JP2023058704A - 磁束機械 - Google Patents
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Abstract
【課題】製造および組み立てが単純であり、小型であり、かつ他の新規かつ非常に有利な態様を有する磁束機械を提供する。【解決手段】磁束機械10は、複数のコイルアセンブリ120と、中心軸5の周りで互いに非常に近接し、かつ円形に配置された複数の磁石セットとを有する。コイルアセンブリおよび磁石セットのいずれか一方は、中心軸と位置合わせされた少なくとも1つのシャフトによって支持されており、コイルアセンブリおよび磁石セットのいずれか一方は、コイルアセンブリ内に電流が存在する場合に中心軸の周りでの回転運動を行う。磁石セットの磁束は軸方向および半径方向に導かれ、機械の回転は磁束方向に直交している。各磁石セット内の複数の磁石は、磁束機械が電気モータ、発電機または同時に両方として動作することができるように、複数の同軸上に位置合わせされたシャフトのうちの1つまたは別の1つによって支持されている。【選択図】図2
Description
本開示は、回転電磁モータおよび発電機に関する。
磁石横方向磁束機械は、コイル内の電流に対して垂直(横方向)に磁束を導き、長手方向の磁束を有する標準的なブラシレス機械よりも高いトルク密度を生成することができる。そのような機械は高い電力密度を有し、モータおよび発電機の両方として使用することができる。トルクは一定のステータ(固定子)電流において極数と共に増加する。横方向磁束機械では極数が大きいため、ステータ巻線における電流の周波数は高いが、シャフト速度は低い。そのような機械は、昔からステータおよびロータ(回転子)部品の製作および組み立てを難しくしている3次元磁気回路を有する。先行技術の磁気回路の製造方法は、個々のU字型の磁気回路の形成を必要とする。例えば、U字型の磁気回路は、互いに積み重ねられた複数の個々のU字型の積層体で構成されていてもよい。その上、そのような機械の組み立ては、各U字型の磁気回路の正しい配置、位置合わせおよび離間を必要とする。先行技術で知られている別の方法は、それぞれが一連のL字型突起物として全磁気回路の半分を有する2つの3D積層体を構築することである。コイルの周りで互いに接合させると、磁気回路はU字型に完成する。この方法は複雑な3次元形状を有する積層体の構築を必要とし、磁気回路を適切に形成するために積層体の正確な回転位置合わせを必要とする。本明細書に記載されている本磁束機械は製造および組み立てが単純であり、小型であり、かつ他の新規かつ非常に有利な態様を有する。本開示に関連する先行技術は以下の表に含まれており、参照により本明細書に組み込まれる。
図面は、先行技術に対して製造および操作上の利点を有する新規な電磁回転磁束機械10を示す。例えば、磁束密度は比較的高く、1つの極当たりの起磁力を低下させることなく極数を増加させることができ、より高い電力密度を可能にする。さらなる利点としては、高いトルク/重量比、高い電力/重量比および比較的低い銅損により効率向上を可能にする比較的短い電流経路を有する多数の極が挙げられる。
4つ以上の方向から導かれた磁束がコイルアセンブリに結合されるコイルおよび磁石の構成が開発されてきた。例えば、磁束をコイルの両側から半径方向に導くために極が向かい合った状態で配向された2つの磁石と、磁束をコイルの両側から軸方向に導くために極が軸方向を向いた状態で配向された2つのさらなる磁石が存在してもよい。さらに、巻線およびそれらの巻線内の電流が磁束機械のロータの運動の確立された円周方向を指すベクトルに垂直な平面を流れるように、コイルを配向させてもよい。
このように、磁石はコイルの異なる側面に隣接していてもよいが、全ての磁束回路は付加的に結合している。
本明細書に記載されているように独立したロータおよびシャフトに装着された磁石(電磁石または永久磁石あるいはその2つの組み合わせ)を用いれば、それらを独立して異なる周波数で、かつ/または独立してモータおよび発電機として同時に動作させることできる。これらの技術革新は、本機械の回転軸に垂直な平面に位置するコイルの向きを考慮すれば可能である。磁石およびコイルをその間の空隙を最小にして密結合した状態で回転させることにより、磁石とコイルとの間に相対運動が生じる。
例えば添付の図面の図の中に、ここに説明されている機械の実施形態が一例として示されている。図面では、同様の参照符号は同様の要素を示す。
図1は、機械10がほぼ円形状であり、かつ囲い板30とはずみ車ハウジング170との間は軸方向に比較的短くてもよく、それにより空間および重量が節約されていることを示す。機械10への電気的接続は、標準的な接続ボックス20を介してなされてもよく、機械的係合は、図6~図9に示す中心軸5に位置合わせされた1つ以上の同軸シャフトを介してなされてもよい。
図2は、実施形態に係る機械10のいくつかの部品およびサブアセンブリを示し、それらの相対的軸方向位置を示す。図2を左から右に移動して見ると、囲い板30、外側ロータ-磁石アセンブリ40、ファン60、内側ロータ-磁石アセンブリ70、コイルアセンブリ120を含むステータアセンブリ100、ロータハブ150、はずみ車160およびはずみ車ハウジング170が示されている。これらの部品は、機械10の回転中心でもある一般的な軸5の周りに位置合わせされている。実施形態では、外側ロータ-磁石アセンブリ40、ファン60、内側ロータ-磁石アセンブリ70、ロータハブ150およびはずみ車160は機械的に互いに接合されていてもよく、従って一緒に回転してもよい。他の実施形態では、これらの要素および他の要素のいくつかは、後で説明および図示するように、同軸シャフトの周りを独立して回転するように構成されていてもよい。実施形態では、囲い板30、ステータアセンブリ100およびはずみ車ハウジング170は回転しなくてもよく、機械的に互いに接合されていてもよく、ステータとして適所に固定されていてもよい。他の実施形態では、ステータアセンブリ100は、一般にスリップリングモータにおいて見られるような標準的な回転式電気的インタフェースを介して接続された巻線の各位相と共に中心シャフトの周りを回転するように装着されていてもよい。従って、アセンブリ100が機械10のロータとして機能し、外側ロータ-磁石アセンブリ40および内側ロータ-磁石アセンブリ70が機械10のステータとして機能してもよい。当業者であればこの単純な改造方法が分かるであろう。
図3に例示されているように、軸方向に位置合わせされた磁石46および半径方向に位置合わせされた磁石47のセットは、単一シャフトに取り付けられた外側ロータアセンブリ40の一部として円形の固定位置に保持されていてもよい。あるいは、磁石46、47は、図6~図9に示す別個の機械フレームによって軸方向に位置合わせされた1つ以上のシャフトに固定されていてもよい。
図4は、ステータアセンブリ100の円形板110を示し、円形板110は、アセンブリ70の外側フランジ74(図2)を受け入れるのに十分な大きさの直径の中心円形開口部112を有していてもよい。図6~図8に示すように、装着用スタンドオフ114または同様の金属製品を使用してコイルアセンブリ120を板110に固定してもよい。図6~図8では、隠れた線115として示されている締め具を使用してコイルアセンブリ120をスタンドオフ114に固定してもよい。
図5は、コイルアセンブリ120が矩形、ほぼ矩形、曲線形(curvilinear)、卵形または他の形状であってもよいことを示す。電気コイル121は、電気銅またはアルミニウムストリップなどの、巻かれたフラット形状、円形または他の形状の電気導体で作られていてもよく、コア積層体122内に配置されていてもよい。コア積層体122は、軟鉄、積層ケイ素鋼、絶縁鉄シート、カルボニル鉄、鉄粉末、フェライト、ガラス状金属または他の材料および構造であってもよい。実施形態では、コイルアセンブリ120は、卵形、矩形、円形または他の好適な形状であってもよい。全装備のコイルアセンブリ120は、図2においてスタンドオフ114に固定された状態で示されている。図5では、磁石46、47および76はコア積層体122に密結合されたものとして示されている。磁束線Φ(各磁石の磁束の主要すなわち最大成分)の方向が矢印によって示されている。図5では、コイルアセンブリ120の右端に沿って配置された磁石は存在しないことに留意されたい。当然のことながら、磁束鎖交を最小限に抑え、かつ磁気抵抗を確実に小さくするために、磁石46、47、76(および図6に示す77)はコイルアセンブリ120の側面に直接隣接して配置されている。磁石46、47、76または77のいずれかまたは全ては、電気機械の技術分野では公知であるように、全ての磁石がスリップリングまたは他の回転式電気的インタフェースを利用してシャフトに直接取り付けられた状態の永久磁石または電磁石であってもよい。図5~図9ではコイルアセンブリ120の側端は直線状で示されているが、これらの側端は直線状でなくてもよく、磁石46、47、76および77の隣接する表面は、磁石とコイルアセンブリとの間の空隙が最小化されるように形状が一致してもよい。従って、電気の技術分野の当業者であれば分かるように、コイルアセンブリ120は矩形以外の形状であってもよい。参照される米国特許第62028220号および米国特許第62028235号に示されているように、4つ以上の磁石が機械回転中にコイルアセンブリ120に密結合されるように配置されていてもよい。
図6は、構造フレーム44がコイルアセンブリ120の4つの側面の周りに延在していてもよく、かつ磁石46、47、76および77を密結合した位置に固定してもよいことを示す。構造フレーム44は、連続的な円形アセンブリとして延在していてもよく、あるいは360°にわたって配置された一連の半径方向のスポークとして配置されていてもよく、かつ各コイルアセンブリ120のために1つ(またはそれ以上またはそれ以下)の前記スポーク44を備えていてもよい。フレーム44は中心軸5と位置合わせされたシャフト80に固定されていてもよい。外部モータによってシャフト80が回転すると、例えば、磁石46、47、76および77のセット全てがコイルアセンブリ120を通り、ファラデー電流を生成する。図6は単一のシャフトを有する機械10を示す。
図7は、構造フレーム44が、コイルアセンブリ120のいずれか1つの2つの側面の周りに延在していてもよく、かつ磁石46および47を、回転中にコイルアセンブリ120のそれぞれ1つの2つの側面に順番に密結合される好ましい位置で固定してもよいことを示す。図6に示す構成と同様に、フレーム44は図示のようにシャフト80に固定されていてもよい。さらなる構造フレーム74は、コイルアセンブリ120の残りの2つの側面の周りに延在していてもよく、磁石76および77をコイルアセンブリ120に密結合される適所に固定してもよく、かつ図示のようにシャフト82に固定されていてもよい。シャフト80および82は同軸上に位置合わせされていてもよく、回転の際に互いに独立していてもよい。モータおよび発電機の両動作において、当該シャフトは磁石の極性に応じて、同じまたは反対方向に回転してもよい。モータの動作において、当該シャフトはどちらも同じrpmで回転し、発電機モードでは、電気の位相同期が維持される限り、当該シャフトは異なるrpmで回転してもよい。1つの駆動されるシャフトを、入力ライン130において補充電流を入口電流に追加する発電機モードで機能させることができるが、第2のシャフトは入力および補充電流全体によって駆動されるモータモードで機能する。図7は2つのシャフトを有する機械10を示す。
図8は、3つの構造フレーム44、72および74により磁石46、47、72、77Aおよび77Bを固定できることを示す。この構成では磁石77は、図示のように2つの磁石77Aおよび77Bによって置き換えられている。フレーム44、72および74は、図示のように同軸シャフト80、82および84に固定されていてもよい。モータおよび発電機の両動作において、磁石の極性に応じて、当該シャフトは同じ方向に回転しても同じ方向に回転しなくてもよい。モータ動作では、当該シャフトは全て同じrpmで回転し、発電機モードでは、当該シャフトは電気の位相同期が維持される限り異なるrpmで回転してもよい。駆動されるシャフトを、入力ライン130において補充電流を入口電流に追加する発電機モードで機能させることができ、別のシャフトは入力および補充電流全体によって駆動されるモータモードで機能する。当然ながら、全てのシャフトは、異なる回転駆動装置で駆動してもよく、回転力を異なる負荷に送ってもよい。当然ながら、磁石77を磁石77Aおよび77Bで置き換えるように、各磁石46、47および76を複数の磁石で置き換えることができる。図8は3つのシャフトを有する機械10を示す。
図9は、4つの磁石46、47、76および77を、フレーム44、72、74および78によって4つのシャフトのうちの1つに装着することができる、シャフト82、84、86および88からなる4つのシャフトを有する機械を示す。同様の方法で、磁石46、47、76および77のそれぞれ1つを図8に示すように2つの磁石で置き換えることができる場合、8つの磁石を全て8つの同軸シャフトによって支持することができ、機械10を使用して8つの別個の回転負荷を駆動することができる。図9は4つのシャフトを有する機械10を示す。
同軸組み込みおよび同軸動作のために、最も内側のシャフト以外の前記シャフトは全て、図6~図9に示すように管状であってもよく、機械の技術分野で知られているように回転独立性を維持しながらそれらの互いの同軸位置および離間を維持するために、トロイダルころ軸受を備えていてもよい。これも周知であるように、当該シャフトを全て、軸5を中心にしてそれらの位置に固定するために、最も外側の同軸シャフト、例えば図9のシャフト88は外部の軸受セットによって支持されていてもよい。
図6および図7に示すように、磁束すなわち主成分(各磁石の最大成分)の方向は、軸方向または半径方向であってもよい。機械10の回転方向は磁束回路の向きに直交していてもよい。従って、機械10は横方向磁束機械とみなされる。機械10のステータ上に装着されたコイルアセンブリ120に対する法線ベクトルがロータの回転方向およびrpmの大きさを定めることに留意されたい。
上記説明では、実施形態は複数の個々の部品として記載されており、これは単に例示のためのものである。従って、特許請求されている装置の意味および理解から逸脱することなく、いくつかのさらなる部品を追加することができ、いくつかの部品を変更または省略することができ、かつ部品の順序を再構成することができると考えられる。
ここに記載されているいくつかの実施形態は、そのような機械を、陸上および海上の乗り物、電気およびハイブリッド電気自動車、水中機、魚雷のための推進モータ、電気ヘリコプタおよび航空機のための推進モータ、エレベータ推進モータ、潮流発電機、風力発電機、一体化された始動器/発電機、ディーゼルおよび天然ガス発電機セット、および高周波低速機械などの様々な用途にとって望ましいものにする。
Claims (27)
- ステータ、1つ以上のロータ、複数のコイルアセンブリ、及び複数の磁石のセットを備える磁束機械であって、
前記1つ以上のロータは各々が、軸と、半径方向に前記軸から延在する複数のスポークとを備え、
前記複数のコイルアセンブリが、前記ステータと結合しており、また
前記複数の磁石のセットが、前記1つ以上のロータの前記複数のスポークと結合し、前記複数の磁石のセットの各々が、前記複数のコイルアセンブリに向かって直交する磁束を第1の方向へ配向するように構成された第1の磁石と、前記複数のコイルアセンブリに向かって直交する磁束を第2の方向へ配向するように構成された第2の磁石と、を少なくとも備える
磁束機械。 - 前記複数のスポークが、前記軸の周囲360度にわたって配置される、請求項1に記載の磁束機械。
- 前記複数のスポークが、各々、前記複数の磁石のセットのうちの1つの前記第1の磁石に少なくとも結合される、請求項1に記載の磁束機械。
- 前記複数のスポークが、前記複数の磁石のセットのうちの第1の磁石のセットの少なくとも前記第1の磁石と、及び、前記複数の磁石のセットのうちの第2の磁石のセットの少なくとも前記第1の磁石と、に結合されている、請求項1に記載の磁束機械。
- 前記複数の磁石のセットの各々の前記第1の磁石が、前記複数のスポークのうち少なくとも2つに結合されている、請求項1に記載の磁束機械。
- 前記複数のスポークの各々のスポークが、前記複数のコイルアセンブリのうちの1つのコイルアセンブリに対応する、請求項1に記載の磁束機械。
- 少なくとも1つの磁石が、前記複数のスポークのうちそれぞれのスポークに結合し、かつ
前記それぞれのスポークに対応する前記複数のコイルアセンブリのうちの前記1つのコイルアセンブリに隣接して配置されている、請求項6に記載の磁束機械。 - 前記複数のコイルアセンブリの各々が、前記複数のスポークのうちの1つのスポークに隣接して配置される、請求項6に記載の磁束機械。
- 前記複数のスポークの各々が、前記複数のコイルアセンブリのうちの少なくとも2つのコイルアセンブリに対応している、請求項1に記載の磁束機械。
- 少なくとも1つの磁石が、前記複数のスポークの各々に結合しており、また、前記複数のコイルアセンブリのうちの前記少なくとも2つのコイルアセンブリに隣接して配置される、請求項9に記載の磁束機械。
- 前記複数のコイルアセンブリの各々が、前記複数のスポークのうちの1つのスポークに隣接して配置される、請求項9に記載の磁束機械。
- 前記複数のコイルアセンブリの各々が、前記複数のスポークのうちの少なくとも2つのスポークに対応する、請求項1に記載の磁束機械。
- 前記複数のコイルアセンブリの各々が、前記複数のスポークのうちの前記少なくとも2つのスポークに隣接して配置される、請求項12に記載の磁束機械。
- 前記複数のコイルアセンブリの各々が、前記複数の磁石のセットのうち2つ以上の磁石のセットの中の少なくとも1つに隣接して配置される、請求項12に記載の磁束機械。
- 前記複数の磁石のセットの各々が、前記複数のスポークのそれぞれの1つに結合される、請求項1に記載の磁束機械。
- 前記1つ以上のロータが、第1のロータ及び第2のロータを備え、前記第1のロータは、第1の軸から前記半径方向へ延在する第1の複数のスポークを備え、前記第2のロータは、第2の軸から前記半径方向へ延在する第2の複数のスポークを備える、請求項1に記載の磁束機械。
- 前記複数の磁石のセットのうち各々の前記第1の磁石は、前記第1のロータの前記第1の複数のスポークのうちのそれぞれ1つに結合している、請求項16に記載の磁束機械。
- 前記複数の磁石のセットのうち各々の前記第2の磁石は、前記第2のロータの前記第2の複数のスポークのうちのそれぞれ1つに結合している、請求項17に記載の磁束機械。
- 前記第1のロータ及び前記第2のロータは、互いから独立して回転するように構成される、請求項16に記載の磁束機械。
- 前記第1の複数のスポークは、前記第2の複数のスポークから独立して回転するように構成される、請求項19に記載の磁束機械。
- 前記複数の磁石のセットの各々が、第3の磁石であって、前記複数のコイルアセンブリに向かって直交する磁束を第3の方向へ配向するように構成された第3の磁石を備える、請求項1に記載の磁束機械。
- 前記複数の磁石のセットのうちの各々の前記第1の磁石、前記第2の磁石、及び前記第3の磁石が、前記複数のスポークのうちのそれぞれ1つに結合している、請求項21に記載の磁束機械。
- 前記1つ以上のロータが、第1の複数のスポークを有する第1のロータと、第2の複数のスポークを有する第2のロータとを備える、請求項21に記載の磁束機械。
- 前記複数の磁石のセットのうちの各々の前記第1の磁石及び前記第2の磁石が、前記第1の複数のスポークのそれぞれ1つに結合し、かつ前記複数の磁石のセットのうちの各々の前記第3の磁石が、前記第2の複数のスポークのそれぞれ1つに結合する、請求項23に記載の磁束機械。
- 前記複数の磁石のセットの各々が、前記複数のコイルアセンブリに向かって直交する磁束を第4の方向に配向するように構成された第4の磁石を備え、かつ前記複数の磁石のセットの各々の前記第4の磁石が、前記第2の複数のスポークのうちそれぞれ1つに結合している、請求項24に記載の磁束機械。
- ステータ、複数のロータ、複数のコイルアセンブリ、及び複数の磁石のセットを備える磁束機械であって、
前記複数のロータは、前記複数のロータの中心軸を中心にして回転方向へ回転するように構成され、前記複数のロータは、前記回転方向において、回転軸を中心に互いに独立して回転するように構成された第1のロータ及び第2のロータを備え、
前記複数のコイルアセンブリは、前記ステータに結合し、前記複数のコイルアセンブリの各々は、それぞれのコイルと、第1の部分及び第2の部分を有するそれぞれのコア積層体とを備え、前記複数のコイルアセンブリの各々の、前記それぞれのコイルは、前記それぞれのコア積層体の前記第1の部分の周囲に少なくとも部分的に巻かれており、前記複数のコイルアセンブリのうち各々は、前記複数のコイルアセンブリの内部の電流が、前記回転方向に対して垂直な平面に流れるように、配向され、
前記複数の磁石のセットは、前記複数のロータに結合しており、前記複数の磁石のセットは、前記第1のロータに結合した第1の磁石のセットと、前記第2のロータに結合した第2の磁石のセットとを備え、前記第1の磁石のセットのうち各々の磁石は、前記複数のコイルアセンブリの第1の側面に向かって半径方向に垂直な磁束を配向するように構成され、前記第2の磁石のセットのうち各々の磁石は、前記複数のコイルアセンブリの第2の側面に向かって軸方向に垂直な磁束を配向するように構成され、前記複数のコイルアセンブリの各々のそれぞれのコア積層体の前記第2の部分は、前記それぞれのコイルの前記第1の側面と、前記第1の磁石のセットに由来する磁石との間に配置され、それによって、それぞれのコイルアセンブリの各々の前記コイルが、前記それぞれのコイルアセンブリの前記コア積層体の前記第1の部分と、前記それぞれのコイルアセンブリの前記コア積層体の前記第2の部分との間に配置される、
磁束機械。 - 磁束機械を準備する工程aと、
第1の周波数で第1のロータを駆動する工程bと、
第2の周波数で第2のロータを駆動する工程cと、
を包含する方法であって、
前記磁束機械が、ステータ、複数のロータ、複数のコイルアセンブリ、及び複数の磁石のセットを備え、
前記複数のロータは、前記複数のロータの中心軸を中心にして、独立して回転方向へ回転するように構成された、第1のロータ及び第2のロータを備え、
前記複数のコイルアセンブリは、前記ステータに結合し、前記複数のコイルアセンブリの各々は、それぞれのコイルと、第1の部分及び第2の部分を有するそれぞれのコア積層体とを備え、前記複数のコイルアセンブリの各々の、前記それぞれのコイルは、前記それぞれのコア積層体の前記第1の部分の周囲に少なくとも部分的に巻かれており、前記複数のコイルアセンブリのうち各々は、前記複数のコイルアセンブリの内部の電流が、前記回転方向に対して垂直な平面に流れるように、配向され、
前記複数の磁石のセットは、前記複数のロータに結合しており、前記複数の磁石のセットは、前記第1のロータに結合した第1の磁石のセットと、前記第2のロータに結合した第2の磁石のセットとを備え、
前記第1のロータは、第1の軸と、前記第1の軸に結合した第1の構造フレームと、を備え、前記第1の軸は、前記中心軸の周囲を回転するように構成され、かつ前記第1の構造フレームは、前記第1の軸から、前記複数のコイルアセンブリへ向かって延在しており、前記第1の磁石における各々の磁石は、前記第1の構造フレームに結合して、前記第1の磁石のセットにおける各々の磁石が、前記複数のコイルアセンブリの第1の側面に向かって、隣接し、かつ半径方向に面するように配置され、前記第2のロータが、第2の軸と、前記第2の軸に結合する第2の構造フレームを備え、前記第2の軸は、前記中心軸の周囲を回転するように構成され、かつ前記第2の構造フレームが、前記第2の軸から前記複数のコイルアセンブリに向かって延在するように構成され、前記第2の軸は、前記第1の軸に対して、同軸上に配置され、相互に回転自在であり、前記第2の磁石のセットにおける各々の磁石が、前記第2の構造フレームに結合しており、それによって、前記第2の磁石のセットにおける各々の磁石が、前記複数のコイルアセンブリの第2の側面に対して、隣接し、かつ軸方向に向くように構成され、前記第1の磁石のセット及び前記第2の磁石のセットにおける磁石が、回転方向と直交する方向に磁束を配向するように構成され、前記複数のコイルアセンブリの各々の前記それぞれのコア積層体の前記第2の部分が、前記それぞれのコイルの前記第1の側面と、前記第1の磁石のセットに由来する磁石との間に配置され、それによって、それぞれのコイルアセンブリの各々の前記コイルが、前記それぞれのコイルアセンブリの前記コア積層体の前記第1の部分と、前記それぞれのコイルアセンブリの前記コア積層体の前記第2の部分との間に配置され、
前記工程cにおいて、前記複数のコイルアセンブリの少なくとも1つに電流を流すために、前記第1のロータとの電気的な位相同期を維持しながら、前記第2の周波数で第2のロータを駆動することを特徴とする
方法。
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