JP2007529987A - 速度増倍を備えた波力エネルギー変換器（ｗｅｃ） - Google Patents

Abstract

本発明を具現化するＷＥＣシステムは互いに相対して移動するように配置された支柱と外郭構造、および入力端部と出力端部およびこれら２つの端部間の中間点を有するレバー状の器具を含み、この中間点が回転可能に支柱へと接続される。入力端部は外部に連結され、外郭構造と同じ速度および同じ方向で移動する。出力端部は反対の方向に、外郭構造の速度の倍数の速度で移動する。この倍数は出力端部および入力端部までの中間点の長さの比の関数である。本発明を具現化するシステムでは、リニア発電機の２つの構成要素のうちの一方（ＰＭＡまたはＩＣＡ）が外郭構造へと取り付けられることが可能であり、２つの構成要素のうちの他方は、２つの構成要素間の高い相対速度を作り出し、結果として一層大きい振幅と一層高い周波数の出力電圧につながるようにレバー状器具の出力端部へと取り付けられることが可能である。

Description

本出願は、その教示が本願明細書に参照で組み入れられる２００４年３月１６日に提出された「Ｗａｖｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ（ＷＥＣｓ） ｗｉｔｈ Ｌｉｎｅａｒ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ（ＬＥＧｓ）」という表題の米国仮特許出願番号６０／５５３，６６６号から優先権を主張するものである。

本発明は、海洋表面の波に存在するエネルギーを電気エネルギーに変換するための装置、システム、および方法に関する。

海洋の波力エネルギーを捕捉し、電気エネルギーに変換するために知られている波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）は（ａ）水域に置かれると水の波と概して同相で上下に移動することによってエネルギー吸収および／または放出するように設計される第１の構造体（これは「外郭構造」または「槽」または「フロート」と称されることが可能である）、（ｂ）波および第１の構造体に相対して静止状態である（例えば係留される）かまたは概して異なる位相で移動する第２の構造体（これは「シャフト」、「スパー」、「支柱」、またはピストンと称されることが可能である）、および（ｃ）第１と第２の構造体の間に連結され、第１と第２の構造体の間の相対的運動に応答して電気エネルギーを作り出すように設計されるパワー・テイクオフ（ＰＴＯ）装置を含む。

機械的および水力学的ＰＴＯに付随する問題を回避するために、パワー・テイクオフ（ＰＴＯ）装置に関してリニア発電機（ＬＥＧ）を使用することが示唆されてきた。しかしながら、波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）から効率的に電力を抽出する処理に伴なう大きな問題は、波の運動が相対的に低速であり、その結果、支柱と外郭構造の間の相対的移動が相応して遅いという事実である。したがって、例を挙げると、リニア発電機（ＬＥＧ）がＰＴＯとして使用される場合には、低振幅および低周波数になり易い交流（ＡＣ）電圧が発電される。低振幅のＡＣ電圧を処理または整流する工程は、整流回路網の固定損失が原因で、すなわち普通では整流回路網を横切って約１ボルトから１．５ボルトが失われるので非効率的になり易い。低周波数信号を処理する工程は、物理的に大きなインダクタ、変圧器、およびキャパシタの使用を必要とするという点で概して非効率的である。これはまた、システムのコストを上げ、かつ効率を下げる傾向がある。
米国仮特許出願番号６０／５５３，６６６号

したがって、さらに高い振幅およびさらに高い周波数のＡＣ電圧を作り出すことが可能な装置を得ることが望ましい。

出願人の発明は、速度（ｖ２）が入力スピード（ｖ１）の倍数である機械的出力を作り出すためにＷＥＣの支柱に相対した外郭構造の入力スピード（ｖ１）に応答する装置を含む。機械的出力の速度（ｖ２）は一層大きな振幅と一層高い周波数の電圧を作り出すようにＷＥＣの構成部品を駆動するために使用される。

本発明を具現化するＷＥＣシステムは外郭構造と支柱を含み、リニア発電機（ＬＥＧ）パワー・テイクオフ（ＰＴＯ）装置が外郭構造と支柱との間に接続される。外郭構造と支柱は、水域に置かれると水域の波に応答して外郭構造と支柱との間に相対運動が生じるように構成される。ＬＥＧは、外郭構造と支柱に取り付けられ、外郭構造と支柱が互いに相対して移動するときに互いに相対して移動して電気エネルギーを作り出すような複数の構成要素を有する。ＬＥＧの電気発生部品は永久磁石アセンブリ（ＰＭＡ）およびインダクション・コイル・アセンブリ（ＩＣＡ）を有し、それらが互いに電磁気学的に連結され、それにより、ＰＭＡがＩＣＡを通り過ぎるときに交流（ＡＣ）電圧がＩＣＡ内、およびそれを横切って作り出される。ＡＣ電圧の振幅（およびそれらの電圧の周波数）はＩＣＡに相対したＰＭＡの速度の関数である。本発明を具現化するシステムは、一層大きな振幅と一層高い周波数の電圧を作り出すように、ＰＭＡがＩＣＡに相対して駆動される速度を上げるための機械的手段を含む。

本発明を具現化するＷＥＣシステムは互いに相対して移動するように配置された支柱と外郭構造、入力端部と出力端部および中間点を有するレバー状の器具を含み、その２つの間で中間点が回転可能に支柱に接続される。入力端部は外郭構造へと接続され、外郭構造と同じ速度および同じ方向で移動する。出力端部は反対の方向で、外郭構造の速度の倍数である速度で移動する。その倍数は出力端部および入力端部への中間点の長さの比の関数である。

本発明を具現化するシステムでは、ＬＥＧの２つの構成要素のうちの一方（ＰＭＡまたはＩＣＡ）が外郭構造へと取り付けられることが可能であり、２つの構成要素のうちの他方がレバー状器具の出力端部へと取り付けられることが可能であり、それにより、２つの構成要素間の高い相対速度を作り出し、結果として一層高い振幅と一層高い周波数の電圧に結び付く。

本発明を具現化するＷＥＣシステムは、外郭構造と支柱との間に連結されて（外郭構造の下、上、または中に）支柱に相対した外郭構造（または外郭構造に相対した支柱）のスピード（ｖ１）に応答する入力を有し、かつそのスピード（ｖ２）が支柱に相対した外郭構造のスピード（ｖ１）の倍数である出力を有するレバー状の器具を含むことが可能である。ＩＣＡおよびＰＭＡのうちの一方はＷＥＣの外郭構造および支柱のうちの一方に取り付けられる。ＩＣＡおよびＰＭＡのうちの他方はレバー状の器具の出力部に連結され、それがＷＥＣの外郭構造および支柱のうちの一方に取り付けられたＩＣＡおよびＰＭＡのうちの一方を横切ってＩＣＡおよびＰＭＡのうちの他方を駆動する。

このレバー状の器具は、その長さ沿いにある枢動点（すなわち支点）で支柱に回転可能に接続される剛性の部材を有することが可能である。この器具は（ａ）枢動点から第１の（入力の）端部へと距離「ａ」で延びる入力アーム、および（ｂ）枢動点から第２の（出力の）端部へと距離「ｂ」で延びる出力アームを有する。入力アームに対する出力アームの長さの比はｖ２対ｖ１の倍数比を制御するために選択的に設定され、かつ変えられることが可能である。

一実施形態では、ＰＭＡおよびＩＣＡのうちの一方は外郭構造の上もしくは中に置かれ、あるいはそれに取り付けられ、外郭構造が第１のスピードで一方向に移動する通りに移動する。ＰＭＡおよびＩＣＡのうちの他方は外郭構造に取り付けられたＰＭＡおよびＩＣＡのうちの一方を横切って反対の方向で、レバー状の器具の出力によって一方向に駆動され、それにより、外郭構造の出力スピード（ｖ２）と入力スピード（ｖ１）の合計に等しい一層高い相対スピードで、ＰＭＡアセンブリおよびＩＣＡアセンブリは波の運動に応答して互いを通り過ぎて駆動されることが可能である。これは結果としてＩＣＡを横切る電圧の発生につながり、それは一層大きい振幅と一層高い周波数である。

いくつかの実施形態では、ＰＭＡは外郭構造の外壁に取り付けられることが可能であり、ＩＣＡはＰＭＡに対して外側でスライド移動または通過するように装着され（図３（ａ）参照）、あるいはＩＣＡはＰＭＡに対して内側で（外郭構造の内壁に沿って）スライド移動または通過するように装着される（図３（ｂ）参照）。さらに別の実施形態では、ＩＣＡが外郭構造の外壁に取り付けられることが可能であり、ＰＭＡがＩＣＡに対して外側でスライド移動または通過するように装着され（図３（ｃ）参照）、あるいはＰＭＡがＩＣＡに対して内側で（外郭構造の内壁に沿って）スライド移動または通過するように装着される。場合によっては、ＩＣＡは外郭構造の内壁に取り付けられることが可能であり、ＰＭＡがＩＣＡに対して外側でスライド移動または通過するように装着され、あるいはＰＭＡがＩＣＡに対して内側で（外郭構造の内壁に沿って）スライド移動または通過するように装着される。

さらに別の実施形態では、ＰＭＡが中央の支柱に取り付けられることが可能であり、ＩＣＡはＰＭＡに沿ってスライド移動することが可能である（図３（ｆ）参照）。場合によっては、ＩＣＡが支柱に取り付けられることが可能であり、ＰＭＡがＩＣＡに沿ってスライド移動することが可能である。

添付の図面では類似した参照文字は類似した部品を意味する。
本発明を実践するために適した波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）は、図１に示された３つのタイプのシステムを含むことが可能である。図１の左端のものは、係留されるかまたは錨を付けられた垂直の支柱（スパー）１２を備えて海洋表面の下に通常では沈められる中立的に浮力のある外郭構造１０を示している。図１の中央のものは、やはり係留されるかまたは錨を付けられた垂直の支柱（スパー）１２を備えて海洋表面で通常では浮いている浮力のある外郭構造を示している。図１の右端のものは、二重のエネルギー吸収装置を例示しており、そこでは外郭構造１０およびスパー１２は互いに相対的に動き、外郭構造１０は概して波と同相であり、スパー１２は外郭構造および／または海洋の波と異なる位相で動く。このＷＥＣは、「外郭構造」と「スパー」との間に接続されたリニア発電機（ＬＥＧ）装置２０を有する１つまたは複数のパワー・テイクオフ（ＰＴＯ）装置を有することが可能である。

概して、海洋の波によって作り出されるそれらのような力に応答して互いに相対して動く第１および第２の構造体（例えば外郭構造と支柱）を有するどのようなＷＥＣも本発明を実践するために適切である可能性が高い。本発明によれば、リニア発電機（ＬＥＧ）２０を有するＰＴＯが第１と第２の構造体の間に連結されることでそれらの相対的移動を電気エネルギーに直接変換することが可能である。さらに、本発明によればＰＴＯは多くの異なる場所に置かれることが可能であって、システムの物理的構成の設計に高度の自由度を与える。

（リニア発電機（ＬＥＧ））
本発明のいくつかの実施形態では、いくつかの理由でリニア発電機（ＬＥＧ）がＷＥＣのパワー・テイクオフ（ＰＴＯ）装置として提案される。全電気システムの予測効率は見積もられる力と速度で９０％以上であると概算される。この効率は既にある水力電気システムの８０％未満の効率を優に上回る。油圧部品はやはり高価であり、限られた寿命と信頼性を有し、かつ据え付けと保守管理の課題を提起する。油圧部品の除外はＬＥＧを使用する重要な理由である。

ＬＥＧの大きな利点は、それが効率および存続性の特性への大幅な改善の実現を可能にすることである。本発明の１つの態様は、各々の波動サイクルの一部分の間にブイ（ＷＥＣ）への電力フィードバックを有する能動型インピーダンス・マッチング・システム（ＡＩＭＳ）を導入することを可能にすることである。フィードバックのための水力システムを使用すると長期の原則を達成することが困難であることが見出された。ポンプとして運転されるときの油圧モータの寿命は大幅に短縮される。他方でＬＥＧは、電流の方向および加えられる機械的力に応じてモータおよび／または発電機として運転されることが可能である。したがってＬＥＧは、ＷＥＣの効率に結果として得られる上昇を伴なって能動型のインピーダンス・マッチングを可能にする。

ＬＥＧは本質的に無制限のストロークで構成されることもやはり可能である。この特徴は、ＷＥＣ構造の設計および存続性の観点で大きな利点を有する。既にあるＷＥＣの設計では、波力ではなく衝撃力が構造設計を支配する。既にあるＷＥＣはまた、終端部および衝撃荷重を吸収するための緩衝器を備えた機械的システムを必要とする油圧シリンダまたは他の機械的ＰＴＯ装置の有限の長さによって駆動される限られたストロークを有する。錨、自在継手、および支柱もやはりこれらの荷重を扱うように設計されなければならない。本発明を具現化するシステムでは、これらの終端部を伴なうことなく構造部品への力はパワー・テイクオフ装置（このケースではＬＥＧ）によって行使される力に限定される。普通のパワー・テイクオフのストロークの端部での銅板もしくはアルミニウム板の追加でもって、受動的な緩衝（ブレーキ）が導入されることが可能である。この緩衝は荒天状況でブイからエネルギーを取り出すために役立つ。したがって、ＬＥＧシステムを使用するＷＥＣの構造設計は大幅に単純化される。

図２に示されるようなＬＥＧアセンブリを組み入れる図１に示されたＷＥＣは水域（例えば海洋）に置かれることを目的とされ、波が外郭構造１０を中央の支柱（ピストンまたはスパー）１２に相対して上下動させる。すなわち、海洋の波の上下動が外郭構造１０に力を加え、波力エネルギー変換システムの静止部材であることが可能な支柱１２に相対した外郭構造の上下動を引き起こす。場合によっては、支柱１２もやはり可動部材であることが可能であるが、その動きは外郭構造の運動と異なる位相となる傾向がある。図１の右端と中央および図２の左側のものでは、スパー１２は錨を付けられて静止型で示され、外郭構造１０が上下動する。二重吸収部構造を指向された図１の右端および図２の右側のものでは、外郭構造１０とスパー１２の両方が互いに相対して動くことが可能であり、外郭構造は概して、スパーと反対の方向で動く傾向を有する。

多様なＷＥＣが多様なＬＥＧ構成を利用することが可能である。しかしながら、各々のＬＥＧ２０は普通では永久磁石アセンブリ（ＰＭＡ）２２、およびインダクション・コイル・アセンブリ（ＩＣＡ）２４を有する。本発明によると、ＰＭＡ２２およびＩＣＡ２４は共通の密閉ハウジングに入れられる必要はない。別々に収容された磁石およびインダクション・コイル・アセンブリは知られている共通ハウジングのリニア電気機械で不可能な選択肢を提供する。これらのＬＥＧアセンブリはＷＥＣ外郭構造の上、下、内側、または外側に置かれることが可能である。

図２は異なるＬＥＧ（例えば２０ａ、２０ｂ）アセンブリがＷＥＣ外郭構造の外側に置かれることが可能であることを示している。図２の左側では、ＬＥＧの一部分（例えばＰＭＡおよびＩＣＡのうちの一方）が外郭構造１０の外壁沿いに装着され、ＬＥＧの他の部分（例えばＰＭＡおよびＩＣＡのうちの他方）が、ＬＥＧの第１の部分を通り過ぎて反対側になるように装着される。いくつかの連結（放射状）アーム９２（ｉ）は（支点として機能する）枢動点９０１を介して支柱１２に回転可能に連結される。各々の連結アーム９２ｉはレバーとして機能する棒などの剛体であり（またはいずれかの四辺形タイプのプレートであることも可能である）、枢動点９０１はレバー９２ｉが回転する支点である。各々の連結アーム９２ｉの一方（入力）の端部は剛体の棒９２７ｉによって外郭構造１０の一方の端部（９０４）へと接続されて示され、他方もしくは出力の端部は棒９２３ｉを介してＰＭＡまたはＩＣＡアセンブリへと接続されて示される。外郭構造が上下に移動（図３（ａ）参照）すると、レバー９２の一方（入力）の端部９２５、９０３が直列に、すなわち外郭構造と同相で、かつ同じ速度（ｖ１）で移動する。レバー９２の他方もしくは出力の端部９２１、９０２は外郭構造（および入力端部９２５）およびレバーの入力端部９２５と反対の方向に速度ｖ２で移動する。

レバーの動作は、本発明を具体的に示す極めて単純化された断面図である図３（ｈ）を参照してさらによく説明されることが可能である。剛体の棒であるレバー９２は、既に気付かれているであろうが支点として機能する枢動ピン９０１を介してシャフト１２に回転可能に装着され、その周囲で棒９２が揺動、上下動、または回転することが可能である。レバー９２の入力端部９２５はロッド９２７を介して外郭構造１０の一方の端部９０４へと接続（および連結）される。レバーの出力端部９２１は、その他方の端部がＰＭＡ２２へと接続されるロッド９２３の一方の端部へと接続（および連結）される。ＩＣＡ２４は外郭構造１０の外壁に取り付けられる。例えば、海洋の波の結果として外郭構造１０がスピードｖ１で下に移動すると仮定する。それが生じると、レバー９２の入力端部９２５がｖ１のスピードで押し下げられる事象を外郭構造１０が生じさせる。アーム９２の長さ「ａ」が長さ「ｂ」に等しければ、レバー９２の出力端部９２１は入力端部と同じ速度で、しかし逆の方向（すなわち１８０度異なる位相）で移動するであろう。出力端部９２１はロッド９２３およびＰＭＡ２２を駆動する。９２ａ＝９２ｂについては、（外郭構造に取り付けられた）ＩＣＡ２４がｖ１に等しい速度で下方向に移動している間にＰＭＡはｖ１に等しい速度で上方向にＩＣＡを通り過ぎるであろう（その逆も生じる）。その結果、ＩＣＡを通り過ぎるＰＭＡの相対速度は２ｖ１に等しい。こうして、レバー状のメカニズムの使用によってＰＭＡとＩＣＡの間の実効速度は２倍にされている。

レバーのアームの比（すなわち９２ａの長さ対９２ｂの長さ）を変えることによってＩＣＡに対するＰＭＡの相対速度はさらに上げられるかまたは下げられることが可能である。このレバーは２つの端部を有する剛体として述べられることが可能であって、２つの端部の間の中間点が支柱に取り付けられる。

図３（ｈ）で、ＩＣＡは外郭構造へと接続されて示され、レバーの出力端部はＰＭＡへと接続されて示される。しかしＰＭＡが外郭構造へと接続されることが可能であり、ＩＣＡがロッド９２３を介してレバーの出力端部９２１から駆動されることが可能であることは理解されるはずである。

この設計の望ましい特徴は、相対的なステータ磁石の速度がさらに大きな電気出力を作り出すために大幅に上げられることが可能であることである。結果として、ＬＥＧの力の必要条件およびサイズが（例えば半分に）下げられることが可能である。この取り組み方の不都合は達成され得る限定されたストロークである。

ＬＥＧから得られる電圧の振幅および周波数は磁石とコイルが相互作用する速度（すなわち一方が他方を通り過ぎるスピード）の関数である。概して、ＬＥＧの磁石（またはコイル）を通り過ぎるコイル（または磁石）の速度を２倍にすることは結果としてＩＣＡの中またはそれを横切って作り出される電圧の振幅を２倍にすることにつながる。これは、作り出されるコイル電圧（ｅ）がＮｄφ／ｄｔに等しいという事実から結果的に生じ、ここでＮは磁束結合係数であり、φはＰＭＡとＩＣＡの間の磁束である。半分の時間でｄφに所定の変化が起これば、出力電圧の振幅は２倍にされる。その結果、磁石に沿って通り過ぎるコイルの速度を上げることが極めて望ましい。特に、電圧が整流されなければならず、整流回路網が固定損失を生じさせるときである。

図３（ａ）（および３（ｈ））で、シャフト１２は係留され、外郭構造１０はシャフトの周囲に配置されてその位置に留まるが、外郭構造が上下にスライド移動することを可能にする軸受け９１０、９１１によって中心のシャフト１２に相対して上下に移動することが可能である。図３（ａ）では、ＬＥＧアセンブリ２０は（ａ）外郭構造の外壁上、もしくはそれに沿って配置され、かつ外郭構造１０の長さに沿って走るＰＭＡ２２、および（ｂ）ＰＭＡの外側でやはり外郭構造の外側に配置されたＩＣＡ２４を有する。放射状アーム９２が枢動点（支点）９０１で回転可能に支柱１２へと接続され、それにより、放射状アーム９２の２つの反対側の端部はシーソーのように上下に揺れることが可能となる。放射状アーム９２の入力端部９２５は外郭構造１０に連結されて外郭構造と共に上下に動く。放射状アーム９２の出力端部９２１はＩＣＡ（またはＰＭＡ）に連結され、外郭構造が動いている方向と反対の方向にＩＣＡ（またはＰＭＡ）を移動させる。枢動点から放射状アームの端部へと延びるアームの長さ（９２ａ、９２ｂ）の比を変えることによって速度増倍が得られる。図３（ａ）では枢動点から外郭構造１０に連結された入力端部９２５へと延びる放射状アームの長さは「ａ」と規定され、枢動点から出力端部９２１へと延びる放射状アームの長さは「ｂ」と規定される。（検討を簡略化するために点９２１と枢軸９０２が同じ点であると仮定される。）レバー・アーム９２の出力端部９２１、９０２はコイル・アセンブリ２４の一方の端部へと接続される連結金具９０５へと接続アーム（ロッド）９２３を介して連結される。図３（ａ）では、枢動アーム９２の入力端部９２５は枢動点９０３へと接続され、それが外郭構造１０の底部右手側へと接続される連結点９０４へと連結アーム９２７を介して連結される。

ＷＥＣ１０（すなわち外郭構造１０）の上面と底面の間の圧力差は図３（ａ）に示されるように外郭構造１０を速度ｖ１で下方向に移動させる。外郭構造１０はシャフト１２に概して平行の経路を進み、シャフト１２が軸受け９１０、９１１を通り過ぎる。外郭構造１０は連結アーム９２７によって放射状アーム９２へと接続される。外郭構造１０が下に移動するとき、入力端点９０３が押し下げられ、出力点９２１と９０２が上方へ駆動される事象を生じさせる。入力点９０３から中心の枢動点９０１の連結アームの長さは「ａ」であり、中心の枢動点９０１から出力点９０２の連結アームの長さは「ｂ」であると仮定する。「ａ」および／または「ｂ」の寸法を変えることによって、枢動点９０１で回転可能にシャフトに接続されたレバー・アーム９２は異なる増倍比を作り出すように使用されることが可能である。すなわち、放射状アーム９２の部分９２ａは枢動点９０１と入力端部９２５との間に距離「ａ」で延び、アーム９２の部分９２ｂは枢動点９０１と出力端部９２１との間に距離「ｂ」で延びる。長さ「ｂ」に対する長さ「ａ」の比を変えるために、図３（ａ）のアーム（もしくはプレート）９２の中央部分はレバー・アームもしくはプレートが横方向に動かされることを可能にするように長穴を開けられることが可能である。単一のプレートもしくは棒が図に示されているけれども、さらに優れた強度およびバランスを供給するために２つのプレートもしくは棒が支柱の両側に置かれ、２つのプレートがつながれることが可能である。

アーム９２は、距離「ａ」および「ｂ」が変えられることが可能となるように長穴に沿って横方向に移動させられて固定されることが可能である。「ａ」が「ｂ」に等しいとき、速度ｖ２は速度ｖ１に等しい（しかし反対の方向である）。「ｂ」が「ａ」よりも大きいとき、速度ｖ２はｖ１よりも大きい。実際では、「ｂ」が「ａ」の値の２倍であるとき、ｖ２はｖ１の値の２倍である。ｖ２対ｖ１の関係は次のように表わされることが可能であり、すなわちｖ２はｖ１の（ｂ／ａ）倍にほぼ等しい。

速度ｖ１とｖ２（およびそれらの方向）の重要性は、ＬＥＧ２０のＰＭＡ２２とＩＣＡが互いを通り過ぎる速度、およびＩＣＡを横切って発電される出力電圧の質をそれらが決定することである。図３（ａ）では、ＰＭＡはＷＥＣ外郭構造１０の長さ沿いに取り付けられて示される。ＩＣＡ２４は磁気的に（堅く）ＰＭＡ２２へと結合され、ＰＭＡに沿って移動するように物理的に拘束される。ＩＣＡはロッド９２３によって駆動され、それは今度は他方でレバー９２の出力によって方向転換駆動される。ＩＣＡ２４は、外郭構造１０が下方向に移動すると上方向に移動し、外郭構造１０が上方向に移動すると下に移動する。９２ａ対９２ｂの比を調節することによって、多様な相対速度がＬＥＧの（ローターとして機能する）ＰＭＡ２２と（ステータとして機能する）ＩＣＡ２４との間で得られることが可能である。

相対速度（デルタｖ）は以下のように記述されることが可能である。
デルタｖ＝ｖ１＋ｖ２＝ｖ１（ｂ＋ａ）／ａ （式１Ａ）
（注）式１Ａを正確に解釈するためには、ｖ１とｖ２が反対の方向に進んでおり、それにより、もしも一方の方向に正の符号が割り当てられれば反対の方向が負となることが思い出されるべきである。

図３（ｂ）は、ＬＥＧアセンブリが外郭構造１０の内壁上に配置されることが可能であることを例示している。この構造の動作は、別の方式で図３（ａ）のそれと類似している。

図３（ｃ）は、インダクション・コイル・アセンブリ２４が外郭構造の長さ沿いにレイアウトされることが可能であり、かつ永久磁石アセンブリ２２がロッド９２３の一方の端部へと連結されることでコイル・アセンブリを横切ってかつそれに沿って前後に動くことが可能になることを例示している。

図３（ｄ）は、区分１５０ｕが外郭構造１０の最上部またはその上に形成され、区分１５０ｄが外郭構造１０の底部またはその下に形成されることを例示している。区分１５０ｕおよび１５０ｄはＬＥＧアセンブリの一部であることが可能であり、コイルまたは磁石のアセンブリに追加的な行程を与える。場合によっては、区分１５０ｕおよび１５０ｄは磁石アセンブリの進行にブレーキをかけるかまたは鈍らせ、外郭構造の最上部または底部を越えて進むことを阻止するための手段を含むことが可能である。区分１５０ｕおよび１５０ｄは、例えば、磁石アセンブリの移動に強い反発力を与えるであろう短いコイル、または銅製の棒、またはいずれかの同様の装置を含むことが可能である。

図３（ｅ）は、ＬＥＧが外郭構造の外壁の溝の中に形成されることが可能であることを例示している。

図３（ｆ）は、ＬＥＧアセンブリが外郭構造の中で支柱に沿って配置されることもやはり可能であることを例示している。

図３（ｇ）は、レバー９４２の支点として機能する枢動ピン９８０を介して回転可能に支柱１２に装着された剛体のレバー９４２を備えてレバー状器具９４２が外郭構造の上に配置されることが可能であることを例示している。外郭構造は、中央の支柱から距離「ａ」で外郭構造１０上に置かれた接続ピン９４１へとアーム９４２ａの端部から延びるロッド９４３を介してレバーへと接続される。アーム９４２ｂの他方の端部はロッド９４５を介してＰＭＡ２２へと接続され、コイル・アセンブリ２４上で駆動される。アーム９４２ａ対アーム９４２ｂの長さの比はｖ２の倍数をｖ１の関数として決定するように選択されることが可能である。この構造の動作は既に述べられたそれに別の方式で類似している。

図４は、外郭構造１０に外部から装着され、かつ上記で検討されたように駆動されることが可能な４つのＬＥＧアセンブリの断面を示している。内側の支柱１２は正方形断面の支柱であることが可能であり、外郭構造１０の（複数の）内壁１１０もやはり、支柱に相対した外郭構造の回転を阻止するために支柱１２を取り囲む正方形断面の支柱を形成することが可能である。各々のＬＥＧアセンブリはＬＥＧ支持体１２３、支持体１２３に装着されたＩＣＡ１２４、空隙１２５、ＰＭＡ２２、磁石支持プレート１２２、およびＬＥＧ支持プレート１２７を有する。ＰＭＡ２２（またはＩＣＡ２４）およびその支持体は、上記で検討されたように外郭構造の運動と反対の方向にアセンブリを移動させるようにアーム９２３に接続（連結）されることが可能である。概して、ＩＣＡ２４とＰＭＡ２２の場所および装着は既に検討されたように入れ替えられることが可能である。

図５（ａ）、５（ｂ）、５（ｃ）、および５（ｄ）は、４つの考え得る永久磁石およびインダクション・コイルの幾何学構造を示す具体例の図である。図５（ａ）では、磁石アセンブリ２２ａが相対的に短く、相対的に長くなるように（かつ静止型となるかまたは磁石アセンブリと異なる位相で移動するように）設計されるインダクション・コイル・アセンブリ２４ａに相対して移動するように設計される。図５（ｂ）では、インダクション・コイル・アセンブリ２４ｂが短くなるように、かつ長くなるように（かつ静止型となるかまたはコイル・アセンブリと異なる位相で移動するように）設計される磁石アセンブリ２２ｂに相対して移動するように設計される。図５（ｃ）では、磁石アセンブリ２２ｃが長くなるように、かつ短くなるように（かつ静止型となるかまたは磁石アセンブリと異なる位相で移動するように）設計される対応したインダクション・コイル・アセンブリ２４ｃに相対して移動するように設計される。図５（ｄ）では、インダクション・コイル・アセンブリ２４ｄが長くなるように、かつ短くなるように（かつ静止型となるかまたはコイル・アセンブリと異なる位相で移動するように）設計される対応した永久磁石アセンブリ２２ｄに相対して移動するように設計される。これはコイル・アセンブリおよび磁石アセンブリの幾何学構造での多くの考え得る変形例のうちの４つを示している。

磁石アセンブリおよびコイル・アセンブリが両方共に同時に（好ましくは異なるスピードおよび／または反対の方向で）動くことが可能であってもよいこともやはり気付かれるはずである。

既に検討され、かつ示されたように、磁石アセンブリおよびコイル・アセンブリの位置は入れ替えられることが可能である。例えば、磁石は内側の中央支柱（スパーまたはシャフト）に装着されることが可能であり、コイルは外側の部材（外郭構造の内側または外側）に装着されることが可能である。場合によっては、コイルが内側の中央支柱（スパーまたはピストン）に装着されることが可能であり、磁石が外側の部材（外郭構造または槽）に装着されることが可能である。

図６（ａ）および６（ｂ）は２つの異なる永久磁石アセンブリとコイル・アセンブリの構造の形成を示す断面図である。図６（ａ）は「表面」永久磁石構造と称されることが可能な構造を示している。図６（ａ）の構造では、複数の永久磁石２２ｓは磁石支持構造１２７ｓ上に装着される強磁性のプレート１２２ｓに装着される。この磁石アセンブリが非磁性の筐体４１１内に封入されることが可能である。磁石アセンブリのこれらの磁石（ｍｉａ、ｍｉｂ）は「磁性」プレートの表面に貼り付けられ、インダクション・コイルと磁石（ｍｉａ、ｍｉｂ）との間の相対運動の方向に対して直角の方向で着磁される。各々の磁石（ｍｉａ、Ｎ−Ｓ極）は隣接する磁石（ｍｉｂ、Ｓ−Ｎ極）のそれと反対の極性を有する。

多数の磁石から各々の磁極を構成することが可能である（すなわち、一方の磁極が実際では、同じ極性に着磁されたいくつかの並んだ磁石であることが可能である）。隣り合う（逆極性の）磁石の中心間の縦方向の距離が「磁極ピッチ」である。これらの磁石は逆の極性にされ、アセンブリ当たりの磁石の数は２の倍数である。インダクション・コイル・アセンブリ２４ｓは長穴を設けられた強磁性材料の接極子を有し、それがコイル支持構造１２３ｓに装着されたヨークとして機能する。このインダクション・コイル・アセンブリが非磁性の筐体４１３内に封入されることが可能である。図６（ａ）に示されるように、永久磁石アセンブリ２２に対面する側で多数の長穴がヨーク内に形成され、これらの長穴に導電コイル（導電性でかつ絶縁されたワイヤのコイル、棒、または箔）が挿入される。磁気「回路」はＮ極磁石、Ｎ極磁石とインダクション・コイル・アセンブリとの間の空隙、コイルとヨーク・アセンブリ、Ｓ極磁石とコイル・アセンブリとの間の空隙、Ｓ極磁石、および強磁性の磁石受け板で構成される。この電磁変換によって機械的力および運動が電流および電圧へと変換される。

これらの長穴は磁石アセンブリとコイル・アセンブリとの間の相対運動の方向に対して直角である。各々のコイルは導電性材料（例えば銅線）で形成され、それがヨークの一方の側の長穴に入り、他方の側の長穴から出て縦方向に１磁極ピッチ離れて配置された別の長穴に向かって進み、ヨークの他方の側で同じ長穴から出る。長穴およびコイルの数は磁石アセンブリの磁極ピッチ当たり２のいずれかの倍数であることが可能である。

例えば、三相の実施は、磁極ピッチのそれに等しい縦方向の距離にわたる６個の長穴に設置された３つのコイルを有するであろう。コイルのこのパターンがコイル・アセンブリ全体にわたって繰り返されることが可能であり、電圧出力を上げるためにコイルが電気的に直列に接続されることが可能である。

磁石に相対したコイルの移動は電圧がコイル内に誘導される事象を生じさせ、それは磁束の変化の大きさと速度に比例する。外部負荷がコイルの端子を横切って接続されると電流がコイルを通って流れる。

図６（ｂ）は、磁石支持プレート１２７ｘを示しており、その上に非磁性のヨーク１２２ｘが装着され、その上に強磁性のプレートが装着され、それが強磁性プレートの中に入れられた永久磁石を有する。図６（ｂ）では、２つのＮ極が互いに隣り合って（かつ反対側に）置かれ、２つのＳ極が互いに隣り合って置かれた。この構造は概して「埋め込み」永久磁石構造と称される。磁石アセンブリおよびコイル・アセンブリの各自が図６（ａ）に示されたように非磁性の筐体内に別々に封入される。図６（ａ）の「表面磁石」構造ならびに図６（ｂ）の「埋め込み磁石」構造は本発明を実施するための実行可能な選択肢である。

図７（ａ）はＬＥＧの出力電圧をＷＥＣの外郭構造対支柱の差速度（すなわち支柱に相対した外郭構造のスピード）の関数として示している。図示されるように、ＬＥＧ出力電圧の振幅はスピードに比例する。ＬＥＧ出力電圧はまた、磁束およびコイル構成にも比例する。ＬＥＧ出力電圧の周波数がやはりスピードに比例して示されている。これは以下のように説明されることが可能である。コイルが磁極の対（Ｎ−Ｓ磁石）の上を通過する度に電圧サイクルが作り出される。コイルが（増大した速度に起因して）さらに短い時間で磁極対の上を通過すれば、出力電圧の周波数が上がる。

図７（ｂ）は、ＬＥＧの出力電力をＷＥＣの外郭構造対支柱の差速度の関数として示している。図示された範例では、外郭構造対支柱のスピードが最も大きいときにＬＥＧ電力が最大である。ＷＥＣの平均電力はピーク電力の約半分である。

理解されるはずであるが、
１．ＰＭＡまたはＩＣＡのスピードがレバー・アーム比［ｖｌｅｇ＝ｖｆｌｏａｔ×（ａ＋ｂ）／ａ］によって増大させられると、実効力がレバー・アーム比で低下する［パワー（スピード×力）は同じに留まる］。１：１のレバーについては、相対スピードが２倍になり、実効力は半分に削減される。
２．しかし力が半分に削減されれば、殆ど力（通常では１平方メートル当たり２０〜２５ｋＮ）に比例する磁石アセンブリの必要サイズが半分に削減されることが可能である。最終の結果は、ＰＭＡのサイズが大幅に小さく（例えば６平方メートルから３平方メートルに）され得るということである。
３．一方の構成要素（すなわちＰＭＡ）のサイズをレバー比で小さくすることは概して、他方の構成要素（例えばステータとして機能するＩＣＡ）のサイズ（すなわち長さ）がレバー・アーム比で増大する必要性を生じることを伴なう。１：１のレバーについては、磁石アセンブリの長さが半分になる一方でステータの長さが２倍になる。磁石アセンブリおよびコイル・アセンブリがゼロ以外の何らかの長さを有することを前提とすると、その比はレバー・アーム比に全く比例するわけではない。

これらの特徴を組み入れる利点は以下を含む。
１．ＰＭＡの一定の磁極ピッチに関してＩＣＡの出力部で作り出される電圧がスピードに比例する。最小の磁極ピッチは維持されることが可能な空隙の幅によって概して定められる。磁極ピッチは空隙の幅の少なくとも２５倍でなければならない。効率は概して電圧と共に上昇する。したがって、一層高いスピードおよび電圧は一層高い効率へと形を変える。電流が減少してＩ^２Ｒ損失が低下するので一層高い電圧は望ましい。また、電力変換スイッチング装置はしばしば一定の電圧降下（例えばＩＧＢＴトランジスタについては１．８Ｖ）を有するので一層高い電圧は望ましい。
２．一定の磁極ピッチに関して周波数はスピードに比例する。最小の磁極ピッチは維持されることが可能な空隙の幅によって概して定められる。受動性の整流システム（複数のダイオードとキャパシタのセットで構成される）が概して良好に機能し、かつ／または一層高い電気的周波数に関して小型である。電圧のリップルが懸案課題である場合、一層高い周波数はキャパシタのサイズまたは電圧リップルの量を下げることに役立つ。
３．永久磁石アセンブリは通常ではＬＥＧシステムの重量が大きく費用のかかる部分である。したがって、ステータのサイズの上昇を代償にしてそのサイズを小さくすることは概してシステムの質量およびコストを救済する。
４．磁石アセンブリのサイズの縮小はいくつかの利点、すなわち
ａ．一層容易な塵取り込みの防止、
ｂ．一層容易な作業者の保護、
ｃ．軸受けの設計を単純化する一層少ないＰＭＡ−ＩＣＡ引力（これは、例えば小型の１ＫＷのＬＥＧが４トンの引力を有するので重要である）、
という利点を有する。

レバー・アームおよびＬＥＧが外郭構造の内側の部分の中に完全に入れられることが可能であり、かつ外郭構造の内側の部分が完全に密閉されることが可能であることもやはり理解されるはずである。素子９１０、９１１は外郭構造の内部区画を密閉に保つシール材であることになる。この方式で、ＬＥＧは気密区画内にあることが可能である。レバー・アームを作動させてＰＭＡおよび／またはＩＣＡを駆動するために外郭構造の外側からプッシュ・ロッドがシール材を通って外郭構造の内側部分に入ることになる。

本発明の実践に使用するための様々なＷＥＣを描く図である。 本発明に従って、速度の増倍を与えるための手段を備えたＷＥＣの外郭構造の外側へのＬＥＧのＰＭＡおよびＩＣＡの設置を示す図（縮尺通りではない）、及び外郭構造（フロート）が概して波と同相で動き、かつ支柱が係留されずに速度増倍を与える手段を備えたＷＥＣの外郭構造の外側に接続されたＬＥＧアセンブリを伴なって波の運動と概して異なる位相で動くことが可能であるＷＥＣを例示する図（縮尺通りではない）である。 本発明を具現化する速度増倍システムを示すさらに詳細な図（縮尺通りではない）である。 ＷＥＣ外郭構造の内壁上に位置するＬＥＧを備えた速度増倍システムを示す図（縮尺通りではない）である。 ＷＥＣ外郭構造の外壁沿いに設置されたＬＥＧのコイルおよびコイルの外側沿いに通過するＰＭＡを備えた速度増倍システムを示す図（縮尺通りではない）である。 本発明による速度増倍を備えたＷＥＣ内に配置されるＬＥＧの多様な構成を例示する図である。 本発明による速度増倍を備えたＷＥＣ内に配置されるＬＥＧの多様な構成を例示する図である。 本発明による速度増倍を備えたＷＥＣ内に配置されるＬＥＧの多様な構成を例示する図である。 レバー操作器具が外郭構造の上に配置される速度増倍システムを示す図（縮尺通りではない）である。 本発明の速度増倍の原理を例示する単純化された図である。 ＷＥＣの中央の支柱が多側面（例えば正方形断面の支柱）であることが可能であって、外郭構造の内壁が中央の支柱の各々の側面に平行の面を有し、かつＬＥＧアセンブリが外郭構造の外壁沿いに配置されることを例示する断面図である。 本発明の実践に使用するために適した磁気アレイおよびインダクション・コイルのアセンブリの多様な構成を具体的に描く図である。 本発明を実践するために導電性のワイヤ、コイル、棒状体もしくは薄片を使用する「表面」永久磁石アセンブリの構造を備えたＬＥＧを例示する図である。 本発明を実践するために導電性のワイヤ、コイル、棒状体もしくは薄片を使用する「埋め込み」永久磁石アセンブリの構造を備えたＬＥＧを例示する図である。 本発明に従って、ＷＥＣ内に設置されるＬＥＧで発生する改善された電圧および電力を例示する波形図である。 本発明に従って、ＷＥＣ内に設置されるＬＥＧで発生する改善された電圧および電力を例示する波形図である。

Claims (9)

1. 波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）であって、
   水域の中に置かれ、該水域にある波の作用で互いに相対して移動する外郭構造および支柱と、
   入力端部、出力端部、および該入力端部と出力端部との間の中間点を有するレバー・アームと、
   該レバー・アームの該中間点を該支柱へと回転可能に接続し、該レバーの該入力端部を該外郭構造へと接続する手段とを有し、それにより、該レバーの該入力端部が該外郭構造によって決定される速度でかつ該外郭構造と同相で移動し、該出力端部が該外郭構造の速度の倍数の速度でかつ概して該外郭構造の速度と反対の方向に移動するＷＥＣ。
2. 該レバー・アームが該外郭構造よりも下で該支柱に沿って回転可能に装着される、請求項１に記載のＷＥＣ。
3. 該レバー・アームが該外郭構造よりも上で該支柱に沿って回転可能に装着される、請求項１に記載のＷＥＣ。
4. 該中間点から該入力端部へと延びる該レバーの部分が長さ「ａ」を有し、該中間点から該出力端部へと延びる該レバーの部分が長さ「ｂ」を有し、該レバー・アームの該出力端部でのスピードがｂ／ａで乗算された該入力端部のスピードに等しい、請求項１に記載のＷＥＣ。
5. インダクション・コイル・アセンブリ（ＩＣＡ）および永久磁石アセンブリ（ＰＭＡ）のうちの一方が該外郭構造に取り付けられて該外郭構造に合わせて移動し、該ＩＣＡおよびＰＭＡのうちの他方が該レバー・アームの該出力端部に連結されて駆動され、該外郭構造に取り付けられた該ＩＣＡとＰＭＡのうちの該一方を横切ってｂ／ａで乗算された該入力端部のスピードに実質的に等しいスピードで移動し、該ＰＭＡと該ＩＣＡとの間の差速度が該入力端部と該出力端部の合計に等しい、請求項４に記載のＷＥＣ。
6. インダクション・コイル・アセンブリ（ＩＣＡ）および永久磁石アセンブリ（ＰＭＡ）のうちの一方が該外郭構造の内壁に取り付けられて該外郭構造に合わせて移動し、該ＩＣＡおよびＰＭＡのうちの他方が該レバー・アームの該出力端部に連結されて駆動され、該外郭構造に取り付けられた該ＩＣＡとＰＭＡのうちの該一方を横切ってｂ／ａで乗算された該入力端部のスピードに実質的に等しいスピードで移動し、該ＰＭＡと該ＩＣＡとの間の差速度が該入力端部と該出力端部の合計に等しい、請求項１に記載のＷＥＣ。
7. インダクション・コイル・アセンブリ（ＩＣＡ）および永久磁石アセンブリ（ＰＭＡ）のうちの一方が該外郭構造の外壁に取り付けられて該外郭構造に合わせて移動し、該ＩＣＡおよびＰＭＡのうちの他方が該レバー・アームの該出力端部に連結されて駆動され、該外郭構造に取り付けられた該ＩＣＡとＰＭＡのうちの該一方を横切ってｂ／ａで乗算された該入力端部のスピードに実質的に等しいスピードで移動し、該ＰＭＡと該ＩＣＡとの間の差速度が該入力端部と該出力端部の合計に等しい、請求項１に記載のＷＥＣ。
8. インダクション・コイル・アセンブリ（ＩＣＡ）および永久磁石アセンブリ（ＰＭＡ）のうちの一方が該支柱に取り付けられ、該ＩＣＡおよびＰＭＡのうちの他方が該レバー・アームの該出力端部に連結されて駆動され、該外郭構造に取り付けられた該ＩＣＡとＰＭＡのうちの該一方を横切って該レバーの該出力端部でのスピードに実質的に等しいスピードで移動する、請求項１に記載のＷＥＣ。
9. 波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）であって、
   水域の中に置かれ、該水域にある波の作用で互いに相対して移動する外郭構造および支柱と、
   該外郭構造と該支柱との間に連結され、該支柱に相対した該外郭構造の入力スピード（ｖ１）に応答する入力部を有し、かつそのスピード（ｖ２）が該支柱に相対した該外郭構造の入力スピード（ｖ１）の倍数である出力部を有する機械的変換装置とを有し、
   インダクション・コイル・アセンブリ（ＩＣＡ）および永久磁石アセンブリ（ＰＭＡ）のうちの一方が該外郭構造に取り付けられて該外郭構造に合わせて移動し、該ＩＣＡおよびＰＭＡのうちの他方が該機械的変換装置の該出力端部から駆動を受け、該外郭構造に取り付けられた該ＩＣＡとＰＭＡのうちの該一方を横切って移動するＷＥＣ。
   

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