(57)【要約】  本発明は、水中応用の電気機械、および一方向または往復の線形運動または回転運動を電気エネルギに変換しその逆も行うエネルギ変換システムに関する。電気エネルギは直流または交流の電流及び電圧であってよい。システムは純水または塩水中に完全に浸漬される。本発明を可能ならしめる要素は、別々に密封された固定子と回転子を持ち、機械システムとパワーエレクトロニクスが統合された、多極永久磁石型同期機械である。
2013538540.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中応用の電気機械（２０）であって、前記電気機械（２０）は、
完全な積層鉄心（３２）と巻線（３３）とからなり、多相の交流出力電圧を提供する固定子（２１）と、
回転子継鉄（２７）と永久磁石（２６）とからなる回転子（２２）と、
を備え、
前記固定子（２１）は複合材料（２５）又は高分子内に密封されており、前記回転子（２２）は複合材料又は高分子内に密封されているか又は他の手段で保護されており、前記固定子（２１）と前記回転子（２２）の間の空隙（２３）は周囲の流体に開放されている、電気機械。
【請求項２】
前記電気機械（２０）は、永久磁石を持つ多極同期機械などのような、低速、高トルク機であることを特徴とする、請求項１に記載の電気機械。
【請求項３】
前記固定子（２１）は、積層体（３２）と巻線（３３）と高分子又は複合材料（２５）とのみでできていることを特徴とする、請求項１に記載の電気機械。
【請求項４】
前記固定子（２１）は、成形され、固体で完全に密封されていて、内部に空気も流体もないことを特徴とする、請求項１に記載の電気機械。
【請求項５】
前記固定子（２１）及び／又は回転子（２２）の密封は、真空プロセスを利用して行われることを特徴とする、請求項１に記載の電気機械。
【請求項６】
前記固定子（２１）及び／又は回転子（２２）の密封は、真空と加圧の組合せで行われることを特徴とする、請求項１に記載の電気機械。
【請求項７】
前記電気機械は、全体が複合材料又は高分子で作製された回転子保持構造（２９）を備え、前記回転子保持構造（２９）はシャフト（５１）に配置された前記継鉄（２７）と前記永久磁石（２６）とを保持するように配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の電気機械。
【請求項８】
固定子（２１）が内部にあり、回転子（２２）が外部にあり、前記固定子（２１）には前記固定子（２１）の内部に配置された電子回路用の容器（５３）が備えられていることを特徴とする、請求項１に記載の電気機械。
【請求項９】
前記電気機械は、シャフト（５１）に配置された前記積層鉄心（３２）と前記巻線（３３）とを保持するために配置され、全体が複合材料または高分子で作製された固定子保持構造を備えることを特徴とする、請求項７に記載の電気機械。
【請求項１０】
前記回転子（２２）は、穴の開いた回転子円盤（３１）を備え、前記回転子円盤（３１）は回転する際の水の摩擦損失を低減するために薄板で覆われていることを特徴とする、請求項１に記載の電気機械。
【請求項１１】
前記固定子（２１）と前記回転子（２２）は反対方向に回転することを特徴とする、請求項１に記載の電気機械。
【請求項１２】
前記固定子（２１）又は前記回転子（２２）、又はその両者が少なくとも２つの部品で組み立てられていることを特徴とする、請求項１に記載の電気機械。
【請求項１３】
前記固定子（２１）又は前記回転子（２２）のいずれかは、巻線又は磁石を持つ分離して密封された複数の小さなブロックからなり、同一の前記保持構造を共有していることを特徴とする、請求項１に記載の電気機械。
【請求項１４】
前記固定子（２２）の周辺に、好ましくは金属である高熱伝導率材料の薄層が配置され、その片側が前記積層体に、かつその反対側が周りを取り巻く流体に直接接触することを特徴とする、請求項１に記載の電気機械。
【請求項１５】
電気機械（２０）と、
電子変換器（１１）と、
機械式リンク（１２）と、
機械式システム（１３）と、
を備えるエネルギ変換システムであって、前記電気機械（２０）は、
固定子（２１）と、
回転子（２２）と、
積層体（３２）と、
巻線（３３）と、
回転子継鉄（２７）と、
永久磁石（２６）と
を備え、
前記電気機械（２０）の前記回転子（２２）は複合材料（２５）又は高分子内に密封されているか又は他の手段で保護されており、前記固定子（２１）と前記回転子（２２）の間の空隙（２３）は周りの流体に開放されていることを特徴とするエネルギ変換システム。
【請求項１６】
前記電子変換器（１１）は、交流／直流／交流又は交流／直流のいずれかであり、密封され、かつ周りの水に開放されていることを特徴とする、請求項１５に記載のエネルギ変換システム。
【請求項１７】
前記電気機械（２０）は内部固定子（２１）と外部回転子（２２）を有することを特徴とする、請求項１５に記載のエネルギ変換システム。
【請求項１８】
前記機械システム（１３）は１つ又は複数の滑車（１５ａ〜１５ｂ）又はタービン（１４）を含む巻揚げ機様の装置（５０）であることを特徴とする、請求項１７に記載のエネルギ変換システム。
【請求項１９】
前記複数の滑車（１５ａ〜１５ｂ）は異なる直径を有することを特徴とする、請求項１８に記載のエネルギ変換システム。
【請求項２０】
前記電気機械（２０）の回転子（２２）は、前記巻揚げ機様の装置（５０）を構成する１つ又は複数の滑車（１５ａ〜１５ｂ）に一体化されていることを特徴とする、請求項１５〜１９のいずれか１項に記載のエネルギ変換システム。
【請求項２１】
電子回路が前記内部固定子（２１）内に収納された容器（５３）中に配置されていることを特徴とする、請求項１５に記載のエネルギ変換システム。
【請求項２２】
前記巻揚げ機様の装置（５０）を海底（６０）と１つ又は複数の浮具（６８，７０）の間に配置するための保持枠（６３）を含み、前記巻揚げ機様の装置（５０）は１つ又は複数のロープ（６５ａ〜６５ｂ，６９）によって１つまたは複数の浮具（６８，７０）に配置されていることを特徴とする、請求項１５〜２１のいずれか１項に記載のエネルギ変換システム。
【請求項２３】
前記機械システム（１３）は、密閉された機械的又は磁気的な、又は水潤滑式のベアリング（５２）を備えることを特徴とする、請求項１５に記載のエネルギ変換システム。
【請求項２４】
海の振動周期が時間とともに変化するのに合わせ、機械的共振を達成してより高いエネルギ収量を得るように前記電気機械（２０）及び機械システム（１３）を運転するように構成された制御システム（１３）を備えることを特徴とする、請求項１５に記載のエネルギ変換システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の導入部に記載の水中用電気機械に関する。
【０００２】
本発明はまた、一方向または往復の直線または回転運動を電気エネルギに変換し、またその逆も行う請求項１５の導入部に記載のエネルギ変換システムにも関する。電気エネルギは、直流または交流の電流及び電圧であってよい。このシステムおよび電気機械は、特に水中での応用すなわち純水または塩水中での応用に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
水中電力変換システムは、波力、潮力、水力の変換プラント、補助海中発電機、水中ブレードピッチシステム、海中巻揚げ機、推進システム、スラスタ、パイプ内発電機などへの応用が可能である。これらへの応用は、一次運動の種類によって特徴づけられる。
【０００４】
従来技術を、運動の違いと既存の方式とに基づいて以下の２つの段階に分けて概観する。第１は、潮力、水力への応用と波エネルギ変換装置と海中巻揚げ機に関する刊行物について述べる。これら以外への応用は、上記の応用群の１つに分類される場合がある。
【０００５】
潮力と水力への応用は回転運動を特徴とする。通常、ゆっくりと可変速度で一方向に回転するタービンがある。潮力への応用では回転方向が変わりうるが、これは日に２回のみであり、したがって、このシステムは一方向へ継続的な回転をしているとみなしてよい。
【０００６】
潮力と水力への応用に関しては、タービン内に組み込まれ、別々に密封された固定子と回転子の間の空隙内に水を入れて動作する発電機に関して、いくつかの方式の提案が最近なされている。その提案を以下に概観する。
【０００７】
国際公開第２００４／１１３７１７号パンフレット（Ｒｏｙｒｖｉｋ，２００４）の水中タービン並びに液体ポンプの一部として開示された電気機械は、コイルと密封材のみで構成された固定子を持っている。鉄の歯も継鉄も使用されていない。
【０００８】
ＯｐｅｎＨｙｄｒｏ社の米国特許出願公開第２０１０／００２６００２号（Ｓｐｏｏｎｅｒ，２０１０）の電気機械もまた固定子と回転子の間の空隙に水を入れて運転される。これはスロットレスであるが、国際公開第２００４／１１３７１７号における機械と違って、磁束を導くのに強磁性体巻線で形成された要素を利用していている。また、この機械はコイルのそれぞれにダイオード整流器を持っていて、それらを接続して機械から直流電圧出力を得る。
【０００９】
Ｃｌｅａｎ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｙｓｔｅｍｓ社の２つの公報、すなわちカナダ国特許公開第２６１５８０８（Ａ１）号明細書と英国特許出願公開第２４４２６２２（Ｂ）号明細書は、軸方向磁束の機械を開示している。カナダ国特許公開第２６１５８０８（Ａ１）号明細書（Ａｌｌｉｓｏｎ，２００３）は、ブレードの根元に磁石を持った２つの対向回転型回転子円盤と、固定子上に鉄心なしで密封されたコイルとを有する機械を提案している。
【００１０】
英国特許出願公開第２４４２６２２（Ｂ）号明細書（Ｐｌａｔｏｎ，２００９）は、それぞれにコイルを有するＥ字型の鉄セグメント列からなる固定子を提案している。このセグメントは個別に密封されている。隣接するセグメント同士の間には空隙がある。それぞれのコイルには個別の電子ユニットが装備され、これらのユニットが相互接続されてネットワークを成し、共通の直流電圧出力を形成する。
【００１１】
機械エネルギを電気エネルギに変換するための回転速度を上げるために、さまざまな機械的変速システムが利用され場合がある。例えば、米国特許第７，５３０，２２４（Ｂ２）号公報（Ｆｒａｅｎｋｅｌ，２００９）においては、潮力タービン用に水力増速変速装置が利用されている。
【００１２】
上記の方式の特徴を次にまとめる。これらは本発明で提案する方式に比べて明らかな欠点となりうるものである。
−これらの機械は固定子内に完全な鉄心を持たないか、あるいは鉄心を全く持たない。
−それぞれの個別のセグメントに電子ユニットがあり、これらのユニットが接続されてネットワークを構成して、発電機として作用する機械から直流出力が得られる。
−増速用の歯車を利用する。
【００１３】
固定子の鉄心が不完全な方式においては、鉄心が磁束のための閉回路となっていないので大きな漂遊磁界を生じ、その結果、電力密度が下がり効率と力率が下がってしまう。また、不完全な鉄心（Ｅ字型コア）の場合には、大径の機械にとって重要な構造上の剛性が低下する。磁石とＥ字型鉄心との間には強い引力が作用するので固定子と回転子の間に一定の空隙を確保するためには頑丈な保持構造が必要となり、非常に高価となる可能性がある。
【００１４】
個別のセグメントごとに電子ユニットを持つ方式では多数の電気接続を必要とすることになり、信頼性の低下を招く場合がある。さらには、セグメントにおける交流電圧の整流はコイル内に非正弦波の電圧及び電流を生じ、さらなる損失と効率低下を招く。
【００１５】
従って、従来技術において周知の潮力及び水力の電力変換ユニット用の電気機械は、効率が低いか、コストが高いか、またはその両方である。
【００１６】
海中巻揚げ機は周期的な負荷を持ち、電動機モードと発電機モードの両方において回転方向を変えて運転することができる。
【００１７】
波エネルギ変換は通常、往復直線運動で特徴づけられる。直線的電気機械を応用して電力を抽出するための概念はいくつかある。しかし、直線運動は、巻揚げ機様の装置（滑車システム）を利用して回転運動に変化させてもよい。浮具の上昇による一方向回転によって滑車からライン（ロープ）が巻き戻されて、シャフトが回転してもよい。そして、反対方向への回転によってロープが滑車に再度巻かれるが、これは機械ばねにより強制的に行われてもよい。米国特許出願第２００６２７３５９４（Ａｌ）号明細書（Ｇｅｈｒｉｎｇ，２００６）および米国特許第４，２０８，８７７号明細書（Ｄａｖｉｓ，１９８０）にその実施例が説明されている。このような構成では、浮具が上昇するとき、従って一方向へ回転するときにのみ、エネルギを抽出することができる。
【００１８】
原理的には、電力は両方向の運動（回転）で引き出すことができる。このことは１９７８年に既にＢｕｄａｌとＦａｌｎｅｓにより示されており、一方が海面に浮き、もう一方が沈んでいる２つの反対方向に運動する浮具（ブイ）を有するシステムが特許化されている（英国特許第１５２２６６１号）。水中の浮具の代わりに、英国特許出願公開第２０６２１１３（Ａ）号明細書（Ｏｒｔｅｇａ，１９８１）および英国特許出願公開第２１９２６７１（Ａ）号明細書（Ｓｈｉｍ  Ｈｙｕｎ  Ｊｉｎ，１９８８）にあるような釣合い錘（錘棒）が利用されてもよい。
【００１９】
さらには、滑車の双方向の往復回転を一方向回転に変換することはごく普通に行われている。往復運動を一方向運動に変換するのには、しばしば機械装置（歯車）が用いられて、電気機械の一方向の連続回転を確保する。前述の英国特許第１５２２６６１号および英国特許出願公開第２０６２１１３（Ａ）号がその例である。
【００２０】
波のエネルギから電力を得ることは間歇的または振動的であることが多く、電力の出力を安定化させるための手段が講じられる。上記の英国特許出願公開第１５２２６６１号、米国特許出願第２００６２７３５９４（Ａｌ）号並びに英国特許出願公開第２４０８０７５（Ａ）号（Ｓｔａｎｓｂｙ，２００５）の公報においては、フライホイールを用いて電力の振動が平滑化され、また英国特許出願公開第２１９２６７１（Ａ）号においては同じ目的で蓄電池が使われている。
【００２１】
検討したすべての出願において、電気機械は水面より上に収納されている（英国特許出願公開第２０６２１１３（Ａ）号、英国特許出願公開第２４０８０７５（Ａ）号）か、あるいは米国特許出願第２００６２７３５９４（Ａｌ）号、国際公開第２００７１２５３４９（Ａ２）号（Ｍａｓｔｅｒｓ，２００７）および国際公開第２００９１０５０１１（Ａ１）号（Ｓｉｄｅｎｍａｒｋ，２００９）の公報のように密封されたチャンバ内にあって海水との接触が防止されている。
【００２２】
機械エネルギから電気エネルギへ変換する回転速度を上げるために、さまざまな機械的な変速システムが利用されており、例えば、英国特許出願公開第２１９２６７１（Ａ）号やオーストラリア国特許出願公開２００７２０２９９５（Ａｌ）号（Ｆｒａｅｎｋｅｌ，２００７）などの公報における歯車などである。
【００２３】
一次要素（浮具、錘棒）が２つ以上使用されている場合には、異なる方向への回転は力及び線速度の違いで特徴づけられる。その例は上記の英国特許出願公開第２４０８０７５（Ａ）号や国際公開第２００９１０５０１１（Ａ１）号の公報にあり、反対方向に移動するロープの巻き取り、巻き戻しに対して直径の異なる滑車が利用されて、異なる力と速度で作用するようになっている。
【００２４】
本発明に関わる波エネルギ変換に関する上記の公報の発想をまとめると以下の概念の組合せとなる。
−復帰運動に機械式ばねを利用する。
−特別の歯車の利用により発電機の回転を一定方向（単一方向）とする。
−フライホイールまたはエネルギ蓄電池を利用して電力出力を平滑化する。
−多くの応用と同様に、一次運動は低速が特徴であり、歯車を利用して速度を上げる。
−電気機械は分離された（加圧された空気または油で充填された）チャンバに収納する。従って、シャフトがこの分離チャンバから出るところでは回転シールを利用する。
−浮具の質量と、釣合い錘を使用している場合にはその質量とを調整して波の周波数に共鳴させることが可能である。
【００２５】
任意の実際的な再生可能エネルギ変換器に要求される主要な項目は、高信頼性と長寿命、および材料、製造、運転の低コストである。これらの要求に応えることが困難であることが、今日の波力および潮力発電プラントの商業利用が比較的低くなっている理由である。
【００２６】
上記のシステム部品はコスト及び信頼性に以下の様な影響を及ぼす。
（ａ）下記のものを使用しているためにシステムコストが高い。
−隔離された高圧チャンバ
−エネルギ貯蔵装置
−往復運動を単一方向に変えるための歯車
−増速のための歯車
（ｂ）下記のものを使用しているために、システム信頼性が低くかつ寿命が短い。
−この種の構成を利用するすべての海面下装置における主要な摩耗部品である、回転シール
−往復運動を一方向運動に変えるための歯車
−増速のための歯車
−隔離された高圧チャンバ
−エネルギ貯蔵装置
（ｃ）下記のものを使用するためにシステム効率が低下する。
−回転シールにおける機械（摩擦）損失
−往復運動を一方向運動に変えるための歯車における機械損失
−増速のための歯車における機械損失
【００２７】
これらの同一の部品が、全体システムのすべての重要な性能（コスト、信頼性、効率、寿命）にマイナスに影響していることが分かる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２８】
本発明の主要な目的は、従来技術における上記の問題点を部分的にまたは全面的に解決する、すなわち高効率で材料と製造のコストが低くかつ長寿命のエネルギ変換システム用の電気機械とエネルギ変換ンシステムを提供することである。
【００２９】
本発明の１つの目的は、以下のものをなくすことである。
−往復運動を単一方向運動に変えるための歯車
−増速のための歯車
−隔離された高圧チャンバ
−エネルギ貯蔵装置
−この種の構成を利用するすべての海面下装置における主要な摩耗部品である、回転シール
【００３０】
既存の潮力及び水力応用のための直接駆動方式に比べて高電力密度で、高効率かつ高い構造剛性を有する電気機械を提供することもまた目的である。
【００３１】
また、直線運動を回転運動に変換するためのエネルギ変換システムの機械部分と、システム出力として直流電力または一定周波数の交流電力を提供するための電子回路とが組み込まれた電気機械を提供することも本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
本システムによる電気機械は請求項１に記載されている。この電気機械の詳細および好適な特徴は請求項２〜１４に記載されている。
【００３３】
本発明による波エネルギ変換システムは請求項１５に記載されている。このシステムの詳細および好適な特徴は請求項１６〜２４に記載されている。
【００３４】
前述の応用は一般的に低回転速度（通常２００ｒｐｍ未満）を特徴とする。このため多くの場合歯車を利用して標準の電気機械をエネルギ変換に応用できる水準まで速度を上げる。本発明においては、永久磁石を備えた多極同期機械のような、低速、高トルク機を利用することが提案される。これにより歯車を除外できる。
【００３５】
永久磁石付きの機械は、固定子と回転子との間に比較的大きな空隙を持つことができる。これにより、固定子と回転子を個別に密封し、その間に水（またはその他の流体）を流すことが可能となる。この空隙は（従来の機械では通常数分の１ｍｍであるのに対し）数ｍｍほどもあり、密封に要する空間が与えられる。一例として、空隙の１／３を水に、空隙の１／３を固定子の密封に、空隙の１／３を回転子の密封に充当することができる。機械の能動部品が密封されるので、隔離された圧力チャンバを必要としない。このことにより、海底または川底近くのかなりの深さにおけるエネルギ変換システムにこの電気機械を利用できる機会が与えられる。海底では海面付近に比べて温度が低いので、冷却はより良い状態であり、電気機械をより小型の設計とすることができる。これは使用材料がより少なくなり、コストが低減されることを意味する。さらには、圧力チャンバを使用しないので、回転シールが不要である。本応用においては速度が低いので、空隙における摩擦損失は非常に小さい。
【００３６】
この提案された機械の鉄心は磁束の完全な閉ループを提供し、かつ必要な機械的剛性を確保する。
【００３７】
本発明によると、電気機械に発電機モードでの交流−直流変換及び電動機モードでの直流―交流変換をするためのパワーエレクトロニクス変換器を結合することが提案される。発電機モードでは、電気機械の回転子の回転は、いずれの方向においても変換器で整流されて、エネルギ変換システムの出力部で直流定電圧の脈動電流／電力となる。同様に、電動機モードでは入力の直流電圧が電気機械の双方向回転に変換される。必要に応じて周期的運転とされてもよい。電力が一方向の回転で発電される場合は、直流電力出力は一定となる。
【００３８】
パワーエレクトロニクス変換器は好ましくは電気機械の近くに配置されるか電気機械に組み込まれる。従って、これも当然密封される。
【００３９】
往復運動を持つエネルギ変換応用において出力電力の平滑化をするために、変換器の直流側に１つまたは複数のエネルギ貯蔵装置を設けることが可能であるが、そのような装置は高価であり、したがってその代わりに、発電ユニットは通常単独使用ではなくある区域内に複数で使用されるという事実を活用することが提案される。区域内の複数のユニットの電力生成サイクルが同期化されて、平均の生成電力が安定化するようにされてもよい。個別ユニットの出力は直流電圧であることが望ましい。これは、区域間の電圧としては直流が交流よりも扱いやすく、また直流は長距離伝送の損失が小さくかつケーブルも安くつくためである。
【００４０】
低速で高トルクの多極永久磁石型機械は通常リング形をしており、機械的な集約に適している。また、どのような機械システムに対しても組立、統合が容易であるので、放射状磁束型の機械は好適である。
【００４１】
電気機械の能動部品すなわち固定子と回転子を密封するための方法はいくつかある。固定子と回転子の密封工程は、射出成形または鋳造工程で行われる。回転子の上には金属製のカバー／シールドがあり、固定子は高分子または複合材料で密封されてもよい。
【００４２】
従って本発明は、別々に密封された回転子と固定子を持つ永久磁石型同期機械（ＰＭＳＭ）を利用することに基づいている。
【００４３】
この機械は水中の、交流／交流または交流／直流のパワーエレクトロニクス変換器に結合されている。
【００４４】
この機械は、エネルギ変換システムの機械部品と一体化されてもよい。
【００４５】
この機械は通常の密閉式ベアリングまたは磁気的または水潤滑式ベアリングを利用してもよい。
【００４６】
この電気機械は、波力、潮力、水力の変換プラント、補助海中発電機、水中ブレードピッチシステム、海中巻揚げ機、推進システム、スラスタ、パイプ内発電機などへ応用される水中電力変換システムに好適である。
【００４７】
本発明の更なる詳細および好適な特徴は以下の実施例の説明で記述されるであろう。
【００４８】
以下において本発明を添付の図面を参照して詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１Ａ】エネルギ変換システムの形態及び３つの代表的な荷重タイプを示す図である。
【図１Ｂ】エネルギ変換システムの形態及び３つの代表的な荷重タイプを示す図である。
【図１Ｃ】エネルギ変換システムの形態及び３つの代表的な荷重タイプを示す図である。
【図２Ａ】個別に密封された固定子と回転子とを持つ電気機械の外観図である。
【図２Ｂ】磁石を覆う保護ケースと保持構造部品とを持つ回転子の断面図である。
【図２Ｃ】特別の耐食層と塗装による磁石保護と保持構造部品とを持つ回転子の断面図である。
【図２Ｄ】保持構造として作用する密封材によって能動部品が保持された回転子の断面図である。
【図２Ｅ】電気機械の固定子の詳細を示す、異なる角度から見た図２Ａの断面図である。
【図２Ｆ】電気機械の固定子の詳細を示す、異なる角度から見た図２Ａの断面図である。
【図３Ａ】成形プロセスの詳細を示す図である。
【図３Ｂ】成形プロセスの詳細を示す図である。
【図３Ｃ】成形プロセスの詳細を示す図である。
【図３Ｄ】成形プロセスの詳細を示す図である。
【図４Ａ】電気機械を単滑車巻揚げ機に結合した図である（この図および次の図において機械は内部固定子と外部回転子をもっている）。
【図４Ｂ】電気機械を単滑車巻揚げ機に結合した図である（この図および次の図において機械は内部固定子と外部回転子をもっている）。
【図５Ａ】２つの一次移動体を持つエネルギ変換システムの動作原理を示す図である。
【図５Ｂ】電気機械を２滑車巻揚げ機に結合した図である。
【図５Ｃ】電気機械を２滑車巻揚げ機に結合した図である。
【図６】電気機械を３滑車巻揚げ機に結合した図である。
【図７】密封材と同じ高分子または複合材料で作られた支持構造の固定子の構造図である。
【図８】本発明によるエネルギ変換システムの一実施例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
図１Ａ〜１Ｃを参照すると、本発明が提案するエネルギ変換システムの形態と荷重タイプが示されている。図１Ａは一定荷重の一方向運動を示し、図１Ｂは１つの一次移動体での双方向（往復方向）の移動を示し、図１Ｃは２つの一次移動体を持つ双方向（往復方向）の移動を示す。
【００５１】
本発明によるエネルギ変換システムは、主要要素として、交流／直流変換器１１、電気機械２０（運転モードによりモータ“Ｍ”または発電機“Ｇ”）、並びに機械システム１３への機械的接合部１２（シャフトまたは直接的に統合）を含む。機械システム１３は、図１Ａのように一次移動体そのもの、例えばタービン１４であってもよいし、直線運動を回転運動に変換するための１つまたは複数の滑車１５ａ〜１５ｂのシステムであってもよい。図１Ｂのように単一滑車１５ａであってもよいし、あるいは図１Ｃのように２つ以上の滑車１５ａ〜１５ｂであってもよい。
【００５２】
次に図２Ａを参照すると、本発明の基本概念が示されており、またさらなるすべての変更を可能とする電気機械２０の構成が含まれている。電気機械２０は固定子２１と回転子２２とを備え、これらは別々に密封されていて、両者の間の空隙２３が周囲環境に開放されており、すなわち、両者の間の空隙２３には水（またはそのほかの流体）が存在する。密封材料２５の中には、海中での電気ケーブルのプラグ接続用のソケット２４が一体化されている。
【００５３】
図２Ｂには回転子の密封の一変形が示されている。回転子２２の磁石２６は継鉄２７の上に固定され、好ましくは、例えばステンレススチール製の保護ケース２８に覆われている。能動部品は保持構造２９の要素にねじ３０で固定されている。保持構造２９は好ましくは回転子円盤３１に固定されている。
【００５４】
図２Ｃには回転子の密封の別の変形が示されている。磁石は耐食性のある表面を持ち、さらに特別の塗料で保護されている。
【００５５】
図２Ｄにはさらに別の変形が示されている。能動部品は密封材料２５中に鋳込まれ、この密封材料が保持構造並びに回転子円盤３１として作用する。回転子円盤３１は、回転時の摩擦損失を減らすために堅固な固体であってよいし、あるいはまた材料を節約するために穴あきであってもよい。
【００５６】
次に図２Ｅには、図２Ａの電気機械２０の断面が示されている。電気機械２０は、固定子積層体３２と巻線３３を含んでおり、この固定子積層体３２と巻線３３の両者は密封用の高分子または繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）材料２５で覆われている。電気機械２０はさらに回転子継鉄２７と永久磁石２６を含んでおり、これらもまた密封用複合材料２５の層で覆われている。支持構造の一変形においては、ねじ溝のあるピン３４とナット３５を利用して能動部品が固定子支持構造と回転子支持構造へ固定されている。個別に密封された固定子２１と回転子２２の間には空隙２３があることが分かる。
【００５７】
ねじ溝のあるピン３４は、好ましくは図２Ｅと図２Ｆに示すように積層体３２を直接貫通する。固定子２１のまわりにはケースは用いられていない。スペーサ３６とワッシャ３７をねじ溝付きのピン３４と共に用いて、構造の信頼性を上げ、組立を単純化してもよい。図２Ｆはまたスロット内の巻線３８（コイル側）とスロットウェッジ３９も示している。
【００５８】
能動部品である固定子２１または回転子２２の密封は、開放モールド法または密閉モールド法のいずれかで行うことができる。図３Ａは開放モールド法における固定子２１の断面を示す。モールド４０は剛性材料または可撓性材料のいずれかで作製することができる。モールド４０は単一部品として作製することもできるし、複数部品に分割して作製して組み立てることもできる。樹脂４１が頂部４２からモールド内に注入され、固定子２１とモールド４０の間隙を充填する。鋳込み処理時に樹脂４１とモールド４０を真空室に入れれば、より高品質の鋳込みができる。真空度が高ければ樹脂４１から空気が抜き取られて鋳込み時の空気の巻きこみが防がれ、そうして硬化後の樹脂の電気特性および機械特性が高くなる。モールド４０製造に可撓性材料が使用される場合、内外径に支持枠４３を使用してモールド４０を固めることができる（図３Ｂ）。
【００５９】
固定子２１または回転子２２の鋳込みにおいて全表面で高い公差を得るためには、密閉モールド法を利用することができる。図３Ｃのモールド４０は２つ以上の部分に分割されていて、可撓性材料と剛性材料のいずれからでも製造できる。可撓性モールドで公差を上げるためには、内外径に支持枠４３を利用できる。密閉モールド法では、鋳込み時に未充填空間をなくすために樹脂の注入口４２と流出口４４を正確に位置取りすることが極めて重要である。樹脂注入口４２は最下点付近に配置し、樹脂流出口４４は樹脂が最後に到達すると予想される地点に配置するべきである。機械特性と電気特性を向上させるために、真空室内で密閉モールド法を行うことができる。支持枠４３は固定に利用することもできる（図３Ｄ）。
【００６０】
以上に述べた電気機械２０とエネルギ変換システムの形態を基に、電気機械２０と機械システム１３の統合例を次に説明する。
【００６１】
図４Ａ〜４Ｂには、外部回転子２２と内部固定子２１を有する電気機械２０を、単滑車巻揚げ機などのような巻揚げ機様の装置５０への統合が示されている。滑車１５ａが大きな直径であれば、図４Ａのような構成が取られ、滑車１５ｂが小さな直径であれば、図４Ｂのような構成が取られてもよい。このいずれの構成においても、シャフト５１とベアリング５２と、固定子２１の内部に配置される電子回路用の容器５３とが使われる。
【００６２】
既に述べたように、図５Ａ〜５Ｃに示すような直径の異なる２つの滑車１５ａ、１５ｂを持つ構成として、異なる外力と速度の２つの直線運動を回転に変換することも可能である。この構成はエネルギ変換システムとするためには新規の課題もあるが、同時に新しい機会も提供する。電気機械２０が、永久磁石モータの場合にそうであるようにリング形状であれば、電気機械は図５Ａ〜５Ｃに示すような２つの滑車システムに統合して巻揚げモータまたは巻揚げ発電機とすることができる。巻揚げ機が回転すると、滑車１５ａ〜１５ｂは片方がロープを巻き取り、もう一方が別のロープを巻き戻すことができる。このシステムをさらに発展されて、図６に示すような３つの滑車の装置とすることも可能である。図６では、大径の１つの滑車１５ａと小径の２つの滑車１５ｂを持つ巻揚げ機５０が示されている。
【００６３】
内側固定子２１のコスト効率のよい方式を図７に示すが、ここでは、密封材料２５を支持構造として利用する。この密封体２５はシャフト５１と能動部品である固定子２１を包含するように設計される。固定子２１の巻線３８（終端巻線）はケーブル５４で、シャフト５１内の電子回路用容器５３に接続され、このケーブル５４は開口５５を通って隔室５３の中へ入る。次に密封材料２５が注入されて能動部品とケーブル５４を覆い、シャフト５１上に固定子２１用の保持構造を形成する。高トルクを伝達するために、シャフト５１には密封材料２５を貫通して突出する金属部があってもよい。容器５３には出力電力用直流ケーブル５７を接続するための海中コネクタ５３も備えられている。
【００６４】
電気機械２０が比較的高速で運転されるように設計されている場合には、回転子円盤の穴を薄い板で覆って、円板の回転時の水による摩擦損失を低減するようになっていてもよい。
【００６５】
図８には、波エネルギ変換応用に関する本発明によるエネルギ変換システムの一実施例が示されている。エネルギ変換システムが海底６０から海面６１（波）まで延在している。エネルギ変換システムには、システムを海底６０に配置するための錨６２が含まれる。このシステムには、好適な構造６４を利用して錨６２に配置された保持枠６３も含まれている。保持枠６３は、図４Ａ、４Ｂ、図５Ａ〜５Ｃ、図６に示したような、巻揚げ機様の装置５０の配置に適合するようになっている。この実施例においては、図６に示したような巻揚げ機様の装置５０が示されており、２つの小さい滑車１５ｂと１つの大きな滑車１５ａを備えている。巻揚げ機様の装置５０は保持枠６３の内側にしっかりと固定されている。小滑車１５ｂへは主ロープの部分６５ｂが配置され、これは保持枠６３から垂直方向に延びて、貫通孔６６を通って小滑車１５ｂを同時に動かすための結合要素６７へ繋がっている。結合要素６６からは主ロープ６５ａが、海面６１に浮くように配置されたブイなどの主浮具６８まで垂直に延びている。
【００６６】
巻揚げ機様の装置５０の大滑車１５ａへは第２のロープ６９が配置され、これは貫通孔７１を通って保持枠６３から出て垂直方向に海中浮具７０まで延び、また大滑車１５ａに巻き取られている。海中の浮具７０には好ましくは貫通孔７２が備えられていて、そこを通って主ロープ６５ａが海面浮具６８まで延びている。
【００６７】
保持枠６３からは、交流／直流、または交流／直流／交流、または交流／交流の変換器を介して電気機械２０からの出力電力用の電気ケーブル７３が延びている。
【００６８】
このように波から動力を得るエネルギ変換システムが提供される。波の運動により浮具６８と７０が垂直方向の上下に移動すると、巻揚げ機様の装置５０が滑車１５ａ、１５ｂにロープを巻き取り、かつ巻き戻す。その結果電気機械２０によって電力が提供され、電気ケーブル７３によって陸上に送電されるか、または海上／沖合での用途、例えば、養魚場（ポンプ、巻揚げ機）、バイオ燃料用の海藻養殖場（巻揚げ機）などに使用することが可能となる。
【００６９】
浮具システムはその固有振動数が海面振動の周波数に近くなるように設計されていてもよい。海面振動の周波数は時間とともに変化するので、システムは（電子回路を利用して）制御されて、エネルギ収量を上げるために機械的共振が達成されるようになっていてもよい。
【００７０】
変更
様々なシステム変更を利用することができる。例えば、１つの浮具を２つ以上の保持枠／巻揚げ機に配置することができるし、またはいくつかの浮具を１つの保持枠／巻揚げ機に配置することも可能である。
【００７１】
電気機械を、回転子が一方向に回転し、固定子がもう一方の方向に回転する、反対回転を利用する応用に使うことが可能である。
【００７２】
電気機械はさらに、複数の固定子と回転子、あるいは固定子または回転子の複数の能動部品から構成されることも可能である。ここでは固定子の全ての能動部品を共通の固定子保持構造に取り付けることが可能であり、また、回転子の全ての能動部品を共通の回転子保持構造に取り付けることが可能である。
【００７３】
電気機械は、２つ以上の部品に分割して機械の製造または輸送が容易となるようにしてもよい。
【００７４】
固定子の周辺に非常に高い熱伝導度を持つ材料の薄層を付加して、冷却を強化してもよい。この薄層は片側では積層体に直接接触し、反対側では周囲の流体に直接接触する。周囲の流体は、空気、水、油、または機械が浸されるその他の任意の流体であってよい。この薄層はさらには積層体の保護として使用されてもよい。
【００７５】
電気機械は波エネルギの変換システムに使用されるように説明したが、潮力、水力の変換プラント、補助海中発電機、水中ブレードピッチシステム、海中巻揚げ機、推進システム、スラスタ、パイプ内発電機などへの用途にも利用可能であることは明白である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年1月10日(2013.1.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中応用の電気機械（２０）であって、前記電気機械（２０）は、
完全な積層鉄心（３２）と巻線（３３）とからなり、多相の交流出力電圧を提供する固定子（２１）と、
回転子継鉄（２７）と永久磁石（２６）とからなる回転子（２２）と、
を備え、
前記積層鉄心（３２）と前記巻線（３３）の両方を含む前記固定子（２１）は複合材料（２５）又は高分子内に密封されており、前記回転子（２２）は複合材料又は高分子内に密封されているか又は他の手段で保護されており、前記固定子（２１）と前記回転子（２２）の間の空隙（２３）は周囲の流体に開放されている、電気機械。
【請求項２】
前記電気機械（２０）は、永久磁石を持つ多極同期機械などのような、低速、高トルク機であることを特徴とする、請求項１に記載の電気機械。
【請求項３】
前記固定子（２１）は、積層体（３２）と巻線（３３）と高分子又は複合材料（２５）とのみでできていることを特徴とする、請求項１に記載の電気機械。
【請求項４】
前記固定子（２１）は、成形され、固体で完全に密封されていて、内部に空気も流体もないことを特徴とする、請求項１に記載の電気機械。
【請求項５】
前記固定子（２１）及び／又は回転子（２２）の密封は、真空プロセスを利用して行われることを特徴とする、請求項１に記載の電気機械。
【請求項６】
前記固定子（２１）及び／又は回転子（２２）の密封は、真空と加圧の組合せで行われることを特徴とする、請求項１に記載の電気機械。
【請求項７】
前記電気機械は、全体が複合材料又は高分子で作製された回転子保持構造（２９）を備え、前記回転子保持構造（２９）はシャフト（５１）に配置された前記継鉄（２７）と前記永久磁石（２６）とを保持するように配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の電気機械。
【請求項８】
固定子（２１）が内部にあり、回転子（２２）が外部にあり、前記固定子（２１）には前記固定子（２１）の内部に配置された電子回路用の容器（５３）が備えられていることを特徴とする、請求項１に記載の電気機械。
【請求項９】
前記電気機械は、シャフト（５１）に配置された前記積層鉄心（３２）と前記巻線（３３）とを保持するために配置され、全体が複合材料または高分子で作製された固定子保持構造を備えることを特徴とする、請求項７に記載の電気機械。
【請求項１０】
前記回転子（２２）は、穴の開いた回転子円盤（３１）を備え、前記回転子円盤（３１）は回転する際の水の摩擦損失を低減するために薄板で覆われていることを特徴とする、請求項１に記載の電気機械。
【請求項１１】
前記固定子（２１）と前記回転子（２２）は反対方向に回転することを特徴とする、請求項１に記載の電気機械。
【請求項１２】
前記固定子（２１）又は前記回転子（２２）、又はその両者が少なくとも２つの部品で組み立てられていることを特徴とする、請求項１に記載の電気機械。
【請求項１３】
前記固定子（２１）又は前記回転子（２２）のいずれかは、巻線又は磁石を持つ分離して密封された複数の小さなブロックからなり、同一の前記保持構造を共有していることを特徴とする、請求項１に記載の電気機械。
【請求項１４】
前記固定子（２２）の周辺に、好ましくは金属である高熱伝導率材料の薄層が配置され、その片側が前記積層体に、かつその反対側が周りを取り巻く流体に直接接触することを特徴とする、請求項１に記載の電気機械。
【請求項１５】
電気機械（２０）と、
電子変換器（１１）と、
機械式リンク（１２）と、
機械式システム（１３）と、
を備えるエネルギ変換システムであって、前記電気機械（２０）は、
固定子（２１）と、
回転子（２２）と、
積層体（３２）と、
巻線（３３）と、
回転子継鉄（２７）と、
永久磁石（２６）と
を備え、
前記電気機械（２０）の前記回転子（２２）は複合材料（２５）又は高分子内に密封されているか又は他の手段で保護されており、前記固定子（２１）と前記回転子（２２）の間の空隙（２３）は周りの流体に開放されていることを特徴とするエネルギ変換システム。
【請求項１６】
前記電子変換器（１１）は、交流／直流／交流又は交流／直流のいずれかであり、密封され、かつ周りの水に開放されていることを特徴とする、請求項１５に記載のエネルギ変換システム。
【請求項１７】
前記電気機械（２０）は内部固定子（２１）と外部回転子（２２）を有することを特徴とする、請求項１５に記載のエネルギ変換システム。
【請求項１８】
前記機械システム（１３）は１つ又は複数の滑車（１５ａ〜１５ｂ）又はタービン（１４）を含む巻揚げ機様の装置（５０）であることを特徴とする、請求項１７に記載のエネルギ変換システム。
【請求項１９】
前記複数の滑車（１５ａ〜１５ｂ）は異なる直径を有することを特徴とする、請求項１８に記載のエネルギ変換システム。
【請求項２０】
前記電気機械（２０）の回転子（２２）は、前記巻揚げ機様の装置（５０）を構成する１つ又は複数の滑車（１５ａ〜１５ｂ）に一体化されていることを特徴とする、請求項１５〜１９のいずれか１項に記載のエネルギ変換システム。
【請求項２１】
電子回路が前記内部固定子（２１）内に収納された容器（５３）中に配置されていることを特徴とする、請求項１５に記載のエネルギ変換システム。
【請求項２２】
前記巻揚げ機様の装置（５０）を海底（６０）と１つ又は複数の浮具（６８，７０）の間に配置するための保持枠（６３）を含み、前記巻揚げ機様の装置（５０）は１つ又は複数のロープ（６５ａ〜６５ｂ，６９）によって１つまたは複数の浮具（６８，７０）に配置されていることを特徴とする、請求項１５〜２１のいずれか１項に記載のエネルギ変換システム。
【請求項２３】
前記機械システム（１３）は、密閉された機械的又は磁気的な、又は水潤滑式のベアリング（５２）を備えることを特徴とする、請求項１５に記載のエネルギ変換システム。
【請求項２４】
海の振動周期が時間とともに変化するのに合わせ、機械的共振を達成してより高いエネルギ収量を得るように前記電気機械（２０）及び機械システム（１３）を運転するように構成された制御システム（１３）を備えることを特徴とする、請求項１５に記載のエネルギ変換システム。
【国際調査報告】
2013538540.tif 000024
2013538540.tif 000025
2013538540.tif 000026
2013538540.tif 000027