JP5486512B2 - 可逆式の発電機−電動機動作を用いる電磁装置 - Google Patents
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Description
装置の組付けがより容易である;
装置の組付けの際にヨークと磁石との相対位置を最適化することができ、それによって装置の最大効率が確実となる;
動作時に、ロータの揺動、振動及び変形を容易に補正することができる;
1つのセル内で動作不良又は短絡があった場合、そのセルのみを動作不能にすることが可能であると共に残りの装置の動作を続ける;
発電機モジュール及び電動機モジュールを双方とも有するモジュール機の場合、発電機モジュール及び電動機モジュールの性能を個別に調整することが可能である:例えば、開始時、開始を容易にするために、発電機モジュールのヨークの距離を増やして発電機の機能を一時的に不能にするか又は限定値に設定するか又は利用する回路を電子制御により(electronically)開いたままにすることさえもできる。
フェライトは高い磁束密度を得ることができる(約1/2テスラ);
フェライトは焼結することができる材料であり、したがって、効率を最大化するのに適した構造及び形状に作製することが可能である;
フェライトは最大限が数メガヘルツまでもの広い周波数範囲内にある効率曲線を示し、したがって、本発明に対して想定される用途における磁石の通過周波数と完全に適合性がある。
フェライトにより、波形のスプリアス高調波から得るエネルギーを変換することが可能であり、これは直径が大きいこと及び回転数が高いことが要求される用途にとって特に有用である;
フェライトは比重量が低く(鉄の比重量の約半分)、これは航空用途に重要である;
フェライトは、約250℃とキュリー温度Tcが低いため、過熱の場合に自己保護能力がある。既知のように、Tcを超える温度でのフェライトの透磁率は実質的に0である(図25を参照):したがって、ヨークの温度がTcに達する場合、回路のリラクタンス全体がかなり高くなり、空気中の(in air)回路の値に実質的に相当する値をとり、そのため、連結された電圧が非常に低い値まで下がる。この特性をヨークの変位に対する代替案として利用することができる。
加速トルクが高い:実際、力はディスク12の外周に加えられ、該ディスク12は大きい半径(トルクアーム)を有することができる;述べたように、半径が大きいことにより、電動機を動作させる際に協働する多数の磁気双極子を取り付けることが可能となり、したがって、結果として力全体が高くなる;
装置の励起周波数に応じて回転数が高い(例えば、発電機としての動作に関して述べた性能についての考察を参照のこと)
さらに、発電機に関して述べたように、ロータ及びステータは2つの平行な表面であるため、機械加工により非常に小さな空隙を得ることができ、したがって効率を高くすることができる。
X=P/gcd(P,M)
(式中、略語「gcd」は最大公約数を表す)を有する。X個のコイルの群における各コイルは該群における他のコイルに対してシフトしたefmの位相を発生させ、コイルの電気位相は全ての群において同一に繰り返される。同じ位相を有するコイルを機械の内側で並列若しくは直列に又は星形、三角形...の構成で共に接続してもよく、これらの共通の幾つかの点が外部に接続されることになる。したがって、外部接続の数が幾つかの異なる位相の数に減る。このようにして、モジュール式の多相機(modular multiphase machine)が達成され、ここでは、各モジュールがX個の磁極拡径部及びY=M/gcd(P,M)個の磁石を有する。位相が反転した交互のモジュールのコイルの外側に接続することも可能であり、そのため、所定の一対の値M、Pを有するX位相機又は2X位相機を達成することができる。当然のことながら、モジュール式の多相配置が対をなす磁石の実施形態に適用される場合、セルの双方のアームでの同期の流れの利点が依然として維持される。同じ位相を有するモジュールどうしを並列又は直列に接続することによって、電圧を自由に増減することが可能であり、それにより、ヨークの変位によって得られる同じ結果が達成される。
タービンに取り付けられる航空機用発電機;
タービン用の始動用電動機;
タービン構成(architecture)用のフィードバック電動機;
船舶及び航空機のプロペラ用の電動機;
垂直離陸用の航空機プロペラ;
ガスパイプライン等のポンプ用の電動機;
風力発電機;
一般の工業用発電機;
トルク調整装置;
自動車システム用のフライホイール;
エネルギー回収による電磁ブレーキ;
アクティブブレーキ。
航空機用発電機
この用途は、航空機搭載型で電気エネルギーを発生させる必要性から生じる。装置10を動作温度が低い段に直接取り付けることができ(そのような場合では図2に示すブレード15がタービン段のブレードとなる)、機械的エネルギーを受け取る従来のオルタネータの代わりにタービン軸に接続される減速ギヤを用いる(replace through)ことが可能である。したがって、本発明の発電機は、切替え電源による電気エネルギー変換という最新技術に合った解決策であり、これにより、完全な配電によってアクチュエータ、装置及びトランスデューサを遠隔駆動することが可能となる。タービンと直接接触せずに高電圧及び高周波数で電気エネルギーを発生することが可能な装置10により、従来技法の欠点の多くを排除することが可能となる。特に、装置10は軽量であり、信頼性が高く、寿命が長く、モジュール構成が容易に拡張可能であり、必要とされるメンテナンスが最小限である。さらに、装置10は、特に電動機及びギヤボックスのコストに関して比較的安価である。
航空用途用及び一般のタービン用の始動用電動機
完全に可逆式である本発明による装置により、ブラシレス型電動機用の電子制御ユニットの重量及びコストを除けばそれ以外の重量及びコストの付加なしに、航空機搭載のエンジン用の始動システムを提供することも可能である。これとは反対に、始動システムは重量があり費用がかかるために航空機には備わっていない場合が多く、そのため、外部電動機を使用し得る場合、点火段階は駐機時のみに限られる。この選択が航空機自体の柔軟性及び安全性を制限することは明らかである。同じ軽量特性及びコスト限定特性もまた、一般のタービン用の、また航空分野以外の始動用電動機として本発明を採用することを可能にする。
タービン構成におけるフィードバック電動機
低圧コンプレッサ又は高圧コンプレッサを、タービンシャフトの回転速度にもはや連関しない、コンプレッサの周囲及び外側に構築された電気電動機によって確定される回転速度にする(過速度)。これにより、回転数及びタービン段とは個別のコンプレッサの圧力を最適化することが可能となり、その結果、性能及び消費の最適化のための及びそれらの最適化の際の調整可能性がより高くなる。
船舶プロペラ用の電動機
船舶の電気推進は、本発明が関する類の機械をそのノイズが低いことから利用することができ、かかる機械は、船体の外側に取り付けることができ、また、スクリューに剛結されるため、長手方向の船体軸線に対して角変位することができ、それにより、船舶の高い操縦性能がもたらされる。かかる用途における本発明の使用は図26に示し、ここでは、本発明による装置10の対をなす磁石の半径方向の実施形態が船舶のスクリュー11の外周に一体化されて示されている。装置10の配置を示すようにハウジングのフレームが取り除かれている。かかる用途では、本発明は以下の利点を与える:
スクリューの外周への電動機のセルの配置により、磁極の半径が大きく磁極の数が多い場合にトルクが高い;
セルの個々のメンテナンス及び調整が可能である;
1つのセルが故障した場合でも、他のセルが故障セルとは独立して動作を続けることができるため、信頼性が高い;
セルを樹脂でシールすることにより、厳しく過酷な環境における動作が可能である;
空隙を一定に保持しつつセルがスクリューに対して旋回することができるため、セルが設けられている外周の転がり部材により、フレームに対するスクリューの揺動の回避性が高い。
トルクが高く且つ信頼性が高いという利点は、本発明の使用を航空機プロペラにおいても好適にする。本発明を使用する航空機プロペラの構造は図26に示すようなものである。かかる用途では、本発明の装置は、熱力学機械、アキュムレータ、燃料電池、光起電セル等と連係する発電機ユニットと共に動作することができる。
ガスパイプライン等のポンプ用の電動機
この分野における用途は船舶プロペラにおける用途と同じ原理に基づく。しかしながら、この場合では、磁石はパイプラインの内側に位置するがヨークは外環に位置する。このように、パイプラインの内側ではヨークとプロペラとの間にいかなる接触もないこと及びそれらの間が完全に絶縁していることが確実となる。したがって、ガス及び炭化水素を圧送するのに特に適した高信頼性及び本質安全性が達成される。
かかる用途の場合、ディスク12の中央部にあるブレード15が風力発電機のベーンを形成する。この用途は、軽量を保ちつつも、かかる用途に典型的なサイズを有するベーンを収容することが可能な大きなディスクを構築する際に全く問題がないという点で可能である。大きなディスクに取り付けることができる多数の双極子により、また、磁気回路の低損失により、いかなる風の状態でも良好な効率を達成することができる。複数の双極子により、コスト及び性能間のトレードオフを最適化するように構造をサイズ決めすることが可能である。
工業用発電機
本発明は、回転シャフトにロータ12を固定する(したがって、装置のシャフト13を形成する)ことが容易であるため、回転シャフトが存在するときは常に発電機としての使用に適しており、その一方、磁気ピラー16、18の環は、回転部材とのいかなる機械的な接続もないため、個別に収容することができる。本発明は、要素形成装置(the elements forming device)10をタービン自体に容易に一体化することができるため、エネルギー生成のためにタービンと共に使用するのに特に適している。
D.cトルク調整装置
この用途は、ヨーク16、18の全体もまた回転可能に取り付けられることを必要とする。一定極性の電圧が装置10に印加される場合、磁石14は磁気ヨーク16、18の前に平衡状態で安定的に位置決めされる。したがって、ヨーク16、18を保持する外側部を回転させることによって、同様の回転が磁石14を保持するロータモジュール12内に誘起される。ステータとロータのこの共同の回転は最大トルクを得るまで続き、この最大トルクはアーム(磁石環の半径)によってディスク及びヨークに共に作用する接線力の生成によって与えられ、その後、一定の摺動トルクが開始する。この場合、一定のトルクで多数の回転が必要とされるのであれば、回転の際に電流の流れを可能にするように回転コレクタを設ける必要がある。
A.cトルク調整装置
この場合、本発明による装置は電動機に関して説明した通りに働く:さらに、ねじ込みストロークの終了時に、d.cトルク調整装置の場合と同様に、装置を停止し、印加されたトルクをリセットする。しかしながら、この場合、電流の流れを可能にするのに回転コレクタは必要とされない。
電磁フライホイール
本発明の重要な用途は、機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換すること、電気的エネルギーを複式(mixed)アキュムレータシステム(すなわち、異なる時間で動作すると共に異なる蓄積特性及び供給特性を有する装置を含むシステム)に蓄えること、及び、装置の可逆性により、そのエネルギーを加速段階時に機械的エネルギーとして戻すことによって、減速時にエネルギーを回収するためにある。装置は実質的に電磁フライホイールとして働く。
電磁ブレーキ
図28に示すような車両の熱力学エンジン20とトランスミッションユニット32との間に取り付けられる本発明による装置10は、電磁ブレーキとしても働き得る。かかる用途では、通常動作時、上記の例におけるように、コイル20、22(図1〜図3)が開回路状態に保たれ、ヨーク16、18がロータから大きく離れたままであり、そのため、逆起電力フィードバックは実質的に0である。制動時、前述のようにヨークがロータのより近くに移動し、コイルの電気回路が(フライホイールの場合でのようにインバータ側で閉じられる代わりに)抵抗負荷側で閉じられ、制動エネルギーが熱エネルギーに変換される一方で、逆起電力制動力がディスク上に作用する。
アクティブブレーキ
本発明の考えられ得る別の使用はアクティブブレーキとしての使用である。この原理は、本例ではエネルギー蓄積が車両の通常動作時すなわち稼動段階にも行われることを除けば、フライホイールについて説明した原理の発展である。制動段階時、コイル20、22の回路は負荷側で閉じられるだけでなく、逆回転電動機として動作するように駆動もされる、すなわち、その場合はエネルギーがアキュムレータ40(図28)から制動装置に流れ、それにより制動時間を減らす。装置10を各ホイールの軸に配置することによって、ホイールロックを回避することもできる、すなわち、制動時に、ロータとステータの相対位置を軸方向に調整することが可能であることにより、アクティブな制動作用を各ホイールに個別に分配することができ、緊急制動の典型的な不均衡な負荷を補償するのに好適な、差示的な方法で逆回転作用を行うことができる。かかる用途の一般的な利点は、関連するエネルギーが高いものの短期間であることから、装置の高トルク、迅速な介在及び低消費電力に関する。
Claims (35)
- 可逆式の発電機−電動機動作を用いる電磁装置(10)であって、
軸回りに回転するロータ(12;12’)であって規則的な間隔かつ実質的に環状のパターンで交互の向きに配置された複数の磁石(14;14’、14’a、14’b;140)を保持するロータ(12;12’)と、
少なくとも1組の磁気ヨーク(16、18;16’、18’)を備えるステータ(16、20a、20b、18、22a、22b;16’、18’、20’、22’)と、を備え、
前記少なくとも1組の磁気ヨーク(16、18;16’、18’)は、それぞれ、前記磁石(14;14’、14’a、14’b;140)へ向かって延びる一対の突出アーム(17a、17b、19a、19b;7)であって利用装置又は電力駆動装置との電気的接続のための各コイル(20a、20b、22a、22b;20’、22’;21)を保持する一対の突出アーム(17a、17b、19a、19b;7)を有しており、
前記各磁気ヨーク又は各組の磁気ヨーク(16、18;16’、18’;6)は、所定の瞬間に且つ該ヨークを前記磁石から隔てる空隙をあけて該ヨークのアーム(17a、17b、19a、19b;7)と向かい合う一対の磁石(14;14’、14’a、14’b;140)と共に、同じ閉じた磁気回路の一部であり、
前記磁気ヨーク(16、18;16’、18’;6)は、支持体(54)に個別に取り付けられ、前記支持体(54)は前記磁石(14;14’、14’a、14’b;140)に対する個々の前記ヨーク(16、18;16’、18’;6)の位置の静的及び動的調整のために、支持体の変位を制御する手段(56, 82, 84, 92)によって軸方向及び半径方向に調整可能とされ、
各ヨークのアーム(17a、17b、19a、19b;7)の前記コイル(20a、20b、22a、22b;20’、22’;21)は、利用装置又は電力駆動装置に個々に接続され、
前記各磁気ヨーク(16、18;16’、18’;6)は、当該磁気ヨーク(16、18;16’、18’;6)の前記突出アームに保持されている前記コイル(20a、20b、22a、22b;20’、22’;21)と、当該磁気ヨーク(16、18;16’、18’;6)が取り付けられている前記支持体(54)と、当該支持体(54)の変位を制御する手段(56, 82, 84, 92)と共に、モジュール構造を有する基本的なステータセルを形成することを特徴とする、電磁装置(10)。 - 前記支持体(54;70)は、3つの直交軸に沿った並進移動により軸方向及び半径方向に調整可能である、請求項1に記載の電磁装置。
- 前記支持体(54;70)は、少なくとも1つの軸を中心とした旋回運動によりさらに調整可能である、請求項1又は2に記載の電磁装置。
- 前記支持体(54;70)は3つの軸を中心とした旋回運動により調整可能である、請求項3に記載の電磁装置。
- 前記ステータ(16、20a、20b;16’、20’)は単一の組の磁気ヨーク(16;16’)を含む、請求項1〜4のいずれかに記載の電磁装置。
- 前記ロータ(12;12’)は強磁性材料から作製され、
前記磁気回路は、一対の磁石(14;14’;14’a、14’b;140)と該一対の磁石に面する1つのヨーク(16;16’)とを備え、前記ロータ(12;12’)と前記ヨークを前記磁石から隔てる空隙とにより閉じられる、請求項5に記載の電磁装置。 - 前記ロータ(12、12’)は、前記磁石(14;14’;14’a、14’b;140)が占めていない領域では非強磁性材料から作製され、同じヨークに面する前記磁石(14;14’;14’a、14’b;140)は、強磁性要素(61)によって接続され、
前記磁気回路は、一対の磁石(14;14’;14’a、14’b;140)と該一対の磁石に面する1つのヨーク(16;16’)とを備え、前記強磁性要素(61)と前記ヨークを前記磁石から隔てる空隙とにより閉じられる、請求項5に記載の電磁装置。 - 前記磁石(14;14’;14’a、14’b;140)は、前記ヨーク(16;16’)に面する前記ロータ(12;12’)の表面に接着される、請求項2〜4のいずれかに記載の電磁装置。
- 前記ロータ(12、12’)は、前記磁石(14;14’;14’a、14’b;140)が占めていない領域では非強磁性材料から作製され、前記ステータ(16、20a、20b、18、22a、22b;16’、18’、20’、22’)は、前記ロータ(12、12’)に対して対称的に配置された第1及び第2の組の磁気ヨーク(16、18;16’、18’;6)を含み、
前記磁気回路は、一対の隣接する磁石(14;14’;14’a、14’b;140)と前記第1及び第2の組のそれぞれにおける1つの磁気ヨーク(16、18;16’、18’;6)とを備える、請求項1〜4のいずれかに記載の電磁装置。 - 前記磁石(14;14’、14’a、14’b;140)は、前記ロータ(12;12’)における磁化領域であり、前記ヨーク(16、18;16’、18’;6)に面する前記ロータの表面に、一連の交互に逆の極を形成する、請求項9に記載の電磁装置。
- 前記ヨーク(16、18;16’、18’;6)は、前記磁石の環における磁石の1つの弧又は複数の個々の弧の前に配置される、請求項1〜10のいずれかに記載の電磁装置。
- 前記ヨーク(16、18;16’、18’;6)は前記磁石の環全体の前に配置される、請求項1〜10のいずれかに記載の電磁装置。
- 前記ロータ(12;12’)は、以下の:
Nが前記各磁気ヨークは又は各組の磁気ヨーク(16、18;16’、18’;6)の数である2N;
2Nとは異なる偶数
から選択される数M個の磁石(14;14’;14’a、14’b;140)を保持する、請求項12に記載の電磁装置。 - 向かい合う磁石(14;14’;14’a、14’b)との同じ幾何学的位相関係を有
する前記アーム(17a、17b、19a、19b;7)の前記コイル(20a、20b、22a、22b;20’、22’;21)は、電磁装置の内側で共に接続され、利用装置又は電力駆動装置との共通の接続を有する、請求項13に記載の電磁装置。 - 向かい合う磁石(14;14’;14’a、14’b;140)との同じ幾何学的位相関係を有する交互のアーム(17a、17b、19a、19b;7)の前記コイル(20a、20b、22a、22b;20’、22’;21)は、電磁装置の内側で共に接続され、利用装置又は電力駆動装置との逆位相による各共通の接続を有する、請求項13に記載の電磁装置。
- 少なくとも幾つかのアーム(17a、17b、19a、19b;7)の前記コイル(20a、20b、22a、22b;20’、22’;21)は利用装置に接続され、少なくとも幾つかの他のアーム(17a、17b、19a、19b;7)の前記コイルは電力駆動装置に接続される、請求項14又は15に記載の電磁装置。
- 前記ヨーク(16、18;16’、18’;6)は、利用装置又は電力駆動装置との電気的接続のための第1のコイル(20a、20b、22a、22b;20’、22’;21)、及びフィードバック検出器として作動する第2のコイルを保持する、請求項1〜16のいずれかに記載の電磁装置。
- 前記ロータ(12’)は、側面に前記複数の磁石(14’a、14’b)を保持する円筒体であり、前記複数の磁石は前記側面に2つの平行な列(14’a、14’b)で配置され、一方の列の磁石は他方の列の隣接する磁石とは逆の向きを有し、各ヨーク(16’)は双方の列の磁石(14’a、14’b)をつなぐように配置される、請求項1〜17のいずれかに記載の電磁装置。
- 各ヨーク(16’)及び該ヨークによってつながれる各対の磁石(14’a、14’b)は、前記ロータ(12’)の母線に対し傾斜して配置される、請求項18に記載の電磁装置。
- 前記アーム(17a、17b、19a、19b;7)及び前記磁石(14;14’;14’a、14’b;140)は、円形断面、非円形曲線状断面、凹状の多角形断面、凸状の多角形断面、特に正方形又は長方形を含む群から選択される断面形状を有し、前記磁石(14;14’;14’a、14’b;140)と前記アーム(17a、17b、19a、19b;7)との対面する領域は、同様のサイズを有する、請求項1〜19のいずれかに記載の電磁装置。
- 前記アーム(17a、17b、19a、19b;7)及び前記磁石(14;14’;14’a、14’b;140)は、異なる断面形状を有する、請求項20に記載の電磁装置。
- 前記磁石は、以下の:
楔形状;
2対の対向する側面の傾斜が板(plate)の逆テーパをもたらすようなものである、傾斜した側面によって接続される四角形底面を有する、多面体形状;
載頭円錐形状から選択される形状を有する磁石体(140)である、請求項1〜7、9及び11〜21のいずれかに記載の電磁装置。 - 隣接する磁石(140)は、該隣接する磁石(140)間に、該隣接する磁石(140)の向かい合う表面によって画定される表面に相補的なテーパを有するテーパ状の保持部材が位置付けされている、請求項22に記載の電磁装置。
- 前記隣接する磁石(140)は、該隣接する磁石(140)間に、接線方向に動作する弾性又はエラストマー保持部材(60)が位置付けされている、請求項22又は23に記載の電磁装置。
- 前記各ヨークのアーム(7)は、支持体に固定されるベース(7c)、該ベース(7c)から前記磁石(14’;140)へ延びると共に該磁石(14’;140)に巻かれたコイル(21)を有するステム(7b)、及び前記ベース(7c)に対向する前記ステムの端に接合されたヘッド(7a)を含み、
前記ヘッドは、前記ステム(7b)及び前記コイル(21)の断面サイズ全体よりも大きな断面サイズを有し、向かい合う磁石(14’;140)に対し前記コイル(21)を隠すように配置される、請求項1〜24のいずれかに記載の電磁装置。 - 前記各ヨーク(6)は、前記磁石(14’;140)に向かって開いた或る角度を画定する一対の個々に取り付けられたアーム(7)を含み、
それぞれ2つの隣接するヨーク(6)に属する2つの隣接するアーム(7)の前記ベース(7c)間にギャップ(77)が設けられている、請求項25に記載の電磁装置。 - 前記ヨークのアーム(17a、17b、19a、19b)は、該アームの横サイズに等しい長さを有する部材によって接続され、隣接するヨーク(16、18;16’、18’)の隣接するアームの対面する側面は、該アームの横サイズに等しい距離だけ離間する、請求項1〜25のいずれかに記載の電磁装置。
- 前記磁気ヨーク(16、18)は、透過率が高く、残留磁束が小さく、磁気リラクタンスの低いフェライト;鉄−ケイ素シート;Ni−Zn又はMn−Znフェライト;Mn−Ni材料の群から選択される材料から作製される、請求項1〜27のいずれかに記載の電磁装置。
- 前記ヨーク(16)の前記支持体(54)は、前記ヨーク(16、18)と前記磁石(14)との間の空隙(24、26)を一定に保つために前記ロータの表面と協働すると共に前記ロータ(12)の軸方向及び半径方向の揺動を補正するように配置される転がり部材(50)を備えている、請求項1〜28のいずれかに記載の電磁装置。
- 前記ヨーク(16)は、検出された温度及び/又は位置に応じて個々の前記コイル(20)における連結された電圧を変えるために、前記磁石(14)と前記向かい合うアーム(17)とのギャップ及び/又は重なり度を変えるように前記支持体(54)の変位手段(82、92)を作動させるように配置される処理/制御回路(90)に接続される温度検出器(86)及び位置検出器(88)と連係する、請求項1〜29のいずれかに記載の電磁装置。
- 前記磁気ヨーク(16、18;16’、18’;6)は、そのコイル(20、22;21)、及びその支持体と共に、前記転がり部材(50)用の調整ユニット(52)を支持し、前記検出器(86、88)及び制御/処理回路(90)は、樹脂層(70)内に埋め込まれ、可能であれば熱伝導性を増加させる粉末材料を充填される、請求項29又は30に記載の電磁装置。
- 前記樹脂層(70)には放熱部材が設けられている、請求項31に記載の電磁装置。
- 前記電磁装置(10)は、流体の動きによって駆動される装置のインペラ内に一体化される、請求項1〜32のいずれかに記載の電磁装置。
- 流体の動きによって駆動されるインペラを有する装置であって、該インペラは、請求項1〜33のいずれかに記載の電磁装置(10)内に一体化されていることを特徴とする、装置。
- 特に航空エンジン又は船舶エンジン用のタービン、航空用途又は船舶用途用のプロペラスクリュー、ガスパイプライン用のポンプ、及び風力発電機を含む群から選択される、請求項34に記載の装置。
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