JP2020509728A - シールドスロットを備えたステータを有する回転電気機械、特に永久磁石補助型リラクタンス同期電気機械 - Google Patents

Abstract

本発明は、ロータ（１）と、ロータと対向する壁（３）を備えるステータ（２）とを有する電気機械に関し、前記ステータは、前記ステータの円周方向に沿って配置された多数の径方向のスロットを有する。前記スロットは、多数のクローズドスロットを形成するように、閉鎖手段（７，８）によって塞がれる、内壁へ通じる開口部（６）を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、クローズドスロットステータを備える回転電気機械に関し、特に永久磁石補助型同期リラクタンス電気機械に関する。

より正確には、電気機械はロータの外面とステータの内面との間の空隙が概ね一定となるように適切な手段で塞がれるオープンスロットを備えたステータを有する。

一般的に、そのような電気機械は互いに同じ軸に沿って配置されたステータとロータとを有する。

ロータは、ロータシャフトに配置されるラミネーションの束状構造を備えたロータ本体から構成される。これらのラミネーションは、永久磁石のハウジングと、磁石の磁束をステータに向かって径方向へ導くフラックスバリアを作るためのパーフォレーションとを含む。

このロータは、通常、ロータを回転させる磁界を生成するための電気コイルを保持するステータ内に収容される。

欧州特許第１０５７２４２号明細書で良好に記載されているように、ステータは、環状の形状であり、ロータの方向で開口する、ステータの外周全体にわたって延在する複数の径方向のスロットを有する。

これらのスロットは、周知の手段によって取り付けられるよりも前に、スロットの開口面を通してステータに供給される電機子コイルを収容するように設計されている。

このタイプの永久磁石補助型同期リラクタンス電気機械では、一般的にかなりのトルクリップルが観測される。

このことは、ロータで急激な揺れ及び振動を発生させる可能性があり、この機械の利用時における不快感の原因となる。

国際公開第２０１６／１８８７６４号には、トルクリップル及び音響ノイズを低減できるクローズドスロットステータを備えた電気機械が記載されている。しかしながら、この解決法は、クローズドスロットに起因して、特に通常とは異なる製造工程を必要とする。

そのため、本発明は、ロータと、ロータと対向する内壁を備えるステータとを有する電気機械に関し、前記ステータは、前記ステータの円周方向に沿って配置された多数の径方向のスロットを有し、前記スロットに前記内壁へ通じる開口部が設けられている。

本発明によれば、前記開口部が多数のクローズドスロットを形成するように閉鎖手段によって塞がれる。

前記電気機械の前記スロットは、前記ステータの軸に沿って長手方向に延在していてもよい。

前記閉鎖手段は、前記スロットを塞ぐように、前記開口部と一致する大きさの磁性材料で作られたウェッジを有していてもよい。

前記ウェッジの厚さは、前記ステータの前記内壁の表面と同一平面となるような厚さとしてもよい。

前記ウェッジは、前記開口部内に圧着、溶接または接着されていてもよい。

前記閉鎖手段は、前記スロットを塞ぐように前記ステータの前記内壁に配置される、磁性材料で作られた円筒を有していてもよい。

前記円筒は、前記ステータの前記内壁に圧入することで固定されてもよい。

前記円筒の内径は、前記ロータを収容するように構成されていてもよい。

本発明の他の特徴及び利点は、非限定的な例として与えられる後述する説明を添付の図面と併せて読むことで明らかになるであろう。
従来技術による電気機械の断面概略図である。 従来技術による電気機械の断面概略図である。 本発明による機械のステータの断面概略図である。 本発明による機械のステータの断面概略図である。 従来技術の電気機械及び本発明による２つの電気機械に関するロータの電気位置に応じた定電流トルクの変動を示すグラフである。 図１ａ，１ｂ，１ｃ及び１ｄに記載された４つの実施形態に関するトルク高調波（Ｎ．ｍ）の振幅を与えるグラフである。

図１ａ、１ｂ、１ｃ及び１ｄは、回転電気機械、ここでは互いに同軸となるように組み合わされたロータ１及びステータ２を有する、永久磁石補助型同期リラクタンス電気機械の部分断面を示している。

ロータ構造は、特に周知なように、特に国際公開第２０１６／１８８７６４号に記載されているように、望ましくは周知の手段で互いに組み立てられた同一面の強磁性体ラミネーションの束状構造を有する磁気シャフトを含んでいる。図１ａから１ｄは、このタイプのロータの少なくとも一部を示している。

円形状のラミネーションは、ロータシャフトが通る中央孔と、ラミネーションの全域におよぶ複数の軸方向凹部２０とを有する。

互いに離れて径方向に順次配置された一連の長方形の軸方向凹部２０は、磁束発生器、ここではラミネーションの束状構造の長さと概ね等しい長さの、長方形の棒と同様形状の永久磁石のハウジングを形成する。ロータは、径方向に順次配置された、ロータ１の円周方向にわたって分布する、少なくとも２つの一連の長方形の軸方向凹部２０を有することが好ましい。

他の一連の凹部４０は、ラミネーション端部の近傍まで上記ハウジングを延在させた、径方向に対して傾斜するパーフォレーションで構成される。

このようにして、パーフォレーションで形成されたフラックスバリアが作られる。その結果、磁石からの磁束は上記パーフォレーション間の固形の部位を通過するしかない。

磁束発生器のハウジングを形成する、互いに離れて径方向に順次配置された一連の長方形の軸方向凹部２０、並びにラミネーション端部の近傍まで上記ハウジングを延在させた、径方向に対して傾斜するパーフォレーションの存在は、磁束の方向を改善し、電気機械の性能を改善して、ロータ壁に、より多く、より細い良好な経路の磁束を提供する。

図１ａ、１ｂで部分的に示す従来のステータ２は、空隙４を確保するのに必要な間隔を有してロータ１を収容するように内径が設計された内壁３を含む環状リングを有する。

このリングは、アーマチュアコイルを収容するように設計されたスロットを形成する、ここでは断面が長円形状の多数の穴部５を有する。

より正確には、これらの穴部は、リング上に径方向に配置され、さらに互いに距離Ｄだけ離れて円周方向に配置されることで、ステータの軸方向にわたって延在する。

図１ａは、アーマチュアコイルを収容することを意図したクローズドスロットを形成する密閉空間を記載している。

上で述べたように、壁３は連続した壁であり、空隙４はロータとステータとの間でそれらの外周全体にわたってほぼ一定である。

さらに、ロータの外側及びステータの内側は滑らかであるため、空気力学の騒音が低減する。

国際公開第２０１６／１８８７６４号には、特にクローズドスロットの利点が記載されている。

図１ｂは、開口部６によって底部が開いたスロットを備える従来のステータの構成が記載されている。これらの開口部は、アーマチュアの巻き付け、特に機械的巻きを可能にするが、クローズドスロットの場合はアーマチュアコイルを手作業で実現する必要がある。

本発明の目的は、自動巻きを実現してコストを低減し、０．６オーダーの良好な巻線係数を得ることができる、オープンスロットステータとクローズドスロットとで提供される両方の利点を兼ね備えることである。

そのため、巻き付け作業の後、ステータの開口部６は、開口部６と同じ幅及びステータの長さと一致する長さの磁性材料で作られたプレートまたはウェッジのような適切な手段によって塞がれる。図１ｃは、ウェッジまたはプレートで形成される閉鎖手段７の断面と共に、この実施形態を示している。これらの閉鎖手段は、圧着、接着、溶接または当業者が利用できるどのような手段で固定してもよい。

これらウェッジの厚さは、それらがステータの内壁の表面と同一平面となるような厚さにすることが有利である。

そのため、空隙は外周全体にわたって概ね一定であり、ステータの内面３は概ね滑らかである。

図１ｄは、オープンスロット５を塞ぐ上記手段とは別の実施形態を記載している。直径及び長さがステータの内面及び長さとそれぞれ一致する円筒８がオープンステータの内面３に配置されている。

したがって、ステータの内面は円筒８または保持リングの壁で全体的に覆われており、結果としてスロットの全ての開口部が塞がれる。空隙４は、ロータの外面とリング８の内面とによって形成される。円筒８または保持リングは磁性材料で形成される。円筒は、当業者に周知のどのような手段、特に圧着、接着、溶接によってステータの内面３に固定されてもよい。直径に対して厚さが薄い円筒８は、圧入が保持の適切な手段であり、それ故、ステータスロットの開口部を塞ぐ上記手段は「保持リング」と呼称される。

永久磁石補助型同期リラクタンス構造において、ステータのオープンスロットを塞ぐことで以下の３つの利点が得られる。
・トルクリップル（及びトルクリップル高調波）の低減
・ロータ及びステータの鉄損の低減（鉄における磁気誘導の少ない高調波）
・空隙が一定であるため、機械の空気力学の現象で発生する騒音の低減
（図１ａから１ｄで示すように）永久磁石補助型同期リラクタンス機械のロータ１は、ステータスロットの閉鎖手段（７，８）を用いることと併用して、磁束発生器のハウジングを形成する、互いに離れて径方向に順次配置された一連の長方形の軸方向凹部２０を有し、さらにロータが、ラミネーション端部の近傍まで上記ハウジングを延在させた、径方向に対して傾斜するパーフォレーション型の凹部４０を有する場合、同期リラクタンス機械は著しく改善された性能を有する。

図２ａは、クローズドスロットＥ、オープンスロットＯ、ウェッジで塞がれたスロットＣ、保持リングで塞がれたスロットＦのステータの４つの実施形態に関する、定電流におけるロータの電気的位置（°）に対する電気機械のトルク（Ｎ．ｍ）を示す曲線のグラフである。

オープンスロットＯの事例において、トルクリップルは（９．０％）よりも高く、その一方で、クローズドスロットＥ、磁性ウェッジで塞がれたスロットＣ、磁性リングで塞がれたスロットＦの構成では、それぞれ５．１％、６．４％、５．４％であることに注意が必要である。

さらに、図２ｂは、瞬時トルクの高調波成分のレベルを示している。ただし、オープンスロットのステータの場合、ステータの歯の数と一致するランク３６が使用される。他の構成において、高調波の振幅は、その周波数が高くなると小さくなる傾向にある。これは、より大きな損失（ｆ、ｆ²及びｆ^3/2に比例する鉄損）が生じる可能性がある高ランク高調波が発生しないため、特に鉄損に関して興味深い。

特に磁性ウェッジまたは磁性保持リングを用いたアーマチュアコイルを収容するスロットの事後の閉鎖は、トルク高調波だけでなく、オープンスロットステータと比べてトルクリップルを低減できることは明らかである。

さらに、事後の閉鎖は、クローズドスロット構造と比べて電磁気性能の著しい変動の原因とはならない。

Claims (8)

1. ロータ（１）と、前記ロータと対向する内壁（３）を備えるステータ（２）とを有し、前記ステータは前記ステータの円周方向に沿って配置された多数の径方向のスロット（５）を有し、前記スロットが前記内壁へ通じる開口部（６）を備える電気機械において、
   多数のクローズドスロット（５）を形成するように、前記開口部が閉鎖手段（７，８）で塞がれたことを特徴とする電気機械。
2. 請求項１記載の電気機械において、
   前記スロットが、前記ステータの軸に沿って長手方向に延在する電気機械。
3. 請求項１または２記載の電気機械において、
   前記閉鎖手段は、前記スロットを塞ぐように、前記開口部と一致する大きさの磁性材料で作られたウェッジ（７）を有する電気機械。
4. 請求項３記載の電気機械において、
   前記ウェッジの厚さは、前記ステータの内壁の表面と同一平面となるような厚さである電気機械。
5. 請求項３または４記載の電気機械において、
   前記ウェッジが、前記開口部内に圧着、溶接または接着された電気機械。
6. 請求項１または２記載の電気機械において、
   前記閉鎖手段が、前記スロットを塞ぐように前記ステータの内壁に配置された、磁性材料で作られた円筒（８）を有する電気機械。
7. 請求項６記載の電気機械において、
   前記円筒が前記ステータの前記内壁に圧入されて固定された電気機械。
8. 請求項６または７記載の電気機械において、
   前記円筒の内径が、前記ロータを収容するのに適合している電気機械。