JP6917363B2 - 単極複合型非同期モータ - Google Patents

Description

本発明は、電気コイルが回転せずその構造体が単極複合型である、かご形非同期回転電気機械に関する。

非同期誘導モータは、多相固定子及び回転式かご形回転子を含むことが知られている。場合によっては、回転子は、多相巻き線で製作される。機械によって付与されるトルクは、電機子電流に直接比例し、これは冷却されない回転子の激しい加熱を引き起こす。

本発明は、回転子ケージを含む種々のモータのコイルを、静止しているので伝導冷却が容易な固定子に取り付けることによる、この回転子の加熱に対する解決策を提示する。

本発明の記載において、用語「電磁電機子」は、連続成分及び／又は交番成分から成る磁束を発生する固定子を指す。発生した磁束は、方向軸ｚの周りでかつ軸ｚに直交するｘ−ｙ平面における実質的に半径方向で、空隙面と呼ばれる実質的に環状面のレベルで電磁電機子から出て行く。

この電磁電機子には、随意的に直流成分を有する交流電流が供給される。単一電機子とすること、又は多相機械を形成するために回転軸に対して並列様式で組み合わされた複数の電磁電機子を備えることができる。この電磁電機子は、回転電気機械の固定子を形成する。これは、環状、中空又はその中心が中実であり、電気巻き線を受け取ることができ、さらに数Ｎｐｐの磁極対を含む。この数は、空隙面を通る軸ｚの半径方向における、流入磁束（Ｓ極）及び流出磁束（Ｎ極）の交番対の数に対応する。

本発明の説明において、用語「空隙面」は、軸ｚを有する円柱を指し、回転子と固定子との間の磁気相互作用の平均表面に対応する。

本発明に説明において、ｚで示される軸は、電気機械の回転軸に対応し、ｘで示される軸は、軸ｚ上に中心が置かれた円柱の接線方向に対応し、ｙで示される軸は、軸ｚに中心が置かれた円板の半径方向に対応する。用語「極平面」は軸ｚに直交する平面を指す。

本発明に説明において、用語「磁極」は、電磁電機子１１及び１２の外周領域に対応し（図１ａから１ｃを参照）、ここでは磁束は、Ｎ磁極Ｎにおいて電磁電機子１１、１２に対して実質的に半径方向に相当する方向に流出し、Ｓ磁極Ｓにおいて電磁電機子１１、１２に再流入する。磁束は、少なくとも部分的に空隙面を横切る。

本発明の説明において、用語「ＳＭＣ粉体」は、これを形成する個別の粒子の部分的電気絶縁性によって特徴付けられる鉄粉を指し、例えば、Ｈｏｇａｎａｓ社から販売されているＳＭＣ粉体である。この粉体は、網羅的ではない以下に記載の方法のうちの１つを用いて圧縮される。すなわち、常温又は高温圧縮鉄粉、熱硬化の常温又は高温圧縮鉄粉、フェライト、焼結鉄粉である。ＳＭＣ粉体に施工されるプロセスにより、磁路を得ることができ、これにより渦電流損失が低減されて等方性磁気特性となる。

本発明は、単相又は２相機械を説明する。明らかに、２相を含む多相機械は、本発明に適合する複数の単相機械を同じ回転軸に沿って軸方向に積み重ねることで製造することができ、適用できる場合は複合機械を形成するために磁性部品及びコイルでこれらを接続する。

本発明によれば、回転電気機械は、少なくとも１つの固定子及び少なくとも１つの回転子を含み、回転子は、回転子と固定子との間の空隙内に配置された磁束戻し部品（magnetic flux return parts）を有し、磁束戻し部品は、磁束又は電気のいずれも伝達しない支持部で一緒に支持され、固定子は、
−軸方向ｚにおいて軸方向に沿って配置され、軸ｚ上に実質的に中心が配置される少なくとも一対の固定された電磁電機子であって、これら電磁電機子の一方又は他方が空隙内で実質的に交番する磁束（alternating magnetic flux）を発生させる少なくとも１つの電機子コイルを受け入れる、電磁電機子と、
−電機子を接続し、且つ、軸方向ｚにおいて電機子の各々の全ての向かい合う磁極の間で実質的に、磁束が軸方向ｚにおいて電機子の間で循環する磁性シムであって、空隙の反対側で、その環状面上で電機子に接触した状態で配置される、磁性シムと、
−空隙と磁性シムとの間に配置され、直線状の又はねじれた（twisted）環状誘導コイルと、
で形成される。

可能性のある１つの構成によれば、電機子のうちの少なくとも一方は、フィールドヨークを備え、フィールドヨーク上には突出部が配置され、突出部の自由端は、空隙の側面に位置し、突出部にはコイルが巻回されている。

例えば、コイルは、１つの突出部から他の突出部へと交互に通過するか、又は突出部の各々の周りで巻回され、次に後続の突出部に接続される。

１つの可能性によれば、電機子の少なくとも１つは、極平面ｘ−ｙに配置されかつ軸ｚの方向に実質的に並列様式で積み重ねられた積層体から形成された磁気フィールドヨークを含むことができる。

突出部は、空隙に最も近い、フィールドヨークの軸ｚを有する円筒面上に実質的に均等に配置されたキノコ部として形成され、キノコ部は、平面ｙ−ｚに配置され、回転磁極方向θにおいて又は接線方向ｘにおいて又は回転軸ｚに実質的に直交する可変方向において、実質的に互いに平行に積み重ねられた積層体で形成され、キノコ部は、フィールドヨークと空隙との間に配置され、軸ｚを有する実質的に環状の機械的相互作用面上においてフィールドヨーク上に配置され、キノコ部は、コイルを受け入れる凹部を含む。

１つの可能性のある構成によれば、環状誘導コイルには直流が供給される。

１つの可能性によれば、さらに磁性シムは、軸方向ｚの交番磁束の伝達を可能にするリングを形成するために、ＳＭＣ粉体又は実質的に極平面に配置されて極方向θに沿って積み重ねられた積層体などの交番磁束を受け入れる磁性材料から作ることができ、各電機子の各電機子コイルは、独立して短絡（short-circuit）接続されるか又は直列及び短絡接続されて、次に環状誘導コイルに交流電流が供給される。

もしくは、この電機子コイルは短絡ケージで置き換えることができる。

最後に、本発明は、軸方向ｚにおいて複数の前述した回転電気機械の組立体を備える回転電気機械に関する。

本発明は、添付の図面を参照して以下に詳細に説明される。

同極複合機械を示す。 同極複合機械を示す。 同極複合機械を示す。 キノコ型歯を利用する同極複合機械の特定の実施形態を示す。 爪型歯を利用する同極複合機械の１つの特定の実施形態を示す。

図１ａから１ｃに示すように、いわゆる反転バージョンで提示される、すなわち外部回転子を備えた非限定的な実施例を構成する同極複合モータ１０は、少なくとも１つの固定子及び少なくとも１つの回転子を含む。回転子は、該回転子と固定子との間の空隙内に配置された磁束戻し部品１３を含む。本発明によれば、これらの部品は、磁束又は電気のいずれも伝達しない支持部で一緒に保持される。

固定子は、以下の要素から形成され、これらは図１ａから１ｃに示されている。
−軸方向ｚにおいて軸方向に配置されかつ実質的に軸ｚ上に中心を置いた少なくとも一対の固定された電磁電機子１１及び１２。電磁電機子のどちらか一方は、空隙内で実質的な交番磁束を発生する少なくとも１つの電機子コイル（後続の図面を参照）を受け取る。
−電機子１１及び１２を接続する磁性シム１５。磁性シム中で磁束は、実質的に電機子１１及び１２の各々の全ての対向する磁極の間で軸方向に循環し、好ましくは、磁性シム１５は、空隙面の反対側のそれらの環状面上で、電機子１１及び１２と接触した状態で配置される。
−空隙と磁性シム１５との間に配置された直線状の又はより合わせた環状誘導コイル１４。

特に経済的な実施形態において、磁性シム１５は、中実軟鋼又は中実強磁性材料のいずれかで製作される。
１つの特定の実施形態によれば、磁束戻し部品１３の支持部は、非磁性又は磁性ステンレス鋼で製作される。

この磁束戻し部品１３は、交番成分及び／又は連続成分から成る磁束を伝達し、このことは特定の実施構成を与える。例えば、積層体の第１の実施形態において、この磁束戻し部品１３は極平面ｘ−ｙに配置され、実質的に回転方向θに変位して環状に並べられる。第２の実施形態によれば、この磁束戻し部品１３はＳＭＣ粉体を用いて製造される。これは、電磁電機子１１及び１２から放出される磁束を、好ましくは内部で過度の磁気飽和を引き起こすことなく伝達するようになった極平面における断面で特徴付けされる。この磁束戻し部品１３の数は、電磁電機子１１及び１２の磁極の半分に等しく、これらは実質的に一定の様式で互いに角度オフセットしている。

好ましくは、電磁電機子１１及び１２は、同一であり同じ数の磁極を含む。図１には示されていないが、電磁電機子において交互のＮ極及びＳ極の発生は、コイル及び電磁電機子の特定の幾何形状によってもたらされる。この幾何形状は、第１の実施形態では、突出極（電機子が単相磁束を発生する）で特徴付けされ、第２の実施形態では、平滑極（電機子が等価な回転電磁場に相当する３相磁束を発生する）で特徴付けされる。

電磁電機子１１及び１２は、図１ｃの１０ａで示すように角度θａ（極平面において）だけ互いに角度オフセットしている。この角度θａは、電磁電機子１１のＳ磁極Ｓ上に見える平面ｘ−ｙにおける目印と、電機子１２の最も近いＳ磁極Ｓ上に見える平面ｘ−ｙにおける目印との間の角度オフセットで定義される。

第１の実施形態によれば、電機子１１及び１２は反対の状態であり、角度θａ＝１８０°に対応する。第２の実施形態において、電機子１１及び１２はもはや反対の状態にはないが、１８０°以外の角度でオフセットする。θａ＝１８０°の場合は、例えば、電機子１１及び１２が突出極タイプであれば単相同期モータに対応する。θａ＝９０°又はθａ＝２７０°の場合は、例えば、電機子１１及び１２が突出極タイプであれば２相同期モータに対応する。

電磁電機子１１及び１２の励磁コイル（図１ｃには示されていない）は、実質的に交番電流が供給され、その周波数は、回転子の回転数に同じ極ペアの数Ｎｐｐを乗じたものに実質的に等しく、回転子の機械的位置に関連するその時間相は、回転子の発生トルクを最適にするように計算される。

同極複合モータは、回転するコイル及び磁石を含んでいないので特に興味深い。これにより、誘導コイルによる漏出の結果、誘導コイル１４の励磁電流を低減することで、高い過速度性能でもってＢＬＤＣ同期モードで作動することができる。

１つの特定の実施形態において、磁性シム１５は、軸方向ｚに磁束を発生させる環状磁石に置き換えられるか又はこれが追加される。従って、随意的に励磁コイル１４をなくすことが可能になる。

同極機械１０を形成する全ての磁性部品は、カット及び積み重ねられた強磁性積層体又はＳＭＣ粉体のいずれかで生成することができる。１つの経済的な実施形態において、磁性シム１５は、代わりに鋼又は軟鉄などの中実磁性材料で作ることができる。

電機子１１及び／又は１２の１つの特定の実施形態２０において、図２に示すように、電磁電機子１１又は１２のうちの一方及び／又は他方は、電磁場ヨーク２８で構成され、その上に突出部２６が配置され、この突出部の自由端は空隙の側面に位置し、その周りには電機子コイル２７が巻回される。電機子コイル２７は、１つの突出部２６から他の突出部へ交互にサイドを替えて移動するか、又は突出部２６の各々の周りに巻回された後に隣の突出部２６に接続される。

この図２の実施形態２０において、好ましくは、磁束戻し部品１３は、実質的に磁極突出部２６の角度長さに等しい（空隙と一致して）、磁極角度方向θにおける極長さを有する。この特定の実施形態２０において、磁束戻し手段１３は、好ましくは、空隙と一致する円筒面における磁極突出部２６の断面に実質的に等しい極切断面における断面を有する。
特定の実施形態２０において、電機子１１及び１２は、金属薄板又はＳＭＣ粉体の爪で製作することもできる。

図３に示すように、電機子１１及び／又は１２の他の実施形態３０において、電磁電機子１１又は１２のうちの一方及び／又は他方は、以下で構成される。
−極平面ｘ−ｙに配置されかつ方向ｚにおいて実質的な並列様式で積み重ねられた積層体３６から形成された電磁フィールドヨーク３８、
−このフィールドヨーク３８の軸ｚを有する空隙に最も近い円筒面上に実質的に均等な様式で配置されるキノコ部３５。キノコ部３５は、平面ｙ−ｚに配置され、回転磁極方向θで又は接線方向ｘで又は回転軸ｚに実質的に直交する垂直方向で、実質的に並列様式で積み重ねられた積層体３３で形成される。このキノコ部３５は、フィールドヨーク３８と空隙との間に配置され、実質的に軸ｚを有する環状の機械的相互作用面上のフィールドヨーク３８上に配置される。好ましくは、キノコ部は、電機子コイル２７を受け取る凹部３９を含む。

この特定の実施形態３０において、本発明の説明を簡潔にして他の実施形態の説明との一貫性を保つために、角度θａは、キノコ部３５の放射対称の中心から測定され、その極平面における平らな面（ｐｌａｎｅ ｆａｃｅ）は減少する縦座標ｚの方向に向きが定められる。θａの定義に適合する何らかの他の定義は、依然として有効である。

この特定の実施形態３０において、回転電気機械の磁束は、回転子及び固定子を同時に横切る形式であることが分かる。
特定の実施形態２０及び３０において、フィールドヨーク２８及び／又は３８は、第１の事例では環状であり、第２の事例では円板形である。

本発明は、実際には、ＢＬＤＣ同期モードで作動しその誘導コイル１４に直流が供給される同極複合モータ１０又は２０又は３０を、同極非同期機械に変形することを提案する。本発明は、特定の実施形態２０又は３０における機械１０と同じ構造を利用する。本発明は、特定の実施形態１０、２０、及び３０において以下の明らかな差異によって特徴付けされる。
−磁性シム１５は、軸方向ｚの交番磁束の伝達を可能にするリングを形成するために、ＳＭＣ粉体又は実質的に極平面に配置されて極方向θに沿って積み重ねられた積層体などの交番磁束を受け入れる磁性材料から作られる。
−実施形態１０の電機子１１及び１２の電機子コイル、又は実施形態２０又は３０の電機子コイル２７は、独立して短絡接続され、他の実施形態において、これらは直列接続及び短絡接続され、別の実施形態において、各電機子コイル２７は、従来の誘導機械と同様に短絡ケージで置き換えられる。
−モータに電気エネルギを供給するために、励磁又は誘導コイル１４には交流電流が供給される。

得られた機械は、従来の誘導機械と全く同じ様式で作動する非同期誘導機械である。前述のように、多相機械は、本発明の複数の機械を軸方向に組み合わせることで構成される。二重電力供給非同期機械の作動モードは、電機子及びフィールドコイルに同時に交流電流を供給することで得られる。

本発明の説明は、全体にわたって、空隙面が回転軸ｚに中心が置かれた円柱である回転電気機械に言及する。空隙面が回転軸に中心が置かれた環状又は中実円板である円板形機械への本発明の置き換えは、適切な設計対称性を用いる当業者には明らかな方法で実行され、例えば、これは半径方向磁束を接線方向磁束、又はその逆に入れ替えるものである。

本発明の前記の説明は、軸トルク−速度カーブの４つの作動四分円に説明される、結果として、モータ、発電機、及び制動モード、及び正方向及び負方向における回転機械の全ての作動モードにさらに広がる。

本発明は、図示の外部回転子構成だけをカバーするのではなく、内部回転子を備えた構造もカバーする。一方から他方への通路は、空隙面の周りに中心が置かれた放射対称を利用して従来技術で説明されるように、空隙面に関連してミラー効果で達成される。

本発明による回転電気機械の説明は、極軸ｘに沿った次元を直線次元に広げる適切な置き換えを実施することで、直線電気機械に広がり得ることを理解されたい。

本発明を構成する一部の又は全ての強磁性体部品は、何れの場合においてもＳＭＣ粉体から作ることができる。

本発明の電気機械は、金属薄板爪又は取り外し可能な歯状電機子を含むことができる。本発明の電気機械は、開ループ電圧制御アルゴリズムで制御するこができ、さらに随意的にそのコーダのノイズを低減する方法を組み込むことができる。本発明の電気機械は、シリコーンに基づく高温断熱プロセスを利用して断熱することができる。

本発明に関連して説明した全ての要素は、任意数の電気位相及び電磁極を含む他の回転又は静止電気機械に提供することができる。本発明は、記載される実施形態に限定されず、請求項に定義される保護範囲を維持しながら当業者には明らかな何らかの変更形態又は変形形態に広がる。

１０ モータ
１１ 電機子
１２ 電機子
１３ 磁束戻し部品
１４ 誘導コイル
１５ 磁性シム

Claims (9)

1. 少なくとも１つの固定子及び少なくとも１つの回転子を含み、前記回転子が、該回転子と前記固定子との間の空隙内に配置された磁束戻し部品（１３）を有する回転電気機械であって、
   前記磁束戻し部品（１３）は、磁束又は電気のいずれも伝達しない支持部によって支持され、
   前記固定子は、
   −軸方向ｚにおいて軸方向に沿って配置され、軸ｚ上に実質的に中心が配置される少なくとも一対の固定された電磁電機子（１１、１２）であって、これら電磁電機子（１１、１２）の一方又は他方が前記空隙内で実質的に交番する磁束を発生させる少なくとも１つの電機子コイル（２７）を受け入れる、前記電磁電機子（１１、１２）と、
   −前記電機子（１１、１２）を接続し、且つ、軸方向ｚにおいて前記電機子（１１、１２）の各々の全ての向かい合う磁極の間で実質的に、磁束が軸方向ｚにおいて前記電機子（１１、１２）の間で循環する磁性シム（１５）であって、前記空隙の反対側で、その環状面上で前記電機子（１１、１２）に接触した状態で配置される、前記磁性シム（１５）と、
   −前記空隙と前記磁性シム（１５）との間に配置され、直線状の又はねじれた環状誘導コイル（１４）と、
   で形成される、回転電気機械。
2. 前記電機子（１１、１２）のうちの少なくとも一方は、フィールドヨーク（２８、３８）を備え、前記フィールドヨーク（２８、３８）上には突出部（２６、３５）が配置され、前記突出部（２６、３５）の自由端は、前記空隙の側面に位置し、前記突出部（２６、３５）にはコイル（２７）が巻回されている、請求項１に記載の回転電気機械。
3. 前記電機子コイル（２７）は、１つの突出部（２６）から他の突出部（２６）へと交互に通過するか、又は前記突出部（２６）の各々の周りで巻回され、次に後続の前記突出部（２６）に接続される、請求項１から２のいずれかに記載の回転電気機械。
4. 前記突出部は、空隙に最も近い、フィールドヨーク（３８）の軸ｚを有する円筒面上に実質的に均等に配置されたキノコ部（３５）として形成され、前記キノコ部（３５）は、極方向θにおいて又は接線方向ｘにおいて又は回転軸ｚに実質的に直交する可変方向において、実質的に互いに平行に積み重ねられ、且つ平面ｙ−ｚに配置された積層体（３３）で形成され、前記キノコ部（３５）は、前記フィールドヨーク（３８）と前記空隙との間に配置され、軸ｚを有する実質的に環状の機械的相互作用面上において前記フィールドヨーク（３８）上に配置され、前記キノコ部（３５）は、前記コイル（２７）を受け入れる凹部（３９）を含む、請求項２に記載の回転電気機械。
5. 前記電機子（１１、１２）の少なくとも一方は、ｘ−ｙ平面に配置され、且つ、軸ｚにおいて実質的に平行な態様にて積み重ねられた積層体（３６）から形成される、磁気フィールドヨーク（２８、３８）を含む、請求項２から４のいずれかに記載の回転電気機械。
6. 前記環状誘導コイル（１４）には直流が供給される、請求項１から４のいずれかに記載の回転電気機械。
7. 前記磁性シム（１５）は、内部で軸方向ｚの交番磁束を伝達できるリングを形成するために、ＳＭＣ粉体、又は、実質的に極平面に配置されて極方向θに沿って積み重ねられた積層体のような、交番磁束を受け入れることができる磁性材料で作られており、
   −前記電機子（１１、１２）の前記電機子コイル（２７）は、独立して短絡接続されるか又は直列にて短絡接続される、或いは
   −前記環状誘導コイル（１４）には交流電流が供給される、
   請求項１から５のいずれかに記載の回転電気機械。
8. 前記電機子コイル（２７）の各々は、短絡ケージで置き換えられる、請求項１から７のいずれかに記載の回転電気機械。
9. 軸方向ｚにおいて請求項１から８のいずれかに記載の複数の回転電気機械の組立体を備える回転電気機械。

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