JP2014528228A - 電気機械エネルギー変換器のステータとロータとの間の空隙を維持する機械組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】モータ／発電機の大径化、そして、そのような大径化にもかかわらず、電気機械エネルギー変換器のステータとロータとの間の空隙を減少させることのできる設計構造を提供する。【解決手段】電気機械エネルギー変換器のステータとロータとの間の空隙を維持する機械組立体は、構造スリーブと、構造スリーブの内側面に取り付けられた複数のステータ部と、構造スリーブによって取り囲まれ且つ構造スリーブと同心であるハブと、構造スリーブによって取り囲まれ且つハブに変位可能に連結された複数のロータ部と、構造スリーブ内に配置され且つ構造スリーブと同心であるレールシステムとを備える。このレールシステムは、複数のロータ部を略円状の経路で案内するものであり、かつ複数のステータ部と複数のロータ部との間の空隙を形成する。【選択図】図１Ａ

Description

関連出願

本願は、関連出願である2011年4月4日付出願の米国仮特許出願第61/471,690号の優先権の利益を主張する。この米国仮特許出願の全教示内容は、参照をもって本明細書に取り入れたものとする。

本願は、概して電気機械エネルギー変換器に関する。

電気機械エネルギー変換器には、電気エネルギーを機械的仕事に変換する「電気モータ」と呼ばれる種類がある。その他にも、機械的仕事を電気エネルギーに変換する「発電機」と呼ばれる種類がある。いずれの種類の電気機械エネルギー変換器も、様々なサイズのものがある。さらに、これら２種類の変換器は動作面での互換性を有し得る。すなわち、プロセスを逆転させることにより、モータを発電機として、また、発電機をモータとして機能させることも可能である。いずれにせよ、発電機の駆動には機械的仕事を要する。そのような機械的仕事には様々な由来のものがある。一例として、海洋波による仕事が挙げられる。

通常、モータおよび発電機は、高速（１０００〜４０００ｒｐｍ）・低トルクで動作する。これは、高速・低トルクの組合せにより、同じ出力レベルあたりの総生産コストを低減できるからである。他方、海洋波からは、比較的に低速・大きい力が得られる。そのため、海洋波を用いて電気機械エネルギー変換を行うには、それなりの工夫が必要である。大径の直接駆動式の発電機であれば、そのような低速（５ｒｐｍ（回転／分）未満）・高トルク（数百万Ｎ・ｍ）の機械的力を直結して電気エネルギーに変換することが可能なので、高効率かつ経済的である。このような直接駆動式では、電磁及び機械の両方の側面で設計上の課題が生じるので、これらに対処する必要がある。

モータおよび発電機を低速・高トルクで動作させるための、業界の一般的な対応策は、直径を大きくすることである。モータ／発電機の直径を大きくすることにより、同一トルクあたりの効率が向上し、また、同一トルクあたりの材料単価も減少する。電磁力が同じでも、装置の直径が大きいほど、その装置の半径が増大するので、てこ長さが増える分、トルクが増大する。

一般的な設計構造の発電機／モータは、２つの主要な構成品を有する。１つは、固定側要素である「ステータ」であり、もう１つは、電磁的な反応を起こす回転側要素である「ロータ」である。ステータとロータとは、微小な径方向のクリアランス（空隙）で互いに隔てられる。このクリアランスが、可動部品間の機械的クリアランスとなる。当業者にとって周知である多種多様な機械設計に共通することであるが、ステータとロータとの間の空隙を通過した磁束は、１組以上の金属製コイルを通過するように導かれる。ここで、ステータとロータとが相対回転することにより、前記金属製コイルを通過する磁束の時間変化が生じ、この磁束の時間変化率に比例する電圧が発生する。磁束の時間変化率は、空隙での回転速度の増加および／または磁束密度の増加によって上昇する。回転数が一定のとき、速度は半径に比例する。つまり、発電機／モータの直径が大きいほど、空隙でのロータとステータとの相対回転速度が上昇する。さらに、回転速度の上昇は、機械に関するその他のあらゆるパラメータが一定であることを前提としたうえで、磁束の速度（flux velocity）の上昇および発電効率の向上につながる。

しかし、電気機械エネルギー変換器の直径を大きくすると、当該変換器の部品を精密に（すなわち、小さい公差内、つまり「狭い」公差内で）製造すること、したがって、微小な空隙を維持することが、より困難かつ高コストになる。従来の直接駆動式の発電機／モータのうち、直径の大きいものでは、公差が約５〜約１０ミリメートル（ｍｍ）となる。５〜１０ｍｍといった大きな空隙は、モータ／発電機の効率低下（および／または高コスト化）の原因となる。

以上を踏まえて、モータ／発電機の大径化、そして、そのような大径化にもかかわらず、電気機械エネルギー変換器のステータとロータとの間の空隙を（例えば、０．５〜３ｍｍに）減少させることのできる設計構造が所望されている。

本発明の例示的な実施形態は、電気機械エネルギー変換器のステータとロータとの間の空隙を維持する機械組立体を提供する。一実施形態において、この機械組立体は、当該機械組立体の他の構成品と同心の配置関係で当該構成品を取り囲む枠体としての役割を果たす構造スリーブを備える。この構造スリーブの内側面には、複数のステータ部が取り付けられている。複数のロータ部が、ハブに変位可能に連結されている。このハブは、電気機械エネルギー変換の過程において、前記複数のロータ部にトルクを伝達したり当該複数のロータ部からトルクを受け取ったりする。前記構造スリーブ内には、レールシステムが配置される。このレールシステムは、２つの軸方向に離間したレールを有していてもよい。前記レールシステムは、前記複数のロータ部を略円状の経路で案内するものである。また、前記レールシステムは、前記複数のステータ部と前記複数のロータ部との間の空隙を形成する。

本発明の他の態様は、電気機械エネルギー変換器のステータとロータとの間の空隙を維持する方法に関する。一実施形態において、この方法は、構造スリーブを用意する過程と、この構造スリーブの内側面に複数のステータ部を取り付ける過程とを含む。前記方法は、さらに、前記構造スリーブによって取り囲まれ、かつ当該構造スリーブと同心であるハブを用意する過程を含む。前記方法は、さらに、複数のロータ部をハブに変位可能に連結する過程を含む。変位可能に連結される前記複数のロータ部は、前記構造スリーブによって取り囲まれる。前記方法は、さらに、レールシステムを前記構造スリーブ内に位置決めする過程を含む。このレールシステムは、前記複数のロータ部を略円状の経路で案内し、かつ前記複数のステータ部と当該複数のロータ部との間の空隙を形成するように、配置される。前記レールシステムは、前記構造スリーブと同心である。

本発明の前述した内容、その他の特徴、態様および利点は、以下の明細書の説明、添付の特許請求の範囲および図面を参照することによって、より明らかになる。

電気機械エネルギー変換器の用途の一例を示す図である。 電気機械エネルギー変換器の用途の一例を示す他の図である。 電気機械エネルギー変換器の用途の一例を示すさらなる他の図である。 電気機械エネルギー変換器の用途の他の例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る電気機械エネルギー変換器の断面図である。 本発明の一実施形態に係る電気機械エネルギー変換器の他の断面図である。 本発明の一実施形態に係る電気機械エネルギー変換器の一端部の断面図である。 本発明の一実施形態に係る「レールシステム上を走行する車両」に基づく設計構造を示す図である。 本発明の一実施形態に係る「レールシステム上を走行する車両」に基づく設計構造を示す他の図である。 本発明の一実施形態に係る「レールシステム上を走行する車両」に基づく設計構造を示すさらなる他の図である。 本発明の一実施形態に係る変位可能連結手段を示す図である。 本発明の一実施形態に係る変位可能連結手段を示す他の図である。 本発明の例示的な実施形態において、ロータ部がハブに変位可能に連結されている様子を示す図である。 本発明の例示的な実施形態において、ロータ部がハブに変位可能に連結されている様子を示す他の図である。 本発明の例示的な実施形態において、ロータ部がハブに変位可能に連結されている様子を示すさらなる他の図である。 本発明の例示的な実施形態に係る駆動ハブを示す図である。 本発明の例示的な実施形態に係る駆動ハブを示す他の図である。 本発明の一実施形態に係る永久磁石発電機の一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る永久磁石発電機の一例を示す他の図である。 本発明の一実施形態に係る永久磁石発電機の一例を示すさらなる他の図である。

図１Ａ〜図１Ｃに、電気機械エネルギー変換器の使用環境１００の例を示す。この例では、波エネルギー変換装置（ＷＥＣ）１０５と波１１０とが用いられる。ＷＥＣ１０５は、電気機械エネルギー変換器１１５、回転可能な前方フロート１２５および回転可能な後方フロート１３０を備える。図示のように、電気機械エネルギー変換器１１５は、ナセル１２０と関連付けられている。電気機械エネルギー変換器１１５は、ナセル１２０の一端部において長手方向軸心に対して同心に配置される。波エネルギーを取り出す過程では、波１１０がフロート１２５，１３０と相互作用することにより、フロート１２５，１３０が、波１１０の上昇降下によって駆動ハブ１３５を往復回転させる。駆動ハブ１３５が電気機械エネルギー変換器１１５のロータ（図示せず）を回転させることにより、発電が行われる。

図２に、電気機械エネルギー変換器の使用環境２００の例を示す。この例では、トンネル掘削機２０５と岩肌２１０とが用いられる。トンネル掘削機２０５は、電気機械エネルギー変換器２１５、カッターヘッド２２０、および電気機械エネルギー変換器２１５とカッターヘッド２２０とを接続する駆動軸２２５を備える。トンネルを掘削する過程では、電気機械エネルギー変換器２１５が、電気を使用して電気機械エネルギー変換器２１５のロータ（図示せず）を回転させる。このロータが駆動軸２２５を回転させることにより、駆動軸２２５がカッターヘッド２２０を回転させる。回転するカッターヘッド２２０が岩肌２１０に食い込むと、岩塊が破砕される。岩塊を搬送・排出した後に残る掘削孔がトンネルとなる。前述したＷＥＣ１０５とは対照的に、カッターヘッド２２０の回転は往復回転ではなく、前方向および逆方向のいずれの方向にも連続回転する。

ＷＥＣ１０５の電気機械エネルギー変換器１１５（発電機の一種）とトンネル掘削機２０５の電気機械エネルギー変換器２１５（モータの一種）は、大型（例えば、直径５〜１０メートル（ｍ）または直径１０メートル超）で、高トルク（例えば、数百万ニュートンメートル）、かつ低速（例えば、１回転／分）であるという共通の性質を有する。電気機械エネルギー変換器のこのような性質は、当該変換器を設計するうえで機械的側面の課題となる。

図３Ａの側方断面図および図３Ｂの端部断面図に示すように、電気機械エネルギー変換器３００の一実施形態は、ロータ３０５、ステータ３１０、ロータ３０５を駆動する駆動ハブ３１５、ロータ３０５が移動（走行）するためのレールシステム３３５、および外側の構造スリーブ３３０を含む。外側の構造スリーブ３３０は、これらの構成品および電気機械エネルギー変換器３００の他の構成品を取り囲むものである。

図４に示す一例において、ステータ３１０は、外側の構造スリーブ３３０に取り付けられている。ここで、外側の構造スリーブ３３０は、電気機械エネルギー変換器３００の組付用の枠体としての役割を果たす。ステータ３１０は、４０〜８０個のステータ部３１１で構成される。これらステータ部３１１は、電気機械エネルギー変換器３００の全周３６０°またはその一部を占める。好都合な一実施形態において、各ステータ部３１１は、断面長さ（section length）が約３００ｍｍで、軸方向長さが１〜２ｍである。

図５Ａ〜図５Ｃに示す一実施形態において、電気機械エネルギー変換器３００には、従来のロータ固定式の構造設計の代わりに、「-レール走行車両」システムに基づく構造設計を用いる。従来の電気機械エネルギー変換器では、ロータが固定されており、ロータには精密加工された回転円筒体が使用され、同じく精密加工された円筒孔を有するステータ内で、ロータが自転する。電気機械エネルギー変換器の直径が大きければ大きいほど、（円筒状の）ロータが（孔を有する）ステータと衝突しないように、公差を広くとる必要がある。このように公差を広く設定すると、効率の悪い（および／または高コストの）設計構造になってしまう。他方、電気機械エネルギー変換器３００の「-レール走行車両」システムであれば、ロータ３０５とステータ３１０との間のクリアランスを大幅に減少させることができるので、後述するように機能面で大きな利点が得られる。

例示的な一実施形態において、電気機械エネルギー変換器３００は、ステータ３１０の軸方向最端部に位置する一対のレール３３５Ａ，３３５Ｂ（図５；まとめて符号３３５で表す）を含む。レール３３５は、ロータ３０５とステータ３１０との間に配置される。図４に示す好都合な一実施形態において、各レール３３５は、支持体３３７により、構造スリーブ３３０のいずれかの端部に取り付けられている。他の実施形態において、レール３３５は、ステータ３１０に取り付けられている。さらなる他の実施形態において、電気機械エネルギー変換器３００は、単一本のレール（モノレールシステム）または複数本のレール（マルチレールシステム）を含む。前述したレールシステムにおいて、レール３３５は、複数のレール部で構成されたものであってもよい。これら複数のレール部は、レール部間に隙間を介して並べられたものであっても、そのような隙間を介さずに並べられたものであってもよい。例えば、レール部間に隙間を設けることにより、各レール部の膨張および収縮に対応することができる。また、レール３３５を複数のレール部で構成することにより、レール製造の円滑化（例えば、より狭い公差で機械加工することができる）、組立の容易化、および装着の容易化を図ることができる。

好都合な一実施形態において、各レール３３５は、円または円の一部（すなわち、円弧）に近似した形状のトラックであるが、その形状は、真円または真円の一部（すなわち、真円弧）でなくてもよい。そのような不完全な円またはその一部である形状は、大きい直径を有する電気機械エネルギー変換器では予想され得ることである。というのも、直径が大きいと、機械公差を小さくすることが困難であり、作用する荷重も極めて大きくなり、さらには、熱膨張や熱収縮が全部品で起こり得るからである。

本明細書で説明する「-レール走行車両」に基づく設計構造では、構造スリーブ３３０および／またはステータ３１０および／またはレール３３５の設計においては、ステータ３１０および／またはレール３３５および／またはロータ３０５間のインターフェース領域の機械公差を部分的に設定することにより、ステータ３１０の表面とレール３３５の走行面との間の機械加工後の許容隙間が得られる。

図５Ａおよび図５Ｂに示すように、「-レール走行車両」に基づく設計構造におけるロータ３０５は、円筒状の剛体ではなく、ロータ３０５よりもサイズが小さい多数のロータ部３０７で構成される。複数のロータ部３０７は、ほぼ完全な円を形成するように端から端まで並べられる。例示的な一実施形態において、ロータ３０５は、４０〜８０個のロータ部３０７で構成される。これらロータ部３０７は、電気機械エネルギー変換器３００の円周３６０°の全体を形成する。

ロータ部３０７は、レール３３５に沿って配列される。上述したようにレール３３５の形状が真円でない場合には、ロータ部３０７が追従する経路の形状も真円にならない。このような設計構造は、大きい直径を有する電気機械エネルギー変換器にありがちな（真）円でないことに起因する特性、または大きい直径を有する電気機械エネルギー変換器の動作時に生じる（真）円でないことに起因する特性、例えば、荷重、部品の熱膨張や熱収縮などに対応することができる。

用途によっては、例えば、図１Ａ〜図１Ｃの波エネルギー変換装置１０５のように、電気機械エネルギー変換器１１５の回転角度は３６０°未満に限られる。例えば、前方フロート１２５は、水平位置から時計回り（ＣＷ）に回動して４５°の最大位置まで上昇した後、反時計回り（ＣＣＷ）に回動して前記水平位置よりも４５°下方の位置にまで下降する。このようなＣＷおよびＣＣＷの周期的な動作が連続して繰り返されることにより、発電が行われる。この場合、前方フロート１２５および駆動ハブ１３５のフルレンジ動作は９０°以下に制限されることになるので、電気機械エネルギー変換器１１５の動作範囲も９０°以下に制限されることになる。このような動作範囲の制限は、波エネルギー変換装置１１５に機械的な端止め部材を設けるか、または電気機械エネルギー変換器１１５を電子制御することによって実現してもよい。

回転範囲が制限される用途では、電気機械エネルギー変換器３００の部品は、３６０°全体にわたって占めるものでなくてもよい。このようにして寸法を制限することにより、低コスト化の実現や、他の機械的クリアランス要求に対応することができる。この場合の設計構造の一例として、図５Ａのレール３３５の長さを３５０°に設定し、適切な個数のステータ部３１１によってステータ３１０の長さを３５０°に設定する一方で、適切な個数のロータ部３０７によってロータ３０５の長さを２６０°に設定することが考えられる。このような構成により、レール３３５の最端部間またはステータ３１０の最端部間におけるロータ３０５のＣＷ〜ＣＣＷ動作範囲が９０°以下に制限される。このように、電気機械エネルギー変換器３００の円周方向の長さ（円周長）または円弧長は、用途に応じて１０〜３６０°の範囲内で任意に設定することができる。

図５Ｂに示す好都合な一実施形態において、各ロータ部３０７は、４つのホイール３４０によって支持されている。同図では、２つのホイール３４０が一方のレール３３５Ａ上を走行し、残りの２つのホイール３４０が他方のレール３３５Ｂ上を走行する。このようなロータ部−ホイールの構成は、２つのトラック上を走行する車両（例えば、列車、ジェットコースターなど）と同様に考えることができる。ロータ軸３４５が、各ロータホイール３４０を支持する。また、ロータ軸３４５は、ロータ軸軸受３４７によって所与の位置に保持される（図５Ｃを参照）。ロータ軸軸受３４７は、径方向については小さい公差を維持する一方で、系内の軸方向については遊びを許容する。つまり、ロータ軸３４５は軸方向に摺動することが可能なので、電気機械エネルギー変換器３００の軸方向寸法のばらつきに対応することができる。

他の実施形態では、レール３３５に摺動面（軸受面）を設け、ロータ３０５に低摩擦性の案内部材を取り付けることにより、ステータ３１０とロータ３０５との間の許容隙間を制御するようにしてもよい。さらなる他の実施形態では、レール３３５に機械加工で軸受軌道輪を設け、ロータ部３０７にころ軸受を取り付けることにより、ステータ３１０とロータ３０５との間の許容隙間を制御するようにしてもよい。

図５Ｂに示す構成において、ロータ３０５とステータ３１０との間の空間（空隙）は、レール３３５の機械公差とロータ−ホイール３４０の機械公差とによって制御される。各ロータ部３０７の機械寸法が小さい（例えば、０．５ｍ程度）ので、ステータとロータとの間のクリアランスおよび公差の制御は簡単である。ロータの車両ホイール３４０と各ロータ部３０７の表面との間の許容隙間として、約０．２５ｍｍ（すなわち、約０．０１０インチ）の狭公差を実現することができる。その場合、約１０ｍの直径を有する電気機械エネルギー変換器３００であれば、約１ｍｍという大幅に減少した空隙を実現することができる。

空隙３１２の減少は、空隙の磁気抵抗の減少および磁気回路の透磁率の向上につながるので、電気機械エネルギー変換器の定格値が同じでも、使用する磁性材料（永久磁石材または電磁石材）の量を減らすことができる。例えば、磁気回路設計の線形動作範囲において、空隙が１ｍｍの場合と１０ｍｍの場合とを比べると、１ｍｍでは、必要な磁性材料が１０ｍｍの場合の１／１０で済む。また、空隙の減少は、磁気回路全体の磁気抵抗の減少につながるので、電気機械エネルギー変換器３００の力率の向上や、周波数が変動する機械（例えば、図１ＡのＷＥＣ１０５、図２のトンネル掘削機２０５など）の動作性能の安定化を図ることができる。

ロータホイール３４０の公差および／またはレール３３５の公差については、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）された工作機械による機械加工で容易に設定することができる。また、そのような工作機械として小型のものを使用できるので経済的である。前述した「-レール走行車両」に基づく設計構造を採用することにより、たとえ電気機械エネルギー変換器が著しく大型化しても（例えば、たとえ直径が５〜１０ｍの範囲を超えたとしても）、ステータ３１０とロータ３０５との間の微小な空隙を確保することができる。後で詳述するが、空隙のそのような減少は、最終的に低コスト化につながる。また、空隙３１２は、ステータの表面とレールの接触面との間の許容隙間を小さく設定することによってさらに減少する。一実施形態において、レール３３５は、ステータ３１０に取り付けられており、これらレール３３５とステータ３１０との間の許容隙間は０．２５ｍｍ（約０．０１０インチ）である。空隙の公差を制御するこれらの方法は、あらゆるサイズおよび種類の電気機械エネルギー変換器に適用することができ、例えば、直径が１ｍ未満の変換器にも適用することができる。

適用可能な電気機械エネルギー変換器（すなわち、モータおよび発電機）には、例えば、交流（ＡＣ）式、直流（ＤＣ）式の両種類の電気機械エネルギー変換器が含まれる。さらに、交流（ＡＣ）式および直流（ＤＣ）式の電気機械エネルギー変換器の広義のカテゴリー内には、多数の種類の電磁設計構造が含まれ、どの種類のものも、本明細書で説明する実施形態や実施例の利点を得ることができる。そのような電磁設計構造の種類には、直流整流子型、直流無整流子（ブラシレス）型、分巻型、他励型、直巻型、複巻型、単相型、三相型、多相型、同期型、非同期型、アキシャルフラックス型、ラジアルフラックス型、トランスバースフラックス型、永久磁石型、くま取り型、リラクタンス型、スイッチドリラクタンス型、コアレス型、無鉄芯型、かご形型、誘導型、二重給電誘導型、一重給電電動型（singly fed electric）、二重給電電動型（doubly fed electric）などが含まれるが、必ずしもこれらに限定されない。

図６Ａおよび図６Ｂに示す好都合な一実施形態において、各ロータ部３０７は、複数のロータ部３０７の各対について、当該各対におけるロータ部とロータ部との間の変位可能連結手段３６９により、端部と端部とが互いに変位可能に連結されている。図６Ｂに示すように、変位可能連結手段３６９は、ロータ回動ジョイント３７０とロータ回動ピン３７５とを含む。一部の実施形態において、変位可能連結手段３６９は、設計構造に応じて、ボール−ソケット構造またはヒンジ型構造であってもよい。変位可能連結手段３６９により、隣り合うロータ部３０７間の関節的動作（articulation）が可能となり、また、各ロータ部３０７によるレール３３５上の走行（移動）がより正確になる。また、このような構成より、ロータ部とロータ部との間の鋼の接触面が、これらロータ部とロータ部との間で高い透磁率が得られるように接触する（このような高い透磁率は、一部の種類の電気機械エネルギー変換器にとって、適切に動作するうえでの必要条件である）。この実施形態において、変位可能連結手段３６９は、所与のロータ部３０７からこれに隣り合うロータ部３０７へと効率よく磁束を結合するように構成されている。

他の実施形態では、各ロータ部３０７間に物理的な隙間が設けられる。このような物理的な隙間により、隣り合うロータ部３０７同士がレール３３５上を走行（移動）するあいだ、これらのロータ部３０７間のクリアランスを確保することができる。この実施形態において、各ロータ部３０７は、互いに独立して駆動ハブ３１５に取り付けられる。

図７Ａ〜図７Ｃに、複数のロータ部３０７が駆動ハブ３１５に変位可能に連結されている様子を示す。駆動ハブ３１５は、トルクをロータ部３０７に伝達したり、ロータ部３０７からトルクを受け取ったりする。図７Ａ〜図７Ｃには、さらに、複数のロータ部３０７が径方向力（Ｆｒ）によって外径方向に付勢されて、各ロータ部３０７がレール３３５に対して緊密に押圧される様子も示されている。図５Ｂの各ロータ部３０７（一部の実施形態では、さらにロータホイール３４０）をレール３３５に対して緊密に付勢することにより、ロータ部３０７とステータ部３１１との間の空隙３１２を微小に維持することができる。以下では、複数のロータ部３０７が駆動ハブ３１５に変位可能に連結する構成例、および前述した径方向力（Ｆｒ）を生成する構成例について説明する。

図７Ａに示す構成例において、各ロータ部３０７は、ロータ保持ばね３８０により、レール３３５に対して緊密に付勢されている。ロータ保持ばね３８０は、駆動ハブ３１５に抗して、ロータ部３０７をレール３３５に対して押圧する。ばね３８０は、駆動ハブ３１５に固定された駆動ドッグ３０８間に設けられている。駆動ドッグ３０８は、トルクをロータ部３０７および駆動ハブ３１５に伝達したり、ロータ部３０７および駆動ハブ３１５からトルクを受け取ったりする。好都合な一実施形態において、ロータ保持ばね３８０は、アコーディオン状に折り畳まれた状態でロータ部３０７と駆動ハブ３１５との間に嵌め込まれている。ばね３８０は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）、金属材料または複合材料で構成される。

図７Ｂおよび図７Ｃに示す他の構成例では、駆動アーム３９０およびアームばね３９５が、ロータ部３０７（一部の実施形態では、ロータ部３０７およびロータホイール３４０）をレール３３５に対して緊密に付勢すると共に、トルクをロータ部３０７および駆動ハブ３１５に伝達したり、ロータ部３０７および駆動ハブ３１５からトルクを受け取ったりする。

さらなる他の構成例では、磁性体であるステータおよび／またはロータが永久磁石または電磁石であり、そのステータとロータとの間の磁気吸引力が前記径方向力を生成し、各ロータ部３０７（一部の実施形態では、さらにロータホイール３４０）をレール３３５に対して緊密に押圧する。なお、この構成は、図７Ａ（ロータ保持ばねおよび駆動ドッグ）ならびに図７Ｂ及び図７Ｃ（駆動アームおよびアームばね）のいずれの実施形態とも併用可能である。その場合、それら実施形態の各構成品によって生成される前記径方向力は、前述の構成を併用しない場合よりも小さくて済むので、コストおよび材料の最適化につながる。

好都合な一実施形態において、図７Ａ〜図７Ｃに示す各構成における少なくとも１つの構成品は、個々のロータ部３０７の取外しが可能なように、複数の部分構造体に分割されたものである。ロータ部３０７の取外しは、図７Ｂに示すような少なくとも１つのアクチュエータまたは押圧シリンダ３９５を用いて行われてもよい。これにより、ロータ３０５からのロータ部３０７の取出しを制御自在に行うことができる。ロータ部３０７を取り外した後、図７Ｂと同様の装置を用いてステータ部３１１を取り外せるようにしてもよい。

また、電気機械エネルギー変換器３００はモジュール式なので、空隙３１２の減少によって総合的な低コスト化を達成できるのに加えて、電気機械エネルギー変換器３００の利用に起因する荷重、熱膨張・熱収縮などの各種ばらつきに対応できるだけでなく、修理も可能になる。例えば、ロータ３０５は、既述したように複数のロータ部３０７で構成されるので、荷重および熱膨張／熱収縮による寸法ばらつきを許容可能とすることができる。また、ロータ３０５を複数の部分構造体に分割されたものとすることにより、機械公差のばらつきを許容可能とできるだけでなく、組付け、取外し、保守および修理が可能となる。好都合な一実施形態では、ステータ３１０も、同様に複数のステータ部３１１で構成される。これにより、荷重および熱膨張／熱収縮による寸法ばらつきを許容可能とすることができる。ステータ部３１０を複数の部分構造体に分割されたものとすることにより、機械公差のばらつきを許容可能とできるだけでなく、組付け、取外し、保守および修理が可能となる。電気機械エネルギー変換器のその他の構成品も、複数の部分構造体に分割されたものとしてよい。

すなわち、電気機械エネルギー変換器３００のこのような設計構造により、機械から電気機械エネルギー変換器３００全体を取り外さなくとも、個々のロータ部３０７および／または個々のステータ部３１１の修理が可能となる。これは、図１のＷＥＣ１０５や図２のトンネル掘削機２０５のような場合に極めて好都合である。なぜなら、これらのような機械から電気機械エネルギー変換器１１５，２１５を取り外したり交換したりすることは高コストであり、かつ長時間を要するからである。

図３Ａおよび図３Ｂを参照しながら、電気機械エネルギー変換器３００の構成要素について再度説明する。電気機械エネルギー変換器３００は、構造スリーブ３３０を含む。構造スリーブ３００は、電気機械エネルギー３００の様々な構成品、例えば、ロータ３０５、ステータ３１０などを取り囲み、これら構成品に対する枠体としての役割を果たす。構造スリーブ３３０は、機械（例えば、図１ＡのＷＥＣ１０５、図２のトンネル掘削機２０５など）内部に嵌挿および／または当該機械に接合されてもよい。

構造スリーブ３３０に用いる材料の選択、さらには、他の構成品に用いる材料の選択については、電気機械エネルギー変換器３００が一部となる機械の動作環境が大きく関係する。例えば、高塩分濃度環境（すなわち、海洋）で動作するＷＥＣ１０５の場合には、構造スリーブ３３０を製造する適切な材料として、繊維強化プラスチック（ＥＲＰ）（ファイバーグラスとも称される）が挙げられる。当然ながら、他の材料、例えば、アルミニウム、鋼、その他の合金、その他の複合材料などを用いることもできる。

電気機械エネルギー変換器３００の少なくとも１つの構成品は、高トルクに耐えられる構造とされ得る。例えば、剛性の向上を図るために、駆動ハブ３１５に、（図８Ａに示すように）少なくとも１つの補強材３８５および／または（図８Ｂに示すように）「段付き」形状３８６を組み込んでもよい。他の例において、駆動ハブ３１５は、直径が駆動ハブ３１５よりも小さい中央ハブと、中央ハブから放射状に延出して駆動ハブ３１５の壁部に達する複数のスポークとを有するものとされる。この「ハブ−スポーク」に基づく設計構成では、スポークとスポークとの間の材料を省くことができる。これにより、その「ハブ−スポーク」に基づく設計構造の回転質量は、図８Ａおよび図８Ｂの構成の回転質量よりも小さくなるので、電気機械エネルギー変換器３００を、より低コストで且つより経済的に動作させることが可能となる。

当然ながら、本明細書で説明する設計構造およびその各構成は、あらゆる種類の電気機械エネルギー変換器に適用可能である。一例として、図９Ａ〜図９Ｃに、前述の設計構造を永久磁石発電機９００に適用する場合を示す。一実施形態において、永久磁石発電機９００は、複数のロータ部９０７（同図には１つのロータ部を示す）、および複数のステータ部９１１（同図には１つのステータ部を示す）を含む。これら複数のロータ部９０７および複数のステータ部９１１は、永久磁石発電機９００の円周３６０°の全体を形成する。

永久磁石発電機９００は、さらに、一対のレール９３５を含む。各レール９３５は、発電機９００のいずれかの端部に取り付けられている。各レール９３５は、円に近似した形状を有するトラック（円状のトラック）である。しかし、その形状は、真円でなくてもよい。一実施形態において、各ロータ部９０７は、４つのホイール９４０によって支持されており、２つのホイールが一方のレール９３５上を走行し、残りの２つのホイール９４０が他方のレール９３５上を走行する。

図９Ｂに示すように、各ステータ部９１１は、ステータ鉄基材を有する。ステータ鉄基材は、あるステータ極からの磁束を別のステータ極に結合させて、磁気抵抗の低い磁束路を形成する。ステータコイル９０５は、磁場の変化（例えば、冒頭で述べたような、ロータ部９０７の磁石の回転によって生じる磁場の変化）を、誘導起電力および誘電起電流に変換する。ステータ鉄基材に設けられたステータコイル溝（図示せず）が、ステータコイル９０５を所与の位置に保持する。バスバーにより、ステータコイルの各相と発電機９００の出力端子とが直列接続または並列接続される。発電機９００の出力端子は、少なくとも１つのバッテリーに接続されて発電で得られた電気が当該バッテリーに貯蔵され、および／または少なくとも１つの送電配線に接続されて発電で得られた電気が別の場所に送電される。発電機９００は、さらに、冷却ジャケット９５５を含み得る。この冷却ジャケット９５５は、冷却熱交換器システムの一部としてステータに取り付けられる。冷却ジャケット９５５は、自然空冷であっても強制空冷であってもよい。

図９Ｃに示すように、各ロータ部９０７は、ロータ鉄基材（ロータバック鉄）９０９と、ロータ鉄基材９０９に取り付けられたロータ磁石９６５とを有する。ロータ鉄基材９０９は、あるロータ磁石９６５からの磁束を別のロータ磁石９０９に結合させて、磁気抵抗の低い磁束路を形成する。ロータ磁石９６５は、ロータ鉄基材９０９に取り付けられた表面磁石であってもよいし、ロータ鉄基材９０９に埋め込まれた埋込磁石であってもよい。ロータ磁石９６５は、複数種の材料、例えば、ネオジム−鉄−ホウ素、アルニコ、サマリウム−コバルト、鉄−フェライトで構成されたものであってもよい。なお、前述した設計構造によって空隙が減少するので、永久磁石発電機９００の製造時の材料として、鉄−フェライト、アルニコなどの低コストの磁石を使用することが可能になる。

電気機械エネルギー変換の過程では、ロータ部９０７がレール９３５上を周方向に移動（走行）することにより、ステータコイル９０５に対する時間変化磁場が生じる。ステータコイル９０５は、この変化する磁場を電気に変換する。

好都合な一実施形態では、個々のステータ部９１１の修理またはトラブルシューティングが可能なように、ステータコイル９０５およびバスバー接続構造体９６０が取外し可能とされる。これは、前述のモジュール式構造に沿ったものであり、機械公差のばらつきを許容可能とするだけでなく、組付け、取外し、保守および修理を可能とする。また、ステータコイル９５０およびバスバー９６０がレール９３５の外部に位置するので、組付け、取外し、保守および修理を容易に行うことができる。

本発明にかかる設計構造のステータ部およびロータ部（例えば、図５Ａおよび図５Ｂのロータ部３０７およびステータ部３１１）は、特定の種類および／または特定の電磁設計構造の電気機械エネルギー変換器に適合させることができる。例えば、ある場合には、各ステータ部がそれぞれ別のステータ部に磁気的に結合しており、かつ、各ロータ部がそれぞれ別のロータ部に磁気的に結合している。他の場合には、各ステータ部がそれぞれ別のステータ部に磁気的に結合する一方、各ロータ部は別のロータ部に磁気的に結合していない。さらなる他の場合には、各ステータ部が別のステータ部に磁気的に結合していない一方、各ロータ部はそれぞれ別のロータ部に磁気的に結合している。さらなる他の場合には、各ステータ部が別のステータ部に磁気的に結合しておらず、かつ、各ロータ部も別のロータ部に磁気的に結合していない。

また、図１Ａの波エネルギー変換装置１０５や図２のトンネル掘削機２０５の他にも、低速・高トルクの産業用途が数多くある。例えば、路面電車（tram bull wheel）の駆動、観覧車、低速風エネルギー変換（low speed wind energy conversion）、機械加工やハンドリング（equipment handling）用の大型タレット／テーブル、海洋石油・ガス産業用の超大型タレット（ＶＬＴ）などが挙げられる。

前述したように、電気機械エネルギー変換器の直径を大きくすると、空隙での磁束速度が上昇する。さらに、使用する電磁石材の量を一定として直径を大きくすると、駆動軸のトルクが増加する。直径を大きくすることによる磁束速度の上昇は、回転数を増加させることと同じ効果があり、それに対応して低コスト化の効果も奏する。従来、電気機械エネルギー変換器の大径化を達成するための業界の常法では、空隙が大きくなる（５〜１０ｍｍ）ことを避けることができず、必要なスペースの増加や電磁石材のコスト増の原因となっていた。このような大きい空隙は、直径の大きい電気機械エネルギー変換器にセットで設けられたステータとロータとの間の機械的クリアランスを確保するのに必要とされる。従来の電気機械エネルギー変換器は、一般的な直径が約６ｍであり、これよりもサイズおよび直径が増加すると、急激に高コスト化が進む。

本明細書で説明する例によれば、電気機械エネルギー変換器３００の直径を、従来の技術を超える１０ｍ以上に設定することができる。

直径を大きくすることにより、同じ定格トルクのものでも、ロータ３０５に用いる材料およびステータ３１０に用いる材料を減らすことができる。その理由は、装置のトルク（Ｔ）＝磁気せん断力（Ｆ）×装置の半径（ｒ）だからである。この式：Ｔ＝Ｆ×ｒにおいて半径（ｒ）を増加させると、同じトルク（Ｔ）を、より低い磁力（Ｆ）で得ることができ、すなわち、より少ない量の磁性材料で得ることができる。

装置の直径を大きくすると、ロータ磁束の線速度が上昇し、ＥＭＦ（電磁場）の強さが増加する。これにより、磁性材料の量を減らし、装置のコストを減少させることができる。式（１）：電圧（Ｖ）＝Ｎ×Ａ（ｄＢ／ｄｔ）は、生成される電圧を、ステータコイルのターン数（Ｎ）、磁気回路の磁束面積（Ａ）および磁束密度の時間変化率（ｄＢ／ｄｔ）の関数として表した式である。式（２）：ｄＢ／ｄｔ∝ωｒ（Ｐ／２π）で表されるように、ｄＢ／ｄｔは、ロータの外径面における磁石の線速度に正比例（∝）する。ここで、ωは装置のラジアル速度であり、ｒは装置の半径であり、Ｐは装置の磁極数である。前記式（２）によると、装置の速度（ω）は同一のままで装置直径または装置半径（ｒ）を大きくすると、磁束密度の時間変化率（ｄＢ／ｄｔ）が増加するので、式（１）から分かるように、必要とされる磁石表面積（Ａ）および／またはステータコイルのターン数（Ｎ）を減らすことができる。ＮまたはＡの減少は、装置の軸方向寸法またはステータのコイル数の減少を意味するので、装置の低コスト化につながる。

前述した例は、説明に過ぎず、本発明を限定するものではない。また、例示的な実施形態を参照しながら本発明を説明したが、本明細書で使用した用語は、説明用に過ぎず、本発明を限定するものではない。本発明の各種態様の範囲および精神を逸脱しない範囲で、様々な変更が可能であり、そのような変更は、現時点および補正後の特許請求の範囲の範疇に含まれる。さらに、特定の手段、材料および実施形態を参照しながら本発明を説明したが、本発明は、本明細書に開示されたこれらの具体的なものに限定されない。むしろ、本発明は、あらゆる等価的な構造、方法および用途にまで及ぶものであり、それらも添付の特許請求の範囲の範疇に含まれる。

Claims (15)

1. 電気機械エネルギー変換器のステータとロータとの間の空隙を維持する機械組立体であって、
   構造スリーブと、
   前記構造スリーブの内側面に取り付けられた複数のステータ部と、
   前記構造スリーブによって取り囲まれ、かつ当該構造スリーブと同心であるハブと、
   前記構造スリーブによって取り囲まれ、かつ前記ハブに変位可能に連結された複数のロータ部と、
   前記構造スリーブ内に配置され、かつ当該構造スリーブと同心であるレールシステムであって、前記複数のロータ部を略円状の経路で案内し、かつ前記複数のステータ部と当該複数のロータ部との間の空隙を形成するレールシステムと、
   を備える、機械組立体。
2. 請求項１に記載の機械組立体において、前記構造スリーブの直径が、少なくとも１メートルである、機械組立体。
3. 請求項１に記載の機械組立体において、前記複数のステータ部の各ステータ部が、前記構造スリーブの前記内側面に取外し可能に取り付けられている、機械組立体。
4. 請求項１に記載の機械組立体において、前記複数のステータ部の各ステータ部が、他のステータ部に連結されている、機械組立体。
5. 請求項１に記載の機械組立体において、前記ハブの内部が、空洞と補強手段とを形成している、機械組立体。
6. 請求項１に記載の機械組立体において、前記ハブが、中央ハブと複数のスポークとを有しており、前記中央ハブは、その直径が前記ハブよりも小さく、前記複数のスポークは、前記中央ハブから、前記ハブの外周となる縁部に向かって径方向に延びている、機械組立体。
7. 請求項１に記載の機械組立体において、前記複数のロータ部の各ロータ部が、
   前記ハブに固定されて当該ハブと所与のロータ部との間でトルクを伝達する駆動ドッグと、
   前記所与のロータ部と前記ハブとの間に設けられて当該ハブに抗する径方向力を生成して前記所与のロータ部を前記レールシステムに対して押圧する保持ばねと、
   によって、前記ハブに変位可能に連結されている、機械組立体。
8. 請求項１に記載の機械組立体において、前記複数のロータ部の各ロータ部が、
   一端部が前記ハブに回動可能に取り付けられ、別端部が所与のロータ部に回動可能に取り付けられて当該所与のロータ部と前記ハブとの間でトルクを伝達する駆動アームと、
   一端部が前記ハブに回動可能に取り付けられ、別端部が対応する駆動アームに回動可能に取り付けられて前記ハブに抗する径方向力を生成して、前記対応する駆動アームおよび前記所与のロータ部を前記レールシステムに対して押圧するアームばねと、
   によって、前記ハブに変位可能に連結されている、機械組立体。
9. 請求項１に記載の機械組立体において、前記複数のロータ部の各ロータ部が、前記レールシステム上を走行する複数のホイールを有している、機械組立体。
10. 請求項１に記載の機械組立体において、前記レールシステムが、前記構造スリーブおよびステータのうちの一方に装着されている、機械組立体。
11. 請求項１に記載の機械組立体において、前記複数のステータ部と前記複数のロータ部との間の前記空隙が、０．２５〜５ミリメートルである、機械組立体。
12. 請求項１に記載の機械組立体において、さらに、前記複数のロータ部の各対に介在する変位可能連結手段を備えており、前記変位可能連結手段は、（ｉ）前記複数のロータ部の各ロータ部が独立的に前記レースシステムに追従することを可能にし、（ｉｉ）所与のロータ部とこれに隣り合うロータ部とを解除可能に連結し、（ｉｉｉ）前記複数のロータ部を磁気的に連結するものであり、前記変位可能連結手段は、ピンとこれに対応するピボットとの組合せ；ヒンジ；およびボールとこれに対応するソケットとの組合せ；のいずれかである、機械組立体。
13. 請求項１に記載の機械組立体において、さらに、前記ハブを駆動可能に当該ハブに取り付けられ、波の上下揺および前後揺を、発電に利用されるトルクに変換する、回転可能なフロートを備える、機械組立体。
14. 請求項１に記載の機械組立体において、前記複数のステータ部および前記複数のロータ部が、交流（ＡＣ）モータ、直流（ＤＣ）モータ、ＡＣ発電機およびＤＣ発電機のいずれか１つにセットで設けられている、機械組立体。
15. 電気機械エネルギー変換器のステータとロータとの間の空隙を維持する方法であって、
    構造スリーブを設ける過程と、
    前記構造スリーブの内側面に複数のステータ部を取り付ける過程と、
    前記構造スリーブによって取り囲まれ、かつ当該構造スリーブと同心であるハブを設ける過程と、
    複数のロータ部を、前記構造スリーブによって取り囲まれるように、前記ハブに変位可能に連結する過程と、
    前記複数のロータ部を略円状の経路で案内し、かつ前記複数のステータ部と当該複数のロータ部との間の空隙を形成するように、レールシステムを、前記構造スリーブ内に配置する過程であって、当該レールシステムを、前記構造スリーブと同心に配置する過程と、
    を含む方法。

Images