JP5204094B2 - 電気機械 - Google Patents

Description

本発明は、電気機械に関する。

機械式ギアボックスは、原動機の動作速度を、例えば、風力発電機の回転速度を増大するために、または例えば、電気船舶推進装置での回転速度を低減するためのその負荷の要件に一致させるために、広く使用されている。必要な速度およびトルク特性を達成するためには、通常、機械式ギアボックスと一緒に高速電気機械を使用するほうが、よりコスト・パフォーマンスも重量パフォーマンスもよい。しかし、機械式ギアボックスと一緒にこのような高速電気機械を使用すると高いシステム・トルク密度を実現することができるが、このような機械式ギアボックスは、通常、潤滑および冷却を必要とする。さらに、信頼性も重要な問題である。それ故、機械式ギアボックスを使用することができない用途の場合には、直接駆動型電気機械が使用される。

種々の直接駆動型電気機械トポロジーが使用されている。そのようなトポロジーの１つとしては、最高のトルク／力密度を提供することが分かっている永久磁石回転／線形同極（横電界）機械（ＴＦＭ）がある。回転ＴＦＭは、４０〜６０ｋＮｍ／ｍ^３の範囲内のトルク密度を有する。しかし、単極機は、元来、電力発電に適していない０．３〜０．４５程度の低い力率しか有していない。さらに、単極機は、モータ用途のためかなり高いコンバータ・ボルトアンペア定格を必要とする。
２００１年の磁気に関するＩＥＥＥ議事録３７巻、４号、２８４４〜２８４６ページ掲載のＫ．Ａｔａｌｌａｈ、Ｄ．Ｈｏｗｅの「新規な高性能磁気歯車（Ａ ｎｏｖｅｌ ｈｉｇｈ−ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｇｅａｒ）」、 ２００４年のＩＥＥ議事録、電力用途、１５１巻、１３５〜１４３ページ掲載のＫ．Ａｔａｌｌａｈ、Ｓ．Ｄ．Ｃａｌｖｅｒｌｅｙ、Ｄ．Ｈｏｗｅの「高性能磁気歯車の設計、分析および実現（Ｄｅｓｉｇｎ， ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｒｅａｌｉｓａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｇｅａｒ）」

本発明の実施形態の１つの目的は、上記従来技術の問題の１つまたは複数を少なくとも緩和することである。

従って、実施形態の第１の態様によれば、本発明は、内部可動素子および内部可動素子に関連する複数の永久磁石を介して磁気的に連動している状態で、相互作用するように配置されている外部可動素子と、内部可動素子に関連する複数の永久磁石の磁界の基本波と磁気的に相互作用するように配置されている少なくとも内部可動素子の外側に配置されている巻線とを備える電気機械を提供する。

実施形態の第２の態様によれば、本発明は、第１および第２の複数の永久磁石の非同期高調波を介して磁気的に連動している状態で相互作用するように配置されている第１の可動素子および第２の可動素子と、第１の可動素子と関連する第１の複数の永久磁石の磁界の基本波と磁気的に相互作用するように配置されている巻線とを備える電気機械を提供する。

実施形態の第３の態様によれば、本発明は、第１の可動素子と関連する磁界を変調することにより、電気機械の第１および第２の可動素子の間に磁気による連動相互作用を生成するステップと、第１の可動素子に関連する磁界と相互作用を行うように配置されている巻線を付勢するステップとを含む電気機械を作動するための方法を提供する。

実施形態の第４の態様によれば、本発明は、磁気的に連動して相互作用を行う第１および第２の可動素子と、第１の可動素子と関連する第１の複数の永久磁石の磁界の第１の高調波／基本波と相互作用するように配置されている巻線とを備える電気機械を提供する。

都合の良いことに、本発明の実施形態による電気機械装置は、従来の高性能回転／線形電気機械よりかなり大きくて、単極機、すなわち、ＴＦＭと等しい高いトルクおよび／または力密度を有する。しかし、単極機すなわちＴＦＭとは異なり、本発明の実施形態は比較的高い力率を有している。ある実施形態は０．９またはそれ以上の力率を有している。

添付の図面を参照しながら本発明の実施形態について説明するが、これは単に例示に過ぎない。

図１は、第１の回転子または内部回転子１０２と、第２の回転子または外部回転子１０４と、干渉または干渉手段とも呼ばれる多数の電極片１０６とを備える回転磁気歯車１００を示す。第１の回転子１０２は、永久磁石１１０のそれぞれに第１の番号がついている支持体１０８を備える。図の磁気歯車の場合には、第１の回転子１０２は、空間内で変化する磁界を発生するように配置されている８つの永久磁石、または４つの極対を備える。第２の回転子１０４は、永久磁石１１４のそれぞれ第２の番号がついている支持体１１２を備える。図の第２の回転子は、空間内で変化する磁界を発生するように配置されている４６の永久磁石、または２３の極対を備える。永久磁石の第１および第２の番号は異なる番号である。従って、永久磁石１１２および１１４の間には、ほとんど役に立たないか、または全然役に立たない磁気結合または相互作用が存在する。そのため、一方の回転子が回転しても他方の回転子は回転しない。

極片１０６は、永久磁石１１０および１１４の磁界が相互作用を行うことができるようにするためのものである。極片１０６は、永久磁石１１０および１１４の磁界を変調するので、極片１０６は、一方の回転子の回転が、連動状態で多方の回転子の回転を誘起する程度に相互作用を行う。第１の回転子が速度ω_１で回転すると、第２の回転子は速度ω_２で回転する。この場合、ω_１＞ω_２であり、また逆の構成にすることもできる。

図２は、外部回転子１０４上に装着している永久磁石１１４に隣接するエアギャップ内の、図１の磁気歯車１００の内部回転子１０２上に装着されている永久磁石１１０の磁束密度の空間分布の高調波スペクトル２００を示す。スペクトル２００は、第１の回転子１０２の永久磁石１１０に関連する第１の高調波または基本波２０２を含んでいることを理解することができるだろう。極片１０６は、永久磁石１１０の磁界を変調する。例えば、永久磁石１１０の場合には、これにより、第１の回転子１０２および第２の回転子１０４の間の結合が、一方の運動が連動状態で他方の運動を誘起することができるようにする、永久磁石１１４と同じ数の極を有する比較的大きな非同期高調波２０４が発生することになる。

しかし、第１の回転子１０２の永久磁石１１０に関連する基本的構成要素２０２は、いつでも存在していて、磁気歯車に関連する大部分の電磁損失の原因となる。
当業者であれば、第１の磁石１１０および第２の磁石１１４が永久磁石であるならば、
例えば、２００１年の磁気に関するＩＥＥＥ議事録３７巻、４号、２８４４〜２８４６ページ掲載のＫ．Ａｔａｌｌａｈ、Ｄ．Ｈｏｗｅの「新規な高性能磁気歯車（Ａ ｎｏｖｅｌ ｈｉｇｈ−ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｇｅａｒ）」、および２００４年のＩＥＥ議事録、電力用途、１５１巻、１３５〜１４３ページ掲載のＫ．Ａｔａｌｌａｈ、Ｓ．Ｄ．Ｃａｌｖｅｒｌｅｙ、Ｄ．Ｈｏｗｅの「高性能磁気歯車の設計、分析および実現（Ｄｅｓｉｇｎ， ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｒｅａｌｉｓａｔｉｏｎ ｏｆ
ａ ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｇｅａｒ）」を読めば理解することができるように、第１の回転子１０２および第２の回転子１０４の間に連動が行われるように、必要な磁気回路または磁気結合を実現するために、極片１０６の選択および設計方向を理解することができるだろう。上記内容は、すべての目的のための参照のために付録に記載してある。

図３は、磁気歯車３０４と結合している電動モータ／発電機３０２を備える周知の組立体３００を示す。磁気歯車３０４は、図１を参照しながらすでに説明した磁気歯車にほぼ類似している。米国特許第６，７９４，７８１号の種々の実施形態が、このような組立体を図示し、開示している。電動モータ／発電機３０２は、それぞれの三相巻線３０６ａ〜３０６ｌを含む中央の電機子３０６を備える。組立体３００は、例えば、バックアイロンのような基板３１４上に装着している永久磁石３１２を含む第１の回転子、すなわち外部回転子３１０を備える。永久磁石３１２は、連動状態で、第２の回転子／内部回転子３１８の多数の永久磁石３１６と結合している。永久磁石３１６は、支持体３２０上に装着されている。内部回転子３１８の永久磁石３１６と外部回転子３１０の永久磁石３１２との間に確立している磁気回路または磁気結合は、相互にほぼ等間隔で円周方向に配置されている複数の極片３２２により実現することができる。第２の回転子３１８の永久磁石は、モータ／発電機の動作のために三相巻線３０６ａ〜３０６ｌと結合している。外部回転子３１０は回転することができる。極片３２２は固定されていて、内部回転子３１８は回転することができ、中央の電機子３０６は固定されている。

図４は、本発明の実施形態による電気機械４００の動作原理を示す。電気機械４００は、第１の複数の永久磁石４０６を支承している支持体４０４を有する第１の回転子、すなわち内部回転子４０２を備える。図の実施形態の場合には、１０の極を有する永久磁石を使用している。しかし、実施形態は、このような数の永久磁石を使用しているものに限定されない。ある他の数の永久磁石を使用している実施形態も実行することができる。電気機械４００は、複数の強磁極片の形をしている第２の回転子４０８を備える。極片４０８は、第１／内部回転子４０２の永久磁石４０６を、各歯４１４の多数の歯の先端４１２に固定されている複数の永久磁石４１０に磁気的に結合するように配置されていて、それにより固定子４１６を形成している。図の実施形態の場合には、６０の永久磁石が歯の先端４１２に固定されている。この実施形態は、各歯の先端４１２を含む１５の歯４１４を備える。実施形態は、このような数の永久磁石および歯に限定されないことを理解することができるだろう。ある他の数の永久磁石および歯を備える実施形態も実行することができる。

極片４０８は回転することができる。すなわち、極片４０８は、回転子を形成している。内部回転子４０２は回転することができる。歯４１４および関連する永久磁石４１０は固定されている。永久磁石４０６と永久磁石４１０との間の結合は、回転可能な極片４０８により行われる。固定子４１６は、複数の三相巻線１、１’２、２’および３、３’と関連している。三相巻線、および関連する電流は、内部回転子４０２と関連する永久磁石４０６の第１の高調波または基本波を含む磁気回路と結合しているか、または磁気回路を形成する磁界を生成するように配置される。図の実施形態の場合には、永久磁石４０６に対応する第１の高調波／基本波は５つの極対を有する。

内部回転子４０２と関連する今まで未使用の基本波を使用することにより、電気機械のトルク密度および効率は大きく改善される。実施形態は、ＴＦＭと比較した場合に、電気機械の力率において約２００％〜３００％の増大を示すほぼ０．９（最大１）の改善した力率を供給する。

図５は、本発明の好ましい実施形態による電気機械５００示す。電気機械５００は、多数の永久磁石５０４を支承している内部回転子５０２を備える。図の実施形態の場合には、４極永久磁石を使用している。しかし、他の数の永久磁石を使用する実施形態も実行することができる。電気機械５００は、多数の強磁性極片５０８を含む外部回転子５０６を備える。図の実施形態の場合には、外部回転子５０６は、内部回転子５０２の永久磁石５０４と固定子５１２に装着されている多数の永久磁石５１０の間で磁気的結合を行うことができる２３の極片を含む。固定子５１２は、複数の各歯５１６に関連する三相巻線５１４ａ〜５１４ｂを備える。巻線は、永久磁石５０４の第１の高調波と磁気的に結合している。好ましい実施形態の場合には、巻線は三相であるが、例えば、二相巻線のようなある他のタイプの巻線も同じように使用することができる。図の実施形態は、固定子５１２上に配置されている永久磁石５１０の４２の極を備える。当業者であれば、巻線５１４ａ〜ｂについている十字および点が複数のコイルの極性を示すことを理解することができるだろう。外部回転子５０６の極片５０８は、内部回転子５０２と外部回転子５０６との間に伝動装置（ｇｅａｒｉｎｇ）を提供するように配置されている。好ましい実施形態の場合には、伝動装置は下記のようになっている。すなわち、内部回転子５０２は比較的高速な回転子であり、外部回転子５０６は比較的低速な回転子である。好ましい実施形態は、１１．５：１の歯車比を有する。

図６は、図５の電気機械５００の軸方向の断面図６００を示す。電気機械５００は、複数のベアリング６０４により、その上にそれと一緒に回転するために、内部回転子５０２および関連する永久磁石５０４が装着されている、中央スピンドル６０６を支持しているハウジング６０２を含むことを理解することができるだろう。関連する極片５０８を備える外部回転子５０６は、各ベアリング６０８を介してスピンドル６０６とハウジング６０２の間に回転可能に装着されている。電機子または固定子５１２は固定されていて、内部回転子および外部回転子に対して外向きに配置されていることを理解することができるだろう。

図７は、図５の電気機械５００の好ましい実施形態による永久磁石５１０に隣接するエアギャップ内の永久磁石５０４に関連する磁束密度の変動のスペクトル７００を示す。スペクトル７００は、第１の回転子５０２の永久磁石５０４に関連する第１の高調波７０２を含んでいることを理解することができるだろう。極片５０８は、永久磁石５０４の磁界を変調し、永久磁石５１０と同じ数の極を有する比較的大きな非同期高調波７０４を発生する。この実施形態の場合には、第１の回転子５０２の永久磁石７０４に関連する第１の高調波７０２は、ＴＦＭに匹敵するトルク密度を有するが、遥かに高い力率を有する電気機械エネルギー変換を確立するために巻線５１４ａ〜ｂと結合する。

図８は、他の実施形態による電気機械８００を示す。電気機械８００は、複数の永久磁石８０４を支承している内部回転子８０２を備える。図の実施形態の場合には、永久磁石は４つの極を有するが、ある他の数の永久磁石も同様に使用することができる。好適には、内部回転子８０２は、比較的高速の回転子であることが好ましい。電気機械８００は、複数の永久磁石８０８を支承している外部回転子８０６を備える。図の実施形態の場合には、３８の極を有する永久磁石８０８は、外部回転子８０６の一部を形成している。しかし、永久磁石８０８のある他の数の極も使用することができる。電気機械８００は、複数の極片８１２および三相巻線８１４を支承している固定電機子８１０を備える。この実施形態内の極片の数は２１であるが、ある他の数の極片も実施形態で使用することができる
。図の実施形態が三相巻線を使用していることに留意されたい。しかし、実施形態はこれに限定されない。例えば、二相巻線のようなある他の巻線を使用する実施形態も実行することができる。第２／外部回転子８０６は、連動状態で固定電機子８１０の極片８１２により、比較的高速の第１／内部回転子８０２と磁気的に結合している比較的低速の回転子を形成している。当業者であれば、歯車比が１９：１であり、内部回転子８０２上の極対の数および極片の数に関連していることを理解することができるだろう。三相巻線８１４に電流を供給すると、高速回転子８０２が回転し、それにより低速回転子８０６も回転することを理解することができるだろう。この場合も、巻線８１４ａ〜ｂが、ＴＦＭに匹敵するトルク密度を有するが、遥かに高い力率を有する電気機械エネルギー変換を確立するために、第１／内部回転子８０２の永久磁石８０４に関連する第１の高調波と結合することを理解することができるだろう。

図９は、図８の電気機械８００の好ましい実施形態の永久磁石８０８に隣接する、エアギャップ内の永久磁石８０４に関連する磁束密度の変動のスペクトル９００を示す。スペクトル９００は、第１の回転子８０２の永久磁石８０４に関連する第１の高調波９０２を含んでいることを理解することができるだろう。極片８１２は、永久磁石８０４の磁界を変調し、永久磁石８０８と同じ数の極を有する比較的大きな非同期高調波９０４を発生する。この実施形態の場合には、第１の回転子８０２の永久磁石９０４に関連する第１の高調波または基本波９０２は、電気機械エネルギー変換を確立するために巻線８１４と結合する。

電気機械を参照しながら本発明の実施形態を説明してきたことを理解することができるだろう。当業者であれば、このような電気機械を、モータまたは発電機として使用することができることを理解することができるだろう。巻線に三相電流を供給すると、連動している電動モータになる。しかし、回転子５０２／５０８または８０２／８０６のうちの１つが回転すると、電気機械は、連動発電機として使用される。さらに、三相巻線の使用を参照しながら上記実施形態を説明してきたが、実施形態は、このような装置に限定されない。例えば、二相巻線のような他の形の巻線を使用している実施形態も実行することができる。

本発明の実施形態は、半径方向フィールド回転電気機械および軸方向フィールド回転電気機械で使用することもできる。

周知の回転磁気歯車の略図。 図１の組立体に関連する磁気高調波。 磁気歯車を組み合わせた発電機を備える従来技術の組立体の略図。 ある実施形態による結合電気機械および磁気歯車の略図。 好ましい実施形態による結合電気機械および磁気歯車。 図５の電気機械の軸方向の断面図。 図５および図６の結合電気機械および磁気歯車に関連する磁気高調波。 さらに他の実施形態による電気機械。 図８の結合電気機械および磁気歯車に関連する磁気高調波。

Claims (17)

1. 電気機械を作動させるための方法であって、
   第１の可動素子に関連し、該第１の可動素子とともに移動する第１の複数の永久磁石によって生成された磁界を変調することにより、前記電気機械の第１および第２の可動素子の間に磁気による連動相互作用を生成するステップと、
   前記第１の可動素子に関連する前記磁界と相互作用を行うように配置されている巻線を付勢するステップと、
   を含み、
   前記磁界を変調するステップは、前記第２の可動素子とともに複数の極片を移動させて、第１および第２の可動素子を相互作用させ、前記第１および第２の可動素子のうちの一方の回転が、連動して前記第１および第２の可動素子のうちの他方の回転を誘起するステップを含み、前記複数の極片は、前記第１の複数の永久磁石を第２の複数の永久磁石に磁気的に結合し、前記巻線は、前記第２の複数の永久磁石が固定された固定子上に装着される方法。
2. 前記付勢するステップによって、前記巻線を前記第１の可動素子に関連する前記磁界の基本波と磁気的に結合させる請求項１に記載の方法。
3. 前記電気機械を使用して、前記第２の可動素子を移動させて前記第１の可動素子の運動を誘起して、前記巻線を前記第１の複数の永久磁石の前記磁界の基本波と磁気的に結合させて電力を発生するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 第１の可動素子であって、該第１の可動素子とともに移動して、磁界を生成する第１の複数の永久磁石を含む、前記第１の可動素子と、
   第２の複数の永久磁石と、
   複数の極片を含む第２の可動素子であって、前記複数の極片は、該第２の可動素子とともに移動し、前記第１の複数の永久磁石を前記第２の複数の永久磁石に磁気的に結合し、且つ前記第１の複数の永久磁石の前記磁界を変調することによって前記第１および第２の可動素子を磁気的に連動するように相互作用させ、前記第１および第２の可動素子のうちの一方の回転が、前記第１および第２の可動素子のうちの他方の回転を誘起する、前記第
   ２の可動素子と、
   前記第１の可動素子に関連する前記第１の複数の永久磁石の磁界の基本波と磁気的に結合するように配置されている巻線と、
   を備え、前記巻線は、前記第２の複数の永久磁石が固定された固定子上に装着される電気機械。
5. 前記電気機械は、電流を前記巻線に供給することによって、連動電気モータとして作動するように構成される請求項４に記載の電気機械。
6. 前記電気機械は、前記第１および第２の可動素子のうちの一方を回転させることによって連動発電機として作動するように構成される請求項４に記載の電気機械。
7. 前記第１の可動素子が、前記第２の可動素子の内側に配置される請求項４に記載の電気機械。
8. 前記巻線が、該巻線を前記第１の複数の永久磁石の前記磁界の基本波と磁気的に結合させるための電流の供給を受けるように作動する請求項４に記載の電気機械。
9. 前記巻線が、前記第１の複数の永久磁石の前記磁界の基本波と磁気的に結合することに応じて、電力を発生するように作動する請求項４に記載の電気機械。
10. 前記第１および第２の可動素子が、直線移動可能な並進装置である請求項４に記載の電気機械。
11. 前記第１および第２の可動素子が、回動可能な回転子である請求項４に記載の電気機械。
12. 第１の数の極対を含む第１の組の永久磁石を有する第１の回転子／並進装置であって、前記極対は、前記回転子／並進装置とともに移動して磁界を生成する、前記第１の回転子／並進装置と、
    前記第１および第２の数の極対が異なるように、各第２の数の極対を有する第２の組の永久磁石と、
    前記第１の回転子／並進装置と磁気的に連動して相互作用するように配置された第２の回転子／並進装置であって、該第２の回転子／並進装置は、前記第１の組の永久磁石の前記磁界を変調して前記第２の組の永久磁石と同数の極を有する非同期高調波を生成し、前記第１および第２の回転子／並進装置に磁気的に連動して相互作用させ、前記第１および第２の回転子／並進装置のうちの一方の回転が、前記第１および第２の回転子／並進装置のうちの他方の回転を誘起するように配置されている複数の極片を含む、前記第２の回転子／並進装置と、
    前記第１の回転子／並進装置の前記第１の組の永久磁石の磁界の基本波と磁気的に結合するように配置された巻線と、
    を備え、前記第２の組の永久磁石および前記巻線が、静止電機子上に装着される電気機械。
13. 前記極片を支承している前記第２の回転子／並進装置が、前記第１の回転子／並進装置が移動する速度よりも遅い速度で移動する請求項１２に記載の電気機械。
14. 前記巻線が、前記静止電機子上に装着される多相巻線である請求項１２に記載の電気機械。
15. 前記極片を支承している前記第２の回転子／並進装置が、前記第１の回転子／並進装置の前記第１の組の永久磁石と前記巻線との間にあり、前記電気機械は、２つ以下のエアギャップを含み、該エアギャップのうちの第１のエアギャップが前記第１の回転子／並進装置と前記第２の回転子／並進装置との間にあり、前記エアギャップのうちの第２のエアギャップが前記第２の回転子／並進装置と前記静止電機子との間にある請求項１４に記載の電気機械。
16. 前記第１および第２の回転子／並進装置および前記静止電機子が、円筒形状をしていて、回転軸に対して同心円状に配置され、それにより半径方向磁界回転電気機械を形成する請求項１４に記載の電気機械。
17. 前記第１および第２の回転子／並進装置および前記静止電機子が、環状または円盤状の少なくとも一方の形をしていて、回転軸に沿って軸方向に配置され、それにより軸方向磁界回転電気機械を形成する請求項１４に記載の電気機械。

Images