に使用される又は後で使用するために保存される出力電流となる。モータモードで動作する際、外部電源からの電圧がステータ巻線に印加され、これが巻線を流れる電流を引き起こし、結果として、歯部とバックアイアンとにより形成される磁気回路に生じる磁束となる。電流が適切な方式で巻線に供給されると、ロータは回転させられてこれにより有用なトルクを生み出す。このような機械の動作はよく知られている。

従来技術の電磁式機械は、これらの有用性を何らかの形で限定してしまう様々な制約に悩まされてきた。例えば、発電機として動作する永久磁石電磁式機械の周波数及び電圧は、ロータの速度変動によってしか変動させることができず、ロータの回転が独立制御できない状況下ではこれら発電機の有用性を制限している。

電流の高速変化はモータ磁界のインダクタンスにより妨げられるため、整流子タイプのモータは高周波ＡＣではうまく動作しない。整流子タイプのユニバーサルモータは５０Ｈｚ及び６０Ｈｚの家庭用機器にはよく見られるが、これらは１ｋＷ未満の小型モータであることが多い。誘導モータは５０から６０Ｈｚ程度の周波数ではうまく動作することが知られているが、例えば１３３Ｈｚの周波数ではうまく動作しない。誘導モータの磁界の磁極数と交流電流の周波数と回転速度との間には固定的な関係が存在し、したがってある基準速度は周波数の選択を限定する（この逆も当てはまる）。

低速レシプロエンジンにより動作する発電機は、例えば高速蒸気タービンにより動作する発電機よりも、所与の数の磁極に対し低い周波数を生み出す。非常に低速の原動機速度のために、高周波ＡＣを提供するのに十分な極を伴う発電機を製造することは、コスト高となるであろう。さらに、低速では、２つの発電機を同じ速度へと同期させる方が容易であることが判明した。低速エンジンの速度を上げる方法としてはベルト駆動が通常であったが、非常に大きい定格（数千キロワット）でこれらは高価かつ非効率であり、不安定であった。高速機械のより安定した回転速度により、回転変流器の整流子の満足のいく動作が可能であった。式：ｎ＝（１２０＊ｆ）／ｐを使用してＲＰＭの同期速度Ｎが算出され、ここでｆはヘルツの周波数でありＰは極数である。

したがって、一般的に電磁式機械の制御性の改善が望まれる。これに伴い、従来技術の上述の及び他の限界に対処する、改善された電磁式機械を提供する必要がある。

本発明によれば、プログラマブル電気コンバータのためのシステム及び方法が提供される。

本発明の一態様によれば、一又は複数のアーマチュアに対して可動なロータに一時的磁場を印加するため、独立して制御される界磁コイルを使用する電気コンバータが提供される。

上述の要約は、本発明の実施形態の各々又は全ての態様を表すことを意図していない。特定の実施形態は記載された利点の一又はいくつかを含み得るが含まないこともあり得る。

本発明による方法及び装置は、後述の「発明を実施するための形態」を下記の添付図面と組み合わせて参照することにより、完全に理解されるであろう。

プログラマブル電気コンバータの一実施形態の側断面図である。 図１のプログラマブル電気コンバータの、回転軸に垂直な断面図を示す。 図１のプログラマブル電気コンバータの分解斜視図を示す。 図１のプログラマブル電気コンバータの界磁コイルセルの斜視図を示す。 図４の界磁コイルセルの別の実施形態を示し、界磁コイルセルに統合されたアーマチュアコイルを示す。 図１のプログラマブル電気コンバータの、ロータの一実施形態の斜視図である。 及び 図１のプログラマブル電気コンバータの、ロータの異なる実施形態の図である。 図１のプログラマブル電気コンバータの一実施形態で、アーマチュアアセンブリがどのように真空バリアとして使用され得るかを示す。 図１のプログラマブル電気コンバータのフレームを形成するエンドプレート及びスペーサの斜視図である。 図１のプログラマブル電気コンバータのアーマチュアアセンブリの斜視図である。 マルチディスクプログラマブル電気コンバータの一実施形態の部分的な分解図である。 マルチディスクプログラマブル電気コンバータの一実施形態を示す。 及び マルチディスクプログラマブル電気コンバータに使用するインダクタを有する、回路基板の一実施形態の図である。 動作中のマルチディスクプログラマブル電気コンバータの一実施形態の図解である。 リニアプログラマブル電気コンバータの一実施形態の分解図である。

図１から図３には、プログラマブル電気コンバータ１００の一実施形態が示されている。図示の実施形態で、ロータ１０１は、軸受キャップ１０６を通って延びる１本のシャフトの回転軸の両側に突出部を有し、両側に設けられたエンドプレート１０５を介して回転可能に定位置に固定され、かつ軸受アセンブリ（１０３、１０４、１０６、１０９）を有する。ロータの外周上にはロータ１０１内に磁場１１０を誘導するための複数のＣコア界磁コイルセル１０８が設けられ、ロータ１０１と界磁コイルセル１０８との間にアーマチュア１０７が設けられる。

幾つかの実施形態で、プログラマブル電気コンバータ１００のロータ１０１の回転軸は水平軸又は垂直軸上にある。動作中、一又は複数のアーマチュア１０７に対して回転可能な円筒形ロータ１０１に一時的磁場１１０を印加するために、プログラマブル電気コンバータ１００の界磁コイルセル１０８は独立して制御可能である。各アーマチュア１０７は複数のアーマチュアコイルを含み、各アーマチュアコイルは、これに結合された２つのアクティブレグ及び２つのアーマチュアリード１１１を有する。アーマチュアリード１１１の一又は複数は、各アーマチュア１０７を一又は複数の位相へと構成するよう、電気的に結合される。図示の実施形態で、アーマチュア１０７は合計で８つのコイルを含み、すなわち１６本のアクティブレグを含む。しかしながら、アーマチュア１０７には任意の数のアーマチュアコイルを使用してよい。

図示の実施形態で、Ｃ型の独立制御される界磁コイルセル１０８は各々、２つの磁極面を有し、界磁コイルセル１０８はロータ１０１の外周に設けられる。図示のように、各磁極面がアーマチュア１０７のアーマチュアコイルのアクティブレグと整列するよう、各界磁コイルセル１０８はアーマチュア１０７に整列される。動作中、界磁コイルセル１０８に印加された電流は、各々がＮ極及びＳ極を有する複数の一時的磁場１１０（図２には１つのみ示す）をロータ１０１に付与する。界磁コイルセル１０８に印加される電流の方向は、ロータ１０１に印加される磁場の方向を決定する。動作の第１のモードでは、アーマチュア１０７に対するロータ１０１の運動により電位が生成され、ロータ１０１における複数の一時的磁場１１０は、アーマチュア１０７のアーマチュアコイルにおいてＤＣ電位を生み出す。一時的磁場１１０のＮ極がアーマチュアコイルのアクティブレグの１本に印加され、同時に一時的磁場１１０のＳ極がアーマチュアコイルの別のアクティブレグに印加されるとき、電流は第１の方向でアーマチュアコイルを通って流れる。アーマチュアコイルのアクティブレグの各々に印加される磁場の方向を切り替えることにより、電流の向きを切り替えることができる。一時的磁場１１０の強度が減退し所望の出力電圧を下回ると、界磁コイルセル１０８は再パルスされ、さらなる一時的磁場１１０を付与する。ロータ１０１への磁場１１０の磁気印加は一時的なものであり、印加時間は、とりわけロータ１０１の磁気特性による。

動作中、ロータ１１０のあるエリアに印加される磁場１１０は一時的であり、必要に応じ増強又は書き換え可能である。ロータ１０１への磁場１１０の強さと向きとを選択的に制御できることにより、どのアーマチュアをいつ駆動するかの制御が可能であり、ロータ１０１の極数を一極（同極）から所望の数へと動的に変更することが可能となる。幾つかの実施形態では、ロータ１０１の極数がアーマチュア１０７のアーマチュアコイルの数と等しいことが望まれる。したがって、例えば界磁コイルセル１０８の動的な及び選択的なゲーティングにより、幅広い電圧及び周波数のＡＣ、ＤＣ、又は同極機械としてのユニバーサルコンバータが達成される。プログラマブル電気コンバータ１００のプログラム可能性により、単一の機械を、例えば６０Ｈｚにおける４８０Ｖ、５０Ｈｚにおける４００Ｖ及び／又は特定の使用基準に基づく他の環境などの、複数の異なる環境での使用のために構成することができる。さらに、極数が動的に可変であることは、プログラマブル電気コンバータ１００がモータとして動作する際に、電圧又は速度から独立してトルクを制御できるということを意味する。

幾つかの実施形態で、極及び界磁電流は、界磁コイルセル１０８の一又は複数が故障した場合を許容するよう、ロータ１０１の周囲で放射状に転回されうる。例えば、界磁コイルセル１０８の一又は複数が故障した場合、悪い界磁コイル１０８をスキップするよう、極をロータ１０１で再マッピングすることができる。幾つかの実施形態では、プログラマブル電気コンバータ１００を完全にパワーダウンする必要なしに、故障した界磁コイルセル１０８を新しい界磁コイルセルに置き換えることができる。

図４及び図５には、Ｃコアタイプの界磁コイルセル１０８の実施形態が示される。界磁コイルセル１０８はＣコア界磁コイルセルとして示されるが、任意の数の異なる界磁コイルセル構成が利用され得る。図示の実施形態では、界磁コイルセル１０８は積層鋼構築で形成されており、各Ｃコア界磁コイルセル１０８は、周囲に互いに直列の２つの巻線１１２を有し、各巻線１１２がＣコア内で同方向に磁束を生み出すよう巻装される。各巻線１１２は、ＤＣ電源などの別個の電源（図示せず）に結合されており、巻線１１２を通る電流の双方向制御を可能にするために、電源と巻線１１２との間に絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）１１８を有する。各界磁コイルセル１０８の独立制御のために双方向ＩＧＢＴ１１８を使用することにより、プログラマブル電気コンバータ１００は、異なる方向の磁場を含む複数の異なる一時的磁場を、ロータ１０１へと同時に印加することができる。上述のように、各Ｎ極をアーマチュアコイルの１本のレグと整列させ、各Ｓ極を同じアーマチュアコイル内の別のレグと整列させることにより、アーマチュア１０７の各アーマチュアコイルに相補的な電位を造り出す。さらに、ロータ１０１に印加される一時的磁場を選択的に制御できることにより、ロータ１０１の位置に依拠しない柔軟な動作性が与えられる。加えて、界磁コイルセル１０８におけるＩＧＢＴ１１８のゲーティング周波数を制御することにより、アーマチュア１０７の出力周波数の規定が可能となり得る。界磁コイルセル１０８の電流の閉ループ電流制御を介して、アーマチュアコイル出力電圧の制御が達成され得る。分配された多重界磁コイル設計の潜在的利益は、熱損失が複数のＣコア及び付随するＩＧＢＴ間で分配され廃熱が容易となることである。幾つかの実施形態で、一又は複数の一次励磁コイルに加えて、別個のモータ巻線回路（ｍｏｔｏｒｉｎｇ ｗｉｎｄｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ）、別個の磁気軸受巻線、及び／又は別個のダンピング回路などの、多重並列巻線が界磁コイルセル積層物に含まれてもよい。

幾つかの実施形態で、ロータ１０１は真空内に設けられ得、界磁コイルセル１０８は真空の外側に設けられ得る。幾つかの実施形態で、界磁コイルセル１０８は強制的に空気冷却され、巻線１１２は低インピーダンスかつ高レスポンス性をもたらす低ターン高電流巻線であり得る。幾つかの実施形態で、高放電をもたらすために電源はコンデンサ１１９を含み得る。幾つかの実施形態で、界磁コイルセル１０８の各々又は界磁コイルセル１０８群は、ＩＧＢＴ１１８及びドライバを搭載するために一又は複数の回路基板１１４に結合され得る。幾つかの実施形態で、故障したアーマチュアコイル１１５の運用性を改善するために、個々のアーマチュアコイル１１５は界磁コイルセル１０８の一部として組み立てられ得る。幾つかの実施形態で、Ｃコアの積層物はＭＥＴＧＬＡＳ、又はアモルファス金属合金、又は磁気損失の低い他の材料で作成され得る。

ここで図６から図８を参照すると、図１のプログラマブル電気コンバータ１００での使用に適したロータ１０１の様々な実施形態が示されている。様々な実施形態でロータ１０１は鋼製であり得、ロータの外面の形状及び材料特性は設計基準により変動し得る。幾つかの実施形態では、ロータ１０１に設けられる着磁性材料の量を削減することで効率化が図られる。図６に示すように、幾つかの実施形態で、外面に設けられた複数のリング（１１６ａ〜ｃ）を含む、複合設計を有するロータ１０１が使用され得る。幾つかの実施形態では、アーマチュアコイルの有効長の下に一又は複数の透磁性リング１１６ｂが配置され、非磁性リング１１６ａ及び１１６ｃの間に介在し得る。幾つかの実施形態で、非磁性リング１１６ａ及び１１６ｃはロータ１０１の突出部及び／又はロータ１０１に固定された別個のリングであり得る。様々な実施形態では、損失を減らすために、透磁性リング１１６ｂはスロットされ得る及び／又はリング１１６ｂは積層で構築され得る。

図７に示すように、幾つかの実施形態で、ロータ１０１は一般的に、回転軸に沿って上部及び底部に突出部を有するモノリシックな鋼設計の中実円筒であり得る。ロータ１０１の材料は、特に材料の密度及び磁場持続性を含む、その物理的特性に基づいて選択され得る。幾つかの実施形態では、ロータ１０１の物理的特性及び磁気特性を変動させるよう、ロータの様々な表面が処理され得る。例えば、ロータ１０１の外周の表面エリアを減らすことなくロータ１０１の重量を削減するために、上部及び底部側壁の部分が除去され得る。付加的に、幾つかの実施形態では、ロータ１０１の外面とロータ１０１の内部容積との間に磁気的な断絶を形成するために、ロータ１０１外周の内部に特定の深さの空洞を設けることができる。図８に示すような幾つかの実施形態では、ロータ１０１の周囲に造られる複数の磁場を絶縁させるために、ロータ１０１の外面にスロット１０１ａが形成され得る。幾つかの実施形態でスロット１０１ａはロータ１０１の外周の高さ全体にわたって延びてよく、幾つかの実施形態でスロット１０１ａは高さ全体より短くてよい。幾つかの実施形態でスロット１０１ａの数は、ロータ１０１の周囲に設けられる界磁セルコイルの数に等しいか、又はその倍数であり得る。例えば図２に示す実施形態において、ロータ１０１はアーマチュアコイルの長さ内に４つの突出部又は歯部を有する。幾つかの実施形態でロータ１０１は、任意選択の真空バリア内から真空引きするための、統合されたエアポンプを含む。様々な実施形態で、ロータの径、高さ、重量、表面形状、及び他の特性はプログラマブル電気コンバータ１００の所望の入出力に依拠して処理され得る。幾つかの実施形態でロータ１０１は、ロータ１０１の指部（ｆｉｎｇｅｒｓ）又はその近傍に設けられた着磁パッドを有する複合設計であり得る。

幾つかの実施形態では、磁気スラスト軸受力など多方向の力を造り出し、アーマチュアの有効長の一端から他端とは差別的な半径方向速度を生み出すために、ロータ１０１の外周を斜角付け又は面取りすることができる。幾つかの実施形態で、一又は複数の軸受アセンブリは、半径方向荷重を受けるよう適合された玉軸受１０４（図１に示す）であり得、及び／又は、一又は複数の軸受アセンブリは、スラスト荷重を受けるため玉軸受とピボット軸受１０９（図１に示す）との両方を含み得る。このような実施形態でピボット軸受は高速及び高スラストが可能であり、玉軸受の径を小さくし、これにより半径方向速度を低下させることができる。

ここで図９を参照すると、ロータ周囲に真空を包含するために使用されるＯ（オー）リング１１７と共にアーマチュアアセンブリ１０７の内径に適用された任意選択の真空バリア１０２を有する、プログラマブル電気コンバータ１００の一実施形態の切取図が示される。例えば高速応用などの幾つかの実施形態で空気抵抗は悪影響を及ぼすため、ロータ周囲に真空を造り出すことにより空気抵抗を低減することができる。真空バリア１０２は一般的に、界磁コイルセルとロータとの間の干渉を最小化するのに適した非磁性材料から形成され得る。非真空システムの場合、抵抗を減らすためにロータと界磁コイルセルとの間の間隙は最小限にされ得る。

図１０には、プログラマブル電気コンバータ１００のエンドプレート１０５が示される。エンドプレート１０５はロータの上面及び底面に沿って設けられ、ロータ周囲のパタン化されたスペーサ１１３によって分割される。エンドプレート１０５は内表面に沿った肩部を含み、図１に示すようにロータ１０１の周囲に設けられると肩部に対して界磁コイルセルが接する。界磁コイルセルに構造的支持を提供するために、スペーサ１１３の一表面又は両表面は、界磁コイルセルの表面に合致するよう適合される。幾つかの実施形態で、スペーサ１１３は側面をテーパさせることなどにより、励磁された界磁コイルセルとロータとの相互作用により造られた高い半径方向磁力の、エンドプレート１０５への伝達を容易にするように構成される。スペーサ１１３及びエンドプレート１０５は、例えば遮蔽をもたらすためにアルミニウムなどの非磁性材料で形成することができ、界磁コイルセル及び／又はスイッチ（ＩＧＢＴ群）からの熱を除去するために、一体型のヒートシンクフィーチャを内蔵してもよい。

図１１には、図１のプログラマブル電気コンバータ１００の一実施形態に使用されるアーマチュア１０７が示される。様々な実施形態で、アーマチュア１０７は、可能であれば真空バリアの外側に設けられる。図示の実施形態で、アーマチュア１０７は８つのアーマチュアコイル１１５を含み、各アーマチュアコイルは２本のアクティブレグ及び２本のアーマチュアリード１１１、すなわち合計１６本のアクティブレグと１６本のアーマチュアリード１１１とを有する。幾つかの実施形態でアーマチュア１０７は、例えば２本以上のアーマチュアリード１１１を互いに結合することにより、一又は複数の位相を含み得る。様々な実施形態で、共結合されるアーマチュアリード１１１群の数は、２から最大でアーマチュアコイル１１５の数の２倍にわたる。一又は複数のアーマチュアコイル１１５の共通のアーマチュアリード１１１をグループ化するために、任意の数の内部ブッシング（ｂｕｓｉｎｇ）構造が採用され得る。例えば、一又は複数のスイッチ（図示せず）がアーマチュアリード１１１間に設けられ得る。これらのスイッチは、直列、並列又は逆並列切り替え要素の組み合わせであり得る。アーマチュアアセンブリ１０７は、例えばスロット巻装された、もしくはボビン巻装された、アーマチュアコイル又はＺ型コイルを使用して、強制対流冷却について最適化され得る。

様々な実施形態で、本開示のプログラマブル電気コンバータは、（エネルギを吸収し機械的にロータで保存することによる）停電の場合の限られた期間に電力供給するための常時電力ソリューションとして及び／又はサージ防護機器としての使用に適合し得る。このような実施形態では、クリーンスリップ（すなわちジャストヒート）を提供する磁気クラッチカップリングにより、シャフトがエンジン発電セット（ｇｅｎ−ｓｅｔ）に結合され得る。回転するロータに保存された慣性エネルギは、保存されたエネルギの幾分かを、ディーゼル発電機などの代替電源への伝達前に慣性発電セット起動に使用すると同時に、臨界負荷にライドスルー電力を生成するために使用され得る。他の実施形態では、プログラマブル電気コンバータが様々なシャフト入力を受け、規定の周波数及び電圧出力を提供できることにより、風力タービンの発電機としての使用も可能になる。幾つかの実施形態でプログラマブル電気コンバータは、ブレーキ及びロータの動的ダンピングにおける回生エネルギの捕捉により、トラクション駆動を提供するために利用され得る。このような実施形態で、一又は複数のプログラマブル電気コンバータは車両の各車輪に設けられ得る。幾つかの実施形態でプログラマブル電気コンバータは、精密な位置制御を伴うステッピングモータとして利用され得る。幾つかの実施形態では、異なる周波数の電力間の変換を行うために、２つのプログラマブル電気コンバータ（又は２つのアーマチュアを有する単一のプログラマブル電気コンバータ）をシャフト結合することができ、これは例えば、５０Ｈｚ電源から一方のアーマチュアに入力してロータを動かす（ｍｏｔｏｒ）と同時に、他方のアーマチュアから６０Ｈｚで出力を生成することによって行われる。

幾つかの実施形態ではＡＣ及びＤＣの双方が同時に生み出され、ＡＣは１つのアーマチュアコイルで生成されＤＣが別のアーマチュアコイルで生成される。幾つかのシャフト結合の実施形態で、１つのコンバータをＡＣモータとして動作し他方をＤＣ発電機として動作することにより、ＡＣ電力はＤＣ電力へと変換され得る。幾つかのシャフト結合の実施形態で、１つのコンバータをＤＣモータとして動作し他方をＡＣ発電機として動作することにより、ＤＣ電力はＡＣ電力へと変換され得る。幾つかの実施形態でプログラマブル電気コンバータは、入力シャフトトルクと界磁コイルセルのＤＣ電力とを使用して、高圧においてＤＣ電力を生成するためのＤＣ−ＤＣコンバータとして動作し得る。

幾つかの実施形態でプログラマブル電気コンバータは、精密な加速プロファイルを提供し、回生ブレーキエネルギを捕捉するため、磁気浮揚の応用において電磁推進を提供するために利用され得る。幾つかの実施形態でプログラマブル電気コンバータは、コイルガン又はレールガンに電力供給するため、反復パルス出力の使用によって対象を推進するために利用され得る。幾つかの実施形態では、必要に応じてステップアップ及びステップダウンの変換を提供するために、本開示のプログラマブル電気コンバータが複数、配電網全体にわたって分配され得る。幾つかの実施形態でプログラマブル電気コンバータは、効率対速度をバランスさせるためにコイルを追加又は除去することにより（すなわちプログラミングを介した動的トルク制御により）電圧を変化させることなく、モータトルクが可変であるモータとして利用され得る。様々なコンポーネントが独立して制御されることにより各々を異なる機能に割り当てることができるため、モータとして構成される場合、プログラマブル電気コンバータは従来の電気モータよりも高速及び円滑に方向転換が可能である。例えば、プログラマブル電気コンバータの幾つかのコンポーネントは電力を使用して第１の方向に動き、幾つかのコンポーネントは電力を生成し、幾つかのコンポーネントは同じ電力を使用して第２の方向に動き、各コンポーネントにより行われる仕事の割合はリアルタイム可変であり得る。

図１２から図１５には、ロータ２０２及び複数の静止した回路基板２０１から構成されるマルチディスクプログラマブル電気コンバータ２００の一実施形態が示される。図１３に示すように、ロータ２０２はシャフト及びこれに沿って固定された複数のディスクから構成され、ロータ２０２の各ディスクはその上に設けられた着磁エリア２０２ａを有する。様々な実施形態で各回路基板２０１は、バックアイアンとして作用する材料の層、アーマチュアコイルを有するアーマチュア（図示せず）、及び、選択的に励磁することが可能な、バックアイアンとアーマチュアコイルとの間に介在する複数の界磁コイル２０１ａ（図１４及び１４ａに示す）から構成される。図１２に示すマルチディスクプログラマブル電気コンバータの実施形態で、回路基板２０１は、ロータ２０２の着磁エリア２０２ａへと磁場を印加するために励磁され得る界磁コイル２０１ａのマトリクスを提供するために、ロータ２０２の各ディスク間にインタリーブ配置される。図１５に示すように、動作の第１モードで界磁コイル２０１ａは、着磁エリア２０２ａに磁力を付与するために選択的に励磁された後、次いでロータ２０２を回転軸に沿って回転させるよう着磁ドット２０２ａへ磁力を付与するために選択的に励磁される。第２の動作モードで、ロータ２０２に印加された入力トルクは２０２ａの着磁エリアを界磁コイル２０１ａに対して移動させ、電気を生成する。

幾つかの実施形態でロータ２０２の複数のディスクは、分離した複数の着磁ドット、一又は複数のより大きい着磁エリア、及び／又はより大きい着磁エリア内の、例えば孔などの複数の分離した非着磁エリアから構成され得る。ロータ２０２の一又は複数のディスク上のより大きい着磁エリア内に非着磁エリア又は孔が設けられた実施形態の第１の動作モードでは、界磁コイル２０１ａの励磁により、界磁コイル２０１ａがロータ２０２のディスク上に設けられた着磁エリアを引き付ける及び／又はそのような着磁エリアと反発するときにロータ２０２内に運動を付与する磁力が生み出される。第２の動作モードでは、ロータ２０２に印加されたトルクが、界磁コイル２０１ａの極間でロータ２０２のディスクの着磁エリア及び非着磁エリアの運動を引き起こし、電気を生成する。幾つかの実施形態で、ロータ２０２のディスク間に設けられた界磁コイル２０１ａは極小であり得、例えば集積回路上に設けられ得る。様々な実施形態で、高密度のエネルギ変換を提供するために回路基板２０１はロータ２０２のディスクと同軸に沿ってスタックされ得、ミクロレベルの低電圧で動作し得るが、システムレベルでは高電流及び高電圧を送ることができる。

幾つかの実施形態で、マルチディスクプログラマブル電気コンバータ２００の効率は、プログラマブル電気コンバータ２００全体の体積に対するロータ２０２の体積の割合に関連する。界磁コイル２０１ａ及び着磁エリア２０２ａが接触することになるアクティブエリアを最大化することにより、材料コストが削減され効率が上昇する。電磁場が距離の二乗に比例して減衰することはよく知られている。したがって幾つかの実施形態では、マルチディスクプログラマブル電気コンバータ２００によりもたらされ得る比較的大きいエリア及び至近での接触により、放射エネルギ損失が減少する。様々な実施形態で、隣接する界磁コイル２０１ａの磁気的結合を避けるため、界磁コイル２０１ａは低電圧で動作し及び／又は互いから離間され得る。様々な実施形態で、磁場の生成又は印加された磁場の減衰に要する時間によって、マルチディスクプログラマブル電気コンバータ２００の速度及びレスポンス性を選択的に制御するため、動作電圧が使用され得る。動作電圧を低下させることにより、磁場変調及び界磁コイル２０１ａの周波数を高め、離間距離を短縮することが可能となる。幾つかの実施形態で、電磁コイル２０１ａの列を時分割スケジュールで交互に活動化させることにより、近距離だけ離間した界磁コイル２０１ａ間の磁気的結合は減少する。幾つかの実施形態で、インダクタ基板の両側の磁束線が着磁エリア２０２ａと相互作用するために使用され得、これにより磁気放射損失を低減させるよう、インダクタレイアウトをマルチレイヤ基板の下に作成し得る。幾つかの実施形態で、プリント回路基板はインダクタドライバを保持し、マイクロコントローラ又はＦＰＧＡに接続するコネクタを有し得る。

図１６には、ロッド３０１と、外表面に沿って設けられた複数の着磁エリア３００ａを有するロータ３０２とを含むリニアプログラマブル電気コンバータ３００の実施形態が示される。様々な実施形態でロッド３０１は、バックアイアンとして作用する材料の層、ロッド３０１の内表面に設けられたアーマチュアコイル（図示せず）を有するアーマチュア、及び、バックアイアンとアーマチュアコイルとの間に介在する複数の界磁コイル３００ｂを含む。この実施形態でリニアプログラマブル電気コンバータ３００は、ロッド３０１内で前後に線形振動するロータ３０２を伴うソレノイドとして作用する。このような実施形態でアーマチュアコイルは、シャフト３０２を駆動するため着磁エリア３００ａ上で磁力を発揮するか、又は、着磁エリア３００ａのアーマチュアコイルに対する運動から電流を生成するために利用され得る。図示の実施形態でシャフト３０２は、内表面に設けられた着磁エリア（図示せず）を伴い中空であり、ロッド３０１は外表面に設けられたアーマチュア及び界磁コイル（図示せず）を伴う内部ロッドを含む。幾つかの実施形態で、リニアプログラマブル電気コンバータ３００を次のサイクルのためにリセットする復元力を提供するために、各端部に固定された磁石又はばねが存在してもよい。このタイプのリニアプログラマブル電気コンバータ３００の機械的応用の１つは、車内の衝撃吸収としての使用を含み得、この場合上下運動が電力生成及び／又は運転の円滑化に使用され得る。幾つかの実施形態で、リニアプログラマブル電気コンバータ３００は一般的に、電気機械変換器におけるプログラマブルコイル構成を含み得る。コイルの分散により、ドライバ／ピックアップコイルのアセンブリが独立して駆動され、機械的基板が部品の作用をリンクし、これらの部品を動的に可変な機能を伴う単一の電気機械システムに多重化する。ロータ３０２は、図示の実施形態でロッド３０１内での前後振動のためのサイズを有するが、他の実施形態ではロッド３０１の外面に隣接して振動するためのサイズを有してもよく、及び／又は、ロータ３０２は静止しロッド３０１がロータ３０２に対して運動してもよい。

幾つかの実施形態で、アーマチュア及び界磁コイル及び着磁エリアは可撓性材料に埋め込まれてもよく、この材料の折り曲げを制御するために電気パルスが使用されてもよく、及び／又は、材料の運動が電気パルスとして感知され材料の配置及び配向を表してもよい。幾つかの実施形態で、プログラマブル電気コンバータはランニングシューズに装着されるように適合することができ、例えば点滅する安全ＬＥＤ灯又は無線パフォーマンスモニタに給電するための電力を生成し得る。他の実施形態で、可撓性材料のプログラマブル電気コンバータのシートが風で「フラップ」し、電力を生成し得る。様々な実施形態で、プログラマブル電気コンバータは電気機械変換器として動作し、この場合、スイッチ／コイル／ドットユニットアセンブリが、同じシステム内で機能の細分化及び専門化により時間及び空間によって特性が変動し得る圧電効果よりも望ましい。

本発明による方法及び装置の様々な実施形態を、添付図面に例示し、上述の「発明を実施するための形態」に記載したが、本発明は開示された実施形態に限定されるものではなく、本発明の精神及び範囲から逸脱することなしに数多くの再構成、修正、及び代替が可能であるということが理解されるべきである。

Claims (10)

1. 第１の側及び第２の側を有しかつ複数のアーマチュアコイルを含むアーマチュアであって、各アーマチュアコイルに２本のアクティブレグ及び２本のアーマチュアリードが結合された、アーマチュアと、
   前記アーマチュアの前記第１の側に隣接して設けられかつ前記アーマチュアに対して可動なロータであって、各々がＮ極及びＳ極を含む複数の一時的磁場が印加されるよう動作可能な着磁材料を含むロータと、
   前記アーマチュアの前記第２の側に隣接して及び前記ロータに近接して設けられた複数の界磁コイルセルであって、前記アーマチュアが前記ロータと複数の界磁コイルセルとの間に介在しており、前記複数の界磁コイルセルは、電力を受けて励磁され磁場を生成して前記ロータに前記複数の一時的磁場を印加するよう動作可能である、複数の界磁コイルセルと、
   前記複数の界磁コイルセルの前記励磁を制御するために前記複数の界磁コイルセルに結合された制御回路構成であって、前記ロータに印加される前記複数の一時的磁場を動的に制御するために前記複数の界磁コイルセルの一又は複数を選択的に励磁するよう動作可能な制御回路構成であり、複数の制御回路を含み、前記複数の制御回路のうちの一の制御回路が前記複数の界磁コイルセルのうちの各界磁コイルセルに結合して各界磁コイルセルを独立に制御可能にする、制御回路構成と
   を含むプログラマブル電気装置であって、
   前記ロータの前記アーマチュアに対する運動は、前記複数の一時的磁場の一又は複数に、前記複数のアーマチュアコイルの一又は複数において電位を生成させ、
   前記複数のアーマチュアコイルの一又は複数を流れる電流は、前記複数の一時的磁場の一又は複数に磁力を付与する磁場を造り出し、前記ロータを前記アーマチュアに対して運動させる、
   プログラマブル電気装置。
2. 前記制御回路構成は、前記ロータに印加される前記複数の一時的磁場を動的に制御するために、前記複数の界磁コイルセルを選択的に励磁することにより前記ロータ上で発揮される前記磁力の大きさを変動させるよう動作可能である、請求項１に記載のプログラマブル電気装置。
3. 前記アーマチュアリードにＤＣ電力が供給され連続的にパルスされて前記アーマチュアに回転磁場が生み出され、かつ、ＤＣ電力が前記複数の界磁コイルセルに供給されて前記複数の一時的磁場の一又は複数が前記ロータに印加される場合、前記アーマチュア及び前記ロータはＤＣモータとして動作可能であり、前記回転磁場は前記磁力を前記複数の一時的磁場の一又は複数に発揮して前記ロータを前記アーマチュアに対して運動させる、請求項１に記載のプログラマブル電気装置。
4. 前記ロータに入力が印加されて前記ロータを前記アーマチュアに対して運動させ、かつ、ＤＣ電源が前記複数の界磁コイルセルの一又は複数に結合されて前記複数の一時的磁場を前記ロータに印加するとき、前記アーマチュア及び前記ロータはＤＣ発電機として動作可能であり、前記ロータの前記アーマチュアに対する前記運動は前記複数のアーマチュアコイルにおいてＤＣ電位を生み出す、請求項１に記載のプログラマブル電気装置。
5. 前記ＤＣ電位は前記界磁コイルセルに印加される前記電流の振幅、前記界磁コイルセルのデューティサイクルの周波数及び時間、並びに前記ロータの前記アーマチュアに対する前記運動の速度により制御される、請求項４に記載のプログラマブル電気装置。
6. 前記ＤＣ電位が第１の方向に生み出されその後第２の方向に生み出されて、前記アーマチュアコイルの前記アーマチュアリードでＡＣ電位が生み出されるような期間にわたって前記複数の一時的磁場は持続する、請求項４に記載のプログラマブル電気装置。
7. 前記ロータに入力が印加されて前記ロータを前記アーマチュアに対して運動させ、かつ、ＤＣ電源が前記複数の界磁コイルセルの一又は複数に結合されて前記複数の一時的磁場を前記ロータに印加するとき、前記アーマチュア及び前記ロータはＡＣ発電機として動作可能であり、前記ＤＣ電力により前記ロータに第１の方向に印加される前記複数の一時的磁場の極性を、前記ＤＣ電力を第２の方向に印加することにより切り替えることができるよう、前記界磁コイルセルに供給される前記ＤＣ電力は双方向であり、
   前記ロータの前記アーマチュアに対する前記運動、及び、前記ロータに印加される前記複数の一時的磁場の前記極性の前記切り替えは、前記複数のアーマチュアコイルにＡＣ電位を生み出す、請求項１に記載のプログラマブル電気装置。
8. 前記ロータに隣接した一又は複数のアーマチュアコイルを有する第２のアーマチュアであって、前記ロータの第２のアーマチュアに対する運動が、前記複数の一時的磁場の一又は複数に、前記第２のアーマチュアのアーマチュアコイルの一又は複数において電位を生成させる、第２のアーマチュア
   をさらに含む、請求項１に記載のプログラマブル電気装置。
9. 前記ロータの前記アーマチュアに対する前記運動は線形である、請求項１に記載のプログラマブル電気装置。
10. 多重動作モードで動作可能なプログラマブル電気装置において一時的磁場を利用する方法であって、
    表面に着磁材料を有するロータを提供することと、
    前記ロータに近接して設けられるアーマチュアと複数の界磁コイルセルとを提供することであって、前記アーマチュアは前記ロータと前記複数の界磁コイルセルとの間に介在する複数のアーマチュアコイルを有し、前記アーマチュアコイルの各々には２本のアクティブレグと２本のアーマチュアリードとが結合される、提供することと、
    制御回路構成であって、複数の制御回路を含み、前記複数の制御回路のうちの一の制御回路が前記複数の界磁コイルセルのうちの各界磁コイルセルに結合して各界磁コイルセルを独立に制御可能にする、制御回路構成に前記複数の界磁コイルセルを結合することと、
    前記複数の界磁コイルセル内に磁場を生成するため前記複数の界磁コイルセルの一又は複数を選択的に励磁することにより、前記ロータに複数の一時的磁場を印加することであって、前記一時的磁場はＮ極及びＳ極を含む、印加することと、
    前記複数の一時的磁場に、前記複数のアーマチュアコイルの少なくとも１つにおいて電位を生成させるため、前記ロータを前記アーマチュアに対して第１の動作モードで運動させることと、
    第２の動作モードで前記複数のアーマチュアコイル内に磁場を生成し、前記複数の一時的磁場に磁力を付与して前記ロータを前記アーマチュアに対して運動させるために、前記複数のアーマチュアコイルの前記少なくとも１つに電力を印加することと
    を含む方法。

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