(57)【要約】  回転子は固定子内で軸の周りに回転可能である。回転子および固定子の各々は、軸力および放射状磁場を生じるように配置された電気コイルにより形成された、面結合した磁場を有する。重ねられた積層体が、回転子軸の長手方向に沿って延在するように配置されており、その積層体の面はその軸に対して平行である。積層体における渦電流損失が最小で、回転子／固定子空隙に亘る最大のカップリングのために相互に関与する磁場を形成するように、回転子と固定子の両方の周りに配置された積層体パックがいくつかある。このようにして、電力が、長寿を提供するように摩擦接触または他の摩耗接触せずに、回転結合に亘り伝送される。
2014529892.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力伝送のための回転接続構造において、
軸を画成する軸受を含む固定子、該固定子を支持する手段；
前記軸上のシャフト、該シャフト上の回転子；
互いに対して積み重ねられた低リラクタンス材料の実質的に平らであるシートから形成された固定子積層体であって、該積層体の少なくともいくつかが、該固定子積層体とエネルギーを交換するために該固定子積層体と係合した電気コイルが前記軸上にある平面にある、固定子積層体；および
前記回転子上にある複数の回転子積層体であって、低リラクタンス材料の前記複数の実質的に平らである積層シートからなる回転子積層体、前記軸上にある該積層シートにより画成される平面、前記回転子上に配置された回転子コイルであって、前記回転子が前記軸上で回転している間、前記固定子のコイルと前記回転子コイルとの間でエネルギーを交換できるように、前記回転子積層体とエネルギーを交換するように相互に係合した回転子コイル；
を備えた回転接続構造。
【請求項２】
前記積層体が、各々が複数の積層シートを含有する積層体パックに形成され、該積層体パックが、積層体スタック内の前記積層シートの１つの平面が前記軸上にあるように、該軸の周りに配置されている、請求項１記載の回転接続構造。
【請求項３】
前記固定子積層体が内面を有し、前記回転子積層体が外面を有し、該固定子積層体の内面と該回転子積層体の外面の各々が、前記軸の周りに実質的に円筒状であり、かつ互いに密接に隣接している、請求項２記載の回転接続構造。
【請求項４】
前記回転子の電気コイルが、前記回転子の周りと、前記積層体の周りの周囲に配置されている、請求項３記載の回転接続構造。
【請求項５】
前記回転子積層体がその外面にコイルの溝を有し、前記回転子の電気コイルが、該回転子の周りの周囲の溝に係合している、請求項４記載の回転接続構造。
【請求項６】
単相電力伝送に適した、前記軸の方向に積層体スタックの単一の積層アセンブリがある、請求項１記載の回転接続構造。
【請求項７】
三相電力伝送を可能にするために、軸方向に配置された３セットの回転子積層体スタックおよび同等に配置された３セットの固定子積層体スタックがある、請求項１記載の回転接続構造。
【請求項８】
前記軸の方向に配置された３セットの回転子積層体スタックが、隣接する磁場を分離するために、ノッチにより隔てられた連続した積層体により製造されている、請求項７記載の回転接続構造。
【請求項９】
前記シャフトが中空シャフトであり、前記回転子のコイルが、該中空シャフト内の線に接続されている、請求項８記載の回転接続構造。
【請求項１０】
回転接続構造において、
固定子フレームであって、該固定子フレームを取り付けるための構造をその上に有する固定子フレーム、該固定子フレーム内の軸受構造であって、該固定子フレーム内に回転できるシャフトを支持するように構成された軸受構造、前記固定子フレーム内に取り付けられた、回転軸上で回転できるシャフト；
前記固定子フレーム内に取り付けられた磁気積層体であって、積層体パックに互いに固定された積層鉄のシートから形成された磁気積層体、複数の該積層体パックが、固定子を形成するために前記固定子フレーム内に配置され、該複数の積層体パックが、前記軸に対して平行な積層体を有する固定子を形成するように、該積層体パックの各々の中の積層体の少なくとも１つが、該軸に対して平行であるように方向付けられており、前記固定子積層体とエネルギーを交換するための少なくとも１つの電気固定子コイル；および
前記軸上の回転子であって、複数の積層体パックから形成された回転子、該積層体パックの各々が、積層鉄の複数の層から形成され、該積層体パックが、各積層体パック内の積層シートの少なくとも１つが、前記軸に対して平行である平面を画成し、該軸が該平面にあり、前記回転子積層体とエネルギーを交換するために該回転子積層体と結合された回転子コイル、前記回転子積層体は、相対的に回転する部品の間でエネルギーの伝達を可能にするように、磁気エネルギーが交換できるように前記固定子積層体と磁気的に相互に係合している、回転子；
を備えた回転接続構造。
【請求項１１】
前記回転子の外部と前記固定子の内部の各々が、実質的に円筒形であり、該固定子と該回転子との間に磁気エネルギーを交換できるように間隔が置かれている、請求項１０記載の回転接続構造。
【請求項１２】
前記回転子が、各々、前記軸から実質的に放射状に外側に延在し、前記回転子の外部に延在する、複数の積層体パックから構成され、該パックの各々が実質的に矩形であり、その中の積層体が前記軸に対して平行に延在する、請求項１１記載の回転接続構造。
【請求項１３】
前記積層体パックが主要積層体パックであり、該主要積層体パックが互いから間隔が置かれている、該主要積層体パックの間にある補助積層体パックをさらに含む、請求項１２記載の回転接続構造。
【請求項１４】
前記回転子が前記軸の周りで実質的に円筒形の外面を有し、前記固定子が該軸の周りに実質的に円筒形の内面を有し、それらの面が、それらの間に空隙を画成するように互いに対して密接に間隔が置かれている、請求項１０記載の回転接続構造。
【請求項１５】
複数相の電力がそれらの間に伝送できるように、前記回転子と前記固定子の各々の上に前記軸方向に複数の電気コイルがある、請求項１０記載の回転接続構造。
【請求項１６】
前記回転子コイルが、前記回転子の周りの周囲に巻回されており、前記回転子積層体が該コイルを受け入れるための凹部をその中に有する、請求項１０記載の回転接続構造。
【請求項１７】
多相が伝送できるように、前記回転子の周りに巻回された軸方向に配置されたコイルが複数あり、固定子コイルが対応して複数ある、請求項１６記載の回転接続構造。
【請求項１８】
前記積層体パックの各々がその中にコイル用凹部を有し、前記回転子コイルが、該凹部内で周囲に巻回されている、請求項１０記載の回転接続構造。
【請求項１９】
前記回転子積層体パックの各々の中に複数の凹部があり、前記回転子内の積層体の凹部の中に周囲に巻回された対応する複数のコイルがあり、前記回転子積層体パック内の凹部に間の磁気結合を制限するために、該凹部の間にノッチがある、請求項１８記載の回転接続構造。
【請求項２０】
電力伝送のための回転接続構造において、
軸を画成する軸受を含む固定子、該固定子を支持する手段；
前記軸上のシャフト、該シャフト上の回転子；
前記回転子内の電気コイルであって、該回転子の放射状に磁場を発生し、該回転子の軸の力を生じるように配置された電気コイル；前記固定子は、前記回転子を取り囲み、それらの間に磁気空隙を提供し、互いに対して積み重ねられた低リラクタンス材料の実質的に平らなシートから形成された固定子積層体、該積層体の少なくともいくつかは、前記固定子積層体とエネルギーを交換するために該固定子積層体と係合した電気固定子コイルが軸上にある平面にあり、前記固定子コイルが、前記空隙を挟んだ磁場および軸力を生じるように配置されている；および
前記回転子上の複数の回転子積層体であって、複数の低リラクタンス材料の実質的に平らな積層シートからのものであり、前記軸上にある該積層シートにより画成された平面、前記回転子上に配置された回転子コイルであって、前記回転子が軸上で回転している間に、前記固定子コイルと前記回転子コイルとの間でエネルギーを交換できるように、前記回転子積層体と相互に係合した回転子コイル；
を備えた回転接続構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送電のための回転接続器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力を回転構造で伝送しなければならない電気機械条件が数多くある。このことは、回転式界磁コイルを動かすためにスリップリングが使用される、巻線形電動機に生じる。スリップリングは様々なタイプの回転式機械類に使用されており、その機械類では、互いに対して回転している、１つの部品から別の部品に送電する必要がある。その上にブラシが係合するスリップリングは、通常使用では非常にうまくいっている。しかしながら、それらは、摩耗にさらされ、それゆえ、完全に故障がないわけではない。信頼できる使用を継続するために、ブラシを定期的に交換しなければならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
相対的に回転する部品間の磁気接続を利用する試みが行われてきた。これまでは、計測器などの低電力の場合を除いて、うまくいっていない。そのような装置において、渦電流の損失は非常に大きい。そのような装置の問題は、今のところ、最小の損失で電力伝送するための相対的に回転する部品の回転子と固定子において磁場を適切に形成できる構造がないことである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の理解を助けるために、実質的に要約の形態で、本発明は、回転子と固定子を有する電力装置であって、回転子が軸の周りに回転し、固定子が同じ軸の周りに構成されている、電力装置に関すると述べることができる。回転子と固定子の各々は、電場を発生させるための電磁コイルおよび磁場制御のための実質的に平らである鉄積層体を有する。これらのコイルと積層体は、回転子／固定子空隙に磁場を発生させるように配置されている。それらは、回転子の回転軸に対して実質的に平行に力を生成するように配置されている。これらの積層体は、磁場が、回転子と固定子との間の空隙を横切るときに、できるだけ放射状であり、渦電流を減少させるように、磁場を形成するように、積層体の平面が回転子軸に対してできるだけ放射状に方向付けられるように配置された群で配置されている。そのような構成により、回転接続器を横切る渦電流の損失を最小にして、妥当な効率で大量の電力を伝送して、故障せずに長寿命を達成するように固定子内に回転子を配置する軸受の外側に機械的接続のない回転接続を達成することが可能である。関連する巻線の積層体は、単相または多相の交流送電のために構成することができる。
【０００５】
それゆえ、本発明の目的と利点は、送電のための回転接続器であって、回転子と固定子を支持する軸受の外側に、係合する機械部品がなく、エネルギー伝達により、回転子と固定子との間に著しいトルクが生じない、回転接続器を提供することである。
【０００６】
本発明の別の目的と利点は、相対的に回転する回転子と固定子との間で大量の電力を伝送できるように、最小の損失で効率的な磁場結合を達成する、交流送電のための回転接続器を提供することである。
【０００７】
本発明の別の目的と利点は、磁束が、寄生空隙を移動する必要なく、積層体の静止部分と回転部分との間の回転空隙のみを移動して、各積層体において軸方向に配置された平らな積層シートに流れ、それゆえ、磁気回路を完了するように、適切な積層体の設計により連続磁束路を提供することである。
【０００８】
本発明の別の目的と利点は、薄い鉄積層シートの平面が、回転軸上にあり、回転軸に対して放射状に常に近くにあるように配置された薄い鉄積層シートを提供することである。
【０００９】
本発明の別の目的と利点は、磁気コイルと積層体が、それらの平面が回転軸上にあり、回転軸に対して放射状にあって、生じるトルクが実質的にゼロであり、鉄損、励起電流および漏れ損失を減少させるように、磁気コイルと積層体を配置し、構成することである。
【００１０】
本発明の別の目的と利点は、軸方向に配置された積層体を使用することによって、相対的に回転する部品を使用せずに、静止変圧器に見られる変圧器効率に非常に近い、交流送電のための回転接続器を提供することである。
【００１１】
本発明の別の目的と利点は、より低い励起電流、低い渦電流損失、および低い漏れインダクタンスを有し、相対的に回転する回転子と固定子との間で交流送電を可能にする構造において良好な効率を達成する、送電のための回転接続器を提供することである。
【００１２】
本発明の別の目的と利点は、風力タービンや回転式ソーラーシステムなどからの電力を伝送するためなどの多くの用途、特に、高い信頼性および低い維持費が必要とされる用途において、従来のスリップリングを置き換えるように、適切な電力を伝送できる、交流送電のための回転接続器を提供することである。
【００１３】
本発明の他の目的と利点は、明細書の以下の部分、特許請求の範囲、および添付図面を検討することによって、明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明による送電のための回転接続器の斜視図
【図２】回転子と軸受支えが取り除かれた、固定子の斜視図
【図３】概して図１の線３−３に沿って見られる、回転子と固定子の断面図
【図４】ポッティング前の組み立てられた状態の回転子の積層体の斜視図
【図５】単相装置に関する、シャフトの中心線を通る断面でとられた、アセンブリの説明図
【図６】三相装置を提供するように、シャフトに沿って配置された、図５の構造と類似の、３つのコイルと積層体の構造を示す類似の説明図
【図７】同じ積層体ストックから形成された三相装置の積層体を示す、図６と類似の説明図
【図８】図７の三相装置に関する、固定子の積層体ストックの単層の平面図
【図９】回転子の積層体ストックの単層を示す、図８と類似の説明図
【図１０】三相回転変圧器装置を通る縦断面図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の送電のための回転変圧器または回転接続器が、図１に１０で概して示されている。この回転変圧器は、ベース１４に取り付けられた固定子フレーム１２を有する。このベースは、支持構造への取付けに適している。固定子フレームの各端部は、軸受支えを指示している。近い方の軸受支えが、図１に１６で示されている。軸受支え１６は、軸受部２０を支持し保持する軸受部筐体１８を有している。図１０を参照。図１０は、固定子フレームの他端が軸受部２２を支持していることも示している。これらの軸受部は回転可能にシャフト２４を支えている。シャフト２４の回転軸は、構造全体の軸を画成する。軸受支えは、図１に示されるように、好ましくは開いており、空気が回転変圧器を軸方向に流動することができる。この気流を助け、冷却を強化するために、ファン筐体２６内にファンを配置して、気流が装置を軸方向に通るのを促進することができる。
【００１６】
電流が導体を通るときに、電流の方向に対して直角に力を生じ、電流と力の両方に対して直角に磁場を発生させる。回転変圧器１０の目的は、渦電流の損失を最小にして、相対的に静止した固定子から相対的に回転した回転子に、またはその逆に、大量の電力を伝送することである。この磁場は、回転子と固定子との間の空隙を通って、それらの間にエネルギーを伝達させなければならない。この構造においてトルクは望ましくなく、それゆえ、磁気コイルは、スラスト軸受で受け入れられる軸方向に力を生じるように配置される。積層体は、磁場により生じる渦電流の損失を最小にするように配置される。
【００１７】
スリップリングを使用する代わりに、この構造においては、結合磁場により回転子／固定子界面に亘りエネルギーが伝達される。このことが、図５に図解されている。固定子積層体パック２８は、磁場を形成するのに適した複数のＣ形積層体である。この積層体は、積層体間で電流が流れるのを防ぐためにワニスで絶縁されており、図３に軸方向に見えるように、矩形の積層体パック内で互いに接合された、従来の薄い低炭素鉄の積層体である。
【００１８】
複数の固定子積層体パックが図３に示されている。これらの積層体パックは、それらの積層体が、回転子の回転軸により定義して、できるだけ放射状に配置されるように配列されており、これらの積層体は回転軸に対して平行になっている。別の固定子積層体パックが３０で示されている。電気固定子コイル３２が図５に示されている。固定子コイルと固定子積層体パックの目的は、電場と磁場との間でエネルギーを交換することである。この構造において、エネルギー伝達はいずれの方向にも進むことができる。
【００１９】
回転子３４がシャフト２４に取り付けられている。図５の回転子３４は、単相回転子として構成されている。図１０において、回転子は三相回転子として構成されている。図５の単相の説明図を参照すると、図４の斜視図に示されたような回転子３４は、複数の積層体パックから構成されている。図５の単相の例において、積層体パックは、ワニスによって互いから絶縁され、平行なスタックに積み重ねられた、薄い軟鉄のＣ形積層体から構成されている。これらのパックは、シャフト２４の周りに組み立てられ、積層体の面が軸に対して放射状に配置され、その積層体の面が軸に対して平行に延在するように配置されている。この状態が、回転子積層体パック３６が示されている図３の断面図に見られる。軸の周りに配置され、中空シャフト２４に固定されたそのようなパックが複数ある。図５を参照すると、回転子コイル３８は、積層体パック３４と一体になっており、それらの間で電磁場エネルギーを交換する。図４に示されるように、回転子コイルは周辺を取り巻いている。回転子パックは、空隙４０を挟んで固定子パックに面している。この空隙は、対向する回転子と固定子の積層体パックの円筒面により画成される。空隙は、磁気損失を回避するためにできるだけ小さい。
【００２０】
固定子と回転子のコア積層体は、緻密な高磁性コア構造を形成するように構成され組み立てられなければならない。最低可能な非積層空間を形成するように積層体スタックを構成する必要がある。図３および４に見られるように、回転子積層空間は、回転子補助積層体パックにより満たされている。図３に見られるように、主要な回転子パックがシャフトから空隙まで延在している。積層体パックの各々は、積層体の矩形構造のために、平行な外壁を有しており、また積層体パックは、回転子の表面に向かって、軸に対して放射状に配置されているので、主要な積層体パックの間に間隙が形成される。磁気効率を改善するために、補助積層体パックが形成される。図３に見られる、補助回転子積層体パック４２が、放射状に延在する平行面の主要な積層体パックの間のパイ形空間を満たしている。これらの矩形の積層体パックは、軸の周りに組み立てられたか、または円筒空隙の周りに組み立てられたときに、必然的にそれらの間に空間を残す。これらの間隙は、冷却にために使用できるか、または大きいリラクタンスの、大きい抵抗のポッティング材料で満たすことができる。この設計にしたがって、プロトタイプの１９キロワットの回転変圧器を構成した。このプロトタイプは、従来の回転変圧器の設計と比べて、渦電流の損失で９５％の減少を示した。
【００２１】
回転変圧器の単相の例が、ここまで論じられ、図５に図解されてきた。図６は、端と端を接してシャフト２４に配置された図５の構造３つから実質的になる三相回転変圧器を示している。第１相の回転子４４、第２相の回転子４６、および第３相の回転子４８が、回転子積層体の間の磁気結合を回避するために、それらの間に空間を介して、シャフト２４に沿って軸方向に配置されている。３つの回転子の周りには、それぞれ、固定子５０、５２、および５４が配置されており、これらは、それぞれ、空隙を挟んで回転子と磁気結合されている。回転子コイルの巻線のための結線が、軸を画成する中空中央シャフトを通っている。
【００２２】
３相装置の構造は、３相全てについて積層体パックを一体にすることによって、簡素化できる。図７は、積層体が一体に作られた機械的同等物を示している。しかしながら、隣接する相の間の磁気結合を回避するために、回転子積層体５６はその中にノッチ５８を有する。ノッチ６２を有する固定子積層体６０にも、同じことが当てはまる。このことが、固定子積層体パックについては図８に、回転子積層体パックについては図９にも示されている。
【００２３】
この構成によって、エネルギー損失が最小であり、摩耗がなく、信頼性のある長寿命の様式で、回転機械で電力を伝送することができる。
【００２４】
本発明を、現在考えられる最良の形態で記載してきた。本発明には、発明力を発揮せずに、当業者の能力内で、様々な改変、態様、および実施の形態が可能であることが明白である。
【符号の説明】
【００２５】
１０    回転変圧器
１２    固定子・フレーム
１４    ベース
１６    軸受支え
１８    軸受部筐体
２２    軸受部
２４    シャフト
２６    ファン筐体
２８，３０    固定子積層体パック
３２    固定子コイル
３４，４４，４６，４８    回転子
３６    回転子積層体パック
３８    回転子コイル
４０    空隙
５０，５２，５４    固定子
６０    固定子積層体
【図１】
2014529892.tif 000003
【図２】
2014529892.tif 000004
【図３】
2014529892.tif 000005
【図４】
2014529892.tif 000006
【図５】
2014529892.tif 000007
【図６】
2014529892.tif 000008
【図７】
2014529892.tif 000009
【図８】
2014529892.tif 000010
【図９】
2014529892.tif 000011
【図１０】
2014529892.tif 000012
【国際調査報告】
2014529892.tif 000013