JP2005522972A5 - - Google Patents
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Description
本発明は、軸方向界磁式同期電気機械に関する。例えば、このような電気機械は、永久磁石式電気機械又は電磁石式電気機械であり、また発電機又は電動機である。
軸方向界磁式同期電気機械は例えば発電機の形でよく知られており、磁石が運動を電力に変換するために導電体に関して動かされる。
多くの異なる構成が軸方向界磁式同期電気機械のために可能であるが、磁石は一般に固定の導電体コイルに関して動かされる。これらの磁石は一般に回転シャフトに取り付けられ、この回転アセンブリはロータアセンブリとして知られている。導電体コイルの固定配列体は、ステータアセンブリとして知られている。
軸方向界磁式同期電気機械のための代表的な構成においては、しばしば永久磁石の形の複数の磁石が一対の平行の軟質磁気鋼のディスク又は板上に環状の配列体の形に放射状に配列され、各ディスク上における各隣接する2つの磁石はそれらの極性を交互に異なるようにされている。2つのディスクは、それから、共通軸線のまわりを回転可能に取り付けられて、2つのディスク間にはエアギャップが形成され、これにより、一方のディスク上の磁石は他方のディスク上の反対の極性の磁石と直接に整列させられている。磁束は、対向し合う2つの磁石間のエアギャップを通過し、ディスクを通って隣接する磁石へ進み、それから隣接するエアギャップを通して進むことにより磁気回路を完成する。
軟質磁気材料とは、ここにおいて、磁界において磁化可能であるが、しかし永久的には磁化可能ではない材料であることを意味する。
複数の固定の導電体コイルは、フラットであり、2つのディスク間のエアギャップ内に環状の配列体の形に配列されている。そして、これらのディスクの回転が導電体を通過するような変動磁界を生じせしめ、電流を発生しめる。実際に、ステータは各隣接する2つの磁石間の間隔と同じ幅を有する導電体コイルを使用する。この効果は、コイルの各側部が正反対の方向の磁界にさらされ、電流がコイルの一方の側部では半径方向外向きの方向に流れまたコイルの他方の側部では半径方向内向きの方向に流れることを生じせしめる。したがって、いずれの時点でも、電流はコイルのまわりを時計方向に又は反時計方向に流れるようにされる。これは、軸方向界磁式同期電気機械において共通のプラティクスである。
ロータディスクにおけるうず電流損失を最小にするためには、ロータに設けられる各磁石対のためのステータのコイルの数を最大にすることが望ましい。もし複数のコイルが単に並んで配列される場合には、これは設けることができるコイルの数に関して制限を課する。なぜなら、コイルの幅を磁石の間隔と同じにしなければならないからである。この問題の解決法は、ステータのまわりにおいてコイルをオーバラップすることであり、これにより、ひとつのコイルの左側部が隣接するコイルの右側部の上又は下に位置する。しかしながら、このような配列は多数の欠点を有し、製造するのが複雑であり、またステータの外側面上のコイルを支持する必要があるために、コイルを冷却するのが困難である。
明らかに、このような電気機械は発電機又は電動機をすることができ、また磁石はロータ又はステータに設けることができる。
電動機の形のこのような電気機械はUS−A−4 551 645により知られており、この米国特許は多数のコイル構成を例示している。
本発明の目的は、上述した欠点を除去又は少なくとも改善する軸方向界磁式同期電気機械を提供することにある。
本発明によれば、第1の実質的に平らな部材と、この第1の実質的に平らな部材と実質的に平行に配置されている第2の実質的に平らな部材とを包含し、前記第1及び第2の部材がこれらの第1及び第2の部材の平面に実質的に垂直な共通軸線のまわりに互いに関して回転可能である軸方向界磁式同期電気機械において、前記第1の部材には前記共通軸線と同軸の複数の磁石の環状配列体が設けられて、この磁石の環状配列体が前記第2の部材を通過する実質的に軸線方向の磁界を作る構成とされ、また前記第2の部材には、前記共通軸線と同軸であって第1の層の形に実質的に並んで配列されている複数のフラットコイルの環状配列体と、前記共通軸線と同軸であって第2の層の形に実質的に並んで配列されている複数のフラットコイルの第2の環状配列体とが設けられ、前記第2の配列体のコイルが前記第1の配列体のコイルに関して周方向にずらされていることを特徴とする電気機械、が提供される。
前記磁石は、永久磁石又は電磁石から成ることができる。
前記第1の平らな部材はロータアセンブリから成ることができると共に、前記第2の平らな部材はステータアセンブリから成ることができる。
前記第1の平らな部材は、単一の部品から形成することができる。すなわち、前記第1の平らな部材は積層しないようにすることができる。
前記第1の平らな部材は、軟質磁気材料、例えば、軟鋼のような鋼から形成することができる。
前記磁石と前記コイルとは、前記共通軸線から実質的に同じ半径方向距離に配置することができる。
前記第1の平らな部材は、互いから間隔を置いて離れている第1及び第2の同軸板から成ることができる。そして、前記磁石は、前記第1及び第2の板の各一方の面であって各他方の面に面している面に設けることができる。また、前記第1及び第2の板は、それらの外周区域のまわりで一緒に固定することができる。更に、前記第2の部材は前記第1及び第2の板間のエアギャップ内に配置することができる。
前記フラットコイルの第1及び第2の配列体は、前記第2の部材の対向する両側部に設けることができる。
前記第2の部材は、非磁性及び非導電性材料、例えばガラス繊維強化プラスチック材料から作ることができる。そして、前記第2の部材は環状とすることができ、また、シャフトにスポークの手段により接続することができる。選択的に、前記第2の部材はシャフトに接続することができ、また前記第2の部材には冷却空気の通過のための穴を設けることができる。
前記コイルは、例えばエポキシ樹脂のような樹脂材料に埋めることができる。
前記コイルのひとつ又はそれ以上の層を設けることができる。そして、各層の前記コイルは層の数で割った各隣接する2つのコイルのピッチに実質的に相当する量だけずらすことができる。例えば、前記コイルの2つの層を設けることができ、一方の層の前記コイルは他方の層の前記コイルに関して各隣接する2つのコイル間の間隔の実質的に半分に相当する量だけずらされる。
前記電気機械は、発電機又は電動機の形とすることができる。
前記第2の配列体のコイルは、前記第1の配列体のコイルに関して、前記第2の配列体のコイルが前記第1の配列体のコイルに部分的にオーバラップする関係となる範囲にまで周方向にずらすことができる。
前記コイルは、位相がこれらのコイルの第1及び第2の配列体間で交互に繰り返すように接続することができる。
各配列体の各隣接する2つのコイルの分離角度と各隣接する2つの磁石の分離角度との割合は、位相の数に相当することができる。
本発明を良く理解し、また本発明が実際にどのように実施されるかを一層明確に示すために、以下添付図面を参照して本発明の一実施例について詳述する。
図1〜図5は、永久磁石式電気機械の形であって、ロータアセンブリに設けられた複数の永久磁石を備えている発電機として構成されている軸方向界磁式同期電気機械を示す。しかしながら、電気機械は多数の方法で容易に変形できることを理解されよう。例えば、電気機械は電動機として容易に機能することができ、永久磁石はステータアセンブリに容易に設けることができる。更に、永久磁石は電磁石に容易に置換することができることを理解されよう。
図1及び図2は発電機のステータアセンブリの部品を示し、この部品はガラス繊維強化プラスチック材料又は他の適当な非磁性及び非導電性材料の環状本体3を包含する。この環状本体3の一方の側部には、銅線のエアコイルの形である複数のフラットコンダクタコイル1の単一層が結合されている。これらのコイル1は、環状本体3の軸線と同軸の環状構造体の形に実質的に並んで配列されている。環状本体3の他方の側部にも、同様に銅線のエアコイルの形である複数のフラットコンダクタコイル2の単一層が結合されている。これらのコイル2は、コイル1の層と実質的に同一の半径で環状本体3の軸線と同軸の環状構造体の形に実質的に並んで配列されている。そして、環状本体3とコイル1及び2の二層とのアセンブリは、例えばエポキシ又は他のプラスチック樹脂材料の樹脂材料4に埋め込まれ、これにより、コイルのための位置、保護及び電気絶縁を提供する樹脂材料を備えているステータアセンブリの部品を形成する。
図1から見ることができるように、フラットコイル1及び2の二層は、これらのコイルの周方向寸法の半分に相当する量だけ、すなわち、層の数で割った2つの隣接するコイルのピッチに実質的に相当する量だけ、互いに関して周方向にずらされている。
もし所望するならば、空気流れによりコイルを冷却する作用を著しく減少させることなしに、コイルを保護すると共にステータアセンブリを補強するために、ステータアセンブリには、その軸方向面に薄い壁を設けることができる。
図3から見ることができるように、ステータアセンブリは、図1及び図2のステータ部品を主シャフト5にスポークステータハブ6の手段により取り付けることにより完成される。スポークステータハブ6は、図1及び図2のステータ部品に適当な固定手段により取り付けられている。このステータハブ6のスポークは、冷却する目的のために空気がステータアセンブリの両側部を通過するのを許す。
図4は2つの平行板9及び10を包含するロータアセンブリを示し、これらの平行板9及び10はそれらの外周部まわりを複数のスペーサ12により一緒に固定され、その結果、これらの平行板9及び10は互いに関して回転することができない。平行板9及び10は、軸受11の手段により主シャフト5上の共通軸線のまわりを回転可能に取り付けられている。平行板9及び10は、各々、例えば軟鋼のような軟質の磁気材料の単一片から作られている。
複数の永久磁石7は平行板10に面する平行板9の面に取り付けられ、これらの永久磁石7はコイル1及び2の半径に実質的に相当する半径で主シャフト5の軸線と同軸の環状配列体の形に並んで配列されている。これらの永久磁石7は放射状に配列されて、正反対の極性の磁極が各隣接する2つの永久磁石7において隣接している。
同様に複数の永久磁石8が平行板9に面する平行板10の面に取り付けられ、これらの永久磁石8は永久磁石7及びコイル1及び2の半径に実質的に相当する半径でシャフト5の軸線と同軸の環状配列体の形に並んで配列されている。これらの永久磁石8も放射状に配列されて、正反対の極性の磁極が各隣接する2つの永久磁石8において隣接していると共に、各永久磁石8が対応するひとつの永久磁石7に面して、これらの対応する永久磁石7及び8が互いに正反対の極性を有している。
図5は図4のロータアセンブリ内に配置した図3のステータアセンブリを示し、コイル1及び2が、平行板9及び10に取り付けられている永久磁石7及び8の2つの環状配列体の間の所定の大きさのエアギャップ内に位置している。
フラットコイルの如きコイル1及び2の形状と環状本体3の対向する両面上に平らに横たわっているコイル1及び2の位置とは、コイルを永久磁石7及び8に隣接して配置することを可能にし、したがってエアギャップの大きさを最小に維持することを可能とし、同時に、実質的に各コイルの全体表面区域を冷却する目的のためにさらす。環状本体は、コイルの露出面で熱を放出させることによりコイルを冷却する作用を減少させることなしに、寸法安定のために要求されるにしたがって厚くすることができる。
平行板9及び10の各々のための軟質磁気材料の単一片の使用、すなわち各平行板が積層板とされていないことは、これらの平行板9及び10が製造するのに経済的であること、及び例えば風タービンのブレードのような他の部品を支持するのに十分に強いという利点を有する。しかしながら、平行板9及び10のための単体構造はこれらの平行板中にうず電流損失を生じせしめる。うず電流損失は、しかし、コイルの周方向寸法の半分に相当する量だけ互いに関して周方向にずらされているフラットコイルの2つの層を設けることにより減少させられる。
図1〜図5に例示した電気機械は三相電気機械であり、各隣接する2つのコイル間の分離角度は各隣接する2つの永久磁石間の分離角度の1 1/3倍である(分離角度は、回転軸線のまわりを測定して各隣接する2つのコイル又は永久磁石の中心点間の角度と定義される)。したがって、ここに例示した実施例においては、12個のコイル1と、12個のコイル2と、16個の永久磁石7と、16個の永久磁石8とされている。そして、コイル1及び2は、位相がコイルの層間で交互に繰り返すように接続されている。したがって、第1の位相はコイル1であり、第2の位相はそれから第1の位相のコイル1と部分的にオーバラップしているコイル2であり、第3の位相はそれから第1の位相のコイル1に隣接していると共に第2の位相のコイル2と部分的にオーバラップしている他のコイル1である。このようなパターンは、それから、第1の位相が第2の位相のコイル2に隣接していると共に第3の位相のコイル1と部分的にオーバラップしている他のコイル2であるようにして、連続する。
もし所望するならば、電気機械は、各隣接する2つのコイルの分離角度を各隣接する2つの永久磁石の分離角度との割合を適当に選択することにより、任意の数の位相を発生するように作ることができる。
上述しかつ図1〜図5に示した電気機械は、多数の点で変更できるものであり。例えば、多数の電気機械を共通軸線上に一方を他方のうしろにして設けることができる。また、電気機械は発電機と反対の機能をなす電動機として機能することができる。更に、永久磁石は電磁石に置換することができる。更に他の変更において、磁石をステータアセンブリに設けると共にコイルをロータアセンブリに設けることができる。また、磁石の単一の配列体をコイルの2つの層間に設けることができ、一方の層のコイルは上述したように他方の層のコイルに関して周方向にずらされる。
コイルの層の数は2つに限定される必要がなく、3つ又はそれ以上のコイル層を設けることもできる。位相の数も、コイル層の数、及び各隣接する2つのコイルの分離角度と各隣接する2つの磁石の分離角度との割合を適当に選択することにより、選定することができる。このような場合において、電気機械は多相電気機械、すなわち三相又はそれ以上の位相の電気機械である。しかしながら、特に電気機械が発電機の形である場合には、交流出力は直流出力を作るために整流することができる。
図6は発電機の星形結線図であり、この場合において、位相の数は重要でないけれども、三相を発生せしめる。この一例は、位相の数がコイルの数と等しいときである。同じ位相のコイル1及び2を直列又は並列にしてグループに接続することができ、各グループの交流出力は直流出力14を作るためにダイオード13でもって整流される。
図7は、各コイル1又は2、若しくは直列又は並列に接続されている同じ位相のコイルのグループが他方のコイルから電気的に絶縁されている場合の結線図である。発電機の交流出力は、直流出力を作るために例えばブリッジ整流器15を使用することにより整流される。多段整流器からの直流出力は、一緒に接続される。もし所望するならば、図6に示される整流器の配置を用いることもできる。
Claims (26)
- 第1の実質的に平らな部材(9,10)と、この第1の実質的に平らな部材と実質的に平行に配置されている第2の実質的に平らな部材(3)とを包含し、前記第1及び第2の部材がこれらの第1及び第2の部材の平面に実質的に垂直な共通軸線のまわりに互いに関して回転可能である軸方向界磁式同期電気機械において、前記第1の部材(9,10)には前記共通軸線と同軸の複数の磁石(7,8)の環状配列体が設けられて、この磁石の環状配列体が前記第2の部材(3)を通過する実質的に軸線方向の磁界を作る構成とされ、また前記第2の部材(3)には、前記共通軸線と同軸であって第1の層の形に実質的に並んで配列されている複数のフラットコイル(1)の環状配列体と、前記共通軸線と同軸であって第2の層の形に実質的に並んで配列されている複数のフラットコイル(2)の第2の環状配列体とが設けられ、前記第2の配列体のコイル(2)が前記第1の配列体のコイル(1)に関して周方向にずらされていることを特徴とする電気機械。
- 請求項1記載の電気機械において、前記磁石(7,8)が永久磁石から成ることを特徴とする電気機械。
- 請求項1記載の電気機械において、前記磁石(7,8)が電磁石から成ることを特徴とする電気機械。
- 請求項1〜3のいずれか一項に記載の電気機械において、前記第1の平らな部材(9,10)がロータアセンブリから成ると共に、前記第2の平らな部材(3)がステータアセンブリから成ることを特徴とする電気機械。
- 請求項1〜4のいずれか一項に記載の電気機械において、前記第1の平らな部材(9,10)が単一の部品から形成されていることを特徴とする電気機械。
- 請求項1〜5のいずれか一項に記載の電気機械において、前記第1の平らな部材(9,10)が軟質磁気材料から形成されていることを特徴とする電気機械。
- 請求項6記載の電気機械において、前記軟質磁気材料が例えば軟鋼のような鋼から成ることを特徴とする電気機械。
- 請求項1〜7のいずれか一項に記載の電気機械において、前記磁石(7,8)と前記コイル(1,2)とが前記共通軸線から実質的に同じ半径方向距離に配置されていることを特徴とする電気機械。
- 請求項1〜8のいずれか一項に記載の電気機械において、前記第1の平らな部材が互いから間隔を置いて離れている第1及び第2の同軸板(9,10)から成ることを特徴とする電気機械。
- 請求項9記載の電気機械において、前記磁石(7,8)が前記第1及び第2の板(9,10)の各一方の面であって各他方の面に面している面に設けられていることを特徴とする電気機械。
- 請求項9又は10記載の電気機械において、前記第1及び第2の板(9,10)がそれらの外周区域のまわりで一緒に固定されていることを特徴とする電気機械。
- 請求項9〜11のいずれか一項に記載の電気機械において、前記第2の部材(3)が前記第1及び第2の板(9,10)間のエアギャップ内に配置されていることを特徴とする電気機械。
- 請求項1〜12のいずれか一項に記載の電気機械において、前記フラットコイル(1,2)の第1及び第2の配列体が前記第2の部材(3)の対向する両側部に設けられていることを特徴とする電気機械。
- 請求項13記載の電気機械において、前記第2の部材(3)が非磁性及び非導電性材料から作られていることを特徴とする電気機械。
- 請求項14記載の電気機械において、前記第2の部材(3)がガラス繊維強化プラスチック材料から作られていることを特徴とする電気機械。
- 請求項13〜15のいずれか一項に記載の電気機械において、前記第2の部材(3)が環状であって、シャフト(5)にスポーク(6)の手段により接続されていることを特徴とする電気機械。
- 請求項13〜15のいずれか一項に記載の電気機械において、前記第2の部材(3)がシャフト(5)に接続され、かつ前記第2の部材(3)には冷却空気の通過のための穴が設けられていることを特徴とする電気機械。
- 請求項1〜17のいずれか一項に記載の電気機械において、前記コイル(1,2)が例えばエポキシ樹脂のような樹脂材料に埋められていることを特徴とする電気機械。
- 請求項1〜18のいずれか一項に記載の電気機械において、前記コイル(1,2)のひとつ又はそれ以上の層が設けられていることを特徴とする電気機械。
- 請求項1〜19のいずれか一項に記載の電気機械において、各層の前記コイル(1,2)が層の数で割った各隣接する2つのコイルのピッチに実質的に相当する量だけずらされていることを特徴とする電気機械。
- 請求項20記載の電気機械において、前記コイル(1,2)の2つの層が設けられ、一方の層の前記コイル(1)が他方の層の前記コイル(2)に関して各隣接する2つのコイル間の間隔の実質的に半分に相当する量だけずらされていることを特徴とする電気機械。
- 請求項1〜21のいずれか一項に記載の電気機械において、発電機の形である電気機械。
- 請求項1〜21のいずれか一項に記載の電気機械において、電動機の形である電気機械。
- 請求項1〜23のいずれか一項に記載の電気機械において、前記第2の配列体のコイル(2)は、前記第1の配列体のコイル(1)に関して、前記第2の配列体のコイル(2)が前記第1の配列体のコイル(1)に部分的にオーバラップする関係となる範囲にまで周方向にずらされていることを特徴とする電気機械。
- 請求項1〜24のいずれか一項に記載の電気機械において、前記コイル(1,2)は位相がこれらのコイルの第1及び第2の配列体間で交互に繰り返すように接続されていることを特徴とする電気機械。
- 請求項1〜25のいずれか一項に記載の電気機械において、各配列体の各隣接する2つのコイル(1,2)の分離角度と各隣接する2つの磁石(7又は8)の分離角度との割合が位相の数に相当することを特徴とする電気機械。
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