JP2005539474A - ロータ極芯数よりも多いステータ極芯数を有する電動モータ／発電機 - Google Patents

Abstract

本発明は、機械がロータ極シューの数よりも多いステータ極芯の数を有する、軸方向磁束を有する電気式多極モータ／発電機または電動機に関する。したがって、機械が、回転軸を有するシャフトに固定されたロータを備え、前記ロータが、磁石または磁場を作製するための手段と、Ｎに設定された数の極シューとを備える、モータ／発電機または電動機が提供される。前記機械は、ロータと第１のステータの間に形成されたエア・ギャップを備える第１のステータをさらに備え、第１のステータは、前記極芯上に巻き付けられそれを包囲する、対応する別個のコイルまたは巻線の組を有するＭに設定された数の極芯または極脚を備え、ＮおよびＭが１よりも大きく、ＭがＮよりも大きい。Ｎが等しい数であってもよく、Ｍが２Ｎと等しい、Ｍが３Ｎと等しい、またはＭが４Ｎと等しくてもよい。本発明の実施形態によると、前記電動機は前記ロータと前記第２のステータの間に形成されたエア・ギャップを備える第２のステータを、さらに備えてもよく、前記第２のステータが、前記極芯上に巻き付けられそれを包囲する、対応する別個のコイルまたは巻線の組を有するＰに設定された数の別個の極芯を備え、Ｐが１よりも大きい。ＰはＮよりも大きくてもよく、Ｐが２Ｎと等しい、Ｐが３Ｎと等しい、またはＰが４Ｎと等しくてもよい。したがって、本発明の実施形態によると、ＰはＭと等しくてもよい。

Description

本発明は、モータまたは発電機である電動機、より具体的にはロータ極芯数よりも多いステータ極芯数を有する同期機に関する。本発明はさらに、軸方向磁束を有する電動機に関する。電動機は、モータまたは発電機のいずれかとして動作することができ、以下では単に発電機と呼ぶ。

発電機は、様々な分野で使用されることができる。発電機が、たとえば風力タービン内で使用されるとき、風力タービンの寸法決定に関する、より重要な経済的パラメータの１つは、ハウジングのサイズである。したがって、風力タービンの寸法を最小化することが可能であることは極めて重要である。ハウジングを最小化するために、翼と発電機を接続するギア・ボックス／ギア・ホイールを最小化しなければならない。このことは、比較的大きい１回転当たりの作用を有する発電機を提供することによって達成されることができる。
これを達成するための一方式は、発電機が、風力タービンのハウジング内で比較的大量の空間を占有するため、できる限り小さな半径を有する発電機を有することである。

風力タービン内に発電機を実装するときに考慮されるべき別の点は、発電機が、低回転数と高回転数の両方で効率的でなければならないことである。
従来型の半径方向磁束発電機を基にした電動機（図１参照）が、最もよく使用されている。ある状況でのこの種の発電機の主な問題点は、半径方向に製造されたステータ構造のため、所定の出力に対する直径が比較的に大きいことである。ステータがロータを包囲／囲繞しており、それによって発電機の直径を追加することが、さらなる欠点である。

別の欠点は、材料７のみが磁束を担持し、ギャップに向かう自由空間の約５０％しか覆っていないため、くぼみ７とくぼみ２自体の間の材料の個々の配置によって生じるエア・ギャップ内での誘導が比較的低いことである。
様々な方式で最適化されている同様の種類の多くの発電機があるが、これらはすべて半径方向の磁束を有し、したがって、同じ問題点を有する、すなわち、上記で説明したように比較的大きな直径を有する。

軸方向の磁束を有するモータまたは発電機（図２参照）が、参照によって本明細書に組み込まれるＷＯ００／４８２４７で提案されている。ここで、モータまたは発電機は、電流巻線１６によって包囲された軸方向に延びる１つまたは複数の極芯１５を通る磁束経路を有して提供されている。このことは、高密度の磁束が極芯１５を通されることを可能にし、たとえば高い磁束を伝導するために大きなステータ直径が必要とされる機械と比較したとき、極芯のための低い材料の消費という結果となる。ロータ１０の軸と平行に配置された極芯１５を有することによって、モータまたは発電機の全径は減少されることができ、このようにして上記に述べた問題点のいくつかに対する解決法を提供する。

ＷＯ００／４８２４７に記載されているモータまたは発電機については、ステータ内に配置された極芯または極脚１５の数は、ロータ内に配置された磁石の数と等しく、また、図２に示した実施形態によると、モータまたは発電機は、１個のロータ１０と１個のステータを備える。ロータ１０は、磁石１２の間に配置された、いくつかの極シュー１３を有する。ステータは、いくつかの極芯または極脚１５を備え、極脚１５の数は磁石１２の数と等しく、この数はまた、極シュー１３の数とも等しい。各所与の極芯１５ごとに、２つの隣接する局所的な磁気回路がある。これらの２つが、第１および第２のループ１８ａ、１８ｂによって概略的に示されている。極シュー１３が極脚１５に面したとき、磁束経路１８ａは、第１の極脚、第１の極シュー、磁石、第２の極シューおよび第２の極脚を含むことがわかる。

図２では、磁束経路１８ａまたは１８ｂ内の磁束密度は比較的高く、ロータ１０とステータの極脚１５の間に高い軸方向合成力をもたらす。ステータ１０が、各磁石１２が極脚１５に面するように回転するとき、第３の磁束経路は、ただ１つの極脚１５、第１の極シュー、磁石、および第２の極シューを含むことになる（この状況が図３に示されている）。第３の磁束経路の磁束密度は、第１および第２の磁束経路１８ａ、１８ｂに対するものよりも低く、図２に示したロータ位置と比較したとき、ロータ１０と極脚１５の間に、より低い軸方向合成力をもたらす。したがって、使用中、ロータ１０が回転させられたとき、ロータ１０とステータの極脚１５の間の軸方向合成力は、比較的高い力と比較的低い力の間で変動する。このように高い、変動する軸力は、ロータ１０およびその軸方向接続部での高い摩耗を含むいくつかの欠点を結果として生じさせる。

図３に示した、軸方向磁束を有するＷＯ００／４８２４７に記載されているモータまたは発電機の別の実施形態によると、モータまたは発電機は、１個のロータ３０１と、ロータ３０１の両側に配置されたステータ３０２、３０３とを備える。ロータ３０１は、極シュー３０４、３０５と、それぞれ連続する２つの極シューの間に磁石３０６、３０７、３０８を有する。極シュー３０４、３０５は、ロータ３０１と交差しており、それによって極シューが、ロータ３０１の両側に設けられている。第１のステータ３０２は、ロータ３０１の極シュー３０４、３０４に面した極芯または極脚３０９、３１０を有する一方、第２のステータ３０３は、ロータ３０１の磁石３０６、３０７、３０８に面した極芯または極脚３１１、３１２、３１３を有する。ここで、第１のステータ３０２の極脚３０９、３１０は、第２のステータ３０３の極脚３１１、３１２、３１３の位置に対照して配置されている。

図３の発電機について、ロータ３０１および第１のステータ３０２の第１の磁束経路３１４は、極脚３１０、３０９、極シュー３０４、磁石３０７および極シュー３０５を含む。しかし、第２の磁束経路３１５は、磁束経路３１４に対応して存在している。この第２の磁束経路３１５は、ただ１つの極脚３１２、極シュー３０４、磁石３０７、および極シュー３０５を備える。ステータ３０２、３０３内の極脚の数が、ロータ３０１内の磁石の数と等しいため、残りのステータ極脚およびロータ極シューおよび磁石に対して。同様に対応する磁束経路が存在することを理解されたい。

ここで、磁束経路３１４内の磁束密度は、磁束経路３１５内の磁束密度よりもずっと高い。すなわち、ロータ３０１と第１のステータ３０２の間の軸方向合成磁力は、反対向きに方向付けられたロータ３０１と第２のステータ３０３の間の軸方向合成磁力よりもずっと高い。しかし、ロータ３０１が、極シュー３０４、３０５がそれぞれ第２のステータ３０２の軸脚３１２、３１３に面するように回転される一方、磁石３０７が極脚３１０に面しているとき、ロータ３０１と２つのステータ３０２、３０３の間の反対向きに方向付けられた軸方向磁力の大きさは、ロータ３０１と第１のステータ３０２の間の力が、ロータ３０１と第２のステータ３０２の間の力よりも小さいように変化する。

したがって、ロータ３０１が使用中回転しているとき、ロータ３０１への最大軸力は高いが、回転中に方向が変化する。このように高い、変動する軸力は、ロータ３０１およびその軸方向接続部での高い摩耗を含むいくつかの欠点を結果として生じさせる。
ＷＯ００／４８２４７

したがって、軸方向磁束を有するが、ロータへの変動する軸力の比較的小さい変動しか有さず、それによって回転部品の摩耗を減少させる、モータまたは発電機の設計の必要性がある。

本発明の第１の態様によると、
回転軸でシャフトに固定され、磁石または磁場を生成するための手段と、Ｎに設定された数の極シューとを備えるロータと、
前記ロータと第１のステータの間に形成されたエア・ギャップを備える第１のステータを備え、前記第１のステータが、前記極芯上に巻き付けられそれを包囲する、対応する別個のコイルまたは巻線の組を有するＭに設定された数の別個の極芯を備え、ＮおよびＭが１よりも大きく、ＭがＮよりも大きい電動機が提供される。

前記ロータ磁石または磁場を作成するための手段が、前記極シューの間に配置されていることが好ましい。本発明の好ましい実施形態によると、前記ロータ磁石または磁場を作成するための手段が、前記極シューと交番している。したがって、ロータ極シューの数Ｎは、ロータ内に配置された磁石または磁場を作成するための手段の数と等しくてもよい。

Ｎが等しい数であることが好ましい。ＭがＡ掛けるＮ、Ｍ＝ＡＮで与えられ、ここでＡが１よりも大きい整数であることも好ましい。したがって、Ｍが２Ｎと等しい、Ｍが３Ｎと等しい、またはＭが４Ｎと等しいことが好ましい。

しかし、本発明はまた、ＭがＡ掛けるＮと異なる実施形態もカバーしている。ここで、本発明の実施形態によると、ＭがＮ足す２掛けるＣ、Ｍ＝Ｎ＋２Ｃで与えられてもよく、ここでＣが１以上の整数である。

本発明の好ましい実施形態によると、本発明の機械は、前記ロータと前記第２のステータの間に形成されたエア・ギャップを備える第２のステータをさらに備えてもよく、前記第２のステータが、前記極芯上に巻き付けられそれを包囲する、対応する別個のコイルまたは巻線の組を有するＰに設定された数の別個の極芯を備え、Ｐが１よりも大きい。

本発明の実施形態によると、ＰはＮ以下であってもよい。しかし、ＰがＮよりも大きいことも好ましく、ＰがＢ掛けるＮによって与えられてもよく、ここでＢが１よりも大きい整数である。したがって、Ｐが２Ｎと等しい、Ｐが３Ｎと等しい、またはＰが４Ｎと等しいことが好ましい。ＰがＭと等しいことも好ましい実施形態の範囲内にある。
ここでもまた、本発明は、ＰがＢ掛けるＮと異なる実施形態をカバーしており、ＰがＮ足す２掛けるＤ、Ｐ＝Ｎ＋２Ｄによって与えられもよく、ここでＤが１以上の整数である。

各別個の極芯が、対応する別個のコイルまたは巻線の組を有することも本発明の好ましい実施形態の範囲内にある。前記ロータが、前記ロータの少なくとも一部が回転軸に対してほぼ垂直であるように配置されていることも好ましい実施形態の範囲内にある。

本発明の実施形態によると、前記極芯または極脚は、回転軸に対して異なる方向を有してもよい。しかし、好ましい実施形態では、前記第１および／または第２のステータの１つまたは複数の極芯の少なくとも一部が、回転軸に対してある角度で配置され、前記角度が、０度以上９０度未満である。ここで、前記極芯と回転軸の間の角度が、３０度以下など、４５度以下であってもよい。好ましくは、１つまたは複数の前記極芯または極脚の少なくとも一部が、回転軸に対してほぼ平行であってもよく、前記極芯または極脚のすべての少なくとも一部が、回転軸に対してほぼ平行であることも好ましい実施形態の範囲内である。１つまたは複数の前記極芯または極脚の少なくとも一部が、回転軸に対してほぼ平行であるとき、１つまたは複数の巻線またはコイルが、回転軸に対してほぼ平行であるそれらの軸を有する。

本発明の電動機に対して、前記第１のステータが、前記ロータの第１の側面に対向してそれに面して好ましくは配置されてもよい。２つのステータを有する本発明の実施形態に対して、前記第２のステータが、前記ロータの第２の側面に対向してそれに面して配置されることが好ましい。

磁石または磁場を作成するための手段および極芯または極脚を配置するとき、ステータの極芯が、１つまたは複数の磁束経路の一部を提供するように配置されることが好ましい。ここで、磁束経路が、２つの極芯を通る磁束経路を含んでもよく、前記磁束経路が２つのエア・ギャップをさらに含んでもよい。好ましくは、磁束経路は、ただ２つだけの極芯を含み、前記磁束経路は、ただ２つだけのエア・ギャップをさらに含んでもよい。

本発明の機械に対して、前記ロータがほぼ円形であることが好ましい。前記第１および／または第２のステータが、前記極芯と接続された磁気伝導性のエンド・プレートをさらに含み、前記エンド・プレートが、前記ロータとほぼ平行であり、それに対向して配置されてもよいことも好ましい。

前記磁石または磁場を作成するための手段が、互いに向かい合う同様の極性の極を有して対で配置されていることが好ましい。前記磁石または磁場を作成するための手段を配置するとき、異なる配置が使用されてもよい。すなわち、前記磁石または磁場を作成するための手段が、前記ロータ内に半径方向に等距離で配置されてもよい。これらはまた、前記第１のステータの前記極芯の端部に面した前記ロータの第１の側面上に配置されてもよい。２つのステータを有する実施形態に対して、前記磁石または磁場を作成するための手段が、前記第２のステータの前記極芯の端部に面した前記ロータの第２の側面上に配置されてもよい。しかし、前記磁石または磁場を作成するための手段が、前記ロータの外周上に配置されていることが好ましい。

異なる外部寸法が、ステータ内に配置された極芯または極脚のために使用されてもよい。しかし、本発明の実施形態によると、極芯の幅が、２つの連続する極芯の間の距離にほぼ等しいことが好ましい。極シューの幅が、前記第１および／または第２のステータの２つの連続する極芯の間の距離にほぼ等しいことも好ましい。

本発明によると、前記磁石または磁気を作成するための手段が、永久磁石または電磁石であってもよいことを理解されたい。
本発明の機械の巻線またはコイルを作成または形成するとき、平坦に集中されたコイルを使用することが好ましい。極芯を作成するとき、これらが、磁気伝導性材料で作製され、または組み立てられ、前記磁気伝導性材料が、磁場に方向付けられた柔軟な磁性の積層であることが好ましい。

本発明の実施形態による機械は、好ましくは、１位相同期機として形成されている。前記機械は、前記巻線を介して電力を発生させるために前記シャフトを介して機械的な力／仕事を提供されることができる発電機であってもよい、または前記機械は、前記シャフトを介して機械的な力／仕事を発生させるために前記巻線を介して電源から電力を提供されることができるモータであってもよい。
本発明の実施形態による発電機は、風力タービンで使用されるのに良く適していることを理解されたい。

本発明のさらなる目的は、発電機の直径を大きくすることなく、多位相の出力を提供できる機械または発電機／モータを提供することである。複数の位相は、上記に述べた実施形態のずれか１つによる対応する数の１位相機を直列に配置することによって達成されてもよい。

本発明の好ましい実施形態によると、前記極脚または極芯が、ほぼＵ字型要素によって形成されてもよい。前記Ｕ字型の要素が、１つの極脚が２つのＵ字型要素の２つの隣接する脚によって形成されるようにステータ内に配置されてもよい。前記Ｕ字型の極脚または極芯が、磁気伝導性材料製であり、前記極脚が、低い直伝導性を有する材料製のステータ・プレート上に配置されていることが好ましい。
本発明を、いくつかの実施形態とともに、添付の図面を参照にして、より完全に説明する。

図１は、従来技術による発電機の一部の断面図を示している。図面は、従来の方式で、すなわち、発生させられる電流の位相に応じて、所与のくぼみから別のくぼみへ巻かれたコイル３を備えるくぼみ２を有するステータ１を示している。また、ロータ４の境界から離隔された磁石５を備えるロータ４も示されている。ロータ４上の磁石５とステータ１の間にエア・ギャップがある。

ロータ４が、シャフト（図示せず）を介してステータ１に対して運動するとき、磁石５はコイル３を通って運動し、したがってこれらの中に電流が誘導される。
電流がコイル３に供給された場合、磁場が、ロータ４およびシャフトを運動させ、電動機はモータとして機能する。
従来技術による構造は、発明の背景ですでに述べた欠点を有する。

図２は、ＷＯ ００／４８２４７に記載されている、軸方向磁束を有する従来技術の発電機の実施形態の概略図である。図面は、ロータとして機能する、シャフト１１に固定されている極ホイール１０を示している。複数の磁石１２が、磁石が、互いに向かい合う同様の極性（Ｎ）の極と、互いに向かい合う同様の極性（Ｓ）の極を有するようにして、半径方向に配置されている。磁石１２は、好ましくは永久磁石であるが、電磁石などであってもよい。

好ましくは積層シート材料または重い鉄製の、複数の極シュー１３が、磁石１２の間に配置されており、磁束を集中させ、比較的小さい残存／残留磁気を有する。すなわち、これらは良好な磁気伝導体である。極シュー１３および磁石１２は、シャフト１１から磁気的に絶縁されている。

ロータ１０から離隔した所に、磁性の終端プレート／エンド・シールド１７は、エア・ギャップ１４のみがロータ１０と極シュー１３の間に存在するように、プレート１７に固定された複数の極脚／極芯１５を備える。プレート１７および極芯１５は、ステータ１５、１７として機能する。プレート１７は、好ましくは、ある長さの鉄を使用して円形形状に包まれた磁場のないように方向付けられた積層された鉄を使用している円形の芯である。

プレート１７は、磁気的な「短絡」として機能し、所与の磁気回路内で関連する極芯１５の間で磁束を伝導する。すなわち、本実施形態では、選択された局所的な磁気回路は、磁石１２、極シュー１３、エア・ギャップ１４（磁束を増幅させる）、極芯１５、磁性の終端プレート１７、隣接する極芯、隣接するエア・ギャップ、隣接する極シューを備える。

各所与の極芯１５ごとに２つの隣接する局所的な磁気回路がある。これらの２つが、ループ１８ａ、１８ｂによって概略的に示されており、発明の背景ですでに議論されている。

たとえばコイルなどの電気巻線１６が、好ましくは極脚１５のそれぞれを包囲している。好ましくは、コイル１６は、極脚１５の周囲にきつくしっかりと巻かれている。この構成は、磁束が、この構成での極芯１５内で極めて集中され／一様であるため、巻線／コイル１６内での誘導に対して極めて効果的である。巻線１６は、高い充填率を有する、好ましくは平らに集中されたコイルによって形成されている。極芯１５上に集中された巻線１６を有することによって、図１に示した発電機とは反対に、磁束流が、コイル材料のほとんどすべてに（もちろん発電機から離れる電流を誘導する材料を除く）影響を与えるため、コイル材料のほとんどすべてが影響を受ける。

ロータ１０がステータ１５、１７に対して運動するとき、エア・ギャップ１４での極性が変化する（ＮからＳに、またはその逆に）し、それによって巻線１６内に電流が誘導されるため、所与の極芯１５内の磁束が方向を変化させる。この誘導は、磁束が、巻線１６によって包囲された領域内、すなわち極芯１５内で、極めて集中されている／一様であるため、前述のように極めて効果的である。

単独型の発電機に対しては、シャフト１１が、シャフト１１を追加で支持し、ロータ１０のステータ１５、１７に対する回転を安定させるために、プレート１７内のベアリングなど（図示せず）の中に好ましくは回転自在に装着されている。風力タービンで使用される発電機に対しては、ロータ１０が、風力タービンのシャフト上に好ましくは固定され、ステータ１５、１７が、風力タービンのシャフトを保持しているベアリングに好ましくは固定されている。

図２では、磁石１２は半径方向に配置されているが、別法として、磁石が、互いに向かい合う同様の極性（Ｎ）の極と、互いに向かい合う同様の極性（Ｓ）の極を有するように、および磁石１２が極脚１５に面するように、ロータ１０の側面に配置されてもよい。ここでもまた、極シュー１３が磁石１２の間に配置されてもよい。

図３は、軸方向磁束を有し、かつ１個のロータおよび２個のステータを有するＷＯ ００／４８２４７に記載されているモータ／発電機の別の実施形態に対応する従来技術のモータ／発電機の透視図を示している。モータ／発電機は、１個のロータ３０１と、ロータ３０１の対向する側面上に配置された２個のステータ３０２、３０３を備える。ロータ３０１は、極シュー３０４、３０５および２つの連続するそれぞれの極シューの間に磁石３０６、３０７、３０８を有する。極シュー３０４、３０５は、ロータ３０１と交差しており、それによって極シューが、ロータ３０１の両側に設けられている。

第１のステータ３０２は、ロータ３０１の極シュー３０４、３０５に面した極芯または極脚３０９、３１０を有する一方、第２のステータ３０３は、ロータ３０１の磁石３０６、３０７、３０８に面した極芯または極脚３１１、３１２、３１３を有する。ここで、第１のステータ３０２の極脚３０９、３１０は、第２のステータ３０３の極脚３１１、３１２、３１３の位置に対照して配置されている。第１のステータ３０２の極芯３０９、３１０は、第１の磁性の終端プレート／エンド・シールドに固定されている一方、第２のステータ３０３の極芯３１１、３１２、３１３は、第２の磁性の終端プレート／エンド・シールドに固定されている。終端プレートのそれぞれは、好ましくは、ある長さの鉄を使用して円形形状に包まれた磁場のないように方向付けられた積層された鉄を使用している円形の芯である。

図２の極脚１５と同様に、第１のステータの極脚３０９、３１０および第２のステータの極脚３１１、３１２、３１３に対して、たとえばコイルなどの電気巻線が、極脚のそれぞれを包囲している。好ましくは、コイルは、極脚の周囲にきつくしっかりと巻かれている。

図３のモータ／発電機の磁束経路３１４、３１５は、発明の背景ですでに議論されている。
図３のモータ／発電機のために使用される材料は、図２のモータ／発電機のために使用される材料に対応していることを理解されたい。

図４には、図３のモータ／発電機の一部の断面図が示されており、符号は、図３に関するものと同一である。図４は、ロータ３０１の極シュー３０４、３０５および磁石３０６、３０７、３０８に対する２個のステータ３０２、３０３の極脚３０９〜３１３の配置のより詳細な図を示している。第１の磁束経路３１４は、極脚３０９、３１０、極シュー３０４、磁石３０７、および極シュー３０５を含むが、一方、第２の磁束経路３１５は、極脚３１２、極シュー３０４、磁石３０７、および極シュー３０５を含む。極シュー３１２は、極シュー３０４または３０５のいずれにも面していないため、磁束経路３１５の磁束密度は、磁束経路３１４の磁束密度よりもずっと小さい。

しかし、本発明によると、上記で議論した従来技術のモータ／発電機の変動する高い合成軸力が、ロータ内に配置された磁石または極シューよりも多い数の極芯を備えるステータを有することによって減少される。このことは、図５が、１個のロータ５０１および１個のステータ５０２を有する本発明による発電機／モータの第１の実施形態を示す、以下の図面に示されている。

図５のモータ／発電機は、図２のモータ／発電機の設計に対応しており、同じ外形寸法を有してもよい。図５のモータ／発電機は、２つの連続するそれぞれの極シュー５０３の間に、極シュー５０３および磁石５０４を備えるロータ５０１を有する。したがって、磁石５０４の数は、極シュー５０３の数と等しく、この数はＮに等しく設定される。ステータ５０２は、Ｍ個の極芯または極脚５０５を備え、各極芯または極脚５０５は、対応するコイル５０６を有するが、図２のモータ／発電機とは対照的に、ＭはＮの２倍であり、したがって、極芯または極脚５０５の数は、ロータ５０１内に配置された極シュー５０３または磁石５０４の数の２倍である。ステータの極芯５０５は、磁性の終端プレート／エンド・シールド５０７に固定されており、ロータ５０１は、シャフト（図示せず）に固定されてもよい。極シュー５０３および磁石５０４は、シャフトから磁気的に絶縁されていることが好ましい。磁石５０４は、永久磁石であることも好ましい。

好ましい実施形態では、図５のモータ／発電機のために使用される材料は、図２のモータ／発電機のために使用される材料に対応している。しかし、図５のモータ／発電機について、極シュー５０３の幅が磁石５０４の幅とほぼ等しく、ステータ極芯または極脚５０５の幅が、ロータ極シュー５０３またはロータ磁石５０４の幅の半分しかないことが好ましい。

図５ａでは、ロータ５０１は、各極シュー５０３および各磁石が、直接極脚５０５に面するような位置にある。磁束経路５０８が示されており、経路５０８は、第１の極脚５０５ａ、第１の極シュー５０３ａ、磁石５０４ａ、第２の極シュー５０３ｂ、および第２の極脚５０５ｂを含む。第１および第２の極脚５０５ａ、ｂの間の第３の極脚５０５ｃが、磁束経路５０８の一部ではないこともわかる。

図５ａの磁束経路５０８を図２の磁束経路１８ａと比較したとき、ロータ５０２に面した２つの極脚５０５ａ、５０５ｂの全面積は、ロータ１０に面した図２の２つの極脚１５の全面積よりも小さく、磁束経路１８ａの一部である。したがって、磁束経路５０８内の全磁束は、磁束経路１８ａ内を走る全磁束よりも小さく、その結果、図５ａのロータ５０１とステータ５０２の間の最大合成軸力は、図２のロータ１０とステータの間の最大合成軸力よりも小さい。

しかし、図５の機械が発電機であるとき、極脚５０５ａ、５０５ｂ内のより低い磁束のため、コイル５０６ａ、５０６ｂの発生される電気出力は、図２の磁束経路１８ａの極脚を包囲しているコイル１６から発生される出力よりも小さい。これは、図２のコイル１６の巻線と比較して、多い巻数のコイル５０６ａ、５０６ｂ内の巻線を有することによって補償される。図５の極芯５０５の外周が、図２の極芯１５の外周よりも小さいため、同じコイル材料（銅など）の消費量に対して、図２のコイル１６よりも多い巻数の巻き線が、図５のコイル５０６のために達成されることができる。

図５ｂでは、図５ａと比較したときロータ５０１が回転されており、各極脚５０５が、極シュー５０３と磁石５０４の間の通路に直接面するような位置にある。磁束経路５０９が示されており、これは、極脚５０５ｄ、極シュー５０３ｃ、磁石５０４ｂ、別の極シュー５０３ｄ、および別の極脚５０５ｅを含むことがわかる。これは、この位置では、２つの隣接する５０５ｄ、５０５ｅであり、いまや磁束経路５０９の一部であることもわかる。漏出または浮遊磁束の影響を無視したとき、磁束経路５０８は極脚５０５ａおよび５０５ｂの半分を使用し、磁束経路５０９は極脚５０５ｄおよび５０５ｅの半分を使用している。したがって、図５ｂの磁束経路５０９内を走る全磁束は、図５ａの磁束経路５０８内を走る磁束とほぼ等しい。

図５ａには、極脚５０５ａおよび５０５ｂを通って走る２つの磁束経路があるが、極脚５０５ｃを使用している磁束はない。したがって、図５ａの極脚の半分は２つの磁束経路によって満たされているが、一方、極脚の他の半分は磁束経路を有さない。図５ｂでは、磁束経路は各極脚を通って走っているが、各極脚の半分のみが磁束経路によって占有されている。したがって、図５ａのステータ５０２とロータ５０１の間の全磁束は、図５ｂのステータ５０２とロータ５０１の間の全磁束とほぼ等しい。したがって、図５のモータ／発電機のロータ５０１を回転させるときの合成軸力の変化は極めて小さく、図２のモータ／発電機の合成軸力の変化よりも小さいことになる。

図６は、１個のロータ６０１と２個のステータ６０２ａ、６０２ｂを有する本発明によるモータ／発電機の第２の実施形態の断面図を示している。
図６のモータ／発電機は、図３のモータ／発電機の設計に対応しており、同じ外形寸法を有してもよい。図６のモータ／発電機は、２つの連続するそれぞれの極シュー６０３の間に、極シュー６０３および磁石６０４を備えるロータ６０１を有する。したがって、磁石６０４の数は、極シュー６０３の数と等しく、この数はＮに等しく設定される。第１のステータ６０２ａと第２のステータ６０２ｂの両方は、Ｍ個の極芯または極脚６０５ａ、６０５ｂを備え、各極芯または極脚６０５ａ、６０５ｂは、対応するコイル６０６ａ、６０６ｂを有するが、図３のモータ／発電機とは対照的に、ＭはＮの２倍であり、それによって、極芯または極脚６０５ａおよび６０５ｂの数は、ロータ６０１内に配置された極シュー６０３または磁石６０４の数の２倍である。ここでもまた、ステータ６０２ａおよび６０２ｂの極芯６０５ａおよび６０５ｂは、磁性の終端プレート／エンド・シールド６０７ａ、６０７ｂに固定されており、ロータ６０１は、シャフト（図示せず）に固定されてもよい。また、極シュー６０３および磁石６０４は、シャフトから磁気的に絶縁されていることが好ましい。磁石６０４は、永久磁石であることも好ましい。

好ましい実施形態では、図６のモータ／発電機のために使用される材料は、図３のモータ／発電機のために使用される材料に対応している。しかし、図６のモータ／発電機について、極シュー６０３の幅が磁石６０４の幅とほぼ等しく、ステータ極芯または極脚６０５の幅が、ロータ極シュー６０３またはロータ磁石６０４の幅の半分しかないことが好ましい。

図６では、ロータ６０１は、各極シュー６０３および各磁石６０４が、第１のステータ６０２ａの極脚６０５ａに直接面するような位置にある。磁束経路６０８が示されており、磁束経路６０８は、第１の極脚６０５ａａ、第１の極シュー６０３ａ、磁石６０４ａ、第２の極シュー６０３ｂ、および第２の極脚６０５ａｂを含むことがわかる。第１および第２の極脚の間の第３の極脚６０５ａｃが、磁束経路６０８の一部ではないこともわかる。第２のステータの第２の極脚６０５ｂについては、各極脚６０５ｂは、極シュー５０３と磁石５０４の間の通路に直接面している。磁束経路６０９が示されており、これは、極脚６０５ｂａ、第１の極シュー６０３ａ、磁石６０４ａ、第２の極シュー６０３ｂ、および別の極脚６０５ｂｂを含むことがわかる。

磁束経路６０８および６０９に対して、図５ａおよび５ｂとともに上記で示された議論が通用し、ロータ６０１およびステータ６０２ａおよび６０２ｂの図示された位置に対して、ステータ６０２ａとロータ６０１の間の全磁束は、ステータ６０２ｂとロータ６０１の間の全磁束とほぼ等しい。したがって、ロータ６０１と第１のステータ６０２ａの間の合成軸力は、図３のロータ３０１と第１のステータ３０２の間の合成軸力よりも小さく、一方、ロータ６０１と第２ステータ６０２ｂの間の合成軸力は、図３のロータ３０１と第３のステータ３０３の間の合成軸力よりも大きい。

したがって、図６のモータ／発電機のロータ６０１を回転させるときの合成軸力の変化は極めて小さく、図３のモータ／発電機の合成軸力の変化よりも小さい。
図５とともに上記で示されたコイル５０６の数に関する議論はまた、図６のコイル６０６ａおよび６０６ｂにも通用する。

ステータ極芯の数Ｍが極シューの数Ｎの４倍である発電機を提供することも本発明の範囲内にある。これは、本発明による第３の実施形態の断面図を示す、図７に示されている。図７のモータ／発電機は、図５のモータ／発電機の設計に対応しており、同じ外形寸法を有してもよいが、図７ではＭはＮの４倍であるが、図５ではＭはＮの２倍である。図７のモータ／発電機は、２つの連続するそれぞれの極シュー７０３の間に、極シュー７０３および磁石７０４を備えるロータ７０１を有する。ここでもまた、磁石７０４の数は、極シュー７０３の数と等しく、この数はＮに等しく設定される。ステータ７０２は、Ｍ個の極芯または極脚７０５を備え、各極芯または極脚７０５は、対応するコイル７０６を有する。ステータの極芯７０５は、磁性の終端プレート／エンド・シールド７０７に固定されており、ロータ７０１は、シャフト（図示せず）に固定されてもよい。極シュー７０３および磁石７０４は、シャフトから磁気的に絶縁されていることが好ましい。磁石７０４は、永久磁石であることも好ましい。

好ましい実施形態では、図７のモータ／発電機のために使用される材料は、図５のモータ／発電機のために使用される材料に対応している。すなわち、図７のモータ／発電機については、極シュー７０３の幅が磁石７０４の幅とほぼ等しく、ステータ極芯または極脚７０５の幅が、ロータ極シュー７０３またはロータ磁石７０４の幅の半分しかないことが好ましい。

図７では、ロータ７０１は、各極シュー７０３および各磁石が、直接２つの極脚７０５に面するような位置にある。磁束経路７０８が示されており、経路７０８は、第１の極脚７０５ａ、第１の極シュー７０３ａ、磁石７０４ａ、第２の極シュー７０３ｂ、および第２の極脚７０５ｂを含む。第１および第２の極脚７０５ａ、ｂの間の２つの極脚が、磁束経路７０８の一部ではないこともわかる。

図７から、磁束経路７０８が、極脚７０５ａおよび７０５ｂを完全に占有しているが、一方、極シューに面した隣接する極脚もまた、別の磁束経路によって占有されていることがわかる。磁石に面している極脚の残りの半分については、良く近似すると、これらの極脚を通って走る磁束経路はない。図７の実施形態を図５ａの実施形態と比較すると、ロータ７０１、５０１とステータ７０２、５０２の間を走る全磁束は、磁石７０４、５０４および極シュー７０３、５０３と同じ寸法および同じ数Ｎである。

図７のロータ７０１を極脚７０５の幅だけ時計方向に回転させるとき、状況は図７に示したのと同じになる、すなわち、各極シュー７０３に対して、２つの極脚７０５が極シュー７０３に面することになり、各磁石７０４に対して、２つの極脚７０５が磁石７０４に面することになる。したがって、極シューに面した極脚の全面積は、図７に示したものと同一になり、その結果、ステータ７０２とロータの間を走る全磁束が、図７とほぼ同一になる。したがって、図５とともに示したのと同じ議論が使用されることができ、図７のモータ／発電機のロータ７０１を回転させたときの合成軸力の変化は極めて小さいことになる。

図８は、１個のロータ８０１および２個のステータ８０２ａおよび８０２ｂを有する本発明による第４の実施形態の断面図を示している。図８のモータ／発電機は、図６のモータ／発電機の設計に対応しており、同じ外形寸法を有してもよい。図８のモータ／発電機は、２つの連続するそれぞれの極シュー８０３の間に、極シュー８０３および磁石８０４を備えるロータ８０１を有する。したがって、磁石８０４の数は、極シュー８０３の数と等しく、この数はＮに等しく設定される。第１のステータ８０２ａと第２のステータ８０２ｂの両方は、Ｍ個の極芯または極脚８０５ａ、８０５ｂを備え、各極芯または極脚８０５ａ、８０５ｂは、対応するコイル８０６ａ、８０６ｂを有するが、図６のモータ／発電機とは対照的に、ＭはＮの４倍であり、それによって、極芯または極脚８０５ａおよび８０５ｂの数は、ロータ８０１内に配置された極シュー８０３または磁石８０４の数の４倍である。ここでもまた、ステータ８０２ａおよび８０２ｂの極芯８０５ａおよび８０５ｂは、磁性の終端プレート／エンド・シールド８０７ａ、８０７ｂに固定されており、ロータ８０１はシャフト（図示せず）に固定されてもよい。また、極シュー８０３および磁石８０４は、シャフトから磁気的に絶縁されていることが好ましい。磁石８０４は、永久磁石であることも好ましい。

好ましい実施形態では、図８のモータ／発電機のために使用される材料は、図６のモータ／発電機のために使用される材料に対応している。しかし、図８のモータ／発電機については、極シュー８０３の幅が磁石８０４の幅とほぼ等しく、ステータ極芯または極脚８０５の幅が、ロータ極シュー８０３またはロータ磁石８０４の幅の４分の１しかないことが好ましい。

図８では、ロータ８０１は、図７のステータ７０１およびステータ７０２の位置と同様のステータ８０２ａおよび８０２ｂに対する位置にある。したがって、ロータ８０１は、各極シュー８０３および各磁石８０４が、各ステータ８０２ａ、８０２ｂの２つの極脚８０５ａ、８０５ｂに直接面するような位置にある。２つの磁束経路８０８および８０９が示されており、各経路８０８および８０９が、２つの極脚、２つの極シュー、および２つの磁石を含むことがわかる。磁束経路８０８、８０９の一部である２つの極脚の間に配置された２つの極脚が、磁束経路の一部ではないこともわかる。

したがって、図８では、極シューに面した極脚の全面積は、ステータ８０２ｂの極脚８０５ｂのようにステータ８０２ａの極脚８０５ａのものと同一である。その結果、ステータ８０２ａと８０１の間を走る全磁束は、ステータ８０２ｂとロータ８０１についてとほぼ同一になる。したがって、図５〜７とともに示したのと同じ議論が使用されることができ、図８のモータ／発電機のロータ８０１を回転させるときの合成軸力は極めて小さいことになる。

本発明の電動機について、ステータは、大部分の場合、比較的多い数の別個の極芯または極脚（たとえば４０個の極芯）と、対応する数の別個のまたは個々のコイルまたは巻線のセットを備える。

このように多数の個々の電流的に分離されたコイルは、極めて多数の電圧と電流の組合せを形成する機会を与える。
いくつかの例は以下の通りである。
高い電圧を生成するために、１個のステータのすべてのコイルが直列に配置される。
１個のコイルと同じ電圧であるが、より高い電流を得るために、１個のステータのすべてのコイルが並列に配置される。
並列に配置された１個、２個、３個またはそれ以上のコイルが、直列に配置された１個、２個、３個またはそれ以上のコイルと直列に配置され、すべてのコイルは、同じステータの一部である。

本発明は、特定の実施形態を参照にして特に図示され、説明されてきたが、形態および詳細の様々な変更が、本発明の精神および範囲を逸脱することなく行われることができ、このような変更は、頭記の特許請求の範囲内にあることが意図されていることは当業者に理解されよう。

半径方向磁束を有する従来技術の発電機の一部の断面図である。 軸方向磁束を有し、１個のロータおよび１個のステータを有する従来技術の発電機の既略図である。 軸方向磁束を有し、１個のロータおよび２個のステータを有する従来技術の発電機の斜視図である。 図３の発電機の一部の断面図である。 １個のロータおよび１個のステータを有する本発明による発電機／モータの第１の実施形態の断面図である。 １個のロータおよび１個のステータを有する本発明による発電機／モータの第１の実施形態の断面図である。 １個のロータおよび２個のステータを有する本発明による発電機／モータの第２の実施形態の断面図である。 １個のロータおよび１個のステータを有する本発明による発電機／モータの第３の実施形態の断面図である。 １個のロータおよび２個のステータを有する本発明による発電機／モータの第４の実施形態の断面図である。

Claims (55)

1. 回転軸でシャフトに固定され、磁石または磁場を生成するための手段と、Ｎに設定された数の極シューとを備えるロータと、
   前記ロータと第１のステータの間に形成されたエア・ギャップを備える第１のステータを備え、前記第１のステータが、前記極芯上に巻き付けられそれを包囲する、対応する別個のコイルまたは巻線の組を有するＭに設定された数の別個の極芯を備え、ＮおよびＭが１よりも大きく、ＭがＮよりも大きい電動機。
2. 前記ロータ磁石または磁場を作成するための手段が、前記極シューの間に配置されている請求項１に記載の電動機。
3. 前記ロータ磁石または磁場を作成するための手段が、前記極シューと交番している請求項１または２に記載の電動機。
4. Ｎが等しい数である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電動機。
5. ＭがＡ掛けるＮで与えられ、ここでＡが１よりも大きい整数である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電動機。
6. Ｍが２Ｎに等しい請求項５に記載の電動機。
7. Ｍが３Ｎに等しい請求項５に記載の電動機。
8. Ｍが４Ｎに等しい請求項５に記載の電動機。
9. ＭがＮ足す２掛けるＣ、Ｍ＝Ｎ＋２Ｃで与えられ、ここでＣが１以上の整数である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電動機。
10. 前記機械が、前記ロータと前記第２のステータの間に形成されたエア・ギャップを備える第２のステータをさらに備え、前記第２のステータが、前記極芯上に巻き付けられそれを包囲する、対応する別個のコイルまたは巻線の組を有するＰに設定された数の別個の極芯を備え、Ｐが１よりも大きい請求項１乃至９のいずれか１項に記載の電動機。
11. ＰがＮ以下である請求項１０に記載の電動機。
12. ＰがＮよりも大きい請求項１０に記載の電動機。
13. ＰがＢ掛けるＮによって与えられ、ここでＢが１よりも大きい整数である請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の電動機。
14. Ｐが２Ｎに等しい請求項１３に記載の電動機。
15. Ｐが３Ｎに等しい請求項１３に記載の電動機。
16. Ｐが４Ｎに等しい請求項１３に記載の電動機。
17. ＰがＭに等しい請求項１０に記載の電動機。
18. ＰがＮ足す２掛けるＤ、Ｐ＝Ｎ＋２Ｄによって与えられ、ここでＤが１以上の整数である請求項１０に記載の電動機。
19. 前記第１および／または第２のステータの１つまたは複数の極芯の少なくとも一部が、回転軸に対してある角度で配置され、前記角度が、０度以上９０度未満である請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の電動機。
20. 各別個の極芯が、対応する別個のコイルまたは巻線の組を有する請求項１乃至１９のいずれか１項に記載の電動機。
21. 前記ロータが、前記ロータの少なくとも一部が回転軸に対してほぼ垂直であるように配置されている請求項１乃至２０のいずれか１項に記載の電動機。
22. 前記極芯と回転軸の間の角度が、４５度以下である請求項１９乃至２１のいずれか１項に記載の電動機。
23. 前記極芯と回転軸の間の角度が、３０度以下である請求項１９乃至２２のいずれか１項に記載の電動機。
24. １つまたは複数の前記極芯の少なくとも一部が、回転軸に対してほぼ平行である請求項１９乃至２３のいずれか１項に記載の電動機。
25. 前記極芯のすべての少なくとも一部が、回転軸に対してほぼ平行である請求項２４に記載の電動機。
26. １つまたは複数の巻線またはコイルが、回転軸に対してほぼ平行であるそれらの軸を有する請求項２４または２５に記載の電動機。
27. 前記第１のステータが、前記ロータの第１の側面に対向してそれに面して配置される請求項１乃至２６のいずれか１項に記載の電動機。
28. 前記第２のステータが、前記ロータの第２の側面に対向してそれに面して配置される請求項１０乃至２７のいずれか１項に記載の電動機。
29. ステータの極芯が、１つまたは複数の磁束経路の一部を提供する請求項１乃至２８のいずれか１項に記載の電動機。
30. 磁束経路が、２つの極芯を通る磁束経路を含む請求項１乃至２９のいずれか１項に記載の電動機。
31. 前記磁束経路が２つのエア・ギャップをさらに含む請求項３０に記載の電動機。
32. 磁束経路が、ただ２つだけの極芯を含む請求項３０または３１に記載の電動機。
33. 前記磁束経路が、ただ２つだけのエア・ギャップをさらに含む請求項３２に記載の電動機。
34. 前記ロータがほぼ円形である請求項１乃至３３のいずれか１項に記載の電動機。
35. 前記第１および／または第２のステータが、前記極芯と接続された磁気伝導性のエンド・プレートをさらに含む請求項１乃至３４のいずれか１項に記載の電動機。
36. 前記エンド・プレートが、前記ロータとほぼ平行であり、それに対向して配置されている請求項３５に記載の電動機。
37. 前記磁石または磁場を作成するための手段が、互いに向かい合う同様の極性の極を有して対で配置されている請求項１乃至３６のいずれか１項に記載の電動機。
38. 前記磁石または磁場を作成するための手段が、前記ロータ内に半径方向に等距離で配置されている請求項１乃至３７のいずれか１項に記載の電動機。
39. 磁石または磁場を作成するための手段が、前記第１のステータの前記極芯の端部に面した前記ロータの第１の側面上に配置されている請求項２７乃至３１のいずれか１項に記載の電動機。
40. 磁石または磁場を作成するための手段が、前記第２のステータの前記極芯の端部に面した前記ロータの第２の側面上に配置されている請求項２８乃至３９のいずれか１項に記載の電動機。
41. 前記磁石または磁場を作成するための手段が、前記ロータの外周上に配置されている請求項１乃至３８のいずれか１項に記載の電動機。
42. 極芯の幅が、２つの連続する極芯の間の距離にほぼ等しい請求項１乃至４１のいずれか１項に記載の電動機。
43. 極シューの幅が、前記第１および／または第２のステータの２つの連続する極芯の間の距離にほぼ等しい請求項１乃至４２のいずれか１項に記載の電動機。
44. 前記機械が、１位相同期機である請求項１乃至４３のいずれか１項に記載の電動機。
45. 前記磁石が永久磁石である請求項１乃至４４のいずれか１項に記載の電動機。
46. 前記磁場を作成するための手段が電磁石である請求項１乃至４４のいずれか１項に記載の電動機。
47. 巻線またはコイルが、平坦に集中されたコイルによって形成されている請求項１乃至４６のいずれか１項に記載の電動機。
48. 前記極芯が、磁気伝導性材料で組み立てられている請求項１乃至４７のいずれか１項に記載の電動機。
49. 前記磁気伝導性材料が、磁場に方向付けられた柔軟な磁性の積層である請求項４８に記載の電動機。
50. 前記機械が、前記巻線を介して電力を発生させるために前記シャフトを介して機械的な力／仕事を提供されることができる発電機である請求項１乃至４９のいずれか１項に記載の電動機。
51. 前記機械が、前記シャフトを介して機械的な力／仕事を発生させるために前記巻線を介して電源から電力を提供されることができるモータである請求項１乃至４９のいずれか１項に記載の電動機。
52. 前記機械が風力タービンで使用される請求項５０に記載の電動機。
53. 請求項４４乃至５２のいずれか１項に記載の対応する数の１位相機を直列に配置することによっていくつかの位相が得られるマルチ・フェイズ機。
54. 前記極脚または極芯が、Ｕ字型要素によって形成され、前記要素が、１つの極脚が２つのＵ字型要素の２つの隣接する脚によって形成されるようにステータ内に配置されている請求項１乃至５３のいずれか１項に記載の電動機。
55. 前記極脚または極芯が、磁気伝導性材料製であり、前記極脚が、低い直伝導性を有する材料製のステータ・プレート上に配置されている請求項５４に記載の電動機。
    

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