JP2006513679A

JP2006513679A - 相互嵌合式ディスク型回転子および固定子の構成を備えたセグメント型誘導電気機械

Info

Publication number: JP2006513679A
Application number: JP2002566820A
Authority: JP
Inventors: バース，ロナルド・オデル
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 2001-02-20
Filing date: 2002-02-20
Publication date: 2006-04-20
Also published as: EP1301980A2; US6803847B2; CN1240175C; US6713982B2; KR20020091223A; US20030210012A1; AU2002257068B2; TWI246247B; CN1457267A; CA2436317A1; WO2002067406A2; US20020117991A1; WO2002067406A3; MXPA03007424A

Abstract

本発明は、積層され、互いに等間隔に離隔され、フレームに取り付けられる複数のディスク形環状固定子要素と、回転軸に取り付けられ、連続する回転子要素が連続する固定子要素の間に位置するように互いに等間隔に離隔される複数のディスク形回転子要素と、第１の固定子要素のそれぞれにあり、電流の流れによって電圧が印加されると、軸に実質的に平行な方向に磁界を形成する複数の電気巻線と、連続する固定子要素における第１の方向に垂直な第２の方向において、磁束通路を完成させるためおよび回転子要素における回転力を生成するために回転子要素を通過するリターンパスと、を含む交流電気機械に関する。

Description

【０００１】
本発明は、回転子要素と固定子要素との間の磁束の有効な表面積を最大にし、磁束の利用効率を向上させるために、セグメント状コイル構成を用いる電気誘導機に関する。
【０００２】
発明の背景
電動機、変圧器、発電機などの交流電気機械は、きわめて堅固で信頼性が高く、制御しやすく、特に、高いトルク性能および高い出力密度定格を有するために、一般に用いられている。誘導機は、固定コイルまたは固定子の巻線を流れる電流が回転磁界を形成し、次に回転磁界が存在する空間を占める回転子に電流を誘導するという原理で作動する。回転子における誘導電流は、回転力を形成するために、回転磁界と反応する。
【０００３】
これまで、このような機械におけるトルク密度に対して根本的な限界があると考えられていた。磁束密度は材料の要件によって制限され、電流密度は（１）加熱、（２）機械リアクタンス、（３）過度の電流密度が局所的な磁気飽和を生じるという事実によって制限されるが、本発明は、回転子要素および固定子要素または第１の要素および第２の要素の構成を最適化し、機械の容積を実質的に増大させることなく、機械出力を増大させることができるようにする。交流電気機械の設計において、従来は、出力密度が制限され、電力出力を増大させる唯一の方法が機械の容積を増大させることであると考えられていた。
【０００４】
本発明の第１の目的は、所与の機械容積に関する高いトルク性能を有する電気機械を提供することにある。本発明の第２の目的は、１つ以上の平行なエアギャップの中の同一の磁束を利用することによって、電気機械におけるトルク密度に対する一般に是認されている限界を克服するような電気機械を提供することにある。本発明の第３の目的は、磁束が複数のエアギャップを貫通し、各エアギャップにある回転子の表面電流を誘導し、それによって機械の所与の容積に関してトルク密度を増大する電気機械を提供することにある。本発明の第４の目的は、回転機械または同期機として作動することができるような電気機械を提供することにある。本発明の第５の目的は、機械に存在するエアギャップの数によって実質的に力密度が増大されるが、磁気のリターンパスがほぼ一定のままであるために、機械全体の横寸法がより小さな因子によってのみ増大されるような電気機械を提供することにある。
【０００５】
発明の概要
本発明は、
（ａ）互いに離隔される環状ディスクの形の複数の固定子要素を有し、各固定子要素が複数の磁気的に分離された磁気歯を含む固定子と、
（ｂ）シャフトに取り付けられ、互いに離隔され、相互嵌合方式で固定子要素に関して隙間に配置された複数の回転子要素を有する回転子と、
（ｃ）固定子要素のそれぞれにある複数の電気巻線であって、各巻線が固定子要素の磁気歯の群に関連し、巻線に流れる電流によって電圧が印加されると、磁束が第１の方向に形成されるように配置された電気巻線と、
（ｄ）連続する固定子要素にある歯の対応する群および回転子要素によって、第２の方向に磁束通路を完成させるための手段と、を含む交流（ＡＣ）電気機械である。
【０００６】
本発明は、各固定子要素に印加される電気エネルギーを個別に制御するために配置されたモジュール型制御装置をさらに含むことができ、この制御装置は、
（ａ）マイクロプロセッサコントローラ、負荷検知手段および複数の固定子制御モジュールを含み、各制御モジュールが固定子要素に接続される電気切換装置を含み、マイクロプロセッサコントローラが、制御モジュールへの制御信号を生成するために負荷検知手段に応答し、各制御モジュールがパルス幅制御方式で固定子要素に接続される電流の流れを制御するためにその制御信号に応答するようになっている。
【０００７】
本発明において、各制御モジュールは、関連する固定子要素の巻線における電流を検知するための電流検知手段およびマイクロプロセッサコントローラへの対応する信号を発生するための手段をさらに含むことができ、コントローラが検知された電流を補償するために信号に応答する。
【０００８】
マイクロプロセッサコントローラは、本発明のマイクロプロセッサコントローラにおいて、巻線障害を検出し、検出された障害に応じてその制御モジュールが固定子要素の電源を切るために、各電流信号を所定の障害閾値と比較することができ、電動機を作動させ続けることができる。
【０００９】
本発明において、交流は、多相源から供給されてもよい。電流検知手段は、各固定子要素巻線において、それぞれの個別の相における電流を検知するために配置される。また、マイクロプロセッサコントローラへの対応する検知信号を発生するための手段がある。コントローラは、検知信号に応答し、固定子巻線の各相における電流を等化するために、制御モジュールへの制御信号を生成する。電流がこのように供給される際、マイクロプロセッサコントローラは、固定子要素における巻線障害を検知し、検知された障害に応じて、その固定子要素に接続された制御モジュールが、固定子要素の電源を切るために、各固定子要素の巻線における各相からの各電流検知信号を所定の障害閾値と比較することができ、電動機を作動させ続けることができる。
【００１０】
本発明において、負荷検知手段は、電動機速度センサを具備してもよい。負荷検知手段は、トルクセンサを具備してもよい。
【００１１】
本発明において、回転子要素は、複数の放射状の溝をさらに具備することができ、放射状の溝は、空気を隣接する回転子と固定子要素との間で放射方向に移動させ、回転子要素および固定子要素の内部に発生する熱の消散を促進する。
【００１２】
本発明において、ハウジングは、気流が容易にハウジングを通るようにするように構築されてもよく、またはハウジングは密封した気密構成であってもよい。
【００１３】
本発明の別の実施形態は、一次巻線、二次巻線、軟鉄芯を含む変圧器であり、
一次巻線が複数の要素を有し、各要素が互いに離隔され、各要素が環状ディスクの形であり、各環状ディスクがその上に複数の電気巻線を巻き付けた複数の磁気的に分離された磁気歯を含み、一次巻線の各要素の巻線が一次巻線の任意の他の要素と同一であり、
二次巻線が複数の要素を有し、各要素が互いに離隔され、各要素が環状ディスクの形であり、各環状ディスクがその上に複数の電気巻線を巻き付けた複数の磁気的に分離された磁気歯を含み、二次巻線の各要素の巻線が二次巻線の任意の他の要素と同一であり、
一次巻線の要素および二次巻線の要素が、軟鉄芯に取り付けられ、二次巻線の要素が互いに離隔され、相互嵌合方式で一次巻線の要素に関して隙間に配置されるようになっていることを含む。
【００１４】
本発明の変圧器は、一次巻線の各要素および二次巻線の各要素に印加される電気エネルギーを個別に制御するために配置されたモジュール型制御装置をさらに含むことができ、この制御装置は、
マイクロプロセッサコントローラ、負荷検知手段、複数の制御モジュールを含み、
各制御モジュールは、一次巻線要素または二次巻線要素のいずれかに接続される電気切換装置を含み、
マイクロプロセッサコントローラは、制御モジュールへの制御信号を生成するために、負荷検知手段に応答し、
各制御モジュールは、パルス幅制御方式で一次巻線要素に接続される電流の流れを制御するため、および負荷に二次巻線要素を接続するために、その制御信号に応答する。さらに、各制御モジュールは、関連要素の巻線における電流を検知するための電流検知手段およびマイクロプロセッサコントローラへの対応する信号を生成するための手段をさらに含むことができ、コントローラが検知された電流を補償するためにその信号に応答するようになっている。
【００１５】
発明の詳細な説明
本発明は、従来の機械よりサイズが小さい機械ではあるが、従来の機械設計に比べて増大したトルクを形成するために、回転子および固定子の新規な配置構成を有する交流電気機械である。本発明者は、固定子によって形成された同一の磁束を複数のエアギャップの中を通過させ、力密度にギャップの数が乗じられるように、隣接する回転子要素に誘発される表面電流を各ギャップにおける磁束に作用させることによって、出力のこのような増大／サイズの減少が実現されると考えている。
【００１６】
本発明は、従来の設計に比べて以下の利点を提供する。
（１）効率の向上：固定子と回転子との間の磁束相互作用の断面積を最適化することによって、電力出力を最大にする。これにより、磁気エネルギー伝達を増大し、従来の機械に比べて効率を向上させる結果となる。増大した磁気エネルギー伝達のために、従来技術の機械に比べて同程度の機械出力を生成するためにはより少ない電力で済むと推測される。従来技術の設計と異なり、本発明は、独立した固定子要素および分割された電動機ハウジング設計を利用して、固定子の個別のセグメントを除去したり交換したりすることができ、保守管理をより容易に行うことができる。
（２）制御性能の向上：電動機設計は、それぞれの個別の固定子要素を制御することができる一体型マイクロプロセッサ式電子切換装置を含む。この特徴により、電動機は所与の負荷に関して最適な馬力定格を用いて一定の速度で作動させることができる。電動機のロック式回転子および突入電流は、従来の設計に比べて小さい。個別の固定子要素制御を利用するために、電動機はより低い馬力定格で始動することができ、その結果、ロック式回転子および突入電流をさらに小さくすることになる。
（３）サイズ、重量、コストの削減：本発明の機械は、等価な馬力定格の従来の電動機より小さくすることができる。セグメント化された設計により、固定子要素回転子要素の標準化されたモジュールを製作することができる。組立てられるモジュールの数を変更することによって、さまざまなサイズおよび電力定格の機械を実現することができる。交換可能なモジュールの製作により、コストを削減することができる。
【００１７】
本発明は、図面によって例示される。図１においてわかるように、本発明の電気機械１０は、電動機１０とも呼ばれ、ハウジング２０、ハウジングに取り付けられる固定子３０、回転子４０を含み、回転子４０はその中に軸４０Ａを有し、軸４０Ａを中心とした回転のために軸受２２によってハウジング２０に支持される。固定子３０は、環状ディスクの形であって、互いに離隔される複数の固定子要素３２を有し、各固定子要素は、複数の磁気的に分離された磁気歯３６を含む。
【００１８】
回転子４０は、シャフト４４に取り付けられた複数の回転子要素４２であって、互いに離隔され、相互嵌合方式で固定子要素３２に関して隙間に配置された回転子要素４２を有する。
【００１９】
図３において最もよくわかるように、固定子要素３２のそれぞれは、複数の電気巻線３４を有し、各巻線３４は固定子要素３２の磁気歯３６の群３６Ｇに関連し、巻線３４中を流れる電流Ｃを用いて電圧が印加されると、磁束Ｍ₁が第１の方向Ｄ₁において生成されるように巻線３４が配置される。巻線３４をよりよく見ることができるようにするために、楔形の固定子要素構成要素の一部を省略してあることに留意すべきである。
【００２０】
磁束通路は、連続する固定子要素３２における歯３４の対応する群３６Ｇおよび回転子要素４２を通じて第２の方向Ｄ₂において完結し、それによって、回転子要素４２に電流Ｃ_Iを生じ、その結果、回転子要素４２に印加される回転力Ｆが回転子４０を回転させる。
【００２１】
図６においてわかるように、電気機械１０は、各固定子要素３０に印加される電気エネルギーを個別に制御するために配置されたモジュール型制御装置６０をさらに具備している。制御装置６０は、マイクロプロセッサコントローラ６２、負荷検知手段７０、複数の固定子制御モジュール８０を具備している。
【００２２】
各制御モジュール８０は、固定子要素３２の巻線３４に接続される電気切換装置８２を具備している。適切な電気切換装置としては、トライアック制御アセンブリ、隔離ゲートバイアストランジスタ（ＩＧＢＴ）および類似の装置が挙げられる。マイクロプロセッサコントローラ６２は、制御モジュール８０への制御信号を生成するために負荷検知手段７０に応答する。負荷検知手段７０は、電動機速度センサ７２またはトルクセンサ７４を具備してもよい。各制御モジュール８０は、パルス幅制御方式で接続される固定子要素３２への電流Ｃの流れを制御するための制御信号に応答し、負荷に比例する電力出力を用いて一定の速度で回転子４０を回転させる。
【００２３】
各制御モジュール８０は、関連する固定子要素３２の巻線３４における電流Ｃを検知するための電流検知手段９０およびマイクロプロセッサコントローラ６２への対応する信号９２Ｓを生成するための手段９２をさらに具備し、コントローラが検知された電流Ｃを補償するために信号９２Ｓに応答する。
【００２４】
マイクロプロセッサコントローラ６２は、巻線障害を検出するために、各電流信号９２Ｓを所定の障害閾値６４Ｆと比較する。巻線障害が検出されると、検出された障害に応じて、固定子要素３２の電源を切り、電動機１０を作動し続けることができるようにするために、マイクロプロセッサコントローラ６２は、制御信号６６Ｓをその制御モジュール８０に送信する。
【００２５】
制御モジュール８０および電動機１０に供給される交流電力は、単相源Ｖ₁または多相源Ｖ_Mからであってもよい。多相源Ｖ_Mは任意の数の相を含んでもよいが、通常は三相源Ｖ₃を用いることが推奨される。多相源Ｖ_Mが用いられる場合には、各固定子要素巻線３４における各個別の相Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３中の電流を検知するために電流検知手段７０が配置される。信号生成手段９２−１、９２−２、９２−３は、マイクロプロセッサコントローラ６２に対応する検知信号９２Ｓ１、９２Ｓ２、９２Ｓ３を生成する。コントローラ６２は、固定子巻線３４の各相における電流Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を等化するために制御モジュール８０への制御信号６６Ｓ１、６６Ｓ２、６６Ｓ３を生成するために、検知信号９２Ｓに応答する。
【００２６】
マイクロプロセッサコントローラ６２は、固定子要素３２における巻線障害を検出するために、各固定子要素における各相からの各電流検知信号９２Ｓ１，９２Ｓ２，９２Ｓ３を所定の障害閾値６４Ｆ１，６４Ｆ２，６４Ｆ３と比較し、検出された障害に応じて、固定子要素３２の電源を切り、電動機１０を作動し続けることができるようにするために、制御モジュール８０をその固定子要素３２に接続させる。
【００２７】
図５においてわかるように、各回転子要素４２は、複数の放射状の溝４２Ｇをさらに含み、放射状の溝は空気を隣接する回転子要素４２と固定子要素３２との間で放射方向に移動させ、回転子要素および固定子要素の内部に発生した熱の消散を促進する。本発明のこのような適合は、機械を冷却する手段を設ける際に有用であると思われる。「気流を促進するように構成されたハウジング」なる語の意味は、ファンおよび冷却を実現する他の装置または構成を含む。たとえば、従来の電動機または発電機に用いられるファンアセンブリもまた本発明に用いることができる。
【００２８】
乾燥状態における一般目的の用途の場合には、電動機１０のハウジング２０は、発生した熱を消散させるために、ハウジング２０を通じて気流を促進するように配置された開口部２４を備えるように構築されることができる。湿潤状態における用途の場合または防爆構成が必要である場合には、ハウジング２０は、密封された水密または気密方式で構築されてもよい。そのような悪条件の用途の場合には、従来の熱放射要素２６は、ハウジング２０に一体形成されてもよく、またはハウジングに接着されてもよい。
【００２９】
図３において最もよくわかるように、各固定子要素３２に複数の電気巻線３４が存在する。巻線のそれぞれは、磁気歯３６の異なる群３６Ｇを包囲する。また、連続する固定子および隙間の回転子における歯の対応する群によって、連続的に軸方向およびリターン手段における方位角方向に磁束通路を確立するために磁気材料を含むリターン手段も存在する。
【００３０】
図３において最もよくわかるように、固定子要素３２および回転子要素４２のそれぞれに複数の磁気的に分離した磁気歯３６，４６が存在する。各回転子要素４２における歯４６の数は、各固定子要素における歯３６の数と異なっていてもよい。磁気抵抗の低い方位角方向の磁束通路および回転子のそれぞれにある歯を包囲する複数の導線通路を確立するために、磁気材料を含むリターン手段が存在する。
【００３１】
また、各固定子要素３２に複数の電気巻線３４が存在する。各巻線３４は、連続する固定子要素および回転子要素における歯３６Ｇ、４６Ｇの対応する群に対し、連続して通路に軸方向に磁束を形成し、リターン手段によって方位角方向に戻るために、磁気歯の異なる群３６Ｇを包囲する。
【００３２】
図３は、それぞれが環状ディスクの形である固定子要素３２の好ましい実施形態を示している。図４Ａ、４Ｂ、４Ｃは、シャフト４４に取り付けられたそれぞれがディスクの形である回転子要素４２の好ましい実施形態を示している。固定子要素３２の磁気歯３６は環状ディスクに組み込まれ、その環状ディスクは積層構成になっている。同様の方法で、回転子要素４２の磁気歯４６がディスクに組み込まれ、そのディスクは積層構造になっている。固定子要素３２における磁気歯３６の数は、回転子要素４２における磁気歯４６の数より多くてもよい。
【００３３】
図１においてわかるように、回転子４２に関して隙間に配置された複数の軸方向に離隔された固定子３２が存在する。各固定子３２は、複数の磁気的に分離された磁気歯を具備している。磁気抵抗の低い方位角方向の磁束通路および各固定子３２における複数の電気巻線３４を確立するために、磁気材料を含むリターン手段が存在する。各巻線３４は、磁気歯の異なる群を包囲する。固定子３２は、磁気導電性材料から構成されてもよい。回転子４２は、磁気歯（図４）を確立するために、絶縁材料のほか、導電性の磁気的に浸透可能な材料から構成されてもよい。固定子３２または回転子４２のいずれかの磁気歯は、図２Ａまたは図４Ｃに示されているように構築されてもよい。図５は、回転子要素の冷却を促進するために、複数の溝（groves）４２Ｇを有する回転子要素４２を示している。
【００３４】
交流機械としての本発明は、従来の電動機に関して知られているように、発電機として用いることができる。すなわち、回転子シャフト４０は、外部電源によって回転されてもよく、生成される電流は任意の所望の用途に向けられてもよい。
【００３５】
本発明の交流電気機械または発電機としてのその用途のほか、変圧器としての本発明の実施形態において、電動機、発電機、変圧器などの従来の設計において既知であり、用いられている構成材料を用いてもよい。
【００３６】
本発明において、さまざまな制御手段および制御のための電気構成要素は、従来の電気制御回路において既知であり、用いられている電気構成要素から組立てられてもよい。たとえば、本発明の負荷検知手段７０、制御信号または検知信号を生成するための生成手段、電流検知手段は、制御変圧器（ＣＴ）であることが好ましい。
【００３７】
本発明において、（本発明による電動機および発電機における）回転子要素および固定子要素と、（本発明による変圧器における）一次巻線ユニットおよび二次巻線ユニットの特定の幾何学的関係は、独特である。この独特のセグメント型幾何構成は、作動効率における利点のほか、本発明の電動機、発電機、変圧器の製作しやすさにおける独特の利点も提供する。
【００３８】
本発明による変圧器は、一次巻線要素および二次巻線要素を具備している。一次巻線および二次巻線は、図１〜４に既に示したように、個別の構成要素（本発明の電動機／発電機の実施形態における固定子の構成と類似している）から構成される。本発明の利点は、変圧器装置における一次巻線および二次巻線の個別の要素の構成から実現される。一例として、本発明による逓昇変圧器を考える。図７は、この例を示している。
【００３９】
図７において、変圧器の一次巻線は、個別の固定子要素１から構成される。変圧器の二次巻線は、個別の要素２から構成される。これらの要素は、軟鉄芯に取り付けられる。従来の変圧器と同様に、一次巻線の中を流れる電流が、二次巻線に電流を誘導する。電圧の上昇は、二次巻線の巻数に対する一次巻線の巻数の比によって決定される。
【００４０】
本発明の変圧器において、一次巻線の各要素における巻線の数は、一次巻線の任意の他の要素における数と同一である。二次巻線の各要素における巻線の数は、二次巻線の任意の他の要素における数と同一である。
【００４１】
本発明における一次巻線および二次巻線の要素の構成が、図７に示されている。すなわち、一次巻線要素のそれぞれが、２つの二次巻線要素の間に挟み、鉄芯および各固定子要素を通る磁気回路の磁束浸透を最適化し、それによって、一次巻線および二次巻線からの電力伝達効率を向上させる。
【００４２】
また、変圧器の一次巻線および二次巻線を個別の要素に分離することによって、一次巻線要素および二次巻線要素のそれぞれに関して、モジュール型制御装置を用いることができるため、需要電力に応じて電流出力を調整することができる。このような本変圧器の最も好ましい構成（図８参照）において、一次巻線および二次巻線の個別の固定子要素は、需要電力が低い期間に切り（電気的に遮断する）ことができ、需要電力が高い期間に入れる（電気的に接続する）ことができる。したがって、従来の変圧器の作動に関連するエネルギーの無駄を最小限に抑えるために、本発明の変圧器は、ピーク需要電力の場合の大きさであってもよいが、実際の需要電力またはそれにきわめて近い電力で作動することができる。「ピーク需要電力の場合の大きさ」なる語は、設けられる一次巻線要素および二次巻線要素の総数を意味する。「実際の需要電力またはそれにきわめて近い電力で作動する」なる語は、源および負荷装置にそれぞれ電気的に接続される一次巻線要素および二次巻線要素の数を意味する。
【００４３】
本発明による変圧器のための制御モジュールは、上述した交流電気機械としての本発明の実施形態のためにも受けられる制御モジュールと類似していることが好ましい。
【００４４】
本発明による変圧器のための構成材料としては、従来の変圧器において既知であり、用いられている材料が挙げられる。
【００４５】
本発明は、セグメント化された固定子要素および回転子要素から構成される電動機および発電機、セグメント化された一次巻線ユニットおよび二次巻線ユニットから構成される変圧器を提供する。セグメント化されたユニットの利用によって、製作を飛躍的に容易にし、本発明の電動機、発電機、変圧器のための電気構成要素の交換可能性を高めることにつながる。
【００４６】
本発明は、ハウジングと、ハウジングに取り付けられた固定子と、回転子と、を有し、回転子がその中を貫通する軸を有し、ハウジングにおいて軸を中心とした回転のために軸受によって支持されている交流電気機械の製作方法および設計を提供し、この方法は、
（ａ）複数の個別の固定子要素から、電気機械のための所望の馬力またはキロワット定格を生成するために必要な固定子要素の数を選択するステップであって、固定子要素が複数の磁気的に分離された磁気歯を含む環状ディスクの形であり、各固定子要素が固定子要素のそれぞれに複数の電気巻線を有し、各巻線が固定子要素の磁気歯の群に関連し、巻線を流れる電流によって電圧が印加されると、磁束が第１の方向に形成されるように巻線が配置されるステップと、
（ｂ）電気機械のための所望の馬力またはキロワット定格を生成するために必要な複数の個別の回転子要素から選択するステップと、
（ｃ）要素が互いに離隔されるようにハウジングに選択された固定子要素を取り付けるステップと、
（ｄ）回転子要素が互いに離隔され、相互嵌合方式で固定子要素に関して隙間に配置されるように、シャフトに選択された回転子要素を取り付けるステップと、を含む。
【００４７】
この方法によって製作される交流電気機械は、電動機または発電機として用いられてもよい。
【００４８】
本発明はまた、一次巻線と、二次巻線と、軟鉄芯と、を有する変圧器のための製作方法および設計を提供し、この方法は、
（ａ）二次巻線を形成するために複数の個別の要素から、所望の変圧器電力出力を生成するために必要である要素の数を選択するステップであって、各要素が複数の磁気的に分離された磁気歯を具備する環状ディスクの形であり、二次巻線の各要素が巻き付けられた複数の電気巻線を有し、二次巻線の各要素が同数の巻線を有するステップと、
（ｂ）一次巻線を形成するために複数の個別の要素から、所望の変圧器電力出力を生成するために必要である要素の数であり、二次巻線のために選択された要素の数より１つ少ない要素を選択するステップであって、各要素が複数の磁気的に分離された磁気歯を具備する環状ディスクの形であり、一次巻線の各要素が巻き付けられた複数の電気巻線を有し、各巻線が要素の磁気歯の群に関連し、一次巻線の各要素が同数の巻線を有するステップと、
（ｃ）鉄芯を中心にして二次巻線の要素および一次巻線の要素を積層して、鉄芯が要素の環状空間を通過するようにし、二次巻線の要素が互いに離隔され、相互嵌合方式で一次巻線の要素に関して隙間に配置されるようにするステップと、を含む。
【００４９】
本発明の変圧器は、単相または多相のいずれであってもよい。
【００５０】
本発明によれば、交流電動機または発電機における固定子および回転子あるいは変圧器における一次巻線および二次巻線は、特殊な幾何構成に配置された個別の要素の集合から構成されてもよい。たとえば、本発明の変圧器は、２つの二次巻線要素の間に各一次巻線要素が積層される（図７および図８）配置された一次巻線要素および二次巻線要素の積層から構成される。二次巻線の個別の要素は負荷回路に接続され、一次巻線の個別の要素は電源回路に接続される。モジュール型コントローラが二次巻線の各要素および一次巻線の各要素への回路接続に含まれるとき、変圧器の作動および出力効率における最大の適応性を実現することができる。
【００５１】
電動機または発電機に関する本発明の利用において、個別の回転子要素および個別の固定子要素は、図１に示されているように、特殊な幾何構成に積層され、各固定子要素が２つの回転子要素の間に挟まれる。本発明による固定子要素は、電動機／発電機または変圧器を製作するために用いられてもよい。
【００５２】
本発明による固定子要素および回転子要素の組合せは、たとえば、２、５、１０または２０馬力などの選択されたサイズに形成されてもよい。たとえば、４０馬力の電動機を構築するために、２つの２０馬力の固定子および回転子の組合せ、４つの１０馬力の組合せ、８つの５馬力の組合せまたは２０の２馬力の組合せを選択して積層することが可能である。
【００５３】
簡素な要素またはセグメントの組合せをこのように組み合わせることができることにより、製作工程を簡素化する。電動機、発電機、変圧器は、特別注文による製作ではなく、流れ作業で製作することができる。電動機または発電機において固定子して作用する同要素を、変圧器における一次巻線または二次巻線の要素として用いることができる。
【００５４】
修理も簡素化される。たとえば、不良要素を良好要素に交換するだけで、電動機／発電機または変圧器を修理することができる。さまざまな状況において、現場修理も可能であると考えられる。特定の電気機械または変圧器における所望の電力出力を生成するために、簡素な在庫部品を製作し、組み合わせて選択することができることによって、部品在庫も簡素化される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシャフト、回転子ディスク、固定子、およびハウジングを表す組立概略図を示す。
【図２Ａ】本発明のセグメント型固定子構成を示す。
【図２Ｂ】本発明のセグメント型固定子構成を示す。
【図３】本発明の固定子要素の３相巻線に関する例示の配置構成を示す。
【図４Ａ】本発明の回転子要素構成に関する例示の配置構成を示す。
【図４Ｂ】本発明の回転子要素構成に関する例示の配置構成を示す。
【図４Ｃ】本発明の回転子要素構成に関する例示の配置構成を示す。
【図５】回転子要素の放射状の溝を示す。
【図６】本発明の電動機に関する制御配置構成を示す。
【図７】一次巻線２の要素が二次巻線１の要素の間に挟まれている本発明の変圧器の構成を示す。
【図８】本発明の変圧器と、一次巻線要素および二次巻線要素に関するモジュール型制御装置と、を示す。

Claims

ハウジングと、前記ハウジングに取り付けられた固定子と、回転子と、を有し、前記回転子がその中を貫通する軸を有し、前記ハウジングにおいて前記軸を中心とした回転のために軸受によって支持されている交流電気機械であり、
環状ディスクの形であり、互いに離隔された複数の固定子要素を有し、各固定子要素が複数の磁気的に分離された磁気歯を具備する前記固定子と、
シャフトに取り付けられ、互いに離隔され、相互嵌合方式で前記固定子要素に関して隙間に配置された複数の回転子要素を有する前記回転子と、
前記固定子要素のそれぞれにある複数の電気巻線であって、各巻線が前記固定子要素の磁気歯の群に関連し、前記巻線に流れる電流によって電圧が印加されると、磁束が第１の方向に形成されるように配置された電気巻線と、
連続する固定子要素にある歯の対応する群および前記回転子要素によって、第２の方向に磁束通路を完成させるための手段とを含むことを特徴とする交流電気機械。
各固定子要素に印加される電気エネルギーを個別に制御するために配置されたモジュール型制御装置をさらに含み、前記制御装置が、
マイクロプロセッサコントローラ、負荷検知手段および複数の固定子制御モジュールを含み、
各制御モジュールが固定子要素に接続される電気切換装置を含み、
前記マイクロプロセッサコントローラが、前記制御モジュールへの制御信号を生成するために前記負荷検知手段に応答し、
各制御モジュールがパルス幅制御方式で接続される固定子要素への電流の流れを制御するために前記制御信号に応答し、
負荷に比例する電力出力を用いて一定の速度で前記回転子を回転させることを特徴とする、請求項１に記載の電気機械。
各制御モジュールは、前記関連する固定子要素の巻線における電流を検知するための電流検知手段と、前記マイクロプロセッサコントローラへの対応する信号を発生するための手段とをさらに含み、前記コントローラが前記検知された電流を補償するために前記信号に応答することを特徴とする、請求項１に記載の電気機械。
巻線障害を検出し、前記検出された障害に応じてその制御モジュールが前記固定子要素の電源を切るために、前記マイクロプロセッサコントローラが各電流信号を所定の障害閾値と比較し、前記電動機を作動させ続けることができることを特徴とする、請求項３に記載の電気機械。
交流が多相源から供給され、前記電流検知手段が、各固定子要素巻線において、それぞれの個別の相における電流を検知するために配置され、前記マイクロプロセッサコントローラへの対応する検知信号を発生するための手段があり、前記コントローラが前記検知信号に応答し、前記固定子巻線の各相における電流を等化するために、前記制御モジュールへの制御信号を生成することを特徴とする、請求項３に記載の電気機械。
前記マイクロプロセッサコントローラは、固定子要素における巻線障害を検知し、前記検知された障害に応じて、前記固定子要素に接続された前記制御モジュールが前記固定子要素の電源を切るために、各固定子要素の巻線における各相からの各電流検知信号を所定の障害閾値と比較し、前記電動機を作動させ続けることができることを特徴とする、請求項５に記載の電気機械。
前記負荷検知手段が電動機速度センサを具備することを特徴とする、請求項１に記載の電気機械。
前記負荷検知手段がトルクセンサを具備することを特徴とする、請求項１に記載の電気機械。
各回転子要素は、複数の放射状の溝をさらに具備し、前記放射状の溝は、空気を隣接する回転子と固定子要素との間で放射方向に移動させ、前記回転子要素および前記固定子要素の内部に発生する熱の消散を促進することを特徴とする、請求項１に記載の電気機械。
前記ハウジングが、前記ハウジング内の気流の通過を促進させるように構築されることを特徴とする、請求項９に記載の電気機械。
前記ハウジングが、密封した気密構成であることを特徴とする、請求項９に記載の電気機械。
一次巻線、二次巻線、軟鉄芯を含む変圧器であり、
前記一次巻線が複数の要素を有し、各要素が互いに離隔され、各要素が環状ディスクの形であり、各環状ディスクがその上に複数の電気巻線を巻き付けた複数の磁気的に分離された磁気歯を含み、前記一次巻線の各要素の前記巻線が前記一次巻線の任意の他の要素と同一であり、
前記二次巻線が複数の要素を有し、各要素が互いに離隔され、各要素が環状ディスクの形であり、各環状ディスクがその上に複数の電気巻線を巻き付けた複数の磁気的に分離された磁気歯を含み、前記二次巻線の各要素の前記巻線が前記二次巻線の任意の他の要素と同一であり、
前記一次巻線の前記要素および前記二次巻線の前記要素が、前記軟鉄芯に取り付けられ、前記二次巻線の前記要素が互いに離隔され、相互嵌合方式で前記一次巻線の前記要素に関して隙間に配置されるようになっていることを特徴とする、変圧器。
前記一次巻線の各要素に印加される電気エネルギーおよび前記二次巻線の各要素に印加される電気負荷を個別に制御するために配置されたモジュール型制御装置をさらに含み、前記制御装置が、
マイクロプロセッサコントローラ、負荷検知手段、および複数の制御モジュールを含み、
一次巻線に関連する各制御モジュールは、前記一次巻線要素にエネルギー源を接続するための電気切換装置を含み、
二次巻線に関連する各制御モジュールは、前記二次巻線要素に負荷を接続するための電気切換装置を含み、
前記マイクロプロセッサコントローラは、前記制御モジュールへの制御信号を生成するために、前記負荷検知手段に応答し、
各一次巻線制御モジュールは、前記エネルギー源から前記関連する一次巻線要素への電流の流れを制御するために、前記制御信号に応答し、各二次巻線制御モジュールは、前記関連する二次巻線要素から前記負荷への電流の流れを制御するために、前記制御信号に応答することを特徴とする、請求項１２に記載の変圧器。
各制御モジュールが、前記関連する要素の前記巻線における電流を検知するための電流検知手段と、前記マイクロプロセッサコントローラへの対応する信号を発生するための手段と、をさらに含み、前記コントローラが、前記検知された電流を補償するために前記信号に応答することを特徴とする、請求項１３に記載の変圧器。
前記電気機械が電動機として用いられることを特徴とする、請求項１、２、３または５に記載の電気機械。
前記電気機械が発電機として用いられることを特徴とする、請求項１、２、３または５に記載の電気機械。
ハウジングと、前記ハウジングに取り付けられた固定子と、回転子と、を有し、前記回転子がその中を貫通する軸を有し、前記ハウジングにおいて前記軸を中心とした回転のために軸受によって支持されている交流電気機械の製作方法であって、
（ａ）複数の個別の固定子要素から、前記電気機械のための所望の馬力またはキロワット定格を生成するために必要な固定子要素の数を選択するステップであって、固定子要素が複数の磁気的に分離された磁気歯を含む環状ディスクの形であり、各固定子要素が前記固定子要素のそれぞれに複数の電気巻線を有し、各巻線が前記固定子要素の磁気歯の群に関連し、前記巻線を流れる電流によって電圧が印加されると、磁束が第１の方向に形成されるように前記巻線が配置されるステップと、
（ｂ）前記電気機械のための所望の馬力またはキロワット定格を生成するために必要な複数の個別の回転子要素から選択するステップと、
（ｃ）前記要素が互いに離隔されるように前記ハウジングに前記選択された固定子要素を取り付けるステップと、
（ｄ）前記回転子要素が互いに離隔され、相互嵌合方式で前記固定子要素に関して隙間に配置されるように、前記シャフトに前記選択された回転子要素を取り付けるステップとを含むことを特徴とする、交流電気機械の製作方法。
製作される前記電気機械が電動機であることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
製作される前記電気機械が発電機であることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
一次巻線と、二次巻線と、軟鉄芯と、を有する変圧器のための製作方法であって、
（ａ）前記二次巻線を形成するために複数の個別の要素から、所望の変圧器電力出力を生成するために必要である要素の数を選択するステップであって、各要素が複数の磁気的に分離された磁気歯を具備する環状ディスクの形であり、前記二次巻線の各要素がその上に複数の電気巻線を巻き付け、前記二次巻線の各要素が同数の巻線を有するステップと、
（ｂ）前記一次巻線を形成するために複数の個別の要素から、所望の変圧器電力出力を生成するために必要である要素の数であり、前記二次巻線のために選択された要素の数より１つ少ない要素を選択するステップであって、各要素が複数の磁気的に分離された磁気歯を具備する環状ディスクの形であり、前記一次巻線の各要素がその上に複数の電気巻線を巻き付け、各巻線が前記要素の磁気歯の群に関連し、前記一次巻線の各要素が同数の巻線を有するステップと、
（ｃ）前記鉄芯を中心にして前記二次巻線の前記要素および前記一次巻線の前記要素を積層して、前記鉄芯が要素の環状空間を通過するようにし、前記二次巻線の前記要素が互いに離隔され、相互嵌合方式で前記一次巻線の前記要素に関して隙間に配置されるようにするステップとを含むことを特徴とする、変圧器の製作方法。
前記変圧器が単相または多相であることを特徴とする、請求項２０に記載の方法。