JP5322616B2 - シェル形磁石を備える永久励磁型の同期機 - Google Patents

Description

本発明は、溝を備えるステータと、磁極を形成する永久磁石を有するロータとを備え、永久磁石がシェル形磁石として施工されている永久励磁型の同期機に関する。

この種の永久励磁型の同期機はしばしば作動時にトルクリプルを有しており、このトルクリプルは、溝形成と極構造の相互作用の結果として多くの場合望ましくない高調波を伴っており、スロットコギングトルク（リラクタンストルク）として現れて、励起磁界により引き起される高調波を誘導電圧に惹起する。

この現象を低減すべく、ダイナモ電気機械では様々な設計上の抑制手段が公知である。

例えば特許文献１には、永久磁石を備える回転子の表面の７０〜８０％の極被覆が改善された高調波挙動につながることが記載されている。

特許文献２からは、溝に配置される巻線システムの特別な巻線係数および溝のスキューがトルクリプルの低減につながることが読み取れる。

特許文献３より、複数の抑制手段を有する永久励磁型の同期機が公知である。同文献では、部分極被覆のみを備えるように永久磁石が構成されると共に、磁極の永久磁石の段差又は溝のスキューも提案されている。更に別の抑制手段として、１つの磁極の複数の永久磁石に段階付又はスロットの傾斜付を施すことが提案されている。

しかしこの様な実施形態の欠点は、組立の必要性がそのつど高くなり、それとの関連で永久励磁型の同期機の製造コストが高くなることである。

ドイツ特許出願公開第１００４１３２９Ａ１号明細書 ドイツ特許出願公開第１９９６１７６０Ａ１号明細書 ドイツ特許出願公開第１０２００４０４５９３９Ａ１号明細書

以上を前提とする本発明の課題は、空隙磁界の高調波を低減し、もってトルクリプルを抑制した永久励磁型の同期機を提供することにある。更に、永久励磁型の同期機のステータの鉄材における渦電流損とヒステリシス損を低減できると望ましい。

上記の課題は、溝を備えるステータと、磁極を形成する永久磁石を有するロータとを備える永久励磁型の同期機により解決される。永久磁石は磁極の事前設定可能な部分を各々覆う湾曲した２つの表面を備えるシェル形磁石として施工されおよび／又はシェル形磁石の外側半径はステータ穴の半径の０．６倍よりも小さくおよび／又はシェル形磁石はその外側表面に対し実質的に垂直に向いた準半径方向の磁化容易軸を有し、磁化容易軸の準半径方向の向きは式α_div＝０．３〜０．９α_geomに基づき選択される。ここで、
α_divは永久磁石の表面からの準半径方向の磁束線の射出角であり、
α_geomは磁極ατ_pの部分極被覆の角度である。

上記の解決策により、永久励磁型の同期機のトルクリプルが大幅に低減される。

障害となるトルクリプルの形成については複数の側面に原因がある。

第１に、永久磁石と歯の間のリラクタンス力が、コギング磁極対指数のスロットコギングを引き起す。トルクリプルの更に別の主要原因は、ダイナモ電気機械の空隙におけるロータ磁界波とステータ磁界波との相互作用である。このとき特別な障害として位置付けられるのが、空隙に形成される空隙磁界の有効波の第５高調波と第７高調波である。

ここで有効波とは、トルク形成にとって主要な空隙磁界の成分である。高調波は、求められる正弦波形の空隙磁界の変形に加えて、場合により本来のトルクと反対に作用することさえある寄生的なトルク形成をも引き起す。

本発明の方策により、溝や永久磁石のスキューや段差によりステータおよび／又はロータを追加的に改変する必要なく、このトルクリプルの上述した原因が大幅に低減される。

特に、外側表面に対し実質的に垂直に向いた表面磁石又は埋込磁石としての永久磁石の準半径方向の磁化容易軸によりおよび／又は特にステータ穴との比率におけるシェル形磁石の幾何学構成との関連で、トルクリプルの著しい低減が得られる。更にこのことは、ステータの鉄材における渦電流損およびヒステリシス損の低減につながる。

永久磁石の半径方向又は少なくとも準半径方向の磁化容易軸は、特にダイナモ電気機械の空隙における永久磁石の磁束線の磁気形状として現れる。これら磁束線は平行に延びるのではなく広がるように延び、即ち発散するように延びる。

別の実施形態では、上記に加えて、シェル形磁石の内側半径が外側半径に等しい。このことは、永久励磁型同期機の空隙磁界の高調波の一層の低減につながり、それに伴ってトルクリプルの一層の低減につながる。磁極中心から磁極縁部に向かって増大する空隙が生じ、その結果永久磁石の少ない磁束線しかステータの歯を貫通せず、特に歯頭部およびそれに伴い最終的に鉄材を貫通しないからである。このため、特に永久励磁型同期機の回転数が高い場合、鉄損およびヒステリシス損が減少する。

特に、各永久磁石の中心から各永久磁石の縁部に向かって増大する空隙が生じる。この推移は連続的であり、即ち、ダイナモ電気機械の空隙の方を向いている永久磁石の表面に飛躍は存在しない。

別の実施形態では、永久磁石、特にシェル形磁石の部分極被覆領域は、各磁極の領域において０．９×ατ_pから０．５×ατ_p迄の範囲内で選択される。即ち磁極の０．９から０．５倍の範囲内で選択される。

本発明による方策が極めて有利なのは、シェル形磁石がロータ上で軸方向に相前後して配置されるにすぎず、スキューを行わずに足りるからである。かかるスキューを行うと、経験上、例えば空隙磁界の高調波の様な他の寄生的な現象を増幅させず、もって最終的にトルクリプルを高めないようにすべく、非常に正確な位置で厳密に行わねばならない。

原則として、ロータの１つの磁極は少なくとも１つのシェル形磁石を有する。しかし、例えばロータの軸方向長さ全体に極性の同じシェル形磁石を装備すべく、複数のシェル形磁石を軸方向で相前後して配置することも十分に可能である。補足的に、又は別個に施工可能な形態として、１つの磁極のシェル形磁石を円周方向で複数の部分シェル形磁石で構成することもでき、それによりこれら部分シェル形磁石が共同して、上記のインターバルの部分極被覆率を有することになる。特に、このとき部分シェル形磁石はその極の内部でほぼ隙間なく互いに接している。

磁極の部分シェル形磁石は、１つの磁極の全てのシェル形磁石の外側表面と内側表面の半径が等しいため、その半径方向の厚みに関して同一ではない。

本発明と従属請求項の構成要件に基づく本発明のその他の好ましい実施形態は、原理的に示す図面から見て取ることができる。

図１は、原理的に示す永久励磁型の同期機１を、そのステータ４およびステータ穴に配置されたローラ５と共に横断面図で示している。

本発明の思想は、回転する電動モータと円筒状のリニアモータとが共同で軸を駆動し又は軸方向へ動かす複合型駆動装置へも同様に転用可能とすることにある。本発明の思想を適用可能なこの種の複合型駆動装置は、例えばドイツ特許出願公開第１０２００４０５６２１２Ａ１号明細書に記載されている。複合型駆動装置に関しては、この公開公報を援用し、これをもってその内容を本件出願に取り入れることとする。

ステータ４は、溝２内に巻線システム３を有し、これは古典的な構成の巻線であってよく、歯巻きコイル巻線として施工されてもよい。歯巻きコイル巻線の場合、各歯巻きコイルがステータ４の１つの歯を包囲する。歯巻きコイルは丸線、平角線又は素線で構成されている。各歯巻きコイルは、電気接続部に加えて、歯を取り囲む溝の中で位置決めされる２つのコイル側と、両方のコイル側をつなぐ巻付け頭部区域とを有する。歯巻きコイルはコイル支持体に巻き付けられるか、又は型を用いて巻き付けられ、後者の場合組立前に型が引き抜かれる。歯巻きコイルに関してはドイツ特許出願公開第１９９６１３３９Ａ１号明細書を援用し、これをもってその内容を本件出願に取り入れることとする。

このとき次の様な態様を施工可能である。
即ち、ステータ４の溝２の中に歯巻きコイルの一方のコイル側だけがある。即ち、歯はこれを取り囲む歯巻きコイルを１つおきにしか有していない。２番目の態様では、溝２の中に、隣接する歯の異なる歯巻きコイルの２つのコイル側がある。このため、各歯が歯巻きコイルで取り囲まれる。

ここでは、溝２を半分閉じた溝２として形成している。ステータ４は、原則として開いた溝２を備えるように形成してもよい。半分閉じた溝２の場合、巻線はステータ穴を起点として挿入するとよい。この巻付け工程は、溝を開いた構造又はほぼ閉じた構成とし、或いはほぼ閉じた溝２の場合又はダイナモ電気機械の軸高が短い場合に、ステータを２分割して構成すれば、即ち巻線を外から歯の上ないし周囲で位置決めしてから磁気的な保磁を実現すべく、このパッケージを軸方向にヨーク背部へ挿入すれば、簡素化可能である。この様な２分割されたステータに関しては、ドイツ特許出願公開第１９６５２７９５Ａ１号明細書を援用し、これをもってその内容を本件出願に取り入れることとする。

開いた溝２ないし半分閉じた溝の場合、別の実施形態では、所定の磁気特性を持つ、図示しないスロット閉止キーが設けられる。

軸６と回転不能に結合されたロータ５は、特に波形に加工された表面に、シェル形磁石として構成された永久磁石８を備える。該シェル形磁石は、その縁部仕切り面の他に、外側表面１４および内側表面１５と呼ぶ実質的に２つの表面を有しており、内側表面１５はロータ５の波形の構成にあわせて適合化されている。それに対し外側表面１４は、永久励磁型の同期機１の空隙の方を向いている。

ロータ５自体は、波形の表面の半径方向内側に軸方向の開口部７を有し、該開口部は、一方でロータ５の冷却に貢献すると共に、他方で慣性の小さいロータ５に貢献し、そのようにして駆動のダイナミクスを一層高める。

ロータ５は、波形の構造なしに、即ち断面で見て円形に加工されていてよい。但しその場合、シェル形磁石の位置決めと固定の手段が必要となる。

図２は、シェル形磁石の構成および特に磁化容易軸９を詳細図として示している。この磁化容易軸は、特にシェル形磁石の外側表面１４に関して半径方向又は少なくとも準半径方向に設定されており、それにより、トルクリプルの抑制を可能としている。磁束線の角度は、α_div＝０．３〜０．９α_geomであると好ましい。

湾曲した表面をもつ磁石は、通常、平行に磁化されており、即ち磁束線は永久磁石の外部で平行に延びており、本発明によるシェル形磁石のように半径方向の、特に準半径方向の磁気異方性を備えてはいない。

図３は、シェル形磁石の部分極被覆１２を形成する永久磁石８を備えるロータ５の磁極１１の構成を模式的に示している。
Ατ_p＝３６０°／２ｐのとき、部分極被覆はα_geom／ατ_pで表され、ここに２ｐは磁極１１の個数である。

回転式のダイナモ電気機械では、ロータは円周方向で極数に応じ角度区域ατ_pに区分されており、これら角度区域が各々１つの磁極１１に対応している。従って磁極１１は、回転式のダイナモ電気機械の場合、ατ_pの角度を有している。部分極被覆１２は、磁極ατ_pの０．９倍から磁極ατ_pの０．５倍迄の所定の範囲内で、そのつど求められる高調波の低減率に応じて選択される。従って、磁極ατ_pのシェル形磁石の部分極被覆α_geomは、０．９ατ_p＞α_geom＞０．５ατ_pである。このためトルクリプルの大幅な低減が実現される。

シェル形磁石の側面１６の向きは、半径方向又は図面に示すように屋根形に施工されており、それにより、シェル形磁石は磁極１１の縁部区域の方向に延びることになる。

回転式の永久励磁型同期機における部分極被覆にとり磁気的に重要な決定的範囲、特に角度範囲α_geomとして、図３に示す如く、各永久磁石８の外側端が重要である。側面１６で永久磁石８の磁束線が外に出ていくことは殆どなく、その結果、永久磁石８の側面１６が屋根形の構造の場合でも部分極被覆率は変化しない。従って部分極被覆１２にとり決定的なのはα_geom、即ちシェル形磁石として形成された永久磁石８の磁束線が外に出ていく角度範囲である。これは側面１６を除いたシェル形磁石の表面１４である。

図４は、シェル形磁石の実施形態を図示し、ここではシェル形磁石の外側半径Ｒ_Aとシェル形磁石の内側半径Ｒ_iは同一である。それにより、シェル形磁石の厚みは、磁極端の方向で若干減っていく。

それにより、シェル形磁石がその磁極１１の内部に配置されたとき、磁極端の方向でシェル形磁石の厚み、即ち、その半径方向長さが減少している。ステータ穴Ｒ_Bとシェル形磁石の半径Ｒ_Aとの本発明による半径比率Ｒ_A＜０．６Ｒ_Bに基づき、永久励磁型の同期機の空隙は磁極端の方向で一層拡大される。

個別方策を具体化した場合、又はこれらの個別方策を自由に選択可能に組み合わせた場合でも、トルクリプルの十分な低減が得られる。即ちシェル形磁石の半径Ｒ_AおよびＲ_Iが同一である場合、又はＲ_Bに対するＲ_Aの比率が０．６よりも小さい場合、又は好ましくはα_div＝０．３〜０．９α_geomである準半径方向の異方性を備えるシェル形磁石を採用した場合、又は０．９〜０．５倍の事前設定可能な部分極被覆の場合、トルクリプルとステータ４における損失、例えば鉄損やヒステリシス損は、特に回転数が５０００回転／分よりも高いときに低減される。

即ち、これら個別構成要件は既に高調波のレベルの低減につながるが、上述の各構成要件の部分的組み合わせ、特に全部の組み合わせは、空隙における磁束密度のほぼ正弦波形の推移をもたらす。

特に、部分極被覆と、内側表面１５および外側表面１４、即ちダイナモ電気機械の空隙の方を向いた表面におけるシェル形磁石の同一半径と、ステータ穴Ｒ_Bに対する外側半径Ｒ_Aの０．６よりも小さい比率と、特に好ましくはα_div＝０．３〜０．９α_geomである半径方向ないし準半径方向の磁気的な異方性、即ち磁化容易軸との組み合わせは、事前に設定可能な部分極被覆との本発明に基づく相互作用により、極めて有効なトルクリプルの低減を引き起す。

低いトルクリプルは、永久励磁型の同期機の空隙における正弦波形の空隙磁界によって実現される。その場合、空隙における磁束密度の推移が正弦波形に構成される。

従来技術のように、これ迄の平行な異方性をもつ永久磁石では、永久磁石の磁束線は平行に延びおよび／又は外側表面と内側表面の半径は相違しており、その結果、少なくとも永久磁石の領域では一定の空隙が生じていた。このため永久磁石の領域における磁束密度はほぼ一定の推移を有していた。磁極端のところで磁極を通るこの様な磁束密度推移のゼロ通過の勾配は比較的低い。永久磁石の全ての磁束線がステータの鉄材へ入り込むので、漏れが生じることは殆ど無かった。

本発明では、半径方向又は少なくとも準半径方向の異方性により、上述のように、漏れが比較的大きくなることは甘受される。左程多くの磁束線がステータの鉄材へ入り込むことはないからである。従って、磁束密度推移が正弦波の形状に近似する。

半径方向寸法により、即ちＲ_Bの０．６倍よりも小さいＲ_A、およびＲ_Aと等しいＲ_Iにより、場合によっては本発明によるインターバルに基づいて事前設定可能な部分極被覆率の構成要件と併せて、磁束密度推移がほぼ正弦波形になり、即ち、磁極ピッチの領域で永久磁石８の少ない磁束線しかステータ４の鉄材を貫通しないことによって比較的大きい漏れは生じるものの、その一方で、寄生的な高調波がほぼ補償される。

この結果、放出される駆動装置の出力は低下するものの、トルクリプルは著しく低減する。従って、特に回転数が高い際のステータ４での鉄損やヒステリシス損が減少する。

この様なダイナモ電気機械の利用分野は、特に、加工されるワーク表面の高い加工品質を得るべく、トルクリプルが特別な程度に回避されるべき工作機械である。

永久励磁型の同期機を示す横断面図である。 上記の横断面図の詳細部分図である。 シェル形磁石を備える磁極である。 シェル形磁石の幾何学構成である。

符号の説明

１ 永久励磁型の同期機、２ 溝、４ ステータ、５ ロータ、８ 永久磁石、９ 磁化容易軸、１１ 磁極、１４、１５ 表面

Claims (10)

1. 複数の溝（２）を有するステータ（４）と、前記ステータに設けられたステータ穴の中に配置されたロータ（５）であって複数の磁極（１１）を形成する複数の永久磁石（８）を有するロータ（５）とを備えた、永久励磁型の同期機（１）において、
   前記永久磁石（８）が、前記ロータ（５）における１つ１つの前記磁極（１１）として設定された所定部分を各々覆うように設けられた、湾曲した内側と外側との表面（１４，１５）を有する、シェル形磁石として施工された永久磁石であり、
   前記シェル形磁石の内側半径（Ｒ_i）が、当該シェル形磁石の外側半径（Ｒ_A）に等しく、かつ
   前記シェル形磁石の外側半径（Ｒ _A ）が、前記ステータ穴の半径（Ｒ _B ）の０．６倍よりも小さい
   ことを特徴とする永久励磁型の同期機。
2. 前記シェル形磁石が、当該シェル形磁石自体の外側表面（１４）に対して垂直方向である準半径方向に向いた磁化容易軸（９）を有している
   ことを特徴とする請求項１記載の永久励磁型の同期機。
3. 前記シェル形磁石の個々の磁極（１１）ごとの極被覆である部分極被覆の角度範囲α_geomは、その個々の磁極（１１）の領域ごとでいずれも０．９ατ_p＞α_geom＞０．５ατ_pを満たしており、このとき前記ατ_pは、前記ロータ（５）の磁極ピッチであり、かつ、前記α _geom は、前記各磁極における前記部分極被覆の範囲の角度である
   ことを特徴とする請求項１または２記載の永久励磁型の同期機。
4. 前記磁化容易軸（９）のα_divは、式α_div＝０．３〜０．９α_geomに基づいて選択されており、このとき、
   前記α_divは、個々の前記永久磁石（８）の表面（１４）から前記準半径方向に放射される磁束線の有効波射出範囲の角度であり、かつ、前記α_geomは、前記各磁極における前記部分極被覆の範囲の角度である
   ことを特徴とする請求項２または３記載の永久励磁型の同期機。
5. 前記ロータ（５）の各磁極（１１）のシェル形磁石は、各々等しい部分極被覆を有している
   ことを特徴とする請求項３記載の永久励磁型の同期機。
6. 前記ロータ（５）の各磁極（１１）のシェル形磁石はそれぞれ、当該ロータ（５）の軸方向に相前後してスキューなしに配置されており、又はその磁極（１１）の内部において円周方向で見て個々のシェル形磁石で構成されている
   ことを特徴とする請求項１から５の１つに記載の永久励磁型の同期機。
7. 前記ロータ（５）の各磁極（１１）のそれぞれが、各々唯一のシェル形磁石を有している
   ことを特徴とする請求項１から６の１つに記載の永久励磁型の同期機。
8. 当該永久励磁型の同期機が、複合型駆動装置の一部である
   ことを特徴とする請求項１から７の１つに記載の永久励磁型の同期機。
9. 前記ステータは、巻線を有する１つの歯パッケージがヨーク背面に軸方向に設置されるように２分割されている
   ことを特徴とする請求項１から８の１つに記載の永久励磁型の同期機。
10. 前記ステータが、複数の歯巻コイルを有する
    ことを特徴とする請求項１から９の１つに記載の永久励磁型の同期機。
    

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