(57)【要約】永久磁石式の電気機械は、第１の実質的に平らな部材（９，１０）と、この第１の実質的に平らな部材と実質的に平行に配置されている第２の実質的に平らな部材（３）とを包含する。前記第１及び第２の部材は、これらの第１及び第２の部材の平面に実質的に垂直な共通軸線のまわりに互いに関して回転可能である。前記第１の部材（９，１０）には、前記共通軸線と同軸の複数の磁石（７，８）の環状配列体が設けられて、この磁石の環状配列体が前記第２の部材（３）を通過する実質的に軸線方向の磁界を作る構成とされている。また、前記第２の部材（３）には、前記共通軸線と同軸であって第１の層の形に実質的に並んで配列されている複数のフラットコイル（１）の第１の環状配列体と、前記共通軸線と同軸であって第２の層の形に実質的に並んで配列されている複数のフラットコイル（２）の第２の環状配列体とが設けられている。前記第２の配列体のコイル（２）は、前記第１の配列体のコイル（１）に関して周方向にずらされている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の実質的に平らな部材（９，１０）と、この第１の実質的に平らな部材と実質的に平行に配置されている第２の実質的に平らな部材（３）とを包含し、前記第１及び第２の部材がこれらの第１及び第２の部材の平面に実質的に垂直な共通軸線のまわりに互いに関して回転可能である軸方向界磁式同期電気機械において、前記第１の部材（９，１０）には前記共通軸線と同軸の複数の磁石（７，８）の環状配列体が設けられて、この磁石の環状配列体が前記第２の部材（３）を通過する実質的に軸線方向の磁界を作る構成とされ、また前記第２の部材（３）には、前記共通軸線と同軸であって第１の層の形に実質的に並んで配列されている複数のフラットコイル（１）の環状配列体と、前記共通軸線と同軸であって第２の層の形に実質的に並んで配列されている複数のフラットコイル（２）の第２の環状配列体とが設けられ、前記第２の配列体のコイル（２）が前記第１の配列体のコイル（１）に関して周方向にずらされていることを特徴とする電気機械。
【請求項２】
請求項１記載の電気機械において、前記磁石（７，８）が永久磁石から成ることを特徴とする電気機械。
【請求項３】
請求項１又は２記載の電気機械において、前記磁石（７，８）が電磁石から成ることを特徴とする電気機械。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の電気機械において、前記第１の平らな部材（９，１０）がロータアセンブリから成ると共に、前記第２の平らな部材（３）がステータアセンブリから成ることを特徴とする電気機械。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の電気機械において、前記第１の平らな部材（９，１０）が単一の部品から形成されていることを特徴とする電気機械。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の電気機械において、前記第１の平らな部材（９，１０）が軟質磁気材料から形成されていることを特徴とする電気機械。
【請求項７】
請求項５記載の電気機械において、前記軟質磁気材料が例えば軟鋼のような鋼から成ることを特徴とする電気機械。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の電気機械において、前記磁石（７，８）と前記コイル（１，２）とが前記共通軸線から実質的に同じ半径方向距離に配置されていることを特徴とする電気機械。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の電気機械において、前記第１の平らな部材が互いから間隔を置いて離れている第１及び第２の同軸板（９，１０）から成ることを特徴とする電気機械。
【請求項１０】
請求項９記載の電気機械において、前記磁石（７，８）が前記第１及び第２の板（９，１０）の各一方の面であって各他方の面に面している面に設けられていることを特徴とする電気機械。
【請求項１１】
請求項９又は１０記載の電気機械において、前記第１及び第２の板（９，１０）がそれらの外周区域のまわりで一緒に固定されていることを特徴とする電気機械。
【請求項１２】
請求項９〜１１のいずれか一項に記載の電気機械において、前記第２の部材（３）が前記第１及び第２の板（９，１０）間のエアギャップ内に配置されていることを特徴とする電気機械。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の電気機械において、前記フラットコイル（１，２）の第１及び第２の配列体が支持部材（３）の対向する両側部に設けられていることを特徴とする電気機械。
【請求項１４】
請求項１３記載の電気機械において、前記支持部材（３）が非磁性及び非導電性材料から作られていることを特徴とする電気機械。
【請求項１５】
請求項１４記載の電気機械において、前記支持部材（３）がガラス繊維強化プラスチック材料から作られていることを特徴とする電気機械。
【請求項１６】
請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の電気機械において、前記支持部材（３）が環状であって、シャフト（５）にスポーク（６）の手段により接続されていることを特徴とする電気機械。
【請求項１７】
請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の電気機械において、前記支持部材（３）がシャフト（５）に接続され、かつ前記支持部材（３）には冷却空気の通過のための穴が設けられていることを特徴とする電気機械。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれか一項に記載の電気機械において、前記コイル（１，２）が例えばエポキシ樹脂のような樹脂材料に埋められていることを特徴とする電気機械。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれか一項に記載の電気機械において、前記コイル（１，２）のひとつ又はそれ以上の層が設けられていることを特徴とする電気機械。
【請求項２０】
請求項１〜１９のいずれか一項に記載の電気機械において、各層の前記コイル（１，２）が層の数で割った各隣接する２つのコイルのピッチに実質的に相当する量だけずらされていることを特徴とする電気機械。
【請求項２１】
請求項２０記載の電気機械において、前記前記コイル（１，２）の２つの層が設けられ、一方の層の前記コイル（１）が他方の層の前記コイル（２）に関して各隣接する２つのコイル間の間隔の実質的に半分に相当する量だけずらされていることを特徴とする電気機械。
【請求項２２】
請求項１〜２１のいずれか一項に記載の電気機械において、発電機の形である永久磁石式の電気機械。
【請求項２３】
請求項１〜２１のいずれか一項に記載の電気機械において、電動機の形である永久磁石式の電気機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸方向界磁式同期電気機械に関する。例えば、このような電気機械は、永久磁石式電気機械又は電磁石式電気機械であり、また発電機又は電動機である。
【背景技術】
【０００２】
軸方向界磁式同期電気機械は例えば発電機の形でよく知られており、磁石が運動を電力に変換するために導電体に関して動かされる。
【０００３】
多くの異なる構成が軸方向界磁式同期電気機械のために可能であるが、磁石は一般に固定の導電体コイルに関して動かされる。これらの磁石は一般に回転シャフトに取り付けられ、この回転アセンブリはロータアセンブリとして知られている。導電体コイルの固定配列体は、ステータアセンブリとして知られている。
【０００４】
軸方向界磁式同期電気機械のための代表的な構成においては、しばしば永久磁石の形の複数の磁石が一対の平行の軟質磁気鋼のディスク又は板上に環状の配列体の形に放射状に配列され、各ディスク上における各隣接する２つの磁石はそれらの極性を交互に異なるようにされている。２つのディスクは、それから、共通軸線のまわりを回転可能に取り付けられて、２つのディスク間にはエアギャップが形成され、これにより、一方のディスク上の磁石は他方のディスク上の反対の極性の磁石と直接に整列させられている。磁束は、対向し合う２つの磁石間のエアギャップを通過し、ディスクを通って隣接する磁石へ進み、それから隣接するエアギャップを通して進むことにより磁気回路を完成する。
【０００５】
軟質磁気材料とは、ここにおいて、磁界において磁化可能であるが、しかし永久的には磁化可能ではない材料であることを意味する。
【０００６】
複数の固定の導電体コイルは、フラットであり、２つのディスク間のエアギャップ内に環状の配列体の形に配列されている。そして、これらのディスクの回転が導電体を通過するような変動磁界を生じせしめ、電流を発生しめる。実際に、ステータは各隣接する２つの磁石間の間隔と同じ幅を有する導電体コイルを使用する。この効果は、コイルの各側部が正反対の方向の磁界にさらされ、電流がコイルの一方の側部では半径方向外向きの方向に流れまたコイルの他方の側部では半径方向内向きの方向に流れることを生じせしめる。したがって、いずれの時点でも、電流はコイルのまわりを時計方向に又は反時計方向に流れるようにされる。これは、軸方向界磁式同期電気機械において共通のプラティクスである。
【０００７】
ロータディスクにおけるうず電流損失を最小にするためには、ロータに設けられる各磁石対のためのステータのコイルの数を最大にすることが望ましい。もし複数のコイルが単に並んで配列される場合には、これは設けることができるコイルの数に関して制限を課する。なぜなら、コイルの幅を磁石の間隔と同じにしなければならないからである。この問題の解決法は、ステータのまわりにおいてコイルをオーバラップすることであり、これにより、ひとつのコイルの左側部が隣接するコイルの右側部の上又は下に位置する。しかしながら、このような配列は多数の欠点を有し、製造するのが複雑であり、またステータの外側面上のコイルを支持する必要があるために、コイルを冷却するのが困難である。
【０００８】
明らかに、このような電気機械は発電機又は電動機をすることができ、また磁石はロータ又はステータに設けることができる。
【０００９】
電動機の形のこのような電気機械はＵＳ−Ａ−４  ５５１  ６４５により知られており、この米国特許は多数のコイル構成を例示している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、本発明の目的は、上述した欠点を除去又は少なくとも改善する軸方向界磁式同期電気機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、第１の実質的に平らな部材と、この第１の実質的に平らな部材と実質的に平行に配置されている第２の実質的に平らな部材とを包含し、前記第１及び第２の部材がこれらの第１及び第２の部材の平面に実質的に垂直な共通軸線のまわりに互いに関して回転可能である軸方向界磁式同期電気機械において、前記第１の部材には前記共通軸線と同軸の複数の磁石の環状配列体が設けられて、この磁石の環状配列体が前記第２の部材を通過する実質的に軸線方向の磁界を作る構成とされ、また前記第２の部材には、前記共通軸線と同軸であって第１の層の形に実質的に並んで配列されている複数のフラットコイルの環状配列体と、前記共通軸線と同軸であって第２の層の形に実質的に並んで配列されている複数のフラットコイルの第２の環状配列体とが設けられ、前記第２の配列体のコイルが前記第１の配列体のコイルに関して周方向にずらされていることを特徴とする電気機械、が提供される。
【００１２】
前記磁石は、永久磁石及び／又は電磁石から成ることができる。
【００１３】
前記第１の平らな部材はロータアセンブリから成ることができると共に、前記第２の平らな部材はステータアセンブリから成ることができる。
【００１４】
前記第１の平らな部材は、単一の部品から形成することができる。すなわち、前記第１の平らな部材は積層しないようにすることができる。
【００１５】
前記第１の平らな部材は、軟質磁気材料、例えば、軟鋼のような鋼から形成することができる。
【００１６】
前記磁石と前記コイルとは、前記共通軸線から実質的に同じ半径方向距離に配置することができる。
【００１７】
前記第１の平らな部材は、互いから間隔を置いて離れている第１及び第２の同軸板から成ることができる。そして、前記磁石は、前記第１及び第２の板の各一方の面であって各他方の面に面している面に設けることができる。また、前記第１及び第２の板は、それらの外周区域のまわりで一緒に固定することができる。更に、前記第２の部材は前記第１及び第２の板間のエアギャップ内に配置することができる。
【００１８】
前記フラットコイルの第１及び第２の配列体は、支持部材の対向する両側部に設けることができる。
【００１９】
この支持部材は、非磁性及び非導電性材料、例えばガラス繊維強化プラスチック材料から作ることができる。そして、前記支持部材は環状とすることができ、また、シャフトにスポークの手段により接続することができる。選択的に、前記支持部材はシャフトに接続することができ、また前記支持部材には冷却空気の通過のための穴を設けることができる。
【００２０】
前記コイルは、例えばエポキシ樹脂のような樹脂材料に埋めることができる。
【００２１】
前記コイルのひとつ又はそれ以上の層を設けることができる。そして、各層の前記コイルは層の数で割った各隣接する２つのコイルのピッチに実質的に相当する量だけずらすことができる。例えば、前記コイルの２つの層を設けることができ、一方の層の前記コイルは他方の層の前記コイルに関して各隣接する２つのコイル間の間隔の実質的に半分に相当する量だけずらされる。
【００２２】
軸方向界磁式同期電気機械は、発電機又は電動機の形とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明を良く理解し、また本発明が実際にどのように実施されるかを一層明確に示すために、以下添付図面を参照して本発明の一実施例について詳述する。
【００２４】
図１〜図５は、永久磁石式電気機械の形であって、ロータアセンブリに設けられた複数の永久磁石を備えている発電機として構成されている軸方向界磁式同期電気機械を示す。しかしながら、電気機械は多数の方法で容易に変形できることを理解されよう。例えば、電気機械は電動機として容易に機能することができ、永久磁石はステータアセンブリに容易に設けることができる。更に、永久磁石は電磁石に容易に置換することができることを理解されよう。
【００２５】
図１及び図２は発電機のステータアセンブリの部品を示し、この部品はガラス繊維強化プラスチック材料又は他の適当な非磁性及び非導電性材料の環状本体３を包含する。この環状本体３の一方の側部には、銅線のエアコイルの形である複数のフラットコンダクタコイル１の単一層が結合されている。これらのコイル１は、環状本体３の軸線と同軸の環状構造体の形に実質的に並んで配列されている。環状本体３の他方の側部にも、同様に銅線のエアコイルの形である複数のフラットコンダクタコイル２の単一層が結合されている。これらのコイル２は、コイル１の層と実質的に同一の半径で環状本体３の軸線と同軸の環状構造体の形に実質的に並んで配列されている。そして、環状本体３とコイル１及び２の二層とのアセンブリは、例えばエポキシ又は他のプラスチック樹脂材料の樹脂材料４に埋め込まれ、これにより、コイルのための位置、保護及び電気絶縁を提供する樹脂材料を備えているステータアセンブリの部品を形成する。
【００２６】
図１から見ることができるように、フラットコイル１及び２の二層は、これらのコイルの周方向寸法の半分に相当する量だけ、すなわち、層の数で割った２つの隣接するコイルのピッチに実質的に相当する量だけ、互いに関して周方向にずらされている。
【００２７】
もし所望するならば、空気流れによりコイルを冷却する作用を著しく減少させることなしに、コイルを保護すると共にステータアセンブリを補強するために、ステータアセンブリには、その軸方向面に薄い壁を設けることができる。
【００２８】
図３から見ることができるように、ステータアセンブリは、図１及び図２のステータ部品を主シャフト５にスポークステータハブ６の手段により取り付けることにより完成される。スポークステータハブ６は、図１及び図２のステータ部品に適当な固定手段により取り付けられている。このステータハブ６のスポークは、冷却する目的のために空気がステータアセンブリの両側部を通過するのを許す。
【００２９】
図４は２つの平行板９及び１０を包含するロータアセンブリを示し、これらの平行板９及び１０はそれらの外周部まわりを複数のスペーサ１２により一緒に固定され、その結果、これらの平行板９及び１０は互いに関して回転することができない。平行板９及び１０は、軸受１１の手段により主シャフト５上の共通軸線のまわりを回転可能に取り付けられている。平行板９及び１０は、各々、例えば軟鋼のような軟質の磁気材料の単一片から作られている。
【００３０】
複数の永久磁石７は平行板１０に面する平行板９の面に取り付けられ、これらの永久磁石７はコイル１及び２の半径に実質的に相当する半径で主シャフト５の軸線と同軸の環状配列体の形に並んで配列されている。これらの永久磁石７は放射状に配列されて、正反対の極性の磁極が各隣接する２つの永久磁石７において隣接している。
【００３１】
同様に複数の永久磁石８が平行板９に面する平行板１０の面に取り付けられ、これらの永久磁石８は永久磁石７及びコイル１及び２の半径に実質的に相当する半径でシャフト５の軸線と同軸の環状配列体の形に並んで配列されている。これらの永久磁石８も放射状に配列されて、正反対の極性の磁極が各隣接する２つの永久磁石８において隣接していると共に、各永久磁石８が対応するひとつの永久磁石７に面して、これらの対応する永久磁石７及び８が互いに正反対の極性を有している。
【００３２】
図５は図４のロータアセンブリ内に配置した図３のステータアセンブリを示し、コイル１及び２が、平行板９及び１０に取り付けられている永久磁石７及び８の２つの環状配列体の間の所定の大きさのエアギャップ内に位置している。
【００３３】
フラットコイルの如きコイル１及び２の形状と環状本体３の対向する両面上に平らに横たわっているコイル１及び２の位置とは、コイルを永久磁石７及び８に隣接して配置することを可能にし、したがってエアギャップの大きさを最小に維持することを可能とし、同時に、実質的に各コイルの全体表面区域を冷却する目的のためにさらす。環状本体は、コイルの露出面で熱を放出させることによりコイルを冷却する作用を減少させることなしに、寸法安定のために要求されるにしたがって厚くすることができる。
【００３４】
平行板９及び１０の各々のための軟質磁気材料の単一片の使用、すなわち各平行板が積層板とされていないことは、これらの平行板９及び１０が製造するのに経済的であること、及び例えば風タービンのブレードのような他の部品を支持するのに十分に強いという利点を有する。しかしながら、平行板９及び１０のための単体構造はこれらの平行板中にうず電流損失を生じせしめる。うず電流損失は、しかし、コイルの周方向寸法の半分に相当する量だけ互いに関して周方向にずらされているフラットコイルの２つの層を設けることにより減少させられる。
【００３５】
図１〜図５に例示した電気機械は三相電気機械であり、各隣接する２つのコイル間の分離角度は各隣接する２つの永久磁石間の分離角度の１  １／３倍である（分離角度は、回転軸線のまわりを測定して各隣接する２つのコイル又は永久磁石の中心点間の角度と定義される）。したがって、ここに例示した実施例においては、１２個のコイル１と、１２個のコイル２と、１６個の永久磁石７と、１６個の永久磁石８とされている。そして、コイル１及び２は、位相がコイルの層間で交互に繰り返すように接続されている。したがって、第１の位相はコイル１であり、第２の位相はそれから第１の位相のコイル１と部分的にオーバラップしているコイル２であり、第３の位相はそれから第１の位相のコイル１に隣接していると共に第２の位相のコイル２と部分的にオーバラップしている他のコイル１である。このようなパターンは、それから、第１の位相が第２の位相のコイル２に隣接していると共に第３の位相のコイル１と部分的にオーバラップしている他のコイル２であるようにして、連続する。
【００３６】
もし所望するならば、電気機械は、各隣接する２つのコイルの分離角度を各隣接する２つの永久磁石の分離角度との割合を適当に選択することにより、任意の数の位相を発生するように作ることができる。
【００３７】
上述しかつ図１〜図５に示した電気機械は、多数の点で変更できるものであり。例えば、多数の電気機械を共通軸線上に一方を他方のうしろにして設けることができる。また、電気機械は発電機と反対の機能をなす電動機として機能することができる。更に、永久磁石は電磁石に置換することができる。更に他の変更において、磁石をステータアセンブリに設けると共にコイルをロータアセンブリに設けることができる。また、磁石の単一の配列体をコイルの２つの層間に設けることができ、一方の層のコイルは上述したように他方の層のコイルに関して周方向にずらされる。
【００３８】
コイルの層の数は２つに限定される必要がなく、３つ又はそれ以上のコイル層を設けることもできる。位相の数も、コイル層の数、及び各隣接する２つのコイルの分離角度と各隣接する２つの磁石の分離角度との割合を適当に選択することにより、選定することができる。このような場合において、電気機械は多相電気機械、すなわち三相又はそれ以上の位相の電気機械である。しかしながら、特に電気機械が発電機の形である場合には、交流出力は直流出力を作るために整流することができる。
【００３９】
図６は発電機の星形結線図であり、この場合において、位相の数は重要でないけれども、三相を発生せしめる。この一例は、位相の数がコイルの数と等しいときである。同じ位相のコイル１及び２を直列又は並列にしてグループに接続することができ、各グループの交流出力は直流出力１４を作るためにダイオード１３でもって整流される。
【００４０】
図７は、各コイル１又は２、若しくは直列又は並列に接続されている同じ位相のコイルのグループが他方のコイルから電気的に絶縁されている場合の結線図である。発電機の交流出力は、直流出力を作るために例えばブリッジ整流器１５を使用することにより整流される。多段整流器からの直流出力は、一緒に接続される。もし所望するならば、図６に示される整流器の配置を用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明による軸方向界磁式同期電気機械の一実施例のステータアセンブリの部品の平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】ステータアセンブリを形成するために主シャフトに取り付けられている、図１及び図２に示されたステータアセンブリ部品の斜視図である。
【図４】永久磁石式電気機械の形である本発明による軸方向界磁式同期電気機械の一実施例のロータアセンブリの斜視図であり、構成を明確にするために頂板は一部分が切断されていると共にステータアセンブリは省略されている。
【図５】図４のロータアセンブリと図１〜図３のステータアセンブリとを組み合わせている本発明による軸方向界磁式同期電気機械の斜視図であり、ロータアセンブリの頂板は構成を明確にするために一部分が切断されている。
【図６】発電機として構成されている軸方向界磁式同期電気機械の一実施例の結線図であり、多相出力は直流の出力を発生するように整流されている。
【図７】発電機として構成されている軸方向界磁式同期電気機械の他の実施例の結線図であり、単一出力相は直流出力を発生するように整流されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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