JP2013529887A - スポーク開口部を備える回転子ディスク - Google Patents

Abstract

同期リラクタンス機械の回転子１００のための回転子ディスク１１０は、高透磁率をもつディスク本体材料で構成される。遠心負荷および熱的負荷に耐えるための回転子ディスク１１０の能力を向上させるために、シャフト開口部２００とディスク外周１７０との間で径方向に延びるスポーク１９０は、スポーク開口部２２０を備えている。これらのスポーク開口部２２０は、スポーク１９０の熱伝導特性を弱め、スポーク１９０の剛性を低減するために、円周方向と径方向の両方に広い距離にわたって延びている。
【選択図】図３

Description

本発明は、同期リラクタンス機械の回転子のための回転子ディスクに関する。回転子ディスクの熱伝導特性および剛性は、径方向に延びるスポークに開口部を設けることによって修正され、それにより遠心負荷および熱的負荷に耐えるための回転子ディスクの能力が高められてきた。

図１を参照すると、同期リラクタンス機械の典型的な回転子１００は、軸方向に一緒に積層された複数の回転子ディスク１１０で構成される。各回転子ディスク１１０は本質的に、高透磁率材料のディスク本体と低透磁率材料の長手方向の磁束バリア１２０とを備える。一般に、磁束バリア１２０はディスク本体から材料を切断することによって生成され、したがって、低透磁率材料は空気である。磁束バリア１２０は、最大磁気抵抗の軸すなわちｑ軸１３０と、最小磁気抵抗の軸すなわちｄ軸１４０とが形成されるように、回転子ディスク１１０に異方性磁気構造を与えるように構成される。回転子ディスク１１０の各極は一般に、３〜５個の径方向に間隔をあけた長手方向の磁束バリア１２０を備え、次いで、対応する形状の磁束通路１５０を備える。各極の径方向の延びている対称中心線は、ｑ軸１３０と一致する。回転子ディスクは、磁束通路１５０が、ディスク外周１７０にある狭い正接リブ１６０によって互いに接続され、最終的にはｑ軸１３０において径方向のブリッジ１８０と接続するように機械的に自立している。

隣接する回転子極間には、シャフト開口部２００とディスク外周１７０との間に径方向に延びるスポーク１９０が存在する。一般に、これらのスポーク１９０が対称である場合、各スポーク１９０の対象軸はｄ軸１４０と一致する。スポーク１９０は一般に、ディスク本体材料で構成された中実のエレメントであるが、スポーク１９０は、締付ボルトを挿入するため、または磁束バリア１２０をとして機能するためなど、異なる目的のための、異なる形状のいくつかの孔または開口部を備えることができる。

特開２００１−１３６７１７には、スポーク中に比較的大きい開口部を備える回転子ディスクを開示されている。特開２００１−１３６７１７では、開口部の目的については説明されていないが、その説明はおそらく、回転子ディスクの機械的特性に関係している。回転子ディスクの径方向の内側端部における開口部の幅は、開口部全体の幅よりもほんのわずか大きい。

米国特許第７，５６０，８４６号の図１３には、スポーク中に三角形の開口部を備える回転子ディスクが開示されている。これらの開口部は、回転子ディスクを一緒に固定し、配向する結合部材を受けるように構成されている。

米国特許第６，３００，７０３号の図３１には、スポーク中に長くて狭い開口部を備える回転子ディスクが開示されている。米国特許第６，３００，７０３号は、開口部の目的については説明していないが、開口部が追加の磁束バリアをとして機能することは明らかである。

同期リラクタンス機械が動作すると、回転子１００中の鉄損により、回転子１００が加熱される。そのような損失は同期リラクタンス機械では比較的低いが、発生した熱を効果的に伝導させて取り除くことができないので、磁束バリア１２０によって離隔された磁束通路１５０の温度は依然として、極めて高くなることがある。回転子シャフトに対する大きい熱伝導区域を有するのは、径方向の最も内側の磁束通路１５０、すなわちスポーク１９０のみである。残りのすべての磁束通路１５０は、回転子の温度を低温に保つための十分な熱伝導能力を提供しない狭いリブ１６０またはブリッジ１８０のみを介して、回転子シャフトに接続されている。したがって、従来の同期リラクタンス機械では、長時間動作していると、スポーク１９０と残りの磁束通路１５０との温度差が大きくなる。

回転子ディスク１１０の異なる部分の温度の差が大きいことにより、回転子ディスク１１０の熱的張力が引き起こされる。これらの張力は遠心負荷とともに、回転子ディスク１１０を過剰に変形させるが、そのような変形は、ヘアラインクラックにつながり、最終的には回転子ディスク１１０を破壊する。従来技術の回転子ディスク１１０は、過剰な変形が生じないように防止するための満足な解決策を提供していない。図２は、ある特定の負荷状態下における変形状態の従来の回転子ディスク１１０のシミュレートされた詳細を示す。図２における変形は、例示のために誇張されている。

本発明の目的は、回転子ディスクの遠心負荷および熱的負荷耐久能力を改善し、対応する同期リラクタンス機械を提供することである。

これらの目的は、添付の請求項１および１５に記載のデバイスによって達成される。

本発明は、開口部を備える回転子ディスクスポークを提供して、それにより、スポークの熱伝導特性を弱めることによって、回転子ディスク内の温度差によって引き起こされる張力を低減させることの実現に基づく。同時に、スポークは、剛性が低くなり、ディスク本体材料に対すて永続的に損傷を与えることとなく、回転子ディスクのより大きい変形を可能にする。いくつかの従来技術の回転子ディスクが、開口部を備えるスポークを備える場合でも、そのような開口部の寸法は、スポークの熱伝導特性または剛性を著しく変更させるために小さすぎる。

本発明の第１の態様によれば、同期リラクタンス機械の回転子のための回転子ディスクが提供される。本回転子ディスクは、高透磁率をもつディスク本体材料と、低透磁率をもつ材料を備え、最大磁気抵抗の少なくとも１つの軸すなわちｑ軸と、最小磁気抵抗の少なくとも１つの軸すなわちｄ軸とが形成されるように、本回転子ディスクに異方性磁気構造を与えるように構成された複数の縦方向磁束バリアと、シャフト開口部とディスク外周との間で径方向に、２つの隣接するｑ軸間で円周方向に延びるスポークであって、スポークが、シャフト開口部と、２つの隣接するｑ軸と、ｄ軸の両側の２つの隣接する磁束バリアと、ディスク外周によって実質的に輪郭が定められるスポーク区域を有する、スポークとを備える。スポーク区域の一部はディスク本体材料によって占められておらず、ディスク本体材料によって占められていないスポーク区域の１つまたは複数の部分は、本回転子ディスクの中心から測って少なくとも２５°の角距離αにわたって円周方向に分布している。

ディスク本体材料がスポーク区域全体を占めていないことと、広い角距離にわって円周方向に占められていない部分を分布させることとによって、回転子ディスク内の温度差が効果的に低減され、ディスク本体材料に対する永続的に損傷を与えることなく、回転子ディスクのより大きい変形を可能にする。

本発明の１つの実施形態によれば、ディスク本体材料によって占められていないスポーク区域の１つまたは複数の部分は、３０°、３３°、または３５°など少なくとも２７°の角距離αにわたって円周方向に分布している。この占められていない部分が円周方向に増加しているとき、さらに均一な温度分布が達成され、さらに大きい変形が可能になる。

本発明の１つの実施形態によれば、ディスク本体材料によって占められていないスポーク区域の１つまたは複数の部分は、２つの隣接するｑ軸間の角距離の４０％、４５％、または５０％など少なくとも３８％に相当する角距離αにわたって円周方向に分布している。回転子の極数に応じて、絶対値ではなく極セクタに関する値について、円周方向における占められていない部分の分布を表すことが妥当であり得る。

本発明の１つの実施形態によれば、ディスク本体材料によって占められていないスポーク区域の１つまたは複数の部分は、シャフト開口部とディスク外周との間の最大距離Ｄの６０％、７０％、または８０％など少なくとも５０％に相当する距離ｄにわたって半径方向に分布している。占められていない部分を長い距離にわたって半径方向に分布させることによって、回転子ディスク内の温度差がさらに低減され、ディスク本体材料に永続的に損傷を与えることなく、回転子ディスクのより大きい変形が可能になる。

本発明の１つの実施形態によれば、スポーク区域は、ディスク本体材料によって占められていない連続部分を備え、連続部分は、２７°、３０°、３３°、または３５°など少なくとも２５°の角距離αにわたって円周方向に延びているか、代替的には、連続部分は、２つの隣接するｑ軸間の角距離の４０％、４５％、または５０％など少なくとも３８％に相当する角距離αにわたって円周方向に延びているか、代替的には、連続部分は、シャフト開口部とディスク外周との間の最大距離Ｄの６０％、７０％、または８０％など少なくとも５０％に相当する距離ｄにわたって半径方向に延びているか、連続部分が円周方向に延びる角距離αは、半径方向の連続部分の中央における連続部分の角寸法βの５倍、７倍、または１０倍など少なくとも４倍である。占められていない部分を連続させることによって、回転子ディスク内の温度差がさらに低減され、ディスク本体材料に対して永続的な損傷を与えることなく、回転子ディスクのさらに大きい変形が可能になる。

本発明の１つの実施形態によれば、スポーク区域の７０％未満または６５％未満など７５％未満が、ディスク本体材料によって占められている。ディスク本体材料を少なくすることにより、熱伝導がさらに減少し、スポークの剛性がさらに低減される。

本発明の１つの実施形態によれば、ディスク本体材料によって占められていないスポーク区域の１つまたは複数の部分の径方向の最も外側の部分は、２２０°など２００°にわたって延びる円弧形状の丸みを有している。そのような丸みを帯びた形状に摺ると、この部分に関する機械的応力は均一に分散され、応力集中点が生じないようになる。

本発明の１つの実施形態によれば、スポークは、ディスク外周に切欠部を有する。ディスク外周にある狭い切欠部により、スポークの半径方向の最も外側の部分におけるスポークの可撓性がさらに向上する。

本発明の１つの実施形態によれば、ディスク本体材料によって占められていないスポーク区域の１つまたは複数の部分は空気で満たされている。ディスク本体材料を切断することは、占められていない部分を提供する簡単な方法であり、空気で満たされたスポーク開口部につながる。

本発明の１つの実施形態によれば、スポーク区域は、ディスク本体材料によって占められていない単一の連続部分しか備えない。１つの連続部分の製造は、複数の部分を製造するよりも単純なことは明らかである。

本発明の１つの実施形態によれば、シャフト開口部は、ｑ軸上にキーホールを備える。これらのキーホールをｑ軸に向かって方向づけることにより、２つの隣接するスポーク間の熱伝導経路は２つの狭いネック部に分割され、それにより、シャフトに対する熱伝導区域がさらに減少する。

本発明の第２の態様によれば、上記の説明による回転子ディスクを備える同期リラクタンス機械が提供される。

添付の図面を参照して、本発明についてより詳細に説明する。

同期リラクタンス機械の従来の回転子を示す図である。 異なる負荷状態下における変形状態の従来の回転子ディスク１１０のシミュレートされた詳細を示す図である。 本発明の１つの実施形態による回転子ディスクを示す図である。 本発明による回転子ディスクのためのスポークの好ましい実施形態を示す図である。

図３を参照すると、４つの極を備える回転子ディスク１１０が示されている。回転子ディスク１１０は対称であり、各極は、３つの磁束バリア１２０によって離隔された４つの磁束通路１５０を備えている。磁束通路１５０は、ディスク外周１７０にある狭い正接リブ１６０によって互いに接続され、磁束通路１５０のうちいくつかはさらに、中間で磁束バリア１２０を交差している径方向のブリッジ１８０と接続している。ディスク外周１７０の形状は円形とすることができるが、わずかに非円形としてもよく、および／または凹部または切欠部を備えてもよい。回転子ディスクの中心３００を中心として、４つのキーホール２１０を備えるシャフト開口部２００が存在する。回転子シャフト（図示せず）が、完全な回転子１００のシャフト開口部２００中に挿入される。ディスク本体は電磁鋼板で作製され、磁束バリア１２０は、ディスク本体材料を切断することによって形成された空気で満たされた開口部で構成される。各極は、各極の径方向に延びる対象軸と一致する最大磁気抵抗の軸、すなわちｑ軸１３０を有する。隣接する極の各対の間には、最小磁気抵抗の軸、すなわちｄ軸１４０が存在する。

各ｄ軸１４０には、シャフト開口部２００とディスク外周１７０との間で径方向に延びるスポーク１９０が存在する。円周方向では、スポーク１９０は２つの隣接するｑ軸１３０間に延びる。それにより、各スポーク１９０は、（２つのキーホール２１０を含む）シャフト開口部２００と、２つの隣接するｑ軸１３０と、ｄ軸１４０の両側の２つの隣接する磁束バリア１２０と、ディスク外周１７０とによって輪郭が定められる（または規定される）スポーク区域を有する。スポーク区域の輪郭を規定するときに、ディスク外周１７０にある正接リブ１６０は省略すべきであり、ディスク外周１７０に近接する磁束バリアの任意の丸みまたは面取り部も同様である。また、磁束バリア１２０と交差するブリッジ１８０がある場合にはそれも省略すべきである。その代わりに、磁束バリア１２０全体の全体的な形状を考察するとき、スポーク区域の輪郭は、磁束バリア縁部とその自然な延長線を辿るものと考えられるべきである。

本発明による回転子ディスク１１０のためのスポーク１９０のいくつかの好ましい実施形態が図４ａ〜図４ｆに示されている。スポーク区域は、完全にはディスク本体材料によって占められていないが、異なる形状のスポーク開口部２２０を備えている。図４ａ〜図４ｃには３つの異なるスポーク１９０が示され、各々が、煙突２３０の形状、エッフェル塔２４０の形状、およびＴ字２５０の形状の単一の連続するスポーク開口部２２０をそれぞれ備えている。図４ｄには、煙突形状を一緒に形成する複数のラウンド開口部２６０を備えるスポーク１９０が示されている。図４ｅには、シャフト開口部２００に近接する円弧状の狭い開口部２７０と、ディスク外周１７０にある狭い切欠部２８０とを備えるスポーク１９０が示されている。最後に、図４ｅには、２つの対称の開口部３１０を備えるスポーク１９０が示されている。

スポーク開口部２２０により、スポーク１９０の径方向の最も外側の部分と回転子シャフトとの間の熱伝導経路は、中実のスポーク１９０と比較して長さが増大し、断面積が減少する。それにより、スポーク１９０の熱伝導特性が弱まり、その結果、機械の動作中、スポーク１９０の径方向の最も外側の部分はより高温になる。これにより、スポーク温度は、既に高温になっている残りの磁束通路１５０の温度に近づき、回転子ディスク１１０内の温度差によって引き起こされる張力が低減される。（銅損が増加する）誘導機および（磁界が弱められる）永久磁石機械とは対照的に、回転子温度の上昇は、同期リラクタンス機械の性能に全く悪影響を与えない。

また、スポーク開口部２２０は、スポーク１９０の剛性を低くし、回転子ディスク材料に対して永続的に損傷を与えることなく、回転子ディスク材料のより大きい変形を可能にする。これは、回転している回転子１００の遠心力が、磁束通路１５０を外向きに引き出すことによって回転子ディスク１１０を変形させる傾向があるときに顕著である。スポーク開口部２２０の径方向の最も外側の部分は、図４ｂおよび図４ｃに記載されたほぼ完全円の円弧形状の丸み２９０を備えることができる。そのような丸み２９０は、この部分に関する機械応力を丸み２９０の全長にわたって均一に分散させ、応力集中点が生じないようにする。図４ｅに記載されたディスク外周１７０にある狭い切欠部２８０により、スポーク１９０の径方向の最も外側の部分におけるスポーク１９０の可撓性がさらに向上する。

図４ａのスポーク１９０についてより拡大して見ると、スポーク開口部２２０は、回転子ディスクの中心３００から測って約４５°の角距離αにわたって円周方向に延びている。これは、２つの隣接するｑ軸１３０間の角距離（９０°）の約５０％に相当する。径方向では、スポーク開口部２２０は、シャフト開口部２００とディスク外周１７０との間の最大距離Ｄの約８２％に相当する距離ｄにわたって延びる。スポーク開口部２２０が円周方向に延びる角距離α（４５°）は、径方向にスポーク開口部２２０の中央におけるスポーク開口部２２０の角寸法β（２．８５°）の約１６倍である。スポーク区域の約６３％のみがディスク本体材料によって占められ、残りはスポーク開口部２２０によって占められている。

２つの隣接するスポーク１９０間の熱伝導経路を１つの広いネック部ではなく２つの狭いネック部に分割するために、キーホール２１０をｑ軸１３０に向かって方向づける。そのように分割することにより、スポーク１９０の機械特性および熱的特性がさらに向上する。

本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、当業者にはもちろん、特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲内で複数の方法でそれらの実施形態を修正することができる。したがって、たとえば、本発明は、空気で満たされたスポーク開口部２２０を備える回転子ディスク１１０に限定されるものではなく、スポーク開口部２２０は、任意の熱的に分離した材料で満たしてもよい。また、回転子の極数は４つに限定されるものではなく、極数は、２つ、６つ、８つ、さらにより大きな数でもよい。最後に、本発明は、トルクを生成するための磁気抵抗構成要素だけを使用する機械に限定されるものではない。実際には、そのような機械は、トルクを生成するための他の手段、たとえば、永久磁石をさらに備えることができる。

隣接する回転子極間には、シャフト開口部２００とディスク外周１７０との間に径方向に延びるスポーク１９０が存在する。一般に、これらのスポーク１９０が対称である場合、各スポーク１９０の対象軸はｄ軸１４０と一致する。スポーク１９０は一般に、ディスク本体材料で構成された中実のエレメントであるが、スポーク１９０は、締付ボルトを挿入するため、または磁束バリア１２０として機能するためなど、異なる目的のための、異なる形状のいくつかの孔または開口部を備えることができる。
特開２００４−２５４３５４には、スポークに三角形の開口部を有する回転子ディスクが開示されている。これらの開口部は磁束バリアとして機能する。
特開２００６−０４２４６７には、スポークに広い開口部を有する回転子ディスクが開示されている。この開口部の機能は、遠心力による変形に対する耐性が上がるように、回転子ディスクの剛性を高めることである。

Claims (15)

1. 同期リラクタンス機械の回転子（１００）のための回転子ディスク（１１０）であって、前記回転子ディスク（１１０）が、
   高透磁率をもつディスク本体材料と、
   低透磁率をもつ材料を備え、最大磁気抵抗の少なくとも１つの軸、すなわちｑ軸（１３０）と、最小磁気抵抗の少なくとも１つの軸、すなわちｄ軸（１４０）とが形成されるように、前記回転子ディスク（１１０）に異方性磁気構造を与えるように構成された複数の縦方向磁束バリア（１２０）と、
   シャフト開口部（２００）とディスク外周（１７０）との間で径方向に、２つの隣接するｑ軸（１３０）間で円周方向に延びるスポーク（１９０）であって、前記スポーク（１９０）が、前記シャフト開口部（２００）と、前記２つの隣接するｑ軸（１３０）と、ｄ軸（１４０）の両側の２つの隣接する磁束バリア（１２０）と、前記ディスク外周（１７０）によって実質的に輪郭が定められるスポーク区域を有する、スポーク（１９０）と
   を備える、回転子ディスク（１１０）において、
   前記スポーク区域の一部は前記ディスク本体材料によって占められておらず、前記ディスク本体材料によって占められていない前記スポーク区域の１つまたは複数の部分は、前記回転子ディスクの中心（３００）から測って少なくとも２５°の角距離αにわたって円周方向に分布していることを特徴とする、回転子ディスク（１１０）。
2. 前記ディスク本体材料によって占められていない前記スポーク区域の１つまたは複数の部分が、３０°、３３°または３５°など少なくとも２７°の角距離αにわたって円周方向に分布している、請求項１に記載の回転子ディスク（１１０）。
3. 前記ディスク本体材料によって占められていない前記スポーク区域の１つまたは複数の部分が、２つの隣接するｑ軸（１３０）間の角距離の４０％、４５％、または５０％など少なくとも３８％に相当する角距離αにわたって円周方向に分布している、請求項１に記載の回転子ディスク（１１０）。
4. 前記ディスク本体材料によって占められていない前記スポーク区域の１つまたは複数の部分が、前記シャフト開口部（２００）と前記ディスク外周（１７０）との間の最大距離Ｄの６０％、７０％、または８０％など少なくとも５０％に相当する距離ｄにわたって径方向に分布している、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回転子ディスク（１１０）。
5. 前記スポーク区域が、前記ディスク本体材料によって占められていない連続部分を備え、前記連続部分が、２７°、３０°、３３°、または３５°など少なくとも２５°の角距離αにわたって円周方向に延びている、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回転子ディスク（１１０）。
6. 前記スポーク区域が、前記ディスク本体材料によって占められていない連続部分を備え、前記連続部分が、２つの隣接するｑ軸（１３０）間の角距離の４０％、４５％、または５０％など少なくとも３８％に相当する角距離αにわたって円周方向に延びている、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回転子ディスク（１１０）。
7. 前記スポーク区域が、前記ディスク本体材料によって占められていない連続部分を備え、前記連続部分が、前記シャフト開口部（２００）と前記ディスク外周（１７０）との間の最大径方向距離Ｄの６０％、７０％、または８０％など少なくとも５０％に相当する距離ｄにわたって径方向に延びている、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の回転子ディスク（１１０）。
8. 前記スポーク区域が、前記ディスク本体材料によって占められていない連続部分を備え、前記連続部分が円周方向に延びる角距離αが、径方向の前記連続部分の中央における前記連続部分の角寸法βの５倍、７倍、または１０倍など少なくとも４倍である、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の回転子ディスク（１１０）。
9. 前記スポーク区域の７０％未満または６５％未満など７５％未満が、前記ディスク本体材料によって占められている、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の回転子ディスク（１１０）。
10. 前記ディスク本体材料によって占められていない前記スポーク区域の１つまたは複数の部分の径方向の最も外側の部分が、２２０°など２００°にわたって延びる円弧形状の丸み（２９０）を有する、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の回転子ディスク（１１０）。
11. 前記スポーク（１９０）が、前記ディスク外周（１７０）に切欠部（２８０）を有する、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の回転子ディスク（１１０）。
12. 前記ディスク本体材料によって占められていない前記スポーク区域の１つまたは複数の部分が空気で満たされている、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の回転子ディスク（１１０）。
13. 前記スポーク区域が、前記ディスク本体材料によって占められていない単一の連続部分を備える、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の回転子ディスク（１１０）。
14. 前記シャフト開口部（２００）が、ｑ軸（１３０）上にキーホール（２１０）を備える、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の回転子ディスク（１１０）。
15. 請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の回転子ディスクを備える、同期リラクタンス機械。

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