JPH11514200A - 爪形磁極機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、ステータと、ロータと、該ロータに設けられた中実なコアに巻き付けられた励磁コイルとを備えた爪形磁極機械であって、前記中実なコアが半径方向で２つの星形の爪形磁極体の形で続いていて、該爪形磁極体が、軸方向で交互に２つの側を起点として延びる複数の爪形磁極フィンガで終わっている形式のものに関する。本発明の構成では、爪形磁極フィンガの、半径方向外側に向けられた中実な部分に、Ｕ字形の薄板が被せられており、該薄板が、渦電流を阻止する目的で軸方向で重なり合って積層されている。

Description

【発明の詳細な説明】 爪形磁極機械 爪形磁極機械は、全ての励磁磁極に、エアギャップ磁界のために必要となる励 磁を電気的に引き起こすために唯１つの磁極車コイルしか必要とされない同期機 である。爪形磁極機械は、とりわけ比較的高い磁極対数ｐのために適している。 なぜならば、その他の場合に必要となる突極構造では、複数の個別磁極コイルの ために提供されるスペースが少なすぎるからである。 爪形磁極式同期機は、小さな出力の範囲で電流を発生させるためには有利であ ると実証された機械である。唯１つの励磁コイル１は軸方向２において磁界を発 生させる。この磁界はロータ周面に設けられた各爪形磁極に分配されて、交互に 互いに内外に係合した複数の爪形磁極に基づき、エアギャップ内に、交番する極 性を有する磁界として現れる（第１図参照）。 欧州特許第０３９４５２８号明細書に基づき、磁気漏れもしくは磁気漂遊を阻 止する目的で、爪形磁極フィンガと爪形磁極歯車の磁極との間に、接線方向に作 用する永久磁石を配置することが知られている。これらの永久磁石はこの場合、 相応する設計において励磁コイルのエアギャップ磁界の形成をさらに助成する。 電気的な励磁が遮断された状態では、永久磁石の磁界 が爪形磁極歯車と爪形磁極フィンガシステムと励磁ヨークとを介して磁気的に短 絡する。すなわち、永久磁石が励磁されているにもかかわらず、エアギャップ磁 界全体が十分に調整可能となる。 しかし、比較的高い出力では、爪形磁極構造には問題がある。なぜならば、磁 気的に軸方向に作用する励磁コイルが、爪側の全てのロータ磁極の数ｐの全励磁 有効磁束と漏れ磁束もしくは漂遊磁束とを包括しなければならないからである。 したがって、励磁コイルを貫いて軸方向に一貫して延びる円筒状の励磁ヨークは 少なくとも、期待し得る磁気飽和に基因した最小直径を有していなければならず 、このような最小直径は、励磁コイルのためのスペースを半径方向で著しく狭め る。ただし、軸方向に短いステータに限定する場合はその限りではない。しかし その場合には、高い磁極数が必要となり、このことは与えられた回転数において 極性反転の繰返し頻度を高める。このことは、特に鉄部分における比較的高い損 失を生ぜしめる。 本発明の課題は、磁極配置の機械的安定性を悪化させることなく、このような 損失を減少させることである。 この課題は、請求項１の特徴部に記載の構成により解決される。本発明の有利 な構成は請求項２以下に記載されている。 以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明す る。 第１図は爪形磁極配置を示す概略図であり、 第２図は爪形磁極の構造を示す縦断面図であり、 第３図は爪形磁極の構造を示す横断面図であり、 第４図は各爪形磁極の間の永久磁石の配置を示す断面図であり、 第５図は縦長の機械の爪形磁極配置を示す概略図である。 励磁コイル１内の電流によって形成された磁界は、第１図に示したようにコイ ル自体の内部で軸方向の磁束線２を有している。この軸方向の磁束線２は次いで コイルの端面３，３ａで半径方向の磁束線４，４ａに移行し、そして外部で爪形 磁極５，５ａに分配され、この場合、やはり軸方向６で爪形磁極５，５ａに導入 され、次いで爪形磁極５，５ａから半径方向７でエアギャップ８内に導入される 。この磁束線はステータ９を通って、逆向きの極性を有する隣接したロータ側の 爪形磁極５ａにまで延び、さらにこの爪形磁極５ａから脚部もしくは端面３ａを 介して再び励磁コイル１のコイルコア１０にまで戻る。磁界がこのように複数回 にわたり軸方向および半径方向に変向されることに基づき、磁極車の、磁界を案 内する鉄部分、つまりコイルコア１０と端面板３，３ａと爪形磁極５，５ａとは 、中実な、つまりソリッドな鉄から製造されている。このことは、時間的にゆっ くりとしか変化しない励磁 磁界のためには全く問題にならない。しかし、爪形磁極外周面１１では、この磁 界がステータに設けられた溝によって迅速に変化させられるので、中実な爪形磁 極には渦電流損失が生じる。このような渦電流損失を制限するためには、磁極車 とステータとの間のエアギャップ８を、可能出力の点から見れば望ましいと思わ れるよりも大きく形成される。 本発明によれば、爪形磁極の内部だけが、つまりコアだけが中実に形成されて いて、爪形磁極の外側範囲は薄板を備えていると、中実な爪形磁極における、エ アギャップ内での磁界脈動に基因するこのような鉄損を著しく減少させることが できる。このことは、第２図および第３図に図示した爪形磁極５の縦断面図およ び横断面図に詳しく示されている。この爪形磁極５は斜線で示した範囲では中実 に、つまりソリッドに形成されていて、外周面および側面ではほぼＵ字形の薄板 １２によって取り囲まれる。これらのＵ字形の薄板１２は既に爪形磁極への固定 の前に、打抜き成形された薄板として形成されて、磁極閉鎖体として１つのパッ ケージにまとめられ得る。爪形磁極５はその軸方向の長さにわたって均一な幅を 有している。エアギャップ８により、ステータ作業巻き線２１を備えたステータ ９は薄板１２と爪形磁極５とから分離されている。 Ｕ字形の薄板１２は中実な爪形磁極コアを鉤爪状に取り囲んで把持しているの で、薄板１２は遠心力の作 用を受けても変位し得なくなる。薄板１２は両端部１３で爪形磁極コアと溶接す ることもできる。付加的に滴下または含浸によって薄板１２をあとから互いにか つ爪形磁極コアと接着することもできる。 周面に沿って延びる薄板区分には、１つまたは複数の切欠き１４を打抜き成形 することができる。このことは、爪形磁極に薄板の内側輪郭を一層良好に適合さ せることを可能にするが、しかし特にアーマチュア横方向磁界を阻止することを も可能にする。 爪形磁極の外側範囲に薄板を装備することによって達成される渦電流損失低減 によって、エアギャップをほぼ半分にまで減少させることが可能となる。通常で はたいていほぼ正弦状に一体射出成形されて互いに内外に係合している爪形磁極 の側縁を互いに平行に配置することによって、ステータ９における鉄損が減じら れる。なぜならば、軸方向で「一体射出成形された」磁極の場合に生じる、ステ ータ内部の軸方向の磁束が回避されるからである。これによってステータ巻き線 における誘導された電圧の時間経過が非正弦状に形成されることに基づき、巻き 線の開いた回路およびこれに続く整流において機能的に別の利点が得られる。こ れにより、かつ減じられたエアギャップにより、エアギャップ磁界の自己インダ クタンスおよび相互インダクタンスは増大し、ひいては所望の発電機電流が増大 する。効率は著しく向上する。 もちろん、成層鉄芯の外周輪郭を打抜き工具によって、「正弦磁極」が得られ るように形成することもできる。すなわち、接線方向の磁極側に向かってエアギ ャップ拡大が得られ、その結果、正弦状の電圧が得られる。 第４図には、上で説明した構成と、平行側縁を有する各爪形磁極の間に設けら れた、接線方向に作用する永久磁石１５を用いた助成的な永久磁石励磁との組合 せが示されている。永久磁石１５はＵ字形の薄板１２の側縁の間に差し込まれる 。永久磁石１５は接着によって固定される（たとえば薄板の接着と一緒に）。永 久磁石１５は半径方向で突起１６によって位置固定される。永久磁石１５は、Ｕ 字形の薄板１２の側方の端部が遠心力によって側方に撓むことを阻止する。所望 の磁極隙間幅が（接線方向の）磁石厚さと一致しない場合には、薄板の外側輪郭 が適当に調整されなければならない。薄板の外側輪郭に段部が設けられると有利 である。「正弦磁極」構造も可能である。 汎用の爪形磁極構造の場合と類似して、静止した励磁コイルを有するスリップ リングレス構造も実現可能である。ただしその場合には、両爪形磁極フィンガシ ステムがその磁界を、静止した環状円筒形のガイド部材と、２つの付加的なエア ギャップとを介して供給してもらわなければならない。この場合、前記形式の永 久磁石による助成が特に有効となる。 冒頭で既に説明したように、比較的高い出力では、磁気的に軸方向に作用する 励磁コイルが、爪側のロータ磁極の全ての磁極数ｐの全励磁有効磁束と漏れ磁束 もしくは漂遊磁束とを包括するので、励磁コイルを貫いて軸方向に一貫して延び る励磁ヨークは少なくとも、磁気飽和に基づく最小直径を有しなければならない 。このような最小直径は、より大きなロータ直径に変更しない限りは、励磁コイ ルのためのスペースを半径方向で著しく狭めてしまう。 より大きな直径では、より高い磁極対数が必要となる。このことは、与えられ た回転数において極性反転の高められた繰返し頻度を招き、ひいてはより高い損 失を招いてしまう。 本発明の別の構成では、爪形磁極を別の方法で励磁することによって上記問題 を回避することができる。このためには、複数の磁極フィンガを備えた２つの類 似した爪形磁極フィンガシステム（一方がｐ数のＮ極を提供し、他方がｐ数のＳ 極を提供する）を互いに内外に係合させて、両爪形磁極フィンガシステムがステ ータ成層鉄芯の孔の内部に周方向で交互にＮ極とＳ極とを形成するようにするの ではなく、軸方向でステータ９の成層鉄芯の位置する平面にｐ数の磁極歯を備え た１つの爪形磁極歯車５を配置する。この爪形磁極歯車の歯隙間には軸方向で両 側から、それぞれｐ／２数のフィンガを備えた各１つの爪形磁極フィンガシステ ム３，３ａが交互に突入している。対応する配置形式は第５図に示されている。 ｐ／２数の爪形磁極歯車の軸方向の両端面には、励磁コイル１，１ａが設けられ ており、これらの励磁コイルの励磁ヨーク１８，１８ａは、それぞれ並設された 爪形磁極フィンガシステムのｐ／２数の磁極の磁束を案内するだけでよい。した がって、規定された直径においてステータの成層鉄芯長さを著しく増大させるこ とができる。このことから、所望の出力のために必要となる半径方向の構成スペ ースおよび極性反転損失に関して有利な結果が得られる。コイルの励磁は互いに 相互に作用し合うので、真ん中に位置する爪形磁極歯車はｐ数のＮ極を有し、両 爪形磁極フィンガシステムは爪形磁極歯車５の歯隙間内で合計してｐ数のＳ極を 提供する。 重要となるのは、爪形磁極３，３ａの外側のヨークにおける磁気抵抗が、爪形 磁極歯車５内の磁気抵抗と過度に大きく異ならないことである。 このような軸方向での磁束分割の原理は、同じ軸に装着された相並んで位置す る２つよりも多いユニットに適用することもできる。 爪形磁極車は軸受け１７，１７ａ内で回転し、この場合、軸受けシールド１９ ，１９ａがステータ９の成層鉄芯を支持する。電流供給のためには、汎用のスリ ップリング２０が設けられている。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ステータと、ロータと、該ロータに設けられた中実なコアに巻き付けられ た励磁コイル（１）とを備えた爪形磁極機械であって、前記中実なコアが半径方 向で２つの星形の爪形磁極体（５，５ａ）の形で続いていて、該爪形磁極体が、 軸方向で交互に２つの側を起点として延びる複数の爪形磁極フィンガで終わって いる形式のものにおいて、爪形磁極フィンガの、半径方向外側に向けられた中実 な部分に、Ｕ字形の薄板が被せられており、該薄板が、渦電流を阻止する目的で 軸方向で重なり合って積層されていることを特徴とする爪形磁極機械。 ２．打抜き成形された前記薄板が、爪形磁極フィンガの接線方向の側面をくさ び状に取り囲んで把持していて、前記薄板が遠心力の作用を受けて変位し得ない ようになっている、請求項１記載の爪形磁極機械。 ３．前記薄板（１２）の両端部（１３）が、爪形磁極コアと溶接されている、 請求項１または２記載の爪形磁極機械。 ４．前記薄板（１２）が、互いにかつ爪形磁極コア（５）と接着されている、 請求項１または２記載の爪形磁極機械。 ５．前記薄板（１２）に切欠き（１４）が打抜き成形されている、請求項１か ら４までのいずれか１項記 載の爪形磁極機械。 ６．ステータ（９）の鉄芯に対するエアギャップが、一定の幅を有している、 請求項１から５までのいずれか１項記載の爪形磁極機械。 ７．爪形磁極からステータ（９）までのエアギャップが、正弦磁極が得られる ように形成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の爪形磁極機械 。 ８．Ｕ字形の前記薄板のＵ字体の脚部の撓みを機械的に防止するために、接線 方向に作用する永久磁石が使用されている、請求項１から７までのいずれか１項 記載の爪形磁極機械。 ９．励磁巻き線が、軸方向で磁気的に互いに相互に作用し合うように分割され ていて、各励磁巻き線の間に同じ極性を有するｐ数の磁極歯を備えた磁極歯車が 設けられており、該磁極歯車が外側の両端部に、それぞれ全て同じ極性を備えた 、磁気的にアクティブな全長を有するｐ／２数の爪形磁極フィンガを有する各１ つの爪形磁極車を備えているか、またはそれぞれ全て同じ極性を備えた、半分の 磁気長さしか有しないｐ数の爪形磁極フィンガを有する各１つの爪形磁極車を備 えている、請求項１から８までのいずれか１項記載の爪形磁極機械。