JP5307330B2 - 新規回転子トポロジーを備えた同期リラクタンス機械 - Google Patents

Description

本発明は、同期リラクタンス機械に関する。

同期機械は、固定子と、固定子の内周面で支持された回転子を有し、局所的に励起することが可能であり、普通の誘導機械の固定子と構造的に同じである。一般に、同期リラクタンス機械はモータとしてよく知られており、簡単な構成をしており、回転子内に電流経路または永久磁石は必要ない。例えば、従来の誘導機械は、ケーシングとして働く機械本体と、機械本体の内周表面に沿って配置された固定子と、固定子の中心で回転シャフトに基づき回転可能に配置されたＡＣリスかご型回転子とを備えている。固定子は、複数のシリコンスチールの積層構造で形成され、中に複数の歯を備えている。複数のスロットが、特定の間隔で歯の間に形成され、コイルがスロットを通して歯の上に巻かれている。

同期リラクタンス回転子は普通、単一コアに固定された交互の磁気および非磁気積層物で形成された複数の回転子部を備えている。コアは、シャフトを受ける中心軸孔を有する。積層物は、間に円滑なアーチ形リセスで形成された、コアの径方向に延びたアームの間に挿入される。積層物は、径方向に対向する回転子部をコアに固定する径方向ファスナにより、リセス内に固定される。回転子部はまた、端部キャップおよび径方向ファスナによって互いに固定される。端部キャップは、積層物の最外周面の周りに配置された軸方向に延びる外縁部を備えたカップ形部材である。径方向ファスナは、端部キャップおよびコアを通して延びて、端部キャップを回転子に固定する。回転子積層物はまた、エポキシまたは他の接着材料を使用して、互いにおよびコアに結合させることができる。

既存の同期リラクタンス機械は、回転子に対して径方向に積み重ねられた、「ボート」形積層物の使用により、機械的および熱的に制限される。従来、同期リラクタンス機械は、回転子シャフトに沿って径方向に積み重ねられたボート形積層物を受けるように機械加工された回転子シャフトを有する。ボート形積層物の柱はその後、回転子シャフトにボルト締めされる。この構造により、高速応用例に対する回転子の寸法が制限され、本質的にかなりのコア損失を有する。過去、この問題を改善するための試みが、問題に直接対処するためではなく、代替機械トポロジーを選択するために行われた。
米国特許出願公開第２００５／００７７８０１Ａ１号公報

本発明は、上記従来技術の課題を解決することを目的の一つとする。

開示された技術は、固定子と、固定子の範囲内に動作可能に配置された回転子シャフトを有する同期リラクタンス機械である。軸方向に積層された複数の選択されたボート形セグメントは、回転子シャフトの周りに選択された数の回転子柱を形成する。支持棒のネットワークは、回転子柱セグメントを径方向に支持する。支持棒はそれぞれ、その中に径方向に配置されたセグメントの求心負荷を担持するのに十分な寸法をしている。

上記および他の特徴は、以下の図および詳細な説明によって例示される。

次に、図面を参照すると、同様の要素は同様の番号を付している。

開示された技術は、選択的な形状の回転子１２および固定子１１を有する同期リラクタンス機械１０（図１）である。固定子１１は、電機子巻線を受けるような寸法をしている複数のスロットを有する。同期リラクタンス機械１０の選択的な形状の回転子１２は、図１では、４柱機械１４、１５、１６および１７として構成されている。同期リラクタンス機械１０は、所望の場合、所望の数の柱で構成することができることを理解されたい。図１に示す構成は、例示する目的のみのものである。同期リラクタンス機械１０（図１）の各個別の柱は、同一の構造をしている。例えば、同期リラクタンス機械１０（図１）は４つの柱を有するが、設計の理由または性能の要件により、同期リラクタンス機械は６つの同一の柱を有することもできる。

例示的柱１４（図２）は、複数の軸方向に位置決めされたボート形積層セグメント１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９および３９から構成されている。積層セグメント１８から２９および３９は単なる例示的なものである。積層セグメントの数は所望の場合、同期リラクタンス機械の設計基準にしたがってどんな数でもよい。積層セグメント１８から２９および３９は所望の場合、シリコンスチール、またはあらゆる他の都合の良い材料、好ましくは磁気材料であってもよい。例に示す積層セグメント１８から２９および３９の数は１２であるが、あらゆる他の所望の数であってもよい。各積層セグメントは、スペーサまたは端部棒３０によって後の積層セグメントから分離されている。端部棒３０は所望の場合、積層セグメントを分離するあらゆる都合の良い形状または寸法をしていてもよい。同期リラクタンス機械の設計基準によって、端部棒３０は回転子柱構造内で様々な寸法をしていてもよい。例えば、例示的柱１４の端部棒３０は全て同じ寸法をしており、細長い形状をしており、それぞれの関連するボート形の構造の軸方向長さを横切る。端部棒３０は、Ｉｎｃｏｎｅｌ、ＡＭ３５０または１７−４ＰＨなどの、高い温度で高い強度を提供することができるあらゆる都合の良い非強磁性材料から製造されている。

積層セグメント１８から２９および３９（図２）は、強制または非強制冷却気体または流体を受けるように十分に分離されている。冷却気体の例は、空気、窒素、またはあらゆる他のタイプの気体である。例示的気体は所望の場合、冷却または過冷却することができる。代替流体冷媒はまた、作動環境の影響を受けやすい場合に、考えることができる。回転子は、固定子とは異なる温度で作動することができる。回転子を作動させることができる温度範囲は、その構造で使用される材料によって制限される必要があるだけである。同期リラクタンス回転子トポロジーは銅または電気絶縁体などの温度制限材料の使用を必要としないので、広い範囲の温度にわたって作動させることができる。

軸方向に位置決めされたボート形積層セグメント１８から２９および３９はそれぞれ、ボート形状を形成するように、２つの角付け部分を有する。各積層セグメント１８から２９および３９の角付け部分は、角付けされたスペーサ棒３１によって後の角付け部分から分離されている。角付けスペーサ棒３１は所望の場合、同期リラクタンス機械１０の柱の数および物理的寸法によってあらゆる都合の良い角度を有することができる。角付けされたスペーサ棒３１の例は、４５度の角度を有する棒である。角付けされたスペーサ棒３１は所望の場合、端部棒３０と同じまたは異なる材料で製造することができる。端部キャップ棒３２は、最上積層セグメントに嵌合するような寸法をしている。このような特定の議論では、最上積層セグメントは３９である。端部キャップ棒３２は、最上積層セグメント３９用の支持棒として働く。角付けされたスペーサ棒３１および端部棒３０は、積層セグメント１８から２９および３９のそれぞれを支持するように共に作用する。さらに、角付けされたスペーサ棒３１および端部棒３０は、それぞれの積層セグメント１８から２９および３９の間に間隙または自由空間を作り出す。この間隙により、冷却気体がセグメントの間を自由に移動し、それぞれの柱から熱を取り除くことが可能になる。

回転子柱１４（図３）は所望の場合、３つの部分４０、４１および４２を含むことができる。どんな数の部分でも回転子柱１４を形成することができる。図３は３つの部分を図示している。これは例示する目的のみのものであり、開示された技術を制限するものではない。同期リラクタンス機械１０の柱１４、１５、１６および１７は全て、同じ数の部分を有することが好ましい。例えば、柱１４が４つの部分を有する場合、柱１５、１６および１７は４つの部分を有する。回転子柱１４の部分４０は、中間支持ディスク４３によって部分４１から分離されている。部分４１は、中間ディスク４４によって部分４２から分離されている。部分の数を増やしてあらゆる所与の回転子柱を形成する場合、中間ディスクの数は比例して増える。部分４０の上表面４５は、固定子１１の内側部分に一致するように丸みを帯びており、円滑である。

各回転子柱１４、１５、１６および１７は、端部キャップまたは端部フランジによって定位置に保持されている。端部フランジ４６は図３では、部分４２に隣接している。あらゆる所与の柱に対して、積層セグメント１８から２９および３９、端部棒３０、中間支持ディスク４３〜４４、ならびに角付けされたスペーサ棒３１を定位置に保持する端部フランジが２つだけある。端部フランジ４６は、積層セグメント１８から２９および３９、端部棒３０、ならびに角付けされたスペーサ棒３１の端部部分に嵌合するように機械加工された１つの表面を有する。個別の端部フランジ４６の一部が、回転子シャフト５９（図１）に固定されている。全体で、各柱１４、１５、１６および１７に対して、回転子シャフト５９にそれぞれ連結された部分を備えた２つの端部フランジがある。柱は全て、丸みを帯びた端部フランジを共有している。

支持棒のネットワーク（連結網構造）は、回転子柱セグメントを径方向に支持する。支持棒は、端部棒３０、角付けされたスペーサ棒３１、端部キャップ棒３２、および中間ディスク４４である（図５）。支持棒は共に、積層セグメント１８から２９および３９の構造に対する支持体であり、積層セグメントの間に開口空間のウェブを提供する。積層セグメントの間の開口空間は、高温環境で回転子の温度を調整するのに使用することができる冷媒の流れに利用可能である。

ボート形積層物１８から２９および３９（図４）は所望の場合、機械の設計基準によって選択された、あらゆる数であってよい。積層物の間の空間は、端部棒３０の寸法によって制御される。端部棒３０の寸法および形状は、同期リラクタンス機械の設計基準によって選択可能である。積層物の物理的幾何形状は所望の場合、選択可能である。積層物の選択可能な物理的幾何形状の例は、ほぼ放物線形状の積層物４７（図４）、および特別な形状の積層物４８である。特別な形状の積層物４８は、端部部分および底部部分が拡大されたほぼボート形をしている。それぞれの場合、積層物は特定の設計基準を満たすように設計され、同期リラクタンス機械１０の設計者は所望の場合、選択された設計基準を満たすようにスペーサ棒を混合する、またはスペーサ棒の寸法を適合させ、変更することができる。積層物の物理的幾何形状が変化すると、端部棒３０、中間ディスク４４、および角付けされたスペーサ棒３１の寸法および形状も積層物の寸法および形状に対応するように同様に変化する。積層セグメントの間の間隙は所望の場合、より大量の冷媒に対応するように変化することができる。積層物の間の間隙が関連する端部棒を変化させる場合、中間ディスク４４および角付けされたスペーサ棒３１はそれに応じて変化する。

上に示したように、同期リラクタンス機械１０は軸方向に積み重ねられた積層物１８から２９および３９を有し、それによってコア損失がかなり少なくなる。積層セグメントはそれぞれ、端部棒３０、中間ディスク４３および４４、角付けされたスペーサブロック３１ならびに端部キャップ棒３２によって「局所的に」支持され、それによってその機械的負荷は次のものに全体的には伝達されない。これにより、回転子がより頑丈になり、より高速およびより大径の設計が可能になる。また、中間に配置されたディスク４３および４４は、積層セグメント４０、４１および４２を軸方向に支持する。積層セグメントおよび局所支持構造の間に空間を備えたこれらの棒は、極めて効率的な方法であらゆる回転子損失を取り除くように、冷却流体用の制御した通路を提供する。

動作中、回転子シャフト５９は、積層セグメント１８から２９および３９を含む柱１４、１５、１６および１７と共に、固定子１１のケーシングの内周表面によって支持された回転子に回転可能に配置されている。ＡＣ電力が固定子１１の巻線に供給され、回転子が回転し始める。気体または流体は所望の場合、積層セグメント１８から２９および３９の間およびその周りに強制されても強制されなくてもよく、それによって積層セグメントを冷却することができる。

開示された技術の代替実施形態はまた、通例、「反対（インサイド・アウト）」構造５１（図６）と呼ばれる形をとることもできる。このような構造では、軸方向積層物は径方向にボート形セグメントを形成することができ、セグメントのアセンブリは固定子５３の径方向外側に配置することができる。固定子５３はその後、複数の巻線およびスロットを含むことができ、回転子５４の内側に配置することができる。

開示された技術の別の実施形態は、「反対」構造を使用して両側機械５２（図７）を提供するように適用することができる。軸方向に積み重ねた積層物６０を使用して、内側固定子アセンブリ５５と外側固定子アセンブリ５６の間の空間を占める径方向に間隔を置いて配置したセグメントを形成することができる。逆に、１式の積層セグメント５７（図８）を組み立てて固定子５８の構造の径方向内側の構造物を回転させることができ、他の積層セグメント６０は固定子５８の径方向外側に位置決めされている。

開示された技術を例示的な実施形態を参照して説明したが、開示された技術の範囲から逸脱することなく、様々な変更を加えることができ、均等物をその要素と交換することができることは、当業者には理解されるだろう。加えて、その重要な範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を開示された技術の教示に適合させるように、多くの変形を加えることができる。したがって、開示された技術はこの開示された技術を実施するために検討された最良の形態として開示された特定の実施形態に限ることなく、開示された技術は添付の特許請求の範囲に含まれる全ての実施形態を含むことを意図している。

同期リラクタンス機械の例示的実施形態の端面図である。 図１の回転子の柱の端面図である。 図２の複数の柱セグメントの斜視図である。 回転子柱の選択的な平面積層形状の端面図である。 図１の任意長さの支持棒構造の斜視図である。 反対同期リラクタンス機械の端面図である。 両側同期リラクタンス機械の端面図である。 図７の両側同期リラクタンス機械の代替実施形態の端面図である。

符号の説明

１０ 同期リラクタンス機械
１１ 固定子
１２ 選択的形状の回転子
１４ 柱
１５ 柱
１６ 柱
１７ 柱
１８ 積層セグメント
１９ 積層セグメント
２０ 積層セグメント
２１ 積層セグメント
２２ 積層セグメント
２３ 積層セグメント
２４ 積層セグメント
２５ 積層セグメント
２６ 積層セグメント
２７ 積層セグメント
２８ 積層セグメント
２９ 積層セグメント
３０ 端部棒
３１ スペーサ棒
３２ 端部キャップ棒
３９ 積層セグメント
４０ 部分（セクション）
４１ 部分（セクション）
４２ 部分（セクション）
４３ 中間支持棒
４４ 中間支持棒
４５ 上表面
４６ 端部フランジ
４７ 放物線形状の積層物
４８ 特別な形状の積層物
５１ 反対構造
５２ 両側機械
５３ 固定子
５４ 回転子
５５ 内側固定子
５６ 外側固定子
５７ 積層セグメント
５８ 固定子
５９ 回転子シャフト
６０ 軸方向に積み重ねた積層物

Claims (10)

1. 固定子（１１）と、
   前記固定子（１１）の範囲内に動作可能に配置された回転子シャフト（５９）と、
   前記回転子シャフト（５９）の周りに複数の回転子柱（１４、１５、１６、１７）を形成する、ボート形状を形成するように角を有し、軸方向に積層された複数のボート形セグメント（１８から２９、３９）と、
   中間ディスク（４４）から延び、前記複数のボート形セグメント（１８から２９、３９）の前記角を径方向に支持する、角を有する複数のスペーサ棒（３１）とを備える同期リラクタンス機械（１０）。
2. 前記回転子シャフト（５９）は、前記固定子（１１）の内周表面で回転可能に支持されている、請求項１記載の同期リラクタンス機械（１０）。
3. 前記複数のボート形セグメント（１８から２９、３９）は、前記固定子（１１）の径方向外側に位置決めされている、請求項１または２に記載の同期リラクタンス機械（１０）。
4. 前記複数のボート形セグメント（１８から２９、３９）は、軸方向に積み重ねられている、請求項１乃至３のいずれかに記載の同期リラクタンス機械（１０）。
5. 前記複数のボート形セグメント（１８から２９、３９）は、内側固定子（５５）の径方向外側且つ、外側固定子（５６）の径方向内側に位置決めされている、請求項１乃至４のいずれかに記載の同期リラクタンス機械（１０）。
6. 前記複数のスペーサ棒（３１）により、前記複数のボート形セグメント（１８から２９、３９）の隣接するセグメントの間に自由空間が生じる、請求項１乃至５のいずれかに記載の同期リラクタンス機械（１０）。
7. 前記自由空間に空気を送る手段を備える、請求項６記載の同期リラクタンス機械（１０）。
8. 前記中間ディスク（４４）から延び、前記複数のボート形セグメント（１８から２９、３９）の端部を支持する端部棒（３０）を備える、請求項１乃至７のいずれかに記載の同期リラクタンス機械（１０）。
9. 前記中間ディスク（４４）から延び、前記複数のボート形セグメント（１８から２９、３９）の最上積層セグメントに嵌合する端部キャップ棒（３２）を備え、
   前記複数のスペーサ棒（３１）と、前記端部キャップ棒（３２）と、前記複数の端部棒（３０）とは、前記複数のボート形セグメント（１８から２９、３９）の軸方向長さに対応する軸方向長さを有している、請求項８記載の同期リラクタンス機械（１０）。
10. 前記複数のボート形セグメント（１８から２９、３９）の各セグメントは、前記端部棒（３０）、前記中間ディスク（４４）及び、前記複数のスペーサ棒（３１）によって局所的に支持される、請求項８または９に記載の同期リラクタンス機械（１０）。
    

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