(57)【要約】【課題】渦電流に関連するロータ周りにおける永久磁場の損失を低減する。【解決手段】ロータ（１）は、その回転軸（３）に対して垂直なベース部（５）と、ベース部（５）に一体形成された複数のクローポールティース（６）とを有する少なくとも１つのクローポール（４）を備える。クローポールティース（６）は、ベース部（５）に対して垂直に設けられ、クローポールティース（６）の外側面（７）は、回転軸（３）に対するロータ（１）の径方向外周部（８）を構成している。クローポール（４）は、磁性材料で構成されている。本発明によると、少なくとも１つのクローポールティース（６）は、少なくとも一部がクローポールティース（６）の外側面（７）に位置する少なくとも１つの分離領域（９）であって、クローポールティース（６）から電気的に絶縁された少なくとも１つの分離領域（９）を有する。【選択図】図１
2019030217.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機用のロータ（１）であって、
上記ロータ（１）の回転軸（３）を規定するシャフト（２）と、
上記回転軸（３）に対して垂直なベース部（５）と、該ベース部（５）に一体形成された複数のクローポールティース（６）とを有する少なくとも１つのクローポール（４）とを備え、
上記クローポール（４）の上記クローポールティース（６）は、上記ベース部（５）に対して垂直に設けられており、
上記クローポールティース（６）の外側面（７）は、上記回転軸（３）に対する上記ロータ（１）の径方向外周部（８）を構成し、
上記クローポール（４）は、磁性材料で構成され、
上記クローポールティース（６）の少なくとも１つは、少なくとも一部が上記クローポールティース（６）の上記外側面（７）に位置する少なくとも１つの分離領域（９）であって、少なくとも一部が上記クローポールティース（６）から電気的に絶縁された少なくとも１つの分離領域（９）を有する
ことを特徴とするロータ。
【請求項２】
請求項１において、
上記少なくとも１つの分離領域（９）は、磁性材料で構成され、かつ電気絶縁被覆または層（１１）によって少なくとも一部が上記クローポールティース（６）から絶縁されており、
および／または、
上記少なくとも１つの分離領域（９）は、上記クローポールティース（６）を構成する材料よりも高い導電率を有する材料で構成され、かつ電気絶縁被覆または層（１１）によって少なくとも一部が上記クローポールティース（６）から絶縁されている
ことを特徴とするロータ。
【請求項３】
請求項１または２において、
上記少なくとも１つの分離領域（９）は、上記クローポールティース（６）の上記外側面（７）から上記クローポールティース（６）内へ延びている
ことを特徴とするロータ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項において、
上記少なくとも１つの分離領域（９）は、接合態様で、上記クローポールティース（６）の上記外側面（７）、内側面（１０）、および／または側面（１４）に対して固定されている
ことを特徴とするロータ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項において、
上記少なくとも１つの分離領域（９）は、上記ロータ（１）の上記回転軸（３）に対して平行に設けられている
ことを特徴とするロータ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項において、
上記少なくとも１つの分離領域（９）は、互いに電気的に絶縁された複数の分離サブ領域（１３）から構成され、
上記複数の分離サブ領域（１３）は、互いに平行な配置をもって、上記クローポールティース（６）の上記外側面（７）に設けられている
ことを特徴とするロータ。
【請求項７】
請求項６において、
少なくとも１つの上記クローポールティース（６）において、２つの上記分離領域（９）が、上記回転軸（３）と平行に延びていて、磁気伝導性のクローポールティース領域（１２）によって互いに分離されている
ことを特徴とするロータ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項において、
上記クローポール（４）の上記複数のクローポールティース（６）は、同一の設計を有する
こと特徴とするロータ。
【請求項９】
ステータと、該ステータの内部に収容された請求項１〜８のいずれか１項に記載のロータとを備えた発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部に係る発電機用ロータに関する。本発明は、また、そのようなロータを備えた発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電機は、三（あるいは、それ以上）相の交流電流を作り出すために用いられる。発電機は、ステータと、このステータの内部に収容されかつ少なくとも２つのクローポールを有するロータとを備える。ここで、クローポールは、複数のクローポールティースを有しており、その表面によってロータの外周部が形成される。電磁石および元の電流（original current）によって永久磁場が生成され、各クローポールが単一の磁極を形成する。そのような態様で外周部において２つのクローポールの複数のクローポールティースが交互に位置しており、それによりロータの外周部において周方向に磁極が入れ替わる。ロータが回転すると、当該ロータの外周部において磁極が入れ替わることにより、ステータの電気巻線において交流電流が誘起される。ここで、誘起される交流電流の周波数は、ロータの回転速度と、極数、よって通常の状態ではクローポールにおけるクローポールティースの数とに依存し、また交流電流の強度は、とりわけ永久磁場の強度に依存する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６５４５３８３号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第６１３３６６９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ロータの回転により、クローポールのクローポールティースにおいて渦電流が生じる。渦電流は、元の電流と逆向きに流れ、往々にして永久磁場を弱める。これにより、クローポールにおいて発熱が起こる。渦電流を低減するために、例えば特許文献１では、クローポールの表面にパターンを刻んでいる。刻まれたパターンにより、クローポールティースの各表面が複数の閉じたサブ表面に分割され、それにより渦電流が当該サブ表面内でしか流れずに低減される。しかしながら、このタイプのクローポールは、製造するのが極めて複雑であり、したがって比較的高価である。例えば特許文献２に記載されたような、異なる設計の発電機において渦電流を低減するための他の解決策は、一般的な発電機に適用できない。
【０００５】
したがって、本発明の目的は、渦電流に関連するロータ周りにおける永久磁場の損失を低減するために、ロータおよび発電機のための代替的な設計を提示することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によると、上記の目的は、独立請求項の主題によって達成される。有利な実施形態は、従属請求項の主題である。
【０００７】
本発明は、発電機のロータにおいて誘起される渦電流を低減するという基本思想に基づく。ここで、ロータは、当該ロータの回転軸を規定するシャフトを備える。また、ロータは、回転軸に対して垂直なベース部と、当該ベース部に一体形成された複数のクローポールティースとを有する少なくとも１つのクローポールを備える。ここで、クローポールのクローポールティースは、ベース部に対して垂直に設けられており、クローポールティースの外側面は、回転軸に対するロータの径方向外周部を構成している。クローポールは、磁性材料で構成されている。本発明によると、クローポールティースのうち少なくとも１つは、少なくとも一部が当該クローポールティースの外側面に位置する少なくとも１つの分離領域であって、少なくとも一部が各クローポールティースから電気的に絶縁された少なくとも１つの分離領域を有する。
【０００８】
少なくとも一部がクローポールティースから電気的に絶縁された分離領域によると、分離領域において生じる渦電流は当該分離領域内しか流れることができない。知られているように、誘起される渦電流の強度は、当該渦電流が流れる箇所の面積に依存する。電気的に絶縁された分離領域では、渦電流が流れる箇所の面積が限定され、ロータの回転によって生じる渦電流の強度が低減される。これにより、渦電流に関連するロータ周りにおける永久磁場の損失が最小化される。
【０００９】
有利には、少なくとも１つの分離領域は、磁性材料、好ましくは電磁鋼板で構成されていて、電気絶縁被覆または電気絶縁層によって少なくとも一部がクローポールティースから絶縁されている。したがって、分離領域も、クローポールティースで生じる永久磁場に寄与し、発電機において誘起される交流電流の強度が維持される。好ましくは、少なくとも１つの分離領域は、永久磁石材料ではない。好ましくは、磁性材料は、電磁鋼板である。ここで、電気絶縁被覆または層は、例えば、分離領域とクローポールティースとの間に接合によって固定された絶縁フィルムであってもよい。電気絶縁被覆または層によると、分離領域内を流れる渦電流がクローポールティースに流れ込むことが抑止される。これにより、分離領域における渦電流が低減され得る。それに代えてまたは加えて、少なくとも１つの分離領域は、クローポールティースの材料よりも高い導電率を有する材料で構成されていてもよい。少なくとも１つの分離領域は、電気絶縁被覆または電気絶縁層によって少なくとも一部がクローポールティースから絶縁されていてもよい。好ましくは、少なくとも１つの分離領域は、永久磁石材料ではない。好ましくは、少なくとも１つの分離領域の材料は、電磁鋼板である。
【００１０】
有利には、少なくとも１つの分離領域は、クローポールティースの外側面から各クローポールティース内へ延びている。これにより、分離領域において生じる渦電流は、クローポールティース内で低減され得る。各クローポールティースにおいて、複数の分離領域が設けられていてもよい。当該複数の分離領域は、互いに隣り合っていて、各分離領域の電気絶縁被覆または層によって互いに分離されている。それに代えて、複数の分離領域は、各クローポールティースの磁気伝導性の材料で構成されたクローポールティース領域によって互いに分離されていてもよい。ここで、各分離領域の幅や深さは、互いに等しくてもよいし、異なっていてもよい。また、各分離領域の幅および深さは、クローポールの構成に適合され、ロータ周りにおける永久磁場の損失を低減するべく最適化される。
【００１１】
本発明に係るロータの有利な構成では、少なくとも１つの分離領域は、接合態様で、各クローポールティースの外側面、内側面、および／または側面に対して固定されている。よって、例えば、電気絶縁被覆または層によると、クローポールティースからの分離領域の電気的絶縁と、クローポールティースに対する分離領域の接合取付との両方が実現され得る。
【００１２】
本発明に係るロータの別の態様では、有利には、少なくとも１つの分離領域は、ロータの回転軸に対して平行に配置されている。これにより、分離領域において生じる渦電流が、ロータの回転軸に沿って流れ、低減される。よって、分離領域は、例えば、帯状に設計されていてもよく、またクローポールティースの全長にわたって延びていてもよい。それにより、有利には、クローポールティースの全長にわたって渦電流が低減され得る。
【００１３】
本発明に係るロータの特に好ましい構成では、有利には、少なくとも１つの分離領域は、互いに電気的に絶縁された複数の分離サブ領域から構成されており、当該複数の分離サブ領域は、クローポールティースの外側面において互いに平行な配置をもって構成されている。よって、各分離領域は、互いに電気的に絶縁された複数の分離サブ領域を有する。ここで、分離サブ領域の１つで生じる渦電流は、当該分離サブ領域の内部のみを流れる。これにより、各分離領域の各分離サブ領域における、よって各分離領域の全体における渦電流が低減される。ここで、各分離サブ領域の幅は、互いに等しくても異なっていてもよく、ロータ周りにおける永久磁場の損失を低減するべく最適化されてもよい。よって、少なくとも１つの分離領域は、クローポールティースの外側面の全体にわたって延びていてもよく、それにより、有利には、クローポールティース全体において渦電流が低減される。それに代えて、それぞれが複数の分離サブ領域を有する複数の分離領域が、クローポールティースの外側面に設けられていてもよい。本発明に係るロータの有利な構成では、各クローポールティースの外側面において、２つの分離領域が回転軸に対して平行に延びている。
【００１４】
有利には、クローポールの複数のクローポールティースは、同一の設計を有する。これにより、ロータ周りにおいて安定かつ均一な永久磁場を発生させることができる。
【００１５】
総じて、本発明に係るロータは、低い複雑性を伴って低コストに製造可能である。ここで、本発明に係るロータでは、渦電流が有利には低減され、渦電流に関連するロータ周りにおける永久磁場の損失が最小化される。
【００１６】
本発明は、また、ステータと、当該ステータの内部に収容された本発明に係るロータとを備えた発電機に関する。当該ロータは、上述した特徴を有する。
【００１７】
本発明の別の重要な特徴および利点は、従属請求項から、図面から、および図面を参照した関連する図の説明から明らかになるだろう。
【００１８】
上述したまたは後述する特徴は、それぞれに示す組合せにおいてのみでなく、本発明の範囲を逸脱することなく、他の組合せにおいてまたは単独でも適用可能であることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明に係るロータを示す図である。
【図２】図２は、複数の分離領域を有するクローポールティースの外側面を示す図である。
【図３】図３は、図２のクローポールティースの内側面を示す図である。
【図４】図４は、分離領域を有するクローポールティースの外側面を示す図である。
【図５】図５は、図４のクローポールティースの内側面を示す図である。
【図６】図６は、２つの互いに分離された分離領域を有するクローポールティースの外側面を示す図である。
【図７】図７は、図６のクローポールティースの内側面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物、あるいはその用途を制限することを意図するものでは全くない。なお、同一の参照符号は、同一のもしくは類似のまたは機能的に同一の構成要素を示す。
【００２１】
図１は、本発明に係るロータ１を示す図である。ここで、ロータ１は、当該ロータ１の回転軸３を規定するシャフト２を備える。また、ロータ１は、２つのクローポール４を備える。各クローポール４は、回転軸３に対して垂直なベース部５と、このベース部５に一体形成された複数のクローポールティース６とを有する。各クローポール４のクローポールティース６は、各ベース部５に対して垂直に設けられている。クローポールティース６の外側面７は、回転軸３に対するロータ１の径方向外周部８を構成している。各クローポール４は、磁性材料で構成されている。本発明によると、各クローポールティース６は、少なくとも一部が当該クローポールティース６の外側面７に位置する分離領域９であって、少なくとも一部が各クローポールティース６から電気的に絶縁された分離領域９を有する。クローポールティース６から電気的に絶縁された分離領域９によると、分離領域９において生じる渦電流は当該分離領域９内しか流れることができない。これにより、渦電流に関連するロータ１周りにおける永久磁場の損失が、有利には最小化され得る。各クローポール４のクローポールティース６は、ロータ１周りで安定かつ均一な永久磁場を発生させられるように、同一の設計を有することが好ましい。
【００２２】
図２および図３は、クローポールティース６の外側面７および内側面１０を示している。この例示的な実施形態では、クローポール４のクローポールティース６は、複数の分離領域９を有しており、それらはクローポールティース６の外側面７から各クローポールティース６内へ延びている。これらの分離領域９は、磁性材料、好ましくは電磁鋼板で構成されていて、クローポールティース６周りで誘起される永久磁場に寄与する。分離領域９は、電気絶縁被覆または層１１によってクローポールティース６から絶縁されており、そのため、ロータ１の回転によって各分離領域９で生じる渦電流は、各分離領域９内でしか流れることができず、よって低減される。分離領域９は、クローポールティース６に対して接合態様で取り付けられていて、クローポールティース領域１２によって互いに分離されている。ここで、分離領域９は、幅および深さが互いに等しく、またロータ１の回転軸３に沿って互いに平行に延びている。互いに平行な複数の分離領域９によって、クローポールティース６の外側面７全体で生じる渦電流を低減することができ、渦電流に関連するロータ１周りにおける永久磁場の損失を最小化することができる。
【００２３】
図４および図５は、代替的な設計のクローポールティース６の外側面７および内側面１０を示している。ここで、１つのみの分離領域９が、クローポールティース６に設けられていて、電気絶縁被覆または層１１によって互いに電気的に絶縁された複数の分離サブ領域１３を有している。分離サブ領域１３は、互いに平行な配置をもって、クローポールティース６の外側面７に設けられていて、接合態様で、外側面７と、一部がクローポールティース６の側面１４とに対して固定されている。各分離サブ領域１３において生じる渦電流は、当該分離サブ領域１３内のみを流れ、よって各分離サブ領域１３において、また分離領域９の全体において低減される。
【００２４】
図６および図７は、代替的な設計のクローポールティース６の外側面７および内側面１０を示している。この例示的な実施形態では、クローポールティース６は、２つの分離領域９を有しており、それらの各々は、互いに電気的に絶縁された複数の分離サブ領域１３を含む。ここでまた、各分離サブ領域１３において、また２つの分離領域９の全体において渦電流が低減される。誘起される渦電流に関連するロータ１周りにおける永久磁場の損失が、有利には低減される。ここで、分離領域９は、接合態様で、クローポールティース６の外側面７、側面１４、および内側面１０に対して取り付けられている。
【００２５】
総じて、本発明に係るロータ１は、低い複雑性を伴って低コストに製造可能である。ここで、本発明に係るロータ１では、渦電流が有利には低減され、渦電流に関連するロータ１周りにおける永久磁場の損失が最小化される。
【符号の説明】
【００２６】
１    ロータ
２    シャフト
３    回転軸
４    クローポール
５    ベース部
６    クローポールティース
７    外側面
８    径方向外周部
９    分離領域
１０    内側面
１１    電気絶縁被膜または電気絶縁層
１２    クローポールティース領域
１３    分離サブ領域
１４    側面
【図１】
2019030217.tif 000003
【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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