JP4148647B2 - 軸方向磁束を有する多極電動発電機 - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の分野）
本発明は、電気機械に関し、特に同期機に関する。後述するように、電気機械は、電動機または発電機として動作することができ、以下単に発電機と呼ぶ。
【０００２】
（発明の背景）
発電機は、多くの異なる分野において使用することができる。発電機が、例えば、風車で使用される場合には、風車のディメンジョニングに関して、より重要な経済的パラメータの１つは、ハウジングのサイズである。したがって、風車の直径を最小限に抑えられることが非常に重要である。ハウジングを最小限に抑えるためには、翼および発電機を接続するギアボックス／ギアホイールを最小限に抑えなければならない。それは回転当たり比較的大きい効果を有する発電機を提供することにより達成することができる。
【０００３】
それを達成するための１つの方法は、できるだけ半径方向の長さが小さい発電機を有することであり、それは発電機が風車のハウジング内の比較的大きいスペースを占有するためである。
【０００４】
風車内ハウジングを実現する時に考慮すべきもう１つの面は、発電機が低い回転数と高い回転数の両方において有効でなければならないことである。
【０００５】
従来の半径方向磁束発生器に基づいた電気機械（図１参照）が最も頻繁に使用される。
【０００６】
ある状況におけるこの種の発電機の主要な問題点は、半径方向に組み立てられる固定子構造により、所与の電力出力に対する直径が比較的大きくなることである。
【０００７】
もう１つの欠点は、固定子が回転子を取り囲んで発電機の直径が増すことである。
【０００８】
もう１つの欠点は、材料７だけが磁束を運びギャップに向かう自由空間のおよそ５０％に及ぶため、リセス間の材料７とリセス２自体の個別の配置によってギャップ内の誘導が比較的低くなることである。
【０００９】
もう１つの欠点は、リセス２内に配置された巻線コイル３を接続する以外の目的を果たさないコイル材料が使用されることである。
【００１０】
もう１つの欠点は、リセス２内の狭い開口中へコイル３を挿入することに関連して実施される手順が複雑なことである。
【００１１】
１つもしくはもう１つの方法で最適化される同様な種類の多くの発電機があるが、それらは全て半径方向磁束を有し、したがって前記したものと同様に、比較的直径が大きいという同じ問題を含んでいる。
【００１２】
（発明の概要）
本発明の第１の面に従って、回転軸を有する軸に固定された回転子、１つ以上の磁石、すなわち磁界発生手段、回転子および固定子間に形成されたギャップを有する固定子、および極脚、すなわち極コア上にそれを取り囲んで巻き付けられた１つ以上の電流巻線を含み、前記極脚、すなわち極コアは、１つ以上の磁束経路の一部を提供する電気機械が提供される。
【００１３】
好ましくは、この機械は、巻線、すなわちコイルを有する複数の極コア、すなわち極脚を含んでいる。ここでは、個別の極コア、すなわち極脚がそれらを取り囲む対応する個別のコイル、すなわち巻線セットを有することが好ましい。好ましくは個別の各極コアが対応する個別のコイル、すなわち巻線セットを有する。
【００１４】
したがって、電流巻線、すなわちコイルにより取り巻かれた１つ以上の極脚、すなわち極コアを貫通する磁束経路が提供される発電電動機、すなわち電気機械を提供することが本発明の目的である。個別の極脚、すなわちコアが対応する個別のコイルにより取り巻かれる場合には、高密度の磁束が極脚、すなわちコア中を通過することができ、極脚、すなわち極コアに対する材料の消費は、例えば高い磁束を伝導するために大きな固定子直径が必要となることがある従来技術の機械に比べて低くなる。
【００１５】
極コア上および／または周囲にコイルを巻き付けることにより、極コアもしくはその一部を実質的に軸方向を含む任意簡便な方向に配列することができる。したがって、本発明により比較的直径の小さい発電電動機を提供することができる。本発明の第１の面は、いくつかの実施例に及ぶことが理解される。第１の好ましい実施例では、磁石、すなわち磁界発生手段は、回転子内に配列されており、極脚、すなわち極コアは固定子内に配列されている。第２の好ましい実施例では、磁石、すなわち磁界発生手段は、固定子内に配列されており、極脚、すなわち極コアは、回転子内に配列されている。
【００１６】
極コアを配列する時に、それらは１つ以上の極コアの少なくとも一部が回転軸に平行となるか、あるいは、ある角度をなすように配列される。したがって、角度は、０°以上で９０°よりも小さくすることができる。ここでは、角度は、４５°よりも低く、あるいは３０°よりも低くすることができる。
【００１７】
しかしながら、１つ以上の極コアの少なくとも一部は、実質的に回転軸に平行として、より小さい直径で設計できるようにすることが好ましい。１つ以上の巻線、すなわちコイルの軸が実質的に回転軸に平行となるように、コイルが極コア周囲に巻き付けられる。
【００１８】
また、極コアは、少なくともその一部が軸の回転軸と実質的に直角となるように配列することができる。コイル、すなわち巻線は、極コアの回転軸と実質的に直角な部分に巻き付けることができるが、コイルは、極コアの他の部分に巻き付けることもでき、前記他の部分は、異なる方向を有する。したがって、１つ以上の巻線、すなわちコイルが実質的に回転軸に直角な軸を有することがある。
【００１９】
回転子は、少なくともその一部が実質的に回転軸に直角となるように配置することができる。また、回転子は、円形であることが好ましい。
【００２０】
磁石、すなわち磁界発生手段および極コアを配列する時に、好ましくは、それらは磁束経路が２つの極コアを貫通する磁束経路を含むようにされる。しかしながら、磁束経路が極コアおよび回転軸を通る磁束経路を含む実施例も本発明に含まれる。ここでは、２つの回転子を使用することができ、前記回転子は、実質的に前記軸に対向して配置される。
【００２１】
本発明に従って、回転子および固定子間にギャップが形成され、極コアは、固定子および回転子の一部である。ここでは、１つの個別の極コア、すなわち極脚に対して対応する１つのギャップしかないことが好ましい。好ましくは、個別の各極コアに対して、固定子と回転子間には１つのギャップしかない。したがって、２つの極コアしか含まない磁束経路に対して、磁石経路は、２つのギャップしか含んでいない。
【００２２】
１つの回転子を有する本発明の実施例に対して、固定子は、さらに極脚、すなわちコアに接続される導磁性端板を含むことが好ましい。ここでは、端板は、実質的に回転子に平行に対向している。
【００２３】
磁石、すなわち磁界発生手段およびコアを配列する時、それらは極コア数が磁石、すなわち磁界発生手段の数に等しくなるように配列することができる。
【００２４】
磁石、すなわち磁界発生手段の配列が異なる実施例も本発明に含まれることが理解される。したがって、それらは回転子内に半径方向に等距離で配置することができる。それらは回転子の極コアの端部に対向する面に配置することもできる。あるいは、それらは回転子の外周上に配置することができる。
【００２５】
好ましくは、本発明に従った機械は、さらに極磁片を含んでいる。それらは、好ましくは、磁石、すなわち磁界発生手段間に配列される。
【００２６】
磁石すなわち磁界発生手段は、磁束をギャップ内に集束させるように配列できることも理解される。
【００２７】
したがって、本発明の第２の目的に従って、回転軸を有する軸に固定された回転子と、１つ以上の磁石、すなわち磁界発生手段と、回転子と固定子間にギャップが形成された固定子と、１つ以上の電流巻線、すなわちコイルとを含む電気機械が提供される。ここでは、磁石、すなわち磁界発生手段は、実質的にＶ，ＵもしくはＬ字形内に嵌合して、磁束をギャップ内に集束させるようにされている。好ましくは、コイル、すなわち巻線は、極脚、すなわち極コア上および周囲に巻き付けられ、磁石、すなわち磁界発生手段のＶ，ＵもしくはＬ字形構成を本発明の第１の面のいかなる実施例でも使用できるようにされる。
【００２８】
ＶもしくはＬ字形は、磁石、すなわち磁界発生手段を前記ＶもしくはＬ字形を得るための対構成とすることにより得られる。
【００２９】
磁石、すなわち磁界発生手段をＶ字形構成とする時は、磁石、すなわち磁界発生手段は、実質的に２つ以上のＶ字形に嵌合するように構成することができる。
【００３０】
回転子内に配列された極コアを有する本発明の実施例では、好ましくは、極コアは、その少なくとも一部が実質的に回転軸に直角となるように回転軸内に配列される。しかしながら、極コアもしくはその一部を回転軸に対して、ある角度をなして配列することもでき、前記角度は、９０°よりも小さい。
【００３１】
極コアが回転子内に配列される時に、磁石、すなわち磁界発生手段は、極コアの端部に対向して固定子内に配置することができる。磁石、すなわち磁界発生手段は、磁束を集束させるために実質的にＶ，ＵもしくはＬ字形に嵌合するように固定子内に配列することができる。
【００３２】
機械が複数の磁石、すなわち磁界発生手段を含む本発明の実施例では、好ましくは、前記複数は、対向する同極性の極を有する対として構成される。
【００３３】
本発明に従って、磁石および／もしくは磁界発生手段は、永久磁石もしくは電磁石とすることができることが理解される。
【００３４】
前記した機械の巻線、すなわちコイルを製作する時に、好ましくは、平坦な集中巻コイルが使用される。極コアを製作する時に、好ましくは、それらは導磁性材料で作られ、好ましくは、前記導磁性材料は、磁界配向軟磁性積層である。
【００３５】
好ましくは、本発明の実施例に従った機械は、同期単相機械として形成することができる。この機械は、軸を介して機械力／電力を供給され巻線を介して電力を発生することができる発電機の形を有することができ、あるいは、この機械は、巻線を介して電源から電力を供給され軸を介して機械力／電力を発生する電動機の形を有することができる。
【００３６】
本発明の実施例に従った発電機は、風車で使用するのによく適していることが理解される。
【００３７】
本発明のもう１つの目的は、発電機の直径を大きくすることなく多相出力を供給することができる機械、すなわち発電機／電動機を提供することである。多数の相は、前記した実施例のいずれかに従って対応する数の単相機械を直列に配列して達成することができる。
【００３８】
極コア、すなわち極脚が固定子内に配列される、本発明の好ましい実施例では、極脚、すなわち極コアは実質的にＵ字形の要素により形成することができる。ここでは、実質的にＵ字形の要素は、１つの極脚、すなわち極コアが２つのＵ字形要素の２つの隣接脚により形成されるように固定子に配列することができる。
【００３９】
本発明の機械に対する極脚を有する固定子を設計する時に、好ましくは、極脚は、極脚、すなわち極コアの幅が２つの連続する極脚間の距離に実質的に等しくなるようにされる。したがって、Ｕ字形極コア要素に対して２つの脚間距離は、好ましくは単一脚の幅の実質的に２倍に等しい。
【００４０】
回転子内に配列された極磁片を有する本発明の実施例では、好ましくは、回転子の外周における極磁片の幅は、実質的に固定子内に対向配列された極コア、すなわち極脚の幅に等しい。
【００４１】
前記したＵ字形極コア要素を製作する方法を提供することも本発明の目的である。したがって、本発明のもう１つの面に従って、実質的にＵ字形の極コア要素を製作する方法が提供され、前記方法は、金属薄板、すなわち変圧器金属薄板を楕円形本体、すなわちモールド周囲に巻き付けて変圧器金属薄板の楕円形要素を得、変圧器金属薄板の前記楕円形要素を２つの実質的に等しい部分に分割して２つのＵ字形極コア要素を得ることを含んでいる。
【００４２】
あるいは、Ｕ字形極コア要素は、数枚の変圧器金属薄板内にＵ字形をパンチングもしくはスタンピングし、次に所望厚のＵ字形極コア要素を得るために数枚のスタンプされたシート、すなわち層を積み重ねることにより製作することができる。
【００４３】
前記したＵ字形極コア要素を使用する時に、２つの極コアを貫通する磁束経路は、１つのＵ字形極コア要素の両方の脚内にその経路を有する。本発明の好ましい実施例では、Ｕ字形極コア要素は、固定子端板上に配列される。しかしながら、磁束経路がＵ字形要素を貫通する時は、固定子端板内に磁束経路を有することにより磁気損失を導入する必要がない。
【００４４】
したがって、好ましくは、Ｕ字形極脚、すなわち極コアは、導磁性材料で作られる。また、好ましくは、固定子端板は、低導磁率材料で作られる。さらに、好ましくは、固定子端板は、低導電率材料で作られる。
【００４５】
磁石、すなわち磁界発生手段が前記したように回転子内に配列される時に、第１の固定子が回転子の第１の面に対向配置され、第２の固定子が回転子の他方、すなわち第２の面に対向配置される電気機械を提供することも本発明の範囲内である。ここでは、回転子の両面が磁石、すなわち磁界発生手段を有し、第１の固定子の極コア、すなわち極脚は、回転子の第１の面に対向し、第２の固定子の極コア、すなわち極脚は、回転子の第２の面に対向している。
【００４６】
したがって、本発明に従った機械は、その最も単純な形において、１つの固定子部および１つの回転子部により形成される１つ以上の要素を含んでいる。しかしながら、好ましい実施例では、機械は、２つの対応する固定子部を有する１つの回転子部により形成される１つ以上の要素を含むことができる。
【００４７】
（発明の詳細な説明）
図１は、従来技術に従った発電機の一部の断面図を示す。発生される電流の位相に応じて従来の方法では、すなわち、所定のリセスからもう１つのリセスへコイル３が巻き付けられたリセス２を有する固定子１が図示されている。回転子４の境界から間隔を置いた磁石５を有する回転子４も図示されている。回転子４上の磁石５と固定子１との間にはギャップがある。
【００４８】
回転子４が軸（図示せず）を介して固定子１に対して移動すると、磁石５がコイル３を通過し、その中に電流が誘起される。

【００４９】
コイル３に電流が供給されると、磁界により回転子４および軸が動かされ、電気機械は、電動機として機能する。
【００５０】
従来技術に従った構造には、発明の背景で前記したような欠点がある。
【００５１】
図２は、本発明に従った実施例の略図である。回転子として機能し軸１１に固定される極ホイール１０が図示されている。複数の磁石１２が互いに対向する同極性Ｎの極および互いに対向する同極性Ｓの極を有するように半径方向に配置されている。好ましくは、磁石１２は、永久磁石であるが、電磁石等とすることもできる。
【００５２】
好ましくは、積層金属薄板もしくは塊状の鉄から作られた複数の極磁片１３が磁束を集束させ残留磁気が比較的小さい、すなわち良磁性体である磁石１２間に配置されている。極磁片１３および磁石１２は、軸１１から磁気的に絶縁されている。
【００５３】
回転子１０から間隔が置かれ、磁気終端板／端面シールド１７には、ギャップ１４が回転子１０と極磁片１３間にしか存在しないように終端板１７に固定された複数の極脚／極コア１５が設けられている。終端板１７および極コア１５は、固定子１５，１７として機能する。好ましくは、終端板１７は、ある長さの鉄を使用して円形状に包まれた非磁界配向積層鉄を使用する円形コアである。
【００５４】
終端板１７は、磁気「短絡回路」として機能し、所定の磁気回路内の当該極コア１５間で磁束を伝導する。したがって、この実施例では、閉じた局部磁気回路は、磁石１２、極磁片１３、ギャップ１４（磁束を増幅する）、極コア１５、磁気終端板１７、隣接極コア、近隣ギャップ、近隣極磁片からなっている。
【００５５】
所定の各極コア１５に対して２つの隣接する局部磁気回路がある。それら２つがループ１８１，１８ｂにより示されている。
【００５６】
好ましくは、電気巻線１６、すなわちコイルが各極脚１５を取り巻いている。好ましくは、コイル１６は、極脚１５の周囲に固く、かつ密に巻き付けられている。磁束は、極コア１５内で非常に集束され／均一であるため、この構成は、巻線／コイル１６内の誘起に関して非常に効率的である。好ましくは、巻線１６は、高い充填率を有する平坦な集中巻きコイルにより形成される。磁束流がほとんど全てのコイル材料（もちろん、発電機からの電流を伝導する材料は除く）に影響を及ぼすため、巻線１６を極コア１５上に集中させることにより、図１に示す従来技術の発電機とは反対に、ほとんど全てのコイル材料が影響を受ける。
【００５７】
回転子１０が固定子１５，１７に対して移動すると、ギャップ１４における極性が変化するため（ＮからＳあるいは、その逆に）、所定の極コア１５内の磁束の方向が変化して巻線１６内に電流が誘起される。前記したように、磁束は、巻線１６により取り囲まれた領域、すなわち極コア１５内において非常に集束され／均一であるため、この誘起は非常に効率的である。
【００５８】
スタンドアロン発電機に対しては、好ましくは、軸１１は、終端板１７内のベアリング（図示せず）内に回転可能に搭載されて軸１１をさらに支持し、固定子１５，１７に対する回転子１０の回転を安定化させる。風車内で使用される発電機に対しては、回転子１０は、好ましくは風車の軸上に固定され、固定子１５，１７は、好ましくは風車の軸を保持するベアリングに固定される。
【００５９】
いくつかの（例えば、各相に対して１つの）発電機を同じ軸上に固定することができ、それらの固定子は、互いに角度をなして配置することができるため、例えば、同じ配向の回転子を有する３つの発電機に対する２つの隣接する極コア間の角度の１／３、この実施例により多相出力を得るための単純な方法も提供される。それにより、発電機の直径を大きくすること無く、多相出力を提供することができる。使用されるスペースは、半径方向では非常に重要であるが、縦方向／軸方向では、それほどではないため、これは風車において非常に重要である。
【００６０】
固定子は、同じ配向を有することがあり、前記したように、その場合、回転子は、互いに同じ角度をなして配置しなければならない。
【００６１】
図３は、本発明に従ったもう１つの実施例の略図を示す。前記したように、磁気終端板３４を貫通することもしないこともある軸３５に磁気的に絶縁されて固定された回転子３１が図示されている。複数の極コア３２がそれを取り巻く巻線３３を有して終端板３４上に固定されている。固定子３２，３４は、極コア３２および終端板３４により構成される。回転子３１は、ギャップ３６だけが両者を分割するように固定子３２，３４から間隔が置かれている。この実施例は、多少なりとも図２に関して説明したものに対応しており、回転子３１および極コア３２の構造が異なるにすぎない。以下に図４ａ−ｃに関して、この違いを詳細に例示して説明する。
【００６２】
さらに、２つの局部閉磁束経路３７ａ，３７ｂが図示されている。これらの磁束経路は、主経路の略図にすぎない。
【００６３】
図４ａは、図３に示す実施例の縦方向断面図を示す。ここでは、回転子４１は、軸４０に固定されている。極磁片４５が回転子４１上に半径方向に固定されており、所定の極磁片４５が２つの磁石４２により垂直方向に取り囲まれている。所定の極磁片４５に対する２つの磁石４２は、互いに対向する同極性の極を有する（例えば、図示するようにＮがＮに対向する）。２つの隣接する極磁片も互いに対向する同極性の極を有するが、お互いの近隣とは別の極性である。（例えば、図４に示すように、極磁片４５の２つの近隣に対してＳがＳに対向する）。極コア４７がギャップ４６だけに分離されて極磁片４５および磁石４２から間隔を置いて配置されており、好ましくは、できるだけ残留磁気の小さい材料で作られている。極コア４７は、巻線４３により取り囲まれ、好ましくは、その周囲に密に集中巻きとされている。極磁片４５およびそれに最も近い極コア４７の端部は、磁石４２を有する極磁片４５がギャップ４６だけに間隔を置いて極コア４７内に嵌合するように共にＶ字形とされている。磁石４２が極コア４７内に嵌合するため、この種の構成において極コア４７内の磁束は、さらに集束され／均一とされる。全ての巻線４３が集束された／均一な磁束を取り囲むため、この集束された／均一な磁束は、非常に効率的に巻線４３に影響を及ぼす。磁気終端板／端面シールド４９は、磁気回路をもう１つの極コアへ「短絡させる」極コア４７の他端（前記したものとは異なる）に固定される。
【００６４】
この実施例では、局部磁気回路（図３の３７ａ，３７ｂ参照）は、図２に関して説明した回路と同じである。唯一の違いは、極磁片４５および極コア４７の一端のＶ字形により、より集束された／均一な磁束が極磁片４５内に伝導されることである。
【００６５】
前記したように、回転子４１が固定子に対して移動すると、従来の方法で巻線４３内に電流が誘起される。
【００６６】
図４ｂおよび４ｃは、本発明に従った他の実施例の断面図を示す。極コア４７が軸４０に対して、ある角度とされる点を除けば、これらの実施例は、図４ａの実施例に対応する。したがって、極コア４７は、回転軸に完全に平行ではない。
【００６７】
図１３は、本発明のさらにもう１つの実施例に従った発電機の断面図を示す。１つのＶ字形の極磁片および対応する極コアの替わりに、それらが２つのＶ字形に形成される点を除けば、この実施例の発電機は、図４ａの実施例に対応する。
【００６８】
図１３では、回転子１３１が軸１３０に固定されている。極磁片１３５ａ，ｂが回転子１３１上に半径方向に固定され、所定の極磁片１３５ａ，１３５ｂが２つの磁石１３２ａ，１３２ｂにより垂直に取り囲まれている。所定の極磁片１３５ａ，１３５ｂに対する２つの磁石１３２ａ，１３２ｂは、互いに対向する（例えば、ＮがＮに対向する）同極性の極を有する。極コア１３７がギャップ１３６ａ，ｂだけで分離されて、極磁片１３５ａ，ｂおよび磁石１３２ａ，ｂから間隔を置いて配置されている。極コア１３７は、好ましくは密に集中巻きとされる、巻線１３３により取り囲まれている。極磁片１３５ａ，ｂおよびそれに最も近い極コア１３７の端部は、磁石１３２ａ，ｂを有する極磁片１３５ａ，ｂがギャップ１３６ａ，ｂだけに間隔を置いて極コア１３７内に嵌合するように共に２つのＶ字形を形成している。固定子は、固定子または磁気終端板１３４に固定されるいくつかの極コア１３７を含んでいる。
【００６９】
図５は、本発明に従ったもう１つの実施例の略図を示す。２つの同一回転子５１，５８を有する発電機が図示されている。回転子５１，５８は、軸５５の両端に固定されている。回転子は、回転子５１，５８の中心から半径方向に等距離間隔を置いた複数の磁石５３を含んでいる。磁石５３は、所定の磁石の極の極性が隣接する磁石の極の同極性に対向する、すなわち、ＳがＳに対向し、ＮがＮに対向するように配置される。磁石５３からの磁束を集束させる極コア５２が磁石５３間に設けられている。回転子５１，５８は、所定の回転子５１内の所定の極磁片５２がそれに対向する極磁片の極性とは異なるように互いにジグザグに配置されている。
【００７０】
複数の極脚／極コア５４は、ギャップ５６だけで分離されて、回転子５１，５８の半径方向の長さから間隔を置いて配置されている。極コア５４は、巻線５７に取り囲まれている。
【００７１】
各極コア５４は、２つの異なる閉じた局部磁気回路５９ａ，５９ｂの一部である。各閉じた局部磁気回路は、第１の回転子上の極磁片、ギャップ、極コア、ギャップ、第２の回転子上の極磁片、第２の回転子上の磁石、第２の回転子上の第２の極磁片、軸、第１の回転子上の第２の極磁片、第１の回転子上の磁石からなっている。
【００７２】
回転子５１，５８が固定子として機能する極コア５４に対して移動すると、巻線５７内に電流が誘起される。
【００７３】
図６ａは、本発明に従ったさらにもう１つの実施例の略図を示す。複数のブレース６３を介して軸６１に固定された回転子６０が図示されている。回転子６０は、複数の極コア６２を含む固定子６９から間隔を置いて配置されている。この実施例の極コア６２は、軸６１上に直接、固定されるように、実質的に９０°の角度をなしている。それにより、極コア６２の軸方向の長さ、したがって、発電機自体の軸方向長さが低減される。この実施例を図６ｂに関して詳細に説明する。
【００７４】
図６ｂは、図６ａに示す実施例の縦断面図を示す。軸６１に固定された回転子６０が図示されている。回転子６０は、極磁片６５が固定された極ホイール６４および極ホイール６４を支持する複数のブレース６３を含んでいる。２つの磁石６６が各極磁片６５に固定されており、互いに対向する同極性の極を有する。すなわち、図示するようにＮがＮに対向するか、あるいはＳがＳに対向する。２つの隣接する極磁片６５は、互いに対向する反対極性の極を有する。すなわち、互いに対向する極の極性がＮおよびＳ間で交互する磁石６６を有する。極コア６２は、ギャップ６８により、磁石６６および極磁片６５から間隔を置いて配置されている。極磁片６５および極コア６２は、互いに「一緒に嵌合」できるように（ギャップ６６だけに分離されて）、共にＶ字形とされている。それにより、極コア６２内に集束される磁束が強められる。
【００７５】
図６ａに関して前記したように、極コア６２は、実質的に９０°の角度をなしており、それを取り囲む巻線６７を有する。好ましくは、巻線６７は、極コア６２の周囲に固く密に巻き付けられた平坦な集中巻きコイルにより形成される。極コア６２内の均一で／集束された磁束は、ほとんど全ての巻線材料に影響を及ぼすため、それにより巻線６７内に非常に効率的な誘導が得られる。
【００７６】
図６ｃは、一端から見た図６ａおよび６ｂに示す実施例の固定子を示す。ここでは、固定子６９は、極コア６２の軸方向端部が紙面中を指す側から図示されている。１つの典型的な巻線６７も図示されている。
【００７７】
この実施例では、各極コアおよびその各近隣に対して局部磁気回路が設けられている。図６ａ−６ｃに示す極コア６２ａは、２つの局部磁気回路の一部である。前記したように、２つの近隣極コア（図示せず）は、互いに対向する反対極性の磁石（例えば、ＳがＳに対向する）を有するため、１つ７０ｂは、その隣接極コア６２ｂを有し、もう１つ７０ｃは、他の隣接極コア６２ｃを有する。すなわち、局部磁気回路７０ｂは、極ホイール６４の局部、極磁片６５、２つの磁石６６、ギャップ６８、極コア６２、隣接極コア６２ｂ、隣接ギャップ（図示せず）、２つの隣接磁石（図示せず）、隣接極磁片（図示せず）および極ホイール６４ｂの隣接部からなっている。
【００７８】
同様に、閉じた局部磁気回路７０ｃは、極ホイール６４の局部、極磁片６５、２つの磁石６６、ギャップ６８、極コア６２、隣接極コア６２ｃ、隣接ギャップ（図示せず）、２つの隣接磁石（図示せず）、隣接極磁片（図示せず）および極ホイール６４ｃの隣接部からなっている。
【００７９】
各局部磁気回路内の磁束は、共有極コア内で同じ方位を有するため、それらは共に共有極コア内の総磁束に明確に寄与し、取り囲む巻線内に非常に有効な誘導を与える。
【００８０】
回転子６０が固定子に対して移動すると、磁気回路内の磁束は、配向が変化し、それにより巻線６７内に電流が誘起される。磁石６６と極磁片６５のＶ字形および構成は、極コア６２を取り囲む巻線６７と共に、小さな回転速度に対してさえも非常に高出力の電流を与え、それは風車において特に有用である。
【００８１】
図７ａは、本発明の実施例に従って直列接続された２つの発電機の断面図を示す。ここでは、２つの磁石７３により取り囲まれた２つの極磁片７２の各々が回転子７１に固定され、それ自体は軸７４に固定されている。磁石は、互いに対向する同極性の極を有するように配列されている（例えば、ＮがＮに対向する）。極コア７５は、ギャップ７８だけで分離されて、回転子７１の各面上に磁石７３から間隔を置いて配置されている。巻線７６が各極コア７５を取り巻いている。極コア７５の一端に、磁束を隣接極コア７５へ伝導するためにバックプレート／端面シールド７７が設けられている。
【００８２】
磁石７３を有する極磁片７２がギャップ７８だけに分離されて極コア７５内に嵌合できるように、極磁片７２および極コア７５は、Ｖ字形であり、それは磁束を極コア７５内に集束させる。
【００８３】
固定子は、図３および４に関して説明したものに対応する。唯一の違いは、両方の固定子に対して１つの回転子しか必要としないことである。それにより、必要な材料が低減され、多相出力を得るための非常に容易な方法も提供される。
【００８４】
図７ｂは、本発明のもう１つの実施例に従って直列接続された２つの発電機の断面図を示す。この実施例は、図７ａに関して前記した実施例に対応する。唯一の違いは、極コア７５がギャップ７８だけに分離されて磁石７３を有する極磁片７２内に嵌合できるように、Ｖ字形が変化されていることである。
【００８５】
図８は、本発明の実施例に従って異なる配列の磁石を有する発電機の断面図を示す。この実施例では、回転子８２が前記した例と同様に軸８１に固定される。２つの磁石８４が回転子８２に固定され、磁石８４がＬ字形を形成するように、一方は、頂部に固定され、他方は、極コア８５に対向する一方の面の頂部において固定される。極コア８５は、カットアウトを有し、回転子８２および磁石８４がギャップ８３だけで分離されて、このカットアウト内へ嵌合するようにされる。巻線８７が極コア８５を取り巻いている。バックプレート／端面シールド８６が極コア８５の他端において固定されている。この実施例は、Ｌ字形とされた磁石８３、極コア８５内のカットアウトおよび極磁片がないことが他の実施例とは違っているが、その他は同様に機能する。
【００８６】
図９は、本発明のもう１つの実施例に従って異なる配列の磁石を有する発電機の断面図を示す。図示するように、ここでは、実質的に方形もしくは矩形の極磁片９８が回転子９２に固定され、他面に固定された磁石９８を有する。極コア９３は、Ｕ字形カットアウトを有し、磁石９５および極磁片９８は、ギャップ９５だけ離されて、このカットアウト内に嵌合される。極コア９３は、巻線９６に取り巻かれてバックプレート／端面シールド９７に固定されている。発電機は、前記したものと同様に機能し、極磁片９８、磁石９４およびＵ字形カットアウトの配列が異なるだけである。
【００８７】
図１０は、本発明のさらにもう１つの実施例に従った発電機の断面図を示す。この発電機は、図４に示す発電機に対応し、極コア１０５がギャップ１０８だけ離されて磁石１０３を有する極磁片１０４内に嵌合できるようにＶ字形が変化されている点が異なるだけである。
【００８８】
図１１は、本発明のもう１つの実施例に従った発電機の断面図を示す。この実施例は、極コア１１２が巻線１１１に取り巻かれて回転子内に配列される点が図１０に示す実施例とは違っている。次に、巻線１１１内に変動する磁束を発生するために、固定子１１３内に磁石１１４が配列される。この修正は、本発明に従った他の実施例にも応用することができる。
【００８９】
図１４は、本発明のもう１つの実施例に従った機械の断面図を示す。極磁片およびＶ字形の対応する極コアを有する替わりに、２つのＶ字形に形成されている点を除けば、この実施例の発電機は、図１１の実施例に対応する。図１４において、極コア１４２は、巻線１４１に取り巻かれて回転子内に配列される。次に、巻線１４１内に変動する磁束を発生するために、固定子１４３内に磁石１４４ａ，ｂが配列される。図１２は、直列接続された本発明に従った実施例の斜視図を示す。ここでは、図３に示す３つの実施例１２１，１２２，１２３が同じ軸上に直列接続されている。それらは、各実施例が位相を提供するため、発電機の直径を大きくせずに多相出力が与えられるように互いにジグザグ配置されている。回転子部１２４は、背中合わせに配置された前記した種類の２つの回転子もしくは回転子は、各面に２組の極磁片、磁石等を有する単一の修正された回転子部からなることができる。
【００９０】
図１５は、本発明の実施例に従った固定子の一部の断面図を示す。この実施例では、極コア、すなわち極脚は、２つのＵ字形極コア要素１５１，１５２または１５２，１５３の２つの隣接脚１５１ｂ，１５２ａまたは１５２ｂ，１５３ａにより形成される。Ｕ字形要素１５１，１５２，１５３は、巻線１５５，１５６が極コア１５１ｂ，１５２ａおよび１５２ｂ，１５３ａを取り巻いている固定子端板１５４に固定される。
【００９１】
図１６は、図１５の固定子と同じ原理で組み立てられた固定子のもう１つの実施例の断面図を示す。ここでは、Ｕ字形極コア要素は、方形Ｕ字形に形成される。ここでも、極コア、すなわち極脚は、２つのＵ字形極コア要素１６１，１６２または１６２，１６３の２つの隣接脚１６１ｂ，１６２ａまたは１６２ｂ，１６３ａにより形成される。Ｕ字形要素１６１，１６２，１６３は、巻線１６５，１６６が極コア１６１ｂ，１６２ａおよび１６２ｂ，１６３ａを取り巻いている固定子端板１６４に固定され、極コア要素１６２は、締結手段１６７により端板１６４に固定することができる。
【００９２】
Ｕ字形極コア要素について、２つの極コアを貫通する磁束経路は、Ｕ字形極コア要素の両方の脚のＵ字形に沿って、その磁束経路を有する。したがって、好ましくは、Ｕ字形極脚すなわち極コアは、導磁性材料で作られ、固定子端板は、導磁率および導電率の低い材料で作られる。
【００９３】
また、好ましくは、Ｕ字形極コア要素１５２，１６２と固定子端板１５４，１６４間は、電気的に絶縁される。
【００９４】
図１７は、１つの回転子および２つの固定子を含む本発明の実施例の断面図を示す。ここでは、２つの固定子１７１，１７２が図１５に示すタイプのＵ字形極コア要素を有し、極コア、すなわち極脚１７３，１７４および１７５，１７６は、極磁片１７８，１７９およびその間の磁石を有する回転子１７７に対向している。極磁片１７８，１７９は、回転子１７７と交差し、そのため極磁片は、回転子の各側に設けられる。極磁片１７８，１７９の幅は、極脚１７３，１７４および１７５，１７６の幅に対応することができる。磁石のＮ極は、極磁片１７８に対向し、Ｓ極は、極磁片１７９に対向する。したがって、第２の磁石のＮ極は、極磁片１７８の他方の面に対向し、第３の磁石のＳ極は、極磁片１７９の他方の面に対向している。
【００９５】
図１７では、極脚１７３，１７４は、極脚１７５，１７６に対向しており、その結果、２つの固定子１７１および１７２の対応する電気信号は、同相である。
【００９６】
しかしながら、第２の固定子の極脚の位置が第１の固定子の極脚の位置に比べて変位される場合には、２つの固定子の対応する電気信号は位相がずれる。位相差は、極脚の変位から求めることができる。
【００９７】
それは１つの回転子１８７と２つの固定子１８１，１８２を含む本発明の実施例の断面図を示す図１８に例示されている。ここでは、第２の回転子１８２の極脚１８６，１８５は、第１の固定子１８１の極脚１８３，１８４の位置に関連して変位されている。したがって、極磁片１８８，１８９は、異なる時間に極脚１８３，１８４および１８６，１８５に達して電気信号に位相差を生じる。
【００９８】
本発明の電気機械に対して、固定子は、多くの場合、比較的多数の個別の極コア、すなわち極脚（例えば、４０の極コア）および対応する数の個別のコイル、すなわち巻線セットを含むことが理解される。
【００９９】
このような多数の個別のガルバニックに分離されたコイルにより、非常に多数の電圧および電流の組合せを形成する機会が与えられる。
【０１００】
２，３の例として１つの固定子の全コイルを高電圧を発生するように直列配列することができる。
１つの固定子の全コイルを１つのコイルの電圧と同じ電圧であるが、より高電流を得るように並列配列することができる。
並列配列された１つ、２つ、３つもしくはそれ以上のコイルを並列配列された１つ、２つ、３つもしくはそれ以上のコイルと直列配列し、全コイルを同じ固定子の一部とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来技術に従った発電機の一部の断面図である。
【図２】 本発明に従った実施例の略図である。
【図３】 本発明に従ったもう１つの実施例の略図である。
【図４ａ】 図３に示す実施例の略縦断面図である。
【図４ｂ】 本発明に従ったもう１つの実施例の断面図である。
【図４ｃ】 本発明に従ったもう１つの実施例の断面図である。
【図５】 本発明に従ったもう１つの実施例の略図である。
【図６ａ】 本発明に従ったさらにもう１つの実施例の略図である。
【図６ｂ】 図６ａに示す実施例の縦断面図である。
【図６ｃ】 一端から見た図６ａおよび６ｂに示す実施例の固定子を示す図である。
【図７ａ】 本発明の実施例に従った直列接続された２つの発電機の縦断面図である。
【図７ｂ】 本発明のもう１つの実施例に従った直列接続された２つの発電機の縦断面図である。
【図８】 本発明の実施例に従った異なる磁石配列を有する発電機の断面図である。
【図９】 本発明のもう１つの実施例に従った異なる磁石配列を有する発電機の断面図である。
【図１０】 本発明のさらにもう１つの実施例に従った発電機の断面図である。
【図１１】 本発明のもう１つの実施例に従った発電機の断面図である。
【図１２】 直列接続された本発明に従った実施例の斜視図である。
【図１３】 本発明のさらにもう１つの実施例に従った機械の断面図である。
【図１４】 本発明のもう１つの実施例に従った機械の断面図である。
【図１５】 本発明の実施例に従った固定子の一部の断面図である。
【図１６】 図１５の固定子と同じ原理で組み立てられた固定子のもう１つの実施例の断面図である。
【図１７】 １つの回転子と２つの固定子を含む本発明の実施例の断面図である。
【図１８】 １つの回転子と２つの固定子を含む本発明のもう１つの実施例の断面図である。

Claims (38)

1. 風車用の電気機械であって、
   回転軸を有する軸に固定された回転子と、回転子は、複数の磁石または磁界発生手段を含み、
   回転子と固定子との間に形成されたギャップを有する固定子と、固定子は、極コアを取り囲んで巻回されたそれぞれ別個のコイルまたは一組の巻線を有する複数の別個の極コアを含み、極コアは、１つまたはこれ以上の極コアの少なくとも一部が回転軸に対して所定の角度で配列され、その角度は、０度に等しいかこれ以上で９０度以下であり、極コアは、１つまたはこれ以上の磁束路の一部を提供し、
   磁束路は、２つのみの極コア並びに２つのみのギャップを含み、
   極コアは、導磁性材で形成され固定手段により端板に固定された２つの近接個別コア素子により確立され、
   端板は、回転軸にほぼ垂直となる回転子とほぼ平行かつ対向して配置される前記電気機械。
2. 請求項１記載の電気機械であって、前記複数の磁石または磁界発生手段は、互いに対向する同極性の極を有する対として配列される前記電気機械。
3. 請求項１または２記載の電気機械であって、電気絶縁は、Ｕ字形極コア素子と固定子端板の間に提供される前記電気機械。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の電気機械であって、別個の各極コアは、それぞれ別個のコイルまたは一組の巻線を有する前記電気機械。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の電気機械であって、前記回転子は、少なくとも一部が回転軸にほぼ直角となるように配置される前記電気機械。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の電気機械であって、前記角度は、４５度またはこれ以下である前記電気機械。
7. 請求項１から５のいずれかに記載の電気機械であって、前記角度は、３０度またはこれ以下である前記電気機械。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の電気機械であって、１つまたはこれ以上の極コアの少なくとも一部は、回転軸にほぼ平行である前記電気機械。
9. 請求項８記載の電気機械であって、１つまたはこれ以上の巻線またはコイルは、回転軸にほぼ平行な軸を有する前記電気機械。
10. 請求項１から９のいずれかに記載の電気機械であって、１つまたはこれ以上の極コアは、軸の回転軸にほぼ直角に配置された部分を有する前記電気機械。
11. 請求項１０記載の電気機械であって、１つまたはこれ以上の巻線またはコイルは、回転軸にほぼ直角な軸を有する前記電気機械。
12. 請求項１から１１のいずれかに記載の電気機械であって、前記回転子は、円形である前記電気機械。
13. 請求項１から１２のいずれかに記載の電気機械であって、前記固定子は、さらに極脚またはコアに接続された導磁性端板を含む前記電気機械。
14. 請求項１３記載の電気機械であって、前記端板は、回転子にほぼ平行に対向配置される前記電気機械。
15. 請求項１から１４のいずれかに記載の電気機械であって、極コアの数は、前記磁石または磁界発生手段の数に等しい前記電気機械。
16. 請求項１から１５のいずれかに記載の電気機械であって、前記磁石または磁界発生手段は、半径方向に等距離で回転子に配列される前記電気機械。
17. 請求項１から１６のいずれかに記載の電気機械であって、前記磁石または磁界発生手段は、回転子の極コアの端部に対向する一の面に配置される前記電気機械。
18. 請求項１から１７のいずれかに記載の電気機械であって、前記磁石または磁界発生手段は、回転子の外周に配置される前記電気機械。
19. 請求項１８記載の電気機械であって、極磁片は、磁石または磁界発生手段間に配列される前記電気機械。
20. 請求項１から１９のいずれかに記載の電気機械であって、前記磁石または磁界発生手段は、ほぼＶ字形に嵌合するように回転子に配列される前記電気機械。
21. 請求項２０記載の電気機械であって、前記磁石または磁界発生手段は、Ｖ字形を得るために対で配列される前記電気機械。
22. 請求項１から２１のいずれかに記載の電気機械であって、前記機械は、単相同期機である前記電気機械。
23. 請求項１から２２のいずれかに記載の電気機械であって、前記磁石または磁界発生手段は、永久磁石である前記電気機械。
24. 請求項１から２３のいずれかに記載の電気機械であって、前記磁石または磁界発生手段は、電磁石である前記電気機械。
25. 請求項１から２４のいずれかに記載の電気機械であって、巻線またはコイルは、平坦集中コイルにより形成される前記電気機械。
26. 請求項１から２５のいずれかに記載の電気機械であって、前記極コアは、導磁性材料により組み立てられる前記電気機械。
27. 請求項２６記載の電気機械であって、前記導磁性材料は、磁界配向軟磁性積層である前記電気機械。
28. 請求項１から２７のいずれかに記載の電気機械であって、前記機械は、軸を介して機械力を供給し巻線を介して電力を発生する発電機である前記電気機械。
29. 請求項２８記載の電気機械であって、前記機械は、風車に使用される前記電気機械。
30. 請求項２２から２９のいずれかに記載の多数の単相機を直列に配列することにより多数の位相が得られる多相機械。
31. 請求項２０記載の電気機械であって、磁石または磁界発生手段は、２つまたはこれ以上のＶ字形にほぼ嵌合されるように回転子に配列される前記電気機械。
32. 請求項３１記載の電気機械であって、前記Ｖ字形は、それぞれ一対の磁石または磁界発生手段を含む前記電気機械。
33. 請求項１から９のいずれかに記載の電気機械であって、前記極コアは、Ｕ字形要素により形成され、前記要素は、２つのＵ字形要素の２つの隣接する脚により１つの極コアが形成されるように固定子に配列される前記電気機械。
34. 請求項３３記載の電気機械であって、磁束経路は、２つの極コアを貫通し、１つのＵ字形極コア要素の両方の脚に経路を有する前記電気機械。
35. 請求項１から３４のいずれかに記載の電気機械であって、前記極コアは、導磁性材料により作られ、前記極コアは、導磁率の低い材料から作られた固定子プレートに配列される前記電気機械。
36. 請求項１から３５のいずれかに記載の電気機械であって、前記極コアの幅は、２つの連続する極コア間の距離にほぼ等しい前記電気機械。
37. 請求項１９記載の電気機械であって、前記回転子の外周の極磁片の幅は、固定子に対向配列された極コアの幅にほぼ等しい前記電気機械。
38. 請求項１から３７のいずれかに記載の電気機械であって、第１の固定子は、回転子の第１の面に対向して配置され、第２の固定子は、回転子の他の面に対向して配置される前記電気機械。

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