JP2013510557A - 永久磁石の同期マシン及びそれを製造し組み立てるための方法 - Google Patents

Abstract

本発明の目的は、ステータ（１４）と、ステータからエアギャップ（δ１）を隔てて配置されたロータ（１２）と、を備えた永久磁石の同期マシンである。ロータは、回転装置の中でシャフトの上に支持され、ステータとロータの間の偏心量に対して、最大値が決定されている。その値は、エアギャップの十分の一より大きい。同期マシンの磁化は、磁束（φ）を作り出すためにロータ（１２）の中に取り付けられた永久磁石によりもたらされ、その磁束は、ステータ（１４）、エアギャップ（δ１）、及びロータ（１２）を介して閉じられる。本発明によれば、関係式： Ｈ≧（１０＊ε−δ）＊μ_ｒ が、永久磁石の厚さと偏心量εの最大値との間に適用される。上記の関係式において、δは、前記エアギャップの寸法設定値であり、μ_ｒは永久磁石の比透磁率である。
【選択図】図２

Description

本発明は、永久磁石で励磁される同期マシン、及びそのようなマシンを製造して組み立てるための方法に係る。

回転電気機械における目標は、ステータに対するロータの偏心を、可能な限り小さくすることである。もし、回転の軸が、中心軸から外れた場合には、電気機械の性能及び信頼性が低下する。それは、電気機械のエアギャップが、回転する周囲領域の全ての中で、ステータとロータの間で一定ではないからである。偏心は、円筒状であることがあり、その場合には、ステータ及びロータの軸線は平行である。この場合には、エアギャップのサイズは、マシンの軸の長さの全体に亘って、同一のやり方で変動する。円錐状の偏心の場合、ロータ及びステータの軸方向のラインの方向が、互いに対して傾斜し、その場合には、軸方向のラインに沿って移動したときに、エアギャップの変動が変化する。現実には、偏心は、しばしば、円筒状の偏心と円錐状の偏心との組合わせである。

偏心は、静的であることも動的であることもある。静的な偏心において、ロータの回転軸は、移動しないが、ステータの中心線から外れている。動的な偏心において、ロータの対称軸が、ステータの対称軸の周りで、回転する。静的な偏心と動的な偏心が、同時に存在することもある。

もし、ステータ及びロータの表面形状が、同様でない場合には、エアギャップは、ステータとロータの間の全領域で一定ではない。例えば、もし、ロータの断面形状が、僅かに楕円状である場合、あるいは、変形されて円形から外れた場合には、ロータのエアギャップに変動が生じる。これは、ロータに面するステータの側が変形された場合にも成り立つ。この場合には、たとえステータ及びロータの対称軸が一致している場合であっても、エアギャップが変形されることが可能である。

エアギャップの偏心及び変形は、電気機械の性能及び特徴を低下させ、例えば、強い振動を引き起こす。この観点で、電気機械の特徴が大きく変動し、そして、例えば、非同期マシンは、偏心量がエアギャップの長さの５パーセントより大きいときに、強い電気的な振動を生ずることがある。同期マシンにおいても、偏心量がエアギャップの長さの約１０パーセントより大きいときに、同様な電気的な振動が生ずる。

エアギャップの成長は、励磁パワーに対する要求の増大をもたらし、その場合に、励磁巻線の損失が無駄に大きくなる。小さなマシンは、相対的に小さなエアギャップを有していて、それは、小さな機械的な偏心量しか許容しない。この観点において，励磁巻線が設けられた同期マシンは、非同期マシンよりも好ましく、その理由は、励磁巻線が分離されていて、大きなエアギャップにより要求される励磁電流が、パワー巻線に歪を生じさせることがないからである。しかしながら、励磁巻線が設けられた同期マシンの中での励磁電流の増大は、高価な且つ複雑なソリューションをもたらす可能性があり、ロード可能性を減少させる。

永久磁石の同期マシンにおいて、励磁パワーは、永久磁石で形成される。永久磁石は、大きいエアギャップに対しても、マシンの性能を損なうことなく、十分な励磁パワーを作り出すことが可能である。

通常、寸法設定及び製造の指示は、ゼロの許容差であり、即ち、ステータの中央軸とロータの中央軸は、結合されている、その場合、ロータは、正確にステータの中央軸の周りで回転することになり、ステータとロータの間のエアギャップは、ロータの外周とステータの内周との間の全領域に亘って、一定である。これに対応して、外部ロータを備えたマシンの中のエアギャップは、ロータの内周とステータの外周との間の領域内で一定である。

しかしながら、実際の適用例において、この要求が満足されない状態が生じ得る。その理由は、中心を完全に一致させることが、製造技術または適用例に起因して、不可能であるからである。小さなエアギャップを備えた大きく且つ低速の電気機械においては、例え僅かな偏心量であっても、エアギャップの大きなパーセンテージの変動を生じさせることが可能である。電気機械のステータとロータが別個に組み込まれ、または、ロータがデバイスの一部を形成する適用例において、要求される組み込みの正確さは、費用の掛かる追加の作業または構造無しで、実現することは困難または不可能である。

本発明の目的は、ロータとステータとの間のエアギャップの大きな変動を許容する、新しい永久磁石の同期マシンを開発することにある。これは、請求項１の特徴部分の中に規定された特徴により実現される。本発明に基づく方法は、請求項１の特徴部分の中に規定された特徴により特徴付けられる。本発明の他の幾つかの好ましい実施形態は、従属請求項の中に規定されている。

本発明によれば、永久磁石の同期マシンは、ステータと、ステータに対してエアギャップを隔てて、シャフト上に回転可能に支持されたロータと、を有している。ステータとロータの間の偏心量は、エアギャップの十分の一より大きい規定された最大値を有していて、同期マシンの励磁は、ロータに装着された永久磁石によりもたらされていて、これらの永久磁石は、磁束の方向に厚さＨを有し、且つこれらの永久磁石は、磁束（φ）を作り出し、この磁束は、ステータ（１４）、エアギャップ（δ１）及びロータ（１２）を介して閉じられている。永久磁石の厚さＨと偏心量εの最大値との間で、下記の式が適用され：
Ｈ≧（１０＊ε−δ）＊μ_ｒ
ここで、
δは、エアギャップの寸法設定値であり、
μ_ｒは、永久磁石の比透磁率である。

この特許との関係において、留意すべきことは、エアギャップの寸法設定値とは、ステータとロータの間のエアギャップの測定値を意味していて、それは、マシンのデザインにおいて使用されていた。

永久磁石の同期マシンを製造し組み立てるための、本発明に基づく方法において、同期マシンは、ステータと、ステータに対してエアギャップを隔てて回転可能に支持されたロータと、を有していて、このロータは、ステータに対して偏心した状態で組み込み可能である。永久磁石の同期マシンを製造し組み立てるための方法において、同期マシンは、ステータを含んでいて、ロータは、ステータに対してエアギャップを有するように、回転可能に支持されている。ロータは、その最大許容偏心量が、少なくともエアギャップの十分の一であるようなやり方で、偏心した状態で、ステータに組み込み可能であり、ロータは、磁束の方向に厚さＨを有する永久磁石を含んでいる。ロータは、永久磁石の厚さＨ、ロータの最大許容偏心量ε、及びエアギャップの寸法設定値δが、下記の式を形成するようなやり方で、製造され組み込まれる：
Ｈ≧（１０＊ε−δ）＊μ_ｒ
ここで、μ_ｒは、永久磁石の比透磁率である。

永久磁石により励磁される電気機械において、電気機械の特性及び運転に影響及ぼす有効エアギャップは、電気機械の物理的なエアギャップから、大きく変動する。有効エアギャップは、物理的なエアギャップ（ステータとロータの間で検出可能であり且つ測定可能である）それ自体のみではなく、磁束の経路内の他の部分からも、もし、それらの部分が空気の透磁率に非常に近い透磁率を有している場合には、影響を受ける。この観察が、許容偏心量を規定するときに利用され、その場合において、物理的なエアギャップの中での顕著なパーセンテージの変化が、有効エアギャップの中でのかなり小さい値のパーセンテージの変化を生じさせる。ある意味において、電気機械のステータは、エアギャップを、ステータとロータの間の物理的なエアギャップが実際の値より大きいものとして“見て”いる。

この場合に、有効エアギャップの中で０．１の偏差が許容されるとき、最大許容偏心量εと有効エアギャップとの関係に対して、以下の式を作り出すことが可能である：
０．１＊（Ｈ／μ_ｒ＋δ）≧ε
ここで、
Ｈは、磁束の方向での永久磁石の厚さであり、
μ_ｒは、永久磁石の比透磁率であり、
δは、ステータとロータの間の平均の物理的なエアギャップである。

同期マシンに対して特定の偏心量を許容されることを望むとき、この式を用いて、永久磁石の厚さが十分であるか否か確認することが可能である。これに対応して、同期マシンのロータがステータに装着され、且つ永久磁石の特徴及び厚さ、及びエアギャップのサイズが知られているとき、組み込みの間の許容偏心量が規定されることが可能である。

図１は、偏心した電気機械の断面を示す。 図２は、本発明に基づく電気機械の断面を示す。 図２ａは、図２の部分拡大図を示す。 図３は、本発明に基づく他の電気機械の断面を示す。 図４は、デバイスに接続された本発明に基づく同期マシンを示す。

以下において、添付図面を参照しながら、特定の実施形態の助けにより、本発明がより詳細に説明される。

図１は、電気機械の偏心を示していて、ステータ、ロータ及びそれらの間の軸方向のエアギャップの断面を含んでいる。電気機械のステータは、既知のやり方で支持されていて、電気機械または対応する支持構造のフレームに取り付けられ、ステータの内周２が、中心点６を備えた円形の周囲部分を形成している。ロータ３が、組み込まれていて、ステータの内側に回転可能に支持され、ロータの外周４は、ステータの内周との間にエアギャップδを有している。中心点８は、ステータの中心点６から偏心量εの距離だけ、移動している。ロータがその中心点８の回りで回転するとき、エアギャップδのサイズが、偏心量εの量に基づいて、最小値δ_ｍと最大値δ_Ｍとの間で変動する。図１の場合には、偏心量εは、エアギャップδのサイズの約半分である。

電気機械の寸法設定によれば、ロータは、ステータの中央にあって、それらの中心点が結合されるようになっている。これは、この図の中に、円形の周囲部分４’により示されていて、ステータの内周２からのその距離が、エアギャップの寸法設定値δ_Ｄである。図１の例において、エアギャップδのサイズは、エアギャップの寸法設定値δ_Ｄから約５０％変動し、この値は、電気機械に対して、電気機械に重大な故障及び損傷を生じさせること無く、あるいは、電気機械に接続されたデバイスを損傷させる危険を伴うことなく、一般的に許容される値ではない。

図２は、本発明に基づいて実現された同期マシン１０の断面を示していて、この図は、ロータ１２の一つの磁極２６、及び、ステータ１４の周囲の対応する長さを含んでいる。ステータは、磁気的に伝導性のシートで作られたシートパック１６を含んでいて、このシートパックは、ステータ巻線が取り付けられるスロット１８を含んでいる。ロータ１２は、磁気的に伝導性のコア部２０を含んでいて、このコア部は、永久磁石２４のために作られた孔２２を有している。二つの永久磁石２４が、ロータの磁極２６の縁で、Ｖ字状の位置に組み込まれていて、この場合において、両方の永久磁石２４の同様に名付けられた磁極が、磁極２６に面している。ロータが偏心量を有していないとき、ステータの内周３０からロータ磁極中心２８までの距離は、同期マシンの物理的なエアギャップδ１である。しかし、ロータはその中心点３２の回りで回転し、、ロータの中心点３２は、同時に、ステータの内周の中心点でもある。

この図面において、磁束の流れが、磁束線φにより説明されていて、この磁束線は、ステータの歯、ステータ・バック、エアギャップ、ロータ・コア部分、永久磁石、及びロータ磁極を通って閉じている。ロータに偏心量が有るとき、その場合には、回転軸がロータの中心点からの距離εに変動し、それに従って、エアギャップのサイズが変化する。偏心量εの値が ０．１＊δ であるとき、ロータ磁極の中心での物理的なエアギャップのサイズは、０．９＊δから１．１＊δまで、変動する。この変動の範囲及び偏心量は、一般的なデザイン指示として、且つ、同期マシンの信頼性及び性能の特徴を損なうことがない許容される許容差として、みなされることが可能である。

本発明に基づく適用例において、偏心量εに対して、０．５＊δ などのような、かなり大きな値が許容され、その場合に、エアギャップの大きさが、０．５＊δ から １．５＊δ まで変化することが可能である。図２ａは、最大偏心量の値 ε_max＝０．５＊δ に参照符号３６が付され、許容範囲内の偏心量に参照符号３４が付されて、示されている。そのような偏心量及びそれにより引き起こされるエアギャップの変動が、有害な電気的な振動無しで可能な許容値を超えるので、永久磁石２４の厚さＨは、ステータから磁束方向に見たときに、電磁的なトータルのエアギャップが十分に大きいように、寸法が定められる。

電磁的なトータルのエアギャップは、物理的なエアギャップ、及びロータの中の主磁束の経路に沿うレイヤを有している。これらのレイヤの比透磁率は、空気の比透磁率と同一の大きさを有している。広く使用されている希土類金属に基づく永久磁石の比透磁率は、ロータにおいて使用される強磁性プレートの比透磁率と比べて大幅に小さい値であり、且つ、空気と同一の大きさである。例えば、ＮｄＦｅＢ磁石（ネオジム−鉄−硼素磁石））の比透磁率μ_ｒは、約１から３．５の範囲である。偏心量εに対して、大きい値が許容されることが可能なときには、永久磁石の厚さＨが要求される条件に適合することが確保される。電気機械のパワー及び性能に対する、永久磁石の大きさ及びその厚さは、マシンに対して定められた要求に基づいて決定される。

永久磁石の透磁率を μ_ｒ＝１ と仮定し、物理的な偏心量を ε＝０．５＊δ と仮定すると、許容される電磁的なエアギャップは、 δ’＝０．１＊（ε＋δ） となり、以下の式が作られることが可能である：
０．１＊（Ｈ＋δ）≧ε＝０．５＊δ
この式に基づいて、永久磁石の十分な厚さのための値は、
Ｈ＞４＊δ
となる。

カーター係数（Carter coefficient）によれば、現実のエアギャップの磁気的なインパクトは、その機械的な値と比べて大きく、それは、永久磁石のより小さい値が可能であると言うことを意味している。永久磁石の透磁率もまた、寸法設定にも影響を与える。本発明の教えによれば、図２の中に示された実施形態において、同期マシンのロータに対する許容偏心量が ε＝０．５＊δ であるとき、永久磁石の厚さは、それ故に、３＊δ に等しいかあるいはそれより大きいことが可能である。

図３は、本発明に基づく他の永久磁石の同期マシンを示していて、ここで、磁化は、ロータの外周の表面上に組み込まれた永久磁石で実現される。ロータ４０は、ステータ４４の中心４６からの偏心量εにより変動する回転中心シャフト４２の周りで回転する。永久磁石４８は、ロータの外周５０上に固定されている。ロータの最も外側の部分（即ち、永久磁石４８の表面５２）と、ステータの内側の表面との間の距離（エアギャップ）は、δmin 及びδmax の間で変化する。それ故に、マシンの物理的なエアギャップは、中断の無い運転を確保するために許容される値と比べて、かなり高い程度まで変化する。本発明において教えられているように、有効エアギャップは、 Ｈｓ＋δmin と Ｈｓ＋δmax との間で変化し、その場合において、有効エアギャップの変動は、許容範囲の中にある。

偏心量の許容差は、ステータ巻線の中に、平行なブランチまたは均一化する化合物を組み込むことにより、更に増大されることが可能である。

図４に、本発明に基づく永久磁石の同期マシン５４を示す。マシンのロータ５６は、ワーク・マシン５８のシャフト６０の上に取り付けられている。ロータ５６は、ステータ６２に対して、円筒状に偏心していて、この場合には、ステータの中央軸６４とロータの中央シャフト６６は、平行であるが、互いから距離εだけずれている。ワーク・マシンは、ベースに対して軸受６８により回転可能に支持されていて、この場合には、同期マシン５４のロータ５６もまた、軸受６８で支持され、それらのロータは、同期マシンの支持部及びそのステータ６２から分離されている。ワーク・マシン５４は、シャフト６０、及びそれに対して調整された同期マシンのロータ５６を有していて、別個に製造されて組み込まれることが可能であり、同期マシンのステータ６２及びロータ５６は、運転されるサイトにおいて、互いに電気機械的に接続されるだけである。

本発明に基づく装置において、ステータとロータの間の偏心量が許容されることが可能であり、それに対応して、ロータもまた、円錐状に偏心していることが可能であり、その場合において、ステータ及びロータの中央シャフトは、僅かに異なる方向に向いていて、偏心量が、シャフトの長さ方向に変化する。

本発明はまた、ステータとロータ・シャフトとの間の偏心量以外の、エアギャップ変動の他の不規則性に対しても適用することが可能である。それ故に、エアギャップに面するステータの表面またはロータの表面により引き起こされたエアギャップの変化が、本発明に基づく装置において、補償されることが可能である。

以上において、本発明が、特定の実施形態の助けにより説明された。しかしながら、この説明は、特許による保護の範囲を限定するものとして考えられるべきではなく、本発明の実施形態は、添付した請求項の範囲の中で変化しても良い。

Claims (11)

1. 永久磁石の同期マシンであって、
   ステータ（１４）と、ステータからエアギャップ（δ１）を隔てて配置されたロータと、を有し、
   このロータは、シャフト上に回転可能に支持され、
   ステータとロータの間の偏心量に対して、最大値が規定されていて、この最大値は、前記エアギャップの十分の一より大きく、
   同期マシンの磁化は、ロータ（１２）の中に取り付けられた永久磁石（２４）によりもたらされ、
   これらの永久磁石は、磁束の方向に厚さ（Ｈ）を有し、且つ、これらの永久磁石は、ステータ（１４）、エアギャップ（δ１）及びロータ（１２）を介して閉じられる磁束（φ）を作り出すために使用される、
   永久磁石の同期マシンにおいて、
   永久磁石の厚さ（Ｈ）と偏心量（ε）の最大値との間に、下記の式が適用され：
   Ｈ≧（１０＊ε−δ）＊μ_ｒ
   ここで：
   δは、エアギャップの寸法設定値であり、
   μ_ｒは、永久磁石の比透磁率であること、
   を特徴とする永久磁石の同期マシン。
2. 下記特徴を有する請求項１に記載の同期マシン、
   偏心量（ε）の最大値は、前記エアギャップ（δ１）の半分である。
3. 下記特徴を有する請求項１または２に記載の同期マシン、
   永久磁石の比透磁率（μ_ｒ）は、３．５より小さく、且つ、
   永久磁石（２４）の厚さ（Ｈ）は、最大で、前記エアギャップの寸法設定値の十倍である。
4. 下記特徴を有する請求項１から３の何れか１項に記載の同期マシン、
   偏心量（ε）の最大値は、前記エアギャップの寸法設定値の半分であり、
   永久磁石の比透磁率（μｒ）は、約１であり、
   永久磁石（２４）の厚さは、前記エアギャップの寸法設定値に、係数３が乗ぜられた値より大きい。
5. 下記特徴を有する請求項１から４の何れか１項に記載の同期マシン、
   ロータの偏心量は、エアギャップの寸法設定値の０．２倍と、エアギャップの寸法設定値の０．５倍との間にある。
6. 下記特徴を有する請求項１から５の何れか１項に記載の同期マシン、
   当該同期マシン（５４）のロータ（５６）は、それに接続された駆動マシン（５８）のシャフト（６０）の上に支持されている。
7. 下記特徴を有する請求項１から６の何れか１項に記載の同期マシン、
   永久磁石（４８）は、ロータの外表面（５０）上に取り付けられている。
8. 下記特徴を有する請求項１から６の何れか１項に記載の同期マシン、
   永久磁石（２４）は、ロータ（１２）の、磁気的に伝導性のコア（２０）の内側に埋め込まれている。
9. 下記特徴を有する請求項８に記載の同期マシン、
   永久磁石（２４）は、ロータ（１２）の中にＶ字形に取り付けられている。
10. 永久磁石の同期マシンを製造し組み立てるための方法であって、
    この永久磁石の同期マシンは、ステータ（１４）と、ステータからエアギャップ（δ１）を隔てて、回転可能に支持されたロータ（１２）と、を有し、
    このロータは、その最大許容偏心量が少なくともエアギャップの十分の一になるように、ステータに対して偏心した状態で組み込みまれることが可能であり、且つ、このロータは、磁束の方向に厚さＨを備えた永久磁石を有し、
    ロータは、永久磁石（２４）の厚さ（Ｈ）と、ロータの最大許容偏心量（ε）と、エアギャップの寸法設定値（δ）との間に、下記の式が適用されるように、製造されそして組み込まれ：
    Ｈ≧（１０＊ε−δ）＊μ_ｒ
    ここで、μ_ｒは永久磁石の比透磁率であること、
    を特徴とする方法。
11. 下記特徴を有する請求項１０に記載の方法、
    ステータに対するロータ支持部は、ロータの最大許容偏心量が、エアギャップの寸法設定値の０．２倍とエアギャップの寸法設定値の０．５倍との間にあるような許容差で、製造される。

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