JP5033801B2 - 磁気浮上式輸送システム - Google Patents

Description

背景
関連出願
本願は、２００５年８月２２日出願の「磁気浮上式輸送システム」（Magnetically Levitated Transport System）と題された、先に出願された米国実用特許出願連続番号第１１２０９９１６号からの国際優先権を主張する。

この開示の分野
この開示は一般に電動発電機に関し、より特定的には、電気誘導により作動するＤＣリニア電磁機械に関する。

関連技術の説明
以下の技術は、ここに記載され主張される装置の分野の現状を定義している。

ツ（Tu）等のＵＳ２００４／０１３５４５２は、電流を誘導するよう磁力線を切断するための少なくとも１つの環状コイル構造と、螺旋状コイル構造と平行に方向付けられた少なくとも１つの円盤形状磁極構造とを含む、平坦な回転発電機を開示している。環状コイル構造および円盤形状磁気コイル構造が多数含まれる場合、環状コイル構造および円盤形状磁気コイル構造は交互に配置される。環状コイル構造および円盤形状磁極構造には、透過性材料が設けられていない。環状コイル構造または少なくとも１つの円盤形状磁極構造が外力により回転されると、環状コイル構造はそれを通る磁力線を切断して誘導電流を生成する。ニール（Neal）のＵＳ２００２／０１３５２６３は、モータを作るために使用されるステータアセンブリ用の環状コアを形成する複数のステータアークセグメントを開示している。好ましい一実施例では、環状コア上の極の周りに巻かれたワイヤを通って電流が通されると、複数の磁場が作り出される。相変化物質の一体構造体が導体を実質的に封入し、環状コアにおいてステータアークセグメントを互いに接触させて保持する。モータを用いるハードディスクドライブと、モータおよびハードディスクドライブを構成する方法も開示されている。ローズ（Rose）のＵＳ６８０３６９１は、回転軸を中心とし、軸方向に反対の２つの側を有する磁気透過性のリング形状コアを含む電気機械を開示している。コイルはコアの周りに環状に巻かれ、円周方向に沿って連続的に配置される。各コイルは、コアのそれぞれの側に並んで半径方向に延在する２つの側脚を含む。隣接する側脚間には、コイルがない空間が存在する。ブラケットは、ブリッジング構造により接続されてコイルの第１および第２の側にそれぞれ当接する第１および第２の側部フランジを有する。モーラー（Mohler）のＵＳ６５０７２５７は、１つ以上のロータが固定して取付けられた出力シャフトから構成される双方向ラッチングアクチュエータを開示している。シャフトおよびロータは、円筒コイルが搭載されて伝導性端部キャップにより閉鎖される磁気伝導性ハウジングに、回転のために搭載される。端部キャップ上にはステータ極片が搭載される。一実施例では、ロータは、非対称的に搭載された少なくとも２つの逆に磁化された永久磁石を有する。すなわち、それらは一方の側で隣接し、他方の側で非磁性空隙により隔てられる。ステータ極片は非対称的な束伝導性を有し、一実施例では、極片の残りの部分よりも軸方向に厚い。当接部は、（伝導性がより高い極片の部分にロータ磁石が軸方向に整列される）中立位置へとロータが揺動しないようにする。このため、ロータは、中立位置に向かって引かれている２つの位置のうちの一方に磁気的にラッチされる。極性が逆の電流を用いたコイルの励磁により、ロータはその逆のラッチ位置へ向かって回転するようになり、そこでそれはその位置で磁気的にラッチされる。モーラーのＵＳ５３３７０３０は、励磁されると細長い環形の磁束場を生成可能な電磁コアから構成される永久磁石ブ
ラシレストルクアクチュエータを開示している。ほぼ円筒形のコイルの外側には、各端に上部および下部端板を備える外側ハウジングがある。端板に搭載されて互いに向かって延在しているのは、空気間隙によってその逆の極片から隔てられたステータ極片である。永久磁石ロータが空気間隙に配置されてシャフト上に搭載され、シャフトは次に端板の各々に回転可能に搭載される。永久磁石ロータは少なくとも２つの永久磁石を備え、各々、ロータのアーチ形部分を覆い、逆の極性を有している。一方向における電流を用いたコイルの励磁は、２つの極片の各々がロータの磁石のうちの一方を引きつけ、ロータの他方の磁石に反発するように極片を磁化して、出力シャフトによって生成されるトルクをもたらす。電流の流れの反転は、ロータのトルクおよび回転の逆方向への反転をもたらす。多数のセル、すなわち、各ステータ極面に複数の極片がある複数のステータ・ロータ・ステータの組合せおよび／またはセルを有する好ましい実施例が開示されている。クルースターハウス（Kloosterhouse）等のＵＳ５１９１２５５は、周囲に沿って複数の磁石が搭載されたロータを含む電磁モータを開示している。好ましくは、隣接する磁石は、外側を向いた逆の極を有する。１つ以上の電磁石がロータの周囲に隣接して配置され、そのため、ロータが回転すると、ロータ上に搭載された磁石は電磁石の極の近くに搬送される。ロータの実質的にすべての角度位置について、電磁石の極とロータ上に搭載された磁石との間の磁気吸引および反発がロータを所望の方向に回転するよう促すように、電流が駆動回路によって、ロータの回転との予め定められた位相関係で電磁石に供給される。反射性材料がロータ上に、予め定められた角度位置に搭載される。駆動回路は光電性デバイスを含み、このデバイスは、反射性材料から反射された光をデバイスが受取っているかどうかに従って値が変化する信号を生成する。この信号は、電磁石用の駆動電流を生成するよう増幅される。ウェストリー（Westley）の４６２３８０９は、極構造を内蔵するステッパモータを開示しており、この極構造では、複数の極を各々有する一対の同一のステータ極板が、極が逆方向に突出した状態で背中合わせに位置付けられ、ステータ極板は一対の実質的に同一のステータカップ間に位置付けられ、各ステータカップは、周辺の側壁が外側に延在するフランジで終わっている状態で、背壁から内側に突出する複数の極を有している。各フランジの主面は、磁気抵抗が低い磁路を確実にするために、ステータ極板のうちの１つの上の一面と接触している。フォージー（Fawzy）の４５６５９３８は、電動機として、または発電機として使用可能な電気機械デバイスを開示している。このデバイスは、回転可能なシャフトを支持するベアリング手段を含むハウジングを有する。円盤磁石手段が設けられ、交互の極性を有するように極を有し、シャフト上に搭載されてロータを規定する。このデバイスは、磁石手段と接触した少なくとも１つの第１の極片を含み、この極片は、そこから径方向に延在して仮想極チャンバを規定する第１の極性の部分を有する。同様に、磁石と接触した少なくとも１つの第２の極片が含まれ、この極片は、そこから径方向に延在して仮想極チャンバを規定する他方の極性の部分を有する。環状ステータがハウジング上に搭載され、その上に巻線を有する。ステータは、第１および第２の極片の仮想極チャンバが、円周方向の交互極性の交番磁場で前記巻線の部分を包囲するように、円盤磁石の周りに環状に位置付けられる。デバイスを発電機として作動させる場合には電流を引き、デバイスを電動機として作動させる場合には電流を提供するようにステータと電気的に接触するための手段が設けられる。フォージーの４４５９５０１は、電動機として、または発電機として使用可能な電気機械デバイスを開示しており、このデバイスは、回転可能なシャフトを支持するベアリング手段を含むハウジングを有する。一対の円盤磁石が、各々の二面上に交互の極性を有するように極を有する。磁石は向かい合ってシャフト上に搭載されてロータを規定する。このデバイスは、各磁石の一方の面と接触した少なくとも１つの第１の極片を含み、この極片は、そこから径方向に延在し、その好ましい形態において一対の仮想極チャンバを規定する、前記一方の面と同じ極性の部分を有する。同様に、各磁石の他方の面と接触した少なくとも１つの第２の極片が含まれ、この極片は、そこから径方向に延在し、その好ましい形態において一対の仮想極チャンバを規定する、他方の面と同じ極性の部分を有する。環状ステータがハウジング上に搭載され、その上に巻線を有する。ステータは、第１および第２の極片の仮想極チャンバが、円周方向の交互極性の
交番磁場で前記巻線の部分を包囲するように、円盤磁石の周りに環状に位置付けられる。デバイスを発電機として作動させる場合には電流を引き、デバイスを電動機として作動させる場合には電流を提供するようにステータと電気的に接触するための手段が設けられる。

上述の要約書を用いた我々の先行技術調査は、電動機および発電機双方の形態の回転電磁石機械を教示している。このように、先行技術は、ニールでは径方向アークセグメントを備える環状コアを示し、フォージーでは、Ｎ−ＮおよびＳ−Ｓ極面隣接性が見られ、ツ等では、径方向コイル巻線を備えたＮ−ＳおよびＳ−Ｎ極隣接性が見られ、ローズでは、環状コアの周りに連続し、Ｎ−ＮおよびＳ−Ｓ隣接性を備えた永久磁石セグメントを備える、径方向に巻かれたコイルが見られる。しかしながら、先行技術は、この装置に示すような逆の極性の単極永久磁石場に浸された電磁場を提供する回転電磁機械、および径方向の巻線内の個々のコイルの切換を教示していない。

この開示は先行技術とは区別され、以下の要約に説明されるようなこれまで未知の利点を提供する。

要約
この開示は、以下に説明する目的を生み出す、構成および使用における或る利益を教示する。

この発明は、乗客および貨物を搬送するための懸架車両を示す磁気浮上式輸送システムであって、懸架車両は、車両の浮上した位置付けと推進および制動とを提供する機能を有するこの発明のリニアモータシステムの並進部に固定して搭載されている。並進部は、地面上方に搭載された鉄道支持体に固定された長いリニア強磁性コアと可動に係合されている。車両を支持し懸架する他のやり方も明らかに可能である。ＤＣリニア電動発電機の固定されたリニア強磁性コアの両側に電磁石が位置している。これらの電磁石は、典型的な一用途では、以下に記載されるように、最初に並列電気相互接続状態で相互接続され、後に直列電気相互接続状態に切換えられる。並列相互接続と直列相互接続とを切換えるこの能力により、或る利益が得られ得る。

上述の装置および使用方法に固有の主な一目的は、先行技術によって教示されていない利点を提供することである。

別の目的は、電磁誘導を用いてリニア推進力および浮上を発生させる電磁リニア機械を提供することである。

さらに別の目的は、輸送機関として有用なそのような機械を提供することである。
さらに別の目的は、制動時に電気エネルギを回復可能なそのような機械を提供することである。

さらに別の目的は、荷重不平衡ベクトルまたは求心力ベクトルにかかわらず、推進方向における軸周りの所望の車両の方向付けを維持可能なそのような機械を提供することである。

さらに別の目的は、電流供給のための直接的な物理的接触なしで推進力および制動力を発生可能なそのような機械を提供することである。

さらに別の目的は、搭載電源、または外部電源、もしくは双方の組合せから供給されるエネルギを用いて作動されるそのような機械を提供することである。

説明される装置および使用方法の他の特徴および利点は、以下のより詳細な説明を添付図面とともに解釈することから明らかとなるであろう。添付図面は、ここに説明する装置およびその使用方法の原理を一例として示している。

添付図面は、この装置およびその使用方法の最良の形態の実施例のうちの少なくとも１つを示している。

詳細な説明
上述の図面は、以下の説明でさらにより詳細に定義される好ましい最良の形態の実施例のうちの少なくとも１つにおける説明される装置およびその使用方法を示している。当業者であれば、ここでの説明に、その精神および範囲から逸脱することなく変更および修正を加えることができるであろう。したがって、示された内容は、例示のみのために述べられていることと、この装置および使用方法の範囲における限定として解釈されてはならないこととが理解されるべきである。

図１〜５は、２００５年８月９日出願の米国出願連続番号第１１２００９２０号に定義された装置の延長としての重要な一用途を表わす原理に従って作動し、それをもって一般的な理論的基礎を具現化する、ここに説明される装置の図である。

図１は、この発明の並進器１４２に固定して搭載された、乗客および貨物を搬送するための懸架車両１０を示す、磁気浮上式輸送システムの断面図である。並進器１４２は、以下に説明されるように、鉄道支持体２０に固定されたステータ１４１と可動に係合されており、鉄道支持体２０の１つは図１において、地面５に固定され、地面５から上向きに延在して示されている。車両を支持し懸架する他のやり方は当業者には公知であり、この発明の意図およびその目的の達成から逸脱することなく採用されてもよい。

図３は、鉄道支持体２０によって支持されるこの発明の鉄道システムを示す概略図であり、鉄道車両１０が動く線路を表わしている。ステータ１４１は概略的に示されている。この実施可能例はＤＣリニア電動発電機である。図３に示すように、ステータは、各々が線路のセルである、巻線１４８によって相互接続されたリニアの一連の電磁石１４７を備える。この図では、電磁石１４７は矩形の箱によって表わされている。図の上部に沿ったものは線路の垂直中心に物理的に位置付けられており、一方、図の底部に沿ったものは線路の中心の左および右に水平に位置している。車両１０が各セルに到達するまでは、電磁石は例示されない。

図４は、並進器１４２とステータ１４１との相互作用を概略的に示す。図４の左には、図３と同様のいくつかの電磁石１４７の同一の状態が見える。ここで、以下に説明されるように、並進器１４２は、ステータ１４１の電磁石と相互作用する複数の電磁石１４７を担持している。車両がステータの各セルに近づくと、セルは電流を受取るよう自動的に切換えられ、そのため各セルは励磁される。励磁されたセルを並進器１４２が通過すると、それは浮上される。ステータ１４１と並進器１４２との誘導相互作用は、車両を前方へ駆動する起電力を生成する。

図５には、湾曲した三角形のリニア強磁性コア１４１′の両端およびその頂点で、ステータの電磁石１４７が移動軸に対して横方向に位置することが示されている。これらの電磁石１４７は、使用目的によって決定されるように、直列または並列に相互接続されても
よい。強磁性体コア１４１′は連続する周辺開口部１６２を有する。この開口部１６２内に巻線１４８が敷設される。巻線１４８は、強磁性体コア１４１′および電磁石１４７の周りに連続する回路を形成する。

この背骨の各セグメントについて示されるような、リニア強磁性コアのワイヤシステムは、直列および／または並列に電気的に接続され、そのためコイルは近道相互接続、次に一般的な保護スイッチに終わり、そこではコイルの各々が同じ機能、すなわちエネルギ移送、磁気浮上、案内および推進を有する。

図５には、いくつかの機能を有する電磁石の組が見られる。第１に、ステータ１４１における電磁石１４７Ａおよびコイル１４８は、ステータ１４１におけるすべての電磁石を励磁する、スイッチインされた脈動直流を搬送する。第２に、電磁石１４７により、パルス電流が電磁石１４７Ａ′へと誘導される。この誘導電流は、並進器１４２上および車両１０内のすべての電気装置によって受取られる。電磁石１４７Ｂは、ステータ１４１に対する並進器１４２の横方向の安定性および中心合わせを提供するよう、電磁石１４７Ｂ′と相互作用する。また、電磁石１４７Ｂは、ステータ１４１を中心とする並進器１４２の浮上および垂直方向の安定性を維持するよう、電磁石１４７Ｃ′と相互作用する。誘導起電力を提供するようコイル１４８と反応する大型電磁石１４７Ｄにより、推進力が提供される。

電磁石１４７Ａ′、１４７Ｂ′および１４７Ｃ′は、電流の誘導が並進器１４２にとって利用可能でない場合に、電流がない状態および前進運動がない状態において浮上および安定性を提供するために、永久磁石コアを有する。

加えて、可動部分は、荷重、すなわち乗客、貨物を支え、車両１０がカーブを横切る必要性に応じて傾くことができるようにする、荷重支持および自動平衡アセンブリ１９０を提供する。

上に詳述された実施可能例は、記録にある先行技術に対して新規であると考えられ、また、この装置およびその使用方法の少なくとも１つの局面の動作にとって、および上述の目的の達成にとって重大であると考えられる。これらの実施例を説明するためにこの明細書で使用された言葉は、それらの通常定義される意味においてだけでなく、この明細書における特別の定義により、通常定義される意味の範囲を超えた構造、材料または行為を含むものと理解されるべきである。このため、この明細書の文脈において或る要素が２つ以上の意味を含むものとして理解され得る場合、その使用は、明細書によって、およびその要素を説明する言葉によって支持されるすべての可能な意味に対して包括的なものであるとして理解されなければならない。

ここに記載された言葉または図面要素の定義は、文字通り述べられている要素の組合せだけでなく、実質的に同じ結果を得るために実質的に同じ機能を実質的に同じやり方で行なうためのすべての均等な構造、材料または行為も含むよう意図されている。したがって、この意味において、説明された要素のうちのいずれかおよびそのさまざまな実施例に対し、２つ以上の要素の均等な置換えが行なわれてもよいこと、または請求項における２つ以上の要素を単一の要素で置換えてもよいことが考えられる。

現在公知の、または後に考案される、当業者により考察されるような主張された主題からの変更は、意図された範囲およびそのさまざまな実施例内の均等物であるとして明確に考えられる。したがって、現在または後に当業者に公知となる明らかな置換えは、定義された要素の範囲内であると定義される。この開示はしたがって、上に具体的に示され説明されたこと、概念上均等なこと、明らかに置換え可能なこと、また、本質的な考えを援用
していることを含むものと理解されるよう意図される。

この説明の範囲は添付された特許請求の範囲と併せてのみ解釈されるべきであり、主張された主題が、特許されるよう意図されることである、ということを名前の挙がった各発明者が信じていることをここに明らかにする。

支持システムから懸架された車両と車両上方に示された推進用手段とを備える輸送システムを示す、この発明の正面縦断面概略図である。 さらに別の図面で使用される符号の表である。 前記推進システム、すなわち電磁リニアモータの固定された、つまり静止した部分の概略図である。 前記電磁リニアモータの可動または並進部分の概略図であり、それと係合された車両を示す図である。 この発明の原理および作動機構を示し、リニアモータの静止部分と可動部分との相互関係、および車両用の自動平衡機構を明らかに示す、図１から拡大された概略図である。

Claims (8)

1. 積載荷重を搬送するための車両（１０）を備え、前記車両（１０）は、細長いステータ（１４１）と可動に係合された並進器（１４２）に搭載され、前記ステータ（１４１）は、横断面が本質的に三角であり、かつ本質的に３面の外側に面するステータ表面を有し、前記ステータ（１４１）は、複数のステータ電磁石（１４７）を形成する湾曲した三角形のリニア強磁性コア（１４１’）の周りに連続する回路を形成する巻線（１４８）を備え、前記並進器（１４２）は、前記ステータ電磁石（１４７）に近接する複数の並進器電磁石（１４７）を備える３面の内側に面する並進器表面を有し、前記ステータ（１４１）および前記並進器電磁石（１４７）は、前記ステータ（１４１）と前記並進器電磁石（１４７）との間の磁気反発が、前記ステータ（１４１）に沿ったリニア運動のために前記並進器（１４２）を浮上させ、中心合わせをし、推進を提供するように、電流によって励磁される、磁気浮上式輸送装置であって、前記装置は、制動時に電気エネルギを回復可能であり、前記並進器（１４２）は、前記ステータ（１４１）の横方向の横断面を実質的に包囲することを特徴とする、磁気浮上式輸送装置。
2. 前記ステータ電磁石（１４７）は、前記並進器（１４２）を並進および制動するために直流によって励磁された中心に位置付けられた電磁石と、前記ステータ（１４１）の周りで前記並進器（１４２）を中心合わせおよび制動するために直流によって励磁された少なくとも１つの対の横方向に位置付けられた電磁石（１４７）とを備える、請求項１に記載の磁気浮上式輸送装置。
3. 前記ステータ電磁石（１４７）は、前記並進器（１４２）の移動方向に沿った隣り合う位置に配置された複数のステータセルを備える、請求項２に記載の磁気浮上式輸送装置。
4. 前記ステータセルの各々は、電気的にかつ磁気的に独立している、請求項３に記載の磁気浮上式輸送装置。
5. 前記ステータセルの各々は、前記並進器（１４２）の存在によって制御される近接スイッチを、それが前記ステータ（１４１）に沿って動く際に係合させる、請求項４に記載の磁気浮上式輸送装置。
6. 前記ステータ（１４１）および前記並進器電磁石（１４７）は、永久磁石コア（１４１’）を有し、それにより、誘導電流が生成されない場合に、電流がない状態および前進運動がない状態において前記装置の浮上および安定性が維持される、請求項１に記載の磁気浮上式輸送装置。
7. 前記並進器（１４２）は、カーブを通じて傾くことができるように前記車両（１０）を懸架するために、その下面上に荷重支持および自動平衡アセンブリ（１９０）を含む、請求項１に記載の磁気浮上式輸送装置。
8. 前記電磁石（１４７）は、それぞれの頂点に対向して、三角横断面のステータおよび並進器の基部に設けられる、請求項１に記載の磁気浮上式輸送装置。