JP6104890B2 - 電流発生タービン - Google Patents

Description

本発明は、電流発生タービンに関し、より詳細には、低速度の流体によって駆動可能な高い効率のタービンに関する。

図1は、従来技術による電流発生タービン1を概略的に示している。このタービンは、風力発電タイプのものである。このタービンは、シャフト4の上で回転するように装着されているブレード3から構成されたインペラー2を含む。シャフトは、電流発生器、通常は、電気回路網6に電流Iを供給できる交流発電機5に接続されている。風が速度Vfで吹くとき、この流体の運動エネルギーは、インペラー2を介して、機械的動力の形態でシャフト4に伝達され、交流発電機5を回転させる。したがって、交流発電機5は、電流Iを回路網6に供給する。

ブレードを駆動する流体のタイプの観点と、ブレードの形状の観点と、及び電流発生器に接続されている軸の周りに回転するようにどのようにブレードが装着されているかという観点から、互いに異なる様々なタイプの電流発生タービンが存在する。従来技術の電流発生器タービンの効率は、とりわけ流体速度が低いときに、限定的である。従来技術のタービンは、重く、複雑で、高価である。タービンのサイズを低減させて、それらを、容易にあちこちに輸送及び移動させることが可能なローミング機器において使用可能にすることは、困難である。

本発明の一実施形態の一つの目的は、高い効率の電流発生タービンを提案することである。

本発明の別の実施形態の別の目的は、軽量のタービンを提案することである。

したがって、本発明の一実施形態は、電流を発生させることが可能なタービンを提供し、タービンは、ローターを備え、ローターは、主軸の周りに回転するように装着されているブレードと、主軸から最も遠位にある位置においてブレードの上に装着されている永久磁石とを含み、タービンは、第1及び第2のコイルが設けられたステーターをさらに備え、第1及び第2のコイルの巻線の軸が、実質的に直交しており、永久磁石は、ローターが回転するとき、電流を発生させるために、前記第1及び第2のコイルと協調し、前記第1のコイルが、前記第2のコイルの近くにある。

本発明の別の実施形態によれば、第1及び第2のコイルが、非磁性材料から作製されたコアを有する。

本発明の別の実施形態によれば、第1及び第2のコイルが、全く同一の円盤状コイルの二つの巻線部分をそれぞれ形成しており、その巻線の軸同士が、実質的に直交している。

本発明の別の実施形態によれば、永久磁石が、ブレードの主回転軸に平行に配向された永久双極子磁石である。

本発明の別の実施形態によれば、永久磁石が、ハルバッハ配列として構成された基本的な磁石からなる。

本発明の別の実施形態によれば、永久磁石が、スペーサーピースを介して、ブレードの上に装着されている。

本発明の別の実施形態によれば、ブレードが、主軸の周りに回転するように装着されているインペラーの一部を構成する。

これらの目的、特徴、及び利点は、他のものとともに、いくつかの特別な形態の実施形態の以下の説明において、詳細に述べられることとなり、その実施形態は、添付の図に関連して、非限定的な例として与えられている。

既に説明された、従来技術による電流発生タービンの概略図である。 本発明の一実施形態による電流発生タービンの長手方向断面図である。 本発明の別の実施形態に適した二軸円盤状コイルの斜視図である。 ハルバッハリニア永久磁石の長手方向断面図である。 本発明の別の実施形態による、ハルバッハリニア永久磁石を使用した電流発生タービンの長手方向断面図である。

明確化にする目的で、本発明を理解するのに有効な要素だけが、示されており、説明されることとなる。明確化にする目的で、同様の要素が、様々な図において、同様の参照記号によって表示されており、そのうえ、様々な図は、原寸で描かれてはいない。本明細書が容易に理解されるように、流体速度Vfが、タービンの正面に向かって方向付けされていることが想定されている。本明細書では、第1の方向が、第2の方向と90度の角度を成す場合において絶対的に直交していると考え、30度以内の角度、好ましくは15度以内の角度までの場合は、第1の方向は第2の方向に実質的に直交していると考えられる。

図2は、本発明の一実施形態による電流発生タービン20の長手方向断面図である。タービン20は、ローター21とステーター22とを含む。ローター21は、ブレード210を含み、ブレード210は、例えば、インペラー211の一部を形成し、インペラー211は、好ましくはシャフト212の上に、主回転軸X0の周りに回転するように装着されている。図2の切断面は、この主回転軸X0を含む。ブレード210は、例えば、主回転軸X0と同一線上にある速度Vfの入射流体の作用を受ける。ローター21は、主回転軸X0から最も遠位にあるブレード210の一端部において、永久磁石213を含み、永久磁石213は、例えば双極子タイプのものであり、ブレード210の上に装着されている。図2の例の特別な事例では、図2の切断面に示されている永久双極子磁石213が、磁気双極子を形成しており、磁気双極子の軸D1が、主回転軸X0に平行になっており、永久双極子磁石213のN極Nが、タービンの正面に向けて方向付けされており、すなわち、流体の中へ面している。磁界又は磁気誘導が、磁石の周り全体に作り出されている。磁気誘導は、永久双極子磁石213の外側の周りにおいて、変化する角度で、N極NからS極Sへ走る多数の磁力線を含む。したがって、例えば、第1のセットの磁力線B1が、N極Nを介して永久双極子磁石213から離れ、永久双極子磁石213のN極Nの近くの第1の領域214を横切る。永久双極子磁石213の端部に位置し、且つ磁気双極子の軸D1の上に位置している、この第1の領域214では、磁力線は、磁気双極子の軸D1及び主回転軸X0に平行である。その後は、第1のセットの磁力線B1の力線は、永久双極子磁石213のS極Sに向かうように曲がって進む。例えば、第2のセットの磁力線B2が、N極Nを介して永久双極子磁石213から離れ、永久双極子磁石213のN極Nの近くにおいて、第2の領域215を横切って通過する。永久双極子磁石213に対して横方向に位置するこの第2の領域215では、磁力線が、磁気双極子の軸D1、及び主回転軸X0に直交している。その後は、第2のセットの磁力線B2の力線は、永久双極子磁石213のS極Sに向かうように曲がって進む。永久双極子磁石213の磁気誘導によって横切られる第1及び第2の領域214及び215は、永久双極子磁石213に取り付けられた回転幾何学的な基準系で画定される。第1の領域214の磁力線は、第2の領域215の磁力線に実質的に直交している。

ステーター22は、例えば、ローター21を取り囲み、例えば、ブレード210の永久双極子磁石213の回転が内接することが可能な平面に形成された環状溝部221を含む。溝部221は、永久双極子磁石213が主回転軸X0の周りに回転するときに、永久双極子磁石213を収容するように形状付けされている。

ステーター22は、例えばソレノイドを含む、第1のコイルS1及び第2のコイルS2を有する。永久磁石213が、主回転軸X0の周りのその回転の結果として、第1のコイルS1に、及び第2のコイルS2に、それぞれ最も近づくとき、第1及び第2のコイルS1及びS2が、同時に及びそれぞれ、第1及び第2の領域214及び215の中にあることとなるように、第1及び第2のコイルS1及びS2は、ステーター22の中に位置付けられている。第1及び第2のコイルは、互いに近くにある。換言すれば、第1及び第2のコイルS1及びS2は、磁石213の位置に対して、磁石213の磁界を同時に受け、電流又は電圧を発生させることができるようになっている場合には、第1及び第2のコイルS1及びS2は近くにあるということであり、この定義は、本発明の全ての実施形態に適用することが可能である。例えば、第1及び第2のコイルを分離する距離が、ほぼ永久磁石の寸法の大きさ程度である場合、例えば、永久双極子磁石213のN極NとS極Sとの間の距離の5倍未満である場合には、第1のコイルは、第2のコイルに近いということである。コイルS1及びS2の第1及び第2の巻線の軸X1及びX2は、実質的に直交しており、永久双極子磁石213が、主回転軸X0の周りにそれが回転する効果を通して、第1のコイルS1に、及び第2のコイルS2に最も近づくときに、それらが、永久双極子磁石213の磁気誘導の力線に正接するようになっている。主回転軸X0の周りに回転する永久双極子磁石213によって、第1のコイルS1及び第2のコイルS2の中に発生させられた、磁気誘導の磁束の変動は、最大化される。何故なら、磁束が、それぞれ、第1及び第2のコイルS1及びS2の巻線の軸X1及びX2に沿って配向されているからである。そのことは、第1及び第2のコイルS1及びS2の末端部において、結果として誘導電圧を生じさせ、それは、最大化させられ、コイルの末端部に接続されたインピーダンスに最大電流を発生させることができる。永久双極子磁石213は、互いに近くにある第1及び第2のコイルS1及びS2と協調し、その巻線の軸X1及びX2は、最大電流を発生させるために実質的に直交している。したがって、ローター21が回転すると、タービン20にとっての最大効率が実現される。

ステーターコイルの数は、限定されない。最大数の磁力線と協調するために、他のコイルが、永久双極子磁石213の周りに位置する異なる領域の様々なセットの磁力線と協調するように位置付けられることが可能である。

とりわけ、コイルS1及びS2のレイアウトのおかげで、コイルの中に磁気誘導を配向させ、導き、又は増大させるために、重くて高価な金属製電極ピースをステーター22の中に設置する必要がない。何故なら、永久双極子磁石213が通過するときに磁気誘導が最大値に到達する領域に、様々なコイルが位置付けられ、且つ配向されているからである。本発明の一つの特別な実施形態によれば、様々なコイルのコアは、非磁性材料から製作されている。この非磁性材料は、例えば、ステーター22を形成する成形用樹脂から構成されることが可能である。

図2に関連して説明されている実施形態の場合に想定されてきたように、磁界と協調するコイルは、ソレノイドであることが可能である。また、それらは、円盤形状のものであることが可能である。円盤状コイルは、可変の巻線半径で、同じ平面で巻かれた巻きから形成されている。円盤状巻線の軸は、コイルの巻きの平面に垂直な軸であり、巻きによって画定される表面の中心を通過する。図2に関連して上述されている本発明の実施形態において明白であるように、円盤状コイルは、概して、ソレノイドの代わりに用いられることが可能である。

図3は、本発明の別の実施形態による、その巻線の軸同士が実質的に直交している二つの円盤状部分を装備した円盤状コイル30の斜視図である。換言すれば、この実施形態は、第1及び第2のコイルS1及びS2が、それぞれ、全く同一の円盤状コイル30の二つの巻線部分を形成し、前記部分の巻線の軸A1及びA2が実質的に直交しているという点で、図2に関連して説明されている実施形態と異なる。

ワイヤ(例えば、銅から作製される)が、第1の平面P1において、円盤状巻線の第1の軸A1の周りに、実質的に円形状の第1の巻き31を形成し、次いで、ワイヤは、第1の平面P1に直交する第2の平面P2において、円盤状巻線の第2の軸A2の周りに、実質的に円形状の第2の巻き32へと続く。その後は、第2の巻きのワイヤは、再び、第1の平面P1において、円盤状巻線の第1の軸A1の周りに、実質的に円形状の第3の巻き33を形成するなどのように続き、多数の巻きを含み、且つ第1の円盤状軸A1を備えた第1の部分と、第1の円盤状軸A1に実質的に直交する第2の円盤状軸A2を備えた第2の部分とを有する円盤状コイル30が形成されるまで続く。

実質的に直交している二つの円盤状巻線の軸を備えた円盤状コイル30が、ステーターの中に位置付けられており、永久双極子磁石213が、主回転軸X0の周りにおける永久双極子磁石213の回転の効果によって、円盤状コイル30に最も近づくときに、例えば、それぞれ第1の領域214及び第2の領域215において、円盤状巻線の直交する軸A1及びA2が、永久双極子磁石213の磁気誘導の力線に正接するようになっている。

図4は、ハルバッハリニア永久磁石の長手方向断面図である。好適な方向に磁気誘導が集中させられ焦点を合わせられるように組み立てられた基本的な双極子磁石から作られた永久磁石が、従来技術から知られている。次いで、これらの双極子磁石が、ハルバッハ配列を形成する。例えば、米国特許第7,598,646B2号は、図1において参照数字120の下で、ハルバッハリニア永久磁石を説明しており、それは、この図4において、参照数字40の下で再現されている。ハルバッハリニア永久磁石40は、五つの連続する基本的な永久双極子磁石(第1の基本的な磁石41、第2の基本的な磁石42、第3の基本的な磁石43、第4の基本的な磁石44、及び第5の基本的な磁石45)の組み立て平面P3において、この順番で、軸D2に沿った組立体によって形成されている。これらの五つの基本的な双極子磁石のそれぞれが、内部磁気モーメントを有しており、これらは、それぞれ、第1の磁気モーメントM1、第2の磁気モーメントM2、第3の磁気モーメントM3、第4の磁気モーメントM4、及び第5の磁気モーメントM5であり、関係する基本的な永久双極子磁石のS極からN極に向かって配向されている。内部磁気モーメントは、図4において、それぞれの双極子磁石のS極SからN極Nに指し示す矢印によって記号表示されている。図4のハルバッハリニア永久磁石40の例では、第1の基本的な磁石41の第1の磁気モーメントM1が、ハルバッハリニア永久磁石40の軸D2に沿って、第1の基本的な磁石41の自由端部46に向けて方向付けされている。次に、五つの基本的な磁石41、42、43、44、45の組み立て平面P3において、次に続くそれぞれの基本的な磁石42、43、44、45の磁気モーメントが、+90度で配向される角度でそれを先行する基本的な磁石41、42、43、44の磁気モーメントを作り出す。このように構成されたハルバッハリニア永久磁石40は、組み立て平面P3において、第2の基本的な磁石42のN極側に位置するハルバッハリニア永久磁石40の第1の側部48で弱くなっている磁気誘導47を発達させる。ハルバッハリニア永久磁石40の第1の側部48は、ハルバッハリニア永久磁石40の軸D2に平行である。強い磁気誘導49が、ハルバッハリニア永久磁石40の第2の側部50において発達させられ、第2の側部50は、第1の側部48の反対側にあり、ハルバッハリニア永久磁石40の組み立て平面P3に位置している。

ハルバッハリニア永久磁石40の第2の側部50において、及び五つの基本的な磁石の磁気モーメントM1、M2、M3、M4、及びM5のレイアウトの結果として、第2の側部50の磁気誘導は、第2の基本的な磁石42及び第4の基本的な磁石44の中央部の近くにおいて、ハルバッハリニア永久磁石40の軸D2に垂直である。第2の側部50の磁気誘導は、第3の基本的な磁石43の中央部の近くにおいて、ハルバッハリニア永久磁石40の軸D2に平行である。

図5は、本発明の別の実施形態による、図4に関連して説明されているハルバッハリニア永久磁石40を使用した電流発生タービン60の長手方向断面図である。タービン60は、ローター61とステーター62とを含み、それらは、図2に関連して説明されているローター及びステーターと同様である。ローター61は、ブレード210を含み、ブレード210は、好ましくはシャフト212の上に、主回転軸X0の周りに回転するように装着されている。ブレード210は、主回転軸X0から最も遠位にある端部において、図4に関連して説明されているハルバッハリニア永久磁石40を含む。ハルバッハリニア永久磁石40は、例えばスペーサーピース63を介して、ブレード210の上に装着されている。例えば、ハルバッハリニア永久磁石40は、その組み立て平面P3がブレードの主回転軸X0を含有するように、ブレード210の上に位置付けられており、ハルバッハリニア永久磁石40の軸D2が、主回転軸X0に平行であるようになっている。ブレードが主回転軸X0の周りに回転するときに、強い磁気誘導49が、ハルバッハリニア永久磁石40によって、上述の周囲部の外側に発達させられるように、ハルバッハリニア永久磁石40が位置付けられることが好ましい。

ステーター62は、ブレード210のハルバッハリニア永久磁石40の回転が内接する平面に形成された環状溝部64を含む。溝部64は、ハルバッハリニア永久磁石40を収容し、且つハルバッハリニア永久磁石40が主回転軸X0の周りに回転するときにスペーサーピース63が通過するのを可能にするように構成されている。そのうえ、ステーターは、半径方向コイル65及び軸方向コイル66を含む。半径方向コイル65の巻線の軸X3は、主回転軸X0と交差し、それと直角を成している。軸方向コイル66の巻線の軸X4は、主回転軸X0に平行である。このことは、半径方向コイル及び軸方向コイルのそれぞれの巻線の軸X3及びX4が、実質的に直交していることを意味している。半径方向コイル65は、ハルバッハリニア永久磁石40の第2の基本的な磁石42の回転が内接する円筒の外側に、且つその平面に存在する。軸方向コイル66は、ハルバッハリニア永久磁石40の第3の基本的な磁石43の回転が内接する円筒の外側に、且つその平面に存在する。半径方向コイル65と軸方向66コイルとを分離する距離は、例えば、ハルバッハリニア永久磁石40の長さの5倍未満であるので、半径方向コイル65は、軸方向コイル66の近くにあると考えられる。主回転軸X0の周りのブレードの回転の効果の下で、ハルバッハリニア永久磁石40が、半径方向コイル65及び軸方向コイル66に同時に最も近づくとき、ハルバッハリニア永久磁石の強い磁気誘導49の力線が、半径方向コイル65の巻線の軸X3、及び軸方向コイル66の巻線の軸X4に並ぶ。ブレード210が主回転軸X0の周りに回転するとき、半径方向コイル65及び軸方向コイル66が、ハルバッハリニア永久磁石40の強い磁気誘導49と協働する。半径方向コイル65及び軸方向コイル66は、誘導電流Iを発生させることが可能である。有利には、第2の軸方向コイル67が、ローター62の中に位置付けられ、第4の基本的な磁石44に垂直に位置する領域の強い磁界49と協調することが可能である。

本発明は、ブレードの形状がどんなものでも、又はブレードに対する回転軸の位置がどんなものでも適用される。ローターが作製される材料は、多種多様であることが可能である。それらは、非磁性であることが好ましい。ブレードを駆動する流体は、任意であることが可能である。それは、ブレードのタイプに適している必要があり、液体又は気体状、とりわけ鉱物又は生物学的であることが可能である。タービンの寸法は、任意であることが可能である。とりわけ、そのような事例では、ステーターの中に金属製の電極ピースを位置付ける(それは製造するのが難しいということが分かっている)必要がないので、本発明は、タービンが、小型化されること、及びマイクロメカニクス技術に組み込まれることも可能にする。可動部品が低質量であること、及び寸法が低減されていることは、低い流体速度における最適なタービン運転にとって好ましい。説明されている実施形態では、ローターは、ステーターの磁気質量によって引き付けられない。したがって、ローターは、高い剛性である必要はないので、低質量であることが可能である。この別の結果は、ローターが磁気的に支持されることが可能であり、回転シャフトに関係する機械的な軸受が省略されることが可能であるということである。このことは、さらなる重量節約、及び小型化の可能性を結果として生じさせる。

説明されているタイプのタービンは、厳しい環境で使用されることが可能である。何故なら、磁石が、ぴったり閉まった空胴の中に部分的に保護されており、コイルをステーターに固定することができるか、又は代替的にステーターを、作製される材料の中に埋め込むことができるからである。概して、このことは、上述の本発明の全ての実施形態に適用されることが可能であり、永久磁石が、スペーサーピースを介してブレードの上に装着されることが可能である。そのとき、永久磁石を取り囲み保護する空胴は、スペーサーピースが通過するためのスペースだけを残して、その全ての面の上の永久磁石を取り囲むように設計されることが可能である。そのうえ、スペーサーピースが使用されているとき、永久磁石は、スペーサーピースによって、ブレードから離れて保持されているので、電流を取り出すために、永久磁石とブレードとの間に自由に残された容積部の中に、コイルを位置付けることが可能になる。

永久磁石を形成する可能性、それらを組み合わせる可能性、ハルバッハ配列を生成する可能性、及び回転軸に関して磁石を位置付ける可能性は無限である。とりわけ、同じローターの上で、例えば、異なる配向の双極子磁石をそれぞれ含むブレードを組み立てることが可能である。単に少数の典型的な例が説明されてきた。本発明の教示を使用して当業者が容易に考え付く例が、さらに多く存在する。同様に、コイルの形状及び材料を設計するのに利用可能な非常に多くの可能性が存在する。また、永久磁石によって発生させられる可変の磁気誘導の中に、どのようにコイルを位置付けるかに関して、非常に多くの可能性が存在する。最後に、本発明の教示は、タービンを設計するために、様々な実施形態の様々な要素と組み合わせて容易に使用されることが可能である。

Claims (7)

1. 電流(I)を発生させることが可能なタービン(20、60)であって、前記タービン(20、60)は、ローター(21、61)を備え、前記ローター(21、61)は、主軸(X0)の周りに回転するように装着されているブレード(210)と、前記主軸(X0)から最も遠位にある位置において前記ブレード(210)の上に装着されている永久磁石(213、40)とを含み、前記タービン(20、60)は、第1及び第2のコイル(S1、S2、30、65、66)が設けられたステーター(22、62)をさらに備え、前記第1及び第2のコイル(S1、S2、30、65、66)の巻線の軸(X1、X2、X3、X4、A1、A2)が、実質的に直交しており、前記永久磁石(213、40)は、前記ローター(21、61)が回転するとき、電流(I)を発生させるために、前記第1及び第2のコイル(S1、S2、30、65、66)と協調し、前記第1のコイルが、前記第2のコイルの近くにある、タービン(20、60)。
2. 前記第1及び第2のコイル(S1、S2、30、65、66)が、非磁性材料から作製されたコアを有する、請求項1に記載のタービン(20、60)。
3. 前記第1及び第2のコイル(S1、S2、65、66)が、全く同一の円盤状コイル(30)の二つの巻線部分をそれぞれ形成しており、前記部分の巻線の軸(A1、A2)同士が、実質的に直交している、請求項2に記載のタービン(20、60)。
4. 前記永久磁石が、前記ブレード(210)の前記主軸(X0)に平行に配向された永久双極子磁石(213)である、請求項1から3のいずれか一項に記載のタービン(20、60)。
5. 前記永久磁石が、ハルバッハ配列(40)として構成された基本的な磁石(41、42、43、44、45)からなる、請求項1から3のいずれか一項に記載のタービン(20、60)。
6. 前記永久磁石(213、40)が、スペーサーピース(63)を介して、前記ブレード(210)の上に装着されている、請求項1から5のいずれか一項に記載のタービン(20、60)。
7. 前記ブレード(210)が、前記主軸(X0)の周りに回転するように装着されているインペラー(211)の一部を構成する、請求項1から6のいずれか一項に記載のタービン(20、60)。

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