JP2017504302A - 磁束機 - Google Patents

Abstract

磁束機はステータ及びロータを含む。側面を有する電気コイルアセンブリのセット及び複数の永久磁石のセットは円状に配置される。磁石の磁極面はコイルアセンブリの浸透性コアの側面に隣接して及び側面から離間されて位置決めされる。各コイルアセンブリでは、磁石の１組の類似する磁極面が浸透性コアを横切って相互に向き合い、第３の磁極面が１組の磁石の相互に向かい合う磁極面を基準にして横断方向に向く。【選択図】図１

Description

（関連出願）
本願は、省略せずに又は部分的に、２０１４年１月２３日に出願された同時係属の実用新案出願第１４／１６２，６１１号、及び２０１３年１月２４日に出願された仮出願第６１／７５６，４０４号に提示されるのと同じ装置及び方法を説明し、特許協力条約出願としてその国際優先日を主張する。これらの２つの出願の主題はこれによってその全体として参照することにより本明細書に組み込まれる。

本開示の産業上の分野は、電気モータ及び発電機、並びにそれらの構築及び運転の方法に関する。特に、本開示は、モータ又は発電機として操作され得る磁束機（ＦＭ）を対象とする。モータ及び発電機の効率は商業的な実現可能性にとってきわめて重要である。したがって、磁束及び起電力を生じさせる磁石及びコイルの配置は、モータ及び発電機の作業効率に大きな影響を与える。車両を含むより多くの基本的な製品が電気に移行していくので、より大きい効率を有するモータ及び発電機の大きな必要性がある。

図面図中の類似する参照記号は、類似する要素を示す。

本明細書に説明され、示され、主張される磁束機の例の近位斜視図である。 その例の遠位斜視図である。 図１に係る例の近位斜視拡大図である。 図２に係る例の遠位斜視拡大図である。 図１のＡ‐Ａでとられ、中心回転軸を通過する例の垂直断面図である。 その外側ロータ‐磁石アセンブリの例の遠位斜視図である。 その内側ロータ‐磁石アセンブリの例の近位斜視図である。 図７の拡大図である。 そのラジアルファンの例の近位斜視図である。 少数の代表的なコア及びコイルの要素だけが示される、そのステータアセンブリの例の近位斜視図である。 その１つのコア及びコイルアセンブリの例の斜視拡大図である。 周縁ワイヤハーネスに送られるコイルワイヤを示すそのコア‐コイルアセンブリの全装備の例の斜視遠位図である。 本開示に係る１２極２平行スター結線図の例の電気配線図である。

モータ又は発電機として機能し得、実験室試験で効率を大幅に上げる磁束機（ＦＭ１０）が開発されてきた。本明細書に開示されるこの新しい設計は、優れた磁束を生じさせ、したがって運転中より効率的である、磁石及びコイルの新規の配置に依存している。本明細書に説明される装置は、概して「磁束機」（ＦＭ１０）と技術で呼ばれるタイプの電気モータ‐発電機である。いくつかの実施形態では、磁束機は長手方向磁束機として動作する。他の実施形態では、機械はトランスバース磁束機（ＴＦＭ）として動作する。さらに他の実施形態では、磁束機はハイブリッドの長手方向トランスバース磁束機であってよい。例えば、近年、トランスバース磁束機は幅広い用途で支持されている。標準的な電気モータでは、電磁力ベクトルはその磁束線に平行であるのに対し、ＴＦＭでは、電磁力ベクトルは磁束線に垂直である。ＴＦＭ設計は、極ごとの起磁力を削減することなく極数を増やすことを可能にし、したがって従来の機械においてよりも高い出力密度を生じさせることができる。多数の極及び短い電流通過を有するＴＦＭは、高いトルク／重量比、高い出力／重量比、及び低い銅損が達成可能であるため魅力的である。

コイル又はコイルアセンブリの３つの異なる側面に向かって別々に磁束を導くことができるようにするコイル及び磁石の配置が開発されてきた。例えば、コイルの向かい合った側の半径方向で磁束を導くために極が内を向く又は外を向く状態で配向される２つの磁石、及びコイルの第３の側面で軸方向で磁束を導くために軸方向に向く極を有する第３の磁石がある場合がある。さらに、コイルは、巻線及び電流が、運動の確立された円周方向で指すベクトルに垂直である平面で流れるように配向されてよい。この配置は、３つの磁石がそれぞれコイルの異なる側面に隣接できるようにするが、コイルフレームは運動面に垂直な平面にあるので、各磁石はコイルの側面の内の１つとしか相互に作用しない。これにより、３つの磁石はコイルと同時に相互に作用できるようになり、優れた磁束誘発配置を提供する。

図１及び図２は、概して形状が円形であり、軸方向に相対的に短くてよいＦＭ１０の実施形態を示す。他の実施形態では、ＦＭ１０は軸方向に相対的に長く、線形であってよい、又は他の適切な構成を有してもよい。電気的接続はＦＭ１０に対して上部で図示される接続ボックス２０の中で行われてよく、ＦＭ１０との機械的係合は遠位に行われてよい。本明細書では、「遠位」の図または要素は後部（図４）から見られる通りであり、「近位」の図又は要素は機械の前部（図３）から見られる通りである。代替の機械的及び電気的な接続が利用されてよい。

図３は一実施形態に係るＦＭ１０のいくつかの構成要素及びサブアセンブリを示し、係る品目を、品目が機械運転中に占める相対的なそれぞれの位置に示す。図３で左から右に移動すると、図示されているのは、シュラウド３０、外側ロータ‐磁石アセンブリ４０、ファン６０、内側ロータ‐磁石アセンブリ７０、ステータアセンブリ１００、ロータハブ１５０、フライホイール１６０、及びフライホイールハウジング１７０である。フライホイール１６０はＦＭ１０の一部ではないが、ＦＭ１０が、発電機として駆動されるために又は電気モータとして有効な回転出力作業を生じさせるために機械的に係合され得る１つの方法の理解を可能にするために示され、説明される。また、図３に示されているのは、完成し、組み立てられた機械としていくつかの構成要素及びサブアセンブリをともに固定するために使用されてよい共通の金物ネジである。いくつかの構成要素及びサブアセンブリをともに固定するために、ネジの代わりに任意の他の適切な取付け手段が使用されてよい。ＦＭ１０の上記に識別されたパーツのすべて、つまり要素４０、６０、７０および１５０は、ロータの回転の中心でもある共通軸５で軸方向に位置合わせされる。図４は、同要素の遠位図である。

図５は、どのようにしてロータハブ１５０がフライホイール１６０に接合されるのか、内側ロータ‐磁石アセンブリ７０がロータハブ１５０に接合されるのか、ファン６０が内側ロータ‐磁石アセンブリ７０に接合されるのか、外側ロータ‐磁石アセンブリ４０が内側ロータ‐磁石アセンブリ７０に接合されるのか、ステータアセンブリ１００がフライホイールハウジング１７０に接合されるのか、及びシュラウド３０がステータアセンブリ１００に接合されるのかの実施形態を示す垂直断面図でＦＭ１０の実施形態を示す。また、図５はコア‐コイルアセンブリ１２０だけではなく、永久磁石４６、５０、及び７６の場所も示す。本明細書に説明される多様な構成要素の選択及び接続性を含んだ、代替の実施形態及び構造が適用され得る。例えば、いくつかの実施形態では、ロータ及びステータは、適切な電気的及び機械的な接続性が調整された状態で逆転されてよい。

ここで図６を参照すると、いくつかの実施形態で、外側ロータ‐磁石アセンブリ４０が円筒壁４２及び端壁４４を有することがあることが示される。さらに、外側ロータ磁石アセンブリは、リング、円筒、又は他の適切な接続構成要素の任意の他の適切な構成から作られてよい。円筒壁４２に取り付けられるのは、ＯＤ半径方向磁石４６であってよく、端壁４４に取り付けられるのは軸方向磁石５０であってよい。ＯＤ半径方向磁石４６は円筒壁４２の内面、外面、円筒壁４２の長穴若しくは空間内、又は任意の他の適切なマウントに取り付けられてよい。軸方向磁石は端壁４４の内向きに向く面４８、外向きに向く面、端壁４４の長穴若しくは空間、又は任意の他の適切な配置に取り付けられてよい。磁石４６及び５０のセットのそれぞれは円状に又は他の実施形態では直線状に配置されてよい。磁石４６及び５０は、磁石４６が半径方向の磁束を生じさせ、磁石５０が軸方向の磁束を生じさせるように、磁極面に垂直に磁束線を生じさせる平面的な磁極面を有してよい。磁石４６及び５０は、エポキシタイプ等の接着剤またはそうでないものによってそのそれぞれの表面又は任意の他の適切な部分に固定され、図示されるように端壁４４の中に設置されたネジ切りされたネジ等の共通の金物又は他の適切な方法若しくは装置によってさらに固定されてよい。

ここで図７及び図８を参照すると、内側ロータ‐磁石アセンブリ７０が円筒形の外壁７２及び外壁７２の遠位末端にある環状の内部フランジ７４を有する円筒であってよいことが示される。他の実施形態では、内側／ロータ／ステータは材料、リング、壁、フランジ、または接続部品の任意の適切な配置の構造であってよい。外壁７２の外面に円形配置で取り付けられるのは、ＩＤ半径方向磁石７６であってよい。磁石７６は空間内に取り付けられてもよい、又はバー若しくは技術で既知の他の適切な手段と接続されてもよい。磁石７６は、磁石７６がセットされる外壁７２の曲面と一致するように孤に成形されてよく、磁極面は半径方向に導かれる磁束を生じさせるために外向きに向いてよい。また、磁石７６は平坦又は任意の他の適切な形状であってもよい。磁石７６は、エポキシタイプ等の接着剤又はそうではないものによって壁７２又は内側ロータ／ステータアセンブリ７０の別の適切な部分に固定されてよく、壁７２にねじ込まれたネジ等の共通の金物またはそうではないものによってさらに固定されてよい。図７及び図８に示されるように、外部非鉄円形カバー８０は磁石の固定を改善するために磁石７６上に取り付けられてよい。

磁石４６、５０、及び７６は永久磁石又は電磁石又は両方の組合せであってよい。他の実施形態では、外側及び内側のロータ‐磁石アセンブリ７０並びに外側ロータ磁石アセンブリ４０は単一のロータアセンブリに結合されることもあれば、外側ロータ磁石アセンブリの端壁４４が内側ロータ‐磁石アセンブリ７０に取り付けられることもある。さらに、ステータはロータであってよく、ロータは電気的及び機械的な接続性に対する適切な調整がなされたステータであってよい。

他の実施形態では、内側ロータ‐磁石アセンブリ７０又は外側ロータ磁石アセンブリ４０は２つの端壁４４を含んで良く、軸方向に導かれた磁束を有する２つの相互に向かい合う磁石５０はそれぞれが端壁４４の１つ及び１つの円筒壁４２に接続され、半径方向磁石７６は円筒壁４２に接続され、半径方向に導かれた磁束を有する。本実施形態では、ステータコイルはロータの内側となり、軸方向‐半径方向‐軸方向の磁束がコイルの３つの異なる側面に導かれる。本実施形態では、コイルは、電流が運動の方向で円周方向に導かれるベクトルに垂直な平面で流れるように配向されてよい。

図９に示されるファン６０は、溶接又はそうではないものによって径向き羽根６４が取り付けられてよい円形の平板６２から構成されてよい。ＦＭ１０の運転中、ファン６０は軸５の回りを回転してスクリーン３１（図１）を通して軸方向に機械の中に空気を引き込んでよく、それによって空気はコイル１２６並びにコイル１２４及び１２４を冷却するための羽根６４によって半径方向に向け直される。空気はシュラウド３０（図１）の長穴３４を通って出る。理解されるべきであるように、ファン６０は内側ロータ‐磁石アセンブリ７０と係合され、その軸方向フィンガー７８は板６２内の周辺長穴６６と係合している。

一実施形態でＦＭ１０のロータとして機能してよいステータアセンブリ１００は、図示されるようにディスク１０２の近位表面１０６に取り付けられた相互に離間された半径方向仕切り１０４の円形のアレイを取り込んだフレームディスク１０２を含む、図１０に示される金属構造フレームを有してよい。図１０では、いくつかのコイル１２６はそのそれぞれの動作位置で示され、仕切り１０４を取り囲む円形ハーネス１２７を通して電気的に相互接続される。ハーネス１２７内のワイヤは、電気ボックスフランジ１２５に隣接する３つの鉛導管１２９で終端し、後者はディスク１０２と一体である又はディスク１０２に取り付けられている。いくつかの実施形態では、隣接する仕切り１０４間の溝は「Ａ」で示されるようにコイル１２６の電線を送るために使用されてよい。図１０に示されるように、３つのコア１２０がある場合がある。コア１２０は、透過性のコア、複合材、積層板、又は積層板及び複合材の組合せ、又は他の適切なコア構造であってよい。

図１２に示されるコア‐コイルアセンブリＣＣＡ１１０つまりコイルアセンブリの全装備は、ステータアセンブリ１００の一部として取り付けられ、各ＣＣＡ１１０は仕切り１０４（図１０）の内の１つの上に取り付けられている。典型的なＣＣＡ１１０は、２つの当接するシリコン鋼積層スタック、つまりステータアセンブリ１００に取り付けられるときに積層体が半径方向に位置合わせされたより大きいスタック１２２、及びそのように取り付けられるときに積層体が軸方向に位置合わせされるより小さいスタック１２４から構成されるコア１２０を示す図１１に拡大されて示されている。示されるように、スタック１２２、１２４は、共通の金物又はそうではないものを使用し互いに接続され、フレームディスク１０２にＣＣＡ１１０をボルトで留めるための共通金物１３２を使用する、又は溶接を含んだ任意の他の適切な手段を通して接続されてよい。他の適切なコイル―コアアセンブリ１１０は、単一コアアセンブリを含んだ他の適切な構成部品を含んでよい。例えば、コア１２０は、銅を含んだ任意の導電材料又は他の適切な材料製であってよい。他の実施形態では、コア‐コイルアセンブリ１１０は楕円形又は円形又は他の適切な形状であってよい。

スタックの位置合わせはそのそれぞれの隣接する磁石４６、５０、及び７６から磁束の方向に配向されてよい。コア１２０は、代わりに圧縮カルボニル鉄の粒子又はそうではないものの単一の成形ブロックから作られてよい。コイル１２６は、図１１で「Ｂ」に示されるようにコア１２０の収容溝の中に嵌るために、平坦な若しくは曲線的な若しくは他の形状の銅、又は矩形、楕円形、または円形の形状で巻き付けられたワイヤの他材料から構成されてよい。いくつかの実施形態では、コイル１２６の平らなワイヤは絶縁被覆され、コイル１２６のいくつかの脚部はＵ字形の絶縁スリーブ１２８及びテープで覆われた角１３０によってコア１２０からさらに絶縁される。図１１で分かるように、いくつかの実施形態では、スタック１２２及び１２４の磁束はコイル１２６の巻線で流れる電流に直角に配向され、したがってロータの回転の方向である第３の直交方向で力を生じさせる。図１２は、ハーネス１２７及びステータアセンブリ１００の一部としてＣＣＡ１１０のすべてを守るために仕切り１０４及びフレームディスク１０２（図１０を参照）を貫通する金物１３２まで伸長するコイルワイヤを示すＣＣＡ１１０の全装備を示す遠位図である。

図１０に示されるように、コア‐コイルアセンブリ１１０、つまりコイルアセンブリ１１０は、コイル１２６が矩形で巻き付けられるように配向されてよく、電流が運動又は回転の円周方向で配向されるベクトルに垂直である平面で流れるようにロータ又はステータに関して配向される。図１０に示される実施形態では、コイルは、半径方向磁石７６及び４６の磁束との相互作用のために露呈される２つの側面、並びに軸方向磁石５０の磁束との相互作用のために露呈される１つの側面を含んだ、磁束との相互作用のために露呈される３つの側面を有する。これらの相互作用はすべて同じ平面で起こり、したがって各磁石は各コイル１２６の片側としか相互に作用しない。これは、それにより３つの磁石がコイルと同時に相互に作用し、原動力及び／又は発電に寄与する磁束を生じさせることを可能にするため有利である。

内側ロータ‐磁石アセンブリ７０がＣＣＡ１１０の円形配置の中に位置決めされるとき、磁石７６は平行して、及びコア‐コイルアセンブリ１１０の内向きに向く面に隣接して位置決めされてよく、空隙によってそこから離間されてよい。外側ロータ-磁石アセンブリ４０がＣＣＡ１１０の円形配置の外側の回りに位置決めされるとき、磁石４６はスタック１２２の外向きに向く面と平行して位置決めされてよく、空隙によってそこから離間されてよい。外側ロータ-磁石アセンブリ４０がＣＣＡ１１０の円形配置の回りに位置決めされるとき、磁石５０がスタック１２４の（軸方向の）外向きに向く面と平行して位置決めされてよく、空隙によってそこから離間されてよいことが、より、明らかである。図５は、コイル-コア１２０に対する磁石の位置を示す。磁石４６、５０、及び７６のセットがＣＣＡ１１０のセットの３つの側面に近接して位置決めされた状態で、コイル１２６を流れる電流が軸５の回りのロータの回転方向で力を生じさせることが明らかである。

図１３は、ＦＭ１０の１２極３相２平行スター結線バージョンで行われてよい電気相互接続を示す。図１３で、外側円形図は３相の極を配線する方法を示し、内側図は、極が直列-並列相互接続配置で相互接続されることを示すＹ−配置を示す。ＦＭ１０は、より多数又はより少数の極で、及び他の電気的配置で構成されてよい。

主題の装置及び配線装置の実施形態が、本明細書に説明されている。それにも関わらず、当業者による修正が本開示の精神及び理解から逸脱することなく行われてよいことが理解される。したがって、他の実施形態及び手法は続く特許請求の範囲の範囲内にある。

Claims (20)

1. それぞれが側面を有する複数の電気コア-コイルアセンブリを有するロータと、
   磁石の複数のセットを有するステータであって、磁石の前記セットの各セットの磁石の類似する磁極面が前記浸透性のあるコイル-コアアセンブリの各アセンブリの前記側面に隣接して及び前記側面から離れて位置決めされる、ステータと
   を備え、
   磁石の前記セットの各セットで、
   １組の磁石の相互に向かい合う類似した磁極面がコア-コイルアセンブリに向き、
   前記磁石の第３の磁石が前記１組の磁石の磁束を基準にして横断方向に磁束を導くために位置決めされる、
   磁束機。
2. 前記電気コア-コイルアセンブリが、前記相互に向かい合う磁極面に垂直に向けられた第１の積層体、及び前記磁石の前記第３の磁石の前記磁極面に垂直に向けられた第２の積層体を有する積層構造を有する浸透性コアを備える、請求項１に記載の磁束機。
3. コア-コイルアセンブリのそれぞれが側面を有する、前記電気的なコア-コイルアセンブリを有するステータと、
   複数の磁石を有するロータであって、前記磁石の３つの類似する磁極面が、前記コア-コイルアセンブリのそれぞれの前記側面に隣接して及び前記側面から離間されて位置決めされる、ロータと
   を備え、
   １組の前記磁石の磁極面が相互に向かい合い、
   前記磁石の第３の磁石の磁極面が、前記相互に向かい合う磁極面を基準にして横断方向に向く、
   磁束機。
4. 前記コア-コイルセンブリの各アセンブリが、前記相互に向かい合う磁極面に垂直に向けられた第１の積層体、及び前記磁石の前記第３の磁石の前記磁極面に垂直に向けられた第２の積層体を有する積層構造から構成される浸透性のコアをさらに備える、請求項３に記載の磁束機。
5. コア-コイルアセンブリが、前記コイルの電線が隣接する仕切りの間で送られた前記ステータの仕切り上に円形アレイで配置される、請求項４に記載の磁束機。
6. 相互に向かい合う極を有する前記１組の磁石が回転軸に関して半径方向に沿って互いに向く、請求項３に記載の磁束機。
7. 磁束機であって、
   構成要素及びアセンブリ：
   外側ロータ-磁石アセンブリと、
   内側ロータ-磁石アセンブリと、
   すべて共通の回転中心で軸方向に位置合わせされたステータアセンブリ、前記外側ロータ-磁石アセンブリ、内側ロータ-磁石アセンブリ、及びステータアセンブリと、
   それぞれがコイルを有するコイル-コアアセンブリのセットと
   を備え、
   前記コイルのそれぞれの電流が前記磁束機の回転方向に直角の平面内でおもに流れるように、前記コア-コイルアセンブリが前記ステータアセンブリに関して配向される、
   磁束機。
8. 前記外側及び内側ロータ-磁石アセンブリが、前記コア-コイルアセンブリの３つの異なる側面に隣接する永久磁石を支える、請求項７に記載の磁束機。
9. 前記永久磁石が、前記外側ロータ-磁石アセンブリの内面及び端面に、並びに前記内側ロータ-磁石アセンブリの外面に取り付けられ、前記磁石が円状に配置される、請求項８に記載の磁束機。
10. 各コア-コイルアセンブリが、前記コイル-コアアセンブリの平面に平行してある経路から、前記コイルの前記平面の中の中心に、及び前記コイルの前記平面に垂直にある追加の経路に磁束を誘導するために構造化され、有効化される、請求項７に記載の磁束機。
11. 構成要素及びアセンブリ：
    外側ステータ-磁石アセンブリと、
    内側ステータ-磁石アセンブリと、
    すべて共通の回転の中心に軸方向に位置合わせされたロータアセンブリ、前記外側ステータ-磁石アセンブリ、内側ステータ-磁石アセンブリ、及びロータアセンブリと、
    それぞれがコイルを有するコア-コイルアセンブリのセットと、
    を備え、
    前記コア-コイルアセンブリが、各コイルの中の電流が、前記ロータアセンブリの回転の方向に垂直である平面でおもに流れるように配向される、
    磁束機。
12. 前記ロータアセンブリが、円形配置でコイル-コアアセンブリの前記セットを支える離間された半径方向区切りを有する、請求項１１に記載の磁束機。
13. 前記コイル-コアアセンブリの各アセンブリが、２つの当接する相互に直交するシリコン鋼積層スタックを有するコアを含む、請求項１１に記載の磁束機。
14. 前記コイル-コアアセンブリの各アセンブリが、圧縮され、成形可能な高浸透性粉末を備えるコアを含む、請求項１１に記載の磁束機。
15. 前記コイル-コアアセンブリの各アセンブリが、矩形、円形、正方形、及び三角形の形状の１つで巻かれた絶縁された導電性ワイヤのコイルを含み、前記コイルが前記コアの溝の中に嵌められる、請求項１１に記載の磁束機。
16. 前記コイルの各コイルが、Ｕ字形の絶縁スリーブ及びテープで覆われた角によって前記コアからさらに絶縁される、請求項１５に記載の磁束機。
17. 前記内側及び外側ステータ-磁石アセンブリの磁石の前記セットが、コイルーコアアセンブリの前記セットの前記コイルに近接して位置決めされる、請求項１５に記載の磁束機。
18. 各コイル-コアアセンブリが、前記コイル-コアアセンブリの平面に平行してある経路から、前記それぞれのコイルの前記平面の中で中心に、及び前記平面に垂直にある追加経路に磁束を誘導するために構造化され、有効化される、請求項１７に記載の磁束機。
19. その電線相互接続が、多極多相平行スター配置で配置される、請求項１１に記載の磁束機。
20. その電線相互接続が、１２極３相２平行スター配置で配置される、請求項７に記載の磁束機。
    

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