JP2020521418A - 可変コイル結線システム - Google Patents

Abstract

本出願は、コイル又は巻線を備える電気機器（例えば、発電機及びモーター）に関連し、特には、電気機器のコイル又は巻線を、例えば、負荷下において動作状態に応じて動的に構成するシステム、装置、及び方法に関する。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、発電機、電気モーター、又は回生モーター等の回転電気機器に関する。

従来技術の説明
電気モーターや発電機などの電気機器は、一般的に、静的に配線されたコイル結線を有する電気機器に起因する単一速度トルク特性に制限される。配線された機器の巻線は、特定の巻線状態に起因する一定の機能を提供できるのみである。この制限は、単一速度への適用に対して問題ではない。しかし、可変速度への適用に対して、旧来の電気機器に使用できない代替の巻線結線を有することが非常に所望されている。

既存の電気機器の設計は、典型的には、全体のシステムに効率性において付加的な損失を導く、複雑で高価なパワーエレクトロニクスを使用することによって、より優れた制御を行うように試みられてきた。そのようなシステムの一つが、可変周波数駆動であり、効率性を改良するが、全負荷の約５０％に迅速に増加する損失ももたらす。電気機器の動作を最適化する多数の取り組みが存在するが、ほとんどが前後の機器電気動作に焦点を当てており、通常の電気機器に固有の制限を受け入れている。

本発明は、回転電気機器、特には、発電機、電気モーター、又は回生モーターに関し、それらは高効率的であり、固定子又は電機子のコイル又は巻線の結線を、リアルタイムで及び負荷状態において変更する制御システムによってもたらされる改良された性能特性を有している。提案された技術は、独特の新しい電磁気（ＥＭ）技術プラットフォームであり、電気モーター又は発電機のいずれかとして、又は、その両方として、例えば、回生ブレーキのような適用において、作動可能である。電気機器は、一定の設計ポイントにおいて、他の電気機器と実質的に同じ効率で作動し、同じ性能能力を有しているが、電気機器の特定の設計ポイントから離れて動作する場合には、損失を低減する。この技術の一つの利点は、比較的広範囲の動作条件にわたって、改良された性能特性を有するより効率的な電気機器を提供することである。効率性及び性能におけるこの改良点は、他のシステム要素に対して顕著な利点も有する。例えば、この技術は、昇圧コンバーターのような電気要素はもちろん、ギアボックスのような機械的なシステムの必要性を低減する、又は、簡易化する。

電磁気的（ＥＭ）技術のプラットフォームは、アプリケーション専用制御アルゴリズムによって駆動される、最適化された切換技術及びインテリジェントコントローラーを含んでいる。電磁気的（ＥＭ）技術プラットフォームは、既存の電気モーター及び発電機に適合させる独特に設計された制御アーキテクチャーを使用し、それらを、リアルタイムで、及び負荷状態で、多くの異なる機器として動作させることを可能にする。

伝来の配線された機器は、単一速度において最高効率で作動し、安定な適用に対して良好に作動するが、可変的な適用（例えば、再生可能なエネルギータービン、炭素燃焼発電機、電気自動車、工業用モーター）においては顕著な損失を導く。ここに記載されるＥＭ技術プラットフォームは、速度及び、又はトルクの変化に応じて、電気機器の電磁性を変えることで、根本的なパラダイムを変更する。

インテリジェントな切換インターフェースは、コイル巻線を、多数の直列及び並列結合に再結線し、電気機器の最適作動点を効率的に変更する。電気機器の特定の幾何学形状は、それゆえ、より柔軟で可能な速度トルク特性を与えつつ、コア、銅、及び機械的な損失を低減するように連続して最適化される。

動的に構成された電気機器は、効率性又は特定の速度トルク出力特性を選択しながら、多くの異なる電気機器であるように機能する。このことは、回転電気機器の速度が印加された電圧の関数であり、トルクが電流の生成物であることにより、成し遂げられる。これらの電気的特性を制御する能力は、独特の能力を与え、複雑で高価なパワーエレクトロニクス及びそれによる損失をもたらすことなく、既存の技術を越えて電気機器のパラメータを最適化する。

切換制御システムは、リアルタイムで又はほとんどリアルタイムで、負荷条件において、電気機器の巻線を再結線する。切換制御システムは、既存の回転電気機器に直接統合され、任意の数の電気的な装置設計とともに作動するように適合できる。機器巻線をわずかに変更するだけで、切換制御技術が実行される。

ここに記載される装置及び方法は、電気式発電機、電気モーター駆動のアプリケーション、及び電気自動車のようなアプリケーションに要求される全四象限動作へ利点を与える多くの形態で使用され得る。

牽引電気モーターアプリケーションに対して構成された場合、切換制御システムは、ブレーキの全範囲を通して（発電機として）及び加速を通して（モーターとして）より効率的な方法で、電気機器の相対出力及びその電気回路結線の双方を最適化する。この再結線のアプローチは、リアルタイムで非常に迅速なシフトを要求する、電気自動車の作動に理想的である。現在、多くの電気自動車は、回転速度（ＲＰＭ）の範囲内での迅速なシフトが不可能なことによって制限を受け、それらの電気モーターの効率を、比較的狭い帯域のみに置き去りにしている。ここに記載される独特の切換技術は、広範囲の回転速度を通してより効率的な取込と電気エネルギーのトルクへの変換を可能にする。

切換制御システムは、既存の制御パワーエレクトロニクスを促進し、既存の回転電気機器とそれに関連するパワーエレクトロニクスとの間に位置付けられる。それは、余分なコイルを用いない（例えば、コストと重量を増加させる第２巻線を用いない）多くの結線を提供し、コイル又は巻線結線を変更する。既存のコイル又は巻線を使用した場合、切換制御システムのコントローラーは、シャフトにおけるトルク及び回転速度（ＲＰＭ）を評価し、独特の切換トポロジーを使用して、電気機器をリアルタイムで再結線して、結線を最適化する。これにより、損失が低減し、所望の出力特性を確保する。換言すれば、他のシステムが一つの特定作動点に対して配線される場合、電気機器を作動可能とするコイル切換は、実行中又は動的に電気機器の内部構成を変更することで、自己最適化することが可能である。

発電機モードにおいて、機械的エネルギーの変換は、広範囲の効率動作を通して最適化される。モーターモードにおいて、開示された機器制御は、達成可能な他のものよりも、所定の速度でより最適化された出力を与える代替速度トルク曲線を与える。

電気機器の電気的及び機械的特性を制御する能力は、従来の電気機器の非効率性を補うために伝来使用された、ギア、プーリ、水力学等の他の典型的なシステム成分の要求を低減又は取り除くことのできる制御レベルを提供する。

本システム及び方法の実施形態は、複数の機器コイル巻線を変化する直列又は並列組み合わせに接続する、可変構成コントローラーシステム及び方法を含む。加えて、本システム及び方法の実施形態は、スター及びデルタ組合わせを切り換える能力を提供し、所定の型の機器及び所望の動作の固定子及び／又は回転子の巻線を使用する。

技術は、電気機器の動作及び能力に影響する電流環境の変化に適合できる電気機器動作に対して、最適な条件を与えるように設計される。複雑さと能力の範囲は、特定のアプリケーション及び所望の機能に応じている。いくつかのアプリケーションに望ましい切換装置の簡易な形態は、スター−デルタ結線のいずれか間の集中出力を変換する能力に加えて、２つの切換構成間の選択を実行可能である。付加的なコイル切換オプションは、付加的な配線を必要とするが、付加的な電気機器の結線を提供する。

技術は、回転電気機器内に十分な数の導電コイルがある限り、幅広い種類の電気機器の設計に適用できる。これは、技術が、伝来の誘導機、全種類のＡＣ及びＤＣ電気機器、永久磁石（ＰＭ）又は磁場励起電気機器、ブラシ又はブラシレス電気機器に適用され、センサー又はセンサーレス電気機器、及び、又は同期又は非同期電気機器を含むことを意味する。

これらの電気機器設計の全ては、広い動作範囲にわたって高い効率で、機械的エネルギーを電気的エネルギーに、又は、電気的エネルギーを機械的エネルギーに変換する能力に制限される。高価で高コストなパワーエレクトロニクスは、しばしば、従来の唯一の解決策である。加えて、整流器や変換機等の下流側の成分は、従来のアプローチ下で普通に制御不可能な動作条件が与えられると、その効率性に対して影響を受ける。

ほとんどの電気機器の型に対して、使用される多くの制御方法があり、ほとんどは、周波数／電圧‐周波数／電圧比制御システム、６段変換機、パルス幅変調（ＰＷＭ）変換機、空間ベクトル（Ｓｐａｃｅ Ｖｅｃｔｏｒ）、磁場方向制御（ＦＯＣ）等を含む、開示された切換制御システムに当てられている。これらの設計の多くは、ある環境と所望の結果が与えられると、技術を統合する最善の方法を決定する役割を果たすオプションを有している。例として、ＦＯＣシステムは、センサーレスであり、又は、システムの制御を助けるフィードバックループ付きのエンコーダー、ホール効果センサー、又は他の成分を使用する。技術は、多くの電気機器設計に適用できるが、好ましい実施形態は、センサーレス磁場方向制御トポロジーを使用する永久磁石同期装置（ＰＭＳＭ）への技術の実行である。

電気機器再結線技術を通した電気機器の最適化は、電気機器自身の損失の低減以上に利益を与える。発電機としては、コントローラーによって生成される出力信号は、既存のパワーエレクトロニクスに、より最適化された信号を与え、それらの成分に生じる損失に明確に影響する。例えば、インバーターは、それらの設計又は定格状態で動作したとき、最大効率を有する。電気機器が特定された最適範囲から外れると、インバーターの容量は低減する。

機器コイル切換システムは、個々のコイルとして、あるいは、ともに配線されたコイル群として、のいずれかで、一つ以上のコイルとかみ合う又は離れる能力を含む。実際、このことは、与えられた動作条件に対して特定の電気機器を「ちょうどよい大きさ」とすることができ、電気機器の全体の性能特性を改良する。これは、コイル再結線とともに遂行され、電気機器は最適に結線されるとともに、誘導能力を有する適切な大きさであり、与えられた変化する動作条件に適合し続けることができる。

技術のさらなる利益は、従来の設計では不可能な故障許容度のレベルを提供することである。電気機器が、コイルが複数の独立したコイル又はコイル組合せ又は群に分割される方法で配線された場合、一つ又は複数のコイルを解放することは不可能である。一つのコイル又は複数のコイルを解放することになる。コイルの取り外しによって電子機器の機械的又は電気的なバランスが崩れると、対称的にコイルを取り外して、バランスの取れたシステムを維持することが好ましい。これにより、電気機器は損なわれたコイルを切り離すことができ、通常の電気機器では不可能な場所で、電気機器を作動し続けることができる。

コイルの切換は、既存の制御システムへの直接の統合を通して最もよくなされるが、望まれるならば、既存のパワーエレクトロニクスの上流の独立したシステムとして遂行されることができる。スイッチは、任意の数の機械的又はセミコンダクターベースのスイッチ（例えば、ＴＲＩＡＣ、ＩＧＢＴ、ＦＥＴ、ＳＳＲ）とできる。所望されない数のセミコンダクターが、セミコンダクターの損失によって複数のコイルを有する機械の切換に要求される。この場合、いくらかの損失を受けない機械的接点を使用する実施形態が開示される。さらに、簡易化された設計が、部品の数、コスト及び複雑さを低減し、切換のための装置が、この出願に開示される。

コイル結線の変化は、理想的には、様々な過渡状態、特に、起こるかもしれない電圧及び電流スパイクのような望ましくない影響を避けるために、ゼロ公差で実行される。低パワーシステムは、ゼロ公差切換タイミングを必要としないが、高パワーアプリケーションはそれによって大きく利益を受ける。特定のシステムに応じて、様々なアプローチは、この懸念を修正し、好ましいアプローチである切換事象のタイミング、及び／又は、過渡現象を抑制するためのスナバー回路の利用を含んでいる。

技術の実行が、切換可能な電気機器の所望の能力に加えて、電気機器の型、制御システムの型、又は、その二つの組合せに基づいて、決定される。

電気機器自身の効率性の利益に及び最適化されたトルク速度特性に加え、記載される技術が提供する多くの他の利益がある。

ここに記載される装置及び方法は、電気機器を、他の方法で必要とされるよりも、細いワイヤーで巻き回すことを可能とし、歯当たりのワイヤーを多くすることができ、さらに、必要とされるなら又は有益には、並列巻線結線の選択を介して高電流動作を可能とする。このアプローチは、高電流動作に対して並列巻線結線を可能とし、小ゲージのワイヤーを使用する多くのアンペアターンに対して直列結線を可能とする。

電気機器を比較的低速の発電機として動作することにより、コア損失を最小にでき、直列コイル結線に切り換えることで、出力電圧が維持される。コイル切換が可能な電気機器は、固定巻線電気機器と比べて、低速度で所望の電圧を発生させる。ヒステリシス損失及び渦電流（コア損失）を含む損失要素は、有利に低減される。

静的巻線機器の通常の電気機器性能は、リアクタンス及び他のＡＣ影響が速度及び負荷の一定の関数であることで減じられる。巻線インダクタンス及び周波数（速度）は、回転電気機器のインピーダンスに影響し、巻線の再結線は、実際の動作に応じて、例えば、リアルタイムで又はほぼリアルタイムで決定されるように動的に、電気機器のインピーダンスの調整を可能にする。切換可能な電気機器は、電源電圧調整を有し、比較的広範囲の速度にわたって所望の又は特定の出力を与える。

コイル切換巻線再結線は、特に、回転子の風損が損失に著しく寄与する電気機器において、通常の電気機器よりも比較的低速で高い出力電圧を維持できる。高速電気機器において、風損は、電気機器に関連する損失の最も大きい寄与因子である。記載された電気機器は、低速動作を可能にし、所望の又は特定の電圧を与え、効率性を増加させ、メンテナンス及び交換を潜在的に低減する。

直接的な欠陥検知及びコイルの絶縁が取り入れられ、電気機器が修理又は交換されるまで、退化モードで動作を継続することが可能となる。巻線は、固定の巻線電気機器における不具合の一つの点である。

コイル結線を切り換えて、制限範囲内で発電機として動作する電気機器の出力電圧を保持することで、降圧／昇圧コンバーターは、発電機の速度に依存して、排除される又は簡易化される。システム電圧及び電流が要求される又は特定の範囲から外れた場合、コンバーターは、信号特性を昇圧（増加）又は降圧（低下）することを要求される。コイル切換可能な電気機器は、巻線を再結線することで電源電圧調整を行い、比較的広範囲の速度にわたって所望の又は特定の出力を与える。同様に、技術は、ギアボックスの複雑さの低減又はギアボックスの排除を可能にする。

整流器の固定電圧低下は、低速においてより高い整流器入力電圧を有する直列結線に切り換えることで、少量の発電機出力に保持され、整流器の損失を最小にする。

出力電圧制御は、速度、それゆえ、インダクタンス、周波数、リアクタンス及びインピーダンスの制御を可能にし、負荷と一致した場合に、電力伝達を改良する。電源から負荷への効率的な電力伝達は、システム内で整合する回路インピーダンスに依存する。

電源と負荷間のインピーダンスの不整合は、負荷への電源伝達を損ない得る。切換制御システムは、インピーダンスを整合のための既存の一組の装置とともに動作する一次電源インピーダンス制御を与える。

開示された切換制御システムは、電動及びハイブリッド車両に適用される場合に、特に有益である。また、バッテリー又は他の電力保存機器（例えば超コンデンサー）に充電する他の車両への適用にも有益である。切換技術は、アプリケーション特有の利点を提供し、より最適な充電動作をアシストすることができる。

切換制御システムは、充電の最適化を提供し、バッテリー又は四象限一次モーターの一部として他の電力保存装置に使用され、及び／又は、発電機のみに適用される。特定電圧が要求されて、充電のためのバッテリー電圧を越えた場合、電気機器状態は、この充電状態に対して十分な電圧を提供しない。高電圧巻線が必要とされる場合、電気機器は多くのコイルを直列結線に移行し、低電圧が必要とされる場合、多くのコイルを並列に切り換える。電圧を維持するこの能力は、電圧コンバーター及び調節器を用いずに充電を最適化する。

電気機器設計において固定子アーキテクチャー内の複数のコイルへの材料移行がある一方で、少数の固定子巻線のみを有する多くの電気機器がある。これらの電気機器に対してコイル切換を行う機会を生成するために、固定子の歯への巻線は、複数の別々のコイル巻線に分割される。複数のコイルは、任意の数の方法で配置される。例えば、集中した巻線アーキテクチャーに対して、巻線は複層化される、又は、中央でタップされた変圧器コイルのように、コイルの中央がタップオフされたワイヤーで分離される。少なくとも一つの実施形態において、中央がタップされた型のコイルは、より効率的な整流を適用する方法で使用される。変圧器の適用とともに実行されると、個々の歯又は歯の巻線は、受動的な整流に対して、４つよりも、２つのみのダイオードを必要とする。実際に、このことはダイオードの降下を５０％低減し、信号の全波形の整流を可能にする。

均等化制御は、出力特性の変更であり、電気機器が一つの構成から他に切り換えると、電気機器に対して正しい動作を維持する。いくつかの型の電気機器の速度は周波数によって制御され、他の型の電気機器は、電圧のような他の変数で制御される。

コイルが急に切り換えられると、切換制御システムは、切換事象及びシステムの電気的及び機械的特性へ事象が及ぼす関連のそれぞれを補償する。例えば、切換事象が実行されると、電気機器の巻線の材料の変更が発生し、電圧及び電流特性が著しく変位する。これらの特性は、電気機器の型及び使用される切換制御システムに応じて、電気エネルギーがどのように機械エネルギーに変換したかに役割を果たしている。例えば、結果的に生じる電気機器のトルク及び速度のプロファイルにおける材料変位である。ある適用において、回転速度及びトルクは、維持され、理想的には電流動作条件に対して最適化される。その結果、これらの変化を補償するための様々なアプローチが使用される。

各結線回路は、電気要素に組み入れられ、システムの最適化をアシストし、システムの過渡現象を制御するスナバー回路のような抑制システムと同様に、結線に与えられる適正な量の容量の追加を含んでいる。適切な分路抵抗を加えることも有益であり、最適な電力変位を、負荷が与えられた一定の動作状態に維持する。

切換事象が引き起こす問題の例は、一定電圧周波数比駆動と呼ばれるＰＭＳＭ駆動の最も基本的なタイプの一つである。このタイプのシステムにおいて、電圧周波数比は、コントローラーによって維持される。一定電圧比システムにおいてＰＭＳＭに加えられる機械的負荷の任意の著しく急激な増加は、回転子を同調させなくする。このことは、一定電圧周波数比ＰＭＳＭ駆動においてＰＭＳＭによって発生するトルクを越えた制御の不足による。その結果、ＰＭＳＭに加えられる機械的負荷が急に変わった場合に、必要に応じて調整されることが不可能となり、回転子を同調させなくする。

同様に、同調させなくする負荷の変更よりも、切換事象からの電気的及び機械的なシフトは、同調の損失も引き起こす。この不必要な影響を避ける一つの方法は、入力を切り換えて電流状態（電流コイル結線）に適合させる制御された電流調節器を使用することである。これを遂行する別の方法は、信号特性をコイル結線の変化とともに最適な状態に移行する降圧又は昇圧コンバーターを使用することである。

多くの制御システムが、開示された切換装置とともに使用されるが、好ましい実施形態は、空間ベクトル磁場方向制御、主に空間を使用する。

ベクトルＦＯＣ制御は、回転子の磁束と固定子の磁石の磁束（ＰＭ装置と仮定する）との間の同調関係が、変換機の周波数において突然のシフトで失われることがないように設計される。ベクトル制御ＰＭＳＭ駆動の速度命令パラメータが、２４００から４８００ｒ／ｍに急激に増加すると、ＰＭＳＭの回転速度は、２４００から４８００ｒ／ｍに急激に増加する。コイル切換システムをこれらのシステムに組み込むことは、電気機器の動作能力を増加させ、さらに、ＦＯＣ制御に役立つ。最適なコイル切換移行に対しては、ＦＯＣへの少しの変更が必要である。

制御の変更は、既存の速度命令制御を通して、切換技術のベクトルＦＯＣシステムへの統合を最適化する。速度命令フィードバック制御ループは、最大トルクを維持しつつ、所望の速度を維持するように設計される。このことが、ＰＭＳＭが電気モーターとして動作する場合に、固定子の磁場が常時回転子の磁場に９０°ずつ先行することを確保することで、遂行される。このことは、機械的負荷の変動にも関わらず遂行される。

コイル切換事象において、電流は所望の制限を超えるが、ベクトルＦＯＣの要素はコイル変位に適合する。速度フィードバック制御ループによって発生する速度エラーは、電流フィードバック制御ループの命令として使用される前に、リミッターを介して通過する。このことは、電流命令からの電流の最大値、それゆえ、ＰＭＳＭが発生を可能とする最大トルクを制限する。制御アルゴリズムは、正確である必要があり、これらの変化を切換事象に対する理想的な動作を確保するように適合させる必要がある。

他の制御システムにおいて、コントローラーの能力は、切換事象に適合するようにあまり適していない。コイル切換事象が、適用に望まれないシャフトに加わるトルクの急な混乱を引き起こすと、他のアプローチが使用される。このシステムにおいてコイル切換事象の機械的な衝撃を和らげるために、簡易な制御方法が使用される。全ての段階からの全コイルが同時に再結線され、シャフトへの最大トルク変化（回転機械を考慮して）を発生させるのではなく、コイルを経時的に移行させることができる。これは、異なる時間でかみ合う単相又は複相システムにおける様々なコイル又はコイルのグループ化によって遂行でき、又は、コイルのグループ化としての別々の機器の相を使用して遂行できる。

三相電気機器において、相転移のタイミングは、コイルの各相が、やや異なる時間で新しい結線に移行するようにずれている。電気的なずれは、全体的なトルク転移を経時的に三分の一セグメントに分割する機械的なずれを発生させる。

例えば、第一相が新しい結線にシフトした後、次の相は２００ｍｓの間活動せず、次に相が切り換わると、最後の相がその後２００ｍｓ活動する。このシナリオにおいて、三相の全コイル再結線は、０．５秒以下で行われるが、トルク転移は緩和され、機械的な要素の時間がトルクを吸収して転移を円滑にし、システムへの機械的なストレスを小さくする。

一つの結線から他の結線への円滑な転移を可能にする他のアプローチは、段階的な相転移を伴って、又は伴わずに使用されるパルス幅変調（ＰＷＭ）の実行である。これは、短い時間で（ランプ周期のような）電気特性へ移行させ、電気的及び機械的変化を、突然の明白な力事象なしにシステムに吸収させる。

図面において、同一の参照数字が、同様の要素又は実行を特定する。図における寸法及び相対位置は、必ずしも縮尺通り描かれているとは限らない。例えば、様々な要素の形状及び角度は、必ずしも縮尺通り描かれているとは限らず、それらの要素のいくつかは、図の読みやすくするために、任意に拡大され、位置決めされている。さらに、描かれているように、要素の特有の形状は、必ずしも特定の要素の実際の形状に関連する任意の情報をもたらすように意図されておらず、図面における認識のしやすさのみで選択されている。

少なくとも一つの例示された実施形態において、電気機器及びコイル切換システムを含む、電気機器システムの模式的な図である。 少なくとも一つの例示された実施形態において、複数のスイッチを使用する、図１の電気機器システムを介して実現可能な又は実行可能な複数の電気的切換方式の模式的な図である。 少なくとも一つの例示された実施形態において、電動ポジショナーを使用する、図１の電気機器システムを介して実現可能な又は実行可能な複数の電気的切換方式の模式的な図である。 少なくとも一つの例示された実施形態において、例えば、図３Ａの表にしたがって、図１の電気機器システムを介した複数の電気的切換方式の実現又は実行を可能とする電動ポジショナーの模式的な図である。 少なくとも一つの例示された実施形態において、切換組立と、切換組立を制御するために通信可能に結合された制御システムを含む、コイル切換システムの模式的な図である。 少なくとも一つの例示された実施形態において、複数のコイル結線を提供しつつ少数の成分を有利に使用する、簡易化されたコイル切換結線アーキテクチャーを示す模式的な図である。 少なくとも一つの例示された実施形態において、電気モーター及び発電機の両動作に対する電気機器巻線コイル結線を変更するように動作可能な、回転切換制御組立の横前側等角図であり、回転切換制御組立は、外筒と、外筒に回転可能に受け入れられる内筒と、を有し、外筒と内筒との間には電気接点又は電極が設けられ、さらに、電極に通信可能に結合する電気回路と、を含んでいる。 図６Ａの回転切換制御組立の前横側の等角図である。 図６Ａの回転切換制御組立の前面図である。 図６Ａ〜６Ｃの回転切換制御組立の内筒の横前側の等角図であり、電気接点又は電極と、内筒を外筒に回転可能に取り付ける一組の軸受を良く示している。 図６Ａ〜６Ｃの回転切換制御組立の外筒の横前側の等角図であり、外筒を良く示している。 少なくとも一つの他の例示された実施形態において、相コイル切換に作用するシステムの模式的な図である。 少なくとも一つの他の例示された実施形態において、１２コイル三相機器に使用される切換ドラムの一組の接続の模式図であり、並列に接続された各相からの全てのコイルを有している。 少なくとも一つの他の例示された実施形態において、１２コイル三相機器に使用される切換ドラムの一組の接続の模式図であり、直列に接続された各相からの全ての巻線を有している。 少なくとも一つの他の例示された実施形態において、１２コイル三相機器に使用される切換ドラムの一組の接続の模式図であり、コイルが直並列（直列及び並列）の２つのコイルに分割されている。 少なくとも一つの他の例示された実施形態において、１２コイル三相機器に使用される切換ドラムの一組の接続の模式図であり、コイルが直並列（直列及び並列）の２つのコイルに分割され、複数のスナバーを有している。 少なくとも一つの他の例示された実施形態において、巻き回された２つのコイルを有する固定子の歯の平面図である。 少なくとも一つの他の例示された実施形態において、巻き回された２つのコイルを有する固定子の歯の平面図である。 少なくとも一つの他の例示された実施形態において、巻き回された３つのコイルを有する固定子の歯の平面図である。 少なくとも一つの他の例示された実施形態において、巻き回された３つのコイルを有する固定子の歯の平面図である。 少なくとも一つの他の例示された実施形態において、多タップ付きコイルの典型的な一組を示す模式図である。 少なくとも一つの他の例示された実施形態において、中央タップ付き整流を実行する回路を示す模式図である。

以下の説明において、ある特定の詳細が、様々な開示された実施形態の完全な理解を提供するために、明らかにされる。しかし、関連技術の同業者は、実施形態が、一つ又は一つ以上のこれらの特定の詳細なく、又は他の方法、成分、材料等で実行され得ることを認識するであろう。他の例では、電気機器、パワーエレクトロニクス、及び伝達に関連する既知の構造が、実施形態の記載を不必要にあいまいにすることを避けるために、詳細に示されたり記載されたりしない。

文脈が他の方法を要求しない限り、以下の明細書及び請求項を通して、「からなる」及びそのバリエーション、例えば、「からなる」、「からなっている」、などは、「含んでいるがそれに制限されない」のような開放的で包括的な文章として解釈される。

この明細書を通して、「一つの実施形態」又は「実施形態」への参照は、特定の構成、構造、又は特徴が、任意の適切な方法で、一つ以上の実施形態に結合されることを意味している。

この明細書及び添付された請求項に使用されているように、単数形の「ある」、及び「その」は、内容を明確に他の方法で規定しない限り、複数の指示物を含む。「又は」は、内容を明確に他の方法で規定しない限り、「及び／又は」として一般に広義に使用される。

ここに提供される項目及び開示の概要は、簡易化のみのためであり、実施形態の範囲及び意味を説明しない。

コイルを再結線するための最も簡易なアプローチの解析は、固定子（又は２つのコイル組み分け）において相当たりに２つのコイルのみの場合でも、様々なコイルの組合せが実施されると、各固定子導体が、少なくとも一回切り換えられることを示した。

別の切換結線は、ここに検討されるいくつかの様相をもって、一つのコイル結線から、必要とされるスイッチの数を最小とする他のスイッチ結線への移行に使用されてもよい。好ましい実施形態は、ｉ）相からのコイル切換、及びｉｉ）スター結線からデルタ結線へ移行する能力、の双方を取り込むために切換方式を統合する。

任意の切換要素は、電気機器が動作する際に体験した電流及び電圧レベルで連続して動作する必要がある。このことは、電気機器の電気容量に応じて変化する。いくつかの電気機器において、機械的な接点を使用して、コイル間の必要な接続を形成することが所望される。それゆえ、軸駆動され、カム動作する切換配置（ドラムコントローラーとして時々記載される）が、有利に使用され得る。その実行の利点は、金属‐金属接点間の損失を小さくできるので、損失するエネルギーの量が少ないことである。

１０アンペアの負荷でそれぞれ１００ｍＶ降下する合計２０個の接点の通常の損失は、約２０ワットである。ここで、最大数の切換要素が、与えられた時間で全てＯＮであることはまずない。

より大きい電気機器はより大きい耐電力特性を必要とし、その場合、リレーを使用するコイル切換器が適切である。損失は、接点抵抗とリレーコイルを駆動するために使用されるエネルギーの双方によってより高くなる。典型的なシナリオは、２０アンペアの負荷でそれぞれ１００ｍＶ降下する２０個の接点（４０ワット）に、２４Ｖの作動電圧で１００ｍＡの通電されたコイル（４８ワット）を加えた合計８８ワットの消失を含む。ここで、再度、最大数の切換要素が、与えられた時間で全てＯＮであることはまずない。

第３の代案は、処理装置（例えば、コンピューター、マイクロプロセッサー、マイクロコントローラー、特定用途集積回路、プログラム可能な論理コントローラー、フィールドプログラマブルゲートアレイ）によって制御される固体スイッチの配置である。このことは、いくつかのデバイスがスイッチャー内におけるそれらの電気的な位置によって高い側のゲートドライブを必要とするため、より技術的な難題である。利点は、それらの信頼性と静音動作において得られる。それぞれが７００ｍＶの接合電圧降下で２０アンペアを運ぶ２０サイリスタスイッチに対する突出した損失は、２８０ワットである。再度、典型的には、全ての要素は与えられた時間でＯＮではない。

例示を簡易にするために、切換要素は、いくつかの切換位置に複数の接点が必要であるにもかかわらず、単極単投スイッチ（ＳＰＳＴ）として一般に示される。いくつかのスイッチ（例えばＲ４又はＲ９）は、複数の単極領域を有し、必要な切換を実行するために必要な数の接点を与える。実際には、等価な多極離リレー又はスイッチが使用される。

一つのコイル結線から他のコイル結線への切換は、「開遷移」として、又は「閉遷移」として実行される。開遷移は、変化が一つのコイル結線から他のコイル結線へなされると、コイル切換システムが、負荷への出力が中断された際に短い時間を与えると仮定している。これは、ＡＣ機器、特に三相モーター、におけるスター−デルタ起動の場合に共通である。相電流のゼロ公差のリアルタイムでの検知は、切換の途切れを最小とし、出力の中断を最小にする。

閉遷移もモーターの起動技術に使用され、一つのコイル結線から他のコイル結線への変化が、出力が途切れることなく起こることを意味している。転移中の出力レベルに避けられない段階変化が生じる可能性があるが、開遷移よりも、システムの全体を混乱させることは少ないと考えられる。閉遷移は追加の切換要素を使用して、一つのコイル結線から他のコイル結線への変化がなされる際に、２つの連続するコイル結線を簡単に相互接続させることができる（通常は、負荷制限レジスターによって）。

選択された切換要素に関わらず、システムの全体に関連するコントローラーはマイクロプロセッサーベースであることが予測される。多くの組み込みマイクロコントローラー及び／又はプログラム可能な論理コントローラーが商業的に使用可能であり、それぞれは、十分な入力／出力及び信号処理能力を有し、プロセッサー又はコントローラーに直接リレー又は固体装置を駆動させる。同様に、機械的スイッチのバージョンでは、マイクロコントローラーを用いて制御可能であり、ステッパーモーター又は他のインデックスシステムを駆動して、ドラム切換機内の機械軸を移動させる。固体スイッチ又はリレーが使用される場合に対して、いくつかのマクロコントローラーは、組み込まれた機能を有し、上記の物理的なドラムスイッチをエミュレートする。一つの利点は、機械的な駆動列及び機構を不要とし、様々な位置での切換を提供することである。

例示のため、三相１２導線電気機器が、コイル切換配置を説明するモデルとして選択された。巻線切換システムの開発において、そのような機器は、最大で６個の異なる巻線の結線を提供することができ、切換の概念を十分に説明できる。電気機器の他の構成が使用されてもよい。

いくつかの切換技術が使用可能である。例えば、電気機械的なリレーが、一つ以上のセンサーからの情報に応じて、コンピューティング装置によって制御され、電気機器の動作条件が変化すると、電気的な結線を変化させる。これにより、相コイルセグメントを直列又は並列結線に設定し、システムの全体が、スター又はデルタ結線に接続されることを可能にする。例えば、固体切換要素は、一つ以上のセンサーからの情報に応じてコンピューティング装置によって制御され、機械的な接点ではなく、電気機械的なリレーの実施形態と同様の方法で機能する。さらに、例えば、集積された、電気的に制御される、専用の切換組立は、一つ以上のセンサーからの情報に応じてコンピューティング装置によって制御される。このアプローチは、全体のパッケージをより小型化し、電気機器システムの全体へ容易に組み込まれる。

図１は、少なくとも一つの例示された実施形態において、電気機器１０２及びコイル切換システム１０４を含む電気機器システム１００を示す。

電気機器１０２は、例えば、一対以上の南磁極と北磁極からなり、磁性材料の固定子１０２ｂの周囲を回転する永久磁石（ＰＭ）回転子１０２ａを含む。発電機として作動する場合、回転子１０２ａは、一定又は可変速度特性を有する原動力によって機械的に駆動される。

固定子１０２ｂは、複数の組の電気的コイル１０２ｃ、１０２ｄ（図１には２つのみが示されている）を備え、それらは、一般に互いに等間隔で配置され、固定子１０２ｂの周囲に等しい角距離で分散されている。所定のコイル組は、２つ以上のセクション１０２ｃ、１０２ｄから構成されている。各コイルの各セクションからの電気接続１０６（図１には２つのみが示されている）は、固定子１０２ｂの外部に表され、コイル切換システム１０４の一部であるコイル切換組立１０８と電気的に接続している。

コイル切換システム１０４を説明するため、固定子１０２ｂが、典型的な３相配置における、全部で６個のコイルを有するとして示されて記載されているが、他の実施形態も可能である。例示された実施形態は、以下のように、６個の切り換えられた配置を可能とする。
ａ．単一スター結線、３つのコイルの一組が、単一のスター結線に結合している；
ｂ．２つのスター結線の並列、３つのコイルの二組が、それぞれスター結線に互いに結合し、二組のスター結線合したコイルが、互いに並列に結合している；
ｃ．単一デルタ結線、３つのコイルの一組が、単一のデルタ結線に結合している；
ｄ．２つのデルタ結線の並列、３つのコイルの二組が、それぞれデルタ結線に互いに結合し、二組のデルタ結線したコイルが、互いに並列に結合している；
ｅ．全スター結線、コイルの３対の一組が単一のスター結線に結合し、各対のコイルが、各対の他のコイルに直列に結合している；
ｆ：全デルタ結線、コイルの３対の一組が単一のデルタ結線に結合し、各対のコイルが、各対のコイルに直列に結合している。

電気機器が複数のコイルを有する場合、付加的に切り換えられる配置が可能である。例えば、コイル切換システム１０４は、３つ以上のスター又はデルタ結線の並列又は全スター結線又は前記デルタ結線の配置を実現し、それぞれの脚は、コイル対ではなく、直列に結合した３つ以上のコイルの組からなる。

切換組立１０８は、すべてのコイル接続に電気的に結合している。コイル切換システム１０４も制御システム１１０を含み、この制御システム１１０は、一つ以上のプロセッサー又はマイクロプロセッサー又は他の電気回路を含み、その動作は、任意の所望のコイル接続を任意の他の一つの又は複数のコイル接続とする。形成された任意のコイル接続に対して、３つの接続が、外部負荷１１２への出力として使用可能となる。

与えられたコイル切換配置を選択しやすくするため、一つ以上のセンサー１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ（図１に示される３つの異なる型の全７つのセンサー）が、例えば以下のように、制御システム１１０に信号を提供する：
ａ．出力電圧、
ｂ．出力電流、
ｃ．回転子のＲＰＭ、
ｄ．回転子の相対角度。

計算された各切換配置に対して、制御システム１１０のコントローラーは、一つ以上のリレーを駆動し、一つ以上の固体スイッチをＯＮとする、または、電動ポジショナーに一群のコイル接続間の一つ以上の接続を形成させる（図２及び３に示されるように）。

特に、図２は、少なくとも一つの例示された実施形態において、複数のスイッチを使用する、図１の電気機器システムを介して実現される又は実行される複数の電気的切換方式２００の模式図を示す。スイッチのそれぞれの状態（すなわち、ＯＮ、ＯＦＦ）は、電気機器１０２の作動状態を示す情報に基づいて、制御システム１１０のコントローラーによって制御される。スイッチは、機械的なスイッチ（例えば、電気機械的なリレー）又は固体スイッチ（例えば、ＭＯＳ−ＦＥＴ、ＩＧＢＴ、固体リレー）、又は機械的スイッチと固体スイッチとの組み合わせとできる。

特に、図３Ａは、少なくとも一つの例示された実施形態において、電動ポジショナー３００ｂ（図３Ｂ）を介して、図１の電気機器システムを介して実現される又は実行される複数の電気的切換方式の表である。図３Ｂは、少なくとも一つの例示された実施形態において、電動ポジショナー３００ｂを示す。電動ポジショナー３００ｂは、例えば、複数の電気的切換方式３００ａ（図３Ａ）の表に従って、図１の電気機器システムを介して複数の電気的切換方式を実現又は実行可能である。電動ポジショナー３００ｂの位置（例えば、角度方向）は、電気機器１０２の作動状態を示す情報に基づいて、制御システム１１０のコントローラーによって制御される。

図４は、少なくとも一つの例示された実施形態において、コイル切換システム４００を示す。

コイル切換システム４００は、切換組立４０２と、一つ以上のプロセッサー又はマイクロコントローラー又は他の電気回路（個々に又はまとめてコントローラーと呼ぶ）を含む制御システム４０４を含み、制御システム４０４は、切換組立４０２を制御して、任意の所望のコイル接続を任意の他の単一の又は複数の巻線接続とするように動作する。

図５は、少なくとも一つの例示された実施形態において、複数のコイル結線を提供しつつ少数の成分を有利に使用する、簡易化されたコイル切換構成アーキテクチャー５００の図を示す。コイル切換結線アーキテクチャー５００は、セミコンダクタースイッチ又は機械的スイッチのいずれか、又は、セミコンダクタースイッチと機械的スイッチの双方を使用する。例示された実施形態は、電気機器の三相のそれぞれに一つのスイッチを備えている。例えば、各相は、代表的な１２コイル電気機器の例において、４つのコイル５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃ、５０２ｄ（図５には一つの相のみを示し、まとめて５０２とする）を含む。

図５の例示された実施形態において、４つのコイル５０２の各組は、直列に巻かれているが、第２コイル５０２ｂと第３コイル５０２ｃとの間にスイッチ５０４（図５には一つの相のみを示す）を有し、直列のコイルを、並列に組み合わされた二組の直列コイル５０２ａと５０２ｂ；５０２ｃと５０２ｄに分割している。コイルからの導線の切換は、４極複スローリレー又は代替可能な他の機械的スイッチ、あるいはセミコンダクタースイッチを用いて遂行される。

三相のそれぞれは、三相をスター結線又はデルタ結線のいずれかに結合する第２スイッチ５０６と結合される。スイッチ５０４、５０６は、制御システム５０８を介して提供される制御信号に応じている。実際には、図５の例示された実施形態は、簡易で安価なスイッチ設計を有する４コイル結線を提供し、相当たりに一つの多極リレー５０４（４Ｐ２Ｔ）及び他のスイッチのみを必要とし、全ての相をスター結線又はデルタ結線のいずれかに接続する。

上記のドラム型スイッチではなく、他の実施形態は、切換状態を維持するために進行励起を必要とするリレーではなく、一度で複数の接点を切換可能な切換組立を有利に提供する。

図６Ａ〜６Ｃは、少なくとも一つの例示された実施形態において、電気モーターの動作及び発電機の動作の双方に対する電気機器巻線結線を変更するように動作可能な、回転切換制御システム６００を示す。

回転切換制御組立６００は、側壁６０３を有する外筒６０２（例えば、円筒）を含み、側壁６０３は、外筒６０２の内部６０４をその外部から区切っている。外筒６０２は、例えば、フレームのような補助構造に固定される又は動かないように取り付けられる。

回転切換制御組立６００は、側壁６０７を有する内筒６０６（例えば、円筒）を含み、側壁６０７は、内筒６０６の内部６０８をその外部から区切っている。内筒６０６は、外筒６０２の内部６０４に回転可能に取り付けられ、例えば、外筒６０２及び、又は内筒６０６の縦軸を中心に回転する。

回転切換制御組立６００は、例えば、一つ以上の回路基板（ＰＣＢ）６１２に取り付けられている一組の電気回路６１０を含む。ＰＣＢ６１２は、内筒６０６の内部６０８において、内筒６０６の側壁６０７の一部に取り付けられ、接点導線が内筒６０６の内部６０８の内部に入り込んでいる。ワイヤーハーネス（図示されず）は、接点から全ての導線を、コイル結線を成すＰＣＢ６１２へ接続させている。さらに、ＰＣＢ６１２上の電気回路６１０は、様々な付加的な機能又は動作を実行する。例えば、電気回路６１０は、コイル結線のそれぞれに必要とされる付加的な容量を提供し、異なるコイル結線及びインダクタンスに対する最適化を可能にする。電気回路６１０は、付加的な電子装置を含み、例えば、スナバー回路又は他の抑制又は信号調整回路成分を含む動作を補助する。

外筒６０２の内面は、一列以上の電気接点又は電極６１４ａ、６１４ｂ、６１４ｃ（図６Ｃには３列、図８には２列を示し、まとめて６１４とする）を有し、これらの電気接点又は電極６１４は、回転電気機器のコイル用の専用結線に配線されている。内筒６０６は、同様に、一列以上の電気接点又は電極６１６ａ、６１６ｂ、６１６ｃ（図６Ｃには３列、図７には２列を示し、まとめて６１６とする）に嵌まり込むが、これらは電気機器のコイルに直接向かう電気接点又は電極６１６ａ、６１６ｂ、６１６ｃである。図６Ｃは、内筒６０６の３列の電気接点又は電極６１４のそれぞれの電気接点又は電極を示し、それらは、外筒６０２の３列の電気接点又は電極６１４のそれぞれの電気接点又は電極と並び、かみ合い、電気的に通信している。それらは、電気機器の全体に対して一列でもよく、又は、電気機器の複数の相に与えられた複数の列でもよい。単一列の電気接点又は電極は、単相の電気機器又は三相電気機器用の三組の接点に対して使用される。あるいは、三相全てが、一列の電気接点又は電極に組み入れられる。

内筒６０６は、任意の数の電気接点又は電極を有し、それらは、外筒６０２の側壁６０３の内面の電気接点又は電極の配置に相当する列または配列に配置されている。内筒６０６が制御された方法で回転すると、回転は、外筒６０２に配線された電気機器の導線から引かれた電気接点又は電極を変化させる。

切換は、小型のモーター（図６Ａ〜６Ｃには省略）、又はエンコーダー、又は適切なセンサー、又は制御システムにフィードバック信号を提供する他の構造（図６Ａ〜６Ｃには省略）を介して制御される。モーターは、駆動可能に結合して、内筒６０６を外筒６０２に対して回転させ、接触面を様々な切換結線と選択的にかみ合う又は離れるように向けさせる。別の実施形態では、電磁石を使用して内筒６０６を外筒６０２に対して回転させ、内筒６０６又はその一部を、電磁力によって複数の可能な位置の所望の一つに引き込む。

回転のタイミングは、正確に制御されて、機械的な事象が電気的な事象に確実に一致するように使用され、切換がゼロ交差でなされる。従来においては、燃焼エンジンのスパークプラグを点火するような、高速な機械的な事象に正確に時間を合わせるシステムがあった。切換事象の時間は、非常に正確であるべきで、切換を、電流波形のゼロ交差にできるだけ接近して確実に発生させる。コントローラー、例えば、マイクロプロセッサーは、正確な時間管理を実行可能である。

図７は、図６Ａ〜６Ｃの回転切換制御組立６００の内筒６０６を示し、そのある面を良く例示している。

図７に示されるように、内筒６０６はいくつかの組又は配列の電気接点又は電極６１６を担持している。電気接点又は電極６１６は、内筒６０６の側壁６０７の外面上に担持されて、外筒６０２の側壁６０４の内面上に担持される補足的な電気接点又は電極６１４によって物理的にかみ合い可能である。電気接点又は電極６１６は、構成される電気機器の型に基づいたパターンに配置されている。

例えば、三相機器に対して、三相のそれぞれは、互いに１２０度ずれて並んだ適切なコイル結線を全て有しており、各相の第一列の電気接点又は電極は、他の２つと整列している。内筒６０６が回転して整列すると、全ての三相は、電気機器の全てのコイルに対して適切な結線と接続される。すべての三相のゼロ交差の時間を合わせるために、三つの切り換えられた相の接点のアラインメントオフセットがあり、全ての切換に占める相の１２０度の電気的なオフセットが、ゼロ交差でなされる。

内筒６０６は、一つ以上の軸受け又は一組以上の軸受け７０２ａ、７０２ｂ（まとめて７０２）を有し、例えば、軸受けの輪が、内筒６０６のいずれかの端部（例えば、前、後ろ）に位置する。軸受け７０２は、電気接点又は電極６１４、６１６の整列を維持しながら、内筒６０６を外筒６０２の内部６０４に自由に回転するように取り付け、内筒６０６の回転運動が、別の組の電気接点又は電極を、外筒６０２の内面の補足的な電気接点又は電極６１４と接続させる。軸受け７０２は、任意の様々な形態をとり、一つ以上のレース付きの軸受け、ボールベアリング、円錐ベアリングなどを含む。

図８は、図６Ａ〜６Ｃの回転切換制御組立６００の外筒６０２を示し、ある面をよく例示している。

外筒６０２は、好ましくは固定され、例えば、外筒６０２のいずれかの端部の軸受け７０２ａ、７０２ｂを介して、内筒６０６を支持する。

図８によく示されるように、外筒６０２は、複数組又は配列の電気接点又は電極６１４を担持する。電気接点又は電極６１４は、外筒６０２の側壁６０３の内面上に担持され、内筒６０６の側壁６０７の外面上に担持される補足的な電気接点又は電極６１６と物理的にかみ合い可能である。電気接点又は電極６１４は、構成される電気機器の型に基づいたパターンに配置される。

図９Ａは、別の実施形態における、相巻コイル切換に作用するシステム９００ａを示す。切換は、既に述べられたように、又は、ある電子機器（例えば、誘導電気機器）に対して遂行され、切換は、反転能力を有しスターからデルタへ再結線することが可能な典型的な誘導機器のような、電気機器構成を変更する他のシステムと共同して実行される。このアプローチにおいて、コイルは、巻線ボックス９０４の下方の制御システム９０２で切り換えられる。システム９００ａは、他のシステム成分と共同してスター及びデルタへ切り換える既存のものを使用でき、電気機器を作動させる。

図９Ｂは、１２コイル三相電機機器に対する切換ドラム（例えば、プリント基板上）の内部における一組の接続９００ｂを示し、並列に接続された各相からの全てのコイルを備えている。コイルの近傍の並列ラインは、配線結線のそれぞれを選択するために移動する機械的接点を表し、コンデンサーではない。切換回路図の下方には、既存のシステムからのスター−デルタ巻線結線がある。記載された切換は、コイル切換とスター及びデルタ選択の能力を組み合わせることなく、これらのコイルの再結線を可能とする。このことは、図に示されるように、接続の例示をより明確にする。

上記のより複雑な再結線と同様に、各結線は、巻線結線に特有の自身の容量及び又は抵抗要素を有する。例えば、ここに記載される様々な実施形態は、過渡現象（例えば、過渡な電圧スパイク）を制御するために電気的に結合する一つ以上のスナバー回路を使用することができる。

図９Ｃは、１２コイル三相電気機器に対する切換ドラム（例えば、プリント基板上）の内部における一組の接続９００ｃを示し、直列に接続された各相からの全てのコイルを備えている。コイル近傍の並行なラインは、配線結線のそれぞれを選択するために移動する機械的接点を表し、コンデンサーではない。

図９Ｄは、１２コイル三相機器に対する一組の接続９００ｄを示し、コイルが、直並列（直列及び並列）に接続する２つのコイルに分割されている。コイル近傍の並行なラインは、配線結線のそれぞれを選択するために移動する機械的接点を表し、コンデンサーではない。

図９Ｅは、図９Ｄの一組の接続を示し、さらに、少なくとも一つの例示された実施形態における、複数のスナバー回路を含んでいる。好ましくは、それぞれのスナバー回路９１０（５つのみを示す）は、例えば、それぞれの固定子の歯の各群又は組のコイルのような、各群又は組のコイル又は巻線を横切って結合している。

さらに又はあるいは、それぞれのスナバー回路９１２（３つを示す）は、各コイル又は巻線を横切って結合している。

スナバー回路９１０、９１２は、例えば、それぞれ、直列に電気的に結合しているそれぞれのコンデンサーＣ及び抵抗器Ｒを介して作動される。コンデンサーＣ及び抵抗器Ｒは、回路の動作中に遭遇する可能性のある過渡現象及びオーバーシュートを扱うために適する仕様を有している。

群又は組のコイル又は巻線ごとにそれぞれのスナバー回路を含むことは、特に有利であり、例えば、各コイル又は巻線に対してそれぞれスナバー回路を含む結線よりも、過渡現象及びオーバーシュートを効率的に扱うために必要な個々の成分が少ない。

図９Ｆ〜図９Ｇに示されるように、コイルは、例えば、所定の固定子の歯９０４上の２つ以上のコイル９０２ａ、９０２ｂ、９０２ｃに分割される。このアプローチにおいて、出力の整流（例えば、発電機用）は、有利には、４つよりもむしろ２つのダイオードのみを必要とし、完全な波形の整流を遂行する。このことは、ここで教示されるコイル切換技術を利用するのに十分なコイルを他に持たない電気機器で複数のコイルを効果的に複製する結線を提供し、それゆえ、後付けの改装部品のような改装部品に特に適し、改装部品キットとして包装されることが可能である。

ここに記載される様々な実施形態は、完全に作動する三相整流と、既存のアプローチが不可能な、対応する利点を可能にする。加えて、ここに記載される様々な実施形態は、既存のアプローチが不可能な、活動的な整流能力を可能にする。ここに記載される様々な実施形態は、既存のアプローチでは、一つの結線、例えば、デルタのみ、に限られていた、スター−デルタ結線間の最結線を可能とする。ここに記載される様々な実施形態は、付随する利点に加えて既存の制御システムに統合することができ、それは、既存のアプローチが不可能な顕著な改良点である。

図１０は、少なくとも一つの他の例示された実施形態において、例示された組の多タップコイル１００２ａ、１００２ｂを示す。

多タップコイル１００２ａ、１００２ｂは、直接には、それらが各固定子の歯上で巻線が分離（２つ以上の巻線）されていることで、コイルとは異なる様々な結線を実行する能力を与える。

図１１は、少なくとも一つの他の例示された実施形態において、中央タップ整流を実行する回路１１００を示す。回路１１００は、誘導子又はコイル１００２と、抵抗器ＲＬとを含む。誘導子又はコイル１００２は、中央タップ１００４を介して、セクション１００２ａ、１００２ｂに分割され、それぞれダイオードＤ１、Ｄ２がセクション１００２ａ、１００２ｂに電気的に結合している。抵抗ＲＬは、中央タップ１００４に電気的に結合して、それぞれ流路を生成する。流路には、第１誘導子１００４を介して提供されるＡＣ入力の各半分の周期中に、電流が、セクション１００２ａ、１００２ｂの一方から、それぞれのダイオードＤ１、Ｄ２を介して、再度抵抗ＲＬを通り他方のセクション１００２へ流れる。回路１１００は、ただ２つの受動素子、例えば、ダイオード、を用いて整流する能力を証明している。

本明細書において、用語「プロセッサー」が使用される。一般に、「プロセッサー」は、特に、任意のマイクロプロセッサー、マイクロコントローラー、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、デジタル信号処理装置（ＤＳＰ）、プログラム可能なゲートアレイ（ＰＧＡ）、及び／又はプログラム可能な論理コントローラー（ＰＣＬ）、又は任意の他の集積又は論理動作を実行する非集積回路は、ハードウェア回路に関連する。

本明細書及び付随する請求項を通して、不定の動詞形式がしばしば使用される。一例として、制限されることなく、「検知すること」、「提供すること」、「伝達すること」、「通信すること」、「処理すること」、「届けること」等を含む。特定の文脈が他のことを要求しない限り、そのような不定の動詞形式は、「少なくとも検知すること」、「少なくとも提供すること」、「少なくとも伝達すること」等の、開かれた包括的な意味で使用される。

例示した実施形態の上記の記載は、概要に記載されている内容を含み、網羅的であること、又は、実施形態を開示された通りの形式に制限することは、意図されていない。特定の実施形態及び実施例は、例示の目的でここに記載されているが、様々な等価な改良は、関連技術の当業者によって認識されるように、開示の意図及び範囲から離れなることなくなされることができる。様々な実施形態においてここに提供された教示は、他の、携帯可能な及び／又は着用可能な電子機器に適用可能であるが、上記の典型的な着用可能な電気機器には必要ではない。

例えば、前述の詳細な記載は、ブロック図、模式図、及び実施例の使用を介して、装置及び／又は処理の様々な実施形態を述べている。そのようなブロック図、模式図、及び実施例が、一つ以上の機能及び／又は動作を含む限りにおいて、そのようなブロック図、フローチャート、又は実施例内の各機能及び／又は動作が、広範囲のハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はそれらの事実上任意の組合せによって、個々に及び／又はまとめて実行可能であることが、同業者によって理解される。一つの実施形態において、本特定事項が、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を介して実行された。しかし、同業者は、ここに開示された実施形態が、全体として又は一部として、一つ以上のコンピューターによって実行される一つ以上のコンピュータープログラムとして（例えば、一つ以上のコンピューターシステムで実行される一つ以上のプログラムとして）、一つ以上のコントローラー（例えばマクロコントローラー）によって実行される一つ以上のプログラムとして、一つ以上のプロセッサー（例えば、マクロプロセッサー、中央処理ユニット、図形処理ユニット）によって実行される一つ以上のプログラムとして、ファームウェアとして、又は、それらの事実上任意の組み合わせとして、標準的な集積回路で等価的に実行可能であり、ソフトウェア及び／又はファームウェア用の回路の設計及び／又はコードの書き込みは、この開示の教示の観点において同業者の範囲内であることを理解する。

論理が、ソフトウェアとして実行されメモリーに保存されると、論理又は情報は、任意のプロセッサーに関連するシステム又は方法によって、又は、それに関連して使用するために、任意のプロセッサーで読み出し可能な媒体に保存される。この記載の文脈において、メモリーは、コンピューター又はプロセッサーのプログラムを含み又は保存する、電子的、磁気的、光学的、又は他の物理的な装置又は手段である、プロセッサーで読み出し可能な媒体である。論理及び／又は情報は、命令実行システム、機器又は装置からの情報を取り込み、論理及び／又は情報に関連する命令を実行する、コンピューターベースのシステム、プロセッサーを含むシステム、又は他のシステムのような、命令実行システム、命令実行システム、機器又は装置によって、又は、それらに関連して使用するために、任意のプロセッサーで読み出し可能な媒体に埋め込まれる。

本明細書の文脈において、「非一時的プロセッサー読み出し可能媒体」は、指示実行システム、装置、及び／又は装置によって、又はそれに関連して使用するために、論理及び／又は情報と関連するプログラムを保存可能な任意の要素である。プロセッサーで読み出し可能な媒体は、例えば、それに制限されないが、電子的、磁気的、光学的、電磁気的、赤外、又はセミコンダクターシステム、装置、又は機器である。コンピューター読み出し可能媒体のより特定の例（網羅されていないリスト）は、以下を含む：携帯可能なコンピューターディスケット（磁気、コンパクトフラッシュ（登録商標）カード、ＳＤカード等）、ランダムアクセスメモリー（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリー（ＲＯＭ）、消去可能なプログラム可能なリードオンリーメモリー（ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、、又はフラッシュメモリー）、携帯可能なコンパクトディスクリードオンリーメモリー（ＣＤＲＯＭ）、デジタルテープ、又は他の非一時的な媒体。

上記の様々な実施形態は、さらなる実施形態を与えるように結合される。ここでの特定の教示及び定義と矛盾しない範囲で、この明細書に関連する及び／又はＥｘｒｏＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Iｎｃ．によって所有される出願データシートに挙げられる、ＵＳ特許、ＵＳ出願公開、ＵＳ出願、外国特許、外国出願公開は、制限されないが以下を含み、ＵＳ特許公開２０１２−０２２９０６０、ＵＳ特許公開２０１１−０２４１６３０、ＵＳ特許８１０６５６３、ＵＳ特許公開２０１０−００９０５５３及びＵＳ特許公開２０１４−０２５２９２２、それらの記載内容が援用される。実施形態の局面は、可能であれば、様々な特許、出願及び公開のシステム、回路、概念を用いて変更されて、さらなる実施形態を提供する。

これら及び他の変更が、上記詳細な記載を考慮して実施形態になされる。一般に、以下のクレームにおいて、使用された用語は、クレームを明細書及クレームに開示された特定の例に制限するように解釈されず、クレームが権利を与えられる等価物の全範囲に沿って全ての可能な実施形態を含むように解釈される。したがって、クレームはこの開示に制限されない。

Claims (26)

1. 切換組立と制御システムとを備えるシステムであって、
   前記切換組立は、複数のスイッチ及び複数のノードを有し、
   前記ノードは、コイルのそれぞれに回転電気機器を電気的に結合可能であり、前記スイッチのそれぞれは、少なくとも２つの動作状態を有し、前記切換組立の前記スイッチは、前記回転電気機器のコイルを、少なくとも２つの異なる結線に選択的、電気的に結合するように動作可能であり、
   前記制御システムは、負荷下での前記回転電気機器の動作中に、前記切換組立の前記スイッチの動作を制御するように、通信可能に結合している、システム。
2. 前記切換組立の前記スイッチは、前記回転電気機器の前記コイルを、少なくともコイルの直列結合及びコイルの並列結合に、選択的、電気的に結合するように動作可能である、請求項１のシステム。
3. 前記切換組立の前記スイッチは、前記回転電気機器の前記コイルを、第１スター結線及び第１デルタ結線に、選択的、電気的に結合するように動作可能であり、前記第１スター結線は、一組の３つのコイルが、一つのスター結線に結合したものであり、前記第１デルタ結線は、一組の３つのコイルが、一つのデルタ結線に結合したものである、請求項２のシステム。
4. 前記切換組立の前記スイッチは、前記回転電気機器の前記コイルを、第２スター結線及び第２デルタ結線に、選択的、電気的に結合するように動作可能であり、前記第２スター結線は、一組の３対のコイルが一つのスター結線に結合し、それぞれの対の前記コイルがそれぞれの対の他の前記コイルと直列に結合し、前記第２デルタ結線は、一組の３対のコイルが一つのデルタ結線に結合し、それぞれの対の前記コイルがそれぞれの対の他の前記コイルと直列に結合している、請求項３のシステム。
5. 前記切換組立の前記スイッチは、前記回転電気機器の前記コイルを、第２スター結線及び第２デルタ結線に、選択的、電気的に結合するように動作可能であり、前記第２スター結線は、一組の３サブセットのコイルが一つのスター結線に結合し、それぞれのサブセットの前記コイルがそれぞれの対の他の前記コイルと直列に結合し、前記第２デルタ結線は、一組の３サブセットのコイルが一つのデルタ結線に結合し、それぞれのサブセットの前記コイルがそれぞれの対の他の前記コイルと直列に結合し、各サブセットのコイルの数は、２つ又はそれ以上である、請求項３のシステム。
6. 前記切換組立の前記スイッチは、前記回転電気機器の前記コイルを、並行な２つのスター結線及び並行な３つの２デルタ結線に、選択的、電気的に結合するように動作可能であり、前記並行な２つのスター結線は、二組の３つのコイルがそれぞれスター結線に結合し、前記二組のスター結線したコイルは、互いに並列に結合し、前記並列な二組のデルタ結線は、二組の３つのコイルがそれぞれデルタ結線に結合し、前記二組のデルタ結線したコイルは、互いに並列に結合している、請求項３〜５のいずれかのシステム。
7. 前記制御システムは、前記切換組立の前記スイッチを制御して、前記回転電気機器の前記コイルの結線を、閉遷移を介して切り換える、請求項１〜５のいずれかのシステム。
8. 前記制御システムは、前記切換組立の前記スイッチを制御して、前記回転電気機器の前記コイルの結線を、開遷移を介して切り換える、請求項１〜５のいずれかのシステム。
9. 前記制御システムは、論理を実行する少なくとも一つのハードウェアプロセッサーを含む、請求項１〜５のいずれかのシステム。
10. さらに、少なくとも前記回転電気機器の複数の動作パラメータを検知するように位置する複数のセンサーを備え、前記センサーは、前記制御システムに通信可能に結合して前記検知された動作パラメータを表す信号を提供し、
    前記制御システムは、前記検知された動作パラメータに基づいて、リアルタイムで前記切換組立の前記スイッチの動作を制御する、請求項１〜５のいずれかのシステム。
11. 前記検知された動作パラメータは、以下の少なくとも一つを含む、請求項１０のシステム：
    出力電圧、
    出力電流、
    前記回転電気機器の回転子の回転速度、及び、
    前記回転電気機器の前記回転子の相対角度。
12. 前記切換組立の前記スイッチは、機械的スイッチ、リレー、固体スイッチ、又は、機械的スイッチと固体スイッチの組合せ、の少なくとも一つを備える、請求項１〜５のいずれかのシステム。
13. 前記切換組立は、前記回転電気機器の前記コイルと、少なくとも一つの電力調整器との間を電気的に接続する、請求項１〜５のいずれかのシステム。
14. 前記少なくとも一つの電力調整器は、昇圧コンバーター又は降圧コンバーターの少なくとも一方を備える、請求項１３のシステム。
15. 前記切換組立は、さらに、
    内部を外部と分ける少なくとも一つの側壁を有し、前記少なくとも一つの側壁が内面を有する外筒と、
    内部を外部と分ける少なくとも一つの側壁を有し、前記少なくとも一つの側壁が外面を有する内筒と、
    前記外筒に担持される複数の組の電気接点と、
    前記内筒に担持される複数の組の電気接点と、を備え、
    前記内筒は、前記外筒の前記内部に少なくとも部分的に受け入れられ、少なくとも一つの回転軸を中心として前記外筒に対して回転するように取り付けられ、前記内筒の回転は、前記内筒に担持された複数の前記電気接点を、前記外筒に担持された複数の前記電気接点と選択的にかみ合わせ、
    複数の前記スイッチは、前記外筒に担持される前記電気接点及び前記内筒に担持される前記電気接点からなる、請求項１〜５のいずれかのシステム。
16. 前記外筒に担持される前記電気接点は、前記外筒の前記側壁の前記内面に担持される、請求項１５のシステム。
17. 前記外筒に担持される前記電気接点は、前記内筒の前記側壁の前記外面に担持される、請求項１５のシステム。
18. 前記外筒に担持される前記電気接点は、組に配列され、各組は、前記外筒の縦軸に沿って延び、前記外筒の周囲に沿って配列された各組は、前記外筒に担持される前記電気接点の他の組から角度的に離間している、請求項１５のシステム。
19. 前記外筒に担持される前記電気接点は、前記外筒に担持される前記電気接点の前記他の組と等角度離間している、請求項１８のシステム。
20. 前記内筒に担持される前記電気接点は、組に配列され、各組は、前記内筒の縦軸に沿って延び、前記内筒の周囲に沿って配列された各組は、前記内筒に担持される前記電気接点の他の組から角度的に離間している、請求項１５のシステム。
21. 前記内筒に担持される前記電気接点は、前記内筒に担持される前記電気接点の組の複数の群を含み、所定の群内の前記組は、該群内の他の前記組から、第１角度空間だけ角度的に離間し、各群は、他の群から、第２角度空間だけ離間し、前記第２角度空間は、前記第１角度空間よりも大きい、請求項２０のシステム。
22. さらに、前記回転電気機器を備え、前記回転電気機器は、複数の相を有し、各相に対して複数のコイルの組があり、前記コイルは直列に電気的に巻かれ、
    前記相に対して前記複数のコイルの前記それぞれの組内のコイルの２つのサブセット間に切換経路があり、前記切換経路は、前記スイッチの少なくとも一つを含み、その動作は、直列に巻かれた前記コイルを、直列に巻かれたコイルの２つのサブセットに選択的に分割し、前記二組は並列に結合している、請求項１のシステム。
23. コイルの２つのサブセット間の各切換経路は、２つ以上のスイッチを含み、互いに並列である、請求項２２のシステム。
24. 三相あり、前記スイッチの少なくとも一つは、前記三相を、スター結線結線とデルタ結線との間で選択的に切り換えるように動作可能である、請求項２２のシステム。
25. さらに、前記内筒を前記外筒に回転可能に結合する第１軸受けを含む、請求項１のシステム。
26. さらに、前記内筒を前記外筒に回転可能に結合する第２軸受けを含み、前記第１軸受けは、前記内筒の第１端の近くに位置し、前記第２軸受けは、前記内筒の第２端の近くに位置し、前記内筒の前記第２端は、前記内筒の長さを挟んで、前記内筒の前記第１端と対向している、請求項２５のシステム。
    

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