JPH0274142A - 軸磁界型発電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は軸磁場発生装置に関する。

〔従来の技術〕

本発明の目的は、小型発電機、特にガスタービンエンジ
ンの軸に直結することが出来、そして超高速回転の可能
な高速交流発電機を提供することである。例えばコバル
トサマリウムおよびネオジウムボロン鉄のような新しい
磁気材料は比較的小型の発電機から大量の電力を発生す
るに必要な強力な磁場を発生することが出来る。この種
の発電機は小型で軽量であることが必要な生または補電
力系として使用出来る。例えば、これらは航空機におい
ては滑走用補材として、あるいは待機用発電機として使
用しうる。

〔発明が解決しようとする課題及び課題を解決するための手段〕

本発明は広義には、周辺に複数の永久磁石を配置して高
速回転の可能なディスクロータとそのロータの面から軸
方向に小さい空隙を置いて配置されるステータ巻線とを
有する軸磁場発電機を提供する。

本発明の一つの観点によれば、高速回転ｎＳ能な軸磁場
発電機は少くとも１個の永久磁石ディスクロータと、こ
のロータの面から僅かに軸方向に離れて配置されたステ
ータ巻線とからなり、このディスクロータはハブのまわ
りに等角度間隔で配置される複数の永久磁石セグメント
を有し、これら磁石がこのハブに係合し、この係合がハ
ブと磁石にまたがる予めストレスのかけられたくプレス
トレスト）外環手段により動作中維持されるようになっ
ている。

好適にはこのハブはこれら永久磁石を受けると共に永久
磁石の形に一致する一連の切欠きまたはポケットの形の
複数の放射手段を有する。

この外環手段はハブと磁石の組立体にまたがっており、
そして例えば内側のアルミニウムリングとカーボンファ
イバ織布からなる外側リングとからなる複合組立体とな
っている。この外環手段はロータ要素に加わる正規の最
大遠心力に耐えるように充分にプレストレスをかけられ
ている。これらリングはハブの中心穴に僅かに径の大き
いボスを圧入することによりあるいは実質的な縛りばね
を行うに充分なだけパブと外環手段との膨張に差を持た
せることにより組立中に予めストレスをかけてもよい。

〔実施例〕

第１図は輔磁場交流発電機を示しており、これは非常に
高速で回転するように設計された永久磁石ディスクロー
タ２を有する。このロータについては第２．３図に詳細
に示している。

ディスクロータ２はステータ４に対して回転するように
支持される。所要の電力出力によっては最小単位として
この発電機は少くとも１個のロータと少くとも１個のス
テータを有する。図示の例では５個のロータを有し、こ
れらは４個のステータと互い違いになっている。各ロー
タ２は複数の永久磁石６を支持し、そして発電機の端部
にあって永久磁石の内の最も外側の端面に当接して透磁
性材料製のキーパ−ディスク８が配置されている。

これら２個のキーパ−ディスク８は端のロータの磁石間
に閉じた磁束路をつくる。キーパ−ディスク８はロータ
２と一体となって回転するようになっており、それによ
り一定の磁界を維持すると共にヒステリシス効果および
静止手段に関連した渦電流損を回避するようになってい
る。

このロータ組立体は駆動軸１０に装着され、この軸は原
動機（図示せず）の出力軸に結合出来る。

例えば軸１０はガスタービンエンジンの軸に直結出来、
そのためにこの発電機のロータの設計回転速度は１１０
００００ｒｐまでとされる。この発電機はガスタービン
エンジン、例えば圧縮機の一体部分として設計すること
も出来る。選択的には、この発電機は、ガス発生機によ
って次々に駆動されるフリータービン段によって動かさ
れる軸によって駆動することもできる。

このロータ組立体は軸受けで支持されており、その一方
を図に一部（１４）示すハウジング内に１２で示してい
る。このハウジングの残りの部分とこのロータ組立体の
反対側の軸受は省略しである。図示の例は、達するスピ
ードに依存する代りのものとして好適な回転エレメント
ベアリングを有しているものの、高速回転を行うために
このロータ組立体は好ましくは空気軸受けで支持される
。

ある装置にとっては浮動ブツシュタイプのベアリングが
好適であろう。

第２図は永久磁石ロータの端面を（ａ）で、ロータの断
面を（ｂ）で示している。第２図（ａ）において、ロー
タ２はへ方星の形のアルミニウムブロックから形成され
たハブ１６を有する。このハブの８個のリムはそれらの
間に切欠きまたはポケットを形成しており、それらにロ
ータ段の８個の永久磁石が入るようになっている。隣接
するリム１８の接合面２０と２２は実質的に直角である
内角をもっている。この内角部はそこでのストレスの集
中を避けるために鋭角とはされず曲率をもたされている
。

永久磁石６はほぼ三角形であり、夫々ハブの内角と同様
に丸味のついた直角のコーナ部を有する。

磁石６の寸法は夫々の磁石がハブのポケットに入るよう
にハブのポケットの寸法に対応している。

各磁石の高さは、８個の磁石がハブに組込まれたときに
外周面２３がハブのリム１８の端部よす出るようにポケ
ットの半径方向の深さより僅かに大きくなっている。こ
れら周面２３は同じ直径の円に沿った曲面となっている
。

磁石６とハブ１６のリム１８間に形成されるポケットの
係合はこの組立体にまたがる予めストレスのかけられた
（プレストレスト）外環手段２４により積極的に維持さ
れる。外環手段２４の内径は外環手段２４が圧入である
が締りばめであるかにより組立てられた磁石６の外面の
直径にほぼ同じかあるいは僅かに小とされる。

外環手段２４は好適には内側のアルミブロックリング２
６と外側の樹脂で補強されたカーボンファイバのリング
２８からなる複合組立体である。

最終ロータ段のアルミニウムリング２６は、最高までの
すべてのロータ速度において回転により生じる遠心力に
対抗する圧縮負荷を磁石６の外面に維持するために放射
方向の圧縮にさらされる。磁石をハブ上に保持する圧縮
力を生成するのに必要な外環張り力は、主にカーボンフ
ァイバーリングによって与えられる。アルミニウムリン
グ２６は磁石に生じる振動または共振を減衰するための
減衰手段としても有効である。そのアルミニウムリング
はその磁石とそのファイバーリングとの間に軟かい層を
有し、部分的なへこみが磁石の角に生じるストレス集中
を緩和する。圧縮力は角度をもつ面２０と２２に対する
磁石の位置をきめる。コーナ部へのストレスの集中を避
けるためにハブのリムの而２０と２２は僅かな凸に形成
されて接触領域が磁石のコーナ部から離れるようにされ
ている。あるいは面２０と２２を平らにして磁石の面を
凸にしてもよい。これらの特徴の組合せを必要であれば
用いることも出来る。

第３図において、ハブ３６は軸方向厚さの小さい８角形
のアルミニウムブロックから形成されている。磁石セグ
メント３８を受ける８個の外面４０の夫々は平らな面を
有し、その両縁に隣接する面との境界部として軸方向に
厚さをもっリブ４２が設けである。磁石セグメント３８
はそれに対応する平らな内側面、曲率をもつ外面および
半径方向の側面を有する。磁石セグメントの内面の寸法
はハブの平面４０の寸法に等しく、その外面の曲率半径
は磁石セグメントがハブに装着されたときにつくる外面
が同一の回転体表面上になるようなものである。突出し
たこれらリブ４２は磁石セグメントの半径方向側面を位
置ぎめし、そして隣接するセグメント間の狭いギャップ
が例えばエポキシ充填機で満されて磁石の相対的動きを
防止する。

第２．３図のロータのハブと磁石はすべて軸方向の厚み
が同じであり端面がそれに直角となっている。すべての
ロータ段が完全に平らで直角の端面を有するように、そ
れらは組立後に加工してもよい。アルミニウムのリブ４
２またはリム１６に適当に穴を明けそしてそれに例えば
鉛あるいは鋼のようなアルミニウムより密度の大きい材
料を充填することによりバランスを採る。

好ましくは、その複合リングは、カーボンファイバーが
巻かれたフィラメントから又は予め注入した単一方向カ
ーボンファイバーシートから構成される。ケブラー（Ｋ
ＥＶＬＡＲ）　、セラミックファイバー等のような他の
複合材料も、要求される強さが材料と両立するところに
用いられる。そのリングが熱硬化性の樹脂でつくられる
場合には磁性材料のキュリー温度を越えることのないよ
うに注意しなければならない。しかしながら好適にはこ
のカーボンファイバリング２８はアルミニウムリング２
６に予め圧入により与えられるとよい。

ハブ、磁石およびテンションリングはこのように容易に
組立てることが出来る。各ロータ段は外環２６と２８が
テンションのかかった状態となるようにハブを強制的に
膨脹させることにより予めストレスをかけられ、それに
より磁石セグメントに半径方向内向きの圧縮力が作用す
るようにする。

ハブの膨脹はその中心穴に値かに径の大きいボスまたは
プラグ４８を押し入れることにより維持される。このプ
ラグは直線クランププレスによりその位置に単純に押し
込まれてもよい。あるいは油圧法を用いて油をそう人中
の潤滑材およびノーブヘのプラグの押込みのための圧力
媒体として用いるようにしてもよい。好適なプラグはそ
の一端にスペーサ３２を形成する一体フランジを何する
ものである。

ハブの中心穴は僅かにテーパーをＨし、その穴に対応し
てテーパーを有する長いプラグを、所望の拡張が得られ
るまで圧入する。そしてこのプラグの余分の分を両側か
ら加工により除去して平らなロータ面を与える。テーパ
ーのないプラグを同じくテーパーのない穴にはめること
も出来る。このための固定法としては、序々に大きくな
るテーパー付きの一連のマンドレルを所期の拡張が得ら
れるまでハブに圧入し、適当なり法を有しそしてすでに
適当な長さに切断されたプラグを最後のマンドレルに続
いて穴に圧入する。この方法は材料経済の点で有利であ
り、これらマンドレルはくり返し使用出来る。

このプレストレスト環手段は、カーボンファイバー補強
環を水中で引き延ばすことにより、テンションがかけら
れてハブと磁石ロータ組立体にはめ込まれる。複合環組
立体は、内部寸法と別個に作られ、それによってハブ組
立体にはめ込むのが妨害されている。環手段がハブ組立
体にはめ込まれるのを可能にするため、その環が、磁石
を含むハブ組立体と共にジグ内に置かれる。水圧が加え
られてその環が伸び、環手段が、カーボンファイバー環
中に滑り込む全ハブ組立体を伸ばす。このロータの軸穴
は組立後の真の中心に形成されそして次に全体が動的バ
ランスの調整を受ける。次に数段のロータが１つの段の
ハブとプラグの共通面の端面を次段のロータのフランジ
部分の対向面に当てるようにして共通のシャフト上で一
緒に組立てられる。軸方向の圧縮を維持するための手段
がロータ組立体のいずれかの端部に設けられる。

個々のロータ段は拡張プラグのフランジとハブを通って
形成される軸穴を通りそう人されるドライブビン５８に
より互いにキー止めされる。ピン５８はエンドキャップ
８のフランジ部６０と６２に当接することにより軸方向
に動かないようにされる。あるいはシャフト１０とロー
タ２をスプラインまたは他の適当な結合手段により係合
させてもよい。

この例ではロータは狭いキャップにより隔てられており
、巻線６４−７０がロータ段と互い違いとなっている。

これら巻線は単相または多相構成の変圧器へと巻かれた
細いワイヤで形成出来るが、一般には３相出力がこの種
の機械で要求される。

ここに述べる例では巻線ループは従来の単線を多数回巻
回したものではなく多数の細線からなる線束を２〜３回
巻回して形成される。細線はワイヤ自体における渦電流
損を最少にする。また線束は線束内の渦電流の形成をな
くすために１つの巻線の夫々の半径方向リムを２〜３回
ねじって形成される。

これら静止巻線は一般に環形またはトロイド状でありロ
ータ段のスペーサ部材を囲んでいる。図示の例ではこれ
ら巻線は比較的狭く、すなイつち°軸方向の厚みが小さ
く、ロータ段間の狭いギャップに納まるようになってい
る。ロータ段間のスペースは磁石によりつくられる軸方
向磁場を受は入れるだめの要件により原則的にきまる。

このギャップが大きすぎると発電機の出力は股間磁束密
度がステータ巻線によりカバーされる領域内に入るとき
低下してしまう。

磁界の作用に関する同様の考慮が、ロータ段が互いに当
接しそして巻線がロータ組立体のいずれかの端に配置さ
れる構成にも適用される。これら巻線は環形の巻線支持
部材に巻かれそしてロータの露出端面に出来るだけ接近
して配置される。これら端面からの磁力線により磁界は
主として大きい軸方向成分を有し、そしてこれら端部配
置の巻線が軸方向において充分薄く維持されると共にロ
ータの端面に接近して維持されていれば出力損失は低く
保たれる。

この多フイラメントステータ巻線の周辺は巻線支持部材
が付希される交流機の軸のまわりに間隔を置いた７２の
ような曳数の支柱により支持される。図示の例では支柱
７４は端板５４から伸びる片持はりの形となっている。

図示のようにステータ巻線の支柱装着フランジ７６がス
ペーサスリーブ７８から下がり、ステータ間に常時正し
いスペースが維持されるようになっている。

第４図は３相多巻線ステータを示しており、便宜上その
内の１相のみの巻線を示している。各巻線は夫々絶縁さ
れた多銅線からなる。この多銅線は巻線支持部材上に１
巻回（ステッチ）として、あるいは好適には図において
同心円上に配置されたベグに巻かれる。この巻線レイア
ウトは第２図のロータに関連して動作するように設計さ
れている。

巻線ベグは３つの同心円８０，８２．８４に配置される
。最小の半径の円８０はステータ巻線の内周を限定する
。この半径は第２図の磁石６の最も内側のチップの半径
より僅かに小さい。第２の円８２の半径は磁石組立体の
周の半径と同じであり、第３の円８４はそれより僅かに
大きい半径を有する。

各巻線は２重層波形巻線からなり、その各アームは線を
支持するために選ばれた２つの外側の円８２と８４上の
ベグによりつ（られる１つのド・ラグレッグ部を含む。

この巻線の各ループの周辺幅は１つの磁石端面を包むに
充分なものであり、すなわち、夫々の巻線ループの切る
瞬時ピーク磁束が、最大効率を得るため、各磁石の全磁
界に出来るだけ近くなる。磁石および巻線ループの形は
それ故その目的のために選ばれる。

１つの巻線相のスタートをＸで示しており、これは８ル
ープについて時計方向に第１層をつくる。

次に巻き方向を逆にして８ループをつくり第２層とし、
点Ｙに到る。これら２つの層は１個のベグに相当するス
ペース幅だけ周辺的にずれている。

このベグスペースは位相巻線の全数で決定されるもので
あり、この例では３相であるから６層の空線となる。

上記のステータ２は６極に２ターン（巻線）を有してい
るが、１ターンでも、３ターンでも、４ターンでもよく
、要求電圧に依存する。６極のターン数が多くなると生
成される電圧が大きくなるが、電流は小さくなる。

このステータ巻線は剛性を与えるためエポキシまたは固
化しうる樹脂に全体として包み込んでもよい。選択的に
は、エポキシとセラミックの混合体が、より堅く且つよ
り熱的に安定とするために用いられる。ステータをサス
ペンドする手段はこの段階で組込むことが出来る。内部
ステータ冷却が必要な場合にはこの重畳した巻線層を部
分的にのみ包み込んで、完成されたステータに冷却空気
が拡散しうる実質的に開いた織布構造を与えることが出
来る。

この交流発電機はロータとステータを交互に積むことに
より一端側から組立てることが出来る。

これらロータには磁石セグメント３８が整合し、そして
最大磁場強度を与えるために互いに逆極性の磁極が対面
するようにして装着される。

必要に応じて強制空冷が、例えばガスタービンエンジン
のコンプレッサ部に生じた空気を導くことにより可能で
ある。冷却流体、すなわち空気はハブの中心を通り中空
の空胴への空気供給接続８５により第５．６図に示すス
テータ巻線に１」（給出来る。これらハブにはステータ
巻線の周辺のまわりに空気を吹きつけうるような半径方
向の冷却通路８２が形成される。

この基本設計の一実施例ではステータ巻線を支持する支
持部材は第５図のように外部の空気源から空気を受ける
内部冷却路８６を有する。

一つの構成（図示せず）ではステータは環Ｉ［ニの巻線
支持部材上に１層の巻線を有し、この部材の本体に複数
のほぼ半径方向の内部冷却路８６がつくられている。例
えば補強されたプラスチック構造を用いてつくられた支
持部材ではこれら冷却路はこの補強構造内に支持された
中空のストロ−であってもよい。

第５．６図に詳細に示す第１図のステータ構成では、ス
テータは、夫々環形の支持部材９２゜９４に巻かれた２
層の巻線８８．９０を含むサンドイッチ構成を何する。

これら２層は冷却路を形成するような狭いスペースを置
いて互いに接合される。

エツチングまたは印刷回路巻線についての同様な構成を
第６図に部分的に示している。

第６図において、絶縁層９８に接着したエツチングによ
る回路巻線の部分が９６で示しである。

同様にして逆方向にエツチングされて形成された巻線が
この組立体の反対側にある。絶縁層９８は冷却チャンネ
ル８６が形成される基体１００の両側に接合される。

冷却空気源はコンプレッサの中間段の圧力から駆動され
る強制空気路を与えるべくコンプレッサにより実現しう
る。あるいは、ステータとロータの相対動作によりある
程度の自己ボンピングを生じさせてもよい。ステータと
ロータの間のスペース内の空気のいく分かがロータによ
り引きづられて、半径が大きくなると低下する圧力勾配
をつくり出す遠心力によりそのギャップから排出される
。

このように空気は支持部材内の冷却路を通り吸引される
。

前記のすべてにおいて、夫々の磁石６が個別となってい
ると仮定した。しかしながら、その代りに環形の磁石を
用いることが出来る。磁化しうる材料からなる比較的壁
の厚いシリンダを用いると、それら磁石をそのシリンダ
壁の軸方向部分を選択的に磁化することにより形成され
る。前述のように、これら磁石は磁極が交互とされて、
夫々の磁化された領域１４１に第２．３図のアームに相
当する非磁化領域をつくる。

この環形の磁石は最終組立前に磁化するとよい。

しかしながら、それは磁性材料からなるから極めてもろ
くそして、圧縮には強いが、安全にストレスをかけるこ
とは出来ない。その結果、内側ハブを外側外環２６と２
８をテンションのかかった状態にするために強制的に拡
大することが出来ない。

その代り、外側環自体を拡大しそして環形の磁石にはめ
ることになる。ストレスのかかっていない環２６と２８
の直径はそれ故必要な残留応力を発生させるためにそれ
のはまる直径より小さくなくてはならない。

透磁性のキーパ−ディスク８は２重フランジ構成をもっ
て形成するとよく、その場合、内側フランジ５４が最終
段のロータ２の磁石６の端面に当接する。第２の外側フ
ランジ５６は高速同転Ｊ１：ｉに単一のフランジキーパ
−ディスクに生じる外向きの軸方向の力につり合う内向
きの、内側フランジ５４に作用する力を発生することに
より機械的な機能をはたしている。この外向きの軸方向
の力は磁石の而からフランジをはなすように曲げる傾向
があり、それにより効率を低ドさせるような望ましくな
い空隙を磁気回路に生じさせる。第２フランジにより生
じる逆の力が内側フランジ５４の内面と端のロータの磁
石の最外面との間に接触を維持する。

１２・・・中重量、１４・・・ハウジング、１６・・・
ハブ、１８・・・リム、２４・・・プレストレスト外環
手段、２６．２８・・・リング。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、少くとも１個の永久磁石ディスクロータと、各ディ
   スクロータの面から軸方向に短い距離だけ離されて配置
   されるステータ巻線と、から成り、上記各ディスクロー
   タは、複数の放射手段を備えたハブのまわりに等角度間
   隔で配置された複数の永久磁石セグメントを有しており
   、これら磁石セグメントはこれら放射手段に係合し、こ
   の係合はプレストレスドフープ手段により動作中維持さ
   れるようになっており、このプレストレスドフープ手段
   はフープと磁石をまたぎ、このフープ組立体が内側のマ
   ルミニウムリングとカーボン繊維材料からなる外側リン
   グとを含み、このフープ手段は予め形成されてハブと永
   久磁石に対する組付け中テンシルストレスのかかった状
   態にされるごとくなった、超高回転速度で動作しうる軸
   磁場発生装置。 ２、前記フープ手段ははじめにプッシュフィットとして
   形成され、そして比較的にテーパーのついたボスを前記
   ハブの中心穴に押し込むことによるハブの拡大によって
   ハブと磁石に対する組付け中ストレスを与えられるごと
   くなった請求項１に記載の発生装置。 ３、前記ボスが水圧法により前記ハブに押し込まれるご
   とくなった請求項２記載の電力発生装置。 ４、前記フープ手段はハブと磁石への干渉フィットとし
   て形成され、そして組付けはハブとフープ手段の熱膨張
   の差により行われるごとくなった請求項１記載の発生装
   置。 ５、一体として回転しうる複数のロータ段を含み、前記
   永久磁石は、夫々の磁極がそれとは逆の極性の磁極と隣
   接し、透磁性キーパーディスクがロータ段と一体に回転
   する機械のいずれか一方の軸端に配置されるごとくなっ
   た請求項１乃至４の１に記載する発電機。 ６、複数のステータ巻線段がロータ段と互い違いに配置
   され、各ステータ巻線段がその周辺に装着される手段に
   より支持される剛性をもつ自己支持構造を形成するため
   に少くとも部分的にモールドされた環形の自己支持形多
   線芯なし巻線からなるごとくなった請求項５記載の発電
   機。 ７、複数のステータ巻線段がロータ段と互い違いに配置
   され、夫々のステータ巻線がその外周に向けて装着され
   る手段により支持される剛性をもつ絶縁基体上に支持さ
   れたエッチングまたは印刷回路である請求項５記載の発
   電機。 ８、前記ステータ巻線基体は冷却空気源と連通する内部
   冷却通路を有する請求項６または７記載の発電機。