JP3232972U - 電気機械 - Google Patents

Abstract

【課題】質量モーターや発電機ごとに高トルクと電力として機能することができる永久磁石を備えた電気機械を提供する。【解決手段】ローター１およびステータ２を含み、ローターとステータはスパイラル状を有し、ステータはロータの内側に位置する。ローターは、異なる極性の少なくとも２つの永久磁石を含み、ステータの周りにスパイラルを形成する。ステータは強磁性コアを含み、３相巻線７が螺旋状に巻き付いている。この構造は、ほぼ全体の巻き上げがトルク生成に参加することを可能にする。マグネットコア内部の流体媒体で冷却すると、巻き上げの全長から加熱を除去することができ、運転効率が大幅に向上する。【選択図】図２

Description

本考案は、電気機械に関し、特にステータおよびローターのスパイラル構造を有する永久磁石を有する電気モーターまたは発電機に関し、その主な利点は、質量当たりの高トルク及び電力を提供できることである。

電動機によって動力を与えられる装置の複数の適用分野があり、その性能効率は多くの点でモーター自体の重量に依存する。例としては、航空機のプロペラモーター、宇宙船装置、風力タービン、車輪内の電気システムなどが挙げられる。高いユニットパワーと性能を備えた電気モーターを設計および製造する傾向がある。
請求された考案の最も近い先行技術は、米国特許第２００４０１９４２８６号に開示された電気モーターマシンであり、異なる極性の少なくとも２つの永久磁石とコアを有するステータとコアと巻き上げが中心に巻かれたステータを備えたローターを含む。
この機械の欠点は、機械筐体内部のステータとロータユニットの配置の低い人間工学によって引き起こされる構造の大きなサイズと重い重量、磁石の形状と同様にこれでは、トルク値を下げずに機械の質量を減らすことはできないことである。

本考案の目的は、電気機械の開発であり、その建設的な設計は、ローターとステータユニットの構築を最適化することでなる技術的な結果を達成する可能性を提供し、電気機械の質量単位あたりのトルク値を増加させることを可能にする。
問題の解決策

この問題は、極性の異なる少なくとも２つの永久磁石の磁石アセンブリを備えたローターと、コアおよびその上にらせん状に巻かれた３相巻線を備えたローターの内側に配置されたステータとを含む電気機械が開発されたという事実によって解決される。ここで、永久磁石はステータの周りにらせんを形成する。各スパイラルは、同じ極性の少なくとも１つの磁石で構成されている。

まず、主張された技術的な結果は、磁石がステータの周りに緻密なスパイラルを形成するという事実のために達成することができる、コアに巻き付けられた巻き上げと組み合わせて、磁場の回路電流経路を短縮することが可能になり、それによって永久磁石の螺旋の回転と、コア上の巻き上げのターンとの間のギャップの強度を増加させる。
三相巻きが各相に対して３つの別々のコイルで表される考案の実施形態が好ましく、それぞれの正弦波または台形ＡＣ電圧が印加される上で、相シフトが１２０°、そして各相に少なくとも１本の導電線が含まれており、渦電流を低減するように構成され、３相巻き上げは、表面全体の中心を覆う。

磁石アセンブリ中の磁石の数が偶数でなければならない考案の実施形態が好ましく、磁石アセンブリには少なくとも１つの極対が含まれており、磁石アセンブリは磁石ホルダーによって保持される。

磁石アセンブリにおけるスパイラルの回転数と螺旋巻線の回転数との比率が２：６である考案の実施例が好ましく、磁石ホルダーは強磁性鋼からなっている。
本考案の最も好ましい実施形態は、磁石アセンブリがハルバッハ磁石アセンブリであるものであり、磁石アセンブリのスパイラルの回転数と螺旋巻線の回転数との比率が４：６であり、磁石ホルダーはアルミニウム合金を含む群から選択された材料で作られている。マグネシウム合金、チタン合金、カーボンファイバー、又はプラスチックである。磁石アセンブリ中の磁石が互いに接着され、かつ磁石ホルダーに接着剤を貼り付ける考案の実施形態が好ましい。

また、各相のコイルの断面が一般的に円形又は正方形である考案の実施形態も好ましい。
また、冷却液媒体を循環させるチャネルがコアの内部に形成され、コア自体が電気鋼の強磁性異方性積層シート、電気鋼の等方性積層シート、または非晶質層箔、または高い磁性透過性を有する材料、または単離された粉末押し込み磁石のいずれかからなされる考案の実施形態も好ましい。
また、三相巻きの導電部分が銅、銀、アルミニウム、カーボンナノチューブ、ニッケル、鋼を含む群から選択される材料からなる材料からなされる考案の実施例も好ましく、三相巻線の導電部分がアルミニウム製の場合には、その中の絶縁性はマイクロアーク酸化によるセラミックスで作られている。

また、スパイラル巻き巻き３相巻線でターンを接続する材料がエポキシ樹脂、または補強エポキシ樹脂、またはポリイミドのいずれかである考案の実施例も好ましい。
スロットがコア上に位置する考案の実施形態が好ましく、その中でスロットの高さは、三相巻きの絶縁体における位相の高さの０％から１００％であり、一方で螺旋状の巻線三相巻きのターンは少なくとも部分的にスロットに位置する。

本考案の最も好ましい実施形態では、電気機械はトーラスの形状を有する。
しかしながら、本件の主な特徴の挙げられた実施形態は、請求された電気機械を特徴付けるものは単なる例示であり、限定的ではなく、かつ／または排他的でないことが当業者には明らかであろう。この文書で示したイラストの要素の寸法、比率、形状および輪郭は概略的に表現され、設計および必要な機能のセットに応じて機械の実施形態で異なる場合がある。

請求された考案は、以下のような図面を使用して説明されている。
回転子と丸、軸および放射状の断面の構成のステータを持つ電気機械の断面図。 回転子と丸、軸および放射状の断面の構成のステータを持つ電気機械の断面図。 回転子と丸、軸および放射状の断面の構成のステータを持つ電気機械の断面図。 本考案による電気機械の分解図。 磁石アセンブリと磁石ホルダーの縦断面分解図。 本考案に係るハルバッハアレイ型磁石アセンブリの縦断面図。 本考案に係る標準型磁石アセンブリの縦断面図。 ステータの分解図。 螺旋状に巻かれた三相巻きの一般的な図。 一般的に円形の断面を持つコイルの一般的なビュー。 一般的に正方形の断面を持つコイルの一般的なビュー。 スロットを持つコア構成のビュー。 スロットを持つコア構成のビュー スロットを持つコア構成のビュー スロットを持つコア構成のビュー 単極永久磁石構成の一般的なビュー。

図１А−１сでは、本考案の３つの実施形態が示されている。構成は同じトポロジ構造を持っていますが、ローター（１）とステータ（２）の異なる形状：それぞれ円形の構造、軸構造および放射状の構造である。

図２は、ロータ（１）内のホルダー（４）およびステータ（２）の分解断面図を示しており、コア（５）には、冷却流体媒体を循環させるためのチャネル（６）が形成され、三相巻線（７）、電気機械ケーシングの側面（８）および端（９）の壁、ベアリング（１１）および（１２）によって電気機械ケーシングの内側に固定されたシャフト（１０）、 回転運動がローター（１）から伝達される。

図３は磁石アセンブリ（３）と磁石ホルダー（４）の分解された縦断断面図を示している。
図４はハルバッハアレイ型磁石アセンブリ（３）の縦断面図で、矢印は磁石アセンブリ（３）内の磁石の極性を示している。すべての磁石は同じ形状を持っているが、４つの異なる極性、２つの放射状（１３）と（１４）と２つの接線（１５）と（１６）がある。その結果、磁石の一方の側に磁石の組み立てが集中し、磁石アセンブリの反対側に抑制される。磁石ホルダー（４）の回路分野では、強磁性体の使用は必要ない。ハルバッハアレイ型磁石アセンブリの磁石極の最小数は４であり、最大制限がない。
図５は、標準型磁石アセンブリ（３）の縦断面図を示し、矢印は磁石アセンブリ（３）中の磁石の極性を示している。標準磁石アセンブリ（３）の場合、２つの反対の放射状極性（１７）と（１８）のみが使用される。この場合、磁石ホルダー（４）は磁場を形成するために強磁性材料で作られるべきである。磁石の数はハルバッハアレイ型の組み立てよりも２倍少ない。磁石極の最小数は２であり、最大は制限されない。
図６は、コア（５）を有するステータの分解図を示しており、まず、三相巻き上げ（７）の剛体的な枠組みを形成し、第２に、冷却流体媒体を循環させるチャネル（図に示されていない）を含み、第三に、磁石の磁場を回路する。また図６は、冷却液媒体を循環させるチャネルの入力（１９）及び出力（２０）の要素（２１）を示し、コア（５）に接続し、電気機械の筐体の内側に固定するステータ接続ピン（２２）の周囲に沿って配置する。
図７は、螺旋状に巻かれた３相巻き上げ（２３）の図を示し、各コイル（２３）は、相巻きを順次励起し、それによりステータに対して回転子を回転させるコントローラ（図に示されていない）に接続されている。各コイルの各スパイラルの回転数（２３）は、ローター永久磁石の極数と等しい。理論上、最小数は２であり、最大はモーター設計によってのみ制限される。
各相におけるコイルの断面形状は、一般に円形（図８）と正方形（図９）の両方であることができる。導体内の渦電流による損失を低減するには、多数の導電性ワイヤ（２４）で構成されるＬｉｔｚ型ワイヤーを使用する必要がある。コア上の３相巻きの螺旋形状は、非常に高い空間因子を達成し、トルク生成で完全にそれを使用することを可能にする。
図１０ａ、１０ｂ、１０ｃおよび１０ｄは、三相巻き上げを敷設するための溝（２５）を有するコアの例示的な構成の見解を示し、その高さは３相巻き上げ絶縁体内の位相導電部の０％から１００％までスムーズに変化することができる。

図１１は、一極永久磁石構成の一般的な図を示している。

電気機械は次のように動作する。
本考案は、電気機械、特にスロットおよびスロットレス電気モーター及び発電機の両方に関する。このようなモータの動作原理は、磁力を持つ導体に作用するローレンツ力に基づいている。ロータ（１）の永久磁石の組み立て（３）は、３相巻き上げ（７）内に、ステータ（５）内のコア（５）に巻き付けられた集中交互磁石を生成する（２）。磁石の数は偶数である必要があり、それらは同じ距離でペアに配置する必要がある。ロータ（１）の極数は、モーターの寸法と、それが提供すべきトルクによって決まる。この磁力場は、ステータ（２）のコア（５）を通って回路を通る。ステータ（２）の３相巻き上げ（７）は３つのコイル（２３）を含み、そこで各コイルは、１２０°ずつ位相シフトする洞状または台形ＡＣ電圧を供給する。ロータ（１）の磁界内部の交流電圧によって発生するステータ（２）のコイル（２３）の電流は、回転子を回転させる接線ローレンツ力を発生させる。現在の変化期間中、回転子（１）は磁石の２極に従って回転する。モータを動作させるために、ＰＭＳＭ（永久磁石同期モータ）の標準コントローラを使用することができる。
コイルの最大９５％は、その上部を除いて、磁力フィールドにあり、トルク生成に参加している。電気機械の提案された設計は、既存のすべての電気モーターのための移動および静止作動巻線部品の最大可能な比率を有する。スロットの高さを０から巻線の直径に変更すると、複数のモーターバリアントを作成できる。スロットレスモーターは、コアの損失が小さいため、高速で高速を実現でき、スロットモーターは低速で高トルクを実現できる。
このように、請求された考案は、電気機械であり、その建設的な設計は、ロータとステータユニット設計を最適化することからなる技術的な結果を達成する機会を提供し、前記電気機械の質量単位当たりのトルク値を増加させる。

Claims (21)

1. 電気機械であって、異なる極性の磁石と、ローターの内側に位置するステータとコアと三相巻き巻きが螺旋状に巻かれたローターを備え、ローターの周りに永久磁石がスパイラルを形成することを特徴とする電気機械。
2. 三相巻きがコアの表面全体を覆うことを特徴とする請求項１に記載の電気機械。
3. 磁石アセンブリのスパイラルの回転数と螺旋状の巻き３相巻線のターン数との比率が２：６であることを特徴とする請求項１に記載の電気機械。
4. 磁石アセンブリがハルバッハ磁石アセンブリであり、磁石アセンブリのスパイラルの回転数と螺旋状に巻かれた３相巻きの回転数との比率は４：６であることを特徴とする請求項１に記載の電気機械。
5. 磁石組み立て中の磁石の数が偶数であることを特徴とする請求項１に記載の電気機械。
6. 磁石アセンブリが磁石ホルダーによって保持されることを特徴とする請求項１に記載の電気機械。
7. 磁石ホルダーが強磁性鋼で作られていることを特徴とする請求項６に記載の電気機械。
8. 磁石ホルダーがアルミニウム合金、マグネシウム合金、チタン合金、カーボンファイバー、およびプラスチックからなる群から選択される材料で作られていることを特徴とする請求項４及び請求項６に記載の電気機械。
9. 三相巻きが各相に対して３つの別々のコイルで表され、各コイルは、洞状または台形ＡＣ電圧を供給し、１２０°ずつ位相シフトすることを特徴とする請求項１に係る電気機械。
10. 各相が渦電流を低減するように構成された少なくとも１本の導電性ワイヤーを含むことを特徴とする請求項１に係る電気機械。
11. 各相のコイルの断面が一般に円形または正方形の断面であることを特徴とする請求項９に記載の電気機械。
12. 冷却液媒体を循環させるチャネルがコアの内部に形成されることを特徴とする請求項１に記載の電気機械。
13. 磁石アセンブリ内の磁石が接着剤によって互いに、そして磁石ホルダーに取り付けられていることを特徴とする請求項６に記載の電気機械。
14. コアが電気鋼の強磁性異方性積層シート、電気鋼の等方性積層シート、または非晶質層箔、または高磁性透過性材料、または孤立した粉末の圧縮された軟磁性磁石複合材料のいずれかで作られていることを特徴とする請求項１に記載の電気機械。
15. 渦巻き状に巻かれた三相巻きのターンがエポキシ樹脂、強化エポキシ樹脂、ポリイミドを含む群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の電気機械。
16. 三相巻線の導電部分が銅、銀、アルミニウム、カーボンナノチューブ、ニッケル、および鋼を含む群から選択される材料から成ることを特徴とする請求項１に記載の電気機械。
17. アルミニウムが三相巻線の導電部分の材料として選択されると、三相巻線における絶縁材がマイクロアーク酸化によってセラミックスで作られていることを特徴とする請求項１６に記載の電気機械。
18. 磁石アセンブリが少なくとも１つのポールペアを含むことを特徴とする請求項１に記載の電機。
19. スロットがコア上に設けられ、スロットの高さは、三相巻きの絶縁体における相の導電部分の高さの０％から１００％である特徴とする請求項１に記載の電機。
20. スパイラル巻き三相巻線のターンが少なくとも部分的にスロットに位置することを特徴とする請求項１９に記載の電気機械。
21. 電気機械がトーラスの形状を有することを特徴とする請求項１に記載の電気機械。

Images