JP2006521077A - 発電機用電流制限手段 - Google Patents

Abstract

本発明は、回転子および固定子を有する電気機械の巻線を通して伝導される最大電流を制限する手段を提供する。巻線の周囲で適切な漏れ磁束を助長することにより、本発明に従って、機械設計事項として巻線内の最大電流を制限するために用いることができる漏れインピーダンスを達成できる。

Description

本発明は、発電機またはモータなどの電気機械の巻線における、短絡電流を含む最大電流を制限する手段に関する。

電気発電機およびモータにおける回路の短絡過負荷を防止する必要性は十分に認識されている。保護外部回路および機器は、電気機械の巻線の外側に可溶材料や電子制御装置を備えていることが多いが、外部溶断または制御装置によって検出または制御されない、モータ／発電機の巻線内で、内部短絡状態が発生することがある。

巻線内で保護を提供する１つのアプローチは、本発明の発明者の米国特許第６，３１３，５６０号に開示されている。「より電気的な」航空機エンジンに用いられる機械の高電流かつ高回転速度によって発生する熱のために、電気モータ／発電機および絶縁配線導体を、動作中の内部障害という予期しない事態から十分に保護して、冗長な安全システムが確実に存在するようにしなければならない。したがって、最大機械電流を制御するフェールセーフな手段を構築することが望ましい。

本発明の目的は、高短絡電流を制限することを含む、電気モータ／発電機巻線を通る最大電流に対する制御を改善することである。

本発明の別の目的は、以下の開示、図面および発明の説明から明らかになるであろう。

本発明は、回転子および固定子を有する電気機械の巻線を通って伝導される、短絡電流などの電流を制限する手段を提供する。従来、固定子は複数の溝を有しており、各溝は巻線を有し、回転子に隣接し固定子から回転子を分離する環状空隙と連通した溝の間隙を有している。本発明は、漏れ磁束現象（通常は変圧器設計においては考慮されるが、機械設計においては通常考慮されない）を用いて、電気機械における電流を制限している。漏れ磁束は、一次電圧と逆極性を有する巻線にかかる二次電圧を誘導し、それによって電流が制御可能に削減／制限されることを可能にするので、漏れ磁束インピーダンスを制御することにより、巻線内の最大電流はこの現象によって制御できる。たとえば、漏れ磁束を助長し制御するために、設計者は間隙幅、軸方向の長さ、半径方向の高さ、間隙表面積、間隙表面形状、および間隙磁束透磁率を変えることができる。

従来技術は、機械効率を高めて不要な磁気的相互作用などを削減するには、磁束漏れは非効率的であり、可能な場合は常に回避、削減または補償すべきであると教示している。たとえば、米国特許第５，９５５，８０９号および米国公開特許出願ＵＳ２００３／００４２８１４を参照。したがって、本発明は漏れ磁束を助長することにより、従来技術からは大きく逸脱するものであるが、たとえば、内部短絡の場合において、機械最大電流を制御するという新たな目的のためにそうするものである。

一態様において、本発明は、交流発電機として動作可能な電気機械であって、この電気機械は、可動磁気回転子アッセンブリと、該回転子アッセンブリに隣接して搭載された静止固定子アッセンブリであって、該固定子アッセンブリに画定された少なくとも１つの溝に配設された少なくとも１つの電気巻線を含み、該少なくとも１つの電気巻線は該機械から生成出力電力を送出するように適合された機械出力に電気的に接続されており、該溝は上端部を有し、該溝上端部は形状および構成を有し、該溝上端部は少なくとも１つの巻線と回転子との間に配設された静止固定子アッセンブリと、を備えており、使用に際して、該回転子アッセンブリの動きが少なくとも１つの巻線において第１の交流電圧および電流を誘導し、使用に際して、該巻線における誘導交流電流に応答して、磁束が溝上端部を通り、少なくとも１つの巻線の周囲を流れ、それによって、少なくとも１つの巻線において第１の交流電圧および電流とは逆極性の第２の交流電圧および電流を誘導するように、該溝上端部形状および構成は、誘導された第１の交流電流に比較して十分に高い関連インダクタンスを有しており、それによって少なくとも１つの巻線における出力電流を予め選択された値に制限する、電気機械を提供する。

別の態様において、本発明は、交流発電機として動作可能な電気機械であって、この電気機械は、少なくとも１つの一次磁気回路であって、少なくとも部分的に固定子アッセンブリと、回転子と、該回転子に搭載された複数の永久磁石とによって画定されており、該回転子は該固定子アッセンブリに隣接して搭載され該固定子アッセンブリに相対的に移動するように適合されており、該固定子アッセンブリは該固定子アッセンブリに画定された少なくとも１つの溝に配設された少なくとも１つの電気巻線を有し、該少なくとも１つの電気巻線は、該機械から生成出力電力を送出するように適合された機械出力に電気的に接続されており、使用に際して、該回転子と該固定子アッセンブリとの相対的移動が、該一次磁気回路中に一次磁束を流し、使用に際して、該一次磁気回路中を流れる一次磁束が該巻線にかかる一次電圧および該巻線内の関連交流電流を誘導し、それによって該機械から出力電力を送出するように、該溝および巻線は該固定子アッセンブリに配設されている、一次磁気回路と、該固定子アッセンブリ内に画定され、該固定子アッセンブリ内の巻線を囲む少なくとも１つの二次磁気回路であって、溝によって少なくとも部分的に画定されており、使用に際して、該巻線内の誘導交流電流が、該二次磁気回路中に流すのに十分な大きさの二次磁束を誘導し、それによって、該一次電圧とは逆極性であって該巻線内の最大電流を少なくとも所望の最大電流限度に制限するのに十分な大きさの、該巻線にかかる二次電圧を誘導する二次磁気回路と、を備える、電気機械を提供する。

別の態様において、本発明は、電気機械であって、この電気機械は、固定子であって、複数の離間した歯と、磁心部分と、該磁心部分および隣接する歯の対によって少なくとも部分的に画定された複数の溝とを有し、隣接する歯の第１の対の間に延在して該溝の少なくも１つをほぼ密閉する少なくとも１つの溝頂部を追加的に含み、該溝頂部は形状および構成を有する固定子と、該固定子に相対的に移動するように該固定子に隣接して搭載された磁気回転子と、電流供給巻線が、該隣接する歯の第１の対と、該磁心部分と、該溝頂部とによって囲まれるように、該固定子のほぼ密閉された溝に配設された少なくとも１つの電流供給巻線と、を備えており、該機械が操作されて、該回転子が該固定子に相対的に移動されて該巻線に電流が誘導されたときに、該溝頂部の形状および構成により、該溝頂部を通って予め選択された強さの磁束が流れることを許容され、それによって、該少なくとも１つの巻線内の最大電流を予め選択された最大値に制限させる、電気機械を提供する。

さらに別の態様において、本発明は、交流発電機であって、この交流発電機は、固定子アッセンブリであって、該固定子アッセンブリに配設された少なくとも１つの電気巻線を有し、該少なくとも１つの電気巻線は、該機械から生成出力電力を送出するように適合された機械出力に電気的に接続された固定子アッセンブリと、複数の永久磁石が搭載された回転子であって、該固定子アッセンブリに隣接して搭載され、該固定子アッセンブリに相対的に移動するように適合され、それによって、使用に際して、該回転子と該固定子アッセンブリとの相対的な移動が、該巻線にかかる一次電圧および該巻線内の関連交流電流を誘導する回転子と、該固定子アッセンブリ内の該巻線を囲む少なくとも１つの二次磁気回路であって、使用に際して、該巻線内の誘導交流電流が、該二次磁気回路内において該巻線にかかる二次電圧を誘導するのに十分な二次磁束を誘導し、それによって、該少なくとも１つの巻線の最大短絡電流を、修復不能な熱損傷が該機械に生ずるレベルよりも低いレベルに制限するように、その形状および構成により、選択された磁気インダクタンスを有する二次磁気回路と、を備える、交流発電機を提供する。

別の態様において、本発明は、回転子アッセンブリおよび固定子アッセンブリを含む電気発電機として動作可能な電気機械であって、該固定子アッセンブリは該回転子アッセンブリに隣接して搭載され、該固定子アッセンブリは、該固定子アッセンブリに画定された少なくとも１つの溝に配設された少なくとも１つの導体を含み、該導体は最小幅を有し、該少なくとも１つの導体は、該機械から生成出力電力を送出するように適合された機械出力に電気的に接続されており、該少なくとも１つの溝は、該溝の端部に画定された開口を有しており、該端部は、該少なくとも１つの導体と該回転子アッセンブリとの間に配設されており、該溝開口は導体最小幅よりも狭い、電気機械を提供する。一態様において、該溝は、該巻線が溝内に挿通されることを許容する大きさに作られた、地鉄に対向する側の第２の溝開口を有する。別の態様において、該巻線は該溝の端部を通って挿入される。何れの場合にも、該第１の溝開口が、該溝内に該導体を挿通するには不適当な大きさを有するために、このようになされる。

また、本発明によって、電気機械用の固定子アッセンブリを製造する方法であって、この方法は、第１面と第２面とを有する固定子を設けるステップであって、該第１面は回転子に隣接して位置決めされるように適合されており、該第２面は、電気巻線を受け入れるように適合された、内部に画定された第１の組の溝を有するステップと、少なくとも１つの電気巻線を該第１の組の溝内に挿入するステップと、該第２面に搭載されるように適合された地鉄を設けるステップと、該地鉄と固定子とを互いに取り付けて固定子アッセンブリを設けるステップと、該第１面に第２の組の溝を設けるステップであって、該第２の組の溝は該第１の組の溝の少なくとも数個と連通しているステップと、を含む方法が提供される。別の方法は、複数の内部溝を内部に有する固定子を設けるステップであって、該固定子は電気機械回転子に対向するように適合された溝なし面を有するステップと、電気巻線を複数の内部溝内に挿入するステップと、該溝なし面に複数の開口を設けるステップであって、該複数の開口は、内部に電気巻線を有する該複数の内部溝の少なくとも数個と連通しているステップと、を含む。

本発明のさらに他の態様は、添付の説明および図面から明らかになるであろう。本発明は、少なくとも、内側回転子とそれを囲む外側固定子とを備えた電気機械であって、固定子溝が固定子の内面上で軸方向に延在する電気機械、および内側固定子とそれを囲む外側回転子とを備えた電気機械であって、固定子溝が固定子の外面上で軸方向に延在する電気機械に適用可能である。他の機械への応用も教示されている。

本発明を容易に理解できるように、本発明の実施形態を付属の図面において例を挙げて説明する。

本発明のさらなる詳細およびその利点は、以下に記載した詳細な説明から明らかになるであろう。

本発明は、永久磁石であるにしろないにしろ、モータ、発電機、または交流発電機などの電気機械の巻線を介して、短絡電流を含む一次電流を制御かつ／または制限する装置および方法を提供する。

発明者は、漏れ磁束として知られる、機械内の電磁回路の物理的挙動を用いて、機械の巻線内の最大電流を制限できることを発見した。漏れ磁束は変圧器設計において周知であり理解されているが、これまで、機械設計者は通常、かかる漏れを最小化して機械効率を改善し、永久磁石回転子と他のサブシステムとの間の不要な相互作用（たとえば、磁気結合）を防止することの追求において、磁束漏れを検討してきただけである。

しかし、本発明においては、漏れ磁束は、設計事項として、機械内部の電流を制限する手段として助長される。一次磁束路に対抗する漏れ磁束を作り出すことにより、機械における最大電流を制限することができる。漏れ磁束は、以下でより分かり易く説明するように、機械の構成の特定パラメータの選択を通して助長される。

一実施形態において、本発明は、固定子溝の設計管理を通して効果を与えられる。固定子に巻線溝を設けることは本当に周知であるが、本発明においてかかる溝を設けるために取る構成ステップおよび設計ステップは、いずれも新しいと思われる。第２の態様において、固定子溝は、溝覆い材料で満たされている。本発明のこれらおよび他の特定の実施形態をここで解説する。

まず、図５を参照すると、従来技術の固定子５０および永久磁石回転子５２が概略的に示されており、図示を容易にするためだけに、いずれも部分的かつ平面体で示されている。回転子５２はＮ極とＳ極を交互にして配置された磁石５４を有し、回転子空隙５６によって固定子５０から分離されている。固定子５０において、隣接する歯６２の間の溝６０の中には１つまたは複数の巻線５８が設けられている。当業技術分野において周知のように、各溝６０は、通常は自動化された巻線機械によって、溝６０の中に巻線５８が挿入されることを可能にする巻線間隙６４を有している。巻線間隙６４は通常、少なくとも数巻線幅（または直径）の広さであり、巻線が各溝６０内に正確かつ効率的に設けられることを可能にしている。使用に際して、回転子５２が固定子５０上を通過すると、磁束が回転子５２から移動するのに伴い、一次磁束路６６が、回転子空隙５６を横断し、特定の歯６２を下り、溝６０の周囲を、固定子５０の磁心に沿って立ち上がり、その後、さらに連続する歯６２を通って回転子５２へと、回転子空隙５６を横断して戻る。空気の透磁率はほぼゼロであり、巻線間隙６４は非常に大きい（相対的な意味で）ので、かかる磁束は巻線間隙６４によって妨げられるため、固定子面に沿って（すなわち、回転子空隙５６に隣接して）通過する磁束は殆どない。かかる「歯頂部」路に沿った磁束も、設計によって意図的に妨げられ、一次磁束路が巻線５８の周囲を有用に通過することを確実にする。

ここで図１〜図４を参照すると、図１は外側回転子１０内部に設ける、本発明による内側固定子１の例を示している。図示した実施形態において、固定子１は、固定子１の外側円筒面上で軸方向に延在する複数の固定子溝２を有している。固定子溝２は、回転子１０に隣接して配設される、面８上の溝間隙７を有する。しかし、以下でより詳細に説明するように、従来技術とは異なり、溝間隙７は巻線導体３を固定子内に挿入する目的では設けられておらず、実際には、溝間隙７は狭いことが好ましく、個々の巻線導体３の幅よりも狭いことがより好ましい。たとえば、本発明による溝間隙７は幅で０．０４０インチしかないことがあり（機械の設計による）、これは、従来技術の巻線方法によって内部に巻線を挿入するには狭すぎることが、当業者には明確に理解されるであろう。そのため、この実施形態は、以下でさらに詳細に説明するように、従来技術の巻線間隙とは明確に区別される。本発明は、内側回転子およびそれを囲む外側固定子を備えた電気機械にも適用可能であり、かかる場合に、この説明から明らかになるように、固定子溝２はもちろん固定子の内面上を軸方向に（すなわち回転子に隣接して）延在する。本発明は、モータおよび発電機／交流発電機に適用される。

図１および図４は、複数の巻線導体３を収容する矩形の軸方向に延在する固定子溝２を画定するために、軸方向に延在するＴ字形の歯部材５が設けられる円筒地鉄４を有する、本発明による固定子１の概略構造を示している。そのため、固定子１は、この場合に、地鉄４および固定子５からなる複合固定子である。固定子１は、複数の固定子溝２を有しており、各溝２は導体巻線３を収容している。各溝２は、回転子１０に隣接し、回転子を固定子２から分離する環状回転子空隙２０（図６を参照）と連通した、溝間隙７を有している。

ここで図６を参照すると、使用に際して、回転子１０が固定子１上を通過すると、磁束が回転子１０から移動するのに伴い、一次磁束路２０が、回転子空隙２２を横断し、特定の歯５を下り、溝２の周囲を地鉄４に沿って立ち上がり、その後、さらに連続する歯５を通って回転子１０へと、回転子空隙２２を横断して戻る。しかし、従来技術とは異なり、本発明においては、巻線３を通過する電流の大きさに関連して、巻線間隙７の幅によって生ずる漏れインダクタンスが増えるため、二次または漏れ磁束６の流れは巻線導体３（この実施形態における）の各群の周囲で助長される。二次または漏れ磁束６は、巻線３を通って流れる電流に比例し、一次磁束２０と逆方向になる。ここで理解されたこの現象を、さらに詳細に説明する。

図２および図４に示したように、機械が操作されると、巻線３を通って伝導される一次電流は、固定子溝２の周囲の、図４に最も分かり易く示されているように溝間隙７を横断して通過する、漏れ磁束回路６を発生させる。当業者は、ケイ素鉄などの、地鉄４およびＴ字形部材５を構成するために用いられる材料の高い透磁率は、磁気回路なんを限定する傾向を有することを理解するであろう（図４に示したように、溝間隙７の周縁では、特定量の磁束フリンジ９が発生するが）。構成のために発明者が好んだ材料は、サマリウム・コバルト永久磁石、マルエージ鋼（好ましくは２５０または３００）保持スリーブ、アルミニウム・ヨーク、銅一次および二次巻線、ケイ素鉄、ＳＭ２、または固定子歯用の他の軟磁性材料および地鉄用の積層ケイ素鋼である。固定子材料は剛性である。溝２は、導体３を収容するのに十分な大きさに作られている。好ましくは、ここで説明するように、溝間隙７は適切な漏れ磁束６を提供するような大きさに作られている。

図２および図４を再度参照すると、磁束６の循環が矢印で示されている。図２および図３は、軸方向長さ寸法Ｌ_gおよび半径方向高さ寸法Ｈ_gを有する幅寸法Ｇ_gの、軸方向に延在する溝間隙７を有する単純な実施形態における溝間隙７パラメータの詳細を示している。間隙表面積はＬ_g×Ｈ_gによって導出できる。しかし、この開示に鑑みて、間隙幾何形状および表面形状は、磁束の伝達を改善するかそれに影響を与えるか、溝間隙７を横断して延伸する磁束の分布を変化させるために、たとえば、図８に示したように、隆起部や他の表面の特徴を備えるよう大きく変えることができる。さらに、地鉄４およびＴ字形部材５の材料および寸法の選択によって、透磁率を調節し、その結果、間隙磁束密度を調節することができる。以下でさらに説明するように、溝間隙７を部分的または完全に覆うために、溝間隙覆いを設けることができる。

任意選択で、地鉄４および／またはＴ字形部材５を含む固定子材料は、固定子の少なくとも一部が機械用の温度未満の最高設計動作温度であるキュリー温度を有するように選択することができ、それによって（参照することにより本明細書中の開示に完全に含めた、発明者の米国特許第６，３１３，５６０号の教示によれば）固定子材料を通る磁束循環は、固定子材料がキュリー温度を超える温度になったときに妨げられる。かかる設計は、二次または漏れ磁束６が、一次磁束路よりもキュリー点「効果」によって影響を受けないように構成することが好ましい。本発明のかかる特徴の使用から最大の満足できる利益を得るために、発明者のキュリー点効果は、一次磁束流について最大化し、二次または漏れ磁束流について最小化することが好ましい。ともかく、本発明を１つまたは複数の手段と共に用いることによって、電気機械に対する最大の電流保護を提供する支援を行うことができる。

図１〜図４および図６のマルチピース固定子は、任意の適切な手段によって溝２を有する固定子リング５を設けるステップであって、溝２は回転子面８の反対側にあるステップと、巻線３を溝２内に設けるステップと、任意の適切な方法（たとえば、結合）によって地鉄４を歯リングに取り付けるステップと、任意の適切な方法（たとえば、切断）によって溝間隙７を設けるステップとで設けることができる。

図６ａを参照すると、巻線３の周囲を漏れ磁束が移動する磁束路６は、数個の路部品、この場合には部品Ａ〜Ｄを含むものと考えることができる。上記および下記の説明において、この開示に鑑みて、発明者は、図６ａにおいて経路Ｄで示された固定子の部分に、本発明を適用する際の設計上の注意を向けたいと思っているが、本発明を適切に実施するように１つまたは複数の経路部品を設計できることを、当業者は理解するであろう。

図７を参照すると、本発明の第２の実施形態が示されている。上記で定義した符号は、この実施例における類似の特徴を示すためにも用いる。図７において、固定子１は１つのピースから構成されており（すなわち、地鉄４および歯５は互いに一体である）、巻線３は単一の導体からなる。また、この実施例において、巻線間隙３０は、好ましくは空気よりも高い透磁率で固定子材料よりも低い透磁率を有する材料からなる、１つまたは複数の充填材または溝覆い部材３２で部分的または完全に覆うか充填することができ、それによって、十分な漏れ磁束６が誘導されることを可能にして、使用に際して、先の実施形態に関して説明したように、巻線３内の電流が所望のレベルに制限されることを可能にする。しかし、この実施形態において、溝覆い部材３２は、スペースの点でも機能の点でも、巻線間隙７に取って代わる（好ましくは、完全に）ことが理解されるであろう。設計者は、この開示の教示に従って、溝覆いや固定子の材料および寸法を選択して、漏れインダクタンスを管理し、それによって、ここでより詳細に説明する方法で、機械の最大電流を制限することができる。

ここで図１〜図４を参照して、本発明が固定子２の巻線３を通して伝導される一次電流を制限する手段を以下に説明する。

本発明の方法は、溝間隙パラメータを制御して、所望の漏れ磁束インダクタンスおよび漏れインピーダンスを提供することを含む。変化する磁場によって誘導された電流は、それを作った磁場と反対のそれ独自の磁場を作るように流れることを示した「レンツの法則」に従って、漏れ磁束は、一次電流と逆極性の巻線３における二次電圧を誘導する。しかし、従来技術においては、巻線の「それ自体の磁場」は、固定子の幾何形状（すなわち、空隙が広すぎること）によって、それと分かるほどの仕方では流れることを許容されなかった。しかし、発明者は、誘導された漏れ磁束が巻線を囲むように助長されるのであれば、磁場が対向することの巻線電圧に対する効果は、巻線を通って流れる最大可能電流を制限するために有利に用いることができ、それによって、機械設計者に固有の短絡防止を行うツールを提供できることを認識した。

従来技術においては、巻線間隙（間に空気が入っている）が大きいので、磁束に間隙を横断させるには非常に大きな磁化力（Ｂ）が必要であった。もちろん、空気の透磁率は、基本的に自由空間の透磁率（μ_o）であって非常に低い。従来技術の巻線間隙距離では、磁束に巻線間隙を横断させるには不十分な起磁力（ｍａｇｎｅｔｏｍｏｔｉｖｅ ｆｏｒｃｅ）（ｍｍｆ）が磁気回路によって提供された。もちろん、従来技術の設計においては、機械が大きくなると、関連づけられた磁化力も大きくなり得るが、増大した電流負荷を扱うために巻線も大きくなり、したがって、巻線間隙も大きくなることが理解される。そのため、機械の大きさにかかわらず、巻線空隙の透磁率は、巻線と回転子との間の固定子の部分（空隙を含む）における磁束路に対する障害のままである。

電気発電機／交流発電機の内部インピーダンスは、機械の短絡電流を左右することが一般に知られている。よく理解されているように、内部インピーダンスは、とりわけ、巻線の巻き数および磁束パラメータに関連しており、電気機械の「整流インダクタンス」または「整流インピーダンス」と一般に呼ばれている。通常、機械の整流インダクタンスは機械の短絡電流を左右するが、この特性は、電気発電機／交流発電機内部の最大電流を制御するために、設計者が効果的に用いることはできないことがよく理解されている。これは、整流インダクタンスを高めることは、所与の速度で発生する電圧も高めることになるからである。短絡電流は、電圧÷整流インピーダンスによって計算されるが、これらはいずれも速度（すなわち、周波数）に比例して増加する。したがって、整流インダクタンスを高めることは、所与の速度で発生する電圧も高めることになり、そのため、短絡電流を制限しない。

しかし、本発明によれば、電気機械の総インピーダンスは、付加的な現象、すなわち、機械の「漏れインダクタンス」によっても高めることができる（それによって、最大電流を制限する）。漏れインダクタンスは、機械の整流インダクタンスインピーダンスとは無関係な、関連づけられた漏れインピーダンスを有する。したがって、漏れインダクタンスを用いて、機械の無負荷出力電圧には殆ど影響なく、最大電流を調節することができる。漏れ磁束は巻線３を通過する電流の直接的な結果であり、レンツの法則によれば、逆極性である。そのため、漏れ磁束を用いて、巻線３を通る短絡電流を制御することができる。漏れインダクタンスは漏れ磁束に比例するので、インダクタンスを変化させて、設計者が、機械において電流を適切に制限するために必要な電圧を達成するのに十分な磁束を得ることを可能にする。永久磁石交流発電機（または任意の機械）の漏れインダクタンスは、固定子の適切な形状および構成を定めること、または、固定子の構成のための適切な材料を選択することにより正確に定めて制御することができる。たとえば、設計者は、巻線溝２間で間隙７パラメータを変えることにより、二次磁路が十分なインダクタンスを有することを確実にできる。漏れインダクタンス（したがって、漏れインピーダンス）は、たとえば、溝間隙７の幅Ｇ_gまたは間隙７の面積（すなわち、Ｈ_g×Ｌ_g）を変えることにより（図１〜図４の場合）、あるいは溝間隙７の透磁率を変えることにより、すなわち、溝覆い材料および寸法を選択することにより（図７の場合）、設計者の希望に従って、設計において調節することもできる。そのため、二次磁気回路（すなわち、漏れ経路）のインダクタンスを、巻線における予期される電流に鑑みて選択し、使用に際して、巻線の周囲の十分な漏れ磁束を助長して、巻線における最大電流を設計者に許容される値に制限するのに必要な逆電圧を誘導することができる。設計においては何らかの繰り返しが必要とされる場合がある。

溝覆い材料が固定子歯地鉄よりも低い透磁率および／またはインピーダンスを有しているのでなければ、一次磁気回路に悪影響を与えないように、溝間隙７を完全になくすことは好ましくないことが理解されるであろう。また、特許請求の範囲を含む本明細書において、「形状」、「構成」および「構造」という用語は、導体３における電流の流れの結果、固定子を通って巻線の周囲を移動する磁束の量に影響する、寸法、相対的比率、材料選択（空隙の選択の場合には、「材料」として「空気」の選択を含む）、および透磁率などの固定子設計パラメータを意味するために用いられることも理解されるであろう。

本発明によれば、誘導漏れ磁束は巻線内の電流の流れによって生成され、巻線３の線束の周囲を循環するように助長される（提供される固定子幾何形状および材料のため）。したがって、隣接する歯の間の間隙を狭める（または完全に閉じる）ように固定子構成を変えることは、巻線３の周囲の磁気回路を閉じる傾向にあり、そのため、機械の整流インダクタンスを高めることなく、溝巻線インダクタンスを上昇させる。これによって、総機械インダクタンスは高められる。漏れ磁束６の大きさは、上記のように、たとえば、間隙寸法（たとえば、幅Ｇ_gおよび間隙面積Ａ_g、または高さＨ_g長さＬ_g）（図１の場合）を選択することにより、あるいは適切な溝覆い材料を選択して大きさを調節することにより（図７の場合）、設計において調節できる。巻線３内を流れる電流の関数として（すなわち、回転子の磁石の関数としてではなく）生成される漏れ磁束６は、漏れ磁束６を誘導する電流の流れに抵抗する電圧（誘導リアクタンス）が巻線３において誘導されることにつながる。

本発明は、空隙（もしあれば）を含む巻線を直に囲む固定子の部分の磁気インダクタンスを決定して選択することにより、十分な磁束が巻線の周囲を流れることを助長することを教示しており、設計者が、設計によって巻線最大電流を制限することを可能にしている。巻線電流が増加すると、漏れ磁束および誘導「逆電圧」（巻線内の一次電流に対して相対的に負である）も増加し、したがって、助長する漏れ磁束は巻線内の出力電流に制限的な効果を有する。それによって、巻線を囲む二次磁路の全体的漏れインダクタンス（巻線内の名目最大電流に対する）を高めることは、十分な漏れ磁界が誘導されることを可能にし、これは、十分な大きさの巻線にかかる逆極性の電圧を誘導して（レンツの法則による）、所望の最大電流限度が達成されることを可能にする。前述のように、誘導リアクタンス電圧は、巻線を通る一次電流に比例する。したがって、一次誘導電流レベルが高まる傾向にあると、逆平衡漏れ誘導逆電圧も上昇する。それによって、巻線を通過する電流を制限する固有の手段が本発明によって提供される。事実上、本発明は、機械巻線の周囲のタイプの環状磁束導体を提供することを含む。好ましくは、短絡の場合にあるいは短絡以外に巻線内の電流を増加させる傾向にある他の障害の場合に、最大巻線電流が機械への熱損傷の可能性をなくすのに十分低くなるように、設計において漏れインダクタンスを選択する。いずれの場合にも、本発明の最終的な結果は、外部的に印加されるＡＣ電圧であろうと、回転磁場によって誘導される電圧であろうと、何が電流の流れを生じさせても、巻線内の電流を制限することである。誘導リアクタンスは、電流の変化率（または周波数）に正比例している。永久磁石（ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ）（ＰＭ）機械巻線３によって誘導された逆電圧は、回転の周波数に正比例するので、本発明は、ＰＭ機械の速度または無負荷出力電圧値にかかわらず、一定の短絡限度値という結果を有利にもたらす。

漏れインダクタンスは巻線３の周囲の総磁束の関数である。総漏れ磁束は総磁束密度×面積の関数であり（すなわち、Φ＝Ｂ×Ａ）、そのため、空隙の幅（または、場合に応じて、溝覆い幅）および間隙（すなわち、空気または他の材料）の透磁率に影響される。そのため、所望のインダクタンスを達成するために、設計者は、たとえば、間隙面積（すなわち、Ｌ_gおよび／またはＨ_g）、間隙幅（すなわち、Ｇ_g）、および／または間隙（たとえば、空気、または、選択された溝覆い材料）の透磁率を調節して、所望の漏れインダクタンスを達成することができる。そのため、設計者は、固定子アッセンブリの形状、構成および構造を調節して、開示した電流制限手段を達成できる。しかし、一般的に、他の設計要件も設計者のパラメータ選択に影響する場合がある。たとえば、装置におけるリップルトルクの影響を少なくするために、小さい間隙幅（すなわち、Ｇ_g）を選択し、他のパラメータを適切な大きさに設定して、意図した方法で最大電流を制限する意図した設計結果を達成することができる。図９は、所与の溝面積（Ｌ_g×Ｈ_g）および機械構成についての溝間隙幅と漏れインダクタンスと短絡電流との相対的関係を表している。機械における漏れ磁束と短絡（または最大）電流との反比例関係をグラフ化している。機械幾何形状などは、もちろん、グラフ化された関係の性質そのものに影響を与える。

従来技術において、設計者は、選択する導体のサイズによって、自動巻線機械を用いて、固定子溝において所望の回転数を効率的に提供できるようになることを確実にしようとして、電気機械の巻線溝の大きさを選択する際に、製造上の検討に焦点を当てた。巻線間隙の大きさを選択する際に、他の製造上の検討も設計者の心を占めていた。対照的に、本発明の第１の実施形態は、溝に巻線を提供する代替的手段を提供することにより、設計者をかかる検討から自由にしており、したがって、回転子に隣接する面８上の溝間隙７は、本発明の短絡を制限する概念の適用に用いることが可能である。

上記で簡単に述べたように、従来技術の電気機械（図５を参照）においては、導体巻線３および他のアッセンブリパラメータの大きさは、通常、間隙７の幅Ｇ_gを定める。しかし、マルチピース固定子１の提供により、溝７に巻線３を挿入する必要をなくす（巻線３の挿入後に組み立てる地鉄４を利用する）ことによって、上記のように、溝間隙７パラメータを、適切な漏れインダクタンスを達成するのに望ましい任意の値に設定することが可能である。これは、もちろん、巻線３の通過を許容するには狭すぎる幅Ｇ_gを選択することを含む場合がある。上記のように、間隙幅Ｇ_gを狭めることは、個々の溝巻線３の周囲の磁気回路を閉じることになる。

したがって、本発明を用いて設計者が短絡電流を制限して、機械の熱特性および冷却方式に基づく容認可能な最大値を達成できるように、設計段階中に必要な漏れ磁束インピーダンスを決定して提供する。そのため、機械設計自体が、巻線３の絶縁および／または固定子１の構造に熱損傷を引き起こすレベルへの、短絡状態における温度上昇を防止することができる。

本発明の方法は、設計者が、巻線３内の最大制限電流が巻線を溶融するのに十分に高い電流を生じさせたり、他の重大な損傷を生じさせたりしないことを確実にできるようにする。本発明は、上記のように、独立して用いて交流発電機や発電機設計によって送出可能な最大利用可能電流および電力を制限するか、発明者のキュリー点保護スキームとともに用いることができる。図１に示したような内側固定子１は、溝間隙７を円筒部材の外面に形成することによって、さらに容易に製造される見込みがあると思われる。しかし、本発明は、このタイプの固定子１構成に限定されるものとは理解されないであろう。２ピース固定子は、第１の実施形態における本発明を達成するために必要ではない。あるいは、巻線は溝の端部を通して固定子内に直接的に挿入できる（たとえば、おそらく、ねじ切りや、固定子上で組み立てられるマルチピース巻線の使用により）。

この説明および添付の特許請求の範囲において、「溝」という用語は１つまたは複数の巻線を受ける固定子の部分を表すために用いている。したがって、「溝」は、典型的な溝そのもの（すなわち、長さに沿って開いた一側を有する）であってもよいし、１つまたは複数の巻線を受けることができる固定子内の他の何らかの凹部（たとえば、「溝」が長さに沿って開いた一側を有していない図７を参照）であってもよい。したがって、溝という用語は説明の便宜のためだけに用いており、説明または請求したように本発明の範囲を限定することを意図してはいない。

上記の説明は、発明者が現在考えている特定の好適な実施形態に関連しているが、本発明はその広い態様において、本明細書中で説明した要素の機械的および機能的な均等物を含むことが理解されるであろう。たとえば、如何なる数の巻線が設けられてもよいし、如何なる巻線構成が設けられてもよい。固定子は単一（一体）ピースであってもよいし、マルチピースであってもよい。機械は永久磁石機械である必要はなく、他の種類の機械を、この開示の教示にしたがって、本発明を組み込むように有利に適合することができる。溝および歯の構成は、機械の構成に合うように変えることができる。本明細書中で開示し請求した本発明の範囲から逸脱せずにさらに他の変形が可能であることを、当業者は認識するであろう。

軸方向に延在する溝が導体巻線を収容している、軸方向に延在する溝間隙を示した、本発明による固定子および回転子の軸方向断面斜視図。 導体巻線を収容した溝間隙幅寸法（Ｇ_g）の２つの固定子溝を示し、漏れ磁束の循環を矢印で示した、詳細軸方向断面図。 軸方向長さ寸法（Ｌ_g）および半径方向高さ寸法（Ｈ_g）を示す図２の溝間隙の磁束伝導面の詳細斜視図。 円筒内部地鉄およびＴ字形固定子部材を用いて、導体の幅とは無関係の固定子溝および溝間隙を画定した、代替的固定子構成を示した、部分軸方向断面図。 従来技術による回転子および固定子の拡大断面図。 図５と類似であるが、その代わりに、本発明を実施した図１の装置を示している、拡大断面図。 図６の拡大部分図。 本発明の別の代替的実施形態による回転子および固定子の拡大断面図。 本発明のさらに別の代替的実施形態による固定子の拡大等測図。 本発明による、最大電流、漏れインダクタンス、および溝間隙幅の間の関係を表したグラフ。

本発明の目的は、高短絡電流を制限することを含む、電気モータ／発電機巻線を通る最大電流に対する制御を改善することである。米国特許第２００２／００９６９６０号は、初期過渡リアクタンスを高める発電機磁気電機子ウェッジを開示している。

一態様において、本発明は、交流発電機として動作可能な電気機械であって、この電気機械は、可動磁気回転子アッセンブリと、該回転子アッセンブリに隣接して搭載された静止固定子アッセンブリであって、該固定子アッセンブリに画定された少なくとも１つの溝に配設された少なくとも１つの電気巻線を含み、該少なくとも１つの電気巻線は該機械から生成出力電力を送出するように適合された機械出力に電気的に接続されており、該溝は上端部を有し、該溝上端部は形状および構成を有し、該溝上端部は少なくとも１つの巻線と回転子との間に配設された静止固定子アッセンブリと、を備えており、使用に際して、該回転子アッセンブリの動きが少なくとも１つの巻線において第１の交流電圧および電流を誘導し、使用に際して、該巻線における誘導交流電流に応答して、磁束が溝開口を横断する溝上端部を通り、少なくとも１つの巻線の周囲を流れるように、該溝上端部は、誘導された第１の交流電流に比較して十分に高い関連インダクタンスを有するような大きさとされた溝開口を横断する空隙を有しており、それによって少なくとも１つの巻線における最大出力電流を予め選択された値に制限する、ことを特徴とする電気機械を提供する。

該第１の溝開口が、該溝内に該導体を挿通するには不適当な大きさを有するために、このようになされる。

Claims (40)

1. 交流発電機として動作可能な電気機械であって、
   可動磁気回転子アッセンブリと、
   前記回転子アッセンブリに隣接して搭載された静止固定子アッセンブリであって、前記固定子アッセンブリに画定された少なくとも１つの溝に配設された少なくとも１つの電気巻線を含み、前記少なくとも１つの電気巻線は該機械から生成出力電力を送出するように適合された機械出力に電気的に接続されており、前記溝は上端部を有し、前記溝上端部は形状および構成を有し、前記溝上端部は少なくとも１つの巻線と回転子との間に配設された静止固定子アッセンブリと、
   を備えており、
   使用に際して、前記回転子アッセンブリの動きが少なくとも１つの巻線において第１の交流電圧および電流を誘導し、
   使用に際して、前記巻線における誘導交流電流に応答して、磁束が溝上端部を通り、少なくとも１つの巻線の周囲を流れ、それによって、少なくとも１つの巻線において第１の交流電圧および電流とは逆極性の第２の交流電圧および電流を誘導するように、前記溝上端部形状および構成は、誘導された第１の交流電流に比較して十分に高い関連インダクタンスを有しており、それによって少なくとも１つの巻線における出力電流を予め選択された値に制限する、ことを特徴とする電気機械。
2. 前記予め選択された値は、前記巻線を通過する電流の大きさにより該機械が熱損傷を受けるような電流の大きさ未満であることを特徴とする請求項１記載の電気機械。
3. 前記溝上端部形状および構成は、前記固定子アッセンブリ内に画定された空隙を含むことを特徴とする請求項１記載の電気機械。
4. 前記空隙は少なくとも１つの電気巻線よりも狭いことを特徴とする請求項３記載の電気機械。
5. 前記溝上端部は完全に密閉されていることを特徴とする請求項１記載の電気機械。
6. 前記溝上端部形状および構成は、前記少なくとも１つの溝を画定する前記固定子アッセンブリの一部を構成する材料とは異なる材料からなる部分を含むことを特徴とする請求項５記載の電気機械。
7. 前記回転子は複数の永久磁石を含むことを特徴とする請求項１記載の電気機械。
8. 前記固定子アッセンブリの一部は、限界温度未満のキュリー点を有する材料からなり、限界温度は、該機械が重大な熱損傷を被ることなく、該機械において内部的に維持できる最大温度であることを特徴とする請求項１記載の電気機械。
9. 交流発電機として動作可能な電気機械であって、
   少なくとも１つの一次磁気回路であって、少なくとも部分的に固定子アッセンブリと、回転子と、前記回転子に搭載された複数の永久磁石とによって画定されており、前記回転子は前記固定子アッセンブリに隣接して搭載され前記固定子アッセンブリに相対的に移動するように適合されており、前記固定子アッセンブリは前記固定子アッセンブリに画定された少なくとも１つの溝に配設された少なくとも１つの電気巻線を有し、前記少なくとも１つの電気巻線は、該機械から生成出力電力を送出するように適合された機械出力に電気的に接続されており、使用に際して、前記回転子と前記固定子アッセンブリとの相対的移動が、前記一次磁気回路中に一次磁束を流し、使用に際して、前記一次磁気回路中を流れる一次磁束が前記巻線にかかる一次電圧および前記巻線内の関連交流電流を誘導し、それによって該機械から出力電力を送出するように、前記溝および巻線は前記固定子アッセンブリに配設されている一次磁気回路と、
   前記固定子アッセンブリ内に画定され、前記固定子アッセンブリ内の巻線を囲む少なくとも１つの二次磁気回路であって、溝によって少なくとも部分的に画定されており、使用に際して、前記巻線内の誘導交流電流が、前記二次磁気回路中に流すのに十分な大きさの二次磁束を誘導し、それによって、該一次電圧とは逆極性であって前記巻線内の最大電流を少なくとも所望の最大電流限度に制限するのに十分な大きさの、前記巻線にかかる二次電圧を誘導する二次磁気回路と、
   を備えることを特徴とする電気機械。
10. 前記二次磁気回路の磁気インダクタンスは、前記一次磁気回路と関連づけられた磁気インダクタンス未満であることを特徴とする請求項９記載の電気機械。
11. 前記所望の最大電流限度は、前記所望の最大電流限度での前記巻線において生成される熱エネルギーを、該機械に熱損傷を生じさせるには不十分になるように制限すべく予め決定されることを特徴とする請求項９記載の電気機械。
12. 使用に際して、前記巻線内の短絡電流が、該機械に熱損傷を生じさせる電流の大きさ未満の電流の大きさに制限されるように、前記磁気インダクタンスは十分に高いことを特徴とする請求項９記載の電気機械。
13. 前記二次磁気回路の一部は前記回転子と前記巻線との間を通過することを特徴とする請求項９記載の電気機械。
14. 前記二次磁気回路は、前記溝と前記固定子アッセンブリの複数の歯の間の空隙とによって少なくとも部分的に画定されることを特徴とする請求項９記載の電気機械。
15. 前記空隙は、前記巻線の最小断面幅未満である幅を有することを特徴とする請求項１４記載の電気機械。
16. 前記空隙は、前記巻線と前記回転子との間の前記固定子アッセンブリに配設されることを特徴とする請求項１４記載の電気機械。
17. 前記二次磁気回路は、前記少なくとも１つの溝と充填材部材とによって少なくとも部分的に画定されることを特徴とする請求項９記載の電気機械。
18. 前記充填材部材は前記溝を横断して配設されることを特徴とする請求項１７記載の電気機械。
19. 前記充填材部材は前記巻線と前記回転子との間に配設されることを特徴とする請求項１７記載の電気機械。
20. 前記充填材部材は、前記固定子アッセンブリの残りの部分を構成する材料とは異なる材料からなることを特徴とする請求項１７記載の電気機械。
21. 前記一次磁気回路の一部は、限界温度未満のキュリー点を有する材料からなり、限界温度は、該機械が熱損傷を被ることなく、該機械において内部的に維持できる最大温度であることを特徴とする請求項９記載の電気機械。
22. 前記二次磁気回路の材料は、前記一次磁気回路の前記部分よりも高いキュリー点を有することを特徴とする請求項２１記載の電気機械。
23. 電気機械であって、
    固定子であって、複数の離間した歯と、磁心部分と、前記磁心部分および隣接する歯の対によって少なくとも部分的に画定された複数の溝とを有し、隣接する歯の第１の対の間に延在して前記溝の少なくも１つをほぼ密閉する少なくとも１つの溝頂部を追加的に含み、前記溝頂部は形状および構成を有する固定子と、
    前記固定子に相対的に移動するように前記固定子に隣接して搭載された磁気回転子と、
    電流供給巻線が、前記隣接する歯の第１の対と、前記磁心部分と、前記溝頂部とによって囲まれるように、前記固定子のほぼ密閉された溝に配設された少なくとも１つの電流供給巻線と、
    を備えており、
    該機械が操作されて、前記回転子が前記固定子に相対的に移動されて前記巻線に電流が誘導されたときに、前記溝頂部の形状および構成により、前記溝頂部を通って予め選択された強さの磁束が流れることを許容され、それによって、前記少なくとも１つの巻線内の最大電流を予め選択された最大値に制限させる、ことを特徴とする電気機械。
24. 前記予め選択された値は、前記巻線を通過する前記大きさの電流により該機械が損傷を受けるような電流の大きさ未満であることを特徴とする請求項２３記載の電気機械。
25. 前記溝頂部は前記巻線と前記回転子との間に配設されることを特徴とする請求項２３記載の電気機械。
26. 前記溝頂部は前記溝頂を完全に密閉することを特徴とする請求項２３記載の電気機械。
27. 前記溝頂部はその内部に画定された空隙を有することを特徴とする請求項２３記載の電気機械。
28. 前記空隙は前記巻線の最小幅よりも狭いことを特徴とする請求項２３記載の電気機械。
29. 前記回転子は、それに搭載された複数の永久磁石を含むことを特徴とする請求項２３記載の電気機械。
30. 前記複数の離間した歯および磁心部分は、前記固定子アッセンブリの別個のピースを構成することを特徴とする請求項２３記載の電気機械。
31. 前記複数の離間した歯および磁心部分は互いに一体であることを特徴とする請求項２３記載の電気機械。
32. 前記複数の離間した歯および前記溝頂部は互いに一体であることを特徴とする請求項２３記載の電気機械。
33. 交流発電機であって、
    固定子アッセンブリであって、該固定子アッセンブリに配設された少なくとも１つの電気巻線を有し、前記少なくとも１つの電気巻線は、該機械から生成出力電力を送出するように適合された機械出力に電気的に接続された固定子アッセンブリと、
    複数の永久磁石が搭載された回転子であって、前記固定子アッセンブリに隣接して搭載され、前記固定子アッセンブリに相対的に移動するように適合され、それによって、使用に際して、前記回転子と前記固定子アッセンブリとの相対的な移動が、前記巻線にかかる一次電圧および前記巻線内の関連交流電流を誘導する回転子と、
    前記固定子アッセンブリ内の前記巻線を囲む少なくとも１つの二次磁気回路であって、使用に際して、前記巻線内の誘導交流電流が、前記二次磁気回路内において前記巻線にかかる二次電圧を誘導するのに十分な二次磁束を誘導し、それによって、前記少なくとも１つの巻線の最大短絡電流を、修復不能な熱損傷が該機械に生ずるレベルよりも低いレベルに制限するように、その形状および構成により、選択された磁気インダクタンスを有する二次磁気回路と、
    を備えることを特徴とする交流発電機。
34. 前記二次磁気回路の一部は前記巻線と前記回転子との間を通過することを特徴とする請求項３３記載の電気機械。
35. 前記二次磁気回路は空隙を含むことを特徴とする請求項３３記載の電気機械。
36. 前記空隙は前記巻線の幅よりも狭いことを特徴とする請求項３５記載の電気機械。
37. 前記空隙の大きさは、前記巻線が前記固定子アッセンブリ内に挿通されることを許容するには不適切であることを特徴とする請求項３５記載の電気機械。
38. 前記部分は、前記固定子アッセンブリの残りの部分よりも低い透磁率を有する材料からなることを特徴とする請求項３４記載の電気機械。
39. 前記固定子アッセンブリの一部は、限界温度未満のキュリー点を有する材料からなり、限界温度は、該機械が熱損傷を被ることなく、該機械において内部的に維持できる最大温度であることを特徴とする請求項３３記載の電気機械。
40. 前記二次磁気回路の材料は、前記固定子アッセンブリの前記部分よりも高いキュリー点を有することを特徴とする請求項３７記載の電気機械。

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