JP2006516876A - 低損失材料を使用する高効率高速電気機器 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2004年1月31日出願の米国仮出願番号60/444,271、及び2003年10月21日出願の米国仮出願番号60/513,892の各々の優先権を享受するものである。
本発明は、高転流周波数で高効率及び高出力密度で作動可能な電気機器に関する。
本発明は、一般に電動機、発電機、再生モータを含むがそれらに限定されない電気機器に関する(本明細書ではまとめて「電気機器」、「電磁機器」、「電気機械」等と呼ぶ)。本明細書での再生モータという用語は、電動機又は発電機として作動する機器を言う。電気機器は、複合機器の中の1つ又はそれ以上の構成要素とすることができる。この種の複合機器の例として、1つ又はそれ以上の電動機で構成され、その1つ又はそれ以上の電動機がファンと一体になっている圧縮機がある。望ましくは、本発明は特性が改良された非常に効率が高い電気機器に関する。より望ましくは、本発明は高周波数で作動可能な非常に効率が高い電気機器に関する。
電動機及び発電機産業は、効率及び出力密度が高いモータ及び発電機を提供する方法を継続的に模索している。電磁機器の出力は機器の周波数に関係するため、機器の周波数が高くなると出力が増加する。ゆえに、出力増加が望ましい場合にはしばしば高周波数の機器が望ましい。一般に、同期電気機器の同期周波数はf=S・P/2で表すことができる。ここで、fは周波数(Hz)、Sは速度(毎秒回転数)、Pは機器の極数である。ここから機器の速度が増大すると、周波数が高くなり、出力が増加することが分かる。同様に、極数が増加すると、機器の周波数が高くなり機器の出力が増加する。しかしながら、極数が増加すると機器の磁場の変化も増加し、付加的に機器は発熱するので、機器の低効率の一因となることに注意する必要がある。
アモルファス金属の出現及びその後の研究の結果、アモルファス金属の磁気コアで製作したモータ及び発電機は、従来型モータ及び発電機と比較してかなり高い効率及び出力密度を実現する可能性があると多くの人が考えるようになっている。特に、アモルファス金属は有望な低損失特性を示し、アモルファス金属の磁気コアで製作した固定子は、電気機器の効率を向上させると考えられる。しかしながら、アモルファス材料を従来型機器に組み込む従来の試みは、これらの試みが単純に従来の低周波電気機器の磁気コアの珪素鉄をアモルファス材料で置き換えただけなので失敗に終わっている。その結果、電気機器は効率が向上し損失が低下したが、同時に出力も低下し、アモルファス材料の処理及び成形に関する費用が著しく増大した。
本明細書に開示される電磁機器は、回転子等の磁場組立体及び固定子組立体を備える。固定子組立体は低損失、高周波数材料でできた磁気コアを備える。固定子の磁気コアは、アモルファス金属、ナノ結晶金属、最適化珪素鉄合金、方向性鉄系材料、又は無方向性鉄系材料で作られることが望ましい。アモルファス金属、ナノ結晶金属、最適化珪素鉄合金、方向性鉄系材料、又は無方向性鉄系材料を電気機器に用いることにより、従来型機器が示す鉄損の大幅な増加に比べて比較的小さな鉄損の増加で機器の周波数を300Hz以上に高めることができるので、高出力の極めて効率が高い電気機器を製造することができる。本発明は、高い出力密度、高い効率、及びより方形のトルク速度曲線を可能にする多極数の高効率の電気機器を提供する。
以下に本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。本発明は、低損失材料でできたコイル状の固定子コアを備える、ブラシレスモーター等の電気機器の設計及び/又は製造に関連する。固定子の磁気コアは、アモルファス金属、ナノ結晶金属、最適化珪素鉄合金、方向性鉄系材料、又は無方向性鉄系材料等のいくつかの先端低損失磁気材料の1つで構成されることが望ましい。以下のパラグラフではこれらの先端低損失磁気材料の例を示し、各々の例について簡単に説明する。この種の先端低損失材料に共通の定義を以下に示す。
アモルファス材料、ナノ結晶、最適化珪素鉄合金、方向性鉄系、又は無方向性鉄系材料を電気機器に採用することにより、珪素鉄合金等の従来の磁気コア材料を使った従来型機器が示したような鉄損の大幅な増加に比較して、比較的小さな鉄損の増加で機器の周波数を300Hz以上に高めることができる。固定子コアに低損失材料を用いることで、高い出力密度、高い効率、より方形のトルク速度曲線をもたらすことができる高周波数で多極数の電気機器を開発することができる。
アモルファス金属は金属ガラスとしても公知であり、多数の異なる組成が存在する。金属ガラスは結晶しないように急冷させて作った合金から形成される。アモルファス金属は、他の金属とは異なり材料が非常に薄く、つまり厚さが2ミル(1インチの2000分の1)より薄く、非常に脆いので材料を扱うのが難しい。本発明に適用可能な最適のアモルファス材料は、Hitachi Metals America,Ltd.が所有するMetglas Solutionsが販売するMetglas(登録商標) 2605SA1である(Metglas 2605SA1については、http://www.metglas.com/products/page5_1_2_4.htmを参照)。
本明細書で使用する場合、従来の珪素鉄は、重量比で約3.5%以下の珪素を含有する珪素鉄合金のことを言う。重量比で3.5パーセントという珪素の限界は、珪素をより多く含有する珪素鉄合金が金属加工材料としての特性で劣るため、本業界によって課されたものである。約300Hzより高い周波数の磁場で作動させることによる従来型珪素鉄合金等級の鉄損はアモルファス金属の約10倍であり、従来の珪素鉄材料は、従来型機器を任意の許容可能な手段によって冷却できない点まで発熱する。しかしながら、特定の等級の珪素鉄合金は(本明細書では最適化珪素鉄と呼ぶ)、高周波数の機器を製造するために直接適用できるであろう。
ナノ結晶材料は、粒子サイズが最大約100ナノメータである多結晶材料である。従来の粗粒金属と比較したナノ結晶金属の特性としては、高い強度及び硬度、高い拡散率、改善された柔軟性及び強靱性、低い密度、低い引張応力、高い電気抵抗、高い比熱、高い熱膨張係数、低い熱伝導率、優れた軟磁特性を挙げることができる。ナノ結晶金属は鉄系材料であることが望ましい。しかしながら、ナノ結晶金属はコバルトやニッケル等の他の強磁性材料系であってもよい。低損失特性の例示的なナノ結晶金属はHitachのFinemetFT−3Mである。他の低損失特性の例示的なナノ結晶金属は、独国のVacuumschmelze GMBH&Co.から入手できるVitroperm500Zである。
方向性鉄系材料は、本技術分野で公知の方法で鉄系材料を機械的に処理して得られる。方向性とは、金属を薄くする圧延処理により材料の粒子が優先的に一定の磁化方向をもつ材料の固有特性としての物理的配列を言う。粒子の磁化及び磁区は圧延処理の方向に方向付けされる。この磁区の方向性により、磁場は方向付けの方向に容易に反転し、優先的方向の鉄損が小さくなる。しかしながら、優先的方向と直交する方向の鉄損は増加し、電気機器の用途において欠点であることが分かるであろう。
一般に軟磁性材料の鉄損は、次の修正シュタインメッツ式で表すことができる。
L=a・f・Bb+c・fd・Be
ここで、Lは鉄損(W/kg)、fは周波数(KHz)、Bはピーク磁束密度(テスラ)、及びa、b、c、d、及びeは全て軟磁性材料の一意の損失係数である。
本発明は、1つ又はそれ以上の固定子及び回転子等の1つ又はそれ以上の磁場組立体を備える電気機器を提供する。1つ又はそれ以上の固定子は、アモルファス金属、ナノ結晶金属、最適化珪素鉄合金、方向性鉄系材料、又は無方向性鉄系材料等の先端低損失材料で作られる。好ましい実施形態において、電気機器の固定子及び磁場組立体はアキシャル型の形態を取る。
好ましい実施形態において、本発明は、高周波数、つまり約300Hz以上で作動する極数の多いモータを提供する。高周波数で作動するために多極数を備える電気機器は本技術分野では公知ではない。従来の珪素鉄を用いる公知の機器は、磁場の変化による鉄損に起因して300Hzより著しく高い磁気周波数で切り換えることができず、鉄損は、許容可能な手段では機器を冷却できない点までの材料の発熱を引き起こす。特定の条件下では、従来の珪素鉄材料の発熱は非常に激しく、機器はどんなことをしても冷却できず、自己破壊する場合がある。しかしながら、アモルファス金属、ナノ結晶金属、最適化珪素鉄合金、方向性鉄系材料、又は無方向性鉄系材料などの先端低損失材料の低損失特性は、従来の珪素鉄材料よりも高速で切り換えることができることが判明している。1つの実施形態において、Metglas(登録商標)を固定子コアに使用すると高周波数作動時の発熱によるシステムの制限を除去でき、さらに、回転子設計は低損失材料の特性を利用するように改良できる。
図12には、本発明の種々の好ましい実施形態の設計特性を決定する方法が説明されている。図12に説明されている設計方法は、等式操作の組み合わせによって、アキシャルギャップ型機器が比較的少数の変数によって定義できるという認識に基づく。機器を可能な限り少数の変数で定義することで、一部の変数を最大化でき、所定の速度において電気機器を最適化できる。図12の方法は、所定の速度においてトルクが最適化され、結果として出力が最適化されるアキシャルエアギャップ型機器を設計する方法を示す。この種の機器を設計するために、最初に、機器は、可能な限り少ない変数で機器のトルクを表す1つの等式に単純化する必要がある。本方法において、アキシャルエアギャップ型機器のトルクは次の等式に基づいて表せることが分かっている。
τ=電気機器の出力トルク(N・m)、
j=電流密度(A/mm2)、
D=固定子の外径(mm)、
h=内径でのコアポイント歯幅(mm)、
t=固定子当たりのスロットの合計数、
x=固定子の絶縁材の無効スロット幅の合計(mm)、
pf=スロットを充たす充填率(%)、
L=コイルの軸方向の長さ(mm)、
B=最大磁束密度(テスラ)、
である。また、前記変数のいくつかは図13に図式形式で示されている。
好ましい実施形態において、本発明はSPP比が最適の0.5に等しいモータを提供する。好ましい実施形態において、本発明は3相モータを提供する。3相モータに関して、回転子の極数は固定子のスロット数の2/3であり、スロット数は相数の倍数である。3相(Y結線)は業界の慣例であるが、本発明はデルタ結線の採用を除外するものではない。
本発明の機器の更なる利点は、メーカがさまざまな配線形態を利用できることである。前述のように、従来の固定子設計は、巻線を複数のスロットに分散させる必要のある1.0〜3.0のSPP比を使用することに重点を置いていたため、巻線設計の選択肢が制限されていた。分散巻線では、2又は3以上の巻線オプションは困難になる。本発明ではSPP=0.5の設計を利用することができるが、その場合、一般に1つの固定子歯は各々1個の別のコイルになる。しかしながら、本発明はSPP=0.5以外の実施態様を除外するものではない。単一歯コイルは変更及び再接続が容易であり、所定の用途に必要な任意の電圧を供給できる。従って、単一のモーターハードウェアのセットは、単にコイルを変更するだけで広範囲のソリューションを提供することができる。一般に、コイルは電磁石回路の中で最も変更が容易な構成要素である。
従来の珪素鉄合金を用いる電気機器、及びアモルファス金属、ナノ結晶金属、最適化珪素鉄合金、方向性鉄系材料、又は無方向性鉄系材料を用いる電気機器の両方を含む全ての電気機器において、機器の出力を制限する特性の1つは廃熱である。この廃熱は、磁石又は他の回転子構成要素におけるオーム損、表皮効果損、近接効果損、うず電流による回転子損、及び固定子コアの鉄損を含むがそれに限定されるものではない多数の原因に由来する。大量の廃熱が発生するため、従来型機器ではすぐに廃熱を棄てる能力の限界に達してしまう。従来型機器の「連続出力限界」は、発生する全ての廃熱を放散しながら機器が連続的に運転できる最大速度によって決定される場合が多い。また、連続出力限界は電流の関数でもある。
本発明の利点の1つは、費用対効果を維持しながら機器の効率を最大化できる能力である。効率は、機器の出力を入力で除算することによって定義される。本発明の高転流周波数、多極数で作動する能力は、低鉄損及び高出力密度を有する高効率の機器をもたらす。400Hzの高い周波数限界は業界標準であり、これを超える実用的用途はほとんど存在しない。
2Gieras他の非鉄ディスク型設計
370−32、750rpmに出力低下、本発明に基づく再設計なし
4本明細書で開示した例示的モータ、Gierasと同じ外径に再設計
bファン及びヒートシンクの場所を除く。
c安川電機株式会社製モータ(データ:Qu外)
dFederico Caricchiの設計による(データ:Qu他)
eQu他の設計によるラジアル磁束でトロイダル巻きの永久磁石の機器
f質量当たりのトルク
g体積当たりのトルク
本発明は、方形に近いトルク速度曲線でもって作動する電気機器を提供する。図5aはケース1の本発明に基づいて設計されたモータ及び従来型モータのトルク速度曲線を示すが、速度は水平軸にプロットされ、トルクは垂直軸にプロットされる。比較方法として任意の極数を選択できるが、選択された極数は8である。モータは、任意の速度に対して任意のトルクを達成できることが望ましいが、これはモータが作動する矩形又は方形の領域で表現される。
本発明の更なる利点は、回転子配列の磁石の極が固定子の極を通過するので、本発明の機器は全高調波歪み(THD)の少ないきれいな正弦波曲線を描く。THDは、追加的及び非生産的な電流を生み出し、結果的にこの電流が更なる発熱を引き起こす点で望ましくない。低THDは相対的なものであるが、「優れた」設計は常にTHDが5%未満であり、1%より低いことが必要となる。更に、一部の監督官庁は、規制当局の許可を取得するために超えてはならないTHDのしきい値を指定している。例えば、ヨーロッパのCEマークを取得するためには、一定のTHD値を満たす必要がある。
モータは、前述の電気機器コンセプトに基づいて設計される。モータの磁気コアはMetglas(登録商標)合金2605SA1から形成され、54個の等間隔の歯でスロットを作る。固定子巻線は26+/−1回巻きの単一層、抵抗は1つのコイルで約0.011Ω(室温)である。回転子組立体は、回転子プレートに極性を交互に入れ替えて配置した36個の回転子磁石で構成される。回転子磁石は、最大エネルギー積が36MGOeより大きく、固有保磁力が21kOeより大きい希土類/鉄/ボロン磁石である。この電気機器の性能特性は、以下の表4に示す。
Claims (42)
- (a)低損失軟磁性材料から形成され、固定子巻線が巻かれている多数のスロットを含む単一型磁気コアを有する少なくとも1つ固定子組立体と、
(b)前記少なくとも1つの固定子と電磁相互作用するように配列及び配置されている少なくとも複数の極を含む磁場組立体と、
を備える電磁機器であって、
前記低損失軟磁性材料は「L」未満の鉄損値で特徴付けされ、Lは式L=12・f・B1.5+30・f2.3・B2.3で与えられ、Lは損失(W/kg)、fは周波数(KHz)、及びBはピーク磁束密度(テスラ)であり、
前記電磁機器の機器作動時の周波数は300Hzよりも高いことを特徴とする電磁機器。 - 前記機器が、アキシャルエアギャップ型機器であることを特徴とする請求項1に記載の機器。
- 前記電磁機器の機器作動時の周波数が、400Hzよりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の機器。
- 前記電磁機器の機器作動時の周波数が、400Hz〜1000Hzの間であることを特徴とする請求項1に記載の機器。
- 前記電磁機器の機器作動時の周波数が、約1000Hzであることを特徴とする請求項1に記載の機器。
- 前記低損失軟磁性材料が、アモルファス金属であることを特徴とする請求項1に記載の機器。
- 前記低損失軟磁性材料が、ナノ結晶金属であることを特徴とする請求項1に記載の機器。
- 前記低損失軟磁性材料が、最適化珪素鉄合金であることを特徴とする請求項1に記載の機器。
- 前記単一型磁気コアが、一体構造磁気コアであることを特徴とする請求項1に記載の機器。
- 前記機器の毎極毎相の前記スロットが、約0.5であることを特徴とする請求項1に記載の機器。
- 前記磁場組立体が、回転子であることを特徴とする請求項1に記載の機器。
- 前記複数の極が、約12,000rpmよりも大きな速度において、4よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の機器。
- 電磁機器を製造する方法であって、
(a)式L=12・f・B1.5+30・f2.3・B2.3で与えられ、Lは損失(W/kg)、fは周波数(KHz)、及びBはピーク磁束密度(テスラ)である「L」よりも小さい鉄損によって特徴付けされる低損失軟磁性材料を選択する段階と、
(b)前記低損失軟磁性材料で形成された単一型磁気コアを含む少なくとも1つの固定子組立体を準備する段階と、
(c)前記スロットに固定子巻線を巻き付ける段階と、
(d)前記固定子巻線と電磁相互作用をするための複数の極を含む、少なくとも1つの磁場組立体を準備する段階と、
を含むことを特徴とする方法。 - 前記電磁機器が、アキシャルエアギャップ型機器であることを特徴とする請求項13に記載の方法。
- 前記複数の極が、36の極を含むことを特徴とする請求項13に記載の方法。
- 前記複数の極が、速度が約12,000rpmよりも大きな速度において、4よりも大きいことを特徴とする請求項13に記載の方法。
- 前記機器の毎極毎相のスロットが、約0.5であることを特徴とする請求項13に記載の方法。
- 前記低損失軟磁性材料が、アモルファス金属であることを特徴とする請求項13に記載の方法。
- 前記低損失軟磁性材料が、ナノ結晶金属であることを特徴とする請求項13に記載の方法。
- 前記低損失軟磁性材料が、珪素鉄合金であることを特徴とする請求項13に記載の方法。
- 前記単一型磁気コアが、一体構造磁気コアであることを特徴とする請求項13に記載の方法。
- (a)低損失軟磁性材料から形成され、固定子巻線が巻かれている多数のスロットを含む一体構造磁気コアを有する少なくとも1つ固定子組立体と、
(b)前記少なくとも1つの固定子と電磁相互作用するように配列及び配置されている少なくとも複数の極を含む磁場組立体と、
を備える電磁機器であって、
前記低損失軟磁性材料は「L」未満の鉄損値で特徴付けされ、Lは式L=12・f・B1.5+30・f2.3・B2.3で与えられ、Lは損失(W/kg)、fは周波数(KHz)、及びBはピーク磁束密度(テスラ)であり、
前記電磁機器の機器作動時の周波数は300Hzよりも高いことを特徴とする電磁機器。 - 前記機器が、アキシャルエアギャップ型機器であることを特徴とする請求項22に記載の機器。
- 前記電磁機器の機器作動時の周波数が、400Hzよりも大きいことを特徴とする請求項22に記載の機器。
- 前記電磁機器の機器作動時の周波数が、400Hz〜1000Hzの間であることを特徴とする請求項22に記載の機器。
- 前記電磁機器の機器作動時の周波数が、約1000Hzであることを特徴とする請求項22に記載の機器。
- 前記低損失軟磁性材料が、アモルファス金属であることを特徴とする請求項22に記載の機器。
- 前記低損失軟磁性材料が、ナノ結晶金属であることを特徴とする請求項22に記載の機器。
- 前記低損失軟磁性材料が、最適化珪素鉄合金であることを特徴とする請求項22に記載の機器。
- 前記機器の毎極毎相の前記スロットが、約0.5であることを特徴とする請求項22に記載の機器。
- 前記複数の極が、36の極を含むことを特徴とする請求項22に記載の機器。
- 前記複数の極が、約12,000rpmよりも大きな速度において、4よりも大きいことを特徴とする請求項22に記載の機器。
- 前記磁場組立体が、回転子であることを特徴とする請求項22に記載の機器。
- 電磁機器を製造する方法であって、
(a)式L=12・f・B1.5+30・f2.3・B2.3で与えられ、Lは損失(W/kg)、fは周波数(KHz)、及びBはピーク磁束密度(テスラ)である「L」よりも小さい鉄損によって特徴付けされる低損失軟磁性材料を選択する段階と、
(b)前記低損失軟磁性材料で形成された一体構造磁気コアを含む少なくとも1つの固定子組立体を準備する段階と、
(c)前記スロットに固定子巻線を巻き付ける段階と、
(d)前記固定子巻線と電磁相互作用をするための複数の極を含む、少なくとも1つの磁場組立体を準備する段階と、
を含むことを特徴とする方法 - 前記電磁機器が、アキシャルエアギャップ型機器であることを特徴とする請求項34に記載の方法。
- 前記複数の極が、36の極を含むことを特徴とする請求項34に記載の方法。
- 前記複数の極が、速度が約12,000rpmよりも大きな速度において、4よりも大きいことを特徴とする請求項34に記載の方法。
- 前記機器の毎極毎相のスロットが、約0.5であることを特徴とする請求項34に記載の方法。
- 前記低損失軟磁性材料が、アモルファス金属であることを特徴とする請求項34に記載の方法。
- 前記低損失軟磁性材料が、ナノ結晶金属であることを特徴とする請求項34に記載の方法。
- 前記低損失軟磁性材料が、珪素鉄合金であることを特徴とする請求項34に記載の方法。
- 前記磁場組立体が、回転子であることを特徴とする請求項34に記載の方法。
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