(57)【要約】【課題】摩擦損失および風損の小さい電気機械を提供する。【解決手段】電気機械は固定子と、固定子に対して回転するように構成された回転子組立体とを含み、回転子組立体は、突出回転子極の各隣接対の間に極間空隙が形成されるように内側ハブの回りに互いに離間した複数の突出回転子極を含む回転子鉄心を含み、回転子鉄心によって各極間空隙内に開口が画定される。非導電性および非磁性材料のインサートは、突出回転子極の間に形成された空隙内に配置され、インサートのそれぞれは、回転子鉄心によって画定された各開口と嵌合するように構成されたインサートの軸方向内側端に形成された嵌合機構を含み、それによってインサートは、回転子組立体の回転中に受ける遠心力に抗して回転子鉄心に固定される。【選択図】図１
2015027253.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子と、
前記固定子内に配置され、前記固定子に対して回転するように構成された回転子組立体と
を含む電気機械であって、
前記回転子組立体が、
突出回転子極の各隣接対の間に極間空隙が形成されるように内側ハブの回りに互いに離間した複数の突出回転子極を含む回転子鉄心であって、前記回転子鉄心によって開口が各極間空隙に画定される、回転子鉄心と、
前記複数の突出回転子極の間に形成された空隙内に配置され、非導電性および非磁性材料で形成された複数のインサートと
を含み、
前記複数のインサートのそれぞれは、前記回転子鉄心によって画定された各開口と嵌合するように構成された、前記インサートの軸方向内側端に形成された嵌合機構を含み、それによって前記インサートは、前記回転子組立体の回転中に受ける遠心力に抗して前記回転子鉄心に固定される、電気機械。
【請求項２】
前記回転子鉄心が、前記複数の突出回転子極が前記内側ハブと一体で形成された複数の回転子歯を備える歯付き回転子を含む、請求項１記載の電気機械。
【請求項３】
前記嵌合機構が、前記回転子鉄心の前記内側ハブに形成された開口と嵌合するように構成されたダブテール機構を含む、請求項２記載の電気機械。
【請求項４】
前記複数のインサートのそれぞれが、
軸方向に延びる縦方向部材と、
２つの隣接する回転子歯の間を直角に延び、一対の隣接する回転子歯と組み合わさって歯付き回転子上に滑らかな外表面に形成する横方向部材と
を含むＴ形インサートであって、
前記ダブテール機構が、前記縦方向部材の内側端に形成され、前記回転子鉄心の前記内側ハブに形成された前記開口と嵌合するように構成されたＴ形インサートを含む、請求項３記載の電気機械。
【請求項５】
前記複数の回転子歯それぞれが、前記回転子歯の半径方向の最も外側の部分に形成された一対のフランジ状の突起、または前記回転子の歯の半径方向の最も外側の部分の近くに形成された一対の軸方向に延びる切欠きのうちの一方を含み、
前記横方向部材は、前記回転子組立体の回転中に受ける遠心力に抗して前記インサートを所定位置に保持するために、前記フランジ状の突起の対または前記回転子歯に形成された前記軸方向に延びる切欠きの対のうちの前記一方と嵌合するように構成された前記横方向部材の各端部に肩部を含む、請求項４記載の電気機械。
【請求項６】
前記複数のインサートのそれぞれが、
第１の非導電性、非磁性材料で形成され、中空区域をその中に画定する外殻を含み、
前記ダブテール機構が、前記外殻に形成され、前記回転子鉄心の前記内側ハブに形成された前記開口と嵌合するように構成された、請求項３記載の電気機械。
【請求項７】
前記外殻によって画定された前記中空区域の中に配置され、前記第１の非導電性、非磁性材料より密度が低い第２の非導電性、非磁性材料で形成された内部充填体をさらに含む、請求項６記載の電気機械。
【請求項８】
前記中空区域の中に形成され、前記外殻と一体で形成されたハニカム構造体をさらに含む、請求項６記載の電気機械。
【請求項９】
前記回転子鉄心が、前記複数の突出回転子極のそれぞれが他の突出回転子極とは独立した部品を含み、前記複数の独立した突出回転子極は非磁性の内側ハブの回りに周方向に配置され、前記非磁性の内側ハブと嵌合しているセグメント回転子を含む、請求項１記載の電気機械。
【請求項１０】
前記セグメント回転子の独立した突出回転子極の各隣接対が、極間空隙を形成し、前記複数のインサートのそれぞれが、独立した突出回転子極の隣接対の間に形成された各極間空隙と嵌合するように、前記極間空隙に対応する形状を有する、請求項８記載の電気機械。
【請求項１１】
前記回転子組立体が、前記回転子鉄心の両端に配置された一対のエンドプレートであって、前記エンドプレートの対それぞれが、非導電性および非磁性材料で形成され、前記エンドプレートに形成された複数の開口を含むエンドプレートを、さらに含み、
前記複数のインサートのそれぞれが、前記回転子鉄心の全長にわたって軸方向に延びる一体部分として形成され、前記インサートの両端のそれぞれには嵌合機構が形成され、前記嵌合機構は、前記回転子組立体の回転中に受ける遠心力に抗する前記インサートへの保持強度を付加するように、各エンドプレートの各開口と嵌合するように構成される、請求項１記載の電気機械。
【請求項１２】
固定子を提供するステップと、
前記固定子内に配置可能で、中心軸回りの回転のために取付け可能な回転子組立体を提供するステップを含む電気機械の製造方法であって、
前記回転子組立体を提供するステップが、
極間空隙が突出回転子極の各隣接対の間に形成されるように内側ハブの回りに互いに離間した複数の突出回転子極を含む突出回転子鉄心であって、ダブテール形の開口が前記回転子鉄心によって各極間空隙に画定された突出回転子鉄心を提供するステップと、
非導電性および非磁性材料で形成された複数のインサートを提供するステップと、
前記複数のインサートを、前記複数の突出回転子極の間に形成された前記極間空隙に固定するステップと
を含み、
前記複数のインサートのそれぞれを、突出回転子極の隣接対の間に形成された極間空隙内に固定するステップにおいて、前記インサートの嵌合機構が、前記回転子鉄心によって画定される各開口と嵌合し、それによって前記インサートは、前記回転子組立体の回転中に受ける遠心力に抗して、前記回転子鉄心に固定される、電気機械の製造方法。
【請求項１３】
突出回転子鉄心を提供するステップが、歯付き回転子を提供するステップを含み、前記複数の突出回転子極が前記内側ハブと一体で形成される複数の回転子歯を含む、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記複数のインサートを提供するステップが複数のＴ形インサートを提供するステップを含み、前記複数のＴ形インサートのそれぞれが、
軸方向に延びる縦方向部材と、
２つの隣接する回転子歯の間を直角に延び、一対の隣接する回転子歯と組み合わさって前記歯付き回転子上に滑らかな外表面に形成する横方向部材と
前記縦方向部材の内側端に形成され、前記回転子鉄心の前記内側ハブに形成された開口と嵌合するように構成された嵌合機構とを含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記複数のインサートを、前記複数の突出回転子極の間に形成された前記極間空隙に固定するステップが、各インサートに対して、前記縦方向部材のダブテール機構を前記回転子鉄心の前記内側ハブに形成されたダブテール形の開口と嵌合するステップを含む、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記複数のインサートを提供するステップが、複数の中空状のインサートを提供するステップを含み、前記複数の中空状のインサートのそれぞれが、第１の非導電性、非磁性材料で形成された外殻を含み、前記外殻がその中に開口を画定し、その内側軸方向表面に形成された嵌合機構を含む、請求項１２記載の方法。
【請求項１７】
前記複数の中空状のインサートを提供するステップが、各インサートに対して、前記外殻によって画定された前記開口の中に配置され、前記第１の非導電性、非磁性材料より密度が低い第２の非導電性、非磁性材料で形成された内部充填体を提供するステップをさらに含む、請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記複数の中空状のインサートを提供するステップが、各インサートに対して、前記外殻によって画定された前記開口の中に配置され、押出し法で前記外殻と一体に形成されたハニカム構造体を提供するステップをさらに含む、請求項１６記載の方法。
【請求項１９】
前記複数のインサートを前記複数の突出回転子極の間に形成された前記極間空隙に固定するステップが、各インサートに対して、前記外殻の前記ダブテール機構を前記回転子鉄心の前記内側ハブに形成されたダブテール形の開口に嵌合させるステップを含む、請求項１６記載の方法。
【請求項２０】
突出回転子鉄心を提供するステップが、前記複数の突出回転子極のそれぞれが、他の突出回転子極とは独立した部品を含むセグメント回転子を提供するステップを含み、前記複数の独立した突出回転子極が、非磁性の内側ハブの回りに周方向に配置され、前記非磁性の内側ハブと嵌合し、前記セグメント回転子の独立した突出回転子極の各隣接対が極間空隙を形成する、請求項１２記載の方法。
【請求項２１】
前記複数のインサートを、前記複数の突出回転子極の間に形成された前記極間空隙に固定するステップが、各インサートに対して、インサートを、独立した突出回転子極の隣接対の間に形成された各極間空隙に配置するステップを含む、請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
前記回転子組立体を提供するステップが、前記回転子鉄心の両端に配置された一対のエンドプレートであって、前記エンドプレートの対のそれぞれが非導電性および非磁性材料で形成され、前記エンドプレートに形成された複数の開口を含むエンドプレートを提供するステップをさらに含み、
前記複数のインサートのそれぞれは、前記回転子鉄心の全長にわたって軸方向に延びる一体部分として形成され、前記インサートの両端のそれぞれには嵌合機構が形成され、前記嵌合機構は、前記回転子組立体の回転中に受ける遠心力に抗する前記インサートへの保持強度を付加するように、各エンドプレートの各開口と嵌合するように構成される、請求項１２記載の方法。
【請求項２３】
極間空隙が突出回転子極の各隣接対の間に形成されるように、内側ハブの回りに互いに離間した複数の突出回転子極を含む突出回転子と、
前記複数の突出回転子極の間に形成された前記空隙内に配置され、前記複数の突出回転子極と組み合わさって前記回転子組立体に滑らかな外表面を形成するように構成された複数のインサートと
を含む電気機械用の回転子組立体であって、
前記複数のインサートは、非導電性および非磁性材料で形成されたＴ形インサート、非導電性および非磁性材料で形成された外殻を有する中空インサート、または非導電性および非磁性材料で形成されたダブテール形インサートのうちの１つを含み、
前記複数のインサートのそれぞれが、前記回転子組立体の回転中に受ける遠心力に抗して、前記突出回転子に前記インサートが固定されるように前記突出回転子と嵌合するように構成される、回転子組立体。
【請求項２４】
前記複数のインサートがＴ形インサートを含む場合、前記複数のＴ形インサートのそれぞれは、
軸方向に延びる縦方向部材と、
２つの隣接する突出回転子極の間を直角に延び、一対の隣接する突出回転子極と組み合わさって、前記突出部に滑らかな外表面に形成する横方向部材と
を含み、
前記縦方向部材が、突出歯付き回転体の前記内側ハブに形成された各ダブテール形の開口と嵌合するように構成された前記縦方向部材の内側端に形成されたダブテール機構を含む、請求項２３記載の回転子組立体。
【請求項２５】
前記複数のインサートが中空インサートを含む場合、前記複数の中空インサートのそれぞれが、
第１の非導電性、非磁性材料で形成された外殻であって、その中に開口を画定する外殻と、
前記外殻によって画定された前記開口の中に配置され、前記第１の非導電性、非磁性材料より密度が低い第２の非導電性、非磁性材料で形成された内部充填体と
を含み、
前記外殻は、突出歯付き回転子の前記内側ハブに形成された各ダブテール形の開口と嵌合するように構成された前記外殻の軸方向内側表面に形成されたダブテール機構を含む、請求項２３記載の回転子組立体。
【請求項２６】
前記複数のインサートがダブテール形インサートを含む場合、前記複数のダブテール形インサートのそれぞれが、非磁性の内側ハブの回りに周方向に配置され、前記非磁性の内側ハブと嵌合するセグメント突出回転子の独立した突出回転子極の間に形成されたダブテール形の極間空隙内に配置されるように構成され、前記複数の独立した突出回転子極のそれぞれは、前記非磁性の内側ハブの回りに周方向に配置され、前記非磁性の内側ハブと嵌合する、請求項２３記載の回転子組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、電気機械に関し、より詳細には、高速での遠心力に耐えることのできる機械的に頑丈な回転子組立体を提供しながら、機械の摩擦損失および風損を低減するために電気機械の突出回転子（salient rotor）を滑らかにするためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な産業での電気機械の使用は、多くの工業、商業および輸送産業において徐々に広がり続けている。そのような電気機械の内、例えばリラクタンスモータや固定子永久磁石モータなどのいくつかのタイプでは、回転子に突極すなわち突出した歯を使うことが必要となる。これらのタイプの回転子は、一般に受動的で頑丈であるので、高速用途に適している。しかしながら、このような回転子の突出構造は、回転子が回転するときに突出部が空気を捉えやすくなるために過大な風損を生じさせる一因となることが認識されている。
【０００３】
突出回転子の使用に伴う風損の問題に対処する一つの方法は、回転子歯の間の極間の空間を埋めることによって、回転子の外表面を「滑らか」にすることである。極間の空間を埋めるための従来技術の機構の一つに、隣接する回転子極の先端をつなげるように回転子極の間に配置する磁気ブリッジがあり、それによって回転子を滑らかにする。しかしながら、そのような磁気ブリッジは、磁気の突極性にマイナスの影響を与え、したがって、電気機械の性能を下げる働きをする。極間の空間を埋めるための別の従来技術の機構としては、米国特許第４，９１６，３４６号に記載されているように、回転子を滑らかにし、かつ磁気の突極性に影響を与えない非磁性体（例えば、ステンレス鋼）のセグメントを回転子極の間に配置することである。しかしながら、この従来技術では、そのような非磁性のセグメントは、中実で単一材料の金属インサートとして形成され、それは、電気機械の全体質量を大きく増大させる。さらに、そのような非磁性のセグメントは、回転子極に溶接されるか、または単に切欠きを形成することによって回転子極に固定されるが、それらは共に、回転子極の間のセグメントを保持するためには理想的ではないかもしれないし、および／または、回転子組立体に対して所望の頑丈さを与えないかもしれない。さらに、金属製インサートおよびそれに関係する溶接部は、機械の効率を低下させる渦電流損を受けやすい。
【０００４】
それゆえ、突出回転子を滑らかにするためのインサートを備えて、磁気性能に影響することなく風損の問題に対処することが望ましい。そのようなインサートが、回転子に加えられる質量を最小化しつつ、高速での遠心力に耐えることができる機械的に頑丈な方法で突出回転子とともに組立てられることがさらに望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１２／０３０６２９７号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様によれば、電気機械は、固定子と、固定子内に配置され、固定子に対して回転するように構成された回転子組立体とを含み、回転子組立体は、突出回転子極の各隣接対の間に極間空隙が形成されるように内側ハブの回りに互いに離間した複数の突出回転子極を含む回転子鉄心であって、回転子鉄心によって開口が各極間間隙に画定される、回転子鉄心と、複数の突出回転子極の間に形成された空隙内に配置され、非導電性および非磁性材料で形成された複数のインサートとを含む。複数のインサートのそれぞれは、回転子鉄心によって画定された各開口と嵌合するように構成された、インサートの軸方向内側端に形成された嵌合機構を含み、それによってインサートは、回転子組立体の回転中に受ける遠心力に抗して回転子鉄心に固定される。
【０００７】
本発明の別の態様によれば、電気機械の製造方法は、固定子を提供するステップと、固定子内に配置可能で、中心軸回りの回転のために取付け可能な回転子組立体を提供するステップとを含み、回転子組立体を提供するステップは、極間空隙が突出回転子極の各隣接対の間に形成されるように内側ハブの回りに互いに離間した複数の突出回転子極を含む突出回転子鉄心であって、ダブテール形の開口が回転子鉄心によって各極間空隙に画定された突出回転子鉄心を提供するステップを含む。回転子組立体を提供するステップは、非導電性および非磁性材料で形成された複数のインサートを提供するステップと、複数のインサートを、複数の突出回転子極の間に形成された極間空隙に固定するステップとをさらに含み、複数のインサートのそれぞれを、突出回転子極の隣接対の間に形成された極間空隙内に固定するステップにおいて、インサートの嵌合機構が、回転子鉄心によって画定される各開口と嵌合し、それによってインサートは、回転子組立体の回転中に受ける遠心力に抗して、回転子鉄心に固定される。
【０００８】
本発明のさらに別の実施形態によれば、電気機械用の回転子組立体は、極間空隙が突出回転子極の各隣接対の間に形成されるように、内側ハブの回りに互いに離間した複数の突出回転子極を含む突出回転子と、複数の突出回転子極の間に形成された極間空隙内に配置され、複数の突出回転子極と組み合わさって回転子組立体に滑らかな外表面を形成するように構成された複数のインサートとを含む。複数のインサートは、非導電性および非磁性材料で形成されたＴ形インサート、非導電性および非磁性材料で形成された外殻を有する中空インサート、または非導電性および非磁性材料で形成されたダブテール形インサートのうちの１つを含む。複数のインサートのそれぞれは、回転子組立体の回転中に受ける遠心力に抗して、突出回転子にインサートが固定されるように、突出回転子と嵌合するように構成される。
【０００９】
種々の他の特徴および利点は、以下の詳細な説明および図面から明らかになるであろう。
【００１０】
図面は、本発明を実行するために現在考えられている好ましい実施形態を示している。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態で使用可能な電気機械の概略図である。
【図２】本発明の実施形態で使用可能な電気機械の回転子の側面図である。
【図３】本発明の実施形態で使用可能な歯付き回転子の概略図である。
【図４】本発明の実施形態で使用可能なセグメント回転子の概略図である。
【図５】本発明の実施形態による歯付き回転子および非導電性、非磁性回転子インサートを含む回転子組立体の概略図である。
【図６】本発明の実施形態による歯付き回転子および非導電性、非磁性回転子インサートを含む回転子組立体の概略図である。
【図７Ａ】本発明の実施形態による歯付き回転子および非導電性、非磁性回転子インサートを含む回転子組立体の概略図である。
【図７Ｂ】本発明の実施形態による歯付き回転子および非導電性、非磁性回転子インサートを含む回転子組立体の概略図である。
【図７Ｃ】本発明の実施形態による歯付き回転子および非導電性、非磁性回転子インサートを含む回転子組立体の概略図である。
【図８】本発明の実施形態によるセグメント回転子および非導電性、非磁性回転子インサートを含む回転子組立体の概略図である。
【図９】本発明の実施形態による歯付き回転子と、非導電性、非磁性回転子インサートと、非導電性、非磁性エンドプレートとを含む回転子組立体の概略図である。
【図１０】本発明の実施形態によるセグメント回転子と、非導電性、非磁性回転子インサートと、非導電性、非磁性エンドプレートとを含む回転子組立体の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施形態は、磁気性能に影響することなく摩擦損失と風損の問題に対処するように、回転子を滑らかにするためにインサートを備えた突出回転子を組み込んだ電気機械を対象とする。本発明の実施形態は、回転子と固定子が半径方向の磁場によって相互作用する電気機械に関して説明されるが、本発明の実施形態は、インサートが半径方向を向き、回転子／固定子相互作用のための軸方向磁場を用いる電気機械にも用いることができるのは、当業者には理解されよう。
【００１３】
図１を参照すると、本発明の実施形態から恩恵を受けることができる典型的な電気機械１が示されている。電気機械１は、半径方向に回転子３を取り囲み、回転子３に沿って軸方向に延びる固定子２（例えば、積層鉄固定子）を含む。固定子２は、複数の固定子極４をさらに含み、各固定子極４は半径方向に対向する固定子極と合わさって１つの固定子極対を形成する。固定子極対４ａ、４ｂは、離れた電源（図示せず）から従来の方法で駆動されることができる相巻線５で巻かれている。別の相巻線（図示せず）もまた、同様な方法で他の固定子極４に含まれる。
【００１４】
図１に示すように、回転子３は、複数の突極部６を有する突出回転子として形成される。１つの実施形態によれば、図２の回転子３を見ると分かるように、回転子３は一体積層体７のスタックで構成されているが、回転子鉄心は単一ピースとしても形成され、例えば鋼鉄から機械加工して作られるか、または焼結磁性材から形成されることができることが認識されている。回転子３は、突出磁極として作用する複数の突起／歯６を含む。回転子３の中央部は、駆動軸が挿入され回転子３がその回りを回転できる回転子穴８を含む。
【００１５】
本発明の実施形態によれば、電気機械の正確な構造は、多くの形態のうちの１つを取ることができる。例えば、電気機械は、固定子３の相巻線５が所定の順序で駆動されて回転子３を回転させる、非永久磁石磁極を誘導するリラクタンスモータとして構成されることができる。このリラクタンスモータは、固定子極と回転子極が同じ数の同期リラクタンスモータであってもよいし、固定子の極対の数が回転子の極対の数より１つだけ多いスイッチトリラクタンスモータであってもよい。別の例としては、電気機械は、固定子に埋め込まれた永久磁石９（仮想線で示す）を含む固定子永久磁石機械（例えば、永久磁石磁束スイッチング機械、永久磁石磁束反転機械、または二重突極永久磁石機械）として構成されてもよい。そのような固定子永久磁石機械では、巻線５の電流は磁石９に関係した磁場と相互作用して回転子３を回転させる。
【００１６】
図１および図２は、本発明の実施形態を利用して恩恵を受けることができる電気機械の例を単に図示したことを意味していることが分かる。すなわち、本発明の実施形態は、回転子の突極、すなわち突出した歯を利用することが必要な複数の異なったタイプの電気機械で実施することができる。このように、本発明の実施形態は、本明細書に示し説明されるタイプの電気機械にのみ限定されることを意味しない。
【００１７】
ここで図３および図４を参照すると、本発明の実施形態を適用することのできる突出回転子の実施形態が示されている。まず図３を参照すると、歯付き回転子１０の構造が示されており、ここでは、複数の回転子歯すなわち極１２が、歯１２と一体で形成された内側ハブ１４または回転子の一部から半径方向外向きに延びている。図４を参照すると、セグメント回転子２０の構造が示されており、ここでは、各突出回転子極２２は他の回転子極とは独立した部品として形成されている。図４に示すように、独立した回転子極は、非磁性の回転子ハブ２６の回りに周方向に配置されており、各回転子極２２は、回転子極の最下部に（すなわち、各回転子極積層体に）形成された嵌合機構２８によって回転子ハブ２６と嵌合している。セグメント回転子２０の各回転子極２２の間の凹部３０は、以下の詳述するように、インサートをその中に受け入れて、回転子の回転によって生じる遠心力に抗してインサートを回転子極２２の間で半径方向に保持するように構成されている。
【００１８】
本発明の実施形態によれば、図３および図４に示すような突出回転子１０、２０は、回転子極の間の極間の空間を部分的に埋め、回転子極と組み合わさって機械的に「滑らか」な外表面を回転子上に形成する非導電性および非磁性のインサートを備えることによって、機械的に滑らかに作られることができる。本明細書で使用する「滑らか」は、必ずしも回転子組立体の外表面が丸い、または完全に滑らかであることを要求せず、単に、インサートが、隣接する回転子極の間を横断し、それらの間を本質的に閉じた表面とすればよい、と理解される。したがって、例えば、これらのインサートが、（より安価なインサートを提供するために）隣接する回転子極を橋渡しする円弧状のセグメントよりはむしろ直線状の外面／セグメントを有するように構成され、これによっても回転子に機械的に滑らかな外表面を与えると見られることが想像される。非導電性および非磁性の回転子インサート片は、磁気性能に影響することなく突出回転子に関連する風損の問題に対処する。非導電性および非磁性のインサートは、回転子に加えられる質量を最小化しつつ、高速での遠心力に耐えることができる機械的に頑丈な方法で、突出回転子とともに構成され組立てられる。例示的な実施形態によれば、インサートのそれぞれは、突出回転子の全長にわたって軸方向に延びる中実の一体部分として形成される。
【００１９】
ここで図５〜７を参照すると、本発明の様々な実施形態による回転子組立体の部分が示されている。各実施形態の回転子組立体は、歯付き回転子、および歯付き回転子の隣接する回転子歯の各対の間の極間の空間に挿入された非導電性、非磁性のインサートを含む。図示のように、回転子インサートは、本発明の実施形態に従った様々な形状／断面をもつことができ、インサートの形状は、使用される個々の突出回転子の回転子極の形状、および回転子の速度を支えるために必要な遠心強度に適合する。
【００２０】
図５に示すように、回転子組立体３２は、回転子歯３６のそれぞれの半径方向の最も外側の部分にフランジ状の突起３８を有する回転子歯３６を含む歯付き回転子３４を有して提供され、その突起３８は、歯３６の各側面に歯３６に垂直に延びている。非導電性、非磁性のインサート４０は、隣接する歯３６の間の極間の空間４１内に配置されたＴ形インサートとして形成され、このＴ形インサート４０は、軸方向に延びる縦方向部材４２および２つの隣接する回転子歯３６の間を直角方向に延びる横方向部材４４を有し、この横方向部材４４は、一対の隣接する回転子歯３６と組み合わさって歯付き回転子３４に滑らかな外表面を形成する。横方向部材４４は、回転子歯の各突起３８に当接する横方向部材４４の各端部の肩部４６を含むように形成され、突起３８はＴ形インサート４０の肩部４６と嵌合して、回転子の回転中に受ける遠心力に抗してインサートを所定位置に保持する。縦方向部材４２の内側端に形成された嵌合機構４８もまたＴ形インサート４０に含まれる。嵌合機構４８は、歯付き回転子３４のバック鉄心／内側ハブ５２に形成された開口５０と嵌合するように構成され、それにより、インサート４０と歯付き回転子３４との嵌合はさらに補強され、回転子組立体３２はそれに働く遠心力に対してより頑丈になる。例示的な実施形態によれば、嵌合機構４８は、ダブテール形の開口５０と嵌合するダブテール機構として構成され、遠心力に対する頑丈さを強化する。しかしながら、他の形状／構成の嵌合機構が使用されることも想像されることを認識される。
【００２１】
図６は、図５の回転子組立体と同様な回転子組立体５４を（類似の要素は図５と同様の番号を付して）示すが、歯付き回転子５８の歯５６およびＴ形インサート６０に形成された機構は異なる。すなわち、回転子歯５６は、それぞれが各回転子歯５６の半径方向の最も外側の部分の近くに、軸方向に延びる切欠き６２を含むように形成されている。Ｔ形インサート６０の横方向部材６４は、隣接する歯５６の切欠き６２と嵌合する横方向部材６４の各端部の肩部６６を含むように形成され、回転子の回転中に受ける遠心力に抗してインサート６０を所定位置に保持する。縦方向部材４２の内側端に形成された嵌合機構４８もまたＴ形インサート６０に含まれる。嵌合機構４８は、歯付き回転子５８のバック鉄心／内側ハブ５２に形成された開口５０と嵌合するように構成され、それにより、インサート６０と歯付き回転子５８との嵌合はさらに補強され、回転子組立体５４はそれに働く遠心力に対してより頑丈になる。
【００２２】
ここで図７Ａを参照すると、回転子組立体６８は、図６の歯付き回転子と同じ歯付き回転子５８を有して示され、歯付き回転子５８は、それぞれが各回転子歯５６の半径方向の最も外側の部分の近くに、軸方向に延びる切欠き６２を含むように形成されている回転子歯５６を有する。しかしながら、回転子組立体６８の非導電性、非磁性のインサート７０は、隣接する回転子歯５６の間の極間の空間すなわち空隙４１の一部を空けて残すＴ形よりむしろ空隙４１のすべてを埋めるように構成されている点で、回転子組立体５４（図６）のインサート６０とは異なる。インサート７０は、Ｔ形インサート４０、６０（図５および図６）より大きなサイズなので、その質量はＴ形インサートよりも大きく、そのことは、回転子の回転中にインサートによって生じる遠心力に関しては望ましくないことは認識される。インサート７０の質量を可能な限り最小化するために、高密度の材料で形成されない内部領域を含む、ここでは「中空」インサートと称する、非導電性、非磁性のインサートが形成される。「中空」インサートは、非導電性、非磁性材料で形成される外殻７２を含み、外殻７２はある区域すなわち開口７３を画定する。例示的な実施形態によれば、外殻７２は、高い機械的強度および剛性をインサートに与える非導電性、非磁性材料で形成される。本発明の１つの実施形態によれば、開口７３は、外殻７２を形成するのに使用される材料とは異なる非導電性、非磁性材料で形成される内部充填体７４を含み、その結果、インサート７０は複数材料のインサートとして形成される。内部充填体７４は、外殻材料よりも低密度の非導電性、非磁性材料で形成され、例えば、非常に軽量である誘電発泡体で形成されてもよい。外殻７２の内部にインサート７０の内部充填体７４を包含することは、インサート７０の全体重量を大きく低減し、その結果、インサート７０によって生じる遠心力を大きく低減する働きがあり、それによって回転子組立体６８の機能および寿命は改善される。さらに、外殻７２内に内部充填体７４を包含することは、回転子組立体６８の動作中に空気の撹拌および歪みを防ぎ、それによって、回転子組立体の効率が改善される。
【００２３】
他の実施形態によれば、外殻７２によって画定される区域７３は、空いた（または、部分的に空いた）ままにしてもよく、その結果、インサート７０の質量は低減される。すなわち、１つの実施形態では、図７Ｂに示すように、開口７３は完全に充填されないままでもよい。別の実施形態では、図７Ｃに示すように、外殻７２によって画定された中空区域７３は、その中に形成された重量低減構造体を含むことができ、それには、例えば、インサートの全体質量を低減する機能を果たしながら、インサート７０に剛性を与える、外殻７２とともに押し出されたハニカム構造体７５がある。ハニカム構造体７５の内部は空のままか、または発泡材を含むことができる。
【００２４】
図７に示すように、インサート７０の外殻７２は、Ｔ形インサート６０（図６）に形成されたのと同様な保持機構を含む。すなわち、外殻７２は、隣接する回転子歯５６の切欠き６２と嵌合する外殻の各端部の肩部６６を含むとともに、歯付き回転子５８のバック鉄心／内側ハブ５２に形成された対応する開口５０と嵌合する、外殻の軸方向内側表面に形成された嵌合機構４８（例えば、ダブテール）を含む。肩部６６および嵌合機構４８は、回転子の回転中に受ける遠心力に抗してインサート７０を所定位置に保持し、回転子組立体６８に働く遠心力に対して頑丈となる回転子組立体を形成することに役立つ。
【００２５】
ここで図８を参照すると、回転子組立体７６の一部が本発明の別の実施形態により示されている。ここで、回転子組立体７６は、ハブ８２に形成された開口／受け部８６と嵌合する回転子極８０の嵌合機構（例えば、ダブテール機構）８４によって非磁性の回転子ハブ８２の回りを周方向に嵌合された複数の独立した回転子極８０で形成されたセグメント回転子７８を有する。回転子組立体７６は、隣接する回転子極８０の各対の間に、すなわち、隣接する回転子極８０によって形成された極間空隙９１に挿入された非導電性、非磁性のインサート８８も含む。図８に示すように、非導電性、非磁性のインサート８８は、空隙９１の形状に適合する形状を有して、回転子極８０の各隣接対の間に形成された極間空隙９１の中に受け入れられるように構成されたインサートとして形成される。例示的な実施形態によれば、インサートは、回転子の回転によって生じる遠心力に抗して、インサートを回転子極８０の間で半径方向に保持できるダブテール構造を有する。
【００２６】
例示的な実施形態によれば、インサート８８は、第１の非導電性、非磁性材料で形成された外殻９０および第２の非導電性、非磁性材料で形成された内部充填体９２を有する複数材料のインサートとして形成される。例示的な実施形態によれば、外殻９０は、高い機械的強度および剛性をインサートに与える非導電性、非磁性材料で形成される。内部充填体９２は、外殻９０の材料よりも低密度の非導電性、非磁性材料で形成され、例えば、非常に軽量である誘電発泡体で形成されてもよい。インサートの内部にインサートの内部充填体９２を包含することは、インサート８８の全体重量を大きく低減し、その結果、インサート８８によって生じる遠心力を大きく低減する働きがあり、それによって回転子組立体７６の機能および寿命は改善される。あるいは、前述のように、インサート８８は、中実であることの重量面の不利さなしに、高い強度を提供する内側機構を有する押出し品として形成されることもできることが理解される。
【００２７】
ここで図９および図１０を参照すると、本発明の追加的な実施形態による、歯付き回転子とセグメント回転子に対する回転子組立体９４、９６がそれぞれ示されている。回転子組立体９４、９６のそれぞれにおいて、回転体組立体をより頑丈にするために、回転子組立体９４、９６を拘束し、回転子の突出回転子極１０２、１０４の間に配置された非導電性、非磁性材料のインサート９８、１００を保持する強度を追加するために、「鳥かご状」の組立体が提供される。鳥かご状組立体を形成するために、非導電性、非磁性のエンドプレート１０６が、回転子組立体９４、９６の両端に配置され、それは、１つの実施形態によれば、回転子積層体１０８、１１０（あるいは、単一ピースとして形成されてもよい）のスタックで形成された歯付き回転子またはセグメント回転子１１２、１１４の両側に、配置される。図９および図１０に示すように、回転子積層体１０８、１１０のスタックの全長にわたって軸方向に延びる非導電性、非磁性のインサート９８、１００は、その各端に形成された嵌合機構１１６を含み、その嵌合機構は、エンドプレート２０６に形成された対応する開口１１８と嵌合するように構成される。インサート９８、１００に形成された嵌合機構１１６は、インサートをエンドプレート１０６に嵌合するように、エンドプレート１０６に形成された開口１１８の中に受け入れられ、それによって、「鳥かご状」回転子組立体を形成する。エンドプレート１０６は、回転子組立体９４、９６を拘束する（すなわち、もし回転子が積層体で形成されているならば、歯付き回転子１１２またはセグメント回転子１１４の回転子積層体１０８、１１０のスタックを拘束する）とともにインサート９８、１００を保持する強度を追加するように機能し、それによって回転子組立体９４、９６をより頑丈にする。
【００２８】
有益なことには、このように本発明の実施形態は、様々なタイプの突出回転子を滑らかにする非導電性、非磁性のインサートを提供する。回転子極の隣接対の間にインサートを配置することよって、回転子表面が機械的に滑らかになるので、回転子インサートによって、摩擦損失および風損は大幅に低減でき、それにより、特に高速用途において、大幅な効率改善（すなわち、滑らかでない回転子より良い効率）が得られる。非導電性、非磁性の回転子のインサートは、嵌合（例えば、ダブテール）機構をインサートに使用するなどの機械的に頑丈な方法で突出回転子とともに組立てられ、それによってインサートは高速での遠心力に耐えることができる。非導電性、非磁性の回転子のインサートは、隣接する回転子極の間の極間の一部のみを埋めるように形成して、および／または、部分的に低密度材料で形成して、回転子に付加される質量を最小化するようにさらに構成される。
【００２９】
したがって、本発明の１つの実施形態によれば、電気機械は、固定子と、固定子内に配置され、固定子に対して回転するように構成された回転子組立体とを含み、回転子組立体は、突出回転子極の各隣接対の間に極間空隙が形成されるように内側ハブの回りに互いに離間した複数の突出回転子極を含む回転子鉄心であって、回転鉄心によって開口が各極間空隙に画定される、回転子鉄心と、複数の突出回転子極の間に形成された空隙内に配置され、非導電性および非磁性材料で形成された複数のインサートとを含む。複数のインサートのそれぞれは、回転子鉄心によって画定された各開口と嵌合するように構成された、インサートの軸方向内側端に形成された嵌合機構を含み、それによってインサートは、回転子組立体の回転中に受ける遠心力に抗して回転子鉄心に固定される。
【００３０】
本発明の別の態様によれば、電気機械の製造方法は、固定子を提供するステップと、固定子内に配置可能で、中心軸回りの回転のために取付け可能な回転子組立体を提供するステップとを含み、回転子組立体を提供するステップは、極間空隙が突出回転子極の各隣接対の間に形成されるように内側ハブの回りに互いに離間した複数の突出回転子極を含む突出回転子鉄心であって、ダブテール形の開口が回転子鉄心によって各極間空隙に画定された突出回転子鉄心を提供するステップを含む。回転子組立体を提供するステップは、非導電性および非磁性材料で形成された複数のインサートを提供するステップと、複数のインサートを、複数の突出回転子極の間に形成された極間空隙に固定するステップとをさらに含み、複数のインサートのそれぞれを、突出回転子極の隣接対の間に形成された極間空隙内に固定するステップにおいて、インサートの嵌合機構が、回転子鉄心によって画定される各開口と嵌合し、それによってインサートは、回転子組立体の回転中に受ける遠心力に抗して、回転子鉄心に固定される。
【００３１】
本発明のさらに別の実施形態によれば、電気機械用の回転子組立体は、極間空隙が突出回転子極の各隣接対の間に形成されるように、内側ハブの回りに互いに離間した複数の突出回転子極を含む突出回転子と、複数の突出回転子極の間に形成された極間空隙内に配置され、複数の突出回転子極と組み合わさって回転子組立体に滑らかな外表面を形成するように構成された複数のインサートとを含む。複数のインサートは、非導電性および非磁性材料で形成されたＴ形インサート、非導電性および非磁性材料で形成された外殻を有する中空インサート、または非導電性および非磁性材料で形成されたダブテール形インサートのうちの１つを含む。複数のインサートのそれぞれは、回転子組立体の回転中に受ける遠心力に抗して、突出回転子にインサートが固定されるように突出回転子と嵌合するように構成される。
【００３２】
本明細書は、最良の態様を含む例を用いて本発明を開示し、さらに、あらゆる当業者があらゆる装置またはシステムを作製および使用すること、ならびにあらゆる包含の方法を実施することを可能にしている。本発明の特許性を有する範囲は、請求項によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。そのような他の実施例は、請求項の文言と違いのない構造要素を有する場合、または請求項の文言と実質的に違わない等価の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００３３】
１  電気機械
２  固定子
３  回転子
４  固定子極
５  相巻線
６  突極部
７  一体積層体
８  回転子穴
９  永久磁石
１０  歯付き回転子
１２  歯
２０  突出回転子
２２  回転子極
２６  回転子ハブ
２８  嵌合機構
３０  凹部
３２、５４、６８、７６、９４、９６  回転子組立体
３４  歯付き回転子
３６、５６  回転子歯
３８  突起
４０、６０、７０、８８、９８、１００  インサート
４１  極間空間
４２  縦方向部材
４４、６４  横方向部材
４６  肩部
４８  嵌合機構
５０  開口
５２  内側ハブ
５８  歯付き回転子
６２  切欠き
６６  肩部
７２  外殻
７３  開口
７４  内部充填体
７５  ハニカム構造体
７８、１１２、１１４  セグメント回転子
８０  回転子極
８２  ハブ
８４  嵌合機構
８６  開口
９０  外殻
９１  極間空隙
９２  内部充填体
１０２、１０４  突出回転子極
１０６  エンドプレート
１０８、１１０  回転子積層体
１１６  嵌合機構
１１８  開口
【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】
2015027253.tif 000008
【図７Ａ】
2015027253.tif 000009
【図７Ｂ】
2015027253.tif 000010
【図７Ｃ】
2015027253.tif 000011
【図８】
2015027253.tif 000012
【図９】
2015027253.tif 000013
【図１０】
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