JP2005506820A - 軸方向磁束永久磁石発電機/モーター - Google Patents
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Abstract
Description
発明の分野
本発明は例えばこの形式の機械がフライホイール中に組み込まれている内燃機関と共に使用するための、軸方向磁束永久磁石発電機/モーターに関する。
【0002】
技術状態
軸方向磁束永久磁石発電機及びモーターは種々の形で記載されている。それは複数のコイルを含むステータ、及び幾つかの永久磁石を含むロータからなり、そこではステータとロータとの間にエアギャップが存在する。‘軸方向磁束’の表記は常に同じ方式で規定されない。この文章では、表現‘軸方向磁束’はエアギャップを横切る磁束が機械の回転軸に本質的に平行である機械に関する。
【0003】
この形式の機械に関する最も密接な従来技術は2000年8月28−30日のICEM2000のD.H.Kangらによる‘An Axial Flux Interior PM Synchronous Machine’と題する文献中に開示されている。それは二つのステータを含み、そのそれぞれがリング形状表面の一つから切り抜かれた半径方向スロットを持つ単一中空円筒として作られている。次いでコイルは除去されたスロット間に残された半径方向延長部周りに巻かれる。かかるステータの製造は特に小型シリーズでは複雑でかつ高価である。
【0004】
発明の目的
本発明は、従来技術に比べて複雑さと費用を減少させながら、この発明による簡略化設計で固有の問題に対する解決策も提供する新しい軸方向磁束永久磁石発電機/モーターを提供することを目的とする。
【0005】
発明の概要
本発明はステータ、ロータ、回転軸及びステータとロータとの間のエアギャップを含む永久磁石発電機/モーターに関し、そこでは前記エアギャプを横切る磁束が前記回転軸に沿って本質的に配向されており、前記ロータがロータ極を形成するための永久磁石または磁性材料の素子を置くための複数のロケーションを含むものにおいて、前記ステータが第一の非磁性円盤及び複数の磁心を含み、前記磁心が取り付け手段により前記第一円盤に取り付けられており、前記磁心がコイルを含むことを特徴とする発電機/モーターに関する。
【0006】
好適実施例によれば、この発明の発電機/モーターはステータとロータとの間に多数の磁束分配板を更に含み、前記板は磁性材料から作られている。
【0007】
これらの磁束分配板は磁性材料から作られた内部及び外部磁束分配板として設計されることができ、前記板はステータとロータとの間に存在しており、前記両板は複数の半径方向延長部を含み、内部板の延長部は機械の回転軸に関して半径方向外向きに向いており、かつ外部板の延長部は半径方向内向きに向いており、前記内部板の各延長部は前記外部板の延長部に隣接しており、前記隣接延長部の各対間にエアギャップを持っている。二つの隣接延長部の縁により形成される前記エアギャップの縁は好ましくは互いに平行である。
【0008】
磁束分配板は前記延長部のそれぞれが少なくとも一つの永久磁石ロケーションの面積を覆うように、ロータに取り付けられることができる。
【0009】
これに代えて、磁束分配板は前記延長部のそれぞれが少なくとも磁心の一つの脚の断面積を覆うように、ステータに取り付けられることができる。
【0010】
一実施例によれば、前記延長部の輪郭は二つの直線部、及び前記二つの直線部を連結する円形部を含み、二つの隣接延長部の二つの隣接直線部は互いに平行であり、かつ前記二つの隣接直線部を横切る前記ロータのいずれの半径に対してもある角度をなしている。
【0011】
この発明による磁束分配板は磁性材料の隣接ストリップを含むことができる。好適実施例によれば、前記磁束分配板はロータ極に対面する板の部分に板の全厚を貫通する切り抜きを含む。
【0012】
別の実施例によれば、ロータはロケーションを含み、それらのロケーションは、ロータ表面に平行なそれらの輪郭が二つの同心的円形部と前記円形部の末端点を連結する二つの連結部とを含み、更に二つの隣接磁石の二つの隣接連結部が互いに平行であるような形状をしている。
【0013】
前記磁心を前記第一円盤に取り付けるための前記手段はL−異形材とボルトを含むことができる。
【0014】
この発明による発電機/モーターはステータの反対側のロータに連結された磁性材料のリングを更に含むことができる。このリングはまた、積層された磁性材料から作られることができる。
【0015】
この発明による発電機/モーターは第二ステータを更に含むことができ、それは前記ロータの他方側の第一ステータに対向して置かれる。前記第二ステータは、前記第一ステータに関して、前記発電機/モーターの回転軸周りにある角度に渡って回転されることができる。
【0016】
この発明による発電機/モーターは、低速で“ブースト−モード”で作動し、かつ高速で整流器として作動する少なくとも一つの電子変換機を更に含むことができる。
【0017】
ロータは前記ロケーションの個々全てに永久磁石を含むことができる。これに代えて、ロータは多数の永久磁石と多数の磁性材料から作られた素子とを含むことができる。
【0018】
この発明による別の設計では、ロータはロータ極の数がステータ極の数と異なるような方式で、前記永久磁石ロケーション中に置かれかつ磁性材料から作られた素子のみを含むことができる。
【0019】
ステータ上で使用される磁心はU形状磁心またはE形状磁心であることができる。
【0020】
3またはそれ以上の相の機械の場合に、この発明による発電機/モーターは好ましくは前記ステータの磁心を連結する、積層磁性材料から作られたリングを更に含む。
【0021】
図面の簡略説明
図1はこの発明による部分的に組み立てられたステータの写真を示す。
【0022】
図2はこの発明による完全なロータの写真を示す。
【0023】
図3aと3bはこの発明による軸方向磁束発電機/モーターの概観を示す。
【0024】
図4は図3aに示されたようなこの発明のステータの第一断面図を示す。
【0025】
図5は図3aに示されたようなこの発明のステータの第二断面図を示す。
【0026】
図6は図3に示されたようなこの発明のロータの断面図を示す。
【0027】
図7はこの発明の第二実施例によるロータの図を示す。
【0028】
図8は切り抜きを含む一対の磁束分配板の図を示す。
【0029】
図9は3またはそれ以上の相の機械の場合のステータ上に設けられることができる積層磁性材料のリングの図を示す。
【0030】
図10は二つのステータを含むこの発明の実施例における、一つのステータの他に関する回転を示す。
【0031】
発明の詳細な記述
本発明は一般的に軸方向磁束永久磁石発電機/モーターのための概念を与え、そこではステータを形成するために多数の磁心2が円盤1の上に取り付けられている。円盤1は好ましくは円形状であるが、この円盤の機能は非磁性材料から作られたどのような板によっても実施されることができる。また、円盤または板1は絶縁材により覆われた磁性材料から作られることもできる。図1の写真は六個のU−磁心を含むこの発明による部分的に組み立てられたステータを示す。別個の磁心が用いられているという事実は標準的磁心の使用を可能とし、従って簡単で安価な設計を導く。
【0032】
しかし、かかる設計を用いる際の主な問題はかかるステータと、ステータ上の磁心に対面して置かれるべきロータとの間のエアギャップの大きな変動にある。ロータは好ましくは機械の回転軸に関して同軸の円上の等しい距離にある、所定の形の多数の永久磁石を含むであろう。大きなエアギャップの変動はそのとき円盤1上の隣接磁心2間に並びに一つの磁心2の脚間に残る大きな開放空間に起因し、二つの隣接極間の切り換え(changeover)を困難とする。本発明はこの問題を機械の回転軸に垂直なエアギャップの断面の全体を横切って最適な方式で磁束を分配するための手段の形に特別の特徴を備えることにより解決する。
【0033】
これを実施するために、かつ好適実施例によれば、ロータまたはステータはいわゆる‘磁束分配板’を備えており、それらは特にロータとステータ間の軸方向磁束の径路内に置かれた磁性材料から作られた特別な形状をした板であり、かつ切り換え変動が最少に減らされることを可能とする。ロータに取り付けられたときのこれらの板28,29の可能な形状が図2に示されている。
【0034】
更なる実施例によれば、磁束分配の特徴は永久磁石自身を予め規定された方式で形状付与することにより得られる。
【0035】
この発明の好適実施例の詳細な説明
この発明の機械の好適実施例が図3aに詳細に示されている。それはロータ上に12個の円筒状永久磁石25と磁束分配板28,29を備えた1相円盤永久磁石発電機に関する。図3に示された断面図は続く図4から6に示されている。ステータは非磁性材料から作られた円盤1を含み、その上に6個の磁心2が取り付けられている。これらはU−形状磁心であり、積層磁性材料から作られた標準的磁心のいずれの形式のものであることができる。それらは円盤1上にボルト4によりかつ磁心2上にボルト5によりボルト止めされた多数のL−形状異形材3により円盤1に取り付けられる。磁心2は直立脚が円盤1に対して本質的に垂直であるような方式で取り付けられる。
【0036】
コイル6は好ましくはコイル巻型7周りに巻かれ、それらが次いで磁心2の直立脚上に置かれる。第二円盤8が好ましくは第一円盤1に対向して付加され、従って両円盤は十分な強度を持つ磁心の把持問題及び磁心内のコイルの詰まりの問題を片付ける。長方形開口がU形状磁心の脚の上面9に対応する第二円盤8内に存在する。
【0037】
第一と第二円盤(1,8)は管21と組み合わせた一組のボルト20により一緒に保持される。この組み立て品は次いで追加の組のボルト23と管24により静止板22に取り付けられ、この静止板はその上にこの機械が設置される構造体を示す。
【0038】
ロータはこの静止板22と第二円盤8間に配置される。このロータは北極と南極の交互方位を持つ多数の永久磁石25を含む。この永久磁石は円筒状の形状をしている。ラウドスピーカー磁石のようなこの形式の標準磁石が用いられることができる。磁石は非磁性円盤26中に取り付けられる。
【0039】
この非磁性円盤26の背面に、磁路を作るために、永久磁石が磁性材料のリング27によって連結されている。ステータに直接対面する表面上に、ロータは二つの磁束分配板28と29を備えている。これらは図6と図2の写真に最も良く示されている。図6において、磁石25は明確化のために目に見えるようにされている。磁束分配板は磁性材料から作られている。各板は磁極の一方の形式(北または南)を覆う半径方向延長部を持つ本質的にリング形状円盤である。内部板28はボルト30によりロータ円盤26に取り付けられ、かつボルト30が存在している中心リングから外向きに向いている半径方向延長部31を含む。これらの延長部31のそれぞれは永久磁石の一形式の完全な面積を覆う。外部板29は同じくボルト32によりロータ円盤26に取り付けられ、かつボルト32が存在する周辺リングから内向きに向いている半径方向延長部33を含む。延長部33は内部板28により既に覆われている磁石間に残る磁石の面積を覆っている。延長部31,33の表面は好ましくはそれらが覆う磁石の表面より大きい。
【0040】
この好適実施例の延長部の特別な輪郭は二つの直線部40と本質的にロータと共心の円形部41とを含むことを見ることができる。直線部40はロータの半径に沿って配向されておらず、前記直線部を横切るいずれのロータ半径に対してもある一定の角度を持っている。従って、二つの隣接延長部間のエアギャップ34はロータ半径に対してある一定の角度を持っている。この理由はこの後で説明される。
【0041】
内部板28のあらゆる延長部31は外部板29の延長部33に隣接している。これらの磁束分配板間のエアギャップ34は磁束分配板間のエアギャップを横切る磁束線を避けるために、磁束分配板とステータの磁性材料間のエアギャップより大きい。
【0042】
これらの磁束分配板の機能はステータの別個のU形磁心の使用の結果としての、エアギャップ容積の大きな変動の影響を和らげることであり、そうでなければそれはトルク脈動(cogging)の問題を導くにちがいない。この目的のためには、延長部31,33の面積は、隣接延長部間のエアギャップ34がロータとステータとの間のエアギャップより大きいことが必要であるという制限を伴って、できるだけ大きくあるべきである。更に、磁束分配板28と29間のエアギャップ34は、トルク脈動に対する更なる方策として、ロータの半径に対してある角度を持つように設計される。この方法により、異なる方位を持つ二つの極間の切り換えが磁束分配板とステータの磁性材料との間のエアギャップ容積の最小変動を持って起こることができる。
【0043】
ロータ円盤は中心部35に取り付けられ、この中心部は機械軸に連結されるべきである。この中心部とロータ円盤との間の連結はボルト36によりなされる。
【0044】
発明の代替実施例
図3bは図3aに示されたものに本質的に等しいがわずかに修正された実施例を示し、そこでは第二円盤8がボルト20及び管21と共に省かれている。この実施例では、磁心上へのコイルの取り付けが他の取り付け手段により、好ましくは磁心2へのコイル6の接着によりなされる。
【0045】
磁束分配板はロータの代わりに、ロータに対面するステータに取り付けられることができる。同じ形の板がこの場合用いられることができる。ステータ上に置かれたこれらの板により得られる効果は上述の場合と全く同じである。両板の一つの各延長部31または33はそのとき少なくとも磁心2の一つの脚の断面積を覆う。
【0046】
磁束分配板の形は図面に示されたものに限定されない。かかる板の主な特徴はそれが少なくとも一つのロータまたはステータの極の面積を本質的に覆うことである。またロータ極毎に別個の磁束分配板を設けることもできる。
【0047】
磁石の配置は必然的に一連の交互の北及び南方位の永久磁石に基づかずに、また南方位磁石の群に隣接した北方位磁石の群に基づくこともできる。これは例えばこの発明による3またはそれ以上の相の機械の場合に好ましい。そのとき一つのロータ極は一群の同じ方位の磁石を含む。従ってこの場合、ロータ上に設置された磁束分配板はかかる一群の同じ方位の隣接磁石を覆う、少ない数であるがより大きな延長部31,33を持つことができる。これに代えて、それぞれが一つのロータ極を覆う別個の磁束分配板が設置されることができる。
【0048】
与えられた方式で永久磁石自身に形状を付与することにより磁束は同じ方式で分配されることができる。この効果は磁束分配板28と29の半径方向延長部(31,33)の形状を持つ磁石を用いることにより得られる。特別な形状をした磁石45を備えたこの種のロータが図7に示されている。これらの磁石はそのとき非磁性円盤26中に等しく取り付けられる。磁束分配板はこの実施例では必要ではない。図7の磁石は二つの同心円形部50と前記円形部の末端点間の二つの連結部51を持つ。この場合、連結部51は直線であり、それらはトルク脈動を避けるために、ロータ半径に平行ではない。
【0049】
一つは磁束分配板を持つ後者の実施例の両者に対して、磁石45の延長部31,33の隣接縁が直線であることは必要ではない。これらの縁はどのような形状をも持つこともできる。しかし、隣接縁が平行であることが好ましい。
【0050】
それを3またはそれ以上の相の機械に適合させるために、図7のロータは少ない数であるがより大きな磁石45を含むことができ、それらは等しく部分50,51を含むが、それぞれがロータの周囲により大きな空間を取る。
【0051】
U形状磁心の代わりに、E形状磁心が用いられることができる。
【0052】
図3に示された機械では、場所25毎に永久磁石を用いる必要はない。第二場所毎に永久磁石で充たされたロータを持つこともできる。これは中実の永久磁石または積層材料から作られた永久磁石であることができる。例えば、図3の左に北極を持つ全ての磁石が磁性材料、好ましくは積層磁性材料から作られた円盤により置き換えられることができる。図6に示されるようにロータ周りの場所25毎に永久磁石を持つ必要はないので、これらの場所は一般的には‘ロケーション(location)’と呼ばれてもよく、それは永久磁石によるかまたは永久磁石と同じまたは他の形状の積層磁性材料の素子によるかのいずれかで満たされる。
【0053】
ロータの背部のリング27は好ましくは積層材料から形成される。
【0054】
磁束分配板28,29の磁気損失を制限するために、これらの板またはこれらの板の少なくとも一部は好ましくは板の平らな表面に垂直な‘中断’を含む。一般的に、板は互いに隣り合っておりかつそれにより板または板の一部を作り上げる、磁性材料の一連の隣接ストリップを含むと言うことができる。
【0055】
好適実施例において、板の全厚を貫通しかつ少なくともロータ極に対面する板の部分に設けられる切り抜き37を形成するために、板は例えばレーザ道具により機械加工される(図8参照)。かかる切り抜き37のいずれの側の部分もより一般的な説明では‘隣接ストリップ’であると理解される。
【0056】
3またはそれ以上の相の機械のための特別な設計において、ステータの磁心は磁性材料の層状リングにより磁気的に組み合わされる。図9はステータ上の磁心2の上に置かれるべきである開放空間53を含むかかる層状リング52を示す。リング52は次いで円盤1とコイル巻型7との間に置かれる。
【0057】
3またはそれ以上の相のシステムのために、機械がロータ上の永久磁石の使用なしに切り換えられた磁気抵抗モーターまたは発電機として作動するように特別なロータ構造が作られることができる。ロータ極の全てがそのとき磁束分配板と同じ効果を作り出すために半径方向延長部31,33と同様の特別な設計で、磁性材料、好ましくは積層されたそれの素子により、または上述のような磁束分配板を備えた好ましくは積層された磁性素子により作られることができる。切り換えられた磁気抵抗機のためにはロータの極数はステータの極数と異なる。ロータの平衡位置(最少磁気抵抗)は異なるステータ極の交互励磁により回転する。
【0058】
またロータの前面のステータ構造をロータの各側に一つを持つ二つの同じステータ構造により置き換えることによりツイン型の機械を作ることができる。この設計のためには、ロータはその背面側に磁気リング27を必要としない。なぜなら磁路はステータの磁心によりロータの各側で既に閉じられているからである。しかしこの構造のために磁束分配板28,29または特別に設計された永久磁石がロータの両側に存在しなければならない。好適実施例によれば、図10に示されるように、ステータは回転軸周りに、互いに関してある角度に渡って回転される。これはトルク脈動を減らすために好ましい。
【0059】
もし電子変換機が使用されているなら、機械は制御された出力電圧を発生することしかできない。変換機は低速では“ブースト−モード”でかつ高速では整流器として作動する。3相構造に対しては、機械がモーターとして使用されるとき電子変換機はモーター制御の追加の機能を持つ。
【0060】
それぞれが1相出力の3つの電子変換機を用いることにより1層構造により3相出力を発生することができる。
【0061】
機械の重量を減らすために、ステータのコイル6を銅線の代わりにアルミニウム箔により作ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0062】
【図1】この発明による部分的に組み立てられたステータの写真を示す。
【図2】この発明による完全なロータの写真を示す。
【図3a】この発明による軸方向磁束発電機/モーターの概観を示す。
【図3b】この発明による軸方向磁束発電機/モーターの概観を示す。
【図4】図3aに示されたようなこの発明のステータの第一断面図を示す。
【図5】図3aに示されたようなこの発明のステータの第二断面図を示す。
【図6】図3に示されたようなこの発明のロータの断面図を示す。
【図7】この発明の第二実施例によるロータの図を示す。
【図8】切り抜きを含む一対の磁束分配板の図を示す。
【図9】3またはそれ以上の相の機械の場合のステータ上に設けられることができる積層磁性材料のリングの図を示す。
【図10】二つのステータを含むこの発明の実施例における、一つのステータの他に関する回転を示す。
Claims (22)
- ステータ、ロータ、回転軸及びステータとロータとの間のエアギャップを含む永久磁石発電機/モーターであって、前記エアギャップを横切る磁束が本質的に前記回転軸に沿って配向されており、前記ロータがロータ極を形成するために永久磁石(25)または磁性材料の素子を置くための複数のロケーションを含むものにおいて、前記ステータが第一の非磁性円盤(1)、及び複数の磁心(2)を含み、前記磁心(2)が取り付け手段により前記第一円盤(1)に取り付けられており、前記磁心がコイル(6)を含むことを特徴とする発電機/モーター。
- ステータとロータとの間に多数の磁束分配板を更に含み、前記板が磁性材料から作られていることを特徴とする請求項1に記載の発電機/モーター。
- 磁性材料から作られた内部(28)及び外部(29)磁束分配板を含み、前記板が半径方向延長部(31,33)を含み、前記内部板の各延長部(31)が前記外部板の延長部(33)に隣接し、前記隣接延長部(31,33)の各対間にエアギャップ(34)を持つように、内部板(28)の延長部(31)が機械の回転軸に関して半径方向外向きに向いており、かつ外部板(29)の延長部(33)が半径方向内向きに向いていることを特徴とする請求項2に記載の発電機/モーター。
- 二つの隣接延長部(31,33)の縁により形成される前記エアギャップ(34)の縁が互いに平行であることを特徴とする請求項3に記載の発電機/モーター。
- 前記磁束分配板(28,29)がロータに取り付けられており、前記延長部(31,33)のそれぞれが少なくとも一つの永久磁石ロケーションの面積を覆うことを特徴とする請求項3に記載の発電機/モーター。
- 前記磁心(2)が、前記コイル(6)が周囲に巻かれる多数の直立脚を含み、前記磁束分配板がステータに取り付けられ、前記延長部(31,33)のそれぞれが少なくとも磁心(2)の一つの脚の断面積を覆うことを特徴とする請求項3または4に記載の発電機/モーター。
- 前記延長部(31,33)の輪郭が二つの直線部(40)と、前記二つの直線部を連結する円形部(41)とを含み、二つの隣接延長部(31,33)の二つの隣接直線部が互いに平行であり、かつ前記二つの隣接直線部(40)を横切る前記ロータのいずれの半径に対してもある角度を持つことを特徴とする請求項3から6のいずれか一つに記載の発電機/モーター。
- 前記磁束分配板が磁性材料の隣接ストリップを含むことを特徴とする請求項2から7のいずれか一つに記載の発電機/モーター。
- 前記磁束分配板(28,29)がロータ極に対面する板の部分に、板の全厚を貫通する切り抜き(37)を含むことを特徴とする請求項8に記載の発電機/モーター。
- 前記ロケーションが、ロータ表面に平行なそれらの輪郭が二つの同心的円形部(50)と前記円形部(50)の末端点を連結する二つの連結部(51)とを含み、二つの隣接ロケーションの二つの隣接連結部(51)が互いに平行であるように、形状付与されていることを特徴とする請求項1に記載の発電機/モーター。
- 前記磁心(2)を前記第一円盤(1)に取り付けるための前記手段がL−異形材(3)とボルト(4,5)を含むことを特徴とする請求項1から10のいずれか一つに記載の発電機/モーター。
- ステータの反対側のロータに連結された磁性材料のリング(27)を更に含むことを特徴とする請求項1から11のいずれか一つに記載の発電機/モーター。
- 第二磁性円盤(8)を更に含み、前記第一と第二円盤間に前記磁心(2)が存在していることを特徴とする請求項1に記載の発電機/モーター。
- 前記コイル(6)が接着により前記磁心に取り付けられていることを特徴とする請求項13に記載の発電機/モーター。
- 第二ステータを更に含み、それが前記ロータの他方側の第一ステータに対向して置かれていることを特徴とする請求項1から14のいずれか一つに記載の発電機/モーター。
- 前記第二ステータが前記第一ステータに関して前記発電機/モーターの回転軸周りにある角度に渡って回転されていることを特徴とする請求項15に記載の発電機/モーター。
- 少なくとも一つの電子変換機を更に含み、それが低速では“ブースト−モード”で作動し、高速では整流器として作動することを特徴とする請求項1から16のいずれか一つに記載の発電機/モーター。
- ロータが前記ロケーションの全てに永久磁石を含むことを特徴とする請求項1から17のいずれか一つに記載の発電機/モーター。
- ロータが前記ロケーションに多数の永久磁石と多数の磁性材料から作られた素子とを含むことを特徴とする請求項1から17のいずれか一つに記載の発電機/モーター。
- ロータが、ロータ極の数がステータ極の数と異なるような方式で前記永久磁石ロケーション中に置かれかつ磁性材料から作られた素子のみを含むことを特徴とする請求項1から17のいずれか一つに記載の発電機/モーター。
- 前記磁心(2)がU形状磁心またはE形状磁心であることを特徴とする請求項1から20のいずれか一つに記載の発電機/モーター。
- 積層磁性材料から作られたリング(52)を更に含み、前記リングが前記ステータの磁心(2)を連結することを特徴とする請求項1から21のいずれか一つに記載の発電機/モーター。
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