JP2024066261A - Ortho-radial induction generator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気エネルギを生成するための発電機に関するものである。 The present invention relates to a generator for generating electrical energy.
発電機または電動発電機は、オルトラジアル方向の(in ortho-radial manner)機械的な運動エネルギまたは力学的エネルギ(motion energy)を電流に変換する電気機械である。 A generator or motor-generator is an electrical machine that converts mechanical kinetic or motion energy in an ortho-radial manner into electrical current.
発電機は、ロータと、複数の磁気要素または磁石と、複数のインダクタンスコイルとを備える。磁気要素およびインダクタンスコイルは、様々な方法で発電機内に配置されてもよいが、発電機の動作の基本原理は、少なくとも1つの磁気要素と少なくとも1つと、インダクタンスコイルの少なくとも1つとが互いに相対的に回転され、それによって、ロータの回転時に少なくとも1つの磁気要素によって生じる磁界において少なくとも1つのインダクタンスコイルが回転することに応答して、少なくとも1つのインダクタンスコイルに起電力、すなわち電圧が誘起されるというものである。少なくとも1つのインダクタンスコイルに誘起された電圧は、少なくとも1つのインダクタンスコイルを閉じた電気回路に接続することに応答して、電流を発生させる。 The generator comprises a rotor, a number of magnetic elements or magnets, and a number of inductance coils. The magnetic elements and inductance coils may be arranged in the generator in a variety of ways, but the basic principle of operation of the generator is that at least one magnetic element and at least one of the inductance coils are rotated relative to one another, thereby inducing an electromotive force, i.e., a voltage, in the at least one inductance coil in response to the at least one inductance coil rotating in the magnetic field generated by the at least one magnetic element upon rotation of the rotor. The induced voltage in the at least one inductance coil generates a current in response to connecting the at least one inductance coil to a closed electrical circuit.
本発明の目的は、新規なオルトラジアル誘導発電機を提供することである。 The object of the present invention is to provide a novel orthoradial induction generator.
本発明は、独立請求項の特徴を有するものである。 The invention has the features of the independent claims.
本発明は、流体の流れを利用して発電機のロータを直接動作させるという発想に基づいており、ロータは、浮動軸受方式(floating bearing manner)で流路ユニットに対して相対的に回転するように配置されている。 The present invention is based on the idea of using a fluid flow to directly operate the rotor of a generator, and the rotor is arranged to rotate relative to the flow passage unit in a floating bearing manner.
本発明の利点は、溶液の摩擦係数が非常に低いことにより、エネルギの損失を最小限に抑えながら、流体の流れの運動エネルギを発電機のロータの回転運動にストレートに変換するため、発電機の効率の係数が高いことである。 The advantage of the present invention is that the very low coefficient of friction of the solution results in a high coefficient of efficiency for the generator, as the kinetic energy of the fluid flow is directly converted into rotational motion of the generator rotor with minimal energy loss.
本発明のいくつかの実施形態は、従属請求項に開示されている。 Some embodiments of the invention are disclosed in the dependent claims.
以下では、添付図面を参照して、好ましい実施形態によって本発明をより詳細に説明する。
分かりやすくするために、図には、本発明のいくつかの実施形態が簡略化されて示されている。同様の参照数字は、図中の同様の要素を識別する。 For clarity, the figures show some embodiments of the invention in a simplified form. Like reference numerals identify like elements in the figures.
図1は、発電機10の模式的な側面図であり、図1bは、図1aの発電機10の模式的な上面図であり、図1cは、図1aおよび1bの発電機10における図1bの線A-Aに沿った模式的な断面側面図であり、図1dは、図1aおよび1bの発電機10における、図1aの線B-Bに沿った模式的な断面上面図である。図1a~図1dは、発電機10の1つの可能な実施形態のみを開示しているが、開示された解決策による発電機10の他の実施形態も可能である。発電機10またはその任意の部分の「上」、発電機10またはその任意の部分の「下」、および発電機10またはその任意の部分の「横(側方)」を意味し得る用語は、添付図面における発電機10またはその任意の部分の位置または姿勢のみを示すものであることが、本明細書で通知される。実際に使用する発電機10の位置は、自由に選択することができる。
1 is a schematic side view of the
発電機10は、軸方向Xと、軸方向Xにおいて、第1端部10aおよび第2端部10bとを有する。軸方向Xは、発電機10の中心軸も示す。発電機10の径方向Rは、軸方向Xに対して実質的に直交する方向である。発電機10は、フレーム20と、フレーム20に支持された発電ユニット30とを備える。発電ユニット30は、発電機10に供給される少なくとも1つの流体の流れ(流体流)の運動エネルギを電気エネルギに変換するように意図されている。
The
フレーム20は、発電機10の軸方向Xと実質的に一致する軸方向を有している。したがって、フレーム20の軸方向およびフレーム20の中心軸も、参照符号Xで示されることがある。フレーム20は、発電機10の第1端部10aに第1の端板21と、発電機10の第2端部10bに第2の端板22とを備える。したがって、第2の端板22は、発電機10の軸方向Xにおいて第1の端板21から距離を置いている。第1の端板21は、フレーム20の第1端部20aを提供し、図示する発電機10の実施形態においては、発電機10の第1端部10aを提供する。第2の端板22は、フレーム20の第2端部20bを提供し、図示する発電機10の実施形態においては、発電機10の第2端部10bを提供する。
The
フレーム20は、第1の端板21と第2の端板22との間において、軸方向Xに実質的に平行に延びる複数の支持ロッド23、図示する実施形態では合計4本の支持ロッド23、をさらに備えてもよい。支持ロッド23は、第1の端板21、第2の端板22および支持ロッド23によって発電ユニット30を収容するための空間24が設けられるように、第1の端板21と第2の端板とを互いに固定している。
The
発電ユニット30は、発電機10の軸方向Xと実質的に一致する軸方向を有する。したがって、発電ユニット30の軸方向および発電ユニット30の中心軸も、参照符号Xで示されることがある。発電ユニット30は、その軸方向Xにおいて、発電機10の第1端部10aの方を向いた(第1端部10aに面する)第1端部30aと、発電機10の第2端部10bの方を向いた第2端部30bとを有している。発電ユニット30の径方向Rは、軸方向Xに対して実質的に直交する方向である。
The
発電ユニット30は、静止流路ユニット(stationary flow channel unit)40と、複数の磁気ブリッジ要素51を有する回転可能なロータ50と、少なくとも1つの、すなわち1つ以上の静止インダクタンスユニット61と、を備える。流路ユニット40およびロータ50は、発電ユニット30の軸方向Xにおいて互いに実質的に連続して配置されており、図示する実施形態では、ロータ50は、少なくとも部分的に流路ユニット40の周囲に配置されている。しかしながら、ロータ50が流路ユニット40の周囲に少なくとも部分的に配置されていない、他の実施形態も可能である。流路ユニット40は、ロータ50を動作させる、すなわち回転させるために、少なくとも1つの流体流をロータ50に搬送するように配置されている。ロータ50の回転に応答して、ロータ50に配置された少なくとも1つの磁気ブリッジ要素51も、発電ユニット30の中心軸Xを中心とする少なくとも1つの周回経路のそれぞれに沿って回転する。回転するロータ50に伴う少なくとも1つの磁気ブリッジ要素51の回転は、少なくとも1つの静止インダクタンスユニット61に対して回転する磁場を与えるように配置されているので、インダクタンスユニット61に起電力、すなわち、電圧が誘起される。磁気ブリッジ要素51は、強磁性材料または磁気特性を有する他の材料もしくは複合材料などの磁性材料を含む磁気要素、あるいは、磁性材料からなる磁気要素である。好ましくは、磁気ブリッジ要素51は、鉄片、または、他の強磁性材料もしくは強磁性材料を含む複合体の片である。
The generating
図2cには、インダクタンスユニット61の一例が示されている。2つのインダクタンスコイル61aが磁気要素61bで互いに接続され、磁気ブリッジ要素51の影響範囲G2内に配置されている。磁気要素61bは、磁性材料を含むか、または、磁性材料から構成された磁気要素である。磁性材料は、例えば、強磁性材料、または磁気特性を有する他の材料もしくは複合材料等である。好ましくは、磁気要素61bは、鉄片、または他の強磁性材料もしくは強磁性材料を含む複合体の片である。このように、磁気ブリッジ要素51は、発電ユニット30の回転(移動)構造体上に取り付けられ、インダクタンスユニット61は、発電ユニット30の静止部分に取り付けられている。磁気ブリッジ要素51とインダクタンスユニット61とは、互いからの影響範囲G2内に配置される必要があり、これにより、回転構造体、すなわちロータ50と共に回転する磁気ブリッジ要素51が、インダクタンスユニット61に対して磁気ブリッジ要素51が相対的に移動することに応じて、インダクタンスユニット61内に起電力を誘導することができる。図2aには、磁気ブリッジ要素の配置のいくつかの代替例が参照符号51’で示されている。ここでの重要な特徴は、これらの磁気ブリッジ要素51が、発電機の回転部分にあり、インダクタンスユニット61の近傍G2内にあることである。
2c shows an example of an
図2aおよび図2cの実施形態では、インダクタンスユニット61は、ロータ50から距離を置いて実質的にロータ50の隣にあるが、図1aから図1dの実施形態では、インダクタンスユニット61は、発電機10の軸方向において、ロータ50の第2端部50bから距離を置いていることが、本明細書では示される。
In the embodiment of Figures 2a and 2c, the
発電ユニット30は、流路ユニット40(例えば、図1cおよび図3c)の各締結開口部41に挿入された締結ボルト25(例えば、図1c)により、発電機10のフレーム20の第1の端板21に固定されている。また、その他の固定手段を設けてもよい。このように、流路ユニット40は、発電機10のフレーム20に、流路ユニット40が静止するように固定されている。また、インダクタンスユニット61は、インダクタンスユニット61が静止するように、フレーム20に取り付けられている。ロータ50は、ロータ50に流れる流体流に応じて動作するように配置されており、従って、発電ユニット30における唯一の回転部分である。このように、発電ユニット30は、3つの主要な部分、すなわち、流路ユニット40と、少なくとも1つの磁気ブリッジ要素51が配置されたロータ50と、インダクタンスユニット61が固定された静止フレーム20と、から構成されている。これらの部分のうちの2つの部分、すなわち、流路ユニット40と、インダクタンスユニット61を有するフレーム20とは静止している。1つの部分のみ、すなわち、ロータ50のみが回転部分である。次に、流路ユニット40と、ロータ50と、インダクタンスユニット61が固定されたフレーム20との構造、および、発電ユニット30の動作について、より詳細に開示する。
The generating
図3aは、図1a~図1dの発電ユニット30の流路ユニット40の模式的な底面図、図3bは、図3aの流路ユニット40の模式的な側面図、図3cは、図3aおよび3bの流路ユニット40における、図3aの線C-Cに沿った模式的な断面側面図、図3dは、図3a~図3cの流路ユニット40を斜め上から見た模式図である。流路ユニット40は、発電機10および発電ユニット30の軸方向Xと実質的に一致する軸方向を有している。したがって、流路ユニット40の軸方向および流路ユニット40の中心軸も参照符号Xで示されることがある。流路ユニット40の径方向Rは、軸方向Xに対して実質的に直交する方向である。
3a is a schematic bottom view of the
流路ユニット40は、その軸方向Xにおいて、発電機10の第1端部10aまたは発電機10のフレーム20の第1の端板21の方に向くように意図された第1端部40aを有し、流路ユニット40の第1端部40aは、発電ユニット30の第1端部30aを提供する。さらに、流路ユニット40は、その軸方向Xにおいて、発電ユニット30の第2端部30aまたはロータ50の方に向くように意図された第2端部40bを有する。
The
流路ユニット40の第2端部40bには、流路ユニット40の第1端部40aに向かって延在する切頭円錐の形状を有するチャンバ42がある。チャンバ42の第1端部42aはより小さい直径を有し、流路ユニット40の第1端部40aに向けられている。チャンバ42の第2端部42bはより大きい直径を有し、流路ユニット40の第2端部40b又はロータ50に向けられている。チャンバ42の第1端部42aは、実質的に平面的な円形板であり、その円形板の中心は流路ユニット40の中心軸Xと実質的に一致する。チャンバ42の第2端部42bは、流路ユニット40の第2端部40bの方、すなわち、ロータ50の方を向いた実質的に開放円である。チャンバ42の第2端部42bの中心は、流路ユニット40の中心軸Xと実質的に一致する。
At the
流路ユニット40は、流路システムを備える。流路システムは、流路ユニット40によって受け取られた少なくとも1つの流体流を、ロータ50の方へ向けて、ロータ50を動作させるように意図されている。図3a~図3dの流路ユニット40の流路システムは、実質的に流路ユニット40の第1端部40aに、少なくとも1つの第1入口流路43と、少なくとも1つの第2入口流路45と、を備える。第2入口流路45は、流路ユニット40の径方向Rにおいて、少なくとも1つの第1入口流路43よりも流路ユニット40の中心から離れている。少なくとも1つの第1入口流路43および少なくとも1つの第2入口流路45は、ロータ50を動作させるための少なくとも1つの流体流を流路ユニット40に受け入れるように意図されている。図示する実施形態では、1つの第1入口流路43と、第1入口流路43を囲むように配置された6つの第2入口流路45とが設けられている。
The
流路ユニット40の流路システムは、第1入口流路43からチャンバ42まで延在する1組の第1サブ流路44(例えば、図3a、3c、3d)を備える。各第1サブ流路44は、第1入口流路43に入口開口部44aを有し、チャンバ42の第1端部42aに出口開口部44bを有する。出口開口部44bは、チャンバ42の第1端部42aを提供するプレートを通過して延在している。図示する実施形態における第1サブ流路44の数は7であるが、この数は、例えば発電ユニット30のサイズ又は公称電力に応じて1からそれ以上まで様々であってよい。第1サブ流路44を通じて提供される流体流は、後でより詳細に説明するように、流路ユニット40とロータ50との間に小さなギャップG1またはクリアランス(図1c)を設けて、ロータ50が流体流に浮遊し、実質的に自由に、すなわちほとんど摩擦なしに、または非常に低い摩擦の総効率で、流路ユニット40に対して相対的に回転できるよう意図されている。
The flow path system of the
流路ユニット40の流路システムは、1組の第2サブ流路46(例えば図1d、3b、3c、3d)をさらに備える。第2サブ流路46は、第2入口流路45から、実質的に流路ユニット40の第2端部40bにおける流路ユニット40の外周まで延在している。各第2サブ流路46は、第2入口流路45にある入口開口部46aと、出口開口部46bとを有する。出口開口部46bは、流路ユニット40の軸方向Xにおいて、ロータ50に囲まれる流路ユニット40の位置に、流路ユニット40の実質的に第2端部40bにおける流路ユニット40の外周にある。図示する実施形態では、第2サブ流路46は、図示するように、少なくとも部分的に径方向Rに延在するように配置されており、それによって、第2サブ流路46の出口開口部46bは、流路ユニット40の軸方向Xにおいて、実質的にロータ50の位置に、流路ユニット40の外周に配置されている。
The flow passage system of the
図示する実施形態における第2サブ流路46の数は、第2入口流路45の数に対応して6であるが、この数は、例えば発電ユニット30のサイズまたは公称電力に応じて1からそれ以上まで様々であってよい。第2サブ流路46を通じて提供される流体流は、ロータ50をその回転軸、すなわちロータ50の中心軸Xの周りに回転させるように意図されている。
The number of second
図3a~図3dおよび上記の説明は、流路ユニット40の可能な一実施形態のみを開示しているが、流路ユニット40の他の実施形態も可能である。
Figures 3a-3d and the above description disclose only one possible embodiment of the
図2aは、ロータ50の側面図を模式的に示す。図2bは、図2aのロータにおける、図2aの線D-Dに沿った断面側面図を模式的に示す。図2bでは、図2aに示す磁気ブリッジ要素51は省略されている。ロータ50は、発電機10および発電ユニット30の軸方向Xと実質的に一致する軸方向を有している。したがって、ロータ50の軸方向、および、ロータ50の仮想的な回転軸を提供するロータ50の中心軸も、参照符号Xで示されることがある。ロータ50の径方向Rは、軸方向Xに実質的に直交する方向である。
Figure 2a shows a schematic side view of the
ロータ50は、ロータ50の軸方向Xにおいて、ロータ50の第1端部50aを形成する第1の端板52を有し、ロータ50の第1端部50aは、発電ユニット30の第1端部30aおよび流路ユニット40の第1端部40aの方を向いている(面している)。さらに、ロータ50は、ロータ50の軸方向Xにおいて、ロータ50の第2端部50bを形成する第2の端板53を有し、第2の端板53は、発電ユニット30の第2端部30bの方を向いている。
The
ロータ50の第1の端板52は、第1の端板52の中心領域に開口部54を有している。ロータ50の第2の端板53は、第2の端板53の中心領域に延在部55を有している。延在部55は、ロータ50の内部にあり、第2の端板53から、すなわちロータ50の第2端部50bから、第1の端板52の開口部54に向かって、すなわちロータ50の第1端部50aに向かって延在する切頭円錐の形状を有する。延在部55は、より小さい直径を有し、流路ユニット40に向けられた第1端部55aと、より大きい直径を有し、流路ユニット40から離れる方向、すなわち、ロータ50の第2端部またはインダクタンスユニット61に向けられた第2端部55bと、を有する。
The
延在部55の第1端部55aは、実質的に平面的な円形の中実板であり、その中心は、ロータ50の中心軸Xと実質的に一致する。延在部55の第2端部55bは、ロータ50の第2の端板53の実質的に閉じた部分であり、延在部55の第2端部55bの中心は、ロータ50の中心軸Xと実質的に一致する。
The
ロータ50における延在部55の形状および寸法は、流路ユニット40におけるチャンバ42と対応する部分(counterpart)を提供するように配置され、それによって、流路ユニット40におけるチャンバ42は、ロータ50における延在部55を少なくとも部分的に受け入れる又は収容することが可能である。ロータ50における延在部55の第1端部55aは、流路ユニット40におけるチャンバ42の第1端部42aに対向する面を提供する。ロータ50における延在部55の周囲には、開放空間56が設けられている。開放空間56は、発電ユニット30が組み立てられたときに、流路ユニット40の外周の上部を受け入れいるまたは収容するように意図されている。
The shape and dimensions of the
ロータ50は、翼リング58を提供する複数の翼57(例えば、図1d)をさらに備える。翼リング58は、このようにロータ50の周方向において互いから距離を置いて互いに続く複数の翼57によって提供されている。翼リング58は、延在部55を囲む開放空間56の外周によって実質的に画定された内周58aと、ロータ50の外周によって実質的に画定された外周58bとを有する。翼57は、ロータ50の径方向、すなわちロータ50の軸方向Xに対して実質的に直交する方向に、翼リング58の内周58aから翼リング58の外周58bに向かって曲線状に延在するように配置されている。
The
翼リング58の周方向で隣り合う翼57は、それらの間に複数のロータ流路59を画定している。ロータ流路59は、翼リング58の内周58aの方向から、翼リング58の外周58bに向かって曲線状に延在している。各流路59は、実質的に翼リング58の内周58aに設けられた入口開口部59aと、実質的に翼リング58の外周58bに設けられた出口開口部59bとを有している。ロータ流路59の数は、図示する実施形態では8であるが、例えば発電ユニット30の大きさや公称電力、または流体の種類や粘性に応じて変わり得る。
The
インダクタンスユニット61は、ロータ50とともに回転する磁気ブリッジ要素51の影響範囲にあるが、静止インダクタンスユニット61に対して磁気ブリッジ要素51が自由に相対回転できるようにロータ50における磁気ブリッジ要素51から少し距離を置いて発電ユニット30に配置され、固定される。言い換えれば、インダクタンスユニット61と磁気ブリッジ要素51との間には、小さなギャップG2またはクリアランス(隙間)が存在する。磁気ブリッジ要素51がインダクタンスユニット61に対して相対的に回転することに応じて、インダクタンスユニット61に起電力、すなわち電圧が誘起される。
The
電力出力部が接続されて閉じた電気回路(分かりやすくするために図示せず)を提供する場合、インダクタンスユニット61に誘起される電圧によって、発電機10から電流が出力される。本実施形態におけるインダクタンスユニット61の数は、例えば発電ユニット30の大きさや公称電力に応じて、1からそれ以上まで様々であってよい。
When the power output is connected to provide a closed electrical circuit (not shown for clarity), the voltage induced in the
図および上記の説明は、インダクタンスユニット61を作製して取り付ける2つの可能な実施形態のみを開示しているが、他の実施形態も可能である。
The figures and above description disclose only two possible embodiments for constructing and mounting the
図示する発電機10および発電ユニット30は、以下のようにして、図に示す位置に組み立てることができる。ロータ50は、流路ユニット40におけるチャンバ42がロータ50における延在部55を受け入れ、流路ユニット40におけるチャンバ42の第1端部42aとロータ50における延在部55の第1端部55aとが実質的に互いに向かい合う(相対する)ように、流路ユニット40の頂部に設置される。従って、ロータ50は、発電ユニット30の軸方向Xにおいて、ロータ流路59の入口開口部59aが流路ユニット40における第2サブ流路46の出口開口部46bと一致するように、流路ユニット40の第2端部40bの周囲に少なくとも部分的に配置される。その後、流路ユニット40は、ロータ50と共に、発電機10のフレーム20の第1の端板21に例えば締結ボルト25で固定され、支持ロッド23もフレーム20の第1の端板21に固定される。組み立ての続きとして、発電機10のフレーム20の第2の端板22にインダクタンスユニット61を固定し、その後、ロータ50における磁気ブリッジ要素51とインダクタンスユニット61との間に発電ユニット30の軸方向Xに微小なギャップG2(図1c)を残すように、フレーム20の第2の端板22とインダクタンスユニット61とを支持ロッド23に固定してもよい。ただし、他の組み立て順序も可能である。
The illustrated
図示する発電機10の動作は次の通りである。
The operation of the illustrated
図1cに参照符号Fで示された矢印で模式的に示された流体流は、破線で模式的に示されたフレーム20の第1の端板21における開口部28を通って、流路ユニット40の第1端部40aで流路ユニット40に搬送される。流路ユニット40において、流体流Fの一部は、第1サブ流路44の入口開口部44aを通って第1サブ流路44に流入し、さらに第1サブ流路44を通り、第1サブ流路44の出口開口部44bを通ってチャンバ42に流入する。図1cに参照符号F44で示された矢印で模式的に示されるように、第1サブ流路44を通ってチャンバ42に流入する流体流の当該部分は、チャンバ42において、流路ユニット40におけるチャンバ42の第1端部42aと、ロータ50における延在部55の第1端部55aとの間に圧力効果を与えるよう配置される。この圧力効果により、ロータ50は、軸方向Xにおいて、少しまたはわずかな距離だけ流路ユニット40から離れるように移動するので、流路ユニット40とロータ50との間に小さなギャップG1が生じる。ギャップG1の位置は、図1cにおいて矢印G1で模式的に示されている。このように、上記圧力効果により、ロータ50は、発電ユニット30の軸方向Xにおいて、流路ユニット40から僅かに距離をおいた位置に留まる、すなわち浮いた状態となる。
1c, the fluid flow is conveyed to the
流路ユニット40において、流体流Fの一部は、図1cに参照符号F46で示す矢印で模式的に示すように、入口開口部46aを通って第2サブ流路46に流入し、第2サブ流路46および第2サブ流路46の出口開口部46bを通り、ロータ流路59の入口開口部59aを通ってロータ50のロータ流路59に接線方向に更に流入する。さらに、流体流F46は、ロータ流路59およびロータ流路59の出口開口部59bを通って、ロータの実質的に径方向Rに、ロータ50から流出する。それによって、流体流F46の圧力とロータ50の翼57との相互作用によりロータ50が回転する。流路ユニット40の外周面における第2サブ流路46の出口開口部46bの位置、流路ユニット40における第2サブ流路46の数、およびロータ流路59の数を選択することにより、発電ユニット30において流路ユニット40における第2サブ流路46の数とロータ流路59の数が互いにずれていても、発電ユニット30の動作中、常に、流路ユニット40における少なくともいくつかの第2サブ流路46が、ロータ50における少なくともいくつかのロータ流路59と流通接触(flow contact)しており、ロータ50を一定に(定常的に)回転させることができる。
In the
上記に開示された発電ユニット30では、同じ流体流を利用して、流路ユニット40とロータ50との間に圧力効果を与えて、発電ユニット30の軸方向Xにおいて流路ユニット40から少し距離を置いて(少し離して)ロータ50を留める、すなわち流路ユニット40からロータ50を浮かせるとともに、ロータ50を回転させる。流路ユニット40とロータ50との間の圧力効果(発電ユニット30の軸方向Xにおいて、流路ユニット40から少し離してロータ50を留める、すなわち浮かせる、圧力効果)によって、流路ユニット40とロータ50との間の摩擦が減少し、ロータ50を流路ユニット40の周りで実質的またはほとんど摩擦なしに、すなわち、非常に低い総摩擦係数で回転させることが可能になる。このように、この解決策は、発電機10において、いわゆる浮動軸受の解決策を実現する。これにより、先行技術の発電機で利用されてきた従来の軸受解決策に対して効率の係数を増加させるが、動作および構造は単純である。
In the
ロータ50が回転すると、ロータ50の回転に応じて磁気ブリッジ要素51が回転する。それによって磁気ブリッジ要素51がインダクタンスユニット61に対して相対的に回転し、インダクタンスユニット61に起電力、すなわち電圧が誘起される。インダクタンスユニット61の電力出力部が接続されて閉じた電気回路(分かりやすくするために図示せず)を提供する場合、インダクタンスユニット61に誘起される電圧によって、発電機10から電流出力が得られる。
As the
一実施形態によれば、インダクタンスユニット61は、少なくとも1つのサーボモータを有するサーボモータ構造(servo motor arrangement)を備え、それにより、発電ユニット30の動作時に磁気ブリッジ要素51とインダクタンスユニット61との間に作用する電磁力に基づいて、磁気ブリッジ要素51とインダクタンスユニット61との間のギャップG2のサイズを制御し、それによって間接的にも流量制御ユニット40とロータ50との間のギャップG1のサイズを制御するようにしてもよい。加えて、または代わりに、流量制御ユニット40とロータ50との間のギャップG1のサイズは、ロータ50を浮かせるように意図された流体速度および/または圧力によって制御されてもよい。例えば図1aは、ロータを浮かせて回転させる流体流の流量および/又は圧力を制御するように意図された制御手段26、27を模式的に開示している。磁気ブリッジ要素51とインダクタンスユニット61との間のギャップG2のサイズの制御、それによる間接的な流量制御ユニット40とロータ50との間のギャップG1のサイズの制御、またはその逆、および発電機に適用される他の可能な制御は、コンピュータ支援手段によって行われてもよい。
According to an embodiment, the
流体流Fは、例えば、十分な圧力を有する空気流、蒸気流、排ガス流又は液体流であってもよく、空気流、蒸気流、排ガス流および液体流のうちの少なくとも1つを加圧した流体であってもよいが、これに限定されるものではない。したがって、流体流Fは、空気流、蒸気流、排ガス流および液体流のうちの少なくとも1つの混合物であってもよい。流体流Fは、気相、超臨界相、又は不均質な流体相で生じてもよい。流体流Fが空気流である場合、空気流は、風による空気流であってよく、それによって、発電機10は、例えば、風力発電機に利用されてもよい。また、空気流は、例えば、産業用加圧空気システムにおける加圧空気流であってもよい。流体流Fが蒸気流である場合、蒸気流は、蒸気流を発生させるエンジン又はシステムに由来していてもよい。流体流Fが排ガス流である場合、排ガス流は、エンジンまたは排ガスを発生させるシステムに由来してもよい。流体流Fが発電ユニット30を適切に動作させるのに十分高い圧力を有していない場合、流体流Fの圧力を増加させるための、例えば複数の調整可能なジェットノズルを備えた圧力増加構造が、流路ユニット40の入口に配置されてもよい。発電機10に供給される流体流Fの典型的な圧力は、例えば、8~15バールであってもよいが、これに限定されるものではない。
The fluid flow F may be, for example, an air flow, a steam flow, an exhaust gas flow, or a liquid flow having sufficient pressure, and may be, but is not limited to, a pressurized fluid of at least one of an air flow, a steam flow, an exhaust gas flow, and a liquid flow. Thus, the fluid flow F may be a mixture of at least one of an air flow, a steam flow, an exhaust gas flow, and a liquid flow. The fluid flow F may occur in a gas phase, a supercritical phase, or a heterogeneous fluid phase. If the fluid flow F is an air flow, the air flow may be a wind-driven air flow, whereby the
開示される発電機10の公称電力は、例えば、1kW~1MWの間で様々であってもよいが、これに限定されない。ロータ50の典型的な回転速度は、例えば、3000~50000rpmであってよいが、これに限定されない。
The nominal power of the disclosed
上記に開示した実施形態では、ロータを浮かせるとともにロータを回転させるために、同じ流体相における同じ流体流が使用される。しかしながら、ロータを浮かせる流体流とロータを回転させる流体流とは、同じ流体相の異なる流体流であっても、異なる流体相の異なる流体流であっても、異なる流体相の同じ流体流であってもよい。さらに、上記で開示した実施形態では、ロータを浮かせる流体流とロータを回転させる流体流との供給方向は同じであるが、ロータを浮かせる流体流とロータを回転させる流体流との供給方向も異なっていてもよい。 In the embodiments disclosed above, the same fluid flow in the same fluid phase is used to levitate the rotor and rotate the rotor. However, the fluid flow that levitates the rotor and the fluid flow that rotates the rotor may be different fluid flows of the same fluid phase, different fluid flows of different fluid phases, or the same fluid flow of different fluid phases. Furthermore, while in the embodiments disclosed above, the supply directions of the fluid flow that levitates the rotor and the fluid flow that rotates the rotor are the same, the supply directions of the fluid flow that levitates the rotor and the fluid flow that rotates the rotor may also be different.
さらに、上記に開示された実施形態では、ロータは特定のロータ軸を有していないが、ロータは軸を有してもよく、軸は、少なくとも1つの流路を提供するために中空であってもよく、および/または発電ユニットにおけるロータの集中化に寄与するものであってもよい。 Furthermore, while in the embodiments disclosed above the rotor does not have a specific rotor axis, the rotor may have an axis, which may be hollow to provide at least one flow path and/or contribute to rotor centralization in the power generation unit.
さらに、上記に開示された実施形態では、発電機は、1つだけのロータおよび1つだけの流路ユニットを備える。しかしながら、発電機におけるロータおよび流路ユニットの数は様々であってもよい。さらに、例えば、少なくとも2つのロータを備える発電機におけるロータのサイズは、例えば、発電機の公称電力に鑑みて最適化されたサイズを提供するために変わり得る。このように、発電機は、少なくとも2つのロータを有するロータシステムを備えてもよい。 Furthermore, in the embodiments disclosed above, the generator comprises only one rotor and only one flow path unit. However, the number of rotors and flow path units in the generator may vary. Furthermore, for example, the size of the rotors in a generator comprising at least two rotors may vary, for example, to provide an optimized size in view of the rated power of the generator. Thus, the generator may comprise a rotor system having at least two rotors.
当業者には明らかであろうが、この新規な解決策は逆モードで使用されてもよく、これは、電力がインダクタンスユニットに印加されたときに、開示されたほとんど摩擦のない構造を使用して、流体流を生成することができることを意味する。逆モードでの動作には、特にシャフト潤滑、ベアリングまたは他の潜在的な不純物の発生源が存在する作業において、清浄な空気の輸送から流体の輸送まで、多くの利点または意図された最終用途(使用目的)がある。 As will be apparent to those skilled in the art, this novel solution may also be used in reverse mode, meaning that the disclosed nearly frictionless structure can be used to generate a fluid flow when power is applied to the inductance unit. Operating in reverse mode has many advantages or intended end uses, from transporting clean air to transporting fluids, especially in operations where shaft lubrication, bearings or other potential sources of impurities are present.
技術の進歩に伴い、本発明のコンセプトを様々な方法で実施できることは、当業者にとって明らかであろう。本発明およびその実施形態は、上述した例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内で種々の変更が可能である。 It will be clear to those skilled in the art that as technology advances, the concept of the present invention can be implemented in a variety of ways. The present invention and its embodiments are not limited to the examples described above, but various modifications are possible within the scope of the claims.
Claims (16)
前記ロータ(50)の回転に応答して、前記ロータ(50)の回転軸(X)の周りを回転するように配置された少なくとも1つの磁気ブリッジ要素(51)と、
少なくとも1つのインダクタンスユニット(61)であって、前記インダクタンスユニット(61)に対する前記磁気ブリッジ要素(51)の相対的な移動に応じて起電力を誘導するために、移動する前記磁気ブリッジ要素(51)の影響範囲(G2)にインダクタンスコイル(61a)と磁気要素(61b)とを有する、少なくとも1つのインダクタンスユニット(61)と、
前記ロータ(50)を動作させるために前記ロータ(50)に流体流を搬送するための少なくとも1つの流路ユニット(40)と、を備え、
前記ロータ(50)は、浮動軸受(floating bearing)方式で前記流路ユニット(40)に対して相対的に回転するように配置されている、発電機(10)。 At least one rotor (50);
at least one magnetic bridge element (51) arranged to rotate about an axis of rotation (X) of the rotor (50) in response to rotation of the rotor (50);
at least one inductance unit (61) having an inductance coil (61a) and a magnetic element (61b) in a range of influence (G2) of the moving magnetic bridge element (51) for inducing an electromotive force in response to a relative movement of the magnetic bridge element (51) with respect to the inductance unit (61);
at least one flow passage unit (40) for conveying a fluid flow to the rotor (50) for operating the rotor (50);
The generator (10), wherein the rotor (50) is arranged to rotate relative to the flow path unit (40) in a floating bearing manner.
少なくとも1つの前記流路(44)は、少なくとも1つの流体流を前記流路ユニット(40)と前記ロータ(50)との間に搬送し、前記流路ユニット(40)と前記ロータ(50)との間に圧力効果を生じさせて、前記流路ユニット(40)と前記ロータ(50)の軸方向(X)において、前記ロータ(50)を前記流路ユニット(40)から離れるように押し出し、これにより、前記ロータ(50)を前記流路ユニット(40)に対して実質的に摩擦のない状態で回転可能にするために、前記流路ユニット(40)と前記ロータ(50)との間にギャップ(G1)が配置され、
前記流路ユニット(40)は、前記ロータ(50)を回転させるための少なくとも1つの流体流を前記ロータ(50)に搬送する少なくとも1つの流路(46)を備える、請求項1から5のいずれか1項に記載の発電機。 The flow path unit (40) includes at least one flow path (44),
at least one of the flow paths (44) conveys at least one fluid stream between the flow path unit (40) and the rotor (50) and creates a pressure effect between the flow path unit (40) and the rotor (50) to push the rotor (50) away from the flow path unit (40) in an axial direction (X) of the flow path unit (40) and the rotor (50), thereby allowing the rotor (50) to rotate substantially frictionlessly relative to the flow path unit (40),
6. The generator of claim 1, wherein the flow passage unit (40) comprises at least one flow passage (46) for conveying at least one fluid flow to the rotor (50) for rotating the rotor (50).
少なくとも1つの前記第1入口流路(43)は、少なくとも1つの流体流を搬送して前記流路ユニット(40)と前記ロータ(50)との間に前記圧力効果を生じさせる少なくとも1つの前記流路(44)に流体流を搬送するように配置され、
少なくとも1つの前記第2入口流路(45)は、前記ロータ(50)を回転させるために、少なくとも1つの流体流を前記ロータ(50)に搬送する少なくとも1つの前記流路(46)に流体流を搬送するように配置されている、請求項6に記載の発電機。 The flow passage unit (40) comprises at least one first inlet flow passage (43) and at least one second inlet flow passage (45);
at least one said first inlet flow passage (43) is arranged to convey at least one fluid flow to at least one said flow passage (44) which conveys at least one fluid flow to create said pressure effect between said flow passage unit (40) and said rotor (50);
7. The generator of claim 6, wherein the at least one second inlet flow passage (45) is arranged to deliver a fluid flow to at least one of the flow passages (46) that delivers at least one fluid flow to the rotor (50) for rotating the rotor (50).
前記ロータ(50)は、前記ロータ(50)の軸方向(X)において、前記流路ユニット(40)の方向を向いた第1端部(50a)と前記流路ユニット(40)から離れる方向を向いた第2端部(50b)とを有し、
前記ロータ(50)の前記第1端部(50a)には、前記流路ユニット(40)の前記第2端部(40b)を受け入れるように配置された開口部(54)が設けられており、前記ロータ(50)は、前記流路ユニット(40)および前記ロータ(50)の軸方向(X)において、前記流路ユニット(40)の前記第2端部(40b)に、前記流路ユニット(40)を部分的に囲むように配置されている、請求項8に記載の発電機。 The flow path unit (40) has a first end (40a) and a second end (40b) in an axial direction (X) of the flow path unit (40),
The rotor (50) has, in an axial direction (X) of the rotor (50), a first end (50a) facing toward the flow path unit (40) and a second end (50b) facing away from the flow path unit (40);
9. The generator according to claim 8, wherein the first end (50a) of the rotor (50) is provided with an opening (54) arranged to receive the second end (40b) of the flow path unit (40), and the rotor (50) is arranged at the second end (40b) of the flow path unit (40) in an axial direction (X) of the flow path unit (40) and the rotor (50) so as to partially surround the flow path unit (40).
前記ロータ(50)は、前記開口部(54)において、前記ロータ(50)の前記第2端部(50b)から前記開口部(54)に向かって延在する延在部(55)を備え、
前記流路ユニット(40)の前記チャンバ(42)は、前記延在部(55)が前記チャンバ(42)内に挿入されると、前記ロータ(50)の前記延在部(55)を少なくとも部分的に収容するよう配置されている、請求項9に記載の発電機。 The flow passage unit (40) includes a chamber (42) that opens toward the rotor (50),
The rotor (50) includes an extension portion (55) extending from the second end (50b) of the rotor (50) toward the opening (54) at the opening (54),
10. The generator of claim 9, wherein the chamber (42) of the flow path unit (40) is arranged to at least partially accommodate the extension portion (55) of the rotor (50) when the extension portion (55) is inserted into the chamber (42).
前記ロータ(50)の前記延在部(55)は、第1端部(50a)と第2端部(50b)とを有し、
前記チャンバ(42)の前記第1端部(42a)と前記延在部(55)の前記第1端部(55a)とは、前記延在部(55)が前記チャンバ(42)内に挿入されると、互いに向き合うよう配置され、
少なくとも1つの流体流を搬送して前記流路ユニット(40)と前記ロータ(50)との間に圧力効果を生じさせる少なくとも1つの流路(44)は、少なくとも1つの流体流の部分を、前記チャンバ(42)の前記第1端部(42a)に配置された少なくとも1つの前記流路(44)の少なくとも1つの出口開口部(44b)を介して、前記チャンバ(42)の前記第1端部(42a)と前記延在部(55)の前記第1端部(55a)との間に搬送するよう配置されている、請求項10に記載の発電機。 The chamber (42) in the flow path unit (40) has a first end (42a) and a second end (42b),
The extension portion (55) of the rotor (50) has a first end (50a) and a second end (50b),
the first end (42a) of the chamber (42) and the first end (55a) of the extension (55) are arranged to face each other when the extension (55) is inserted into the chamber (42);
11. The generator of claim 10, wherein at least one flow passage (44) conveying at least one fluid stream to create a pressure effect between the flow passage unit (40) and the rotor (50) is arranged to convey a portion of at least one fluid stream between the first end (42a) of the chamber (42) and the first end (55a) of the extension (55) via at least one outlet opening (44b) of the at least one flow passage (44) arranged in the first end (42a) of the chamber (42).
前記ロータ(50)を回転させるための流体流が前記ロータ流路(59)を流れる、請求項8から12のいずれか1項に記載の発電機。 At least one of the rotors (50) comprises a plurality of rotor flow passages (59) extending at least partially in a radial direction (R) of the rotor (50);
The generator of any one of claims 8 to 12, wherein a fluid flow for rotating the rotor (50) passes through the rotor flowpath (59).
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