(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子と回転子を備えた電気的マシンにおいて、前記電気的マシンは、
前記固定子に設けられた磁束源と、
前記固定子に設けられ、前記回転子の軸の周囲にループを形成するよう配置された電気的導体と、
前記固定子に設けられた複数の第１磁束伝導体と、
前記固定子に設けられた複数の第２磁束伝導体と、
前記回転子に設けられた複数の磁束スイッチとを備え、
前記第１磁束伝導体のそれぞれは、
前記磁束源のＮ極に接続され、
前記回転子の軸を中心とする半径方向に沿って前記磁束源のＮ極から前記回転子に向かって延在し、
前記電気的導体を保持するノッチを間に有するように第１及び第２の部分に分岐し、
前記第２磁束伝導体のそれぞれは、
前記磁束源のＳ極に接続され、
前記回転子の軸を中心とする半径方向に沿って前記磁束源のＳ極から前記回転子に向かって延在し、
前記電気的導体を保持するノッチを間に有するように第１及び第２の部分に分岐し、
前記各第１磁束伝導体及び前記各第２磁束伝導体は、前記電気的導体のループに沿って交互に配置され、
前記回転子の回転角が複数の第１角度位置のそれぞれにあるとき、前記磁束スイッチのそれぞれは、互いに隣接する一対の第１磁束伝導体及び第２磁束伝導体における前記第１磁束伝導体の第１の部分と前記第２磁束伝導体の第２の部分とを接続し、前記磁束源からの磁流が前記電気的導体のループを第１の方向に通過するように前記電気的導体の周囲に磁束回路を完成させ、
前記回転子の回転角が複数の第２角度位置のそれぞれにあるとき、前記磁束スイッチのそれぞれは、互いに隣接する一対の第１磁束伝導体及び第２磁束伝導体における前記第２磁束伝導体の第１の部分と前記第１磁束伝導体の第２の部分とを接続し、前記磁束源からの磁流が前記電気的導体のループを第２の方向に通過するように前記電気的導体の周囲に磁束回路を完成させる電気的マシン。
【請求項２】
前記回転子を回転させたとき、前記電気的導体に交流電流が流れる請求項１記載の電気的マシン。
【請求項３】
前記電気的導体に交流電流を印加したとき、前記回転子が回転する請求項１記載の電気的マシン。
【請求項４】
固定子と回転子を備えた電気的マシンにおいて、前記電気的マシンは、
前記固定子に設けられた磁束源と、
前記固定子にそれぞれ設けられ、前記回転子の軸の周囲にループを形成するようそれぞれ配置された、第１、第２及び第３の電気的導体と、
前記固定子に設けられた複数の第１磁束伝導体と、
前記固定子に設けられた複数の第２磁束伝導体と、
前記回転子に設けられた複数の第１磁束スイッチと、
前記回転子に設けられた複数の第２磁束スイッチと、
前記回転子に設けられた複数の第３磁束スイッチとを備え、
前記第１磁束伝導体のそれぞれは、
前記磁束源のＮ極に接続され、
前記回転子の軸を中心とする半径方向に沿って前記磁束源のＮ極から前記回転子に向かって延在し、
第１、第２、第３及び第４の部分に分岐し、前記第１磁束伝導体の第１及び第２の部分の間に前記第１の電気的導体を保持する第１のノッチを有し、前記第１磁束伝導体の第２及び第３の部分の間に前記第２の電気的導体を保持する第２のノッチを有し、前記第１磁束伝導体の第３及び第４の部分の間に前記第３の電気的導体を保持する第３のノッチを有し、
前記第２磁束伝導体のそれぞれは、
前記磁束源のＳ極に接続され、
前記回転子の軸を中心とする半径方向に沿って前記磁束源のＳ極から前記回転子に向かって延在し、
第１、第２、第３及び第４の部分に分岐し、前記第２磁束伝導体の第１及び第２の部分の間に前記第１の電気的導体を保持する第１のノッチを有し、前記第２磁束伝導体の第２及び第３の部分の間に前記第２の電気的導体を保持する第２のノッチを有し、前記第２磁束伝導体の第３及び第４の部分の間に前記第３の電気的導体を保持する第３のノッチを有し、
前記各第１磁束伝導体及び前記各第２磁束伝導体は、前記第１、第２及び第３の電気的導体のループに沿って交互に配置され、
前記回転子の回転角が複数の第１角度位置のそれぞれにあるとき、前記第１磁束スイッチのそれぞれは、互いに隣接する一対の第１磁束伝導体及び第２磁束伝導体における前記第１磁束伝導体の第１の部分と前記第２磁束伝導体の第２の部分とを接続し、前記磁束源からの磁流が前記第１の電気的導体のループを第１の方向に通過するように前記第１の電気的導体の周囲に磁束回路を完成させ、
前記回転子の回転角が複数の第２角度位置のそれぞれにあるとき、前記第１磁束スイッチのそれぞれは、互いに隣接する一対の第１磁束伝導体及び第２磁束伝導体における前記第２磁束伝導体の第１の部分と前記第１磁束伝導体の第２の部分とを接続し、前記磁束源からの磁流が前記第１の電気的導体のループを第２の方向に通過するように前記第１の電気的導体の周囲に磁束回路を完成させ、
前記回転子の回転角が複数の第３角度位置のそれぞれにあるとき、前記第２磁束スイッチのそれぞれは、互いに隣接する一対の第１磁束伝導体及び第２磁束伝導体における前記第１磁束伝導体の第２の部分と前記第２磁束伝導体の第３の部分とを接続し、前記磁束源からの磁流が前記第２の電気的導体のループを第１の方向に通過するように前記第２の電気的導体の周囲に磁束回路を完成させ、
前記回転子の回転角が複数の第４角度位置のそれぞれにあるとき、前記第２磁束スイッチのそれぞれは、互いに隣接する一対の第１磁束伝導体及び第２磁束伝導体における前記第２磁束伝導体の第２の部分と前記第１磁束伝導体の第３の部分とを接続し、前記磁束源からの磁流が前記第２の電気的導体のループを第２の方向に通過するように前記第２の電気的導体の周囲に磁束回路を完成させ、
前記回転子の回転角が複数の第５角度位置のそれぞれにあるとき、前記第３磁束スイッチのそれぞれは、互いに隣接する一対の第１磁束伝導体及び第２磁束伝導体における前記第１磁束伝導体の第３の部分と前記第２磁束伝導体の第４の部分とを接続し、前記磁束源からの磁流が前記第３の電気的導体のループを第１の方向に通過するように前記第３の電気的導体の周囲に磁束回路を完成させ、
前記回転子の回転角が複数の第６角度位置のそれぞれにあるとき、前記第３磁束スイッチのそれぞれは、互いに隣接する一対の第１磁束伝導体及び第２磁束伝導体における前記第２磁束伝導体の第３の部分と前記第１磁束伝導体の第４の部分とを接続し、前記磁束源からの磁流が前記第３の電気的導体のループを第２の方向に通過するように前記第３の電気的導体の周囲に磁束回路を完成させる電気的マシン。
【請求項５】
前記磁束源は、永久磁石および電磁石の磁界が合成されるように両磁石が並置されているハイブリッド磁石である請求項１記載の電気的マシン。
【請求項６】
請求項１記載の電気的マシンにより電気を発生させる方法であって、前記方法は、
前記回転子を回転させるステップと、
前記電気的導体において交流電流を発生させるステップとを含む方法。
【請求項７】
請求項１記載の電気的マシンにより原動力を供給する方法であって、前記方法は、
交流電流の極性が変化するときに前記各磁束スイッチが前記交互に配置された各第１磁束伝導体及び各第２磁束伝導体の間で移動するように、前記電気的導体に前記交流電流を供給するステップを含む方法。
【請求項８】
請求項４記載の電気的マシンにより原動力を供給する方法であって、前記方法は、
前記各第１磁束スイッチ、前記各第２磁束スイッチ及び前記各第３磁束スイッチが前記交互に配置された各第１磁束伝導体及び各第２磁束伝導体の間で移動して前記回転子を所定方向に回転させるように、前記第１、第２及び第３の電気的導体に３相交流電流を供給するステップを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
この発明の実施例は、モータあるいは発電機のいずれかとして機能することができる、電気的マシンに関する。本電気的マシンは、高い効率および高いパワー密度を達成するために高周波で向きが変わる磁流を用いる。
【０００２】
[発明の背景]
モータおよび交流発電機は、高い効率、高いパワー密度および低コストとなるように設計されている。高いパワー密度は、高い回転速度、それ故、高い電気的な周波数で交流発電機を動作させることにより達成される。しかしながら、高い電気的な周波数は高い鉄損およびより低い効率に帰着する。非常に低い鉄損(その結果、高い電気的な周波数で動作することを可能にする)を有するモータおよび交流発電機を提供することが望ましい。
【０００３】
もし高い回転速度が得られないなら、先行技術のモータもしくは交流発電機は、低い回転速度で高い電気的な周波数を得るために多くの磁極を持たなければならない。先行技術のモータもしくは交流発電機は、スペースの制限により、持つことができる磁極の数に現実的な制限がある。したがって、一旦その制限に到達すると、あるパワーに達するためには、モータもしくは交流発電機は、比較的に大きくなるとともに、低い回転速度の場合に特有である低いパワー密度を持つようになるに違いない。現在可能なものに対して数倍の個数の磁極を持つことができ、低い回転速度であっても高いパワー密度およびよい効率を提供できるモータもしくは交流発電機を提供することが望ましい。
【０００４】
先行技術のモータおよび交流発電機に備わる別の問題は、それらが、磁界をもたらすための永久磁石あるいは電磁石のいずれかを必要とすることにある。各タイプの磁石はいくつかの長所およびいくつかの短所を持つので、２つのタイプの磁石間のトレードオフについて決定を下すことが必要となる。永久磁石は単純性を提供し、それらは、電気的な入力を必要とせず、この結果、ブラシレスのモータまたは交流発電機を可能にするという長所を持つ。永久磁石はまた、比較的高いパワー密度のモータもしくは交流発電機を設計することも可能にする。しかしながら、それらは、広い速度範囲にわたる動作を許容せず、そして、所望されても、磁力をなくすことはできない。電磁石は電源は切ることができるが、より多くのスペースを占め、電力を得るためにスリップリングを必要とし、システムに対して寄生ロスとなる。したがって、クラッチの必要を回避するために、多くのマシンが、より低いパワー密度、より低い効率およびより高い複雑さのモータもしくは交流発電機を受け入れなければならない。永久磁石と電磁石の利点を組み合わせることができるモータおよび交流発電機を提供することが望ましい。
【０００５】
既存のモータおよび交流発電機での設計上のトレードオフは、いくつかのモータおよび交流発電機の商業的成功を妨害した。例えば、低速出力が、車両サスペンションおよび駆動システムの重量とサイズの要件と両立しない大きなモータを必要とするので、乗り物の車輪を駆動するハブ・モータは製品化されていない。成功しようとするハブ・モータは、先行技術のモータによって提供されたものより数倍高いパワー密度を必要とし、また、よい効率を維持しなければならず、可変の磁界強度を持たなければならない。そのようなモータは、電気自動車およびハイブリッドの電気自動車を商業的に許容できるものにするために大いに役立つであろう。
【０００６】
[課題を解決するための手段]
この発明の実施例は、先行技術の装置より数倍高いパワー密度を提供するモータ/交流発電機を提供する。これは、基本的に鉄損を大きく低減することにより達成され、それにより、はるかに高い電気的な周波数でモータ/交流発電機を動作させることを可能にする。それは、与えられた回転速度に対し、高い電気的な周波数で動作するので、装置が交流発電機として動作させられる場合、出力電圧は先行技術の交流発電機のものよりも高い。これは、巻線に流れる電流を低減し、本質的に装置の抵抗性損失を低下させる。
【０００７】
従来のモータおよび交流発電機は、固定子、回転子の一方または双方で変化する磁界を生成するために、巻線内で変化する電流を用いる。この発明の実施例はそれに替えて、磁界の磁束経路の変更によって一定の磁界を変化させる。ヒステリシスと渦電流は鉄損の主要な原因である。ヒステリシスは、材料中の磁極性の逆転によって引き起こされる。また、磁界が逆になっても逆にならなくても、渦電流は材料中の磁界の強度の変化によって引き起こされる。この発明の実施例は、粉末鉄のような渦電流に強い材料を使用して、コアの大部分におけるヒステリシス、およびコアのその部分に対するヒステリシスを防ぐことにより、低い鉄損を達成する。この発明の実施例は、磁界の逆転が発生するコアの小さな部分において低ヒステリシス損の材料を使用することにより、さらに鉄損を低減する。
【０００８】
この発明の実施例によるモータ/交流発電機は、N極およびS極を備えた単一の磁石を用いる。磁石は選択的に永久磁石あるいは電磁石、あるいは両者の組み合わせである。複数の磁束伝導体は、単一磁石からの磁界を導く。磁束伝導体の半分が、正の極性を持つように磁石のN極に接し、そして、磁束伝導体の他の半分が、負の極性を持つように磁石のS極に接する。N極側およびS極側の磁束伝導体は、磁束伝導体間の磁束もれを最小限にするのに十分なエアギャップによって互いに分離している。複数のスイッチデバイスが回転子に取り付けられる。スイッチデバイスは、装置の磁石のNとS極の間で磁束を導くための磁気回路を交互に開閉するように、磁束伝導体間に接触して接続する。装置内では、これらの磁束スイッチのみにおいてヒステリシスが生じる。複数の磁束伝導体がパワーコイルの周囲で磁束を交互に反転した方向に導くように、それらの磁束伝導体が配置される。磁束伝導体の半分は、パワーコイルの回りで時計回り方向の磁界を生成し、残りの半分は、コイルの回りで反時計回り方向の磁界を生成する。スイッチデバイスが交番磁気回路を開閉するとき、パワーコイルの回りで磁界の極性が反転される。交流発電機として使用された時、磁界の極性の反転はパワーコイル中に交流EMF電圧を誘導させる。AC電圧がパワーコイルに印加される場合、装置は、回転子上のスイッチデバイスが磁束伝導体間で移動させられることにより、モータとして動作する。
【０００９】
磁束伝導体は極めて小さくすることができ、そのため、それらが接近しすぎて、磁気もれが生じる前に、多数の磁束伝導体ペアを小さなスペース内に収容できる。磁束伝導体の各ペアが、モータ/交流発電機中の１つの磁極から成るので、この発明の実施例では、先行技術のモータおよび交流発電機よりも磁極の個数を数倍多くすることが可能である。磁極の個数が非常に多いことは、この発明の実施例が、適度な回転速度で動作しながら、高いパワー密度のために必要とされる高い電気的な周波数を達成することを可能にする。
【００１０】
[発明の効果]
この発明の実施例による装置は、単一の磁石だけを使用するという長所を持つ。これは、多くの先行技術のモータおよび交流発電機と比較して、非常に単純で経済的な構成を可能にする。この発明の実施例は、多数の磁石を必要とすることなく多数の磁極を備えたモータまたは交流発電機をもたらす。更に、磁石が固定子上にあるので、電磁石に電流をもたらすためのスリップリングが不要で、その製造を非常に単純化する。磁石が選択的に永久磁石あるいは電磁石のいずれかであるので、希望の使用状況で最も良好に機能する磁石を選択する際に、大きな柔軟性がある。１つの可能性は、磁石が永久磁石と電磁石とを組み合わせたハイブリッドである場合である。この構成では、永久磁石が固定強さの磁界を提供する。また、追加的な電磁石は、磁界を増大させて強めるか、あるいは潜在的にそれを低減するために使用される。電磁石からの磁界の強さを調節することによって、必要に応じてモータまたは交流発電機の合計磁界強度が随意に調節される。
【００１１】
この発明の別の実施例は、３相の装置を提供する。その３相の実施例でも、必要とされるのは１つの磁石あるいはハイブリッド磁石のみであり、この磁石あるいはハイブリッド磁石は、上下方向に並べて配置された３個の個別のコイルを囲む複数の磁束伝導体を磁化する。磁気回路が一度に１個のコイルのまわりで完成するように、複数の磁束スイッチが並べて配置される。交流発電機として使用された時に３相出力が生成されるように、かつ、モータとして使用された時に３相電力が装置を駆動するように、複数の磁束スイッチは互いに所定間隔を有して配置される。
【００１２】
この発明の実施例は、レイアウトと幾何学構成で多くの可能性を持つ。回転子は、選択的に、固定子の内側あるいは外側に位置し、あるいは対面して位置する。磁束スイッチおよび磁束伝導体は、例えば意図した使用に基づき、随意に種々の形態をとる。磁石は、選択的に永久的、電気的、あるいはその双方である。本明細書では述べていなくても本発明の範囲内でさらに多くの変形例が存在しうる。
【００１３】
本発明の実施例によるモータ/交流発電機は、与えられた回転速度に対して、先行技術の装置と比較して非常に高い電気的な周波数で動作する。これは非常に高いパワー密度をもたらす。１つの実施例では、動作時の電気的な周波数は、与えられた回転速度に対して先行技術の装置より１０倍高い。これは、１０倍高いパワー密度をもたらす。この高周波動作はさらに、装置が交流発電機として使用される場合に、電力出力を滑らかにするコンデンサーに対する必要性が低減される結果となる。この高周波動作はさらに、装置が、先行技術の装置と比較してはるかに高い電圧で動作することを可能にし、そのために、装置のバッテリー充電能力を改善し、また、インバーターとのインターフェースを単純化する。電圧を高くすることは、さらに、装置内のワイヤを小さくし、低電流および低電力損失をもたらす。
【００１４】
様々な実施例中のこの発明による追加の特徴および利点は、この開示の残りから明らかになるであろう。この発明の実施例による特徴と利点は、添付した図面に関連する次の詳細な記述から明らかになるであろう。
【００１５】
[発明を実施するための最良の形態]
この発明はいくつかの異なる実施例で示され、かつ説明され、主に４つの具体的に記述された実施例で説明される。第１の具体的に述べた実施例は単相装置である。さらに、第２のものは、磁束の経路の幾何学的形状が異なる単相の装置である。第３のものでは、３相型装置について説明する。第４のものは、その回転子が固定子の内側にある単相型装置である。特に具体的に説明したもの以外にも他の実施例（回転子が内側にある３相装置など）があり、それについてはここでは特に記述していないが、これらの４つの実施例から自ずから、または完全に理解されるであろう。
【００１６】
図１で示されるように、この発明の実施例は、リング磁石２を持っている固定子１、１組のN極側磁束伝導体４、１組のS極側磁束伝導体６およびパワーコイル８を含む。N極側およびS極側磁束伝導体４および６は、磁石２と直接に接触している。磁束伝導体４、６は、容易に磁界を導く材料で作られている。鉄性の材料が良好に作用する。そして、他の材料も自由に使用されるが、１つの具体的な材料は粉末金属である。磁束伝導体４および６は、磁石２の磁界をパワーコイル８へ向かって導く。パワーコイル８は、装置が交流発電機として使用される場合、電気的な電圧が生成される電気的なコイルである。モータとして使用される時、パワーコイル８は、電圧と電流を供給して装置に電力供給する。パワーコイル８は電気的リード１０を含み、この電気的リード１０により、装置が交流発電機として使用される場合には出力電力を集め、それがモータとして使用される場合には電力供給する。
【００１７】
図２は、図１のリング磁石のより詳細な分解組立図である。この発明の１つの実施例は、同心円状に配置された永久磁石１２および電磁石１４を含むハイブリッド磁石であるが、この発明の実施例は、選択的に、永久磁石１２のみを含むか、電磁石１４を単独に含んでもよい。永久磁石１２だけを備えた磁石２の構成では、電磁石１４は存在せず、電磁石１４に接続された電気的リード１６も不要である。電磁石１４だけを備えた磁石２の構成では、電磁石１４によって生成された磁束を導くために、永久磁石１２は、永久磁石と同じ形状の強磁性材料のシリンダによって置き換えられる。その後、磁界は、電磁石１４の電気的リード１６に印加される電圧の調節により増減される。永久磁石１２および電磁石１４の両方がハイブリッド磁石として使用される磁石２の一構成例では、電磁石１４の磁界が、永久磁石１２の磁界に対して自由に加算もしくは減算される。これは、始動、クラッチ操作または制動のために所望された時、磁界の強さが電磁石１４によって調節されることを可能にする一方、大部分の時間においては、永久磁石１２によって生成された磁界だけを用いて外部電流源なしでモータ/交流発電機が動作することを可能にする。
【００１８】
磁石２のN極へ接続される複数の磁束伝導体４は、オプションで、図３で示されるような単一の部品として形成される。その磁束伝導体は、その磁束伝導体のための構造的な支持を提供する装着用リング１８を含む。装着用リング１８は、磁石２（図示せず）のN極側と接触し、その場所に磁石２を保持する。磁束伝導体である複数の薄板（ラミネート）２０が装着用リング１８に取り付けられる。薄板２０は、磁石２から適切な位置へ磁界を導く。各薄板２０は、装着用リング１８から放射状に外へ伸びて、２つの伝導部分に分離している。
【００１９】
図４は、単一のN極側磁束伝導体薄板２０を示す。上部伝導部分２２は、装着用リング１８から直接放射状に外へ伸び、下部伝導部分２４は、上部伝導部分２２から下方へ伸びる。各薄板２０の上部伝導部分２２および下部伝導部分２４の間には、パワーコイル８(不図示)を保持するように形成されたノッチ２６が存在する。下部伝導部分２４の各々は、下方へ伸びていることに加えて、下部伝導部分２４が上部伝導部分２２と垂直方向に整列しないように曲げられている。下部伝導部分２４の各々は、２つの隣接した上部伝導部分２２間の中間位置で、周方向に間隔を有して配置される。１つの実施例では、図３の磁束伝導体４は６０個の薄板２０を含み、このため２つの薄板２０間の回転方向の分離が６度となる。下部伝導部分２４が上部伝導部分２２に対して周方向にオフセットされるので、２つの伝導部分２２と２４の間のオフセットの合計は３度である。磁束伝導体４は、粉末金属から単一部品として随意に鋳造される。しかしながら、磁束伝導体４は、単一部品である装着用リング１８と、装着用リング１８にそれぞれしっかりと取り付けられる別個の部品である複数の薄板２０とから組み立てられてもよい。
【００２０】
別の組の磁束伝導体６が図５に示される。複数の磁束伝導体６は、磁石２（図示せず）のS極に磁気的に接続される。磁束伝導体６は、図３の磁束伝導体４と同じ構成である。磁束伝導体６は、磁束伝導体６は、磁石２のS極へ接続される装着用リング２８を含む。複数の薄板３０は、装着用リング２８から放射方向に外側へ突き出る。
【００２１】
図６は、磁束伝導体６の薄板３０が、上部伝導部分３２と、装着用リング２８から放射方向に延在する下部伝導部分３４とに分離していることを示す。パワーコイル８(不図示)を保持するために、上部伝導部分３２と下部伝導部分３４との間にノッチ３６が設けられている。二つの伝導部分３２および３４の組が互い違いとなるように、上部伝導部分３２は、下部伝導部分３４に対して周方向にオフセットされる。
【００２２】
図７のごとくN極側磁束伝導体４の薄板２０がS極側磁束伝導体６の薄板３０に対して間隔を有して配置されるように、図１の磁束伝導体４および６は互いに向かい合っている。隣接した薄板間のエアギャップを通る漏れ磁束がほとんどないか、全く存在しないように、薄板２０、３０は適切に間隔を有して配置される。1インチのおよそ1000分の50のスペースは漏れ磁束を最小限にするのに十分であるに違いない。N極側薄板２０の上部および下部伝導部分２２、２４および、S極側薄板３０の上部および下部の伝導部分３２、３４は、N極側薄板２０の各上部伝導部分２２がS極側薄板３０の下部伝導部分３４と垂直方向に整列するように、互い違いに配置される。同様に、N極側の各薄板２０の下部伝導部分２４は、S極側薄板３０の上部伝導部分３２と垂直方向に整列する。図７は、３つのN極側薄板２０および３つのS極側薄板３０を端部から見た図を示す。
【００２３】
パワーコイル８は、本発明の実施例によるモータ/交流発電機によって生成されたか、もしくは要求された電力を伝送する電気的リード１０を持つ。一旦、N極側磁束伝導体４およびS極側磁束伝導体６が、磁石２のまわりで組み立てられたとき（図１を参照）、例えば、パワーコイルはノッチ２６、３６内において巻かれる。パワーコイル８は、随意に、ノッチ内に適合し巻線間に絶縁物の層（図示せず）を有する銅箔を巻くことによって作られるか、絶縁された長方形のワイヤー巻線から作られる。これとは別に、パワーコイルは、通常の丸い絶縁されたワイヤーを随意に巻き付けることにより作られてもよいが、箔や長方形ワイヤーで作る場合よりも充填密度が低くなる。磁束伝導体の薄板２０、３０上でパワーコイル８がショートする可能性を一般に防止または低減するために、例えば"U"形状の絶縁材料によるトラックが随意にノッチ２６、２８内に装着され、そのトラック内にパワーコイル８が巻かれてもよい。
【００２４】
これまで、モータ/交流発電機の固定子１について記述した。モータあるいは交流発電機として機能させるために、この装置は、交流発電機として用いられる場合に入力された回転およびトルクを供給し、モータとして用いられる場合に回転およびトルクを伝達するための回転子を含む。図８は、モータ/交流発電機の回転子３７を示す。回転子３７は、ベアリング４２内で回転するシャフト４０に取り付けられた回転子カップ３８を含む。この発明の実施例によれば、装置がモータとして機能する時は、シャフト４０はその装置により駆動され、交流発電機として機能する時は、シャフトが装置を駆動する。複数の磁束スイッチが回転子カップ３８の内部に取り付けられる。１つの実施例では、６度の間隔で、回転子カップ３８内部に取り付けられた６０個の磁束スイッチ４４を含む。
【００２５】
図９は、この発明の実施例によるモータ/交流発電機の側断面図を示す。回転子３７と共に回転する磁束スイッチ４４が回転子カップ３８に取り付けられている。固定子１は、上方を向いたN極、および下方を向いたS極の磁界を供給する磁石２を含む。磁束伝導体の薄板４および６は磁石２に接する。磁束伝導体４および６は、磁石２からの磁界を非常に有効に導き出すので、本質的に、磁石２からの磁束がすべて磁束伝導体４および６によって導かれる。磁束伝導体４、６は、パワーコイル８が装着される、ノッチ２６(不図示)および３６を含む。磁束スイッチ４４は、磁気回路を完成させて磁石２からの磁束を伝導させるように、磁束伝導体４、６に接触して接続する。磁束伝導体４、６および磁束スイッチ４４によって構成される磁気回路は、パワーコイル８を囲み、その結果、円周状のパワーコイル８内を通過する磁界の変化がパワーコイルにEMF電圧を誘導し、この装置は交流発電機として機能する。
【００２６】
磁束伝導体４、６および磁束スイッチ４４内の磁界を変化させてパワーコイル８中に電圧を誘導する方法は、図１０および１１を参照すると一層よく理解することができる。図１０は、回転子３７が第１の位置にあるときの磁束スイッチ４４と共に、固定子１の一部を示す。図１０では、磁束スイッチ４４が、N極側磁束伝導体の薄板２０の上部伝導部分２２およびS極側磁束伝導体の薄板３０の下部伝導部分３４に接触する。磁石２からの磁束は、N極側磁束伝導体の薄板２０において上部伝導部分２２を通じて放射状に外側に向かい、そして、磁束スイッチ４４を通じて下方へ向かい、そして最終的に、S極側磁束伝導体の薄板３０において下部伝導部分３４を通じて放射状に内側へ向かい、磁石２のS極に磁束が戻る。回転子３７が回転する時、磁束スイッチ４４は、磁束伝導部分２２および３４の横を通過して、一時的に薄板２０および３０に接触してこの回路を形成する。
【００２７】
図１１は、固定子１の一部を磁束スイッチ４４と共に示し、これは、図１０で示した構成の瞬間後(一つの実施例では、３度の回転後)に生じた構成である。回転子３７が回転した時、磁束スイッチ４４は、磁束伝導部分のペア２２および３４から次のペア２４および３２へ進行する。図１１で示される構成では、磁石２からの磁束が、N極側磁束伝導体の薄板２０を通じて放射状に外へ向かう。しかしながら、その磁束が薄板２０の途中まで進むと、それは薄板２０の下部伝導部分２４を通じて下方へ向けられる。磁束は次に、磁束スイッチ４４の下部から入って磁束スイッチ４４を通じて上方に向かう。磁束スイッチ４４の一番上において、磁束は、S極側磁束伝導体３０の上部伝導部分３２に入る。その後、磁束は、磁束伝導体の薄板３０を通じて下方に向けられ、そして、その後、磁石２のS極に戻る。図１１で示された構成では、磁束は"８の形"を形成する経路に従う。
【００２８】
図１０および図１１で示された構成間の主要な違いは、円周状のパワーコイル８内を通過する磁束にある。図１０では、磁束は、パワーコイル８の周囲を時計回りの方向で移動する経路に従い、円周状のパワーコイル８内を上方に一度通過する。対照的に、図１１で示される構成は、パワーコイル８の周囲に、"８の形"に従う磁束を生じさせる。磁束の経路は、中心近くでは、パワーコイル８を通って上方に進み、その後、円周状のパワーコイル８の内側で下方に進み、その後、円周状のパワーコイル８の外側で上方に進み、その後、再度、円周状のパワーコイル８の内側を通って下方に進む。図１１で示された位置での合計磁束は、上方向への１回の通過から、下方向への２回の通過を差し引いたものであり、これは下方向への１回の通過に等しい。１つの実施例では、３度の回転のごとに、磁束スイッチ４４は、薄板２０、３０のペア間で移動し、そして、円周状のパワーコイル８内を通過する正味の磁束は反転し、そして、そのパワーコイル８に交流電圧を誘導する。そのときパワーコイルの中で生成された交流電力は、この明細書を読んだ当業者にはよく知られている標準的技術を用いて、随意に直流電力に変換される。
【００２９】
装置がモータとして動作させられる場合、交流電流がパワーコイル８に印加され、そのパワーコイル８を囲む磁界は磁束スイッチ４４を通過する。図１１を参照すると、パワーコイル８を通じて図面から手前方向に向かって電流が流れている時、パワーコイル８の周囲に誘導された磁界は反時計回り方向であり、そのため、磁束スイッチ４４内の磁界は、上方に向かうものであり、図示した位置における磁界を強める。パワーコイル８中の電流の方向が逆になると、誘導される磁束も逆になり、図１１で示される位置では磁束強度を弱めるが、図１０中で示されるような次の位置では磁束強度を強くする。磁束スイッチは物理的に引きつけられて磁束回路を完成し、磁束が強くなると、より強い引力が得られる。一旦モータが、電気的周波数に同期した速度で回っていれば、磁束スイッチ４４は、磁束伝導部分のペア２４および３２、または２２および３４が接近した時にそれらに強く引きつけられる。その後、引きつけられていたペアが離れると、その引力は弱まり、次のペア２４および３２、または２２および３４への引力が強くなる。この実施例では、静止状態から動き出すモータの回転方向は、時計回り方向に回転する可能性と、反時計回り方向に回転する可能性とが等しいので決定されない。一旦モータがある方向に回転すると、パワーコイル８中の交流電流の周波数と正確に同期して、モータはその方角に回転し続ける。モータの抵抗トルクが臨界的なしきい値に達するなら、モータは単に停止するであろう。以上説明したように、この発明の実施例は全く同期電動機のように作用する。この発明の実施例は、磁束スイッチ４４が磁石ではないので、反発力がないという点で同期電動機と異なる。１つの角度位置から次の角度位置への反発力ではなく、単に、１つの角度位置から次の角度位置への多少の引力が存在する。
【００３０】
この発明の実施例は、磁束伝導体２０、３０および磁束スイッチ４４の間で寸法上の安定性を維持するように（エポキシ樹脂で充填して）組み立てられることで便宜を得ている。この発明の実施例によれば、構成要素はすべて固形物体で耐久性があり、したがってメンテナンスを必要としない。さらに、固定子１と回転子３７の間でのみ動きが発生し、その結果、最終の組み立てでは、２つの構成要素、すなわち完全に組み立てられた固定子１および完全に組み立てられた回転子３７のみが必要となる。図１２は、組み立てられた固定子の完成品および組み立てられた回転子３７の完成品を示す。
【００３１】
パワーコイル８中の電圧の周波数は、磁界が反転する周波数と同じである。図示した装置では、N磁極に接続された磁束伝導体の６０個の薄板２０およびS磁極に接続された磁束伝導体の６０個の薄板３０がある。したがって、回転子が回転する毎に磁界が６０回反転する。これは６０極の交流発電機と等価であるが、装置は単一の磁石で実現され、装置はまた、先行技術の６０極の交流発電機よりはるかに小さな物理的なスペースに随意に含まれる。この装置は、磁極数を増大させるように、磁束伝導体の多数の薄板２０、３０で随意に設計される。１つの設計上の考慮事項として、薄板間の磁束漏れを最小限にするために、一般に、薄板が互いに十分に間隔を有して配置されるべきということがある。１つの実施例によれば、薄板は、漏れ磁束を最小限にするために、少なくとも0.050インチの間隔を互いに有して配置される。この発明の実施例は、回転子カップ３８の周囲に６度毎に配置された６０個の磁束スイッチ４４を用いる。そのため、各磁束スイッチは、N極側およびS極側の薄板２０、３０からなる同じ種類のペアに同時に接触する。
【００３２】
図示され、また説明された装置は、回転子の回転速度の６０倍に等しい出力周波数を持つ。100RPMの回転子速度のときは、出力周波数は、毎分6000サイクル、あるいは100Hzになるであろう。これは、先行技術による典型的な６極の交流発電機と比較した場合、同じ回転子速度で出力周波数は１０ヘルツとなる。与えられた回転速度での高い電気的な周波数により、装置は、同じ回転速度で動作する先行技術のモータおよび交流発電機と比較して、著しく高電圧で動作する。その電圧は、磁束の変化速度に比例する。したがって、与えられた磁界の強度に対して、変化速度は周波数につれて増加し、電圧は比例して増大する。これは、典型的な先行技術のモータおよび交流発電機に対していくつかの長所がある。最初に、出力コイルに流れる電流は、電圧の１０倍増に起因して、１０のファクタで低減される。そのため、抵抗性損失は電流の２乗に抵抗を乗じた値に等しいので、コイル中の抵抗性損失は１００のファクタで低減される。これとは別に、装置は、典型的な先行技術の装置と比較して、より少ない巻数の出力コイルを持ちながら、同じ出力電圧および電流を出力することができる。１０のファクタでワイヤー長(巻数)を削減することによって、抵抗性損失が１０のファクタで低減されるだけでなく、コイルのコストも１０のファクタで低減される。出力コイルをトロイダル形状にすれば、さらに追加的に巻線のインピーダンス損失を低減し、それにより、追加的な効率の改善が得られる。
【００３３】
周波数と電圧の増大は、装置が非常に高いパワー密度を有することを可能にする。この発明の実施例による装置のパワー密度は、典型的な先行技術の６極モータあるいは交流発電機のそれよりおよそ１０倍高い。言いかえれば、与えられたパワー定格に対して、随意に装置は、典型的な先行技術のモータあるいは交流発電機が必要とするスペースのほんの1/10に小型化される。これは、スペースまたは重量が重要となる用途に対し、装置を著しく価値あるものにする。
【００３４】
上記の２つの段落に記述されたものに関係する利点を与えることができれば、先行技術の交流発電機をより高い回転速度で回転することができる。しかしながら、先行技術の交流発電機では、鉄損が、そのようなモードの動作効率を非効率にするであろう。この発明の実施例による鉄損の顕著な低減は、より高い電気的な周波数を可能にする。磁界が材料内で反転するときにヒステリシスにより鉄損が発生され、および、材料中の磁界が変化する時に、電気的導伝材料内に誘導された電気的な渦電流により、鉄損が発生される。磁束伝導体２０、３０の材料がヒステリシスを被らないので、その損失は、磁束の増減(反転はしない)により生じた渦電流によるもののみである。したがって、粉末鉄内の渦電流は、等価な透磁率の他の材料における場合と比較して非常に小さいので、粉末鉄のような材料は磁束伝導体として良好に作用する。
【００３５】
磁束が磁束スイッチ４４内のみで反転するので、ヒステリシス損は、磁気経路のうちの小さな部分内で発生するだけであり、したがって大幅に低減される。磁束スイッチ４４が非常に小さいので、それらはヒステリシスと渦電流の損失を最小限にするために自在に最適化される。その磁束スイッチ４４は、損失を最小限にするために、積層鋼から作られる。さらに、磁束スイッチ４４を金属ガラス（met glass）から形成することは、それらの極めて小さいサイズに起因して経済的である。
【００３６】
この発明の実施例によるモータ/交流発電機におけるより高い周波数にともなう上記の効率改善は、先行技術のモータ/交流発電機に対し、そのような大幅な改善を達成することを支援する。先行技術のモータ/交流発電機は、ヒステリシスと渦電流による鉄損の劇的な増加のために、そのような高周波では効率的でない。この発明の実施例によるモータ/交流発電機は、小さなスペースに多くの磁極を収容するための幾何学的構造を提供することで、適度の回転速度で高い電気的な周波数を可能にするだけでなく、さらに、鉄損を大幅に低減することで高周波モータ/交流発電機を実現する。
【００３７】
磁石２が選択的に、永久磁石１２、電磁石１４、あるいはこれら２つの組み合わせのいずれかなので、所望に応じて磁界の強さを変えることは可能である。これは、無限の可変電圧コントローラーとして装置が使用されることを可能にする。低速回転時に磁界を増加させ、高速回転時に磁界を減少させることにより電圧を一定に保つことができ、それにより、装置と共に使用されるギアー装置あるいは他の伝達機構の必要性を排除する。これは装置の多くの用途について影響を及ぼす。例えば、フライホイールに連結された発電機として使用される時、それは選択的に、ダイレクトドライブの発電機としてとして動作され、ギアーケースを必要することなく一定の電圧を出力する。可変磁界の別の用途は、上記の動作とは逆に、起動時に回転をより容易にするために磁界を減少させ、その後、タービンがより速く回転するにつれて、ブレーキシステムとして機能させるために磁界を増加させるということにある。この結果、定速回転、可変出力の風力発電機が可能になる。これは風力タービンのための大幅なコストを削減し、また、メンテナンス上の問題を減じる。
【００３８】
この発明のモータ/交流発電機の１つの実施例は基本的に６０極のモータ/交流発電機なので、コッギングトルクは、回転経路まわりの磁極の平坦な分布により低減される。従来の６極のモータ／交流発電機では、（交流発電機としての）外部トルクにより機械的に克服されなければならない６個の点が回転経路において生じていたが、本発明の実施例では６極に代えて６０極を備えて構成されるので、回転において６０個の点が存在する。従来の６極のモータ/交流発電機のように３０度ごとにトルクが大きく増大することに替えて、この発明の実施例は、３度ごとにトルクをわずかに増大させるだけで、回転全体にわたりトルクを滑らかにする。
【００３９】
この発明の具体的に記述された第２の実施例は、ヒステリシスを被る材料の量を最小限にすることにより、交流発電機としての動作をさらに最適化する。図１３は、第１の実施例における図９に示したものに似た、第２の実施例に基づく縦断面図を示す。第２の実施例の構成要素の多くは、磁石２、パワーコイル８および回転子カップ３８のように、第１の実施例と同じ物である。この発明の第２の実施例は、N極側磁束伝導体の薄板５２およびS極側磁束伝導体の薄板５１の双方に設けられた、ずっと深いノッチ５０を有し、これらのノッチ５０において、パワーコイル８を備えるとともに、本実施例ではノッチ５０内で回転する、ずっと小さな磁束スイッチ５４を備える。N極側磁束伝導体の薄板５２は、長くされた上部伝導部分５６、および長くされた下部伝導部分５８を有する。図１３中では示されないが、S極側磁束伝導体５１は同様に長くされた上部伝導部分６０、および長くされた下部伝導部分６２を有する。
【００４０】
図１４および１５は、２つのN極側磁束伝導体の薄板５２、１つのS極側磁束伝導体の薄板５１、および１つの磁束スイッチ５４の部分断面図を示す。磁束伝導体の薄板５１、５２が平坦であり、薄板５１、５２の上部伝導部分５６、６０と下部伝導部分５８、６２との間に、第１の実施例であったようなオフセットはもはやないことがこれらの図からわかる。磁束スイッチ５４が、一方の極性の一つの上部伝導部分５６、６０と、反対極性の隣接する下部伝導部分６２、６８とに接触して接続するように、その磁束スイッチ５４はある角度で傾斜されていることもわかる。この第２の実施例では、磁束伝導体５１、５２および磁束スイッチ５４は、平坦な形状なので製造が大いに容易である。図１４および１５は、磁束スイッチ５４が回転して、磁束伝導体の薄板５１、５２を通過する一連の動作を示している。図１４では、磁束スイッチが、N極側の上部伝導部分５６を、隣接するS極側の下部伝導部分６２に接続している。図１５では、瞬間後に、磁束スイッチが、S極側の上部伝導部分６０を、隣接したN極側の下部伝導部分５８に接続している。その結果、図１４と１５とで、パワーコイル８において磁界の方向が反転する。
【００４１】
第２の実施例の１つの利点は小さな磁界スイッチ５４である。この実施例では磁束スイッチ５４のみがヒステリシスを被るので、磁束スイッチが小さい程、ヒステリシス損も小さくなる。更に、磁束スイッチが単純で小型であると、金属ガラス(ヒステリシス損が極めて小さい)のような新規な材料から磁束スイッチを形成することは追加的に経済的となる。磁束スイッチ５４は、非常に狭いノッチ５０に起因して向かい合った磁束伝導体５１、５２間の漏れ磁束が問題になるまで、そのサイズを縮小してもよい。
【００４２】
この発明の第３の具体的に述べられた実施例は、３相のモータ／交流発電機である。三相の実施例は、小さなヒステリシス損失を有するように最適化されたものであり、発明の第２の実施例で具体的に記述された単相の交流発電機に似た磁束伝導部および磁束スイッチのレイアウト構成を用いる。(第１の実施例で具体的に述べたものと似たもの、または内部回転子を有するもののように)３相バージョン用の他のレイアウトも可能で、この発明の範囲内に含まれると考えられる。
【００４３】
この発明の第３の実施例である３相機は、図１６に示した固定子１０１および図２１に示した回転子１６０を含む。図１６は、固定子１０１の構成要素を示す。固定子１０１は、リング磁石１０２、１組のN極側磁束伝導体１０４、１組のS極側磁束伝導体１０６、および３個のパワーコイル１０８、１１０、１１２を持つ。N極側およびS極側の磁束伝導体１０４、１０６は、磁石１０２に直接に接している。前の実施例と同様に、磁束伝導体は、粉末鉄のように、容易に磁界を導き、渦電流に抗する材料から随意に作られる。その磁束伝導体１０４、１０６は、磁石１０２の磁界をパワーコイル１０８、１１０、１１２に向かわせる。パワーコイル１０８、１１０、１１２は、本装置が交流発電機として用いられる時は、交流電圧が発生される電気的コイルである。モータとして用いられる時は、パワーコイル１０８、１１０、１１２は、電圧と電流を供給して装置に電力供給する。各パワーコイル１０８、１１０、１１２は、装置が交流発電機として用いられる時は出力電力を集め、また、モータとして用いられる時は電力を供給するために、それぞれ電気的リード１１４、１１５、１１６を含む。パワーコイル１０８、１１０、１１２のうちの１つの電力波形は、他の２つの電力波形に対して１２０度ずれている。３つのパワーコイル１０８、１１０、１１２の出力は、互いに組み合わせることにより３相電力をもたらす。３相の実施例での磁石１０２は、すべての点に関して、単相の実施例での磁石２(図２を参照)と同様で、永久磁石、電磁石、または双方によるバイブリッド磁石である。
【００４４】
磁石１０２（図示せず）のN極へ接続される磁束伝導体１０４は、図１７で示されるような単一部品として随意に形成される。磁束伝導体に構造的な支持を与えるために、磁束伝導体は装着用リング１１８を含む。装着用リング１１８は、磁石１０２のN極側と接し、磁石１０２をその位置に保持する。その装着用リング１１８には、磁束伝導体の複数の薄板１２０が取り付けられる。薄板１２０は、磁石１０２からの磁界を適切な位置へ導く。各薄板１２０は、装着用リング１１８から放射状に外側へ延在し、４つの伝導部分に分岐している。
【００４５】
図１８はN極側磁束伝導体の一つの薄板１２０を示す。その薄板１２０は、４つの伝導部分を有する平坦な部品であり、これら４つの伝導部分は、本明細書では図１８において上から下に示す順序で説明する。本明細書では、図面内で４つの伝導部分が配置されている順序に従って、明確化のために「最上部」、「上部」、「下部」、「最下部」の用語を用いる。本明細書におけるそのような記述的なラベルの使用は、類似の構成要素を明確に区別できるようにするためのものであり、この発明を限定するためのものではない。最上部伝導部分１２４は、装着用リング１１８から直接、放射状に外へ伸びている。上部伝導部分１２６は、最上部伝導部分１２４から下方へ伸びている。各薄板１２０において、最上部伝導部分１２４と上部伝導部分１２６の間にノッチ１２８が設けられ、そこにパワーコイル１０８（図示せず）が保持される。下部伝導部分１３０は、上部伝導部分１２６から下方へ伸びる。各薄板１２０において、上部伝導部分１２６と下部伝導部分１３０の間にノッチ１３２が設けられ、そこにパワーコイル１１０（図示せず）が保持される。最下部伝導部分１３４は、下部伝導部分１３０から下方へ伸びる。各薄板１２０において、下部伝導部分１３０と最下部伝導部分１３４の間にノッチ１３６が設けられ、そこにパワーコイル１１２（図示せず）が保持される。１つの実施例では、図１７の磁束伝導体１０４は６０個の薄板１０を含み、このため２つの薄板１２０間の分離は６度となる。磁束伝導体１０４は選択的に、粉末金属から単一部品として鋳造されてもよい。しかしながら、磁束伝導体１０４は、単一部品である装着用リング１１８と、装着用リング１１８にそれぞれしっかりと取り付けられる別個の部品である複数の薄板１２０とから組み立てられてもよい。
【００４６】
図１９に、もう１組の磁束伝導体１０６を示す。その磁束伝導体１０６は、磁石１０２のS極に磁気的に接続される。その磁束伝導体１０６は、図１７の磁束伝導体１０４を単に逆にしたものと同様の構成である。磁束伝導体１０６は、磁石１０２のS極へ接続する装着用リング１３８を含む。薄板１４０は、装着用リング１３８から放射状に外側に突き出る。
【００４７】
図２０は、磁束伝導体１０６の１つの磁束伝導体薄板１４０を示す。その薄板１４０は平坦な部品であり、図２０において上から下に示す順序で説明する４つの伝導部分(最上部伝導部分１４４、上部伝導部分１４６、下部伝導部分１５０、最下部伝導部分１５４)に分岐している。最下部伝導部分１５４は、装着用リング１３８から直接、放射状に外側へ突き出ている。ノッチ１４８、１５２、１５６は、図示のごとく伝導部分１４４、１４６、１５０、１５４の間に設けられ、パワーコイル１０８、１１０および１１２(不図示)を保持する。
【００４８】
N極側磁束伝導体１０４の薄板１２０がS極側磁束伝導体１０６の薄板１４０の間に対して間隔を有して配置されるように、磁束伝導体１０４および１０６は互いに向かい合っている。薄板１２０、１４０は、隣接した薄板間のエアギャップを通じた磁束漏れが殆ど無いように、または全く無いように、所定間隔を有して配置される。
【００４９】
ここまでは、具体的に記述された第３の実施例のモータ/交流発電機の固定子１０１のみを議論した。図２１はモータ/交流発電機の回転子１６０を示す。その回転子１６０は、ベアリング１６６内で回転するシャフト１６４に取り付けられた回転子カップ１６２を含む。この発明の実施例によれば、ここで述べた本装置がモータとして機能する時は、シャフト１６４は装置により駆動され、そして、交流発電機として機能する時は、シャフトが本装置を駆動する。回転子カップ１６２の内側に複数の磁束スイッチ１６８、１７０、１７２が配置され、これらの磁束スイッチは、図２１に示す回転子１６０の上から下に並んだ３つの円周上の列として並び、これらの磁束スイッチを、上列の磁束スイッチ１６８、中間列の磁束スイッチ１７０、下列の磁束スイッチ１７２と呼ぶ。本明細書では、図面内で３列の磁束スイッチが配置されている順序に従って、明確化のために「上」、「中間」、「下」の用語を用いる。本明細書におけるそのような記述的なラベルの使用は、類似の構成要素を明確に区別できるようにするためのものであり、この発明を限定するためのものではない。１つの実施例では、３列の磁束スイッチ１６８、１７０、１７２の各列において、互いに６度の間隔を有して回転子カップ１６２の内側に取り付けられた６０個の磁束スイッチをそれぞれ含む。各列は、他の２つの列に対して２度ずつ回転方向にオフセットされる。組み立てられた固定子１０１上に回転子１６０が置かれた後、磁束スイッチ１６８、１７０、１７２がスロット（図示せず）を通じて回転子カップ１６２内に装着される。上列磁束スイッチ１６８は、磁束伝導体の薄板１２０、１４０内のノッチ１２８、１４８を通って回転する。中間列磁束スイッチ１７０は、磁束伝導体の薄板１２０、１４０内のノッチ１３２、１５２を通って回転し、下列磁束スイッチ１７２は、磁束伝導体の薄板１２０、１４０内のノッチ１３６、１５６を通って回転する。N極側磁束伝導体の薄板１２０およびS極側磁束伝導体の薄板１４０の間で伝導される磁束内での磁束スイッチ１６８、１７０、１７２の動作は、図２２、２３、２４でより明確に示されるように、３相パワーを生じる。
【００５０】
図２２、２３、２４および２５は、３個の磁束スイッチからなる１組の磁束スイッチ、すなわち上列磁束スイッチ１６８、中間列磁束スイッチ１７０および下列磁束スイッチ１７２が、３度または半サイクルにわたって回転する一連の動作を示す。これら一連の図面における回転は、上述からわかるように時計回り方向である。図面には、パワーコイル１０８、１１０および１１２と、最上部、上部、下部および最下部の伝導部分１２４、１２６、１３０および１３４を有する２個のN極側磁束伝導体の薄板１２０と、最上部、上部、下部、および最下部の伝導部分１４４、１４６、１５０および１５４を有する２個のS極側磁束伝導体の薄板１４０が示される。各図面では、図面に対応する明細書の説明で言及された伝導部分のみに符号を付与した。磁束スイッチ１６８、１７０または１７２および磁束伝導体１２０、１４０上の矢印は、ピークの磁束流の位置と方向を示す。パワーコイル１０８、１１０、あるいは１１２上の矢印は、ピークの電流の方向を示す。この説明の目的のために、図上、右に流れた時に電流は正であり、図上、左に流れた時は負であると定義する。
【００５１】
図２２では、上列磁束伝導体１６８は、S極側磁束伝導体薄板１４０の最上部伝導部分１４４を、N極側磁束伝導体薄板１２０の上部伝導部分１２６に磁気的に接続して、磁束をパワーコイル１０８の周囲において反時計回り方向に回転させ、パワーコイル１０８において左または負の方向の誘導電流を流れさせる。磁束伝導体の薄板１２０、１４０および磁束スイッチ１６８、１７０、１７２の構成上の詳細事項に応じて、パワーコイル１０８、１１０、１１２のうちで言及していない他の２つ(この図ではコイル１１０と１１２)において所定の少量の電流が誘導される可能性もあり、これは標準の３相電力出力が望まれる場合である。この説明の目的のため、ピークの電流および磁束のみを図示し、説明した。
【００５２】
図２３は、図２２から１度回転したものと同じである。中間列磁束スイッチ１７０は、N極側磁束伝導体薄板１２０の上部伝導部分１２６を、S極側磁束伝導体薄板１４０の下部伝導部分１５０に磁気的に接続して、磁束をパワーコイル１１０の周囲において時計回り方向に回転させ、パワーコイル１１０において右または正の方向の誘導電流を流れさせる。
【００５３】
図２４は、図２２から２度回転したものと同じである。下列磁束伝導体１７２は、S極側磁束伝導体薄板１４０の下部伝導部分１５０を、N極側磁束伝導体薄板１２０の最下部伝導部分１３４に磁気的に接続して、磁束をパワーコイル１１２の周囲において反時計回り方向に回転させ、パワーコイル１１２において左または負の方向の誘導電流を流れされる。
【００５４】
図２５は、図２２から３度回転したものと同じである。上列磁束伝導体１６８は、N極側磁束伝導体薄板１２０の最上部伝導部分１２４を、S極側磁束伝導体薄板１４０の上部伝導部分１４６に磁気的に接続して、磁束をパワーコイル１０８の周囲において時計回り方向に回転させ、パワーコイル１０８において右または正の方向の誘導電流を流れさせる。これは、図２２の反対になる。この結果、３度の回転による半サイクル後にパワーコイル１０８の電流が反転する。
【００５５】
本発明の三相の実施例は、方向性、つまり、正回転と逆回転があるという長所を持つ。単相の実施例では、モータとして使用された時、回転方向は決定されないが、３相の実施例では、明瞭な回転パス(図２３〜２６で示された実施例では時計回り方向)がある。適切なコントロールにより、回転方向は、パワーコイル１０８、１１０、１１２のうちの任意の２つに供給される電力の相対的な位相を切り替えることにより自在に逆転する。更に、この発明の第３の具体的に記述された実施例では、モータ/交流発電機が６０極および３相を持つが、更に単一の磁石のみを使用することに注目されるべきである。
【００５６】
この発明の実施例による利点は、回転子の慣性が低いことである。磁束スイッチのみが回転するので、回転子の慣性が重大な問題となる用途に対しては非常に軽量に作られる。回転子の慣性をさらに低減するために、磁石が固定子の外側にあり、パワーコイルがその内側にあるように、装置の構成を逆にすることも可能である。この構成は、回転子内部に磁束スイッチが設置されることを可能にし、それにより、低い慣性モーメントを持ち、回転子がより軽量になる。
【００５７】
単相の内部回転子を有する変形例の装置は、この発明の第４の具体的に記述された実施例として述べられる。第４の実施例では単相装置が述べられるが、内部回転子の形態は、３相の装置でも同様に用いることができる。図２６は、この発明の第４の実施例の固定子２０１の分解組立図を示す。固定子２０１は、他の実施例と同様に、リング磁石２０２、１組のN極側磁束伝導体２０４、１組のS極側磁束伝導体２０６、およびパワーコイルを持つ。磁束伝導体２０４および２０６は、外側の磁石２０２の磁界を、内側のパワーコイル２０８へ導く。
【００５８】
磁束伝導体２０４および２０６は、他の３つの実施例にあるように、単一部品として随意に形成されてもよい。磁束伝導体２０４、２０６は、その磁束伝導体２０４、２０６の構造的な支持を与え、かつ、磁石２０２を適した位置に保持するための装着用リング２１８、２２８を含む。装着用リング２１８、２２８には、磁束伝導体の複数の薄板２２０、２３０がそれぞれ取り付けられる。その薄板２２０、２３０は、磁石２０２からの磁界を適切な位置へ導く。
【００５９】
N極側磁束伝導体２０４の薄板２２０がS極側磁束伝導体２０６の薄板２３０対して間隔を有して配置されるように、磁束伝導体２０４および２０６は互いに向かい合っている。薄板２２０、２３０は、隣接する薄板間のエアギャップを通じた漏れ磁束がほとんどないか、全くないように、適切な間隔を有して配置される。
【００６０】
図２７は、この発明の第４の実施例のモータ/交流発電機の回転子２３７を示す。回転子２３７はベアリング２４２内で回転する回転子シャフト２４０を含む。そのシャフト２４０は、本発明の種々の実施例にてモータとして動作する時は、本発明の装置により駆動され、そして、本発明の種々の実施例にて交流発電機として動作する時は、本発明の装置を駆動する。そのシャフトの外側には複数の磁束スイッチ２４４が取り付けられる。一つの実施例では、６０個の磁束スイッチ２４４がシャフト２４０に６度間隔で取り付けられる。各磁束スイッチ２４４は、その中央部で二重に折り曲げられており、それにより各磁束スイッチ２４４は、上部伝導部分２２、２３２を、隣接する反対極性の下部伝導部分２３４、２２４に接続する。
【００６１】
図２８は、この発明の第４の具体的に記述された実施例の破断図を示し、ここでは、磁束スイッチ２４４、N極側磁束伝導体の２つの薄板２２０およびS極側磁束伝導体の２つの薄板２３０が示されている。各薄板２２０、２３０は二つの伝導部分に分岐している。その結果、N極側薄板２２０は、上部伝導部分２２２および下部伝導部分２２４、およびそれらの間に設けられたノッチ２２６を含み、S極側薄板２３０は、上部伝導部分２３２および下部伝導部分２３４、およびそれらの間に設けられたノッチ２３６を含む。磁束スイッチ２４４は、N極側磁束伝導体の薄板２２０の上部伝導部分２２２をS極側磁束伝導体の薄板の下部伝導部分２３４と接続する。
【００６２】
図２９は、この発明の第４の実施例のモータ/交流発電機の側断面図を示し、これは、第１の実施例における図９および第２の実施例における図１３で示された図面に対応するものである。回転子シャフト２４０には、このシャフト２４０と共に回転する磁束スイッチ２４４が取り付けられる。固定子は、N極が上方に向かい、S極が下方に向かう磁界を供給する磁石２０２を含む。磁束伝導体２０４、２０６は磁石２０２に接している。磁束伝導体２０４、２０６は、ノッチ２２６、２３６を含み、そのノッチにパワーコイル２０８が装着される。磁束スイッチ２４４は、磁束伝導体２０４と２０６に接触して接続し、磁気回路を完成させ、そして、磁石２０２からの磁界を導く。
【００６３】
第４の実施例は、この発明の前の実施例と異なる幾何学的形態(回転子２３７が内側にあり、固定子２０１が外側にあり、磁束スイッチ２４４は二重に屈曲されている)を示す。この新しく説明された幾何学的形態は、回転子の慣性を減少させることを支援する。この発明の範囲内にありながら実現可能な他の幾何学的形態もあり、これらの幾何学的形態により所定の利点が提供される可能性がある。例えば、固定子および回転子の両方の端部が、互いに接する平坦なディスクにおいて設けられるレイアウトが可能で、このレイアウトは、製作の容易性で、またはメンブレン（膜構造）を介してパワーを発生させることに対して、追加的に望ましい。この場合、回転子は固定子の内側または外側にあるのではなく、固定子の面上に位置する。潜在的に可能な別の形式は直線状のモータ／交流発電機であり、この場合、複数の磁束伝導体が直線上に配置され、複数の磁束スイッチが往復運動するシャフトに取り付けられる。例えば、そのような直線状の交流発電機はスターリング・モータに係る用途において有用であろう。同じまたは同様の電磁気効果をもたらすレイアウトでの上記および他の幾何学的形態および変形もまた、この発明の範囲に含まれることが意図される。具体的に記述された実施例は、この発明が具体化するかもしれない変形例の内のいくつかを例示しているが、発明の範囲を限定するように意図されたものではない。
【００６４】
この発明の実施例と先行技術とにおけるモータならびに交流発電機での１つの違いは、磁界および運動の基本的な方向にあるということに注目されるべきである。先行技術のモータおよび交流発電機では、回転軸と、磁界の方向と、固定子および回転子間の相対的な運動方向とは、すべて互いに直交する。この発明の実施例では、磁界の方向および回転軸が、互いに平行であり、また、回転子と固定子間の相対的な運動の方向に対してそれぞれ直交する。この違いは、上述したようにメンブレンを介してパワーを発生または伝達する時のように、先行技術のモータおよび交流発電機が非実現的な用途において、この発明の実施例が使用されることを可能にする。
【００６５】
この発明の電気的なマシンは、具体的に記述された上記の実施例中では、いくつかの構成要素から成る。前記構成要素は、磁石(例えば図１中の磁石２)、ループを形成するように配置された電気的導体(例えば図１中のエレメント８)、磁石からの磁束を電気的導体を通過するように導く複数の磁束伝導体(例えば図１中のエレメント４、６)を備え、磁束伝導体の第１の組(例えば図１中のエレメント４)は電気的導体に磁束を第１の方向に導き、そして磁束伝導体の第２の組(例えば図１中のエレメント６)は電気的導体において磁束を第２の方向に導き、そして、前記構成要素は更に、第１および第２の組の磁束伝導体を選択的に開閉するためのスイッチ(例えば図８中のエレメント４４)を備える。スイッチは電気的マシンの回転子に取り付けられてもよく、そして、電気的導体内に誘導電流を流すために原動力が回転子に印加されてもよく、あるいは、回転子を回転させるために交流電流が電気的導体に印加されてもよい。電気的導体のループおよび磁石が選択的に環状形態であるが、他の形状または形態としてもよいことに注目すべきである。磁石および電気的導体は選択的に同心円になる位置及び方向に設置されるが他の位置及び方向も可能である。磁石および電気的導体が環状で、それらが同心円になる位置及び方向に設置させられる場合、磁石は随意に電気的導体より小さな直径を持ち、電気的導体の周の内側に随意に配置されるか、又は、電気的導体は随意に磁石より小さな直径を持ち、磁石の周の内側に随意に配置されてもよい。磁束伝導体は選択的に粉末鉄から形成したが、他の材料も良好に作用する。スイッチは選択的に積層鋼または金属ガラスで形成したが、他の材料もスイッチとして良好に作用する。この発明の電気的マシンは、ループを形成するようにそれぞれ構成された３つの電気的導体を含んでもよく、磁束伝導体は、磁石からの磁束を３つすべての電気的導体を通過するように導く。この場合、この電気的マシンが３相機として動作するために、３つすべての電気的導体を通過する磁束伝導体を交互に開閉するためのスイッチを含む。この発明の電気的マシンの中で使用される磁石は、選択的に永久磁石、電磁石、あるいは永久磁石と電磁石とが併置されて両磁石の磁界が合成されるハイブリッド磁石であってもよい。
【００６６】
この発明の実施例が図示されて説明されたが、この発明の範囲からはずれることなく、これらの実施例内で種々の変形を実施可能であるということは当業者には明らかであろう。従って、この発明は、ここで説明して図示した特定の実施例に必ずしも限定されないことが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】この発明の実施例による固定子の分解組立図
【図２】この発明の実施例による磁石の分解組立図
【図３】この発明の実施例による磁石のN極に接続された磁束伝導体を示した図
【図４】この発明の実施例による単一のN極側磁束伝導体薄板を示した図
【図５】この発明の実施例による磁石のS極に接続された磁束伝導体を示した図
【図６】この発明の実施例による単一のS極側磁束伝導体薄板を示した図
【図７】この発明の実施例による、磁石のN極に接続された３つの磁束伝導体と、磁石のS極に接続された３つの磁束伝導体を示す図
【図８】この発明の実施例による回転子の分解組立図
【図９】この発明の実施例によるモータまたは交流発電機の部分断面図
【図１０】この発明の実施例による回転子が第１の方向位置にあるときの磁束伝導体内の磁束を示した図
【図１１】この発明の実施例による回転子が第２の方向位置にあるときの磁束伝導体内の磁束を示した図
【図１２】この発明の実施例による組み立てられた固定子および組み立てられた回転子の図
【図１３】この発明の実施例によるモータまたは交流発電機の部分断面図
【図１４】この発明の実施例による回転子が第１の方向位置にあるときの磁束伝導体内の磁束を示す図
【図１５】この発明の実施例による回転子が第２の方向位置にあるときの磁束伝導体内の磁束を示す図
【図１６】この発明の実施例による固定子の分解組立図
【図１７】この発明の実施例による磁石のN極に接続された磁束伝導体を示した図
【図１８】この発明の実施例による単一のN極側磁束伝導体薄板を示した図
【図１９】この発明の実施例による磁石のS極に接続された磁束伝導体を示した図
【図２０】この発明の実施例による単一のS極側磁束伝導体薄板を示した図
【図２１】この発明の実施例による回転子の分解組立図
【図２２】この発明の実施例による回転子が第１の方向位置にあるときの磁束伝導体内の磁束を示す図
【図２３】この発明の実施例による回転子が第２の方向位置にあるときの磁束伝導体内の磁束を示す図
【図２４】この発明の実施例による回転子が第３の方向位置にあるときの磁束伝導体内の磁束を示す図
【図２５】この発明の実施例による回転子が第４の方向位置にあるときの磁束伝導体内の磁束を示す図
【図２６】この発明の実施例による固定子の分解組立図
【図２７】この発明の実施例による回転子の組立図
【図２８】この発明の実施例による磁束伝導体および磁束スイッチの破断図
【図２９】この発明の実施例によるモータ/交流発電機の部分断面図
【符号の説明】
【００６８】
１：固定子、２：磁石、４：磁束伝導体、６：磁束伝導体、８：パワーコイル、１０：電気的リード、１２：永久磁石、１４：電磁石、１６：電気的リード、１８：装着用リング、２０：薄板、２２：上部伝導部分、２４：下部伝導部分、２６：ノッチ、３７：回転子、３８：回転子カップ、４０：シャフト、４４：磁束スイッチ、１０８：パワーコイル
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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