JP2005510991A - 環状巻線を有する電気同期機 - Google Patents

Abstract

磁極片に基づく巻線構造を有する電気機械の基本設計は数十年来変わっていない。機械は発電機又は電動機のいずれで使用されるかによって、限られた効率又は限られたトルク及び限られた出力重量比を有する。本発明は、固定子及び／又は回転子が磁気伝導性材料で作られた環状鉄心（１）からなり、磁極（４）の働きをする部分の間に等間隔の配置である凹陥部（２）又は半径方向に屈曲して突出又は後退する部分（７）を有する設計を提供する。固定子及び／又は回転子の周方向に配置された巻線軸を有する少なくとも１個の巻線の部分巻線（３）が前記凹陥部又は部分に巻装されている。励磁界を発生する逆極性の永久磁石（５）又は電気励磁磁極の間の間隔は、固定子及び／又は回転子の磁極ギャップの寸法におおむね相当する。機械は著しく改善された出力重量比を有する。

Description

本発明は、電動機又は発電機として使用することができる永久磁石又は電気励磁式電気機械に関する。この電気機械は、直流又は交流電流で運転することができる。

電気機械は、通常、少なくとも１個の永久磁石又は１組の電気励磁磁極対を備えた回転子と固定子をと有し、巻線は磁極片の上に巻装され、又は成層鉄板のスロットに挿入されている。回転子に複数個の永久磁石が設けられている場合は、この永久磁石は極数に従って交互に磁気的配列を有する。

この種の機械の基本構造は、数十年来変わっていない。前記機械は、発電機として使用されるか、電動機として使用されるかによって、限定した効率、もしくは、むしろ限定されたトルクと限定された出力／重量比を有する。

本発明は、在来の機械に比して高い効率又はトルク、及び明らかに改善された出力重量比を有する冒頭に挙げた種類の電気機械を提示することを課題とする。

本発明によれば、前記課題は、請求項１の特徴によって解決される。本発明の目的にかなった実施態様が、従属請求項の主な構成である。

それによれば、固定子及び／又は回転子は、磁気伝導性材料の環状鉄心からなり、環状鉄心は、磁極の働きをする部分の間に等間隔の配置にある凹陥部もしくは半径方向に屈曲して突出又は後退する部分を有し、巻線軸が固定子及び／又は回転子の周方向にある少なくとも１個の巻線の部分巻線がこの凹陥部又は部分に巻装されている。

励磁磁界を発生する逆極性の永久磁石の間、又は電気励磁磁極の間の間隔は、固定子又は回転子の磁極ギャップの大きさにおおむね相当する。

固定子巻線又は回転子巻線は、複数の巻線であることが好ましい。その個別巻線は別個の出力で操作し又は並列に接続することができる。特に適切な形態としては、偶数個の巻線を有する。その場合、巻線は固定子及び／又は回転子の周囲に交互に続く互いに直列に接続された部分巻線からなり、逆極性の部分巻線が、固定子及び／又は回転子の周囲に、配置されている。

固定子巻線の複数の巻線は、固定子の周囲に交互に続く互いに直列に接続された部分巻線を有する、別個に負荷に接続された２個の巻線からなることが特に好ましい。

その場合回転子が胴形又は円板形のいずれに形成されているかは問題でない。

例えば固定子巻線の凹陥部は、固定子の内周から始まり、又は円板形回転子の場合は固定子の内側から始まる。また凹陥部が内側と外側から始まり、固定子磁極の間に部分巻線にブリッジを形成することもできるが、その場合は磁極部分に比して小さな磁気断面しかない。固定子環があらかじめ屈曲した構造を有することによって磁気断面を等しくすることが好ましい。

この点に関連して「屈曲して突出する」とは、固定子巻線の凹陥部を形成する部分が、胴形回転子を有する機械ではギャップの反対側へ半径方向に、円板形回転子を有する機械では軸方向に引っ込んでいることを意味する。

「屈曲して後退している」とは、この部分が逆に回転子中心点の方向に後退している回転子に関するものである。

巻線を巻装する場合は、固定子及び回転子は適当な磁気伝導性材料、例えば軟鉄又はフェライトからなり、もしくは一般に慣用のように成層鉄板からなる。

機械は発電機及び電動機として使用することができる。

永久磁石励磁式機械で回転子に磁極ごとに複数個の永久磁石があるか又は例えば馬蹄形永久磁石が設けられているならば、固定子磁極に対応する分極、例えばＮ−Ｎ、Ｓ−Ｓ等が生じるように磁石の配列が行われる。また永久磁石が全磁極幅を占めることもできる。その場合分極はＮ−Ｓ、N−Ｓ等である。

このように構成された複数個の機械が１本の駆動軸又は被駆動軸で共同で運転され、場合によっては個々の固定子の巻線だけが接続されるならば、可変出力のために好都合な配列が生じる。また固定子が回転子から取り外されるように、個々の又はすべての固定子の周囲を支承し、もしくは固定子をバーで通して支承することによって、機械的分離を設けることもできる。

次に実施例に基づき発明を詳述する。

図１は、本発明に基づく発電機の横断面の概略図を示す。固定子は常法により積層された固定子環１からなる。固定子環１の周囲に均一な間隔で凹陥部２があり、ここに２個の巻線の部分巻線３が巻装されている。前記部分巻線３は次のように配線されている。即ち固定子環１の周囲に、それぞれの各巻線の部分巻線３が交互に、３個の部分巻線３のそれぞれが直列に配線されて１つの巻線をなしている。凹陥部２の間にそれぞれ固定子磁極４が生じる。２つの巻線を逆並列に接続することもできる。即ち、第１の巻線の巻線始端部が第２の巻線の巻線末端部に又はその逆に接続されるのである。

回転子は、図１に馬蹄形磁石５により概略図で示唆した永久磁石界磁を有している。馬蹄形磁石５は、回転子の周囲に沿って交互する界磁方向を有する。即ちＮＳにＳＮが続く等々である。交互する磁界方向を有する回転子磁極６が永久磁石の間に生じる。馬蹄形磁石５の磁極ギャップは、固定子と回転子に等しい長さとなる磁極が相対するような形で形成されている。Ｓ−Ｓ又はＮ−Ｎの間の間隔がゼロになり、その結果Ｎ−Ｓ等々の配列が生じるように、馬蹄形磁石５を設計又は成形することができる。但し、基本的前提は、磁極の間隔が、磁極ギャップ又は部分巻線３の長さに相当することである。しかしこの条件を満足する他の磁石形状も同じく具合良く使用することができる。

固定子巻線を短絡することによって、巻線の相互作用を示すことができる。在来の発電機では短絡の際に制動作用が起こる。ところが本発電機の場合は、簡単な、見本となる機械での測定が明らかにしたところでは、制動作用が決して起こらない。むしろ必要な駆動動力が無負荷運転動力以下に低下する。

また、次の効果が証明される。即ち図１に示すように２つの電流回路が同時に、但し別個に、即ち各々１つの独自の負荷で運転されるならば、予想通りに倍加された電流が流れるだけでなく、各電流回路で多数倍の値が生じる。さらに巻線の相互誘導によって誘導電圧が上昇する。

いくつかの発電機を１本の駆動軸上に配置し、第１の発電機の巻線を個別にそれぞれ第２の発電機の個々の巻線と直列に接続すれば、効率に関してさらに有利な効果が示された。

図２は、一様な内径を変えないで固定子磁極４を細くし、固定子環２の巻装部分が屈曲して外側へ突出する部分７をなすことによって、全周でほぼ同じ大きさの横断面の固定子環１を有する別の形態を示す。磁気的有効断面が不変であるが、固定子材料が節約され、それとともに出力重量比が一層改善される。磁極４の部分の固定子環２の厚さに関して、ここに単に一例として示した２つの形態の中間の解決策ももちろん考えられる。

図３は、円板形回転子を有する機械での本発明の固定子を示す。図２の配列と同様に、屈曲した部分８がこの場合、軸方向に外側へ突出するように形成されている。

図４には、固定子も回転子も巻線を巻装した円環として形成された別の形態が示されている。固定子は図２の別の形態に相当し、固定子巻線は図１の別の形態に相当する。同様に回転子は部分巻線１２により励磁される磁極１０を備えた回転子環８からなる。部分巻線１２は半径方向に後退する部分１１からなる回転子環の凹陥部９の中にある。

本発明係る電気機械の横断面図。 特殊な鉄心断面を有する機械の別形態を示した図。 円板形モータを有する機械の固定子の平面図 固定子及び回転子の特殊な鉄心断面を有する第２の別形態を示した図。

符号の説明

１ 固定子環
２ 凹陥部
３ 部分巻線
４ （回転子の）磁極
５ 馬蹄形磁石
６ 回転子磁極
７ （突出する）部分、屈曲した部分
８ 回転子環
９ 凹陥部
１０ （回転子の）磁極
１１ 後退部分
１２ 部分巻線

Claims (17)

1. 固定子及び／又は回転子が磁気伝導性材料の環状鉄心（１）からなり、該環状鉄心（１）は、磁極（４）の働きをする部分の間に等間隔の配置にある凹陥部（２）又は半径方向に屈曲した突出又は後退する部分（７）を有し、固定子及び／又は回転子の周方向にある巻線軸上に巻装された少なくとも１個の巻線の部分巻線（３）が、前記凹陥部又は前記部分にあり、励磁磁界を発生する逆極性の永久磁石（５）又は電気励磁磁極の間隔が、前記固定子及び／又は前記回転子の相対する磁極ギャップの大きさにおおむね相当することを特徴とする永久磁石式又は電気励磁式の電気機械。
2. 前記巻線は、複数の巻線であることを特徴とする請求項１に記載の電気機械。
3. 複数の巻線は、前記固定子及び／又は前記回転子の周囲に交互に続き、互いに直列に接続された前記部分巻線（３）を有する偶数個の巻線からなることを特徴とする請求項２に記載の電気機械。
4. 前記巻線は、逆並列に接続されていることを特徴とする請求項３に記載の電気機械。
5. 前記巻線は、別々に負荷に接続されていることを特徴とする請求項３に記載の電気機械。
6. 複数の巻線は、前記固定子及び／又は前記回転子の周囲に交互に続き、互いに直列に接続された前記部分巻線を有して、負荷に別個に接続された２個の巻線からなることを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載の電気機械。
7. 円筒形回転子を有する機械においては、前記凹陥部（２）は、前記固定子の内周及び／又は前記回転子の外周から始まることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の電気機械。
8. 胴形回転子においては、前記凹陥部（２）は、前記固定子及び／又は前記回転子の内周及び外周から始まることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の電気機械。
9. 円板形回転子を有する機械においては、前記凹陥部（２）は、前記固定子及び／又は前記回転子の内側から始まることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の電気機械。
10. 円板形回転子を有する機械においては、前記凹陥部（２）は、前記固定子及び／又は前記回転子の内側及び外側から始まることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の電気機械。
11. 前記固定子及び／又は前記回転子は、軟鉄からなることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の電気機械。
12. 前記固定子及び／又は前記回転子は、フェライトからなることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の電気機械。
13. 前記固定子及び／又は前記回転子は、成層鉄板からなることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の電気機械。
14. 前記回転子の前記永久磁石（５）の磁気分極は、交互にＮ−Ｎ及びＳ−Ｓであることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の電気機械。
15. 前記回転子の前記永久磁石（５）の磁気分極は、交互にＮ−Ｓであることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の電気機械。
16. いくつかの機械が１本の駆動軸又は被駆動軸上に相接して配列されていることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載の電気機械。
17. 前記機械の前記固定子が前記回転子から取り外すことができるようにバー状に支承されていることを特徴とすることを特徴とする請求項１６に記載の電気機械。

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