JP2004350492A - 軸流構造形式の電気機械 - Google Patents

Abstract

【課題】高いトルク密度と僅かな構造長さとを備えた電気機械を安価に提供する。
【解決手段】一方の主エレメント（１１）が１つの極ディスク（１６）を有しており、該極ディスク（１６）が、所望の極数に応じた個数の、ディスク面にわたって扇状に等間隔に分配配置されていて磁気を通す材料から成る平らな極セグメント（１７，１８）を有しており、該極セグメント（１７，１８）のうち、連続する奇数番の極セグメント（１８）および連続する偶数番の極セグメント（１７）が、その都度１つの、磁気を通す材料から成る結合部材（１９，２０）を介して互いに結合されており、さらに、前記主エレメント（１１）が環状の界磁巻線（２２）を有しており、該界磁巻線（２２）が帰磁路ヨーク（２１）と一緒に極ディスク（１６）に対応配置されているようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、ステータとしての主エレメントとロータとしての主エレメントとを備えた、軸流構造形式（Ａｘｉａｌｆｌｕｓｓｂａｕｗｅｉｓｅ）の電気機械であって、ロータがステータに対して、軸方向でのエアギャップの介在下で対向して位置している形式のものに関する。

「ディスク形ランナ機械（Ｓｃｈｅｉｂｅｎｌａｅｕｆｅｒｍａｓｃｈｉｎｅ）」とも呼ばれる、公知の軸流構造形式の電気機械（アメリカ合衆国特許第６１７２４４２号明細書）は、ディスク状のロータを備えた、単相のブラシレス直流モータとして構成されており、ロータは、ステータに面したそのディスク面に、周方向で等間隔に配置されていて軸方向で磁化（着磁）された永久磁石を有している。ディスク状のロータを回転支承して収容する、ロータに対して平行に方向付けられたステータはステータヨークとステータ巻線または電機子巻線とを有しており、この巻線は、直径方向で配置されていてステータヨークに固定された２つの環状コイルを有している。ステータ巻線は交流で負荷される。モータ運転形式の機械の始動を保証するために、ステータヨークは非対称的に構成されており、例えば２つの直径方向の切欠きを有しており、切欠きは片面で両環状コイルの下を延在している。
アメリカ合衆国特許第６１７２４４２号明細書

本発明の課題は、冒頭で述べた形式の電気機械を改良して、高いトルク密度と僅かな構造長さとを備えた電気機械を安価に提供することである。

この課題を解決した本発明の構成によれば、一方の主エレメントが１つの極ディスクを有しており、該極ディスクが、所望の極数に応じた個数の、ディスク面にわたって扇状に等間隔に分配配置されていて磁気を通す材料から成る平らな極セグメントを有しており、該極セグメントのうち、連続する奇数番の極セグメントおよび連続する偶数番の極セグメントが、その都度１つの、磁気を通す材料から成る結合部材を介して互いに結合されており、さらに、前記主エレメントが環状の界磁巻線を有しており、該界磁巻線が帰磁路ヨークと一緒に極ディスクに対応配置されているようにした。

本発明のように構成されていると、界磁巻線として簡単で安価な環状コイルを備えた、車両ジェネレータにおいて有利な爪磁極（クローポール）構造の利点を、省スペースな軸流構造形式の利点、すなわち極めて短い軸方向の構造長さの利点に結び付けることができる。本発明による機械は、一般にエアギャップ巻線を使用していてこれにより大きな軸方向エアギャップを有する公知のディスク形ランナ機械よりも高いトルク密度と、同時に、より大きな構造長さによってのみ同じトルク密度を達成する半径流機械よりも僅かな構造長さとを有している。

本発明による機械は有利には単相で構成されるが、要求されるより高い始動トルクを伴う運転や、特に、要求されるリバース運転のためには多相、有利には二相で設計されることもできる。

別の請求項に記載された手段により、請求項１に記載された電気機械の、有利な変化形および改良形が可能である。

極ディスクを有する主エレメントは選択的にステータまたはロータとして使用されることができる。両事例では、本発明の有利な構成により、極ディスクが固く帰磁路ヨークに結合されており、界磁巻線が極ディスクと帰磁路ヨークとの間で包囲されている。このようにして、多極の、軸方向の磁界が、極めて簡単かつ安価な環状コイルにより生ぜしめられ、その際、環状コイルによって、より高い銅占積率（Ｋｕｐｆｅｒｆｕｅｌｌｆａｋｔｏｒ）が得られる。

極ディスクを有する主エレメントをロータとして使用した場合、スリップブラシを備えたスリップリングペアが、界磁巻線を直流で負荷するために必要である。スリップブラシを備えたスリップリングを省略したいならば、本発明の有利な構成により、帰磁路ヨークおよび界磁巻線だけが固く互いに結合されて、空間的に定置に配置されていて、極ディスクは帰磁路ヨークおよび界磁巻線に対して相対的に回転可能に配置されている。この事例では、極ディスクは、独立していて安定な構成部分として構成されなければならず、このことは本発明の有利な構成により、極セグメントおよびその結合ウェブがプラスチックまたは磁気を通さない別の材料内に埋設されることによって達成される。択一的には、極ディスクの両部分の間に、磁気を通す細いブリッジが設けられてもよい。このことは特に、十分に高い磁束が提供される場合に有利である。その際、細いブリッジは容易に飽和させられて、磁束損失はこれにより僅かに維持される。

本発明の有利な構成によれば、帰磁路ヨークはポットとして形成されており、ポットはポット縁部平面にまで延びる中央の、一体的なハブを有しており、極ディスクはポット縁部およびハブに載設されている。極ディスクが帰磁路ヨークに対して相対的に回転可能である事例では、ポット縁部の環状面およびハブの端面と、極セグメントとの間に、最小のエアギャップが保証されている。帰磁路ヨークは金属薄板から深絞り加工技術で製作されることができ、このことは特に比較的小さな機械のために安価な製作を生ぜしめる。比較的大きな機械構成の場合、帰磁路ヨークは例えば圧縮された鉄粉のような焼結金属、ＳＭＣまたはプラスチックで結合された強磁性の材料、いわゆる「コンポジット材料」から製作される。

本発明の別の有利な構成によれば、極ディスクを有する主エレメントが電気機械のステータであり、ロータを形成する別の主エレメントが非同期ランナ、有利にはかご形ランナ、リラクタンス形ランナまたは永久磁石界磁式の同期ランナとして構成されている。有利なのは永久磁石界磁式の同期ランナである。それというのも、一方では容易に扇状の極を生ぜしめることができ、他方ではステータとロータとの間の比較的大きな軸方向の作業エアギャップ、その他のエアギャップ、または帰磁路材料の磁気伝導度の低さが直接的にはネガティブに作用しないからである。

本発明の別の有利な構成によれば、極ディスクを有する主エレメントがステータであり、ロータを形成する別の主エレメントの両側にその都度１つのステータが配置されている。この場合、ロータには帰磁路が不要である。それというのも、磁束が直接的にステータ面から永久磁石を通して別のステータ面に閉鎖するからである。この構成の利点は軸方向で対称的な構造にあって、その結果、ロータに作用する電磁力のバランスが取れ、軸受けの問題を招くことがない。

本発明の別の有利な構成によれば、極ディスクを有する主エレメントがステータであり、その都度１つのステータが、別の主エレメントにより形成されるロータの両側に配置されており、該ロータは、その都度１つのステータに面したその両ディスク面それぞれに、周方向で交互の極性を備えて軸方向で磁化された永久磁石を支持している。両ステータ、またはロータのディスク面に設けられた永久磁石の両列は９０°の分だけ電気的に互いに周方向でずらされている。このような構造上の構成により、二相の電気機械が実現される。

以下に図面を参照しながら本発明の実施例について詳説する。

軸流構造形式の一般的な電気機械に関する実施例として、図１に縦断面図で概略的に示した単相の、永久磁石界磁式の同期機は、ステータを形成する主エレメント１１と、ロータを形成する主エレメント１２とを有しており、両者は同軸的に相並んでかつ互いに平行に配置されており、両者の間に作業エアギャップ１３を取り囲んでいる。ロータ１２は磁気を通す材料から成るディスク状のロータボディ１４を有しており、ロータボディ１４は相対回動不能に、ここには図示されていないロータシャフトに載設されている。ロータボディ１４の、ステータ１１に面したディスク面は永久磁石１５により占拠されている。永久磁石１５は軸方向で磁化されている。磁化方向は、周方向で連続する、つまり隣り合う永久磁石１５において逆向きである。

図１には断面図で図２には平面図で見て取ることができるステータ１１は極ディスク１６を有しており、極ディスク１６は所望の極数、ここでは６つの極数、つまり適当な個数の、磁気を通す材料から成っていてディスク面に渡って扇状に等間隔で分配された平坦な極セグメント１７，１８を有している。極セグメント１７，１８は、周方向でその都度１つの極セグメント１８が１つの極セグメント１７の次に来るように、つまり、偶数番の極セグメント１７および奇数番の極セグメント１８が隣り合わないように配置されている。一方で極セグメント１７は、磁気を通す材料から成る結合部材１９を介して互いに結合されており、他方で極セグメント１８は、磁気を通す材料から成る結合部材２０を介して互いに結合されている。結合部材１９，２０はその都度の極セグメント１７，１８と一体的に構成されている。極セグメント１７を結合する結合部材１９はディスク縁部に、かつ極セグメント１８を結合する結合部材２０はディスク中央に配置されている。極ディスク１６には帰磁路ヨーク２１が固く結合されており、帰磁路ヨーク２１と極ディスク１６との間には、環状コイルとして構成された界磁巻線２２が帰磁路ヨーク２１および極ディスク１６に対して同軸的に配置されている。図１に示した実施例の場合、帰磁路ヨーク２１は平らなプレート２３として形成されている。極セグメント１７を結合する外側の結合部材１９は中空円筒２４として、極セグメント１８を結合する内側の結合部材２０は中実円筒２５として構成されている。中空円筒２４および中実円筒２５は、界磁巻線２２をプレート２３に載置および固定した後に、極セグメント１７，１８とは反対側の端面でもって、プレート２３に載設されて、プレート２３に固く結合されている。界磁巻線２２が電流で負荷されると、ステータ１１内には磁束が形成され、磁束の流れは作業エアギャップ１３およびロータ１２を介して閉鎖する。図１には磁束の磁力線２６が著しく簡単化された形で破線により描かれている。見て取ることができるように、極ディスク１６は磁束を中央の結合部材２０から扇状の極セグメント１８を介して半径方向外側に向かって案内し、そこで磁束は作業エアギャップ１３に進入する。同時に、対抗磁束が外側の結合部材１９から扇状の極セグメント１７を介して半径方向内側に向かって、かつそこで軸方向に作業エアキャップ１３内に案内される。

図１に示した主エレメント１１の代わりに使用されることができる、主エレメント１１の、図３に示した実施例の場合、帰磁路ヨーク２１はポット２７により形成され、このポット２７は、ポット２７と一体的な、ポット縁部平面にまで延びる中央のハブ２８を有している。ポット２７は比較的小さな出力の機械において有利には深絞り部分として金属薄板から製作されている。極ディスク１６において、極セグメント１７を結合する外側の結合部材１９は円環２９として、かつ極セグメント１８を結合する内側の結合部材２０は円盤３０として形成されている。円環２９および円盤３０の厚さは極セグメント１７，１８の厚さに等しい。やはり２つの部分から、つまり極セグメントの半分１７と結合部材１９とを備えた部分と、極セグメントの残りの半分１８と結合部材２０とを備えた部分とから成る極ディスク１６は、円環２９がポット縁部２７１に、かつ円盤３０がハブ２８の端面に載着するように、帰磁路ヨーク２１に載設されて結合されている。極ディスク１６の安定度を高めるために、図２に見て取ることのできる、極セグメント１７，１８と結合部材１９，２０との間の自由空間は磁気を通さない材料、例えばプラスチックにより充填されていることができ、このことは図５および図７に示されている。そこに断面で見ることのできる充填材には符号３１を付与した。

モータとしての電気機械の運転形式においてロータ１２の始動を保証するために、通常通り、磁気回路は、好都合な所定のスタート位置へと導く係止モーメント（Ｒａｓｔｍｏｍｅｎｔ）、いわゆる「コギングトルク」が生じるように構成される。本例では、係止モーメントを生ぜしめるために、極ディスク１６に非対称が組み込まれている。図４に示した実施例の場合、そのような非対称は、極セグメント１７，１８の、半径方向の境界エッジ１７１，１８１が、同心的な円弧から変位した経過を有していることにより達成されている。択一的には、３次元の非対称が設けられてもよく、例えば、帰磁路ヨーク２１の、金属薄板部分から製作されたポット２７に、折れ曲げられたノーズが設けられる。

図１に示した電気機械の場合、主エレメント１１，１２はその機能を互換することができるので、主エレメント１１がロータで、主エレメント１２がステータである。この事例では、ロータとして機能する主エレメント１１のために、スリップリングおよびスリップブラシが、界磁巻線２２を直流で負荷するために設けられなければならない。図５に断面図で示した電気機械の場合、ロータを形成する主エレメント１１は、極ディスク１６が、やはり中央のハブ２８を備えたポット２７として構成された帰磁路ヨーク２１に固く結合されているのではなく、帰磁路ヨーク２１に対して相対的に回転可能に配置されている点で改変されている。極ディスク１６は相対回動不能にロータシャフト３２に載設されており、ロータシャフト３２は例えば帰磁路ヨーク２１のハブ２８を通して貫通案内されており、かつ回転可能に支承されている。ポット縁部２７１の円環面およびハブ２８の円環面と、極ディスク１６との間には、最小の軸方向のエアギャップ３３が存在しており、エアギャップ３３は極ディスク１６のスムーズな、界磁巻線２２を備えた定置の帰磁路ヨーク２１に対して相対的な回転を可能にする。ロータとして機能する主エレメント１１をこのように構造上改変したことにより、スリップブラシを備えたスリップリングは省略され得る。ステータとして形成された別の主エレメント１２には、従来慣用のステータと同様に、多相の巻線が設けられている。界磁巻線２２の直流の変化により、界磁は極めて広範な範囲で調節されることができる。帰磁路ヨーク２１を図１と同様にプレート２３として、かつ極ディスク１６を図１に示したように構成することも当然可能である。この事例では、極ディスク１６の回転のために必要なエアギャップ３３は、中空円筒２４もしくは中実円筒２５として構成された結合部材１９，２０の、極セグメント１７，１８とは反対側の端面と、プレート２３との間に形成される。

図６に断面図で描写した単相の電気機械は、軸受けの問題を、ロータとして機能する主エレメント１２に作用する電磁力によって回避するために対称的に構成されている。前記の通りステータとして機能する主エレメント１１は二重に存在しており、ロータとして機能する主エレメント１２の両面に配置されているので、２つの軸方向の作業エアギャップ１３が生ぜしめられる。両主エレメント１１のそれぞれの構造は前記の通りである。ロータシャフト３２に相対回動不能に載設されたディスク状のロータ（主エレメント１２）はディスク平面内に位置する永久磁石１５を有しており、永久磁石１５は軸方向で磁化されており、その際、周方向で連続する永久磁石１５において、磁化方向は逆向きである。永久磁石の界磁のために、ロータ帰磁路は不要である。それというのも、磁束の流れが直接的にステータから永久磁石１５を通って別のステータに閉鎖するからである。それゆえ、永久磁石１５はロータシャフト３２と一緒にプラスチック射出成形によりプラスチックディスク内に統合されることができる。ロータシャフト３２は回転可能に、その都度１つのステータを形成する両主エレメント１１内に収容されている。

図７には、軸流構造形式の二相の電気機械が概略的に描写されている。この電気機械は実質的に、図１および図２に示して説明したような単相の機械２つから構成されている。ロータとして機能する主エレメント１２は磁気を通す材料から成るディスク状のロータボディ１４を有しており、ロータボディ１４の、ステータを形成するその都度１つの主エレメント１１に対応配置された両ディスク面は、軸方向で磁化された永久磁石１５により前記の形式で占拠されている。永久磁石１５と各ステータ１１との間には、作業エアギャップ１３が存在している。両ステータ１１は周方向で９０°の分だけ電気的に互いにずらされて配置されている。択一的には、永久磁石１５がロータ１２の両側で９０°の分だけ電気的に互いにずらされていてもよい。

図８および図９には、ファンホイールもしくはインペラとして形成された永久磁石界磁式のロータの縦断面図が示されており、このロータは例えば図１に示した永久磁石界磁式のロータの代わりに主エレメント１２を図１に示したモータにおいて形成する。ディスク状のロータボディ１４″はプラスチックで結合された磁性材料から製作されており、周方向で連続するセクタが、軸方向の、ただし交互に逆向きの磁化方向を有する、つまり常にＮ極セクタの次にはＳ極セクタが、逆にＳ極セクタの次にはＮ極セクタが続くように磁化されている（図９参照）。ロータボディ１４″にはファンブレード３４が一体的に成形されており、ロータボディ１４″内には中央にロータシャフト３２が圧入されている。

図２に示した線Ｉ‐Ｉに沿った、軸流構造形式の電気機械の縦断面図である。 図１に示したステータの平面図である。 改変された実施例によるステータの、図１に示したのと同様な縦断面図である。 改変された実施例によるステータの、図２に示したのと同様な平面図である。 別の実施例による電気機械の、図１に示したのと同様な縦断面図である。 別の実施例による電気機械の、図１に示したのと同様な縦断面図である。 別の実施例による電気機械の、図１に示したのと同様な縦断面図である。 ファンホイールとして形成されたロータの縦断面図である。 図８に示した矢印ＩＸの方向で見たロータの平面図である。

符号の説明

１１ 主エレメント、 １２ 主エレメント、 １３ 作業エアギャップ、 １４ ロータボディ、 １５ 永久磁石、 １６ 極ディスク、 １７ 極セグメント、 １８ 極セグメント、 １９ 結合部材、 ２０ 結合部材、 ２１ 帰磁路ヨーク、 ２２ 界磁巻線、 ２３ プレート、 ２４ 中空円筒、 ２５ 中実円筒、 ２６ 磁力線、 ２７ ポット、 ２８ ハブ、 ２９ 円環、 ３０ 円盤、 ３１ 充填材、 ３２ ロータシャフト、 ３３ エアギャップ、 ３４ ファンブレード、 １７１ 境界エッジ、 １８１ 境界エッジ、 ２７１ ポット縁部

Claims (16)

1. ステータとしての主エレメントとロータとしての主エレメントとを備えた、軸流構造形式の電気機械であって、ロータがステータに対して、軸方向でのエアギャップ（１３）の介在下で対向して位置している形式のものにおいて、一方の主エレメント（１１）が１つの極ディスク（１６）を有しており、該極ディスク（１６）が、所望の極数に応じた個数の、ディスク面にわたって扇状に等間隔に分配配置されていて磁気を通す材料から成る平らな極セグメント（１７，１８）を有しており、該極セグメント（１７，１８）のうち、連続する奇数番の極セグメント（１８）および連続する偶数番の極セグメント（１７）が、その都度１つの、磁気を通す材料から成る結合部材（１９，２０）を介して互いに結合されており、さらに、前記主エレメント（１１）が環状の界磁巻線（２２）を有しており、該界磁巻線（２２）が帰磁路ヨーク（２１）と一緒に極ディスク（１６）に対応配置されていることを特徴とする、軸流構造形式の電気機械。
2. 極セグメントの半分（１７）を結合する結合部材（１９）がディスク縁部に配置されており、かつ極セグメントの残りの半分（１８）を結合する結合部材（２０）が極ディスク（１６）のディスク中央に配置されている、請求項１記載の電気機械。
3. 極ディスク（１６）、帰磁路ヨーク（２１）および界磁巻線（２２）が固く互いに結合されている、請求項１または２記載の電気機械。
4. 帰磁路ヨーク（２１）と界磁巻線（２２）とが固く互いに結合されており、かつ極ディスク（１６）がこれらに対して相対的に回転可能に配置されている、請求項１または２記載の電気機械。
5. 極セグメント（１７，１８）がその結合部材（１９，２０）と一緒に、磁気を通さない材料内に埋設、有利にはプラスチックによる射出成形によって包囲されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の電気機械。
6. 帰磁路ヨーク（２１）がポット（２７）として形成されており、該ポット（２７）が、ポット縁部平面にまで延びる中央のハブ（２８）を有しており、極セグメント（１７，１８）を結合する結合部材（１９，２０）のうち、外側の結合部材（１９）が円環（２９）として、内側の結合部材（２０）が円盤（３０）として、それぞれ極セグメント（１７，１８）の厚さに相当する厚さを備えて形成されており、かつ極ディスク（１６）がその極セグメント（１７，１８）でもってポット縁部（２７１）およびハブ（２８）の端面に載着しているか、または端面から最小の間隔を有している、請求項３から５までのいずれか１項記載の電気機械。
7. ポット（２７）が深絞り部分として金属薄板から製作されている、請求項６記載の電気機械。
8. 帰磁路ヨーク（２１）が平らなプレート（２３）として形成されおり、極セグメント（１７，１８）を結合する結合部材（１９，２０）のうち、外側の結合部材（１９）が中空円筒（２４）として、内側の結合部材（２０）が中実円筒（２５）として構成されており、かつ平らなプレート（２３）が中空円筒（２４）および中実円筒（２５）の、極セグメント（１７，１８）とは反対側の端面に載着しているか、または端面の前に最小のエアギャップを備えて支承されている、請求項２から５までのいずれか１項記載の電気機械。
9. 界磁巻線（２２）が帰磁路ヨーク（２１）および極ディスク（１６）に対して同軸的に配置されており、直流により負荷可能である、請求項１から８までのいずれか１項記載の電気機械。
10. 極セグメント（１７，１８）が非対称的に形成されており、有利には極セグメント（１７，１８）の、半径方向の境界エッジ（１７１，１８１）が、同心的な円弧からずれた経過を有している、請求項１から９までのいずれか１項記載の電気機械。
11. 極ディスク（１６）を有する主エレメント（１１）がステータであり、ロータを形成する別の主エレメント（１２）がかご形ランナ、リラクタンス形ランナまたは永久界磁式の同期ランナとして形成されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の電気機械。
12. 極ディスク（１６）を有する主エレメント（１１）がロータであり、ステータを形成する別の主エレメント（１２）が多相のステータ巻線を支持している、請求項１から１０までのいずれか１項記載の電気機械。
13. 極ディスク（１６）を有する主エレメント（１１）がステータであり、同様に形成された別の主エレメント（１１）がステータとして、ロータを形成するさらに別の主エレメント（１２）の、第１の主エレメント（１１）とは反対側の面に配置されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載の電気機械。
14. ロータを形成する別の主エレメント（１２）が、磁気を通さない材料から成るディスク状のロータボディ（１４）を有しており、該ロータボディ（１４）内に、軸方向で磁化された永久磁石（１５）が埋設されている、請求項１３記載の電気機械。
15. ロータを形成する別の主エレメント（１２）が、磁気を通す材料から成るディスク状のロータボディ（１４）を有しており、かつロータボディ（１４）の、ステータとして機能するその都度１つの主エレメント（１１）に面する両ディスク面が、軸方向で磁化された永久磁石（１５）により占拠されており、かつ両主エレメント（１１，１２）、またはディスク面上での両永久磁石（１５）の配置が９０°の分だけ電気的に互いにずらされている、請求項１３記載の電気機械。
16. ロータを形成する別の主エレメント（１２）が、プラスチックにより結合された永久磁石材料から成るディスク状のロータボディ（１４）を有しており、該ロータボディ（１４）において、周方向で連続するセクタが交互に逆向きに軸方向で磁化されている、請求項１３記載の電気機械。

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