(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フライホイールへ又はフライホイールからエネルギーを伝達するためのカップリング装置であって、
前記カップリング装置は、その上に配置される１以上の磁石をそれぞれ有する第１及び第２の可動部材を具え、第１の可動部材はフライホイールに結合されるように配置され、第１の可動部材上に配置された第１の磁石の磁気強度は第２の可動部材上に配置された第２の磁石の磁気強度を超えることを特徴とするカップリング装置。
【請求項２】
前記第１及び前記第２の可動部材間に配置される磁束カップリング手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のカップリング装置。
【請求項３】
前記第１の可動部材とそれが結合されるフライホイールとを囲むように配置される膜をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のカップリング装置。
【請求項４】
前記膜は、前記第１の可動部材と真空又は低圧チャンバ内の前記フライホイールを囲むように配置されることを特徴とする請求項３に記載のカップリング装置。
【請求項５】
前記第１の可動部材上に配置された前記第１の磁石は、前記第２の可動部材上に配置された前記第２の磁石よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のカップリング装置。
【請求項６】
前記第１の可動部材上に配置された前記第１の磁石は、焼結磁石でなることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載のカップリング装置。
【請求項７】
前記第２の可動部材上に配置された前記第２の磁石は、ボンド磁石でなることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載のカップリング装置。
【請求項８】
前記第１の可動部材上に配置された前記１以上の磁石の複合磁気強度は、前記第２の可動部材上に配置された前記１以上の磁石の複合磁気強度を超えることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載のカップリング装置。
【請求項９】
前記第１の可動部材上に配置される１以上の磁石を保持するためのリテーナをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載のカップリング装置。
【請求項１０】
前記リテーナは、前記第１の可動部材上に配置される前記１以上の磁石の外面周りの巻線からなることを特徴とする請求項９に記載のカップリング装置。
【請求項１１】
前記リテーナは、前記第１の可動部材上に配置される前記１以上の磁石の外面上に取り付けられるように配置されるスリーブからなることを特徴とする請求項９に記載のカップリング装置。
【請求項１２】
前記スリーブは、プッシュフィットスリーブ又は締り嵌めスリーブでなることを特徴とする請求項１１に記載のカップリング装置。
【請求項１３】
前記リテーナは、保持材と接着材とから形成されることを特徴とする請求項９乃至１２の何れか一項に記載のカップリング装置。
【請求項１４】
前記保持材が、ザイロン（Ｚｙｌｏｎn）、ケブラー（Ｋｅｖｌａｒ）、カーボン又はガラスの何れかからなることを特徴とする請求項１３に記載のカップリング装置。
【請求項１５】
前記接着材は、熱硬化性プラスチックからなることを特徴とする請求項１３又は１４に記載のカップリング装置。
【請求項１６】
前記接着材は、さらに１以上の埋め込まれた材料の断片を含むことを特徴とする請求項１５に記載のカップリング装置。
【請求項１７】
前記１以上の埋め込まれた材料は、金属酸化物を含むことを特徴とする請求項１６に記載のカップリング装置。
【請求項１８】
前記第１の可動部材上に配置された前記第１の磁石は、前記第１の可動部材の表面及び／又は前記第１の磁石の外面上に取り付けられるように配置されたリテーナの表面と連結することを特徴とする請求項１乃至１７の何れか一項に記載のカップリング装置。
【請求項１９】
前記第１の可動部材上に配置された前記第１の磁石及び／又は前記第２の可動部材上に配置された前記第２の磁石は、断面が略台形でなることを特徴とする請求項１乃至１８の何れか一項に記載のカップリング装置。
【請求項２０】
前記膜の表面上に配置される１以上の磁極をさらに備えることを特徴とする請求項３乃至１９の何れか一項に記載のカップリング装置。
【請求項２１】
前記膜の表面は、前記１以上の磁極を位置させるための１以上の溝又は凹部を有することを特徴とする請求項２０に記載のカップリング装置。
【請求項２２】
前記１以上の極は、前記膜の表面と連結するように配置されることを特徴とする請求項２１に記載のカップリング装置。
【請求項２３】
前記膜の表面における１以上の前記溝又は凹部内で前記１以上の極の位置を維持するための抑制手段をさらに備えることを特徴とする請求項２０乃至２２の何れか一項に記載のカップリング装置。
【請求項２４】
前記膜は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）から形成されることを特徴とする請求項３乃至２３の何れか一項に記載のカップリング装置。
【請求項２５】
前記第２の可動部材の一部とその上に配置された前記１以上の磁石のうちの少なくとも１つとの間に位置されるライナーをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至２４の何れか一項に記載のカップリング装置。
【請求項２６】
前記ライナーは、セラミックから形成されることを特徴とする請求項２５に記載のカップリング装置。
【請求項２７】
前記ライナーは、前記第２の可動部材の表面に沿って配置される１以上の不連続セクションからなることを特徴とする請求項２５又は２６に記載のカップリング装置。
【請求項２８】
前記ライナーのセクションの端が、前記第２の可動部材上に配置される隣接磁石間の隙間にそろえられることを特徴とする請求項２７に記載のカップリング装置。
【請求項２９】
前記第１及び第２の可動部材は、回転可能であることを特徴とする請求項１乃至２８の何れか一項に記載のカップリング装置。
【請求項３０】
前記第１及び第２の可動部材は共通の回転軸を中心に回転可能であり、前記第２の可動部材は前記第１の可動部材の半径方向外側に設けられることを特徴とする請求項２９に記載のカップリング装置。
【請求項３１】
前記第２の可動部材は、ＰＥＥＫ又はガラス繊維から形成されることを特徴とする請求項３０に記載のカップリング装置。
【請求項３２】
前記第２の可動部材は、第１及び第２のそれぞれの材料から形成された第１及び第２のセクションを含むことを特徴とする請求項３０又は３１に記載のカップリング装置。
【請求項３３】
前記第１及び第２の可動部材を囲むハウジングをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３２の何れか一項に記載のカップリング装置。
【請求項３４】
形成物が前記ハウジングの内面に設けられ、前記形成物は前記カップリング装置の動作中に磁束シールドを提供するように配置されることを特徴とする請求項３３に記載のカップリング装置。
【請求項３５】
前記形成物は、複数の積層電気鋼、複数のセグメント化電気鋼、絶縁された電気鋼ワイヤー、軟磁性体を含む複合材、又はソマロイ（Ｓｏｍａｌｏｙ）材の何れかからなることを特徴とする請求項３４に記載のカップリング装置。
【請求項３６】
前記第１及び第２の可動部材は共通の回転軸を中心に回転可能であり、前記第２の可動部材は前記第１の可動部材の半径方向外側に設けられると共にシャフトに対し第１の端部において接続されることを特徴とする請求項１乃至３５の何れか一項に記載のカップリング装置。
【請求項３７】
前記シャフトの軸方向反対側に、前記第２の可動部材の第２の端部において設けられるエンドプレートをさらに備えることを特徴とする請求項３６に記載のカップリング装置。
【請求項３８】
エアギャップがエンドプレートと前記第２の可動部材の前記第２の端部との間に設けられることを特徴とする請求項３７に記載のカップリング装置。
【請求項３９】
前記第１及び前記第２の可動部材間にステータをさらに具え、前記ステータの上に、及び／又は前記可動部材のうちの少なくとも１つの上に、装置周りの空気流を高めるための手段が提供されることを特徴とする請求項１乃至３８の何れか一項に記載のカップリング装置。
【請求項４０】
前記装置周りの空気流を高めるための前記手段は、スクロール又は溝を含むことを特徴とする請求項３９に記載のカップリング装置。
【請求項４１】
前記装置周りの空気流を高めるための前記手段は、少なくとも１つの突起、フィン又はブレードを含むことを特徴とする請求項３９又は４０に記載のカップリング装置。
【請求項４２】
前記装置周りの空気流を高めるための前記手段は、前記ステータを通る及び／又は前記第２の可動部材を通る開口部又はチャネルを含むことを特徴とする請求項３９乃至４１の何れか一項に記載のカップリング装置。
【請求項４３】
前記装置周りの空気流を高めるための前記手段は、少なくとも第２の可動部材又は前記カップリング装置の固定部分に対して適用される冷却流体を含むことを特徴とする請求項３９乃至４２の何れか一項に記載のカップリング装置。
【請求項４４】
前記第１の可動部材に連結されるフライホイールをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至４３の何れか一項に記載のカップリング装置。
【請求項４５】
フライホイールへ又はフライホイールからエネルギーを伝達するためのカップリング装置を提供する方法であって、前記方法は、第１及び第２の部材のそれぞれの上に磁石のアレイを配置し、第１の可動部材上に配置された第１の磁石の磁気強度は第２の可動部材上に配置された第２の磁石の磁気強度を超え、前記第１の可動部材に連結されるフライホイールを提供することを備えることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、部材間の力を連結するための、特に回転フライホイールへ及び回転フライホイールからのエネルギー伝達を可能にするための改良カプラに関すると共に、かかる改良カプラを構築するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギー貯蔵のための既存フライホイールは、フライホイールの回転質量が真空を含むチャンバ内において回転するように、しばしば構成されている。真空内部で回転質量を運転することは有利であり、何故ならこれにより風損としても知られている空気抵抗によるエネルギー損失を低減するからである。しかしながら、回転フライホイール質量中へ及び回転フライホイール質量中からエネルギーを伝達するためには、カップリング手段が必要となる。一部の既存フライホイールは、真空チャンバ内で回転シールを通る回転軸を使用し、これによりエネルギー源からのトルクをフライホイールエネルギー貯蔵手段に結合する。しかしながら回転シールは決して完璧ではなく、何故ならこれら回転シールは必然的に漏れるので、漏れにも関わらず真空を維持するように真空チャンバに結合されるには環境管理システムが必須となるからである。さらにこれらシールは、時間の経過と共にまた回転速度が増加するにつれて「漏れやすく」なり、さらに高速でより早くすり減ることになる。そのような環境管理システムの質量、体積、及びコストは、望ましいものではない。従って回転シールの使用は、望ましくない。
【０００３】
磁気カップリングをフライホイールと用いることができ、これにより真空チャンバ壁を介してトルクを伝達することにより、回転シールが必要なくなる。例えば、可動部材間での力のカップリングに使用される磁気ギヤ、例えばドライブシャフト、がRicardo UK Limitedにより提出された国際特許出願PCT/GB2010/000590に記載されており、この内容の全てが参照により本明細書に援用される。PCT/GB2010/000590に記載されているような回転磁気ギヤ１００が、本明細書の図１ａに示される。この装置は、第１及び第２の可動部材１１０、１２０を有し、それぞれが交互磁極１１５、１１６、１２５、１２６の円周方向分散配列を有する。磁束は、カップリング要素１３０により極アレイ間で結合される。カップリング要素１３０は、特に膜１４０がエアギャップ中に存在する際、可動部材間のエアギャップ１５０を最小化する。図１ｂは、図１ａの配置の一部分における磁束１６０、１７０の線を示す。膜１４０により２つの可動部材１１０、１２０はそれぞれ異なる大気条件で作動することができる。例えば、一つの部材は真空において動作しても良い。一つの部材が時計回り方向に回転すると、磁束線１７０が一つの極配列から他の極配列へカップリング要素１３０を介して通過するにつれ、他の部材が反対に反時計方向に回転する。物理的接続の必要がなく、これにより回転シールの使用を排除することができ、これは高価な環境管理システムを排除できることから有利である。勿論膜１４０は、空気圧による力に耐え得るように構造的に十分に強い必要がある。
【０００４】
フライホイール用途に限定されないが、図１ａに示される構成を有利に使用することにより、これにより真空構内で動作する高速フライホイールを大気圧下の低速駆動軸へ結合することができる。何故なら、第１の部材の極数が第２の部材の極数と異なるのであれば、ギヤリング効果が生じ、これにより大気圧における駆動軸がフライホイールよりも低速で動作可能となり、かくして風損を減少させる。しかしながら、高いギヤ比を達成するためには、かかる部材のうちの１つにおける磁極の寸法を可能な限り小さくしてできるだけ多く取り付ける必要がある。この結果、アセンブリ全体をできるだけコンパクトにする必要性と相まって、カップリング要素１３０も比較的小さくする必要がある。さらに、磁束の伝達を最大化しそれによって磁気ギヤカップリングのトルク容量を最大化するためには、かかる装置をその軸方向の長さに沿って延長することによって概して細長い円筒形にすることができる。これにより、カップリング要素１３０は比較的長い長さ寸法と比較的狭い断面積とを有することになり得る。かくしてカップリング要素は、剛性の不足を蒙る傾向となり、曲がったり移動したり振動する可能性がある。この結果、装置の非最適な機能性、及び／又は最終的な劣化、及び／又は故障につながり得る。また、このような装置を製造することも困難である。何故なら、それぞれのカップリング要素を正しい位置で組み立ててその場所にこれらカップリング要素を保持するためには、慎重な位置合わせが必要であると共に、多くの製造工程が必要とされるからである。
【０００５】
図１ａに示されるような磁気ギヤの入力軸と出力軸との間の角度オフセットは、適用されたトルクに応じて、また任意の噛み合い位置における磁気ギヤのトルクカップリング容量に応じて異なる。噛み合い位置によるトルクカップリング容量のそのようなバラツキの結果、軸にネジリ振動が生じる。これにより、関連機械部品の寿命の短期化、及び／又は、障害及び／又は離脱につながり得る。ネジリ振動の周波数が機械系の共振と一致するような回転速度である場合、これは特に深刻な問題である。従って、磁気ギヤのトルクカップリング容量のバラツキを低減又は排除することが効果的である。これにより、より小さくて安価なマグネットアレイを使用することができるようになる。何故なら、最小トルクカップリング能力が、平均トルクカップリング能力により近くなるからである。軸のネジリ振動も低減されることになり、安価で軽くて小さい部品を用いることができるようになる。このような小さく安価で軽い部品を採用したフライホイールエネルギー貯蔵システムは、より高いエネルギー貯蔵密度を有することになる。
【０００６】
既存の磁気カップリングは、さらに欠点を有する。例えば、磁気カップリングが、真空中の回転フライホイールの中へこの真空外の手段から、また回転フライホイールからこの真空外の手段へ、エネルギーを伝達するために使用される既存システムでは、真空中において冷却構成が必要となる。このような冷却構成は、フライホイール及び磁気カップリングの動作により生じた熱を低減するように動作する。この熱には、カップリングのフライホイール側の磁石の磁場の変化に起因して発生される熱も含まれる。このような冷却構成は複雑なものとなり得、これはシステムの全体的な複雑さ、かさ、及び費用を増加させる。既存の磁気カップリング構成も時間と共に一般的な疲労を蒙り、特に回転の影響により時間と共に回転磁石の位置がずれる傾向がある。同様に、２つのそれぞれの回転磁性部材間に設けられた任意の固定電磁極も、時間と共にスリップや疲労に直面する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
真空中のフライホイールの中へ及びフライホイールからエネルギーを、効率的に費用効果のあるコンパクトな方法で伝達するのに使用できる回転可能な磁石を用いた既知のカプラは存在しない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明は、特許請求の範囲に記載される。
【０００９】
一つの態様によれば、フライホイールへ又はフライホイールからエネルギーを伝達するためのカップリング装置が提供される。このカップリング装置は、その上に配置される１以上の磁石をそれぞれ有する第１及び第２の可動部材を備え、第１の可動部材は、フライホイールに結合されるように配置され、第１の可動部材上に配置された第１の磁石の磁気強度は、第２の可動部材上に配置された第２の磁石の磁気強度を超える。第１の磁石は、第２の磁石より大きくてもよい。第１の磁石は焼結磁石であってよく、及び／又は第２の磁石は、ボンド磁石であってよい。この結果、カップリング装置にわたる磁場が歪み、かくして磁場の変動による損失が、フライホイールから離れた主に第２の可動部材の近傍で起こる。
【００１０】
他の態様によれば、フライホイールへ又はフライホイールからエネルギーを伝達するためのカップリング装置が提供される。このカップリング装置は、その上に配置される１以上の磁石をそれぞれ有する第１及び第２の可動部材を備え、第１の可動部材は、フライホイールに結合されるように配置される。さらにこのカップリング装置は、第１の可動部材上に配置された１以上の磁石を物理的に保持するためのリテーナを備える。このリテーナは、巻線の形をとりえ、これは第１の可動部材上の磁石の外面周りに巻かれることができる。もしくはこのリテーナは、スリーブの形をとりえ、これは第１の可動部材上の磁石の外面上に取り付けられることができる。このリテーナは、保持材と接着材とから形成されることができ、この接着材は、電子ストレス解消を提供するためにその中に埋め込まれる他の材料の断片を含むことができる。
【００１１】
他の態様によれば、フライホイールへ又はフライホイールからエネルギーを伝達するためのカップリング装置が提供される。このカップリング装置は、その上に配置される１以上の磁石をそれぞれ有する第１及び第２の可動部材を備え、第１の可動部材は、フライホイールに結合されるように配置される。さらにこのカップリング装置は、第１及び第２の可動部材の中間に膜を備え、前記膜は、１以上の磁極を位置させるための溝又は凹部を含む。この膜は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）から形成され得る。
【００１２】
他の態様によれば、フライホイールへ又はフライホイールからエネルギーを伝達するためのカップリング装置が提供される。このカップリング装置は、その上に配置される１以上の磁石をそれぞれ有する第１及び第２の可動部材を備え、第１の可動部材は、フライホイールに結合されるように配置される。さらにこのカップリング装置は、第２の可動部材とその上に配置される１以上の磁石との中間にライナーを備える。このライナーは、１以上の不連続セクションを含み得、及び／又はＳｏｍａｌｏｙのような適切な材料から形成され得る。
【００１３】
他の態様によれば、フライホイールへ又はフライホイールからエネルギーを伝達するためのカップリング装置が提供される。このカップリング装置は、その上に配置される１以上の磁石をそれぞれ有する第１及び第２の可動部材を備え、第１の可動部材は、フライホイールに結合されるように配置される。これら第１及び第２の可動部材は、共通回転軸を中心に回転可能であり、第２の可動部材は、第１の可動部材の半径方向外側に設けられる。第２の可動部材は、低い電気伝導性と低透磁率とを有する材料から形成される。例えば第２の可動部材は、Ｐｅｅｋ又はガラス繊維から形成される。第２の可動部材は、第１及び第２のそれぞれの材料から形成される第１及び第２のセクションを備えることができる。
【００１４】
他の態様によれば、フライホイールへ又はフライホイールからエネルギーを伝達するためのカップリング装置が提供される。このカップリング装置は、その上に配置される１以上の磁石をそれぞれ有する第１及び第２の可動部材を備え、第１の可動部材は、フライホイールに結合されるように配置される。この装置は、ハウジング又はケーシング内に設けられ、これは、第１の可動部材が結合されるフライホイールも収容し得る。かかるケーシングの内面上の形成物は、カップリング装置の動作中に磁束シールドを提供するように配置される。
【００１５】
他の態様によれば、フライホイールへ又はフライホイールからエネルギーを伝達するためのカップリング装置が提供される。このカップリング装置は、その上に配置される１以上の磁石をそれぞれ有する第１及び第２の可動部材を備え、第１の可動部材は、フライホイールに結合されるように配置される。これら第１及び第２の可動部材は、共通回転軸を中心に回転可能であり、第２の可動部材は、第１の可動部材の半径方向外側に設けられると共に第１の端部における軸に接続される。エンドプレートは、実質的にシャフトの軸方向反対側に第２の可動部材の第２の端部に設けられる。
【００１６】
他の態様によれば、フライホイールへ又はフライホイールからエネルギーを伝達するためのカップリング装置が提供される。このカップリング装置は、その上に配置される１以上の磁石をそれぞれ有する第１及び第２の可動部材を備え、第１の可動部材は、フライホイールに結合されるように配置される。さらにこの装置は、第１及び第２の可動部材間にステータを備える。手段が、かかるステータ及び／又はかかる可動部材のうちの少なくとも１つの上に設けられ、当該装置周りの空気の流れを強化する。この手段は、スクロール又は溝を含み得る。この手段は、フィンやブレードなどの突起を含み得る。このような突起は複数設けられ得る。この手段は、ステータを介する及び／又は第２の可動部材を介する、開口部又はチャネルを含み得る。
【００１７】
他の態様によれば、本明細書に記載される任意のカップリング装置を構築するための方法が提供される。
【００１８】
実施形態は、以下の添付図面について説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１ａ】公知の磁気ギヤカップリングの断面図である。
【図１ｂ】図１ａの磁気ギヤカップリングの拡大断面図である。
【図１ｃ】図１ａ及び図１ｂの磁気ギヤカップリングの回転アライメントのシーケンスを示す。
【図１ｄ】図１ａ及び図１ｂの磁気ギヤカップリングの回転アライメントのシーケンスを示す。
【図１ｅ】図１ａ及び図１ｂの磁気ギヤカップリングの回転アライメントのシーケンスを示す。
【図２ａ】改良磁気カップリングを介す断面図である。
【図２ｂ】図２ａの丸で囲まれた部分の拡大図である。
【図３】図２ａ及び図２ｂで示されるカップリングの高速側を介した軸方向断面図である。
【図４ａ】図３で示されるカップリングの高速側の別の断面図である。
【図４ｂ】図４ａの丸で囲まれた部分の拡大図である。
【図５】台形磁石を含む図３で示されるカップリングの高速側の一実施形態を示す。
【図６ａ】フライホイールのためのハウジング及び図２ａ〜図５に示されるカップリングの高速側を示す。
【図６ｂ】図６ａに示されるハウジングの一セクションを、極及び抑制バンドを含めて示す。
【図７ａ】改良磁気カップリングの低速側を示す。
【図７ｂ】図７ａに示される低速側の一部分を介した断面を示す。
【図８】改良磁気カップリングの低速部を介した側方断面を示す。
【図９ａ】低速部の外部にシールドがない場合の改良磁気カップリングの一部を介した断面を示す。
【図９ｂ】図９ａの改良磁気カップリングの部分の拡大図であり、この場合低速部の外方にシールドが設けられる。
【図１０】図８のシャフト側及びエンドプレート側の改良磁気カップリングを、シャフトを含めて示す。
【図１１ａ】改良磁気カップリングの一方側の上方からの断面を、高速部上のエンドキャップと共に示す。
【図１１ｂ】改良磁気カップリングの一方側の上方からの断面を、低速部上のエンドキャップと共に示す。
【図１１ｃ】改良磁気カップリングの一方側の上方からの断面を、回転部分とエンドプレートとの間のエアギャップと共に示す。
【図１２ａ】改良磁気カップリング用の外側ロータを示す。
【図１２ｂ】図１２ａの外側ロータにおける半径方向に角度を有した穴を示す。
【図１３ａ】改良磁気カップリングの外側ロータのシャフト端を、そこで事実上、傾斜している穴と共に示す。
【図１３ｂ】図１３ａに示される外側ロータのシャフト端上方からの断面を示す。
【図１３ｃ】図１３ａ及び図１３ｂに示される外側ロータの側断面図を示す。
【図１４】スプラッシュ冷却される改良カップリング装置の上方からの断面であると共に、スプラッシュ冷却中の装置のステータ及び外側ロータを介した断面正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
概要としては、改良カップリング装置は、回転フライホイールと用いられるために提供される。改良カップリング装置は、フライホイールに結合される高速部と、高速部に磁気的に結合される低速部とを有する。改良カップリング装置は、高速部及び低速部の間でトルクを伝達するために使用される。従って、この装置がフライホイールに結合されると、フライホイールからのエネルギーが、効率的かつコンパクトに、改良カップリング装置を介して他の部品に伝達され得る。このフライホイールは、カップリングの高速部と共に真空又は低圧チャンバ内に収容され得る一方で、カップリングの低速部は、真空又は低圧チャンバの外部に設けられ得る。従って、改良カップリング装置のこれら２つの部は、互いに物理的に離すことができる一方で、互いに連通し続ける。かくして、完全な物理的バリアを、真空中のフライホイールと、改良カップリング装置を介したフライホイールからのエネルギーの伝達先又はフライホイールへのエネルギーの伝達元である外部部品との間に設けることができる。
【００２１】
以下においてさらに詳細に説明されるように、特定の物理的構成及び材料選択が、改良カップリング装置の動作を向上させるように特定される。これらの改良の一部又は全部が、単独又は組み合わせて用いられ得、これにより既存フライホイール構成を強化する、もしくは関連のカップリング装置により新しいフライホイール構成を構築するようになされている。
【００２２】
一般的に公知の磁気ギヤは、以下のように構築されて動作する。図１ａを参照すると、カップリング要素１３０は、第１及び第２の可動部材１１０、１２０の間に配置される。磁気カップリング要素１３０は、高い比透磁率を有し、これは４００を超えており、これにより動作時には磁束が、第１の部材１２０の極１１５、１１６から第２の部材１１０の極１２５、１２６へ及びその逆の経路で、それを容易に通過する。実際上カップリング要素は、磁界に対して「透過性」である。カップリング要素１３０は、例えば軟鉄などの、高透磁率を有する材料からなるべきである。カップリング要素１３０は、理想的にはできるだけ高い電気抵抗を有するようにして、誘導渦電流とそれに付随する抵抗加熱に起因する損失とを低減するようにすべきである。図１ａには十分なカップリング部材が存在し、最も離間された極１１５、１１６、１２５、１２６を有する部材１１０又は１２０の少なくとも２つのＮ−Ｓ極ペアをまたがるようになされている。
【００２３】
隣接するカップリング要素間の空間は、カップリング要素１３０自体よりもさらに低い透磁率を有するべきである。そのような空間の適切な材料の１つは、プラスチックである。このように構成される場合、使用時において、磁束は、図１ａの各部材１１０、１２０の極から各カップリング要素１３０を介して結合され、かくしてトルクが、第１及び第２の可動部材１１０、１２０間で結合される。使用時には、図１ａの第１及び第２の部材１１０、１２０は、反対に回転する。
【００２４】
図１ａに示されるような磁極１１５、１１６、１２５、１２６は、レアアースマグネットであってもよい。何故ならこれらは、磁性材料の一定の体積に対して高電界密度を呈するからである。これら磁石は、小型軽量でよりコンパクトであり、さらに他の利用可能な種類の永久磁石よりも多くのトルクを伝達することができる。またレアアースマグネットは、圧縮力に対する耐性が良好であることが知られているので、高速回転するフライホイールの内周に配置されるのに適している。
【００２５】
図１ａをさらに参照すると、この磁気ギヤは、その中に同心配置を有していることがわかり、第１の部材１２０が第２の部材１１０の内側に同心円状に配置されていると共に、真空ハウジングがその間に同心円状に配置される。この真空ハウジング１４０に組み込まれているのは、カップリング要素１３０である。この同心配置において、第１及び第２の部材１１０、１２０は、反対に回転する。
【００２６】
図１ａの配列に必要なカップリング要素１３０の最小数は、より大きな極間隔を有する第１又は第２の部材１１０又は１２０の２つのＮ−Ｓ極ペアをまたがるような数である。この最小数により、トルクが部材１１０、１２０間で伝達され得ることが保証されると共に、第１及び第２の部材の相対的な回転方向が十分に定義されることが保証される。カップリング要素１３０は円周周りに均等に分布させ得る、又はカップリング要素１３０は真空ハウジング１４０の円周周りの特定領域のみに限定され得る。このような同心円状磁気ギヤカップリングは、標準の機械加工技術により構築され得る。
【００２７】
図１ａの第１及び第２の部材１１０、１２０は、同数のＮ−Ｓ極ペアを有することができる、又は異なる数のＮ−Ｓペアを有することができる。ここで示される実施形態では、第２の部材１１０が有するＮ−Ｓ極ペアの数は、第１の部材１２０よりも低い。動作時には、Ｎ−Ｓ極ペアの数ｍを有する第１の部材１２０が反時計方向に回転される際、Ｎ−Ｓ極ペアの数ｎを有する第２の部材１１０が時計方向に回転する。第２の部材１１０は、第１の部材１２０の回転速度に対して係数を乗じた速度で回転する。この場合、ｎは、ｍで割られる。図１ｂは磁束１７０の線を示し、これらはカップリング要素１３０を介して第１及び第２の部材１１０、１２０の極の間を通っており、カップリング要素１３０が真空チャンバ１４０の壁に埋め込まれている。
【００２８】
図１ｃ〜図１ｅは、３つの場所を介した第１及び第２の部材１１０、１２０の回転のシーケンスを示す。図１ｃは、第１の場所における第１及び第２の部材１１０、１２０の極の間の磁束線を示す。図１ｄは、時計回り方向に少し回転した上部部材と、反時計回り方向に少し回転した底部部材とを示す。これに応じて磁束線１７０は位置を移動し、特に磁束線１８０は伸びる。図１ｅは、上部部材の時計回り方向へのさらなる回転と、下部部材の反時計回り方向へのさらなる回転とを示す。磁束線１８０がより伸びたため、一番左のカップリング要素１３０を介した別のリンケージが望ましくなる。このように磁束パスは、新たな左パス１９０に切り替わる。このように磁束線は１つのルートから別のルートに切り替わるので、第１の部材から第２の部材へ伝達されるトルクは磁束の変化率に等しい。
【００２９】
図２ａ及び図２ｂは、改良磁気カップリングを示し、この改良磁気カップリングは、低圧ハウジング又は真空内に収容される回転フライホイールへ及び当該回転フライホイールからのエネルギー伝達を可能にするのに適している。この改良磁気カップリングは、図１ａに示される公知のカップリング及び／又は以下に記載の代替的又は追加的特徴のいずれかに関連して、上述したような特徴を備えることができる。改良磁気カップリングは高速側が真空中で動作するものとして説明されるが、カップリングのどちらの側も空気圧の範囲又は真空中で動作することができる。
【００３０】
改良磁気カップリング２０は、低圧領域又は真空内に収納される高速回転部２２を備え、さらに低圧／真空領域外に収納される低速回転部２４を備える。磁気カップリング２０は、高速回転部２２及び低速回転部２４間に位置するチャンバ壁（図示せず）を介してトルクを伝達する。このチャンバ壁は、静止したものであり得る。
【００３１】
磁気カップリング２０は、直接の物理的な接触なしに高速回転部及び低速回転部間でトルクを伝達することができるので、フライホイールとカップリング２０の高速回転部２４を収容するチャンバ壁は、単一の連続的表面を有することができる。そこにおいてはギャップや区切りは必要でなく、回転シールなどの追加の物理的カップリングも必要ない。この構成は有利である。何故なら、回転シールは頻繁に漏れ、その結果フライホイールを収容するチャンバ内の低圧を維持するために追加的なエネルギー消費システムが必要になるためである。例えば、ある既存フライホイールカップリングは、低圧又は真空チャンバ内にポンプを必要し、このポンプは、フライホイールからのエネルギーを受け取る、及び／又は独自の電源を必要とする。このようなポンプは、図２ａ及び２ｂに示される構成によれば必要とされないので、全体的な電力要件が低くなり、システムがより効果的となる。また、高速回転部２２（及びそれが結合するフライホイール）を低圧領域で動作させることにより、ワインディングに起因するエネルギー損失を低減する。
【００３２】
図２ａ及び図２ｂに示されるチャンバ壁（図示せず）に組み込まれた極片２６が数多く存在し、これによりチャンバ壁により形成された境界をこえてトルク伝達を可能にすると共に強化するようになされている。図２ａ及び図２ｂに示される磁気カップリング２０は、高速回転部２２及び低速回転部２４に位置する磁石のそれぞれの数とチャンバ壁における極２６の数とに基づく固定ギヤ比を有する。一実施の形態によれば、磁気カップリングは１〜５．７５のギヤ比を有する。しかしながら、いかなる所望のギヤ比も、実際のシステム全体の物理的な制約の範囲内で、図２ａ及び図２ｂに示される磁気カップリングを用いて達成され得る。
【００３３】
高速回転部２２及び低速回転部２４は、共に永久磁石のアレイを有する。詳細には、高速回転部２２は、高速ハブ２８と高速磁石アレイ３０とを備える。低速回転部２４は、低速ハブ３２と低速磁石アレイ３４とを備える。各磁石アレイの磁石は、それぞれのハブに直接配置され得る、又は、空隙又はライナーなどの別部品によってそこから分離され得、この点については後にさらに説明する。上述したように磁石アレイは、２つの部２２、２４の間の境界に位置される静止強磁性極片２６により、互いに離間される。図２ａ及び図２ｂに示されていないが、低速ハブと低速磁気アレイ３４との間の補助ライナー、及び／又は高速磁気アレイ３０の半径方向外側に設けられる外側スリーブは、理想的には磁気カップリング２０に設けられるべきである。
【００３４】
磁気カップリング２０の動作をさらに向上させるために、磁石の特定の組み合わせが用いられ得る。一実施の形態によれば、高速回転部２２における高速磁石アレイ３０は、磁気カップリングの低速回転部２４における低速磁石アレイ３４内の１以上の磁石よりも大きい１以上の磁石を有する。低速磁石アレイ３４に比して大きい磁石を高速磁石アレイ３０で用いることにより、磁気カップリングの高速から低速側への所望のギヤ比をより容易に達成することができる。このような構成のさらなる利点は、高速側の大きな磁石がカップリング２０の低速側における小さい磁石に対して支配的になり、かくして高速側２２における磁石の磁界の変動が比較的小さくなる。高速側の磁界の変動を低減することにより、カップリング２０の低速側２４の小さい磁石で発生する損失及び発熱に比してそこでの損失が小さくなる。
【００３５】
高速、低圧チャンバ内部の部品から発熱を逸らし、その代わりに磁気カップリング２０の空気側に発熱を向けることにより、フライホイールがその内部で動作するようになされた低圧又は真空チャンバを冷却する必要性を排除又は少なくとも低減する。このようにして冷却要件を簡易にすることにより、フライホイールとカップリング２０の全体設計が簡素化され、かくしてより効率的で、費用対効果がよく、ユーザーフレンドリーになる。
【００３６】
磁気カップリング２０の高速側２２で比較的大きな磁石を用いる代わりに、又は当該磁石を用いると共に、特定の磁石の種類をカップリングの各側に対して選択することができる。一実施の形態によれば、高強度焼結磁石が高速回転部２２で用いられ、低強度ボンド磁石が低速回転部２４で用いられる。
【００３７】
ボンド磁石は、磁気カップリング構造の点でいくつかの利点を有することが知られている。例えば、これらボンド磁石により、これらがその内部に構成されてなる磁気ギヤがより速く移動することができるようになり、またこれらボンド磁石は、渦電流損失を低減する。しかしボンド磁石の強度は、焼結磁石よりも低い。従って、一実施の形態によれば、高強度焼結磁石が磁気カップリング２０の高速側で使用され、低強度ボンド磁石が低速側で使用されるように選択される。焼結磁石及びボンド磁石間の強度のバラツキによって、磁気カップリング２０の磁界が歪められ、かくしてカップリングの高速側にわたる磁界の強度が少しだけ変化する。これにより真空又は低圧空間内の加熱が低減され、その代わりに、回転フライホイールから離れた磁気カップリングの空気側において、ほぼ全ての加熱が発生し、そしてほぼ全ての損失が発生する。しかしながらこのような損失は、少なくとも部分的にはカップリングの低速空気側でのボンド磁石の使用によるものである一方で、当該ボンド磁石の使用により低減される。何故ならボンド磁石は、とりわけ渦電流損失を低減する効果を有するからである。
【００３８】
図３を参照すると、改良カップリング装置の高速側２２がより詳細に示されている。この図に示されるように、リテーナ３６が、高速磁気アレイ３０の半径方向の内側に、高速磁気アレイ３０に隣接して設けられ、これによりアレイ３０が、リテーナ３６と高速ハブ２８との間に挟まれる。リテーナ３６は、磁石の外側端の周り設けられることにより、所定位置に磁石を保持する役割を果たす。
【００３９】
リテーナ３６は、例えば、オーバワインド又は外側スリーブの形をとることができる。リテーナ３６は、高速ハブ２８上の磁石の外側端の周りに巻かれる又は固定される任意の適切な保持材料からなり得、これにより所定位置に磁石を保持し、ハブ２８の回転に起因する求心力によって高速ハブ２８の中心から半径方向に外側に磁石が外れることを阻止する。
【００４０】
リテーナ３６の好適な保持材料の１つは、Ｚｙｌｏｎであり、これはポリベンゾオキサゾール（ＰＢＯ）としても知られる。この材料は、非常に高い強度で、優れた熱安定性を有し、非導電性であるため、本目的のために有用である。しかしながら、同様の特性を有する他の材料を使用することも可能であり、例えば、カーボン、ケブラー、又はガラスなどがある。これらどのような保持材料が選択されても、当該保持材料は適切な接着剤又は樹脂により保持される。カーボンをオーバワインド又は外側スリーブにおける保持材料として用いると、保持材料と樹脂とのより均一な混合物を作成し得るという利点をもたらす可能性がある。
【００４１】
一実施の形態によれば、リテーナ３６は、カーボン又はＺｙｌｏｎ（ＰＢＯ）などの適切な材料による締まり嵌めスリーブを備える外側スリーブであり、これは高速ハブ２８の磁石に取り付けられる。この種のプッシュオン又は締まり嵌めスリーブを使用することにより、規制部品を用いて磁気カップリング２０を組み立てることができる。何故なら、図３に示すように高速部全体は、自己完結型で安定しているからである。また締まり嵌めにより、高速ハブ２８が回転する際に磁石周りのリテーナが分解してしまうという危険性が回避される。この分解は、先行技術のオーバワインド構成では起こり得た。
【００４２】
図４ａ及び図４ｂは、磁気カップリング２０の高速回転部２２におけるオーバワインド又は外側スリーブについての情報をさらに提供する。一実施の形態によれば、高速磁石を包み込む保持材料を保持する接着材は、熱硬化性プラスチック、好ましくは電子的に応力緩和されたエポキシ樹脂を含む。このエポキシ樹脂には、他の材料の小断片が含浸され得、これによりその動作性を向上させる。例えば、ＺｎＯ及び／又はＡｌ２Ｏ３が、エポキシ樹脂に含浸され得る。このような材料を添加することにより、リテーナの幅にわたる応力が緩和され、かくして磁気カップリング２０の全体的なロバスト性を向上させる。
【００４３】
図４ａ及び図４ｂに示されるようにかかるエポキシに埋め込まれた小さな断片に導電性材料を使用すると有利である。何故なら、埋め込まれた材料を介したエポキシを通じた導通により、エポキシ樹脂の膨張及び収縮を防止し、かくしてリテーナ３６全体の膨張及び収縮を防止するからである。これにより、高速磁石アレイ３０の疲労、つまり磁気カップリング２０の疲労が低減される。
【００４４】
電子的に応力緩和されたエポキシ樹脂を磁気カップリングの高速磁石アレイ３０における磁石の接着剤として用いることは、ユニークな点であり、従来技術構成に対する明確な利点が提供される。エポキシにおける含浸された材料としての酸化亜鉛（ＺｎＯ）の使用は、それが大きな電界を維持する能力を有する点で有利である。エポキシ樹脂に含浸された酸化アルミニウムまたはアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の使用も有利である。何故ならこの材料が、良好な電気絶縁体であり高い熱伝導率を有するからである。従って、含浸断片のこれら２つの種類の組み合わせは、電子応力緩和を提供することにより、かかるエポキシの動作性を非常に高めることになる。ＺｎＯ及びＡｌ２Ｏ３の代わりに又はこれらと共に、その他の適切な埋め込み断片を用いることにより、同様の電子応力緩和を提供し得る。
【００４５】
磁気カップリング２０の動作をさらに向上させるためには、特定形状の磁石がカップリング２０の高速側で用いられ得る。従来の磁気結合構造では、使用される磁石の断面が矩形であり、これら磁石の間に機械的なロックがない。これに対して、本磁気カップリング２０の実施形態によれば、図５に示すように、高速側２２で使用される磁石は、断面が台形である。この形状により、これら磁石は図４ａ及び図４ｂに示す構造へスライドされることができ、そこにおいて機械的ロックを実現できる。これは、上述のリテーナ３６と連動して動作することができ、これにより高速部２２をより強固にすると共に、回転動作中の疲労や故障により耐え得るようにする。
【００４６】
図６ａは、磁気カップリング２０の高速回転部２２を覆うことができるハウジング４０を示す。このハウジング４０は、真空又は低圧領域を覆うと共に磁気カップリング２０の高速側と低速側との間の境界を形成するので、カップリングが効果的に動作するように特定の物理的特性を持っているべきである。理想的にこのハウジング４０は、非導電性であり、機械的に強く、低透磁性を有するべきである。加えてこのハウジング４０は、有効な真空又は低圧領域バリアとして動作するために、低多孔性を有するべきである。使用される可能性のある材料の１つは、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）である。ＰＥＥＫは、ハウジング４０用の有用な材料である。何故ならこの材料の機械的及び化学的抵抗特性は高温で保持されると共に、この材料は非導電性であり低透磁性を有しており、これは低圧ケーシングにとって重要である。若しくは、ガラスをハウジング４０に使用することができる。
【００４７】
図６ａからわかるように、溝４２がハウジング４０の表面に設けられ得、この場合このような溝４２が高速及び低速磁石アレイ３０、３４間の静止極２６の位置を特定するために用いられる。図６ａ及び図６ｂに示される実施形態では、これら溝４２は、ハウジング４０の回転中心軸と平行に延長し、ハウジング４０の外面又は壁の周りに互いに平行に配置される。図６ｂに示されるように、これら極２６を、溝４２の中へはめ込むことができると共に、その断面を略矩形とすることができる。他の断面形状も可能である。
【００４８】
抑制バンド４４を用いて、ハウジング４０における溝４２に極２６を保持させ得る。図６ｂに示される実施形態では、３つの抑制バンド４４が、ハウジング４０の外周に巻き付けられ、これにより極２６を保持している。しかしながら、任意の適切な数及び配置の抑制バンド４４が使用され得ることが理解されよう。ハウジング４０と同様に、抑制バンドに選択される材料は、非導電性で機械的に強くあるべきである。例えば、ガラスファイババンドが使用され得る。
【００４９】
図６ａ及び図６ｂに示されるようにスロットハウジング４０と協働極２６とを用いることにより、磁気カップリング２０の静止部分について簡略化された製造及び組立工程を実現することができる。また図示された構成は、従来技術の極配置と比して応力の減少された領域を備える。
【００５０】
図７ａ及び図７ｂは、改良カップリング装置の外側低速部２４の一実施形態をさらに詳細に示す。これらの図に示されるように、ライナー４６が、低速磁石３４と低速ハブ３２との間に設けられる。ライナー４６は、低電気伝導性などの特定の物理的性質を有すべきである。一実施形態によれば、このライナーに選択される材料はＳｏｍａｌｏｙであり、これは非常に高い透磁率と低い導電率とを有するセラミックである。Ｓｏｍａｌｏｙライナー又は他の適切なライナーの使用、例えば他の種類のセラミックでなるライナーの使用は、有用である。何故ならその使用により、磁気カップリング２０の低速部２４における渦電流損失が低減されるからである。
【００５１】
図７ａからわかるように、好ましくは、ライナー４６は低速ハブ３２の全内周周りに延長すべきではない。その代わりにライナー４６は、ハブの長さに沿って複数のセクションに分割されるべきであり、これにより渦電流損失がさらに低減される。
【００５２】
図７ｂからさらに明確にわかるように、低速磁石３４に対するライナー４６の位置合わせは特に重要であり、これは本明細書に説明される改良磁気カップリング２０に特有なものである。すなわち図７ｂに示すように、低速磁石３４は、低速ハブ３２の回転中心軸に対し平行となるように軸方向にそれぞれ延びるようにして配置される。逆に、かかるＳｏｍａｌｏｙが、低速ハブ３２の内周に沿って複数のセクションで巻かれており、半径方向内側に延長する厚さを有する。Ｓｏｍａｌｏｙ又は他の種のライナー４６が複数のセクションで設けられる実施形態では、ライナー４６の切れ目又はセクションエンド４７が、それぞれの低速磁石３４間の隙間と合致することが重要である。ライナー４６の切れ目と磁石３４の端とを合致させることにより、ライナー４６における応力が低減され、かくして機械的安定性が向上する。もしこの合致が提供されない場合、例えばＳｏｍａｌｏｙライナー４６のセクションエンド４７が低速磁石３４の中心直下に位置される場合、渦電流がライナー４６と磁石３４との間で増大し、さらに磁石の圧力によりライナー上に物理的応力が生じ、ライナーが破損する原因となり得る。これにより図７ａ及び図７ｂに示されるような合致により、渦電流損失を減少させると共に、磁石応力及びライナー４６上の物理的応力を低減させる。
【００５３】
図８は、改良カップリング装置の外側低速部２４の一実施形態を示す。低速部２４は、外側ロータ又はハブ３２と、ハブ３２の半径方向内側に設けられる低速磁石３４のアレイとを有する。
【００５４】
好ましくは、低速ハブ３２は、低導電率（１００Ｓ／ｍ未満）及び低透磁率を有する材料から製造される。例えば、低速ハブ３２はＰＥＥＫ又はガラスファイバからなり得る。図８に示される実施形態では、低速ハブ３２は２つの異なる材料から構成される。第１の材料８０は、低速磁石３４の層に隣接して設けられる。図示される実施形態では、第１の材料８０はチューブ要素を備え、これにより低速磁石３４の半径方向位置及び封じ込めを提供する。この第１の材料８０は、フープ強度を有するように且つ磁石３４をそれらの長さに沿って支持するように設計されるので、ある程度の曲げ剛性を有すべきである。従って第１の材料８０は、フープ及びヘリカル層（又はプライ）の組み合わせと共にロールラップガラス繊維を備えることができる。
【００５５】
図８では、第２の材料８２が、第１の材料８０の一部分の半径方向外側に設けられ、概して磁石３４から離れている。第２の材料８２は、第１の材料８０を改良カップリング装置上の軸受に対して接続する。第２の材料８２は、必要な形状に成形され得るガラス充填ＰＥＥＫを備えることができる。
【００５６】
低速ハブ３２に用いられる１の又は複数の材料の位置及び種類は、ある位置でのこれら材料の有用な物理的特性を最大化するように選択され得る。例えば、低速ハブ３２の代替構成では、単一の複合部品が含まれ、この複合部品は、上述した第１及び第２の材料８０、８２の両方の役割を果たす。
【００５７】
一般的に、低速ハブ３２について低導電率の材料を用いると、改良カップリング装置からの如何なる電流損失も低減される。当業者に知られているように、低速ハブの回転速度が増加すると、如何なる電流損失によっても顕著な量の熱が発生される。従ってこれら損失を低減することは、装置の効率にとって重要である。加えて、低速ハブ３２について低い透磁率を有する材料を用いると、ヒステリシス損失が低減される。ヒステリシス損失は、低い回転速度でより支配的であると共に、スピードと共に直線的に増加する。従って、これらを減少させることは、装置の全体効率にとって重要である。
【００５８】
渦電流損失及びヒステリシス損失の両方の結果不要な発熱が生じ、これにより改良カップリング装置の速度性能と寿命とが制限される。従って、低速ハブ３２について適切な材料を選択することにより、改良カップリング装置は向上された速度性能とより長い寿命とを有することができる。
【００５９】
本明細書に記載されるような改良カップリング装置は、通常は外側ハウジング又はケーシング内に設けられて使用される。通常このケーシングは、静止しており、改良カップリング装置の高速又は低速部と共に回転しない。
【００６０】
本明細書で提供される更なる改良によると、改良カップリング装置の外側ケーシングによって磁束シールドが提供され得る。これは、図９ａ及び図９ｂについてより良く理解され得る。上述したように、改良カップリング装置の外側ロータ又は低速ハブ３２に対して低透磁率を有する材料を使用することにより、いくつかの利点が得られる。しかしながら、このような低透磁率材料は、改良カップリング装置において発生される磁界を穏やかに抑制することができる程度である。もし外側ロータ又はハブ３２によってこの磁場が広がる場合には、この磁場によって改良カップリング装置の他の部品が影響を受ける。この結果、例えば装置ケーシング内で発熱が生じる。また、改良カップリング装置の外部部品に対する磁気干渉の危険性が生じ得る。これは、その周辺が敏感である領域に装置が収納される場合には望ましくない。例えば、実際にはしばしばそうであるように、電子制御装置やセンサが、改良カップリング装置の領域の近傍に配置されている場合などである。
【００６１】
図９ａは、低速磁石３４の外側に磁束封じ込めがない状態で作られた改良カップリング装置を示す。この図は、磁石３４の外側で低速ハブ３２及び／又は装置ケーシングを構成する領域へ浸透する磁束を示す。図９ｂは、追加の磁束リングを有する装置を示し、この磁束リングは、磁束を保持してこの磁束がこの直径の外側で浸透することを防ぎ、かくして磁場からこの領域の如何なる部品をも保護すると共に、かかる相互作用から生じ得る非効率や熱などの任意の損失からシステムを保護するようになされている。
【００６２】
上述したように、低透磁率材料が低速ハブ３２に用いられる場合、磁石３４の外側の磁場に対するかかる材料の影響は殆どない。本明細書の図９ｂに説明される実施形態においてこれを補償するためには、磁束シールドが装置ケーシング９０の内面に実装される。この磁束シールドは、装置において生成される磁場を制御するように動作し、そのような磁場がもたらし得る加熱効果及び干渉リスクを低減するようになされている。
【００６３】
任意の適切な磁束シールドが、装置ケーシング９０の内側面上に設けられ得る。一例として、磁束シールドは、電磁鋼板によって提供され得る。電磁鋼板は、磁気回路での電気的及び磁気的性能を最適化するように製造される専門の鋼である。図９ｂに示される装置では、ケーシング９０の内側の材料は、磁場を封じ込める必要があるため、高い電気抵抗と組み合わされた高透磁率が要求される。またこの材料は、ヒステリシス損失を最小限にするように設計されるべきである。
【００６４】
薄い積層電磁鋼板のセグメントが、かかるケーシングの内面の一部又はすべての上に設けられ得る。若しくは、絶縁された電磁鋼板線が、フープ巻きされることによりチューブを形成するようにしても良い。かかるチューブは、装置の外側ケーシングによって囲まれて提供され得る。若しくは、Ｓｏｍａｌｏｙなどの軟磁性複合物の１又は複数の領域を、ケーシング９０の内面に設けることにより、磁束シールドを提供するようにしてもよい。
【００６５】
装置ケーシングの内面に磁束シールドを提供することには、いくつかの関連する利点がある。このケーシングは、静止していると共に改良カップリング装置の使用中に回転しないので、ケーシングと磁束シールド材との間の取り付け要件が、このようなシールドが改良カップリング装置の回転部内に設けられる実施形態と比して、簡略化される。また装置の動作中において、このケーシングは静止しており、外側ロータ（又は低速ハブ）は、内側ロータ（又は高速ハブ）とは逆の方向へ回転する。従って、外側ロータにおける１つのポイントからは、そこから見えるケーシング上の静的ポイントの動きよりも、高い相対速度で動く内側ロータが見える。従って、かかるケーシング上のシールドと高速部の内側ロータリ磁石との間の速度差が、高速磁石と改良カップリング装置における低速磁石と間の速度差に比して低減される。かくして、ケーシング９０におけるシールドの場合、外側ロータにおけるシールドの場合よりも、磁場変調周波数が低くなる。
【００６６】
シールドと内側ロータとの間における相対速度の減少は、リターンパス成分における磁界の励起周波数の低減を通じた損失の低減につながる。すなわち、誘導される渦電流及びヒステリシスからの損失は、磁場変化の周波数の関数である。この周波数が高いほど、損失が高くなる。従って、外側ロータに代えてケーシングにシールドを設けることにより周波数を減少させ、これにより関連損失を低減する。
【００６７】
ケーシング９０は、如何なる磁性材料を含まないので、改良カップリング装置の磁気部分よりも高い温度能力を有し得る。従って、ケーシングの内側面に磁束シールドを設ける場合、シールドを改良カップリング装置の高速部又は低速部に設ける場合よりも、ダメージを引き起こす可能性が低くなる。またケーシング９０は、改良カップリング装置の磁気及び／又は可動部分よりも、沈み込むためにより大きな熱慣性を有し得る。従って、ケーシングの内側面に磁束シールドを設ける場合、そのようなシールドを他の場所に設ける場合よりも、ダメージを引き起こす可能性が低くなる。
【００６８】
上述したように、改良カップリング装置を用いることにより、回転フライホイール内に貯蔵されたエネルギーをシステム内の１以上の外部部品へ伝達することができる。改良カップリング装置自体から外へエネルギーを伝達するためには、装置の低速ハブ３２又はいわゆる「外側ロータ」を車軸又はシャフト１０に接続することができ、本明細書の図１０に示されるように、これによりシステム内の他部品への機械的接続が提供される。改良カップリング装置の外部ロータは、軸受けにおいて支持される必要があると共に、システムの残り部分（図示せず）へ機械的ドライブを提供する必要がある。このシャフト１０は、この目的のために提供される。シャフト１０は、装置の一端（シャフトエンド１１）から延長し、改良カップリング装置の高速及び低速部の回転軸と実質的に同軸である。
【００６９】
装置の他側１３には、シャフト１０の軸方向反対側に、エンドプレートを設けてもよい。エンドプレートは、フライホイールケーシングの一部であり得る。このエンドプレートは、フライホイール及び改良カップリング装置のすべての磁性部品を支持して含むことができ、また真空を保持することができる。またエンドプレートは、磁場とその関連損失とから周囲のケーシング部品をシールドして保護することができる。何故ならこれら部品は、通常、鋼又はアルミニウムから作られているためである。
【００７０】
エンドプレート側１３における磁界の損失が、エンドプレートの望ましくない加熱とドラグトルクとを生じ得る装置のものである可能性があり、これにより改良カップリング装置の効率が低減される。本明細書において提供される改良によれば、エンドプレート側１３の磁界損失を、エンドプレートにおけるシールドの使用によって磁場をそこからそらすことにより、低減又は解消することができる。このようなシールドは、エンドプレートの内側面に、その表面の部分又は全部にわたって、設けられ得ると共に、低導電率で高い透磁率の材料から構成されるべきである。例えば、Ｓｏｍａｌｏｙの層又はセクションが、エンドプレートの表面上で用いられ得、これにより磁場をそらすようになされている。
【００７１】
かかる装置のエンドプレート側における磁界損失を低減又は除去する別の方法は、本明細書の図１１ａ及び図１１ｂに示されるようなエンドキャプ１２を用いる方法である。エンドキャプ１２は、改良カップリング装置における磁石とケーシングとの間において軸方向に位置される鉄要素を含む。このエンドキャプ１２は、磁石の端部を短絡するように動作し、かかるケーシングを貫通する漂遊磁界の量を減少させる。例えばエンドキャップ１２は、ロータの延長であり得る、又は別の部品であり得る。若しくは、軟磁性材料のディスク又はこの材料の一連のセグメントをハブの端部に取り付けることができ、これによりかかる短絡を提供する。
【００７２】
図１１ａは、改良磁気カップリングの一方側の上方からの断面図を示す。装置の高速部（図１１ａのチャンバ壁９の下方に示される）と低速部（図１１ａのチャンバ壁９の上方に示される）との間には、チャンバ壁９が設けられる。チャンバ壁９は、装置の高速部を収容すると共に、既に詳述されたような真空又は低圧領域内のフライホイール（図示せず）をも収容し得る。またチャンバ壁９は、改良カップリング装置の外側低速部のエンドプレート側に沿って延長し得るが、低速部を覆うことはない。図１１ａに示されるように、エンドキャップ１２は、改良カップリング装置の高速部の端部に設けられ得る。若しくは、図１１ｂに示されるように、エンドキャップ１２は、低速部の端部に設けられ得る。磁場封じ込めの問題は、両ロータ（低速及び高速）に存在するが、速い方のロータでより深刻である。何故なら、上述したように速い方のロータは、はるかに高い周波数とより強い磁石とを有しているからである。エンドキャップ１２は、エンドプレートに関して上述したように、シールド材料を含み得る。
【００７３】
エンドプレート又はエンドキャップは、改良カップリング装置の回転部に直接隣接して設けられる必要がない。その代わりに、本明細書の図１１ｃに示されるように、エンドプレート１５が、エアギャップのような隙間により、改良カップリング装置の回転部の端部から離れて設けられ得る。エアギャップの大きさを増加させることにより、このようなエンドプレート１５における磁場強度を低下させる。これにより、エンドプレート１５における磁場効果の危険性が低減される。
【００７４】
システムの周囲部分を保護するための、改良カップリング装置内で生成される磁場のシールドが、エアギャップ及び／又は、外側ロータ及び／又は外側ケーシングにおけるシールド材料の任意の適切な組み合わせにより提供され得、これにはエンドプレート又はエンドキャップが含まれる。外側ケーシングにおけるシールドは、電磁鋼板からなる薄い積層体の形態であり得、これはセグメント化されて電流経路を減らすようにすることができる、又はＳｏｍａｌｏｙなどの軟磁複合体であり得る。これに加えて又は若しくは、薄い積層体又は鉄鋼材をハブ上に設けることができ、これにより磁場を封じ込めると共に外側の装置ケーシング中へ入り込むことを防止する。
【００７５】
加えて又は若しくは、低速ハブ３２内の磁界を、改良カップリング装置における磁石の効果的な成形を介して封じ込めることができる。すなわち、外側装置ケーシング近くの磁石の端部外形を変更することにより、磁気回路の形状又はパスを変更することができる。これは、低速磁石３４の軸方向長さを短くすることを伴い、これによりこれらがハブ３２の前で終了するようにし（すなわち、これらは軸方向にそろえられていない）、かくしてハブ３２に戻って磁界が短絡するようにする。これにより、軸方向の漂遊磁界の量を減少させ、かくして外側ケーシングにおいて高周波漂遊磁界を有することを避けるようになされている。またかかる磁石を、浮遊軸方向磁界を低減するように成形することができる。そうでなければ浮遊軸方向磁界は、外側ケーシング材料における損失を引き起こし得る。
【００７６】
上記説明から理解されるように、改良カップリング装置が長期間にわたって可能な限り効率的に動作するようにすることが重要である。装置の長期間動作にとってとても重要な要素の１つは、低レベルの熱などの熱を除去することである。装置の温度を維持することは重要であり、これによりこれらの部品材料に対するダメージと装置の部品を結合するために使用される任意の接着剤に対するダメージとを防止する。動作時には、低速ハブ３２が、低速磁石３４上と固定極片２６上とを移動する。当然ながらこの回転により、装置のこれら部品上の空気が移動する。しかしながら、本明細書で提供される改良によれば、追加的な冷却方法が提供され、これにより涼しい空気を装置に引き込むようにして暖かい空気を交換する。これにより確実に熱が装置から空気へ継続的に伝達され、この結果継続的に装置から熱が除去される。
【００７７】
一実施の形態によれば、改良された空気流が、改良カップリング装置の回転又は固定部分においてスクロールを提供することにより達成される。例えば、螺旋などの突出又は溝付形状が、改良カップリング装置の回転又は固定部分において提供され得る。このようなスクロールによりチャネルが提供され、これらのチャネルを介して空気を向け、ロータの回転中に空気を循環させることによって、装置の周囲部分を冷却することができる。
【００７８】
若しくは又は加えて、改良カップリング装置の回転ハブ及び／又は固定部分は、その上にフィンやブレードなどの突起と共に設けられ得る。これらフィンやブレードは、装置を介して空気を押すように動作する。
【００７９】
加えて又は若しくは、半径方向に向けられた穴が改良カップリング装置の１以上の層を介して提供され得、この結果装置の回転部の求心作用によりそこから空気が排出される。この点については、本明細書の図１２ａ及び図１２ｂでより理解され得る。図１２ａは、側面断面視で装置の外側ロータ又は低速ハブ３２を示す。これに対し図１２ｂは、装置の内部から平面視でハブのシャフト端部を示す。図１２ｂに示されるように、複数の穴又はチャネル１６がハブ３２を介して設けられる。各チャネル１６は、改良カップリング装置の半径に対してある角度で設けられる。チャネル１６の角度及び位置は、装置の回転中に空気がチャンネルを流れるように、選択され得る。図１２ｂに示されるように装置の回転部が反時計方向に回転する際、装置からの排出空気が実質的に時計方向に流れるように、チャネル１６の角度位置を選択すべきである。この空気排出により、加熱しやすい電磁極２６などの装置の一部を介して及び当該一部を越えて、空気を引く流れが形成される。
【００８０】
半径方向に向けられた穴を提供することに加えて又は代わりに、軸方向に向けられた穴を低速ハブ３２のシャフト端部において設けることができ、これにより装置の高速及び低速部の求心運動の効果を活用して空気を排出する。図１３ａ〜図１３ｃは、低速ハブ３２のシャフト端部において軸方向に向けられた穴を有する実施形態を示す。これら図に示されるように、複数の穴１８が例えば円形パターンでハブ３２の外縁に向けて設けられ得る。各穴１８は、軸方向への長さを有し、これによりチャネルを規定している。図１３ｂ及び図１３ｃに示されるように、好ましくは、これらのチャネルは、装置の回転軸及びシャフトに対してある角度を持って延長すべきである。
【００８１】
また穴が、装置の外側低速ハブ３２及び／又は外側ケーシングの周りに設けられ得る。このような穴により、改良カップリング装置の回転運動を介して設定される圧力差を利用して、空気の流れができる。
【００８２】
加えて又は若しくは、冷却流体を、外側装置ケーシング内に設けることができる。つまりこの場合、改良カップリング装置の空気側であり、真空中でフライホイールおよび装置の高速部を収容するチャンバ内ではない。これにより、外側ロータ磁石やステータピン（ポールケージ）などの重要部品をスプラッシュ冷却する。図１４は、冷却流体がその上に分散され得る改良冷却装置の一部の一例を示す。スプラッシュ冷却流体は、外側装置ケーシングとの接触を介して及び外側装置ケーシングからの熱の伝導を介して、受動的に冷却することができる。加えて又は若しくは、冷却流体をかかる外側装置ケーシングを通る外部回路を介して循環させることができ、これによりそこから熱を能動的に除去することができる。この構成は、改良カップリング装置が長時間高速で動作させる必要がありその結果余分な熱が発生する場合、有用である。
【００８３】
上述したように、本明細書に記載の実施形態及び態様は、回転フライホイールへ及び回転フライホイールからエネルギーを伝達するため使用され得る。必須ではないが、フライホイールを真空又は低圧領域で動作させることによりそこからのエネルギー損失を低減させるようにすることが好ましい。従って、本明細書に記載されたものなどの磁気カップリングを用いることの主な利点は、磁気カップリングの高速部が低圧又は真空部材チャンバ又はハウジング内にフライホイールと共に収納され得ることであり、これに対してカップリングの低速側が大気圧又は他の圧力で「現実世界」に配置され得ると共に他の物理的部品に接続又は連通され得、この場合これら物理的部品は回転フライホイールからエネルギーを受け取る又は回転フライホイールへエネルギーを送るものである。
【００８４】
実際上、フライホイールの適用はよく知られている。例えば、フライホイールは自動車におけるエネルギー貯蔵及び伝達に使用され得る。一方で、これらフライホイールは、その他の用途においても広く使用され、これにより無駄になってしまうエネルギーを活用するようになされている。例えば、乗客及び貨物リフトやクレーンなどの吊り上げ機で使用される。フライホイールの動作を最適化するために、好ましくは、エネルギーはその伝達中において可能な限り変換されるべきではない。従って、フライホイールと共に回転してエネルギーの回転形態を維持することができる磁気カップリングが、実際上非常に有用である。本明細書に記載されている特定の実施形態及び態様では、その効率性及びエネルギー消費低減特性が強化されることにより、磁気カップリングの特性がさらに向上する。
【００８５】
本明細書に記載されている実施形態及び態様によれば、回転シールの使用は完全に排除され、これにより真空チャンバ１４０内の真空を維持するための環境管理装置の必要性がなくなる。真空チャンバ内の真空は、無期限にそこで維持され得る。何故ならチャンバが、漏洩の可能性がある回転シールを用いることなく、完全に密封されるからである。関連環境管理装置（例えば、真空ポンプ、潤滑ポンプ、関連の配管作業やシステム、制御システム／電子機器）が除去されるので、フライホイール貯蔵システムの重量及び大きさがさらに低減されると共に、エネルギー貯蔵密度が増加する。さらにこれに伴って、この簡易なシステムの信頼性が増すと共に、コストが低減される。かくして、高効率のフライホイールエネルギー貯蔵装置が提供される。
【００８６】
また回転シールが除去されるので、フライホイールは、シール（回転速度が上がるにつれて劣化する）の劣化度により可能であると思われる速度よりも、速い速度で回転でき、さらにエネルギー貯蔵密度が増加する。シール潤滑流体のせん断に起因する寄生損失（回転シールの必須特徴）も、シールの除去により低減される。
【００８７】
本明細書に記載の改良磁気カップリングは、任意の他の適切な部品と共に使用され得る。例えばクラッチが、カップリングの作動及び作動解除のために提供され得る。１つの考えられる磁気ギアクラッチが、Ricardo UK Limited の名前でＧＢ特許出願番号0920142.7の優先権を主張する国際特許出願に記載されている。またこの書類に記載されているものには、ポールケージを備える代替の極構成がある。そのような代替の極構成は、本明細書に記載されているような磁気カップリングの高速及び低速部と共に用いられ得る。
【００８８】
添付図面及びこれらに付随する説明では、永久磁石を含む磁界生成要素を有する実施形態が概して示されると共に説明されている。これら永久磁石は、使用時、各ハブ又は可動部材に対して固定されている磁界パターンに基づいて及び可動部材の回転によって、移動磁界パターンを生成し、固定カップリング要素が２つの可動部材の間に設けられる。一方で他の実施形態では、第１及び／又は第２の部材における永久磁石アレイは、電磁磁極のアレイのような他の要素でそれぞれ置換され得る。各電磁磁極アレイは、永久磁石のアレイによって生成されたものと実質的に同じ電磁界パターンを生成するように所定の方法で活性化され得る。若しくは、ハブ又は他の部材が中間カップリング要素に対して固定され得ると共に、カップリング要素に対して電磁極のシーケンスにより移動可能となる交流磁界パターンを生成するように電磁極があるシーケンスで活性化され得る。さらに他の実施形態では移動磁界が、部材（又は複数部材）の移動と電磁極の活性化シーケンスとの組み合わせにより生成され得る。
【００８９】
さらに、図では互いに同心でなる第１及び第２の部材による回転例が概して示されているが、これに代えて第１及び第２の部材は互いに並んで提供され得る。第１及び第２の部材の端同士を合わせることも可能である。このように端同士を合わせる場合、中間カップリング要素は湾曲され得る又は互い違い部分へ分割され得ると共に、カップリング要素及び／又は第１及び第２の部材の極も分割され得る。このような構成では、回転軸に沿って分割されるのではなく、それらは半径方向に分割される。
【００９０】
第１及び第２の可動部材の一方又は両方が、平坦な表面を形成するように展開され得る。このような構成は、ラック及びピニオンに類似する、又は互いの上をスライド可能なトラックのペアでありカップリング要素がその間に配置されたものに類似する。そのような構成では、第１及び／又は第２の部材、及び／又はカップリング要素が、移動方向と直交すると共に部材間の表面に平行である方向へ互い違いに配列される。
【００９１】
上述の実施形態の特徴は、任意の組み合わせで使用され得ると共に、フライホイールへの適用以外の用途で使用され得、例えば、任意の磁気ギヤリング又はカップリングに適用される。例えば、改良カップリング装置は、クレーンや乗客及び貨物リフトなどの吊り上げ機で無駄になってしまうエネルギーを活用するために使用され得る。
【００９２】
上述した特徴の結果として、より強く安全で、より軽く、より効率的で効果的なカップリング手段が提供されることが理解されよう。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図１ｄ】
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【図１ｅ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１１ｃ】
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【図１２ａ−１２ｂ】
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【図１３ａ−１３ｃ】
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【図１４】
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