JP2006526974A

JP2006526974A - 横磁束機械

Info

Publication number: JP2006526974A
Application number: JP2006508265A
Authority: JP
Inventors: グリュントルアンドレアス; ホフマンベルンハルト
Original assignee: コンパクトダイナミクスゲーエムベーハー
Priority date: 2003-06-03
Filing date: 2004-06-03
Publication date: 2006-11-24
Also published as: WO2004107541A1; US7279820B2; EP1629590A1; EP1629590B1; DE10325085B3; DE502004004657D1; US20060244329A1

Abstract

【課題】高いパワー密度を可能にする小型かつ高効率の横磁束機械を提供する。
【解決手段】横磁束を有する機械が固定子及び回転子を具えている。その内部では、固定子がコイル構成を有し回転子に永久磁石要素を設けるか、あるいは回転子がコイル構成を有し固定子に永久磁石要素を設けるかのいずれかとすることができる。このコイル構成は、少なくとも１つの円筒形巻線を有し磁束ヨークに包囲され、この磁束ヨークの前記コイル構成の中心長軸線に沿った断面は略Ｃ字形である。前記磁束ヨークは各端に脚部を有し、この脚部は各々が、前記コイル構成の１つの面を少なくとも部分的に包囲する。前記コイル構成の１つの表面には、いくつかの磁束伝導ピースが前記コイル構成の中心長軸線と同軸に、複数列の形に配置されている。エアギャップの形成下に前記永久磁石要素を配置し、これらの永久磁石要素のエアギャップに出入りする磁化方向は交互する。前記回転子の前記固定子に対する特定位置では、前記永久磁石要素は少なくとも部分的に、少なくとも一部の前記磁束伝導ピースと整列する向きになる。この構成により、前記磁束ヨークの一方の前記脚部から前記磁束ヨークの他方の前記脚部に至る磁束が、前記磁束伝導ピース及びこれらに整列した前記永久磁石要素を通って交互に流れる、ということが達成される。本発明では磁束が、軸線方向に往復して見れば、前記磁束伝導ピースの軸線方向の第１列及びこれに整列した前記永久磁石要素から隣接する第２列に行き、そして前記第１列に戻るように交互する。

Description

（発明の分野）
本発明は横磁束を有する機械に関するものである。特に、本発明は固定子（ステータ）及び回転子（ロータ）を有する横磁束機械に関するものであり、前記固定子が固定子コイルを具え前記回転子に永久磁石要素を設けるか、あるいは前記回転子が回転子コイルを具え前記固定子に永久磁石要素を設けるかのいずれかである。

国際特許出願WO 99/48190 A1 欧州特許EP 0 218 522 A1

横磁束を有する機械は国際特許出願WO 99/48190 A1より知られ、この機械はC字形磁束ヨークを有し、I形磁束ヨークをエアギャップ（空隙）の所に追加的に具えている。欧州特許EP 0 218 522 A1による横磁束機械もC字形磁束ヨークを有し、軸線方向の列の形に配置された磁束伝導ピースを追加的に有し、これらのピースは、少なくとも部分的に回転子の永久磁石と整列するように配向されている。ここでは、前記エアギャップが軸線方向に延びる。

（定義）
「横磁界（を有する）機械」とは、モータ及び発電機を共にカバーする。こうした機械が回転機械として設計されているか、例えばリニアモータとして設計されているかは、本発明にとって重要ではない。これに加えて、本発明は内部回転子の機械及び外部回転子の機械に共に適用可能である。

（本発明の元になる問題）
本発明の目的は、高いパワー密度を可能にする小型かつ高効率の横磁束機械を提供することにある。

（本発明の解決法）
この問題を解決するために、本発明は固定子及び回転子を有する横磁束機械を教示する。本発明では、固定子がコイル構成を有し回転子に永久磁石要素を設けるか、あるいはまた、回転子がコイル構成を有し、固定子に永久磁石要素を設けるかのいずれかとすることができる。このコイル構成は、少なくとも１つの円筒形の巻線を有し、そして磁束ヨークに包囲され、この磁束ヨークは、前記コイル構成の長軸線の中心に沿った断面が略C字形である。この磁束ヨークは、その両端に脚部を有し、この脚部は前記コイル構成の各々の一面を少なくとも部分的に包囲する。前記コイル構成の、前記永久磁石要素に面した１つの表面領域には、軸線方向に配向されたいくつかの磁束伝導ピース（片）が前記コイル構成の中心長軸線と同軸の円周方向に離間したいくつかの列の形に配置されている。エアギャップの形成下に、各々の永久磁石要素の前記エアギャップに出入りする磁化方向が交互する（互い違いになる）いくつかの永久磁石要素は、前記円周方向に離間した列にある磁束伝導ピースに対して離間した関係に配置される。前記回転子の前記固定子に対する特定位置では、前記永久磁石要素が、少なくとも部分的に、前記磁束伝導ピースの少なくとも一部と整列するように配向される。

この構成により、前記磁束ヨークの１つの脚部から他の磁束ヨークの脚部への磁束が、前記磁束伝導ピースを通って交互に流れ、前記永久磁石要素がこれらのピースと整列する、ということが達成される。本発明では磁束が、軸線方向に往復して見れば、軸線方向を向いた前記磁束伝導ピース及びこれらのビースと整列した前記永久磁石要素の第１列から、これと隣り合う第２列に行き、そして前記第１列に戻る。

これにより、電気機械内の（特に前記軸線方向の）利用可能な空間の最大限の利用が、低い製造コストで非常に高信頼性の動作で達成される。この改善された空間利用性により、この機械の効率またはパワー密度も増加する。

（本発明の好適例及び発展）
前記固定子が、前記磁束伝導ピースを有する前記コイル構成を具えていることが好ましい。このことは、前記回転子に設けたコイル構成への、移動しながら（例えば回転しながら）の電流転送の必要性を回避する。

本発明の好適例では、前記コイル構成が、少なくとも１つの環状円筒巻線を具え、そして略C字形の磁束ヨークを、外部回転子機械については前記環状円筒のコイル構成の内側、あるいは内部回転子機械については前記環状円筒のコイル構成の外側に具えることができる。

前記磁束ヨークの２つの脚部は、その端部を、前記コイル構成のそれぞれの面から前記環状円筒のコイル構成の表面領域まで拡張することができる。内部回転子の機械では、この表面領域は前記環状円筒のコイル構成の内表面領域であり、外部回転子の機械では、前記表面領域は前記環状円筒のコイル構成の外表面領域である。

前記２つの端部に窪みを設けて、その中に、隣接する磁束伝導ピースが突入する。これらの窪みは、これらの窪み間に残る突起と同じ幅を有することが好ましい。このことは、いくつかの列に配置された各列のいくつかの磁束伝導ピースを本質的に、列内の互いどうしで、及び隣接列の磁束伝導ピースどうしで等間隔に配置することを可能にする。

前記磁束ヨークは、複数のシート金属板またはシート金属板の複数部分で構成することができる。前記磁束ヨークは鉄粒子から形成することもでき、これらの鉄粒子はプレス（押圧）し焼結して対応する形状にする。同様に、これら２つの変形例の混合形を用いることもでき、ここでは、半径方向に向いたシート金属板部分から軸線方向に向いたシート金属板部分への遷移ゾーンは、プレスし焼結した鉄粒子から形成する。

特に、前記磁束ヨークは、前記２つの脚部を接続する中心部分内の転造シート金属管として構成することができ、このヨークの２つの脚部は、半径方向向きの円盤状のシート金属の積層として形成することができ、かつ／あるいは、これらの脚部の２つの端部を、前記中心長軸線と同軸に配向されたシート金属の積層として形成することができる。

前記磁束伝導ピースは、固体の鉄含有金属、シート金属板の積層、あるいはプレスし焼結して対応する形状にした鉄粒子から形成することができる。このことは主として前記コイル構成を流れる電流の周波数に依存する、というのは、磁束伝導ピースにおける固体の鉄含有金属の渦電流損は周波数の増加と共に増加するからである。

前記磁束伝導ピースは、完全な四角形の形状を有することができる。これらのピースに、その端部に向かう幅方向及び／または高さ方向のテーパの（次第に細くなる）形状を持たせることも可能である。こうした形状は、隣接する磁束伝導ピース間の浮遊磁束を低減または最小化する。

前記永久磁石要素は、完全な四角形の形状を有することが好ましいが、本質的に前記磁束伝導ピースの形状に相当する形状を有することもでき、即ち、四角形、台形、三角形、ひし形、等とすることができる。

前記コイル構成は、単相電流で動作させることも多相（三相以上であることが好ましい）構成として設計することもできる。後者（多相）の場合には、前記コイル構成は、互いに隣接して配置されたいくつかの同軸巻線を具えることができ、これらの巻線は互いにオフセットした（ずれた）位相で動作すべく構成されている。

１つの磁束伝導ランドは、各々が隣接する２つの巻線間に配置することができ、前記磁束伝導ピースの１つから前記２つの脚部を接続する前記中心部分まで延び、この磁束伝導ランドは、その寸法及びその材料（鉄粉、鉄板、固体の鉄含有金属）の選定を、隣接する巻線を通る電流間の位相差から生じる磁束を伝導可能かつ磁気飽和に達しないように設計する。

隣接する磁束伝導ピース間には、本質的に磁気的に無効なコネクタを配置して、これらのコネクタは、前記磁束伝導ピースの、前記コイル構成の表面領域上における互いの相対位置を規定する。

本発明のさらなる特性、特徴、利点、及び可能な変形は、以下の図面を参照した実施例の説明より、当業者にとって明らかになる。

（好適な実施例の詳細な説明）
図１に、横磁束を有する機械１０の、内部回転子の機械としての実施例の長手方向の断面図を示し、本発明は外部回転子の機械にも適用可能である。横磁束を有する機械１０は固定子（ステータ）１２及び回転子（ロータ）１４を有する。回転子１４と固定子１２との間にはエアギャップ（空隙）１６が形成される。固定子１２は管状の筐体１８内に収容され、筐体１８はその２面に、各々が出力回転軸（シャフト）２６を収容するための軸受２２、２４を具えている。

固定子１２は円筒形の巻線を有するコイル構成２８を有し、この巻線は横磁束機械１０の中心長軸線Ｍと同軸に配置されている。コイル構成２８は磁束ヨーク３０によって包囲され、磁束ヨーク３０の、コイル構成２８の中心長軸線Ｍに沿った断面は略Ｃ字形である。磁束ヨーク３０は脚部３２を有し、各脚部はその両端にコイル構成２８のそれぞれの面を包囲する。コイル構成２８の内面領域２８ａには、複数の磁界伝導ピース（片）３８がコイル構成２８の中心長軸線Ｍと同軸に、軸線方向のいくつかの列の形に配置されている（図２参照）。磁束ヨーク３０の２つの脚部３２は、その各々の端部３４が、コイル構成２８のそれぞれの面から環状円筒のコイル構成２８の表面領域２８ａまで延び、表面領域２８ａには磁束伝導ピース３８が配置されている。

本実施例の磁束ヨーク３０はいくつかの部分から構成される。２つの脚部３２を接続する中心部分３６は、中心長軸線Ｍと同軸に配向した多層の転造シート金属管として形成することができる。このシート金属管はその両端に、煙突状に外側に開く面取り３６ａを有し、面取り３６ａには磁界を伝導する２つの脚部３２が接続されている。２つの脚部３２は、半径方向に向く円盤状のシート金属の積層として形成される。脚部３２の２つの端部３４は、中心長軸線Ｍと同軸に配向されたシート金属の積層として形成される。

図２に示すように、脚部３２の２つの端部３４の間にある磁束伝導ピース３８は、コイル構成２８の端を完全に包囲し、列の形に配置されている。２つの端部３４には窪み４２が設けられ、その中に、隣接する磁束伝導ピース３８が突入する。隣接する２つの窪み４２の間には突起４４が形成され、その各々に、１つの磁束伝導ピース３８が隣接する。これにより、図２に示すように、隣接する列にある磁束伝導ピース３８どうしに、回転子の中心軸線に沿った軸線方向のオフセット（ずれ）が生じ、その大きさは磁束伝導ピース３８の約半分であり、このオフセットは窪み４２の１つの軸線方向の深さにも相当する。

永久磁石要素５０は、回転子１４のエアギャップ１６の付近に配置され、磁束伝導ピース３８から半径方向に離間し、永久磁石要素５０のエアギャップ１６に出入りする磁化方向は交互する。このことを、チェスボード型に交互する極性”Ｎ”及び”Ｓ”で示す。回転子１４の固定子１２に対する特定点において、回転子１４の軸線方向の列にある永久磁石要素５０は、固定子１２の軸線方向の列にある磁束伝導ピース３８と整列する。

図２の下部に、磁束が固定子１２の一方の側から他方の側に向かう際の磁束の挙動を図式的に示す。

磁気ヨーク３０の一方の側、例えば図２の右側から突起４４を通って半径方向外向きにエアギャップ１６経由で来る磁束は、第１列の第１永久磁石要素５０（図２には示さず）に入り、第１永久磁石要素５０はこの磁束と整列している。この永久磁石要素５０から、磁束は隣接列の永久磁石要素５０（図２には示さず）に接線方向に入る。第１永久磁石要素５０から、磁束はエアギャップ１６を経由して、永久磁石要素５０と整列した磁束伝導ピース３８に流入し、その中を軸線方向に進む。これに続いて、磁束はこの磁気伝導ピース３８からエアギャップ１６を経由して半径方向に次の第２永久磁石要素５０に進み、第２永久磁石要素５０は同じ軸線方向の列内に位置する。ここから、磁束は半径方向にエアギャップ１６経由で、この磁束と整列した磁束伝導ピース３８に進み、そして磁束伝導ピース３８内を軸線方向に進む。磁束は、磁束ヨーク３０の反対側の脚部に到達するまでこの経路に従う。

換言すれば、磁束は、磁束伝導ピース３８、及びこれらのピースと整列した永久磁石要素５０を通って交互に流れる。ここで磁束は、軸線方向に往復して見れば、磁束伝導ピース３８どうしの間で、あるいはこれと整列した永久磁石要素５０どうしの間で、隣接する第２列に向かい、そして第１列に戻るように交互する。

図１及び２に示すように、磁束伝導ピース３８は完全な四角形の形状を有する。磁束伝導ピース３８の形状は、軸線方向の寸法を除いて永久磁石要素５０の形状に相当する。図３に、磁束伝導ピース３８が、２つの脚部の端部に向かう幅方向のテーパの形状を有する様子を示す。幅方向のテーパに加えて、磁束伝導ピース３８はその端３８ａに向かう高さ方向のテーパにすることもできる。このことを図４に、図３の磁束伝導ピース３８の断面図で示す。隣接する磁束伝導ピース３８間で、本質的に磁気的に無効なコネクタを図３に示すように配置し、コネクタ６０は磁束伝導ピース３８の互いの相対位置を規定する。これらのコネクタ６０は、磁束伝導ピース３８と同じ材料製の薄いランドとすることができ、これらのランドは、その小さい寸法により直ちに磁気飽和に達し、従って実質的に磁気的に無効になる。あるいはまた、これらのコネクタは、磁気伝導ピース３８間に入る合成材料によって形成することもできる。

永久磁石要素５０は、本質的に磁束伝導ピース３８の形状に相当する形状を有することができ、即ち、四角形、台形、三角形、ひし形、等とすることができる。しかし、永久磁石要素５０は、中心長軸線Ｍの方向に、これらと整列した磁束伝導ピース３８の半分だけの長さを有する。

図１に、横磁束を有する機械を示し、この機械は、固定子の中心長軸線Ｍと同軸の単一円筒巻線を有するコイル構成を具えている。しかし、互いに隣接する同軸のいくつかの巻線を設けて、これらの巻線に位相をずらして電流供給することも可能である。個々の巻線の各々が、１つの磁束伝導ピース３８から他の磁束伝導ピース３８まで軸線方向に延びることができる。このことを図５に示し、ここでは１つの巻線が軸線方向にいくつかの（図５では３つの）磁束伝導ピース３８にまたがることができる。

明らかなように、各々の磁束伝導ランド３８ｂがコイル構成２８の隣接する２つの巻線間に配置され、この磁束伝導ランド３８ｂは、磁束伝導ピース３８のうちの１つから、２つの脚部３２を接続する磁束ヨーク３０の中心部分３６まで延びる。磁束伝導ランド３８ｂは、２つの巻線を通る電流の位相差から生じる磁束を伝導可能かつ磁気飽和に達しないような寸法に設計する。

本明細書に記載の個々の部分の定量、及び図に示すこれらの部分の寸法及び比率は限定的なものと解釈すべきものではない。個々の寸法及び比率はむしろ、図に示すものとは異なり得る。

本発明による横磁束機械の長手方向の側断面図である。図１の横磁束機械の回転子を展開した側面図である。図１の本発明の横磁束機械の実施例の固定子を展開した平面図である。図２に比べて変形した磁束伝導ピースを有する、図１の本発明の横磁束機械の他の実施例の展開図である。磁束伝導ピースの他の具体例の側断面図である。分離した２つのコイル部分間の磁束伝導ピースの代案の具体例を示し、これらのコイル部分の各々が、軸線方向に延びていくつかの磁束伝導ピースにまたがり得る巻線を形成する。

Claims

固定子（１２）及び回転子（１４）を具えた横磁界を有する機械において、
前記固定子がコイル構成（２８）を具え前記回転子に永久磁石要素（５０）が設けられるか、あるいは前記回転子がコイル構成を具え前記固定子に永久磁石要素が設けられるかのいずれかであり、
前記コイル構成（２８）が、少なくとも１つの円筒形巻線を具え、磁束ヨーク（３０）によって包囲され、前記磁束ヨークの、前記コイル構成（２８）の中心長軸線に沿った断面が略Ｃ字形であり、前記磁束ヨークがその各端に脚部（３２）を具え、該脚部の各々が、前記コイル構成（２８）の１つの面を少なくとも部分的に包囲し、
前記コイル構成（２８）の、前記永久磁石要素（５０）に面した１つの表面領域（２８ａ）に、軸線方向に配向された複数の磁束伝導ピース（３８）が、前記コイル構成（２８）の中心長軸線（Ｍ）と同軸の円周方向に離間した複数列の形に配置され、
エアギャップ（１６）の形成下に、各々の永久磁石要素の前記エアギャップ（１６）に出入りする磁化方向が交互する複数の永久磁石要素（５０）が、前記磁束伝導ピース（３８）と離間した位置関係で、前記円周上で離間した列の形に配置され、前記回転子（１４）の前記固定子（１２）に対する特定位置において、前記永久磁石要素が少なくとも部分的に、前記磁束伝導ピースの少なくとも一部に整列した向きになる
ことを特徴とする横磁束機械。
前記コイル構成（２８）が少なくとも１つの環状円筒巻線を具え、前記略Ｃ字形の磁束ヨーク（３０）が、外部回転子機械では前記環状円筒形のコイル構成の内側に配置され、内部回転子機械では前記前記環状円筒のコイル構成の外側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の横磁束機械。
前記磁束ヨーク（３０）の前記２つの脚部の各々の端部（３４）が、前記コイル構成（２８）のそれぞれの面から、前記環状円筒形のコイル構成（２８）の前記磁束伝導ピースが配置された表面領域（２８ａ）まで延びることを特徴とする請求項１または２に記載の横磁束機械。
前記２つの端部（３４）に窪み（４２）が設けられ、該窪み内に、隣接する前記磁束伝導ピース（３８）が突入することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の横磁束機械。
前記磁束ヨーク（３０）が、複数のシート金属板またはシート金属板の複数部分（３２、３４、３６）で構成されるか、あるいは、プレスし焼結して対応する形状にした鉄粒子から形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の横磁束機械。
前記磁束ヨーク（３０）が、前記２つの脚部（３２）を接続する中心部分（３６）内の転造シート金属管として構成され、かつ／あるいは前記２つの脚部（３２）が、半径方向向きの円盤状のシート金属の積層として形成され、かつ／あるいは前記脚部（３２）の前記２つの端部（３４）が、前記中心長軸線（Ｍ）と同軸に配向されたシート金属の積層として形成されることを特徴とする請求項５に記載の横磁束機械。
前記磁束伝導ピース（３８）が、固体の鉄含有金属、積層シート金属板、またはプレスし焼結して対応する形状にした鉄粒子から形成されることを特徴とする請求項６に記載の横磁束機械。
前記磁束伝導ピース（３８）が、完全な四角形の形状を有するか、あるいは前記２つの脚部の前記端部に向かう幅方向及び／または高さ方向のテーパの形状を有することを特徴とする請求項７に記載の横磁束機械。
前記永久磁石要素（５０）が、前記磁束伝導ピース（３８）の形状に本質的に相当する形状を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の横磁束機械。
前記コイル構成（２８）が、互いに隣接して配置された複数の同軸巻線を具え、該巻線が互いにオフセットした位相で動作すべく構成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の横磁束機械。
各々の磁束伝導ランド（３８ｂ）が、隣接する２つの巻線間に配置され、前記磁束伝導ランドが、前記磁束伝導ピース（３８）のうちの１つから前記２つの脚部（３２）を接続する前記中心部分（３６）まで延び、前記磁束伝導ランド（３８ｂ）が、前記２つの巻線を通る電流の位相差から生じる磁束を伝導可能かつ磁気飽和に達しない寸法であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の横磁束機械。
隣接する前記磁束伝導ピース（３８）間に、本質的に磁気的に無効なコネクタ（６０）が配置され、該コネクタが前記磁束伝導ピース（３８）の互いの相対位置を規定することを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の横磁束機械。