JP5631867B2 - 多極同期電気機械用突磁極付き回転子 - Google Patents

Description

本発明は、固定子アセンブリおよび回転子アセンブリを含み、回転子アセンブリは、固定子アセンブリと連係して回転軸のまわりを回転する、回転同期電気機械の分野に関する。

より詳細には、本発明は、多極同期電気機械用突磁極付き回転子に関する。

一般に、突磁極付き回転子は、磁路リングの周辺部に位置する界磁極を有する。

これらの回転子は、一般に、最大１０００ｒｐｍ（積層磁極の場合）または１５００ｒｐｍ（固形物磁極の場合）の低速用途で利用される。

既知の形式では、同期電気機械用突磁極付き回転子は、以下のものを含む。
− 中心部。磁路リングおよび中心シャフトによって形成されている。小径回転子の場合、中心シャフトおよび磁路リングのみで単一部品が形成される。
− 突磁極または磁極。磁極体と呼ばれる中心部と、磁極シューと呼ばれる周辺部とによって形成されている。各磁極の中心部を、一定の誘導が生じる。一方、磁極の表面の磁極シューでは、回転の結果として、固定子のスロットの前で誘導が脈動する。
− 誘導コイル。各磁極体を囲み、コイル巻線の積層によって形成されている。

同期機械は、出力シャフトの回転速度が、磁界の回転速度と等しい電気機械である。突磁極付き回転機械の磁化は、磁極体を囲む誘導コイルで形成されたインダクタによって得られる。

誘導コイルは、様々な方法で磁極体のまわりに配置されている。

突磁極付き多極回転子の第１の既知の実施形態によれば、磁極体および磁極シューを含む各磁極が、プラグ、ダブテール、ねじなどの手段により、リムまたはシャフトに付加される。この実施形態では、コイルが磁極体上にマウントされてから、磁極体がリムまたはシャフトにマウントされる。磁極体をリムまたはシャフトにマウントするために用いる吊りシステムがどのようなものであれ、回転子が回転すると、フックには非常に大きな応力がかかる。

実際、磁極体、誘導コイル、および磁極シューは、回転の中心から離れているために、回転子の回転中は遠心力を受けやすく、この遠心力は、回転子の直径が大きいほど強く、回転子の回転速度が高いほど強い（固形物が回転時に受ける遠心力は、固形物までの距離に比例し、固形物の質量に比例する）。したがって、吊りシステムは、回転子の各アセンブリ（すなわち、磁極体、磁極シュー、磁極体に巻かれた誘導コイルなどの固形物部品）の集まりの回転によって発生する応力に耐えなければならない。したがって、ねじタイプの磁極体を吊るシステムは、回転速度が低い場合にしか適さない。プラグまたはダブテールのタイプの磁極体を吊るシステムは、回転子の回転速度が高い場合に適する一方、非常に精密でコストのかかる部品加工を必要とし、また、材料に対する厳格な機械的品質規準を必要とする。

さらに、この第１の実施形態によれば、磁極体、コイル、磁極シューのアセンブリをリム上に配置することは、それらの部品の質量が大きいために移動や調節が困難であること
から、非常にデリケートかつ複雑な取り扱いを必要とすることに注意されたい。

同期回転子の磁極体とリムとをつなぐフックに大きな応力がかかるのを防ぐために、突磁極付き同期回転子の第２の既知の実施形態は、リムまたはシャフトと一体化されている磁極体を利用することからなる。この磁極体には、固形物磁極シューだけが付加され、いくつかのねじで固定される。磁極体のまわりに誘導コイルが配置されてから、磁極シューの組み立てが行われる。磁極シューの位置決めには、第１に、磁極シューが重い部品であることからデリケートな取り扱いが必要であり、第２に、適切な工具が必要である。さらに、磁極シューをねじで磁極体に固定する方法は、必然的に、一連の数ミリメートル厚の電気鉄板から形成された積層磁極体より頑丈な固形物磁極体を利用することを必要とする。

今日までどのような実施形態が用いられたにせよ、取り扱いが困難な、大きな質量を示す重い部品（コイル状磁極体、またはさらにこの磁極体に磁極シューが加わったものなど）を配置することは、特殊な工具を必要とし、時間およびコストのかかる作業である。

以上を鑑みて、本発明は、組み立てが短時間で簡単に行われ、各コイルの、対応する各磁極体のまわりへの厳密な位置決めが確実に行われる、多極同期電気機械用突磁極付き回転子を提供することを目的とする。

この目的に対して、本発明は、以下のものを含む多極同期電気機械用突磁極付き回転子を提案する。
複数の突磁極を備える多極同期電気機械用突磁極付き回転子であって、各突磁極は、矩形状に突出する磁極体が誘導コイルに囲まれ、前記磁極体は、内周側のリングと一体化され、前記複数の突磁極の各突磁極が、前記磁極体の両側で対向して配置されて、前記磁極体に着脱可能に係合されるフックを備える少なくとも２つの磁極先端部と、前記誘導コイルの両側長手方向部分の端部を連結する端部部分を回転半径方向に保持するために、前記磁極体の長手方向と直交する端面部に沿って固定された端部フランジと、を備え、前記磁極体は、前記磁極体の両側に長手方向に形成された２つのスロットを備え、前記スロットは、前記磁極先端部の前記フックを長手方向に移動可能に受けるように適合された形状を有し、前記フランジは、前記スロットに前記フックが係合した前記磁極先端部の長手方向移動を阻止することを特徴とする。

本発明により、特殊な工具を用いることなく、回転子と一体化されている磁極体に磁極先端部を簡単にマウントすることができる。この装置は、シューや、さらには磁極体のような重い部品を取り扱う必要がない。実際、磁極体は、回転子リングと一体をなしており、磁極シューの端部に対応する磁極先端部を磁極体に付加するだけでよい。これによって、回転子の回転時に遠心力によって非常に大きな応力がかかる重い部品を吊り下げるシステムを複数持つ必要がなくなる。

本発明による多極同期電気機械用突磁極付き回転子はさらに、以下の特徴のうちの１つまたは複数を示すことが可能であり、これらは個別に検討されるか、技術的に可能なすべての組み合わせに従って検討される。
− 前記複数の突磁極の各突磁極は、第１の系列および第２の系列を含み、各系列は、前記磁極体に沿って設けられた複数の磁極先端部を含み、前記第１の系列の各磁極先端部は、前記第２の系列の磁極先端部と対向している。
− 前記スロットは、前記磁極体に沿って連続的に作られている。
− 各磁極先端部は、前記スロットに押し込まれるフックを含み、前記フックの形状は、前記誘導コイルを回転半径方向に保持することに適合されている。
− 前記磁極先端部は、前記誘導コイルの長手方向部分を回転半径方向に保持する。
− 前記各磁極先端部は、前記誘導コイルを冷却することに適した少なくとも１つの排出ダクトを含む。
− 前記磁極体は、一連の電気鉄板から形成された積層部品である。

例示を目的とし、限定を目的としない、以下の説明を、添付図面を参照しながら読むことにより、本発明の他の特徴および利点がより明確になるであろう。

同期電気機械用突磁極付き回転子を、回転子の回転軸に垂直な平面で切った断面図である。 図１に示したような突磁極付き回転子の磁極体の上面図である。

図１は、同期電気機械用突磁極付き回転子１００を、回転子の回転軸に垂直な平面で切った断面図である。

より詳細には、図１は、回転子１００の複数の突磁極のうちの１つの突磁極３０を示している。

各突磁極３０は、誘導コイル１３で囲まれた磁極体１を含んでいる。磁極体１は、電気鉄板の積層で形成される積層磁極体であることが好ましい。磁極体１は、同期電気機械の磁路の磁石ホイールを構成するリム４（リング）と一体化されている。リム４は、シャフトまたはハブ（図示せず）にホットマウントされた電気鉄板の積層から構成される積層部品であることが好ましい。

誘導コイル１３は、磁極体を囲む、特定のコイル巻数の、円形または矩形の断面の銅導体で作られている。誘導コイル１３は、心棒に巻いて、単独で塊にしてから、磁極体にマウントする。誘導コイル１３は、冷却効果向上を可能にする冷却フィンを形成するように、１回のコイル巻と３〜４回のコイル巻とが交互になるオフセットコイル巻線を含むことが可能である。

また、冷却媒体が循環する通路１６を作成して、誘導コイル１３の内側表面の冷却を促進するために、誘導コイル１３の内周が磁極体１の外周より大きくなるように、誘導コイル１３を巻くことも可能である。

誘導コイル１３の巻線の絶縁は、熱硬化性樹脂が予備含浸された絶縁ストリップにより行われる。このコイルは、その後、プレスされ、熱処理を受けて、熱伝導性にすぐれたコンパクトなアセンブリになる。

本発明の別の実施形態によれば、誘導コイル１３の作成にガラス繊維被覆線を用いる。この絶縁された線を、何重かの層にして巻く。各巻線層間にワニスまたは樹脂を差し挟むことにより、重合後に最終的な剛性が誘導コイル１３に与えられる。

本発明の別の実施形態によれば、誘導コイル１３の作成に熱粘着性エナメル銅線を用いることも可能である。この熱粘着性線は、熱接着可能な外層で被覆したエナメル銅線であり、この外層が、温度の作用で重合されることにより、組み立てられたコイル巻線同士の接着を可能にする。したがって、誘導コイル１３を作るときにワニスまたは樹脂を塗布す
ることが不要になる。

回転子の回転中の誘導コイル１３の接線方向保持は、主に誘導コイル１３の抵抗力によって行われており、この抵抗力は、基本的に、コイル巻線同士を重合によって塊にするために用いるワニスまたは樹脂の機械的品質に応じて得られる。遠心力の接線方向応力が大きくなって、コイル巻線間のせん断応力が、ワニスまたは樹脂の耐えうる最大応力を超えるほどになった場合、誘導コイル１３は、中心部が腫れ上がる変形を起こす傾向がある。その後、１つまたは複数のコーナーウェッジ（磁極間ウェッジとも言う）（図示せず）を配置する必要があり、これによって、コーナーウェッジ間のコイルの部品に対するせん断応力を、容認可能な値まで戻すことが可能になる。一般に、コーナーウェッジは、誘導コイル１３を磁極体１に押し付けて保持するように、各磁極体１の間のリム４にねじ留めする。

誘導コイル１３の回転半径方向保持は、図１の上部（外周部分）においては磁極先端部２ａおよび２ｂによって達成され、下部（内周部分）においては一連の圧縮バネ１４によって達成される。誘導コイル１３の、下部における回転半径方向保持は、磁極先端部２ａおよび２ｂへの誘導コイル１３の押しつけを可能にする他の任意の等価な手段によっても達成可能である。

たとえば、誘導コイルの、下部における半径方向保持は、Ｖ字形に折り曲げた支持シートを磁極間空間（２つの突磁極の間）に配置することによって達成可能である。この支持シートは、誘導コイル１３の、一定圧力での磁極先端部２ａおよび２ｂへの押しつけを維持すべく、力ずくでマウントされた固定ブロックによってブロックされたままとなる。

磁極先端部２ａおよび２ｂは、ペアで、磁極体１の全体長さにわたって、磁極体１の両側に位置する。図１では、各磁極体１の上に、１ペアの磁極先端部２ａおよび２ｂが示されている。磁極先端部２ａおよび２ｂのペアは、誘導コイル１３を、磁極体１の両側の定位置に保持する。この目的のために、磁極体１は、磁極先端部２ａおよび２ｂのフック６ｂの形状に対応するスロット６ａを含み、スロット６ａは、磁極体１の全体長さにわたって加工されて、ダクトを形成する。フック６ｂは、磁極体１のスロット６ａと嵌合して、磁極先端部２のスロット６ａ内をスライドすることにより、他の固定手段がなくても配置可能である。この嵌合は、磁極体１の各端部によって実行され、前記磁極体１の長手方向にスライドさせることによって実行される。フック６ｂの形状は、たとえば、ほぼ回転子の中心に向かって方向づけられたフックの形状であって、この形状は、ほぼ三角形の区画である第１の部分７と、これと接する、ほぼ矩形の区画である第２の部分９と、からなり、これら２つの部分７および９は、曲がり要素８でつながっている。

フック６ｂのこの独特の形状により、磁極先端部２ａおよび２ｂの半径方向の保持が可能になり、回転子の回転時に誘導コイル１３の遠心力によって引き起こされる応力を支持することが可能になり、特に、半径方向成分によって引き起こされる応力を支持することが可能になる。

図２は、図１を参照して説明した、本発明による、同期電気機械の突磁極付き回転子１００の磁極体１の上面図である。

図２は、特に、磁極体１上に配置されて、磁極の誘導コイル１３を半径方向にブロックする、一連の磁極先端部２ａおよび２ｂを示している。

磁極体１の各端部に位置するフランジ５（フランジ５は１個だけ図示されている）が、ねじ式固定システムにより、リム４と一体化されて保持されている。フランジ５は、機械加工、鍛造、または鋳造された鋼材でできた固形物部品であり、磁極先端部２ａおよび２
ｂが磁極体１上に配置された後に磁極先端部２ａおよび２ｂが定位置に保持されることを可能にする。したがって、フランジ５は、磁極先端部２ａおよび２ｂが長手方向に動かないようにする。実際、フランジ５は、磁極体１の端部において、フック６ｂに対応する磁極体１のスロット６ａをふさいでおり、これによって、磁極先端部２ａおよび２ｂは、外れたり、磁極体１の長手方向に移動したりする可能性がなくなる。フランジ５はさらに、誘導コイル１３の前部が半径方向に保持されることを可能にし、誘導コイル１３アセンブリが軸方向に配置されることを可能にする。

先行技術による磁極シューの代わりに、磁極先端部２ａおよび２ｂおよびフランジ５を組み合わせて用いることにより、被覆されていない２つの部分２１および２２が誘導コイル１３の各端部に配置されることが可能になる。これらの部分２１および２２は、周囲空気または他の任意の冷却媒体との接触面を増やすことにより、誘導コイル１３の冷却性を向上させる。

磁極先端部２ａおよび２ｂは、排出ダクト７を含むことが可能であり、排出ダクト７も、冷却媒体の循環による誘導コイル１３および回転子の冷却を推進する。排出ダクト７は、磁極先端部２ａおよび２ｂと磁極体１との間の接触面において先端部を横切っている。したがって、排出ダクト７は、冷却媒体が、誘導コイル１３の内側表面を流れること、ならびに誘導コイル１３の内側表面との熱交換を実施した後に取り替えられることを可能にする。

図示した同期機械用突磁極付き回転子のマウントは、限られた数の工具を用いて短時間で簡単に行われる。

まず、誘導コイル１３を、単独で作り、あらかじめ回転子から絶縁されている磁極体１のまわりに挿入し、接線方向に磁極体１に押さえつけて固定する。

磁極先端部２ａおよび２ｂは、スロット６ａによって磁極体１上をスライドさせることによって通す。

次に、フランジ５を、リム４上または磁極体１上を通して、ねじで固定する。このようにして、磁極先端部は、長手方向にブロックされる。

誘導コイル１３は、外側部分が磁極先端部２ａおよび２ｂによって、かつ、内側部分が一連の圧縮バネまたは他の任意の等価手段によって、半径方向に保持される。

この一連のバネは、誘導コイル１３に一定の接触圧力をかけて、回転子１００の停止時または回転時にコイルが半径方向に保持されるようにする。

磁極先端部２ａおよび２ｂならびにフランジ５を磁極体１上にマウントするための、上述の作業はすべて、特殊な工具を必要とせず、簡単に行われる。

最後に、誘導コイル１３が磁極体１のまわりに下降するために必要な（数ミリメートル程度の）アセンブリクリアランスに、接線方向のクリアランスを制限するための、適度な厚さの絶縁シート（一般に、積層シート）が埋められる。

以上のように、本発明の目的は、特殊な工具を用いることなく短時間で簡単に組み立てを行うことを可能にする同期電気機械用突磁極付き多極回転子を提供することである。

磁極先端部の独創的な形状は、短時間で簡単に組み立てを行うことを可能にし、回転子
の停止時および回転時に誘導コイルが保持されることを可能にする。誘導コイルの清掃、修理、または交換が必要な場合の分解作業が、特殊な工具に頼らず、大幅に容易になり、短時間になる。

積層磁極体を含む同期電気機械用突磁極付き多極回転子について、基本的な説明を行った。しかしながら、本発明は、磁路の磁石ホイールを構成する固形物のリムと一体化されている一体固形物の磁極体を含む同期電気機械用突磁極付き多極回転子にも適用可能である。

Claims (7)

1. 複数の突磁極（３０）を備える多極同期電気機械用突磁極付き回転子であって、
   各突磁極（３０）は、矩形状に突出する磁極体（１）が誘導コイル（１３）に囲まれ、前記磁極体（１）は、内周側のリング(４)と一体化され、
   前記複数の突磁極（３０）の各突磁極（３０）が、
   前記磁極体（１）の両側で対向して配置されて、前記磁極体（１）に着脱可能に係合されるフック（６ｂ）を備える少なくとも２つの磁極先端部（２ａ、２ｂ）と、
   前記誘導コイル（１３）の両側長手方向部分の端部を連結する端部部分を回転半径方向に保持するために、前記磁極体（１）の長手方向と直交する端面部に沿って固定された端部フランジ（５）と、を備え、
   前記磁極体（１）は、前記磁極体（１）の両側に長手方向に形成された２つのスロット（６ａ）を備え、前記スロット（６ａ）は、前記磁極先端部（２ａ、２ｂ）の前記フック（６ｂ）を長手方向に移動可能に受けるように適合された形状を有し、
   前記フランジ（５）は、前記スロット（６ａ）に前記フック（６ｂ）が係合した前記磁極先端部（２ａ、２ｂ）の長手方向移動を阻止することを特徴とする、多極同期電気機械用突磁極付き回転子。
2. 前記複数の突磁極（３０）の各突磁極（３０）は、第１の系列および第２の系列を備え、各系列は、前記磁極体（１）に沿って設けられた複数の磁極先端部（２ａ、２ｂ）を備え、前記第１の系列の各磁極先端部（２ａ）は、前記第２の系列の磁極先端部（２ｂ）と対向していることを特徴とする、請求項１に記載の多極同期電気機械用突磁極付き回転子。
3. 前記スロット（６ａ）は、前記磁極体（１）に沿って連続的に作られていることを特徴とする、請求項１から２のいずれか一項に記載の多極同期電気機械用突磁極付き回転子。
4. 各磁極先端部（２ａ、２ｂ）は、前記スロット（６ａ）に嵌合されるフック（６ｂ）を備え、前記フック（６ｂ）の形状は、前記誘導コイル（１３）を回転半径方向に保持することに適合されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の多極同期電気機械用突磁極付き回転子。
5. 前記磁極先端部（２ａ、２ｂ）は、前記誘導コイル（１３）の長手方向部分を回転半径方向に保持することを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の多極同期電気機械用突磁極付き回転子。
6. 前記各磁極先端部（２ａ、２ｂ）は、前記誘導コイル（１３）を冷却することに適した少なくとも１つの排出ダクト（７）を備えることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の多極同期電気機械用突磁極付き回転子。
7. 前記磁極体（１）は、一連の電気鉄板から形成された積層部品であることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の多極同期電気機械用突磁極付き回転子。

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