JP2015511811A - 磁気移転によって励磁される電力モータ発電機 - Google Patents

Abstract

本発明は、磁気移転によって励磁される電力モータ発電機であって、固定子（１）と、外側の鉄心（３）を備える回転子（２）と、をさらに備え、外側の鉄心（３）は、固定子および回転子に対して静止しており、前記外側の鉄心（３）は、外側軸方向側部分、すなわち固定子（１）に接合された軸方向側電機子（６）と、空隙（４）を介して回転子（２）と連通する内側部分と、前記２つの部分を接合する第３の部分であるディスク（８）と、を備え、回転子には励磁コイルが設けられておらず、したがってリングも集電ブラシも設けられていない電力モータ発電機に関する。外側鉄心（３）は、その外側軸方向側部分（６）に軸方向側永久磁石（１２）および永久磁石（１０）を有し、他の２つの部分、あるいはディスク（８）上に電磁石（１１）を有する。回転子には磁界を生成するブラシが設けられておらず、磁界は外側鉄心（３）の磁石およびコイルによって生成され、磁束が、回転する回転子に、空隙を介して誘導磁束を伝達するので、リングおよび集電ブラシが不要になる。【選択図】図１

Description

特許請求の範囲に記載した機械は、電磁発電機および電磁モータの技術分野に関する。この機械は、機械動力、つまり移動力を電気エネルギーに変換し、またその逆の変換を行う装置である。この機械は、静止した磁束源から受動空隙を介して磁束が移転することによって回転子に流入する電気機械である。

電磁励起は静止した状態である車両用交流発電機があるが、これらはみな、磁束が４つの空隙を通過し、固定子の磁気回路の形状が従来型あるので、特許請求の範囲に記載したものとはまったく異なっている。

本願発明特許出願人のうちの一人が所有権を有する西国実用新案第Ｕ２００４０２３９６号明細書では、本願発明特許の特許請求の範囲に記載したように、ただ１つの中央の軸方向側コイル、および磁極１つにつき２つの空隙だけを用いて、静止した状態で電磁的に励磁される。

しかしながら、本願特許が提案するのは、ただ１つの中央の軸方向側永久磁石１２および、ディスク上または軸方向側電機子上の数個の永久磁石１０だけによって、励磁させること、あるいは、ディスク８の中央部分とディスク８の外側のリング状のクラウンとの間、または軸方向側電機子６の２つのリング間に組み込まれた鉄心を備える複数の励磁コイル１１と組み合わせて励磁させることである。回転子の磁極および固定子の磁極の形状および配分は、本願特許に特有のものである。また磁束は複数倍に変化し、本実施形態では３倍の変化が示されている。これらすべての点により本願特許は、その構造において前述の実用新案とは実質的に異なったものとなり、効果をもたらす。

本願特許はまた、回転子２に籠型導体１８が追加されているので、前述の実用新案とは異なっている。この新たな基本形同期交流発電機は、この追加によって従来の同期交流発電機に問題を起こすことなく、電気車両およびハイブリッド車両の駆動用、および風力タービン用に好適なものの１つとして認識されている、非同期交流モータ発電機へと変換される。

従来の機械の技術的問題および、本発明によりもたらされる解決策を、理由を明示して以下に示す。

ａ）あらゆる発電機、特に車両および風力発電を用途とする発電機では、高速発電時には電圧が必要以上に高くなるので、調整システムを選択して制限しなければならないため、機械のサイズを大きくしなければ発電速度が遅いという問題がある。

図３は、ここで議論されている三相固定子のＲ相コイルに関して、本発明の場合には、１巻き当たりの磁束変化が３ｘＦ、すなわち従来の場合の磁束変化の３倍であることを示す。磁束が単方向性であるので、本明細書の「特許請求の範囲」に記載された機械でのみ、これが実行可能である。

図４は、従来の交流発電機であり、回転子磁極３３が、「Ｒ」相コイルに包囲された３つの固定子磁極のうちの１つだけに連続した磁束変化Ｆを起こしていることを示す。その一方で本発明の交流発電機、すなわち図３では、変化は、「Ｒ」相によって構成された３つの磁極上で同時に起こっており、これらは磁極１つにつき同量の磁束であるので、３ｘＦでなければならない。

関連する電気技術的な公式に当てはめて電圧を計算することで、この主張が実証される。

基本公式：
電圧＝磁束変化／変化が起こるのにかかった時間
が正しく当てはまり、公式によりこの主張が証明され、実験により確認される。

ｂ）冷却速度が遅いことも、従来の交流発電機に関する問題である。獲得し得る電力が制限されるからである。固定子巻線の導電体の断面によってコイル１個当たりの巻数が決定され、これによってコイル電圧が決定される。１巻き当たりに得られる電圧が大きいほど、抵抗損は小さい。同量のコイル電圧を得るために必要なコイル１個当たりの巻数が少なくなるからである。

電圧が大幅に増加し、かつ、コイル線の長さが短縮されることで、オーム抵抗が減少するので、本発明が不要な熱の発生を低減することは明らかである。

ｃ）従来の車両用交流発電機が有する別の問題は、励磁コイルに必要な銅の量、およびこれら励磁コイルが発生する熱である。

本発明による交流発電機の概略構成を示す図１では、鉄心を備える励磁コイル１１、すなわち電磁石が、各電磁石の間に換気窓部２０を備える外側鉄心のディスク８の円形クラウンに完全に取って代わっていることがわかり得る。さらに、それらは、従来の車両用交流発電機の合計を電磁石の数で割ったので、層がほとんどないコイルであり、外側鉄心および空気と接触する面が広いので直接的かつ効率的な冷却ができるようになる。コイル１３が中央の磁石１２に巻き付けられる。電磁石の全部分または一部分は、Ｎ極が同じ方向、ディスクの周辺部、すなわち図２の位置３０の方に、あるいはその逆方向に向いている永久磁石１０に置き換えてもよい。その結果、磁束同士が接合され、合計磁束が増える。

計算により、アンペア回数が同数で銅線直径が等しい場合には、この構成では、従来の発電機の何分の１かの長さの銅線しか必要としないことが示されている。また、直径が大きい鉄心上の中央のコイル１個は、小型鉄心上の数個のコイルに置き換えられるので、従来のものよりも外側冷却面がはるかに大きく、オーム抵抗がはるかに小さい。オーム抵抗が小さいので、励磁電流によって生じる熱量が少ない。さらに、非常に重要なことに、励磁の際に使用される銅の量は、電磁石の場合には、従来のもので使用される量よりもはるかに少ない。多重らせんタイプでは、使用される銅の量は３分の１である。したがって、発生する熱量がはるかに少ない。計算により、能動空隙内における同量の誘導に対して、銅の量はおよそ３分の１であり、放散された熱は半分以下であることが示されている。さらに、これらのコイルは比較的小型で、銅の量ははるかに少ないので、数個のコイルがあるにもかかわらず低コストである。

また励磁コイルの冷却は大幅に改善される。なぜなら、励磁コイルは生じる熱が少なく、かつ、機械の外側に位置する、かなり大量の鉄に接合され、さらにただ１つの、直径が大きい中央のコイルよりも広い表面を有していることで、はるかに大量に、しかも効率的に冷却媒体、通常は空気であるが、に露出されるからである。簡単な計算により、能動空隙内における誘導に均等に露出された車両用交流発電機の表面は、中央のコイルを１つ備えるものよりも複数のコイルを備えるものの方がはるかに大きいことが示されている。

空気冷却ファン２８の取り付け場所は、必ずしも回転子だけである必要はない。直径がさらに大きく、さらに効率のよい別のファン２１を磁気保磁子の外側に、ただし機械の電機子２７の内側に取り付けでもよい。

これにより、電力が生成される際に生じる熱を徐々に外側に放出することが可能になる。これは非常に重要である。

さらに、スペースがあるので、アンペア回数を増やすことも可能で、スケールによって回転子および固定子のサイズが影響を受けることもない。これもまた、非常に重要である。

ｄ）従来の車両用交流発電機、図４では、励磁コイルすなわちコイル３５は、回転する回転子上にある。つまりコイルに電気励磁電流を供給するためにリングおよびブラシ３６が必要であるということである。

本発明では、励磁コイルが静止しているので、リングもブラシも設けられていない。これによってもまた、コストが低減される。

ｅ）励磁コイルの代わりに永久磁石を使用することは、励磁の際に銅を使用しないので、高く評価されるが、公知の発電機では永久磁石が回転子上に配置されるという欠点がある。永久磁石はある一定量の誘導を与えて、回転子とともに回転するので、複雑で費用のかかる手段を用いて固定子を介して電圧調整を行わなければならない。

ｆ）従来の永久磁石を備える風力タービンには、「コギング」と呼ばれる一定の始動トルクがあり、一旦始動すれば、エネルギーを生成するのに十分であるが、この始動トルクが、タービンがある程度の風速で始動するのを妨げる。

本発明は、１つまたは複数の励磁磁石１０が回転子上にないので、これら２つの問題ｅ）およびｆ）を解決する。励磁磁石１０は、外側鉄心上にあるので静止した状態であり、励磁磁石１０に作用する磁界は、磁石１０を包んでいる導電フィラメント製のコイル１３によって、あるいは永久磁石と、コギングを調整し除去する電磁石との組み合わせによって調節してもよい。以下のようにしてこの調節を実現する。図２を参照されたい。

永久磁石１０および電磁石１１の磁気極性は、同じ方向、例えばディスク８の周辺部の方に向いている。図２の、位置３０を参照されたい。したがって、磁石間の磁束が付加され、外側鉄心３を通って固定子へと進み、空隙５および４を介して、コイル１３を備える永久磁石１２によって形成された外側の鉄心の中央部分へ、ディスク３へ、そしてそこから軟鉄製鉄心を備える電磁石１１および永久磁石１０の鉄心へと戻り、このようにして、磁気回路は完了する。しかしながら、軟鉄製鉄心電磁石１１を設けない場合には、磁石の磁束はディスク８の円形クラウンを介して循環し、同じ円形クラウンを介して磁石の対極へと戻るので、励磁およびコギングは消失する。図２の、閉回路３１を参照されたい。

永久磁石１０および１２だけである場合には、それらの磁石の巻線１３は逆電流で励磁されるので、巻線１３は、打ち消し合うまで磁石の磁束から自身の磁束を取り去る。巻線１３はまた、磁石が磁気を失った場合には、磁気を回復させるためにも使用される。

永久磁石が励磁を生み出すためのコイルを備える場合でも、あるいは本願特許の「特許請求の範囲」に記載したように、コイルを備えない場合でも、回転子に励磁子が装着されている図４に示す発電機に対して、電磁石を永久磁石と組み合わせて使用してもまたよい。この理由により、独立請求項として同様に提案される。

いずれの場合においても、上記の形式によって、非常に簡単かつ低コストで調整を行うことができるとともに、永久磁石の存在に起因するコギングや始動トルクを除去することができる。これは、風力タービン、とりわけ出力が３〜８ｋＷの風力タービンにとって非常に重要である。

ｇ）従来の同期交流発電機は、始動の際および、それよりも程度は低いが通常の動作時に、磁気回路が、インダクタのコイルが配置された箇所では回転子の磁極を介して閉じるので、固定子の回転磁界が、インダクタの配線に危険な電流を引き起こすという問題があるので、非同期モータに変換することができない。図４を参照されたい。

磁気移転技術による励磁子を備える発電機は、本明細書の図１で説明されるように、二次空隙、すなわち受動空隙４を有する。この受動空隙４では、磁束を変化させずに磁束の伝達だけが行われる。つまりこれは、誘導電流が存在しないことを意味し、同期発電機として動作する際には、磁束を変化させるだけでなく誘導電圧および誘導電流も変化させる能動空隙５が生成される。

準非同期モータ（ｈｙｐｏ−ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ）または超非同期発電機（ｈｙｐｅｒ−ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）として動作する際には、存在する分散磁束および調整磁束だけが二次空隙４を通過する。その磁束は、非常に少量であることが実験により実証されている。

これにより、同期発電機および非同期発電機として特許請求の範囲に記載した機械は、籠型導体またはコイル回転子始動部を備え、２つの空隙が能動的である従来の同期交流発電機と、実質的に区別される。以下に説明するように、この違いは非常に重要である。

適切な多相の電圧および電流システムによって設けられた固定子によって生み出された回転磁界は、励磁コイルが回転子内にあり、回転子と交差しているので、従来の同期交流発電機の励磁コイル中に高い誘導電圧を発生する。図４を参照されたい。これらの高い誘導電圧は危険であるので、公知の高価な装置を使用して回避する。磁気移転による励磁を行う本発明の構成では、回転子上にではなく外側の鉄心上にある励磁巻線に著しい影響を及ぼすことなく、誘導電流は回転子の鉄心で閉じられる。図３の、回路３２を参照されたい。

ｈ）回転子に配置された従来の永久磁石を備える発電機の場合には、磁石が減磁されるので、非同期モータに変換することができない。

本発明ではこのような問題はない。磁石が回転子内ではなく、固定子コイルによって誘導された磁束が到達しない外側の鉄心にあり、従来の非同期発電機械のように、コイルが回転子の保磁子の上方で閉じるからである。図３の、回路３２を参照されたい。

図１は、本発明の交流発電機の断面図であり、コイルおよび永久磁石をディスクと、軸方向側電機子と、中央の鉄心とに備える。 図２は、ディスク上の磁石および電磁石の構成ならびに調整コイルおよびコギング防止コイルを示す。 図３は、本発明の交流発電機内の磁束を示す。 図４は、従来の交流発電機中の磁束を示す。

次に、１つの実施形態の説明および特許請求の範囲に含まれる技術についての様々な可能性を記述するが、これは本願特許の範囲に対して限定を加えるものではない。

本発明の一部を形成する部品は、よりよく理解するために、数および存在が他の実施形態における数および存在と同一でない場合であっても、すべてが含まれている。

発電機は、機械の回転軸２４用の前側転がり軸受２３を収容するアルミニウム製の前側遮蔽部２２を有する。回転軸２４は、その他端で別の軸受２５を回転させる。別の軸受２５の支持体２６は、外側の磁気鉄心３のディスク内で保持され、空隙４および５を確保する。アルミニウム製の外側カバー２７で、主要ファン２１を収容する保護電機子が閉じられる。さらに２つの内部ファン２８がある。

図３は、籠型導体１８と、同期発電械を非同期発電機に変換する換気通路１９と、が設けられた、本発明の同期発電機の断面図を示す。

固定子１は機械的接触によって外側の鉄心３に接合される。次いで外側の鉄心３は、二次空隙、すなわち受動空隙４を介して回転子２の方に向いている。

誘導コイル１１および永久磁石１０は、図２の磁界３０と同じ方向に向いている磁気極性を有する磁気回路２９に挿入される。中央の永久磁石１２は、受動空隙を介して回転子２へと伝達される全磁束と交差する。

回転子２の磁極１６は、能動空隙５を介して固定子の磁極１４の方を向いている。図３を参照されたい。

図２では、外側軸方向側部分６に取り付けられたものではなく、ディスク９に位置する電磁石１１および永久励磁磁石１０が示されている。動作は同じである。

電磁石１２は、ディスク８に位置する他の永久磁石１０と同じようにコイル１３に囲まれた中央領域に位置している。

図１の磁束通路は、閉じた回線２９を有し、閉じた回線２９は、電磁石または永久磁石を起点として、ディスク８を介して進み、軸方向側鉄心６の上方を進んで、軸方向および半径方向に固定子１の保磁子を横断し、固定子１の保磁子から回転子２の磁極へと、能動空隙５を通過し、回転子２から、中央の永久磁石１２へと受動空隙４を通過し、そこから、ディスク９に機械的接触され、電磁石１１または永久磁石１０へと戻る。

同期発電機としての動作方法がいくつかある。

ａ）電磁石により励磁する方法。利点：Ｃｕ含有量が少なく、従来の電圧制御時の回転子および固定子におけるオーム加熱が少ない。

ｂ）永久磁石だけにより励磁する方法。利点：製造コストが非常に低い。「特許請求の範囲」に記載した、磁力の調整および維持：それぞれの永久磁石には、コイル１３が巻き付けられており、電流でコイル１３に適切を設けることによって、磁束が打ち消し合って、磁石の磁力値を調節したり磁力を回復させたりする。

ｃ）電磁石および永久磁石を併用して励磁する方法。利点：銅の含有量が少なく、上記ａ）の励磁の際よりも熱が少ない。コギングがなく、永久磁石が減磁せず、励磁からの調整が容易で安価である。

ｄ）中央の永久磁石だけにより励磁する方法。低出力の風力タービンによくみられる非常に低コストの解決策である。

これらはすべて、回転子に籠型導体１８を追加することにより非同期発電機へと変換することができる、という利点を有する。

適切に設けられた電磁石は、永久磁石と等価であり、いずれも等しい極性を有し、例えばディスク８の周辺部の方に向いている。図２の、位置３０を参照されたい。電磁石は、能動空隙５内で全磁界および誘導Ｂを生成し、能動空隙５では、固定子巻線に電圧を生じる磁束変化が引き起こされる。

電磁石から励磁子を取り除くと、永久磁石の磁束が永久磁石上で閉じ、コギングが除去される。そして電圧は容易に、しかも低コストで調整される。磁界のこの作用を、図２のディスク８の、位置３１に表わす。

これには、電磁石および永久磁石の数が同一であることが必要である。

鉄心を備える数個の励磁コイルのコストは、車両用交流発電機に使用されるただ１つの中央のコイルのコストよりも低い。鉄心の直径がはるかに小さいので銅の量が非常に少なくてすむからである。簡単な計算により、このことが実証される。

適切な磁性材料、例えばヒステリシスに起因する損失を低減する薄型の磁気シートなどからなる保磁子の磁極または突極に関して、図３および図４は、従来の交流発電機と本発明の交流発電機との差異を示す。

図３の本発明の交流発電機では、空隙内で測定された固定子磁極１４および回転子磁極１６の幅は等しく、これに対して、対応するスロット、すなわち固定子スロット１５および回転子スロット１７は、磁極の幅と同一であっても、あるいは電圧波形を修正するために２５パーセント増しまでの幅であってもよい。図３では、それらは同一である。

それぞれの固定子磁極は、１つの回転子磁極の方を向いており、コイルの１巻きはそれぞれ、３つの固定子磁極を備え、磁束変化は、同一速度および同一量の磁束に対して３倍であるので、電圧は３倍である。

図４の従来の交流発電機では、それぞれの回転子磁極３３は、３つの固定子磁極、正確には、平均磁極ピッチで包囲された３つの固定子磁極の方を向いている。回転子が回転するにつれて、磁極３３は、ただ１つの固定子磁極の磁束を次のスロットまで変化させる。つまり磁束変化が、本発明の交流発電機の磁束変化の３分の１であることを意味する。

図３は、本発明の機械が、非同期の、回路３２として動作する際の、磁力線の閉鎖を示す。多相電流、例えば、三相電流によって固定子で生成された回転磁界の磁力線は、図２の位置３０（一部分）および図１の２９の回路よりも磁気回路の長さが短く、抵抗が少ないので、回転子の鉄心で閉じられる。

図４の、永久磁石を備える従来の同期発電機の回転子は、その磁極に１つまたは複数の励磁磁石３７を有する。本発明では、永久磁石は、その１つ１つにコイルが巻き付けられている。これらコイルによって生じた磁界を、変化させて電圧を調整し、コギングを回避し、そして磁気が失われている場合は、磁気を回復させてもよい。

図２の、位置３１のディスク８に取り付けられた励磁子について上記で説明した方法と同様の方法で、永久磁石および電磁石を組み合わせることにより同じ効果が得られる。

図１の位置３４は、アルミニウム製電機子の換気窓部である。

Claims (7)

1. 磁気移転によって励磁される電力モータ発電機であって、
   固定子（１）の磁気導体材料からなる保磁子および回転子（２）の磁気導体材料からなる保磁子であって、前記回転子（２）が前記固定子（１）の内側で回転し、前記固定子の前記保磁子および前記回転子の前記保磁子は、前記保磁子のいずれとも異なる磁気導体材料からなる外側の鉄心（３）によって連通され、前記外側の鉄心（３）は、前記固定子（１）および前記回転子（２）に対して静止しており、直接接触によって前記固定子の前記保磁子に接合され、二次空隙（４）によって前記回転子の前記保磁子に接合され、前記二次空隙（４）は次に能動空隙（５）を介して前記固定子の方を向いている種類の電力モータ発電機であり、
   前記鉄心（３）が、前記固定子の前記保磁子に直接接合される軸方向側電機子（６）と呼ばれる外側軸方向側部分と、前記二次空隙（４）を介して前記回転子の前記保磁子と連通する中央の鉄心（７）と呼ばれる内側部分と、前記２つの部分の間に位置して前記２つの部分をともに接合するディスク（８）と呼ばれる第３の部分と、を有し、これらの部分がすべて軟鉄および薄型シート状磁性鋼などの、磁気がほとんど、またはまったく残留しない磁気導体材料からなる鉄心であり、
   前記回転子（２）が、同期発電機として動作する限りでは、いかなる種類の励磁コイルも設けられず、したがって集電リングも集電ブラシも設けられない回転子であり、
   前記固定子の前記保磁子が、それぞれの突極に従来の多相の巻線（９）または個別のコイルを支持する保磁子であり、
   １行目から２０行目で規定され、背景技術の項を形成する、磁気移転によって励磁される電力モータ発電機において、本願特許の目的のために、
   前記外側の鉄心（３）が、
   完全なリング形状である前記軸方向側電機子（６）の断面と、
   永久磁石（１０）および電磁石（１１）によって置き換えられるか、または形成される完全な円形状である前記ディスク（３）のクラウンと、
   前記永久磁石（１０）および前記電磁石（１１）の各間に換気窓部（２０）と、
   軸方向側永久磁石（１２）によって置き換えられるか、または形成される前記中央の鉄心の区間と、
   を有することを特徴とする電力モータ発電機。
2. 請求項１に記載の磁気移転によって励磁される電力モータ発電機において、前記永久磁石（１０）および前記軸方向側永久磁石（１２）が、それぞれ導電フィラメントの巻線（１３）に取り囲まれ、前記導電フィラメントの巻線（１３）が、前記永久磁石（１０）および前記軸方向側永久磁石（１２）の前記磁気鉄心に相当し、いずれも永久磁石鉄心を備える電磁石を形成することを特徴とする電力モータ発電機。
3. 請求項１または２に記載の磁気移転によって励磁される電力モータ発電機において、前記固定子（１）の突極（１４）およびスロット（１５）ならびに前記回転子（２）の突極（１６）およびスロット（１７）が、前記能動空隙（５）内で測定された同一の、ゼロであるべき角度幅を有するとともに、前記能動空隙（５）の表面全体を占め、前記表面上に、互いに等間隔で配分されていることを特徴とする電力モータ発電機。
4. 請求項１または２に記載の磁気移転によって励磁される電力モータ発電機において、前記固定子の前記突極（１４）および前記回転子の前記突極（１６）が、前記空隙内で測定された同一の、ゼロであるべき角度幅と、通常よりも狭く、前記スロットと同一の幅の２５パーセントまでの幅と、を有するとともに、前記能動空隙（５）の表面全体を占め、前記表面上に、互いに等間隔で配分されていることを特徴とする電力モータ発電機。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の磁気移転によって励磁される電力モータ発電機において、前記回転子は、巻線が籠型導体の形式で設けられ、前記籠型導体は、従来の非同期モータの籠型導体と同一形式を有することを特徴とする電力モータ発電機。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の磁気移転によって励磁される電力モータ発電機において、前記籠型導体は、前記回転子のそれぞれのスロットに、空き領域または換気ダクト（１９）が配置され、前記空き領域または前記換気ダクト（１９）は、前記保磁子の一端から他端までを横切ることを特徴とする電力モータ発電機。
7. 前記励磁子が前記回転子内に位置する電力モータ発電機において、前記励磁子は、電磁石および永久磁石によって形成されるとともに、前記永久磁石を導電性巻線で取り囲むことが可能であることを特徴とする電力モータ発電機。

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