JP6584508B2

JP6584508B2 - 電気機械

Info

Publication number: JP6584508B2
Application number: JP2017531445A
Authority: JP
Inventors: グリゴリエヴィチリマンスキーヴァレンティン
Original assignee: Valentin Grigoryevich Limanskiy
Current assignee: Valentin Grigoryevich Limanskiy
Priority date: 2014-08-25
Filing date: 2015-06-29
Publication date: 2019-10-02
Anticipated expiration: 2035-06-29
Also published as: EP3188346A1; EP3188346A4; CN107005115B; US10476335B2; CN107005115A; JP2017526334A; BR112017002864A2; RU2600311C2; US20170214285A1; RU2014134464A; BR112017002864B1; WO2016032364A1

Description

本発明は電動機製造分野と発電機製造分野に当たり、電気及び／または力学的エネルギーの発電及び電気エネルギーと力学的エネルギーの変換などに利用できる。本電気機械は環境に優しいため、発電事業・運輸業・機械製造業・建設業・宇宙産業などの各分野で利用できる。

現在、上記の業界の一部では、整流子電動機及び無整流子電動機が使用されている（M.M.カーツマン「電気機械大辞典」。アカデミー出版センター、2005年。480頁、ISBN 5-7695-1686-0、p.9）。整流子電動機には、万能型電気機械、永久磁石式機械や界磁巻線型機械など直流整流子電動機が含まれている。無整流子電動機には、かご型・巻線型回転子付き・単相や三相交流電動機・コンデンサー電動機・モータージェット・ヒステリシス電動機・リニアモーター・永久磁石同期電動機など同期及び非同期電動機が含まれている。

本発明に最も類似しているのは、回転子と固定子ならびに並列に接続されたコイル（位相）ならびに固定子コイルへと繋がるサイリスタ整流回路（制御装置）から構成される永久磁石同期電動機である（カーツマン、pp.313-317）。

回転子付き（永久磁石同期電動機を含む）型の電動機の原理は簡単である。最初に、最大電流が１相（コイルまたはコイルシステム）に流れ、それによって回転子（ローター）は一定角度だけ回転する。次に、最大電流が同様に２相（コイルまたはコイルシステム）に流れる。それによって回転子（ローター）は一定角度だけ回転する。上記のプロセスの繰り返しになる。既に流れた相（コイル）の電流は必ず昇降し、回転子を回転させる。したがって、上記の構造は利用可能でありながら、場合によってコイルが持つ性能が最大限に発揮できていないため、理想的ではない。

本発明の目的は、上記のような不十分な電気機械を改善し、単相（主に直流）２線式回路を導入し、殆どのコイルの性能を最大限に発揮する。交流電流の場合は、大きな反誘導効果が現れ、電流の値が÷√２になる。

本発明は、電気及び／または力学的エネルギーの発電及び電気エネルギーと力学的エネルギーの変換などに利用できる、高性能・使いやすい・環境に優しい・電力密度と効率の高い機械の開発を目的とする。即ち、本発明の目的は、電気機械の用途拡大、コスト削減、電力密度と効率の改善である。用途によって、電気機械は電動機、発電機、電動機兼発電機として利用できる。用途の例としては、交流電流の流れる電動機が発電機を回転させ直流電力が生成される定電流変圧器が挙げられる。

本発明の目的は、回転子・固定子・固定子コイル・制御装置から構成される電気機械の開発により達成できる。この電気機械の特徴としては、いくつか挙げられる。先ず、固定子コイルは、直列接続及び／または逆列接続され、半径方向及び／または接線方向に巻取りされたコイルシステムである。各コイルは端子が設けられ、制御装置は電気接点によりそれぞれのコイルの端子と接続できる。チェーン式制御装置は、固定子のそれぞれのコイルに流れる電流を制御し、電気機械における固定子の磁界を一定に維持する装置である。更に、回転または往復運動を行う回転子の位置及び磁性状態によって回転または往復運動の制御もできる。

２つのコイルは、直列（巻き方が同じ方向である）、逆列（巻き方が反対方向である）、同様に並列と非並列接続できる。

定義１．チェーンとは、制御装置など特定接続方法により相互間に繋がる固定子コイルのことをいう。

定義２．チェーン式制御装置は、指定方向に流れる電流と直列及び／または逆列接続された固定子コイル（２つ以上）から構成されるチェーンに、
１）半径方向に巻取りされた固定子コイル（１つまたはそれ以上）
または
２）必要に応じて接線方向に巻取りされた固定子コイル（１つまたはそれ以上）
または
３）必要に応じて半径方向と接線方向に巻取りされた固定子コイル（２つ以上）
が接続され、
４）場合によってその他の固定子コイルをこのチェーンから同時に接続解除することが可能である。制御装置と接続（固定子のその他コイルを通じての接続を含む）された各コイルは、上記のチェーンに接続するまたはチェーンから接続解除するのに必要な端子（電気接点）を有する。上述したチェーン式制御は、制御装置の特性に関連するものであり、先行技術に基づき製作できるため、本発明では検討されていない。

発明の新規性．制御装置のおかげで、固定子コイル数が十分であれば、固定子の回転磁界を作ることなど固定子の磁界の変動ができ、磁化された回転子鉄心の軸まわりの回転などの動きが制御できる。具体的にいうと、固定子の磁界回転は、回転（カーツマン、p.313-314）または往復運動を行う回転子の位置と磁性状態により行える。電気機械における固定子の適切な磁界生成により、設備・機械・輸送機関などの制御ができる（カーツマン、pp. 5 - 6、369 - 370、389）。したがって、上述のチェーン式制御の導入により、電気機械における（可変周波数制御を含む）回転運動、（可変周波数制御を含む）往復運動、停止と起動を繰り返す運動、回転方向が急変化する運動、回転子を一定角度に保つ運動など幅広い回転子運動の制御が可能になる。要するに、本発明の電気機械は、万能型であり、多様なバリエーションが実施できる。

電動機として使われる本発明の機械は、固定子の半径方向の幅によって電気機械の回転子における固定子鉄心の磁束密度が増加する。更に、切り替えしなければならない固定子コイルの数が比較的に少ないため、固定子の磁界回転など運動に必要なエネルギー量が減少する。また、回転子の作用により固定子鉄心で生じた磁力線が、固定子の作用により回転子鉄心で生じた磁力線より長いため、固定子の巻線において反誘導効果が大幅に小さくなる。

本発明の機械が発電機として使われる場合、回転子の回転に必要なエネルギー量を減少させる斜め回転子（２極）の採用などにより、固定子の巻線において誘導が比較的に増加する。回転子と固定子の磁力線がほぼ平行である回転子の磁界では、回転子の回転が殆ど阻止されない（回転が電動機などの作用により行われる。相互作用する電動機と発電機から構成される重要なシステムを電動機兼発電機と定義する）。本発明の電気機械では、非対称な回転子と固定子の磁気相互作用が生ずる。

固定子コイル数が十分である場合、主な実施例の機械（定格負荷が条件）において、回転子と固定子が回転する間に両者の磁力線の相対位置が十分な精度で維持されるため、回転子にかかるトルクもほぼ一定である。

固定子の全コイルに同時に電流が流れる場合、固定子により作られる回転子での磁界が、整流子電動機・無整流子電動機・永久磁石同期電動機の固定子の磁界に比べて、強くて均一で広範である。

上述の発明の新規性は、電気機械の電力密度と効率の改善及びその機械の用途拡大に貢献する。

具体例（但し、記載の実施例が本発明の請求範囲全体をカバー及び制限しない。あくまで具体例の説明である）を挙げると、本発明の電気機械は次の形態で実施可能である。

１）直流電動機または直流発電機。その回転子は２極またはかご型もしくは軟磁性の鉄心が設けられ、２つのセグメントが平行に切断されている。その固定子は、軟磁性の鉄心と、直列接続され半径方向及び／または接線方向に巻取りされたコイルと、コイルの端子から構成される。制御装置は、電気接点が固定子コイルの端子と接続し、回転子の位置により固定子の回転磁界が作られる。

２）直流発電機。その回転子は斜め２極型である。固定子は、直列接続され半径方向及び／または接線方向に巻取りされたコイルと、コイルの端子から構成される。制御装置は、電気接点が固定子コイルの端子と接続し、回転子の位置により固定子の回転磁界が作られる。

３）交流発電機。その回転子は２極型である。固定子は軟磁性の鉄心及び、直列または逆列接続され、接線方向に巻取りされた同サイズの２つのコイル及び、外部の電気ネットワーク（２線式タイプ）と接続するための端子から構成される。上記のコイルが直列接続する場合、上記の２つの端子が固定子の巻線の反対側になる。一方、コイルが逆列接続する場合、２つのコイルの端子が隣接する。

第１、２項で記載された電気機械は、直流電気機械である。但し、交流電流が固定子及び回転子の各コイルに同時に流れるようにすれば、交流の場合でもその機械が利用可能である。

ここで制御装置とは、回転子及び／または固定子コイルに流れる電流を制御する装置のことをいう。そうすることによって、固定子の回転磁界が作られ、回転子の望ましい磁性状態が確保できる。

制御装置には、整流子型または電子型が圧倒的である。

結果として、設計が簡単な制御装置の影響により、制御装置の2ヶ所の電気接点に接続された外部の電気ネットワーク（２線式タイプ）が必ず正反対に配置された固定子巻線部分の２ヶ所（直列接続された固定子コイル）に接続されるようになる。この２ヶ所の電気接点は、制御装置の作用により移動して、固定子コイルの各端子と一つ一つ接続しながら、固定子の回転磁界及び回転子鉄心の軸まわりの回転磁界の発生に寄与する。

機械の用途によって、固定子の磁界の変化は、１）回転子の位置に依存する。２）回転子の位置に依存しない。３）場合によって位置に依存したり依存しなかったりする（混合型）。制御装置のおかげで、外部の電気ネットワーク（２線式）の電気接点と回転子及び／または固定子コイルのそれぞれの端子との直列接続が可能である。

同様に、設計が複雑な制御装置の場合、同時に接続される固定子コイルの端子の数が増え、固定子の巻線部分において、多極磁界を含むより複雑な回転磁界が発生する。発生した磁界が回転子と相互作用し、回転子を回転させる。

電気機械の回転子鉄心は、永久磁石型・電磁石型・斜め２極を含む多極電磁石型・短絡巻線型（かご型回転子）・軟磁性鋼型（２つのセグメントが切断されている）・軟磁性鋼（溝に永久磁石が挿入されており、回転子鉄心全体が永久磁石の特性を持つ）などがある。

特許請求の範囲の第２〜４項に記載された電気機械の磁石システムの具体例を静止状態で示す。特許請求の範囲の第２〜４項に記載された電気機械の磁石システムの具体例を静止状態で示す。特許請求の範囲の第２〜４項に記載された電気機械の磁石システムの具体例を静止状態で示す。特許請求の範囲の第２〜４項に記載された電気機械の磁石システムの具体例を静止状態で示す。

実施例１．図１は、直流電動機または直流発電機の磁石システムの端図面である。このシステムは、軟磁性型の固定子１の鉄心、直列接続され接線方向に巻取りされた固定子コイル２、コイルの端子（電気接点）３、制御装置（図示されていない）から構成される。制御装置は、電気接点４と５を通じて外部の電気ネットワーク（２線式）を、直列接続され接線方向に巻取りされた固定子コイル２と接続する。この場合、固定子１と回転子８のそれぞれの磁力線６と７は、２極型の回転子８の鉄心の中を貫き、回転子８が回転する間にほぼ一定した相対位置（ほぼ互いに垂直である）が確保できる。定常負荷の場合、回転子８のトルクが一定になる。

本電気機械での回転子８の鉄心は、永久磁石型・電磁石型・斜め２極型・短絡巻線型（かご型回転子）・軟磁性鋼型（２つのセグメントが切断されている）・軟磁性鋼（溝に永久磁石が挿入されており、回転子８の鉄心全体が永久磁石の特性を持つ）などが利用できる。この機械では、回転子８は、回転子８が最大トルクになるように、固定子１に対し配置される。電気接点４と５の近くに配置されている固定子１のコイル２（接線方向の巻取り）が、回転子８と相互作用する固定子１の磁界に影響を殆ど与えないため、制御装置によって上記コイルを固定子１の磁界生成プロセスから外すことができる。但し、上記コイルのサイズが小さい場合、生成プロセスから外さなくても良い。

定義３．固定子１の鉄心に巻取りされたコイル２のいずれかを、このコイルの軸が接線方向に配置された場合、接線方向に巻取りされた固定子コイルという。

実施例２．図２は、直流電動機または直流発電機の磁石システムの端図面である。このシステムは、軟磁性型の固定子９の鉄心、直列接続され半径方向に巻取りされたコイル１０、コイルの端子（電気接点）１１、制御装置（図示されていない）から構成される。制御装置は、電気接点１２と１３を通じて外部の電気ネットワーク（２線式）を、直列接続され半径方向に巻取りされた固定子コイル１０と接続する。この場合、固定子９と回転子１６のそれぞれの磁力線１４と１５は、２極型の回転子１６の鉄心の中を貫き、回転子１６が回転する間にほぼ一定した相対位置（互いに垂直である）が確保できる。定常負荷の場合、回転子１６のトルクが一定になる。

本電気機械での回転子１６の鉄心は、永久磁石型・電磁石型・斜め２極型・短絡巻線型（かご型回転子）・軟磁性鋼型（２つのセグメントが切断されている）・軟磁性鋼（溝に永久磁石が挿入されており、回転子１６の鉄心全体が永久磁石の特性を持つ）などが利用できる。この機械では、回転子１６は、回転子１６が最大トルクになるように、固定子９に対し配置される。

定義４．固定子９の鉄心に巻取りされたコイル１０のいずれかを、このコイルの軸が半径方向に配置された場合、半径方向に巻取りされた固定子コイルという。

実施例３．図３は、直流発電機の磁石システムの端図面である。このシステムは、斜め２極型の回転子１７、軟磁性型の固定子１８の鉄心、直列接続され接線方向に巻取りされたコイル１９、コイルの端子（電気接点）２０、上記のコイル端子と接続する制御装置（図示されていない）の電気接点２１と２２から構成される。制御装置は、固定子のコイルで発生される誘導電流を、外部の電気ネットワークの電気接点に送る。回転子の内部２３は、非磁性材料で作られている。磁力線２４と２５は、それぞれ固定子１８と回転子１７の磁力線である。

定義５．図３に示される２極型のエレメントは、中空シリンダ及び中空シリンダの内部にある２つの磁石（磁界方向が半径など斜めである）から構成される斜め２極型の回転子という。したがって、上記の斜め磁石の付いているシリンダ（中に非磁性材料が挿入されているシリンダ）を有する回転子１７は、斜め２極型の回転子という。

実施例４．図４は、交流発電機の磁石システムの端図面である。このシステムは、２極型の回転子２６、軟磁性型の固定子２７の鉄心、お互いに直列はたは逆列接続され接線方向に巻取りされた固定子コイル２８と２９、電気ネットワークに接続するためのコイル端子（電気接点）３０と３１（または３２と３３）から構成される。上記の端子は、固定子コイル２８と２９が直列接続される場合、固定子２７巻線部分の正反対側に配置するか、このコイルの点線回路がなく固定子コイル２８と２９が逆列接続される場合、隣接する。この機械では、固定子２７の磁力線３４が回転しない一方、２極型回転子の磁力線３５が回転子２６と一緒に回転する。後者の磁力線は固定子２７のコイル２８と２９において外部ネットワーク用の交流電流を誘導する。

また、電気機械は、回転子、したがって固定子の磁界が往復運動するバリエーションで実施できる（図示されていない）。周知の通り、回転子の２極型の磁石は、電流が流れる固定子コイルまたはコイルシステムの中に押されたり中から引っ張られたりする。２極型の回転子が往復運動する場合、チェーン式制御装置は、固定子のそれぞれのコイルに電流を流しながら、固定子の磁界の変化を制御する。上記の２極型の磁石は１つ以上である場合、固定子に沿ってお互いに等距離に配置され回転子の磁石システムを構成する。

電気機械の具体例１〜４（図１〜４参照）の原理は以下の通りである。

実施例１では、直流電気機械（図１）は、電動機及び発電機（回転子８が磁化されている場合）として利用できる。電気機械が電動機として利用される場合、制御装置の作用により、直流電流が外部の電気ネットワーク（２線式）から電気機械に流れる。一方、電気機械が発電機として利用される場合、直流電流が、電気機械から外部の電気ネットワークへ流れる。本電気機械においては、固定子１のコイル２の端子は、回転子８の位置による固定子１の回転磁界を作るため、制御装置の電気接点４と５と接続される。

固定子１の磁界で発生する回転の速度は、必要に応じて一定に維持したり、任意に変更できる。過負荷をかけないと、回転子８の回転磁界は固定子１の回転磁界と連動する。電気機械が電動機として利用される場合、固定子１と回転子８の各コイルに対し、直流及び交流電流が同時に流れることが可能である。

実施例２では、直流電気機械（図２）は、電動機及び発電機として利用できる。電気機械が電動機として利用される場合、制御装置の作用により、直流電流が外部の電気ネットワーク（２線式）から電気機械に流れる。一方、電気機械が発電機として利用される場合、直流電流が、電気機械から外部の電気ネットワーク（２線式）へ流れる。本電気機械においては、固定子９のコイル１０の端子１１は、回転子１６の位置による固定子９の回転磁界を作るため、制御装置の電気接点１２と１３と接続される。

実施例３では、図３の電気機械は、直流発電機である。この電気機械の斜め２極型の回転子１７が制御装置の作用により回転されると、外部ネットワークの電気接点に電圧が発生する。この電圧は、外部ネットワークにおける直流電流の生成のために利用できる。斜め２極型のエレメントは回転子の回転に必要なエネルギー量を削減するためにこの発電機に採用されており、実施例３の直流発電機の効率が大幅に改善される。

実施例４では、図４の電気機械は、交流発電機である。この機械の回転子２６が制御装置により回転されると、外部ネットワークと接続されている固定子２７の電気接点３０と３１（または３２と３３）では交流電圧が発生する。この電圧は、外部の電気ネットワークにおける交流電流の生成のために利用できる。外部の２線式ネットワークにおける電流は、上記の２つの固定子コイルで流れる電流と同じ方向の誘導電流により生じる。

現時点では、直流電動機及び発電機として利用できる試作品が完成している。現在の技術レベルでは、革新的な電気機械（低出力、中出力、高出力）の量産が可能である。

Claims

回転もしくは往復運動を行うように構成された回転子と、
複数の固定子巻線コイルを有する固定子と、
電気接点を有する制御装置と、から構成される電気機械であって
複数の前記固定子巻線コイルは、直列接続及び／または逆直列接続され、半径方向及び／または接線方向に巻き取りされたコイルシステムであり、各固定子巻線コイルには端子が設けられ、
前記制御装置は、電気接点を対応する固定子巻線コイルの端子と接続し、前記対応する固定子巻線コイルに流れる電流のチェーン制御を提供して、ある時点における、回転または往復運動を行う前記回転子の位置および磁性状態に応じて、当該電気機械内に固定子の既定の磁界を形成する
ことを特徴とする電気機械。
直流電動機または直流発電機として機能する、請求項１に記載の電気機械であって、
前記回転子には２極またはかご型または２つのセグメントが平行に切断されている軟磁性の鉄心が設けられ、
前記固定子は、軟磁性の鉄心を有し、
前記固定子巻線コイルは、直列接続され半径方向及び／または接線方向に巻取りされたコイルと、コイルの端子とから構成されており、
前記制御装置は、電気接点を固定子コイルの前記端子と接続し、ある時点における、前記回転子の位置に応じて当該電気機械内に固定子の回転磁界を形成する、電気機械。
直流発電機として機能する、請求項１に記載の電気機械であって、
前記回転子は斜めの２磁極から成り、
前記固定子巻線コイルは、直列接続され半径方向及び／または接線方向に巻取りされたコイルと、コイルの端子とから構成され、
前記制御装置は、電気接点を固定子コイルの前記端子と接続し、ある時点における、前記回転子の位置に応じて当該電気機械内に固定子の回転磁界を形成する、電気機械。
交流発電機として機能する、請求項１記載の電気機械であって、
前記回転子は、２つの磁極から成り、
前記固定子は、軟磁性の鉄心と、直列または逆直列接続され、接線方向に巻取りされた同サイズの２つの固定子コイルと、外部の電気ネットワーク（２線式タイプ）と接続するためのコイルの端子とを有し、前記２つの固定子コイルが直列接続される場合、２つの端子が固定子巻線の反対側に配置され、前記２つの固定子コイルが逆直列接続される場合、２つの端子が隣接して配置される、電気機械。