(57)【要約】  本発明は、水中ポンプを駆動するための同期リラクタンスモータであって、ステータと、１つまたは複数の磁極対を形成するためのフラクスバリア切込みを備えるロータと、を有している、同期リラクタンスモータにおいて、ロータ（１２）とステータ（１１）との間の空隙は、強磁性流体（２０）によって少なくとも部分的に充填されている、同期リラクタンスモータに関する。本発明のさらなる一部の態様は、ポンプを駆動するためのこのような同期リラクタンスモータを有する水中ポンプに関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中ポンプを駆動するための同期リラクタンスモータであって、ステータと、１つまたは複数の磁極対を形成するためのフラクスバリア切込みを備えるロータと、を有している、同期リラクタンスモータにおいて、
前記ロータ（１２）と前記ステータ（１１）との間の空隙は、強磁性流体（２０）によって少なくとも部分的に充填されていることを特徴とする、同期リラクタンスモータ。
【請求項２】
前記強磁性流体（２０）は、磁気に反応する一種または複数種の成分を有するキャリア液体から構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の同期リラクタンスモータ。
【請求項３】
磁気成分の少なくともいくつかは、前記キャリア液体内にコロイド状に懸濁した粒子であることを特徴とする、請求項２に記載の同期リラクタンスモータ。
【請求項４】
前記粒子径は、ナノ範囲内、好ましくは、１ｎｍから１０ｎｍの範囲内、特に、５ｎｍから１０ｎｍの範囲内にあることを特徴とする、請求項３に記載の同期リラクタンスモータ。
【請求項５】
前記強磁性流体（２０）の粘度は、２０℃において略１ｍＰａ・ｓの範囲内にあることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の同期リラクタンスモータ。
【請求項６】
前記ステータの端巻線（１５）の領域における端漏れを低減させる手段が設けられていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１つに記載の同期リラクタンスモータ。
【請求項７】
前記ステータ（１２）の長孔漏れを低減させるための手段、特に、少なくとも１つのキー（３０）が設けられていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１つに記載の同期リラクタンスモータ。
【請求項８】
前記ロータ（１１）の封入がなされていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１つに記載の同期リラクタンスモータ。
【請求項９】
１つまたは複数のロータフラックスバリア（４０）は、封止および／または充填されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１つに記載の同期リラクタンスモータ。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１つに記載のポンプ駆動同期リラクタンスモータを有する水中ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステータ／ロータ配列構造を有する、水中ポンプを駆動するための同期リラクタンスモータであって、該ロータが１つまたは複数の磁極対を形成するためのフラックスバリア切込みを備えている、同期リラクランスモータに関する。さらに、本発明は、この形式の駆動モータを有する水中ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
水中モータポンプは、掘削孔内の液体媒体の輸送に役立つものである。モータの外側のハウジングは、輸送される媒体、通常、地下水によって完全または部分的に濡れている。用いられるポンプ駆動モータは、輸送される媒体がモータ内空間に浸透するのを防ぐために、封入された形態にある。
【０００３】
モータ空間は、適切な液体媒体、好ましくは、水／グリコール混合物または油によって充填されている。この液体媒体は、非保護ロータと非保護ステータの場合には該ステータとの両方を、プラスチック絶縁された巻線または保護ステータの場合には缶と一緒に、濡らすことになる。導入された媒体によって、モータが充分な冷却能力を有することが確実になる。
【０００４】
同時に、液体媒体は、流体軸受の常時潤滑を確実にし、場合によっては、能動部品に望ましい耐蝕作用をもたらすことになる。
【０００５】
しかし、空気が充填されるモータ空間の場合と比較して、この形式の機械の達成可能な効率および力率は、著しく低下する。何故なら、とりわけ、モータ空間内の液体媒体によって、ロータと媒体との間の摩擦効果が極めて著しく増大するからである。
【０００６】
水中モータポンプアセンブリは、適切な掘削孔において輸送される媒体の領域に設置される。掘削コストは、掘削深さおよび必要な掘削直径の関数として変動する。単に数１００ｍの掘削孔深さであっても、膨大なコストが掛かるが、このようなコストは、例えば、掘削孔の許容直径を制限することによって、抑えることができる。
【０００７】
しかし、最大直径の制限によって、モータアセンブリの開発に厳しい要件が課せられている。何故なら、モータアセンブリの物理的な寸法決定は、概して、その効率および力率に決定的な影響を及ぼすからである。具体的には、モータ断面積は、所望の掘削孔直径に適合しなければならない。
【０００８】
それにもかかわらず、充分なシャフト出力を得るために、モータの能動部品の長さをそれ相応に延ばさねばならない。これに付随するモータアセンブリの極めて細長い構造によって、ロータ直径に対するロータ長さの比率が大きくなる。ロータの能動部品の長さは、この場合、ロータ直径の少なくとも２倍になる。その結果、製造上の理由から、比較的大きな空隙が、設けられねばならなく、この空隙は、通常のモータにおける空隙よりも著しく大きい。水中モータの空隙寸法は、一般的に、通常のモータの空隙寸法の２倍を超えている。
【０００９】
一方、正確にはリラクタンス原理で作動するアセンブリでは、空隙を可能な限り小さく保つことが特に望ましい。しかし、水中モータのモータ設計がそれらの使用によって規制されているので、水中ポンプ区域における同期リラクタンスモータの使用は、現在のところ、効率および力率に関する著しい損失を伴わずに実行に移すことができない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って、本発明の目的は、効率および力率に関する大きい損失を考慮することなく、水中ポンプにおいても用いることができるように、既知の同期リラクタンスモータを改良することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この目的は、請求項１の特徴による同期リラクタンスモータによって達成されることになる。図示されている同期リラクタンスモータの有利な改良は、主請求項に従属する従属請求項の主題である。
【００１２】
請求項１の特徴の組合せによれば、ステータと、該ステータに操作可能に接続されたロータとを有する同期リラクタンスモータが提案されている。ロータは、１つまたは複数の磁極対を形成するためのフラックスバリア切込みを備えている。
【００１３】
さらに、同期リラクタンスモータ機のロータは、好ましくは、ロータ軸と同軸に配置された円筒状軟磁性要素を備えている。少なくとも１つの磁極対または空隙対を形成するために、軟磁性要素は、好ましくは、著しく異なる磁気透過率において互いに区別されるフラックスガイド区域およびフラックスバリア区域を備えている。高導磁率を有する区域は、ロータのｄ軸として特定され、比較的低い導磁率を有する区域は、ロータのｑ軸として特定されている。最適なトルク出力は、ｄ軸が可能な限り高い導磁率を有し、ｑ軸が可能な限り低い導磁率を有するときに達成される。
【００１４】
この前提条件は、軟磁性要素にｑ軸に沿って複数の空隙を形成することによって、達成可能である。
【００１５】
本発明によるロータの好ましい実施形態では、軟磁性要素は、積層一体品である。この一体品は、ロータの軸方向において互いに積層された複数の薄板から構成されている。この形式の構造は、軟磁性要素における渦電流の生成を防ぐ。特に、米国特許第５，８１８，１４０号の技術的な示唆による積層一体品の構造が適している。この内容は、参照することによって、ここに含まれるものとする。
【００１６】
水中モータポンプに関して最初に説明した技術的条件によって、ロータ要素とステータ要素との間に比較的大きな空隙が存在する。関連する力率および効率の損失を弱めるために空隙の大きさを幾何学的に縮小させることは、前述した理由から除外される。
【００１７】
本発明によれば、モータ内空間にこれまで用いられていた充填媒体は、強磁性流体に置き換えられる。用いられる強磁性流体の適切な選択によって、μＲ＞１の相対透磁率が得られる。空隙内の透磁率の増大は、その効果において、磁気空隙の幾何学的な縮小に対応する。磁気的に有効な空隙は、それ相応に、縮小されることになる。空隙の透磁率の値が高いほど、用いられる同期リラクタンスモータの効率および力率が有利になる。ロータとステータとの間の相互作用が強化される。それ故、技術的条件が比較的大きい空隙を規定している場合でも、いくつかのモータ原理を取り入れることができる。
【００１８】
本発明による強磁性流体の使用によって、満足な効率および力率を有する同期リラクタンスモータを水中ポンプを駆動するために用いることができる。
【００１９】
同時に、用いられる強磁性流体は、モータ内空間の熱の排除を改良する。さらに、強磁性流体は、流体軸受を常時潤滑し、同期リラクタンスモータの能動部品の使用時に耐蝕作用をもたらすことができる。
【００２０】
強磁性流体は、磁気に反応し、磁化可能であり、概して超常磁性である一種または複数種の成分を有している。
【００２１】
これらの磁気成分は、キャリア液体内に互いに異なる形態で存在しているとよい。粒子の組合せおよびキャリア液体の組合せが、強磁性流体を形成することになる。
【００２２】
１つの可能性は、これらの成分が、キャリア液体内に懸濁した粒子として存在することである。個々の粒子は、理想的には、キャリア液体内にコロイド状に懸濁している。
【００２３】
粒子径は、ナノ範囲、好ましくは、１ｎｍから１０ｎｍの範囲内にあり、特に、５ｎｍから１０ｎｍの範囲内の粒子径が有益であることが分かっている。
【００２４】
一種または複数種の粒子は、鉄、磁鉄鉱、コバルト、または特殊な合金を含む材料の少なくとも一種から適切な手法によって構成されている。
【００２５】
粒子には、表面被膜、特に、ポリマー被膜が施されているとよい。粒子の表面に単分子層として付着する表面活性物質を混合することができる。表面活性物質の極性分子の遊離基が互いに反発し、これによって、粒子が塊状化するのを防ぐことができる。
【００２６】
ロータの摩擦効果を適度に保つために、低粘度の強磁性流体を用いると好都合である。例えば、用いられる強磁性流体の粘度は、水の粘度の範囲内、すなわち、２０℃において略１ｍＰａ・ｓの範囲内にある。
【００２７】
しかし、強磁性流体の使用は、有害な随伴現象を引き起こすことになる。何故なら、モータ空間内の透磁率の増大は、漏れ損失も強めるからである。空気充填モータに反して、漏れ磁束線の伝搬は、抑制されないどころか、むしろ促進されるが、これは、損失が著しく増大するからである。
【００２８】
この効果を弱めるために、端漏れを低減させるための手段が、ステータの少なくとも１つの巻線の領域に設けられるとよい。この領域における強磁性流体を排除するために、１つまたは複数の要素がこの領域に配置されると好都合である。適切な要素は、１つまたは複数のプラスチック体である。これらのプラスチック体は、好ましくは、正確に嵌合するように、１つまたは複数の端巻線の周りに取り付けられてもよいし、またはこれらにすべり嵌合されてもよい。端漏れを低減させるための代替的な手段は、端巻線を発泡体によって密封するかまたは端巻線の周りの空間に発泡体を充填することによって、得られてもよい。原理的に、非磁性特性を有する材料が適している。
【００２９】
同様の問題が、ステータ本体の長孔の領域にも生じる。ここでも、強磁性流体によって、磁束線がより容易に伝搬し、より高い漏れが生じる可能性がある。長孔の領域における手段、具体的には、強磁性流体をこの領域から排除し、漏れ損失を制限する手段が、提案されると好都合である。１つまたは複数の長孔内に挿入されるキーが、特に有利である。
【００３０】
同期リラクタンス機のロータは、好ましくは、積層されたロータ一体品から構成されている。ロータ一体品は、１つまたは複数の磁極対を形成するための個々のフラックスバリアを有している。フラックスバリアは、周知の方法によって、通常は空気によって充填されるロータ一体品内の間隙によって形成される。この場合、強磁性流体がフラクスバリアの空洞内に浸透するリスクがある。本発明の好ましい態様では、ロータまたはロータの少なくとも一部は、強磁性流体に関してロータ本体を密封するために、封入された形態にある。
【００３１】
代替的または付加的に、１つまたは複数のフラックスバリアは、個別に密封され、液体の望ましくない進入から保護されるようになっていてもよい。また、液体の進入を防ぐために、適切な材料、例えば、プラスチックによってフラックスバリアを充填することもできる。
【００３２】
さらに、本発明は、本発明による同期リラクタンスモータまたは該同期リラクタンスモータの好ましい実施形態の特徴による、ポンプ駆動のための同期リラクタンスモータを有する水中ポンプに関する。水中ポンプは、明らかに、本発明による同期リラクタンスモータまたは該同期リラクタンスモータの有利な実施形態と同一の利点および特性を有しており、それ故、これに関連する新たな説明は、省略することにする。
【００３３】
本発明のさらなる利点および特性は、図面に示されている例示的な実施形態から明らかになるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明による同期リラクタンスモータを示す略縦断面図である。
【図２】本発明による同期リラクタンスモータのロータを示す略断面図である。
【図３】本発明による同期リラクタンスモータのステータを詳細に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
図１に示されている同期リラクタンスモータ１０は、通常のステータ１１と、ステータ１１に対して回転可能に取り付けられ、それ自体がシャフト１３と同軸に配置されたロータ１２と、を有している。ロータ本体は、積層一体品、例えば、薄板を重ね合わせた一体品から構成されている。個々の層または薄板は、シャフト１３の軸方向に積層されている。個々の層の略図は、図２から明らかである。
【００３６】
ロータ壁とステータ壁との間の隙間は、空隙として示されている。本発明によれば、図１において、モータ内空間は、強磁性流体２０によって充填されており、その結果、ステータ１１とロータ１２との間の領域における透過率が増大し、比較的大きい幾何学的な隙間が補償されている。ロータ１２とステータ１１との間の相互作用、すなわち、リラクタンス力は、この増大した透過率によって高められることになる。
【００３７】
用いられる強磁性流体２０は、数ナノメートルの大きさを有する磁性粒子から構成されており、適切なキャリア流体にコロイド状に懸濁している。用いられる強磁性流体２０の粘性特性は、ここでは、ロータと強磁性流体２０との間の摩擦効果が可能な限り低くなるように、選択されている。強磁性流体２０は、理想的には、水の粘度と同程度の粘度を有している。
【００３８】
ステータ１１の端巻線１５の領域に生じる漏れ損失は、１つまたは複数のプラスチック体１６によって、可能な限り低減されるべきである。プラスチック体は、強磁性流体を完全に排除するために、対応する端巻線１５を包囲するように、該端巻線１５に取り付けられている。
【００３９】
さらに、ステータ１１の長孔の領域に生じる漏れ損失は、キー３０によって低減されるようになっている。図３は、巻線空間１７を有するステータ一体品１１の断面の詳細を示している。長孔の領域には、ステータ歯間の磁気短絡を防ぐために、長孔における強磁性流体を排除するキー３０が設けられている。
【００４０】
図２は、ロータ一体品１２の断面を示している。図面は、ロータ層４１の個々のフラックスバリアを概略的に示している。ロータ層４１の（処置を施さない場合には空気によって充填されている）間隙４０は、流体の生じ得る進入を防ぐために、プラスチック状材料によって完全に充填または発泡充填されている。
【００４１】
付加的または代替的に、ロータ体１２の全体が、図１に示されているように、封入された形態にあってもよい。例えば、ロータ面は、液体の進入に対してロータ本体を保護するために、適切な材料５０によって完全に被覆されるようになっている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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