JP2005522161A5 - - Google Patents
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Description
この発明の実施例は、モータあるいは発電機のいずれかとして機能することができる、電気的マシンに関する。本電気的マシンは、高い効率および高いパワー密度を達成するために高周波で向きが変わる磁流を用いる。
[発明の背景]
モータおよび交流発電機は、高い効率、高いパワー密度および低コストとなるように設計されている。高いパワー密度は、高い回転速度、それ故、高い電気的な周波数で交流発電機を動作させることにより達成される。しかしながら、高い電気的な周波数は高い鉄損およびより低い効率に帰着する。非常に低い鉄損(その結果、高い電気的な周波数で動作することを可能にする)を有するモータおよび交流発電機を提供することが望ましい。
モータおよび交流発電機は、高い効率、高いパワー密度および低コストとなるように設計されている。高いパワー密度は、高い回転速度、それ故、高い電気的な周波数で交流発電機を動作させることにより達成される。しかしながら、高い電気的な周波数は高い鉄損およびより低い効率に帰着する。非常に低い鉄損(その結果、高い電気的な周波数で動作することを可能にする)を有するモータおよび交流発電機を提供することが望ましい。
もし高い回転速度が得られないなら、先行技術のモータもしくは交流発電機は、低い回転速度で高い電気的な周波数を得るために多くの磁極を持たなければならない。先行技術のモータもしくは交流発電機は、スペースの制限により、持つことができる磁極の数に現実的な制限がある。したがって、一旦その制限に到達すると、あるパワーに達するためには、モータもしくは交流発電機は、比較的に大きくなるとともに、低い回転速度の場合に特有である低いパワー密度を持つようになるに違いない。現在可能なものに対して数倍の個数の磁極を持つことができ、低い回転速度であっても高いパワー密度およびよい効率を提供できるモータもしくは交流発電機を提供することが望ましい。
先行技術のモータおよび交流発電機に備わる別の問題は、それらが、磁界をもたらすための永久磁石あるいは電磁石のいずれかを必要とすることにある。各タイプの磁石はいくつかの長所およびいくつかの短所を持つので、2つのタイプの磁石間のトレードオフについて決定を下すことが必要となる。永久磁石は単純性を提供し、それらは、電気的な入力を必要とせず、この結果、ブラシレスのモータまたは交流発電機を可能にするという長所を持つ。永久磁石はまた、比較的高いパワー密度のモータもしくは交流発電機を設計することも可能にする。しかしながら、それらは、広い速度範囲にわたる動作を許容せず、そして、所望されても、磁力をなくすことはできない。電磁石は電源は切ることができるが、より多くのスペースを占め、電力を得るためにスリップリングを必要とし、システムに対して寄生ロスとなる。したがって、クラッチの必要を回避するために、多くのマシンが、より低いパワー密度、より低い効率およびより高い複雑さのモータもしくは交流発電機を受け入れなければならない。永久磁石と電磁石の利点を組み合わせることができるモータおよび交流発電機を提供することが望ましい。
既存のモータおよび交流発電機での設計上のトレードオフは、いくつかのモータおよび交流発電機の商業的成功を妨害した。例えば、低速出力が、車両サスペンションおよび駆動システムの重量とサイズの要件と両立しない大きなモータを必要とするので、乗り物の車輪を駆動するハブ・モータは製品化されていない。成功しようとするハブ・モータは、先行技術のモータによって提供されたものより数倍高いパワー密度を必要とし、また、よい効率を維持しなければならず、可変の磁界強度を持たなければならない。そのようなモータは、電気自動車およびハイブリッドの電気自動車を商業的に許容できるものにするために大いに役立つであろう。
[課題を解決するための手段]
この発明の実施例は、先行技術の装置より数倍高いパワー密度を提供するモータ/交流発電機を提供する。これは、基本的に鉄損を大きく低減することにより達成され、それにより、はるかに高い電気的な周波数でモータ/交流発電機を動作させることを可能にする。それは、与えられた回転速度に対し、高い電気的な周波数で動作するので、装置が交流発電機として動作させられる場合、出力電圧は先行技術の交流発電機のものよりも高い。これは、巻線に流れる電流を低減し、本質的に装置の抵抗性損失を低下させる。
この発明の実施例は、先行技術の装置より数倍高いパワー密度を提供するモータ/交流発電機を提供する。これは、基本的に鉄損を大きく低減することにより達成され、それにより、はるかに高い電気的な周波数でモータ/交流発電機を動作させることを可能にする。それは、与えられた回転速度に対し、高い電気的な周波数で動作するので、装置が交流発電機として動作させられる場合、出力電圧は先行技術の交流発電機のものよりも高い。これは、巻線に流れる電流を低減し、本質的に装置の抵抗性損失を低下させる。
従来のモータおよび交流発電機は、固定子、回転子の一方または双方で変化する磁界を生成するために、巻線内で変化する電流を用いる。この発明の実施例はそれに替えて、磁界の磁束経路の変更によって一定の磁界を変化させる。ヒステリシスと渦電流は鉄損の主要な原因である。ヒステリシスは、材料中の磁極性の逆転によって引き起こされる。また、磁界が逆になっても逆にならなくても、渦電流は材料中の磁界の強度の変化によって引き起こされる。この発明の実施例は、粉末鉄のような渦電流に強い材料を使用して、コアの大部分におけるヒステリシス、およびコアのその部分に対するヒステリシスを防ぐことにより、低い鉄損を達成する。この発明の実施例は、磁界の逆転が発生するコアの小さな部分において低ヒステリシス損の材料を使用することにより、さらに鉄損を低減する。
この発明の実施例によるモータ/交流発電機は、N極およびS極を備えた単一の磁石を用いる。磁石は選択的に永久磁石あるいは電磁石、あるいは両者の組み合わせである。複数の磁束伝導体は、単一磁石からの磁界を導く。磁束伝導体の半分が、正の極性を持つように磁石のN極に接し、そして、磁束伝導体の他の半分が、負の極性を持つように磁石のS極に接する。N極側およびS極側の磁束伝導体は、磁束伝導体間の磁束もれを最小限にするのに十分なエアギャップによって互いに分離している。複数のスイッチデバイスが回転子に取り付けられる。スイッチデバイスは、装置の磁石のNとS極の間で磁束を導くための磁気回路を交互に開閉するように、磁束伝導体間に接触して接続する。装置内では、これらの磁束スイッチのみにおいてヒステリシスが生じる。複数の磁束伝導体がパワーコイルの周囲で磁束を交互に反転した方向に導くように、それらの磁束伝導体が配置される。磁束伝導体の半分は、パワーコイルの回りで時計回り方向の磁界を生成し、残りの半分は、コイルの回りで反時計回り方向の磁界を生成する。スイッチデバイスが交番磁気回路を開閉するとき、パワーコイルの回りで磁界の極性が反転される。交流発電機として使用された時、磁界の極性の反転はパワーコイル中に交流EMF電圧を誘導させる。AC電圧がパワーコイルに印加される場合、装置は、回転子上のスイッチデバイスが磁束伝導体間で移動させられることにより、モータとして動作する。
磁束伝導体は極めて小さくすることができ、そのため、それらが接近しすぎて、磁気もれが生じる前に、多数の磁束伝導体ペアを小さなスペース内に収容できる。磁束伝導体の各ペアが、モータ/交流発電機中の1つの磁極から成るので、この発明の実施例では、先行技術のモータおよび交流発電機よりも磁極の個数を数倍多くすることが可能である。磁極の個数が非常に多いことは、この発明の実施例が、適度な回転速度で動作しながら、高いパワー密度のために必要とされる高い電気的な周波数を達成することを可能にする。
[発明の効果]
この発明の実施例による装置は、単一の磁石だけを使用するという長所を持つ。これは、多くの先行技術のモータおよび交流発電機と比較して、非常に単純で経済的な構成を可能にする。この発明の実施例は、多数の磁石を必要とすることなく多数の磁極を備えたモータまたは交流発電機をもたらす。更に、磁石が固定子上にあるので、電磁石に電流をもたらすためのスリップリングが不要で、その製造を非常に単純化する。磁石が選択的に永久磁石あるいは電磁石のいずれかであるので、希望の使用状況で最も良好に機能する磁石を選択する際に、大きな柔軟性がある。1つの可能性は、磁石が永久磁石と電磁石とを組み合わせたハイブリッドである場合である。この構成では、永久磁石が固定強さの磁界を提供する。また、追加的な電磁石は、磁界を増大させて強めるか、あるいは潜在的にそれを低減するために使用される。電磁石からの磁界の強さを調節することによって、必要に応じてモータまたは交流発電機の合計磁界強度が随意に調節される。
この発明の実施例による装置は、単一の磁石だけを使用するという長所を持つ。これは、多くの先行技術のモータおよび交流発電機と比較して、非常に単純で経済的な構成を可能にする。この発明の実施例は、多数の磁石を必要とすることなく多数の磁極を備えたモータまたは交流発電機をもたらす。更に、磁石が固定子上にあるので、電磁石に電流をもたらすためのスリップリングが不要で、その製造を非常に単純化する。磁石が選択的に永久磁石あるいは電磁石のいずれかであるので、希望の使用状況で最も良好に機能する磁石を選択する際に、大きな柔軟性がある。1つの可能性は、磁石が永久磁石と電磁石とを組み合わせたハイブリッドである場合である。この構成では、永久磁石が固定強さの磁界を提供する。また、追加的な電磁石は、磁界を増大させて強めるか、あるいは潜在的にそれを低減するために使用される。電磁石からの磁界の強さを調節することによって、必要に応じてモータまたは交流発電機の合計磁界強度が随意に調節される。
この発明の別の実施例は、3相の装置を提供する。その3相の実施例でも、必要とされるのは1つの磁石あるいはハイブリッド磁石のみであり、この磁石あるいはハイブリッド磁石は、上下方向に並べて配置された3個の個別のコイルを囲む複数の磁束伝導体を磁化する。磁気回路が一度に1個のコイルのまわりで完成するように、複数の磁束スイッチが並べて配置される。交流発電機として使用された時に3相出力が生成されるように、かつ、モータとして使用された時に3相電力が装置を駆動するように、複数の磁束スイッチは互いに所定間隔を有して配置される。
この発明の実施例は、レイアウトと幾何学構成で多くの可能性を持つ。回転子は、選択的に、固定子の内側あるいは外側に位置し、あるいは対面して位置する。磁束スイッチおよび磁束伝導体は、例えば意図した使用に基づき、随意に種々の形態をとる。磁石は、選択的に永久的、電気的、あるいはその双方である。本明細書では述べていなくても本発明の範囲内でさらに多くの変形例が存在しうる。
本発明の実施例によるモータ/交流発電機は、与えられた回転速度に対して、先行技術の装置と比較して非常に高い電気的な周波数で動作する。これは非常に高いパワー密度をもたらす。1つの実施例では、動作時の電気的な周波数は、与えられた回転速度に対して先行技術の装置より10倍高い。これは、10倍高いパワー密度をもたらす。この高周波動作はさらに、装置が交流発電機として使用される場合に、電力出力を滑らかにするコンデンサーに対する必要性が低減される結果となる。この高周波動作はさらに、装置が、先行技術の装置と比較してはるかに高い電圧で動作することを可能にし、そのために、装置のバッテリー充電能力を改善し、また、インバーターとのインターフェースを単純化する。電圧を高くすることは、さらに、装置内のワイヤを小さくし、低電流および低電力損失をもたらす。
様々な実施例中のこの発明による追加の特徴および利点は、この開示の残りから明らかになるであろう。この発明の実施例による特徴と利点は、添付した図面に関連する次の詳細な記述から明らかになるであろう。
[発明を実施するための最良の形態]
この発明はいくつかの異なる実施例で示され、かつ説明され、主に4つの具体的に記述された実施例で説明される。第1の具体的に述べた実施例は単相装置である。さらに、第2のものは、磁束の経路の幾何学的形状が異なる単相の装置である。第3のものでは、3相型装置について説明する。第4のものは、その回転子が固定子の内側にある単相型装置である。特に具体的に説明したもの以外にも他の実施例(回転子が内側にある3相装置など)があり、それについてはここでは特に記述していないが、これらの4つの実施例から自ずから、または完全に理解されるであろう。
この発明はいくつかの異なる実施例で示され、かつ説明され、主に4つの具体的に記述された実施例で説明される。第1の具体的に述べた実施例は単相装置である。さらに、第2のものは、磁束の経路の幾何学的形状が異なる単相の装置である。第3のものでは、3相型装置について説明する。第4のものは、その回転子が固定子の内側にある単相型装置である。特に具体的に説明したもの以外にも他の実施例(回転子が内側にある3相装置など)があり、それについてはここでは特に記述していないが、これらの4つの実施例から自ずから、または完全に理解されるであろう。
図1で示されるように、この発明の実施例は、リング磁石2を持っている固定子1、1組のN極側磁束伝導体4、1組のS極側磁束伝導体6およびパワーコイル8を含む。N極側およびS極側磁束伝導体4および6は、磁石2と直接に接触している。磁束伝導体4、6は、容易に磁界を導く材料で作られている。鉄性の材料が良好に作用する。そして、他の材料も自由に使用されるが、1つの具体的な材料は粉末金属である。磁束伝導体4および6は、磁石2の磁界をパワーコイル8へ向かって導く。パワーコイル8は、装置が交流発電機として使用される場合、電気的な電圧が生成される電気的なコイルである。モータとして使用される時、パワーコイル8は、電圧と電流を供給して装置に電力供給する。パワーコイル8は電気的リード10を含み、この電気的リード10により、装置が交流発電機として使用される場合には出力電力を集め、それがモータとして使用される場合には電力供給する。
図2は、図1のリング磁石のより詳細な分解組立図である。この発明の1つの実施例は、同心円状に配置された永久磁石12および電磁石14を含むハイブリッド磁石であるが、この発明の実施例は、選択的に、永久磁石12のみを含むか、電磁石14を単独に含んでもよい。永久磁石12だけを備えた磁石2の構成では、電磁石14は存在せず、電磁石14に接続された電気的リード16も不要である。電磁石14だけを備えた磁石2の構成では、電磁石14によって生成された磁束を導くために、永久磁石12は、永久磁石と同じ形状の強磁性材料のシリンダによって置き換えられる。その後、磁界は、電磁石14の電気的リード16に印加される電圧の調節により増減される。永久磁石12および電磁石14の両方がハイブリッド磁石として使用される磁石2の一構成例では、電磁石14の磁界が、永久磁石12の磁界に対して自由に加算もしくは減算される。これは、始動、クラッチ操作または制動のために所望された時、磁界の強さが電磁石14によって調節されることを可能にする一方、大部分の時間においては、永久磁石12によって生成された磁界だけを用いて外部電流源なしでモータ/交流発電機が動作することを可能にする。
磁石2のN極へ接続される複数の磁束伝導体4は、オプションで、図3で示されるような単一の部品として形成される。その磁束伝導体は、その磁束伝導体のための構造的な支持を提供する装着用リング18を含む。装着用リング18は、磁石2(図示せず)のN極側と接触し、その場所に磁石2を保持する。磁束伝導体である複数の薄板(ラミネート)20が装着用リング18に取り付けられる。薄板20は、磁石2から適切な位置へ磁界を導く。各薄板20は、装着用リング18から放射状に外へ伸びて、2つの伝導部分に分離している。
図4は、単一のN極側磁束伝導体薄板20を示す。上部伝導部分22は、装着用リング18から直接放射状に外へ伸び、下部伝導部分24は、上部伝導部分22から下方へ伸びる。各薄板20の上部伝導部分22および下部伝導部分24の間には、パワーコイル8(不図示)を保持するように形成されたノッチ26が存在する。下部伝導部分24の各々は、下方へ伸びていることに加えて、下部伝導部分24が上部伝導部分22と垂直方向に整列しないように曲げられている。下部伝導部分24の各々は、2つの隣接した上部伝導部分22間の中間位置で、周方向に間隔を有して配置される。1つの実施例では、図3の磁束伝導体4は60個の薄板20を含み、このため2つの薄板20間の回転方向の分離が6度となる。下部伝導部分24が上部伝導部分22に対して周方向にオフセットされるので、2つの伝導部分22と24の間のオフセットの合計は3度である。磁束伝導体4は、粉末金属から単一部品として随意に鋳造される。しかしながら、磁束伝導体4は、単一部品である装着用リング18と、装着用リング18にそれぞれしっかりと取り付けられる別個の部品である複数の薄板20とから組み立てられてもよい。
別の組の磁束伝導体6が図5に示される。複数の磁束伝導体6は、磁石2(図示せず)のS極に磁気的に接続される。磁束伝導体6は、図3の磁束伝導体4と同じ構成である。磁束伝導体6は、磁束伝導体6は、磁石2のS極へ接続される装着用リング28を含む。複数の薄板30は、装着用リング28から放射方向に外側へ突き出る。
図6は、磁束伝導体6の薄板30が、上部伝導部分32と、装着用リング28から放射方向に延在する下部伝導部分34とに分離していることを示す。パワーコイル8(不図示)を保持するために、上部伝導部分32と下部伝導部分34との間にノッチ36が設けられている。二つの伝導部分32および34の組が互い違いとなるように、上部伝導部分32は、下部伝導部分34に対して周方向にオフセットされる。
図7のごとくN極側磁束伝導体4の薄板20がS極側磁束伝導体6の薄板30に対して間隔を有して配置されるように、図1の磁束伝導体4および6は互いに向かい合っている。隣接した薄板間のエアギャップを通る漏れ磁束がほとんどないか、全く存在しないように、薄板20、30は適切に間隔を有して配置される。1インチのおよそ1000分の50のスペースは漏れ磁束を最小限にするのに十分であるに違いない。N極側薄板20の上部および下部伝導部分22、24および、S極側薄板30の上部および下部の伝導部分32、34は、N極側薄板20の各上部伝導部分22がS極側薄板30の下部伝導部分34と垂直方向に整列するように、互い違いに配置される。同様に、N極側の各薄板20の下部伝導部分24は、S極側薄板30の上部伝導部分32と垂直方向に整列する。図7は、3つのN極側薄板20および3つのS極側薄板30を端部から見た図を示す。
パワーコイル8は、本発明の実施例によるモータ/交流発電機によって生成されたか、もしくは要求された電力を伝送する電気的リード10を持つ。一旦、N極側磁束伝導体4およびS極側磁束伝導体6が、磁石2のまわりで組み立てられたとき(図1を参照)、例えば、パワーコイルはノッチ26、36内において巻かれる。パワーコイル8は、随意に、ノッチ内に適合し巻線間に絶縁物の層(図示せず)を有する銅箔を巻くことによって作られるか、絶縁された長方形のワイヤー巻線から作られる。これとは別に、パワーコイルは、通常の丸い絶縁されたワイヤーを随意に巻き付けることにより作られてもよいが、箔や長方形ワイヤーで作る場合よりも充填密度が低くなる。磁束伝導体の薄板20、30上でパワーコイル8がショートする可能性を一般に防止または低減するために、例えば"U"形状の絶縁材料によるトラックが随意にノッチ26、28内に装着され、そのトラック内にパワーコイル8が巻かれてもよい。
これまで、モータ/交流発電機の固定子1について記述した。モータあるいは交流発電機として機能させるために、この装置は、交流発電機として用いられる場合に入力された回転およびトルクを供給し、モータとして用いられる場合に回転およびトルクを伝達するための回転子を含む。図8は、モータ/交流発電機の回転子37を示す。回転子37は、ベアリング42内で回転するシャフト40に取り付けられた回転子カップ38を含む。この発明の実施例によれば、装置がモータとして機能する時は、シャフト40はその装置により駆動され、交流発電機として機能する時は、シャフトが装置を駆動する。複数の磁束スイッチが回転子カップ38の内部に取り付けられる。1つの実施例では、6度の間隔で、回転子カップ38内部に取り付けられた60個の磁束スイッチ44を含む。
図9は、この発明の実施例によるモータ/交流発電機の側断面図を示す。回転子37と共に回転する磁束スイッチ44が回転子カップ38に取り付けられている。固定子1は、上方を向いたN極、および下方を向いたS極の磁界を供給する磁石2を含む。磁束伝導体の薄板4および6は磁石2に接する。磁束伝導体4および6は、磁石2からの磁界を非常に有効に導き出すので、本質的に、磁石2からの磁束がすべて磁束伝導体4および6によって導かれる。磁束伝導体4、6は、パワーコイル8が装着される、ノッチ26(不図示)および36を含む。磁束スイッチ44は、磁気回路を完成させて磁石2からの磁束を伝導させるように、磁束伝導体4、6に接触して接続する。磁束伝導体4、6および磁束スイッチ44によって構成される磁気回路は、パワーコイル8を囲み、その結果、円周状のパワーコイル8内を通過する磁界の変化がパワーコイルにEMF電圧を誘導し、この装置は交流発電機として機能する。
磁束伝導体4、6および磁束スイッチ44内の磁界を変化させてパワーコイル8中に電圧を誘導する方法は、図10および11を参照すると一層よく理解することができる。図10は、回転子37が第1の位置にあるときの磁束スイッチ44と共に、固定子1の一部を示す。図10では、磁束スイッチ44が、N極側磁束伝導体の薄板20の上部伝導部分22およびS極側磁束伝導体の薄板30の下部伝導部分34に接触する。磁石2からの磁束は、N極側磁束伝導体の薄板20において上部伝導部分22を通じて放射状に外側に向かい、そして、磁束スイッチ44を通じて下方へ向かい、そして最終的に、S極側磁束伝導体の薄板30において下部伝導部分34を通じて放射状に内側へ向かい、磁石2のS極に磁束が戻る。回転子37が回転する時、磁束スイッチ44は、磁束伝導部分22および34の横を通過して、一時的に薄板20および30に接触してこの回路を形成する。
図11は、固定子1の一部を磁束スイッチ44と共に示し、これは、図10で示した構成の瞬間後(一つの実施例では、3度の回転後)に生じた構成である。回転子37が回転した時、磁束スイッチ44は、磁束伝導部分のペア22および34から次のペア24および32へ進行する。図11で示される構成では、磁石2からの磁束が、N極側磁束伝導体の薄板20を通じて放射状に外へ向かう。しかしながら、その磁束が薄板20の途中まで進むと、それは薄板20の下部伝導部分24を通じて下方へ向けられる。磁束は次に、磁束スイッチ44の下部から入って磁束スイッチ44を通じて上方に向かう。磁束スイッチ44の一番上において、磁束は、S極側磁束伝導体30の上部伝導部分32に入る。その後、磁束は、磁束伝導体の薄板30を通じて下方に向けられ、そして、その後、磁石2のS極に戻る。図11で示された構成では、磁束は"8の形"を形成する経路に従う。
図10および図11で示された構成間の主要な違いは、円周状のパワーコイル8内を通過する磁束にある。図10では、磁束は、パワーコイル8の周囲を時計回りの方向で移動する経路に従い、円周状のパワーコイル8内を上方に一度通過する。対照的に、図11で示される構成は、パワーコイル8の周囲に、"8の形"に従う磁束を生じさせる。磁束の経路は、中心近くでは、パワーコイル8を通って上方に進み、その後、円周状のパワーコイル8の内側で下方に進み、その後、円周状のパワーコイル8の外側で上方に進み、その後、再度、円周状のパワーコイル8の内側を通って下方に進む。図11で示された位置での合計磁束は、上方向への1回の通過から、下方向への2回の通過を差し引いたものであり、これは下方向への1回の通過に等しい。1つの実施例では、3度の回転のごとに、磁束スイッチ44は、薄板20、30のペア間で移動し、そして、円周状のパワーコイル8内を通過する正味の磁束は反転し、そして、そのパワーコイル8に交流電圧を誘導する。そのときパワーコイルの中で生成された交流電力は、この明細書を読んだ当業者にはよく知られている標準的技術を用いて、随意に直流電力に変換される。
装置がモータとして動作させられる場合、交流電流がパワーコイル8に印加され、そのパワーコイル8を囲む磁界は磁束スイッチ44を通過する。図11を参照すると、パワーコイル8を通じて図面から手前方向に向かって電流が流れている時、パワーコイル8の周囲に誘導された磁界は反時計回り方向であり、そのため、磁束スイッチ44内の磁界は、上方に向かうものであり、図示した位置における磁界を強める。パワーコイル8中の電流の方向が逆になると、誘導される磁束も逆になり、図11で示される位置では磁束強度を弱めるが、図10中で示されるような次の位置では磁束強度を強くする。磁束スイッチは物理的に引きつけられて磁束回路を完成し、磁束が強くなると、より強い引力が得られる。一旦モータが、電気的周波数に同期した速度で回っていれば、磁束スイッチ44は、磁束伝導部分のペア24および32、または22および34が接近した時にそれらに強く引きつけられる。その後、引きつけられていたペアが離れると、その引力は弱まり、次のペア24および32、または22および34への引力が強くなる。この実施例では、静止状態から動き出すモータの回転方向は、時計回り方向に回転する可能性と、反時計回り方向に回転する可能性とが等しいので決定されない。一旦モータがある方向に回転すると、パワーコイル8中の交流電流の周波数と正確に同期して、モータはその方角に回転し続ける。モータの抵抗トルクが臨界的なしきい値に達するなら、モータは単に停止するであろう。以上説明したように、この発明の実施例は全く同期電動機のように作用する。この発明の実施例は、磁束スイッチ44が磁石ではないので、反発力がないという点で同期電動機と異なる。1つの角度位置から次の角度位置への反発力ではなく、単に、1つの角度位置から次の角度位置への多少の引力が存在する。
この発明の実施例は、磁束伝導体20、30および磁束スイッチ44の間で寸法上の安定性を維持するように(エポキシ樹脂で充填して)組み立てられることで便宜を得ている。この発明の実施例によれば、構成要素はすべて固形物体で耐久性があり、したがってメンテナンスを必要としない。さらに、固定子1と回転子37の間でのみ動きが発生し、その結果、最終の組み立てでは、2つの構成要素、すなわち完全に組み立てられた固定子1および完全に組み立てられた回転子37のみが必要となる。図12は、組み立てられた固定子の完成品および組み立てられた回転子37の完成品を示す。
パワーコイル8中の電圧の周波数は、磁界が反転する周波数と同じである。図示した装置では、N磁極に接続された磁束伝導体の60個の薄板20およびS磁極に接続された磁束伝導体の60個の薄板30がある。したがって、回転子が回転する毎に磁界が60回反転する。これは60極の交流発電機と等価であるが、装置は単一の磁石で実現され、装置はまた、先行技術の60極の交流発電機よりはるかに小さな物理的なスペースに随意に含まれる。この装置は、磁極数を増大させるように、磁束伝導体の多数の薄板20、30で随意に設計される。1つの設計上の考慮事項として、薄板間の磁束漏れを最小限にするために、一般に、薄板が互いに十分に間隔を有して配置されるべきということがある。1つの実施例によれば、薄板は、漏れ磁束を最小限にするために、少なくとも0.050インチの間隔を互いに有して配置される。この発明の実施例は、回転子カップ38の周囲に6度毎に配置された60個の磁束スイッチ44を用いる。そのため、各磁束スイッチは、N極側およびS極側の薄板20、30からなる同じ種類のペアに同時に接触する。
図示され、また説明された装置は、回転子の回転速度の60倍に等しい出力周波数を持つ。100RPMの回転子速度のときは、出力周波数は、毎分6000サイクル、あるいは100Hzになるであろう。これは、先行技術による典型的な6極の交流発電機と比較した場合、同じ回転子速度で出力周波数は10ヘルツとなる。与えられた回転速度での高い電気的な周波数により、装置は、同じ回転速度で動作する先行技術のモータおよび交流発電機と比較して、著しく高電圧で動作する。その電圧は、磁束の変化速度に比例する。したがって、与えられた磁界の強度に対して、変化速度は周波数につれて増加し、電圧は比例して増大する。これは、典型的な先行技術のモータおよび交流発電機に対していくつかの長所がある。最初に、出力コイルに流れる電流は、電圧の10倍増に起因して、10のファクタで低減される。そのため、抵抗性損失は電流の2乗に抵抗を乗じた値に等しいので、コイル中の抵抗性損失は100のファクタで低減される。これとは別に、装置は、典型的な先行技術の装置と比較して、より少ない巻数の出力コイルを持ちながら、同じ出力電圧および電流を出力することができる。10のファクタでワイヤー長(巻数)を削減することによって、抵抗性損失が10のファクタで低減されるだけでなく、コイルのコストも10のファクタで低減される。出力コイルをトロイダル形状にすれば、さらに追加的に巻線のインピーダンス損失を低減し、それにより、追加的な効率の改善が得られる。
周波数と電圧の増大は、装置が非常に高いパワー密度を有することを可能にする。この発明の実施例による装置のパワー密度は、典型的な先行技術の6極モータあるいは交流発電機のそれよりおよそ10倍高い。言いかえれば、与えられたパワー定格に対して、随意に装置は、典型的な先行技術のモータあるいは交流発電機が必要とするスペースのほんの1/10に小型化される。これは、スペースまたは重量が重要となる用途に対し、装置を著しく価値あるものにする。
上記の2つの段落に記述されたものに関係する利点を与えることができれば、先行技術の交流発電機をより高い回転速度で回転することができる。しかしながら、先行技術の交流発電機では、鉄損が、そのようなモードの動作効率を非効率にするであろう。この発明の実施例による鉄損の顕著な低減は、より高い電気的な周波数を可能にする。磁界が材料内で反転するときにヒステリシスにより鉄損が発生され、および、材料中の磁界が変化する時に、電気的導伝材料内に誘導された電気的な渦電流により、鉄損が発生される。磁束伝導体20、30の材料がヒステリシスを被らないので、その損失は、磁束の増減(反転はしない)により生じた渦電流によるもののみである。したがって、粉末鉄内の渦電流は、等価な透磁率の他の材料における場合と比較して非常に小さいので、粉末鉄のような材料は磁束伝導体として良好に作用する。
磁束が磁束スイッチ44内のみで反転するので、ヒステリシス損は、磁気経路のうちの小さな部分内で発生するだけであり、したがって大幅に低減される。磁束スイッチ44が非常に小さいので、それらはヒステリシスと渦電流の損失を最小限にするために自在に最適化される。その磁束スイッチ44は、損失を最小限にするために、積層鋼から作られる。さらに、磁束スイッチ44を金属ガラス(met glass)から形成することは、それらの極めて小さいサイズに起因して経済的である。
この発明の実施例によるモータ/交流発電機におけるより高い周波数にともなう上記の効率改善は、先行技術のモータ/交流発電機に対し、そのような大幅な改善を達成することを支援する。先行技術のモータ/交流発電機は、ヒステリシスと渦電流による鉄損の劇的な増加のために、そのような高周波では効率的でない。この発明の実施例によるモータ/交流発電機は、小さなスペースに多くの磁極を収容するための幾何学的構造を提供することで、適度の回転速度で高い電気的な周波数を可能にするだけでなく、さらに、鉄損を大幅に低減することで高周波モータ/交流発電機を実現する。
磁石2が選択的に、永久磁石12、電磁石14、あるいはこれら2つの組み合わせのいずれかなので、所望に応じて磁界の強さを変えることは可能である。これは、無限の可変電圧コントローラーとして装置が使用されることを可能にする。低速回転時に磁界を増加させ、高速回転時に磁界を減少させることにより電圧を一定に保つことができ、それにより、装置と共に使用されるギアー装置あるいは他の伝達機構の必要性を排除する。これは装置の多くの用途について影響を及ぼす。例えば、フライホイールに連結された発電機として使用される時、それは選択的に、ダイレクトドライブの発電機としてとして動作され、ギアーケースを必要することなく一定の電圧を出力する。可変磁界の別の用途は、上記の動作とは逆に、起動時に回転をより容易にするために磁界を減少させ、その後、タービンがより速く回転するにつれて、ブレーキシステムとして機能させるために磁界を増加させるということにある。この結果、定速回転、可変出力の風力発電機が可能になる。これは風力タービンのための大幅なコストを削減し、また、メンテナンス上の問題を減じる。
この発明のモータ/交流発電機の1つの実施例は基本的に60極のモータ/交流発電機なので、コッギングトルクは、回転経路まわりの磁極の平坦な分布により低減される。従来の6極のモータ/交流発電機では、(交流発電機としての)外部トルクにより機械的に克服されなければならない6個の点が回転経路において生じていたが、本発明の実施例では6極に代えて60極を備えて構成されるので、回転において60個の点が存在する。従来の6極のモータ/交流発電機のように30度ごとにトルクが大きく増大することに替えて、この発明の実施例は、3度ごとにトルクをわずかに増大させるだけで、回転全体にわたりトルクを滑らかにする。
この発明の具体的に記述された第2の実施例は、ヒステリシスを被る材料の量を最小限にすることにより、交流発電機としての動作をさらに最適化する。図13は、第1の実施例における図9に示したものに似た、第2の実施例に基づく縦断面図を示す。第2の実施例の構成要素の多くは、磁石2、パワーコイル8および回転子カップ38のように、第1の実施例と同じ物である。この発明の第2の実施例は、N極側磁束伝導体の薄板52およびS極側磁束伝導体の薄板51の双方に設けられた、ずっと深いノッチ50を有し、これらのノッチ50において、パワーコイル8を備えるとともに、本実施例ではノッチ50内で回転する、ずっと小さな磁束スイッチ54を備える。N極側磁束伝導体の薄板52は、長くされた上部伝導部分56、および長くされた下部伝導部分58を有する。図13中では示されないが、S極側磁束伝導体51は同様に長くされた上部伝導部分60、および長くされた下部伝導部分62を有する。
図14および15は、2つのN極側磁束伝導体の薄板52、1つのS極側磁束伝導体の薄板51、および1つの磁束スイッチ54の部分断面図を示す。磁束伝導体の薄板51、52が平坦であり、薄板51、52の上部伝導部分56、60と下部伝導部分58、62との間に、第1の実施例であったようなオフセットはもはやないことがこれらの図からわかる。磁束スイッチ54が、一方の極性の一つの上部伝導部分56、60と、反対極性の隣接する下部伝導部分62、68とに接触して接続するように、その磁束スイッチ54はある角度で傾斜されていることもわかる。この第2の実施例では、磁束伝導体51、52および磁束スイッチ54は、平坦な形状なので製造が大いに容易である。図14および15は、磁束スイッチ54が回転して、磁束伝導体の薄板51、52を通過する一連の動作を示している。図14では、磁束スイッチが、N極側の上部伝導部分56を、隣接するS極側の下部伝導部分62に接続している。図15では、瞬間後に、磁束スイッチが、S極側の上部伝導部分60を、隣接したN極側の下部伝導部分58に接続している。その結果、図14と15とで、パワーコイル8において磁界の方向が反転する。
第2の実施例の1つの利点は小さな磁界スイッチ54である。この実施例では磁束スイッチ54のみがヒステリシスを被るので、磁束スイッチが小さい程、ヒステリシス損も小さくなる。更に、磁束スイッチが単純で小型であると、金属ガラス(ヒステリシス損が極めて小さい)のような新規な材料から磁束スイッチを形成することは追加的に経済的となる。磁束スイッチ54は、非常に狭いノッチ50に起因して向かい合った磁束伝導体51、52間の漏れ磁束が問題になるまで、そのサイズを縮小してもよい。
この発明の第3の具体的に述べられた実施例は、3相のモータ/交流発電機である。三相の実施例は、小さなヒステリシス損失を有するように最適化されたものであり、発明の第2の実施例で具体的に記述された単相の交流発電機に似た磁束伝導部および磁束スイッチのレイアウト構成を用いる。(第1の実施例で具体的に述べたものと似たもの、または内部回転子を有するもののように)3相バージョン用の他のレイアウトも可能で、この発明の範囲内に含まれると考えられる。
この発明の第3の実施例である3相機は、図16に示した固定子101および図21に示した回転子160を含む。図16は、固定子101の構成要素を示す。固定子101は、リング磁石102、1組のN極側磁束伝導体104、1組のS極側磁束伝導体106、および3個のパワーコイル108、110、112を持つ。N極側およびS極側の磁束伝導体104、106は、磁石102に直接に接している。前の実施例と同様に、磁束伝導体は、粉末鉄のように、容易に磁界を導き、渦電流に抗する材料から随意に作られる。その磁束伝導体104、106は、磁石102の磁界をパワーコイル108、110、112に向かわせる。パワーコイル108、110、112は、本装置が交流発電機として用いられる時は、交流電圧が発生される電気的コイルである。モータとして用いられる時は、パワーコイル108、110、112は、電圧と電流を供給して装置に電力供給する。各パワーコイル108、110、112は、装置が交流発電機として用いられる時は出力電力を集め、また、モータとして用いられる時は電力を供給するために、それぞれ電気的リード114、115、116を含む。パワーコイル108、110、112のうちの1つの電力波形は、他の2つの電力波形に対して120度ずれている。3つのパワーコイル108、110、112の出力は、互いに組み合わせることにより3相電力をもたらす。3相の実施例での磁石102は、すべての点に関して、単相の実施例での磁石2(図2を参照)と同様で、永久磁石、電磁石、または双方によるバイブリッド磁石である。
磁石102(図示せず)のN極へ接続される磁束伝導体104は、図17で示されるような単一部品として随意に形成される。磁束伝導体に構造的な支持を与えるために、磁束伝導体は装着用リング118を含む。装着用リング118は、磁石102のN極側と接し、磁石102をその位置に保持する。その装着用リング118には、磁束伝導体の複数の薄板120が取り付けられる。薄板120は、磁石102からの磁界を適切な位置へ導く。各薄板120は、装着用リング118から放射状に外側へ延在し、4つの伝導部分に分岐している。
図18はN極側磁束伝導体の一つの薄板120を示す。その薄板120は、4つの伝導部分を有する平坦な部品であり、これら4つの伝導部分は、本明細書では図18において上から下に示す順序で説明する。本明細書では、図面内で4つの伝導部分が配置されている順序に従って、明確化のために「最上部」、「上部」、「下部」、「最下部」の用語を用いる。本明細書におけるそのような記述的なラベルの使用は、類似の構成要素を明確に区別できるようにするためのものであり、この発明を限定するためのものではない。最上部伝導部分124は、装着用リング118から直接、放射状に外へ伸びている。上部伝導部分126は、最上部伝導部分124から下方へ伸びている。各薄板120において、最上部伝導部分124と上部伝導部分126の間にノッチ128が設けられ、そこにパワーコイル108(図示せず)が保持される。下部伝導部分130は、上部伝導部分126から下方へ伸びる。各薄板120において、上部伝導部分126と下部伝導部分130の間にノッチ132が設けられ、そこにパワーコイル110(図示せず)が保持される。最下部伝導部分134は、下部伝導部分130から下方へ伸びる。各薄板120において、下部伝導部分130と最下部伝導部分134の間にノッチ136が設けられ、そこにパワーコイル112(図示せず)が保持される。1つの実施例では、図17の磁束伝導体104は60個の薄板10を含み、このため2つの薄板120間の分離は6度となる。磁束伝導体104は選択的に、粉末金属から単一部品として鋳造されてもよい。しかしながら、磁束伝導体104は、単一部品である装着用リング118と、装着用リング118にそれぞれしっかりと取り付けられる別個の部品である複数の薄板120とから組み立てられてもよい。
図19に、もう1組の磁束伝導体106を示す。その磁束伝導体106は、磁石102のS極に磁気的に接続される。その磁束伝導体106は、図17の磁束伝導体104を単に逆にしたものと同様の構成である。磁束伝導体106は、磁石102のS極へ接続する装着用リング138を含む。薄板140は、装着用リング138から放射状に外側に突き出る。
図20は、磁束伝導体106の1つの磁束伝導体薄板140を示す。その薄板140は平坦な部品であり、図20において上から下に示す順序で説明する4つの伝導部分(最上部伝導部分144、上部伝導部分146、下部伝導部分150、最下部伝導部分154)に分岐している。最下部伝導部分154は、装着用リング138から直接、放射状に外側へ突き出ている。ノッチ148、152、156は、図示のごとく伝導部分144、146、150、154の間に設けられ、パワーコイル108、110および112(不図示)を保持する。
N極側磁束伝導体104の薄板120がS極側磁束伝導体106の薄板140の間に対して間隔を有して配置されるように、磁束伝導体104および106は互いに向かい合っている。薄板120、140は、隣接した薄板間のエアギャップを通じた磁束漏れが殆ど無いように、または全く無いように、所定間隔を有して配置される。
ここまでは、具体的に記述された第3の実施例のモータ/交流発電機の固定子101のみを議論した。図21はモータ/交流発電機の回転子160を示す。その回転子160は、ベアリング166内で回転するシャフト164に取り付けられた回転子カップ162を含む。この発明の実施例によれば、ここで述べた本装置がモータとして機能する時は、シャフト164は装置により駆動され、そして、交流発電機として機能する時は、シャフトが本装置を駆動する。回転子カップ162の内側に複数の磁束スイッチ168、170、172が配置され、これらの磁束スイッチは、図21に示す回転子160の上から下に並んだ3つの円周上の列として並び、これらの磁束スイッチを、上列の磁束スイッチ168、中間列の磁束スイッチ170、下列の磁束スイッチ172と呼ぶ。本明細書では、図面内で3列の磁束スイッチが配置されている順序に従って、明確化のために「上」、「中間」、「下」の用語を用いる。本明細書におけるそのような記述的なラベルの使用は、類似の構成要素を明確に区別できるようにするためのものであり、この発明を限定するためのものではない。1つの実施例では、3列の磁束スイッチ168、170、172の各列において、互いに6度の間隔を有して回転子カップ162の内側に取り付けられた60個の磁束スイッチをそれぞれ含む。各列は、他の2つの列に対して2度ずつ回転方向にオフセットされる。組み立てられた固定子101上に回転子160が置かれた後、磁束スイッチ168、170、172がスロット(図示せず)を通じて回転子カップ162内に装着される。上列磁束スイッチ168は、磁束伝導体の薄板120、140内のノッチ128、148を通って回転する。中間列磁束スイッチ170は、磁束伝導体の薄板120、140内のノッチ132、152を通って回転し、下列磁束スイッチ172は、磁束伝導体の薄板120、140内のノッチ136、156を通って回転する。N極側磁束伝導体の薄板120およびS極側磁束伝導体の薄板140の間で伝導される磁束内での磁束スイッチ168、170、172の動作は、図22、23、24でより明確に示されるように、3相パワーを生じる。
図22、23、24および25は、3個の磁束スイッチからなる1組の磁束スイッチ、すなわち上列磁束スイッチ168、中間列磁束スイッチ170および下列磁束スイッチ172が、3度または半サイクルにわたって回転する一連の動作を示す。これら一連の図面における回転は、上述からわかるように時計回り方向である。図面には、パワーコイル108、110および112と、最上部、上部、下部および最下部の伝導部分124、126、130および134を有する2個のN極側磁束伝導体の薄板120と、最上部、上部、下部、および最下部の伝導部分144、146、150および154を有する2個のS極側磁束伝導体の薄板140が示される。各図面では、図面に対応する明細書の説明で言及された伝導部分のみに符号を付与した。磁束スイッチ168、170または172および磁束伝導体120、140上の矢印は、ピークの磁束流の位置と方向を示す。パワーコイル108、110、あるいは112上の矢印は、ピークの電流の方向を示す。この説明の目的のために、図上、右に流れた時に電流は正であり、図上、左に流れた時は負であると定義する。
図22では、上列磁束伝導体168は、S極側磁束伝導体薄板140の最上部伝導部分144を、N極側磁束伝導体薄板120の上部伝導部分126に磁気的に接続して、磁束をパワーコイル108の周囲において反時計回り方向に回転させ、パワーコイル108において左または負の方向の誘導電流を流れさせる。磁束伝導体の薄板120、140および磁束スイッチ168、170、172の構成上の詳細事項に応じて、パワーコイル108、110、112のうちで言及していない他の2つ(この図ではコイル110と112)において所定の少量の電流が誘導される可能性もあり、これは標準の3相電力出力が望まれる場合である。この説明の目的のため、ピークの電流および磁束のみを図示し、説明した。
図23は、図22から1度回転したものと同じである。中間列磁束スイッチ170は、N極側磁束伝導体薄板120の上部伝導部分126を、S極側磁束伝導体薄板140の下部伝導部分150に磁気的に接続して、磁束をパワーコイル110の周囲において時計回り方向に回転させ、パワーコイル110において右または正の方向の誘導電流を流れさせる。
図24は、図22から2度回転したものと同じである。下列磁束伝導体172は、S極側磁束伝導体薄板140の下部伝導部分150を、N極側磁束伝導体薄板120の最下部伝導部分134に磁気的に接続して、磁束をパワーコイル112の周囲において反時計回り方向に回転させ、パワーコイル112において左または負の方向の誘導電流を流れされる。
図25は、図22から3度回転したものと同じである。上列磁束伝導体168は、N極側磁束伝導体薄板120の最上部伝導部分124を、S極側磁束伝導体薄板140の上部伝導部分146に磁気的に接続して、磁束をパワーコイル108の周囲において時計回り方向に回転させ、パワーコイル108において右または正の方向の誘導電流を流れさせる。これは、図22の反対になる。この結果、3度の回転による半サイクル後にパワーコイル108の電流が反転する。
本発明の三相の実施例は、方向性、つまり、正回転と逆回転があるという長所を持つ。単相の実施例では、モータとして使用された時、回転方向は決定されないが、3相の実施例では、明瞭な回転パス(図23〜26で示された実施例では時計回り方向)がある。適切なコントロールにより、回転方向は、パワーコイル108、110、112のうちの任意の2つに供給される電力の相対的な位相を切り替えることにより自在に逆転する。更に、この発明の第3の具体的に記述された実施例では、モータ/交流発電機が60極および3相を持つが、更に単一の磁石のみを使用することに注目されるべきである。
この発明の実施例による利点は、回転子の慣性が低いことである。磁束スイッチのみが回転するので、回転子の慣性が重大な問題となる用途に対しては非常に軽量に作られる。回転子の慣性をさらに低減するために、磁石が固定子の外側にあり、パワーコイルがその内側にあるように、装置の構成を逆にすることも可能である。この構成は、回転子内部に磁束スイッチが設置されることを可能にし、それにより、低い慣性モーメントを持ち、回転子がより軽量になる。
単相の内部回転子を有する変形例の装置は、この発明の第4の具体的に記述された実施例として述べられる。第4の実施例では単相装置が述べられるが、内部回転子の形態は、3相の装置でも同様に用いることができる。図26は、この発明の第4の実施例の固定子201の分解組立図を示す。固定子201は、他の実施例と同様に、リング磁石202、1組のN極側磁束伝導体204、1組のS極側磁束伝導体206、およびパワーコイルを持つ。磁束伝導体204および206は、外側の磁石202の磁界を、内側のパワーコイル208へ導く。
磁束伝導体204および206は、他の3つの実施例にあるように、単一部品として随意に形成されてもよい。磁束伝導体204、206は、その磁束伝導体204、206の構造的な支持を与え、かつ、磁石202を適した位置に保持するための装着用リング218、228を含む。装着用リング218、228には、磁束伝導体の複数の薄板220、230がそれぞれ取り付けられる。その薄板220、230は、磁石202からの磁界を適切な位置へ導く。
N極側磁束伝導体204の薄板220がS極側磁束伝導体206の薄板230対して間隔を有して配置されるように、磁束伝導体204および206は互いに向かい合っている。薄板220、230は、隣接する薄板間のエアギャップを通じた漏れ磁束がほとんどないか、全くないように、適切な間隔を有して配置される。
図27は、この発明の第4の実施例のモータ/交流発電機の回転子237を示す。回転子237はベアリング242内で回転する回転子シャフト240を含む。そのシャフト240は、本発明の種々の実施例にてモータとして動作する時は、本発明の装置により駆動され、そして、本発明の種々の実施例にて交流発電機として動作する時は、本発明の装置を駆動する。そのシャフトの外側には複数の磁束スイッチ244が取り付けられる。一つの実施例では、60個の磁束スイッチ244がシャフト240に6度間隔で取り付けられる。各磁束スイッチ244は、その中央部で二重に折り曲げられており、それにより各磁束スイッチ244は、上部伝導部分22、232を、隣接する反対極性の下部伝導部分234、224に接続する。
図28は、この発明の第4の具体的に記述された実施例の破断図を示し、ここでは、磁束スイッチ244、N極側磁束伝導体の2つの薄板220およびS極側磁束伝導体の2つの薄板230が示されている。各薄板220、230は二つの伝導部分に分岐している。その結果、N極側薄板220は、上部伝導部分222および下部伝導部分224、およびそれらの間に設けられたノッチ226を含み、S極側薄板230は、上部伝導部分232および下部伝導部分234、およびそれらの間に設けられたノッチ236を含む。磁束スイッチ244は、N極側磁束伝導体の薄板220の上部伝導部分222をS極側磁束伝導体の薄板の下部伝導部分234と接続する。
図29は、この発明の第4の実施例のモータ/交流発電機の側断面図を示し、これは、第1の実施例における図9および第2の実施例における図13で示された図面に対応するものである。回転子シャフト240には、このシャフト240と共に回転する磁束スイッチ244が取り付けられる。固定子は、N極が上方に向かい、S極が下方に向かう磁界を供給する磁石202を含む。磁束伝導体204、206は磁石202に接している。磁束伝導体204、206は、ノッチ226、236を含み、そのノッチにパワーコイル208が装着される。磁束スイッチ244は、磁束伝導体204と206に接触して接続し、磁気回路を完成させ、そして、磁石202からの磁界を導く。
第4の実施例は、この発明の前の実施例と異なる幾何学的形態(回転子237が内側にあり、固定子201が外側にあり、磁束スイッチ244は二重に屈曲されている)を示す。この新しく説明された幾何学的形態は、回転子の慣性を減少させることを支援する。この発明の範囲内にありながら実現可能な他の幾何学的形態もあり、これらの幾何学的形態により所定の利点が提供される可能性がある。例えば、固定子および回転子の両方の端部が、互いに接する平坦なディスクにおいて設けられるレイアウトが可能で、このレイアウトは、製作の容易性で、またはメンブレン(膜構造)を介してパワーを発生させることに対して、追加的に望ましい。この場合、回転子は固定子の内側または外側にあるのではなく、固定子の面上に位置する。潜在的に可能な別の形式は直線状のモータ/交流発電機であり、この場合、複数の磁束伝導体が直線上に配置され、複数の磁束スイッチが往復運動するシャフトに取り付けられる。例えば、そのような直線状の交流発電機はスターリング・モータに係る用途において有用であろう。同じまたは同様の電磁気効果をもたらすレイアウトでの上記および他の幾何学的形態および変形もまた、この発明の範囲に含まれることが意図される。具体的に記述された実施例は、この発明が具体化するかもしれない変形例の内のいくつかを例示しているが、発明の範囲を限定するように意図されたものではない。
この発明の実施例と先行技術とにおけるモータならびに交流発電機での1つの違いは、磁界および運動の基本的な方向にあるということに注目されるべきである。先行技術のモータおよび交流発電機では、回転軸と、磁界の方向と、固定子および回転子間の相対的な運動方向とは、すべて互いに直交する。この発明の実施例では、磁界の方向および回転軸が、互いに平行であり、また、回転子と固定子間の相対的な運動の方向に対してそれぞれ直交する。この違いは、上述したようにメンブレンを介してパワーを発生または伝達する時のように、先行技術のモータおよび交流発電機が非実現的な用途において、この発明の実施例が使用されることを可能にする。
この発明の電気的なマシンは、具体的に記述された上記の実施例中では、いくつかの構成要素から成る。前記構成要素は、磁石(例えば図1中の磁石2)、ループを形成するように配置された電気的導体(例えば図1中のエレメント8)、磁石からの磁束を電気的導体を通過するように導く複数の磁束伝導体(例えば図1中のエレメント4、6)を備え、磁束伝導体の第1の組(例えば図1中のエレメント4)は電気的導体に磁束を第1の方向に導き、そして磁束伝導体の第2の組(例えば図1中のエレメント6)は電気的導体において磁束を第2の方向に導き、そして、前記構成要素は更に、第1および第2の組の磁束伝導体を選択的に開閉するためのスイッチ(例えば図8中のエレメント44)を備える。スイッチは電気的マシンの回転子に取り付けられてもよく、そして、電気的導体内に誘導電流を流すために原動力が回転子に印加されてもよく、あるいは、回転子を回転させるために交流電流が電気的導体に印加されてもよい。電気的導体のループおよび磁石が選択的に環状形態であるが、他の形状または形態としてもよいことに注目すべきである。磁石および電気的導体は選択的に同心円になる位置及び方向に設置されるが他の位置及び方向も可能である。磁石および電気的導体が環状で、それらが同心円になる位置及び方向に設置させられる場合、磁石は随意に電気的導体より小さな直径を持ち、電気的導体の周の内側に随意に配置されるか、又は、電気的導体は随意に磁石より小さな直径を持ち、磁石の周の内側に随意に配置されてもよい。磁束伝導体は選択的に粉末鉄から形成したが、他の材料も良好に作用する。スイッチは選択的に積層鋼または金属ガラスで形成したが、他の材料もスイッチとして良好に作用する。この発明の電気的マシンは、ループを形成するようにそれぞれ構成された3つの電気的導体を含んでもよく、磁束伝導体は、磁石からの磁束を3つすべての電気的導体を通過するように導く。この場合、この電気的マシンが3相機として動作するために、3つすべての電気的導体を通過する磁束伝導体を交互に開閉するためのスイッチを含む。この発明の電気的マシンの中で使用される磁石は、選択的に永久磁石、電磁石、あるいは永久磁石と電磁石とが併置されて両磁石の磁界が合成されるハイブリッド磁石であってもよい。
この発明の実施例が図示されて説明されたが、この発明の範囲からはずれることなく、これらの実施例内で種々の変形を実施可能であるということは当業者には明らかであろう。従って、この発明は、ここで説明して図示した特定の実施例に必ずしも限定されないことが意図される。
1:固定子、2:磁石、4:磁束伝導体、6:磁束伝導体、8:パワーコイル、10:電気的リード、12:永久磁石、14:電磁石、16:電気的リード、18:装着用リング、20:薄板、22:上部伝導部分、24:下部伝導部分、26:ノッチ、37:回転子、38:回転子カップ、40:シャフト、44:磁束スイッチ、108:パワーコイル
Claims (10)
- 固定子と回転子を備えた電気的マシンにおいて、
前記固定子に設けられた磁束源と、
前記固定子に設けられ、前記回転子の軸の周囲にループを形成するよう配置された電気的導体と、
前記電気的導体のループを通過するように前記磁束源からの磁束を伝導する複数の磁束伝導体と、
前記第1および第2の磁束伝導体を交互に開閉するためのスイッチとを備え、
前記複数の磁束伝導体のうちの第1の組の磁束伝導体は第1の部分と第2の部分とを有し、前記複数の磁束伝導体のうちの第2の組の磁束伝導体は第1の部分と第2の部分とを有し、前記第1の組の磁束伝導体の第1の部分と、前記第2の組の磁束伝導体の第2の部分とは、垂直方向に互い違いに配置されて整列し、前記ループを第1の方向に通過するように前記磁束を伝導し、前記第2の組の磁束伝導体の第1の部分と、前記第1の組の磁束伝導体の第2の部分とは、垂直方向に互い違いに配置されて整列し、前記ループを第2の方向に通過するように前記磁束を伝導する電気的マシン。 - 前記スイッチは、前記電気的マシンの前記回転子に取り付けられる請求項1記載の電気的マシン。
- 前記回転子に原動力を加えて、前記電気的導体に誘導電流を流れさせる請求項2記載の電気的マシン。
- 前記電気的導体に交流電流を印加して、前記回転子を回転させる請求項2記載の電気的マシン。
- 前記電気的マシンは、
ループを形成するようにそれぞれ配置された二つの追加的な電気的導体を更に備え、前記複数の磁束伝導体は、前記磁束源からの磁束が3つすべての前記電気的導体のループを通過するように伝導し、そして、
当該電気的マシンが3相マシンとして動作するように、3つすべての前記電気的導体を通過する磁束伝導体を交互に開閉するための複数のスイッチを更に備えた請求項1記載の電気的マシン。 - 前記磁束源は、永久磁石および電磁磁石の磁界が合成されるように両磁石が並置されているハイブリッド磁石である請求項1記載の電気的マシン。
- 電気を発生させる方法において、前記方法は、
固定子において磁石を備えるステップと、
前記固定子において、回転子の軸の周囲にループを形成するように電気的導体を備えるステップと、
複数の磁束伝導体を用いて、前記電気的導体のループを通過するように前記磁石からの磁束を伝導させるステップと、
前記磁束伝導体を開状態と閉状態との間で交互に切り換え、前記電気的導体に交流電流を誘導するステップとを含み、
前記複数の磁束伝導体のうちの第1の組の磁束伝導体は第1の部分と第2の部分とを有し、前記複数の磁束伝導体のうちの第2の組の磁束伝導体は第1の部分と第2の部分とを有し、前記第1の組の磁束伝導体の第1の部分と、前記第2の組の磁束伝導体の第2の部分とは、垂直方向に互い違いに配置されて整列し、前記ループを第1の方向に通過するように前記磁束を伝導し、前記第2の組の磁束伝導体の第1の部分と、前記第1の組の磁束伝導体の第2の部分とは、垂直方向に互い違いに配置されて整列し、前記ループを第2の方向に通過するように前記磁束を伝導する方法。 - 前記方法は、
前記回転子にスイッチを備えるステップと、
前記回転子を回転させて前記スイッチを1つおきの前記磁束伝導体間で移動させることにより、前記磁束伝導体を開状態と閉状態との間で交互に切り換えるステップとを更に備える請求項7記載の方法。 - 原動力を供給する方法において、前記方法は、
固定子において磁石を備えるステップと、
前記固定子において、回転子の軸の周囲にループを形成するように電気的導体を備えるステップと、
複数の磁束伝導体を用いて、前記電気的導体のループを通過するように前記磁石からの磁束を伝導させるステップと、
前記回転子におけるスイッチを用いて、前記磁束伝導体を開状態と閉状態との間で交互に切り換えるステップと、
交流電流の極性が変化するときに前記スイッチが連続的な複数の磁束伝導体の間で移動するように、前記電気的導体に前記交流電流を供給するステップとを含み、
前記複数の磁束伝導体のうちの第1の組の磁束伝導体は第1の部分と第2の部分とを有し、前記複数の磁束伝導体のうちの第2の組の磁束伝導体は第1の部分と第2の部分とを有し、前記第1の組の磁束伝導体の第1の部分と、前記第2の組の磁束伝導体の第2の部分とは、垂直方向に互い違いに配置されて整列し、前記ループを第1の方向に通過するように前記磁束を伝導し、前記第2の組の磁束伝導体の第1の部分と、前記第1の組の磁束伝導体の第2の部分とは、垂直方向に互い違いに配置されて整列し、前記ループを第2の方向に通過するように前記磁束を伝導する方法。 - 前記方法は、
それぞれがループに形成された第2および第3の電気的導体を備えるステップと、
複数の磁束伝導体を用いて、前記第2及び第3の電気的導体のループを通過するように前記磁石からの磁束を伝導させるステップとを含み、前記第1の組の磁束伝導体は、前記第2及び第3のループを第1の方向に通過するように前記磁束を伝導し、前記第2の組の磁束伝導体は、前記第2及び第3のループを第2の方向に通過するように前記磁束を伝導し、
前記方法は、
前記回転子における複数のスイッチを用いて、前記磁束伝導体を開状態および閉状態との間で切り換えるステップと、
前記スイッチが連続的な複数の磁束伝導体の間で移動して前記回転子が所定方向に回転するように、前記電気的導体に3相交流電流を供給するステップとを更に備える請求項9記載の方法。
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