JP4829214B2 - リニア発電機の効率を上げるための回路 - Google Patents

Description

本出願は、その教示が本願明細書に参照で組み入れられる２００４年３月１６日に提出された「Ｗａｖｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ（ＷＥＣｓ）ｗｉｔｈ Ｌｉｎｅａｒ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ（ＬＥＧｓ）」という表題の米国仮特許出願番号６０／５５３，６６６号から優先権を主張するものである。

本発明はリニア発電機（ＬＥＧ）およびその効率を向上させるための回路に関する。

知られているＬＥＧに伴なう問題は先行技術の図１および２を参照すると最もよく説明されることが可能である。図１および２に示されるように、ＬＥＧは長いステータ（例えば長さｄ１のインダクション・コイル・アセンブリ２４）および長さｄ２の比較的短い永久磁石アセンブリ２２を有するように構成されることが可能である。永久磁石アセンブリ２２がインダクション・コイル・アセンブリ２４に相対して移動するとき、電圧（および、もしも負荷がコイル・アセンブリの両端に接続されれば電流）がコイル・アセンブリに誘導される。長い永久磁石アセンブリと短いインダクション・コイル（ステータ）アセンブリを備えたそれらと比較したときにコイルが磁石よりもはるかに長く作られたシステムの利点はインダクション・コイル・アセンブリの巻き線を静止型に保つ能力を含む。そのようなシステムの別の利点は、比較的単純な受動性永久磁石緩衝器／ブレーキの使用を長いコイルと短い磁石が可能にする（例えば、受動性の緩衝器もしくはブレーキを形成するために永久磁石の行程の端部に導電性のプレートを置くことによって受動性緩衝器が形成されることが可能である）ことである。比較的短い永久磁石を有することのさらに別の利点は、大きくかつ長い磁石は大量の屑を引き寄せ易いという点で危険性を呈するということである。

図１および２に示される構造は多くの利点を有するが、長いインダクション・コイル・アセンブリと比較的短い永久磁石アセンブリを有する知られているリニア発電機に伴なう問題は、コイル内で発生した電流が図１に例示されるようにステータ内のコイル・アセンブリ全体（すなわちすべてのコイル）を通って過ぎる（流れる）必要があることである。コイルから導き出される有用な電圧は永久磁石アセンブリに直接向き合って極めて近くにあるコイルもしくはコイル区分から得られる。この有用な電圧はコイルを通って流れる電流を誘発する。永久磁石アセンブリ（ＰＭＡ）に隣接しない（もしくは直接向き合わない）ステータ・コイルの部分および磁石アセンブリと相互作用しないそれらは追加の電流の発生を促進せず、（コイルの抵抗およびインダクタンスのせいで）コイル内に電圧降下を生じさせる。電圧（電流）の発生に寄与しないコイルの抵抗／インピーダンスに起因する電圧降下は結果として、ＬＥＧによって作り出される電力の大幅な損失につながる。
米国仮特許出願番号６０／５５３，６６６号 Ｄａｖｉｄ Ｂ．Ｓｔｅｗａｒｔら「Ｃｏｉｌ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｆｏｒ Ｌｉｎｅａｒ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ」

この問題に対して提案された解決策は、本出願と同時に提出され、かつ出願番号＿＿を有し、かつ本出願と同じ譲受人に譲渡され、その開示が本願明細書に参照で組み入れられる「Ｃｏｉｌ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｆｏｒ Ｌｉｎｅａｒ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ」という表題のＤａｖｉｄ Ｂ．Ｓｔｅｗａｒｔらの係属出願に示され、かつ考察されている。コイルのスイッチングの出願は、ＬＥＧのインダクション・コイル・アセンブリ（ＩＣＡ）のうちの選択されたコイル区分だけをＬＥＧの出力ラインの間に結合させるためのスイッチ配列の使用を教示している。この選択された区分は通過するＰＭＡに最も近いＩＣＡのコイル区分を含む。提案された解決策の欠点は、活性のコイルをＬＥＧの出力ラインに連結するためのスイッチおよび不活性のコイルを外すかまたはバイパスするためのスイッチの使用を必要とすることである。スイッチ配列を使用するシステムの適切な運転に関して、ＩＣＡに相対したＰＭＡの位置を感知して定常的にスイッチをオンオフ切り換えすることで事実上望ましいコイルだけが回路内で接続されることを保証するための位置センサおよび／または他の適切な手段が必要とされる。この欠点は本発明を具現化する回路およびシステムの中で克服される。

本発明を具現化するリニア発電機（ＬＥＧ）システムは（ａ）長さに沿ってインダクタンスと抵抗を示す複数のコイルを備えて長さｄ１に沿って直線的に配置されたインダクション・コイルのＮ個の区分を有する「タップ引き出し型」構造または「分節化」構造として知られているどちらかのタイプであることが可能なインダクション・コイル・アセンブリ（ＩＣＡ）、（ｂ）ｄ１よりも短い長さｄ２の永久磁石アセンブリをＩＣＡに沿って、かつその上を通過させることでＰＭＡに近接したコイルの両端に電圧を発生させるための装置、および（ｃ）インダクション・コイルの区分とＬＥＧの第１および第２の出力点との間に連結されることにより、通過するＰＭＡによって活性にされたコイル区分を自動的に第１および第２の出力点へと連結しながらその一方で不活性のコイル区分を第１および第２の出力点への連結から分離もしくは分断する一方向性の導通手段を有する。

本発明の一実施形態では、各々のコイルは第１および第２の端子を有し、各々のコイル端子は第１のダイオードを介して第１の出力ラインへと連結され、かつ第２のダイオードを介して第２の出力ラインへと連結される。通過するＰＭＡに起因してコイルによって作り出されるエネルギーを集めるために中枢のエネルギー貯蔵素子が第１および第２の出力ラインに連結される。

本発明の別の実施形態では、各々のコイル区分について第１および第２の出力ラインがあり、別々のエネルギー貯蔵素子が各々のコイル区分に設けられることで付随するコイルによって作り出されるエネルギーを貯蔵する。すべてのコイル区分のエネルギー貯蔵素子はサンプリング回路を介して中枢のエネルギー貯蔵素子へと選択的に連結される。本発明を具現化するＬＥＧはＷＥＣとの使用に極めて適している。

添付の図面の中で、類似した参照文字は類似した構成要素を示す。
本発明を具現化するリニア発電機（ＬＥＧ）の様々な特徴および構造が図３〜１０に示されている。これらの図では、説明を簡単にするために３つの考え得る電気的相のうちの１つだけが示されている。しかしながら、本装置が１つまたは複数の相（例えば三相）を含み得ること、かつ通常では含むであろうことは理解されるはずである。本発明を具現化するリニア発電機の１つの用途は、水域に置かれ、電気エネルギーを作り出すために水域の波の運動に応答する素子（例えばシャフト３および外郭構造５）を有する波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）の中のパワー・テイクオフ（ＰＴＯ）装置である。しかしながら、本発明を具現化するＬＥＧがいずれかの他の適切な用途に使用されることが可能であることは理解されるはずである。

図に示されるように、本発明を具現化するＬＥＧは小さい空隙で隔てられた永久磁石アセンブリ（ＰＭＡ）３０とインダクション・コイル・アセンブリ（ＩＣＡ）２０を有する。この応用例ではＰＭＡ３０の長さ（ｄ２）がＩＣＡ２０の長さ（ｄ１）よりも短いことが想定されている。本発明を具現化するＷＥＣでは、図４Ａおよび４Ｄに示されるようにＰＭＡ３０がシャフト３と外郭構造５のうちの一方に取り付けられる（または装着される）ことが可能であり、ＩＣＡ２０がシャフト３と外郭構造５のうちの他方に取り付けられ（または装着され）、かつそれに沿って並べられることが可能である。本発明を具現化するシステムではシャフトまたは外郭構造が他方に相対して移動することが可能であり、あるいは両方が互いに相対して移動することが可能である。

ＰＭＡ３０は、通常、強磁性材料構造体（例えばスチール）の表面上に装着された「Ｎ」と「Ｓ」に分極した磁石の多数の対で構成され、磁極は空隙の線に対して直角に配向させられる。これらの磁石は磁気的な「極対」を有する。磁気回路は一対の磁石、「空気の」隙間、ステータ・ヨーク、および磁石受け板で構成されることが可能であり、後者の２つの品目は強磁性材料で構成される。

ＰＭＡ３０はまた、強磁性のヨークに「埋め込まれた」ＮとＳに分極した磁石の多数の対で構成されることも可能である。このケースでは、Ｎ極とＳ極は空隙に対して平行に配向させられる。そのようなケースでは、磁気回路は磁石、２つの空隙交差、および強磁性磁石とステータ・ヨークで構成されることが可能である。しかしながら、いずれかの他の適切なＰＭＡ構造が本発明を実践するために使用されることが可能であることに留意すべきである。

本発明を実践するために使用されるインダクション・コイル・アセンブリ（ＩＣＡ）２０は図３Ａに示されるような「タップ引き出し型」コイル構造２０ａ、または図３Ｂに示されるような「分節化」コイル構造２０ｂのどちらかを有することが可能である。図３Ａおよび３Ｂは、「タップ引き出し型」コイル構造２０ａ（図３Ａ）および「分節化」コイル構造２０ｂ（図３Ｂ）の使用法を具体的に示す単純化された図式的表現である。２つの出力端子（ＴＲ１、ＴＲ２）の間に直列に接続されるコイルの列（Ｌ１〜ＬＮ）を有するタップ引き出し型構造では、各々のコイル（Ｌｉ）は第１と第２の端部を有し、最初と最後のコイルを除いて各々のコイルの一方の端部は先行するコイルの一方の端部へと固定して接続され、各々のコイルの他方の端部は次の続きのコイルの一方の端部へと固定して接続される。分節化構造では、各々のコイル（Ｌｉ）は自在に接続されることが可能な２つの端子（Ｘｉ１、Ｘｉ２）を有する。本発明を具現化するシステムでは、（概してＩＣＡ２０として識別される）ＩＣＡは支持用部材（例えば外郭構造またはシャフト）の長さに沿って直線的に並べられることが可能である。

一対の「Ｎ」と「Ｓ」に分極した磁石からの磁束が空隙を介してコイル区分へと結合させられる。各々のコイル区分の長さはこれらの磁極対のうちの１つの長さに等しいことが可能である。ＰＭＡはいくつかの磁極対で構成され、かつコイル区分１つ未満、１つ、または１つを超えて延びることが可能である。

本発明を具現化するＬＥＧシステムでは、永久磁石アセンブリ（ＰＭＡ）３０は隙間によって隔てられたＩＣＡの上をＩＣＡに沿って通り過ぎることでＩＣＡ内に電圧を発生させる。電圧発生システムの基本的動作は以下のように述べられることが可能である。自然に生じる力（例えば海洋の波）に応答してＰＭＡ３０がＩＣＡに相対して、かつそれに沿って移動するように推進されると想定する。ＰＭＡ３０が、小さい空隙によって隔てられるコイルに沿って移動するとき、磁束に変化が作り出される。磁石の移動によって引き起こされる磁束変化は磁石の付近の（近接した）コイル内に電圧を誘導し（ｅ＝Ｎｄφ／ｄｔ）、これらのコイルは本願明細書および添付の特許請求項の中で「活性の」コイルもしくは「励起された」コイルとも称される。各々の個別の活性コイルに誘導される電圧の振幅および周波数はコイルに相対した（複数の）磁石のスピードおよび磁石−コイル結合特性の関数である。外部負荷が「活性の」コイルもしくは複数コイルの両端に接続されると電流がコイルおよび（複数の）コイルの間に接続された負荷を通って流れる。図１０に例示されるように、ＰＭＡ３０に近接していないコイルの両端に生じる有用な電圧が殆どないかまたは少しもないことに留意すべきである。

ＰＭＡが（複数の）コイルの上を通り過ぎるときの磁束変化の結果として（複数の）コイルのうちの「活性の」区分の両端に発生する電圧が通常は交流型（ＡＣ）電圧であろうことにもやはり留意すべきである。作り出される変化電圧の性質は、作られた電圧の効率的な捕捉と利用に重大な問題を提示する。既に言及したように、これらの問題は本発明を具現化する回路およびシステムの中で克服される。

図４Ａは単純化されたやや概略的なセミブロック図であって、ＷＥＣのシャフト３に取り付けられた永久磁石アセンブリ（ＰＭＡ）３０およびタップ引き出し型コイル・アセンブリＩＣＡ２０ａの８個のコイル区分（Ｌ１〜Ｌ８）が外郭構造５の一方の側面の長さに沿って直線的にレイアウトされ、分節化されたインダクション・コイル・アセンブリ（ＩＣＡ）２０ｂの８個のコイル区分（Ｌ１〜Ｌ８）が外郭構造５の他の側面の長さに沿って直線的にレイアウトされることを示している。これは、タップ引き出しまたは分節化構造を使用して本発明が実践されることが可能であることを例示するために為され、図４Ａでは各々のコイル（Ｌｉ）は２つの端部（Ｘｉ１、Ｘｉ２）が初期にいずれの他の素子からも外され、設計者によって選択されるいずれの点にも自由に接続されるようにされる。ＰＭＡ３０が或るコイル区分（例えばＬ３とＬ４）の傍を通り過ぎるとき、それらのコイル区分に電圧が誘導される。電圧が誘導されるコイルは「活性化されている」または「励起されている」と称される。ＰＭＡ３０に近接していないコイル区分には、もしもあれば極めてわずかの電圧が誘導される。コイルがＰＭＡ３０から離れるにつれて、そのコイルに誘導される電圧は一層無視し得る。

図４Ａはまた、外郭構造５の長さに沿って直線的にレイアウトされたタップ引き出し型コイル・アセンブリ（ＩＣＡ）２０ａの８個のコイル区分（Ｌ１〜Ｌ８）も示している。このＩＣＡ２０ａの構造では、複数のコイルが端と端で接続される。この図示は、タップ引き出し型構造または分節化構造のいずれを使用しても本発明が実践され得ることを実証することを目的とされている。

先行技術の仕組みとは対照的に、本発明を具現化するシステムおよび回路ではコイル区分（ＩＣＡ２０ａ、２０ｂ）の出力部に作り出される電圧は整流回路網１１１を介して出力ライン３１０、３１２へと連結され、整流回路網１１１の両端に電力変換器５２０が接続される。整流回路網１１１は、１つまたは複数の負荷が接続されることが可能な出力ライン（例えば３１０、３１２）への導通経路を供給する一方向性導通素子（例えば整流器またはダイオード）で構成されることが可能である。

図４Ａの回路では、分節化構造のうちの各々のコイルＬｉが２つの出力ノード（端部または端子）Ｘｉ１およびＸｉ２を有する。以下の検討をさらによく理解および評価するために、もしもコイルが適切に、もしくは正しく相互接続されなければ、多数のコイルが出力ラインの間に並列に接続されてコイルのうちのいくつかが通過するＰＭＡ３０に近接するせいで「励起され」、いくつかの（実際には殆どの）コイルがＰＭＡ３０から遠いことが原因で「励起されない」とき、励起されない、もしくは不活性のコイル（ＰＭＡ３０から物理的に遠いそれら）は活性化もしくは励起されたコイルによって作り出されたエネルギーを分流または浪費する低インピーダンスの経路としてはたらくか、または発生したエネルギーの多くを浪費させる直列のインピーダンスとして作用するかのいずれかである。

図４Ａでは、ＩＣＡ２０ｂの各々のコイル区分の２つの端部は選択されるいずれの回路へも自在に接続される。図５Ａは、ＰＭＡ３０がコイルを横切って移動するときに各々のコイルの両端に作り出される正弦曲線の電圧が完全に捕捉されるように、かつ励起されないコイルが励起されたコイルの重荷にならないように図４ＡのＩＣＡ２０ｂのコイルを出力ライン３１０および３１２へと相互接続するための整流回路１１１の部品類を示している。コイルの上を通るＰＭＡ３０のせいでコイル内に誘導されるＡＣ電圧の全波整流を提供するように各々のコイル（Ｌｉ）が４ダイオードのブリッジの中点の間に事実上接続されることを例示するために、図５ＡのＩＣＡ２０ｂと整流回路網が図５Ｂに概略で示されるように描き直されることが可能であることに留意すべきである。

各々のコイル（Ｌｉ）に関して、（ａ）ダイオードＤｉ１はそのアノードを端子Ｘｉ１へ、そのカソードをライン３１０へと接続され、（ｂ）ダイオードＤｉ２はそのアノードをライン３１２へ、そのカソードをノードＸｉ１へと接続され、（ｃ）ダイオードＤｉ３はそのアノードをノードＸｉ２へ、そのカソードをライン３１０へと接続され、（ｄ）ダイオードＤｉ４はそのアノードをライン３１２へ、そのカソードを端子Ｘｉ２へと接続される。図５Ａおよび５Ｂの構成については、コイルの両端に誘導される電圧の方向に関係なく従来の電流が流れ、それにより、ライン３１０の電圧がライン３１２の電圧に相対して正となることを保証するように極性を決められる１コイル当たり４つのダイオードがある。

図５Ａまたは５Ｂを参照すると、例えばコイルＬ１を横切って通り過ぎるＰＭＡ３０がノードＸ１２での電圧よりも大きい電圧をノードＸ１１に生じさせると、電流Ｉ１がライン３１２からダイオードＤ１４、コイルＬ１、およびダイオードＤ１１を介してライン３１０およびその後にＲＬへと流れ、ＲＬを通ってライン３１２へと戻る。この電圧／電流はライン３１０の電圧をライン３１２の電圧よりも正にさせる。ライン３１０と３１２との間でその他のコイルを相互接続するダイオード回路網が逆バイアスされ、励起されないコイルを通る電流の流れ（無視し得るリーク電流を除く）を阻止することに留意すべきである。したがって、コイルとＰＭＡ３０との間の相互作用に起因して望ましい電圧を作り出す活性のコイルを短絡する低インピーダンスの経路は存在しない。

同様に、Ｘ１２の電圧がＸ１１の電圧よりも大きくなるようにＰＭＡ３０がコイルの両端に電圧を誘導すると、電流Ｉ２がライン３１２からダイオードＤ１２を介してコイルＬ１を通り、その後ダイオードＤ１３を通ってライン３１０へと入り、その後、負荷ＲＬへと流れる。

このようにして、ＩＣＡ２０に相対したＰＭＡ３０の運動の方向に関係なく、かつＩＣＡ２０に相対したＰＭＡ３０の位置に関係なく、コイルの両端に誘導される電圧は集められ、説明を容易にするために図５Ａに負荷５２０として例示され、図５ＢにＲＬとして例示される電力変換器へと供給される。ＰＭＡ３０がコイルに沿って下（または上）に移動するとき、各々のコイルが順々に励起され、電圧と電流を負荷へと供給するであろう。各々のコイルから集められた電圧と電流はその後、別のシステムまたはモータを含めたいずれかの機械といった最終的な負荷にエネルギーを供給するために処理される。

図６は、分節化ＩＣＡ２０の各々のコイル区分内で発生した電力を獲得するための別の本発明の実施形態を例示している。図６では、各々のコイル区分（Ｌｉ）はその独自の全波整流回路網（Ｄｉ１、Ｄｉ２、Ｄｉ３、Ｄｉ４）を介してその独自の局所負荷（Ｃｉ）へと接続され、これらの負荷は本図では容量性貯蔵素子で示される。各々のコイル区分（Ｌｉ）はそれ独自の出力部（Ｏｉ１、Ｏｉ２）を有する。このようにして図６では、各々のコイル区分は他のいずれのコイル区分からも物理的かつ電気的に隔てられ、独立して処理されることが可能である。そのとき各々のコイル区分は独立した発電機として機能することが可能であり、その発電能力は他のいずれかのコイル区分の作用および出力によって影響されない。

各々のコイルがその独自の出力部を有する図６の構成は図５Ａおよび５Ｂの回路で起こり得る問題を回避することを目的とされる。図５Ａおよび５Ｂでは、もしも或る活性のコイル区分が隣りのコイル区分よりも大きい電圧を作り出すと、隣りのコイル区分の結合ダイオードを逆バイアスさせ、隣りのコイル区分がその誘導される電圧を負荷の両端に印加および／または供給するのを妨げる。したがって、図６では各々のコイル区分はその独自の負荷または貯蔵素子（例えばＣｉ）へと連結され、これがその対応するコイル区分によって作り出されたエネルギーを貯蔵することが可能である。各々のコイル（Ｌｉ）への整流回路の接続に起因して、各々の局所的貯蔵素子（Ｃｉ）の両端に作り出される出力電圧（ＶＯｉ）は直流（ｄｃ）タイプの電圧であろう。

図７は、図６のコイルの分離型貯蔵素子の出力電圧（ＶＯｉ１、ＶＯｉ２）がサンプリングされ、抵抗ＲＬと容量ＣＴを有することが可能な中枢の貯蔵および負荷素子５２０へと供給されることが可能であることを例示している。図７では、例えば、分離型コイル区分（図６もやはり参照）のマイナス側の出力端子（Ｏｉ２）は共通して出力電力ライン３１２へと接続される。各々のコイル区分のプラス側の出力端子（Ｏｉ１）は、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ）（または係属出願で検討されているいずれかのタイプのスイッチを含むことが可能であるいずれかの適切なスイッチ）であることが可能なスイッチ（Ｆｉ）の一方の側へと接続される。各々のスイッチＦｉの他方の側は、回路Ｋｉを介して出力電力ライン３１０へと接続されて示される。個々の貯蔵素子Ｃｉの両端に生じた電力の電力装置５２０内の中枢貯蔵素子ＣＴへの移送を達成するために、スイッチＦｉは負荷スイッチ制御回路１６１によってサンプリング（オンオフ切り換え）されることが可能である。すなわち、各々のトランジスタ・スイッチＦｉの主導通経路（ソースからドレインへ）がコイル出力部（Ｏｉ）と回路（Ｋｉ）との間に接続され、各々のＦｉのゲートが、各々のコイル区分から中枢の負荷への電力の移送を達成するために選択的にスイッチＦｉをオンおよびオフに切り換えるスイッチ制御回路網１６１へと連結される。

この回路配列は、各々のコイルとＰＭＡとの間で発生した電力すべてが捕捉されることを保証し易い。これは、コイルもしくは複数のコイルを出力ラインに連結するように機能する２つのダイオード内での電力損失および他のスイッチング損失が最小限であることを仮定している。このようにして、各々のコイルのキャパシタは選択的にサンプリングされることが可能であり、その内容は中枢の貯蔵素子へと移送される。

場合によっては、容量性貯蔵素子は図８（および図５Ａと５Ｂ）に示されるような共通の負荷を形成するように並列に直接接続されることが可能である。図８では、ＩＣＡ２０のコイル区分（Ｌ１〜Ｌ８）は共通に接続された端部の端子を有する隣り合うコイルと端と端で接続されて示される。この構成は分節化された構造のコイルを端と端で接続すること、またはタップ引き出し型構造で出発することによって達成されることが可能である。いずれにせよ、そのように接続されるとコイルの構成は上記で検討されたような「タップ引き出し型」構造と同等であり、そのように称されることが可能である。すなわち、Ｌ１の第２の端子Ｘ１２がＬ２の第１の端子Ｘ２１へと接続され、Ｌ２の第２の端子Ｘ２２がＬ３の第１の端子Ｘ３１へと接続される等々である。各々のコイル区分Ｌｉは４ダイオードの全波整流回路網を介して出力電力端子３１０と３１２との間に接続されて示される。この構成に関すると、隣り合うコイル区分は２つのダイオード（例えば１７１と１７２）を共有する。この構成に関すると、ダイオードの数が削減されることが可能であり、ダイオードの合計数はコイル区分の数を２倍した数に２を加えた数に等しい。これは、図５Ａ、５Ｂ、および６のコイル構成に関する１コイル当たり４個のダイオードに匹敵する。

図５Ａおよび５Ｂのそれと比較したときにこの回路構成は、すべての「励起された」または「活性の」コイル区分が、個々のコイルの電圧が「同相」もしくは殆ど同相である（すなわち励起された各々の回路の電圧が同時に上昇し、同時に下降する）ことを前提にすると個々のコイル電圧に関係なく出力ライン３１０および３１２への電圧と電力に寄与するという利点を有する。

図８を参照すると、例えばコイルＬ１とＬ２を横切って通り過ぎるＰＭＡ３０がこれらのコイルを「活性」にさせ、ノードＸ１１の電圧をノードＸ１２の電圧よりも大きくさせ、かつＸ１２／Ｘ２１の電圧をノードＸ２２の電圧よりも大きくさせると、電流Ｉ１がライン３１２からダイオードＤ２４、コイルＬ２、コイルＬ１、およびダイオードＤ１１を介してライン３１０へと流れ、その後、電力変換器５２０（または図５ＡにあるようなＲＬ）へと入り、電力変換器を通してライン３１２へと戻る。この電圧／電流がライン３１０の電圧をライン３１２の電圧よりも正にさせる。コイルＬ１およびＬ２に接続された他のダイオード（ダイオードＤ１２、Ｄ１３、Ｄ２１、Ｄ１４、Ｄ２２、Ｄ２３、およびＤ３１）がこれらの活性コイル上の電圧の極性のせいで逆バイアスされ、したがって、これらの逆バイアスされたダイオードを通る感知可能ないずれの電流の流れも阻止することに留意すべきである。ライン３１０と３１２との間で他のコイルを相互接続するダイオード回路網が逆バイアスされ、（無視し得るリーク電流を除いて）励起されていないコイルを通る電流の流れを阻止することにもやはり留意すべきである。したがって、活性のコイルおよびＰＭＡ３０を短絡する低インピーダンスの経路は存在しない。

同様に、Ｘ１２／Ｘ２１の電圧がＸ１１の電圧よりも大きくなり、かつＸ２２の電圧がＸ２１の電圧よりも大きくなるようにＰＭＡ３０が２つのコイル（例えばＬ１とＬ２）の両端に電圧を誘導すると、電流Ｉ２がライン３１２からダイオードＤ１２を介してコイルＬ１、コイルＬ２、およびダイオードＤ２３を通ってライン３１０へと入り、その後、負荷の電力変換器５２０へと流れる。上記のように、他のコイルを相互接続するダイオード回路網は逆バイアスされ、短絡経路は存在しない。このようにして、複数の活性コイルに誘導される電圧が互いと「同相」である限り、誘導される電圧は互いに直列状に加算されて発電に貢献するであろう。これは２つのコイルに関して説明されてきたが、２つを超えるコイルにもこれが当てはまることは理解されるはずである。

図９は、各々のコイル区分が他から電気的に独立し、かつ図５（および図７）の回路の構成と同様に機能することが可能となるように、「タップ引き出し型」コイル構造にコイルが構成されるＩＣＡが操作されることが可能であることを例示している。例を挙げると、図９に示されるようないずれかの「タップ引き出し型」コイル構造については、隣り合うコイル［例えばＬｉとＬ（ｉ＋１）］が共通のノード［例えばＸｉ２とＸ（ｉ＋１）１］を共有する。各々のコイルがその独自の独立型出力部（Ｏｉ１）を有することが可能であり、各々のコイル端子（Ｘｉ１、Ｘｉ２）がその独自のダイオード（Ｄｉ１、Ｄｉ３）を介して出力部Ｏｉ１へと接続されることが可能である。これはまた、各々のコイル端子と他方の出力端子Ｏｉ２との間でも為されることが可能である。しかしながら、共通して接続されたすべてのコイルの１つの出力ライン（例えばＯｉ２）を有することが概してさらに効率的である。図９の「タップ引き出し型」構造の動作は図６および７に関して示されたそれと同様であろう。

図１０は本発明を具現化するＬＥＧの動作を説明することに役立つ典型的な波形を示している。波形ＡはＷＥＣでおそらく遭遇される可能性の高いＰＭＡ３０の正弦曲線の運動を示唆している。波形Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、およびＧはＰＭＡがコイルの上もしくは近辺を通り過ぎるときに個々のコイルの両端に作り出される電圧を例示している。

図１０の波形Ｈは、本発明を具現化する一方向性のコイル結合が使用されるときに電力端子（３１０、３１２）の間に見られる複合もしくは合計の電圧を表わす。すなわち、「活性の」コイルが２つの順方向バイアスされたダイオードを介して出力ライン３１０と３１２に接続され、その一方で「不活性の」コイルは少なくとも１つの逆バイアスされたダイオードによって出力ラインから接続を外される。図１０の波形Ｉは、図１に示されたタイプの構成に関して電力端子の間に見られる、先行技術による複合の電圧を表わす。励起されたコイルだけが２つのダイオードを介して出力電力ラインに連結されるときに電力端子（３１０、３１２）の間で作り出される電圧（例えば波形Ｈ）は、すべてのコイルが電力ラインの間に直列に接続されるときの波形Ｉに示されるそれよりも大きな振幅である。このようにして波形ＨとＩの比較は、本発明を具現化するシステム内で作り出される電圧の振幅が図１の先行技術によるシステムで得られるそれよりも大幅に大きいことを示している。したがって、本発明による複数のコイルの「受動性の」結合で重大な恩典が得られる。

先行技術によるリニア発電機（ＬＥＧ）の永久磁石アセンブリとコイル・アセンブリを例示する概略図である。 先行技術によるＬＥＧの永久磁石アセンブリとインダクション・コイル・アセンブリを例示する図である。 本発明の実践に使用するための「タップ引き出し型」インダクション・コイル・アセンブリを概略で表わす図である。 本発明の実践に使用するための「分節化」インダクション・コイル・アセンブリを概略で表わす図である。 ＷＥＣの中で本発明を具現化するＬＥＧの装着法を例示する図である。 ＷＥＣの中で本発明を具現化するＬＥＧの装着法を例示する図である。 分節化ＩＣＡを使用する本発明の一実施形態を示す概略図である。 分節化ＩＣＡを使用する本発明の一実施形態を示す概略図である。 分節化ＩＣＡを使用する本発明の別の実施形態を示す概略図である。 図６の実施形態と共に使用するための本発明を具現化する電力加算システムを示す概略図である。 タップ引き出し型ＩＣＡ構造を使用する本発明の一実施形態を示す概略図である。 タップ引き出し型コイル構造を使用する本発明の別の実施形態を示す概略図である。 本発明を具現化するＬＥＧの動作を例示する波形図である。

Claims (21)

1. 距離ｄ１の１つの巻線であって、距離ｄ１よりも短い長さｄ２の永久磁石アセンブリ（ＰＭＡ）を通過させ、当該巻線に電流を生成する巻線を備え、
   前記巻線は、距離ｄ１に沿って直線的に並べられ、その長さに沿ってインダクタンスと抵抗を示すインダクション・コイルのＮ個の区分に分けられ、
   ｄ１よりも短い長さｄ２の永久磁石アセンブリ（ＰＭＡ）を直線的に並べられたインダクション・コイルに沿ってかつその上を通過させる一方で前記磁石と前記コイルとの間に小さい隙間を維持するための手段であって、特定のコイル区分上での前記ＰＭＡの通過がその特定のコイル区分を励起させ、前記ＰＭＡの通過がその特定の区分内の前記コイルの両端に電圧を作り出すような手段と、
   前記コイルに接続され、前記通過するＰＭＡに近接した前記励起されたコイル内に作り出された前記電圧を第１および第２の電力出力端子の間に比較的低インピーダンスの経路を介して自動的に結合させ、励起されないコイルが負荷となることを防止するときに、前記第１と第２の電力出力端子で作り出される電圧を浪費することを妨げる一方向導通手段とを有するリニア発電機（ＬＥＧ）。
2. インダクション・コイルの前記Ｎ個の区分の各々が第１と第２の端子を有するインダクション・コイルを有し、前記コイルに連結された前記一方向導通手段が、各々のコイルに関して、隣接する区分がダイオードを共有しながら、各々のコイルの前記第１の端子と第１のコイル出力点との間に第１のダイオードを、各々のコイルの前記第１の端子と第２のコイル出力点との間に第２のダイオードを、各々のコイルの前記第２の端子と前記第１のコイル出力点との間に接続される第３のダイオードを、および各々のコイルの前記第２の端子と前記第２のコイル出力点との間に接続される第４のダイオードを接続するための手段を含む、請求項１に記載のＬＥＧ。
3. 各々のコイルの前記第２の端子が次に隣接するコイルの前記第１の端子へと接続され、隣り合うコイルがダイオードを共有し、各々のコイルの前記第１の出力部が前記第１の電力出力端子へと接続され、各々のコイルの前記第２の出力部が前記第２の電力出力端子へと接続される、請求項２に記載のＬＥＧ。
4. 隣接する区分がダイオードを共有しながら、コイルの前記Ｎ個の区分の各々が、４個のダイオードを介して第１と第２の出力点の間に連結された第１と第２の端子を有するインダクション・コイルを有し、前記コイルに相対した前記ＰＭＡの移動に応答して前記インダクション・コイルの両端に作り出される前記電圧を貯蔵するために貯蔵素子が前記第１と第２の出力点の間に接続される、請求項１に記載のＬＥＧ。
5. 各々のコイル区分の前記貯蔵素子を選択的に中枢の貯蔵素子へと結合させるための手段を有する、請求項４に記載のＬＥＧ。
6. 各々のコイル区分の前記貯蔵素子を選択的に中枢の貯蔵素子へと結合させるための前記手段が各々のコイルから前記中枢の貯蔵素子へと電荷を移送するためのスイッチ手段を有する、請求項５に記載のＬＥＧ。
7. 前記ＰＭＡを前記コイルに沿ってかつその上を通過させるための前記手段が、インダクション・コイルの前記Ｎ個の区分をフロートと支柱のうちの一方に沿って取り付けて並べる工程、および前記ＰＭＡを前記フロートと支柱のうちの他方に取り付ける工程を含み、前記フロートと支柱が互いに相対して移動することが可能であり、それにより、前記ＰＭＡが前記コイルの上でかつそれに沿って移動する、請求項１に記載のＬＥＧ。
8. 互いに相対して移動することが可能なシャフトとフロートを有する波力エネルギー変換器（ＷＥＣ）内部であって、電力を発生させるための手段が、
   前記シャフトとフロートのうちの一方に装着され、直線的にｄ１の距離を延び、その長さに沿ってインダクタンスと抵抗を示すインダクション・コイルのＮ個の区分と、
   前記シャフトとフロートのうちの他方に装着され、ｄ１よりも短い長さｄ２である永久磁石アセンブリ（ＰＭＡ）であって、前記磁石と前記コイルとの間に狭い間隙を維持しつつ、前記直線的に並べられたインダクション・コイルに沿ってかつその上を通過することが可能となるように装着され、特定のコイル区分上での前記ＰＭＡの通過がその特定のコイル区分を励起させ、前記ＰＭＡの通過がその特定の区分内の前記コイルの両端に電圧を作り出すようなＰＭＡと、
   前記コイルに接続され、前記通過するＰＭＡに近接した前記励起されたコイル内に作り出された前記電圧を第１および第２の電力出力端子の間に比較的低インピーダンスの経路を介して自動的に結合させ、励起されないコイルが負荷となることを防止すると共に、前記第１と第２の電力出力端子で作り出される電圧を浪費することを妨げる一方向導通手段とを有するＷＥＣ内部。
9. インダクション・コイルの前記Ｎ個の区分の各々が第１と第２の端子を有するインダクション・コイルを有し、前記コイルに連結された前記一方向導通手段が、各々のコイルの前記第１の端子と第１の出力点との間に第１のダイオードを、各々のコイルの前記第１の端子と第２の出力点との間に第２のダイオードを、各々のコイルの前記第２の端子と前記第１の出力点との間に接続される第３のダイオードを、および各々のコイルの前記第２の端子と前記第２の出力点との間に接続される第４のダイオードを接続するための手段を含む、請求項８に記載のＷＥＣ内部。
10. 各々のコイルが第１の出力点と第２の出力点を有し、各々のコイルの前記第１と第２の出力点の間に別々の負荷が接続される、請求項９に記載のＷＥＣ内部。
11. 各々のコイルに付随する前記第１と第２の出力点のうちの一方が選択的に有効化されるスイッチ手段を介して前記第１の電力出力端子へと結合され、各々のコイルに付随する前記第１と第２の出力点のうちの他方が前記第２の電力出力端子へと結合される、請求項１０に記載のＷＥＣ内部。
12. 前記コイルがタップ引き出し型のコイルである、請求項８に記載のＷＥＣ内部。
13. コイルの各々の区分が第１と第２の端子を有し、かつ２つの端子間でインダクタンスと抵抗を示し、端部と端部とが直接に接続されるとともに、支持用部材に沿って距離ｄ１を延びるコイルのＮ個の区分と、
    長さｄ２を有する永久磁石アセンブリ（ＰＭＡ）と、
    前記ＰＭＡが前記コイルの傍を移動するときに電圧を前記ＰＭＡに近接したコイルの前記区分の両端で生じさせるために前記ＰＭＡとコイルの前記Ｎ個の区分を互いに近接させ、かつ互いに相対して移動するように装着するための手段と、
    前記コイルから得られる電圧を自体に結合させるための第１と第２の電力出力端子と、
    前記コイルの両端に生じる電圧を前記第１と第２の電力出力端子へと移送するために前記コイルと前記第１および第２の電力端子との間に連結された一方向導通手段とを有する装置。
14. 電力変換器を含む負荷が前記第１と第２の電力端子の間に接続され、ｄ２がｄ１よりも小さい、請求項１３に記載の装置。
15. ｄ２がｄ１よりも小さく、前記一方向導通手段がダイオードを含む、請求項１３に記載の装置。
16. 各々のコイルが少なくとも１つのダイオードを介して前記第１と第２の電力端子の間に接続される、請求項１５に記載の装置。
17. 励起されたコイルが、同じ方向の従来の電流を導通させる２つのダイオードを介して第１と第２の出力点の間に直列に接続される、請求項１５に記載の装置。
18. コイルの前記Ｎ個の区分がシャフトと外郭構造のうちの一方に装着され、前記永久磁石が前記シャフトと外郭構造のうちの他方に装着され、前記シャフトと外郭構造が、水域に置かれることおよび前記水域にある波に晒され、それにより、前記波に応じて前記外郭構造とシャフトを互いに相対して移動させることを目的とされたブイの一部であり、ｄ２がｄ１よりも小さい、請求項１３に記載の装置。
19. コイルの前記Ｎ個の区分の前記第１の端子が共通して第１の電力端子へと接続され、コイルの前記Ｎ個の区分の各々のそれの前記第２の端子が（ａ）１つの方向で電流を導通させるように極性化された一方向導通素子を介して第１のノードへと連結され、かつ（ｂ）前記１つの方向に対して逆方向で電流を導通させるように極性化された一方向導通素子を介して第２のノードへと連結され、
    手段が前記第１と第２の電力端子の間に電力変換器を結合させる、請求項１５に記載の装置。
20. 端部と端部とが直接に接続されるとともに、支持用部材に沿って距離ｄ１で直線的に並べられたインダクション・コイルのＮ個の区分を有し、長さｄ２の永久磁石アセンブリ（ＰＭＡ）を前記インダクション・コイルに沿って通過させながらその一方で前記磁石と前記インダクション・コイルとの間に小さい隙間を維持することによって前記コイルの両端に電圧が生じるシステムであって、改善点が
    各々のコイル区分と第１および第２の出力ラインとの間に連結された一方向導通手段であって、前記ＰＭＡが前記コイル上を通り過ぎるときに前記コイルの中に生じる前記電圧を、比較的低インピーダンスの経路を供給し、かつ励起されないコイル区分が前記電圧の負荷となることを妨げる一方向導通手段を介して第１および第２の出力点へと結合させるための手段を含むシステム。
21. ｄ２がｄ１よりも小さく、前記一方向導通手段がダイオードである、請求項２０に記載のシステム。

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