特開 2016-220536 単極電動発電装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2016-220536(P2016-220536A)

(43)【公開日】2016年12月22日

(54)【発明の名称】単極電動発電装置

(51)【国際特許分類】

   H02K 1/22 20060101AFI20161125BHJP

【ＦＩ】

   H02K1/22 Z

【審査請求】有

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2016-166147(P2016-166147)

(22)【出願日】2016年8月26日

(62)【分割の表示】特願2014-545884(P2014-545884)の分割

【原出願日】2012年1月6日

(31)【優先権主張番号】13/343,603

(32)【優先日】2012年1月4日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】61/568,126

(32)【優先日】2011年12月7日

(33)【優先権主張国】US

(71)【出願人】

【識別番号】514318127

【氏名又は名称】ロトニックス ホンコン リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100089118

【弁理士】

【氏名又は名称】酒井 宏明

(72)【発明者】

【氏名】カレヴ，クロード ミシェル

(72)【発明者】

【氏名】ホフマン，ヒース，エフ．

【テーマコード（参考）】

5H601

【Ｆターム（参考）】

5H601AA29

5H601CC01

5H601CC02

5H601DD02

5H601EE06

5H601EE12

5H601GB05

5H601GD03

5H601GD08

(57)【要約】      （修正有）

【課題】単極モーターは、装置内部に生じる磁束密度の半分しか単極モーターは使用することができず、同期リラクタンス発電機などの他の装置の２倍の体積を要する。
【解決手段】単極電動発電機１０１は、ステーター１１０を有するコアアセンブリ１０４と、中央軸線に周りに配置された複数のステーターリングと、ステーターリングのスロットと嵌合するアーマチュアコイルと、各々が中央軸線の周りに配置された一つ以上のフィールドコイルと、ステーター１１０の外周に位置するローター１０２と、複数のローターセグメント１０６を含む、ローター１０２とを備え、各ローターセグメント１０６は、第１および第２のスロットを有するステーターリングの間に磁気回路を形成し、各ローターセグメント１０６は、非磁性材料によって他のローターセグメント１０６から分離されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

中心軸線の周りに配置されたコアアセンブリと、
前記コアアセンブリに含まれる電動発電機のステーターと、
前記中心軸線に沿って軸線方向に離隔された少なくとも第１および第２のスロット付きステーターリムと、
前記スロット付きステーターリムのスロット内のアーマチュアコイルと、
各々が前記中心軸線の周りに配置された一つ以上のフィールドコイルと、
前記ステーターの周りに位置する電動発電機ローターと、
を備え、
前記少なくとも第１および第２のスロット付きステーターリムは前記中心軸線と同軸に積層され、
前記電動発電機ローターは、非磁性体のスリーブの内側で支持された、複数のローターセグメントを含み、
各前記ローターセグメントは、前記少なくとも第１および第２のスロット付きステーターリムの間に磁気回路を形成し、
各前記ローターセグメントは、非磁性材料によって他のローターセグメントから離隔されている、単極電動発電装置。

【請求項2】

各前記ローターセグメントは、２つの磁気１／２極、および、前記２つの磁気１／２極を相互接続する鉄側板を有する請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記ローターセグメントの前記２つの１／２極は前記鉄側板の反対側から伸長する、請求項２に記載の装置。

【請求項4】

前記ローターの内部において、各前記ローターセグメントを分離する、ローターセグメント磁気アイソレーション材料をさらに備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。

【請求項5】

前記ローターはバック鉄心を有しない、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。

【請求項6】

前記ローターセグメントを形成するよう積層されたローターセグメント薄板をさらに備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。

【請求項7】

各前記ローターセグメント薄板は、曲がっていない突起部と、前記曲がっていない突起部の間の曲がった中央部とを有し、前記曲がった中央部は前記電動発電機ローターの外周の半径角度方向に沿って曲がっている、請求項６に記載の装置。

【請求項8】

前記ローターセグメントの各々は、２種類の磁気１／２極を連結する鉄側板を有し、前記鉄側板は、前記ローターセグメントの各々の間の中心線に垂直な軸線に関して、所定の角度で傾斜した側面を有する、ことを特徴とする、請求項６に記載の装置。

【請求項9】

ｎ個のステーターチャネルを画成するステーターのｎ個の極と、
各前記ステーターチャネルに関連する一組のアーマチュアコイルと、
をさらに備え、
アーマチュアコイルの各組は、ｎチャネル電源内のそれぞれのＡＣ−ＤＣ電力コンバータによって、電力を双方向に変換するように構成されている、請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。

【請求項10】

前記コアアセンブリは電動発電機の動作中に前記ローターセグメントおよび前記電動発電機ステーターを磁化するように構成されている、請求項２に記載の装置。

【請求項11】

動作中に磁気回路をさらに備え、
前記磁気回路は半径方向に千鳥格子状に配列されかつ反対向きのローターセグメントの極を通過し、
前記ローターセグメントはフィールドコイルを束縛する隣接リムの外周面上に延在する、請求項１から１０のいずれか一項に記載の装置。

【請求項12】

前記ローターによって画成された回転軸線をさらに備え、
前記ステーターフィールドコイルは前記回転軸線に垂直に配列され、
前記ステーターアーマチュアコイルは前記回転軸線に平行に配列されている、請求項１から１１のいずれか一項に記載の装置。

【請求項13】

前記ローターセグメントは、前記ローターセグメントの間のスペースにより、格子状の構造を形成する、請求項１２に記載の装置。

【請求項14】

前記ローターセグメントは、回転軸線に沿って離隔されたステーターリムの間に磁気回路を作るように形成されている、請求項１２に記載の装置。

【請求項15】

前記アーマチュアコイルの各々は中央軸線のフィールド領域にわたって伸長する、請求項９に記載の装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、ここに参考文献として組み込む、２０１１年１２月７日出願の米国仮特許出願第６１／５６８，１２６号、および、２０１２年１月４日出願の米国特許出願第１３／３４３，６０３号の優先権の利益を主張するものである。

【0002】

本願発明は、電動装置に関する。特に、単極電動発電機が開示される。

【背景技術】

【0003】

単純な単極モーターは、１８３１年のファラデーモーターの発見以来、周知のものである。ファラデーの発明において、回路の電流伝送配線が棒磁石の側面に沿ってぶら下がり、２つの磁場の相互作用により磁石のまわりを回転する。ファラデーのモーターは、荷電粒子が移動する方向および印加磁場の方向の両方に垂直なローレンツ力を表している。ローレンツ力の方程式（電流と磁場Ｂの外積）の単純な応用により、回転力が得られる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

単極モーターおよび単極電動発電機（単極装置）は実際には広く使用されず、大学の研究室または企業の研究所においてもまれであった。単極モーターの関心の低さの理由としては、装置内部に生じる磁束密度の半分しか単極モーターは使用することができず、同期リラクタンス発電機などの他の装置の２倍の体積を要することが上げられる。

【課題を解決するための手段】

【0005】

単極電動発電機は、ステーターの周りに位置する多部品ローターを有する。ある態様において、単極電動発電機は、電動発電機ステーターを有するコアアセンブリと、中央軸線に周りに配置された複数のステーターリングと、ステーターリングのスロットと嵌合するアーマチュアコイルと、各々が中央軸線の周りに配置された一つ以上のフィールドコイルと、ステーターの外周に位置する電動発電機ローターと、複数のローターセグメントを含む、電動発電機ローターとを備え、各ローターセグメントは、第１および第２のスロットを有するステーターリングの間に磁気回路を形成し、各ローターセグメントは、非磁性材料によって他のローターセグメントから分離されている。

【0006】

本願発明は、図面を参照して説明される。これらの図面は、明細書とともに本願発明を例示的に説明するものである。また、本願発明の原理を説明し、かつ、当業者にとって実施可能なように記載されている。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１は、本願発明に従う単極装置のブロック図である。

【図2】図２は、図１に示す装置を組み込む電気機械式フライホイールエネルギーストレージシステムのブロック図である。

【図3】図３は、図２に示す電気機械式フライホイールエネルギーストレージシステムの一部の略示図である。

【図4A】図４Ａは５ステージ単極装置用のローターおよびステーターを示す。

【図4B】図４Ｂは５ステージ単極装置用のローターおよびステーターを示す。

【図5A】図５Ａは、図４Ｂの装置のひとつのステージにおいて使用されるローターセグメントの斜視図である。

【図5B】図５Ｂは、図４Ｂの５ステージ単極ローターの斜視図である。

【図5C】図５Ｃは、図４Ｂの単極ローターの隣接するローターセグメントの側面図である。

【図5D】図５Ｄは、図５Ｃのローターセグメントの平面図である。

【図5E】図５Ｅは、図５Ｃのローターセグメント内で使用される薄板の側面図を示す。

【図5F】図５Ｆは、図５Ｃのローターセグメント内で使用される薄板の斜視図を示す。

【図5G】図５Ｇは、隣接する傾斜ローターセグメントの側面図である。

【図6】図６は、図４Ａのステーター部を示す。

【図7A】図７Ａは、５つの電力コンバータとともに使用するための５極単極電動発電機のステーターの断面略示図である。

【図7B】図７Ｂは、５極、５ステージの単極電動発電機で使用するように構成されたローターセグメントの格子を示す。

【図7C】図７Ｃは、５つの電力チャネルをサポートするためのステーターチャネル内で分割された図７Ｂの格子を示す。

【図7D】図７Ｄは、図４Ａのスロットを有するステーターリム部の平面図である。

【図7E】図７Ｅは図４Ａのステーターリム上に配置された単一のステーターチャネル用のアーマチュアコイルを示す。

【図7F】図７Ｆは、図７Ｅのアーマチュアコイルのアーマチュアコイル位相に関連する正弦波形を示す。

【図7G】図７Ｇは、３フェーズ、５チャネル単極電動発電機ステーターのアーマチュアコイルを略示図したものである。

【図7H】図７Ｈは、単極電動発電機とともに使用するためのパワーエレクトロニクスおよびコントロールの略示図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下で開示されるのは、本願発明のいくつかの例である。設計、図面および説明は、本願発明のある例を限定しない。例えば、開示される装置の他の例は、ここで説明する特徴を含んでも含まなくても良い。また、開示する利点および効果は、本願発明の特定の実施形態に対してのみ適用されてもよく、本願発明を限定するものではない。

【0009】

ここで、使用する用語“結合”とは、直接的および間接的なつながりを指す。また、第１および第２装置が結合される場合に、アクティブな装置を含む隙間装置がそれらの間に配置されていてもよい。

【0010】

図１は、第１の単極装置のブロック図１００を示す。第１の単極装置１０１は、ローター１０２およびコアアセンブリ１０４を有する。ローター１０２は、ローターセグメント１０６のような複数の磁気部品を含む。さらに、ローター１０２はローター隙間構造１０８を有する。コアアセンブリ１０４は、ステーター１１０およびステーターサポート１１２を含む。

【0011】

図２は、電磁気フライホイールエネルギーストレージシステムのブロック図“ＥＦＥＳＳ”２００を示す。エネルギーストレージシステム２０１は、単極電動発電機１０１、フライホイールマス２０４、および、補助的かつ付加的なイクイップメント２０６を有する。

【0012】

単極装置コンポーネントは、ローター１０２およびコアアセンブリ１０４を有する。上記したように、ローターコンポーネントは、ローターセグメント１０６および隙間構造１０８を含み、コアアセンブリコンポーネントはステーター１１０およびステーターサポート１１２を含む。

【0013】

同期リラクタンス技術のような電動発電機技術に対してフライホイール産業は一般的に好ましいにも拘わらず、出願人の開示は、単極装置の実施形態が通常使用される電動発電機技術に対していくつかの改良点を与えることを示す。また、電動発電機フライホイールエネルギーストレージシステムは、出願人の単極電動発電機に適した例に過ぎない。

【0014】

図３は、単極電動発電機を組み込む電気機械式フライホイールエネルギーストレージシステムの一部３００を略示したものである。エネルギー変換ブロック３０２はスピニングアセンブリ３１０およびコアアセンブリ３１２を有する。スピニングアセンブリ３１０に含まれるのは、電動発電機ローター３１４の周りに位置しかつそれに結合されたフライホイールマス３１６である。さまざまな例において、エネルギー交換ブロックはフライホイールマス３１６に結合されたハブ３５０、および、可動サスペンションエレメント３４４を含む。ある例において、スリーブまたはシリンダ、例えば、非磁性スリーブまたはシリンダのようなサポートが、ローター３１４の半径方向の拡張を制限し、ローター３１４を元に戻し、および／または、ローター３１４を支持するために、ローター３１４とフライホイールマス３１６との間に挿入されている。好適なスリーブ材料は、例えば、非磁性ステンレススチール、非磁性超合金、非磁性インコネルなどの合金のような非磁性金属である非磁性材料を含む。

【0015】

ローター３１４、フライホイールマス３１６、ハブ３５０、および、可動サスペンションエレメント３４４は、軸線ｘ−ｘに関して回転対称である。さまざまな例において、ハブ３５０はローター３１４およびフライホイールマス３１６の一方または両方に取り付けられる。コアアセンブリ３１２に含まれるのは、ステーター３２０およびステーターサポート３２２である。ある例において、ステーターサポート３２２は、真空バリア３３４に関連するハウジング壁に結合されている。

【0016】

電動発電機ステーター３２０の周りに位置するのは、電動発電機ローター３１４である。さまざまな例において、電動発電機ローター３１４は、多部品の組立体であり、ある例において、磁気部３５４および非磁気部３５６を有する。ある例において、非磁気部は磁気部を支持するブロッキングまたはマトリクス材料を含む。ある例において、磁気部３５４は積層構造である。

【0017】

さまざまな例において、ステーター３２０は、可変電流を流すことができる導電体巻き線を有するひとつ以上の嵌合したコイルを有する磁気構造体を含む。それによって、磁気構造体の磁束が変化する。ある例において、第１のステーターコイル３６４は、軸線ｘ−ｘに対して略垂直の軸線ｙ−ｙの周りに位置する。ある例において、第２のステーターコイル３６８は軸線ｘ−ｘの周りに位置する。ある例において、複数の第１ステーターコイルは、軸線ｙ−ｙの周りに位置し、一つ以上の第２のステーターコイルが軸線ｘ−ｘの周りに位置する。ある例において、第１のステーターコイルは、アーマチュアコイルであり、第２のステーターコイルは、フィールドコイルである。

【0018】

電動発電機は、ローターがステーターの周りに位置する配列を有する単極装置である。ここで、ａ）ローターに類似の回転ローター３１４はコイルレスの積層磁気構造を有し、ｂ）ステーター３２０に類似の固定中心ステーターは磁気構造内に磁気フラックスを作成するためのコイルを有する積層磁気構造を有し、ｃ）ローターはステーターの周りに位置する。

【0019】

図４Ａおよび４Ｂは、それぞれのステージが５つの極を有する５ステージ４６１−４６５単極装置用のローター４００Ａおよびステーター４００Ｂを示す。単一のステージ内での極の数に従い、装置は５極装置と呼ばれる。文脈において、特に記載しない限り、“極”は、完全な極または典型的に１／２極と呼ばれる極の一対を指す。

【0020】

上記した例では、５つの極、５ステージ装置が記載されている。当業者であれば理解するように、極の数およびステージの数は、異なる応用に対して適宜選択可能である。例えば、ここに開示するものは、２つ以上の極、および、１つ以上ステージを有する単極装置を製造しかつ使用する当業者により利用可能である。

【0021】

図４Ｂに示すのは、複数のローター磁路部品４２０−４２３を有する多部品のローター４００Ｂである。各部品は、２つの１／２磁極を有する。ひとつはＮ極であり、もう一つはＳ極である。以下で説明するように、各部品の１／２極の間に鉄側板が伸長し、磁路を形成する。これらの磁路部品をローターセグメントと呼ぶ。

【0022】

４００Ｂに示すローターセグメント４２０−４２３は、通常は円筒形のローター構造３１４を平面状に広げたものである。ローターセグメント配列は、部品４１９の間のスペースによって格子状構造４６９を形成する。さまざまな例において、スペースは、非磁性材料によって充填される。ここで、非磁性材料は、例えば、エポキシおよびその関連合成物、炭素化合物、非磁性材料、他の適当な当業者に周知のフィラーのような合成物の一つ以上の樹脂固体、これらの組み合わせから作成されるブロッキング構造体である。

【0023】

全部で５０個のローターセグメント４２０−４２３は、第１から第５ステージ４６１−４６５を形成する格子４６９を構成する。それぞれのステージは５つのＮ極および５つの対応するＳ極を有する。ＮＮおよびＳＳは完全極を表し、ＮおよびＳは１／２極を表す。

【0024】

本例において、第１、第３および第５ステージ４６１、４６３、４６５は、Ｓ極ＳＳ、ＳＳ、ＳＳ、ＳＳ、ＳＳおよびＮ極Ｎ、ＮＮ、ＮＮ、ＮＮ、ＮＮ、Ｎを有する。第２および第４ステージ４６２、４６４は、Ｎ極Ｎ、ＮＮ、ＮＮ、ＮＮ、ＮＮ、ＮおよびＳ極ＳＳ、ＳＳ、ＳＳ、ＳＳ、ＳＳを有する。第１ステージのＮ極は第２ステージのＮ極とアライメントされ、第２ステージのＳ極は第３ステージのＳ極とアライメントされ、第３ステージのＮ極は第４ステージのＮ極とアライメントされ、第４ステージのＳ極は第５ステージのＳ極とアライメントされる。

【0025】

各ステージ４６１−４６５は、１０個のローターセグメントを有する。４００Ｂに示すように、左から右へ、第１、第３、第５ステージ４６１、４６３、４６５で使用されるローターセグメントは、４２０、４２２、４２０、４２２、４２０、４２２、４２０、４２２、４２０、４２２である。第２および第４ステージ４６２、４６４で使用されるローターセグメントは、４２３、４２１、４２３、４２１、４２３、４２１、４２３、４２１、４２３、４２１である。

【0026】

ローター４００Ｂとともに使用するためのステーター４００Ａの断面図が示されている。ステーターは、軸線ｘ−ｘを中心とする、大きな直径のリム４４０、４４２、４４４、４４６、４４８、４５０および小さい直径のリム４４１、４４３、４４５、４４７、４４９を有する。第１から第４の大きい直径の中間リム４４２、４４４、４４６、４４８が大きい直径の外側リム４４０、４５０の間に挿入されている。リムが４４０−４５０の順番に積層されるように、小さい直径のリム４４１、４４３、４４５、４４７、４４９のひとつが、大きい直径のリムの一対の間に挿入されている。リムは容器の壁４３０のような構造を介して支持される結合ステーターサポート４３２によって支持される。

【0027】

複数のアーマチュア巻き線４７１、４７２はスロットまたはより小さい構造を介して複数の大きい直径のリム外縁４７４と嵌合する。フィールド巻き線４３１、４３３、４３５、４３７、４３９はステーターの回転軸線ｘ−ｘの周りに位置する。さまざまな例において、各フィールド巻き線は、各フィールド巻き線が大きい直径のリムの一対の間に配置されるように、小さい直径のリムの外縁の周りに位置する。

【0028】

ローター４００Ｂの格子構造は、ステーターの第１のリム４４０が第１ステージ４６１のＳ極に対応し、ステーターの第３のリム４４２が第１および第２ステージ４６１、４６２のＮ極と対応し、ステーターの第５のリム４４４が第２および第３ステージ４６２、４６３のＳ極と対応し、ステーターの第７のリム４４６が第３および第４ステージ４６３、４６４のＮ極に対応し、ステーターの第９のリム４４８が第４および第５ステージ４６４、４６５のＳ極に対応し、ステーターの第１１のリムが第５ステージ４６５のＮ極に対応するように配列されている。

【0029】

図５Ａは、５極単極装置５００Ａの一つのステージで使用されるローターセグメントの斜視図である。５ステージ装置４２０、４２２の第１ステージにおいて、１０個のステーターセグメントが、回転軸線ｘ−ｘの周りに位置する。

【0030】

図５Ｂは、５ステージ単極ローター５００Ｂの斜視図を示す。４つのローターセグメント４２０−４２３が１５個のローターセグメントからなる円形格子５５４を組み立てるべく使用される。隙間構造５５２がローターセグメントの間のギャップに充填されている。ある例において、隙間構造は、ローターセグメントの内側面５５６および／または外側面５５８の少なくとも一部を覆うように伸長する。ある例において、隙間構造は、ローターセグメント５５７、５５９を越えて、軸線ｘ−ｘ方向に伸長する。

【0031】

図５Ｃは、隣接するローターセグメントの側面図５００Ｃを示す。図５Ｄは、同じローターセグメントの平面図５００Ｄを示す。さまざまな例において、ローターセグメント４２０−４２３は積層構造である（図５Ｃの薄板５８１）。また、さまざまな例において、ローターセグメントは積層構造ではない。

【0032】

図５Ｃ、図５Ｄに示すように、第１および第２ローターセグメント４２０、４２２は、Ｎ極５６０、５７４およびＳ極５６４、５７０の１／２極をそれぞれ含む。第１ローターセグメントのＮ極およびＳ極の１／２極を相互接続するのは、第１の鉄側板５６２である。第２ローターセグメントのＮ極およびＳ極の１／２極を相互接続するのは、第２の鉄側板５７２である。

【0033】

ある例において、鉄側板を通じて移動する磁束の減衰は、極を通じて移動する磁束の減衰とほぼ一致する。ある例において、極の断面と、ローターセグメントの磁路に沿った鉄側板とはほぼ等しい。例えば、一定のローターセグメントの厚さ“ｔ”に対して、鉄側板の寸法Ｓ１を極の寸法Ｓ２と等しく設定することで、２つの等しい断面積（Ｓ１×ｔ）および（Ｓ２×ｔ）が得られる。第１の断面は鉄側板内で磁束の方向に略垂直であり、第２の断面は極内の磁束の方向に略垂直である。

【0034】

図５Ｅ、５Ｆは、薄板側面図５００Ｅおよび薄板斜視図５００Ｆを示す（典型的な薄板が図５Ｃに示されている）。薄板は、中央部５８３によって相互接続される上突出部５８２および下突出部５８４を有する。図５Ｃを参照して、上突出部５８２はＳ極５７０の一部に対応し、下突出部５８４はＮ極５７４の一部に対応し、中央部５８３は鉄側板５７２の一部に対応する。

【0035】

ある例において、薄板は、分離部が最初は平面５８６、５８３、５８５であるシートストックから切断されるか、または、分離される。第１延長部５８６を上方に曲げて上突出部５８２を形成し、第２延長部５８５を下方に曲げて下突出部５８４を形成する。ローターにより画定される円筒環のような円筒形状にフィットするまで曲げられると、中央部は半径“ｒ１”で角度方向に沿って角度“α”だけ湾曲し、多くの極を含む装置を収容する。

【0036】

切断ダイス、トーチ、レーザ、ミル等のいずれかを使ったさまざまな例において、ローターセグメントはシートストックから分離され、曲がった中央部を有する平坦部が生成され、中央部の両端部は反対方向に曲げられて未完成ローターセグメントを形成する。真空含浸または他の適当な方法を使って、バーニッシュまたは他の適当な絶縁材料とともに積層する方法が以下で説明される。積層した後、ローターセグメントの未完成端部は所定の長さに切断される。

【0037】

図５Ｇは隣接する傾斜ローターセグメントの側面図５００Ｇを示す。ローターセグメント５９１、５９２のそれぞれの、１／２Ｎ極５９７、５９８および１／２Ｓ極５９３、５９４は、中央線ＣＬに垂直な軸線ｙ１−ｙ１に関して角度βで傾斜した側面を有する対応する鉄側板５９５、５９６により相互接続される。ある例において、角度βは１０度から３０度の範囲であり、ある例においては、角度βは１９．９＋／−５度の範囲である。さまざまな例において、傾斜した鉄側板を有するローターセグメントは図５Ｅおよび５Ｆに示すものと類似の薄板により作成された積層構造である。傾斜鉄側板を有しないローターセグメントに比べ、傾斜鉄側板を有するローターセグメントは、傾斜鉄側板がステーターの歯ともはやアライメントされないため、アーマチュア磁束がローターセグメントに移るのを減少させるのに有用である。

【0038】

図６はステーター部６００を示す。ステーター部は図４Ａのステーターのひとつの実施形態のステーター部に対応する。特に、ステーター部は１ステージ６６１のセクタおよび部分ステージ６６２のセクタを示す。これらのリムは、外側の直径の大きいリム６４０、中間の直径の大きいリム（または２つの隣接リム）６４２、および、それらの間の直径の小さいリム６４１を有する。さまざまな例において、直径の小さいリムは連続アーマチュア鉄背面シリンダ６１４の一部であり、さまざまな例において、リムは、一体的に鉄背面シリンダに固定されるか、および／または、縮み嵌め、機械的固定部材、半田付け等により取り付けられる。

【0039】

外側の直径の大きいリム６４０は厚さｔ２の単一プラテン６２０を有する。中間の直径の大きいリム６４２は２つのプラテン６２２、６２４を有する。プラテンの各々は、プラテンの外周６１２から半径方向に伸長するスロット４７４を有する。スロットはアーマチュア巻き線４７１、４７２を受けるように設計され、ある例において、スロットはアーマチュア巻き線上部加熱パイプ（図示せず）を受けるように設計されている。隣接スロットの各対を分離するのは、スロット６１６のベースからプラテンの外周へ延在するステーター歯６１０である。

【0040】

図３と関連して説明すると、ステーターは、アーマチュアコイルおよびフィールドコイルを有する。アーマチュアコイル３６４、４７１、４７２はスターターの大きい直径のリムと一体化されている。フィールドコイルはステーターの小さい直径のリムの周りに位置する。さまざまな例において、フィールドコイルは直流電源によって付勢され、電動発電機が動作中にローターセグメントを磁化する。同様に、アーマチュアコイルは電動発電機が動作中にステーター歯を磁化する。ローターの磁力およびステーターの磁力が相互作用することにより、電動モード（電力消費）で動作するためのトルク、および、発電モード（電力生成）で動作するためのトルクが生成される。

【0041】

当業者は、電動発電機のアーマチュアコイルが多くの異なる方法で配列可能であることを良く知っている。例えば、アーマチュアコイルは、単相または３相動作用に配列されてよい。また、スロット間隔は、アーマチュア巻き線の緩みによるローターの加熱を減少させるように、特定の装置特徴を与えるべく選択される。ここに参考文献として組み込む、Ｎａｋａｍｕｒａによる米国特許第４，４６２，８５９号、およびＫａｗａｍｕｒａらによる第５，２３１，３２４号にはアーマチュア巻き線、アーマチュア巻き線設計、および、アーマチュア巻き線配列が開示されている。

【0042】

ひとつの例において、ステーター３１２のアーマチュア巻き線３６４は、複数の電力チャネルが可能であるような複数の電力コンバータとともに使用される単極電動発電機に適するように配列される。例えば、５極装置において、ひとつの電力コンバータは、５つの電力チャネルがイネーブルとなるように５極のそれぞれと関連している。単一の電力コンバータ設計に対するこれらの設計の利点は、複数の電力コンバータで使用される絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などのパワー半導体に対するより低い定格電力、および、より低い関連定格電流である。電力チャネル数は必要に応じて変化してよい。例えば、電力チャネルの数を選択するためのひとつの基準は、電力チャネル数と半導体定格電流との間で一般に逆の関係を生じさせる、半導体定格電流における制限である。

【0043】

図７Ａは、５つの電力コンバータ７００Ａとともに使用するための５極単極電動発電機のステーターの断面略示図である。ステーター断面は、半径方向に境界で５つのセクションＧ１−Ｇ５に分割され、それぞれは７２°円周角を有する。それぞれのセクションはスターターチャネルと呼ばれ、各電力チャネルはステーターチャネルおよび電気的接続されたコンバータチャネルを有する。

【0044】

図７Ｂは、５極、５ステージ単極電力発電機７００Ｂで使用するように構成されたローターセグメントの格子を示す。図７Ｃは５つの電力チャネル７００Ｃをサポートするために格子がステーターチャネルＧ１−Ｇ５に分割される様子を示す。例えば、第１のステーターチャネルＧ１はグループＧ１１の５つのローターセグメントに対応する正弦波７４２の第１の半分、グループＧ１２の５つのローターセグメントに対応する正弦波７４４の第２の半分を有する正弦波出力電力７４０を与える。

【0045】

さまざまな例において、複数極の装置の動作周波数は、ローター速度および極対の数に基づいて計算される。例えば図７Ｂのステーター格子を使用する装置は５つの極対を有する。ローター速度が毎分３００００回転（ＲＰＭ）であれば、周波数は基本周波数（３００００回転／６０秒）に極対の数を乗じた数と等しい、すなわち、２５００Ｈｚである。

【0046】

図７Ｄは、スロットが形成されたステーターリム部７００Ｄの平面図である。スロットを有するステーターリム部７５１は７２°の円周角を有し、５つの電力チャネルを有する５つの単極装置で使用するための５つのステーターチャネルのステーターと互換性を有する。ステーターリムの外周には、１−１２の符号が付された１２個のステータースロット７５２が設けられている。各スロットは、アーマチュアコイルの巻き線の両端部の間に配置されるアーマチュアコイルを受けるためのものである。当業者には理解できるように、ステータースロットの数は、異なるアーマチュアコイル設計および配列を収容するべく変更可能である。図示する例において、スロット１−１２は、３つの相の巻き線Ａ＋（＋１）、Ｂ−（−０．５）、Ｂ−（−０．５）、Ｃ＋（＋０．５）、Ｃ＋（＋０．５）、Ａ−（−１）、Ａ−（−１）、Ｂ＋（＋０．５）、Ｂ＋（＋０．５）、Ｃ−（−０．５）、Ｃ−（−０．５）、Ａ＋（＋１）を受けとる。

【0047】

図７Ｅは、単一のステーターチャネルがステーターリム７００Ｅに配置されている様子を示す。アーマチュアコイルがステーター上で一巻きずつ巻かれながら、ステーターに取り付けられて完全なコイルとなるか、周知の他の手段によりステーターと一体化されるか、その組み合わせで配置される場合、使用されるアーマチュア構成方法と無関係に、アーマチュアコイルおよびアーマチュアコイル巻き線と呼ぶ。

【0048】

３つの電気相Ａ、Ｂ、Ｃを反映する３つのアーマチュアコイル巻き線が示されている。第１のアーマチュアコイル巻き線ＡＬ／Ａ＋はスロット１と嵌合し、スロット６Ａ−、スロット１２Ａ＋、スロット７ＡＮ／Ａ−に次々と嵌合する。第２のアーマチュアコイル巻き線ＢＬ／Ｂ＋は、スロット９と嵌合し、スロット２Ｂ−、スロット８Ｂ＋、スロット３ＢＮ／Ｂ−に次々と嵌合する。第３のアーマチュアコイル巻き線ＣＬ／Ｃ＋は、スロット５と嵌合し、スロット１０Ｃ−、スロット４Ｃ＋、スロット１１Ｃ−に次々と嵌合する。さまざまな例において、各アーマチュアコイル巻き線ＡＬ、ＢＬ、ＣＬの一端は電力コンバータに接続され、アーマチュアコイル巻き線ＡＮ、ＢＮ、ＣＮの反対端部は相互に接続されている。図７Ｆは、図７Ｅのアーマチュアコイル相と関連する正弦波形７００Ｆを示す。

【0049】

図７Ｇは３層の５チャネル単極電動発電機ステーター７００Ｇのアーマチュアコイルの略示図である。電気的接続部Ｊ１−Ｊ５において、アーマチュアコイルＡ１−Ａ５、Ｂ１−Ｂ５、および、Ｃ１−Ｃ５のそれぞれの第１端部は相互接続されている。これらのコイルの反対端部は５つの電力コンバータと相互接続するようにグループ化されている（Ａ１、Ｂ１、Ｃ１：Ａ２、Ｂ２、Ｃ２：Ａ３、Ｂ３、Ｃ３：Ａ４、Ｂ４、Ｃ４：Ａ５、Ｂ５、Ｃ５）。

【0050】

図７Ｈは、パワーエレクトロニクスおよびコントロール７００Ｈの略示図である。２つ以上のステーター電力チャネルの接続が示されている。アーマチュアコイル接続Ａ１／Ｂ１／Ｃ１、Ａ２／Ｂ２／Ｃ２は、パワーエレクトロニクス接続ブロック７８２、７８４に作成されている。相接続Ａ／Ｂ／Ｃを介して電力がコンバータ７７２により変換される。中間フィルタは、直列のインジケータセットＬ１１／Ｌ１２／Ｌ１３、Ｌ２１／Ｌ２２／Ｌ２３、および、並列の位相コンデンサＣ１２／Ｃ１３／Ｃ１４、Ｃ２２／Ｃ２３／Ｃ２４を備える。

【0051】

ＡＣ−ＤＣコンバータ７７２、７７４は、正のライン７７１、７７５および負のライン７７３、７７９を介するＤＣバス７８１によって電力を変換する。バスとコンバータとをインターフェースする保護およびコントロールは、プリチャージ回路およびヒューズを有する。ある例において、これらの機能は、スイッチＳ１１、Ｓ２１、直列に接続された抵抗Ｒ１１、Ｒ２１およびダイオードＤ１１、Ｄ２１、マスター制御コマンドおよび検知したコンバータＤＣ電圧に従ってスイッチを動作させるためのスイッチ自動ユニット７６２、７６４を含む関連スイッチオートメーションによって実現される。このヒューズ機能は正のバスライン７７１、７７５におけるヒューズＦ１１、Ｆ２１によって与えられる。コンデンサＣ１１およびＣ２１はコンバータＤＣ端子をまたぐ。

【0052】

マスターコントローラ７７０は、コンバータＡＢＣのそれぞれ、および、スイッチオートメーションユニットＰＣＣのそれぞれと相互接続される。バス電圧Ｖをモニターすると、マスターコントローラはスイッチオートメーションユニット７６２、７６４およびコンバータ７７２、７７４に制御信号を与え、特定のバス電圧を維持する。

【0053】

本願発明のさまざまな例を説明してきたが、これらは例示に過ぎず、発明を限定するものではない。本願発明の思想および態様から離れることなく、さまざまな修正および変更が可能であることは当業者の知るところである。本願発明の思想および態様は、上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲およびそれを均等の範囲に限定されるべきものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0054】

【特許文献1】米国特許第４，４６２，８５９号明細書

【特許文献2】米国特許第５，２３１，３２４号明細書

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【図5E】

【図5F】

【図5G】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図7D】

【図7E】

【図7F】

【図7G】

【図7H】

【手続補正書】

【提出日】2016年9月2日

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

中心軸線の周りに配置された複数のステーターリングを含む電動発電機ステーターを有するコアアセンブリと、
前記中心軸線を取り巻くように、隣接する前記ステーターリング間に挿着されたフィールドコイルと、
前記ステーターリングの外周部においてアライメントされて設けられたスロットと嵌合し、前記中心軸線の方向に離隔された両端が、前記ステーターリングの側面で丸められたアーマチュアコイルと、
前記中心軸線と同軸でかつそれを取り巻く、細長い円筒形状の電動発電機ローターと
を備え、
前記電動発電機ローターは前記中心軸に沿って離隔された複数ステージのローターセグメントを有し、
前記複数ステージのローターセグメントは、隣接するステーターリングと相互接続する磁気回路を形成するべく、千鳥格子状の磁路を与え、
前記ローターセグメントの各々は、ローターセグメント薄板を有し、
各前記ローターセグメント薄板は、上突出部と、下突出部と、前記上突出部および前記下突出部を相互接続する中央部とを有し、
隣接する前記ローターセグメント薄板の各々は、前記中心軸線方向に沿った線に関して鏡面対称に配列され、かつ、前記中心軸と垂直方向の線に関して鏡面対称に配列される、ことを特徴とする単極電動発電装置。

【請求項2】

中心軸線の周りに配置された複数のステーターリングを含む電動発電機ステーターを有するコアアセンブリと、
前記中心軸線を取り巻くように、隣接する前記ステーターリング間に挿着されたフィールドコイルと、
前記ステーターリングの外周部においてアライメントされて設けられたスロットと嵌合し、前記中心軸線の方向に離隔された両端が、前記ステーターリングの側面で丸められたアーマチュアコイルと、
前記ステーターリングと同軸でかつそれを取り巻く、細長い円筒形状の電動発電機ローターと
を備え、
前記電動発電機ローターは、長手方向に配置された複数のローターセグメントおよび円周方向に配置された複数のローターセグメントを有し、
前記ローターセグメントは格子を形成するように配置されており、
前記複数のローターセグメントは、隣接するステーターリングと相互接続する磁気回路を形成するべく、千鳥格子状の磁路を与えるように、前記ローターセグメントの各々は、スペースおよび／またはギャップによって、隣接するローターセグメントから離隔されている、
ことを特徴とする単極電動発電装置。

【請求項3】

中心軸線の周りに配置された複数のステーターリングを含む電動発電機ステーターを有するコアアセンブリと、
前記中心軸線を取り巻くように、隣接する前記ステーターリング間に挿着されたフィールドコイルと、
前記ステーターリングの外周部においてアライメントされて設けられたスロットと嵌合し、前記中心軸線の方向に離隔された両端が、前記ステーターリングの側面で丸められたアーマチュアコイルと、
前記ステーターリングと同軸でかつそれを取り巻く、細長い円筒形状の電動発電機ローターと
を備え、
前記電動発電機ローターは、長手方向に配置された複数のローターセグメントおよび円周方向に配置された複数のローターセグメントを有し、
前記ローターセグメントは格子を形成するように配置されており、
前記複数のローターセグメントの各々は、ローターセグメント薄板を有し、
各前記ローターセグメント薄板は、上突出部と、下突出部と、前記上突出部および前記下突出部を相互接続する中央部とを有し、
前記中央部は、前記電動発電機ローターの外周に沿うように湾曲し、前記上突出部および前記下突出部は、互いに反対方向に曲げられ、
前記上突出部は、磁気１／２Ｓ極を形成し、前記下突出部は、磁気１／２Ｎ極を形成する、
ことを特徴とする単極電動発電装置。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか一項に記載の単極電動発電装置の製造方法であって、
Ｚ字形状の複数のローターセグメントを与える工程と、
前記ローターセグメントどうしが、磁気材料によって相互接続されるのを防止する工程と、
前記ローターセグメントの円筒形アセンブリの内側に、複数のステーターリングを配置する工程と
前記ローターセグメントによって、隣接するステーターリング間に磁路を与える工程と
を備える方法。

【請求項5】

積層した薄板を使って、各前記ローターセグメントを組み立てる工程をさらに備える、請求項４に記載の方法。

【請求項6】

前記薄板を曲げることにより、前記Ｚ字形状を形成する工程をさらに備える、請求項４に記載の方法。

【請求項7】

３つ以上のステーターリングが与えられ、長手方向に配置された複数のローターセグメントおよび円周方向に配置された複数のローターセグメントを通じて前記磁路が与えられる、ことを特徴とする請求項４に記載の方法。

【請求項8】

４つ以上のステーターリングが与えられ、前記ローターセグメントは、長手方向に配置された複数の開口、および、円周方向に配置された複数の開口を形成するように配置されている、ことを特徴とする請求項４に記載の方法。

【請求項9】

前記ローターセグメントは、円周方向に隣接するローター極を分離するための開口部を規定するように配置されている、ことを特徴とする請求項４に記載の方法。

【請求項10】

ローターの完全極は、隣接するローターセグメントの極によって形成される、ことを特徴とする請求項４に記載の方法。