JP2001505398A

JP2001505398A - 電気機械

Info

Publication number: JP2001505398A
Application number: JP52552098A
Authority: JP
Inventors: トーレク，ビルモス
Original assignee: トーレク，ビルモス
Priority date: 1996-12-04
Filing date: 1997-12-04
Publication date: 2001-04-17
Also published as: WO1998025330A3; SE511896C2; CN1240059A; WO1998025330A2; EP0941568A2; SE9604493D0; US6127764A; SE9604493L

Abstract

(57)【要約】電気機械は、列に配置された複数の歯部（１１Ｃ）を有する強磁性の第１の部分（１１）と、第１の部分（１１）の歯部（１１Ｃ）の列に対面し、空隙（１８）によって歯部の列から隔てられた極列に配置された複数の極（１６，１７）を有する強磁性の第２の部分（１２）と、第１および第２の部分（１１，１２）を支持して空隙（１８）に沿って相対的に移動させるための軸受手段と、第１の部分（１１）に関連し、空隙に沿って連続して移動する多極性の磁界を発生し、空隙（１８）を介して第１および第２の部分（１１，１２）を結合するための巻線手段（１５）とを含む。移動する磁界は偶数の極と、第２の部分（１２）の極列の極ピッチに対応する極ピッチとを有する。第２の部分（１２）の極列の少なくともいくつかの極の少なくとも１つのセクションにより軟磁性突出極（１７）が形成され、この軟磁性突出極のうち空隙（１８）に沿った長さの少なくとも一部分が、空隙に面する表面に飽和磁束密度を有し、この飽和磁束密度は、第１の部分（１１）の歯部の列の歯部（１１Ｃ）の磁気飽和を引起す空隙の磁束密度よりも高くない。

Description

【発明の詳細な説明】電気機械この発明は、移動する磁界によって機械の部分の相対的な移動を引起す、電気機械、モータまたは発電機に関する。特にこの発明は、独立クレームの、前提部分において定義された種類の機械に関する。便宜上、以下に記載するこの発明の説明は、回転機械であって、すなわち、巻線を保持する部分が静止しておりステータ(stator)とされ、他の部分がロータ(r otor)とされステータ内で回転するよう取付けられるものに限られる。ステータの歯部およびロータの極は同心の環状の列に配置され、円筒形の空隙によって隔てられる。しかしながら、容易に理解されるように、部分の相対的な移動は回転移動である必要はなく、直線状または曲線状の相対的な移動であってもよい。相対的な回転移動および直線状の相対的な移動を組合せることもこの発明の範囲内である。さらに、ステータはロータの内部に位置付けられてもよく、空隙は円筒形である必要はなく、たとえば断面がアーチ形または円錐形であってもよい。この発明が関係する種類の一般的なタイプのモータでは、ロータの極は一般的に半径方向に分極化した永久磁石を含み、それの極性は円周方向に交番する。永久磁石はロータの円周表面上に取付けられてよく、またはロータの窪みに取付けられてもよい（埋込まれたまたは収容された磁石）。通常は表面に磁石が取付けられたモータが好ましい。なぜならそれらは、他の磁石取付設計を有するモータよりもより経済的に、高価な永久磁石材料を利用するからである。この発明の目的は、モータによって発生するトルクを比較的少量だけ減じることにより永久磁石材料の量を大幅に減少させることである。この発明のさらなる目的は、いわゆる弱め界磁モードにおける動作を行なう種類の機械を提供することであり、ロータの表面に永久磁石が取付けられた公知の機械はこのような動作に関して厳密に制限される。この発明は２つの観察事項の組合せに基づく。第１に、高性能な永久磁石と、永久磁石の残留磁気とほぼ同じ飽和磁束密度を有する軟鉄本体とは、外部磁界が永久磁石の本来の分極方向に作用する場合には常に、磁気特性に関して非常に類似している。第２に、表面に取付けられた永久磁石を備え、サーボ増幅器などの適切に調節された電子ドライブによって電力供給される上記の種類の永久磁石モータでは、各永久磁石の体積のうち半分しか減磁界にさらされず、もう半分は永久磁石の本来の分極方向の磁界にさらされる。これらの観察事項より、後に述べた体積のうちかなりの部分を、適切なレベルの飽和磁束密度を有する軟磁性材料の本体と置換することができると結論付けることができる。この発明の１つの局面によると、下記の種類の電気機械が提供される。すなわちこの電気機械では、第２の部分の極列のうち偶数の極の各々が、永久磁極セクション(permanent-m agnetic pole section)と、隣接した軟磁極セクション(soft-magnetic pole sec tion)とを含み、永久磁極セクションおよび軟磁極セクションは空隙沿って隔てられ、軟磁極セクションのうち空隙に沿った長さの少なくとも一部分は、空隙に面する表面において、第１の部分の歯列の歯部の磁気飽和を引起す空隙の磁束密度よりも高くない飽和磁束密度を有する。この発明のこの局面に従うモータでは、高価な永久磁性材料のおよそ５０％を、トルクのうち大きな部分を損失することなく、安価な軟磁性材料と置換することができる。この発明の別の局面によると、下記の種類の電気機械が提供される。すなわちこの電気機械では、第２の部分の極列の少なくともいくつかの極の少なくとも１つのセクションが軟磁極をなし、軟磁極のうち空隙に沿った長さの少なくとも一部分は、第１の部分の歯列の歯部の磁気飽和を引起す空隙の磁束密度よりも高くない飽和磁束密度を、空隙と向かい合う表面に有する軟磁極をなす。第２の局面に従うモータでは永久磁石を全部省いてもよい。このように永久磁石を省くことにより、第１の局面に従うモータと比較してトルクが結果としてかなり減少するが、それでもなお、永久磁石を持たない従来の磁気抵抗モータと比較すると改良が見られる。実際に、損失したトルクの部分はステータのボアの直径を増加することにより回復できる。なぜなら、永久磁石を省くことにより結果として生じるステータのヨークまたはバックアイロン(backiron)部分の磁束の半径方向の減少によりバックアイロンの断面積が減少し、ロータの直径の増加に備えることができるからである。以下に添付の図面を参照してこの発明をより詳細に説明する。図１は、この発明を実現する電気モータの断面図である（電流を伝える巻線に対応する磁界パターンが示される）。図２は、図１の線ＩＩ−ＩＩに沿った長手方向の断面図である。図３は、空隙内から見たロータ極列の部分図である（図面の便宜上ロータ極セクションの軸方向の寸法は円周方向の寸法とは比例していない）。図４は、図３に対応するが、変形された極配置を示す図である。図５Ａおよび図５Ｂは、先行技術のモータとこの発明に従う匹敵するモータとをそれぞれ示す図である。図６および図７は、この発明の特徴的な動作上の特徴を示す図である。図８は、図１および図２に示される電気モータのロータの、変形された実施例を示す断面図である。図８Ａは、図８の線８Ａ−８Ａに沿った、わずかに拡大された断面図である。図８Ｂおよび図８Ｃは、図８に示されるロータの、連続したラミネーションを示す立面図である。図１および図２の例で示されるモータは回転モータであり、以下ステータと呼ぶ軟磁ラミネートされた(soft-magnetic laminated)第１のモータ部分１１と、以下ロータと呼ぶ軟磁ラミネートされた第２のモータ部分１２とを含み、この第２のモータ部分１２は軸Ｃを中心にステータに対して回転するようステータ１１の内部に取付けられる。軸受１４に支持されたロータシャフト１３は、ステータに対して固定された位置にロータを支持する。ステータおよびロータのラミネーションを形成する薄い電気鋼プレート１１Ａおよび１２Ａは、軸Ｃに対して垂直な面におかれる。三相巻線１５がステータ１１上に設けられ、円周方向に延びるステータの歯部１１Ｃの列によって隔てられた、軸方向に延びる複数のステータスロット１１Ｂに位置付けられる。巻線１５は異なった形であってもよい（たとえばT. Wien 1949，pp 102-105を参照）。たとえば、その各コイルがいくつかの歯部を囲むラップ巻線(lap winding)であってもよい。関連した巻線１５を含むステータ１１は全く従来の態様で設計されてもよく、たとえば従来の誘導モータステータとして製造されてもよい。示される例では、巻線コイルにより、連続して移動する、すなわち一定のまたはモータが定常動作を行うサイクルにわたって実質的に一定の速度で移動する６極磁界を発生する。ロータ１２の円筒形表面上には、その極性が円周方向に交番する、半径方向に磁化された均一に隔てられた６つの永久磁石１６が取付けられる。均一に隔てられロータと一体的に形成された６つの軟磁性ロータ突起部１７は、隣接する永久磁石１６と円周方向に交互に配置され、かつそれから円周方向に隔てられる。永久磁石１６と軟磁性ロータ突起部１７とにより、円周方向に延びるロータ極セクション１６および１７の輪または列Ｒが形成され（図３も参照）、ここでは各永久磁極セクション１６は隣接する軟磁極セクション１７と機能的に関連する。ロータ極セクション１６を隣接するロータ極セクション１７から隔てるギャップは極セクションの円周方向の幅に対して狭く、場合によっては存在しないかもしれない。ロータ極セクション１６および１７の列Ｒはステータの歯部１１Ｃの輪と対面し、狭い円筒形の空隙１８によってそれから隔てられる。図２に最良に示されるように、突出した軟磁極セクション１７を形成するロータの部分では、第２のラミネーションプレート１２Ａ’のすべてが、隣接するラミネーションプレート１２Ａに対して短くされ、これにより、これらの極セクションはしっかりと積み重ねられた電気鋼プレートの部分によってではなく、空気によって隔てられたプレート部分によって形成される。磁気的には、交互に配置されたロータラミネーションプレート１２Ａ’をこのように減少または短縮化し、軟磁極セクション１７の設計をこれにより「薄くする(thin)」ことにより、対応する十分にまたはしっかりと積み重ねられた極セクションの飽和磁束密度と比較して、空隙１８に面する極セクション１７の表面にわたる飽和磁束密度の平均値が半分になるという効果が生まれる。飽和磁束密度の低下の度合を大きくしたりまたは小さくしたりすることは、たとえば交互のプレートを減少または短縮化させる量を変更することによって達成できる。軟磁極セクション１７の飽和磁束密度を同様に低下させることは、図示されるようにいくつかのラミネーションプレートを短縮化する以外のやり方でも達成できる。たとえば、すべてのプレートが同じ半径方向の寸法を有し、軟磁極セクションを形成する部分に代わりに窪みを備えてもよい。このような窪みは磁束にさらされるプレートの断面積を制限する役割を果たし、軟磁極セクションの断面にわたって実質的に均一に分散されるべきである。それらは穴の形であってもよく、すなわち閉じた輪郭を有し、空隙までは開かない開口であってもよく、または狭い通路を介して空隙と連通する開口であってもよい。この改善は、隣接するプレートを異なった度合で後退させることにより達成することができる。さらに、軟磁極セクションを軟磁性材料と非磁性材料との複合材料から作ることも可能であり、前者の材料は後者のマトリックスに分散された粒子の形であり、または非磁性材料の圧密フレーク(compacted flake)から作られてもよい。軟磁極セクション１７については、空隙１８と隣接する極セクションの部分の飽和磁束密度を低下させるだけで十分である。好ましくは、低い磁束密度を示す表面層の半径方向の寸法または深さは、空隙１８の、対応する寸法に少なくともほぼ等しいが、永久磁極セクション１６の半径方向の寸法よりも実質的に大きくはない。さらに、いかにして軟磁極セクション１７の飽和磁束密度を低下させるかに関係なく、飽和磁束密度は好ましくはステータの歯部１１Ｃの飽和を引起す空隙の磁束密度よりも高くてはならない。換言すると、軟磁極セクション１７の飽和は、、磁気回路のステータの歯部または何らかの他の部分が飽和状態になる前に起こる必要がある。軟磁極セクションの飽和磁束密度は好ましくは永久磁極セクションの残留磁気と実質的に等しいべきであるが、場合によっては、軟磁極セクション１７の飽和磁束密度を幾分高くすることによってモータの性能が改善されることもある。軟磁極セクション１７がそれらの円周方向の長さ全体にわたって上述の表面飽和特性を有するようにする必要はないことに注目されたい。特にモータが１方向にのみトルクを発生するように適合される場合には、軟磁極セクションがそれらの先端部分にわたってのみ表面飽和可能であるだけで十分である。それらは当然、軸方向の長さにわたって表面飽和可能である必要がある。各軟磁極セクション１７は、隣接する極セクション１６および１７間での不所望な磁気漏れが最小になるよう、隣接する永久磁極セクション１６から隔てられるべきである。図１および図２に示される実施例では、永久磁極セクション１６の円周方向の長さは軟磁極セクション１７のものとほぼ同じである。軟磁極セクション１７の円周方向の長さは好ましくは、およそ９０の電気角度である。通常約９０の電気角度の有する円周方向の長さが好ましいが、±３０の電気角度といった、この円周方向の長さの値から実質的に逸脱しても許容できることに注目されたい。容易に認められるように、永久磁極セクションと軟磁極セクションとは図１に示されるようにロータの円周にわたって交互に配置されるべきである。しかしながら、ロータは好ましくは永久磁極セクションと軟磁極セクションとの組合せを偶数の数だけ有するべきであるが、この発明によるモータは、このような交互の配置が円周のうち選択された部分にのみ存在する場合でも動作可能である。図４は、通常のまたは好ましい回転方向である１つの回転方向においてのみモータが全トルクを発生させる必要がある場合に、図３に示される対称的な配置の代わりに適用され得るロータ極配置の変形例を示す。この変形例によると、永久磁極セクション１６Ａと軟磁極セクション１７Ａとを含む各グループの永久磁極セクション１６Ａの円周方向の長さは図３の実施例と比較して減少され、軟磁極セクション１７Ａの円周方向の長さは増加される。さらに、このような各グループ内の極セクションの間隔が増大され、グループ間の間隔が減少される。この実施例により、通常のまたは好ましい回転方向に発生するトルクの多くを犠牲にすることなく、永久磁性材料をさらに節約することが可能となる。いわゆるベース速度と呼ばれるある速度を超えると一定のシャフト電力を十分に維持でき、したがってこの速度を超える場合にはシャフトトルクが次第に降下することが許容できる、電気ドライブに関する多くの応用例がある。このような応用例では、モータの端子の電圧は、速度がベース速度を超える場合には増加しないだろう。なぜなら、さもなければ定格電力と、したがって電子電流供給のコストとが増加するからである。このような応用例のためのドライブのでは、表面に取付けられたロータ磁石を有する先行技術の永久磁石同期モータには非常に大きな欠点がある。これらの欠点はこの発明に従うモータにおいて実質的に軽減され、上記の種類の利点を有する応用例での使用が可能になる。なぜなら、ロータの回転の結果、ステータの巻線に誘導された電圧の低減することができるからである。誘導電圧の低減は、ステータの巻線電流によってロータに対して発生した起磁力、すなわらＭＭＦの波の頂部の角位置をシフトさせることにより達成できる。このようなシフトを制御するために、三相モータのためのサーボ増幅器といった先行技術の電子デバイスを用いることができる。図１および図２に示される実施例の場合のようにステータがスロットと歯部とを有する場合、モータのトルクをいくぶん不均一にする、歯部によって規定される不連続な表面と移動ロータ極のエッジとの間に相互作用が常に起こる。この発明に従うモータでは、この不均一さは他の種類のモータに用いられる従来の技術によって実質的に軽減できる。たとえば、ステータスロットおよび／またはロータ極のエッジが傾斜している(skewed)か、またはロータ極が軸方向に分割されてもよく、結果として生じる極のサブセクションは、隣接したサブセクションに対してスロットのピッチのフラクションだけ円周方向にシフトされ得る。この発明に従うモータに用いることができる別の可能性として、いくぶん不均一にロータ極セクションを分散させることが挙げられる。不均一な配置を達成するための方法を説明する便宜上、コインシデンス位置(coincidence positio n)の概念を導入することが有用である。たとえば、表面飽和可能な突出極セクションに関して、各ロータが回転すると、このような各極セクションの前縁はステータに対する多くのコインシデンス位置を占めることとなり、これらの位置では前縁はステータの歯部のうちの１つまたは別のものの中間点に対向して置かれ、これはステータの歯部の数に等しい。表面飽和可能な突出極セクションを不均一に分散させることの目的は、各グループが同一のコインシデンス位置を備えた２つのグループにこれらの極セクションを分割することによりコインシデンス位置の合計数を倍にし、ロータの回転に沿って見られる２つのグループのコインシデンス位置が介在されるようにすることである。上記セクションの各々がそれ自体の上にグループを含むまで、グループ数がさらに増加され、この場合、ロータの回転に対するコインシデンス位置の合計数は、ステータの歯部の数と、上記セクションの数、すなわちロータの円周に沿ったグループ数とを掛けた数に等しい。これに代えて、ロータの円周に沿って永久磁極セクションがある場合には永久磁極セクションに、または表面飽和可能な突出極セクションおよび永久磁極セクションの両方に、同じ方法を適用してもよい。電流の流れていない状態の巻線におけるいわゆる磁気抵抗コギングトルク(rel uctance cogging torque)を最小にするために、永久磁極の円周方向の長さは、ステータの歯部のピッチと、隣接したステータの歯部間の開口の幅の３分の１とを足したものの整数倍に等しくなるよう選択されるべきである。一般に、ステータのＭＭＦが、全体的に軸方向に延びる、極の前縁および後縁において異なった値である場合には、一定の空隙を有する突出極により純接線力 (net tangential force)が加えられる。従来の磁気抵抗極はステータおよびロータを分離する空隙を整形してステータとロータとの間で空隙が最も狭いところに主に磁束を通過させるようにするだけであり、磁束を駆動するＭＭＦのうちかなりの部分を吸収するのではない。この一方、あるＭＭＦを受けたときに表面が磁気飽和磁束密度に達する突出極の場合、幅の広い空隙によって空隙の磁束密度を同じレベルに制限する他のいかなる突出極よりもかなり高いトルクを発生する。高いトルクを発生するこの能力は、高いトルクを発生する能力を有する永久磁極セクションの代わりに磁気抵抗極セクションを用いる場合に重要である。このため、突出した軟磁極セクションの、表面飽和可能な特性はこの発明に従うモータにおいて重要である。表面飽和可能な突出極の高いトルクを発生する能力はある知的実験によって説明することができる。平行六面体のプランジャの一端が、電磁石の２つの極間の空隙に平行な面の内側に半分がある磁気的に飽和可能な材料によって作られるとする。電磁石を励磁しプランジャを空隙の中にもう少しだけ移動させ、プランジャを空隙に残したまま電磁石を消磁する。プランジャの先端と置き換えられた空気の体積ΔＶに対して、磁束φ対ＭＭＦを示す図６のワークサイクル図を描く。この図では点１と点２とを相互に結ぶ線により空気体積ΔＶの磁化が表わされる。点２と点３とを相互に結ぶ線は空気体積ΔＶへのプランジャの先端の移動を表わす。点３では、プランジャが静止したままで電磁石が消磁される。点３と点１とを結ぶ矢印付きの曲線は、プランジャの先端が体積に入ったときの、体積Δ Ｖの減磁曲線である。電気の法則に従うと、ワークサイクル領域Ｗ、すなわち図６においてハッチングを施された領域は、体積ΔＶへと移動していく際にプランジャが行なう機械的な仕事量に等しくなければならない。１単位当りの体積ΔＶに対して、機械的な仕事に変換される電気エネルギは図７に示されるプランジャの分極曲線によって表わすことができるため、Ｗ＝ｗ×ΔＶである。図６から下記のことが明らかである。すなわち、点３と点１とを相互に結ぶ矢印付きの線の湾曲とともに、点３と点１とを相互に結ぶ直線の一点鎖線より下の領域で表わされる仕事と比較して機械的な仕事が増加し、この線は「線形の」材料で作られたプランジャか、または不飽和な鉄および適切な空隙の、等価的な組合せを表わす。磁力Ｈの値が大きくなると、図７に示される図形は実際に長方形になる。したがって、表面飽和可能な突出極によって加えられる力は、点３と点１とを相互に結ぶ直線状の一点鎖線によって表わされる従来の磁気抵抗極によって加えられる力のおよそ２倍ともなり、従来の磁気抵抗極を表わすことが明らかである。表面飽和可能な突出極のさらなる利点は、オーバロード状況においても定格負荷とほぼ同じレベルに磁束を制限することであるため、オーバロード条件を満たすためにモータの他の磁気部分の寸法を増やす必要はない。上述のこの発明に従うモータのロータは表面に取付けられた永久磁石を有する永久磁石ロータの変形例であると認識することができ、各永久磁石の部分はそれから切断され、表面飽和可能な突出極と置換される。しかしながら飽和可能な突出極は同じサイズである必要はなく、置換する永久磁石の１片が占めるロータ表面上のスポットを正確に占有する必要はない。原則として永久磁極セクションと２つの隣接する表面飽和可能な突出極セクションのうちの一方により複合極が形成され、これは実際の永久磁石のものよりも大きなサイズの永久磁極の代わりに設けられる。隣接する表面飽和可能な突出極セクションのうちいずれが、ある永久磁極セクションと関連しているかと見なされるかは、ステータの巻線に流れる電流によって発生する磁界の波の方向、ステータの起磁力およびステータのＭＭＦに依存する。ステータのＭＭＦは原則として正弦波によって変化するが、その振幅および方向はステータの巻線に送られる電流によって決定し、これは周知の現象である。図５Ａには、どちらかといえば簡単に、この発明に従うモータの空隙に沿った磁束密度プロファイル（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）および（Ｄ）と、ステータの多相巻線によって発生するＭＭＦ波（Ｅ）とが示される。プロファイル（Ａ）および（Ｂ）はそれぞれ北極および南極の永久磁極セクションに対応する。プロファイル（Ｃ）および（Ｄ）はＭＭＦ波（Ｅ）によって磁化された表面飽和可能な突出極に対応する。プロファイル（Ａ）および（Ｃ）が共に、より大きな永久磁極のプロファイルに似ていることが明らかである。同じことはプロファイル（Ｂ）および（Ｄ）についてもいえる。比較のために図５Ｂには、２倍の大きさの永久磁極を有し飽和可能な突出極を有さないモータの磁束密度プロファイルが示される。図５Ａに関して、ステータのＭＭＦ波（Ｅ）が右方向に波長の約３分の１に対応する分だけシフトすると、永久磁極セクションの極性に影響を及ぼすことなく飽和可能なすべての突出極セクションの極性が反転されることがわかるだろう。ローラによって加えられる力は逆になる。ＭＭＦ波が右方向にシフトされる前の場合のようにプロファイル（Ｂ）および（Ｄ）ではなく、プロファイル（Ｂ）および（Ｃ）が共に、より大きな永久磁石のプロファイルに似ることとなる。この発明に従うロータによって発生するトルクは、それが置換する永久磁石ロータの場合とまさに同様に、ステータの巻線に流れる多相電流によって発生するＭＭＦ波の振幅および方向の両方に依存する。所与の振幅のＭＭＦ波については、ロータに対するその波の位置が決定的に重要である。図３の図にはこの関係がグラフで示される。図３に示されるようにロータ表面に沿って左右対称に極が配置される場合、有用な動作領域は約±６０の電気角度の角セグメントを包囲し、すなわち、その波の頂部が中間点と一致するときに、ステータのＭＭＦによって部分的に減磁されるようになる永久磁極セクションのほぼ中間点に集中する永久磁極セクションのピッチの±１／３の角セグメントを包囲する。ステータのＭＭＦ波がこの相対的な位置にある場合、すべての永久磁極セクションが同時にまたはほぼ同時に反作用する。モータがいわゆるベース速度までの速度で動作する場合、必要なトルクの方向に依存して図３の図の点１または点２に対応する方向のいずれかである、所与のステータのＭＭＦ波の振幅によって最大トルクが発生する以外の方向を、ステータのＭＭＦ波に与える理由はない。いずれの場合でもすべての永久磁極セクションは反発し、飽和可能な突出極セクションすべてはステータのＭＭＦ波によって引付けられ、これらの力はいずれも同じ方向に作用する。ベース速度は、モータの電力供給が依然としてモータの電流をその定格値に保つことができる最も高い速度であると定義される。このためベース速度はモータ自体の特性ではなく、モータおよび電流源に共通の特性である。モータがベース速度より高い速度で動作するとき、ステータのＭＭＦ波はモータの誘導電圧が低減するように方向付けられる必要があり、これはステータのＭＭＦ波を図３の図の点１および点２に対応する点の間の適切な点に方向付けることにより達成される。誘導電圧の低減はすべて、飽和可能な突出極セクションの存在により、それらなしでは定格電流で誘導電圧を大幅に低下されることは不可能であろう。所与のモータ速度およびステータのＭＭＦ波の振幅において、誘導電圧は、あるファクタだけ最大で低減され得る。この低減ファクタである弱め界磁比は、表面飽和可能な突出極セクションの寸法を増加させることと、および／またはたとえば表面飽和可能な突出極セクションの円周方向の長さを増加させ、これと同時に永久磁極セクションの、対応する寸法を減少させることにより、永久磁極セクションの寸法を減少させることとによって、増加され得る。この種の極配置が図４に示され、この図４には、永久磁極セクション１６Ａ間に、非対称的に配置された表面飽和可能な突出極セクション１７Ａがさらに示される。この実施例は、ポンプおよびファンなどの、常にまたは少なくともほとんどの時間にわたって１つのトルク方向を要する負荷を駆動するのに最も適する。この発明に従うモータではステータのＭＭＦによって残りの永久磁極セクションが幾分完全に反発されるため、表面飽和可能な突出極で代用することができない。それでもなお、対応するトルク能力を減少させるという犠牲のもとでそれらのサイズをさらに減少させることができる。次に挙がる自然な疑問点は、永久磁石がすべてなくなっても、有用なモータがもたらされるのか、という点である。答はイエスである。非常に堅牢なモータであるが、上記の永久磁極セクションおよび軟鉄極セクションが混合されて配置されたモータのトルク能力の半分より少ない能力を有し、同時にモータの外側部分のバックアイロン（ヨーク）の磁束が半径方向に減少される。これによりバックアイロンの断面積が減少し、ステータのボア直径がこれに対応して増加し、損失したトルク能力の一部分が回復し得る。この結果、モータは混合極ロータのものと比較すると依然として弱いが、ロータの損失もない。このようなモータは、他のタイプの突出極よりも表面飽和可能な突出極の方が勝っているため、公知の磁気抵抗モータよりも優れており、標準的な誘導モータのトルク能力にも達し得る。以上に述べたモータはモータの速度に関する情報で動作する必要がある制御可能な電力供給装置から電力供給される必要があり、このような情報はモータ端子でアクセス可能な測定された電圧および電流により速度を計算するシャフトセンナまたはシステムから引出される。さもなければ、モータはある速度を超えると不安定な不所望なハンティング（発振）に晒されることとなる。しかしながら、制御可能な電力供給装置を使用することなくモータを安定にすることが望まれる用途がある。この性質を有する典型的な用途は、モータが幹線に直接接続されるか、単一の電力供給装置によって複数のモータが電力を供給され、たとえば機械の種々の部分を同期して駆動するためにモータが機械的に相互接続されない場合である。たとえば籠型巻線の形態であるダンパ巻線を設けると、ロータ上に表面飽和が可能な極しか有さないモータが、共通の可変周波数電流供給装置から電力供給されるか、または幹線から直接電力供給される場合もあるグループにおいて動作することが可能となる。籠型巻線は、たとえば極間スペースに棒がおかれた、混合極ロータに適用することもできる。これにより、たとえば可変周波数インバータである共通の電流供給装置に混合極モータのグループが接続されることが可能となる。図８の図８Ａから図８Ｃには、図１に示されるロータの代わりに用いられ得る変形されたロータ１１２が示される。このロータ１１２では、軟磁極セクションが図２を参照して先に説明した「薄い」ラミネーション設計を有し、ロータもまたわずかに不均一に分散されたロータ極セクションを有し、これも図１には示されないが先に同様に説明した。さらに、ロータ１１２は永久磁極セクションの取付に関して図１および図２のロータとは異なる。ロータ１１２は電気鋼または他の軟磁性材料で作られた略円形の打抜かれた同心ラミネーション１１２Ａおよび１１２Ｂの積み重ねを含む。ラミネーション１１２Ｂと交互に配置されたラミネーション１１２Ａは上述の態様で短縮化されるため、ラミネーション１１２Ｂのようにステータの方には延びない。図８Ａには積み重ねられたこのような２つのラミネーション１１２Ａおよび１１２Ｂが示され、ラミネーション１１２Ｂは背後に位置付けられるためラミネーション１１２Ａによって大部分が隠された状態となる。図８Ｂはラミネーション１１２Ａの形状を示し、図８Ｃはラミネーション１１２Ｂの形状を示す。図８Ｃに最良に示されるように、各ラミネーション１１２Ｂの外周部分は円弧状の４つのセグメント１１２Ｃに分割され、これらの各々は円周の４分の１よりもわずかに短い距離だけ延びる。直径方向に対向する２つのセグメント１１２Ｃは、均一な断面を有する永久磁性棒１１６の断面形状に適合するような形状にされた単一の細長い開口１１２Ｄと、ラミネーション１１２Ａおよび１１２Ｂの積み重ねの長さまたは高さに対応する長さを有して形成される。直径方向に対向する他の２つのセグメント１１２Ｃの各々は２つの類似した開口１１２Ｄを有して形成される。したがって、各ラミネーション１１２Ｂには円周方向に間隔がおかれた６つの開口１１２Ｄが設けられる。後に説明するが、これらの開口の間隔は正確に均一ではない。ラミネーション１１２Ａおよび１１２Ｂの積み重ねが組立てられると、ラミネーション１１２Ｂのすべての開口１１２Ｄは積み重ねの軸方向に位置合わせされた状態となる。したがって、ラミネーションの積み重ねにより軸方向に延びる６つの通路またはトンネルが規定され、この中には６つの永久磁性棒１１６が摺動されてロータの永久磁極セクションを形成し、かつその中に閉じ込められた状態で保持されるようになる。図８から容易に認められるように、隣接する永久磁性棒または極セクション１１６の間に置かれたセグメント１１２Ｃの部分により、図１および図２に示されるモータの極セクション１７に対応する軟磁極セクション１１７が形成される。開口１１２Ｄの外側にある円周方向に延びる細長い円弧状のストリップ１１２Ｅおよびセグメント１１２Ｃの残りの部分、すなわち軟磁極セクション１１７を形成するセグメント部分は、介在するラミネーション１１２Ａの厚さに対応する軸方向の幅を有するギャップによって軸方向に隔てられる。なぜなら、図８Ａおよび図８Ｂに示されるように、ラミネーション１１２Ａは永久磁性棒１１６の下側または半径方向の内側を超えてまでは延びないからである。このため、永久磁性棒１１６を収容するトンネルまたは通路の「屋根部」を形成するストリップ１１２Ｅおよびセグメント１１２Ｃの他の部分、すなわち軟磁極セクションは、図２を参照して説明したようにまばらにラミネートされるかまたは「薄く」される。このように薄くし、その結果として生じる飽和磁束密度の低下によって得られる上述の好都合な効果もまた、図８に示されるロータ１１２に見られる。永久磁極セクション１１６を収容し保持するための、図８の図８Ａから図８Ｃに示される構造は他の点でも好都合である。ロータ１１２には永久磁極セクション１１６を定位置に保持するためにロータのまわりに非磁性均圧化(ストラッピング)手段または他の非磁性手段を与える必要がないため（このような均圧化手段または他の手段は空隙を不可避に増加させ、すなわちステータと軟磁極セクションとの間にある空気および非磁性保持手段によって占有されるステータとロータとの間のスペースを増加させる）、図８の図８Ａから図８Ｃに示されるロータ設計がトルクの増加に寄与する。さらに、この設計によるとコスト面でも効率よく簡単にロータを製造することが可能となる。この設計によりさらに、極セクションの間隔を不均一にすることが簡単な態様で可能になり、永久磁極セクションがステータの歯部と相互作用し、ステータの巻線が消磁されたときにロータをステータに磁気的にロックする保留トルクを発生するという傾向から生じる、ロータのいわゆる磁気抵抗コギングが最小になる。図８の図８Ａから図８Ｃに示されるロータでは、軟磁極セクション１１７および永久磁極セクション１１６の両方が、ロータ軸を含む垂直面Ｖおよび水平面Ｈの両方に関して対称的に位置付けられる。いずれのタイプでも６つの極セクションがあるため、各タイプの極セクションの間隔を完全に均一にすることは、似たタイプの極セクションの角間隔を６０°にすることを意味する。軟磁極セクション１１７の間隔を不均一にすることは、水平面Ｈに最も近い、ロータの上半分の２つの極セクション１１７と、水平面に最も近い、ロータの下半分の２つの極セクション１１７を２．２２°だけ、均一な間隔に対応する位置からその面に向けて対称的にずらして配置し、これらの４つの極セクションの各々が、水平面Ｈに対して２７．７８°の角をなす半径方向の線上に集中するようにすることにより行われる。同様に、永久磁極セクション１１６の間隔を不均一にすることは、上の２つの、お．よび下の２つの永久磁極セクションを２．２２°だけ、均一な間隔に対応する位置から垂直面Ｖに向けて対称的にずらして配置し、これらの４つの極セクションの各々が、垂直面に対して２７．７８°の角をなす半径方向の線上に集中させるようにすることにより行なわれる。上述の不均一な間隔はもちろん、ステータ１１の歯部１１Ｃの数が２７である、図１に示されるステータに好ましい一例にすぎない。２．２２°のずれはステータの歯部のピッチの６分の１（３６０°：２７）に対応し、低速度での動作におけるトルクの変動を最小にし、保留トルクも最小にし、これにより高性能のサーボモータの場合でもステータスロットの傾斜およびそれに伴う製造上の複雑さをなくすようにする。回転モータの代替的な実施例関連する巻線手段を備えたステータとロータとを含む回転モータは、円筒形、円錐形およびディスク状などの空隙を有してもよく、原則として静止軸を中心に母面が描き得るいかなる形状の面を有してもよい。軸方向または円錐形の空隙面を有するモータは、巻線手段を備えた２つのステータ部分と、ステータ部分間に置かれ、ステータによって形成された空隙に面する両側に極を有するロータとを含んでもよい。ロータは磁束リターン経路（ヨーク）を備える必要はない。このタイプのモータの変形例は、関連した巻線手段を備え、他の２つのステータ部分間に置かれ、かつ２つの側に空隙面を有する第３の静止ステータ部分を備えてもよい。共通シャフト上の２つのロータ部分は２つのステータ部分のすべての間の２つのスペース間に配置される。第３のステータ部分は磁束リターン経路（ヨーク）を備える必要はない。このようなモータはまた、第３のステータ部分に類似する第４のステータ部分と第３のロータ部分とを備え、モータは２つの磁束リターン経路しか有さないが６つの空隙を有するようにしてもよいことを理解されたい。この一方で従来のモータ設計では、１つがステータ部分上にあり、１つがロータ部分上にある２つの磁束リターン経路はすべての空隙と関連する。マルチロータモータを構成する上述の原理は選択された任意の数のロータにまで及び得ることを理解されたい。

【手続補正書】【提出日】平成１１年６月１１日（１９９９．６．１１）【補正内容】【図５】【図８】

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】い。

Claims

【特許請求の範囲】１．電気機械であって、列に配置された複数の歯部（１１Ｃ）を有する強磁性の第１の部分（１１）と、前記第１の部分の歯部（１１Ｃ）の列と対面し、かつ空隙（１８）によって前記歯部の列から隔てられた極列に配置された複数の極（１６，１７；１１６，１１７）を有する強磁性の第２の部分（１２；１１２）と、前記第１および第２の部分（１１，１２；１１２）を支持して前記空隙に沿って相対的に移動させるための軸受手段と、前記第１の部分（１１）に関連し、前記空隙（１８）に沿って連続して移動する多極性の磁界を発生し、前記空隙を介して前記第１および第２の部分（１１，１２；１１２）を結合するための巻線手段（１５）とを含み、前記移動する磁界は偶数の極と、前記第２の部分の極列の極ピッチに対応する極ピッチとを有し、前記第２の部分（１２；１１２）の極列の少なくともいくつかの極の少なくとも１つのセクションは軟磁性突出極をなし、前記軟磁性突出極のうち前記空隙（１８）に沿った長さの少なくとも一部分は、前記空隙に面するその表面に飽和磁束密度を有し、前記飽和磁束密度は、前記第１の部分（１１）の歯部の列の歯部（１１Ｃ）の磁気飽和を引起す前記空隙の磁束密度よりも高くないことを特徴とする、電気機械。２．電気機械であって、列に配置された複数の歯部（１１Ｃ）を有する強磁性の第１の部分（１１）と、前記第１の部分（１１）の歯部の列に対面し、空隙（１８）によって前記歯部の列から隔てられた極列に配置された複数の永久磁極（１６；１１６）を有する強磁性の第２の部分（１２；１１２）と、前記第１および第２の部分（１１，１２；１１２）を支持して、前記空隙に沿って相対的に移動させるための軸受手段と、前記第１の部分（１１）に関連し、前記空隙（１８）に沿って連続して移動する多極性の磁界を発生し、前記空隙を介して前記第１および第２の部分を結合させるための巻線手段（１５）とを含み、前記移動する磁界は偶数の極と、前記第２の部分（１２；１１２）の極列の極ピッチに対応する極ピッチとを有し、前記第２の部分（１２；１１２）の極列のうち少なくとも１つの極であって、好ましくは偶数の極の各々が、永久磁極セクション（１６；１１６）と、隣接した軟磁性突出極セクション（１７；１１７）とを含み、前記軟磁性突出極セクション（１７；１１７）のうち前記空隙（１８）に沿った長さの少なくとも一部分が、前記空隙に面するその表面に飽和磁束密度を有し、前記飽和磁束密度は、前記第１の部分（１１）の歯部の列の前記歯部（１１Ｃ）の磁気飽和を引起す前記空隙の磁束密度よりも高くないことを特徴とする、電気機械。３．前記空隙（１８）に沿って測定される、前記軟磁性突出極（１７；１１７）または軟磁性突出極セクション（１７；１１７）の長さが、前記第２の部分（１２；１１２）の極列の極ピッチの約半分よりも大きくないことを特徴とする、請求項１または２に記載の電気機械。４．前記飽和磁束密度が、前記軟磁性突出極（１７；１１７）または軟磁性突出極セクション（１１７）の領域に存在し、前記空隙（１８）を横切る方向に測定される前記極または極セクションの長さは、少なくともおよそ前記空隙の幅である、請求項１から３のいずれかに記載の電気機械。５．前記第２の部分（１２；１１２）が、前記空隙（１８）に対して垂直である軟磁性材料を含む複数のラミネーション（１２Ａ，１２Ｂ；１１２Ａ，１１２Ｂ）を含み、前記空隙（１８）に面する前記軟磁性突出極（１７；１１７）または軟磁性突出極セクション（１７；１１７）の表面領域は複数の局所的な窪みを有し、前記複数の局所的な窪みは、前記空隙（１８）に隣接した前記極（１７；１１７）または極セクション（１７；１１７）の断面積を減少させるか、またはマトリックスに実質的に均一に分配された複数の軟磁性粒子またはフレークをもたらす、請求項１から４のいずれかに記載の電気機械。６．前記永久磁極セクション（１６Ａ）は、前記空隙（１８）の長さに沿って前記軟磁性突出極セクション（１７Ａ）間に非対称的に位置付けられ、好ましくは、前記１対の軟磁性突出極セクション（１７Ａ）および介在する永久磁極セクション（１６Ａ）を含む各グループにおいて、前記永久磁極セクションが前記軟磁性突出極セクション間の中央位置から、好ましいトルク発生方向にオフセットされて配置される、請求項２に記載され、かつ請求項２に従属したときにクレーム３から５のいずれかに記載される電気機械。７．前記第２の部分（１１２）は、前記空隙（１８）に対して垂直な軟磁性材料を含む複数の第１のタイプおよび第２のタイプのラミネーション（１１２Ａ，１１２Ｂ）を含み、前記第２のタイプのラミネーション（１１２Ｂ）の間には前記第１のタイプのラミネーション（１１２Ａ）が介在し、前記第２のタイプのラミネーション（１１２Ｂ）の各々の外周領域（１１２Ｃ）は複数のアパーチャ（１１２Ｄ）を有し、前記各アパーチャは、前記第２のタイプの他のラミネーション（１１２Ｂ）の、対応するアパーチャと軸方向に整列し、前記永久磁極セクション（１１６）の１つを受けるための、軸方向に延びるキャビティを形成し、前記第２のタイプのラミネーション（１１２Ｂ）の前記外周領域（１１２Ｃ）は、前記第１のタイプのラミネーションを超えるまで半径方向に延び、前記キャビティ間にある前記外周領域（１１２Ｃ）の部分は、前記軟磁極セクション（１１７）を形成することを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の電気機械。