(57)【要約】【課題】電気機械または発電システム用の回転子組立体を提供すること。【解決手段】電気機械または発電システム用の回転子組立体（１４）は、回転軸（２１）を有するシャフト（２０）と、シャフト（２０）によって回転可能に支持され、第１の回転子鉄心（３０）を有する第１の円筒区分と、回転軸（２１）に沿って第１の円筒区分（２４）から軸方向に間隔を置いて配置された第２の円筒区分（２６）であって、シャフト（２０）によって回転可能に支持される第２の円筒区分（２６）とを含み、磁石表面の極性のセットが、電力出力を向上させるように配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械用の回転子組立体（１４）であって、
回転軸（２１）を有するシャフト（２０）と、
前記シャフト（２０）によって回転可能に支持され、第１の回転子鉄心（３０）と、第１の外周面極性を有する磁石の第１のサブセットおよび第２の外周面極性を有する磁石の第２のサブセットを含む、半径方向に磁気を帯びた磁石（３４）の第１のセットとを有する第１の円筒区分（２４）と、
前記回転軸（２１）に沿って前記第１の円筒区分（２４）から軸方向に間隔を置いて配置された第２の円筒区分（２６）であって、前記第２の円筒区分（２６）が、前記シャフト（２０）によって回転可能に支持され、第２の回転子鉄心（３２）と、半径方向に磁気を帯びた磁石（３６）の第２のセットとを有する第２の円筒区分（２６）とを含む、電気機械用の回転子組立体（１４）。
【請求項２】
半径方向に磁気を帯びた磁石（３６）の前記第２のセットが、前記第１の外周面極性を有する磁石の第３のサブセットと、前記第２の外周面極性を有する磁石の第４のサブセットとを含む、請求項１記載の回転子組立体（１４）。
【請求項３】
前記第１の円筒区分（２４）が、前記回転軸（２１）の周りに円周方向に間隔を置いて配置された誘導子極（６６）のセットを、少なくとも２つの隣接した磁石の間にさらに含む、請求項１記載の回転子組立体（１４）。
【請求項４】
前記第１の円筒区分（２４）が、誘導子極（６６）と、前記第１の外周面極性を有する第１の磁石（６８）と、前記第２の外周面極性を有する第２の磁石（７０）と、前記第１の外周面極性を有する第３の磁石（６８）とを円周方向に繰り返すシリアルパターンを有する外面を画定する、請求項３記載の回転子組立体（１４）。
【請求項５】
前記誘導子極（６６）が、前記第２の磁石（７０）の前記外面区域の半分を有し、前記第１の磁石（６８）が、前記第２の磁石（７０）の前記外面区域４分の１を有する、請求項４記載の回転子組立体（１４）。
【請求項６】
前記第２の円筒区分（２６）が、前記回転軸（２１）の周りに円周方向に間隔を置いて配置された誘導子極（７２、７４）のセットを、少なくとも２つの隣接した磁石の間にさらに含み、前記第２の円筒区分（２６）が、誘導子極（７２、７４）と、前記第２の外周面極性を有する第４の磁石（７８）と、前記第１の外周面極性を有する第５の磁石（７６）と、前記第２の外周面極性を有する第６の磁石（７８）とを円周方向に繰り返すシリアルパターンを有する外面を画定する、請求項４記載の回転子組立体（１４）。
【請求項７】
前記第２の円筒区分（２６）の前記誘導子極（７２、７４）が、前記第５の磁石（７６）の前記外面区域の半分を有し、前記第４の磁石（７８）が、前記第５の磁石（７６）の前記外面区域の４分の１を有する、請求項６記載の回転子組立体（１４）。
【請求項８】
誘導子極（６６、７２、７４）の前記第１のセットまたは第２のセットの少なくとも１つが、前記円周方向に直接隣接した外周面極性と同じ極性の誘導子外周面極性を含むために動作可能に誘導されるように構成された、請求項７記載の回転子組立体（１４）。
【請求項９】
前記第１の磁石（６８）と、前記第３の磁石（６８）と、前記第５の磁石（７６）とが、同じ外周面極性を有し、前記第２の磁石（７０）と、前記第４の磁石（７８）と、前記第６の磁石（７８）が、同じ外周面極性を有する、請求項６記載の回転子組立体（１４）。
【請求項１０】
電気機械用の回転子組立体（１４）であって、
回転軸（２１）を有するシャフト（２０）と、
第１の外周面極性を有する第１の半径方向に磁気を帯びた磁石（６８）と、第１の誘導子極（６６）と、前記第１の外周面極性を有する第２の半径方向に磁気を帯びた磁石（６８）とを順次含む第１の周囲セグメント（８０）を含む前記シャフト（２０）によって回転可能に支持された第１の円筒区分（２４）と、
前記回転軸（２１）に沿って前記第１の円筒区分（２４）から軸方向に間隔を置いて配置された第２の円筒区分（２６）であって、前記第２の円筒区分（２６）が、前記シャフト（２０）によって回転可能に支持され、前記第２の円筒区分（２６）が、第２の周囲セグメント（８０）を含み、前記第２の周囲セグメント（８０）が、前記第１の外周面極性を有する第３の半径方向に磁気を帯びた磁石（７６）を含む、第２の円筒区分（２６）とを含み、
前記第１の周囲セグメントおよび第２の周囲セグメント（８０）が、軸方向に整列されている、電気機械用の回転子組立体（１４）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、発電システム用の回転子組立体に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電機などの電気機械は、機械力から電気を発生させる。電気の発生は、回転磁界が導電性巻線のセットに関して交互作用することに因って起こる。１つの発電機の例では、機械力によって回転される回転子は、導電性巻線のセットを有する据置き固定子と関連して回転磁界を発生させることができる。交互作用は、固定子巻線に、発電機の電力出力に供給され得る電流を発生させ、電流は、電気的負荷に電力を供給するために、さらに送ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１３／０３１３９４８号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
１つの態様では、本開示は、回転軸を有するシャフトと、シャフトによって回転可能に支持され、第１の回転子鉄心と、第１の外周面極性を有する磁石の第１のサブセットおよび第２の外周面極性を有する磁石の第２のサブセットを含む、半径方向に磁気を帯びた磁石の第１のセットとを有する第１の円筒区分と、回転軸に沿って第１の円筒区分から軸方向に間隔を置いて配置された第２の円筒区分であって、第２の円筒区分が、シャフトによって回転可能に支持され、第２の回転子鉄心と、半径方向に磁気を帯びた磁石の第２のセットとを有する第２の円筒区分とを含む、電気機械用の回転子組立体に関する。
【０００５】
別の態様では、本開示は、固定子鉄心と、回転軸の周りを固定子に関連して回転するように構成された回転子とを有する電気機械を含む発電システムに関する。回転子は、半径方向に磁気を帯びた磁石の交互的な第１のセットおよび誘導子極の第１のセットを含む、第１の周囲外面を有する第１の円筒区分と、回転軸に沿って第１の円筒区分から軸方向に間隔を置いて配置された第２の円筒区分であって、第２の円筒区分が、半径方向に磁気を帯びた磁石の交互的な第２のセットおよび誘導子極の第２のセットを含む第２の周囲外面を有する第２の円筒区分とをさらに含む。第１の周囲外面の表面区域は、半分より少ない区域が、誘導子極の第１のセットによって占められている。
【０００６】
さらに別の態様では、本開示は、回転軸を有するシャフトと、第１の外周面極性を有する第１の半径方向に磁気を帯びた磁石と、第１の誘導子極と、第１の外周面極性を有する第２の半径方向に磁気を帯びた磁石とを順次含む、第１の周囲セグメントを含むシャフトによって回転可能に支持された第１の円筒区分と、回転軸に沿って第１の円筒区分から軸方向に間隔を置いて配置された第２の円筒区分であって、第２の円筒区分が、シャフトによって回転可能に支持され、第２の円筒区分が、第２の周囲セグメントを含み、第２の周囲セグメントが、第１の外周面極性を有する第３の半径方向に磁気を帯びた磁石を含む第２の円筒区分とを含む電気機械用の回転子組立体に関する。第１の周囲セグメントおよび第２の周囲セグメントは、軸方向に整列されている。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本明細書に記載されるさまざまな態様による発電機組立体の分解斜視図である。
【図２】本明細書に記載されるさまざまな態様による、図１の発電機組立体の断面図である。
【図３】発電機組立体用の従来技術回転子組立体の一部の斜視図である。
【図４】本明細書に記載されるさまざまな態様による、図１の発電機組立体用の磁束通路のセットを含む回転子組立体の一部の斜視図である。
【図５】本明細書に記載されるさまざまな態様による、ブーストモードでの発電機組立体用の磁束通路のセットを含む回転子組立体の一部の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明は、電動機が駆動力を提供するか、および／または電気を発生させるかどうかにかかわらず、電動機を使用するどのような環境においても実施することができる。この説明のために、このような電動機は一般に、１つまたは複数の固定子／回転子の組み合わせが、機械に含まれ得ることを明示するように意図される電気機械、電気機械組立体、または類似の用語で称される。この説明は主に、発電を提供する電気機械（すなわち「発電機」）を対象としているが、この説明は、駆動力を提供する電気機械、および／または駆動力および発電を提供する電気機械にも適用できる。さらに、本発明は、電気機械を使用するどのような環境でも適用できる。
【０００９】
さまざまな要素の「セット」と表されているが、「セット」という言葉には、１つの要素だけも含み、それぞれの要素のどのような数も含まれ得ることを理解されたい。さらに、本明細書で使用しているように、「軸方向の」または「軸方向に」という用語は、回転軸の縦軸に沿った次元を指し、「半径方向の」または「半径方向に」という用語は、中心縦軸、外側の発電機周囲、または発電機の内部に配置された円形もしくは環状の構成要素の間に延在する次元を指す。「円周方向に」という用語は、それぞれの表面の周囲に沿って延在する次元を指す。さらに、異なった構成要素、要素等は、本明細書では、実質的に同一または実質的に同様に表されており、それらには、大きさ、形状、輪郭、体積、質量、またはそれぞれの外面の外面区域が実質的に同等の非限定的な例が含まれ得る。
【００１０】
本開示の本回転子組立体の態様は、磁石などの、半径方向に磁気を帯びた磁性体のセットを含む。本明細書で使用しているように、「半径方向に磁気を帯びた」という用語は、回転子組立体の半径方向中心に最も近い磁性体の一部が、第１の極または第１の極性（例えば磁北）を有し、回転子組立体１４の外側周囲面の、半径方向中心から最も遠い磁性体の一部は、第２の反対極または第２の反対極性（例えば磁南）を有することを説明するのに使用されている。本開示の全体にわたって使用されるように、誘導子極または磁性体の「極性」、「極」、「極性状態」は、それぞれの回転子組立体要素の外周面極性を指す。
【００１１】
図１は、発電機組立体１０などの電気機械組立体を示す。１つ非限定的な態様では、発電機組立体１０は、永久磁石機械または発電機を含むことができる。別の非限定的な態様では、発電機組立体１０は、二次磁極永久磁石機械または発電機を含むことができる。発電機組立体１０は、フレーム１３および蓋１５で示されるハウジング１１と、回転子組立体１４および固定子組立体１６を有する第１の機械１２とを含むことができる。電力ケーブル１８と示される少なくとも１つの電力接続部が、発電機組立体１０の外側に設けられており、電力を発電機組立体１０に移動させる、またはそこから電力を移動することが可能である。電力は、電力ケーブル１８によって、直接的または間接的に電気的負荷に送られることができる。１つの非限定的な例の態様では、電力ケーブル１８は、発電機組立体１０からの接地基準出力を備えた三相を提供することができる。
【００１２】
回転子組立体１４は、共通回転軸２１の周りを回転するように構成され、回転の源（図示せず）と機械的に連結するまたは回転の源と共に載置されるように構成される第１の端部２２を有する回転可能シャフト２０を含むことができる。第１の端部２２から間隔を置いて配置された、回転子組立体１４は、第１の実質的な円筒区分２４および第２の実質的な円筒区分２６を含むことができる。本明細書で使用しているように、「円筒の」という用語は、それぞれの区分２４、２６が、横断面の円形区域、形状、輪郭等を有し、回転子組立体１４の軸方向長さに沿って延在していることを意味する。さらに、円筒区分２４、２６は、回転可能シャフト２０から実質的に共通半径方向長さの地点の外面を含むことができる。第１の円筒区分２４は、第３の実質的な円筒区分２８によって、第２の円筒区分２６から離間されることができる。第３の円筒区分２８は、異なる断面区域を有することができる、または回転可能シャフト２０からの半径方向間隔を、第１の円筒区分および第２の円筒区分２４、２６よりも小さくすることができる。第１の円筒区分および第２の円筒区分２４、２６が、大きさおよび形状が実質的に同一であるように、輪郭を付され、製造、設計などされる、本開示の非限定的な態様が、含まれ得る。
【００１３】
第１の円筒区分２４は、第１の回転子鉄心３０と、第１の回転子鉄心３０によって支持される、永久磁石３４の第１のセットなどの磁性体のセット（点描外郭線で概略的に示された）とを含むことができる。同様に、第２の円筒区分２６は、第２の回転子鉄心３２と、第２の回転子鉄心３２によって支持される、永久磁石３６の第２のセットなどの磁性体のセット（点描外郭線で概略的に示された）とを含むことができる。回転子鉄心３０、３２の非限定的な例は、鉄心または積層鉄柱を含むことができる。１つ非限定的な例では、第３の円筒区分２８は、第１の回転子鉄心３０を第２の回転子鉄心３２と連結する、固形鉄ヨークまたは第３の鉄心３８を含むことができる。永久磁石３４、３６のセットの１つの非限定的な例は、希土類永久磁石を含むことができる。別の非限定的な例では、永久磁石３４、３６のセットは、半径方向に磁気を帯びていることができ、すなわち、回転子組立体１４の半径方向中心に最も近い永久磁石３４、３６の一部が、第１の極性を有し、回転子組立体１４の半径方向中心から最も遠い永久磁石３４、３６の一部が、半径と平行の方向性を有する反対極性を有する。
【００１４】
第１の円筒区分、第２の円筒区分、および第３の円筒区分２４、２６、２８は、区分２４、２６、２８が、回転軸２１の周りを回転可能シャフト２０と共に動作可能に共回転するように、回転可能シャフト２０と共に回転可能に固定される、または取り付けられる。１つの非限定的な例の構成では、回転可能シャフト２０は、運転中タービンエンジンからの機械力が、ギアボックスを経由するなどして、直接的または間接的に、シャフト２０に回転を提供するように構成され得る。
【００１５】
固定子組立体１６は、概ね円筒形の鉄心４０と、円周方向に間隔を置いて配置された柱４２のセットと、２つのそれぞれが間隔を置いて配置された柱４２の間に画定された巻線スロット４４のセットとを含むことができる。１つの非限定的な態様では、鉄心４０は、積層のセットから形成されることができるが、代替として、強磁性体を含む材料の成形または機械加工も含まれ得る。まとめて、歯または柱４２のセットおよび巻線スロット４４のセットは、固定子鉄心４０または固定子組立体１６の円周方向に所定の間隔で、半径方向に配置される。巻線スロット４４のセットは、開口頂部が、固定子組立体１６の周囲中央点の方を向いた状態に構成され、固定子鉄心４０または固定子組立体１６に沿って軸方向に間隔を置いて配置される反対側の開放端部で終端することができる。１つの非限定的な例の構成では、巻線スロット４４のセットの端部は、軸方向において、鉄心４０と同じ長さの地点で終端することができる。固定子組立体１６によって画定された内部空胴４６、柱４２のセット、固定子鉄心４０、またはその組み合わせは、回転可能な回転子組立体１４を受容するのに適した大きさ、形状、輪郭等になっている。
【００１６】
固定子組立体１６は、固定子鉄心４０の軸方向端部から間隔を置いて配置され、界磁コイル５０を受容するための半径方向区分を画定する中央区分４８をさらに含むことができる。界磁コイル５０は、界磁コイル５０のセグメント間での導電接続を防止するために、非導電性層またはコーティングによって取り囲まれた導電性材料または金属を含むことができる。界磁コイル５０は、中央区分４８の周囲に半径方向に、または環状に巻きつけることができ、界磁コイル５０に直流電流（ＤＣ）電圧で動作可能に通電するように構成された電力源５２（概略的に図示）と選択的に接続され得る。電力源５２は、変動レベル（例えば可変的な励起）の直流電圧を供給するようにさらに構成され得る。
【００１７】
組み立て時に、回転子組立体１４は、固定子組立体１６の空胴４６の中で受容され、固定子組立体１６は、ハウジング１１の中で受容される。ハウジング蓋１５は、ハウジング１１外部の要素から発電機組立体１０を環境的に保護または密封するために、ハウジングフレーム１３に対して取り付けられる、または固定されることができる。本開示の１つの非限定的な態様では、ハウジング１１は、界磁コイル５０によって発生された磁束フロー用の経路を提供するように構成または配置された透磁性材料を含むことができる。ハウジング１１の態様は、本開示と密接な関係性はない。
【００１８】
図２は、発電機組立体１０の断面図を示す。図示のように、回転子組立体１４が、第１の円筒区分および第２の円筒区分２４、２６それぞれの外面に表面実装型永久磁石３４、３６のセットを含む、本開示の態様を含むことができる。本開示の１つの非限定的な態様では、永久磁石３４、３６は、例えばエポキシによって、それぞれの円筒区分２４、２６に接着されることができる。本開示の別の非限定的な態様では、永久磁石３４、３６は、スリーブによってそれぞれの円筒区分２４、２６に接触した状態で保持、または拘束され得る。
【００１９】
固定子組立体が、巻線スロット４４のセットの中で、固定子鉄心４０の周りに巻きつけられる導電性ワイヤのセットを含む固定子巻線６０のセットを含んでいることがさらに示される。固定子巻線６０の１つのセットだけが示されているが、固定子巻線６０の通電が、介在柱４２に磁極を形成するように、巻線６０の少なくとも１つのセットが、少なくとも１つの柱４２の軸方向端部の周りに（これ以後「座巻」６４）、少なくとも２つの隣接する巻線スロット４４を通って巻きつけられる、本開示の態様を、含むことができる。
【００２０】
固定子巻線６０のセットまたは巻線スロット４４のセットは、巻線６０を別の巻線６０から、または巻線スロット４４を別の巻線スロット４４からそれぞれ電気的に絶縁するための非導電性層６２をさらに含むことができる。この意味において、第１の巻線スロット４４の中で巻きつけられた固定子巻線６０のセットは、第２の巻線スロット４４の中で巻きつけられた固定子巻線６０のセットから電気的に絶縁されることができ、同時に固定子鉄心４０からも絶縁され得る。このような構成では、固定子巻線６０のセットは、発電機組立体１０出力または電力ケーブル１８用の三相電力を発生させるために、巻線の三相セットを画定することができる。
【００２１】
１つの非限定的な例の構成では、第１の円筒区分２４、第２の円筒区分２６、および磁石３４、３６の第１のセットおよび第２のセットを含む回転子組立体１４が、発電機組立体１０の中に回転可能に固定される据置きの固定子組立体１６に対して回転することができるように、回転可能シャフト２０は、間隔を置いて配置されたベアリング６６によって支持されることができる。例えば１つの非限定的な例では、固定子組立体１６は、ハウジング１１のどのような適切な部分にも取り付けることができる。
【００２２】
発電機組立体１０の動作の間、回転の源は、固定子組立体１６に対して回転子組立体１４を駆動可能に回転させる。回転子組立体１４の磁石３４、３６のセットの磁場が、固定子組立体１６および固定子巻線６０に対して回転することで、固定子巻線６０のセットに電流が誘発される。固定子巻線６０のセットに発生した電流は、電力ケーブルに、さらに電気的負荷に動作可能に提供され得る。
【００２３】
図３は、従来技術の発電機組立体用の典型的な回転子組立体１００の部分斜視図を示す。図示のように、回転子組立体１００は、第１の回転子鉄心１１４を有する第１の円筒区分１０２と、第２の回転子鉄心１１６を有する第２の円筒区分１０６と、間隔を置いて配置された第１の円筒区分および第２の円筒区分１０２、１０６を接合している第３の円筒区分１０８とを含むことができる。第１の円筒区分および第２の円筒区分１０２、１０６は、それぞれの外面１０４、１１０を画定することができる。
【００２４】
図示例の構成では、第１の円筒区分１０２の外面１０４の少なくとも一部は、第１の回転子鉄心１１４の材料を含み、隣接する第１の磁石および第２の磁石１１８、１２０（磁石１１８、１２０は、磁気的「南」極を有すると分類される）の側面と接する第１の誘導子極１１２を含むことができる。第２の円筒区分１０６の外面１１０の少なくとも一部は、隣接する第２の誘導子極および第３の誘導子極１２４、１２６の側面と接する、第３の磁石１２２（磁気的「北」極を有すると分類される）をさらに含むことができ、極１２４、１２６は、第２の回転子鉄心１１６の材料を含む。図示した構成では、第１の誘導子極１１２は、第３の磁石１２２から軸方向に間隔を置いて配置され、第３の磁石１２２と半径方向に整列されている。さらに、第１の誘導子極１１２および第３の磁石１２２は、大きさならびにそれぞれの外面１０４、１１０の外面区域（すなわち周囲面）が実質的に類似している。同様に、第１の磁石１１８は、第２の誘導子極１２４と、軸方向に間隔を置いて配置され、円周方向に整列されており、第２の磁石１２０は、第３の誘導子極１２６から軸方向に間隔を置いて配置され、半径方向に整列されている。さらに、同様の、第１の磁石１１８および第２の誘導子極１２４は、互いに、軸方向に間隔を置いて配置され、円周方向に整列されており、第２の磁石１２０および第３の誘導子極は、互いに、軸方向に間隔を置いて配置され、円周方向に整列されている。
【００２５】
図３の斜視図は、典型的な回転子組立体１００の概ね２５パーセントだけを図示しているが、回転子組立体１００は、第１の磁石１１８および第２の磁石１２０が、実質的に、第１の誘導子極１１２と同等になるような大きさおよび輪郭になるように、一般的には構成される。同様に、第２の誘導子極および第３の誘導子極１２４、１２６は、第３の磁石１２２と同等になるような大きさおよび輪郭になっている。したがって、図示された構成は、従来技術回転子組立体１００を提供しており、第１の円筒区分１０２の周囲および第２の円筒区分１０６の周囲は、軸方向に間隔を置いて配置された誘導子および磁性体の対で、整列および配置されており、対は、１つの非限定的な例では、互いが円周方向に４５度オフセットしている。
【００２６】
図示した斜視図が、概括的には、円周方向に隣接し、交互的な磁性体１１８、１２０、および誘導子極１１２を備えた第１の円筒区分１０２を有する回転子組立体１００の総周囲の周りで繰り返される。同様に、回転子組立体１００は、概括的には、円周方向に隣接し、交互的な磁石体１２２および誘導子極１２４、１２６を有する総周囲の周りで、繰り返される、第２の円筒区分１０６を有し、第２の円筒区分１０６の磁性体１２２は、第１の円筒区分の磁性体１１８、１２０と磁気的に逆になっている。この意味において、第１の円筒区分１０２および第２の円筒区分１０６それぞれの外面１０４、１１０は、５０パーセントの磁性体および５０パーセントの誘導子極を含む。誘導子および磁性体対は、円周方向に隣接した対の間で重複しない。
【００２７】
図４は、本明細書に記載される開示のさまざまな態様による回転子組立体１４の部分斜視図を示す。図示のように、第１の円筒区分２４は、第１の外面６３を画定することができ、第１の誘導子極６６と、第１の磁性体６８（磁北と示される）と、第１の磁性体６８（磁南と示される第２の磁性体）と磁気的に逆である第２の磁性体７０とを含むことができる。さらに、図示のように、第２の円筒区分２６は、第２の外面６５を画定することができ、第２の誘導子極７２と、第３の誘導子極７４と、第３の磁石材料７６（磁北と示される）と、第３の磁性体７６（磁南と示される第４の磁性体）と磁気的に逆である第４の磁性体７８とを含むことができる。第２の磁性体７０および第４の磁性体７８は磁気的に同等（例えば磁気的に南）であり、第１の磁性体６８および第３の磁性体７６は、磁気的に同等（例えば磁気的に北）である。
【００２８】
第１の円筒区分２４は、以下のように、第１のシリアルパターン、すなわち誘導子極６６、第１の磁性体６８、第２の磁性体７０、第１の磁性体６８、および誘導子極６６を繰り返して円周方向に配置される。上記の第１のシリアルパターンは、誘導子極６６で始まり、別の繰り返される第１のパターンおよび第２の記載された誘導子極６６が始まると表されていることを留意されたい。言い換えると、上記の第１のシリアルパターンは、隣接した、繰り返しの誘導子極６６を含んでおらず、第１のパターンの第２の記載した誘導子極６６は、繰り返される第１のパターンの始まりを表す。
【００２９】
第２の円筒区分２６は、以下のように、第２のシリアルパターン、すなわち誘導子極７２、７４、第４の磁性体７８、第３の磁性体７６、第４の磁性体７８、および誘導子極７２、７４を繰り返して円周方向に配置される。第１のシリアルパターンと同様に、上記の第２のシリアルパターンは、誘導子極７２、７４で始まり、別の繰り返される第２のパターンおよび第２の記載された誘導子極７２、７４が始まると表されていることを留意されたい。言い換えると、上記の第２のシリアルパターンは、隣接した、繰り返しの誘導子極７２、７４を含んでおらず、第２のパターンの第２の記載した誘導子極７４は、繰り返される第２のパターンの始まり表す。
【００３０】
図４の斜視図は、回転子組立体１４の概ね２５パーセントだけを示しているが、回転子組立体１４の態様は、非限定的な構成を含むことができ、第２の磁性体７０および第３の磁性体７６は、実質的には、同等になるような大きさおよび輪郭になっているが、互いが半径方向に約４５度オフセットしている。同様に、回転子組立体１４の態様は、非限定的な構成を含むことができ、第１の誘導子極６６、第２の誘導子極７２、および第３の誘導子極７４は、実質的には、同等になるような大きさおよび輪郭になっているが、互いが半径方向に約４５度オフセットしている。図４の非限定的な図示の例では、例えば、第２の誘導子極７２は、第１の誘導子極６６から反時計回りの方向に４５度だけ半径方向にオフセットしており、一方で、第３の誘導子極７４は、第１の誘導子極６６から時計回りの方向に４５度だけ半径方向にオフセットしている。
【００３１】
上記の通り、第２の磁性体７０および第３の磁性体７６は、例えばそれぞれの外面６３、６５の区域に関して実質的に同様の大きさになっている。第１の円筒区分および第２の円筒区分２４、２６の周囲に配置される他の要素の大きさまたは外面区域を、第２の磁性体または第３の磁性体７０、７６の大きさまたは表面区域を参照しながら、さらに説明することができる。例えば、本開示の１つの非限定的な態様では、誘導子極６６、７２、７４は、実質的には、第２の磁性体または第３の磁性体７０、７６の大きさまたは表面区域（すなわち周囲表面区域）の半分の大きさであることができる。同様に、第１の磁性体６８および第４の磁性体７８のセグメントは、実質的には、第２の磁性体または第３の磁性体７０、７６の大きさまたは表面区域の４分の１の大きさであることができる。本開示の別の非限定的な態様では、第１の周囲外面または第２の周囲外面６３、６５の少なくとも１つの総外面区域の半分より少ない区域が、誘導子極６６または７２、７４のそれぞれのセットによって占められることができる。
【００３２】
図示する回転子組立体１４は、軸方向に間隔を置いて配置され、円周方向に整列されたセグメントのセットをさらに明示している。例えば、開示の１つの非限定的な態様は、円周方向に対向する側面で、第１の磁性体６８と隣接して接する第１の誘導子極６６を含む第１の円筒区分２４の第１のシリアルパターンのサブセットと、第２の円筒区分２６の軸方向に間隔を置いて配置された第３の磁性体７６を含む、第１の軸方向に間隔を置いて配置され、円周方向に整列されたセグメント８０を含むことができる。第１のセグメント８０に含まれる磁性体６８、７６のセットは、類似の磁場配位（例えば磁北）を含むことを留意されたい。
【００３３】
第１のセグメント８０は、円周方向に対向する側部で、第１のセグメント８０と隣接して接する、第２の軸方向に間隔を置いて配置され、円周方向に整列されたセグメント８２の非限定的な例のセットをさらに明示している。図４が部分斜視図であるので、第２のセグメント８２の部分的な図だけが表示されている。本開示の１つの非限定的な態様では、第２のセグメント８２は、第１の円筒区分２４の第２の磁性体７０と、円周方向に対向する側部で、第４の磁性体７８と隣接して接する、それぞれの第２の誘導子極または第３の誘導子極７２、７４を含む、第２の円筒区分２６の第２のシリアルパターンのサブセットとを含むことができる。第２のセグメント８２に含まれる磁性体７０、７８のセットは、類似の磁場配位（例えば磁気的な南）を含むことを留意されたい。
【００３４】
したがって、本開示の態様は、回転子組立体１４および発電機組立体１０を説明しており、誘導子極は、それぞれの第１の円筒区分および第２の円筒区分の上で軸方向に対向し、円周方向に整列された磁性体と等しい大きさにはなっていない。従来技術の典型的な回転子組立体１００と比較すると、現在の開示の誘導子極６６、７２、７４は、従来技術の誘導子極１１２、１２４、１２６より小さい、または大きさ、形状、または外面区域が縮小されている。さらに、記載したように、現在の開示の誘導子極６６、７２、７４の小型化の少なくとも一部は、誘導子極６６、７２、７４と隣接し、誘導子極６６、７２、７４の側面と接する追加的な磁性体６８、７８を含むための空間に置換することができる、または誘導子極６６、７２、７４と隣接し、誘導子極６６、７２、７４の側面と接する追加的な磁性体６８、７８を含むための空間を作ることができる。
【００３５】
図４は、さらに、磁束の矢印のセットの形で回転子組立体１４の磁束を図示している。矢印は、磁束を表すために示されているが、磁束が、磁束経路を含んでいることは、一般に理解されている。したがって、磁気的な磁束矢印のセットを用いて、戻り磁束経路が、それぞれの回転子鉄心３０、３２に含まれた状態の、または第１の円筒区分と第２の円筒区分２４、２６との間のエアーギャップ９０、これに限定するわけではないが、を含むエアーギャップを通る磁束経路の一部を表すことができる。第１の磁束矢印８４は、第３の磁性体７６と第２の磁性体７０との間の磁束を図示する。この第１の磁束矢印８４は、磁性体７０、７６の幾何形状または関係および経路の磁気抵抗によって主に決定される磁束の一部を図示する。第２の磁束矢印８６のセットは、第１の円筒区分および第２の円筒区分２４、２６それぞれの上の隣接する磁性体の間の磁束を図示する。図示のように、第２の磁束矢印８６は、第１の円筒区分２４の第１の磁性体６８と第２の磁性体７０との間の、および第２の円筒区分２６の第３の磁性体７６と第４の磁性体７８との間のそれぞれの磁束を示すことができる。第３の磁気的な磁束矢印８８のセットは、図示した回転子組立体１４の構成に関する「正味効果」磁束を図示する。
【００３６】
誘導子極を小型化または置換すること、および追加的な磁性体を置換または包含することで、結果的に現在の開示では、従来技術回転子組立体１００の正味効果磁束と比べて、より多くの正味効果磁束が動作可能にもたらされる。
【００３７】
本開示の別の態様では、発電機組立体１０は、「ブーストモード」で動作させることができる。ブーストモードの間、発電機組立体１０は動作して、電力源５２から固定子組立体１６の界磁コイル５０まで直流電圧を制御可能に印加する。通電された界磁コイル５０は、次には、誘導子極から別の誘導子極へ流れる磁束を発生する。図５は、ブーストモードで動作している発電機組立体１０の回転子組立体２１４についての非限定的な例の構成を示す。回転子組立体２１４は、回転子組立体１４に類似しており、したがって、類似の部品は、２００大きい類似の数字符号で識別されており、特に明記しない限り、回転子組立体の類似の部品の説明は、回転子組立体２１４に当てはまると理解される。
【００３８】
回転子組立体１４と回転子組立体２１４との間の相違点は、誘導子極２６６、２７２、２７４が、界磁コイル５０の通電によって、極性状態に誘導されることである。図示のように、第１の誘導子極２６６は、隣接した第１の磁性体６８と同じ極性状態に誘導される。図示される非限定的な例では、第１の誘導子極２６６および隣接した磁性体６８は、北の磁気極性を有する。さらに、示している、回転子組立体２１４の第２の誘導子極および第３の誘導子極２７２、２７４は、隣接した第４の磁性体７８と同じ極性状態に同様に誘導される。示される非限定的な例では、第２の誘導子極および第３の誘導子極２７２、２７４と、隣接した第４の磁性体７８とは、南の磁気極性を有する。
【００３９】
図５は、回転子組立体２１４の磁束を磁束矢印のセットの形でさらに示す。先に述べた磁束矢印８４、８６の第１のセットおよび第２のセットに加えて、極性が付与された誘導子極２６６、２７２、２７４は、逆極性が付与された極の間に磁束を発生する。図示のように、磁束矢印２９２の第４のセットは、極性が付与された第１の誘導子極２６６と極性が付与された第２の誘導子極２７２との間、および極性が付与された第１の誘導子極２６６と極性が付与された第３の誘導子極２７２との間の磁束を示す。第５の磁束矢印２９４のセットは、図示された回転子組立体２１４の構成では「正味効果」磁束を示す。
【００４０】
誘導子極を小型化または置換する、かつ追加的な磁性体を置換または包含することは、回転子組立体がブーストモードで動作する間、相当するブーストモードで（例えば同じ直流電圧または直流電源で印加された「ブースト電流」で）動作している従来技術回転子組立体１００の正味効果磁束と比べて、現在の開示では動作可能な状態でより大きな正味効果の磁束をもたらす。
【００４１】
発電機組立体１０の通常動作（すなわち非ブーストモード）では、ブーストモードと同様に、誘導子極を小型化することによって、エアーギャップ９０での磁束密度は、同じ状態のままになる。さらに、誘導子極と固定子組立体との間のエアーギャップ区域が縮小されることで、漏れ磁束がさらに減少する。その上、誘導子極体積の少なくとも一部を磁性体に置換することによって、エアーギャップ９０での正味磁束が増える。エアーギャップ９０での正味磁束を増やすことで、発電機組立体１０が、従来技術回転子組立体１００と比べてより少ない界磁コイル５０電流で、ブーストモードにおいて特定の電力レベルで動作できるようになる。ブーストモードにおいて特定の電力レベルを達成しながらも、必要な開示コイル５０電流は、少なくなることで、界磁コイル５０の効率性は高まり、界磁コイル５０の加熱は弱まる。
【００４２】
上記の図に示したものの他に、多くの他の可能な態様および構造が、本開示によって想定される。例えば、発電機組立体、回転子組立体、固定子組立体、誘導子極のセット、または磁性体のセットの正確な寸法は、用途によって極めて特有である。発電機組立体または下位要素の軸方向長さは、予想されるまたは設計された発電要件の動作体積または動作外囲器に基づいて、延ばすことも縮めることもできる開示の態様が、含まれ得る。さらに、図示例は、開示の１つの非限定的な例を提供している。磁石または誘導子極が本明細書の説明に合致するのであれば、磁石または誘導子極の代替的な数、構成、配置などを有する開示の態様も、含まれ得る。
【００４３】
本明細書に開示される態様は、典型的な発電機組立体と比べて、通常の発電機動作およびブーストモード動作下でより高い電力出力を発生させるように構成された回転子組立体および発電機組立体を提供する。上記の開示で実現され得る１つの利点は、上記の発電機は、典型的な発電機と比べて、同じ空間外囲器でより高い電力レベル、より高い電力出力、およびより高い電力密度を達成し得ることである。上記の発電機は、典型的な発電機と比べて、ブーストモードで動作する間、より高い電力レベル、より高い電力出力、およびより高い電力密度を同様に達成することができる。
【００４４】
上記の開示で実現され得る別の利点は、上記の発電機が、匹敵する電力出力レベルを達成し得ること、または、より低い直流電圧、またはより低い電流印加ブーストモードでの発電機動作で同様な所望の磁束密度を達成し得ることである。さらに、ブーストモードの間、より低い直流電圧またはより低い電流で同様のまたはより高い電力密度、電力出力などを達成することで、発電機または界磁コイルの熱放散態様は、低減または削減される。上記の開示のさらに別の利点は、上記の発電機は、ブーストモード下で動作する間、電力出力のより高いダイナミックレンジで動作し得ることである。
【００４５】
これまでに記載していない範囲では、さまざまな態様の異なる特徴および構造を、所望のように相互に組み合わせて用いることができる。ある特徴が、実施形態の全てに図示することができなかったということは、それが存在していないと解釈されるように意図されているのではなく、説明を簡潔にするためにそのようにされている。したがって、異なる実施形態のさまざまな特徴は、新しい実施形態が明確に描かれているか否かに関わらず、所望されるように混合し、適合させて、新しい実施形態を形成することができる。本明細書に記載される特徴の結合または置換は、この開示によって網羅されている。
【００４６】
この書面による明細は、最良の形態を含む本発明の態様を開示するために、さらにどのような当業者でも、任意のデバイスまたはシステムを作って使用すること、任意の包含された方法を実行することなど、本発明の態様を実施することができるように、例を使用している。本発明の特許性を有する範囲は、請求項によって画定されており、当業者であれば想起される他の例を含むことができる。このような他の例は、それらが、特許請求の範囲の文字通りの言葉とは異なっていない構造的な要素を有する場合、またはそれらが、特許請求の範囲の文字通りの言葉との相違点が実質的にない、等価な構造的な要素を含む場合、特許請求の範囲に含まれるように意図されている。
【符号の説明】
【００４７】
１０  発電機組立体
１１  ハウジング
１２  第１の機械
１３  フレーム
１４  回転子組立体
１５  蓋
１６  固定子組立体
１８  電力ケーブル
２０  回転可能シャフト
２１  回転軸
２２  回転可能シャフト
２４  第１の円筒区分
２６  第２の円筒区分
２８  第３の円筒区分
３０  第１の回転子鉄心
３２  第２の回転子鉄心
３４  磁石の第１のセット
３６  磁石の第２のセット
３８  第３の鉄心
４０  固定子鉄心
４２  柱のセット
４４  巻きスロットのセット
４６  空洞
４８  中央区分
５０  界磁コイル
５２  電源
６０  固定子巻線のセット
６２  非導電層
６３  第１の外面
６４  座巻
６５  第２の外面
６６  第１の誘導子極
６８  第１の磁性体
７０  第２の磁性体
７２  第２の誘導子極
７４  第３の誘導子極
７６  第３の磁性体
７８  第４の磁性体
８０  第１のセグメント
８２  第２のセグメント
８４  第１の磁束
８６  第２の磁束
８８  第３の磁束
９０  エアーギャップ
２１４  回転子組立体
２６６  回転子組立体
２７２  第２の誘導子極
２７４  第３の誘導子極
２９２  第４の磁束
２９４  第５の磁束
【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】
2017212872.tif 000007
【外国語明細書】
2017212872000001.pdf