(57)【要約】モータ/交流発電機は、ハイブリッド磁石でもよい単一のトロイダル状磁石で形成され、磁束スイッチと結合し、パワーコイルの周囲に交番磁気回路を形成する磁束伝導体を持つ。そのモータ/交流発電機は、磁束スイッチを小型にすることでヒステリシスを被る材質の量を最小にし、そして渦損失に極めて少ない材質を用いることにより、磁束伝導体内の渦電流を減じる。鉄心ロスの低減は極めて高い周波数の動作を可能にし、高いパワー密度となる。磁束伝導体の形態は、モータ/交流発電機で高い極数を可能にし、通常の回転速度で高い周波数を可能にする。
2005522161.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁石と、
ループを形成するよう配置された電気的導体と、
前記ループの電気的導体を通じて前記磁石からの磁束を伝える多数の磁束伝導体であり、前記磁束伝導体の第１の組は、前記磁束が第１の方向で前記ループを通過するように伝え、そして前記磁束伝導体の第２の組は、前記磁束が第２の方向で前記ループを通過するように伝える、磁束伝導体と、および
前記第１および第２の磁束伝導体を交互に開閉するためのスイッチとを備える電気的マシン。
【請求項２】
前記スイッチは、電気的マシンのロータに取り付けられる請求項１記載の電気的マシン。
【請求項３】
前記電気的導体に電流を誘起させるために、前記ロータに原動力が与えられる請求項２記載の電気的マシン。
【請求項４】
前記ロータを回転させるために、交番電流が前記電気的導体に印加される請求項２記載の電気的マシン。
【請求項５】
前記磁石および前記電気的導体は共に環状の形態である請求項１記載の電気的マシン。
【請求項６】
前記磁石および前記電気的導体は、放射方向に向かう請求項３記載の電気的マシン。
【請求項７】
前記磁石は、前記電気的導体よりも小さい直径を持ち、そして、前記電気的導体の内周に配置される請求項６記載の電気的マシン。
【請求項８】
前記電気的導体は、前記磁石よりも小さい直径を持ち、そして、前記磁石は、前記磁石の内周に配置される請求項６記載の電気的マシン。
【請求項９】
前記磁束伝導体は、粉末鉄で形成される請求項１記載の電気的マシン。
【請求項１０】
前記スイッチは、積層鋼で形成される請求項１記載の電気的マシン。
【請求項１１】
前記スイッチは、適合したグラスで形成される請求項１記載の電気的マシン。
【請求項１２】
二つの追加的な電気的導体を更に備え、その各々がループを形成するように配置され、前記複数の磁束伝導体は、前記磁石からの磁束が３つすべての電気的導体のループを貫通するように伝え、そして、３つすべての電気的導体に貫通する磁束伝導体を交互に開閉するための多数のスイッチを更に備え、当該電気的マシンを３相マシンとして運転させる請求項１記載の電気的マシン。
【請求項１３】
前記磁石は、永久磁石である請求項１記載の電気的マシン。
【請求項１４】
前記磁石は、電磁磁石である請求項１記載の電気的マシン。
【請求項１５】
前記磁石は、永久磁石および電磁磁石の磁界が加算されるように両磁石が並置されているハイブリッドである請求項１記載の電気的マシン。
【請求項１６】
磁石を備え、
ループを形成するように電気的導体を備え、
前記磁石からの磁束を、前記電気的導体のループを通過させるようにする多数の磁束伝導体を用いた電気を発生させるための方法であり、磁束伝導体の第１の組は、前記磁束が、第１の方向で前記ループを通過するように伝え、そして、磁束伝導体の第２の組は、前記磁束が、第２の方向で前記ループを通過するように伝え、そして、前記電気的導体内に交流電流を発生させるために、前記磁束伝導体を交互に開閉する、電気を発生する方法。
【請求項１７】
前記磁束伝導体の一つを開状態と閉状態との間で交互に切り換えるために、ロータ上にスイッチを備え、前記スイッチ移動させるためにロータを回転させるステップを更に備える請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記電気的導体内の交流電流を直流に整流するステップをさらに備える請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
原動力を与えるための方法であり、
磁石を備え、
ループを形成するように電気的導体を備え、
前記磁石からの磁束を、前記電気的導体のループを通過させるようにする多数の磁束伝導体を用いた電気を発生させるための方法であり、磁束伝導体の第１の組は、前記磁束が、第１の方向で前記ループを通過するように伝え、そして、磁束伝導体の第２の組は、前記磁束が、第２の方向で前記ループを通過するように伝え、ロータ上のスイッチを用い、前記磁束伝導体を交互に開状態と閉状態に切り換え、そして、前記交流電流の極性が変化した時に、連続した磁束伝導体の間で前記スイッチを移動させることで前記電気的導体内に交流電流を与える方法。
【請求項２０】
それぞれがループに形成された第２および第３の電気的導体を備え、
前記磁石からの磁束を前記ループの第２および第３の電気的導体を通過させるために、多数の磁束伝導体を用い、
前記磁束伝導体の第１の組は、前記磁束が第１の方向で前記第２および第３のループを通過するように伝え、そして、前記磁束伝導体の第２の組は、前記磁束が第２の方向で第２および第３のループを通過するように伝え、
ロータ上のスイッチを用い、前記磁束伝導体を開および閉の状態の間で切り換え、そして、
連続する磁束伝導体間で前記スイッチを移動させ、前記ロータを所定の方向に回転するようにして、前記伝的導体内に３相交流電流を与えるステップを更に備える請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
磁束源と、
ループを形成するように構成された電気的導体と、
磁束源からの磁束を前記ループの電気的導体を通過するように向ける多数の磁束伝導体とを備え、前記磁束伝導体の第１の組は、前記磁束が第１の方向で前記ループを通過するように伝え、そして、前記磁束導体の第２の組は、前記磁束が第２の方向で前記ループを通過するように伝え、
そして、前記第１および第２の組の磁束伝導体を交互に開閉するためのスイッチとを備える電気的マシン。
【請求項２２】
磁石と、
ループの電気的導体材料と、
前記磁石からの磁束を前記ループの電気的導体材料を通過するように向ける多数の磁束伝導体とを備え、前記磁束伝導体の第１の組は、前記磁束が第１の方向で前記ループを通過するように伝え、そして、前記磁束導体の第２の組は、前記磁束が第２の方向で前記ループを通過するように伝え、
そして、前記第１および第２の組の磁束伝導体を交互に開閉するためのスイッチとを備える電気的マシン。
【請求項２３】
磁石と、
ループを形成するよう構成された電気的導体と、
前記磁石からの磁束を前記ループの電気的導体を通過するように方向付けるための手段とを備え、その手段は、前記磁束を第１の方向で前記ループを通過させるように方向付ける第１の手段、および、前記磁束を第２の方向で前記ループを通過させるように向ける第２の手段を含み、
そして、磁束を方向付けるために、前記第１および第２の手段を交互に開閉するためのスイッチとを備える電気的マシン。
【請求項２４】
磁石と、
ループを形成するように構成された電気的導体と、
前記磁石からの磁束を前記ループの電気的導体材料を通過するように向ける多数の磁束伝導体とを備え、前記磁束伝導体の第１の組は、前記磁束が第１の方向で前記ループを通過するように伝え、そして、前記磁束導体の第２の組は、前記磁束が第２の方向で前記ループを通過するように伝え、
そして、前記第１および第２の組の磁束伝導体を交互に接触させるためのスイッチとを備える電気的マシン。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
この発明の実施例は、モータあるいは発電機のいずれかとして機能することができる、電気的な機械に関する。その機械は、高い効率および高いパワー密度を達成するために磁束の高周波転流を用いる。
【０００２】
[発明の背景]
モータおよび交流発電機は、高い効率、高いパワー密度および低コストとなるように設計されている。高いパワー密度は、高い回転速度、それ故、高い電気的な周波数で交流発電機を動作させることにより達成される。しかしながら、高い電気的な周波数は高い鉄損およびより低い効率に帰着する。非常に低い鉄損(その結果、高い電気的な周波数で運転することを可能にする)を有するモータおよび交流発電機を提供することが望ましい。
【０００３】
もし高い回転速度が得られないなら、先行技術のモータもしくは交流発電機は、低い回転速度で高い電気的な周波数を得るために多くの磁極を持たなければならない。先行技術のモータもしくは交流発電機は、スペース制限により、持つことができる磁極の数に現実的な制限がある。したがって、あるパワーに達するために、一旦、その制限に到達すると、モータもしくは交流発電機は、比較的に大きくなり、低い回転速度で固有的にあるように低いパワー密度を持つに違いない。現在可能な多くの磁極の数倍を持つことができ、低い回転速度であっても高いパワー密度およびよい効率を提供できるモータもしくは交流発電機を提供することが望ましい。
【０００４】
先行技術のモータおよび交流発電機に備わる別の問題は、それらが磁界を提供することを永久磁石あるいは電磁石のいずれかを要求する。各タイプの磁石はいくつかの長所およびいくつかの損失を持つので、２つのタイプの磁石間のトレードオフの決定を下すことが必要となる。永久磁石は単純性を提供し、それらは、電気的な入力を要求せず、この結果、ブラシレスのモータまたは交流発電機を可能にするという長所を持つ。永久磁石は、さらに比較的高いパワー密度のモータもしくは交流発電機を設計することを可能にする。しかしながら、それらは、広い速度範囲にわたる運転を許可せず、そして、所望されても、磁力をなくすことはできない。電磁石は電源は切ることができるが、より多くのスペースを占め、パワーを得るためにスリップリングに要求し、システムに対して寄生ロスとなる。したがって、クラッチの必要を回避するために、多くの機械が、より低いパワー密度、より低い効率およびより高い複雑さでモータもしくは交流発電機を受け入れなければならない。永久磁石と電磁石の利点を組み合わせることができるモータおよび交流発電機を提供することが望ましい。
【０００５】
既存のモータおよび交流発電機でのトレードオフ設計は、いくつかのモータおよび交流発電機の商用化の成功を妨害した。例えば、低速出力が、車両サスペンションおよび駆動システムの重量とサイズの要求と両立しない大きなモータを必要とするので、乗り物の車輪を駆動するハブ・モータは商業化されていない。成功しようとするハブ・モータは、先行技術モータによって提供されたものより数倍高いパワー密度を要求し、また、よい効率を維持しなければならず、可変の磁界強度を持たなければならない。そのようなモータは、電気自動車およびハイブリッドの電気自動車を商業的に許容するために大いに役立つであろう。
【０００６】
[課題を解決するための手段]
この発明の実施例は、先行技術装置より数倍高いパワー密度を提供するモータ/交流発電機を提供する。これは、基本的に鉄損を大きく低減することにより達成され、それにより、はるかに高い電気的な周波数でモータ/交流発電機を運転させることを可能にする。それは、与えられた回転速度に対し、高い電気的な周波数で作動するので、装置が交流発電機として運転される場合、出力電圧は先行技術の交流発電機のものよりも高い。これは、巻線に流れる電流を低減し、本質的に装置の抵抗性損害を低下させる。
【０００７】
従来のモータおよび交流発電機は、ステータ、ロータの一方または双方で変化する磁界を作成するために巻線内で変化する電流を用いる。この発明の実施例はそれに替えて、磁界の磁束経路の変更によって一定の磁界を変化させる。ヒステリシスと渦電流は鉄損の主要な根源である。ヒステリシスは、材料中の磁極性の逆転によって引き起こされる。また、磁界が逆になっても逆にならなくても、渦電流は材料の磁界の強度の変化によって引き起こされる。この発明の実施例は、粉末鉄のような渦電流に強い材料を使用して、コアの大部分中に、およびコアのその部分のためのヒステリシスを防ぐことにより、低い鉄損を達成する。この発明の実施例は、磁界の逆転を経験するコアの小さな部分中に低ヒステリシス損に従う材料の使用により、さらにコア損失を低減する。
【０００８】
この発明の実施例によるモータ/交流発電機は、N極およびS極を備えた単一の磁石を用いる。磁石は選択的に永久磁石あるいは電磁石、あるいは両者の結合である。多数の磁束伝導体は、単一磁石からの磁界を導く。磁束伝導体の半分が正の磁極を持つように磁石のN極に接し、そして、磁束伝導体の半分が負の磁極を持つように磁石のS極に接する。NおよびSの磁束伝導体は、磁束伝導体間の磁束もれを最小限にするのに十分なエアギャップによって互いに分離している。多くのスイッチデバイスがロータに取り付けられる。スイッチデバイスは、交互に、デバイスの磁石のNとS極の間の磁束を導くために磁気回路を開閉するために磁束伝導体の間で接触する。これらの磁束スイッチは、装置でヒステリシスを被るただ一つの部品である。磁束伝導体がパワーコイルの周囲で交互に反転した方向にして磁束を導くように、その磁束伝導体が整えられる。磁束伝導体の半分は、パワーコイルの回りで右回りの磁界を生成する。また、他方の半分は、コイルの回りで左回りの磁界を生成する。スイッチデバイスが交番磁気回路を開閉するので、パワーコイルの回りで磁界の極性が反転される。交流発電機として使用された時、磁界の極性の反転はパワーコイル中に交流EMFの電圧を誘起させる。AC電圧がパワーコイルに印加される場合、そのデバイスは、ロータ上のスイッチデバイスを磁束伝導体間で移動させることにより、そのデバイスはモータとして作用させるであろう。
【０００９】
磁束伝導体は極めて小さく出来、そのため、それらが接近しすぎて、磁気もれが生じる前に、多くのペアを小さなスペース内に適合できる。各ペアの磁束伝導体が、モータ/交流発電機中の１つの磁極から成るので、先行技術モータおよび交流発電機よりも、数倍多くの磁極が、この発明の実施例で可能である。多数の磁極は、この発明の実施例にて、適度の回転速度で走る間に高いパワー密度のために必要とされる高い電気的な周波数を達成することを可能にする。
【００１０】
[発明の効果]
この発明の実施例による装置は、単一の磁石だけを使用するという長所を持つ。これは、多くの先行技術モータおよび交流発電機と比較して、非常に単純で経済的な構成を可能にする。この発明の実施例は、多くの磁石を要求しないで磁極を多数備えたモータか交流発電機に帰着する。更に、磁石がステータ上にあるので、電磁石に電流をもたらすためのスリップリングが不要で、その製造を非常に単純化する。磁石が選択的に永久磁石あるいは電磁石のいずれかであるので、希望の使用のために最良に働く磁石を選択する際に、大きな柔軟性がある。１つの可能性は、磁石が永久磁石と電磁石が結合したハイブリッドであることである。この構成では、永久磁石が固定強さの磁界を提供する。また、補足的な電磁石は、磁界を強くするために高めるか、あるいは潜在的にそれを低減するために使用される。電磁石からの磁界の強さを調節することによって、必要なときに、モータか交流発電機の磁界強さの合計が随意に調節される。
【００１１】
この発明の別の実施例は、３相の装置を提供する。その３相の実施例でも、一つが別の上に配置される３個の個別のコイルを囲む磁束伝導体を磁化する１つの磁石あるいはハイブリッドの磁石だけが必要になる。磁気回路が一度に１個のコイルのまわりで完成するように、磁束スイッチが配置される。交流発電機として使用された時に、３相出力が生成されるように、かつ、モータとして使用された時、３相が装置を駆動するように、磁束スイッチは一定間隔で配置される。
【００１２】
この発明の実施例は、レイアウトと幾何学構成で多くの可能性を持つ。ロータは、選択的に、ステータの内面あるいは外面上に、あるいは対面して位置する。磁束スイッチおよび磁束伝導体は、例えば意図した使用に基づき、随意に種々の形態をとる。磁石は、選択的に永久的、電気的、あるいはその双方である。この発明の範囲内でここで述べていない変形がより多く存在する可能性がある。
【００１３】
現在の発明の実施例によるモータ/交流発電機は、先行技術装置と比較して、与えられた回転速度に対して非常に高い電気的な周波数で動作する。これは非常に高いパワー密度に帰着する。１つの実施例では、操作する電気的な周波数は、与えられた回転速度に対して先行技術装置より１０倍高い。これは、１０倍高いパワー密度に帰着する。この高周波運転は、さらに、装置が交流発電機として使用される場合に、パワー出力を滑らかにするコンデンサーの要求が低減される結果となる。この高周波運転は、さらに先行技術装置と比較して、はるかに高い電圧で動作する装置を許可し、そのために、装置のバッテリー充電能力を改善し、また、インバーターとのインターフェースを単純化する。高電圧は、さらに、装置内のワイヤを小さくし、低電流および低パワー損失となる。
【００１４】
様々な実施例中のこの発明による追加の特徴および利点は、この開示の残りから明白になるであろう。この発明の実施例による特徴と利点は、添付した図面に関連する次の詳細な記述から明白になるであろう。
【００１５】
[発明を実施するための最良の形態]
この発明は多くの異なる実施例中に示され、記述され、主に４つの具体的に記述された実施例中で述べられる。第１の具体的に述べた実施例は単相装置である。さらに、第２は、幾何学的に異なる磁束伝導体を有する単相の装置である。第３は、装置の３相タイプについて記述する。第４はステータの内部のそのロータを備えた装置の単相バージョンである。(内部のロータを備えた３相装置のように)最も明確に記述されたもの以外に他の実施例があり、それについてはここでは特に記述していないが、これらの４つの実施例から明示的にまたは完全に理解されるであろう。
【００１６】
図１で示されるように、この発明の実施例は、リング磁石２を持っているステータ１、１組のN極磁束伝導体４、１組のS極磁束伝導体６およびパワーコイル８を含む。NおよびS極磁束伝導体４および６は、磁石２と直接に接触している。磁束伝導体４、６は、容易に磁界を導く材質で作られている。鉄性の材質が良好に動作し、そして、他の材質も自由に使用されるが、１つの具体的な材質は粉末金属である。磁束伝導体４および６は、磁石２の磁界をパワーコイル８へ向ける。パワーコイル８は、装置が交流発電機として使用される場合、電気的な電圧が生成される電気的なコイルである。モータとして使用された時、パワーコイル８は、装置に動力を供給するために電圧と電流を提供する。パワーコイル８は、装置が交流発電機として使用される場合に出力パワーを集め、それがモータとして使用される場合に、パワーを提供する電気的リード１０を含む。
【００１７】
図２は、図１のリング磁石のより詳細な分解組立図である。この発明の１つの実施例は永久磁石１２および電磁石１４を含むハイブリッド磁石であるが、この発明の実施例は、選択的に、永久磁石１２のみを含むか、電磁石１４を単独に含んでもよい。永久磁石１２だけを備えた磁石２の配置では、電磁石１４に接続された電気的リード１６は不要である。電磁石１４だけを備えた磁石２の配置では、電磁石１４によって生成された磁束を導くために永久磁石１２は、永久磁石と同じ形を持っている強磁性材質のシリンダと取り替えられる。その後、磁界は、電磁石１４の電気的リード１６に印加された電圧の調節により増減される。永久磁石１２および電磁石１４の両方がハイブリッド磁石として使用される磁石２の１つの配置では、電磁石１４が、永久磁石１２の磁界を自由に加算もしくは減算する。これは、始動、クラッチ操作時、または制動時が望まれた時、電界の強さが電磁石１４によって調節されることを可能にし、また、さらに、永久磁石１２によって生成された磁界だけを用いて、外部電流源なしで長時間、モータ/交流発電機が運転することを可能にする。
【００１８】
磁石２のN極へ接続する磁束伝導体４は、図３で示されるような単一の個体として随意に形成される。その磁束伝導体は、その磁束伝導体のための構造的な支持を提供する装着用リング１８を含む。装着用リング１８は、磁石２(示されていない)のN側と接触し、その場所に磁石２を保持する。磁束伝導体における多くのラミネート２０が装着用リング１８に取り付けられる。ラミネート２０は、磁石２から適切な位置へ磁界を導く。各ラミネート２０は、装着用リング１８から放射状に外へ伸びて、２つの伝導部分に分離している。
【００１９】
図４は、単一のN極磁束伝導ラミネート２０を示す。上部伝導部分２２は、装着用リング１８から直接放射状に外へ伸び、下部伝導部分２４は、上部伝導部分２２から下方へ伸びる。上部および下部の伝導部分の間には、パワーコイル８(不図示)を保持するために、各ラミネート２０内に刻まれたノッチ２６が存在する。下方へ伸びることに加えて、下部伝導部分２４が上部伝導部分２２と垂直方向に整列しないように、下部伝導部分２４の各々は曲がっている。下部伝導部分２４の各々は、２つの隣接した上部伝導部分２２間の中間位置で、周辺に間隔を置く。１つの実施例では、２つのラミネート２０間の回転方向の分離が６度となるように、図３の磁束伝導体４は６０個のラミネート２０を含む。下部伝導部分２４が上部伝導部分２２から周辺方向で相殺されるので、２つの伝導部分２２と２４の間のオフセットの合計は３度である。磁束伝導体４は、粉末金属から１個体として随意に鋳造される。しかしながら、装着用リング１８が単一の個体で、ラミネート２０が個別の部材で装着用リング１８に安全に取り付けられるようにして、磁束伝導体４が組み立てられてもよい。
【００２０】
別の組の磁束伝導体６が図５に示される。磁束伝導体６は、磁石２(示されていない)のS極に磁気的に結合される。磁束伝導体６は、図３の磁束伝導体４と同じ構成である。磁束伝導体６は、磁束伝導体６は、磁石２のS極へ接続する装着用リング２８を含む。ラミネート３０は、装着用リング２８から放射方向に外側へ突き出る。
【００２１】
図６は、磁束伝導体６のラミネート３０が上部伝導部分３２と、装着用リング２８から放射方向に延在する下部伝導部分３４とに分離していることを示す。パワーコイル８(不図示)を保持するために、上部伝導部分３２と下部伝導部分３４との間にノッチ３６が設けられている。二つの伝導部分３２および３４の組が互い違いとなるように、上部伝導部分３２は、下部伝導部分３４に比べて周辺で相殺される。
【００２２】
図７のごとくN極磁束伝導体４のラミネート２０がS極磁束伝導体６のラミネート３０と配置されるように、図１の磁束伝導体４および６は、互いに対して向き合っている。隣接したラミネート間のエアギャップを通じて、漏れ磁束がほとんどないか、全く存在しないように、ラミネート２０、３０は適切に間隔を置かれる。1インチのおよそ1000分の50のスペースは漏れ磁束を最小限にするのに十分であるに違いない。N極ラミネート２０の上部および下部伝導部分２２、２４および、S極ラミネート３０の上部および下部の伝導部分３２、３４は、N極ラミネート２０の各上部伝導部分２２が、S極ラミネート３０の下部伝導部分３４と垂直に整列するように、互い違いに配置される。同様に、N極の各ラミネート２０の下部伝導部分２４は、垂直に、S極のラミネート３０の上部伝導部分３２と垂直方向に整列する。図７は、３つのN極ラミネート２０および３つのS極ラミネート３０の端部を示す。
【００２３】
パワーコイル８は、現在の発明の実施例によるモータ/交流発電機によって生成されたか、もしくは要求されたパワーを伝送する電気的リード１０を持つ。一旦、Nの磁束伝導体４およびSの磁束伝導体６が、磁石２(図１を参照)のまわりで組み立てられるなら、例えば、パワーコイルはノッチ２６、３６に巻かれる。パワーコイル８は、随意に、ノッチ内で巻線間の絶縁層(示されていない)を有する銅箔によって巻かれるか、絶縁された長方形のワイヤー巻線から作られる。これとは別に、パワーコイルは、通常の丸い絶縁されたワイヤーを随意に巻き付けられてもよいが、箔や長方形ワイヤーでよりも充填密度が低くなる。磁束伝導体のラミネート２０、３０上でパワーコイル８がショートするのを一般に防止または低減するために、例えば"U"形状の絶縁材料によるトラックが随意にノッチ２６、２８内に装着され、そのトラック内にパワーコイル８が巻かれてもよい。
【００２４】
これまで、モータ/交流発電機のステータ１について記述した。モータあるいは交流発電機として機能させるために、この装置が交流発電機として用いられる時、入力された回転およびトルクが与えられるロータを含み、モータとして用いられる時、ロータは回転およびトルクを出力する。図８は、モータ/交流発電機のロータ３７を示す。ロータ３７は、ベアリング４２内で回転するシャフト４０にマウントされたロータカップ３８を含む。この発明の実施例によれば、装置がモータとして機能する時は、シャフト４０はその装置により駆動され、交流発電機として機能する時は、シャフトが装置を駆動する。多数の磁束スイッチがロータカップ３８の内部に取り付けられる。１つの実施例では、６度の間隔で、ロータカップ３８内部に取り付けられた６０個の磁束スイッチ４４を含む。
【００２５】
図９は、この発明の実施例によるモータ/交流発電機の側断面図を示す。ロータ３７と共に回転する磁束スイッチ４４がロータカップ３８にマウントされている。ステータ１は、上方に面するN極、および下方に面するS極の磁界を供給する磁石２を含む。磁束伝導用のラミネート４および６は磁石２に接する。磁束伝導体４および６は、磁石２からの磁界を非常に有効に導き出すので、本質的に、磁石２からの磁束がすべて磁束伝導体４および６によって導かれる。磁束伝導体４、６は、パワーコイル８が装着される、ノッチ２６(不図示)および３６を含む。磁束スイッチ４４は、磁気回路を完成させるために、磁束伝導体４、６に接触し、磁石２からの磁束を伝える。磁束伝導体４、６および磁束スイッチ４４によって決定された磁気回路は、パワーコイル８を囲み、その結果、パワーコイル８の周辺内部を通過する磁界の変化がパワーコイル内にEMF電圧を発生させ、この装置は交流発電機として機能する。
【００２６】
パワーコイル８中に電圧を誘起させるために、磁束伝導体４、６内の磁界および磁束スイッチ４４が変えられる方法は、図１０および１１を参照すると一層よく理解することができる。図１０は、ロータ３７が第１の位置にある場合に、磁束スイッチ４４と共にステータ１の一部を示す。図１０では、磁束スイッチ４４が、N極磁束伝導体のラミネート２０の上部伝導部分２２およびS極磁束伝導体のラミネート３０の底部伝導部分３４に接触する。磁石２からの磁束は、上部伝導部分２２を通じて、N極磁束伝導体のラミネート２０によって放射状に外側に向かい、そして、磁束スイッチ４４を通じて下方へ向かい、そして最終的に、S極磁束伝導体のラミネート３０に沿った下部伝導部分３４を通じて内側へ向かい、磁石２のS極に磁束が戻る。ロータ３７が回転した時、磁気スイッチ４４は、磁気伝導部分２２および３４を経由して、一時的にラミネート２０および３０に接触してこの回路を形成する。
【００２７】
図１１は、ステータ１の一部を磁気スイッチ４４と共に示し、これは、図１０で示した形態の瞬間後(一つの実施例では、３度の回転後)に生じた形態である。ロータ３７が回転した時、磁気スイッチ４４は、一対の磁気伝導部分２２および３４から次のペア２４および３２へ進行する。図１１で示される形態では、磁石２からの磁束が、N極磁束伝導体のラミネート２０を通じて放射状に外へ向く。しかしながら、その磁束がラミネート２０の出口を過ぎると、それはラミネート２０の下部伝導部分２４によって下方へ向けられる。磁束スイッチ４４の一番上において、磁束は、S極磁束伝導体３０の上部伝導部分３２に入る。その後、磁束は、磁束伝導用ラミネート３０を通じて下方に向けられ、そして、その後、磁石２のS極に戻る。図１１で示された構成では、"８の形"を決定する経路に従う。
【００２８】
図１０および図１１で示された構成間の主要な違いは、パワーコイル８の回りに磁束が貫通することである。図１０では、磁束は、パワーコイル８の周囲を右回りの方向で移動する経路に従い、パワーコイル８の周辺で上方に一度通過する。対照的に、図１１で示される構成は、パワーコイル８の周囲に、"８の形"に従う磁界を生じさせる。磁束経路は、中心近くでは、パワーコイル８を通って上方に進み、その後、内部を通って下方に進み、その後、パワーコイル８の外側で上方に進み、その後、再度、内部を通って下方に進む。図１１で示された位置での磁束合計は、上方の一つの磁束経路から、一つの下方経路と等価な二つの下方への経路を差し引いたものである。１つの実施例では、３度の回転のごとに、磁束スイッチ４４は、一対のラミネート２０、３０間で移動し、そして、パワーコイル８の周囲内を通過する正味の磁束は、反転し、そして、そのパワーコイル８に交流電圧を生じさせる。そのときパワーコイルの中で生成された交流パワーは、この明細書を読むことにより、当業者には周知の標準技術を用いて、随意に直流パワーに変換される。
【００２９】
装置がモータとして運転される場合、交流電流がパワーコイル８に印加され、そのパワーコイル８を囲む磁界は磁束スイッチ４４を通過する。図１１を参照すると、パワーコイル８を通じてその１区分から電流が流れている時、パワーコイル８の周囲に誘起した磁界は、反時計方向周りであり、そのため、磁束スイッチ４４内の磁界は、上方であり、現位置に存在する磁界を強める。パワーコイル８中の電流の方向が逆になると、誘起された磁束は、図１１で示される位置で磁束強度を弱めるが、図１０中で示されるような次の位置では磁束強度を強くする。その磁束スイッチは、磁束回路を完成するために物理的に引きつけられ、より強い磁束は、より強い吸引力が得られる。一旦モータが、電気的周波数に同期した速度で回っていれば、磁束スイッチ４４は、磁束伝導部分２４および３２、または２２および３４が接近した時にそれらに強く引きつけられる。その後、それがそれると、その吸引は弱まり、次のペア２４および３２、または２２および３４への吸引が強くなる。この実施例では、静止状態からのモータの回転方向は、右回りおよび左回りの回転がほとんど等しいので決定されない。一旦モータがある方向に回転すると、パワーコイル８中の交流電流の周波数と正角に、それはその方角に回転し続ける。モータの抵抗トルクが臨界的になしきい値に達するなら、モータは単に停止するであろう。このような方法では、この発明の実施例は全く同期電動機のように作用する。この発明の実施例は、磁束スイッチ４４が磁石ではないので、反発力がないという点で同期電動機と異なる。１つのステーションから次のステーションへの反発よりも、１つのステーションから次のステーションへの少ないかより多い吸引が単に存在する。
【００３０】
磁束伝導体２０、３０および磁束スイッチ４４の間で寸法上の安定性を維持するために、この発明の実施例は、(エポキシ樹脂で充填)満たされることで便宜を得ている。この発明の実施例によれば、コンポーネントはすべて固体物体で耐久性があり、したがってメンテナンスを必要としない。さらに、ただ一つの運動は、ステータ１とロータ３７の間にあり、その結果、最終の組み立てでは、２つのコンポーネント、十分に形成されたステータ１および十分に形成されたロータ３７のみが必要となる。図１２は形成されたステータの完成品および形成されたロータ３７の完成品を示す。
【００３１】
パワーコイル８中の電圧の周波数は、磁界が反転する周波数と同じである。図示した装置では、N磁極に結合された磁束伝導体の６０個のラミネート２０およびS磁極に結合された磁束伝導体の６０個のラミネート３０がある。したがって、ロータの各回転に対して、磁界が６０回反転する。装置は単一の磁石で達成され、６０極の先行技術の交流発電機よりはるかに小さな物理的なスペースに随意に含まれるが、これは６０極の交流発電機と等価である。この装置は、多数の磁束伝導体のラミネート２０、３０で随意に設計され、その結果、磁極数が増大する。１つの設計考察として、ラミネート間の磁束漏れを最小限にするために、ラミネートが一般に十分に互いに間隔を置かれるべきということである。１つの実施例によれば、ラミネートは、漏れ磁束を最小限にするために、少なくとも0.050インチで互いに隔てられて位置する。この発明の実施例は、ロータカップ３８の周囲に各６度で配置された６０個の磁束スイッチ４４を用いる。そのため、その磁束スイッチは、同一のペアのNおよびS極のラミネート２０、３０を同時に接触させる。
【００３２】
示され、また記述された装置は、ロータの回転速度の６０倍に等しい出力周波数を持つ。100RPMのロータ速度に対しては、出力周波数は、１分あたり、あるいは100Hzあたり、6000サイクルになるであろう。これは、先行技術による典型的な６極の交流発電機と比較した場合、同じロータ速度で出力周波数は１０ヘルツとなる。与えられた回転速度での高い電気的な周波数により、装置は、同じ回転速度で作動する、先行技術のモータおよび交流発電機と比較して、著しく高電圧で作動する。その電圧は、磁束の変化速度に比例する。したがって、与えられた磁界の強度に対して、変化速度は周波数につれて増加し、電圧は比例して増大する。これは、典型的な先行技術のモータおよび交流発電機に対していくつかの長所がある。最初に、出力コイルに流れる電流は、電圧の１０倍増により、１０のファクタで低減される。そのため、抵抗性損失は電流の２乗に抵抗を乗じた値に等しいので、コイル中の抵性損失は１００のファクタで低減される。これとは別に、装置は、典型的な先行技術装置と比較して、より少ないターン数の出力コイルを持つことができ、同じ出力電圧および電流を出力することができる。１０のファクタでワイヤー長(ターン数)を縮小することによって、抵抗性損失が１０のファクタで低減されるだけでなく、コイルのコストも１０のファクタで低減される。出力コイルをトロイダル形状にすれば、さらに追加的に巻線のインピーダンス損失を低減し、それにより、追加的な効率の改善が得られる。
【００３３】
周波数と電圧の増大は、装置に対し非常に高いパワー密度を許可する。この発明の実施例による装置のパワー密度は、典型的な先行技術の６極モータあるいは交流発電機のそれよりおよそ１０倍高い。言いかえれば、与えられたパワー定格に対しては、随意に装置は、典型的な先行技術のモータあるいは交流発電機が要求するスペースのほんの1/10に小型化される。これは、スペースまたは重量が重要となる用途に対し、装置を著しく価値あるものにする。
【００３４】
上記の２つの文章に記述されたものに関係係する利点を取得すると、先行技術の交流発電機をより高い回転速度で回転することができる。しかしながら、先行技術の交流発電機では、鉄損が、そのようなモードの動作効率を非効率にするであろう。この発明の実施例による鉄損の顕著な低減は、より高い電気的な周波数を可能にする。磁界が材料内で反転するときに、ヒステリシスにより、および、材料中の磁界が変化する時に、電気的導伝材料内に生じた電気的な渦電流により、鉄損が引き起こされる。磁束伝導体２０、３０の材料がヒステリシスを被らないので、ただ一つの損失は、磁束の増減(反転はしない)により生じた渦電流による。したがって、粉末鉄内の渦電流は、等価な浸透性の他の材料と比較して、非常に小さいので、粉末鉄のような材料は磁束伝導体として良好に動作する。
【００３５】
磁束が磁束スイッチ４４内で反転するだけなので、ヒステリシス損は、小さい部分の磁気パス内で発生するだけであり、したがって、非常に低減される。磁束スイッチ４４が非常に小さいので、それらはヒステリシスと渦電流の損失を最小限にするために自在に最適化される。その磁束スイッチ４４は、損失を最小限にするために、積層鋼から作成される。それらの極めて小さいサイズにより、適合したグラスからの磁束スイッチ４４を形成することは追加的に経済的となる。
【００３６】
この発明の実施例によるモータ/交流発電機のより高い周波数に沿った上記の効率改善は、先行技術のモータ/交流発電機に対し、そのような大きい改善を達成することを支援する。先行技術のモータ/交流発電機は、ヒステリシスと渦電流による鉄損の劇的な増加のために、そのような高周波で正確に効率的でない。この発明の実施例によるモータ/交流発電機は、小さなスペースに多くの磁極を適合するための幾何学的形状を提供し、これにより、適度の回転速度で高い電気的な周波数を可能にするだけでなく、さらに、それは、高周波モータ/交流発電機を実現するために鉄損を十分に低減する。
【００３７】
磁石２が選択的に、永久磁石１２、電磁石１４あるいは２つの結合のいずれかなので、望まれるような電界の強さを変えることは可能である。これは、無限の可変電圧コントローラーとして使用される装置を可能にする。遅い回転で磁界を増加させ、速い回転で磁界を減少させることは、電圧を一定に保ち、それにより、装置と共に使用されるギアーケースあるいは他の伝達機構の必要を排除する。これは装置の多くの用途について影響を及ぼす。例えば、フライホイールに結合された発電機として使用された時、それは選択的に、ダイレクトドライブの発電機としてとして運転され、ギアーケースを必要することなく一定の電圧を出力する。可変磁界の別の使用は、スタート時の回転をより容易にするために、上記の反対を行い、磁界を減少させることであり、その後、ブレーキのシステムの役割をするために、タービンがより速く回転するにつれて、磁界を増加させる。この結果、定速回転、可変出力の風力発電機が可能である。これは風力タービンのために重要なコストおよびメンテナンス問題を減じる。
【００３８】
この発明のモータ/交流発電機の１つの実施例は基本的に６０極のモータ/交流発電機なので、コッギングトルクは、回転経路まわりの磁極の平坦な分布により低減される。(交流発電機として)外部トルク機械的に克服されなければならない、従来のモータ、交流発電機における６極に替えて、この発明の実施例では６０極、回転で６０ポイントが存在する。従来の６極のモータ/交流発電機でのように、３０度ごとのトルクの増大に替えて、この発明の実施例は、わずかな３度ごとの増大で回転全体にわたり、スムーズなトルクを発生する。
【００３９】
この発明の具体的に記述された第２の実施例は、ヒステリシスを被る材質の量を最小限にすることにより、交流発電機としての運転をさらに最適化する。図１３は、第１の実施例における図９に示したものに似た、この実施例に基づく縦断面図を示す。第２の実施例の要素の多くは、磁石２、パワーコイル８およびロータカップ３８のように、第１の実施例と同じ物である。この発明の第２の実施例は、Nの磁束伝導体のラミネート５２およびSの磁束伝導体のラミネート５１の双方に、パワーコイル８が含まれるためのより深いノッチ５０、および、ノッチ５０内で回転する、より小さい磁束スイッチ５４を有する。Nの磁束伝導体のラミネート５２は、長くされた上部伝導部分５６、および長くされた下部伝導部分５８を有する。図１３中では示されないが、Sの磁束伝導体５１は同様に上部伝導部分６０、および下部伝導部分６２を有する。
【００４０】
図１４および１５は、２つのNの磁束伝導体のラミネート５２、１つのSの磁束伝導体のラミネート５１、および１つの磁束スイッチ５４の部分断面を示す。磁束伝導体のラミネート５１、５２が水平であり、ラミネート５１、５２の上部伝導部分５６、６０と下部伝導部分５８、６２との間に、第１の実施例であったようなオフセットはもはやないことがこれらの図からわかる。磁束スイッチ５４が、一つの極性の一つの上部伝導部分５６、６０と、反対極性の接近する下部伝導部分６２、６８とを接触するように、その磁束スイッチ５４はある角度で回転することもわかる。この第２の実施例では、磁束伝導体５１、５２および磁束スイッチ５４は、平坦な形状なので製作が大いに容易である。図１４および１５は、磁束スイッチ５４が回転して、磁束伝導体のラミネート５１、５２を通過する順序を示している。図１４では、磁束スイッチが、Nの上部伝導部分５６を、隣接するSの下部伝導部分６２に接続している。図１５では、瞬間後に、磁束スイッチが、Sの上部伝導部分６０を、隣接したNの下部伝導部分５８に接続している。その結果、図１４と１５とで、パワーコイル８の周り方向で磁界が反転する。
【００４１】
第２の実施例の１つの利点は小さな磁界スイッチ５４である。磁束スイッチ５４がヒステリシスを被るこの実施例のただ一つの部分であるので、磁束スイッチが小さい程、ヒステリシス損も小さくなる。更に、磁束スイッチが単純で小型であると、適合したグラス(ヒステリシス損が極めて小さい)のような新規な材質から磁束スイッチを形成することは追加的に経済的となる。
【００４２】
この発明の第３の具体的に述べられた実施例は、３相のモータ／交流発電機である。三相の実施例は、発明の第２の実施例で具体的に記述された単相の交流発電機に似た磁束伝導部および磁束スイッチ構成を用いる。(第１の実施例で具体的に述べたものと似たもの、または内部ロータを有するもののように)３相バージョン用の他のレイアウトも可能で、この発明の範囲内に含まれると考えられる。
【００４３】
この発明の第３の実施例である３相機は、図１６に示したステータ１０１および図２１に示したロータ１６０を含む。図１６は、ステータ１０１の部品を示す。ステータ１０１は、リング輪磁石１０２、１組のN極磁束伝導体１０４、１組のS極磁束伝導体１０６、および３個のパワーコイル１０８、１１０、１１２を持つ。N極およびS極の磁束伝導体１０４、１０６は、磁石１０２に直接に接している。前の実施例と同様に、磁束伝導体は、粉末鉄のように、容易に磁界を導き、渦電流に抗する材料から随意に作成される。その磁束伝導体１０４、１０６は、磁石１０２の磁界をパワーコイル１０８、１１０、１１２に向ける。パワーコイル１０８、１１０、１１２は、本装置が交流発電機として用いられた時は、交流電圧が発生される電気的コイルである。モータとして用いられた時は、パワーコイル１０８、１１０、１１２は、装置にパワーを与えるために、電圧と電流を与える。各パワーコイル１０８、１１０、１１２は、装置が交流発電機として用いられた時は出力パワーを集め、また、モータとして用いられた時は、パワーを与えるために、それぞれ電気的リード１１４、１１５、１１６を含む。３相の実施例での磁石１０２は、すべての点に関して、単相の実施例での磁石２(図２を参照)と同様で、永久磁石、電磁石または双方によるバイブリッド磁石である。
【００４４】
磁石１０２(示されていない)のN極へ接続する磁束伝導体１０４は、図１７で示されるような単一片として随意に形成される。磁束伝導体に構造的な支持与えるために、磁束伝導体は装着用リング１１８を含む。装着用リング１１８は、磁石１０２のN側と接し、磁石１０２をその位置に保持する。その装着用リング１１８には、磁束伝導体の多数のラミネート１２０が取り付けられる。ラミネート１２０は、磁石１０２からの磁界を適した位置へ導く。各ラミネート１２０は、装着用リング１１８から放射状に外側へ延在し、４つの伝達部分に分岐している。
【００４５】
図１８はN磁束伝導体の一つのラミネート１２０を示す。そのラミネート１２０は、ここで述べられるフラット片で、図１８に示されるように、順に垂れ下がっている４つの伝導部分を持つ。図面上で明確に区別できるように、ここでは"トップ"、"上部"、"下部"、"底部"の用語が用いられることに注意すべきである。本明細書におけるそのような記述的なラベルおよびのその他は、小さいエレメントを明確に区別できるようにするためのものであり、この発明を限定するものではない。トップの伝導部分１２４は、装着用リング１１８から直接、放射状に外へ伸びている。上部の伝導部分１２６は、トップの伝導部分１２４4から下方へ伸びている。トップと上部の伝導部分１２４、１２６の間に、各ラミネート１２０内に設けられたノッチ１２８があり、そこにパワーコイル１０８(示されていない)が保持される。下部伝導部分１３０は、上部伝導部分１２６から下方へ伸びる。上部と下部の伝導部分１２６、１２８の間に、各ラミネート１２０内に設けられたノッチ１３２があり、そこにパワーコイル１１０(示されていない)が保持される。底部伝導部分１３４は、下部伝導部分１３０から下方へ伸びる。下部と底部の伝導部分１３０、１３４の間に、各ラミネート１２０内に設けられたノッチ１３６があり、そこにパワーコイル１１２(示されていない)が保持される。１つの実施化では、２つのラミネート１２０間の分離が６度となるように、図１７の磁束伝導体１０４は６０個のラミネート１０を含む。磁束伝導体１０４は選択的に、粉末金属から単一の物体として鋳造されてもよい。しかしながら、磁束伝導体１０４は、選択的に組み立てており、装着用リング１１８は単一物体であり、そして各ラミネート１２０は個別の片であり、装着用リング１１８に確実に取り付けられる。
【００４６】
磁束伝導体の別のセットは、図１９で示される。その磁束伝導体１０６は、磁石１０２のS極に磁気的に接続される。その磁束伝導体１０６は、図１７の磁束伝導体１０４を単に逆にしたものと同様の構成である。磁束伝導体１０６は、磁石１０２のS極へ接続する装着用リング１３８を含む。ラミネート１４０は、装着用リング１３８から放射状に外側に突き出る。
【００４７】
図２０は、磁束伝導体１０６の磁束伝導用の一つのラミネート１４０を示す。そのラミネート１４０はフラット片で、図２０に示されるように、順に垂れ下がっている４つの伝導部分(トップの伝導部分１４４、上部伝導部分１４６、下部伝導部分１５０、底部伝導部分１５４)に分岐している。底部伝導部分１５４は、装着用リング１３８から直接、放射状に外側へ突き出ている。ノッチ１４８、１５２、１５６は、図示のごとく伝導部分１４４、１４６、１５０、１５４の間に設けられ、パワーコイル(不図示)を保持する。
【００４８】
N極磁束伝導体１０４のラミネート１２０がS極磁束伝導体１０６のラミネート１４０の間に挿入されるように、磁束伝導体１０４、１０６は対向する。ラミネート１２０、１４０は、接近するラミネート間のエアギャップを通じた磁束漏れが殆ど無いように、または全く無いように、隔てられる。
【００４９】
ここまでは、具体的に記述された第３の実施例のモータ/交流発電機のステータ１０１のみを議論した。図２１はモータ/交流発電機のロータ１６０を示す。そのロータ１６０は、ベアリング１６６内で回転するシャフト１６４に装着されたロータカップ１６２を含む。この発明の実施例によれば、ここで述べた本装置がモータとして機能する時は、シャフト１６４は、その装置により駆動され、そして、交流発電機として機能する時は、シャフトが本装置を駆動する。ロータカップ１６２の内周に、多数の磁束スイッチ１６８、１７０、１７２が円周状の３つの列にして配置されており、図２１に示すように、一つの列の下に次の列が位置しており、これらの磁束スイッチは、上列の磁束スイッチ１６８、中間列の磁束スイッチ１７０、下列の磁束スイッチ１７２と呼ぶ。ここで用いた"上"、"中間"、"下"の用語は、図面中で明確に識別できるように名付けたものであることに注意したい。本明細書におけるそのような記述的なラベルおよびのその他は、小さいエレメントを明確に区別できるようにするためのものであり、この発明を限定するものではない。１つの実施例は、６度の間隔で、ロータカップ１６２の内部に、各々が列の６０個の磁束スイッチ１６８、１７０、１７２を含む。各列は、他の２つから２度ずつ回転方向にオフセットされる。組み立てられたステータ１０１上にロータ１６０が置かれた後、磁束スイッチ１６８、１７０、１７２がスロット(示されていない)を通じてロータカップ１６２内に装着される。上列磁束スイッチ１６８は、磁束伝導用のラミネート１２０、１４０内のノッチ１２８、１４８を通って回転する。N磁束伝導用ラミネート１２０およびS磁束伝導用ラミネート１４０の間の伝導磁束内での磁束スイッチ１６８、１７０、１７２の運転は、図２２、２３、２４でより明確に示されるように、３相パワーを生じる。
【００５０】
図２２、２３、２４および２５は、３個の磁束スイッチの１つのセットとした時のシーケンスを示し、上磁束スイッチ１６８、中間磁束スイッチ１７０および下磁束スイッチ１７２は、３度の円弧または半サイクルに対して回転する。この図面の一連の回転は、上述からわかるように右回り方向である。パワーコイル１０８、１１０および１１２、トップ、上部、下部、および底部の伝導部分１２４、１２６、１３０および１３４を有する２個のN磁束伝導体のラミネート１２０、および、トップ、上部、下部、および底部の伝導部分１４４、１４６、１５０および１５４を有する２個のS磁束伝導体のラミネート１４０が示される。各図面では、図の記述で言及された、伝導部分のみが明示される。磁束スイッチ１６８、１７０または１７２および磁束伝導体１２０、１４０上の矢印は、ピークの磁束流の位置と方向を示す。パワーコイル１０８、１１０、あるいは１１２上の矢印は、ピークの電流の方向を示す。この説明の目的のために、図上、右に流れた時に電流は正、図上、左に流れた時は負である定義する。
【００５１】
図２２では、上磁束伝導体１６８は、S磁束ラミネート１４０のトップ導伝部分１４４を、N磁束ラミネート１２０の上部導伝部分１２６に磁気的に結合して、パワーコイル１０８の周囲を左回りに回転する磁束を発生させ、パワーコイル１０８に左または負の方向に電流を誘起させる。磁束伝導用ラミネート１２０、１４０および磁束スイッチ１６８、１７０、１７２の詳細な構成に対応して、言及していない２個のパワーコイル１０８、１１０、１１２(この図できコイル１１０と１１２)に引き起こされた電流のいくつかの小さい量が存在し、これは標準の３相パワー出力が望まれる場合である。この説明の目的のため、ピークの電流および磁束のみを図示し、説明した。
【００５２】
図２３は、図２２から１度回転したものと同じである。中間磁束スイッチ１７０は、N磁束ラミネート１２０の上部導伝部分１２６を、S磁束ラミネート１４０の下部導伝部分１５０に磁気的に結合して、パワーコイル１１０の周囲を右回りに回転する磁束を発生させ、パワーコイル１１０に右または正の方向に電流を誘起させる。
【００５３】
図２４は、図２２から２度回転したものと同じである。下磁束伝導体１７２は、S磁束ラミネート１４０の下部伝導部分１５０を、N磁束ラミネート１２０の底部伝導部分１３４に磁気的に結合して、パワーコイル１１２の周りを左回りに回転する磁束を発生させ、パワーコイル１１２に左または負の方向に電流を誘起させる。
【００５４】
図２５は、図２２から３度回転したものと同じである。上磁束伝導体１７０は、N磁束ラミネート１２０のトップ伝導部分１２４を、S磁束ラミネート１４０の上部伝導部分１５０に磁気的に結合して、パワーコイル１０８の周囲を右回りに回転する磁束を発生させ、パワーコイル１０８に右または正の方向に電流を誘起させる。これは、図２２の反対になる。この結果、３度の回転による半サイクル後にパワーコイル１０８の電流が反転する。
【００５５】
発明の三相の実施例は、方向性、つまり、前進と後退があるという長所を持つ。単相の実施例では、モータとして使用された時、回転方向は決定されないが、３相の実施例では、明瞭な回転パス(図２３〜２６で示された右回り)がある。適切なコントロールにより、回転方向は、パワーコイル１０８、１１０、１１２のうちの任意の２つに供給されるパワーの相対的な位相を切り替えることにより自在に逆転する。更に、この発明の第３の具体的に記述された実施例では、モータ/交流発電機が６０極および３相を持つが、更に単１の磁石を使用することに注目されるべきである。
【００５６】
この発明の実施例による利点は、ロータの慣性が低いことである。磁束スイッチのみが回転するので、ロータの慣性が重大な問題となる用途に対して非常に軽量に作成される。さらにロータの慣性を低減するために、磁石がステータの外側にあり、パワーコイルがその内部にあるように、装置の配置を逆にすることも可能である。この構成は、ロータ内部に磁束スイッチが設置されることを可能にし、それにより、低い慣性モーメントを持ち、軸車がより軽量になる。
【００５７】
装置における単相の内部ロータの変形は、この発明の第４の具体的に記述された実施例として述べられる。単相の装置が第４の実施例で述べられるが、内部ロータの形態は、３相の装置と同様に用いることができる。図２６は、この発明の第４の実施例のステータ２０１の分解組立図を示す。ステータ２０１は、リング磁石２０２、１組のN極磁束伝導体２０４、１組のS極磁束伝導体２０６および、他の実施例に似たパワーコイルを持つ。磁束伝導体２０４および２０６は、外側の磁石２０２の磁界を、内部のパワーコイル２０８へ導く。
【００５８】
磁束伝導体２０４および２０６は、他の３相の実施例にあるように、単一体として随意に形成されてもよい。磁束伝導体２０４、２０６は、その磁束伝導体２０４、２０６の構造的な支持を与え、かつ、磁石２０２を適した位置に保持するための装着用リング２１８、２２８を含む。装着用リング２１８、２２８には、磁束伝導体の多数のラミネート２２０、２３０がそれぞれ取り付けられる。そのラミネート２２０、２３０は、磁石２０２からの磁界を適切な位置へ導く。
【００５９】
N極磁束伝導体２０４のラミネート２２０が、S極磁束伝導体２０６のラミネート２３０に挿入されるように、磁束伝導体２０４および２０６は互いに対向するように位置する。ラミネート２２０、２３０は、隣接するラミネート間のエアギャップを通じて漏れ磁束がほとんどないか、全くないように、適切な間隔で位置する。
【００６０】
図２７は、この発明の第４の実施例のモータ/交流発電機のロータ２３７を示す。ロータ２３７はベアリング２４２内で回転するロータシャフト２４０を含む。そのシャフト２４０は、種々の実施例にてモータとして作用する時は、この発明の装置により駆動され、そして、種々の実施例にて交流発電機として作用する時は、装置を駆動する。そのシャフトの外周には多数の磁束スイッチ２４４が装着される。一つの実施例では、６０個の磁束スイッチ２４４がシャフト２４０に６度間隔で取り付けられる。各磁束スイッチ２４４は、その中央部で二重に折り曲げられており、それにより、上部伝導部分２２、２３２を、隣接する反対極性の下部伝導部分２３４、２２４に接続する。
【００６１】
図２８は、この発明の第４の具体的に記述された実施例の端部を示し、磁束スイッチ２４４、２個のN磁束伝導部分２２０および２個のS磁束伝導部分２３０が示されている。各ラミネート２２０、２３０は二つの伝導部分に分岐している。その結果、Nラミネート２２０は上部伝導部分２２２および下部伝導部分２２４、およびそれらを決定するノッチ２２６を含み、Sラミネート２３０は上部伝導部分２３２および下部伝導部分２３４およびそれらを決定するノッチ２３６を含む。磁束スイッチ２４４は、N磁束伝導体のラミネート２２０をS磁束伝導体のラミネートの下部伝導部分２３４で接続する。
【００６２】
図２９は、この発明第４の実施例のモータ/交流発電機の側断面図を示し、第１の実施例における図９および第２の実施例における図１３で示された図面に似る。ロータシャフト２４０には、このシャフト２４０と共に回転する磁束スイッチ２４４が装着される。ステータは、N極が上方に面し、S極が下方に面するに磁界に供給する磁石２０２を含む。磁束伝導体２０４、２０６は磁石２０２に接している。磁束伝導体２０４、２０６は、ノッチ２２６、２３６を含み、そのノッチにパワーコイル２０８が装着される。磁束スイッチ２４４は、磁束伝導体２０４と２０６とを接触させて、磁気回路を完成させ、そして、磁石２０２からの磁界を導く。
【００６３】
第４の実施例は、この発明の前の実施例と異なる幾何学形態(ロータ２３７は内部、ステータ２０１は外部、磁束スイッチ２４４は二重に屈曲)を示す。この新しく記述された幾何学形態は、ロータの慣性を減少させることを支援する。可能で、更にこの発明の範囲内の代替の幾何学形態があり、これらの幾何学形態はいくつかの利点を提供する。例えば、互いに接する水平なディスク内でステータおよびロータが両方とも終端するレイアウトは可能で、製作の容易性で、または薄膜を横切ったパワーの発生に対して、追加的に望ましい。その結果、ロータはステータの内部または外部に存在せず、ステータの面上に位置する。磁束伝導体がまっすぐに配置され、磁束スイッチが往復運動するシャフトに付けられる場合、別の潜在的な形式はリニアモーター/交流発電機として存在する。例えば、そのような線形の交流発電機はスターリング・モータを備えた使用において有用であろう。同じか同様の電磁気効果を生む、上記および他の幾何学形態のレイアウトにおける変形もこの発明の範囲に含まれることが意図される。具体的に記述された実施例は、この発明が具体化するかもしれない変形例の内のいくつかを例示しているが、発明の範囲を限定するために意図されたものではない。
【００６４】
この発明の実施例と先行技術とにおけるモータならびに交流発電機での１つの差異が、磁界および運動の基本的な方向であることに注目されるべきである。先行技術のモータおよび交流発電機では、回転軸、磁界の方向、およびステータおよびロータ間の相対的な運動方向は、互いにすべて直交する。この発明の実施例では、磁界の方向および回転軸が、ロータとステータ間の相対的な運動の方向に対して平行および直交である。この違いは、上述したように薄膜を横切ってパワーを発生または伝達する時のように、先行技術のモータおよび交流発電機が非実現的な用途において、この発明の実施例が使用されることを選択的に可能にすることである。
【００６５】
この発明の電気的なマシンは、具体的に記述された上記の実施例中では、いくつかのコンポーネントから成る。そのコンポーネントは、磁石(例えば図１中の磁石２)、ループを形成するように配置された電気的導体(例えば図１中のエレメント８)、磁石からの磁束を電気的導体を通過するように向ける、多数の磁束伝導体(例えば図１中のエレメント４、６)を備え、磁束伝導体の第１の組(例えば図１中のエレメント４)は磁束を、電気的導体に通過するように第１の方向に向け、そして磁束伝導体の第２の組(例えば図１中のエレメント６)は、電気的導体に通過するように第２の方向に向け、そして、前記コンポーネントは更に、第１および第２の磁束伝導体を選択的に開閉するためのスイッチ(例えば図８中のエレメント４４)を備える。スイッチは、選択的に電気的マシンのロータに取り付けられてもよく、そして、電気的導体内に誘起電流を流すために、動機力が選択的にロータに印加されてもよい。あるいは、ロータを回転させるために交流電流が電気的導体に印加されてもよい。電気的導体のループおよび磁石が選択的に環状形態であるが、他の形状または形態としてもよいことに注目すべきである。磁石および電気的導体は選択的に同心円にして設置されるが他の形態も可能である。磁石および電気的導体が環状で、それらが同心円に設置させられる場合、磁石は随意に電気的導体より小さな直径を持ち、電気的導体の内周に随意に配置されるか、又は、電気的導体は随意に磁石より小さな直径を持ち、磁石の内周に随意に配置されてもよい。磁束伝導体は選択的に粉末鉄から形成したが、他の材質も良好に動作する。スイッチは選択的に積層鋼または適合したグラスで形成したが、他の材質もスイッチに対して良好に動作する。この発明の電気的マシンは、それぞれがループを形成するように構成された３つの電気的導体を含み、磁束伝導体は、磁石からの磁束を３つすべての電気的導体に通過するように向ける。この場合、この電気的マシンが３相機として動作するために、３つすべての電気的導体を通過する磁束伝導体を交互に開閉するためのスイッチを含む。この発明の電気的マシンの中で使用される磁石は、選択的に永久磁石、電磁石あるいは永久磁石と電磁石とが併置され、両磁石の磁界が加算されるハイブリッドであってもよい。
【００６６】
この発明の実施例が示され、記述されただ、この発明の範囲からはずれることなく、これらの実施例内で種々の変形ず作成できることは当業者には明白であろう。従って、この発明は、ここで記述し図示した特定の実施例に必ずしも限定されないことが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】この発明の実施例によるスタータの分解組立図
【図２】この発明の実施例による磁石の分解組立図
【図３】この発明の実施例による磁石のN極に接続された磁束伝導体を示した図
【図４】この発明の実施例によるN極の磁束伝導体における単一のラミネート図
【図５】この発明の実施例による磁石のS極に接続された磁束伝導体を示した図
【図６】この発明の実施例によるS極の磁束伝導体における単一のラミネート図
【図７】この発明の実施例による、ラミネート磁石のN極に接続された３つの磁束伝導体と、ラミネート磁石のS極に接続された３つの磁束伝導体を示す図
【図８】この発明の実施例によるロータの分解組立図
【図９】この発明の実施例によるモータ交流発電機の部分断面図
【図１０】この発明の実施例によるロータの第１の方向での磁束伝導体内の磁束を示した図
【図１１】この発明の実施例によるロータの第２の方向での磁束伝導体内の磁束を示した図
【図１２】この発明の実施例により、組み込まれるステータおよび組み込まれるロータの図
【図１３】この発明の実施例によるモータ交流発電機の部分断面図
【図１４】この発明の実施例によるロータの第１の方向での磁束伝導体内の磁束を示す図
【図１５】この発明の実施例によるロータの第２の方向での磁束伝導体内の磁束を示す図
【図１６】この発明の実施例によるスタータの分解組立図
【図１７】この発明の実施例による磁石のN極に接続された磁束伝導体を示した図
【図１８】この発明の実施例によるN極の磁束伝導体における単一のラミネート図
【図１９】この発明の実施例による磁石のS極に接続された磁束伝導体を示した図
【図２０】この発明の実施例によるS極の磁束伝導体における単一のラミネート図
【図２１】この発明の実施例によるロータの分解組立図
【図２２】この発明の実施例によるロータの第１の方向での磁束伝導体内の磁束を示す図
【図２３】この発明の実施例によるロータの第２の方向での磁束伝導体内の磁束を示す図
【図２４】この発明の実施例によるロータの第３の方向での磁束伝導体内の磁束を示す図
【図２５】この発明の実施例によるロータの第４の方向での磁束伝導体内の磁束を示す図
【図２６】この発明の実施例によるステータの分解組立図
【図２７】この発明の実施例によるステータの組立図
【図２８】この発明の実施例による、磁束伝導体および磁束スイッチの切り取り図
【図２９】この発明の実施例によるモータ/交流発電機の部分断面図
【符号の説明】
【００６８】
１：ステータ、２：磁石、４：磁束伝導体、６：磁束伝導体、８：パワーコイル、１０：電気的リード、１２：永久磁石、１４：電磁石、１６：電気的リード、１８：装着用リング、２０：ラミネート、２２：上部伝導部分、２４：下部伝導部分、２６：ノッチ、３７：ロータ、３８：ロータカップ、４０：シャフト、４４：磁束スイッチ、１０８：パワーコイル
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【国際調査報告】
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