JP2011510607A - 可逆式の発電機−電動機動作を用いるモジュール式電磁装置 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
磁石環の1つ又は数個の個々の弧に対応して位置付けされる、ステータセルの数が限られた構成(architectures:アーキテクチャ)を構築することが可能であり、当該構成は限られた電力を発生させるか又はこれを必要とする用途に適している;
ステータセルの環全体に沿った位相のモジュール性を有することが可能であり、当該モジュール性は外部装置との接続を減らすのに利用することができる;
同じ装置内で発電機機能と電動機機能を有するモジュールを同時に有することが可能であり、発電機モジュール及び電動機モジュールの性能を個別に調整することができる;
モジュールを個別に取り付けることで、装置の組付けをより容易にすることができる;
モジュールを個別に制御し、診断し、可能であれば、故障した場合に、残りのモジュールの動作に影響を与えずに電源を切ることができる。
フェライトは高い磁束密度を得ることができる(約1/2テスラ);
フェライトは焼結することができる材料であり、したがって、効率を最大化するのに適した構造及び形状に作製することが可能である;
フェライトは最大限が数メガヘルツまでもの広い周波数範囲内にある効率曲線を示し、したがって、本発明に対して想定される用途における磁石の通過周波数と完全に適合性がある。
フェライトを形成する材料の電気抵抗性が高く、且つ、高周波でヒステリシスサイクルが限られている残留磁化の値が低くければ、強磁性材料の損失が非常に低く、電磁損失が非常に低くなり、これにより効率が増加する;
フェライトにより、波形のスプリアス高調波から得るエネルギーを変換することが可能であり、これは直径が大きいこと及び回転数が高いことが要求される用途にとって特に有用である;
フェライトは比重量が低く(鉄の比重量の約半分)、これは航空用途に重要である;
フェライトは、約250℃とキュリー温度Tcが低いため、過熱の場合に自己保護能力がある。既知のように、Tcを超える温度でのフェライトの透磁率は実質的に0である(図25を参照):したがって、ヨークの温度がTcに達する場合、回路のリラクタンス全体がかなり高くなり、空気中の(in air)回路の値に実質的に相当する値をとり、そのため、連結された電圧が非常に低い値まで下がる。この特性をヨークの変位に対する代替案として利用することができる。
加速トルクが高い:実際、力はディスク12の外周に加えられ、該ディスク12は大きい半径(トルクアーム)を有することができる;述べたように、半径が大きいことにより、電動機を動作させる際に協働する多数の磁気双極子を取り付けることが可能となり、したがって、結果として力全体が高くなる;
装置の励起周波数に応じて回転数が高い(例えば、発電機としての動作に関して述べた性能についての考察を参照のこと)
X=P/gcd(P,M)
を有する。ここで、式中の略語「gcd」は最大公約数を表す。X個のコイルの群における各コイルは該群における他のコイルに対してシフトしたefmの位相を発生させ、コイルの電気位相は全ての群において同一に繰り返される。同じ位相を有するコイルを機械の内側で並列若しくは直列に又は星形、三角形...の構成で共に接続してもよく、これらの共通の幾つかの点が外部に接続されることになる。したがって、外部接続の数が幾つかの異なる位相の数に減る。このようにして、モジュール式の多相機(modular multiphase machine)が達成され、ここでは、各モジュールがX個の磁極拡径部及びY=M/gcd(P,M)個の磁石を有する。位相が反転した交互のモジュールのコイルの外側に接続することも可能であり、そのため、所定の一対の値M、Pを有するX位相機又は2X位相機を達成することができる。当然のことながら、モジュール式の多相配置が対をなす磁石の実施形態に適用される場合、セルの双方のアームでの同期の流れの利点が依然として維持される。同じ位相を有するモジュールどうしを並列又は直列に接続することによって、電圧を自由に増減することが可能であり、それにより、ヨークの変位によって得られる同じ結果が達成される。
タービンに取り付けられる航空機用発電機;
タービン用の始動用電動機;
タービン構成(architecture)用のフィードバック電動機;
船舶及び航空機のプロペラ用の電動機;
垂直離陸用の航空機プロペラ;
ガスパイプライン等のポンプ用の電動機;
風力発電機;
一般の工業用発電機;
トルク調整装置;
自動車システム用のフライホイール;
エネルギー回収による電磁ブレーキ;
アクティブブレーキ。
この用途は、航空機搭載型で電気エネルギーを発生させる必要性から生じる。装置10を動作温度が低い段に直接取り付けることができ(そのような場合では図2に示すブレード15がタービン段のブレードとなる)、機械的エネルギーを受け取る従来のオルタネータの代わりにタービン軸に接続される減速ギヤを用いる(replace through)ことが可能である。したがって、本発明の発電機は、切替え電源による電気エネルギー変換という最新技術に合った解決策であり、これにより、完全な配電によってアクチュエータ、装置及びトランスデューサを遠隔駆動することが可能となる。タービンと直接接触せずに高電圧及び高周波数で電気エネルギーを発生することが可能な装置10により、従来技法の欠点の多くを排除することが可能となる。特に、装置10は軽量であり、信頼性が高く、寿命が長く、モジュール構成が容易に拡張可能であり、必要とされるメンテナンスが最小限である。さらに、装置10は、特に電動機及びギヤボックスのコストに関して比較的安価である。
完全に可逆式である本発明による装置により、ブラシレス型電動機用の電子制御ユニットの重量及びコストを除けばそれ以外の重量及びコストの付加なしに、航空機搭載のエンジン用の始動システムを提供することも可能である。これとは反対に、始動システムは重量があり費用がかかるために航空機には備わっていない場合が多く、そのため、外部電動機を使用し得る場合、点火段階は駐機時のみに限られる。この選択が航空機自体の柔軟性及び安全性を制限することは明らかである。同じ軽量特性及びコスト限定特性もまた、一般のタービン用の、また航空分野以外の始動用電動機として本発明を採用することを可能にする。
低圧コンプレッサ又は高圧コンプレッサを、タービンシャフトの回転速度にもはや連関しない、コンプレッサの周囲及び外側に構築された電気電動機によって確定される回転速度にする(過速度)。これにより、回転数及びタービン段とは別のコンプレッサの圧力を最適化することが可能となり、その結果、性能及び消費の最適化のための及びそれらの最適化の際の調整可能性がより高くなる。
船舶の電気推進は、本発明が関する類の機械をそのノイズが低いことから利用することができ、かかる機械は、船体の外側に取り付けることができ、また、スクリューに剛結されるため、長手方向の船体軸線に対して角変位することができ、それにより、船舶の高い操縦性能がもたらされる。かかる用途における本発明の使用は図26に示し、ここでは、本発明による装置10の対をなす磁石の半径方向の実施形態が船舶のスクリュー11の外周に一体化されて示されている。装置10の配置を示すようにハウジングのフレームが取り除かれている。かかる用途では、本発明は以下の利点を与える:
スクリューの外周への電動機のセルの配置により、磁極の半径が大きく磁極の数が多い場合にトルクが高い;
セルの個々のメンテナンス及び調整が可能である;
1つのセルが故障した場合でも、他のセルが故障セルとは独立して動作を続けることができるため、信頼性が高い;
セルを樹脂でシールすることにより、厳しく過酷な環境における動作が可能である;
空隙を一定に保持しつつセルがスクリューに対して旋回することができるため、セルが設けられている外周の転がり部材により、フレームに対するスクリューの揺動の回避性が高い。
トルクが高く且つ信頼性が高いという利点は、本発明の使用を航空機プロペラにおいても好適にする。本発明を使用する航空機プロペラの構造は図26に示すようなものである。かかる用途では、本発明の装置は、熱力学機械、アキュムレータ、燃料電池、光電池等と連係する発電機ユニットと共に動作することができる。
この分野における用途は船舶プロペラにおける用途と同じ原理に基づく。しかしながら、この場合では、磁石はパイプラインの内側に位置するがヨークは外環に位置する。このように、パイプラインの内側ではヨークとプロペラとの間にいかなる接触もないこと及びそれらの間が完全に絶縁していることが確実となる。したがって、ガス及び炭化水素を圧送するのに特に適した高信頼性及び本質安全性が達成される。
かかる用途の場合、ディスク12の中央部にあるブレード15が風力発電機のベーンを形成する。この用途は、軽量を保ちつつも、かかる用途に典型的なサイズを有するベーンを収容することが可能な大きなディスクを構築する際に全く問題がないという点で可能である。大きなディスクに取り付けることができる多数の双極子により、また、磁気回路の低損失により、いかなる風の状態でも良好な効率を達成することができる。複数の双極子により、コスト及び性能間のトレードオフを最適化するように構造をサイズ決めすることが可能である。
本発明は、回転シャフトにロータ12を固定する(したがって、装置のシャフト13を形成する)ことが容易であるため、回転シャフトが存在するときは常に発電機としての使用に適しており、その一方、磁気ピラー16、18の環は、回転部材とのいかなる機械的な接続もないため、個別に収容することができる。本発明は、要素形成装置(the elements forming device)10をタービン自体に容易に一体化することができるため、エネルギー生成のためにタービンと共に使用するのに特に適している。
この用途は、ヨーク16、18の全体もまた回転可能に取り付けられることを必要とする。一定極性の電圧が装置10に印加される場合、磁石14は磁気ヨーク16、18の前に平衡状態で安定的に位置決めされる。したがって、ヨーク16、18を保持する外側部を回転させることによって、同様の回転が磁石14を保持するロータモジュール12内に誘起される。ステータとロータのこの共同の回転は最大トルクを得るまで続き、この最大トルクはアーム(磁石環の半径)によってディスク及びヨークに共に作用する接線力の生成によって与えられ、その後、一定の摺動トルクが開始する。この場合、一定のトルクで多数の回転が必要とされるのであれば、回転の際に電流の流れを可能にするように回転コレクタを設ける必要がある。
この場合、本発明による装置は電動機に関して説明した通りに働く:さらに、ねじ込みストロークの終了時に、d.cトルク調整装置の場合と同様に、装置を停止し、印加されたトルクをリセットする。しかしながら、この場合、電流の流れを可能にするのに回転コレクタは必要とされない。
本発明の重要な用途は、機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換すること、電気的エネルギーを複式(mixed)アキュムレータシステム(すなわち、異なる時間で動作すると共に異なる蓄積特性及び供給特性を有する装置を含むシステム)に蓄えること、及び、装置の可逆性により、そのエネルギーを加速段階時に機械的エネルギーとして戻すことによって、減速時にエネルギーを回収するためにある。装置は実質的に電磁フライホイールとして働く。
図28に示すような車両の熱力学エンジン20とトランスミッションユニット32との間に取り付けられる本発明による装置10は、電磁ブレーキとしても働き得る。かかる用途では、通常動作時、上記の例におけるように、コイル20、22(図1〜図3)が開回路状態に保たれ、ヨーク16、18がロータから大きく離れたままであり、そのため、逆起電力フィードバックは実質的に0である。制動時、前述のようにヨークがロータのより近くに移動し、コイルの電気回路が(フライホイールの場合でのようにインバータ側で閉じられる代わりに)抵抗負荷側で閉じられ、制動エネルギーが熱エネルギーに変換される一方で、逆起電力制動力がディスク上に作用する。
本発明の考えられ得る別の使用はアクティブブレーキとしての使用である。この原理は、本例ではエネルギー蓄積が車両の通常動作時すなわち稼動段階にも行われることを除けば、フライホイールについて説明した原理の発展である。制動段階時、コイル20、22の回路は負荷側で閉じられるだけでなく、逆回転電動機として動作するように駆動もされる、すなわち、その場合はエネルギーがアキュムレータ40(図28)から制動装置に流れ、それにより制動時間を減らす。装置10を各ホイールの軸に配置することによって、ホイールロックを回避することもできる、すなわち、制動時に、ロータとステータの相対位置を軸方向に調整することが可能であることにより、アクティブな制動作用を各ホイールに個別に分配することができ、緊急制動の典型的な不均衡な負荷を補償するのに好適な、差示的な方法で逆回転作用を行うことができる。かかる用途の一般的な利点は、関連するエネルギーが高いものの短期間であることから、装置の高トルク、迅速な介在及び低消費電力に関する。
Claims (37)
- 可逆式の発電機−電動機動作を用いる電磁装置(10)であって、
軸を中心に回転すると共に、規則的な間隔で向きを交互に実質的に環状パターンで分配された複数の磁石(14;14’、14’a、14’b;140)を保持する、ロータ(12;12’)と、
前記磁石(14;14’、14’a、14’b;140)へ向かって延びると共に利用装置又は電力駆動装置との電気的接続のために各コイル(20a、20b、22a、22b;20’、22’;21)を保持する一対の突出アーム(17a、17b、19a、19b;7)を有する少なくとも1つの磁気ヨーク(16、18;16’、18’;6)を含むステータ(16、20a、20b、18、22a、22b;16’、18’、20’、22’)であって、前記少なくとも1つの磁気ヨーク(16、18;16’、18’;6)は、所定の瞬間に、且つ前記ヨークを前記磁石から隔てる空隙をあけて前記ヨークのアーム(17a、17b、19a、19b;7)と向かい合う一対の磁石(14;14’、14’a、14’b;140)と共に、同じ閉じた磁気回路の一部である、ステータ(16、20a、20b、18、22a、22b;16’、18’、20’、22’)と、
を備え、
前記少なくとも1つの磁気ヨーク(16、18;16’、18’;6)は、前記向かい合う磁石(14;14’、14’a、14’b;140)に対する前記ヨークの位置を調整するように配置される調整ユニット(56、82、84、92)が設けられる自身の支持体(54)に個別に取り付けられ、そのコイル(20a、20b、22a、22b;20’、22’;21)、その支持体(54)及びその調整ユニット(52、56)と共に、単相モジュール又は多相モジュールを含む可逆式の電磁装置(10)を形成するように繰り返し再現されることができる基本ステータセルを形成することを特徴とする、電磁装置。 - 前記基本ステータセルは、前記磁石環の複数の個々の弧に沿って延びる少なくとも1組のセルを形成するように繰り返し再現される、請求項1に記載の電磁装置。
- 前記基本セルは、前記磁石環全体の前に延びる少なくとも1組のセルを形成するように繰り返し再現される、請求項1に記載の電磁装置。
- 前記ロータ(12;12’)は、以下の:
Nが前記又は各組における磁気ヨーク(16、18;16’、18’;6)の数である2N;
2N−2よりも小さい偶数
から選択される数M個の磁石(14;14’;14’a、14’b;140)を保持する、請求項3に記載の電磁装置。 - 全てのセルの中で前記コイル(20a、20b、22a、22b;20’、22’;21)は、電力駆動装置又は利用装置に個々に接続される、請求項1〜4のいずれか一項に記載の電磁装置。
- 全てのセルの中で、前記向かい合う磁石(14;14’;14’a、14’b)との同じ幾何学的位相関係を有する前記アーム(17a、17b、19a、19b;7)の前記コイル(20a、20b、22a、22b;20’、22’;21)は、前記電磁装置の内側で共に接続され、電力駆動装置又は利用装置との共通の接続を有する、請求項4に記載の電磁装置。
- 全てのセルの中で、前記向かい合う磁石(14;14’;14’a、14’b;140)との同じ幾何学的位相関係を有する交互のアーム(17a、17b、19a、19b;7)の前記コイル(20a、20b、22a、22b;20’、22’;21)は、前記電磁装置の内側で共に接続され、電力駆動装置又は利用装置との逆位相による各共通の接続を有する、請求項4に記載の電磁装置。
- 少なくとも1つのセルの前記コイル(20a、20b、22a、22b;20’、22’;21)は利用装置に接続され、
少なくとも別のセルの前記コイルは電力駆動装置に接続される、請求項5〜7のいずれか一項に記載の電磁装置。 - 前記セルの前記アームは、利用装置又は電力駆動装置との電気的接続のための第1のコイル(20a、20b、22a、22b;20’、22’;21)、及びフィードバックセンサとして作用する第2のコイルを保持する、請求項1〜8のいずれか一項に記載の電磁装置。
- 前記セル又は各セルは、軸方向及び半径方向に調整可能な支持体(54;70)に取り付けられ、そのため、前記磁石(14;14’、14’a、14’b;140)に対する前記セルの位置が3つの直交軸に沿った並進移動により個別に調整可能である、請求項1〜9のいずれか一項に記載の電磁装置。
- 前記支持体(54;70)は、少なくとも1つの軸を中心とした旋回運動によりさらに調整可能である、請求項10に記載の電磁装置。
- 前記支持体(54;70)は3つの軸を中心とした旋回運動により調整可能である、請求項11に記載の電磁装置。
- 前記セルは、前記磁石を保持するステータ表面に面する1組のセルを形成するように繰り返し再現される、請求項1〜12のいずれか一項に記載の電磁装置。
- 前記ロータ(12;12’)は強磁性材料から作製され、
前記磁気回路は、一対の磁石(14;14’;14’a、14’b;140)と該磁石の対に面する前記セルの前記ヨーク(16;16’)とから成り、前記ロータ(12;12’)と前記ヨークを前記磁石から隔てる空隙とにより閉じられる、請求項13に記載の電磁装置。 - 前記ロータ(12、12’)は、前記磁石(14;14’;14’a、14’b;140)が占めていない領域では非強磁性材料から作製され、
同じヨークに面する前記磁石(14;14’;14’a、14’b;140)は強磁性要素(61)によって接続され、
前記磁気回路は、一対の磁石(14;14’;14’a、14’b;140)と該磁石の対に面する前記セルの前記ヨーク(16;16’)とから成り、前記強磁性要素(61)と前記ヨークを前記磁石から隔てる空隙とにより閉じられる、請求項13に記載の電磁装置。 - 前記磁石(14;14’;14’a、14’b;140)は、前記セルに面する前記ロータ(12;12’)の表面に交互の向きに接着される、請求項11〜13のいずれか一項に記載の電磁装置。
- 前記ロータ(12、12’)は、前記磁石(14;14’;14’a、14’b;140)が占めていない領域では非強磁性材料から作製され、
前記基本セルは、前記ロータ(12、12’)に対して対称的に配置される第1及び第2の組のセルを形成するように繰り返し再現され、
前記磁気回路は、一対の隣接する磁石(14;14’;14’a、14’b;140)と、前記第1及び第2の組のそれぞれにおける、前記磁石に面する前記セルの磁気ヨーク(16、18;16’、18’;6)とから成る、請求項1〜12のいずれか一項に記載の電磁装置。 - 前記磁石(14;14’、14’a、14’b;140)は、前記ロータ(12;12’)における磁化領域であり、前記複数組のセルに面する前記ロータの表面に、一連の交互に逆の極を形成する、請求項17に記載の電磁装置。
- 前記ロータ(12’)は、その側面に前記複数の磁石(14’a、14’b)を保持する円筒体であり、前記複数の磁石は前記側面の2つの平行な列(14’a、14’b)で配置され、一方の列の磁石は他方の列の隣接する磁石とは逆の向きを有し、各セルは双方の列の磁石(14’a、14’b)をつなぐように配置される、請求項1〜18のいずれか一項に記載の電磁装置。
- 各セル及び該セルによってつながれる前記一対の磁石(14’a、14’b)は、前記ロータ(12’)の母線に対し傾斜して配置される、請求項19に記載の電磁装置。
- 前記アーム(17a、17b、19a、19b;7)及び前記磁石(14;14’;14’a、14’b;140)は、円形断面、非円形曲線状断面、凹状の多角形断面、凸状の多角形断面、特に正方形又は長方形を含む群から選択される断面形状を有し、
前記磁石(14;14’;14’a、14’b;140)と前記アーム(17a、17b、19a、19b;7)との対面する領域は、サイズが同様である、請求項1〜20のいずれか一項に記載の電磁装置。 - 前記アーム(17a、17b、19a、19b;7)及び前記磁石(14;14’;14’a、14’b;140)は断面形状が異なる、請求項21に記載の電磁装置。
- 前記磁石(140)は、以下:
楔形状;
2対の対向する側面の傾斜が板(plate)の逆テーパをもたらすようなものである、傾斜した側面によって接続される四角形底面を有する、多面体形状;
載頭円錐形状
から選択される形状を有する磁石体(140)である、請求項1〜15、17及び19〜22のいずれか一項に記載の電磁装置。 - 隣接する磁石(140)は、該隣接する磁石(140)間に、該隣接する磁石の向かい合う側面によって画定される面に相補的なテーパ状の面を有するテーパ状の保持部材が位置付けされている、請求項23に記載の電磁装置。
- 前記隣接する磁石(140)は、該隣接する磁石(140)間に、接線方向に動作する弾性又はエラストマー保持部材(60)が位置付けされている、請求項23又は24に記載の電磁装置。
- 各アーム(7)は、支持体に固定するベース(7c)、該ベース(7c)から前記磁石(14’;140)へ延びると共に前記磁石(14’;140)に巻かれるコイル(21)を有するステム(7b)、及び前記ベース(7c)に対向する前記ステムの端に接合されるヘッド(7a)を含み、
該ヘッドは、前記ステム(7b)及び前記コイル(21)の断面サイズ全体よりも大きな断面サイズを有し、向かい合う磁石(14’;140)に対し前記コイル(21)を完全に隠すように配置される、請求項1〜25のいずれか一項に記載の電磁装置。 - 各セルは、前記磁石(14’;140)側に開いた或る角度を画定する一対の個々に取り付けられたアーム(7)を含み、それぞれ2つの隣接するセルに属する2つの隣接するアーム(7)の前記ベース(7c)間にギャップ(77)が設けられる、請求項26に記載の電磁装置。
- セルの前記アーム(17a、17b、19a、19b)は、該アームの横サイズに等しい長さを有する部材によって接続され、隣接するヨーク(16、18)の隣接するアームの対面する側面は、該アームの横サイズに等しい距離だけ離間する、請求項1〜26のいずれか一項に記載の電磁装置。
- 前記磁気ヨーク(16、18)は、透過率が高く、残留磁束が小さく、磁気リラクタンスの低いフェライト;鉄−ケイ素シート;Ni−Zn又はMn−Znフェライト;Mn−Ni材料の群から選択される材料から作製される、請求項1〜28のいずれか一項に記載の電磁装置。
- 前記セルの前記支持体(54)には、前記ロータの表面と協働して前記セルの前記ヨーク(16、18)と前記磁石(14)との間の前記空隙(24、26)を一定に保つと共に前記ロータ(12)の軸方向及び半径方向の揺動を補正するように配置される転がり部材(50)が設けられる、請求項1〜29のいずれか一項に記載の電磁装置。
- 前記セルは、検出された温度及び/又は位置に応じて個々の前記コイル(20)における連結された電圧を変えるために、前記磁石(14)と前記向かい合うアーム(17)とのギャップ及び/又は重なり度を変えるように前記支持体(54)の変位手段(82、92)を作動させるように配置される処理/制御回路(90)に接続される温度検出器(86)及び位置検出器(88)と連係する、請求項1〜30のいずれか一項に記載の電磁装置。
- 前記セルは、樹脂層(70)内に埋め込まれ、可能であれば熱伝導性を増加させる粉末材料を充填される、請求項1〜31のいずれか一項に記載の電磁装置。
- 前記樹脂層(70)には放熱部材が設けられる、請求項32に記載の電磁装置。
- 前記セル(16)の前記支持体(54)と連係する前記調整ユニット(52、56)は、セルの前記ヨークと前記ロータとの間の前記空隙の動的調整を行うように制御される、請求項1〜33のいずれか一項に記載の電磁装置。
- 前記電磁装置(10)は、流体の動きによって駆動される装置のインペラ内に一体化される、請求項1〜34のいずれか一項に記載の電磁装置。
- 流体の動きによって駆動されるインペラを有する装置であって、前記インペラは、請求項1〜35のいずれか一項に記載の電磁装置(10)内に一体化されていることを特徴とする、装置。
- 特に航空エンジン又は船舶エンジン用のタービン、航空用途又は船舶用途用のプロペラスクリュー、ガスパイプライン用のポンプ、及び風力発電機を含む群から選択される、請求項35に記載の装置。
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