JP7199366B2 - 高速電気機械用ステータ - Google Patents

Description

本発明は、回転電気機械に関し、より詳細には、高速、すなわち２０，０００ｒｐｍ（２０，０００ＲＰＭ）を超える速度で回転する電気機械に関する。

より正確には、本発明は、当該電気機械の振動および騒音放射を、有利に最小限に抑えながらの動作を可能にするような、高速機械用のステータを提案する。

本発明が対象とする用途は、典型的には、エアポンプ、自動車におけるガス吸引、真空掃除機、ターボチャージャー、レスピレータ、発電機であるが、これらに限定されない。

先行技術により、回転電気機械の騒音放射を最小限に抑えるための様々な解決策が知られている。

例えば、特許文献ＪＰ２００６３４００８は、ステータをいくつかの独立したブロックに分割することによる解決策を提案しており、これによりモノブロックステータの使用によって引き起こされる共振周波数を回避することが可能となる。実際、この最新の解決策は、リングのように作用する当該ステータの共振モードによって、一般的に不利益がもたらされる。

この物理的に分割する解決策が有効であったとしても、この解決策は、高度な位置決め公差制御を伴う比較的複雑な構造を必要とする。

特許文献ＷＯ２０１６０７９４４９は、モータ内に生成される音波を減じる弦効果を促進するために、ステータの背面において空洞を用いることを提案している。当該特許文献はまた、当該ステータをいくつかのブロックに分割する前出の技術も提案している。

前述のように、この解決策は有効であり得るが、高度な位置決め公差制御を伴う比較的複雑な構造を必要とする。この解決策はまた、当該ステータを保持するための外部筐体を必要とする。

特許文献ＵＳ６７７７８４２は、機械の突出効果に対抗するために、回転子に磁石を付加することを提案している。より大きな磁石重量を含むこの解決策は、モータノイズに対抗するためのみに使用される。当該モータの全体的な性能は、これらの付加された磁石によっても影響を受ける。

また、特許文献ＤＥ１９９６００８８は、当業者に対して別の解決策、すなわち、エラストマー制振材を用いた、リングまたは外部筐体の付加を提案している。従って、この解決策は、ステータに対して、１つまたは２つの追加部品の付加を必要とする。このエラストマー材料の厚さ、物理的品質および位置決めの微調整は、依然として極めて困難である。

最後に、特許文献ＷＯ２０１３０４４８２４は、内側エンベロープおよび外側エンベロープを含む筐体内に電気モータを格納する解決策を提案している。この解決策は、モータによって放出される騒音を制限するのにおそらく有効であるが、追加部品、複雑な構造および好ましくないスペース要件が必要とされる。

回転電気機械によって引き起こされるノイズの伝播を制限することを目的とするこれらの従来技術による装置は、ステータに追加の構造要素を追加することによってであろうと、機械の構造をより複雑かつより高価にすることによってであろうと、または全体的な構造および公差制御をより複雑にする、マルチブロック構造によってであろうと、全て欠点を有している。

本発明は、従来技術と比較してその相対的な寸法が独自である、モノブロック回転電気機械用のステータを提案することによって、従来技術の欠点を克服することを目的とする。

本発明の目的の１つは、２０，０００ｒｐｍを超える速度で動作し、１８ｍｍ（このサイズは、このサイズ以下では、高い構造剛性により、有害な騒音放射を生じない臨界として評価される）を超える外径を有する電気機械からの騒音放射を最小限に抑えることを可能にする。

特定の高速特性に起因して、本発明は、電気機械の使用、典型的には、回転子を磁化させる磁極対の数が１または２に限定され、ステータティースの数が３または６に限定される、３相の電気機械の使用に限定される。

より具体的には、本発明は、２０，０００ｒｐｍを超える高速の電気機械（モータまたは発電機）であって、１対または２対の磁極を有する回転子と、外径が１８ミリメートルを超える改良ステータとを含んでおり、前記ステータは、半径方向に延在し、モノブロック周縁環状カラーによって支持されている３つまたは６つの直線状ティースを有しており、前記ティースの少なくとも一部は、コイルを担持しており、前記ティースは、互いに一体化して、前記ティース間にモノブロック平面構造を形成しており、前記巻き線ティースは、ｌ／Ｌ^２≧２０（ＳＩ単位で表される）を満たす、幅ｌおよび長さＬの矩形部分を有することにより、各ティースの共振周波数を、可聴分布帯を超えさせる（典型的には、１６ｋＨｚを超えさせる）ことを特徴とする電気機械に関する。

好ましくは、前記周縁カラーは、下記式

（ＳＩ単位で表される）
を満たす、厚さ（ｅｐ）および直径（ｄｅｘｔ）を有している。

特定の実施形態において、前記ティースは、前記周縁カラーによって互いに連結されており、３つのコイルおよび６つのティースを備えており、２つのティースのうちの１つが、コイルを担持している。

これらの特許請求された特徴の論理的根拠および目的は、本発明のよりよい理解を可能にする図面の説明において説明される。

本発明の他の特徴および利点は、詳細な実施形態に関連し、それぞれを表す添付の図面を参照する、以下の説明から明らかになるであろう。

図１は、本発明の第１の実施形態に従う電気機械の斜視図である。 図２は、従来技術に由来する電気機械ステータの、単離された正面図である。 図３は、図１の装置のステータの、単離された正面図である。 図４は、図２および図３の装置のステータを比較した、正面図である。 図５は、電気機械のステータの外径の関数として、ステータカラーの厚さの変化を示すグラフである。 図６は、従来技術の電気機械と、本発明の電気機械との音響放射を比較するグラフである。

図１は、本発明の第１の実施形態による電気機械の斜視図を示す。当該機械は、２対の磁極を備える回転子（１）と、６つの直線状ティース（３）を備えており極性が活発になっていない改良ステータ（２）とを含み、当該機械は、モータの外側で作られたコイル（４）を、改良ステータ（２）の内側から挿入することが可能である。これらのティース（３）は、モノブロックユニットを形成しており、モノブロックカラー（５）によって連結されている。ティース（３）は、３つのコイル（４）を備える。図１に示すように、２つのティース（３）のうちの１つが、コイル（４）を担持しているが、これに限定されるものではなく、磁極対の数も限定されない。

一般的には、シート（例えば、鉄およびシリコン合金）を積層させることにより、改良ステータ（２）を製造することが有利であるが、改良ステータ（２）は、例えば、ソマロイ（登録商標）ＳＭＣタイプの材料またはアモルファス材料から、一体型の部品で製造することも考えられる。

図２は、６つの長く直線状のティース（７）を備える、従来技術によるステータの断面図を示している。この実施形態は、例えば、特許文献ＦＲ２９４５３８８によって提案されているような実施形態である。この構造は、磁気カラー（６）の磁束循環部が、必要なスペースを最小限に抑制しながら、シートの磁気飽和を回避するように設計されているという点で、磁気的に最適化されている。同様に、ティース（７）の長さは、必要なスペースを限定しつつ、ティース（７）に挿入されるコイル（図示せず）のために有用な体積を最大限にするように最適化される。磁気カラー（６）の半径方向の厚さが薄く、この厚さと比較して、ティース（７）は相対的に長いというこれらの特徴は、当業者には明らかである。

しかしながら、このような教示の適用は、高速（典型的には、＞２０，０００ｒｐｍ）で動作する機械に使用される場合、妨害をもたらす。実際、このように寸法決めされた構造は可撓性であり、回転子（ここでは図示せず）を磁化させる磁極と改良ステータ（２）との間の相互作用によって生成される磁気励起力に対して敏感である。磁力は、２つの問題を引き起こす。

・ティースを接続するカラー（６）は薄く可撓性であり、曲げ（主に径方向）を受ける。この曲げは、モータの最大速度を下回る低周波で、改良ステータ（２）のカラー（６）によってこのように形成されたリングの異なる固有モードを生じさせる。

・ティース（７）は長く、前記回転子の回転によって磁気的に生成される周波数よりも低い周波数で、機械的共振による、振幅が顕著であり得る曲げ（主に接線方向）を受ける。

前記回転子の回転によって磁気的に生成される周波数は、磁極対の数Ｎに依存する。例えば、Ｎ＝２の場合、図１に示すように、４つの磁石が交互に並んでおり、これにより改良ステータ（２）のティース（３）に４つの交番による力が印加される。含まれる高調波を考慮すると、この交番による力は、ティース（３）の周波数励起源を構成する。従って、本発明は、２つ以下の磁極対数に限定される。数が多くなると、機械の騒音放射に対してあまり有害ではない、より高い励起周波数を誘導する。

回転子（１）における磁極対の数にかかわらず、励起高調波は、低エネルギーの振幅であっても、１６～１８ｋＨｚの周波数、つまり人間が聞き取ることができ、迷惑なものとして知覚される周波数まで、ティースおよびカラーを励起する強制振動を引き起こす可能性がある。

従って、カラー（６）およびティース（７）は、共振しやすく、ノイズを発生させる有意な振動を引き起こす可能性がある。

図３は、本発明によるステータの断面図を示す。この図では、ステータの外径（ｄｅｘｔ）、改良ステータ（２）のカラーの厚さ（ｅｐ）、ティースの幅（ｌ）およびティースの長さ（Ｌ）のような設計パラメータを定義している。改良ステータ（２）は、電気機械の動的挙動（トルク／速度の法則）が、図２に示したステータと同様のステータを使用する機械の動的挙動と類似するように設計されている。

驚くべきことに、当業者には明らかではない選択が、前記機械の動力学（トルク／速度の法則）に対して不利益ではなく、動作中の騒音放射の顕著な改善を可能にすることが示されていることが、実際に観察された。これらの選択、つまり磁気飽和のみを考慮した場合には有用ではない磁気経路部分の厚さ、ならびに許容可能なコイル容積を先験的に不利にする前記ティースの短い長さが、動力学と音響放射の２つの基準において興味深いことが最終的に明らかとなった。これらの設計上の選択は、従来技術では提案されておらず、当該構造体（カラー（５）およびティース（３））の敏感な周波数（共鳴モード）を、人間の耳に受け入れられる周波数帯（１６ｋＨｚより高い）に押し戻し、変形による振幅を、人間の耳が許容できる音響レベルまで低減することを可能にする。

ティースの長さＬおよび幅ｌは、各ティースの共振周波を、可聴分布帯（典型的には１６ｋＨｚ以上）を超えさせるために、ｌ／Ｌ^２≧２０を遵守するように選択される。

図４は、従来技術由来のステータ（６）と本発明に従うステータ（２）との幾何学的比較を示す。この結果は、電気機械のサイズを決めたい当業者、およびステータ鉄における磁界変動に関する損失を最小限にしてコイル内の銅の量を最大にするために、薄い磁性カラーを有することを望む当業者にとって、驚くべきことである。実際、改良ステータ（２）の使用によって発生する音響性能は、図６に示される従来技術のステータ（６）の使用と比較して非常に著しく改善されるが、構造の動的特性は、実質的に同等である。特に、改良ステータ（２）のカラー（５）内に存在する鉄の量が従来技術のステータ（６）のカラー（８）よりも多いという事実により、平均時速密度は非常に著しく低減され、（ヒステリシスおよび渦電流による）鉄損も低減される。これは、コイル容積の損失を補填する。

従って、これらの新しい設計規則は、驚くべきことに、動作中の騒音放射を最小限に抑えながら、従来技術の機械と同様の動的性能を有する電気機械を製造することを可能にする。これにより、改良ステータ（２）の各シート（シートスタックで製造する場合）を考慮する場合において、または１つの固体アセンブリ（アモルファスタイプの材料で製造する場合）を考慮する場合において、改良ステータ（２）を、連続したモノブロックアセンブリで製造することが可能となる。

図５は、ステータの外径（ｄｅｘｔ）に対するステータカラーの厚さ（ｅｐ）の関係を示す曲線（８）を表したグラフを示す。設計領域（領域１）は、曲線（８）の下側で定義され、別の領域（領域２）は、曲線（８）の上側で定義される。曲線（８）は、１６ｋＨｚにおける等周波数曲線である。この曲線（８）より上の任意の点は、１６ｋＨｚよりも大きい共鳴モード（リングモード）を有する許容可能なサイズの機械に対応する。１６ｋＨｚ周波数に関して、（ｅｐ）および（ｄｅｘｔ）の許容可能なパラメータは、以下の関係式によって表される。

この曲線（８）の下側の任意の点は、共鳴モード（リングモード）が、１６ｋＨｚ未満である機械に対応する。１６ｋＨｚの選択は、最小許容下限に関連する。従って、リングモードが音響的に最適化された機械のサイズを決めるためには、曲線（８）の上側に位置するトルク（ｅｐ）、（ｄｅｘｔ）を選択する必要がある。音響改善の一例は、最新技術のステータ（６）を有する従来技術の電気機械から、本発明の目的である、実質的に同一の動的性能を有する改良ステータ（２）を有する電気機械に移すことによって表される。従って、改良ステータ（２）を有する電気機械は、従来技術のステータ（６）を有する電気機械と比較して、改善された音響性能を有する。このことは、図６においてより良好に視覚化されている。

図６は、改良ステータ（２）および従来技術のステータ（６）を有する、モータモードにおける２つの電気機械から１ｍの距離で測定された音響レベル（ＳＰＬ）の変化を、モータ回転数（ｒｐｍ）の関数として示している。これらの２つのモータを、関連する両方のモータが同等の動的性能を有するように選択し、加速中にこれらを音響的に測定し、その後安定した速度を維持させた。その改善が２０ｄＢを超えるため、音響放射に関しては著しい改善があった。

Claims (2)

1. 回転速度が毎分２０，０００回転を超える高速電気機械であって、
   １対または２対の磁極を有する回転子（１）と、
   外径が１８ミリメートルを超える改良ステータ（２）とを含んでおり、
   前記改良ステータ（２）は、モノブロック周縁環状カラー（５）によって支持されている、３つまたは６つの径方向に延在する直線状ティース（３）を有しており、
   前記改良ステータ（２）は、鉄およびシリコン合金のシートを積層した積層体から製造されるか、または、軟磁性焼結材料から製造され、
   前記ティース（３）の少なくとも一部は、コイル（４）を担持しており、
   前記ティース（３）は、互いに一体化して、前記ティース間にモノブロック平面構造を形成しており、
   前記巻き線ティース（３）は、ｌ／Ｌ^２≧２０を満たす、幅ｌおよび長さＬの矩形部分を有しており、
   前記周縁カラー（５）は、下記式
   

   

   
   （ＳＩ単位で表される）
   を満たす、厚さ（ｅｐ）および外径（ｄｅｘｔ）を有していることを特徴とする、高速電気機械。
2. 前記ティース（３）は、前記周縁カラー（５）によって互いに接続されており、３つのコイル（４）および６つのティース（３）を備えており、２つのティース（３）のうちの１つが、コイル（４）を担持していることを特徴とする、請求項１に記載の高速電気機械。
   
   

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