JP2008511281A - 軸磁束誘導電気装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、フレームと、当該フレームにベアリング搭載されたシャフト（１）と、前記シャフトに支持されたディスク状ロータ（２）と、ステータ巻線（３）を具え前記フレームの前記ロータの第１の側に軸方向に支持されたステータ（４）とを具える軸磁束誘導電気装置に関する。前記ディスク状ロータ（２）は、高導電性の材料で作成された非強磁性のロータフレーム（８）を具え、このロータフレームは、同じ材料で構成された均一な内周部（９）と、外周部（１０）と、複数の導電バー（１１）とを具え、前記導電バーが前記内周部および外周部とともに前記ロータフレームに加えてロータの巻線ケージを形成している。さらに、前記内周部と外周部の間には、複数の強磁性ピース（１２）が、互いに適切な間隔を開けて前記フレームプレートを通り突出しており、これにより前記ロータの放射状の導電バーがこれらのピース間に適切に配置される。本発明によると、前記ディスク状ロータフレーム（８）が、機械加工された円形プレートか加工硬化された金属板のいずれか１以上を具える。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルに記載するように、軸磁束誘導電気装置に関する。本発明は特に、主にモータとして機能するよう開発されたものであるが、これと異なる発電機として具体化してもよい。

誘導装置は通常装置内に非常に少ない極（２、あるいは最大４）である場合に最も良好であるため、軸磁束装置は、本質的に高速誘導装置としてはそれほど適さなかった。しかしながら、ステータの巻線のコイル端の構成はしばしば二極の機能的な解決策（functional solution）とならないため、二極の解決策は往々にして軸磁束装置には適さない。このため、高速軸磁束装置は通常少なくとも四極構成で設計される。このケースでは、ステータヨーク内の磁束と巻線内の装置の電流の双方が、装置の内周部および外周部の１／４を接線方向にトルクを発生することなく流れる必要がある。

それでも軸磁束誘導装置は、構成価格が安価となるため、多くのアクチュエータに組み込むのに興味深い選択肢である。

軸磁束装置のいくつかの種類が知られている。これらの利点は、ステータが巻線のストリップで構成されており、このため材料の損失が非常に小さい。軸磁束装置の別の利点は、装置が非常に短くなることである。とりわけ永久磁石の軸磁束装置が実践的な実施例で見うけられる。

この分野で周知の技術が、米国特許３２９６４７５に開示されている。この特許は、鋳造でなるディスク状ロータを具える軸磁束装置を開示している。その構造は単純で製造が簡単であるが、比較的高い回転速度において既に耐久性が低くなるという主な難点がある。このため、この構造は、通常は３０００ｒｐｍ以下の低い回転速度にのみ適している。

本発明の目的は、上述した欠点を解消することにある。特に、本発明の目的は、その構成が簡単で、コンパクトで、１０，０００ｒｐｍ以上、さらには３０，０００ｒｐｍ以上の高い回転速度にも耐えられ、例えばポンプ、ブロワ、コンプレッサなどの様々な動力ツールに便利に組み込むことができる新規な軸磁束誘導装置を導入することである。

本発明の軸磁束誘導電気装置は、請求項１に示される特徴を有する。

本発明の軸磁束誘導装置は、フレームと、当該フレームにベアリング搭載されたシャフトと、前記シャフトに支持されたディスク状ロータと、ステータ巻線を具え前記フレームの前記ロータの第１の側に軸方向に支持されたステータとを具える。このディスク状ロータは、高導電性の材料で作成された非強磁性（non-ferromagnetic）のロータフレームを具え、このロータフレームは、均一な内周部および外周部と、同じ材料で構成された複数の導電バーとを具え、前記導電バーが前記内周部と外周部をガルヴァーニ接続し、前記導電バーが前記内周部および外周部とともに前記ロータフレームに加えてロータの巻線ケージ（cage winding）を形成している。前記ロータの内周部および外周部の間には、複数の強磁性ピースが、互いに適切な間隔を開けて前記フレームプレートを通り突出しており、これによりロータの放射状の導電バーがこれらのピース間に適切に配置される。本発明によると、前記ディスク状ロータフレームが、機械加工された円形プレートか加工硬化された金属板のいずれか１以上を具える。

前記ロータフレームは、ロール加工され、あるいは加工硬化されたアルミニウム合金シートであり、導電性が高く、例えば３５ＭＳ／ｍで通常１５−２８ＭＳ／ｍの範囲で変動し、比透磁性がおよそ１である、純粋なアルミニウムに可能な限り近いことが好ましい。好適なアルミニウム合金はいずれも耐久性があり、導電性が良好である。純粋なアルミニウムは、アルミニウム合金より電気をよく伝導するが、機械的にもろく、このため高速装置への応用に許容できない。

従来のインダクションモータでは、装置ロータの巻線ケージを鋳造（cast）するには、可能な限り純粋なアルミニウムが用いられる。本発明の驚くべき特徴は、適切に配合されたアルミニウム合金を導電構造と実際のロータフレーム構造の双方に適用することである。本発明では、適切な銅合金も同様に考慮しうる。このロータでは、磁束の経路としてスチールが用いられており、公知技術ではスチールの部分がロータの支持構造を含む。ロータ全体、すなわち、ロータフレームと短絡リング（short-circuit rings）の双方に丈夫なアルミニウムか銅を用いる場合、ロータの強磁性部分により生じる遠心力にも耐える丈夫な構造が得られる。

加工硬化させたフレームプレートの材料はまた、丈夫な非強磁性材料でなり、比透磁性がおよそ１で、できるだけ導電率が高くなるように構成してもよい。

このロータフレームは、２または複数の接合された加工硬化プレートを具える。特定のケースでプレートの数は多く、多追えば１０−２０のプレートである。ロータの耐久性を増すべく、ロータ表面または好適にはロータのプレート間にカーボン繊維プレートを用いてもよい。さらに、カーボン繊維プレート内で、繊維はロータの経方向に作用する遠心力を受けるよう配向されていることが好ましい。さらに、知られているように、カーボン繊維は暖かくなると収縮し、動作中の半径方向のロータ構造が一層締まることとなる。

本発明の一実施例では、ロータフレームの表面および／またはロータプレート間に、ブレードまたは関連する他のモータ部品を設けて冷却風を発生させる。この目的のため、ロータには軸方向に穴があり、ここを通ってロータプレート間または関連する他の通風ダクトに配置されたブレードに空気が流れる。発生した気流により、ステータ、ロータ、およびモータの他の部分を効果的に冷却することができる。

ブロワブレードを組み込むことも可能であり、この場合はブロワとこれを回転させるモータはともに回転面がなるべく少なくなるようにする。これにより表面摩擦が最小限となり、高速回転時に構成全体の効率が向上する。

好適な実施例では、ロータの強磁性ピースは従来の構造用スチール、例えばＦｅ５２で構成される。この鋼種は飽和磁束密度が高く、この鋼種はこのためロータに磁束を伝えるのに適している。当業者であれば、ロータに磁束を伝えるために透磁性が高く飽和磁束密度が高い様々な材料を用いることを予測可能である。この材料はまた、上述した電磁特性を有する適切な混成材料であってもよい。強磁性パーツの導電性は低い方が望ましい。通常、しかしながら、スチールの導電性が低くなるに伴い、飽和磁束密度も低下するため、満足する妥協点を見つける必要がある。鉄損を減少すべく、中実のスチール部品を層板材料と置き換えてもよい。この場合、ロータを通る磁束の通路は電気シートの小片を貼り合わせて構成することができる。

これらの強磁性ピースは、ロータの放射方向に延在しており、幅の細い扇形を短くしたような形状であることが好ましい。

本発明の一実施例では、磁束を伝達する要素は強磁性材料でなるラミネートリングまたはディスクである。これらの円形またはディスク状材料は、装置のフレームに支持されていることが望ましく、換言すれば、それは静止しており、回転ロータから適切な僅かな空隙が設けられている。問題の部品に巻線がない場合、実際上は、磁極ピッチを越えて磁束が通りその後ロータを通って実際のステータに戻る、ロータの磁気を帯びた後部を具える。

この要素の利点は、この要素を用いた場合に、ほぼ同じ磁束が装置の両方の空隙に流れるため、装置が非常に小さな軸力を発生することにある。

磁束を誘導するための円形またはディスク状の部品はロータに支持され、すなわち回転ロータの一部として構成されてもよい。層板部材（laminated element）の代わりに、これもまたロータ内で磁極ピッチを越えて磁束を通しこのため磁束がステータに戻ることができる硬質のスチールロータヨークを、必要に応じて、上述のロータの背面に取り付けてもよい。このケースでは、著しく大きな軸力が発生し、これを特定の実施例に適合させることができる。この構成では、例えばブロワブレードまたはポンプブレード用のロータ構成を回転ロータヨークに直接固定することができ、これにより完全に一体化した装置ソリューションを提供する点で、特に関心深いものである。電磁的な観点からは、中実のロータヨークは難点のある解決策であるが、ロータ巻線がアルミニウムで構成される場合、ロータの滑り周波数は非常に低く抑えられ、このため中実のロータヨークは唯一の重要でない不都合である。

本発明の一実施例は、ロータの両側に１つづつ２つの固定ステータを用いており、正味の軸磁気引力の僅かな量が装置内で生成される場合にのみ、この電気装置の磁束は両方の空隙を流れるようになっている。これにより、装置内で必要なベアリングが顕著に単純化され軽量化される。しかしながら、この種の力学バランスの前提条件は、磁束がロータディスク内で接線方向に流れるのが許されていないことである。本発明では、この前提条件は非等方性ロータ構造により達成される。実際には、磁束は非常に直接的にロータ内を流れ、未だ接線方向でほぼ非強磁性である。ロータ内では、強磁性ピースのみが磁束をロータの軸方向に１のステータから他のステータへ案内する。

本発明の構成は、公知技術と比較した場合に有意な利点がある。装置の構成は全体として非常に短く、動力ツールに組み込むことが簡単であり、製造が簡単である。本発明のロータは、従来のロータ構造と比較して非常に耐久性があり、高い回転速度が実現する。

本発明を、添付の図面を参照しながら実施例について以下に詳細に説明する。

図１は、本発明にかかる電気装置を示し、装置フレームに対し回転するシャフト１と、シャフトに支持されたディスク状ロータ２とを具え、このロータの側面図も示されている。ロータ２の第１の側のシャフト１の方向には、装置フレームに支持されステータ巻線３を具えるステータ４がある。ロータ２とステータ４の間には小さな空隙１４があり、対応する反対側の空隙１５の後ろには磁束を伝導する部品があり、この部品は本実施例ではそれぞれフレームに固定されたロータヨーク５である。このロータヨークは、適切な複合材料で構成することができ、またこれは電気シートから螺旋状に張り合わされていてもよい。ロータのフレームプレートは、機械加工で加工硬化され、適切なアルミニウム合金または銅合金のロールシートである。

図２の第２実施例にいて、ロータ２とステータ４は図１の実施例と同様である。磁束を伝導する部品６は、代わりにステータ４に対応する構造であり、ステータ巻線１３を具えている。

図１に示す電気装置の装置構成における磁束と電流の経路が、図３に示されている。

図４は、本発明の２枚のプレートが貼り合わされたロータの実施例の更なる詳細図である。これらのプレートは機械加工され、例えば加工硬化されたアルミニウム合金シートを精密スタンピングされる。この巻線ケージとして形成されたフレームプレート８は、同じ材料でなる均一な内周部９と、均一な外周部１０と、複数の導電バー１１とを具え、この導電バーが内周部と外周部をガルヴァーニ接続している。導電バーは、ロータの半径方向に延在する同じ寸法のバーであり、内周部と外周部の間に等間隔で設けられている。これらの内外周部と導電バーの間には、複数の細長い開口がロータの半径方向に等間隔で形成されており、これらの開口に対応する形状の強磁性ピース１２がこれらの開口に挿入され、ロータ２の非強磁性のフレームプレート８を介して磁束の軸方向への経路が形成される。

図５ａは、強磁性ピース１２の代替構成を示す図である。このピースはロータ開口と同じ形状であり、ロータ半径方向に内側にテーパしている。このピースは、ロータ開口に挿入される中実のウェブ１６を具え、ウェブの他方の端面は、このウェブに対して固定され、当該ウェブより幅が太い中実の支持フランジ１７を具えている。これによりウェブがロータ開口にフィットし、ウェブは開口を完全に塞ぎ、支持フランジが同時にウェブが開口内で向きが変わるのを防ぐ。支持フランジに対応する固定フランジ１８がウェブの開口とは別の側に固定されており、この固定フランジは強磁性ピース１２をその位置に固定する。このようにして、固定フランジ１８のウェブ１６への固定は、例えば溶接、ネジ止め、および／または接着など様々な方法で実現することができる。

図６ａは、強磁性ピース１２の第２の代替例を示す図である。この実施例では、細いＨ型鋼の層板が用いられ、これらの層板はロータ開口に次から次へとスタックされる。層板の大部分は回転して検査位置（look-up position）に配置でき、最後のいくつかの層板がＴ字形として位置決めする必要がある。

図５ｂと６ｂはまた、強磁性ピース１２の代替構成を示す。鉄の相対的な形状がロータ内で外周部に向かって増大し、これに伴い磁束密度が外周部に向かって有意に減少するため、鉄部分の遠心力がロータを保持しているアルミニウムに不要なストレスを生じさせる。このため、鉄のピースは、モータの電磁特性を損なうことなく軽量化することができる。図５ｂ、６ｂがウェブ１６における扇形かつ内側テーパ型の軽減用開口２３またはキャビティを示すため、キャビティの両側の長さ全体でウェブプレートは均一な厚さである。

代替的な方法は、ウェブを均一な厚さで構成することであるが、この場合には支持フランジ１７と固定フランジ１８が外周部においてウェブより著しく幅広くなり、この場合に機械的および磁気的な特性が失われてしまう。

図７は、図１と図２に対応する図であり、アルミニウムロータの開口に歯が取り付けられたソリッドな強磁性のスチールプレートが、磁束を伝導すべくステータ４の反対側のロータ２の表面に固定された本発明の第３実施例を示す。これにより、ステータから見たロータのアルミニウムケージを通って突出する強磁性の歯と、ロータの背面に配置された均一の強磁性プレートとがともに磁束の経路を形成する。

図７の点線はさらに、ブレード１９がスチールプレート７の外側面にその外周部の近くに設けられた本発明の実施例を示す。これらのブレードはスチールプレートを機械加工するか、適切な方法でスチールプレート７に取り付けられた個別の構造体であってもよい。回転面で生じる表面摩擦が最小限となる高効率ブロワが、適切なハウジングを構造に組み込むことにより簡単かつ単純に得られる。このケースでは、組み込む方法は、従来の放射磁束構成より有意に安価となる。

図８に示すように、いくつかの層を貼り合わせ、１またはいくつかの中間部のプレートを除去して例えば放射状に延在するブレード２０などの適切なスペーサに置換したフレームプレート８もまた可能である。これにより放射状に延在するダクトがフレームプレートに作成され、このダクトは効率的に構造体を冷却する組込型ブロワを実現する。このケースでは、好ましくはロータを通って軸方向にシャフトの近くに延在するダクト２１があり、このダクトは空気の取り入れ口として機能する。

図８はさらに、２枚のカーボン繊維プレート２２が金属プレート間に配置された本発明の第２実施例を示している。これらのプレートは、特に、プレート内のカーボン繊維が適切に主に半径方向に配向されている場合に、周囲の金属プレートを支持するロータの半径方向の剛性を高める。このため、ロータは高速回転に耐えうる。したがって、複数の金属プレートを貼り合わせた本発明のロータ構造では、金属プレートがロータを半径方向に保持するロードベアリング構造として機能し、図５および図６の開口を通って延在するよう配置されたプレートの強磁性ピースが、これらのプレートを軸方向に保持する。

本発明は例として説明した上記実施例に限定されるものではなく、クレームに規定された発明的思想の範囲内で様々な変更を施すことができる。

図１は、本発明の電気装置第１実施例の側面図と、そのロータを別の方向から見た図である。 図２は、本発明の第２実施例を図１と同様に示す図である。 図３は、図１に示す装置の電流と磁束の経路を示す図である。 図４は、本発明のロータ巻線ケージを示す図である。 図５は、図４に示す巻線ケージに接続される強磁性ピースの第１実施例を示す図である。 図６は、図４に示す巻線ケージに接続される強磁性ピースの第２実施例を示す図である。 図７は、本発明の第３実施例を図１と同様に示す図である。 図８は、本発明のロータの側面図である。

Claims (12)

1. フレームと、当該フレームにベアリング搭載されたシャフト（１）と、前記シャフトに支持されたディスク状ロータ（２）と、ステータ巻線（３）を具え前記フレームの前記ロータの第１の側に軸方向に支持されたステータ（４）とを具え、前記ディスク状ロータ（２）は、高導電性の材料で作成された非強磁性（non-ferromagnetic）のロータフレーム（８）を具え、このロータフレームは、同じ材料で構成された均一な内周部（９）と、外周部（１０）と、複数の導電バー（１１）とを具え；前記導電バーが前記内周部および外周部とともに前記ロータフレームに加えてロータの巻線ケージ（cage winding）を形成しており；前記内周部と外周部の間には、複数の強磁性ピース（１２）が、互いに適切な間隔を開けて前記フレームプレートを通り突出しており、これにより前記ロータの放射状の導電バーがこれらのピース間に適切に配置された軸磁束誘導電気装置において、前記ディスク状ロータフレーム（８）が、機械加工された円形プレートか加工硬化された金属板のいずれか１以上を具えることを特徴とする軸磁束誘導電気装置。
2. 請求項１に記載の軸磁束誘導電気装置において、前記ロータフレーム（８）は、２または複数の接合された加工硬化プレートを具えることを特徴とする軸磁束誘導電気装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の軸磁束誘導電気装置において、前記ロータフレームプレートの材料の比等時性がおよそ１であることを特徴とする軸磁束誘導電気装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の軸磁束誘導電気装置において、前記ロータフレームがアルミニウム合金または銅合金で構成されていることを特徴とする軸磁束誘導電気装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の軸磁束誘導電気装置において、前記ロータフレーム（８）の表面および／またはそのプレート間に、冷却風を発生させるブレードまたは関連するモータ部品を具えることを特徴とする軸磁束誘導電気装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の軸磁束誘導電気装置において、前記ロータフレーム（８）のプレート間および／またはその表面に、繊維が遠心力を伝える（carry）よう配向された１以上のカーボン繊維プレートを具えることを特徴とする軸磁束誘導電気装置。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の軸磁束誘導電気装置において、前記強磁性ピースは、構造用鋼および／または層板プレート構造であることを特徴とする軸磁束誘導電気装置。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の軸磁束誘導電気装置において、前記強磁性ピース（１２）が、前記ロータの半径方向に延在し、実質的に細い扇形を短くしたような形状をとることを特徴とする軸磁束誘導電気装置。
9. 請求項８に記載の軸磁束誘導電気装置において、前記強磁性ピース（１２）のウェブ（１６）が、放射方向の中間キャビティのような軽量用開口（２３）を具え、前記ウェブ内の磁束密度が前記軽量用開口の範囲でほぼ一定に維持されることを特徴とする軸磁束誘導電気装置。
10. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載の軸磁束誘導電気装置において、前記電気装置が、前記ロータの軸方向反対側に磁束を伝導する部品（６）を具え、この部品が強磁性材料でなるリングまたはディスクであることを特徴とする軸磁束誘導電気装置。
11. 請求項１０に記載の軸磁束誘導電気装置において、前記フレームに、磁束を伝達する環状またはディスク状部材（５）が支持されていることを特徴とする軸磁束誘導電気装置。
12. 請求項１０に記載の軸磁束誘導電気装置において、前記ロータ（２）に、磁束を伝達する環状またはディスク状部材（５）が支持されていることを特徴とする軸磁束誘導電気装置。

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