JP2005529575A - Rotating permanent magnet type electric motor with varying air gap between interacting stator and rotor elements - Google Patents
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Abstract
永久磁石モータは、相互作用する対をなすロータ永久磁石とステータ磁極との間の、該対の周方向長さに沿った半径方向距離の選択的変化を有するように構成される。全体的なトルク特性に対するコギングトルクの影響は、適切なエアギャップ変化プロフィールを設定することによって制御可能である。ステータ磁極及びロータ磁石表面は、互いに傾斜させられ、それらの間の角度は、所望のコギングトルク補償を得るように選択される。他のエアギャップ変化プロフィールは、凹形表面を設けることを含み、その凹形度は選択可能である。The permanent magnet motor is configured to have a selective change in the radial distance along the circumferential length of the pair of interacting paired rotor permanent magnets and stator poles. The effect of cogging torque on the overall torque characteristics can be controlled by setting an appropriate air gap change profile. The stator pole and rotor magnet surfaces are tilted with respect to each other, and the angle between them is selected to obtain the desired cogging torque compensation. Other air gap change profiles include providing a concave surface, the degree of concave being selectable.
Description
本発明は、回転電動モータ、より具体的には、相互作用するロータ永久磁石及びステータ磁極間の半径方向エアギャップの寸法が変化する永久磁石モータに関する。 The present invention relates to a rotary electric motor, and more particularly to a permanent magnet motor in which the dimension of the radial air gap between the interacting rotor permanent magnet and the stator pole varies.
(関連出願)
本出願は、全てが、本発明と同じ譲受人に譲渡された出願継続中の2000年5月16日付けのPyntikov他の米国特許出願第09/571,174号、出願継続中の2001年4月5日付けのMaslov他の米国特許出願第09/826,423号、出願継続中の2001年4月5日付けのMaslov他の米国特許出願第09/826,422号、2001年10月1日付のMaslov他の米国特許出願第09/966,101号、出願継続中の2002年2月7日付けのMaslov他の米国特許出願第10/067,305号、出願継続中の2002年6月4日付けのMaslov他の米国特許出願第10/160,257号、及び出願継続中の2002年6月4日付けのMaslov他の米国特許出願第10/160,254号に関連する主題を含む。これらの特許出願の開示内容は、引用によりここに組み入れる。
(Related application)
No. 09 / 571,174, Pintikov et al., Filed May 16, 2000, filed on May 16, 2000, all assigned to the same assignee as the present invention. Maslov et al., US patent application Ser. No. 09 / 826,423, dated May 5, Maslov et al., US patent application Ser. No. 09 / 826,422, dated Apr. 5, 2001, October 1, 2001 Maslov et al., US patent application Ser. No. 09 / 966,101, dated Feb. 7, 2002, Maslov et al., US patent application Ser. No. 10 / 067,305, pending application, June 2002. No. 10 / 160,257, Maslov et al., Dated 4 days, and US patent application 10/160, Maslov et al., Dated June 4, 2002, pending application. Including the subject matter related to No. 54. The disclosures of these patent applications are incorporated herein by reference.
上記で特定された出願継続中の関連出願であるMaslov他の米国特許出願第09/826,423号は、簡略化された製造に適用可能であり、有効かつ融通性のある作動特徴を可能にする、改良されたモータの必要性を確認し、かつそれに対処するものである。車両駆動環境においては、例えば、最小限の電力消費量で高いトルク出力性能を維持しながら、幅広い速度範囲にわたって滑らかな作動を達成することが非常に望ましい。こうした車両モータ駆動装置は、部品の取り替えのために、種々の構造コンポーネントに最小限の面倒さで容易にアクセスできるという利点を備えるべきである。上記で特定された出願継続中の関連出願である米国特許出願は、隔離された透磁性構造体が環状リング状に形成され電磁石コアセグメントを構成することを説明している。こうした配置においては、従来技術の実施形態に比べて有利な作用を与えるように、磁束を集中させることができる。 Maslov et al., US patent application Ser. No. 09 / 826,423, a pending application identified above, is applicable to simplified manufacturing and enables effective and flexible operating characteristics. The need for an improved motor is identified and addressed. In a vehicle driving environment, for example, it is highly desirable to achieve smooth operation over a wide speed range while maintaining high torque output performance with minimal power consumption. Such a vehicle motor drive should have the advantage of easy access to various structural components with minimal hassle for part replacement. The above-identified U.S. patent application, which is an ongoing application, describes that the isolated magnetically permeable structure is formed into an annular ring to form an electromagnet core segment. In such an arrangement, the magnetic flux can be concentrated so as to provide an advantageous effect compared to the prior art embodiments.
上記で特定されたMaslov他の特許出願に記載されるように、電磁石コアセグメントを隔離させることは、磁束損失その他の電磁石部材との相互作用による有害な変圧器干渉作用を最小にしながら、磁気コアにおける個々の磁束の集束を可能にする。単一の磁極対を隔離された電磁石の群として構成することによって、作動上の利点を得ることができる。個々の磁極対が他の磁極群から磁路隔離されることによって、磁極対の巻線の励磁が切り換えられたときの、隣接する群に対する磁束変圧器効果が除去される。磁極群内に付加的な磁極がないことにより、一つの磁極群内におけるこうしたあらゆる影響が防止される。モータ構造体三次元特徴を利用すること、例えば、軸方向に整列された複数のステータ磁極及び軸方向に整列された複数のロータ磁石が、機械の実効エアギャップに高度に集束化された磁束密度分布をもたらす構造形状にすることにより、更なる利点がもたらされる。こうした構成は、同じエアギャップ直径をもつ通常のモータに比べて、個々の実効エアギャップ表面積が同じ、及び/又は、実効エアギャップ全表面積が大きい多数の磁極を備えるものである。 As described in the Maslov et al. Patent application identified above, isolating the electromagnet core segment minimizes harmful transformer interference effects due to magnetic flux loss and interaction with other electromagnet components, while Allows focusing of individual magnetic fluxes at. By configuring a single pole pair as a group of isolated electromagnets, operational advantages can be obtained. By isolating individual pole pairs from other pole groups, the flux transformer effect on adjacent groups when the excitation of the pole pair windings is switched is eliminated. The absence of additional magnetic poles in the magnetic pole group prevents all these effects within a single magnetic pole group. Utilizing three-dimensional features of the motor structure, for example, magnetic flux density in which a plurality of axially aligned stator poles and a plurality of axially aligned rotor magnets are highly focused in the effective air gap of the machine By providing a structural shape that provides a distribution, additional advantages are provided. Such an arrangement comprises a number of magnetic poles having the same individual effective air gap surface area and / or a larger total effective air gap surface area than a conventional motor having the same air gap diameter.
前述の形状において得ることができる磁束集束化の利点に加えて、最近導入されているネオジム−鉄−ホウ素(NdFeB)磁石材料は、ブラシレス機械に既に用いられている他の永久磁石材料より大きい磁束密度をもたらし、それによりトルク出力性能を増大させることができる。非常に多くの磁極を備えるモータに高密度生成永久磁石を使用することは、コギングトルクによってもたらされることがある望ましくない作用を改善することに対する懸念を与える。コギングトルクは、永久磁石が取り付けられたロータと、選択的励磁状態にないステータ磁極との間の磁気引力によってもたらされる。この引力は、ロータ磁石をステータ磁極とは反対の平衡位置に動かして、それらの間の磁気抵抗を最小にする傾向がある。ステータの励磁によってロータが回転駆動される際に、非励磁電磁石セグメントとの磁気的相互作用によってもたらされるコギングトルクの大きさ及び方向は、周期的に反対に変化し、励磁されたステータセグメントによってもたらされるトルクに交互に加えられる。補償のないときには、コギングトルクの方向がロータの回転に伴って突然に変化することがある。コギングトルクが非常に大きい場合には、それは、回転障害、並びに精密な速度制御及び滑らかな作動の目的に対して有害である機械的振動源となる。 In addition to the flux focusing advantages that can be obtained in the aforementioned configurations, the recently introduced neodymium-iron-boron (NdFeB) magnet material has a higher magnetic flux than other permanent magnet materials already used in brushless machines. It can provide density and thereby increase torque output performance. The use of high-density permanent magnets in motors with a large number of magnetic poles raises concerns about improving undesirable effects that can be caused by cogging torque. The cogging torque is caused by the magnetic attraction between the rotor with the permanent magnet attached and the stator poles that are not in a selectively excited state. This attractive force tends to move the rotor magnet to an equilibrium position opposite the stator poles, minimizing the magnetic resistance between them. When the rotor is driven to rotate by excitation of the stator, the magnitude and direction of the cogging torque caused by the magnetic interaction with the non-excited electromagnet segment periodically changes in the opposite direction and is caused by the excited stator segment. Alternately applied to torque. When there is no compensation, the direction of the cogging torque may suddenly change as the rotor rotates. If the cogging torque is very large, it becomes a source of mechanical vibration that is detrimental to rotational disturbances and precise speed control and smooth actuation purposes.
コギングトルクの発生の例として、2001年4月5日付けの出願継続中の米国特許出願第09/826,422号に開示されるようなモータが考えられる。この特許出願の開示内容を引用によりここに組み入れる。図1は、ロータ及びステータ要素を示す例示的な図である。ロータ部材20は、互いに離間され、かつ円筒形バックプレート25に沿って実質的に均等に分布された永久磁石21を有する環状リング構造体である。永久磁石は、環状リングの内周に沿って磁気極性が交番するロータ磁石である。ロータは、ステータ部材30を囲み、ロータ及びステータ部材は、半径方向環状エアギャップによって分離されている。ステータ30は、エアギャップに沿って均等に分布された一様な構成の複数の電磁石コアセグメントを備える。コアセグメントの各々は、エアギャップに面する表面32を有する2つの磁極を形成するほぼU字形の磁気構造体36を備える。磁極対の脚部には巻線38が巻かれるが、コアセグメントは、磁極対を連結する部分に形成された単一の巻線に対応するように構成することができる。ステータ電磁石コア構造体の各々は、隣接するステータコア要素から分離され、磁気的に隔離される。ステータ要素36は、磁気的に透過性でない支持構造体に取り付けられ、それにより環状リング形状を形成する。この形状は、隣接するステータ磁極群からの浮遊磁束変圧器硬化の発散をなくす。ここでは図示されていないが、動的モータ要素がよりはっきりと見えるようにするために適切なステータ支持構造体は、前述の特許出願において見ることができる。
As an example of the generation of cogging torque, a motor as disclosed in US patent application Ser. No. 09 / 826,422, filed on Apr. 5, 2001, is pending. The disclosure of this patent application is incorporated herein by reference. FIG. 1 is an exemplary view showing a rotor and a stator element. The
図2は、図1に示されるモータの部分的な平面配置図であり、ステータ磁極がロータ永久磁石21と関連して示されている。ステータコア要素36の各々は、ベース部分31と磁極片部分32とを有する一対の磁極を備える。磁極は、連結部分33によって互いに一体に連結される。各磁極対の図示されてない励磁巻線は、磁極ベース部分に又は連結部分に周知の方法で形成することができる。
図3は、A−Dと付された磁極面32を有する2つの隣接するステータコア要素36を、0−5が付されたロータ磁石と関連して示す、モータ作動中における部分的な平面配置である。ロータ磁石の位置は、ロータが左から右に移動する間の3つの時点(t1−t3)について(A)−(C)で示されている。時刻t1において、A−Bステータ磁極対の巻線は、Aに強いS極を生じ、かつBに強いN極を生じる方向に流れる電流によって励磁される。C−Dステータ磁極対の巻線は励磁されない。ロータの位置は(A)に示される。N磁石1及びS磁石2がステータ磁極Aに重なる。S磁石2及びN磁石3がステータ磁極Bに重なる。この時、磁石3が磁極Cと重なる位置に接近している。S磁石4が磁極Cと実質的に重なり、N磁石5が磁極Dと実質的に重なっている。この時、S極AとN極磁石1との間の引力、N極BとS極磁石2との間の引力、N極BとN極磁石3との間の反発力によって、駆動トルクが生じる。磁極C及びDは、それぞれ磁石4及び5の引力によって生じる弱いN及びS磁化を有する。この最小磁気抵抗を維持しようとする引力は、モータ駆動トルクとは反対方向である。
FIG. 2 is a partial plan view of the motor shown in FIG. 1, in which the stator poles are shown in association with the rotor permanent magnet 21. Each of the
FIG. 3 is a partial plan view during motor operation showing two adjacent
時刻t2においては、ロータが(B)に示される位置に移動されている。磁極対A−Bの巻線の励磁がオフにされている。C−D磁極対の巻線は励磁されていない。磁石1及び2は、それぞれ磁極A及びBと実質的に重なっている。N磁石3とS磁石4が磁極Cに重なる。S磁石4とN磁石5が磁極Dに重なる。磁極A及びBは、それぞれ弱いS及びN磁化を有する。ステータ磁極C及びDは、N及びSロータ磁石の両方によって影響される。磁極Cは、N極磁石3とS極磁石4との間の磁路にある。磁極Dは、S極磁石4とN極磁石5との間の磁路にある。したがって、モータ駆動トルクとは反対向きのコギングトルクが発生し、ロータ磁石が非励磁ステータ磁極との直接的重なり状態から部分的重なり状態まで移動する間に、その大きさが変化する。
時刻t3においては、ロータが(C)で示される位置に移動している。A−B磁極対巻線の励磁が反転され、磁極Aにおいて強いN極が、Bにおいて強いS極が生じることになる。C−D磁極対の巻線は励磁されない。N磁石1及びS磁石2がステータ磁極Bに重なる。S磁石0及びN磁石1がステータ磁極Aに重なる。この時、磁石2が磁極Cと重なる位置に接近している。N磁石3が磁極Cと実質的に重なり、S磁石4が磁極Dと実質的に重なる。
In time t 2, the has been moved to a position where the rotor is shown in (B). The excitation of the windings of the magnetic pole pair AB is turned off. The windings of the CD pole pair are not excited.
At time t 3 , the rotor has moved to the position indicated by (C). The excitation of the A-B magnetic pole pair winding is reversed, and a strong N pole in the magnetic pole A and a strong S pole in B are generated. The windings of the CD pole pair are not excited. The N magnet 1 and the
前述のように、相対するコギングトルク効果は、回転が進むにつれて回転角位置に応じて変化する形でトルクを生成する。コギングトルクは、ロータ磁石がエアギャップを横切り、ステータ磁極に向い合おうとする遷移点において最も顕著である。コギングトルクの突然の変化は、永久磁石のほぼ長方形の面の前縁が、それと平行な長方形のステータ磁極の縁に到達する際に起こる。ロータ永久磁石の近傍のエアギャップにおいて高い磁束密度を与えるネオジム−鉄−ホウ素(NdFeB)磁気材料のような高エネルギー密度の永久磁石材料を使用すると、望ましくない振動が目立つようになるほど、この作用が高まる。軸方向に整列された複数のステータ磁極及び複数のロータ磁石のような多くのステータ磁極及びロータ磁石を有するモータは、さらに大きいコギングトルク効果を生じることがある。同じ形で、コギングトルクは、単一のステータコアを有するモータにおいて様々な程度で生じる。 As described above, the opposing cogging torque effect generates torque in a form that changes according to the rotational angle position as the rotation proceeds. Cogging torque is most noticeable at the transition point where the rotor magnet attempts to cross the air gap and face the stator poles. A sudden change in cogging torque occurs when the leading edge of the generally rectangular surface of the permanent magnet reaches the edge of a rectangular stator pole parallel to it. Using high energy density permanent magnet materials, such as neodymium-iron-boron (NdFeB) magnetic materials that provide high magnetic flux density in the air gap in the vicinity of the rotor permanent magnet, this effect becomes so pronounced that undesirable vibrations become noticeable. Rise. Motors with many stator poles and rotor magnets, such as axially aligned stator poles and rotor magnets, can produce even greater cogging torque effects. In the same manner, cogging torque occurs to varying degrees in a motor with a single stator core.
コギングトルクの影響を最小にするために、様々な技術が用いられている。こうした技術は、ロータ位置に関する磁気抵抗変化率を減少させ、機械の磁束を減少させ、又は単一のステータコアの磁極をシフトさせて、個々の磁極によって生じたコギングトルクが互いに打ち消しあうようにすることを試みるものである。永久磁石と電磁石表面との間で生じる電磁気相互作用の強さを制御するために、電子的な方法を用いることができる。こうした方法は、モータ制御アルゴリズムと同時に実行される複雑な制御アルゴリズムを含み、モータの全体的な性能を低下させる傾向があるという欠点を有する。磁束の減少は、新しい永久磁石材料及び上記で特定された出願継続中の特許出願の磁束集束技術から得られる利点を低減させる。通常の単一のステータコア構造体における磁極の位置をシフトさせると、寸法、位置、及び磁極の数に制限が課され、それは最適な作動を与える配置を妨げることになる。 Various techniques are used to minimize the effects of cogging torque. These techniques reduce the rate of change in magnetoresistance with respect to rotor position, reduce the magnetic flux of the machine, or shift the magnetic poles of a single stator core so that the cogging torque produced by the individual magnetic poles cancel each other out. Is something to try. Electronic methods can be used to control the strength of the electromagnetic interaction that occurs between the permanent magnet and the electromagnet surface. Such methods include complex control algorithms that are executed simultaneously with the motor control algorithms and have the disadvantage of tending to degrade the overall performance of the motor. The reduction in magnetic flux reduces the benefits gained from new permanent magnet materials and the above-identified pending patent application flux focusing techniques. Shifting the position of the magnetic poles in a typical single stator core structure imposes limitations on the size, position, and number of magnetic poles, which will prevent placement for optimal operation.
他の手法は、ステータ磁極の形状を変化させることによって機械の構成を修正することを含む。従来のステータ磁極は、通常は、積層ラミネートからなり、修正を直ちに適用できるものではない。利用可能なラミネート機械加工工程は、通常のパターン、特に三次元形状を再形成する能力が制限される。こうしたラミネート構造体の実質的な修正範囲は、実現可能にするには複雑すぎて、コストがかさむ。
したがって、モータ、特に高い磁束密度の大きさ及び集中度をもつモータの、コスト及び適用の実現可能性を与えながらモータの有効な作動及び制御能力を落とさない、モータの有効なコギングトルク補償の必要性が存在している。
出願継続中の米国特許出願第10/160,257号は、ステータ磁極面又はロータ磁石面を、該ステータ磁極表面の幾何学的形状又は該ロータ磁石表面の幾何学的形状が互いに対して斜めになる形状にすることによって、この必要性に対処するものである。斜め配置の作用は、永久磁石が回転経路を横断する際の、ロータ磁石と非励磁ステータ電磁石の磁極との間の相互作用によって生じるコギングトルクの変化率を抑えることである。ステータ磁極が選択的に形状付けられることは、様々な特殊化された形状の形成に適合する磁気透過性軟質媒体のようなコア材料の使用を通じて実現可能にされる。例えば、コア材料は、軟質磁性グレードのFe、SiFe、SiFeCo、SiFeP粉末材料から製造することができ、その各々は、固有のパワー損失、透過性及び飽和レベルを有する。これらの材料は、最初にどんな所望の三次元形状に形成することもでき、それにより既に成形された硬質ラミネート材料を機械加工する可能性をなくす。
Another approach involves modifying the machine configuration by changing the shape of the stator poles. Conventional stator poles usually consist of laminated laminates and cannot be applied immediately with modifications. Available laminating machining processes are limited in their ability to recreate normal patterns, especially three-dimensional shapes. The substantial modification range of such laminate structures is too complex and costly to be feasible.
Therefore, there is a need for effective cogging torque compensation of the motor, especially motors with high magnetic flux density magnitude and concentration, without reducing the effective operation and control capability of the motor while providing cost and feasibility of application. Sex exists.
The pending US patent application Ser. No. 10 / 160,257 shows that the stator pole face or rotor magnet face is aligned with the stator pole surface geometry or the rotor magnet surface geometry oblique to each other. To address this need. The action of the oblique arrangement is to suppress the rate of change of cogging torque caused by the interaction between the rotor magnet and the magnetic pole of the non-excited stator electromagnet when the permanent magnet crosses the rotation path. The selective shaping of the stator poles is made possible through the use of a core material such as a magnetically permeable soft medium that is compatible with the formation of various specialized shapes. For example, the core material can be made from soft magnetic grade Fe, SiFe, SiFeCo, SiFeP powder materials, each of which has an inherent power loss, permeability and saturation level. These materials can be initially formed into any desired three-dimensional shape, thereby eliminating the possibility of machining already molded hard laminate materials.
2002年6月4日付けの出願継続中の米国特許出願第10/160,254号は、複数の軸方向に離間されたロータ及びステータ要素の組において生じるコギングトルクの作用をオフセットさせることによって、前述の必要性に対処するものである。各々の個別の軸方向に配置されたステータコアの磁極は、互いに軸方向にシフトされ又はオフセットされて、周方向のステータ磁極間の位置関係を制限することなく、コギングトルクの作用を打ち消す。或いは、周方向に及び軸方向に整列されたロータ永久磁石は、互いに対して軸方向にオフセットされて、永久磁石の総数又はそれらの周方向の位置を制限することなく、コギングトルクの作用を打ち消す。
トルク出力性能に悪影響を及ぼすことなく、トルクリップル及びコギングトルク作用を最小にすることは、引き続き重要な目的となる。
U.S. Patent Application No. 10 / 160,254, filed June 4, 2002, by offsetting the effect of cogging torque that occurs in a plurality of axially spaced rotor and stator element pairs, It addresses the aforementioned need. The magnetic poles of each individual axially arranged stator core are axially shifted or offset from each other to counteract the cogging torque action without limiting the positional relationship between the circumferential stator poles. Alternatively, circumferentially and axially aligned rotor permanent magnets are axially offset relative to each other to counteract the effects of cogging torque without limiting the total number of permanent magnets or their circumferential position. .
Minimizing torque ripple and cogging torque action without adversely affecting torque output performance continues to be an important objective.
本発明は、相互作用する対をなすロータ永久磁石とステータ磁極との間の、該対の周方向長さに沿った半径方向距離の選択的な変化によって、この必要性を少なくとも部分的に満たすものである。モータロータは、回転軸線周りに周方向に分布された、周方向に実質的に同じ長さの複数の永久磁石を有する。複数のステータ磁極は、エアギャップ周りに分布され、磁極の全ては、周方向において磁石の長さと実質的に同じ長さである。トルク全体の特性に対するコギングトルクの影響は、相互作用するステータ磁極及びロータ磁石の適切なエアギャップ変化形状を設定することによって制御可能であり、この変化形状を、ここでは説明の簡単のためにエアギャッププロフィールという。エアギャッププロフィールは、対の一端から他端までにわたる、ステータ磁極片とそれに対面するロータ磁石との間のエアギャップにおける半径方向距離の変化である。 The present invention at least partially meets this need by selectively varying the radial distance between the interacting pair of rotor permanent magnets and the stator poles along the circumferential length of the pair. Is. The motor rotor has a plurality of permanent magnets distributed in the circumferential direction around the rotation axis and having substantially the same length in the circumferential direction. The plurality of stator magnetic poles are distributed around the air gap, and all of the magnetic poles have substantially the same length as the length of the magnet in the circumferential direction. The effect of cogging torque on the overall torque characteristics can be controlled by setting the appropriate air gap variation shape of the interacting stator poles and rotor magnets, and this variation shape will be described here for simplicity of explanation. It is called a gap profile. The air gap profile is the change in radial distance in the air gap between the stator pole piece and the facing rotor magnet, from one end of the pair to the other.
適切なエアギャッププロフィールは、所望のモータ作動状態と、ステータ磁極及びロータ磁石の数、巻線の励磁順序その他の期待される状態のようなモータパラメータに依存する。ロータ磁石表面か又はステータ磁極片表面のいずれかの回転軸線からの半径方向距離を変化させることによって、プロフィールを得ることができる。ロータ磁石表面か又はステータ磁極表面のいずれかが、軸線から一定の半径方向距離とされ、他方の表面が様々な形状をとるようにしてもよい。或いは、ロータ磁石距離と磁極片距離との両方を変化させることができる。好ましい実施形態においては、エアギャッププロフィールは、全ての相互作用するロータ磁石とステータ磁極との組み合わせにおいて同じである。すなわち、全てのステータ磁極は同じ形状のものであり、全てのロータ磁石は同じ形状のものである。
本発明において考慮されているこうしたエアギャッププロフィールの1つは、相互作用するロータ及びステータ対間の、対の第1端から第2端にかけての半径方向距離の実質的に一様な減少を与える。ロータ永久磁石が比較的一定の厚さである場合には、ステータ磁極表面は、ロータ磁石の表面に対して傾斜される。或いは、永久磁石の半径方向の厚さは端から端にわたって減少してもよい。
別のエアギャッププロフィールにおいては、ロータ磁石表面の各々が、軸線から一定の半径方向距離とされ、ステータ磁極片が、半径方向厚さの変化と、エアギャップに面する凹形表面とを有するようにしてもよい。凹形度は、ロータがステータを囲むか、又はステータがロータを囲むかに従って設定することができる。変形例として、永久磁石は、選択された凹形度のエアギャップに面する凹形表面をもつ種々の半径方向厚さのものとすることができる。
The appropriate air gap profile depends on the desired motor operating conditions and motor parameters such as the number of stator poles and rotor magnets, the excitation sequence of the windings and other expected conditions. The profile can be obtained by changing the radial distance from the axis of rotation of either the rotor magnet surface or the stator pole piece surface. Either the rotor magnet surface or the stator pole surface may be a constant radial distance from the axis and the other surface may take various shapes. Alternatively, both the rotor magnet distance and the pole piece distance can be varied. In the preferred embodiment, the air gap profile is the same for all interacting rotor magnet and stator pole combinations. That is, all the stator magnetic poles have the same shape, and all the rotor magnets have the same shape.
One such air gap profile considered in the present invention provides a substantially uniform reduction in the radial distance from the first end to the second end of the pair between the interacting rotor and stator pair. . When the rotor permanent magnet has a relatively constant thickness, the stator pole surface is tilted with respect to the surface of the rotor magnet. Alternatively, the radial thickness of the permanent magnet may decrease from end to end.
In another air gap profile, each of the rotor magnet surfaces is at a constant radial distance from the axis so that the stator pole pieces have a radial thickness variation and a concave surface facing the air gap. It may be. The concave degree can be set according to whether the rotor surrounds the stator or the stator surrounds the rotor. As a variant, the permanent magnets can be of various radial thicknesses with a concave surface facing the air gap of a selected concave degree.
前述の磁極構造体は、離間され、強磁性により分離された複数の電磁石セグメントを有するステータ配置の形で構成して、有利な結果を提供することができる。セグメントの各々は、図1に示されるような磁極対から形成することができる。ステータは、軸方向の単一磁極及び周方向の複数の磁極対を取り囲む単一環状リングである。他の構成においては、ステータ磁極の多数のリングが、軸方向に離間され、強磁性的に隔離された複数の電磁石コアセグメントによって形成される。コアセグメントの各々は、ほぼ回転軸方向に延びる1つ又はそれ以上の連結部分によって一体的に連結された複数の磁極を備える。このようにして、ステータは、軸方向に複数の磁極を形成し、各セグメントの単一磁極は、各リングにおいて周方向に分布される。後者の配置においては、ロータは、エアギャップに沿って周方向に配置された個別の磁石の軸方向に離間されたリングを形成し、ロータリングの数は、ステータコアセグメントにおけるステータ磁極の数に等しい。 The magnetic pole structure described above can be configured in the form of a stator arrangement having a plurality of electromagnet segments spaced apart and separated by ferromagnetism to provide advantageous results. Each of the segments can be formed from a pole pair as shown in FIG. The stator is a single annular ring surrounding a single axial magnetic pole and a plurality of circumferential magnetic pole pairs. In other configurations, multiple rings of stator poles are formed by a plurality of electromagnetic core segments that are axially spaced and ferromagnetically isolated. Each of the core segments includes a plurality of magnetic poles integrally connected by one or more connecting portions extending substantially in the direction of the rotational axis. In this way, the stator forms a plurality of magnetic poles in the axial direction, and the single magnetic pole of each segment is distributed in the circumferential direction in each ring. In the latter arrangement, the rotor forms axially spaced rings of individual magnets arranged circumferentially along the air gap, the number of rotor rings being equal to the number of stator poles in the stator core segment. .
本発明の付加的な利点は、本発明を実施することが考慮されている最良モードの単なる例示として、本発明の好ましい実施形態のみが示され説明されている以下の詳細な説明から、当業者には直ちに明らかとなるであろう。理解されるように、本発明は、他の及び異なる実施形態が可能であり、その幾つかの細部は、全てが本発明から逸脱しない形で種々の自明な点について修正することができる。したがって、図面及び詳細な説明は、限定なものとしてではなく例示的な性質のものとして考えられるべきである。 Additional advantages of the present invention will become apparent to those skilled in the art from the following detailed description, wherein only a preferred embodiment of the invention is shown and described, merely by way of example of the best mode contemplated for carrying out the invention. Will be immediately apparent. As will be realized, the invention is capable of other and different embodiments, and its several details are capable of modifications in various obvious respects, all without departing from the invention. Accordingly, the drawings and detailed description are to be regarded as illustrative in nature and not as restrictive.
本発明は、単なる例として、限定する意味ではなしに、同じ参照番号が同じ要素を指す添付の図面に図示される。
本発明の概念は、前述の図1のモータのような、周方向に配置され、かつ半径方向エアギャップ周りに同心円状に構成された一組のロータ及びステータ要素を有するモータ、並びに、軸方向に離間された2つ又はそれ以上の組になったロータ及びステータ要素を有するモータに適用可能である。図4は、図1に示されるようなモータの部分的平面配置図であり、本発明に従って修正されたステータ磁極が、ロータ永久磁石面と関連付けて示されている。この配置は、ロータ及びステータが互いに同軸関係にあり、半径方向エアギャップによって分離されている回転モータの代表例であることを理解するべきである。磁気極性が継続的に交番するロータ磁石21が、配置の明瞭化のために支持構造体なしで示されている。ステータコア要素36の各々は、ベース部31と磁極片部32とを有する一対の磁極を備える。磁極は、連結部33によって互いに一体に連結される。各磁極対の図示されていない励磁巻線は、磁極ベース部上に又は連結部上に周知の方法で形成することができる。磁極片の各々は、磁極ベース部から両方とも周方向外向きに磁極片延長部分だけ延びる。
The present invention is illustrated by way of example, and not by way of limitation, in the accompanying drawings in which like reference numerals refer to like elements.
The concept of the present invention is a motor having a set of rotor and stator elements arranged circumferentially and concentrically around a radial air gap, such as the motor of FIG. Applicable to motors having two or more pairs of rotor and stator elements spaced apart from each other. FIG. 4 is a partial plan view of a motor as shown in FIG. 1, with the stator poles modified according to the present invention shown in relation to the rotor permanent magnet surface. It should be understood that this arrangement is representative of a rotary motor in which the rotor and stator are coaxial with each other and separated by a radial air gap. A rotor magnet 21 with alternating magnetic polarity is shown without a support structure for clarity of placement. Each of the
図の右側に示されたステータコア要素36の磁極片は、ロータ磁石21と重なった状態にある。作用し合う磁極片と磁石は、エアギャップに沿って実質的に同じ長さである。永久磁石は、それぞれ同じ半径方向厚さであり、したがってエアギャップに沿ったそれらの表面は、回転軸線から一定の距離にある。この平面図においては、ステータ磁極面の表面は、エアギャップが永久磁石表面に対して傾斜され、それにより、それらの間のエアギャップ半径方向距離は、紙面の左端から右端までにわたり実質的に一様に増大する。通常のモータ作動中にロータがステータに対して右から左の方向に移動すると、ロータ磁石の前縁がステータ磁極面に重なり、エアギャップ分離が減少する。相対するステータ及びロータ要素におけるコギングトルク作用の過渡的影響が、一定のエアギャップ寸法をもつモータ形状に比べて滑らかになる。通常のモータ作動中にロータがステータに対して左から右の方向に移動すると、ロータ磁石の前縁がステータ磁極面に重なり、エアギャップ分離が増加する。ロータ磁石がステータ磁極を通って移動するのに伴って、それらの間のコギング引力が、一定のエアギャップ形状と比べて徐々に小さくなる。したがって、いずれの回転方向においても、所望の全体的なトルク特性が得られるように、図4の可変エアギャップ形状の傾斜度を決定することができる。
図5は、図4の構造の変形例を示す。この平面図に示されるように、ステータ磁極面は水平面内にあり、それによりエアギャップ周辺に沿って回転軸線から一定の距離を呈する。ロータ永久磁石21の表面は、図4に関連して説明されるのと同じ可変エアギャップ作用を与えるように傾斜される。
The pole piece of the
FIG. 5 shows a modification of the structure of FIG. As shown in this plan view, the stator pole face is in a horizontal plane, thereby presenting a certain distance from the axis of rotation along the periphery of the air gap. The surface of the rotor permanent magnet 21 is tilted to provide the same variable air gap action as described in connection with FIG.
図6の形状においては、永久磁石表面は、それぞれ同一の半径方向厚さである。この平面図に示されるように、エアギャップにおける永久磁石表面は、水平面内にあり、エアギャップに沿って回転軸線から一様な距離を呈する。ステータ磁極表面は、ロータ磁石表面に対して凹形であり、凹形度は、ステータがロータを囲んでいるモータの回転軸線からの一様な距離を維持するのに要求される以上に高い。したがって、各々の相互作用する対をなすステータ磁極及びロータ磁石は、例えば、図面右側部分において、それらの間に可変エアギャップ距離を定める。ロータ磁石がステータ磁極に接近し、それを通過して移動するに伴って、集光光学レンズによる光の集光と類似した形で磁束分布が集束することにより、コギングトルクに対するこの可変エアギャップの影響は、一様なエアギャップ形状のときとは異なるものとなる。凹形度は、必要に応じて全トルクサインを改善するように調節することができる。
図7は、図6の構造の変形例を示す。この平面図に示されるように、ステータ磁極面は、水平面内にあり、それによりエアギャップ周辺に沿った回転軸線から一定の距離を呈する。ロータ永久磁石21の表面は、磁石表面に対して凹形であり、図6に関連して説明されたのと同じ可変エアギャップ作用を与える。
In the shape of FIG. 6, the permanent magnet surfaces have the same radial thickness. As shown in this plan view, the surface of the permanent magnet in the air gap is in a horizontal plane and presents a uniform distance from the axis of rotation along the air gap. The stator pole surface is concave with respect to the rotor magnet surface, and the degree of recession is higher than required to maintain a uniform distance from the rotational axis of the motor that the stator surrounds the rotor. Thus, each interacting pair of stator poles and rotor magnets defines a variable air gap distance therebetween, for example, in the right portion of the drawing. As the rotor magnet approaches and moves through the stator poles, the flux distribution converges in a manner similar to the collection of light by the converging optical lens, thereby allowing this variable air gap to vary with respect to the cogging torque. The effect is different from that of a uniform air gap shape. Concaveness can be adjusted to improve the overall torque sign as needed.
FIG. 7 shows a modification of the structure of FIG. As shown in this plan view, the stator pole face is in a horizontal plane, thereby presenting a certain distance from the axis of rotation along the periphery of the air gap. The surface of the rotor permanent magnet 21 is concave with respect to the magnet surface and provides the same variable air gap action as described in connection with FIG.
前述のステータ磁極構造の変形例の利点は、他のステータ/ロータ形状に適用可能である。例えば、一体の連続的なステータコアを有するステータは、コギングトルク補償を与えるために、図3−図7のいずれかに関して説明されたようにして形成された顕著な構成の極をもつことができる。こうした磁極構成は、単一の軸方向に整列された磁石及びステータ磁極列を有するモータにおけるコギングトルクの発生を軽減するように実施することができる。
図8は、出願継続中の米国特許出願第10/067,305号に開示されるモータの三次元分解図である。モータ15は、半径方向エアギャップによって離間された環状永久磁石ロータ20と環状ステータ構造体30とを備える。磁気透過性材料からなる複数の強磁性的に隔離されたステータコアセグメント要素36は、セグメントの強磁性的隔離を維持する支持構造体50によって支持される。セグメント36は、エアギャップに面する磁極表面32を備える磁気透過性材料から形成された一体構造体である。ステータコア要素36の各々は、コア材料上に形成された巻線38を含む電磁石である。公知の手法による励磁電流の方向の反転は、磁極の各々の磁気極性の反転に影響する。ロータは、永久磁石部分21を備え、3つの軸方向に離間されたロータ磁石リング22−24がエアギャップ周りに周方向に分布され、鉄バックリング25の上に永久磁石が取り付けられる。ステータ支持構造体50は、固定シャフトに取り付けられ、ロータは、適切なブッシング及びベアリングを通じてシャフトに軸支されるハウジング内に取り付けられる。
The advantages of the stator pole structure variants described above can be applied to other stator / rotor configurations. For example, a stator having an integral continuous stator core can have prominently configured poles formed as described with respect to any of FIGS. 3-7 to provide cogging torque compensation. Such a magnetic pole configuration can be implemented to reduce the generation of cogging torque in a motor having a single axially aligned magnet and stator pole train.
FIG. 8 is a three-dimensional exploded view of the motor disclosed in pending US patent application Ser. No. 10 / 067,305. The motor 15 includes an annular
図8に示されるステータ磁極及びロータ磁石は、図3−図7の変形例のいずれかに示されるように構成することができる。非常に多くの磁石及びステータ磁極が、周方向及び軸方向の両方に設けられるので、潜在的に大きいコギングトルク外乱に対する補償が与えられる。
この開示においては、本発明の好ましい実施形態のみが図示され説明されているが、それはその使途の広さのうちほんの幾つかの例に過ぎない。本発明は、種々の他の組み合わせ及び環境で用いることができ、ここで説明されるような本発明の概念の範囲内での変更又は修正が可能であることを理解されたい。例えば、図面に示された配置の各々は、セグメント化されたステータコアではなく、互いに軸方向に離間された一体のステータコアとして、有用な結果をもつように実施することができる。また、図示された例は、説明を簡単にするためにステータ磁極ピッチがロータ磁石ピッチと実質的に等しくなるように示されているが、一対のステータ磁極間の周方向距離は、ロータ磁石対間の距離より大きくするか又は小さくすることができる。
The stator magnetic poles and rotor magnets shown in FIG. 8 can be configured as shown in any of the modifications of FIGS. Since so many magnets and stator poles are provided both in the circumferential and axial directions, compensation for potentially large cogging torque disturbances is provided.
In this disclosure, only preferred embodiments of the present invention are shown and described, but these are just a few examples of their breadth of use. It should be understood that the present invention can be used in a variety of other combinations and environments, and that variations or modifications within the inventive concept as described herein are possible. For example, each of the arrangements shown in the drawings can be implemented with useful results as an integral stator core that is axially spaced from one another, rather than a segmented stator core. Further, in the illustrated example, the stator magnetic pole pitch is shown to be substantially equal to the rotor magnet pitch for the sake of simplicity, but the circumferential distance between the pair of stator magnetic poles is not limited to the rotor magnet pair. It can be larger or smaller than the distance between.
ステータコア要素の特定の幾何学的形状が図示されているが、ここでの発明概念は、ほとんどどんな形状をも粉末金属技術を用いて形成することができるので、こうした形状の多くの変更を包含することを認識されたい。したがって、特定のコア形状を、所望の磁束分布に合わせることができる。例えば、凸形又は他の幾何学的形状の表面を与えることも本発明の概念の範囲内であり、しかも、磁極対の異なる組は、それぞれ異なる形状をもつ磁極片を有することができる。凸形の形状は、磁束分布パターンを発散させることになる。
本発明の詳細な説明は、ロータによって囲まれたステータを示すが、本発明の概念は、ロータがステータによって囲まれるモータにも等しく適用可能である。
Although specific geometric shapes of the stator core elements are illustrated, the inventive concept herein encompasses many variations of these shapes since almost any shape can be formed using powder metal technology. I want you to recognize that. Therefore, a specific core shape can be matched with a desired magnetic flux distribution. For example, providing a convex or other geometrically shaped surface is also within the scope of the inventive concept, and different sets of pole pairs can have pole pieces each having a different shape. The convex shape diverges the magnetic flux distribution pattern.
Although the detailed description of the present invention shows a stator surrounded by a rotor, the concepts of the present invention are equally applicable to motors in which the rotor is surrounded by the stator.
Claims (12)
該ロータが、前記回転軸線周りに周方向に分布され、かつ該周方向において実質的に同じ長さである複数の永久磁石を備え、
ステータが前記エアギャップ周りに分布された複数の磁極を備え、前記磁極は、前記周方向に前記磁石の長さと実質的に同じ長さであり、
相互作用する対をなすロータ永久磁石とステータ磁極との間のエアギャップの半径方向距離が、前記対の周方向長さに沿って変化することを特徴とする回転電動モータ。 A rotary electric motor comprising a stator and a rotor arranged coaxially around a rotation axis and separated by a radial air gap,
The rotor includes a plurality of permanent magnets distributed in a circumferential direction around the rotation axis and having substantially the same length in the circumferential direction;
A stator comprising a plurality of magnetic poles distributed around the air gap, the magnetic poles being substantially the same length as the magnets in the circumferential direction;
A rotary electric motor characterized in that a radial distance of an air gap between a pair of interacting rotor permanent magnets and a stator magnetic pole varies along a circumferential length of the pair.
前記ロータの永久磁石が、前記エアギャップに面する表面を有し、前記エアギャップに沿って周状に配置された個別の磁石の軸方向に離間されたリングを形成し、前記リングの数は、ステータコアセグメントにおけるステータ磁極の数に等しいことを特徴とする請求項8に記載の回転電動モータ。 Each of the core segments comprises a plurality of magnetic poles integrally connected by one or more connecting portions extending generally in the rotational axis direction;
A permanent magnet of the rotor has a surface facing the air gap and forms axially spaced rings of individual magnets arranged circumferentially along the air gap, the number of rings being The rotary electric motor according to claim 8, wherein the number is equal to the number of stator magnetic poles in the stator core segment.
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