JP2010514392A - オーバーモールドされた、即ち被覆された電気機械 - Google Patents

Abstract

本発明は、オーバーモールドされた電気モータ又はオーバーモールドされた磁気懸架装置により構成される電気装置の少なくとも１つの部品を具備する回転式電気機械に関する。この電気装置は、ロータ（１０２）と、複数の磁極片（１５４）を有するステータ（１５０）と、コイル（１５２）とを具備する。ロータ（１０２）に面したステータ（１５０）の面には、腐食からの保護を与える少なくとも１つのスリーブ（１０１）又はコーティング（１９０）が与えられている。ロータ（１０２）に面したステータ（１５０）の面のスリーブ（１０１）又は保護コーティング（１９０）には、エアギャップ（ｅ）を規定している主面（１５５）に対して凹んだ複数の部分（１１１）が設けられている。これら凹んだ部分（１１１）は、ロータ（１０２）の周りのエアギャップを流れる流体の移動をシミュレーションすることにより、ステータの端部に沿って介在されている。

Description

本発明は、オーバーモールドされた（overmolded）電気モータ又はオーバーモールドされた磁気懸架装置により構成される電気装置の少なくとも１つの部品を具備する回転式電気機械であって、電気装置は、ロータと、複数の磁極片とこれら磁極片を夫々囲んでいる複数のコイルとを有するステータとを具備し、ステータには、ロータに面して位置されたこのステータの面に対する攻撃的な環境からの保護のための少なくとも１つの保護コーティングが与えられ、また、ステータは、ステータとロータとの間に位置されたエアギャップを規定している、電気機械に関する。

特に、構造体に対してロータを磁気的に懸架させるための装置が、既に知られている。この装置は、ロータの位置を平衡位置にサーボ制御するための回路に接続ワイヤで接続された少なくとも１つの電磁ステータコイルを有する少なくとも１つの能動磁気ベアリングと、電磁ステータコイルの温度を制御するための手段とを有する。この装置は、ジャケット又はオーバーモールディングにより環境から保護されている。

通常の形態では、このような配置は、ステータとロータとの間のエアギャップを減少させることと、このエアギャップ内の冷却流体（高密度ガス）の流れを妨げるガスシーリング効果を生じることとの欠点を有し、さらに、堅さ（stiffness）を高めることと、直接的な及び複合的な（crossed）ダンピング（流体ベアリング効果）を弱めることとの欠点も有する。これらは、懸架の安定性を害し、ターボ機械に共通して観察される種類のサブ同期周波数を高め、さらに、加えられた質量の影響も生じる。

複合的な堅さ及びダンピングのこれら現象は、ターボ機械の複雑な場（labyrinth field）で直面する現象と同様であり、このような有害な影響は、コンプレッサの全ての製造業者によく知られている。

従来技術において、ジャケット又はコーティングにより磁気ベアリング又は電気モータを攻撃的な環境から保護することは、規則的なシリンダの形態で設けられている。シリンダとロータとの間のエアギャップは、磁気ベアリングでは０．５ｍｍないし１ｍｍ、また、モータでは１ｍｍないし１０ｍｍのオーダである。

シリンダの全長は、数センチメートルないし数十センチメートルの範囲にあることができる。ガスを不安定にさせる影響は、（高圧での）ガス濃度を増加させること、エアギャップを減少させること及び長さを増加させることにより高まる。

図４並びに図５は、特許文献ＥＰ００９７５９０Ａ１に記載された種類の、従来技術のシールされた囲いに配置されたロータのための磁気懸架装置の一例を示している。

図４は、シールされた囲い１の内側に配置され、構造体１０に装着された複数のステータを有する磁気ベアリング４、５の助けと接触することなく支持されたモータ２を示している。

ロータ２を駆動させるための電気モータ３は、ロータ２に装着されたアーマチュア３３と、構造体１０に取着され、コア３１と励磁コイル３２とを有するステータ、即ち界磁コイルとを有する。

前記シールされた囲い１は、アーマチュア３３と、この囲い１の壁１６と接触し、磁極を規定している端部を含むラミネートの積層でできたコア３１との間に介在されている。また、空間が、アーマチュア３３と壁１６との間に残されている。

各磁気ベアリング４、５は、ロータ２に装着された積層磁気材料の環状のアーマチュア４３、５３と、構造体１０に固定されたステータ４１、５１との両方を有する。これらステータ４１、５１は、電磁石５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄにより構成され、これら電磁石は、シャフト２の軸線の理論上の位置を中心として規則的に分布されている。また、ステータは、コイル４２、５２と連結されたヨーク４１、５１を有し、各ヨーク４１、５１は、シールされた囲いのすぐ近くで終端している複数の磁極片を規定しており、ここで、これら磁極片は、対応する環状のアーマチュア４３、５３に面している。また、エアギャップが、囲い１とアーマチュア４３、５３との間に残されている。

ロータ２の径方向位置を検出するための検出器６、７は、磁気ベアリング４、５と、電磁的な手段によってのみ支持されたロータ２の位置を安定にさせるためのサーボ制御回路（図示されない）と接続されている。また、ボールベアリング８が、緊急時の使用のためにのみ存在し、存在する横方向のクリアランスは、ロータ２と磁気ベアリング４、５のステータとの間、並びにモータ３と径方向検出器６、７との間に存在するクリアランスよりもわずかに小さい。

一例として、位置検出器６、７は、電磁式であることができ、各々が、ロータ２に配置された環状のアーマチュア６３、７３と、巻き線６２、７２と一体的なヨーク６１、７１により構成されたステータとを有する。このステータは、例えば、接続要素６５と７５により構造体１０に取着されている。シールされた囲いは、各検出器のステータと、これに対応する環状のアーマチュア６３又は７３との間に配置されている。図４は、軸方向検出器９も示している。

本発明は、上述の欠点を克服することと、ガスによる不安定な影響をかなり減少させるために、ガスの真の流れが、ロータとステータとの間のエアギャップを規定しているシリンダに沿って及び内側に与えられることを可能にするよう努める。

かくして、本発明は、通常の形態の不安定な影響を避けるために、ステータをオーバーモールドすることによって、若しくは、磁気又は非磁気、導電性又は非導電性のジャケットのようなものを使用して被覆することによって、電気モータ、又はコイルを有する磁気懸架装置のような、ロータとステータとを有する電気機械を攻撃的な環境から保護することを可能にするよう努める。

一般的に、本発明は、高い腐食性である高密度流体に機能する回転式電気機械に対して、しばしば完全に受け入れられない可能性がある主な不安定な影響を避けるよう努める。これら影響は、高い流圧、ロータの高速回転に対して、ステータとロータとの間の小さなエアギャップによるものである。

本発明に係われば、これら目的は、オーバーモールドされた電気モータ又はオーバーモールドされた磁気懸架装置により構成される電気装置の少なくとも１つの部品を具備する回転式電気機械であって、前記電気装置は、ロータと、複数の磁極片とこれら磁極片を夫々囲んでいる複数のコイルとを有するステータとを具備し、このステータには、前記ロータに面して位置されたこのステータの面に対する攻撃的な環境からの保護のための少なくとも１つの保護コーティングが与えられ、また、前記ステータは、このステータと前記ロータとの間に位置されたエアギャップを規定している、電気機械において、この電気機械は、前記ロータに面した前記ステータの面に与えられた前記保護コーティングには、前記エアギャップを規定している主面から凹むように設けられた複数のセットバック部分が与えられ、これらセットバック部分は、前記ステータの周りに分布され、かつ前記複数の磁極片の間に夫々形成された複数のスロットのいくつかのみを占めていることを特徴とする電気機械により果される。

ロータに面したステータの面に与えられた保護コーティングに、エアギャップを規定している主面から凹むように設けられた複数のセットバック部分を形成することによって、特に、以下の効果が得られる。
これらセットバック部分は、冷却流体を通過させるための大きな経路を与え、かくして、温度条件をかなり改良する。
これらセットバック部分は、ガスがロータの回転速度以下の速度で回転するフィルムを形成するのを防ぐように機能する。このようなフィルムは、ガスシールでターボ機械に共通して観察される種類のサブ同期励磁現象をしばしば生じる。
これらセットバック部分は、ロータを囲んでいる体積が増加されるのを可能にし、かくして、ロータが径方向に移動したとき、ロータの周りのガスの移動を促進する。従って、直接的な及び複合的な堅さ及びガスの影響によるダンピングをかなり減少させ、さらに、加えられた質量の影響も減少させる。

第１の実施の形態では、前記複数のセットバック部分は、前記ステータの前記複数のコイルの全てを覆っているが、このステータの前記複数の磁極片の間に残った空間の一部のみを満たしているオーバーモールディングの助けにより形成されており、かくして、前記複数のセットバック部分を規定している前記オーバーモールディングの自由面は、前記複数の磁極片の前記端面に対して夫々段部を形成している。

第２の実施の形態では、電気機械は、前記ステータの前記複数のコイルの全てを覆っており、かつ前記複数の磁極片の前記端面の水準に合わせて形成されたオーバーモールディングを有し、このオーバーモールディングは、前記複数のセットバック部分を形成するように、前記複数の磁極片の少なくともいくつかの間に、前記オーバーモールディングに形成された複数のグルーブを有する。

第３の実施の形態では、電気機械は、前記複数のセットバック部分を形成するように、前記複数の磁極片の少なくともいくつかの間に夫々規定された前記複数のスロットに延びた複数の狭間部分を規定しているジャケットを有する。

電気機械が複数のグルーブを有するオーバーモールディングであるとき、前記ジャケットの前記狭間部分は、このオーバーモールディングに形成された前記複数のグルーブに配置されている。

好ましい実施の形態では、前記ジャケットは、電気的な導電材料でできており、このジャケットの前記複数の狭間部分は、前記複数の磁極片の間に形成された前記複数のスロットの間の他の全てのスロットに夫々対応した複数のゾーンに位置されている。

第４の実施の形態では、前記ステータは、各々が独立であるようにしてオーバーモールドされて被覆された少なくとも２つの独立したセクタを有し、また、前記複数のセットバック部分は、前記独立したセクタの間に残った空間により形成されている。

前記電気機械は、少なくとも２つの独立したセクタを有することができる。

しかし、好ましくは、前記複数のセットバック部分を構成している前記複数のセクタの間に空間を規定している４又は８の独立したセクタを有する。

前記回転電気装置は、放射状磁気ベアリング又は電気モータにより構成されている。

本発明の他の特性並びに効果が、特定の実施の形態の以下の記載から自明である。これらは一例であり、添付図面が参照される。

図１は、本発明の第１の実施の形態を構成している電気機械の軸線に垂直な面での断面図であり、この機械のステータには、オーバーモールディングが与えられている図である。 図２は、本発明の第２の実施の形態を構成している電気機械の軸線に垂直な面での断面図であり、この機械のステータには、オーバーモールディングとジャケットとの両方が与えられている図である。 図３は、本発明のさらなる他の実施の形態を構成している放射状磁気ベアリングの軸線に垂直な面での断面図であり、ロータが、４つの独立したクォードラントを有する図である。 図４は、従来の実施の形態において、漏れを通さない（leaktight）囲いの内側に配置されたロータに対する電磁的な懸架の一例の軸方向の半断面図である。 図５は、従来の放射状磁気ベアリングの構造体を示す図４のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。

図１は、放射状磁気ベアリング又は電気モータであることができる回転式機械電気装置の図である。この回転式機械電気装置は、アーマチュア１２１と係合したロータ１０２と、ステータ１５０とを有する。

前記ステータ１５０は、積層磁気材料のヨーク１５１を有する。このヨーク１５１は、前記ロータ１０２の周縁部に配置された環状のアーマチュア１２１から所定の短い距離離れた所に位置された端部１５５を有する複数の磁極片１５４を有する。かくして、エアギャップｅが、ステータ１５０のこれら磁極片１５４の端部１５５と、ロータ１０２のアーマチュア１２１との間に規定される。

複数のコイル１５２が、前記複数の磁極片１５４を夫々囲んでいる。また、保護コーティング１９０が、これら磁極片１５４とコイル１５２とにオーバーモールドされている。

しかし、本発明に係われば、前記ステータ１５０の複数のコイル１５２の全てをコーティングしているオーバーモールディング１９０は、このオーバーモールディング１９０の自由面が、前記複数の磁極片１５４の端面１５５から凹むように設けられ、かくして、これら磁極片１５４の間に複数のセットバック部分１９２を規定し、これらセットバック部分１９２が、ステータ１５０の周りに介在されるように、ステータ１５０のこれら磁極片１５４の間に形成された空間の一部のみを満たしている。これらセットバック部分１９２は、ロータのアーマチュア１２１と、このアーマチュア１２１に面したステータの面との間で流体を冷却する流れを改良するように機能する。かくして、温度条件が、改良され、冷却ガスが、ロータの回転速度以下である所定の速度で、エアギャップの内側で回転するフィルムが形成されるのを防ぐことができ、かくして、特にサブ同期励磁現象を減少させる。ロータを囲んでいる体積を増加させることによって、一般的に、ガスがロータの周りを移動するのを容易にすることが可能であり、流体の効果により与えられる寄生剛性（parasitic stiffness）及びダンピングを減少させる。

図２は、可能な第２の実施の形態を示している。第２の実施の形態では、ステータ１５０の複数のコイル１５２の全てをコーティングしているオーバーモールディング１９０は、複数の磁極片１５４の端面１５５の水準（level）に合わせて形成されている。この例では、複数のグルーブが、複数の磁極片１５４の全て又はいくつかの間で、前記オーバーモールディング１９０に形成されている。

図２に示されるように、前記オーバーモールディング１９０は、複数の磁極片１５４の間に形成された複数のスロットの間の他の全てのスロットに夫々対応した複数のゾーン１９１で、これら磁極片１５４の端面１５５の水準で端が揃っている。

図２では、磁気ベアリングの電気モータのステータは、複数のコイル１５２にオーバーモールドされた保護コーティング１９０のみならず、ステータとロータ１０２のアーマチュア１２１との間のエアギャップｅに流れる攻撃的な（aggressive）流体からステータを保護するように、機密にシールされたジャケット１０１を有する。

このような状況の下で、前記ジャケット１０１は、オーバーモールディング１９０と複数の磁極片１５４の夫々の端面１５５との近くに係合している円筒部分１１０と、前記複数のスロットに夫々突出している複数の狭間（crenellated）部分１１１とを有し、グルーブは、オーバーモールディング１９０の間に形成されている。

前記複数のセットバック部分は、前記ロータ１０２のアーマチュア１２１と前記ジャケット１０１との間の前記エアギャップを流れる流体の利用可能な体積を増加させる。

内側のオーバーモールディング１９０は、圧力の影響の下で前記ジャケット１０１が変形するのを防ぐ。このような予防策は、ジャケットに機械的応力が発生されるのを防ぐために必要とされる。なぜならば、このような機械的応力は、ジャケットに疲労効果を与え、かくして、加圧及び減圧サイクルに関するこのジャケットの寿命を減少させるからである。さらに、このような応力が、腐食に対する耐性を減少させる。

全ての状況の下で、図２に示されるように、所定の磁気回路の２つの磁極片１５４が、前記２つの狭間部分１１１、即ちジャケット１０１の歯を含むように、電気的な導電材料（例えばステンレス鋼）のジャケット１０１の狭間部分１１１にとって、これら磁極片１５４の間に夫々規定された複数のスロットの間の他の全てのスロットに形成されることが重要である。これは、これら磁極片１５４の各々にショート回路が形成されるのを避け、かくして、流れの変化の障害となるのを避けるように機能し、磁気ベアリングの通過帯域を減少又は除去させる。

前記ジャケット１０１は、ベアリングの磁気エアギャップｅを減少させるように、磁気的な導電材料でできていることが好ましいが、必ずしも必須ではない。

図３は、本発明のさらなる他の実施の形態を示している。この実施の形態では、放射状磁気ベアリングは、独立した複数のセクタＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを有し、これらセクタの各々が、各セクタＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄに対して独立しているオーバーモールディング２９０とジャケット２０１との少なくとも一方を有し、これらセクタ間の複数の空間２１１に残っており、ロータ２０２の間をガス流体が流れることを可能にする複数のセットバック部分を形成し、前記ジャケットの複数の部分２１０が、上述の実施の形態のように、さらなる体積から利益を受けるように、複数の磁極片２５４の夫々の端部２５５の近くに係合している。

図３の実施の形態では、ステータ２５０の各セクタＡ、Ｂ、Ｃ又はＤは、複数の励磁コイル２５２で夫々囲まれた複数の磁極片２５４を規定している積層磁気材料のヨーク２５１であるようにして形成されることができる。各セクタＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄには、コイル２５２を保護するためのオーバーモールディング２９０が設けられることができ、これら磁極片２５４の間の複数のスロットの全てを満たし、これら磁極片２５４の端部２５５の水準で端が揃っている。

代わって、各セクタＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、隣接する対のセクタの間に上述の複数の経路２１１を規定することによって、これらセクタＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの端部を保護する側部２１２と共に、前記複数の磁極片２５４の端部２５５を保護し、これら磁極片２５４の間に形成された複数のスロットを閉じている主部２１０を有するジャケット２０１を有することができる。これら経路は、ステータのセクタＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄとロータ２０２との間に規定された流路空間と流体連通している。

図３に示されるように、単一のベアリングが、オーバーモールディング２９０とジャケット２０１との両方を有するステータのセクタＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを有することができる。かくして、本発明は、独立した複数のセクタでできたベアリングを含んでおり、オーバーモールディング２９０、ジャケット２０１、又はオーバーモールディング２９０とジャケット２０１との組合せで、各々が独立であるようにして与えられることができる。これらセクタは、これらセクタの間に流路空間を残すようにして、互いに組み合わせられる。

ステータは、セクタの間に２つの空間２１１を残した２つの独立したセクタを有することができる。しかし、図３に示されるように、４つの独立したクォードラントＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄのベアリングを形成することが効果的である。他の複数のセクタ、例えば３又は８のセクタを含む実施の形態が、本発明の範囲を超えることなく可能である。

一般的に、本発明の内容で勧められる寸法は、小さな値のエアギャップｅ、例えば磁気ベアリング内の０．５ｍｍないし１ｍｍの範囲にあるエアギャップ、又は電気モータ内の１ｍｍないし１０ｍｍの範囲にあるエアギャップを維持することを可能にし、また、高密度ガス又はエアギャップの流体の流れの他のいくつかのタイプで動作するように被覆された、即ちオーバーモールドされた回転式電気機械に対する高圧及び高速に関する不安定な影響を避ける。

上記では、「電気モータ」という用語は、このような電気装置が発電機として動作する状況も含んでいる。

Claims (10)

1. オーバーモールドされた電気モータ又はオーバーモールドされた磁気懸架装置により構成される電気装置の少なくとも１つの部品を具備する回転式電気機械であって、
   前記電気装置は、
   ロータ（１０２；２０２）と、
   複数の磁極片（１５４；２５４）と、これら磁極片（１５４；２５４）を夫々囲んでいる複数のコイル（１５２；２５２）とを有するステータ（１５０；２５０）とを具備し、
   前記ステータ（１５０；２５０）には、前記ロータ（１０２；２０２）に面して位置されたこのステータの面に対する攻撃的な環境からの保護のための少なくとも１つの保護コーティング（１９０；２９０）が与えられ、また、
   前記ステータ（１５０；２５０）は、このステータ（１５０；２５０）と前記ロータ（１０２；２０２）との間に位置されたエアギャップ（ｅ）を規定している、電気機械において、この電気機械は、
   前記ロータ（１０２；２０２）に面した前記ステータ（１５０；２５０）の面に与えられた前記保護コーティング（１９０；２９０）には、前記エアギャップ（ｅ）を規定している主面（１５５；２５５）から凹むように設けられた複数のセットバック部分（１９２；１１１；２１１）が与えられ、
   これらセットバック部分（１９２；１１１；２１１）は、前記ステータ（１５０；２５０）の周りに分布され、かつ前記複数の磁極片（１５４）の間に夫々形成された複数のスロットのいくつかのみを占めていることを特徴とする電気機械。
2. 前記複数のセットバック部分（１９２）は、前記ステータ（１５０）の前記複数のコイル（１５２）の全てを覆っているが、このステータ（１５０）の前記複数の磁極片（１５４）の間に残った空間の一部のみを満たしているオーバーモールディング（１９０）の助けにより形成されており、
   前記複数のセットバック部分（１９２）を規定している前記オーバーモールディング（１９０）の自由面は、前記複数の磁極片（１５４）の前記端面（１５５）に対して夫々段部を形成していることを特徴とする請求項１の電気機械。
3. 前記ステータ（１５０）の前記複数のコイル（１５２）の全てを覆っており、かつ前記複数の磁極片（１５４）の前記端面（１５５）の水準に合わせて形成されたオーバーモールディング（１９０）を有し、
   このオーバーモールディング（１９０）は、前記複数のセットバック部分（１９２）を形成するように、前記複数の磁極片（１５４）の少なくともいくつかの間で、前記オーバーモールディング（１９０）に形成された複数のグルーブを有することを特徴とする請求項１の電気機械。
4. 前記複数のセットバック部分（１９２）を形成するように、前記複数の磁極片（１５４）の少なくともいくつかの間に夫々規定された前記複数のスロットに延びた複数の狭間部分（１１１）を規定しているジャケット（１０１）を有することを特徴とする請求項１の電気機械。
5. 前記ジャケット（１０１）の前記複数の狭間部分（１１１）は、前記オーバーモールディング（１９０）に形成された前記複数のグルーブに配置されていることを特徴とする請求項３又は４の電気機械。
6. 前記ジャケット（１０１）は、電気的な導電材料でできており、
   このジャケット（１０１）の前記複数の狭間部分（１１１）は、前記複数の磁極片（１５４）の間に形成された前記複数のスロットの間の他の全てのスロットに夫々対応した複数のゾーン（１９１）に位置されていることを特徴とする請求項５の電気機械。
7. 前記ステータ（２５０）は、各々が独立であるようにしてオーバーモールドされて被覆された少なくとも２つの独立したセクタ（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）を有し、また、
   前記複数のセットバック部分（２１１）は、前記独立したセクタ（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）の間に残った空間により形成されていることを特徴とする請求項１の電気機械。
8. 前記複数のセットバック部分（２１１）を構成している前記複数のセクタの間に空間を規定している４又は８の独立したセクタ（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）を有することを特徴とする請求項７の電気機械。
9. 前記電気装置は、放射状磁気ベアリングにより構成されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１の電気機械。
10. 前記電気装置は、電気モータにより構成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１の電気機械。

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