JP2020529185A - 複数の交互の磁気回路を提供する回転子を有するジェネレータ - Google Patents

Abstract

ジェネレータは、一連のギャップを横切りジェネレータ・コイルを通じる磁気回路を完成させる永久磁石を有する固定子を備える。回転子は、また、ギャップを横切り回転子コイルを通じる磁気回路を完成させる永久磁石を備える。回転子極が固定子極と位置整合するとき、固定子磁気回路および回転子磁気回路は遮断され、固定子極と回転子極との間のギャップを横切る新たな磁気回路が固定子永久磁石と回転子永久磁石との間に完成する。回転子コイルは、回転子磁石と固定子磁石との間の吸引／反発を高めるように用いられることが可能である。原動力によって回転子が回転するにつれ、これらの磁気回路が交替することによって、電気が発生する。

Description

本発明は、複数の交互の磁気回路の間の切替を行うように回転子界磁コイルおよび回転子磁石を用いて効率を向上させる、電磁ジェネレータの分野に関する。

この背景の記載は、本発明の理解に有用で有り得る情報を含む。本明細書において提供される情報のいずれについても先行技術であることもしくは本出願の特許請求の範囲に記載の発明に関連していることを認めるものではなく、具体的にまたは非明示的に参照されるいずれの刊行物についても先行技術であることを認めるものではない。

アーマチャ・コイルに磁束を提供するために固定子によって永久磁石が利用されている交流ジェネレータには、多くの欠点が存在する。外部負荷がジェネレータに対し接続されるとき、すなわち、外部負荷が変化するときに端子電圧を維持することは、技術的に困難である場合がある。これに加えて、永久磁石からの磁束のうちの多くは、磁石を利用する従来のジェネレータの動作中に使用されていない。

これらの課題に対処するために、ジマーマン（Ｚｉｍｍｅｒｍａｎ）の特許文献１には、端子電圧を維持するための界磁コイルを備えるジェネレータが開示されている。ジマーマンの固定子は、２組の複数の環状積層体を備え、それらの組のうちの１つは、各積層物から除去されている２つの角度部分へ挿入されて同じ極同士が互いに対向するように配向されている２つの永久磁石を有する。磁束反転多極回転子は、回転子の連続する歯部が固定子の連続する極に位置整合するとき、アーマチャの巻線を通過する磁束の磁束反転スイッチとして働く。外部負荷がジェネレータに接続されている場合、界磁コイルの励起によって端子電圧が維持される。しかしながら、ジマーマンの磁束経路は回転子を通じて延びるとともに固定子の周りに延びているので、ジマーマンは、固定子の永久磁石からの磁束を効率的に使用できていない。

特許文献２において、フリン（Ｆｌｙｎｎ）は、増加した電力密度および効率を有する電気機械装置を開示している。フリンの電気機械装置は、交互の固定子セグメントと永久磁石とから構成された固定子を有する。フリンの回転子シャフトが外部の原動力によって回転される場合、フリンのブリッジおよび極巻電気機械装置は、エアギャップおよび磁気抵抗ギャップの制御コイルを有する磁気抵抗ブリッジを有する固定子セグメントを有するジェネレータとして機能する。しかしながら、フリンの電気機械装置では、動力を提供することなくコギングトルクが減少されるのみである。

したがって、複数の交互の磁気経路を利用して、エネルギー効率のよい方式により回転子を通じるトルクを生成するとともに固定子を通じる電気を生成する、ジェネレータの必要性が依然として存在する。

米国特許第２８１６２４０号明細書 米国特許出願公開第２００８／０２７２６６４号明細書

本発明の主題によって、複数の磁気回路を交互に生じさせるように固定子におけるギャップおよび固定子極と回転子極との間のギャップを用いて電気を発生させるジェネレータが提供される。１つの磁気回路は、固定子磁石対同士を接続し、固定子を通じて延びている。該固定子は、ジェネレータ・コアの周りに巻かれているジェネレータ・コイルの両端にギャップを備える。これに代わる磁気回路は、ジェネレータの動作中に回転子極と固定子極とが実質的に位置整合すると、固定子磁石および回転子磁石を接続し、回転子極と固定子極との間のギャップを横切る。

本発明の主題による固定子は、第１固定子極および第２固定子極をそれぞれ有する、第１磁束要素および第２磁束要素を備える。第１磁束ドナー（例えば、永久磁石）は、第１極性を有する磁束を第１磁束要素に供与する。第２磁束ドナー（例えば、永久磁石）は、第１極性とは反対の第２極性を有する磁束を第２磁束要素に供与する。第１磁束要素は、第１ギャップを横切りジェネレータ・コアの第１端に対し磁気的に結合されており、第２磁束要素は、第２ギャップを横切りジェネレータ・コアの第２端に対し磁気的に結合されている。随意で、固定子は、ジェネレータ・コアの第１端および第２端に対し磁気的に結合される磁束ヨークを備えてよい。

例示的な一実施形態では、回転子は、第１回転子極および第２回転子極を有する第３磁束要素を備える。回転子コイルは、第３磁束要素の周りに巻かれている。第３磁束要素は、少なくとも部分的には回転子コイル内に配置されている、第３ギャップを備える。第３磁束ドナーおよび第４磁束ドナーは、第３ギャップおよび回転子コイルの対向する側の第３磁束要素に、それぞれ第２極性および第１極性を有する磁束を供与する。第３磁束ドナーは、第２極性を有する磁束を第１回転子極に近い第３磁束要素に供与し、第４磁束ドナーは、第１極性を有する磁束を第２回転子極に近い第３磁束要素に供与する。

回転子が回転すると、第１回転子極が第１固定子極と位置整合することによって、第１ギャップの磁気抵抗未満の磁気抵抗を有する第４ギャップが生じる。第１回転子極が第１固定子極と位置整合することによって、磁気抵抗がより小さい経路が生じるので、第１磁束ドナーからの磁束は、第３磁束ドナーからの磁束とともに第４ギャップを横切る磁気回路を完成させる。第１回転子極と第１固定子極とが位置整合するときに回転子コイルを電流が通ることによって、第３磁束ドナーからの磁束に磁束が加わることによって、トルクが増強される。

第１磁束ドナーと第３磁束ドナーとの間の磁気回路は、第１回転子極が回転して第１固定子極から離れると、遮断される。第１磁束ドナーからの磁束は、第２磁束ドナーとともに磁気回路を完成させるように、第１磁束要素を通り、第１ギャップを横切り、ジェネレータ・コアおよびジェネレータ・コイルを通じて、第２ギャップを横切り、第２磁束要素を通る。したがって、回転子が回転すると、ジェネレータ・コイルを通じる磁束が変化し、交流電流が発生する。

固定子は、ジェネレータ・コアの第１端および第２端に磁気的に結合する磁束ヨークをさらに備えてよい。
別の実施形態では、第３磁束ドナーおよび第４磁束ドナーは、第３ギャップ内に配置されている永久磁石を備える。回転子コイルは、第１極性の磁束を第１回転子極に向け、第２極性の磁束を第２回転子極へ向ける。

固定子および回転子は、各々奇数個の極対を備えてよいことが認められる。
本発明の主題の様々な目的、特徴、態様、および利点は、同様の数字が同様の構成要素を表す添付図面の図とともに、以下の好ましい実施形態の詳細な記載から、より明らかとなるであろう。

固定子の断面図。 回転子の断面図。 回転軸に沿って見下ろしたジェネレータを示す図。 固定子極と回転子極とが実質的に位置整合するときに形成される磁気回路を示す図。 別の実施形態の回転子を有するジェネレータの断面図であり、第１磁気回路を示す図。 図２Ａのジェネレータおよび第２磁気回路を示す図。

本明細書において特定されたすべての刊行物は、各個別の刊行物または特許出願が参照によって組み込まれることを具体的に、かつ、個別に示されるかのように同程度に、参照によって組み込まれる。組み込まれた参照内の用語の定義または用法が、本明細書において提供されるその用語の定義と矛盾するまたは相反する場合、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、その参照内のその用語の定義は適用されない。

以下の説明では、本発明の主題の多くの例の実施形態が提供される。各実施形態は、発明要素の１つの組み合わせを表現しているが、本発明の主題は、開示の要素の全ての可能な組み合わせを含むものとみなされる。したがって、１つの実施形態が要素Ａ，ＢおよびＣを備え、第２の実施形態が要素Ｂ，Ｄを備える場合、明示的に開示されていない場合であっても、本発明の主題は、Ａ，Ｂ，ＣおよびＤの他の残る組み合わせも含むとみなされる。

本明細書に記載のジェネレータは、複数の交互の磁気回路を用いて交流を効率的に発生させる。図１Ａには、固定子１００の例示的な一実施形態を示す。固定子１００は、第１固定子極１１１、第２固定子極１２２をそれぞれ有する、第１磁束要素１１０，１２０を備える。磁束ドナー１０１，１０２が、それぞれ磁束要素１１０，１２０に磁気的に結合している。第１磁束要素１１０は、ギャップ１０を横切りジェネレータ・コア１４０の第１端１４１に磁気的に結合し、第２磁束要素１２０は、ギャップ２０を横切りジェネレータ・コア１４０の第２端１４２に磁気的に結合する。ジェネレータ・コイル１４５は、ジェネレータ・コア１４０の周りに巻かれている。図１Ａに示されているように、磁束ドナー１０１は、磁束ドナー１０２とともに固定子磁気回路を完成させる。固定子磁気回路は、第１磁束要素１１０を通じ、ギャップ１０を横切り、ジェネレータ・コア１４０およびジェネレータ・コイル１４５を通じ、ギャップ２０を横切り、磁束要素１２０を通じて延びている。固定子は、随意で磁束ヨーク１６０を備えることが可能である。

図１Ｂには、回転子１５０を示す。回転子１５０は、少なくとも部分的には回転子コイル１３５内に配置されているギャップ３０を有する、第３磁束要素１３０を備える。第３磁束要素１３０は、第１回転子極１３１および第２回転子極１３２をそれぞれ有する。第３磁束ドナー１０３および第４磁束ドナー１０４は、第３磁束要素１３０に磁気的に結合する。第３磁束ドナー１０３および第４磁束ドナー１０４からの磁束は、第３磁束要素１３０を通じギャップ３０を横切る回転子磁気回路を完成させる。

図１Ｃには、回転軸に沿って見下ろしたジェネレータを示す。固定子１００は、６対の固定子極を有する。回転子１５０は、４対の回転子極を有する。回転子１５０が回ると、図１Ｃの軸１７０に沿って示されるように、また図１Ｄに示されるように、第１回転子極１３１は、第１固定子極１１１と実質的に位置整合する。本明細書において用いられるところでは、用語「実質的に位置整合する（“ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ ａｌｉｇｎｅｄ”）」は、第１回転子極１３１と第１固定子極１１１との間のギャップ４０がギャップ１０，２０，３０よりも小さな磁気抵抗しか有しない結果、固定子磁気回路および回転子磁気回路が遮断されることを意味する。したがって、第１回転子極１３１と第１固定子極１１１とが実質的に位置整合するとき、磁束ドナー１０１，１０３は、固定子極１１１、ギャップ４０、および回転子極１３１を通る、代わりの磁気回路を完成させる。同様に、磁束ドナー１０２は、磁束ドナー１０４とともに代わりの磁気回路を完成させる。回転子コイル１３５を通じて電流を印加することによって、これらの回路を通じる磁束を増強させることが可能である。回転子コイル１３５を通じる電流のオンおよびオフのタイミングは、回転子の運動量を増加させるように設定されることが理解される。

回転子が回転を続けるにつれ、回転子極と固定子極との間のギャップ４０を横切る磁気抵抗が増大し、この代わりの磁気回路は遮断され、固定子磁気回路および回転子磁気回路が再形成される。軸１８０（図１Ｃ）に沿って、回転子極は、最も近い２つの固定子極の間のほぼ中間にある。

本発明の主題による回転子の別の例示的な実施形態は、図２Ａにおいて示されている。回転子２５０は、ギャップ３０を有する第３磁束要素２３０を備える。第３磁束ドナー２０３および第４磁束ドナー２０４は、ギャップ３０内に配置されている。回転子コイル２３５は、磁束要素２３０の周りに巻かれており、ギャップ３０は、少なくとも部分的には回転子コイル２３５の中へ、回転子極２３１，２３２の両方に向かって延在する。

固定子２００は、第１固定子極２１１および第２固定子極２２２をそれぞれ有する第１磁束要素２１０，２２０を備える。磁束ドナー２０１，２０２は、それぞれ磁束要素２１０，２２０に磁気的に結合する。

また図２Ａには、回転子極２３１，２３２がそれぞれ固定子極２１１，２２２と実質的に位置整合するときに形成される磁気回路を示す。第１回転子極２３１が第１固定子極２１１に向かって回転すると、回転子コイル２３５に電流が印加され、第３磁束ドナー２０３からの磁束が、第１磁束ドナー２０１からの磁束とともにギャップ４０を横切る磁気回路を完成させるように向けられる。また回転子コイル２３５からの磁束によって、第４磁束ドナー２０４からの磁束は、第２磁束ドナー２０２とともにギャップ５０を横切る磁気回路を完成させるように向けられる。回転子コイル２３５からの磁束によって、回転子極と固定子極との間の引力が高められる。

回転子２５０が回転を続けるにつれ、回転子極２３１，２３２は回転して、それぞれ固定子極２１１，２２２と実質的に位置整合しなくなり、回転子コイル２３５を通じる電流が反転する。回転子コイル２３５を通じる電流が反転することによって、図１Ｂに示されるように、磁束ドナー２０３，２０４からの磁束の方向が反転し、固定子極が回転子極を斥けて、回転子運動量が高まる。第１磁束要素２１０は、ギャップ１０を横切りジェネレータ・コア２４０の第１端２４１に磁気的に結合し、第２磁束要素２２０は、ギャップ２０を横切りジェネレータ・コア２４０の第２端２４２に磁気的に結合する。ジェネレータ・コイル２４５は、ジェネレータ・コア２４０の周りに巻かれている。固定子は、随意で、ジェネレータ・コアの第１端および第２端（２４１，２４２）に磁気的に結合する磁束ヨーク２６０を備えてもよい。

本開示の技術では、回転子を通じる代わりの磁気回路を提供することによって、永久効率的に磁石を使用して電気を発生させることを含む多くの技術的利点が提供されることが理解される。

本明細書の記載内および以下の特許請求の範囲の全体にわたって使用されているように、「１つの（“ａ”，“ａｎ”）」および「その（“ｔｈｅ”）」の意味は、文脈がその他明らかに指示しない限り、複数の参照を含む。また、本明細書の記載内に使用されているように、「内（“ｉｎ”）」の意味は、文脈がその他明らかに指示しない限り、「内（“ｉｎ”）」および「上（“ｏｎ”）」を含む。

本明細書に開示された本発明の代替的な要素または実施形態のグループ分けは、限定としては解釈されない。各グループの部材は、個々に、または本明細書に見つけられるグループの他の部材、若しくは他の要素との任意の組み合わせにおいて言及されるとともに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、便宜および／または特許性の理由によって、グループに含まれたり、グループから削除されたりし得る。

本明細書に使用されているように、そして文脈がその他指示しない限り、用語「に対し結合する（“ｃｏｕｐｌｅｄ ｔｏ”）」は、直接結合（互いに結合された２つの要素が互いに接触する）および間接結合（２つの要素間に１つ以上の追加要素が位置されている）の両方を含むことが意図されている。したがって、用語「に対し結合する（“ｃｏｕｐｌｅｄ ｔｏ”）」および「と結合する（“ｃｏｕｐｌｅｄ ｗｉｔｈ”）」は同義語として使用されている。

当業者にとっては、既に記載されたものの他に、本明細書の発明概念からそれることなく、さらに多くの変更が可能であることは明白であるべきである。本発明の主題は、したがって、添付の特許請求の範囲の趣旨を除いては、制限されない。さらに、明細書および特許請求の範囲の両方の解釈において、すべての用語は、文脈と一致する可能な限り広い方式で解釈されるべきである。特に、用語「備える（“ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ” ａｎｄ “ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ”）」は、非排他的な方式において、要素、構成要素、若しくは工程に言及するとして解釈されるべきであり、参照される要素、構成要素、若しくは工程が存在してもよく、若しくは利用されてもよく、または明確に参照されていない他の要素、構成要素若しくは工程と組み合わされてもよいことを示す。本明細書および特許請求の範囲が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つ以上に言及する場合、その文言は、ＡプラスＮ、またはＢプラスＮなどではなく、そのグループからただ１つの要素を必要とするものとして解釈されるべきである。

Claims (9)

1. 固定子と回転子とを備えるジェネレータであって、
   前記固定子は、
   ジェネレータ・コアの周りに巻かれているジェネレータ・コイルと、
   第１固定子極を有する第１磁束要素であって、第１磁気抵抗を有する第１ギャップを横切り前記ジェネレータ・コアの第１端に対し磁気的に結合されている、第１磁束要素と、
   第１極性を有する磁束を前記第１磁束要素に供与する第１磁束ドナーと、
   第２固定子極を有する第２磁束要素であって、第２磁気抵抗を有する第２ギャップを横切り前記ジェネレータ・コアの第２端に対し磁気的に結合されている、第２磁束要素と、
   前記第１極性とは反対の第２極性を有する磁束を前記第２磁束要素に供与する第２磁束ドナーと、を備え、
   前記回転子は、
   第１回転子極および第２回転子極を有する第３磁束要素と、
   第３ギャップを有する前記第３磁束要素の周りに巻かれている回転子コイルであって、前記第３ギャップは少なくとも部分的には前記回転子コイル内に配置されている、回転子コイルと、
   前記第２極性を有する磁束を前記第３磁束要素に供与する第３磁束ドナーと、
   前記第１極性を有する磁束を前記第３磁束要素に供与する第４磁束ドナーと、
   を備え、
   前記ジェネレータは、前記第１回転子極が前記第１固定子極に実質的に位置整合するとき、前記第１固定子極と前記第１回転子極との間に第４ギャップを有し、
   前記第１磁気抵抗は、前記第１回転子極が前記第１固定子極と実質的に位置整合するとき、前記第４ギャップの磁気抵抗より大きい、ジェネレータ。
2. 前記第１磁束ドナー、前記第２磁束ドナー、前記第３磁束ドナー、および前記第４磁束ドナーは、永久磁石である、請求項１に記載のジェネレータ。
3. 前記第３磁束ドナーは、前記回転子コイルの第３極と同じ側において前記第３磁束要素に対し磁気的に結合されている永久磁石を含む、請求項１に記載のジェネレータ。
4. 前記第４磁束ドナーは、前記回転子コイルの第４極と同じ側において前記第３磁束要素に対し磁気的に結合されている永久磁石を含む、請求項３に記載のジェネレータ。
5. 前記第３磁束ドナーからの前記第１極性の磁束と前記第４磁束ドナーからの前記第２極性の磁束との間の磁気回路を完成させる磁束ヨークをさらに備える、請求項４に記載のジェネレータ。
6. 前記第３磁束ドナーおよび前記第４磁束ドナーは、前記第３ギャップ内に配置されている永久磁石を含む、請求項１に記載のジェネレータ。
7. 前記ジェネレータ・コアの前記第１端と前記第２端とに対し磁気的に結合されている磁束ヨークをさらに備える、請求項１に記載のジェネレータ。
8. 前記固定子は奇数個の極対を備える、請求項１に記載のジェネレータ。
9. 前記回転子は奇数個の極対を備える、請求項１に記載のジェネレータ。

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