再構成可能なステータ

【課題】発電機の出力が発電機の作動速度の広い範囲において電力エレクトロニクスユニットの電圧閾値を満たすように再構成可能な発電機のステータを提供する。
【解決手段】装置は、位相素子を形成するように配置されたコイルを有するロータ及びステータを含む。位相素子は、第１コイル及び第２コイルを含む第１コイルグループと、第３コイル及び第４コイルを含む第２コイルグループを含み、ロータは第１コイルグループと第２コイルグループとの間に位置づけられている。装置はまた、コイルの電気構成を切り替えることによって位相素子の再構成を可能にする一又は複数のスイッチも含む。第１モードにおいて、コイルは、第１コイル経路に第１コイルがあり、第１コイル経路と並列に連結された第２コイル経路に第２コイルがあるように配置されている。コイルは第１コイル経路全体に生じる電圧が、第２コイル経路全体に生じる電圧とほぼ等しくなるように配置されている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して、再構成可能なステータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気事業によって使用される発電機等の多くの発電機は、ほぼ一定速度で作動する。しかしながら、ある発電機は、航空機のエンジン又はフライホイール式エネルギー貯蔵装置等の可変速度源によって駆動される。これら可変速度源の回転速度は作動中に大幅に変化しうる。発電機の出力電圧は、発電機のロータの回転速度に比例しうる。ロータの回転速度が遅すぎると、発電機の出力電圧が負荷に十分な電力を供給するには低くなりすぎる可能性がある。可変速度源と発電機との間の接合点に複雑なギアアセンブリを使用して、ロータの回転速度を利用可能な電力を生成するのに十分な速さに維持することができる。しかしながら、これらのギアアセンブリは高価で複雑、また重量が重くなりうる。重いギアアセンブリは、発電機が、システムの重量が重要な設計検討事項になりうるポータブルシステム又は航空機の一部である時に、特に問題となりうる。
【発明の概要】
【０００３】
発電機に連結された電力エレクトロニクスユニットは、発電機の出力電力が電力エレクトロニクスユニットの電圧閾値を満たすときに、負荷に電力を供給するように作動可能であり得る。特定の実施形態において、発電機のステータを、発電機の出力が発電機の作動速度の広い範囲において電力エレクトロニクスユニットの電圧閾値を満たすように再構成可能であってよい。ステータは、ステータのコイルの配線形態を変えるスイッチを使用することによって再構成することができる。コイルの再構成により、発電機の回転速度が変化した時に発電機の出力電圧を規定の電圧範囲内に維持することができる。
【０００４】
特定の実施形態において、装置は、電源コネクタ、少なくとも一つの磁石を含むロータ、及び第１位相素子を形成するように配置された多重コイルを有するステータを含む。第１位相素子は、少なくとも第１コイル及び第２コイルを有する第１コイルグループと、少なくとも第３コイル及び第４コイルを有する第２コイルグループを含むことができる。ロータは第１コイルグループ及び第２コイルグループとの間に位置づけることができる。デバイスはまた、多重コイルの電気構成を切り替えることによって多重モード間の第１位相素子の再構成を可能にする一又は複数のスイッチも含むことができる。多重モードの第１モードにおいて、多重コイルは第１コイルが第１コイル経路にあり、第２コイルが第２コイル経路にあるように配置されており、第２コイル経路は第１コイル経路と並列に電源コネクタに連結されている。多重コイルは、ロータとステータの相対運動によって第１コイル経路全体に生じた第１電圧が、相対運動によって第２コイル経路全体に生じた第２電圧とほぼ等しくなるように配置することができる。
【０００５】
特定の実施形態では、ある方法はステータの第１位相素子のコイルの電気構成を第１構成に切り替えることを含む。第１構成において、第１位相素子の第１コイルは第１コイル経路にあり、第１位相素子の第２コイルは、第１コイル経路に対して並列に電源コネクタに連結された第２コイル経路にある。本方法はまた、第１位相素子のコイルの電気構成を第２構成に切り替えることも含むことができる。第２構成において、第１コイル及び第２コイルは直列に連結されている。第１位相素子は少なくとも第１コイル及び第２コイルを有する第１コイルグループと、少なくとも第３コイル及び第４コイルを有する第２コイルグループを含むことができる。ロータは第１コイルグループと第２コイルグループの間に位置づけることができる。
【０００６】
特定の実施形態において、システムは運動エネルギーと電気を変換する変換装置を含む。変換装置は電気を受ける又は出力する電源コネクタを含むことができる。変換装置はまた、少なくとも一つの磁石を有するロータと、少なくとも一つの位相素子を形成するように配置された多重コイルを有するステータを含むこともできる。第１位相素子は少なくとも第１コイル及び第２コイルを有する第１コイルグループと、少なくとも第３コイル及び第４コイルを有する第２コイルグループを含むことができる。ロータは、第１コイルグループと第２コイルグループの間に位置づけることができる。変換装置はまた、多重コイルの電気構成を切り替えることによって多重モード間の第１位相素子の再構成を可能にする一又は複数のスイッチも含むことができる。多重モードの少なくとも一つのモードにおいて、多重コイルは第１コイルが第１コイル経路にあり、第２コイルが第２コイル経路に配置されており、第２コイル経路は第１コイル経路と並列に電源コネクタに連結されている。多重コイルは、ロータとステータの相対運動によって第１コイル経路全体に生じた第１電圧が、相対運動によって第２コイル経路全体に生じた第２電圧とほぼ等しくなるように配置することができる。本システムはまた、ロータに連結され、ロータとステータの相対運動を駆動させる運動エネルギーを供給する機械的装置も含むことができる。
【０００７】
開示の実施形態により、例えば発電機又はモータ等の変換装置のステータのコイルの再構成が可能になり得る。コイルは、変換装置が発電機として作動する時に、変換装置の出力がコイルが再構成されなかった場合にサポートされる速度よりも広い範囲の作動速度において電力エレクトロニクスユニットの閾値を満たすように再構成することができる。この再構成は、ステータの位相素子間の逆電流が減少し、変換装置が、コイルの再構成前にできるだけ長く高効率構成で作動することができ、低効率構成で作動を継続することができるような方法で実施することができる。
【０００８】
記載した特徴、機能及び利点は、様々な実施形態において個別に達成することができる、または下記の説明及び図面を参照することによってさらに詳細が開示される更に別の実施形態と組み合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１はロータ及びステータを含む変換装置の一部の特定の実施形態の上面図である。
【図２】図２はロータ及びステータを含む変換装置の一部の第２の特定の実施形態の図である。
【図３】図３は様々な電気構成における位相素子の特定の実施形態の図案化した簡略図である。
【図４】図４はバイファイラ巻コイルの特定の実施形態の図である。
【図５】図５はステータの位相素子の特定の実施形態の図である。
【図６】図６は変換装置及び機械的装置を含むシステムの特定の実施形態の図である。
【図７】図７は変換システムの特定の実施形態の回路配線図である。
【図８】図８は変換システムの電源処理システムの特定の実施形態の回路配線図である。
【図９】図９は変換装置のステータの電気構成を切り替える方法の特定の実施形態のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
エネルギー変換装置は運動エネルギーと電気エネルギー間の変換を行うことができる。例えば、モータは電気を運動エネルギー（運動）に変換することができる。逆に、発電機は運動を電気エネルギーに変換することができる。便宜上、そして非限定的に、この開示内容に記載した運動の例には回転運動が含まれる。しかしながら、特定の実施形態において、運動は線形又は別の方向におけるものであってよい。
【００１１】
図示した実施形態において、発電機のロータは、ロータが回転軸周囲を回るときに、一又は複数のステータコイル全体に拡がる磁場を発生させる。この回転により、ステータコイルに伝わった磁場が変わり、ステータコイルに電圧が生じ、これによりステータコイルから外部の回路に電流を送ることが可能になる。ステータコイルにおいて生じた電圧の大きさは中でも、ロータ及びステータコイルの相対運動の速度（例えばロータの回転速度）に関連する。
【００１２】
特定の実施形態において、一定時間内にロータの回転速度を変化させる機械的装置に発電機を連結させることができる。例えば、発電機が航空機のエンジン等の可変速度エンジンに連結された時、エンジンの回転速度（及び対応するロータの回転速度）は航空機の運航中において変化しうる。説明するために、航空機のエンジンは、巡航中よりも離陸中のほうが回転速度が異なる可能性がある。別の実施例において、フライホイール式エネルギー貯蔵システムのフライホイールの回転速度は、運動エネルギーがフライホイール式エネルギー貯蔵システムに加わった又はフライホイール式エネルギー貯蔵システムから除去された時に、一定時間内に変化する可能性がある。したがって、発電機がフライホイール式エネルギー貯蔵システムに連結された時に、発電機のロータの回転速度が一定時間内に変化しうる。
【００１３】
特定の航空機の電気システムにおいて、発電機は航空機のジェットエンジンによって駆動される。ジェットエンジンの出力（及び回転速度）は離陸から巡航運転に移るときに大幅に変化しうる。発電機の回転速度を電力エレクトロニクスユニットの許容範囲内に維持するために、発電機をギアボックスに接続することができる。ギアボックスは、発電機の回転速度をジェットエンジンの回転速度の範囲において比較的一定に保つことができる。ギアボックスにより航空機の重量、費用、及び複雑性が大幅に増加する可能性がある。
【００１４】
発電機の出力エネルギーを電力エレクトロニクスユニットに供給することができる。電力エレクトロニクスユニットは、発電機によって生じた電圧が特定範囲内にある時に、負荷にエネルギーを供給することができる。ロータ上に固定の起磁力と、ステータの静的コイル構成を有するステータコイルを有する発電機（例えば、永久磁石ブラシレス構成）において、発電機によって生じる電圧の大きさはロータの回転速度に比例する。電力エレクトロニクスユニットは、電力エレクトロニクスユニットが許容できる最大電圧が発電機の最大回転速度と対応するように構成することができる。発電機の回転速度が、電力エレクトロニクスユニットが負荷に電力を送るのに使用できる最小電圧に対応する閾値よりも下回った場合、電力エレクトロニクスユニットはもはや負荷に電力を送ることができない。特定の回転速度において、またステータコイル全体の特定の磁束に対して、ステータコイルにおいて生じる電圧の大きさは、ステータコイルの巻き数に比例する。したがって、低速度においてステータコイルの巻き数を増加させることによって、低速において発電機が生じる電圧の大きさを電力エレクトロニクスユニットの閾値よりも上に維持することができる。
【００１５】
通常、フライホイールの回転速度が落ちた時に電圧が低下した結果、電力エレクトロニクスユニットを介して負荷にエネルギーを送ることができるフライホイールの最小回転速度というものがある。この最小回転速度により、フライホイールから抽出できるエネルギーの量が、フライホイールの特定割合の最大回転運動エネルギーに制限される。例えば、フライホイール式エネルギー貯蔵システムにおいて、利用可能なエネルギー（すなわち、電圧が電力エレクトロニクスユニットの閾値を上回っている間に抽出できるエネルギー）は、全速度（すなわち、フライホイールの最大定格速度）からおおよそ半分の速度（すなわち、フライホイールの最大定格速度の半分）までのフライホイールの速度範囲において抽出することができる。運動エネルギーは速度の平方に比例するため、この速度範囲は、フライホイールによって貯蔵された合計運動エネルギーの約７５％のみが利用可能なエネルギーとして抽出することができることを示している。
【００１６】
低速度におけるステータコイルの巻き数を増加することによって、発電機によって生成される電圧の大きさを、より広い速度範囲にわたって電力エレクトロニクスユニットの閾値よりも上に維持することができる。例えば、フライホイール貯蔵システムに単一の再構成を加えることで、利用可能なエネルギーを抽出できる最小速度をフライホイールの最大速度の半分から最大速度の約４分の１まで下げることが可能になり得る。したがって、フライホイール貯蔵システムの単一の再構成を追加することによって、フライホイールから抽出できる利用可能なエネルギーをフライホイールによって貯蔵される合計運動エネルギーの約９４％まで拡大することができる。
【００１７】
一定の出力に対し、ロータの速度が低下するにつれステータの巻き線の抵抗加熱損失が増加する。効率の観点から見て、またステータを冷却する能力を考慮すると、電力エレクトロニクスユニットの電圧閾値のみを使用して得られる値よりも大きい値のエネルギーが抽出される閾値を確立することが望ましいといえる。例えば、ステータコイルの再構成によりフライホイールからのエネルギーの抽出はフライホイールの最大回転速度の約２５％まで可能となり得るが、閾値は例えば最大回転速度の約３０％、最大回転速度の約３５％、最大回転速度の約４０％、又は２５〜５０％の間の別の値等のより高い値に設定することができる。できるだけ長く最低抵抗形態において作動することが望ましい。例えば、ステータの低い抵抗形態から高い抵抗形態への再構成は、できるだけ低い速度（すなわち、電力エレクトロニクスユニットの電圧閾値がまだ満たされうる最低速度）において実施することが可能である。説明すると、（例えば、フライホイールの最大速度の約半分の速度において）コイルによって生成された電圧が電力エレクトロニクスユニットの電圧閾値と一致するちょうどその時、又はその直前に再構成を実施することが可能である。
【００１８】
図１及び２は、ロータ１０２とステータ１０３を含む変換装置１００の特定実施形態の図である。図１は、変換装置１００の一部の概略上面図を示し、図２は（変換装置１００の説明をしやすくするためにステータ１０３の一部を省いた）変換装置１００の別の部分の概略側面斜視図を示す。
【００１９】
特定の実施形態において、変換装置１００は三相発電機又は三相モータである。ステータ１０３は例えば、第１位相素子１０８、第２位相素子１０９、及び第３位相素子１１０等の位相素子に配置された複数のコイル又は巻き線を含むことができる。その他の実施形態では、変換装置１００は異なる数の位相を有することができ、対応する異なる数の位相素子を有することができる。また、特定の実施形態において、ステータ１０３の各位相素子１０８〜１１０は、追加のコイルのセットを含むことができる。例えば、特定の形態において、ロータ１０２は一よりも多い磁石１０４（又は２よりも多い磁極）を含み、各位相素子１０８〜１１０は、ステータ１０３周囲に互いに角度をなしてオフセットしている２セットよりも多いコイルを含む。説明すると、ロータ１０２は４つの磁極を含むことができ、第１位相素子１０８はステータ１０３周囲で約９０度の角度でたがいにオフセットしている４セットのコイルを含むことができる。
【００２０】
したがって、変換装置１００はステータ１０３の各位相素子１０８〜１１０に対して、様々な数の位相、様々な数のロータ１０２の極、及び様々な数のコイルのセットを有することができる。また、変換装置１００は発電機、モータ又はその両方として作動することができる。例えば、変換装置１００がモータとして作動する時は、ステータ１０３に電力を印加してロータ１０２を回転させることができる。変換装置１００を発電機として作動する時は、ロータ１０２を（例えば図１及び２に図示してない機械的装置によって）回転させて、ステータ１０３のコイル端部全体に電圧を生成することができる。さらに、説明しやすくするために、変換装置１００は回転装置（すなわち、電気を回転運動に変換する、又は回転運動を電気に変換する装置）として図示し、また説明しているが、特定の実施形態では、変換装置１００は例えば線形モータ等の線形装置であってよい。さらに、ステータ１０３のコイルはそれぞれ１２巻数を有するものとして図１及び２に示されているが、各コイルは変換装置１００の特定の形態によって１２巻数よりも多い又は少ない巻数を有することができる。
【００２１】
図１を参照すると、ロータ１０２はロータ１０２の回転軸１０６となるシャフトを含むことができる。磁石１０４は図１に示すように単一の北（Ｎ）及び単一の南（Ｓ）磁極を有するように磁石１０４の対称軸に対して直角に磁化された永久磁石であってよい。発電機として作動中は、ロータ１０２は回転軸１０６の周りを回転し、磁石１０４からの磁束はステータ１０３のコイル全体に広がる。ロータ１０２が回転している間、磁束の変化によってファラデーの法則にしたがってステータ１０３のコイル端部全体に電圧が生じ、ステータ１０３のコイルから外部の回路（図示せず）へ電流を供給することができる。特定の実施形態において、変換装置１００は強磁性支持鉄（図示せず）、強磁性歯（図示せず）、又は両方を含むことができる。
【００２２】
特定の実施形態において、ステータ１０３の各位相素子１０８〜１１０は多重セットのコイルを含む。例えば、第１位相素子１０８は、少なくとも第１コイル１１２及び第２コイル１１３を含む第１コイルグループ１３０を含むことができる。第１位相素子１０８はまた、少なくとも第３コイル１１４及び第４コイル１１５を含む第２コイルグループ１３１を含むことができる。同様に、第２位相素子１０９は第３コイルグループ１４０及び第４コイルグループ１４１を含むことができ、第３位相素子１１０は第５コイルグループ１５０及び第６コイルグループ１５１を含むことができる。ロータ１０２は特定の位相素子のコイルグループの間に位置づけることができる。例えば、ロータ１０２は第１位相素子１０８の第１コイルグループ１３０及び第２コイルグループ１３１の間に位置づけることができる。
【００２３】
各コイルグループ１３０、１３１、１４０、１４１、１５０、１５１は多重コイルを含むことができる。例えば、第１コイルグループ１３０は第１コイル１１２と第２コイル１１３を含むことができ、第２コイルグループ１３１は第３コイル１１４及び第４コイル１１５を含むことができる。一以上のスイッチにより、各位相素子１０８〜１１０のコイルの再構成を可能にすることができる。例えば、図２を参照すると、スイッチ２４０及び２４１により、コイル１１２〜１１５の電気構成を切り替えることで多重モード間の第１位相素子１０８の再構成を可能にすることができる。説明すると、第１モードにおいて、コイル１１２〜１１５は第１コイル１１２が第１コイル経路にあり、第２コイル１１３が第２コイル経路にあるように配置することができ、第２コイル経路は第１コイル経路と並列に電力コネクタ２７０、２７２に連結されている。例えば、第１コイル１１２は端部２２０、２２１を含むことができ、第２コイル１１３は端部２２２及び２２３を含むことができ、第３コイルは端部２２４及び２２５を含むことができ、第４コイル１１５は端部２２６及び２２７を含むことができる。第１電力コネクタ２７０を第１コイル１１２の端部２２０に、第３コイル１１４の端部２２４に、及び第１スイッチ２４０に連結させることができる。第２電力コネクタ２７２は第２コイル１１３の端部２２３、第４コイル１１５の端部２２７に、及び第２スイッチ２４１に連結させることができる。第１スイッチ２４０と第２スイッチ２４１の位置を変えることによって、相互に対する、及び電力コネクタ２７０、２７２に対するコイル１１２〜１１５の様々な電気構成を実現することができる。
【００２４】
例えば、図３は例えば様々な電気形態の図１の位相素子１０８〜１１０のうちの一つ等の、位相素子の図案化された簡略図を示す。第１電気構成３０２において、位相素子の各コイルは位相素子の各他のコイルに対して並列に電力コネクタに連結されている。第２電気構成３０４において、位相素子のコイルは電力コネクタに直列に連結されている。第３電気構成３０６において、第１及び第４コイルはともに直列に連結されて、コイルのセットを形成している。第２コイル、第３コイル、及び（第１コイル及び第４コイルを含む）コイルのセットは相互に並列に電力コネクタに連結されている。
【００２５】
第４電気構成３０８において、第２及び第３コイルはともに直列に連結されてコイルのセットを形成する。第１コイル、第４コイル、及びコイルのセット（第２コイル及び第３コイルを含む）は相互に並列に電力コネクタに連結されている。第５電気構成３１０において、第１及び第２コイルはともに直列に連結されて第１セットのコイルを形成し、第３コイル及び第４コイルはともに直列に連結されて第２セットのコイルを形成する。第１セットのコイル及び第２セットのコイルは相互に並列に電力コネクタに連結されている。
【００２６】
第６電気構成３１２において、第１及び第４コイルはともに直列に連結されて第１セットのコイルを形成し、第２及び第３コイルはともに直列に連結されて第２セットのコイルを形成する。第１セットのコイルと第２セットのコイルは相互に並列に電力コネクタに連結されている。第７電気構成３１４において、第１及び第３コイルは共に直列に連結されて第１セットのコイルを形成し、第２及び第４コイルはともに直列に連結されて第２セットのコイルを形成する。第１セットのコイルと第２セットのコイルは相互に並列に電力コネクタに連結されている。
【００２７】
特定の電気構成において、一以上のコイルは電力コネクタに連結されていなくてよい。例えば、第８電気構成３１６において、第２及び第３コイルは相互に並列に電力コネクタに連結されており、第１及び第４コイルは電力コネクタに連結されていない。別の実施例において、第９電気構成３１８では、第２及び第３コイルは直列に電力コネクタに連結されており、第１及び第４コイルは電力コネクタに連結されていない。別の実施例において、第１０電気構成３２０では、第１及び第４コイルは相互に並列に電力コネクタに連結されており、第２及び第３コイルは電力コネクタに連結されていない。さらに別の実施例において、第１１電気構成３２２では、第１及び第４コイルは直列に電力コネクタに連結されており、第２及び第３コイルは電力コネクタに連結されていない。
【００２８】
図２に戻ると、スイッチ２４０、２４１（及び潜在的な一以上の追加のスイッチ）を使用して、図３の任意の電気構成においてコイル１１２〜１１５を構成する又は再構成することができる。説明すると、第１スイッチ２４０が第１コイル１１２の端部２２１を第２コイル１１３の端部２２２へ連結し、第２スイッチ２４１が第３コイルの端部２２５を第４コイル１１５の端部２２６へ連結する時に、コイル１１２〜１１５は全て直列に電力コネクタ２７０、２７２に接続されている。この配置は図３の第２電気構成３０４と一致する。
【００２９】
別の実施例において、第１スイッチ２４０は第１コイル１１２の端部２２１を第１配線２６０へ連結し、第２コイル１１３の端部２２２を第１電力コネクタ２７０に連結された第２配線２６２へ連結し、第２スイッチ２４１は第３コイル１１４の端部２２５を第２電力コネクタ２７２に連結された第３配線２６４へ連結し、第４コイル１１５の端部２２６を第１配線２６０へ連結し、コイル１１２〜１１５は第２コイル１１３及び第３コイル１１４へ互いに並列に接続されており、第１コイル１１２及び第４コイル１１５は互いに直列に、そして第２コイル１１３及び第３コイル１１４と並列に接続されている。この配置は、図３の第３電気構成３０６と一致する。
【００３０】
コイル１１２〜１１５による出力電圧は２つ以上のコイルが直列に連結された時はおおむね付加的である。例えば、図３を参照すると、第８電気構成３１６において、第２コイル及び第３コイルは並列に連結されており、第９電気構成３１８において、第２コイル及び第３コイルは直列に連結されている。したがって、第９電気構成３１８の出力電圧はおおよそ第８電気構成３１６の出力電圧の２倍である可能性がある。また、コイルの抵抗は、直列に連結されたコイルについてはおおむね付加的であり、コイルが並列に連結されている時はより低くなっている。したがって、抵抗を減らすために、並列の電気構成をより速い回転速度において使用して抵抗加熱を減らすことができ、直列の電気構成をより遅い回転速度において使用して出力電圧を上げることができる。
【００３１】
コイル１１２〜１１５を通る磁束は磁石１０４からの距離が広まるほど小さくなる。したがって、第１コイル１１２を通る磁束は第２コイル１１３を通る磁束よりも小さい可能性があり、これは第１コイル１１２が第２コイル１１３よりも磁石１０４から離れているためである。同様に、第４コイル１１５を通る磁束は第３コイル１１４を通る磁束よりも小さい可能性があり、これは第４コイル１１５が第３コイル１１４よりも磁石１０４から離れているためである。第１隙間１１６及び第２隙間１１７等の隙間は、隣接するコイル間で画定することができる。例えば、第１コイル１１２を第２コイル１１３から半径方向に間隔を置いて配置して第１隙間１１６を画定することができ、第３コイル１１４を第４コイル１１５から半径方向に間隔を置いて配置して第２隙間１１７を画定することができる。隙間１１６〜１１７は（変換装置１００の使用中、又は変換装置１００を使用していない時に行われる調整プロセスの一部として）各コイル１１２〜１１５にかかる磁束を整調するために調節可能であってよい。具体的には、隙間１１６〜１１７を調節して、特定の電気構成におけるコイル１１２〜１１５全体の又は特定セットのコイル１１２〜１１５全体の電圧のバランスをとるように調節することができる。コイル１１２〜１１５又はコイル１１２〜１１５のセット全体の電圧のバランス調整により、コイル１１２〜１１５の意図しない電流の流れ（例えば逆電流）を減らすことができる。説明すると、図３の第３電気構成３０６において、第２コイル全体の電圧、第３コイル全体の電圧、及び第１コイルと第４コイルを含む直列コイル経路全体の電圧がバランス調整されるように、隙間１１６〜１１７を調節することができる。すなわち、ロータ及びステータの相対運動に起因して（第１コイル及び第４コイルを含む）第１コイル経路全体に発生する第１電圧が、相対運動に起因して（第２コイルを含む）第２コイル経路全体に発生する第２電圧とほぼ等しく、相対運動に起因して（第３コイルを含む）第３コイル経路全体に発生する第３電圧とほぼ等しい。
【００３２】
図３の第８、第９、第１０、及び第１１電気構成３１６〜３２２で示すように、ステータの特定の電気構成はコイルのうちのいくつかのみを用いることができる。例えば、第１電気構成３０２から第８電気構成３１６へ切り替えることによって、使用されるコイルの合計巻き数が減る。このような切替えは「巻き数制限」と呼ぶことができる。反対に、第８電気構成３１６から第１電気構成３０２への切替えにより、コイルに追加の巻き数が効果的に加えられる。巻き数が多いほど巻き数が少ない時よりもより高い出力電圧を発生させることができるが、巻き数が多いと抵抗もより高くなり得る。したがって、巻き数制限を使用する時は、巻き数がより多い電気構成を低い回転速度において使用することができ、巻き数がより少ない電気構成を高い回転速度において使用することができる。
【００３３】
図３に示すように、直列及び並列構成の間で切り替えを行うことによってステータを再構成することができる。第２電気構成３０４、第９電気構成３１８、及び第１１電気構成３２２は直列構成の例である。第１電気構成３０２、第８電気構成３１６及び第１０電気構成３２０は並列構成の例である。ステータはまた、いくつかのコイルが直列に接続され、その他が並列に接続されているハイブリッド構成へ又はから再構成することもできる。第３、第４、第５、第６及び第７電気構成３０６〜３１４はハイブリッド構成の例である。加えて、ステータを再構成して例えば巻き数制限又は巻き数追加等、巻き数を追加する又は減らすことができる。さらに、巻き数制限及び直列−並列再構成は個別に又は同時に行うことができる。説明すると、第２電気構成３０４から第８電気構成３１６への切替えにより、ステータは直列構成から並列構成へ再構成されて、使用されるコイルの合計巻き数が減る。
【００３４】
高い回転速度において、コイル抵抗を縮小することができ、これにより効率性を向上させることができる。通常、巻き数制限よりも直列、並列及びハイブリッド構成の間で切替えを行うことによって抵抗がより小さくなり、効率性が上がる。巻き数制限を促進する実施形態として、選択できる再構成の数は各コイルをさらに分割しスイッチを追加することによって増やすことができる。例えば、図２を参照すると、第１コイル１１２及び第４コイル１１５はそれぞれ巻き数５を含み、第２コイル１１３及び第３コイル１１４はそれぞれ巻き数７を含む。したがって、コイル１１２〜１１５をすべて使用する時は、第１位相素子１０８は（７＋５）の巻き数１２を各側に含む。例えば、第１コイル１１２及び第４コイル１１５が使われないようにスイッチ２４０、２４１を切り替えることによって、巻き数が制限されるときは、第１位相素子１０８は各側に巻き数７を有する。追加のスイッチを加えることによって、使用される巻き数の選択肢を追加することができる。説明すると、各巻きと関連するスイッチを加えることによって、一側面あたり一巻きから最大一側面当たり１２巻きまでの巻き数を選択することができ、これはどの巻き数が使用されるかによって変わる。スイッチの追加により、選択できるハイブリッド構成の数もまた増加しうる。
【００３５】
特定の実施形態において、ステータ１０３は直列構成（例えば図３の第２電気構成３０４）とハイブリッド構成との間で切り替わるように構成することができ、ハイブリッド構成において第１コイル１１２と第４コイル１１５は互いに直列であり、第２コイル１１３と第３コイル１１４（例えば、図３の第３電気構成３０６）と並列である。直列構成には、（さらに多い又は少ない巻き数を使用することも可能であるが）第１位相素子の一側面当たりの巻き数１２を含む単一のコイル経路しかない。したがって、図２に示す実施形態の直列構成は１２−１２構成と呼ぶことができる。１２−１２構成の単一コイル経路全体の電圧はおおよそ、個別の各コイル全体の電圧の合計（例えばコイル１１２〜１１５のうちの単一コイル全体の電圧の約４倍）である。
【００３６】
ハイブリッド構成においては３つのコイル経路があり、直列の第１コイル１１２と第４コイル１１５を含む第１コイル経路、第２コイル１１３のみを含む第２コイル経路、及び第３コイル１１４のみを含む第３コイル経路である。図２に示す実施形態において、第１コイル経路の巻き数は１０であり、第２コイル経路の巻き数は７であり、第３コイル経路の巻き数は７である。したがって、ハイブリッド構成は７−７−１０構成と呼ぶことができる。
【００３７】
特定の実施形態において、第１コイル経路全体の電圧が第２及び第３コイル経路全体の電圧とほぼ等しくなるように隙間１１６〜１１７を調節することができる。例えば、各隙間１１６〜１１７全体の間隔を、第１位相素子１０８の構成の切替えに応じて調節することができる。別の実施例において、（例えばシム、スペーサ、位置づけボルトを使用して）各隙間１１６〜１１７全体の間隔を固定しまた予め調節して、第２コイル１１２全体の電圧が第２コイル１１３全体の電圧のほぼ半分になるような間隔に調節することができる。変換装置１００を使用中に隙間１１６及び１１７が調節可能である時は、第１コイル１１２及び第４コイル１１５を、コイル１１２及び１１５の正確な再配置を可能にする線形モータ又はその他の可動要素に連結させて隙間１１６及び１１７全体の間隔を調節することができる。ロータ１０２からの磁束が磁界源からの半径方向の距離とともに減少するために巻き数は異なるが、コイル経路全体の電圧を均等化することは可能である。
【００３８】
特定の実施形態において、隙間１１６及び１１７全体の間隔は、ステータ１０３を作製する時にシム及び位置づけボルトを使用して予め調節し、固定することができる。例えば、ロータ１０２を試験速度において回転させて、コイル１１２〜１１５全体の電圧の測定値を得ることができる。隙間１１６及び１１７のシムの厚さは、望ましい電圧測定値の関係が成り立つまで変えることができる。ステータ１０３のコイル１１２〜１１５を例えばエポキシ又は別の材料を使用して適所に埋め込むことができる。あるいは、隙間１１６〜１１７の動態的調節を可能にするために、コイル１１２〜１１５をコイルフォーマーに巻きつけてコイルフォーマーを半径方向に作動する線形モータに取り付けることができる。隙間１１６〜１１７の動態調節は、ロータ１０２、ステータ１０３、又はこれら両方が使用中に例えば回転運動又は温度変化の結果サイズが変わった時に望ましい。この場合線形モータにより、磁束分布の変化に対して各コイル１１２〜１１５とロータ１０２の間の間隔を調節することも可能になる。ステータ１０３がステータ歯（図示せず）を含む時は、各コイル１１２〜１１５全体の磁束はほぼ同じであってよく、コイル１１２〜１１５の半径方向の調節は不必要であり得る。
【００３９】
特定の実施形態において、コイルは各コイル全体の磁束がほぼ同じになるように配置することができる。例えば、第１コイル１１２及び第２コイル１１３をバイファイラ巻きコイル配列に絡み合わせることができる。図４はバイファイラ巻きコイル４００の特定の実施形態の図である。バイファイラ巻きコイル４００は一巻きのコイルを形成するように配置された第１配線４０２を含む。第２配線４０４は、第２配線４０４が一巻きの第２コイルを形成するように第１配線４０２と絡み合わされる。２本巻きコイル４００を使用して、ステータのインターリーブコイルを形成することができる。
【００４０】
図５は、ステータの位相素子５００の特定の実施形態の図である。位相素子５００はバイファイラ巻きコイルを使用して形成されている。例えば、位相素子５００の第１側面５０２は、バイファイラ巻き配列の第２コイル５１３とつながった第１コイル５１２を含む。位相素子５００の第２側面５０４は、バイファイラ巻き配列の第４コイル５１５とつながった第３コイル５１４を含む。図５に示す実施形態において、第１コイル５１２を通る磁束と第２コイル５１３を通る磁束はほぼ等しい。したがって、コイル５１２〜５１５のうちのどのコイルが使用されるか、またコイル５１２〜５１５が直列構成、並列構成、又はハイブリッド構成に連結されているか否かに関わらず、各コイル５１２〜５１５全体の電圧はほぼ等しく、いくつかの構成において電圧のバランスをとるための（例えば隙間１１６及び１１７等の）隙間は必要ない。
【００４１】
図６は変換装置６０６及び機械的装置６２０を含むシステム６００の特定の実施形態の図である。図６に示す特定の実施形態では、機械的装置６２０はフライホイールであり、システム６００はフライホイール式エネルギー貯蔵システムであるが、その他の実施形態では、機械的装置６２０は例えばジェットエンジン等の別の可変速度装置であってよい。システム６００は個別の電源（図示せず）から電気を受けて、別々の負荷（図示せず）、又は両方に電気を出力する電力コネクタ６１４を含むことができる。
【００４２】
変換装置６０６は図１及び２の変換装置１００を含む、又は図１及び２の変換装置１００内に含まれることができる。変換装置６０６は運動エネルギーと電気の間で変換を行うように構成することができる。変換装置６０６は少なくとも一つの磁石を含むロータ６０２を含むことができる。変換装置はまたステータ６０４を含むこともできる。ステータ６０４は例えば、図１の位相素子１０８、１０９、及び１１０等の一又は複数の位相素子を形成するように配置された多重コイルを含むことができる。ステータ６０４の第１位相素子は、少なくとも第１コイル及び第２コイルを含む第１コイルグループと、少なくとも第３コイル及び第４コイルを含む第２コイルグループを含むことができる。ロータ６０２は第１コイルグループと第２コイルグループの間に位置づけることができる。例えば、第１位相素子は図１の位相素子１０８〜１１０、図２の第１位相素子１０８、又は図５の位相素子５００のうちの一つを含むことができる。
【００４３】
システム６００はまた、多重コイルの電気構成を切り替えることによって、多重モード間での第１位相素子（又はその他の位相素子）の再構成を可能にする一又は複数のスイッチ６１０を含むこともできる。説明すると、スイッチ６１０により、図３の電気構成３０２〜３２２間でのステータ６０４の位相素子の再構成を可能にすることができる。例えば、多重モードのうちの少なくとも一つのモードにおいて、多重コイルは、第１コイルが第１コイル経路にあり、（図３の第３電気構成３０６等の）第２コイルが第１コイル経路と並列に電力コネクタ６１４に連結された第２コイル経路にあるように配置されている。ステータ６０４のコイルは、ロータ６０２とステータ６０４の相対運動が原因で第１コイル経路全体に発生する第１電圧が、相対運動が原因で第２コイル経路全体に発生する第２電圧とほぼ等しくなるように配置することができる。例えば、コイルは（図４及び５を参照して説明したように）バイファイラ巻コイルであってよい。別の実施例では、第１及び第２コイル間で隙間を画定することができ、隙間全体の間隔は（図２を参照して説明したように）コイル経路全体の電圧のバランスをとるために選択することができる。
【００４４】
システム６００はまた、コントローラ６１２を含む、又はコントローラ６１２に連結することも可能である。特定の実施形態では、コントローラ６１２は（例えばメモリ装置から等の）ソフトウェアを実行してシステム６００の様々な機能を制御するプロセッサを含む。別の特定の実施形態において、コントローラ６１２はシステム６００の様々な機能を制御するように作動可能な一又は複数のアプリケーション特有の集積回路を含む。さらに別の実施形態では、コントローラ６１２はソフトウェアを実行するプロセッサと、システム６００の機能をともに制御するアプリケーション特有の集積回路を含む。
【００４５】
コントローラ６１２は、変換装置６０６が特定の時点で作動する特定モードを選択するように構成することができる。例えば、コントローラ６１２はセンサ６１６を含むことができる、又はセンサ６１６に連結されることができる。センサ６１６はシステム６００と関連するパラメータを検出することができ、コントローラ６１２は検出されたパラメータ値に基づいて変換装置６０６が作動する特定モードを選択することができる。説明すると、コントローラ６１２は、ロータ６０２とステータ６０４の相対運動の速度に少なくとも部分的に基づいて特定モードを選択することができる。別の実施例では、コントローラ６１２はステータ６０４の一又は複数のコイル全体で測定した電圧に基づいて特定モードを選択することができる。説明すると、コントローラ６１２は電力エレクトロニクスユニット（図６に示せず）に関連した閾値を満たすようにモードを選択することができる。
【００４６】
機械的装置６２０はロータ６０２に連結させることができ、運動エネルギーを供給して（例えば機械的装置６２０とロータ６０２を連結する機械的リンク機構を介して）ロータ６０２及びステータ６０４の相対運動を駆動するように構成することができる。特定の実施形態において、ステータ６０４は（例えば機械的リンク機構を介して）機械的装置６２０を回すように、（例えばステータ６０４に印加された電流によって生成される起電力を介して）ロータ６０２の運動を起動させることができる。例えば、機械的装置６２０はフライホイールを含むことができる。フライホイールはフライホイールによって貯蔵された運動エネルギーをロータ６０２に送って電気を生成し、電力コネクタ６１４を介して受けた電気に応答してロータ６０２から送られた運動エネルギーを受けるように構成することができる。
【００４７】
モードを切り替えるために、コントローラ６１２を切替パターンによって指定される順番に一又は複数のスイッチ６１０を発動させるように構成することができる。切替パターンの順番は、多重コイルを通って流れる電流に起因するロータ６０２の不平衡力を制限するように選択することができる。例えば、機械的装置６２０がフライホイールである場合、フライホイールは比較的高速で回ることができる。上記のような高速では、ロータ６０２にかかる不平衡力により、フライホイール、又は例えばキャリア・ベアリング６２２、高温超電導体ベアリング６２４、クライオジェニック冷却システム６２６、又はそれら任意の組合せ等のフライホイールの支持要素が損傷する可能性がある。
【００４８】
このため、システム６００は例えば発電機又はモータ等の変換装置６０６のステータ６０４のコイルの再構成を可能にでき得る。コイルは、変換装置６０６が発電機として作動するときに、変換装置６０６の出力がコイルが再構成されなかった場合にサポートされる速度よりも広い範囲の作動速度において電力エレクトロニクスユニットの閾値を満たすように再構成することができる。この再構成は、ステータ６０４の位相素子間の逆電流が減少し、変換装置６０６が、コイルの再構成前にできるだけ長く高効率構成で作動することができ、低効率構成で作動を継続することができるような方法で実施することができる。
【００４９】
図７は変換装置７００の特定の実施形態の概略回路図である。変換装置７００は位相素子７０２〜７０４に配置される複数のコイル７１０〜７１５を含むことができる。変換装置７００はまた、図７に図示しないロータも含むことができる。特定の実施形態では、変換装置７００は図１及び２の変換装置１００、又は図６の変換装置６０６を含む、又は変換装置７００は図１及び２の変換装置１００、又は図６の変換装置６０６内に含まれることができる。各位相素子７０２〜７０４は、（図１及び２に示すように）別々であってよい、又は（図４及び５に示すように）絡み合わせることができる複数のコイルを含むことができる。例えば、第１位相素子７０２は第１コイル７１０及び第２コイル７１１を含むことができ、第２位相素子７０３は第３コイル７１２及び第４コイル７１３を含むことができ、第３位相素子７０４は第５コイル７１４及び第６コイル７１５を含むことができる。
【００５０】
変換装置７００はコイル７１０〜７１５の再構成を可能にしうる一又は複数のスイッチ７２２を含むことができる、又は一又は複数のスイッチ７２２に連結させることができる。例えば、スイッチ７２２は図３の電気構成３０２〜３２２間のコイル７１０〜７１５の再構成を可能にすることができる。特定の実施形態では、スイッチ７２２はステータの巻線に位置する、又はステータの巻線近くに位置していてよい。スイッチ７２２は機械的、電気的又は電気機械的であってよい。
【００５１】
特定の実施形態では、スイッチ７２２は各位相素子７０２〜７０４に関連する再構成ハウジング７３０〜７３２内に格納することができる。再構成ハウジング７３０〜７３２は、制御ハウジング７０８内に含まれていてよい。制御ハウジング７０８はスイッチ７２２の遠隔起動が可能である制御インターフェース７２６を含むことができる。例えば、スイッチ７２２は、スイッチ７２２が個別に、又はグループとして作動するのを可能にする例えばソレノイド等の駆動装置７２４に関連していてよい。スイッチ７２２はラッチ型スイッチであってよく、これにより電力は短期間駆動装置７２４に供給されるのみとなる。
【００５２】
変換装置７００は例えば第１位相素子７０２に関連する第１電力出力部７４０、第２位相素子７０３に関連する第２電力出力部７４２、第３位相素子７０４に関連する第３電力出力部７４４、及び少なくとも一つの中性線７４６等の電力出力部を含むことができる。変換装置７００は例えばインダクタ７３６等の電力処理部品を含む、又は電力処理部品に連結されることができる。
【００５３】
変換装置７００のコイル７１０〜７１５は、変換装置７００が発電機として作動する時に、変換装置７００の出力がコイル７１０〜７１５が再構成されなかった場合にサポートされる速度よりも広い範囲の作動速度において電力エレクトロニクスユニット（図７に図示せず）の閾値を満たすように再構成することができる。この再構成は、位相素子７０２〜７０４間の逆電流が減少し、変換装置７００が、コイル７１０〜７１５の再構成前にできるだけ長く高効率構成で作動することができ、低効率構成で作動を継続することができるような方法で実施することができる。
【００５４】
図８は変換システムの例えば電力エレクトロニクスユニット等の電力処理システム８００の特定の実施形態の概略回路図である。電力処理システム８００は、制御ハウジング７０８を介して、図７の変換装置７００等の変換装置の複数の位相素子の出力部８１０に連結させることができる。変換装置による出力電力は各位相素子、例えば第１電力出力部７４０、第２電力出力部７４２、第３電力出力部７４４、及び中性線７４６に関連する出力部を介して電力処理システム８００によって受けることが可能である。
【００５５】
特定の実施形態において、電力処理システム８００は可変周波数、電力出力部７４０、７４２、７４４と中性線７４６を介して変換装置から受けた可変出力電力を、固定周波数、負荷に供給される固定出力電圧に変えるように適合させることができる。例えば、電力処理システム８００はＨブリッジ整流器インバータを含むことができる。この実施例において、電力処理システム８００の整流器側８０２で、各電力出力部７４０、７４２、７４４は、対応する電力出力部７４０、７４２、７４４を直流（ＤＣ）バス８０８に接続する例えばスイッチ８０４及び８０５等の２つの電気スイッチに関連していてよい。これらのスイッチはＩＧＢＴ型、又は別のタイプの半導体電源スイッチであってよい。
【００５６】
コンデンサ８０６はＤＣバス８０８に関連していてよい。特定の位相において再構成が行われる時に、その特定の位相に関連する２つのスイッチは再構成中はオフにする（つまり開放する）ことができ、再構成後に通常の作動状態に戻す（つまり閉鎖する）ことができる。再構成中は、変換装置（図８に図示せず）のロータが回転し続けて、磁束がステータのコイル全体に拡がることが可能である（図８に図示せず）。したがって、コイルの電圧は変化し続ける可能性がある。特定位相に関連する両方のスイッチがオフ（すなわち開放）状態にあることで、特定の位相のコイルが効率的に開放され、切替中はその特定の位相において電流が流れず、再構成が実施される。再構成中の位相のスイッチを開放することで、再構成中の電圧ノイズの発生と特定位相のコイル内の電流の流れを低減することができる。スイッチは、（例えば図６のコントローラ６１２等の）コントローラのファイヤリングシーケンスプログラムに応じて制御することができる。あるいは、電力出力部７４０、７４２、７４４と電力処理システム８００の間に切断スイッチを配置することができる。
【００５７】
特定の実施形態では、異なる位相の再構成を同期させることができる。例えば、整流器側８０２のスイッチをほぼ同時にオフにする（つまり、解放する）ことができる。すなわち、コントローラが再構成が行われることを示す信号を発信すると、閉鎖された（すなわちオン状態にある）各スイッチは再構成が実施されている間は閉じられたままである。解放された（すなわちオフ状態にある）各スイッチは、再構成が完了するまで解放されたままである。この実施例に於いて、ＤＣバス８０８のコンデンサ８０６のサイズは、再構成が行われている間、数回の出力サイクルに対して変換装置の出力負荷をサポートするのに十分なキャパシタンスを有するように調整可能である。
【００５８】
別の実施例では、各位相は連続的に再構成することができる。説明すると、三相ステータにおいて、ＤＣバス８０８をサポートするために再構成中は少なくとも２つの発電機の位相を常に作動させたままにすることができる。この実施例において、第２位相が再構成される時は、第１位相は第３位相とは電圧が異なり、コンデンサ８０６のサイズは、相当量の高電圧位相の逆電流が低電圧位相に流れ込むのを防ぐのに十分なキャパシタンスを有するように調整可能である。
【００５９】
したがって、電力処理システム８００により、変換装置から受けた電力を処理してＤＣバス８０８に電力供給し、負荷（図示せず）に電力を供給することが可能になる。電力処理システム８００のスイッチにより、ステータの位相間の電圧の不平衡が原因で例えば高電圧位相から低電圧位相への好ましくない電流の流れを起こすことなく、ステータのコイルの再構成が可能になる。
【００６０】
図９は変換装置のステータの電気構成の切替え方法の特定の実施形態のフロー図である。変換装置は図１及び２の変換装置１００、図６の変換装置６０６、図７の変換装置７００、又は別の変換装置を含むことができる。特定の実施形態では、変換装置はロータとステータを含む。ステータは、一又は複数の位相素子に配置された複数のコイルを含む。例えば、第１位相素子は少なくとも第１コイルと第２コイルを有する第１コイルグループと、少なくとも第３コイル及び第４コイルを有する第２コイルグループを含むことができる。ロータは第１コイルグループと第２コイルグループの間に位置づけることができる。
【００６１】
本方法は９０２において、変換装置に関連する作動パラメータを検出することを含むことができる。例えば、検出された作動パラメータは変換装置のロータの回転速度を含むことができる。別の実施例では、検出された作動パラメータは変換装置のステータの出力電圧を含むことができる。
【００６２】
本方法は９０４において、検出された作動パラメータが閾値を満たすか否かを判断することを含むことができる。例えば、閾値は電圧閾値、回転速度閾値、又は別の閾値を含むことができる。特定の実施形態において、閾値は変換装置が連結された電力エレクトロニクスユニットの電圧閾値に対応するように選択される。例えば、閾値をロータの検出された回転速度と比較した時に、特定のステータ構成において閾値はロータの最低回転速度に対応していてよく、これにより変換装置が電力エレクトロニクスユニットの電圧閾値を満たすことができる。別の実施例において、閾値をステータの出力電圧と比較したときに、閾値は電力エレクトロニクスユニットの電圧閾値と対応していてよい。
【００６３】
本方法は９０６において、検出された作動パラメータが閾値を満たすことに応答して、少なくとも第１位相素子のコイルの電気構成を切り替えることを含むことができる。例えば、ステータの出力電圧が電圧閾値を満たすことに応答して、コイルの電気構成を切り替えることができる。別の実施例において、ロータの回転速度が速度閾値を満たすことに応答して、コイルの電気構成を切り替えることができる。説明すると、ロータの回転速度が速度閾値以下に低下したことに応答して、コイルの電気構成を第１構成から第２構成へ切り替えることができる。（電力がフライホイール式エネルギー貯蔵システムに印加された時に）ステータに電気が供給されてロータの運動が駆動されたことに応答して、コイルの電気構成を第１構成に切り替えることも可能である。
【００６４】
本方法は９０８において、例えば第２位相素子のコイル等のステータの追加コイルの電気構成を切り替えることを含むことができる。追加コイルの電気構成は、第１位相素子のコイルの電気構成の切替えと同時に切り替えることができる、又は第１位相素子のコイルの電気構成を切り替えた後で追加コイルの電気構成を切り替えることができる。
【００６５】
したがって、図９の方法により、例えば発電機又はモータ等の変換装置のステータのコイルの再構成が可能になる。コイルは変換装置の出力が（すなわち、変換装置が発電機として作動した時に）コイルが再構成されなかった場合にサポートされる速度よりも広い範囲の作動速度において電力エレクトロニクスユニットの閾値を満たすように再構成することができる。この再構成は、ステータの位相素子間の逆電流が減少し、変換装置が、コイルの再構成前にできるだけ長く高効率（低抵抗）構成で作動することができ、低効率構成で作動を継続することができるような方法で実施することができる。
【００６６】
本明細書に説明したように、ある方法の一実施形態はステータの第１位相素子のコイルの電気構成を第１構成に切り替え、第１構成においては、第１位相素子の第１コイルは第１コイル経路にあり、第１位相素子の第２コイルは第１コイル経路と並列に電力コネクタに連結された第２コイル経路にあり、第１位相素子のコイルの電気構成を第２構成に切り替え、第２構成においては、第１コイル及び第２コイルは直列に連結されており、第１位相素子は少なくとも第１コイル及び第２コイルを有する第１コイルグループと、少なくとも第３コイル及び第４コイルを有する第２コイルグループを含み、ロータが第１コイルグループと第２コイルグループの間に位置づけられているステップを含む。
【００６７】
本方法はさらに、ロータの回転速度を検出することを含むことができ、コイルの電気構成は回転速度が速度閾値を満たすことに応答して切り替えられる。上記の実施形態においては、本方法はさらに、ロータの回転速度が速度閾値以下に低下したことに応答して、コイルの電気構成を第２構成に切り替えることを含むことができる。加えて、本方法はステータに電気が供給されてロータの運動が駆動されたことに応答してコイルの電気構成を第１構成に切り替えることを含むことができる。説明した方法はさらに、ステータを検出することを含むことができ、ステータの出力電圧が電圧閾値を満たすことに応答して、コイルの電気構成が切り替えられる。ステータがさらに追加コイルを有する少なくとも一つの第２位相素子を含む実施形態では、本方法はさらに、第１位相素子のコイルの電気構成を切り替えるのと同時に追加コイルの電気構成を切り替えることを含むことができる。ステータがさらに追加コイルを有する少なくとも一つの第２位相素子を含む実施形態においては、本方法はさらに、第１位相素子のコイルの電気構成を切り替えた後で追加コイルの電気構成を切り替えることを含む。
【００６８】
また本明細書で説明したように、システムの実施形態は運動エネルギーと電気間の変換を行う変換装置を含む。変換装置は電気を受ける又は出力する電力コネクタと、少なくとも一つの磁石を含むロータと、第１位相素子を形成するように配置された多重コイルを含むステータと、少なくとも第１コイル及び第２コイルを有する第１コイルグループと少なくとも第３コイル及び第４コイルを有する第２コイルグループを含む第１位相素子であって、ロータだけでなく、多重コイルの電気構成を切り替えることによって多重モード間の第１位相素子の再構成を可能にする一又は複数のスイッチが第１コイルグループと第２コイルグループの間に位置づけられ、多重モードのうちの少なくとも一つのモードにおいて、多重コイルが第１コイルが第１コイル経路に、第２コイルが第１コイル経路と並列に電力コネクタに連結された第２コイル経路にあるように配置されており、多重コイルはロータとステータの相対運動によって第１コイル経路全体に発生した第１電圧が、相対運動の結果第２コイル経路全体に発生した第２電圧とほぼ等しくなるように配置されている第１位相素子と、ロータに連結され、運動エネルギーを供給してロータとステータの相対運動を駆動する機械的装置を含む。
【００６９】
システムの特定の実施形態はさらに、変換装置が相対運動の速度に少なくとも部分的に基づいて作動する特定モードを選択するコントローラを含む。上記実施形態の一部のコントローラはさらに、切替パターンによって指定される順番で一又は複数のスイッチを起動させるように構成されており、この順番は多重コイルを通る電流の流れが原因のロータの不平衡力が制限されるように選択される。
【００７０】
あるシステムの実施形態においては、機械的装置は、電力コネクタを介して送られた電気に応答して、貯蔵された運動エネルギーをロータに送って電気を発生させ、ロータから運動エネルギーを受けるフライホイールである。その他のシステムの実施形態においては、機械的装置は可変速度エンジンである。
【００７１】
本明細書に記載した実施形態の説明は、様々な実施形態の構造を一般的な意味解釈ができるように意図されたものである。この説明は、本明細書に記載した構造又は方法を用いる装置及びシステムのすべての要素及び特徴の完全な説明となるものではない。本開示内容を再検討した時に当業者にはその他多くの実施形態が明らかとなり得る。本開示内容の範囲を逸脱せずに、構造的及び論理的な置き換え、及び変更を行うことができるようなその他の実施形態を本開示内容から用いる及び得ることができる。例えば、方法のステップは図面で示した順番とは異なる順番で実施することができる、又は一又は複数の方法のステップを省略することができる。したがって、本開示内容及び図面は説明のために記載されたものであり、限定的なものではない。
【００７２】
さらに、特定の実施形態を本明細書に図示し説明してきたが、当然ながら同じ又は類似の結果を得るために設計されたすべての後続の配置構成を図示した特定の実施形態と置き換えることができる。この開示内容は様々な実施形態の任意の、またすべての後続の適応形態又は変形例を網羅するものである。本明細書に具体的に記載されていない上記実施形態の組み合わせ、及びその他の実施形態は、この記載内容を再検討する時に当業者に明らかとなるであろう。
【００７３】
開示内容の要約は請求項の範囲又は意味を解釈する又は限定するために使用されないことを前提として提出したものである。さらに、前述の詳細説明において、開示内容を簡素化する目的で様々な特徴を一緒にグループ化する又は単一の実施形態において説明している場合がある。この開示内容は、実施形態が各請求項に明確に列挙されたもの以上の特徴を要求する意思を表すものとして解釈されるべきではない。むしろ、後述の各請求項に示すように、請求される主題は開示された任意の実施形態の特徴すべてを満たさないものを示すことができる。
【符号の説明】
【００７４】
１００変換装置
１０２ロータ
１０３ステータ
１０４磁石
１０６回転軸
１０８第１位相素子
１０９第２位相素子
１１０第３位相素子
１１２第１コイル
１１３第２コイル
１１４第３コイル
１１５第４コイル
１１６第１隙間
１１７第２隙間
１３０第１コイルグループ
１３１第２コイルグループ
１４０第３コイルグループ
１４１第４コイルグループ
１５０第５コイルグループ
１５１第６コイルグループ
２２０コイル端部
２２１コイル端部
２２２コイル端部
２２３コイル端部
２２４コイル端部
２２５コイル端部
２２６コイル端部
２２７コイル端部
２４０第１スイッチ
２４１第２スイッチ
２６０第１配線
２６２第２配線
２６４第３配線
２７０電力コネクタ
２７２電力コネクタ
３０２第１電気構成
３０４第２電気構成
３０６第３電気構成
３０８第４電気構成
３１０第５電気構成
３１２第６電気構成
３１４第７電気構成
３１６第８電気構成
３１８第９電気構成
３２０第１０電気構成
３２２第１１電気構成
４００バイファイラ巻きコイル
４０２第１配線
４０４第２配線
５００ステータの位相素子
５０２位相素子の第１側面
５０４位相素子の第２側面
５１２第１コイル
５１３第２コイル
５１４第３コイル
５１５第４コイル
６００システム
６０２ロータ
６０４ステータ
６０６変換装置
６１０スイッチ
６１２コントローラ
６１４電力コネクタ
６１６センサ
６２０機械的装置
６２２キャリア・ベアリング
６２４高温超電導体ベアリング
６２６クライオジェニック冷却システム
７００変換装置
７０２第１位相素子
７０３第２位相素子
７０４第３位相素子
７０８制御ハウジング
７１０第１コイル
７１１第２コイル
７１２第３コイル
７１３第４コイル
７１４第５コイル
７１５第６コイル
７２２スイッチ
７２４駆動装置
７２６制御インターフェース
７３０再構成ハウジング
７３１再構成ハウジング
７３２再構成ハウジング
７３６インダクタ
７４０第１電力出力部
７４２第２電力出力部
７４４第３電力出力部
７４６中性線
８００電力処理システム
８０２整流器側
８０４スイッチ
８０５スイッチ
８０６コンデンサ
８０８ＤＣバス
８１０位相素子の出力部

【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力コネクタ（２７０、２７２）と、
ロータ（１０２）と、
第１位相素子（１０８）を形成するように配置された多重コイルを含むステータ（１０３）であって、第１位相素子が、少なくとも第１コイル（１１２）と第２コイル（１１３）を含む第１コイルグループ（１３０）と、少なくとも第３コイル（１１４）と第４コイル（１１５）を含む第２コイルグループ（１３１）を含み、ロータが第１コイルグループと第２コイルグループの間に位置づけられているステータ（１０３）と、
多重コイルの電気構成を切り替えることによって多重モード間で第１位相素子の再構成を可能にする一又は複数のスイッチ（２４０、２４１）であって、多重モードの第１モードにおいて、多重コイルが、第１コイル経路に第１コイルがあり、第２コイル経路に第２コイルがあるように配置されており、第２コイル経路が第１コイル経路と並列に電力コネクタに連結されている、一又は複数のスイッチ（２４０、２４１）と
を含み、
多重コイルは、ロータとステータの相対運動によって第１コイル経路全体に生じた第１電圧が、同相対運動によって第２コイル経路全体に生じた第２電圧とほぼ等しくなるように配置されている
装置（１００）。
【請求項２】
第１コイル（１１２）が第２コイル（１１３）から半径方向に間隔を置いて配置されて第１電圧と第２電圧とのバランス調整が行われ、この間隔は第１電圧と第２電圧のバランスをとるように調節可能である、請求項１に記載の装置（１００）。
【請求項３】
多重モードの第２モードにおいて、第１コイルグループ（１３０）の少なくとも一つのコイルと、第２コイルグループ（１３１）の少なくとも一つのコイルとが、電力コネクタ（２７０、２７２）に連結されていない、請求項１に記載の装置（１００）。
【請求項４】
多重モードの第１モードにおいて、第１コイル（１１２）と第４コイル（１１５）は互いに連結されて直列コイルのセットを形成し、直列コイルのセットは第２コイル（１１３）と第３コイル（１１４）と並列に電力コネクタ（２７０、２７２）に連結されている、請求項１に記載の装置（１００）。
【請求項５】
多重モードの第３モードにおいて、第１コイル（１１２）と第２コイル（１１３）は互いに連結されて第１直列コイルのセットを形成し、第３コイル（１１４）と第４コイル（１１５）は互いに連結されて第２直列コイルのセットを形成し、第１直列コイルのセットと第２直列コイルのセットは電力コネクタ（２７０、２７２）に並列に連結されている、請求項１に記載の装置（１００）。
【請求項６】
多重モードの第４モードにおいて、第１コイル（１１２）、第２コイル（１１３）、第３コイル（１１４）、及び第４コイル（１１５）は互いに連結されて電力コネクタ（２７０、２７２）に連結された直列コイルのセットを形成する、請求項１に記載の装置（１００）。
【請求項７】
第１コイル（１１２）が第２コイル（１１３）と絡み合わされている、請求項１に記載の装置（１００）。
【請求項８】
少なくとも、第１位相素子（１０８）から角度をなしてオフセットしている第２位相素子であって、一又は複数のスイッチ（２４０、２４１）を使用して多重モード間で再構成可能である第２位相素子（１０９）をさらに含む、請求項１に記載の装置（１００）。
【請求項９】
ステータ（１０３）の第１位相素子（１０８）のコイルの電気構成を第１構成（３０２）に切り替えるステップ（９０６）であって、第１構成において、第１位相素子の第１コイル（１１２）が第１コイル経路にあり、第１位相素子の第２コイル（１１３）が、第１コイル経路に並列に電力コネクタ（２７０、２７２）に連結されている第２コイル経路にあるステップと、
第１位相素子のコイルの電気構成を第２構成（３０４）へ切り替えるステップ（９０８）であって、第２構成において、第１コイル及び第２コイルは直列に連結されているステップ
を含む方法であって、
第１位相素子は、少なくとも第１コイル及び第２コイルを有する第１コイルグループ（１３０）と、少なくとも第３コイル（１１４）及び第４コイル（１１５）を有する第２コイルグループ（１３１）を含み、ロータ（１０２）は第１コイルグループと第２コイルグループの間に位置づけられている方法。
【請求項１０】
運動エネルギーと電気の間で変換を行う変換装置（６０６）であって、
電気を受ける又は出力する電力コネクタ（６１４）と、
少なくとも一つの磁石を含むロータ（６０２）と、
第１位相素子（１０８）を形成するように配置された多重コイルを含むステータ（６０４）であって、第１位相素子が少なくとも第１コイル（１１２）と第２コイル（１１３）を有する第１コイルグループ（１３０）と、少なくとも第３コイル（１１４）と第４コイル（１１５）を有する第２コイルグループ（１３１）を含み、ロータが第１コイルグループと第２コイルグループの間に位置づけられているステータ（６０４）と、
多重コイルの電気構成を切り替えることによって多重モード間で第１位相素子の再構成を可能にする一又は複数のスイッチ（２４０、２４１）であって、多重モードのうちの少なくとも一つのモードにおいて、多重コイルが、第１コイル経路に第１コイルがあり、第１コイル経路と並列に電力コネクタに連結された第２コイル経路に第２コイルがあるように配置されている、一又は複数のスイッチ（２４０、２４１）と
を含み、
多重コイルが、ロータとステータの相対運動によって第１コイル経路全体に生じた第１電圧が、同相対運動によって第２コイル経路全体に生じた第２電圧とほぼ等しくなるように配置されている変換装置（６０６）、並びに
ロータに連結され、ロータとステータの相対運動を駆動する運動エネルギーを供給する機械的装置（６２０）
を含むシステム（６００）。

【図１】