JP5404061B6 - 発電機および磁束伝導ユニット - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、発電機、発電機用の磁束伝導ユニットおよびこのような発電機を含む発電装置に関する。特に、本発明は、直接駆動式発電機および直接駆動式発電機用の磁束伝導ユニットに関するが、これらに限定されるものではない。

発電分野においては、石油、ガス、石炭および原子力発電所などの流体駆動式のタービンに結合された発電機を設けることがよく知られている。従来の発電機は、多数の通電コイルが巻き付けられた鉄心を有する回転子と、巻線を保有する鉄心付き固定子とを備える。回転子が回り始めると、固定子巻線のコイルに電流が誘導されるように、回転子コイルに沿って電流を流すことで、磁場が発生する。発電所にある発電機の回転子は、およそ数千ｒｐｍの高回転速度かつ比較的低い駆動トルクで回転する駆動シャフトによって、タービンに結合される。したがって、このような用途を考慮して製造された従来の発電機は、高速度、低トルク動作用にデザインされてきた。

近年、風力、波力および潮力発電を含む持続可能な発電方法に関して、各国でさまざまな研究がなされてきた。

既存の風力発電機は、直径が大きな回転子の形態の原動機を備える。回転子は、多数の回転ブレードを有し、これらの回転ブレードは、発電機に結合された回転シャフトに取り付けられる。タービン回転子は、典型的に、比較的低い回転速度かつ高出力トルクで回転し、例えば、２ＭＷの発電装置の場合、２０ｒｐｍおよび約９５５ｋＮｍの出力トルクで回転する。したがって、このタイプのタービンは、比較的低い回転速度で動作するが、トルク出力は比較的高いということを理解されたい。このような低速度、高トルクの発電機で問題なく発電を行うためには、（高速、低トルク動作用にデザインされた）従来の発電機では、変速機を介してタービン回転子に接続される必要がある。変速機は、回転速度を上げ、発電機に入るタービン回転子からの出力トルクを低減する。

一般に、このタイプの変速機を使用すると、数多くの重大な欠点が生じてしまい、望ましくない。特に、変速機は、比較的大きく重量もあるため、風力タービンタワーの上部のナセルに設けられるユニットの重量が大幅に増えてしまう。さらに、タービン回転子の出力シャフトと発電機の入力シャフトとの間に変速機を設けることで、発電機の効率が下がってしまう。

さらに、これらの変速機は、典型的な風力タービンの動作条件下では、驚くほど信頼性が低いことが分かっている。その主な原因として、風速のばらつきにより、変速機を介して伝わる動作速度やトルクが常に変動するということがある。

波力および潮力を利用した発電システムでも同様の問題が生じ、これらのシステムの原動機では、さらに低い回転速度またはサイクリング速度で動作しながらも、トルクや推力は高いままである。

これらの問題を解消するために、例えば、風力発電機の回転子に直接接続するための、低速度、高トルク動作用にデザインされた異なるタイプの発電機が開発されてきた。

これらのタイプの発電機の例として、従来の永久磁石発電機があり、他にも、直接駆動式システム用に提案されてきたＮｅｗａｇｅ ＡＶＫ ＳＥＧのＴｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｆｌｕｘ Ｍａｃｈｉｎｅ（ＴＦＭ）およびＶｅｒｎｉｅｒ Ｈｙｂｒｉｄ Ｍａｃｈｉｎｅ（ＶＨＭ）などの高力密度発電機がある。明記したこれらの発電機は、波力発電装置において特に用いられる。リニアＶＨＭ発電装置は、断面が略Ｃ字状の対向する磁束伝導コアを含み、二つの対向するコア間のエアギャップの両側にあるコアのアームに、多数の連続した異極性の磁石対が配設される。エアギャップに、スプライン加工された上面および下面を有する移動子が配設され、発電装置の原動機に結合される。使用時、移動子は、エアギャップ内を前後に往復し、移動子のスプライン加工部分が、異極性の磁石対と連続して揃うと、二つのコア間の磁束流が切り換わる。この切り換わりの頻度は、移動子の往復運動の速度に依存する。コアのアームにコイルが配設されるため、磁場が切り換わると、電力が発生する。

固定部材と可動部材に鉄心を有するこのタイプの装置には重大な欠点がいくつかあり、特に、二つの鉄心間にかかる磁気引力が極めて強いことは問題である。これにより、エアギャップを維持するために、鉄心用の支持構造が非常に大きく重いものが必要となり、発電機のサイズおよび重量に影響が及ぶ結果となる。さらに、磁気引力が強いと、発電機の製造および組み立てが極めて困難である。

上述した鉄心付き装置に関連するような問題を解消するために、国際特許出願第ＰＣＴ／ＧＢ０２／０２２８８号に開示された低力密度発電機が提案された。ＰＣＴ／ＧＢ０２／０２２８８に開示された発電機は、風力タービンとともに使用するようにデザインされたものであるため、回転発電機である。開示された発電機において、発電機の固定子の鉄心が取り除かれ、固定子のコイルが、非磁気材料によって支持される。この装置において、装置の回転子にある鉄心の可動鉄表面から出てくる磁束には、流入するための鉄表面がないため、磁束の向かう先には、事実上、非常に大きな磁気エアギャップが広がる。それ故に、磁束密度は比較的低く、装置の効率および効力は、他の発電機と比較すると、著しく低減される。したがって、例えば、適切な動作効率を達成するために、回転子には、さらに多くの磁気材料が必要となる。その結果、装置の物理的直径を大幅に増大する必要が生じる。例えば、５ＭＷの空心タイプの装置の場合、その直径は、同等の鉄芯タイプの発電機の直径のおよそ２〜３倍である２６メートルになると推定される。

別のタイプの回転発電機において、二つの鉄ディスクが、これらの間にあるエアギャップと対向した位置に設けられ、空心タイプの巻線が二つの可動ディスクの間に挟められる。鉄ディスク上に磁石が設けられ、（円周方向に）連続した磁石対は、異極性のものである。ディスクが回転すると、固定巻線は、切り換え磁束流を連続して受けることで、電気を発生する。

しかしながら、このタイプの装置には、二つのディスクの間に極めて大きな磁気引力がかかることで、上述したタイプの大きく重い支持構造が必要になるという問題が生じる。これにより、鉄ディスクを離した、（磁束密度を最大化するのに）必要な小さなエアギャップを維持することが極めて困難になるため、これらの比較的大型の装置の製造中に、特に困難な問題となる。

したがって、本発明の実施形態の目的は、前述した欠点の少なくとも一つを回避または軽減することである。

本発明の第１の態様によれば、少なくとも一つのコイルアセンブリと、少なくとも一つの磁束伝導ユニットと、を備える発電機であって、少なくとも一つの磁束伝導ユニットが、少なくとも一つの磁石と、コイルアセンブリを受け入れるための空間を要素間に形成する一対の対向する磁束伝導要素と、対向する磁束伝導要素間に延在する少なくとも一つの接続部分と、を備え、磁束伝導要素間の磁気引力が接続部分を介して働き接続部分内で釣り合うように、対向する磁束伝導要素に対して少なくとも一つの磁石が配設される発電機が提供される。

本発明の第２の態様によれば、発電機用の磁束伝導ユニットであって、少なくとも一つの磁石と、発電機のコイルアセンブリを受け入れるための空間を要素間に形成する一対の対向する磁束伝導要素と、対向する磁束伝導要素間に延在する少なくとも一つの接続部分と、を備え、磁束伝導要素間の磁気引力が接続部分を介して働き接続部分内で釣り合うように、対向する磁束伝導要素に対して少なくとも一つの磁石が配設される磁束伝導ユニットが提供される。

接続部分を介して磁束伝導要素間に存在する磁気引力を働かせ、接続部分内の力を釣り合わせることによって、磁束伝導要素間にエアギャップを維持するために、大きく重量のある支持構造を設ける必要がなくなる。接続部分を介して働かせ、接続部分内で釣り合わせた磁束伝導要素間の磁気引力を本願明細書において参照することは、これらの引力が磁束伝導要素から接続部分に伝わる結果、磁束伝導ユニットにかかる機械的負荷と、磁束伝導要素の機械的な力が互いに作用し合うことで釣り合ったり打ち消したりするように磁束伝導ユニットが配設されることを参照することであることを理解されたい。これにより、既知の発電機と比較した場合、発電機の重量軽減、製造の簡素化、製造時間の短縮、低コスト化が図られる。

接続部分が、対向する磁束伝導要素間に延びることで、要素間に最大の空間またはエアギャップを形成することを理解されたい。

好ましい実施形態において、発電機は直接駆動式発電機であり、発電装置の原動機に直接結合される。したがって、発電機は、例えば、風力発電装置、潮力発電装置または波力発電装置または熱併給発電所のフリーピストンスターリングエンジンの駆動部材（出力シャフトや回転子など）に結合されていてもよい。直接駆動式発電機は、発電装置の駆動部材からまたはその駆動部材によって直接駆動されるものであることを理解されたい。

他の形態において、発電機は、間接または非直接駆動応用の間接または非直接駆動式発電機であってもよく、風力タービンの応用の中には、例えば、１０ｒｐｍから１００ｒｐｍまで速度を段階的に変えるための単段変速機を伴うものもある。したがって、発電機は、このような状況で利用されることもあるため、低速の応用のものであると見なされる。さらに、発電機は、任意の速度でモータリングと発電の両方の応用で使用されてもよい。

少なくとも一つの磁石は、磁束伝導ユニット内の磁束流路が、接続部分を貫通するように、対向する磁束伝導要素に対して配設されることが好ましい。このように、接続部分は、磁束伝導性のものであってもよく、ユニット内に設置されても、ユニットの磁束流路の部分を形成してもよい。

磁束伝導ユニットは、略Ｃ字状の断面のものであってもよく、接続部分は、ベースまたは中央部材を形成し、これらの要素は、ベースに対して片持ち式に結合される。二つの対向する要素の間に、空間またはエアギャップが既定されてもよく、エアギャップ内にコイルアセンブリが受け入れられる。他の形態において、磁束伝導ユニットは、略Ｉ字状の断面のものであってもよく、接続部分は、ベースまたは中央部材を形成し、これらの要素は、中央部材の両側に二つの片持ち式セクションを形成するように中央部材に結合され、接続部分の両側の磁束伝導要素間に二つの空間またはエアギャップがある。コイルアセンブリが二つある場合もあり、各エアギャップのそれぞれが受け入れられる。上述したそれぞれケースの場合、少なくとも一つの磁石は、磁束伝導要素間の磁気引力が、要素内に機械的な負荷を発生するように配設されてもよく、これらの機械的な負荷は、接続部分に伝わり、互いに作用し合う。このようにして、機械的負荷は、ユニット内に封じ込められる。要素が、接続部分に対して、片持ち式のものであるかまたは片持ち式のセクションを含む場合、接続部分の周りに回転モーメントが発生することもある。しかしながら、少なくとも一つの磁石は、負荷を釣り合わせるために、各要素の回転モーメントが大きさが等しく向きが反対であり、接続部分の中立軸が中心となるように配設されてもよい。

さらなる別の態様において、磁束伝導ユニットは、略矩形または正方形の断面のものであってもよく、二つの接続部分は、対向する磁束伝導要素間に延び、二つの接続部分間に空間またはエアギャップが形成され、エアギャップ内にコイルアセンブリが設置される。要素にある機械的負荷は、両方の接続部分に伝わる場合があり、少なくとも一つの磁石は、接続部分の中心軸の周りの回転モーメントが、上述したように釣り合うように配設されてもよい。

本発明の実施形態において、磁石は、要素間に形成された空間またはエアギャップ内に配設される。ユニットは、各要素に結合された磁石を備えてもよく、磁石は、反対の極を互いに対面させて配設され、磁石の対向する表面間にコイルアセンブリが配置される。ユニットは、Ｃ字状のコアを備えてもよく、接続部分は、Ｃ字状のコアのベースまたはサイドを形成し、磁束伝導要素は、Ｃ字状のコアの対向するアームを形成する。ユニットは、背中合わせに設けられたこのような二つのＣ字状のコアを備えてもよく、このコアは、共通の接続部分を共有してもよい。したがって、このようなユニットは、略Ｉ字状のものであってもよく、したがって、Ｉ字状のコアを形成してもよいことを理解されたい。したがって、発電機は、二つのコイルアセンブリを備えてもよく、コイルアセンブリは、接続部分の両側に配置され、２対の磁石が、接続部分の両側の要素に結合される。

本発明の別の実施形態において、少なくとも一つの磁石は、磁束伝導ユニットの接続部分を形成または形成してもよい。したがって、少なくとも一つの磁石は、磁束伝導要素間にエアギャップを形成するような働きをするものであってもよい。ユニットは、略Ｃ字状であってもよく、磁石は、ベースまたは中央部材を形成し、磁束伝導要素は、対向するアームを形成する。ユニットは、背中合わせに設けられたこのような二つのアセンブリを備えてもよく、したがって、これらのアセンブリは、共通の磁石を共有してもよく、このようなユニットが、略Ｉ字状のものであってもよいことを理解されたい。発電機は、二つのコイルアセンブリを備えてもよく、一つは、磁石の両側に形成された空間またはエアギャップの各々に配置される。

本発明のさらなる別の実施形態において。ユニットは、磁束伝導要素の間に延びる二つの磁石を備えてもよく、各磁石は、接続部分を形成し、コイルアセンブリを受け入れるための空間またはエアギャップが、磁石の間に形成される。他の形態において、ユニットは、磁束伝導要素を形成する一体化された本体を備えてもよく、このように、磁束伝導ユニットは、任意の矩形部分を中心から取り外した一つの連続したセクションを形成してもよい。磁石は、対向する面に位置付けられてもよく、残りの空間にある二つの間に巻線が挟められる。ユニットは、略矩形または正方形の断面のものであってもよい。

好ましくは、発電機は、複数の磁束伝導ユニットを備え、各磁束伝導ユニット内および少なくとも一つの空間またはエアギャップのそれぞれを通る磁束流の方向は、隣接する磁束伝導ユニットまたは各々のものと反対であってもよい。この方法で、磁束伝導ユニット間の相対運動が、コイルアセンブリを通る磁束流の方向を漸進的に切り換え、コイルアセンブリ内に電流を発生する。

発電機は、回転発電機であってもよく、回転子および固定子を含んでもよく、回転子は、発電装置の原動機の駆動部材に結合され、それによって、固定子に対して回転する。少なくとも一つのコイルアセンブリは、回転子および固定子の一つに設けられてもよく、少なくとも一つの磁束伝導ユニットは、回転子および固定子の他方に設けられてもよい。発電機は、複数のユニットを備え、ユニットは、回転子または固定子の周囲に配設されてもよく、ユニットの磁束伝導要素の主軸または主平面が、回転子のシャフトの軸に平行であるかまたは回転軸に対して垂直であるように配設されてもよい。

他の形態において、発電機は、リニア発電機であってもよく、移動子および固定子を備えてもよく、移動子は、発電装置の原動機の駆動部材に結合される。コイルアセンブリは、移動子および固定子の一方に設けられてもよく、少なくとも一つの磁束伝導ユニットは、移動子および固定子の他方に設けられてもよい。発電機は、複数の磁束伝導ユニットを備えてもよく、このユニットは、移動子の平面に平行な平面に沿って延びる。発電機は、複数の移動子および対応する固定子を備えてもよく、各移動子は、原動機の共通する駆動部材に結合される。

発電機が、複数のユニットを備える場合、隣接するユニットは、エアギャップによって分離されてもよくまたは、非磁気伝導性／磁気絶縁性のものであり、磁束伝導ユニットと比較すると、無視できるほどの磁気伝導性のものであるスペーサによって分離されてもよい。他の形態において、隣接するユニットは、エアギャップ／スペーサによって分離されないように互いに対して接合されてもよい。

少なくとも一つの磁石は、永久磁石であってもよく、ユニット内での場所を特定した後に磁化されてもよい。これにより、磁化前および磁気引力が発生する前に所望の場所に磁石を配置することによって、ユニットが組み立てやすくなることもある。ユニットの構築を容易にするため、磁化前にユニットに少なくとも一つの磁石を設置するためのクリップまたはクランプが設けられてもよい。他の形態において、少なくとも一つの磁石は、ユニット内での場所を特定する前に磁化されてもよい。

少なくとも一つのコイルアセンブリは、複数の導電コイルを備えてもよく、銅または他の適切な材料のものであってもよい。磁束伝導要素は、鉄、鋼などの鉄合金などのものであってもよい。少なくとも一つの接続部分は、同様に、鉄または鉄合金のものであってもよい。

本発明の第３の態様によれば、少なくとも一つのコイルアセンブリと、少なくとも一つの磁束伝導ユニットとを備える発電機であって、少なくとも一つの磁束伝導ユニットが、
コイルアセンブリを受け入れるための空間を要素間に形成する一対の対向する磁束伝導要素と、
対向する磁束伝導要素間に延びる少なくとも一つの磁石とを備え、少なくとも一つの磁石が、要素間の磁気引力が、少なくとも一つの磁石を介して働き、少なくとも一つの磁石内で釣り合うように対向する磁束伝導要素に対して配設された、発電機が提供される。

本発明の第４の態様によれば、発電機用の磁束伝導ユニットであって、
発電機のコイルアセンブリを受け入れるための空間を要素間に形成する一対の対向する磁束伝導要素と、
対向する磁束伝導要素間に延びる少なくとも一つの磁石とを備え、少なくとも一つの磁石が、要素間の磁気引力が、少なくとも一つの磁石を介して働き、少なくとも一つの磁石内で釣り合うように対向する磁束伝導要素に対して配設された、磁束伝導ユニットが提供される。

本発明の第５の態様によれば、本発明の第１または第３の態様の発電機を含む、発電装置が提供される。

以下、添付の図面を参照しながら、一例としてのみ、本発明の実施形態を記載する。

まず、図１を参照すると、本発明の一つの実施形態による発電機用の磁束伝導ユニットの略図が示されている。磁束伝導ユニットは、参照番号１０で概略的に示されている。図１に示す磁束伝導ユニット１０を組み込んだ発電機１２の部品が、図２の略側面図に示されている。図１および図２に示すように、磁束伝導ユニット１０は、一対の磁石１４、１６と、アーム１８および２０の形態の一対の対向する磁束伝導要素と、アーム１８および２０の間に延びる接続部分２２とを備える。磁石１４および１６は、磁束流路２４（破線で示す）が、図１を見た場合、反時計回りの方向に延びるように配設される。これを達成するために、磁石１４および１６の極が、図１を見た場合、上下方向にＳ−Ｎ／Ｓ−Ｎに配向されてもよいことを理解されたい。アーム１８および２０は、接続部分２２とともに、略Ｃ字状のコアを形成し、鋼などの鉄合金又は鉄などの磁束伝導材料からなる。

対向するアーム１８、２０間に、空間またはエアギャップ２６が形成される。磁石１４および１６は、エアギャップ内に設置される。磁石１４は、アーム１８に磁気的に結合され、磁石１６は、アーム２０に磁気的に結合される。必要に応じて、磁石１４、１６は、その場で磁化されてもよく、クリップ、クランプまたは支持体によって適所に保持された後に磁化されてもよい。発電機１２のコイルアセンブリ２８は、対向する磁石１４、１６間のエアギャップ２６に設置される。当業者に理解されるように、コイルアセンブリ２８は、銅などの導電材料からなる多数のコイルを備える。

図２に示す発電機１２は、回転タイプのものであり、回転シャフト３２に取り付けられた回転ディスクやホイール３０などの周囲に配設された多数のユニット１０を備える。回転シャフト３２は、発電装置の原動機に結合される。図２Ａは、回転子３５の形態の原動機を有する風力発電機３３の形態の発電装置を示し、回転子は、シャフト３７によって発電機１２に直接駆動式に結合される。このように、発電機１２は、回転子３５の出力シャフト３７によって直接駆動される直接駆動式発電機である。

発電機１２はまた、コイルアセンブリ２８が取り付けられる固定ディスク、フレーム３６などを有する固定子３４を含む。固定子３４は、ベアリング３９によってシャフト３２に取り付けられる。図２に示すように、ユニット１０は、回転ディスク３０の周囲に配設され、ユニットアーム１８および２０のそれぞれの平面が、回転シャフト軸４０に対して垂直に配置される。

発電機１２を使用すると、各磁束伝導ユニット１０の対向するアーム対１８、２０の間に、磁気引力がかかる。これらの磁気引力は、エアギャップ２６を閉じようとすることで、アーム１８、２０に機械的負荷を与える。接続部分２２でつながっていることと、磁束流路２４が、磁石１６からアーム２０、接続部分２２、アーム１８を通って磁石１４へと延びるように磁石１４、１６が配設されていることにより、これらの機械的負荷が、接続部分２２に伝わる。実際には、アーム１８および２０は、接続部分２２に対して片持ちにされている。アーム１８、２０間の引力は、アーム１８に機械的負荷を与える。これにより、図１を見た場合、反時計回りの方向に、Ｃ字状のコアの中心軸または中立軸４２の周りに回転モーメントが発生する。対照的に、アーム２０にかかる機械的負荷は、時計回りの方向に中立軸４２の周りに回転モーメントを発生する。これらの回転モーメントは、アーム１８および２０間の磁気引力が接続部分２２を介して働き接続部分２２内で釣り合うことにより、効果的に釣り合い打ち消される。このような配設により、アーム１８および２０間にエアギャップを維持するために、大きく重量のある支持構造を設ける必要がない。したがって、既存の直接駆動式発電機と比較して、発電機１２の全体的なサイズおよび重量が大幅に低減される。これにより、高磁束密度を維持し、アーム１８および２０間のエアギャップを狭く保ちながら、発電機１２の効率的な動作が確保される。

発電機１２は、以下のように電気を発生するように動作する。上述したように、さまざまなユニット１０は、回転ディスク３０の周囲３８の周りに配設される。ユニット１０に隣接したユニットの磁束流路の向きは、反対方向である。このように、図２に示すユニット１０に隣接したユニットの磁束流路は、時計回りの方向に流れる。これは、同図に示すユニット１０に隣接したユニットにある磁石１４、１６の極性が逆であるために生じる。

したがって、使用時、回転ディスク３０が風力発電機の回転シャフト３７によって駆動されると、コイルアセンブリ２８は連続して変化する磁束流にさらされ、コイルアセンブリのコイルに電流が発生する。ユニット１０は、必要に応じて、固定子３４に設けられ、コイルアセンブリ２８は、回転子２９に設けられてもよいことを理解されたい。

以下、図３を参照すると、本発明の別の実施形態による、図１に示すユニット１０を組み込んだ発電機の部品の略側面図が示されている。発電機は、参照番号１１２で概略的に示されている。発電機１１２の構成部品のうち、図２の発電機１２と同様のものに関しては、図２の参照番号の数字に１００足した番号を付与している。

発電機１１２は、二つの回転ディスク１３０ａおよび１３０ｂを含み、各々が磁束伝導ユニット１０のアレイを保有する。このアレイは、縁部１３８ａ、１３８ｂのそれぞれに隣接したディスク１３０ａ、１３０ｂの各々の周囲に間隔を空けて設けられる。各回転子１３０ａ、１３０ｂのユニット１０のそれぞれのアーム１８、２０は、アームの平面が回転シャフト軸１４０に平行であるように配設される。発電機１１２の固定子１３４は、回転子１３０ａ、１３０ｂのユニット１０の各々に対して、２セットのコイルアセンブリ１２８ａ、１２８ｂを保有する。このようにして、発電機１１２により、二つの回転子１３０ａ、１３０ｂを、共通の回転シャフト１３２から駆動することができ、寸法が著しく増大することなく、高効率が得られる。

以下、図４および図５を参照すると、本発明のさらなる別の実施形態による、図１の磁束伝導ユニット１０を組み込んだ発電機の部品の略側面図および端面図が示されている。発電機は、参照番号２１２によって概略的に示されている。発電機２１２の構成部品のうち、図２の発電機１２と同様のものに関しては、図２の参照番号の数字に２００足した番号を付与している。

発電機２１２は、波力発電装置や、家庭用ＣＨＰユニット（図示せず）のフリーピストンスターリングエンジンなどのリニア発電装置との使用に適したリニアタイプのものである。例示した実施形態において、多数の磁束伝導ユニット１０ｃ、１０ｄ、１０ｅおよび１０ｆが示されており、装置の原動機に直接結合された移動子４４に取り付けられている。ユニット１０のそれぞれのエアギャップ２６ｃ〜２６ｆに、コイルアセンブリ２２８が配設される。図示するように、隣接するユニット１０ｃ〜１０ｆの磁束流の方向は反対であり、流路２４ｃ〜２４ｆのそれぞれにおいて、矢印の後端は、紙面に向かった流れを示し、矢印の先端は、紙面から出てくる流れを示す。したがって、矢印Ｘ−Ｘ’の方向にユニット１０ｃ〜１０ｆを前後に移動させると、コイルアセンブリ２２８は、連続して変化する磁束流を受け、コイルに電流を発生する。図５に示すように、ユニット１０とコイルアセンブリ２２８との間を相対的に移動しやすいように、コイルアセンブリ２２８が取り付けられた支持体４８との間に、ベアリングアセンブリ４６が設けられる。

以下、図６を参照すると、本発明の別の実施形態による発電機用の磁束伝導ユニットの略図が示されている。ユニットは、参照番号３１０により概略的に示されている。ユニット３１０の構成部品のうち、図１のユニット１０と同様のものに関しては、図１の参照番号の数字に３００足した番号を付与している。

同図に示すように、ユニット３１０は、二つの磁石３１４、３１６によって結合されたアーム３１８、３２０の形態の一対の対向する磁束伝導要素を含む。各磁石は、ユニット３１０の接続部分を形成する。発電機のコイルアセンブリ３２８が受け入れられるアーム３１８、３２０のそれぞれの表面５０および５２間に、空間またはエアギャップ３２６が形成される。

ユニット３１０は、略矩形の断面のものであり、コイルアセンブリ３２８は、構造体内の中心に設けられる。図７に示すように、ベアリングアセンブリ３４６は、エアギャップ３２６内にコイルアセンブリ３２８を取り付け、ユニット３１０とコイルアセンブリ３２８との間の相対運動を行う。

磁石３１４／３１６から、アーム３１８内、エアギャップ３２６を通って、アーム３２０に入り、磁石３１４／３１６へと延びる二つのループの形態で、二つの磁束流路３２４ａおよび３２４ｂが生じるように、磁石３１４、３１６は、アーム３１８、３２０に対して配設される。これらの磁束流路３２４ａ、３２４ｂは、図６を見た場合、時計回りおよび反時計回りの方向にそれぞれに延びる。

磁石３１４、３１６をこのように配設することによって、アーム３１８、３２０間の磁気引力が、中立軸３４２ａおよび３４２ｂのそれぞれの周りで磁石３１４および３１６内のユニット３１０の両側で釣り合う。したがって、図１のユニット１０と同様に、アーム３１８および３２０間の磁気引力は、接続部分（磁石３１４および３１６）を介して働き、これらの接続部分内で釣り合う。これにより、大きく重量のある支持構造体を提供する必要性が回避される。さらに、二つの磁石３１４、３１６を設けることで、図１に示すユニット１０のエアギャップ２６にあるものと比較すると、エアギャップ３２６の磁束密度が高くなり、ユニット３１０を組み込んだ発電機の効率が高くなる。

ユニット３１０と同様のデザインの磁束伝導を組み込んだ発電機が、図８の斜視図に示されており、参照番号４１２によって概略的に示されている。発電機４１２の構成部品のうち、図２の発電機１２と同様のものに関しては、図２の参照番号の数字に４００足した番号を付与している。発電機４１２は、磁束伝導ユニットおよび対応するコイルアセンブリの３つのアレイ５４、５４’、および５４’’を備える。図９に、参照しやすいように、発電機４１２の残りのものとは別に、３つのアレイのうちの一つのアレイ５４’を示す。発電機４１２は、図４を参照しながら上述したものに類似したリニアタイプのものであることを理解されたい。

アレイ５４は、多数の磁束伝導ユニット３１０ｇ〜３１０ｊを備え、図４の発電機２１２のように、隣接するユニットの磁束流路は、反対方向に流れる。ユニット３１０ｇ〜３１０ｊの各々は、非磁気伝導性のスペーサ５６によって分離され、例えば、波力発電装置に見られるように、往復原動機または往復機械的負荷（図示せず）の移動子に結合される。コイルアセンブリ４２８は、多数のコイルセクション５８を含み、ユニット３１０ｇ〜３２０ｊおよびコイルアセンブリ４２８は、図１０および図１１のそれぞれに別々に示される。

コイルアセンブリ４２８、４２８’および４２８’’（図８）の各々は、固定フレーム６０に取り付けられる。各コイルアセンブリ４２８、４２８’および４２８’’は、コイルセクションまたは巻線５８の３層を備える３相巻線である。図９〜図１１に、最上のコイルアセンブリ４２８が示されており、このアセンブリは、各層が一つの相を表す３層の巻線５８ａ、５８ｂおよび５８ｃを備える。アレイ４２８’および４２８’’は、同様の構造のものであることを理解されたい。各アレイ５４、５４’および５４’’のユニット３１０は、可動ベース６２の別のものの上部に一つ取り付けられる。使用時、アレイ５４、５４’および５４’’のユニット３１０は、図８に示すように、矢印Ｙ−Ｙ’の方向に前後に往復運動する。このような往復運動や各アレイ５４の隣接するユニット３１０にある流路の変動により、コイルアセンブリ４２８のそれぞれの各コイルセクション５８は、漸進的に変化する磁束流方向を受け、電流を発生する。

発電機４１２にこのようにしてアレイ５４、５４’および５４’’を設けることによって、発電機４１２のサイズおよび重量を最適化し、効率を高めながら、共通の駆動源が利用されてもよい。

以下、図１２を参照すると、本発明のさらなる別の実施形態による発電機の部品の略端面図が示されている。発電機は参照番号５１２で示されている。

発電機５１２は、図４の発電機２１２および図８の発電機４１２に類似したリニア発電機である。しかしながら、発電機５１２は、多数の磁束伝導ユニット５１０を含み、ユニット５１０の構成部品のうち、図１のユニット１０と同様のものおよび発電機５１２の構成部品のうち、図２の発電機１２と同様のものに関しては、それぞれの図の参照番号の数字に５００足した番号を付与している。

ユニット５１０は、背中合わせに設けられた図１のユニット１０の二つを本質的に備え、ユニット５１０の磁束伝導アーム５１８、５２０間に単一の磁石５１４が延びる。二つの磁束流路５２４ａおよび５２４ｂは、ユニット５１０内に発生し、磁石５１４からアーム５１８内へ、エアギャップ５２６ａ／５２６ｂを横切って、アーム５２４内および磁石５１４へ延びる。隣接するユニットの磁石は、隣接するユニットの磁束流路が、反対方向に延びるように、反対の極性のものである。

ユニット５１０の各々は、波力発電装置（図示せず）などの発電装置の移動子に結合され、発電機２１２、４１２と同様に往復運動する。コイルアセンブリ５２８ａ、５２８ｂは、エアギャップ５２６ａ、５２６ｂに設けられ、ベアリングアセンブリ５４６ａ、５４６ｂによって固定フレーム５６０に取り付けられる。発電機５１２は、電気を発生するために、発電機４１２と同様に動作する。

以下、図１３を参照すると、本発明のさらなる別の実施形態による、磁束伝導ユニットを組み込んだ発電機の部品の端面図が示されている。発電機は、参照番号６１２で概略的に示され、磁束伝導ユニットは、参照番号６１０で概略的に示されている。発電機６１２の構成部品のうち、図２の発電機１２と同様のものおよびユニット６１０の構成部品のうち、図１のユニット１０と同様のものに関しては、それぞれの図面の参照番号の数字に６００足した番号を付与している。しかしながら、相違点がわずかしかないものは、本願明細書に詳細には記載しない。

発電機６１２は、実際、図８の発電機４１２と同様の構造のものであり、したがって、磁束伝導ユニットおよびコイルアセンブリの多数のアレイを備えるリニア発電機であり、アレイのうちの一つを参照番号６５４で示している。アレイ６５４は、隣接して配設された多数の磁束伝導ユニット６１０を含み、そのうちの一つが図示されている。ユニット６１０の各々は、磁石６１４および６１６をそれぞれ保有する１対の間隔を空けて対向したアーム６１８、６２０を備える。アーム６１８および６２０は、略Ｃ字状の断面のものであり、リップまたは端部セクション６４および６６をそれぞれ含み、それらは共に接続部分６２２を形成する。アレイ６５４は、コイルアセンブリ６２８を含む。コイルアセンブリ６２８は、磁石６１４および６１６間に形成されたエアギャップ６２６に設置され、多数の別々の巻線またはコイルセクション６５８ａ、６５８ｂおよび６５８ｃを含む。アーム６１８および６２０のショルダ７０および７２の間にベアリング６８が取り付けられ、ＰＴＦＥ、静圧ベアリング、磁気ベアリングまたは従来のローラーベアリングなどの低摩擦材料でありうる。この実施例では、スライダベアリングが示されている。ユニット６１０の斜視図である図１４に最良に示すように、ベアリング６８は、チャネル７４を含む。コイルアセンブリ６２８は、ベアリングチャネル７４内と係合するような形にされ、コイルアセンブリ６２８に対してユニット６１０が摺動運動できるようにした取り付け台７６を含む。したがって、図８に示す発電機４１２と同様に、アレイ６５４のユニット６１０は、コイルアセンブリ６２８に対して前後に往復運動し、交流電流を発生する。

使用時、二つの磁束流路６２４ａおよび６２４ｂがユニット６１０で発生し、アーム６１８および６２０間の引力は、リップ６４および６６間が隣接することで、接続部分６２２内で釣り合う。しかしながら、ベアリング６８が、アーム６１８および６２０間の引力に抵抗するため、接続部分６２２の一部を形成すると見なされてもよいことを理解されたい。さらに、リップ６４および６６間の引力が、アーム６１８および６２０をともに保持することを認識されたい。

ユニット６１０は、各磁束伝導ユニット６１０が隣接する一つ以上のユニットと隣接して設置されるようにスペーサが省かれた以外は、図８に示すユニット３１０と同様に発電機６１２に配設される。これは、本願発明者らが、磁束が、ユニット６１０のアレイに沿って軸方向に流れることが有益であり、使用時の発電機６１２の効率を上げることを発見したためである。磁束流の方向が、流路６２４ａおよび６２４ｂの矢印で示された図１３に示すユニット６１０の配列の場合、磁束流は、図１４において、一つのユニット６１０のアーム６２０から方向Ｙ’に生じ（図１３の紙面内に進む矢印の後端によって示されている）、隣接するユニット６１０のアーム６２０内に（図示せず）、隣接するユニットの磁石６１６および６１４を介して、隣接するユニットのアーム６１８内におよび図１３に示すユニット６１０のアーム６１８内へ（紙面から出るように矢印の先端によって示されている）と生じる。

以下、図１５を参照すると、本発明のさらなる別の実施形態による磁束伝導ユニットを組み込んだ発電機の部分切り欠き斜視図が示されている。発電機は、参照番号７１２で概略的に示されており、多数の周囲に配設されたユニット７１０を組み込んだ回転発電機である。ユニット７１０の構成部品のうち、図１のユニット１０と同様のものおよび発電機７１２の構成部品のうち、図２の発電機１２と同様のものに関しては、それぞれの図の参照番号の数字に７００足した番号を付与している。発電機７１２は、概略的にいえば、磁束伝導ユニット７１０およびコイルアセンブリ７２８の円周アレイを一つだけ含む以外、図３に示す発電機１１２と同様の構造のものである。

発電機７１２は、図１６および図１７においてより詳細に示されている。図１６は、小縮尺で描かれた図１６の長手方向の断面図である。および図１７は、図１５に示すような磁束伝導ユニット７１０の切り欠き図であり、小縮尺で描かれている。

発電機７１２は、回転ディスク７３０を保有する回転シャフト７３２を有する回転子７２９を含む。円周に配設された磁束伝導ユニット７１０の各々は、ディスクの円周縁部の周りの回転ディスク７３０に取り付けられ、アーム７１８および７２０の長さがより長いものであること以外、図３に示すユニット１０と同様の構造のものである。図１３の発電機６１２のユニット６２０と同様に、ユニット７１０は、互いに対して接合され、スペーサを設けていないため、効率が高くなる。多数のコイルセクション７５８を備えるコイルアセンブリ７２８が、固定子プレート７３６に取り付けられることで、コイルセクション７５８が、ユニット７１０のエアギャップ７２６のそれぞれに延びる。コイルセクション７５８は、適切なベアリング７４６を用いてエアギャップ７２６内に設けられる。発電機７１２は、図１８に示す風力発電機７３３の一部として与えられる。

使用時、コイルアセンブリ７２８を保有する固定子７３４は、風力発電機７３３のナセル７８に取り付けられるのに対して、回転シャフト７３２は、タービンブレードアセンブリ８０の形態の原動機に結合される。このようにして、ブレードアセンブリ８０の回転は、回転シャフト７３２、ひいては、回転ディスク７３０に駆動力を伝達する。これにより、磁束伝導ユニット７１０が回転し、上述したようにして交流電流を発生する。

最後に、図１９を参照すると、図１３に示す発電機６１２を組み込んだ波力発電デバイス６３３の形態の発電装置の略図が示されている。発電機６１２は、同図に概略的に示されている。波力発電デバイス６３３は、海面８４に浮いた状態で示されているブイ８２を含むが、デバイス６３３の残りの構成部品の重量に対してのブイ８２の固有浮力は、ブイが海面８４の下に沈むようにされてもよい。

ブイ８２は、結合アセンブリ８６によって磁束伝導ユニットの一連のアレイに結合されるが、同図には、このようなユニット６５４を一つしか示していない。波力発電デバイス６３３の固定子６３４が、海底８８に設けられ、コイルアセンブリは、固定子６３４のベース９０に取り付けられる。

使用時、ブイ８２は、波の負荷が加わると上下に動き、アレイ６５４を上下に動かすため、コイルアセンブリ６２８に対して磁束伝導ユニット６１０を移動させることによって、交流電流を発生する。エンドストップ９２および９４が、コイルアセンブリ６２８に対してアレイ６５４が移動する最大許容範囲を形成する

本発明の精神および範囲から逸脱することなく、前述したものにさまざまな修正が加えられてもよい。

例えば、発電機は、必要に応じてまたは望ましければ、回転またはリニア発電機として与えられた種々の異なるタイプの装置とともに使用されてもまたはそれらに設けられてもよく、特に、波成流、気流、潮流および海流を利用した発電装置とともに使用されても、それらに設けられてもよいことを理解されたい。

本発明の一つの実施形態による発電機用の磁束伝導ユニットの略図である。 本発明の一つの実施形態による、図１の磁束伝導ユニットを組み込んだ発電機の一部の略側面図である。 図２に示す発電機を組み込んだ発電装置の略側面図である。 本発明の別の実施形態による、図１の磁束伝導ユニットを組み込んだ発電機の一部の略側面図である。 本発明のさらなる別の実施形態による、図１の磁束伝導ユニットを組み込んだ発電機の部品の略正面図である。 図４の発電機の端面図である。 本発明のさらなる別の実施形態による、発電機用の磁束伝導ユニットの略図である。 コイルアセンブリをユニットに取り付けたベアリングアセンブリを示す、図６に示すユニットの図である。 本発明の一つの好ましい実施形態による、図６および図７に示すユニットに類似した磁束伝導ユニットを組み込んだ発電機の斜視図である。 図８に示す発電機の部品の図である。 図９に示す発電機の部品を形成する磁束伝導ユニットの図である。 図９に示す発電機の部品を形成するコイルアセンブリの図である。 本発明のさらなる別の実施形態による発電機の略端面図である。 本発明のさらなる別の実施形態による、磁束伝導ユニットを組み込んだ発電機の部品の端面図である。 図１３に示す磁束伝導ユニットの斜視図である。 本発明のさらなる別の実施形態による、磁束伝導ユニットを組み込んだ発電機の部分切り欠き斜視図である。 図１５に示す発電機の長手方向の断面図である。 図１５に示すように切り取られた、図１５の磁束伝導ユニットの図である。 図１５の発電機を組み込んだ発電装置の図である。 図１３の発電機を組み込んだ発電装置の略図である。

Claims (15)

1. 複数の導電コイルを含む少なくとも一つの空心コイルアセンブリと、複数の磁束伝導ユニットとを備える回転発電機であって、
   前記複数の磁束伝導ユニットの各々は、
   少なくとも一つの磁石と、
   前記少なくとも一つの空心コイルアセンブリを受け入れるための空間を要素間に形成する鉄または鉄を含む合金でできた一対の対向する磁束伝導要素と、
   前記対向する磁束伝導要素間に延びる少なくとも一つの接続部分と、を備え、
   前記少なくとも一つの磁石は、前記磁束伝導要素間の磁気引力が前記接続部分を通して働き前記接続部分内で釣り合うように、前記対向する磁束伝導要素に対して配置され、
   前記回転発電機は、回転子および固定子を備え、
   前記回転子および前記固定子の一方は、前記複数の磁束伝導ユニットを保有し、
   前記回転子および前記固定子の他方は、前記少なくとも一つの空心コイルアセンブリを保有し、
   前記回転子は、発電装置の原動機の駆動部材に結合されて、これにより前記固定子に対して回転し、
   前記複数の磁束伝導ユニットは、前記回転子または前記固定子のディスクの周囲に周縁を囲んで配置される、回転発電機。
2. 前記発電機は、発電装置の原動機に直接結合される直接駆動式発電機、または変速機を介して発電装置の原動機に結合される間接駆動式発電機、のうちのいずれかである、請求項１に記載の発電機。
3. 前記複数の磁束伝導ユニットの前記少なくとも一つの磁石は、前記複数の磁束伝導ユニット内の磁束の経路が前記接続部分を通って延びるように、前記対向する磁束伝導要素に対して配置される、請求項１または２に記載の発電機。
4. 前記複数の磁束伝導ユニットは、略Ｃ字状の断面のものであり、
   前記接続部分は、前記磁束伝導ユニットの中央部材を形成し、
   前記磁束伝導要素は、前記中央部材に対して片持ち式に結合される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発電機。
5. 前記複数の磁束伝導ユニットは、略Ｉ字状の断面のものであり、
   前記接続部分は、前記磁束伝導ユニットの中央部材を形成し、
   前記磁束伝導要素は、前記中央部材の両側に二つの片持ち式セクションを形成するように前記中央部材に結合され、
   前記接続部分の両側の前記磁束伝導要素間に二つの空間があり、
   前記複数の磁束伝導ユニットは、二つの空心コイルアセンブリをさらに備え、
   前記二つの空心コイルアセンブリの一つは、各空間に受け入れられる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発電機。
6. 前記複数の磁束伝導ユニットは、略矩形の断面のものであり、
   二つの接続部分は、前記対向する磁束伝導要素間に延び、
   前記空間は、前記磁束伝導要素と前記二つの接続部分との間に形成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発電機。
7. 前記少なくとも一つの磁石は、前記磁束伝導要素間に形成された空間内に配置される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の発電機。
8. 前記複数の磁束伝導ユニットの前記少なくとも一つの磁石は、前記磁束伝導ユニットの前記接続部分を形成する、請求項１または２に記載の発電機。
9. 前記磁束伝導要素間に延びて、各々が接続部分を形成する二つの磁石と、
   前記磁石の間に形成されて、空心コイルアセンブリを受け入れるための空間と、を備える、請求項１または２に記載の発電機。
10. 前記複数の磁束伝導ユニットは、前記磁束伝導要素および前記接続部分を形成する一体化された本体を備え、
    前記磁束伝導要素間の空間を形成する開口が、前記一体化された本体を通る、請求項１または２に記載の発電機。
11. 前記複数の磁束伝導ユニットは、
    前記磁束伝導要素の対向する面に配置された二つの磁石と、
    前記空間にある前記二つの磁石の間に設置された前記空心コイルアセンブリを形成する巻線と、を備える、請求項１０に記載の発電機。
12. 複数の磁束伝導ユニットを備え、
    各磁束伝導ユニット内のそして各磁束伝導ユニットの前記少なくとも一つの空間のそれぞれを通る磁束の方向は、前記のまたは各隣接する磁束伝導ユニットにおける磁束の方向と反対である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の発電機。
13. 各磁束伝導要素に結合された磁石を備え、
    前記磁石は、反対の極を互いに対面させて、かつ、前記磁石の対向する面間に前記空心コイルアセンブリが配置される、請求項１に記載の発電機。
14. 複数の磁束伝導ユニットを備え、
    隣接するユニットは、エアギャップによって分離されるか、非磁気伝導性のスペーサによって分離されるか、または互いに対して接合される、請求項１に記載の発電機。
15. 複数の導電コイルを含む少なくとも一つの空心コイルアセンブリと、複数の磁束伝導ユニットとを備える回転モータであって、
    前記複数の磁束伝導ユニットの各々は、
    少なくとも一つの磁石と、
    前記少なくとも一つの空心コイルアセンブリを受け入れるための空間を要素間に形成する鉄または鉄を含む合金でできた一対の対向する磁束伝導要素と、
    前記対向する磁束伝導要素間に延びる少なくとも一つの接続部分と、を備え、
    前記少なくとも一つの磁石は、前記磁束伝導要素間の磁気引力が前記接続部分を通して働き前記接続部分内で釣り合うように、前記対向する磁束伝導要素に対して配置され、
    前記回転モータは、回転子および固定子を備え、
    前記回転子および前記固定子の一方は、前記複数の磁束伝導ユニットを保有し、
    前記回転子および前記固定子の他方は、前記少なくとも一つの空心コイルアセンブリを保有し、
    前記回転子は、前記固定子に対して回転し、
    前記複数の磁束伝導ユニットは、前記回転子または前記固定子のディスクの周囲に周縁を囲んで配置される、回転モータ。
    
    

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