(57)【要約】  電気機械式フライホイール装置は、フライホイールマスおよび電動発電機を有する。電動発電機は、ステーター巻き線を有する固定内側ステーターの周りに回転するローターを有する。
2015502130.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動発電機のステーターを有するコアアセンブリと、
前記ステーターを包囲する電動発電機のローターと、
前記ローターの外周に位置し、前記ローターに結合され、前記ローターとともに回転するフライホイールマスと、
前記ローターおよび前記フライホイールマスを包含する排気可能なハウジングと、
互いに離隔された第１のサスペンションアセンブリおよび第２のサスペンションアセンブリと、
を備え、
前記ステーターは、回転軸を画定し、前記回転軸の周りに位置するフィールドコイルおよび前記回転軸の周りに位置しないアーマチュアコイルを有し、
前記第１のサスペンションアセンブリは、前記ローターをセンタリングし、かつ、上昇させる力を印加する第１の電磁石ベアリングを有し、
前記第２のサスペンションアセンブリは、前記ローターをセンタリングする力を印加する第２の電磁石ベアリングを有する
電気機械式フライホイール。
【請求項２】
非磁性体マトリクス内に埋め込まれた積層体をさらに備え、
前記積層体およびマトリクスは、前記ローターの壁の少なくとも一部を形成する、請求項１に記載の電気機械式フライホイール。
【請求項３】
前記フライホイールマスおよび回転磁気プラットフォームに結合された円錐形状のハブと、
前記回転磁気プラットフォームに対向する固定磁気プラットフォームと、
をさらに備え、
前記回転磁気プラットフォームは、回転永久磁石部および回転電磁石部を有し、
前記固定磁気プラットフォームは、固定永久磁石部および固定電磁石部を有する、
請求項１に記載の電気機械式フライホイール。
【請求項４】
前記フライホイールマスに結合された円錐形状のハブと、
上端部および下端部を有するサポートピンと、
をさらに備え、
減摩ベアリングが前記サポートピンの前記上端部と嵌合する際に、前記サポートピンは前記ハブを支持し、
前記減摩ベアリングが前記サポートピンの前記下端部と嵌合する際に、磁力によって前記サポートピンは前記ハブを支持する、請求項１に記載の電気機械式フライホイール。
【請求項５】
３つ以上のステーターリングであって、前記ステーターリングの各々は、前記回転軸の周りに位置し、かつ、外縁にスロットを有する、ステーターリングと、
一対の前記スターターリングの間に配置されたフィールドコイルと、
前記ステーターリングの前記スロットと嵌合する複数のアーマチュアコイルと、
をさらに備える、請求項４に記載の電気機械式フライホイール。
【請求項６】
前記排気可能なハウジング内に設けられた吸気領域および排気領域であって、
前記吸気領域は、真空バリアハウジング、ハブの外側面、および、フライホイールマスの外縁の一部によって少なくとも部分的に画定された境界を有し、
前記排気領域は、前記真空バリアおよび前記コアアセンブリの一部によって少なくとも部分的に画定された境界を有する、吸気領域および排気領域と、
前記フライホイールマスの表面と前記真空バリアハウジングとの間に設けられた第１のドラグポンプと
をさらに備える、請求項５に記載の電気機械式フライホイール。
【請求項７】
前記ステーターリングと前記ローターとの間に設けられた第２のドラグポンプをさらに備えた請求項６に記載の電気機械式フライホイール。
【請求項８】
前記第１のドラグポンプによって確立された流れの方向と実質的に垂直な方向の流れを確立するよう動作する第２のドラグポンプをさらに備える請求項６に記載の電気機械式フライホイール。
【請求項９】
天部および底部を有するフライホイールのハウジングを含む固定アセンブリと、
前記ハウジングの前記底部から支持された下部電磁気ベアリング（ＬＥＭＢ）と、
前記ハウジングの前記天部からぶらさがる電動発電機のステーターと、
前記ハウジングの前記天部から支持された上部電磁気ベアリング（ＵＥＭＢ）と、
前記ステーターを包囲する電動発電機のローターを有し、垂直方向に回転軸を画定する回転アセンブリと、
前記ローターを包囲して、前記ローターと結合するフライホイールマスと、
前記回転軸の周りに位置する前記ステーターのフィールド巻き線と、
垂直方向に離隔された終端部を有する前記ステーターのアーマチュア巻き線と、
を備え、
前記ＬＥＭＢは、前記ローターを上昇させかつセンタリングする力を印加し、
前記ＵＥＭＢは、前記ローターをセンタリングする力を印加するフライホイールアセンブリ。
【請求項１０】
前記ローターはシャフトレスである、請求項９に記載のフライホイールアセンブリ。
【請求項１１】
第１のサポート面および第２のサポート面を画定するフライホイールハウジングと、
電動発電機のステーターと、
電動発電機のローターと、
前記ローターを包囲して、前記ローターと結合するフライホイールマスと、
前記第１のサポート面により支持された第１の電磁気ベアリング（ＥＭＢ１）と、
前記第２のサポート面により支持された第２の上部電磁気ベアリング（ＥＭＢ２）と
を備え、
前記ステーターは、前記第２のサポート面により支持され、回転軸を画定し、前記回転軸の周りに位置するフィールドコイルを有し、かつ、前記フィールドコイルと略垂直なアーマチュアコイルを有し、
前記ローターは、前記ステーターを包囲し、前記回転軸の周りを回転し、
前記ＥＭＢ１は前記ローターを上昇させかつセンタリングする力を印加し、
前記ＥＭＢ２は前記ローターをセンタリングする力を印加する、フライホイールアセンブリ。
【請求項１２】
前記ローターは、シャフトレスである、請求項１１に記載のフライホイールアセンブリ。
【請求項１３】
周囲の壁から支持されたコアアセンブリと、
ステーターと、
ローターを包囲しかつ前記ローターに結合されたフライホイールマスと、
第１および第２サスペンションアセンブリを有するサスペンションシステムと、
を備え、
前記ステーターは、電動発電機のローターの周りに位置し、前記ローターが回転する回転軸を画定し、前記回転軸の周りに位置するステーターフィールドコイルを有し、前記回転軸の周りに位置しないステーターアーマチュアコイルを有し、
前記サスペンションシステムは、前記ローターに対して軸線方向および半径方向の力を印加するための複数の磁気ベアリングを有する、
電気機械式フライホイール。
【請求項１４】
前記ローターはシャフトレスである、請求項１３に記載の電気機械式フライホイール。
【請求項１５】
ひとつ以上の環状ステーターポケットであって、前記環状ステーターポケットの各々は、前記回転軸の周りに位置し、前記環状ステーターポケットを画定する構造体は、外縁にスロットが設けられる、環状のステーターポケットと、
前記環状ステーターポケットの各々の中に配置されたフィールドコイルと、
前記スロットと嵌合する複数のアーマチュアコイルと
をさらに備える請求項４に記載の電気機械式フライホイール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、ここに参考文献として組み込む、２０１１年１１月１３日出願の米国仮特許出願第６１／５５９，１２８号の優先権の利益を主張するものである。また、本願は、ここに参考文献として組み込む、２０１１年１２月７日出願の米国仮特許出願第６１／５６８，１２６号の優先権の利益を主張するものである。また、本願は、ここに参考文献として組み込む２０１２年１月３日出願の米国特許出願第１３／３４２，８８６号の一部継続出願である。さらに、本願は、ここに参考文献として組み込む、２０１２年１月４日出願の米国特許出願第１３／３４３，６０３号の一部継続出願である。
【０００２】
本願発明は、電気機械分野の技術に関し、特に、エネルギーの蓄積および解放をもたらすフライホイールマスを組み込んだ電気機械式装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
周知のフライホイールは、運動エネルギーを蓄積する。このエネルギーを解放するよう要求されると、フライホイールは運動エネルギーが減少するに従い遅くなる。フライホイール駆動および電気機械式により駆動されるフライホイールも周知である。数十年の間、この電気機械的装置が作られ、さまざまな動作を達成してきた。しかし、最も進化した商業的装置でさえ、性能がよりよい代替品よりコストが高く、かつ、有意な動作制限にさらされるので、多くの業者はフライホイールの製造を避けてきた。小さいフライホイール製造業者による賢明な努力にも拘わらず、近代の電気機械式フライホイールは、わずかな隙間市場での狭い応用分野で見受けられ、現在の発達した世界的エネルギー供給に対して有意な寄与をしていない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電気機械的フライホイールは、大気圧条件下で動作する装置および真空条件下で動作する装置を含む。真空環境で装置の動作は高速運転において有効であるが、フライホイールマスの応力、磁気部品の温度、安全な格納容器を管理するための有用な技術によって制限されてきた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明は、ステーターおよびステーター巻き線の周りに位置するローターを有する電気機械式フライホイールを提供する。ステーター巻き線は、１）ステーターにより画定された回転軸の周りに位置するフィールド巻き線と、２）回転軸の周りに位置しないアーマチュア巻き線を有する。
【０００６】
ひとつの態様において、電気機械式フライホイールは、電動発電機のステーターを有するコアアセンブリと、ステーターを包囲する電動発電機のローターと、ローターの外周に位置し、ローターに結合され、ローターとともに回転するフライホイールマスと、ローターおよびフライホイールマスを包含する排気可能なハウジングとを備え、ステーターは、回転軸を画定し、回転軸の周りに位置するフィールドコイルおよび回転軸の周りに位置しないアーマチュアコイルを有する。
【０００７】
さまざまな態様において、ローターは、互いに離隔された第１のサスペンションアセンブリおよび第２のサスペンションアセンブリを有し、第１のサスペンションアセンブリは、ローターをセンタリングし、かつ、上昇させる力を印加する第１の電磁石ベアリングを有し、第２のサスペンションアセンブリは、ローターをセンタリングする力を印加する第２の電磁石ベアリングを有する。
【０００８】
本願発明は、図面を参照して説明される。しかし、ここで示す図面は例示に過ぎず、当業者であれば、これらの記載から、本願発明を実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本願発明に従う電気機械式フライホイール装置のブロック図である。
【図２】図２は、図１の電気機械式フライホイール装置の選択した機能およびイクイップメントを示す。
【図３】図３は図１の電気機械式フライホイール装置の第１の実施形態を示す。
【図４】図４は図１の電気機械式フライホイール装置の第２の実施形態を示す。
【図５Ａ】図５Ａは、図１の電気機械式フライホイール装置のローター磁極を示す。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図１の電気機械式フライホイール装置のローター磁極およびステーターを示す。
【図６】図６は、図１の電気機械式フライホイール装置の下部ベアリングアセンブリおよび部品を示す。
【図７】図７は、図１の電気機械式フライホイール装置の上部ベアリングアセンブリおよび部品を示す。
【図８】図８は、図１の電気機械式フライホイール装置の第３の実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本願発明のいくつかの実施形態を説明する。デザイン、図面および説明は本願発明の実施形態の一例に過ぎず、これに限定するものではない。例えば、ここに開示されたもの以外の実施形態は、これらの特徴を含んでも含まなくてもよい。また、開示された利点および利益は、本願発明の特定の実施形態にのみ適用され、開示される発明はそれに限定されない。
【００１１】
図１は、電気機械式フライホイール１００を示す。電気的相互接続１０４は、エネルギー交換ブロック１０２、パワーエレクトロニクスおよびコントロール１０６、および、電力ネットワーク１０８を電気的に接続する。
【００１２】
特に断らない限り、ここで使用する用語“接続”は、１）Ｂに直接接続されるＡ、２）Ｄを介してＥに間接的に接続されるＣを指す。
【００１３】
エネルギー交換ブロック１０２は、スピニングアセンブリ１１０およびコアアセンブリ１１２を有する。スピニングアセンブリ１１０は、電動発電機ローター１１４、フライホイールマス１１６、および、ハブ１１８を有する。コアアセンブリ１１２は、電動発電機ステーター１２０および電動発電機ステーターサポート１２２を有する。さまざまな例において、スピニングアセンブリ１１０はシャフトレスである。
【００１４】
電気的相互接続１０４は、任意の電気的導体接続、電気的インターフェース装置、電気的トランスデューサ等を有する。パワーエレクトロニクスおよびコントロール１０６は、任意のシリコンおよび／または半導体装置、および／またはデジタルプロセッサ、およびヒューマンインターフェースを含む関連インターフェースを有する。電力ネットワーク１０８は、１）ある例において、エネルギー交換ブロック１０２への電力源であり、２）ある例において、エネルギー交換ブロック１０２からの電力ユーザであり、３）ある例において、エネルギー交換ブロック１０２への電力源であり、かつ、エネルギー交換ブロック１０２からの電力のユーザである。
【００１５】
図２は、選択された電気機械式フライホイール装置の機能およびイクイップメント２００を示す。エネルギーストレージ２０２はフライホイール動作の中心である。電気機械式フライホイールにおいて、エネルギーストレージ２０２およびエネルギー変換２０４は運動エネルギーを電力に変換する手段、および／または、電力を運動エネルギーに変換するための手段を与える。エネルギー伝達２０６は、エネルギー変換のイクイップメント２２０、２１６と電力ネットワーク１０８との間で電力の伝達をもたらす。さまざまな例において、回路ブレーカー２３０のような電気スイッチは、電力伝達を可能にする導体の接続および切断をもたらす。さまざまな例において、他の電気機械式フライホイール装置の機能は、以下に説明するいくつかの補助サポート機能を有する。
【００１６】
エネルギーストレージ２０２はスピニングアセンブリ１１０を使用する。さまざまな例において、サスペンションシステム２１０はスピニングアセンブリ１１０を支持する。サスペンションイクイップメントは、ベアリングまたはそれと同様の部材２１２を有する。ある例において、受動シャットダウンシステム２１５は、シャットダウンなどの選択された動作再開においてスピニングアセンブリ１１０を支持する。
【００１７】
エネルギー変換２０４は、ジェネレータまたは電動発電機のような運動エネルギーを電力に変換する手段を利用する。電動発電機２２０が示されている。電動発電機２２０は、ローター１１４およびステーター１２０を有し、スピニングアセンブリ１１０を回転駆動するための手段、および、スピニングアセンブリ１１０によって回転駆動される手段を与える。さまざまな例において、パワーエレクトロニクス２１６は、電動発電機２２０および／または電力ネットワーク１０８から放出される電気波形の調整を可能にする。例えば、さまざまな例において、パワーエレクトロニクス２１６は、中間ＤＣバス有するＡＣ−ＡＣコンバータにおいて周波数変換を与える。また、パワーエレクトロニクス２１６はフライホイールのローター１１４の回転速度を加速するような可変速度駆動機能を提供する。
【００１８】
さまざまな例において、補助サポート機能２０８は以下に詳細に説明する補助サポートイクイップメントにより実行される。補助サポート機能２０８は、ハウジング２４０、安全装置２４２、真空装置２４４、冷却装置２４８、および、マン-マシンインターフェース２４６を有する。
【００１９】
制御機能２０５は、監視、評価、命令および他の電気機械式フライホイール機能の制御の一つ以上を与える。特に、制御機能２０５は、エネルギーストレージ２０２、エネルギー変換２０４、エネルギー伝達２０６、および補助サポート２０８機能のひとつ以上の監視および／または制御を通じて電気機械式フライホイールの動作を可能にする。
【００２０】
図３は、電気機械式フライホイールの第１部分３００を示す。エネルギー交換ブロック３０２は付加的な外側ハウジング３３８により包囲された内側ハウジング３２８に包囲されている。
【００２１】
エネルギー交換ブロック３０２は、スピニングアセンブリ３１０およびコアアセンブリ３２１を有する。スピニングアセンブリ３１０内に含まれるのは、電動発電機ローター３１４、電動発電機ローター３１４に接続され外周を取り囲むフライホイールマス３１６、フライホイールマス３１６に結合されたハブ３１８、および、可動サスペンションエレメント３４４である。いくつかの例において、非磁性スリーブ（例えば、非磁性合金および超合金）のようなスリーブが、とりわけローター３１４を支持するために、ローター３１４とフライホイールマス３１６との間に挿入されている。ローター３１４、フライホイールマス３１６、ハブ３１８および可動サスペンションエレメント３４４は、軸線ｘ−ｘに関して回転対称である。さまざまな例において、ハブ３１８はローター３１４に対して位置３５０に、および、フライホイールマス３１６に対して位置３５２に、それぞれまたは一方に取り付けられている。可動サスペンションエレメント３４４に対向して、内側ハウジング３３２の第１の壁に支持された固定サスペンションエレメント３４６がもうけられている。コアアセンブリ３１２には、ステーター３２０およびステーターサポート３２２が含まれる。ある例において、ステーターサポート３２２は内側ハウジング３３４の第２の壁に結合されている。
【００２２】
電動発電機ステーター３２０の外周を包囲するのは、電動発電機ローター３１４である。さまざまな例において、ローター３１４は、磁石部３５４および非磁石部３５６を有する。ある例において、非磁石部３５６は、磁石部３５４をブロックまたは支持するマトリクス材料を有する。ある例において、磁気ローター部は、積層構造である。
【００２３】
さまざまな例において、ステーター３２０は、可変電流を流すことができる導電体巻き線を有する一つ以上のコイルを有する磁石構造を含む。それによって、磁気構造体の磁束を変化させることができる。ある例において、第１ステーターコイル３６４は、軸線ｘ−ｘに対してほぼ垂直に交差する軸線ｙ−ｙの周りに形成されている。ある例において、第２ステーターコイル３６８は軸線ｘ−ｘの周りに形成されている。ある例において、複数の第１ステーターコイル３６４が軸線ｙ−ｙの周りに形成され、一つ以上の第２ステーターコイル３６８が軸線ｘ−ｘの周りに形成されている。第１ステーターコイル３６４はアーマチュアコイルであり、第２ステーターコイル３６８はフィールドコイルである。
【００２４】
またある例において、電動発電機３６０は、内部構成（ローターがステーターを包囲する）で示されるような単極装置である。当該単極装置は、ａ）ローター３１４と類似の回転可能ローターが、コイルレスの積層磁石構造を有し、ｂ）ステーター３２０に類似の固定中心ステーターは磁気構造体内部の磁束を形成するためのコイルを有する積層磁気構造体を有し、ｃ）ローターはステーターを包囲している。
【００２５】
図４は、第２の実施形態にかかる電気機械式フライホイール４００を示す。エネルギー変換ブロック４０２は、外側ハウジング（図示せず）によって、全体または一部を包囲された内側ハウジング４２８によって包囲されている。
【００２６】
エネルギー変換ブロック４０２は、スピニングアセンブリ４１０およびコアアセンブリ４１２を有する。スピニングアセンブリ４１０は、電動発電機ローター４１４、ローターを包囲し、かつ、結合されたフライホイールマス４１６、フライホイールマス４１６に接続されたハブ４１８、ハブ４１８を支持するためのサポートピン４９６、および、ハブ４１８を支持するための可動サスペンションアセンブリ４９２を含む。ある例において、ローター４１４とフライホイールマス４１６との間に非磁性スリーブのようなスリーブが設けられる。
【００２７】
さまざまな例において、フライホイールマス４１６は、一つ以上の種類またはグレードのガラス繊維および、一つ以上の種類またはグレードの炭素繊維のような異なる材料の層を有する。ここに参考文献として組み込む、１９９７年８月４日出願され、“ＨＵＢ  ＣＹＬＩＮＤＥＲ  ＤＥＳＩＧＮ  ＦＯＲ  ＦＬＹＷＨＥＥＬ  ＳＹＳＴＥＭ  ＦＯＲ  ＭＯＢＩＬＥ  ＥＮＥＲＧＹ  ＳＴＯＲＡＧＥ”と題する米国特許第６，１７５，１７２号の図４Ａおよび関連する説明にはフライホイールマス構造技術および材料が記載されている。
【００２８】
図に示すように、フライホイールマス４１６は、ローターに隣接する内側層４１７のような第１層、中間層４１９、および、外側層４２１を有する。ある例において、中間層４１９および外側層４２１は炭素繊維材料を含み、内側層４１７はガラス繊維を含む。他の例において、三層すべてが実質的に炭素繊維から形成されている。さまざまな例において、一つ以上の層が、テンションがかかった巻き繊維により予め応力がかけられており、固有の圧縮応力によって実質的に円筒形状のシェルを形成する。
【００２９】
サポートピン４９６、可動サスペンションアセンブリ４９２、および、ハブ４１８は同軸上に配置されており、軸線ｘ−ｘに関して回転対称である。サポートピン４９６は上部ベアリングキャリア４９０と下部ベアリングキャリア４９４との間のギャップ４９１の中に配置されている。ステーターサポート４２２から延在するのは、上部ベアリングキャリア４９０である。ハウジング４３２の第１の壁に支持されるのは、下部ベアリングキャリア４９４である。ある例において、上部ベアリングキャリア４９０の軸線ｘ−ｘに沿った長さ４９３は、上部ベアリングキャリア４９０と下部ベアリングキャリア４９４との間でサポートピン４９６を回転可能に保持するように機能する。この意味で、上部および下部ベアリングキャリアはサポートピン４９６を介してスピニングアセンブリ４１０を捕捉する手段を与え、受動シャットダウンを含む機能に対して有用である。さまざまな例において、下部ベアリングキャリア４９４および可動サスペンションアセンブリ４９２は第１の電磁気ベアリングを導入する。
【００３０】
第２の電磁気ベアリング４５１は、上部ベアリングキャリア４９０と下部ベアリングキャリア４９４から離隔されている。第２の電磁気ベアリング４５１は、ステーターサポート４２２によって支持された固定ベアリングステーター４５４、ステーターを磁化するための電気巻き線４５２、ローターに結合された対向位置ローター４５６を有する。図に示すように、電磁石の係合面４９８、４９９は、電磁石ベアリング力が軸線ｘ−ｘに対して垂直となるように、軸線ｘ−ｘに対して平行である。他の例において、上記傾斜した電磁石ベアリング面は、軸線ｘ−ｘに平行な線に沿った成分と、軸線ｘ−ｘに対して垂直な線に沿った成分とを有する電磁気ベアリング力を与える。ローターと一緒に動き、かつ、電磁気ベアリング内で使用される電磁石は、ソリッドまたは積層電磁石コアを有する。ある例において、電磁石コアは、合成電磁気コアを構成するべく小さい鋼鉄粒子が混入されたエポキシマトリクスのような樹脂マトリクスを含む。このようなコアは、電磁気コア、例えば、生成された磁場に垂直なコアの厚さに関連する磁気拡散時係数を減少させ、印加中の電流と出力される力との間の時間インターバルを減少させる傾向がある。この合成技術は、適当な薄い寸法の非常に硬い鋼鉄の積層体が得にくいため、単純に性能を向上させるのには不向きである。
【００３１】
コアアセンブリ４１２には、ステーター４２０および、内側ハウジング４２８の第２の壁４３４に結合されたステーターサポート４２２が含まれる。電動発電機ローター４１４は電動発電機ステーターを包囲する。さまざまな例において、ローターは磁石および非磁石部分（例えば、図３の３５４、３５６参照）を有する。ある例において、非磁石部分は磁石部分を支持またはブロックするマトリクス材料を含む。ある例において、磁石ローター部分は積層体構造を有する。
【００３２】
さまざまな例において、ステーター４２０は、可変電流を運ぶことができる導電体巻き線を有する一つ以上の一体型コイルを含む磁石構造を有する。それによって、磁石構造は、磁束を変化させる。
【００３３】
ある例において、単極ステーターのようなステーターは、少なくとも２つの周辺リムおよび一つのより小さい中間リムを有する。これらのリムは、鉄のような磁性材料を含む。さまざまな例において、リムはそれぞれが実質的に環状の積層構造体である。
【００３４】
図に示すように、ステーター４２０は、３つの大きい直径のリム４６４、４６６、４７０および２つの小さい直径のリム４８４、４８８を有する。実質的に環状またはドーナツ形状のポケット４８１が大きい直径のリムと小さい直径のリムとの間に形成されている。これらの３つのポケットの中で、軸線ｘ−ｘを回転軸として、それを包囲するようにコイルが配置され、フィールド巻き線４８２、４８６を形成する。フィールドコイルに加え、ステーター４２０はアーマチュアコイル４５０も含む。
【００３５】
アーマチュアコイル４５０は、各アーマチュアコイルが回転軸ｘ−ｘと実質的に垂直の軸線ｙ−ｙを包囲するように、大きいリム４６４、４６６、４７０の周辺においてスロット４８３と嵌合する（図３参照）。
【００３６】
ステーター４２０の各リムに対して、複数のローター磁極が存在する。外側のステーターリム４６４、４７０は軸線方向に離隔したローター磁極４６２、４６８（図中の実線で示す）を有し、中央のステーターリム４６６は軸方向に隣接するローター磁極４６３、４６９（図中の破線で示す）を有する。隣接するリム用のローター磁極（例えば、４６２、４６３）は軸線方向（ｘ−ｘ）に離隔されているだけでなく、ひとつのリム用のローター磁極が隣接するリムと関連する最も近いローター磁極から９０電気角度だけ半径方向に離隔されるように、半径方向においても離隔されている。
【００３７】
さまざまな例において、ターボ分子ポンプのような内部真空ポンプがフライホイールマス４１６から分子を除去するために与えられる。特に、速度が最大となるフライホイールマス周縁から分子を除去する。ここに参考文献として組み込む、米国特許第５，４６２，４０２号の“ＦＬＹＷＨＥＥＬ  ＷＩＴＨ  ＭＯＬＥＣＵＬＡＲ  ＰＵＭＰ”には、ターボ分子ポンプおよびそれを組み込んだフライホイールシステムが記載されている。
【００３８】
ある例において、第１の真空ポンプは、フライホイールマスの面４５９に関して近接して離隔された、ハウジング壁４３４から支持された固定ラビリンス形状リング４５８により形成されている。さまざまな例において、ラビリンスリングの溝は、動くフライホイール面４５９に対して排気作用を与える。ある例において、その溝は流れの方向に沿って概して減少する断面積を有するスパイラル形状である。またある例において、第２の真空ポンプは上記したものに類似のラビリンスリングによって形成される。それは、ステーター周辺部品（大きい直径のステーターリング４５４、４６４、４６６、４７０など）に固定されるか、または、対向位置ローター極（４５６、４６２、４６３、４６９、４６８）に固定される。ある例において、他の第２ポンプは、ラビリンスリングおよびフライホイールマス４１３の動く面によって形成される。例えば、内側ハウジング４２８の上に配置されまたは一体化されたラビリンス、および、当該ラビリンスに近接して動作し、かつ、第１ドラグポンプ（図示しない周縁ラビリンス）によって確立された流れの方向に対してほぼ垂直の方向に真空流を確立するフライホイールマスの周縁部によって形成される。さまざまな例において、他の第２ドラグポンプが第１ドラグポンプと協働し、２ステージドラグポンプを提供する。
【００３９】
ある例において、吸気領域および排気領域は真空可能な内側ハウジング４２８の内部に含まれる。吸気領域の少なくとも一部は、内側ハウジング４２８、ハブ４１８の外側面４１７、および、フライホイールマス４１６の外周面４１３の部分によって画定された境界を有する。排気領域の少なくとも一部は、真空バリアハウジングおよびコアアセンブリ４１２の部分によって画定された境界を有する。第１ドラグポンプは、フライホイールマス４１６の面４５９と真空バリアのハウジング壁４３４との間に設けられる。第２ドラグポンプは少なくともひとつのステーターリング４６６とローター４１４との間に設けられる。
【００４０】
図５Ａは、２＋２極のシングルステージ単極装置５００Ａ用の隣接極平面におけるローター極の半径方向の千鳥配列を示す。ローター断面図５０２およびローター５１４を参照して、第１極４６２は第１極平面Ｙ１に配置され、反対位置の極４６３は同じ平面内に配置されている。同様の時計回りに隣接する極面Ｙ２において、隣接する面の極４６５はＹ１面の極の間にある。この断面図では、Ｙ２面４６４内の第２極は存在しない。
【００４１】
極面Ｙ１、Ｙ２の平面図５０４、５０６は各極面における極４６２、４６３、４６４および４６５を示す。それらは９０°の角度だけ分離されている。この４極実施形態において、極は同様に９０電気角度だけ分離されている。
【００４２】
さまざまな例において、磁路は、隣接する千鳥格子極の間で伸長する。例えば、極アセンブリ５０８、５１０に示すように、磁路４６６、４６８は、極対４６２、４６３と４６３、４６４との間で伸長する。ここに示すように、磁路４６２−４６６−４６５および４６３−４６８−４６４によって、２つの連続磁路が４極装置ローター内に形成される。ある例において、それぞれの磁路アセンブリ４６２−４６６−４６５および４６３−４６８−４６４は、中央部４６６および４６８が他の関連部材４６２、４６５および４６３、４６４とそれぞれ実質的に直角に接続された、“Ｚ”字形状を有する。とりわけ、この構造は磁路の容量を保存する。
【００４３】
図５Ｂは、３ステージ装置用のローターおよびステーターを示す。各ステージは４つの極５００Ｂを有する。ここで、ローター磁路アセンブリ５６０が、通常は円筒形のローター構造がロールしていない、つまり、平坦面として図示されている。磁路アセンブリ５２０、５２２、５２３、５２１は部材５１９の間にスペースを有する格子５６９を作るように配列されている。さまざまな例において、当該スペースは、非磁性体によって充填されてよい。
【００４４】
格子５６９は、複数のステージＡ、Ｂ、Ｃが、それぞれ４つの極を有するように構成されている。例えば、ステージＡは、第１の完全極５５７および、２つの半分極５５３、５５５からなる第２の極を有するＮ極面を有する。ステージＡは、２つの完全極５５９、５６１を有するＳ極面を有する。したがって、ステージＡのＮ極面およびＳ極面は全部で４つの完全な極を有する。
【００４５】
各ステージは４つの磁路アセンブリまたはローター格子部を有する。例えば、ステージＡは磁路アセンブリ５２０、５２２、５２０および５２２を有する。ステージＢは磁路アセンブリ５２３、５２１、５２３、５２１を有する。ステージＣはステージＡと同様に、磁路アセンブリ５２０、５２２、５２０および５２２を有する。ある例において、磁路アセンブリの位置は、曲面が考慮されない場合、最初の向きである程度異なる。ここで、例えば、アセンブリ５２０は、アセンブリ５２２と軸線ｘ−ｘと平行な軸線の周りに１８０°回転だけ異なる。アセンブリ５２２は、アセンブリ５２１と軸線ｘ−ｘと垂直な軸線の周りに１８０°回転だけ異なる。
【００４６】
ステーター５６２の断面図が示されている。ステーターは大きな直径のリム５３４、５３６、５３８、５４０、および、小さい直径のリム５４４、５４６、５４８を軸線ｘ−ｘを中心軸として有する。第１および第２の大きい直径の中間リム５３６、５３８は、大きい直径のリム５３４、５４０の外周に間に挿入される。ひとつの小さい直径のリムは、リムが、５３４、５４４、５３６、５４６、５３８、５４８および５４０の順番で積まれるように、大きい直径のリムの各一対の間に挿入される。リムは、壁５３０を介して支持される結合されたステーターサポート５３２によって支持される。
【００４７】
複数のアーマチュア巻き線、例えば、５７１、５７２は、スロットまたはより小さい構造を介して複数の大きい直径のリム外周部５７４と嵌合する。フィールド巻き線５３５、５３７、５３９は、ステーターの回転軸ｘ−ｘを、各フィールド巻き線が一対の大きい直径リムの間にあるように、小さい直径のリムのそれぞれを包囲する一本のフィールド巻き線で包囲する。
【００４８】
ローター５６９の格子構造は、ステーター５３４の第１リムがステージＡのＮ極に対応し、ステーター５３６の第３リムがステージＡのＳ極およびステージＢのＳ極に対応し、ステーターの第４リムがステージＢのＮ極およびステージＣのＮ極に対応し、ステーターの第７リムがステージＣのＳ極に対応するように、配置される。
【００４９】
さまざまな例において、ベアリングがスピニングアセンブリおよびフライホイールマス１１６、３１６、４１６を支持するのに使用される。ここで示すスピニングアセンブリを支持するのに十分なベアリングの任意の組み合わせが、使用可能である。
【００５０】
図６は、下部ベアリングキャリアおよびいくつかの関連部品６００を示す。図面の上半分に示すように、フライホイールマスに結合するためのハブ６１８、ハブ６１８を支持するためのサポートピン６９６、ハブ６１８を支持するための可動サスペンションアセンブリ６９２、および、下部ベアリングキャリア６９４がもうけられている。ハブ６１８、サポートピン６９６、および可動サスペンションアセンブリ６９２は一緒に固定して結合されている（図６では分解図で示す）。
【００５１】
さまざまな例において、可動サスペンションアセンブリ６９２は、可動サスペンションアセンブリ電磁気ベアリングローター６０２を有する。ある例において、ベアリングは可動サスペンションアセンブリ電磁気ベアリング面６０３を有する。当該面は軸線ｘ−ｘに平行なｘ１−ｘ１軸線と当該面とによりなす角度θ１＝０°で方向付けられている。ある例において、ベアリングは、０＜θ１＜９０°（傾斜面）の角度を向いた面６０３を有する。それにより、軸線ｘ−ｘに垂直な軸線に平行な電磁気ベアリング力成分、および、軸線ｘ−ｘに平行な電磁気ベアリング力成分が与えられる。
【００５２】
さまざまな例において、可動サスペンションアセンブリ６９２は、可動サスペンションアセンブリ永久磁石６０４を有する。また、ある例において、永久磁石は電磁気ベアリングローター６０２に付加される。ある例において、可動サスペンションアセンブリ磁石ホルダ６０６は可動サスペンションアセンブリ電磁気ベアリングローターおよび可動サスペンションアセンブリ永久磁石の一方又は両方を保持するためのホルダを与える。
【００５３】
可動サスペンションアセンブリ６９２が電磁気ベアリングローター６０２を有する場合、下部ベアリングローターキャリア６９４は、対応する下部ベアリングキャリア電磁気ベアリングステーター６１４およびステーターを磁化するための下部ベアリングキャリアステーター電磁気コイル６１６を有する。ステーターは、ハウジングの壁６３２によって支持される下部ベアリングキャリアフレーム６１２によって支持される。
【００５４】
ある例において、ベアリングステーターは積層構造である。ある例において、ベアリングは下部ベアリングキャリア電磁石ベアリング面６１５を有する。当該面は、軸線ｘ−ｘに平行なｘ２−ｘ２軸および当該面とのなす角度θ２＝０°で方向付けられる。ある例において、ベアリングは、０＜θ２＜９０°（傾斜面）の角度を向いた面６１５を有する。それによって、軸線ｘ−ｘに垂直な軸線に平行な電磁気ベアリング力成分、および、軸線ｘ−ｘに平行な電磁気ベアリング力成分が与えられる。当業者が理解するように、ベアリング面６０３、６１５は直線のローター面が直線のステーター面と一致し、かつ、傾斜ローター面と傾斜ステーター面とが一致するように、連係する。
【００５５】
可動サスペンションアセンブリ永久磁石６０４が使用される場合、下部ベアリングキャリア６９４は、対向位置の永久磁石６２０を有する。ある例において、下部ベアリングキャリア永久磁石ホルダ６１９は、下部ベアリングキャリアフレーム６１２から支持され、永久磁石６２０を支持する。
【００５６】
さまざまな例において、下部ベアリングキャリア６９４は、減摩ベアリング６２２のような下部ベアリングキャリアランディングベアリングを有する。ランディングベアリングは下部ベアリングキャリアフレーム６１２から支持される。ある例において、ダンピング材料６２４はランディングベアリングに対する着座材を与える。
【００５７】
図７は、上部ベアリングキャリアおよびいくつかの関連部品７００を示す。上部ベアリングキャリア７９０は、固定プレート７０２および可動プレート７０４を有する。
【００５８】
固定プレート７０２は溝形式のコイルスペース７０６を有する。当該溝は可動プレート７３０に面する固定プレート７０２の側にある。コイル７０７により包囲される磁気材料を磁化するための電気コイル７２２が含まれる。
【００５９】
可動プレート７０４はスプリングスペース７０８および機械的ベアリングスペース７１０を有する。スプリングスペース７０８は、可動プレート７０４の減少する直径部が固定プレート７３２に面するプレートの側に延在し、かつ、コイルスプリング７２０のようなスプリングがこのスペースを占めるように形成される。ベアリングスペース７１０は、固定プレート７３２に面する可動プレート面と対向する可動プレート面７３４の中心のキャビティである。この電磁石の動作はスプリングを圧縮しプレートを一緒に引く。
【００６０】
さまざまな例において、上部ベアリングキャリア７９０は、減摩ベアリング７１６のような上部ベアリングキャリアランディングベアリングを有する。ランディングベアリングは可動プレートキャビティ７１０内に配置される。ある例において、ダンピング材料７１８はランディングベアリングに対する着座材を提供する。
【００６１】
図６および図７に示すように、サポートピン６９６は上部ベアリングキャリア７９０および下部ベアリングキャリア６９４との間で伸長する。また、上部ベアリングキャリアランディングベアリング７１６、サポートピン６９６、可動サスペンションアセンブリ６９２、下部電磁石ベアリングステーター６１４、下部ベアリングキャリア永久磁石６２０、および下部ベアリングキャリアランディングベアリング６２２は、可動プレート７０４が下部ベアリングキャリア７９３の方向に移動するとき、サポートピンの上方端７２８および下方端６２８が上部ランディングベアリング７１６および下部ランディングベアリング６２２とそれぞれ係合し、かつ、それぞれのランディングベアリング７２６、６２６の中央アパーチャと係合するように、軸線ｘ−ｘを中心として配置される。
【００６２】
図８は、電気機械式フライホイール８００の他の実施形態を示す。フライホイールマス８３１は、金属ライナー８３０を有する単極電動発電機ローターを包囲しかつ結合されている。ローターは、Ｎ極ローター８２４、８３２を有する。Ｓ極ローターは図示していない。図５ＢのステージＡおよびステージＢを参照して、Ｓ極ローターが同様に配置される。
【００６３】
ステーターサポート８１１は電動発電機ステーター８２８に結合される。フィールド巻き線８２６およびアーマチュア巻き線８２０は上述したのと同様の方法で一体化される。
【００６４】
ローター８３０およびフライホールマス８３１を支持するのは、ハブ８４６である。当該ハブは上部および下部ベアリングキャリア８６０、８６２との間に係合および／または配置されたサポートピン８６４によって支持される。図６および図７に、同様のベアリングキャリアが詳細に示されている。第１電磁気ベアリング８６６は下部ベアリングキャリア内に配置される。第２電磁式ベアリング８７０は第１および第２ベアリングキャリアから離隔されており、ベアリングステーター８１８、ベアリングローターおよびステーターを磁化するためのステーターコイル８１４を有する。
【００６５】
電磁気フライホイールハウジングは内部真空バリア８１２を有する。ある例において、外側ハウジング８０７は真空バリアを支持する。適当な真空バリアの材料として、ステンレススチールおよび当業者に周知の他の材料が含まれる。
【００６６】
さまざまな例において、ステーターサポート８１１は中空構造を有し、同軸チューブ８０１が内部に配置されている。同軸チューブ８０１はステーターサポート８０２に進入する液体冷媒を閉じこめる。サポート構造の内径と同軸チューブ８０１の外径との間の環状部分はステーターサポート８０３を流れる冷媒用の流路を与える。環状部分を通じて流れる冷媒はステーター８２８から熱を吸収し、さまざまな例において、流入口８０２内にポンプによって戻る前にクーラーによって冷却される。
【００６７】
ある例において、熱パイプ８０８はステーターを冷却する。複数の熱パイプの各々は、ステーターに近接した位置にステーターアマーチュア巻き線スロット８７２のような熱吸収第１端を有する。熱パイプの熱放出端は真空バリア８７４に接触するほど真空バリアに近接した位置にあり、または、上述の冷媒流によって冷却される。
【００６８】
動作中、電気機械式フライホイールのフライホイールマスは、フライホイール充電中に電動発電機によって加速される。充電中に、エネルギーは電動発電機に伝達される。放電中に、電動発電機はフライホイールの運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、それに伴いフライホイールマスは減速する。パワーエレクトロニクスは、電動発電機および機械的に結合されたフライホイールマスを駆動させるためにネットワーク電力の変換を与える。パワーエレクトロニクスは、電力が伝送される電気ネットワークによる使用に適した波形に、電動発電機で生成された電力を変換する。
【００６９】
本願発明のさまざまな実施形態を説明してきたが、これらは例示に過ぎず、発明を限定するものではない。発明の思想および態様から離れることなく、さまざまな修正および変更が可能であることは当業者の知るところである。本願発明の範囲および態様は、以下の特許請求の範囲の記載およびその均等の範囲において解釈されるべきである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００７０】
【特許文献１】米国特許第６，１７５，１７２号
【特許文献２】米国特許第５，４６２，４０２号
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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