JPH11508759A - エネルギー蓄積フライホイール装置および方法 - Google Patents
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Abstract
Description
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1.電気エネルギーと運動エネルギーとの変換を行う装置(10)であって、該 装置(10)は、ロータ(12)から延びる複数の一体化した突出部(14)を 有するロータ(12)を含む軸の回りを回転し得る回転可能な部材と、単極磁束 を生成する部材(30、32)を含む非回転部材とを備え、該磁束は、該突出部 (14)において磁極を生成し、 該ロータ(12)は、実質的に高透磁性材料で形成された固体の単一ロータで あることと; 該非回転部材は、該突出部(14)に対向する、実質的に滑らかな表面を有す る少なくとも1つのリング(40)を含み、該リング(40)は、電機子エアギ ャップ(46)が、該突出部(14)と該滑らかな表面との間に形成されるよう に、該ロータ(12)に対して同心的に取付けられ、該リング(40)は、実質 的に高透磁性材料で形成されることと; 該非回転部材が、該ロータ(12)が該軸の回りで回転する時に該磁束が交流 電圧を少なくとも1つの電機子コイル(44)において誘導するように、該エア ギャップ(46)内に取り付けられた該少なくとも1つの電機子コイル(44) を備えることと; によって特徴づけられる装置(10)。 2.前記磁束が、前記電機子コイルの活性部分を直接通過し、前記ロータの実質 的な全軸長さが、前記電機子エアギャップを形成し、該電機子コイルは、該電機 子コイルの該活性部分が、該ロータの該全軸長さにまで実質的に延長するように 、該エアギャップ内に取り付けられている、請求項1に記載の装置。 3.前記ロータが、前記突出部を有する上部と、外周に関して実質的に同型であ る下部とを備え、該上部および該下部は、該固体ロータの一体化部分である、請 求項1に記載の装置。 4.前記ロータが、該ロータが回りを回転する一体化シャフトを備え、 該シャフトが内部に回転可能に取り付けられる1組の上部および下部機械ベア リングと; 励磁された時に、該機械ベアリングから該ロータの重みの大部分を取り除くよ うに該ロータに対して取り付けられた電磁石と; をさらに備えた、請求項1に記載の装置。 5.前記電磁石が、前記ロータに直接的に作用し、それによって前記機械ベアリ ングから該ロータの前記重みの大部分が取り除かれる、請求項4に記載の装置。 6.前記機械ベアリングが、ボールベアリングおよびローラベアリングのどちら かである、請求項4に記載の装置。 7.前記上部および下部ベアリングの一方がローラーベアリングであり、該上部 および下部ベアリングの他方がボールベアリングである、請求項4に記載の装置 。 8.前記電磁石が、前記機械ベアリングに対する重み量をモニタする少なくとも 1つのひずみゲージから得られる信号に応答して励磁される、請求項4に記載の 装置。 9.前記少なくとも1つのリングが、非磁気材料のリングに取り付けられた1組 の第1および第2のリングを備え、該第1のリングが、該非磁気リングの1方の 側面に固定的に取り付けられ、該第2のリングが、該非磁気リングの他方の側面 に固定的に取り付けられる、請求項1に記載の装置。 10.前記第1および第2のリングが、第1および第2の追加エアギャップが該 第1および第2のリングと、前記ロータの回りに取り付けられた固定シェルとの 間に形成されるように前記非回転部材内に取り付けられる、請求項9に記載の装 置。 11.前記少なくとも1つのリングが、追加エアギャップが該少なくとも1つの リングと、前記ロータの回りに取り付けられた固定シェルとの間に形成されるよ うに前記非回転部材内に取り付けられる、請求項1に記載の装置。 12.前記磁束生成部材が、前記磁束の流れを誘導する少なくとも1つの界磁コ イルを備える、請求項1に記載の装置。 13.前記少なくとも1つの界磁コイルが、1組の上部および下部界磁コイルを 備え、該上部界磁コイルが、前記ロータの上に取り付けられ、該下部界磁コイル が、該ロータの下に取り付けられる、請求項12に記載の装置。 14.前記ロータがシャフトをさらに含み、 該シャフトが内部に回転可能に取り付けられる1組の上部および下部機械ベア リングと; 上部ベアリングコイルと; 下部ベアリングコイルと; 前記上部界磁コイルによって駆動される前記磁束が、ある量だけ変化し、前記 下部界磁コイルによって駆動される該磁束が、該ある量だけ逆に変化し、その結 果、該ロータに対する正味軸方向力における変化が生じるように、該上部および 下部ベアリングコイルを制御する制御回路と; をさらに含む、請求項13に記載の装置。 15.前記上部界磁コイルによって駆動される前記磁束が、該磁束を前記ある量 だけ増加させることによって変化し、前記下部界磁コイルによって駆動される該 磁束が、該ある量だけ該磁束を減少させることによって変化し、その結果、前記 ロータに対する前記正味軸方向力における上向きの変化が生じる、請求項14に 記載の装置。 16.前記ロータがシャフトをさらに含む装置であって、 該シャフトが内部に回転可能に取り付けられる1組の上部および下部機械ベア リングと; 該ロータに対する正味軸方向力が、前記上部界磁コイルによって駆動される前 記磁束と、前記下部界磁コイルによって駆動される該磁束との差の関数となるよ うに、該上部および下部界磁コイルを独立して制御する制御回路と; をさらに含む、請求項13に記載の装置。 17.前記上部および下部界磁コイルが、前記制御回路によって制御され、それ によって、前記ロータに対する前記正味軸方向力における上向きの変化が生まれ る、請求項16に記載の装置。 18.前記磁束生成部材が、前記磁束の流れを誘導する少なくとも1つの永久磁 石を備える、請求項1に記載の装置。 19.前記少なくとも1つの電機子コイルの各々が、実質的に低透磁性材料で形 成されたエアギャップコイルである、請求項1に記載の装置。 20.前記少なくとも1つの電機子コイルがブラシレスモータとして動作するよ うに、該少なくとも1つの電機子コイルを駆動する駆動回路機構をさらに備える 、請求項1に記載の装置。 21.前記ロータがシェル内で自由に回転し得るように該ロータの回りに取り付 けられた該シェルをさらに備え、該シェルは: 外側表面および内側表面を有する上部シェルであって、該内側表面は、該上部 シェルの内側表面と該ロータとの間に上部軸方向エアギャップが形成されるよう に該ロータに対向し、実質的に高透磁性材料で形成される上部シェルと; 外側表面および内側表面を有する下部シェルであって、該内側表面は、該下部 シェルの内側表面と該ロータとの間に下部軸方向エアギャップが形成されるよう に該ロータに対向し、実質的に高透磁性材料で形成される下部シェルと; を備える、請求項1に記載の装置。 22.前記少なくとも1つのリングが、非磁気材料の環状リングに取り付けられ た1組の第1および第2のリングを備え、該第1のリングは、該非磁気リングの 一方の側面に固定的に取り付けられ、該第2のリングは、該非磁気リングの他方 の側面に固定的に取り付けられ、該非磁気材料の環状リングは、前記上部シェル と、前記下部シェルとの間に固定的に取り付けられる、請求項21に記載の装置 。 23.前記ロータがシェル内で自由に回転し得るように該ロータの回りに取り付 けられた該シェルをさらに備え、該シェルは: 外側表面および内側表面を有する上部シェルであって、該内側表面は、該上部 シェルの内側表面と該ロータとの間に第1の軸方向エアギャップが形成されるよ うに該ロータに対向し、実質的に高透磁性材料で形成される上部シェルと; 該上部シェルに固定的に取り付けられた上部軸方向分極環状永久磁石と; 該上部永久磁石に固定的に取り付けられた、実質的に高透磁性材料の環状リン グと; 該環状リングに固定的に取り付けられた下部軸方向分極環状永久磁石と; 外側表面および内側表面を有する下部シェルであって、該内側表面は、該下部 シェルの内側表面と該ロータとの間に第2の軸方向エアギャップが形成されるよ うに該ロータに対向し、該下部シェルは、該下部永久磁石に固定的に取り付けら れ、実質的に高透磁性材料で形成される下部シェルと; を備える、請求項1に記載の装置。 24.前記ロータがシェル内で自由に回転し得るように該ロータの回りに取り付 けられた該シェルをさらに備え、該シェルは: 実質的に高透磁性材料で形成された上部環状エレメントと; 該上部環状エレメントに固定的に取り付けられた軸方向分極環状永久磁石と; 外側表面と内側表面とを有する下部シェルエレメントであって、該内側表面は 、 該下部シェルエレメントの内側表面と、該ロータとの間に第1の半径方向エアギ ャップが形成されるように該ロータに対向し、該下部シェルエレメントは、該永 久磁石に固定的に取り付けられ、実質的に高透磁性材料で形成された下部シェル と; を備える、請求項1に記載の装置。 25.互いに隣接して配置され、前記ロータの回りのリングを実質的に形成する 複数の実質的に放射状に分極された永久磁石セグメントをさらに備え、該永久磁 石リングは、前記少なくとも1つの電機子コイルに隣接する前記非回転部材に固 定的に取り付けられる、請求項1に記載の装置。 26.前記少なくとも1つの電機子コイルが、該電機子コイルを通過する前記磁 束が前記軸に対して放射状方向に通過するように、前記ロータに対して取り付け られる、請求項1に記載の装置。 27.前記少なくとも1つの電機子コイルが、該電機子コイルを通過する前記磁 束が前記軸に対して軸方向に通過するように、前記ロータに対して取り付けられ る、請求項1に記載の装置。 28.前記回転部材が、前記ロータがシェル内で回転するように該ロータに回転 可能に取り付けられた該シェルをさらに含み、該ロータおよび該シェルが、前記 電機子エアギャップがその間に形成されるように取り付けられ、該シェルは、実 質的に高透磁性材料で形成され、該装置は、該ロータ、該シェル、および前記磁 束生成部材を含む磁気回路を形成し、該磁気回路は、該ロータが、前記軸の回り を回転する間に実質的に一定である全磁気抵抗を有する、請求項1に記載の装置 。 29.前記回転可能部材が、 前記ロータに固定的に取り付けられた実質的に低透磁性なディスクと; 該ロータに関連して回転するように該低透磁性ディスクに固定的に取り付けら れた外側シェル部分と; をさらに備え、前記少なくとも1つのリングは、前記突出部に対向するのでは なく、該外側シェル部分と、該ロータとの間に取り付けられ、該外側シェル部分 は、実質的に高透磁性材料で形成され、前記電機子エアギャップが、該外側シェ ル部分と該ロータとの間に形成されるように取り付けられる、請求項1に記載の 装置。 30.前記ロータは、該ロータが、実質的に一定のままである軸方向の厚み、ま たは増加する放射状位置で測定された場合に減少する軸方向の厚みを有するよう に構築される、請求項1に記載の装置。 31.前記ロータは、一体化シャフトをさらに含む、請求項30に記載の装置。 32.前記ロータは、第1および第2の部分を有する実質的に高透磁性材料の単 片から形成され、該第1の部分は、実質的に平面ディスクであり、該第2の部分 は、その回りを該ディスク部分が回転するシャフトであり、該シャフトは、前記 突出部の放射状の最も外側端部より小さい半径を有する、請求項31に記載の装 置。 33.前記突出部が、第1の半径から前記ロータの最大半径にまで延長する、請 求項1に記載の装置。 34.前記少なくとも1つのリングが、前記磁束を拡散するための手段を備え、 該拡散手段が、前記磁束生成部材に隣接する、請求項33に記載の装置。 35.前記磁束生成部材が、実質的に直流の駆動電流によって駆動される少なく とも1つの固定界磁コイルを備える、請求項33に記載のフライホイール装置。 36.前記非回転部材が、実質的に高透磁性材料の固定シェルをさらに備え、該 シェルは、該シェルと、前記ロータとの間にリターンエアギャップが形成される ように該ロータの回りに取り付けられる、請求項33に記載のフライホイール装 置。 37.前記回転可能部材は、前記ロータに関連して回転する回転部分を有するシ ェルをさらに備え、該シェルは、前記電機子エアギャップが、該回転部分と該ロ ータとの間に形成されるように取り付けられた実質的に高透磁性材料で形成され る、請求項33に記載のフライホイール装置。 38.運動エネルギーと電気エネルギーとの間での変換をするためにフライホイ ールおよび磁気回路を利用する方法であって、 固体単一ディスクロータ(12)を回転軸の回りで回転させるステップであっ て、該ロータ(12)は、実質的に高透磁性材料で形成され、かつ、第1の半径 から該ディスクの最大半径へと延びる複数の実質的に同様の突出部(14)を有 する、ステップと; 第1の単極磁束が該ロータ(12)内で流れるように誘導するステップと; 該第1の磁束に、該突出部(14)を通過させるステップと; 該第1の通過磁束を、複数の電機子コイル(44)に通過させ、それによって 、該電機子コイル(44)において交流電圧を誘導するステップと; 該第1の通過し終えた磁束が実質的に同質となるように、該突出部(14)に 対向する実質的に滑らかな表面を有する少なくとも1つのリング(40)を通し て該第1の通過磁束を拡散させるステップと; 該第1の磁束を該ロータ(12)に戻すことによって該磁気回路を完成させる ステップであって、該磁気回路は、該ロータ(12)が該軸の回りで回転する時 に実質的に一定である全磁気抵抗を有する、ステップと; を含む方法。 39.前記少なくとも1つのリングが、高透磁性材料で形成される、請求項38 に記載の方法。 40.前記第1の通過磁束の前記拡散をさらに増加させるために、追加のエアギ ャップを設けるステップをさらに含む、請求項39に記載の方法。 41.第2の単極磁束が、前記ロータ内で流れるように誘導するステップと; 該第2の磁束に、前記突出部を通過させるステップと; 該第2の通過磁束を複数の電機子コイルに通過させ、それによって、該電機子 コイルにおいて前記交流電圧をさらに誘導するステップと; 該第2の磁束を該ロータに戻し、それによって前記磁気回路を完成させるステ ップであって、該磁気回路の前記全磁気抵抗は、該ロータが前記軸の回りを回転 する際に実質的に一定である、ステップと; をさらに含む、請求項38に記載の方法。 42.前記第2の通過磁束が実質的に同質となるように該第2の通過磁束を拡散 させるステップをさらに含む、請求項41に記載の方法。 43.第1の単極磁束を誘導する前記ステップが、実質的に直流の駆動電流を第 1の固定界磁コイルに付与するステップを含む、請求項38に記載の方法。 44.前記ロータの重みの大部分を、該ロータを支持する複数の機械ベアリング から除去するステップをさらに含む、請求項38に記載の方法。 45.前記除去ステップが、前記ロータの重みの大部分が前記機械ベアリングか ら除去されるように該機械ベアリングから該ロータを持ち上げるために、該ロー タと直接的に相互作用する電磁石を制御するステップを含む、請求項44に記載 の方法。 46.前記第1の一定磁束が、ある量だけ増加し、前記第2の一定磁束が、該あ る量だけ減少し、その結果、前記ロータに対する正味軸方向力が変化するように 1組の上部および下部ベアリングコイルを制御することによって該ロータを支持 する複数の機械ベアリングから該ロータの重みの大部分を除去するステップをさ らに含む、請求項41に記載の方法。 47.前記第1および第2の磁束が変化し、その結果、前記ロータに対する前記 正味軸方向力が上向きに変化する、請求項46に記載の方法。 48.前記磁束に前記突出部を通過させる前記ステップにより、該磁束が、該突 出部を放射状に通過させられる、請求項38に記載の方法。 49.前記磁束に前記突出部を通過させる前記ステップにより、該磁束が、該突 出部を軸方向に通過させられる、請求項38に記載の方法。 50.前記通過ステップにおける前記電機子コイルが、実質的に低透磁性材料で 形成されたエアギャップ電機子コイルである、請求項38に記載の方法。 51.前記電機子エアギャップが、前記ロータの外径より大きい直径を有する、 請求項1に記載の装置。 52.前記電機子エアギャップが、前記ロータの軸方向長さと実質的に等しい軸 方向長さを有する、請求項1に記載の装置。 53.前記リングが、前記ロータの外径より大きな直径を有する内側表面を有す る、請求項1に記載の装置。
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