JP7269978B2 - 磁束機械 - Google Patents

Description

本開示は、回転電磁モータおよび発電機に関する。

磁石横方向磁束機械は、コイル内の電流に対して垂直（横方向）に磁束を導き、長手方向の磁束を有する標準的なブラシレス機械よりも高いトルク密度を生成することができる。そのような機械は高い電力密度を有し、モータおよび発電機の両方として使用することができる。トルクは一定のステータ（固定子）電流において極数と共に増加する。横方向磁束機械では極数が大きいため、ステータ巻線における電流の周波数は高いが、シャフト速度は低い。そのような機械は、昔からステータおよびロータ（回転子）部品の製作および組み立てを難しくしている３次元磁気回路を有する。先行技術の磁気回路の製造方法は、個々のＵ字型の磁気回路の形成を必要とする。例えば、Ｕ字型の磁気回路は、互いに積み重ねられた複数の個々のＵ字型の積層体で構成されていてもよい。その上、そのような機械の組み立ては、各Ｕ字型の磁気回路の正しい配置、位置合わせおよび離間を必要とする。先行技術で知られている別の方法は、それぞれが一連のＬ字型突起物として全磁気回路の半分を有する２つの３Ｄ積層体を構築することである。コイルの周りで互いに接合させると、磁気回路はＵ字型に完成する。この方法は複雑な３次元形状を有する積層体の構築を必要とし、磁気回路を適切に形成するために積層体の正確な回転位置合わせを必要とする。本明細書に記載されている本磁束機械は製造および組み立てが単純であり、小型であり、かつ他の新規かつ非常に有利な態様を有する。本開示に関連する先行技術は以下の表に含まれており、参照により本明細書に組み込まれる。

図面は、先行技術に対して製造および操作上の利点を有する新規な電磁回転磁束機械１０を示す。例えば、磁束密度は比較的高く、１つの極当たりの起磁力を低下させることなく極数を増加させることができ、より高い電力密度を可能にする。さらなる利点としては、高いトルク／重量比、高い電力／重量比および比較的低い銅損により効率向上を可能にする比較的短い電流経路を有する多数の極が挙げられる。

４つ以上の方向から導かれた磁束がコイルアセンブリに結合されるコイルおよび磁石の構成が開発されてきた。例えば、磁束をコイルの両側から半径方向に導くために極が向かい合った状態で配向された２つの磁石と、磁束をコイルの両側から軸方向に導くために極が軸方向を向いた状態で配向された２つのさらなる磁石が存在してもよい。さらに、巻線およびそれらの巻線内の電流が磁束機械のロータの運動の確立された円周方向を指すベクトルに垂直な平面を流れるように、コイルを配向させてもよい。

このように、磁石はコイルの異なる側面に隣接していてもよいが、全ての磁束回路は付加的に結合している。

本明細書に記載されているように独立したロータおよびシャフトに装着された磁石（電磁石または永久磁石あるいはその２つの組み合わせ）を用いれば、それらを独立して異なる周波数で、かつ／または独立してモータおよび発電機として同時に動作させることできる。これらの技術革新は、本機械の回転軸に垂直な平面に位置するコイルの向きを考慮すれば可能である。磁石およびコイルをその間の空隙を最小にして密結合した状態で回転させることにより、磁石とコイルとの間に相対運動が生じる。

例えば添付の図面の図の中に、ここに説明されている機械の実施形態が一例として示されている。図面では、同様の参照符号は同様の要素を示す。

以下の詳細な説明に係る磁束機械の斜視図である。 その斜視拡大図である。 その一実施形態の外側ロータ－磁石アセンブリの斜視図である。 その一実施形態のステータ板の立面図である。 例示的なコイルアセンブリおよびその磁石の斜視図である。 前記コイルアセンブリ、磁石、シャフトを有する支持フレームの構成の例示的な概念図である。 前記コイルアセンブリ、磁石、シャフトを有する支持フレームの構成の例示的な概念図である。 前記コイルアセンブリ、磁石、シャフトを有する支持フレームの構成の例示的な概念図である。 図６～図８と同様にさらなる構成の例示的な機械的概略図である。

図１は、機械１０がほぼ円形状であり、かつ囲い板３０とはずみ車ハウジング１７０との間は軸方向に比較的短くてもよく、それにより空間および重量が節約されていることを示す。機械１０への電気的接続は、標準的な接続ボックス２０を介してなされてもよく、機械的係合は、図６～図９に示す中心軸５に位置合わせされた１つ以上の同軸シャフトを介してなされてもよい。

図２は、実施形態に係る機械１０のいくつかの部品およびサブアセンブリを示し、それらの相対的軸方向位置を示す。図２を左から右に移動して見ると、囲い板３０、外側ロータ－磁石アセンブリ４０、ファン６０、内側ロータ－磁石アセンブリ７０、コイルアセンブリ１２０を含むステータアセンブリ１００、ロータハブ１５０、はずみ車１６０およびはずみ車ハウジング１７０が示されている。これらの部品は、機械１０の回転中心でもある一般的な軸５の周りに位置合わせされている。実施形態では、外側ロータ－磁石アセンブリ４０、ファン６０、内側ロータ－磁石アセンブリ７０、ロータハブ１５０およびはずみ車１６０は機械的に互いに接合されていてもよく、従って一緒に回転してもよい。他の実施形態では、これらの要素および他の要素のいくつかは、後で説明および図示するように、同軸シャフトの周りを独立して回転するように構成されていてもよい。実施形態では、囲い板３０、ステータアセンブリ１００およびはずみ車ハウジング１７０は回転しなくてもよく、機械的に互いに接合されていてもよく、ステータとして適所に固定されていてもよい。他の実施形態では、ステータアセンブリ１００は、一般にスリップリングモータにおいて見られるような標準的な回転式電気的インタフェースを介して接続された巻線の各位相と共に中心シャフトの周りを回転するように装着されていてもよい。従って、アセンブリ１００が機械１０のロータとして機能し、外側ロータ－磁石アセンブリ４０および内側ロータ－磁石アセンブリ７０が機械１０のステータとして機能してもよい。当業者であればこの単純な改造方法が分かるであろう。

図３に例示されているように、軸方向に位置合わせされた磁石４６および半径方向に位置合わせされた磁石４７のセットは、単一シャフトに取り付けられた外側ロータアセンブリ４０の一部として円形の固定位置に保持されていてもよい。あるいは、磁石４６、４７は、図６～図９に示す別個の機械フレームによって軸方向に位置合わせされた１つ以上のシャフトに固定されていてもよい。

図４は、ステータアセンブリ１００の円形板１１０を示し、円形板１１０は、アセンブリ７０の外側フランジ７４（図２）を受け入れるのに十分な大きさの直径の中心円形開口部１１２を有していてもよい。図６～図８に示すように、装着用スタンドオフ１１４または同様の金属製品を使用してコイルアセンブリ１２０を板１１０に固定してもよい。図６～図８では、隠れた線１１５として示されている締め具を使用してコイルアセンブリ１２０をスタンドオフ１１４に固定してもよい。

図５は、コイルアセンブリ１２０が矩形、ほぼ矩形、曲線形（ｃｕｒｖｉｌｉｎｅａｒ）、卵形または他の形状であってもよいことを示す。電気コイル１２１は、電気銅またはアルミニウムストリップなどの、巻かれたフラット形状、円形または他の形状の電気導体で作られていてもよく、コア積層体１２２内に配置されていてもよい。コア積層体１２２は、軟鉄、積層ケイ素鋼、絶縁鉄シート、カルボニル鉄、鉄粉末、フェライト、ガラス状金属または他の材料および構造であってもよい。実施形態では、コイルアセンブリ１２０は、卵形、矩形、円形または他の好適な形状であってもよい。全装備のコイルアセンブリ１２０は、図２においてスタンドオフ１１４に固定された状態で示されている。図５では、磁石４６、４７および７６はコア積層体１２２に密結合されたものとして示されている。磁束線Φ（各磁石の磁束の主要すなわち最大成分）の方向が矢印によって示されている。図５では、コイルアセンブリ１２０の右端に沿って配置された磁石は存在しないことに留意されたい。当然のことながら、磁束鎖交を最小限に抑え、かつ磁気抵抗を確実に小さくするために、磁石４６、４７、７６（および図６に示す７７）はコイルアセンブリ１２０の側面に直接隣接して配置されている。磁石４６、４７、７６または７７のいずれかまたは全ては、電気機械の技術分野では公知であるように、全ての磁石がスリップリングまたは他の回転式電気的インタフェースを利用してシャフトに直接取り付けられた状態の永久磁石または電磁石であってもよい。図５～図９ではコイルアセンブリ１２０の側端は直線状で示されているが、これらの側端は直線状でなくてもよく、磁石４６、４７、７６および７７の隣接する表面は、磁石とコイルアセンブリとの間の空隙が最小化されるように形状が一致してもよい。従って、電気の技術分野の当業者であれば分かるように、コイルアセンブリ１２０は矩形以外の形状であってもよい。参照される米国特許第６２０２８２２０号および米国特許第６２０２８２３５号に示されているように、４つ以上の磁石が機械回転中にコイルアセンブリ１２０に密結合されるように配置されていてもよい。

図６は、構造フレーム４４がコイルアセンブリ１２０の４つの側面の周りに延在していてもよく、かつ磁石４６、４７、７６および７７を密結合した位置に固定してもよいことを示す。構造フレーム４４は、連続的な円形アセンブリとして延在していてもよく、あるいは３６０°にわたって配置された一連の半径方向のスポークとして配置されていてもよく、かつ各コイルアセンブリ１２０のために１つ（またはそれ以上またはそれ以下）の前記スポーク４４を備えていてもよい。フレーム４４は中心軸５と位置合わせされたシャフト８０に固定されていてもよい。外部モータによってシャフト８０が回転すると、例えば、磁石４６、４７、７６および７７のセット全てがコイルアセンブリ１２０を通り、ファラデー電流を生成する。図６は単一のシャフトを有する機械１０を示す。

図７は、構造フレーム４４が、コイルアセンブリ１２０のいずれか１つの２つの側面の周りに延在していてもよく、かつ磁石４６および４７を、回転中にコイルアセンブリ１２０のそれぞれ１つの２つの側面に順番に密結合される好ましい位置で固定してもよいことを示す。図６に示す構成と同様に、フレーム４４は図示のようにシャフト８０に固定されていてもよい。さらなる構造フレーム７４は、コイルアセンブリ１２０の残りの２つの側面の周りに延在していてもよく、磁石７６および７７をコイルアセンブリ１２０に密結合される適所に固定してもよく、かつ図示のようにシャフト８２に固定されていてもよい。シャフト８０および８２は同軸上に位置合わせされていてもよく、回転の際に互いに独立していてもよい。モータおよび発電機の両動作において、当該シャフトは磁石の極性に応じて、同じまたは反対方向に回転してもよい。モータの動作において、当該シャフトはどちらも同じｒｐｍで回転し、発電機モードでは、電気の位相同期が維持される限り、当該シャフトは異なるｒｐｍで回転してもよい。１つの駆動されるシャフトを、入力ライン１３０において補充電流を入口電流に追加する発電機モードで機能させることができるが、第２のシャフトは入力および補充電流全体によって駆動されるモータモードで機能する。図７は２つのシャフトを有する機械１０を示す。

図８は、３つの構造フレーム４４、７２および７４により磁石４６、４７、７２、７７Ａおよび７７Ｂを固定できることを示す。この構成では磁石７７は、図示のように２つの磁石７７Ａおよび７７Ｂによって置き換えられている。フレーム４４、７２および７４は、図示のように同軸シャフト８０、８２および８４に固定されていてもよい。モータおよび発電機の両動作において、磁石の極性に応じて、当該シャフトは同じ方向に回転しても同じ方向に回転しなくてもよい。モータ動作では、当該シャフトは全て同じｒｐｍで回転し、発電機モードでは、当該シャフトは電気の位相同期が維持される限り異なるｒｐｍで回転してもよい。駆動されるシャフトを、入力ライン１３０において補充電流を入口電流に追加する発電機モードで機能させることができ、別のシャフトは入力および補充電流全体によって駆動されるモータモードで機能する。当然ながら、全てのシャフトは、異なる回転駆動装置で駆動してもよく、回転力を異なる負荷に送ってもよい。当然ながら、磁石７７を磁石７７Ａおよび７７Ｂで置き換えるように、各磁石４６、４７および７６を複数の磁石で置き換えることができる。図８は３つのシャフトを有する機械１０を示す。

図９は、４つの磁石４６、４７、７６および７７を、フレーム４４、７２、７４および７８によって４つのシャフトのうちの１つに装着することができる、シャフト８２、８４、８６および８８からなる４つのシャフトを有する機械を示す。同様の方法で、磁石４６、４７、７６および７７のそれぞれ１つを図８に示すように２つの磁石で置き換えることができる場合、８つの磁石を全て８つの同軸シャフトによって支持することができ、機械１０を使用して８つの別個の回転負荷を駆動することができる。図９は４つのシャフトを有する機械１０を示す。

同軸組み込みおよび同軸動作のために、最も内側のシャフト以外の前記シャフトは全て、図６～図９に示すように管状であってもよく、機械の技術分野で知られているように回転独立性を維持しながらそれらの互いの同軸位置および離間を維持するために、トロイダルころ軸受を備えていてもよい。これも周知であるように、当該シャフトを全て、軸５を中心にしてそれらの位置に固定するために、最も外側の同軸シャフト、例えば図９のシャフト８８は外部の軸受セットによって支持されていてもよい。

図６および図７に示すように、磁束すなわち主成分（各磁石の最大成分）の方向は、軸方向または半径方向であってもよい。機械１０の回転方向は磁束回路の向きに直交していてもよい。従って、機械１０は横方向磁束機械とみなされる。機械１０のステータ上に装着されたコイルアセンブリ１２０に対する法線ベクトルがロータの回転方向およびｒｐｍの大きさを定めることに留意されたい。

上記説明では、実施形態は複数の個々の部品として記載されており、これは単に例示のためのものである。従って、特許請求されている装置の意味および理解から逸脱することなく、いくつかのさらなる部品を追加することができ、いくつかの部品を変更または省略することができ、かつ部品の順序を再構成することができると考えられる。

ここに記載されているいくつかの実施形態は、そのような機械を、陸上および海上の乗り物、電気およびハイブリッド電気自動車、水中機、魚雷のための推進モータ、電気ヘリコプタおよび航空機のための推進モータ、エレベータ推進モータ、潮流発電機、風力発電機、一体化された始動器／発電機、ディーゼルおよび天然ガス発電機セット、および高周波低速機械などの様々な用途にとって望ましいものにする。

Claims (7)

1. 磁束機械を提供する工程ａであって、前記磁束機械は：
   ステータ；
   複数のロータであって、回転方向が前記複数のロータの中心軸を中心にして独立して回転するように構成された第１のロータおよび第２のロータを備える、複数のロータ；
   前記ステータと接続した複数のコイルアセンブリであって、前記複数のコイルアセンブリの各々が、それぞれのコイル、および第１の部分と第２の部分とを有するそれぞれのコア積層体を備え、前記複数のコイルアセンブリの前記それぞれのコイルは、前記それぞれのコア積層体の前記第１の部分の周囲に少なくとも部分的に巻かれており、前記複数のコイルアセンブリの各々が、前記複数のコイルアセンブリ内の電流が前記回転方向に対して垂直な平面に流れるように配向される、複数のコイルアセンブリ；および
   前記複数のロータと接続した複数の磁石のセットであって、前記複数の磁石のセットは前記第１のロータと接続した第１の磁石のセットおよび前記第２のロータと接続した第２の磁石のセットを備え、
   前記第１のロータは第１の軸および前記第１の軸に接続した第１の構造フレームを備え、前記第１の軸は前記中心軸を中心に回転するように構成され、前記第１の構造フレームは前記第１の軸から前記複数のコイルアセンブリに向かって延在し、前記第１の磁石のセットにおける各磁石が前記第１の構造フレームに接続することによって、前記第１の磁石のセットにおける各磁石が、前記複数のコイルアセンブリの第１の側面に向かって周方向に面して隣接して配置され、
   前記第２のロータは第２の軸および前記第２の軸に接続した第２の構造フレームを備え、前記第２の軸は前記中心軸を中心に回転するように構成され、前記第２の構造フレームは前記第２の軸から前記複数のコイルアセンブリに向かって延在し、前記第２の軸は、前記第１の軸に対し相互に自由回転し、かつ前記第１の軸と同軸となるように位置合わせされ、前記第２の磁石のセットにおける各磁石が前記第２の構造フレームに接続することによって、前記第２の磁石のセットにおける各磁石が、前記複数のコイルアセンブリの第２の側面に向かって周方向に面して隣接して配置され、前記第１の磁石のセットの磁石および前記第２の磁石のセットの磁石は回転方向に対し磁束が直交するように配向され、前記複数のコイルアセンブリの各々の前記それぞれのコア積層体の前記第２の部分は、前記それぞれのコイルの前記第１の側面と、前記第１の磁石のセットに由来する磁石との間に位置することによって、各コイルアセンブリの前記コイルが、前記コイルアセンブリの前記コア積層体の前記第１の部分と、前記コイルアセンブリの前記コア積層体の前記第２の部分との間に位置する、工程ａ；
   第１の周波数で前記第１のロータを駆動する工程ｂ；
   前記第１のロータと電気の位相同期を維持しつつ、第２の周波数で前記第２のロータを駆動する工程ｃであって、前記複数のコイルアセンブリのうち少なくとも１つに流れる電流を生じさせる、工程ｃ
   を備える方法。
2. 前記第１の周波数は、前記第２の周波数とは異なる、請求項１に記載の方法。
3. 前記工程ｂの前記第１の周波数で前記第１のロータを駆動する工程によって、前記複数のコイルアセンブリのうち少なくとも１つのコイルアセンブリに流れる第１の電流を生じさせる、請求項１に記載の方法。
4. 前記工程ｃの前記第２の周波数で前記第２のロータを駆動する工程によって、前記複数のコイルアセンブリのうち少なくとも２番目のコイルアセンブリに流れる第２の電流を生じさせる、請求項３に記載の方法。
5. 前記第１の電流と前記第２の電流の間の電気の位相同期は、前記第１のロータが前記第１の周波数で駆動され、前記第２のロータが前記第２の周波数で駆動されるように維持される、請求項４に記載の方法。
6. 前記複数のコイルアセンブリの各々がそれぞれのコアを中心に巻かれたコイルを備える、請求項１に記載の方法。
7. ステータ；複数のロータ；複数のコイルアセンブリ；および複数の磁石のセット、を備える磁束機械であって、
   前記複数のロータは前記複数のロータの中心軸を中心に回転方向に回転するように構成され、前記複数のロータは前記回転方向に前記中心軸を中心に互いに独立して回転するように構成された第１のロータおよび第２のロータを備え、
   前記複数のコイルアセンブリは前記ステータに接続し、前記複数のコイルアセンブリの各々が、それぞれのコイル、および第１の部分と第２の部分とを有するそれぞれのコア積層体を備え、前記複数のコイルアセンブリの各々の前記それぞれのコイルは、前記それぞれのコア積層体の前記第１の部分の周囲に少なくとも部分的に巻かれており、前記複数のコイルアセンブリの各々が、前記複数のコイルアセンブリ内の電流が前記回転方向に対して垂直な平面に流れるように配向される、複数のコイルアセンブリ；および
   前記複数の磁石のセットは前記複数のロータに接続し、前記複数の磁石のセットが前記第１のロータに接続した第１の磁石のセットおよび前記第２のロータに接続した第２の磁石のセットを備え、前記第１の磁石のセットの各々の磁石は前記複数のコイルアセンブリの第１の側面に向かって周方向に磁束を方向付けするように構成され、前記第２の磁石のセットの各々の磁石は前記複数のコイルアセンブリの第２の側面に向かって軸方向に磁束を配向するように構成され、前記複数のコイルアセンブリの各々の前記それぞれのコア積層体の前記第２の部分は、前記それぞれのコイルの前記第１の側面と、前記第１の磁石のセットに由来する磁石との間に位置することによって、各コイルアセンブリの前記コイルが、前記コイルアセンブリの前記コア積層体の前記第１の部分と、前記コイルアセンブリの前記コア積層体の前記第２の部分との間に位置する、磁束機械。

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