特許 7527286 不規則アームの固定子を備えた永久磁石発電機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-25

(45)【発行日】2024-08-02

(54)【発明の名称】不規則アームの固定子を備えた永久磁石発電機

(51)【国際特許分類】

   H02K 21/12 20060101AFI20240726BHJP

   H02K 1/12 20060101ALI20240726BHJP

   H02K 7/18 20060101ALI20240726BHJP

【ＦＩ】

H02K21/12 G

H02K1/12

H02K7/18 Z

【請求項の数】 19

(21)【出願番号】P 2021526799

(86)(22)【出願日】2019-11-28

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-03-11

(86)【国際出願番号】 EP2019082890

(87)【国際公開番号】W WO2020109458

(87)【国際公開日】2020-06-04

【審査請求日】2022-11-28

(31)【優先権主張番号】LU101021

(32)【優先日】2018-11-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】LU

(73)【特許権者】

【識別番号】516296566

【氏名又は名称】ルクセンブルク・インスティテュート・オブ・サイエンス・アンド・テクノロジー・（エルアイエスティ）

(73)【特許権者】

【識別番号】521562016

【氏名又は名称】ロタレックス エス．エー．

(74)【代理人】

【識別番号】100091683

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼川 俊雄

(74)【代理人】

【識別番号】100179316

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 寛奈

(72)【発明者】

【氏名】ポレセル，ジェローム

(72)【発明者】

【氏名】ジェラール，マテュー

(72)【発明者】

【氏名】エル ハシェミ，モハメド

(72)【発明者】

【氏名】アリオウア，アブデルモウミン

【審査官】島倉 理

(56)【参考文献】

【文献】特表２００３－５１４５００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－３２８６４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０１－００８８３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５５－０５８７５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５３－０４９６０７（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｋ ２１／１２

Ｈ０２Ｋ １／１２

Ｈ０２Ｋ ７／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

発電機（１０２；２０２；３０２；４０２）であって、
永久磁石を備え、回転軸の周りに回転するよう構成された、回転子（１０６；２０６；３０６；４０６）と、
前記回転子（１０６；２０６；３０６；４０６）それぞれの径方向内部側または外部側に隣接するよう、前記回転子（１０６；２０６；３０６；４０６）の軸方向内側または外側に延びるアーム（１０８．１、１１０．１；２０８．１、２１０．１；３０８．１、３１０．１；４０８．１、４１０．１）を備え、少なくとも１つの磁気ヨーク（１０８、１１０；２０８、２１０；３０８、３１０；４０８、４１０）を含んだ、固定子（１０４；２０４；３０４；４０４）と
を備え、
少なくとも１つの前記磁気ヨーク（１０８、１１０；２０８、２１０；３０８、３１０；４０８、４１０）の前記アーム（１０８．１、１１０．１；２０８．１、２１０．１；３０８．１、３１０．１；４０８．１、４１０．１）は、隣接する各対間にスロットを形成するよう、外周に配分され、各スロット及び各アームは角度で定義される幅を有し、
前記アーム（１０８．１、１１０．１；２０８．１、２１０．１；３０８．１、３１０．１；４０８．１、４１０．１）の幅は、外周に沿って配分された互いに異なる値を有し、前記各アーム（１０８．１、１１０．１；２０８．１、２１０．１；３０８．１、３１０．１；４０８．１、４１０．１）の幅が、
セクタθ _ｉ ＝＜θ＞／２＋ｉ×ｄθで算出される角度であり、
ここで、ｉは１からＮまでの整数、
Ｎはアームの数、
＜θ＞はＮ個のアームの平均セクタ角、
ｄθは角度の増分
であることを特徴とする、発電機（１０２；２０２；３０２；４０２）。

【請求項2】

前記スロットの幅は、外周に沿って一定である、請求項１に記載の発電機（１０２；２０２；３０２；４０２）。

【請求項3】

前記アーム（１０８．１、１１０．１）の幅は、外周に沿って漸進的に増加する、請求項１または２に記載の発電機（１０２）。

【請求項4】

前記アーム（１０８．１、１１０．１）の幅は、外周に沿って比例して増加する、請求項３に記載の発電機（１０２）。

【請求項5】

前記アーム（２０８．１、２１０．１；３０８．１、３１０．１；４０８．１、４１０．１）の幅は、外周に沿ってランダムに配分される、請求項１または２に記載の発電機（２０２；３０２；４０２）。

【請求項6】

外周に沿った各々次のアームは、ｉが１づつ増加する、請求項４に記載の発電機（１０２）。

【請求項7】

外周に沿った各々次のアーム（１０８．１、１１０．１；２０８．１、２１０．１；３０８．１、３１０．１；４０８．１、４１０．１）は、ｉが１～Ｎの整数のランダムな配列から決められる、請求項５に記載の発電機（２０２；３０２；４０２）。

【請求項8】

Ｎ＝１６である、１～Ｎからの整数のランダムな配列は、［１０、１５、６、１２、１１、８、１４、７、１６、１３、９、１、５、４、２、３］、［１４、１１、８、５、３、１、９、２、６、１５、４、１２、１３、１６、７、１０］、及び［９、１４、１０、１６、１２、３、４、５、１１、１、２、６、７、８、１５、１３］のうちの１つである、請求項７に記載の発電機（２０２；３０２；４０２）。

【請求項9】

少なくとも１つの前記ヨークは、いくつかのヨーク（１０８、１１０；２０８、２１０；３０８、３１０；４０８、４１０）を備え、前記ヨークのアーム（１０８．１、１１０．１；２０８．１、２１０．１；３０８．１、３１０．１；４０８．１、４１０．１）は、外周に沿って繰り返し交互にされる、請求項１～８のうちいずれか一項に記載の発電機（１０２；２０２；３０２；４０２）。

【請求項10】

少なくとも１つの前記ヨーク（１０８、１１０；２０８、２１０；３０８、３１０；４０８、４１０）の各々は、前記ヨークの前記アーム（１０８．１、１１０．１；２０８．１、２１０．１；３０８．１、３１０．１；４０８．１、４１０．１）を相互接続する中央部（１０８．２、１１０．２；２０８．２、２１０．２；３０８．２、３１０．２；４０８．２、４１０．２）を備える、請求項９に記載の発電機（１０２；２０２；３０２；４０２）。

【請求項11】

前記アーム（１０８．１、１１０．１；２０８．１、２１０．１；３０８．１、３１０．１；４０８．１、４１０．１）の各々は、前記中央部（１０８．２、１１０．２；２０８．２、２１０．２；３０８．２、３１０．２；４０８．２、４１０．２）に固定された、湾曲した端部を備える、請求項１０に記載の発電機（１０２；２０２；３０２；４０２）。

【請求項12】

前記ヨーク（１０８、１１０；２０８、２１０；３０８、３１０；４０８、４１０）の前記中央部（１０８．２、１１０．２；２０８．２、２１０．２；３０８．２、３１０．２；４０８．２、４１０．２）間に配置された、電気コイル（１１２；２１２；３１２；４１２）をさらに備える、請求項１０及び１１のいずれか一項に記載の発電機（１０２；２０２；３０２；４０２）。

【請求項13】

前記回転子に機械的に連結された、タービンホイール（１１６）をさらに備える、請求項１～１２のうちいずれか一項に記載の発電機（１０２；２０２；３０２；４０２）。

【請求項14】

前記回転子（１０６）及び前記タービンホイール（１１６）を支持するシャフト（１１４）、及び、前記シャフト（１１４）の各端部における軸受（１３０）をさらに備える、請求項１３に記載の発電機（１０２；２０２；３０２；４０２）。

【請求項15】

ガスシリンダのためのバルブ（１１８）であって、
入口（１２４）、出口（１２６）、及び前記入口及び前記出口を相互接続する通路（１２２）を備える、本体（１２０）と、
前記本体（１２０）に取り付けられ、前記通路（１２２）内のガスフローを制御する、フロー制御デバイス（１２８）と、を備え、
前記バルブ（１１８）は、
前記通路（１２２）に位置された、タービンホイール（１１６）を備える発電機（１０２）であって、前記通路内のガスフローが前記タービンホイール（１１６）を回転させるときに電力を出力するように構成され、かつ請求項１～１４のうちいずれか一項に記載された発電機（１０２）を、さらに備えることを特徴とする、バルブ（１１８）。

【請求項16】

流体のための通路（１２２）を区切る壁を有し、流体が流れるときに駆動されるよう、前記通路（１２２）に位置されたタービンホイール（１１６）を備える発電機（１０２）を備える導管（１２２）であって、前記発電機は、請求項１～１４のうちいずれか一項に記載のものであることを特徴とする、導管（１２２）。

【請求項17】

導管（１２０）内に流体が流れる間、電気を生成するために、前記導管（１２０）内にタービンホイール（１１６）を備えた発電機（１２０）の使用であって、前記発電機は、請求項１～１４のうちいずれか一項に記載のものであることを特徴とする、発電機（１２０）の使用。

【請求項18】

発電機（１０２；２０２；３０２；４０２）の寸法を決める方法であって、
永久磁石を備え、回転軸の周りに回転するよう構成された、回転子（１０６；２０６；３０６；４０６）と、
前記回転子（１０６；２０６；３０６；４０６）それぞれの径方向内部側または外部側に隣接するよう、前記回転子（１０６；２０６；３０６；４０６）の軸方向内側または外側に延びるアーム（１０８．１、１１０．１；２０８．１、２１０．１；３０８．１、３１０．１；４０８．１、４１０．１）を備え、少なくとも１つの磁気ヨーク（１０８、１１０；２０８、２１０；３０８、３１０；４０８、４１０）を含んだ、固定子（１０４；２０４；３０４；４０４）と、を備え、
前記アーム（１０８．１、１１０．１；２０８．１、２１０．１；３０８．１、３１０．１；４０８．１、４１０．１）は、隣接する各対間にスロットを形成するよう、外周に配分され、各スロット及び各アームは角度で定義される幅を有し、
前記回転子（１０６；２０６；３０６；４０６）のコギングトルクを低下させるよう、外周に沿って配分された互いに異なる値を有するアームの幅の、寸法を決めるステップを有し、前記アームの幅が、
セクタθ _ｉ ＝＜θ＞／２＋ｉ×ｄθで算出される角度であり、
ここで、ｉは１からＮまでの整数、
Ｎはアームの数、
＜θ＞はＮ個のアームの平均セクタ角、
ｄθは角度の増分、
であることを特徴とする、方法。

【請求項19】

前記回転子（１０６；２０６；３０６；４０６）のコギングトルクを低下させるステップは、前記アームの幅及び前記スロットの幅が、外周に沿って一定である構成と相対的である、請求項１８に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は電気機械の分野に向けられており、より詳細には、永久磁石を備えた電気機械、さらに詳細には、永久磁石同期機械を目標とする。本発明は、このような機械の固定子も目標とする。

【背景技術】

【0002】

独国特許出願公開第１９９５４９６４号明細書で公開された先行技術の特許文献は、水力タービン発電機を開示している。この発電機は、導管内の流体の流れを電力に変換するため、導管に取り付けるのに好適なコンパクト構造である。この発電機は、タービンホイール、及びシャフトに取り付けられた回転子を備える。この回転子は、回転子及び流体のための空洞を区切る円筒壁によって囲まれる。回転子は永久磁石を備え、固定子は壁の周りに配置される。固定子は、基部、及び基部から壁の外面に沿って軸方向に延びた一連のアーム部を備え、強磁性材料で作られた第１の要素と、やはり基部、及び第１の要素のアーム部に対してオフセットされた一連のアーム部を備え、同様の第２の要素と、第１及び第２の要素の基部間に配置されたコイルと、を備える。

【0003】

特開平０２－１９７２４３号公報で公開された先行技術の特許文献も、上記文献と類似の構造のコンパクトな発電機を開示している。回転子は永久磁石を示すが、それらは回転子の周囲に沿ってＳ－Ｎ－Ｓ－に向けられる。さらには、循環して回転子と接触する作動流体が、空気以外に存在しないため、回転子と固定子とを分離する壁は存在しない。

【0004】

欧州特許出願公開第０４２５２６０号明細書で公開された先行技術の特許文献も、上記２つの文献と類似の構造のコンパクトな発電機を開示している。これは、サイクルホイールのハブ内に配置された、埋め込み型発電機に関し、サイクルのフレームに固定された軸に回転可能に嵌合された、ハブ部材と、ハブ部材の軸に固定され、各々が４つのアーム部を有する２極電機子から構成された、固定子と、固定式中空シリンダに設けられかつそこに固定された、（固定子の、４ストリップ形状の２極電機子間に保持された）発生コイルユニットと、軸に回転可能に設けられた磁石と一体化で形成された、回転子と、を含む。

【0005】

一般的に、永久磁石発電機において、回転子はコギングトルクすなわち周期振動トルクを、静止時すなわち巻線が励磁されないときに示す。ここで、回転子の磁場は、固定子の磁極と整合する傾向がある。多くの用途にとって、回転子の駆動トルクが抵抗トルクを上回るのに十分大きいという点で、このコギングトルクは問題にならない。しかし、駆動トルクが低く、一般に低トルクで高速である、流体作動式の用途におけるいくつかの用途にとって、コギングトルクは、トルクが加えられている間に発電機が回転するのを妨げる場合がある。

【0006】

Ｃｈｕｎ－Ｙｕ Ｈｓｉａｏらによる、「Ａ Ｎｏｖｅｌ Ｃｏｇｇｉｎｇ Ｔｏｒｑｕｅ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ－Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍａｃｈｉｎｅｓ」（Ｅｎｅｒｇｉｅｓ ２０１１，４，２１６６－２１７９；ｄｏｉ：１０．３３９０／ｅｎ４１２２１６６）は、原則的に回転子をいくつかのセグメントに分割することによって、及びこれらのセグメントに角度を付けて斜めにすることによって、コギングトルクを、永久磁石同期機械において低下させる課題に取り組んでいる。２つのセグメントを有する回転子の場合、この斜角は、コギングトルク期間の半分である。しかしこの解決策は、非常にコンパクトな発電機には、容易に適用できない。

【0007】

同様に、Ｊｏｎｇ Ｇｕｎ Ｌｅｅらによる、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｍａｃｈｉｎｅｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｖｏｌ．２，Ｎｏ．４，ｐｐ．３９０～３９３，２０１３における、「Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｖ－Ｓｋｅｗ ｏｎ ｔｈｅ Ｔｏｒｑｕｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｉｎ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ」は、基本的に永久回転子のＶスキューを提供することから成る、類似の解決策を提案している。上記の教示と同様に、この解決策は、非常にコンパクトな発電機に適用するのは困難である。

【0008】

Ｎ．Ｌｅｖｉｎらによる、ＥＬＥＫＴＲＯＮＩＫＡ ＩＲ ＥＬＥＫＴＲＯＴＥＣＨＮＩＫＡ，ＩＳＳＮ １３９２－１２１５，ＶＯＬ．１９，ＮＯ．１，２０１３における、「Ｍｅｔｈｏｄｓ ｔｏ Ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ Ｃｏｇｇｉｎｇ Ｔｏｒｑｕｅ ｉｎ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍａｃｈｉｎｅｓ」も、固定子スロットを斜めにする課題に取り組んでいる。しかし、これは複雑性、及び固定子の製造コストを増加させる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【文献】独国特許出願公開第１９９５４９６４号明細書

【文献】特開平０２－１９７２４３号公報

【文献】欧州特許出願公開第０４２５２６０号明細書

【非特許文献】

【0010】

【文献】Ｃｈｕｎ－Ｙｕ Ｈｓｉａｏ ｅｔ ａｌ．ｉｎ “Ａ Ｎｏｖｅｌ Ｃｏｇｇｉｎｇ Ｔｏｒｑｕｅ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ－Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍａｃｈｉｎｅｓ”（Ｅｎｅｒｇｉｅｓ ２０１１，４，２１６６－２１７９；ｄｏｉ：１０．３３９０／ｅｎ４１２２１６６）

【文献】Ｊｏｎｇ Ｇｕｎ Ｌｅｅ ｅｔ ａｌ．ｉｎ“Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｖ－Ｓｋｅｗ ｏｎ ｔｈｅ Ｔｏｒｑｕｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｉｎ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｍａｃｈｉｎｅｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｖｏｌ．２，Ｎｏ．４，ｐｐ．３９０～３９３，２０１３

【文献】Ｎ． Ｌｅｖｉｎ ｅｔ ａｌ．ｉｎ“Ｍｅｔｈｏｄｓ ｔｏ Ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ Ｃｏｇｇｉｎｇ Ｔｏｒｑｕｅ ｉｎ Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍａｃｈｉｎｅｓ”，ＥＬＥＫＴＲＯＮＩＫＡ ＩＲ ＥＬＥＫＴＲＯＴＥＣＨＮＩＫＡ，ＩＳＳＮ １３９２－１２１５，ＶＯＬ．１９，ＮＯ．１，２０１３

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

本発明は、上述の先行技術における欠点の少なくとも１つを克服するための、技術的課題に対するものである。より具体的には、本発明は、低下したコギングトルクを備えた永久磁石発電機を提供するための、技術的課題に対するものである。さらに具体的には、本発明は、コンパクトで製造が簡単である、低下したコギングトルクを備えた永久磁石発電機を提供するための、技術的課題に対するものである。さらには、本発明は、入力機械力に対する出力電力の比率によって定義された発電機の効率を最適化するための、技術的課題に対するものである。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明は、永久磁石を備え、回転軸の周りを回転するよう構成された回転子と、回転子の径方向内部側または外部側それぞれに隣接するように回転子の軸方向内側または外側に延びたアームを備え、少なくとも１つの磁気ヨークと、を備える発電機を目標とする。これらのアームは、隣接するアームの各対間にスロットを形成するよう、外周に配分され、各スロット及び各アームは幅を有する。アームの幅及び／またはスロットの幅は、外周に沿って配分された異なる値を有する。

【0013】

アームの幅及び／またはスロットの幅は平均幅であるか、またはこれらの幅が軸方向に変化する場合に、回転軸に対して垂直の同じ交差面に設けられる。代替として、アームの幅及び／またはスロットの幅を、軸方向に一定とすることができる。

【0014】

好ましい実施形態によると、スロットの幅は、外周に沿って一定である。

【0015】

好ましい実施形態によると、アームの幅は、外周に沿って漸進的に増加する。この増加は、有利には完全に１周して延びる。

【0016】

好ましい実施形態によると、アームの幅は、外周に沿って比例して増加する。この増加は、有利には完全に１周して延びる。

【0017】

好ましい実施形態によると、アームの幅は、外周に沿ってランダムに配分される。この配分は、有利には完全に１周して延びる。

【0018】

好ましい実施形態によると、各アームは、セクタθ_ｉ＝＜θ＞／２＋ｉ．ｄθ以上の角度で延びる。ここで、ｉは１とＮとの間の整数、Ｎはアームの数、及び＜θ＞はＮ個のアームの平均セクタ角である。

【0019】

好ましい実施形態によると、外周に沿った各々次のアームにおいて、ｉは１づつ数が増加する。

【0020】

好ましい実施形態によると、外周に沿った各々次のアームのために、ｉは、１～Ｎの整数のランダムな配列から取り出される。Ｎは、４以上のアームの合計数に相当する、任意の偶数値である。

【0021】

好ましい実施形態によると、Ｎ＝１６である１～Ｎの整数のランダムな配列は、以下のうちの１つである。［１０、１５、６、１２、１１、８、１４、７、１６、１３、９、１、５、４、２、３］、［１４、１１、８、５、３、１、９、２、６、１５、４、１２、１３、１６、７、１０］、及び［９、１４、１０、１６、１２、３、４、５、１１、１、２、６、７、８、１５、１３］。

【0022】

好ましい実施形態によると、少なくとも１つのヨークは、いくつかのヨークを備える。これらヨークのアームそれぞれは、外周に沿って交互である。

【0023】

好ましい実施形態によると、少なくとも１つのヨークの各々は、ヨークのアームを相互接続する中央部を備える。

【0024】

好ましい実施形態によると、アームの各々は、この中央部に固定された、湾曲した端部を備える。

【0025】

好ましい実施形態によると、発電機は、ヨークの中央部間に配置された電気コイルをさらに備える。

【0026】

好ましい実施形態によると、発電機は、回転子に機械的に連結されたタービンホイールをさらに備える。

【0027】

好ましい実施形態によると、発電機は、回転子及びタービンホイールを支持するシャフト、ならびにシャフトの各端部に軸受をさらに備える。

【0028】

好ましい実施形態によると、タービンホイールは、径方向に延びたブレードを備えた軸方向タービンホイールであり、このブレードを流れ抜ける環状の軸方向フローを、タービンホイール及び回転子の回転運動に変換するよう構成される。

【0029】

本発明は、ガスシリンダのためのバルブも目標とする。このバルブは、入口、出口、及びこれら入口及び出口を相互接続する通路を有する本体と、この本体に取り付けられて通路内のガスフローを制御する、フロー制御デバイスと、を備える。バルブは、通路に位置されたタービンホイールを備えた発電機をさらに備え、通路内のガスフローがタービンホイールを回転させたときに電力を出力するよう構成される。この発電機は、本発明によるものである。

【0030】

タービンホイールは、フロー制御デバイスの上流または下流に位置させることができる。

【0031】

本発明は、流体の通路を区切る壁と、流体が流れたときに駆動されるよう、通路に位置されたタービンホイールを有する発電機と、を備える導管も目標とする。この発電機は本発明によるものである。

【0032】

本発明は、流体が上記の導管を流れる間に電気を生成するための、導管にタービンホイールを備える発電機の使用も目標とする。この発電機は本発明によるものである。

【0033】

本発明は、回転軸の周りを回転するよう構成された永久磁石を備えた回転子、及び回転子の径方向内部側または外部側それぞれに隣接するように回転子の軸方向内側または外側に延びるアームを備え、少なくとも１つの磁気ヨークを備えた発電機の、寸法を決める方法も目標とする。これらのアームは、隣接するアームの各対間にスロットを形成するよう、外周に配分され、各スロット及び各アームは幅を有する。方法は、回転子のコギングトルクを低下させるよう、異なる値で外周に沿って配分されたアームの幅及び／またはスロットの幅の寸法を決めるステップを含む。

【0034】

好ましい実施形態によると、回転子のコギングトルクを低下させることは、アームの幅及びスロットの幅が外周に沿って一定である構成に対するものである。

【0035】

本発明は、発電機のコギングトルクを低下させる点で、特に興味深い。回転子に永久磁石を備えた電気機械、例えば発電機におけるコギングトルクは、外周に非一定の透磁性を示す固定子の、当然の結果である。各永久磁石は、固定子の強磁性アームの引力を受ける。これらのアームの規則的な配分は、それらの力が全てではなくとも、いくつかの永久磁石のために最大となる効果を有し、それは潜在的に高いコギングトルクをもたらす。このようなコギングトルクは、例えば自転車用ダイナモなどの、駆動トルクが比較的高い用途には、特に問題ではない。しかし、非常に低い駆動トルクの適用では、これは問題となる場合がある。本発明による不規則な配分は、コギングトトルクを大幅に低下させ、したがって例えばガスなどの流体のフローなど、非常に低い駆動トルクを備えた発電機の回転をタービンホイールで可能にし、一方で最適化された電力レベルを送達するので、特に興味深い。

【図面の簡単な説明】

【0036】

【図1】先行技術による発電機の上面図及び斜視図である。

【図2】図１の発電機における固定子の、スロット配分を示す底面図である。

【図3】図１の発電機における、経時的な出力電力のグラフである。

【図4】図１の発電機における、経時的な動的トルク出力のグラフである。

【図5】図１の発電機における、経時的なコギングトルクのグラフである。

【図6】コイル１２を通した磁束振幅、出力電力、動的トルク、コギングトルク、及び回転子と固定子との間における径方向空隙ｅの異なる値のための、機械から電気への変換効率、の比較表である。

【図7】本発明の第１の実施形態による、発電機の上面図及び斜視図である。

【図8】図７の発電機における固定子の、スロット配分を示す底面図である。

【図9】図７の発電機における固定子の、増加する配分を示す図である。

【図10】図７の発電機における、経時的な出力電力のグラフである。

【図11】図７の発電機における、経時的な動的トルクのグラフである。

【図12】図７の発電機における、経時的なコギングトルクのグラフである。

【図13】本発明の第２の実施形態による発電機の、斜視図及び上面図である。

【図14】図１３の発電機における固定子の、増加する配分を示す図である。

【図15】図１３の発電機における、経時的な出力電力のグラフである。

【図16】図１３の発電機における、経時的な動的トルクのグラフである。

【図17】図１３の発電機における、経時的なコギングトルクのグラフである。

【図18】本発明の第３の実施形態による発電機の、斜視図及び上面図である。

【図19】図１８の発電機における固定子の、増加する配分を示す図である。

【図20】図１８の発電機における、経時的な出力電力のグラフである。

【図21】図１８の発電機における、経時的な動的トルクのグラフである。

【図22】図１８の発電機における、経時的なコギングトルクのグラフである。

【図23】本発明の第４の実施形態による発電機の、上面図及び斜視図である。

【図24】図２３の発電機における固定子の、増加する配分を示す図である。

【図25】図２３の発電機における、経時的な出力電力のグラフである。

【図26】図２３の発電機における、経時的な動的トルクのグラフである。

【図27】図２３の発電機における、経時的なコギングトルクのグラフである。

【図28】図１、図７、図１３、図１８、及び図２３の種々の発電機における、経時的なコギングトルクのグラフである。

【図29】図１、図７、図１３、図１８、及び図２３の種々の発電機における、経時的なコギングトルクのグラフである。

【図30】図１、図７、図１３、図１８、及び図２３の種々の発電機における、コイルを通した磁束振幅、出力電力、固定子／回転子の相関因子、動的トルク、コギングトルク、及び機械から電気への変換効率、の比較表である。

【図31】本発明による発電機が一体化される、バルブの概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0037】

図１～図６は、当技術分野による発電機の構造及び特徴を示す。

【0038】

図１は、当技術分野による発電機の、上面図及び斜視図を備える。発電機２は、基本的に固定子４及び回転子６を備える。固定子４は、磁性材料で作られた一連のアーム８．１及び１０．１を備える。それらは外周に、基本的に互いに対して平行に配置される。固定子４は、アーム８．１及び１０．１に磁気によって連結されたコイル１２も備える。回転子６は、回転する際に、固定子４のアームに様々な磁場を生成するよう、その外周に沿って配置された一連の永久磁石を備える。

【0039】

例えば回転子６は固定子４の内側に位置され、その外側周辺に磁場の大部分を生成するよう構成される。例えば回転子６は、一連の永久磁石を、周辺に沿って北極－南極の対を標準的に交互に、または北回転９０°－南回転９０°のハルバッハ配列で、備えることができる。

【0040】

例えば、固定子４は２つのヨーク８及び１０を備え、それらは重ね合わされ、かつ相互嵌合される。各ヨーク８及び１０は、中央部８．２及び１０．２それぞれから基本的に軸方向に延びた、一連のアーム８．１及び１０．１を備える。コイル１２は、ヨーク８及び１０の中央部８．２及び１０．２の間に挟まれる。中央部８．２及び１０．２は、コイル１２を通って延びる。コイル１２は、中央部周りに巻線を備える。

【0041】

図１の例において、各ヨークは８本のアームを備え、合計１６本のアームを備えることになる。各アームは、スロットを形成するために、隣接する各アームから離れている。回転子６は１６個の磁石を備え、８対の極を形成する。

【0042】

図２は、図１の発電機における固定子のアーム及びスロット配分の底面を、概略で示す。外周に交互に配置された、嵌合されたアーム８．１及び１０．１を確認することができる。各アーム８．１及び１０．１は、角度θ_ｉにわたって外周方向に延びる。それらは、外周方向の空隙ｗも示す。径方向の空隙ｅは、回転子６と固定子４との間に設けられる。明白なように、アームの配分は規則的、すなわち角度θ_ｉは各アームで等しく、外周方向の空隙ｗも一定である。

【0043】

研究及び特徴付けの目的で、本発明の以下の実施形態において、アームの非均等配分を、以下のように各アームの角度値θ_ｉで定義する。
θ_ｉ＝＜θ＞／２＋ｉ．ｄθ
ここで、ｉは１～Ｎに増加する整数値、＜θ＞はアームの角度の平均値、及びｄθは増加する角度値である。そして、
＜θ＞＝（２π－Ｎ．α）／Ｎ、及び
α＝ｗ／Ｒ_{ｓｔａｔｏｒ}
Ｒ_{ｓｔａｔｏｒ}は、固定子４の半径である。

【0044】

セクタＮの合計は、

【0045】

【数1】

であり、したがって増加する角度値は、

【0046】

【数2】

である。

【0047】

Ｎ＝１６のセクタ及びアームのため、増加する角度値は、
ｄθ＝π／１３６－α／１７
であり、各アームの角度は、
θ_ｉ＝π／１６－α／２＋ｉ．（π／１３６－α／１７）
である。

【0048】

図２のような均等配分には、上記の増加する計算は適用されず、アームの一定の角度値は、
θ_ｉ ^{ｒｅｇｕｌａｒ}＝（２π－Ｎ．α）／Ｎ＝π／８－α
である。固定子の半径Ｒ_{ｓｔａｔｏｒ}＝８．５５ｍｍ、及び外周方向の空隙ｗ＝１ｍｍ、α＝０．１１７ｒａｄｉａｎ＝６．７°である。

【0049】

さらに図１及び図２を参照すると、固定子４は、空隙の交互配置、すなわち空気及びアームである磁気材料の交互配置を形成する。同様に、回転子６は、空隙と固定子４の磁気材料との交互配置で、ゼロで通過する正値及び負値の交互配置を示す磁場を生成する。固定子に対する回転中に、回転子は、材料の透磁性のおかげで、各アームの磁性材料において可変磁場を生成する。この可変磁場は、各アーム８．１及び１０．１に沿って、ヨーク８及び１０の中央部８．２及び１０．２に伝えられ、コイル１２を磁化する。したがってコイル１２は、電圧を生成する起電力を誘発する交番磁場によって横断される。極の数がアームの数と等しいため、かつ極及びアームは均等かつ規則的に配分されるために、回転子によって生成された磁場とアームとの間の相関関係の程度は、回転子と固定子との間の角度位置に関わらず、各アームにおいて等しい。しかし、回転子の極がアームと角度的に整合されたときに相関関係は最大となり、極の各対間の（磁場が無効な）中間位置がアームと角度的に整合されたときに、相関関係は最小となることは明白である。相関関係の程度は、発電機の特定の電力出力に、直接影響する。

【0050】

図３～図５は、図１及び図２の発電機の、出力電力、動的トルク、及びコギングトルクの計算値を示すグラフである。動的トルクは、コギングトルクの積み重なった貢献、及び渦電流の貢献による制動トルクを表わす。この制動トルクは、角速度と共に増加する。角速度が増加すると、渦電流によって生成された磁束は増加し、それによってネット磁束が速度と共に減少する。計算は、有限要素解析ソフトウェア（ＣＯＭＳＯＬ）を使用したモデルに基づく。例えば、回転スピードは３７８０ｒｐｍである。固定子材料は、伝導率σ＝１．２２７×１０^＋６Ｓ／ｍ、かつ透磁率１８００のＮｉＦｅ合金の軟磁性材料から構成される。固定子の２つの部品によって挟まれた銅コイルは、ＤＣ抵抗１．３１オームに対して２６．５ｍＨのインダクタンスを表わす。２０オームの負荷抵抗はコイルに接続され、電気出力（電圧、電力）を計測する。コギングトルクは、２．（θ_ｉ ^{ｒｅｇｕｌａｒ}＋α）＝π／４ラジアンの範囲における固定子スロットに対する、回転子の角度位置のための静的規則性において計算される。

【0051】

図６は、これら磁気及び機械出力の得られた値を要約した表である（１列目は基準モデル１）。ピーク間の動的（及びコギング）トルクの値を下げるために研究された、１つの可能性は、磁気回転子の外側部と固定子の内側部との間の空隙距離「ｅ」を増加させることである。これによって、固定子の合計の径、したがって発電機の寸法を増加させることになるが、ｅのより高い値（基準モデル２及び３における１．５ｍｍ及び２．５ｍｍ）に対し、ピーク間の動的トルクのより低い値（基準モデル１の１．５５ｍＮ．ｍの代わりに、それぞれ０．４０４及び０．０３９ｍＮ．ｍ）を得る。しかし、発電機の出力電力の大きい低下（ｅ＝２．５ｍｍで１１．４ｍＷまで低下）に留意できる。表の最後の行は、入力機械力に対する出力電力の比率によって、発電機の効率の推定を示す。

【0052】

上記で説明した、回転子によって生成された磁場と、固定子のアームとの間における相関関係の程度は、最大値０．７を示す。

【0053】

本発明によると、アーム及び／またはスロットの角度幅の配分は、有利な方法で動的トルク及び／またはコギングトルクを修正するために、非均等となるよう変化させることができる。図６以降の残りの図面において、３つの可変ステップ発電機を詳細に表し、本発明の実施形態を形成する。

【0054】

図７～図１２は、本発明の第１の実施形態を示し、アームの角度幅が比例して増加する上述の発電機に基づいている。図１～図６の参照番号は、ここでは同じ、または相当する要素を指定するために使用されるが、これらの番号には１００が加えられている。それは、これらの要素の説明にも言及される。

【0055】

図７及び図８において、アーム１０８．１及び１１０．１の角度幅は漸進的に増加すること、より詳細には図８において、図の頂部に位置されたアーム１０８．１から開始して時計周りに進むことが、確認できる。回転子１０６は、図１及び図２と比較して不変のままである。

【0056】

図９は、図２に関してすでに表わした以下の式における、第２～第１６のアームの増加を示す。
θ_ｉ＝＜θ＞／２＋ｉ．ｄθ

【0057】

回転子によって生成された磁場と、アームとの間における相関関係の程度は、最大値０．３５を示す。

【0058】

図１０～図１２は、図７～図９の発電機の、出力電力、動的トルク、及びコギングトルクの計算値を示すグラフである。それらは、コギングトルクの実質的な低下を示す。それらは、図１～図６の基準モデル１及び２（図６参照）と比較して動的トルクの低下も示すが、効率Γ＝５．７２％の減少、すなわち入力機械力に対する電力出力の比率の減少も示す。基準モデル３と比較すると、比例増加モデルは、２倍より多くの出力電力をもたらすが、ここでは低い効率Γももたらす。

【0059】

図１３～図１７は、本発明の第２の実施形態を示し、アームの角度幅は角度幅がランダムで増加する上記の図１～図６の発電機に基づいている。図１～図６の参照番号は、ここでは同じ、または相当する要素を指定するために使用されるが、これらの番号には２００が加えられている。それは、これらの要素の説明にも言及される。

【0060】

図１４で明白であるように、Ｎ＝１６のセクタの増加ｉは、図２に関連してすでに表わした以下の式、
θ_ｉ＝＜θ＞／２＋ｉ．ｄθ
であり、ランダムに配分される（ランダム配分Ｒ０２）。

【0061】

回転子によって生成された磁場と、アームとの間における相関関係の程度は、最大値０．４３を示す。

【0062】

図１５～図１７は、図１３及び図１４の発電機の、出力電力、動的トルク、及びコギングトルクの計算値を示すグラフである。コギングトルクは、図７～図１２の第１の実施形態（特に図１２参照）と比較すると、さらに減少されることが確認できる。ピーク間の動的トルクは、３３ｍＷの出力電力に対して０．０８５ｍＮ．ｍまで低下される。これらの結果は、Γ＝５．７２％の比例した増加と比較すると、Γ＝２４．５２％の、より良好で優れた効率を示す。

【0063】

図１８～図２２は、本発明の第３の実施形態を示し、アームの角度幅がランダムで増加する上記の図１～図６の発電機に基づいている。図１～図６の参照番号は、ここでは同じ、または相当する要素を指定するために使用されるが、これらの番号には３００が加えられている。それは、これらの要素の説明にも言及される。

【0064】

この第３の実施形態は、図２に関連してすでに表わした以下の式において、Ｎ=１６のセクタにおける増加ｉの、別のランダム配分（ランダム配分Ｒ０５）であり、
θ_ｉ＝＜θ＞／２＋ｉ．ｄθ
第２の実施形態と類似する。

【0065】

回転子によって生成された磁場と、アームとの間における相関関係の程度は、最大値０．３９を示す。

【0066】

図２０～図２２は、図１８及び図１９の発電機の、出力電力、動的トルク、及びコギングトルクの計算値を示すグラフである。

【0067】

図２３～図２７は、本発明の第４の実施形態を示し、アームの角度幅がランダムで増加する上述の図１～図６の発電機に基づいている。図１～図６の参照番号は、ここでは同じ、または相当する要素を指定するために使用されるが、これらの番号には４００が加えられている。それは、これらの要素の説明にも言及される。

【0068】

第４の実施形態は、第２の及び第３の実施形態に関して、Ｎ＝１６のセクタにおける増加ｉの、別のランダムな配分（ランダム配分Ｒ０６）である。

【0069】

回転子によって生成された磁場と、アームとの間における相関関係の程度は、最大値０．３７を示す。

【0070】

図２５～図２７は、図２３及び図２４の発電機の、出力電力、動的トルク、及びコギングトルクの計算値を示すグラフである。

【0071】

図２８～図３０は、コギングトルク及び動的トルクの比較グラフ、ならびに出力電力、相関要因、コギングトルク、動的トルク、及び効率の比較表、を提供することによって、上述の発電機を要約する。

【0072】

図２８において、比例した増加及びランダムに生成された３つの例各々のシーケンス（Ｒ０２、Ｒ０５、及びＲ０６）は、基準モジュール（すなわち一定のアーム幅）と比較して実質的に低いピーク間のコギングトルクの調整を実現することを確認する。同様に、図２９において、比例した増加及びランダムに生成されたな３つの例各々のシーケンス（Ｒ０２、Ｒ０５、及びＲ０６）は、実質的に低いピーク間の動的トルクの調整を実現することを確認する。図３０において、発電機の効率は、基準モデルと比較して、比例した増加は同じ状態を保っていることを確認する。その一方で図３０は、ランダムに生成された３つの例（Ｒ０２、Ｒ０５、及びＲ０６）各々の出力電力レベル、特にＲ０２の出力電力レベルは、明白な増加を示す。

【0073】

より一般的には、上記の本発明の４つの実施形態は、アームの非均等配分をもたらすアーム付き固定子を備えた発電機が、コギングトルクを低下させることを示す。アーム幅のランダム配分を提供することは、コギングトルクを低下させるだけではなく、効率も増加させる。

【0074】

図３１は、タービンホイールに連結され、かつバルブもしくは導管に一体化されるか、または取り付けられた、本発明による発電機の概略断面図である。この図において、第１の実施形態の参照番号（図７～図１２）が使用される。特定の参照番号は、１００と２００との間を含み、特定の要素を指定するために使用される。しかし、バルブまたは導管への一体化は、発電機の他の実施形態にも適用されることを理解されたい。発電機１０２の回転子１０６は、タービンホイール１１６に連結されたシャフト１１４を備える。

【0075】

バルブ１１８は、ガス通路１２２を有する本体１２０を備える。ガス通路１２２は、ガス入口１２４を本体１２０上のガス出口１２６と相互接続させる。このバルブは、減圧器１２８を備える。減圧器１２８は、座部１２８．２と協働するシャッター１２８．１を備え、シャッター１２８．１及び座部１２８．２の両方は、ガス通路１２２に配置され、この通路を遮断する。減圧器１２８は、ピストン１２８．３も備える。ピストン１２８．３は、シャッター１２８．１に機械的に連接され、かつ本体１２０に形成された穴に摺動可能である。ピストン１２８．３は、本体１２０の穴を用いてシャッター１２８．１の下流にある調整チャンバ１２８．４及びその座部１２８．２の範囲を定め、チャンバ１２８．５内に、座部１２８．２においてガス通路１２２を開けるよう、シャッター１２８．１に作用する方向にピストン１２８．３を弾性的に付勢するバネ１２８．６を収容する。バネ１２８．６の事前の拘束を調整するためのデバイス１２８．７を、設けることができる。上記で説明した、バルブを調整する構造は、当業者に公知であるものである。

【0076】

発電機１０２及びタービンホイール１１６は、ガス通路１２２の高圧部分、すなわちシャッター１２８．１及び座部１２８．２の上流に位置される。明白であるように、穴などの空洞が、発電機の回転アセンブリ、すなわち基本的にタービンホイール１１６及び回転子１０６を支えるシャフト１１４を受け入れるために、本体に形成されている。第１の軸受１３０が、シャフト１１４の内側端部を支持するため、本体に形成される。本体１２０の空洞は、シャフト１１４の外側端部における第２の軸受を形成するプラグ１３２によって、気密的に閉じられる。固定子１０４のヨーク１０８及び１１０は、回転子１０６を収容する空洞の周縁部において、本体１２０に形成された穴または長手方向の空洞の中に挿入される。固定子１０４のコイル１１２は、バルブのガス通路１２２の外側にあり、バルブ１１８に関連付けられた任意の種類の電気もしくは電子デバイスに、容易に接続することができる。

【0077】

さらに図３１を参照すると、調整器１２８が開けられたときに上記の通路内におけるガスフローによって駆動されるよう、タービンホイール１１６はガス通路１２４に位置付けられる。より具体的には、上記のホイールへのエネルギー移動を最大化するよう、タービンホイール１１６の設計に関して流体を適切に加速させるために、タービンホイール１１６の直ぐ上流の通路に、フロー誘導手段１３４を設けることができる。

【0078】

代替として、タービンホイール１１６を、バルブ１１８の低圧側、すなわち圧力調整器１２８のシャッター１２８．１及び座部１２８．２の下流に配置することもできる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】