JP7102092B2

JP7102092B2 - 二相磁性材料を備えた発電機ステータ積層

Info

Publication number: JP7102092B2
Application number: JP2016187673A
Authority: JP
Inventors: スティーブン・ジョセフ・ガリオト; アイマン・ムハンマド・ファウジ・エル－レファイエ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2015-10-05
Filing date: 2016-09-27
Publication date: 2022-07-19
Anticipated expiration: 2036-09-27
Also published as: KR20170040756A; BR102016023076A2; BR102016023076B1; EP3154154A1; BR102016023076B8; JP2017073964A; CN106849403A; EP3154154B1; KR102579577B1; CN106849403B

Description

本発明は、一般に発電機部品に関し、より詳細には、二相磁性材料（ｄｕａｌｐｈａｓｅｍａｇｎｅｔｉｃｍａｔｅｒｉａｌ）を有する発電機ステータ積層に関する。

特定の発電機用途では、機械のロータは、高い先端速度で回転する。いくつかの用途では、ロータとステータの間のギャップは、空気以外のガス又は流体で満たされる。その結果、ロータとステータの間の空気ギャップ内の流体及び／又はガスの風損又は攪拌から、大量の機械的損失が発生することがある。

このロータステータギャップの攪拌は、ステータの内側コア表面及び／又はロータの外側表面について円滑な表面を提供することにより緩和することができる。製造上の課題は、依然としてスロットクロージャ内にウェッジを取り付けることにある。ウェッジは、円滑でない内側ステータ表面をもたらす。

スロットウェッジの使用は、材料にもよるが、スロット漏れリアクタンスを悪化させることがある。積層は、連続した材料片から形成することができ、スロットの上端の区域が磁性積層材料で「閉じ」られる。この設計によって、より円滑なステータボアが与えられるが、「開いた」スロットの設計と比較して、漏れリアクタンスの増加をもたらす。漏れリアクタンスは、発電機の高速の電源能力を制限する場合がある。漏れリアクタンスは、発電機の力率の低下をもたらす場合もある。

いくつかの発電機では、ステータの歯は、連続した一体構造片としてよりも、別々の部品で形成される。ステータ巻線は、集中した様式で別々の歯の周りに巻き付けられ、次いでステータ内に取り付けられて、スロット上端にスロット開口が残っていないステータコアが形成される。この方法は、集中した巻線と共に使用することに限定されるので、製造の複雑さに見舞われることになる。

そのため、発電機部品の設計、性能、及び製造可能性について継続的に改善する必要がある。

本発明は、二相磁性材料を有する発電機ステータ積層及び製造の方法を提供することにより、上述した欠点の少なくともいくつかを克服する。より具体的には、本発明は、発電機のステータに使用するためのステータ積層を提供することに向けられており、高速化、高効率、及び力率改善を達成できる、より軽量な発電機を提供し、容積、質量、並びに製造コスト及び製造の複雑さを軽減する。

米国特許出願公開第２０１３／０００２０６４号公報

本発明の一態様によれば、発電機用のステータ積層は、円形の積層を貫く環状のボアを有する円形の積層と、円形の積層を貫く複数の巻線スロットと、複数の巻線スロットに隣接して配設された複数のスロットクロージャと、を備え、ステータ積層は、二磁性相材料（ｄｕａｌｍａｇｎｅｔｉｃｐｈａｓｅｍａｔｅｒｉａｌ）で形成され、二磁性相材料が、第１の状態の磁性特性と、第２の状態の磁性特性と、を有し、第２の状態の磁性特性が、第１の状態の磁性特性と異なり、さらに、複数のスロットクロージャは、第２の状態に転移するように処理される。

本発明の別の態様によれば、発電機部品を製造する方法は、ステータ積層を貫く環状のボアを有するステータ積層を提供することであって、ステータ積層が、二磁性相材料で形成され、ステータ積層が、環状のボアの周りに配設された複数の閉じた巻線スロットを含み、さらに、二磁性相材料が、第１の状態の磁性特性と、第２の状態の磁性特性と、を有し、第１の状態の磁性特性が、第２の状態の磁性特性と異なる、提供することと、ステータ積層上の複数の所定の場所を第１の状態から第２の状態に変換することであって、複数の所定の場所が、閉じた巻線スロットの上端と環状のボアのボアエッジ表面との間の領域にある、変換することと、を含む。

本発明の様々な他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明と図面から明らかになろう。

図面は、本発明を実施するために現在企図される１つの実施形態を図示する。

例示的な二相磁性材料について、磁界強度（ｘ軸）を磁束密度（ｙ軸）と比較するｘ－ｙグラフである。本発明の一実施形態に係るステータ積層の平面図である。図２のステータ積層の一部の拡大平面図である。図３のステータ積層の一部の拡大平面図である。

別途定義がない限り、本明細書で使用する技術用語と科学用語は、現在開示する主題に関して当業者により一般に理解されるものと同じ意味を有する。用語「第１」、「第２」などは、本明細書で使用されているように、なんら順序、数量、又は重要度を指しておらず、むしろ一方の要素を他方から区別するために使用している。用語「１つ（ａ）」、「１つ（ａｎ）」、及び「その（ｔｈｅ）」は、数量の限定を意味しておらず、むしろ参照した項目のうちの少なくとも１つの存在を意味しており、また、用語「前方（ｆｒｏｎｔ）」、「後方（ｂａｃｋ）」、「底部（ｂｏｔｔｏｍ）」、及び／又は「上部（ｔｏｐ）」は、別途記述がない限り、説明の便宜のためだけに使用され、なんら１つの位置や空間的配向に限定されない。

範囲が開示されている場合、同じ部品や特性に向けられたすべての範囲の端点は、含められると共に独立して結び付けることができる（例えば、「約２５重量％まで」という範囲は、「約５重量％～約２５重量％」という範囲の端点と中間の値のすべてを含む）。数量に関連して使用される修飾の「約（ａｂｏｕｔ）」は、記述された値を含むと共に文脈上規定される意味を有する（例えば、特定の数量の測定に関係した誤差の程度を含む）。したがって、用語「約」の修飾する値は、必ずしも特定した正確な値にだけ限定されるわけではない。

本発明の態様は、軽減された漏れリアクタンスの性能上の利益を示すことにより、以前の発電機ステータ部品の設計に対して利点を提供するために示されてきた。態様は、漏れインダクタンスと、スロット開口即ち発電機ステータの鉄製歯間のスペースによって作り出される磁気原動力スロットハーモニクス（Ｍａｇｎｅｔｏ－ＭｏｔｉｖｅＦｏｒｃｅ（ＭＭＦ）ｓｌｏｔｈａｒｍｏｎｉｃｓ）と、を制御する方法を提供する。最終的に、発電機の電源能力と力率における改善が実証された。

図１を参照すると、ｘ軸上の磁界強度（Ｈアンペア／メートル）をｙ軸上の磁束密度（Ｂテスラ）と比較するｘ－ｙグラフが１００で示されている。図示したように、いくつかの例示的な材料の磁性特性が示されている。グラフの左手側が示すように、初透磁率は、曲線の傾きであり、材料の属性に応じて変わる場合がある。１つの材料の曲線は、飽和磁束密度（例えば、ほぼ水平）に漸近的に接近する。図示するように、飽和磁束密度は、材料の特性にもよるが、様々なレベルで起こることがある。また、急勾配の縦の傾き（即ち、高めの透磁率）と高位の水平な部分（即ち、高めの飽和磁束密度）を有する材料は、一般に磁性が強い。

本発明の態様は、二磁性相特性（ｄｕａｌｍａｇｎｅｔｉｃｐｈａｓｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ）を有する材料を使用する。二磁性相、即ち、二相の材料は、高温での窒化処理を介して相変化を受ける材料と、局所的な加熱処理（例えば、レーザを介して）を介して相変化を受ける材料と、を含む。これらの材料は、第１の状態から第２の状態への磁性特性の変化を受けることができ、その２つの状態は、異なった磁性特性を有する。即ち、透磁率、飽和磁束密度、及び／又は磁気レベルは、第１の状態から第２の状態に変化する。これらの二磁性相材料は、同じ部品内に２つ（又はそれ以上）の状態を共存させる能力を有する。さらに、パターン、あるいは、磁性と非磁性（又は、様々な磁性レベルの領域）は、機械設計者が特定することができ、製造中に部品に「書込み」することができる。二磁性相材料は、実質的に磁性から実質的に非磁性に転移することがあるが、磁性状態間の転移の挙動において単なる「二値」ではない。即ち、転移の仕方にもよるが、材料は、非常に、僅かに、あるいは他の量でその磁性特性を有する場合がある。

例えば、図１に戻って参照すると、二磁性相特性は、グラフ上で実質的に任意の湾曲（例えば、初透磁率の傾き、飽和磁束密度など）に移るように転移する場合がある。同様に、二磁性相材料によって作られた部品の形状及び構成、並びに、材料が受ける転移、にもよるが、部品上の異なった場所は、異なった磁性特性を有することがある。一例として、２つの例示的な材料の磁性特性が１１０と１２０で示されており、１１０の材料は、１２０の材料よりも磁性が強い。二磁性相材料の場合は、一例であって限定ではないが、１つ（又はそれ以上）の領域における磁性特性は、二磁性相材料を転移させることにより、例えば、１１０のそれから１２０のそれに切り換えることができる。

図２を参照すると、発電機用のステータ積層の平面図が示されている。１０で示すステータ積層は、二磁性相特性を有する材料で少なくとも一部が構築される。検討したように、二磁性相材料は、第１の状態の磁性特性を有すると共にその磁性特性を第１の状態とは異なる第２の状態に転移させる能力を含む。材料は、第３の状態、即ち、その磁性特性に関して第１の状態及び第２の状態とは非常に異なっている他の状態、に転移することがある。材料は、窒化処理、加熱処理などを含む任意の適切な方法を介して転移又は変換を行うことができる。

ステータ積層１０は、それを貫く環形のボア１４を有して、環形のボア１４に隣接するボアエッジ表面１６を画定するように構成される。積層面１２は、ボア１４の周りに配設された複数の巻線スロット２０を含む。ステータ積層１０は、二磁性相材料の単一片から作られた一体構造片である。

図２と図３の拡大図の双方を総合的に参照すると、巻線スロット２０は、閉じられ、スロットクロージャ３０は、巻線スロット２０とボアエッジ表面１６の間に配設されている。スロットクロージャ３０は、積層面１２の残部（ｂａｌａｎｃｅ）と同じ材料で作られる。スロットクロージャ３０と積層面１２が一体構造であるので、ボアエッジ表面１６の湾曲にエッジや変わり目が存在しない。ウェッジの必要性がない。したがって、積層面１２のボアエッジ表面１６は、実質的に円滑な表面を有する。巻線スロット間に配設されているのは、ステータの歯２４である。複数の巻線２２は、複数の巻線スロット２０の中に配設される。巻線２２は、分散型の巻線や歯集中型の巻線などを含む任意の適切な形式の巻線にすることができる。

巻線スロット２０及び／又はスロットクロージャ３０の上端の区域内の所定の場所３２は、第１の状態から第２の状態に材料を変換するように処理され、第２の状態は、第１の状態と異なっている。第２の状態では、所定の場所３２は、非磁性及び／又は弱い磁性、第１の状態よりも低い透磁率及び／又は飽和磁束密度であることがある。即ち、所定の場所３２の相対的な透磁率は、積層１２の残部（即ち、第１の状態）よりも低い。

実施形態では、複数の所定の場所３２は、セットに分けられることがある。即ち、所定の場所３２のすべてが同じ形式に変換（即ち、すべてが第１の状態から第２の状態に変換）される必要はない。例えば、所定の場所３２は、第１のセットと第２のセットという２つ（又はそれ以上）のセットに分けることができる。次に、第１のセットの所定の場所３２は、第２の状態に変換することができ、第２のセットの所定の場所３２は、第３の状態に変換することができ、ここでは第２の状態と第３の状態が、互いに対して且つ第１の状態とも異なる磁性特性を有する。これらの実施形態の一例として、ボアエッジ表面１６の周りの交互のスロットクロージャ３０は、第２の状態の特性を有するスロットクロージャ３０と並んでいる第３の状態の特性を有することができる。

図４の拡大図を参照すると、２つの巻線スロット２０が、巻線２２を中に備えて示されている。この特定の実施形態が示すように、スロットクロージャ３０の領域は、磁気の第２（又は第３）の状態に変化して、非磁性となるか、又は、磁気の第１の状態にある積層１２の他の部分よりも弱い磁性となる。１つのスロットクロージャ３０の第１の所定の領域３２Ａの幅は、巻線スロット２０の幅よりも広い。逆に、１つのスロットクロージャ３０の第２の所定の領域３２Ｂの幅は、巻線スロット２０の幅よりも狭い。同様に、第１の所定の領域３２Ａの磁性特性は、第２の所定の領域３２Ｂと同じ磁性特性を有することがある（即ち、双方が第２の状態）。あるいは、第１の所定の領域３２Ａの磁性特性が、第２の所定の領域３２Ｂの磁性特性と異なることがあり、したがって、それらの磁性特性がそれぞれ第２の状態と第３の状態となる。さらに別の実施形態では、第１の所定の領域３２Ａの磁性特性は、積層１２の残部の磁性特性（即ち、第１の状態）から変化させないままにすることができ、その一方で、第２の所定の領域３２Ｂの磁性特性だけが第２の状態に変化される。明らかに、状態、場所、分配、寸法などを含む様々な磁性特性の変化は、本発明に従って配置構成することができる。

複数のステータ積層１０は、ステータ（図示せず）を画定するように互いに積み重ねることができる。同様に、ロータ（図示せず）は、ステータのステータボア１４の中に回転可能に配設され、これにより発電機（図示せず）が画定される。

図２～４に示す実施形態は、特定のスロット２０と歯の構成を描いているが、他の構成が可能である。例えば、スロットは、平行又は非平行にすることができる。同様に、ステータの歯は、平行又は非平行にすることができる。

本明細書に図示及び記載した実施形態は、多様な発電機の形式のために使用することができる。例えば、利益の得られる発電機は、永久磁石（ＰＭ）、切換型リラクタンスマシン（ＳＲＭ）、同期リラクタンスマシン、誘導機（ＩＭ）、巻線界磁型同期機などを含む。

したがって、本発明の一実施形態に従い、発電機用のステータ積層は、それを貫く環状のボアを有する円形の積層と、それを貫く複数の巻線スロットと、複数の巻線スロットに隣接して配設された複数のスロットクロージャと、を含み、ステータ積層は、二磁性相材料で形成され、二磁性相材料が、第１の状態の磁性特性と、第２の状態の磁性特性と、を有し、第２の状態の磁性特性が、第１の状態のそれと異なり、さらに、複数のスロットクロージャは、第２の状態に転移するように処理される。

本発明の別の実施形態に従い、発電機部品を製造する方法は、それを貫く環状のボアを有するステータ積層を提供することであって、ステータ積層が、二磁性相材料で形成され、ステータ積層が、環状のボアの周りに配設された複数の閉じた巻線スロットを含み、さらに、二磁性相材料が、第１の状態の磁性特性と、第２の状態の磁性特性と、を有し、第１の状態の磁性特性が、第２の状態のそれと異なる、前記提供することと、ステータ積層上の複数の所定の場所を第１の状態から第２の状態に変換することであって、複数の所定の場所が、閉じた巻線ストットの上端と環状のボアのボアエッジ表面との間の領域の中にある、前記変換することと、を含む。

本発明は、好適実施形態の観点から説明してきたが、等価なもの、代わりのもの、及び修正したものは、明白に記述したそれらはさておき、予定されており、添付の特許請求の範囲の範囲内にあると認識される。

最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
発電機用のステータ積層（１０）であって、
円形の積層（１２）を貫く環状のボア（１４）を有する円形の積層（１２）と、
円形の積層（１２）を貫く複数の巻線スロット（２０）と、
前記複数の巻線スロット（２０）に隣接して配設された複数のスロットクロージャ（３０）と、
を備え、
前記ステータ積層（１０）は、二磁性相材料で形成され、前記二磁性相材料が、第１の状態の磁性特性と、第２の状態の磁性特性と、を有し、前記第２の状態の前記磁性特性が、前記第１の状態の前記磁性特性と異なり、
さらに、前記複数のスロットクロージャ（３０）は、前記第２の状態に転移するように処理される、
ステータ積層（１０）。
［実施態様２］
前記磁性特性は、透磁率を含み、前記透磁率は、前記第１の状態よりも前記第２の状態の方が小さい、実施態様１に記載のステータ積層（１０）。
［実施態様３］
前記磁性特性は、飽和磁束密度を含み、前記飽和磁束密度は、前記第１の状態よりも前記第２の状態の方が小さい、実施態様１に記載のステータ積層（１０）。
［実施態様４］
前記第２の状態は、非磁性である、実施態様１に記載のステータ積層（１０）。
［実施態様５］
前記環状のボア（１４）のボアエッジ表面（１６）は、実質的に円滑である、実施態様１に記載のステータ積層（１０）。
［実施態様６］
前記複数のスロットクロージャ（３０）は、第１のセット、第２のセット、及び第３のセットをさらに含む、実施態様１に記載のステータ積層（１０）。
［実施態様７］
前記第１のスロットクロージャ（３０）のセットは、前記第２の状態に転移するように処理され、前記第２のスロットクロージャ（３０）のセットは、前記第１の状態にある、実施態様６に記載のステータ積層（１０）。
［実施態様８］
前記第３のスロットクロージャ（３０）のセットは、第３の状態に転移するように処理され、前記第３の状態の前記磁性特性は、前記第２の状態の前記磁性特性と異なる、実施態様７に記載のステータ積層（１０）。
［実施態様９］
ステータを画定するために相互に積み重ねられた、実施態様１に記載の複数の前記ステータ積層（１０）と、
前記複数の巻線スロット（２０）の中に配設された複数の巻線（２２）と、
を備える、組立体。
［実施態様１０］
実施態様９に記載の前記組立体と、
前記ステータの内部に回転可能に配設されたロータと、
を備える、発電機。
［実施態様１１］
発電機部品を製造する方法であって、
ステータ積層（１０）を貫く環状のボア（１４）を有するステータ積層（１０）を提供することであって、前記ステータ積層（１０）が、二磁性相材料で形成され、前記ステータ積層（１０）が、前記環状のボア（１４）の周りに配設された複数の閉じた巻線スロット（２０）を含み、さらに、前記二磁性相材料が、第１の状態の磁性特性と、第２の状態の磁性特性と、を有し、前記第１の状態の前記磁性特性が、前記第２の状態の前記磁性特性と異なる、提供することと、
前記ステータ積層（１０）上の複数の所定の場所を前記第１の状態から前記第２の状態に変換することであって、前記複数の所定の場所が、前記閉じた巻線ストットの上端と前記環状のボアのボアエッジ表面との間の領域にある、変換することと、
を含む、方法。
［実施態様１２］
前記変換することは、窒化処理を含む、実施態様１１に記載の方法。
［実施態様１３］
前記変換することは、加熱処理を含む、実施態様１１に記載の方法。
［実施態様１４］
前記領域は、スロットクロージャ（３０）を含む、実施態様１１に記載の方法。
［実施態様１５］
前記磁性特性は、透磁率及び飽和磁束密度の一方を含む、実施態様１１に記載の方法。
［実施態様１６］
前記変換することは、前記ステータ積層（１０）上の複数の所定の場所を前記第１の状態から第３の状態に変換することをさらに含み、前記第３の状態の前記磁性特性は、前記第１の状態及び前記第２の状態と異なる、実施態様１１に記載の方法。

１０ステータ積層
１２積層面
１４ボア
１６ボアエッジ表面
２０巻線スロット
２２巻線
２４ステータの歯
３０スロットクロージャ
３２所定の場所
１００ｘ－ｙグラフ
１１０強い磁性曲線
１２０弱い磁性曲線

Claims

電気機械用のステータ積層（１０）であって、
円形の積層（１２）を貫く環状のボア（１４）を有する前記円形の積層（１２）と、
前記環状のボア（１４）の周りに配置された複数の巻線スロット（２０）と、
前記複数の巻線スロット（２０）の中に配設された複数の巻線（２２）に隣接して配設され、前記複数の巻線スロット（２０）をクローズする第１及び第２の複数のスロットクロージャ（３０）と、
を備え、
前記第１の複数のスロットクロージャ（３０）の前記円形の積層（１２）の外縁まで半径方向に延びる長さにおける中間位置における幅は、前記複数の巻線スロット（２０）のいかなる位置における幅よりも広く、
前記第１及び第２の複数のスロットクロージャ（３０）は、前記環状のボア（１４）の周りで交互に配置され、
前記ステータ積層（１０）は、第１、第２及び、第３の透磁率を有する多磁性相材料で形成され、
前記第３の透磁率が、前記第２の透磁率より小さく、
前記第２の透磁率が、前記第１の透磁率より小さく、
前記第１の複数のスロットクロージャ（３０）は、前記第２の透磁率を有し、
前記第２の複数のスロットクロージャ（３０）は、前記第３の透磁率を有し、
前記円形の積層（１２）は、前記第１の透磁率を有している、
ステータ積層（１０）。
電気機械用のステータ積層（１０）であって、
円形の積層（１２）を貫く環状のボア（１４）を有する前記円形の積層（１２）と、
前記環状のボア（１４）の周りに配置された複数の巻線スロット（２０）と、
前記複数の巻線スロット（２０）の中に配設された複数の巻線（２２）に隣接して配設され、前記複数の巻線スロット（２０）をクローズする第１及び第２の複数のスロットクロージャ（３０）と、
を備え、
前記第１の複数のスロットクロージャ（３０）の半径方向に前記円形の積層（１２）の外縁まで延びる長さにおける中間位置における幅は、前記複数の巻線スロット（２０）のいかなる位置における幅よりも広く、
前記第１及び第２の複数のスロットクロージャ（３０）は、前記環状のボア（１４）の周りで交互に配置され、
前記ステータ積層（１０）は、第１、第２及び、第３の飽和磁束密度を有する多磁性相材料で形成され、
前記第３の飽和磁束密度が、前記第２の飽和磁束密度より小さく、
前記第２の飽和磁束密度が、前記第１の飽和磁束密度より小さく、
前記第１の複数のスロットクロージャ（３０）は、前記第２の飽和磁束密度を有し、
前記第２の複数のスロットクロージャ（３０）は、前記第３の飽和磁束密度を有し、
前記円形の積層（１２）は、前記第１の飽和磁束密度を有している、
ステータ積層（１０）。
前記第２及び第３の透磁率は、窒化処理または加熱処理により変換される、請求項１に記載のステータ積層（１０）。
前記環状のボア（１４）は、実質的に円滑であるボアエッジ表面（１６）を備える、請求項１乃至３のいずれかに記載のステータ積層（１０）。
前記ステータ積層（１０）は、二磁性相材料の単一片から作られた一体構造片である、請求項１乃至４のいずれかに記載のステータ積層（１０）。
前記第２の複数のスロットクロージャ（３０）の幅は、前記第１の複数のスロットクロージャ（３０）の幅よりも狭い、請求項１乃至５のいずれかに記載のステータ積層（１０）。
ステータを画定するために相互に積み重ねられた、請求項１乃至６のいずれかに記載の複数の前記ステータ積層（１０）と、
前記複数の巻線スロット（２０）の中に配設された前記複数の巻線（２２）と、
を備える、組立体。
前記複数の巻線（２２）は、分散型の巻線または歯集中型の巻線である、請求項７に記載の組立体。
請求項７または８に記載の組立体と、
前記ステータの内部に回転可能に配設されたロータと、
を備える、発電機。