JP2004516780A - ユニポーラ横磁束電動機 - Google Patents

Abstract

ユニポーラ横磁束電動機において、モジュール形式の構造に関して、回転子モジュール（１５）は、軸方向に離して取り付けられた、それぞれ各自の外周全体にわたって歯の付いた２つの同軸強磁性回転子リング（１６，１７）と、前記回転子リング（１６，１７）の間に嵌め込まれ、前記回転子軸方向に単極磁化した永久磁石リング（１８）とを有しており、固定子モジュール（１４）は、外周方向に磁極ピッチ（τ）だけ互いにずらして配置され且つヨークの２つの突起部が空隙を挟んで前記２つの回転子リングと対面している、前記歯の数の２倍に相当する数のヨーク状の固定子極（２４，２５）と、環状コイル（２３）とを有している。電動機のトルクに含まれている高調波成分を低減するために、同じ数の固定子極（２４，２５）を有する少なくとも１対の固定子極グループ（１３１〜１３４）が形成されており、該固定子極グループは、電気角α＝１８０°／νだけ互いにずれている。ただし、ここで、νはトルクに含まれている抑制される高調波の順序数である。

Description

【０００１】
技術の状況
本発明は請求項１の上位概念によるユニポーラ横磁束電動機に基づく。
【０００２】
事前公開されていないＤＥ １００ ３９ ４６６．３で提案されているこの種のユニポーラ横磁束電動機は、モジュールによる簡単な構成という利点を有している。このモジュール式の構成では、それぞれ１つの固定子モジュールと１つの回転子モジュールとから構成されたモジュールユニットの数が多いほど、電動機の回転が改善される。１段式及び２段式電動機、つまり１つ又は２つのモジュールユニットを有する電動機では、トルク経過は著しいうねり、いわゆるトルクリプルを示す。
【０００３】
回転ディスクを備えたマイクロステップモータ（ＵＳ ４ ６２９ ９１６）では、対称的な磁極グループの位置をシフトすることにより、所定の高調波に関する高調波成分を低減又は完全に抑制することが公知である。電気角で表されるシフト量αが、どの高調波又は倍振動が抑制されるかを決定する。なお、シフト量αは関係式α＝π／νに従う。ただし、νは抑制される高調波の順序数である。
【０００４】
公知の同種のマイクロステップモータ（ＤＥ ３７ １３ １４８ Ａ１）では、まず固定子極の半径方向の中心線が互いに電気角で３６０°だけ離れており、これにより最良の効率が達成される。しかし同時に、これにより、高調波又は倍振動又は倍音に由来するトルク成分の最大化も生じてしまう。高調波成分を低減するために、今度は、固定子極が磁極ピッチにより定められた中心線に対して個々に異なる量だけシフトされる。その際、個々の位置に対するシフトの効果が計算されるが、それも特に、出力トルクへの影響、すなわち発生トルクの基本波及び高調波成分の量への影響を考慮して計算される。
【０００５】
発明の利点
本発明によるユニポーラ横磁束電動機の利点は、請求項１による固定子極グループの対称的なシフトにより、及び、請求項３による各々１つの磁気回路に属する個々の固定子極対の非対称的なシフトにより、トルクに含まれている高調波成分が大幅に低減され、それにより、１つ又は２つのモジュールユニットしか備えていないユニポーラ横磁束電動機でもかなり良好な回転が達成されることである。固定子極グループの対称的シフトには、ｎを整数として２^ｎの関係を満たす数の固定子極が必要であるのに対して、固定子極対の非対称的シフトは固定子極の数が偶数であればよい。
【０００６】
他の請求項において実施されている措置により、請求項１に示されているユニポーラ横磁束電動機の有利な発展形態及び改良形態が可能である。
【０００７】
図面
本発明は図面に示された実施例に基づいて以下の記述においてより詳細に説明される。
【０００８】
図１は、２段式３２極ユニポーラ横磁束電動機の断片の透視図を部分的に図式化したものである；
図２は、図１によるユニポーラ横磁束電動機のモジュールユニットの概略的な平面図である；
図３は、図２の固定子モジュール内の固定子極グループのシフトを説明するための配置図式である；
図４は、図３による電動機内に形成された４つの固定子グループのトルク経過を３６０°の電気角にわたって示したグラフである；
図５は、発生する合モーメントのグラフを固定子極グループがシフトされない場合の電動機のグラフと比較したものである；
図６及び７は、それぞれ図５のトルクの振幅スペクトルのうちの１つを示すグラフである；
図８は、ユニポーラ横磁束電動機の別の実施例を説明するための、図２と同様の図である；
図９は、固定子極対のシフトを説明するための、図８による固定子モジュール内の固定子極の配列図である；
図１０は、全部で１６の固定子極グループ対のうちの３つの固定子グループのトルク経過のグラフである；
図１１は、図１０の発生する合モーメントのグラフを固定子極対がシフトされない場合のトルクと比較したグラフである；
図１２は、図１１の発生する合モーメントの振幅スペクトルのグラフである。
【０００９】
実施例の説明
図１には、２段式３２極ユニポーラ横磁束電動機の断片が透視図で示されている。このユニポーラ横磁束電動機は電動機ハウジング１０を有しており、この電動機ハウジング１０には、固定子１１及びこの固定子を中心として回転する同軸回転子１２が保持されている。また回転子１２は、電動機ハウジング１０内に取り付けられた回転子シャフト１３に回転固定されている。回転子１２は２つの回転子モジュール１５を有しており、固定子１１は同じ数の固定子モジュール１４を有している。回転子モジュール１５は、軸方向に前後して回転子シャフト１３に直に回転固定されており、固定子モジュール１４は、対応する回転子モジュール１５に対して半径方向に整列されて軸方向に前後して電動機ハウジング１０に固定されている。ここでは、ユニポーラ横磁束電動機は２段式で実施されているが、固定子モジュール１４と回転子モジュール１５とから成るモジュールユニットを除去又は付加することにより、容易に１段式又は３段式以上で構想することもできる。
【００１０】
回転子モジュール１５は歯の付いた２つの強磁性同軸回転子リング１６，１７から成っており、これら２つの回転子リング１６，１７は、回転子シャフト１３に回転固定されており、回転子リング１６，１７の間には永久磁石リング１８が嵌め込まれ、半径方向、つまり回転子軸又は固定子軸１９の方向に単極に磁化している。各々の回転子リング１６，１７の外周には、回転子軸１９から離れる方向に一定の歯ピッチで歯が付けられており、そのため、歯溝２１によって互いに分離された各々の歯２２により形成された歯列は、互いに同じ回転角間隔を有する。回転子リング１６の歯２２と回転子１７の歯２２は半径方向に互いに整列している。回転子リング１６，１７及びこれらに一体化して形成された歯２２は、貼合せ加工されており、有利には、軸方向に互いに隣接する同じ打抜板金の断片から構成される。
【００１１】
半径方向に空隙を挟んで同心的に回転子モジュール１５を囲む固定子モジュール１４は、回転子軸１９と同軸に配置された環状コイル２３と、環状コイル２３に沿って重なり合うＵ形のヨーク状固定子極２４，２５とを有している。固定子極２４，固定子極２５、及び回転子１２の歯２２を介して、それぞれ１つの磁気回路が閉じている。ここで、固定子極２４のヨーク突起部は環状コイル２３と重なり合っており、固定子極２５のヨークブリッジ部分は半径方向に環状コイル２３の下にある。そのために、固定子極２４は長いヨーク突起部を有し、固定子極２５は短いヨーク突起部を有している。同様に貼合せ加工により打抜板金から板金束へとまとめられた固定子極２４，２５は、ここでは、回転子モジュール１５の歯ピッチの半分に相当する磁極ピッチτで電動機ハウジング１０に固定されている。固定子極２４，２５は、それぞれ一方のヨーク突起部が対応する回転子モジュール１２の一方の回転子リング１６と半径方向に整列され、他方のヨーク突起部が他方の回転子リング１７と半径方向に整列されるように、配置されている。ただし、磁極面を形成する、ヨーク突起部の自由端面は、半径方向の空隙を挟んで回転子リング１６又は１７と対面している。
【００１２】
図１に示されているように、２段式ユニポーラ横磁束電動機の実施形態においては、電動機ハウジング１０内で軸方向に隣接して配置された、２つのモジュールユニットの２つの固定子モジュール１４は、電気角で９０°だけ互いに捩れている。これは磁極ピッチτの半分に相当する。それゆえ、図１に示されている３２極電動機の実施形態では、オフセット角は空間的には回転方向に５．６２５°となる。択一的には、２つの固定子モジュール１４を軸方向に互いに整列するように調整し、回転子シャフト１３に固定された回転子モジュール１５を上記９０°の電気角又は５．６２５°の空間的角度で互いに捩るようにすることも可能である。
【００１３】
図１による２段式電動機の回転を改善するために、いわゆるトルクリプルにおいて発生する電動機で取り出し可能な合成トルクに含まれている高調波成分を低減又は必要な規模で抑制するための措置が講じられる。以下では、これらの措置を図２において平面図で示されているようなモジュールユニットに基づいて説明する。図１に示されている第２のモジュールユニットも同様に変更される。
【００１４】
図２に概略的に示されているように、各々の固定子モジュール１４内にある２^ｎ個の固定子極２４，２５から、同じ個数の固定子極２４，２５を有する多数の同じ固定子極グループ１３１〜１３４が形成される。ただしここで、ｎ＝５である。図２の実施例では、それぞれ８個の固定子極２４，２５を有する４つの固定子極グループ１３１〜１３４が形成されている。原則的に、固定子極グループの数はｋ＝２^ｍである。ただし、ｍはトルクに含まれている抑制される倍振動の数である。これらｋ個の固定子極グループは、ｍ・ｋ／２個の固定子極グループ対を形成する。ただし、各々の固定子極グループ１３１〜１３４はｍ個の対に属している。固定子極グループ対に属する固定子グループは、電気角α＝１８０°／νだけ互いにシフトされている。ここで、νはトルクに含まれている抑制されるべき高調波の順序数である。
【００１５】
図２〜７で扱われている実施例では、補償されていない電動機のトルクの振幅スペクトルが、モジュールユニットの発生トルクに実質的なトルクリプルをもたらす第３及び第５高調波の振幅を明らかに示している。ここで、補償されていない電動機とはすなわち、固定子極グループがシフトされておらず、すべての固定子極２４，２５が磁極ピッチτで対称的に配置されている、図１で実施されているような電動機である。同様にトルクに含まれている第２高調波は顕著ではない。というのも、第２高調波は、電動機が２段式であること及び２つのモジュールユニットを互いに電気角で９０°だけずらすことにより、電動機の合成トルクには現れないからである。第３及び第５高調波を補償するために、前述した図２の実施例において実施されている形態に従って、全部で３２個ある固定子極２４，２５から４つの同じ固定子極グループ１３１〜１３４が形成されている（ｍ＝２，ｋ＝２^２＝４）。図３に図解されているように、これら４つの固定子極グループ１３１〜１３４から４つの固定子極グループ対（ｍ・ｋ／２＝２・２＝４）が生じる。これら４つの対は、固定子極グループ１３１＋１３２、固定子極グループ１３３＋１３４、固定子極グループ１３１＋１３３、及び固定子極グループ１３２＋１３４である。固定子極グループ対１３１，１３２及び１３３，１３４では、固定子極グループ１３１と１３２、又は、１３３と１３４は、電気角で３６°だけ互いにシフトされており（ν＝５，α＝１８０°／ν＝３６°）、一方、固定子極グループ対１３１，１３３及び１３２，１３４では、固定子極グループ１３１と１３３、又は、固定子極グループ１３２と１３４は、電気角で６０°だけ互いにシフトされている（ν＝３，α＝１８０°／ν＝６０°）。これにより、図２に示されているように、固定子極グループ１３１に対して、固定子極グループ１３２は電気角で３６°だけシフトし、固定子極グループ１３３は電気角で６０°だけシフトし、固定子極グループ１３４は電気角で９６°だけシフトする。
【００１６】
図４には、４つの固定子極グループ１３１〜１３４のトルク経過が３６０°の電気角にわたって示されている。ここで、曲線ａは固定子極グループ１３１のトルク経過を示し、曲線ｂは固定子極グループ１３２のトルク経過を示し、曲線ｃは固定子極グループ１３３のトルク経過を示し、曲線ｄは固定子極グループ１３４のトルク経過を示している。図１１には、これらの曲線ａ，ｂ，ｃ，ｄの加算から生じる、モジュールユニットの合モーメントがｅで示されている。これに対して、曲線ｆは、固定子極２４，２５がシフトされていない場合のモジュールユニットの合モーメントを示している。見て明らかなように、すでに説明した固定子極グループ１３１〜１３４の対称的なシフトにより、トルク経過はほぼ正弦波状である。ただし、トルクはおよそ２５％減少している。図６に示されている、図５の曲線ｅによるトルクの振幅スペクトルは、モジュールユニットが補償されていない場合（図７）にも存在する第３及び第５高調波がほぼ完全に抑制されていることを示している。
【００１７】
３２極ユニポーラ横磁束電動機において３つの高調波又は倍振動を抑制したいならば、３２個の固定子極２４，２５を全部で８つの固定子極グループに分割しなければならない。ただし、各々の固定子極グループは、互いに磁極ピッチτだけずらした４つの固定子極２４，２５を有している。これら８つの固定子極グループは交互に全部で１２の固定子極グループ対に属する。トルクに含まれている第３及び第５高調波ならびに例として第９高調波を抑制したい場合には、それぞれ、４つの固定子極グループ対において２つの固定子極グループを互いに電気角で２０°（α＝１８０°／９＝２０°）だけシフトし、４つの固定子極グループ対において２つの固定子極グループを互いに電気角で３６°だけシフトし、４つの固定子極グループ対において２つの固定子極グループを互いに電気角で６０°だけシフトする。
【００１８】
図８〜１２には、図１による補償されていないユニポーラ横磁束電動機における高調波成分を低減する第２の方式が図解されている。ここでは、固定子極グループの対称的なシフトは行われず、それぞれ１つの磁気回路を形成する個々の固定子極対の非対称的シフトが行われる。固定子極２４，２５のこのシフトの仕方は若干数の固定子極２４，２５を必要とする。なお、この固定子極の数はただ偶数でありさえすればよく、ｎを整数として条件２^ｎを満たす必要はない。こうして、例えば、５０極又は３６極のユニポーラ横磁束電動機のトルクに含まれている高調波成分抑制を行うことができる。そのうえ、この補償の仕方では、望みの高調波は、完全には抑制されず、合成トルクにおいてもはや感じられないほどの所望の量に低減される。。同様に、高調波の補償に不可避的に伴う基本振動振幅の低下を所望の値に制限することもできる。
【００１９】
固定子極対の非対称的シフトを説明するために、図８に再び３２個の固定子極２４，２５を有するモジュールユニットが概略的に示されている。このモジュールユニットでは、すべての固定子極２４，２５が互いに磁極ピッチだけずらして配置されている。固定子極２４と固定子極２５とで、そのつど１つの固定子極対１３５を形成している。補償されていない電動機のトルクに含まれている１つ又は複数の望みの高調波を低減するために、１つの固定子極対又は複数の固定子極対１３５が電気角βだけこれらの固定子極対の対称的な磁極ピッチからシフトされる。その際、角度βの大きさは、各々の固定子極対１３５により生じるトルクの基本振動が所定の上限値よりも大きく、かつ、選択された倍振動に由来するトルク成分が所定の上限値を上回らないように、計算される。この場合、上限は、例えば、倍振動又は高調波の振幅が、補償されていない電動機における基本振動振幅の３％よりも小さく、さらに、基本振動振幅が、補償されていない電動機における基本振動振幅の９０％よりも小さくならないように、決定されている。さまざまな角度βでシフトされた個々の固定子極対３５のトルクを計算する際、組合せ論の公式
【００２０】
【数１】

【００２１】
を満たす多数の解が存在する。ただし、ここで、Ｎ_Ｐは固定子極２４，２５の数であり、Ｎ_Ｗは可能な角度位置の数である。この可能な解の数Ｎ_ｇｅｓから、前記上限を満たす解がフィルタアウトされる、つまり、高調波の振幅、有利には第３及び第５高調波の振幅を同時に３％未満に減少させたときに、少なくとも９０％基本振動振幅が生じる。
【００２２】
図８から１２において図解されている、３２極ユニポーラ横磁束電動機の実施例では、これらの可能な解はつぎの通りである：７つの固定子極対１３５に対しては電気シフト角度β＝０°、５つの固定子極対１３５に対しては電気シフト角度β＝３６°、４つの固定子極対１３５に対しては電気シフト角度β＝６０°。一様な磁極ピッチτに対する固定子極対１３５のこのシフトは、図９に示されている。これによれば、列の最初の７つの固定子極対１３５はシフトされず、したがって、補償されていない電動機の場合のような対称的位置を維持しており、つぎの５つの固定子極対１３５は対称的な磁極ピッチτに対して電気角で３６°だけシフトされ、その後の４つの固定子極対１３５は対称的な磁極ピッチτに対して電気角で６０°だけシフトされる。シフトされない７つの固定子極対１３５の加算されたトルク経過は、図１０のグラフにおいて、曲線ｇによって示されており、電気角で３６°だけシフトされる５つの固定子極対１３５の加算されたトルク経過は曲線ｈによって示されており、電気角で６０°だけシフトされる４つの固定子極対１３５の加算されたトルク経過は曲線ｉによって示されている。モジュールユニットの発生トルクは図１１の曲線ｋにより表されている。比較のために、図１１には、補償されていない電動機のトルク経過の曲線ｆが記入されている。再び、トルクが非常に強く正弦波形に同化しているのが見られる。図１２のトルクの振幅スペクトルは、第３及び第５高調波の振幅が補償されていない電動機の場合（図７参照）よりも非常に小さく、補償されていない基本振動振幅の３％に満たないことを示している。さらに、このトルクの振幅は、補償されていない電動機のトルクの振幅の９０％より下に減少していない。
【００２３】
ここでも、モジュールユニットのトルクにまだ存在している第２高調波（図１２）は気づかれない。というのも、第２高調波は、すでに上で述べたように、第２のモジュールユニットの９０°シフトにより大幅に補償されるからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
２段式３２極ユニポーラ横磁束電動機の断片の透視図を部分的に示す。
【図２】
図１によるユニポーラ横磁束電動機のモジュールユニットの概略的な平面図を示す。
【図３】
図２の固定子モジュール内の固定子極グループのシフトを説明するための配置図式を示す。
【図４】
図３による電動機内に形成された４つの固定子グループのトルク経過を３６０°の電気角にわたって示したグラフである。
【図５】
発生する合モーメントのグラフを固定子極グループがシフトされない場合の電動機のグラフと比較したものである。
【図６】
図５のトルクの振幅スペクトルのうちの１つを示すグラフである。
【図７】
図５のトルクの振幅スペクトルのうちの１つを示すグラフである。
【図８】
ユニポーラ横磁束電動機の別の実施例を説明するための、図２と同様の図である。
【図９】
図固定子極対のシフトを説明するための、図８による固定子モジュール内の固定子極の配列図を示す。
【図１０】
全部で１６の固定子極グループ対のうちの３つの固定子グループのトルク経過のグラフである。
【図１１】
図１０の発生する合モーメントのグラフを固定子極対がシフトされない場合のトルクと比較したグラフである。
【図１２】
図１１の発生する合モーメントの振幅スペクトルのグラフである。

Claims (8)

1. 回転子軸を中心として回転可能な回転子（１２）と、該回転子（１２）を囲む、前記回転子軸と同心の固定子（１１）とを備えたユニポーラ横磁束電動機であって、
   前記回転子（１２）は少なくとも１つの回転子モジュール（１５）から成っており、
   前記回転子モジュール（１５）は、２つの同軸強磁性回転子リング（１６，１７）と永久磁石リング（１８）とから構成されており、
   前記２つの回転子リング（１６，１７）は、軸方向に離して取り付けられており、それぞれ各自の外周全体にわたって歯が付いており、
   前記永久磁石リング（１８）は前記回転子リング（１６，１７）の間に嵌め込まれ、前記回転子軸方向に単極に磁化しており、
   前記固定子（１１）は、各回転子モジュール（１５）に割当てられた少なくとも１つの固定子モジュール（１４）から成っており、
   前記固定子モジュール（１４）は、前記歯の数の２倍に相当する数の有利には貼合せ加工されたヨーク状の固定子極（２４，２５）と、前記回転子軸と同軸に配置された、前記固定子極（２４，２５）内に磁束を発生させるための環状コイル（２３）とを有しており、
   前記固定子極（２４，２５）は外周方向に磁極ピッチ（τ）だけ互いにずらしてあり、ヨークの２つの突起部が空隙を挟んで前記２つの回転子リングと対面している形式のユニポーラ横磁束電動機において、
   各固定子モジュール（１４）において、前記固定子極（２４，２５）の数は２^ｎであり、ただし、ｎは整数であり、
   同じ数の固定子極（２４，２５）を有する少なくとも１対の固定子極グループ（１３１〜１３４）が形成されており、該固定子極グループは、電気角α＝１８０°／νだけ互いにシフトされており、ただし、νはトルクに含まれている抑制される高調波の順序数である、ことを特徴とするユニポーラ横磁束電動機。
2. トルクに含まれている抑制される高調波の数がｍであるとき、ｋ＝２^ｍ個の同じ固定子極グループ（１３１〜１３４）が、ｍ・ｋ／２個の固定子極グループ対（１３１／１３２，１３３／１３４，１３１／１３３，１３２／１３４）を形成し、各々の固定子極グループ（１３１〜１３４）は、電気的シフト量（α）の異なるｍ個の対に属する、請求項１記載のユニポーラ横磁束電動機。
3. 各々の固定子モジュール（１４）は整数個の固定子極（２４，２５）を有しており、
   磁極ピッチ（τ）だけ互いにずらされた、磁気回路に属する少なくとも１対の固定子極（２４，２５）は、モジュールユニットの発生トルク出力に含まれている基本波の振幅が所定の上限値よりも大きく、かつ、選択された少なくとも１つの高調波の振幅が所定の上限値を越えないように、対称的な磁極ピッチ（τ）から角度（β）だけシフトされている、請求項１記載のユニポーラ横磁束電動機。
4. トルクに含まれている高調波の振幅の上限値は、固定子極（２４，２５）が磁極ピッチ（τ）だけずらして対称的に配置されている場合の基本波振幅の必要パーセンテージよりも低い、請求項３記載のユニポーラ横磁束電動機。
5. 基本波振幅の上限値は、固定子極（２４，２５）が磁極ピッチ（τ）だけずらして対称的に配置されている場合の基本波振幅の必要パーセンテージよりも高い、請求項３又は４記載のユニポーラ横磁束電動機。
6. 複数の固定子極対（２４，２５）は少なくとも１つの同じ角度（β）だけずらしてある、請求項３から５のいずれか１項記載のユニポーラ横磁束電動機。
7. シフト角（β）の計算がただ１つの固定子モジュール（１４）に対して実行される、請求項３から６のいずれか１項記載のユニポーラ横磁束電動機。
8. 前記固定子（１１）は、軸方向に隣接して配置された２つの同じ固定子モジュール（１４）を有しており、
   関連する２つの回転子モジュール（１５）は軸方向に互いに隣接して回転子シャフト（１３）に回転固定されており、
   固定子モジュール又は回転子モジュール（１４，１５）は互いに対して９０°ねじれている、請求項１から６のいずれか１項記載のユニポーラ横磁束電動機。