JP2018509883A - 永久磁石および共振コイルの動きおよび誘導に基づいた電流発生器 - Google Patents

Abstract

本発明は、回転子の形態である円形の中実の要素を収容する外装に応じた永久磁石および共振コイルを用いた、動きおよび誘導による電流の発生器に関し、回転子の中に、前記回転子の外周に径方向に整合するように配置された３８個の矩形の永久磁石を組み込み、固定子の内側で回転させることによって可変磁束が生成され、固定子は、環形状を有し、その内側で冷却を実行するように中空であり、７６個のアイドル・コイルを含み、それらのアイドル・コイルは、規則的に分配され、それらの間で共振コンデンサおよびコイルが非共振コイルと交互になっており、磁石から３ミリメートル離れて配置されており、そこから非常に高効率で電流が生成される。

Description

本発明は、幾何学的構成および相対運動によって共振する永久磁石およびコイルを使用して電気エネルギーを生成する機械であり、この機械に基づいて、非常に低レベルのトルク、すなわち高効率のエネルギー生成を実現することが可能である。

本発明の適用範囲は、発電業界および機械業界の分野にある。

可変磁場を生じさせるための固定子と呼ばれるコイルの組の中で、異なる構成の磁石の回転から電気を生成する、いくつかの種類の電磁発生器が現在存在することがよく知られている。

これらのシステムは、その性能を制限するいくつかの問題を有する。この理由から、これらの種類の応用例を発電のために使用することは普及していない。

第１の問題は、コイル固定子が、回転子磁石の周りに銅コイルを径方向または軸方向に組み込んで、多くの異なる形状および組合せを取り得る積層された強磁性コアを有する強磁性コアから構成されていることであり、固定子に対して磁束を最大限に伝えることを可能にするために、回転子からの距離を最小とする。これらの構成は、磁石と固定子の積層された鉄心との間に高レベルの磁気引張り力を生成し、その結果、回転子を動かし始めるのに必要な引張り力またはトルクが増大するため、制限がある。

この問題に対する１つの考えられる解決策が、「ＰＥＲＭＡＮＥＮＴ ＭＡＧＮＥＴ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＭＡＣＨＩＮＥ ＷＩＴＨ ＥＮＥＲＧＹ ＳＡＶＩＮＧ ＣＯＮＴＲＯＬ」という名称の特許ＥＰ１１４７５９５号に提示されており、この特許では、固定子を異なる区分に分割し、戦略的に磁石を置いて、強磁性の力のバランスを取り、それにより、１つの磁石から次の磁石へ通過するときに永久磁石の抵抗が打ち消される。

しかし本発明は、コイルがいわゆる「空心」を有するように固定子の強磁性材料を完全になくすことによって、上記の課題をはるかに劇的で効率のよいやり方で解決する。したがって、記述されるシステムは、磁石トルク抵抗をゼロまで低減させるための方法であり、これにより機械の重量および体積、ならびに製造コストを低減させる。

上記提案の不都合な点に関しては、本発明は、強磁性材料を固定子からなくすことによって、コイルの発電能力を低減させる。この理由のために、コイルに接続されたコンデンサ・バンクを介して磁気共振する前記コイルのシステムを設計した。

コイル・システムを磁気共振配置に応用する従来技術に関して、「ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＭＯＴＯＲ ＨＡＶＩＮＧ ＰＥＲＭＡＮＥＮＴ ＭＡＧＮＥＴＳ ＡＮＤ ＲＥＳＯＮＡＮＴ ＣＩＲＣＵＩＴ」という名称の特許ＵＳ４０６４４４２号において、電気モータの性能を増大させるためのコイルおよびコンデンサの共振システムが提案されている。同様に「ＲＥＳＯＮＡＮＴ ＴＲＡＮＳＦＯＲＭＥＲ ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＯＦ ＵＳＥ」という名称の特許ＵＳ７９４０５３４Ｂ２号では、トロイダル・トランスの性能を改善するためにコイル・コンデンサ回路の共振を利用している。

さらに、特定の周波数においてまたはスペクトル内の狭い周波数範囲において多くの電力が必要とされるチューナを作るときに、共振回路は特に有用である。例えば、ラジオ放送にチューニングするとき、受信機では、前記ラジオ局に割り当てられた中心周波数に共振している状態が発生している。市販のラジオ・レシーバは、適切な周波数を選択するために「調節可能」な共振回路を有している。

回転子の磁石が動くときに、生成された磁場の磁力線が固定子のコイルを横切って起電力（ｅｍｆ）をコイルに生じさせることを考慮するときに、第２の問題が生じる。レンツの法則によれば、起電力は、その発生源とは反対に向かう傾向があり、すなわちこの事例では起電力は磁石回転子を止めようとする。記述したこの問題は、発生器の負荷を増大させるとより悪化する。負荷を増大させることによって、固定子コイルを通って流れる電流も増大し、生成される起電力が確実に増大し、それにより、回転子にさらにブレーキがかかる。

この問題を回避または緩和するための従来技術の発明に関して、「ＥＬＥＣＴＲＩＣＡＬ ＥＮＥＲＧＹ ＧＥＮＥＲＡＴＯＲ」という名称の特許ＥＳ２２６４６４８Ａ１号では、回転子磁石と固定子コイルの両方が定位置において互いに向かい合って固定され、金属のシャッター・ディスクが回って、発電に必要な磁束の変動を生じさせることが提案されている。このシステムでは、回転子の回転にブレーキをかける起電力がなくなるが、このシステムが有する問題は、上述したシステムと比べてその性能がはるかに低いことである。したがって、はるかに大きく重い機械が必要であり、コストおよび利便性に関連するあらゆる不都合を伴う。

結果として「永久磁石および共振コイルの動きおよび誘導に基づいた電流発生器」は、以下の利点を有する機械を、先行技術に対して与えるものである。
Ａ．コイルと磁石との同心の特別な構成に基づき、磁石回転子と固定子コイルの磁束に応じて、回転子のブレーキ効果が回避される。
Ｂ．当該の共振に関する力を生じさせるまたは誘導する可変磁気源に対して、任意の種類の引張り力またはブレーキ力を伝達することを回避するための共振コイルの構成。

「永久磁石および共振コイルの動きおよび誘導に基づいた電流発生器」を説明するために、永久磁石を含む中実の円形物体を用いて事例を論証するが、その円形物体は、回転子の形態で回転運動を有し、可変磁束にさらされ、具体的には固定子のように配置された固定したコイルのシステム内で回転し、可変磁束が電流に変換される。

回転子は、鋼軸周りに回転するアルミニウムの円形片から構成され、固定子として知られるコイル・システム内で回転子が自由に摩擦なく滑ることができるようにする玉軸受けによって、両端部で固定されている。径方向に配置された３８個の矩形の磁石が、回転子の外周にわたって均等に分配されている。各磁石のＮ極が時計回りに、およびその逆にも同様に回って、回転子の周囲に沿って円形の時計回りの磁束が生成されるように、磁石が配置され、磁束は、磁石の周囲の上縁部をわずかに越えて延びる。

一方で、固定子は、楕円形の環形状の銅部分から構成され、磁石回転子を保持するように設計された内径を有する。この銅片は中空であり、その内側で冷却液が循環できるようにするための入力および出力コネクタを有する。これにより、コイルの温度が３５℃よりも低く保たれることになる。冷却する理由は、以下に記述する偶数回路コイルの共振があることから、誘導によって熱が生じ、銅の電気抵抗を増大させるからである。銅の加熱は、コイル内のエネルギーの生成を低減させ、したがって発生器の効率に影響を与える。したがって、固定子を構成する７６個のコイルは、銅部分の周囲に沿って巻かれ、それによりリングの全面がコイルによって覆われる。コイルをこのように配置する目的は、前記コイルの内側にトロイダル磁束を生成することである。これにより、コイル間でフィードバックが生じて、誘導磁束の相当な増大をもたらし、その結果、生成される電気の量が増大する。

コイルと磁石回転子との間で保つことが必要な空間は、３ミリメートルであることに留意することが重要である。この空間がより大きい場合には、磁石によって生成される磁束がコイルに届かないことから、発生器は機能しない。この空間がより小さい場合には、コイルにおいて生成される磁束の回転方向が、磁石の回転によって生成される可変磁束とは反対であることから、磁石の磁束がコイルの内側に侵入しブレーキ効果を生じる。

固定子の定義を続けると、固定子が含むコイルは、奇数と偶数の２つのグループに分割され得る。したがって、偶数グループの各コイルは、磁石回転子が回転したときに磁石回転子において生成される磁束の可変周波数である２，２１６．６６Ｈｚに調整されたＬＣ回路を生成するためにコンデンサ・バンクと共振する。この周波数は、磁石回転子が回っている毎分回転数（３５００ＲＰＭ）を６０で割り、得られた数に磁極対の数を掛けることによって計算され、磁極対の数はこの事例では３８であり、各磁石が１対の磁極を有することから、磁石の数に対応している。

偶数コイルのトロイダル回路の磁気共振によって生成される強い磁束を単に電気に変換することが奇数グループのコイルの仕事であることから、奇数グループのコイルは共振の中に置かれない。

本発明の理解を助けるために、コイル固定子をトロイダル・トランスと比較することが可能であり、トロイダル・トランスでは、一次コイルは偶数回路の共振コイルであり、二次コイルは奇数回路の非共振コイルである。相違点は、この事例では共振コイルの偶数回路によって生成される高レベルの電気を活用していることである。これにより、発生器によって生成される総エネルギーは、共振コイルの偶数回路によって生成されるエネルギーの合計と、奇数回路または非共振コイルの回路によって生成されるエネルギーの合計との和である。

磁石回転子の駆動装置は、風力タービン、または低電力モータとすることができる。ここで、始動時に回転子が加速して３５００ＲＰＭ（偶数コイル・バンクの共振周波数）に到達するまで、奇数コイルにおいて生成される磁束が偶数コイルに対して１８０°位相がずれて、それにより奇数コイルと偶数コイルが互いに打ち消し合う傾向があることに留意することが重要である。しかし、最適な速度（したがって、最適な周波数）に到達すると、偶数コイル回路は共振に達し、奇数コイルにおいて生成されるものよりもはるかに高いレベルの磁束が、回転子磁石の効果に起因して生成される。したがって、奇数コイルは、偶数回路のスレーブになり、自動的に偶数回路の位相に整合する。

ここまでの記述を補足し、本発明の特徴のよりよい理解を容易にするとともに、本発明の好ましい実施形態を示すために、図面の組が添付されており、それらの図面は本明細書の不可欠な部分であり、例示のみを目的としている。

「永久磁石および共振コイルの動きおよび誘導に基づく電流発生器」の主平面図である。 「永久磁石および共振コイルの動きおよび誘導に基づく電流発生器」の主要断面の正面図である。 磁極の配置およびそれらが生成する磁束の強度の詳細な図を有する回転子の主平面図である。 共振コイルのレイアウトおよび接続部の詳細な図を有する「永久磁石および共振コイルの動きおよび誘導に基づく電流発生器」の主平面図である。 本発明に基づく風力発電機の設置を示す図である。

前述の図では、以下の構成要素が強調表示されている。
１．円形ケース
２．スペーサ
３．固定子
４．コイル
５．入力ピペット
６．出力ピペット
７．回転子
８．中心回転軸
９．ネオジム磁石
１０．固定用ウェッジ
１１．中空、楕円形の銅リング
１２．磁束の強度
１３．共振コイル
１４．コンデンサ
１５．非共振コイル
１６．駆動プロペラ
１７．発生器
１８．遠心クラッチとトランスミッションの組
１９．電気モータ
２０．電気速度制御部
２１．バッテリの組
２２．充電器回路
２３．整流器
２４．パルス充電器
２５．グラフェン・スーパーキャパシタ・バンク
２６．直流バス
２７．コンバータ
２８．出力バス

図１は、風力発電機から電気を生成するために使用される「永久磁石および共振コイルの動きおよび誘導に基づく電流発生器」の好ましい実施形態の一例を示す。また図１は、シャシーの形態である円形ケース（１）内側に発生器をどのように実装するかも示しており、円形ケース（１）は、厚さ１０ｍｍ、直径４００ｍｍの航空宇宙グレードのアルミニウム製であり、固定子（３）を支持するための、同じくアルミニウム製の４つのスペーサ（２）が装着されており、前述した固定子（３）の空間を満たす７６個のコイル（４）のグループを、固定子（３）が保持している。また図１は、コイル・グループ（４）の冷却回路の入力ピペット（５）および出力ピペット（６）も示す。最後に、回転子（７）の構成は、どのように回転子が中心軸（８）周りに回るか、ならびに２５００ガウスの磁力を有する４０×２０×１０ｍｍのネオジム磁石（９）、および磁石を定位置に保持するために必要なアルミニウム・ウェッジ（１０）をどのように保持するかを示す。

図２は、径方向断面の正面図を示す。ここでは、直径２３０ｍｍを有し、周囲に磁石グループ（９）が置かれているアルミニウムの回転子グループ（７）、および角運動を担う直径２２ｍｍの鋼軸（８）の位置を見ることができる。また、冷却液の循環を可能にする中空の楕円形状の銅リング（１１）に巻かれたコイル（４）の組も見ることができる。

図３は、回転子の周囲における磁石（９）の磁極の分配を示すための、回転子（７）の主平面図を表す。磁束の強度（１２）も、正弦曲線または可変曲線の形状で表されている。

最後に、図４は、偶数グループの共振コイル（１３）とそのコンデンサ・バンク（１４）との分配および接続、ならびに偶数グループのコイル（１３）各々と交互に、またはそれらのコイル間に置かれた非共振コイル（１５）のグループの正面図を示す。図では、回転子グループ（７）、および磁石の磁束の強度（１２）の表示、および隣り合う各コイルの内角が整合するように、どのようにコイルが径方向に配置されているか（１３および１５）を見ることもできる。

この好ましい実施形態の目的である特定用途との接続に関して、図５は、本発明から恩恵を受ける風力発電機の図を示しており、本発明は、動作に必要なエネルギーの量が少ないことから、発電機グループのプロペラ（１６）のサイズを小さくすることを可能にする。したがって、本発明の目的である発生器（１７）は、遠心クラッチとトランスミッションの組（１８）を用いて駆動プロペラ（１６）に結合され、かつ、無風のときまたはほぼ無風のときに電気モータ（１９）を用いて発生器（１７）を動作させることを可能にする小型の３ＫＷ電気モータ（１９）に結合されている。前記電気モータは、電気速度制御部（２０）およびバッテリの組（２１）によって電力供給され、それらは充電器回路（２２）によって充電され続け、充電器回路（２２）は、整流器グループ（２３）によって送達される２５ＤＣボルトによって電力供給され、整流器グループ（２３）には、提案される本発明、すなわち発生器の奇数および偶数のコイル・グループのグループからの高周波交流電流が供給される。

バック・コンバータ充電器（２４）は、それぞれグラフェン・スーパーキャパシタ・バンク（２５）に２５Ｖおよび２００Ａを供給する。前記コンデンサは、それぞれ３０００ファラッドの容量を有し、それに対応する出力が、２５Ｖおよび４００Ａの容量を有する直流バス（２６）に接続されており、直流バス（２６）は、１コンバータにつき２３０Ｖａｃおよび５ＫＷの電力を生成する容量を有するインバータ（２７）に接続されており、その結果、出力バス（２８）において１０ＫＷの総電力レベルが得られる。

上記で見てきたように、この提案は、家庭または小規模農場に電力供給するのに充分な電力を生成することができる風力タービンのためのものであり、無風のときまたはほぼ無風のときに発電を停止する従来型の風力タービンの問題を解決する。最後に、バッテリ・バンク（２１）の蓄電容量が増大するにつれて、発生器が稼働し続けることができる時間量がより多くなり、充分な風があるかどうかに依存することが少なくなることに留意する価値がある。

この記述報告は充分であると考えられ、したがって、本発明の範囲、ならびに電気的および／または機械的な力を必要とし得る任意の用途におけるその使用から生じ得る利点を、いかなる当業者も理解することができる。

特定の用途に本発明を適合させるための、本発明の対象である発生器から始まる接続要素、異なる記述された要素を作るように選択された材料、寸法、実装技術、回転子の直径、磁石の数、ならびにコイルおよび／または接続要素の数などは、修正されてもよいが、ただしこの修正が本発明の本質の変更を構成していない場合に限る。

本報告において使用された用語は、広く非排他的に理解されるべきである。

Claims (1)

1. 外部固定子と、前記固定子の内側での回転に基づき可変磁束が生成される永久磁石を含む中実の円形形状を備える内部回転子とを有することを特徴とする「永久磁石および共振コイルの動きおよび誘導に基づく電流発生器」であって、前記固定子は、共振コイルおよびコンデンサが非共振コイル間に置かれた、具体的には、前記回転子の外周を構成する前記磁石から３ミリメートル離れて配置された、固定コイルのシステムから構成されており、前記可変磁束が、以下の要素、すなわち
   Ａ．前記磁石のＮ−Ｓ軸がそれを通る半径に対して垂直であり、前記磁石の前記Ｎ極が回転方向において時計周りを向くように、前記回転子の前記外周に径方向に配置された３８個の矩形の磁石を保持している円形回転子であって、前記固定子の内側での動きを可能にする玉軸受けによって両方の端部で定位置に保持された軸に接合されている円形回転子と、
   Ｂ．中空のリングの形態の固定子であって、前記磁石回転子を保持するのに充分な大きさの内径、冷却液が循環することができるように設計された楕円形状の断面を有し、したがって、前記固定子は、前記冷却剤のための対応する入力および出力ダクトを有し、前記固定子を構成する７６個のコイルが均等に分配されることを保証するように設計された、固定子と、
   Ｃ．前記固定子が含むコイルの構成であって、前記共振コイルおよびコンデンサが前記非共振コイル間に置かれ、それにより各共振コイルがコンデンサ・バンクと合致して、前記磁石回転子が回るときに前記磁石回転子において生成される磁束可変周波数である２，２１６．６６Ｈｚに調整されたＬＣ回路を生成する、コイルの構成と
   の構成に基づいて電気に変換される、電流発生器。

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