JPH03501679A - 回転電気機械 - 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】 回転電気機械 この発明は請求項１のプリアンプルに記載される種類の回転電気機械に関する。

この発明の目的はそのような機械を提供し、かつさらにその容積および重量に関 して高いトルクを発生するモータを特に提供することである。

それらの重量および容積に関して、高いトルクを発生する現代の電気モータには 、通常永久磁石の形式での界磁極が装備される。

高品質の永久磁石は、残留消磁化の危険を伴わずに、電気機械のエアギャップに 配置され得ることが知られている。

その透磁率が空気の透磁率に近い材料からなり、かつその磁極面に対して直角に 均一に磁化される平行６面体永久磁極は、磁極のエツジ表面に沿って延在し、か つその強度が永久磁石の材料の保磁磁界強度とその磁極のエツジの高さとの積に 等しい電流を導電する電流伝導リボンと置換えられる場合と本質的に同じ態様で その周囲に作用する。磁極の周辺のエツジのまわりに仮想電流を導くこの仮想電 流導体はこれ以後エツジ導体と称することとする。このように考えると、外部か ら与えられた磁界の影響下で永久磁極に及ぼされる力は外界の影響下でエツジ導 体に及ぼされる力として理解される。お互いに逆極性を有する２つの隣接する永 久磁極の間のスペースを境界決めするエツジ導体はそれとともにエツジ電流を同 じ方向に導電する。そのような空間を貫通する外部磁界はこの空間に隣接して横 たわる２つのエツジ導体のそれらの部分で相互に等しい値の共同作動力を引き起 こす。磁界がそれぞれの磁極面の周辺内で変化する態様は力の発生に影響を及ぼ さない。

相互に逆極性を有し相互に隣接する永久磁極の列が、外部磁界が磁極面に直角に 向けられかつ磁極間の空間ごとに極性を換えるとき、磁極間の空間を貫通する外 部磁界の所与の絶対値のために最も大きい組み合せ駆動力を引き起こす。言い換 えれば、このような永久磁極の列は磁極間の空間のエツジライン、すなわち磁極 間の空間に隣接して位置する磁極エツジに現れる磁界により駆動される。この特 定の考察に関する１つの驚くべき結果は、永久磁石の所与の全体の大きさ、容積 および重量ならびに、所与の大きさの外部磁界に関しては、結果として得られる 力が磁極の間の空間の数およびそれとともに磁極の数に比例し、かつ結果的には この力は、原則的には、永久磁極の組み合わされた全体の重量および容積を変更 することなく、磁極間の空間の数、すなわち磁極の数を増やすことにより、すべ ての限界を超えて増大されることが可能である。

当然、前述の仮想エツジ導体が、大きな電流が実質的にロスを伴わずに流れるこ とが可能な事実上の超伝導体と置換えられるときにも同じ理由づけが適用され得 る。このように、原則的には、永久磁極は磁極面の円周のまわりに延在しかつ永 久磁石の材料の保磁磁界強度と永久磁極のエツジの高さとの積に対応する直流を 導電する超伝導体と置換えられ得る。

しかしながら、永久磁石を装備する今日の従来的電気モータの場合には、永久磁 石の所与の全体的容積および重量ならびに外部磁界の所与の大きさでの合力が磁 極の間の空間の数に比例しかつしたがって原則的には磁極の間の空間の数、すな わち使用される永久磁極の数を増やすことにより増大され得るという前述の状況 は限られた程度までにしか利用することが可能ではない。

現在知られている最も一般的な永久磁石のモータは、非同期または同期モータと ともに使用されるものと同じ種類の固定子の巻線を有する。このようなモータの 場合には、磁極の間の空間を貫通しかつさらに前記力の発生を引き起こす外部磁 界を発生させる上で巻線の全体の銅の横断面の部分だけが効果的であり、この部 分は存在する磁極の全体の数に反比例し、すなわちｐが永久磁極の数である、１ ／４ｐとなる。磁極の間の空間の数、すなわち永久磁極の数と、外部磁界の強度 との積はしたがって本質的には所与の全銅損での磁極の数とは無関係である。結 果的には、モータにより発生させられる特定のトルク、すなわち作動するモータ のコンポーネントの容積および重量を同時に増やすことなく、磁極の数を増やす ことにより達成され得る、容積および重量に関してのトルクにおけるそれらの改 善は固定子のヨークの高さの寸法およびコイルの端部の長さにおける可能な低減 に主に依存し、８を超える数の磁極が含まれる場合にはわずかな改善しかもたら さない。

固定子の巻線により永久磁極の間の空間で発生させられる磁界と永久磁極の数と の間の関係に関しては、各々それぞれのコイルの巻線を有する突出固定子極を装 備した永久磁石のモータが先行の文脈で議論された形式のモータと同じ特性を本 質的に有する。

結果的には、この発明の目的は回転電気機械、かつ特定的には電気モータを提供 することであり、それは永久界磁極によりまたは磁極面の周辺のまわりに延在す る超伝導コイルにより形成された界磁極により発生させられた合力が磁極の間の 空間の数、かつさらに磁極の数に比例するという先に議論した事実が、その容積 および重量に関して大変高いトルクを発生することが可能なモータを提供するよ うに、今日の従来的モータにおいて可能なよりもさらに効果的に利用されること を可能にするよう構成される。

この目的はこの発明に従い達成され、回転電気機械は添付の請求項に従い構成さ れる。

さてこの発明は添付の図面を参照してより詳細に記載され、ここでは 第１図はこの発明に従い構成されるモータの１つの実施例の概略の軸方向断面図 であり、 第２図は第１図の線■−■で破断した、第１図に示されるモータの放射方向の断 面図であり、 第３図は第１図および第２図に従う界磁極と、モータ内の前記界磁極と共同作動 する強磁性の構成要素の配列の拡大略図であり、 第４図は発明のモータ内の界磁極と共同作動する強磁性の構成要素のもう１つの 考えられる形状の拡大略図であり、第５図は界磁極および発明のモータ内の界磁 極と共同作動する強磁性の構成要素のさらなる考えられる形状の拡大略図であり 、 第６図は界磁極および発明のモータ内の界磁極と共同作動する強磁性の構成要素 のさらにもう１つの考えられる形状の拡大略図であり、 第７図は第６図に従う実施例の場合にモータの巻線に供給される電流の波形を示 す。

第１図ないし第３図に概略的に示される発明のモータの例証的な、好ましい実施 例は、全般にわたって１で示される、回転子および同軸方向に回転子を囲いかつ 全般にわたって２で示される固定子とを含む。回転子１はシャフト３を含み、そ の上にそれらの外側の円周のまわりに歯をつけられかつ、好ましくは高い体積比 抵抗の等方性強磁性材料、たとえばコロバック（ＣＯＲＯＶＡＣ）の商標名で販 売される材料で製作される、３つの相互に同一のリングまたは二重円管Ｒ１、Ｒ ２およびＲ３を含みかつ前記リングＲ１、Ｒ２、Ｒ３の間に配置された強磁性の 材料の２つのリング４をさらに含む強磁性の鉄心がしっかりと装着される。固定 子２はリングＲ１、Ｒ２、Ｒ３のものと類似した等方性強磁性の材料で製作され かつその内部表面上に交互に逆の極性の永久磁石の３つのリングまたは二重円管 ＰＬ、Ｒ２およびＲ３を保持し、前記磁極リングは回転子１上のそれぞれ歯をつ けられたリングＲ１、Ｒ２およびＲ３と対向して位置する。永久磁極ＰＬ、Ｒ２ 、Ｒ３の３つのリングの各々が交互に逆の極性で磁化された単一の永久磁石リン グを含んでもよいし、もしくはリングまたは二重円管を形成するべく結合されか つその数が磁極の数に対応するいくつかの個別の永久磁石で組立てられてもよい 。渦電流損失を低減するために、永久磁石は有利には薄くされ得る、その場合ラ ミネーションは磁界の方向と平行でかつ好ましくは周辺に延在するであろう。代 替的には、永久磁石は相互に結合され、電気的に絶縁されたグｌツインまたはロ ッドを上記と同じ目的のために含み得る。

強磁性の固定子の管５もまた磁極リングＰ１、Ｒ２およびＲ３の間に配置されか つ有利にはコイルと固定子の管の間の良好な熱接続を得るよう固定子の管５上に 装着された２つのコイルの巻線Ｌ１およびＲ２を保持する。

第２図から最もよくわかるとおり、強磁性の回転子リングＲ１、Ｒ２、Ｒ３の各 々はその間のそれぞれの空間を規定する均等にスペース決めされた歯または磁極 本体６をその周辺に有し、歯６の数は永久磁極リングＰ１、Ｒ２、Ｒ３における 磁極の対の数と一致する。

種々の磁極リングＰＩ、Ｒ２、Ｒ３および／または種々の歯を付けられた強磁性 のリングＲ１、Ｒ２、Ｒ３は、各々関連する対の磁極リングと歯を付けられたリ ングたとえばＰＬ／Ｒ１との間の相互の位置が、磁極の対の周辺の延長部分の３ 分の１に対応する角度だけ、残りの関連する対Ｐ２／Ｒ２およびＲ３／Ｒ３の各 々における磁極リングと歯を付けられたリングとの間の対応する相互位置に関し て周辺に変位されるように互いに関して周辺に変位される。

これは第３図に例により示され、そこでは磁極リングＰ１５、Ｒ２、Ｒ３が磁極 の対の３分の１に対応する角度だけお互いに周辺に変位される。当然、歯の付け られたリングＲ１、Ｒ２、Ｒ３はそのかわりに対応する態様で相互に関連して周 辺に変位され得る。代替的には、磁極リングＰ１、Ｒ２、Ｒ３および歯を付けら れたリングＲ１、Ｒ２、Ｒ３の双方が各々共同作動する対の磁極リングと歯を付 けられたリングとの間の相互の位置に関しての前述の条件を満たす程度まで相互 に関して周辺に変位されてもよい。

２つのコイルの巻線Ｌ１、Ｒ２は回転子１の回転の角位置により制御される交流 電流を供給され、したがってその周波数は回転子の速度および磁極リングにおけ る磁極の数に比例し、かつしたがって２つの巻線Ｌ１、Ｒ２における供給電流の 間の相互位相位置は対称三相システムにおける２つの位相電流の間の位相位置に 対応する。

コイルの巻線Ｌ１、Ｒ２により発生させられる外部磁界は、固定子の管５、強磁 性のリング４およびＲ１、Ｒ２、Ｒ３ならびにリングＲ１、Ｒ２、Ｒ３の歯６を 介して閉じられ、かつそれによりすでに述べられた態様ですべての磁極リングＰ １、Ｒ２、Ｒ３内の永久磁極と共同作動する。

このことが全体的な力の発生を可能にしかつさらに、磁極リングＰ１、Ｒ２、Ｒ ３における磁極の数を増やすことにより、大変効果的な態様でモータのトルクが 増大されることを可能にする。コイルの巻線Ｌ１、Ｒ２における銅の体積は大変 効果的に使用されるが、その理由はこれらのコイルの巻線がコイルの端部を含ん でおらず、これらコイルの端部が力を発生する上で有用ではなく、かつ単に損失 を引き起こす原因を構成するにすぎないからであることを理解されたい。さらに 、これらのコイルの巻線Ｌ１、Ｒ２は概略を示された導体からなるという点で、 それらは大変高いフィルファクタ（ｆ’ｌｌｌ　ｆａｃｔｏｒ　）で容品に巻か れることが可能である。

さらに、永久磁極Ｐ１、Ｒ２、Ｒ３は、外部上の好ましくは静止したモータの部 分、すなわち外の固定子上にコイルの巻線Ｌ１、Ｒ２とともに配列されることが 可能なので、実際の力の発生が起こる永久磁極の間の磁極空間はトルクの発生に 関して可能な最も長いレバーアームを与えることが可能な、回転子のシャフトか ら可能な限り最も離れた距離に置かれる。

巻線コイルＬ１、Ｒ２を電流が通らないとき強磁性のリングＲ１、Ｒ２、Ｒ３の 各々を通る永久磁束が、磁極リングＰ１、Ｒ２、Ｒ３に向かって面する歯６の表 面および／または永久磁極の個々の磁極面の実際の形状により、関連する磁極リ ングに関連しての回転子の角位置の正弦関数として変化することが引き起こされ 得る。このことは、すでに記載された共同作動する磁極リングと歯を付けられた リングの種々の対、すなわち対Ｐｉ／Ｒ１、ｐ　２／Ｒ２、Ｒ３／Ｒ３の間のす でに述べられた相互の変位と合わせて、第３図に例により示され、それぞれ歯を 付けられたリングＲ１、Ｒ２およびＲ３を通りかつ正弦関数として変化する永久 磁束の総和は、常にゼロであり、すなわち所与の歯を付けられたリングＲに入る 永久磁束は接続４を通りかつ他の２つの歯を付けられたリングＲを通って外へ出 るということを意味する。

回転子の角位置の関数として歯を付けらたれリングＲを通る永久磁束のこの正弦 変動は、たとえば永久磁極リングＰに面する歯を付けられたリングＲの歯６の各 々の表面に、正弦曲線の正の半分の期間の振幅と同じ態様で中心角の関数として 変化する軸方向の延長部分を与えることにより、達成されることが可能で、かつ 永久磁極は長方形である。

これは第４図に略図で示される。

同じ結果は、第５図に示されるとおり、永久磁極の周辺の延長部分が磁極ピッチ の３分の２にしかすぎない特に有利な実施例で達成され得る。この場合には、永 久磁極リングに向かって面する歯を付けられたリングＲの歯６の表面は正弦波の 半分の期間とその第３高調波および関連する高調波との総和と同じ態様で、中心 角の機能として変化する軸方向の延長部分を有する。言い換えれば、この態様で 進行すると、強磁性の歯を付けられたリングＲにおける永久磁束は所望の正弦曲 線に従う回転子の角度の関数として変化する。回転子角の関数としての歯６の軸 方向の延長部分のそのような有利な形状の１つの例が ０≦ｐα≦■ であり、ここで ｂ−歯の軸方向の延長部分 ｂＭ　Ａ　Ｘ−歯の最大の軸方向の延長部分。

ｐ−歯の数 α−歯を付けられたリングの中心角 １つのそのような実施例が第５図に略図で示される。このように、この実施例に よりモータのトルク発生能力を損うことなく、永久磁石の材料の３分の１を節約 することが可能になる。このことは経済的にかなりの意義を有し、というのも永 久磁石の材料は高価格であるからである。

磁極の磁極面および磁極リングに面する歯の表面のさらに考えられる形状が第６ 図に示される。この場合には、磁極の磁極面が第３図および第４図の実施例と類 似する態様で、単一の磁極ピッチに対応する周辺の延長部分ととともに長方形で あり、かつ歯を付けられたリングＲ内の歯６が、台形でかつその軸方向に変化す る表面を有する。軸方向に均一の幅である歯の表面６のこの部分は磁極ピッチの ３分の２に対応する周辺延長部分を有しかつ軸方向にテーバする台形の歯の表面 のこれらの部分が各々その磁極ピッチの６分の１に対応する周辺延長部分を有す る。コイルの巻線Ｌ１およびＲ２に供給される電流が第７図に示されるように、 正弦波形を持たず階段波形を有するとき、この形状の歯の表面６が有意に使用さ れ得る。コイルの巻線Ｌ１およびＲ２に供給されるこれら階段電流における「階 段」の各々が６０電気度に対応する長さを有する。

当然、第４図、第５図、第６図および第７図を参照して上記に記載されたちの同 じ結果が、歯を付けられたリングＲの歯６に長方形の表面を与えることによりお よび、前述の態様で、磁極リングＲ内の永久磁極の磁極面の軸方向の延長部分を 変化させることにより、達成され得る。しかしながら、これは構造的にはより有 利であるとはいえない、というのは磁石の材料からより複雑な形式をつくり出す ことが困難であるという事実により、永久磁石を長方形に製作する方がより容易 であるからである。

上記より理解されるとおり、この発明に従い構成されるモータの場合には、永久 磁極は原則的には、磁極の面のまわりに延在する超伝導コイルからなる界磁極と 置換えられ得る。

この発明の回転電気機械の他の実施例も考えられ、かつこの発明の概念から逸脱 することな（、図示されかつ記載された実施例に修正がなされ得ることも理解さ れたい。たとえば、機械の原則的な機能を変えることなく、磁極リングＰと強磁 性の歯を付けられたリングＲは場所を変えることができることを理解されたい。

同様に、コイルＬは機械の回転している部分の上に置かれることが可能で、しか しながらこの場合にはスリップリングまたは電流をコイルへ導（ための類似する 装置を備えることが必要となるであろうことを認識されたい。

この発明に従い構成される機械がより多くの数の磁極リング、歯を付けられたリ ングおよびコイルの巻線を備えることを妨げるいかなるものも原則的には存在し ない。この対の共同作動する磁極リングＰと歯を付けられたリングＲを備えても よく、そこで共同作動する磁極リングと歯を付けられたリングの対Ｐ／Ｒとの各 々が磁極の対の周辺延長部分の１／　（ｎ＋１）に対応する角度だけもう１つの 前記対に関連して周辺に変位され、かつ種々のコイルの巻線が対称（ｎ＋１）− 位相システムにおける二位相電流のための位相位置に対応する相互の位相位置を 有する交流を供給される。上記から磁極リングが磁極のいかなる所望される数を も有し得るし、かつ同様に強磁性の歯を付けられたリングがいかなる所望する数 の歯を有することも可能であることを理解されたい。

国際調査報告

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．回転電気機械であって、 お互いに関して回転自在でありかつその各々がそれぞれ強磁性の鉄心（それぞれ Ｒ、４および５）とそれぞれの部分の鉄心を分離する実質的に円筒状のエアギャ ップとを有する２つの相互に同軸の部分（１、２）を含み、そのギャップの方に 面する一方の部分（２）の強磁性の鉄心の表面がその上に交互に逆の極性を有す る磁極（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）の少なくとも３つの周辺延長部分のリングを備え、 前記磁極のリングが各々相互に同じ数の磁極を含みかつ軸方向に間隔をおいてス ペース決めされ、エアギャップの方に面するもう一方の部分（１）の強磁性の鉄 心（Ｒ，４）の表面が、その上にその間の空間（７）を規定する歯（６）を有す る少なくとも３つの周辺に延びるリング（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３）で構成され、前記 歯を付けられたリング（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３）が前記磁極リング（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ ３）に対向して置かれかっ各々が各磁極リングにおける磁極の数の半分に等しい 数の歯（６）を含み、各関連する対における磁極リングＰと歯を付けられたリン グ（Ｒ）との間の相互の位置がその他の関連する対の各々の磁極リングと歯を付 けられたリングとの間の相互位置に関連して、磁極の対の周辺延長部分の３分の １に対応する角度だけ周辺に変位されかつ、 前記２つの対（１、２）のうちの１つが、機械軸に関して同軸でありかつ磁極リ ングおよび歯を付けられたリングの前記関連する対の間に軸方向に置かれる２本 の電気コイルの巻線を保持することを特徴とする、機械。
2. ２．２本のコイルの巻線（Ｌ１、Ｌ２）が対称な３相系における２つの位相電流 に対応する相互位相位置を有する交流を供給されることを意図されることを特徴 とする、請求項１記載の機械。
3. ３．コイルの巻線（Ｌ１、Ｌ２）と磁極リング（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）が好ましく は機械の静止した部分（２）上の、１ヶ所にかつ同じ機械部分上に配置されるこ とを特徴とする、請求項１または２に記載の機械。
4. ４．コイルの巻線（Ｌ１、Ｌ２）と磁極リング（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）とが機械の 外側部分（２）上に配列されることを特徴とする、請求項３に記載の機械。
5. ５．磁極が永久磁石であることを特徴とする、請求項１ないし請求項４のいずれ かに記載の機械。
6. ６．磁極が磁極面の周辺に延在しかつ直流を供給されるべく意図される超伝導体 からなることを特徴とする、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の機械。
7. ７．磁極リング（Ｐ）におる磁極が磁極ピッチに対応する周辺延長部分を有する 長方形の磁極面を有し、かつ歯を付けられたリング（Ｒ）における各歯（６）が 磁極リングにおける磁極ピッチに対応する周辺延長部分と正弦曲線の半分の周期 の振幅と同じ態様で中心角の関数として変化する軸方向の延長部分とを有するこ とを特徴とする、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の機械。
8. ８．磁極リング（Ｐ）における磁極が磁極ピッチの３分の２に対応する周辺延長 部分を有する長方形の磁極面を有し、かつ歯を付けられたリング（Ｒ）における 各歯（６）が磁極リングにおける磁極ピッチに対応する周辺延長部分と、正弦波 の半分の周期とその第３高調波および関連する高調波の総和と同じ態様で中心角 の関数として変化する軸方向の延長部分とを有することを特徴とする、請求項１ ないし請求項６のいずれかに記載の機械。
9. ９．磁極リング（Ｐ）における磁極が磁極ピッチに対応する周辺延長部分を有す る長方形の磁極面を有し、かつ歯を付けられたリング（Ｒ）における各歯（６） が磁極リングにおける磁極ピッチに対応する周辺延長部分と中心角の関数として 台形的に変化する軸方向の延長部分とを有し、台形の水平部分が磁極リングにお ける磁極ピッチのための中心角の３分の２に対応する中心角上に延在することを 特徴とする、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の機械。