JP2007503198A - 低損失材料から構成されるアキシャルエアギャップ型電気装置におけるステータの選択的整列 - Google Patents
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Abstract
Description
(アモルファス金属)
また金属ガラスとしても知られるアモルファス金属は、本発明のモータで使用するのに好適な多くの様々な組成で存在する。通常、金属ガラスは、例えば、少なくとも約106℃/sの速度で冷却することにより、溶融物から急激に冷却された必要な組成からなる合金溶融物から形成される。金属ガラスは、長距離原子秩序を示さず、無機酸化物ガラスで観察されるのと同様の拡散ハローのみを示すX線回折パターンを有する。好適な磁気特性を有する幾つかの組成が、Chen他の米国特許第RE32,925号に記載されている。アモルファス金属は、通常、横幅20cm又はそれ以上の長尺の薄いリボン(例えば最大約50μm厚)の形態で供給される。不定長の金属ガラスストリップの形成に有用な方法は、Narasimhanに付与された米国特許第4,142,571号で開示されている。本発明の用途に好適な例示的なアモルファス金属材料は、Metglas,Inc.(サウスカロライナ州コンウェー)が不定長で最大約20cm幅、20〜25μmの厚のリボンの形態で販売する、METGLASR(登録商標) 2605 SA1である(http://www.metglas.com/products/page5_1_2_4.htmを参照)。また、必要な特性を備えた他のアモルファス材料も使用できる。
(ナノ結晶金属)
ナノ結晶材料は、平均的な粒子サイズとして約100ナノメータ以下の多結晶材料である。ナノ結晶金属の属性には、従来の粗粒金属と比較して一般に強度及び硬度が増加して拡散率が高く、延性及び靱性が改善され、低密度、低弾性、高電気抵抗、高比熱、熱膨張係数が高く、熱伝導率が低く、及び軟磁気特性に優れていることが含まれる。ナノ結晶金属はまた、一般にほとんどのFe系アモルファス金属よりも幾分飽和誘導が高い。
(最適化Fe系合金)
本発明の機械はまた、最適化低損失Fe系結晶合金材料で構成することもできる。このような材料は、従来のモータで使用されていた200μm又はそれ以上、及び場合によっては400μm又はそれ以上の厚さの鉄鋼よりもはるかに薄い、約125μm未満の厚さを有するストリップの形態であることが望ましい。方向性及び無方向性材料を共に使用することができる。本明細書における方向性材料とは、構成成分である結晶粒子の主要結晶軸がランダムな方向を向かず、主として1つ又はそれ以上の好ましい方向に沿って相関付けられた材料である。方向性ストリップ材料は、上述のミクロ構造の結果として、様々な方向の励起に対して異なる反応を示すが、一方、無方向性材料は等方的に反応し、すなわちストリップ平面の任意の方向の励起に対してほぼ同じ反応を示す。本発明のモータでは、方向性材料は、磁束の主要方向にほぼ一致する磁化の容易な方向に配置するのが望ましい。
(ロータ材料)
本発明の機械のロータは、任意の種類の永久磁石を含むことができる。サマリウム−コバルト磁石などの希土類遷移金属合金磁石、他のコバルト希土類磁石、又は例えばNdFeB磁石などの希土類遷移金属−半金属磁石が好適である。もしくは、ロータの磁石構造は、任意の他の焼結磁石材料、プラスチック接合の磁石材料、又はセラミック永久磁石材料を含む。磁石は最大BHエネルギー積が高く、高保磁力、及び高飽和磁化を有し、並びに線形第二象限正規磁化曲線を描くことが望ましい。高エネルギー積は磁束を増大させ、従ってトルクが増大し、同時に高価な永久磁石材料の容積を最小にするので、方向性焼結希土類遷移金属合金磁石を使用するのが更に望ましい。別の実施形態では、ロータは1つ又はそれ以上の電磁石を含む。
(低損失材料を含むアキシャルエアギャップ型電気装置)
本発明の方法は、1つ又はそれ以上のロータ構造に軸方向に隣接して配置された2つ又はそれ以上のステータ構造を含む電気装置に適用される。単一のロータと2つのステータを含む例示的な実施形態では、2つのステータは、共通の軸上にロータの相対する側部に配置される。好ましい実施形態では、2つ又はそれ以上のステータは、アモルファス金属又はナノ結晶金属或いは最適化Fe系合金、方向性Fe系材料、又は無方向性Fe系材料などの低損失の高周波材料から構成される。
本明細書において、極とは、時間的に変化しない磁場を意味するが、ここでは、変化する磁場と相互作用する、すなわち大きさ及び方向が時間及び位置と共に変化するDC磁場をも意味する。従って、好ましい実施形態では、ロータ上に取り付けられた永久磁石は、DC磁場、すなわち、DC極とも呼ばれる幾つかの時間的に変化しない磁極を提供する。他の実施形態では、DC電磁石がDC磁場を提供することができる。ステータ巻線の電磁石は、変化する磁場、すなわち時間及び位置の両方で変化する磁場を提供する。
(低損失材料を用いた多極数・高周波設計)
特定の実施形態において、本発明はまた、高周波、すなわち約400Hzより高い転流周波数で運転する多極数のアキシャルエアギャップ型電気装置を提供する。幾つかの場合では、該装置は、約500Hz〜3kHz又はそれ以上の範囲の転流周波数で運転できる。通常、設計者は、Si−Feなどの従来のステータコア材料は多極数で必要となる比例する高周波で運転できないので、高速モータでは多極数が回避される。特に、Si−Feを用いる公知の装置は、材料内の磁束の変化によって生じる鉄損に起因して、400Hzより大幅に高い磁気周波数でスイッチングすることができない。鉄損は、その限度を超えてはどのような許容可能な手段でも装置を冷却することができない温度まで材料を加熱させる。一定の条件下では、Si−Fe材料の発熱が非常に激しく、機械を全く冷却できず自壊することになる。しかしながら、アモルファス金属、ナノ結晶金属及び無方向性金属の低損失特性は、従来のSi−Fe材料よりもはるかに高いスイッチングレートを可能にすることが明らかになった。好ましい実施形態では、METGLAS(登録商標) 2605SA1合金などのアモルファス金属合金の選択は、高周波運転での発熱によるシステムの制約を取り除いたが、他方、ロータ設計及びモータの全体構成もまた、アモルファス材料の特性を有効に利用するように改善された。
(熱特性)
従来のSi−Fe合金を用いた電気機械、及びアモルファス金属、ナノ結晶金属、最適化Si−Fe合金、方向性Fe系金属又は無方向性Fe系金属を用いる電気機械の両方を含む全ての電気機械において、装置の出力効率を制限する特性の1つは、廃熱のエネルギー損失である。この廃熱は、幾つかの発生源に由来するが、主として、巻線のオーム損、表皮並びに近接効果損、磁石並びに他のロータ構成要素における渦電流によるロータ損、及びステータコアの鉄損に由来する。大量の廃熱が発生するため、従来型機械はすぐに廃熱を取り除く能力の限界に達する。従来型機械の「連続的出力限界」は、発生する廃熱の全てを放散しながら機械が連続的に運転できる最大速度によって決定される。連続的出力限界は、電流の関数である。
(効率の改善)
本発明で最適に適用可能な高周波数、多極数の電気装置の1つの利点は、同時にコスト効果を維持しながら装置の効率を最大化する能力である。効率は、装置の有効出力を入力で除算することによって定義される。本発明で最適に適用可能な高周波数、多極数の電気装置は、多極数と同時に高転流周波数で動作し、その結果、低鉄損及び高出力密度を有するより効率的な装置が得られる。400Hzの高い周波数限界は業界規格であり、それを超える実用化は存在するとしても僅かである。
(ステータの位置ずれ)
本発明の1つの態様では、1つ又はそれ以上の基準ステータに対して電気機械の1つ又はそれ以上の回転ステータを選択的に制御する方法が提供される。「選択的整列」又は「位置ずれ」とは、基準ステータ及び回転ステータ並びに関連するロータが全て同軸に配置され、1つ又はそれ以上の基準ステータの対応する歯及びスロットに対して、本発明の機械の1つ又はそれ以上の回転ステータの歯及びスロットの角度変位又はオフセットを意味する。幾つかの実施形態では、機械の1つ又はそれ以上の基準ステータは、機械のハウジングに対する固定位置に配置され、該ハウジングは通常、機械が接続されている機械システムの追加要素に固定される。或いは、基準ステータ及び回転ステータの両方は、所望の位置ずれを生じるため、ハウジングを基準にして角度的に回転可能にすることができる。いずれの場合でも、該位置ずれは、ステータ間で相対的に求められ、モータフレーム又はハウジングに基づいていないものとして理解される。
ステータの所望の角度の位置ずれは、本発明の方法の様々な実施形態において、ロータの極ピッチ又はステータのスロットピッチのいずれかを基準として定義される。スロットピッチは、隣接するステータの電気スロットの中心間の回転方向の距離として定義される。図1は、18個の電気スロットを有するステータのスロットピッチを示している。しかしながら、スロットピッチは従来は度数で測定されたが、ラジアン又は角度測定において当該技術分野で公知の他の所望の単位を適用することもできる。
(端子間定電圧の維持)
ステータ巻線を並列に電気配線することは可能であるが、通常、本発明の実施には好ましくない。例えば、波形30のような1つの波形は、一般に任意の瞬間において他の波形32とは異なる(高い又は低い)電圧を有する。それ故、並列接続では1つのステータから他のステータに有意な電流が流れる確率が高い。このような電流は、環流として知られている。その存在は出力損失及び内部発熱を引き起こす。環流はどのような有用なトルクをも提供せず、場合によっては電気装置に有害となる可能性がある。それにも拘わらず、ステータ巻線の並列接続は、本発明により禁止されない。
(トルクリップルの低減)
幾つかの実施形態では、本発明の機械の1つ又はそれ以上の基準ステータに対して1つ又はそれ以上のステータを選択的に整列する技法もまた、トルクリップルを低減させるために実施できる。
本発明の別の態様では、選択的整列の技法がまた、トルクリップル及びコギングを低減し、或いは望ましくはトルクリップル及びコギングを実質的に除去するために適用することができる。2つ又はそれ以上のロータを含む電気装置の実施形態では、ロータ並びに基準ロータに対するステータの最適な回転位置ずれにより、トルクリップルをほぼ取り除くことができるようになる。
(電気リップルを低減するためのデュアル全波整流器の使用)
リップルは更に、電動機械分野において機械の電気的特性の一定のAC態様を言及するのに使用される。全波整流器などの整流手段は、巻線から多相AC出力を取り出して、比較的平滑なDC出力に変換するために多数の先行技術の発電装置、特に交流発電機で使用される。3相用途では、この整流作用は、従来「全波ブリッジ」又は「ダイオードブリッジ」として知られる6つのダイオード配置により行われる。また他のダイオードブリッジ配置は、3相以外の接続を有する単相及び多相システムが公知である。ブリッジへの入力は、巻線で生成される正弦電圧/電流であり、出力はDCバスとして公知のDCレベルである。図24は、単相、振幅0.5(任意の単位)の正弦AC出力、及び対応する全波整流単相AC出力、及びDCバス上での結合された3相出力を表す単一のグラフを示す。DCバスの電圧は一定とされる場合が多いが(すなわち、Vdc=Vrmsline×(〜1.35))、実際にはDCバス波形は、平均的であるが厳密には一定のDCレベルと小さなAC成分との重ね合わせである。全波ダイオードブリッジ構成での公称DCバス電圧の一般的な変動を図24に示す。AC成分、すなわちバスの平均DCレベルからの変動は、電気リップルとして知られている。一般に電気リップルは、平均DCレベルからのパーセンテージ(誤差)で表される。理想3相全波ブリッジでは、このリップルは元の正弦位相電圧のいずれかの周波数の6倍の周波数で生じる。
(ステータの回転位置ずれ用機構)
本発明の機械は、相対的オフセットが固定又は調節可能な角度で配置されたステータを実装することができる。調節可能オフセットの実施形態では、どのような好適なタイプの位置ずれ手段も、最小及び最大のオフセット量の間で調整することができる。オフセットは、各ステータの対応する歯及びスロットのほぼ完全な整列と最大スロットピッチの半分又は1極ピッチの位置ずれとの間で調節可能であるのが望ましい。手動又は自動的な適応調整を備えた実施形態は、本発明の範囲内である。
(外部制御)
1つ又はそれ以上の基準ステータに対して1つ又はそれ以上のステータを制御された選択的整列の技法は、発生するEMF値を制御するための外部制御電源を用いることにより達成することができる。好ましい実施形態では、外部制御電源は、制御される電気装置に無関係の電源を有する。回転可能なステータの適切な位置決めを選択することにより、所望のEMFを得ることができる。適切な位置決めを達成するための多数の異なる手段が当該技術分野で利用可能である。
(速度依存制御)
回転位置ずれの速度依存制御を伴う実施形態は、一般に機械EMFからのフィードバックを必要としない。代わって、発生するEMFは、速度依存装置が制御できる範囲内に設計される。速度依存装置とは、速度が増加すると回転ステータを基本位置(一般にほぼゼロ位置ずれ)から設計された位置ずれ角度まで移動させる装置である。1つ又はそれ以上の回転ステータの位置ずれ回転率は、発生するEMFの所望の低減率に基づいて定められる。位置ずれは可逆的である。すなわち、速度が低下すると、1つ又はそれ以上の回転可能なステータの位置ずれは低減され、指定された最小速度(速度ゼロ)で位置ずれゼロの基本位置にまで戻る。
(トルク依存制御)
回転位置ずれのトルク依存制御を伴う実施形態は、トルクのみの制御又は速度−トルク制御のいずれかを提供することができる。
(機械システム及びパワーエレクトロニクス制御)
更に別の態様では、アキシャルエアギャップ型電気機械及び該機械をインタフェース及び制御するためのパワーエレクトロニクス手段を備える電動機械システムが提供される。該システムは、モータ又は発電機或いはその組み合わせとして機能することができる。モータ機械は、直接又はDC電源を転流することによってAC電源を供給する必要がある。ブラシ型機械による機械的転流が長く使用されてきたが、大電力半導体装置が使用可能となったことにより、多数の最新の永久磁石モータで使用されるブラシレス電気転流手段の設計が可能となった。発電モードでは、機械(機械的転流を除く)は、本質的にACを生成する。機械の大部分は同期運転であると考えられているが、これは、AC入力又は出力が、回転周波数及び極数に比例した周波数を有するという意味である。従って、例えば電力事業が一般に使用する50又は60Hz網、又は多くの場合は船舶及び航空システムで使用されている400Hz網の電力網に直接接続される同期モータは、特定の速度で運転され、変化量は変化する極数によってのみ得ることができる。同期発電では、原動機の回転周波数は安定した周波数を供給するよう制御される必要がある。該原動機は、生成する回転周波数が本質的に高すぎ又は低すぎて、既知の機械設計の実用的限界内の極数を有するモータでは対応できない場合がある。このようなケースでは、回転機械は、機械シャフトに直接接続できないので、複雑さ及び効率の損失が付加されるにも拘わらず、場合によってはギヤボックスを採用しなければならない。例えば、風力タービンは極めて低速で回転するので、従来のモータでは極数が極めて多数必要となる。他方、標準的なガスタービンエンジンの回転は、所望の機械的効率で適正な運転を得るため極めて高速で回転するので、発生する周波数は極数が少ない場合でさえ許容できない程高い。モータ用及び発電用途の両方の代替手段は、能動的電力変換である。バックEMF制御のための位置ずれ手段を含む本発明の電気機械の実施形態は、特に広範な速度範囲及び/又は異なる出力要件を伴う用途では、能動的電力変換を採用するのが有利である。
(実施例)
(可変速発電機)
発電機では、トルクは常に一定方向にあり、すなわち原動機の回転に抗する方向である。原動機は、例えばガソリン又はディーゼルエンジン、タービン、水車、又は同様の機械的回転エネルギー源などの、発電機を駆動する任意の装置である。低速においては、原動機は通常低出力であり、従って、電力を送る発電機の能力は低い。原動機は通常、高速でより大きな電力を生成するので、従って、発電機は高速で大きな電力を生成するように設計されなければならない。
42、44 ステータ
46 ステータ整列制御装置
48 外部制御システム
Claims (19)
- (a)第1のセットの巻線が配置された第1ステータと、
(b)第2のセットの巻線が配置され、前記第1ステータに対して選択的に整列されて前記第1ステータからオフセットされるようになる第2ステータと、
(c)前記ステータの間に軸方向に配置され、軸線の周りを回転するよう支持されたロータと、
を備え、
前記ステータはアモルファス金属及びナノ結晶金属並びに最適化Fe系合金からなるグループから選択された材料から構成される積層を有するトロイダルコアを含むことを特徴とするアキシャルエアギャップ型電気機械。 - (d)前記第1のセットの巻線に接続された第1全波ダイオードブリッジと、
(e)第2のセットの巻線に接続された第2全波ダイオードブリッジと、
を更に備える請求項1に記載のアキシャルエアギャップ型機械。 - 前記第1ステータと前記第2ステータとの間のオフセットが前記アキシャルエアギャップ型機械の基本周波数の1/12であることを特徴とする請求項1に記載のアキシャルエアギャップ型機械。
- 前記ステータのオフセットを調整するための位置ずれ手段を更に備える請求項1に記載のアキシャルエアギャップ型機械。
- 前記オフセットが、ほぼ完全整列から1/2スロットピッチと1極ピッチとの一方のオフセット量の位置ずれまでにわたるオフセット量によって調節可能であることを特徴とする請求項3に記載のアキシャルエアギャップ型機械。
- 前記位置ずれ手段が、2位置ソレノイド、ボイスコイルモータ、圧電アクチュエータ、ステッパ又はギヤ又は主ネジ付きの他のモータ、真空シリンダ、空気圧シリンダ、油圧シリンダ、及びリニアモータのうちの少なくとも1つを備える請求項3に記載のアキシャルエアギャップ型機械。
- 前記位置ずれ手段がステッパモータ及び主ネジを含む請求項5に記載のアキシャルエアギャップ型機械。
- 前記積層がアモルファス金属から構成される請求項1に記載のアキシャルエアギャップ型機械。
- 前記磁石が希土類遷移金属合金から構成される請求項1に記載のアキシャルエアギャップ型機械。
- 毎相毎極のスロット比率が約0.25〜1の範囲である請求項1に記載のアキシャルエアギャップ型機械。
- 毎相毎極のスロット比率が0.50である請求項10に記載のアキシャルエアギャップ型機械。
- 少なくとも16の極を有する請求項1に記載のアキシャルエアギャップ型機械。
- 約500Hz〜3kHzの範囲の転流周波数で運転するように調整された請求項1に記載のアキシャルエアギャップ型機械。
- 前記機械のインタフェース及び制御のため、及び該機械に作動的に接続されるパワーエレクトロニクス手段を更に備える請求項1に記載のアキシャルエアギャップ型機械。
- アキシャルエアギャップ型機械を運転する方法であって、
(a)第1のセットの巻線が配置された第1ステータと、第2のセットの巻線が配置された第2ステータと、前記ステータ間に軸方向に配置され且つ軸線の周りを回転するよう配置されたロータとを備え、前記ステータがアモルファス金属及びナノ結晶金属並びに最適化Fe系合金からなるグループから選択された材料から構成される積層を有するトロイダルコアを含むアキシャルエアギャップ型電気機械を準備する段階と、
(b)前記第2ステータが前記第1ステータの歯からオフセット量だけオフセットされるように、前記第1ステータに対して前記第2ステータを選択的に整列する段階と、
を含む方法。 - 前記オフセット量が前記機械のトルクリップルを低減するように選択されることを特徴とする前記請求項15の方法。
- 前記機械は、最小オフセットから最大オフセットの範囲の量だけステータのオフセットを調整する位置ずれ手段を更に備え、
前記方法が、前記位置ずれ手段を用いて前記オフセット量を調整する段階を含む前記請求項15の方法。 - 前記オフセット量がほぼ一定の電圧特性を維持するように調整される前記請求項17の方法。
- 前記パワーエレクトロニクス手段から前記位置ずれ手段に伝送される信号を用いて、前記オフセット量の調整を適応的に制御する段階を含む前記請求項18の方法。
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