JP2010514399A - 電気機械 - Google Patents

Abstract

本発明は、電気機械であって、ロータ（４）と、ステータ（７，８）と、回転磁界発生装置（３）と、磁極磁界発生装置（９）とが設けられており、ロータ（４）は１つの回転軸線を中心として回転可能であって、該回転軸線は、ロータ（４）の、互いに向かい合って位置する２つの区分（５，６）を貫通しており、回転磁界発生装置（３）が、ロータ（４）の回転軸線を中心として回転するほぼ半径方向の磁界を発生させるように調整されていて、磁極磁界発生装置（９）が、ロータ（４）の互いに向かい合って位置する区分（５，６）に互いに逆の極性を与える磁界を発生させるように調整されている形式のものに関する。電気機械を出力損失なしに小型化するために、磁極磁界発生装置が少なくとも１つの磁石（９）を有している。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の形式の電気機械及び請求項１３に記載のポンプに関する。

同期単極機械又は等極機械として公知のこのような電気機械は、ロータと、ステータと、回転磁界発生装置と、磁極磁界発生装置とを有しており、ロータは１つの回転軸線を中心として回転可能であって、該回転軸線は、ロータの、互いに向かい合って位置する２つの区分を貫通しており、回転磁界発生装置が、ロータの回転軸線を中心として回転するほぼ半径方向の磁界を発生させるように調整されていて、磁極磁界発生装置が、ロータの互いに向かい合って位置する区分に互いに逆の極性を与える磁界を発生させるように調整されている。磁極磁界発生装置はこの場合、ステータに組み込まれているコイルとして形成されている。

このような形式の電気機械は、整流子を有する機械より早く回転することができ、従って例えば、１ポンプサイクルごとに吐出する容積は他のポンプよりも小さく、従って他のポンプよりも小さく構成することができるが、高周波数で運転することができるのでポンプ出力は同じであるようなポンプを操作するために使用することができる。このような形式の電気機械は従って、構成スペースと重量を低減するために、燃料電池用のコンプレッサ駆動装置として使用される。

このような電気機械は確かにポンプの省スペースの構成を可能にするが、それでも多くのスペースを要するという欠点がある。

さらに本発明は、本発明による電気機械を有したポンプに関する。

発明の開示
本発明の課題は、出力損失なしに、電気機械と、このような電気機械を使用するポンプとを小型化することである。

本発明の課題は、請求項１の特徴部に記載の特徴を有する電気機械及び、請求項１３の特徴を有する電気機械のためのポンプにより解決された。

本発明によれば、磁極磁界発生装置が少なくとも１つの磁石を有している。

有利には、ロータの互いに向かい合って位置する両区分に逆の極性を与える磁界を発生させるために電流を必要としないのでエネルギを節約することができる。

有利な構成では、ステータが、回転軸線に沿って配置された２つのステータエレメントを有しており、少なくとも１つの磁石が２つのステータエレメントの間に配置されている。

有利には、２つのステータエレメントの間に必ず存在するスペースを、磁石を取り付けるために利用することができる。磁石からの熱はステータの２つのステータエレメントへと容易に導出することができる。さらに磁石は、逆の磁界から、２つのステータエレメントによって保護されているので、消磁を防止することができる。

有利な別の構成では、磁気的ではないケーシングが設けられている。

有利には磁気的な短絡はこのようなケーシングによって回避される。

さらに有利な構成では、ステータが、回転軸線に沿って配置された２つのステータエレメントを有しておりていて、少なくとも１つの磁石が中空円筒として形成されていて、前記２つのステータエレメントのうち一方を取り囲んでおり、中空円筒として形成された別の磁石が前記２つのステータエレメントのうち他方を取り囲んでいる。

有利には磁石からの熱は容易にステータエレメントへと導出することができる。さらに、磁石は、逆の磁界からは、ステータエレメントによって保護されているので、消磁を防止することができる。ステータエレメントと磁石との間の大きな接触面により、安価なフェライト磁石で十分な磁界を発生させることができる。

有利な別の構成では、磁気的なケーシングが設けられている。

有利には、磁気抵抗は、磁界線がほぼ完全に磁気材料を通って延びることにより減じられる。

さらに有利な構成では、ステータが、回転軸線に沿って配置された２つのステータエレメントを有しており、少なくとも１つの磁石が直方体状に形成されていて、前記２つのステータエレメントのうち一方の外側に配置されていて、別の磁石が設けられていて、該磁石は直方体状に形成されていて、前記２つのステータエレメントのうち他方の外側に配置されている。

有利には磁石からの熱は容易にステータエレメントへと導出することができる。さらに、磁石は、逆の磁界からは、ステータエレメントによって保護されているので、消磁を防止することができる。直方体状の形状はさらに容易に、ひいては安価に製造することができる。さらにステータエレメントと磁石との間の誤差は殆ど重要ではなくなる。

有利な別の構成では、磁極磁界発生装置が、さらに別の直方体状の磁石を有しており、これらの磁石が、ステータエレメントの外側に設けられている。

有利には、複数の直方体状の磁石により、回転軸線に対して対称的な磁界を発生させることができる。

さらに有利な別の構成では、磁気的なケーシングが設けられている。

有利には、磁気抵抗は、磁界線がほぼ完全に磁気材料を通って延びることにより減じられる。

有利な別の構成では、各ステータエレメントが、複数のリング状の部分から成っている。

有利には、ステータエレメントの寸法は、機械の効率は高いままで、ステータエレメントを、軟磁性材料のプレス成形により十分な品質で製造することができる程度まで減じることができる。

さらに有利な構成では、ステータが軟磁性の複合材料から成っている。

有利にはステータにおける渦電流損失を減じることができる。さらにこのようなステータは、全ての方向でほぼ同じ磁気特性を有している。層状に形成されたステータに比べて、積層体に対して横方向の、軸方向での磁気抵抗は極めて小さく、このことは効率をさらに改善する。

さらに有利な構成では、別のロータと、別のステータと、別の回転磁界発生装置と、別の磁極磁界発生装置とが設けられており、別のロータは、別のロータの互いに向かい合って位置する別の２つの区分を貫通する回転軸を中心に回転可能であって、別の磁極磁界発生装置は、別のロータの互いに向かい合って位置する別の区分に互いに逆の極性を与える別の磁界が形成されるように調整されており、別の磁極磁界発生装置が少なくとも１つの磁石を有している。

有利にはステータエレメントの寸法は、機械の効率は高いままで、ステータエレメントを、軟磁性材料のプレス成形により十分な品質で製造することができる程度まで減じることができる。

電気機械は、電気モータとしても、電気エネルギを放出するための発電機としても使用することができる。

ステータの２つのステータエレメントの間に磁石を有した電気機械を示した図である。 図１ａの電気機械の回転軸線に沿った断面図である。 磁極磁界発生装置によって発生された磁界の磁力線の経過と共に示した図１ａの電気機械の別の図である。 ステータを取り囲む中空円筒状の磁石を有した電気機械を示した図である。 図２ａの電気機械の回転軸線に沿った断面図である。 ステータを取り囲む複数の磁石を有した電気機械を示した図である。 図３ａの電気機械の回転軸線に沿った断面図である。 二重の電気機械の回転軸線に沿った断面図である。 複数の部分から成るステータエレメントを有した電気機械の断面図である。

発明の実施の形態
図１ａには、ステータ１の、構成が同じ２つのステータエレメントの間に、１つの磁石を有した電気機械が、ロータ４の回転軸線に対して垂直方向で示されている。２つのステータエレメントは回転軸線に沿って互いに上下に重なり合って配置されている。この図面では、２つのステータエレメントの上方のステータエレメント７が、下方のステータエレメントと、磁極磁界発生装置として作用する磁石とを見えなくしている。ケーシングは図示されていない。ステータエレメントはこの構成及び他の構成では、渦電流を抑制するために、軟磁性の材料、有利には、プレス成形された酸化鉄粉のような軟磁性複合材料（soft magnetic composite、ＳＭＣ）から成っている。ステータエレメントは直接的に型内でプレス成形することができる、またはプレス成形後に放電加工によって成形することができる。ステータエレメントは中空円筒状の形状を有しており、このステータエレメントの内周面には突起２が半径方向内側に向かって突出している。両ステータエレメントの、互いに上下に重なり合って配置されたそれぞれ３つの突起２（即ち、全部で６つの突起）にはコイル３が巻き付けられている。簡略にするために全部で４つのコイルが図示されていて、このコイルは、ロータ４の回転軸線を中心として回転する磁界を発生させるために働く。通常は１２のコイルが設けられており、各コイルは、１２の突起のそれぞれ１つの突起ずつずらされて、３つの突起に巻き付けられている。従って各突起は３つのコイルによって取り囲まれている。ロータ４は同様に、軟磁性の材料から成っていて、ステータ１の内部で回転可能に支承されていて、回転軸線に沿って、上方区分５と下方区分６とを有している。各区分５，６は、互いに向かい合って位置する２つの丸くされた外面を有しており、これらはそれぞれ、上方のステータエレメント７若しくは下方のステータエレメント８の内側に突出する突起２の近傍に位置しているので、これら突起２と、向かい合って位置する区分５，６との間には狭いギャップしか形成されていない。各区分５，６の互いに向かい合って位置する２つの丸くされた外面の間には、それぞれ２つの互いに向かい合って位置する平らな平行な外面が形成されている。区分６の互いに向かい合って位置する外面は、区分５の、互いに向かい合って位置する外面に対して９０°回転されている。ここに記載の４極機械の代わりに、先行技術により公知であるような任意の他の極数及び突起数の機械を使用することもできる。

図１ｂには、図１ａの電気機械の回転軸線に沿った断面図が示されている。相応の切断線は、図１ａに１Ｂ−１Ｂ線として示されている。コイル３は図示されていない。ステータ１の２つの円筒状のステータエレメント７，８の間には磁界を発生させるリング状の磁石９が配置されている。この磁石９はロータ４に、上方区分５と下方区分６とで逆の極性を与える。磁石９は、複数の部分磁石、例えば、半リング状の２つの磁石シェルから成っていて良い。磁石９には、両ステータエレメントの突起２の間に形成されている突起を形成することもできる。ロータ４の互いに向かい合って位置する端部には、上方の軸ピン１０と下方の軸ピン１１とがロータ４に一体的に形成されている。軸ピン１０，１１は、円筒状のケーシング１４の互いに向かい合って位置する端部に固定されている上方のケーシングカバー１２若しくは下方のケーシングカバー１３に軸受されている。ケーシング１４は、ケーシング１４を通って磁気的な短絡が生じないようにするために磁気的なものではない。上方のケーシングカバー１２と下方のケーシングカバー１３の中央にはそれぞれ上方のエンドキャップ１５若しくは下方のエンドキャップ１６が装着されていて、これらのエンドキャップは軸受をカバーしている。一方又は両方の軸ピン１０，１１は、機械のトルクをポンプに公知のように伝えるために、ケーシング１４の外側に設けられている軸（図示せず）に移行されても良い。ポンプは例えば、燃料電池のためのコンプレッサ駆動装置のタービンにおいて使用することができる。上方区分５は、一方の丸く面取りされた外面から反対側の丸く面取りされた外面へと延びる大きな横断面に沿って示されていて、下方区分６は、一方の扁平な外面から反対側の外面へと延びる小さな横断面に沿って示されている。１Ｂ−１Ｂ線に対して回転軸線を中心として９０°回転された線に沿ったロータの横断面図では、上方区分５が、図１ｂの下方区分６のように形成されていて、下方区分６が、図１ｂの上方区分５のように形成されている。

図１ｃには、図１ａの電気機械の別の図と、磁石９によって発生させられる磁界の磁力線の経過とが示されている。ロータ４は、図１ａの位置に対して回転された位置で示されている。磁界の成分は、ロータ４の回転軸線に対して垂直方向で示されている。磁力線は、ステータ１の内側に向かって突出する突起２を越えて、ロータ４の下方区分６に進入しているので、ロータ４の下方区分６には、互いに向かい合って位置する２つの磁極Ｓが形成されている。磁力線は、上方区分５の互いに向かい合って位置する２つの端部を越えて、ステータ１の内側に突出する突起２内へと進入しているので、ロータ４の上端部に、互いに向かい合って位置する２つの磁極Ｎが形成されている。磁束は、殆ど専らロータ４の近傍に隣接する突起２を通って延びている。ロータ４の構成に基づき、ロータ４の下方区分６における磁極Ｓは、ロータ４の上方区分５における磁極Ｎに対して９０°ずらされている。適当な方向で電流を流すことにより、コイル３の内側に向けられた側で、磁極Ｎ、Ｓが交互に形成され、これらの磁極は、ロータ４の磁極Ｎ、Ｓを時計回りの方向で吸引若しくは反発させるように配置されている。ロータ４が時計回りで、ロータ４の磁極Ｓがそれぞれ正確に、コイル３の内側に向かう磁極Ｎと向かい合って位置し、ロータ４の磁極Ｎがそれぞれ正確に、コイル３の内側に向かう磁極Ｓと向かい合って位置するように回転されると、コイルにおける電流方向が変更される。これによりロータ４の磁極はさらに反発若しくは吸引され、これによりロータ４はさらに時計回りで回転される。

以下に示す図２ａ、図２ｂ若しくは図３ａ、図３ｂの電気機械は、図１ａ及び図１ｂの電気機械とは、ロータの極への磁界を発生させる磁石が異なっている。以下では、同一の部材には同一の符号を用い、変更された部材には、同じ符号に、´又は´´又は´´´を付けて示す。

図２ａには、ロータ４の磁極への磁界を発生させる中空円筒状の磁石２４，２５（見えていない）を備えた電気機械が示されている。磁石２４，２５は、例えば２つの半リングのような複数の部分磁石から成っていても良い。図２ｂには、図２ａの電気機械のその回転軸線に沿った断面図が示されている。相応の切断線は、図２ａに２Ｂ−２Ｂ線として示されている。コイル３は図示されていない。ステータ１´は、２つのリング状のステータエレメント７´，８´から成っていて、これらのステータエレメント７´，８´は磁石２４，２５によってそれぞれ取り囲まれている。磁石２４，２５は半径方向で逆の極性を有している。２つのリング状のステータエレメント７´，８´の間には、ステータエレメント７´，８´の間の磁気的な短絡を防ぐために空隙が形成されている。ケーシング１４´は、ケーシング１４´を通る磁気的なブリッジの形成により磁気抵抗を減じるために磁気材料から成っている。磁石２４，２５の１つのみを使用し、他方の磁石を省くことも可能である。

図３ａには、ロータ４の磁極への磁界を発生させるための複数の磁石２６，２７（見えていない）を備えた電気機械が示されている。磁石２６，２７は四角形に形成されている。ステータ１´´の、磁石２６，２７がステータ１´´のステータエレメントに接している個所は、ステータ１´´と磁石２６，２７との間の良好なコンタクト可能にするために平らに面取りされていて、ステータエレメントのその他の部分は外方に向かって丸く面取りされている。磁石２６，２７の数は任意である。しかしながら、磁石２６，２７は、相応の対称的な磁界を発生させるために対称的に配置されていなければならない。図３ｂには、図３ａの電気機械の回転軸線に沿った断面が示されている。ステータ１´´は２つのリング状のステータエレメント７´´，８´´から成っていて、これらのステータエレメント７´´，８´´はそれぞれ複数の磁石２６，２７によって取り囲まれる。磁石２６，２７は半径方向で極性を有している。磁石２６は磁石２７とは逆に極性を有している。２つのリング状のステータエレメント７´´，８´´の間には空隙が形成されていて、ステータエレメント７´´，８´´の間の磁気的な短絡が回避されている。ケーシング１４´´は、ケーシング１４´´を通る磁気的なブリッジの形成により磁気抵抗を減じるために磁気材料から成っている。磁石２６，２７の一方だけを使用し、他方の磁石を省くことも可能である。

図４には、電気的な二重機械がその回転軸線に沿った断面図で示されている。二重ロータ１７は、一体的に形成されていて、それぞれ前記図面のロータ４と同様の構成を有している２つのロータ１８，１９から成っている。この場合、２つのロータ１８，１９が、互いに結合される区分が同じように整列されるように互いに結合されていて、ステータエレメント２０は、互いに結合された両区分に極性を与えるために使用することができる。ステータは、ステータエレメント２０からそれぞれ磁石２２若しくは２３によって分離されている別の２つのステータエレメント２１を有している。選択的には、図２ａ、図２ｂ、図３ａ、図３ｂにより公知のステータと磁石を使用することもできる。この場合、互いに隣接する２つのステータエレメントは図４に示したように一体的に形成されている。

図５には、電気機械の断面図が示されており、この場合、各ステータエレメント８´´´は複数のリング状の部分２８から成っている。

図１〜図５に示された電気機械は、モータとしても、電気エネルギを発生させるためのジェネレータとしても使用することができる。

Claims (13)

1. 電気機械であって、ロータ（４）と、ステータ（１，１´，１´´，２０）と、回転磁界発生装置（３）と、磁極磁界発生装置（９，２２，２４，２５，２６，２７）とが設けられており、ロータ（４，１８）は１つの回転軸線を中心として回転可能であって、該回転軸線は、ロータ（４）の、互いに向かい合って位置する２つの区分（５，６）を貫通しており、回転磁界発生装置（３）が、ロータ（４）の回転軸線を中心として回転するほぼ半径方向の磁界を発生させるように調整されていて、磁極磁界発生装置（９，２２，２４，２５，２６，２７）が、ロータ（４）の互いに向かい合って位置する区分（５，６）に互いに逆の極性を与える磁界を発生させるように調整されている形式のものにおいて、
   磁極磁界発生装置が少なくとも１つの磁石（９，２２，２４，２５，２６，２７）を有していることを特徴とする電気機械。
2. ステータ（１）が、回転軸線に沿って配置された２つのステータエレメント（７，８）を有しており、少なくとも１つの磁石（９）が２つのステータエレメント（７，８）の間に配置されている、請求項１記載の電気機械。
3. 磁気的ではないケーシング（１４）が設けられている、請求項２記載の電気機械。
4. ステータ（１´）が、回転軸線に沿って配置された２つのステータエレメント（７´，８´）を有しておりていて、少なくとも１つの磁石（２４）が中空円筒として形成されていて、前記２つのステータエレメントのうち一方（７´）を取り囲んでおり、中空円筒として形成された別の磁石（２５）が前記２つのステータエレメントのうち他方（８´）を取り囲んでいる、請求項１記載の電気機械。
5. 磁気的なケーシング（１４´）が設けられている、請求項４記載の電気機械。
6. ステータ（１´´）が、回転軸線に沿って配置された２つのステータエレメント（７´´，８´´）を有しており、少なくとも１つの磁石（２６）が直方体状に形成されていて、前記２つのステータエレメントのうち一方（７´´）の外側に配置されていて、別の磁石（２７）が設けられていて、該磁石は直方体状に形成されていて、前記２つのステータエレメントのうち他方（８´´）の外側に配置されている、請求項１記載の電気機械。
7. 磁極磁界発生装置が、さらに別の直方体状の磁石（２６，２７）を有しており、これらの磁石が、ステータエレメント（７´´，８´´）の外側に設けられている、請求項６記載の電気機械。
8. 磁気的なケーシング（１４´´）が設けられている、請求項６又は７記載の電気機械。
9. 各ステータエレメント（７´´´，８´´´）が、複数のリング状の部分（２８）から成っている、請求項１から８までのいずれか１項記載の電気機械。
10. ステータ（１，１´，１´´，２０）が軟磁性の複合材料から成っている、請求項１から９までのいずれか１項記載の電気機械。
11. 別のロータ（１９）と、別のステータ（２１）と、別の回転磁界発生装置と、別の磁極磁界発生装置（２３）とが設けられており、別のロータ（１９）は、別のロータの互いに向かい合って位置する別の２つの区分を貫通する回転軸を中心に回転可能であって、別の磁極磁界発生装置（２３）は、別のロータ（１９）の互いに向かい合って位置する別の区分に互いに逆の極性を与える別の磁界が形成されるように調整されており、別の磁極磁界発生装置が少なくとも１つの磁石（２３）を有している、請求項１から１０までのいずれか１項記載の電気機械。
12. 電気機械を、電気モータ又は電気的なジェネレータとして使用する、請求項１から１１までのいずれか１項記載の電気機械。
13. 電動モータとして稼働する、請求項１から１１までのいずれか１項記載の電気機械を備えたポンプ。

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