JP2004527994A

JP2004527994A - Ｅ形積層ステータを有する横磁束機

Info

Publication number: JP2004527994A
Application number: JP2002588694A
Authority: JP
Inventors: オマンドラスムッセン，ペーター
Original assignee: アールボルウウニベーシテット
Priority date: 2001-05-08
Filing date: 2002-05-08
Publication date: 2004-09-09
Also published as: US7312549B2; ATE473538T1; EP1391024A1; EP1391024B1; DK1391024T3; WO2002091547A1; US20040155548A1; DE60236926D1

Abstract

電気機械をより安価にするために、その重量当りのトルク比を改善するためにセグメント化したステータ設計を使用することが提案された。セグメント化したステータ設計は、一般の単相変圧器やリアクトルに伝統的に使用されるＥ形コアに基づいている。Ｅ形コアはその中央脚のまわりにコイルを備え、ロータ軸に平行に組み立てられ、このことは横磁束方式で動作するものであることを意味する。半径方向磁束方式でも、Ｅ形コアを２つのＵ形部に分割し、それらの間にフルピッチの巻線を備えることによって、動作するようにすることができる。Ｅ形コアでの明らかに特に有利な点は磁束通路が短いことであり、これは磁化する必要のある鋼が少なくなるということである。少量の生産に対しては標準のＥコアを使用することができ、製造設備における投資がより少なくなる。横磁束方式を利用するＥコア機は、ロータとステータの間の垂直力が著しく低減されるように異なった極形状を有するようにすることができる。これにより３つのステータと２つのロータの極というような不均等な設計が可能になる。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の個別のコアセグメントを含む磁気システムを有するステータを含む回転電気機械に関する。特に、本発明は、上記の磁気システムの磁束が上記のコアセグメントの外側脚内に配置された巻線によって発生するような機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気機械の分野における目的は一般に、より低重量と低コストでより大きなトルクを生成するように電気機械をより効率的にすることである。この目的を満たすために２種類の電気機械が注目される。これらの機械は、永久磁石式横磁束機(Permanent Magnet Transverse Flux Machine; PMTFM)とスイッチドリラクタンス機(switched reluctance machine; SRM)である。ＰＭＴＦＭはその重量当りのトルクの比が大きいためによく知られているが、しかし、それは多くの部品を必要とするためにかなり高価で製造が非常に困難である。ＳＲＭは製造が最も安価な機械の１つであり、また重量当りのトルクの密度がかなり良好である。ＳＲＭは幾つかの優れた特性を有するが、主として適用のための機械の開発に必要な投資が高いことと、この開発の単価を下げるために大量生産と販売を必要とすることのために、広く使用されてはいない。
【０００３】
電気機械は伝統的に、Ｘ−Ｙ平面において２次元断面(two dimensional cross-section)をつくり、次にそれを所定の数の無方向性鋼板(non-oriented steel sheet)で軸寸法（ｚ軸）内に突出させることによって組み立てられてきた。このような２次元断面を図１に示す。図１に示した機械は、６つのステータ極１１と４つのロータ極１３を有する３相ＳＲＭである。この機械は、ステータ極からステータ極へのステータヨーク１５における磁束通路及びロータヨーク１２を通る磁束通路が長いという不利な点を有する。ステータ極のまわりのボビン／ニードル巻きコイル(bobbin/needle wound coil)１４もまた、鋼板スタック(steel stack)を通って延び、従って機械を長くするという点で不利な点を示す。更に、上記のコイルは露出しており、保護されていない。ＳＲＭに対してよく生ずる高い磁気飽和のために、相間の相互結合(mutual coupling)が増大し、そのために機械の正確な制御と設計が非常に困難になる。
【０００４】
図１の古典的なＳＲＭに対する代案が米国特許第５．５４３．６７４号に述べられている。この機械はＵ／Ｃコアとリングコイルで作られていて、欠点としては３相機を作るために３つのスタックを必要とすることである。この機械は、磁束が、図１の古典的な機械のように半径方向（Ｘ−Ｙ平面内）ではなく、極から極へ軸方向に移動する横磁束方式(transverse flux principle)によることを特徴とするものである。横磁束方式を利用する電気機械は、主として、体積あたりのトルクの密度が高く、その場合トルクが理想的には極数に比例して増大するということのために知られている。３つのスタックが必要ということのために、この機械は多くの部品を必要とし、従って製作が非常に複雑になる。
【０００５】
米国特許第５．０１５．９０３号はＸ−Ｙ平面内にＣ／Ｕコアを有するスイッチドリラクタンス機について述べている。この機械はＣ／Ｕコアが使用される古典的なＳＲＭに対する一種の代案と考えることができる。この機械は、運転中ステータヨークの一部分上だけで磁化される短い磁束通路を有する。この機械は上記のＣ／Ｕ当り２つのコイルを使用し、多くの部品が必要となる。また、上記のＣ／Ｕの外側の銅はトルクの発生に積極的には関与しない。従って、この機械はＰＭＴＦＭと同じ、多くのスタックと部品を有するという不利な点を有し、従って、この機械は製造が困難である。
【０００６】
米国特許第４．７４８．３６２号には、二股ティース(bifurcated teeth)を有するＳＲＭが示されている。この機械は極の端部にＣ／Ｕコアを有する古典的なＳＲＭと考えることができる。この機械は短い短磁束通路を有するものではないが、トルクが二股ティース（デュアルティース／極（dual teeth/poles））により２倍になる横磁束機と同様な特性のために知られている。この機械は磁束通路が長い、コイルに対するスペースが小さい、またコイルの設置が困難であるという欠点を有する。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許第５．５４３．６７４号
【特許文献２】
米国特許第５．０１５．９０３号
【特許文献３】
米国特許第４．７４８．３６２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、上述の問題を解決する電気機械を設計することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の目的は、第１の態様において、下記のステータとロータを含む回転電気機械を提供することによって満たされる。このステータは磁束を発生するための磁気システムを含み、また磁気システムは複数の個別のコアセグメント（core segment）を含む。このコアセグメントはボディ部（body）と、このボディ部に実質的に垂直で、その延長に配置された複数の脚（leg）とを有する。この複数の脚は空隙によって互いに分離されており、そして上記の磁束はコアセグメントの外側脚（outer leg）の内部に置かれた巻線によって発生される。
【００１０】
これによって、巻線がより短くなって、機械の内部に集積され、これは古典的なＳＲＭのような巻線の突出し部（overhang）がないことを意味する。２つの外側脚上の外側は銅（copper）によって囲まれていなく、このことは、エンドシールド（end-shield）が、製造して機械の上に組み立てるのに、より簡単にできることを意味する。極と相が分離しているということのために、鋼（steel）が相間で共有されないことになり、このために相間の相互結合が小さくなり、従って正確な制御がより簡単になる。
【００１１】
具体的な１実施例においては、コアセグメントはＥ形の形状であり、１つのボディ部と３つの脚、及びその中央脚（middle leg）のまわりに巻かれた前記の巻線を含む。それによって、ＰＭＴＦＭとＳＲＭに見られる有利な点を組み合わせた特徴が、インダクタ（inductor）や単相変圧器に広く使用されているＥコアを使用することによって得られる。Ｅコアは標準の形状に製作され、一般に電気機械に対して使用される無方向性鋼より高い磁束密度とより低い損失を有する方向性鋼板（grain-oriented sheet steel）を使用する。
【００１２】
別の実施例では、コアセグメントはＵ形の形状である。このＵ形コアセグメントはボディ部と２つの脚を含み、このＵ形コアセグメントのボディ部はロータ軸に垂直に置かれ、巻線はロータ軸に平行な軸内で風にあてられたＵ形コアセグメントの脚の内部に置かれる。
【００１３】
具体的な１実施例においては、前記のＥ形コアセグメントのボディ部はロータ軸に平行に置かれる。別の具体的な実施例においては、前記のＥ形コアセグメントのボディ部はロータ軸に垂直に置かれる。
【００１４】
１実施例においては、上記の脚の末端(ending)はロータと脚の末端との間のギャップを増大させるように斜めになっている。これによって、ロータヨークと脚との間の空隙表面（air-gap surface）をより大きくし、空隙磁束は修正され、最適化される。これは、上記のＥコアを磁化するために必要な電流が少なくなり、従ってより大きなトルクを生成することができることを意味する。
【００１５】
好適実施例においては、上記の中央脚は２つの外側脚より広く、２倍の広さであることが好ましい。これは有利な実施例であると証明されたものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明について、以下に添付の図を参照して更に詳細に説明する。
本発明は、標準のＥコアを使用することによって、先行技術に述べた電気機械が有する欠点を除去するものである。本発明は以下に述べるとおりである。
【００１７】
図２は、Ｅコアを使用する方式を古典的なＳＲＭに適用したＥコア横磁束機（E-core transverse flux machine）の１実施例を図示する。Ｅコアは、単相変圧器に対してあるいは整流器インダクタ（rectifier inductor）として伝統的に使用され、文字‘Ｅ’の形状を有し、また方向性鋼板（oriented sheet steel）で組み立てられて、その結果、より高い磁束密度とより低い損失にできることを特徴とするものである。Ｅコアはまた標準の幾何学的形状に作られ、販売されており、これは少量のＥコア横磁束機を製作するとき大きな利点となり得る。
【００１８】
Ｅコア２１とそのヨーク／ロータ部（yoke/rotor section）２２を使用することによって、古典的なＳＲＭに比べるときステータヨークとロータヨークに鋼が存在しないので、磁束通路（flux-path）は短い。ヨーク／ロータ部はシャフト２３の上に取付けられている。コイル２４は、より短く、機械の内部に集積されることになり、これは古典的なＳＲＭの場合のような巻線の突出し部（overhang）がないことを意味する。２つの外側脚上の外側側部は、銅によって囲まれていなく、これはエンドシールド（end-shield）２５が、製造して機械の上に組み立てるのに、より簡単にできることを意味する。極と相が分かれているということのために、相間で鋼が共有されないことになり、このために相間の相互結合が小さくなり、従って正確な制御がより簡単になる。古典的なＳＲＭの相、ステータとロータの極の組み合わせをＥコア機（E-core machine）に適用することができ、この場合も機械は１つのスタックを有するだけであろう。米国特許第５．５４３．６７４号に記載されている機械は相の数と同じ量のスタックを必要とし、従って製造がより困難となろう。米国特許第５．５４３．６７４号の機械もまた多くの部品を必要とするであろう。
【００１９】
上述のように、Ｅコア機は相と極の種々の組み合わせで作ることができるが、この機械はまた、図３に示すようなアウターロータ（outer rotor）設計においても付加的な利点を有する。ステータのＥコアを単に１８０度反転させて、追加のロータセグメントを使用する。付加的なロータ／ヨークセグメントがトータル重量をあまり増やすことはなくて、ステータとロータの極の間の各回転中の吸引力がより大きくなることになろう。これは、１６のロータセグメントを使用するとき機械の質量当りのトルクの密度を理想的には比率（factor）４だけ改善することになろうが、実際には２〜３の範囲の比率が達成されるはずである。
【００２０】
Ｅコア機に対して使用される積層（lamination）は変圧器用に使用される標準Ｅコアと異なるようにすることができ、図４に空隙磁束が修正／最適化される例を示す。
【００２１】
図４−Ａに示す例はトライアングル空隙（triangle air-gap）であり、この場合空隙の表面がより大きくなる。これは、Ｅコアを磁化するために必要な電流が小さくなり、従ってより大きなトルクを発生することができることを意味する。図４−Ｂは、磁束が軸方向長さにおいてロータを横断しており、これが機械からの振動と音響雑音を減らすことができることの原理を示す。更に、この軸方向の横断する磁束を有する幾つかの一様でないステータ／ロータの極の組み合わせが、ロータ上に不均等な吸引力が生じないであろうので、より有利であり得る。この配列の例としては、３つのＥコアと２つのヨーク／ロータセグメントを有する軸方向磁束３相Ｅコア機（axial flux 3 phase E-core machine）があり得るであろう。図４−Ｃの空隙形状は単に図４−Ａと図４−Ｂの組み合わせである。
【００２２】
Ｅコア方式はまた永久磁石機のような他のタイプの機械に対しても使用することができる。図５にＥコア永久磁石機（E-core permanent magnet machine）が示されており、ここで永久磁石５１はロータ上に取り付けられている。
【００２３】
永久磁石を有する機械のような付加的な磁界はまた、バイアス巻線(biased winding)でも得ることができ、この例を図６と図７に示す。図６においては、バイアス巻線５Ａ１が全てのＥコア上の中心にある脚（centred leg）上に追加されている。個々のバイアス巻線は全て、そのとき直列に接続されることが好ましく、またＤＣ電圧源に接続される。バイアス巻線の電圧の大きさあるいはＤＣ電流の助けにより、そのとき機械の磁化を制御することが可能である。これは、この機械が異なった速度で同じ電圧を供給しなければならない発電機として使用される場合は非常に有利であり得るであろう。他の利点は、磁化回路（magnetisation circuit）、即ちＤＣバイアス巻線にブラシが必要でないことである。これは可変磁化式同期機に対しては通常必要である。このバイアス補助磁界(biased assisted field)を用いてコンバータを備えたモータに所定のバイポーラ電流(bipolar current)を供給することもできる。このバイアス巻線はまた図７に示した２つのドーナツタイプ(donut type)として形成することができる。このドーナツタイプの巻線５Ｂ１は静止部に取り付けられるべきである。巻線面積を増大させるために２つ重ねのＥコア極を有するのが好ましい。
【００２４】
ここで述べておくべきことは、コイルは上記の２つ重ねのＥコアの外側脚のまわりに巻くことができるが、しかしこれによっては、同じ量の巻線が使用されるときは各Ｅコアの中央脚上に１つのコイルがあるのと同じレベルの性能は提供されないであろうということである。
【００２５】
中心にある脚のまわりにコイルを設けるＥコアの考えはまた古典的なＸ−Ｙ積層機（X-Y laminated machine）に対して修正することもできる。このＥコアは、その中央にフルピッチ巻線として作用するコイルを有する２つの部分に分割される。図８と図９とに、２相及び３相バージョンの例を示す。これらの機械は、１つの単一セグメント化された機械に結合された、米国特許第５．０１５．９０３号、米国特許第４．７４８．３６２号及び米国特許第５．５４５．９３８号からの最良の特徴を有する独特の短磁束通路機（short flux-path machine）と考えることができる。米国特許第４．７４８．３６２号には、二股ティースが最小のコイル数を与え、これは２相機に対しては４であることが述べられている。
【００２６】
図８と９の要素としては、エンドターン６２を有するフルピッチコイル６１がある。このコイルの各々が１つの相を作るが、より大きな極数に対しては、より多くのコイル使用して１つの相の機能を果たすことが可能である。Ｅコアはステータセグメント６３に分割されている。ステータセグメント間には非磁性で誘電性の材料６４を組み立てがより簡単になるように使用することができる。この非磁性材料は、例えば水を通して機械を冷却することができるような溝６５を備えることができる。しかしまた、その溝内に補助電線を通すこともできる。
【００２７】
本発明による上記の修正されたＥコア機を用いることにより、２相機に対して必要とされるコイルは２つのみであるばかりでなく、そのコイルに対して利用できるスロット面積がずっと大きくなる。この修正されたＥコア機は、その直径がスタックに対して小さいという適用上の非常に大きな利点を有する。この場合エンドターンの銅の影響は最小となる。小さな直径と長い長さを有する電気機械を必要とする典型的な用途は、水中ポンプ、サーボ機械、油井装置などである。この修正されたＥコア機の場合の前記の相互結合はＥコア横磁束機と同様に小さい。
【００２８】
本発明は好適な実施例に関連して述べたが、それはここで述べた特定の形態に限定することを意図するものではなくて、特許請求の範囲によって規定する本発明の精神や範囲内に合理的に含まれ得るような代案、変更、及び同等物をカバーすることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】６つのステータ極と４つのロータ極を有する古典的な３相ＳＲＭを示す図である。
【図２】Ｅコアを使用する方式を上記の古典的なＳＲＭに適用したＥコア横磁束機の１実施例を示す図である。
【図３】アウターロータを有する電気機械で使用されたＥコア方式の例を示す図である。
【図４】空隙が修正あるいは最適化されたＥコアの例を示す図である。
【図５】ロータ上の永久磁石と共にＥコア方式の例を示す図、例えば永久磁石Ｅコア機を示す図である。
【図６】Ｅコア上の中央脚のまわりにバイアス巻線を有するＥコア方式の例を示す図である。
【図７】ロータとステータ側の両方に２つのドーナツ状のバイアス巻線とＥコアを有するＥコア方式の例を示す図である。
【図８】分割された中央脚のまわりにフルピッチ巻線を有する分割されたＥコアを備えた２相機の１実施例を示す図である。
【図９】分割された中央脚のまわりにフルピッチ巻線を有する分割されたＥコアを備えた３相機の１実施例を示す図である。

Claims

ステータとロータとを含む回転電気機械であって、前記ステータは磁束を発生するための磁気システムを含み、該磁気システムは複数の個別のコアセグメントを含み、該コアセグメントはボディ部と、該ボディ部に実質的に垂直に、かつ該ボディ部の延長に配置された複数の脚とを有し、前記複数の脚は空隙によって相互に分離され、前記磁束は前記コアセグメントの外側脚の内部に配置された巻線によって発生される回転電気機械。
前記コアセグメントはＥ形であり、該Ｅ形のコアセグメントはボディ部と中央脚と２つの外側脚とを含み、前記巻線は前記中央脚のまわりに配置される請求項１に記載の回転電気機械。
前記コアセグメントはＵ形であり、該Ｕ形のコアセグメントはボディ部と２つの脚とを含み、前記Ｕ形のコアセグメントの前記ボディ部はロータ軸に実質的に垂直に置かれており、ここで巻線が前記Ｕ形のコアセグメントの前記２つの脚の内部に配置され、かつ前記ロータ軸に平行な軸のまわりに配置されている請求項１に記載の回転電気機械。
ステータとロータとを含む回転電気機械であって、前記ステータは磁束を発生するための磁気システムを含み、該磁気システムは複数の個別のＥ形コアセグメントを含み、各前記Ｅ形コアセグメントは別個の磁束を発生する回転電気機械。
前記Ｅ形コアセグメントはボディ部と中央脚と２つの外側脚とを含み、前記巻線は前記中央脚のまわりに配置されている請求項４に記載の回転電気機械。
前記Ｅ形コアセグメントの前記ボディ部はロータ軸に実質的に平行に配置される請求項２又は５に記載の回転電気機械。
前記Ｅ形コアセグメントの前記ボディ部はロータ軸に実質的に垂直に配置される請求項２又は５に記載の回転電気機械。
前記脚の末端は前記ロータと前記脚の末端との間の空隙表面を増大させるように斜めにされている請求項２又は５に記載の回転電気機械。
前記中央脚は前記２つの外側脚より幅が広い請求項２又は請求項５から８のいずれか一項に記載の回転電気機械。
前記中央脚の幅は前記２つの外側脚の幅の２倍である請求項９に記載の回転電気機械。
更に前記Ｅ形のコア要素の前記中央脚のまわりに配置された１つあるいはそれより多いＤＣバイアス巻線を含む請求項２又は５に記載の回転電気機械。
更に各前記のＥコアのスロット内に配置された１つあるいはそれより多いＤＣバイアスドーナツ巻線を含む請求項２又は５に記載の回転電気機械。