(57)【要約】  多相複数コイル発電機が、駆動軸と、駆動軸の回転と同時に同期して回転するように駆動軸上にしっかりと取り付けられた少なくとも第１および第２のロータと、第１および第２のロータの間に挟まれた少なくとも１つのステータと、を含む。ステータは、駆動軸が回転可能に軸支される開口部を有する。ステータ上のステータ配列は、駆動軸の周りに第１の角位置でステータに取り付けられた、導電性コイルの等しく径方向に離間された配列を有する。ステータ配列は、駆動軸の周りに径方向に離間されている。ロータおよびステータは、実質的に平行な平面内にある。第１および第２のロータは、それぞれ、第１および第２のロータ配列を有する。第１のロータ配列は、駆動軸に対して第１の角位置で駆動軸の周りに径方向に離間された磁石の第１の等しく径方向に離間された配列を有する。第２のロータ配列は、駆動軸に対して第２の角位置における磁石の第２の等しく離間された配列を有する。第１および第２の角位置は、第１および第２のロータ配列が互いに対してオフセットされるように、角度オフセットによってオフセットされている。
2009540776.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多相複数コイル発電機装置であって、
駆動軸と；
前記駆動軸の回転と同時に同期して回転するように取付手段によって前記駆動軸上にしっかりと取り付けられた第１および第２のロータと；
前記第１および第２のロータによって挟まれた第１および第２のステータであって、前記ステータは、それぞれ、その中を通る開口部を有し、該開口部を通して前記駆動軸が回転可能に軸支されており、前記ステータは、それぞれ、ステータ配列を有しており；導電性コイルの径方向に離間された配列が、それぞれ前記駆動軸の周りに第１および第２のステータ配列角位置で、前記ステータに取り付けられており、前記ステータ配列は前記駆動軸の周りに径方向に離間されており、前記ロータおよび前記ステータは、実質的に平行な平面内にある、前記第１および第２のロータによって挟まれた第１および第２のステータと；
を備え、
前記第１および第２のロータは、それぞれ、第１および第２のロータ配列を有し、前記第１のロータ配列は、前記駆動軸に対して第１のロータ配列角位置で前記駆動軸の周りに径方向に離間された磁石の第１の径方向に離間された配列を有し、前記第２のロータ配列は、前記駆動軸に対して第２のロータ配列角位置で磁石の第２の離間された配列を有し、
前記角位置は、全体として１つの角度オフセットによってオフセットされており、
前記駆動軸および前記ロータが、前記ステータに対して回転するように前記ロータの回転の方向に回転されるにつれ、前記第１のロータ配列の前記磁石の引力が、前記ロータの前記回転の方向にある、前記第１のステータ配列内の対応する次の隣接するコイルの方へ、前記第１のロータ配列の前記磁石を引きつけ、かつ、前記第２のロータ配列の前記磁石に印加された遠退いていく力と実質的に釣り合いかつこれを提供し、前記第２のロータ配列の前記磁石を、前記第２のステータ配列内の対応する通過した隣接するコイルから引き離し、これと同時に、前記第２のロータ配列の前記磁石が、前記通過した隣接するコイルから離れるように、前記ロータの前記回転の方向に遠退いていき、
前記駆動軸および前記ロータが前記ロータの前記回転の方向に回転されるにつれて、前記第２のロータ配列の前記磁石の引力が、前記ロータの前記回転の方向にある、前記第２のステータ配列内の対応する次の隣接するコイルの方へ、前記第２のロータ配列の前記磁石を引きつけ、かつ前記第１のロータ配列の前記磁石に印加された遠退いていく力と実質的に釣り合いかつこれを提供し、前記第１のロータ配列の前記磁石を、前記第１のステータ配列内の対応する通過した隣接するコイルから引き離し、これと同時に、前記第１のロータ配列の前記磁石が、前記通過した隣接するコイルから離れるように、前記ロータの前記回転の方向に遠退いていく、
多相複数コイル発電機装置。
【請求項２】
前記ロータ配列内の磁石は、磁石の対であり、前記磁石の対の各対は、前記各対のうちの一方の磁石を前記駆動軸に対して径方向内側にし、かつ前記各対のうちの他方の磁石を前記駆動軸に対して径方向外側にして、配置されている、請求項１の装置。
【請求項３】
前記磁石の各対が、前記駆動軸の径方向外側に延びる共通の半径方向軸に沿って位置合わせされている、請求項２の装置。
【請求項４】
前記ステータ配列内の各コイルが、前記各コイルが前記駆動軸の径方向外側に延びる半径方向軸の周りに実質的に対称的に巻きつけられているように、位置合わせされている、請求項３の装置。
【請求項５】
前記磁石の各対が対応する前記各コイルを通過して回転される時に、前記磁石の各対の磁束が、前記対応する前記各コイルに直交するように端部を結合される、請求項４の装置。
【請求項６】
前記第１および第２のロータ配列が互いに対して前記角位置によってオフセットされている請求項１の装置であって、
前記駆動軸上に取り付けられた更なるステータであって、前記駆動軸は、前記更なるステータ内の駆動軸開口部を通って回転可能に軸支されており、更なるステータ配列が、前記更なるステータ上に取り付けられており、かつ前記少なくとも１つのステータの前記ステータ配列の前記第１の角位置と実質的に同一の角位置である前記駆動軸の周りの角位置を有している、前記駆動軸上に取り付けられた更なるステータと；
前記少なくとも第１および第２のロータの回転と同時に同期して回転するように前記駆動軸上に取り付けられた第３のロータであって、第３のロータ配列が前記第３のロータ上に取り付けられており、前記第３のロータ配列は、前記駆動軸に対して第３の角位置で前記駆動軸の周りに径方向に離間された磁石の第３の径方向に離間された配列を有しており、前記第３の角位置は、前記角度オフセットによって角度的にオフセットされており、その結果、前記第３のロータ配列は、前記角度オフセットによって前記第２のロータ配列に対してオフセットされており、前記更なるステータおよび前記第３のロータは、前記実質的に平行な平面に実質的平行である平面内にある、第３のロータと；
をさらに備える、請求項１の装置。
【請求項７】
前記第３のロータ配列は、前記第２のロータ配列から前記角度オフセットによってオフセットされており、かつ前記角度オフセットを２倍したものによって前記第１のロータ配列からオフセットされている、請求項６の装置。
【請求項８】
前記ロータ配列内の磁石は、磁石の対であり、前記磁石の対の各対は、前記各対のうちの一方の磁石を前記駆動軸に対して径方向内側にし、かつ前記各対のうちの他方の磁石を前記駆動軸に対して径方向外側にして、配置されている、請求項６の装置。
【請求項９】
前記磁石の各対が、前記駆動軸の径方向外側に延びる共通の半径方向軸に沿って位置合わせされている、請求項８の装置。
【請求項１０】
前記ステータ配列内の各コイルが、前記各コイルが前記駆動軸の径方向外側に延びる半径方向軸の周りに実質的に対称的に巻きつけられているように、位置合わせされている、
請求項９の装置。
【請求項１１】
前記磁石の各対が対応する前記各コイルを通過して回転される時に、前記磁石の各対の磁束が、前記対応する前記各コイルに直交するように端部を結合される、請求項１０の装置。
【請求項１２】
前記第１のロータ配列が前記第１のステータ配列を通過して回転される時、前記第１のロータ配列は、前記第１のステータ配列と少なくとも部分的に同一平面内にあり、かつ、前記第２のロータが前記第２のステータ配列を通過して回転される時、前記第２のロータ配列は、前記第２のステータ配列と少なくとも部分的に同一平面内にある、請求項１の装置。
【請求項１３】
前記第１のロータ配列が前記第１のステータ配列を通過して回転される時、前記第１のロータ配列は、前記第１のステータ配列と少なくとも部分的に同一平面内にあり、かつ、前記第２のロータが前記第２のステータ配列を通過して回転される時、前記第２のロータ配列は、前記第２のステータ配列と少なくとも部分的に同一平面内にある、請求項６の装置。
【請求項１４】
前記第１、第２および第３のロータと、前記第１および第２のステータと、前記更なるステータとが、共に、第１の発電機段を形成し、前記第１の発電機段と実質的に同一の複数の段が、前記複数の段内のステータに対して前記複数の段内のロータを回転するために、前記駆動軸上に取り付けられている、請求項７の装置。
【請求項１５】
前記ロータはロータプレートを含み、前記ロータ配列は前記ロータプレートに取り付けられており、前記ロータプレートは前記駆動軸上へ互いに直交するように取り付けられており、前記ステータはステータプレートを含み、前記ステータ配列は前記ステータプレートに取り付けられており、前記ステータプレートは前記駆動軸と直交している、請求項１の装置。
【請求項１６】
前記ロータはロータプレートを含み、前記ロータ配列は前記ロータプレートに取り付けられており、前記ロータプレートは前記駆動軸上へ互いに直交するように取り付けられており、前記ステータはステータプレートを含み、前記ステータ配列は前記ステータプレートに取り付けられており、前記ステータプレートは前記駆動軸と直交している、請求項６の装置。
【請求項１７】
前記ロータはロータプレートを含み、前記ロータ配列は前記ロータプレートに取り付けられており、前記ロータプレートは前記駆動軸上へ互いに直交するように取り付けられており、前記ステータはステータプレートを含み、前記ステータ配列は前記ステータプレートに取り付けられており、前記ステータプレートは前記駆動軸と直交している、請求項１４の装置。
【請求項１８】
前記取付手段は、前記各前記少なくとも第１および第２のロータと前記駆動軸との間に取り付けられたクラッチを含み、前記駆動軸は、選択的並進手段によって前記駆動軸を選択的に長手方向に並進させることによって、前記クラッチの各クラッチを前記駆動軸に沿って順次選択的に係合するための手段を含む、請求項１の装置。
【請求項１９】
前記各クラッチは、前記駆動軸と嵌合するようにした遠心クラッチであり、嵌合時には、前記駆動軸が、前記選択的並進手段によって長手方向に並進されて、第１に、前記クラッチの第１のクラッチと嵌合するための第１の位置に入り、第２に、続いて、前記クラッチの第２のクラッチとも嵌合するための第２の位置に入る、請求項１８の装置。
【請求項２０】
前記取付手段は、前記第３のロータと、前記各前記少なくとも第１および第２のロータと、前記駆動軸と、の間に取り付けられたクラッチを含み、前記駆動軸は、選択的並進手段によって前記駆動軸を選択的に長手方向に並進させることによって、前記クラッチの各クラッチを前記駆動軸に沿って順次選択的に係合するための手段を含む、請求項６の装置。
【請求項２１】
前記各クラッチは、前記駆動軸と嵌合するようにした遠心クラッチであり、嵌合時には、前記駆動軸が、前記選択的並進手段によって長手方向に並進されて、第１に、前記クラッチの第１のクラッチと嵌合するための第１の位置に入り、第２に、続いて、前記クラッチの第２のクラッチとも嵌合するための第２の位置に入り、第３に、続いて、前記クラッチの第３のクラッチとも嵌合するための第３の位置に入る、請求項２０の装置。
【請求項２２】
前記第１のロータおよび前記第１のステータと、前記第２のロータおよび前記第２のステータとが、ロータ／ステータ対を形成しており、前記第１および第２のロータは、前記角度オフセットによって角度的にオフセットされ、かつ更なるロータおよびステータ対を有して発電機内へ取付可能であり、前記更なるロータおよびステータ対内のロータが連続して角度的にオフセットされる、請求項１の装置。
【請求項２３】
前記ロータおよびステータ配列が等しく径方向に離間されている、請求項１の装置。
【請求項２４】
前記ロータおよびステータ配列が等しく径方向に離間されている、請求項６の装置。
【請求項２５】
前記取付手段は、前記第３のロータと、前記各前記少なくとも第１および第２のロータと、前記駆動軸と、の間に取り付けられた、堅固な取付物であり、連続した前記段内の前記ロータ配列上の前記電気巻線は、選択的前記巻線のための開回路と前記選択的前記巻線のための閉回路との間で、選択的に給電されることができ、前記駆動軸を回転させるための回転抵抗は、前者の場合には低減され、後者の場合には増大される、請求項６の装置。
【請求項２６】
前記第１および第２のロータ配列は、互いに対して前記角度オフセットによって角度的にオフセットされている、請求項１の装置。
【請求項２７】
前記第１および第２のステータ配列は、互いに対して前記角度オフセットによって角度的にオフセットされている、請求項１の前記装置。
【請求項２８】
前記第１および第２のロータ配列は、前記角度オフセットの第１の角部分によって、互いに対して角度的にオフセットされており、前記第１および第２のステータ配列は、前記角度オフセットの第２の角部分によって、互いに関連して角度的にオフセットされている、請求項１の装置。
【請求項２９】
前記第１および第２の角部分は、一まとめにすると実質的に前記角度オフセットになる、請求項２８の装置。
【請求項３０】
前記磁石が永久磁石ならびに電磁石である請求項２の前記装置。
【請求項３１】
前記磁石は、間に強磁性材料を有した状態で両極に位置する２つのより小さな磁石を備え、これらの磁石の極性は互いに反対である、請求項２の装置。
【請求項３２】
前記磁石には、両極の間の中間部に磁石ワイヤのコイルが装着されており、その結果、電流が前記コイルに印加された場合には前記磁石が電磁石としても機能することができる、請求項２の装置。
【請求項３３】
前記磁石は、ワイヤコイル８３を所定の場所に保持するためにボビンを使用する、請求項２の装置。
【請求項３４】
前記単一の磁石が使用されており、この単一の磁石は、ハウジング材料内に格納されて、その結果、より大きい磁石を生成してその磁界特性を有しており、磁石ワイヤのコイルは、前記強磁性ハウジング材料の中間領域内の磁石の上になど、前記中間セクションの周りに巻きつけられている、請求項２の装置。
【請求項３５】
関連する負荷情報を評価するように設計された前記装置に取り付けられた回路を含む、請求項１の装置。
【請求項３６】
関連する原動機情報を評価するように設計された回路を含む、請求項１の装置。
【請求項３７】
関連する原動機および負荷情報を評価するように設計された回路を含む、請求項１の装置。
【請求項３８】
回路であって、各段がモニタされ、適切であると考えられる場合には、更なる段が制御システムによって増減され、エネルギー源の可用性および既存の発電機段の現在の動作条件によって、これらの複数段の係合または解除が決定される、回路を含む、請求項１の装置。
【請求項３９】
電気回路を係合または解除することにより、ソースを負荷に合わせるように設計された、高速半導体スイッチングシステムに接続されたアルゴリズムマイクロプロセッサを含む、請求項１の装置。
【請求項４０】
信号がグリッド統合のために適していることを確実にするために、半導体スイッチングシステムとグリッドとの間に調整エレクトロニクスを含む、請求項３９の装置。
【請求項４１】
パルス波変調器を含む、請求項１の装置。
【請求項４２】
前記発電機がそれ自体のギヤボックスとして機能する、請求項１の装置。
【請求項４３】
統合された電気的遮断システムを含む、請求項４２の装置。
【請求項４４】
流出エネルギーを回避するようなやり方で前記ロータの回転速度を制御する制御手段を含む、請求項４２の装置。
【請求項４５】
前記発電機が、前記発電機内に係合された独立したコイルの数を増減するプロセスを使用して、システムに、タービンの回転速度を制御する効率的なギヤボックスシステムとして機能させることができる、請求項４４の装置。
【請求項４６】
前記発電機は、誘導のプロセスを通して前記ロータの回転に抵抗を加える、請求項４２の装置。
【請求項４７】
前記発電機は、システムから段を電気的に取り外すプロセスを通して、前記ロータの回転に対する抵抗を取り除く、請求項４２の装置。
【請求項４８】
複数のステータ極と抵抗制御システムとによる原動機ロータへの直結接続を有する、請求項４２の装置。
【請求項４９】
段状内部発電機が、前処理エレクトロニクスと結合されている、請求項４２の装置。
【請求項５０】
１段は、所望の出力によって決定される単一のコイルまたは多数のコイルである、ステータおよびアーマチュアアセンブリを有する、請求項１の装置。
【請求項５１】
前記コイルが並列に接続されている、請求項５０の装置。
【請求項５２】
前記コイルが直列に接続されている、請求項５０の装置。
【請求項５３】
等距離の間隔で径方向に離間された配列を有する単一の円板のコイルを用いて達成される前記段に前記コイルが接続されている、請求項５０の装置。
【請求項５４】
前記段の間隔が非対称である、請求項５０の前記装置。
【請求項５５】
非対称の配列を使用することにより、２つ以上の相が、単一のステータおよびアーマチュアアセンブリから生成され得る、請求項５０の装置。
【請求項５６】
突極誘導コイルの様々な寸法が、望ましいシステム性能を生成するために使用される、請求項１の装置。
【請求項５７】
数多くの個々の誘導コイルに分割された３つのステータ配列の構造を有し、各ステータ配列が、三相出力信号を生成するようなやり方で機械的にオフセットされている、請求項１の装置。
【請求項５８】
前記ステータ配列からの複数のコイルが、共に接続されて、多数のより小さい独立した誘導段を生成し、その誘導段のそれぞれが、グリッド統合のために適切な完全な三相正弦波を有し、これらの段のそれぞれが、他の全ての段と同一の出力特性を生成する、請求項１の装置。
【請求項５９】
単一の円板上の磁石およびコイルが、釣り合いがとれた多相出力を生成するようなやり方でオフセットされており、前記ステータは、誘導コイルの２つ以上の寸法を有することができる、構造を有する、請求項１の装置。
【請求項６０】
前記アーマチュア円板が回転し、はずみ車として機能する役目をする、請求項１の装置。
【請求項６１】
前記はずみ車は、運動エネルギーを蓄え、タービンの回転速度の減速のための機構を提供し、したがって、ソースエネルギーおよび負荷の突然の変化を円滑にする、請求項６０の装置。
【請求項６２】
個々のコイル、または単一段のことである一連のコイルの完全性をチェックすることができ、その後、各段の完全性をその係合の前に確実にすることをチェックするシステムにより故障電流が生成されることを通して、段の係合が達成される、システムエレクトロニクスを有する、請求項１の装置。
【請求項６３】
故障がコイル巻線内に生じると、その故障は処理回路によって孤立した故障として処理される、処理回路を有する、請求項１の装置。
【請求項６４】
検出された故障を孤立させる故障検出システムを含む、請求項１の装置。
【請求項６５】
前記システムが、誘導プロセスを、したがって、前記磁石が前記誘導コイルを通過する際に生成される前記出力信号を、機械的に操作する、請求項６４の装置。
【請求項６６】
前記誘導プロセスが、磁界特性と誘導コイル極との間の空隙をこれらの極の特定の領域で変化させることにより、コイルコアを通過する磁界強度を操作する、請求項１の装置。
【請求項６７】
磁石極と誘導コイル極との関係が操作されて、所望の出力正弦波形状を生成し、極の変更が磁石の極または誘導コイルの極または両方に行われ得、かつ極の端部を成形することにより、磁界がより漸進的でより急激でなく接近することができるようになる、請求項６６の装置。
【請求項６８】
空隙を増減することができるように、外側およびまたは内側の磁石が調整され得る、請求項１の装置。
【請求項６９】
様々な出力電圧を生成するために、コイルの様々な組合せを選択することができる、請求項１の装置。
【請求項７０】
ピンまたは他の電気接点が、用途のための様々な動作電圧の選択を可能にするようなやり方で、ケーシングの周りに配置され得る、請求項１の装置。
【請求項７１】
コイル接点の向きは、作業者が、装置が発電機として機能している場合には、生成される結果として生じる電圧を決定できるように、または、装置がモータとして機能している場合には適切な入力電圧を決定できるように、選択され得る、請求項７０の装置。
【請求項７２】
前記ハウジングのために非金属材料が使用される、請求項１の装置。
【請求項７３】
高出力可変入力モータとして機能する、請求項１の装置。
【請求項７４】
前記モータは、モータとして機能することができる段もあれば、解除され、作動していないままの段もある、多数の段を備える、請求項７３の装置。
【請求項７５】
前記モータは、組み込まれたはずみ車効果を有し、いくつの段が閉回路を有して実際に係合されているかに関わらず、全てのロータが常に回転していることができる、請求項７３の装置。
【請求項７６】
任意の数の段が発電機として機能することができる一方で、任意の数の交互の段がモータとして機能することができる、請求項７３の装置。
【請求項７７】
前記発電機は、目標電圧を達成するために前記コイルの配置を動的に制御する、請求項１の装置。
【請求項７８】
２つの磁石と、２つの界磁コイルと、を閉ループ構造内に備え、したがって、磁束のための完成された通路を可能にし、前記磁石は馬蹄形の形であり、両方の磁石の極は互いに対向しており、誘導コアであって、磁石の極と位置合わせされると両磁石と両コイルとを通る磁束のための閉ループ経路を生成する、誘導コアがあり、アーマチュア円板が、ステータの誘導コイルと共に多くの閉磁束通路誘導を生成する、多くの径方向内側および外側の磁界特性を有する、装置。
【請求項７９】
前記内側および外側の磁石が同様の寸法である、請求項７８の装置。
【請求項８０】
前記内側および外側の磁石が同様の寸法でない、請求項７８の装置。
【請求項８１】
前記内側または外側の磁石が強磁性材料である、請求項７８の装置。
【請求項８２】
電磁石が磁石のために使用される、請求項７８の装置。
【請求項８３】
ハイブリッド磁石が磁石のために使用される、請求項７８の装置。
【請求項８４】
永久磁石、電磁石または強磁性材料の組の１つまたは複数が、前記磁束通路を完成するために使用される、請求項７８の装置。
【請求項８５】
単一のアーマチュアおよびステータアセンブリ内の段を有し、前記アーマチュアは、単一のステータ配列と相互作用する単一のアーマチュアから多数の相が生成され得るように、非対称なやり方で内外の磁気アセンブリを有しており、力を釣り合わせる所望の効果は、力を釣り合わせるためにオフセットされた３つのアーマチュアまたはステータによって達成されるのと同様に、依然として達成される、請求項７８の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機の分野に関し、より詳しくは、段状千鳥配列の多相複数コイルを有する発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電気モータは、回転運動または直線運動を生成するために磁力を採用している。電気モータは、電流を運ぶ導体が磁界内に置かれている場合、磁力が導体に及ぼされ、結果として運動を生じる、という原理で動作する。従来の発電機は、磁界の運動により動作し、それによって、磁界内に位置する導体内に電流を生成する。従来のモータと発電機との間の関係の結果、従来の発電機技術は、例えば電気モータの動作を逆転させることなどによって、主に電気モータ設計を改良することに焦点を合わせてきた。
【０００３】
電気モータの従来の設計においては、誘導システムのコイルに電流を加えることにより、磁界と導線の相互作用から力が生成される。この力は、軸を回転させる。従来の発電機の設計は、これと反対である。軸を回転させることによって、電流が導体コイル内に生成される。しかし、電流は軸を回転させている力に対抗し続ける。軸の速度が増大するにつれて、この抵抗力は増大し続け、したがって発電機の効率を低減する。ワイヤが軟鉄コア（強磁性）の周りにコイル状に巻きつけられている発電機においては、磁石はコイルによって引っ張られ得、電流がコイル線内に生成される。しかし、このシステムでは、コイルの軟鉄コアから磁石を引き離すためには、磁石が通過することによって電気の形で生成されるエネルギーより多くのエネルギーが必要とされる、という物理的現実のために、効率的な発電機が生成されない。
【０００４】
その結果、磁石がコイルから引き離されている間に殆ど抵抗がないように、磁気抗力が実質的に低減され得る発電機が、必要とされている。さらに、発電機上に生成される磁気抗力の影響を最小にする発電機が必要とされている。従来技術において、本出願人は、１９８９年１１月７日付けでＨｕｓｓに下付された米国特許第４８７９４８４号「交流発電機および交流発電機のロータの相対的な位置を角度で調整する方法（Ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ａｎｇｕｌａｒｌｙ  Ａｄｊｕｓｔｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｒｅｌａｔｉｖｅ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｓ  ｏｆ  Ｒｏｔｏｒｓ  Ｔｈｅｒｅｏｆ）」を知っている。Ｈｕｓｓは、共通軸の周りで１対のロータを互いに対して角度で調整するアクチュエータを説明している。この発明は、発電機の負荷が変動する際の電圧制御の問題を解決するとして説明されており、二重永久磁石発電機の出力電圧が、２つのロータを同相と違相にシフトすることによって制御されるとして説明されている。
【０００５】
本出願人は、また、１９８５年８月１３日付けでＡｖｅｒｙに下付された米国特許第４５３５２６３号「複数のユニットを有し、それぞれが永久磁界装置と極を生成するための巻回されたアーマチュアとを含む、電気直流モータ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｄ．Ｃ．  Ｍｏｔｏｒｓ  ｗｉｔｈ  ａ  Ｐｌｕｒａｌｉｔｙ  ｏｆ  Ｕｎｉｔｓ，  Ｅａｃｈ  Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ  ａ  Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔ  Ｆｉｅｌｄ  Ｄｅｖｉｃｅ  ａｎｄ  ａ  Ｗｏｕｎｄ  Ａｒｍａｔｕｒｅ  ｆｏｒ  Ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ  Ｐｏｌｅｓ）」を知っている。この参照文献では、Ａｖｅｒｙは、共通軸上にそれぞれのロータを封入している離間されたステータを有する電気モータを開示しており、この電気モータでは、周方向の、離間された永久磁石が、ロータ上に取り付けられており、ステータ巻線が、隣接するステータスロットに関して角度的にオフセットされており、その結果、磁石がステータスロットを通過する際に生じるコギングが、違相となり、したがって、実質的に相殺される。
【０００６】
本出願人は、また、１９８４年１０月１６日付けでＬｕｘに下付された米国特許第４４７７７４５号「ディスクロータ永久磁石発電機（Ｄｉｓｃ  Ｒｏｔｏｒ  Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  Ｍａｇｎｅｔ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）」を知っている。Ｌｕｘは、内側および外側のステータコイルの間に磁石を通過させるためにロータ上に磁石の配列を取付けることを、開示している。内側および外側のステータは、それぞれ、複数のコイルを有し、その結果、ロータの各回転につき、より少ない、より離間された磁石を有する外側のコイルを担持しているステータのみを有する標準的な従来技術の発電機におけるよりも、より多くの磁石がより多くのコイルを通過する。
【０００７】
本出願人は、また、１９８１年１２月８日付けでＷｈａｒｔｏｎに下付された米国特許第４３０５０３１号「回転式電気機器（Ｒｏｔａｒｙ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｍａｃｈｉｎｅ）」を知っている。Ｗｈａｒｔｏｎは、永久磁石ロータの発電機を使用すると、変動する外部負荷および軸速度下で出力電圧を調整する際に困難が生じる、という問題に取り組むものだと主張しており、したがって、円周上に離間された複数の第１の永久磁石極片と円周上に離間された複数の第２の永久磁石極片とを有する、ロータを提供することによって、永久磁石の相対的な位置をサーボ制御することを説明しており、ここでは、サーボが、第１および第２の極片の間に相対的な運動を引き起こし、ステータ巻線がロータを包囲している。
【０００８】
さらに、既存の発電機システムは、機械エネルギーを電気エネルギーに変換することにおいて比較的効率的である一方、これらの既存のシステムは、「効率的な」動作範囲の幅が狭く、多くの用途に対し有用性を最大にするために必要とされる固有電力密度が不足している。既存のシステムは、１つの「スイートスポット」または１つの効率的な動作のモードしか有さない。その結果、これらの技術には、原動機エネルギー源が連続的に変化している時に機械エネルギーを効率的に電気エネルギーに変換することが求められる。
【０００９】
多くの典型的なシステムのための「スイートスポット」は、約１８００ｒｐｍである。この速度で、発電機は運動エネルギーを効率的に電気に換えることができるが、この最適範囲外の速度では、これらのシステムは、適合することができず、したがって、エネルギー収集システム（すなわちタービン）または信号処理回路が補正を行わなければならない。補正の方法は多数あり、単にロータを減速するためにタービンブレードを風（巻き上げや縦揺れ）から離すことや、風速が発電機の最適運転範囲未満の場合に伝動装置機構が補正を行う、ということであってもよい。これらの方法は、すべて、予測可能かつコンスタントに動作する原動機を模索しつつ、常に変化するエネルギー源に発電機を合わせようと努力することで、エネルギーを浪費している。
【００１０】
したがって、これらの従来の発電機は、運転範囲が制限されているため、高い成績係数を維持することができない。エネルギーを機械的に流出させること（すなわち、浪費される出力）によって、過剰なエネルギー（風力エネルギーが域値を超える場合）に対処できるタービン能力を拡大するために、広範囲にわたる努力がなされてきた。逆にいえば、入力エネルギーが域値未満である場合には、現在の発電機は、作動できないか、または非効率的に作動する（すなわち、入力が浪費される）。殆どの努力は、これまで、機械的入力バッファ（ギヤボックス）または電子出力バッファ（制御）のいずれかに焦点を合わせてきたが、開発コストおよび複雑さならびに非効率性および増大する作業費用という両面から、コストが高くついてきた。
【００１１】
その結果、「スイートスポット」を２つ以上有する適合可能な発電機システムが必要とされている。本システムは、原動機および負荷に合わせることが可能であり、その結果、ソースエネルギーが変化しているまたは負荷要件が変化している環境で、発電の効率を増大することができる。
【００１２】
本出願人は、産業界が２つ以上の「スイートスポット」を有する発電機を造ろうとしていることを知っている。例えば、ＷｉｎｄＭａｔｉｃシステム（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｏｌａｒｄｙｎｅ．ｃｏｍ／ｗｉｎｌ５ｓｗｉｎｆａｒ．ｈｔｍｌ）  は、２機の個別の発電機を利用し、より広範囲の風速を捉えようとしている。この二重の発電機設計が動作帯域を広げることが判っているものの、所定の重量に対する全体の出力は、開示された多相複数コイル発電機（Ｐｏｌｙ−Ｐｈａｓｉｃ  Ｍｕｌｔｉ−Ｃｏｉｌ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ：ＰＰＭＣＧ）より低いであろう。本ＰＰＭＣＧは、たった２つの個別のスイートスポット可能にするために２機の個別の発電機を必要とするのでははく、単一のユニット内に多数の発電機（例えば１８機）を本質的に組み合わせている。加えて、ＷｉｎｄＭａｔｉｃシステムでは、これらの２つの発電機システムが、更なる伝動装置とハードウエアとを介して、組み合わせられかつ制御されている。したがって、２つの個別の発電機を利用する設計は、ＰＰＭＣＧ設計よりも、更なる構造／材料費ならびに更なる保守費用が必要であると思われる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
多くの用途にとって、発電機の出力対重量の関係は、最も重要である。発電機の固有電力密度を増大することは、発電機設計者の主たる目下の焦点である。この提案された発電機は、「閉磁束通路誘導」と呼ばれる独特の設計特性を通してこの問題に取り組んでいる。
【００１４】
本多相複数コイル発電機（ＰＰＭＣＧ）設計においては、磁界特性と誘導コイルとに関するその独特の内部の幾何学的配置のために、閉磁束通路誘導（ＣＦＰＩ）技術が可能である。結果として、従来システムより低減された漏れ磁束とより効率的な誘導プロセスが得られる。
【００１５】
発電機システム内の磁界の強度（電磁束密度）が電気出力の大きさを決定することは、周知である。したがって、最適システムであれば、誘導コイル極で最も強い磁界密度を確実にし、その一方で、様々な発電機構成部品内に望ましくない電流を生成して熱の形でエネルギーを浪費する漂遊磁界（漏れ磁束）や、漂遊電流を最小にするであろう。これらの問題は、開示された本発電機システムが取り組んでおり、この発電機システムは、所望される場合には磁束密度を最大にし、その一方で同時に、望ましくない漏れ磁束を低減する。
【００１６】
閉磁束通路誘導は、磁束線が移動するための高透磁率の通路を提供する。閉磁束通路の一般的な例としては、保磁子を有する簡単な馬蹄形磁石が挙げられる。保磁子は、磁界が一方の磁極から他方の磁極まで動く際に、磁界の通路を閉じるように作用する。
【００１７】
磁石は、それら自体の直近の環境に浸透する拡散磁界を有する。一方の極を去る磁束線は、対極に戻らなければならない。磁束線によって誘導される有効磁界は、その磁束線が通る通路に依存する。磁束線が低透磁率（大気）の媒体を通って遠距離をカバーしなければならない場合には、比較的弱い磁界になる。磁束線が、高透磁率（強磁性材料）の材料を通過することができる場合には、より強い磁界が生成され、漏れはより少なくなる。
【００１８】
一例として、小さいボタン磁石は、クリップの近くに保持された場合には、容易にクリップを拾い上げることができるが、複数のクリップの間に等距離で保持された場合には、大気の透磁率が極めて低いのでほとんど効果がない。クリップが磁石と更なるクリップとの間に置かれた場合には、両方のクリップが拾い上げられ得る。第１のクリップが磁石のための高透磁率の通路として機能し、少し離れた距離の磁界の強度を効果的に増大するのである。
【００１９】
馬蹄形磁石の強度は、この効果に起因する。馬蹄形磁石で金属片を拾うと、馬蹄形磁石は、高透磁率の材料でＮ極とＳ極を接続することによって、磁気の通路を完成する。高透磁率の通路を提供することの二次効果は、漏れ磁束が低減されるということである。
【００２０】
漏れ磁束は、望ましくない磁界として定義される。すなわち、所望の対象物（発電機内の誘導コイル）に収束しない磁界である。漏れ磁束は、発電機にとっては問題である。なぜなら、漏れ磁束は、結果的に、所望される場合に誘導コイル極においてより弱い磁界強度をもたらし、システム効率を低減する渦電流などの望ましくない効果を発生させるからである。
【００２１】
従来の発電機は、発生した大きい磁界が効率的に利用され得るように、ケースまたはキャップとして高透磁率材料を利用することによって、上述の問題に対処することを試みてきた。残念ながら、高透磁率を有する材料もまた非常に重く、発電機の重量対電力比を著しく低減する。加えて、これらのシステムは、ＰＰＭＣＧが成功したような、完全に孤立化されかつ制御された誘導プロセスを確立するのに成功していない。
【００２２】
多くの従来の電磁誘導発電機システムは、励磁システムを利用する。これは、必要な磁界を生成するためには、電磁石を励磁するために電流が必要であるからである。これは、一次システムと同一のロータに取り付けられた更なるより小型の発電機を用いて行われることがしばしばであり、その結果、ロータが回転するにつれて電流が一次システムの電磁石内に生成されるようになっている。初期に必要な電荷を生成するために、蓄電システムを利用する他のシステムがある。これらのシステムは、永久磁石システムほど効率的でない。これは、発電機によって生成された一定量の出力電力が、機能するためにはそれ自体の電磁石に戻されなければならないからであり、したがって、効率が低減される。加えて、ＰＭシステムは、電磁システムより、単位重量につき、より強い磁界強度を提供する。残念ながら、発電機がより大きくなるにつれて、永久磁石はより扱いにくくなる。したがって、メガワット範囲のより大きいシステムは、ほとんど全て電磁誘導システムである。本ＰＰＭＣＧシステムは、複合型の磁気システムを使用することで、ＰＭ機械および電磁励磁「誘導」発電機の両方の利点を提供する。
【００２３】
ハイブリッド磁石もまた、単なる永久磁石の強度を越えてさらに磁界の強度を増大するために、ＰＰＭＣＧに利用され得る。このハイブリッド磁石は、磁界強度と磁界に対する制御性とを最大にするように永久磁石を埋め込んだ、電磁石である。
【００２４】
電圧は磁界を通過する導体の長さに依存するので、各相の全導体長を選択することは、電圧を選択することである。この独特のＰＰＭＣＧ設計では、発電機は、異なる電圧出力を有して様々なシステムとして機能するように、容易に変更され得る。ピンまたは他の電気接点は、使用者または製造者が、互いに関し選択された角位置で隣接層を接続することによって、モータまたは発電機の動作電圧を選択することができるようなやり方で、ケーシング付近配置され得る。角位置は、作業者が、それが発電機として機能している場合には、生成される結果として生じる電圧を決定することができるように、モータとして機能している場合には、適切な入力電圧を決定することができるように、選択され得る。例えば、同一の機械が、１２０ボルト、２４０ボルトまたは４８０ボルトで運転され得る。
【００２５】
従来の発電機システムは、後処理パワーエレクトロニクスシステムを利用する。この後処理パワーエレクトロニクスシステムは、内標準電力信号を生成し、次いで、タービンブレードピッチを変更したり、ロータを駆動する伝動比率を変化させたりするなど、他のシステムパラメータを操作することにより、内標準電力信号を「補修する」しようとするものである。信号を、それが生成された後で補修することを試みるこの後処理は、効率が悪く、また、グリッドと同期させるために出力が直流に変換されまた交流に戻されるという、非同期機能を必要とすることがしばしばである。これは、相当な損失が反転プロセス内で発生する、非効率的なプロセスである。
【００２６】
その結果、より機能的な処理システムが必要とされている。ＰＰＭＣＧ「前処理」パワーエレクトロニクスは、ＰＰＭＣＧシステムにとって重要な要素である。これには、不十分な信号を生成し、次いで、その信号を従来の「後処理」エレクトロニクスで補修しようとするのではなく、生の形で所望の出力信号を生成できるという大きな利点がある。ＰＰＭＣＧ発電機の各段は、「前信号」処理回路によってモニタされる。この回路は、独立の発電機段を同時に増減させることにより、装置が、出力電圧およびシステム抵抗をグリッド要件と調和させることができるようにする。ステージングシステムがコース制御を提供する一方で、エレクトロニクスシステムは、確実にグリッド許容差が満たされ、かつ継ぎ目のない統合が達成されるために必要とされる、ファイン制御を提供する。段がシステムに対して増減される際に円滑なファイン制御が確実に行われるように、様々な機構が採用され得る。そのような機構の１つが、パルス波変調器であり、これは、所望の発電機動作を維持しつつ、段に出入りするパルスを送る。
【００２７】
システムの各段からの電流は、前信号処理回路によってモニタされる。この前信号処理回路は、すぐに利用できる情報に基づき、どのシステム構成が最も有益であるかを決定する。タービン（原動機）が適切な運動量に達すると、前信号処理回路が第１の段を係合する。各段はモニタされ、エネルギー源の可用性と既存の係合された段の現在の動作条件とに従い、制御システムによって更なる段が増減される。
【００２８】
電気技師にとっての更なる大きな課題は、従来のギヤボックスの必要性をどのように排除するか、ということである。多くの既存の発電機は、高速で最も良く作動し、段階的に切り替えるギヤボックスを必要とする。これらのギヤボックスは、高価であり、振動、ノイズおよび疲労にさらされ、継続的な保守と潤滑油の注入が必要である。ギヤボックスの負の影響は、相当に大きい。おそらくより重大なことは、ギヤボックスにより、低風速で発電機が機能することができるということであるが、風速が低い場合、システムは、貴重な風力エネルギーを無駄にする余裕はないということである。
【００２９】
直結ギヤボックスの利点は、大きい。多くの従来システムでは、全出力の５％までがギヤボックスで失われる。加えて、ギヤボックスは、費用が高くつき保守に手間のかかる構成部品の代表であり、発電機コンポーネントほどの重量があることがしばしばである。ギヤボックスは、発電機システムにおいては弱連結部分であり、望ましくない重量や費用を加え、かつシステム全体の効率を低減する。
【００３０】
従来の設計とは対照的に、本ＰＰＭＣＧ技術は、性能を妨げるギヤボックスやそれに付随する損失のない、「直結」構造によく適している。ＰＰＭＣＧは、機械的な伝動装置によって機能するのではなく、ロータに抵抗を印加することによって適切な速度を維持し、それ自体のギヤボックスとして効果的に機能する。ロータで必要とされる抵抗は、システムエレクトロニクスによって決定され、かつ適切な数の完全な発電機の段を係合させることによって生成される。本質的に、ロータ回転を制御するために貴重なエネルギーを流出してしまう機械システムとは異なり、ロータ速度は、電力を生成するプロセスを通して生成される抵抗によって、（所定の域値まで）制御される。
【００３１】
ＰＰＭＣＧ技術の複数極ステータ磁界により低速動作が可能になり、その結果、システムは、全体のシステム性能を妨げる従来のギヤボックスなしで、効果的に機能することができる。ロータが１回転すると、各コイルは、（１ステータにつき１８のコイルがあると仮定した場合）１８回誘導される。したがって、ステータ上に１つのコイルがあろうと１００のコイルがあろうとそれに関わらず、各コイルは、同一のステータ上にある他の全てのコイルと同一の頻度で、電気を生成する。新たなコイルが１つ追加される度に、各ステータ上の全てのコイルで一貫した出力信号が生成される。３つのステータ配列が適切にオフセットされている場合（すなわち１２０度ずつ）、機械的構造が、出力信号は同期三相信号であると決定する。
【００３２】
近年、ギヤボックスの必要性を排除し、タービンを発電機ロータに「直結」する、いくつかの代替概念が提案されてきた。これらのシステムのための課題は、発電機が、効率的に機能するためには、コンスタントかつ予測可能に動作する原動機を依然必要としているということである。したがって、これらの直結発電機の機能は、発電機の速度を制御するための不適切な補償法のために、損なわれる。誘導発電機の出力は、ロータコイルを通る電流の流れを変動させることによって制御され得る。誘導発電機は、この出力電力の一部を用いてロータコイルを励磁することによって電力を生成する。このロータコイルを通る電流を変動させることによって、発電機の出力が、制御され得る。この制御法は「二重供給」と呼ばれ、誘導発電機が非同期変速機として作動できるようにするものである。定速システムに勝るいくつかの利点を提供する一方で、この種の発電機は高価であり、出力を調整するプロセスにおいて相当な損失が発生する。
【００３３】
既存の「変速」発電機の大きな限界は、追加コストとパワーエレクトロニクスの複雑さである。出力をグリッドと両立するように調整するために、また、発電機がピーク効率で作動していることを確実にするために、パワーエレクトロニクスが必要である。これらの変速発電機は、発電機の可変交流出力を直流に整流し、次いで、グリッド同期させた交流に逆転させることによって、機能する。この方法は、（高価な）高性能シリコンの使用を必要とし、出力電流を変換し逆転する（すなわち、交流から直流、また交流へ）プロセスにおいて損失が発生する。
【００３４】
ＰＰＭＣＧ技術は、入力源と共にシフトし、より広範囲のより多くのエネルギーを捉え、機械的な干渉の必要性と、結果として生じる浪費エネルギーとを低減する。この自己調整ユニットは、入力エネルギーと負荷とが変動するにつれて段を増減させるため、複雑で高価なギヤボックスやパワー制御の必要性を低減する。
【００３５】
既存のシステムに関する更なる別の課題は、故障制御システムである。既存のシステムでは、システムの全出力は、常にパワーエレクトロニクスによって管理されなければならず、故障が生じた場合、故障電流は、パワーエレクトロニクスコンバータの限られた過負荷能力のために、極めて問題となる。従来システムでは、故障が生じた場合、システムは、直ちにシャットダウンされなければならない。さもなければ、相当な損害が発電機に生じ得る。
【００３６】
故障は、ここでは短絡として定義される。短絡が生じた場合、インピーダンスが低減されるため、同期発電機の出力電流は大幅に増大する。大電流は、装置を損傷する可能性があり、したがって、故障した構成部品をシステムから取り外し、低インピーダンス電流路を無効にすることによって、できるだけ早く低減されなければならない。しかし、大電流はまた、短絡が存在することを示す明白な指標でもある。したがって、故障電流は、一方では、装置損傷につながり得るため望ましくないが、他方では、故障状態と正常状態とを見分ける極めて重要な指標である。
【００３７】
ＰＰＭＣＧは、独特かつ有益な故障制御機構を採用している。内部故障がＰＭ発電機内に発生すると、発電機が止められるまで、故障した巻線はエネルギーを引き出し続ける。高速発電機では、これは、電気的および機械的構成部品に更なる損傷を発生させるのに十分長い時間となり得る。これはまた、近傍で作業している人にとっては、安全上の問題を意味し得る。他方、誘導発電機は、２、３ミリ秒内に逆励起によって安全にシャットダウンされ、危険な状態やユニットへの損傷の可能性を防止する。どちらのシナリオにおいても、システムは、修理され得るまで完全にシャットダウンされなければならず、電力が最も必要とされる極めて折の悪い時に望ましくないダウンタイムもたらす可能性がある。
【００３８】
ＰＰＭＣＧ技術では、より小さい扱いやすいセクションに出力電流を分割することで、ステータ巻線における故障の負の影響を著しく低減する。単一の３コイルサブシステムすなわち段状要素によって、はるかに少ない電流が生成されるため、システム故障は局所化される。故障は依然処理されなければならないが、損傷は回避され得、安全上の問題は低減される。提案した「前処理」回路の利点のうちの１つは、故障コイルからの電流を利用することを簡単に回避することができることであり、その一方で、残りのコイルは機能し続けることができる（実際、三相システムで故障があった場合には、３つのコイルがシャットダウンされる必要がある）。
【００３９】
多くの既存のシステムにとっての更なる課題は、これらのシステムが、グリッド統合のために必要とされる出力周波数に合わせるために、正弦波形を大きく操作する必要のない生の信号を生成することができない、ということである。多くの従来システムでは、界磁鉄心の極を「成形」することは、とても利用できるオプションではなく、したがって、所望の波形と整合するように電力を調整するしかない。
【００４０】
対照的に、本ＰＰＭＣＧシステムは、界磁コイルから直接、生の信号として、正しい位相の正弦波を生成する。システムによって生成されたこの正弦波は、内部の幾何学的配置のため、発電機によって生成された波形を成形することができる独特の設計属性によって、操作され得る。このことは、特に重要である。なぜなら、ほとんどの従来システムの正弦波は、グリッドシステムと適切に同期するためには、相当な調整を必要とするからである。これらのシステムは、通常はより望ましくない「非同期」機械として機能しなければならない。
【００４１】
ＰＰＭＣＧの更なる独特かつ有利な要素は、アーマチュア円板の釣り合いのとれた段の塊が回転し、はずみ車として機能する役目をすることである。これにより、回転速度の突然の望ましくない変化が安定化され、システムの動作が円滑になる。
【００４２】
種々のエネルギー源を利用する更新可能なエネルギーシステムが機能するように正の影響を与えることに加えて、開示された本発電機は、また、従来の更新不能なシステムに大きな価値を与えることが判明するであろう。例えば、１つの効率的な動作状態を有する多くの従来システムは、消費者の電力要求を満たすのに必要とされるよりもはるかに多くの燃料を利用するであろう。開示された本発電機システムでは、発電機は、消費者の現在の要求だけを満たすために、正しい大きさの発電機になるよう、発電機自体の構成を変更し、したがって、所要動力が従来システムのための定格速度未満になるので、燃料を保存することができる。
【課題を解決するための手段】
【００４３】
要約すると、本多相複数コイル発電機は、駆動軸と、駆動軸の回転と同時に同期して回転するように駆動軸上にしっかりと取り付けられた少なくとも第１、第２および第３のロータと、第１および第２のロータの間に挟まれた少なくとも１つのステータと、を含む。ステータは、駆動軸が回転可能に軸支される開口部を有する。ステータ上のステータ配列は、駆動軸の周りに第１の角位置でステータに取り付けられた、導電性コイルの径方向に離間された配列を有する。このステータ配列は、駆動軸の周りに径方向に離間されており、限定を意図するものではないが、等しく径方向に離間され得る。ロータおよびステータは、実質的に平行な平面内にある。第１、第２および第３のロータは、それぞれ、第１、第２および第３のロータ配列を有する。第１のロータ配列は、駆動軸に対して第１の角位置で、駆動軸の周りに径方向に離間された磁石の、第１の径方向に離間された配列を有する。第２のロータ配列は、駆動軸に対して第２の角位置に、第２の等しく離間された磁石の配列を有する。第３のロータ配列は、駆動軸に対して第３の角位置に、第３の等しく離間された磁石の配列を有する。限定を意図するものではないが、ロータ配列は、等しく径方向に離間されることができる。第１および第２の角位置は、角度オフセットによるオフセットであり、その結果、第１および第２のロータ配列は、互いに対してオフセットされる。径方向に離間されたステータおよびロータ配列は、これらが等しく径方向に離間されているという対称性を有さずに構成され得、なおかつ機能することができる。
【００４４】
角度オフセットがこのようにつけられているので、駆動軸およびロータが、ステータに対して回転するようにロータの回転の方向に回転されるにつれて、第１のロータ配列の磁石の引力が、ロータの回転の方向にあるステータ配列内の対応する次の隣接するコイルの方へ、第１のロータ配列の磁石を引きつけ、その結果、第２のロータ配列の磁石に印加された、遠退いていく力と実質的に釣り合いかつこれを提供して、ステータ配列内の対応する通過した隣接するコイルから第２のロータ配列の磁石を引き離し、これと同時に、第２のロータ配列の磁石は、通過した隣接するコイルから離れるようにロータの回転の方向に、遠退いていく。同様に、駆動軸およびロータがロータの回転の方向に回転されるにつれて、第２のロータ配列の磁石の引力が、ロータの回転の方向にあるステータ配列内の対応する次の隣接するコイルの方へ第２のロータ配列の磁石を引きつけ、その結果、第１のロータ配列の磁石に印加された、遠退いていく力と実質的に釣り合いかつこれを提供し、ステータ配列内の通過した隣接するコイルから対応する第１のロータ配列の磁石を引き離し、これと同時に、第１のロータ配列の磁石は、通過した隣接するコイルから離れるようにロータの回転の方向に遠退いていく。第３のロータは、上述の効果を更に強化したものを提供する。
【００４５】
一実施形態において、更なるステータが駆動軸上に取り付けられ、その結果、駆動軸は、更なるステータ内の駆動軸開口部を通って回転可能に軸支される。更なるステータ配列が、更なるステータ上に取り付けられる。この更なるステータ配列は、駆動軸の周りに、ある角位置を有しており、この角位置は、限定を意図するものではないが、第１のステータのステータ配列の第１の角位置と実質的に同一の角位置であってよい。第３のロータが、第１および第２のロータの回転と同時に同期して回転するように駆動軸上に取り付けられる。第３のロータ配列は、第３のロータ上に取り付けられる。第３のロータ配列は、駆動軸に対して第３の角位置で、駆動軸の周りに径方向に離間された磁石の、第３の等しく径方向に離間された配列を有する。第３の角位置は、例えば、第１および第２のロータ配列の角度オフセットの分だけ、角度的にオフセットされる。その結果、第３のロータ配列は、第１と第２のロータ配列の間の角度オフセットと同一の角度オフセットによって、第２のロータ配列に対してオフセットされる。この更なるステータおよび第３のロータは、第１のステータと第１および第２のロータとの実質的に平行な平面に対して実質的に平行な平面内にある。有利には、第３のロータ配列は、第１および第２のロータ配列の間の角度オフセットと同一の角度オフセットによって、第２のロータ配列からオフセットされており、第１および第２のロータ配列の間の２倍の角度オフセット（すなわち、これらの角度オフセットに２を掛けたもの）によって、第１のロータ配列からオフセットされている。したがって、第１、第２および第３のロータ配列は、駆動軸の周りで順次角度的に千鳥配列されている。
【００４６】
順次角度的に千鳥配列された第１、第２および第３のロータと、第１のステータと、更なるステータとは、共に第１の発電機段を形成している、と言うことができる。複数のこのような段（すなわち、実質的に第１の発電機段と同一の段）が駆動軸上に取り付けられ得る。更なる複数の段が、所望の用途に従って、第１の段と位置合わせされてもよく、されなくてもよい。
【００４７】
ロータ配列内の磁石は、磁石の対であってよく、各磁石の対は、有利には、対のうちの一方の磁石が駆動軸に対して径方向内側にあり、対のうちの他方の磁石が駆動軸に対して径方向外側にあるように、配置され得る。磁石をこのように配置することにより、また、対応するステータ上の対応するコイルの相対的な位置に従って、半径方向の磁束を有するロータまたは軸方向の磁束を有するロータが提供される。例えば、各対の磁石は、共通の半径方向軸（すなわち、各対の磁石のための１つの共通軸）に沿って位置合わせされ得、各半径方向軸は駆動軸から径方向外側に延び、ステータ配列内の各コイルは、各コイルが、対応する半径方向軸の周りに実質的に対称的に巻きつけられるように、位置合わせされ得る。したがって、有利には、各対の磁石が対応するコイルを通過して回転される時に、対の磁石の磁束が、対応するコイルに対し直交する（すなわち、９０度の角度で結合される）ように端部を結合される。ロータ配列上に結合された内側と外側の磁石を使用することにより、磁界密度が極めて増大され、したがって、各コイルからの電力出力が増大する。
【００４８】
限定を意図しない一実施形態において、第１のロータ配列がステータ配列を通過して回転される時、第１のロータ配列は、対応するステータ配列と少なくとも部分的に同一平面内にあり、第２のロータがステータ配列を通過して回転される時、第２のロータ配列は、対応するステータ配列と少なくとも部分的に同一平面内にある。第３のロータがステータ配列を通過して回転される時、第３のロータ配列は、対応するステータ配列と少なくとも部分的に同一平面内にある。
【００４９】
ロータは、ロータプレートを含むことができ、ロータ配列は、ロータプレート上に取り付けられ、ロータプレートは、駆動軸上へ互いに直交するように取り付けられる。ステータは、ステータプレートを含むことができ、ステータ配列は、ステータプレート上に取り付けられ、ステータプレートは、駆動軸と直交する。
【００５０】
ロータは、取付手段によって駆動軸上に取り付けられることができ、この取付手段は、第１および第２のロータのそれぞれと駆動軸との間に取り付けられたクラッチを含むことができる。このような実施形態においては、駆動軸は、選択的並進手段によって駆動軸を選択的に長手方向に並進させることによって、各クラッチを駆動軸に沿って順次選択的に係合するための、手段を含む。クラッチは、駆動軸と嵌合するようにした遠心クラッチであってよく、嵌合時には、駆動軸が、選択的並進手段によって長手方向に並進されて、例えば、第１に（必ずしもこれとは限らないが）第１のロータ上の第１のクラッチと嵌合するための第１の位置に入り、第２に、続いて、例えば、第２のロータ上の第２のクラッチとも嵌合するための第２の位置に入るなどして、例えば始動の間に、順次負荷を駆動軸に加えていく。このように、１つの３ロータ段においては、ロータの一部または全部は、ロータと駆動軸との間にクラッチを有することができる。上述のとおり、段は駆動軸に沿って繰り返され得る。
【００５１】
代替実施形態においては、取付手段は、第３のロータと、第１および第２のロータのそれぞれと、駆動軸と、の間に取り付けられた堅固な取付物であってよい。クラッチを使用する代わりに、連続した段内のロータ配列上の電気巻線が、選択的に、すなわち、選択的巻線の開回路と閉回路の間で選択して、給電されることができ、駆動軸を回転させるための回転抵抗は、回路が開いている場合には低減され、回路が閉じている場合には増大される。連続したステータ配列（すなわち、連続した段内の）のための回路の閉鎖を段階的に行うことにより、発電機に対し負荷が選択的に徐々に与えられる。個々のコイルを始動および停止させる制御エレクトロニクスを使用することにより、発電機の出力は、ゼロから公称電力定格まで変動され得る。したがって、本発電機は固定周波数で可変電力出力を生成することができる。制御エレクトロニクスは、また、発電機出力の電圧を変動するために使用され得る。コイルを直列または並列に接続することによって、電圧は即座に変動され得る。
【００５２】
開示された本発明には、従来技術に勝る望ましい利点を提供する、数多くの他の独特かつ新規の特質がある。これらの一部には、閉磁束通路マグネティクス、ハイブリッドマグネティクス、前処理エレクトロニクス、機械的正弦波制御、および独特の故障制御システムが含まれる。
【００５３】
更なる段が電気的に加えられる場合、負荷が追加されることの影響とそれが生成する付加抵抗の結果として、増大した機械抵抗がロータの回転を減速する。このプロセスは、電流の流れを制御し、その一方で、さもなければ浪費され得る利用可能な運動エネルギーを用いて更なるエネルギーを生成する。入力源またはエネルギー需要が低い場合には、システム段の１段または２段しか係合しなくてよい。これにより、従来システムならば、不十分な原動機エネルギーや、「大きすぎる」発電機システムによって生成された過剰な抵抗のためにシャットダウンされるであろう場合に、「可変入力」システムが作動することができる。従来システムとは異なり、ＰＰＭＣＧ出力は、常に変化するソースエネルギー「または」常に変化するエネルギー消費量に対応するために変更され得る。例えば、夜間、エネルギー需要が低い場合、ＰＰＭＣＧシステムは、単に不必要な段の係合を解除する。これは、変化するエネルギー需要に適合させることが求められるハイドロシステムにとって特に有利である。
【００５４】
ＰＰＭＣＧシステムは、最適出力のために必要に応じて段係合を変動する。現在のＰＰＭＣＧ設計は、発電機を、単一の発電機において、共に束にした１８の異なる３コイル（三相）段に分割している。この３つのコイル（１つの３ステータシステム内の、３つのステータのそれぞれからの１つ）は、所望の用途に従って、直列または並列に互いに接続され得る。ＰＰＭＣＧの独特の段状内部構造および前処理エレクトロニクスにより、システムが、それ自体の電子ギヤボックス（例えば１８の段を有する）として機能することができ、誘導プロセスに対してより多くの制御を提供し、したがってより高品質な電力出力を提供することができる。パワーエレクトロニクスの一部として、１つの段構造から次の段構造への円滑な移行を確実にするために、ＰＷＭ（パルス波変調器）が使用され得る。
【００５５】
発電機セクションは、「前信号」処理回路によってモニタされる。この回路は、独立した発電機段を増減することを通して、装置が、出力電圧とシステム抵抗とをグリッド要件に同時に調和させることを可能にする。
【００５６】
ＰＰＭＣＧでは、システムの各段からの電流は、前信号処理回路によってモニタされる。この前信号処理回路は、すぐに利用できる情報に基づき、どのシステム構成が最も有益であるかを決定する。タービン（原動機）が適切な運動量に達すると、前信号処理回路が第１の段を係合する。各段はモニタされ、エネルギー源の可用性と既存の係合された段の現在の動作条件とに従い、制御システムによって更なる段が増減される。このプロセスの結果、風や他の過渡的なエネルギー源のポテンシャルエネルギーがより多く捉えられるので、全体のエネルギー出力がより大きくなる。
【００５７】
ＰＰＭＣＧは、完全に閉じた磁界通路を利用する。開示された本発電機システムは、対の磁石に分けられており、これらの対の磁石は、中間に２つのコイルコアを有した状態で、２つの対向する馬蹄形と似た形状で配置されて回路を完成し、このようにして、一端にＮ極の磁界の向きを有しかつ他端にＳ極の磁界の向きを有する、１つの孤立化された電磁石のどちらかの端部に磁束を直接誘導する。この突極対突極構造では、磁束がコイルコアと完成された磁界通路とを通って自由に動くことができるより直接的な誘導プロセスのため、電流が増大される可能性がある。この配置の幾何学的形状は、誘導コイル極で磁界密度を増大し、同時に、望ましくない漏れ磁束を大きく低減する様なやり方で、誘導プロセスを孤立化する。
【００５８】
誘導コイルと磁石とのこの構造は、重量対電力比を増大する。これは、より効率的でないシステムにおいてより大きい磁石が生成するのと同じ出力を生成するために、より小さい磁石が使用され得るからである。この設計は、誘導スタイル発電機が、必要な場合に磁束密度を増大することと、望ましくない漏れを低減することとにおいて、等しく有益であることが判明するであろう。
【００５９】
この孤立化された誘導プロセスの更なる大きな利点は、発電機構造内に、様々な有利な材料を利用しやすくなることである。従来システムには、特定の材料でできていなければならない、発電機の多くの部品がある。この一例として、伝導性の金属（すなわちアース）である必要がある、多くの既存のシステムのためのケーシングが挙げられる。ＰＰＭＣＧでは、より軽く、より安価な材料が使用され得、いくつかの事例では、特定の構成部品（ケーシングなど）を有することが全く望ましくないことがあり得、したがって、全体の重量と製造コストの低減が提供される。
【００６０】
ＰＰＭＣＧでは、１つのコイルが、２つの永久磁石のための背板の周りに巻きつけられる。適切な電流がコイルを通過すると、コイルは、磁界の増幅器として機能する。研究によれば、磁界の強度を、個々の磁界（永久磁石と電磁石）の合計の２倍増大することが可能であることが、示されている。磁界の強度を増大すると、発電機のコイル内に発生する電流が増大するので、この技術は、発電機およびモータの出力対電力比を増大する、絶好の機会を示していることになる。
【００６１】
コイルは、永久磁石のための背板の周りに巻きつけるだけでよく、こうして、電磁石によって増強された永久磁石を生成する。このような設計により、さらに強力なＰＰＭＣＧを提供することができ、また、ＰＰＭＣＧの出力に対しさらに多くの制御をも提供することができるであろう。なぜならば、ハイブリッドコイルが、磁界の、したがってＰＰＭＣＧの出力の、ファイン制御として使用され得るからである。
【００６２】
ＰＰＭＣＧ前処理アルゴリズムマイクロプロセッサは、半導体スイッチングシステムを使用して、負荷にソースを合わせ、３アーマチュア／３ステータシステムの誘導コイルのそれぞれための電気回路を係合する、または係合を解除する。半導体スイッチングシステムとグリッドとの間の適切な調整エレクトロニクス（すなわちフィルタ）により、継ぎ目がなくかつ故障のないグリッド統合が確実になる。
【００６３】
このシステムは、係合された段を一まとめにした、負荷、原動機のステータス、電流の状態などの、関連する条件をモニタし、次の発電機段の係合または係合解除は正確にいつ行うのが最適であるかを、決定する。
【００６４】
ＰＰＭＣＧでは、システムの全体にわたって個々のコイルが孤立化されているため、電力エレクトロニクスは、全体の発電機出力を表す故障電流の集約的かつ重大な影響にさらされない。ＰＰＭＣＧシステム内でより小さい扱いやすいセクションに出力電流を分割することにより、ステータ巻線における故障の負の影響が著しく低減される。極めて少ない電流が各３コイルサブシステム（すなわち段状要素）によって生成されるため、システム故障の負の影響は、局所化されかつ最小にされる。例えば、１８コイルステータが、９つの完全なステータアセンブリを有する三相システムで使用された場合、発電機は、１８×３、すなわち５４の独立した三相サブ段（１６２のコイルが三相サブ段に分割される）を有する。それぞれは、故障を孤立化するために、簡単な半導体スイッチング機構によって管理される。マイクロプロセッサは、各３コイル段のステータスを、各３コイル段が係合される前に評価するように設計され得、実際、段の損傷が認められた場合には、システムは、自動的にこの段要素をスキップし、発電機が作動し続けることができるようにする。この場合、従来システムでは、停止および即時の修理が必要となるであろう。このように発電機セクションを分割することにより、システムを制御する際、ならびにシステム損傷および安全性の問題を低減する際に、多くの利点が提供される。
【００６５】
発電機によって生成された出力正弦波の形状を制御することは、ＰＰＭＣＧ設計によって提供される更なる独特の機会である。界磁コイルの極を成形することにより、誘導プロセスは、生の出力信号として所望の波形を形成するように、操作され得る。磁石が界磁コイルの極を通り過ぎる際、コイルコア内を通過する磁界強度は、磁界特性と誘導コイルの極との間の空隙に関係する。したがって、極の成形を制御することによって、所望の正弦波形が、生の未処理の出力として生成され得る。この設計特質の結果、高価な電力調整装置に対する要求事項が低減された、より品質の良い生の出力信号が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
本発明の全ての適用範囲を制限することなく、本発明の好ましい形態を以下の図面で例示する。
【００６７】
【図１ａ】一部切り取り斜視図で示した、対面するロータの間に挟まれた単一のステータを示す、多相複数コイル発電機の一実施形態である。
【図１】一例として９つのロータおよびステータ対を示す、前方斜視図で示した、本発明による多相複数コイル発電機の更なる実施形態であって、該９対は、各段内に３つのロータおよびステータ対を有する３つの段にグループ分けされており、単一段内の各連続したロータ上の径方向に離間された磁石の配列が、互いに対して角度的にオフセットされるように千鳥配列されている、実施形態である。
【図２】前方斜視分解図で示した、図１の発電機である。
【図３】後方斜視分解図で示した、図２の発電機である。
【図４】ロータおよびステータ対を１段につき３対にグループ分けした様子を図で示した、図１の発電機の部分分解図である。
【図４ａ】径方向に離間された磁石およびコイルの配置を示すために前面ロータプレートを取り外した図１の発電機を正面図で示したものである。
【図５】斜視図で示した、ハウジングに入った図１の発電機である。
【図６】図１の線６−６に沿った断面図である。
【図７】前方斜視分解図で示した、図１の発電機の単一のロータおよびステータ対である。
【図８】後方斜視分解図で示した、図７のロータおよびステータ対である。
【図９】断面図で示した、ロータと駆動軸との間に遠心クラッチを使用した様子を示す、単一のロータおよびステータ対の代替実施形態である。
【図９ａ】図９のロータおよびステータ対を分解前方斜視図で示し、さらに断面で示した図である。
【図１０】一部切欠正面図で示した、ロータおよびステータ配列の径方向に離間された代替の配置を図で示す、本発明の代替実施形態である。
【図１１ａ】側立面図で示した、単一段の、ステータコイルが駆動軸に対して平行である、本発明による発電機の更なる代替実施形態である。
【図１１ｂ】側立面図で示した、図１１ａの設計による２段である。
【図１１ｃ】側立面図で示した、ステータコイルが駆動軸に関して傾斜している、更なる代替実施形態の３段である。
【図１２】正面図で示した、３つ以上の相が１つのステータのみによって達成され得る、磁石に対するコイルコアの非対称の配置を示すために、前面ロータプレートが取り外された、図１の発電機の変更実施形態である。
【図１３】正面図で示した、２つの磁石と２つの界磁コイルとを備える単一段を示す、一実施形態である。
【図１４】前方斜視図で示した、図１６の発電機の単一のロータである。
【図１５】前方斜視図で示した、図１６の発電機の単一のステータである。
【図１６】両面ロータおよびステータを利用している、図１の発電機の変更実施形態の一部断面前方斜視図である。
【図１７】電磁石としても機能する、単一のハイブリッド永久磁石の一実施形態の前方斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００６８】
以下の説明は、本質的に例示的なものであり、本発明の適用範囲または本発明の使途を限定することを意図するものではない。
【００６９】
本発明に組み込まれる多数の重要な設計特徴および改良がある。
【００７０】
本装置は、段状千鳥配列になった、発電機の多相複数コイルである。
【００７１】
本出願人の、２００４年８月１２日出願の米国特許仮出願番号第６０／６００７２３号、名称「多相固定複数コイル発電機（Ｐｏｌｙｐｈａｓｉｃ  Ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ  Ｍｕｌｔｉ−Ｃｏｉｌ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）」の全体が、参照により本明細書に組み込まれるものとする。これらの文献と本明細書との間に不一致、例えば用語の定義における不一致など、が存在した場合には、本明細書に従うものとする。
【００７２】
図１ａにおいて、同等の参照番号は、各図における対応する部品を表すが、本発明による多相複数コイル発電機の単一段１０は、平行平面内にある１対のロータ１２および１４と、その間に挟まれ、その結果、両ロータの平面に平行でありかつその間にある平面内に挟まれている、ステータ１６と、を含む。ロータ１２および１４は、駆動軸１８にしっかりと取り付けられており、その結果、駆動軸１８が原動機（図示せず）によって例えば方向Ａの方向に回転される場合、ロータ１２および１４は、回転軸Ｂの周りで同一の速度で同時に回転する。足部３２が、ベースまたは床表面へとステータ１６を取り付けるために設けられている。ロータ１２および１４は、それぞれ、中央ハブ１９を有し、その上に、磁石２２ａおよび２２ｂの対が、駆動軸１８の周りに等しく径方向に離間された配列で延在して取り付けられている。１対の磁石のみ、すなわち、２つの個別の磁石のみが、磁束を増大するための保磁子をその間に示した状態で図示されているが、コイルを誘導する端に両極性を有する単一の磁石が使用されてもよく、実質的に等しい結果を有する。各対の磁石は、対応する堅固なアーム２４上に取り付けられており、このアーム２４は、ハブ１９からカンチレバー状で径方向外側に延びている。各対の磁石２２ａおよび２２ｂは、これらの対応するアーム２４に沿って離間されており、その結果、その対の磁石同士の間に通路すなわちチャネル２６を画成している。
【００７３】
導電性ワイヤコイル２８は、鉄−フェライト（または他の有利な磁気的に透過性のある材料）コア３０の周りに巻きつけられている。コア３０およびコイル２８は、ステータ１６の両側１６ａおよび１６ｂから突出するように取り付けられている。コイル２８は、磁石の磁束の端部をコイルの端部に結合するように、磁石２２の遠位端２２ａと２２ｂとの間、すなわちチャネル２６の間を、ぴったりと通過するように寸法決めされている。図１ａで図示される実施形態において、これもまた限定を意図するものではないが、８つのコイル２８と対応するコア３０は、ステータ１６の周りに等しく径方向に離間されて取り付けられており、その結果、等しい数のコイルおよびコアが、位置合わせされてステータ１６の両側から延び、その結果、側面１６ａ上の各コイルおよびコア部分が、ステータ１６の反対側、すなわち側面ｌ６ｂ上に、その直ぐ背後の対応するコイルおよびコアを有するようになっている。この実施形態は８つのコイル配列を採用しているが、対応する磁石アセンブリを有するいかなるコイル数を採用してもよいことを、理解されたい。例えば、一実施例においては、この設計は、１６のコイルと、それぞれ１２組の磁石を有するアーマチュア（すなわちロータ）の２組とを使用する。この実施形態は、単一段が採用され得ることを示唆することを意図するものではない。いかなる数の段も、同一の駆動軸上で利用され得る。
【００７４】
ロータ１４は、ロータ１２の鏡像である。ロータ１２および１４は、ステータ１６の両側に対面関係で取り付けられている。駆動軸１８周りのロータ１２および１４の角位置は、この２つのロータ間で異なる。すなわち、ロータ１４上の磁石２２は、ロータ１２上に取り付けられた磁石に対し、回転軸Ｂの周りで角度的にオフセットされている。例えば、ロータ１４上の磁石の対のそれぞれは、例えば、ロータ１２上の磁石の対の角位置に対して、５度または１０度または１５度のオフセット角α（以下により詳しく定義する）で、角度的にオフセットされ得る。したがって、ロータ１２および１４が軸１８の回転によって同時に駆動されると、ロータ１２上の磁石２２が、ステータの側面１６ａ上の次の隣接するコア３０部分の方へ磁気的に引きつけられ、この引力が、ロータ１４上の対応する磁石を押したり引いたりする補助を行い、ロータ１４上の対応する磁石に、ステータ１６の側面ｌ６ｂ上の対応するコア部分を通過させ、そこから離れさせる。したがって、一方のロータ上の入ってくる（コイルに対して入ってくる）磁石の引力が、他方のロータ上の対応する磁石をコイル／コアから離れるように押すのに必要な力と実質的に釣り合う。結果的に、両ロータのうちのどちらか一方の上の任意の１つの磁石は、駆動軸１８に印加された回転の力だけによって回転されてコアを通過するのでななく、したがって、ステータに対してロータを回転させるために必要とされる力の量が低減される。発電機の効率は、このように、磁石を引いてコアを通過させる効果を釣り合わせるまたはこれを効果的に相殺する役目をする、ステータの両側の磁石対を角度的にオフセットすることによって増大される。
【００７５】
更なる複数の段が、例えば間に挟んだステータ１６を有するロータ１２および１４の更なる対面する対を有して、駆動軸１８上へ取り付けられることができる。このような実施形態では、磁石を次第に角オフセットし、その結果、各連続したロータの磁石の配列を、隣接するロータ上の磁石の角位置に対して角度的に千鳥配列することにより、発電機の更なる効率を得ることができる。したがって、十分な段数を有することにより、磁力は、比較的継ぎ目なく釣り合うことができ、その結果、駆動軸１８の回転の間のいかなる点においても、回転の方向にある次の隣接するコアに接近する磁石の引力は、そのコアから離れるように他のロータ上の磁石対を押したり引いたりするのに必要とされる力と釣り合い、したがって、駆動軸１８を回転させるために必要とされる力を低減する。
【００７６】
本発明の別の実施形態が、図１〜９に図示されており、ここにおいても、同様の参照文字は、各図における対応する部品を表す。例示の実施形態において、ロータ３４の９つのバンクが、それぞれ、磁石対３６ａおよび３６ｂの径方向に離間された配列を有し、これらの配列は、隣接するロータ上の隣接する配列に対して、角度的に変位すなわち千鳥配列されている。したがって、回転軸Ｂの周りで径方向に離間された磁石対３６ａおよび３６ｂの、等しく径方向に離間された配列内の各磁石対３６ａおよび３６ｂは、隣接するロータ間で、例えば、５度、１０度または１５度の同一のオフセット角αによって角度的にオフセットされている。したがって、ロータの連続したバンクは、各連続したロータ間の同一の角変位によって、累積的に千鳥配列されており、その結果、ステータ３８に対し、特にステータ３８上に取り付けられたコイル４０およびコア４２に対して、ロータのより継ぎ目なく磁気的に釣り合った回転が達成される。
【００７７】
磁石３６ａおよび３６ｂは、キャリアプレート４４上に取り付けられている。各ロータ３４のためのキャリアプレート４４は、駆動軸１８上へしっかりと取り付けられている。コイル４０およびそれらの対応するコア４２は、ステータプレート４８上へ取り付けられている。ステータプレート４８は、ハウジング５６にしっかりと取り付けられており、ハウジング自体は、剛性支持体（図示せず）によってベースまたは床上に取り付けられ得る。
【００７８】
限定を意図しない１つの代替実施形態において、原動機（図示せず）に加えて、小型モータ５４が、更なる段またはバンクを係合するために採用され得る。この更なる段またはバンクは、連続したロータ上に径方向に離間されて配列された磁石対の、次第に角度的に変位された、すなわち千鳥配列された更なる段またはバンクを有する。例えば、モータ５４は、後述するように、順次、各ロータ上に遠心クラッチ機構を係合するために、シフタロッドを選択的に駆動することができる。
【００７９】
ハウジング５６は、ステータ３８とアーマチュアすなわちロータ３４とを封入するために設けられ得る。ハウジング５６は支持フレーム（図示せず）上に取り付けられ得、両方とも、渦電流を排除するために非磁性かつ非導電性材料でできていてもよい。限定を意図しない本発明の一実施形態において、発電機の単一段５８は、３つのロータ３４に挟まれた３つのステータ３８を含む。発電機は、駆動軸に沿って複数段５８を含むことができ、発電機内に生成された抵抗を相殺することによって、磁気抗力を低減する。
【００８０】
ステータ３８は、例えば銅線などの導電性材料でできている、複数の誘導コイル４０を含むことができる。各誘導コイル４０は、例えば軟鉄コア４２などの強磁性コアの周りに巻きつけられ得る。あるいは、誘導コイル４０は、必要とされる出力電流が少ない場合やロータ３８に印加されるのに利用できる機械的力がより少ない場合の用途のために、エアコイル（すなわち、いかなるコアの周りにも巻きつけられていない）であってもよい。本発明の例示の実施形態では、ステータは円板形である。図１ａの実施形態は、非磁性かつ非導電性材料でできたプレートすなわち円板上で互いから等距離に取り付けられかつ等しく径方向に離間された、８つの誘導コイル２８を含む。残りの図の実施形態においては、ステータ３８は、各ステータ円板すなわちプレート４８上に、１６の誘導コイル４０を含む。誘導コイル４０の数は、発電機の用途に従い変動してもよく、ステータプレート上で利用できる物理的空間によってのみ限定され得る。
【００８１】
誘導コイル４０は、第１の組の誘導コイル４０が第１の独立したフェーズ信号を生成し、第２の組の誘導コイル４０が反対の波信号を有する第２の独立したフェーズ信号を生成するように、構成され得る。誘導コイル４０は、第１の独立したフェーズ信号を生成する誘導コイル４０が、第２の独立したフェーズ信号を生成する誘導コイル４０の間に位置づけられるように、交互に方向づけられる。このような二重相設計では、２つの独立した相は、互いの正確な逆相であり、１つの独立した相が逆転されて、２つのポテンシャル電流を同期の波パターンを有する１つの相に結合することができる。誘導コイル４０の第１の組および第２の組のそれぞれが、二相の電流を整合するために、それら自体のコア４２の周りに第１の方向に巻きつけられた等しい数の誘導コイル４０と、それら自体のコア４２の周りに反対の第２の方向に巻きつけられた等しい数の誘導コイル４０と、を有することが好ましい。例えば、ステータ３８が１６、すなわち、２組の８誘導コイル４０（交互位相）を含む実施形態では、第１の組の８誘導コイル４０のそれぞれが第１の独立したフェーズ信号を生成し、第２の組の８誘導コイル４０が第２の独立したフェーズ信号を生成する。
【００８２】
ロータ３４は、ネオジム磁石などの任意の磁性材料でできた磁石３６を有することができる。ロータ３４は、それぞれ、等しく離間された対の磁石３６ａおよび３６ｂの配列を含み、これらの磁石は、漂遊磁束線または渦電流を阻止するために、非磁性かつ非導電性材料でできているロータプレート上に取り付けられている。各ステータ上に１６の誘導コイル４０を有する実施形態では、ロータの磁石の配列（「ロータ配列」）は、各ロータ３４上に、８つのＵ字型の対面する磁石３６の対を含む。各Ｕ字型の磁石３６の各端部（すなわち、径方向外側のリング上の全部で１６の端部と、内側のリング上の１６の端部）が、磁石の端部がコイルの対向する両端部の近くを通過して回転される際に、対応する１６のコイルと対にされる。
【００８３】
図１の例示した実施形態においては、段５８内の連続したロータ３４の間のロータ配列は、例えば１５度のオフセット角αによって、駆動軸の回転軸Ｂの周りで角度的にオフセットされている。１５度のオフセットは、単に１つの好ましいオフセットにすぎず、いかなる度数のオフセットであってもよいことを、理解されたい。オフセット角αは、図４ａにおいて、連続したロータ３４の磁石３６ａおよび３６ａ’の半径方向軸６０および６０’の間の角度として、最も良く表されている。
【００８４】
ロータが、例えば風または水または他の原動機などの外部原動力によって、駆動軸の周りで回転するように駆動されると、磁石３６は、コア４２へ磁石が引かれることによって、誘導コイル４０の方へ移動する。誘導コイルが磁石３６から磁束を引きだすように設計されているので、交流パルスが、ステータ上の全ての誘導コイル内に生成される。例示的な図１ａの実施形態において、各ロータ間の磁石の反対の極性と、ロータ配列の互いに対して角度的にオフセットされた整列位置のために、磁石が、１つのコアからから離れて次のコアの方へと引っ張られていくことができる。例えば、第１のロータ１２上の磁石のＮ、Ｓの極性構造は、第２のロータ１４上の磁石の対向するＳ、Ｎ極性構造によって引っ張られ、第１のロータ配列は、第２のロータ配列に対して１５度オフセットされており、その結果、第１のロータ上の磁石と第２のロータ上の磁石との間の磁気引力が、コアから磁石を引き離すようになっている。ロータ上の磁石間の磁力が釣り合うことにより、誘導コイルから磁石を引っ張るために駆動軸に必要とされる仕事は低減され、それによって発電機の効率が増大する。
【００８５】
ロータ間で交互の磁気方向を有する磁石の構造と、誘導コイルの交互の複数相構造と、によって生成される回転磁界により、多数の逆の交流フェーズ信号が生成される。誘導コイルが静止しているので、交流電力は、ブラシのない誘導コイルから直接に利用され得る。これらの電流の調整および減衰は、当業界で公知の方法によって達成され得る。磁石が誘導コイルを通過する際、磁石は、交互の方向の電流を誘導する。磁石は、例えば、Ｎ、Ｓ磁気極性によって第１の組の誘導コイルに影響を与える磁石の数は、Ｓ、Ｎ磁気極性によって第２の組の誘導コイルに影響を与える磁石の数と等しいように、構成され得る。このロータの構造は、図１ａの単一段実施形態の２つの相のそれぞれにおいて、交流を生成する。この磁力の構造により、発電機内の抵抗を釣り合わせることができる。
【００８６】
図１〜９に示すような代替実施形態においては、駆動軸上に複数段を追加することに、顕著な利点がある。駆動軸を回転させるために必要とされる仕事は、複数段５８の追加により、更に低減されることさえ可能である。複数段の整列位置は、更なる段が、単一段の設計によってなされ得るよりさらに大きな力の釣り合いを達成することによって発電機内の抵抗をさらに低減するように、オフセットされ得る。抵抗を低減するために、コイルのステータ配列（「ステータ配列」）の整列位置がオフセットされてもよく、または、代わりに、ロータ配列の整列位置がオフセットされてもよい。結果的に、更なる段を加えることにより、発電機内の抵抗を比例して増大せずに、電気出力を増大することができる。更なる誘導コイルが磁気抗力を増大する一方で、更なる段のステータ配列およびロータ配列の向きによって、力のよりよい釣り合いが達成され、磁気抗力の増加が相殺され、さらに発電機の総合効率が増大される。更なる段が、任意の数の機構によって、更なるロータを回転させるために係合され得る。それらの機構には、例えば、ソレノイドを使用する電流駆動されたセンサや、後続の段のロータが所定の速度を達成した場合に次の段を係合するために使用され得る図７〜９、９ａの遠心駆動されたクラッチ機構などのクラッチなどがある。クラッチの例が、例示されている。クラッチ６２は、ロータ３４のそれぞれのハブ内に取り付けられている。駆動軸１８のスプラインをつけられた部分１８ｂ上のスプラインがアームハブ６６内の相手のスプラインと係合することによって、クラッチが一旦係合されると、クラッチアーム６４の回転が、止め子６８に逆らってアームを駆動する。これにより、クラッチシュー７０が径方向外側に駆動され、その結果、ロータキャリアプレートハブの４４ａの内部表面に対してシューの周辺部が係合される。例えばモータ５４などのリニアアクチュエータが、方向Ｄの方向にシフタロッド７２を作動し、その結果、スプラインをつけられた部分１８ｂが、まず、アームハブ６６内のスプラインと係合される。次いで、一旦クラッチが係合し、ロータが駆動軸の回転速度に殆ど合致するようになると、スプラインをつけられた部分は、さらに並進し、その結果、ロータハブ７４内のスプライン７４ａと係合する。後続のロータ／ステータ対すなわち段５８などの後続の段が、後続のクラッチのスプラインおよびそれらの対応するロータハブ内へとシフタロッドを更に並進させることにより、追加され得る。このプロセスを逆転させて、シフタロッドを引き抜くことによって、段は取り外される。ロータハブは、ステータハブ３８ａ内のニードル軸受７６によって支持されている。更なる代替例においては、リニアモータ駆動された機構や、スプラインおよびばね機構が、使用され得る。図１０は、コイルが駆動軸の周りの同心円でオフセットされて磁気的釣り合いを達成する、更なる代替実施形態である。図１１ａ−１１ｃ内に示す更なる代替実施形態において、コイルは、駆動軸の周りの同心円の端から端へと位置合わせされている。誘導コイル４０は、駆動軸に対して平行に、または図１１ｃのように僅かに傾斜して、取り付けられており、極めて近接していることと、磁石の強度とにより、ロータの間からの磁束の流出を低減する。駆動軸に対し平行に誘導コイルを位置づけることの更なる利点は、側面からではなく各誘導コイルの端部を直接通過して磁石を引くことは、誘導コイル内に電流を誘導する際にはより効率的であり得る、ということである。誘導コイルを水平に方向づけることにより、また、発電機内の誘導コイルの数を２倍にすることができ、結果としてより大きな出力が達成される。図１１ｂの実施形態では、２つのステータ配列８０および８０’が、互いに対し、所望の全体角度オフセット（すなわち、最適釣り合いを提供する整列位置）の半分の角度オフセット、を有する。したがって、次に続くステータ配列は、ステータ配列８０と８０’との間と同一の角度オフセットを有することができる。他の実施形態におけるように、角度オフセットは、任意の数の段に対して、適切にオフセットされ得る。この実施形態は、コイルは、アーマチュア／ロータ内の磁石配列を位置合わせさせたままで、すなわち、連続したロータ配列との間に角度オフセットなしで、オフセットされ得、しかも釣り合い効果を達成することができることを示している。
【００８７】
上述したように、各段が追加されるにつれて、複数段は抵抗を低減する。例えば、反対の磁極を有する２つの磁石が通過することによって誘導される単一の誘導コイルではなく、３つのロータ／ステータ対を有する段においては、そのような実施形態により、２つの誘導コイルが、ロータ配列の磁界特性の間に効果的に位置合わせされ得る。誘導コイルの数が増大されることに加えて、ロータ配列同士がさらに離れるので、ロータ間の空間を流れる漂遊磁束の発生が著しく低減される。
【００８８】
ステージング用途のために更なる段を適切に方向づけるために、ロータ配列は、上述の通り、適切に角度的にオフセットされ得る。あるいは図１１ｃに示すように、誘導コイルは、ロータ配列が互いに完全に平行には位置合わせされないように、角度をつけられ得る。誘導コイル４０およびそれらの対応するコア４２が僅かに傾斜している場合には、ステータ配列８０の両側のロータ７８上の磁石（図示せず）も、ずれていることが好ましい。これは、最適機能のためには、磁石からの磁界特性が、誘導コイルのそれぞれを両端から同時に誘導しなければならないからである。本発明の一実施形態において、ロータ配列のずれは、より多くの段が追加されるにつれてますます小さくなり、無視できるほどになる。更なる段が追加されるにつれて、それらの段と共に後続のロータ配列の間の角度オフセットは、より小さくなる。任意の数の段が駆動軸に追加され得、更なる段は、所望の機能に従って、発電機内の他の段と位置合わせされていてもいなくてもよい。
【００８９】
最適段数は、先の段に対する各段のオフセットの度によって、決定され得る。ステータ配列内の誘導コイルの数は、ロータ配列内の磁石の対応する数に依存する必要はない。ステータ配列は、任意の数の誘導コイルを含んでよく、それらの誘導コイルは、ステータの周りのそれら自体の位置において、対称形であってもなくてもよい。
【００９０】
本発明による発電機には、多くの用途がある。例えば、駆動軸１８を回転し始めるために大きなエネルギーを必要とし、あまりに多くの風が印加されると過負荷状態になり得る、風車を有するのではなく、本発電機は、発電機を駆動している風の量にかかわらず、最大電流が生成され得るように、変更されることができる。これは、例えば風が増加するにつれて段５８などのより多くの段を係合することによって、また、風が減った時には係合された段の数を低減するために段の係合を減らすことによって、達成される。さらに、発電機の第１の段は、駆動軸を回転し始めるために風力エネルギーが殆ど必要とされないように、エアコイルを含むことができ、後続の段は、より大きな風力エネルギーがある場合には、より大きな電流が発生され得るように、鉄コアを有する誘導コイルを含むことができる。更なる段は、より大きな風力エネルギーがある場合にはより大きな物理的抵抗を生成するように、しかしまた、入力エネルギーが高い場合にはシステムからより多くの電気出力を生成するように、寸法および直径を増大することができる。このようにして、風力エネルギーが最小の場合には、発電機は１つの、すなわち発電機の第１の段だけを係合するため、発電機は、ロータ３０が依然として回転することができるようにすることができる。風力エネルギーが増大するにつれて、発電機は、更なる段を係合することができ、したがって出力電流を増大する。風力エネルギーが増大し続ける場合には、より多くの段が追加すなわち係合されて、最大電流が発電機から引き出され得るようになる。風力エネルギーの強さが低下するにつれ、発電機は、更なる段の係合を解除することができ、したがって機械抵抗を低減し、風車または他の風により駆動される機構のブレードが、低域値より上のどのくらいの風があるかにかかわらず、回転し続けることができるようにする。この発電機構造により、最大のエネルギー収集が可能になる。
【００９１】
このような可変負荷発電機のための用途は数多くある。これは、発電機が、風などの可変ソースエネルギーに適合できるだけでなく、ソースエネルギーが制御され得る場合に特定の電力要求に応えるように適合され得るからである。一例としては、水力を動力源とする発電機が挙げられる。これは、夜間には停止して日中にはより多くの電力要求に応えるために再度暖機運転する必要があるのではなく、単に夜のサイクルに合わせるために発電機の出力を変動することができ、したがって、その時間の間、機能するために使用するソースエネルギーをより少なくすることができる。
【００９２】
別の設計では、全ての段の全てのロータが駆動軸にしっかりと取り付けられており、その結果、全てのロータが同時に回転されている。クラッチの代わりに、回転の抵抗を低減するために、巻線回路が、多くのまたは殆どの段において少なくとも最初は開放されたままであり、係合される段の巻線だけが閉じられ、それらが給電される。これにより、より少ない数の段が電気的に係合される場合には、駆動軸全体の抵抗が低減され得る。更なる回路が閉じられ、したがってより多くの巻線がシステムに追加されると、結果として、発電機の負荷が増大され、したがって、駆動軸上の抵抗が増大される。クラッチ機構を必要としないことにより、クラッチ機構に関するいかなる保守問題もないため、発電機は、建造および保守を行うためにより安価になり得る。この「電気的」ステージングシステムは、本発明による磁気的に釣り合いのとれた発電機設計に、またはステージング用途に適用可能な他の任意の従来の設計に、適用され得る。
【００９３】
クラッチによって機械的であり、またはコイル配列回路を係合および解除することによって電気的である、このステージング用途は、ステージング用途に合わせるために短い頑丈なセクションになるよう適切に構築された、既存の発電機設計に適用され得ることにも、留意されたい。
【００９４】
一実施形態は、多段発電機装置の最適段数を決定し採用するために、負荷情報などの装置についての関連する情報を評価するように設計された回路を有する。この装置は、発電機装置の最適段数を決定し採用するために、関連する原動機情報を評価するように設計された回路；または発電機の最適段数を決定し採用するために、関連する原動機および負荷情報を評価するように設計された回路；または回路であって、各段がモニタされ、適切であると考えられる場合には更なる段が制御システムによって増減され、また、エネルギー源の可用性および／または既存の発電機段または段の一部としての独立したコイルの現在の動作条件によって、これらの複数段の係合または解除が決定される、回路、を有することができる。
【００９５】
発電機装置は、また、電気回路を係合または解除することによりソースを負荷に合わせるように設計された、高速半導体スイッチングシステムに接続されたアルゴリズムマイクロプロセッサを備える装置を有することができる。この装置は、パルス波変調器または同様の装置を利用することができ、その結果、発電機段がシステムに対して増減される際、発電機段の移行を円滑に行う際に、ファイン制御を提供することができる。信号がグリッド統合のために適していることを確実にするために、上述の装置は、半導体スイッチングシステムとグリッドとの間にフィルタなどの適切な調整エレクトロニクスを組み込んでいる。
【００９６】
発電機は、システムであって、該システムのエレクトロニクスが、個々のコイルまたは単一段のことである一連のコイルの完全性をチェックすることができ、その後、各段の完全性をその係合の前に確実にすることをチェックするシステムにより故障電流が生成されることを通して、段の係合が達成される、システムを有する。システムは、故障がコイル巻線内に生じるとその故障は処理回路によって孤立した故障として処理される、処理回路を有することができる。発電機は、様々な故障検出手段を通して、かつ上記故障の発生は、その回路を開放したままにし、したがって集合的出力信号の外に置いたままにすることによって、システムによって孤立化されかつシステムによって回避される。
【００９７】
図１２は、正面図で示した、３つ以上の相が１つのステータのみによって達成され得る、磁石に対するコイルコアの非対称の配置を示すために、前面ロータプレートが取り外された、図１の発電機の変更実施形態である。磁石および界磁コイルの対称の間隔を有する図４ａとは異なり、この図は、多様な異なる寸法のコイルコア４２が利用され得、また、コイル巻線が、誘導プロセスにより異なる結果を達成するように変更され得ることを、示している。この図より、コイル巻線４０はコイル巻線４０ａより大きいことが分かる。例えば、抵抗を低減するための発電機の始動の間など、特定の状況において、選択された段を使用して、軸の回転に対しより少ない抵抗を生成することが望ましい場合があり得る。同様に、図１２が示す図は、全三相システムまたは事実上任意の数の相が、たった１つのステータおよびアーマチュアアセンブリにより達成され得ることを、示している。これは、磁石および誘導コイルに関しては、３つの異なる機械的な位置があり、また、この図においては、これらは互いから適切にオフセットされており、したがって、殆どのグリッドシステムにとって適切である所望の三相出力を生成することができる、と捉えることができる。
【００９８】
１つのステータおよびアーマチュアアセンブリにおいて、１段は、所望の出力によって決定される単一のコイルまたは多数のコイルであることができる。コイルは、並列または直列に接続され得、したがって、所望されるだけの数の相を出力信号内に生成することができる。ステージングは、等距離の間隔で径方向に離間された配列を有する単一の円板のコイルを用いて、または、図１２に示されているように、段の間隔が非対称になっている装置を用いて、達成され得る。
【００９９】
非対称の配列を使用することにより、２つ以上の相が、単一のステータおよびアーマチュアアセンブリから生成され得る。図１２に示したような様々な寸法の突極誘導コイルを有するシステムが、望ましいシステム性能を生成するために採用され得る。発電機は、数多くの個々の誘導コイルに分割された３つのステータ配列の構造を有することができ、各ステータ配列は、三相出力信号を生成するように、機械的にオフセットされている。また、この３つのステータ配列のそれぞれからの少なくとも１つのコイルが、直列または並列に共に接続され得、その結果、多数のより小さい独立した誘導段を生成し、その誘導段のそれぞれがグリッド統合のために適切な完全な三相正弦波を有し、これらの段のそれぞれが、誘導コイルに対する磁界特性の関係に関し同一の機械的な幾何学的配置を有する結果、他の全ての段と同一の出力特性を生成する。
【０１００】
本発電機は、また、例えば図１２に見られるように、単一の円板上の磁石およびコイルが、釣り合いがとれた多相出力を生成するようにオフセットされており、ステータは、誘導コイルまたは誘導コイルコアの２つ以上の寸法を有することができ、１つまたは複数段内に採用されて抵抗および出力に対して増強された制御を提供する、構造を有することができる。
【０１０１】
図１３は、正面図で示した、２つの磁石と２つの界磁コイルとを備える単一の段を示している一実施形態である。この単一の誘導要素すなわち段は、多くの独特の目的にかなうものである。最も重大なことは、この単一段が、磁束密度を増大しかつ望ましくない漏れ磁束を低減する、孤立化された誘導プロセスを提供することである。内側磁石３６ａおよび外側磁石３６ｂは、磁束のための孤立化された通路を可能にする様なやり方で、誘導コイル４０とそれらのコア４２の両方を通過する、Ｎ磁極からＳ磁極へと完成された通路内で誘導される、強力かつ集中した磁界を生成する。
【０１０２】
さらに、図１３は、ステータとアーマチュアとの間の関係がどのように「突極対突極」であるかを示している。設計のこの特徴により、磁石端部の極または誘導コイルコア端部の極のどちらかの物理的特徴を操作することができる。極の端部の形状を操作することにより、正弦波は異なる形状をとる。磁石が誘導コイルに急激に接近するために、生成された波形が鋭いかどを有する場合には、誘導コア４２の端部は、数字８２によって指される線によって図示されているように、剃り落されることができる。さらに、より漸進的でより円滑な誘導プロセス、したがって、より丸みを帯びた正弦波、を生成することが望ましい場合には、線８２ａによって示されるように、誘導コイルコア４２をより曲線状に成形することが、利用され得る。
【０１０３】
本発電機は、誘導プロセスを、したがって、磁石が誘導コイルを通過する際に生成される出力信号を、機械的に操作するように、また、磁界特性と誘導コイル極との間の空隙をこれらの極の特定の領域で変化させることによりコイルコアを通過する磁界強度を操作するように、設定され得る。これは、図１３に示されるように行われ得る。すなわち、磁石極と誘導コイル極との関係が操作されて所望の出力正弦波形状を生成し、極の修正が、磁石の極または誘導コイルの極または両方に行われ得、また、極の端部を成形することにより、磁界がより漸進的でより急激でなく接近することができるようになり、したがって、システムの動作を円滑にし、それによってコギングトルクをさらに低減し、殆どのグリッドシステムへの統合に所望される、より正弦波の波形が生成される。また、外側およびまたは内側の磁石が調整され得るようにもでき、その結果、空隙を増減することが可能になり、その結果、誘導コイルと誘導プロセスの特徴（特に、結果として生じる正弦波の形状に影響を与える特徴）とに影響を与える磁束密度に対し、より多くの制御が可能になる。
【０１０４】
図１４〜１６は、更に別の設計の代案実施形態の部品を図示したものであり、ステータプレート３８およびアーマチュアキャリアプレート４４の両側を利用して、所定の場所に誘導コイルおよび磁石を保持することによって、製造コストを低減することに焦点を合わせたものである。この設計は、発電機の両端部のアーマチュアアセンブリを除いて、ステータおよびアーマチュアの両側を採用して磁石と誘導コイルとを収容し、そのようにして製造コストを低減していることが、分かる。また、この設計は、アーマチュアプレートおよびステータプレートにかかる曲げ力を、プレートの片側の力をプレートの反対側に生成される力で相殺することによって、釣り合わせることを補助する。
【０１０５】
装置のベースの足部３２は、システムを土台に固定し、同様にしっかりと所定の場所にステータコイルを保持する単一のプレートとして製造され得る。図１６は、右上部の四分円を取り除いて断面で示した、４つのステータ配列を有する発電機セクションを図示したものである。この設計では、誘導コイルコア４２は、ステータプレート３８上に取り付けられており、アーマチュアプレート４４の間にきつく詰められている。各コイルからのワイヤがステータプレート３８内の穴部を通過し、該プレートの外縁部上のチャネル内に収容されることができる。ワイヤは、回路ボックスに配線を差し向ける制御装置取付ブラケット８５のところで、纏まることができる。
【０１０６】
図１７は、発電機内で採用され得るハイブリッド磁気装置を図示している。この設計の磁石は、単に両極に２つの磁石を置いたものであってよく、適切な強磁性材料がこの２つの磁石の間でハウジングとして機能し、したがって、２つの磁石が、１つのより大きい磁石として機能することができるようになっている。この永久磁石には、磁石が電磁石としても機能できるように、中間にコイルを装着することができる。電磁石は、所定の場所にワイヤコイル８３を保持するために、ボビン８４を利用してもしなくてもよい。このハイブリッド磁石のための別の設計では、ハウジング材料内に、２つではなく１つの磁石のみを格納することができる。これは、単にハウジング材料の中間で、この図ではワイヤコイル８３の下に、永久磁石を格納することによって行われ得る。このハイブリッド磁石は、永久磁石として機能することができ、電磁石としても機能する場合にはより大きな制御の可能性を有する。さらに、この磁石配置は、閉磁束通路環境内において特に有利である。研究により、結合された磁石および電磁石の総体的な磁束密度は、閉路配置内で適用される場合、２つの力を単に加算したものを越えることが示されている。
【０１０７】
更なる実施形態では、図１７のような磁気装置が、間に強磁性材料を有した状態で両極に位置する２つのより小さな磁石を備え、これらの磁石の極性は、互いに反対であり（すなわち、一方は外側へ向ってＮ極の方を向いており、他方は外側へ向ってＳ極を向いている）、この２つの磁石の間にハウジングとして機能する適切な強磁性材料があり、したがって、２つの磁石が１つのより大きい磁石として効果的に作用する。
【０１０８】
上述の磁気装置には、両極の間に磁石ワイヤのコイルが装着されており、その結果、電流がコイルに印加された場合にはこの磁石が電磁石としても機能することができ、この電磁石は、所定の場所にワイヤコイル８３を保持するために、ボビン８４を利用してもしなくてもよい。
【０１０９】
この装置のための別の設計では、２つではなく１つの磁石のみが使用されており、この単一の磁石は、ハウジング材料の内または付近に格納されて、その結果、大きい磁石を生成してその磁界特性を有しており、磁石ワイヤのコイルは、磁石が図１７のワイヤコイル８３の下に置かれている場合にそうであろうように、例えば強磁性ハウジング材料の中間領域内の磁石の上になど、中間セクションの周りに巻きつけられる。
【０１１０】
閉磁束通路誘導である更なる代替実施形態において、発電機は、閉ループ構造内に２つの磁石と、２つの界磁コイルとを有し、したがって、磁束のための完成された通路を可能にしている。完成された磁束通路があり、この磁束通路においては、磁石は馬蹄形の形であり、両方の磁石の極は互いに対向しており、磁石の極に位置合わせされると、両磁石と両コイルとを通る磁束のための閉ループ経路を生成する、誘導コアがある。多くの径方向内側および外側の磁界特性を有するアーマチュア円板があり、この磁界特性は、ステータの誘導コイルと共に、単一のアーマチュアおよびステータアセンブリ内に多数の閉磁束通路誘導段を生成する。このアーマチュアは、単一のステータ配列と相互作用する単一のアーマチュアから多数の相が生成され得るように、非対称なやり方で内外の磁気アセンブリを有しており、力を釣り合わせる所望の効果は、力を釣り合わせるためにオフセットされた３つのアーマチュアまたはステータによって達成されるのと同様に、依然として達成される。この実施形態においては、発電機は、同様の寸法であってもなくてもよい内側および外側磁石を有し、内側磁石または外側磁石のどちらかが、永久磁石を利用するのではなく、強磁性材料または電磁石と交換され得る。上述の閉磁束通路装置は、内側磁石もしくは外側磁石または両方のために電磁石を利用し、また、内側磁石もしくは外側磁石または両方のために、ハイブリッド磁石を利用してもよい。永久磁石、電磁石または強磁性材料の任意の組合せが、この実施形態で磁束通路を完成するために使用され得る。
【０１１１】
発電機の一実施形態はそれ自体のギヤボックスとして機能し、発電機は、それ自体が電子ギヤボックスであり、便利であり統合された電気的遮断システムをも提供する。この構造は、流出エネルギーを回避するようなやり方で、ロータの回転速度を制御する方法を有し、発電機自体が、システム内に係合された独立したコイルの数を増減するプロセスを通して、システムに、従来のようにエネルギーを流出させることなく、タービンの回転速度を制御する効率的なギヤボックスシステムとして、機能させることができる。発電機は、誘導のプロセスを通して、ロータの回転に抵抗を加えることができ、それによって、更なる段が係合されるにつれてロータ速度を減速し、また、システムから段を電気的に取り外すプロセスを通して、ロータの回転に対する抵抗を除去する。発電機は、また、複数のステータ極と、多数の発電機段の係合および解除によってもたらされた抵抗制御システムとの結果として、原動機ロータへの直結（単一コグ）接続を可能にすることができる。発電機は、また、前処理エレクトロニクスと結合された独特の段状内部発電機を備えることができ、その結果、発電機が、それ自体の電子ギヤボックスとして機能することができ、したがって、より効率的なエネルギー捕獲システムを提供することができる。
【０１１２】
任意の数の採用された誘導コイルがあり、同時に、採用されていない他の誘導コイル（開回路を有する）がある場合、および、いくつの段またはシステム内のコイルが閉回路を有し、したがって係合されているか、に関わらず、ロータが、ステータの周りで回転している１つまたは複数のアーマチュアプレートを含む場合、発電機は、はずみ車効果を使用することができる。このとき、アーマチュア円板の釣り合った段の塊は、回転し、はずみ車として機能する役目をする。このはずみ車は、回転速度の突然かつ望ましくない変化からシステムを安定させ、したがってシステムの動作を円滑にする。またこのとき、上記はずみ車は、運動エネルギーを蓄え、タービンの回転速度の減速のための機構を提供し、したがって、ソースエネルギーおよび負荷の突然の変化を円滑にする。
【０１１３】
発電機は、様々な出力電圧を生成するために、コイルの様々な組合せを選択することができるように設定され得、ピンまたは他の電気接点が、用途のための様々な動作電圧の選択を可能にするようなやり方で、ケーシングの周りに配置され得る。このとき、この装置は、隣接する終端層を互いに対して選択された向きに接続することによって達成された、モータまたは発電機のどちらかとして作動している。また、コイル接点の向きは、作業者が、装置が発電機として機能している場合には、生成される結果として生じる電圧を決定できるように、または、装置がモータとして機能している場合には適切な入力電圧を決定できるように、選択され得る（例えば、この機械は、１２０ボルト、２４０ボルトもしくは４８０ボルトで動作することができ、または、１２０ボルト、２４０ボルトもしくは４８０ボルトの出力を提供することができる）。
【０１１４】
本発電機は、また、並列−直列コイル配置を有することができる。従来技術では、永久磁石を使用する場合、出力電圧は、発電機の毎分回転数に正比例する。したがって、変速で作動するように設計された発電機は、結果として生じる変動する電圧出力を克服しなければならない。本発電機は、低速（低電圧出力）ではコイルが直列であり、したがって、これらの電圧は目標電圧を得るために合計されるように、コイルの配置を動的に制御する。速度が増大するにつれ、コイルは２つの直列バンクに接続され、バンクは並列に接続される。速度がさらに増大するにつれ、コイルは、４つの直列バンクに接続され、バンクは並列に接続される、等。最大運転速度（各コイルからの最大の電圧出力）になるまで、全てのコイルは並列に接続される。この時点で、個々のコイルは、全てのコイルが直列であるときの低速電圧に等しい電圧を達成する。
【０１１５】
例えば：理論上の所望の出力が１０００Ｖであるとする。理論上の発電機は、１０のコイルを有する。各コイルは、発電機の毎分回転数に従い、１００Ｖ（１００ｒｐｍ）から１０００Ｖ（１０００ｒｐｍ）までの範囲で動作する。発電機が１００ｒｐｍで回転する場合、全てのコイルは、直列に接続されて、１０００Ｖの所望の出力を得る。発電機の毎分回転数が増大するにつれ、電圧は、１０００Ｖを超える。２００ｒｐｍで、コイルは２つの直列バンクに分割され（両方とも１０００Ｖを生成する）、バンクは並列に接続される。（各コイル２００Ｖ×５コイル＝１０００Ｖを生成する）。５００ｒｐｍで、コイルは、２コイルからなる並列バンクに接続される。（各コイル５００Ｖ×２コイル＝１０００Ｖを生成する）。１０００ｒｐｍで、全てのコイルは、各コイルが所望の出力電圧を生成するであろうため、並列に接続される。
【０１１６】
好ましい実施形態における本発電機は、独立したモータ段に分割された高出力可変入力モータとして、機能することができる。このモータ構造は、モータとして機能することができる段もあれば、解除され、作動していないままの段もある、多数の段を備える。組み込まれたはずみ車効果を有するモータとして機能している時には、いくつの段が閉回路を有して実際に係合されているかに関わらず、全てのロータが常に回転していることができる。また、任意の数の段が発電機として機能することができる一方で、任意の数の段が交替にモータとして機能することができ、したがって、システムが、モータから発電機へと、システム自体の状態を素早くかつ容易に変更することができる。また、特定の用途では、モータとして機能している段もあれば、同時に、発電機として機能している段もあるようにすることが、賢明であり得る。
【０１１７】
本発電機は、発電機システムの構造に使用される材料を選択する際に、より大きな融通性と選択の余地を可能にする、閉磁束通路誘導プロセス装置の利点を有する。発電機は、多数の孤立した誘導プロセスを有することができ、それによって、発電機システムを生成するために使用され得る材料について、より大きな選択の余地を可能にし、より軽い非金属材料がハウジングや他の部品のために使用され得、それによって、システム重量を低減することができる。
【０１１８】
開示したこの独特の発電機は、入力エネルギーおよび負荷が変動するにつれて、発電機段を電子的に増減することを通して、発電機の抵抗をソースエネルギーに合わせるように設計された、多段発電システムを提供する。一実施形態においては、単一段は、コイルはたった１つであってよく、または三相出力のためには、３つのコイル（例えば、１つの３ステータ配列配置内の各配列からの１つ）であってよい。提案された発電機システムの更なる利点は、数多くあり、機械的エネルギー損失が低減されること、および従来の信号処理エレクトロニクスに対する要求事項が低減されることが含まれる。
【０１１９】
本発明を、その特定の好ましい型を参照にして、かなり詳細に説明してきたが、他の型も可能である。したがって、添付した特許請求の要点および範囲は、本願明細書に含まれる好ましい型の説明に、限定されてはならない。
【０１２０】
本発明の使用法および動作の仕方についての更なる議論については、同様のことが言えることは、上述の説明から明らかである。したがって、使用法および動作の仕方に関する更なる議論は行わない。
【０１２１】
上述の説明に関して、本発明の部品のための最適寸法の関係には、様々な寸法、材料、形状、形式、機能および動作の仕方、組立ておよび使用法が含まれることは、当業者にとっては容易に理解できかつ自明であると思われ、また、図面で示されかつ明細書で説明されたものに対する全ての同等の関係が本発明によって包含されるよう意図されていることを、理解されたい。
【０１２２】
したがって、以上の説明は本発明の原理を例示するだけのものと考えられる。さらに、当業者ならば、数多くの変更と改変を簡単に思いつくであろう。したがって、本発明は、図と共に記載された通りの構造および動作に限定されるものではなく、したがって、全ての適切な変更および同等物が本発明の範囲内に入り得る。
【図１】
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【図１ａ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図４ａ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図９ａ】
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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１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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