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公開番号2021182864
公報種別公開特許公報(A)
公開日20211125
出願番号2021133821
出願日20210819
発明の名称フライホイールエネルギー貯蔵システムのための単極モータ
出願人アンバー キネティクス,インコーポレイテッド,AMBER KINETICS, INC.
代理人個人,個人
主分類H02K 19/18 20060101AFI20211029BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】単極モータ及びそれのフライホイールロータとの機械的結合に関する。
【解決手段】単極モータはロータアセンブリ205を含み、さらなる軸受、シャフト、歯車、プーリなどがフライホイールロータ及び単極モータのロータを結合するために必要とされない。単極モータは、ステータ積層体240及び複数のステータ極片242を有するステータを含む。極片は、第1放射状ギャップ201を跨ってロータアセンブリへ磁束を発生させてトルクを発生させる。ロータアセンブリはシャフト210に結合されてシャフトとともに回転し、シャフトは、次に、フライホイールロータを回転させる。ロータアセンブリは、ロータ積層体250スタック及びフィールド結合器230を含む。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項1】
以下を含む単極モータ:
n個の歯を有するステータ、ここで、隣接する歯の各対が対応するスロットを形成し、ここで、各歯はステータコイルで巻かれている;及び
p個の極及びp/2個のローブを有するロータ、ここで、pは偶数の整数であり、隣接するローブの各対が対応する谷を形成し、各ローブ及び各々隣接する谷は反対の極である。
続きを表示(約 1,500 文字)【請求項2】
請求項1に記載の単極モータであって、ここで、前記スロットの数は3の倍数である。
【請求項3】
請求項1に記載の単極モータであって、ここで、前記スロットの数は3/2×pに等しい。
【請求項4】
請求項1に記載の単極モータであって、ここで、歯の数及び極の数は、12個の歯及び8個の極、12個の歯及び10個の極並びに12個の歯及び14個の極からなる群より選ばれる。
【請求項5】
以下を含む単極モータ:
前記モータのシャフトに取り付けられたロータへ第1エアギャップを跨って磁束を向ける複数の極片を含むステータ;
第2エアギャップを跨って磁束を発生させる固定界磁巻線、ここで、前記第2エアギャップは、フィールド結合器の間を置いて配置された頂部及び底部の間の空間によって画定され、ここで、前記頂部は前記ロータに取り付けられて前記ロータとともに回転し、前記底部は静止して前記ステータに直流磁束を伝達する。
【請求項6】
請求項5に記載の単極モータであって、ここで、前記頂部の断面形状は上から下に向かって狭くなる連なった三角形であり、前記底部の断面形状は下から上に向かって狭くなる連なった三角形である。
【請求項7】
請求項6に記載の単極モータであって、ここで、前記頂部及び前記底部の両方に2個の連なった三角形がある。
【請求項8】
請求項6に記載の単極モータであって、ここで、前記連なった三角形のそれぞれは、角度θを有する二等辺三角形であり、角度θは、各二等辺三角形の底辺及びその2つの等しい長さの各辺の間にあり、ここで、θは実質的に75°及び85°の間である。
【請求項9】
請求項8に記載の単極モータであって、ここで、前記フィールド結合器のギャップ磁束密度はcos(θ)だけ減少する。
【請求項10】
請求項5に記載の単極モータであって、ここで、前記界磁巻線は、アルミニウム又は銅で形成されている。
【請求項11】
請求項5に記載の単極モータであって、ここで、前記界磁巻線は、絶縁されたアルミニウム又は銅で形成されている。
【請求項12】
請求項5に記載の単極モータであって、前記シャフトに取り付けられて前記シャフトとともに回転し、前記シャフトに取り付けられたフライホイールロータと、ロータ積層体と、前記フィールド結合器の前記頂部と、を含むロータアセンブリをさらに含む。
【請求項13】
請求項12に記載の単極モータであって、ここで、前記ロータアセンブリは、フライホイールハウジング内に直接的に下降し、ステータ積層体と、前記複数の極片と、前記界磁巻線と、前記フィールド結合器の前記底部と、を含む組み立てられたステータアセンブリと結合するように構成される。
【請求項14】
請求項5に記載の単極モータであって、フライホイールロータ、前記シャフトと直接的に結合し、前記フライホイールロータとともに回転し、前記フライホイールロータと、ロータ積層体と、前記フィールド結合器の前記頂部と、を含むロータアセンブリをさらに含む。
【請求項15】
請求項12に記載の単極モータであって、ここで、前記ロータアセンブリは、フライホイールハウジング内に直接的に下降し、ステータ積層体、前記複数の極片、前記界磁巻線及び前記フィールド結合器の前記底部を含む組み立てられたステータアセンブリと結合するように構成される。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、フライホイールエネルギー貯蔵システムの主要な要素、モータ及びオルタネータとして機能する装置に関し、ここでは、単極モータと称する。
続きを表示(約 5,700 文字)【背景技術】
【0002】
フライホイールエネルギー貯蔵システムは、フライホイールロータに運動エネルギーを貯蔵する。運動エネルギーは、ロータの角回転速度を加速させることによってロータに伝達される、又はロータに貯蔵される。逆もまた同様であり、ロータを減速させることによってエネルギーが取り出される。
【0003】
このようにして、本発明は、このような考慮などについてなされたものである。
【発明の概要】
【0004】
本発明の実施形態は、単極モータ及びそれとフライホイールロータとの機械的結合を対象にする。単極モータはロータを含み、さらなる軸受、シャフト、歯車、プーリなどが、フライホイールロータ及び単極モータのロータを結合するために必要とされない。
【0005】
単極モータは、ステータ積層体及び複数のステータ極片を有するステータを含む。複数の極片は、第1放射状ギャップを跨ってロータアセンブリへ磁束を発生させてトルクを発生させる。ロータアセンブリは、シャフトに結合されてシャフトとともに回転し、シャフトは、次に、フライホイールロータを回転させる。ロータアセンブリは、ロータ積層体スタック及びフィールド結合器を含む。フィールド結合器は、シャフトとともに回転する頂部及びハウジングに取り付けられて静止している底部を含む。フィールド結合器の静止した底部は、低磁気抵抗の磁路によってステータに磁気的に結合されている。この低磁気抵抗の磁路は、中実の鋼又は他の透磁性材料で構成されてもよい。さらに、この低磁気抵抗路は、単極モータのハウジング、フライホイールハウジング全体又は任意の組み合わせに組み込まれてもよい。
【0006】
単極モータは、フィールド結合器の2つの間を置いて置かれた部分の間のギャップを跨って磁束を発生させる界磁巻線をさらに含む。フィールド結合器の間を置いて置かれた部分によって形成されるギャップは、第2、又は補助ギャップと称する。
【0007】
特定の実施形態において、単極モータはロータ及びステータ要素に対してp極設計を有する。一実施形態において、ロータ積層体は4個のローブ及び8個の極を有し、ステータは12個の歯及び12個のスロットを有する。特定の実施形態において、各歯は極片として実現され、スロットは2個の隣接する極片の間の空間によって形成される。各極片はステータのセクタを形成し、各極片は巻線又はコイルをステータの積層セクタの周りに取り付けることによって形成される。
【0008】
特定の実施形態において、フィールド結合器の頂部の断面は、上から下に向かって狭くなる1個、2個又はそれ以上の連なった二等辺三角形として現れる。フィールド結合器の底部の断面は、フィールド結合器の頂部のそれとは逆となっており、すなわち下から上に向かって狭くなる同じサイズの1個、2個又はそれ以上の連なった三角形となっている。さらに、フィールド結合器の頂部及び底部の表面の間には、均一な第2ギャップがある。フィールド結合器の傾斜面及び結果としてそれらが形成するギャップは、界面ギャップの全体面積を増大させ、その結果、ギャップを置いて配置される表面を交差する磁束密度が比例的に減少する。磁束がギャップ表面に垂直な方向を向いているため、結果として生じる合力の軸方向成分はcos(θ)だけ減少する。ここで、θ(シータ)は二等辺三角形の底辺とその2つの等しい長さの各辺との間の角度である。
【0009】
一般に、結合器の下部表面の輪郭は、二等辺三角形に限定される必要はない。この選択は、多くの選択肢のうちの一の利便性のある形状である。
【図面の簡単な説明】
【0010】
開示された実施形態は、詳細な説明、添付の請求の範囲及び付随の図面からより容易に明らかになる他の利点及び特徴を有している。図面の簡単な説明は以下のとおりである。
【0011】
フライホイールエネルギー貯蔵システム(フライホイールユニットとも称する。)の一実施形態を示す簡略断面図である。
【0012】
単極モータの実施形態の要素を含む、図1のフライホイールユニットの実施形態における回転要素を示す。
【0013】
フライホイールユニットを駆動するために用いられる単極モータの一実施形態を示す簡略断面である。
【0014】
単極モータのロータ及びステータの極構成の実施形態を示す。
【0015】
単極モータのステータからの極片の実施形態を示す。
【0016】
単極モータの界磁巻線及びフィールド結合器の非回転部分の実施形態の等角図である。
【0017】
単極モータの界磁巻線及びフィールド結合器の非回転部分の実施形態の断面図である。
【0018】
図面は、本発明の実施形態を、例示のみを目的として描写している。以下の説明から、当業者は、ここに例示された構造及び方法の代替の実施形態を、ここに記載された本発明の原理から逸脱することなく採用することができることを容易に理解するであろう。
【発明を実施するための形態】
【0019】
現代のフライホイールエネルギー貯蔵システムは、残留気体の抗力による摩擦損失を回避するために、真空外囲器内で動作する。そのため、真空外囲器内で電磁モータ/ジェネレータをエネルギー貯蔵ロータと一体化し、その一体化を可能な限りシームレスにすることが好ましい。例えば、ベルト、プーリ、歯車、長いシャフトなどを避けることが好ましい。電磁モータ/ジェネレータのロータがフライホイールロータに非常にしっかりと結合され、実質的なさらなる機械的結合要素を必要としないことが理想的である。
【0020】
ここに記載の一体型電磁モータ/ジェネレータは、いかなる所与のエネルギー貯蔵用途における要求に応じて、エネルギー貯蔵ロータを加速又は減速させるための電気的インタフェースを用いて動作する。
【0021】
フライホイールエネルギー貯蔵システムにおける使用に適したモータ/ジェネレータのタイプに対する一部の制約には、摩損に関連するライフサイクル危険及び真空環境の汚染を回避するように、スリップリング、ブラシ及び/又は整流子に関連する接触又は滑り接触の回避が含まれる。そのため、好ましい機械のタイプとしては、そのような滑り接点を含まない交流機が挙げられる。
【0022】
他の制約は、ロータに関連する許容損失に対するものである。ロータで損失する電力は、放射、密閉残留気体による弱い対流、又は存在する場合は機械的軸受による非常に限られた伝導によってハウジングに伝達されることのみができる。そのため、従来の交流誘導機はその固有のロータ損失のために、現代のフライホイールシステムにおいては一般的に使用されていない。フライホイールエネルギー貯蔵システムにおける従来の誘導機の使用が検討される場合もあるが、誘導機は、その固有のロータ損失及び上述の選択肢のうちの一部に対して比較的弱いロータ構造のために、通常、好ましくない。このように、ロータ損失は真空環境での作動に対する熱管理に関する問題を提示する。
【0023】
単極同期機(単極機、単極モータ、単極モータ及びジェネレータ、モータ及びオルタネータ又は単にモータ/オルタネータとも称する。)は、回転界磁巻線及び付随するスリップリングを有する従来の同期機タイプとは対照的に、固定界磁巻線を有する同期機である。そのため、単極機は、スリップリングの必要性並びに関連するライフサイクル及び汚染危険性をなくす。単極機は、従来の同期機と類似した動作特性を有するので、界磁巻線励磁及び関連する動作点の調整における全機能を有する。例えば、非常に低損失の待機惰性を達成するために、界励磁を消勢することができ、その結果、電磁損失が実質的にゼロになる。単極同期機は、無視できるほど低いロータ損失に対する設計が容易であるので、さらに有利である。
【0024】
さらに、界励磁は、各動作速度及び各動作電力レベルについて調整することができ、全体的なシステム効率を最適化するようにする。伝導、電磁コア損失(例えば鉄損)及び電力変換による損失は、各速度及び電力レベルにおいて全体的に最小限に抑えることができる。この調整レベルは、磁界強度が容易に調整されないために、永久磁石タイプの機械においては容易に実現されない。同期リラクタンス機は磁場調整を可能にするが、典型的には比較的低力率に限定される。
【0025】
単極同期機は、典型的に三次元の磁束経路を必要とする。磁界又は直流バイアス磁束は、ギャップ及び中実又は非中実の鋼透磁性磁路を通じて磁束を向ける固定界磁巻線によって影響を受ける。その目的は、能動ロータローブ及びステータの間のギャップに磁気的にエネルギーを与えるためである。各能動ロータローブはN極と考えることができ、これらのローブの間にある各谷はS極と考えることができる。この配置において磁束は一方向性であるため、この機械は単極と呼ばれる。一般性を失うことなく、逆界励磁に応じて、磁束経路が完全に反転することができることに留意されたい。直流界励磁の適用により、この機械は、従来の同期機の主な特徴を受け継ぐ。
【0026】
このタイプの機械のためのステータ巻線は、適切な極数を有する従来の三相パターンで配置することができ、ロータローブごとに2個の極を有することができる。ステータ巻線は、従来の歯−スロット配置を用いてスロット内に又はスロットレス配置で直接的にエアギャップ内に設置することができる。
【0027】
本発明は、単極同期機、単極モータ又は単極機の実施形態を含む。ここに記載の単極モータの主な適用は、フライホイールエネルギー貯蔵システムのためのものである。ただし、ここに記載の単極モータはそれに限定されず、他のエネルギー貯蔵システム及び他の機械にも使用することができる。
フライホイールエネルギー貯蔵システム
【0028】
図1は、一実施形態において、フライホイールハウジング110にパワーエレクトロニクスサブシステム又はパワーエレクトロニクスユニット120を搭載したフライホイールエネルギー貯蔵システム(フライホイールユニット100とも称する。)の一実施形態を示す簡略断面図である。フライホイールユニット100は、フライホイールロータアセンブリ130(単にフライホイールロータ130とも称する。)、モータ及びオルタネータ140(両機能は通常単一のサブシステムによって実行されるので、モータ/オルタネータ140とも称する。)、フライホイールハウジング110、パワーエレクトロニクスユニット120、交流又は直流である電力線150、及び制御線160を含む。例えば、電力線150は従来の三相60Hzの交流線であってもよい。一般的に、以下でフライホイールエネルギー貯蔵システム又はフライホイールユニットという用語は、単一のフライホイールハウジング110及びそれが収容する任意のロータ、モータ/オルタネータ及び他の要素とともに、図1に示すようにフライホイールハウジング110に収容及び搭載されてもよいか、又はフライホイールハウジング110の内部に組み込まれるか又はフライホイールユニット100とは別に設けられてもよい他のパワーエレクトロニクス要素を指す。
【0029】
特定の実施形態において、パワーエレクトロニクスユニット120は、入力交流をモータ/オルタネータ140に許容可能な交流に変換するための電力変換器を含む電気部品を包囲して収容するパワーエレクトロニクスハウジング125を含む。あるいは、他の実施形態において、パワーエレクトロニクスユニット120は、モータ/オルタネータ140からの交流を直流出力に変換する。パワーエレクトロニクスユニット120は、フライホイールユニット100の通信、制御及び状態監視を行うために、必要に応じてセンサ、プロセッサ、メモリ、コンピュータ記憶装置及びネットワークアダプタを含んでもよい。センサは、多軸加速度計、ジャイロ、近接センサ、温度センサ、歪検出素子などを含んでもよい。パワーエレクトロニクス120は、交流又は直流である電力線150を介して電力を取り込みかつ供給する。特定の実施形態において、パワーエレクトロニクス120は、制御信号を送受信するための制御線120を有する。制御線160は、イーサネットケーブルなどの物理的ケーブルであってもよく、あるいはWIFI又はBLUETOOTHなどの無線通信リンクを介して通信してもよい。
【0030】
モータ/オルタネータ140は、電気的及び機械的エネルギーを変換し、エネルギーがフライホイール130に貯蔵され、又はフライホイール130から引き出されることができる。モータ/オルタネータ140は、モータ及びオルタネータの機能を兼ね備えているので、モータ及びオルタネータ140とも称されることがある。モータ/オルタネータ140は、例えば、支持軸受にも接続されるスタブシャフトによってフライホイールロータ130に直接的に又は間接的に結合する。モータ/オルタネータ140は、フライホイールハウジング110を通じて真空フィードスルーを通常貫通するワイヤ又は他の電気結合を介して、パワーエレクトロニクスユニット120に結合される。
(【0031】以降は省略されています)

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