JP2020506649A - 極性切換磁気ダイオード - Google Patents

Abstract

極性切換磁気ダイオードは、磁束要素の閉ループ流束回路内に含まれるＮおよびＳ極化した流束をゲート制御または「整流」する方法を提供する。間隙は反対の磁気極性を分離し、戦略的に置かれた制御コイルはデバイスの電気的作動の際に２箇所以上において磁気回路を断つように配置され、反対の極性の高密度流束区域を形成する。制御コイルの磁束を切換えることによって、高密度磁束区域がＮおよびＳ極を交互に生じる。

Description

本発明の分野は、電磁デバイス、すなわち極性切換電磁石および極性切換電磁石を組込むモータである。

背景の記載は、本発明を理解するのに有用であり得る情報を含む。本明細書に提供される情報のいずれも、先行技術であるか現在請求される発明に関連し、または詳細もしくは非明示的に参照されるいずれの公報も先行技術であることを認めるわけではない。

本明細書において特定されるあらゆる公報は、各個々の公報または特許出願が詳細におよび個々に参照として組込まれるべく示されるように、同一の範囲まで参照により組込まれる。組込まれる参照における用語の定義または使用が、本明細書において提供される用語の定義と不一致または反対である場合には、本明細書において提供されるその用語の定義が適用され、参照における用語の定義は適用されない。

磁場および電磁回路は、電気エネルギーを力学的エネルギーへと、および力学的エネルギーを電気エネルギーへと変化させるように用いられることが可能である。最も汎用的な磁気モータが、様々な方法により磁場を作動および非作動にする。

フリン（Ｆｌｙｎｎ）の特許文献１は、複数の平行な磁束経路を提供するための磁極片と磁気的に結合される様々な永久磁気デバイスを教示する。制御コイルは、流束経路に沿って位置し、磁極片内の流束経路を操作することによって、所望の動的および静的デバイスを達成するための様々なオン／オフプログラムにおいて動力を与えられる。しかしながら、フリンのシステムは、磁極片の一部における流束経路を作動および非作動にするに過ぎず、流束経路が非作動である時にはフリンの磁極片の十分な利用を妨げる。

荻野の特許文献２は、作用面と接触面とが永久磁石要素を通じて互いに反対側に保持されるように、接触面を通じて電磁要素の両側に永久磁石要素を配置することによって、エネルギー効率を向上させるモータを教示する。そうした構成によって、電磁石要素が作用面を、永久磁石の磁力線が電磁石要素の閉じた磁気経路に沿って回る第１状態から、永久磁石の磁力線が空気中へと放出される第２状態にシフトさせることが可能であり、磁束力が遠くから引寄部材に影響を与える。しかしながら、荻野のモータは、一方の状態においてしか引寄部材に影響を与えず、モータが「オフ」状態の時には永久磁石の引力を利用できない「オン−オフ」デバイスへと効果的に変化する。

ヒルデンブラント（Ｈｉｌｄｅｎｂｒａｎｄ）の特許文献３は、ボアおよびコイルを備える永久磁石と電磁石との両方を備えるバルブを教示する。ヒルデンブラントのバルブは、電磁石がオンになっている時に組合わさった磁場を負荷に生成するように、電磁石がオフになっている時に磁場が電磁石のボアを通じて負荷から離れて当初の磁束経路に戻るように、永久磁石および電磁石の極を配置する。ヒルデンブラントは永久磁石および電磁石の両方の磁場を単一の力へと組合せているが、ヒルデンブラントの実効極は、電磁石がオンになっている時には負荷に作用することしかできず、これは電磁ロータにおいて用いられる時には通常は時間の５０％に過ぎない。

このようにして、永久磁石からの流束エネルギーと電磁デバイスとを全ての状態において十分に用いるシステム及び方法の必要が依然として存在する。

米国特許第６３４２７４６号明細書 米国特許第６５１８６８１号明細書 米国特許第７４５３３４１号明細書

本発明の主題は、極性切換ダイオードが第１Ｎ極磁束ドナーおよび第１Ｓ極磁束ドナーを備え、その両方が磁束要素に磁気的に結合されている装置を提供する。磁束要素は、第１実効極、第２実効極、および第１間隙を備える。制御コイルは、磁束要素の一部の周りに、好ましくは少なくとも部分的に間隙の周りに巻かれている。本明細書で用いられるように、「磁束要素」は磁束に対する磁気抵抗が空気よりも低い磁気材料または磁化可能材料を含む。

制御コイルは、第１作動磁気状態と第２作動磁気状態とを有する。第１作動磁気状態では、制御コイルは、第１Ｎ極磁束ドナーからのＮ極磁束を磁束要素に沿って第２実効極に向かって方向付け、第１Ｓ極磁束ドナーからのＳ極磁束を磁束要素に沿って第１実効極に向かって方向付ける。第２作動磁気状態では、制御コイルは、第１Ｎ極磁束ドナーからのＮ極磁束を磁束要素に沿って第２実効極に向かって方向付け、第１Ｓ極磁束ドナーからのＳ極磁束を磁束要素に沿って第１実効極に向かって方向付ける。Ｎ極磁束ドナーおよびＳ極磁束ドナー（例えば、永久磁石）は、磁束を第１実効極と第２実効極との両方に提供し、制御コイルの増幅の巻数から単独で達成可能であるよりも高い水準へと磁場密度を増加させる。第１作動磁気状態と第２作動磁気状態との間において制御コイルを切換えることは第１実効極および第２実効極の極性を反転させることが理解される。１つまたは複数の永久磁束ドナーによって提供される流束を完全に制御するように制御コイルによって作り出される必要がある流束量は、典型的には、流束ドナー自身によって提供される流束に等しい。

本明細書において用いられるように、「制御コイル」は、電流が導体材料を通じて流れる時に電磁束が磁束要素内に生成されるように、磁束要素の周りに巻かれている導体材料を含む。制御コイルは、磁束要素の２つ以上の部分の周りに巻かれている導体材料の単一のワイヤ、共通の電源に結合されている磁束要素の２つ以上の部分の周りに巻かれている導体材料の２つ以上のワイヤ、または互いに同期したいくつかの電源に結合されている磁束要素の２つ以上の部分の周りに巻かれている導体材料の３つ以上のワイヤを含む。

Ｎ極磁束ドナーおよびＳ極流束ドナーの構成は、様々に変化可能である。１つの実施形態では、永久磁石は第１Ｎ極磁束ドナーおよび第１Ｓ極磁束ドナーを備える。他の実施形態では、第１永久磁石は第１Ｎ極磁束ドナーを備え、第２永久磁石は第１Ｓ極磁束ドナーを備える。２つ以上の永久磁石が極性切換磁気ダイオードに用いられるとき、第１永久磁石の磁気軸は、好ましくは第２永久磁石の磁気軸にほぼ平行である。この実施形態では、第１永久磁石および第２永久磁石の磁気軸は、制御コイルのボアを通過してもしなくてもよい。

本発明の主題の別の例示的な態様では、第２Ｎ極磁束ドナーは磁束要素に磁気的に結合し、第２Ｓ極磁束ドナーは磁束要素に磁気的に結合されている。企図される磁束要素は、ほぼ直線状であるかほぼ湾曲している。第１作動磁気状態はまた、第２Ｎ極磁束ドナーからのＮ極磁束を第１実効極へと方向付け、第２Ｓ極磁束ドナーからのＳ極磁束を第２実効極へと方向付ける。したがって、第１作動磁気状態では、第１Ｎ極磁束ドナーと第２Ｎ極磁束ドナーとの両方からの磁束が第１実効極に向かって方向付けられ、第１Ｓ極磁束ドナーと第２Ｓ極磁束ドナーとの両方からの磁束が第２実効極に向かって方向付けられる。

磁束要素は、間隙によって分離されている複数の平行な層を備えることも可能である。間隙のうちの１つまたは複数は、制御コイルが第１または第２実効磁気状態にあるかに応じて、Ｎ極およびＳ極の流束を第１実効極および第２実効極に提供する永久磁石を備えることが可能である。有利には、各磁束ドナー（例えば、各永久磁石）は、第１作動磁気状態と第２作動磁気状態との両方において第１実効極または第２実効極に流束を提供する。換言すると、Ｎ極磁束ドナーからのＮ極磁束は第１実効極へと方向付けられ、極性が切換わる時、Ｎ極磁束ドナーからのＮ極磁束は第２実効極へと方向付けられる。

複数の永久磁石は、複数のＮ極磁束ドナーおよびＳ極磁束ドナーに提供されることが可能である。例えば、第１永久磁石は第１Ｎ極磁束ドナーおよび第１Ｓ極磁束ドナーを備え、第２永久磁石は第２Ｎ極磁束ドナーおよび第２Ｓ極磁束ドナーを備える。第１永久磁石の磁気軸は第２永久磁石の磁気軸にほぼ並行であり、第１永久磁石および第２永久磁石の磁気軸は制御コイルのボアを通過する。磁束要素は、好適には、少なくとも部分的に制御コイルの中へと延びている第２間隙を備える。制御コイルを通じて電流が流れていない時、第１間隙および第２間隙は、Ｎ極およびＳ極が制御コイルのボアの内側に磁気回路を完結させることを保証する。制御コイルを通じて電流が流れている時、この構成によってＮ極磁束およびＳ極磁束の十分な整流が得られ、このようにして、いずれかの実効極面におけるＮ極またはＳ極磁束の選択的な表現が得られる。

いくつかの実施形態では、制御コイルは第１実効極と第２実効極とのうちの少なくとも一方の近傍に位置する。本明細書に用いられる、実効極の「近傍」という用語は、実効極の１ｃｍ以内を意味する。好ましくは、間隙の少なくとも一部は、制御コイルの少なくとも一部の中へと延びている。これに加えて、またはこれに代えて、制御コイルは第１Ｎ極磁束ドナーと第１および第２実効極のうちの少なくとも一方との間において磁束経路に沿って磁束要素の周りに巻かれている。

極性切換は、第１作動磁気状態から第２作動磁気状態へと転換するために、制御コイルを通過する電流の反転をもたらすように、例えば、電子またはモータ用途に用いられる任意の既知の切換方法を用いて達成される。

極性切換磁気ダイオードは、Ｎ極磁束ドナーが磁束要素に磁気的に結合されておりＳ極磁束ドナーが磁束要素に磁気的に結合されているモータの中に組込まれることが可能である。磁束要素は、より多くの実効極（例えば、４，６または８までも）を用いることが可能であるが、典型的には、少なくとも第１実効極および第２実効極を備え、第１実効極および第２実効極制御はコイルを通じる電流が切換わる時に切換わる。

４つの実効極（第１、第２、第３、および第４）を備える実施形態では、磁束要素の一部の周りに巻かれている制御コイルは、磁束ドナーからの磁束を異なる実効極へと方向付ける第１作動磁気状態および第２作動磁気状態を有することが可能である。例えば、第１作動状態はＮ極磁束ドナーからのＮ極磁束を磁束要素に沿って第２実効極に向かって方向付け、Ｓ極磁束ドナーからのＳ極磁束を磁束要素に沿って第３実効極に向かって方向付ける。第２作動状態はＮ極磁束ドナーからのＮ極磁束を磁束要素に沿って第１実効極に向かって方向付け、Ｓ極磁束ドナーからのＳ極磁束を双方向磁束経路に沿って第２実効極に向かって方向付ける。

第１Ｎ極磁束ドナーおよび第１Ｓ極磁束ドナーが磁束要素における間隙にある、磁束要素の概略図。 図１Ａの要素と第１作動磁気状態における制御コイルとを有する極性切換磁気ダイオードを示す図。 図１Ｂの極性切換磁気ダイオードの側面図。 磁束要素が第１Ｎ極磁束ドナーと第１Ｓ極磁束ドナーとの間に挟持されている、間隙を有する磁束要素の概略図。 図２Ａの要素と第１作動磁気状態における制御コイルとを有する極性切換磁気ダイオードを示す図。 図２Ｂの極性切換磁気ダイオードの側面図。 第１Ｎ極磁束ドナーおよび第１Ｓ極磁束ドナーが磁束要素における間隙にあり、磁束要素が第２Ｎ極磁束ドナーと第２Ｓ極磁束ドナーとの間に挟持されている、磁束要素の概略図。 図３Ａの要素と第１作動磁気状態における制御コイルとを有する極性切換磁気ダイオードを示す図。 図３Ｂの極性切換磁気ダイオードの側面図。 第１Ｎ極磁束ドナーおよび第１Ｓ極磁束ドナーが磁束要素における間隙にあり、第２Ｎ極磁束ドナーおよび第２Ｓ極磁束ドナーが磁束要素における別の間隙にあり、第３Ｎ極磁束ドナーおよび第３Ｓ極磁束ドナーが磁束要素におけるさらに別の間隙にある、磁束要素の概略図。 図４Ａの要素と第１作動磁気状態における制御コイルとを有する極性切換磁気ダイオードを示す図。 図４Ｂの極性切換磁気ダイオードの側面図。 第１Ｎ極磁束ドナーおよび第１Ｓ極磁束ドナーが磁束要素における間隙にあり、磁束要素は第２Ｎ極磁束ドナーと第２Ｓ極磁束ドナーとの間に挟持されている、湾曲した磁束要素の概略図。 図５Ａの要素と第１作動磁気状態における制御コイルとを有する極性切換磁気ダイオードを示す図。 図５Ｂの極性切換ダイオードの側面図。 第１Ｎ極磁束ドナーおよび第１Ｓ極磁束ドナーが磁束要素における間隙にある、湾曲した磁束要素の概略図。 図６Ａの要素と第１作動磁気状態における制御コイルとを有する極性切換磁気ダイオードを示す図。 図６Ｂの極性切換磁気ダイオードの側面図。 ステータが図６Ｂおよび図６Ｃの極性切換磁気ダイオードを含む、モータの概略図。 極性切換磁気ダイオードであるステータを有するアウトランナーモータの概略図。 代替の極性切換磁気ダイオードステータを有する別のアウトランナーモータを示す図。 極性切換磁気ダイオードである代替のステータを有する別のアウトランナーモータを示す図。 極性切換磁気ダイオードである代替のステータを有する別のアウトランナーモータを示す図。 極性切換磁気ダイオードであるステータを有するアキシャルモータの概略図。 代替の極性切換磁気ダイオードステータを有する別のモータを示す図。 極性切換磁気ダイオードである代替のステータを有する別のモータを示す図。 極性切換磁気ダイオードを備えるステータを有するモータについての別の構成を示す図。 本発明の主題に従う極性切換磁気ダイオードであるステータを有するモータについての別の構成を示す図。 極性切換磁気ダイオードであるステータを有するモータについての別の構成を示す図。 図１４〜図１６の実施形態の側面図。

本発明の主題の様々な対象物、特徴、要素および利点は、同様の数字が同様の構成要素を表す添付の図面に加えて、以下の好ましい実施形態の詳細な説明からより明らかとなる。

以下の説明は、本発明の多くの例示的な実施形態を提供する。各実施形態は発明の要素の単一の組合せを表すが、本発明の主題は開示される要素の全ての可能な組合せを含むように考慮される。このようにして、１つの実施形態がＡ，ＢおよびＣを備え、もう１つの実施形態がＢおよびＤを備える場合、本発明の主題は、明示的に開示されなくとも、Ａ，Ｂ，ＣまたはＤの他の残りの組合せも含むように考慮される。

本明細書における値の範囲の記載は、その範囲内に入る各別々の値を個々に参照する省略表現法として機能することを意図するものに過ぎない。本明細書において特に示されない限り、各個々の値は、本明細書において個々に記載されているように明細書に組込まれる。本明細書に記載される全ての方法は、本明細書に示されるか文脈によって明らかに矛盾しない限り、任意の適切な順序により行われることが可能である。本明細書においてある実施形態に関して提供される任意および全ての例または例示的な言語（例えば、「など」）の使用は、発明をより良く説明することを意図されるに過ぎず、本発明の範囲または請求されるものの限定を述べるのではない。明細書内の言語は、本発明の実施に必須の任意の請求されない要素を意図するとして考慮されない。

文脈が反対のことを述べない限り、本明細書において説明される全ての範囲は、領域の端点および商業的に実用的な値しか含まないように解釈される非限定領域を含むものと解釈される。同様に、値のリストは全て、文脈が反対のことを示さない限り、中間の値を含むと解釈される。

本明細書の説明において、および続く請求項にわたって用いられるように、「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、および「その（ｔｈｅ）」の意味は、文脈が明らかにそうでない場合を示さない限り、複数の参照を含む。さらに、本明細書における記載に用いられるように、「において（ｉｎ）」の意味は、文脈が明らかにそうでない場合を述べない限り、「中に（ｉｎ）」および「上に（ｏｎ）」を含む。

本明細書に記載される発明の代替の要素または実施形態のグループ分けは、限定として考慮されるものではない。各グループの部材は、個々に、またはグループの他の部材もしくは本明細書において見出される他の要素との任意の組合せにおいて、参照または請求されることが可能である。グループの１または複数の部材は、利便性および／または特許性の理由についてのグループに包含され、またはそのグループから削除されることが可能である。任意のそうした包含または削除が行われるとき、記載は、本明細書において、修正されるようにグループを含むと考えられる。

本明細書において用いられるように、また文脈がそうでないことを述べない限り、用語「に結合される」は、直接的な結合（互いに結合される２つの要素が互いに接触する）と間接的な結合（１つ以上の追加の要素が２つの要素間に位置する）との両方を含むように意図される。したがって、用語「に結合される」および「と結合される」は、同義に用いられる。

極性切換磁気ダイオード１０が図１Ａ〜図１Ｃに示される。図１Ａは、制御コイルを伴わない磁束要素１００および永久磁石１２０を示す。磁束要素１００は、第１実効極１１１、第２実効極１１２、および間隙１１０を有する。永久磁石１２０は、第１Ｎ極磁束ドナー１２０Ｎおよび第１Ｓ極磁束ドナー１２０Ｓを有する。第１Ｎ極磁束ドナー１２０Ｎおよび第１Ｓ極磁束ドナー１２０Ｓは、間隙１１０の２つの内面の内側にて磁束要素１００に磁気的に結合されている。

磁束要素１００は、モノリシックおよび薄層状の磁束要素などの、磁束を導くための任意の適切な基盤構造を備えることが可能である。例示的な薄層は、図１Ｃにおいて見られる。薄層状の磁束要素を有する実施形態では、薄層の配向は、好ましくは間隙の平面に平行である。各層間の磁気抵抗および間隙の磁気抵抗が各層内の材料の磁気抵抗よりも大きいので、磁束は、典型的にはＮ流束ドナーおよびＳ流束ドナーから第１実効極および第２実効極に向かって各層内を流れ、磁気回路を完結させる。図１Ａにおける矢印は、制御コイルを伴わないそうした磁気回路における磁束を示す。

磁束要素は、任意の適切な材料、特に、鉄および鉄合金（例えば、鋼、磁鉄鉱、ならびに鉄、ニッケル、コバルト、およびネオジムのうちの１つ以上を含む合金）を含む鉄材料からなることが可能である。いくつかの用途では、非鉄の磁化可能な材料（例えば、コバルト、ニッケル、マンガン−ビスマス、マンガン−アンチモン、およびサマリウム−コバルトの合金）を用いることが望ましい場合がある。電磁リフト、モータ、および牽引型機械では、磁束要素は、好ましくは軟鉄、高性能鉄コバルト合金、または粒子配向された電気鋼を含む。

図１Ｂに示されるように、間隙１１０は、好ましくは少なくとも部分的に制御コイル１８０の中へと延びている。いくつかの実施形態は制御コイル１８０の中へと延びていない間隙を伴わずに機能し得るが、制御コイル１８０の中へと延びている間隙は、ＮおよびＳの流束を互いから切り離すことを容易にする。コイル１８０が、１つの流束極性を受入れ／引張り、その１つの流束極性によって強化される時、図１Ａの各側における２つの流束経路のうちの一方は切り離され、制御コイルによって誘起されることを必要とされる磁力が、反対の実効極における磁力を増す。制御コイル１８０は、第１作動磁気状態および第２作動磁気状態を有する。図１Ｂは、第１作動磁気状態における磁場を示す。制御コイル１８０によって生成される磁場は、第１Ｎ極磁束ドナー１２０Ｎから磁束要素１００に沿って第１実効極１１１に向かって、また第１Ｓ極磁束ドナー１２０Ｓから磁束要素１００に沿って第２実効極１１２に向かって、磁束を方向付け直す。

電流の極性を切換えることは（例えば、スイッチ１９０を用いて）、制御コイル１８０を第２作動磁気状態に切換える。第２作動磁気状態は、Ｎ極磁束を第１Ｎ極磁束ドナー１２０Ｎから磁束要素１００に沿って第２実効極１１２に向かって方向付け、Ｓ極磁束を第１Ｓ極磁束ドナー１２０Ｓから磁束要素１００に沿って第１実効極１１１に向かって方向付ける。有利には、第１実効極と第２実効極との両方は、Ｎ極またはＳ極のいずれかを採用することが可能であり、両方の作動磁気状態において、Ｎ極流束ドナー１２０ＮおよびＳ流束ドナー１２０Ｓの全流束は、第１実効極１１１と第２実効極１１２とのうちの少なくとも一方にそれぞれ付与される。

図２Ａ〜図２Ｃは、永久磁石２３０および２４０が磁束要素２００の底面および頂面にそれぞれ磁気的に結合されている代替の極性切換磁気ダイオードを示す。永久磁石２３０は第１Ｎ極磁束ドナー２３０Ｎとして機能し、永久磁石２４０は第１Ｓ極磁束ドナー２４０Ｓとして機能する。制御コイル２８０（図２Ａに示さず）がオフである時、磁束は第１Ｎ極磁束ドナー２３０Ｎから磁束要素２００に沿って間隙２１０の周りを流れ、矢印によって示されるように第１Ｓ極磁束ドナー２４０Ｓにて磁気回路を完結させる。

図２Ｂは、制御コイル２８０が第２作動磁気状態にある時の極性切換磁気ダイオードをそれぞれ示す。第２作動磁気状態は、Ｎ極磁束を第１Ｎ極磁束ドナー２３０Ｎから磁束要素２００に沿って第２実効極２１２に向かって方向付け、Ｓ極磁束を第１Ｓ極磁束ドナー２４０Ｓから磁束要素２００に沿って第１実効極２１１に向かって方向付ける。

極性切換磁気ダイオード２０の側面図が、図２Ｃに示される。永久磁石２４０のＮ極２４０Ｎが制御コイル２８０の上方に見られ、永久磁石２３０のＳ極２３０Ｓが制御コイル２８０の下方に見られる。図２Ｃはまた、薄層状の磁束要素２００の層も示す。

図３Ａ−図３Ｃに示されるような極性切換磁気ダイオード３０は、永久磁石３２０，３３０および３４０を用いる。永久磁石３２０は、第１Ｎ極磁束ドナー３２０Ｎおよび第１Ｓ極磁束ドナー３２０Ｓを有する。永久磁石３３０のＮ極は、第２Ｎ極磁束ドナー３３０Ｎとして機能し、磁束要素３００の底部に磁気的に結合されている。永久磁石３４０のＳ極は、第２Ｓ極磁束ドナー３４０Ｓとして機能し、磁束要素３００の頂部に磁気的に結合されている。

さらに別の極性切換磁気ダイオード４０が、図４Ａ〜図４Ｃに示される。図４Ｃに示されるように頂部から底部に延びている薄層を有することに加えて、磁束要素４００は水平層４０１，４０２，４０３および４０４をさらに有する。永久磁石４２０，４３０および４４０は、間隙４１０ａ〜４１０ｃに配置されている。Ｎ極磁束ドナー４２０Ｎ，４３０Ｎおよび４４０Ｎは、磁束要素４００に磁気的に結合されている。Ｓ極磁束ドナー４２０Ｓ，４３０Ｓおよび４４０Ｓは、磁束要素４００に磁気的に結合されている。Ｎ極磁束ドナー４２０Ｎおよび４３０Ｎは、互いに面しており、磁束要素４００の層４０２によって分離されている。Ｓ極磁束ドナー４３０Ｓおよび４４０Ｓは、互いに面しており、磁束要素４００の層４０３によって分離されている。制御コイル３８０に電流が通っていない時、磁気回路は矢印によって示されるように完結される。

図４Ｂは、制御コイル４８０が第２作動磁気状態にある時の極性切換磁気ダイオード４０を示す。第２実効極４１２はＮ極性を表し、第１実効極４１１はＳ極性を表す。
図５Ａ〜図５Ｃは、湾曲した磁束要素５００を有する極性切換磁気ダイオードの実施形態を示す。図５Ａは、制御コイル５８０を伴わない磁束要素５００および永久磁石５４０のＮ極面の上面図である。この実施形態では磁束要素５００は、制御コイル５８０の中へと延びている間隙５１０に平行な層を備える。永久磁石５２０は、図５Ｃに示されるように、流束要素５００の間隙５１０に配置されている。Ｎ極磁束ドナー５１０Ｎは間隙５１０の底部にて磁束要素に磁気的に結合されており、Ｓ極磁束ドナー５２０Ｓは間隙５１０の頂部にて磁束要素に磁気的に結合されている。Ｎ極磁束ドナー５３０Ｎは、磁束要素５００の底部に磁気的に結合されており、Ｓ極磁束ドナー５４０Ｓは磁束要素５００の頂部に磁気的に結合されている。図５Ｂおよび図５Ｃでは、制御コイル５８０は第２作動磁気状態にあり、Ｎ極磁束ドナー５２０Ｎおよび５３０Ｎは両方ともＮ極磁束を第２実効極５１２に提供する。Ｓ極磁束ドナー５２０Ｓおよび５４０Ｓは、Ｓ極磁束を第１実効極５１１に提供する。電圧の極性は、スイッチ５９０を用いて切換えられる。

図６Ａは、間隙６１０および永久磁石６２０を有する磁束要素６００を示す。永久磁石６２０は、Ｎ極磁束ドナー６２０ＮおよびＳ極磁束ドナー６２０Ｓが磁束要素６００と磁気的に接触するように、間隙６１０に配置されている。図６Ｂは、第１作動磁気状態における制御コイル６８０を有する極性切換磁気ダイオード６０を示す。Ｎ極磁束は、Ｎ極磁束ドナー５２０Ｎから第１実効極６１１へと方向付けられる。Ｓ極磁束は、Ｓ極磁束ドナー５２０Ｓから第２実効極６１２へと方向付けられる。図６Ｃでは、制御コイル６８０は第２作動磁気状態にある。第１実効極６１１の面はＮ極性を表し、第２実効極６１２の面はＳ極性を表す。磁束要素６００を構成する層または薄層が図６Ｃにおいて見られる。

図７は、極性切換磁気ダイオード７５および７５’をステータとして用いるアキシャルモータを示す。各極性切換磁気ダイオードは、図６Ａ〜図６Ｃに示される実施形態と同一の構成を有し、同様の数字が同様の要素に付与される。好ましい実施形態では、要素７６１および７６２は、非磁化鉄鋼要素であることが可能であり、極性切換磁気ダイオード７０および７０’は、引寄鉄鋼セグメント７６１および７６２などの引寄鉄鋼ロータ部分によってロータ７５０を回転させることが可能である。そうした実施形態では、図７に示される極性は、制御コイル７８０および７８０’のスイッチが入っている時、鉄鋼セグメント７６１および７６２にもたらされる一時的な極性を表すに過ぎない。他の実施形態では、要素７６１および７６２は永久磁石であることが可能であるか、または自身が極性切換ダイオードであることも可能であり、７６１および７６２によって表される磁気経路を通じて交互に引寄せることと反発することによってロータ７５０を回転させる。第１実効極７１１および７１１’は、それぞれＳ極７６１Ｓおよび７６２Ｓを引寄せる。第２実効極７１２および７１２’は、それぞれＮ極７６２Ｎおよび７６１Ｎを引寄せる。

制御コイル７８０および７８０’における電力のスイッチを瞬間的に切ることは、鉄鋼セグメント７６１および７６２が永久磁石である実施形態において、引力がロータ７５０の回転を停止するのを防止することが理解される。制御コイルにおける電流の反転は、引力および斥力の両方が同時に利用されることを可能とする。

鉄鋼要素７６１および７６２が永久磁石でない実施形態では、コイルへの電力のスイッチを切ることは、ロータに対する接続を断ち、ロータが固定点を過ぎて自由回転することを可能とする。そうした鉄鋼要素７６１および７６２は、図に示されるように実効極のうちの１つと位置が合うように整合されているとき、短時間の誘起された極性を有する。鉄鋼要素７６２は分極して示されているが、しかしながら、鉄鋼要素７６２の極性は、鉄鋼要素７６２が位置が合うように整合されているときにしか誘起されない一方、永久磁石は、ステータの極の近傍に接近したとき、ステータコイルのボアの中へ自身の磁場を誘起する。これによって、制御コイルの巻線および鉄鋼要素の極における電気的逆起電力と磁気的逆起電力との両方の形態により貴重なエネルギーが浪費されることになるであろう。それは、いくつかの用途については十分であるが、しかしながら常に好ましいわけではない。永久磁石および窮屈な間隙の代わりに鉄鋼要素または磁気ダイオードを用いることによって、不要な逆起電力を制御コイル７５０の巻線に誘起することなく、高いトルクが達成されることが可能である。好ましい実施形態では、鉄鋼要素７６１および７６２は、それ自身、必要に応じて自身の極性を反転させるか完全に消すことができる磁気ダイオードである。

直前の実施形態におけるように、制御コイル７８０および７８０’は、単一の制御コイルまたは複数の制御コイルとして配線されてよい。
図８は、極性切換磁気ダイオード８５をステータとして用いるアウトランナーモータを示す。磁束要素８００は実効極８１１，８１２，８１３および８１４を有する。永久磁石８２１，８２２，８２３および８２４は、間隙８１０に配置され、磁束要素８００に磁気的に結合されている。制御コイル８８０は、少なくとも部分的に実効極８１１，８１２，８１３および８１４の近傍の間隙８１０の周りに巻かれている。制御コイル８８０が第１作動磁気状態にある時、Ｎ極磁束は永久磁石８２１および８２４のＮ極から実効極８１４に向かって方向付けられ、Ｓ極磁束は永久磁石８２１および８２２のＳ極から実効極８１１に向かって方向付けられる。Ｎ極磁束はまた、永久磁石８２２および８２３のＮ極から実効極８１２に向かって方向付けられ、Ｓ極磁束は永久磁石８２３および８２４のＳ極から実効極８１３に向かって方向付けられる。実効極８１１，８１２，８１３および８１４の極性を制御することによって、ロータ８５０が回転する。

理想的には、ロータ８５０（または例示的な実施形態における他のロータのいずれも）は、４つの実効極を有する４つのダイオードの内側ステータについて、８または他の何らかの４の倍数の極を有する。示されるロータは、外部ロータの概念を表すように婉曲的に示される。同様に、内側ステータにある極の数は、任意の偶数の実効極に増加することが可能であり、一般にステータおよびロータの直径によって制限される。ロータは、重要な極に永久磁石またはダイオードを有することも可能である。インランナーおよびアウトランナー型の両方は、鉄鋼部材によって形成される同一の単一流束回路を共有する、任意の偶数のダイオードおよび実効極を有することが可能である。

アウトランナーモータの別の実施形態が図９に示される。ステータ９５は、間隙９１０を有する磁束要素９００を備える。永久磁石９３１，９３２，９３３および９３４は、自身のＮ極を介して磁束要素９００に磁気的に結合されている。永久磁石９４１，９４２，９４３および９４４は、自身のＳ極を介して磁束要素９００に磁気的に結合されている。間隙９１０は、制御コイル９８０の中へと少なくとも部分的に延びている。図９に示される作動磁気状態では、制御コイル９８０はＮ極磁束を永久磁石９３１および９３２から実効極９１２に向かって、永久磁石９３３および９３４から実効極９１４に向かって、方向付ける。制御コイル９８０はまた、Ｓ極磁束を永久磁石９４１および９４４から実効極９１１に向かって、永久磁石９４２および９４３から実効極９１３に向かって、方向付ける。実効極９１１〜９１４からの磁束とロータ９５０における磁気要素との間の相互作用によって、ロータ９５０が回転する。

図１０Ａおよび図１０Ｂに示されるアウトランナーモータは、ロータ１０５０とステータ１０５とを備える。ステータ１０５は、間隙１０１０を有する磁束要素１０００を有する極性切換磁気ダイオードを含む。永久磁石１０３２および１０３４は、Ｎ極磁束ドナーとして作用する自身のＮ極を介して磁束要素１０００に磁気的に結合されている。永久磁石１０４１および１０４３は、Ｓ極磁束ドナーとして作用する自身のＳ極を介して磁束要素１０００に磁気的に結合されている。間隙１０１０は、ＮおよびＳ極磁束を方向付ける各制御コイル１０８０の中へと少なくとも部分的に伸びている。

図１０Ａに示される作動磁気状態では、各制御コイル１０８０は、Ｎ極磁束を永久磁石１０３４および１０３２から時計回りに実効極１０１１および１０１３に向かってそれぞれ方向付ける。この磁気状態では、各制御コイル１０８０はまた、Ｓ極磁束を永久磁石１０４１および１０４３から時計回りに実効極１０１２および１０１４に向かってそれぞれ方向付ける。図１０Ｂに示されるように、制御コイル１０８０における電流が反対の磁気状態へと切換えられている時、各制御コイル１０８０は、実効極１０１１および１０１３を実効Ｓ極へと、実効極１０１２および１０１４を実効Ｎ極へと切換える、反対のやり方で磁束を方向付ける。

図１１は、ステータ１１５および内側ロータ１１５０を有する代替のモータを示す。この実施形態では、磁束ドナーはステータ１１５の磁束要素１１００に磁気的に結合されており、ステータの実効磁気極は制御コイル１１８０の電流に応じて切換わる。ステータ１１００は、複数の間隙、すなわち間隙１１１０ａ，間隙１１１０ｂ，間隙１１１０ｃおよび間隙１１１０ｄを有する。間隙の各々は、低い磁気抵抗の経路が実効極に向かって永久磁石１１３１，１１３２，１１３３，１１３４，１１４１，１１４２，１１４３および１１４４の各々から流れることを保証する。永久磁石１１４１，１１４２，１１４３および１１４４はＮ極磁束ドナーとしてステータ１１００に各々磁気的に結合され、永久磁石１１３１，１１３２，１１３３および１１３４はＳ極磁束ドナーとしてステータ１１００に各々磁気的に結合されている。

示される作動磁気状態では、各制御コイル１１８０は、永久磁石１１４１および１１４４からのＮ極磁束を時計回りに実効極１１１１に向かって、永久磁石１１４２および１１４３からのＮ極磁束を時計回りに実効極１１１３に向かって、永久磁石１１３１および１１３２からのＳ極磁束を時計回りに実効極１１１２に向かって、永久磁石１１３３および１１３４からのＳ極磁束を時計回りに実効極１１１４に向かって、方向付ける。各制御コイル１１８０における電流が切換わる時、磁束が反時計回りの方向に流れるように、実効極もまた切換わる。

図１２は、ステータ１２５の磁束要素１２００が複数の間隙１２１０ａ，１２１０ｂ，１２１０ｃおよび１２１０ｄを有し、間隙の各々が、Ｎ極磁束ドナーとＳ極磁束ドナーとの両方として作用する永久磁石１２２１，１２２２，１２２３および１２２４をそれぞれ備える、さらに別の代替のモータの実施形態を示す。示される作動磁気状態では、永久磁石１２２１および１２２２は時計回りの方向に実効極１２１２に向かって方向付けられるＮ極磁束を提供し、永久磁石１２２３および１２２４は時計回りの方向に実効極１２１４に向かって方向付けられるＮ極磁束を提供し、永久磁石１２２１および１２２４は時計回りの方向に実効極１２１１に向かって方向付けられるＳ極磁束を提供し、永久磁石１２２２および１２２３は時計回りの方向に実効極１２１３に向かって方向付けられるＮ極磁束を提供する。各制御コイル１２８０における電流が反転する時、磁束は反時計回りの方向に流れ、実効極を切換える。

図１３はまた、ステータ１１００の間隙と類似する複数の間隙を有するステータ１３５の磁束要素１３００を備える、さらに別の代替のモータの実施形態を示すが、しかしながら、各実効極１３１１，１３１２，１３１３および１３１４の両側に磁気的に結合されている永久磁石の代わりに、永久磁石１３３１，１３３２，１３３３，１３３４，１３４１，１３４２，１３４３，および１３４４が、ＮおよびＳ極磁束を提供するように、間隙の両側に各々磁気的に結合されている。各々の実効極は、第１作動磁気状態において時計回りに、第２作動磁気状態において反時計回りに磁束を方向付ける制御コイル１３８０を有する。

図１２、図１３および図１６における代替のモータの実施形態は、磁束ドナーがステータの外周の任意の部分に磁気的に結合されている限り（間隙内に結合されていても）、磁束は、ステータ自身の磁束要素材料によって形成される低い磁気抵抗の経路の部分の周りに巻かれている制御コイルを用いて方向付けられることが可能である。

図１４は、ステータ１４５および１４５’によって両側において囲まれているシャフト１４５０およびロータ１４６０を有する代替のモータを示し、ステータ１４５および１４５’の各々は極性切換ダイオードとして構成されている。磁束要素１４００は、図４の磁束要素１４００と同様に、Ｎ極磁束とＳ極磁束との両方を提供するように、間隙１４１０の２つの内面に結合されている永久磁石１４２０を有する間隙１４１０を有する。しかしながら、ここで制御コイル１４８０は、永久磁石１４２０の両側の周りに巻かれている。いくつかの実施形態では、制御コイル１４８０は、永久磁石１４２０の片側の周りにしか巻かれない。示される作動状態では、制御コイル１４８０は、Ｎ極磁束を時計回りに実効極１４１１に向かって、Ｓ極磁束を時計回りに実効極１４１２に向かって、方向付ける。制御コイル１４８０についての電流が反転する時、磁束の流れも反転する。磁束要素１４００’は、磁束要素１４００と類似し、間隙１４１０’、永久磁石１４２０’、ならびに実効極１４１１’および１４１２’を有する。

図１５に示されるモータは、ステータ１５５および１５５’によって両側において囲まれているシャフト１５５０およびロータ１５６０を有し、ステータ１５５および１５５’の各々は極性切換ダイオードとして構成されている。磁束要素１５００は間隙１５１０を有する。永久磁石１５３０および１５４０は、Ｎ極磁束およびＳ極磁束を提供するように、それぞれ磁束要素１５００に結合されている。制御コイル１５８０は、永久磁石１５３０および１５４０の両側において、磁束要素１５００と間隙１５１０の少なくとも一部との周りに巻かれている。示される作動状態では、制御コイル１５８０は、Ｎ極磁束を時計回りに実効極１５１２に向かって、Ｓ極磁束を反時計回りに実効極１５１１に方向付ける。制御コイル１５８０についての電流が反転する時、磁束の流れも反転する。磁束要素１５００’は、磁束要素１５００と類似し、間隙１５１０’、永久磁石１５３０’および１５４０’、ならびに実効極１５１１’および１５１２’を有する。

図１６は、ステータ１６５および１６５’によって両側において囲まれているシャフト１６５０およびロータ１６６０を有する代替のモータを示し、ステータ１６５および１６５’の各々は極性切換ダイオードの特性を含むように構成されている。磁束要素１６００は、Ｎ極磁束とＳ極磁束との両方を提供するように、間隙１６１０の２つの内面に結合されている永久磁石１６２０を有する間隙１６１０を有する。示される作動磁気状態では、制御コイル１６８０は、永久磁石１６２０からのＮ極磁束を実効極１６１２に向かって、永久磁石１６２０からのＳ極磁束を実効極１６１１に向かって方向付ける。磁束要素１６００’は、磁束要素１６００と類似し、間隙１６１０’、永久磁石１６２０’、ならびに実効極１６１１’および１６１２’を有する。

図１６における代替の磁束ダイオード構成は、磁束を方向付けるために制御コイル１６８０が、必ずしも実効極の周りに巻かれることを要しないことと、一方向または別の方向に磁束を方向付けるように全流束経路の周りに巻かれる代わりに間隙を通じて巻かれることによって磁束を方向付けることが可能であることとを示す。

図１４〜図１６に示される実施形態の側面図が図１７に示される。制御コイル１７８０および実効極１７１２は、ステータ１７５の側面図において見られる。ロータ１７６２およびシャフト１７５０も見られる。

開示される技術は、両極を強化するのに用いられる永久磁石を有する電磁石の極性を切換える能力を含む、多くの有利な技術的効果を提供する。電磁石のコアにおける間隙は、永久磁石からの磁束により各極における磁束を強化するように、電力制御コイルと併せて用いられる。図１４〜図２６に示される極性切換磁気ダイオードおよびステータモータを有するように用いられることが可能なロータの構成は多数である。１つの好ましい実施形態は、図８〜図１０に示されるものなど、例示的なロータと例示的なステータを対にする。そうした実施形態では、内部の複数極ダイオードベースのロータは、電源に結合されている軽度の接触により電力を供給されることが可能である。

切換可能極性磁気ダイオードは永久磁石の流束を利用し、一方で、デバイスによって消費される電力は、永久磁石によって供給される流束を実効極に向かって制御／方向付けるために必要とされるエネルギー量にまでしか最小化され得ない。流束を制御する特有の方法によって、作用面における総計の磁束線が永久磁石または制御磁石の流束のうちのいずれかと個々に比較して２倍（２００％）であることが可能であるように、コイル誘起された流束と永久磁石の流束との両方が常にともに作用することが可能となる。増幅の巻数ごとの高い「永久磁石のような」保持／引込電力を必要とする任意の磁気用途において、動作の優れた節約を提供する。そうしたダイオードは、パルス化された磁場または交互の極性を生成するための「オン−オフ切換」を用いる、また高密度または交互のＮ／Ｓ極性磁場を生成するための「反転可能極性切換」用途に対して特に適用可能である用途に用いられることも可能である。

すでに説明された修正に加えて、はるかに多くの修正が、本明細書における発明の概念から逸脱することなく可能であることが、当業者には明らかである。したがって、本発明の主題は、添付の請求項の趣旨におけるものを除いて制限されるものではない。さらに、明細書と請求項との両方を解釈する際に、全ての用語は、文脈と矛盾せずに最も広く可能であるように解釈される。特に、用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、排他的でないように要素、構成要素、または工程を参照するように解釈され、参照される要素、構成要素、または工程が存在するか利用され、または明確に参照されない他の要素、構成要素、もしくは工程と組合わされることを示す。明細書、請求項がＡ，Ｂ，Ｃ・・・およびＮからなるグループから選択されるもののうちの１つ以上を参照する場合、本文はＡプラスＮ、またはＢプラスＮなどからの１つの要素しか必要としないと解釈される。

Claims (14)

1. 極性切換磁気ダイオードにおいて、
   磁束要素に磁気的に結合されている第１Ｎ極磁束ドナーおよび前記磁束要素に磁気的に結合されている第１Ｓ極磁束ドナーであって、前記磁束要素は、第１実効極、第２実効極、第１間隙、前記Ｎ極磁束ドナーから前記第１間隙に沿って前記第１実効極までの第１磁束経路、前記Ｎ極磁束ドナーから前記第１間隙に沿って前記第２実効極までの第２磁束経路、前記Ｓ極磁束ドナーから前記第１間隙に沿って前記第１実効極までの第３磁束経路、および前記Ｓ極磁束ドナーから前記第１間隙に沿って前記第２実効極までの第４磁束経路を備える、第１Ｎ極磁束ドナーおよび第１Ｓ極磁束ドナーと、
   制御コイルであって、前記第１間隙が少なくとも部分的に前記制御コイルの中へと延びているように前記磁束要素の一部の周りに巻かれており、第１作動磁気状態および第２作動磁気状態を有する制御コイルと、を備え、
   前記第１作動磁気状態は、前記第１Ｎ極磁束ドナーからのＮ極磁束を前記第１磁束経路に沿って前記第１実効極に向かうように方向付けるとともに、前記第１Ｓ極磁束ドナーからのＳ極磁束を前記第４磁束経路に沿って前記第２実効極に向かうように方向付け、
   前記第２作動磁気状態は、前記第１Ｎ極磁束ドナーからのＮ極磁束を前記第２磁束経路に沿って前記第２実効極に向かうように方向付けるとともに、前記第１Ｓ極磁束ドナーからのＳ極磁束を前記第３磁束経路に沿って前記第１実効極に向かうように方向付ける、極性切換磁気ダイオード。
2. 永久磁石が前記第１Ｎ極磁束ドナーと前記第１Ｓ極磁束ドナーとを備える、請求項１に記載の極性切換磁気ダイオード。
3. 第１永久磁石が前記第１Ｎ極磁束ドナーを備え、
   第２永久磁石が前記第１Ｓ極磁束ドナーを備える、請求項１に記載の極性切換磁気ダイオード。
4. 前記第１永久磁石の磁気軸は前記第２永久磁石の磁気軸にほぼ平行であり、前記第１永久磁石のＮ極磁束および前記第２永久磁石のＳ極磁束は、前記制御コイルのボア内において磁気回路を完結させるように延びている、請求項３に記載の極性切換磁気ダイオード。
5. 前記磁束要素に磁気的に結合されている第２Ｎ極磁束ドナーと、
   前記磁束要素に磁気的に結合されている第２Ｓ極磁束ドナーと、をさらに備え、
   前記第１作動磁気状態はさらに、前記第２Ｎ極磁束ドナーからのＮ極磁束を前記第１実効極へと方向付け、前記第２Ｓ極磁束ドナーからのＳ極磁束を前記第２実効極へと方向付ける、請求項１に記載の極性切換磁気ダイオード。
6. 前記磁束要素は、間隙によって分離されている複数の平行な層を備える、請求項５に記載の極性切換磁気ダイオード。
7. 第１永久磁石が、前記第１Ｎ極磁束ドナーと前記第１Ｓ極磁束ドナーとを備え、
   第２永久磁石が、前記第２Ｎ極磁束ドナーと前記第２Ｓ極磁束ドナーとを備え、
   前記第１永久磁石の磁気軸は、前記第２永久磁石の磁気軸にほぼ平行であり、
   前記第１永久磁石の前記磁気軸および前記第２永久磁石の前記磁気軸は、前記制御コイルのボア内において磁気回路を完結させるように延びている、請求項５に記載の極性切換磁気ダイオード。
8. 前記磁束要素は少なくとも部分的に前記制御コイルの中へと延びている第２間隙を備え、前記第１永久磁石および前記第２永久磁石は前記第１間隙および前記第２間隙にそれぞれ配置されている、請求項７に記載の極性切換磁気ダイオード。
9. 前記磁束要素はほぼ直線状である、請求項１に記載の極性切換磁気ダイオード。
10. 前記磁束要素はほぼ曲線状である、請求項１に記載の極性切換磁気ダイオード。
11. 前記制御コイルは、前記第１実効極と前記第２実効極とのうちの少なくとも一方の近傍に位置する、請求項１に記載の極性切換磁気ダイオード。
12. 前記制御コイルは、前記第１Ｎ極磁束ドナーと前記第１実効極および前記第２実効極のうちの少なくとも一方との間における磁束経路に沿って前記磁束要素の周りに巻かれている、請求項１に記載の極性切換磁気ダイオード。
13. 前記制御コイルを通過する電流を反転させるスイッチをさらに備え、前記スイッチは前記第１作動磁気状態から前記第２作動磁気状態へと前記制御コイルの転換を行う、請求項１に記載の極性切換磁気ダイオード。
14. 極性切換磁気ダイオードにおいて、
    磁束要素に磁気的に結合されているＮ極磁束ドナーおよび前記磁束要素に磁気的に結合されているＳ極磁束ドナーであって、前記磁束要素は、第１実効極、第２実効極、第３実効極、第４実効極、第１間隙、第２間隙、第３間隙、前記Ｎ極磁束ドナーから前記第１間隙に沿って前記第１実効極までの第１磁束経路、前記Ｎ極磁束ドナーから前記第２間隙に沿って前記第２実効極までの第２磁束経路、前記Ｓ極磁束ドナーから前記第３間隙に沿って前記第３実効極までの第３磁束経路、および前記Ｓ極磁束ドナーから前記第２間隙に沿って前記第２実効極までの第４磁束経路を備える、Ｎ極磁束ドナーおよびＳ極磁束ドナーと、
    前記磁束要素の一部の周りに巻かれている制御コイルと、を備え、
    前記制御コイルは第１作動磁気状態および第２作動磁気状態を有し、
    前記第１作動磁気状態は、前記Ｎ極磁束ドナーからのＮ極磁束を前記第２磁束経路に沿って前記第２実効極に向かうように方向付けるとともに、前記Ｓ極磁束ドナーからのＳ極磁束を前記第３磁束経路に沿って前記第３実効極に向かうように方向付け、
    前記第２作動磁気状態は、前記Ｎ極磁束ドナーからのＮ極磁束を前記第１磁束経路に沿って前記第１実効極に向かうように方向付けるとともに、前記磁束要素からのＳ極磁束を前記第４磁束経路に沿って前記第２実効極に向かうように方向付ける、極性切換磁気ダイオード。

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