(57)【要約】貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置（１）はステータとフライホイール（１０）と電磁誘導ロータ（２０）とを備える。フライホイール（１０）は、回転軸を有し、回転機械のシャフト（６０）に回転可能に装着可能であり、少なくとも第１セットの磁気コイル（１３）が配置されている。電磁誘導ロータ（２０）は、回転軸を有し、フライホイールの第１セットの磁気コイルと磁気的に接続されるようシャフトに装着可能である。第１セットの磁気コイルの磁束の変化によって電磁誘導ロータに電流が誘導される。少なくとも１つのセットの第２磁気コイル（１２）が電磁誘導ロータ（２０）と磁気的に接続されるようステータに配置される。制御器（３０）が、フライホイール（１０）から第２セットの磁気コイル（１２）に電力を供給して電磁誘導ロータ（２０）を加速または減速させるよう力を与えるように制御する。電磁誘導ロータ（２０）は、第１セットの磁気コイル（１３）を通じてフライホイール（１０）から、そして第２セットの磁気コイル（１２）から電力が供給されるよう構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータと、
回転軸を有し、回転機械のシャフトに回転可能に装着可能であり、少なくとも第１セットの磁気コイルが配置されているフライホイールと、
回転軸を有し、前記フライホイールの前記第１セットの磁気コイルと磁気的に接続されるよう前記シャフトに装着可能である電磁誘導ロータであって、該電磁誘導ロータに前記第１セットの磁気コイルの磁束の変化によって電流が誘導される電磁誘導ロータと、
前記電磁誘導ロータと磁気的に接続されるよう前記ステータに配置される少なくとも１つのセットの第２磁気コイルと、
前記電磁誘導ロータを加速させるまたは減速させるよう力を与えるように、前記フライホイールからの前記第２セットの磁気コイルへの電力の供給を制御するための第１制御器と、
を備える貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、
前記電磁誘導ロータは、前記第１セットの磁気コイルを通じてフライホイールから、そして前記第２セットの磁気コイルから電力が供給されるよう構成されている貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、前記シャフトは駆動シャフトである貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、前記第２セットの磁気コイルは、前記フライホイールの角速度ωＦに対する前記電磁誘導ロータの速度ωＲと等しい、式ωＲＦ＝ωＲ−ωＦで表される角速度ωＲＦで磁束を受けそしてそれに対応する電力を受ける貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、前記駆動シャフトは乗り物の駆動シャフトである貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、前記駆動シャフトはコンプレッサを駆動するよう構成されている貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、第３セットの磁気コイルが、前記フライホイールに配置され、電力を前記フライホイールへそして前記フライホイールから供給するよう前記第１制御器と電気的に接続されている貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、さらに、外部電力貯蔵装置を有しており、
前記第１制御器は、前記外部電力貯蔵装置から前記フライホイールに電力を供給するよう、または前記フライホイールに貯蔵された電力を前記外部電力貯蔵装置へ転送するよう、構成されており、
前記第１制御器は、前記第３セットの磁気コイルへ供給する電力量を制御することにより、前記フライホイールの回転速度を制御するよう構成されている貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、さらに、前記第２セットの磁気コイルを介して前記電磁誘導ロータに電力を供給するよう構成される第２制御器を有する貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項９】
請求項８に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、前記第１制御器および前記第２制御器のそれぞれはデジタル制御スイッチ式のブラシレスモータ制御器である貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項１０】
請求項８または９のいずれかに記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、前記第１制御器および前記第２制御器のそれぞれは、電磁誘導ロータ位置検出器と電磁誘導ロータ速度検出器とを有する貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項１１】
請求項８〜１０のいずれか１に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、前記第１制御器および前記第２制御器は、少なくとも１つのロータリエンコーダおよび／または磁気ホールセンサーを有する貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項１２】
請求項８〜１１のいずれか１に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、前記第１制御器および前記第２制御器は互いに電気的に接続されている貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項１３】
請求項６に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、さらに、前記ステータに接続され、前記外部電力貯蔵装置と電気的に接続されて前記第３セットの磁気コイルを通じて前記フライホイールへまたは前記フライホイールから電力を供給する第４セットの磁気コイルを有する貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項１４】
請求項７に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、前記外部電力貯蔵装置は電池またはスーパーコンデンサである貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか１に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、さらに、前記フライホイールをその回転軸回りに安定して回転させるよう支持するために前記ステータに接続される少なくとも１つの軸受を有する貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか１に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、前記磁気コイルは永久磁石である貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項１７】
請求項１〜１５のいずれか１に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、前記磁気コイルは誘導コイルである貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項１８】
請求項２に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、前記駆動シャフトは回転軸を有しており、
前記装置は、前記駆動シャフトをその回転軸回りに安定して回転させるよう支持するために前記ステータに接続される少なくとも１つの軸受を有する貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項１９】
請求項１３に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、前記第１、第２、第３ならびに第４セット磁気コイルおよび電磁誘導ロータは、径方向に磁束が向かう位置関係で配置されている貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項２０】
請求項１３に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、前記第３セットのコイルおよび前記第４セットのコイルは横方向に磁束が向かう位置関係で配置可能である貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項２１】
請求項１〜２０のいずれか１に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、前記ステータは、装置の部品の周囲に筐体を有する貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項２２】
請求項２１に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、前記筐体は、前記電磁誘導ロータと前記フライホイールと前記駆動シャフトを内部に封止するためのメカニカルシールを有する貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項２３】
請求項２１または２２に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、装置はさらに、逆止弁と、前記筐体および前記ステータを完全真空状態または準真空状態とするよう構成される真空ポンプと、を有する貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項２４】
請求項１〜２３のいずれか１に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、前記装置は、前記ステータおよび前記筐体の外部に配置される水ジャケットを有し、
前記水ジャケットは、前記磁気コイルと前記電磁誘導ロータによって前記ステータおよび前記筐体の内部で生じた熱を吸収する貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項２５】
請求項１〜２０のいずれか１に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、前記筐体は密閉封止されており、メカニカルシールを用いることなく前記筐体の内部から外部シャフトへと動力を伝達するために電磁結合が用いられている貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項２６】
請求項１〜２５のいずれか１に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、前記電磁誘導ロータは、複数のタービン回転ブレードと機能的に関係しており、前記タービンブレードが流体移動によって回転するとき一体的に回転する貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項２７】
請求項６に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、前記第１セットの磁気コイルにおけるコイルの数は、前記フライホイールに取り付けられた前記コイルにギア比を与えるよう、前記第３セットの磁気コイルにおけるコイルの数と異なる貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項２８】
請求項２７に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、前記第３磁気コイルの数は前記第１磁気コイルの数の倍数である貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項２９】
請求項１〜２８のいずれか１に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、前記電磁誘導ロータは、前記第１セットの磁気コイルと電気的に接続されるフライホイール側と、前記第２セットの磁気コイルと電気的に接続されるステータ側と、を有する貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項３０】
請求項１〜２９のいずれか１に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、前記電磁誘導ロータは、前記フライホイール側には第１の数の誘導コイルと、前記ステータ側には第２の数の誘導コイルと、有する貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項３１】
請求項３０に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、前記ステータ側の誘導コイルの数は、前記フライホイール側の誘導コイルの数と異なる貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項３２】
請求項３１に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、前記ステータ側の誘導コイルの数は、前記フライホイール側の誘導コイルの数の倍数である貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項３３】
請求項１〜３２のいずれか１に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、さらに、
第１筐体と前記フライホイールとを有する第１部分と、
第２筐体と前記電磁誘導ロータとを有する別体の第２部分と、
を有する貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項３４】
請求項３３に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、さらに、前記フライホイールと前記電磁誘導ロータのそれぞれと電気的に接続されるよう配置される接続回路基板を有する貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項３５】
請求項３４に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、前記第１部分は、前記フライホイールの前記第１セットの磁気コイルと磁気的に接続されるよう前記筐体に装着される第５セットの磁気コイルを有する貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項３６】
請求項３５に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、前記第２部分は、前記電磁誘導ロータと磁気的に接続されるよう前記第２筐体に装着される第６セットの磁気コイルを有する貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項３７】
請求項３６に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、前記接続回路基板は、前記第５セットの磁気コイルから前記電磁誘導ロータに前記第６セットの磁気コイルを介して電力を供給するよう構成されている貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項３８】
請求項１〜３３のいずれか１に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、さらに、前記電磁誘導ロータの内部に配置される接続回路基板を有し、
前記接続回路基板は、前記フライホイールの前記第１セットの磁気コイルと電磁誘導ロータとの間で前記第２セットの磁気コイルを介して電力を供給するよう構成されている貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項３９】
請求項３８に記載の、請求項８に従属する、貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、前記接続回路基板は、前記ステータの外部に配置される前記第１制御器または前記第２制御器を介して無線で制御される貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項４０】
請求項３４または３８または３９に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、前記接続回路基板は、前記フライホイールと前記電磁誘導ロータとの間で転送される電力を調節するよう構成されるプログラマブルロジック制御器を有する貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項４１】
請求項４０に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、前記プログラマブルロジック制御器は、前記電磁誘導ロータを通じて転送される電力の周波数および電圧を変化させるために複数の電気的スイッチおよび／または機械式スイッチを制御するよう構成される貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項４２】
請求項４０または４１に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、前記プログラマブルロジック制御器は、複数の可変コンデンサを制御して、電流の位相を電圧よりも進めることによって、前記電磁誘導ロータにおける磁束の周波数と大きさとを可変とし、前記電磁誘導ロータにおける電圧レベルと電流レベルと周波数を変化させるよう構成される貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項４３】
請求項４０または４１に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、前記プログラマブルロジック制御器は、複数の可変インダクタと複数の可変抵抗器と複数の可変コンデンサとを有し、前記複数の可変インダクタと前記複数の可変抵抗器と前記複数の可変コンデンサとにおける電圧レベルと電流レベルと周波数とを制御して、前記電磁誘導ロータにおける電流の位相を電圧よりも進めることによってまたは遅れさせることによって、電流による前記電磁誘導ロータにおける磁束の周波数と大きさとを可変とするよう構成される貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【請求項４４】
請求項４２または４３に記載の貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置であって、前記可変コンデンサおよび／または前記可変インダクタはさらに電力を貯蔵するよう機能する貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、減速する回転機械からのエネルギーを利用し貯蔵し、回転機械が高出力で再加速するときにエネルギーを供給するための貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置に関する。
【０００２】
本発明は、フォーミュラ１（Ｆ１）において用いられるような自動車レース用エンジンに対して主として開発され、主としてこの観点から記載する。しかしながら、本発明はまた、ハイブリッド車、輸送体(transport vehicles)（トラック、バス、列車、飛行機など）、風力タービンにおける発電における他の用途も想定される。
【０００３】
この特許出願は、本願出願人の、発明の名称を「内燃機関熱エネルギー回収システム(An Internal Combustion Engine Heat Energy Recovery System)」とする２０１４年６月３０日に出願された豪州仮特許出願第２０１４９０２４９８号明細書および２０１４年８月２８日に出願された豪州仮特許出願第２０１４９０３４１４号明細書に関連するとともに、２０１５年６月２９日に出願された対応する国際（ＰＣＴ）特許出願に関連し、これらの内容全体を参照によって援用する。
【背景技術】
【０００４】
エネルギーの価格、特に道路や海や空の多くの乗り物(vehicles)に動力を供給するガソリン(petroleum)や軽油(diesel)など石油(oil)ベースの燃料の価格は、着実に増加している。経済の大部分は輸送費の増加に影響を受ける。また、各国政府は排気規制に対してより厳しい環境基準の導入を継続している。
【０００５】
このため、多大な労力および投資がハイブリッド自動車(hybrid vehicles)の開発に注がれている。これらの自動車(vehicles)は、動力（パワー）の主要源として内燃機関を、電気モータによってパワーを増大させて、用いる。他の最近の開発には、完全な電気自動車も含まれており、その性能は今やガソリン車やディーゼル車に匹敵する。しかしながら、自動車に動力を供給するために用いられる電気エネルギーは電池に貯蔵されるが、電池は重く、高価であり、蓄電容量が限られている。したがって、電気自動車の航続距離は制限され、このことにより、これらの自動車に対する主流的認識が肯定的ではない。
【０００６】
ハイブリッド／電気自動車の大多数は、自動車が頻繁に停止・発進を行う交通量が多い都市環境において走行する。自動車を減速させる一般的な方法には、自動車を減速させるよう摩擦パッドを用いるディスクブレーキまたはドラムブレーキの使用がある。減速過程の際に、大量のエネルギーが熱として放散されて、効率的に散逸される。ハイブリッド自動車は、自動車が減速するときに発電機として電気モータを動作させ、制動において通常浪費されるエネルギーの一部を回収して蓄電するよう回生制動を用い、そして加速するときには自動車を推進させるよう用いる機能を有する。しかしながら、蓄電量は電池の瞬間受容量によって制限され、そして、低い速度においては発電機における変化磁束は効果がないレベルに下がり、このことは、全体的な熱エネルギーのうちの少量を利用し高速において貯蔵できるに過ぎないことを意味する。
【０００７】
加速の際には、「ロータ拘束」トルク("locked rotor" torque)として知られている通り、静止状態から始動する場合、電気モータの瞬間トルクは大きい。この始動トルクは、静止状態から始動する内燃機関から提供されるトルクと比較して、大きい。ハイブリッドモードにおける自動車の最も有効な動作構成においては、自動車を静止状態から加速するのに主に電気モータを用い、高速においては主にエンジンを用いるよう切り換える。この場合、電気モータは低速用に調整され、エンジンは高速用に調整される。このように組み合わせられた場合、内燃機関と電気モータとによって、燃料効率的がよく、また非常に高い性能を有する自動車を構成することができる。
【０００８】
フォーミュラ１の新しい２０１４年の規則（レギュレーション）では、自動車の減速を直接伝達することによって運動エネルギーを回収する「ＭＧＵ−Ｋ」システム、およびエンジン排気から熱エネルギーを回収する「ＭＧＵ−Ｈ」システムの使用が認められている。「ＭＧＵ−Ｋ」システムおよび「ＭＧＵ−Ｈ」システムは、このエネルギーを、自動車を直接推進させるために、直接的にまたは電気的にターボチャージャーに動力を供給し、従来のターボチャージャーが行うよりもより素早くエンジンへより多くの空気を導入し「ターボラグ（遅れ）(turbo lag)」を小さくするために、用いる。
【０００９】
これらの新しく開発されたレーシングカーは性能がよくなっている。しかしながら、自動車の効率および性能を向上させると同時に、失われるエネルギーをより高い容量で回収する要求が残されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上述の要求を十分に満たすことにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願は、ステータと、少なくとも第１セットの磁気コイルが配置されているフライホイールと、電磁誘導ロータと、少なくとも１つのセットの第２磁気コイルと、第１制御器と、を備える貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置を開示する。フライホイールは、回転軸を有し、回転機械のシャフトに回転可能に装着可能である。電磁誘導ロータは、回転軸を有し、フライホイールの第１セットの磁気コイルと磁気的に接続されるようシャフトに装着可能である。電磁誘導ロータには、第１セットの磁気コイルの磁束の変化によって電流が誘導される。少なくとも１つのセットの第２磁気コイルは、電磁誘導ロータと磁気的に接続されるようステータに配置される。第１制御器は、電磁誘導ロータを加速させるまたは減速させるよう力を与えるように、フライホイールからの第２セットの磁気コイルへの電力の供給を制御する。電磁誘導ロータは、第１セットの磁気コイルを通じてフライホイールから、そして第２セットの磁気コイルから電力が供給されるよう構成されている。
【００１２】
好ましくは、シャフトは駆動シャフトである。
【００１３】
したがって、装置は、エネルギー（機械的にそして磁気的に）を貯蔵するための回転機械（つまり高速で回転するフライホイール）を利用し、そのエネルギーを用いてモータの電磁誘導ロータおよびシャフトに十分に大きいパワーおよびトルクを供給できる利点を有する。自動車の減速時に利用する場合、パワーを、自動車を加速させるために備えて、モータの電磁誘導ロータからフライホイールに直接供給する。電磁誘導ロータが非常に低いレベルまで減速する場合でも、フライホイールは高速で回転しており、大きい量の変化する磁束を提供することができ、それを回生制動時または自動車の加速時の大きい量の負トルクまたは正トルクに変換することができる。回生制動時には、フライホイールは必ず回転して大きい量の変化する磁束を絶え間なく提供するので、自動車が停止するよう減速するときにより大きい量の制動エネルギーを利用することができる。その結果、従来の機械的な車両ブレーキを小型化することができ、さらに、安全性に関する装置のバックアップとして主として用いることができる。自動車の加速時には、装置は、ロータ拘束電流(locked rotor current)が大きい状態で動作を開始する従来のモータと比較して、はるかに高い爆発的な容量でトルクおよびパワーを供給することができる。対照的に、貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置では、ロータ拘束電流が過度に大きい状態となることなく、それに関連するエネルギー損失および熱の問題もなく、出力が増大する。
【００１４】
前記第２セットの磁気コイルは、フライホイールの角速度ωＦに対する電磁誘導ロータの速度ωＲと等しい、以下の式で表される角速度ωＲＦで磁束を受けそしてそれに対応する電力を受ける。
【００１５】
ωＲＦ＝ωＲ−ωＦ
【００１６】
第２セットの磁気コイルに送出されるパワーの励起周波数の制御では、制御されるパワーの周波数が第２セットの磁気コイルにおいて受けるパワーの周波数よりも大きい場合にはフライホイールをチャージ（パワー充填）する（加速させる）よう、前記制御されるパワーの周波数が第２セットの磁気コイルにおいて受けるパワーの周波数よりも小さい場合にはフライホイールをパワー放出させる（減速させる）よう、フライホイールと電磁誘導ロータとの間で転送されるパワーを制御する。制御器は、例えば第２セットの磁気コイルに１０ｋＷのパワーの電圧および周波数電気信号を供給するよう、フライホイールのパワー充填またはパワー放出の割合（レート(rate)）を制御する。フライホイールの回転慣性および磁界に大きく蓄えられた貯蔵は、例えば２０ｋＷの爆発的な容量を提供し、これにより、加速時には、第１セットのフライホイール・コイルはロータに２０ｋＷを供給することができ、そして一方、第２セットの磁気コイルはロータに１０ｋＷを供給することができ、その結果最終的に３０ｋＷ、すなわち従来の電気モータによる典型的な１０ｋＷの三倍で、特に静止時に、はるかに大きいトルクを供給することができる。
【００１７】
主として発電機として動作するとき、機械的パワーが種々の速度でロータに転送される。フライホイールの速度を制御することにより、パワーコンディショナを用いることなく消費準備すなわちグリッドへの接続の準備ができている状態で、実質的に一定である周波数および電圧で電力を供給するよう、第２セットの磁気コイルにおいて発生するパワーの角速度および周波数が決定される。これは、発電に対して、特に大規模な再生可能エネルギー生成システムにおける発電に対して、利点を提供できる可能性がある。例えば、低コストで高品質な電気を、通常スイッチ式パワーコンディショナと関連するものよりも少ない高調波で、力率改善を行う必要なく、生成することができる。大規模な数メガワット装置発電機のネットワーク（送電網）を、電圧降下、電力使用制限（ブラウンアウト）、停電（ブラックアウト）および力率などのグリッドシステム（送電システム）の問題に対処する目的で、接続できデジタル制御できる。
【００１８】
一の態様において、駆動シャフトは自動車(vehicle)の駆動シャフトである。一の態様において、駆動シャフトはコンプレッサを駆動するよう構成されている。
【００１９】
好ましくは、第３セットの磁気コイルが、フライホイールに配置され、電力をフライホイールへそしてフライホイールから供給するよう第１制御器と電気的に接続されている。
【００２０】
好ましくは、装置は、外部電力貯蔵装置をさらに有する。第１制御器は、外部電力貯蔵装置からフライホイールに電力を供給するよう、またはフライホイールに貯蔵された電力を外部電力貯蔵装置へ転送するよう、構成されている。第１制御器は、第３セットの磁気コイルへ供給する電力量(an amount of power)を制御することにより、フライホイールの回転速度を制御するよう構成されている。
【００２１】
好ましくは、装置は、第２セットの磁気コイルを介して電磁誘導ロータに電力を供給するよう構成される第２制御器をさらに有する。
【００２２】
好ましくは、第１制御器および第２制御器のそれぞれはデジタル制御スイッチ式のブラシレスモータ制御器である。
【００２３】
好ましくは、第１制御器および第２制御器のそれぞれは、電磁誘導ロータ位置検出器と電磁誘導ロータ速度検出器とを有する。より好ましくは、第１制御器および第２制御器は、少なくとも１つのロータリエンコーダおよび／または磁気ホールセンサーを有する。
【００２４】
好ましくは、第１制御器および第２制御器は互いに電気的に接続されている。
【００２５】
好ましくは、装置は、ステータに接続され、外部電力貯蔵装置と電気的に接続されて第３セットの磁気コイルを通じてフライホイールへまたはフライホイールから電力を供給する第４セットの磁気コイルを有する。
【００２６】
好ましくは、外部電力貯蔵装置は電池またはスーパーコンデンサ(super capacitor)である。
【００２７】
好ましくは、装置は、フライホイールをその回転軸回りに安定して回転させるよう支持するためにステータに接続される少なくとも１つの軸受（ベアリング）を有する。
【００２８】
好ましくは、磁気コイルは永久磁石である。あるいは、磁気コイルは誘導コイルである。
【００２９】
好ましくは、駆動シャフトは回転軸を有しており、装置は、駆動シャフトをその回転軸回りに安定して回転させるよう支持するためにステータに接続される少なくとも１つの軸受を有する。
【００３０】
好ましくは、第１、第２、第３ならびに第４セット磁気コイルおよび電磁誘導ロータは、径方向に磁束が向かう位置関係で(in a radial flux configuration)配置されている。
【００３１】
あるいは、第３セットのコイルおよび第４セットのコイルは、横方向に磁束が向かう位置関係で(in a transverse flux configuration)配置することもできる。
【００３２】
好ましくは、ステータは、装置の部品の周囲に筐体を有する。好ましくは、筐体およびステータは、電磁誘導ロータとフライホイールと駆動シャフトを内部に封止するためのメカニカルシールを有する。好ましくは、装置はさらに、逆止弁と、筐体およびステータを完全真空状態または準真空状態とするよう構成される真空ポンプと、を有する。これにより、回転時におけるフライホイールへのあらゆる流体摩擦を低減でき、したがって、エネルギー貯蔵の効率が向上する。好ましくは、装置は、ステータおよび筐体の外部に配置される水ジャケットを有する。水ジャケットは、磁気コイルと電磁誘導ロータによってステータおよび筐体の内部で生じた熱を吸収する。あるいは、筐体は密閉封止されており、メカニカルシールを用いることなく筐体の内部から外部シャフトへと動力を伝達するために電磁結合が用いられている。
【００３３】
一の態様において、電磁誘導ロータは、複数のタービン回転ブレードと機能的に関係しており、タービンブレードが流体移動によって、例えば空気（風）や水によって、回転するとき一体的に回転する。
【００３４】
一の態様において、第１セットの磁気コイルにおけるコイルの数は、フライホイールに取り付けられたコイルにギア比(geared ratio)を与えるよう、第３セットの磁気コイルにおけるコイルの数と異なる。好ましくは、第３磁気コイルの数は第１磁気コイルの数の倍数である。このように、第４セットの磁気コイルによるフライホイールの励起が、第１セットの磁気コイルにおけるフライホイールの励起とは異なる周波数で生じることができ、その結果、フライホイール速度を増加させるよう制御でき、フライホイールへのまたはフライホイールからのパワーの転送を最適化することができる。
【００３５】
一の態様において、電磁誘導ロータは、第１セットの磁気コイルと電気的に接続されるフライホイール側と、第２セットの磁気コイルと電気的に接続されるステータ側と、を有する。好ましくは、電磁誘導ロータは、フライホイール側には第１の数の誘導コイルと、ステータ側には第２の数の誘導コイルと、有する。好ましくは、ステータ側の誘導コイルの数は、フライホイール側の誘導コイルの数と異なる。好ましくは、ステータ側の誘導コイルの数は、フライホイール側の誘導コイルの数の倍数である。これにより、電磁誘導ロータが、ロータが受ける周波数とは異なる、例えば２０倍もの大きな係数で、フライホイールから電力を転送することができ、これにより、パワー転送を最適化できる。このように、電磁誘導ロータにおけるコイルによる伝動(gearing)により、フライホイールとロータとの間で大量の電力を転送することが可能である。
【００３６】
一の態様において、装置は、第１筐体とフライホイールとを有する第１部分と、第２筐体と電磁誘導ロータとを有する別体の第２部分と、から構成される。装置はさらに、フライホイールと電磁誘導ロータのそれぞれと電気的に接続されるよう配置される接続回路基板を有する。好ましくは、第１部分は、フライホイールの第１セットの磁気コイルと磁気的に接続されるよう筐体に装着される第５セットの磁気コイルを有する。好ましくは、第２部分は、電磁誘導ロータと磁気的に接続されるよう第２筐体に装着される第６セットの磁気コイルを有する。好ましくは、接続回路基板は、第５セットの磁気コイルから電磁誘導ロータに第６セットの磁気コイルを介して電力を供給するよう構成されている。この構成においては、フライホイールを、電磁誘導ロータとは別に、乗り物または装置が用いられることになる他の装置におけるより適当な位置に、例えば好適な重量配分のために、配置することができる。
【００３７】
他の態様では、装置は、電磁誘導ロータの内部に配置される接続回路基板を有する。接続回路基板は、フライホイールの第１セットの磁気コイルと電磁誘導ロータとの間で第２セットの磁気コイルを介して電力を供給するよう構成されている。したがって、この態様では、電磁誘導ロータを、ステータ側セットのコイルへと配線される接続回路基板へと配線されるフライホイール側セットのコイルに、分割することができる。
【００３８】
好ましくは、接続回路基板は、ステータの外部に配置される第１制御器または第２制御器を介して無線で制御される。
【００３９】
好ましくは、接続回路基板は、フライホイールと電磁誘導ロータとの間で転送される電力を制御するよう構成されるプログラマブルロジック制御器を有する。好ましくは、プログラマブルロジック制御器は、電磁誘導ロータを通じて転送される電力の周波数および電圧を変化させるために複数の電気的スイッチおよび／または機械式スイッチを制御するよう構成される。
【００４０】
この面に関する装置は、スイッチは多くの異なるギア比を生成するように構成でき、したがって、フライホイールと電磁誘導ロータとの間で大量のパワーを転送することができる電気式無段変速機（ＣＶＴ）に対応させる可能性があるという利点がある。
【００４１】
デジタル式制御システムおよび／またはフライホイールとロータの内部の電磁誘導ロータとの間の関連する信号処理（シグナル・コンディショニング）の特性が高精度であるので、装置は、一定ギア比の伝動装置(static gearing)もしくは接続回路基板エレクトロニクスを用いるほぼ無段階の可変伝動装置(nearly infinitely variable gearing)を有する無段変速機(constantly variable transmission)を有する電気ギアボックスとして、または信号処理のオン／オフ切換を通じた電気式クラッチとして、動作することできる。
【００４２】
好ましくは、プログラマブルロジック制御器は、複数の可変コンデンサを制御して、電流の位相を電圧よりも進めることによって、電磁誘導ロータにおける磁束の周波数と大きさとを可変とし、電磁誘導ロータにおける電圧レベルと電流レベルと周波数を変化させるよう構成される。
【００４３】
他の態様では、プログラマブルロジック制御器は、プログラマブルロジック制御器は、複数の可変インダクタ（コイル）と複数の可変抵抗器と複数の可変コンデンサとを有し、複数の可変インダクタと複数の可変抵抗器と複数の可変コンデンサとにおける電圧レベルと電流レベルと周波数とを制御して、電磁誘導ロータにおける電流の位相を電圧よりも進めることによってまたは遅れさせることによって、電流による電磁誘導ロータにおける磁束の周波数と大きさとを可変とするよう構成される。
【００４４】
好ましくは、可変コンデンサおよび／または可変インダクタはさらに電力を貯蔵するよう機能する。
【００４５】
これらの構成のそれぞれの利点は、フライホイールがパワー充填されるもしくはパワー放出するときに、大きい容量を精密に制御しながら動作するように、または装置が発電機として動作する場合に、消費またはグリッド接続（送電網接続）される準備ができた状態で、パワーコンバータを必要とせず、一定の周波数および電圧を提供するように、装置を構成できることにある。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
例示としての本発明の好ましい態様を、添付の図面を参照して説明する。
【図１】径方向に磁束が向かう位置関係の構造の、貯蔵機能内蔵デジタル制御モータの第１実施形態の半分に対応する概略断面図である。
【図２】径方向に磁束が向かう位置関係と横方向に磁束が向かう位置関係との混成構造の、貯蔵機能内蔵デジタル制御モータの第２実施形態の半分に対応する概略断面図である。
【図３】装置がタービン駆動である第３実施形態の半分に対応する概略断面図である。
【図４】両方が一定ギア比の伝動装置(static gears)であるフライホイールおよび電磁誘導ロータの半分に対応する概略断面図である。
【図５】電磁誘導ロータと分離されているフライホイールの半分に対応する概略断面図である。
【図６】接続回路基板が電磁誘導ロータに配置されているデジタル制御モータ装置の概略図である。
【図７】スイッチを有するプログラマブルロジック制御器構成における接続回路基板の概略図である。
【図７ａ】図７の接続回路基板３の例示的な概略的配線図を示す。
【図８】可変コンデンサを有するプログラマブルロジック制御器構成における接続回路基板の概略図である。
【図９】可変インダクタと可変抵抗器と可変コンデンサと有するプログラマブルロジック制御器構成における接続回路基板の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
図１は、本開示にかかる貯蔵機能内蔵デジタル制御モータ装置１の第１実施形態を示す。装置１は、フライホイール１０と電磁誘導ロータ２０と第１デジタルパワーコントローラ（制御器）３０と第２デジタルパワーコントローラ４０と外部パワー貯蔵装置５０とを有している。フライホイール１０と電磁誘導ロータ２０とは、装置を安定した装着部に固定するよう用いることができるステータ筐体(enclosure)７０内に収容される。
【００４８】
フライホイール１０は、駆動シャフト６０を介して装置１によって駆動される乗り物または他の機械の駆動シャフト６０に回転可能に装着される。駆動シャフト６０は近接端部６１と遠端部６２とを有する。駆動シャフト６０の近接端部６１は、シャフトがその軸回りに安定して(in a controlled manner)回転できるよう構成される一ペアの軸受６３によって支持される。駆動シャフトの遠端部６２は、一ペアの軸受６４によって支持される。駆動シャフト６０がステータハウジング７０内に支持されるように、軸受６３，６４はステータハウジング７０に装着される。
【００４９】
フライホイール１０は、ステータハウジング７０に装着される一ペアの軸受１１によって、駆動シャフト６０の近接端部６１側に回転可能に支持される中央部５から構成される。また、フライホイールは、中央部５から前方にそして後方に延設されてステータ側８およびロータ側９を構成する周辺フランジ７を有する。フライホイール・フランジ７のステータ側８は、その上に装着されるとともに径方向内側に面し駆動シャフト６０に向くよう構成される永久磁石または誘導コイルなどのステータ側セットの磁気コイル１２を有する。一セットのフライホイール磁気コイル１３は、ステータハウジング７０に装着され、径方向外側に面し第１セットの磁気コイル１２に隣接するよう構成されて、第１セットの磁気コイル１２と磁気的に接続される。
【００５０】
フライホイールは、さらに、フランジ７のロータ側９に装着されるとともに径方向内側に面し駆動シャフト６０に向くよう構成されるロータ側セットの磁気コイル１４を有する。
【００５１】
電磁誘導ロータ２０は、フライホイール１０に隣接して駆動シャフト６０の遠端部６２側において駆動シャフト６０に一体的に回転可能に接続される。電磁誘導ロータ２０は、フライホイール１０に隣接するフライホイール側２１と、およびステータハウジング７０に隣接するステータ側２２と、を有する。電磁誘導ロータ２０は、フライホイール側２１からステータ側２２へと延設される複数の誘導コイル１６から構成される。電磁誘導ロータ２１のフライホイール側２１は、フライホイール１０のロータ側セットの磁気コイル１４と磁気的に接続される。電磁誘導ロータのステータ側２２は、ステータハウジング７０に装着される一セットのロータ・コイル１５と磁気的に接続される。
【００５２】
一以上のメカニカルシール７１が、駆動シャフト６０の遠端部６２をステータハウジング７０に対して封止して、装置の構成部品の周囲に密閉筐体が形成される。ステータハウジング７０内に完全真空状態または準真空状態とするよう、逆止弁（ノンリターンバルブ）７２と真空ポンプ７３とがステータハウジング７０に取り付けられ、これにより、あらゆる回転部品に作用する空気抵抗を最小限できるにまたは軽減する。このように、メカニカルシール７１によって、真空空間を外気から遮断する。
【００５３】
第１デジタルパワーコントローラ３０は、図において概略的にのみ示すデジタル制御ブラシレスモータ制御器である。第１デジタルパワーコントローラ３０は、電力（電気的パワー）ＰＦを外部パワー貯蔵装置５０（例えば一以上の電池またはスーパーコンデンサなど）からフライホイール１０へと転送するよう、そしてその回転速度をステータ側セットの磁気コイル１２を介して制御するよう、構成されている。このパワーにより、フライホイール・コイル１３において矢印ＩＦで示す電流が生成され、これにより、ΦＦで示す磁束が生成される。この磁束は、フライホイールのステータ側コイル１２に作用してコイル１２に力を発生させてフライホイール１０を加速させる。また、第１デジタル制御装置３０は、装置１を逆に（つまり回生制動モードで）動作させて、フライホイール１０からパワーを取り出し、フライホイール・コイル１３において電流を誘導するよう磁束を提供するように、構成することができる。その電流により、第１デジタル制御装置３０へとパワーが転送され、そしてそこから外部パワー貯蔵装置５０へまたは以下に説明する第２デジタル制御装置４０へと転送される。
【００５４】
第２デジタルパワーコントローラ４０もまた、電力ＰＲを電磁誘導ロータ２０にその回転速度を制御するよう転送するように構成されている。電力ＰＲにより、ロータ・コイル１６において電流ＩＤが生成され、矢印ΦＲで示す磁束が生成される。この磁束により、ロータ誘導コイルにおいて矢印ＩＲで示す電流が誘導される。同様な磁束ΦＦが、ロータ側セットの磁気コイル１４にも生成される。また、この磁束ΦＦによっても、ロータ誘導コイル１６において矢印ＩＲで示す電流が誘導される。これらの電流ＩＲとパワーとの間の相互作用により、電磁誘導ロータ２０がフライホイール１０との直接作用から加速するかあるいは減速するかが決まる。すなわち、フライホイール１０からの電流およびパワーが電磁誘導ロータ２０に電流およびパワーよりも進んでいる（大きい）場合、電力はフライホイール１０から電磁誘導ロータ２０に転送される。フライホイール１０からの電流およびパワーが、電磁誘導ロータ２０からの電流およびパワーよりも遅れている（小さい）場合、ロータ２０はフライホイール１０へとパワー転送を行う。
【００５５】
図１の装置は、好適には駆動シャフト６０を介して外部装置（例えば乗り物またはコンプレッサ）に機械的駆動ＰＤを供給するよう動作することができ、駆動シャフト６０を加速させるまたは減速させるよう用いることができる。また、装置を、回転駆動シャフト６０からパワーを受け取ることによって電力を生成し、そしてそれを貯蔵に使用可能なパワーまたはパワーグリッドへの供給に使用可能な電力へと変換するよう、用いることができる。
【００５６】
機械的パワーが駆動シャフト６０に必要な場合、例えば乗り物が静止から加速する場合、第１デジタルパワーコントローラ３０は、乗り物を高速へと加速させるために、パワーを外部パワー貯蔵装置５０からフライホイール１０に供給するよう構成される。フライホイール１０は、磁気コイル１４を介して電磁誘導ロータ２０のロータ・コイル１６において電流を誘導する。同時に、第２デジタルパワーコントローラ４０は、電磁誘導ロータ２０に電力を転送するよう構成されている。したがって、加速時に、電磁誘導ロータ２０には、つまりは駆動シャフト６０には、三つの源から電力が同時に供給され、これに対応して、一つの源によってパワーが供給される標準的な電気モータと比べて駆動シャフト６０に三倍もの量のトルクを供給できる可能性がある。
【００５７】
第１デジタル制御装置３０と第２デジタル制御装置４０とは、駆動シャフト６０を滑らかに加速させるよう（したがって乗り物または他の装置を加速させるよう）、互いに接続されるように構成される。制御器３０，４０のそれぞれは、フライホイール１０のステータ側およびロータ２０のステータ側の極数および配列に対応して（それらを較正して符号器にフィードバックするよう）プログラムされる。制御器３０は、フライホイール１０のロータ側の角度位置に関してフィードバックを受けるよう構成され、これにより、制御器は、フライホイール・コイル１２，１４およびロータ・コイル１５，１６とのそれぞれを正確に励起することができる。フライホイール１０と電磁誘導ロータ２０との間の磁束ΦＦ，ΦＲの相互作用が確実に強め合う干渉となるよう、その結果、フライホイール１０からのパワーおよび電流が、電磁誘導ロータ２０からの対応するパワーおよび電流よりも大きい状態で電磁誘導ロータ２０にパワーを供給するよう、所望の周波数および電圧で電力を供給するように制御器３０，４０はプログラム可能である。この物理的な効果は、高速から中速にフライホイール１０を減速させることにより、フライホイールが、貯蔵された運動エネルギーを放出して、電磁誘導ロータ２０を加速させてトルクを供給することにある。装置１のこの使用による利点は、電磁誘導ロータ２０が静止しており、フライホイール１０がパワー充填されて高速に回転しているとき、フライホイールは磁束を大きく変化させ、ロータ拘束電流として知られているロータの慣性に打ち克つために大量のエネルギーを用いる従来のモータと比較して、ロータを非常に速く加速させることができ、その結果、より小さい磁束変化でそのロータを静止状態から加速させることができることにある。
【００５８】
駆動シャフト６０を減速させるために、例えば乗り物を停止まで減速させる必要がある場合、第２デジタルパワーコントローラ４０は、ロータ２０からパワーを取り出して発電機として動作させるよう、回生制動モードで動作する。電磁誘導ロータ２０から取り出されたパワーは、第１デジタルパワーコントローラ３０に転送されて、フライホイール１０を加速させて、充填されたパワーを外部パワー貯蔵装置５０に貯蔵する。こうして、装置は、三つのパワー源からパワーを取り出すことによってロータ２０を減速させる、したがって駆動シャフト６０を減速させる。第１デジタルパワーコントローラ３０は外部パワー貯蔵装置５０をパワー充填し、第２デジタルパワーコントローラ４０はパワーを、電磁誘導ロータ２０から前述の外部パワー貯蔵装置５０またはさらなる外部パワー貯蔵装置に貯蔵するために、取り出し、そして、第１制御器３０と第２制御器４０とは、フライホイール１０に貯蔵されたパワーを外部貯蔵装置５０に転送する前に、フライホイール１０をその最大速度まで加速しパワー充填することができる。また、ロータ２０は、磁気コイル１４を介してフライホイール１０にパワーを直接転送する。
【００５９】
上述した通りモータ装置として動作する場合、フライホイール１０は典型的には６０，０００ＲＰＭまたは１２０，０００ＲＰＭなどの高速で回転する。電磁誘導ロータ２０は典型的には、例えば１０，０００ＲＰＭまたは２０，０００ＲＰＭの中速で回転する。磁束の変化が高周波数で発生するとき、フライホイール１０は典型的には二つまたは四つの極を有し、そして、６：１の速度比で動作するフライホイールの磁束の変化の周波数と一致するようロータ２０は典型的には１２または２４の極を有する。フライホイール１０は通常、フライホイール１０と電磁誘導ロータ２０との間の周波数レベルおよび磁束の変化が低下するよう、電磁誘導ロータ２０と同じ向きに回転され、軸受６３を通じて駆動シャフト６０に印加されるフライホイール１０の回転力が、駆動シャフト６０と一体である電磁誘導ロータ２０の制動を補助する。しかしながら、より低速のロータおよびフライホイールは典型的には、電磁誘導ロータ２０とフライホイール１０との間の周波数および磁束の変化を増加させる反対方向に回転するよう構成されている。
【００６０】
電力を生成する発電機モードで装置１を動作させるために、駆動シャフト６０は、電磁誘導ロータ２０にパワーを供給するよう、一般的には可変速度で、回転する。確実にフライホイール１０が一定制御速度で回転するよう、電磁誘導ロータ２０およびフライホイール１０の相対的な速度を制御するように、第１デジタルパワーコントローラ３０と第２デジタルパワーコントローラ４０とは協働する。その結果、フライホイール１０において生成される電気ＰＦは、一定の周波数（例えば５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）で供給される。装置１によって生成される電圧も一定に、例えば２３０Ｖまたは１１０Ｖに維持される。これは、負荷と電磁誘導ロータ２０へのそして電磁誘導ロータ２０からの入力パワーとを均衡させる（バランスさせる）手段として外部デジタルパワー貯蔵装置５０を用いることにより達成される。装置１のこの面の利点は、外部パワーコンバータ（例えば整流器）を用いることなく、電力を実質的に一定の周波数および電圧で生成できることにある。フライホイール１０を負荷均等化装置として使用することができ、システムの複雑性が低減され、これにより、コスト効率が得られる可能性がある。
【００６１】
ロータ２０は、ロータ２０のフライホイール側２１とロータ側２２との間に切換（スイッチング）機構を（図示しないが好ましくは電磁誘導ロータの内部に）有する。切換機構は、電磁誘導ロータを二つの別のコイル（フライホイール側に一つとロータ側に一つ）へと効果的に分割する。切換機構は、第１デジタルパワーコントローラ３０および／または第２デジタルパワーコントローラ４０を介して動作することができ、通常は短絡状態にある電磁誘導ロータ２０に流れる電流が流れないよう電磁誘導ロータ２０を回路的に開くための電気式クラッチのように機能する。スイッチが閉じている場合、電流が短絡状態にある電磁誘導ロータ２０に流れ、これにより、ロータ２０とフライホイール１０との間のパワー転送が可能になる。ロータが静止している場合または一定速度で回転している場合、ロータ２０がフライホイール１０と相互に作用すること、そしてフライホイール１０を減速させてパワーを放出してエネルギーを浪費することを防止するよう、スイッチが開くことができる。このように、装置はまた電気式クラッチとして動作するように構成することができ、機械的パワーをこのように精密に制御することにより、アンチロック・ブレーキ（ＡＢＳ）やトラクション・コントロール（牽引摩擦制御）など多くの車両システムを向上できる可能性がある。
【００６２】
図２は、フライホイール・コイル１３がフライホイール中央部５の軸方向のステータ側に構成される、図１の装置１の変形例を示す。磁気コイル１２は、ステータ筐体７０の近接端部７４に軸方向に磁束が向かう位置関係で(in an axial configuration)で配置される。この位置関係構成において、フライホイール・フランジ８のステータ側のサイズを大幅に低減でき、したがって、装置１の軸方向のサイズを低減できる。さらに、フライホイール・コイル１３と磁気コイル１２の間のエアギャップ６を、フライホイール１０の使用時に軸方向に制御するのがより簡単である。また一方、筐体７０は典型的には熱くなり、径方向に拡大することになって、その結果、図１の構造においてはエアギャップ６の大きさが変化する。
【００６３】
図３は、タービンブレードなどの複数のロータブレード８０が電磁誘導ロータ２０の周面と磁気的に接続されるよう配置される、図１の装置のさらなる変形例を示す。駆動シャフト６０は、非回転軸９０と置き換えられ、その近接端部９１が軸受６３によって、遠端部９２が軸受６４によって支持される。軸９０は、ステータハウジング７０内に密封されている。フライホイール１０は、軸９０回りに回転するよう軸受６３，６４に接続される。この実施形態においては、一セットの磁気コイル１７が径方向に磁束が向かう位置関係で(in a radial configuration)ロータ２０の周面に接続される。磁気コイル１７のセットはＵ字状である。Ｕ字の一方のアームは電磁誘導ロータ２０に接続され、他方はロータブレード８０に接続される。ステータハウジング７０は、径方向構造で接続される一セットの磁気コイル２３を有する。コイル２３は、磁気的に接続されるよう磁気コイル１７のＵ字状セットの内部に延設されるように配置される。一セットの磁気コイル１７はさらに、Ｕ字状コイル１７の基部からフライホイール１０に向かって軸方向に延設されるとともに磁気コイル１７と一体的に回転する長手方向延設セットのコイル２４を有する。
【００６４】
フライホイール１０の周辺フランジ７は、二つのフランジ７ａ，７ｂから構成される。フランジは、互いとの間隔を空けて配置されて、それらの内側にフライホイール１０のロータ側９における環状凹部２５と、フライホイール１０のステータ側における環状凹部２６と、を形成している。互いに凹部２５の内側で面しており、間に磁気コイル２４が延設される空間を形成している径方向構造で配置される二セットの磁気コイル１４ａ，１４ｂが、凹部２５に収容される。こうして、磁気コイル２４は、フライホイール・コイル１４ａ，１４ｂと磁気的に接続される。フライホイール１０のステータ側８に径方向に磁束が向かう位置関係で(in a radial flux configuration)配置される二セットの磁気コイル１２ａ，１２ｂが、凹部２６に収容される。一セットのステータコイル１３は、二つのセットのフライホイール・コイル１２ａ，１２ｂ間で延設されて磁気的に接続される、径方向に磁束が向かう位置関係で、配置される。
【００６５】
電磁誘導ロータ２０は、軸９０に接続されるその中心において軸受６４によってその軸回りに安定して自由に回転することができる。使用の際に、ロータブレード８０の回転により、磁気コイル１７において電流ＩＲが生成され、その結果、磁束ΦＲが生成される。磁束ΦＲにより、電磁誘導ロータ２０がおおよそ７０ＲＰＭの遅い可変速度で回転する。磁気コイル２４はコイル１７と一体的に回転し、電流ＩＤおよび磁束ΦＦが生成される。磁束ΦＦは、フライホイール・コイル１４ａ，１４ｂに磁気的に作用して力を発生させてフライホイール１０を加速させる。パワー充填されたフライホイール１０に貯蔵されたパワーは、第１実施形態と同様な第１デジタルパワーコントローラ３０に転送される。
【００６６】
図３の実施形態は概して、風力タービンなどの低速回転ロータに用いられる。フライホイール１０と電磁誘導ロータ２０とは、反対方向に回転するように構成されて、フライホイール・パワーが軸受６３を通じてロータ２０に静止軸９０を介して転送されることなく、フライホイール１０と電磁誘導ロータ２０との間の周波数および磁束の変化を増加させる。
【００６７】
図４は、分かりやすくするためにフライホイール１０および電磁誘導ロータ２０のみを示した、図１の装置の実施形態を示す。この実施形態は、図１〜図３の構成のいずれにおいても用いることができる。フライホイール１０およびロータ２０は、一定ギア比構成で構成される。フライホイール１０のステータ側の第１セットの磁気コイル１２は、１２の極を有する。フライホイール１０のロータ側の一セットの磁気コイル１４は、これより少ない、４つの極を有する。したがって、フライホイール１０のステータ側８とロータ側９との間のギア比は１：３である。電磁誘導ロータ２０の誘導コイル１６は、フライホイール側の三つのコイルと１８のコイルとで構成される。１８のコイルは、ステータ側の１８の極を有する電磁石のように機能する。これにより、ロータのフライホイール側とステータ側との間には１：６の一定ギア比の伝動装置(static gearing)が形成される。これらの一定ギア比によって、周波数および磁束の変化を同一または同じくらいに維持しながら、フライホイール１０および電磁誘導ロータ２０を、速度を広い範囲で変えて、動作させることが可能になる。
【００６８】
図５は、概略的に図２、図３または図４の構成にも適用することができる、図１の装置の変形例を示す。フライホイール１０と電磁誘導ロータ２０とは、装置１の二つの分離された（別の）部分１ａ，１ｂに配置される。装置の二つの部分１ａ，１ｂは、ワイヤ２および接続回路基板３を用いて電気的に互いに接続される異なる位置に配置できる。フライホイール１０は、第１ステータ筐体７０ａ内に収容される。電磁誘導ロータ２０は、第２ステータ筐体７０ｂ内に収容される。別のセットのフライホイール・コイル９５は、フライホイール１０の永久磁石１２と磁気的に接続されるよう、ステータハウジング７０ａに配置される。別のセットのフライホイール・コイル９５は、永久磁石１２による誘導電流ＩＳをワイヤ２を介して転送するために用いられ、その後、ステータハウジング７０ｂのフライホイール側に配置される別のセットのロータ・コイル９６にパワーを供給し、これにより、磁束ΦＴが生成され、ロータ・コイル１５において電流ＩＴが誘導される。接続回路基板３は、リレーとトランジスタと可変コンデンサと可変抵抗器と可変インダクタとのうちの少なくとも１つ以上、または組み合わせを有する。それ以外は、図５の装置は、図１の装置と同じであり、同じように動作する。
【００６９】
図６に示す図５の実施形態の他の態様において、装置１は、図１のように同じ一つの位置に構成される。しかしながら、この装置は、電磁誘導ロータ２０の内部にその回転軸の近傍にロータ２０と一体的に回転するよう配置される接続回路基板３を有する。接続回路基板は、ロータ信号装置１０１を有する。ステータ筐体７０は筐体信号装置１０２を有する。接続回路基板３上のスイッチ、可変コンデンサ(capacitance)、可変抵抗器および可変コイル(inductance)装置を、ロータ誘導コイル１５から直接取り出される電力を用いて、作動させるよう、ロータ信号装置１０１と筐体信号装置１０２とは、ワイヤレス・インターネット、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）または磁気信号などの無線信号を送受信するよう構成されている。あるいは、信号装置１０１，１０２は、磁気誘導を用いて、筐体７０から電磁誘導ロータ２０にパワーを無線で送ることができる。
【００７０】
図５および図６の接続回路基板３の例示的実施形態を、図７に概略的に示す。接続回路基板３のパワー・コイル側に、Ｐ１＋，Ｐ１−からＰ４８＋，Ｐ４８−で示した、磁気コイル１４などの４８のフライホイール・パワー・コイルからの９６の電力接続を示す。接続回路基板３の励起コイル側に、Ｅ１＋，Ｅ１−からＥ４８＋，Ｅ４８−で示した、磁気コイル１５などの４８のロータ励起コイルからの対応する９６の接続を示す。回路基板におけるスイッチ１１０は、水平接続が垂直接続とスイッチング接続されるマトリクス構成に、配置される。スイッチ１１０は、任意の数の配線結合を形成するよう、デジタル制御装置４０または５０などのプログラマブルロジック制御器によって無線で制御される。当該技術において知られているように、スイッチ１１０は、典型的には、機械式接点を有する一以上のリレーおよび／またはＭＯＳＦＥＴＳもしくはＩＧＢＴである。
【００７１】
図７に示すスイッチ１１０によるスイッチング構成は、マトリックスでの接続により、それぞれのパワー・コイルＰ１＋，Ｐ１−，Ｐ２＋，Ｐ２−等がそれぞれの励起コイルＥ１＋，Ｅ１−，Ｅ２＋，Ｅ２−に直接接続される配線結合が形成され、図７ａに示す配線結合チャート１１５に示す通り各セットのコイル間に単純なギア比１：１が得られる。オンとオフの切換を制御することによって、接続回路基板３は、ロータ誘導コイル１６において回路接続を開閉する電気式クラッチのように機能する。あるいは、パワー・コイルＰ１＋，Ｐ１−，Ｐ４＋，Ｐ４−を励起コイルＥ１＋，Ｅ１−，Ｅ２＋，Ｅ２−に接続することにより、スイッチをギア比２：１で接続することもできる。図７ａに示す配線結合チャート１２０は、２：１の伝動装置の構成を示している。この実施形態においては、９．８３×１０２９９通りを超える配線結合が利用可能である。したがって、特定目的の配線結合により、事実上何十億ものギア比を有する無段変速機（ＣＶＴ）などの多くの有用な機能を実行可能となることが想定される。
【００７２】
図８は、図７に関して記載したような接続回路基板の上半分のみを示す、接続回路基板３の他の実施形態を概略的に示している。スイッチ１１０を介してパワー・コイル１４および励起コイル１５を接続する代わりに、図８の接続回路基板３は、ＡＣ電流周波数および波長をＡＣ電圧よりも位相が進むよう変化させながらさらなるパワーを貯蔵することができるスーパーコンデンサＣ１，Ｃ２などの可変コンデンサを用いる。静電容量（キャパシタンス(capacitance)）がゼロである場合には電流と電圧との間で波長が変化しない第１部分１２５を含む、これらのＡＣ電力（パワー）波形を図８の下部にグラフで示す。グラフの右側の部分１３０は、キャパシタンスが増加されるにつれて、電圧よりも位相が進むよう電流の波長が短くなるすなわち圧縮される（次第に周波数が増加する）ことを示している。電流がロータにおける電圧よりも位相が進むよう、電圧レベルおよび電流のレベルを制御するように、スーパーコンデンサＣ１，Ｃ２等がデジタル制御装置４０，５０の一方または両方によって制御され、これにより、電流により、電磁誘導ロータ２０に周波数および大きさが可変である磁束が生成される。電磁誘導ロータ２０は、第２セットの磁気コイル１５と磁気的に接続される。電力の周波数および電圧の制御により、装置のモータを、フライホイールのパワー充填またはパワー放出からの大きい容量を精密に制御しながら動作させることができる、あるいは、発電機モードで動作する場合には、消費される準備ができた状態で、パワーコンバータを用いることなく、一定周波数かつ電圧の電力供給ＰＲを提供することができる。
【００７３】
この実施形態の大きな利点は、典型的には、位相のずれに関して、１８０度までのほとんどすべての範囲において電圧よりも位相が進むようＡＣ電流波形および周波数を変化させることができることにある。これにより、無段変速機とともにより精密にかつゆっくりとパワーを転送できる無段可変クラッチ(constantly variable clutch)などの高度な機能を実行するパワー伝達に関する卓越した制御を提供できる。コンデンサまたはスーパーコンデンサは、さらなるパワーを貯蔵することになり、デジタル制御モータ装置の応答時間の柔軟性を高めることができる。この結果、フライホイールは最も短い時間でしかパワー貯蔵を行えないが巨大なパワーすなわち爆発的な容量を提供することができ、スーパーコンデンサは中間パワー容量を中間パワー貯蔵時間に提供でき、そして電池は最も小さいパワー容量で最も長い時間パワー貯蓄できる。三つの貯蔵タイプがすべて協調して動作する場合、短い貯蔵時間または小さいパワー容量によるあらゆる欠点が低減され、パワーを大きいパワー容量で長期にわたって貯蔵し供給できる均斉がとれたかつ向上した能力を提供することができる。
【００７４】
図９は、可変コンデンサＣ１，Ｃ２等に加えて、パワー・コイル１４と励起コイル１５との間の接続が、可変抵抗器Ｒ１，Ｒ２等と可変インダクタＬ１，Ｌ２等を用いて行われる、図８の回路基板の実施形態の変形例を示す。可変コンデンサＣ１，Ｃ２等と可変抵抗器Ｒ１，Ｒ２等と可変インダクタＬ１，Ｌ２等とは、図示の通り典型的には直列で配線されるが、並列または直列と並列とを組み合わせて配線することもできる（図示せず）。この配線構成において、ＡＣ電流周波数および波長は、適用されるキャパシタンス、抵抗およびインダクタンスの量により、ＡＣ電圧よりも位相を進めることができるまたは遅らせることができる。キャパシタンス、抵抗およびインダクタンスがゼロである場合には電流と電圧との間で波長が変化しない第１部分１４０を左側に含む、これらのＡＣ電力波形を図９の下部にグラフで示す。次の、グラフの中央の部分１５０は、キャパシタンスが増加するときその増加が対応するインダクタンスよりも小さい場合、電圧よりも位相が遅れるよう電流の波長が長くなるすなわち拡張される（次第に周波数が低下する）ことを示している。抵抗に関する値もまたこれに影響するが、その効果が小さく当業者に知られている通り典型的な数式に応じて作用するので、図示していない。グラフの右側の部分１６０は、キャパシタンスが対応するインダクタンスよりも大きくなるよう増加されるにつれて、電圧よりも位相が進むよう電流の波長が短くなるすなわち圧縮される（次第に周波数が増加する）ことを示している。
【００７５】
この実施形態のさらなる利点は、図８の実施形態と比べて、典型的には、位相のずれに関して、１８０度までのほとんどすべての範囲において電圧よりも位相が進むようまたは遅れるようＡＣ電流波形および周波数を変化させることができることにある。これにより、接続回路基板を通じて伝達されるパワーの電圧および周波数の制御を高度に柔軟に行うことができる。
【００７６】
図７、図８および図９の実施形態のいずれも、電気式クラッチ、無段変速機（実用上無限のギア比を有する）、トラクション・コントロール、横滑り防止プログラム(electronic stability programs)およびアンチロック・ブレーキ（一般にＡＢＳとして知られている）などの、自動車、トラックまたは輸送車両に関する高度な機能を実現するよう、接続回路基板３を制御することができる。接続回路基板３を用いる利点は、車両のそれぞれのホイールに取り付けることができる他の同様なデジタル制御モータ装置など他のネットワーク接続されたシステムやハイブリッド自動車の内燃機関を制御するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）など自動車コンピュータとの高速かつ効率的な接続を用いて、駆動シャフトまたは駆動ホイールへの機械的パワーの供給をより精密に制御できることにある。発電モードにおいては、インターネットなど長距離通信を介して全グリッドおよび局所的な電力の必要性を制御するよう、風力発電施設（ウインド・ファーム）における複数の風力タービンや電気グリッドのいろいろな場所にある多くの発電機などの多数の発電装置を協働して動作させるよう制御するように、負荷均衡化（バランシング）、力率改善および電圧・周波数スパイク低減などの他の高度な特徴を提供することができる。単一デバイスまたは互いに近いあるいは離れている一連のネットワーク接続されたデバイスとしてデジタル制御モータ装置すなわち発電機の柔軟性および精密な制御をさらに向上させる多数の実現可能な制御アルゴリズムを、接続回路基板３は導入する。
【００７７】
ここに記載した各セットの磁気コイルのそれぞれは永久磁石または誘導コイルのいずれにもできる。
【００７８】
ステータ／筐体７０を、装置１を冷却するために水ジャケット（図面には図示せず）で囲繞することもできる。
【００７９】
本発明を具体例を参照して説明したが、本発明を他の多くの態様で実施できることは当業者には理解されよう。
【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７Ａ】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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