JP2018528755A - 流体を通過させるための、回転子および固定子を有する回転電気機械 - Google Patents

Abstract

本発明は、回転子（１０）と固定子（１２）とを有し、固定子（１２）が、固定子に沿って周方向に配置された複数の半径方向通路（２８）と、通路内に配置された磁束発生器（３４）と、回転子を支持する固定子軸受（２４）とを有する、電気機械に関する。本発明によれば、半径方向通路（２８）が、磁束発生器（３４）に面する流体循環ギャラリー（３６）を有している。

Description

本発明は、流体を通過させるための、回転子および固定子を有する回転電気機械に関する。

一般に、このような電気機械は、固定子および回転子を有し、固定子および回転子の一方が他方の内部に同軸に配置されている。

回転子は、永久磁石または巻線などの磁束発生器を支持する回転子本体から構成されている。
この回転子は、一般に、固定子の内側に収容され、固定子は、電気巻線（または電機子巻線）の形態である磁束発生器を支持し、その磁束発生器が磁界を発生させることで、回転子の磁石または巻線によって生成される磁界との協働により回転子の回転を駆動することが可能になる。

固定子は、通常、回転子に向けられ、固定子の周囲全体に沿って延びる複数の半径方向スロットを有している。これらのスロットは、任意の公知の手段によって内部に固定された電機子巻線を受け入れるように構成されている。

回転子と固定子との間に大きな空隙、すなわち「エアギャップ」を備えた種類の電気機械がすでに公知であり、この空隙は、ガス状または液状流体がこのエアギャップを通過できるように、数センチメートルになる場合がある。
このような種類の機械は、特に、「エアギャップ」が大きく、低速で動作し、その大きな空隙を通って流体が運ばれるのを可能にする同期リラクタンス機に関する特許文献１〜３のいずれかから公知である。

米国特許出願公開第２００８／０２８９３３３号明細書 米国特許出願公開第２０１３／０１６９０７４号明細書 米国特許出願公開第２０１３／００４３７４５号明細書

しかしながら、この大きな空隙は、回転子と固定子との間を磁束が通過するのを確実にする上では欠点になり、したがって、機械の固有効率に対する制約になり、同じ電力を供給するための固定子のサイズに対する制約になってしまう。

本発明は、空隙が小さい機械を用いることで上述した欠点を解消し、固定子と回転子との間でエネルギーがより良好に変換されるのを可能にし、かつ流体が機械を通過するのを可能にすることを目的とする。

この目的のために、本発明は、回転子と固定子とを有し、固定子が、固定子に沿って周方向に配置された複数の半径方向通路と、通路内に配置された磁束発生器と、回転子を支持する固定子軸受とを有する、電気機械において、半径方向通路が、磁束発生器に面する流体循環ギャラリーを有することを特徴とする電気機械に関する。

半径方向通路が、半径方向ウェブと、固定子の平面環状の外側境界部と、固定子軸受とによって区画されていてもよい。

流体循環ギャラリーが、半径方向ウェブと、固定子の平面環状の外側境界部と、磁束発生器とによって区画されていてもよい。

流体循環ギャラリーが、半径方向ウェブと、固定子軸受と、磁束発生器とによって区画されていてもよい。

ウェブが、固定子の長手方向軸に実質的に平行な軸方向を有していてもよい。

ウェブが、固定子の長手方向に対して傾斜した軸方向を有していてもよい。

ウェブが、固定子の長手方向に対してねじれた方向を有していてもよい。

ウェブが、長手方向断面において、空気力学的輪郭を有していてもよい。

流体が、機械用の液状またはガス状の冷却流体であってもよい。

流体が、食品産業または石油化学産業に対応するか、あるいは建設業または土木業に対応する流体であってもよい。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照しながら示す、非限定的な例として与えられる以下の説明から明らかとなろう。

本発明の電気機械の半径方向断面図である。 磁力線の経路を含む、図１と同様の図である。 図１の機械の固定子の構成を示す図である。 図１の機械の固定子の構成を示す図である。 図１の電気機械の代替形態を示す図である。

図１に示す回転電気機械は、ここでは一例として電気モータであり、回転子１０と固定子１２とを有し、回転子１０と固定子１２は、組み立てられたときに一方が他方の内部に同軸に入れ子にされ、これにより、回転子が自由に回転することができる。

この機械は、以下の説明では単なる一例として、一対の支柱を有する同期機である。
これによって、かご形回転子または巻線形回転子の非同期機などの任意の他の電気機械が除外されることはない。

図１の機械の回転子は、それ自体が公知であるように、好ましくは磁性を有する軸１４を有し、この軸１４上には、同一の強磁性平板からなる積層体が配置され、それらは任意の公知の手段によって互いに組み立てられて回転子本体１６を形成している。
この回転子は、磁束発生器（図示せず）を支持し、磁束発生器は、主として、回転子本体の長さと実質的に等しい長さの永久磁石である。

固定子も、同一の強磁性平板からなる積層体を有し、それらは任意の公知の手段によって互いに接合されて環状の固定子本体１８を形成している。
この固定子本体は、平面環状の外側境界部２０（つまりヨーク）と、環状の軸受２４によって区画され、内部に回転子が収容された中央凹部２２とを有している。
したがって、回転子の外周と固定子の環状の軸受の内周との間にエアギャップＥが形成されている。
固定子のヨークは、周方向に等間隔に配列された複数の半径方向ウェブ２６（ここでは３０°ごとの１２個のウェブ）によって環状の軸受に接続され、これらウェブの間に、先端が軸受に向けられた実質的に三角形状の半径方向通路２８が区画されている。これらの通路は、環状のヨーク２０の下縁部３０から軸受の外縁部３２まで半径方向に延び、固定子本体１８に沿って軸方向全体に延びている。
便宜上、以下の説明では、ウェブを固定子歯と呼ぶことにする。

図１に示すように、固定子は、磁束発生器、この例では電機子巻線３４を有し、電機子巻線３４は、好ましくは液密であり、通路２８内に収容され、より具体的には環状のヨークの下縁部３０の近くに収容されている。

固定子歯２６は、長さが非常に長く、それにより、巻線を軸受から遠ざけておくことが可能になる。さらに、図２により良く示されているように、これらの歯によって、回転子１０から遠く離れた巻線によって生成される磁束をその回転子に案内することが可能になる。

このように、エアギャップＥのサイズが縮小され（数ミリメートル）、それにより、機械の効率および性能を最適化することが可能になる。

こうして巻線と軸受の外縁部と固定子歯との間に形成された軸方向ギャラリー３６によって、ガス状または液状流体などの流体を通過させる固定子格子が形成される。

これによって、機械の気体流または流体流への統合と機械の冷却との少なくとも一方が確実に行われるようになり、したがって、サイズと放熱との少なくとも一方により制限される所与のシステムにおける配置の最適化が確実に行われるようになる。
さらに、この機械の磁気特性により、特に大きいエアギャップを有する機械に対して、所与の性能レベルに関する活性物質の量を制限することが可能になる。

図３に示すように、固定子格子を構成する歯２６は、固定子格子を通過する流体の方向に対する影響を最小限に抑えるために、その流体に実質的に平行、すなわち、固定子の長手方向軸に実質的に平行な軸方向を有していてもよい。

同様に、これらの歯の軸方向は、固定子の長手方向軸に対して傾斜していてもよい。

この方向は、図４に示すねじれ形状など、流体の移動を案内または開始したり、あるいは停止したりすることを目的とした複雑な空気力学的形状であってもよい。

このねじれ形状により、歯が流体と接触する表面積を大きくすることが可能になる。
さらに、固定子歯のこのねじれは、傾斜角に応じてトルクリップルを低減させることを可能にするため、磁気的な観点から有利になることがある。

これらの歯は、流体が格子を通過することによる圧力降下損失を最小限に抑えるために、水滴または飛行機翼の断面形状などの空気力学的輪郭を有していてもよい。
固定子の表面処理を行うことで、この機械は、食品産業、石油化学産業、建設業、土木業、および、電気機械によって流体の移送と案内の少なくとも一方を行う必要がある他の産業に対応する。

機械の冷却の観点からは、この種の機械では、固定子における熱交換面が非常に大きくなり、それにより、同様の性能を有する従来の電気機械と比べて簡略化された冷却システムを使用することが可能になり、この最適化された冷却のために固定子における電流密度を高めることが可能になることも考えられる。

この種の機械は、特に、既存のシステムの代替として極めて簡単に組み込み可能であることに留意されたい。

図５の代替形態は、巻線３４が通路２８内の軸受２４の近くに配置され、したがって、できるだけエアギャップＥの近くに配置されている点で、図１と異なっている。
このとき、流体を通過させるギャラリー３６は、巻線と固定子の環状のヨーク２０の下縁部３０とウェブ２６との間に位置している。

Claims (9)

1. 回転子（１０）と固定子（１２）とを有し、前記固定子（１２）が、該固定子に沿って周方向に配置された複数の半径方向通路（２８）と、前記通路内に配置された磁束発生器（３４）と、前記回転子を支持する固定子軸受（２４）とを有する、電気機械において、前記半径方向通路（２８）が、前記磁束発生器（３４）に面する流体循環ギャラリー（３６）を有することを特徴とする電気機械。
2. 前記半径方向通路（２８）が、半径方向ウェブ（２６）と、前記固定子の平面環状の外側境界部（２０）と、前記固定子軸受（２４）とによって区画されていることを特徴とする、請求項１に記載の電気機械。
3. 前記流体循環ギャラリー（３６）が、前記半径方向ウェブ（２６）と、前記固定子の前記平面環状の外側境界部（２０）と、前記磁束発生器（３４）とによって区画されていることを特徴とする、請求項２に記載の電気機械。
4. 前記流体循環ギャラリー（３６）が、前記半径方向ウェブ（２６）と、前記固定子軸受（２４）と、前記磁束発生器（３４）とによって区画されていることを特徴とする、請求項２に記載の電気機械。
5. 前記ウェブ（２６）が、前記固定子（１２）の長手方向軸に実質的に平行な軸方向を有することを特徴とする、請求項２から４のいずれか１項に記載の電気機械。
6. 前記ウェブ（２６）が、前記固定子（１２）の長手方向に対して傾斜した軸方向を有することを特徴とする、請求項２から４のいずれか１項に記載の電気機械。
7. 前記ウェブ（２６）が、前記固定子（１２）の長手方向軸に対してねじれた方向を有することを特徴とする、請求項２から４のいずれか１項に記載の電気機械。
8. 前記ウェブ（２６）が、長手方向断面において、飛行機翼状または水滴状の空気力学的輪郭を有することを特徴とする、請求項２から７のいずれか１項に記載の電気機械。
9. 前記流体が、前記機械用の液状またはガス状の冷却流体であることを特徴とする、請求項１に記載の電気機械。

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