風力タービンに好適な永久磁石付回転用磁気軸受
本願は、第２の部材（３）に対して、第１の部材（２）の回転軸（１４）の周りで回転動作させるための装置（１）であって、上記第１の部材は、上記回転軸の周りで回転対称となる外側表面を有し、上記第２の部材は、上記第１の部材の外側表面と上記第２の部材の内側表面との間の隙間に、少なくとも第１の部材を収納する内側表面を有する、対応する回転対称の空洞を有する。上記第１の部材と上記第２の部材との間での反発する磁界（４）が、第１の部材の外側表面と第２の部材の内側表面との間での接触を阻止する。上記磁界は、上記第１の部材および上記第２の部材との間の隙間に対して同一極性（７）で配列された複数の永久双極子磁石（６、１３）によって達成される。複数の双極子磁石を使用することで、任意の形状が、磁石のＮ極またはＳ極だけを有する表面を提供することができる。本願発明は、特にダリウス型風力タービン（２０）の回転支持に適する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、磁気軸受に関連する。より具体的には、第２の部材に対して、第１の部材の回転軸の周りで回転動作させるための装置に関連するものであり、上記第１の部材は、回転軸の周りで回転対称となる外側表面を有し、上記第２の部材は、第１の部材の外側表面と第２の部材の内側表面との間の隙間に、少なくとも第１の部材を収納する内側表面を有する、対応する回転対称の空洞を有する。上記第１の部材および上記第２の部材の間で反発する磁界は、第１の部材の外側表面と第２の部材の内側表面との間の接触を阻止する。
【背景技術】
【０００２】
磁気軸受は、種々の応用例が知られている。列車の応用の１つが、磁気浮上列車であり、そこでは、列車が、列車底部内の永久磁石および線路内の電磁石のおかげで発生する磁界上に浮上する。別の応用例は、ロボット工学のための球形のステッピング・モータであり、例えば米国のジョンホプキンス大学で開発（IEEE、ASME、機械のトラザクション；4/4号、1999年）されており、インターネットのウェブ・サイト（http://www.jhu.edu/~news_jnfo/news/home01/jan01/motor.html）で見られる。
【０００３】
磁気軸受の別の例は、米国特許番号4,947,067号が公開しているように、６個の活性化磁気軸受要素が内部で浮遊している球形の内側胴体を伴う振動ダンパーを含む。
【０００４】
磁気軸受の更なる別の例は、永久磁石のみによる解決を含むもので、例えば回転する機械の一部であるシャフト用の軸受/軸頸である。しかし、上記実施例において、基本的な前提は円筒形状であり、この円筒形状は、軸受の角度の自由度を制限し、シャフトが長手方向の力の成分を受けるような場合、不利になる。
【０００５】
軸頸/軸受を単純化かつ堅固にする、産業上の「重要な任務」の解決に対するニーズが存在するようである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、本願発明の目的は、単純な方法で円筒形状以外のものを生成することの選択と同時に、単純化かつ堅固な回転磁気軸受を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的は、第２の部材に対して、第１の部材の回転軸の周りで回転動作させる装置によって達成することができ、第１の部材は、回転軸の周りで回転対称となる外側表面を有し、第２の部材は、第１の部材の外側表面と第２の部材の内側表面との間の隙間に、少なくとも第１の部材を収納する内側表面を有する、対応する回転対称の空洞を有する。第１の部材は、上記隙間に向けて同一極性で配列された複数の永久双極子磁石を含み、第２の部材は、空洞の内側表面から第１の部材を反発させるために、第１の部材の磁界に対向する隙間に向けて同一極性で配列された複数の永久双極子磁石を含むようにする。
【０００８】
第１の部材と第２の部材との間で、反発する磁力は、反対方向に向けられた磁界によって提供される。第２の部材の空洞内に第１の部材を収納することで、第１の部材は、回転軸に沿って見たときの断面において、第２の部材によって囲まれることになる。このため、反発力は、上記断面の範囲内において、第１の部材が第２の部材に接触することを阻止する。
【０００９】
本願発明の多様性は、基本的に表面を円滑に曲げることにあり、例えば楕円形または最も好ましくは球形状を円滑に曲げることにある。可能な形状については、後で一層詳細に説明することになる。
【００１０】
複数の双極子磁石を使用することで、Ｎ極だけまたはＳ極だけからの磁界が、比較的簡単な方法で、任意形状の第１の部材の外側表面全体に提供することができる。本願発明のために、好ましくは、回転体を円滑に曲げることが予想されており、例えば、回転殻に、特に球形の形状に円滑に曲げることが予想されている。そして、非常に多くの棒磁石を、表面上のＮ極またはＳ極だけからの磁界によって、球形または球形の殻に似るように放射状に集合させることができる。
【００１１】
第１の部材と第２の部材との間での磁界のために、双極子磁石を提供することにより、磁界を生成するためのシステムは、メンテナンスが不要となり、このことは、多くの応用にとって高く要求されていることであり、例えば、沖合の、特に深海の沖合の風力タービンに関連する応用を含むような、簡単にアクセスできない場所での装置のために要求される。
【００１２】
上記で述べた表面を円滑に曲げることに沿って、第１の部材および第２の部材の相対する複数の双極性の少なくとも多くからの磁界の方向は、回転軸に並行な方向に空洞の内側表面から第１の部材を反発させるために、回転軸に並行な方向の成分を有する。例えば、回転軸が垂直のとき、垂直方向に反発する磁力線は、１つの部材の重量を他の部材の上に支持するように使用することができる。例えば、第２の部材が、固定のとき、反発する空洞の内側表面は、第１の部材の重量を支持することに使用することができ、付け加えると、第１の部材に負荷となる追加手段の重量を支持することにも使用することができる。
【００１３】
上記で説明したように、好ましい解決法において、第１の部材の外側表面の部分は、球形の部分となる形状を有し、空洞の内側表面の部分は、空洞の球形部分内に第１の部材の球形部分を収納するための球形、大きな半径であるが、その球形に対応する部分の形状を有する。球形による解決は、放射状構成に配列される棒磁石の形状内の双磁子によって、比較的容易に生成される。例えば、すべての双極子を、第２の部材の内側表面と第１の部材の外側表面との間の隙間に向かってＮ極を方向付けることで可能となる。
【００１４】
第１の部材と対応する空洞とは、完全な球形に似せる必要はない。更なる実施例において、例えば、第１の部材は、球形部分の形状と、球形部分から回転軸に沿って延長される軸とを有する、第１の球形部分から実質的に構成される。次に、第２の部材は、第１の部材の球形部分を収納する球形部分の形状の空洞を有する。更に、第２の部材は、空洞の延長部分に環状部を有し、この環状部は、軸を収納する。軸が、環状部の内側表面と接触することを阻止するために、軸および環状部は、軸の外側表面と環状部の内側表面との間の隙間に同一極性が対面する状態の複数の双極子磁石を含むことで、反発力を生成する。こうして、本願発明による軸受部は、主として回転軸周辺の回転動作に制限される。しかし、ある程度の耐久性が、回転動作からの動作偏位によって、軸受部において提供される。故に、耐久性における僅かな拡張によって、軸受は、全方向性のヒンジ（hinge）として動作する。
【００１５】
球形の形状は、円滑な回転能力によるものが最も好ましいけれど、球形からずれることは、耐えることができる。他の代替であっても、応用分野の独立性および必要な許容性において、機能することが可能である。例えば、球形の代替として、円滑に曲げた形状の回転による別の胴体でも、本願発明のために使用することは可能である。
【００１６】
他の円滑な形状のいくつかの例は、第１の部材の外側表面が、ラメ曲線（Lame curve）に似せた断面による回転の表面部分の形状を有し、空洞の内側表面の部分が、ラメ曲線に似せた対応する表面の対応部分となる形状を有し、しかも、空洞の内側で、第１の部材を収納する部分が一層大きな断面であるようにする方法で、規定すれば可能である。ラメ曲線は、（ａ/ｘ）m＋（ｂ/ｙ）n＝１で規定することができ、ここで、ｘとｙとは変数で、ａ、ｂ、ｍ、およびｎは定数で、およびｎ≧２、ｍ≧２である。例えば、楕円の場合は、ｍ＝ｎ＝２であり、球形の場合は、ｍ＝ｎ＝２、およびａ＝ｂである。しかし、円滑な形状の他の例は、放物線または双曲線の回転体である。
【００１７】
実施例の１つにおいて、第１の部材は、円滑な曲線の回転の表面に似せた外側表面、例えば断面をラメ曲線に似せて回転させた外側表面、および回転軸に沿う胴体から延長する軸から実質的に構成される。第２の部材は、第１の部材の胴体を収納するための対応する空洞を有し、第２の部材は、空洞の拡張部に環状部を有する。球形の実施内において、拡張部は軸を収納する。軸および環状部は、環状部の内側表面から軸への反発力を得るために、環状部の内側表面および軸の外側表面の間における隙間で対面する同一極性の複数の双極子磁石を共に有する。
【００１８】
更なる実施例において、環状部は、軸の電磁駆動するための誘導モータを含む。代替として、上記モータに追加するものまたは一部として、環状部は、環状部に対して回転する軸の回転から、電力を発生させる発電機を含むことができる。このことは、本願発明を、第１の部材から軸を延長させて、風力タービンを支援するために使用するときに関連してくる。
【００１９】
好ましい実施例において、軸は実質的に垂直方向であり、風力タービンは、軸の延長部の上端部および下端部に固定された複数の翼を伴うダリウス型タービンである。風力タービンが、第１の部材の軸に搭載されるとき、第２の部材は、海底に第２の部材を固定するために、ケーブル付き垂直浮遊用重量配置品を含むことができる。垂直浮遊用重量配置品は、第１の部材の軸に対して反対側の下方向に提供される。
【００２０】
上述に沿って、風力タービンは、第１の部材の軸の延長部において提供され、第２の部材は、第１の部材の重量を支える。しかし、本願発明の装置は、第２の部材が、装置に固定されるタービンを有し、第１の部材の軸が、タービンおよび第２の部材の重量を支持するために固定されるところで使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
本願発明を、以下の図面を参照して、一層詳細に説明することになる。
【図１】Ｚボール（Ｚ ball）軸受を側面から示す図である。
【図２】Ｚボールを単純化したときのパラメータを示す図である。
【図３】バッキー球形Ｃ７２０の配置を示す図である。
【図４】ボールおよびボウル（bowl）用の角柱の磁気構成要素を示す図である。
【図５】単一の「シンク−ソース（Sink-Source）」磁石および該磁石の磁力線を示す図である。
【図６】図５の磁界内の等電位線を示す図である。
【図７】Ｎ極を隣接されたとき（Ｎ−Ｎ）の２つの磁石を示す図である。
【図８】Ｎ極が下を指す同一方向の状態で並んで置かれた２つのＮ−Ｓ付磁石を示す図である。
【図９】ボールをボウル中心においたときのＺボール内の磁力線を示す図である。
【図１０】ボウルに対してボールを下方向に移動させたときのＺボール内の磁力線を示す図である。
【図１１】Ｚボールおよびダリウス風力タービンを備えるシステムを示す図である。
【図１２】「FloWind」の例を示す図である。
【図１３】ダリウス風力タービン用のＺボール軸受を示す図である。
【図１４】沖合の海底での風力タービン公園内の風力タービン間の相互接続を説明するための実施例の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は、本願発明の実施例を磁気構造１で説明しているが、この磁気構造１は、以下ではＺボール（Ｚ ball）と呼ばれ、以下でボール（ball）と呼ばれる球形の磁気構造２が、以下でボウル（bowl）と表記される外側の球形構造３の内側に置かれる。ボール２もボウル３も、ボール２およびボウル３間に磁界４を構成する永久磁石を含み、この磁界は、ボール２およびボウル３の間で反作用を生じる。例えば、矢印６で示す永久磁石の組は、ボール２の中心５から方向付けられた−矢印７の先端として示す−Ｎ極と共にボール２内に置かれる。磁石１３の別の組も、ボウル３の中心５から方向付けられた−矢印７の先端として示す−Ｎ極と共にボウル３内に置かれる。こうして、ボール２は、３次元の磁界４内を自由に動ける状態で保留され、ボウル４の内側で衝突することなく回転することができる。
【００２３】
この磁界は、無指向性の焼入れしたバネの特性に類似しており、この磁界の特性は、ボール２およびボウル３の間の距離が減少するにつれて増加する。
【００２４】
ボール２は、上方向に延長する第１の柱/棒８に接続される。第１の柱８は、環状部１１内に含まれ、環状部１１および環状部１１の高さ迄の第１の柱８は、永久磁石構造９を備えており、この結果、環状部は、柱８と環状部１１との間において、磁界１１内に保持される。この方法で、ボウル３内にボール２を伴なうＺボール構造は、ほぼ柱８に垂直な平面内だけで回転することになる。
【００２５】
一方、ボウル３は、第２の柱/棒１２を有し、この柱/棒は、ボール２の第１の柱８に対して対向する方向に延長される。第２の柱１２に対する第１の柱８の小さな動きは別として、回転軸１４に沿った相互のねじれおよび動作により、第１の柱８および第２の柱１２は、共線（co-linear）の関係にあり、共通の軸１４の周りで互い相対的に回転することができる。
【００２６】
上記の柱/棒８、１２は、説明用に使用したものであり、他の構造物に置換できることを述べておく。第１の柱８は、柱８に外部デバイスを搭載するために、軸１６の形状内に延長部を有することができる。
【００２７】
ボウルは、誘導用のためにコイル１５を含む環状部１１と共に延長することができる。これらのコイル１５は、ボウル３内のボール２を駆動する誘導モータとして、または外部からの力が、ボウル３に対してボール２を駆動するときに電気を供給するための発電機として使用することができる。加えて、誘導モータは、ボウル３に対してボール２を制止するのに使用することができる。この制止メカニズムは、付加的な機械的制止と組み合わせることができる。
【００２８】
以下に一層詳細に説明するように、上記装置は、ダリウス型の風タービン用として大いに適用され、例えば米国特許番号1,835,018に開示され、または本願に図１２として図解する。この種の風力タービンは、従来のプロペラ型の風タービンよりも、スタートさせるのが一層困難である。故に、タービンの回転を開始させるために、最初に電気をコイル１５に供給できるようにし、この後に、風力が電気を生成するためにタービンの回転を継続させることになる。適切な機能のために、回転速度を、電気制御の使用により事前設定の限度内に維持させることができる。
【００２９】
電磁石とは対照的にこのような構成に永久磁石６を使用することの利点は、永久磁石がメンテナンスを必要としないこと、また電気的フィードバック制御メカニズムも必要としないことである。多くの事例において、例えば風力タービンの関連でメンテナンスおよび制御の最小化が要求されている。
【００３０】
図２は、Ｚボールの種々のパラメータを示しており、ボールは、半径ｒを有し、ボウルは、半径Ｒを有する。力Ｆz＝Ｍ*ｇ（Ｍは負荷の質量であり、ｇは、重力定数ｇ＝９.８１ｍ/ｓ2である）が、ボール上に、下部分のｚ方向に与えられたとき、ボールは、磁界内で浮遊状態になる。ボールが、中心から距離ｈに移動したとき、ボールとボウルとの間のより小さな距離ｄのおかげで、磁力は、２つの相反する力を平衡させるためにＦzまで増加することになる。
【００３１】
永久磁石のために、種々の種類の構造パターンが、可能である。好ましくは、磁石の各組の配置のためのパターンは、典型的な一様分布の幾何学的公式に従い、図３に示すような、要するに「バッキー球」に従うことになる。外見的に、「バッキー球」は、閉じられた多面体の仲間を構成することになる。本願で使用される仲間の一部は、公式Ｖ＝２*（Ｈ＋１０）に従い、ここで、Ｖは、頂点の数であり、Ｈは、六角形の数である。図２は、Ｖ＝７２０の場合である。この例において、完全な「バッキー球」において、常に正確な１２個の五角形が存在し、かつ３５０個の六角形が存在する。これらの五角形は、５つの「プラトンの立体」の１つ、いわゆる「十二面体」として、６つの対称軸上に置かれたペアワイズ（pair-wise）である。故に、トポロジーは、完全に固定化している。原則上、ユーザ/技術者が、Ｈを決定するが、ある制限が強制され、全辺長が等しい所では排他的に正多角形が要求される。別の「バッキー球」を、Ｚボールのモデルとして使用することが可能である。
【００３２】
磁石の好ましい形状を図４に示す。この磁石は、大量に集合させることで、球形のボールおよびボウルの各々の形状上に磁石構造を形成することができる。図４は、磁石を示すが、磁石プリズムの頂上および底部の表面は、「バッキー球」原則に似せるように、六角形または五角形のいずれかにする。
【００３３】
本願発明によるＺボールの利点は、２つの部分２、３の間で回転する結合を構成することであり、ここでは２つの要素の間で摩擦無いので、磨耗を低減し、エネルギー損失を最小化する。このことは、２つの要素に力が作用するのに拘らず、摩擦の無い回転結合を維持することができ、力は、回転方向に沿うよりも他の方向に存在することになる。力を受けると、結合は、ボール２をボウル３に押すことにより回復するように作用する。このことは、例えば図１に示した環状部の形に誘導デバイスに組み込むことを可能にする。誘導デバイスは、あるタイプの応用において非常に有効であり、例えば図１３に示す風力タービンに関連して、誘導デバイスは、歯車および発電機として役に立つ。それは、従来の解決法と比較して、重量、機械部品の数、およびメンテナンス費用の面において多大な貢献を示す。
【００３４】
次に、磁力線を本願発明に関連して説明する。上記したように、図４に示すようなタイプの双極子磁石の大多数を、球形の磁気構造に似せるように配列することができる。図５は、そのような双極子磁石を磁力線と共に示している。各磁力線（流線）は、閉じて、環状を形成する。慣例により、磁力線の方向は、Ｎ極からＳ極へとしており、磁力線が交差することはない。等電位線は、示していないが、磁力線に対して垂直方向に存在する。等電位線は、図６に見ることができる（うすく見える）。
【００３５】
２つの棒磁石が、互いに等価な極性端部を強制されるとき、磁力線の図は、反発する磁力線を示す図７が得られる。この場合、磁束の場は、２つの磁石の間で圧縮される。図８は、Ｎ−Ｓを同一方向にしたときの２つの磁石の状態を示す。
【００３６】
上記理解を基礎にして、複数の上記双極子磁石からなる磁気的配列が、ボール２およびボウル３のために構築することができる。Ｚボールにおけるボールおよびボウル間の磁界の磁力線を、ボール２がボウル３の中心にあるときを図９に示し、ボール２がボウル３に向けて移動したときを図１０に示す。
【００３７】
磁束の磁界が、磁気構造２、３の間でどう圧縮されるかは、鮮明に見ることができる。磁界は、２つの隣接する磁石間での圧力を生成する。しかし、磁石を集合させるのに必要なエネルギー/仕事は、製造上の問題である。全部の磁石が所定の位置に置かれたとき、これらは、ギャップを埋めるために、マトリックス（matrix）内で凍結され、マトリックスは、殻に必要な強度を提供する。故に、薄膜の殻モデルの観点から、ボール２およびボウル３は、プリテンション（pre-tension）をもって生まれる。事前の計算は、最新の複合材料をマトリックスのために使用するとき、生じるストレスに問題が無いことを示している。
【００３８】
図５から図１０を生成するために使用した計算機プログラムは、「磁界の可視化」（J．S．Beeteson著、アカデミック出版、2001年）によるが、図４内の要素には応用できない。３次元の磁界は、ここでは２次元の磁界としてモデル化することができる。故に、図５から図１０は、「２次元の断面」としてだけ見るべきであり、磁石は、棒磁石に単純化される。
【００３９】
概念的に、磁界は、放射状に向けられたスプリング付きのスプリング・マットレスのように作用し、そこでは、ボール２およびボウル３の間の距離が、減少するとき、力が増加する。特性は、種々の磁石内の合金のタイプおよび幾何学的な選択されたモジュール方式に依存する。理論上、球形表面間の距離が零に向かうとき、表面間の力は無限大に向かう。ボールまたはボウルについて、理想的な球状表面、またはそのような幾何学的に完全な形状部分にしなければならない理論上の制限はない。完全な形状から隔たることは、耐えられることであり、時には避けられないことであり、特に好ましい場合には、磁気構造は、複数の双極子磁石から似せられる。
【００４０】
クーロンの法則に従えば、電荷Ｑ１および電荷Ｑ２の２つの永久磁石は、距離ｄにおいて力Ｆを互いに及ぼすことになる。
Ｆ＝［1/(4*π*εθ)］*Ｑ1*Ｑ2*(1/ｄ2)
Ｆ： ［ニュートン］＝［Ｎ］
εθ： 表面間の物質内の誘電率［ファラッド/メートル］
ここで、物質は空気である。
Ｑ１およびＱ２： ［クーロン］＝［Ｃ］＝［アンペア*秒］
ｄ： ［メートル］＝［ｍ］
【００４１】
ここで、電荷は、同一符号を有すると仮定し、そうでなければ反発の代わりに吸引力を得ることになる。ボールの外側表面は、永久磁性ｑｋ［Ｃ/ｍ2］を有し、ボウルの内側表面は、永久磁性ｑｓ［Ｃ/ｍ2］を有する。ボールは、ボウルに逆らう方向のＮ極を有し、ボウルは、ボールに逆らう方向のＮ極を有し、この結果、ボールは、ボウルに「反発」し、ボウルの場合も同様である。
【００４２】
ボールおよびボウルの間の磁界は、静磁界ではない。何故なら、ボールがボウル内で振動するので、磁界は時間と共に変化する。理論によれば、静的平衡ではなく、安定と呼びことができる動的平衡を得ることになる。
【００４３】
上記で仮定したように、球形の表面上に単極の磁性だけを提供することでは実現不可能である。重要な仕事のための現実的解答は、表面の離散化に基づかなければならない。本願発明において、ボールおよびボウルは、図４内に示す、両タイプの永久磁石の集合体となる。基本のパターンは、図３および説明によって与えられる。上記で説明したように、幾何学から判るように、正多角形の組合せのみが、隙間を残すことなく、球形を覆うことができる。所定の応用のために、ユーザ/エンジニアは、図４に示すような、六角形の数（Ｈ）および正多角形内の辺長を決定する。図４内の角柱の高さは、明らかに図１内のボールおよびボウルの回転の殻の厚さと一致している。
【００４４】
・本願発明の応用分野
本願発明は、異なる要素間での摩擦の無い回転結合のために使用することができ、例えば、Ｚボールの原理は、掘削用機械、エンジン、および車輪軸受を含む回転応用のための軸受として使用することができる。
【００４５】
好ましい実施例は、垂直の回転軸１４付きのダリウス型の風力タービン２０に関連するもので、図１１に示す。Ｚボール１のボウル３は、一般的にはＳＰＡＲ（Single Point Anchoring Repository）と記載される垂直浮遊用重量配列２１に接続される。ＳＰＡＲ２１は、第１の組のワイヤー２３によって、海底２２に固定される。Ｚボール１のボールは、ダリウス型風力タービン２０の軸受であり、このタービンにとって、第２の組のワイヤー２５によって海底２２に固定される頂上の磁気配列２４が、負荷となる。環状部１１にとって厳密には必要では無いけれど、頂上の磁気配列２４は、Ｚボール１と類似している。図１１の右側部分に、切断面の表示２６、２７を、切断面の位置を示す点描の基準線２７、２８と共に示す。
【００４６】
図１３は、風力タービンに関連する拡大図においてＺボールを示しており、Ｚボールの翼１７が軸８の延長部分１６に搭載されることを示す。図１３は、多くの観点において図１と一致し、同一の参照番号が使用される。
【００４７】
特に、本願発明は、沖合の深海にある、電力を発電するための新タイプの風力タービンに適している。深海の用語は、好ましくは水深Ｄが５０ｍを超えるものを意味する。しかし、本願発明は、原理的に水深Ｄが５０ｍを超えるものに限定するものではなく、沿岸および陸上でも動作することを強調する。何故なら、Ｚボールの原理は、普遍的な技術だからである。しかし、Ｚボールは、沖合用タービンとして、タービンが浮遊構造の部分であるときに非常に有利である。
【００４８】
１つの実施例において、タービン２０の総工事、すなわちワイヤー２３、２５およびＺボール１を固定することが、沖合の風力タービン公園内のユニットとしてデザインされ、そのユニットは、図１４に概略的に示される。ハート形状を有するユニットにとって、少なくとも３つのケーブルは、安定化のために使用するべきである。しかし、安全性および安定性の理由から、図１４に示すように、端部に海底土台を有する６つのケーブルを使用して、六角形パターン内に配置されている。
【００４９】
例えば、海底土台は、海底での据付、サクション・アンカー（suction anchor）、またはアロー・アンカー（arrow anchor）で固定することができる。ＳＰＡＲ２１および回転頂上２４に到着する２つのケーブル２３、２５のために、１つの基準点（anchoring point）を設けることができる。しかし、環境条件、すなわち海底２２の状態、風、波、およびケーブル２３、２５で生じる力に従って、ＳＰＡＲ２１用基準点の１つのグループおよび回転頂上へのケーブル２３、２５用基準点の別のグループを適用する必要があるかもしれない。
【００５０】
陸上において、ケーブル類は、翼１７との衝突を避けるため、またケーブルの固有振動数が、通常動作状態にあるローターの周波数（翼の周波数を含む）に干渉しないように、高度なプレテンション方式で設置される。これらの考慮は、特に、厳密にはケーブルの長さが考慮すべき程増加したときの事実を考慮したときに、当然ながら沖合でも有効である。故に、水深Ｄの上限は、必要なプレテンション方式、およびシステムの係留化/固定化の現存技術によって決定される。
【００５１】
本願発明は、「対応する沖合構造物」のグループに属する。Ｚボールは、ケーブルの振動およびＳＰＡＲの振動に起因して振動することになるので、構造全体の「外皮（envelope）」が、所定の環境、すなわち水深、風および波スペクトル、海底等の条件だけで決定することができる。
【００５２】
市販化された最大級のダリウス型タービンの２つのタイプ、「FloWind 17 EHD」と「FloWind 19-meter」を、図１２に示す。これらは、主に米国とカナダにおいて、１９７０年から１９９７年の期間に製作され販売された。これらは、ＶＡＷＴの仲間（Vertical Axis Wind Turbine：垂直軸風力タービン）に属する。他の実施例は、米国特許番号1,835,018の明細書に、ダリウスによって開示されている。
【００５３】
しかし、本願発明は、２つまたは３つの翼を有する上記タイプに依存する方法ではない。別の数の翼を有する別タイプも、市場において有効となっている。基礎的計算は、図１４内の２つの翼の代りに３つの翼を有する３枚ローターの「FloWind 19-meter」タイプを基礎とした。その理由は、３枚ローターの方が、２枚ローターよりも一層優れた動的特性すなわち優れた対称性を有しており、この特性が、回転頂上を沖合に置いたときに最重要な要素となるからである。
【００５４】
図１３に関連して、好ましいことに、柱８、１６は、翼１７と共に回転する。このことは、柱８と翼１７との間に支柱の使用を必要とするように見える。支柱無しのタービンの改良型は、陸上で試みられ、見たところ成功は無いようであるが、どうやら翼に関する固有振動数に対して重要な課題となるはずである。いわゆる固有モードは、端点の支持だけで支えられる、非常に長い梁にとって困難な課題となっている。
【００５５】
ポリマー材料に関する強度および製作法は、現在までに改良されており、ポリマー材のケーブルが、従来の重い固定用チェーンまたは鉄製ロープ/ワイヤーの代りに、沖合にて使用することができる。これらの改良された合成材料の軽い重量密度が、水面下で水の下になったとき、事実上「無重力」になることを示唆する。
【００５６】
特に、特徴のある垂直軸を有するダリウス型風力タービンは、３つの有利な特有の特徴がある。
その特徴は、全指向性にある。足りる風があれば、タービンが動作し、風の方向は重要な意味をなさないことである。このことは、ヨー機構（yaw mechanism）の必要性を低減し、重量および費用を著しく節減する。
その特徴は、重心が低いことにある。そこは、ローターの中心とＺボールの中心との間になるが、タービンの水平回転軸を有する、より従来型の風力タービンの大部分の場合のようなナセルの近くにはない。
その特徴は、基本的に軽量構造にある。例えば、図１４を参照して、「FloWind 17 EHD」（効力＝0.3 ＭＷ）は、質量17,000 kgを有し、「FloWind 19-meter」（効力＝0.24 ＭＷ）は、質量10,000 kgを有する。「The FloWind」にとって、翼の総質量は、各々が4,300 kgと2,000 kgとである。故に、（重く負荷がかかる）柱は、タービンの質量の約２/３を負うことになる。更に、負荷は、ケーブル内の張力および翼の遠心力によって生じる。柱は、支柱からの偏心荷重を伴う、単純支持形式のオイラー柱（Euler Column）であり、支柱は、翼における偏心荷重を柱に運ぶ役割をする。重量の低減は、柱のために細胞物質を使用することで更に達成することができ、細胞物質は、全体の重量を低減するだけでなく、必要な安定性および剛性を維持する。
【００５７】
本願発明の風力タービンに関連して、以下の利点を考慮することができる。
１．構造は、曲げモーメントの影響を考慮し、最小化する。
２．Ｚボールは、陸上のダリウス型タービンで知られていた損傷および損傷によるパワー損失を最小化/低減化する。故に、装置寿命は、単純に延長化される。
３．Ｚボールの環状部の内の誘導装置は、歯車、発電機、および制御機器/制動機として作動するので、これらの要素は、従来のタービン内での実質的な質量を意味する。この単純化は、ヨー機構の低減に関連して、質量における相当な低減を意味する。
４．機械的要素の数量を低減する。このことは、一層単純化した製作方法、輸送および搭載すべき機械的要素の削減、およびメンテナンス問題の一層の減少を意味する。
５．本願発明は、沖合の深海を基礎として、水平のタービン軸を有する風力タービンを据付する種々のプロジェクトで判った比率（ＭＷ/Ｋｇ-搭載質量）よりも、この比率が５倍以上高くなるであろうと推定する。
６．風力タービン公園のために選択されたサイトが、種々の理由で悪い選択であると判明するようなとき、例えば気候または政策の変化が理由となるが、この場合、タービン、Ｚボール、およびＳＰＡＲは、分解して、現存する沖合の容器から独立して移動することができる。このことは、風力タービン公園の移動性が高いことを示唆し、公園内の各ユニットについて位置調整の自由度が高いことを示唆する。
７．本願発明は、ほとんどのどのような環境にも適用することができる。中古の２つのタイプのローターがあると仮定すると、他のパラメータについて変更することは、ＳＰＡＲの直径および長さ並びにケーブル長さである。ＳＰＡＲおよび頂上のスピナー（spinner）用のケーブル番号は、少なくとも６にするべきである。３つのケーブルを有するシステムは、理論上可能であり、より多くのケーブルの余剰は、より高い安全性を示唆するが、推奨はしない。システムの係留化/固定化は、サイトに依存することになるであろう。
８．短期間の実験は、ダリウス型タービンが、大部分の水平軸の風力タービンよりも翼の着氷問題に耐久性があることを示した。
【００５８】
Ｚボールは、最も好ましい実施例である。しかし、別の形状、球形から僅かにはずれた形状を含めることも可能である。好ましい解決法は、丸みを帯びた形状を含み、例えば、水平または垂直方向内の最も長い方向に楕円形状を有する断面の回転体の殻/胴体も含む。
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、磁気軸受に関連する。より具体的には、第２の部材に対して、第１の部材の回転軸の周りで回転動作させるための装置に関連するものであり、上記第１の部材は、回転軸の周りで回転対称となる外側表面を有し、上記第２の部材は、第１の部材の外側表面と第２の部材の内側表面との間の隙間に、少なくとも第１の部材を収納する内側表面を有する、対応する回転対称の空洞を有する。上記第１の部材および上記第２の部材の間で反発する磁界は、第１の部材の外側表面と第２の部材の内側表面との間の接触を阻止する。
【背景技術】
【０００２】
磁気軸受は、種々の応用例が知られている。列車の応用の１つが、磁気浮上列車であり、そこでは、列車が、列車底部内の永久磁石および線路内の電磁石のおかげで発生する磁界上に浮上する。別の応用例は、ロボット工学のための球形のステッピング・モータであり、例えば米国のジョンホプキンス大学で開発（IEEE、ASME、機械のトラザクション；4/4号、1999年）されており、インターネットのウェブ・サイト（http://www.jhu.edu/~news_jnfo/news/home01/jan01/motor.html）で見られる。
【０００３】
磁気軸受の別の例は、米国特許番号4,947,067号が公開しているように、６個の活性化磁気軸受要素が内部で浮遊している球形の内側胴体を伴う振動ダンパーを含む。
【０００４】
磁気軸受の更なる別の例は、永久磁石のみによる解決を含むもので、例えば回転する機械の一部であるシャフト用の軸受/軸頸である。しかし、上記実施例において、基本的な前提は円筒形状であり、この円筒形状は、軸受の角度の自由度を制限し、シャフトが長手方向の力の成分を受けるような場合、不利になる。
【０００５】
軸頸/軸受を単純化かつ堅固にする、産業上の「重要な任務」の解決に対するニーズが存在するようである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、本願発明の目的は、単純な方法で円筒形状以外のものを生成することの選択と同時に、単純化かつ堅固な回転磁気軸受を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的は、第２の部材に対して、第１の部材の回転軸の周りで回転動作させる装置によって達成することができ、第１の部材は、回転軸の周りで回転対称となる外側表面を有し、第２の部材は、第１の部材の外側表面と第２の部材の内側表面との間の隙間に、少なくとも第１の部材を収納する内側表面を有する、対応する回転対称の空洞を有する。第１の部材は、上記隙間に向けて同一極性で配列された複数の永久双極子磁石を含み、第２の部材は、空洞の内側表面から第１の部材を反発させるために、第１の部材の磁界に対向する隙間に向けて同一極性で配列された複数の永久双極子磁石を含むようにする。
【０００８】
第１の部材と第２の部材との間で、反発する磁力は、反対方向に向けられた磁界によって提供される。第２の部材の空洞内に第１の部材を収納することで、第１の部材は、回転軸に沿って見たときの断面において、第２の部材によって囲まれることになる。このため、反発力は、上記断面の範囲内において、第１の部材が第２の部材に接触することを阻止する。
【０００９】
本願発明の多様性は、基本的に表面を円滑に曲げることにあり、例えば楕円形または最も好ましくは球形状を円滑に曲げることにある。可能な形状については、後で一層詳細に説明することになる。
【００１０】
複数の双極子磁石を使用することで、Ｎ極だけまたはＳ極だけからの磁界が、比較的簡単な方法で、任意形状の第１の部材の外側表面全体に提供することができる。本願発明のために、好ましくは、回転体を円滑に曲げることが予想されており、例えば、回転殻に、特に球形の形状に円滑に曲げることが予想されている。そして、非常に多くの棒磁石を、表面上のＮ極またはＳ極だけからの磁界によって、球形または球形の殻に似るように放射状に集合させることができる。
【００１１】
第１の部材と第２の部材との間での磁界のために、双極子磁石を提供することにより、磁界を生成するためのシステムは、メンテナンスが不要となり、このことは、多くの応用にとって高く要求されていることであり、例えば、沖合の、特に深海の沖合の風力タービンに関連する応用を含むような、簡単にアクセスできない場所での装置のために要求される。
【００１２】
上記で述べた表面を円滑に曲げることに沿って、第１の部材および第２の部材の相対する複数の双極性の少なくとも多くからの磁界の方向は、回転軸に並行な方向に空洞の内側表面から第１の部材を反発させるために、回転軸に並行な方向の成分を有する。例えば、回転軸が垂直のとき、垂直方向に反発する磁力線は、１つの部材の重量を他の部材の上に支持するように使用することができる。例えば、第２の部材が、固定のとき、反発する空洞の内側表面は、第１の部材の重量を支持することに使用することができ、付け加えると、第１の部材に負荷となる追加手段の重量を支持することにも使用することができる。
【００１３】
上記で説明したように、好ましい解決法において、第１の部材の外側表面の部分は、球形の部分となる形状を有し、空洞の内側表面の部分は、空洞の球形部分内に第１の部材の球形部分を収納するための球形、大きな半径であるが、その球形に対応する部分の形状を有する。球形による解決は、放射状構成に配列される棒磁石の形状内の双磁子によって、比較的容易に生成される。例えば、すべての双極子を、第２の部材の内側表面と第１の部材の外側表面との間の隙間に向かってＮ極を方向付けることで可能となる。
【００１４】
第１の部材と対応する空洞とは、完全な球形に似せる必要はない。更なる実施例において、例えば、第１の部材は、球形部分の形状と、球形部分から回転軸に沿って延長される軸とを有する、第１の球形部分から実質的に構成される。次に、第２の部材は、第１の部材の球形部分を収納する球形部分の形状の空洞を有する。更に、第２の部材は、空洞の延長部分に環状部を有し、この環状部は、軸を収納する。軸が、環状部の内側表面と接触することを阻止するために、軸および環状部は、軸の外側表面と環状部の内側表面との間の隙間に同一極性が対面する状態の複数の双極子磁石を含むことで、反発力を生成する。こうして、本願発明による軸受部は、主として回転軸周辺の回転動作に制限される。しかし、ある程度の耐久性が、回転動作からの動作偏位によって、軸受部において提供される。故に、耐久性における僅かな拡張によって、軸受は、全方向性のヒンジ（hinge）として動作する。
【００１５】
球形の形状は、円滑な回転能力によるものが最も好ましいけれど、球形からずれることは、耐えることができる。他の代替であっても、応用分野の独立性および必要な許容性において、機能することが可能である。例えば、球形の代替として、円滑に曲げた形状の回転による別の胴体でも、本願発明のために使用することは可能である。
【００１６】
他の円滑な形状のいくつかの例は、第１の部材の外側表面が、ラメ曲線（Lame curve）に似せた断面による回転の表面部分の形状を有し、空洞の内側表面の部分が、ラメ曲線に似せた対応する表面の対応部分となる形状を有し、しかも、空洞の内側で、第１の部材を収納する部分が一層大きな断面であるようにする方法で、規定すれば可能である。ラメ曲線は、（ａ/ｘ）m＋（ｂ/ｙ）n＝１で規定することができ、ここで、ｘとｙとは変数で、ａ、ｂ、ｍ、およびｎは定数で、およびｎ≧２、ｍ≧２である。例えば、楕円の場合は、ｍ＝ｎ＝２であり、球形の場合は、ｍ＝ｎ＝２、およびａ＝ｂである。しかし、円滑な形状の他の例は、放物線または双曲線の回転体である。
【００１７】
実施例の１つにおいて、第１の部材は、円滑な曲線の回転の表面に似せた外側表面、例えば断面をラメ曲線に似せて回転させた外側表面、および回転軸に沿う胴体から延長する軸から実質的に構成される。第２の部材は、第１の部材の胴体を収納するための対応する空洞を有し、第２の部材は、空洞の拡張部に環状部を有する。球形の実施内において、拡張部は軸を収納する。軸および環状部は、環状部の内側表面から軸への反発力を得るために、環状部の内側表面および軸の外側表面の間における隙間で対面する同一極性の複数の双極子磁石を共に有する。
【００１８】
更なる実施例において、環状部は、軸の電磁駆動するための誘導モータを含む。代替として、上記モータに追加するものまたは一部として、環状部は、環状部に対して回転する軸の回転から、電力を発生させる発電機を含むことができる。このことは、本願発明を、第１の部材から軸を延長させて、風力タービンを支援するために使用するときに関連してくる。
【００１９】
好ましい実施例において、軸は実質的に垂直方向であり、風力タービンは、軸の延長部の上端部および下端部に固定された複数の翼を伴うダリウス型タービンである。風力タービンが、第１の部材の軸に搭載されるとき、第２の部材は、海底に第２の部材を固定するために、ケーブル付き垂直浮遊用重量配置品を含むことができる。垂直浮遊用重量配置品は、第１の部材の軸に対して反対側の下方向に提供される。
【００２０】
上述に沿って、風力タービンは、第１の部材の軸の延長部において提供され、第２の部材は、第１の部材の重量を支える。しかし、本願発明の装置は、第２の部材が、装置に固定されるタービンを有し、第１の部材の軸が、タービンおよび第２の部材の重量を支持するために固定されるところで使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
本願発明を、以下の図面を参照して、一層詳細に説明することになる。
【図１】Ｚボール（Ｚ ball）軸受を側面から示す図である。
【図２】Ｚボールを単純化したときのパラメータを示す図である。
【図３】バッキー球形Ｃ７２０の配置を示す図である。
【図４】ボールおよびボウル（bowl）用の角柱の磁気構成要素を示す図である。
【図５】単一の「シンク−ソース（Sink-Source）」磁石および該磁石の磁力線を示す図である。
【図６】図５の磁界内の等電位線を示す図である。
【図７】Ｎ極を隣接されたとき（Ｎ−Ｎ）の２つの磁石を示す図である。
【図８】Ｎ極が下を指す同一方向の状態で並んで置かれた２つのＮ−Ｓ付磁石を示す図である。
【図９】ボールをボウル中心においたときのＺボール内の磁力線を示す図である。
【図１０】ボウルに対してボールを下方向に移動させたときのＺボール内の磁力線を示す図である。
【図１１】Ｚボールおよびダリウス風力タービンを備えるシステムを示す図である。
【図１２】「FloWind」の例を示す図である。
【図１３】ダリウス風力タービン用のＺボール軸受を示す図である。
【図１４】沖合の海底での風力タービン公園内の風力タービン間の相互接続を説明するための実施例の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は、本願発明の実施例を磁気構造１で説明しているが、この磁気構造１は、以下ではＺボール（Ｚ ball）と呼ばれ、以下でボール（ball）と呼ばれる球形の磁気構造２が、以下でボウル（bowl）と表記される外側の球形構造３の内側に置かれる。ボール２もボウル３も、ボール２およびボウル３間に磁界４を構成する永久磁石を含み、この磁界は、ボール２およびボウル３の間で反作用を生じる。例えば、矢印６で示す永久磁石の組は、ボール２の中心５から方向付けられた−矢印７の先端として示す−Ｎ極と共にボール２内に置かれる。磁石１３の別の組も、ボウル３の中心５から方向付けられた−矢印７の先端として示す−Ｎ極と共にボウル３内に置かれる。こうして、ボール２は、３次元の磁界４内を自由に動ける状態で保留され、ボウル４の内側で衝突することなく回転することができる。
【００２３】
この磁界は、無指向性の焼入れしたバネの特性に類似しており、この磁界の特性は、ボール２およびボウル３の間の距離が減少するにつれて増加する。
【００２４】
ボール２は、上方向に延長する第１の柱/棒８に接続される。第１の柱８は、環状部１１内に含まれ、環状部１１および環状部１１の高さ迄の第１の柱８は、永久磁石構造９を備えており、この結果、環状部は、柱８と環状部１１との間において、磁界１１内に保持される。この方法で、ボウル３内にボール２を伴なうＺボール構造は、ほぼ柱８に垂直な平面内だけで回転することになる。
【００２５】
一方、ボウル３は、第２の柱/棒１２を有し、この柱/棒は、ボール２の第１の柱８に対して対向する方向に延長される。第２の柱１２に対する第１の柱８の小さな動きは別として、回転軸１４に沿った相互のねじれおよび動作により、第１の柱８および第２の柱１２は、共線（co-linear）の関係にあり、共通の軸１４の周りで互い相対的に回転することができる。
【００２６】
上記の柱/棒８、１２は、説明用に使用したものであり、他の構造物に置換できることを述べておく。第１の柱８は、柱８に外部デバイスを搭載するために、軸１６の形状内に延長部を有することができる。
【００２７】
ボウルは、誘導用のためにコイル１５を含む環状部１１と共に延長することができる。これらのコイル１５は、ボウル３内のボール２を駆動する誘導モータとして、または外部からの力が、ボウル３に対してボール２を駆動するときに電気を供給するための発電機として使用することができる。加えて、誘導モータは、ボウル３に対してボール２を制止するのに使用することができる。この制止メカニズムは、付加的な機械的制止と組み合わせることができる。
【００２８】
以下に一層詳細に説明するように、上記装置は、ダリウス型の風タービン用として大いに適用され、例えば米国特許番号1,835,018に開示され、または本願に図１２として図解する。この種の風力タービンは、従来のプロペラ型の風タービンよりも、スタートさせるのが一層困難である。故に、タービンの回転を開始させるために、最初に電気をコイル１５に供給できるようにし、この後に、風力が電気を生成するためにタービンの回転を継続させることになる。適切な機能のために、回転速度を、電気制御の使用により事前設定の限度内に維持させることができる。
【００２９】
電磁石とは対照的にこのような構成に永久磁石６を使用することの利点は、永久磁石がメンテナンスを必要としないこと、また電気的フィードバック制御メカニズムも必要としないことである。多くの事例において、例えば風力タービンの関連でメンテナンスおよび制御の最小化が要求されている。
【００３０】
図２は、Ｚボールの種々のパラメータを示しており、ボールは、半径ｒを有し、ボウルは、半径Ｒを有する。力Ｆz＝Ｍ*ｇ（Ｍは負荷の質量であり、ｇは、重力定数ｇ＝９.８１ｍ/ｓ2である）が、ボール上に、下部分のｚ方向に与えられたとき、ボールは、磁界内で浮遊状態になる。ボールが、中心から距離ｈに移動したとき、ボールとボウルとの間のより小さな距離ｄのおかげで、磁力は、２つの相反する力を平衡させるためにＦzまで増加することになる。
【００３１】
永久磁石のために、種々の種類の構造パターンが、可能である。好ましくは、磁石の各組の配置のためのパターンは、典型的な一様分布の幾何学的公式に従い、図３に示すような、要するに「バッキー球」に従うことになる。外見的に、「バッキー球」は、閉じられた多面体の仲間を構成することになる。本願で使用される仲間の一部は、公式Ｖ＝２*（Ｈ＋１０）に従い、ここで、Ｖは、頂点の数であり、Ｈは、六角形の数である。図２は、Ｖ＝７２０の場合である。この例において、完全な「バッキー球」において、常に正確な１２個の五角形が存在し、かつ３５０個の六角形が存在する。これらの五角形は、５つの「プラトンの立体」の１つ、いわゆる「十二面体」として、６つの対称軸上に置かれたペアワイズ（pair-wise）である。故に、トポロジーは、完全に固定化している。原則上、ユーザ/技術者が、Ｈを決定するが、ある制限が強制され、全辺長が等しい所では排他的に正多角形が要求される。別の「バッキー球」を、Ｚボールのモデルとして使用することが可能である。
【００３２】
磁石の好ましい形状を図４に示す。この磁石は、大量に集合させることで、球形のボールおよびボウルの各々の形状上に磁石構造を形成することができる。図４は、磁石を示すが、磁石プリズムの頂上および底部の表面は、「バッキー球」原則に似せるように、六角形または五角形のいずれかにする。
【００３３】
本願発明によるＺボールの利点は、２つの部分２、３の間で回転する結合を構成することであり、ここでは２つの要素の間で摩擦無いので、磨耗を低減し、エネルギー損失を最小化する。このことは、２つの要素に力が作用するのに拘らず、摩擦の無い回転結合を維持することができ、力は、回転方向に沿うよりも他の方向に存在することになる。力を受けると、結合は、ボール２をボウル３に押すことにより回復するように作用する。このことは、例えば図１に示した環状部の形に誘導デバイスに組み込むことを可能にする。誘導デバイスは、あるタイプの応用において非常に有効であり、例えば図１３に示す風力タービンに関連して、誘導デバイスは、歯車および発電機として役に立つ。それは、従来の解決法と比較して、重量、機械部品の数、およびメンテナンス費用の面において多大な貢献を示す。
【００３４】
次に、磁力線を本願発明に関連して説明する。上記したように、図４に示すようなタイプの双極子磁石の大多数を、球形の磁気構造に似せるように配列することができる。図５は、そのような双極子磁石を磁力線と共に示している。各磁力線（流線）は、閉じて、環状を形成する。慣例により、磁力線の方向は、Ｎ極からＳ極へとしており、磁力線が交差することはない。等電位線は、示していないが、磁力線に対して垂直方向に存在する。等電位線は、図６に見ることができる（うすく見える）。
【００３５】
２つの棒磁石が、互いに等価な極性端部を強制されるとき、磁力線の図は、反発する磁力線を示す図７が得られる。この場合、磁束の場は、２つの磁石の間で圧縮される。図８は、Ｎ−Ｓを同一方向にしたときの２つの磁石の状態を示す。
【００３６】
上記理解を基礎にして、複数の上記双極子磁石からなる磁気的配列が、ボール２およびボウル３のために構築することができる。Ｚボールにおけるボールおよびボウル間の磁界の磁力線を、ボール２がボウル３の中心にあるときを図９に示し、ボール２がボウル３に向けて移動したときを図１０に示す。
【００３７】
磁束の磁界が、磁気構造２、３の間でどう圧縮されるかは、鮮明に見ることができる。磁界は、２つの隣接する磁石間での圧力を生成する。しかし、磁石を集合させるのに必要なエネルギー/仕事は、製造上の問題である。全部の磁石が所定の位置に置かれたとき、これらは、ギャップを埋めるために、マトリックス（matrix）内で凍結され、マトリックスは、殻に必要な強度を提供する。故に、薄膜の殻モデルの観点から、ボール２およびボウル３は、プリテンション（pre-tension）をもって生まれる。事前の計算は、最新の複合材料をマトリックスのために使用するとき、生じるストレスに問題が無いことを示している。
【００３８】
図５から図１０を生成するために使用した計算機プログラムは、「磁界の可視化」（J．S．Beeteson著、アカデミック出版、2001年）によるが、図４内の要素には応用できない。３次元の磁界は、ここでは２次元の磁界としてモデル化することができる。故に、図５から図１０は、「２次元の断面」としてだけ見るべきであり、磁石は、棒磁石に単純化される。
【００３９】
概念的に、磁界は、放射状に向けられたスプリング付きのスプリング・マットレスのように作用し、そこでは、ボール２およびボウル３の間の距離が、減少するとき、力が増加する。特性は、種々の磁石内の合金のタイプおよび幾何学的な選択されたモジュール方式に依存する。理論上、球形表面間の距離が零に向かうとき、表面間の力は無限大に向かう。ボールまたはボウルについて、理想的な球状表面、またはそのような幾何学的に完全な形状部分にしなければならない理論上の制限はない。完全な形状から隔たることは、耐えられることであり、時には避けられないことであり、特に好ましい場合には、磁気構造は、複数の双極子磁石から似せられる。
【００４０】
クーロンの法則に従えば、電荷Ｑ１および電荷Ｑ２の２つの永久磁石は、距離ｄにおいて力Ｆを互いに及ぼすことになる。
Ｆ＝［1/(4*π*εθ)］*Ｑ1*Ｑ2*(1/ｄ2)
Ｆ： ［ニュートン］＝［Ｎ］
εθ： 表面間の物質内の誘電率［ファラッド/メートル］
ここで、物質は空気である。
Ｑ１およびＱ２： ［クーロン］＝［Ｃ］＝［アンペア*秒］
ｄ： ［メートル］＝［ｍ］
【００４１】
ここで、電荷は、同一符号を有すると仮定し、そうでなければ反発の代わりに吸引力を得ることになる。ボールの外側表面は、永久磁性ｑｋ［Ｃ/ｍ2］を有し、ボウルの内側表面は、永久磁性ｑｓ［Ｃ/ｍ2］を有する。ボールは、ボウルに逆らう方向のＮ極を有し、ボウルは、ボールに逆らう方向のＮ極を有し、この結果、ボールは、ボウルに「反発」し、ボウルの場合も同様である。
【００４２】
ボールおよびボウルの間の磁界は、静磁界ではない。何故なら、ボールがボウル内で振動するので、磁界は時間と共に変化する。理論によれば、静的平衡ではなく、安定と呼びことができる動的平衡を得ることになる。
【００４３】
上記で仮定したように、球形の表面上に単極の磁性だけを提供することでは実現不可能である。重要な仕事のための現実的解答は、表面の離散化に基づかなければならない。本願発明において、ボールおよびボウルは、図４内に示す、両タイプの永久磁石の集合体となる。基本のパターンは、図３および説明によって与えられる。上記で説明したように、幾何学から判るように、正多角形の組合せのみが、隙間を残すことなく、球形を覆うことができる。所定の応用のために、ユーザ/エンジニアは、図４に示すような、六角形の数（Ｈ）および正多角形内の辺長を決定する。図４内の角柱の高さは、明らかに図１内のボールおよびボウルの回転の殻の厚さと一致している。
【００４４】
・本願発明の応用分野
本願発明は、異なる要素間での摩擦の無い回転結合のために使用することができ、例えば、Ｚボールの原理は、掘削用機械、エンジン、および車輪軸受を含む回転応用のための軸受として使用することができる。
【００４５】
好ましい実施例は、垂直の回転軸１４付きのダリウス型の風力タービン２０に関連するもので、図１１に示す。Ｚボール１のボウル３は、一般的にはＳＰＡＲ（Single Point Anchoring Repository）と記載される垂直浮遊用重量配列２１に接続される。ＳＰＡＲ２１は、第１の組のワイヤー２３によって、海底２２に固定される。Ｚボール１のボールは、ダリウス型風力タービン２０の軸受であり、このタービンにとって、第２の組のワイヤー２５によって海底２２に固定される頂上の磁気配列２４が、負荷となる。環状部１１にとって厳密には必要では無いけれど、頂上の磁気配列２４は、Ｚボール１と類似している。図１１の右側部分に、切断面の表示２６、２７を、切断面の位置を示す点描の基準線２７、２８と共に示す。
【００４６】
図１３は、風力タービンに関連する拡大図においてＺボールを示しており、Ｚボールの翼１７が軸８の延長部分１６に搭載されることを示す。図１３は、多くの観点において図１と一致し、同一の参照番号が使用される。
【００４７】
特に、本願発明は、沖合の深海にある、電力を発電するための新タイプの風力タービンに適している。深海の用語は、好ましくは水深Ｄが５０ｍを超えるものを意味する。しかし、本願発明は、原理的に水深Ｄが５０ｍを超えるものに限定するものではなく、沿岸および陸上でも動作することを強調する。何故なら、Ｚボールの原理は、普遍的な技術だからである。しかし、Ｚボールは、沖合用タービンとして、タービンが浮遊構造の部分であるときに非常に有利である。
【００４８】
１つの実施例において、タービン２０の総工事、すなわちワイヤー２３、２５およびＺボール１を固定することが、沖合の風力タービン公園内のユニットとしてデザインされ、そのユニットは、図１４に概略的に示される。ハート形状を有するユニットにとって、少なくとも３つのケーブルは、安定化のために使用するべきである。しかし、安全性および安定性の理由から、図１４に示すように、端部に海底土台を有する６つのケーブルを使用して、六角形パターン内に配置されている。
【００４９】
例えば、海底土台は、海底での据付、サクション・アンカー（suction anchor）、またはアロー・アンカー（arrow anchor）で固定することができる。ＳＰＡＲ２１および回転頂上２４に到着する２つのケーブル２３、２５のために、１つの基準点（anchoring point）を設けることができる。しかし、環境条件、すなわち海底２２の状態、風、波、およびケーブル２３、２５で生じる力に従って、ＳＰＡＲ２１用基準点の１つのグループおよび回転頂上へのケーブル２３、２５用基準点の別のグループを適用する必要があるかもしれない。
【００５０】
陸上において、ケーブル類は、翼１７との衝突を避けるため、またケーブルの固有振動数が、通常動作状態にあるローターの周波数（翼の周波数を含む）に干渉しないように、高度なプレテンション方式で設置される。これらの考慮は、特に、厳密にはケーブルの長さが考慮すべき程増加したときの事実を考慮したときに、当然ながら沖合でも有効である。故に、水深Ｄの上限は、必要なプレテンション方式、およびシステムの係留化/固定化の現存技術によって決定される。
【００５１】
本願発明は、「対応する沖合構造物」のグループに属する。Ｚボールは、ケーブルの振動およびＳＰＡＲの振動に起因して振動することになるので、構造全体の「外皮（envelope）」が、所定の環境、すなわち水深、風および波スペクトル、海底等の条件だけで決定することができる。
【００５２】
市販化された最大級のダリウス型タービンの２つのタイプ、「FloWind 17 EHD」と「FloWind 19-meter」を、図１２に示す。これらは、主に米国とカナダにおいて、１９７０年から１９９７年の期間に製作され販売された。これらは、ＶＡＷＴの仲間（Vertical Axis Wind Turbine：垂直軸風力タービン）に属する。他の実施例は、米国特許番号1,835,018の明細書に、ダリウスによって開示されている。
【００５３】
しかし、本願発明は、２つまたは３つの翼を有する上記タイプに依存する方法ではない。別の数の翼を有する別タイプも、市場において有効となっている。基礎的計算は、図１４内の２つの翼の代りに３つの翼を有する３枚ローターの「FloWind 19-meter」タイプを基礎とした。その理由は、３枚ローターの方が、２枚ローターよりも一層優れた動的特性すなわち優れた対称性を有しており、この特性が、回転頂上を沖合に置いたときに最重要な要素となるからである。
【００５４】
図１３に関連して、好ましいことに、柱８、１６は、翼１７と共に回転する。このことは、柱８と翼１７との間に支柱の使用を必要とするように見える。支柱無しのタービンの改良型は、陸上で試みられ、見たところ成功は無いようであるが、どうやら翼に関する固有振動数に対して重要な課題となるはずである。いわゆる固有モードは、端点の支持だけで支えられる、非常に長い梁にとって困難な課題となっている。
【００５５】
ポリマー材料に関する強度および製作法は、現在までに改良されており、ポリマー材のケーブルが、従来の重い固定用チェーンまたは鉄製ロープ/ワイヤーの代りに、沖合にて使用することができる。これらの改良された合成材料の軽い重量密度が、水面下で水の下になったとき、事実上「無重力」になることを示唆する。
【００５６】
特に、特徴のある垂直軸を有するダリウス型風力タービンは、３つの有利な特有の特徴がある。
その特徴は、全指向性にある。足りる風があれば、タービンが動作し、風の方向は重要な意味をなさないことである。このことは、ヨー機構（yaw mechanism）の必要性を低減し、重量および費用を著しく節減する。
その特徴は、重心が低いことにある。そこは、ローターの中心とＺボールの中心との間になるが、タービンの水平回転軸を有する、より従来型の風力タービンの大部分の場合のようなナセルの近くにはない。
その特徴は、基本的に軽量構造にある。例えば、図１４を参照して、「FloWind 17 EHD」（効力＝0.3 ＭＷ）は、質量17,000 kgを有し、「FloWind 19-meter」（効力＝0.24 ＭＷ）は、質量10,000 kgを有する。「The FloWind」にとって、翼の総質量は、各々が4,300 kgと2,000 kgとである。故に、（重く負荷がかかる）柱は、タービンの質量の約２/３を負うことになる。更に、負荷は、ケーブル内の張力および翼の遠心力によって生じる。柱は、支柱からの偏心荷重を伴う、単純支持形式のオイラー柱（Euler Column）であり、支柱は、翼における偏心荷重を柱に運ぶ役割をする。重量の低減は、柱のために細胞物質を使用することで更に達成することができ、細胞物質は、全体の重量を低減するだけでなく、必要な安定性および剛性を維持する。
【００５７】
本願発明の風力タービンに関連して、以下の利点を考慮することができる。
１．構造は、曲げモーメントの影響を考慮し、最小化する。
２．Ｚボールは、陸上のダリウス型タービンで知られていた損傷および損傷によるパワー損失を最小化/低減化する。故に、装置寿命は、単純に延長化される。
３．Ｚボールの環状部の内の誘導装置は、歯車、発電機、および制御機器/制動機として作動するので、これらの要素は、従来のタービン内での実質的な質量を意味する。この単純化は、ヨー機構の低減に関連して、質量における相当な低減を意味する。
４．機械的要素の数量を低減する。このことは、一層単純化した製作方法、輸送および搭載すべき機械的要素の削減、およびメンテナンス問題の一層の減少を意味する。
５．本願発明は、沖合の深海を基礎として、水平のタービン軸を有する風力タービンを据付する種々のプロジェクトで判った比率（ＭＷ/Ｋｇ-搭載質量）よりも、この比率が５倍以上高くなるであろうと推定する。
６．風力タービン公園のために選択されたサイトが、種々の理由で悪い選択であると判明するようなとき、例えば気候または政策の変化が理由となるが、この場合、タービン、Ｚボール、およびＳＰＡＲは、分解して、現存する沖合の容器から独立して移動することができる。このことは、風力タービン公園の移動性が高いことを示唆し、公園内の各ユニットについて位置調整の自由度が高いことを示唆する。
７．本願発明は、ほとんどのどのような環境にも適用することができる。中古の２つのタイプのローターがあると仮定すると、他のパラメータについて変更することは、ＳＰＡＲの直径および長さ並びにケーブル長さである。ＳＰＡＲおよび頂上のスピナー（spinner）用のケーブル番号は、少なくとも６にするべきである。３つのケーブルを有するシステムは、理論上可能であり、より多くのケーブルの余剰は、より高い安全性を示唆するが、推奨はしない。システムの係留化/固定化は、サイトに依存することになるであろう。
８．短期間の実験は、ダリウス型タービンが、大部分の水平軸の風力タービンよりも翼の着氷問題に耐久性があることを示した。
【００５８】
Ｚボールは、最も好ましい実施例である。しかし、別の形状、球形から僅かにはずれた形状を含めることも可能である。好ましい解決法は、丸みを帯びた形状を含み、例えば、水平または垂直方向内の最も長い方向に楕円形状を有する断面の回転体の殻/胴体も含む。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第２の部材（３）に対して、第１の部材（２）の回転軸（１４）の周りで回転動作させるための装置（１）であって、
前記第１の部材（２）は、前記回転軸の周りで回転対称となる外側表面を有し、
前記第２の部材は、前記第１の部材の外側表面と前記第２の部材の内側表面との間の隙間で、少なくとも第１の部材の部分を収納する内側表面を有する、対応する回転対称の空洞を有し、
前記第１の部材と前記第２の部材との間での反発する磁界（４）が、第１の部材の外側表面と第２の部材の内側表面との間での接触を阻止し、
前記第１の部材は、前記隙間に向けられた同一極性（７）で配列された複数の永久双極子磁石（６）を含み、前記第２の部材は、前記空洞の内側表面から前記第１の部材を反発させるために、前記第１の部材の磁界に対向する隙間に対して同一極性で配列された複数の永久双極子磁石（１３）を含むことを特徴とする、回転動作用装置。
【請求項２】
前記第１の部材（２）および前記第２の部材（３）の複数の対向する双極子（６，１３）の少なくとも多くからの磁界の方向が、前記回転軸に並行な方向において前記空洞の内側表面から前記第１の部材を反発させるための、前記回転軸（１４）に並行な指向性成分を有する請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１の部材（２）の外側表面の部分は球形部分となる形状を有し、前記空洞の内側表面の部分は、前記空洞の球形部分内に前記第１の部材の球形部分を収納するための球形の対応部分となる形状を有する、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記磁気双極子（６，１３）は、放射状の配置で配列された棒磁石である請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記第１の部材（２）は、球形部分である形状を伴う第１の球形部分と、前記回転軸（１４）に沿って前記球形部分から延長される軸（８）とから実質的に構成され、前記第２の部材（３）は、前記第１の部材の球形部分を収納するための球形部分となる形状を伴う空洞を有し、前記第２の部材は、前記空洞の拡張部に環状部（１１）を有し、前記環状部は前記軸を収納し、前記軸は、前記環状部の内側表面に同一極性で対面する複数の双極子磁石を含み、前記環状部は、前記環状部の内側表面から前記軸への反発力を得るために、前記軸の外側表面に同一極性で対面する複数の双極子磁石を含む、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記第１の部材（２）の外側表面の部分は、円滑な曲線の断面による回転の表面部分となる形状を有し、前記空洞の内側表面の部分は、前記空洞の内部に前記第１の部材の部分を収納するための一層大きな断面による回転の対応表面に対応する部分となる形状を有する、請求項１または２に記載の装置。
【請求項７】
前記第１の部材（２）は、円滑な曲線の断面による回転の表面に似ている外側表面を有する胴体と、前記回転軸（１４）に沿って前記胴体から延長される軸（８）とから実質的に構成され、前記第２の部材（３）は、前記第１の部材の前記胴体を収納するための対応する空洞を有し、前記第２の部材は、前記空洞の拡張部に環状部（１１）を有し、前記環状部は前記軸を収納し、前記軸は、前記環状部の内側表面に同一極性で対面する複数の双極子磁石（６）を含み、前記環状部の内側表面から前記軸への反発力を得るために、前記環状部は、前記軸の外側表面に同一極性で対面する複数の双極子磁石（１３）を含む、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記環状部は、前記軸（８）の電磁駆動用、前記軸の電磁制動用、発電用、またはこれらの組合せ用の誘導コイル（１５）を更に含む請求項５または７に記載の装置。
【請求項９】
前記軸の延長線上にある風力タービン（２０）を含む請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記軸（８）は、実質上垂直方向を有し、前記風力タービン（２０）は、前記軸の延長部（１６）の上端部および下端部に固定された複数の翼（１７）を伴うダリウス型タービンである、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記軸（８）に対して反対側の下方向にある前記第２の部材（３）は、海底（２２）に前記第２の部材を固定するための、ケーブル（２３）付き垂直浮遊用重量配置品（１２，２１）を含む請求項１０に記載の装置。
【請求項１】
第２の部材（３）に対して、第１の部材（２）の回転軸（１４）の周りで回転動作させるための装置（１）であって、
前記第１の部材（２）は、前記回転軸の周りで回転対称となる外側表面を有し、
前記第２の部材は、前記第１の部材の外側表面と前記第２の部材の内側表面との間の隙間で、少なくとも第１の部材の部分を収納する内側表面を有する、対応する回転対称の空洞を有し、
前記第１の部材と前記第２の部材との間での反発する磁界（４）が、第１の部材の外側表面と第２の部材の内側表面との間での接触を阻止し、
前記第１の部材は、前記隙間に向けられた同一極性（７）で配列された複数の永久双極子磁石（６）を含み、前記第２の部材は、前記空洞の内側表面から前記第１の部材を反発させるために、前記第１の部材の磁界に対向する隙間に対して同一極性で配列された複数の永久双極子磁石（１３）を含むことを特徴とする、回転動作用装置。
【請求項２】
前記第１の部材（２）および前記第２の部材（３）の複数の対向する双極子（６，１３）の少なくとも多くからの磁界の方向が、前記回転軸に並行な方向において前記空洞の内側表面から前記第１の部材を反発させるための、前記回転軸（１４）に並行な指向性成分を有する請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１の部材（２）の外側表面の部分は球形部分となる形状を有し、前記空洞の内側表面の部分は、前記空洞の球形部分内に前記第１の部材の球形部分を収納するための球形の対応部分となる形状を有する、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記磁気双極子（６，１３）は、放射状の配置で配列された棒磁石である請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記第１の部材（２）は、球形部分である形状を伴う第１の球形部分と、前記回転軸（１４）に沿って前記球形部分から延長される軸（８）とから実質的に構成され、前記第２の部材（３）は、前記第１の部材の球形部分を収納するための球形部分となる形状を伴う空洞を有し、前記第２の部材は、前記空洞の拡張部に環状部（１１）を有し、前記環状部は前記軸を収納し、前記軸は、前記環状部の内側表面に同一極性で対面する複数の双極子磁石を含み、前記環状部は、前記環状部の内側表面から前記軸への反発力を得るために、前記軸の外側表面に同一極性で対面する複数の双極子磁石を含む、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記第１の部材（２）の外側表面の部分は、円滑な曲線の断面による回転の表面部分となる形状を有し、前記空洞の内側表面の部分は、前記空洞の内部に前記第１の部材の部分を収納するための一層大きな断面による回転の対応表面に対応する部分となる形状を有する、請求項１または２に記載の装置。
【請求項７】
前記第１の部材（２）は、円滑な曲線の断面による回転の表面に似ている外側表面を有する胴体と、前記回転軸（１４）に沿って前記胴体から延長される軸（８）とから実質的に構成され、前記第２の部材（３）は、前記第１の部材の前記胴体を収納するための対応する空洞を有し、前記第２の部材は、前記空洞の拡張部に環状部（１１）を有し、前記環状部は前記軸を収納し、前記軸は、前記環状部の内側表面に同一極性で対面する複数の双極子磁石（６）を含み、前記環状部の内側表面から前記軸への反発力を得るために、前記環状部は、前記軸の外側表面に同一極性で対面する複数の双極子磁石（１３）を含む、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記環状部は、前記軸（８）の電磁駆動用、前記軸の電磁制動用、発電用、またはこれらの組合せ用の誘導コイル（１５）を更に含む請求項５または７に記載の装置。
【請求項９】
前記軸の延長線上にある風力タービン（２０）を含む請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記軸（８）は、実質上垂直方向を有し、前記風力タービン（２０）は、前記軸の延長部（１６）の上端部および下端部に固定された複数の翼（１７）を伴うダリウス型タービンである、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記軸（８）に対して反対側の下方向にある前記第２の部材（３）は、海底（２２）に前記第２の部材を固定するための、ケーブル（２３）付き垂直浮遊用重量配置品（１２，２１）を含む請求項１０に記載の装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公表番号】特表２０１０−５１８２９７（Ｐ２０１０−５１８２９７Ａ）
【公表日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５４７５３１（Ｐ２００９−５４７５３１）
【出願日】平成２０年２月１日（２００８．２．１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＤＫ２００８／００００４６
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０９２４５６
【国際公開日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【出願人】（５０９２１７７８１）
【出願人】（５０９３３２３２７）
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月１日（２００８．２．１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＤＫ２００８／００００４６
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０９２４５６
【国際公開日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【出願人】（５０９２１７７８１）
【出願人】（５０９３３２３２７）
【Ｆターム（参考）】
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