JP7403217B2 - 独立速度可変周波数交流発電機 - Google Patents

Description

本開示は、広くは交流電流（ＡＣ）発電機の分野に関し、より詳細には、独立速度可変周波数ＡＣ発電機に関する。

航空機やその他の輸送体は典型的に、ＡＣ電源を利用するシステムを含む。通常の航空機では、発電機に取り付けられた一次移動子の回転によってＡＣ電力が生成され得る（例えば、永久磁石発電機）。発電機では、一次移動子によって回転させられた磁場を三相電力巻線を用いてＡＣ電力信号に変換し得る。したがって、典型的な単一の発電機が生成した電力の周波数、振幅、及び位相は、一次移動子の回転数に依存し得る。

非依存型又は周波数可変のＡＣ電源を作成するためには、航空機の典型的な電気推進トレインが、生成したＡＣ電力信号をまず直流（ＤＣ）電力信号へ、次にＤＣ電力信号を非依存周波数ＡＣ電力信号へ、という二段階の電力変換を含むことがある。このＡＣ電力信号が推進モータの駆動や輸送体内の他のＡＣ電力利用デバイスで用いられる。変換段が２つあることでＡＣ発電の効率が落ち、航空機システムの重量が大幅に増すことがある。その他不利な点が存在することもあろう。

上記で挙げた不利な点のうちの少なくとも１つを克服し得るシステム及び方法を開示する。例えば、独立速度可変周波数ＡＣ発電装置は、ロータ及びステータを含み得る。ロータの主巻線に関連する回転磁場の回転数は、ロータの回転数に依存しない。

ある実施形態で、独立速度可変周波数ＡＣ発電装置は、ロータ及びステータを含み、ロータはステータに対して回転するように構成されている。装置は、ロータに取り付けられてロータの回転時に第１の回転磁場を生成するように構成された、磁場源を更に含む。第１の回転磁場の回転数は、ロータの回転数に依存する。装置は、ロータに取り付けられてロータの回転時に第２の回転磁場を生成するように構成された、ロータ主巻線も含む。第２の回転磁場の回転数は、ロータの回転数に依存しない。

ある実施形態で、磁場源は永久磁石を含む。ある実施形態で、装置は、ステータに取り付けられて第１の回転磁場をＡＣ電力信号へ変換するように構成された、パイロット巻線を含む。

ある実施形態で、装置は、ＡＣ電力信号を変調して、ロータへの伝送のための高周波ＡＣ電力信号を生成するように構成された、発電機制御部を含む。高周波ＡＣ電力信号の周波数は、ロータの回転数よりも大きい。ある実施形態で、装置は、ステータからロータへ高周波ＡＣ電力信号を伝送するように構成された、高周波変圧器を含む。ある実施形態で、高周波変圧器は、ステータに取り付けられた第１の電力変圧器巻線、及び、ロータに取り付けられた第２の電力変圧器巻線を含む。第１の電力変圧器巻線は、高周波ＡＣ電力信号を第２の電力変圧器巻線へ転送するように構成されている。ある実施形態では、高周波変圧器により、ステータとロータの間の接触式の送電機構が省略される。

ある実施形態で、装置は、ロータに取り付けられて高周波ＡＣ電力信号をＤＣ電力信号に変換するように構成された、整流器を含む。ある実施形態で、装置は、ロータに取り付けられてＤＣ電力信号を主場ＡＣ電力信号へ変換するように構成されたインバータを含む。ロータ主場巻線は主場ＡＣ電力信号によって駆動される。ある実施形態で、装置は、インバータに接続されて主場ＡＣ電力信号を制御するように構成された発電機制御部を含む。これにより、ロータに対する第２の回転磁場の回転速度、方向、振幅、又はそれらの任意の組み合わせを制御する。ある実施形態で、発電機制御部は、ステータに取り付けられた制御回路とロータに取り付けられた制御回路とを含む。ロータに取り付けられた制御回路は、少なくとも１つの比例・積分・微分（ＰＩＤ）コントローラを含む。ある実施形態では、少なくとも１つのＰＩＤコントローラがインバータに接続されて、第２の回転磁場の周波数を制御する。ロータに取り付けられた制御回路は、インバータに接続されて第２の回転磁場の大きさを制御する、追加のＰＩＤコントローラを含む。ある実施形態で、ステータに取り付けられた制御回路は、ロータに取り付けられた制御回路と、制御信号カプラを介して通信可能に接続される。制御信号カプラは、ステータに取り付けられた少なくとも１つの第１の通信ディスクと、ロータに取り付けられた少なくとも１つの第２の通信ディスクとを含む。ある実施形態で、第１の通信ディスクは光信号源を含み、第２の通信ディスクはフォトトランジスタを含む。ある実施形態で、装置は、第２の回転磁場をＡＣ電力信号へ変換するように構成された、ステータ主巻線を含む。

ある実施形態で、独立速度可変周波数ＡＣ発電方法は、ロータに取り付けられた磁場源において、ロータの回転時に第１の回転磁場を生成することを含む。第１の回転磁場の回転数は、ロータの回転数に依存する。方法は、ロータに取り付けられたロータ主巻線において、ロータの回転時に第２の回転磁場を生成することを更に含む。第２の回転磁場の回転数は、ロータの回転数に依存しない。方法は、ステータに取り付けられたステータ主巻線において、第２の回転磁場をＡＣ電力信号へ変換することも含む。

ある実施形態で、方法は、第１の回転磁場をＡＣ電力信号へ変換することと、ＡＣ電力信号を変調して高周波ＡＣ電力信号を生成することと、ステータからロータへ高周波ＡＣ電力信号を伝送することと、高周波ＡＣ電力信号をＤＣ電力信号へ変換することと、ＤＣ電力信号を主場ＡＣ電力信号へ変換することと、を含む。ロータ主巻線は主場ＡＣ電力信号によって駆動される。ある実施形態で、方法は、発電機制御部から基準周波数信号を受信することと、基準周波数信号とロータの回転数に関連するロータ周波数信号との差である第１の中間周波数信号を生成することと、第１の中間周波数信号とロータに対する第２の回転磁場の回転数に関連した主場周波数信号との差である第２の中間周波数信号を生成することと、第２の中間周波数信号を、ロータに対する第２の回転磁場の回転速度を上げるか或いは下げるために主場ＡＣ電力信号を変化させるようインバータに指示するインバータ制御信号へ、変換することと、を含む。

ある実施形態で、第１の中間周波数信号は、制御信号カプラを介して、ステータからロータへ送られる。制御信号カプラは、ステータに取り付けられた少なくとも１つの第１の通信ディスクと、ロータに取り付けられた少なくとも１つの第２の通信ディスクとを含む。ある実施形態で、第２の回転磁場を生成することは、第１の中間周波数信号の符号を決定することと、第２のインバータ制御信号であって、中間信号の符号に対応する方向に第２の回転磁場をロータに対して回転させるようインバータに指示する第２のインバータ制御信号を生成することと、を更に含む。ある実施形態で、方法は、発電機制御部から基準電圧信号を受信することと、基準電圧信号とＡＣ電力信号に関連する電圧信号との差である中間電圧信号を生成することと、中間電圧信号を、第２の回転磁場の大きさを増大或いは低下させるために主場ＡＣ電力信号を変更するようインバータに指示するインバータ制御信号へ、変換することと、を含む。

ある実施形態で、ＡＣ発電機ロータデバイスは、ロータの回転時に第１の回転磁場を生成するように構成された、磁場源を含む。第１の回転磁場の回転数は、ロータの回転数に依存する。デバイスは、ロータの回転時に第２の回転磁場を生成するように構成された、ロータ主巻線を更に含む。第２の回転磁場の回転数は、ロータの回転数に依存しない。

ある実施形態で、デバイスは、高周波ＡＣ電力信号を受信するように構成された電力変圧器巻線と、高周波ＡＣ電力信号をＤＣ電力信号へ変換するように構成された整流器と、ＤＣ電力信号を主場ＡＣ電力信号に変換するように構成されたインバータと、を更に含む。ロータ主巻線は主場ＡＣ電力信号により駆動される。

独立速度可変周波数ＡＣ発電装置の実施形態の概略図である。 独立速度可変周波数ＡＣ発電機の信号制御システムの実施形態を示すブロック図である。 独立可変周波数周波数ＡＣ発電装置の制御信号カプラの実施形態を示す図である。 独立速度可変周波数ＡＣ発電方法の実施形態を示すフロー図である。 独立速度可変周波数ＡＣ発電の回転磁場を制御する方法の実施形態を示すフロー図である。

本開示は様々な修正形態や代替形態を適用しやすいものであるが、図面には例示のため特定の実施形態を示し、それらを下記の詳細な説明で詳しく説明する。しかしながら、本開示は記載されている特定の形態に限定されるものではないことを理解されたい。むしろすべての修正形態、均等物、及び代替形態が本開示の範囲に包含されるよう意図されている。

図１を参照すると、独立速度可変周波数ＡＣ発電装置１００の実施形態が示されている。装置１００は、ロータ１０２及びステータ１０４を含み得る。図１は、ＡＣ発電の種々の段階にあるロータ１０２及びステータ１０４の特徴を示す。例えば、ロータ１０２及びステータ１０４の構成要素は、パイロット永久磁石発電機（ＰＭＧ）段１０６、高周波（ＨＦ）変圧段１０８、場の制御段１１０、及び主マシン段１１２に対応し得る。

ロータ１０２は一次移動子１１８によって回転し得る。例えば、一次移動子は、タービンエンジン、或いは回転を生じさせる他の機構であってもよい。ロータ１０２は磁場源１２０を含み得る。ある実施形態で、磁場源１２０は永久磁石であり得る。装置１００は、ステータ１０４上に位置するパイロット巻線１２２を更に含み得る。

パイロットＰＭＧ段１０６の間、一次移動子１１８は、ロータ１０２をステータ１０４に対して回転させ得る。ロータ１０２が回転すると、磁場源１２０とそれに関連した磁場も、ロータ１０２に固定されているので、回転し得る。パイロット巻線１２２は、磁場源１２０の回転が三相ＡＣ電力信号を生成するように構成され得る。この三相ＡＣ電力信号は、ロータ１０２の回転数に対応し且つ依存する周波数を有し得る。

装置１００は、発電機制御部１２４を更に含み得る。発電機制御部１２４は、装置１００内で複数の制御機能を実施し得る。それら機能を実施するために、発電機制御部１２４は電力変調回路（図示せず）を含み得る。発電機制御部１２４は、制御信号を生成するように構成されたプロセッサ（図示せず）も含み得る。発電機制御部１２４は例えば、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、グラフィック処理装置（ＧＰＵ）、デジタル信号処理装置（ＤＳＰ）、ペリフェラルインターフェース制御装置（ＰＩＣ）、他のタイプのマイクロプロセッサ、及び／又はそれらの組み合わせを含み得る。集積回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途集積回路（ＡＳＩＣ）、論理ゲート回路の組み合わせ、他のタイプのデジタルのもしくはアナログ電気コンポーネント、又はそれらの組み合わせとして実装されてもよい。

装置１００は、ステータ１０４上に位置する第１のＨＦ変圧器巻線１２６とロータ１０２上に位置する第２のＨＦ変圧器巻線１２８とを含み得る。ＨＦ変圧器巻線１２６，１２８は、ステータ１０４からロータ１０２へ電力を伝送するＨＦ変圧器を形成し得る。ＨＦ変圧段１０８の間、発電機制御部１２４は、パイロット巻線１２２から受信した三相ＡＣ電力信号を変調して、ＨＦ三相ＡＣ電力信号を生成し得る。本書において、高周波とは、信号の周波数がロータ１０２の回転数よりも大きいことを意味する。ＨＦ三相電力信号の周波数が増大すると、ロータ１０２の回転の影響が低減する。これにより、ロータ１０２の回転により生じる大きな干渉や電力ロスなしに、第１のＨＦ変圧器巻線１２６から第２のＨＦ変圧器巻線１２８へとＨＦ三相電力信号の伝送が可能となる。電力はＨＦ変圧器巻線１２６，１２８を通じて伝送されるので、ＨＦ変圧段１０８では、ステータ１０４とロータ１０２との間の接触式送電機構が省略され得る。例えば、典型的な送電機構はスリップリング又は同様の接触式送電機構を含むことがあるが、装置１００ではそのような接触式機構を省略することができる。ステータ１０４とロータ１０２との間の接触をなくすことで、アーク放電、摩耗、及び接触抵抗等の性能上の課題が回避できる。これにより信頼性が高まる一方で維持コストが下がり、ダウンタイムや電力ロスが減ることとなる。他の利点も考えられ得る。

装置１００は、整流器１３０及びインバータ１３２も含み得る。発電機制御部１２４は、制御信号カプラ１３６を介してインバータ１３２と通信し得る。場の制御段１１０の間、ＨＦ三相電力信号は第２のＨＦ変圧器巻線１２８から整流器１３０へ伝送され得る。整流器１３０はＨＦ三相ＡＣ電力信号をＤＣ電力信号へ変換し得る。次いでＤＣ電力信号がインバータ１３２へ伝送され得る。インバータ１３２は、発電機制御部１２４から制御信号カプラ１３６を介して制御信号を受信するように構成され得る。制御信号を介して発電機制御部１２４により設定されたスイッチングパラメータに基づき、インバータ１３２はＤＣ電力信号を三相ＡＣ電力信号へ変換し得る。インバータ１３２内でスイッチングを制御することで、発電機制御部１２４は、周波数、位相、振幅、及び／又は三相ＡＣ電力信号のその他の属性を制御し得る。

装置１００は、ロータ主巻線１３４及びステータ主巻線１３８を含み得る。主マシン段１１２の間、インバータ１３２からの三相ＡＣ電力信号がロータ主場巻線１３４を駆動して、ロータ１０２に対して回転する磁場を生成し得る。発電機制御部１２４は、三相ＡＣ電力信号を制御することで、ロータ１０２に対する磁場の方向、回転数、振幅、及び／又は位相を制御し得る。ロータ１０２の追加の回転により、回転磁場が、ロータ１０２の回転数に依存しない回転数で生成され得る。したがって、ステータ主巻線１３８で生成された三相ＡＣ電力信号の周波数もまた、ロータ１０２の回転数に依存しないこととなる。ロータ主場巻線１３４を三相巻線として記載したが、本開示により利益を享受する当業者は、ロータ１０２に対して回転する磁場を生成するのに三相よりも多い代替的な巻線セットアップを用いてもよいことを理解するであろう。

装置１００は、システム及び／又はデバイス（図示せず）に給電する配電線１４０を含み得る。ある実施形態で、配電線１４０は、例えば非限定的に、航空機又は宇宙機などの輸送体に給電し、推進モータの駆動に用いられ得る。

装置１００の利点は、ロータ１０２に対して回転する磁場をロータ主場巻線１３４において作り出すことで、ステータ主巻線１３８において、ロータ１０２の回転数や位相に依存せずロータ１０２に取り付けられた永久磁石の強度に依存しない周波数、位相、及び強度を有した三相ＡＣ電力信号を生成し得ることである。他の利点も考えられ得る。

図２を参照すると、独立速度可変周波数ＡＣ発電機の制御信号システム２００が示されている。制御信号システム２００は加算部２０６，２１８，２４４、絶対値関数２１２，２３４、及び符号関数２５０を含むことが機能的に図示されている。これら要素は機能的に図示されているが、それぞれ構造的要素を用いて実装されてもよい。例えば、第１の加算部２０６は、発電機制御部１２４（図１に示す）内で動作するロジックハードウェア（デジタル論理ゲートやアナログ比較回路）、又はソフトウェアのいずれとして実装されてもよい。第２の加算部２１８は、ロータ１０２に取り付けられたロジックハードウェア及び／又はプロセッサを用いて実装されてもよい。同様に、第３の加算部２４４が、発電機制御部１２４内で動作するロジックハードウェア及び／又はソフトウェアとして実装されてもよい。絶対値関数２１２，２３４、及び符号関数２５０もまた、ロータ１０２に取り付けられたプロセッサで動作するロジックハードウェア及び／又はソフトウェアとして実装されてもよい。

図１では発電機制御部１２４がステータ１０４に取り付けられて示されているが、複数の制御コンポーネントがロータ１０２に取り付けられていてもよい。例えば、加算部２１８、絶対値関数２１２，２３４、及び符号関数２５０は、発電機制御部１２４の部分とされてもよいが、ロータ１０２に取り付けられた回路として実装されてもよい。

システム２００は、基準周波数信号２０２を受信し得る。基準周波数信号２０２は、ＡＣ電源の所望の周波数を表し得る。具体的には、ＡＣ電源は、推進モータ及び／又は他のシステムやデバイスに給電するために航空宇宙の用途に使用され得る。基準周波数信号２０２は、発電機制御部１２４に「組み込まれた（ｈａｒｄｗｉｒｅｄ）」一定の入力信号であるか、或いは調整可能な入力であり得る。例えば、システム２００は、特定の負荷のニーズを満たす可変周波数を出力するように構成され得る。一定の周波数が望ましい場合には固定周波数を出力できる。他の場合、例えば負荷がモータである場合、システム２００は、速度変更のニーズを満たす可変周波数を出力できる。基準周波数信号２０２は、プロセッサ（例えば、発電機制御部１２４のプロセッサ）で動作するソフトウェアを通じて、或いは他のロジック及び／又はハードウェアを通じて、生成され得る。例示的実施形態では、基準周波数信号２０２が４００Ｈｚに等しいことがある。この周波数はあくまで例示である。上述のように、基準周波数信号２０２は静的でも動的でもよく、特定の負荷に基づいて改変されてもよい。

基準周波数信号２０２は、第１の加算部２０６においてロータ周波数信号２０４と合算され、基準周波数信号２０２とロータ周波数信号２０４との差を表す第１の中間信号２０８を生成し得る。第１の中間信号２０８は概念上、回転磁場の回転数の、測定されたロータ１０２回転数からの所望の変更を表し得る。上記の例についていえば、ロータ周波数信号２０４が３００Ｈｚに等しい場合、第１の中間信号２０８は、ロータ１０２の回転数（すなわち、３００Ｈｚ）が基準周波数信号２０２（すなわち、４００Ｈｚ）と等しくなるために望ましい周波数増大を表す１００Ｈｚに等しくなるであろう。第１の中間信号２０８は、ステータ（例えば、ステータ１０４）から、制御信号カプラ１３６を介してロータ１０２へ伝送され得る。

ロータ１０２では第１の中間信号２０８が絶対値関数２１２に入力され、第１の中間信号２０８の強度信号２１４が生成され得る。第２の加算部２１８において、第１の中間信号２０８の強度信号２１４が主場周波数信号２３２の強度信号２１６と合算されて、第２の中間信号２２０が生成され得る。第２の中間信号２２０は、第１の中間信号２０８の強度と主場周波数信号２３２の強度の差を表し得る。換言すれば、第２の中間信号２２０は、主回転磁場の回転数の、ロータ主場巻線１３４における主回転磁場の現在の回転数に対する、所望の変更を表し得る。上記の例に続き、主場周波数信号２３２が９０Ｈｚに等しい場合には、第２の中間信号２２０が１０Ｈｚに等しいであろう。第２の中間信号２２０は、ロータ１０２に対する回転磁場の回転数の所望の変更を表す。

換言すれば、例示的実施形態において、主回転磁場がロータ１０２に対して９０Ｈｚの周波数で回転し、ロータ１０２がステータ１０４に対して３００Ｈｚの周波数で回転し得る。したがって、主回転磁場はステータ１０４に対して３９０Ｈｚの周波数で回転し得る。周波数４００Ｈｚの電力信号を生成するには、回転磁場の回転数は１０Ｈｚ増大する必要があろう。したがって、この例では第２の中間信号２２０が１０Ｈｚに等しくなるであろう。

第２の中間信号２２０は第１の比例・積分・微分（ＰＩＤ）コントローラ２２２に供給され得る。第１のＰＩＤコントローラ２２２は、第２の中間信号２２０をインバータ制御信号２２４に変換し得る。インバータ制御信号２２４は、ロータ主場巻線１３４に供給される三相電流２２８を調整するようインバータ１３２を指示する。ロータ主場巻線１３４を通過した三相電流２２８は回転磁場を作り出し、回転磁場の周波数、大きさ、及び位相は、三相電流２２８の周波数、大きさ、及び位相に依存する。三相電流２２８を調整することで、インバータ１３２は、ロータ１０２に対する回転磁場の回転を制御し、これにより回転磁場の回転数がロータ１０２の回転数から分離される。第１のＰＩＤコントローラ２２２は発電機制御部１２４の部分であってよく、ロータ１０２に接続されていてもよい。

三相電流２２８から主場周波数信号２３２が測定、導出されて、第２の加算部２１８でフィードバック信号として用いられ得る。主場周波数信号２３２は絶対値関数２３４を通過し、第２の加算部２１８で用いる主場周波数信号２３２の強度信号２１６を生成し得る。同様に、ロータ１０２の回転数に基づき、ロータ速度エンコーダがロータ周波数信号２０４を測定、導出し得る。ロータ速度エンコーダは、ロータに取り付けられた第１の部分２３６、及びステータに取り付けられた第２の部分２３７を含み得る。ある実施形態で、第１の部分は磁場源又は光源であり、第２の部分２３７は、磁場源又は光源から受信した信号に基づきロータ１０２の回転数を算出するように構成された検出器であり得る。ロータ周波数信号２０４は、第１の加算部２０６で用いるフィードバック信号として供給され得る。

第１の中間信号２０８は、符号関数２５０にも送られ得る。符号関数２５０は、第１の中間信号２０８を方向信号２５２に変換し得る。方向信号２５２は、ロータ１０２に対する回転磁場の所望の回転方向を示し得る。負の方向信号は、所望の回転数がロータ１０２の回転数よりも小さいことを示し得る。正の方向信号は、所望の回転数がロータ１０２の回転数よりも大きいことを示し得る。方向信号２５２は、ロータ１０２に対する回転磁場の所望の回転方向を実現するよう三相電流２２８を制御するために、インバータ１３２で用いられ得る。

システム２００はさらに、基準電圧信号２３８を受信し得る。基準電圧信号２３８は、ＡＣ電源の所望の電圧を表し得る。具体的には、ＡＣ電源は、推進モータ及び／又は他のシステムやデバイスに給電するために航空宇宙の用途に使用され得る。基準電圧信号２３８は、発電機制御部１２４に「組み込まれた（ｈａｒｄｗｉｒｅｄ）」一定の入力信号であるか、或いは調整可能な入力であり得る。これはプロセッサ（例えば、発電機制御部１２４のプロセッサ）で動作するソフトウェアを通じて、或いは他のロジック及び／又はハードウェアを通じて、生成され得る。例示的実施形態では、基準電圧信号２３８が１０５ＶＡＣ又は２３０ＶＡＣに等しいことがある。

基準電圧信号２３８は、第３の加算部２４４でステータ出力電圧信号２４２と合算され、基準電圧信号２３８とステータ出力電圧信号２４２の差を表す第３の中間信号２４０を生成し得る。第３の中間信号２４０は概念上、ロータ主場巻線１３４における回転磁場によって主段ステータ巻線１３８で生成される、所望の電圧変化を表し得る。第３の中間信号２４０は、制御信号カプラ１３６を介して、ステータ（例えば、ステータ１０４）からロータ１０２に伝送され得る。

第３の中間信号２４０が第２のＰＩＤコントローラ２４６に供給され得る。第２のＰＩＤコントローラ２４６は、第３の中間信号２４０をインバータ制御信号２４８に変換し得る。インバータ制御信号２４８は、ロータ主場巻線１３４に供給される三相電流２２８を調整するようインバータ１３２に指示する。具体的には、回転磁場の大きさを増大又は低減させるよう、三相電流２２８の大きさが調整されることにより、結果としてより大きな又はより小さな電圧が主段ステータ巻線１３８で生成され得る。第１のＰＩＤコントローラ２２２と同様、第２のＰＩＤコントローラ２４６は発電機制御部１２４の部分であってよく、ロータ１０２に接続されていてもよい。

システム２００の利点は、主段ステータ巻線１３８においてロータ１０２の周波数に依存しない周波数、位相、及び電圧を有したＡＣ電源を生成するために、回転磁場の位相、大きさ、及び周波数のそれぞれがロータ主場巻線１３４で制御されることである。他の利点も考えられ得る。

図３を参照すると、独立可変周波数周波数ＡＣ発電装置の制御信号カプラ１３６の実施形態が示されている。制御信号カプラ１３６は、第１の送受信機３０２及び第２の送受信機３０４を含み得る。ある実施形態で、制御信号カプラ１３６は一方向通信するように構成され得る。その場合、第１の送受信機３０２は実際には送信機であり、一方第２の送受信機３０４は実際には受信機であり、逆の場合もあり得る。

制御信号カプラ１３６は、ステータ（例えば、ステータ１０４）に取り付けられ得る第１の通信ディスク３０６、及び、ロータ１０２に取り付けられ得る一又は複数の第２の通信ディスク３０８を更に含み得る。ある実施形態で、第１の通信ディスク３０６は光源（例えば、エミッタ）を含み、第２の通信ディスク３０８は光検出器（例えば、フォトトランジスタ）を含み得る。

動作中、制御信号３１０が第１の送受信機３０２に送られ得る。ロータ１０２が回転している間、第１の送受信機３０２は、第１の通信ディスク３０６から一又は複数の第２の通信ディスク３０８へデータを伝送し得る。伝送は、一又は複数の第２の通信ディスク３０８が第１の通信ディスク３０６に対向している間に発生するようタイミングされ得る。一又は複数の第２の通信ディスク３０８は対向していない間は、伝送が停止され得る。図３には第２の通信ディスク３０８が４つ示されているが、４つよりも多いか或いは少なくてもよい。第２の通信ディスク３０８がさらに多ければ、通信の中断が低減され得る。

制御信号カプラ１３６の利点は、接触式信号カプラに比べて摩擦が少ないことである。これにより装置１００における電力ロスが少なくなる。本明細書で説明するように、ステータ１０４とロータ１０２の接触をなくすことで、アーク放電、摩耗、及び接触抵抗などの性能上の課題が避けられ得る。これにより信頼性が高まる一方で維持コストが下がり、ダウンタイムや電力ロスが減ることとなる。他の利点も考えられ得る。

図４を参照すると、独立速度可変周波数ＡＣ発電の方法４００の実施形態が示されている。方法４００は、４０２で、ロータに取り付けられた磁場源において、ロータの回転時に第１の回転磁場を生成することを含み、第１の回転磁場の回転数はロータの回転数に依存し得る。例えば、ロータ１０２が回転すると磁場源１２０で第１の回転磁場が生成され得る。

方法４００は、４０４で、第１の回転磁場をＡＣ電力信号に変換することを更に含み得る。例えば、パイロット巻線１２２が第１の回転磁場を、発電機制御部１２４へ送られるＡＣ電力信号に変換するように構成され得る。

方法４００は、４０６で、ＡＣ電力信号を変調して高周波ＡＣ電力信号を生成することも含み得る。例えば、発電機制御部１２４は、ＡＣ電力信号を変調して、第１のＨＦ変圧器巻線１２６に送られるＨＦ三相ＡＣ電力信号を生成し得る。

方法４００は、４０８で、ステータからロータへ高周波ＡＣ電力信号を伝送することを含み得る。例えば、第１のＨＦ変圧器巻線１２６は、ＨＦＡＣ電力信号を第２のＨＦ変圧器巻線１２８へ伝送し得る。

方法４００は、４１０で、高周波ＡＣ電力信号をＤＣ電力信号に変換することを更に含み得る。例えば、整流器１３０は、ＨＦＡＣ電力信号を、インバータ１３２へ伝送されるＤＣ電力信号に変換し得る。

方法４００は、４１２で、ＤＣ電力信号を主場ＡＣ電力信号に変換することも含み得る。ロータに取り付けられたロータ主巻線が主場ＡＣ電力信号で駆動され得る。例えば、インバータ１３２はＤＣ電力信号を、ロータ主巻線１３４を駆動する主場ＡＣ電力信号へ変換し得る。

方法４００は、４１４で、ロータ主巻線において、ロータの回転時に第２の回転磁場を生成することを含み得る。第２の回転磁場の回転数は、ロータの回転数に依存しない。例えば、主場ＡＣ電力信号に基づき、ロータ主巻線１３４は、ロータ１０２とは独立して回転する第２の回転磁場を生成し得る。

方法４００は、４１６で、ステータに取り付けられたステータ主巻線において、第２の回転磁場をＡＣ電力信号に変換することも含み得る。例えば、ステータ主巻線１３８は、第２の回転磁場を、様々なＡＣシステムへ配電するＡＣ電力信号に変換し得る。

方法４００の利点は、ロータ１０２とは独立して回転する第２の回転磁場を生成することで、ＡＣシステムの電力信号の周波数、位相、及び強度がロータ１０２の回転数とは独立し得ることである。更に、発電するために追加の段階を含む典型的な定速発電システムと比べて、必要な電力変換段が少なく済み得る。必要な変換段がより少ないことで、方法４００では効率が上がりかつ重量上の要件が低くなり得る。他の利点も考えられ得る。

図５を参照すると、独立速度可変周波数ＡＣ発電において回転磁場を制御する方法５００が示されている。方法５００は、図４の方法４００と併用されるか或いはその一部であってもよい。

方法５００は、５０２で、発電機制御部から基準周波数信号を受信することを含み得る。例えば、基準周波数信号２０２は、発電機制御部１２４で受信され得る。

方法５００は、５０４で、基準周波数信号とロータの回転数に関連するロータ周波数信号との差である第１の中間周波数信号を生成することを更に含み得る。例えば、第１の中間信号２０８が生成され得る。

方法５００は、５０６で、ステータから制御信号カプラを介してロータへ第１の中間周波数信号を送ることも含み得る。制御信号カプラは、ステータに取り付けられた少なくとも１つの第１の通信ディスク及びロータに取り付けられた少なくとも１つの第２の通信ディスクを含む。例えば、第１の中間信号２０８が、制御信号カプラ１３６を介してロータ１０２に送られ得る。制御信号カプラ１３６は、第１の通信ディスク３０６と少なくとも１つの第２の通信ディスク３０８とを含み得る。

方法５００は、５０８で、第１の中間周波数信号とロータに対する第２の磁場の回転数に関連した主場周波数信号との差である第２の中間周波数信号を生成することも含み得る。例えば、第２の中間信号２２０が生成され得る。

方法５００は、５１０で、第２の中間周波数信号を、ロータに対する第２の回転磁場の回転速度を上げるか或いは下げるために主場ＡＣ電力信号を変化させるようにインバータに指示するインバータ制御信号へ、変換することを含み得る。例えば、第１のＰＩＤコントローラ２２２において、第２の中間信号２２０はインバータ制御信号２２４に変換され得る。

方法５００は、５１２で、第１の中間信号の符号を決定することと、中間信号の符号に対応する方向に第２の回転磁場をロータに対して回転させるようインバータに指示する第２のインバータ制御信号を、生成することとを更に含み得る。例えば、第１の中間信号２０８の符号は、符号関数２５０で決定され、インバータ１３２に送られ得る。

方法５００は、５１４で、発電機制御部から基準電圧信号を受信することも含み得る。例えば、発電機制御部１２４から基準電圧信号２３８が受信され得る。

方法５００は、５１６で、基準電圧信号とＡＣ電力信号に関連する電圧信号との差である中間電圧信号を生成することを含み得る。例えば、中間電圧信号２４０が生成され得る。

方法５００は、５１８で、中間電圧信号を、第２の回転磁場の大きさを増大又は低減させるために主場ＡＣ電力信号を変化させるようインバータを指示するインバータ制御信号に、変換することを更に含み得る。例えば、中間電圧信号２４０がインバータ制御信号２４８に変換され得る。

更に、本発明は下記の条項に記載の実施形態を含む。

条項１
ロータ及びステータと、ロータに取り付けられてロータの回転時に第１の回転磁場を生成するように構成された磁場源と、ロータに取り付けられてロータの回転時に第２の回転磁場を生成するように構成されたロータ主巻線と、を含む、独立速度可変周波数交流電流（ＡＣ）発電装置であって、ロータはステータに対して回転するように構成されており、第１の回転磁場の回転数がロータの回転数に依存し、第２の回転磁場の回転数がロータの回転数に依存しない、装置。

条項２
磁場源が永久磁石を含む、条項１に記載の装置。

条項３
ステータに取り付けられて第１の回転磁場をＡＣ電力信号に変換するように構成されたパイロット巻線を更に含む、条項１に記載の装置。

条項４
ＡＣ電力信号を変調して、ロータへ伝送するための高周波ＡＣ電力信号を生成するように構成された、発電機制御部を更に含み、高周波ＡＣ電力信号の周波数がロータの回転数よりも大きい、条項３に記載の装置。

条項５
ステータからロータへ高周波ＡＣ電力信号を伝送するように構成された高周波変圧器を更に含む、条項１に記載の装置。

条項６
高周波変圧器が、ステータに取り付けられた第１の電力変圧器巻線と、ロータに取り付けられた第２の電力変圧器巻線とを含み、第１の電力変圧器巻線が高周波ＡＣ電力信号を第２の電力変圧器巻線に転送するように構成されている、条項５に記載の装置。

条項７
高周波変圧器により、ステータとロータの間の接触式送電機構が省略される、条項５に記載の装置。

条項８
ロータに取り付けられて高周波ＡＣ電力信号を直流電力信号に変換するように構成された整流器を更に含む、条項１に記載の装置。

条項９
ロータに取り付けられて直流電力信号を主場ＡＣ電力信号に変換するように構成されたインバータを更に含み、ロータ主場巻線が主場ＡＣ電力信号によって駆動される、条項１に記載の装置。

条項１０
インバータに接続されて、主場ＡＣ電力信号を制御することによりロータに対する第２の回転磁場の回転速度、方向、振幅、又はそれらの任意の組み合わせを制御するように構成された、発電機制御部を更に含む、条項９に記載の装置。

条項１１
発電機制御部が、ステータに取り付けられた制御回路とロータに取り付けられた制御回路とを含み、ロータに取り付けられた制御回路が少なくとも１つの比例・積分・微分（ＰＩＤ）コントローラを含む、条項１０に記載の装置。

条項１２
少なくとも１つのＰＩＤコントローラは、インバータに接続されて第２の回転磁場の周波数を制御し、ロータに取り付けられた制御回路は、インバータに接続されて第２の回転磁場の大きさを制御する追加のＰＩＤコントローラを含む、条項１１に記載の装置。

条項１３
ステータに取り付けられた制御回路が、ロータに取り付けられた制御回路に、制御信号カプラを介して通信可能に接続されており、制御信号カプラは、ステータに取り付けられた少なくとも１つの第１の通信ディスクとロータに取り付けられた少なくとも１つの第２の通信ディスクとを含む、条項１１に記載の装置。

条項１４
第１の通信ディスクが光信号源を含み、第２の通信ディスクがフォトトランジスタを含む、条項１３に記載の装置。

条項１５
第２の回転磁場をＡＣ電力信号に変換するように構成されたステータ主巻線を更に含む、条項１に記載の装置。

条項１６
独立速度可変周波数交流電流（ＡＣ）を生成する方法であって、ロータに取り付けられた磁場源においてロータの回転時に第１の回転磁場を生成することと、ロータに取り付けられたロータ主巻線においてロータの回転時に第２の回転磁場を生成することと、ステータに取り付けられたステータ主巻線において第２の回転磁場をＡＣ電力信号に変換することと、を含み、第１の回転磁場の回転数がロータの回転数に依存し、第２の回転磁場の回転数がロータの回転数に依存しない、方法。

条項１７
第１の回転磁場をＡＣ電力信号に変換することと、ＡＣ電力信号を変調して高周波ＡＣ電力信号を生成することと、ステータからロータへ高周波ＡＣ電力信号を伝送することと、高周波ＡＣ電力信号を直流（ＤＣ）電力信号に変換することと、ＤＣ電力信号を主場ＡＣ電力信号に変換することと、を更に含み、ロータ主巻線が主場ＡＣ電力信号で駆動される、条項１６に記載の方法。

条項１８
第２の回転磁場を生成することが、発電機制御部から基準周波数信号を受信することと、基準周波数信号とロータの回転数に関連するロータ周波数信号との差である第１の中間周波数信号を生成することと、第１の中間周波数信号とロータに対する第２の回転磁場の回転数に関連した主場周波数信号との差である第２の中間周波数信号を生成することと、第２の中間周波数信号を、ロータに対する第２の回転磁場の回転速度を上げるか或いは下げるために主場ＡＣ電力信号を変化させるようインバータを指示するインバータ制御信号に、変換することと、を含む、条項１６に記載の方法。

条項１９
第１の中間周波数信号が、ステータに取り付けられた少なくとも１つの第１の通信ディスクとロータに取り付けられた少なくとも１つの第２の通信ディスクとを含む制御信号カプラを介して、ステータからロータへ送られる、条項１８に記載の方法。

条項２０
第２の回転磁場を生成することが、第１の中間周波数信号の符号を決定することと、中間信号の符号に対応する方向に第２の回転磁場をロータに対して回転させるようインバータを指示する第２のインバータ制御信号を、生成することと、を更に含む、条項１８に記載の方法。

条項２１
発電機制御部から基準電圧信号を受信することと、基準電圧信号とＡＣ電力信号に関連する電圧信号との差である中間電圧信号を生成することと、中間電圧信号を、第２の回転磁場の大きさを増大又は低減するために主場ＡＣ電力信号を変化させるようインバータに指示するインバータ制御信号に、変換することと、を更に含む、条項１８に記載の方法。

条項２２
交流電流（ＡＣ）発電機ロータデバイスであって、ロータの回転時に第１の回転磁場を生成するように構成された磁場源と、ロータの回転時に第２の回転磁場を生成するように構成されたロータ主巻線と、を含み、第１の回転磁場の回転数がロータの回転数に依存し、第２の回転磁場の回転数がロータの回転数に依存しない、デバイス。

条項２３
高周波ＡＣ電力信号を受信するように構成された電力変圧器巻線と、高周波ＡＣ電力信号を直流（ＤＣ）電力信号に変換するように構成された整流器と、ＤＣ電力信号を主場ＡＣ電力信号に変換するように構成されたインバータと、を更に含み、ロータ主巻線が主場ＡＣ電力信号で駆動される、条項２２に記載のデバイス。

様々な実施形態を図示及び記載したが本開示はそれらに限定されるものでなく、当業者にとっては自明であろう変更や変形形態がすべて含まれることを理解されたい。

Claims (5)

1. 独立速度可変周波数交流電流（ＡＣ）発電装置（１００）であって、
   ステータ（１０４）及び前記ステータに対して回転するように構成されたロータ（１０２）と、
   前記ロータに取り付けられて前記ロータの回転時に第１の回転磁場を生成するように構成され、前記第１の回転磁場の回転数は、前記ロータの回転数に依存する磁場源（１２０）と、
   前記ロータに取り付けられて前記ロータの前記回転時に第２の回転磁場を生成するように構成され、前記第２の回転磁場の回転数は、前記ロータの前記回転数に依存しない、３相以上の巻線である、ロータ主巻線（１３４）と、
   前記第２の回転磁場をＡＣ電力信号に変換するように構成されたステータ主巻線（１３８）と、
   前記ロータに取り付けられ、直流電力信号を主場ＡＣ電力信号に変換するように構成されたインバータ（１３２）であって、前記ロータ主巻線が前記主場ＡＣ電力信号で駆動されて、前記ロータに対して回転する磁場を生成するインバータ（１３２）と、
   前記インバータに連結された発電機制御部（１２４）であって、前記主場ＡＣ電力信号を制御し、それによって前記ロータに対する前記第２の回転磁場の回転速度、方向、振幅またはこれらの任意の組み合わせを制御するように構成され、前記発電機制御部は、前記ステータに取り付けられた制御回路及び前記ロータに取り付けられた制御回路を含む、
   装置。
2. 前記磁場源が永久磁石を含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記ステータに取り付けられて前記第１の回転磁場をＡＣ電力信号に変換するように構成されたパイロット巻線（１２２）
   を更に含む、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記ステータから前記ロータへ高周波ＡＣ電力信号を伝送するように構成された高周波変圧器（１２６，１２８）を更に含む、請求項１から３の何れか一項に記載の装置。
5. 前記ロータに取り付けられて高周波ＡＣ電力信号を直流電力信号に変換するように構成された整流器（１３０）を更に含む、請求項１から４の何れか一項に記載の装置。

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