JP4293602B2 - 電気機械 - Google Patents

Description

本発明は、回転子と固定子とからなる電気機械において、回転子が固定子に対して電気機械の長手軸のまわりにおいて移動しうる電気機械に関する。

電気機械は、当該技術分野において周知である。これらの電気機械は、電気エネルギーが供給されると力を生じしめる電動機タイプまたは機械的な力が加えられると電気エネルギーを発生させる発電機タイプのいずれかでありうる。回転式および直線運動式の両方の電気機械がある。

電動機に関する問題は、電動機が供給しうるトルクが強磁心によって制限されて、ある一定の電流レベルにおいて飽和することである。この電流レベルを超えると、トルクは増加せずに、磁心において発生する熱が増加する。磁心が加熱されると、ほとんどの磁性材料の場合と同様に、磁気特性は低下する。

この問題は、直線運動式電動機の場合に特に厄介である。この用途において回転子と呼ばれる電動機の可動部は、しばしば大きさを制限され、以って該可動部に加えられうる最大電界が制限される。このことは、異なる用途において不十分な加速に繋がる。

供給トルクの制限に関する前記問題を解決するための可能な異なる解決策が当該技術分野において周知である。定置電動機の場合は、この問題は、たとえば電動機の大きさを増大させることによって対処されうる。大きさと重さとが重要性を持つ用途においては、異なる新種の材料が強磁心に用いられる。磁心を異なる方法で積層することもでき、磁心が磁界内において最適な態様で「分散配置」される異なる幾何学的レイアウトが周知である。

直線運動式電動機が電気作動弁を制御するために用いられる用途においては、トルクの制限は明白である。ある程度有効な解決策を提供するために、電気作動弁を制御するための現在の周知の装置では、電磁石とばねとからなる装置が、共振装置に構成されて用いられている。このようにすると、弁をある程度調節することが可能になる。これらの装置は、制御困難であり、ひとつのサイクルにおいて弁をわずかに調節することしかできない。

電気機械が自由ピストン機関と関連して用いられる用途では、従来式の直線運動式電気機械を用いて、ピストンが共振状態にあるときに平均電力を取り出すことができる。ピストンの運動を各サイクルにおいて制御して、たとえば燃焼を制御することが望ましい。これを達成することは、従来式の電気機械では、電気力と回転子の質量との間の関係が約１０倍低すぎるため、困難である。

したがって、本発明の目的は、従来式の電気機械より大きさおよび／または重さに比して高い磁気トルクを有する電気機械を提供することにある。

本発明によれば、この目的は、請求項１に記載の電気機械の特徴によって達成される。その他の請求項に、本発明にしたがった電気機械の有利な実施例および開発形態が記載されている。

本発明の目的は、第１の部材と第２の部材とからなっており、前記第２の部材が前記第１の部材に対して移動可能であり、前記第１および第２の部材が閉磁路を構成する電気機械において、前記第１の部材は、少なくとも１個のコイルと複数個の第１のセグメントとからなり、各々の前記第１のセグメントは、複数個の第１のセクションからなり、各々の前記第１のセクションは、第１の磁界変更要素であり、前記第２の部材は、複数個の第２のセグメントからなり、各々の前記第２のセグメントは、複数個の第２のセクションからなり、各々の前記第２のセクションは、第２の磁界変更要素である電気機械によって達成される。

本発明にしたがった電気機械の前記第１の実施例により、非常に高い出力質量比を有する電気機械が得られる。これは、本実施例においては鉄粉またはフェライトにより製作される第１および第２の組をなす磁界変更要素を取り入れることによって得られる。この電気機械は、発電機または電動機として用いられうる。発電機として用いられると、大きさに比べて高い出力を供給しうる。電動機として用いられると、可動部の質量が低いために、急速な加速が可能になる。

本発明にしたがった電気機械の有利な第１の開発形態において、第２の組をなす磁界変更要素は、永久磁石によって製作される。これにより、電気機械の効率がさらに向上する。

本発明にしたがった電気機械の有利な第２の開発形態において、第１の組をなす磁界変更要素は、空芯コイルによって製作される。これにより、電気機械の加速性が向上する。

本発明にしたがった電気機械の有利な第３の開発形態において、電気機械は、複数個の第１の部材からなる。これにより、多相電気機械が得られる。このことの利点は、電動機として用いられる場合は電気機械の制御性が、発電機として用いられる場合は連続出力が高められるところにある。

本発明にしたがった電気機械の有利な第４の開発形態において、電気機械は、３個の第１の部材からなる。これにより、三相電気機械が得られる。このことの利点は、従来式の三相装置を使用することができるところにある。

添付図面に示されるところの好適な実施例を参照して、以下に、本発明をより詳細に説明する。

以下に説明する本発明の好適な実施例および開発形態は、単に例とみなされなければならず、特許請求の範囲をいかなる形でも制限するものではない。本明細書に記載の好適な実施例において、さまざまな図における同じ参照符号は、同じタイプの部分に関係している。したがって、各部分が全ての好適な実施例において詳細に説明されるわけではない。

本発明にしたがった電気機械１の第１の好適な実施例において、該電気機械は、図１ａ、１ｂ、２ａおよび２ｂにしたがって、円形状の態様に構成される。この電気機械は、固定子２と呼ばれる第１の部材２と、回転子３と呼ばれる第２の部材３とからなる。固定子２は、一般に、剛性構造体に取り付けられることによって固定されるが、該固定子を移動可能な態様に取り付けることも可能である。回転子３は、機械の長手軸４に沿って固定子２に対して移動可能である。図１ａにおいて、電気機械の長手軸４は、紙面に対して垂直である。固定子２と回転子３とは、矢印１３によって示される閉磁路を構成する。さらにまた、回転子３を固定される態様に取り付けるとともに、固定子２を回転子３に対して移動させることも可能である。

図１ａにおいて、固定子２は、円形状の態様に配置される複数個の固定子セグメント５からなっており、各セグメントは、固定子本体７に固定されるとともに、内側方向に向いていることがわかる。回転子３は、円形状の態様に配置される複数個の回転子セグメント６からなっており、各セグメントは、回転子本体８に固定されるとともに、外側方向に向いている。各固定子セグメント５と各回転子セグメント６とは、両者間に狭い空隙を有して互いに隣接して配置される。この空隙を可能な限り狭くすることが有利である。各固定子セグメント５は、複数個の固定子セクション１０からなる。各回転子セグメント６は、複数個の回転子セクション１１からなる。

固定子２および回転子３は、図示されない適切な軸受け機構を備える。図１ａにおいて、一部の固定子セグメント５は、Ｖ字形である。これは、電気機械がモジュール式の態様に構成される場合に有利となりうる。

電気機械のまた他の実施例において、固定子セグメント５および／または回転子セグメント６は、固定子セグメント５が楔形であり、かつ回転子セグメント６が均一である図２ａおよび２ｂに示されるように、電気機械の半径方向に楔形であってもよい。楔形の固定子および／または回転子セグメントは、たとえば電気機械を製造する製造方法によって、有利となりうる。前記セグメント間における空隙が均一であることと前記セグメントの表面が平行であることとが重要である。

回転子３は、長手軸４に沿って前後に移動する。固定子セグメント５および回転子セグメント６は、主として前記軸４に沿って延在しており、すなわち、前記軸４に沿って、セグメント５、６は、最大の物理的寸法を有する。固定子セクション１０および回転子セクション１１は、主として、長手軸４に対して垂直に延在する。閉磁路１３は、これらのいずれの軸に対しても垂直である。

電気機械の設計の対象となる用途によって、固定子２または回転子３のいずれかを長手軸４に沿って延在させうる。固定子が回転子よりはるかに長い電気機械が、より高い効率を有するのに対して、電気機械において得られる最大加速は、より低い質量を有するより短い回転子の場合に向上する。

図３に、固定子セグメント５の側面図が示されている。固定子セグメント５は、複数個の固定子セクション１０を取り巻くコイル９からなる。この例において、セクション１０は、磁気伝導性材料、たとえば鉄粉またはフェライト材料により製作される矩形棒によって構成される。磁気伝導材料の飽和磁束は、可能な限り高いことが好ましい。前記棒は、規則的な態様で離間し、その間隔は、棒の幅と略同じである。コイル９は、伝導材料、好ましくは低い抵抗率を有する材料、たとえば銅または超伝導体によって製作される。一例として、前記セグメントは、幅４０ｍｍ、高さ２００ｍｍ、厚さ５ｍｍである。セクションは、５ｍｍ×２０ｍｍ×５ｍｍである。セクション間の垂直方向の間隔は、５ｍｍである。コイルは、幅１０ｍｍ、厚さ５ｍｍであり、損失を減少させるために面積を可能な限り大きくしてある。一般的な電気機械は、たとえば３０個の固定子セグメントと３０個の回転子セグメントとを有しうる。

本実施例において、各固定子セグメント５は、コイル９からなる。コイル９を固定子２内においてより凝縮された態様に配置することも可能である。この場合は、コイルは、対称に配置されるが、単に数個のセグメント、たとえば５個のセグメントおきに配置されるだけである。同じ磁気特性を得るためには、電気機械の全コイル面積は、コイル９の配置にかかわりなく同じでなければならない。コイル９は、１個以上の屈曲部を有しうる。

セグメント５は、大体においてコイル９と棒１０と、前記棒とコイルとの間の空間を満たす充填材料とによって構成される。機械的特性を高めるために、その他の材料、たとえばセグメント５全体を取り巻くセラミックを用いてもよい。適切な充填材料は、たとえばガラス繊維強化エポキシ樹脂またはセラミック材料である。また他の非磁性材料、たとえばセラミックを用いてセグメント５を積層して、より高い強度を得ることも可能である。セグメント５が、たとえば層間に棒１０が挟み込まれた２層のセラミック層によって構成される場合は、充填材料は、空気であってもよい。また他の可能性は、各棒１０間の充填材料に磁性材料を含ませて磁気特性を最適化することである。この磁性材料は、好ましくは充填材料の中心に配置される。さらにまた、棒１０とは異なる磁界変更材料を充填材料として用いることも可能である。

前記セグメントを形成させるまた他の方法は、薄膜またはテープキャスト技術を用いることである。この場合は、前記セクションは、たとえばセラミック材料のまた他の基板と積層される、たとえばセラミック材料の基板上に配置または印刷される。設計によっては、複数個の層を積層して所望の電気的および／または機械的特性を得ることができる。

図４に、回転子セグメント６の側面図が示されている。この回転子セグメント６は、固定子セグメント５と同じ態様に構成されるが、コイルを有さない。回転子セグメント６は、磁気伝導性材料、この場合は鉄粉によって製作される矩形棒により構成される複数個の回転子セクション１１からなる。これらの棒１１は、棒１０と同じ寸法を有するとともに、同じ材料によって製作される。

図５ａ〜ｃに、図１の線Ａ−Ａにおける側断面図が示されている。図５ａ〜ｃを一例として用いて、発電機として用いられる場合の電気機械の機能を説明する。この目的のために、電気機械の一部分、この場合は２個の回転子セクション１１と３対の分割固定子セクション１０のみが図示されている。回転子セクション１１と固定子セクション１０とが、図５ａにおけるように、同じ幾何学平面上において互いに隣接して配置される場合は、磁界は、各固定子セグメント内のコイルによって電気機械に加えられる。回転子セグメントは、矢印１２によって示される一方の方向に外力、たとえば自由ピストン機関により移動せしめられる。それと同時に、コイルが短絡して、磁界を定常化させる。回転子セグメント１１を固定子セクションの長さの約半分の距離だけ移動させる時間は短いため、磁界は、この移動期間中は略定常化されていると見なされうる。この状態は、電気機械の半サイクルを表すとともに、図５ｂに図示されている。磁界が定常化されると、外力によって生じしめられるエネルギーは、磁気エネルギーに変換される。この磁気エネルギーは、コイルから取り出されるとともに、電気エネルギーとして、たとえばキャパシタを充電することにより蓄積されうる。電気機械の次の半周期において、コイルによって加えられる磁界は、コイルを非作動状態にすることによって除去される。これは、電気機械が第２の半周期において電動機として動作することを防ぐために行なわれる。第２の半周期の終了時点、すなわち全サイクルが行なわれた時点で、電気機械は、図５ｃに示される状態となる。このサイクルは、その後、電気機械が方向１２に移動せしめられるときに繰り返される。この種の動作は、パルス磁気抵抗装置と見なされうる。

電気機械の第２の好適な実施例において、回転子セクション１１、すなわち磁界変更要素１１は、外形の大きさが前記の鉄粉製矩形棒の場合と略同じである短絡コイルによって構成される。図６に、回転子セクション１１が短絡コイル１１によって構成される回転子セグメント６が示されている。本実施例における固定子セクションは、前記磁界変更要素のひとつによって構成される。この電気機械の設計は、短絡コイル１１を除けば、前記と同じであってもよいが、必ずしも同じでなくてもよい。コイルを用いることの利点は、回転子の重さが減じられて、以って回転子がより高い加速係数を得るところにある。短絡コイル１１は、空芯コイルまたは磁心を有するコイルのいずれであってもよい。磁心を有する短絡コイル１１は、より高いインダクタンスとより大きい重さとを有する。本実施例において、充填材料は、磁性または非磁性材料のいずれであってもよい。充填材料が磁性を有する場合は、電気機械における磁界は、より高くなるが、磁性材料は飽和しうる。非磁性材料を充填材料として用いると、飽和という欠点はなくなるが、抵抗率の損失はより高くなる。電気機械の設計によって、適切な充填材料が選択される。

電気機械の第３の好適な実施例において、固定子セクション１０、すなわち磁界変更要素１０は、永久磁石材料により製作される矩形棒によって構成される。回転子セクション１１、すなわち磁界変更要素１１は、鉄粉またはフェライト材料によって構成される。この設計は、磁界変更要素１０を除けば、前記と同じであってもよいが、必ずしも同じでなくてもよい。永久磁石１０は、全ての磁石１０が同じ方向に磁界を有して配置されるように配置されなければならない。

永久磁石を磁界変更要素として用いることの利点は、永久磁石が、たとえば鉄粉またはフェライトより低い電流でより高い磁界とより高い磁気トルクとをもたらすところにある。このため、電気機械の効率が高まる。永久磁石は、たとえば鉄粉またはフェライトより高価であり、かつ衝撃に対してより敏感である。

電気機械の第４の好適な実施例において、固定子セクション１０、すなわち磁界変更要素１０は、永久磁石材料により製作される矩形棒によって構成される。回転子セクション１１、すなわち磁界変更要素１１は、鉄粉またはフェライト材料によって構成される。この電気機械の設計は、磁界変更要素１０を除けば、前記と同じであってもよいが、必ずしも同じでなくてもよい。永久磁石１０は、全ての磁石１０が同じ方向に磁界を有して配置されるように配置されなければならない。本実施例においては、固定子のセクション間における空間、すなわち固定子充填材料もまた永久磁石によって構成される。これらの充填磁石は、自身の磁界を永久磁石１０の磁界とは逆の方向に有して配向される。これにより、電気機械の効率はさらに高められる。

本発明のさらに他の開発形態において、前記の材料のまた他の組合せを固定子セクション１０および回転子セクション１１に用いることも可能である。たとえば電気機械の設計、電気機械の意図される用途、電気機械の所望の特性、費用等によって、材料の適切な組合せを選択することが可能である。さらにまた、異なる材料を同じセグメントの固定子セクション１０および／または回転子セクション１１に用いることも可能である。ひとつの固定子セグメントが、たとえば鉄粉により製作されるセクションと短絡コイルにより製作されるセクションとの両方を含んでいてもよい。

電気機械の第５の好適な実施例において、電気機械は、長手軸４に沿って互いに隣接して配置される複数個の第１の部材２、すなわち固定子２からなる。本例においては、３個の固定子２を有する電気機械を説明する。これらの固定子２の配置は、図１ｂまたは２ｂに示されたものと同じであってもよい。第２の部材３、すなわち回転子３は、好ましくは全ての固定子２に対応しうるだけの十分な長さを有する。回転子３の配置は、長さを除けば、図１ｂまたは２ｂに示されたものと同じであってもよい。

固定子２は、均等な態様で、本例においては１２０°だけ電気的に位相偏位する。本実施例では、電気機械を発電機として用いて連続エネルギーを生成できる可能性または電動機として用いられる場合の電気機械の制御を向上させる可能性が高められる。１２０°の位相偏位により、三相機械が得られる。所望の場合は、固定子部材の個数としてまた他の個数を選択することも可能である。位相偏位は、全サイクルを第１の部材２の個数で割ることによって導出されることが有利である。

図７および８に示される電気機械の第２の有利な開発形態において、電気機械は、扁平な線形の機械として設計される。図７に、よりわかりやすくするために切開されたコイル９を有する電気機械の平面図が示されている。図８に、図７の線Ｂ−Ｂにおける側断面図が示されている。本例において、電気機械は、２つのグループをなして電気機械の移動方向１２に対して互いに前後に配置される４個の回転子セグメント６と１０個の固定子セグメント５とを有する。これらの２つのグループの固定子セグメント５は、閉磁路１３の構成を可能にする磁界伝導構造と機械的かつ磁気的に接続される。本例において、電気機械の閉磁路１３は、移動方向１２に対して垂直となる。この電気機械の機能は、前記のものと同じである。固定子２および回転子３は、適切な軸受け機構を備える。

本発明は、前記の好適な実施例に制限されるものとみなされてはならず、数多くのさらに他の変形態様および改変が以下の特許請求の範囲から逸脱することなしに実施可能である。本発明にしたがった電気機械は、小型かつ効率的な電気機械が望まれるあらゆる用途、たとえば内燃機関における弁の制御用に用いられうる。

本発明にしたがった電気機械の第１の好適な実施例の平面図である。 図１ａにしたがった電気機械の側面図である。 本発明にしたがった電気機械の有利な開発形態の平面図である。 図２ａにしたがった電気機械の側面図である。 図１にしたがった電気機械の第１のセグメントの側面図である。 図１にしたがった電気機械の第２のセグメントの側面図である。 図１にしたがった電気機械の動作サイクルを示す図である。 図４にしたがった第２のセグメントの有利な開発形態の図である。 本発明にしたがった電気機械の第２の有利な開発形態の平面図である。 図７にしたがった電気機械の側断面図である。

Claims (16)

1. 第１の部材（２）と第２の部材（３）とからなる電気機械（１）であって、前記第２の部材（３）が前記第１の部材（２）に対して移動可能であり、かつ前記第１および前記第２の部材（２、３）が閉磁路を構成する電気機械（１）において、
   前記第１の部材（２）は、少なくとも１個のコイル（９）と複数個の第１のセグメント（５）とからなり、各々の前記第１のセグメント（５）は、複数個の第１のセクション（１０）からなり、各々の前記第１のセクション（１０）は、第１の磁界変更要素であり、前記第２の部材（３）は、複数個の第２のセグメント（６）からなり、各々の前記第２のセグメント（６）は、複数個の第２のセクション（１１）からなり、各々の前記第２のセクション（１１）は、第２の磁界変更要素であり、各第１のセグメント（５）は、第１のセグメント本体（７）に固定されるとともに、前記第２の部材（３）側に向いており、各第２のセグメント（６）は、第２のセグメント本体（８）に固定されるとともに、前記第１の部材（２）側に向いており、各々の前記第１のセグメント（５）は、各々の前記第２のセグメント（６）の間に隣接して配置されることを特徴とする電気機械（１）。
2. 各々の前記第１のセグメント（５）には、複数個の前記第１のセクション（１０）を取り巻く少なくとも１個のコイル（９）が設けられることを特徴とする請求項１に記載の電気機械。
3. 前記第２の部材（３）は、電気機械の長手軸（４）に沿って前記第１の部材（２）に対して移動可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の電気機械。
4. 前記第１および第２の部材（２、３）の前記セグメントは、互いに隣接して配置されて、前記セグメントが電気機械の前記閉磁路内に配置されるようになることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電気機械。
5. 前記第１および第２の部材（２、３）の前記セグメントは、それらが主として電気機械の前記閉磁路に対して垂直に延在していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電気機械。
6. 前記第１および第２の部材（２、３）の前記セグメントは、電気機械の前記長手軸（４）に沿って延在することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の電気機械。
7. 前記第１および第２の部材（２、３）の前記セグメント間の間隔は、実質的に均一であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の電気機械。
8. 前記第１の磁界変更要素と前記第２の磁界変更要素とは、鉄粉材料、フェライト材料、鉄心コイル、空芯コイルまたは永久磁石によって製作されることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の電気機械。
9. 前記第１の磁界変更要素は、該第１の磁界変更要素の磁界を同じ方向に配向する永久磁石によって製作され、前記第２の磁界変更要素は、鉄粉材料によって製作されることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の電気機械。
10. 永久磁石が前記第１の磁界変更要素の間に設けられており、前記第１の磁界変更要素の間の永久磁石の磁界は、前記第１の磁界変更要素の磁界と反対方向に配向されていることを特徴とする請求項９に記載の電気機械。
11. 前記第１の磁界変更要素は、鉄粉材料、フェライト材料または永久磁石によって製作され、前記第２の磁界変更要素は、空芯コイルによって製作されることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の電気機械。
12. 前記第１の磁界変更要素と前記第２の磁界変更要素とは、同じ種類の材料であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の電気機械。
13. 前記第１のセグメント（５）および／または前記第２のセグメント（６）は、複数個の異なる磁界変更要素からなることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の電気機械。
14. 前記長手軸（４）に沿って互いに隣接して配置される複数個の第１の部材（２）からなることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の電気機械。
15. 前記第１の部材（２）は、均一な態様で電気的に位相偏位し、前記位相偏位は、全サイクルを前記第１の部材の個数で割ることによって導出されることを特徴とする請求項１４に記載の電気機械。
16. 電気的に１２０°だけ位相偏位する３個の第１の部材（２）からなることを特徴とする請求項１４または１５に記載の電気機械。

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