(57)【要約】【課題】コギングを低減する。【解決手段】軸方向磁束回転ジェネレータであって、2つの磁気環状部と、コイル環状部と、これらの共通軸を有し、前記2つの磁気環状部は、これらの間のギャップを横切って延びる前記共通軸の周りの複数の磁界を画定し、前記コイル連続体環状部は、前記ギャップ内の前記共通軸の周りに取り付けられたコイル連続体を有して、前記磁界からの磁束線が前記コイルの巻線を切るようになっており、前記磁気環状部が前記コイル環状部に対して回転するように、前記コイルに電流を誘導し、個々の磁界の相対的位置と、前記コイル連続体における個々のコイルの中心及びサイジングの相対的な位置は、（i）個々のコイルにおける電流が互いに三相を超えるように、（ii）コイルの数と個々の磁界の数との間の１以外の公約数の数が、1またはゼロとなるように、設定されている。 【選択図】図６ｂ
2017536082.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向磁束回転ジェネレータであって、2つの磁気環状部と、コイル環状部と、を有し、
前記磁気環状部及び前記コイル環状部は、共通軸を有しており、
前記2つの磁気環状部は、これらの間のギャップを横切って延びる前記共通軸の周りの複数の磁界を画定し、前記コイル環状部は、前記ギャップ内の前記共通軸の周りに取り付けられたコイル連続体を有して、前記磁界からの磁束線が前記コイルの巻線を切るようになっており、前記磁気環状部が前記コイル環状部に対して相対回転するように、前記コイルに電流を誘導し、
個々の磁界の相対的位置と、前記コイル連続体における個々のコイルの中心及びサイジングの相対的な位置は、（i）コイル連続体の個々のコイルにおける電流が互いに三相を超えるように、（ii）前記共通軸周りにおけるコイル連続体のコイルの数と個々の磁界の数との間の１以外の公約数の数が、1またはゼロとなるように、設定されている。 
【請求項２】
前記磁界のピッチは、前記コイルのピッチと異なることを特徴とする請求項1に記載の軸方向磁束回転ジェネレータ。 
【請求項３】
前記磁界のピッチは、前記コイルのピッチよりも小さいことを特徴とする請求項2に記載の軸方向磁束回転ジェネレータ。
【請求項４】
前記磁気環状部によって画定される磁界の数は、前記コイル連続体におけるコイルの数とは異なる、請求項1,2または3に記載の軸方向磁束回転ジェネレータ。 
【請求項５】
コイルの数と比較した磁界の数の差が、１と5との間、好ましくは1と3との間、最も好ましくは1に等しい、請求項4に記載の軸方向磁束回転ジェネレータ。
【請求項６】
前記磁気環状部によって画定される磁界の数は、前記コイル連続体のコイルの数よりも多い、請求項4または5に記載の軸方向磁束回転ジェネレータ。 
【請求項７】
前記コイル連続体における前記コイルの数が奇数である、請求項1乃至６のうちいずれか一つに記載の軸方向磁束回転ジェネレータ。 
【請求項８】
前記磁気環状部によって画定される磁界の数が偶数である、請求項1乃至７のうちいずれか一つに記載の軸方向磁束回転ジェネレータ。 
【請求項９】
コイル連続体における前記コイルが実質的に連続しており、それにより前記コイルに利用可能な周方向距離を実質的に満たすことを特徴とする請求項1乃至８のうちいずれか一つに記載の軸方向磁束回転ジェネレータ。 
【請求項１０】
前記コイルの巻線は外側半径と内側半径とを有し、前記外側半径と前記内側半径との間の大きさの差は、隣接する磁界間の距離に等しいか又はそれよりも小さいことを特徴とする請求項1乃至９のうちいずれか一つに記載の軸方向磁束回転ジェネレータ。 
【請求項１１】
個々の磁界間の間隔、個々のコイルの中心間の間隔、および個々のコイルの幾何学的形状は、コイルの一方側の巻線が複数の磁界の第1の磁界内にあり、同時に前記コイルの他方側の巻線が第１の磁界に隣接する複数の磁界の反対極性の磁界内にあるようになっていることを特徴とする請求項1乃至１０のうちいずれか一つに記載の軸方向磁束回転ジェネレータ。
【請求項１２】
前記一連の磁界における磁界の極性が交互であることを特徴とする請求項1乃至１１のうちいずれか一つに記載の軸方向磁束回転ジェネレータ。 
【請求項１３】
前記磁気環状部は、複数の永久磁石からなる、請求項１乃至１２のうちいずれか一つに記載の軸方向磁束回転ジェネレータ。
【請求項１４】
前記永久磁石は、フェライト磁石であることを特徴とする請求項１３に記載の軸方向磁束回転ジェネレータ。
【請求項１５】
前記コイルが実質的に円形である、請求項１乃至１４のうちいずれか一つに記載の軸方向磁束回転ジェネレータ。
【請求項１６】
前記磁気環状部によって画定される磁界の数は、8以上、10以上、15以上、40以上、45以上、さらには50以上のいずれかである、請求項１乃至１５のうちいずれか一つに記載の軸方向磁束回転ジェネレータ。
【請求項１７】
個々の磁界と前記コイル連続体における個々のコイルの中心間の間隔が、各コイルに誘導される電流が前記コイル連続体における他の全てのコイルに誘導された電流と位相がずれるようになっている、請求項１乃至１６のうちいずれか一つに記載の軸方向磁束回転ジェネレータ。
【請求項１８】
前記2つの磁気環状部が磁気的に結合されていない、請求項１乃至１７のうちいずれか一つに記載の軸方向磁束回転ジェネレータ。
【請求項１９】
前記2つの磁気環状部が磁気的に結合されている、請求項１乃至１７のうちいずれか一つに記載の軸方向磁束回転ジェネレータ。
【請求項２０】
一連の磁気環状部を交互に配置した一連のコイル環状体を含む、請求項１乃至１９のうちいずれか一つに記載の軸方向磁束回転ジェネレータ。 
【請求項２１】
前記コイル環状部および/または磁気環状部の相対的な角度配置は、隣接するコイル連続体のコイルに誘導される電流が実質的に互いに同相となるように設定されている、請求項２０に記載の軸方向磁束回転ジェネレータ。 
【請求項２２】
前記コイル環状部および/または磁気環状部の相対的な角度配置は、隣接するコイル連続体のコイルに誘導される電流が実質的に互いに位相がずれるように設定されている、請求項２１に記載の軸方向磁束回転ジェネレータ。
【請求項２３】
前記コイルは、著しい電気を発生させる目的のために前記コイル担持環状部内に強磁性材料を必要としない、請求項１乃至２２のうちいずれか一つに記載の軸方向磁束回転ジェネレータ。
【請求項２４】
誘導電流が互いに同相ではないコイルの出力が、異なる整流器に接続される、請求項1乃至２３のうちいずれか一つに記載の軸方向磁束回転ジェネレータ。 
【請求項２５】
誘導電流が互いに同相であるコイルの出力が互いに接続される、請求項１乃至２４のうちいずれか一つに記載の軸方向磁束回転ジェネレータ。
【請求項２６】
前記ジェネレータによって生成された電力のRMSが0.95以上である、請求項１乃至２５のうちいずれか一つに記載の軸方向磁束回転ジェネレータ。 
【請求項２７】
前記共通軸周りにおける前記コイル連続体の前記コイルの数と前記個々の磁界の数との間の１以外の公約数の数がゼロである、請求項1乃至２６のうちいずれか一つに記載の軸方向磁束回転ジェネレータ。 
【請求項２８】
前記コイル連続体におけるコイルの数は少なくとも3であり、前記共通軸周りにおける前記コイル連続体の前記コイルの数と前記個々の磁界の数との間の１以外の公約数の数がゼロであるか、又は、
前記コイル連続体におけるコイルの数は少なくとも９であり、前記共通軸周りにおける前記コイル連続体の前記コイルの数と前記個々の磁界の数との間の１以外の公約数の数が１又はゼロである請求項１乃至２７のうちいずれか一つに記載の軸方向磁束回転ジェネレータ。
【請求項２９】
前記コイル連続体における前記コイルの数が少なくとも9であり、前記共通軸周りにおける前記コイル連続体の前記コイルの数と前記個々の磁界の数との間の１以外の公約数の数がゼロである請求項１乃至２８のうちいずれか一つに記載の軸方向磁束回転ジェネレータ。
【請求項３０】
前記コイルの中心に強磁性材料がないことを特徴とする請求項１乃至２９のうちいずれか一つに記載の軸方向磁束回転ジェネレータ。
【請求項３１】
個々の磁界間の間隔と前記コイル連続体における個々のコイルの中心間の間隔とは、コイル連続体の個々のコイルにおける電流が、同じ角度差によって隣接する双方のコイルで位相がずれるようになっている、請求項１乃至３０のうちいずれか一つに記載の軸方向磁束回転ジェネレータ。
【請求項３２】
個々の磁界の相対的位置と、前記コイル連続体における個々のコイルの中心及びサイジングの相対的な位置は、前記コイル連続体における個々のコイルの電流が互いに同相でない、請求項１乃至３１のうちいずれか一つに記載の軸方向磁束回転ジェネレータ。
【請求項３３】
請求項１乃至３２のうちいずれか一つに記載の軸方向磁束回転ジェネレータのコイル出力に接続される電子回路であって、
コイル内で生成された電力が１つ又は複数のバスバーに実質的に等しく結合するように、前記個々の出力に接続される個々のアクティブ整流器手段を備えている。 
【請求項３４】
請求項１乃至３２のいずれか一つに記載の軸方向磁束回転ジェネレータを用いて発電する方法。 
【請求項３５】
請求項３４に記載の方法によって生成された電気。 
【請求項３６】
風力エネルギーを回転エネルギーに変換するロータを備えた風力タービンであって、
前記ロータは、請求項１乃至３２のうちいずれか一つに記載の軸方向磁束回転ジェネレータに直接接続されて、前記ジェネレータは前記ロータによって直接駆動される。
【請求項３７】
軸方向磁束回転ジェネレータの設計方法であって、
軸方向磁束回転ジェネレータは、2つの磁気環状部と、コイル環状部と、前記磁気環状部及び前記コイル環状部は、共通軸を有しており、前記2つの磁気環状部は、これらの間のギャップを横切って延びる前記共通軸の周りの複数の磁界を画定し、前記コイル環状部は、前記ギャップ内の前記共通軸の周りに取り付けられたコイル連続体を有して、前記磁界からの磁束線が前記コイルの巻線を切るようになっており、前記磁気環状部が前記コイル環状部に対して相対回転するように、前記コイルに電流を誘導し、
前記設計方法は、個々の磁界の相対的位置と、前記コイル連続体における個々のコイルの中心及びサイジングの相対的な位置は、以下の（i）及び（i i）を満足するように規定されている。
（i）コイル連続体の個々のコイルにおける電流が互いに三相を超える 
（ii）前記共通軸周りにおけるコイル連続体のコイルの数と個々の磁界の数との間の１以外の公約数の数は、1またはゼロである。 
【請求項３８】
前記軸方向磁束回転ジェネレータは、実質的に添付の図面を参照して、および/または添付の図面に示されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直接駆動回転ジェネレータ、特にギアボックスを必要とせずに直接駆動される直接駆動回転ジェネレータのステータ及び/又はロータの代替設計及び有益な設計に関するものであり、国際公開第2015/075456号パンフレットに開示されているような軸方向磁束発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
そのような直接駆動ジェネレータは、細長い円筒形の一連のステータ環状体と、同軸の細長い円筒形の一連のロータ環状体とで形成され、それらの共通軸の周りに相対回転運動のために装着され、一連のステータ環状体は、回転子/固定子環はその円周のまわりに連続したまたは実質的に連続した一連のコイルを有し、回転子/固定子環の他方はその円周の周りに間隔をおいて配置された交代極性の永久磁石の対応する列を有し、一方の磁石担持環と他方のコイルとの間のエアギャップを横切る磁束線が、対応する交互式コイル担持環のコイルの巻線を切断し、したがって、ロータのように電磁力をコイルに誘起して、ステータに対して回転させられる。
【０００３】
米国特許出願第2008/231132号は、軸方向磁束発生器を開示しており、電力伝送および分配によく使用される三相電流を直接発生するのに適した磁石とコイルの比率を示唆している。
【０００４】
国際公開第2015 / 075456号のジェネレータの重要な特徴は、ステータコイルのピッチがロータマグネットのピッチと同じになるように選択されることである。これにより、磁石担持ロータによってステータコイルの各々に誘起される電磁力が全て互いに同位相であることが保証される。この手段によって、ステータコイルの出力の全てが、都合の良いことに、互いに電気的に接続され、電気的負荷に供給するためにそれらのそれぞれの出力を組み合わせることができる。
【０００５】
しかしながら、この構成には欠点がある。 これがコギングと呼ばれる効果である。 コギングは、ジェネレータを回転させるのに使用されるトルクに抵抗する機械的逆トルクの変化である。1つの形態では、コギングは、ステータコイルが交流を生成する結果として生じる。別のより厳密な形態のコギングは、電機子の磁石とステータの強磁性体との間の磁気相互作用、例えばステータのコイルの中心にあるフェント材料から生じる。
【０００６】
米国特許出願公開第2010/0194251号は、異なる原理で動作する軸方向ジェネレータを開示しており、一対の離間したロータディスクのそれぞれが磁石を担持して、一対の磁石が離間したロータディスク間のギャップを超えて互いに反発する。ギャップ内のステータアセンブリは、その中心がフェライト材料で充填された一連のコイルを含む。このようなシステムは、磁石とフェライト材料との間の磁気的相互作用に由来するコギングの影響を受ける。16個の磁石対（および12個のコイル）を使用することによって、磁気相互作用によるコギングが低減される。しかしながら、ステータコイルが交流を発生することに起因するコギングを低減することは考慮されていないいずれの風力タービンのインペラに対しても、そのジェネレータの回転に起因するトルクリップル（いずれかの起点の前記コギングに起因する）が最小限の実用性を維持することを保証するのが望ましい。
【０００７】
インペラの羽根によって「感じられジェネレータ」リップルは、たとえジェネレータの回転慣性が、その瞬間回転速度の変動の点で固有のコギングをマスクしていても、その寿命に有害であり、共鳴が発生すると致命的である。理想的には、コギングを1％以下に保つ必要がある。 
【０００８】
さらに、そのような風力タービンに使用される任意のジェネレータ、特に、WO2015 / 075456に開示されているように、使用される磁石がレアアースとしてより一般的に使用されるタイプよりも弱い界磁を有するフェライトタイプであることが望ましく、可能な限り多くの電気エネルギーが、タービンのナセル内のジェネレータによって占められている所与の容積から生成されることを可能にする。
【０００９】
風力タービンから最大の機械的動力を抽出するためには、風力タービンのブレードを風速に応じて可変速度で回転させることが有益であることが判明している。この柔軟性は、例えば、三相ジェネレータが風力タービンロータによって駆動され、その出力相が供給され、国の送電系統に固定される従来技術では不可能である。
【００１０】
この場合、回転速度は送電系統の基本周波数（英国、50Hz、および米国60Hz）によって決まる。したがって、ジェネレータによって生成された電力を、まず整流して直流に変換し、その後電力を再び国の送電系統に供給するのに適した三相等に逆変換する動きがあった。この場合、ジェネレータは、タービンブレードから可能な限り最大のエネルギーを得るのに最も適した速度で運転することができる。
【００１１】
この場合、ジェネレータによって供給されるパワーがより大きく、より滑らかであるほど良い。従来技術（例えば、米国特許出願第2008/231132号）は、三相電力の生成を開示している。この場合、有効エネルギーは、二乗平均平方根であり、線ピークの0.866である（単相系の場合、線ピークの0.5である ）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】国際公開第2015/075456号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
これらの望ましくないコギング力を克服するか、または実質的に克服するために、望ましくは、所与の体積/サイズのジェネレータのために生成された電力を最適化するために、上述のWO 2015/075456の軸流束ジェネレータの代替構成が好ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明によれば、回転ジェネレータは、ステータ環と、アーマチュア環とを含み、ステータ環とアーマチュア環は、それらの共通軸の周りに相対回転するように同軸に取り付けられ、ステータ環とアーマチュア環の一方は、共通軸の周りの複数の磁界を画定する磁気環状部であり、他方は、共通軸の周りに環状に取り付けられた一連のコイルを有して、磁界からの磁束線がコイルの巻線を切るようになっており、ステータ環がアーマチュア環に対して相対回転するようにコイルに電流を誘導する。ここで、コイルの連続体における個々のコイルの中心間の間隔と個々の磁界間の間隔は、コイルの連続体の個々のコイルにおける電流が互いに3相を超えるようになっている。 
【００１５】
したがって、この配置に従って構成されたジェネレータのコイルの出力は、対応するコギング力と同様に、4つ以上の位相になる。この利点は、たとえば5相構成の場合のコギング力全体を、コイル出力のすべてが同相である場合の20％未満にまで大幅に低減することである。 
【００１６】
本発明に係る軸回転ジェネレータは、2つの磁気環状部と、コイル環状部と、を有し、前記磁気環状部及び前記コイル環状部は、共通軸を有しており、前記2つの磁気環状部は、これらの間のギャップを横切って延びる前記共通軸の周りの複数の磁界を画定し、前記コイル環状部は、前記ギャップ内の前記共通軸の周りに取り付けられたコイルの連続体を有して、前記磁界からの磁束線が前記コイルの巻線を切るようになっており、前記磁気環状部が前記コイル環状部に対して相対回転するように、前記コイルに電流を誘導し、個々の磁界の相対的位置と、前記コイルの連続体における個々のコイルの中心及びサイジングの相対的な位置は、（i）コイルの連続体の個々のコイルにおける電流が互いに三相を超えるように、（ii）前記共通軸周りにおけるコイルの連続体のコイルの数と個々の磁界の数との間の１以外の公約数の数は、1またはゼロである。 
【００１７】
したがって、この配置に従って構成されたジェネレータのコイルの出力は、対応するコギング力と同様に、4つ以上の位相になる。コイル数とマグネット数との間に最大3（1を含む）個の公約数しかないという事実は、コギング力全体の減少に大きく寄与し、例えば5コイル配置の場合、全てのコイル出力が全て同相である場合の20％以下にまで低下することを意味する。 
【００１８】
一実施形態では、コイル連続体の個々のコイル内の電流のいずれも互いに同相ではなく、これによりコギングがさらに低減される。
【００１９】
実際には、ジェネレータのステータ（コイル環状部）は、予め形成されたスロット内にコイルを敷設することによって、またはいずれかの場合には適切な樹脂にそれらを単にポッティングすることによって組み立てることができ、どちらにしても、ステータ周りの必要な角度調整によって、発生した電流は互いに同じ位相ではなくなる。一実施形態では、回転ジェネレータは以下の構成を有する。磁気的に結合されていない2つの磁気環状部と、コイル環状部と、を有し、磁気環状部およびコイル環状部は共通軸を有しており、 2つの磁気環状部は、2つの磁気環状部の間のギャップを横切って延びる共通軸の周りに複数の磁界を画定し、コイル環状部は、ギャップ内の共通軸の周りに取り付けられたコイルの連続体を有して、磁界からの磁束線がコイルの巻線を切るようになっており、磁気環状部がコイル環状部に対して相対回転するように、コイルに電流を誘導する。個々の磁界の相対的位置と、前記コイルの連続体における個々のコイルの中心及びサイジングの相対的な位置は、コイルの連続体の個々のコイルにおける電流が互いに三相を超えるようになっている。
【００２０】
本発明によれば、直接駆動回転ジェネレータは、細長い円筒形の一連のステータ環と、同軸の細長い円筒状の一連のステータ環とで形成され、それらの共通軸の周りに相対回転運動のために取り付けられ、一連のステータ環状体は交互であり、ステータ／ステータ環の一方はその周囲に多数の連続的若しくは略連続的なコイルの連続体であり、他方のステータ／ステータ環はその周囲に隙間を空けて永久磁石を有しており、ステータを構成するコイルの数は近いが同じではなく、前記磁石は交互極性であり、その配置は、磁束線が一つの磁石を担持する環状体の間のエアギャップを横切り、次いで、対応する交互配置のコイルを担持する環状体のコイルの巻線を切るようになっており、環状体が環状体に対して回転するように、コイルの中に電磁力を誘起し、その配置は、コイルの横方向の幅（その進行方向の幅）、つまり、それらの周方向ピッチが、それを挟む磁石の磁力性を効果的に切るように僅かなマージンによって異なるように選択され、前記横方向の幅は、収容されたコイルの全体が、それぞれのコイルが、他のコイルの大部分若しくは全て又はほぼ全て僅かに相が異なる電磁力を発生することを保証しながら周方向距離を満足（又は概ね満足）することを実現するように選択される。本発明では、生成された電力のRMSは、1相、2相または3相等価システムよりも高い。 本明細書に開示された発明では、奇数個のコイルと偶数個の磁石がある場合、コイルと同数の位相が存在する。 この場合、発生した電力のＲＭＳは、少なくとも多数のコイル（例えば１５以上）からなるステータの場合、１に近く、利用可能な空間エンベロープから発生した電力を見積もる。一実施形態では、ジェネレータによって生成される電力のRMSは0.95以上である。 本発明の目的を達成するための便利な方法は、ロータ磁界のピッチをコイルのピッチと異なるようにすることである。磁界およびコイルのピッチが円周の周りで一定である場合、残りのコギング力を含む回転に対する抵抗は実質的に一定である。
【００２１】
一実施形態では、磁界のピッチはコイルのピッチよりも小さい。 これにより、コイルによって誘起される電流の3相以上の所望の効果が達成され、同じ内径の場合にコイルの外径を大きくすることができ、その結果、磁束線を切るコイルの巻数が増えて、誘起されたＥＭＦが大きくなる。換言すれば、磁界のピッチがコイルのピッチよりも小さいことにより、コイルを同じ内径で外径がより大きくなるという所望の効果が達成される。これは、2つの利点をもたらす。１つ目の利点は、磁束線を切るコイル巻数の増加であり、２つ目の利点は、より大きい直径を有する外側巻線が、磁束を切るとき直交理想により近くなる。両方ともより大きな誘導ＥＭＦに寄与する。 
【００２２】
3つ以上の位相は、コイルの連続体におけるコイルの数に対する磁気環状の磁界の数の間に差があることによって達成することができる。 可能な構成の一例では、個々の磁界間のピッチは11単位の長さとコイルの連続体における個々のコイルの中心間の間隔が12単位となるように選択することができる。 したがって、132単位のロータ/ステータの周りの円周にはそれぞれ12個のロータ磁界と11個のコイルが存在する。特定の実施形態では、コイルと磁石の数の間に1の差がある。 好ましくは、コイルの数は奇数である。好ましくは、共通軸の周りにおけるコイルの連続体のコイルの数と個々の磁界の数との間の１以外の公約数の数は、最小のコギング比になるようにゼロである。
【００２３】
本発明の特徴によれば、コイルの連続体におけるコイルは実質的に連続しており、それにより、それらに利用可能な周方向の距離を実質的に満たす。コイルは、それらが利用可能な円周方向の全周に亘って連続して配置されるので、生成空間は失われず、所定サイズのロータ/ステータに対して最大可能EMFが生成される。 一実施形態では、本発明は、軸方向磁束回転ジェネレータを設計する方法であって、2つの磁気環状部と、コイル環状部とを有し、磁気環状部およびコイル環状部は共通軸を有しており、2つの磁気環状部は、ギャップを横切って延びる共通軸の周りの複数の磁界を画定し、このギャップは、2つの磁気環状部とそのギャップにおける共通軸周りに取り付けられるコイル連続体を有するコイル環状部とのギャップであり、磁界からの磁束線はコイルの巻線を切るようになっており、磁気環状部がコイル環状部に対して相対回転するとコイルに電流を誘導する。
【００２４】
ここで、その方法は、個々の磁界の相対的な位置決めと、コイルの連続体における個々のコイルの中心とサイジングの相対的な位置決めとを、以下のように規定することである。（i）コイルの連続体の個々のコイル内の電流が、互いに三相を超えており、
（ii）コイルｍｐ連続体のコイルの数と共通軸の周りの個々の磁界の数との間の1以外の公約数の数が1または0である。 
【００２５】
軸方向流束回転ジェネレータの好ましい特徴をこの方法に適用することができる。
【００２６】
本発明は、ここで、添付の図面を参照してのみ例として説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明のジェネレータの分解図である。
【図２】ジェネレータのステータ及びステータの断面を詳細に示す図である。
【図３】磁石およびコイルの配置のさらなる図である。
【図４】発生した電磁力及びコギング力の線図である。
【図５】発生した電磁力及びコギング力の線図である。
【図６ａ】本発明のステータおよびロータの構成要素を示す図である。
【図６ｂ】本発明のステータおよびロータの構成要素を示す図である。
【図６ｃ】本発明のステータおよびロータの構成要素を示す図である。
【図６ｄ】本発明のステータおよびロータの構成要素を示す図である。
【図７】図６の構成から生じるコギング力を示す図である。
【図８ａ】コギング力への数学的分析の結果である。
【図８ｂ】コギング力への数学的分析の結果である。
【図９】コギング力への数学的分析の結果である。
【図１０】コイルサイズの実際の制限を示している。
【図１１】ステータコイル出力の接続方法を示す回路図である。
【図１２ａ】本発明のジェネレータの組み立てる方法を示す概略図である。
【図１２ｂ】本発明のジェネレータの組み立てる方法を示す概略図である。
【００２８】
本発明の理解を容易にするため、コギングが排除され又は実質的に排除される方法については、WO2015 / 075456に開示されているようなオリジナルの第1ジェネレータの一般的説明が最初に与えられる。図1を参照して、この第1のジェネレータ10の主要構成要素が、符号11,12および13で示す分解図で示されており、これらは、共通軸の周りに相対回転するように同軸に取り付けられた固定子および接極子である。11および13は、回転ロータまたはアマーチャー環または磁気環状部である。ジェネレータ10は、2つ（またはそれ以上）の磁気環状部11,13を有するものとして記載されているが、本明細書で説明するジェネレータ10は、1つの磁気環状部だけで機能する。 
【００２９】
各磁気環状部11,13は、その両側における周上に吸引永久磁石15,16が固定される強磁性環14を含み、回転ロータ11,13の軸周りに複数の磁界を画定する磁気環状部を形成する。 一実施形態では、磁石の外向きの極性は、磁界が交互極性であるように、環の周りでＮとＳが交互になる。これにより、隣接する磁界を密接に隔てることができ、それによって、所定のジェネレータ直径に対して誘起されたEMFを最適化する。
【００３０】
ロータ11および13は、それぞれ、中央シリンダ17上に配置されているが、ロータのすべての磁石が引っ張られ、磁束線が幅広く自由に交差して、1つのロータディスクから次のロータディスクまでのギャップを横切るように、それらの向かい合った近傍からずらされた1つの磁極ピッチである。これは、符号18に示す挿入図によってさらに説明される。 一実施形態では、磁気環状部11,13は、互いに磁気的に分離されている（磁石は除く）。 
【００３１】
これは、磁気環状部11,13を互いに接続する磁性材料が存在しないことを意味する。ギャップを横切ってステータコイルを切る磁束は、完全に対向する磁石の間にある。これは、磁束を集中させるのに寄与する。言い換えると、有意な量のEMFを生成するために磁気環状部11,13を物理的に磁気結合する必要がない。一実施形態では、ステータ/アーマチュア環の各々は、ジェネレータの効率的な動作のために、物理的な磁気的結合および/または実際の磁気的接触がそれらの間に必要とされない程度に自己完結型である。ステータ環状部またはコイル環状部12を持つコイルは、回転するロータ11,13の間に挟まれ、回転するロータ11,13に対して静止した状態に維持される。 各ステータ環12は、一連の連続した、またはほぼ連続したコイル19を隙間内に担持する。連続しているかまたはほぼ連続しているとは、コイルの隣接する側部の間の横方向の隙間が、それらの周方向の横方向の幅の10％以下であることを意味する。 
【００３２】
一実施形態では、コイル19は、ステータ環12の円周周りに配置される。コイル19は、図示のように共通軸の周りに円形に取り付けられてもよい。 ステータ環12は、アーマチュア環11,13の間に等間隔に保持されるように、取り付け手段（図示せず）に取り付けられている。 適度な定格のジェネレータは、1つのステータ環12を挟むただ2つのアーマチュア環11,13、あるいはただ1つのアーマチュア環11および1つのステータ環12を含むことができるが、その配置は、ジェネレータの全長に沿って必要なジェネレータ容量に応じて繰り返すことができる。符号20に示すように、ジェネレータは11，13および21が回転磁気ロータであり、12および23がステータコイル環状部である。ステータコイル環状部12および23は、この場合、外部支持構造24の一部分に取り付けられて示されている。 示された特定の構成では、磁石の円周方向のピッチは、コイルの円周方向のピッチと同じである（本発明に一致しない）。 
【００３３】
実際には回転環11,13,21上に磁石が示されているが、これに代えてステータ子環12,23に取り付けられ、コイル19は回転（電機子）環11,13,21に取り付けることもできる。 この場合、発生したEMFを回転子から離すために適切な整流手段が必要となる。コイル連続体は、磁界からの磁束線がコイル19の巻線を切り、それにより、アーマチュア環がステータ環に対して相対回転するようにコイル19に電流を誘導するために、共通軸の周りに円状に取り付けられる。3つの磁気環状部11,13および21の場合、それらのコイルは3つの磁気環状部11,13および21の間の隙間にある。 
【００３４】
次に動作原理を、図2を参照しながら説明する。 1つのコイル25が、対向する永久磁石27と28,29と30との間に画定されたギャップを通過するように示されている。これは、2対のロータ磁石の間に挟まれたステータ環における単一のコイルを表している。ただし、説明の便宜上、磁石を保持するロータが固定ステータに対して相対回転する実際のケースとは反対に、コイルが磁界を通って移動するように示されている。
【００３５】
電磁力は、コイル内に以下のように誘導される。コイル25の左側部分は、磁石27のＮ面から磁石28のＳ面に向かう力線を切る。コイルの左側に「上方向き」（時計回り方向）のEMF が誘導される。コイルの右側は同様に力線を切るが、29のＮ極から30のＳ極に向かう力線を切る。この磁束方向の逆転のために、「下方向き」（時計回り方向）のEMFが誘起される。したがって、時計回りの方向に作用する2つのEMFは、コイルに流れる電流を生成するために加算される。前述したように、図1から、コイルのピッチが磁石のピッチと同じであり、すべてのコイルが、それらを挟む磁石の面の間を通る磁界を横断するように、同時かつ同相に生成することが分かる
【００３６】
生成されたEMFは、コイルがロータの周方向において交番する磁界のそばで交差されるので、プラス及びマイナスの間で交互になる。ゼロ発生点は、図3の符号31に示すように、対向する磁石のいずれかの対の中心をコイルが対称的に跨ぐときに発生する。 
【００３７】
ジェネレータの特徴によれば、個々の磁界間の間隔、個々のコイルの中心間の間隔及び個々のコイルの配置は、コイルの一方の側の巻線が複数の磁界の中の第１の磁界にあるのと同時に、コイルの他方の側の巻線が前記第１の磁界に隣接する複数の磁界のうち反対の極性の磁界にあるようになっている。これは、コイルの直径が、その進行方向におけるそのそれぞれの側部部分が、同じ極性の力線の範囲に入らないことを保証するものである。そのようなことが起こると、コイルの一方の側で生成されるEMFは、他方の側で生成されるEMFに反し、効率の低下が生じる。したがって、EMFの生成は、いずれか1つのコイルが磁界によって提供される領域を通過するので、可能な移動距離を最適化する。
【００３８】
そのステータ（または回転子）がそのステータ（または回転子）によって占有される所定の領域内で実際可能なように、その固定子（または回転子）内に多くの巻数を達成することは、任意の電気機械の望ましい特徴である。別個の数の相を生成するためにコイルが互いに分離されたグループに配置されている従来技術の構成は、このスペースを電力生成に使用することができるので、利用可能なコイルスロットスペースを無駄にする。
【００３９】
一実施形態では、コイルの連続体は実質的に連続しており、それにより、コイルに利用可能な周方向の距離を実質的に満たすことができる。これは、所定の大きさのジェネレータのために生成されたEMFの量を最適化する。 
【００４０】
このタイプのジェネレータに使用するコイルの好ましい形態は、円形またはほぼ円形の輪郭を有し、実質的に正弦波のEMFを発生するものである。 このようなコイルは、他の形状よりも製造が容易であり（例えば、マンドレルの周りに巻き付けることによって製造できる）、実際には所定のフットプリントの方形コイルのようにより多くのEMFを発生させる。 本発明は、コイルの中心に、またはコイル環状部の中に強磁性材料を必要としない。これは、磁束がギャップを横切って直線状に延び、コイルを切るからである。これは、強磁性材料（通常は鉄歯）の存在下でのみ顕著な電気が生成される設計と比較して、純粋な物理設計と考えることができる。現在の設計では、鉄の存在は、望ましくない寄生渦電流の消失による加熱効果だけでなく、コギングを増加させる。したがって、コイル環状部は、特にコイルの中心において強磁性材料を含まない。
【００４１】
コイルがそれぞれEMFを生成するにつれて、レンツの法則に従って、抵抗性の機械的「コギング力」が発生する。このコギング力は、変化する磁界を通る導体の強制的な機械的運動を電気的エネルギーの生成に変換する際に行われる仕事の物理的な現れである（ただし、導体が電気的負荷に接続されていると仮定する）。コギング力は、図4に示すように、生成されたEMFのパターンおよび整流された電流に従う。 生成される交流電流は32で示され、コギング力は33で示される。 コギング力は、常に適用された動きに抵抗するように働くので、正の意味でのみ生じることに留意されたい。
【００４２】
説明の便宜上、誘導電磁力のピークまたはその近傍で起こる生成のピーク（以下、便宜上「EMF」と呼ぶ）で個々のコイルは、反トルク力が最大に達する。 誘導されたEMF 自体がゼロに減少し、次のピークに達すると再び上昇するので、これはゼロに減少する。これらのトルクコギング力は、より低い出力装置、例えば1〜10キロワットのジェネレータにおいて特に重要ではない。回転子の回転慣性がコギング力を無力にするのに効果的であるため、中速または高速で作動するジェネレータ（例えば、非ダイレクトドライブジェネレータ）にもそのような現象は現れない。しかしながら、例えば30rpmまで、特に10〜30rpmのような非常に低速で運転される直接駆動回転ジェネレータの場合、そのコギング力は、特にメガワット級の発電能力を有するジェネレータにとって、厳しくかつ非常に明白であり得る。カウンタトルクは、ステータに対するロータの磁気的回転周期毎に例えば0からメガニュートンメートルまで変化することができる。 
【００４３】
これは、これらの電磁機械の機能的および機械的な生存にとって非常に有害となりえるが、さらに重要なことに、ジェネレータを回転させる羽根車のブレードには非常に有害となり得る。
【００４４】
本発明のジェネレータに関連するコギングの形態と従来のジェネレータに関連するコギングの形態との間には重要な区別が存在する。本発明のジェネレータの場合、そのステータコイルは、他の伝統的なジェネレータの大部分の場合のように、強磁性体、例えば軟鉄ティースに取り付けられていないか、または巻かれていない。後者の場合のコギングは比較的高い周波数であり、磁界発生器と複数のステータ歯との間の可変リラクタンスに関連する。米国特許出願公開第2010/0194251号に記載されているように、この問題に対処するために多くの設計が改良されている。この場合、コイルは単にロータ磁界が直接通過することができる自己支持巻線であり、非磁性基板内に取り付けられ、したがって内部または外部磁性材料が存在しない。コイルを挟んで横断する永久磁石からの磁束は、それ自体、追加の強磁性結合を必要とせずに前記コイル内にEMFを誘導するのに有効である。 
【００４５】
したがって、比較すると、コギングはより低い頻度である。 
【００４６】
図1に示すジェネレータの場合、全てのコイルがそれらを挟む一対の磁石の周方向ピッチと同じ周方向ピッチである場合、すべてのコイルによって生成されるコギング力の全ては、図5に概略的に示されているように、例えば符号34〜37にあるように4つのコギング力が示され、符号38にあるように大きな加法波形が得られる。
【００４７】
いずれのサイズ発生器でも、これは欠点であるが、緩やかに回転する大型機械、すなわち回転慣性の影響が無視できる場合には、単一の回転環のための数十万ニュートンメートルのオーダーのもの又は数百万ニュートンメートル、5MW級の出力を備える完全ジェネレータであってもコギング力は双方とも明らかである。これは、大きな振動を生じさせ、このタイプの回転ジェネレータの円滑な動作に有害である。重要な長期的な機械的困難が生じる可能性がある。この効果を改善する方法は、前述の同時係属中の出願に記載されている。1つの開示された方法では、コイルがステータの周りに連続して配置されるのではなく、３つのグループとして配置され、各グループは、次から3 /4πラジアンだけ位相をずらして3相電流を生成することによって、コギングを補正されていない配置の1/4に減少させる。 
【００４８】
米国特許出願公開第2008/231132号はまた、三相電流を発生させることを開示しているが、これがコギング力を減少させることを示唆していない。 
【００４９】
しかしながら、この改良を行ったとしても、残りの力は実在し、不利であり、風力タービンの安全な運転を容認できない。
【００５０】
この問題を実質的に克服する方法は、個々の磁界の相対的位置間の間隔、コイル連続体における個々のコイルの中心間の間隔及び／又はコイル連続体における個々のコイルの中心及びサイジングの相対的位置間の間隔を、コイル連続体における個々のコイルの電流が互いに三相を超えるように、保証することである。これには、生成される電力のRMSを増加させる効果もある。一実施形態では、RMSは0.95以上である。これは、位相の数を増やすことによって達成することができる。 
【００５１】
生成される誘導EMFの少なくとも4つの異なる位相が任意の数の異なるものとなるように、多相出力のために配置する。例えば、コイルをn個のグループに配置することができ、誘導EMFのn個の位相を生成するために、それぞれ2 /nπラジアン（コイルの各グループのピッチを磁石のピッチと同じにする）だけ変位させることができる。あるいは、コイルおよび/または磁石を不規則に配置することができる。しかし、好ましい配置は、コイルおよび磁石のそれぞれのピッチが一定の配置である。これは、アーマチュアが回転するときに、アーマチュアおよび軸17に最も均一な力分布をもたらすので、有利である。 
【００５２】
後述するように、誘導電流の4つ以上の位相など複数の位相を処理するには、それ自身の課題が伴うこともあるが、これらはコギングを低減する能力が重視される。 しかし、多すぎる相が存在する場合、これも望ましくない。 したがって、一実施形態では、相は100以下であり、好ましくは50以下である。 
【００５３】
実際には、可能な限りコギング力を低減することが望ましい。 
【００５４】
本発明による実施形態は、図6を参照して説明される。 
【００５５】
各コイルは、それを通過する磁石のピッチと同じピッチを有するのではなく、むしろそれぞれがわずかに広いように構成され、それにより、磁石のピッチに対する僅かの差を実現している。これは図6aの符号39に示されており、コイル40および41は磁石のピッチ「m」よりわずかに大きい直径「d」（コイルの中心間のピッチに等しい）を有する。ピッチの差は、所定数のコイルについて、コイルの円周方向における最終コイルが、それらの間に大きなギャップを有さずに始動コイルと「合う」ように配置され、それにより発生のために有用な円周距離が得られる。したがって、磁界のピッチはコイルのピッチより小さく、磁界の数はコイルの数とは異なる（より大きい）。これの具体例は、図6bに示すように、20個の永久磁石を担持する回転子によって示され、従ってそれらの間の角度は360/20 = 18°であり、それらの間に張られた角度は18.95°である 。 
【００５６】
ピッチが相違するため、いずれか1つのコイルによって生成されたEMF、したがってその対応するコギング力は、その近傍によって生成されるものとわずかに位相がずれていることは明らかである。したがって、第1のコイルによって生成されるEMFは、正弦φで変化する（一般的なジェネレータのように）。ここでφは、全サイクルにわたって磁石を通過するコイルの角変位を表し、以後のコイルによって発生するEMFは、正弦（φ+δφ）で変化する。後続のコイルはこのパターン、すなわちサイン（φ+２δφ）、サイン（φ+３δφ）などを繰り返す。
【００５７】
これは、図６ｃの符号４６に示されており、いくつかの連続したコイルで生成された各EMFは、互いにわずかにずらして示されている。 図７は、対応するコギング力を符号４８−５１で示す。 したがって、一実施形態では、個々の磁界間の間隔およびコイル連続体における個々のコイルの中心間の間隔は、コイル連続体の個々のコイルにおける電流が、同じ角度差によって隣接する双方のコイルで位相がずれるようになっている。一実施形態では、個々の磁界の相対的な位置決め、およびコイル連続体における個々のコイルの中心およびサイズの相対的な位置決めは、個々のコイルにおける電流のいずれもが同相ではない。
【００５８】
コギング力プロファイルの数学的な加算は、図５の符号38に示されているように、実質的なリップルを有する単一の大きな波形をもたらすのではなく、図7の符号52に示すように、振幅の小さいリップルである。 数学的解析は、偶数個のコイルとプラス2個の磁石を含むステータの場合、リップルの振幅が約π/ N減少し、ここでNはコイルの数を示している。 ただし、これは、ロータも偶数個の磁石を有し、Nが重要である、例えば10超の場合に当てはまることに留意する必要がある。 数学的解析の結果は図8に示されており、コギング力の減少は、第3列に示すように、存在するコイルの数に従って右端の欄に示されている。この解析では、第2列に示すように、奇数個のコイルのコイル数より1個多く、偶数個のコイル数よりも2個多い、等しい磁界強度及び円形コイルを想定している。 
【００５９】
これにより、磁界が円周の周りに均等に広がり、極性が交互に配置されることが保証される。
【００６０】
分析は、正弦波状に変化する1.0単位のピーク力があるサイズのコイルを有する理想化された機械を表す。 第4列及び第5列は其々サイクル中の最大力及び最小力を表す。 第6列は最大力および最小力の差を示すコギング範囲であり、第7列はサイクル中の平均力である。コギング比は平均力を１００％としたときのコギング範囲をパーセンテージで表している。
【００６１】
図8はコイル数と磁石ペア数の増加に伴ってコギング比が低下することを示している。 磁石の数とコイルの数との間に１以外の公約数（すなわち、各数の約数が１以外で同じである）がない場合、コギング比は低減される。例えば、4つのコイルと6つの磁石の場合、１と２が４（コイルの場合、約数は１、２、４である）と６（磁石の場合、約数は１、２、３、６である）の公約数である。したがって、図8の第1欄に示されているように、1以外の１つの公約数である２が存在する。図8の右端の欄に見られるように、4つのコイルと6つの磁石は、32％の比較的高いコギング比がある。しかし、コイル数を5個に増やし、磁石数を6個にすると、5（コイル数に対応）と6（磁石数に対応）との間に１以外の公約数は存在しない。
【００６２】
結果として、コギング比は5％未満に減少する。コイル数を6個、磁石数を8個に増やすと、６（コイル数に対応）と８（磁石数に対応）との公約数の数の個数は２であり（具体的には、１と２が公約数である）、コギング比はコイルが5個の場合よりも増加し、14％になる。図8から分かるように、コイルの数と磁石の数との間に1以外の公約数がない場合には、コイルの数と磁石の数との間に１以外の公約数が存在するコイルおよび磁石の数が類似する場合と比べて、コギング比が減少する。
【００６３】
図9は、図8と同じシミュレーション結果を示す。しかし、これらのシミュレーションでは、磁石の数は20に維持され、コイルの数は12から19まで変化する。 コイルの数と磁石の数との間に1以外の2つの公約数が存在する場合（例えば16個のコイルおよび20個の磁石の場合、公約数は2および4であり、すなわち16は2と4で割り切れ、20も2と4で割り切れる）、コギング比は約30％である。 20個の磁石と12個のコイルの場合は、2と4の公約数を有する点で類似しており、コギング比も同様に14％と高い。1以外の公約数が1つの場合、コギング比は11/2〜14％の間で変動する。 20個の磁石と15個のコイルの場合、コイル内の電流が互いに位相がずれているわけではなく、3相の電流しか生成されないため、コギング比は比較的高くなる。  
【００６４】
したがって、3つ以下の位相を生成する配置は回避される。 磁石の数とコイルの数との間に公約数がない場合、コギング比は1％未満である。 表8および表9の結果から、磁石数とコイル数の間に存在する１以外の公約数の数が少ないほど、コギング比が減少することが分かる。一実施形態では、磁石の数とコイルの数との間の１以外の公約数の数は、1またはゼロである。 好ましくは、磁石の数とコイルの数との間の１以外の公約数の数はゼロである。
【００６５】
好ましくは、コイルの数が３より大きい場合には、磁石数とコイル数との間の１以外の公約数の数がゼロであるので、コギング比を5％未満に低減することができる。 好ましくは、コイルの数が9以上の場合、磁石数とコイル数の１以外の公約数が1または0であるので、コギング比は5％以下である。好ましくは、9より大きい数のコイルについては、磁石数とコイル数との間の１以外の公約数の数がゼロであるので、コギング比は約1％以下に低減される。一実施形態では、コイルの数は、好ましい順序で記載すると、２０以上、１０以上、７以上、５以上であり、好ましくは全て互いに位相がずれており、磁石の数とコイルの数との間の1以外の公約数の数が1または0であることが好ましい。
【００６６】
非常に多くコイルが取り付けられたステータを備えたジェネレータ（例えば、11以上）の場合、コギング力は非常に低下する。これは、ステータの磁界発生器に対する各コイルの緩やかなずれのためであり、従って、それらの電気出力を保証し、対応するコギング力の各々が、他のすべてのコイルに誘起された電流と位相がずれている。
【００６７】
追加の例として、22個の磁界を備えた20個のコイルステータジェネレータは、全振幅コギング力の僅か1.24％に低減する利益が得られる。 この場合、コギングはπ/Νに比例して減少する。
【００６８】
しかしながら、分析によって示されるように、奇数個のコイルが利用されると、リップルは著しく減少する。この場合、前述したように、π/ 4Nに比例して減少するか又は20個マグネットロータと19個コイルステータの場合には、最大振幅のわずか0.34％に減少する。 その理由は、偶数のコイルの場合には、コイルの整流されたEMF（例えば、互いに正反対になっている）が加法的であり、奇数のコイルの場合は対照的に、対応する近くの反対側の数に直接加算されない。したがって、望ましくは、コイルの数は奇数である。
【００６９】
磁石の極性がアーマチュア環の周りで交互になるので、磁石の数が偶数でなければ、2つの磁石の間にスペースを残す必要がある。そうでなければ同じ極性の2つの磁石が隣り合ってしまう。これは、所定の大きさのジェネレータに対して発生したEMFを最大化する上で望ましくない。したがって、磁石の数は偶数であることが好ましい。
【００７０】
コイルと磁石対の数の理想的な差は1であり、これは、最も近い位相ずれされた出力の任意の大きさのジェネレータ集合体をもたらし、したがってコギングを最小化する。また、コイル群が、それらが切る領域に一番近い位置に配置されているため、最大発電量が確保される。実際には、商業的に利用可能な永久磁石の幅のような実用的な制約があるため、これは可能ではないかもしれない。いずれの場合でも、コイルの数の差は、特に実質的な数の磁石、例えば20を担持するロータの場合、1〜5、好ましくは1〜3、さらに好ましくは僅か1でなければならない。 これによりピッチの微妙な差が得られる。数学的分析は、磁界とコイルの数とのピッチの差が小さいほど、全体的なコギング力の低減が良好であることを示している。実際には、達成可能な差異は、実際の考慮事項（例えば、ロータ磁界などを提供するために利用される標準化された工業的な幅）によって決定される。
【００７１】
従って、非常に良好な構成は、回転子が20個の永久磁石と、ステータ、19個のコイルとを含むものである。 
【００７２】
本発明の幾何学的配置によって図8および図9の表に示すようにコギング力を低減するためには、磁界を通過するときに各コイルに発生する電流（位相ではない）が使用時の大きさで等しくなければならない。したがって、使用中、各コイルは、他のコイルと同じ電流を引き出すために電気的に接続されなければならない。
【００７３】
磁石の数は、コイルの数よりも小さくする（および/または磁石のピッチはコイルのピッチよりも大きい）ことができる。 しかしながら、これは、コイルの直径を最適値よりも小さくする必要があり、磁界の所定の磁束密度に対してより低いEMF発生をもたらす結果となる。 
【００７４】
本発明は、8未満の磁界で動作するが、磁界の数（およびコイルの数）を8以上（例えば、10以上または15以上）に増加させることにより、コギングをより低減する。 磁界またはコイルの数には理論上の制限がない。しかし、コイルが多すぎるとより複雑になる。したがって、磁界および/またはコイルの数に対する実際的な制限は、コイルの任意の連続体において100以下、例えば80以下、または70以下または60以下、または50以下であってもよい。 
【００７５】
より大きな直径のコイルを使用する配置は、ジェネレータの性能を著しく損なうことなく可能である。これは図6dから把握することができ、コイル43は対向する磁石44および45を徐々に通過して移動するように示されている。 マークされたいずれの位置においても、コイルの巻線は、利用可能な磁束によって明らかに切断される。さらに、コイルの直径がより大きくなるのにしたがって、コイルの外側巻線の側方部分は、それを横切って通過する磁力線を切断し、直交理想に近づけ、フレミングの右手法則にしたがって増加されたEMFを発生させる。この横幅の増加には限界があり、コイルの内径にも注意する必要がある。コイルの両側のいずれかの部分（またはそのようなコイルの重要な部分）が同じ勾配を有する磁力線を切断する場合、効率は低下する。原則として、所定のコイルの外径ODと内径IDとの間の大きさの差は、隣接する磁界間の円周距離M以下であることが好ましい。 
【００７６】
この例を図１０に示す。 外径ODと内径IDとの間の大きさの差が隣接する磁界間の距離M以下でなければ、効率は低下する。個々の磁界の間の円周方向の間隔、個々のコイルの中心間の円周方向間隔、および個々のコイルの形状が、コイルの一方の側の巻線が複数の磁界の第1の磁界内にあり、同時にコイルの他方の側の巻線が、第1の磁界に隣接する複数の磁界の反対の極性の磁界内にあるようになっていなければ、効率は低下する。
【００７７】
磁界は、電磁石によって供給することができる。しかし、本発明の特徴によれば、磁界を提供するために必要な手段は、上述した永久磁石である。好ましくは、永久磁石は、ステータ環ではなく回転ロータ上に設けられる。これは、コイルが必要とする電気的接続のためにコイルがジェネレータの残りの部分に対して動かない場合には、より便利だからである。永久磁石機械では、動作に必要な磁束を得るために希土類磁石を利用することが一般的である。しかし、これらは高価であり、現在その可用性に関しては厳しい制約が存在する。したがって、別の材料を使用することが好ましい。
【００７８】
本発明の特徴によれば、磁石はフェライト磁石である。これらは一般的に入手可能な材料で製作されるが、希土類磁石よりも磁束レベルが低い（通常約3分の1）。 しかしながら、単位重量当たりのコストは約20分の1であり（２０１４年）、その使用により必要とされる付加的なコスト（例えば、銅コイルの容積の増加によるコストの増大）を軽減している。さらに、希土類磁石よりもフェライト磁石の磁束線を集束させることの方が容易である。 
【００７９】
所定速度で回転するジェネレータの場合、生成されるEMFは2つの主な要因に依存する。 具体的には、a）コイルを構成する巻線の数およびb）それらを切断する磁界の強度に依存する。したがって、所定の磁束レベルに対して、コイルが可能な限り多くの巻線で形成されることが実際的な利点である。本発明の特徴によれば、これは、ステータの円周の周りに連続的に配置するために利用可能な空間エンベローブによって規定される最大許容値までコイルの直径を増大させることによって都合よく実現することができる。直径の増加はより多くの巻線を実現する（コイルの内径は変化しないままである）ので、巻線の増加に応じてコイルによって生成されるEMFが増加し、磁石によって提供される力線を切断する。 磁石のピッチが変化しないと仮定すれば、コイルの周方向ピッチの増加も保障され、本発明では、それらの其々の間隔の差は、コイルの数と磁石の数との差となる。
【００８０】
しかし、さらなる利点がある。任意のコイルの巻線によって生成されるEMFは、巻線がそれらを直角に横切って通過する力線を切断する程度に依存する。説明のために、円形またはほぼ円形のコイルの場合には、力線を横切る各巻線のδ１部分は、正確に直交して、最大EMFを生成する。これは巻線の曲率と共に減少し、巻線の頂部（又は底部）は一切貢献しない。したがって、より大きなコイルの場合、その外側の層（今や大きな半径を有し、したがって直交理想に近い）は、より効率的に力線を切断し、相応するより小さな直径の以前のコイルとは対照的に、発生するEMFの相応の増加をもたらす。これは、ステータの周りに収容されるコイルの数が少ないほど、その直径が大きくなることを補償する。
【００８１】
上述のことから、コギング力を仮想的に排除し、発生するEMFを増加させると、機械的性能と電気的性能の両方が著しく改善されることが分かる。上記の例は、円形またはほぼ円形のコイルから形成されたステータに関して説明したものであるが、本発明の原理は、コイルが長方形またはほぼ長方形の形状などである場合にも適用される。この場合、同じ方法でコギングを低減する。例えば、（今の）矩形コイルの横幅と磁石の周方向ピッチとの間に僅かな差を設ける方法である。明確にするために、偶数のコイルおよび磁石が存在するかどうか、または奇数であるかどうかに応じて、この方法の有効性に関して同じ基準が適用される。本発明によるジェネレータは、多数のステータ及びロータから形成されてもよく、ステータは連続したロータを挟んでいる。1つのロータ上の磁界発生器からの磁界は、磁界発生器に挟まれたステータによって保持されたコイルを介して、対向するロータ上で切断する。
【００８２】
ジェネレータを回転させるのに利用可能な機械的エネルギーのすべてを完全に利用して電気に変換するために、十分なロータ/ステータを追加することができる。 
【００８３】
本発明の一態様によれば、コイル出力のいずれも互いに同相ではないことが想起される。従って、それらの出力が直接に接続されていれば、少なくともいくらかの効率の低下が生じる。実際、例として、正反対の2つのステータコイルについて、偶数個のコイルがある場合には、それらを直接接続すると、それらのEMFは相殺され、その結果生成は生じない。 これは、WO2015 / 075456に開示されている元の配置とは対照的である。すなわち、WO2015 / 075456では、ステータコイルのピッチは磁石のピッチと同じであり、全てのEMFの同じ位相生成をもたらし、コイル出力の全てを接続することができる。 
【００８４】
この態様の結果として、一実施形態では、各コイルからの各EMFが、例えばIGBT制御整流器によって最初に整流され、得られた同じセンス直流電流（dc）は、例えば、使用前に、ｄｃバスバー上で全て集められる。しかしながら、これらの形式の整流器は頑丈で、利用可能であり、安価であるため、これは軽微な考慮事項である。生成されたEMFをdcに変換して、その後の変換をIGBT連続コンバータによって交流に戻すことも既存の方法である。 
【００８５】
一実施形態では、誘起された電流が互いに同相ではないコイルの出力は、異なる整流器に接続される。
【００８６】
一実施形態では、誘起された電流が互いに同相であるコイルの出力が互いに接続される。
【００８７】
本発明の特徴によれば、ジェネレータのコイルの出力に接続された電子回路が設けられ、各出力に接続された個々のアクティブ整流器手段を備え、コイル内で生成された電力が全て等しく引き出され、 1つまたは複数のバスバーに最適に結合することができる。 
【００８８】
例えば、特に大きな回転慣性を有し、したがってある程度のコギングをマスキングすることができるようなある種の機械的サイズのジェネレータでは、妥協して、選択されたグループのコイル（例えば、隣接するコイル対）を整流のために互いに接続することが可能であり、必要な整流段数を減らすことができる。この上述の考察は、つまり、最初に整流してからコイル出力を結合する必要性は、多数のステータ及び回転子を含むジェネレータに対して最小化できる。どのような一連の固定子でも、その製造プロセスは、ステータの周りのすべてのコイルがその円周の周りの角度位置に関して同じスロットを占めるように保障することが容易である。
【００８９】
本発明の他の特徴によれば、コイル環の特定の角度位置にある各コイルは、次のコイル環等の同じ特定の角度位置の対応するコイルに接続され、それらの結合された出力は、整流器手段に供給される。これにより、必要な整流器の数が最小限に抑えられる。ただし、この構成は、ジェネレータの中央シリンダの長さに沿った磁気環状部を担持する磁石の全てが同じ角度位置にあると仮定している。
【００９０】
次に整流を行う方法を、図11を参照しながら説明する。符号 56と57に分かりやすくするために、共存する2つのステータが示されている。それらの取り付け手段上での正確な角度整列は、キー溝59によって確保される。これにより、各コイルステータ板が、その近傍のステータのまわりで正確に同じ角度位置に配置されることが保証される。同様の構成が、磁石担持ステータをそれらの中央シリンダ（図示せず）上に配置するために存在する。これにより、それぞれのステータの周りで同じ角度位置を占めるコイルのセットの出力は、それぞれが同相になるので、全て組み合わせることができる。これは、60,61および62に示されており、コイルA1の出力がコイルA2に接続され、B1がB2に接続され、C1がC2に接続される。 ここで合成されたEMFは、例えば63および64に示すように、IGBTベースの回路などの制御された全相整流器に供給することができる。整流された出力65および66は、バスバー67および68上に安全に結合することができる。 
【００９１】
例えば50個のステータプレートを含む実質的なジェネレータの場合、必要とされる整流器63,64の総数が実質的に減少する。 
【００９２】
本発明のジェネレータは、5MW以上の電気機械エネルギー投入電力に直接変換するためにかなりの大きさに簡単に製造することができる。 
【００９３】
軸方向磁束回転ジェネレータを設計する方法、特に上述の教示にしたがってコイルおよび磁石の形状を特定する方法は、上記から明らかである。ジェネレータのステータ内にコイルを組み立てる方法を、図12aおよび図12bを参照して以下に示す。本発明の典型的なステータは、全体的に図12aに符号70で示されている。この場合、予め形成されたスロット71がステータ内に形成され、コイル72が組み立てられ、次いでEIP4260などの適切な樹脂でポッティングされる。 別の構成が図12bに開示されている。この場合、そこから突出するボス74を有する外側シート73が利用され、ステータコイル72は最初にボス上に降ろされ、次にポッティングされる。図示しない別の構成として、PTFEのような非粘着性表面上の制限された内壁および外壁内にコイルを単に注意深く予め配置するだけであり、その後、追加の機械的手段なしで、樹脂が注ぎ込まれて、保持される。
【００９４】
これらの3つの場合のいずれにおいても、コイルのサイジング、およびそれらが構成するリングの周りのそれらの角度位置は、本発明によれば、それらに誘起される電流のどれもが互いに同相でないことを保証するようなものである。本発明の第1の態様では、2つの磁気環状部と、コイル環状部とを有し、前記磁気環状部及び前記コイル環状部は共通軸を有しており、前記2つの磁気環状部は、これらの間のギャップを横切って延びる前記共通軸の周りの複数の磁界を画定し、前記コイル環状部は、前記ギャップ内の前記共通軸の周りに取り付けられたコイル連続体を有して、前記磁界からの磁束線が前記コイルの巻線を切るようになっており、前記磁気環状部が前記コイル環状部に対して相対回転するように、前記コイルに電流を誘導する。ここで、個々の磁界の相対的な位置決めと、個々のコイルの中心とサイジングの相対的な位置決めとは、コイル連続体の個々のコイルにおける電流が、互いに三相を超えるようになっている。
【００９５】
本発明の第2の態様では、磁界のピッチがコイルのピッチと異なる、第1の態様の回転ジェネレータが提供される。 
【００９６】
本発明の第3の態様では、磁界のピッチがコイルのピッチよりも小さい、第2の態様の回転ジェネレータが提供される。 
【００９７】
本発明の第4の態様では、磁気環状部によって画定される磁界の数は、コイル連続体におけるコイルの数とは異なる、第1、第2または第3の態様の回転ジェネレータが提供される。
【００９８】
本発明の第5の態様では、コイルの数と比較した磁界の数の差が、１と5との間、好ましくは1と3との間、最も好ましくは1に等しい、第4の態様の回転ジェネレータが提供される。
【００９９】
本発明の第6の態様では、磁気環状部によって画定される磁界の数は、コイル連続体内のコイルの数よりも多い、第4または第5の態様の回転ジェネレータが提供される。
【０１００】
本発明の第7の態様では、コイル連続体におけるコイルの数が奇数である、先行する態様のいずれかの回転ジェネレータが提供される。 
【０１０１】
本発明の第8の態様では、磁気環状部によって画定される磁界の数が偶数である、先の態様の回転ジェネレータが提供される。 本発明の第9の態様では、コイル連続体におけるコイルが実質的に連続しており、それによって、コイルに利用可能な円周方向距離を実質的に満たすことができる、前述の態様のいずれかの回転ジェネレータが提供される。
【０１０２】
本発明の第10の態様では、コイルの巻線が外側半径と内側半径とを有し、外側半径と内側半径との間の大きさの差が隣接する磁界間の距離以下である、前述の態様のいずれかの回転ジェネレータが提供される。
【０１０３】
本発明の第11の態様では、個々の磁界間の間隔、個々のコイルの中心間の間隔、および個々のコイルの幾何学的形状は、コイルの一方側の巻線が複数の磁界の第１の磁界内にあり、同時にコイルの他方側の巻線が、第１の磁界に隣接する複数の磁界の反対の極性の磁界内にあるようになっている、前述の態様のいずれかの回転ジェネレータが提供される。
【０１０４】
本発明の第12の態様では、一連の磁界における磁界の極性が交互である、前述の態様のいずれかの回転ジェネレータが提供される。 
【０１０５】
本発明の第13の態様では、磁気環状部が複数の永久磁石からなる、先行する態様のいずれかの回転ジェネレータが提供される。 
【０１０６】
本発明の第14の態様では、第13の態様の回転ジェネレータが提供され、永久磁石はフェライト磁石である。
【０１０７】
本発明の第15の態様では、コイルが実質的に円形である、先行する態様のいずれかの回転ジェネレータが提供される。 
【０１０８】
本発明の第16の態様では、磁気環状部によって画定される磁界の数は、５０以上、４５以上、４０以上、１５以上、１０以上、８以上、この順序が好ましい、先行する態様のいずれかの回転ジェネレータが提供される。
【０１０９】
本発明の第17の態様では、個々の磁界の間隔とコイル連続体における個々のコイルの中心間の間隔が、各コイルに誘導される電流がコイル連続体における他の全てのコイルに誘起された電流と位相がずれるようになっている、先行する態様のいずれかの回転ジェネレータが提供される。本発明の第18の態様では、2つの磁気環状部が磁気的に分離されている、先行する態様のいずれかの回転ジェネレータが提供される。 
【０１１０】
本発明の第19の態様では、2つの磁気環状部が磁気的に結合されている、先行する態様のいずれかの回転ジェネレータが提供される。
【０１１１】
本発明の第20の態様では、一連の磁気環状部を交互に配置した一連のコイル環状体を備える、先行する態様のいずれかの回転ジェネレータが提供される。本発明の第21の態様では、第20の態様の回転ジェネレータが提供され、コイル環および/または磁気環の相対的な角度配置は、コイルの隣接する列のコイルに誘導される電流が実質的に互いに同相を形成する。本発明の第22の態様では、第21の態様の回転ジェネレータが提供され、コイル環および/または磁気環の相対的な角度配置は、コイルの隣接する列のコイルに誘導される電流が実質的に互いに位相がずれている。 
【０１１２】
本発明の第23の態様では、著しい電気を発生させる目的でコイル担持環に強磁性材料を必要としない、先行する態様のいずれかの回転ジェネレータが提供される。本発明の第24の態様では、誘導電流が互いに同相ではないコイルの出力が異なる整流器に接続される、先行する態様のいずれか1つの回転ジェネレータが提供される。 本発明の第25の態様では、誘導電流が互いに同相であるコイルの出力が互いに接続される、先行する態様のいずれか1つの回転ジェネレータが提供される。
【０１１３】
本発明の第26の態様では、ジェネレータによって生成される電力のRMSが0.95以上である、先行する態様のいずれか1つの回転ジェネレータが提供される。 
【０１１４】
本発明の第27の態様では、コイルの中心に強磁性材料が存在しない、先行する態様のいずれかの回転ジェネレータが提供される。 
【０１１５】
本発明の第28の態様では、個々の磁界の間隔とコイル連続体における個々のコイルの中心間の間隔とが、コイル連続体の個々のコイルの電流が、実質的に同じ角度差だけ、両方の隣接するコイルとそれぞれ位相がずれるようになっている、先行する態様のいずれかの回転ジェネレータが提供される。
【０１１６】
本発明の別の態様では、個々の磁界の相対的な位置決め、およびコイル連続体における個々のコイルの中心およびサイジングの相対的な位置決めが、（i）コイル連続体における個々のコイルの電流が互いに同相ではなく、及び／又は、（ii）共通軸の周りにおけるコイル連続体のコイルの数と個々の磁界の数との間の1以外の公約数の数が、1または0である、先行する態様のいずれかの回転ジェネレータが提供される。
【０１１７】
本発明の第29の態様では、先の態様のいずれかによるジェネレータのコイルの出力に接続された電子回路が提供され、コイル内で生成された電力が1つまたは複数のバスバーに実質的に等しく結合するように、前記個々の出力に接続される個々のアクティブ整流器手段を備えている。
【０１１８】
本発明の第30の態様では、第1から第28の態様のいずれかの回転ジェネレータを使用して発電を行う方法が提供される。
【０１１９】
本発明の第31の態様では、第30の態様の方法によって生成される電気が提供される。
【０１２０】
本発明の第30の態様では、風力を回転エネルギーに変換する回転子を備えた風力タービンが提供され、回転子は、第1〜第28の態様の回転ジェネレータに直接結合され、前記ジェネレータは、ロータによって直接駆動される。 
【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６ａ】
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【図６ｂ】
2017536082.tif 000009
【図６ｃ】
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【図６ｄ】
2017536082.tif 000011
【図７】
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【図８ａ】
2017536082.tif 000013
【図８ｂ】
2017536082.tif 000014
【図９】
2017536082.tif 000015
【図１０】
2017536082.tif 000016
【図１１】
2017536082.tif 000017
【図１２ａ】
2017536082.tif 000018
【図１２ｂ】
2017536082.tif 000019
【国際調査報告】
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2017536082.tif 000021
2017536082.tif 000022
2017536082.tif 000023
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