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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-11-27
(54)【発明の名称】複数の発電機コイルを有するフライホイールシステム
(51)【国際特許分類】
H02K 21/24 20060101AFI20241120BHJP
H02K 7/02 20060101ALI20241120BHJP
H02K 16/00 20060101ALI20241120BHJP
【ＦＩ】
H02K21/24 G
H02K7/02
H02K16/00
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024534383
(86)(22)【出願日】2022-12-07
(85)【翻訳文提出日】2024-07-18
(86)【国際出願番号】 US2022081062
(87)【国際公開番号】W WO2023107982
(87)【国際公開日】2023-06-15
(31)【優先権主張番号】63/286,761
(32)【優先日】2021-12-07
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】522086777
【氏名又は名称】マター ホールディングス，インク．
【氏名又は名称原語表記】ＭＡＴＴＵＲ ＨＯＬＤＩＮＧＳ，ＩＮＣ．
【住所又は居所原語表記】７８０１ Ｅ Ｇｒａｙ Ｒｄ，Ｓｔｅ．１７０ Ｓｃｏｔｔｓｄａｌｅ，ＡＺ ８５２５１ Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ
(74)【代理人】
【識別番号】100143823
【弁理士】
【氏名又は名称】市川 英彦
(74)【代理人】
【識別番号】100232275
【弁理士】
【氏名又は名称】和田 宣喜
(72)【発明者】
【氏名】ケスラー，クリス
【テーマコード（参考）】
5H607
5H621
【Ｆターム（参考）】
5H607AA12
5H607BB02
5H607BB07
5H607BB15
5H607BB25
5H607CC01
5H607DD02
5H607EE42
5H621BB01
5H621BB02
5H621GA04
5H621HH01
5H621JK13
(57)【要約】
複数の発電機コイルを有するフライホイールシステムが、回転軸周りに回転するように構成されるロータディスクと、ロータディスク内に配置される複数の磁石であって、複数の磁石が、回転軸周りに角度を付けて分散され、複数の磁石の各磁石のそれぞれのＮ極が同一の方向を向くように複数の磁石が磁気的に位置合わせされる、複数の磁石と、ロータディスクに隣接して配置されるコイルであって、コイルが、ロータディスクから軸方向に離れて延在し、コイルが、回転軸周りのロータディスクの回転に応答して複数の磁石の各磁石に順次重なるように配置される、コイルと、を提供する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
回転軸（２０２）の周りに回転するように構成されるロータディスク（２２０）と、該ロータディスクに配置され、前記回転軸の周りに角度を付けて分散された、複数の磁石（９１０）であって、該複数の磁石のうちの各磁石のそれぞれのＮ極が同一の方向を向くように、磁気的に位置合わせされる、複数の磁石（９１０）と、
前記ロータディスクに隣接して配置されるコイル（９３０）であって、前記ロータディスクから軸方向に離れて延在し、前記回転軸周りの前記ロータディスクの回転に応答して前記複数の磁石のうちの各磁石に順次重なるように配置される、コイル（９３０）と、
を具備する、デバイス。
【請求項2】
前記コイルの内側に配置される磁気コア（５１０）と、該コイルの外側に該コイルに隣接して配置される壁（５２０）と、を更に具備し、該壁が、磁性材料から形成され、
該壁及び前記磁気コアが同一の透磁率を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項3】
ステータ磁石（５４０）であって、前記コイルに隣接して配置され、前記ロータディスクに面する近位端部から、前記ステータ磁石の該近位端部の反対側の前記ステータ磁石の遠位端部まで延在する、ステータ磁石（５４０）、を更に具備し、
該ステータ磁石の第１の磁極が、前記ロータディスクに面する該ステータ磁石の前記近位端部にある、請求項１又は請求項２に記載のデバイス。
【請求項4】
前記第１の磁極が、前記回転軸周りの前記ロータディスクの回転中に、前記コイルに面する前記複数の磁石のそれぞれの磁極と同一の極性を有するように、前記ステータ磁石が位置合わせされる、請求項１から請求項３のいずれかに記載のデバイス。
【請求項5】
前記ロータディスクに隣接して配置されるステータ（５００）であって、前記コイルを受け入れて支持するように成形され、
前記ロータディスクが前記回転軸の周りに回転している間に、前記コイルと前記ロータディスクとの間に磁気ギャップ距離（９５０）を定めるするように配置される、ステータ（５００）、
を更に具備する、請求項１から請求項４のいずれかに記載のデバイス。
【請求項6】
前記ステータが、前記回転軸の周りの前記ロータディスクの回転中の前記コイルの動きに応答して、前記磁気ギャップ距離を変化させるために、前記ロータディスクに対して前記コイルを柔軟に載せる、請求項１から請求項５のいずれかに記載のデバイス。
【請求項7】
前記コイルが、複数のコイルの一部材であり、該複数のコイルが前記ロータディスクに隣接して配置され、
前記複数のコイルの各それぞれのコイルが、前記ロータディスクに面する前記それぞれのコイルのそれぞれの近位端部から、前記それぞれの近位端部の反対側の前記それぞれのコイルのそれぞれの遠位端部まで、前記ロータディスクから離れて軸方向に延在し、
前記複数のコイルの各コイルが、前記回転軸の周りの前記ロータディスクの回転に応答して、前記複数の磁石の各磁石に順次重なるように配置される、請求項１から請求項６のいずれかに記載のデバイス。
【請求項8】
前記コイルが、前記複数のコイルのうちの第１のコイルであり、該第１のコイルが、前記ロータディスクの第１の側面に隣接して配置され、
前記複数のコイルのうちの第２のコイルが、前記第１の側面の反対側の前記ロータディスクの第２の側面に隣接して配置される、請求項１から請求項７のいずれかに記載のデバイス。
【請求項9】
回転軸（２０２）の周りに回転するように構成される１又はそれ以上のロータディスク（２２０）であって、該１又はそれ以上のロータディスクの各々が、前記回転軸の周りに角度を付けて分散されたそれぞれの複数の磁石（９１０）を含む、１又はそれ以上のロータディスク（２２０）と、複数のコイル（９３０）であって、
該複数のコイルの各それぞれのコイルが、前記複数の磁石のうちの１つの磁石を前記１又はそれ以上のロータディスクのそれぞれのロータディスク上に、前記１つの磁石の磁気ギャップ閾値内に重ねるときに、配置され、
前記それぞれのコイルが、前記それぞれのディスクに面する前記それぞれのコイルの近位端部から前記近位端部とは反対側の前記それぞれのコイルの遠位端部まで軸方向に延在する、複数のコイル（９３０）と、
電力を伝送するように構成される負荷バス（８７０）と、
複数のスイッチ（８５２）であって、該複数のスイッチの各スイッチが、前記負荷バスに電気的に接続されるそれぞれのスイッチ出力を有する、複数のスイッチ（８５２）と、
該複数のスイッチに結合され、該複数のスイッチを動作させることによって前記複数のコイルのうちの少なくとも１つを前記負荷バスに選択的に接続するように構成される、コントローラ（８６０）と、
を具備する、システム。
【請求項10】
前記コントローラが、前記負荷バスにおける負荷レベルの測定値、
前記負荷バスに接続された負荷（８７２）の予想される特性、
前記複数のコイルの所定の特性、及び、
時刻、
のうちの１又はそれ以上に基づいて、前記複数のコイルのうちの前記少なくとも１つを選択する、ように構成される、請求項９に記載のシステム。
【請求項11】
前記複数のコイルのうちの少なくとも１つから出力された交流（ＡＣ）電流を前記負荷バスに入力される直流（ＤＣ）電流に変換するために、該負荷バスと前記複数のスイッチのうちの少なくとも１つとの間に配置されたコンバータ（８８２）、を更に具備する、請求項９又は請求項１０に記載のシステム。
【請求項12】
回転軸（２０２）に対して角度を付けて分散された第１の複数の磁石（９１０）を含む第１のロータディスク（２２０）と、該回転軸に対して角度を付けて分散された第２の複数の磁石を含む第２のロータディスク（２２２）と、を含む複数のロータディスクと、前記第１の複数の磁石のうちの各磁石の磁気ギャップ距離（９５０）内に配置される第１のコイル（９３０ａ）と、前記第２の複数の磁石のうちの各磁石の前記磁気ギャップ距離内に配置される第２のコイル（９３０ｂ）と、を含む複数のコイルと、
を具備し、
前記第１のロータディスク及び前記第２のロータディスクを前記回転軸の周りに共有した回転速度で回転させつつ、前記第１のコイルを前記第１の複数の磁石に重ね、前記第２のコイルを前記第２の複数の磁石に順次重ねるように、前記第１のロータディスク及び前記第１のコイルが、前記第２のロータディスク及び前記第２のコイルに対して配置される、システム。
【請求項13】
前記第１の複数の磁石のうちの各磁石が、前記第２の複数の磁石からの対応する磁石に対して非ゼロ角度オフセットで配置され、前記第１のコイルが前記第２のコイルと完全に重なる、請求項１２に記載のシステム。
【請求項14】
前記第１の複数の磁石のうちの各磁石が、前記第２の複数の磁石からの対応する磁石と完全に重なるように配置され、前記第１のコイルが前記第２のコイルに対して非ゼロ角度オフセットで配置される、請求項１２又は請求項１３に記載のシステム。
【請求項15】
前記第１のコイルと完全に重なり、前記第２の複数の磁石のうちの各磁石の前記磁気ギャップ距離内に配置される、第３のコイル（９３０ａ）、を更に具備し、
前記第１のコイルが、前記第２のコイルに直列に配線され、第１のスイッチ（８５２）を介して負荷バス（８７０）に接続され、
該第１のスイッチが、前記第３のコイルを該負荷バスに接続する第２のスイッチ（８８４）とは異なる、請求項１２から請求項１４のいずれかに記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照：本開示は、２０２１年１２月７日に出願された「FLYWHEEL SYSTEMS WITH MULTIPLE GENERATOR COILS」という名称の米国仮特許出願第６３／２８６，７６１号の優先権を主張し、その全体が本明細書に組み込まれる。本件出願に開示された技術は、複数の発電機コイルを有するフライホイールシステムに関する。
【背景技術】
【0002】
発電機は、動力（すなわち、機械的エネルギー）を電力に変換することによって電気を生成するために使用され得る。いくつかの発電機は、ステータに対してロータを回転させてステータに変動磁場を与えることによって電気を生成する場合がある。次いで、変動磁場は、ステータに（例えば、コイルなどを介して）電流を誘導するために使用される場合がある。
【0003】
フライホイールが、フライホイールのロータを回転させることによって回転運動エネルギーの形態でエネルギーを蓄積するために使用され得る。いくつかのフライホイールでは、フライホイールに蓄積された回転エネルギーの量が、ロータの慣性モーメント及びロータの回転速度に関連する場合がある。例えば、フライホイールのロータの回転速度を増加させることによって、フライホイール内に蓄積されたエネルギー量を増加させる場合がある。その後、例えば、発電機のロータを、又は、フライホイールの回転ロータからの動力を使用若しくは変換し得る他の何らかのシステムを、駆動するために、蓄積されたエネルギーを後でロータから抽出することができる。
【発明の概要】
【0004】
本開示は、発電及びエネルギー蓄積を改善するために、新規で革新的なシステム、デバイス及び方法を提供する。
【0005】
一例では、本開示は、回転軸周りを回転するように構成されるロータディスクと、ロータディスク内に配置される複数の磁石であって、複数の磁石が、回転軸周りに角度を付けて分散され、複数の磁石の各磁石のそれぞれのＮ極が同一の方向を向くように複数の磁石が磁気的に位置合わせされる、複数の磁石と、ロータディスクに隣接して配置されるコイルであって、コイルが、ロータディスクから軸方向に離れて延在し、コイルが、回転軸周りのロータディスクの回転に応答して、複数の磁石の各磁石に順次重なるように配置されるコイルと、を具備する、デバイスを提供する。
【0006】
一例では、本開示は、回転軸周りを回転するように構成される１つ又は複数のロータディスクであって、１つ又は複数のロータディスクの各々が、回転軸周りに角度を付けて分散されたそれぞれの複数の磁石を含む、１つ又は複数のロータディスクと、複数のコイルであって、複数のコイルの各それぞれのコイルが、複数の磁石のうちの１つの磁石を１つ又は複数のロータディスクのそれぞれのロータディスク上に、１つの磁石の磁気ギャップ閾値内に重ねるときに配置され、それぞれのコイルが、それぞれのディスクに面するそれぞれのコイルの近位端部から、近位端部とは反対側のそれぞれのコイルの遠位端部まで軸方向に延在する、複数のコイルと、電力を伝送するように構成される負荷バスと、複数のスイッチであって、複数のスイッチの各々が、負荷バスに電気的に接続されるそれぞれのスイッチ出力を有する、複数のスイッチと、複数のスイッチに結合され、複数のスイッチを動作させることによって複数のコイルのうちの少なくとも１つを負荷バスに選択的に接続するように構成される、コントローラと、を具備する、システムを提供する。
【0007】
一例では、本開示は、回転軸に対して角度を付けて分散された第１の複数の磁石を含む第１のロータディスクと、回転軸に対して角度を付けて分散された第２の複数の磁石を含む第２のロータディスクと、を含む複数のロータディスクと、第１の複数の磁石の各磁石の磁気ギャップ距離内にあるように配置される第１のコイルと、第２の複数の磁石の各磁石の磁気ギャップ距離内にあるように配置される第２のコイルと、を含む複数のコイルと、を具備し、第１のロータディスク及び第２のロータディスクを回転軸周りに共有した回転速度で回転させつつ、第１のコイルを第１の複数の磁石に重ね、第２のコイルを第２の複数の磁石に順次重ねるように、第１のロータディスク及び第１のコイルが、第２のロータディスク及び第２のコイルに対して配置される、システム、を提供する。
【0008】
上記の例、特徴及び利点は、すべてを含むものではなく、特に、多くの追加の例、配置、特徴及び利点は、本開示の図面及び説明を考慮すると当業者には明らかであろう。更に、本明細書で使用する用語は、読みやすさ及び説明目的のために主に選択されており、開示した主題の範囲を限定しないことに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【発明を実施するための形態】
【0010】
いくつかの従来のフライホイール設計は、モータ発電機を使用して、モータ発電機をモータとして動作させることによってエネルギーを蓄積し、更にモータ発電機を発電機として動作させることによってエネルギーを抽出し得る。しかしながら、いくつかのシナリオでは、特定の磁気回路構成（例えば、コイル巻数、磁気回路の幾何学的形状、コイルの組合せ、ロータの回転速度など）は、発電機よりもモータが適している場合があり、逆もまた同様である。
【0011】
例えば、高負荷レベル期間中よりも低負荷レベル期間中に発電するとき、コイルの小さいサイズ又は数を使用することが効率的である場合がある。例えば、いくつかのシナリオでは、フライホイールからの電力出力が現在の要件に厳密に整合する場合、比較的大きな不整合がある場合よりも、（例えば、レギュレータなどのパワーエレクトロニクスによって）散逸される電力が少なくなる可能性がある。別の例として、特定の磁気回路構成（例えば、コイルサイズ、エアギャップ、磁束密度、磁気強度など）は、単一の磁気回路構成（例えば、モータ発電機）よりも、或いは、単一又は限られた数の出力及び／又は構成しか提供し得ない他のシステムよりも、（例えば、コイル内の磁束の適切な密度を捕捉することなどによって）最適又は効率的である可能性がある。
【0012】
その目的のために、効率的で、柔軟で、選択的で、カスタマイズ可能で、インテリジェントで及び／又は他の方法で改善された、フライホイール及び発電機のシステム及び動作を有利に可能にする例示的なシステム及びデバイスを、本明細書に開示する。
【0013】
図１Ａ～図１Ｃは、本開示の例示的な実施形態による、発電のためのシステム１００を示している。図１Ａは、システム１００の斜視図を示し、図１Ｂは、システム１００の側面図を示している。一例では、システム１００は発電機を含む。一例では、システム１００は、エネルギーを蓄積し、及び／又は、システム１００によって出力される電力を生成するために、回転するフライホイール１０２を含む。生成した電力は、システム１００の電気負荷（図示せず）に供給される。特定の実装形態では、フライホイール１０２は、図示のようにシステム１００内で垂直に方向付けされる。他の実装形態では、フライホイール１０２は、システム１００内で水平に方向付けされてもよい。システム１００の他の向きも可能である。フライホイール１０２の回転は、原動機１１４によって少なくとも部分的に駆動される。したがって、様々な例で、フライホイール１０２の垂直方向に関連する相対的な位置の条件を与えているが、当業者であれば、システム１００の水平方向又は他の方向（例えば、完全な垂直と完全な水平との間）に基づいて例の位置の条件を再度方向付けすることが可能である。
【0014】
図示の例では、原動機１１４はモータである。いくつかの例では、原動機１１４は、代替的に、動的な回転運動をフライホイール１０２に伝達するように構成された任意のタイプのデバイスとして実装されてもよい。一例では、原動機１１４は、風車のブレードの回転運動を（例えば、歯車を介して）伝達してフライホイール１０２を回転させる風力エネルギーシステムとして実装されてもよい。追加的又は代替的に、一例では、原動機１１４は、水車を通る水の流れに基づいて回転運動を生成する水車に結合された歯車システムを含んでもよい。他のタイプの原動機１１４も同様に可能である。しかしながら、例示のために、図１の例における原動機１１４はモータ（例えば、電気モータ、燃焼機関など）であり、本明細書に示す例では交換可能に原動機又はモータ１１４と呼ぶことがある。
【0015】
モータ１１４は、フライホイール１０２の一端付近に配置されてもよい。例えば、図示のように、モータ１１４は、システム１００の下端部に配置されてもよい。一例では、モータ１１４は、フライホイール１０２の回転を初期化するために使用される。追加又は代替の実装形態では、モータ１１４は、初期化後にフライホイール１０２の回転に動力供給し続けてもよい。様々な実施形態では、原動機又はモータ１１４は、化石燃料、太陽光発電、風力又は任意の他のエネルギー源など、代替エネルギー源から動力供給されてもよく、システム１００は、電力蓄積ソルーションとして機能することに加えて、又は、その代わりに、発電機として動作することができる。
【0016】
一実施形態では、フライホイール１０２は、１つ又は複数のフライホイールセクション１０４ａ～ｂ（全体的又は集合的に、フライホイールセクション１０４、そのサブセットのみが図１Ａに番号付けしている）から形成される。フライホイールセクション１０４は、１つ又は複数のロータディスク１０６ａ～ｃ（全体的又は集合的に、ロータディスク１０６、そのサブセットのみが図１Ａに番号付けしている）から形成される。様々な例では、フライホイール１０２は、任意の数のディスク（及び／又はステータ／ロータレベル）を含んでもよい。例えば、フライホイールセクション１０４は、モジュール式に構成されてもよく、それにより、追加の又は少ないフライホイールセクション１０４を、フライホイール１０２の動力容量を増減するために、互いに容易に載せることができる。ディスクの外縁部の近くに配置されるか、又は、ロータディスク１０６の回転軸若しくはロータ軸周りに角度を付けて分散された、磁石を、ロータディスク１０６は含む。様々な実施形態において、磁石は、ディスクの外縁部に隣接して配置されるが、外縁部内に完全に配置される。いくつかの実施形態では、磁石は、各磁石の少なくとも一部が外縁部を越えて延在するように、ディスクの外縁部に張り出すように配置される。
【0017】
本明細書で使用する場合、「隣接する」（及びその変形）という用語は、２つの構成要素間の関係を指し、第１の構成要素が第２の構成要素から最大１本体長（one body length）離れて物理的に接触（例えば、ゼロ距離）し得るように、２つの構成要素が、互いの範囲内に配置されることを示す。構成要素の本体長は、構成要素が互いに隣接していると判断される平面内で、構成要素の２つの値のうちの大きい方として理解されるべきである。例えば、１センチメートル（ｃｍ）の直径（例えば、本体長）の第１の円形磁石は、第１の円形磁石と第２の円形磁石とが互いに０～２ｃｍ以内に配置されるとき、２ｃｍの直径を有する同一のＸＹ平面内の第２の円形磁石に隣接すると考えられる。別の例では、直径１ｃｍ及び高さ０．２５ｃｍの第１の磁石は、第１の磁石９１０ａが第３の磁石から０～０．２５ｃｍの間に位置決めされるとき、直径１ｃｍ及び高さ０．１２５ｃｍを有する異なるＸＹ平面内で第３の磁石に隣接すると考えられる。
【0018】
いくつかの例では、ワイヤのコイルを含むステータディスクは、ロータディスク１０６間に配置される。フライホイール１０２が回転すると、ロータディスク１０６がステータディスク間で回転し、その上に配置された磁石がステータディスクのコイルに電流を誘導し、その電流は、システム１００によって出力される。いくつかの例では、ロータディスク１０６は、設計が実質的に中空であり、フライホイール１０２の全体的な重量を低減する。いくつかの例では、ロータディスク１０６は、ロータディスク１０６の回転中に、フライホイール１０２の慣性モーメントを増加させ得るために十分な質量を有する材料から形成される。
【0019】
一例では、フライホイールセクション１０４ａ～ｂは、フライホイール１０２を形成するために、互いに接合される。このようにして、フライホイールセクション１０４ａ～ｂにより、フライホイール１０２のモジュール式構成が可能になる。そのようなモジュール式構成により、特定の電力出力用に構成される発電機のカスタマイズ可能な設計及び／又はアセンブリが可能になる。例えば、大きい電力出力のためにフライホイールを再設計することなしに、追加のフライホイールセクション１０４ａ～ｎを組み合わせて、大きい電力を出力し得る長く／高く、大きいフライホイールを作成することによって、大きいフライホイールを構築することができる。
【0020】
特定の場合には、システム１００によって出力される電流は、電力コンバータ（図示せず）によって処理される。例えば、電力コンバータは、システム１００によって出力された電流を受電し、その電流を１つ又は複数の所望の特性（例えば、所望の電圧、所望の交流（ＡＣ）周波数、所望の位相など）を有する電力に変換する。一例では、電力コンバータは、システム１００によって生成された電力を、１００ボルト（Ｖ）～１２０Ｖの電圧及び６０ヘルツ（Ｈｚ）の周波数を有する信号に変換する。別の例では、電力コンバータは、システム１００からの出力電力を、２４０Ｖの電圧及び５０Ｈｚの周波数を有する電力信号に変換する。
【0021】
システム１００はまた、トッププレート１２０と、サイドプレート１１８と、を含む。一例では、トッププレート１２０は、システム１００内の動作中にフライホイール１０２を支持してもよい。これを容易にするために、図示の例では、トッププレート１２０は、軸受取付け点１２２を含み、そこからフライホイール１０２を動作中に懸架されてもよい。取付け点１２２は、磁気軸受又は任意の他のタイプの軸受を含んでもよい。トッププレート１２０はまた、システム１００を、並びに、フライホイール１０２及びロータディスク１０６などの関連する内部構成要素を、保護するように構成されてもよい。サイドプレート１１８は、追加的又は代替的に、サイドプレート１１８によって囲まれたシステム１００の内部構成要素を保護するように配置されてもよい。例えば、完全に組み立てられると、システム１００は、システム１００の四辺（例えば、左側、右側、前側及び後側）すべてにサイドパネルを含んでもよい。図示のように、システム１００は、フライホイール１０２など、内部構成要素の視認性を可能にするために、サイドプレート１１８のうちの一方を省略してもよい。
【0022】
図１Ｂは、本開示の例示的な実施形態による、システム１００の側面図を示している。側面図から分かるように、フライホイール１０２は、５つのフライホイールセクション１０４ａ～ｅ（全体的又は集合的にセクション１０４）を含む。各フライホイールセクション１０４は、４つのロータディスク１０６ａ～ｄ（全体的又は集合的に、ロータディスク１０６）及び５つのステータディスク１０８ａ～ｅ（全体的又は集合的に、ステータディスク１０８）から構成される。ロータディスク１０６の各々は、それぞれのディスク１０６の外縁部の近くに位置決めされた永久磁石を含む。ステータディスク１０８は各々、フライホイール１０２が回転するときにロータディスク１０６からの磁石によって電流が誘導されるワイヤのコイルを含む。ステータディスク１０８は、システム１００のハウジングに固定され、フライホイール１０２が回転するときでも静止したままである。
【0023】
フライホイールセクション１０４は、複数のロータディスク１０６を接合することによって組み立てられる。特定の場合には、ステータディスク１０８は、組み立て中にロータディスク１０６間に配置される。例えば、特定の実装形態では、ロータディスク１０６が回転している間、ロータディスク１０６内の磁石と、近傍のステータディスク１０８内のワイヤのコイルと、の間の距離が、所定の磁気ギャップ距離内で構成されるように、ロータディスク１０６の各々は、それぞれのステータディスク１０８から離隔している。所定の磁気ギャップ距離は、磁石のサイズ及び強度、コイルのサイズ、コイルに誘導する所望の電流量（アンペア）などに基づいて変化してもよい。様々な例では、磁気ギャップ距離は、０．５インチ以下、０．２５インチ以下、０．１インチ以下及び／又は０．０５インチ以下である。
【0024】
本明細書で使用する場合、「近傍」という用語及びその変形は、複数の部材のうちのいくつかの部材に適用されるとき、部材が物理的に接触しているか否かにかかわらず、参照される部材の直前又は直後にあると考えられる部材を指す。例えば、垂直の順序で考えると、ロータディスク１０６ｂは、ロータディスク１０６ａ及びロータディスク１０６ｃの近傍であるが、ロータディスク１０６ｂがロータディスク１０６ａとロータディスク１０６ｃとの間に位置決めされるため、ロータディスク１０６ａは、ロータディスク１０６ｃの近傍にはない（逆もまた同様である）。
【0025】
組み立てられたフライホイールセクション１０４は、システム１００内で使用するための完全なフライホイール１０２を形成するために、互いに接合される。特定の実装形態では、各フライホイールセクション１０４は、フライホイール１０２に独立して追加又は除去され得る個別のアセンブリとして実装されてもよい。例えば、ロータディスク１０６は、他のフライホイールセクション１０４から分離されたときに組み立てられたままであり得るアセンブリを形成するために、互いに接合される。追加又は代替の実装形態では、すべてのフライホイールセクション１０４が、組み立てられ、単一のフライホイール１０２として接合される前に共に積み重ねられる。一例では、フライホイール１０２の個々のロータディスク１０６を、（例えば、３Ｄ印刷を介して）別々に製造し、次いでロータディスク１０６のツリーを形成するように取り付けることができる。別の例では、多層ロータアセンブリ（例えば、フライホイールセクション１０４内の、又は、フライホイール１０２内の、すべてのロータディスク１０６を含む）は、単一の構造として（例えば、３Ｄ印刷を介して）製造されてもよい。
【0026】
図１Ｃは、本開示の実施形態による、例示的なシステム１００の断面図を示している。図示のように、原動機１１４に取り付けられた駆動シャフト１２４は、複数の磁石１３０を組み込んだ複数のロータディスクに接続される。原動機１１４が、Ｚ軸周りに駆動シャフト１２４を回転させると、接続されたロータディスク及び磁石もＺ軸周りに回転する。複数のステータディスクに及びステータディスクに組み込まれた複数のコイル１４０ａ～ｊ（全体的又は集合的に、コイル１４０）に対して、ロータディスクは、移動して、コイル１４０の各々に電流を誘導する。様々な実施形態では、コイル１４０は、図８Ａ及び図８Ｂに関して更に詳細に説明するように、様々な配置で共に配線され、様々なスイッチによって、電気負荷に選択的に接続し、切断するように制御されてもよい。
【0027】
図１Ｃに示すように、各ステータディスクが、図示の断面において２つのコイル１４０を呈するように、ステータは、システム１００内に配置される。対照的に、ロータディスクの回転の差に基づいて、様々なロータディスクが磁石１３０（又は異なる磁石１３０）の異なる部分を提示するように、様々なロータディスクは、互いに対して様々な角度オフセットで配置される。図９Ａ～図９Ｆに関して更に詳細に説明するように、角度オフセットは、フライホイールが回転するときに磁石１３０のコイル１４０への順次の重なりをもたらし、それにより、アセンブリの異なるレベルで画定されたコイル１４０は、ロータディスクのスタック及び関連する磁石１３０に付与された同一の回転を介して、異なる時間にその中に誘導される電流を有する。様々な実施形態では、磁石１３０は、ロータ、ステータのサイズに、設計された回転速度に及びコイル１４０を誘導するための設計された電流に、応じて異なる組成を有する様々なサイズ及び形状であってもよい。同様に、コイル１４０は、ロータ、ステータのサイズに、設計された回転速度に及びコイル１４０を誘導するための設計された電流に、応じて、（例えば、ターン数に基づいた）異なる直径、長手方向長さを有し、ワイヤゲージなどで作製されてもよい。これらの特性は、所望の特性の電流／電圧をもたらすようにファラデーの法則に従って調整され得る。例えば、磁石１３０は、コイル１４０に電流を誘導するために１キロガウス（ｋＧ）～４ｋＧの磁気強度を有し、これは、指定された電圧又は電流の電力を生成するために、ロータの回転速度、コイル１４０のループ数、磁石１３０の磁場に面するコイル１４０の面積などに基づいて調整されてもよい。
【0028】
図１Ａ～図１Ｃに示すフライホイール１０２は単なる例示であり、追加又は代替のフライホイール設計、形状又は配置を、他の実装形態で使用し得ることを理解されたい。例えば、特定の発電機は、図示のフライホイールセクション１０４ａ～ｅを５つより多く、又は、少ない数含むフライホイール１０２を使用してもよい。例えば、多くの電力を出力するように設計された発電機は、多くのフライホイールセクション（例えば、６つ以上のフライホイールセクション）を含んでもよい。別の例として、少ない電力を出力するように設計された発電機は、少ないフライホイールセクション（例えば、４つ以下のフライホイールセクション）を含んでもよい。更に別の実装形態では、各フライホイールセクション１０４に含まれるロータディスク１０６の数は異なっていてもよい。
【0029】
ロータディスク１０６の特定の構成は、フライホイールが回転するときに磁石推進力をもたらすように配置された磁石を含む。そのような場合、ロータディスク１０６の数は、システム１００内のワイヤの磁石及びコイルの数のバランスを取りつつ、磁気推進力を増加又は最大化するように選択されてもよい。例えば、特定の実装形態は、いくつかのフライホイールセクション１０４内に５つのロータディスク１０６を、及び／又は、他のフライホイールセクション１０４内に３つのロータディスク１０６を、若しくは他の数のロータディスクを、含んでもよい。更に、ロータディスク１０６の数は、特定のフライホイールセクション１０４について異なってもよい。例えば、第１のフライホイールセクション１０４ａは、３つのロータディスク１０６ａ～ｃを含んでもよく、第２のフライホイールセクション１０４ｂは、４つのロータディスク１０６ａ～ｄを含んでもよく、第３のフライホイールセクション１０４ｃは、５つのロータディスク１０６ａ～ｅなどを含んでもよい。
【0030】
フライホイールセクション１０４内のステータディスクの数はまた、様々な実装形態において異なってもよい。一例では、第１のロータディスク１０６は、第１のロータディスク１０６に対して磁気ギャップ閾値距離内に配置された単一のステータディスク１０８に磁気的に結合されてもよい。一例では、第２のロータディスク１０６は、第２のロータディスク１０６の２つの反対側の磁気ギャップ閾値距離内に配置された２つのステータディスク１０８に磁気的に結合されてもよい。特定の実装形態は、図示の構成とは異なってもよい。例えば、特定のフライホイール１０２は、同一の数のロータディスク１０６及びステータディスク１０８を含んでもよい。別の例として、特定のフライホイールは、ロータディスク１０６よりも少ない（例えば、１つ少ない）ステータディスク１０８、はステータディスク１０８よりも少ない（例えば、１つ少ない）ロータディスク１０６を含んでもよい。
【0031】
摩擦を低減するために、いくつかの例では、フライホイール１０２は、システム１００の頂部及び／又は底部の単一の点から懸架されてもよい。図示の例では、フライホイール１０２は、トッププレート１２０上に位置決めされる軸受取付け点１２２（例えば、磁気軸受）から懸架されている。いくつかの例では、このようにフライホイール１０２を支持することにより、回転中にフライホイール１０２に付与される全体的な摩擦を低減し、それによって、システム１００の電力出力及び効率を高めてもよい。追加又は代替の例では、フライホイール１０２は、複数の点で支持され（例えば、複数の軸受によって支持され）てもよい。
【0032】
図２Ａ～図２Ｃは、例示的な実施形態による、多層ロータ／ステータアセンブリを含む例示的なデバイス２００を示している。例えば、デバイス２００を、発電機、フライホイール（例えば、フライホイール１０２）、フライホイールセクション（１０４）及び／又は別のタイプの電気機械若しくは電力システム（例えば、システム１００）で使用することができ、又は、それらとして実装することができる。デバイス２００の構成要素のいくつか（例えば、支持体２３４、２３８、磁石など）は、説明の便宜上、図２Ａ及び／又は図２Ｂの図示から省略されていることに留意されたい。
【0033】
デバイス２００は、軸２０２（例えば、回転軸、ロータ軸、対称軸、中心軸など）周りに配置される複数のステータディスク２１０、２１２、２１４、２１６、２１８を含む。図示の配置でステータディスク２１０～２１８を保持又は支持するように構成された支持部材又はディスク取付けブラケット（支持体２３４によって例示される）を取り付けるために使用される、ディスク取付け点又は穴（取付け点２３０、２３２によって例示される）を、各ステータディスク２１０～２１８は含む。例えば、支持体２３４は、取付け点２３０でステータディスク２１０に接続され、取付け点２３２でステータディスク２１２に接続されてもよい。
【0034】
デバイス２００はまた、共通軸（例えば、回転又は対称軸２０２）周りに配置された複数のロータディスク２２０、２２２、２２４、２２６、２２８を含んでもよい。一例では、複数のロータディスク２２０～２２８は、多層ロータとして同時に軸２０２周りを回転するように同時に（例えば、システム１００のモータ１１４によって）作動される。これを容易にするために、一例では、ロータディスクは、（回転軸２０２に沿って、デバイス２００の中央領域に配置された）近傍のロータディスク間の１つ又は複数の支持体又はディスク取付けブラケットを使用して、互いに対して載せられる。例えば、支持体２３８は、ロータディスク２２８を（例えば、取付け点２３６を介して支持体及びロータディスクにボルトを締結することによって）ロータディスク２２６に取り付け、以下同様である。
【0035】
一実施形態では、ロータディスク２２０～２２８は、溝又は窪み２４０、２４２、２４４、２４６、２４８によって例示される溝を含み、その一部は、図２Ｂの側面図に示すように、ロータディスク２２０～２２８の周囲まで延在してもよい。溝２４０～２４８などは、ロータディスク２２０～２２８内に磁石（図示せず）が配置される位置を表す。一例では、溝２４８の位置でロータディスク２２８内に配置された磁石（図示せず）は、ステータディスク２１８の近位側に面するように、上向きにＮ極を有するように軸方向に位置合わせされる。一例では、ステータディスク２１８に面するロータディスク２２８の側面は、近傍のステータディスク２１８の近位側２１８ａから、０．５０インチ、０．２５～０．５０インチ、０．１０～０．２５インチ、０．０５～０．１０インチなどの磁気ギャップ（磁気ギャップ閾値距離などとも呼ぶ）だけ分離される。
【0036】
図３Ａ～図３Ｂは、例示的な実施形態による、ロータディスク２２０の例示的な実装形態を示している。ロータディスク２２０の１つ又は複数の構成要素（例えば、磁石３２０～３２８）は、説明の便宜上、図３Ａの図から省略されていることに留意されたい。図３Ａは、ロータディスク２２０の斜視図であり、図３Ｂは、上面図である。特に、図３Ｂに示す上面図は、図２Ａ～図２Ｂに示すデバイス２００の配置において、ステータディスク２１０に面するロータディスク２２０の側面に対応する。
【0037】
図２Ｃは、本開示の実施形態による、例示的なステータディスク２５０の等角図を示している。ステータディスク２５０は、外周を有し、いくつかのコイルホルダ２６０ａ～ｊ（全体的又は集合的に、コイルホルダ２６０）を、（様々なロータディスクに接続された原動機１１４からの駆動シャフトが通り得る）中央開口部まで内側に突出させる。各コイルホルダ２６０ａ～ｊは、システム１００の所与のレベルの他のコイルに対して、及び、システム１００の他のレベルの他のコイルに対して、定位置で、関連するコイル（図２Ｃに示していないが、コイルの更に詳細な説明については図５Ａ～図７を参照されたい）を保持する。例えば、第１のコイルホルダ２６０ａは、関連する第１のコイルを第１の位置で保持し、第２のコイルホルダ２６０ｂは、関連する第２のコイルを第２の位置で保持するなどである。図示のように、Ｎ個のコイルについて、各コイルが、その近傍から３６０／Ｎ度の角度オフセットで位置決めされるように、コイルホルダ２６０（及び関連するコイル）は、ステータディスク２５０の内周周りで角度を付けて分散するように均等に配置される。１０個のコイルホルダ２６０ａ～ｊを有する図２Ｃに示しているが、様々な実施形態では、少ないコイルホルダ２６０ａ～ｊ及び関連するコイルを、各ステータディスク２５０に含めてもよい。
【0038】
垂直スタックを、水平列を及びシステム１００の位置合わせに基づく他の方向を、含み得る層に、ステータディスク２５０は配置される。ステータディスク２５０は、システム１００内の他のステータディスク２５０に又はシステム１００のケーシングに、接続する様々な取付けハードウェアを含み、これは、外周２５４に垂直な第１の縁部２５２ａ又は第２の縁部２５２ｂに含まれてもよい。原動機１１４がロータディスクを回転させる間、これらの取付けハードウェアは、コイルホルダ２６０をレベル内のほぼ定位置で維持するように、ステータディスク２５０を所定の位置に保持するが（例えば、回転しない）、回転軸にほぼ平行な方向へのコイルの移動を可能にする。例えば、ステータディスク２５０の垂直に方向付けられたスタックでは、コイルは、上／下に移動する、又は下方向／上方向に傾斜してもよいが、左／右又は反時計回り／時計回りに（例えば、同一のレベルの他のコイルに近く／更に後に移動することはできない）。
【0039】
様々な実施形態において、各コイルホルダ２６０が、近傍の層上のステータディスク２５０上のコイルホルダ２６０に完全に重なって配置されるように、ステータディスク２５０の層は配置される。いくつかの実施形態では、各コイルホルダ２６０が、近傍の層上のステータディスク２５０上のコイルホルダ２６０と部分的に重なって又は重ならないように、角度オフセットを伴って配置されるように、ステータディスク２５０の層は配置される。例えば、第１のステータディスク２５０が、ゼロ度の回転オフセットで位置決めされる１０個のコイルホルダ２６０ａ～ｊのうちの第１のコイルホルダ２６０ａを有するように配置される場合、第２のコイルホルダ２６０ｂは、３６度の回転オフセットで位置決めされ、第３のコイルホルダ２６０ｃは、７２度の回転オフセットで位置決めされる、などになる。完全に重なる実施形態では、（第１のステータディスク２５０及び第３のステータディスク２５０に近傍の）第２のステータディスク２５０、及び、（第２のステータディスク２５０に近傍の）第３のステータディスク２５０の第１のコイルホルダ２６０ａは、ゼロ度の角度オフセット、第２のコイルホルダ２６０ｂは、３６度の角度オフセット、第３のコイルホルダ２６０ｃは、７２度の角度オフセットを有する、などになる。連続的に重なる例（レベル間で部分的に重なる又は重ならない場合も含む）で、４度の角度オフセットが後続のレベル間に適用される場合、第２のステータディスク２５０において、第１のコイルホルダ２６０ａは、４度の回転オフセットで位置決めされ、第２のコイルホルダ２６０ｂは、４０度の回転オフセットで位置決めされ、第３のコイルホルダ２６０ｃは、７６度の回転オフセットで位置決めされる、などになる一方で、第３のステータディスク２５０では、第１のコイルホルダ２６０ａは、８度の回転オフセットで位置決めされ、第２のコイルホルダ２６０ｂは、４４度の回転オフセットで位置決めされ、第３のコイルホルダ２６０ｃは、８０度の回転オフセットで位置決めされる、などになる。様々な角度オフセットを適用して、順次重なる配置を達成してもよく、図９Ａ～図９Ｆに関して更に詳細に説明するように、ロータディスク内の磁石の相対位置を変更してもよい。
【0040】
図３Ａ～図３Ｂに示すように、ロータディスク２２０は、穴又は取付け点３０２、３０４によって例示される複数のシャフト取付け点を含み、そのシャフト取付け点は、ロータディスク２２０を、ロータディスク２２０～２２８を作動させるモータ又は他の原動機（例えば、モータ１１４）に（例えば、ボルトなどを介して）結合するために使用され得る。ロータディスク２２０はまた、取付け点３０６、３０８によって例示される、１つ又は複数のディスクブラケット取付け点を含み、１つ又は複数のディスクブラケット取付け点は、ディスク取付けブラケット又は支持部材を介してロータディスク２２０を近傍のロータディスク（例えば、ロータディスク２２２）に（例えば、ボルト、ねじなどを介して）取り付けるように構成され、ディスク取付けブラケット又は支持部材は、ディスク取付け点２３６（図２Ａに示す）を介してロータディスク２２８をロータディスク２２６に取り付ける支持体２３８（図２Ｂに示す）と同様であってもよい。
【0041】
ロータディスク２２０はまた、窪み３１０、３１２、３１４、３１６、３１８によって例示される複数の磁石搭載溝又は窪みを含む。一実施形態では、磁石搭載溝又は窪み３１０、３１２、３１４、３１６、３１８などは、回転軸２０２周りに角度を付けて分散している。ロータディスク２２０はまた、複数の窪み３１０、３１２、３１４、３１６、３１８などに配置された（又はそこに載せられた）磁石３２０、３２２、３２４、３２６、３２８によって例示される複数の磁石を含んでもよい。例えば、図示するように、磁石３２０、３２２、３２４、３２６、３２８は、それぞれ窪み３１０、３１２、３１４、３１６及び３１８に載せられ（又は配置され）てもよい。
【0042】
一例では、各窪みは、窪みのそれぞれの角度位置及び径方向位置で磁石を受け入れるように成形される。例えば、図示のように、ロータディスク２２０に配置された複数の磁石（例えば、磁石３２０～３２８など）は、ロータディスクのそれぞれの溝又は窪み（例えば、窪み３１０～３２８）に嵌合するように成形された正方形の磁石であってもよい。例えば、磁石３２０の表面（例えば、ステータディスク２１０に面する表面）の形状は、正方形であってもよい。代替例では、ロータディスク（例えば、ロータディスク２２０～２２８のいずれか）上に配置された窪み（例えば、窪み３１０～３１８など）及び／又は磁石（例えば、磁石３２０～３２８など）の１つ又は複数は、円形、長方形又は任意の他の形状を有してもよい。
【0043】
いくつかの例では、ロータディスク２２０の窪み（例えば、３１０～３１８）及び／又はその中に配置された磁石（例えば、３２０～３２８など）は、特定の分散パターンに従って回転軸２０２周りに角度を付けて分散されている。例えば、特定の分散パターンは、軸２０２周りの磁石（例えば、３２０～３２８）の角度位置と径方向位置との特定の組合せに対応してもよい。一例では、近傍の磁石は、同一の角度分離（例えば、３６度など）によって角度を付けて分離されてもよい。一例として、軸２０２周りの磁石３２０の基準角度位置が軸２０２周りのゼロ度の角度位置に対応するように選択された場合、磁石３２２は、３６度の角度で配置されてもよく、磁石３２４は、７２度の角度で配置されてもよく、以下同様である。別の例では、磁石３２０～３２８などの近傍の磁石は、必ずしも同一の角度分離オフセットによって分離されなくてもよいが、各近傍の磁石に対して異なる角度分離オフセットを有してもよい。したがって、複数の磁石は、近傍の磁石からの円弧上にＸ度である開始半径（例えば、０度として示される）から、異なる角度で配置されるように、回転軸２０２周りに角度を付けて分散されてもよい。図示の例では、磁石３２４は、回転軸２０２周りに角度を付けて分散された順序で評価されるとき、磁石３２６及び磁石３２２の近傍であるが、磁石３２８又は磁石３２０の近傍ではない磁石と考えることができる。
【0044】
図示の例では、磁石３２０～３２８などは、回転軸２０２に対して同一の径方向距離に配置されている。別の例では、１つ又は複数の磁石は、１つ又は複数の他の磁石とは異なる径方向位置（すなわち、軸２０２からの距離）を有するように配置されてもよい。
【0045】
ロータディスク２２２～２２８（図２Ａ～図２Ｂに示す）の１つ又は複数の特徴は、ロータディスク２２０の対応する特徴と同様であってもよいことに留意されたい。例えば、ロータディスク２２２～２２８のうちの１つ又は複数は、ロータディスク２２０のものと同様のディスク取付け点、磁石分散パターンなどを含んでもよい。
【0046】
代替的又は追加的に、いくつかの例では、ロータディスク２２２、２２４、２２６及び／又は２２８の１つ又は複数の特徴は、ロータディスク２２０と異なっていてもよい。例えば、図２Ａに好適に示すように、ロータディスク２２８は、モータシャフト取付け点を含まなくてもよい（一方、ロータディスク２２０は、モータ取付け点３０２～３０４を含む）。別の例として、所与のロータディスク内の磁石搭載及び／又は磁石（例えば、３２０～３２８）の角度位置は、ロータディスク２２０の窪み（例えば、３１０～３１８など）及び／又は磁石（例えば、３２０～３２８など）の対応する角度位置からオフセットされてもよい。例えば、図２Ｂに示すように、窪み２４０～２４８に配置された磁石は、軸２０２周りで互いに対してオフセット又は（意図的に又は製造公差のために）ずれて位置合わせされてもよい。例として、軸２０２周りの窪み２４０（及びその中に配置された磁石）の角度位置が０度の基準角度位置に対応するシナリオを考える。このシナリオでは、デバイス２００の各ロータディスクは、その下のロータディスクから５度の互い違いの角度オフセットで載せられる。したがって、このシナリオでは、窪み２４２、２４６、２４８（したがって、その中に配置された磁石）の角度位置は、それぞれ５度、１０度及び１５度に対応し得る。
【0047】
図３Ｃは、スタック３３０内の近傍のロータディスク３４０に含まれる磁石（図示せず）間に角度オフセットが適用された６つのロータディスク３４０ａ～ｆ（全体的又は集合的に、ロータディスク３４０）のスタック３３０の一実施形態を示している。いくつかの実施形態では、磁石は、磁石の形状に従って成形されたロータディスク３４０の本体に形成された様々な空洞又は窪み（例えば、図３Ａ及び図３Ｂの３１０、３１２、３１４、３１６、３１８）を介して定位置に保持される。いくつかの実施形態では、磁石形状の窪みの使用に追加して又は代替的に、磁石は、様々なアダプタ３５０ａ～ｎ（全体的又は集合的に、アダプタ３５０）によって定位置に保持されてもよい。様々な実施形態では、アダプタ３５０は、磁石を内部に固定する窪みの開口部上に固定されるカバーを、並びに、窪みに挿入するための代替のサイズ／形状を提供するための磁石の樹脂封止を、含んでもよい。様々な実施形態では、磁石及び／又はアダプタ３５０は、接着剤（例えば、エポキシ）、はんだ、ろう付け、溶接、摩擦、インターロックタブなどを介して窪みに固定されてもよい。
【0048】
スタック３３０において、各ロータディスク３４０は、回転軸に対して角度分散を有するように関連する磁石を配置する。均等に分散しているとき、各磁石は、その近傍の磁石のそれぞれから３６０／Ｎ度で位置決めされ、ここで、Ｎは、所与のロータディスク３４０に含まれる磁石の数である。１４個の磁石（対応する１４個のアダプタ３５０ａ～ｎによって固定される）を有する図３Ｃに示す例では、各磁石は、その近傍の磁石から約２５．７度で位置決めされる。
【0049】
更に、図示のスタック３３０は、動作中に磁石を（コイルに対して）順次オフセットするように配置するために、スタック３３０内の近傍のロータディスク３４０間の対応するアダプタ３５０（及び関連する磁石）について、適用された角度オフセットを示している。スタック内の順序が増加（又は減少）するにつれて、スタック３３０の次のものがスタック内の位置から１を引いたものに等しい角度オフセットを適用するように、順次オフセットは適用される。例えば、近傍の磁石（及び関連するアダプタ３５０）間に約２５．７度の角度分散と、スタック３３０内の近傍のロータディスク３４０に適用される約５．１４度の角度オフセットと、を有する６つのロータディスク３４０の図示されたスタック３３０を使用すると、第１のロータディスク３４０ａは、０度の角度オフセット（例えば、［１－１］＊５．１４度）を適用し、第２のロータディスク３４０ｂは、５．１４度の角度オフセット（例えば、［２－１］＊５．１４度）を適用し、第３のロータディスク３４０ｃは、１０．２８度の角度オフセット（例えば、［３－１］＊５．１４度）を適用し、順次第６のロータディスク３４０ｆは、２５．７度の角度オフセット（例えば、［６－１］＊５．１４度）を適用する、などになり、それによって、第６のロータディスク３４０ｆの第２のアダプタ３５０ｂを、第１のロータディスク３４０ａの第１のアダプタ３５０ａと完全に重なるように位置合わせし（第６のロータディスク３４０ｆの第３のアダプタ３５０ｃを、第１のロータディスク３４０ａの第２のアダプタ３５０ｂと完全に重なる、など）、パターンを再開する。
【0050】
様々な実施形態において、システムに含まれるロータディスクの数は、ステータの数と同様に変化してもよい。いくつかの実施形態では、ステータの数は、ロータディスクの数に等しくてもよく、ロータディスクの数よりも１つ多くてもよく、又は、ロータディスクの数よりも１つ少なくてもよい。更に、異なる実施形態では、ステータによって保持されるコイルの数は、磁石の数と同様に変化してもよく、様々な実施形態では、磁石に対するコイルの相対数は、等しくても、多くの磁石を有しても、又は、多くのコイルを有してもよい。例えば、図示の図に示す数及び関連するオフセットに加えて、システム１００は、各スタック内の２～１０個のステータディスクを含んでもよく、これは、近傍のステータ／ロータ間の０．０１インチ～２インチの間隔で、０～１５度のステータ又はロータ間の角度オフセットを含んでもよい。
【0051】
図４Ａ～図４Ｃは、本開示の例示的な実施形態による、ステータディスク（例えば、ステータディスク２１０）の例示的な実施形態のそれぞれ斜視図、上面図及び底面図を示している。例えば、図４Ｂの上面図は、紙面に沿ったステータディスク２１０の遠位側２１０ｂを示し、ステータディスク２１０の底面図は、紙面に沿ったステータディスク２１０の近位側２１０ａを示している。説明の便宜上、軸２０２（ページを通って延在する）を、図４Ｂ～図４Ｃの中心に実線で示している。
【0052】
ステータディスク２１０は、軸２０２周りの特定の配置で、ステータディスク２１０に載せられた、及び／又は、それによって支持された、コイル４００～４０８によって例示される１つ又は複数のワイヤコイルを含んでもよい。例では、ステータディスク２１０に載せられたコイル（例えば、４００～４０８）のうちの１つ又は複数は、軸２０２周りのロータディスクの回転に応答して、ロータディスクの複数の磁石（例えば、ロータディスク２２０の磁石３２０～３２８）に順次重なるように配置されてもよい。例えば、コイル４００～４０８は、ロータディスク２２０の磁石３２０～３２８（図３Ｂに示す）と同一の又は同様の径方向距離で軸２０２に対して配置されてもよい。
【0053】
例では、ステータディスク２１０に載せられたコイルは、ロータディスク（例えば、２２０）から離れて軸方向に延在するように配置されてもよい。例えば、コイル４００～４０８は、それぞれのコイル軸周りに巻回されてもよい（例えば、各コイル軸は、図４Ｂ～図４Ｃの図のページに垂直な方向にそれぞれのコイルの中心を通って延在してもよい）。したがって、ステータディスク２１０のコイル４００～４０８などは各々、ロータディスクに面する近位端部（図４Ｃに示す）と、近位端部の反対側の遠位端部と、を有してもよい。例えば、図４Ｂに示すコイル４００の一端は、コイル４００の遠位端部であり、図４Ｃに示すコイル４００の他端は、コイル４００の近位端部である。
【0054】
更に、ロータディスク（例えば、ロータディスク２２０）に面するコイル（図４Ｃに示す）のそれぞれの近位端部が、ロータディスクに対して所与の距離（例えば、磁気ギャップ）に配置される、及び／又は、閾値距離（例えば、磁気ギャップ閾値）内にあるように、ステータディスク２１０は、コイル（例えば、４００～４０８など）を載せてもよい。
【0055】
いくつかの例では、ステータディスク２１０は、コイル（例えば、４００～４０８）と、ロータディスク（例えば、２２０）との間に可変磁気ギャップを定めるように構成される。例えば、ステータディスク２１０は、柔軟に曲がり得る材料（例えば、プラスチックなど）から形成されてもよく、又は、コイルを柔軟に取り付けてもよく、又は、コイルとロータディスクとの間の距離変動を可能にするためにそれ自体（例えば、システム１００のフレームなどに）を柔軟に取り付けてもよい。より一般的には、例えば、軸２０２周りのロータディスクの回転中に、（例えば、デバイス２００又はシステム１００の振動に起因して、及び／又は、コイルと１つ又は複数のロータディスクの磁石との間の磁気相互作用に起因するなどで）コイルが移動し得るように、ステータディスク２１０は、コイル（例えば、４００～４０８）を柔軟に載せるように構成されてもよい。
【0056】
ステータディスク２１０はまた、４００～４０８などの１つ又は複数のそれぞれのコイルに配置される１つ又は複数の磁気コア（例えば、強磁性コアなど）を含んでもよい。例えば、図示の例では、ステータディスク２１０は、コイル４００に配置される磁気コア４１０、コイル４０２に配置される磁気コア４１２などを含んでもよい。
【0057】
ステータディスク２１０はまた、コイルに隣接して配置される１つ又は複数の壁を含んでもよい。例えば、図示のように、壁４２０及び４２２は、コイル４０６に隣接して配置される。壁４２０～４２２などは、強磁性材料又は他の磁性材料（例えば、１より大きい透磁率を有する材料）などの磁性材料から形成されてもよい。いくつかの例では、コイル４０６内の磁気コアは、壁４２０～４２２と同一の材料（及び／又は同一の透磁率を有する）から作製されてもよい。他の例では、コア及び壁は、異なる材料（及び／又は異なる透磁率値を有する）から形成される。一例では、壁４２０～４２２は、コイル４０６と接触して配置される。代替例では、壁４２０～４２２のうちの１つ又は複数は、所与の距離（例えば、小さい分離距離など）だけコイル４０６から分離されてもよい。
【0058】
いくつかの例では、ステータディスク２１０内の１つ又は複数のコイルは、１つ又は複数の他のコイルと異なっていてもよい。例えば、コイル４００及び４０２は、他のコイル特性の中でも、異なる巻数、異なるコイル材料、異なるコイル長さ、異なるコイルサイズ、異なるワイヤ太さ、異なるコアサイズ及び／又は異なるコア材料を有してもよい。
【0059】
図５Ａ～図５Ｃは、例示的な実施形態による例示的なステータ５００を示している。図５Ａは、ステータ５００の斜視側面図であり、図５Ｂは、ステータ５００の底面図であり、図５Ｃは、ステータ５００の透過図である。いくつかの例では、ステータディスク２１０～２１８のいずれかなど、ステータディスクの１つ又は複数の構成要素の代わりに又はそれに加えて、ステータ５００（又はその１つ若しくは複数の構成要素）を使用してもよい。ステータ５００は、近位側５００ａを有し、これは、ステータディスク２１０の近位側２１０ａと同様に、ロータディスク（例えば、ロータディスク２２０～２２８）に隣接して配置されてもよい。この点に関して、図５Ｂに示すステータ５００の上面図は、図４Ｂに示すステータディスク２１０の底面図と同様であってもよい。特に、図５Ｂは、ステータ５００の近位側５００ａの図を示している。図示の例では、ステータ５００は、コイル５０２と、磁気コア５１０と、壁５２０～５２２と、を含み、これらはそれぞれ、ステータディスク２１０の、コイル４００～４０８のいずれか、コア４１０～４１２のいずれか、及び、壁４２０～４２２と同様であってもよい。ステータ５００はまた、取付け点５３０によって例示される１つ又は複数の取付け点を含んでもよく、１つ又は複数の取付け点は、例えば、ステータディスク２１０について説明した取付け点４３０と同様に、ロータディスク（例えば、ロータディスク２２０～２２８）から所与の距離（例えば、磁気ギャップ内）にステータ５００を載せる、又は、配置するために使用されてもよい。
【0060】
ステータ５００はまた、壁５２０、５２２（並びにコイル５０２及びコア５１０）の近傍に（及び／又は隣接して）配置される２つのステータ磁石５４０、５４２（例えば、永久磁石）を含んでもよい。一例では、ロータディスク（例えば、ステータ５００に結合されたロータディスク）に近接して面しているステータ磁石５４０、５４２の極性が、ロータディスクのステータ５００に面する側において磁石のそれぞれの極性と同一になるように、ステータ磁石５４０、５４２を磁化してもよい。例えば、図３Ｂを再び参照すると、ステータ５００が、ロータディスク２２０と共に（例えば、ステータディスク２１０の代わりに又はそれに加えて）使用され、更に、図３Ｂに示す磁石３２０～３２８の側面が、磁石３２０～３２８のＮ極に対応する場合、図５Ｂに示す磁石５４０～５４２の近位端部もまた、ロータディスク２２０のＮ極に面するＮ極を有する。この配置により、例えば、ロータディスク２２０が軸２０２周りに回転するときにロータディスク２２０からコイル５０２（及び／又はコア５１０）に受け取られる磁束の磁束密度を、（コイル５０２の隣の）ステータ５００のステータ磁石５４０～５４２と、ロータディスク上の磁石３２０～３２８との間の磁気相互作用に起因して最適化（又は増加）することができる。
【0061】
図５Ｃは、１つ又は複数の他の（例えば、図２Ｃのような）コイルホルダ２６０を有するステータディスク２５０の内周周りに配置された１つのコイルホルダ２６０内で使用され得るような、ステータ５００の構成要素を透過図で示している。取付けインターフェース５５０（コイルホルダ２６０をステータディスク２５０又は他の構造要素に接続する１つ又は複数の取付け点５３０を含む）は、コイル５０２を定位置に保持し、コイル５０２を１つ又は複数の他のコイル５０２（例えば、システム１００の同一の又は異なるレベルにおいて）、及び、電気負荷（例えば、１つ又は複数のスイッチ又はバスを介して）と電気的に接続するための配線インターフェース５６０を提供する。様々な実施形態では、コイル５０２は、エアギャップ周りに巻回されてもよく、又は、コイル５０２内で長手方向に（長さに沿って完全に又は部分的に）延在する中実コアを含んでもよい。
【0062】
図６Ａ～図６Ｃは、例示的な実施形態による、別の例示的なステータ６００のそれぞれ斜視図、上面図及び正面図を示している。いくつかの例では、ステータディスク２１０～２１８のいずれかなど、ステータディスクの１つ又は複数の構成要素の代わりに又はそれに加えて、ステータ６００（又はその１つ若しくは複数の構成要素）を使用してもよい。図示の例では、ステータ６００は、コイル４００～４０８、及び／又は、５０２のいずれかと同様であり得る複数のコイル６０２、６０４、６０６を含む。コイル６０２～６０６は、（例えば、ロータディスク２２０～２２８と同様の）ロータディスクから離れて軸方向に延在するように配置される。その目的のために、コイル６０２～６０６は各々、ロータディスクに面する近位端部を有し、ステータ６００によって画定される磁気ギャップ（例えば、０．５インチ、０．１インチなど）によってステータディスクから分離されてもよい。いくつかの例では、磁気ギャップは、可変磁気ギャップであってもよい。例えば、ロータディスクが軸（例えば、軸２０２）周りにスピン又は回転している間に、コイル６０２～６０６は、コイルがロータディスクまでの距離の閾値範囲（例えば、可変磁気ギャップ）内で振動又は移動し得るように、柔軟に載せられてもよい。この配置により、例えば、コイルに磁気的に結合されたロータディスクの回転時に、コイルの動きがコイル内部の磁束を更に変化させ得ることによって、発電効率の向上を実現することができる。
【0063】
更に、ステータ６００は、ロータディスクの両側に配置される１つ又は複数のコイル（例えば、コイル６０２、６０４、６０６）を含んでもよく、そして、それは、コイルが面するロータディスクのいずれの側での交互配置を示してもよい。図示のように、コイル６０２は、ロータディスクの第１の側面に面し、コイル６０６は、ロータディスクの第２の側面（第１の側面とは反対側）に面し、コイル６０４は、ロータディスクの第１の側面に面する。コイル６０２及び６０４の各々は、コイル６０６に面するように（及びその逆に）配置される。したがって、この配置では、ステータ６００を使用して、ロータディスクの両側からの磁場によって誘導される電流を生成することができる。
【0064】
図７は、例示的な実施形態による、例示的なロータステータアセンブリ７００を示している。アセンブリ７００は、例えば、システム１００、デバイス２００、電気機械、フライホイールシステム、発電機及び／又は任意の他のタイプの動力システムと同様であってもよく、並びに／或いは、それらと共に使用されてもよい。例示のために、アセンブリ７００は、ロータディスク２２０によって回転される磁石（例えば３２０～３２８）の配置の磁場に基づいて電気を生成するために、ステータ６００（例えば、ステータディスク２１０の代わりに又はそれに加えて）を使用するデバイス（例えば、フライホイール、発電機、電力システムなど）の一実施形態を示す。
【0065】
図７の例では、ロータディスク２２０の頂部側（例えば、図３Ｂに示す側面）が、ステータ６００の１つ又は複数のコイル６０２～６０４に面する一方で、ロータディスクの底部側（反対側）が、ステータ６００の１つ又は複数の他のコイル（例えば、コイル６０６）に面するように、ステータ６００は配置される。
【0066】
いくつかの例では、ロータディスク２２０の磁石（例えば、３２０～３２８など）は、同一の方向（例えば、同一の方向を指すＮ極又は同一の方向を指すＳ極）に磁気的に位置合わせされてもよい。例として、図３Ｂに戻って参照すると、すべての磁石３２０～３２８などの磁極は、ページの外側を（及び垂直を）指すように位置合わせされてもよい。この例では、コイル６０２～６０４の近位端部（すなわち、図７の図においてロータディスクの頂部側に面するコイル６０２～６０４の端部）は、ロータディスク２２０が軸２０２周りに回転すると、磁石のＮ極に順次面して、重なってもよい。一方、この例では、コイル６０６の近位端部（すなわち、図７の図においてロータディスクの底部側に面するコイル６０６の端部）は、ロータディスク２２０の回転中に、代わりに、磁石のＳ極に（順次）面してもよい。
【0067】
図８Ａ及び図８Ｂは、例示的な実施形態による、選択的に電力を供給するための例示的なシステム８００ａ～ｂ（全体的又は集合的に、システム８００）を示している。図示のように、システム８００は、コイル８０２～８１２と、スイッチモジュール８５０と、コントローラ８６０と、負荷バス８７０と、負荷８７２と、コンバータ８８２～８８６と、を含む。システム８００は、追加的又は代替的に、図示している構成要素よりも多い又は少ない構成要素を含んでもよいことに留意されたい。より一般的には、図８Ａ及び図８Ｂは、例えばシステム１００、デバイス２００及び／又はロータステータアセンブリ７００など、フライホイール（及び／又は他のタイプの発電システム）の１つ又は複数のコイルに負荷８７２を選択的に接続することによって、負荷８７２に電力を供給するための回路又は他の電力システム８００の概略図を表し得る。その目的のために、コイル８０２～８１２は、コイル４０２、４０４、４０６、４０８、５０２、６０２、６０４及び／又は６０６のいずれかと同様であってもよい（及び／又はそれらに対応してもよい）。
【0068】
いくつかの例では、システム８００は、複合電力出力（例えば、電力線８２２）を提供するために電気的に直列に接続された２つ以上のコイル（例えば、８０２～８０６）を含んでもよい。一例では、コイル８０２～８０６は、図６Ａ～図６Ｃのコイル６０２～６０６と同様に配置されてもよく、それにより、コイル８０２～８０６の１つ又は複数は、（例えば、コイル６０２～６０４と同様に）ロータディスクの第１の側に面し、コイル８０２～８０６の１つ又は複数の他のコイルは、（例えば、コイル６０６と同様に）同一のロータディスクの第２の側（反対側）に面する。別の例では、コイル８０２～８０６のすべては、代わりに、単一のロータディスクの同一の側に面してもよい。別の例では、コイル８０２～８０６は、２つ以上の異なるロータディスクに面するコイルの組合せを含んでもよい。例えば、図２Ｂを再び参照すると、コイル８０２～８０６は、複合電力線８２２を提供するために、電気的に直列に接続されたステータディスク２１０～２１８のうちの２つ以上からのコイルを含んでもよい。図８Ａ及び図８Ｂは、例としてのみ直列に接続された３つのコイル（例えば、８０２～８０６）の単一のセットを示していることに留意されたい。いくつかの例では、システム８００は、代替的又は追加的に、直列に電気的に接続された少ない、若しくは多いコイルを含んでもよく、及び／又は、直列に電気的に接続された多い、若しくは少ないコイルのセットを含んでもよい。
【0069】
追加的又は代替的に、いくつかの例では、システム８００は、電力出力（例えば、電力線８２４）を提供するために、電気的に配線された単一のコイル（例えば、コイル８０８）又は複数のコイルを含んでもよい。追加的又は代替的に、いくつかの例では、システム８００は、複合電力出力（例えば、電力線８２６）を提供するために、電気的に並列に接続された２つ以上のコイル（例えば、８１０～８１２）を含んでもよい。コイル８０２～８０６と同様に、コイル８１０～８１２は、様々な方法（例えば、１つのロータディスクの同一の側に面する、１つのロータディスクの２つの側に面する、異なるロータディスクに面するなど）で配置されたコイルを含んでもよく、代替的又は追加的に、電気的に並列に接続された３つ以上のコイルを含んでもよい。電気的に接続されたコイルのための他の組合せ及び／又は回路トポロジも可能である。
【0070】
スイッチモジュール８５０は、電力線８２２～８２６のうちの１つ又は複数を負荷バス８７０に選択的に接続することに適した任意のタイプの電気信号スイッチングデバイス（例えば、負荷コンタクタ、リレーなど）を含んでもよい。一例では、スイッチモジュール８５０は、入力で電力線８２２、８２４及び８２６にそれぞれ接続された複数のスイッチ８５２、８５４、８５６を含んでもよい。この例では、スイッチ８５２～８５６の各々は、その入力で受信されたそれぞれの電力線８２２～８２６を負荷バス８７０と選択的に接続するように別々に制御されてもよい。
【0071】
コントローラ８６０は、本明細書に記載のコントローラ８６０の機能を実施するように配線されたハードウェア及び／又はアナログ回路の任意の組合せを含んでもよい。代替的又は追加的に、コントローラ８６０は、１つ又は複数のプロセッサ８６２と、メモリ８６４と、を含んでもよい。プロセッサ８６２は、本明細書に記載の動作及び手順を実行又は実施し得る任意の処理ユニットを表し、中央処理装置（ＣＰＵ）、グラフィカル処理装置（ＧＰＵ）、単一のプロセッサ、複数のプロセッサ、複数のコアを有するプロセッサ、プログラマブルロジックアレイ（ＰＬＡ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、システムオンチップ（ＳｏＣ）、マイクロコントローラなどを含むことができる。メモリ８６４は、プロセッサ８６２によって実行されると、コントローラ８６０に本明細書に記載の機能及び動作を実施させるプログラム命令を記憶する揮発性、不揮発性及び／又は任意の他のタイプのメモリデバイス（例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ディスク記憶装置、他のデータ記憶デバイス）を含んでもよい。
【0072】
コントローラ８６０の実装形態にかかわらず、一般に、コントローラ８６０は、スイッチモジュール８５０を制御するための制御信号を提供するように構成される。特に、コントローラ８６０は、どの電力線８２２～８２６を負荷バス８７０に接続すべきかを選択し、それに応じてスイッチモジュール８５０が電力線８２２～８２６を負荷バス８７０に接続又は切断する制御信号を生成するように構成されてもよい。
【0073】
一例では、コントローラ８６０は、負荷バスにおける負荷レベルの測定値に基づいて、電力線８２２～８２６（及び／又はそれに接続されたコイル）のうちの１つ又は複数を選択するように構成される。例えば、負荷バスが一定量の電力及び／又は他の電力信号特性に関連する負荷８７２に接続されている場合、コントローラ８６０は、負荷８７２への最適な及び／又は効率的な電力供給に適していると決定した１つ又は複数の電力線８２２～８２６を選択してもよい。
【0074】
一例では、コントローラ８６０は、負荷バス８７０に接続された負荷８７２の予想される特性に基づいて、電力線８２２～８２６（及び／又はそれに接続されたコイル）のうちの１つ又は複数を選択するように構成される。例えば、コントローラ８６０は、機械学習アルゴリズム又は他のタイプの計算を採用して、負荷８７２の予想される特性を予測し、次いで、それに応じて１つ又は複数の電力線８２２～８２６の適切な組合せを選択してもよい。
【0075】
一例では、コントローラ８６０は、コイル８０２～８１２の所定の特性に基づいて、電力線８２２～８２６（及び／又はそれに接続されたコイル）のうちの１つ又は複数を選択するように構成される。例えば、各電力線８２２～８２６（例えば、直列／並列接続、コイル巻数、発電容量など）に接続されたコイルの特性に関する情報を、負荷バス８７０に接続された負荷（例えば、負荷８７２）に最適な、及び／又は、効率的な電力供給のために、電力線８２２～８２６の１つ又は複数のうちのどれを選択すべきかを決定するための基礎として、コントローラ８６０が使用することができる。
【0076】
一例では、コントローラ８６０は、時刻に基づいて、電力線８２２～８２６（及び／又はそれに接続されたコイル）のうちの１つ又は複数を選択するように構成される。例えば、コントローラ８６０は、ピーク電力需要が特定の時間帯（例えば、夜間、昼間など）に周期的に発生し、その逆も同様であると決定してもよい。次に、コントローラ８６０は、予想されるピーク電力需要期間中又はその前に、比較的高い発電機容量（例えば、多くの電力線８５２～８５６）を負荷バス８７０に接続するようにスイッチモジュール８５０を制御してもよい。代替的又は追加的に、コントローラ８６０は、低電力需要期間中又はその予測において、比較的小さい発電機容量を負荷バス８７０に接続する（及び／又は現在接続されている余剰容量を切断する）ように、スイッチモジュール８５０を制御してもよい。
【0077】
負荷バス８７０は、システム８００によって生成された電力を負荷バス８７０に接続された１つ又は複数の負荷（例えば、負荷８７２）に伝送することに適した任意のタイプの電力伝送媒体（例えば、電力線、配電網など）を表してもよい。
【0078】
コンバータ８８２～８８６は、コイル８０２～８１２のＡＣ電流出力を負荷バス８７０に入力される直流（ＤＣ）電流に変換するように構成される任意のタイプのＡＣ／ＤＣコンバータを含んでもよい。図示の例では、各電力線８２２～８２６は、電力線と負荷バス８７０との間に配置された別個のコンバータに接続される。例えば、図示のように、コンバータ８８２は、電力線８２２（例えば、コイル８０２～８０６の組合せ）から出力されたＡＣ電流を、負荷バス８７０に入力されるＤＣ電流に変換し、以下同様である。代替例では、異なる数のコンバータ８８２～８８６及び／又はコンバータの位置も可能である。一例では、単一のコンバータが、電力線８２２、８２４及び／又は８２６のいずれか又はすべてを変換するために、スイッチモジュール８５０と負荷バス８７０との間に配置され、コンバータ８８２～８８６の代わりに又はそれに加えて、スイッチモジュール８５０を介して負荷バス８７０に接続される。
【0079】
図９Ａ～図９Ｆは、本明細書に記載のシステム１００の要素間の相互作用の概念図を提供している。図９Ａ～図９Ｄは、本開示の実施形態による、順次重なる配置における、コイルと１つ又は複数の磁石との間の相互作用を説明するために図面において、様々な要素を省略した例示的なシステム１００のいくつかの図を示している。図９Ｅ及び図９Ｆは、本開示の実施形態による、磁石及びコイルが磁気ギャップ距離に関して互いに重なっていると考える場合を詳述する、経時的に（例えば、回転軸２０２周りのロータディスクの回転中に）、所与のコイルと磁石との間の相互作用のいくつかの図を示している。
【0080】
図９Ａ及び図９Ｂは、本開示の実施形態による、Ｚ軸に平行な共有回転軸２０２上に積層配置された３つのロータディスク２２０、２２２、２２４のＺＸ平面図を示している。各ロータディスク２２０、２２２、２２４は、回転軸２０２周りに角度を付けて分散された４つの磁石９１０ａ～ｄ（全体的又は集合的に、磁石９１０）で示されており、これは、図９Ｃ及び図９Ｄにも見ることができ、図９Ｃ及び図９Ｄは、ロータディスク２２０、２２２、２２４の各々を、Ｚ軸上の異なる位置で取られた対応するＸＹ平面図で示しており、Ｚ軸内の各位置は、「レベル」又は「層」と呼ぶことがある。いくつかの図では、第３の磁石９１０ｃは隠れている場合がある。
【0081】
本明細書で使用する場合、「角度を付けて分散された」（及びその変形）という用語は、各個々の構成要素が、近傍の構成要素間の円弧角度が均一な基準点から所定の距離に配置されるような複数の構成要素の配置を指す。例えば、図９Ａ～図９Ｃに示すように、各ロータディスク２２０、２２２、２２４は、そのディスクの中心（例えば、その回転軸）に対してそれぞれのロータディスク２２０、２２２、２２４周りに角度を付けて分散される４つの磁石９１０ａ～ｄを含む。所与のロータディスク上にＮ個の磁石９１０を含む実施形態では、各磁石９１０は、その近傍の磁石間に３６０／Ｎ度の円弧を有するように角度を付けて分散される。本例には４つの磁石９１０が存在するので、各々は、近傍の磁石９１０から９０度（例えば、３６０／４＝９０）の円弧のところに位置する。
【0082】
各ロータディスク２２０、２２２、２２４上の磁石９１０ａ～ｄは、複数の磁石９１０ａ～ｄの各磁石９１０を関連するコイル９３０ａ～ｃと順次重なるように、関連する各ステータ９２０、９２２、９２４及び関連するコイル９３０ａ～ｃに対して配置される。本例では、図示したコイル９３０ａ～ｃの各々は、互いに直列に電気的に接続され、それにより、第１のロータディスク２２０の回転を介して第１のコイル９３０ａに誘導された電流は、第２のロータディスク２２２の回転を介して内部に誘導された追加の電流を有する第２のコイル９０３ｂに流れ、第３のロータディスク２２４の回転を介して内部に誘導された追加の電流を有する第３のコイル９３０ｃに流れる、などになる。他の実施形態では、同一のレベルにある２つ以上のコイル９３０は、互いに並列に接続されてもよく、レベルは、異なるレベルにわたって電気的に接続されたコイル９３０のセットに含まれるゼロ、１つ、２つ以上のコイルを含んでもよい。
【0083】
本明細書で使用する場合、「順次重なる」（及びその変形）という用語は、第１のレベル内における近傍の要素が、第２のレベル内において対応する近傍の要素に対して角度オフセットを有して配置されるように、ほぼ螺旋状のパターンでの要素の配置を説明する。図示の例では、ロータディスク２２０、２２２、２２４の各々において（レベルＺ１、Ｚ２及びＺ３の各ＸＹ平面内の９１０ａ～ｄのうちの特定の１つである）対応する磁石９１０ｘは、システム１００内の一連のコイル９３０ａ～ｃにおいて対応するコイル９３０と順次重なるように配置される。
【0084】
図９Ａ及び図９Ｃに示すように、順次の重なりは、コイル９３０ａ～ｃをＸＹ平面の異なるレベルの各々において静的ＸＹ位置に配置するが、ロータディスク２２０、２２２、２２４に互いに対して角度オフセットを提供することによって達成されてもよい。角度オフセットは、第１の磁石９１０ａ（及び対応する相手と対峙する他のすべての磁石９１０ｂ～ｄ）を、第２のロータディスク２２２内の第１の磁石９１０ａと完全に重ならないように第１のロータディスク２２０内に配置し、第１の磁石９１０ａを、第３のロータディスク２２４内の第１の磁石９１０ａと完全に重ならないように第２のロータディスク２２２内に配置する。したがって、ロータディスク２２０、２２２、２２４が動作中に互いに同一の角速度で回転すると、ロータディスク２２０、２２２、２２４の各々の第１の磁石９１０ａは、一連のコイル９３０の対応するコイル９３０ａ～ｃと順次重なる。
【0085】
図９Ｂ及び図９Ｄに示すように、異なるＸＹ平面の各々において回転軸２０２に対して異なる角度オフセットでコイル９３０ａ～ｃを位置決めし、互いに対してロータディスク２２０、２２２、２２４にいかなる角度オフセットも提供しないことによって、順次の重なりが達成されてもよい。いくつかの実施形態では、コイル９３０ａ～ｃの角度オフセットは、ＸＹ平面内の様々なステータ９２０、９２２、９２４の物理的位置を変更することによって達成される。いくつかの実施形態では、コイル９３０ａ～ｃがレベル間で配線される方法は、別のコイル（複数の一部ではない）が異なるレベルで同一のＸＹ座標を占有する場合でも、複数のコイル９３０間の角度オフセットに影響を及ぼす場合がある。例えば、図９Ｄは、コイル９３０ａ～ｃと直列に連結されていないが、異なるスイッチを介して接続された異なる一連のコイルの一部であり得る、非連結コイル９４０ａ～ｂ（ステータ９２６、９２８によって保持される）を示している。非連結コイル９４０ａ～ｂは、連結コイル９３０ａ～ｃ（例えば、ＸＹ平面Ｚ３における第３のコイル９３０ｃ）の部材を含む、Ｚ１、Ｚ２及びＺ３平面内のコイルとＸＹ座標を共有してもよい。同様に、コイル９３０ａ～ｃの各々は、異なるＺ座標を有する異なるレベルでそれとＸＹ座標を共有する対応する相手を有してもよい。しかしながら、これらのコイルはレベル間に電気的に接続されていないので、ロータディスク２２０、２２２、２２４が動作中に互いに同一の角速度で回転しているにもかかわらず、対応するレベルの各磁石９１０ｘによって誘導される電流はわずかに異なる時間に生成され、それにより、ロータディスク２２０、２２２、２２４の各々の第１の磁石９１０ａは、一連のコイル９３０内の対応するコイル９３０ａ～ｃと順次重なる。
【0086】
３つのロータディスク２２０、２２２、２２４を有する図９Ａ～図９Ｄに示しているが、この順次の重なりは、周方向に継続し、適用された（別のレベルに対する所与のレベル上の磁石９１０の位置、別のレベルに対する所与のレベル上のコイル９３０の位置、又は、レベル間のコイル９３０の配線、のうちの１つ又は複数に適用された）角度オフセットにより、別のレベルの同様の構成要素と重なりが生じると、繰り返してもよい。
【0087】
図９Ｅ及び図９Ｆは、本開示の実施形態による、それぞれＸＹ平面における等角図及び平面図における磁石９１０とコイル９３０との間の相互作用のタイミング図を示している。磁石９１０をコイル９３０に対して様々な位置に配置する経路においてＺ軸周りに回転する磁石９１０を示している。時間ｔ－３から時間ｔ＋３までの経路を示しており、時間ｔ０において、磁石９１０は、コイル９３０と（Ｚ軸に沿って）同心に位置合わせされる。本例では、コイル９３０の断面積が磁石９１０の断面積よりも大きいので、磁石９１０に、時刻ｔ０でコイル９３０が完全に重なっていると考えられるが、時刻ｔ－２、時刻ｔ－１、時刻ｔ＋１、時刻ｔ＋２では磁石９１０の少なくとも一部にコイル９３０が重なっている。時刻ｔ－３及び時刻ｔ＋３において、コイル９３０は、磁石９１０と重ならない。
【0088】
本明細書で使用する場合、「重なる」（及びその変形）という用語は、第１の構成要素が、第２の構成要素の少なくとも一部も占有する平面座標（例えば、ＸＹ座標）のセットを占有するとき、異なる平面内にあるが、それらの２つの構成要素が重なると見なされるように、２つの構成要素間の関係が互いに異なる平面内に配置されることを指す。第１の構成要素のすべての部分が、第２の構成要素によっても占有される平面座標を占有するとき、第１の構成要素は、第２の構成要素によって完全に重なるように設定される。第１の構成要素の部分の全部ではなく一部が、第２の構成要素によっても占有される平面座標を占有するとき、第１の構成要素は、第２の構成要素によって部分的に重なるように設定される。例えば、図４Ｅの時間ｔ０において、磁石９１０に、コイル９３０が完全に重なるが、コイル９３０は、磁石９１０によって部分的に重なっている。特に明記しない限り、様々な構成要素が互いに重なるか否かを評価するために使用される平面が、システム１００の回転軸２０２にすべて垂直であるように、重なりは、システム１００の回転の視点に従って決定される。
【0089】
コイル９３０及び磁石９１０は、それらが重なったときに磁気ギャップ距離９５０だけ離れるように配置される。本明細書で使用する場合、磁気ギャップ距離９５０（及びその変形例）は、コイル９３０がロータに対して軸方向に（例えば、図示の例ではＺ軸上に）、及び、回転軸２０２に平行に、延在する方向に測定された、磁石９１０とコイル９３０との重なり部分間の距離を指す。様々な実施形態では、磁気ギャップ距離９５０のサイズは、使用される磁石９１０の磁気強度、使用される磁石９１０のサイズ、磁石９１０がコイル９３０内での誘導のために設計上必要な電流の所望の強度、回転軸２０２周りの回転速度、磁石９１０とコイル９３０との間の任意の介在材料の透磁率など、に基づいて変化してもよい。
【0090】
本明細書に記載の主題の態様は、単独で、或いは、本明細書に記載の１つ又は複数の他の態様と組み合わせて有用であり、以下の番号付きの条項を参照して理解され得る。
【0091】
条項１：回転軸周りを回転するように構成されるロータディスクと、ロータディスク内に配置される複数の磁石であって、複数の磁石が、回転軸周りに角度を付けて分散され、複数の磁石の各磁石のそれぞれのＮ極が同一の方向を向くように複数の磁石が磁気的に位置合わせされる、複数の磁石と、ロータディスクに隣接して配置されるコイルであって、コイルが、ロータディスクから軸方向に離れて延在し、コイルが、回転軸周りのロータディスクの回転に応答して複数の磁石の各磁石に順次重なるように配置される、コイルと、を具備する、デバイス。
【0092】
条項２：コイルの内側に配置される磁気コアを更に具備する、条項１及び条項３から１３のいずれかに記載のデバイス。
【0093】
条項３：コイルの外側に隣接して配置される壁を更に具備し、壁が、磁性材料から形成され、壁及び磁気コアが、同一の透磁率を有する、条項１から２及び条項４から１３のいずれかに記載のデバイス。
【0094】
条項４：ステータ磁石であって、ステータ磁石が、コイルに隣接して配置され、ロータディスクに面する近位端部からステータ磁石の近位端部の反対側のステータ磁石の遠位端部まで延在し、ステータ磁石の第１の磁極が、ロータディスクに面するステータ磁石の近位端部にある、ステータ磁石、を更に具備する、条項１から３及び条項５から１３のいずれかに記載のデバイス。
【0095】
条項５：第１の磁極が、回転軸周りのロータディスクの回転中に、コイルに面する複数の磁石のそれぞれの磁極と同一の極性を有するように、ステータ磁石が位置合わせされる、条項１から４及び条項６から１３のいずれかに記載のデバイス。
【0096】
条項６：ステータ磁石が、ロータディスクに面するステータ磁石の近位端部に丸い形状を有する、条項１から５及び条項７から１３のいずれかに記載のデバイス。
【0097】
条項７：ロータディスクに隣接して配置されるステータであって、ステータが、コイルを受け入れて支持するように成形され、ロータディスクが回転軸周りに回転している間に、ステータが、コイルとロータディスクとの間に磁気ギャップ距離を定めるように配置される、ステータ、を更に具備する、条項１から６及び条項８から１３のいずれかに記載のデバイス。
【0098】
条項８：ステータが、回転軸周りに延在するステータディスクである、条項１から７及び条項９から１３のいずれかに記載のデバイス。
【0099】
条項９：ステータが、回転軸周りのロータディスクの回転中のコイルの動きに応答して、磁気ギャップ距離を変化させるために、ロータディスクに対してコイルを柔軟に載せる、条項１から８及び条項１０から１３のいずれかに記載のデバイス。
【0100】
条項１０：複数のコイルであって、複数のコイルが、ロータディスクに隣接して配置され、複数のコイルの各それぞれのコイルが、ロータディスクに面するそれぞれのコイルのそれぞれの近位端部からそれぞれの近位端部の反対側のそれぞれのコイルのそれぞれの遠位端部までロータディスクから離れて軸方向に延在し、複数のコイルの各コイルが、回転軸周りのロータディスクの回転に応答して、複数の磁石の各磁石に順次重なるように配置される、複数のコイル、を更に具備する、条項１から９及び条項１１から１３のいずれかに記載のデバイス。
【0101】
第１１項：コイルが、複数のコイルのうちの第１のコイルであり、第１のコイルが、ロータディスクの第１の側面に隣接して配置され、複数のコイルのうちの第２のコイルが、第１の側面の反対側のロータディスクの第２の側面に隣接して配置される、条項１から１０及び条項１２から１３のいずれかに記載のデバイス。
【0102】
条項１２：第１のコイルが、第２のコイルと直列に電気的に接続される、条項１から１１及び条項１３のいずれかに記載のデバイス。
【0103】
条項１３：コイルが、複数のコイルのうちの別のコイルと電気的に並列に接続される、条項１から１２のいずれかに記載のデバイス。
【0104】
条項１４：回転軸周りを回転するように構成される１つ又は複数のロータディスクであって、１つ又は複数のロータディスクの各々が、回転軸周りに角度を付けて分散されたそれぞれの複数の磁石を含む、１つ又は複数のロータディスクと、複数のコイルであって、複数のコイルの各それぞれのコイルが、複数の磁石のうちの１つの磁石を１つ又は複数のロータディスクのそれぞれのロータディスク上に、１つの磁石の磁気ギャップ閾値内に重ねるときに配置され、それぞれのコイルが、それぞれのディスクに面するそれぞれのコイルの近位端部から、近位端部とは反対側のそれぞれのコイルの遠位端部まで軸方向に延在する、複数のコイルと、電力を伝送するように構成される負荷バスと、複数のスイッチであって、複数のスイッチの各々が、負荷バスに電気的に接続されるそれぞれのスイッチ出力を有する、複数のスイッチと、複数のスイッチに結合され、複数のスイッチを動作させることによって複数のコイルのうちの少なくとも１つを負荷バスに選択的に接続するように構成される、コントローラと、を具備する、システム。
【0105】
条項１５：コントローラが、負荷バスにおける負荷レベルの測定値と、負荷バスに接続された負荷の予想される特性と、複数のコイルの所定の特性と、時刻と、のうちの１つ又は複数に基づいて、複数のコイルのうちの少なくとも１つを選択するように構成される、条項１４及び１６のいずれかに記載のシステム。
【0106】
条項１６：複数のコイルのうちの少なくとも１つから出力された交流（ＡＣ）電流を負荷バスに入力される直流（ＤＣ）電流に変換するために、負荷バスと、複数のスイッチのうちの少なくとも１つとの間に配置されたコンバータを更に具備する、条項１４から１５のいずれかに記載のシステム。
【0107】
条項１７：回転軸に対して角度を付けて分散された第１の複数の磁石を含む第１のロータディスクと、回転軸に対して角度を付けて分散された第２の複数の磁石を含む第２のロータディスクと、を含む複数のロータディスクと、第１の複数の磁石の各磁石の磁気ギャップ距離内にあるように配置される第１のコイルと、第２の複数の磁石の各磁石の磁気ギャップ距離内にあるように配置される第２のコイルと、を含む複数のコイルと、を具備し、第１のロータディスク及び第２のロータディスクを回転軸周りに共有した回転速度で回転させつつ、第１のコイルを第１の複数の磁石に重ね、第２のコイルを第２の複数の磁石に順次重ねるように、第１のロータディスク及び第１のコイルが、第２のロータディスク及び第２のコイルに対して配置される、システム。
【0108】
条項１８：第１の複数の磁石の各磁石が、第２の複数の磁石からの対応する磁石に対して非ゼロ角度オフセットで配置され、第１のコイルが、第２のコイルと完全に重なる、条項１７、条項１９及び条項２０のいずれかに記載のシステム。
【0109】
条項１９：第１の複数の磁石の各磁石が、第２の複数の磁石からの対応する磁石と完全に重なるように配置され、第１のコイルが、第２のコイルに対して非ゼロ角度オフセットで配置される、条項１７、条項１８及び条項２０のいずれかに記載のシステム。
【0110】
条項２０：第１のコイルと完全に重なり、第２の複数の磁石の各磁石の磁気ギャップ距離内にあるように配置される、第３のコイルを更に具備し、第１のコイルが、第２のコイルと直列に配線され、第３のコイルを負荷バスに接続する第２のスイッチとは異なる第１のスイッチを介して負荷バスに接続される、条項１７から１９項のいずれかに記載のシステム。
【0111】
本明細書に記載した例に対する様々な変更及び修正が当業者には明らかであることを理解されたい。そのような変更及び修正は、本主題の趣旨及び範囲から逸脱することなく、その意図した利点を損なうことなく行うことができる。したがって、そのような変更及び修正は、添付の特許請求の範囲によって網羅されることを意図している。
【図1A】
【図1B】
【図】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【図9D】
【図9E】
【図9F】
【国際調査報告】