JPH11508759A - エネルギー蓄積フライホイール装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 フライホイールエネルギー変換装置（１０）により、運動エネルギーと電気エネルギーとの間の高効率変換が提供される。フライホイール（１０）は、フライホイールの回りに形成されたエアギャップ（４６）に電機子コイル（４４）を設けることによってより大きな出力を生成する（放射状および軸方向の両方の実施形態が記載される）。好適な実施形態においては、磁気回路の界磁コイル（３０、３２）は、平面ディスクから切り取られた歯（１４）を有する回転固体ロータ（１２）内で単極磁束を生成する直流駆動電流で励磁される。磁気回路の全磁気抵抗および全磁束は、ロータが回転する間、実質的に一定である。磁束は、放射状に外側へと進行し、歯（１４）を通って平坦ディスクを出て、電機子エアギャップ（４６）を通過する。変化する磁束密度（回転歯による）により、コイルにおいて出力電圧が誘導されるエアギャップ電機子コイル（４４）が好適に利用される。磁束は、ロータに戻る前に、コア損失が効率的に低減され、その結果フライホイールが高周波で効率的に動作することが可能となるような幾つかの方法の１つを用いて拡散される。

Description

【発明の詳細な説明】 エネルギー蓄積フライホイール装置および方法発明の背景 本発明は、電動発電機を含むフライホイールエネルギー変換装置およびより高 い出力を提供するための方法に関し、特に、低インダクタンスの電機子巻線を有 するブラシレス電動発電機を含むフライホイールエネルギー変換装置に関する。 本発明の電機子巻線は、より低い磁気抵抗界磁回路の高透磁率部分に内包された 従来の電機子巻線の代わりに、大きなエアギャップを備えた著しく高い磁気抵抗 界磁回路のエアギャップに配置される。 フライホイールエネルギー蓄積装置が有利であることが証明され得る分野の１ つは、一次電源が失敗した場合に（すなわち、公益企業の供給の失敗）、貯蔵電 力の連続的供給が必要とされる状況にある。このような状況においては、二次電 源が、公称電力量を一定期間供給し、それによって、一次電力を利用する装置の 様々な部分が、予備供給なしの一次電力の損失から生じる瞬間的な停止ではなく 、比較的通常の様式で停止され得る。この問題を解決するための従来的アプロー チ法は、しばしば非常用発電機と組み合わせられる化学電池バンクの使用である 。 例えば、製紙工場では、実質的に液体の製紙用パルプが、回転するワイヤメッ シュにスプレーされ、次に、長い一連のローラーを通され、オーブンを通って、 パルプから湿気が取り除かれる。液体パルプが全てのオーブン通過し、パルプが 乾燥し、パルプが高速スプールに巻き取られるラインの最後に到達する前に数分 の時間がかかり得る。このような状況下での瞬間的な電力の損失は大惨事である 。従って、製紙工場はしばしば、パルプの供給が停止され、すでに生産ライン上 に存在する残りのパルプが加工される間、全装置の運転を持続させるための予備 電力を供給するために、化学電池を満載した１つ以上の大きな部屋を持つ。 しかし、化学電池は、かさ高さ、信頼度の欠如、制限された寿命、高いメンテ ナンス費用、および比較的低い安全性を含む様々な欠陥を持つ。例えば、化学電 池は、電池が効率的に動作し続け、全蓄電容量を維持することを保証するために 、 関与する電池のタイプに応じて、比較的絶え間ない複雑な再充電を必要とする。 さらに、化学電池は、関与する多量の腐食性化学薬品の一般的性質から、様々な 安全性考慮を提起する。典型的な多量の電池の設置により、専用の電池貯蔵室の ための特別な換気および空気調節システムがしばしば必要とされる。 化学電池の効率的な代用品を提供するために、フライホイールエネルギー蓄積 装置は、高レベルのエネルギー変換効率で動作しなければならない。従って、フ ライホイール装置は、空気抵抗摩擦によるエネルギー損失を最小限に抑えるため に真空で動作するようにしばしば設計される（例えば、Benedettiら、米国特許 第4,444,444号を参照）。真空状態は、回転構成部品における熱発生が最小限と なることを要求する。その理由は、真空内におけるロータの熱は、小さく、且つ 制限された熱伝導能力を持つ座面を通して放射または伝導によってのみ放散され 得るからである。さらに、真空状態における固定構成部品と回転構成部品との間 で電流を移動させるために使用されるブラシが、空気中で動作するブラシと比較 して、より破壊的なアーク放電に供される。これにより、エネルギー蓄積装置は 基本的にブラシレス動作に限定される。その理由は、ブラシは、真空状態で動作 される場合に非常に短い寿命を示す傾向があるからである。しかし、以下に記載 されるように、ブラシレス電動発電機は、回転整流アセンブリおよび回転コイル などの熱生成構成部品を典型的に利用するという事実から、フライホイール蓄積 装置におけるブラシレス電動発電機の使用は複雑である。 ブラシレス発電機の使用は、様々な業界で周知である。例えば、自動車メーカ ーは、ブラシレス発電機をしばしば利用し、それによって、車に電力を供給する 。従来のブラシレス発電機は様々な問題を有し、それらの問題により、ブラシレ ス発電機が、フライホイールエネルギー蓄積装置との使用に関する不十分な候補 であるとされる。これらの従来の発電機の多くは、ロータアセンブリにおいて、 磁気フィンガとして湾曲歯を利用している。例えば、Godkinら、米国特許第4,61 1,139号およびFarrの米国特許第4,654,551号は共に、固定子コアにおいて変化す る磁束を生成するための磁気湾曲フィンガを備えたブラシレス交流発電機を開示 する。これらの装置における湾曲歯は、フライホイール適用には全く不適切であ る。その理由は、フライホイールの先端回転の高速度により、歯の湾曲部で高い 応力 集中が生じ、このことは、運転上の安全をひどく損なう。高い応力集中を考慮し て安全な動作を維持するためには、公知のフライホイール装置は、しばしばより 低速な回転速度で動作する。その結果、あいにく、ある容積に対して、より少な い蓄積エネルギーが生じる。 別の種類のブラシレス発電機は、小さな入力信号を、回転部材においてずっと より大きな信号を誘発する励磁機巻線に与えることにより動作する。直流または 低周波交流であり得る入力信号により、交流が回転部材において誘導される。交 流は、次に、当該分野で公知のように（例えば、Pinchottの米国特許第5,065,48 4号を参照）、典型的に回転部材内に配置される整流アセンブリによって直流に 変換される。整流された直流は、主要巻線（回転部材上にある）を通って流れ、 大きな回転磁界を生成する。回転界磁は、主要電機子と相互作用し、それによっ て、電機子巻線において大きな交流信号が生成される。外部負荷に運ばれるこの 大きな交流信号は、励磁機に入力される信号と比べて事実上１０、０００倍大き くなり得る。 ある例においては、励磁機自体は、永久磁石発電機（ＰＭＧ）によって励磁さ れ得る。ＰＭＧを利用する交流発電機の公知例の１つが、Farrの米国特許第4,65 4,551号に記載されている。Farrの磁束界磁は、回転永久磁石リングおよびトロ イダル制御コイルによって生成され、ここでは、トロイダル制御コイルが、リン グとの磁気関係に加算または減算を行うために取り付けられる。しかし、Farrに よれば、固定鉄コア電機子装置の性質から、潜在的に激しいコア損失を受け得る 。 最もよく知られている電磁装置の場合と同様に、多くのブラシレス発電機は、 典型的には、励磁機および主要電機子の両方に鉄のコアを使用して製造される。 例えば、Giuffridaの米国特許第4,647,806号は、スチール板積層スタックから形 成される励磁器電機子を有するブラシレス交流発電機を記載している。Mallick らの米国特許第4,385,251号は、積層スタック固定子に切り込みを入れたスロッ トの回りに巻き付けられた電機子コイルを有するインダクタ−交流発電機を記載 している。GiuffridaおよびMallickは共に当時の公知の装置に対する改良点を記 載しているが、あいにく、両方の特許は、様々なエネルギー損失（例えば、コア 損失）を生み出し、制限された電力密度を生じる電機子の高インダクタンスを有 する機械に関する。 フライホイール装置を設計する際に必要な別の考慮は、ロータ重量の悪影響に 関する。ロータの重量は、エネルギー蓄積の適用において特に関連性がある（フ ライホイールのロータは、典型的に数百ポンドの重量がある）。なぜなら、ロー タは、運動エネルギーを蓄積するために、極めて高速で回転しなければならない からである。従って、ロータを支持する機械ベアリングは、しばしば高い応力下 に置かれ、その結果、急速なベアリングの摩耗が生じる。 フライホイール適用におけるベアリングの摩耗に取り組むためのある公知の方 法は、従来のベアリングを磁気ベアリングに置き換えることである。例えば、Be nedettiらの米国特許第4,444,444号には、浮揚した回転部材に対して平衡状態を 回復するための二重電磁石およびサーボループを用いた、磁気懸垂されたフライ ホイールが記載されている。固定シャフトに取り付けられた電磁石は、ロータの 質量に働く「重力に等しい」磁気引力を提供するために回転部材に取り付けられ た永久磁石および可動性電機子と相互作用する。このような解決法は比較的複雑 で、装置の固定および回転部品に、数個の追加構成部品を取り付ける必要がある 。 さらに、鉄のコアの電機子は、磁気ベアリングの安定化磁力と争うことによっ て磁気的不安定を引き起こすので、Benedetti等の適用は、しばしば「エア−コ ア」の電機子コイルを必要とする。しかし、このような装置はまた、実現が構造 的に複雑である回転部材のために、非常に多量の高価な永久磁石材料を必要とす る（例えば、Benedettiらの電機子は、２つのリングのうち少なくとも１つの回 りに固定された、連続的に逆の極を有する１２の回転磁石を必要とする）。さら に、Benedettiなどの実施は、物理的考慮のために、基本的に制限された出力を 有する（Benedettiは、３７０ｋｇのロータが最大１０ｋｗの電力を供給する実 際的な実施形態を議論している）。 電気機械を実現する際に考えなければならない別の考慮は、磁気回路を有する 磁束の一部として頻繁に使用される不積層材料における渦電流の悪影響である。 例えば、Mallickらの米国特許第4,385,251号には、渦電流が機械における性能損 失の原因となるので、時間変化する磁束がロータスチールおよび不積層の地鉄に おいて渦電流を引き起こすことを防止する一助となる、例えばロータと同心の導 電性リング形状の磁束シールドが提供されている。しかし、Mallickは、渦電流 が磁束シールドにおいても誘導され、その結果、損失が生じるが、そのような損 失は、磁束シールドを持たない機械と比較して低減されることを記述している。 上記に鑑みて、本発明の目的は、高い電力密度を生じるコンパクトな設計を有 する、効率的に高出力を提供する改良フライホイールエネルギー変換装置を提供 することである。 本発明の別の目的は、最小電力が回転フレームにおいて散逸される真空状態で 使用するためのブラシレス発電機を備えた改良フライホイールエネルギー変換装 置を提供することである。 本発明のさらなる目的は、実質的に高いｒｐｍで安全に動作し得る改良フライ ホイールエネルギー変換装置を提供することである。 本発明の別の目的は、高速フライホイールエネルギー蓄積装置に対するコア損 失の影響を低減するための方法および装置を提供することである。 本発明のさらに別の目的は、現在公知の技術と比較して、低コストで製造され 得る改良フライホイールエネルギー変換装置を提供することである。 本発明の請求項１の前提部に記載される特徴の幾つかを有するイナーシャホイ ールは、米国特許第4,211,452号（フランス国出願FR-A-2384174の米国対応出願 ）から公知である。 本発明の請求項１の前提部に記載される特徴の幾つかを有するインダクタ交流 発電機は、米国特許第5,130,593号から公知である。 本発明の請求項１の前提部に記載される特徴の幾つかを有する動的変圧器電源 は、米国特許第5,347,191号から公知である。発明の要旨 本発明の上記および他の目的は、本発明の原理に従って様々なフライホイール エネルギー変換装置を提供することによって達成される。好適な実施形態は、従 来の第１鉄電機子コアの代わりに、エアギャップに配置された電機子コイルを有 するブラシレス発電機を含む。エネルギー蓄積装置はまた、回転する歯付きロー タおよび固定積層リングとともに変化する磁束密度を有する磁束を生成する（ロ ータ上の歯間のギャップによって）少なくとも１つの固定環状界磁コイルも備え る。エアギャップコイルにより、インダクタンスが減少し（コイルが放射状には 薄いことによる）、減少したインダクタンスにより、より高速の電流立ち上がり 時間が可能となり、その結果、フライホイール装置に典型的な高周波でより高い 電力が実現する。インダクタンスは、固体のロータ歯がエアギャップコイルに非 常に近接し、界磁回路が比較的大きなエアギャップを有することから生じる磁束 の圧縮からも低減される。 本発明のさらなる利点は、ロータおよび不積層の固定部品において変化する磁 束を大幅に低減し、その結果コア損失を低減する磁束拡散のための場所を提供す る滑らかな積層リングに関連する。電機子コイルは、滑らかな積層リングの表面 上に配置され、その結果、磁束拡散が生じる前に、コイルが、変化する磁束を完 全に連結する。エアギャップ電機子コイルの使用により、エネルギー蓄積装置が 、効率的に高出力を生成しながら、実質的に小型に製造されることが可能となる 。 様々な好適な実施形態においては、ロータの軸から放射状に外に向かって進行 するエアギャップ磁束を生成する環状界磁コイルが、ロータの上下に配置される （すなわち、２つの環状界磁コイルが使用される）。これらの実施形態において は、ロータの固体ディスク設計により、本発明のフライホイール装置は、ディス クに開けた孔を通して挿入されたシャフトに取り付けられたディスクを利用した 類似のサイズのロータから構成される任意の設計、または放射状に配向されたス ポークによってシャフトに接続された環状リムを使用した任意の設計と比較して 、より多くの慣性エネルギーを蓄積することが可能となる。このことは、少なく とも部分的には、フライホイールの最大角速度と、その結果最大運動エネルギー とを制限する固体ディスクにおける最大フープ応力が、材料が同質であると仮定 して、最大でも、所与の直径、ｒｐｍ、および材料の環状設計が有する最大フー プ応力の半分しかないという事実による。この原理はまた、固体で単一の金属片 が、延長したシャフト状下部を有するディスクへと形成される本発明の他の実施 形態にも適用可能である。 二重界磁コイルの実施形態においては、磁束は、ロータの突出部に達すると、 固定電機子コイルを通過し、次に、装置の固体スチール外側シェルに入る前に、 １つ、もしくは２つの積層リング（すなわち、単一リング、または１つの上部リ ングおよび１つの下部リング）を通過する。外側シェルにより、磁束が放射状に 内側に向けて指向され、磁束が軸方向ギャップを通過しロータへと戻る。界磁コ イルは、電流に比例する全磁束密度を生成する実質的には直流によって駆動され る。直流の使用により、磁束が、ロータにおいて実質的にヒステリシスまたは渦 電流損失を有さずに生成されることが可能となる。所望の性能パラメータに応じ て、外側シェルは、非磁気リング（磁束がシェルを縦方向に進行しないような非 磁気リング）によって分離された上下リングから形成され得る。あるいは、外側 シェルは、上下シェル、２つの軸方向に分極された環状永久磁石、および環状リ ングから形成され得る（以下により詳細に説明する）。 別の好適な実施形態は、ロータの歯付き部分の１側面上に配置された単一の固 定環状界磁コイルを備える（単一の界磁コイルが、図面では、ロータの下に図示 されるが、当業者は、界磁コイルが、代わりにロータの上に配置され得ることを 理解するであろう）。ロータ突出部から放射状に延びているのは、エアギャップ 電機子コイル、固定積層リング、および単一のスチールシェルである。上記の動 作に類似して、実質的な直流が、磁束を生成する界磁コイルに付与される。この 場合には、磁束は、ロータの歯付き部分（この地点で、磁束は放射状に進行し始 める）に到達するまで、ロータシャフトを軸方向に進行する。磁束は、電機子エ アギャップを横切り、エアギャップ電機子コイルを通過し、次に積層リングを通 過して、スチールシェルに入る。スチールシェルは、磁束を最初は軸方向に指向 し、次に、ロータのシャフト部分に向けて放射状に戻るように指向する。この実 施形態はまた、設置位置に応じて、放射状に分極された、または軸方向に分極さ れた永久磁石の追加によって改変され得る。 本発明のさらなる特徴、性質、および様々な利点が、添付の図面および以下の 好適な実施形態の詳細な説明からより明確になるであろう。図面の簡単な説明 図１は、従来の単極インダクター交流発電機の切取斜視図である； 図２は、本発明の原理に従って構築されたフライホイールエネルギー変換装置 の好適な実施形態の縦方向断面図である； 図３は、図２の３−３線で切り取られた、図２のフライホイールエネルギー変 換装置の水平断面図である； 図４は、本発明の原理に従って構築された好適なエアギャップ電機子コイルの 三次元斜視図である； 図５は、エアギャップ電機子コイルのある好適な構造を示す、本発明の原理に よるフライホイール装置の代替の実施形態のシェルの三次元切取図である； 図６は、本発明の原理に従って構築されたフライホイールエネルギー変換装置 の代替の実施形態の縦方向断面図である； 図７は、本発明の原理に従って構築されたフライホイールエネルギー変換装置 の別の代替的実施形態の縦方向断面図である； 図８は、本発明の原理に従って構築されたフライホイールエネルギー変換装置 の単一界磁コイルの代替的実施形態の縦方向断面図である； 図９は、本発明の原理に従って構築された単一界磁コイルのフライホイールエ ネルギー変換装置の代替的実施形態の縦方向断面図である； 図１０は、本発明の原理に従って構築された単一界磁コイルのフライホイール エネルギー変換装置の別の代替的実施形態の縦方向断面図である； 図１１は、本発明の原理に従って構築されたフライホイールエネルギー変換装 置の別の代替的実施形態の縦方向断面図である； 図１２は、磁束が、エアギャップ電機子コイルを軸方向に通過する、本発明の 原理に従って構築されたフライホイールエネルギー変換装置の代替的実施形態の 縦方向断面図である； 図１３は、図１２の１３−１３線に沿って切り取られた図１２のフライホイー ルエネルギー変換装置の部分平断面図である； 図１４は、本発明の原理に従って構築された図８〜図１１の任意のフライホイ ールエネルギー変換装置の代表的設置の縦方向断面図である；そして 図１５は、本発明の原理による無停電電源供給システムの模式的ブロック図で ある。好適な実施形態の詳細な説明 図１は、従来の単極インダクタ−交流発電機機械１を示す。機械１は、２つの 固定積層スタック３および４の間に配置された固定界磁コイル２を備える。積層 スタック３および４は、内部に電機子巻線９が取り付けられる内表面軸スロット を有する。典型的には実質的に固体スチール片である外側シェル５（または地鉄 ）は、固定子アセンブリを囲み、以下に説明されるように、磁束のリターンパス を提供する。シェル５内に取り付けられるのは、自由に回転するロータ６である 。ロータ６は、ロータの各端部で放射状に延びるポールを有し、ポール７は、積 層スタック３および４内で回転する。図１に示されるように、ポールは、１８０ 度片寄るように配向され得る。 機械１は、界磁コイル２に直流を与えることによって動作する。電流によって 、単極磁束が積層スタック３および４の１つを通され、対応するロータ６のポー ルへと動かされる。磁束は単極であると言われ、その理由は、シェル５内でロー タ６が回転する際に、個々の積層スタック３および４において磁束の反転が生じ ないからである。ロータ６に入ると、磁束は、他方のポールに到達するまでロー タ６を軸方向に進行する。次に、磁束は、回転ポール間のエアギャップを横断し 、積層スタック３および４のうちの他方のスタックへと進行する。他方の積層ス タックを通過した後、磁束は、完全な閉ループを完成するまでシェル５を進行す ることによって磁気回路を完成する。ロータ６のポール７間に大きな磁気スロッ ト８が存在することに注目のこと。これらのスロットは、エアギャップにおいて 磁束の流れを妨害し、その結果、その内部で磁束が時間と共に変化する。時間変 化する磁束は、電機子巻線９において交流電圧を生成する。 図２を参照して、本発明の原理によるフライホイールエネルギー変換装置１０ の好適な実施形態を説明する。フライホイール装置１０は、シェル１８内部に配 置されたディスクの周囲（隠れ線１６によって示されるようなディスクの周囲− −図３はロータ１２の水平面図を示す）に沿って切り取られた一連の実質的に同 様の歯１４（すなわち突出部）を有する実質的に平面のディスクロータ１２を備 える。シェル１８は、スチール等の実質的に高透磁性材料から好適に形成される 。シェル１８は、上部シェル２０、下部シェル２２、およびその間に配置される 非 磁気材料２４の環状インサートを備える。図示される「スプリット」シェルがシ ェル１８として使用され得るが、当業者は、シェル１８はまた、非磁気性インサ ートを有さない２片の高透磁性材料から形成されて「単一」シェルを形成し得る ことを理解するであろう。これらの２つの方法の違いは、以下の考察から明らか となるであろう。どちらの構造（すなわち、スプリットシェルまたは単一シェル ）においても、１組の軸方向エアギャップ２６および２８が、シェル１８とロー タ１２との間に形成される。 ロータ１２は、好適には、シャフト３４（ベアリング（不図示）上にロータを 取り付けるためのシャフト）を有して、スチール等の単片の高透磁性材料から形 成される。単一のロータ（中央孔を有さない）の使用により、追加の重量が必要 ではあるが、顕著に向上した安全および性能特性を有するフライホイール装置１ ０が提供される（これは、比較的単純な構築と、より高いエネルギー密度を生じ させる安全性の向上した回転速度とによる）。シェル１８内部に取り付けられる のは、上部環状界磁コイル３０および下部環状界磁コイル３２であり、これらの コイルは共に、ロータに対して定常を保つ。界磁コイル３０および３２は、好適 には、ロータ１２の歯１４が、コイル間を完全に通過するように構成される（例 えば、各歯１４の半径の長さが、界磁コイル３０および３２の半径長さより短く 、界磁コイル３０および３２の最小半径が、各歯１４の最小半径より小さい）。 この構造は、小型の装置を提供するので好適であるが、界磁コイル３０および３ ２は、必要とされる設計に便利なようにシェル１８内のどこにでも配置され得る （ある出力に対してロータで必要とされる磁束を誘導するのに必要な適切なアン プ回数（amp-turn）が必要とされるのみである）。 フライホイール装置１０はまた、上部ベアリングコイル３６および下部ベアリ ングコイル３８を有していてもよく、その場合には、ベアリングコイル３６およ び３８は、ベアリングコイル３６および３８が物理的に界磁コイル３０および３ ２とロータ１２との間に位置するように、界磁コイル３０および３２にそれぞれ 取り付けられる。設置された場合には、ベアリングコイル３６および３８は、従 来の軸方向磁気ベアリングと同様に機能するように、または、１組の機械ベアリ ング（不図示）からロータ１２の重量の大部分を取り除くように制御され得る。 界磁コイル３０および３２の場合のように、ベアリングコイルの特定の位置は重 要ではない。例えば、界磁コイルおよびベアリングコイルは、悪い動作影響を生 じさせることなく図２に図示される実施形態において変更され得る。 １つ以上のひずみゲージ（不図示）が、ベアリングコイル３６および３８を制 御するために、シェル１８に取り付けられ得る。ひずみゲージにより、コイル３ ６および３８に対して、上部エアギャップ２６におけるある量分の磁束密度の増 加と、その一方で、下部エアギャップ２８における同量の磁束密度の減少とを命 令する閉ループ制御器（不図示）に対する入力が提供される。この変化の正味影 響は、機械ベアリング（不図示）に対する最適な一定負荷を維持する一方で、ロ ータ重みの大部分を支持することである。ロータが固体の磁気構成部品であると いう事実により、ベアリングコイル３６および３８がロータに対して（公知の複 合フライホイールシステムの場合のように別個のスチールロータに対してではな く）直接的に動作することが可能となる。 当業者は、ベアリングコイル３６および３８を設けることは、ギャップ２６お よび２８を横切ってロータ１２に付与される軸方向の力を制御するための便利な 方法の１つであるが、ベアリング３６および３８を省略することも実用的である ことを理解するであろう。そのような状況下では、ギャップ２６および２８を横 切る軸方向の力は、界磁コイル３０および３２を別々に駆動することにより制御 され得、その場合には、ロータ１２に対する正味の力は、別々に制御される界磁 コイル３０および３２における電流間の差の関数である。 １組の滑らかな上部および下部積層リング４０および４２もまた、それぞれシ ェル１８の内部に配置される（リングが「滑らか」であると称される理由は、ス ロットまたは孔が、電機子コイルの配置のために切り取られる従来の積層リング と比較して、ロータに対向する表面が滑らかであるからである）。当業者は、単 一シェル構造が選択された場合に、単一積層リングが、１組のリングの代わりに 使用され得ることを理解するであろう。単一積層リングが使用され、分離器リン グ２４が設置されない場合には、シェル１８は、分離器が位置したであろう場所 に入り込む。その結果、ベアリングコイル３６によって駆動される磁束の一部が ギャップ２８を通過し、わずかにより多くの電力がベアリング機能のために必要 とされる。 積層リング４０および４２は、軟鉄またはスチールなどの高透磁性材料のリン グまたはアークセグメントの積層スタックから形成され得る（該材料が、外部か ら付与された磁界が存在する場合にのみ磁化されるように形成される）。あるい は、リング４０および４２が、フェライトまたは任意の他の適切な材料等の固体 高透磁性材料から形成され得る。リング４０および４２は、ロータ１２の放射状 の最も外側の端部と、シェル１８との間に配置されるように、シェル１８内に取 り付けられる。所望の動作パラメータに応じて、リング４０および４２は、シェ ル１８に直接隣接して配置され得る、または、その代わりに、追加のエアギャッ プ５４がシェル１８とリング４０および４２との間に形成されるように、シェル １８の放射状の内側部に配置され得る。追加のエアギャップ５４により、積層リ ングにおける磁束拡散が向上し、その結果、積層リングがより小型となることが 可能となる（このことにより、より安価となるというさらなる利点が提供される ）。追加エアギャップ５４はまた、界磁回路の磁気抵抗をさらに増加させ、界磁 コイルおよび電機子コイル両方のインダクタンスおよび時定数を低下させる。 数個のエアギャップ電機子コイル４４が、ロータ１２と積層リング４０および ４２との間に形成された電機子エアギャップ４６の内部に配置される。本発明の 好適な実施形態においては、エアギャップ電機子コイル４４は（放射状の実施形 態においては）、図４により詳細に示されるように、非常に小さな軸方向空間を 占めるＺ字形コイルである。図４に図示されるように、各電機子コイル４４は、 ロータの突出部１４を通過する磁束に曝される１組の垂直脚部４１および４３を 備える。エアギャップコイル４４は、垂直脚部４１および４３がクロス部材４５ および４７と一体化されて完全なコイルループを形成するように、好適にはＺ字 形に形成される。リード４９が電機子コイル４４から形成され、それによって電 機子コイルが、追加回路機構（例えば、モータ電流またはフライホイール装置か らの引き込みエネルギー（draw energy）を付与する電子装置）に接続され得る 。 Ｚ字形の電機子コイル４４の好適な物理的レイアウトは、図５に示され、以下 により詳細に説明される。エアギャップ電機子コイル４４は、固体で、電気的に 導電性の低透磁性材料（例えば、銅）の単一片から形成され得るが、好適には、 旋回ワイヤ（turns of wire）で形成され、各エアギャップ電機子コイルは、互 いに電気的に絶縁し、並列で互いに電気的に接続された複数の導電体で構成され 得る。リッツ線として公知である、そのようなワイヤの１例は、互いに束ねる、 または均一なツイストパターンおよびレイの長さ（length of lay）で編組みさ れた個々の膜絶縁ワイヤで構成される（その結果、リッツ線で形成されたコイル は、互いに並列で、少なくとも１つの別の並列導体セットに直列に接続された少 なくとも１セットの導体を有する）。この構造により、固体導体の表皮効果電力 損失、または高周波電流が導体表面に集中する傾向が低減される。適切に構築さ れたリッツ線は、配線のある長さ内で中央から外側および背部に移動する均一な パターンでそれぞれ配置される個々のストランドを有する。表皮効果損失の低減 に加えて、リッツ線および他の小さなゲージを有する配線の複数ストランド束に より、より大きなゲージの配線の単一のストランドと比較して、飛躍的により低 い渦電流損失が生成される。 フライホイール装置１０の動作の影響が、以下のように図２および図３に示さ れる。フライホイール装置１０は、実質的な直流（または変化する直流）を界磁 コイル３０および３２に付与することによって動作し、この直流により、ロータ １２が回転する間に実質的に不変である全磁気抵抗を有する磁気回路が生じる。 界磁コイル３０および３２は、スピンするロータ１２において実質的に不変の単 極磁束を効率的に誘導する（直流のみが界磁コイルに付与されることから不変で あるこの磁束は、フライホイール装置の性能に悪影響を与え得る実質的なヒステ リシスおよび渦電流損失を生じさせない）。磁束密度は、界磁コイル３０および ３２の電流に比例する。参照符号４８および５０で示されるような誘導された磁 束は、ロータ１２の歯１４を通って放射状に外側に進行する（図２および図３の 参照符号５２の矢印に示されるように進行する）。 磁束は、矢印５６によって示されるように、ロータの歯１４から電機子のギャ ップ４６を通って積層リング４０および４２へと進む（図３にはリング４０のみ が図示されている）。積層リング４０および４２は、本発明の原理に従って、磁 束がシェル１８に入る前に磁束を拡散するように作用する。フライホイール装置 １０を通過する磁束は、通常、最小の磁気抵抗経路、すなわち歯１４から直ぐ外 側でシェル１８へと入る半径方向に沿って進行する。 積層リング４０および４２で生じる磁束拡散がなければ、磁束は、ロータ歯１ ４の回転の結果生じる高振幅波としてシェル１８に到達する傾向がある。しかし 、磁気回路の全長および追加エアギャップ５４（用いられた場合）の高磁気抵抗 を考慮すると、磁気抵抗は、図３のカーブした矢印によって示される幾分非放射 状の経路において、完全な放射状経路の場合と実質的に同じである。従って、磁 束が不積層シェル１８内へと入るまでに磁束密度が実質的に均一で、歯の位置と 無関係となるまで、磁束が積層リングにおいて拡散する。これにより、ヒステリ シスおよび渦電流損失が大幅に減少する。 本発明の磁束拡散原理に関するさらなる改善は、必要に応じて、シェル１８と 積層リング４０および４２との間に追加エアギャップ５４を設けることによって 達成され得る。追加エアギャップ５４を備えることによって、積層リング４０お よび４２のサイズにおける半径の縮小が可能となり、この半径の縮小によって、 積層リングにおける回転磁束によるコア損失が低減され、製造コストが低減され る（より少ない積層材料が必要である）。追加エアギャップ５４は、磁束拡散が 半径方向により小さい積層リングで生じるように強制する高磁気抵抗バリアとし て作用する。実際には、追加エアギャップ５４は、低透磁性材料で充填され得る 。 一旦磁束がシェル１８に入ると、磁束は、矢印５６で示されるように、回転軸 と平行に進行するように方向を変える。シェル１８の軸方向の限界点に達すると 、磁束は、別の直角の方向転換を行い、ロータ１２の軸に向かって放射状に（矢 印５８および６０によって示されるように）進行し始める。磁束は、軸方向に（ 矢印６２によって示されるように）再び曲がり、ロータ１２に再び入る前に、軸 方向エアギャップ２６および２８を横切る（矢印６４に示されるように）。エア ギャップの全領域は（２つまたは３つのエアギャップが使用されるかどうかにか かわらず）、ロータ１２の回転とは無関係に不変であり、その結果、回路の全磁 束は、回転と共に変化しない。 積層リングに埋め込まれた電機子コイルを有する公知の発電機においては、電 機子巻線のためのスロット（または孔）によって作られる不連続面により、全磁 束および磁気抵抗が共に、ロータの回転と共に幾分変化する結果となり、それに よって、より大きな損失が生じる。全磁束および磁気抵抗を一定に保つことによ って、回路の固体スチール部分における損失が小量に維持され、回路が効率性を 維持する（すなわち、熱の生成が最小に維持される）。さらに、積層リングにお いて、電機子巻線のためのスロットをカットするために必要とされる余分な製造 ステップにより、従来の電機子巻線を用いた装置の全体的なコストがさらに増加 する。 回路において全磁束および磁気抵抗が不変であるけれども、回転歯１４により 、電機子エアギャップ４６および積層リング４０および４２において回転ピーク 磁束密度が生成される。電機子エアギャップ４６における回転ピーク磁束密度は 、固定電機子コイル４４において電流を誘導する。電機子コイル４４の出力電圧 は、回転歯１４の先端速度および電機子エアギャップ４６の磁束密度に正比例し 、電力は、電圧の平方に比例する（一定の回路インピーダンスが与えられた場合 ）。電機子エアギャップの磁束密度が、界磁コイル３０および３２に付与される 電流に正比例するので、本発明のフライホイール装置は、ロータ１２が減速する につれて、単に、界磁コイル３０および３２に付与される電流をゆっくりと増加 させることによって、一定の出力電圧を容易に維持できる。これにより、公知の エネルギー蓄積装置と共に頻繁に使用される高価な電力電子装置の必要性がなく なる。さらに、単純に、三番目毎の電機子コイル４４を共に接続することにより 、フライホイール装置１０は、３相の交流出力信号を生成することができる。 本発明のさらなる利点は、フライホイール装置１０が、上記の構造を少し変更 するだけで、３相のブラシレスモータとして使用され得るという事実である。モ ータとして使用するために必要とされる変更は、図５により明白に示される。図 ５は、図２および図４のエアギャップ電機子コイル４４の好適な構造を示す。フ ライホイール装置１００は、スチール等の実質的に高透磁性材料のシェル１１８ と、上記の積層リング４０および４２と同様の単一積層リング１４０とを備える 。シェル１１８内には、非磁気材料から形成される支持フレーム１７０およびロ ータのシャフト（図５には不図示）を保持する機械ベアリング１７２も含まれる 。図２に示される実施形態においては、シェル１８の水平部分が、シャフト３４ が内部に取り付けられ得るように回転の中心を覆うように延長する場合には、支 持 フレーム１７０は排除され得る。 フライホイール装置１００は、２つのオフセット層において積層リング１４０ の外周のまわりに取り付けられた２４個の場合の電機子コイル４４（図２および 図４のコイル）を含む。好適な電機子コイル４４は、２つの垂直脚部１７４およ び１７６の各々が離れて配置され、それによって、２つの脚部にほぼ等しいウィ ンドウ１７８が形成されるように設計される。１２の電機子コイル１８０の下層 は、積層リング１４０の外周のまわりに互いに隣接して配置される。次に、１２ の電機子コイル１８２の上層は、コイル１８０の下層の上に配置され、各下層組 の隣接する脚部が電機子の各上層のウィンドウ１７８を通して見えるように下層 から分岐する。従って、本発明の電機子コイルは、鉄スロットによって分離され ることはなく（従来的に行われるように）、より多くの配線が、所与のエアギャ ップ内に納まり得る。エアギャップにおいてより多くの量の配線を設ける能力は 、本発明のフライホイール装置をより小型にするさらなる要因であり、小型化に より、公知のフライホイールと比較してより高い電力密度が生じる。 ２４の電機子コイル４４が図５に示されるが、当業者は、様々な他の構成が、 本発明の範囲から逸脱することなく利用され得る。しかし、所望の装置が３相の 装置である場合には、適切な相アライメントを維持するために、電機子コイルの 総数が３で割り切れるべきである。 各電機子コイル４４はまた、そこから信号が入力または出力され得る１組のリ ード４９と共に設けられ得る。フライホイール装置１００が、エネルギー出力装 置として利用されている場合には、出力電圧は、単純にリード４９から引き出さ れ、必要に応じて、効率的に整流および濾過される。その場合には、運動エネル ギーが、電気エネルギーに効率的に変換され、フライホイール装置１００が、潜 在的に危険な化学薬品を使用することなく基本的にバッテリとして動作する。 フライホイール装置１００にエネルギーを加えるためには、装置は、３相モー タとして駆動される。最も単純なモータの実現では、好適には、３つの追加セン サが回路に追加される。ホール効果センサ１８４、１８６、および１８８が、３ つの連続する電機子コイル４４の一番左寄りの脚部における磁束密度をモニタす るように配置される。電機子コイルの各グループ（発電機構成の場合には、電機 子コイルは、３つのグループにおいて互いに連結されている）の転流は、センサ １８４、１８６、および１８８からの入力信号に基づいて制御される。 １つのグループにおける全電機子は、センサが、左の脚部全体が歯１４の一つ に覆われていることを感知すると駆動される（歯は、左から右へ回転し、センサ １８４、１８６、および１８８を通り過ぎ、電機子コイルを横切る（図５に図示 のように）と仮定する）。このように、ロータを軸の回りで駆動し続けるために 、各相は順に駆動される。本発明のフライホイール装置の利点の１つは、多くの 適用では、フライホイールからエネルギーを引き出すために高電力放電が必要と されることに比べ、エネルギーが、顕著により低速で補充され得ることである。 より低速でのフライホイールへの駆動電力により、劇的なコストの低下が提供さ れ、このコストの減少は、電機子コイル４４を通して一方向のみに電流を駆動す ることによって、より少ない電力トランジスタが必要であるという事実から、さ らに低減され得る。必要とされる駆動論理の単純化により、信頼性の向上も提供 される。同じ感知スキームはまた、双方向性電流を用いて電機子コイル４４を駆 動する従来の３相制御器回路機構と共に使用され得る。ホール効果センサを必要 とすることなくモータの転流を制御するために、電機子コイル４４から逆ＥＭＦ パルス（back-EMF pulse）を使用することも可能である。さらに、当業者は、最 適なセンサが、転流情報を提供するために使用され得ることも理解するであろう 。 エネルギー蓄積装置からのエネルギー要求は、全電力が、しばしば応需様式（ on-demand mode）で必要とされるような要求であることにも注目すべきである。 上記のフライホイール装置からそのような能力を提供するためには、界磁コイル は、好適には、常に十分に励磁され続ける（少なくとも部分的には、界磁回路の インダクタンスによって生じる遅延による）。しかし、この要求により、積層リ ングおよび固体スチール部分における界磁コイル加熱およびコア損失による一定 の小さな電力排出が生まれる。 本発明の様々な特徴（特に、電機子コイルスロットまたは孔を有さない滑らか な積層リングを含む）により、これらの一定の待機損失が大幅に減少される。そ れでも、非常に多量のエネルギーが必要とされる場合には、ただ一つのフライホ イールが完全にまたはほぼ完全に励磁した状態で維持されるマルチフライホイー ルシステムを設けることが好適であり得る。励磁されたフライホイールは、他の フライホイールが完全に励磁した状態（すなわち、完全動作磁束が生成されてい る）へと強まる間に、電力要求を満たす十分な電力を生成することができなけれ ばならない。この場合には、必要電力の即時的出力を提供しながら、コア損失お よび界磁コイルの加熱が最小限となり得る。 図６には、フライホイール装置２００において本発明の代替の実施形態が示さ れる。フライホイール装置２００は、図２のフライホイール装置１０に実質的に 同様である。２つのフライホイール装置の差は、フライホイール装置２００が単 一の積層リング２０２（装置１０に示される２つのリング構造と対比して）と、 シェルの構築を有するという事実である。フライホイール装置２００は、単一の 積層リング２０２を有して図示されるが、当業者は、図２の２つのリング構造が 、フライホイール装置２００に等しく適用され得ることを理解するであろう。 フライホイール装置１０とフライホイール装置２００との主な差は、フライホ イール２００への永久磁石の追加である。シェル２１８は、図２の上部および下 部シェル２０および２２に実質的に同様の上部シェル２２０と下部シェル２２２ とから形成される。しかし、上部シェル２２０に取り付けられるのは、上部軸方 向分極環状永久磁石２０４であり、永久磁石２０４は、単一の磁石、あるいは、 製造上の制約から、リングを形成するように組み合わせられたアークセグメント のセットであり得る。高透磁性材料（好適にはスチール）の追加環状セクション ２０６が、上部永久磁石２０４に取り付けられ、下部軸方向分極環状永久磁石２ ０８がセクション２０６に取り付けられる。下部シェル２２２は、下部永久磁石 ２０８に接続し、それによって、シェル２１８が完成される。 フライホイール装置２００は、フライホイール装置１０と似た形態で動作する が、永久磁石２０４および２０８が含まれることにより、フライホイールが待機 状態中に最高速度でアイドリングしている際の界磁電流の必要性が排除される。 その間に、永久磁石２０４および２０８は、追加の駆動電流なしに、磁束を駆動 して磁気回路に通す作用を果たす。本発明のこの特徴により、待機動作中の界磁 コイルのＩ²Ｒ電力損失が排除され、界磁回路の磁気抵抗がさらに上昇し、それ によって、電機子のインダクタンスがさらにもっと低減される。これらの改善点 は有利ではあるが、永久磁石の使用は、装置の全体的なコストに顕著な影響を与 え得る。従って、実際的な状況下では、この永久磁石の実施形態は、待機損失の 低減および最高電力密度の達成が非常に重要である場合にのみ適用可能であり得 る。さらに、フライホイール２００が追加エアギャップ５４を有して示されてい るが、当業者は、これは単なるオプションであり、追加ギャップ５４が、本発明 の精神から逸脱することなく排除され得ることを理解するであろう。 代替の第２の永久磁石の実施形態が、フライホイール装置３００を示す図７に 示される。フライホイール装置２００と同様に、フライホイール装置３００は、 単一の積層リング２０２を有することが図示されているが、上記のように、二重 の積層リング構造も利用され得る。フライホイール装置３００は、実質的に放射 状に分極した永久磁石セグメント３０４のリング（単一の環状永久磁石リングも 使用され得る）が、積層リング２０２の内側表面に取り付けられる点で上記のフ ライホイールとは異なる。永久磁石セグメント３０４の使用により、永久磁石２ ０４および２０８に関する上記の利点と同じ利点が提供されるが、磁石３０４は 、回転歯１４の軸方向範囲のため、より大きな体積を占める必要があり得る。よ り大きな体積により、より低いエネルギー生成磁石材料（energy-product magne t material）が使用され得る（すなわち、より低いコスト）というさらなる利点 が提供される。放射状分極磁石のさらなる利点は、さらなる磁束拡散を生じさせ ることが可能でありながら（磁石が低透磁性の低導電性材料から形成されると仮 定した場合）、さらにより高い電力密度を実現するために電機子コイルのインダ クタンスをさらに低減する点である。さらに、上記のように、追加エアギャップ ５４を含むことが選択できる。 上記の二重界磁コイル構造に加えて、本発明の原理は、図８〜図１１に示され るような数個の単一界磁コイル構造の使用によって実行され得る。図８は、点線 ４１６によって規定される上記のような歯４１４と下部４３６とを有するロータ ４１２を含むフライホイール装置４００を示す。ロータ４１２は、固定シェル４ １８（スチール等の高透磁性材料の単片から形成される）内で回転する。単一界 磁コイル４３０は、実質的な直流電流を付与されると、下部４３６において一方 向性の軸方向単極磁束を誘導する。磁束は、矢印４３８で示されるように、ロー タ４１２の下部４３６から歯４１４へ進行する。 磁束は、ロータ４１２のほぼ最上部に到達すると、外向きの半径方向に進行し 、フライホイール１０に関して（ロータ１２および歯１４に対して）上に説明し たように、歯４１４を通ってロータ４１２から外に出る。歯４１４を出る際に、 磁束は、電機子ギャップ４４６を横断し、電機子コイル４４４を通って単一積層 リング４４０へと入る。積層リング４４０は、磁束が上記と同じようにシェル４ １８に入る前に磁束を拡散するように作用する。磁束は、次に、ロータ４１２の 軸に向けて垂直方向に曲がる前にシェル４１８を通って軸方向に進行する。最終 的に、磁束は、ロータ４１２に再び入る前に、小さなエアギャップ４２８を横切 る。 上記のように、回路における全磁束および磁気抵抗は、ロータ４１２の回転と 共に変化しないが、回転歯４１４は、磁束が通過する際に、電機子エアギャップ ４４６および積層リング４４０において、局所的に変化する磁束密度を生成する 。図４に関して上に説明したように、エアギャップコイル４４４のリードは、電 機子に、この変化する磁束密度と相互作用させる外部回路機構に接続され得、そ れによって、フライホイールの運動エネルギーが電気エネルギーに変換される、 または、外部的から供給された電気エネルギーが運動エネルギーに変換される。 フライホイール４００の構成部品は、界磁コイルにおける誘導電圧、変化する磁 束、磁束密度および電流間の比率に関してフライホイール１０、１００、２００ 、および３００に対して上に説明したのと同じ特性を基本的に有する。 図９には、フライホイール装置４００の実質的に全ての構成部品を含む単一界 磁コイルフライホイール装置５００の代替の実施形態が示される。簡単にするた めに、フライホイール装置４００と５００との間で基本的に同一の構成部品の各 々は、参照符号の最後の２桁が同じであり、従って、上記の記載が等しく適用さ れる（そして、更なる説明は行わない）。フライホイール４００と５００との主 な差は、図６に関して上に説明した様式と同様の様式で、永久磁石５０４を含む ことである。シェル５１８は、磁石５０４に取り付けられる上部シェル５２０か ら形成され、磁石５０４は、下部５２２に取り付けられる。フライホイール４０ ０および５００は、積層スタックとシェルとの間の追加エアギャップなしで図示 されるが、当業者は、追加エアギャップがここで使用されてもよいことを理解 するであろう。 図１０には、フライホイール装置４００および５００の実質的に全ての構成部 品を含む単一界磁コイルのフライホイール装置６００の別の代替的実施形態が示 される。簡単にするために、フライホイール装置４００、５００、および６００ 間で基本的に同一の構成部品の各々は、参照符号の最後の２桁が同じであり、従 って、上記の記載が等しく適用される（そして、更なる説明は行わない）。フラ イホイール５００と６００との主な差は、永久磁石６０４の位置である。フライ ホイール装置６００は、図７に対して上に説明した様式と同様の様式で永久磁石 ６０４を用いる。シェル６１８は、高透磁性材料の単片から形成され、永久磁石 ６０４は、積層リング６４０に取り付けられる。さらに、フライホイール６００ はまた、図示されていないが、積層スタックとシェルとの間に追加エアギャップ を有していてもよい。 図１１には、フライホイール装置８００において本発明の別の代替的実施形態 が示される。フライホイール装置８００により、平均待機損失の低減が提供され る。この利点は、機械的複雑さの増加、蓄積エネルギーの低下、または安全要素 の低下と引き換えにもたらされる。従って、フライホイール８００は、同レベル の安全性を達成するために、フライホイール１０、１００、２００、３００、４ ００、５００、および６００と比べて低い回転速度で動作する必要があり得る。 従って、フライホイール８００は、他のフライホイールと同じエネルギーを蓄積 するためにより重いフライホイールを必要とし得る。 フライホイール８００は、点線８１６で規定されるような歯８１４を有するロ ータ８１２を含む。ロータ８１２はまた、歯８１４の始まりまで放射状に延びる 下部８３６を備える。ロータ８１２の下部８３６は、低透磁性ディスク８２４に 接続され、それによって、ロータ８１２が回転する時に回転する。シェル８１８ の外側部分８２０は、非鉄ディスク８２４に物理的に接続され、それによって、 シェル８１８もまたロータ８１２と同期して回転する。シェル８１８の追加下部 ８２２は動かず、環状界磁コイル８３０に固定される。従って、図１１において は、通常動作の間、下部８２２および界磁コイル８３０のみが静止している。下 部８２２は、部分８２２の両側面上に２つのギャップ８２６および８２８が存在 するように配置される。外側部分８２０が、電機子ギャップ８４６が外側部分８ ２０とロータ８１２との間に形成されるように配置される。エアギャップ８４６ に配置される電機子コイル（不図示）は、好適には、フライホイール装置８００ を他の電気装置に接続するために使用される。 フライホイール８００の利点の１つは、拡散素子としての積層リングの排除で ある。その代わりに、外側部分８２０が磁束拡散のために利用可能である。その 理由は、部分８２０の全体の高さが磁束を実質的に均質化する傾向があり、それ によって、磁束が下部８２２に入る時までには、全ての外周位置で磁束が基本的 に等しいからである。 上記実施形態の各々は、電機子コイルを放射状に通過する磁束を例示するが、 当業者は、本発明の原理が、磁束が電機子を軸方向に通過する実施形態に対して も等しく適用されることを理解するであろう。軸方向磁束の実施形態の一例が、 図１２および１３において、二重界磁コイルフライホイール装置９００によって 示される。さらに、フライホイール装置９００が二重界磁コイル装置として示さ れるが、当業者は、フライホイール装置９００が、本発明の精神から逸脱するこ となくロータ９１２の上または下に配置される単一界磁コイル（および関連の電 機子コイル）を用いて実現され得ることも理解するであろう。 フライホイール装置９００は、磁束が、放射状にではなく軸方向に電機子コイ ルを通過するような相対位置が構成されることを除いては、基本的に上記のフラ イホイール装置と同じ原理で動作する。従って、そして簡単にするために、上記 のフライホイール装置とフライホイール装置９００との間で基本的に同一の構成 部品の各々は、参照符号の最後の２桁が同じであり、従って、上記の記載が等し く適用される（そして、更なる説明は行わない）。フライホイール装置９００は 、好適には、上記の電機子コイルと同様のＺ字形のネスティング（nested）され た３相電機子コイルを装備するが、電機子コイル９８４および９８６は、単相出 力に適した平坦コイル（flat coil）として図示される（図４および図５に示さ れるコイルと図１２および図１３に示されるコイルとを比較のこと）。 当業者は、図１２および図１３に示される単相平坦コイルが、本発明の範囲か ら逸脱することなく、本発明の上記いずれかの実施形態と共に使用され得ること を理解するであろう。Ｚ字形コイルと比較してより単純且つより安価に製造され る平坦コイルは、発電機の電力密度を減少させる傾向があり、このことは、常に 重要な設計上の考慮であるとは限らないかもしれない。さらに、磁束は、積層リ ング９４０および９４２を軸方向に進行するので、リング９４０および９４２は また、より低いコストで製造され得る（例えば、リング９４０および９４２は、 平坦なスチールシートのコイルを心棒上に単純に巻き付けることによって製造さ れ得、このことにより、リング９４０および９４２が、断続しないリングまたは アークセグメントのどちらから形成されるかにかかわらず、上記の積層リングか ら切り取られて無駄にされるスチールの部分が排除される）。 フライホイール装置９００は、界磁コイル９３０および９３２が、実質的な直 流によって駆動される点で、上記のフライホイール装置と同様に動作する。しか し、図１２の構造では、誘導された磁束が、歯９１４の先端から放射状にではな く軸方向に歯９１４から出る。次に、磁束は、エアギャップ電機子コイル９８４ および９８６を進行し、そして、スプリットシェル９１８に入る前に積層リング ９４０および９４２を通過する。図１２には、１組の追加エアギャップ９５４お よび９５５が示されるが、当業者は、ギャップが省略され得る、あるいは、本発 明の精神から逸脱することなく、上記のように、ギャップが低透磁性材料で充填 され得ることを理解するであろう。さらに、本発明の原理が、図１２に示される 実施形態と永久磁石とを上記いずれかの様式で組み合わせ、フライホイール装置 の動作パラメータを変更することによって実行され得る。 フライホイール装置９００の構造は、設計者に、設計選択を行う際に考慮する べきさらなる要素を提供する。例えば、フライホイール装置９００は、エアギャ ップ９５４および９５５におけるより低速な平均先端速度（所与の直径に対して ）という犠牲を払って、上記のフライホイール装置と比較して小さな全体の直径 を有する。より小さな直径により、磁気回路の非回転構成部品がより軽くなり、 より安価に製造される結果となる。 図１４は、上記のフライホイール装置のいずれにも対応し得るフライホイール 装置９６０（すなわち、１組の歯および積層リングを備えるロータ）の代表的設 置（installation）を示す。しかし、図示されるように、図１４は、ロータの一 部として下部Ｘ３６を含む本発明の実施形態に特にあてはまる。当業者は、図１ ４に示され、図１４に関して説明される本発明の原理が、ロータが単なる平坦デ ィスクである実施形態（図１４に示される設置に小さな変更を加えたもの）に等 しく適用され得ることを理解するであろう。従って、設置構成部品のみが、図１ ４に関して考察される。ロータのシャフト３４が、２つの機械ベアリング９６２ および９６４に載る。機械ベアリング９６２および９６４は、好適には、単純な ボールベアリング、またはローラーベアリングである（その理由は、これらのベ アリングが安価で、単純で、信頼性があるからである）。 本発明の原理によれば、機械ベアリング９６２および９６４の特性は、ベアリ ングへの負荷を低減することによって大幅に向上する。負荷が減少することによ って、ベアリング９６２および９６４が、最小レベルの抵抗（drag）で機能し、 延びた運用寿命を持つことが可能となる。しかし、最大の寿命は、全負荷を実質 的に取り除くのではなく、ベアリングに対してある小さな負荷が維持されること を保証することによって機械ベアリングから得られ得る。 機械ベアリング９６２および９６４に対する負荷は、環状電磁石９６６の形態 の磁気ベアリングの使用によって低減される。閉ループ制御器（不図示）に入力 を提供する１つ以上のひずみゲージ（不図示）が、シェル内で支持構造上に配置 され得る。制御器は、電磁石９６６に対して、機械ベアリング９６２および９６ ４に対する最適な一定負荷を維持しながら、ロータの重みの大部分を支持するよ うに命令する。ベアリングおよび電磁石支持体が十分な剛性を有している場合に は、磁気ベアリングは、単純な一定電流によって制御され得、ひずみゲージが全 く必要とされない。ロータが固体磁気構成部品であるという事実により、電磁石 ９６６がロータに対して直接的に（公知の複合フライホイールシステムの場合の ように別個のスチールロータに対してではなく）動作することが可能となる。当 業者は、シャフト３４が地球の重力ベクトル９６８と実質的に平行するようにフ ライホイール装置９６０が設置される場合には、電磁石９６６が最も効率的であ ることを理解するであろう。 図１５には、無停電電源システム９７０を提供するために、どのように本発明 の原理が適用され得るかの代表例が示される。ＩＮにおいて（典型的には電力会 社から）一次電力を受け取り、ＯＵＴにおいて供給電力を供給するシステム９７ ０は、短期の予備電力を供給するための界磁制御可能発電機を備えた任意のフラ イホイールエネルギー変換装置であり得るフライホイール蓄積ユニット９７２を 備える。システム９７０は、以下の少なくとも１つを含む：入力ラインモニタ９ ７４、出力ラインモニタ９７６、および直流バス（buss）モニタ９７８。これら のいずれか、または全てが、一次電力、界磁コイル制御器９８０、整流器９８２ 、およびインバータ９８４（インバータ９８４は、トランジスタタイミングおよ び駆動回路機構（不図示）を含む）の中断を直接的または非直接的に監視するよ うに作用し得る。より長期の非常用電力が必要とされる場合（すなわち、フライ ホイール蓄積ユニット９７２に蓄積される運動エネルギーによって供給され得る 期間よりも長い間）には、転送スイッチ９８６が、予備ディーゼル発電機等の予 備電力源９８８に供給ラインを転送するために含まれ得る。 通常の動作状態の下では、交流電力が、ＩＮから、該電力を直流に変換する整 流器９８２へ入力される。小量の直流電力が、小型のインバータ（不図示）によ って交流電力へと変換し戻され、フライホイールを公称の待機時ｒｐｍへと加速 し、フライホイールの回転を公称の待機時ｒｐｍで維持するため（すなわち、上 記の電気および機械的待機損失を克服するため）に、フライホイール蓄積ユニッ ト９７２に与えられる。損失を最小限に抑えるために、フライホイール蓄積ユニ ット９７２における界磁コイルは、好適には、一次電力の不足が検出されるまで 減少値で維持される。直流電力の大部分は、電力を交流に変換し戻し、ＯＵＴを 介して電力を外部回路機構（不図示）に供給するインバータ９８４に送られる。 一旦モニタ９７４、９７６、または９７８のいずれかによって一次電力の中断 が検出されると、界磁コイル制御器９８０は、フライホイール蓄積ユニット９７ ２における界磁コイルに駆動信号を送る。これにより、ＯＵＴで必要とされる電 力がフライホイール蓄積ユニット９７２によって供給されるように界磁コイル電 流が急速に上昇される（ramp up）（本発明は、界磁コイルが、一次電力の中断 の実質的に１秒以内に上昇した駆動信号に反応するように、界磁コイル電流を急 速に上昇する）。必要であれば、コンデンサまたは他の二次蓄積装置（不図示） が、バス電圧を維持するために電力を供給し、ほんの数ミリ秒であるべき上昇時 に界磁コイルに電力を供給するために使用され得る。 本発明のさらなる特徴は、電力がフライホイール蓄積ユニット９７２によって 供給される際にモニタリングが続き、それによって運動エネルギーの約９０％が フライホイールから使い尽くされるまで、出力電圧が比較的一定のレベルに維持 されることである。これは、フライホイール蓄積ユニット９７２、ＯＵＴでの出 力電圧、またはフライホイールの回転速度の何れかのモニタリングによって達成 され得る。運動エネルギーがフライホイールから取り除かれ（すなわち、フライ ホイールが減速し始める）、フライホイール蓄積ユニット９７２の出力電圧が降 下し始めると、界磁制御器９８０は、蓄積ユニット９７２の出力電圧を一定レベ ルに回復し維持する界磁コイルに供給されている界磁電流をゆっくりと上昇させ る。この技術は、蓄積エネルギーの約１０％が残っている場合に出力電圧が降下 し始めるまで、蓄積エネルギー量が低下するにつれて効果が低下する。出力電圧 が降下する理由は、界磁コイル電流が最大値に達し、ロータの減少するｒｐｍに 対する補正をもはや行えないからである。 ｒｐｍが低下する際に一定の出力電圧を維持する利点が必要とされない状況下 では、本発明の他の利点が、界磁コイルの代わりに磁気回路を駆動するための永 久磁石を用いることによって達成され得る（しかし、高価な永久磁石材料の使用 のため、非常に増大したコストで達成される）。そのような場合には、界磁コイ ルが完全に排除され、その結果、スペースを節約し、永久磁石材料によって生じ る増加コスト量を、わずかに減らすことができる。 上記のことは、本発明の原理の単なる例示であり、様々な改変が、本発明の範 囲および精神から逸脱することなく当業者によって成され得ることがわかるであ ろう。例えば、回転スチールシェル部分の利点が、構成部品の個々の組み合わせ が具体的に説明されていないが、図１１に関連して開示された原理を利用するこ とによって非延長ロータ（すなわち、図２〜図７に示されるような下部を有さな いロータ）に適用され得る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ， ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，Ｇ Ｅ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ， ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，Ｐ Ｌ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ (72)発明者 アンドリューズ，ジェイムズ エイ. アメリカ合衆国 テキサス 78704，オー スティン，ニッカーソン ストリート 1706 (72)発明者 リトル，スコット アール. アメリカ合衆国 テキサス 78746，オー スティン，オールト ワゴン ロード 1406 【要約の続き】 拡散される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．電気エネルギーと運動エネルギーとの変換を行う装置（１０）であって、該 装置（１０）は、ロータ（１２）から延びる複数の一体化した突出部（１４）を 有するロータ（１２）を含む軸の回りを回転し得る回転可能な部材と、単極磁束 を生成する部材（３０、３２）を含む非回転部材とを備え、該磁束は、該突出部 （１４）において磁極を生成し、 該ロータ（１２）は、実質的に高透磁性材料で形成された固体の単一ロータで あることと； 該非回転部材は、該突出部（１４）に対向する、実質的に滑らかな表面を有す る少なくとも１つのリング（４０）を含み、該リング（４０）は、電機子エアギ ャップ（４６）が、該突出部（１４）と該滑らかな表面との間に形成されるよう に、該ロータ（１２）に対して同心的に取付けられ、該リング（４０）は、実質 的に高透磁性材料で形成されることと； 該非回転部材が、該ロータ（１２）が該軸の回りで回転する時に該磁束が交流 電圧を少なくとも１つの電機子コイル（４４）において誘導するように、該エア ギャップ（４６）内に取り付けられた該少なくとも１つの電機子コイル（４４） を備えることと； によって特徴づけられる装置（１０）。 ２．前記磁束が、前記電機子コイルの活性部分を直接通過し、前記ロータの実質 的な全軸長さが、前記電機子エアギャップを形成し、該電機子コイルは、該電機 子コイルの該活性部分が、該ロータの該全軸長さにまで実質的に延長するように 、該エアギャップ内に取り付けられている、請求項１に記載の装置。 ３．前記ロータが、前記突出部を有する上部と、外周に関して実質的に同型であ る下部とを備え、該上部および該下部は、該固体ロータの一体化部分である、請 求項１に記載の装置。 ４．前記ロータが、該ロータが回りを回転する一体化シャフトを備え、 該シャフトが内部に回転可能に取り付けられる１組の上部および下部機械ベア リングと； 励磁された時に、該機械ベアリングから該ロータの重みの大部分を取り除くよ うに該ロータに対して取り付けられた電磁石と； をさらに備えた、請求項１に記載の装置。 ５．前記電磁石が、前記ロータに直接的に作用し、それによって前記機械ベアリ ングから該ロータの前記重みの大部分が取り除かれる、請求項４に記載の装置。 ６．前記機械ベアリングが、ボールベアリングおよびローラベアリングのどちら かである、請求項４に記載の装置。 ７．前記上部および下部ベアリングの一方がローラーベアリングであり、該上部 および下部ベアリングの他方がボールベアリングである、請求項４に記載の装置 。 ８．前記電磁石が、前記機械ベアリングに対する重み量をモニタする少なくとも １つのひずみゲージから得られる信号に応答して励磁される、請求項４に記載の 装置。 ９．前記少なくとも１つのリングが、非磁気材料のリングに取り付けられた１組 の第１および第２のリングを備え、該第１のリングが、該非磁気リングの１方の 側面に固定的に取り付けられ、該第２のリングが、該非磁気リングの他方の側面 に固定的に取り付けられる、請求項１に記載の装置。 １０．前記第１および第２のリングが、第１および第２の追加エアギャップが該 第１および第２のリングと、前記ロータの回りに取り付けられた固定シェルとの 間に形成されるように前記非回転部材内に取り付けられる、請求項９に記載の装 置。 １１．前記少なくとも１つのリングが、追加エアギャップが該少なくとも１つの リングと、前記ロータの回りに取り付けられた固定シェルとの間に形成されるよ うに前記非回転部材内に取り付けられる、請求項１に記載の装置。 １２．前記磁束生成部材が、前記磁束の流れを誘導する少なくとも１つの界磁コ イルを備える、請求項１に記載の装置。 １３．前記少なくとも１つの界磁コイルが、１組の上部および下部界磁コイルを 備え、該上部界磁コイルが、前記ロータの上に取り付けられ、該下部界磁コイル が、該ロータの下に取り付けられる、請求項１２に記載の装置。 １４．前記ロータがシャフトをさらに含み、 該シャフトが内部に回転可能に取り付けられる１組の上部および下部機械ベア リングと； 上部ベアリングコイルと； 下部ベアリングコイルと； 前記上部界磁コイルによって駆動される前記磁束が、ある量だけ変化し、前記 下部界磁コイルによって駆動される該磁束が、該ある量だけ逆に変化し、その結 果、該ロータに対する正味軸方向力における変化が生じるように、該上部および 下部ベアリングコイルを制御する制御回路と； をさらに含む、請求項１３に記載の装置。 １５．前記上部界磁コイルによって駆動される前記磁束が、該磁束を前記ある量 だけ増加させることによって変化し、前記下部界磁コイルによって駆動される該 磁束が、該ある量だけ該磁束を減少させることによって変化し、その結果、前記 ロータに対する前記正味軸方向力における上向きの変化が生じる、請求項１４に 記載の装置。 １６．前記ロータがシャフトをさらに含む装置であって、 該シャフトが内部に回転可能に取り付けられる１組の上部および下部機械ベア リングと； 該ロータに対する正味軸方向力が、前記上部界磁コイルによって駆動される前 記磁束と、前記下部界磁コイルによって駆動される該磁束との差の関数となるよ うに、該上部および下部界磁コイルを独立して制御する制御回路と； をさらに含む、請求項１３に記載の装置。 １７．前記上部および下部界磁コイルが、前記制御回路によって制御され、それ によって、前記ロータに対する前記正味軸方向力における上向きの変化が生まれ る、請求項１６に記載の装置。 １８．前記磁束生成部材が、前記磁束の流れを誘導する少なくとも１つの永久磁 石を備える、請求項１に記載の装置。 １９．前記少なくとも１つの電機子コイルの各々が、実質的に低透磁性材料で形 成されたエアギャップコイルである、請求項１に記載の装置。 ２０．前記少なくとも１つの電機子コイルがブラシレスモータとして動作するよ うに、該少なくとも１つの電機子コイルを駆動する駆動回路機構をさらに備える 、請求項１に記載の装置。 ２１．前記ロータがシェル内で自由に回転し得るように該ロータの回りに取り付 けられた該シェルをさらに備え、該シェルは： 外側表面および内側表面を有する上部シェルであって、該内側表面は、該上部 シェルの内側表面と該ロータとの間に上部軸方向エアギャップが形成されるよう に該ロータに対向し、実質的に高透磁性材料で形成される上部シェルと； 外側表面および内側表面を有する下部シェルであって、該内側表面は、該下部 シェルの内側表面と該ロータとの間に下部軸方向エアギャップが形成されるよう に該ロータに対向し、実質的に高透磁性材料で形成される下部シェルと； を備える、請求項１に記載の装置。 ２２．前記少なくとも１つのリングが、非磁気材料の環状リングに取り付けられ た１組の第１および第２のリングを備え、該第１のリングは、該非磁気リングの 一方の側面に固定的に取り付けられ、該第２のリングは、該非磁気リングの他方 の側面に固定的に取り付けられ、該非磁気材料の環状リングは、前記上部シェル と、前記下部シェルとの間に固定的に取り付けられる、請求項２１に記載の装置 。 ２３．前記ロータがシェル内で自由に回転し得るように該ロータの回りに取り付 けられた該シェルをさらに備え、該シェルは： 外側表面および内側表面を有する上部シェルであって、該内側表面は、該上部 シェルの内側表面と該ロータとの間に第１の軸方向エアギャップが形成されるよ うに該ロータに対向し、実質的に高透磁性材料で形成される上部シェルと； 該上部シェルに固定的に取り付けられた上部軸方向分極環状永久磁石と； 該上部永久磁石に固定的に取り付けられた、実質的に高透磁性材料の環状リン グと； 該環状リングに固定的に取り付けられた下部軸方向分極環状永久磁石と； 外側表面および内側表面を有する下部シェルであって、該内側表面は、該下部 シェルの内側表面と該ロータとの間に第２の軸方向エアギャップが形成されるよ うに該ロータに対向し、該下部シェルは、該下部永久磁石に固定的に取り付けら れ、実質的に高透磁性材料で形成される下部シェルと； を備える、請求項１に記載の装置。 ２４．前記ロータがシェル内で自由に回転し得るように該ロータの回りに取り付 けられた該シェルをさらに備え、該シェルは： 実質的に高透磁性材料で形成された上部環状エレメントと； 該上部環状エレメントに固定的に取り付けられた軸方向分極環状永久磁石と； 外側表面と内側表面とを有する下部シェルエレメントであって、該内側表面は 、 該下部シェルエレメントの内側表面と、該ロータとの間に第１の半径方向エアギ ャップが形成されるように該ロータに対向し、該下部シェルエレメントは、該永 久磁石に固定的に取り付けられ、実質的に高透磁性材料で形成された下部シェル と； を備える、請求項１に記載の装置。 ２５．互いに隣接して配置され、前記ロータの回りのリングを実質的に形成する 複数の実質的に放射状に分極された永久磁石セグメントをさらに備え、該永久磁 石リングは、前記少なくとも１つの電機子コイルに隣接する前記非回転部材に固 定的に取り付けられる、請求項１に記載の装置。 ２６．前記少なくとも１つの電機子コイルが、該電機子コイルを通過する前記磁 束が前記軸に対して放射状方向に通過するように、前記ロータに対して取り付け られる、請求項１に記載の装置。 ２７．前記少なくとも１つの電機子コイルが、該電機子コイルを通過する前記磁 束が前記軸に対して軸方向に通過するように、前記ロータに対して取り付けられ る、請求項１に記載の装置。 ２８．前記回転部材が、前記ロータがシェル内で回転するように該ロータに回転 可能に取り付けられた該シェルをさらに含み、該ロータおよび該シェルが、前記 電機子エアギャップがその間に形成されるように取り付けられ、該シェルは、実 質的に高透磁性材料で形成され、該装置は、該ロータ、該シェル、および前記磁 束生成部材を含む磁気回路を形成し、該磁気回路は、該ロータが、前記軸の回り を回転する間に実質的に一定である全磁気抵抗を有する、請求項１に記載の装置 。 ２９．前記回転可能部材が、 前記ロータに固定的に取り付けられた実質的に低透磁性なディスクと； 該ロータに関連して回転するように該低透磁性ディスクに固定的に取り付けら れた外側シェル部分と； をさらに備え、前記少なくとも１つのリングは、前記突出部に対向するのでは なく、該外側シェル部分と、該ロータとの間に取り付けられ、該外側シェル部分 は、実質的に高透磁性材料で形成され、前記電機子エアギャップが、該外側シェ ル部分と該ロータとの間に形成されるように取り付けられる、請求項１に記載の 装置。 ３０．前記ロータは、該ロータが、実質的に一定のままである軸方向の厚み、ま たは増加する放射状位置で測定された場合に減少する軸方向の厚みを有するよう に構築される、請求項１に記載の装置。 ３１．前記ロータは、一体化シャフトをさらに含む、請求項３０に記載の装置。 ３２．前記ロータは、第１および第２の部分を有する実質的に高透磁性材料の単 片から形成され、該第１の部分は、実質的に平面ディスクであり、該第２の部分 は、その回りを該ディスク部分が回転するシャフトであり、該シャフトは、前記 突出部の放射状の最も外側端部より小さい半径を有する、請求項３１に記載の装 置。 ３３．前記突出部が、第１の半径から前記ロータの最大半径にまで延長する、請 求項１に記載の装置。 ３４．前記少なくとも１つのリングが、前記磁束を拡散するための手段を備え、 該拡散手段が、前記磁束生成部材に隣接する、請求項３３に記載の装置。 ３５．前記磁束生成部材が、実質的に直流の駆動電流によって駆動される少なく とも１つの固定界磁コイルを備える、請求項３３に記載のフライホイール装置。 ３６．前記非回転部材が、実質的に高透磁性材料の固定シェルをさらに備え、該 シェルは、該シェルと、前記ロータとの間にリターンエアギャップが形成される ように該ロータの回りに取り付けられる、請求項３３に記載のフライホイール装 置。 ３７．前記回転可能部材は、前記ロータに関連して回転する回転部分を有するシ ェルをさらに備え、該シェルは、前記電機子エアギャップが、該回転部分と該ロ ータとの間に形成されるように取り付けられた実質的に高透磁性材料で形成され る、請求項３３に記載のフライホイール装置。 ３８．運動エネルギーと電気エネルギーとの間での変換をするためにフライホイ ールおよび磁気回路を利用する方法であって、 固体単一ディスクロータ（１２）を回転軸の回りで回転させるステップであっ て、該ロータ（１２）は、実質的に高透磁性材料で形成され、かつ、第１の半径 から該ディスクの最大半径へと延びる複数の実質的に同様の突出部（１４）を有 する、ステップと； 第１の単極磁束が該ロータ（１２）内で流れるように誘導するステップと； 該第１の磁束に、該突出部（１４）を通過させるステップと； 該第１の通過磁束を、複数の電機子コイル（４４）に通過させ、それによって 、該電機子コイル（４４）において交流電圧を誘導するステップと； 該第１の通過し終えた磁束が実質的に同質となるように、該突出部（１４）に 対向する実質的に滑らかな表面を有する少なくとも１つのリング（４０）を通し て該第１の通過磁束を拡散させるステップと； 該第１の磁束を該ロータ（１２）に戻すことによって該磁気回路を完成させる ステップであって、該磁気回路は、該ロータ（１２）が該軸の回りで回転する時 に実質的に一定である全磁気抵抗を有する、ステップと； を含む方法。 ３９．前記少なくとも１つのリングが、高透磁性材料で形成される、請求項３８ に記載の方法。 ４０．前記第１の通過磁束の前記拡散をさらに増加させるために、追加のエアギ ャップを設けるステップをさらに含む、請求項３９に記載の方法。 ４１．第２の単極磁束が、前記ロータ内で流れるように誘導するステップと； 該第２の磁束に、前記突出部を通過させるステップと； 該第２の通過磁束を複数の電機子コイルに通過させ、それによって、該電機子 コイルにおいて前記交流電圧をさらに誘導するステップと； 該第２の磁束を該ロータに戻し、それによって前記磁気回路を完成させるステ ップであって、該磁気回路の前記全磁気抵抗は、該ロータが前記軸の回りを回転 する際に実質的に一定である、ステップと； をさらに含む、請求項３８に記載の方法。 ４２．前記第２の通過磁束が実質的に同質となるように該第２の通過磁束を拡散 させるステップをさらに含む、請求項４１に記載の方法。 ４３．第１の単極磁束を誘導する前記ステップが、実質的に直流の駆動電流を第 １の固定界磁コイルに付与するステップを含む、請求項３８に記載の方法。 ４４．前記ロータの重みの大部分を、該ロータを支持する複数の機械ベアリング から除去するステップをさらに含む、請求項３８に記載の方法。 ４５．前記除去ステップが、前記ロータの重みの大部分が前記機械ベアリングか ら除去されるように該機械ベアリングから該ロータを持ち上げるために、該ロー タと直接的に相互作用する電磁石を制御するステップを含む、請求項４４に記載 の方法。 ４６．前記第１の一定磁束が、ある量だけ増加し、前記第２の一定磁束が、該あ る量だけ減少し、その結果、前記ロータに対する正味軸方向力が変化するように １組の上部および下部ベアリングコイルを制御することによって該ロータを支持 する複数の機械ベアリングから該ロータの重みの大部分を除去するステップをさ らに含む、請求項４１に記載の方法。 ４７．前記第１および第２の磁束が変化し、その結果、前記ロータに対する前記 正味軸方向力が上向きに変化する、請求項４６に記載の方法。 ４８．前記磁束に前記突出部を通過させる前記ステップにより、該磁束が、該突 出部を放射状に通過させられる、請求項３８に記載の方法。 ４９．前記磁束に前記突出部を通過させる前記ステップにより、該磁束が、該突 出部を軸方向に通過させられる、請求項３８に記載の方法。 ５０．前記通過ステップにおける前記電機子コイルが、実質的に低透磁性材料で 形成されたエアギャップ電機子コイルである、請求項３８に記載の方法。 ５１．前記電機子エアギャップが、前記ロータの外径より大きい直径を有する、 請求項１に記載の装置。 ５２．前記電機子エアギャップが、前記ロータの軸方向長さと実質的に等しい軸 方向長さを有する、請求項１に記載の装置。 ５３．前記リングが、前記ロータの外径より大きな直径を有する内側表面を有す る、請求項１に記載の装置。