(57)【要約】【課題】永久磁石ジェネレータ用のロータを改良する。【解決手段】回転ジェネレータであって、間にギャップを有する第１の磁気環及び第２の磁気環を含む少なくとも一つの磁気環対と、前記キャップに位置するコイル環と、前記第１の磁気環、前記第２の磁気環及び前記コイル環は共通軸を有しており、前記少なくとも一つの磁気環対の前記第１及び第２の磁気環はそれぞれ、一連の主永久磁石と一連の中間永久磁石とを有し、前記一連の主永久磁石は、前記ギャップに面するＮ極及びＳ極を交互に前記共通軸周りに間隔を空けて配置した構成を有しており、磁気環対の前記第１及び第２の磁気環の対応する主永久磁石は、前記ギャップに面する異なる極を有するとともに、磁束線が前記の対応する主永久磁石間の前記ギャップを横断するように互いに前記ギャップを横断しており、前記一連の中間永久磁石は、それぞれが二つの前記主永久磁石の間に配置され、前記ギャップに面するＮ極を有する前記二つの主永久磁石の側面に面するＮ極を前記ギャップに隣接して有しており、それぞれの中間永久磁石は、前記ギャップに面するＳ極を前記二つの主永久磁石の側面に面するＳ極を前記ギャップに隣接して有しており、前記コイル環は、前記磁束線が前記コイルの巻き線を切断して、前記磁気環が前記コイル環に対して回転するように、前記共通軸周りに配置された一連のコイルを有しており、前記少なくとも一つの磁気環対の前記第１及び第２の磁気環は、強磁性材料からなるバッキングプレートを有し、前記主永久磁石は、前記バッキングプレートと前記ギャップとの間に配置されるとともに、隣接する主永久磁石が前記バッキングプレートを介して互いに磁気的に結合されるように前記バッキングプレートに取り付けられていることを特徴とする回転ジェネレータ。【選択図】なし
2018515060.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転ジェネレータであって、
間にギャップを有する第１の磁気環及び第２の磁気環を含む少なくとも一つの磁気環対と、
前記キャップに位置するコイル環と、
前記第１の磁気環、前記第２の磁気環及び前記コイル環は共通軸を有しており、
前記少なくとも一つの磁気環対の前記第１及び第２の磁気環はそれぞれ、一連の主永久磁石と一連の中間永久磁石とを有し、
前記一連の主永久磁石は、前記ギャップに面するＮ極及びＳ極を交互に前記共通軸周りに間隔を空けて配置した構成を有しており、磁気環対の前記第１及び第２の磁気環の対応する主永久磁石は、前記ギャップに面する異なる極を有するとともに、磁束線が前記の対応する主永久磁石間の前記ギャップを横断するように互いに前記ギャップを横断しており、
前記一連の中間永久磁石は、それぞれが二つの前記主永久磁石の間に配置され、前記ギャップに面するＮ極を有する前記二つの主永久磁石の側面に面するＮ極を前記ギャップに隣接して有しており、それぞれの中間永久磁石は、前記ギャップに面するＳ極を前記二つの主永久磁石の側面に面するＳ極を前記ギャップに隣接して有しており、
前記コイル環は、前記磁束線が前記コイルの巻き線を切断して、前記磁気環が前記コイル環に対して回転するように、前記共通軸周りに配置された一連のコイルを有しており、
前記少なくとも一つの磁気環対の前記第１及び第２の磁気環は、強磁性材料からなるバッキングプレートを有し、
前記主永久磁石は、前記バッキングプレートと前記ギャップとの間に配置されるとともに、隣接する主永久磁石が前記バッキングプレートを介して互いに磁気的に結合されるように前記バッキングプレートに取り付けられていることを特徴とする回転ジェネレータ。
【請求項２】
請求項１に記載の回転ジェネレータであって、
所定サイズのジェネレータに対して、ｅｍｆを発生させるために使用される前記固定子コイルの層の有効成分の平均幅の選択とともに、前記主永久磁石及び前記中間永久磁石の幅の比率は、それぞれ、前記コイルにおいて発生するｅｍｆの増加が、インターポールがない状態で、少なくとも２０％まで増加するように決定される。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の回転ジェネレータであって、
前記径方向に延びる前記主永久磁石の少なくとも一方の面が、屈曲しており、好ましくは凸状又は凹状である。
【請求項４】
請求項１乃至３のうちいずれか一つに記載の回転ジェネレータであって、
前記径方向に延びる前記中間永久磁石の少なくとも一方の面が、屈曲しており、好まくは凸状又は凹状である。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の回転ジェネレータであって、
主永久磁石及び中間永久磁石の側面の曲線は、一方が他方におさまるように相補的である。
【請求項６】
請求項１乃至５のうちいずれか一つに記載の回転ジェネレータであって、
前記中間永久磁石及び前記主永久磁石の間に配置される強磁性材料からなる強磁性インサートを含む。
【請求項７】
請求項１乃至６のうちいずれか一つに記載の回転ジェネレータであって、
前記中間永久磁石は、前記主永久磁石よりも前記共通軸により近く半径方向内向きに長さが伸びている、及び／又は、前記中間永久磁石は、前記主永久磁石よりも前記共通軸からより遠く半径方向外向きに延びている。
【請求項８】
請求項１乃至７のうちいずれか一つに記載の回転ジェネレータであって、
前記中間永久磁石は、前記対応する主永久磁石が前記第１の磁気環の中間永久磁石と前記面する第２の磁気環の中間永久磁石との間の距離よりも互いに近接するように、前記主永久磁石の前記軸方向の長さよりも短い前記回転ジェネレータの軸方向長さを有している。
【請求項９】
請求項１乃至８のうちいずれか一つに記載の回転ジェネレータであって、
前記中間永久磁石は、横方向に結合された磁石のスタックから構成されており、各磁石はそれらの反対側を横断して磁化され、そのように隣接する好ましくは全幅の単一のインターポール磁石に引き寄せられる。
【請求項１０】
請求項１乃至９のうちいずれか一つに記載の回転ジェネレータであって、
前記バッキングプレートは、厚みが４ｍｍ以上である。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のうちいずれか一つに記載の回転ジェネレータであって、
前記ジェネレータのロータは、複数の前記磁気環対を有しており、隣接する磁気環対は、軸端部に位置するバッキングプレート以外の共通の前記バッキングプレートのひとつを共有しており、各バッキングプレートは、前記主及び中間永久磁石の前記一連を両面に備えている。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のうちいずれか一つに記載の回転ジェネレータであって、
この回転ジェネレータは、実質的に、添付図面に図示されるか、及び／又は明細書に説明されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石ジェネレータ用のロータの改善に関する技術である。
【背景技術】
【０００２】
以下の発明は、永久磁石ジェネレータとして知られるタイプの回転ジェネレータに関する。これらにおいて、永久磁石はジェネレータの回転子内で使用され、固定子内に埋め込まれたコイルの巻線を切って電力を生成するための磁場を提供する。特に、本発明は、同時係属中のＧＢ１３２０６２３．０に開示されている軸流束永久磁石ジェネレータの一形態に関する。  
【０００３】
この同時係属出願のジェネレータでは、そのロータは、間にギャップを有する少なくとも一つの磁気環対であって、それらの間のギャップに対向する交互に配設されたＮ極とＳ極を有するそれぞれの環の周りに離間した永久磁石の連続体を有し、磁気環対における第１及び第２の環の永久磁石に対応しており、この磁気環対はギャップに対向する異極を有し、磁束線が対応する永久磁石間のギャップを横切って延びるようにギャップにわたって互いに対向している。固定子とロータ環状部は共通の軸を共有し、固定子に対してロータを回転させると、固定子のコイル内に起電力（ｅｍｆｓ）が誘導される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような形態の永久磁石ジェネレータでは、フレミング右手の法則から、固定子コイルに誘起されるｅｍｆは対向する磁石間のエアギャップを横切って延びる磁束の密度に直接依存することが明らかである。しかしながら、前述の同時係属中の出願に開示されている設計のジェネレータでは、この磁束密度は対向する磁石の中央領域の間で最も集中する傾向があり、それらの周囲に向かって顕著に減少する。これは、誘起されたｅｍｆを最大にするために、理想的には固定子コイルを切る磁束が対向する磁石間の空間容積全体にわたってできるだけ集中させなければならないという点において不利である。
【０００５】
異極性の横方向に間隔を空けて配置された磁石から発する磁束の密度を増大させるために、互いに空間的に分離され、前面と後面を横切って通常は磁化され、外側に向いて反対の極性を有する、典型的には棒状の第１および第２の棒状磁石が、第１および第２の磁石に対して磁気的に横方向に配置されたさらなる棒状の磁石を挟んでいる。ハルバッハ（Ｈａｌｂａｃｈ）またはマリンソン（Ｍａｌｌｉｎｓｏｎ）アレイと呼ばれることもあるこのような組み合わせの典型的な用途は、冷蔵庫用の磁石であり、強い磁場が一方の側でのみ広く働くことが望ましい。しかしながら、後述する理由から、これらのタイプの磁気の幾何学的形状は、本出願の前述の同時係属出願に開示されているタイプのジェネレータには最適でない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は第１の観点として、以下の構成を有する回転ジェネレータを提供する。回転ジェネレータであって、間にギャップを有する第１の磁気環及び第２の磁気環を含む少なくとも一つの磁気環対と、前記キャップに位置するコイル環と、前記第１の磁気環、前記第２の磁気環及び前記コイル環は共通軸を有しており、前記少なくとも一つの磁気環対の前記第１及び第２の磁気環はそれぞれ、一連の主永久磁石と一連の中間永久磁石とを有し、前記一連の主永久磁石は、前記ギャップに面するＮ極及びＳ極を交互に前記共通軸周りに間隔を空けて配置した構成を有しており、磁気環対の前記第１及び第２の磁気環の対応する主永久磁石は、前記ギャップに面する異なる極を有するとともに、磁束線が前記の対応する主永久磁石間の前記ギャップを横断するように互いに前記ギャップを横断しており、前記一連の中間永久磁石は、それぞれが二つの前記主永久磁石の間に配置され、前記ギャップに面するＮ極を有する前記二つの主永久磁石の側面に面するＮ極を前記ギャップに隣接して有しており、それぞれの中間永久磁石は、前記ギャップに面するＳ極を前記二つの主永久磁石の側面に面するＳ極を前記ギャップに隣接して有しており、前記コイル環は、前記磁束線が前記コイルの巻き線を切断して、前記磁気環が前記コイル環に対して回転するように、前記共通軸周りに配置された一連のコイルを有している。
【０００７】
本発明は第２の観点として、以下の構成を有する回転ジェネレータを提供する。回転ジェネレータであって、間にギャップを有する第１の磁気環及び第２の磁気環を含む少なくとも一つの磁気環対と、前記キャップに位置するコイル環と、前記第１の磁気環、前記第２の磁気環及び前記コイル環は共通軸を有しており、前記少なくとも一つの磁気環対の前記第１及び第２の磁気環はそれぞれ、一連の主永久磁石と一連の中間永久磁石とを有し、前記一連の主永久磁石は、前記ギャップに面するＮ極及びＳ極を交互に前記共通軸周りに間隔を空けて配置した構成を有しており、磁気環対の前記第１及び第２の磁気環の対応する主永久磁石は、前記ギャップに面する異なる極を有するとともに、磁束線が前記の対応する主永久磁石間の前記ギャップを横断するように互いに前記ギャップを横断しており、前記一連の中間永久磁石は、それぞれが二つの前記主永久磁石の間に配置され、前記ギャップに面するＮ極を有する前記二つの主永久磁石の側面に面するＮ極を前記ギャップに隣接して有しており、それぞれの中間永久磁石は、前記ギャップに面するＳ極を前記二つの主永久磁石の側面に面するＳ極を前記ギャップに隣接して有しており、前記コイル環は、前記磁束線が前記コイルの巻き線を切断して、前記磁気環が前記コイル環に対して回転するように、前記共通軸周りに配置された一連のコイルを有しており、前記少なくとも一つの磁気環対の前記第１及び第２の磁気環は、強磁性材料からなるバッキングプレートを有し、前記主永久磁石は、前記バッキングプレートと前記ギャップとの間に配置されるとともに、隣接する主永久磁石が前記バッキングプレートを介して互いに磁気的に結合されるように前記バッキングプレートに取り付けられている。
【０００８】
以下では、便宜上インターポールと呼ばれる前記中間永久磁石の存在は、前記主永久磁石の側面間に予め存在していたギャップを横切って流れる磁束の漏れを防止するとともに、対向する主磁石間の前記ギャップを横切る磁束を好適に整形及び集束させる。
【０００９】
上記の同時係属中の特許出願では、その永久磁石（本発明のジェネレータの主永久磁石に相当する）が強磁性のバッキングプレートに取り付けられた構成が開示されている。この効果は、後面間の磁気結合を強化することによって  磁石の側面間の側方磁束の漏れを減少させることであり、その結果、ジェネレータの形状の空隙を横切る磁束の密度を増加させる。
【００１０】
本発明のバッキングプレートが設けられることにより、主磁石の後面間の結合を容易にするだけでなく、中間永久磁石の内側極と主永久磁石の内側極との結合を容易にする。これは望ましい効果である。前述から、いずれのインターポールのエッジも、それらを挟む主永久磁石の外面に対して反発することが理解される。この効果は、本発明において、エアギャップを横切って磁束密度を集束して増加させる。
【００１１】
しかしながら、この配置の考察から理解されるように、各インターポールの側面は、それらを挟む主磁石の前面に対してそれぞれ反発する。同様の極が物理的に隣接している永久磁石の配置は、磁気復元力、すなわち、減磁に対する抵抗には寄与しない。これは、例えば、電機子のリアクタンスから生じる可能性がある外部の対向する磁場の存在によって生じる可能性がある。しかしながら、以下ではバッキング鉄と称する強磁性環状体の存在の利益とともに、主永久磁石及びインターポール双方のバッキングプレートに隣接する磁極は、それぞれバッキングプレートを介して実際的な磁気吸引力でそれぞれ結合されるので、各主永久磁石及び磁石の作用点が改善され、そのような反磁場の影響に対して保護が与えられる。バッキングプレートは、古い技術用語でキーパーと見なすことができる。
【００１２】
好ましくは、バッキングプレートは少なくとも４ｍｍの厚み、理想的には６ｍｍ以上の厚みを有しており、軟鉄材料、異方性シリコン鋼、ミューメタル及びパーマロイのような特殊化合物から製造することができる。厚さが少なくとも６ｍｍの軟鉄から製造されたバッキングプレートは、その上に取り付けられた主磁石及び中間磁石の間に所望の磁気結合を提供するのに十分な透磁率を有する。
【００１３】
実用的な実験によれば、磁石の作用点を助けるだけでなく、バッキング鉄板の存在により、エアギャップに面する磁石の面における平均磁束密度を、強磁性バッキングプレートがない場合と比べて３１％も増加させることができる。
【００１４】
本発明の構成は、前述のハルバッハの配列に表面的には類似しているが、これは磁気的又は物理的に当てはまらない。一態様では、磁気環はハルバッハの配列ではない。これは、磁束が主永久磁石の両側（磁極）からバッキングプレート内に延びるからである。これは主永久磁石が中間永久磁石よりもはるかに広い等、主磁石及び中間磁石の相対的なサイズによって達成される。本発明の一態様によれば、ジェネレータのロータ内で使用される永久磁石は、フェライトとして知られているタイプのものである。フェライト磁石は、ジェネレータ又は電気モータ内で一般的に使用される希土類磁石よりも明らかに弱い磁場を提供する。このため、相対運動が二つの間で発生するので、広範囲の磁石とそれに対応する多くのターンを有する大きい固定子コイルを使用して、有用な電磁力を発生させることができる。
【００１５】
このような広域に及ぶ磁石によって、そして古典的なハルバッハ配列とは対照的に、かなりの磁場が明確に存在し、磁石の二つのシーケンスの後面から発せられる。実際の磁場測定では、磁石の後面の平均磁束強度が、磁石の前面（ギャップ側）に存在する磁束強度の６０％高くなった。これは、磁石のギャップ側における磁束強度のかなりの割合である。
【００１６】
ここで、ハルバッハアレイと呼ばれるアレイの定義は以下の通りである。ハルバッハアレイは、アレイの片側の磁場を強化し、反対側の磁場をゼロに近づける永久磁石の特別な配置である。これは、空間的に回転する磁化のパターンを有することによって達成される。
【００１７】
古典的なハルバッハの配置とは対照的に、バッキング鉄が提供される。バッキング鉄が存在することによって、主永久磁石からギャップに向かって発する磁束密度を著しく増加させる。これは、電気モータが実際にハルバッハ配列を利用し、組立体の後面からの磁気漏れが最小であり、バック鉄が使用されていない米国特許ＵＳ２０１３００２０６６（Ａ１）に開示されているような伝統的な従来構成とは対照的である。伝統的なハルバッハアレイを利用する中国特許１０２９０４４０４（Ａ）は、ハルバッハ配列が、バッキング鉄を持たない独自の閉回路を形成し、中国特許１０４１６７８９３は再び鉄レスローターを備えたハルバッハアレイを使用している。
【００１８】
バッキングプレート強磁性体環の付加によって生じるさらなる重要な利点は、ロータ間のギャップに面する磁石表面での磁束密度を増加させる効果である。本発明の構成では、実用的な実験によれば、十分な厚みを有するバック鉄の存在によって、主永久磁石表面上の平均磁束密度を３１％以上に増大させることができる。
【００１９】
したがって、本発明の構成は、主磁石の側面間の側方磁束漏れを防止すると共に、ロータに取り付けられたフェライト磁石の動作点を改善するための新規な手段を提供するものである。これは、希土類磁石を使用する機械とは異なり、フェライト磁石の場合、外部磁場による減磁の影響を受け易いため、フェライトベースの機械の場合に特に重要である。さらに、対向する主磁石間の集束、磁場強度および磁束の形成が改善される。
【００２０】
測定可能という利点において、これらの構成に起因する磁気性能の全体的な向上は、例えば２０％を超えるようなものであり、直接的にステータコイル内で発生すｅｍｆの増加をもたらす。  負荷へのジェネレータ出力電力は、そのコイルに誘導されるｅｍｆの２乗に比例するので、発電電力が２０％増加することによって、発電電力が４４％増加（１．２２）される。補強材を構成するのに必要な追加材料の一回分のコストは、ジェネレータの製品寿命中に生成された電気の商業的価値によって急速に小さくなる。
【００２１】
本発明の一態様によれば、所定サイズのジェネレータに対して、主永久磁石および中間永久磁石の幅の比は、ｅｍｆを生成するために使用される固定子コイルの層の活性部分の平均幅の選択とともに、コイル内に生成されるｅｍｆの増加が少なくとも２０％増加するように決定され、それにより、インターポールが存在しないようにできる。
【００２２】
このタイプのジェネレータに使用される永久磁石は、その幅および長さがいくつかの要因によってその厚さを超える正方形または長方形のブロックの形態であることが通例である。Ｎ極とＳ極は互いに対向しており、ブロックの前面と後面（すなわち、幅と長さによって画定される面）を構成している。しかしながら、現代の製造技術は、それらが使用される特定の用途に適合するように、製造中に磁石の任意の合理的な幾何学的形状に焼結させることを容易に可能とする。磁石の形状の変化、例えば、厳密に直交する幾何学的形状以外のものを有することにより、それらが提供する磁束密度、ならびに外部対向磁場による磁化に対する抵抗などの他の特性に利益をもたらすことができる。
【００２３】
本発明の特徴によれば、主永久磁石とこれに挟まれた中間永久磁石の半径方向に延びる対向する辺の組の少なくとも１つが、湾曲している（例えば凸状または凹状である）。それらによって供給され、ジェネレータの空隙を横切る磁束密度を増加させる。この特徴の実施形態では、主永久磁石と中間永久磁石の両方の側面が湾曲しており、それぞれの曲線は、一方が他方におさまるように相補的であってもよい。
【００２４】
この特徴の第１の実施形態では、主永久磁石の側面は凹状である。この特徴の第２実施形態では、前記側面は凸状である。
【００２５】
いくつかの例では、主永久磁石及びインターポールの側面が物理的に隣接していることは、実用的でもなければ、望ましいことでもない。これは、製造コスト、それらから発せられる磁束の形成、又は減磁に対する安定性を保証することができる。この場合、インターポールと主永久磁石との間に配置された強磁性材料からなる強磁性磁極片インサートを導入することが有利となり得る。
【００２６】
インターポールを利用するためには、設計において固定子コイル形状を考慮すべきであり、逆の場合も同様である。これは、再び、コイルの巻線内で生成されるｅｍｆを、主永久磁石及びインターポールの組み合わせによって供給される磁束によって掃引される際に最適化するためである。特に、ある種の細長い主永久磁石の場合、理論的分析によると、近似正方形或いは楕円形コイルの使用によって増大したｅｍｆが生じることを示している。しかしながら、この効果は、主永久磁石の寸法に対するインターポールの寸法を適合することによって、更に増大することができる。
【００２７】
本願発明の特徴によれば、中間永久磁石は、主永久磁石よりも共通軸に近く、半径方向内側に延びており、及び／又は、主永久磁石より共通軸から離れて、半径方向外側に延びている。
【００２８】
この変形によって、磁束密度の半径方向長さがより長くなるという効果が得られ、ロータの磁石によって横切られる固定子コイルの巻き線を切断し、それにより固定子コイル内で発生するｅｍｆの対応する増加をもたらす。
【００２９】
インターポールの設計を変更するこの態様は、単に、それらの側面寸法の変動に限定されるものではない。
【００３０】
さらなる特徴によれば、対応する主永久磁石が、第１環の中間永久磁石と対向する第２磁気環の中間永久磁石との間の距離よりも互いに近接するように、インターポールは、主永久磁石の軸方向厚みよりも小さい回転ジェネレータの軸方向厚みを有している。
【００３１】
実験によってこの配置における効果が明らかになる。すなわち、インターポールがそれらの両側の主永久磁石よりも、より浅くなると、磁束のより好ましい分布が、主永久磁石の表面にわたって得られる。これにより、固定子コイル内で発生するｅｍｆがさらに増大する。
【００３２】
上記の同時係属中の出願では、一つの特定の実施形態において開示されたジェネレータのロータは、多数の離散的な対の磁気環ではなく、磁気環のスタックからなる。夫々の間には固定子コイル用のエアギャップがある。この場合、スタックにおける最初の二つの環は第１のエアギャップを確定し、第２の磁気環の後面は、第３の磁気環の前面と向き合うようにその前面と同じ方法で磁石を配置することにより第２のエアギャップ等を例えばスタックの全長に沿って形成する。
【００３３】
本発明のロータを使用して、同様に構成することができる。この場合、各ロータは、中央バッキングプレート環を備えており、非常に端部側に位置するプレートを除くプレートの各側面には、前述のように交互極性の主永久磁石及びインターポール永久磁石のシーケンス（一連体）が再び配置されており、ロータの長さに沿って磁気環の連続的なシーケンスを形成する。すなわち、各バッキング鉄板の両側に取り付けられた磁石リングの間にエアギャップが形成される。言い換えると、主永久磁石及びインターポール磁石の双方を、バッキングプレートの各サイドに上述の方法で取り付けることができ、これにより、ジェネレータの全長に沿った一連の強化された強度の磁束エアギャップを生成することができる。
【００３４】
本発明に従って構成されたより大きなジェネレータの場合、大きな発電能力、例えば数百または数千キロワットの大きな発電機の場合、そのロータの直径を顕著に大きくすることができる。これらは、例えば３〜６メートルとすることができる。この場合、電磁効率の理由から、主永久磁石は、例えば最大３分の１メートル以上の幅を有する大きなものとされる。これは実際には実現可能である。指定のサイズは、多数の標準サイズのより小さな磁石（一般的なサイズ：長さ０．１５  ｍ×幅０．１０  ｍ×厚さ  ０．０２５ｍ）を並べて単に結合することによって達成することができるからであり、１つの極性を有する単一の大きな面を生成するために、それらの幅にわたって磁化される。
【００３５】
上記の方法は、インターポールでは実現が困難な場合がある。  製造上の制約のために、それを挟む主永久磁石のスケールまたは同じ大きさの単一ピースのインターポール磁石をその反対側の端部にわたって磁化することは困難な場合がある。実際、収容できる最大値は、１インチ（２．５ｃｍ）の範囲内にあるだけである。
【００３６】
本発明の他の特徴によれば、所望の全体幅の単一のインターポール磁石を提供するように、より大きな実質的なインターポールを、それらの対向する端部を横切って磁化され、その隣に引き付けられる、横方向に結合された狭い磁石のスタックから構築することができる。
【００３７】
本発明は、添付の図面を参照して以下のように説明できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１ａ】主永久磁石だけを備えた二つの対向する磁気環を示している。
【図１ｂ】本発明の主永久磁石及び中間永久磁石双方を備えた二つの対向する磁気環を示している。
【図１ｃ】図１ａ及び図１ｂのいずれかの構成で使用するためのステータ（コイル環）を示している。
【図２】図１ａ及び図１ｂにおいて示された配置によって提供される実際の磁束強度のプリントアウトを示している。
【図３ａ】インターポールの寸法のバリエーション及び対応する磁束密度への影響を示している。
【図３ｂ】インターポールの寸法のバリエーション及び対応する磁束密度への影響を示している。
【図３ｃ】インターポールの寸法のバリエーション及び対応する磁束密度への影響を示している。
【図４】強磁性バッキングプレートに取り付けられるインターポールを示しており、隣接する磁極間の磁気結合部を示している。
【図５】主永久磁石及びインターポールを備えた磁気環のスタックを示している。
【図６】より大きな幅のインターポールを構成する方法を示している。
【図７】ヒステリシスループを示している。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
図１ａを参照して、本発明の回転子の二つの磁気環が符号１０及び１１によって示されているが、中間に位置する永久磁石（インターポール）は追加されていない。それらは、夫々強磁性の受け板１２及び１３を含み、その上には互いに離間した永久磁石１４及び１５の環状連続体が取り付けられている。ここでは主永久磁石と呼ばれるこれらの永久磁石は、図示するように、極性が交互になっている。二つの環状体の角度位置は、エアギャップ１６を横切って示すように、異なる極性が互いに向き合うように１つの極ピッチだけ互いにずらされて配置されている。符号１６ｂで示す側面配置図を参照することにより、この点はより明確になる。
【００４０】
したがって、交互極性の磁束の流れは、符号１７、１８等に示すように、対向する主永久磁石１３、１４の間のエアギャップを横切る。これらの磁束の流れは、コイルの環状連続体１８ｂを支持する固定子コイル環１９の巻き線を切るように使用され、この固定子コイル環１９は、エアギャップ１６内に配置され、磁気環１１、１２と共通軸を有しており、ここでは図１ｃにおいてその環状体から明確に離れた状態で図示されている。コイル環１９に対する磁気環使用時の回転は、固定子１８ｂ内の電磁力誘導においてよく知られている。
【００４１】
フレミング右手の法則にしたがって、コイル１８ｂを切断する磁束密度の集中度が高いほど、それらの中により大きなｅｍｆが誘起される。対向する磁石の磁極間の磁束密度の典型的な分布例は、正面向きの符号２０で示されている。ここで、より暗い領域はより高い磁束密度を示しており、反対により明るい領域はより低い磁束密度を示している。磁束密度は、矩形ブロックの中心からそのコーナー及びエッジに向かって顕著に低下することが容易にわかる。これは、生成されるｅｍｆの点において、不利なことである。明らかに、コイル１８ｂのより中央の巻き線は、符号２１のアウトラインで示すように、コイル中央領域を通過する際に最も高密度の磁束を享受するが、上側及び下側の層は、十分な磁束を享受することができない。この出願で開示された、バッキング鉄環状体に装着されるインターポールの導入は、この状況を抜本的に変える。
【００４２】
これを、図１ｂを参照して説明する。この場合、回転子環は長方形ブロックとして示された主永久磁石１４、１５と、これらの間に挟まれた台形の中間永久磁石（インターポール）２２、２３とを担持している。インターポール２２、２３は、平面状の永久磁石に関連するものとは異なり、特殊な方法で磁化される。従来の意味、すなわち、厚みを横切って磁化されるのではなく、それらは代わりに横方向に磁化される。すなわち、幅を横切って磁化される。したがって、インターポール２２、２３の一方側２４の全長は、例えばＮ極に磁化され、他方側２５の全長はＳ極に磁化される。より明確には、インセットＸを参照することができる。
【００４３】
本発明の特徴は以下の通りである。全体の極性（又は少なくともギャップ１６に隣接する極性）が主永久磁石１４、１５の外側に面する面の極性に反発し、隣接する主永久磁石１４、１５の側面間の磁束が横方向に漏れることを防止するようなインターポール２２、２３を挿入する。さらに、エアギャップ１６を切って流れる磁束線の大幅な増加および集束をもたらす。主永久磁石１４，１５の中央領域から放射される磁束の密度を高める。
【００４４】
要約すると、各中間永久磁石は、ギャップに面するＮ極を有する二つの主永久磁石の主永久磁石に面するＮ極を有し、各中間永久磁石は、ギャップに面するＳ極を有する二つの主永久磁石の主永久磁石に面するＳ極とを有する。
【００４５】
上述の構成の第１の考察は、反発するインターポール２２、２３の存在が両側の主永久磁石１４、１５に対して（磁気安定性の点で）全く好ましくない、という結論に達するかもしれないが、そうではない。インターポール２２、２３の全磁化面２４、２５は、主永久磁石１４、１５の前面から発する力線に抗しながら、同じ主永久磁石１４、１５の背面に当然のことながら引き付けられ、この極性は当然のことながらその全面の反対である。したがって、主永久磁石に対する正味の影響は、減少する。これは、図１ｂのインセットＹで大きく示されている。主永久磁石１４に隣接するインターポール２２、２３の側面２４は、Ｎ極に磁化されているので、その前面に反発している。これは、前記前面から出て、エアギャップ１６を横切る束線を補強する。しかしながら、前記インターポールの同じ側面２４もまた、主永久磁石１４のＮ極内向きの面に引き付けられことが好ましい。
【００４６】
インターポール２２、２３を設けることによって、主永久磁石の縁部間のギャップを横切る横方向磁束の漏れが防止されるとともに、ジェネレータのエアギャップ１６を横切る磁場を高める一方で、ロータ主永久磁石１４、１５のいずれかの磁気的安定性を著しく損なうこともない。したがって、磁場の強化、ひいては価値あるｅｍｆを生成するために、ジェネレータは希土類磁石の代わりにフェライト磁石を用いることができる。
【００４７】
対面する回転環の主永久磁石間に磁場強度の３Ｄ測定から得られたこの配置の有効性の実例について、図２を参照しながら説明する。第１列は、４つの磁気スライス像を示しており、与えられたエアギャップの半分にわたって均等に取得されたものである。上の画像は磁石に隣接する磁束パターンの画像であり、下の画像はエアギャップ１６の半分の画像である。第２列は、同じ磁気スライス像を示すが、インターポールが存在している点で相違する。この場合、上の画像は、第１列の同じ上の画像と比較してコントラストが明確であり、磁束強度を示す全体の黒さの増加は、下側の全てのスライス像で維持されている。
【００４８】
実際の効果は、磁束密度が平均で１８〜２０％増加するものであり、物理的測定（実際には図２の画像を作成するために使用される）と有限要素解析法によって独立して計算されることにより、算出される。したがって、固定子のコイル内で発生するｅｍｆの相応の増加も１８〜２０％である。これは、発生電力が誘導電圧の２乗に比例するため、大幅な増加を意味する。したがって、２０％のｅｍｆの増加は、４４％（１．２２）の電力増加をもたらす。実際には、これは例えば１０ＭＷの出力が大規模な海岸風力タービンの場合、１４．４ＭＷ増加することを意味する。インターポールを形成するために使用される追加の磁性材料のコストは、余剰電力の商業的利用により非常に短時間で小さくすることができる。
【００４９】
インターポールの使用から生じる利益がどのようにしてさらに最適化されるかの例が、図３によって与えられる。
【００５０】
任意の永久磁石の場合、磁石から出射される力線のパターン及び密度は、磁石の幾何学形状によって支配される。例えば、単純な矩形ブロックの磁石を使用すると、いずれかの磁極面から出射される単位面積当たりの磁束密度は、一様ではなく、ある特定の場所（例えば、真中）のそれとはかなり異なっている。これが起こるメカニズムは複雑であるが、有限要素解析技術によってフィールド分布を正確にモデル化することができる。本発明のロータの目的は、磁気環の間のエアギャップを横切る力線の密度を可能な限り最大限に高めることにある。
【００５１】
この目的のために、主永久磁石３０、３２よりも半径方向に沿ってインターポール３１を長くすることが有利であることがわかる。すなわち、中間永久磁石は、主永久磁石よりも共通軸に近接して、半径方向内向きに延びているか、及び／又は、主永久磁石よりも共通軸からより遠く、半径方向内外向きに長さが伸びている。この点を図３ａに示す。二つの主永久磁石３０、３２がインターポール３１を挟んでいる。インターポール３１は、隣接する主永久磁石３０、３２よりも長く図示されている。その結果は、符号３３で示すように、主永久磁石３０、３２の全長に沿って出射する力線よりも力線をより均一に集中させる傾向を呈している。インターポール３１が同じ長さであれば、主永久磁石３０、３２の上下近くで磁束線の強度が低下する傾向がある。その存在又はいかなるインターポール３１もなければ、符号３４で示すようなパターンは、より大径のコイルの巻き線を切るという点で不利であり（符号３４ａで示す）、したがってｅｍｆの最適化生成という点で不利である。
【００５２】
磁束密度を最適化する更なる態様は、インターポール３５の厚みに関するものである。これは、主永久磁石３０、３２がインターポール３５を挟む図３ｂに示されている。インターポール３５の前面をリベイトする（凹ませる）ことによって、磁石３０、３２からの磁束の分布をより均一化できるため、ジェネレータの性能を高めることができる。このように、中間永久磁石は、対応する主永久磁石が第１の磁気環の中間永久磁石と第２の磁気環の中間永久磁石との間の距離よりも互いに近接するように、主永久磁石の軸方向の長さよりも短い回転ジェネレータの軸方向の長さを有するように配置することに利点がある。
【００５３】
さらに、主永久磁石及びインターポールの側面形状に着目することによって、さらなる最適化を達成することができる。それは、現代の製造技術を使用して、好ましい湾曲形状に磁石を焼結することによって可能である。この例は、図３ｃに図示されている。二つの主永久磁石が符号３０、３２によって示されており、それぞれの主永久磁石３０、３２がその中央を横切ってより広くなるように凸状に屈曲している。逆に、それらの間に挟まれたインターポール３１は、凹状に湾曲している。永久磁石３０、３２の中央を横切る磁性材料の増大は、インターポール３１が存在することによって生じる磁界強度の向上と相まって、固定子のほぼ垂直な側部を切断するために、主永久磁石３０、３２の中心バンドから発生する磁束密度を実質的に増加させ、さらにｅｍｆを発生させるメリットがある。一実施形態では、前記の側面は、例えば、製造或いは組み立てを容易にするため、又は磁界に影響を及ぼすために、他の形状に湾曲させてもよい。主永久磁石は、凹状の面とインターポール凸面とを有していてもよい。
【００５４】
主永久磁石及び中間永久磁石の極性は、一方が他方に収められるように補完的であってもよい。これにより、全てのスペースが所望の磁場を達成するのに有効に活用されることが保証される。
【００５５】
実際には、図３ａ、図３ｂ及び図３ｃに示されたバリエーションの組み合わせは、最適な形状を確立するために任意の特定のサイズのジェネレータのために研究される。
【００５６】
いくつかの例では、主永久磁石とインターポールの面が物理的に隣接することは、実用的でもなければ、望ましいことでもない。これは、製造コストのために行うことができ、それらから発生する磁束を形成又は減磁に対する安定性を保証することができる。この場合、インターポールと主永久磁石との間に配置される強磁性材料からなる強磁性磁石片インサートを導入することが有利となる。
【００５７】
図４は、磁気環状回転子を含む様々な磁石の詳細な概略図であり、ここではバッキング鉄板と呼ばれる強磁性バッキングプレート４８のいずれかの側に、本発明にしたがって取り付けられた時に、それらの磁場がどのように有利に結合するかを示している（プレートの厚みは尺度で示しおりませんが、分かりやすくするために拡大して示されている）。
【００５８】
符号３６〜４１で主永久磁石を示しており、符号４２〜４７でこれらを挟むインターポールを示している。磁石から出射される磁場を結合する磁気ベクトルは、バッキングプレート４８の中に明るい矢印で示している。大きいスケールで示されているように、それらは共に有利に追加し、バッキングプレート４８の周囲等に太いベクトル４９〜５２を形成している。磁石面の後部でのこの正の結合は、さらに主永久磁石の前面から出射される磁束の密度を高め、上述のように、主永久磁石の磁気安定性を確保することに寄与する。
【００５９】
適切な磁束密度を達成し、十分なｅｍｆを得るために、主磁石とインターポールとが共に、図１ｂ及び図５に示すように、広範囲に延在している。これは、同等に広いマルチターン固定子の巻き線を切断するための広い磁束分布を提供する。この場合、顕著な磁束が存在し、磁石の二つのシークエンスの裏面から発する。
【００６０】
バッキングプレートの存在は、磁石が働く作用点を改善する。これは、フェライト磁石が使用される場合、本発明のジェネレータによって特に重要である。これらは、電機子のリアクタンスから生じるような外部場による減磁に対して弱い。したがって、磁気回路の完成時に可能な改善は、この発生の可能性を低減する。改善された作用点の例を図７のヒステリシスループに示されており、点線で示す元の作用点領域が実線に上昇し、これにより、Ｈｃを超える減磁場によって表される危険領域から磁石を除去している。
【００６１】
任意の所望の出力のジェネレータが、ロータの延長されたスタックから構成することができる。これは、図５に符号５４で示されている。符号５５〜５９によって５つの環状体が示されており、明細書で詳細を述べた通り、４つの固定子又はコイル環状体（図示せず）のために４つのエアギャップスロットを形成するように、面する主永久磁石及びインターポールを担持する。各ロータがその近傍に引き寄せられているという事実は、それらの間に延びている磁束を最適に形成して流すことに寄与しており、したがって、コイル内のｅｍｆの増大に寄与する。
【００６２】
図６に例示されるような大幅な直径のロータ（例えば、数メートルの直径を有するもの）のためにより大きなインターポールが要求される場合に、広い磁石の縁を横切って磁化を可能にする方法が求められる。この場合、符号７８で示すように、二つ、三つ（図示の通り）、それ以上の薄い磁石７５、７６、７７（前述したようにそれらの側面に沿って磁化されている）が製造され、その後集められ、単一の幅広のインターポールであって、側面にＮ極とＳ極とを有するインターポールが形成される。
【００６３】
本発明の構成で可能な磁束の改善の測定結果を、表１を参照しながら説明する。
磁場強度の表（単位：ｋＧ）
表Ａ：強磁性環状体がない場合の磁石の裏面及び表面における磁界強度（９つの測定データの平均値から取得した）
表Ｂ：６ｍｍのバッキングシートが取り付けられた磁石の表面の磁界強度
表Ａ、バッキング鉄無し
【表Ａ】
2018515060.tif 000003
表Ｂ、バッキング鉄有
【表Ｂ】
2018515060.tif 000004
【００６４】
表Ａを参照して、２つの中間永久磁石を挟む３つの主永久磁石の配置の裏面及び表面を横切る磁束強度の測定値は、バッキングプレートの存在無しであるが、“裏面側”及び“ギャップ側”に示されている。９つの測定値が、それぞれの主磁石について取得され（示された三つのデータを平均したもの）、各中間磁石についての測定値は一つに平均化した。実施例１／実施例２で示される二つのセット間の比率は、６０％であった。これは、実際の磁場が二つ並んだ磁石の裏面ならびにそれらの前面に存在することを明確に示している。
【００６５】
表Ｂを参照して、厚みが６ｍｍのバッキング鉄が磁石の同じ配置となっており、表面（すなわち、ギャップ側）について新しい数値の磁界強度が与えられた。この場合、表面を横切る磁界の強度が実施例３／実施例２で示されるように、実際の測定値として、３１％増加した。これは、磁石の裏側を結合することと使用可能な磁界強度を高めることとの両方においてバッキングプレートの使用が効果的であることを示している。一実施形態において、バッキングプレートは少なくとも４ｍｍの厚みを有しており、好ましくは少なくとも６ｍｍの厚みを有している。厚みは、バッキングプレートの裏側に実質的に磁束が存在しないように（片側配置で）することが好ましい。
【００６６】
フェライト磁石の場合、製造中の磁化が科学的に正確でないことに注意を要する。材料組成及び磁界強度の両方の変化は、磁石を横切るそれぞれの同じ位置の平均の変動を意味する。
【００６７】
当業者間において明らかな多くの変形が、本発明の範囲に含まれる。
【図１ａ】
2018515060.tif 000005
【図１ｂ】
2018515060.tif 000006
【図１ｃ】
2018515060.tif 000007
【図２】
2018515060.tif 000008
【図３ａ】
2018515060.tif 000009
【図３ｂ】
2018515060.tif 000010
【図３ｃ】
2018515060.tif 000011
【図４】
2018515060.tif 000012
【図５】
2018515060.tif 000013
【図６】
2018515060.tif 000014
【図７】
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【国際調査報告】
2018515060.tif 000016
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