JP2015516135A - 電気機械 - Google Patents

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Abstract

本発明の機械は、ステータと、ロータ・フレーム10と、ロータ・フレーム10上の極配列とを有する。極配列は、ロータ・フレーム10の周りに周方向に配設され、且つ第1のボルト30によってロータ・フレーム10に締結される複数のセグメント片20と、各セグメント片20の側縁部23、24の傾斜部23a、24a上に位置付けられた永久磁石片41、42と、ロータ・フレーム10の周りに周方向に、前記セグメント片20と交互に配設される複数の極片50とを有する。セグメント片20が第2のボルト60によってロータ・フレーム10に締結されたとき、磁石片41、42は、極片50の傾斜した側縁部53、54とセグメント片20の側縁部23、24の傾斜部23a、24aとの間で押圧される。セグメント片20、永久磁石片41、42、及び極片50は、ロータ・フレーム10の外面10aの周りに閉じたリングを形成し、本発明の電気機械は、軸方向にかわるがわる複数のこのようなリングを含む。さらに、リングを通過する少なくとも1つの軸方向空気路A1、A2と、リング間の少なくとも1つの径方向空気ダクトR1、R2とがある。

Description

本発明は、電気機械(electric machine)に関する。
特開平10−336929号公報には、電気機械が開示されている。複数の座板が、ヨークの外周に周方向に間隔を置いて配置され、且つ、第1のボルトによってヨークに締結される。磁石片が座板上に置かれ、薄鋼板を重ね合せることによって得られた積層板が、磁石片上に押圧部材として置かれる。第2のボルトの締結力によって、磁石片を積層板と座板との間に固着させる。磁石片、積層板、座板及び第2のボルトは、磁石ブロックを備える。
米国特許第6,879,075号には、永久磁石型同期機が開示されている。周方向に向けられたロータ組立体が、交互に並んでいる永久磁石と磁極片とを備える。ロータの漏洩磁束量を減少させて永久磁石の有効長を増大させるために、台形状又はテーパ状の永久磁石構造物が使用される。台形状永久磁石と磁極片とを交互に並べることによって、モータの重量又は体積を変更せずに、モータ内の同じ径方向の空間を利用して、従来の機械と比較してより強力な磁場を空隙内に作り出す。
米国特許第3,567,974号には、永久磁石型電気機械が開示されている。図4は、くさび形状の極鉄心と当接部材との間で締結される永久磁石ブロックを示す。当接部材は、ロータの鉄製構造物と結合して支持星型構造物を形成し、当該支持星型構造物内に永久磁石及び極鉄心が置かれる。極鉄心は、非強磁性ねじによってロータに締結される。
特開平10−336929号 米国特許第6,879,075号 米国特許第3,567,974号
本発明の目的は、改良された極配列(pole arrangement)を備えた電気機械を実現することである。
本発明による電気機械は、独立請求項1の記載によって特徴付けられる。本発明のいくつかの好ましい実施例が従属請求項に開示される。
本発明による電気機械は、円筒状ステータと、当該ステータ内の円筒状回転ロータ・フレームであって、外面を有し、且つ、軸方向にあるロータ・フレームと、当該ロータ・フレームの外面上の極配列とを含み、前記極配列は、ロータ・フレームの外面の周りに周方向に配設された複数のセグメント片と、ロータ・フレームの外面の周りに周方向に配設され、且つ、前記セグメント片と交互に配設された複数の極片と、セグメント片と極片との間の永久磁石片とを含み、セグメント片、永久磁石片及び極片はロータ・フレームの周りに連続リングを形成し、電気機械は、軸方向にかわるがわる複数のこのようなリングを含む。
本発明による電気機械は、
− 各セグメント片が、ロータ・フレームの外面に対して据え付けられた第1の内縁部と、ステータに面している第2の反対側の外縁部と、第1の内縁部と第2の外縁部との間の側縁部とを含み、前記側縁部が、永久磁石片を受ける傾斜部を第2の外縁部のところで含み、各セグメント片は第1のボルトによってロータ・フレームに締結されること、
− 各極片が、ロータ・フレームの外面に面している第1の内縁部と、ステータに面している第2の外縁部と、第1の内縁部と第2の外縁部との間の傾斜した側縁部とを含み、各極片が第2のボルトによってロータ・フレームに締結され、それによって、第2のボルトが締め付けられると、磁石片が、極片の傾斜した側縁部とセグメント片の側縁部の傾斜部との間で押し付けられること、
− 少なくとも1つの軸方向空気路がリングを通過し、少なくとも1つの径方向空気ダクトがリング間を通ること
を特徴とする。
本発明による極配列によって、セグメント片、極片及び永久磁石はロータ・フレームに確実に締結される。
また、本発明による極配列によって、永久磁石の上端及び下端における漏洩磁束が最小限に抑えられる。
また、本発明による極配列によって、軸方向空気路は機械を通過し、径方向空気ダクトは機械を効率的に冷却することができる。
以下において、添付の図面を参照して、好ましい実施例によってより詳細に本発明を説明する。
電気機械の軸方向断面図である。 電気機械の極配列の一部の不等角投影図である。 図1に示される極配列の径方向断面図である。 電気機械の第1の冷却配列の軸方向断面図である。 電気機械の第2の冷却配列の軸方向断面図である。
図1は、電気機械の軸方向断面図を示す。電気機械は、円筒状ステータ100と、ステータ100内の円筒状回転ロータ・フレーム10であって、外面10aを有し、且つ、軸方向A−Aにあるロータ・フレーム10とを含む。電気機械は、ロータ・フレーム10の外面10a上の極配列200をさらに含む。ステータ100の内面と、極配列200の外面との間に空隙Gがある。円筒状ロータ・フレーム10は、その円筒体の軸方向A−Aの中央に径方向間仕切壁9を備える。ロータ・シャフト8は径方向間仕切壁9に締結され、前記ロータ・シャフト8は、電気機械のフレーム構造物Fに対して各端部で軸受7a、7bによって支持される。ロータ・フレーム10は非磁性材料からできている。
図2は、電気機械の極配列の一部の不等角投影図を示し、図3は、図1に示される極配列の径方向断面図を示す。
極配列200は、ロータ・フレーム10の外面10aの周りに周方向に配設された複数のセグメント片20を含む。前記セグメント片20のそれぞれは、ロータ・フレーム10の外面10aに対して据え付けられた第1の内縁部21と、ステータ100に面している第2の反対側の外縁部22と、第1の内縁部21と第2の外縁部22との間の2つの側縁部23、24とを含む。側縁部23、24は、第2の外縁部22のところで傾斜部23a、24aを含む。セグメント片20の側縁部23、24の傾斜部23a、24aは、有利にはV形を形成し、それによって、V形の頂点はステータ100に面する。前記セグメント片20のそれぞれは、第1の、好ましくは非磁性ボルト30によって、ロータ・フレーム10に締結される。各セグメント片20の第1の縁部21は蟻継ぎ25を含む。第1のボルト30の上端には対応する蟻継ぎ係止片31がある。第1のボルト30の自由端は、ロータ・フレーム10における穴を通ってロータ・フレーム10の内部へ伸長する。ナット32を第1のボルト30の自由端に対してねじ切りすることができる。ロータ・フレーム10の内面に対してナット32を締め付けることによって、セグメント片20をロータ・フレーム10にしっかりと取り付けることができる。
極配列200は、各セグメント片20の側縁部23、24の傾斜部23a、24a上に位置付けられた永久磁石片41、42をさらに含む。永久磁石片41、42は矩形状を有する。セグメント片20の側縁部23、24の傾斜部23a、24aは、永久磁石片41、42の側面に係合する小さな突出部を有する。それによって、永久磁石41、42は、セグメント片20の側縁部23、24の傾斜部23a、24aの表面に沿った滑り運動に対して係止される。そのため、軸方向における永久磁石片41、42の幅は、極片50の対応する幅よりわずかに小さい。
極配列200は、ロータ・フレーム10の外面10aの周りに周方向に配設され、且つ、前記セグメント片20と交互に配設された複数の極片50をさらに含む。前記極片50のそれぞれは、ロータ・フレーム10の外面10aに面している第1の内縁部51と、ステータ100に面している第2の外縁部52と、第1の内縁部51と第2の外縁部52との間の2つの傾斜した側縁部53、54とを含む。第1の内縁部51は、ロータ・フレーム10の外面10aから径方向に離れている。第2の外縁部52は、ステータ100に対して空隙Gを形成する。傾斜した側縁部53、54はV形を形成し、それによって、V形の頂点はロータ・フレーム10に面している。前記極片50のそれぞれは、第2の、好ましくは非磁性ボルト60によって、ロータ・フレーム10に締結され、それによって、第2のボルト60が締め付けられると、磁石片41、42は、極片50の傾斜した側縁部53、54と、セグメント片20の側縁部23、24の傾斜部23a、24aとの間で押し付けられる。極片50に埋め込まれた締結片61がある。第2のボルト60を締結片61に、それによって極片50にしっかりと取り付けるために、第2のボルト60を締結片61のねじ山に螺合することができる。ナット62を、第2のボルト60の自由端上のねじ山に螺合することができる。ロータ・フレーム10の内面に対してナット62を締め付けることによって、極片50をロータ・フレーム10にしっかりと取り付けることができる。極片50の傾斜した側縁部53、54は、ナット62が締め付けられると、セグメント片20の側縁部23、24の傾斜した上部23a、23bに対して永久磁石41、42を押し付けることになる。
セグメント片20、永久磁石片41、42及び極片50は、ロータ・フレーム10の外面10aの周りに連続リングを形成する。電気機械は、軸方向A−Aにかわるがわる複数のこのようなリングを含む。図2は、2つの軸方向に隣接するリングを示すが、電気機械はリングをいくつでも備えることができる。
セグメント片20は、複数の薄い電気鋼板から構成される。電気鋼は、0〜6.5%のシリコンを有することができる鉄合金である。セグメント片20における電気鋼板は、軸方向の一くくりの電気鋼板を通って伸長するリベット71によって共に押し付けられる。さらに、セグメント片20の軸方向側面には盲穴72がある。第2のセグメント片20の向きをそれぞれ180度変えることで、盲穴72は軸方向に隣接するセグメント片20のリベット71の頭を受けることになる。これは、セグメント片20が、互いに取り付けられた側面によって位置することができることを意味する。一まとめの金属板における最も外側の金属板は、リベット71がその一まとめの金属板を締め付ける時、まっすぐな側面を形成するのに十分堅くするために、わずかにより肉厚である。軸方向におけるセグメント片20の厚さは、極片50の対応する厚さよりわずかに肉厚である。
極片50も、複数の薄い電気鋼板から構成される。極片50における電気鋼板は、軸方向の一くくりの電気鋼板を通って伸長するリベット73によって共に押し付けられる。一まとめの電気鋼板における最も外側の電気鋼板は、リベット73がその一まとめの電気鋼板を締め付ける時、まっすぐな側面を形成するのに十分堅くするために、わずかにより肉厚である。
第1の軸方向空気路A1は、2つの周方向に隣接するセグメント片20の側縁部23、24の下部23b、24b、ロータ・フレーム10の外面10a、及び、極片50の第1の縁部51によって制限された空間に形成される。第1の軸方向空気路A1は、極配列200全体を通って軸方向A−Aに伸長する。
第1の径方向空気ダクトR1は、2つの軸方向に隣接する極片50間に形成される。これは、セグメント片20が、極片50と比較して軸方向A−Aにおいてわずかに肉厚であることによるものである。第1の径方向空気ダクトR1は、極片50の第2の縁部52から第1の軸方向空気路A1内に伸長する。第1の径方向空気ダクトR1はまた、永久磁石片41、42の軸方向に隣接する側面間で伸長する。
第2の軸方向空気路A2は、それぞれの軸方向に隣接するセグメント片20を通して軸方向A−Aに伸長する。第2の軸方向空気路A2は、例えば、所定の断面で、セグメント片20を形成するそれぞれの薄い電気金属板の中央部に開口部を開けることによって形成可能である。そのため、第2の軸方向空気路A2は、極配列200全体を通して軸方向A−Aに伸長することになる。
第2の径方向空気ダクトR2は、2つの軸方向に隣接するセグメント片20間に形成される。セグメント片20において最も外側の金属板は、第2の径方向空気ダクトR2が2つの軸方向に隣接するセグメント片20間に形成されるように形成されている。第2の径方向空気ダクトR2は、セグメント片20の第2の縁部22から第2の軸方向空気路A2内へ伸長する。
第1の軸方向空気路A1及び第2の軸方向空気路A2の径方向断面の面積を、セグメント片20の径方向断面の面積の約20〜35%とすることができる。軸方向A−Aにおける径方向空気ダクトR1、R2の幅を、軸方向A−Aにおけるセグメント片20の幅の約10〜20%とすることができる。
図1におけるロータ・フレームはいわゆるH型ロータ・フレームである。本発明による極配列を、円筒面を有する任意のロータ・フレームにおいて使用することができ、そのロータ・フレームに対して、セグメント片及び極片を締結することができる。間仕切壁9における、ロータ・フレーム10上に位置しているセグメント片20及び極片50のリングを、ロータ・フレーム10内に位置しているナット32、62によって、ロータ・フレーム10にしっかりと取り付けることはできない。セグメント片20は、セグメント片20の第2の表面22から当該セグメント片の内部における台座まで伸長する穴と、当該台座からセグメント片20の第1の表面21まで伸長するより小さい穴とを備えることができる。セグメント片20を、より小さい穴において伸長する第1のボルト30によって、間仕切壁9におけるねじ山に締結することができる。より大きな穴を通って、セグメント片20の第2の表面22から、台座及び台座における第1のボルト30のナットまで伸長するブシュによって、第1のボルト30を締め付けることができる。リングにおける極片50を同様に締結することができる。セグメント片20の外面22及び極片50の外面まで伸長するこれらの穴は、セグメント片20及び極片50の磁気容量をある程度低減することになる。このことから、他のリングにおいてこのような締結配列を使用しないとされる。
極片50の第2の縁部52における永久磁石41、42の上端面は、ロータとステータ100との間の空隙Gにおける空気に自由に面している。極片50の第1の縁部51における永久磁石41、42の下端面は、第1の軸方向空気路A1における空気に自由に面している。2つの周方向に隣接するセグメント片20の側縁部23、24の下部23b、24bは、永久磁石41、42の下面より下の空域を増大させるために、永久磁石41、42の下端面より下に空洞を有する。この配列によって、前記端面における漏洩磁束が最小限に抑えられることになる。磁性材料はなく、かわりに、永久磁石41、42の下端面における空気があることによって、永久磁石41、42の前記下端面における漏洩磁束が大幅に低減されることになる。漏洩磁束は、空隙を横断せずにステータ巻線に接続することで有用な磁場をもたらさない磁束のことである。永久磁石41、42及び磁極片50の配列は、機械における空間を利用する際に有利である。機械の重量又は体積を変更せずに、機械内の同じ径方向の空間を利用して、より強力な磁場が空隙内に作り出されている。
図4は、電気機械の第1の冷却配列の軸方向断面図を示す。冷却用空気L1は、ステータ100の外面に取り付けられた通気筺体300から、ロータ200の両端部の方へ伝えられる。冷却用空気L1は、ロータ100における軸方向空気路A1、A2内を貫通し、ロータ100の中央の方へ通過する。第1の軸方向空気路A1及び第2の軸方向空気路A2内を貫通する空気の一部はまた、ロータ100における第1の径方向空気ダクトR1及び第2の径方向空気ダクトR2内を貫通することになる。ロータ200における径方向空気ダクトR1、R2内を貫通する空気はさらに、ロータ200とステータ100との間の空隙Gを横断し、且つ、ステータ100における対応する径方向空気ダクトR10内を貫通することになる。ステータにおける径方向空気ダクトR10はステータ空洞110内へと開放しており、前記ステータ空洞110は通気筺体300の中央部内へと開放している。冷却管110は、通気筺体300を通過する。冷却液又は冷却用空気L30は、冷却管310を通って伝えられる。ステータ100から通気筺体300の中央部へ戻るように通過する還気L10は、通気筺体300における間仕切壁320間の冷却管310を通過し、さらに、通気筺体300の外面へと向かうことになる。ロータ200及びステータ100において加熱された還気L10は、冷却用ダクト310を通過する時に冷却されることになる。還気L10の方向を通気筺体300の外面において変更することで、還気L10はもう一度冷却管310を流れ、そこで前記空気はさらに冷却される。その後、前記冷却された空気L1は、ロータ200の端部の方へ、モータ内へと戻って伝えられる。そのため、機械と通気筺体300との間に、閉じた冷却用空気循環がある。この冷却用空気配列は機械の対称的な冷却を形成する。
ロータ・フレーム10における極配列200は、ロータ・フレーム10が回転している時に圧力を引き起こす。径方向空気ダクトR1、R2は、径方向ファンにおける翼と同じ主材によって作用する。通気筺体300の中央部又は通気筺体300の端部は、ファンを装着することもできる。
図5は、電気機械の第2の冷却配列の軸方向断面図を示す。通気筺体300における配列は、図4に示されるものと異なる。ステータ筺体110から通気筺体300の中央部内へ通過する還気L10は、通気筺体300のどちらかの端部へ、熱変換器330a、330bを貫通することになる。還気L10は、通気筺体300の各端部に位置している径方向ファン340a、340によって熱変換器330a、330bから吸い込まれる。径方向ファン340a、340bは、冷却された空気L1を、機械内へ戻して、ロータ200の端部の方へ送風する。各径方向ファン340a、340bは、モータ、好ましくは電気モータ350a、350bによって駆動される。この冷却用空気配列も、機械の対称的な冷却を形成する。
本発明による極配列は、中型の、どちらかと言えばゆっくりと回転する電気機械に特に適切である。回転速度を、例えば、約400rpmとすることができる。ロータ・フレームの直径を約1mかそれ以上とすることができる。しかしながら、本発明による極配列をより速く回転する電気機械において使用することもでき、この場合、ロータ・シャフト8の一方の端部又は両端部はファンを装着することができる。そして、前記ファンは、冷却用空気を、通気筺体300からロータにおける軸方向空気路A1、A2まで送風することになる。
本発明は、上述した実例に限定されず、特許請求の範囲内で多様とすることができる。

Claims (6)

  1. 円筒状ステータ(100)と、前記ステータ(100)内の円筒状回転ロータ・フレーム(10)であって、外面(10a)及び軸方向(A−A)を有するロータ・フレーム(10)と、前記ロータ・フレーム(10)の前記外面(10a)上の極配列(200)とを有する電気機械であって、
    前記極配列(200)は、前記ロータ・フレーム(10)の前記外面(10a)の周りに周方向に配設された複数のセグメント片(20)と、前記ロータ・フレーム(10)の前記外面の周りに周方向に、前記セグメント片(20)と交互に配設された複数の極片(50)と、前記セグメント片(20)及び前記極片(50)の間に位置付けられた永久磁石片(41、42)とを有し、前記セグメント片(20)、前記永久磁石片(41、42)及び前記極片(50)は、前記ロータ・フレーム(10)の前記外面(10a)の周りに連続リングを形成し、前記電気機械は、互いに後ろに並ぶ複数のそのようなリングを前記軸方向(A−A)に有している電気機械において、
    各セグメント片(20)は、前記ロータ・フレーム(10)の前記外面(10a)に対して据え付けられた第1の内縁部(21)と、前記ステータ(100)の方を向いた第2の反対側外縁部(22)と、前記第1の内縁部(21)及び前記第2の外縁部(22)の間の側縁部(23、24)とを有し、前記側縁部(23、24)は、前記第2の外縁部(22)のところに、前記永久磁石片(41、42)を受ける傾斜部(23a、24a)を有し、各セグメント片(20)は、第1のボルト(30)によって前記ロータ・フレーム(10)に締結されていること、
    各極片(50)は、前記ロータ・フレーム(10)の前記外面(10a)の方を向いた第1の内縁部(51)と、前記ステータ(100)の方を向いた第2の外縁部(52)と、前記第1の内縁部(51)及び前記第2の外縁部(52)の間の傾斜した側縁部(53、54)とを有し、各極片(50)は、第2のボルト(60)によって前記ロータ・フレーム(10)に締結され、それにより、前記第2のボルト(60)が締め付けられたとき、前記永久磁石片(41、42)が前記極片(50)の前記傾斜した側縁部(53、54)と前記セグメント片(20)の前記側縁部(23、24)の前記傾斜部(23a、24a)との間で押圧されること、
    少なくとも1つの軸方向空気路(A1、A2)が前記複数のリングを通過しており、また少なくとも1つの径方向空気ダクト(R1、R2)が前記複数のリング間を通過していること
    を特徴とする、電気機械。
  2. 前記セグメント片(20)の前記側面(23、24)の前記傾斜部(23a、24a)は、頂点が前記ステータ(100)の方を向いたV字を形成し、また前記極片(50)の前記傾斜した側面(53、54)も、頂点が前記ロータ・フレーム(10)の方を向いたV字を形成することを特徴とする、請求項1に記載の電気機械。
  3. 前記極配列(200)は、2つの周方向に隣接するセグメント片(20)の前記側縁部(23、24)の下部(23b、24b)と、前記ロータ・フレーム(10)の前記外面(10a)と、前記極片(50)の前記第1の縁部(51)とによって制限された空間に形成される第1の軸方向空気路(A1)を有することを特徴とする、請求項1又は2に記載の電気機械。
  4. 前記極配列(200)は、2つの軸方向に隣接する極片(50)間の空間に形成される第1の径方向空気ダクト(R1)を有し、前記第1の径方向空気ダクト(R1)は、前記極片(50)の前記第2の縁部(52)から前記第1の軸方向空気路(A1)内へ延び、前記第1の径方向空気ダクト(R1)は、前記軸方向における前記セグメント片(20)の幅が前記極片(50)の対応する幅より大きいことにより形成されることを特徴とする、請求項3に記載の電気機械。
  5. 前記極配列(200)は、軸方向に隣接するそれぞれのセグメント片(20)を通して前記軸方向(A−A)に延びる第2の軸方向空気路(A2)を有することを特徴とする、請求項1から4までのいずれか一項に記載の電気機械。
  6. 前記極配列(200)は、2つの軸方向に隣接するセグメント片(20)の外側面間に形成される第2の径方向空気ダクト(R2)を有し、前記第2の径方向空気ダクト(R2)は、前記セグメント片(20)の前記第2の縁部(22)から前記第2の軸方向空気路(A2)内へ延びていることを特徴とする、請求項5に記載の電気機械。
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