JP5559317B2 - 磁石をロータに取り付けるための機構及びロータ - Google Patents

Description

本発明の目的は、請求項１の前書部分に基づく、永久磁石をロータに取り付けるための機構、及び請求項１３の前書部分に基づくロータである。

永久磁石を用いた同期マシンにおいて、磁場が、マシンのロータの中に装着された永久磁石を使用して作り出される。これらの永久磁石は、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、これらの永久磁石は、ロータの磁性コアの中に埋め込まれる。磁性コアは、しばしば、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強磁性の鉄製シートから作られている。永久磁石及びシート・コアの寸法を決定するための設計規準は、電気機械により要求される励起電力である。機械的な構造及び様々なコンポーネントの固定は、それに対して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、磁性的に硬質な材料から作られたコンポーネントであり、磁化の後、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、コバルト及び鉄を含む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、作られている。

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性コアの中に、特徴的なやり方で埋め込まれるので、薄いネックが、磁極片を支える永久磁石の両側に作り出されることになる。ロータが非標準速度または可変速度で回転するとき、薄いネックが、磁極及び磁石により作り出される遠心力により生ずる負荷を支え、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た磁束の一部が、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、磁極の遷移を生じさせる傾向がある。遷移を防止するために、ネックは、緊密な圧縮状態を維持することが可能でなければならない。

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、カーボンファイバから作られた支持結束部材をロータの周りに装着することである。このソリューションの弱点の一つは、ステータとロータとの間の機械的な空気間隙の減少であって、それは、取り付けの際に問題引き起こすことがあり、または、取り付けの間またはロータが回転するときに結束部材に損傷を与えることがあり、または、もし機械的な空気間隙が減少されない場合には磁気回路の空気間隙を増大させることがある。これは、磁性材料の疲労を増大させることになる。

本発明の目的は、磁石をロータに取り付けるための機構を作り出すこと、及び、ロータを作り出すことにあり、それによれば、漂遊磁束が可能な限り小さく、磁性材料の疲労が減少され、且つ、磁極の遠心力により生ずる負荷及び磁石支える能力が、ステータとロータの間の空気間隙を増大させることなく、良好な水準にある。

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

本発明に基づく、永久磁石を電気機械のロータに取り付けるための機構によれば、ロータがシートから組み立てられ、且つ、少なくとも二つの磁極を有している。永久磁石が、磁性コアの表面の上に装着される。シートから組み立てられた磁極片が、永久磁石の、空気間隙に面する側の上に装着される。磁極片の中を通過する少なくとも一つのチャネルが、磁極片及び磁性コアの中に組み込まれる。締付けストリップ（tightening strip）が、このチャネルの中に装着可能である。この締付けストリップは、ロック部品を使用して磁極片に取り付けられる。磁性コアに面する締付けストリップ端部は、締付けストリップを磁性コアに取り付けるための、固定部品を有している。

本発明に基づく電気機械ロータにおいて、ロータは、シートから組み立てられる。ロータは、少なくとも二つの磁極を有している。永久磁石は、磁性コアの表面の上に装着される。シートから組み立てられた磁極片が、永久磁石の、空気間隙に面する側の上に装着される。磁極片及び磁性コアは、磁極片の中を通過する少なくとも一つのチャネルを有している。締付けストリップがこのチャネルの中に装着される。この締付けストリップは、ロック部品を使用して磁極片に取り付けられる。締付けストリップの、磁性コアに面する端部は、固定部品を使用して磁性コアに取り付けられる。

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、この磁極片は、別個の締付けストリップ、及びロック及び固定部品を使用して、ロータに取り付けられる。このようにして、遠心力により生ずる負荷が磁極片と締付けストリップとの間で均一に分割される。その理由は、磁極及び永久磁石により生ずる遠心力負荷が別々の部品により担われ、それらの材料及び形状が、電気機械からの電気的な寸法決定から分離されて、維持されることが可能であるからである。この実施形態は、磁極及び永久磁石により作り出される遠心力により生ずる負荷を支えるための、良好な能力を作り出す。

本発明に基づく実施形態において、遠心力を支える部分に永久磁石を取り付けるときに、予張力が与えられる。変化する遠心力が、予張力が与えられた締付けストリップに交番応力負荷を生じさせることがない。予張力により、磁極の中での、遠心力により生ずる遷移が最小化されることが可能である。締付けストリップを使用して作り出される、永久磁石に対する磁極片の緊密な圧縮は、遠心力が永久磁石を径方向に空気間隙の方に向けて押す傾向があるので、ロータが回転するときに均一化される。予張力の付与により生ずる、磁極と永久磁石の間の摩擦力が電気機械のトルクを伝達する。

矩形の断面を備えた締付けストリップを使用して、狭いスペースの中で、大きな予張力を作り出すことが可能である。締付けストリップは、伸びるスプリングとして振舞う。本発明に基づく実施形態は、締付けストリップに対して異る長さを与えることを可能にして、コントロールされた適応性をもたらす。

磁極片の、磁石に面する側の形を、中央で空いていて、両側で接触状態にあるように形成することによって、磁極片が予張力の付与に使用されることが可能になる。予張力の付与の間に、磁極片が湾曲して、磁極片と磁石との間の間隙を失い、その場合に、曲げ応力が磁極片の中に作り出されて、構造の疲労抵抗を改善する。磁極片を形作ることによって、磁石表面上での表面圧力が均一にされることも可能になり、それが、圧力下での磁石の耐久性を改善する。

締付けストリップの上に組み込まれた磁極片サポートは、スペースの使用に関して、丸いボルトと比べて効果的である。締付けストリップのより狭い束が、同様なサイズのボルトと同一の断面積を実現することが可能である。より狭い磁極サポートは、関係するより広い磁石を可能にする。

ロータの軸方向で、締付けストリップにより要求されるスペースは、径方向でネジでの取り付けにより要求されるスペースと比べて小さい。その理由は、締付けストリップのベースが径方向にあるからである。ネジでの取り付けの際に、ネジの頭が軸方向のスペースを要求し、軸方向のネジの数を制限する。

その薄いシート状の形状のために、ネジでの取り付けにより要求されるねじ山をロータ・コアの中に作る必要無く、締付けストリップが積層構造に取り付けられることが可能である。そのシート状の形状のために、締付けストリップは、電気鉄板から組み立てられる構造の一部を有している。磁極片を取り付ける際の、締付けストリップの使用は、磁極片と磁性コアの間でのより均一な負荷の分布を可能にする、その理由は、締付けストリップが、ロータの軸方向で構造に均一に加えられることが可能であるからである。締付けストリップは、フォーム・クロージャ（form closure）により、または、締付けストリップに向けられた力をロータの軸方向により均一に分布させる固定部品を使用して、ロータ・コアに取り付けることが可能である。締付けストリップを使用するとき、負荷が、ロータ・コア及び磁極片の中で、均一なシートの間で均一に分割されることが可能である。

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片表面の外側に伸ばされるころがないからである。

本発明の実施形態によれば、チャネルが二つの永久磁石の間に周方向に形成されている。単一の磁極が、例えば、周方向に隣合わせに並んだ三つの永久磁石を含んでいても良く、締付けストリップのためのチャネルが、永久磁石の間の二つの間隙の中に作り出されていても良い。

本発明の他の実施形態によれば、締付けストリップは、非磁性材料から作られる。この場合には、漂遊磁束が大幅に少なくなる。その理由は、磁極片及びロータのバックが磁性材料を介して接触していないからである。

本発明の更なる実施形態によれば、幾つかのチャネルが磁極片及び磁性コアの中に作り出され、それによって、これらのチャネルがロータの長手方向に連続するようになる。この場合には、チャネルにより要求されるスペースは、磁極の断面の中で可能な限り小さく、永久磁石のためにより多くの断面がある。

本発明の他の実施形態によれば、磁極片及び磁性コアの中に作り出されるチャネルは、実質的に径方向に向いている。この場合には、締付けストリップが径方向にセットされ、曲げの力が作り出されることが無い。

本発明の更に他の実施形態によれば、チャネルは、周方向で磁極片の中央に形成されていて、この場合には、磁極片が好ましい形状の中に組み込まれることが可能であり、それによれば、磁極片は、磁極片の中央で最も厚く、その厚さが両側の方に向かって減少する。このようにして、磁極片のために必要とされる材料がより少なくなり、その重量は、両側の上に支持された磁極片と比べて小さくなる。

磁極片及びロータは、積層によりシートから組み立てられている。本発明の実施形態によれば、異なる形状の少なくとも二つの薄いシートが、磁極片及びロータの中で使用されていて。異なる形状のシートが、一つまたはそれ以上のチャネルが磁極片及び磁性コアの中で作り出されるように、接続されている。

本発明に基づく機構及びロータにおいて、永久磁石に向けられる磁極片の径方向の圧縮力は、締付けストリップを引っ張ることにより、設定されることが可能である。締付けストリップのベースは、例えば、フォーム・クロージャ（form closure）を使用して、磁性コアに取り付けられる。締付けストリップ及び磁極片には、締付けストリップを径方向に上側に引っ張ることにより、予張力が与えられ、その際に、磁極片を径方向に下側に圧縮する。張力を与える間、締付けストリップは、ロック部品を使用して磁極片にロックされる。予張力を付与した後に、締付けストリップは、適切な長さに切断される。締付けストリップは、予張力の付与の間に、その最終的な長さに切断されることも可能である。

締付けストリップは、張力を与えた後に、締付けストリップをロックすることにより、磁性コア及び磁極片に取り付けられる。この場合には、製造許容差または熱的な動きは、予張力に対して影響を有していない。

本発明に基づく機構及びロータにおいて、磁極間隙には、永久磁石を取り付けるために必要になる部品が無い。これは、不平衡の磁極分割（unbalanced pole division）を備えた（即ち、連続する磁極間隙が異なるサイズである）ロータ構造を可能にする。

本発明に基づく機構及びロータは、様々なやり方で冷却される電気機械のために適切である。軸方向のおよび／または径方向の冷却チャネルは、磁極片及び締付けストリップが、それらのロック及び固定部品を含めて、冷却チャネルの前方に存在しないように作られることが可能である。

本発明に基づく機構及びロータは、空気間隙の中での大きな速度範囲を可能にし、そして、実施形態は、７０ｍ／ｓを超える大きな空気間隙速度をも可能にする。

図１は、永久磁石に予張力を付与した後での電気機械のロータの部分図である。 図２は、図１に示されたロータの、永久磁石を取り付けた後での部分図である。

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

図に示された電気機械ロータは、永久磁石モータまたは永久磁石発電機のためのロータである。これらの図に示されたロータの磁性コア及び磁極片は、薄い電機子シート（armature sheets）から組み立てられている。

図１は、永久磁石に予張力を付与した後での、電気機械のロータ１の部分図である。図２は、永久磁石を取り付けた後での、図１に示されたロータ１の部分図である。

図１は、シート９から作られたロータ１を示していて、このロータは、その軸１７の周りで回転し、幾つかの磁極２を含んでいる。永久磁石４は、磁性コア３の表面上に磁極２により装着されている。シートから形成された磁極片６は、永久磁石４の、空気間隙５に面する側で磁極２の中に装着されている。

幾つかのチャネル７ａが、締付けストリップ８のために、磁極片６の中に組み込まれている。チャネル７ａは、磁極片６の中を径方向に通過する。磁極片６の中のチャネル７ａの数に対応する複数のチャネル７ｂが、磁性コア３の中に作り出される。径方向に連続する磁極片チャネル７ａ及び磁性コアチャネル７ｂは、締付けストリップ８のための固定チャネルを形成する。チャネル７ａ〜ｂは、磁性コア３及び磁極片６のシート構造を使用して、チャネル７ａ〜ｂがシート９，１０の間に形成されるように、異なる形状のシート９，１０を互いに重ね合わせに積み上げることにより作られている。

磁極片６の中のチャネル７ａ及び磁性コア３の中のチャネル７ｂは、それらが周方向ｐで二つの永久磁石４の間に位置するように配置され、その場合に、永久磁石４の間の空きスペースが、固定チャネルの一部として振舞う。磁極片６の中のチャネル７ａ及び磁性コア３の中のチャネルは、周方向ｐで磁極片６の実質的に中央にある。固定チャネル７ａ〜ｂは、固定チャネル７ａ〜ｂにより要求されるスペースが周方向ｐで永久磁石４の間で小さくなるように、ロータ１の長手方向に連続する。磁極片６の中のチャネル７ａ及び磁性コアの中のチャネル７ｂは、実質的に径方向ｒに向いている。

ステンレス鋼などのような、非磁性材料から作られた締付けストリップ８が、固定チャネル７ａ〜ｂの中に装着される。締付けストリップ８は、矩形の断面で引き伸ばされる。図１において、チャンファ１２が、締付けストリップ８両方の短い両側１１に、即ち、締付けストリップ８の、空気間隙５に面する上部に作り出される。これらの図において、締付けストリップの中心部分の幅は、周方向で実質的に標準的である。

締付けストリップ８は、固定部品を使用して、磁性コア３に面する締付けストリップ８のベースから磁性コア３に取り付けられる。図１及び２において、固定部品は、締付けストリップ８と磁性コア３の形が閉じられる形状から構成される。半円形の切欠１３が、締付けストリップ８のベースに作り出されていて、これらの切欠を用いて、締付けストリップが、ロータ１により、締付けストリップ８装着の後に装着されたロッド１４に対して形を閉じる。

空気間隙５まで伸びる締付けストリップ８の部分は、張力部品１５を有している。締付けストリップ８及び磁極片６は、それらの張力部品１５から径方向ｒに空気間隙５の方に向けて、締付けストリップ８を引っ張ることにより、予張力が与えられ、その際に、磁極片６を径方向ｒに磁性コア３の方に向けて圧縮する。径方向ｒに永久磁石４の方へ向かう磁極片６の圧縮力Ｆｒは、締付けストリップ８を引っ張ることにより調整される。締付けストリップ８は、ウエッジ１６などのような、固定部品を使用して、引きの間に磁極片６にロックされる。

予張力を付与した後、張力部品１５を切断することにより、締付けストリップ８が適切な長さに切断される。締付けストリップ８は、予張力を付与する間に、その最終的な長さに切断されることも可能である。この場合には、締付けストリップ８は、それらの張力部品１５から、締付けストリップ８がチャンファ１２から分離するまで、引っ張られる（図２）。

永久磁石４のための取り付け機構において、疲労抵抗が、磁極片７の中に曲げ応力を発生させることにより増大されることが可能である。この場合には、永久磁石４の上表面に向かい合う、磁極片７の下表面１９の形状は、締付けストリップ８を使用して磁極片７を取り付ける前に、下表面１９と永久磁石４の上表面１８との間に間隙があるように形成される。軸方向の間隙は、磁極片７の下表面１９の、磁極間隙２０に面する部分が永久磁石の上表面１８に接続されるように、周方向で磁極片７の下表面１９の中心にある。

磁極片７が、締付けストリップ８を使用して磁性コア３に取り付けられるとき、径方向ｒの圧縮力Ｆｒが永久磁石４に向けられる。その強度は、締付けストリップ８を使用して調整されることが可能である。予張力の付与の間に、磁極片７が湾曲し、永久磁石４と磁極片７との間の間隙を減少させて閉じる。この場合には、曲げ応力が磁極片７の中に作り出され、この構造の疲労抵抗を改善する。

もし、磁極２が広い場合、即ち、磁極が周方向に幾つかの平行な永久磁石４を含んでいる場合には、永久磁石４は、締付けストリップ８が装着される各二つの永久磁石４の間に、固定チャネル７ａ〜ｂが作り出されるように取り付けられることが可能である。

１…ロータ、２…磁極、３…磁性コア、４…永久磁石、５…空気間隙、６…磁極片、７ａ，ｂ…チャネル、８…締付けストリップ、９…ロータ・シート、１０…磁極片のシート、１１…側、１２…チャンファ、１３…切欠、１４…ロッド、１５…張力部品、１６…ウエッジ、１７…シャフト、１８…上表面、１９…下表面、２０…磁極間隙、Ｆｒ…圧縮力、ｐ…周方向、ｒ…径方向。

Claims (12)

1. 永久磁石をロータ（１）に取り付けるための機構であって、
   ロータ（１）が、シート（９）から組み立てられ、このロータ（１）は、少なくとも二つの磁極（２）を有し、
   永久磁石（４）が、磁性コア（３）の外側表面の上に装着され、
   シートから組み立てられた磁極片（６）が、永久磁石（４）の、空気間隙（５）に面している側の上に装着されている、
   機構において、
   前記磁極片（６）の中を通過する少なくとも一つのチャネル（７ａ〜ｂ）が、前記磁極片（６）及び前記磁性コア（３）の中に組み込まれ、
   締付けストリップ（８）が、このチャネル（７ａ〜ｂ）の中に装着可能であり、
   この締付けストリップ（８）は、ロック部品（１６）を使用して磁極片（６）に取り付けられ、
   この締付けストリップ（８）の、磁性コア（３）に面する端部が、締付けストリップ（８）を磁性コア（３）に取り付けるための固定部品（１３，１４）を有していること、
   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、
   前記チャネル（７ａ）は、周方向（ｐ）で二つの永久磁石（４）の間に作り出されている。
3. 下記特徴を有する請求項１または２に記載の機構、
   前記締付けストリップ（８）は、非磁性材料から作られている。
4. 下記特徴を有する請求項１から３の何れか１項に記載の機構、
   幾つかのチャネル（７ａ〜ｂ）が、それらのチャネル（７ａ〜ｂ）がロータの長手方向に連続するように、磁極片（６）及び磁性コア（３）の中に組み込まれている。
5. 下記特徴を有する請求項１から４の何れか１項に記載の機構、
   前記チャネル（７ａ〜ｂ）は、径方向（ｒ）に向いている。
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、
   前記チャネル（７ａ〜ｂ）は、周方向（ｐ）で磁極片（６）の中央に形成されている。
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、
   前記ロータ・シート（９）は、異なる形状であり、且つ、前記ロータ・シート（９）は、チャネル（７ｂ）が磁性コア（３）の中に形成されるように一緒に結合されている。
8. 下記特徴を有する請求項１から７の何れか１項に記載の機構、
   前記磁極片のシート（１０）は、異なる形状であり、且つ、前記磁極片のシート（１０）は、一緒に結合され、それによって、チャネル（７ａ）が磁極片（６）の中に形成されるようになっている。
9. 下記特徴を有する請求項１から８の何れか１項に記載の機構、
   径方向（ｒ）に永久磁石（４）の方へ向かう、前記磁極片（６）の圧縮力（Ｆｒ）が、前記締付けストリップ（８）を引っ張ることにより調整可能である。
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、
    前記固定部品（１３，１４）は、前記締付けストリップ（８）に形成された複数の半円形の切欠（１３）と、前記締付けストリップ（８）と磁性コア（３）の形状が閉じられるような複数のロッド（１４）とから形成される。
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、
    永久磁石（４）の上表面（１８）と、永久磁石（４）に向かい合う磁極片の下表面（１９）との間に間隙があり、
    この間隙は、周方向（ｐ）で前記磁極片の中央にあり、
    この間隙は、前記締付けストリップ（８）を引っ張ることにより減少可能である。
12. 電気機械のロータ（１）であって、
    ロータ（１）が、シート（９）から組み立てられ、
    このロータ（１）は、少なくとも二つの磁極（２）を有していて、
    永久磁石（４）が、磁性コア（３）の外側表面の上に装着され、
    シート（１０）から組み立てられた磁極片（６）が、永久磁石（４）の、空気間隙（５）に面している側の上に装着された、
    ロータにおいて、
    磁極片（６）及び磁性コア（３）が、磁極片（６）の中を通過する少なくとも一つのチャネル（７ａ〜ｂ）を有し、
    締付けストリップ（８）が、このチャネル（７ａ〜ｂ）の中に装着され、
    この締付けストリップ（８）は、ロック部品（１６）を使用して磁極片（６）に取り付けられ、
    この締付けストリップ（８）の、磁性コア（３）に面する端部は、固定部品（１３，１４）を使用して磁性コア（３）に取り付けられていること、
    を特徴とするロータ。

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