(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダー状の構造物よりなるローターであり、その構造物は、磁性充填物質がマトリックス中に導入された繊維強化複合体から作成された部分を含み、その磁性充填物質の充填量は、そのマトリックスを通して放射方向に徐々に変化し、かくしてその構造物の単位容積当りの平均質量は、その構造物の軸からの放射方向への距離と共に減少していることを特徴とするローター。
【請求項２】
そのシリンダー状構造物は、単位容積当りの質量が、チューブ内部表面から外部表面へ放射方向に減少しているチューブ状形態である請求項１記載のローター。
【請求項３】
そのシリンダー状構造物の部分は、多数のチューブ層よりなる前記請求項のいずれかに記載のローター。
【請求項４】
その繊維強化複合体は、一種またはそれ以上の炭素、ガラス、ボロン、ポリアミド、ポリアラミドおよびポリオレフィンから選択された繊維よりなる前記請求項のいずれかに記載のローター。
【請求項５】
そのマトリックス物質は、冷熱硬化性および／または熱硬化性および／または熱可塑性重合物質である前記請求項のいずれかに記載のローター。
【請求項６】
その重合物質は、一種またはそれ以上のエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、フリーデルクラフト樹脂、ポリイミド、ポリエーテルスルホンおよびポリエーテルケトン（PEEK）から選ばれる請求項５記載のローター。
【請求項７】
その繊維が、螺旋状でおよび／または円形で巻かれている前記請求項のいずれかに記載のローター。
【請求項８】
ローターの複合体物質の装填物中に使用されている磁性物質は、粒子、楕円形、ウイスカーまたは繊維よりなる前記請求項のいずれかに記載のローター。
【請求項９】
磁性物質は、粉末状物質である前記請求項のいずれかに記載のローター。
【請求項１０】
磁性物質は、鉄、ニッケル或いはコバルトまたは鉄、ニッケル或いはコバルトの一種またはそれ以上を含有する合金よりなる前記請求項のいずれかに記載のローター。
【請求項１１】
磁性物質は、フェライト、好ましくはバリウムフェライトを含有する前記請求項のいずれかに記載のローター。
【請求項１２】
磁性物質は、希土類元素よりなる前記請求項のいずれかに記載のローター。
【請求項１３】
磁性物質は、コバルト−サマリウムまたはネオジウム−ボロンよりなる請求項12に記載のローター。
【請求項１４】
前記請求項のいずれかに記載のローターよりなるフライホイルエネルギー貯蔵システムの一部を形成している電気モーターおよび／または発電機。
【発明の詳細な説明】
本発明は、ローター、殊に繊維強化複合体物質から構成されたローターに関する。
ローターは、繊維強化複合体から構成されている。かかるローターは、例えば電気モーターおよび／または発電機に利用されている。かかる応用において、複合体の繊維は、螺旋状でまたは円形で巻かれて、構造物に固有の機械的性質を付与している。
いくつかの応用において、モーター／発電機として利用されるか或いは機械の一部として電磁石的に制御されることは、そのローターにとって望ましいことであり、従ってそのローターは、磁性物性または磁界によって影響される物質に組み込まれている。
本発明によれば、シリンダー状構造物よりなるローターであり、その構造は、充填物が複合体のマトリックス中に導入された繊維強化複合体から作成された部分を含み、その充填物質の充填量は、そのマトリックスを通して変化し、かくしてその構造物の単位容積当りの平均質量は、その構造物の軸から放射状に距離によって減少しているローターであって、その充填物質は、磁性充填物質でありかつその磁性充填物質の充填量は、マトリックスを通してスムースに変化していることを特徴とするローターが提供される。
そのシリンダー構造物は、単位容積当りの質量がチューブの内部表面から外部表面へ放射状に減少しているチューブ状形態である。
チューブ状ローターの外部表面および内部表面との間では、回転速度に相違がある。これは、歪において対応した相違または不釣合を引き起こしている。本発明によれば、複合体物質を通してその部分の内部から外部表面への磁性物質装填成分を有しているから、そのローターの内部領域は、充填がない場合よりも充填量が多いので、より速い歪となるよう検討されている。磁性物性充填量が低いローター構造物の部分の外部の領域では、歪は最小である。
このようにして、ローター構造物のその部分の内部領域での歪は、外部領域の歪に対して、金属充填成分によって調和されている。従って、本発明による全体の磁性物質が充填された複合体ローター構造物は、歪調和方法によって操作される。このことは、応力循環に対して、ローター構造物が高い耐性を可能にしている。
その部分は、多層チューブが構造体において、１つまたはそれ以上のチューブ層であるか或いはその自体チューブ状構造物より実質的になっている。
本発明によるローターの複合体は、ローターの製造において援用されている公知の複合体の１つであるかまたはそのために適当なものとして知られたものである。かくして、その複合体は、炭素、ガラス、ボロン、ポリアミド、ポリアラミド、ポリオレフィンの一種またはそれ以上から選ばれた繊維よりなる。そして、マトリックス物質は、例えばエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、フリーデルクラフト樹脂、ポリイミド、ポリエーテルスルホンおよびポリエーテルケトン（PEEK）の一種またはそれ以上から選ばれ、任意に公知の添加剤、硬化剤、充填物などを一緒に含む冷熱硬化性および／または熱硬化性および／または熱可塑性重合体物質よりなる。
その繊維は、公知の方法で、複合体内に螺旋状におよび／または円形に巻かれている。異なる層は、異なる形態、例えば異なる螺旋方式で巻かれる。繊維の各々の層における繊維は、複合体内で単層としてまたは繊維の各々の集合体、例えばトウ（tows）として巻かれていてもよい。
本発明によるローターの複合体物質の充填に使用される磁性物質は、粒子、楕円体（spheroids）、ウイスカー繊維またはそれらの類似物よりなる。望ましくは、その物質は粉末状物質よりなる。磁性物質は、鉄、ニッケル、コバルトまたはこれらの１つ或いはそれ以上を含む合金である。それは、フェライト、例えばバリウムフェライトである。
その代わりに、その物質は、希土類元素、例えばコバルト−サマリウムまたはネオジウム−ボロンよりなる公知の硬磁性物質でもよい。
磁性物質は、複合体中の繊維トウの間の空間に導入されるのが望ましい。その磁性物質は、マトリックス物質中に埋め込まれた空間に充填される。
磁性物質は、本発明のローター構造物の形成において、例えば公知の方法で心軸のまわりに磁性物質を充填した樹脂を一緒に繊維のトウを巻くことによって、樹脂、例えばエポキシ樹脂に埋め込まれる。充填された樹脂は、充填量が徐々に時間と共に減少している分配器によって得られる。その樹脂は、例えば未硬化の液状熱硬化性樹脂であり、空間に充填後、硬化してその複合体を固化する。
本発明によるローターは、公知の利用、例えばエネルギー貯蔵フライホイルシステムの一部を形成している電気モーターおよび／または発電機として使用される。
以下、図面をよりいくつかの態様の例を述べる。
図１は、ステーターのまわりのローターの側断面の概念図である。
図２は、図１のＸ標識された区域内にあるローターの部分の拡大図を示す。
図３は、図１および図２に示したローター内における金属充填量の変化を説明したグラフである。
図４は、ローターフライホイル配置における正面の断面図を示す。
図５は、ローターおよびステーター配置における他の形の縦方向の断面図を示す。
図６は、ローターおよびステーター配置におけるさらに別の形の縦方向の断面図を示す。
図７は、半透膜の追加的な態様を含む図４に示された配置の部分横断面図を示す。
図１を引用すると、電気モーター８は、積層された構造物のシリンダー状ステーターのまわりにある中空シリンダー状ローター10よりなり、そのローターは、支持体14、15に位置するための末端差し口12、13を有していることを示している。
ローター10の端部にある末端リング16、17は、ステーター11を拘束しているローター10を支持している。
ステーター11における中央の見えないホール18は、ローター10およびステーター11の間で狭い空気軸受空間20（図１では示されていない）に通じている多数（７個が図示されている）の放射状のホールと連通している。電気コイル21（１個のみ図示されている）は、ステーター11に配置されて、ローター10を作動する電界を供給している。支持体15におけるホール22は、中央のホール18に連通して、空気軸受空間20に空気供給通路を備えている。
図２により詳細に示されているとおり、ローター10は、内部胴（shell）30およびその内部胴30の上に配置された外部胴（shell）31よりなる。中間層36、37は、それぞれエポキシ樹脂マトリックス中に炭素繊維のトウ38、39よりなり、同じ多条ねじれ角で周囲に巻かれている。
トウ38、39の間のそれぞれにおける空間40、41は、エポキシ樹脂マトリックス中に保持された磁性物質粉末よりなる複合体で満たされている。一条ねじれ角で密接して一緒に周囲に巻かれているエポキシ樹脂中の炭素繊維のトウ48よりなる外部層46は、中間層37の上に配置されている。最終耐摩耗（例えばクロム）層50は、外部層46の上に配置されている。
モーター８の使用には、空気がローター10を支持するために、空気軸受空間20にホール22、18および19を通じて供給される。コイル21に通電されて得られた電界が、ローター10を回転させる。ローター10の軽い重量のために、極めて高い回転数、例えば約20,000回転rpm（例えば100,000rpm）、ローター10は、このような速度以下で使用されるが、達成される。
図３は、内部層34および外部層50との間における複合体44中の磁性物質の充填量のグラフである。図３に示されているとおり、充填量は、内部層34の付近で高いレベルL1であり、外部層50の付近で低いレベルL2にまで放射状方向に徐々に低下している。ローター10の単位容積当りの質量は、同じようなグラフに従っている。かくして、層50の付近に誘導された歪は、層34の付近に誘導された歪に調和している。
図４は、前記した方法で製作されたローター５が組み込まれたローターホイルシステムの一例を示している。
図４に示されているとおり、真空室101は、ドラム形状の容器103に納められている。
チューブシャフト104は、容器103の端部間に固定され、容器101の軸に沿って伸びている。
シリンダー状チューブローター105は、チューブ状シャフト104と共軸で室101に取り付けられている。
ローター105は、繊維強化複合体物質および磁性物質、例えばコバルト−サマリウムよりなる。ステーター107は、シャフト104およびローター105の間において、シャフト104上に据え付けられている。ステーター107は、一連の永久磁石よりなり、その永久磁石に接触して１つまたはそれ以上の電気コイルを含んでいる。そのコイルは、導電線に繋がれ、２つの線109および111は、絶縁性コーティング（図示されていない）を有し、そして容器103の一端を通して外部の回路112に連結している。
ローター105は、ソフトアイアンの末端リング113、114に連結し、その内部表面は、ステーター107に面しているローター105の内部表面105aの部分を形成している。
電磁石システム115、117は、ステーター107の端部の近くのシャフト104上に据え付けられ、リング113、114にそれぞれ面している。それぞれの電磁石システムは、通常の長方形の断面の磁性コアリングおよびそのコアの周囲に等角的に配置された４つの有効コイルよりなる。コイルは、それぞれ外部の絶縁線に接続され、電磁石システム115、117のコイルに通電される外部回路にそれぞれ順次接続している。また、外部回路は、ヨーロッパ特許第549,911Aおよびヨーロッパ特許第549,912Aに記載された方法でアイアンリング113、114に関係した電磁石システムのサスペンジョンのサーボ操作装置を備えているパラメターを監視し、検出している。
かくして、電磁石システム115、117およびリング113、114は、ステーター107の周囲のローター105の放射状の有効磁気軸受サスベンションを備えている。ローター105の端部の近くにある有効磁気軸受システムは、シャフト104の軸上における所望の位置にローター105を設置したトラスト軸受を備えている。
ローター105の内部表面上に形成された磁性リング125、127は、ステーター107の外部表面上に同様な極性（それらが面するリングのように）の直面磁性リングを任意に備えている。それらリング125、127、129、131は、低い速度でローター105を取り付けるために、受動磁性軸受を備えている。
図４に示された配置物内において発生した熱は、冷却剤、例えば水をチューブ状シャフト104の内側104aに沿って流通させることによって除去することができる。
使用に際し、図４に示された配置物は、電気モーターまたは発電機のいずれの方法でも操作される。この配置物がモーターとして作動している場合には、回路112は、ローター105が回転するように、ステーター107のコイルに電気エネルギーを導入するためにスイッチされる。ローター105の回転速度は、非常に速く、例えば一分間100,000〜200,000回転である。
この配置物が発電機として作動している場合には、ローター105の回転は、回路112を通して外部エネルギーを抜き取られるステーター107のコイル中に電圧の誘導を起こす。抜き取られた電圧波形は、公知の方法、例えばスムージングによって外部の負荷、例えばブラシ無しdcモーターに使用されるのに適した形に転換される。
別のモーターおよびステーターの幾何的形態は、図５および図６に示されている。図５において図４のローター105およびステーター107は、モーター125およびステーター127に置き換えられる。装置の他の要素は示されていない。
ローター125は、その横断面の面積がローター125（図５でされているように左側から右側へ）の長手方向に沿って増大しているようなチューブ状シリンダーよりなる。ステーター127の横断面の面積は、その長手方向に沿って相対的に減少していることを示し、かくしてローター125およびステーター127との間のギャップは、ローター125の長手方向に沿って実質的に一定である。
図６において、図４のローター105およびステーター107は、ローター135およびステーター137によって置き換えられる。装置の他の要素は示されていない。ローター135は、横断面の面積が、ローター135の中央部分135aにおいて一定であるが、領域135b、135cにおいてローター135のそれぞれの端部の方向に減少しているチューブ状シリンダーよりなる。ステーター137は、対応してローター135の領域135aの近辺の中央領域137aにおいて、一定の横断面の面積であるが、ローター135の領域135b、135cの近辺の領域137b、137cにおいて、ステーター137のそれぞれの端部の方向に面積が増大している。かくして、ローター135およびステーター137との間のギャプは、ローター135の長手方向に沿って実質的に一定である。
図７は、室101（図４参照）中の残存ガス分子を除き、寄生（parasitic）エネルギーロスを減少するための配置を示す。波形膜139が、ローター105および容器103との間において、環状断面図の空間141に位置している。
使用の際、空間141の領域141a中のガス分子は、膜139の方向に向かって、ローター105によって振りとばされ、膜139に浸透し、トラップされる膜の外側の領域141bに達する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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