(57)【要約】  永久磁石が、ロータシャフトの周りに傾斜鋸歯パターンで電気機械内に装着される。この集中磁束形態は、ボンド接着又はテープ留めの手段を用いることなく、磁石装着強度を向上させることを可能にし、軸線方向の発電機の空気流を利用することによってロータ及びステータ冷却を改善できるようにし、製造上の設計を簡単且つより容易にすることができる。この基本構造の積層形態は、表面損失及び自己発熱を低減することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの永久磁石を電気機械のロータシャフトに保持する装置であって、
前記ロータシャフトの中心から放射する線からある角度で傾斜した少なくとも２つの凹型スロットを有する支持リングと、
前記支持リングを前記ロータシャフトに接続する円周方向に離間したスポークと、
前記支持リングの凹型傾斜スロット内に挿入された磁石と、
を備えた装置。
【請求項２】
複数の磁石が挿入される、前記支持リングの円周の周りに鋸歯パターンを形成する複数の凹型傾斜スロットを更に備える、
請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記スポーク間の円周方向スペース内に軸線方向通気口を更に備える、
請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記支持リングが軸線方向にセグメント化され、各セグメントが半径方向スペーサにより隣接セグメントから分離される、
請求項３に記載の装置。
【請求項５】
セグメント間の前記軸線方向スペースを用いて、前記軸線方向通気口から半径方向冷却用空気を通過させる、
請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記半径方向ロータ冷却用空気が、ステータ半径方向空気通気口を通ってこれを冷却する、
請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記支持リングが複数の積層体を含む、
請求項１に記載の装置。
【請求項８】
少なくとも２つの永久磁石を電気機械の回転ロータシャフトに保持する方法であって、
前記ロータの中心から半径方向の線から傾斜した少なくとも２つの凹型スロットを有し、更に前記ロータシャフトに達し且つその周囲に固定された円周方向に離間したスポークを備える、支持リングを形成する段階と、
前記少なくとも２つの磁石を前記少なくとも２つの凹型傾斜スロットに挿入する段階と、
を含む方法。
【請求項９】
複数の凹型傾斜スロットが、複数の磁石が挿入される、前記支持リングの円周の周りで鋸歯パターンに形成される、
請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記スポーク間の円周方向スペース内に冷却用空気通過のための軸線方向通気口を設ける段階を更に含む、
請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記支持リングが軸線方向にセグメント化され、各セグメントが半径方向スペーサにより隣接セグメントから分離される、
請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
セグメント間の前記軸線方向スペースを用いて、前記軸線方向通気口から半径方向冷却用空気を通過させる段階を更に含む、
請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ロータ半径方向冷却用空気が、ステータ半径方向空気通気口を通ってこれを冷却する、
請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記支持リングが複数の積層体を含む、
請求項８に記載の方法。
【請求項１５】
回転ロータと、
前記ロータの中心から半径方向の線から傾斜された少なくとも２つの凹型スロットを有し、更に前記ロータシャフトに達し且つその周囲に固定された円周方向に離間したスポークを含む支持リングと、
前記少なくとも２つの凹型スロット内に挿入される磁石と、
を備え、
前記磁石が前記回転ロータ上に保持される、
ことを特徴とする電気機械。
【請求項１６】
前記支持リングが更に、複数の磁石が挿入される円周の周りで鋸歯パターンを形成する複数の凹型傾斜スロットを含む、
請求項１５に記載の電気機械。
【請求項１７】
前記支持リングが更に、前記スポーク間の円周方向スペース内に冷却用空気通過のための軸線方向通気口を含む、
請求項１５に記載の電気機械。
【請求項１８】
前記支持リングが軸線方向にセグメント化され、各セグメントが半径方向スペーサにより隣接セグメントから分離される、
請求項１７に記載の電気機械。
【請求項１９】
セグメント間の前記軸線方向スペースを用いて、前記軸線方向通気口から半径方向冷却用空気を通過させる、
請求項１８に記載の電気機械。
【請求項２０】
前記半径方向ロータ冷却用空気が、ステータ半径方向空気通気口を通ってこれを冷却する、
請求項１９に記載の電気機械。
【請求項２１】
前記支持リングが複数の積層体を含む、
請求項１５に記載の電気機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体的に、永久磁石電気機械を組み立てるための機器及び方法に関し、より詳細には、集中磁束で構成された機器を改善するための装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石は、磁界を発生させるために永久磁石を用いる電気機械（ここではモータ及び発電機として定義される）を組み立てるのに電磁石よりも適している。典型的には、磁石は、内側ロータに取り付けられるが、外側ロータに取り付けられるものも使用される。発電機では、ロータの磁石が回転することにより、半径方向外向きのステータ巻線に電圧及び電流を誘導する磁界が発生する。モータでは、磁石は、ステータに印加される電圧及び電流に反発して、ロータの回転を引き起こす。
【０００３】
永久磁石式電気機械は、ロータ電磁石巻線を必要としないことで、電磁石式電気機械よりも小型で且つ簡単であり、メンテナンスの必要性が少ない。最近の希土類磁石は、巻線が発生できるよりも遙かに高密度の強力な磁束源を提供し、高磁束を有し、適度に高温に耐えることができる。この結果として得られる小型の電気機械は、高いタワーの頂部に設置される風力発電機のナセル内の発電機、又はスペースが限られているモータなど、寸法、重量及び効率が重要である構造体に適用される。
【０００４】
永久磁石は、発生する磁束がステータコイルと相互作用するようにロータに装着される。標準的な表面実装構成は、表面に対して円周方向に平行な磁極を有することであり、集中磁束構成は、ロータ表面に対して円周方向に垂直な磁極で装着された磁石を有する。磁束は、磁極の表面積にほぼ比例し、半径方向の磁極側区域が同じ数のステータ巻線を有する標準的構成ものよりもより大きく形成することができるので、集中磁束構成は、より高い磁束レベルをもたらすことができる。さらに、誘導される磁束変化に磁極が曝されるのが低減されることにより、集中磁束機械の自己発熱による表面損失は、表面実装機械に比べて遙かに小さくなる。
【０００５】
集中磁束機械に関連する製造上の問題の１つは、正常な運転中にロータの回転に起因して磁石に作用する求心力を含むようにして、ロータに磁石を装着することにある。従来、集中磁束磁石は、ロータ表面へのボンド接着、結束（グラスファイバー、カーボンファイバー又はケブラーテープなどの非鉄材料による）、又は把持により装着されている。本発明の目的である、集中磁束磁石の新規な取付手段により、この製造上の問題を改善すると共に、電気機械の冷却を向上させ、組み立てがより容易になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、本発明の目的は、電気機械ロータ表面への集中磁束永久磁石の装着を改善することである。
【０００７】
本発明の別の目的は、ロータ冷却を改善することである。
【０００８】
本発明の更に別の目的は、電気機械の組み立てを改善することである。
【０００９】
本発明の他の目的及び利点は、例証として本発明の原理を示する添付図面を参照しながら、以下の好ましい実施形態の説明からより明らかになるであろう。
【００１０】
上述及び他の目的、態様、及び利点は、図面を参照しながら本発明の好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明からより良く理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】集中磁束磁石を装着する従来方法の半径方向断面図を示す。
【図２】集中磁束磁石を装着する従来方法の軸線方向断面図を示す。
【図３】本発明の実施形態による、傾斜集中磁束磁石を取り付ける方法の半径方向断面図を示す。
【図４】本発明の実施形態による、アクティブ磁束領域の拡大図を示す。
【図５】本発明の実施形態による、非アクティブ磁束領域の拡大図を示す。
【図６】本発明の実施形態による、磁石支持領域に取り付けられたときのスポークの拡大図を示す。
【図７】本発明の実施形態による、傾斜集中磁束磁石を取り付ける方法の半径方向断面図を示す。
【図８】本発明の実施形態による、スペーサを含む磁石支持領域に取り付けられたときのスポークの拡大図を示す。
【図９】本発明の実施形態による、積層ロータの３次元図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の以下の説明において、その一部を形成し、且つ本発明の原理及び実施方法を示す例示的な実施形態を例証として示す添付図面を参照する。他の実施形態を利用して本発明を実施することもでき、更に、本発明の範囲から逸脱することなく構造上及び機能上の変更を行うことができる点を理解されたい。
【００１３】
（従来の集中磁束磁石の装着、冷却、及び組立て）
図１は、集中磁束装着磁石３の従来の装着を示す。発電機又はモータのシャフト５には、ストラット７を介して非鉄内側支持リング９が装着され、ストラット７の間には一連の軸線方向冷却通気口１１があり、これを貫通して冷却用空気が発電機を吹き抜ける。発電機では、転回ロータ１３の磁石３は、外側のステータ１７の巻線１５に電圧及び電流を誘導し、モータでは、ステータ１７の巻線の電圧及び電流がロータ１３の磁石３に反発して、該ロータを回転させる。磁石３は、鉄磁極片１９により円周方向に分離されており、鉄磁極片１９は、磁束２１をロータ１３の表面２３を通って磁石３の磁極に導き、且つ重なり合うことにより磁石３を捕捉する手段を提供する。磁極片１９及び拘束された磁石３は、接合により、及び円周方向結束により内側支持リング９に保持される。
【００１４】
図２に示すように、磁極片１９は更に、磁極片１９内の孔２７を介してロータ１３を軸線方向に貫通して通り、非鉄端部キャップ２９で終端する鉄ピン２５を用いて内側リング９に保持される。
【００１５】
回転速度が高速になると、接合又は結束に関係なく、遠心力によりロータ１３の軸線方向中間点に向けてピン２５が撓み、機械の寸法を制限する。本発明では、この問題を軽減するために一体構造を利用している。
【００１６】
従来の発電機の冷却は、中央軸線方向通気口１１を通って空気を軸線方向に流すこと（３３）により実施される。内側支持リング９が冷却通気口１１からの半径方向の空気流を阻止するので、空気流が内側支持リング９を冷却し、磁石３及び磁極片１９に対しては弱い間接的な冷却を行うだけであり、ステータ１７は冷却されない。本発明は、磁石周辺を直接的に及びロータ及びステータを通して直接冷却を行うために空気流を強化し、この問題を軽減する。
【００１７】
従来の集中磁束機械１の組み付けは扱いにくい。磁石３及び磁極片１９が付加されると、磁石３は、互いに及び鉄磁極片１９に強く引き付けられ、又は反発するので、磁石が飛散又は固着するのを避けるために特別な取付具が必要となる。本発明は、磁気集中を取り扱うことによって組み立てを容易にし、この問題を軽減する。
【００１８】
（傾斜磁石を用いた新規な集中磁束磁石装着）
図３には、集中磁束磁石を装着するための改善された手段１００が示されている。磁石１０２は、半径方向の設置ではなく、ロータ１１０の円周方向の周りにピーク１０６及び谷１０８を有する鋸歯パターン１０４を形成するよう傾斜して配置される。この鋸歯パターン１０４は、磁石を鉄支持リング１１４内の傾斜スロット１１２内に軸線方向に挿入することにより形成される。シャフト１１８から通じるスポーク１１６は、磁石支持リングを保持し、狭い金属峡部形成を用いて谷と谷１０８の中間を接続する。スポーク１１６は、支持リング１１４を含む１つの連続パターンの形成を可能にする鉄材料からなることができ、固体ブロックから切り出し、又は積層パターン（積層は、渦電流及び発熱を生じる他の表面損失を低減する有意な利点を有する）に組み立てることができる。別個の磁極片１９は必要ではなく、ロックピン１２２は、スポーク１１６パターンをロータシャフト１１８に保持する。この構造は、連続及び一体的な構造によって遠心力に対するより大きな耐性を提供する。
【００１９】
図４に示すように、傾斜ピーク１０６を含む領域は、磁束１２８がロータ表面１３０から出る磁束アクティブ領域１２７であり、ここでは、隣接する磁石１３４が反対の極性を有するので、幾らかの磁束漏れがある。この漏洩は、磁束飽和状態にあり、更なる磁束漏れに対する高いインピーダンスを形成するよう、連結ブリッジ１３２を小さくすることで最小限にされる。
【００２０】
図５に示すように、傾斜谷１０８を含む領域は、磁束１２８が支持リング１１４内に留まる磁束非アクティブ領域１３６である。理論的には、隣接磁石１４２が同じ極性であるときにはこれらの間には磁束漏れが存在しないが、実際には磁石の磁性が異なり、幾らかの漏洩があることになる。この漏洩は、磁束飽和状態にあり、更なる磁束漏れに対する高いインピーダンスを形成するよう、連結ブリッジ１４４を小さくすることで最小限にされる。
【００２１】
スポーク１１６は、磁束１２８が主に円周方向にあり且つ理論的には漏出がないはずの谷と谷１０８の間の中立の磁束領域１４０内に配置されるが、実際には幾らかの磁束１２８がスポーク１１６に漏れることになる。図６に示すように、スポーク１１６は、狭部１２０を用いて支持リング１１４に接続され、漏洩を最小限にする。この狭部１２０は、磁束飽和が容易であり、更なる磁束に対して高いインピーダンスを形成する。
【００２２】
図７に示すように、機械コア１４８は、半径方向セグメントスペーサ１５６が接着されるスロット１１２無しで、非鉄端部プレート１５２を用いてセグメント１５０内に形成される。更に、ステータ１５４には、セグメント化、スペース確保、半径方向空気通気口、及びロータの積層は依然としてある。
【００２３】
図７及び８に示すように、スペーサ１５６は、支持リング１１４から接続狭部１２０を越えてスポークピン孔１６２に至る、非鉄外側スペーサ１５８により部分的に形成される。外側スペーサ１５８は、磁束１２８を短絡しない限りは、狭部１２０を更に強化する。スペーサ１５６は、鉄系とすることができる、スポークピン孔１６２から半径方向内向きの内側スペーサ１６０で完了する。コア１４８は、互いに対して及び非鉄端部キャップ１５２に対してセグメントを加圧する鉄スポークピン１６４で完了する。
【００２４】
超高速ｒｐｍ機械では、磁石を更に支持するために、支持リングピン孔１６６及び非鉄端部キャップ１５２を備えた関連する支持リングピン１６８が設けられる。
【００２５】
図９に示すように、表面損失及び自己発熱が遙かに少ない積層ロータ構成１７０は、非鉄スロット無しブックエンド積層体１７４を有するスロット１１２付き鉄積層体１７２を用いてセグメント１５０を形成する。これらは、円周に沿って幾つかの接合ポイント又はスポット溶接でセグメント１５０に部分組み立てされる。
【００２６】
（より大きな重量効率）
図１及び図３は、同じロータ全体直径、ステータ巻線、及び磁束を有する２つの本質的には電気的に同一のロータを示している。図１は、間隔がＤだけ離れた長さＬの磁石３を有する従来の集中磁束機械１であり、図３は、間隔がＤだけ離れた長さがＬ／２の磁石１０２を有する傾斜した集中磁束機械１００である。ロータの周りを巻く必要のある曲率の影響を無視すると、改善された集中磁束機械１００の幾何形状が図６に示される。Ｌ＞Ｄとすると、鋸歯パターン１０４の傾斜角は、
ｓｉｎ  ｒ＝Ｄ／Ｌ
であり、磁石支持リング１１４の厚み
δ＝（Ｌ／２）ｃｏｓ  ｒ
は、従来の集中磁束機械１の磁束片１９の厚みの半分未満である。ロータ厚みの低減は、改善された設計１００では、材料が従来よりも遙かに少なく、重量効率がより高いことを意味している。
【００２７】
（組み立ての改善）
特別な取付具を必要とせずに、磁石１０２が自己をスロット１１２内に引き寄せ、該スロット１１２内に磁石を中心に配置するので、組み立てがより容易になる。これは、磁気支持リング１１４の鉄材料に対する引き付けと、既に設置されている磁石１０２からの引き付け／反発とが均衡されることに起因する。
【００２８】
（冷却改善）
図７に示すように、傾斜磁石発電機コア１４８が、スペーサ１５６により分離された層状セグメント１５０から形成される。この構造は、内側支持リング９を遮断する空気流を必要としないので、実質的に軸線方向冷却用空気１８０が軸線方向通気口１７８から半径方向外向き１８２にスペーサ１５６間の円周方向間隙を通って流れることができる。このように、発熱する磁石１０２及び加熱される支持リング１１４が直接冷却される。
【００２９】
半径方向に移動する空気１８２がロータ・ステータ空隙１８４に流入し、及び半径方向空気通気口１８６を介してステータ１５４を通って流れることによって、ステータ１５４及びその巻線１２４も冷却されるので、この改善された冷却はこれらにも適用される。
【００３０】
（変形例）
本発明の複数の例示的な実施形態を図示し説明してきたが、当業者には、多くの変形及び代替の実施形態が想起されるであろう。このような変形及び代替の実施形態並びにその他は、添付の請求項で定義される本発明の技術的思想及び範囲から逸脱することなく企図され、実施することができる。
【符号の説明】
【００３１】
１００  集中磁束磁石を装着するための改善手段
１０２  磁石
１０４  鋸歯パターン
１１４  支持リング
１１６  スポーク
１１８  シャフト
１２２  ロックピン
１２７  磁束アクティブ領域
１３０  ロータ表面
【図１】
2010534459.tif 000003
【図２】
2010534459.tif 000004
【図３】
2010534459.tif 000005
【図４】
2010534459.tif 000006
【図５】
2010534459.tif 000007
【図６】
2010534459.tif 000008
【図７】
2010534459.tif 000009
【図８】
2010534459.tif 000010
【図９】
2010534459.tif 000011
【国際調査報告】
2010534459.tif 000012
2010534459.tif 000013