JP2019526216A - 磁鉄鉱を含む発電機用電磁石部品 - Google Patents

Abstract

発電機用の電磁石部品（１００）が、磁鉄鉱と結合材とを含む、断面が少なくとも部分的に弧状である少なくとも１つの磁性シュー（１０２）を備える。金属コア（１１０）が磁性シュー（１０２）に隣接して設けられ、磁性シューから半径方向に間隔をおいて動作可能に配置される。発電機が１つ以上の電磁石部品（１００）を備える。【選択図】図１

Description

本発明は回転機械、特に発電機に関し、具体的には、発電機用の、磁鉄鉱を含む電磁石部品に関する。

一般に、発電機は必須の部分として電磁石を有する。たいていの電磁石は、電磁石の磁性を生成する材料として鋼（例えば高ニッケル鋼）でできたコアを有する。鋼コアの周りには、例えば銅コイルのような巻線が設けられ、巻線に電流が通されて鋼コアの内部および周辺に磁場が誘導される。誘導磁場を有効なものとするためには、電磁石はいくつかの特性を有していなければならない。例えば、電磁石は、十分に高密度な、正しい方向に分散した磁束を発生できなければならず、また（発電機の構造に応じて）コアには、発電機の運転によって必然的に生じる遠心荷重を担持できるだけの十分な強度が必要である。

鋼はいくつかの好ましい特性（すなわち、強度があり、有効な磁束を発生する）を有するものの、好ましくない特性も有する。すなわち、重く、機械加工が困難で、比較的高価である。本発明者は、これらの欠点のうち少なくとも１つ、理想的には多くを克服または改善する電磁石または電磁石用の部品の提供を目的としている。本発明の目的は、他の材料の弱点を補う材料である磁鉄鉱を含むいくつかの材料の組み合わせから作られた、発電機用の電磁石または電磁石部品を提供することである。

本発明者が承知している最も近い従来技術は以下のとおりである。

英国特許第４６３７８３号明細書は、自己始動式同期モータのステータと協働するためのロータを開示している。このロータは、一定量の酸化鉄（ＩＩＩ）、コバルト酸化物、および磁鉄鉱で構成される。

中国特許出願公開第１６９１４６７号明細書は、ロータとステータとをもつモータを開示している。このステータは磁鉄鉱を含み、半径方向に磁気を帯びている。

これらの特許文献は両者ともモータに関するものであり、従ってその教示するところは、発電機からは少々離れていることが指摘される。

そこで、本発明は、発電機用の電磁石部品であって、
磁鉄鉱と結合材とを含む、断面が少なくとも部分的に弧状である少なくとも１つの磁性シューと、
磁性シューに隣接して設けられ、磁性シューから半径方向に間隔をおいて動作可能に配置された金属コアと
を備える電磁石部品を提供する。

電磁石部品は、２つの磁性シュー、すなわちそれぞれが磁鉄鉱と結合材とを含む内側シューおよび外側シューを備えてよい。シューのそれぞれは弧状の断面を有してよい。シューは半径方向に互いに間隔をおいて動作可能に配置されてよい。また、金属コアはシューとシューとの間に設けられてよい。

コアは、２つのシューを隔てて、例えば短い距離を隔てて、支持するスペーサーとしての役割を果たしてよい。ある実施の形態において、コアは細長い円柱状であってよく、例えば円形または長方形の断面形状を有してよい。別の実施の形態において、コアは、Ｔ字形の断面形状、またはＩ字形もしくはＨ字形の断面形状を有してよい。

コアは鋼製であってよい。コアは同程度の従来技術の発電機（すなわち、磁鉄鉱と結合材とを含む少なくとも１つの磁性シューをもたない発電機）のコアより小さくてよい。

シュー（または各シュー）は埋め込み補強部品を含んでよい。補強部品はシューの構造的な強度または剛性を高めてよい。補強部品はメッシュであってよい。補強部品は繊維であってよい。補強部品は鋼線であってよい。

結合材は樹脂を含んでよい。樹脂は高強度樹脂であってよい。

磁気分散特性を向上させるため、磁鉄鉱は、磁性物質が９０パーセントを超える高品質な磁鉄鉱であってよい。磁気特性を向上させるため、磁鉄鉱中の磁性粒子は整列していてよい。

シュー（または各シュー）は、犠牲層を有してもよいし、犠牲層であってもよい。犠牲層は従来技術の発電機における空隙の代わりをしてよい。シューは、基底となる非犠牲層と、表面層となり得る犠牲層との２つの層を有してよい。

電磁石部品は分散層を含んでよい。分散層は金属層であってよい。分散層は、例えば高ニッケル鋼または電炉鋼などの、薄い金属の層または板であってよい。分散層の形状はシューの形状に合致してよく、分散層とシューとは互いに接触していてよい。

電磁石部品は巻線を含んでよい。巻線はコアの周りに巻き付けられてよい。巻線はシューに埋め込まれてよい。

本発明は、電磁石部品を複数備える電磁石組立品に及び、複数の電磁石部品は、発電機の回転軸の周りに円形に並んで配置されてよい。

本発明は、上記電磁石部品を含む発電機に及ぶ。発電機は複数の電磁石部品を含んでよい。発電機は、発電機の各極に１つずつ電磁石部品を含んでよく、例えば４極発電機は４つの電磁石部品を含んでよい。複数の電磁石部品は発電機の回転軸の周りに円形に並んで配置されてよい。

次に、本発明について、例として、添付の概略図面を参照してさらに説明する。
これらの図面は以下のとおりである。
図１は、本発明に係る電磁石部品の第１の実施の形態の立体視を示す図である。 図２は、本発明に係る電磁石部品の第２の実施の形態の立体視を示す図である。 図３は、本発明に係る電磁石部品の第３の実施の形態の立体視を示す図である。 図４は、図３の電磁石部品の端面図を示す図である。 図５は、本発明に係る電磁石部品の第４の実施の形態の立体視を示す図である。 図６は、図５の電磁石部品の端面図を示す図である。

本発明についての以下の説明は、本発明を実施可能にする教示として述べられるものである。当業者は、説明された実施の形態に多くの変更が加えられ得ること、それでもなお本発明の有益な結果を達成できることを認めるであろう。また、本発明のいくつかの特徴を選択すれば、他の特徴を利用しなくとも本発明の所望の利益のうちのいくつかが達成可能であることも明らかであろう。従って、当業者は、本発明の変更および改変が可能であること、しかもそれらが特定の状況では望ましくさえあること、そしてそれらが本発明の一部であることを認めるであろう。このように、以下の説明は、本発明の原理の例証として述べられるものであり、本発明を限定するものではない。

図１は、本発明に係る電磁石部品１００の第１の実施の形態を説明する図である。電磁石部品１００は２つの磁性シュー１０２ａ、１０２ｂ（番号１０２で総称する）、すなわち内側シュー１０２ａおよび外側シュー１０２ｂを備える。各シュー１０２は磁鉄鉱と高強度樹脂の形の結合材とを含む。（存在するシュー１０２が１つだけであっても、電磁石部品１００はある程度までは機能する。）
本発明者は、磁鉄鉱（自然の状態のもの）が粒状かつ低硬度であり得ることに留意する。たとえ（結合材なしで）固体塊に圧縮されていても、磁鉄鉱は比較的柔らかく、従って異なる形状へと加工や機械加工をするのが容易である。本例において、シュー１０２はおおむね弧状の断面形状であり、いずれも精密な本体を有する。内側シュー１０２ａの本体の両側はまっすぐな側端であるが、外側シュー１０２ｂの端部は内側に向けて段が付けられている。

本例において、シュー１０２は外部に支持構造をもたない。そのため、各シュー１０２の内部（かつ同一平面）に補強メッシュ１１４が設けられている。補強メッシュ１１４はステンレス鋼製であり、シュー１０２に対して（コンクリート中に埋め込まれた鉄筋と同様に）構造的な剛性および強度を付与する。メッシュ１１４は、（ステンレス鋼に比べて軽い）シュー１０２の重量を著しく増加させることはない。

シュー１０２の間には鋼コア１１０が設けられる。本例では鋼コアは長方形の断面形状を有するが、他の断面形状が実施可能な場合もある。鋼コア１１０は、本例において２つの目的に対応する。すなわち、シュー１０２同士を隔てるとともに電磁石部品にコアを提供するというものである。シュー１０２およびコア１１０は、以下の順に、（図示しない）発電機の回転軸に対して半径方向に並べられる。すなわち、軸から外側に向かって、内側シュー１０２ａ、コア１１０、外側シュー１０２ｂの順である。シュー１０２の間には隙間１１２が設けられる。

隙間１１２内では、コア１１０の周りに巻線（図示しない）が巻き付けられる。

類似または同一の電磁石部品１００が４つ、円形または環状に並んで取り付けられて、発電機用の４極電磁石配置が提供される。

図２は、本発明に係る電磁石部品２００の第２の実施の形態を説明する図である。電磁石部品２００は２つの磁性シュー２０２ａ、２０４ａ、２０６ａと、２０２ｂ、２０４ｂ、２０６ｂ、すなわち内側シュー２０２ａ、２０４ａ、２０６ａ（シュー（ａ）という）と、外側シュー２０２ｂ、２０４ｂ、２０６ｂ（シュー（ｂ）という）とを備える。電磁石部品２００と図１の電磁石部品１００との重要な違いは、電磁石部品２００の各シュー（ａ、ｂ）が複数の層２０２、２０４、および２０６を有することである。

これらの層のうちの２つ、２０２および２０４は磁鉄鉱および結合材を含むが、第３の層２０６は金属の分散層である。各シュー（ａ、ｂ）が２つの磁鉄鉱層２０２、２０４を有するのは、一方の層２０２、すなわち表面層２０２ａおよび２０２ｂ（番号２０２で総称する）が犠牲層であり、他方の磁鉄鉱層２０４、すなわち磁鉄鉱の中間層または基底層２０４ａおよび２０４ｂ（番号２０４で総称する）が、分散層２０６に取り付けられた永久層であるためである。分散層２０６は、高ニッケル鋼でできた比較的薄い層または板である。分散層２０６は、所望の磁束密度および磁束配置の生成を支援する。

２つのシュー（ａ、ｂ）、具体的には各シュー（ａ、ｂ）の分散層２０６は、シュー（ａ、ｂ）の間隔を空ける役割をする鋼コア２１０の両側に、短い距離２１２を隔てて配置される。

犠牲層２０２の幅は、従来の発電機における空隙の幅と合わせてある。従って、（電磁石部品２００を用いる）本発電機における空隙は、犠牲層と置き換えられ、ゆえに存在しないか、または非常に小さくなる。本発電機のロータ（典型的に電磁石部品２００を担持する）とステータとが互いに対して回転すると、典型的には、犠牲層２０２の露出面が、相対的に動いている部分（例えばステータの表面上の部分）と接触して摩滅することになる。磁鉄鉱は比較的柔らかいため、これにより、動いている部分には損傷が全く生じないか、あっても無視できるほどであり、犠牲層２０２が加工されて嵌め合いが完璧になる。

図３および４は、電磁石部品３００の第３の実施の形態を説明する図である。本例において、電磁石部品３００は、Ｔ字形の断面形状を有するコア３１０を有し、コア３１０の最上部分３１４が、磁鉄鉱と結合材とでできている外側シュー３０２ａを支持および強化する役割を果たしている。コアの直立部分３１２は、外側シュー３０２ａと内側シュー３０２ｂ（同じく磁鉄鉱と結合材とでできている）とを、一定の半径方向距離だけ隔てる役割を果たす。外側シュー３０２ａは、コアの最上部分３１４と係合する横方向の位置決め構造３２０ａを有し、内側シュー３０２ｂは、直立部分３１２と係合する中央の位置決め構造３２０ｂを有する。

図５および６は、本発明にかかる電磁石部品４００の第４の実施の形態を説明する図であり、電磁石部品４００は図３および４の電磁石部品３００に非常に類似している。電磁石部品４００はわずかに薄くて幅が広く、また対応する番号（例えば３０２と４０２）が、対応する部分を表している。図５および６は単に、本発明の磁鉄鉱および結合材ならびに金属コアの原理から離れることなく電磁石部品４００がさまざまな形態を取り得ることを説明するための図である。

従来の（従来技術の）発電機用電磁石部品の設計では、鋼コアは、磁束の発生および磁場の拡散という２つの機能を果たす。本発明では、磁束の発生および磁束の分散は、磁鉄鉱シューおよび／または鋼コアという、１つまたは２つの異なる材料によって行われてよい。

本発明者は、例を挙げて示したように、本発明が多くの効果を有すると確信している。重要なのは、磁鉄鉱を望みどおりに加工、機械加工、形成、および成形するのが、鋼よりもずっと容易なことである。従って、磁鉄鉱シューの特有の形状および断面形状は容易に形成できる。

犠牲磁鉄鉱層をもつ（図２と同様の）実施の形態では、犠牲磁鉄鉱層は、発電機の他方の相対的に動いている部分によって、例えば自己機械加工のように加工および成形することができ、その結果、最適な（例えば最小の）動作可能空隙を生成したり、さらには空隙をなくしたりすることができる。この最適な動作空隙は重要である。なぜなら、これにより（磁場を発生させ得る）ロータと（導体を担持し得る）ステータとの距離が縮まり、その結果、発生するＥＭＦはロータとステータの間の距離に反比例するという事実に基づいて、発生するＥＭＦが強まるからである。そしてその度合いに応じて、発電機の効率が向上する。なお、実際には、発電機の最終組み立てが行われる前に犠牲層を加工して、発生したダストを損傷を生じることなく取り除けるようにしてよい。

磁鉄鉱のもう１つの潜在的効果は、巻線を形成する銅線を磁鉄鉱層に埋め込んで、銅線が磁場への電流の供給とロータへの強度の付与という２つの機能を果たすようにすることができることである。

磁鉄鉱は非常に容易に機械加工できるので、シューによって与えられる電磁石面を、減少する空隙の効果で両端から中央にかけて磁束が漸進的に増えるように、成形することができる。

別の実施の形態では、磁鉄鉱シュー内部の銅巻線を増加させていくことと中央部の空隙を減少させることとを組み合わせることにより、発生するＥＭＦに正比例するこの変化率が高まる。マクスウェル方程式によれば、磁束の変化率が高まれば高まるほど、発生するＥＭＦが強まる。つまり、ＥＭＦは磁束の誘導物である。この変化率は、他の実施の形態では、両側の端部に向けて電磁石の表面積を一定の割合で小さくして電磁石の表面積を変更することにより実現できる。そうすることで、中央がより強い磁場となり、その強度が端部に向けて漸進的に減少して、変化率が高まるのである。他の実施の形態では、中央に向けて空隙を減少させることと、中央に向けて銅巻線を増加させることと、中央に向けて電磁石の表面積を大きくすることとを組み合わせて変化率を高め、ひいては発生するＥＭＦを高める。

重要なのは、磁鉄鉱が比較的安価であり、産業によっては無駄な副産物とさえ考えられていることである。従って、磁鉄鉱の利用により、発電機製造の総材料費を大幅に削減することができる。

また、磁鉄鉱は鋼より軽いので、発電機の重量の低減、使用時の運動量の低減、軸受および軸の寿命の延伸等が可能になる。

Claims (26)

1. 発電機用の電磁石部品であって、
   磁鉄鉱と結合材とを含む、断面が少なくとも部分的に弧状である少なくとも１つの磁性シューと、
   前記磁性シューに隣接して設けられ、前記磁性シューから半径方向に間隔をおいて動作可能に配置された金属コアと
   を備える電磁石部品において、
   前記少なくとも１つのシューが、犠牲層を有するか、または犠牲層である電磁石部品。
2. ２つの磁性シュー、すなわちそれぞれが磁鉄鉱と結合材とを含む内側シューおよび外側シューを備える請求項１に記載の電磁石部品。
3. 前記シューのそれぞれが弧状の断面を有する請求項２に記載の電磁石部品。
4. 前記シューが半径方向に互いに間隔をおいて動作可能に配置された請求項２ないし３のいずれか１項に記載の電磁石部品。
5. 前記金属コアが前記シューと前記シューとの間に設けられた請求項２ないし４のいずれか１項に記載の電磁石部品。
6. 前記コアが、前記２つのシューを隔てて支持するスペーサーとしての役割を果たす請求項５に記載の電磁石部品。
7. 前記コアが細長い円柱状である請求項１ないし６のいずれか１項に記載の電磁石部品。
8. 前記コアが、
   円形もしくは長方形の断面形状、
   Ｔ字形の断面形状、または
   Ｉ字形もしくはＨ字形の断面形状
   のうちの１つを有する請求項７に記載の電磁石部品。
9. 前記コアが鋼製である請求項１ないし８のいずれか１項に記載の電磁石部品。
10. 少なくとも１つのシューが埋め込み補強部品を含む請求項１ないし９のいずれか１項に記載の電磁石部品。
11. 前記補強部品が、１つ以上の
    メッシュ、
    繊維、および／または
    鋼線
    である請求項１０に記載の電磁石部品。
12. 前記結合材が樹脂を含む請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の電磁石部品。
13. 前記磁鉄鉱中の磁性粒子が整列している請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の電磁石部品。
14. 前記犠牲層が従来技術の発電機における空隙の代わりをする請求項１に記載の電磁石部品。
15. 前記少なくとも１つのシューが、基底となる非犠牲層と、表面層である前記犠牲層との２つの層を有する請求項１４に記載の電磁石部品。
16. 金属の分散層を含み、前記分散層が、磁束または磁場を分散させて所望の磁束密度および磁束配置の生成を支援する請求項１ないし１５のいずれか１項に記載の電磁石部品。
17. 前記分散層の形状が前記少なくとも１つのシューの形状に合致し、前記分散層と前記少なくとも１つのシューとが互いに接触している請求項１６に記載の電磁石部品。
18. 前記コアの周りに巻き付けられた巻線を含む請求項１ないし１７のいずれか１項に記載の電磁石部品。
19. 前記巻線が前記少なくとも１つのシューに埋め込まれた請求項１８に記載の電磁石部品。
20. 前記磁鉄鉱が少なくとも９０パーセントの磁性粒子を含む請求項１ないし１９のいずれか１項に記載の電磁石部品。
21. 従来技術の電磁石部品と比較して、表面において５０パーセント高い磁束変化率を有し、前記高い変化率が
    （１）従来技術の１００ｍｍの空隙から、１ｍｍに至る動作空隙まで、４分の１ごとに５０パーセントの率で空隙を漸進的に減少させること
    （２）磁束の分散のために表面積を一定の割合で変化させて、前記分散表面積が漸進的に中央で大きく両端で小さく、ただし急激にならないようにすること、および
    （３）巻線が、前記大きな表面積では多く、小さな表面積では少なく、巻線の変化率が前記表面積の変化率と同じであること
    の３つの条件の組み合わせによって可能となっている請求項１ないし２０のいずれか１項に記載の電磁石部品。
22. 請求項１ないし２１のいずれか１項に記載の電磁石部品を複数備える電磁石組立品であって、前記複数の電磁石部品が発電機の回転軸の周りに円形に並んで配置された電磁石組立品。
23. 請求項１ないし２１のいずれか１項に記載の電磁石部品を少なくとも１つ含む発電機。
24. 前記発電機の各極に１つずつ、複数の電磁石部品を含む請求項２３に記載の発電機。
25. 前記複数の電磁石部品が前記発電機の回転軸の周りに円形に並んで配置された請求項２３に記載の発電機。
26. 請求項１ないし２１のいずれか１項に記載の電磁石部品を備える発電機を運転する方法であって、前記電磁石部品が相対的に回転する部品を支持し、よって前記相対的に回転する部品が、前記電磁石部品を支持することによりこれを機械加工して、最小限の空隙かまたは空隙なしの、相補的な嵌め合いを生成する方法。

Images