JP2020515216A - 多相構造の電磁アセンブリ - Google Patents

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Abstract

本発明は、多層構造電磁アセンブリ(1)であって、電磁体を有するヨーク(5)と、ヨーク(5)の支持面(5A、5B)の一つに対して突出すると共に、ヨーク(5)の支持面(5A、5B)の周辺部に沿って連続的に配列された複数の離間したブロック(50)と、ブロック(50)に関連した少なくとも1つの巻線(6)と、を有し、ヨーク(5)が一つだけあり、複数のブロック(50)は、ブロックの少なくとも2つのブロック群(A、B、C)に配列され、或るブロック群(A、B、C)の2つの連続するブロック(50)がブロック間距離だけ間隔を空け、各ブロック群(A、B、C)が、隣接する各ブロック群(A、B、C)からブロック間距離(E)とは異なる群間距離(D)だけ分離される。【選択図】図2

Description

本発明は、巻線を含む多相構造を有する電磁アセンブリに関する。
巻線を含む電磁アセンブリに関連する多相構造とは、相数が1つよりも多い巻線を含む電磁アセンブリのことを意味する。
具体的に言えば、本発明は、限定されるわけではないが、とりわけモータ動作モード及び/又は発電機動作モードを有する電気モータのステータ又はロータなどの電磁アセンブリの使用に関連して説明するものである。
本発明は、モータ以外の回転電気機械におけるこのような電磁アセンブリのあらゆる使用、及び本発明の特徴を示す電磁場フレームを使用するあらゆる回転装置にも適用することができる。
例えば、本発明は、位置センサ、速度センサ又は加速度センサの分野に応用することもできる。
既知の方法では、通常、電磁場フレーム(electromagnetic field frame)は、(z軸と呼ばれる)長手方向軸に沿って延びる中実又は中空の円筒状であり、電磁場フレームの本体の内面又は外面から突出して等距離に存在するスタッド(又は歯)とノッチとが交互になったものから成る交互になった突磁極(salient magnetic poles)を含む。
また、電源の入力部から電源の出力部に延び、磁気と呼ばれる各スタッドに巻き回されて、連続する等距離のスタッド間に入口磁束及び出口磁束を交互に形成する単一の巻線を含む単相構造電磁場フレームも知られている。巻線は、波状巻線、すなわちスタッドからスタッドに移行しながら各スタッドで面を変化させる巻線として、又は瓦状巻線(imbricated winding)、すなわち各スタッドを完全に取り囲む巻線として形成することができる。巻線は、1回又は2回以上巻かれる。
このようにして形成された単相構造電磁場フレームは、例えば磁石で構成された電磁要素に面してそこから一定の距離を隔てて配置されて電磁空隙面を形成するように意図される。
多相電気機械を製造するには、本明細書で上述したようなz軸に沿って積み重なった複数の単相構造電磁場フレームC1〜C3を図1に示すように組み立てる。各単相構造電磁場フレームC1〜C3は、電磁場フレームの周辺部に複数の等距離スタッドPを備え、関連する巻線で相を形成する。このように形成されたアセンブリは、3つの電磁場フレームを組み立てることによって三相構造を形成する。
短絡を避けるために、単相構造電磁場フレームのそれぞれの巻線は、互いに接触しないことが求められる。従って、巻線を取り付けた電磁場フレームを積み重ねることによって電磁場フレーム同士が接触しないように、電磁場フレーム同士を離間させるように注意する。
また、これらの電磁場フレームは、2つの連続する電磁場フレームのスタッド間に角度オフセットが確保されるように互いに対して配置される。このような角度オフセットは以下に等しく、
360°/(2*Np*Nphases)
式中、
Npは磁極の数であり、
Nphasesは(相数とも呼ばれる)単相構造電磁場フレームの数である。
電気モータでは、電気モータの始動を可能にする相数を1つよりも多くに増加させ、或いはトルクの過剰な脈動を抑えるために電気モータの電気的形状係数を改善することが常に望まれている。
この要望は、一般に複数の単相構造電磁場フレームを組み立てることによって実現される。しかしながら、このようなアセンブリでは、単相構造巻きの電磁場フレームを離間させることが必要であるため、z軸に沿ったモータの嵩が増加してしまう。具体的には、各相を追加すると、とりわけ各電磁場フレーム間の空間を維持するためにモータの初期長さが増加する。
用途によってはこの嵩が問題になることがあり、従ってできるだけ容積の小さな多相電動機を提供することが望ましい。
さらに、これに加えてこのような複数の単相構造電磁アセンブリの組み立ての設計及び維持も困難である。
最終的に、このようなモータの製造コストはすぐに増加してしまう。
従って、本発明は、上述した欠点のない多相構造電磁アセンブリを提供しようと努めるものである。本発明の特定の目的は、このようなアセンブリが占める容量を最小化することである。本発明は、このようなアセンブリを電気モータ内で使用することにより、嵩に影響を及ぼすことなくモータのトルクを高めることができるという利点ももたらす。本発明の多相構造電磁アセンブリのさらなる利点については、以下の説明において詳述する。
本発明によれば、多相構造電磁アセンブリが、電磁体を有する電磁場フレームと、電磁場フレームの面のうちの1つであることが有利である電磁場フレームの支持面から突出する、電磁場フレームの支持面の周辺部に沿って連続的に配置された複数の間隔を空けたスタッドと、スタッドに関連する巻線と、を含む。また、電磁場フレームは一つであり、すなわちアセンブリは1つの電磁場フレームのみを含み、複数のスタッドは、少なくとも2つのスタッド群の形で配置され、1つの同じスタッド群の2つの連続するスタッドは、スタッド間距離だけ間隔を空け、各スタッド群は、隣接する各スタッド群から、スタッド間距離とは異なる群間距離だけ分離される。
さらに、各スタッド群には巻線が関連することが有利である。
「隣接群(adjacent group)」は、スタッド及びスタッド群の連続的配置を参照して、あるスタッド群の直後に続くスタッド群を意味する。
スタッドは、電磁場フレームの構造に応じて異なる形状及びサイズを有することができる。
電磁場フレームのスタッドは、全て同じ形状を有することが好ましい。
スタッドの幾何学的形状は、電磁場フレーム及び対象用途によって様々とすることができるので、群間距離は、2つの隣接群に属する2つの連続するスタッドの支持面に垂直な中心軸を分離する角距離とみなされる。群間距離は、1つの同じ群に属する2つの連続するスタッドの支持面に垂直な中心軸を分離する角距離とみなされる。
1つの特徴によれば、電磁場フレームの電磁体は、環状、1つ又は2つの環状部分内の円筒状、とりわけ長手方向軸に沿って互いに接合された円筒、円盤状、又は平行六面体である、
磁場フレームが円盤状又は環状の電磁体を有する場合、スタッドが突出部として突出する支持面は、円形形状であることが好ましい。また、スタッドは、支持面の円形周辺部に沿って連続的に配置される。しかしながら、他のスタッド形状、特に円錐台スタッドも考えられる。
磁場フレームが線形形状、すなわち平行六面体形状である場合、スタッドは、電磁場フレームの1つの真っ直ぐな側面に沿って連続的に配置される。
従って、先行技術の場合のようにz軸に沿って複数の電磁場フレームを連続して積み重ねる必要なく、同じ表面上で一つの電磁場フレームを介して多相構造電磁アセンブリを取得することが可能である。また、これによって2つの連続する電磁場フレームを分離する空間を省くこともできる。
この結果、本発明では、z軸に沿ったサイズを抑えたコンパクトな多相構造電磁アセンブリを形成することができる。最終的に、本発明には、多相構造電磁アセンブリの全体的な嵩を縮小できるという利点がある。
本明細書の残り部分では、電磁場フレームの形状がどのようなものであれ、z軸は、仮に本発明のアセンブリが特定の構成の電磁スタッドを提供しない場合でも複数の多相構造電磁場フレームを軸方向に沿って積み重ねる必要がある軸に対応する軸を意味する。
z軸は、電磁スタッドに対向して別の電磁要素が何らかの距離を置いて配置された時、及び巻線に電流が付与された時にもたらされる、空隙内に誘発される磁束に対して垂直でもある。
環状又は円盤状の電磁場フレームの場合には、z軸が半径方向平面に垂直である。線形とも表現される平行六面体の電磁場フレームでは、z軸がスタッドの長手方向に垂直である。
少なくとも2つの環状又は円筒状部分を互いに接合して形成される円筒状電磁場フレームでは、各部分が、2つの連続するスタッド間の空間がもう一方の部分のスタッドを収容できるように離れて分散したそれぞれの数のスタッドを含む。従って、互いに接合された環状又は円筒状部分のスタッドは、頂部と尾部とが組み合わさって互いに平行であると同時に、特許請求の範囲に記載する群間距離及びスタッド間距離に従う。
以下の説明における「各スタッド群に関連する巻線」は、各スタッド群の又は各下位群の組み合わせの電源入力部及び電源出力部を有する巻線を意味する。以下、下位群の組み合わせを定義する。
スタッド群としての構成を、スタッド間距離とは異なる群間距離と組み合わせると、巻線に電力が供給された時に、位相同士が電気的に位相シフトした複数の電気的位相をもたらして多相構造電磁アセンブリを提供することができる。
従って、本発明による多相構造電磁アセンブリは、複数の電磁場フレームを平行な離間した連続面の形で積み重ねる必要なく、単一の環状、円盤状又は平行六面体の容量に位相を凝縮したモノブロックタイプである。「モノブロック」とは、スタッド群で単位質量を形成する電磁場フレームを1つしか含まない多相構造電磁アセンブリを意味する。
多相構造は、単一の一つの電磁場フレームから取得される。本発明の電磁アセンブリの単位質量は、複数の単相構造電磁場フレームを積み重ねて離間させることによって多層構造が取得される先行技術のアセンブリに必要となる嵩よりも小さな嵩の多層構造をもたらす。
このような多相構造電磁アセンブリのモノブロック設計は、嵩の縮小という利点に加えて及び/又はこれとは別に、とりわけ以下のような利点をもたらす。
− 同じ数の相を小さな嵩に凝縮して、モータのトルクを増大できる軸方向長さを提供することができる。
− 巻線の容量が減少することにより、一般的には銅製である電線の使用量を減少させ、これによって製造コストを削減することもできる。
− 全ての相の巻線全体の電線の長さが減少することによって電気抵抗を低下させ、従ってジュール効果を通じた損失を低減することができる。
− 向かい合って配置されるように意図された他の磁気要素、例えば本発明の電磁アセンブリがステータである場合にはロータ、からの角度オフセットを伴って周辺部全体にわたってもはや等距離にスタッドが存在しないようなスタッド構成が定められ、従ってモータのトルクを抑制する「コギング」を低減することができ、これによってロータを回転させるのが容易になる。
− 電磁アセンブリの、従ってこのような電磁アセンブリを組み込んだ電気モータのメンテナンスを容易にすることができる。
− 多相構造電磁アセンブリの組み立てと分解が容易である。
− 製造コストが削減される。
− 高速モータの振動による摩耗のリスクが低減される。
別の特徴によれば、多相構造電磁アセンブリが複数の相を含み、多相構造電磁アセンブリの各相が、
− 異なる巻線に関連する、連続していると考えられるスタッド群の各々、又は、
− 他の群の巻線とは異なる少なくとも1つの同じ巻線に関連する少なくとも2つの離れた群(2つの群は互いに連続して追従しない)、
のいずれかに対応する。
本発明では、1つの同じ巻線に関連する少なくとも2つの離れた群の組み合わせを下位群として定義する。
電磁場フレームが環状又は円盤状であって、2つの下位群が相を構成する場合、2つの下位群は直径を挟んで向かい側に配置される。
電磁場フレームが平行六面体であって2つの下位群が相を構成する場合、2つの下位群は、これらの下位群で形成される相の最初の群の両側に配置される。
多相構造電磁アセンブリが、上述したような下位群に分散したスタッド群を含むことが好ましい場合、上記で定義した、2つの隣接群に対応する群間距離は変化しない。
従って、群間距離は、ある群の最初の下位群の、支持面に垂直な中心軸に沿った端部スタッドを、最初の群に隣接して配置された別の群の下位群の、支持面に垂直な中心軸に沿った直後のスタッドから分離する距離でもある。
1つの特定の実施形態では、電磁場フレーム全体にわたって群間距離が同一である。
電磁場フレームの周辺部全体にわたって各群間距離が同じである場合、これらの各群間距離は、
− 相数が奇数の場合には180°/Nphases、及び、
− 相数が偶数の場合には360°/Nphases、
に対応する電気角に実質的に等しい。
この場合、Nphasesは、特に各群又は各下位群の群間距離が同一であって180°の電気角に等しいことを考慮した相数である。
電気角は、完全な機械的回転、すなわち360°を磁極対で除算したものに等しいものとして定義される。構造が線形である場合、電気角は、2つの連続する磁極対を分離する距離に対する360°に等しい値を有するものとして定義される。
従って、スタッドの群又は下位群は、各群又は下位群が電磁場フレームの表面上で等しい間隔を空け、従って群間距離が等しい状態で、バランスよく分散することが好ましい。
このような構成では、環状又は円盤状の電磁場フレームを有する電磁場アセンブリの半径方向電気力の釣り合いを得ることができる。
特にモータの対象用途に従って、下位スタッド群の数は偶数であることが好ましく、及び/又は相数に対応する群の数は奇数であることが好ましい。
一例として、多相構造電磁アセンブリは三相構造であり、
− 各群が1つの相に対応する3つのスタッド群、又は、
− 下位スタッド群の各対が1つの相に対応し、各対の2つの下位群が直径を挟んで反対側に配置されて1つの同じ巻線に関連する3対の下位スタッド群、
を含む。
別の例示的な実施形態では、多相構造電磁アセンブリが五相構造を有し、それぞれが異なる巻線に関連する5つのスタッド群を含む。
1つの好ましい特徴によれば、各スタッド群又は各下位群は、偶数であるか奇数であるかにかかわらず同一数のスタッドを含む。
多相構造電磁アセンブリは、特に1対当たりなどのスタッド群当たり又は下位群の組み合わせ当たり1つの巻線を含み、各巻線は、各スタッドに関連する1回又は2回以上の巻きによって形成される。群の巻線は、直列、並列又は他のいずれかの方法で接続することができる。
巻線は、
− 波状に、すなわち1つのスタッドの1つの磁極面から次のスタッドの反対の磁極面へとスタッドからスタッドに通過して、又は、
− 各スタッドを完全に取り巻いて通過する瓦状に、
形成される。
既知の方法では、磁極面は、z軸に垂直な平面内で延びるスタッドの面であると理解されたい。
1つの特定の実施形態では、巻かれていないスタッドもあれば、2つの巻線を受け入れるスタッドもある。
巻線は、バランスのよい多層電流によって電力を供給されるように意図されることが有利である。しかしながら、電流のバランスが取れていないことも可能である。
各相の各群又は下位群の組み合わせの巻線に供給される電流は、相間の電気的位相角に対して角度を付けて設定されることが好ましい。
さらに、各巻線を流れる電流は、正弦波電流、三角波電流、方形波電流、とりわけ3レベル方形波電流とすることができる。
非限定的な例として、スタッドは、円形又は多角形の基部の円筒形状、キノコ形状、好ましくは支持面から反対側に向かって分岐する張り出した固体形状、及び/又は磁極面の少なくとも一方に凹所を有する固体形状などの様々な形状を有し、好ましくは2つの連続するスタッドの各凹所が各磁極面上に交互に配置され、とりわけ巻線を波状のジグザグ形で組み合わせる単一の凹所を有する。
1つの同じ多層構造電磁アセンブリ上のスタッドは、同じ形状を有することが好ましい。
さらに別の特徴によれば、1又は2以上のスタッドは、間隙の有無にかかわらず嵌め込むことによって、及び/又は接合によって、及び/又はインターフェイス及び固定要素を使用することによって、電磁場フレームに接して取り外し可能に取り付けられる。特に、スタッドは、蟻継ぎタイプの係合で支持面と協働するように意図された基部を有することができる。
とりわけ、各スタッドは、様々な距離の空隙をもたらすように、電磁場フレームの支持面に対向して空隙に面するように意図された、凸形状を有する表面を有する。このような形状は、誘導電圧の形を正弦波にすることができる。
本発明は、このような多相構造電磁アセンブリと、アセンブリとの間に空隙を形成するために、空隙を挟んでアセンブリに向かい合って一定の距離を置いて配置された、磁石を伴うような電磁要素とを含む装置にも関する。
本発明の他の代替実施形態では、多相構造電磁アセンブリに面して空隙の反対側に、磁束を集中させる一連の磁気ブロック、又はケージ付き誘導モータ(caged induction motors)のケージと実質的に同様のケージ、又は一連の短絡コイル、或いは複数の歯を有し、空隙の周辺部で実質的に均等に分散して別の磁極から180°の電気角だけ距離を置いた複数の磁極を含む単相巻き又は多相巻き電機子、又は可変リラクタンス機で使用されるような非巻き電機子を位置付けることもできる。
多相構造電磁アセンブリの電磁場フレームの形状が円筒状である場合には、円筒面に対して内向き又は外向きのいずれかにスタッドが突出する。電磁場フレームは、対向する間隔を置いた電磁要素と共に使用する際には、外部に存在して電磁要素の周囲に配置されるか、或いは内部に存在してその周囲に電磁要素が配置されるようになる。
多相構造電磁アセンブリの電磁場フレームが電気モータ用途のために円盤状又は平行六面体(又は線形)である場合、電磁場フレームは、右側又は左側のいずれかに配置される。
本発明の別の実施形態では、相が同じ数のスタッドを有していないことも可能である。1つの特定の構成では、下位スタッド群が全て同じ数のスタッドを有していないことも可能である。
電磁場フレームは、用途、及び本発明の多相構造電磁アセンブリに関連する電磁要素の実施形態に応じて、固定式又は回転式のいずれである。
本発明は、回転式又は静的電気機械、とりわけDC機械、磁石付き同期機、巻線形ロータ同期機、非同期かご形ロータ機、非同期巻線形ロータ機、(可変リラクタンスとして知られている)ステッピング機、電気モータ、オルタネータ、始動機、制動機、位置センサ、速度センサ、加速度センサ又は他のいずれかの用途などの、本発明の多相構造電磁アセンブリを含む機械にも関する。
本発明は、対向する電機子の内側又は外側、或いはその右側又は左側に配置された固定又は可動電機子にも適用される。対向する電機子は、磁石、電磁石、非動力式スタッドを含むことができる。また、対向する電機子は、「リスかご(squirrel cage)」を含むこともできる。
また、本発明によれば、機械の電気的位相を形成する巻線を同一の又は異なるサブアセンブリに分割することもできる。
本発明の理解及びその具現化法の説明を補足する役割を果たし、適切な場合にはその定義に寄与することができる、非限定的な例として示す添付図に関連して一例として示す実施形態を含む以下の詳細な説明を読むことにより、本発明がより良く理解され、さらなる特徴及び利点がさらに明らかになるであろう。
先行技術の多相構造電磁アセンブリの詳細な斜視図である。 電気モータタイプの装置を製造するための空隙を有する、磁石構造タイプの電磁要素に関連する、本発明による多相構造電磁アセンブリの1つの例示的な実施形態の断面図である。 図2の多相構造電磁アセンブリの電磁場フレームの斜視図である。 図3の電磁場フレームの断面図である。 図3の電磁場フレームの詳細な斜視図である。 スタッドのレイアウトに関する実施形態の代替形態による、本発明の多相構造電磁アセンブリの電磁場フレームの上面図である。 本発明の多相電磁アセンブリの電磁場フレームの実施形態の別の円盤状の幾何学的形態の斜視図である。 対向して空隙を形成する電磁要素に関連する図7aの電磁場フレームの部分断面図である。 電磁場フレームが概ね平行六面体形状である本発明の電磁アセンブリの別の例の斜視図である。 電磁場フレームが概ね円筒状である本発明の別の電磁アセンブリの例の斜視図である。 電磁場フレームが概ね円筒状である本発明の別の電磁アセンブリの例の断面図である。 図9aの電磁アセンブリの分解図である。 スタッドの代替形態による本発明の多相電磁アセンブリの円盤状の電磁場フレームの斜視図である。 本発明の電磁アセンブリのスタッドの幾何学的形状の例を示す図である。 本発明の電磁アセンブリのスタッドの幾何学的形状の例を示す図である。 本発明の電磁アセンブリのスタッドの幾何学的形状の例を示す図である。 本発明の電磁アセンブリのスタッドの幾何学的形状の例を示す図である。 本発明の電磁アセンブリの電磁場フレームの別の例示的な実施形態の断面図である。 図12の電磁場フレームに関連する巻線の概略図である。
図1に、多相構造の、この図1に示す例では三相である先行技術の電磁アセンブリを示す。このような電磁アセンブリは、それぞれ周辺部に等距離のスタッドPが設けられた3つの環状電磁場フレームC1、C2及びC3を含む。各電磁場フレームC1、C2及びC3は、1つの相に対応するように意図される。
電磁場フレームC1、C2及びC3は、z軸に沿って積み重ねられ、各電磁場フレームC1、C2及びC3のスタッドPの周囲に配置された関連する巻線(例示せず)同士がスタッドPの磁極面Fにおいて接触しない形で組み込まれるように離間される。スタッドPの磁極面Fは、z軸に垂直である。
電磁場フレームC1、C2及びC3は、一方では2つの連続する電磁場フレームC1及びC2の、他方ではC2及びC3のスタッドP間に角度オフセットをもたらすように互いに対して配置される。このように配置されたアセンブリは、z軸に沿った長さL1を有する。
図2に、本発明による多相構造電磁アセンブリ1を示し、その電磁場フレームを図3〜図5に示す。
具体的に言えば、図2には、本発明による、各相がそれぞれ7つの歯を含む群から成る構成の多相構造電磁アセンブリ1を示す。
多相構造電磁アセンブリ1は、とりわけz軸に沿った短い長さLを達成することによって図1に示す先行技術の多相構造電磁アセンブリよりも小さな容積を占めると同時に、同等の動作結果をもたらすように意図される。このような利点が得られる理由は、様々な相の巻線が、特にこのような巻線の巻線端部が1つの同じ円筒領域内に位置することによってこれらの間の軸方向の干渉が排除され、電磁アセンブリを短くできるためである。
なお、本発明の多相構造電磁アセンブリ1に関する図2及びそれ以降では、様々な実施形態に共通の構造及び/又は機能的要素を同じ参照番号で示すことができる。従って、別途言及していない限り、このような要素の構造特性、寸法特性及び材料特性は同一である。
本発明は、特に電気モータのステータとして使用されるように意図された多相構造電磁アセンブリ1に特有のものであるが、このような用途に限定されるものではない。多相構造電磁アセンブリ1は、DC電気機械の電機子、磁石付き同期機、巻線形ロータ同期機、非同期かご形ロータ機、非同期巻線形ロータ機、(可変リラクタンスとして知られている)ステッピング機、オルタネータ、始動機、制動機、位置センサ、速度センサ、加速度センサなどを形成するために使用することもできる。
本発明で使用する多相構造電磁アセンブリ1は、例えば概ね環状のステータであり、図2に示すように、外周上に空隙3を形成するように一定距離を隔てて対向する磁気要素2、有利にはロータ2を伴う。
一例として、磁気要素2は、一方では隣り合わせに配置され、他方では多相構造電磁アセンブリ1に対向して一定距離を隔てて配置された複数の磁石対20、21から成る。各磁石対20、21は、磁極に相当する。
電磁アセンブリ1に対向する磁気要素2は、対象用途によって、特に可変リラクタンス電気機械の文脈では非動力式スタッド(unpowered studs)で、特に非同期電気機械の文脈ではかご形で、特に同期電気機械の場合には直流給電式コイルで、特に誘導電気機械の文脈では交流給電式コイルで、或いは特に非同期電気機械の文脈では短絡コイルで構成することができる。
電磁要素2の磁石又はコイルは、平面上に取り付けることも、或いは電磁要素2の磁気材料本体の表面に形成されたスロット内に配置することもできる。
本発明によれば、多相構造電磁アセンブリ1は、本体が環状である1つの唯一の電磁場フレーム5を含み、電磁場フレーム5の支持面5Aと呼ばれる電磁場フレーム5の面5Aのうちの1つから複数のスタッド50が突出する。図示の実施形態では、電磁場フレーム5の支持面5Aが外面である。
また、スタッド50の各々には巻線6が関連する。
図3及び図4に、図2の電磁場フレーム5の1つの例示的な実施形態を示す。具体的に言えば、図3には、それぞれが3つの歯を含む直径を挟んで対向する2つの下位群で各相が形成された構成の図2の電磁場フレーム5の例示的な実施形態を示す。
この例示的な実施形態では、電磁場フレーム5が、電磁場フレーム5の半径方向平面に垂直なz軸に対応する中心軸を有する環状である。スタッド50は、外面5Aに対して突出する。
代替例として、用途よっては、例えば図6の例示的な実施形態に示すように、スタッド50が、電磁場フレーム5の本体の支持面5Bの役割を果たす内面5Bに対して突出する。
電磁場フレーム5は、とりわけリベット打ちによって、z軸に沿って軸方向に積み重ねられた強磁性材料シートのアセンブリで構成されることが好ましい。
スタッド50は、電磁場フレーム5の支持面5A又は5Bから突出してスロット51によって分離される容積を構成する。後で理解できるように、スタッド50は様々な形状を採用することができる。対照的に、本発明による1つの同じ電磁アセンブリでは、電磁場フレーム5のスタッド50が全て同じ形状を有することが好ましい。
1つの特定の実施形態では、スタッド50が、その周辺部が電磁場フレーム5の本体及びスタッド50の形状に従う予め切断された金属シート又は粉体、とりわけプレス加工、焼結又は他のいずれかの方法によって凝集された強磁性粉体から電磁場フレーム5の本体と一体に製造されるので、電磁場フレーム5の本体を含むものとして形成される。
代替例として、スタッド50及び電磁場フレーム5を含むモノブロック部品は、取得されると、組み立て及び巻き付けを容易にするために複数の同一の又は異なるサブアセンブリに分割することもできる。
別の補完的又は代替的な異型の実施形態(variant form of embodiment)によれば、全てのスタッド50又はスタッド50の一部が取り外し可能である。この実施形態では、スタッド50が、間隙の有無にかかわらず、及び/又は接合部及び/又は接合面及び固定要素の使用によって電磁場フレーム5の本体に関連する。
電磁場フレーム5の本体は、とりわけスタッド50の基部の形状と相互に連携する、例えばあり継ぎ形状などの形状を有する、スタッド50の基部に対応するハウジングを有することが好ましい。対応するハウジングの深さは10mmに制限され、とりわけ約1mmであることが好ましい。取り外し可能なスタッド50には、とりわけ巻線の挿入が容易になるという利点がある。
環状形状、及びスタッド50に巻線が巻き回されることを通じて、巻線6に電流が供給されると、空隙3において磁束が実質的に半径方向に配向されるように意図される。本発明による電磁アセンブリの半径方向は、電磁場フレーム5に対して半径方向である方向に対応する方向を意味する。
本発明の本質的な特定の特徴は、特に電磁アセンブリ1の一つの電磁場フレーム5と、電磁場フレーム5上のスタッド50の配置とに関し、スタッドの分布については後で詳述する。
図1と比較すると、本発明による電磁場フレーム5は、図2〜図4及び図5の詳細図に示すように、図1に示す先行技術の実施形態で必要とされる複数の電磁場フレームC1〜C3とは異なり、電磁場フレーム5が単位電磁場フレーム(unit field frame)である多相構造電磁アセンブリを提供する。
とりわけ図5に示すように、本発明の電磁場フレーム5は、電磁場フレームの同じ円周部において図1の先行技術の電磁場フレームの長さL1よりも短いz方向の長さLにわたって延びる。従って、電磁場フレームの同じ円周部では、本発明の三相構造電磁アセンブリの長さLの方が図1のアセンブリの長さL1よりも20%短いという利点を有する。
図2〜図4を参照すると、本発明によれば、スタッド50は、図4に点線で概略的に示すように複数のスタッド群で、例えば3つの群A、B及びCで配置される。各スタッド群A、B、Cは、1つの電気的位相(electric phase)に対応する。
図示の例示的な実施形態では、三相構造電磁アセンブリが、三相構造をもたらす3つの群を有する。各スタッド群A、B、Cは、次の隣接するスタッド群から群間距離Dだけ分離される。1つの特定の構成によれば、群間距離Dは、1つの同じスタッド群の2つの連続するスタッド50を分離するスタッド間距離E又は間隔Eとは異なる。群間距離D及びスタッド間距離Eについては、支持面5A又は5Bの平面に垂直な方向の各スタッドの中心軸xを考慮して理解すべきである。
同じスタッド群の2つのスタッド50間のスタッド間距離Eは同一であることが好ましい。或いは、特定の例示的な実施形態によれば、1つの同じ群のスタッド間距離Eが異なることもできる。
図2〜図5の例では、多相構造電磁アセンブリ1の各相が1つのスタッド群に対応する。一例として、図2〜図4の三相構造電磁アセンブリ1は、7つのスタッドから成る3つの連続する群A、B及びCに分散した21個のスタッドを含み、スタッド群A、B及びCの各々は、1つの相に対応するように意図される。
電磁アセンブリ1の巻線6は、異なる巻線群60、61及び62に分割され、特に3つの巻線群60、61及び62は、各それぞれがスタッド群の、とりわけ3つのスタッド群の各々に関連する。
同じスタッド50の群の2つのスタッド50を分離するスタッド間距離Eとは異なる群間距離Dと組み合わせたスタッド群の構成は、巻線群60〜62が電気的に駆動された時に、この例では三相である多相構造電磁アセンブリをもたらす位相間の電気的位相シフトを達成することができる。
図示の多相構造電磁アセンブリ1は、三相構造を有する。従って、一つの電磁場フレーム5上で多相構造が実現される。
多相構造電磁アセンブリは、z軸に沿って連続的に組み立てられた複数の電磁場フレームを含み、スタッドを含む各電磁場フレームが1つの相を形成する、図1に示す先行技術のようなものとは異なり、モノブロックアセンブリ、すなわち単一の電磁場フレームに関連付けられた磁極を有するアセンブリを形成する。
巻線6、及びスタッド50の各群に関連する各巻線群60、61、62は、それぞれ、1本の電線から成る、或いは寄せ集められて1本の電線を形成する、互いに絶縁された又は絶縁されていない複数の電線から成る導電体である。電線は、中実又は中空の断面を有することができ、平坦な、六角形の、円形の、正方形の、矩形の、或いは他のいずれかの規則的又は不規則的な断面形状を有することができる。電線は、各スタッドに関連して、その周囲に1又は2以上の巻き(例えば、1つの例示的な実施形態では24巻き)を形成する。
巻線は、いわゆる瓦状又はループ状にスタッドに巻き回されることによって各スタッドに関連し、或いは図9c及び図11aに示すように、各スタッドの一方の磁極面のみに接して交互に敷設されて各連続するスタッドの交互になった磁極面からいわゆる波状にジグザグに進む。
或いは、波型の巻き回しと瓦型の巻き回しとを組み合わせることもできる。
巻線60、61及び62は、相数がスタッド群の数に、従って電磁アセンブリ1の相数に対応する多相電源によって個別に給電されることが好ましい。
巻線60、61及び62は、星形、デルタ形、ジグザク形、又は他の何らかの接続形態で接続される。
また、各巻線への電源の入力部及び出力部は、各スタッド群の各端部スタッドにそれぞれ位置することが有利である。
図2〜図5の例における電磁場フレーム5の形状は環状である。用途によっては、環状以外の電磁場フレーム形状を使用することもできる。非限定的な例として、図7a〜図10にいくつかの変形例を示す。
図7a及び図7bには、円盤状表面と呼ばれる電磁場フレーム5の一方の面から突出するスタッド50を含む円盤状の電磁場フレーム5を示す。電磁アセンブリは、3つのスタッド群A、B及びCが分散する三相構造を有し、図示の例示的な実施形態では各群が3つのスタッド50を含み、各スタッドに巻き回されてそれぞれの相を形成するそれぞれの巻線60〜62(図7bには図示せず)を伴う。スタッド群A、B及びCは、群間距離Dだけ分離する。図7bに示すような対向する電磁要素2は、特に磁石20で形成された磁気要素2を含む。関連する巻線60〜62の磁束は、実質的に軸方向であるように、すなわち円盤状の電磁場フレーム5の支持面5Aに対して垂直であるように意図される。
図8には、電磁場フレーム5が平行六面体形状である電磁アセンブリ1を示す。この電磁アセンブリは、それぞれが巻線60〜62を伴って群間距離Dだけ分離したそれぞれの位相を形成する平行六面体スタッド50の3つの群A、B及びCが分散した三相構造を有する。スタッド50は、矩形電磁場フレーム5の支持面5Aから突出する。電磁アセンブリ1は、スタッド50に対向する電磁要素2を伴って空隙3を形成する。磁束は、電磁場フレーム5の支持面5Aに対して垂直であるように意図される。
図9a〜図9cには、本発明1の電磁アセンブリの円筒状の電磁場フレーム5のさらに別の例示的な実施形態を示す。電磁アセンブリ1は、特に磁石20で形成された磁気要素2を伴う。図示の例示的な実施形態によれば、電磁場フレーム5は、3つの巻線群60〜62(図9a及び図9bには図示せず)を伴うスタッド50の3つの群に分散してそれぞれ群間距離Dだけ分離した3つの相A、B及びCを形成する18個の磁極を含む。磁石は、スタッド50に面するように配置されて空隙3を形成する。
とりわけスタッド50への巻線の巻き回しを容易にするために、電磁場フレーム5は、巻線の取り付け後にのみ互いにしっかりと組み立てられる2つの対向する円筒部分52及び53で形成されることが有利である。
電磁場フレーム5の各円筒状部分52、53は、総スタッド数の半分を含む。電磁場フレーム5の各円筒状部分52、53では群の各スタッド50が離間し、すなわち図9cに示すように、反対側の電磁場フレーム5の円筒部分のスタッドに対応するように設計されたオフセット距離Gだけ次のスタッドから離れて角度的にオフセットされる。
2つの部分52及び53を組み立てると、得られる電磁場フレーム5はユニットアセンブリを構成する。さらに、スタッド50は、スタッド間距離Eとは異なる群間距離Dを形成するように配置される。
1つの特定の実施形態では、スタッド50が、巻線60〜62をとりわけ波状に巻くための窪んだ又は突出した凹所54を形成するように、基部に切り欠きを有する。このようなスタッド50の構成では、磁極面に平行な容積を省くことができる。通常、このような形状は「爪状」と呼ばれる。
電磁場フレームは、様々な形態を採用することができ、従ってスタッド50も様々な形状を採用することができる。
非限定的な例として、スタッドは以下の形状を有する。
− 図7aに示すような円形断面の円筒状。
− 図10に示すような多角形断面の円筒状。
− 図9c及び図11aに示すような爪状。
− 図11bに示すようなキノコ形状。
− 図11cに示すような末広の張り出し形状(divergent flared shape)。
− 図11dに示すような張り出しキノコ形状。
さらに、支持面5Aに固定された平坦部の表面とは反対側のスタッドの表面55は、磁気要素2に対向するように意図されており、可変の空隙を形成するように、対向する磁気要素2の線形状に従わない形状を有することができる。具体的には、例えば凸面などの表面形状を想定することができる。
スタッド50、従って電磁場フレーム5は、磁極面に対して垂直な方向の、特に環状又は円筒電磁場フレームの場合にはz軸に沿った、或いは複数のスタッド群が配置される方向に対して垂直な方向の長さLを有する。
長さLは、対象用途に合うように適合される。例えば、モータの場合、この長さは、所望の最大トルクと、電磁場フレーム5が環状又は円筒状である場合には電磁場フレーム5の円周部とに依存する。
図2〜図5及び図7a〜図10では、多相構造電磁アセンブリ1の例示的な実施形態の各相がスタッド群に対応するようになっている。スタッド群は、次々に連続して配置され、好ましくは各スタッド群が隣接する群とは異なる巻線を有する。
図12に示す実施形態の代替形態では、各相が、少なくとも2つの離れた群、すなわち他の群の巻線とは異なる1つの同じ巻線に関連する互いに連続して追従しない2つの群の組み合わせに対応する。1つの同じ巻線に関連する離れた群は、下位群と呼ばれる。
図6の電磁場フレーム5bは、スタッドの分散の面で図12の電磁場フレーム5と同等であり、相違点は、図6のスタッドは電磁場フレーム5の内面5B上に存在するのに対し、図12のスタッドは電磁場フレーム5の外面5A上に存在する点である。
図12の多相構造電磁アセンブリ1は、空隙3をもたらすために距離を置いて配置された、特に磁石20で構成された対向する磁気要素2を伴う。
多相構造電磁アセンブリ1の電磁場フレーム5は環状であり、従って関連する巻線で相を形成するように意図されたスタッドの2つの下位群、具体的には一対の離れた隣接していない群が、直径を挟んで対向して配置される。
一例として、電磁場フレーム5は、P1〜P18の番号を付した、それぞれが3つのスタッドから成る6つの下位群A1、B1、C1、A2、B2、C2に分散した18個のスタッドを含む。第1の相は、直径を挟んで対向する2つの下位群A1及びA2に対応し、一方のスタッドにはP1、P2、P3の番号を付しており、他方のスタッドにはP10、P11、P12の番号を付している。第2の相は、直径を挟んで対向する2つの下位群B1及びB2に対応し、一方のスタッドにはP4、P5、P6の番号を付しており、他方のスタッドにはP13、P14、P15の番号を付している。第3の相は、一方ではP7、P8、P9を、他方ではP16、P17、P18を含む、直径を挟んで対向する2つの下位群C1〜C2に対応する。隣接するスタッド群又は下位群A1〜C2は互いに等距離に存在し、すなわち群間の距離は同一であることが好ましい。
それぞれの巻線60、61及び62は、下位群A1及びA2、B1及びB2、C1及びC2の各対に関連してそれぞれ3つの相を形成する。
図13に、3つの相の巻線60〜62の各々を概略的に示す。各それぞれの巻線は、各下位群の対のスタッドの周囲を通過する。
1つの特定の実施形態によれば、第1の巻線60は、スタッドP1、P2、P3、P10、P11及びP12に関連し、電源入力部はスタッドP1に存在し、出力部はスタッドP12に存在する。第2の巻線61は、スタッドP4、P5、P6、P13、P14、P15に関連し、電源入力部はスタッドP4に存在し、出力部はスタッドP15に存在する。第3の巻線62は、スタッドP7、P8、P9、P16、P17及びP18に関連し、電源入力部はスタッドP7に存在し、出力部はスタッドP18に存在する。図13では、電流の方向を矢印によって表している。
巻線60、61及び62は、相数がスタッドの下位群の対の数に対応する多相電源装置によって個別に給電される。
実施形態がどのようなものであれ(各相が各スタッド群に対応するか、各群が連続的とみなされるか、或いは各相が下位群と呼ばれる少なくとも2つの非連続的なスタッド群に対応するかにかかわらず)、好ましい実施形態では、相間の位相角θが、電気角を用いて表す以下の式によって与えられる。
− 奇数相では、
・下位群当たりのスタッド数が奇数である場合、θ=180°/相数、
・下位群当たりの歯数が偶数である場合、θ=360°/相数、
− 偶数相では、
・θ=180°/相数。
スタッドの各群又は下位群は、同じ数のスタッド50を含むことが好ましい。或いは、特定の例示的な実施形態によれば、スタッド群が異なる数のスタッド50を含むこともできる。
最後に、本発明の多相構造電磁アセンブリ1の対向する磁気要素2の、特に提示した例示的な実施形態によるロータの磁極Npの数は、多相構造電磁アセンブリ1のスタッド50の数及びスタッド群の数に依存する。
好ましい実施形態では、磁極Npの数を以下のように表すことができる。
Np=(Nphases*Nsubgroups*Nstuds−subgroup)+kd
式中、
Nphasesは相数であり、
Nsubgroupsは下位群の数であり、
Nstuds−subgroupは下位群当たりのスタッド数であり、
相数が偶数である場合、Kd=Nsubgroupsであり、
Nstuds−subgroupが奇数であって、Kd=Nsubgroupsが奇数である場合、Kd=Nsubgroupsであり、又は、
Nstuds−subgroupが偶数である場合、Kd=2*Nsubgroupsである。
当然ながら、本発明は、本明細書で上述してほんの一例として示した実施形態に限定されるものではない。本発明は、当業者が本発明の文脈において想起できる様々な修正、代替形態及び他の代替形態、並びに特に本明細書で上述した個別に又は組み合わせて検討できる様々な動作モードの全ての組み合わせを含む。

Claims (15)

  1. 多相構造電磁アセンブリ(1)であって、
    − 電磁体を有する電磁場フレーム(5)と、
    − 前記電磁場フレーム(5)の支持面(5A、5B)から間隔を置いて突出し、前記電磁場フレーム(5)の前記支持面(5A、5B)の周辺部に沿って連続的に配置された複数のスタッド(50)と、
    − 前記スタッド(50)に関連する少なくとも1つの巻線(6)と、
    を備え、
    − 前記電磁場フレーム(5)は一つ備えられ、
    − 前記複数のスタッド(50)は、少なくとも2つのスタッド群(A、B、C)の形で配置され、1つの同じスタッド群(A、B、C)の2つの連続するスタッド(50)が、スタッド間距離(E)だけ間隔を空け、各スタッド群(A、B、C)が、隣接する各スタッド群(A、B、C)から、前記スタッド間距離(E)とは異なる群間距離(D)だけ分離される、
    ことを特徴とする多相構造電磁アセンブリ。
  2. 前記電磁場フレーム(5)の前記電磁体は、環状、1つ又は2つの環状部分からなる円筒状、互いに接合された円筒、円盤状、又は平行六面体である、
    請求項1に記載の多相構造電磁アセンブリ。
  3. 前記多相構造電磁アセンブリは、複数の相を含み、各相は、
    − 連続していると考えられ、異なる巻線(60、61、62)が関連している前記スタッド群(A、B、C)の各々、又は、
    − 他の群の巻線とは異なる少なくとも1つの同じ巻線(60、61、62)に関連する少なくとも2つの離れたスタッド群(A1、A2;B1、B2;C1、C2)、
    のいずれかに対応する、請求項1又は2に記載の多相構造電磁アセンブリ。
  4. 前記群間距離(D)は、前記電磁場フレーム全体にわたって同一である、
    請求項1から3のいずれか1項に記載の多相構造電磁アセンブリ。
  5. 前記群間距離(E)の各々は、
    Nphasesを相数とするとき、
    − 前記相数が奇数の場合には180°/Nphases、及び、
    − 前記相数が偶数の場合には360°/Nphases、
    に対応する電気角に等しい、
    請求項1から4のいずれか1項に記載の多相構造電磁アセンブリ。
  6. 前記下位スタッド群の数は、好ましく偶数であり、及び/又は前記相数に対応する群の数は、好ましく奇数である、
    請求項3から5のいずれか1項に記載の多相構造電磁アセンブリ。
  7. 前記多相構造電磁アセンブリは三相構造であり、
    − 各群が1つの相に対応する3つのスタッド群(A、B、C)、又は、
    − 下位スタッド群(A1、A2;B1、B2;C1、C2)の各対が1つの相に対応し、各対の2つの下位群が直径を挟んで反対側に配置されて1つの同じ巻線に関連する3対の下位スタッド群(A1、A2;B1、B2;C1、C2)、
    を含む、請求項3から6のいずれか1項に記載の多相構造電磁アセンブリ。
  8. 各スタッド群又は各下位群は、同一数のスタッドを含む、
    請求項3から7のいずれか1項に記載の多相構造電磁アセンブリ。
  9. 前記多相構造電磁アセンブリは、スタッド群当たり又は下位群の組み合わせ当たり、前記スタッドの各々に関連する1回又は2回以上の巻きで形成された1つの巻線(60、61、62)を含む、
    請求項3から8のいずれか1項に記載の多相構造電磁アセンブリ。
  10. 前記巻線(60、61、62)は、
    − 1つのスタッドの1つの磁極面から次のスタッドの反対の磁極面へとスタッドからスタッドに通過する波状、又は、
    − 前記スタッドの各々を完全に取り巻いて通過する瓦状、
    に形成される、請求項1から9のいずれか1項に記載の多相構造電磁アセンブリ。
  11. 各相の各群、又は各相の下位群の組み合わせの前記巻線(60、61、62)は、前記相間の前記電気的位相角に対して角度を付けて設定される、
    請求項1から10のいずれか1項に記載の多相構造電磁アセンブリ。
  12. 前記スタッド(50)は、円形又は多角形の基部の円筒形状、キノコ形状、好ましくは前記支持面から反対側に向かって分岐する張り出した固体形状、及び/又は前記磁極面(F)の少なくとも一方に凹所(54)を有する固体形状などの様々な形状を有する、
    請求項1から11のいずれか1項に記載の多相構造電磁アセンブリ。
  13. 1又は2以上のスタッド(50)は、前記電磁場フレームに接して取り外し可能に取り付けられる、
    請求項1から12のいずれか1項に記載の多相構造電磁アセンブリ。
  14. 各スタッド(50)は、前記電磁場フレーム(5)の前記支持面に対向して空隙に面するように意図された、凸形状を有する表面(55)を有する、
    請求項1から13のいずれか1項に記載の多相構造電磁アセンブリ。
  15. 請求項1から14のいずれか1項に記載の多相構造電磁アセンブリと、該多相構造電磁アセンブリとの間に空隙(3)を形成するために、該多相構造電磁アセンブリに向かい合って一定の距離を置いて配置された電磁要素(2)とを備える、
    ことを特徴とする装置。
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