(57)【要約】  本開示は、全体的には、新規な改良されたモータ／ジェネレータに関し、詳細には、電磁気又は幾何学的構成により磁力を集中させることで、電磁モータで回転運動を生成するか又は回転運動入力から電力を生成する改良されたシステム及び方法に関する。【選択図】図１１ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＤＣ電圧を発生するシステムであって、
同じ極性の磁束力を磁性シリンダの円周部分の周りに集中させて、スタックされた複数の同じ極性の磁束力を含む磁性集中領域を生成する手段と、
コイルセグメントを長手方向シャフトに結合して、前記長手方向シャフトが回転する際に前記コイルセグメントを前記集中領域に移動させる手段と、
前記磁性集中領域の前記複数の磁束力が押し込まれた場合に、前記コイルセグメントに電圧を生成する手段と、
前記電圧を前記コイルセグメントから取り出す手段と、
を備えるシステム。
【請求項２】
同じ極性の磁束力を前記磁性シリンダの追加の円周部分の周りに集中させて、追加のスタックされた複数の同じ極性の磁束力を含む追加の磁性集中領域を生成する手段であって、前記追加の磁性集中領域は、前記磁性集中領域から離れる方向で半径方向に配置される手段と、
追加のコイルセグメントを長手方向シャフトに結合して、前記長手方向シャフトが回転する際に前記追加のコイルセグメントを前記追加の集中領域に移動させる手段と、
前記磁性集中領域の前記複数の磁束力が押し込まれた場合に、前記追加のコイルセグメントに電圧を生成する手段と、
前記電圧を前記コイルセグメントから取り出す手段と、
を更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
同じ極性の磁束力を前記磁性シリンダから離れる方向の長手方向に配置された追加の磁性シリンダの円周部分の周りに集中させて、追加のスタックされた複数の同じ極性の磁束力を含む前記追加の磁性シリンダ内に追加の磁性集中領域を生成する手段と、
前記追加のシリンダ内に配置された追加のコイルセグメントを長手方向シャフトに結合して、前記長手方向シャフトが回転する際に前記追加のコイルセグメントを前記追加の集中領域に移動させる手段と、
前記追加の磁性集中領域の前記複数の磁束力が押し込まれた場合に、前記追加のコイルセグメントに追加の電圧を生成する手段と、
前記追加の電圧を前記追加のコイルセグメントから取り出す手段と、
を更に備える、請求項１から２のいずれかに記載のシステム。
【請求項４】
同じ極性の磁束力を前記追加の磁性シリンダの追加の円周部分の周りに集中させて、第２の追加のスタックされた複数の同じ極性の磁束力を含む第２の追加の磁性集中領域を生成する手段であって、前記第２の追加の磁性集中領域は、前記追加の磁性集中領域から離れる方向で半径方向に配置される手段と、
前記追加のシリンダ内に配置された第２の追加のコイルセグメントを前記長手方向シャフトに結合して、前記長手方向シャフトが回転する際に前記第２の追加のコイルセグメントを前記第２の追加の集中領域に移動させる手段と、
前記第２の追加の磁性集中領域の前記複数の磁束力が押し込まれる場合に、前記第２の追加のコイルセグメントに第２の追加の電圧を生成する手段と、
前記第２の追加の電圧を前記第２の追加のコイルセグメントから取り出す手段と、
を更に備える、請求項１から３のいずれかに記載のシステム。
【請求項５】
シャフトの半径方向運動を生成するシステムであって、
同じ極性の磁束力を磁性シリンダの円周部分の周りに集中させて、スタックされた複数の同じ極性の磁束力を含む磁性集中領域を生成する手段と、
コイルセグメントを前記磁性集中領域へ半径方向に移動させる手段と、
前記コイルセグメントに電流を印加して、前記磁性集中領域の前記複数の磁束力を変える手段と、
前記コイルセグメント上に反発磁力を生成して、前記コイルセグメントを前記磁性集中領域から外に移動させる手段と、
前記コイルセグメントを長手方向シャフトに結合して、前記コイルセグメントが前記集中領域から出た場合に前記シャフトが半径方向に回転するようにする手段と、
を備えるシステム。
【請求項６】
同じ極性の磁束力を前記磁性シリンダの追加の円周部分の周りに集中させて、追加のスタックされた複数の同じ極性の磁束力を含む追加の磁性集中領域を生成する手段であって、前記追加の磁性集中領域は、前記磁性集中領域から離れる方向で半径方向に配置される手段と、
追加のコイルセグメントを前記追加の磁性集中領域へ半径方向に移動させる手段と、
前記追加のコイルセグメントに追加の電流を印加して、前記追加の磁性集中領域の前記複数の磁束力を変える手段と、
前記追加のコイルセグメント上に追加の反発磁力を生成して、前記追加のコイルセグメントを前記追加の集中領域から外に移動させる手段と、
前記追加のコイルセグメントを前記長手方向シャフトに結合して、前記追加の集中領域から前記追加のコイルセグメントが出た場合に、前記追加のコイルセグメントが前記半径方向のシャフト回転に寄与するようにする手段と、
を更に備える、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
同じ極性の磁束力を前記磁性シリンダから離れる方向の長手方向に配置された追加の磁性シリンダの円周部分の周りに集中させて、追加のスタックされた複数の同じ極性の磁束力を含む追加の磁性集中領域を生成する手段と、
追加のコイルセグメントを前記追加の磁性集中領域へ半径方向に移動させる手段と、
前記追加のコイルセグメントに追加の電流を印加して、前記追加の磁性集中領域の前記追加の複数の磁束力を変える手段と、
前記追加のコイルセグメント上に追加の反発磁力を生成して、前記追加のコイルセグメントを前記追加の磁性集中領域から外に移動させる手段と、
前記追加のコイルセグメントを前記長手方向シャフトに結合して、前記追加のコイルセグメントが前記追加の集中領域から出た場合に、前記追加のコイルセグメントが前記半径方向のシャフト回転に寄与するようにする手段と、
を更に備える、請求項５又は６に記載のシステム。
【請求項８】
同じ極性の磁束力を前記追加の磁性シリンダの追加の円周部分の周りに集中させて、第２の追加のスタックされた複数の同じ極性の磁束力を含む第２の追加の磁性集中領域を生成する手段であって、前記第２の追加の磁性集中領域は、前記追加の磁性集中領域から離れる方向で半径方向に配置される手段と、
第２の追加のコイルセグメントを前記第２の追加の磁性集中領域へ半径方向に移動させる手段と、
前記第２の追加のコイルセグメントに第２の追加の電流を印加して、前記第２の追加の磁性集中領域の前記複数の磁束力を変える手段と、
前記第２の追加のコイルセグメント上に第２の追加の反発磁力を生成して、前記第２の追加のコイルセグメントを前記第２の追加の集中領域から外に移動させる手段と、
前記第２の追加のコイルセグメントを前記長手方向シャフトに結合して、前記第２の追加のコイルセグメントが前記第２の追加の集中領域から出た場合に、前記第２の追加のコイルセグメントが前記半径方向のシャフト回転に寄与するようにする手段と、
を更に備える、請求項５から７のいずれかに記載のシステム。
【請求項９】
前記集中させる手段は、
長手方向の磁石を前記磁性シリンダ内に位置決めして、前記長手方向の磁石が前記シャフトの縦軸に平行であり、前記長手方向の磁石の磁極が前記シャフトの前記縦軸を横切る縦軸を有するようにする手段と、
第１の横方向の磁石を前記磁性シリンダ内に位置決めして、前記第１の横方向の磁石の磁極が前記シャフトの前記縦軸に平行であるようにする手段と、
第２の横方向の磁石を前記磁性シリンダ内に位置決めして、前記第２の横方向の磁石の磁極が前記シャフトの前記縦軸に平行であるようにして、前記磁性集中領域を生成するために同じ極性の磁極の全てが１つの領域の方に向くようにする手段と、
を更に含む、請求項１から８のいずれかに記載のシステム。
【請求項１０】
前記集中させる手段は、
前記磁性シリンダ内に位置決めされた第１の磁石と、
前記磁性シリンダ内に位置決めされた第２の磁石と、
を更に含み、前記第１及び第２の磁石の同じ極性の磁極が、前記磁性集中領域を生成するために１つの領域の方に向くようになっている、請求項１から９のいずれかに記載のシステム。
【請求項１１】
前記集中させる手段は、前記磁性シリンダ内に位置決めされた第３の磁石を含み、前記第１の磁石、第２の磁石、及び第３の磁石の同じ極性の磁極が、前記磁性集中領域を生成するために１つの領域の方に向くようになっている、請求項１から１０のいずれかに記載のシステム。
【請求項１２】
前記集中させる手段は、前記磁性シリンダ内に追加の磁石を位置決めして、前記第１の磁石、前記第２の磁石、及び前記第３の磁石、及び前記追加の磁石の同じ極性の磁極が、前記複数の追加の磁石の極性を有する磁極が前記磁性集中領域を生成するために１つの領域の方に向くように位置決めされる、請求項１から１１のいずれかに記載のシステム。
【請求項１３】
前記集中させる手段は、前記磁性集中領域を生成するために前記磁性シリンダに位置決めされた電磁石を更に含む、請求項１から１２のいずれかに記載のシステム。
【請求項１４】
前記集中させる手段は、
前記磁性シリンダ内に位置決めされた第１の磁石と、
前記磁性シリンダ内に位置決めされた第２の磁石と、
前記第１の磁石と前記第２の磁石との間に位置決めされて、前記第１の磁石を前記第２の磁石に結合する鉄心と、
前記鉄心に巻回された導電材料と、
前記導電材料に電流を印加して磁性集中領域を生成する手段と、
を更に含む、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
ＤＣ電圧を生成する方法であって、
同じ極性の磁束力を磁性シリンダの円周部分の周りに集中させて、スタックされた複数の同じ極性の磁束力を含む磁性集中領域を生成するステップと、
前記コイルセグメントを長手方向シャフトに結合して、前記長手方向シャフトが回転する際に前記コイルセグメントを前記集中領域に移動させるステップと、
前記磁性集中領域の前記複数の磁束力が押し込まれた場合に、前記コイルセグメントに電圧を生成するステップと、
前記電圧を前記コイルセグメントから取り出すステップと、
を含む方法。
【請求項１６】
同じ極性の磁束力を前記磁性シリンダの追加の円周部分の周りに集中させて、追加のスタックされた複数の同じ極性の磁束力を含む追加の磁性集中領域を生成するステップであって、前記追加の磁性集中領域は、前記磁性集中領域から離れる方向で半径方向に配置されるステップと、
前記追加のコイルセグメントを長手方向シャフトに結合して、前記長手方向シャフトが回転する際に前記追加のコイルセグメントを前記追加の集中領域に移動させるステップと、
前記磁性集中領域の前記複数の磁束力が押し込まれた場合に、前記追加のコイルセグメントに追加の電圧を生成するステップと、
前記電圧を前記コイルセグメントから取り出すステップと、
を更に含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
同じ極性の磁束力を前記磁性シリンダから離れる方向の長手方向に配置された追加の磁性シリンダの円周部分の周りに集中させて、追加のスタックされた複数の同じ極性の磁束力を含む前記追加の磁性シリンダ内の追加の磁性集中領域を生成するステップと、
前記追加のシリンダ内に配置された追加のコイルセグメントを長手方向シャフトに結合して、前記長手方向シャフトが回転する際に前記追加のコイルセグメントを前記追加の集中領域内に移動させるステップと、
前記追加の磁性集中領域の前記複数の磁束力が押し込まれた場合に、前記追加のコイルセグメントに追加の電圧を生成するステップと、
前記追加の電圧を前記追加のコイルセグメントから取り出すステップと、
を更に含む請求項１５及び１６に記載の方法。
【請求項１８】
同じ極性の磁束力を前記追加の磁性シリンダの追加の円周部分の周りに集中させて、第２の追加のスタックされた複数の同じ極性の磁束力を含む第２の追加の磁性集中領域を生成するステップであって、前記第２の追加の磁性集中領域は、前記追加の磁性集中領域から離れる方向で半径方向に配置されるステップと、
前記追加のシリンダ内に配置された第２の追加のコイルセグメントを前記長手方向シャフトに結合して、前記長手方向シャフトが回転する際に前記第２の追加のコイルセグメントを前記第２の追加の集中領域に移動させるステップと、
前記第２の追加の磁性集中領域の前記複数の磁束力が押し込まれる場合に、前記第２の追加のコイルセグメントに第２の追加の電圧を生成するステップと、
前記第２の追加の電圧を前記第２の追加のコイルセグメントから取り出すステップと、を更に含む請求項１５から１７のいずれかに記載の方法。
【請求項１９】
シャフトの半径方向運動を生成する方法であって、
同じ極性の磁束力を磁性シリンダの円周部分の周りに集中させて、スタックされた複数の同じ極性の磁束力を含む磁性集中領域を生成するステップと、
コイルセグメントを前記磁性集中領域へ半径方向に移動させるステップと、
前記コイルセグメントに電流を印加して、前記磁性集中領域の前記複数の磁束力を変えるステップと、
前記コイルセグメント上に反発磁力を生成して、前記コイルセグメントを前記磁性集中領域から外に移動させるステップと、
前記コイルセグメントを長手方向シャフトに結合して、前記コイルセグメントが前記集中領域から出た場合に前記シャフトが半径方向に回転するようにするステップと、
を含む方法。
【請求項２０】
同じ極性の磁束力を前記磁性シリンダの追加の円周部分の周りに集中させて、追加のスタックされた複数の同じ極性の磁束力を含む追加の磁性集中領域を生成するステップであって、前記追加の磁性集中領域は、前記磁性集中領域から離れる方向で半径方向に配置されるステップと、
追加のコイルセグメントを前記追加の磁性集中領域へ半径方向に移動させるステップと、
前記追加のコイルセグメントに追加の電流を印加して、前記追加の磁性集中領域の前記複数の磁束力を変えるステップと、
前記追加のコイルセグメント上に追加の反発磁力を生成して、前記追加のコイルセグメントを前記追加の集中領域から外に移動させるステップと、
前記追加のコイルセグメントを前記長手方向シャフトに結合して、前記追加の集中領域から前記追加のコイルセグメントが出た場合に、前記追加のコイルセグメントが前記半径方向のシャフト回転に寄与するようにするステップと、
を更に含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
同じ極性の磁束力を前記磁性シリンダから離れる方向の長手方向に配置された追加の磁性シリンダの円周部分の周りに集中させて、追加のスタックされた複数の同じ極性の磁束力を含む追加の磁性集中領域を生成するステップと、
追加のコイルセグメントを前記追加の磁性集中領域へ半径方向に移動させるステップと、
前記追加のコイルセグメントに追加の電流を印加して、前記追加の磁性集中領域の前記追加の複数の磁束力を変えるステップと、
前記追加のコイルセグメント上に追加の反発磁力を生成して、前記追加のコイルセグメントを前記追加の磁性集中領域から外に移動させるステップと、
前記追加のコイルセグメントを前記長手方向シャフトに結合して、前記追加のコイルセグメントが前記追加の集中領域から出た場合に、前記追加のコイルセグメントが前記半径方向のシャフト回転に寄与するようにするステップと、
を更に含む、請求項１９及び２０に記載の方法。
【請求項２２】
同じ極性の磁束力を前記追加の磁性シリンダの追加の円周部分の周りに集中させて、第２の追加のスタックされた複数の同じ極性の磁束力を含む第２の追加の磁性集中領域を生成するステップであって、前記第２の追加の磁性集中領域は、前記追加の磁性集中領域から離れる方向で半径方向に配置されるステップと、
第２の追加のコイルセグメントを前記第２の追加の磁性集中領域へ半径方向に移動させるステップと、
前記第２の追加のコイルセグメントに第２の追加の電流を印加して、前記第２の追加の磁性集中領域の前記複数の磁束力を変えるステップと、
前記第２の追加のコイルセグメント上に第２の追加の反発磁力を生成して、前記第２の追加のコイルセグメントを前記第２の追加の集中領域から外に移動させるステップと、
前記第２の追加のコイルセグメントを前記長手方向シャフトに結合して、前記第２の追加のコイルセグメントが前記第２の追加の集中領域から出た場合に、前記第２の追加のコイルセグメントが前記半径方向のシャフト回転に寄与するようにするステップと、
を更に含む請求項１９から２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記集中させるステップは、
長手方向の磁石を前記磁性シリンダ内に位置決めして、前記長手方向の磁石が前記シャフトの縦軸に平行であり、前記長手方向の磁石の磁極が前記シャフトの前記縦軸を横切る縦軸を有するようにするステップと、
第１の横方向の磁石を前記磁性シリンダ内に位置決めして、前記第１の横方向の磁石の磁極が前記シャフトの前記縦軸に平行であるようにするステップと、
第２の横方向の磁石を前記磁性シリンダ内に位置決めして、前記第２の横方向の磁石の磁極が前記シャフトの前記縦軸に平行であるようにして、前記磁性集中領域を生成するために同じ極性の磁極の全てが１つの領域の方に向くようにするステップと、
を更に含む、請求項１５から２２のいずれかに記載の方法。
【請求項２４】
前記集中させるステップは、
第１の磁石を前記磁性シリンダ内に位置決めするステップと、
第２の磁石を前記磁性シリンダ内に位置決めするステップと、
を更に含み、前記第１及び第２の磁石の同じ極性の磁極が、前記磁性集中領域を生成するために１つの領域の方に向くようになっている、請求項１５から２３のいずれかに記載の方法。
【請求項２５】
前記集中させるステップは、第３の磁石を前記磁性シリンダ内に位置決めして、前記第１の磁石、第２の磁石、及び第３の磁石の同じ極性の磁極が、前記磁性集中領域を生成するために１つの領域の方を向くようにするステップを更に含む、請求項１５から２４のいずれかに記載の方法。
【請求項２６】
前記集中させるステップは、第４の磁石を前記磁性シリンダ内に位置決めして、前記第１の磁石、第２の磁石、第３の磁石、及び第４の磁石の同じ極性の磁極が、前記磁性集中領域を生成するために１つの領域の方に向くようにするステップを更に含む、請求項１５から２５のいずれかに記載の方法。
【請求項２７】
前記集中させるステップは、第５の磁石を前記磁性シリンダ内に位置決めして、前記第１の磁石、第２の磁石、第３の磁石、第４の磁石、及び第５の磁石の同じ極性の磁極が、前記磁性集中領域を生成するために１つの領域の方に向くようにするステップを更に含む、請求項１５から２６のいずれかに記載の方法。
【請求項２８】
前記集中させるステップは、追加の磁石を前記磁性シリンダ内に位置決めして、前記第１の磁石の同じ極性の磁極、及び前記複数の追加の磁石の極性の磁極が、前記磁性集中領域を生成するために１つの領域の方に向くようにするステップを更に含む、請求項１５から２７のいずれかに記載の方法。
【請求項２９】
前記集中させるステップは、前記磁性集中領域を生成するために電磁石を前記磁性シリンダ内に位置決めするステップを更に含む、請求項１５から２６のいずれかに記載の方法。
【請求項３０】
前記集中させるステップは、
第１の磁石を前記磁性シリンダ内に位置決めするステップと、
第２の磁石を前記磁性シリンダ内に位置決めするステップと、
鉄心を前記第１の磁石と前記第２の磁石との間に位置決めするステップと、
導電材料を前記鉄心の周りに位置決めするステップと、
電流を前記導電材料に印加して磁性集中領域を生成するステップと、
を更に含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記集中させるステップは、１つ又はそれ以上の鉄心又は類似の金属を前記磁性シリンダ内に位置決めして、前記磁性集中領域を生成するのを助長するステップを更に含む、請求項１５から３０のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１２年３月２０日出願の米国特許仮出願６１／６１３，０２２「改良型電気モータ」の出願日の利益を主張するものであり、その開示内容は、あらゆる目的のために引用により本明細書に組み込まれる。本出願は、２０１３年３月２０日出願の米国特許出願「永久磁石磁束密度が強化された改良型ＤＣ電気モータ／ジェネレータ」に関連し、この出願の開示は、同様にあらゆる目的のために引用により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、一般に、新規な改良型電気モータ／ジェネレータに関し、特に、回転運動を電磁モータから生成するか、又は電力を回転運動入力から発生する改良型システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
電気モータは、電気エネルギーを使用して、通常、磁場と通電導体との相互作用によって機械エネルギーを生成する。電磁手段による電気エネルギーの機械エネルギーへの変換は、１８２１年に英国の科学者マイケルファラデーにより初めて実証され、後に、ヘンドリックローレンツの業績により定量化された。
【０００４】
磁場は、電子などの電荷担体が空間を通過するか、又は導体内で移動する際に生成される。移動中の電荷キャリア（電流）により生成される磁束線の幾何学的形状は、静電界内の磁束線の形状と類似している。磁束は、特に鉄及びニッケルの特定の例外があるものの、ほとんどもしくは影響なく、大部分の金属を通過する。これらの２つの金属及びこれらの金属を含有する合金及び混合物は、磁力線を集中させるので強磁性材料として知られている。磁界の強さ又は線束強度が最大である領域は、磁極として知られている。
【０００５】
従来の電気モータにおいて、しっかりと巻き付けられた通電材料の中央コアにより、電流が印加された場合に磁石の固定された極（固定子として知られている）間で高速に回るつまり回転する磁極（回転子として知られている）が作り出される。中央コアは、通常は、回転子とも一緒に回転することになるシャフトに結合される。シャフトは、回転機械において歯車及び車輪を駆動するために、及び／又は回転運動を直線運動に変換するために使用することができる。
【０００６】
通常、ジェネレータは、１８３１年にマイケルファラデーにより発見された電磁誘導の原理に基づく。ファラデーは、導電材料（銅など）が磁場中を移動（又は、その逆）する際に電流がその材料を通って流れ始めることを発見した。この電磁効果は、移動する導体内に電圧又は電流を誘導する。
【０００７】
回転式オルタネータ／ジェネレータ及び線形オルタネータ等の現行の発電機は、ファラデーの発見に依存して電力を生成する。実際には、回転式ジェネレータは、本質的に大型磁石の内部の周りを回転する大量のワイヤである。この状況では、ワイヤコイルは、固定された磁石（固定子という）に対して移動するので電機子と呼ばれる。通常、この移動する構成要素は電機子と呼ばれ、固定された構成部品は１つ又は複数の固定子と呼ばれる。
【０００８】
今日使用されているモータ及びジェネレータは、正弦波時間変動電圧を生成又は利用する。この波形は、これらの装置の動作に固有のものである。
【０００９】
従来の線形及び回転式の両方の大部分のモータは、適切な極性の十分な電力を適切な時点でパルス化して、反対方向の（又は引き付ける）力を各磁極セグメントに供給して所定のトルクを生成する必要がある。従来のモータでは、任意の所定の瞬間において、コイル磁極片の一部だけが能動的にトルクを供給する。
【００１０】
従来のモータに関して、十分な大きさのパルス電流を印加して、所定のトルク／馬力を生成する必要がある。そのときの馬力出力及び効率は、設計入力電力に損失を加えた関数である。
【００１１】
従来のジェネレータに関して、回転子が回転した場合に電流が発生する。発生した電力は、磁束強度、導体寸法、磁極片の数、及びＲＰＭを単位とする回転数の関数である。しかしながら、出力は、従来の電気モータに見られるような損失を伴う正弦波出力である。
【００１２】
他方で、従来のリニアモータ／ジェネレータは、切開されて展開された典型的な電気モータ／ジェネレータとして可視化することができる。「固定子」は、アルミニウム製又は銅製の平坦なコイルのトラックの形態で並置されて、リニアモータの「一次側」として知られている。「回転子」は、移動するプラットフォームの形態であり、「二次側」として知られている。電流がオンになると、二次側は、一次側を超えて磁場によって支持及び推進されて滑動する。リニアジェネレータは、同様に動作するが、機械力は、磁場を通過して回転子又は二次側を移動させる力を供給する。
【００１３】
従来のジェネレータ及びモータにおいて、パルス時間変動磁場により、不要な作用及び損失、つまり鉄損、ヒステリシス損、逆ＥＭＦ、誘導性キックバック、渦電流、突入電流、トルクリップル、熱損失、コギング、ブラシ損、ブラシ構造の高摩損、整流損、及び永久磁石の磁気バフェティングが生じる。多くの事例では前述の作用の幾つかに対応するための機械的整流の代わりに、複雑な制御装置が使用されている。
【００１４】
永久磁石を利用するモータ及びジェネレータにおいて、磁気磁束密度を増大させてより効率が良い作動を実現することが望ましい。今日使用されている大部分の永久磁石モータ／ジェネレータは、ネオジム磁石等の永久磁石に依存している。これらの磁石は、人工磁性材料の中で最も強力である。これらの磁石の産業上の戦略的価値及び高コストに起因して、これらの磁石の材料成分の飛躍的進歩に依存することなく、又は高密度の特定用途の形状及び寸法の磁石を製造することなく、磁束密度を増大させることが望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
モータ又はジェネレータにおいて、ある種のエネルギーは、回転子の回転及び／又は移動を生じる。エネルギーが不足して高価になっているので、必要とされていることは、エネルギーコストを低減するための効率の良いモータ及びジェネレータが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前述及び他の問題点に対応して、永久磁石処理により磁束密度を増大させる方法及びシステムを含む、本出願で開示される種々の実施形態が提示される。具体的には、磁束密度ではなく低コストに基づいて選択することができる市販の形状又はサイズを利用して磁束密度を増大させる方法及びシステムである。コアに結合されたコイルを大きな磁束密度の磁石組立体へ移動させることによって機械出力を生成するか、又はコイルを大きな磁束密度の磁気組立体に機械的に強制的に通過させる場合に出力電力を生成する方法を説明する。特定の態様では、磁性シリンダ内又は磁石組立体内で磁束線が引き起こされ、永久磁石又は電磁石の構成によって増大され、所定の場所に出るまで磁性シリンダ内又は磁石組立体内で抑制される。
【００１７】
特定の実施形態では、例えば以下のような電圧を発生する装置又はシステムである。
【００１８】
ＤＣ電圧を生成するシステムであって、同じ極性の磁束力を磁性シリンダの円周部分の周りに集中させて、積層された複数の同じ極性の磁束力を含む磁性集中領域を構築する手段と、コイルセグメントを長手方向シャフトに結合して、長手方向シャフトが回転するときにコイルセグメントが集中領域内に移動されるようにする手段と、磁性集中領域内の複数の磁束力が圧縮されたときに電圧をコイルセグメントにおいて生成する手段と、電圧をコイルセグメントから除去する手段とを含むシステム。
ＤＣ電圧を発生するシステムであって、同じ極性の磁束力を磁性シリンダの円周部分の周りに集中させて、スタックされた複数の同じ極性の磁束力を含む磁性集中領域を生成する手段と、コイルセグメントを長手方向シャフトに結合して、長手方向シャフトが回転する際にコイルセグメントを集中領域に移動させる手段と、磁性集中領域の複数の磁束力が押し込まれた場合に、コイルセグメントに電圧を生成する手段と、電圧をコイルセグメントから取り出す手段とを特徴とするシステムである。
【００１９】
前記システムは、更に、同じ極性の磁束力を磁性シリンダの追加の円周部分の周りに集中させて、追加のスタックされた複数の同じ極性の磁束力を含む追加の磁性集中領域を生成する手段であって、追加の磁性集中領域は、磁性集中領域から離れる方向で半径方向に配置される手段と、追加のコイルセグメントを長手方向シャフトに結合して長手方向シャフトが回転する際に追加のコイルセグメントを追加の集中領域に移動させる手段と、磁性集中領域の複数の磁束力が押し込まれた場合に追加のコイルセグメントに電圧を生成する手段と、電圧を前記コイルセグメントから取り出す手段と、を特徴とする。
【００２０】
前記システムは、更に、同じ極性の磁束力を磁性シリンダから離れる方向の長手方向に配置された追加の磁性シリンダの円周部分の周りに集中させて、追加のスタックされた複数の同じ極性の磁束力を含む追加の磁性シリンダ内に追加の磁性集中領域を生成する手段と、追加のシリンダ内に配置された追加のコイルセグメントを長手方向シャフトに結合して長手方向シャフトが回転する際に追加のコイルセグメントを追加の集中領域に移動させる手段と、追加の磁性集中領域の複数の磁束力が押し込まれた場合に追加のコイルセグメントに追加の電圧を生成する手段と、追加の電圧を追加のコイルセグメントから取り出す手段と、を特徴とする。
【００２１】
前記システムは、更に、同じ極性の磁束力を追加の磁性シリンダの追加の円周部分の周りに集中させて、第２の追加のスタックされた複数の同じ極性の磁束力を含む第２の追加の磁性集中領域を生成する手段であって、第２の追加の磁性集中領域は、追加の磁性集中領域から離れる方向で半径方向に配置される手段と、追加のシリンダ内に配置された第２の追加のコイルセグメントを長手方向シャフトに結合して長手方向シャフトが回転する際に第２の追加のコイルセグメントを第２の追加の集中領域に移動させる手段と、第２の追加の磁性集中領域の複数の磁束力が押し込まれる場合に第２の追加のコイルセグメントに第２の追加の電圧を生成する手段と、第２の追加の電圧を第２の追加のコイルセグメントから取り出す手段と、を特徴とする。
【００２２】
更に、機械力を生成するシステム又は装置クレームとすることができる。例えば、シャフトの半径方向運動を生成するシステムであって、同じ極性の磁束力を磁性シリンダの円周部分の周りに集中させて、スタックされた複数の同じ極性の磁束力を含む磁性集中領域を生成する手段と、コイルセグメントを磁性集中領域へ半径方向に移動させる手段と、コイルセグメントに電流を印加して、磁性集中領域の複数の磁束力を変える手段と、コイルセグメント上に反発磁力を生成して、コイルセグメントを磁性集中領域から外に移動させる手段と、コイルセグメントを長手方向シャフトに結合してコイルセグメントが集中領域から出た場合にシャフトが半径方向に回転するようにする手段と、を特徴とする。
【００２３】
前記システムは、更に、同じ極性の磁束力を磁性シリンダの追加の円周部分の周りに集中させて、追加のスタックされた複数の同じ極性の磁束力を含む追加の磁性集中領域を生成する手段であって、追加の磁性集中領域は、磁性集中領域から離れる方向で半径方向に配置される手段と、追加のコイルセグメントを追加の磁性集中領域へ半径方向に移動させる手段と、追加のコイルセグメントに追加の電流を印加して、追加の磁性集中領域の複数の磁束力を変える手段と、追加のコイルセグメント上に追加の反発磁力を生成して、追加のコイルセグメントを追加の集中領域から外に移動させる手段と、追加のコイルセグメントを長手方向シャフトに結合して追加の集中領域から追加のコイルセグメントが出た場合に追加のコイルセグメントが半径方向のシャフト回転に寄与するようにする手段と、を特徴とする。
【００２４】
前記システムは、更に、同じ極性の磁束力を前記磁性シリンダから離れる方向の長手方向に配置された追加の磁性シリンダの円周部分の周りに集中させて、追加のスタックされた複数の同じ極性の磁束力を含む追加の磁性集中領域を生成する手段と、追加のコイルセグメントを追加の磁性集中領域へ半径方向に移動させる手段と、追加のコイルセグメントに追加の電流を印加して、追加の磁性集中領域の追加の複数の磁束力を変える手段と、追加のコイルセグメント上に追加の反発磁力を生成して、追加のコイルセグメントを追加の磁性集中領域から外に移動させる手段と、追加のコイルセグメントを長手方向シャフトに結合して、追加のコイルセグメントが追加の集中領域から出た場合に、追加のコイルセグメントが半径方向のシャフト回転に寄与するようにする手段と、を特徴とする。
【００２５】
前記システムは、更に、同じ極性の磁束力を追加の磁性シリンダの追加の円周部分の周りに集中させて、第２の追加のスタックされた複数の同じ極性の磁束力を含む第２の追加の磁性集中領域を生成する手段であって、第２の追加の磁性集中領域は、追加の磁性集中領域から離れる方向で半径方向に配置される手段と、第２の追加のコイルセグメントを第２の追加の磁性集中領域へ半径方向に移動させる手段と、第２の追加のコイルセグメントに第２の追加の電流を印加して、第２の追加の磁性集中領域の複数の磁束力を変える手段と、第２の追加のコイルセグメント上に第２の追加の反発磁力を生成して、第２の追加のコイルセグメントを第２の追加の集中領域から外に移動させる手段と、第２の追加のコイルセグメントを長手方向シャフトに結合して第２の追加のコイルセグメントが第２の追加の集中領域から出た場合に第２の追加のコイルセグメントが半径方向のシャフト回転に寄与するようにする手段と、を特徴とする。
【００２６】
また、集中領域を作る手段が開示される。前記システムは、更に、長手方向の磁石を磁性シリンダ内に位置決めして、長手方向の磁石がシャフトの縦軸に平行であり、長手方向の磁石の磁極がシャフトの縦軸を横切る縦軸を有するようにする手段と、第１の横方向の磁石を磁性シリンダ内に位置決めして、第１の横方向の磁石の磁極がシャフトの縦軸に平行であるようにする手段と、第２の横方向の磁石を磁性シリンダ内に位置決めして、第２の横方向の磁石の磁極がシャフトの縦軸に平行であるようにして、磁性集中領域を生成するために同じ極性の磁極の全てが１つの領域の方に向くようにする手段と、を特徴とする。
【００２７】
前記システムは、更に、磁性シリンダ内に位置決めされた第１の磁石と、磁性シリンダ内に位置決めされた第２の磁石と、を更に含み、第１及び第２の磁石の同じ極性の磁極が、磁性集中領域を生成するために１つの領域の方に向くようになっていることを特徴とする。
【００２８】
前記システムでは、集中させる手段は、更に、磁性シリンダ内に位置決めされた第３の磁石を含み、第１の磁石、第２の磁石、及び第３の磁石の同じ極性の磁極が、磁性集中領域を生成するために１つの領域の方に向くようになっていることを特徴とする。
【００２９】
前記システムでは、集中させる手段は、更に、磁性シリンダ内に追加の磁石を位置決めして、第１の磁石、第２の磁石、及び第３の磁石、及び追加の磁石の同じ極性の磁極が、複数の追加の磁石の極性を有する磁極が磁性集中領域を生成するために１つの領域の方に向くように位置決めされることを特徴とする。
【００３０】
前記システムでは、集中させる手段は、更に、磁性集中領域を生成するために磁性シリンダに位置決めされた電磁石磁性集中領域を生成するために磁性シリンダ内に位置決めされた電磁石を特徴とする。
【００３１】
前記システムは、磁性シリンダ内に位置決めされた第１の磁石と、磁性シリンダ内に位置決めされた第２の磁石と、第１の磁石と第２の磁石との間に位置決めされて、第１の磁石を第２の磁石に結合する鉄心と、鉄心に巻回された導電材料と、導電材料に電流を印加して磁性集中領域を生成する手段と、を特徴とする。
【００３２】
ＤＣ電圧を生成する方法クレームが開示され、本方法は、同じ極性の磁束力を磁性シリンダの円周部分の周りに集中させて、スタックされた複数の同じ極性の磁束力を含む磁性集中領域を生成するステップと、コイルセグメントを長手方向シャフトに結合して長手方向シャフトが回転する際にコイルセグメントを集中領域に移動させるステップと、磁性集中領域の複数の磁束力が押し込まれた場合にコイルセグメントに電圧を生成するステップと、電圧をコイルセグメントから取り出すステップと、を特徴とする。
【００３３】
前記方法は、同じ極性の磁束力を磁性シリンダの追加の円周部分の周りに集中させて、追加のスタックされた複数の同じ極性の磁束力を含む追加の磁性集中領域を生成するステップであって、追加の磁性集中領域は、磁性集中領域から離れる方向で半径方向に配置されるステップと、追加のコイルセグメントを長手方向シャフトに結合して長手方向シャフトが回転する際に追加のコイルセグメントを追加の集中領域に移動させるステップと、磁性集中領域の複数の磁束力が押し込まれた場合に追加のコイルセグメントに追加の電圧を生成するステップと、電圧をコイルセグメントから取り出すステップと、を特徴とする。
【００３４】
前記方法は、更に、同じ極性の磁束力を磁性シリンダから離れる方向の長手方向に配置された追加の磁性シリンダの円周部分の周りに集中させて、追加のスタックされた複数の同じ極性の磁束力を含む追加の磁性シリンダ内の追加の磁性集中領域を生成するステップと、追加のシリンダ内に配置された追加のコイルセグメントを長手方向シャフトに結合して長手方向シャフトが回転する際に追加のコイルセグメントを追加の集中領域内に移動させるステップと、追加の磁性集中領域の複数の磁束力が押し込まれた場合に追加のコイルセグメントに追加の電圧を生成するステップと、追加の電圧を追加のコイルセグメントから取り出すステップと、を特徴とする。
【００３５】
前記方法は、更に、同じ極性の磁束力を追加の磁性シリンダの追加の円周部分の周りに集中させて、第２の追加のスタックされた複数の同じ極性の磁束力を含む第２の追加の磁性集中領域を生成するステップであって、第２の追加の磁性集中領域は、追加の磁性集中領域から離れる方向で半径方向に配置されるステップと、追加のシリンダ内に配置された第２の追加のコイルセグメントを長手方向シャフトに結合して長手方向シャフトが回転する際に第２の追加のコイルセグメントを第２の追加の集中領域に移動させるステップと、第２の追加の磁性集中領域の複数の磁束力が押し込まれる場合に第２の追加のコイルセグメントに第２の追加の電圧を生成するステップと、第２の追加の電圧を第２の追加のコイルセグメントから取り出すステップと、を特徴とする。
【００３６】
更に、シャフトの半径方向運動を生成する方法であって、同じ極性の磁束力を磁性シリンダの円周部分の周りに集中させて、スタックされた複数の同じ極性の磁束力を含む磁性集中領域を生成するステップと、コイルセグメントを磁性集中領域へ半径方向に移動させるステップと、コイルセグメントに電流を印加して、磁性集中領域の複数の磁束力を変えるステップと、コイルセグメント上に反発磁力を生成して、コイルセグメントを磁性集中領域から外に移動させるステップと、コイルセグメントを長手方向シャフトに結合して、コイルセグメントが集中領域から出た場合にシャフトが半径方向に回転するようにするステップと、を特徴とする。
【００３７】
前記方法は、同じ極性の磁束力を磁性シリンダの追加の円周部分の周りに集中させて、追加のスタックされた複数の同じ極性の磁束力を含む追加の磁性集中領域を生成するステップであって、追加の磁性集中領域は、磁性集中領域から離れる方向で半径方向に配置されるステップと、追加のコイルセグメントを追加の磁性集中領域へ半径方向に移動させるステップと、追加のコイルセグメントに追加の電流を印加して、追加の磁性集中領域の複数の磁束力を変えるステップと、追加のコイルセグメント上に追加の反発磁力を生成して、追加のコイルセグメントを追加の集中領域から外に移動させるステップと、追加のコイルセグメントを長手方向シャフトに結合して追加の集中領域から追加のコイルセグメントが出た場合に追加のコイルセグメントが半径方向のシャフト回転に寄与するようにするステップと、を特徴とする。
【００３８】
前記方法は、同じ極性の磁束力を磁性シリンダから離れる方向の長手方向に配置された追加の磁性シリンダの円周部分の周りに集中させて、追加のスタックされた複数の同じ極性の磁束力を含む追加の磁性集中領域を生成するステップと、追加のコイルセグメントを追加の磁性集中領域へ半径方向に移動させるステップと、追加のコイルセグメントに追加の電流を印加して、追加の磁性集中領域の追加の複数の磁束力を変えるステップと、追加のコイルセグメント上に追加の反発磁力を生成して、追加のコイルセグメントを追加の磁性集中領域から外に移動させるステップと、追加のコイルセグメントを長手方向シャフトに結合して追加のコイルセグメントが追加の集中領域から出た場合に追加のコイルセグメントが半径方向のシャフト回転に寄与するようにするステップと、を特徴とする。
【００３９】
前記方法は、同じ極性の磁束力を追加の磁性シリンダの追加の円周部分の周りに集中させて、第２の追加のスタックされた複数の同じ極性の磁束力を含む第２の追加の磁性集中領域を生成するステップであって、第２の追加の磁性集中領域は、追加の磁性集中領域から離れる方向で半径方向に配置されるステップと、第２の追加のコイルセグメントを第２の追加の磁性集中領域へ半径方向に移動させるステップと、第２の追加のコイルセグメントに第２の追加の電流を印加して、第２の追加の磁性集中領域の複数の磁束力を変えるステップと、第２の追加のコイルセグメント上に第２の追加の反発磁力を生成して、第２の追加のコイルセグメントを第２の追加の集中領域から外に移動させるステップと、第２の追加のコイルセグメントを長手方向シャフトに結合して、第２の追加のコイルセグメントが第２の追加の集中領域から出た場合に第２の追加のコイルセグメントが半径方向のシャフト回転に寄与するようにするステップと、を特徴とする。
【００４０】
前記の方法クレームのような集中領域を作る方法であって、集中させるステップは、長手方向の磁石を磁性シリンダ内に位置決めして、長手方向の磁石がシャフトの縦軸に平行であり、長手方向の磁石の磁極がシャフトの縦軸を横切る縦軸を有するようにするステップと、第１の横方向の磁石を磁性シリンダ内に位置決めして、第１の横方向の磁石の磁極がシャフトの縦軸に平行であるようにするステップと、第２の横方向の磁石を磁性シリンダ内に位置決めして、第２の横方向の磁石の磁極がシャフトの縦軸に平行であるようにして、磁性集中領域を生成するために同じ極性の磁極の全てが１つの領域の方に向くようにするステップと、を特徴とする。
【００４１】
前記方法クレームでは、集中させるステップは、第１の磁石を磁性シリンダ内に位置決めするステップと、第２の磁石を磁性シリンダ内に位置決めするステップと、を更に含み、第１及び第２の磁石の同じ極性の磁極が、磁性集中領域を生成するために１つの領域の方に向くようになっていることを特徴とする。
【００４２】
前記方法クレームでは、集中させるステップは、更に、第３の磁石を磁性シリンダ内に位置決めして、第１の磁石、第２の磁石、及び第３の磁石の同じ極性の磁極が、磁性集中領域を生成するために１つの領域の方を向くようにするステップであることを特徴とする。
【００４３】
前記方法クレームでは、集中させるステップは、更に、第４の磁石を磁性シリンダ内に位置決めして、第１の磁石、第２の磁石、第３の磁石、及び第４の磁石の同じ極性の磁極が、磁性集中領域を生成するために１つの領域の方に向くようにするステップであることを特徴とする。
【００４４】
前記方法クレームでは、集中させるステップは、更に、第５の磁石を磁性シリンダ内に位置決めして、第１の磁石、第２の磁石、第３の磁石、第４の磁石、及び第５の磁石の同じ極性の磁極が、磁性集中領域を生成するために１つの領域の方に向くようにするステップであることを特徴とする。
【００４５】
前記方法クレームでは、集中させるステップは、更に、追加の磁石を前記磁性シリンダ内に位置決めして、前記第１の磁石の同じ極性の磁極、及び前記複数の追加の磁石の極性の磁極が、前記磁性集中領域を生成するために１つの領域の方に向くようにするステップであることを特徴とする。
【００４６】
前記方法クレームでは、集中させるステップは、更に、磁性集中領域を生成するために電磁石を磁性シリンダ内に位置決めするステップであることを特徴とする。
【００４７】
前記方法クレームでは、集中させるステップは、更に、第１の磁石を磁性シリンダ内に位置決めするステップと、第２の磁石を磁性シリンダ内に位置決めするステップと、鉄心を第１の磁石と第２の磁石との間に位置決めするステップと、導電材料を鉄心の周りに位置決めするステップと、電流を導電材料に印加して磁性集中領域を生成するステップと、であることを特徴とする。
【００４８】
前記方法クレームでは、集中させるステップは、更に、１つ又はそれ以上の鉄心又は類似の金属を前記磁性シリンダ内に位置決めして、前記磁性集中領域を生成するのを助長するステップであることを特徴とする。
【００４９】
本明細書に示す特定の態様では、非脈動又は非正弦波ＤＣ電流が電力端子に印加され、これによりローレンツ力が或る長さの各コイル導体に生成される。ローレンツ力は、振幅変動又は出力電力の中断なしに回転子ハブの回転全体を通して連続的に印加される。磁力又は反発をもたらす極片がないので、磁極が反転プロセスにある間、トルクリプル、極性反転、又は電力出力中断がなく、従来のモータよりも効率的に出力が生成される。
【００５０】
開示される実施形態の特定の態様をジェネレータとして使用する場合、非脈動又は非正弦波ＤＣ電流が電力端子に生成される。或る長さの各コイル導体において、全てのコイルを横切るローレンツ力は、出力電流フローを誘導する。この出力は、振幅変動、極性反転、又は出力電力中断なしに回転子ハブの回転全体を通して連続的に印加される。磁力又は反発をもたらす極片がないので、従来のジェネレータよりも効率的に電流出力が生成される。
【００５１】
本開示の特定の態様は、鉄損及びヒステリシス損、逆ＥＭＦ、誘導性キックバック、渦電流、突入電流、トルクリプル、熱損失、コギング、ブラシ損、ブラシ構造の火花発生及び高摩損、整流損、及び永久磁石の磁気バフェティングを含む、前述の従来のジェネレータ及びモータの望ましくない作用及び損失を低減又は排除する。
【００５２】
上記及び他の特徴及び利点は、添付図面に関連した以下の詳細な説明からより明確に理解されるであろう。
【００５３】
各図面は本発明の唯一の態様を表すことを目的としたものではないことに注目することが重要である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】鉄心を有するシリンダの内側及びその周りの磁束経路の代表的な「平面」部分を示すトロイダル磁性シリンダの横断面図である。
【図２ａ】図１のトロイダル磁性シリンダの等角部分断面図である。
【図２ｂ】シリンダ内部で発生する平面磁場又は磁束壁を示す図１ａのトロイダル磁性シリンダの詳細な部分断面図である。
【図３】回転子ハブ組立体の概念化された等角図である。
【図４】コイルが回転子組立体上に位置決めされた回転子ハブ組立体の概念化された等角図である。
【図５】回転子ハブ組立体を使用したモータ／ジェネレータ組立体の概念化された横断面図であり、電力端子及びセグメント化された単一スリップリングのブラシ組立体構成を示している。
【図６】図５のモータ／ジェネレータ組立体の概念化された縦断面図である。
【図７】コイルの一部と、図５の電気モータ／ジェネレータと共に使用することができるスリップリングセグメントとの間の結合システムの１つの実施形態を示す横断面図である。
【図８ａ】磁性リングの等角図である。
【図８ｂ】別の実施形態の磁性リングの一部の詳細な等角図である。
【図８ｃ】別の実施形態の磁性リングの一部の詳細な等角図である。
【図８ｄ】別の実施形態の磁性リングの一部の詳細な等角図である。
【図９ａ】シリンダ形磁気コイル組立体の等角分解図である。
【図９ｂ】図９ａの組み立てられたシリンダ形磁気コイル組立体の等角図である。
【図９ｃ】モータ／ジェネレータ組立体の内部に位置決めされた図９ａの組立済みシリンダ形磁気コイル組立体の縦断面図である。
【図９ｄ】図９ｃのモータ／ジェネレータ組立体の内部の図９ａの組立済みシリンダ形磁気コイル組立体の縦断面図であり、シリンダ形磁気コイル組立体の様々なコイルに電気的に結合されたブラシシステムを示す。
【図１０ａ】コイルセグメントが通電状態ではない場合の別のモータ／ジェネレータ組立体の断面図である。
【図１０ｂ】コイルセグメントが通電状態である場合の図１０ａのモータ／ジェネレータ組立体の断面図である。
【図１１ａ】別の組立済みシリンダ形磁気コイル組立体の等角図である。
【図１１ｂ】別のモータ／ジェネレータ組立体の内部に位置決めされた図１０ａの組立済みシリンダ形磁気コイル組立体の等角縦断面図である。
【図１１ｃ】図１０ｂのモータ／ジェネレータ組立体の内部の図１０ａの組立済みシリンダ形磁気コイル組立体の縦断面図である。
【図１１ｄ】図１０ｂのモータ／ジェネレータ組立体の内部の図１０ａの組立済みシリンダ形磁気コイル組立体の縦断面図であり、シリンダ形磁気コイル組立体の様々なコイルに電気的に結合されたブラシシステムを示す。
【図１２】モータ／ジェネレータ組立体の内部に位置決めされた他のシリンダ形磁気コイル組立体の縦断面図である。
【図１３ａ】本開示で説明する様々な磁性シリンダにおいて従来の磁石の代わりに使用することができる、ハイブリッド電磁気磁石組立体を示す。
【図１３ｂ】本開示で説明する様々な磁性シリンダにおいて従来の磁石の代わりに使用することができる、ハイブリッド電磁気磁石組立体を示す。
【発明を実施するための形態】
【００５５】
本開示を簡素化するために、構成要素、信号、メッセージ、プロトコル、及び構成の特定の実施例を以下に説明する。勿論、これらは単なる例示であり、特許請求の範囲で説明する本発明を制限することを意図したものではない。公知の要素は、不必要な詳細事項で本発明を不明瞭にしないように詳細には説明しない。大部分は、本発明の完全な理解を得る上で不必要な詳細事項は、このような詳細事項が関連する技術分野の当業者の技術範囲にある限り省略した。本明細書で説明する特定の構成要素又は要素に電源を供給するために使用される制御回路、電源、又は回路に関する詳細事項は、関連する技術分野の当業者の技術の範囲にあるので省略した。
【００５６】
本開示において上部、下部、頂部、底部、時計回り、又は反時計回り等の方向を説明する場合、当該方向は、例示の図面に関する及び図面中の構成要素の方位に関する基準方向を提示するにすぎないことが意図されている。これらの方向は、結果的に得られる本発明又は実際の使用において使用される実際の方向を意味すると解釈すべきではない。いかなる状況においても、このような方向が、特許項を制限するか又が請求項に何らかの意味を与えると解釈すべきではない。
【００５７】
今日使用されている大部分の電気モータ及びジェネレータは、交流（ＡＣ）と呼ばれる正弦波時間変動電圧を必要とするか又は発生する。直流を利用する場合、最初に変換及びパルス化を行ってＡＣ波形を再現して、所望の電流又は機械的出力を生成する必要がある。特定の本発明の実施形態は、交流を生成も利用もせず、代わりに、整流又は整流作用を必要とすることなく非正弦波直流を直接、生成又は利用する。これは交流損失の排除につながり、更には、入力電力又は出力電力の効率の良い利用につながる。しかしながら、本発明の特定の態様は、整流Ａ／Ｃ電流に対応することができるので、入力電力供給位相整合に左右されない場合がある。従って、単純な整流された単相、２相、３相電力等は、全て構成に応じた入力電力を容認可能である。
【００５８】
以下、図１を参照すると、トロイダル磁性シリンダ１００の１つの実施形態の横断面図が示されており、シリンダの内部及びその周りの代表的な平面磁束経路１０１が示されている。これらは、代表的な例示であり、実際の磁路は、シリンダ内の磁石の材料設計及び特有の構成に左右される。磁性シリンダ１００は、シリンダ外壁１０２及びシリンダ内壁１０４を含む。シリンダ外壁１０２及びシリンダ内壁１０４は、複数の磁石で作ることができる。図１に示すような横断面図では、シリンダ外壁１０２は、磁石１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ等の個別の磁石を備える複数の磁石１０６で構成されることが分かる。同様に、シリンダ内壁１０４は、個別の磁石１０８ａ、１０８ｂを備える複数の磁石１０８で構成することができる。磁石の１つの極性のみが、磁性シリンダ又は磁石組立体の内部で（又はこれに対向して）で利用されることに留意されたい。
【００５９】
特定の実施形態では、中央鉄心１１０は、外壁１０２と内壁１０４との間に配置できるが、強度、渦電流の低減、冷却路などの設計検討時に他のコア材料を使用することができる。
【００６０】
特定の実施形態では、複数の磁石１０６及び磁石１０８は、ネオジム、アルニコ合金、セラミック永久磁石、又は電磁石など任意の適切な磁性材料で作ることができる。特定の実施形態では、複数の磁石のそれぞれの磁石１０６ａ又は１０８ａは、１’’×１’’×１’’の寸法を有する。磁石又は電磁石の正確な数は、所要の磁場強度又は機械的構成に依存することになる。例示の実施形態は、特定の市販の磁石に基づいて、磁石を配置する１つの方法である。特に磁石が特定の目的に合わせて製造される場合、他の配置も可能である。
【００６１】
複数の磁石１０６及び１０８を外壁１０２及び内壁１０４に配置してシリンダ１００を形成する場合、磁束線１０１は、図１に示す磁束線によって概念的な様式で示すように特定のパターンを形成することになる。磁束線１０１の実際の形状、方向、及び方位は、内部保持リングの利用、材料成分、及び構成等の要因に左右される。例えば、外壁上の磁石１０６ａからの磁束線１１２ａは、磁石のＮ極からシリンダ１００の周りの磁石面から垂直に流れ、開放端１１４を通り、次に、鉄心１１０を通って流れ、Ｓ極を含む磁石１０６ａの面に戻る傾向がある。同様に、外部壁部１０２上の磁石１０６ｂからの磁束線１１２ｂは、磁石のＮ極からシリンダ１００の周りの磁石面で垂直に流れ、開放端１１４を通り、次に、鉄心１１０を通って流れ、Ｓ極を含む磁石１０６ｂの面に戻る傾向がある。明瞭化のために数本の磁束線１１２のみが図示されているが、複数の磁石のうちの各々の連続した磁石は、類似の磁束線を生成することになる。従って、複数の磁石１０６のうちの各連続した磁石の磁束力は、磁性シリンダ１００の開放端１１４又は１１６にある磁石に到達するまで、複数の磁石１０６における連続した磁気ディスクの各々に関する例示的な磁束線又はパターン１１２に追従する傾向がある。
【００６２】
磁石１０６ｃ等のシリンダ１００の反対側の磁石は、外壁１０２上の磁石１０６ｃから磁束線１１２ｃを発生する傾向があり、磁束線１１２ｃは、磁石のＮ極からシリンダ１００の周りの磁石面で垂直に流れ、反対側の開放端１１６を通り、次に、鉄心１１０を通って流れて、Ｓ極を含む磁石１０６ｃの面に戻る傾向がある。明瞭化のためにシリンダ１００の反対側の数本の磁束線１１２のみが図示されているが、複数の磁石のうちの各々の連続した磁石は、類似の磁束線を生成することになる。
【００６３】
また、特定の実施形態では、内壁１０４は磁束線１１８を生成する。例えば、内壁１０４上の磁石１０８ａからの磁束線１１８ａは、Ｎ極から磁石面で垂直に流れ、鉄心１１０を通って内壁１０４の周りを流れ、内壁１０４の半径方向の中央部を通ってＳ極を含む磁石１０８ａの面に進む傾向がある。同様に、内壁１０４上の磁石１０８ｂからの磁束線１１８ｂは、Ｎ極から磁石の面で垂直に流れ、鉄心１１０を通って内壁１０４の周りを流れ、内壁１０４の半径方向の中央部を通り、次に、Ｓ極を含む磁石１０８ｂの面に戻る傾向がある。
【００６４】
複数の磁石１０８の各々の連続した磁石の磁束力は、磁性シリンダ１００の開放端１１４又は１１６に到達するまで、複数の磁石１０８の連続した磁石の各々に関する例示的な磁束線又はパターン１１８に追従する傾向がある。従って、シリンダ１００の内壁１０４の磁石により生成された磁束は、シリンダの中央部を経由して出ていきシリンダ外側上の対応する磁極に戻るための、遮るものがない経路を有する。
【００６５】
いくつかの実施形態では、磁束線１１２及び１１８は、スタッキング効果を示す傾向があり、外側磁性シリンダの構成は、磁束線１１０の大部分又は全てがシリンダ１００の開放端１１４及び１１６から流出するように磁性シリンダ１００内の磁石の磁束線１０１をコントロールする。
【００６６】
従来の構成では、磁石の対向する磁極は、通常、長手方向に整列される。従って、磁場磁束方向は、磁石の表面に「沿って進む」つまり密接に追随することになる。従って、従来の電力生成／利用装置を使用する場合、通常、隙間は、これらの力線上に作用できるように非常に密接する必要がある。同様の磁極をシリンダ１００の中央部１２０に対して半径方向に整列させることにより、磁束線１１２及び１１８は、磁性シリンダ１１０の中央部を通過して垂直に磁石の表面から放射状に広がる際に積み重なる傾向がある。この構成により、コイルと磁性シリンダ１００との間のより大きな許容差が可能になる。
【００６７】
特定の実施形態では、鉄心１１０は、鉄心が内壁１０４から半径方向に等距離であるように、磁性シリンダ１００の中心１２０の周りに同心状に位置決めされ、代表的な磁束パターン１０１が図１に示すように生成される。磁束磁場又は磁束線は、鉄心１１０に引き付けられ、鉄心に到達すると圧縮される。従って、磁束磁場は、シリンダ及び出口点の全体にわたって延びる、鉄心を取り囲む一連の「磁束壁」として可視化できるものとして定めることができる。
【００６８】
以下、図２ａを参照すると、中央鉄心１１０が磁性シリンダ内に位置決めされたトロイダル磁性シリンダ１００の概念的な等角図が示されている。図２ｂは、鉄心１１０に関連して磁性シリンダ１００の内部の空洞１２４内に生成された平面磁場又は磁束壁１２２を例示するトロイダル磁性シリンダ１００の詳細な部分図である。これらは、例示的なものであり、実際の磁束壁部１２２は、材料設計及び構成に左右される。
【００６９】
図１、図２ａ、及び図２ｂに示すようなシリンダ１００は、鉄心が壁部の中空部分に同心状に位置する部分的な磁性シリンダの基本的な磁束線又は経路を示すために概念化されたものである。実際的観点から、コア又は回転子組立体は、コア１１０を磁性シリンダ１００内に位置決めすることができる。
【００７０】
以下に図３を参照すると、鉄心１３２、回転子ハブ１３４、及びシャフト１３６を備える組立体１３０の１つの実施形態の等角図が示されている。鉄心１３２は、上述のコア１１０と類似のものである。鉄心１３２及び回転子ハブ１３４は、本技術分野で公知の従来の締結方法を利用してシャフト１３６に締結する。特定の実施形態では、回転子ハブ１３４は、例えば、渦電流を発生しないように非鉄材料で構成することができる。磁性シリンダ１００に取り付けた場合、磁性シリンダ（図３には図示せず）の内壁１０４の横方向のスロット（図示せず）により、コア１３２及び回転子ハブ１３４の一部は、磁性シリンダ１００の内壁１０４を通って内部空洞１２４（図２ｂを参照されたい）に延びることができる。
【００７１】
特定の実施形態では、一連の又は複数の磁石１３８を回転子ハブ１３４の外周に埋め込むことにより、横方向のスロットを通る漏出磁束を低減又は排除することができる。複数の磁石１３８は、シリンダ１００（図３では図示せず）のシリンダ磁石１０６と同じ向きにすることができる。特定の実施形態では、複数の磁石１３８は、回転子と一緒に組立体１３０を移動することになる。
【００７２】
他の実施形態では、鉄心１３２は、完全なリング又はコアを形成するために共に締結することができる、２つ又はそれ以上のセグメント１４０ａ及び１４０ｂで構成することができる。この構成は、複数のコイルを従来の構造上に構築し、次にリングセグメントに追加することを可能にするという利点を有する。
【００７３】
図４は、コア１３２がコアセグメント１４０ａ及びコアセグメント１４０ｂを備える回転子組立体１３０の等角図を示す。単一のコイル１４２ａは、コアセグメント１４０ａの周りに位置決めされる。特定の実施形態では、図５に示すように複数のコイル１４２を設けることができる。
【００７４】
図５は、磁性シリンダ１００及び回転子ハブ１３４を組み込んだモータ／ジェネレータ組立体１５０の１つの実施形態の横断面図である。図６は、モータ／ジェネレータ組立体１５０の縦断面図である。モータ／ジェネレータ組立体１５０は、磁性シリンダ１００及び回転子ハブ１３４等の前述の構成要素と類似の構成要素を用いることができる。図７は、モータ／ジェネレータ組立体１５０の１つの実施形態の横断面図であり、複数のコイル１４２の個別のコイルの間の電流路に関する、付加的な詳細内容を示す。図７に示すコイルは直列接続であるが、直列接続又は並列接続の任意の組み合わせが可能である。追加のブラシ位置を設計ニーズ及び基準に応じて追加することができる。
【００７５】
例示的な実施形態では、モータ／ジェネレータ組立体１５０は、長手方向シャフト１５２を有する。特定の実施形態では、長手方向シャフト１５２は、鉄、又は鉄と類似の磁気特性を有するフェライト化合物から作ることができる。いくつかの実施形態では、フェライト化合物又は粉体は、絶縁液体、潤滑油、モータ油、ジェル又は鉱油等の粘性材料に懸濁させることができる。
【００７６】
特定の実施形態では、磁性シリンダ１００及び長手方向シャフト１５２の構造的な支持を行う外部ケーシング又はハウジング１５４を設けることができる。特定の実施形態では、ハウジング１５４は、所要の構造強度を有する任意の材料、合金又は複合物で形成することができる。特定の実施形態では、非鉄材料を使用することができる。いくつかの実施形態では、外側軸受１５６（図６）を使用して、長手方向シャフト１５２とハウジング１５４又は類似の支持構造体との間の摩擦を低減することができる。特定の実施形態では、ハウジング１５４は、基部１５８に結合してハウジング１５４の構造的支持にもたらすことができる。
【００７７】
図１ａ、図１ｂ、及び図２に関して説明するように、トロイダル磁性シリンダ１００は、外壁１０２を形成する複数の外側磁石１０６と、内壁１０４を形成する複数の内側磁石１０８とを備えることができる。更に、第１の側壁１７０及び対向する側壁１７２を設けることができ、これは複数の側面外側磁石１６８を含む（図５及び図６を参照されたい）。
【００７８】
特定の実施形態では、前述のコア１３２は、長手方向軸１７６の周りで、磁性シリンダ１００の内部空洞１２４に同心状に位置決めされる。前述のように、磁性シリンダ１００の内壁１０４に形成された横方向スロット１６０により、回転子ハブ１３４の一部を内部空洞１２４に位置決めすることができる。回転子ハブ１３４は、同様に磁性シリンダ１００の内部空洞１２４に位置決めされたコア１３２に結合される。
【００７９】
コイル１４８ａ等の複数のコイル１４８は、コア１３２周りに半径方向に位置決めされて、コイル組立体１８２を形成するようになっている。コイル組立体１８２の各々の個別のコイル１７８ａは、銅（又は類似の合金）ワイヤ等の導電材料から作ることができ、本技術分野で公知の従来の巻回方法を利用して作ることができる。特定の実施形態では、個別のコイル１７８ａの形状は、本質的にシリンダ形とすることができ、個別のコイル１７８ａをコア１３２に固定できるように寸法決定された中央部開口部を有するコイルコア（図示せず）に巻回される。
【００８０】
図５及び図７には複数のコイル１４２のうちの特定の数のコイルが示されるが、モータ／ジェネレータ組立体の電力要件に応じて、任意の数のコイルは使用してコイル組立体１８２を組み立てることができる。
【００８１】
特定の実施形態では、図６及び図７に示すように、複数のスリップリングセグメント１８４は、コイル組立体１８２の個別のコイル１４２ａを互いに電気的に直列接続する。コイル接続部、スリップリング、及びブラシ導入／ピックアップポイントの他の構成を利用することができる。例えば、他の実施形態は、２つの非セグメント化されたスリップリング及び互いに並列接続のコイルを使用することができる。
【００８２】
いくつかの実施形態では、スリップリングセグメント１８４は、コイル組立体１８２の複数のコイル１４２に電流を供給するためにケーシング１５４内に位置決めすることもできる複数のブラシ１８６及び１８８（図６）を経由して電流源と電気通信する。特定の実施形態では、ブラシ１８６は正極ブラシとすることができ、ブラシ１８８は負極ブラシとすることができる。特定の実施形態では、誘導結合を利用して、電力をコイルに又はその逆に伝達することができる。
【００８３】
「モータモード」の場合、電力は、電力端子１９０及び１９２に印加され、複数のコイル１４２の特定のコイルは、磁性シリンダ１００を通って移動し、図２ｂを参照して説明した磁束壁に類似した「磁束壁」に「遭遇」するだけである。複数のコイル１４２は、実質的にコア１３２の磁束方向の影響を受けないので、複数のコイルは、シリンダ１００の全域にわたって「右手の法則」に従って移動する。しかしながら、複数のコイル１４２の特定のコイルが磁性シリンダ１００自体の範囲外にあり、開放セグメント１９４を通って移動している短期間の間に、このコイルは、生成されるトルクに寄与する可能性がある。この遷移期間時には、磁束は、経路上のコア１３２を離れて磁性シリンダ１００の外壁に至る可能性があり、これは磁性シリンダ内の磁束力に対して反対方向であり、複数のコイル１４２の各コイルには、トルクに寄与するために逆極性を供給する必要がある。
【００８４】
負極ブラシ１８８の接触領域において、電流は、２つの経路に分割され、一方の経路は、磁性シリンダ１００自体の複数のコイルを通って戻り、他方の経路は、開放セグメント１９４に配置されたコイルを通る経路である。従って、複数のコイル１４２のうちの個別のコイルは、図７に示すように自動的に正しい極性が与えられる。
【００８５】
「ジェネレータモード」では、シャフト１５２の回転により複数のコイル１４２が磁性シリンダ１００を通って移動する際に、磁性シリンダのコイルは、（図２ｂを参照して説明したように）「磁束壁」に遭遇するだけである。このコイルは、コアの磁束方向の影響を受けないので、磁性シリンダ１００の移動全体にわたって電力を生成する。しかしながら、コイルがシリンダ１００自体の範囲外にあり、開放セグメント１９４を通過している短期間の間に、コイルは、やはり生成されるトルクに寄与する可能性がある。コイルが開放セグメント１９４にある遷移期間時には、磁束は、経路上の鉄心１３２を離れて磁性シリンダ１００の外壁１０２、１０４、１７０及び１７２に至る可能性があるが、磁束は、磁性シリンダの磁束力に対して反対方向である。従って、コイル組立体１８２は、設計ニーズに応じて利用することができる、使用可能電力を生成することもできる。
【００８６】
開放セグメントコイルを回路から除去することが望まれる場合、ダイオード整流器を各コイルの片側に追加して電流フローを特定の方向に制限することができる。
【００８７】
公知のように、ほとんどの従来の磁石は磁極を有する。一般に、磁極はＮ極及びＳ極で示される磁石の２つの領域のいずれかであり、ここでは磁場又は磁束密度が最大である。図８ａから８ｄには、磁性リング又はシリンダで利用でき、１つの磁極（例えばＮ極又はＳ極）の集結した磁束密度を生じるようになった典型的な永久磁石の組み合わせが示されている。この磁石は、本出願で以下に説明する従来の磁石、電磁石、又は永久電磁石ハイブリッドとすることができる。更に、磁気磁束密度及び集中を高めるために、鉄、鉄粉体、又は他の磁性材料をシリンダコア領域に追加することができる（図示せず）。
【００８８】
前述した磁性シリンダ１００を使用する以外に、例えば図８ａに示すように、別の磁性リング又はシリンダ２００を単列の磁石で作ることができる。図８ａに示すように、磁石２０２ａ等の複数の磁石２０２の同じ又は類似の磁極（例えば、Ｓ極）の全ては、内側に向いている。この磁性リング２００はモータ又はジェネレータで利用することができるが、磁場の強さ又は磁束場の強度は（従って、モータ又はジェネレータは）、主として複数の磁石２０２の個別の磁石２０２ａの強さに左右されることになる。
【００８９】
図８ｂは、磁性リングの一部分２１０の等角図であり、各部分２１０は、磁石２１２及び磁石２１４を備える。図８ｂに示すように磁性リングが「Ｖ」断面形状を有するように磁石２１２及び磁石２１４は位置決めされ、互いに対向する同じ磁極は、個別の磁石の強さが同じままであっても、のど部での磁場又は磁束密度の強さが増大する。本開示の目的で、このような構成は「２ｘ」磁石シリンダ組立体として知られており、用語「ｘ」は、磁石の表面積当たりの磁束密度の概算の増大を示す（必ずしも使用する磁石の数ではない）。このような構成では、選択された磁極出口領域２１１において磁束密度は約２倍に増大させることができる。「Ｖ形」を倒すか又は押し込むと磁束密度が更に集中するが、その代わりに出口領域２１１が小さくなってしまう。
【００９０】
図８ｃは、磁性リングの一部分２２０の等角図であり、各部分２２０は、磁石２２２、磁石２２４、及び磁石２２６を備える。図８ｃに示すように磁性リングが「Ｕ」断面形状を有するように磁石２２２、磁石２２４、及び磁石２２６は位置決めされ、内側に向く各磁石の同じ磁場面は、個別の磁石の強さが同じままであっても、磁場又は磁束密度の強さが増大する。本開示の目的で、このような構成は概念的な「３ｘ」磁石シリンダ組立体として知られている。このような構成では、選択された磁極出口領域２２１において磁束密度は約３倍に増大させることができる。「Ｕ形」を潰すか又は押し込むと（即ち、磁石２２４を磁石２２２の方に移動させると）磁束密度が更に集中するが、その代わりに出口領域２２１が小さくなってしまう。
【００９１】
図８ｄは、磁性リングの一部分２３０の等角図であり、各部分２３０は、磁石２３２、磁石２３４、磁石２３６、磁石２３８、及び磁石２４０と（図８ｄでは見えない）を備える。同じ磁極が互いに対向するように磁石２３４に向かい合うように磁石２３２を位置決めし、同じ磁極が互いに対向するように磁石２３８に向かい合うように磁石２３６を位置決めする。換言すると、磁石２３６から２３８のＳ極の全てが内側に向いている。更に、磁石２４０を磁石２３２から２３８で形成された「管体」の背面に位置決めして、図８ｄに示すような開放ボックス形状又は立方体を作る。本開示の目的で、このような構成は概念的な「５ｘ」磁石シリンダ組立体として知られている。このような構成では、選択された磁極出口領域２３１において磁束密度は約５倍に増大させることができる。ボックス領域を潰すか又は押し込むと（例えば、磁石２３６を磁石２３８の方へ移動させると）磁束密度が更に集中するがその代わりに出口領域２３１が小さくなってしまう。
【００９２】
簡潔化及び明瞭化のために、前述したものと全く同じ又は類似の部品又は構成要素の説明はここでは繰り返さない。別の実施形態を完全に理解するために以下の説明及び前記パラグラフを参照されたい。
【００９３】
以下、図９ａから９ｄを参照すると、モータ又はジェネレータの効率を高くするために磁場又は磁束線を集中させる別の実施形態つまり３ｘ設計が提示されている。図９ａは、シリンダ形磁気コイル組立体３００の等角分解図である。図９ｂは、組立済みシリンダ形磁気コイル組立体３００の等角図である。図９ｃは、モータ／ジェネレータ組立体３５０内の組立済みシリンダ形磁気コイル組立体３００の縦断面図である。図９ｄは、モータ／ジェネレータ組立体３５０内の組立済みシリンダ形磁気コイル組立体３００の縦断面図であり、シリンダ形磁気コイル組立体の様々なコイルに電気結合されたブラシシステムを示している。トロイダルシリンダ毎に４つのブラシが示されているが、ブラシの実際の数は、摩耗及び通電容量等の公知の工学的要因に左右される。
【００９４】
以下に図９ａ及び図９ｂを参照すると、強化された磁束トロイダルコア磁性シリンダ組立体３００が存在する。いくつかの態様では、シリンダ組立体３００のこれらの構成要素の大部分は、前述の強化された磁性シリンダコンセプトを利用して組み立てられる。１つ磁極（即ち、Ｎ極又はＳ極）のみが磁性シリンダ３００の長さ及び幅の全体にわたって使用され集中されることに留意された。
【００９５】
特定の実施形態では、導体巻回コイル組立体３１０は、鉄、鉄粉末複合材料、又は他の磁性／非磁性コア材料で形成できるコア３１２を備える。銅線等の導電材料３１４をコア３１２に巻回して１つ又はそれ以上のコイルを形成する。従って、コイル組立体３１０は、１つ又はそれ以上のコイルセグメントで構成することができる。特に、ブラシレス設計では、複数のコイルセグメントにより、システムの供給電圧を変更することなく、コイルセグメントを直列接続及び並列接続の異なる組み合わせで選択的に接続することによる速度制御が可能である。実施例の目的で、コイル組立体３１０の特定の実施形態は、２４個のコイルセグメントを備えることができ、これにより可能性のある直列−並列接続の複数の組み合わせが可能になり、結果的に複数の出力速度又は出力電力がもたらされる。連続的に可変の速度又はトルク要件が必要とされる場合、入力電圧は、必要であれば、各コイルセグメントの間の直列−並列接続の単純なリレー制御又は切替えステップ制御と組み合わせて相応に調整することができる。一般的に、コイル組立体３１０は、略リング形状であり、これにより内側の長手方向磁性シリンダ３１５は、コイル組立体の中央開口３１６を通って滑り込むことができる。
【００９６】
図示のように、内側の磁性シリンダ３１５は、Ｎ極が半径方向外側を向き縦軸３０２を横切る、一連の複数の磁石３１８を備える。従って、組み立て時、複数の磁石３１８のＮ極は、コイル組立体３１０のコア３１２の方を向くことになる。第１の側方又は端部の磁性リング組立体３２０は、コイル組立体３１０に隣接して配置される。特定の実施形態では、第１の側方の磁性リング組立体３２０は放射パターンで配置された複数の磁石３２２を備え、複数の磁石の各磁石３２２ａの磁極は、縦軸３０２とほぼ平行様式で整列される。図示のように、複数の磁石３２２のＮ極は、コア３１２又はコイル組立体３１０に向かって内側に向いている。
【００９７】
特定の実施形態では、第２の側方又は端部の磁性リング組立体３３０は放射パターンで配置された複数の磁石３３２を備え、複数の磁石の各磁石３３２ａの磁極は、縦軸３０２とほぼ平行様式で整列される。図示のように、複数の磁石３３２のＮ極は、コイル組立体３１０に向かって内側に向いている。
【００９８】
組み立て時、図８ａから８ｄの説明から、コイル組立体３００が３ｘ磁束集中デザインを利用して、磁束力強度又は磁場を集中させるようになっていることが明らかである。
【００９９】
図９ｃは、磁性シリンダ３００を組み込んだモータ／ジェネレータ組立体３５０の１つの実施形態の縦断面図である。モータ／ジェネレータ組立体３５０は、磁性シリンダ１００及び回転子ハブ１３４等の前述の構成要素と類似の構成要素を使用することができる。
【０１００】
例示的な実施形態では、モータ／ジェネレータ組立体３５０は、長手方向シャフト３５２を有する。特定の実施形態では、長手方向シャフト１５２は、鉄、又は鉄と類似の磁気特性を有するフェライト化合物から作ることができる。特定の実施形態では、長手方向シャフト３５２は、フェライト化合物又は粉体を含有することができる。いくつかの実施形態では、フェライト化合物又は粉体を絶縁液体、潤滑油、モータ油、ジェル、又は鉱油等の粘着性材料中に懸濁させて、渦電流及び磁気ヒステリシスを低減又は排除することができる。
【０１０１】
特定の実施形態では、磁性シリンダ３００及び長手方向シャフト３５２の構造的支持をもたらす外部ケーシング又はハウジング３５４を設けることができる。特定の実施形態では、ハウジング３５４は、所要の構造強度を有する任意の材料、合金又は複合物で形成することができる。特定の実施形態では、非鉄材料を使用することができる。いくつかの実施形態では、外側軸受（図示せず）を使用して、長手方向シャフト３５２とハウジング３５４又は類似の支持構造体との間の摩擦を低減することができる。特定の実施形態では、ハウジング３５４は、基部（図示せず）に結合してハウジング３５４の構造的支持をもたらすことができる。
【０１０２】
図９ｃに示すように、磁性シリンダ３００は、３ｘブラシレス組立体とすることができ、磁石組立体（例えば、長手方向磁性シリンダ３１５、第１の側方の磁性リング３２０、及び第２の側の磁気３３０）は、トロイダルコイル組立体３１０が固定された状態で回転子として機能する。この構成は、導体リード線が単一の場所（図示せず）に至るコイルセグメントを使用して、モータ／ジェネレータ出力無段制御が必要な場合は可変電圧入力と組み合わせて、並列−直列接続の単純な切替えによって段階的な速度制御ができるという利点を有する。接続ハブ３４０は、磁性シリンダ３１５をシャフト３０２に従来方式で結合する。
【０１０３】
図９ｄには、３ｘ集中形ブラシ付き「側壁」ブラシ組立体としての磁性シリンダ３００が示さえている。この組立体は、以下の図１１ａから１１ｄに示すモジュール式組立体５００に組み込むことが容易である。特定の実施形態では、モジュール式組立体５００はボルト留めモジュール式組立体とすることができ、これにより大きく設計変更することなく、異なる機械的又は電気的出力を選択する際の柔軟性が高くなる。工学的ニーズ及び設計検討により、磁性シリンダ組立体及びコイル組立体の最大数が決まることになる。
【０１０４】
以下に図１０ａ及び１０ｂを参照すると、モータ又はジェネレータ４５０の効率を向上させるために磁場又は磁束線を集中させる別の実施形態である３ｘ設計が提示されている。図１０ａは、モータ／ジェネレータ組立体４５０内の組立済みシリンダ形磁気コイル組立体４００の縦断面図であり、コイルセグメント４１０ａは通電状態ではない。図１０ｂは、モータ／ジェネレータ組立体４５０の縦断面図であり、コイルセグメント４１０ａは通電状態である（即ち、電流／電圧が導電材料４１４を流れる）。
【０１０５】
強化された磁束トロイダルコア磁性シリンダ組立体４００は、内側の平行磁性シリンダ３１５が側方の磁石リング組立体４２０及び４３０の外側に配置される点を除き、中心の磁性シリンダ組立体３００と類似のものである。
【０１０６】
特定の実施形態では、導体巻回コイル組立体４１０は、鉄、鉄粉末複合材料、又は前述のコア３１２と類似の他の磁性／非磁性コア材料で形成することができるコア４１２を備える。導電材料３１４と類似の導電材料４１４は、コア４１２に巻回されて、コイルセグメント４１０ａ等の１つ又はそれ以上のコイル又はコイルセグメントを形成するようになっている。従って、コイル組立体４１０は、コイル組立体３１０を参照して前述したように１つ又はそれ以上のコイルセグメントで構成することができる。
【０１０７】
コイル組立体４１０は、接続ハブ４１７がコイル組立体４１０を長手方向シャフト４５２に結合することを可能にする略リング形状である。特定の実施形態では、接続ハブをスリップリング（図示せず）又はブッシュ４１９に結合することができる。
【０１０８】
図示のように、外側磁性シリンダ４１５は、Ｎ極がコア４１２及び縦軸４０２に向かって半径方向内側に向いた一連の複数の磁石４１８を備える。第１の側方の磁性リング組立体４２０は、コイル組立体４１０に隣接して配置される。特定の実施形態では、第１の側方の磁性リング組立体４２０は、放射パターンで配置された複数の磁石４２２を備え、複数の磁石の各磁石４２２ａの磁極は、縦軸３０２とほぼ平行様式で整列される。図示のように、複数の磁石４３２のＮ極は、コイル組立体４１２に向かって内側に向いている。
【０１０９】
特定の実施形態では、第２の側方の磁性リング組立体４３０は、放射パターンで配置された複数の磁石４３２を備え、複数の磁石の各磁石４３２ａの磁極は、縦軸４０２とほぼ平行様式で整列される。図示のように、複数の磁石４３２のＮ極は、コイル組立体４１２に向かって内側に向いている。
【０１１０】
例示的な実施形態では、モータ／ジェネレータ組立体４５０は、長手方向シャフト４５２を有する。特定の実施形態では、長手方向シャフト４５２は、前述の長手方向シャフト３５２と同じとすることができる。
【０１１１】
特定の実施形態では、コイル組立体４１０及び長手方向シャフト４５２の構造的な支持を行う外部ケーシング又はハウジング４５４（前述のハウジング３５４と類似する）を設けることができる。いくつかの実施形態では、外部軸受（図示せず）を使用して、長手方向シャフト４５２とハウジング４５４又は類似の支持構造体との間の摩擦を低減することができる。
【０１１２】
図１０ａ及び１０ｂに示すように、磁性シリンダ４００は、３ｘブラシレス組立体とすることができ、磁石シリンダ組立体４００（例えば、外側磁性リング４１４、第１の側方の磁性リング４２０、及び第２の側方の磁性リング４３０）が固定子として機能し、トロイダルコイル組立体４１０が回転子として機能する。
【０１１３】
図１０ａには、コイルに通電する前の３ｘ磁性シリンダ組立体セクションの代表的な磁束経路が示されている。コイルセグメント４１０ａにおいて電流が確立された場合、図１０ａの永久磁石磁束線４０１は、コイルセグメント４１０ａの外側に押し出されて、図１０ｂに示すように磁性リングとコア、つまりコイルセグメント４１０ａとの間の残りの空間に押し込まれる。従って、回転子にはローレンツ力が伝達され、モータの場合には回転が引き起こされ、ジェネレータの場合には電流フローが誘導される。伝達力つまり確立された電圧／電流フローは、ローレンツ力の計算により示される。
【０１１４】
モータでは、力は、テスラ単位の磁束密度×アンペア数×メートル単位の導体長に等しい。ジェネレータでは、電圧は、テスラ単位の磁束密度×速度×メートル単位の導体長に等しい。本出願で提示するすべての構成は、これらの基本的な計算を利用する。
【０１１５】
以下に図１１ａから１１ｄを参照すると、別のモジュール式の実施形態が提示されており、各モジュールは、モータ又はジェネレータの効率を向上させるために磁場又は磁束線を集中させる３ｘデザインを使用している。図１１ａは、組立済みシリンダ形磁気コイル組立体５００の等角図である。図１１ｂは、モータ／ジェネレータ組立体５５０内の組立済みシリンダ形磁気コイル組立体５００の等角縦断面図である。図１１ｃは、モータ／ジェネレータ組立体５５０内の組立済みシリンダ形磁気コイル組立体５００の縦断面図である。図１１ｄは、モータ／ジェネレータ組立体５５０内の組立済みシリンダ形磁気コイル組立体５００の縦断面図であり、シリンダ形磁気コイル組立体の様々なコイルに電気結合された例示的なブラシシステムが示されている。
【０１１６】
以下に図１１ａ及び１１ｂを参照すると、強化された磁束トロイダルコア磁性シリンダ組立体５００が存在する。いくつかの態様では、シリンダ組立体５００のこれらの構成要素の大部分は、前述の強化された磁性シリンダコンセプトを利用して組み立てられる。磁性組立体５００は、本質的に、単一のシリンダ組立体であり（特定の極性が以下で説明するように反転された）、共通のシャフト上に長手方向に組み付けられた３つの磁性シリンダ１００（前述の）である。
【０１１７】
特定の実施形態では、導体巻回コイル組立体５１０ａから５１０ｃは、前述のコア３１２と類似したコア５１２ａから５１２ｃを含む。コア５１２ａから５１２ｃは、鉄、鉄粉末複合材料、又は他の磁性／非磁性コア材料で形成することができる。銅線等の導電材料５１４ａから５１４ｃをコア５１２ａ、コア５１２ｂ及びコア５１２ｃに個別に巻回して１つ又はそれ以上のコイルセグメントを各コイル組立体５１２ａから５１２ｃに対して形成する。前述のように、各コイル組立体５１０ａから５１０ｃの複数のコイルセグメントにより、システム供給電圧を変更することなく、コイルセグメントを直列接続及び並列接続の異なる組み合わせで選択的に接続することによる速度制御が可能になる。
【０１１８】
コイル組立体５１０ａから５１０ｃは、略リング形状であり、内側磁性シリンダ５１４ａから５１４ｃは、縦軸５０２に対して環状に配置することができる。ハブ５１６ａから５１６ｃ等の複数のハブは、長手方向シャフト５５２を内側磁性シリンダ５１５ａから５１５ｃに結合する。
【０１１９】
図示のように、内側の磁性シリンダ５１５ａから５１５ｃの各々は、磁極が縦軸５０２に直交して半径方向に整列されるように配置された一連の複数の磁石５１８を備える。第１の端部の磁性リング組立体５２０は、コイル組立体５１０ａに隣接して配置される。特定の実施形態では、第１の端部の磁性リング組立体５２０は、放射パターンで配置された複数の磁石５２２を備え、複数の磁石の各磁石４２２ａの磁極は、縦軸５０２とほぼ平行様式で整列される（前述のリング組立体３２０と同様）。図示のように、複数の磁石５２２のＮ極は、コイル組立体５１２ａに向かって内側に向いている。
【０１２０】
特定の実施形態では、第２の端部の磁性リング組立体５３０は、放射パターンで配置された複数の磁石５３２を備え、複数の磁石の各磁石５３２ａの磁極は、縦軸５０２とほぼ平行様式で整列される。図１１ｃ及び１１ｄに示すように、複数の磁石５３２のＮ極は、コア５１２ｃに向かって内側に向いている。
【０１２１】
図１１ｃ及び１１ｄに示すように、磁性シリンダ５００は、互いに長手方向に離間し、同じシャフト５５２及び縦軸５０２を共有する３つの「磁性シリンダ」５００ａ、５００ｂ、及び５００ｃを含むことができる。磁性シリンダ５００の実施形態において、個別の磁性シリンダ５００ａ、５００ｂ、及び５００ｃは、磁気極性を交互に入れ替わる。例えば、磁石５１５ａのＮ極は、コア５１２ａに向かって外側に向いている。しかしながら、磁石５１５ｂのＮ極は、コア５１２ｂから離れる方向の内側に向いている。同様に、磁石５１５ｃのＮ極は、コア５１２ｃに向かって外側に向いている。このパターンは、磁性シリンダ組立体５００に更なる個別の磁性シリンダが追加された場合に続くことになる。
【０１２２】
換言すると、個別の磁性シリンダ５００ａに関してコア５１２ａで満たされた空間は、磁石５２２、磁石５１５ａ、及び磁性リング５２４の磁石の位置決めに起因する「Ｎ極」極性で満たされた磁力を有する。一方で、個別の磁性シリンダ５００ｂに関してコア５１２ｂで満たされた空間は、磁性リング５２４の磁石、磁石５１５ｂ、及び磁性リング５２６の磁石の位置決めに起因する「Ｓ極」極性で満たされた磁力を有する。個別の磁性シリンダ５００ｃに関してコア５１２ｃで満たされた空間は、磁性リング５２６の磁石、磁石５１５ｃ、及び磁性リング５３２の磁石の位置決めに起因する「Ｎ極」極性で満たされた磁力を有する。
【０１２３】
特定の実施形態では、長手方向シャフト５５２は、鉄、鋼、又は、鉄と類似の磁気特性を有するフェライト化合物から作ることができる。特定の実施形態では、長手方向シャフト５５２は、フェライト化合物又は粉体を含有することができる。いくつかの実施形態では、フェライト化合物又は粉体を絶縁液体、潤滑油、モータ油、ジェル、又は鉱油等の粘着性材料中に懸濁させて、渦電流及び磁気ヒステリシスを低減又は排除することができる。
【０１２４】
特定の実施形態では、磁性シリンダ５００及び長手方向シャフト５５２の構造的支持をもたらす外部ケーシングつまりハウジング５５４を設けることができる。特定の実施形態では、ハウジング５５４は、所要の構造強度を有する任意の材料、合金又は複合物で形成することができる。特定の実施形態では、非鉄材料を使用することができる。いくつかの実施形態では、外部軸受（図示せず）を使用して、長手方向シャフト５５２とハウジング５５４又は類似の支持構造体との間の摩擦を低減することができる。特定の実施形態では、ハウジング５５４は、基部（図示せず）に結合してハウジング５５４の構造的支持をもたらすことができる。
【０１２５】
本実施例では、磁性シリンダ５００ａから５００ｃは、３ｘ集中形ブラシレス組立体を含み、磁石組立体（例えば、磁性リング又はシリンダ５１５、第１の側方の磁性リング５２０、及び第２の側方の磁気５３０）は、トロイダルコイル組立体５１０が固定された状態で回転子として機能する。この構成は、導体リード線が単一の場所（図示せず）に至るコイルセグメントを使用して、モータ／ジェネレータ出力無段制御が必要な場合は可変電圧入力と組み合わせて、並列−直列接続の単純な切替えによって段階的な速度制御ができるという利点を有する。
【０１２６】
図１２は、強化された磁束磁性シリンダ６００を組み込んだモータ／ジェネレータ組立体６５０の１つの実施形態の縦面図である。モータ／ジェネレータ組立体６５０は、コイル組立体６１０等の前述の構成要素と類似した構成要素を使用することができる。いくつかの態様では、磁性シリンダ組立体６００及びモータ／ジェネレータ組立体６５０のこれらの構成要素の大部分は、前述の強化された磁性シリンダの各コンセプトを利用して組み立てられる。
【０１２７】
特定の実施形態では、導体巻回コイル組立体６１０は、前述のコア３１２と類似したコア６１２を含む。銅線等の導電材料６１４をコア６１２に巻回して、１つ又はそれ以上のコイルセグメント６１０ａを形成する。コイル組立体６１０は略リング形状であり、接続ハブ又はスリングリング組立体６１７に結合することができ、同様に、接続ハブ又はスリングリング組立体は、シャフト６５２に結合することができる。
【０１２８】
図示のように、強化された磁束トロイダル磁性シリンダ組立体６００は、３つのＵ字形磁性シリンダ６８０、６８２、及び６８４を備え、各Ｕ形のシリンダの開口端面は、コア６１２又はコイル組立体６１０の方を向いている。Ｕ字形磁性シリンダの各々は、一連の複数の磁石６１８で構成され、各磁石のＮ極は、「Ｕ」字形空間に向かって内側に向いている。従って、組み立てた場合、複数の磁石６１８のＮ極は、コア６１２の方を向いて磁石の磁場を集中させるようになっている。
【０１２９】
コイル組立体６００は、９ｘ磁束集中形デザイン（３つの３ｘ集中装置）を使用する。従って、組立済みモータ／ジェネレータ６５０は、９ｘの磁性集中を有し、典型的なＤＣブラシ６１９を使用して（４つが示されているが、工学的要因に応じて任意の数のものを用いることができる）、電流を与えるか又は集めるようになっている。この特定の実施形態では、トロイダルコイル組立体６１０は、スリップリング組立体６４２に接続された回転子として機能する。９ｘ磁石シリンダ又はリング組立体は、固定子として機能する。導体に作用する磁束密度の増大により、モータ又はジェネレータモードのローレンツ出力が増大する。
【０１３０】
例示的な実施形態では、モータ／ジェネレータ組立体６５０は、前述のシャフト３５２と類似した長手方向シャフト６５２を有する。
【０１３１】
特定の実施形態では、磁性シリンダ６００及び長手方向シャフト６５２の構造的支持をもたらす外部ケーシング又はハウジング６５４を設けることができる。
【０１３２】
図１３ａ及び１３ｂには、磁場を集中させるために前記の磁性シリンダの特定の態様に組み込むことができるハイブリッド電磁石磁石組立体７００が示さえている。更に、磁性シリンダと一緒に鉄心又は類似の材料を使用して、前述のように磁場を集中させることもできる。
【０１３３】
特定の実施形態では、磁石組立体７００は、鉄心７１４のどちらかの端部に配置された少なくとも２つ又はそれ以上の市販の永久磁石７１０及び７１２を備える。例示の実施形態では、シリンダ形状が選択されるが、任意の適切な構成でもって任意の形状を構築することができる。
【０１３４】
図１３ａには、ハイブリッド磁石組立体７００の概念的な磁束線７１６が示されている。当業者であれば、整列された磁区の一部は永久磁石の磁極面を出る磁束線７１６に寄与することになるが、大部分はコア側壁７１８から「漏洩する」ことになることを理解できるはずである。
【０１３５】
図１３ｂには、電流を伝達する導電材料７２０がらせん状に巻回されたハイブリッド磁石組立体７００が示されている。図示のように、導体７２０は全ての磁束線７１６を閉じ込めて集中させて、永久磁石では整列できない一部の磁区を整列させるようになっている。この追加物により、従来の鉄心コイルよりも低いアンペア回数レベルで強力な磁束出力を生成することが可能になる。
【０１３６】
従って、このような「ハイブリッド」磁石組立体を使用して、前述の磁性シリンダの磁束力線の集中を助長することもできる。
【０１３７】
要約すると、本開示の種々の実施形態の特定の態様は、以下の利点を有することができる。
【０１３８】
従来のブラシ整流式又はＰＷＭ制御装置のモータ／ジェネレータとは異なり、本発明の態様におけるコイルは、永久磁石の磁場に連続的に接触するので、不変の連続トルク又は出力を生成する。
【０１３９】
本発明の特定の態様は直接にＤＣ電流を直接生成して利用するので、複雑なＰＷＭ駆動装置及び制御装置、整流器等は必ずしも必要ではなく、関連の損失もなくなる。
【０１４０】
所定の負荷を対象とした自動速度制御が必要である場合、複雑な位置表示は不要である。非常に単純なＲＰＭ表示及び可変の電圧／電流の関連性だけが必要である。
【０１４１】
永久磁石を利用する磁性シリンダ／単極磁石組立体コンセプトを使用して、電力を消費することなく、コンセプト以外では実現不可能な非常に強力な磁場を発生する。
【０１４２】
何らかの誘導電流フローによりＥＭＦ逆磁場が生成されるが、磁性シリンダ及びコア設計に起因して、このような移動を妨げるコイル移動に対する直接的な影響はない。
【０１４３】
ヒステリシス損はコア上の２ヵ所で１回転当たり２回だけ発生するので、鉄損及びヒステリシス損が本質的に排除される。
【０１４４】
コアは磁束線に対して垂直に移動しないので、渦電流損失が本質的に排除される。
【０１４５】
また、コア力は全方向で釣り合い等しいので、コギングも本質的に排除され、
【０１４６】
鉄の大部分を飽和させる必要がないので突入電流がほとんどなく、コイルの銅巻線の１００％を用いてローレンツ力を利用するので、従来のモータ／ジェネレータのような銅巻線の無駄がない。
【０１４７】
正弦波形の上昇及び降下による誘導性キックバックが排除される。
【０１４８】
他のＤＣモータと同様に、トルクの反転は単なる入力極性の反転である。
【０１４９】
本発明の実施形態の前記の説明は、図示及び説明を目的として提示したものである。本発明が網羅的であること及び開示された正確な形態に限定されることを意図したものではない。前記の教示に鑑みて、多くの組み合わせ、変更例、及び変形例が可能である。説明されていない置換可能な構成要素を有する実施形態は、同様に本発明の範囲内である。本発明の範囲はこの詳細な説明によって限定されるものではなく、むしろ本明細書の特許請求の範囲によって限定されることが意図されている。
【符号の説明】
【０１５０】
５２０  第１の端部の磁性リング組立体
５１２ａ  コイル組立体
５１６ａ  ハブ
５２２  磁石
５１５ａ  内側磁性シリンダ
５１５ｂ  内側磁性シリンダ
５１５ｃ  内側磁性シリンダ
５５０  モータ／ジェネレータ組立体
５５４  ハウジング
５３２  磁石
５１８  磁石
５５２  シャフト
５０２  縦軸
５１６ｃ  ハブ
５１６ｂ  ハブ
５３０  第２の端部の磁性リング組立体
５２６  磁性リング
５２４  磁性リング
【図１】
2015511115.tif 000003
【図２ａ】
2015511115.tif 000004
【図２ｂ】
2015511115.tif 000005
【図３】
2015511115.tif 000006
【図４】
2015511115.tif 000007
【図５】
2015511115.tif 000008
【図６】
2015511115.tif 000009
【図７】
2015511115.tif 000010
【図８ａ】
2015511115.tif 000011
【図８ｂ】
2015511115.tif 000012
【図８ｃ】
2015511115.tif 000013
【図８ｄ】
2015511115.tif 000014
【図９ａ】
2015511115.tif 000015
【図９ｂ】
2015511115.tif 000016
【図９ｃ】
2015511115.tif 000017
【図９ｄ】
2015511115.tif 000018
【図１０ａ】
2015511115.tif 000019
【図１０ｂ】
2015511115.tif 000020
【図１１ａ】
2015511115.tif 000021
【図１１ｂ】
2015511115.tif 000022
【図１１ｃ】
2015511115.tif 000023
【図１１ｄ】
2015511115.tif 000024
【図１２】
2015511115.tif 000025
【図１３ａ】
2015511115.tif 000026
【図１３ｂ】
2015511115.tif 000027
【国際調査報告】
2015511115.tif 000028
2015511115.tif 000029