JP2013509855A

JP2013509855A - 機械的に可変な永久磁場を有する、電気モータおよび／または発電機

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Application number: JP2012536867A
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Inventors: ルイフィンクル; アンドレアフーリア
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Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2010-10-16
Publication date: 2013-03-14
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Abstract

広い回転数範囲にわたり効率的な動作を得るように、ブラシレスモータおよび交流発電機（１０）の磁場（２４）を調整するための装置および方法。モータまたは交流発電機（１０）は、永久磁石（１６）を携持する回転ロータ（１２）の周囲に固定巻線（または固定子）（１４）を含む。永久磁石（１６）は、略円筒形であり、該磁石（１６）内に縦方向に形成されたＮ極およびＳ極を有する。磁気伝導回路は、磁気伝導ポールピース（２０）（例えば、低炭素または軟鋼、および／または磁化されない材料の積層絶縁層）に存在する磁石（１６）によって形成される。ポールピース（２０）の内側で、永久磁石（１６）を回転させること、または、非磁気伝導シャント部（８０）を回転させることにより、結果として得られる磁場（２４）を強化または弱化し、低回転数トルクまたは効率的な高回転数効率のためにモータまたは交流発電機（１０）を調節する。ロータの磁場（２４）を変化させることにより、交流発電機（１０）の電圧出力を調節し、例えば、風車発電機等が、定電圧出力を維持することを可能にする。
【選択図】図７B

Description

本発明は、電気モータおよび発電機に関し、具体的には、種々の回転数でも効率的な動作が得られるように、ロータ内の固定磁石および／または非磁気伝導シャント部の向きを調節することに関する。
〔優先権の表示〕

本願は、２００９年１０月３０日に出願された米国特許出願第１２／６１０，２７１号、および、２０１０年１０月１５日に出願された米国特許出願第１２／９０５，８３４号の優先権を主張するものであり、それらの出願は参照することによりその全体が本明細書に組み込まれる。

ブラシレスＤＣモータは、しばしば、様々なＲＰＭ（毎分回転数）で動作することを要求されるが、限られた範囲の回転数でしか効率的な動作を達成し得ない。さらに、多くの場合に、発電機および交流発電機も広い範囲の回転数で動作することを要求される。例えば、自動車用交流発電機はエンジン回転数に比例した回転数で稼動し、風車交流発電機は風速に比例した回転数で稼動する。残念ながら、既知の交流発電機は、回転数に比例した電圧で発電する。回転数は、容易には制御できないため、多くの場合、出力電圧を調節するために他の要素が必要とされ、交流発電機システムに非効率性、複雑性、および追加のコストをもたらす。

いくつかの設計は、モータが、非常に低い回転数において効率的であり、かつ効率的なより高い回転数動作も維持し得るような、「弱め界磁（ｆｉｅｌｄｗｅａｋｅｎｉｎｇ）」を用いて、回転数範囲を広げる試みをしている。かかる弱め界磁は、埋込構造永久磁石同期電動機（ＩＰＭＳＭ）、またはＡＣ同期誘導電動機に適用可能であり、妥当な効率で、３から４倍の基底速度（回転数）を可能にする。残念ながら、従来の方法による弱め界磁では、より高い回転数における効率を犠牲にする場合があり、制御アルゴリズムやソフトウェアはより複雑になる。

発電機／交流発電機の適用において、出力電圧は磁束強度に比例し、自動車用交流発電機内にインバータまたは別個の電磁励起コイルを要するが、交流発電機が稼動しなければならない回転数範囲が非常に広いために、６０〜７０パーセントの効率しか発揮しない。遭遇する風速の変化が動作の非効率をもたらす風力発電において、同様の問題が存在する。

本発明は、広い回転数範囲にわたり効率的な動作を得るように、ブラシレスモータおよび交流発電機の磁場を調整するための装置および方法を提供することにより、前述およびその他の必要性に応える。モータまたは交流発電機は、永久磁石を携持する回転ロータの周囲に、固定巻線（または固定子）を含む。永久磁石は略円筒形であり、該磁石内に縦方向に形成されたＮ極（Ｎ）およびＳ極（Ｓ）を有する。磁気伝導回路は、磁気伝導ポールピース（例えば、低炭素または軟鋼、および／または非磁化性材料の積層絶縁層）に設けられる磁石によって形成される。ポールピースの内側で、永久磁石を回転させること、または、非磁気伝導シャント部を回転させることにより、結果として得られる磁場を強化または弱化し、低回転数トルクまたは効率的な高回転数効率のためにモータまたは交流発電機を調節する。ロータの磁場を変化させることにより、交流発電機の電圧出力を調節し、例えば、風車発電機等が、定電圧出力を維持することを可能にする。ロータに用いられる他の材料は、通常、非磁性であり、例えば、ステンレス鋼等である。

本発明の１つの側面に従って、電気モータ内のロータ／電機子の磁束強度を変化させ、起動トルクの改善および高い回転数効率を提供する、装置および方法を提供する。

本発明の別の側面に従って、発電機／交流発電機内のロータ／電機子の磁束強度を変化させ、回転数に依存せずに出力電圧を制御するための、装置および方法を提供する。多くの既知の交流発電機の適用は、交流発電機の回転数を制御することは不可能であり、例えば、自動車用交流発電機は、エンジン回転数に比例した回転数で稼動しなければならず、風力発電は風速の影響を受ける。ロータ／電機子の磁束強度を変化させることにより、出力電圧を回転数に依存せずに制御し得るようになり、したがって、インバータまたは別個の電磁励起コイルが不要となる。

本発明の別の側面に従って、半長の円筒形永久磁石を回転させ、該回転可能な磁石を固定の半長永久磁石と整列させたりずらして配置したりすることにより、モータまたは発電機の磁場を変化させるための、装置および方法を提供する。

本発明の別の側面に従って、固定の永久磁石と協働する磁気シャント部を回転させることにより、モータまたは発電機の磁場を変化させるための、装置および方法を提供する。

本発明の別の側面に従って、モータの磁場を変化させうるように構成され、非同期モードでモータを始動するために弱い磁場を与え、かつ、同期モードで効率的な動作のために強い磁場を与える、誘導電動機に適した装置および方法を提供する。

本発明の、前述および他の側面、特性、および利点は、以下の図面と併せて提示される以下のより具体的な記述を通して、より明らかになるであろう。

本発明に従う再構成可能な電気モータの側面図である。

本発明に従う再構成可能な電気モータの端面図である。

図１Ａの線２−２に沿って切断された、本発明に従う再構成可能な電気モータの断面図である。

本発明に従う円筒形の２極永久磁石の透視図である。

本発明に従う円筒形の４極永久磁石の透視図である。

放射状に整列させた構成における、本発明に従う可変型永久磁石ロータの側面図である。

放射状に整列させた構成における、本発明に従う可変型永久磁石ロータの端面図である。

放射状に整列させた構成における、最大（または強い）磁場を与えるように調整された２極永久磁石を伴う、本発明に従う可変型永久磁石ロータの端面図である。

放射状に整列させた構成における、中磁場を与えるように調整された２極永久磁石を伴う、本発明に従う可変型永久磁石ロータの端面図である。

放射状に整列させた構成における、最小（または弱い）磁場を与えるように調整された２極永久磁石を伴う、本発明に従う可変型永久磁石ロータの端面図である。

図６Ａに対応する強磁場を示す。

図６Ｃに対応する弱磁場を示す。

磁束をスクイーズ（ｓｑｕｅｅｚｅ）する構成における、本発明に従う可変型永久磁石ロータの側面図である。

磁束をスクイーズする構成における、本発明に従う可変型永久磁石ロータの端面図である。

磁束をスクイーズする構成における、最大（または強い）磁場を与えるように調整された２極永久磁石を伴う、本発明に従う可変型永久磁石ロータの端面図である。

磁束をスクイーズする構成における、中磁場を与えるように調整された２極永久磁石を伴う、本発明に従う可変型永久磁石ロータの端面図である。

磁束をスクイーズする構成における、最小（または弱い）磁場を与えるように調整された２極永久磁石を伴う、本発明に従う可変型永久磁石ロータの端面図である。

図１０Ａに対応する強磁場を示す。

図１０Ｃに対応する弱磁場を示す。

放射状に整列させた構成における、円筒形２極永久磁石対を有する、本発明に従う可変型永久磁石ロータの端面図である。

磁束をスクイーズする構成における、円筒形２極永久磁石対を有する、本発明に従う可変型永久磁石ロータの端面図である。

本発明に従う可変型ハイブリッド内部永久磁石と、固定された外部磁石ロータとの、放射状に整列させた構成における端面図であり、該内部磁石は最大磁束となるように整列される。

最大磁場を与えるように構成された、放射状に整列させた構成における、本発明に従う可変型ハイブリッド内部永久磁石と固定された外部磁石ロータとの、端面図である。

最小磁場を与えるように構成された、放射状に整列させた構成における、本発明に従う可変型ハイブリッド内部永久磁石と固定された外部磁石ロータとの、端面図である。

磁束をスクイーズする構成における、本発明に従う可変型ハイブリッド内部永久磁石と固定された外部磁石ロータとの、端面図である。

最大磁場を与えるように構成された、磁束をスクイーズする構成における、本発明に従う可変型ハイブリッド内部永久磁石と固定された外部磁石ロータとの、端面図である。

最小磁場を与えるように構成された、磁束をスクイーズする構成における、本発明に従う可変型ハイブリッド内部永久磁石と固定された外部磁石ロータとの、端面図である。

本発明に従う積層ポールピースを構築するための要素の端面図である。

図１８の詳細である。

第１の磁石配置における、円筒形２極永久磁石を調節するための装置の、第１の実施形態の側面図である。

第１の磁石配置における、円筒形２極永久磁石を調節するための装置の、第１の実施形態の端面図である。

第２の磁石配置における、円筒形２極永久磁石を調節するための装置の、第１の実施形態の側面図である。

第２の磁石配置における、円筒形２極永久磁石を調節するための装置の、第１の実施形態の端面図である。

第１の磁石配置における、円筒形２極永久磁石を調節するための装置の、第２の実施形態の側面図である。

第１の磁石配置における、円筒形２極永久磁石を調節するための装置の、第２の実施形態の端面図である。

第２の磁石配置における、円筒形２極永久磁石を調節するための装置の、第２の実施形態の側面図である。

第２の磁石配置における、円筒形２極永久磁石を調節するための装置の、第２の実施形態の端面図である。

第１の磁石配置における、円筒形２極永久磁石を調節するための装置の、第３の実施形態の側面図である。

第１の磁石配置における、円筒形２極永久磁石を調節するための装置の、第３の実施形態の端面図である。

第２の磁石配置における、円筒形２極永久磁石を調節するための装置の、第３の実施形態の側面図である。

第２の磁石配置における、円筒形２極永久磁石を調節するための装置の、第３の実施形態の端面図である。

本発明に従い、放射状に整列させた、可変型ハイブリッド内部永久磁石の円筒形２極内部永久磁石と、固定された外部磁石ロータとの位置を調節するための、代替的歯車装置である。

本発明に従う、磁束をスクイーズする構成における、可変型ハイブリッド内部永久磁石の円筒形２極内部永久磁石と、固定された外部磁石ロータとの位置を調節するための、代替的歯車装置である。

本発明に従うモータに対する磁石の位置を制御するためのバイアスシステムの側面図である。

本発明に従うモータに対する磁石の位置を制御するためのバイアスシステムの端面図である。

本発明に従う発電機に対する磁石の位置を制御するためのバイアスシステムの側面図である。

本発明に従う発電機に対する磁石の位置を制御するためのバイアスシステムの端面図である。

回転可能な半長の円筒形磁石と、同軸上に固定された半長の円筒形磁石と、磁石の位置を制御するためのバイアスシステムとを有する、本発明に従う可変型永久磁石ロータの側面図である。

回転可能な半長の円筒形磁石と、同軸上に固定された半長の円筒形磁石と、磁石の位置を制御するためのバイアスシステムとを有する、本発明に従う可変型永久磁石ロータの、図２８Ａの線２８Ｂ〜２８Ｂに沿って切断された断面図である。

回転可能な半長の円筒形磁石と、同軸上に固定された半長の円筒形磁石と、磁石の位置を制御するためのバイアスシステムと、を有するロータの側面図である。

回転可能な半長の円筒形磁石と、同軸上に固定された半長の円筒形磁石と、磁石の位置を制御するためのバイアスシステムと、を有するロータの断面図である。

強磁場を与えるように調整された、可動磁気シャント部を有する、本発明に従う可変型永久磁石ロータの端面図である。

弱磁場を与えるようにずらして配置された、可動磁気シャント部を有する、本発明に従う可変型永久磁石ロータの端面図である。

可動磁気シャント部を整列することにより得られる強磁場を示す、本発明に従う可変型永久磁石ロータの端面図である。

可動磁気シャント部をずらして配置することにより得られる弱磁場を示す、本発明に従う可変型永久磁石ロータの端面図である。

複数の図面を通して、対応する参照文字は対応する構成部品を示す。

以下の記述は、本発明を実施するために現在考えられている最良の形態である。本記述は、限定する意味で解釈されるべきではなく、単に、本発明の１つ以上の好ましい実施形態を記述する目的のためにのみ成される。本発明の範囲は、特許請求の範囲への参照とともに決定されるものとする。

本発明に従う再構成可能な電気モータ１０の側面図を図１Ａに示し、再構成可能な電気モータ１０の端面図を図１Ｂに示し、再構成可能な電気モータ１０の図１Ａの線２−２に沿って切断された断面図を図２に示す。モータ１０は、固定子巻線１４、および固定子巻線１４の内側に存在するロータ１２を含む。モータ１０は、少なくとも１つの永久磁石１６（図３〜７参照）か、ロータ１２内の可動磁気シャント部８０（図３１Ａ〜３１Ｂ参照）かを含む磁気回路を、含む、ブラシレスＡＣ誘導電動機であり、磁石１６または磁気シャント部８０は、効率的動作のために全回転数範囲にわたってロータの磁場を制御するように調節されてもよい。

本発明に従う円筒形の２極永久磁石１６の透視図を図３に示し、本発明に従う円筒形の４極永久磁石１６ａの透視図を図４に示す。磁石１６および１６ａの極は、点線で示されるように、該磁石の全長にわたる。

放射状に整列させた構成における、本発明に従う可変型永久磁石ロータ１２ａの側面図を図５Ａに示し、放射状に整列させた構成における、可変型永久磁石ロータ１２ａの端面図を図５Ｂに示す。ロータ１２ａは、磁石１６、内部ポールピース１８、外部ポールピース２０、および非磁性スペーサ２２を含む。ポールピースは、磁気を通すが軟磁性の材料で形成され、磁石１６の磁場を伝えてロータの磁場を生成する。スペーサ２２は、内部ポールピース１８を外部ポールピース２０から分離し、空隙２３は外部ポールピースを分離する。磁石１６は略円筒形でモータ軸１１と平行軸上にあるが、他の形状の磁石が使用されてもよい。

最大（または強い）磁場２４ａ（図７Ａ参照）を与えるように調整された２極永久磁石１６を伴う、可変型永久磁石ロータ１２ａの端面図を図６Ａに示し、中磁場を与えるように調整された２極永久磁石１６を伴う、可変型永久磁石ロータ１２ａの端面図を図６Ｂに示し、最小（または弱い）磁場２４ｂ（図７Ｂ参照）を与えるように調整された２極永久磁石１６を伴う、可変型永久磁石ロータ１２ａの端面図を図６Ｃに示す。電気モータにおいて、強磁場を与える配置は、低回転数において高トルクが得られ、弱磁場を与える配置は高回転数において効率的な運転が可能となる。発電機において、出力電圧は、例えば、自動車用交流発電機および風力発電機といった可変の回転数を有する発電機においても、磁石配置を調節することによって定電圧に調節されてもよい。

図６Ａに対応する強磁場２４ａを図７Ａに示し、図６Ｃに対応する弱磁場を図７Ｂに示す。

磁束をスクイーズする構成における、本発明に従う可変型永久磁石ロータ１２ｂの側面図を図８に示し、可変型永久磁石ロータ１２ｂの端面図を図９に示す。ロータ１２ｂは、磁石１６、ポールピース２１、および空隙２３を含む。ポールピースは、磁石１６の磁場を伝導しロータの磁場を生成する、磁気を通すが軟磁性の材料である。空隙２３は、ポールピース２１を分離する。

最大（または強い）磁場２４ａ'（１１Ａ参照）を与えるように調整された２極永久磁石１６を伴う、可変型永久磁石ロータ１２ｂの端面図を図１０Ａに示し、中磁場を与えるように調整された２極永久磁石１６を伴う、可変型永久磁石ロータ１２ｂの端面図を図１０Ｂに示し、最小（または弱い）磁場２４ｂ'（１１Ｂ参照）を与えるように調整された２極永久磁石１６を伴う、可変型永久磁石ロータ１２ｂの端面図を図１０Ｃに示す。電気モータにおいて、強磁場を与える配置は、低回転数において高トルクが得られ、弱磁場を与える配置は高回転数において効率的な運転が可能となる。発電機において、出力電圧は、例えば、自動車用交流発電機および風力発電機といった、可変の回転数を有する発電機において安定した電圧を可能にする磁石配置を調節することによって、調節されてもよい。

図１０Ａに対応する強磁場２４ａ'を図１１Ａに示し、図１０Ｃに対応する弱磁場を図１１Ｂに示す。

放射状に整列させた構成における、円筒形２極永久磁石対１６を有する、本発明に従う可変型永久磁石ロータ１２ｃの端面図を図１２に示し、磁束をスクイーズする構成における、円筒形２極永久磁石対１６を有する、本発明に従う可変型永久磁石ロータ１２ｄの端面図を図１３に示す。本発明は、単一または対の磁石に限定されるものではなく、任意の数の磁石は適用に適切なようにグループ化されてもよい。例えば、３つ、４つ、５つ、またはそれ以上の磁石は、図１２および１３における磁石対と置換されてもよい。

放射状に整列させた構成における、本発明に従う、可変型内部永久磁石１６と固定された外部磁石１７とを含むハイブリッドロータ１２ａ'の端面図を、図１４に示す。可変型内部永久磁石１６と固定された外部磁石１７との組み合わせは、ロータ磁場の更なる設計を可能にする。最大磁場を与えるように構成された、可変型ハイブリッド内部永久磁石と固定された外部磁石ロータ１２ａ'との端面図を図１５Ａに示し、最小磁場を与えるように構成された、可変型ハイブリッド内部永久磁石と固定された外部磁石ロータ１２ａ'との端面図を図１５Ｂに示す。

磁束をスクイーズする構成における、本発明に従う、可変型内部永久磁石１６と固定された外部磁石１７とを含むハイブリッドロータ１２ｂ'の端面図を、図１６に示す。可変型内部永久磁石１６と固定された外部磁石１７との組み合わせは、ロータ磁場の更なる設計を可能にする。最大磁場を与えるように構成された、可変型ハイブリッド内部永久磁石と固定された外部磁石ロータ１２ｂ'との端面図を図１７Ａに示し、最小磁場を与えるように構成された、可変型ハイブリッド内部永久磁石と固定された外部磁石ロータ１２ｂ'との端面図を図１７Ｂに示す。

積層ポールピースを構築するための要素３０の端面図を図１８に示し、図１８の詳細を図１８Ａに示す。ロータは、多くの場合、多数の要素３０を積層して構築され、要素３０の各々は好ましくは電気絶縁体で被覆される。要素３０は、半径Ｒｒと、円筒形磁石１６に対する半径Ｒｍを有する円形切り欠き３２と、幅Ｗａｇ３４を有する空隙とを有する。本発明の他の実施形態に対する積層ポールピースも同様に構築される。

第１の磁石配置における、円筒形２極永久磁石１６を調節するための装置４０ａの、第１の実施形態の側面図を図１９Ａに示し、第１の磁石配置における、円筒形２極永久磁石１６を調節するための装置４０ａの端面図を図１９Ｂに示し、第２の磁石配置における、円筒形２極永久磁石１６を調節するための装置４０ａの側面図を図２０Ａに示し、第２の磁石配置における、円筒形２極永久磁石１６を調節するための装置４０ａの端面図を図２０Ｂに示す。４０ａを調節するための装置は、好ましくは、ステッピングモータであるリニアモータ４２と、リニアモータ４２によって軸方向に動かされる軸４８と、軸４８によって軸方向に動かされるリング４６と、リング４６によって作動させられ、かつ６つの歯付ラック５２のうちの１つに接続するアーム４４と、を含む。歯付ラック５２は、磁石１６を回転させるように磁石１６に取り付けられた歯車５０に係合する。軸４８が右に動かされると歯付ラック５２は径方向内側へ引かれ、軸４８が左に動かされると歯付ラック５２は径方向外側へ押され、それによって、歯付ラック５２に直接係合する歯車５０と共に、磁石を直接的に回転させ、残りの磁石１６も、隣接する歯車５０の間の歯付ラックにより一緒に動かされる。

第１の磁石配置における、円筒形２極永久磁石１６を調節するための装置４０ｂの、第２の実施形態の側面図を図２１Ａに示し、第１の磁石配置における、円筒形２極永久磁石を調節するための装置４０ｂの端面図を図２１Ｂに示し、第２の磁石配置における、円筒形２極永久磁石１６を調節するための装置４０ｂの側面図を図２２Ａに示し、第２の磁石配置における、円筒形２極永久磁石を調節するための装置４０ｂの端面図を図２２Ｂに示す。４０ｂを調節するための装置は、好ましくは、ステッピングモータであるリニアモータ４２と、リニアモータ４２によって軸方向に動かされる軸４８と、軸４８によって軸方向に動かされるリング４６と、リング４６によって作動させられ、かつ６つの歯付ラック５２のうちの１つに接続する、屈曲エルボ４５と、を含む。屈曲エルボ４５は、屈曲した状態に付勢され、例えば、９０度屈曲している。リング４６が右へ移動し、屈曲アーム４５が解放されると、屈曲アーム４５は屈曲状態へと弛緩し、歯付ラック５２を径方向内側へ引く。リング４６が左へ移動し、屈曲アーム４５へ力を付加すると、屈曲アーム４５は矯められ、歯付ラック５２を径方向外側へ押す。歯付ラック５２は、磁石１６を回転させるように磁石１６に取り付けられた歯車５０に係合する。リニアモータ４２が右に動かされると歯付ラック５２は径方向内側へ引かれ、リニアモータ４２が左に動かされると歯付ラック５２は径方向外側へ押され、それによって、歯付ラック５２に直接係合する歯車５０と共に、磁石を直接的に回転させ、残りの磁石１６も、隣接する歯車５０の間の歯付ラック５２により一緒に動かされる。

第１の磁石配置における、円筒形２極永久磁石１６を調節するための装置４０ｃの、第３の実施形態の側面図を図２３Ａに示し、第１の磁石配置における、円筒形２極永久磁石を調節するための装置４０ｃの端面図を図２３Ｂに示し、第２の磁石配置における、円筒形２極永久磁石１６を調節するための装置４０ｃの側面図を図２４Ａに示し、第２の磁石配置における、円筒形２極永久磁石を調節するための装置４０ｃの端面図を図２４Ｂに示す。４０ｃを調節するための装置は、好ましくは、ステッピングモータであるリニアモータ４２と、リニアモータ４２によって軸方向に動かされる軸４８と、軸４８に接続する第１のピストン４７と、ピストン４７と流体連通し、かつ６つの歯付ラック５２のうちの１つに接続する第２のピストン４９と、を含む。ピストン４７が右へ移動すると、第２のピストン４９は径方向内側へ引き出され、歯付ラック５２は径方向内側へ引かれる。リング４６が左へ移動すると、ピストン４７は左へ移動し、ピストン４９は径方向外側へ移動し、歯付ラック５２を径方向外側へ押す。歯付ラック５２は、磁石１６を回転させるように磁石１６に取り付けられた歯車５０と係合する。リニアモータ４２が右に動かされると歯付ラック５２は径方向内側へ引かれ、リニアモータ４２が左に動かされると歯付ラック５２は径方向外側へ押され、それによって、歯付ラック５２に直接係合する歯車５０と共に、磁石１６を直接的に回転させ、残りの磁石１６も、隣接する歯車５０の間の歯付ラック５２により一緒に動かされる。

本発明に従う、放射状に整列させた構成における、可変型ハイブリッド内部永久磁石の円筒形２極内部永久磁石と、固定された外部磁石ロータとの位置を調節するための追加の歯車装置を、図２５Ａに示す。小磁石歯車５０は、磁石１６の各々の末端に固定される。大中心歯車５１は、小磁石歯車５０の各々と係合し、磁石１６の各々にほぼ同じ（いくらかのギアラッシュは、磁石が近接して整列される範囲で存在してもよい）配置を維持させ、磁石１６の配置を弱磁場から強磁場へ調節するように調整されてもよい。

本発明に従う、磁束をスクイーズする構成における、可変型ハイブリッド内部永久磁石の円筒形２極内部永久磁石と、固定された外部磁石ロータとの位置を調節するための、付加的な歯車装置を、図２５Ｂに示す。小中心歯車５１ａは、１つおきの小磁石歯車５０とのみ係合し、小歯車５０は各隣接する歯車５０に係合し、磁石１６の各々にほぼ同じ（いくらかのギアラッシュは、磁石が近接して整列される範囲で存在してもよい）配置を維持させ、磁石１６の配置を弱磁場から強磁場へ調節するように調整されてもよい。

本発明に従うモータに対する磁石の位置を制御するためのバイアスシステムの側面図を図２６Ａに示し、ワイヤ７０を通してモータに対する磁石の位置を制御するためのバイアスシステムの端面図を図２６Ｂに示す。制御装置６４は、ソース６８からの単相ＤＣ電圧を、三相モータのために三相台形波または正弦波の形に変換する。界磁コイル６０への１つのＤＣ入力線は、モータの負荷に比例する電磁場を生成するために使用される。界磁コイル６０は非常に低い抵抗を有し、モータへの入力電圧は降下せず、または顕著な抵抗増加は起きない。磁場は、ディスク６２に作用し、ディスクを屈曲エルボ４５に接して左へと押し、磁石１６を回転させる。

モータ負荷が増大すると、負荷に比例して電磁場が増大し、較正負荷は、磁石１６の回転を制御するために必要な負荷よりもごく僅かに小さく、転換回路６６は、シャント制御装置であり、バイアス電機子６２の電磁力へ付加されるとロータの磁場を制御する磁石１６の回転を制御するように最終の力を与える小さい電流を提供する。制御装置６４は、好ましくは、単相ＤＣを、固定子磁場を励起してロータを回転させる三相波の形に変換する、インバータ型である。

バイアスアクチュエータは、超低抵抗コイル６０と、弱磁場位置に静止する磁石１６の固有の性質に対抗する負荷電流に比例する力を産出する、電機子６２と、を備える。転換回路６６は低力トリガー制御であり、微小電力を用いて強または弱位置へ磁場を調節するように磁石１６を回転させ得るバイアスアクチュエータへ、追加電流を付与する。

本発明に従う発電機に対する磁石１６の位置を制御するためのバイアスシステムの側面図を図２７Ａに示し、発電機に対する磁石１６の位置を制御するためのバイアスシステムの端面図を図２７Ｂに示す。発電機は、発電機／交流発電機として、該相または任意の相の電力を生成するように駆動されてもよい。

発電機／交流発電機の出力電力は、通常、多相電流を単相ＤＣへ変換するダイオードアレイ７２を通じて与えられる。ＤＣ出力線のうちの１つの出力は、低抵抗バイアスコイル６０と、磁石１６の弱磁場位置への自然な回転に逆らう反発力を生成する電機子６２とへ、転換される。図２６Ａおよび２６Ｂのモータ構成と同様の方式で、転換制御は、コイル６０と電機子６２とに、磁石および磁場の回転の位置を制御するように磁力を制御するための僅かな追加電流を与える。転換回路制御装置は、コイル６０および電機子６２のバイアス力へ付加される可変量の電力を提供し得る、電子トランジスタ型スイッチである。

整列された向きにおける回転可能な半長の円筒形磁石１６ｃと、同軸上に固定された半長の円筒形磁石１６ｄと、磁石の位置を制御するための調節システムと、を有する、本発明に従う可変型永久磁石ロータ１２ｅの側面図を図２８Ａに示し、図２８Ａの線２８Ｂ−２８Ｂに沿って切断された可変型永久磁石１２ｅの断面図を図２８Ｂに示す。同軸上に固定された半長の円筒形磁石１６ｄとずらして配置された、回転可能な半長の円筒形磁石１６ｃを伴うロータ１２ｅの第２の側面図を図２９Ａ，に示し、図２９Ａの線２９Ｂ−２９Ｂに沿って切断された可変型永久磁石ロータ１２ｅの断面図を図２９Ｂに示す。磁石１６ｃおよび１６ｄが整列される（すなわち、磁石１６ｃおよび磁石１６ｄの極が整列される）と強磁場が生成され、磁石１６ｃが１８０度回転し、磁石１６ｃおよび磁石１６ｄの軸がずらして配置されると、弱磁場が生じる。

調節システムは、磁石１６ｃに取り付けられたピニオン歯車５０と、ピニオン歯車５０および第２のピニオン歯車５４と協働する半径方向摺動ラック歯車５２と、第２のピニオン歯車５４と協働する軸方向摺動ラック歯車５６と、を備える。軸方向摺動ラック歯車５６は、ソレノイドを油圧的に用いて（図２３Ａ〜２４Ｂ参照）、リニアモータ、リニアステッピングモータ、レバー、または、軸方向摺動ラック歯車５６を軸方向に移動する任意の手段によって、電気的に作動させられてもよい。軸方向摺動ラック歯車５６の軸方向平行移動は、第２のピニオン歯車５４に連結され、第２のピニオン歯車５４を回転させる。第２のピニオンギア５４の回転は、半径方向摺動ラック歯車５２に連結され、半径方向摺動ラック歯車５２を放射状に動かす。半径方向摺動ラック歯車５２の半径方向の動きは、第１のピニオン歯車５０に連結され、第１のピニオン歯車５０を回転させ、強および弱磁場を選択的に生成するように磁石１６ｃと磁石１６ｄとを整列、およびずらして配置させるように、磁石１６ｃを回転させる。

強磁場を与えるように調整された、可動磁気シャント部８０と、固定された外部永久磁石１７と、固定された内部永久磁石１６ｅとを有する、本発明に従う可変型永久磁石ロータ１２ｆの端面図を図３０Ａに示し、弱磁場を与えるように、回転され、かつ固定された永久磁石１７および１６ｅとずらして配置された可動磁気シャント部８０を有する、可変型永久磁石ロータ１２ｆの端面図を図３０Ｂに示す。可動磁気シャント部８０は、好ましくは、円筒形であり、磁気を通すが軟磁性の材料でできており、可動磁気シャント部８０の中心を通って可動磁気シャント部８０を２つの部品へ分離するバー８０ａを含む。バー８０ａは、非磁気伝導性材料、好ましくは、非鉄の非磁性材料でできている。可動磁気シャント部８０は、本明細書に説明されるように磁石を移動するために説明される、任意の調節システムを用いて移動（または調節）されてもよく、可動シャント部を用いて強磁場から弱磁場へ磁場を変化させる任意のモータまたは発電機は、本発明の範囲内に含まれることが意図される。

可動磁気シャント部を磁石１６ｅと整列させることによって得られる強磁場２４ａ"を示す、可変型永久磁石ロータ１２ｆの端面図を図３１Ａに示し、可動磁気シャント部を磁石１６ｅとずらして配置することによって得られる弱磁場２４ｂ"を示す、可変型永久磁石ロータ１２ｆの端面図を図３１Ｂに示す。可動磁気シャント部を有する磁気伝導回路を含むロータの様々な他の実施形態は、当業者にとって明らかであり、例えば、角度変動型の磁気伝導セグメントおよび非磁気伝導セグメントを伴う円筒殻外部磁石等があり、選択的に強磁場および弱磁場を生成するように磁石と協働する、かかる可動磁気シャント部を有するモータまたは発電機に使用されるいかなるロータも、本発明の範囲内に含まれることが意図される。

本発明は、電気モータ分野において産業上の利用可能性を有する。
〔発明の範囲〕

本明細書に開示された発明は、特定の実施形態およびその用途によって説明されているが、特許請求の範囲に記載される本発明の範囲から逸脱することなく、当業者によって多くの修正および変更が成されてもよい。

Claims

電力と機械動力との間の変換を行う電気モータまたは発電機で使用するためのロータであって、
磁気を通すが軟磁性の材料でできた固定ポールピースと、
前記ポールピースと、強いロータ磁場または弱いロータ磁場を選択的に生成するように移動可能な可動要素とを含む、磁気伝導回路と、
を備える、ロータ。
前記可動要素は、非磁気伝導性材料を含む、少なくとも１つの可動磁気シャント部を備える、請求項１に記載のロータ。
前記ポールピースは、放射状に整列して構成される、請求項１に記載のロータ。
前記ポールピースは、磁束をスクイーズ（ｓｑｕｅｅｚｅ）するように構成される、請求項１に記載のロータ。
前記可動要素は、前記ポールピースと磁気的に協働する少なくとも１つの可動永久磁石を含み、前記少なくとも１つの永久磁石は、前記ロータの磁場を、強い磁場又は弱い磁場に調節するように可動しうる、請求項１に記載のロータ。
前記回転可能な永久磁石の各々の配置を調節するように、前記回転可能な永久磁石の各々の末端に取り付けられる、磁石歯車をさらに含む、請求項５に記載のロータ。
摺動歯付ラックは、前記回転可能な永久磁石の各々の前記配置を調節するように、前記磁石歯車のうちの対応するものと協働する、請求項６に記載のロータ。
ストレートレバーは、前記歯付ラックのうちの少なくとも１つに接続し、前記レバーは、前記歯付ラックを径方向に摺動して、前記回転可能な永久磁石の各々の前記配置を調節するように作動させられる、請求項７に記載のロータ。
前記ストレートレバーは、前記歯付ラックを径方向に摺動して、前記回転可能な永久磁石の各々の前記配置を調節するように、リニアアクチュエータによって作動させられる、請求項８に記載のロータ。
前記リニアアクチュエータは、ステッピングモータである、請求項９に記載のロータ。
分割レバーは、前記歯付ラックのうちの少なくとも１つに接続し、前記分割レバーは、前記歯付ラックを径方向に摺動して、前記回転可能な永久磁石の各々の前記配置を調節するように作動させられる、請求項７に記載のロータ。
前記分割レバーの先端は、摺動部に接して存在し、前記分割レバーに向かった前記摺動部の軸方向平行移動は、前記回転可能な永久磁石の各々の前記配置を調節するように、前記分割レバーを広げる、請求項７に記載のロータ。
前記分割レバーは、前記歯付ラックを径方向に摺動して、前記回転可能な永久磁石の各々の前記配置を調節するように、リニアアクチュエータによって作動させられる、請求項１２に記載のロータ。
油圧ピストンは、前記歯付ラックを径方向に摺動して、前記回転可能な永久磁石の各々の前記配置を調節するように作動させられる、請求項７に記載のロータ。
前記油圧ピストンは、第２の油圧ピストンと流体連通しており、前記第２の油圧ピストンの作動は、前記油圧ピストンの平行移動を引き起こし、かつ、前記歯付ラックに前記回転可能な永久磁石の各々の前記配置を調節させる、請求項１４に記載のロータ。
前記第２の油圧ピストンは、リニアアクチュエータによって作動させられる、請求項１５に記載のロータ。
単一の中心歯車は、前記回転可能な永久磁石のほぼ同じ配置を維持するように、前記磁石歯車の各々と協働する、請求項６に記載のロータ。
前記ロータの外側に取り付けられる、固定外部ロータ磁石をさらに含む、請求項１に記載のロータ。
電気モータであって、
電気固定子巻線を有する固定子と、
前記固定子巻線を通って流れる電流によって生成される、回転固定子磁場と、
前記固定子巻線の内側に存在するロータであって、
磁気を通すが軟磁性の材料でできた固定ポールピースと、
前記ポールピースと磁気的に協働する、少なくとも１つの内部永久ロータ磁石であって、ロータの磁場を強い磁場又は弱い磁場に調節するように回転可能である、少なくとも１つの永久内部ロータ磁石と、
を備える、ロータと、
を備える、電気モータ。
発電機であって、
電気固定子巻線を有する固定子と、
前記固定子巻線の内側に存在する回転可能なロータであって、
磁気を通すが軟磁性の材料でできた固定ポールピースと、
少なくとも１つの固定磁石と、
前記少なくとも１つの固定磁石および前記ポールピースと協働する、磁気非伝導性材料を含む、少なくとも１つの可動磁気シャント部であって、ロータの磁場を強い磁場又は弱い磁場に調節するように回転可能である、少なくとも１つの可動磁気シャント部と、
を備える、ロータと、
を備える、発電機。