(57)【要約】  本発明は、ハウジング内で、ローターのアッセンブリーの回りに配置され、および垂直に配列された偶数の数の固定子列周辺を取り囲まれた非金属性、環状のローター本体に対し、ある間隔を置いて置かれた強磁性のバーを複数有する、ローターのアッセンブリーを含みます。各固定子の列は、相互に連結された固定子（104）を複数有し、各固定子の最も内部には非伝導体のコアを有し、そのコアは強磁性物質および連続する絶縁体の層により囲まれ、また伝導ワイヤーの巻線、および事前に決められた繰り返しパターンにより、基本的な層の円周が囲まれています。
2007515914.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングと、
ハウジング内の中央に配置されたローターのアッセンブリーであって、円周および直径を有する軸方向に露出した環状のローター・ボディーと、回転エネルギーのソースに回転するよう接続されたシャフトと、円周に一定間隔で配備された偶数個の磁石であって、円周上の隣接する各磁石が、交互の極性の外に向いている極を帯びるため円周の回りの各磁石はN極およびS極を有する磁石とを備えたローターのアッセンブリーと、
偶数の列に配列された複数の固定子であって、各列がハウジング内のローターに隣接した場所でしっかりと固定され、ハウジング内で等間隔およびローターのアッセンブリーに対し放射状に配置されている固定子とを具備し、
各固定子は、ハウジングに隣接する近い側の端と、ローターのアッセンブリーに隣接する遠い側の端と、中央に配置されて、長方形のプレイナー面を二つ有する非伝導性のプレートと、少なくとも一つの長方形の強磁性プレートであって、中央に配置された非伝導プレートの各プレイナー面に平行になるよう配置されている強磁性プレートと、同心に配置されて、基本的な層の円周を取り囲み、事前に決められたパターンで積み重ねられている、絶縁体、基本的な巻線および強磁性の層とを備えたことを特徴とする電気発電機。
【請求項２】
請求項１に記載の電気発電機であって、
基本的な層をカバーする第一の絶縁体の層と、
第一の絶縁体の層をカバーする第二の絶縁体の層と、
固定子の近い側の端から遠い側の端に延びた第一の基本的な巻線と、
第一の基本的な巻線をカバーする第三の絶縁体の層と、
固定子の遠い側の端から延びて近い側の端に戻る第二の基本的な巻線、第一の基本的な巻線および第二の基本的な巻線の間に配置された第三の絶縁体の層と、
第二の基本的な巻線をカバーする第四の絶縁体の層と、
第四の絶縁体の層をカバーする第五の絶縁体の層と、
強磁性の物質が第五の絶縁体の層の円周を取り囲む第一の層とを備え、
第一および第二の基本的な巻線は一つの連続する伝導体を形成していることを特徴とする電気発電機。
【請求項３】
請求項１に記載の電気発電機であって、
各固定子は、単一の連続する伝導体によりなる奇数の基本的な巻線で構成され、第１の端が固定子の近い側の端から延び、第１の端が固定子の遠い側の端から延びていることを特徴とする電気発電機。
【請求項４】
請求項３に記載の電気発電機であって、
発電機内で正反対に配置された固定子の列の基本的な巻線が電気接続されていることを特徴とする電気発電機。
【請求項５】
請求項１に記載の電気発電機であって、
発電機の各磁石には、ローターのアッセンブリーの長さとほぼ同じ長さに、強磁性の物質を伸ばした長方形の棒を使用していることを特徴とする電気発電機。
【請求項６】
請求項１に記載の電気発電機であって、
発電機の磁石は、各固定子に対し正反対に配置された磁石が、固定子の反対の磁極になるように配置されていることを特徴とする電気発電機。
【請求項７】
請求項１に記載の電気発電機であって、
発電機のハウジングは、ローターのアッセンブリーの長さとほぼ同じ長さを有する、実質的に正方形の多数のプレートが一列に配置されて構成され、これらプレートは中央に配置された開口を有し、その開口は内面を有することを特徴とする電気発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、電力発電機に関します。更に特定しますと、本発明は永久磁石発電機に関します。
【背景技術】
【０００２】
電力発電機の基本構造、すなわちコイル（巻線のリング）内を磁石が回転する構造は、ここ数年で飛躍的に変化した訳ではありません。よって発電機の効率を向上させるため、基本構造の改良は、多くの研究およびイノベーションの目標となって来ました。
【０００３】
１９２９年にＲｅｉｓによって発行された米国特許番号：1,726,042により、永久磁石を有するローターを使用する発電機が公表されました。渦電流を制御するため、また磁界の局所部分の透磁率を増大させるため、これらの磁石は、少なくとも部分的に、強磁性金属により取囲まれていなければなりません。
【０００４】
１９８５年にＳｈｉｍｉｚｕによって発行された米国特許番号：5,447,758により、最低8つのポールを有する円柱状の永久磁石が公表されました。
【０００５】
１９８８年にＭａｓｔｅｒｍａｎによって発行された米国特許番号：4,780,634により、ローター、複数のポール・セクション（一定のポール・セクション・ピッチでローターのコアの周囲を囲むように置かれたポール・セクション）、歯のある固定子（それによりローターが回転する、もしくは回転しようとする、マシーン内に固定されたパーツ）、二つもしくはそれ以上の独立した巻線、及び、隣接する巻線を離す複数のブリッジ・メンバーを有する電力発電機が公表されました。
【０００６】
１９９１年に出版された日本特許公報（No：3-82348）により、一次磁石の外部リング内に配置された二次シリーズ磁石により、磁界が増大された発電機用ローターが公表されました。
【０００７】
１９９５年にＣａｎｄｅｒｓによって発行された米国特許番号5,457,870により、電気機械用に改良された、回転スピードの速いローターが公表されました。上記の特許（'870）に記載されているローターは、ローター・コアと、ローターのコアを放射状に支えるガラス繊維強化プラスチック製のバインディングとから成るローター・シェルを有します。
【０００８】
ローターおよび固定子のデザインの進歩は、様々なデバイスで公表されて来ました。２００２年にＢｅｒｎａｕｅｒ et al. によって発行された米国特許番号6,487,770により、優勢な磁力方向を帯びた、丸められた金属シートから切り取られて、積み重ねられたローターまたは固定子用の薄層状の束を形成するローターまたは固定子を有する発電機が公表されました。更に、２００３年にＯｚａｗａ et al.によって発行された米国特許番号：6,525,437により、固定子のコアおよび巻線の間に、シリコンゴム製のシートを挿入することで、発熱量が改善された回転する電気機械用の固定子が公表されました。
【０００９】
モーター車の動力を供給する、効率の良い発電機は、数々のデバイスに記述されいます。以下はその一例です。１９７４年にＥａｒｌ  Ｗ．Ｒｅｔｉｔ によって発行された米国特許番号：3,845,835および１９８２年にＬｏｕｃｋｓ によって発行された米国特許番号：4,348,628
２００３年に出版されたＷＩＰＯ特許番号03/012955により、複数の環状に薄く伸ばされたコア部分と拡張されたクーラント用ダクト（これにより冷却効果が改善）を有する、電気で回転する機械用の、固定子のアッセンブリーが公表されました。
【００１０】
１９９７年にＭｕｒｒａｙ（本発明家）によって発行された米国特許番号5,608,279により、改良されたローターおよび固定子を使用した永久磁石発電機が公表されました。以上の特許（'279）により、等しくない磁束力を持つ、曲線状の磁石から成る磁石グループのペアを正反対に有するローターが公表されました。また、どの瞬間を取っても、一つの磁石のセットしか固定子と一列に並びません。
【００１１】
２００２年に出版された日本特許番号2002-272072により、ローターに沿って一列に並べられた、2つの極性を帯びた磁石を複数有するローターを使用する、ＤＣ発電機が公表されました。一つの固定子は、3の整数倍の個数あるポールの周りに電機子巻線を有するものが、公表されました。各電機子に整流器が設けられることで、整流子またはブラッシなしに各巻線のＤＣ出力を得ること                                    ができます。
【００１２】
２００２年に出版された米国特許出願公開2002/0195900では、一つの金属部品を使用する固定子の構造が示されています。さらに、２０００２年に出版されたＷＩＰＯ特許番号：02/099950では、ローターの周りに等間隔で磁石を配置したローターが記述されています。
【００１３】
モーターに使用されているテクノロジー（ローターと固定された巻線を含む）は電気発電機のテクノロジーと似ています。１９８８年にＫｉｔａｍｏｒｉ et al.によって発行された米国特許番号：4,751,415により、複数の励起巻線を有する固定子及び、固定子に巻かれた補正巻線と、ローターに配置された補正磁極とを備えた永久磁石で作られたローターから成る、ブラッシレスのＤＣモーターが公表されました。
【００１４】
１９８０年にＭｏｈｒによって発行された米国特許番号：4,237,397により、円弧状に形成された２個の永久磁石のセグメントであって、各セグメントがさらに２個のサブセグメントで構成されているセグメントを備えた永久磁石固定子が公表されました。
【００１５】
１９７８年にＭｏｈｒによって発行された米国特許番号：4,112,230により、電気ダイナモに使用される、異なる磁性のゾーンを有する、細長い磁石構造が公表されました。
【００１６】
以上の発明および特許は、その１つ又は組み合わせを考えても、本発明とは区別されるものと判断します。よって、前述の問題を解決する改良されたパワー・ユニットが求められます。
【発明の開示】
【００１７】
本発明は、電気発電機に関します。発電機は、ハウジングおよびローターのアッセンブリーを有します。ハウジング内の中央にローターのアッセンブリーが配置されます。ローターのアッセンブリーは、軸上に配置された環状のローター本体（円周および直径を有する）を含みます。ローターのアッセンブリーは、回転するように回転エネルギーのソースに接続されている、シャフトを有します。ローターのアッセンブリーは、円周の回りに一定間隔に配備された複数の磁石を有します。各磁石は、直径に沿ってN極およびS極を有し、円周の回りに配備された隣接する各磁石は、外側に向いて交互の磁性を帯びるようになる。少なくとも二つの固定子が、偶数の列に配列されています。各列は、ハウジングにしっかりと固定され、ローターに対して近接配置されています。列はハウジング内に等距離の間隔に置かれ、ローターのアッセンブリーに対し放射状に配置されています。各固定子は、ハウジングに隣接する近い側の端を有します。遠い側の端がローターのアッセンブリーに隣接しています。中央に配置された非伝導プレートは、二つの実質的に長方形の平面を有します。少なくとも一つの実質的に長方形の強磁性プレートは、中央に配置された非伝導プレートの各平面とに平行になるよう配置されています。同心で配列された絶縁体、一次巻線および強磁性物質のうち、少なくとも二つの層が、基礎を成す層の円周を取り囲んでいます。層は、事前に決められた繰り返しパターンにより、配列されています。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は、発電機のローターおよび固定子を改良することにより効率を向上させた永久磁石発電機に関します。本発明は、ハウジング内でローターのアッセンブリーの回りに配置され、および垂直に配列された、偶数の数の固定子列周辺を取り囲む非磁性性の環状のローター本体の円周の回りに、ある間隔を置いて置かれた複数の強磁性バーを有する、ローターのアッセンブリーを含みます。
【００１９】
正反対に配置された偶数の数の磁石を、固定子の逆の極を順次に示す隣接する磁石、を含むローターのアッセンブリーが好ましいです。
【００２０】
各固定子列は、相互に連結された固定子を複数有します。また各固定子は、二つの強磁性プレイナー・メンバーに挟まれた絶縁体のプレイナーのベース・メンバーを中心に有し、強磁性のコア物質（巻線および絶縁）のコンビネーションにより形成されています。絶縁体の二つの層は、強磁性プレイナーのメンバーの回りで、包まれています。
【００２１】
固定子は、基礎を形成する絶縁層の回りを、一方向に巻かれた一本のフィラメント導線に始まり、そしてベースのメンバーの長さを伸ばして行くといった、繰り返しパターンによる層により形成されています。その後、絶縁層が加えられ、逆方向に巻線が巻かれます。二つの絶縁体の層が次に加えられ、強磁性金属のバンドが（同心をコアとする）がこの二つの絶縁体の層の円周の回りを包み、繰り返しパターンはこれで完了します。
【００２２】
固定子は、その後、以上のパターン（巻線、絶縁、同心をコアとする）を繰り返すことにより形作られます。各巻線は、以前の巻線の続きとして巻かれていきます。ですから各固定子には、一本のフィラメントのみを使用します。ですから、コア・メンバーは、固定子の中心に集中するよりも、各巻線の間に散在します。最後のコア層の回りを二つの絶縁体の層が取り囲み、絶縁体の回りを最終的に一次巻線により巻かれます。固定子の形成は、絶縁体の層により完了されます。奇数の数の巻線により、固定子の反対側から延びている導体の二つのエンドが、一つのエンドは巻線の最も奥から延びていること、もう片方が巻線の最も外から延びていることが確認できます。
【００２３】
各固定子は、事前に決められたパターンに沿い、隣接する固定子に配線されます。巻線の内部で、相互に連結するエンドと巻線の外部で相互に連結するエンドが固定子の隣接するグループにあるため、列に連なる各8つの固定子は並列に接続されることになります。各8つの固定子のグループは、その後、隣のグループと接続ーされ、一つのグループの最も外にある巻線は、次のグループの最も中にある巻線とワイヤ接続されます。各固定子の構造および固定子の末梢エンドの前を通るときの磁石の回転力に依りますが、各固定子は特定の電圧で特定の電流量を供給することができます。直列接続されたグループが発電機の総合出力に電位を加える一方、並列接続された固定子は、発電機の電流供給能力を増大させます。相互に連結された固定子の列は、二つの延びたワイヤーを有します。ひとつのワイヤーは、最初の固定子の最も中の巻線から延び、他のワイヤーは、最後の固定子の最も外側の巻線から延びています。
【００２４】
コイル内で磁石を動かすと、電流が流れるという電磁誘導の法則に基づいて、固定子列の内側をローターのシャフト（シャフトが回転するように回転エネルギーのソースに接続されている）が、高速スピードで回転する時に、電力が生成されます。高回転スピードの最中に磁石の位置を保つため、ローターはエポキシ樹脂で固められ、またワイヤーで円周をくくられています。
【００２５】
永久磁石発電機は、一般的に図面上で100と表示されます。図1では、発電機100は、ハウジング116内にすべて収められた、ローターのアッセンブリー102および直径に正反対に配置された３組の固定子104（ローター102から放射状に配列された）を有します。３組の固定子を有する本実施例は３相の電圧出力を有し、実際の電圧は各列の固定子の数とローターのアッセンブリー102の回転力に依存します。固定子104の正確な数は、発電機100の出力性質を要求に応じて変えることができます。
【００２６】
固定子104は、固定子の列により形成され、固定子104にエポキシー樹脂で固められたブレース110のペアにより配列されています。各固定子列は、エポキシーで固められた114によりハウジング116内にしっかりと固定される。または、他のメソッドで固定されます。固定子104が、発電機100内の一定のまたは固定された場所で、ローターのアッセンブリー102の近くに来るように、各固定子104の近い方の端部128が固定されています。
【００２７】
図2Aに最も良く示されている、ローターのアッセンブリー102は、非強磁性体で形成されたセントラル・シャフト118および環状のボディー108と、環状のボディー108の円周に直角に取り付けられて直径方向に対向配置された4つの棒磁石106とを有します。ローターのアッセンブリー102およびアッセンブリーに配置された磁石106の長さは少し長いかもしれませんが、固定子104の回りの列とほぼ同じ長さです。磁石106はボディーにエポキシー溶接126をされ、およびワイヤー202で円周を巻かれています（磁石106を高回転スピードでも同じ場所に留めて置く為）。磁石106の極性が正しい配列および固定子列104内に充分に電気を通じさせる磁石の列の長さがあれば、列内の磁石106の正確な数は、製造時の関心である点を除くと、さほど大切ではありません。
【００２８】
この開示の目的は、磁石の列は一本の棒磁石106であると提言するためです。ローターのアッセンブリー102の円周上に隣接する各磁石は、交互に極性を外側に向けるように、ローターアッセンブリーの半径に配列された各磁石はN極およびS極を有します。
【００２９】
図2Aおよび2Bは、ローターのアッセンブリー102、固定子104、および複数の固定子104の列の縦軸に沿って、一定間隔で置かれたアルミニウム製のプレート116により形成された、ハウジングの関係を最も良く図解しています。固定子の列は、多数のハウジングプレート116の真ん中を切断した円状のオープニング112の内部エッジ132に固定されています。またシャフト118は、一般的にローター102およびガス、水、電気または他のエネルギー源で回転するタービン（図に示されていない）などの高速回転力のソースに使用されます。また図2Aでは、リードA1、A2、B1、B2、C1、C2が固定子列の巻線から延びていることを示しています（詳細な説明は以下参照）。
【００３０】
図3に示されている通り、各固定子104は、ローター102の回転軸Rに対し直交配置された長手方向の軸を規定する、近い側の端128および遠い側の端１３０を有します。また、これら端部310および312で終端する、隣接した固定子を接続するための導体320を有します。各固定子は、連続する層の上に作られています。各固定子104の4つの層の最表面層は絶縁体302で作成され、次の層は伝導ワイヤー304の巻き線でで作成され、最後の2つの層（絶縁体306、308）は、その直下の層をカバーします。
【００３１】
図4および5は、最適な固定子104の構造を図解しています。平らなアルミニウムのような非伝導性のメンバー402がコアを構成し、このベース・メンバー402とほぼ同じサイズの二つの強磁性金属プレート404、406が、ベース・メンバー402の両側に接しています。絶縁体408、410の2つの層は、基本を形成する金属層に包まれ、巻線伝導320の基礎ベースを形成しています。固定子の近い側すなわち外側の端128から、固定子の遠い側すなわち巻線412の層を形成する内側の端に向かって、伝導体320は絶縁体の層410の回りに巻かれています。この最も内部にある最初の巻線412は、絶縁体の層414に覆われています。伝導体320は、絶縁体の層414の上を通り、その後、固定子の遠い側の端130から延びて近い側の端128に戻り、絶縁体414の回りに巻かれて２順目の巻線416を形成します。絶縁体の2つの層418、420は、その後、２順目の巻線416の上に配置されます。各固定子の伝導体320は単一の伝導フィラメントであることが分かる。強磁性のコア物質422の連続層は、その後、絶縁層420の回りに配置され、基本的な層の円周をとり囲みます。
【００３２】
強磁性の物質422、および、関連する絶縁層408、410、414、418、420に融合された最初および２順目の巻線412、416は、繰り返されるコアのアッセンブリー424を形成します。また隣接するコアのアッセンブリー424に円周を取り囲むように複数配置された固定子104用の構造ブロックを形作ります。図4および5 は、二つの層308,306、最終巻線の層304および最終絶縁体の層302によって、円周を取り囲まれた、5つの連なるコアのアッセンブリー424により構成された固定子104を図解しています。巻線の層の数が奇数であることにより（図の本体では11個）、伝導ワイヤー320の端312が最終巻線の層304の遠い側の端130から延びていることを確保できます。
【００３３】
列内の固定子のリード線310、312 は、発電機100の所望の出力性質に合わせて、事前に決められたパターンで巻かれています。図6-8は、6つの固定子列を有する（図では、各固定子列は48個の固定子104を有する）最適な発電機100の電気の相互連結の図解です。
【００３４】
図6は、列120の最終固定子の遠い側の端から延びたリード線312から、反対に配置された列122内の最終固定子の近い側の端から延びたリード線310へと直列に接続されたジャンパー・ワイヤー602により相互に接続された二つの正反対に配置された固定子120、122の図解を表しています。正反対に配置された列120、122より発生する出力電圧は、リード線A1、A2に現れます。
【００３５】
詳細に示す図7では、固定子は8個の固定子104を一つのグループ606としてグループ分けされています。これら8個の固定子は並列に接続されて、その遠い側のリード線312が一緒に接続される一方、その近い側のリード線310も一緒に接続されています。隣接する固定子グループ606は、直列接続604（あるグループの遠い側にあるリード線312と次のグループの近い側にあるリードとを接続する）により相互に接続されています。
【００３６】
図8は、ジャンパー・ワイヤー602、802、804により相互に接続された３組の固定子列に関する電気接続を図解しています。最終的に、発電機の出力は３組のリード線A1-A2、B1-B2、C1-C2に現れます。
【００３７】
固定子104、磁石106およびワインディングとコア・ユニット424の数が、発電機100の特性により異なることは、この技術に精通している方でしたら、すぐにわかるはずです。また、適切なサイズおよび精密なコンフィグレーションなど、これらの要素も多様化できます。
【００３８】
この発明の最適な条件に近ければ近いほど、より効率の良い電気発電機を提供することができます。この発電機の固定子は、巻線、絶縁体および磁性体の連続的なアレンジメントの多重層を追加することで形成されます。この発電機のローターは、固定子の磁極と同じ磁極を常に表す、正反対に配置された磁石を有します。この発電機は、多種多様な出力コンフィグレーションを有する、多相の電気発電機です。
【００３９】
本発明は、上記に記載されている条件にのみ限定されるわけではなく、以下のクレームに記載されている範囲内の形体を包含します。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の永久磁石発電機の部分的な断面の前方正面図です。
【図２Ａ】本発明の永久磁石発電機の分解透視図です。
【図２Ｂ】正反対に配置されている二つの固定子列と、固定子の列をサポートするハウジングの側方正面図です。
【図３】層を表示するため、部分的に取り外された、本発明の固定子の透視図です。
【図４】図3の線分4-4に沿って描かれた固定子の拡大断面図です。
【図５】図3の線分5-5に沿って描かれた固定子の拡大断面図です。
【図６】本発明の、正反対に配置された固定子列（電気接続された）のペアの側面を示す図です。
【図７】図6の線分7-7に沿って描かれた、一つの固定子列の上断面を拡大して示す図です。
【図８】本発明の固定子列間の電気接続を概して示した前方正面図です。
【００４１】
あるフィーチャーに対応する同様の参照文字を、付随の図を通して見ることができます。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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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