JP5507671B2 - ロータに磁石を取り付けるための構造及びロータ - Google Patents

Description

本発明の目的は、請求項１の前提書き部分に基づく、ロータに永久磁石を取り付けるための構造、及び、請求項１３の前提書き部分に基づくロータに係る。

永久磁石を用いた同期機械において、磁場が、機械のロータの中に組み込まれた永久磁石を用いて作り出される。永久磁石は、ロータの、空気間隙に面する表面の上に装着されるか、あるいは、ロータの磁心の中に埋め込まれる。ロータの長さに亘って伸びるシート・コアに組み立てられた磁心は、しばしば、強磁性の鉄のシートで作られている。永久磁石及びシート・コアの寸法を定めるためのデザインの規準は、電気機械により要求される励起力である。様々なコンポーネントの機械的な構造及び固定は、それらに加えられる力及び電気機械のサイズなどのような因子により影響される。

永久磁石は、磁気的に硬質の材料から製造されるコンポーネントであって、磁化の後にその磁性を恒久的に維持することが可能である。永久磁石は、例えば、アルミニウム、ニッケル、コバルト及び鋼を含むＡｌＮｉＣｏ混合物から、またはセラミック材料または希土類金属から、製造される。

永久磁石が、均一なシートから組み立てられたロータの磁心の中に、特徴的なやり方で埋め込まれるので、薄いネックが永久磁石の両方の側に作り出されて、磁極片を支持することになる。ロータが、非標準速度で、または変動する速度で回転するとき、上記の薄いネックは、磁極及び磁石により生ずる遠心力により作り出される負荷を支持し、交番負荷が、薄いネックに向けられる。この交番負荷は、疲労を生じさせ、且つ、許容疲労応力は、許容静的応力と比べて大幅に低い。それに加えて、磁石により作り出される磁束の一部が、薄いネックにより短絡された漂遊磁束のために失われる。遠心力はまた、磁極の遷移を引き起こす傾向がある。そのような遷移を防止するために、ネックは、緊密な圧縮状態を維持しなければならない。

空気間隙に面するロータ表面に永久磁石を取り付けるための特別な方法は、永久磁石をロータ表面に接着し、ロータの周りにカーボン・ファイバーで作られた支持結束部材を取り付けることである。この実施形態の弱点は、ステータとロータとの間の機械的な空気間隙が減少することであって、それは、取り付けの際に問題を引き起こすことがあり、あるいは、取り付けの間またはロータが回転するときに、結束部材バンドに損傷を与えることがある。

本願明の目的は、ロータに磁石を取り付けるための構造を作り出すこと、及び、ロータを作り出すことにある。それによれば、漂遊磁束を可能な限り少なくし、磁性材料の疲労を減少させ、且つ、ステータ及びロータの間の空気間隙を増大させることなく、磁極及び磁石の遠心力により作り出された負荷を支える能力を良好な水準に確保する。

これを実現するため、本発明は、請求項１及び１３の特徴部分の中に規定された特徴により特徴付けられる。本発明の幾つかの他の好ましい実施形態は、従属請求項の中で規定された特徴を有している。

電気機械のロータに永久磁石を取り付けるための、本発明に基づく構造において、ロータは、少なくとも二つの磁極を有している。二つの磁極の間に、極間隙がある。永久磁石が、磁心の表面に取り付け可能であり、磁極片が、空気間隙に面する永久磁石側に取り付け可能である。磁極片の、極間隙に面する側は、ロック部品を用いてロータに磁極片を取り付けるための固定手段を有している。この固定手段は、関節式継手により磁極片に接続されている。

本発明に基づく電気機械において、ロータは、少なくとも二つの磁極を有している。二つの磁極の間に、極間隙がある。永久磁石は、磁心の表面に組み込まれ、磁極片は、空気間隙に面する永久磁石側の上に組み込まれている。磁極片の、極間隙に面する側は、ロック部品を用いてロータに磁極片を取り付けるための固定手段を有している。この固定手段は、関節式継手により、磁極片に接続されている。

永久磁石を取り付けるために、本発明は、取り外し可能な磁極片を使用していて、この磁極片は、別個の固定手段及びロック部品を用いてロータに取り付けられている。このようにして、遠心力により生ずる負荷が、磁極片と固定手段との間で均等に分割される。磁極及び永久磁石により生ずる遠心負荷が、別個の部品で支持されるので、それらの材料及び形状は、電気機械の電気的な寸法決めから分けて維持されることが可能である。この実施形態は、磁極及び永久磁石により生ずる遠心力により作り出された負荷を支えるための良好な能力をもたらす。

磁極片の、極間隙に面する側は、固定手段を有していて、この固定手段は、関節式継手により磁極片に接続されている。この関節式継手のために、磁極片に対する取り付けが、負荷を与える間及び予張力を与える間に、それが磁極片及び固定手段に曲げモーメントを生じさせることがないように、行われることが可能になる。曲げモーメントは、例えば、ボルト接続部または均一な電気的なシートのネックなどのような構造に曲げ応力を生じさ、それによって、その構造を弱める。

関節式継手は、固定手段及び磁極片の中を貫通するピンを用いて、固定手段と磁極片との間に形成されることが可能である。

関節式継手は、固定手段のロック部品の間に形成されることも可能である。この場合には、固定手段は、関節式継手により両端で支持され、張力のみを支持することになる。固定手段の全断面積は、固定手段が一方向の応力のみ（引張りまたは圧縮応力）を支持するときに、使用されることが可能である。それに加えて、部品の寸法を決定することがより容易になる。その理由は、それらが、引張応力を支持するだけで良いからである。これはまた、構造の信頼性を増大させる。

本発明に基づく実施形態において、遠心力を支える部品に、永久磁石を取り付けるときに、予張力が与えられることが可能である。その場合に、磁極の遠心力により作り出される遷移が最小にされることが可能である。遷移の除去は、構造の中の応力の変動が無いと言う状態を確保し、それにより、構造的な疲労が避けられる。固定及びロック部品を用いて作り出される、永久磁石に対する磁極面の緊密な圧縮は、ロータが回転するとき、遠心力が、径方向で空気間隙の方向に永久磁石を押す傾向があるので、均等化する。

本発明に基づく実施形態は、ロータとステータとの間の空気間隙を減少させることがない。その理由は、固定及びロック部品が、空気間隙に面する外側の磁極面表面の外側に、伸びていないからである。

本発明の実施形態によれば、スロットが、磁極片の側に作り出され、そこに固定手段が装着されることが可能である。

本発明の更なる実施形態によれば、この磁極片は、異なる形状のシートで作られ、それらのシートは、一方向のスロットが磁極片の側に形成されるように、一緒に接続される。

磁極片は、中実の鉄で作られることも可能である。固定手段のためのスロットまたは孔は、中実の鉄の磁極片から、フライス加工で作り出されることが可能である。

本発明の更に他の実施形態によれば、永久磁石の方向への磁極片の径方向の圧縮力は、ロック部品を用いて調整されることが可能である。

本発明の実施形態によれば、磁極片の固定手段は、非磁性材料で作られる。この場合には、漂遊磁束が大幅に少なくなる。その理由は、磁極片及びロータ・バックが、磁性材料を介して接触状態になることがないからである。

本発明の他の実施形態によれば、磁極片は、磁石に面する磁極片表面を成形することにより、前もって張力を与えた状態で使用されることが可能であり、それによって、磁極片は、中間で接触状態にあり、側面で接触状態にないようになる。この場合には、磁極片の、永久磁石の上表面と接触する下部表面は、固定手段を用いて磁極片を取り付ける前に、永久磁石の下部表面と上表面との間の側面に、間隙があるように成形される。軸方向の間隙は、横方向で、磁極片の下部表面の側にあり、それによって、磁極片の極間隙に面する下部表面の部品が、永久磁石の上表面に接触しないようになる。

予張力を与える間に、磁極片が湾曲し、磁石と磁極片との間の間隙が無くなる。この場合に、曲げ応力が磁極片に作り出され、構造の疲労抵抗を改善する。磁極片を成形することにより、磁石表面上での表面圧力が均等化されることも可能であり、それが圧力下での磁石の耐久性を改善する。

本発明の更に他の更なる実施形態によれば、固定手段は、少なくとも一端に孔を備えた細長いストリップである。このストリップは、パンチングにより製造されることが可能であり、それは、逐次製造において正確な且つ高価でない製造方法である。シート状の材料を用いることもまた、ネジまたは成形された固定部品と比べて高価ではない。

磁極片は、ロック部品を用いてロータに取り付けられる。これらは、例えば、ロータに固定されたロック要素、及び、固定部品がそれを用いてロック要素の上にしっかり締められる張力付与要素を有している。ロック部品は、例えば、二つの磁極の間の極間隙に取り付けられる。

もし、ロータがシートから組み立てられる場合には、シート・パックの端部に中間シートがあり、そこに、ロック部品取り付けられることが可能である。この場合には、ロータが回転するとき、中間シートは、磁極及び永久磁石により作り出される遠心力を支持する。中間シートにロック部品を取り付けることにより、張力の比及び距離が変えられることが可能である。

図１は、永久磁石が取り付けられた電気機械のロータの部分図である。 図２は、ロータの端部から見た、図１に示されたロータの部分図である。 図３は、永久磁石が取り付けられた他の電気機械のロータの部分図である。 図４は、ロータの端部から見た、図３に示されたロータの部分図である。 図５は、更に他の電気機械のロータの部分図である。 図６は、更に他の更なる電気機械のロータの部分図である。

以下において、本発明が、添付図面を参照することにより、特定の実施形態の助けで、より詳細に説明される。

図に示された電気機械ロータは、永久磁石のモータまたは永久磁石の発電機のためのロータである。

図１は、電気機械のロータ１の部分図である。図２は、ロータ１の端部から見た、図１に示されたロータ１の部分図である。図１及び２は、電気的なシートから作られたロータを示している。ロータは、中実のロータであっても良い。

ロータ１は、一つの空気間隙６を介して、ステータ７から離れている。ロータ１は、幾つかの磁極２を有している。二つの磁極の間に、極間隙１３がある。永久磁石４は、磁心３の表面で、磁極２により組み込まれている。別個の磁極片５が、永久磁石４の、空気間隙６に面する側に組み込まれている。磁極片５の、極間隙１３に面する側８は、ロック部品１０ａ〜ｂ，ｇを用いてロータに磁極片５を取り付けるための固定手段９ａを有している。

図１及び２において、各磁極片５は、二つの永久磁石４に取り付けられている。永久磁石を備えたロータ１において、磁極２の上に多くの磁性表面を有していることは、有用である。

磁極片５は、異なる形状のシート１１から組み立てられている。異なる形状１１のシートは、極間隙１３に面する側８に、一方向のスロット１２が磁極片５で形成されるように、一緒に接続されている。磁極片５の側８は、スロット１２の中に組み込まれた支持ループ９ａを用いて支持されている。

固定手段、即ち支持ループ９ａは、関節を形成するピボット接続１８により、磁極片５に取り付けられている。支持ループ９ａ及び磁極片シート１１は、ピン１８のための孔１９を有している。ピン１８は、固定手段、即ち支持ループ９ａ、及び磁極片シート１１を通って押される。ピン１８は、固定手段、支持ループ９ａと、磁極片５との間の継手を形成する。磁極片５をしっかり締めるとき、ピン１８は、支持ループ９ａの方向に力を発生することのみが可能である。

二つの隣接する磁極片５の支持ループ９ａは、共有される極間隙１３の中で、ロック部品１０ａ〜ｂ，ｇ（締め付けバー１０ａ、ウエッジ１０ｇ、及びロック要素１０ｂ）を用いてしっかり締められる。ウエッジ１０ｇは、例えば、締め付けバー１０ａの中に配置されたネジを用いて、下方向に押され、この場合に、ロック要素１０ｂは、極間隙１３の中の形状に対して、楔状に押し込められる。支持ループ９ａは、閉じた形状のロック要素１０ｂを用いて、極間隙１３に取り付けられる。孔は、極間隙１３の底部に形成され、その中にロック要素１０ｂのショルダーが装着される。

ロータ１は、両端に中間シート１５を有するシート・パック１４で組み立てられる。中間シートは、ロータ１のシャフトに取り付けられていて、その主なる目的は、力を支持することにある。中間シート１５はまた、シャフトにモーメントを伝達して、シート・パック１４を、互いから分離した状態で維持する。図１及び２において、ロック要素１０ｂの長さは、単一のシート・パック１４の長さである。

磁極片５は、支持ループ９ａ、締め付けバー１０ａ及びそのネジ、ウエッジ１０ｇ及びロック要素１０ｂを用いて、永久磁石４に対してしっかり押されることが可能である。磁極片５の、永久磁石４の方向へ向かう径方向の“ｒ”圧縮力は、ロック部品１０ａ〜ｂ，ｇを用いて調整されることが可能であり、永久磁石４の中に所望の予張力を作り出す。予張力は、ロータ１が回転し始めると、均一化する。その理由は、遠心力が、径方向の“ｒ”圧縮力に抗して、永久磁石を空気間隙６に方向へ押す傾向があるからである。

固定手段、支持ループ９ａ、及びロック部品（即ち締め付けバー１０ａ）、ウエッジ１０ｇ及びロック要素１０ｂは、極間隙１３の中に組み込まれている。この場合には、ロータ１とステータ７の間の空気間隙は、固定手段及びロック部品から自由である。

ピン１８及び固定手段を用いて、磁極片５は、その側面から、しっかり締められることが可能であり、それによって、継手が関節を形成するようになる。関節式継手は、それが、磁極片及び固定手段の中に曲げモーメントを生じさせないと言う点で、有用である。

図１に示された構造において、遠心力により作り出される負荷の大半は、磁心３に向けられる。

図３及び４は、他の電気機械のロータ１の部分図である。図３及び４に示されたロータ１において、二つの隣接する磁極片５の間で、極間隙１３に面する両方の磁極片５の中の固定手段９ｂは、極間隙１３の中で共有されるロック部品１０ｃを用いてロックされる。

磁極片５の側８は、スロットの中に組み込まれた支持ループ９ｂを用いて支持されている。支持ループ９ｂの両端は、ピボット接続のための孔を有している。

支持ループ９ｂは、ピボット接続１８により磁極片５に取り付けられている。ピン１８は、支持ループ９ｂと磁極片５の間に継手を形成する。

支持ループ９ｂは、磁心３に面する端部でロック部品（即ちピン１０ｃ）に取り付けられている。ピン１０ｃは、支持ループ９ｂとロック部品１６との間に継手を形成する。支持ループ９ｂ（即ち固定手段）は、関節式継手により両端で支持され、張力のみを支持する。この場合に、引張応力のみが支持ループに向けられることになる。固定手段（即ち支持ループ９ｂ）は、引張応力のみを支持する。この場合に、固定部品の全断面積が使用される。

ロータ１は、両端に中間シート１５を備えたシート・パック１４で組み立てられる。一つの中間シート１５のみが、図３及び４に示されている。径方向のブラケット１６が、極間隙１３により中間シート１６の中に作り出される。ブラケット１６は、極間隙１３の中に配置されたロック部品１０ｃの上方で、径方向に伸びている。磁極片５をロックする、極間隙１３の底部に位置する、溝が形成されたピン１０ｃが、中間シート１５のブラケット１６に取り付けられている。

図５に示されたロータ１において、二つの隣接する磁極片５の間で、極間隙１３に面する両方の磁極片５の中の固定手段９ｂは、共有されるロック部品１０ｄ〜ｅを用いてロックされている。隣接する磁極片５の固定手段９ｂは、ロック部品１０ｄの中にインターロックされている。ロック部品１０ｅ〜ｄは、支持要素１７を用いて中間シート１５に取り付けられている。

磁極片５の側８は、スロットの中に組み込まれた支持ループ９ｂを用いて、支持されている。支持ループ９ｂは、ピボット接続により磁極片５及びロック部品１０ｄに取り付けられている。ピン１８，１０ｄは、支持ループ９ｂの両端で継手として振る舞う。

磁極片５をロックする、極間隙１３の底部に位置するピン１０ｄは、ネジ１０ｅを用いて、支持アーム１７にしっかり固定されている。支持アーム１７は、形状を閉じる継手により中間シート１５に取り付けられている。

図６に示されているロータ１において、二つの隣り合う磁極片６の間で、極間隙１３に面する両方の磁極片５の中の固定手段９ａは、共有されるロック部品１０ａ，ｆを用いてロックされている。隣接する磁極片５の固定手段９ａは、ロック部品１０ｆの中で横方向に、互いに対して固定されている。

磁極片５の側８は、スロットの中に組み込まれた支持ループ９ａを用いて支持されている。支持ループ９ａは、継手として振る舞うピン１８を用いて、磁極片５に取り付けられている。

支持ループ９ａは、ピン１８を用いて、磁心３に面する端部でピン・シート１０ｆに取り付けられている。二つの孔がピン・シート１０ｆの中に作り出され、それぞれが磁極片５の側（８の中の固定手段９ａのピン１８に対応している。

支持ループ９ａは、極間隙１３の中に配置されたネジを備えた締め付けバー１０ａ、及び、ロック要素として振る舞うピン・シート１０ｆを用いて、しっかり締められる。

図３〜６において、遠心力により作り出される負荷は、中間シート１５に向けられる。

磁極片５は、中実の鉄で作られても良い。固定手段９ａ〜ｂのためのスロットまたは孔１２が、フライス加工により、中実の鉄の磁極片の中に作り出されることが可能である。

磁極片５の固定手段９ａ〜ｂは、好ましくは非磁性である。この場合には、漂遊磁束がかなり小さくなる。その理由は、磁極面及びロータ・バックが、磁性材料により接触状態になることがないからである。

以上の図において、固定手段９ａ〜ｂは、ピン１０ｃ,１８のために両端に孔１９を備えた細長いストリップである。これらの図において、支持ループ９ａ〜ｂもまた、固定手段として使用される。それに加えて、ワイヤまたはチェインが固定手段として使用されても良い。

１…ロータ、２…磁極、３…磁心、４…永久磁石、５…磁極片、６…空気間隙、７…ステータ、８…側、９ａ，ｂ…支持ループ、１０ａ…締め付けバー、１０ｂ…ロック要素、１０ｃ，ｄ…ピン、１０ｅ…ネジ、１０ｆ…ピン・シート、１０ｇ…ウエッジ、１１…シート、１２…スロット、１３…極間隙、１４…シート・パック、１５…中間シート、１６…ブラケット、１７…支持アーム、１８…ピン、１９…孔、ｒ…径方向。

Claims (18)

1. 電気機械のロータ（１）に永久磁石を取り付けるための機構であって、
   ロータ（１）は、少なくとも二つの磁極（２）を有し、
   二つの磁極（２）の各々の側壁の間に極間隙（１３）があり、
   複数の永久磁石（４）が、磁心（３）の表面の上で、複数の前記磁極に取り付け可能であり、
   磁極片（５）が、前記永久磁石（４）の空気間隙（６）に面する側の上に取り付け可能である、
   機構において、
   固定手段（９ａ〜ｂ）が、ロック部品（１０ａ〜ｇ）を用いて前記ロータ（１）に前記磁極片（５）を取り付けるために、前記磁極片（５）の、前記極間隙（１３）に面する両側（８）に有ること、及び、
   これらの固定手段（９ａ〜ｂ）が、関節式継手により前記磁極片（５）に接続されていること、
   を特徴とする機構。
2. 下記特徴を有する請求項１に記載の機構、
   スロット（１２）が、前記磁極片（５）の側（８）に作り出され、
   前記固定手段（９ａ〜ｂ）は、これらのスロット（１２）の中に装着可能である。
3. 下記特徴を有する請求項１または２に記載の機構、
   前記磁極片（５）は、異なる形状のシート（１１）で組み立てられている。
4. 下記特徴を有する請求項３に記載の機構、
   前記シート（１１）は、平行なスロット（１２）が前記磁極片（５）の側（８）に形成されるように、一緒に接続される。
5. 下記特徴を有する請求項１または２に記載の機構、
   前記磁極片（５）は、中実の鉄で作られている。
6. 下記特徴を有する請求項１から５の何れか１項に記載の機構、
   前記磁極片（５）の、前記永久磁石（４）の方向への径方向の（ｒ）圧縮力が、前記ロック部品（１０ａ〜ｇ）を用いて調整可能である。
7. 下記特徴を有する請求項１から６の何れか１項に記載の機構、
   前記固定手段（９ａ〜ｂ）は、非磁性材料で作られている。
8. 下記特徴を有する請求項１、６または７の何れか１項に記載の機構、
   前記ロック部品（１０ａ〜ｇ）は、前記極間隙（１３）に取り付けられている。
9. 下記特徴を有する請求項１、６または７の何れか１項に記載の機構、
   前記ロック部品（１０ａ〜ｇ）は、シートで組み立てられたロータのシート・パック（１４）の端部に取り付けられた中間シート（１５）に取り付けられている。
10. 下記特徴を有する請求項１から９の何れか１項に記載の機構、
    ピン（１８）が、前記固定手段（９ａ〜ｂ）及び磁極片（５）を貫通して、継手を形成
    する。
11. 下記特徴を有する請求項１から１０の何れか１項に記載の機構、
    前記固定手段（９ａ〜ｂ）は、関節式継手により前記ロック部品（１０ａ〜ｇ）に接続されている。
12. 下記特徴を有する請求項１から１１の何れか１項に記載の機構、
    前記固定手段（９ａ〜ｂ）は、少なくとも一端に前記ピン（１８）のための孔（１９）を備えた細長いストリップを有している。
13. 電気機械のロータ（１）であって、
    当該ロータ（１）は、少なくとも二つの磁極（２）を有し、
    二つの磁極（２）の各々の側壁の間に極間隙（１３）が有り、
    複数の永久磁石（４）が、磁心（３）の表面の上で、複数の前記磁極に組み込まれ、
    磁極片（５）が、前記永久磁石（４）の、空気間隙（６）に面する側の上に組み込まれている、
    ロータにおいて、
    固定手段（９ａ〜ｂ）が、ロック部品（１０ａ〜ｇ）を用いて前記ロータ（１）に前記磁極片（５）を取り付けるために、前記磁極片（５）の、前記極間隙（１３）に面する両側（８）にあること、及び、
    前記固定手段（９ａ〜ｂ）は、関節式継手により前記磁極片（５）に接続されていること、
    を特徴とするロータ。
14. 下記特徴を有する請求項１３に記載のロータ、
    スロット（１２）が、前記磁極片（５）の側（８）の上に作り出され、前記固定手段（９ａ〜ｂ）は、これらのスロット（１２）の中に装着可能である。
15. 下記特徴を有する請求項１３または１４に記載のロータ、
    前記磁極片（５）は、異なる形状のシート（１１）で組み立てられている。
16. 下記特徴を有する請求項１５に記載のロータ、
    前記シート（１１）は、平行なスロット（１２）が前記磁極片（５）の側（８）に形成されるように、一緒に接続されている。
17. 下記特徴を有する請求項１３から１６の何れか１項に記載のロータ、
    前記磁極片（５）の、前記永久磁石（４）の方向への径方向の（ｒ）圧縮力が、前記ロック部品（１０ａ〜ｇ）を用いて調整可能である。
18. 下記特徴を有する請求項１３から１７の何れか１項に記載のロータ、
    前記ロック部品（１０ａ〜ｇ）は、前記極間隙（１３）に取り付けられている。

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