【手続補正書】
【提出日】平成25年3月29日(2013.3.29)
【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】
軸を中心に画定された支持基盤と、
固定リングおよび回転リングを備える軸受アセンブリであって、前記固定リングは、前記支持基盤に結合される、軸受アセンブリと、
近位端および対向する遠位端を有する駆動軸であって、前記駆動軸は、前記軸受アセンブリの前記回転リングに結合される、駆動軸と、
前記駆動軸に結合されたローターアセンブリおよび前記支持基盤に結合された固定子アセンブリを備える多段軸方向磁束発電機であって、前記ローターアセンブリは、複数の永久磁石を備え、前記固定子アセンブリは、少なくとも２つの電圧出力段を画定する複数のコイルを備え、前記ローターアセンブリ上の前記永久磁石は、前記固定子アセンブリ上の前記コイルに密結合される、多段軸方向磁束発電機と、
前記駆動軸に結合された複数の羽根と、を備える垂直風車。
【請求項２】
前記ローターアセンブリの直径に結合されたローター増強磁石であって、前記ローター増強磁石は、第１の正接オフセット角で、前記駆動軸の前記軸から延在する放射状のラインに対して位置合わせされ、前記第１の正接オフセット角は、１度から３０度の範囲である、ローター増強磁石と、
前記支持基盤に固定された固定増強磁石であって、柱様の前記固定増強磁石は、第２の正接オフセット角で、前記駆動軸の前記軸から延在する放射状のラインに対して位置合わせされ、前記第２の正接オフセット角は、１度から３０度の範囲である、固定増強磁石と、
を備える回転増強アセンブリをさらに備える、請求項１に記載の垂直風車。
【請求項３】
前記第１の正接オフセット角と前記第２の正接オフセット角は、１５度から２０度の間である、請求項２に記載の垂直風車。
【請求項４】
前記駆動軸に結合された羽根アセンブリをさらに備え、前記羽根アセンブリは、羽根ハブを備え、複数の羽根取付アームは、前記羽根ハブに結合され、前記複数の羽根は、前記羽根取付アームに結合される、請求項１に記載の垂直風車。
【請求項５】
前記軸受アセンブリは、磁気軸受アセンブリであり、前記複数の羽根は、垂直荷重を画定し、少なくとも一部の前記垂直荷重は、前記磁気軸受アセンブリによって相殺される、
請求項１に記載の垂直風車システム。
【請求項６】
前記支持基盤は、筐体部および支持支柱を備え、前記支持支柱は、前記軸を中心とした同心円である、請求項１に記載の垂直風車システム。
【請求項７】
前記軸受アセンブリの前記固定リングは、前記支持支柱に結合され、前記軸受アセンブリの回転リングは、前記駆動軸の前記近位端に結合される、請求項６に記載の垂直風車システム。
【請求項８】
前記軸方向磁束発電機の前記ローターアセンブリは、前記駆動軸の前記遠位端に結合され、前記固定子アセンブリは、前記支持支柱の前記筐体部に結合される、請求項６に記載の垂直風車システム。
【請求項９】
前記複数の羽根は、前記駆動軸の前記近位端に結合される、請求項６に記載の垂直風車システム。
【請求項１０】
前記固定子アセンブリは、少なくとも２つの電圧出力段を画定する第２の複数の巻線をさらに備え、前記垂直風車システムは、前記軸を中心に画定され、前記駆動軸に結合された第２のローターアセンブリをさらに備え、前記第２のローターアセンブリは、その平面に固定された第２の複数の永久磁石を備え、前記第２の複数の永久磁石は、前記固定子アセンブリ上の前記第２の複数の巻線に密結合された、請求項１に記載の垂直風車システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】明細書
【発明の名称】垂直軸風車およびそのための発電機
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、「ＶＥＲＴＩＣＡＬ  ＡＸＩＳ  ＷＩＮＤ  ＴＵＲＢＩＮＥ」という名称の、２００９年５月２２日に出願された米国仮特許出願第６１／２１３，２８１号および「ＶＥＲＴＩＣＡＬ  ＡＸＩＳ  ＷＩＮＤ  ＴＵＲＢＩＮＥ  ＡＮＤ  ＧＥＮＥＲＡＴＯＲ
ＴＨＥＲＥＦＯＲＥ」という名称の、２０１０年２月２４日に出願された米国特許出願第１２／７１１，８０８号について述べ、これらからの優先権および利益を主張し、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本開示は、一般に垂直軸風車に関し、より詳細には多段軸方向磁束発電機を有する垂直軸風車に関する。
【背景技術】
【０００３】
クリーンエネルギーの必要性が世界中で高まっており、最もクリーンで最も豊富な供給源の１つは、風力エネルギーである。水平軸風車は、伝統的に風力エネルギーを生かすために利用されてきたが、それらは欠点を抱えている。たとえば、現在の水平軸風車は、大きい歯車および変速機に起因して効率が低い。寄生電力は、風の流れの中に翼が一定に再配向することによって消費される。水平軸風車は、暴風を役立てることは不可能であり、強風内で損傷を受けやすい。
【０００４】
垂直軸風車には、翼の回転軸が風向に対して垂直であるという特徴がある。垂直軸風車は、数十年にわたって使用されており、風に押されることによって動く抗力型設計、および翼によって発現された揚力で動く揚力型設計を含む。垂直軸風車の主な利点は、風が吹いてくる方向に位置合わせする必要がないことであり、したがって、追加のモータおよび制御装置の費用が削減される。しかし、垂直軸風車が広く市場に受容されることに対する阻害要因となるいくつかの一般的な問題がある。
【０００５】
垂直軸風車に関する１つの留意される問題は、回転の途中で抗力に起因して垂直軸風車が無効になることであり、これは翼の形状および咬み合わせがもたらす結果である。１つの提案されている解決策は、支持構造上に枢動可能に取り付けられた平坦なファンを利用して、風を捉え支持構造を回転させる風車設計であった。ファンが垂直軸を周回したとき、ファンは、風を捉える広域を示す風下方向と、抗力の生成を少なくするためにその中で狭い断面が風を受けて通過する風上方向との間を枢動した。該設計の１つの留意される欠点は、平坦なファンがあまり空気力学的な設計ではなかったため、作動が荒くかつ遅く、ファンが遠心力によって引っ張られて適所から外れることだった。ファンは、各回転のわずか一部の間に断続的に駆動を提供するのみだった。
【０００６】
別の解決策は、回転枠上の平坦な翼を採用する風車設計だった。２相の翼は、２相の翼が高抗力位置の風下と低抗力位置の風上との間で約１７０度枢動するように、垂直軸上で均衡をとった。該風車は、各回転の１８０度を超える抗力回転を示したが、その風陰における風下の翼の翼干渉を超える風上の翼の翼干渉が全特性を低減させた。したがって、力の有効な転移が、１８０度未満を超えて生じた。
【０００７】
さらに他の解決策が、揚力型設計を利用して試みられた。たとえば、１つの解決策は、回転基部上に枢動可能に取り付けられた垂直に配置された翼を含む揚力型垂直軸風車を開示した。翼が風を捉え支持部を動かしたとき、翼は垂直軸を周回した。風向翼を制御したピッチの調節は、エアフォイルを風向に対して持続的に配向した。装置は翼によって風向を検出し、それに応じてピッチを制御するフランジを配置した。この手法の１つの欠点は、エアフォイルの配置が、どちらの場合も横風揚力を使用する、まっすぐに風上位置およびまっすぐに風下位置にしか有効でないことであった。
【０００８】
揚力型垂直軸風車に関する別の解決策は、「自由に飛ぶ」エアフォイルを使用するものであって、該エアフォイルはそれらが受ける局部の動的条件による自己配置であり、それによって動力をより有効にするために平衡状態を生成した。より具体的には、文献に、垂直軸を中心に回転するための基盤上に取り付けられたローターを備えた垂直軸風動力が開示された。１つまたは複数のエアフォイルは、エアフォイルが（たとえば、停止機構によって設定された）枢動の第１のプリセット制限と第２のプリセット制限との間で枢動自在であるように、ローター上に取り付けられていた。その構成によって、エアフォイルが垂直軸を周回するときに風によって位置合わせが可能になり、それによって揚力特性と抗力特性を低速で組合せることにより、また揚力のみの特性を局部の風速に近づくまたは超えるローター速度で移動することにより、回転エネルギーを使用可能にする風力エネルギーのより良い転換が達成された。風力およびアーマチュアの抑制作用によって、エアフォイルの位置が確立された。エアフォイルは、約９０度の弧を通って自在に回転し、停止機構によって制限された。移動区間は、（垂直軸に対して放射状に位置合わせされた）取付アームに沿った放射状のラインから、（垂直軸に対して正接方向に位置合わせされた）垂直位置までであった。この設計によって、各エアフォイルがその独自の瞬間角度を設定でき、相対風、風の変化、その他外部調整もしくは外部機構のない風動力、風向翼、遠心調速機、または他の制御装置の内外で起きる条件に適応可能になった。個々のエアフォイルは、ローター速度、乱流、真相対風、および相互に影響を及ぼさない他の要因の変化に基づ
く局部の条件に適応した。しかし、この設計の欠点は、（３６０度可能なうちの）約９０度しか回転しないエアフォイルは、停止によって抑制されたため、有効性が制限されていたことである。
【０００９】
様々な垂直軸風車のさらなる欠点は、水平型に見出された非効率性に類似しており、すなわち比較的大きい重量が、垂直に回転する構成部品を支持する軸受によって運ばれたことである。関連する構成部品間の摩擦から生じるエネルギーの損失に加えて、これによって軸受を定期的に置換することが必要になる。
【発明の概要】
【００１０】
背景を鑑みて、本発明の一態様では、多段軸方向磁束発電機に、軸を中心に画定された支持基盤を含むことが提供されている。円盤型固定子アセンブリは、支持基盤に結合される。固定子アセンブリは、第１の平面、第１の平面に対向する第２の平面、および軸に沿って配向された中心穴を有する。固定子アセンブリは、少なくとも２つの作動電圧出力段を画定する第１の平面上の複数のコイルを含む。多段軸方向磁束発電機は、軸を中心に画定され、駆動軸に結合された円盤型ローターアセンブリをさらに含む。ローターアセンブリは、その平面に固定された複数の永久磁石を含む。永久磁石は、固定子アセンブリ上のコイルに密結合される。多段軸方向磁束発電機は、固定リングおよび回転リングを有する軸受アセンブリをさらに含む。固定リングは、支持基盤に結合され、回転リングは、ローターアセンブリに結合される。
【００１１】
本発明の別の態様では、多段軸方向磁束発電機は、回転増強アセンブリをさらに含む。回転増強アセンブリは、ローターアセンブリの直径に結合されたローター増強磁石を含む。ローター増強磁石は、第１の正接オフセット角で、駆動軸の軸から延在する放射状のラインに対して位置合わせされる。第１の正接オフセット角は、１度から３０度の範囲である。回転増強アセンブリは、支持基盤に固定された固定増強磁石をさらに含む。柱様の固定増強磁石は、第２の正接オフセット角で、駆動軸の軸から延在する放射放射状のラインに対して位置合わせされる。第２の正接オフセット角は、１度から３０度の範囲である。
【００１２】
本発明の別の態様では、多段軸方向磁束発電機の電圧出力段は、１巻線の径および巻線の数によって画定される。
【００１３】
本発明の別の態様では、固定子アセンブリは、少なくとも２つの電圧出力段を画定する第２の平面上の第２の複数の巻線をさらに含む。多段軸方向磁束発電機は、駆動軸に結合された軸を中心に画定された第２の円盤型ローター部をさらに含み、第２の円盤型ローター部は、その平面に固定された第２の複数の永久磁石を含む。第２の複数の永久磁石は、固定子アセンブリ上の第２の複数の巻線に密結合される。
【００１４】
本発明の別の態様では、軸を中心に画定された支持基盤、軸受アセンブリ、近位端および対向する遠位端を有する駆動軸、ならびに多段軸方向磁束発電機を含む垂直風車が提供されている。軸受アセンブリは、固定リングおよび回転リングを含み、固定リングは、支持基盤に結合される。駆動軸は、軸受アセンブリの回転リングに結合され、複数の羽根は、駆動軸に結合される。多段軸方向磁束発電機は、駆動軸に結合されたローターアセンブリおよび支持基盤に結合された固定子アセンブリを含む。ローターアセンブリは、複数の永久磁石を含み、固定子アセンブリは、少なくとも２つの電圧出力段を画定する複数のコイルを含む。ローターアセンブリ上の永久磁石は、固定子アセンブリ上のコイルに密結合される。
【００１５】
本発明の別の態様では、風車は、駆動軸に結合された羽根アセンブリをさらに含む。羽根アセンブリは、羽根ハブを含み、複数の羽根取付アームは、羽根ハブに結合される。複
数の羽根は、羽根取付アームに結合される。
【００１６】
本発明の別の態様では、軸受アセンブリは、磁気軸受アセンブリであり、複数の羽根は、垂直荷重を画定する。少なくとも一部の垂直荷重は、磁気軸受アセンブリによって相殺される。
【００１７】
本発明の別の態様では、支持基盤は、筐体部および軸を中心とした同心円の支持支柱を含む
【００１８】
本発明の別の態様では、軸受アセンブリの固定リングは、支持支柱に結合され、軸受アセンブリの回転リングは、駆動軸の近位端に結合される。
【００１９】
本発明の別の態様では、多段軸方向磁束発電機のローターアセンブリは、駆動軸の遠位端に結合され、固定子アセンブリは、支持支柱の筐体部に結合される。
【００２０】
本発明の別の態様では、複数の羽根は、駆動軸の近位端に結合される。
【００２１】
本発明の別の態様では、垂直風車は、回転増強アセンブリをさらに含む。回転増強アセンブリは、ローターアセンブリの直径に結合されたローター増強磁石を含む。ローター増強磁石は、第１の正接オフセット角で、駆動軸の軸から延在する放射状のラインに対して位置合わせされる。第１の正接オフセット角は、１度から３０度の範囲である。回転増強アセンブリは、支持基盤に固定された固定増強磁石をさらに含む。柱様の固定増強磁石は、第２の正接オフセット角で、駆動軸の軸から延在する放射状のラインに対して位置合わせされる。第２の正接オフセット角は、１度から３０度の範囲である。
【００２２】
本発明のさらに別の態様では、軸を中心に画定された固定子アセンブリを提供するステップを備える、多段軸方向磁束発電機を作動させる方法が与えられている。固定子アセンブリは、少なくとも２つの作動電圧出力段を画定する複数のコイルを含む。コイルは、電圧装置と電気的に連通する。多段軸方向磁束発電機を作動させる方法は、軸を中心に画定されたローターアセンブリを提供するステップ、軸を中心にしたローターアセンブリの回転が、磁界をコイル内に生成するように、ローターアセンブリを実質的に固定子アセンブリの近位に配置するステップ、ローターアセンブリを外力によって駆動するステップ、およびローターアセンブリの回転速度が増加すると、連続する作動電圧出力段を電圧装置に添加するステップをさらに含む。ローターアセンブリは、複数の永久磁石を含む。
【００２３】
本発明の別の態様では、羽根アセンブリが、ローターアセンブリに結合される。第１の作動電圧出力段は、風力が時速５マイルに達すると電圧装置に添加される。
【００２４】
本発明のさらなる理解のために、添付の図面とともに読んで本発明の以下の詳述を参照されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態による垂直軸風車の斜視図である。
【図２】図１の垂直軸風車の駆動軸の垂直軸を通る断面図である。
【図３】図１の垂直軸風車からの多段軸方向磁束発電機の分解斜視図である。
【図４】図１の垂直軸風車からの回転増強アセンブリの斜視図である。
【図５】図４からの回転増強アセンブリの一部の平面図である。
【図６】本発明の別の実施形態による垂直軸風車の斜視図である。
【図７】図１の垂直軸風車の上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１を参照すると、垂直軸風車１００は一般に、一例では筐体の天井部に取り付けられる、支持基盤２を含む。開示された実施形態では、支持基盤２は、その中に多段軸方向磁束発電機６が配置されている筐体部４を含む。支持基盤２は、その上に取り付けられた羽根アセンブリ１０を支持する垂直に延在する支持支柱８をさらに含み得る。
【００２７】
羽根アセンブリ１０は、羽根ハブ１２、羽根ハブ１２に固定された複数の羽根取付アーム１４、および羽根取付アーム１４に装着された複数の羽根１６を含む。羽根ハブ１２は、上部フランジ１８、下部フランジ２０、および中央補強リング２２を備える中空円筒である。キャップ２４は、回転構成部品を素子への暴露から保護する。羽根ハブ１２の頂部の羽根取付アーム１４は、上部フランジ１８と上部ハブ２６との間に固定される。羽根ハブ１２の底部の羽根取付アーム１４は、下部フランジ２０と下部ハブ２８との間に固定される。上部ハブ２６と下部ハブ２８はどちらも、以下に詳述されるように軸受アセンブリによって支持される。羽根補強アーム３０は、羽根１６のミッドスパンに装着し、ボルトで補強リング２２に留めて、大羽根１６に追加の剛性を提供する。
【００２８】
当該分野において公知でありかつ垂直風車において利用されている従来の翼形状とは対照的に、本発明中に開示される羽根１６は、アスペクト比が非常に低い。本明細書中に用いられる「アスペクト比」とは、翼長（例えば、羽根高さ）の２乗を羽根平面形の面積で除算した値として定義される。羽根１６は、揚力生成よりも風捕捉に重点をおいて設計されている。羽根１６は剛体であり、ガラス繊維、炭素繊維またはアルミニウムなどから作製可能である。
【００２９】
ここで図２を参照して、回転要素をよりよく図示するように、垂直軸風車１００の断面図が図示されている。明瞭性のため、羽根１６、羽根取付アーム１４、および羽根補剛アーム３０は省略している。駆動軸３２は、支持コラム８内の垂直軸３４の周囲を回転する。上側ハブ２６は、駆動軸３２の上部または近位端部３６に固定される。このようにして、羽根１６上で吹いている風に起因する羽根ハブ１２の回転は、直接駆動軸３２へと移動する。開示の実施形態において、上側ハブ２６は、テーパー軸受３８により支持される。軸受３８の内輪は、上側ストッパーリング４０に固定される。上側ストッパーリング４０は、支持コラム８の上面に隣接し、外輪は、上側ハブ２６内に捕獲される。
【００３０】
下側ハブ２８も、同様に第２のテーパー軸受４２によって支持される。前記軸受の内輪は、下側ストッパーリング４４に固定される。下側ストッパーリング４４は、支持コラム８の面と接触しており（支持コラムの断面が図示されている）、前記外輪は、下側ハブ２８によって捕獲される。加えて、下側ハブ２８と、羽根アセンブリ１０の重量のうち有意な部分とが、磁気軸受アセンブリ４６によって支持される。磁気軸受アセンブリ４６は、２つの等分部を含む（すなわち、上側半分４６ａが下側ハブ２８の下部に固定され、自由回転し、下側半分４６ｂが支持コラム８に固定される）。開示の実施形態において、下側半分４６ｂは、磁石軸受支持部４８に固定され、前記磁石軸受支持部は、支持コラム８に固定される。一例において、磁気軸受アセンブリ４６は、２つのグレード４５ネオジム磁石を含む。各軸受の半分は外径が６インチであり、内径が４インチであり、厚みが０．５インチである。磁気軸受アセンブリ４６を利用して、垂直軸風車１００の回転要素からの全重量を実質的にアンロードし、これにより、前記アセンブリを垂直軸３４において「浮揚」させることができる。加えて、磁気軸受アセンブリ４６は、突風などからの過渡バフェティング負荷を理想的に吸収する。
【００３１】
駆動軸３２の下側または遠位端部５０は、多段軸方向磁束発電機６に連結される。発電機６は、下側軸受５２によってさらに支持される。下側軸受５２は、一実施形態において、従来の自動ハブアセンブリである。前記下側軸受の固定部５２ａは支持基盤２に取り付
けられ、回転部５２ｂは、発電機６の回転要素を駆動軸カラー５４に固定させる。駆動軸カラー５４は、駆動軸３２の遠位端部５０に締結される。
【００３２】
ここで図３を参照して、多段軸方向磁束発電機６は、固定型固定子アセンブリ５６と、少なくとも１つのローターアセンブリ５８とを含む。開示の実施形態において、多段軸方向磁束発電機６は、第２のローターアセンブリ６０を含む。第２のローターアセンブリ６０の利点について、以下に説明する。固定子アセンブリ５６は、円板形状の非磁性固定子筐体６２を含む。筐体６２は、支持基盤２（図示せず）にリジッドに取り付けされる。複数の針金コイル６４が、固定子筐体６２の周囲において間隔を空けて配置される。これらのコイル６４は、芯入りコイルであってもよいし、芯無しコイルであってもよい。コイル６４は、磁界が近隣を通過した際、電流を生成する。これらのコイル６４は、少なくとも２つの動作出力電圧グループまたは段に分類される。複数段の出力電圧を利用することにより、本発明の多段軸方向磁束発電機６は、広範囲の風速にわたって、有用な電力を生成する。
【００３３】
開示の実施形態において、４つの電圧出力段が利用される（コイル６４ａ、６４ｂ、６４ｃおよび６４ｄによって図示）。これら４段は、図３に示すように、連続的に反復する様態で配置される。各段は、以下に詳細に説明するように、ローターアセンブリ５８の異なる回転速度において有用な電圧を生成し始めるように設計され、異なる回転速度においてピーク効率にさらに到達する。
【００３４】
コイル６４を固定子筐体６２に固定する際、いくつかの構造が可能である。開示の実施形態において、複数のカットアウトが固定子筐体６２中に機械加工されて、その結果コイル６４の数が等しくなる。これらのコイル６４は、前記カットアウト内に圧入してもよいし、エポキシ接着してもよいし、あるいは他の方法により固定してもよい。所与の例において、カットアウトにより、固定子筐体６２の両平面上にコイル６４を露出させると好適である。しかし、単一のローターアセンブリ５８を利用する（例えば、第２のローターアセンブリ６０は存在しない）別の実施形態においては、カットアウトではなく凹部を固定子筐体６２内に機械加工すると好適であり得る。別の例において、コイル６４は、固定子筐体６２内に封入または埋設され得る。
【００３５】
多段軸方向磁束発電機６のローターアセンブリ５８は、円板形状のローター筐体６６を含み、ローター筐体６６の周囲には、複数の永久磁石６８が固定されている。ローター筐体６６は、例えば、スチールから作製され得る。磁石６８を配置する際は、磁石６８の磁界束が前記駆動軸の軸３４および従って軸方向磁束発電機に平行になるように配置する。磁石６８は、固定子アセンブリ５６上のコイル６４に密結合されるように配置され、これにより、各磁石６８からの磁束界は、コイル６４中の電流を誘導する。このようにして、十分な有用な電流が利用可能となる。一例において、３６個の矩形のグレード４２のネオジム磁石（２インチ×１インチ、厚さ０．５インチの）がローター筐体６６に固定され、その際のコイル６４との密結合距離はおよそ０．０６２５インチである。
【００３６】
一実施形態において、４段のコイル６４が固定子アセンブリ５６において用いられ、１２個のコイルが各段内にある。一例において、段１は、２３ゲージエナメル巻線の４５０個の巻線を含み、段２は、２２ゲージワイヤの３７５個の巻線を含み、段３は、２１ゲージワイヤの３４０個の巻線を含み、段４は、２０ゲージワイヤの２９０個の巻線を含む。このようにして、第１の段により、任意の所与の風速に対して最高電圧が生成され、第２の段により第２の最高電圧が生成されるといった具合に続く。表Ｉに、所与の風速に対する、各段による理論電圧出力を示す。表Ｉを参照すれば分かるように、段１において、有用な電圧出力（５マイル／時間（ｍｐｈ）において１３ボルトとして定義される）の生成が開始される。８ｍｐｈにおいて、段１によって２４ボルトが生成されている間、段２に
おいて有用な電圧の生成が開始される。１４ｍｐｈにおいて、段２によって２４ボルトが生成されかつ段１によって３６ボルトが生成されている間、段３において有用な電圧の生成が開始される。最後に、１８ｍｐｈにおいて、風速段３によって２４ボルトが生成され、段２によって３６ボルトが生成されかつ段１によって４８ボルトが生成されている間、段４において有用な電圧の生成が開始される。
【表１】
2012527864.tif 000001
【００３７】
電圧出力段の数は、特定の用途および状況によって異なり得る。すなわち、より小型のシステムの場合、２つの電圧出力段しか必要でなく、５００キロワット以上を生成する大型の商用システムの場合、１００個を超える電圧出力段が必要となり得る。
【００３８】
本発明においては不要であるが、多段軸方向磁束発電機６は、コイル６４中の磁束および誘導電流を増加させるよう、第２のローターアセンブリ６０を含む。開示の実施形態において、第２のローターアセンブリ６０は、第１のローターアセンブリ５８と本質的に同じ構造を有する。すなわち、ローターアセンブリ６０は、第２のローター筐体７０と、駆動軸３２の軸に対して平行に磁束を発生させるように方向付けられた複数の第２の磁石７２とを含む。第２の磁石７２は、前記巻線中にさらなる電流を誘導するように、固定子アセンブリ５６中のコイル６４に密結合される。
【００３９】
コイル６４からの導線は、結束され、電圧デバイス（図示せず）に経路設定される。この電圧デバイスは、多段軸方向磁束発電機６によって生成される電気エネルギーを利用する。開示の実施形態において、４つの電圧出力段が、固定子筐体６２上の４本の支柱７４を通じて経路設定される。各電圧出力段は、前記電圧デバイスに配線される。前記電圧デバイスは、一例において、ＤＣへの変換のための整流器である。
【００４０】
本発明の別の実施形態において、羽根アセンブリ１０は、支持基盤２の筐体部４から垂直に延びていない。すなわち、支持コラム８は存在せず、駆動軸３２は大幅に短尺化され、羽根アセンブリ１０は、多段軸方向磁束発電機６に近接して配置される。一例において、羽根アセンブリ１０は、ローターアセンブリ５８の近隣のカラー５４に連結される。別の例において、羽根アセンブリ１０は、直接ローターアセンブリ５８に連結される。
【００４１】
図４および図５を参照して、垂直軸風車１００は、回転増強アセンブリ７６をさらに含む。回転増強アセンブリ７６は、起動時の慣性を乗り越えるのを支援するために用いられる。図示されているのは、先に開示した回転要素（すなわち、カラー５４、第１のローターアセンブリ５８、および第２のローターアセンブリ６０）である。明瞭さのために図から省略しているのは、固定子アセンブリ５６である。回転増強アセンブリ７６の第１の部位は、複数のローター増強磁石７８を含む。これらの複数のローター増強磁石７８は、第
１のローターアセンブリ５８の外径に連結される。ローター増強磁石７８の磁束磁場の軸８０は、駆動軸３２の軸３４から延びるラジアル線に対し、正接オフセット角αにおいて整列される。開示の実施形態において、第１のローターアセンブリ５８内に１６５個のローター増強磁石７８が設けられる。第１のローターアセンブリ５８は、グレード４２のネオジムを含み、各磁石は直径が０．２５インチであり、長さが０．５インチである。
【００４２】
回転増強アセンブリ７６は、支持基盤（図示せず）に固定された複数の垂直柱８２をさらに含む。１２本の柱８２が図示されているが、１２本よりも多数または小数の柱を前記ローター構成要素の直径および重量ならびに前記増強磁石の強度に応じて配列してもよい。柱８２それぞれには、上側増強磁石８４と、下側増強磁石８６とが取り付けられる。上側増強磁石８４は、第１のローターアセンブリ５８と同一面上に垂直方向に整列され、下側増強磁石８６は、第２のローターアセンブリ６０と同一面上に垂直方向に整列される。もちろん、垂直軸風車１００が単一ローター型である場合、下側部分の増強磁石は不要である。
【００４３】
図５を参照して、下側増強磁石８６は明瞭さのために省略しており、上側増強磁石８４のための磁束磁場の軸８８は、駆動軸３２の軸３４から延びるラジアル線に対して正接オフセット角βにおいて整列される。図示の例において、軸８０に対する正接オフセット角αおよび軸８８に対する正接オフセット角βは等しいが、両者間の若干の差は許容可能である。重要な設計的特徴としては、ローターに対して接線方向にオフセット力が得られるように、ある程度の接線オフセットを設けることである。従って、図５を参照すれば分かるように、上側増強磁石８４およびローター増強磁石７８の磁束界は、相互に（例えば、対向して）整列されるが、回転軸から延びる半径に対して角度αにおいて接線オフセットする。本発明者は、角度α（およびβ）の有用な値の範囲を１度〜３０度の間であると決定した。角度α（およびβ）の好適な範囲は、１５度〜２０度である。
【００４４】
２つの対向する回転増強磁石７８および８４（または７８および８６）は、磁束からのほとんどの接線力が得られるように、密結合される。これらの増強磁石の磁極が配置される際、磁極（例えば、Ｎ−Ｎ）が相互に対向して反発力が得られるように、配置が行われる。開示の実施形態において、１２個の上側増強磁石８４および１２個の下側増強磁石８６があり、各磁石は、グレード４２のネオジムを含み、直径が０．５インチであり、長さが１インチである。これらの磁石は、０．０６２５〜０．５インチの範囲において距離ｄを空けて密結合される。
【００４５】
回転増強アセンブリ７６は、パッシブであってもよいし、アクティブであってもよい。一例において、パッシブシステムでは、一連の磁石によって回転を支援するが、これらの磁石は、羽根１６自体が回転を開始するほどには十分ではない。別の例において、アクティブシステムでは、回転開始に十分な以上の一連の磁石が用いられるが、これらの磁石は、例えばコントローラによって励起される。
【００４６】
開示の垂直軸風車１００は定格が１０ｋＷ出力であるため、住居用途に理想的である。しかし、多段軸方向磁束発電機を作動させるための開示の方法を用いれば、ずっと大型の商用用途の風車も実現可能である。図６を参照して、図６中、図１〜図５の要素と同様の要素は同様の参照符号によって示す。商用の垂直軸風車２００は、多段軸方向磁束発電機２０６（例えば、住居用風車について本明細書中において上記に開示したもの）を含む。発電機２０６は、支持基盤２０２に固定された固定子アセンブリ２５６を含む。固定子アセンブリ２５６は、円板状構造ではなく、支持基盤２０２上の円周方向レール２９０内に埋設される。固定子アセンブリ２５６は、少なくとも２つの動作電圧出力段を規定する複数のコイル（図示せず）を含む。本明細書中上記において説明したように、商用の多段軸方向磁束発電機２０６は、１００個までの（あるいはおそらくは１００個を超える）電圧
出力段を持ち得る。
【００４７】
垂直軸風車２００のための多段軸方向磁束発電機２０６は、ローターアセンブリ２５８をさらに含む。ローターアセンブリ２５８は、回転軸２３４の周囲において規定される。ローターアセンブリ２５８は、複数の永久磁石（図示せず）を含む。これらの磁石は、固定子アセンブリ２５６の十分な近位位置に存在するため、ローターアセンブリ２５８が軸２３４の周囲を回転すると、コイル内に磁界が誘導される。開示の例において、羽根２１６上の風力により、回転が得られる。羽根２１６は、円周方向レール（すなわち、風車２００の上部上のレール２９０ａおよび下部上のレール２９０ｂ）の軌道内において走る軸受に連結される。
【００４８】
各段における複数のコイルは、ローターアセンブリ２５８の異なる回転速度において有用な電圧の生成を開始するように、設計される。これらのコイルは、電圧デバイス（図示せず）（例えば、整流器）と電気的に連通する。
【００４９】
本開示による向上の１つとして、磁気軸受アセンブリを付加した点がある。強力な磁石により、垂直軸風車中の回転要素が「浮揚」することができ、これにより、突風からの過渡バフェティング負荷を吸収する。アセンブリの重量の大部分をアンロード可能であるため、残りの軸受内の摩擦が大幅に低減し、これにより、より少量の風力エネルギーにより風車を回転させ始めることが可能となる。よって、回転の一部における抗力に起因する共通問題である非効率が、複雑な構成要素および制御を必要とすることなく、受動的な様態で大幅に低減される。さらに、前記磁気軸受は、駆動軸にさらなる力を全く付加することなく、風バフェティング負荷を吸収することが可能である。また、ローターアセンブリからの調和振動も効果的に抑制することができる。
【００５０】
前記回転増強アセンブリは、抗力による影響をさらに低減する。前記増強磁石によってローター上に発生された接線力により、軸受上の初期の上昇しにくい負荷の乗り越えを支援する。このような上昇しにくい負荷は、静的状態において発生し、システム回転時に軸受にかかる抗力よりもずっと高いことが多い。このようにして、前記回転増強アセンブリは、回転開始を支援するだけでなく、抗力の一部をオフセットさせることにより、回転維持を支援する。
【００５１】
開示の羽根アセンブリは、抗力による影響の低減をさらに支援する。図７を参照して、羽根アセンブリ１０の上面図が図示されており、風Ｗが水平方向に吹いている。羽根回転の方向をＲによって示す。羽根１６は、軸３４から羽根補剛アーム３０および羽根取付アーム１４だけ離れたラジアル距離において、支持される。各羽根は、前記羽根のカップ形状の中央部位９２において前記風の運動エネルギーを捕捉し、このエネルギーを回転軸へと移動させ、その結果、前記羽根アセンブリのコア部（例えば、羽根の経路からの内側円柱体積）が、大気条件の場合よりも低い動圧を受ける。この下方圧が羽根内縁部の回転経路と組み合わさることで、小矢印によって示すような渦９４が発生する。羽根が進行方向Ａに沿って回転すると、カップ形状の中央部位９２は空気力学的にアンロードされ、渦９４からさらなる力が前記羽根へと付加される。このさらなる力により、前記抗力の一部がオフセットされ、その結果回転維持が支援される。これとは対照的に、羽根を軸に直接取り付けている従来技術の垂直風車の場合、このような渦を形成することが不可能であり、そのため、空気力学的に不安定な領域が、羽根および軸の接合部に発生することが多い。このような不安定性があると、システム内に存在する他の非効率性がさらに助長される。
【００５２】
開示のシステム１００の１つの利点として、各出力段のピーク効率が広範囲の動作範囲に分散される点がある。出力段が１段である従来技術の風車の場合、ブレード回転を開始する際に強風が必要なことが多く、非常に高い風速にならないと定格出力またはピーク効
率に到達しなかった。例えば、１つの一般的な水平軸風車の場合、回転開始には７ｍｐｈの風が必要であり、有用な電力を生成するには１０〜１２ｍｐｈの風が必要であり、定格出力に到達するにはおよそ５０ｍｐｈが必要である。これとは対照的に、新規の羽根設計、磁気軸受アセンブリおよび多段発電機を用いた、本明細書中に開示される風車の場合、およそ１〜３ｍｐｈの風において回転を開始し、５ｍｐｈにおいて有用な電力を生成し、およそ２０ｍｐｈにおいて定格出力に達する。
【００５３】
上記記載および関連図面中に記載の教示内容による恩恵を受ける、本発明に関連する当業者であれば、本明細書中に記載の本発明の多くの改変および他の実施形態を想起する。従って、本発明は、開示の特定の実施形態に限定されるべきではなく、改変および他の実施形態が添付の特許請求の範囲に含まれることが意図されると理解されるべきである。さらに、本明細書中特定の用語を用いているが、これらの用語はあくまで一般的かつ記述的目的のために用いたものであり、限定を意図していない。
【００５４】
本明細書で記述される装置および方法の例を以下に示す。
【００５５】
軸を中心に画定された支持基盤と、
前記支持基盤に結合された円盤型固定子アセンブリであって、前記固定子アセンブリは、第１の平面、前記第１の平面に対向する第２の平面、および前記軸に沿って配向された中心穴を有し、前記固定子アセンブリは、少なくとも２つの作動電圧出力段を画定する前記第１の平面上の複数のコイルを備える、円盤型固定子アセンブリと、
前記軸を中心に画定され、駆動軸に結合された円盤型ローターアセンブリであって、前記ローターアセンブリは、その平面に固定された複数の永久磁石を備え、前記永久磁石は、前記固定子アセンブリ上の前記コイルに密結合される、円盤型ローターアセンブリと、
固定リングおよび回転リングを有する軸受アセンブリであって、前記固定リングは、前記支持基盤に結合され、前記回転リングは、前記ローターアセンブリに結合される、軸受アセンブリと、を備える多段軸方向磁束発電機。
【００５６】
前記ローターアセンブリの直径に結合されたローター増強磁石であって、前記ローター増強磁石は、第１の正接オフセット角で、前記駆動軸の前記軸から延在する放射状のラインに対して位置合わせされ、前記第１の正接オフセット角は、１度から３０度の範囲である、ローター増強磁石と、
前記支持基盤に固定された固定増強磁石であって、柱様の前記固定増強磁石は、第２の正接オフセット角で、前記駆動軸の前記軸から延在する放射状のラインに対して位置合わせされ、前記第２の正接オフセット角は、１度から３０度の範囲である、固定増強磁石と、を備える回転増強アセンブリをさらに備える、段落００５５に記載の多段軸方向磁束発電機。
【００５７】
前記第１の正接オフセット角と前記第２の正接オフセット角は、１５度から２０度の間である、段落００５６に記載の多段軸方向磁束発電機。
【００５８】
前記電圧出力段は、１巻線の径および巻線の数によって画定される、段落００５５に記載の多段軸方向磁束発電機。
【００６０】
前記固定子アセンブリは、少なくとも４つの作動電圧出力段を備える、段落００５５に記載の多段軸方向磁束発電機。
【００６０】
前記第１の出力段は、約４５０巻線を有する２３ゲージ線を備え、前記第２の出力段は、約３７５巻線を有する２２ゲージ線を備え、前記第３の出力段は、約３４０巻線を有する２１ゲージ線を備え、前記第４の出力段は、約２９０巻線を有する２０ゲージ線を備る
、段落００５９に記載の多段軸方向磁束発電機。
【００６１】
前記固定子アセンブリは、少なくとも１０個の電圧出力段を備える、段落００５５に記載の多段軸方向磁束発電機。
【００６２】
前記固定子アセンブリは、少なくとも２つの電圧出力段を画定する前記第２の平面上の第２の複数の巻線をさらに含み、前記多段軸方向磁束発電機は、前記駆動軸に結合された前記軸を中心に画定された第２の円盤型ローター部をさらに備え、前記第２の円盤型ローター部は、その平面に固定された第２の複数の永久磁石を備え、前記第２の複数の永久磁石は、前記固定子アセンブリ上の前記第２の複数の巻線に密結合される、段落００５５に記載の多段軸方向磁束発電機。
【００６３】
軸を中心に画定された支持基盤と、
固定リングおよび回転リングを備える軸受アセンブリであって、前記固定リングは、前記支持基盤に結合された、軸受アセンブリと、
近位端および対向する遠位端を有する駆動軸であって、前記駆動軸は、前記軸受アセンブリの前記回転リングに結合される、駆動軸と、
前記駆動軸に結合された固定子アセンブリと、前記支持基盤に結合された固定子アセンブリと、を備える軸方向磁束発電機であって、前記ローターアセンブリは、複数の永久磁石を備え、前記固定子アセンブリは、複数のコイルを備え、前記ローターアセンブリ上の前記永久磁石は、前記固定子アセンブリ上の前記コイルに密結合された、軸方向磁束発電機と、
前記ローターアセンブリの直径に結合されたローター増強磁石であって、前記ローター増強磁石は、第１の正接オフセット角で、前記駆動軸の前記軸から延在する放射状のラインに対して位置合わせされ、前記第１の正接オフセット角は、１度から３０度の範囲である、ローター増強磁石と、
前記支持基盤に固定された固定増強磁石であって、柱様の前記固定増強磁石は、第２の正接オフセット角で、前記駆動軸の前記軸から延在する放射状のラインに対して位置合わせされ、前記第２の正接オフセット角は、１度から３０度の範囲である、固定増強磁石と、
前記駆動軸に結合された複数の羽根と、を備える垂直風車。
【００６４】
前記軸方向磁束発電機は、多段軸方向磁束発電機であり、前記固定子アセンブリ上の前記複数のコイルは、少なくとも２つの電圧出力段を画定する、段落００６３に記載の垂直風車。
【００６５】
多段軸方向磁束発電機を作動させる方法であって、
軸を中心に画定された固定子アセンブリを提供するステップであって、前記固定子アセンブリは、少なくとも２つの作動電圧出力段を画定する複数のコイルを備え、前記複数のコイルは電圧装置と電気的に連通する、提供するステップと、
前記軸を中心に画定されたローターアセンブリを提供するステップであって、前記ローターアセンブリは、複数の永久磁石を備える、提供するステップと、
前記軸を中心にした前記ローターアセンブリの回転が、磁界を前記コイル内に生成するように、前記ローターアセンブリを実質的に前記固定子アセンブリの近位に配置するステップと、
前記ローターアセンブリを外力によって駆動するステップと、
前記ローターアセンブリの回転速度が増加すると、連続する作動電圧出力段を前記電圧装置に添加するステップと、を含む方法。
【００６７】
前記電圧装置は、整流器である、段落００６５に記載の方法。
【００６７】
前記ローターアセンブリに結合された羽根アセンブリを提供するステップをさらに含み、前記ローターアセンブリを駆動する前記外力は、風力である、段落００６５に記載の方法。
【００６９】
前記複数のコイルは、少なくとも４つの作動電圧出力段を画定する、段落００６５に記載の方法。
【００６９】
前記ローターアセンブリは、垂直荷重を画定し、前記方法は、少なくとも一部の前記垂直荷重を相殺するために磁気軸受アセンブリを提供するステップをさらに含む、段落００６５に記載の方法。
【００７０】
前記ローターアセンブリに結合された羽根アセンブリを提供するステップと、前記第１の作動電圧出力段を風速が時速５マイルに達すると前記電圧装置に添加ずるステップと、をさらに含む、段落００６９に記載の方法。