JPH11506000A - 回転式電気機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電気機械用ロータ(1)は、角度的に略等間隔に配置された複数の磁石(１３)を備え、さらに少なくとも１つのファン・ブレード(１７，１９)を備える。好ましい実施態様において、ブレード(１７，１９)はそれぞれ磁石(１３)の間に対をなして配置される。磁石はロータの表面から突出する形態の機械的手段によってロータの表面に固定され、機械的手段は例えばファン・ブレードの一部を形成する。空気はロータの中心を通ってロータに入り、磁石を冷却するように、ファン・ブレードによって半径方向外向きに送風される。空気はロータの周囲においてロータから出る。さらに、少なくとも１つのディフューザ・ディスク(１０２−図７から図１３まで)を有する電気機械が記述され、該ディスクは同心的に設けられ、かつ角度的に等間隔に配置された複数のディフューザ・フィン(１１０)を有し、該フィンはディスク上に設けられる。ディフューザ・フィンは冷却空気がロータを出た後に、それを拡散するように機能する。これは、速度エネルギを圧力に変換し、より大きなポンプ仕事効率をもたらし、故に、与えられたロータ速度に対してより多い空気流をもたらす。

Description

【発明の詳細な説明】 回転式電気機械 本発明は、複数の永久磁石をロータの周りに配置しかつステータが適当な電気 巻線を備える種類の回転式電気機械に関する。このような機械は、ステータ巻線 へ電気を供給すると直ちに回転運動を発生する電動モータとして機能することが 可能である。換言すれば、これらの機械は電気を発生する機械、すなわち交流発 電機または直流発電機として作用し、ロータに与えられる回転運動によってステ ータ巻線から電気出力を得ることもできる。 上述の種類の機械は比較的コンパクトな装置として実現可能である。小さい寸 法で高い効率が要求される１つの応用例として、自動車用交流発電機のような自 動車用発電機がある。多くの異なる交流発電機の形態が、内燃機関の発明以来、 提案されてきている。このような提案の１つが英国特許出願ＧＢ−Ａ−２１７４ ２５２に開示されている。 しかし、製造コストの低減、原材料の消費量節減、構成部材の軽量化などへの 一定の要求は、よりコンパクトでより軽量の交流発電機を必要性とすることを意 味する。これらの目的を満たす重要な改善は、角度的に略等間隔に配置される複 数の磁石と、少なくとも１つのファン・ブレードとを備える本発明の第１の態様 に基づく電気機械用ロータを提供することによって実現される。 本発明の第１の態様によるロータの形態は、以下のような複数の潜在的な利点 を提供する。 ａ）冷却空気が磁石の上を直接的に通過し、かつファン・ディスクが熱吸収源と して作用可能であるから、磁石は起こり得る最も低い温度に保持される。 ｂ）設計がコンパクトで軽量である。 ｃ）ファン・ディスクを低コストの鋼材または類似の材料でプレス加工すること が可能なばかりでなく、高温に耐えられるポリマ材料からもファン・ディスクを 成形することが可能であるから、製造コストが低い。 本発明に基づくロータは、現実的には、一般に複数のファン・ブレードを備え 、好ましくはこれらのファン・ブレードがロータの周り、例えば磁石の間に角度 的に略等間隔に配置される。 上述のロータ要素は少なくとも１枚のファン・ブレードを有する磁石保持型ロ ータとして慣例的に認識することができる。言い換えれば、上記ロータ要素は磁 石を付加した回転電機用ファンとして慣例的に認識することもできる。 以下に記述する好適な態様において、複数、例えば２枚のファン・ブレードは それぞれ隣接する磁石の間に配置される。これらのブレードは一般に半径方向に 延びるが、ファンに対して最高のポンプ仕事効率を与える溝を形成するために半 径方向を若干外れていることが好ましい。 磁石を有するロータ・ディスクは単数又は複数のファン・ブレードと一体に形 成することが可能であるが、ファン要素は磁石とともにロータ・ディスクへ結合 されるべき別設のディスクとして形成して、一体構造を形成することができる。 ファン・ブレード自身は、ロータ内部に磁石を保持または磁石の保持を助ける ように配置される。さらに、これは、他の手段、例えば接着剤によって容易に達 成される。これに代わる案として、突片のような別設の機械的手段を磁石の物理 的保持のために用意してもよい。 このように、本発明の第２の態様は、角度的に略等間隔に配置された複数の磁 石を備え、該磁石がロータの表面から突出した形態の機械的手段によってロータ の表面に固定される電気機械用ロータを提供する。上述のように、ロータの一部 を形成するブレード自身は、特に、機械的保持手段を構成する突出部分の全部ま たは一部を提供するように構成される。 本発明の第２の態様に関して、磁石をロータの表面に固定するという概念は、 ロータの表面に突出して磁石を固定する形態と、磁石をロータの表面内で個々の 凹部内に完全または部分的に配設する形態との両方を含む。 本発明の第１と第２の態様の場合、空気はロータの中心を通ってロータ内に入 り、ファン・ブレードによって磁石を冷却するように半径方向の外側に送り込ま れる。その後、空気はロータの周囲においてロータを出る。 冷却空気はロータを出た後、拡散することが望ましい。これは速度エネルギを 圧力に変換し、より大きなポンプ仕事効率をもたらす。故に、与えられたロータ 速度に対してより多い空気流をもたらす。このように、本発明の第３の態様によ り、ロータとステータとを備え、さらにロータから出た冷却空気を拡散させるた めに少なくとも１つのディフューザ・フィンを備え、ロータが複数の磁石を有す る回転式電気機械が与えられる。 本発明の第３の態様による回転式電気機械は、角度的に略等間隔に配置される 複数のディフューザ・フィンを具備することが好ましい。ディフューザ・フィン はディフューザ・ディスクの周囲に配設若しくは一体形成され、ディフューザ・ ディスクはロータとともに集中的に組み立てられる。 本発明の第３の態様の好適な実施形態において、ディフューザ・ディスクは、 好ましくはステータ上に設置される。第２のディフューザ・ディスクは、ステー タを２枚のディフューザ・ディスクの間に挟むように、ステータの他の側面上に 組み付けられる。これに代わるものとして、フィンをステータの外表面に取り付 けるか、或いはフィンをステータの外表面に一体に形成してもよい。上述の配置 のいずれかにおいて、ディフューザ・フィンはステータ用の冷却フィンとして作 用するとともにファン・ポンプ仕事効率を改善する。したがって、二つの目的に 役立つ。 もちろん、本発明は、本発明の第１及びまたは第２の態様に基づくロータを具 備する回転式電気機械にもおよぶ。さらに、本発明の第３の態様に基づく電気機 械は、本発明の第１及びまたは第２の態様によるロータを具備して構成される。 このような機械の好ましい態様は交流発電機であるが、本発明をどんな種類の、 例えば、以下に挙げられるどんな種類の回転式電気機械の形にも具体化できる。 本発明による回転式電気機械は、単一のロータと単一のステータとを具備する が、複数のステータと複数のロータとから構成してもよい。 以下に記述するような、本発明による交流発電機の好ましい態様の形態は、以 下の、多数の利点を有する。 i）スリップリングが不要であることから、コストを低減し、信頼性を高め る。 ii）電圧は電子的手段によって調節される。 iii）磁石は、低コストをもたらすボタン型標準磁石である。 iv）ロータは上述のファン配置によって冷却されるから、磁石より限界温度 の低いステータコイル内により高い温度を発生させることができる。 v）必要に応じて１又はそれ以上の位相を有するが、通常は三相らせんコイ ル巻線が使用される。プリントまたはエッチングされるらせんコイル巻線形態の 変形物として、ウエーブ巻線(wave winding)も使用できる。 vi）固定鉄芯が回転磁気回路から除去されるから、鉄ヒステリシスと渦電流 損が除去される。 本発明を、いま、以下の非限定的な好ましい態様の記述によって、かつ添付の 図面を参照してより詳細に説明する。 図１は本発明に基づく回転ディスクの斜視図を示す。 図２は図１に示す典型的な回転ディスクの分解図を示す。 図３は図１と図２に示すロータを組み込んだ本発明に基づく交流発電機の分解 図を示す。 図４は図３に示す交流発電機の変形例の平面図を示す。 図５は図４に示す線Ａ−Ａに沿う軸方向の断面を示す。 図６は本発明に基づく代替的ロータ周辺の部分断面図を示し、該ロータが磁石 保持用の一体的ファン・ブレードを有している。 図７Ａは図３と図６に示す交流発電機のステータの１つのコイル巻線を一方向 から見た場合の平面図を、図７Ｂはその軸方向の断面図を、かつ図７Ｃは同コイ ル巻線を他の方向から見た場合の平面図を示す。 図８は本発明の第３の態様に基づく電気機械用ディフューザ・フィンの斜視図 を示す。 図９は本発明の第３の態様に基づく電気機械用ディフューザ・プレートの平面 図を示す。 図１０は図９のディフューザ・プレートの側面図を示す。 図１１は２枚のディフューザ・プレート間に設置される本発明の第３の態様に 基づく電気機械用ステータの平面図を示す。 図１２は図１１のステータとディフューザ・プレートの側面図を示す。 図１３は図１２のステータとディフューザ・プレートとを組み込んだ交流発電 機の平面図を示す。 図１４は図１３に示す線Ａ−Ａを通る軸方向の断面を示す。 図１と図２は本発明によるロータ１を示す。それは、環状の主ロータ・ディス ク３を備え、その中心部分５は（図示されない）交流発電機の主軸を支える支持 リング７を除いて、空気が流れるように切り取られている。この支持リングが複 数の半径方向のスポーク１１に設けられる。 主ロータ・ディスク３に対して略相補的な環状のファン・ディスク１１は、圧 入過程によって主ロータ・ディスク３に固定される。角度的に等間隔に配置され る複数のボタン型磁石１３などは、ファン・ディスク１１に、そのディスクの主 ロータ・ディスクとは反対側の側面に接着剤手段によって固定される。 ファン・ディスク１１の外周１５はそれぞれ対をなすファン・ブレード１７， １９などを区画形成するように曲げられ、これらのブレードは互い間隔を隔てて いるが、ロータの中心から冷却空気を引き込むべく半径方向ダクト手段を区画形 成するように、それぞれの対をなすボタン型磁石１３の間に配置される。 図１と図２に示すロータは、図３に示すような、本発明に基づく交流発電機２ １内に組み込まれる。ロータ１は、第１のケーシング２７と第２のケーシング２ ９との間で、ステータ２５と同心的な中心主軸２３上に支えられる。第１と第２ のケーシング２７，２９は、主軸２３に対して第１と第２の軸受３１，３３をそ の中心にそれぞれ備える。組立体は、複数の周囲ボルト３５などによって一緒に 保持される。 図３に示すケーシングの構成はテストの目的のためだけに作られたものである 。自動車用としての生産設計については、より堅牢な、密封されたケーシング、 例えば、図４と図１３に示すようなケーシング３７が必要である。これは、（図 示されない）エンジン・ブロックまたはシャシーに固定するための取付片３９を 備える。その形態は、ロータ／ステータ組立体のいずれかの端部に、固定ディス ク４１がそれぞれ組み込まれる。軸受３１，３３は、軸受ハウジング４３，４５ 内にそれぞれ配設される。 ケーシング３７は、パッキン４９，５１によって一緒にシールされる２つの半 割りプレス成型物４７，４９で形成される。 ケーシング３７から突出する主軸２３には、駆動ベルト用プーリ５３が設けら れている。 図６は、ステータ上に磁石を取り付けるための代替的な形態を示す。この形態 において、ロータ６１はロータ・ディスク６３を備え、該ロータ・ディスク内に は対をなすファン・ブレード６５，６７等がディスクの表面６９から突出して一 体的に形成される。このようにファン・ブレードは、ディスクに取り付けられた 別設部材上に設けられるよりは、むしろ、図１から図５の実施態様での場合のよ うに、ロータ・ディスクと一体である。 角度的に等間隔に配置される複数のボタン型磁石７１，７３等は、それぞれ対 をなうファン・ブレード６５，６７間の凹部２５，２７内に配設される。 各ファン・ブレード６５，６７などは凹部７５，７７の上に突出する突片７９ ，８１と一体に形成されるため、ボタン型磁石は保持される。ボタン型磁石は、 プッシュ・スナップの嵌め合いによってそれぞれの凹部７５，７７内に配設され る。付加的な安全性のために接着剤を使用してもよい。 図３または図６に示すような、交流発電機用のステータ巻線組立体を、図７Ａ −７Ｃを参照して説明する。 巻線は、軸線に対して相対的に重なり合う三平面８１，８３，８５内に形成さ れ、それぞれ三相電気出力（Ｘ，Ｙ，Ｚ）用の接続部８７，８９，９１（それぞ れの相手接続部９３，９５，９７とともに）を備える。 各巻線は８つのコイル区分９９，１０１，１０３，１０５，１０７，１０９， １１１，１１３内にそれぞれ形成される。巻線セットはそれぞれ平面８１，８３ ，８５内で薄片支持部１１５，１１７，１１９上若しくはそれらの内部に形成さ れる。 各コイル区分９９などは同じ形状である。便宜上、ここでは、このような１つ の区分９９だけを参照して記述する。区分は、その中央１２１から周辺１２３ま での巻線を伴う、ほぼらせん形状を呈している。ステータ周辺１２７に隣接する 半径方向最外方部１２５はほぼ丸くされる。穴１３１に隣接する最内方部１２９ は、内方へ切り取られる。 図８乃至図１０を参照すると、本発明の好ましい実施態様に基づく交流発電機 は、少なくとも１枚のディフューザ・プレート１００を具備する。各ディフュー ザ・プレート１００は環状のディフューザ・ディスク１０２から形成され、その 中心部は環状穴１０４を形成すべく切り取られている。角度的に等間隔に配置さ れた３個の取付け用突片１０６はディフューザ・ディスク１０２の外周から突出 しており、各突片１０６は（図示されない）ボルトを受けるための穴１０８を備 えている。 ディフューザ・ディスク１０２の片側の表面には、角度的に等間隔に配置され る複数のディフューザ・フィン１１０が設けられている。各ディフューザ・フィ ン１１０は、一般に長方形状の案内ブレード１１２と、この案内ブレード１１２ と一体的に形成される支持部材１１４とを有し、支持部材１１４は案内ブレード １１２に対し垂直に形成される。ディフューザ・フィン１１０は、図８に示すよ うに、通常は案内ブレード１１２がディスク１０２の平面に対し垂直であるよう に、ディフューザ・ディスク１０２上に設けられる。ディフューザ・フィン１１ ０は、案内ブレード１１２が半径方向に延びるように設けることも可能である。 しかし、案内ブレード１１２は、ロータからの空気を受ける正規の角度で溝を形 成するように、半径を外れて延びることが好ましい。 図１１及び図１２を参照すると、ステータ２５は、ディフューザ・フィン１１ ０がステータ２５の外方へ向くように、２枚のディフューザ・プレート間に同心 的に設けられる。取付け用突片１０６は、ステータ２５を受けて保持する凹みを 形成するように、ディフューザ・プレート１００の背面から外方へ突出する。デ ィフューザ・プレートは、回転式電機機械の使用時に、静止状態を保つように組 み立てられる。 図１３及び図１４を参照すると、ロータ１は第１ケーシング２７と第２ケーシ ング２９との間でステータ２５と同心の中心主軸２３上に支持される。特に図１ ３から分かるように、ディフューザ・フィン１１２はひとつの方向で半径を外れ るように配置され、ロータ上のファン・ブレード１７，１９は他の方向で半径を 外れる。 このように、使用時にロータが回転すると、空気はその中心を通ってロータ内 に引き込まれる。その後、空気はファン・ブレード１７，１９によってロータの 中心から離れて半径方向の外側へ送風されて、磁石を冷却する。これは、空気が ロータの中心から離れるように送風されると、非常に高速の機械でも、ロータの ほぼ全部の構成要素を確実に冷却可能にする。最後に、空気はロータを出て、ロ ータを出た後にそれを拡散するディフューザ・フィンの方向へ送られる。これは 速度エネルギを圧力に変換し、より大きなポンプ仕事効率をもたらす。故に、与 えられたロータ速度に対してより多い空気流をもたらす。さらに、ロータは半径 方向のスポークまたはリブ上に、いわゆる”スパイダ”（放射状のアーム部分） 配置で支持されるから、比較的容量の大きい空気をロータ内にその効果的な冷却 のために送り込むことが可能になる。 このように、ロータと、特に磁石は、起こり得る最も低い温度に保持される。 また、磁石より限界温度の小さいステータ・コイル内により高い温度が発生する 。 この開示に照らして、いまや上述の実施態様の修正ならびに他の修正が、添付 のクレームによって規定されるような本発明の目的の範囲内で、当業者には明ら かとなろう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，Ｉ Ｓ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，Ｓ Ｄ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＵＡ ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 クルカーニ、サミール イギリス国、ロンドン・エスダブリュ７・ ３ビージー、イヴリン・ガーデンズ 12− 30，フィッシャー・ホール 【要約の続き】 多い空気流をもたらす。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．角度的に略等間隔に配置される複数の磁石を備え、さらに対をなす少なくと も１つのファン・ブレードを備える電気機械用ロータ。 ２．少なくとも１つのファン・ブレードは、磁石が設けられるロータの面と同じ 面から延びる請求項１記載のロータ。 ３．複数のファン・ブレードを備え、該ファン・ブレードがロータの周りに角度 的に略等間隔に配置され、且つ対をなす磁石の間にそれぞれ配置される請求項１ または請求項２記載のロータ。 ４．対をなす上記ファン・ブレードは隣接する磁石の間にそれぞれ配置され、ロ ータの中心から離れるように送風する手段を形成する請求項３記載のロータ。 ５．前記ファン・ブレードはロータ表面への磁石の固定を助けるような形状に形 成される請求項２乃至請求項４のいずれかに記載のロータ。 ６．角度的に略等間隔に配置され、ロータ表面から突出する形態の機械的手段に よってロータの表面に固定される複数の磁石を備える電気機械用ロータ。 ７．前記突出部はファン・ブレードの一部を形成する請求項６記載のロータ。 ８．磁石の各々はそれぞれの凹部内に固定される請求項６または請求項７記載の ロータ。 ９．中心駆動軸を支える支持リングを除いて中心部が切り取られたロータ・ディ スクを備え、前記支持リングは半径方向のスポーク上に設けられる請求項１乃至 請求項８のいずれかに記載のロータ。 １０．請求項１乃至請求項９のいずれかに基づくロータを備えた回転式電気機械 。 １１．前記機械が交流発電機である請求項１０記載の回転式電気機械。 １２．複数の磁石を有するロータと、ステータとを備え、さらにロータを出る冷 却空気を拡散するための少なくとも２つのディフューザ・フィンを備えた回転式 電気機械。 １３．角度的に等間隔に配置される複数のディフューザ・フィンを具備する請求 項１２記載の回転式電気機械。 １４．各ディフューザ・フィンは、中心部が切り取られたディフューザ・ディス クの周りに配設若しくはディフューザ・ディスクの周囲に一体的に形成される請 求項１２または請求項１３記載の回転式電気機械。 １５．前記ディフューザ・フィンを有するディフューザ・ディスクはロータと同 心的に設けられる請求項１４記載の回転式電気機械。 １６．ディフューザ・フィンを有するディフューザ・ディスクはステータ上に設 けられる請求項１５記載の回転式電気機械。 １７．ディフューザ・ディスクはステータが２枚のディフューザ・ディスクの間 に挟まれるようにステータの一方の側面に設けられ、各ディフューザ・ディスク は少なくとも２つのディフューザ・フィンを有する請求項１６記載の回転式電気 機械。 １８．請求項１乃至請求項９のいずれかに基づくロータを備えた請求項１２乃至 請求項１７のいずれかに記載の回転式電気機械。 １９．前記機械が交流発電機である請求項１２乃至請求項１８のいずれかに記載 の回転式電気機械。 ２０．ロータが実質的に添付の図面のいずれかを参照して上述された電気機械用 ロータ。 ２１．実質的に添付の図面のいずれかを参照して上述された回転式電気機械。