JP2022520225A - 磁気推進システムのための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

推進システムであって、ファンブレードハウジングと、ファンブレードハウジング内の複数のファンブレードと、ファンブレードハウジングの外側に固定された、１列又は複数列の永久磁石と、１つ又は複数のファンブレードベアリングと、１つ又は複数のファンブレードベアリングに固定され、１列又は複数列の永久磁石に対応する１つ又は複数の磁場生成器であって、永久磁石を同一方向に前進させるように構成され、これにより、永久磁石が取り付けられているファンブレードハウジング及びその内部のファンブレードを、回転駆動する、１つ又は複数の磁場生成器と、を含む、推進システム。【選択図】図１１Ｅ

Description

本明細書において説明する実施形態は、磁場を生成することに関し、より具体的には、複数の極性を有した磁場を生成することに関する。

例えば、永久磁石、電磁石、及び超伝導磁石などの、すべての種類の磁石は、互いに反対側の端部に、逆極性の２つの磁極を生成する。これは、図１に示す棒磁石１００を参照して説明することができる。図１から理解されるように、棒磁石１００は、Ｓ極１０２及びＮ極１０４という２つの磁極を有している。図１は、また、棒磁石１００によって生成された磁場１０６であって、Ｎ極１０４からＳ極１０２へと向かう向きを有した磁場１０６を示している。

これらの磁極は、反発したり引き付けたりする能力を有している。例えば、第２の棒磁石のＮ極を、例えば磁石１００のＳ極１０２に対して近づけようとした場合には、磁石１００は、第２の磁石を引き付けることとなる。逆に、第２の磁石のＳ極を、磁石１００のＳ極１０２に対して近づけようとした場合には、磁石１００は、第２の磁石に対して反発することとなる。磁石１００のＮ極１０４は、その逆の態様で動作することとなる、すなわち、第２の磁石の、Ｎ極に対して反発し、Ｓ極を引き付けることとなる。

上述した磁石の特性は、デバイスを作製するために使用し得るけれども、それらの用途を制限することもでき、あるいは、少なくともそれらの効率を制限することもできる。これは、電気モータの固定子／回転子の組合せによって説明することができる。

図２は、固定子リングを形成する複数の磁石２０２と、固定子リングの中央に配置された回転子磁石２０４と、を図示したブロック図を提示している。図２から理解されるように、磁石２０２（すなわち、２０２ａ～２０２ｄ）のそれぞれは、図示のように配置されたＳ磁極及びＮ磁極を有しており、回転子磁石２０４は、図示のように配置された磁極を有している。動作時には、固定子磁石２０２ａ及び２０２ｄのＳ極は、回転子磁石２０４のＳ極に対して反発することとなり、他方、固定子磁石２０２ｂ及び２０２ｃのＮ極は、回転子磁石２０４のＳ極を引き付けることとなる。同時に、固定子磁石２０２ｂ及び２０２ｃのＮ極は、回転子磁石２０４のＮ極に対して反発することとなり、他方、固定子磁石２０２ｄ及び２０２ａのＳ極は、回転子磁石２０４のＮ極を引き付けることとなる。累積効果により、回転子磁石２０４は、シャフト２０５のまわりを時計回りに回転することとなる。残念ながら、図２から理解されるように、固定子磁石２０２のそれぞれは、固定子リングの外側のところに、使用されない第２の磁極を生成している。その結果、固定子の利用可能な磁場に対して、全体的な利用度合いは、せいぜい５０％である。

一態様では、推進システムは、ファンブレードハウジングと、ファンブレードハウジング内の複数のファンブレードと、ファンブレードハウジングの外側に固定された１列又は複数列の永久磁石と、１つ又は複数のファンブレードベアリングと、１つ又は複数のファンブレードベアリングに固定され、１列又は複数列の永久磁石に対応する１つ又は複数の磁場生成器であって、永久磁石を同一方向に前進させるように構成され、これにより、永久磁石が取り付けられているファンブレードハウジング及びその内部のファンブレードを、回転駆動する、１つ又は複数の磁場生成器と、を含む。

これらの特徴点や態様や実施形態は、並びに、他の特徴点や態様や及び実施形態は、以下の「詳細な説明」の項において説明する。

特徴点、態様、及び実施形態は、添付図面と併せて説明する。

図１は、２つの磁極を有した従来的な棒磁石を示している。

図２は、固定子リングを形成する複数の磁石と、固定子リングの中央に配置された回転子磁石と、を図示したブロック図を提示している。

図３は、本明細書において説明するいくつかの実施形態による、所望の磁場パターンを生成するための提案する磁気デバイスを形成するために使用され得る例示的なデバイスを示している。

図４Ａは、図３において説明したベースの磁石配置位置内に設置された一組の磁石を有した磁気デバイスと、図１に示す磁場パターンが与えられた場合に生成されることが予想される磁場パターンと、を示している。

図４Ｂは、デバイスの磁石構成によって実際に生成される例示的な磁場パターンと、図４Ａに示す予想での磁場パターンと、の対比を示している。

図５は、本明細書において説明するいくつかの実施形態による、３つの一次磁場を含む提案する磁気デバイスにおける近似された磁場パターンを示している。

図６は、本明細書において説明するいくつかの実施形態による、図５に示す複数の磁場パターンによって形成された磁場によって、ロッド又は他の安定化装置に取り付けられた磁石を含むデバイスを加速させるための、例示的なプロセスを示している。

図７Ａは、本明細書において説明するいくつかの実施形態による、シャフトまわりに回転子ホイールを駆動するための固定子として構成された磁場生成デバイスからなる円形アレイと、一組のロッドを介して回転子ホイールに取り付けられた複数の磁石からなる円形アレイと、を含む磁気回転子－固定子デバイスを示している。

図７Ｂは、本明細書において説明するいくつかの実施形態による、回転子として機能する中央シャフトに取り付けられた複数の磁場生成デバイスからなる円形アレイと、対応する一組のロッドを介して回転子－固定子デバイスの外側に取り付けられ、固定子として機能する一組の磁石と、を含む代替可能な磁気回転子－固定子デバイスを示している。

図７Ｃは、図７Ｂにおいて説明した磁気回転子－固定子デバイスに基づく磁気回転子－固定子デバイスの別の例を示している。

図８Ａは、磁場パターン５００ａの第１Ｎ極へと入る前における、電磁デバイスの初期位置を示している。

図８Ｂは、磁場パターン５００ａの第１Ｎ極によって引き付けられた後に、電磁デバイスが第１Ｎ極磁場へと完全に入ったことを示している。

図８Ｃは、電磁デバイスが、Ｓ極の吸引力を受けて、第１Ｎ極磁場から、磁場パターン５００ａの中央のＳ極磁場内へと、駆動されたことを示している。

図８Ｄは、電磁デバイスが、磁場５１０ａへと完全に入ったこと、及び、デバイスの極性が同じままであること、を示している。

図８Ｅは、電磁デバイスが、磁場パターン５００ａの第２Ｎ極磁場５０８ａ内に入ったこと、及び、デバイス８００の極性が同じままであること、を示している。

図８Ｆは、電磁デバイスが、Ｓ－ＮからＮ－Ｓへと、再び極性をスイッチングして戻したことを示している。

図８Ｇは、電磁デバイスが、極性をスイッチングした後に、第２磁場パターン５００ｂの第１Ｎ極磁場内へと駆動されたことを示している。

図８Ｈは、電磁デバイスを、磁場パターン５００ｂの第２Ｓ極磁場を横切って駆動することを容易とするよう、Ｎ－ＳからＳ－Ｎへと極性を再びスイッチングしたことを示している。

図９Ａは、放物線形状の内壁を有したベースと、内壁内の対応する一組の磁石配置位置の内部に設置された一組の磁石と、を含む提案する磁場生成デバイスの例示的な実施形態を示している。

図９Ｂは、本明細書において説明するいくつかの実施形態による、表面実装磁石を使用した代替可能な磁場生成デバイスを示している。

図１０Ａは、本明細書において説明するいくつかの実施形態による、２つの同様のサイズの開口と、３つの磁極を有した関連する磁場パターンと、を含む提案する磁気デバイスの別の例に関する断面図を示している。

図１０Ｂは、本明細書において説明するいくつかの実施形態による、２つの開口に２つの遷移境界を有した磁気デバイスに関する斜視図を示している。

図１０Ｃは、本明細書において説明するいくつかの実施形態による、２つの永久磁石１及び２が、２つの遷移境界に懸架されているすなわち位置１及び位置２に懸架されている磁気デバイス１０００を使用した磁気懸架を示している。

図１１Ａ～図１１Ｆは、本明細書において説明する磁気デバイスを使用して構築されたファン又は推進システムを示している。

本明細書において説明するいくつかの実施形態は、放物線形状を形成するように配置された複数の磁石を含む装置又はデバイスに関する。磁石は、永久磁石、電磁石、超伝導磁石、又はこれらの組合せ、とすることができる。本明細書において説明するように複数の磁石が放物線形状で配置されている時には、それら磁石は、装置から外向きにかつ互いに逆向きに延びる同一極性の磁力がなす２つの一次磁場と、装置の実質的に中心に位置した反対極性の第３磁場と、を生成することができる。

図３は、本明細書において説明するいくつかの実施形態による、所望の磁場パターンを生成するための提案する磁気デバイスを形成するために使用され得る例示的なデバイス３００を示している。図３から理解されるように、デバイス３００は、少なくとも２つの開口を含むリング形状を有したベース３０２を含む。より具体的には、ベース３０２は、上面３０７と、下面３０５と、これら面３０５及び３０７どうしの間に挟まれた内壁３１１及び外壁３１３と、を有している。上面３０７は、この場合には円形形状を有した開口３０８をさらに含み、他方、下面３０５は、図示の例では同様に円形形状を有した開口３１０を含む。注目すべきは、上面３０７内の開口３０８が、下面３０５内の開口３１０よりも大きな直径を有していることである。その結果、内壁３１１は、放物線形状又は角度付き形状を有することができる。図３の実施形態におけるベース３０２は、リング形状／円形形状を有するように示されているけれども、デバイス３００の他の実施形態は、例えば、正方形、五角形、六角形、又は他の多角形、の開口を含むがこれらに限定されない非円形の開口を有した他の閉じた形状を有したベースを有することができる。よって、本開示の実施形態は、図３に示すリング形状のベースを使用することには限定されない。

ベース３０２は、それぞれが磁石を収容し得る複数の磁石配置位置３０４を、さらに含む。図３から理解されるように、複数の磁石配置位置３０４は、内壁３１１と外壁３１３との間に位置しており、リング形状のベース３０２まわりにおいて実質的に均等な間隔で配置されている。例えば、一対をなす隣接する磁石配置位置どうしの間の距離は、「ｄ」と表すことができる。しかしながら、いくつかの他の実施形態では、複数の磁石配置位置３０４は、不均等な間隔でリング形状のベース３０２まわりに配置することができる。各磁石配置位置３０４が、内壁３１１上に磁石を受領するための開口を含むことに、留意されたい。したがって、内壁３１１が放物線形状又は角度付き形状を有する場合には、各磁石配置位置３０４の開口も、また、放物線形状又は角度付き形状を有することができる。そのような実施形態では、内壁３１１が放物線形状又は角度付き形状であることのために、各磁石配置位置３０４は、下側部分３１４よりも薄い上側部分３１２を有することができる。

いくつかの実施形態では、各磁石配置位置３０４のうちの、ベース３０２の中実部分の内部に埋め込まれている背面壁は、ベース３０２の外壁３１３に対して角度付きのものとして設定することができる。これらの実施形態では、磁石配置位置３０４内に設置される磁石の表面も、また、放物線形状又は角度付き形状を有することができる。いくつかの実施形態では、内壁内の凹所として構成された磁石配置位置を使用することに代えて、提案する磁気デバイスのベースは、内壁まわりにおける一組の磁石配置位置を使用する。これらの磁石配置位置は、図９Ａ及び図９Ｂに関連して詳細に後述するように、表面実装磁石を収容するために使用することができる。

いくつかの実施形態では、ベース３０２は、また、ベース３０２の中実リング構造内に形成されたギャップ３０６であって、ベース３０２の中心をベース３０２の外部の空間に接続するギャップ３０６を、含む。このようなギャップ３０６の機能及び使用については、詳細に後述する。明示的には図示していないけれども、各磁石配置位置３０４は、磁石を収容することができる。磁石が磁石配置位置３０４内へと適切に設置された時には、提案する磁気デバイス３００が形成される。

図４Ａは、図３において説明したベース３０２の磁石配置位置３０４内に設置された一組の磁石４０２（すなわち、４０２ａ及び４０２ｂ）を有した磁気デバイス４００と、図１に示す磁場パターンが与えられた場合に生成されることが予想される磁場パターンと、を示している。注目すべきは、例示的なデバイス４００では、各磁石４０２のＮ極が、ベース３０２の中心を向いているとともに、ベース３０２の上面寄りに配置されていることであり、他方、各磁石４０２のＳ極が、ベース３０２の中心から離隔する向きを向いているとともに、ベース３０２の下面寄りに配置されていることである。したがって、各磁石４０２は、磁石のＮ極とＳ極とを結ぶ磁石軸線（磁石４０２を通過する点線の直線で図示されている）が上面及び下面に対して角度を形成するようにして、配置されている。様々な実施形態では、Ｎ極とＳ極とを結ぶ磁石軸線と、上面及び下面と、の間に形成される角度は、０度～９０度である。様々な実施形態では、一組の磁石は、２つの、又は３つの、又はそれより多数の、個別の永久磁石を含むことができる。いくつかの実施形態では、一組の磁石は、内壁まわりにおいて、連続した磁気構造を形成する。

図４Ａに示すデバイス構成では、磁石が、図示のような磁極を有した磁場４０４を生成することが予想される、すなわち、デバイス４００の中央に形成された組合せ型のＮ極と、デバイス４００の反対側の端部に形成された２つのＳ極と、を有した磁場４０４を生成することが予想される。しかしながら、図４Ａに示す磁場パターンは、説明する構成に基づいてデバイス４００によって実際に生成されるものではない。

図４Ｂは、デバイス４００の磁石構成によって実際に生成される例示的な磁場パターンを示している。より具体的には、図４Ｂは、デバイス４００の断面図を表しており、ここで、デバイス４００の右側の鉛直方向エッジが、図３に示すベース３０２の上面３０７に対応しており、他方、デバイス４００の左側の鉛直方向エッジが、図３に示すベース３０２の下面３０５に対応している。図４Ｂから理解されるように、３つの一次磁場４０６、４０８、４１０が生成される。より具体的には、Ｎ磁極の代わりにＳ磁極という極性を有した第１の一次磁場４１０が、ベース３０２の実質的に中央に形成される。図示の例では、磁場４１０は、上面の上部開口と、下面の下部開口と、ベース３０２の内壁と、によって囲まれた開放空間内に実質的に位置している。

また、図４Ｂに示すように、Ｎ磁極という極性を有した第２の一次磁場４０８が、ベース３０２の上側開口から、すなわち大きい方の開口から外向きに形成され、そして、同様にＮ磁極という極性を有した第３の一次磁場４０６が、ベース３０２の下側開口から、すなわち小さい方の開口から外向きに、一次磁場４１０とは反対側で、形成されている。

いくつかの実施形態では、第１の一次磁場４１０と第２の一次磁場４０８との間の境界は、ベース３０２の大きい方の開口（右側において濃い鉛直方向ラインとして図示されている）の近傍にあり、第１の一次磁場４１０と第３の一次磁場４０６との間の境界は、リング形状のベース３０２の小さい方の開口（左側において濃い鉛直方向ラインとして図示されている）の近傍にある。また、開口３０８が、開口３１０よりもサイズが大きいために（図４Ｂにおける２本の濃いライン４１６、４１８によっても示されている）、第２の磁場４０８に関する磁気的影響領域が、第３の磁場４０６に関する磁気的影響領域よりも、大幅に大きくなり得ることに、留意されたい。いくつかの実施形態では、ベース３０２の開口３０８及び３１０は、第２の磁場４０８及び第３の磁場４０６のそれぞれに関する磁気的影響領域を制御するために、所望のサイズ及び幾何形状に構成することができる。

例示的なデバイス４００は、２つのＮ磁極の間に１つのＳ磁極を形成するように構成されているけれども、デバイス４００の代替可能な設計では、図４Ｂに示す構成の逆で磁石を設置することができる。そのような設計では、Ｎ磁極からなる第１の一次磁場４１０’が、ベース３０２の実質的に中央に形成されるようにして、他方、Ｓ磁極からなる、第２の一次磁場４０８’及び第３の一次磁場４０６’が、第１の一次磁場４１０の両側に形成されるようにして、３つの一次磁場４０６’、４０８’、及び４１０’が生成される。

また、図４Ｂに示すように、３つの一次磁場４０６～４１０に加えて、いくつかの追加的な磁場効果４１２及び４１４が存在し得る。しかしながら、本明細書における説明の目的のために、デバイス４００によって生成される磁場は、上述した３つの一次磁場によって近似することができる。図５は、本明細書において説明するいくつかの実施形態による、３つの一次磁場４０６～４１０を含む磁気デバイス４００における近似された磁場パターン５００を示している。図５に示すように、デバイス４００によって生成される磁場パターン５００は、両側に位置した２つのＮ極と、それら２つのＮ極の間に位置した１つのＳ極と、を含む。開示するデバイス４００の磁場特性は、様々な利点を達成するために様々な用途で使用することができ、例えば、電気モータで使用する時には、電気モータの効率を向上させることができる。

図３に関連して上述したように、デバイス３００又は４００のベース３０２は、また、ベース３０２内にギャップ３０６を含むこともできる。そのようなギャップは、例示的な用途において、別の磁石を加速するために使用することができる。図６は、本明細書において説明するいくつかの実施形態による、図５に示す複数の磁場パターン５００によって形成された磁場６０６によって、ロッド６０４又は他の安定化装置に取り付けられた磁石６０２を含むデバイス６００を加速させるための、例示的なプロセスを示している。

より具体的には、磁場６０６は、磁場パターン５００ａ及び５００ｂからなるアレイを含み、それぞれの磁場パターンは、ベース３０２と一組の磁石４０２とを含む図４Ａ及び図４Ｂのデバイス４００の実例によって生成される。磁場６０６を生成する、複数のデバイス４００からなるアレイを、直列に配置し得ること、あるいは、互いに連結し得ること、に留意されたい。２つの磁場パターン５００ａ及び５００ｂのみが図示されているけれども、デバイス４００の２つの実例よりもはるかに多くのものを、一緒に配置することができ、これにより、磁石６００をより長い距離にわたって加速させるよう、対応したより長い磁場パターン５００のアレイを生成する、デバイス４００からなるより長いアレイを、形成することができる。例えば、デバイス４００からなるこのより長いアレイは、磁場パターン５００の７個の実例を含む図６の挿入図に示すように、円形パターンで構成することができる。この例では、磁石６０２は、円形経路６０８まわりにおける円形移動でもって加速／推進され得る。別の例では、複数の磁場パターン５００を直線的な態様で構成することができ、これにより、磁石６０２を直線的な経路（図示せず）で加速／推進することができる。これらすべての例では、磁石６０２が磁場パターン５００のアレイを通過する時には、比較的細いロッド６０４は、デバイス４００の各実例における各ベース３０２の各ギャップ３０６を通過することができ、他方、より広い磁石６０２は、ベース３０２の中央における各ベース３０２の開口を通過する。

次に、磁石６０２を磁場６０６によってどのように加速するかについて、より詳細に考察する。図６から理解されるように、磁石６０２が、最初に磁場パターン５００ａの左側に配置された時には、磁石６０２のＳ極が、磁場パターン５００ａの磁場５０６ａのＮ極に引き付けられることとなる。この相互作用は、デバイス６００を、図６において右向きに加速させることができる。磁石６０２が磁場５０６ａへと入った時には、磁場５０６ａは、磁石６０２のＮ極に対して反発し始め、これが、磁石６０２を、右向きにさらに加速させる。磁石６０２が、最初に、磁石６０２のＳ極に対しての、磁場パターン５００ａのＳ極すなわち磁場５１０ａによる反発効果に打ち勝ち得るほどに充分に加速された場合には、磁場５１０ａは、磁石６０２のＮ極を引き付け続けつつ、磁石６０２のＳ極に対して反発し始めることとなる。他方、磁場パターン５００ａの第２のＮ極すなわち磁場５０８ａは、磁石６０２のＳ極を引き付け始める。磁石６０２が磁場５０８ａへと入った後には、磁場５０８ａは、磁石６０２のＮ極に対して反発し始め、これにより、磁石６０２は、右向きに加速され続け、磁場パターン５００ａから導出される。

よって、磁場パターン５００ａ内の３つの一次磁場と、磁石６０２の各磁極と、の間の相互作用により、デバイス６００を、図６において左から右へと駆動することができる。上述したように、ベース３０２内のギャップ３０６は、ロッド６０４を収容するように構成することができ、これにより、磁場パターン５００ａを生成するデバイス４００の第１実例を通して、デバイス６００が障害なく移動することを可能とする。次に、デバイス４００の第１実例に直列に配置されたあるいはそのような第１実例に連結されたデバイス４００の第２実例であって、磁場パターン５００ｂによって表されているデバイス４００の第２実例が、プロセスを継続する。デバイス４００の複数の実例は、後述するように、円形アレイ又は直線状アレイを含むがこれらに限定されない様々な構成で、連結することができる。

図７Ａは、本明細書において説明するいくつかの実施形態による、シャフト７０２まわりに回転子ホイール７０４を駆動するための固定子として構成された磁場生成デバイス４１０ａ～４１０ｌからなる円形アレイと、一組のロッド７０６ａ～７０６ｌを介して回転子ホイール７０４に取り付けられた磁石７００ａ～７００ｌからなる円形アレイと、を含む磁気回転子－固定子デバイス７１０を示している。磁気回転子－固定子デバイス７１０は、図６に示す例示的なシステムよりも多くの磁場生成デバイス４００の実例及び多くの磁石７００を含むけれども、駆動原理は、図６に関連して上述したプロセスと本質的に同じである。回転子ホイール７０４が回転する際には、細いロッド７０６のそれぞれは、各デバイス４１０の各ベース３０２における各ギャップ３０６（図示せず）を通過することができ、他方、各磁石７００は、各ベース３０２の中央における開口を通過する。

図７Ｂは、本明細書において説明するいくつかの実施形態による、回転子として機能する中央シャフト７１２に取り付けられた磁場生成デバイス４２０ａ～４２０ｈからなる円形アレイと、対応する一組のロッド７１６ａ～７１６ｈを介して回転子－固定子デバイス７２０の外側部分に取り付けられ、固定子として機能する一組の磁石７１４ａ～７１４ｈと、を含む代替可能な磁気回転子－固定子デバイス７２０を示している。

図７Ｃは、図７Ｂにおいて説明した磁気回転子－固定子デバイス７２０に基づく磁気回転子－固定子デバイス７３０の別の例を示している。図７Ｃから理解されるように、磁気回転子－固定子デバイス７３０は、一組をなす複数の互いに同一のサブ部分７３０ａ～７３０ｅを含み、サブ部分７３０のそれぞれは、図７Ｂにおいて説明した磁気回転子－固定子デバイス７２０と同様の態様で構成されている。

いくつかの実施形態では、図６における磁石６０２が電磁石である場合には、磁石６０２の極性を、有利には、スイッチングすることができあるいは電磁的にオフとすることができ、これにより、上記の動作を補助することができる。これは、図８Ａ～図８Ｈに関連して図示されており、図８Ａ～図８Ｈを参照して、デバイス８００の極性をスイッチングしながら、デバイス４００の３つの実例における磁場パターン５００ａ～５００ｃからなるアレイによって、電磁デバイス８００を左から右へと駆動するためのプロセスについて、説明する。

図８Ａは、磁場パターン５００ａの第１Ｎ極へと入る前における、電磁デバイス８００の初期位置を示している。図８Ａから理解されるように、デバイス８００は、上述したように、磁場パターン５００ａの影響下において左から右へと駆動されるよう、図示のようなＮ－Ｓの磁気極性の向きを有することができる。図８Ｂは、磁場パターン５００ａの第１Ｎ極によって引き付けられた後に、電磁デバイス８００がＮ極磁場５０６ａへと完全に入ったことを示している。より具体的には、図８Ｂでは、デバイス８００の極性が、初期的なＮ－Ｓから、Ｓ－Ｎへと、スイッチングされた直後であり、これにより、デバイス８００は、磁場パターン５００ａの中央のＳ極内へとさらにそのＳ極を横切って、容易に駆動される。この第１のスイッチング操作は、磁場パターン５００ａのＮ極が、磁場パターン５００ａのＳ極からの反発力に打ち勝つのに充分な推進力を提供しない時には、有用なものであり得る。

図８Ｃは、電磁デバイス８００が、Ｓ極の吸引力を受けて、磁場５０６ａから、磁場パターン５００ａの中央のＳ極磁場５１０ａ内へと、駆動されたことを示しており、他方、図８Ｄは、電磁デバイス８００が、磁場５１０ａへと完全に入ったこと、及び、デバイス８００の極性が同じままであること、を示している。

図８Ｅは、電磁デバイス８００が、磁場パターン５００ａの第２Ｎ極磁場５０８ａ内に入ったこと、及び、デバイス８００の極性が同じままであること、を示している。デバイス８００が、Ｓ極磁場５１０ａを出て、Ｎ極磁場５０８ａへと入った際には、次なる磁場パターン５００ｂのＮ極磁場５０６ｂがデバイス８００を押し戻し始めていないポイントが存在することに、留意されたい。一実施形態では、これは、デバイス８００のＮ極が、磁場パターン５００ａのＮ極磁場５０６ａと相互作用したままとされているポイントである。これは、デバイス８００の極性を、Ｓ－ＮからＮ－Ｓへとスイッチングするための、あるいは、すべての電磁的なものを一斉にオフとして惰性で使用可能とするための、所望のポイントとすることができる。

図８Ｆは、電磁デバイス８００が、Ｓ－ＮからＮ－Ｓへと、再び極性をスイッチングして戻したことを示しており、その結果、磁場パターン５００ａのＮ極磁場５０８ａは、デバイス８００のＮ極に対して反発することとなり、磁場パターン５００ｂのＮ極磁場５０６ｂは、デバイス８００のＳ極を引き付けることとなる。理解されるように、この状態は、図８Ｇに図示されているように、デバイス８００を磁場パターン５００ｂの磁場５０６ｂ内へと駆動する図８Ａに図示した初期状態と同様であり、上記のプロセスを繰り返すことができる。図８Ｈから理解されるように、デバイス８００の極性は、デバイス８００を、磁場パターン５００ｂの第２Ｓ極磁場５１０ｂを横切って駆動することを容易にするよう、Ｎ－ＳからＳ－Ｎへと再びスイッチングされている。

図６に関連して説明した非スイッチングプロセスと比較して、上述した電磁的オフと組み合わせたスイッチング操作は、動作をはるかに効率的なものとすることができる。様々な実施形態では、デバイス４００の隣接した実例どうしの間の間隔と、スイッチングのタイミングとは、動作において、及び、動作効率の向上度合いにおいて、重要な役割を果たす。

上述したプロセスに関する代替可能な実施形態では、電磁石８００の極性をスイッチングすることに代えて、プロセスのいくつかのポイントにおいて、磁気を一時的にオフとしてもよく、これにより、電磁デバイス８００が磁極から磁極へと移動することを容易とすることができる。例えば、図８Ｂでは、スイッチングに代えて、電磁デバイス８００の磁気を一時的にオフとしてもよく、これにより、電磁デバイス８００をＳ極磁場５１０ａ内へと駆動するための推進を可能としてもよい。電磁デバイスがＳ極へと完全に入った後に、磁気をオンに戻すことができ、これにより、電磁デバイス８００のＳ極とＮ極磁場５０８ａとの間の吸引力を活性化するとともに、電磁デバイス８００のＳ極とＳ極磁場５１０ａとの間の反発力を活性化して、電磁デバイス８００を、第２Ｎ極磁場５０８ａ内へと効率的に駆動することができる。いくつかの他の実施形態では、極性のスイッチングと、磁気のオンオフと、を組み合わせて、同じ操作とすることができる。

また、特定の実施形態では、磁石－ロッドデバイスを、実際に固定位置とし得ること、及び、磁場生成デバイスを、磁場どうしの間の相互作用という同じ原理の下で磁石－ロッドデバイスを右から左へと駆動し得るように構成し得ることに、留意すべきである。

図９Ａは、放物線形状又は角度付きの内壁を有したベースと、内壁内の対応する一組の磁石配置位置の内部に設置された一組の磁石と、を含むデバイス３００又はデバイス４００の例示的な実施形態であるデバイス９００Ａを示している。

図９Ｂは、本明細書において説明するいくつかの実施形態による、表面実装磁石を使用した代替可能な磁場生成デバイス９００Ｂを示している。図９Ｂから理解されるように、デバイス９００Ｂは、デバイス９００Ｂのベースと実質的に同一のベースを含む。しかしながら、デバイス９００Ａの場合のように凹所内に設置される磁石を使用することに代えて、デバイス９００Ｂは、デバイス９００Ｂの内壁の表面に直接的に取り付けられた一組の表面実装磁石９０２を使用している。注目すべきは、これらの磁石のそれぞれが、内壁の放物線形状を呈することである。いくつかの実施形態では、磁石９０２のそれぞれは、内壁を最大に被覆することを容易にするよう、台形形状を有している。内壁の被覆率を増大させることにより、より強い強度を有した所望の３つの磁場パターンを生成することができる。

図４Ｂに戻って参照すると、図４Ｂに示すデバイス４００の別の重要な態様又は特性は、Ｎ極４０６及び４０８と、Ｓ極４１０と、の界面に関する。２本の濃いライン４１６及び４１８が示す２つの開口にほぼ位置しているこれら２つの界面は、磁場が極性を変える位置であることに、留意されたい。デバイス４００がこれら開口を有していることの結果として、これらの界面に対しては、すなわち、Ｎ極とＳ極との間の遷移境界に対しては、物体がアクセス可能となる。対照的に、図１の棒磁石１００などの永久磁石の場合には、磁石自体の内部に位置しているため、これらの位置に対しては、アクセスすることができない。

デバイス４００の構成は、Ｎ極４０６とＳ極４１０との間に、又はＮ極４０８とＳ極４１０との間に、開口４１６及び４１８よりも小さい別の磁石が挿入された場合には、その磁石は、磁極どうしの界面の正にその位置で「位置合わせ」されるとともに、開口４１６又は４１８のところで浮游する又は「懸架される」ようなものとなっている。注目すべきは、この特性が、デバイス４００が鉛直方向に配置されているかあるいは水平方向に配置されているかに関係がなく、デバイス４００の向きに影響されないことである。浮游している磁石に対して圧力を印加し、その後、その圧力を解除した場合には、磁石は実質的に同じ位置へと戻るように傾斜することとなる。よって、このような磁石とデバイス４００との組合せを使用することにより、力測定変換器を作製することができる。その上、この組合せデバイスを使用することにより、また、とりわけ、他のタイプの、変換器、バルブ、スピーカ、マイクロフォン、ポンプ、を作製することもできる。また、この組合せデバイスの極性を急に予約した時には、位置合わせされた磁石が、懸架されている空間内で反転されることとなることに、留意されたい。この追加的な特性を利用することにより、この特性を利用し得る、モータ、ファン、フローデバイス、及び他のデバイス、を作製することができる。

図１０Ａは、本明細書において説明するいくつかの実施形態による、２つの開口と、３つの磁極を有した関連する磁場パターンと、を含む提案する磁気デバイス１０００の別の例に関する断面図を示している。この図では、２つの遷移境界は、それぞれ「位置１」及び「位置２」として示されている。図１０Ｂは、本明細書において説明するいくつかの実施形態による、２つの開口に２つの遷移境界を有した磁気デバイス１０００に関する斜視図を示している。

図１０Ｃは、本明細書において説明するいくつかの実施形態による、２つの永久磁石１及び２が、完全な忠実さで２つの遷移境界に懸架されているすなわち位置１及び位置２に懸架されている磁気デバイス１０００を使用した磁気懸架を示している。注目すべきは、図１０Ｂの磁気デバイス１０００は、ギャップを示しているけれども、磁気デバイス１０００の他の実施形態は、デバイスが上述したように永久磁石を懸架するために使用される時には、ギャップを有する必要がないことである。

上述した例示的なデバイス及びシステムに加えて、デバイス４００などの提案する磁気デバイスの磁場特性を利用する多数の他のデバイス及び機械を設計することができる。例えば、運動エネルギを貯蔵するために、効率的なフライホイールを設計することができる、若しくは、デバイス４００を、また、電磁部品を冷却するためのファンブレードとして使用することもできる。

例えば、本明細書において説明する特定の実施形態は、動力源として電流を使用するような、例えば、航空機、ドローン、及び他の飛行デバイス、に対して推進力を提供する。従来的には、プロペラ又はファンブレードを駆動する電気モータは、プロペラ又はファンブレードの後方又は前方のいずれかの位置に配置されている。そのため、電動モータ自体が、プロペラ又はファンブレード内への空気流を、実際に阻害してしまう。加えて、従来的な設計では、推力重量比、及び、冗長性の欠如が、問題点となっている。

しかしながら、後述するように電気モータをファンブレードと一体化させることにより、空気流を阻害することなく、電気モータを冗長化して設計し得るとともに、ファンブレードを駆動する中央シャフトやギアやベルトが不要であることのために、さらに軽量化されて、推力重量比が向上する。さらに、そのような構成は、複数のモータを、直列に接続することを可能とするとともに、毎分あたりの異なる回転数で動作することを可能とし、これにより、所望の効率及び推力を得ることができる。

上述したように、本明細書において説明する実施形態は、動力源として電流を使用する航空機やドローンや又は他の飛行デバイスに対して、推進力を提供することができる。その結果、これらの実施形態は、とりわけ、冗長性、重量、効率、推力、製造コスト、メンテナンス、及びサイズ、を含めた、電気駆動型の航空機やドローンや又は他の飛行デバイスに関連したいくつかの問題点に対して、対処することができる。電気モータとファンブレードを単一の構成部材へと一体化することにより、推力重量比、メンテナンスの容易さ、冗長性、及び製造コスト、を含めて、従来的な電動航空機モータの設計よりも、効率性が得られる。

発電機、バッテリ、ソーラーパネル、燃料電池、又はこれら電流源の任意の組合せ、によって生成された電流を使用して、本明細書において説明する電動航空機モータは、このエネルギを、航空機やドローンや又は他の飛行デバイスによって使用される機械的な推力へと変換し、これにより、飛行を達成する。同様の実施形態は、潜水可能な又は潜水不可能な船舶に対して、推進力を提供することができる。

電気モータをファンブレードに一体化することにより、空気流を阻害することなく、電気モータを冗長化して設計し得るとともに、ファンブレードを駆動する中央シャフトやギアやベルトが不要であり、重量を低減することができる。

本明細書において説明する特定の実施形態は、以下の構成要素を含む、すなわち、１．ファンブレードハウジング１１０１と、２．ファンブレード１１０２と、３．ファンブレードハウジング用ベアリング１１０３と、４．ファンブレードハウジング用エンジンカバー１１０４と、５．永久磁石用取付部材１１０５と、６．電磁石１１０６と、７．直列接続されたファンブレードハウジング１１０７と、８．永久磁石１１０８と、９．電磁石用電流コントローラ１１０９と、を含む。

図１１Ａ～図１１Ｆに示すように、このようなファン又は推進システムは、以下の態様で構築することができる。すなわち、ファンブレード１１０２を、ファンブレードハウジング１１０１内に挿入し、所定位置に固定する。所望の推力を得るために、ブレードのサイズ及び個数を変更し得ることに、留意すべきである。図１１Ａ及び図１１Ｂを参照されたい。ファンブレードハウジング１１０１は、図１１Ｃ及び図１１Ｄに示すように、ファンブレードハウジング用ベアリング１１０３内へと挿入され、これにより、ファンブレード１１０２は、ベアリング内において自由に回転することができる。

次に、永久磁石用取付部材１１０５が、ファンブレードハウジング１１０１に取り付けられ、永久磁石１１０８が、永久磁石用取付部材１１０５に取り付けられ、さらに、電磁石１１０６が、ファンブレードハウジング用ベアリング１１０３に取り付けられる。上述したように、電磁石１１０６は、永久磁石１１０８が電磁石１１０６を通過することを可能とする開口を含むことができる。完成したファンブレードハウジング１１０１は、その後、ファンブレードハウジング用エンジンカバー１１０４内へと挿入され、その後、全体を、車両に対して取り付けることができる。

また、電磁石用電流コントローラ１１０９が、電磁石１１０６に対してのインターフェイスを形成し得ることにも、留意すべきである。

上述したように構成された後においては、永久磁石１１０８は、上述したようにして電磁石用電流コントローラ１１０９によって制御される電磁石１１０６と相互作用し、これにより、ファンブレードハウジング１１０１を回転駆動する。言い換えれば、電磁石１１０５は、永久磁石を同じ方向に前進させる磁場を生成し、これにより、これらが取り付けられているハウジング１１０１を、回転駆動する。ハウジング１１０１が回転駆動される際には、ファンブレードハウジング１１０１の内部に位置したファンブレード１１０２が、空気を吸い込み、背面から押し出すことにより、航空機の推力を生成する。推力又は効率を変更するために、図１１Ｇに示すように、複数のファンブレードハウジング１１０１を、一緒に接続することができ、これにより、直列接続されたファンブレードハウジングを形成することができる。ファンブレードハウジング１１０１のそれぞれは、所望の推力及び効率を達成するために、毎分あたりの異なる回転数でもって独立的に回転することができる。

永久磁石用取付部材１１０５や永久磁石１１０８や又は電磁石１１０６の個数を変更することにより、動力が増減することとなる。追加的なファンブレードハウジング用ベアリング１１０３により、回転するファンブレードハウジング１１０１に、増大した安定性を追加することができる。異なるサイズ又は異なる個数のファンブレード１１０２をファンブレードハウジング１１０１に追加することにより、ファンブレードハウジング１１０１を通過する空気流が変化することとなる。図１１Ｇに示すように、複数のファンブレードハウジング１１０１を一緒に接続することにより、個々のファンブレードハウジング１１０１が、毎分あたりの異なる回転数でもって独立的に回転させることを可能とし、これにより、所望の推力及び効率を達成することができる。電磁石用電流コントローラ１１０９を使用して、永久磁石１１０８と電磁石１１０６との間の相互作用を変更することができ、これにより、所望の推力及び効率を達成することができる。

特定の実施形態について上記において説明したけれども、説明した実施形態が例示に過ぎないことは、理解されよう。したがって、本明細書において説明するシステム及び方法は、説明した実施形態に基づいて限定されるべきではない。むしろ、本明細書において説明するシステム及び方法は、上記の説明及び添付図面と併せて、以下の特許請求の範囲に鑑みてのみ、限定されるべきである。

Claims (10)

1. 推進システムであって、
   ファンブレードハウジングと、
   前記ファンブレードハウジング内の複数のファンブレードと、
   前記ファンブレードハウジングの外側に固定された１列又は複数列の永久磁石と、
   １つ又は複数のファンブレードベアリングと、
   前記１つ又は複数のファンブレードベアリングに固定され、前記１列又は複数列の永久磁石に対応する１つ又は複数の磁場生成器であって、前記永久磁石を同一方向に前進させるように構成され、これにより、前記永久磁石が取り付けられている前記ファンブレードハウジング及びその内部の前記ファンブレードを、回転駆動する、１つ又は複数の磁場生成器と、を含む、推進システム。
2. 前記１つ又は複数の磁場生成器のそれぞれは、
   上面と、下面と、前記上面と前記下面との間に挟まれた内壁及び外壁と、を含むベースであって、前記上面が、前記内壁の上エッジによって画定された第１開口を含み、前記下面が、前記内壁の下エッジによって画定された第２開口を含む、ベースと、
   前記内壁の一部を覆うように配置された一組の磁石であって、前記磁石のそれぞれは、前記磁石のＮ極とＳ極とを結ぶ磁石軸線が前記上面及び前記下面に対して角度を形成するように配置されている、一組の磁石と、を含む、請求項１に記載の推進システム。
3. 前記一組の磁石は、前記ベースの前記内壁内における一組の凹所位置の内部に配置されている、請求項２に記載の推進システム。
4. 前記一組の磁石は、前記ベースの前記内壁の表面上に取り付けられている、請求項２に記載の推進システム。
5. 前記内壁内に配置されたまたは前記内壁まわりに配置された前記一組の磁石のそれぞれは、台形、円形、正方形、及び／又は三角形の幾何形状を有している、請求項２に記載の推進システム。
6. 前記一組の磁石は、２つ以上の磁石を含む、請求項２に記載の推進システム。
7. ファンブレード用エンジンカバーをさらに含み、前記ファンブレードハウジングは、前記ファンブレード用エンジンカバー内に設置され、推進ユニットを形成し、前記ファンブレード用エンジンカバーは、航空機に取り付けられるように構成されている、請求項１に記載の推進システム。
8. 一体的に動作するように構成された複数の推進ユニットをさらに含む、請求項７に記載の推進システム。
9. 前記磁場生成器に結合されたコントローラであって、所望の推力及び効率を達成するために、前記磁場生成器と前記永久磁石との間の相互作用を制御するように構成されたコントローラをさらに含む、請求項１に記載の推進システム。
10. 前記推進ユニットのそれぞれの前記磁場生成器に独立して結合されたコントローラであって、所望の推力及び効率を達成するために、前記推進ユニットのそれぞれの前記磁場生成器と前記永久磁石との間の相互作用を制御するように構成されたコントローラをさらに含む、請求項１に記載の推進システム。

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