JP2009505630A - 切換可能なコイル構成を備える単極場電動発電機 - Google Patents

Abstract

一対のステータが、それらの間の空間内に磁場を生成し、強磁性環状ロータが磁場内に回転するよう搭載される。複数の巻線がロータ上に径方向に巻かれ、各巻線は複数のコイルを提供する。コイルの各々はスイッチを介して相互接続され、スイッチは、各巻線のうちのコイルの各々を、電気的直列接続、電気的並列接続、および電気的に絶縁された接続のうちの１つに交互に置くように構成され、そのため、発電機として作動される場合は、選択された出力電圧および出力電流がロータ回転によって生成され、電動機として作動される場合は、選択された出力速度およびトルクが生成される。

Description

背景
関連出願
本願は、２００５年８月２２日出願の「切換可能なコイル構成を備える単極場電動発電機」（Monopole Field Electric Motor Generator with Switchable Coil Configuration）と題された、先に出願された米国実用特許出願連続番号第１１２１００４４号からの国際優先権を主張する。

この開示の分野
この開示は一般に電動発電機に関し、より特定的には、回転巻線コイル構成の電子的切換を有する、そのような回転電磁機械に関する。

関連技術の説明
以下の技術は、ここに記載され主張される装置の分野の現状を定義している。

ツ（Tu）等のＵＳ２００４／０１３５４５２は、電流を誘導するよう磁力線を切断するための少なくとも１つの環状コイル構造と、螺旋状コイル構造と平行に方向付けられた少なくとも１つの円盤形状磁極構造とを含む、平坦な回転発電機を開示している。環状コイル構造および円盤形状磁気コイル構造が多数含まれる場合、環状コイル構造および円盤形状磁気コイル構造は交互に配置される。環状コイル構造および円盤形状磁極構造には、透過性材料が設けられていない。環状コイル構造または少なくとも１つの円盤形状磁極構造が外力により回転されると、環状コイル構造はそれを通る磁力線を切断して誘導電流を生成する。ニール（Neal）のＵＳ２００２／０１３５２６３は、モータを作るために使用されるステータアセンブリ用の環状コアを形成する複数のステータアークセグメントを開示している。好ましい一実施例では、環状コア上の極の周りに巻かれたワイヤを通って電流が通されると、複数の磁場が作り出される。相変化物質の一体構造体が導体を実質的に封入し、環状コアにおいてステータアークセグメントを互いに接触させて保持する。モータを用いるハードディスクドライブと、モータおよびハードディスクドライブを構成する方法も開示されている。ローズ（Rose）のＵＳ６８０３６９１は、回転軸を中心とし、軸方向に反対の２つの側を有する磁気透過性のリング形状コアを含む電気機械を開示している。コイルはコアの周りに環状に巻かれ、円周方向に沿って連続的に配置される。各コイルは、コアのそれぞれの側に並んで半径方向に延在する２つの側脚を含む。隣接する側脚間には、コイルがない空間が存在する。ブラケットは、ブリッジング構造により接続されてコイルの第１および第２の側にそれぞれ当接する第１および第２の側部フランジを有する。モーラー（Mohler）のＵＳ６５０７２５７は、１つ以上のロータが固定して取付けられた出力シャフトから構成される双方向ラッチングアクチュエータを開示している。シャフトおよびロータは、円筒コイルが搭載されて伝導性端部キャップにより閉鎖される磁気伝導性ハウジングに、回転のために搭載される。端部キャップ上にはステータ極片が搭載される。一実施例では、ロータは、非対称的に搭載された少なくとも２つの逆に磁化された永久磁石を有する。すなわち、それらは一方の側で隣接し、他方の側で非磁性空隙により隔てられる。ステータ極片は非対称的な束伝導性を有し、一実施例では、極片の残りの部分よりも軸方向に厚い。当接部は、（伝導性がより高い極片の部分にロータ磁石が軸方向に整列される）中立位置へとロータが揺動しないようにする。このため、ロータは、中立位置に向かって引かれている２つの位置のうちの一方に磁気的にラッチされる。極性が逆の電流を用いたコイルの励磁により、ロータはその逆のラッチ位置へ向かって回転するようになり、そこでそれはその位置で磁気的にラッチされる。モーラーのＵＳ５３３７０３
０は、励磁されると細長い環形の磁束場を生成可能な電磁コアから構成される永久磁石ブラシレストルクアクチュエータを開示している。ほぼ円筒形のコイルの外側には、各端に上部および下部端板を備える外側ハウジングがある。端板に搭載されて互いに向かって延在しているのは、空気間隙によってその逆の極片から隔てられたステータ極片である。永久磁石ロータが空気間隙に配置されてシャフト上に搭載され、シャフトは次に端板の各々に回転可能に搭載される。永久磁石ロータは少なくとも２つの永久磁石を備え、各々、ロータのアーチ形部分を覆い、逆の極性を有している。一方向における電流を用いたコイルの励磁は、２つの極片の各々がロータの磁石のうちの一方を引きつけ、ロータの他方の磁石に反発するように極片を磁化して、出力シャフトによって生成されるトルクをもたらす。電流の流れの反転は、ロータのトルクおよび回転の逆方向への反転をもたらす。多数のセル、すなわち、各ステータ極面に複数の極片がある複数のステータ・ロータ・ステータの組合せおよび／またはセルを有する好ましい実施例が開示されている。クルースターハウス（Kloosterhouse）等のＵＳ５１９１２５５は、周囲に沿って複数の磁石が搭載されたロータを含む電磁モータを開示している。好ましくは、隣接する磁石は、外側を向いた逆の極を有する。１つ以上の電磁石がロータの周囲に隣接して配置され、そのため、ロータが回転すると、ロータ上に搭載された磁石は電磁石の極の近くに搬送される。ロータの実質的にすべての角度位置について、電磁石の極とロータ上に搭載された磁石との間の磁気吸引および反発がロータを所望の方向に回転するよう促すように、電流が駆動回路によって、ロータの回転との予め定められた位相関係で電磁石に供給される。反射性材料がロータ上に、予め定められた角度位置に搭載される。駆動回路は光電性デバイスを含み、このデバイスは、反射性材料から反射された光をデバイスが受取っているかどうかに従って値が変化する信号を生成する。この信号は、電磁石用の駆動電流を生成するよう増幅される。ウェストリー（Westley）の４６２３８０９は、極構造を内蔵するステッパモータを開示しており、この極構造では、複数の極を各々有する一対の同一のステータ極板が、極が逆方向に突出した状態で背中合わせに位置付けられ、ステータ極板は一対の実質的に同一のステータカップ間に位置付けられ、各ステータカップは、周辺の側壁が外側に延在するフランジで終わっている状態で、背壁から内側に突出する複数の極を有している。各フランジの主面は、磁気抵抗が低い磁路を確実にするために、ステータ極板のうちの１つの上の一面と接触している。フォージー（Fawzy）の４５６５９３８は、電動機として、または発電機として使用可能な電気機械デバイスを開示している。このデバイスは、回転可能なシャフトを支持するベアリング手段を含むハウジングを有する。円盤磁石手段が設けられ、交互の極性を有するように極を有し、シャフト上に搭載されてロータを規定する。このデバイスは、磁石手段と接触した少なくとも１つの第１の極片を含み、この極片は、そこから径方向に延在して仮想極チャンバを規定する第１の極性の部分を有する。同様に、磁石と接触した少なくとも１つの第２の極片が含まれ、この極片は、そこから径方向に延在して仮想極チャンバを規定する他方の極性の部分を有する。環状ステータがハウジング上に搭載され、その上に巻線を有する。ステータは、第１および第２の極片の仮想極チャンバが、円周方向の交互極性の交番磁場で前記巻線の部分を包囲するように、円盤磁石の周りに環状に位置付けられる。デバイスを発電機として作動させる場合には電流を引き、デバイスを電動機として作動させる場合には電流を提供するようにステータと電気的に接触するための手段が設けられる。フォージーの４４５９５０１は、電動機として、または発電機として使用可能な電気機械デバイスを開示しており、このデバイスは、回転可能なシャフトを支持するベアリング手段を含むハウジングを有する。一対の円盤磁石が、各々の二面上に交互の極性を有するように極を有する。磁石は向かい合ってシャフト上に搭載されてロータを規定する。このデバイスは、各磁石の一方の面と接触した少なくとも１つの第１の極片を含み、この極片は、そこから径方向に延在し、その好ましい形態において一対の仮想極チャンバを規定する、前記一方の面と同じ極性の部分を有する。同様に、各磁石の他方の面と接触した少なくとも１つの第２の極片が含まれ、この極片は、そこから径方向に延在し、その好ましい形態において一対の仮想極チャンバを規定する、他方の面と同じ極性の部分を有する。環状ステータがハウジング上に搭載され、その上に巻線を
有する。ステータは、第１および第２の極片の仮想極チャンバが、円周方向の交互極性の交番磁場で前記巻線の部分を包囲するように、円盤磁石の周りに環状に位置付けられる。デバイスを発電機として作動させる場合には電流を引き、デバイスを電動機として作動させる場合には電流を提供するようにステータと電気的に接触するための手段が設けられる。

上述の要約書を用いた我々の先行技術調査は、電動機および発電機双方の形態の回転電磁石機械を教示している。このように、先行技術は、ニールでは径方向アークセグメントを備える環状コアを示し、フォージーでは、Ｎ−ＮおよびＳ−Ｓ極面隣接性が見られ、ツ等では、径方向コイル巻線を備えたＮ−ＳおよびＳ−Ｎ極隣接性が見られ、ローズでは、環状コアの周りに連続し、Ｎ−ＮおよびＳ−Ｓ隣接性を備えた永久磁石セグメントを備える、径方向に巻かれたコイルが見られる。しかしながら、先行技術は、この装置に示すような逆の極性の単極永久磁石場に浸された電磁場を提供する回転電磁機械、および径方向の巻線内の個々のコイルの切換を教示していない。

この開示は先行技術とは区別され、以下の要約に説明されるようなこれまで未知の利点を提供する。

要約
この開示は、以下に説明する目的を生み出す、構成および使用における或る利益を教示する。

一対のステータが、それらの間の空間内に磁場を生成し、強磁性環状ロータが磁場内に回転するよう搭載される。複数の巻線がロータ上に径方向に巻かれ、各巻線は複数のコイルを提供する。コイルの各々はスイッチを介して相互接続され、スイッチは、各巻線のうちのコイルの各々を、電気的直列接続、電気的並列接続、および電気的に絶縁された接続のうちの１つに交互に置くように構成され、そのため、発電機として作動される場合は、選択された出力電圧および出力電流がロータ回転によって生成され、電動機として作動される場合は、選択された出力速度およびトルクが生成される。

上述の装置および使用方法に固有の主な一目的は、先行技術によって教示されていない利点を提供することである。

別の目的は、新規のコイル切換手法および出力パラメータ監視を用いることによるその出力パラメータの優れた制御を備えた電磁回転機械を提供することである。

さらに別の目的は、電動機として有用なそのような機械を提供することである。
さらに別の目的は、発電機として有用なそのような機械を提供することである。

説明される装置および使用方法の他の特徴および利点は、以下のより詳細な説明を添付図面とともに解釈することから明らかとなるであろう。添付図面は、ここに説明する装置およびその使用方法の原理を一例として示している。

添付図面は、この装置およびその使用方法の最良の形態の実施例のうちの少なくとも１つを示している。

詳細な説明
上述の図面は、以下の説明でさらにより詳細に定義される好ましい最良の形態の実施例のうちの少なくとも１つにおける説明される装置およびその使用方法を示している。当業者であれば、ここでの説明に、その精神および範囲から逸脱することなく変更および修正を加えることができるであろう。したがって、示された内容は、例示のみのために述べられていることと、この装置および使用方法の範囲における限定として解釈されてはならないこととが理解されるべきである。

回転電磁装置は、平行に間隔を置いた円盤形状の永久磁石セットを支持するステータフレーム１５２を含むステータを備え、磁石セットの各々は、間隔を置いた複数の共面磁石セグメント１４６を備える。図１に示すように、セグメント１４６は、Ｓ極については文字「Ｓ」、Ｎ極については文字「Ｎ」によって示されるような、極性が逆の対向するＮ−Ｎ永久磁石極およびＳ−Ｓ永久磁石極の対が円周方向に交互に連続するように構成されている。ロータは、ステータフレーム１５２によって支持される心棒１４４上に搭載されてそれとともに回転する磁気透過性回転ロータフレーム１４０を提供する。ロータフレーム１４０は、個々の巻線１４８′の一部である、径方向に方向付けられ環状に巻かれた複数のコイル１４８を提供する。電流供給整流子は、コイル１４８の各々が電気的にアクセス可能となるようにロータに係合する。

「磁石」という言葉を用いても言及される永久磁石１４６は、ステータフレーム１５２間の空間内に磁場を生成する。強磁性環状ロータフレーム１４０はこの磁場内に、回転するよう搭載されている。複数の巻線１４８′がロータ上に径方向に巻かれ、巻線１４８′は各々、複数のコイル１４８を備え、コイルは各々、巻線を構成する導電ワイヤの少なくとも１回の巻回、すなわち巻付けを備えている。ここに「スイッチ」という名前で言及されているものの、図４に示すように複数の電子スイッチから構成されている切換ネットワークを介して、コイル１４８は相互接続される。スイッチはロータ上に位置付けられ、図２に示すような電気的直列接続、図３に示すような電気的並列接続、または、直列接続と並列接続のいずれについても接触がなされない電気的絶縁のうちの１つに、各巻線１４８′のうちのコイル１４８の各々を交互に置くように構成される。スイッチは好ましくは図４に示すように電子的であるため、１つのスイッチが各直列接続を行なうために使用され、１つのスイッチが各並列接続を行なうために使用される。コイルが絶縁されるべき場合、直列スイッチも並列スイッチも作られない。

この装置が発電機として使用される場合、明らかに、巻線１４８′の各々のうちのコイル１４８はすべて電気的直列接続状態に置かれてもよく、それにより出力電圧は最大化される。また、巻線１４８′の各々のうちのコイル１４８はすべて電気的並列接続状態に置かれてもよく、それにより出力電流が最大化される。さらに、巻線の各々のうちで、コイル１４８のうちの少なくとも２つが電気的直列接続状態に置かれ、同時にコイルのうちの少なくとも２つが電気的並列接続状態に置かれてもよく、それにより、選択された出力電圧および電流が実現されてもよい。上述のように、出力電圧および電流は好ましくは、当該技術分野において周知であるように、整流子を介して出力端子に供給される。スイッチの制御は同様に整流子を介して可能とされる。

図５に示すように、負荷条件に依存して一定の出力電圧または電流を生成するようにスイッチを制御するために、出力電圧および電流センサがスイッチと相互接続されてもよい。

電動機として使用される場合、この装置は、選択された速度およびトルクでロータを回転させるためにある範囲の入力電圧および電流条件を受入れるよう切換えられてもよい。巻線の各々におけるコイル１４８はすべて、電気的直列接続状態に置かれてもよく、それにより出力回転速度が最小化され、または電気的並列接続状態に置かれてもよく、それに
より出力回転速度が最大化される。明らかに、任意の数のコイル１４８が接続解除されてもよく、それにより出力トルクが選択可能である。さらに、コイルのうちの少なくとも２つが電気的直列接続状態にあり、同時にコイルのうちの少なくとも２つが電気的並列状態にある状況で、出力シャフト回転速度が選択可能である。

入力電圧および電流は好ましくは、発電機の実施可能例と同様の態様で、入力端子から整流子を介してロータに供給される。発電機の構成と同様に、図６に示すように、選択された一定の出力速度およびトルクのためにスイッチを制御するために、回転速度センサがロータおよびスイッチと相互接続されてもよい。

上に詳述された実施可能例は、記録にある先行技術に対して新規であると考えられ、また、この装置およびその使用方法の少なくとも１つの局面の動作にとって、および上述の目的の達成にとって重大であると考えられる。これらの実施例を説明するためにこの明細書で使用された言葉は、それらの通常定義される意味においてだけでなく、この明細書における特別の定義により、通常定義される意味の範囲を超えた構造、材料または行為を含むものと理解されるべきである。このため、この明細書の文脈において或る要素が２つ以上の意味を含むものとして理解され得る場合、その使用は、明細書によって、およびその要素を説明する言葉によって支持されるすべての可能な意味に対して包括的なものであるとして理解されなければならない。

ここに記載された言葉または図面要素の定義は、文字通り述べられている要素の組合せだけでなく、実質的に同じ結果を得るために実質的に同じ機能を実質的に同じやり方で行なうためのすべての均等な構造、材料または行為も含むよう意図されている。したがって、この意味において、説明された要素のうちのいずれかおよびそのさまざまな実施例に対し、２つ以上の要素の均等な置換えが行なわれてもよいこと、または請求項における２つ以上の要素を単一の要素で置換えてもよいことが考えられる。

現在公知の、または後に考案される、当業者により考察されるような主張された主題からの変更は、意図された範囲およびそのさまざまな実施例内の均等物であるとして明確に考えられる。したがって、現在または後に当業者に公知となる明らかな置換えは、定義された要素の範囲内であると定義される。この開示はしたがって、上に具体的に示され説明されたこと、概念上均等なこと、明らかに置換え可能なこと、また、本質的な考えを援用していることを含むものと理解されるよう意図される。

この説明の範囲は添付された特許請求の範囲と併せてのみ解釈されるべきであり、主張された主題が、特許されるよう意図されることである、ということを名前の挙がった各発明者が信じていることをここに明らかにする。

巻線のコイルからタップが取られたロータ上に搭載された対向する電磁巻線を示す、この装置の断面の概略図である。 巻線の個々のコイルと、コイルを直列相互接続状態に置くための切換手法とを示す、この装置のロータの一巻線の概略図である。 巻線の個々のコイルと、コイルを並列相互接続状態に置くための切換手法とを示す、この装置のロータの一巻線の概略図である。 この装置の電子的スイッチ構成の概略図である。 その発電機実施例のブロック図である。 その電動機実施例のブロック図である。

Claims (14)

1. 回転電磁発電機装置であって、一対のステータを備え、一対のステータは各々、ステータ間の空間内に磁場を生成する永久磁石を提供し、前記回転電磁発電機装置はさらに、磁場内に回転するよう搭載された強磁性環状ロータと、ロータ上に径方向に巻かれた複数の巻線とを備え、巻線は各々、複数のコイルを備え、コイルは各々、少なくとも１つの巻回を備え、コイルはスイッチを介して相互接続され、スイッチは、各巻線のうちのコイルの各々を、
   ａ） 電気的直列接続、
   ｂ） 電気的並列接続、および
   ｃ） 電気的絶縁のうちの１つに交互に置くように構成され、それにより、出力電圧および出力電流がロータ回転によって生成される、回転電磁発電機装置。
2. 巻線の各々のうちのコイルはすべて電気的直列接続状態にあり、それにより出力電圧は最大化される、請求項１に記載の装置。
3. 巻線の各々のうちのコイルはすべて電気的並列接続状態にあり、それにより出力電流は最大化される、請求項１に記載の装置。
4. 巻線の各々のうちで、コイルのうちの少なくとも２つは電気的直列接続状態にあり、同時にコイルのうちの少なくとも２つは電気的並列接続状態にあり、それにより、選択された出力電圧および電流が実現される、請求項１に記載の装置。
5. 出力電圧および電流は整流子を介して出力端子に供給される、請求項１に記載の装置。
6. スイッチと相互接続された出力電流センサをさらに備え、センサは一定の出力電流のためにスイッチを制御する、請求項１に記載の装置。
7. スイッチと相互接続された出力電圧センサをさらに備え、センサは一定の出力電圧のためにスイッチを制御する、請求項１に記載の装置。
8. 回転電磁電動機装置であって、一対のステータを備え、一対のステータは各々、ステータ間の空間内に磁場を生成する永久磁石を提供し、前記回転電磁電動機装置はさらに、磁場内に回転するよう搭載された強磁性環状ロータと、ロータ上に径方向に巻かれた複数の巻線とを備え、巻線の各々は複数のコイルを備え、コイルの各々は少なくとも１つのワイヤ巻回を備え、コイルの各々はスイッチを介して相互接続され、スイッチは、巻線の各々のうちのコイルの各々を、
   ａ） コイルのうちの少なくともさらに別の１つとの電気的直列接続、
   ｂ） コイルのうちの少なくともさらに別の１つとの電気的並列接続、および
   ｃ） 電気的絶縁のうちの１つに交互に置くように構成され、それにより、選択された速度およびトルクでロータを回転させるためにある範囲の入力電圧および電流条件が受入れ得る、回転電磁電動機装置。
9. 巻線の各々におけるコイルはすべて電気的直列接続状態にあり、それにより出力回転速度は最小化される、請求項８に記載の装置。
10. 巻線の各々におけるコイルはすべて電気的並列接続状態にあり、それにより出力回転速度は最大化される、請求項８に記載の装置。
11. 巻線の各々における選択された数のコイルが接続解除され、それにより出力トルクが選
    択可能である、請求項８に記載の装置。
12. コイルのうちの少なくとも２つは電気的直列接続状態にあり、同時にコイルのうちの少なくとも２つは電気的並列接続状態にあり、それにより出力速度が選択可能である、請求項８に記載の装置。
13. 入力電圧および電流は入力端子から整流子を介してロータに供給される、請求項８に記載の装置。
14. ロータおよびスイッチと相互接続された回転速度センサをさらに備え、センサは、選択された一定の出力速度およびトルクのためにスイッチを制御する、請求項８に記載の装置。

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