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