JP7666830B2 - エネルギー貯蔵要素（ｅｓｅ）を充放電するための巻線形誘導機（ｗｒｉｍ）を使用するエネルギー貯蔵電源 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
この特許出願は、米国特許出願第１７／５５７，７５８号（２０２１年１２月２１日に出願）に対する。優先権の利益を主張する。なおこの文献は、その全体において参照により本明細書に組み込まれている。

本発明は、外部ソースから電力を受け取って貯蔵し、そのエネルギーを負荷に供給するエネルギー貯蔵電源に関し、より詳細には、外部ソースからエネルギーを受け取って、そのエネルギーをＮ個のエネルギー貯蔵要素（ＥＳＥ）内に貯蔵し、ＥＳＥを放電してエネルギーを負荷生成出力に供給するための巻線形誘導機（ＷＲＩＭ）の使用に関する。ＷＲＩＭによって、高レベルのＡＣ及びＤＣ出力電圧を提供する安全で信頼性が高く効率的なシステムが提供される。

エネルギー貯蔵電源は、外部電源（ＡＣまたはＤＣ）からエネルギーを受け取って貯蔵し、必要に応じて電力を負荷に供給する。これらのタイプのエネルギー貯蔵電源は、バッテリー、高密度キャパシタ、または燃料電池などの多数の個別の蓄電池内にエネルギーを貯蔵する。現在の技術では、これらの電池のそれぞれは、約２～３ボルトＤＣの生成に制限される。高ＤＣ出力電圧（たとえば、１，０００ボルト）を負荷に供給するためには、５００個の蓄電池を負荷全体にわたって直列に接続する必要があり得る。実用的な欠点としては、サイズ、重量、信頼性、個々の電池の経年変化による効率の低下、及び安全性の考慮が挙げられる。

図１に示したように、エネルギー貯蔵電源１０は、ＡＣメインバス１４を介してＡＣ入力電圧を供給する公益事業体の電力網によって提供され得るようなＡＣ電源１２を含む。Ｎ個の蓄電池１６の充電をサポートするために、同様の複数の降圧変圧器１８及びＡＣ／ＤＣ整流器２０がＡＣ入力電圧を降圧し、それを使用可能な電圧（たとえば、２～３ＶのＤＣ）に変換して、Ｎ個の蓄電池１６のそれぞれを充電する。蓄電池１６は接触器２２を介して相互接続されている。接触器２２は、閉じると、すべての蓄電池１６の直列接続をもたらし、それらの個々の電圧が合計されて、より高いＤＣ出力電圧２４が負荷２６にわたって提供される。

電圧等化回路網（ＶＥＮ）２８が、蓄電池１６のそれぞれにわたって接続されている。各ＶＥＮ２６には、第１のスイッチＱ１が抵抗器Ｒ１と直列に含まれ、Ｎ個の蓄電池のグループ間で蓄電池端子電圧の差をバランスさせるのに役立つ。各ＶＥＮ２６には、第２のスイッチＱ２もＱ２／Ｒ１と並列に含まれている。第２のスイッチＱ２は、特定の蓄電池１６が故障した場合にバイパスとして機能する。

蓄電池の数が大きい場合、たとえば、１，０００ＶのＤＣ出力電圧を供給するのに十分な場合、サイズ、重量、信頼性、効率の低下及び安全性の考慮により、このアプローチは非現実的となる。

以下は、本発明のいくつかの態様の基本的な理解を得るための発明の概要である。この概要は、本発明の主要または重要な要素を特定すること、または本発明の範囲を描写することを意図したものではない。その唯一の目的は、本発明のいくつかのコンセプトを、後に提示されるより詳細な説明及び特許請求の範囲の規定に対する前置きとして簡単な形で提示することである。

本発明によって、巻線形誘導機（ＷＲＩＭ）を使用して外部ソースからエネルギーを受け取り、そのエネルギーをＮ個のエネルギー貯蔵要素（ＥＳＥ）内に貯蔵し、ＥＳＥを放電してエネルギーを負荷生成出力に供給する貯蔵エネルギー電源が提供される。ＷＲＩＭによって、高レベルのＡＣ及びＤＣ出力電圧を提供する安全で信頼性が高く効率的なシステムが提供される。

一実施形態では、ＷＲＩＭは、Ｎ個の三次巻線であって、それぞれ３６０／Ｎ度巻かれ、第１の磁気コアの周りに分散された、三次巻線と、第１の磁気コアに対して回転するように構成された第２の磁気コアの周りに３６０度巻かれ、負荷生成出力に結合された二次（たとえば、回転子）巻線とを含む。Ｎ個の双方向ＡＣ／ＤＣコンバーターが、三次巻線のそれぞれを、それぞれのエネルギー貯蔵要素（ＥＳＥ）に結合する。各ＥＳＥは、バッテリー、高密度キャパシタ、または燃料電池などの１つ以上の直列接続された蓄電池を含む。充電状態では、ＷＲＩＭコントローラーが外部エネルギー源をＷＲＩＭに結合し、移動磁界を生成して第１及び第２の磁気コア（たとえば、静止固定子磁石と回転回転子磁石）間の相対回転を提供し、三次巻線を磁化してＡＣ／ＤＣコンバーターを通して電力を供給し、Ｎ個のＥＳＥを選択的に充電する。放電状態では、ＷＲＩコントローラーが、Ｎ個のエネルギー貯蔵要素のうちの少なくとも一部をＡＣ／ＤＣコンバーターを通して放電し、三次巻線を励起して移動磁界を生成し、エアギャップを磁化して第１及び第２の磁気コア間の相対回転を補助し、二次巻線を磁化するために総磁束に個別に寄与して、放電中のエネルギー貯蔵要素からの電圧の合計に比例するＡＣ出力電圧を二次巻線上に誘導し、エネルギーを負荷生成出力に供給する。ＡＣ出力電圧を整流して、ＤＣ出力電圧を供給してもよい。

一実施形態では、外部エネルギー源は、第１の磁気コアの周りに３６０度巻かれた一次（たとえば、固定子）巻線に可変周波数ｆ２における可変ＡＣ入力電圧によって通電することによってＷＲＩＭに結合される。一実施形態では、外部ソースは、固定周波数ｆ１におけるＡＣ電圧を供給するＡＣ電源である。ＡＣ／ＡＣコンバーターは、そのＡＣ電圧を可変周波数ｆ２における可変ＡＣ入力電圧に変換する。別の実施形態では、外部ソースは、ＤＣ電圧を供給するＤＣ電源である。ＤＣ／ＡＣコンバーターは、ＤＣ電圧を可変周波数ｆ２における可変ＡＣ入力電圧に変換する。エネルギーをＷＲＩＭに結合する他のタイプの外部エネルギー源及び方法も考えられ、本発明の範囲内であると理解される。

一実施形態では、ＡＣ出力電圧は、二次巻線上の巻数と三次巻線のそれぞれ上の巻数とによって規定される変圧比によって調整される。昇圧変圧比は１：１よりも大きく、出力電圧を増加させる働きをする。たとえば、巻数比が５：１で、それぞれ５０Ｖ ＤＣを提供する４つのＥＳＥがあると仮定する。４つのＥＳＥすべてを同時に放電すると、１，０００ＶＡＣのＡＣ出力電圧が得られる（５０＊４＊５）。昇圧変圧比は、はるかに少ない蓄電池によって、はるかに高い出力電圧をサポートすることができる。代替的に、巻数比は、低電圧負荷に対応するために降圧変圧比（１：１未満）を与えるように設計してもよい。

一実施形態では、ＷＲＩＭは任意選択で、第２の磁気コア（たとえば、回転子）に結合されたフライホイールを含む。外部電源、ＥＳＥ、フライホイール、及び負荷のそれぞれは、エネルギーの双方向の転送に適切に構成されている。外部電源からのエネルギーは、ＥＳＥまたはフライホイールを充電してもよいし、直接負荷に行ってもよい。ＥＳＥからのエネルギーは、負荷、または可能性としてフライホイールに流れてもよい。フライホイールからのエネルギーは、ＥＳＥを充電するため、または負荷に逆に流れてもよい。最後に、未使用の場合、負荷内に貯蔵されたエネルギーは、ＥＳＥ、フライホイール、そして最終的に外部電源に転送して戻してもよい。

一実施形態では、一次（たとえば、固定子）巻線、二次（たとえば、回転子）巻線、及びＮ個の三次巻線のそれぞれは互いに電気絶縁され、Ｎ個のＥＳＥは互いに電気絶縁されている。

一実施形態では、単一の一次（たとえば、固定子）巻線と、ＷＲＩＭ内に同じスロットを共有するＮ個の三次巻線とがある場合、ＡＣ入力電圧は、電池のいずれかを放電するときに切り離す必要がある。その結果、Ｎ個の双方向ＡＣ／ＤＣコンバーターは、１つ以上のＥＳＥを排他的論理和（ＸＯＲ）で選択的に充電するように独立に制御可能であるか、選択的に１つ以上のＥＳＥを放電するように独立に制御可能である。単一の一次では、異なるＥＳＥを同時に充放電することはできない。

一実施形態では、一次（たとえば、固定子）巻線はＭ個の一次巻線に分割され、それぞれは、ＡＣ／ＡＣまたはＤＣ／ＡＣコンバーターを介して外部ソースから可変ＡＣ入力電圧を独立に受け取る。各一次巻線は、１つ以上の三次巻線に磁気的に結合される。ＷＲＩＭコントローラーは、Ｍ個の一次巻線の第１のサブセットに結合された１つ以上のＥＳＥを同時に充電し、Ｍ個の一次巻線の第２のサブセットであって、第１及び第２のサブセットが重複しない第２のサブセットに結合された１つ以上のＥＳＥを放電することができる。たとえば、６個の一次巻線がそれぞれ２個の三次巻線に結合されている場合（合計で１２個の三次巻線）、ＷＲＩＭコントローラーは、第１の６つの三次巻線に結合されたＥＳＥを同時に充電し、一方で第２の６つの三次巻線に結合されたＥＳＥを放電してもよい。

一実施形態では、ＥＳＥが放電されると、その端子電圧が下がって、ＡＣ出力電圧が目標電圧を下回る場合がある。またはＡＣ出力電圧は、他の理由により、目標電圧を超える場合がある。負荷力率コントローラーを負荷生成出力に結合して誘導抵抗負荷を変調し、ＷＲＩＭの力率をアクティブに調整して第２の磁気コアの回転速度を変化させ、ＡＣ出力電圧を目標電圧の指定された許容範囲内に維持することができる。たとえば、スリップの増加（回転子速度の減少）によって、誘導されるＡＣ出力電圧が増加し、ＥＳＥ電圧の低下が考慮される。

一実施形態では、フライホイールが第２の磁気コア（たとえば、回転子）に結合され、フライホイールが加速されたときにエネルギーを貯蔵し、フライホイールが減速されたときにエネルギーをＷＲＩＭに戻す。一実施形態では、ＷＲＩＭコントローラーはＥＳＥ及びフライホイールの両方を放電して、負荷にエネルギーを供給する。ＥＳＥは、フライホイールよりもはるかに短い時定数でエネルギーを迅速に供給する。通常、フライホイールは、ＥＳＥが部分的に枯渇するとエネルギーを供給し始める。フライホイールは、ＷＲＩＭのシャフトに直接結合してもよいし、またはＷＲＩＭとフライホイールとの間で速度変更を与える中間ギアボックスを有してもよい。

種々の実施形態において、ＷＲＩＭコントローラーは、外部電源をＷＲＩＭから分離し、ＥＳＥ及びフライホイール（提供されている場合）内に貯蔵されたエネルギーのみを使用して負荷にエネルギーを供給するか、または外部電源をＷＲＩＭに結合されたままにして、負荷にさらなるエネルギーを供給する。

本発明のこれら及び他の特徴及び利点は、添付図面と併せて、好ましい実施形態の以下の詳細な説明から当業者には明らかとなる。

前述したように、降圧変圧器が個々の蓄電池を充電するように構成され、直列に接続されてそれらの電圧を合計し、エネルギーを負荷に供給する既知のエネルギー貯蔵電源のブロック図である。 ＷＲＩＭを使用して個々のＥＳＥとの間でエネルギーを転送し、エネルギーを負荷に供給する電力システムエネルギー貯蔵のブロック図である。 外部電源、ＥＳＥ、フライホイール、及び負荷間のエネルギーの双方向流を例示する図である。 ３相エネルギー貯蔵電力システム、双方向ＡＣ／ＡＣコンバーター、双方向ＡＣ／ＤＣコンバーター、及びその中で使用される負荷力率コントローラーの概略図である。 ３相エネルギー貯蔵電力システム、双方向ＡＣ／ＡＣコンバーター、双方向ＡＣ／ＤＣコンバーター、及びその中で使用される負荷力率コントローラーの概略図である。 ３相エネルギー貯蔵電力システム、双方向ＡＣ／ＡＣコンバーター、双方向ＡＣ／ＤＣコンバーター、及びその中で使用される負荷力率コントローラーの概略図である。 ３相エネルギー貯蔵電力システム、双方向ＡＣ／ＡＣコンバーター、双方向ＡＣ／ＤＣコンバーター、及びその中で使用される負荷力率コントローラーの概略図である。 一次（固定子）巻線が静止磁気コアの周りに３６０度巻かれ、二次（回転子）巻線が回転磁気コアの周りに３６０度巻かれ、３つの三次巻線がそれぞれ、静止磁気コアのそれぞれの１２０度の周りに巻かれて３つの独立したエネルギーポートを提供する１２極ＷＲＩＭの実施形態の図、及び三次巻線の巻線図である。 一次（固定子）巻線が静止磁気コアの周りに３６０度巻かれ、二次（回転子）巻線が回転磁気コアの周りに３６０度巻かれ、３つの三次巻線がそれぞれ、静止磁気コアのそれぞれの１２０度の周りに巻かれて３つの独立したエネルギーポートを提供する１２極ＷＲＩＭの実施形態の図、及び三次巻線の巻線図である。 一次（固定子）巻線が６つのセグメントに分割され、各セグメントが２つの三次巻線に磁気的に結合されて、一次巻線の異なるセグメントによってサポートされるＥＳＥの同時充放電を容易にするＷＲＩＭの実施形態の図である。 ６つの独立したエネルギー貯蔵ポートを備えた１２極ＷＲＩＭの実施形態の一次巻線、二次巻線、及び６個の三次巻線に対する巻線図である。 ６つの独立したエネルギー貯蔵ポートを備えた１２極ＷＲＩＭの実施形態の一次巻線、二次巻線、及び６個の三次巻線に対する巻線図である。 ６つの独立したエネルギー貯蔵ポートを備えた１２極ＷＲＩＭの実施形態の一次巻線、二次巻線、及び６個の三次巻線に対する巻線図である。 ６つの独立したエネルギー貯蔵ポートを備えた１２極ＷＲＩＭの実施形態の一次巻線、二次巻線、及び６個の三次巻線に対する巻線図である。 図７Ａ～７Ｄに示したＷＲＩＭに対する設計パラメータを指定する表である。 図７Ａ～７Ｄに示したＷＲＩＭに対する設計パラメータを指定する表である。 図７Ａ～７Ｄに示したＷＲＩＭに対する設計パラメータを指定する表である。

本発明によって、巻線形誘導機（ＷＲＩＭ）を使用して外部ソースからエネルギーを受け取り、そのエネルギーをＮ個のエネルギー貯蔵要素（ＥＳＥ）内に貯蔵し、ＥＳＥを放電してエネルギーを負荷生成出力に供給する貯蔵エネルギー電源が提供される。エネルギー貯蔵及び供給は、回転子に取り付けられたフライホイールによって補完することができる。ＷＲＩＭによって、高レベルのＡＣ及びＤＣ出力電圧を提供する安全で信頼性が高く効率的なシステムが提供される。

本明細書で使用する場合、概して言えば、ＷＲＩＭは、第１の磁気コアの周りに３６０度巻かれ、機械エネルギー入力に結合されて可変周波数（電力）における可変ＡＣ入力電圧を受け取る一次巻線と、第１の磁気コアに対して回転するように構成された第２の磁気コアの周りに３６０度巻かれ、負荷生成出力に結合された二次巻線と、Ｎ個の三次巻線であって、それぞれ３６０／Ｎ度巻かれ、第１の磁気コアの周りに分散され、一次巻線及び二次巻線の両方に磁気的に結合された、三次巻線とを含む。一般的に、一次（固定子）巻線及び三次巻線は、どちらか一方の磁気コア上に巻かれている場合があり、二次（回転子）巻線は、互いに対して回転するもう一方のコア上に巻かれている場合がある。より従来的には、固定子巻線は静止磁気コア上に巻かれ、回転子巻線は、静止磁気コアの内部で回転する内部磁気コア上に巻かれる。一般性を失うことなく、本発明の実施形態は、さらなる三次巻線が静止磁気コアの周りに分散される固定子巻線及び回転子巻線の従来の命名法を使用して説明する。さらに、巻線は単相または多相であってもよい。一般性を失うことなく、本発明は従来の３相巻線を使用して説明する。

次に図２を参照すると、エネルギー貯蔵電源２００の実施形態はＷＲＩＭ２０２を含む。ＷＲＩＭ２０２は、静止磁気コア２０６の周りに３６０度巻かれた固定子巻線Ｓ２０４と、静止磁気コア２０６の内部で回転するように構成された回転磁気コア（「回転子」）２１０の周りに３６０度巻かれた回転子巻線Ｒ２０８と、Ｎ個の三次巻線Ｔ１、Ｔ２、…、ＴＮ２１２であって、それぞれ３６０／Ｎ度巻かれ、静止磁気コア２０６の周りに分散され、一次巻線及び二次巻線の両方に磁気的に結合された、三次巻線Ｔ１、Ｔ２、…、ＴＮ２１２とを有する。固定子巻線２０４は、一般的な単一の多相均等分散巻線として示されている。後述するように、固定子巻線は、それぞれ１つ以上の三次巻線に磁気的に結合されたＭ個のセグメントに分割され得る。固定子、回転子、及び三次巻線は、それぞれの巻数比Ｎｓ、Ｎｒ、及びＮｔ（ｉ）（ｉ＝１～Ｎ）を有する。固定子対三次の比Ｎｓ／Ｎｔ（ｉ）によって、三次巻線のそれぞれに対するＡＣ電圧の大きさが決定される。回転子対三次の比Ｎｒ／Ｎｔ（ｉ）によって、三次巻線から回転子巻線への変換比（昇圧または降圧）が決定される。機械エネルギー入力２１３は固定子巻線２０４に結合され、エネルギー貯蔵ポート２１４はそれぞれの三次巻線２１２に結合され、負荷生成出力２１６は回転子に結合される。

外部電源は、ＷＲＩＭ２０２内にエネルギーを貯蔵するために電力を供給する。この特定の実施形態では、外部電源は、可変周波数ｆ２における可変ＡＣ入力電圧Ｖｉｎを供給して、固定子巻線Ｓ２０４に通電するように構成される。図示したように、外部電源は、固定周波数ｆ１におけるＡＣ電圧を供給する一般的な公共電力網などのＡＣ電源２１８である。双方向ＡＣ／ＡＣコンバーター２２０が、固定周波数ｆ１におけるＡＣ電圧を可変周波数ｆ２における可変ＡＣ入力電圧Ｖｉｎに変換し、これが入力２１３に供給されて固定子巻線に通電し、ＷＲＩＭに電力を供給する。好ましい制御モードは、電圧を固定子巻線に一定のボルト／ヘルツ比で印加することである。代替的に、外部電源は、ＤＣ電圧を供給するＤＣ電源とすることができる。双方向ＤＣ／ＡＣコンバーターは、ＤＣ電圧を可変周波数ｆ２におけるＡＣ入力電圧Ｖｉｎに変換する。エネルギーをＷＲＩＭに結合する他のタイプの外部エネルギー源及び方法も考えられ、本発明の範囲内であると理解される。

ＷＲＩＭを起動し、回転子２１０を目標の速度にするために、真空遮断器２２２を閉じて（短絡させて）、回転子巻線２０８を短絡させる。ＥＳＥ ＡＣ／ＤＣコンバーターの電源を切って、三次巻線２１２を開く。ラインＤＣが、ＥＳＥ ＡＣ／ＤＣコンバーターのうちの１つを通して引き込まれ、可変周波数ＡＣに変換されて、ＷＲＩＭを起動するために電力を供給する。回転子２１０がベースラインシャフト速度（たとえば、３６００ｒｐｍ）に達すると、真空遮断器２２２が開き、回転子はキャパシタシャント励起を所定の位置に有して、三次巻線２１２を磁化する。

固定子巻線Ｓ２０４に通電すると移動磁気波が生成され、静止磁気コア２０６の内部の回転子２１０が回転し、Ｎ個の三次巻線２１２が磁化されて、Ｎ個のエネルギー貯蔵ポート２１４のそれぞれにおいてＡＣ電圧Ｖｐ（ｉ）＝Ｖｉｎ／（Ｎｐ／Ｎｔ（ｉ））が生成される。各ポートは双方向ＡＣ／ＤＣコンバーター２２４に接続され、双方向ＡＣ／ＤＣコンバーター２２４はエネルギー貯蔵要素（ＥＳＥ）２２６に接続されている。ＥＳＥは好ましくは互いに電気絶縁されている（２２８）。各ＥＳＥ２２６には、１つ以上の直列接続された蓄電池２３０、たとえば、バッテリー、高密度キャパシタ、または燃料電池が含まれる。現在の技術では、各電池は、完全に充電されると約２～３ＶＤＣを生成できる。ＥＳＥは、同一であってもよいしそうでなくてもよく、同じ合計ＤＣ電圧を生成してもよいしそうでなくてもよい。したがって、一次巻数対三次巻数比は、異なるＥＳＥを充電するために異なるＤＣ電圧を提供するように設計してもよい。放電されると、各ＥＳＥは、それぞれのコンバーター２２４を通してＡＣ電圧を生成し、このＡＣ電圧は、エネルギー貯蔵ポート２１４における対応する三次巻線２１２を励起して移動磁界を生成し、回転子と静止磁気コアとの間の半径方向のエアギャップを磁化して回転子の回転を補助し、回転子巻線２０８に磁気的に結合された総磁束に寄与する（合計する）磁束を生成する。エネルギー貯蔵ポートにおけるＡＣ電圧（したがって、主磁束への寄与）は、変換比Ｎｒ／Ｎｔ（ｉ）によって調整される。比が１を超える場合、それは、三次電圧レベルを上げる昇圧変圧器として機能する。比が１未満である場合、それは、三次電圧レベルを下げる降圧変圧器として機能する。各ＥＳＥがそのコンバーターを通して選択的に通電されると、機械の磁束は制御可能なステップで磁気飽和限界まで増加する。１つ以上のＥＳＥは、同時または順次に選択的に充電または放電できる。

移動磁界及び対応する総磁束は、回転子巻線２０８上に、それぞれの回転子対三次巻線比によって重み付けされた放電中のＥＳＥ２２６からの電圧の合計に比例したＡＣ出力電圧ＶｏｕｔＡＣを誘導し、組み合わされたエネルギーを負荷生成出力２１６に供給する。必要に応じて、双方向ＡＣ／ＤＣコンバーター２３２が、三次巻線ＡＣ出力電圧をＤＣ出力電圧ＶｏｕｔＤＣに供給する。出力電圧ＶｏｕｔＡＣまたはＶｏｕｔＤＣは、パルス形成ネットワーク（ＰＦＮ）２３４を充電するために使用されるか、またはＰＦＮなしで負荷２３６に直接供給される。ＰＦＮ２３４は、ＷＲＩＭによって供給されたエネルギーを、負荷２３６に放出される前に、少なくとも一時的に貯蔵することができる。

一例としては、ＷＲＩＭが全速またはそれに近い速度で回転する場合、ＥＳＥ２２６のそれぞれはその最大定格電圧まで充電される。最大定格電圧は、低電圧、たとえば、２．０ボルトのバッテリー電池２４個がそれぞれ直列にあることを表す４８ボルトＤＣである。充電用のエネルギーはＡＣ電源２１８から得られ、４８０ボルトＡＣ３相などの中電圧であってもよい。エネルギー貯蔵電源２００の目的は、最終出力においてより高い電圧、たとえば１，０００ＶＤＣを生成することであり、これは、機械の巻線上では、最低限で７５０ボルトＡＣ３相に相当する。充電モードでは、固定子巻線の入力電圧は中程度に高く、三次巻線はより少ない巻数で巻かれているため、電池の充電を４８ＶＤＣなどの低電圧で行うことができ、これは、各ＥＳＥ ＡＣ／ＤＣコンバーター２２４に対するＡＣ電圧として約３８ボルトの線間３相が必要になる。ＷＲＩＭが固定子上で４８０ボルトＡＣで巻かれている場合、電圧巻数比の例は４８０：３８または１２．６：１である。整数を必要とする実際の機械の巻線の場合、巻線の巻数比は１２：１である必要がある。例により、３つの（３）ＥＳＥが構成され、それぞれの対応するＡＣ／ＤＣコンバーターが３８ＶＡＣの公称端子電圧を達成でき、７５０ＶＡＣの最終出力が必要な場合、回転子対三次の電圧比は７５０：（３ｘ３８）または６．５８：１である（現時点では機械のスリップは無視する）。実際には、ＷＲＩＭは、次に大きい整数を巻線の巻数比に対して有するため、回転子対三次巻線の巻数比は７：１でなければならない。１，０００ＶＤＣ出力は７２個のバッテリー電池のみで生成されるが、直列接続されたソースでは３７５個のバッテリー電池が必要となることに留意することは重要である。

フライホイール２４０を、任意選択で、シャフト２１１を介して機械的に回転子２１０に結合して、運動エネルギーの貯蔵及び供給の両方を行ってもよい。良く知られているように、エネルギーが、回転子速度を上げることによってフライホイール内に貯蔵され、回転子速度を下げることによってフライホイールから放出される。回転子速度は、回転子巻線に適用される周波数に比例し、周波数を上げると速度が上がり、周波数を下げると速度が下がる。フライホイール２４０は通常、ＡＣ電源によって充電されるが、負荷またはＥＳＥにおける過剰なエネルギーによって充電してもよい。フライホイール２４０は、ＥＳＥ２２６の放電時定数よりも長い時定数でエネルギーを供給する。たとえば、一実施形態では、ＥＳＥ２２６のうちの１つ以上が放電されて、負荷にエネルギーのバーストが供給される。ＥＳＥ２２６が部分的に放電されると、フライホイール２４０を使用して、はるかに長い時定数で回転子２１０を通して負荷にエネルギーを供給する。この組み合わされた放電特性は、多くの場合に負荷にとって有用である。

ＷＲＩＭコントローラー２４２は、ＡＣ／ＡＣコンバーター２２０、ＥＳＥ ＡＣ／ＤＣコンバーター２２４、出力ＡＣ／ＤＣコンバーター２３２をＯＰＥＮ／ＣＬＯＳＥ（オフ／オン）をするための、及び回転子周波数ｆ３を増加または減少させてフライホイール２４０を充電または放電するための制御信号を生成する。図３と併せて後述するように、完全な双方向システムでは、エネルギーを供給、貯蔵、及び送出するための多くの異なる「モード」が存在する。

ＷＲＩＭでは、固定子及び三次巻線は、回転子速度とは無関係に常に同じ周波数ｆ１である。回転子出力巻線周波数ｆ３は、シャフト速度ＯｍｅｇａＲに依存する変数である。回転子回路の周波数はｆ３＝ｓ＊ｆ１である。ここで、ｆ１は一次巻線供給周波数（Ｈｚ）であり、ｓは単位あたりのスリップで、ｓ＝（ＯｍｅｇａＳ－ＯｍｅｇａＲ）／ωＯｍｅｇａＳと規定される。ここで、ＯｍｅｇａＳは２＊Ｐｉ＊ｆ１／極対と規定される同期シャフト速度、ＯｍｅｇａＲは実際のシャフト速度であり、両方ともラジアン／秒である。

ＷＲＩＭ２００がその同期（フル）速度に近い速度で動作している場合、回転子の出力周波数ｆ３は低周波数となる。たとえば、スリップ＝単位あたり０．１０、ｆ１が４００Ｈｚの場合、回転子周波数は４０Ｈｚとなる。これは、出力の目的がこの回転子周波数を整流して高電圧ＤＣ出力を生成することであり、実際の周波数はそれほど重要ではないため、許容可能である。逆に、ＷＲＩＭシャフト速度が半分の速度ポイントであり、スリップ＝単位あたり０．５０である場合、２００Ｈｚのより高い出力周波数も、ＤＣに整流することに対して許容可能である。

ＥＳＥが完全に充電され、放電の準備ができている場合を考えてみる。固定子巻線がＡＣ電源から切断される（すなわち、ＡＣ－ＡＣ周波数コンバーター２２０がオフになる）。ＥＳＥの合計からの三次巻線電力が一度ＡＣに変換されると、ＷＲＩＭエアギャップの半径方向の磁束に磁気励起がもたらされる。停止状態では、結合された三次巻線の作用による誘導された回転子磁束はその最大値になる。完全な同期速度では、誘導された回転子磁束はほぼゼロである。１０％などの実際の動作スリップでは、誘導された回転子磁束はその停止状態値の１０％である。

ＷＲＩＭでは、結合されたＥＳＥの全出力が誘導機を通る。これはスリップ電力と規定され、常に公称スリップ値、たとえば１０％が存在する。エネルギーコンバーターとしての機械効率は通常、９２～９５％であるため、回転子上の出力電力は、全出力の単位あたり０．９２～０．９５となる。しかし、最も重要な態様は電圧昇圧変換である。前述したように、望ましい全体的な回転子：三次の変圧比が７：１で、動作スリップが１０％の場合、実際の巻線の巻数比は１０ｘ７または７０：１でなければならない。有効巻数比はＮｒ／（Ｎｔ（ｉ）＊スリップ）である。これは、実装するのに実用的な数値である。たとえば、三次巻線は１２巻数／相を有することができ、ＥＳＥはそれぞれ、まとめて３６巻数／相を有することができ、回転子は２５２０巻数／相で巻かれる。１２極の機械では、これは２１０巻数／相／極になる。回転子は通常、３つのスロット／極／相を有する場合があり、したがって相あたりスロットあたりの巻数は７０巻数となる。

別の実際的な問題は、各ＥＳＥ内の貯蔵エネルギーがその放電によって枯渇すると、その端子電圧も下がることである。負荷生成出力におけるＶｏｕｔＡＣまたはＶｏｕｔＤＣを、目標値の指定された許容範囲内に維持することが望ましい。１つの既知のアプローチは、ＡＣ／ＤＣコンバーター２２４を制御して、入力電圧対出力電圧の比を変えることである。コンバーターはアクティブフロントエンドによって構築されているため、反転モード時にそのスイッチングデバイスのゲーティング動作によってそのＡＣ出力電圧を高めるかまたは一定に維持し、放電中のＥＳＥからのＤＣ入力電圧の連続的な低下を補償することができる。新しいアプローチ（図４Ｄにより詳細に示す）では、負荷率電力コントローラー２４４（それ自体が、容量性負荷を補償して力率を１に戻すことを行うことで知られている）を使用して、（ａ）二次の負荷回路の力率を、純粋な抵抗負荷（力率１）であることから低下させるか、または（ｂ）補助的で制御可能な誘導分岐によって分路された抵抗負荷にする。これにより、スリップが効果的に変更され、その結果、変換比が変更されて、Ｖｏｕｔが目標値に保持される。

図３に示すように、エネルギー貯蔵電源２００の描写を、システムを通る種々の双方向のエネルギーの流れと、種々の動作「モード」とを例示するために簡略化している。回転子巻線出力ＡＣ／ＤＣコンバーター、負荷率電力コントローラー、及び短絡遮断器は、簡単にするために省略している。巻線のそれぞれは３相として示している。明瞭にするために、図２と同様の参照番号を維持している。

静電（電気化学）蓄電池／バンク（ＥＳＥ）の正確な数とは関係なく、可能性として、エネルギー貯蔵電源には４つの異なるタイプのエネルギー貯蔵技術があることが理解される。

１．フライホイール慣性エネルギー貯蔵。

２．低電圧レベルでの静電気／電気化学エネルギー貯蔵。

３．高電圧レベルでの出力パルス形成ネットワーク（ＰＦＮ）内の容量性エネルギー貯蔵。

４．電気機械（ＷＲＩＭ）のエアギャップと巻線インダクタンスにおける磁気エネルギー貯蔵。

エネルギーは以下のように規定される。

Ｅ１＝ＡＣ電源エネルギー。

Ｅｆ＝機械エネルギーとしてＷＲＩＭ回転子に出入りするフライホイールの運動エネルギーの流れ。

ＥＦｍ＝規定の最高速度においてフライホイール内に貯蔵される運動エネルギーの最大量。

ＥＳ１、ＥＳ２、ＥＳ３＝それぞれのＥＳＥに出入りするエネルギーの流れ。必要なＡＣ／ＤＣコンバーターにはゼロまたは最小限のエネルギー貯蔵がある。エネルギー量はＥＳＥの間で変化する可能性があることに留意されたい。

Ｅｏ＝ＷＲＩＭ回転子巻線によって生成または吸収される中間の出力エネルギー。好ましい実施形態では、これは高電圧または中電圧出力である。ＡＣ／ＤＣ整流後のこのエネルギーを使用して、パルス形成ネットワークを充電するかまたは電力負荷をＰＦＮなしで直接充電する。

Ｅｆｏ＝パルス形成ネットワーク（ＰＦＮ）の最終エネルギー出力。ＰＦＮは、エネルギーをそのキャパシタバンク内に貯蔵し、一度に大量のエネルギーを放出することもできるし、あるいは、負荷抵抗器内へのエネルギーの流れを調節するサイリスタなどの出力電子スイッチを含むため、このエネルギーを少量に分割することもできる。

最も一般的な構成では、各タイプのエネルギー源（ＡＣ電源、フライホイール、ＥＳＥ、及び負荷）はエネルギーを双方向に転送する。ＷＲＩＭコントローラーは、種々のエネルギー源を、コンバーターを介して事実上任意の組み合わせでターンオン／オフし、エネルギーを任意のソースから任意のソースに転送及び貯蔵することができる。

システムのエネルギーの流れの最も重要な態様は、６つの基本モードに含まれる。

モード０‐Ｅ１のＡＣ電源エネルギーが最初にフライホイールを充電する。すなわち、Ｅ１＝Ｅｆ＋ＷＲＩＭＳ固定子巻線での小さい散逸損失及びＷＲＩＭの風損。一定時間後に、Ｅ１が、ＡＣ電源からＥＳ１、ＥＳ２、及びＥＳ３を通して複数のＥＳＥを充電する。ここで、Ｅ１＝ＥＳ１＋ＥＳ２＋ＥＳ３、その上、プラス３ＡＣ／ＤＣコンバーターでの小さい損失と三次巻線損失とが、固定子巻線Ｓによって補償される。

モード１‐慣性エネルギーＥｆのフライホイール出力の一部が、貯蔵デバイスエネルギーＥＳ１、ＥＳ２、＆ＥＳ３の合計と組み合わされ、これらが複数の三次巻線セット内に放電されて、最大の可能な出力エネルギーＥｏ（ＷＲＩＭ内に貯蔵される）を提供し、その後、回転子巻線Ｒから負荷生成出力に整流され、結果として生じるＤＣ電力が、パルス形成ネットワークのキャパシタエネルギーバンク（ＰＦＮ）内にルーティングされ、次いで最終負荷に送られる。

モード２‐ＡＣ電源及び固定子巻線Ｓは、ＡＣ／ＡＣコンバーターがオフであるため、電源が切られている。フライホイールは、モード１においてまたは以前の取り組みまたはミッションに由来する別のモードから、以前に充電されていた。フライホイールエネルギーは、最大運動レベルＥｆｍに維持され、最初は放出されない。低電圧レベルでの静電（または電気化学）ソースＥＳ１、ＥＳ２、及びＥＳ３は、任意選択の整流を使用して回転子巻線によって磁気的に結合される。これらのエネルギーＥＳ１、ＥＳ２、及びＥＳ３は放電され、出力エネルギーＥｏと最終出力Ｅｆｏを生成し、ＥＳＥはそのポテンシャルエネルギーレベルの約半分まで低下する。その後、フライホイールを使用して、ＥＳＥを、バランス式Ｅｆ＝ＥＳ１＋ＥＳ２＋ＥＳ３に従って一括して再充電する。これにより、回転子巻線Ｒは、機械のエアギャップを磁化するために使用され、制御されたレートで再ＥＳＥを充電するための電圧／電力生成巻線としても機能する。このモードでは、フライホイールがこのモードの全期間にわたって回転していると想定している。

モード３‐ＡＣ電源がオンで、固定子巻線Ｓが、ＡＣ／ＡＣコンバーターがオンであるために通電される。フライホイールは、モード１においてまたは以前の取り組みまたはミッションに由来する別のモードから、以前に充電されていた。フライホイールエネルギーは、最大運動レベルＥｆｍに維持され、最初は放出されない。低電圧レベルでのＥＳＥ ＥＳ１、ＥＳ２、及びＥＳ３は、回転子巻線によって磁気的に結合され、整流後にこれらは放電されて出力エネルギーＥｏと最終出力Ｅｆｏを生成し、ＥＳＥはそのポテンシャルエネルギーレベルの約半分まで低下する。その後、ＡＣ／ＡＣコンバーターがオンのＡＣ電源と、回転しているフライホイールとを共同で使用して、静電源を、バランス式（Ｅ１＋Ｅｆ）＝ＥＳ１＋ＥＳ２＋ＥＳ３に従って再充電する。これにより、固定子巻線Ｓは、機械のエアギャップを磁化するために使用され、回転子巻線は、フライホイールが今やその運動エネルギーの一部を送出していることに基づいて、制御されたレートで再ＥＳＥを充電するための電圧／電力生成巻線として機能する。複数のＡＣ／ＤＣコンバーターは、各エネルギー源への充電レートを別個に制御し、過充電を回避する。

モード４‐ＥＳＥを順次に放電するか、またはただ１つのＥＳＥを完全に放電する。ＥＳ１を完全に放電し、ＥＳ２及びＥＳ３は積極的に放電しているが、まだ枯渇してはいない。ＥＳＥ内への電流、電圧、及び電力／エネルギーを調節する独立したＡＣ／ＤＣコンバーターを使用することによって、フライホイールエネルギーＥｆは、ＥＳ１を充電し、次のように表されるメイン出力エネルギーＥｏにも寄与する。

Ｅｆ＝ＥＳ１＋ｋ１（Ｅｏ）、ここでｋ１は、フライホイールの負荷寄与に対する比例定数であり（たとえば、単位あたり０．３０）、
ＥＳ２＋ＥＳ３＝ｋ２（Ｅｏ）、ここでｋ２は、２つのエネルギー源の出力負荷への寄与に対する比例定数である（たとえば、単位あたり０．７０、単位あたりｋ１＋ｋ２＝１．０）。

モード５‐ＥＳ１～ＥＳ３の以前の放電動作により、ＰＦＮは完全な容量性エネルギー貯蔵レベルＥ－ＰＦＮまで充電され、最終負荷は始動も接続もされないため、制御システムは、ＰＦＮ内の出力エネルギーをＷＲＩＭに戻し、次いでこの回収されたエネルギーを、ＥｏフライホイールまたはＥＳＥのいずれか、またはその両方に分配する必要がある。もう一度、回転子巻線は、機械のエアギャップを磁化する作用をし、発電巻線として機能して、出力エネルギーＥｏ（ＰＦＮ内に貯蔵されている）の一部を、ＥＳＥの１つ、２つ、または３つに、その個々のエネルギーレベルに応じて与える。ＡＣ／ＤＣコンバーターの制御システムは、最低電圧／充電レベルを有するＥＳＥを測定し、このソースに優先してこの回収されたエネルギーを取り込む。ＥＳＥがＥｏのこれ以上の部分を何ら受け入れることができず、フライホイールが完全に充電されている場合、すなわちＥｆ＝Ｅｆｍである場合、この回収されたエネルギーＥｏを、双方向ＡＣ／ＡＣ入力コンバーターを通してＡＣソース電源（逆Ｅ１）に戻す必要があるが、これは通常望ましくない。そうでないと、余分なエネルギーが廃棄される。

モード６‐すべてのＥＳＥの大部分が完全に充電される。ＡＣ電源は切断され、回転子は最初は停止状態にある。負荷を始動するためにＰＦＮを充電する要求があると、エネルギーはＥＳＥから転送されて、ＷＲＩＭを起動し、回転子を重要な動作速度まで上げる。次いで、フライホイールまたはＥＳＥまたはその両方からのエネルギーを一括して使用して、エネルギーをＰＦＮ及び負荷に供給する。

次に図４Ａ～４Ｄを参照すると、３相エネルギー貯蔵電源４００の実施形態はＷＲＩＭ４０２を含む。ＷＲＩＭ４０２は、静止磁気コア４０６の周りに３６０度巻かれた３相固定子巻線Ｓ４０４と、静止磁気コア４０６の内部で回転するように構成された回転磁気コア（「回転子」）４１０の周りに３６０度巻かれた３相回転子巻線Ｒ４０８と、Ｎ個の３相三次巻線Ｔ１、Ｔ２、…、ＴＮ４１２であって、それぞれ３６０／Ｎ度巻かれ、静止磁気コア４０６の周りに分散され、一次巻線及び二次巻線の両方に磁気的に結合された、３相三次巻線Ｔ１、Ｔ２、…、ＴＮ４１２とを有する。回転子巻線は通常、回転子との間でＡＣ電流を出入りさせる３つのスリップリングのセットと電気ブラシセットとを含む。

３相巻線は「デルタ」巻線として示しているが、Ｙ字型などの他の一般的な構成も使用できる。固定子、回転子、及び三次巻線は、それぞれの巻数比Ｎｓ、Ｎｒ、及びＮｔ（ｉ）（ｉ＝１～Ｎ）を有する。固定子対三次の比Ｎｓ／Ｎｔ（ｉ）によって、三次巻線のそれぞれに対するＡＣ電圧の大きさが決定される。回転子対三次の比Ｎｒ／Ｎｔ（ｉ）によって、三次巻線から回転子巻線への変換比（昇圧または降圧）が決定される。３相機械エネルギー入力４１３は固定子巻線４０４に結合され、３相エネルギー貯蔵ポート４１４はそれぞれの３相三次巻線４１２に結合され、３相負荷生成出力４１６は回転子に結合される。

一般的な公共電力網などの３相ＡＣ電源４１８が、固定周波数ｆ１における３相ＡＣ電圧を供給する。双方向３相ＡＣ／ＡＣコンバーター４２０が、固定周波数ｆ１におけるＡＣ電圧を可変周波数ｆ２における３相可変ＡＣ入力電圧Ｖｉｎに変換し、これが３相機械エネルギー入力４１３に供給されて固定子巻線Ｓ４０４に通電し、ＷＲＩＭに電力を供給してＮ個の３相三次巻線４１２に通電する。

各３相エネルギー貯蔵ポート４１４は、双方向３相ＡＣ／ＤＣコンバーター４２４に接続され、コンバーター４２４はエネルギー貯蔵要素（ＥＳＥ）４２６に接続される。ＡＣ／ＤＣコンバーター４２４が整流モードで動作するように制御されると、ＤＣ電圧及び電力がＥＳＥ４２６に加えられてＥＳＥを充電する。ＡＣ／ＤＣコンバーター４２４が整流モードで動作するように制御されると、ＥＳＥ４２６は放電して、三次巻線においてＡＣ電圧を生成し、これが回転子巻線４０４に磁気的に結合された総磁束に寄与して、３相負荷生成出力４１６において３相出力電圧ＶｏｕｔＡＣを生成する。

出力電力は、３相双方向ＡＣ－ＤＣコンバーター４３０を通してパルス形成ネットワーク（ＰＦＮ）４３２に送られる。ＰＦＮは２段ＰＦＮ（Ｌ１、Ｃ１、Ｌ２、Ｃ２）として示され、それによって、ＰＦＮの充電は、インダクタＬ１の入力側に接続されたＩＧＢＴまたはサイリスタなどの直列接続された固体スイッチによって制御される。出力負荷ＲＬ４３４は、固体または電気機械式であり得るスイッチＳＷ１を閉じることによって制御される。

回転子巻線Ｒは、図示したような３つの線間短絡接触器、真空遮断器４３６、またはその３相出力ポートに接続された電子スイッチ（ゼロ速度からの始動モードに使用される）のセットを有する。ＷＲＩＭは、回転子巻線が短絡している従来のＷＲＩＭと同じように始動し、このモードではｍ巻線Ｔ１－Ｔ２－Ｔ３は開回路である。

負荷力率コントローラー４３８が、回転子巻線の３相出力において３相負荷生成出力４１６に接続される。ＷＲＩＭが全速に達した後、コントローラー４３８は、本来は抵抗負荷４３４にインダクタンスを加えて、ＷＲＩＭの力率を低下させることができる。これにより、回転子電流が増加し、動作スリップも変更され、その結果、回転子の回転速度が変化して、ＡＣ出力電圧が目標電圧の許容範囲内に維持される。

図４Ｂに、業界では一般的な双方向３相ＡＣ／ＡＣコンバーター４２０の実施形態を示す。ＡＣ／ＡＣコンバーター４２０には、サイリスタ４４６の第１及び第２のグループ４４２及び４４４（各相に２つの直列接続されたサイリスタ、合計で１２個）、または代替的に、ＤＣリンク４４８にわたって逆並列に接続された絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）が含まれる。３相ＡＣ電源４１８は、第１のグループ４４２の各対においてサイリスタ４４６間に接続される。３相機械エネルギー入力４１３は、一方の側の一次巻線に接続され、第２のグループ４４４の各対においてサイリスタ４４６間に接続される。ゲート制御が、１つ以上のゲートコントローラー４４８によって各サイリスタ４４６の３番目のリードに提供される。コンバーターは、固定周波数ｆ１におけるＡＣ電圧を可変周波数ｆ２における可変ＡＣ入力電圧に変換する。「Ａ ＢＡＳＩＣ ＧＵＩＤＥ ＴＯ ＰＯＷＥＲ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ」Ａｌｂｅｒｔｙ Ｋｌｏｓｓ，Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ、第８章Ｐｏｗｅｒ Ｂａｌａｎｃｅ ｉｎ Ｔｈｒｅｅ－Ｐｈａｓｅ Ｂｒｉｄｇｅ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ、ページ１００～１１５，１９８４を参照のこと。

図４Ｃに、業界では一般的な双方向３相ＡＣ／ＤＣコンバーター４２４の実施形態を示す。ＡＣ／ＤＣコンバーター４２４には、３相パッシブダイオードブリッジ整流器４５０とアクティブサイリスタ（またはＩＧＢＴ）インバータ４５２とが含まれる。これらは、３相エネルギー貯蔵ポート４１４における三次巻線４１２とＥＳＥ４２６との間に並列に接続されて、ＥＳＥをそれぞれ交互に充放電する。整流器４５０は、３対の直列接続されたダイオード４５４を含む。３相エネルギー貯蔵ポート４１４は、それぞれの対においてダイオード４５４間に接続される。整流器４５０は、３相エネルギー貯蔵ポートにおけるＡＣ電圧４１４をＤＣ電圧に変換し、ＤＣ電圧はＥＳＥを充電するために印加される。インバータ４５２は、３対の直列接続されたサイリスタ４５６を含む。ゲーティングコントローラー４５８が、サイリスタ４５６の３番目のリードを駆動する。３相エネルギー貯蔵ポート４１４は、それぞれの対においてダイオード４５４間に接続される。インバータ４５２は、ＥＳＥのＤＣ電圧を３相エネルギー貯蔵ポートにおけるＡＣ電圧４１４に変換し、ＥＳＥを放電して負荷を駆動する。「Ａ ＢＡＳＩＣ ＧＵＩＤＥ ＴＯ ＰＯＷＥＲ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ」Ａｌｂｅｒｔ Ｋｌｏｓｓ，Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ、第８章Ｐｏｗｅｒ Ｂａｌａｎｃｅ ｉｎ Ｔｈｒｅｅ－Ｐｈａｓｅ Ｂｒｉｄｇｅ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ、ページ１００～１１５，１９８４を参照のこと。

図４Ｄに、業界では一般的な電力コントローラー４３８の実施形態を示す。負荷率電力コントローラー４３８は、回転子の出力において３相負荷生成出力４１６に接続される。コントローラーには３つのレッグがあり、各レッグには、インダクタ４６０（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３）、好適には空芯ＡＣインダクタ、抵抗器（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３）、及び一対のサイリスタ４６２及び４６４（双方向の電流フローをもたらすために逆並列に接続される）の直列接続が含まれる。ゲーティング位相角コントローラー４６６は、ＷＲＩＭコントローラーから信号入力を受け取り、各サイリスタのゲートリードへの制御信号を生成する。負荷率電力コントローラー４３８は、負荷回路の力率を純粋に抵抗性から部分的に誘導性に変更し、これにより、力率がほぼ１から遅れ値に低下する。これにより、回転子電流が増加し、動作スリップも変更され、その結果、回転子の回転速度が変化して、ＡＣ出力電圧が目標電圧の許容範囲内に維持される。多相誘導バンクの使用は、この速度スリップ制御方式において明かな実電力損失がないことを意味する。「Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ＭＡＣｈｉｎｅｓ」Ｐｈｉｌｉｐ Ｌ．Ａｌｇｅｒ著，Ｇｏｒｄｏｎ ａｎｄ ＢｒｅＡＣｈ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，第８章，ページ２６１～２６５，１９７０を参照のこと。

次に図５Ａ及び５Ｂを参照すると、エネルギー貯蔵電源として使用するために構成されたＷＲＩＭ５００の実施形態は、３つの三次巻線グループを備えた１２極１０８スロット／９０スロットマシンである。ＷＲＩＭ５００には、静止磁気コア５０４の周りに３６０度巻かれた一次（固定子）巻線５０２が含まれる。固定子スロット１～１０８は、スロットの下部に位置するデルタ接続で従来の３相巻線内に１２極の重ね巻き完全分散型二重層コイルを含む。この構成は３つのスロット／極／相を有する。二次巻線５０６は、回転子磁気コア５０８の周りに３６０度巻かれている。回転子スロット１～９０は、デルタ接続された重ね巻き９０コイルの完全分散型３相巻線を含む。これは、２．５のスロット／極／相を備えた従来の分数スロット巻線である。相あたり巻数及び電圧は高い。３つの三次巻線Ｔ１５１０、Ｔ２５１２、及びＴ３５１４はそれぞれ、２ｘ６０の周囲度の周りに巻かれ、静止磁気コア５０４の周りにそれぞれ分散される。固定子スロット１～１８は三次巻線Ｔ１を含み、固定子スロット１９～３６は三次巻線Ｔ２を含み、固定子スロット３７～５４は三次巻線Ｔ３を含む。コイルのレイアウトは、すべての３つの巻線に対して正反対に繰り返され、それぞれにおいて３相重ね巻き二重層コイルがあり、すべてのグループ間でガルバニック絶縁されたＹ字型接続となっている。各２極グループは、直径方向の２極グループと並列に接続され、合計４極によって１２０度の円弧が形成されている。一次巻線はスロットの下部にあり、三次巻線はスロットの上部にある。３つの三次巻線の１２極配置を図５Ｂに示す。

次に図６を参照すると、エネルギー貯蔵電源６００の実施形態はＷＲＩＭ６０２を含む。ＷＲＩＭ６０２は、分割された一次巻線６０４Ａ、６０４Ｂ、…、６０４Ｆであって、静止磁気コア６０５の周りに巻かれ、それぞれの双方向３相ＤＣ／ＡＣコンバーター６０６によって駆動される一次巻線６０４Ａ、６０４Ｂ、…、６０４Ｆを有し、双方向３相ＡＣ／ＤＣコンバーター（図示せず）を介してＷＲＩＭの三次巻線に結合された異なるＥＳＥ（図示せず）を同時に充電または放電するためのさらなる柔軟性を提供する。この例では、ＤＣバス６０８が外部電源として機能して、ＤＣ入力電圧を提供する。双方向３相ＤＣ／ＡＣコンバーター６０６のそれぞれは、ＤＣ電圧を、可変周波数を有するＡＣ入力電圧に変換して、分割された一次巻線６０４Ａ、６０４Ｂ、…、６０４Ｂのうちの異なる１つに通電する。この例では、６つの分割された一次巻線があり、それぞれ２個の三次巻線に磁気的に結合され、合計で１２個の三次巻線６１０がある。一般的に、分割された各一次巻線は、任意の数の三次巻線に結合することができる。特定の時点において、三次巻線の各対またはグループは、充電または放電している場合があるが、両方ではない（たとえばＸＯＲ動作）。ただし、三次巻線の異なる対は充電または放電している場合があるが、それらは互いに独立している。固定子は７２個のスロットを有し、分割された一次巻線は４つのスロット／極／相を有している。各三次巻線は、２つのスロット／極／相を有する。回転子巻線６１２は、回転子磁気コア６１４の周りに、６極、合計で５４個のスロット、３つのスロット／極／相に分散されている。半径方向のエアギャップ６１５は、回転子磁気コア６１４を静止磁気コア６０５から分離する。この構成によって、エネルギー貯蔵電源は、ある特定のＥＳＥを同時に充電または再充電する一方で、他のＥＳＥを放電して負荷にエネルギーを供給することができる。

次に図７Ａ～７Ｄ及び８Ａ～８Ｃを参照して、６個の三次巻線グループを備えた１２極７２スロット／９０個のスロットＷＲＩＭに対する巻線図及び設計表を例示する。

図７Ａに示したように、巻線形誘導機内の１２極の一次（固定子）巻線７００は、３相入力用に配置された一次巻線において合計７２個の固定子スロット及び７２個のコイルを有する。各相は、すべてのコイルが直列接続であり、相あたり２４個のコイルがある。２つのスロット／極／相があり、１セットに対しては２つのコイルが同じ方向に巻かれ、そして、セット内の次の２つのコイルに対しては巻き方向が交互に変わることを示している。たとえば、コイル１及び２は時計回りに巻かれ、コイル７及び８は反時計回りに巻かれて、繰り返し可能なパターンである。一次コイルは機械の周囲に均一に分散される。好ましいコイルは、従来技術の機械文献に記載されるように重ね巻き及び二重層である。典型的な導体材料は、撚り合わせ絶縁銅線または撚り合わせ絶縁アルミニウム線のいずれかである。各相は、Ｙ字型またはスターポイント中性点接続において終了する。本発明は、コイルがデルタ構成で配置されている場合、及び二相または三相超えの構成で配置されている場合にも、等しく適用される。好ましい実施形態では、一次巻線は、固定子スロットの最下層において巻くことができ、三次巻線は最上層において巻くことができる。

図７Ｂに示したように、１２極の二次（回転子）巻線７０２は、３相入力用に配置された二次巻線において合計９０個の回転子スロット及び９０個のコイルを有する。各相には２つのグループが並列に存在し、相及びグループあたり１５個のコイルがある。２．５のスロット／極／相があり、１セットに対しては２つまたは３つのコイルが同じ方向に巻かれ、そして、セット内の次のコイルに対しては巻き方向が交互に変わることを示している。すべてのコイルは、同じ巻数及び導体断面積を有し得る。たとえば、コイル１、２及び３（「Ｓ極」）は時計回りに巻かれ、コイル９及び１０（「Ｎ極」）は反時計回りに巻かれて、繰り返し可能なパターンである。二次コイルは、機械回転子の周囲３６０度に均一に分散される。好ましいコイルは、従来技術の機械文献に記載されるように同心巻きまたは重ね巻き二重層である。典型的な導体材料は、撚り合わせ絶縁銅線または撚り合わせ絶縁アルミニウム線のいずれかである。各相はデルタ接続において終了する。励起入力用の機械の３つのスリップリングにアクセスするためには、端子Ａ１をＣ２に接続し、端子Ｃ１をＢ２に接続し、端子Ｂ１を端子Ａ２に接続する。

図７Ｃ～７Ｄに示すように、主電気機械の６つの三次の交流巻線７０４を使用して、エネルギー貯蔵ユニット（ＥＳＥ）に、個々のＡＣ／ＤＣ電力コンバーターを通してアクセスする。６つのグループの各１つは、２つの極または固定子スロット周囲の６０度を占める。全部で１２の極がある。図のブロック上の数字は、周囲に順番に配置されたコイル１～７２として接続された実際の三次コイル番号に対応する。好ましい実施形態では、合計７２個の固定子スロットがある。コイルは、相あたり２つの並列グループによりＹ字接続で配置される。各グループは合計で１２個のコイルを有し、これは３相巻線であるため、設計数ｑ＝２スロット／極／相となる。コイルあたりの巻数は指定されていない。なぜなら、これは正確にどのタイプのエネルギー貯蔵ユニットを使用するか（たとえば、電気化学電池または静電キャパシタ）に依存するからである。一般的に、これらのコイルは低電圧高電流サービスを目的としている。好ましいコイルは、従来技術の機械文献に記載されるように重ね巻き及び二重層である。典型的な導体材料は、撚り合わせ銅線または撚り合わせアルミニウム線のいずれかである。コイル１～１８及び１９～３６は「Ｎ極」用に巻かれ、コイル３７～５４と５５～７２とは「Ｓ」極用に巻かれ、交番磁界を生成する際の電流フローの相対的な方向を規定する。本発明は、コイルがデルタ構成で配置されている場合、及び二相または三相超えの構成で配置されている場合にも、等しく適用される。好ましい実施形態では、三次巻線は共通の固定子スロットを一次巻線と共有する。

６つの三次巻線グループを備えた１２極７２／９０のスロットＷＲＩＭの一次巻線（固定子）、二次巻線（回転子）、及び三次巻線の特定の実施形態に対する設計表８００、８０２、及び８０４を図８Ａ～８Ｃに示す。

本発明のいくつかの例示的な実施形態について図示及び説明してきたが、多くの変形及び代替的な実施形態が当業者に想起されるであろう。このような変形及び代替的な実施形態は考慮されており、添付の特許請求の範囲に規定された本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく作ることができる。

Claims (20)

1. エネルギー貯蔵電源であって、
   可変周波数における可変ＡＣ入力電圧Ｖｉｎを受け取るように構成された機械入力と、
   巻線形誘導機（ＷＲＩＭ）であって、
   第１の磁気コアの周りに３６０度巻かれ、前記入力に結合されて前記ＡＣ入力電圧Ｖｉｎを受け取る一次巻線と、
   前記第１の磁気コアに対して回転するように構成された第２の磁気コアの周りに３６０度巻かれ、負荷生成出力に結合された二次巻線と、
   Ｎ個の三次巻線であって、それぞれ３６０／Ｎ巻かれ、前記第１の磁気コアの周りに分散され、前記一次巻線及び前記二次巻線の両方に磁気的に結合された、前記三次巻線と、
   を含む、前記巻線形誘導機と、
   Ｎ個のエネルギー貯蔵要素（ＥＳＥ）と、
   Ｎ個の双方向ＡＣ／ＤＣコンバーターであって、それぞれ前記三次巻線のうちの１つを前記ＥＳＥのそれぞれに結合する、前記双方向ＡＣ／ＤＣコンバーターと、
   ＷＲＩＭコントローラーと、を含み、
   充電状態では、前記ＡＣ入力電圧が前記一次巻線に結合され、移動磁界を生成して前記第１の磁気コア及び前記第２の磁気コア間の相対回転を提供し、前記三次巻線を磁化して前記ＡＣ／ＤＣコンバーターを通して電力を供給し、前記Ｎ個のＥＳＥのうちの１つ以上を選択的に充電し、
   放電状態では、前記Ｎ個のＥＳＥのうちの１つ以上が、前記それぞれのＡＣ／ＤＣコンバーターを通してエネルギーを放電し、前記それぞれの三次巻線を励起して移動磁界を生成し、エアギャップを磁化して前記第１の磁気コア及び前記第２の磁気コア間の前記相対回転を補助し、前記二次巻線を磁化するために総機械磁束に個別に寄与して、前記放電中のＥＳＥからの電圧の合計に比例するＡＣ出力電圧を前記二次巻線上に誘導し、エネルギーを前記負荷生成出力に供給する、前記エネルギー貯蔵電源。
2. 外部ＡＣ電源から固定周波数ｆ１におけるＡＣ電圧を受け取り、そのＡＣ電圧を前記入力において可変周波数ｆ２における前記可変ＡＣ入力電圧に変換するように構成されたＡＣ／ＡＣコンバーターをさらに含む、請求項１に記載のエネルギー貯蔵電源。
3. 外部ＤＣ電源からＤＣ電圧を受け取り、そのＤＣ電圧を前記入力において可変周波数における前記可変ＡＣ入力電圧に変換するように構成されたＤＣ／ＡＣコンバーターをさらに含む、請求項１に記載のエネルギー貯蔵電源。
4. 前記ＡＣ出力電圧は、前記二次巻線と前記Ｎ個の三次巻線との巻数比によって決定される変換比によって調整される、請求項１に記載のエネルギー貯蔵電源。
5. 前記変換比は、前記ＡＣ出力電圧を増加させるために、すべてのＮ個のＥＳＥに対して平均して１：１よりも大きい、請求項４に記載のエネルギー貯蔵電源。
6. 前記負荷生成出力は双方向のエネルギーの流れに対して構成され、
   前記ＷＲＩＭは、前記負荷生成出力からエネルギーを選択的に受け取って前記ＥＳＥを充電するように構成される、請求項１に記載のエネルギー貯蔵電源。
7. 前記第２の磁気コアに結合されたフライホイールであって、前記フライホイールは、前記二次巻線を介して前記ＡＣ入力電圧、前記ＥＳＥ、または前記負荷生成出力からエネルギーを選択的に貯蔵し、前記二次巻線を介して少なくとも前記ＥＳＥ及び前記負荷生成出力にエネルギーを選択的に供給するように構成される、前記フライホイールをさらに含む、請求項６に記載のエネルギー貯蔵電源。
8. 前記機械入力は双方向のエネルギーの流れに対して構成され、
   前記ＷＲＩＭは、前記負荷生成出力からエネルギーを受け取り、前記入力に前記エネルギーを戻すように構成される、請求項６に記載のエネルギー貯蔵電源。
9. 前記Ｎ個のＥＳＥは互いに電気絶縁され、前記一次巻線、前記二次巻線、及び前記Ｎ個の三次巻線は互いに電気絶縁される、請求項１に記載のエネルギー貯蔵電源。
10. ｉ＝１～Ｎに対する一次巻数対三次巻数比Ｎｐ／Ｎｔ（ｉ）が、指定されたＤＣ電圧ＶＤＣ（ｉ）を前記Ｎ個のＥＳＥのそれぞれに供給するように独立に構成される、請求項１に記載のエネルギー貯蔵電源。
11. 前記Ｎ個の双方向ＡＣ／ＤＣコンバーターは、１つ以上のＥＳＥを排他的論理和（ＸＯＲ）で選択的に充電するように独立に制御可能であるか、前記１つ以上のＥＳＥを選択的に放電するように独立に制御可能である、請求項１に記載のエネルギー貯蔵電源。
12. 前記一次巻線がＭ個の一次巻線に分割され、各一次巻線がそれぞれの機械エネルギー入力に結合されて前記ＡＣ入力電圧を受け取り、各一次巻線が前記三次巻線のうちの１つ以上に磁気的に結合され、
    前記ＷＲＩＭコントローラーは、前記Ｍ個の一次巻線の第１のサブセットに結合された１つ以上のＥＳＥを同時に充電し、前記Ｍ個の一次巻線の第２のサブセットであって、前記第１のサブセット及び前記第２のサブセットが重複しない前記第２のサブセットに結合された１つ以上のＥＳＥを放電するように構成可能である、請求項１に記載のエネルギー貯蔵電源。
13. 前記負荷生成出力に結合されて誘導抵抗負荷を変調し、前記ＷＲＩＭの力率をアクティブに調整して回転速度を変化させ、前記ＡＣ出力電圧を目標電圧の指定された許容範囲内に維持する負荷率電力コントローラーをさらに含む、請求項１に記載のエネルギー貯蔵電源。
14. 前記第２の磁気コアに結合されたフライホイールであって、エネルギーを貯蔵し、運動エネルギーを前記ＥＳＥまたは前記負荷生成出力に供給する前記フライホイールをさらに含む、請求項１に記載のエネルギー貯蔵電源。
15. 前記ＷＲＩＭコントローラーは、１つ以上のＥＳＥを放電してエネルギーを前記負荷生成出力に第１の時定数で供給し、前記フライホイールを減速させてエネルギーを前記負荷生成出力に第２の時定数で供給するように構成され、前記第２の時定数は前記第１の時定数よりも長い、請求項１４に記載のエネルギー貯蔵電源。
16. 前記放電状態では、前記ＷＲＩＭコントローラーは、前記ＡＣ入力電圧を前記一次巻線から選択的に分離するように構成される、請求項１に記載のエネルギー貯蔵電源。
17. 前記放電状態では、前記ＷＲＩＭコントローラーは、前記ＡＣ入力電圧を前記一次巻線に結合されたままにして、前記負荷生成出力にさらなるエネルギーを前記二次巻線を介して供給するように構成される、請求項１に記載のエネルギー貯蔵電源。
18. エネルギー貯蔵電源であって、
    可変周波数における可変ＡＣ入力電圧Ｖｉｎを受け取るように構成された機械入力と、
    巻線形誘導機（ＷＲＩＭ）であって、
    第１の磁気コアの周りに３６０度巻かれ、前記入力に結合されて前記ＡＣ入力電圧Ｖｉｎを受け取る一次巻線と、
    前記第１の磁気コアに対して回転するように構成された第２の磁気コアの周りに３６０度巻かれ、負荷生成出力に結合された二次巻線と、
    Ｎ個の三次巻線であって、それぞれ３６０／Ｎ巻かれ、前記第１の磁気コアの周りに分散され、前記一次巻線及び前記二次巻線の両方に磁気的に結合された、前記三次巻線と、
    を含み、ｉ＝１～Ｎに対する二次巻線Ｎｓと三次の巻数Ｎｔとの巻数比（ｉ）が、１を超える平均昇圧変換比を規定する、前記巻線形誘導機と、
    前記第２の磁気コアに機械的に結合されたフライホイールと、
    互いに電気絶縁されたＮ個のエネルギー貯蔵要素（ＥＳＥ）と、
    Ｎ個の双方向ＡＣ／ＤＣコンバーターであって、それぞれ前記三次巻線のうちの１つを前記ＥＳＥのそれぞれに結合する、前記双方向ＡＣ／ＤＣコンバーターと、
    ＷＲＩＭコントローラーと、を含み、
    １つ以上の充電状態では、前記ＡＣ入力電圧が前記一次巻線に結合され、移動磁界を生成して前記第１の磁気コア及び前記第２の磁気コア間の相対回転を提供し、前記三次巻線を磁化して前記ＡＣ／ＤＣコンバーターを通して電力を供給し、前記Ｎ個のＥＳＥのうちの１つ以上を選択的に充電するか、または前記二次巻線を磁化し、トルクを生成して前記フライホイールを充電し、
    １つ以上の放電状態では、前記Ｎ個のＥＳＥのうちの１つ以上が、前記それぞれのＡＣ／ＤＣコンバーターを通して放電し、前記それぞれの三次巻線を励起して移動磁界を生成し、エアギャップを磁化して前記第１の磁気コア及び前記第２の磁気コア間の前記相対回転を補助し、前記二次巻線を磁化するために総機械磁束に個別に寄与して、前記放電中のＥＳＥからの前記電圧の合計に前記それぞれの昇圧変換比を乗じた値に比例するＡＣ出力電圧を前記二次巻線上に誘導し、エネルギーを前記負荷生成出力に供給するか、または前記フライホイールがエネルギーを前記二次巻線を通して前記負荷生成出力に放電する、前記エネルギー貯蔵電源。
19. エネルギー貯蔵電源であって、
    巻線形誘導機（ＷＲＩＭ）であって、
    それぞれ３６０／Ｎ巻かれ、第１の磁気コアの周りに分散されたＮ個の三次巻線と、
    前記第１の磁気コアに対して回転するように構成された第２の磁気コアの周りに３６０度巻かれ、負荷生成出力に結合された二次巻線と
    を含む、前記巻線形誘導機と、
    Ｎ個のエネルギー貯蔵要素（ＥＳＥ）と、
    Ｎ個の双方向ＡＣ／ＤＣコンバーターであって、それぞれ前記三次巻線のうちの１つを前記エネルギー貯蔵要素のそれぞれに結合する、前記双方向ＡＣ／ＤＣコンバーターと、
    ＷＲＩＭコントローラーと、を含み、
    充電状態では、外部電源が前記ＷＲＩＭに結合され、移動磁界を生成して前記第１の磁気コア及び前記第２の磁気コア間の相対回転を提供し、前記三次巻線を磁化して前記ＡＣ／ＤＣコンバーターを通して電力を供給し、前記Ｎ個のＥＳＥを選択的に充電し、
    放電状態では、前記ＡＣ／ＤＣコンバーターを通して放電する前記Ｎ個のエネルギー貯蔵要素のうちの少なくとも一部を使用して、前記三次巻線を励起して移動磁界を生成し、エアギャップを磁化して前記第１の磁気コア及び前記第２の磁気コア間の前記相対回転を補助し、前記二次巻線を磁化するために総機械磁束に個別に寄与して、前記放電中のエネルギー貯蔵要素からの電圧の合計に比例するＡＣ出力電圧を前記二次巻線上に誘導し、エネルギーを前記負荷生成出力に供給する、前記エネルギー貯蔵電源。
20. 前記放電中のＥＳＥからの前記電圧に、前記二次巻線と前記それぞれの三次巻線との巻数比に関連するそれぞれの変換比が乗じられ、合計されて前記エネルギーを前記負荷生成出力に供給し、
    前記Ｎ個のＥＳＥは互いに電気絶縁され、
    エネルギーは、前記Ｎ個のＥＳＥのそれぞれと前記負荷生成出力とにおいて双方向に流れる、請求項１９に記載のエネルギー貯蔵電源。

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