JP2007049898A - ロータリ式電動機器 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性があり、比較的高パワーで、製造コストが低い、ロータリ式電動機器を提供する。
【解決手段】モータ１０は、ステータ１００と、ロータ２００を有し、ブラシレスモータであり、磁束集中型ロータ２００を有し、そのステータ１００は歯部上に巻線を有し、三相交流で動作する。ステータ１００は、鋼製ケース１１０を有する。このケースは、ステータの巻線に電力を供給するために、電気導線が通過する側部開口部１１１を有する。ケースの外側には、固定タブ１１２と、持ち上げ用のフック１１３を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロータリ式電動機器に関し、特に永久磁石ロータを含む同期モータに関する。

米国特許第４，３０２，６９３号と第４，３３９，８７４号には、ステータの性質を条件として指定しない、磁束集中型ロータが記載されている。これらのロータにおいて、磁石は楔形状をしており、ロータのシャフトに溶接される磁極片の間に配置されている。その結果、ロータの製造は比較的複雑である。また、高速で回転するロータの場合、磁石は磁極片にせん断力を生じ、それらの保持状態が弱い場合、分離し始めることがある。それらのロータは、非常に古く、出願人が知る限り、顕著な商業的発展を得たものでない。

欧州特許出願ＥＰ−Ａ−０ ８７２ ９４３号には、ロータリ片電動機器が開示されている。この電動機器において、ロータはその表面上に配置された複数の磁石を有し、ステータの磁気回路は、個々のコイルを収容している。そのような機器は、高速時におけるロータの表面に誘導される電流が磁石を過熱し、しかも磁石は高温に耐えるものでないことから、高速回転で回転するように設計されていない。例として、そのような磁石を細分化することなく表面上に設けた場合、限界回転数は、例えば、１６極ロータの場合で毎分約２００回（ｒｐｍ）、８極モータの場合で約４００ｒｐｍであり、適用場所によっては該値は不十分なものであることが分かっている。磁石の過熱を解消する一方法は、それらを分割（細分化）することであるが、それは製造が複雑になり、コストを上昇するものである。細分化する場合の使用磁石数は、速度の２乗に比例して増加し、コストに加えて、必要な速度が比較的高い場合（例えば、数千ｒｐｍ以上）、上述した解決方法は物理的に不適当である。さらに、欧州特許出願ＥＰ‐Ａ‐０ ８７２ ９４３号に記載の機器において、ロータの回転を検出するためだけの磁石がロータが設けてあり、そのために該機器の製造が複雑になっている。ステータは、回転する正反対の半径方向力をロータに与える。そのために、ステータは機械的なストレスを受けて卵形になり、振動やノイズを発生する。最後に、歯部の幅は一定であり、そのことが少なくとも２つの問題を生じる。一つは、ステータの磁性材料が歯部の根元で飽和するようになることである。もう一つは、コイルをステータの所定場所に適正に固定するように、コイル交換の際にステータを再装入しなければならないことである。これは、当該機器は、現場で修理することができず、製造元に返送しなければならないことを意味する。

欧州特許出願ＥＰ−Ａ−０ ８２３ ７７１号には、各歯部に一つの巻線を有するステータが記載されている。ステータの磁気回路は複数のセクタを組み立てて構成されており、これらのセクタは溝間を横切る中央部分に空気ギャップを形成している。そのような機器では、リラクタンス（磁気抵抗）効果が必要とされ、それはＬｄ〔フォワード軸（直軸）インダクタンス〕とＬｑ〔ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ軸（横軸又は直角位相軸）インダクタンス〕〔これらは従来の標記法による。〕との差を最大化することによって得られる。その欠点は、トルクリップル（脈動）が発生することである。また、ＥＰ−Ａ−０ ８２３ ７７１号に記載されているように、ステータを複数のセクタに分割することは、セクタ間のベアリング面が比較的狭いので、ステータを脆弱化する。さらに、磁束はセクタ間に存在する空気ギャップと同数の空気ギャップを通過し、そのために機器の効率が低下する。

米国特許第５，８２９，１２０号には、磁石の配置を容易にするために複数の磁極片の間に連結部を設けた磁束集中型ロータが開示されている。そのようなロータは、ある実施形態では、磁極片を保持するためにロータの外側に狭い積層部が存在することから、製造が比較的難しい。

また、米国特許第５，０９１，６６８号には、磁束集中型ロータが記載されている。このロータでは、磁極片はあり接合によってロータ軸に接続されており、磁石は矩形の平行六面形をしている。そのロータは、遠心力がシャフトに形成された対応スプライン上に締め付ける各磁極片の複数領域を引き離そうとするので、高速回転に不向きである。したがって、軸に固定される棒上の磁極片を係合する必要がある。しかし、そのような解決策は、ロータの製造を複雑化することに加えて、ロータが永く且つ／又はその速度が速いときに弓状になるので、完全に満足のできるものでない。

信頼性があり、比較的高パワーで、製造コストが低く、上述の問題を完全に又は部分的に解消したロータリ式電動機器が必要とされている。

本発明は、このような必要性を満足するためになされたものである。

本発明は、新規なロータリ式電動機器、特に磁極片の間に配置された永久磁石を有する磁束集中式ロータと、複数の歯部に巻線を設けたステータとからなる新規な同期モータによって目的を達成している。

歯部に巻線（集中化された巻線）を設けたステータにおいて、各歯部は巻線のコアとして機能する。また、歯部の数ｎ_{ｔｅｅｔｈ}は、ｎ_{ｔｅｅｔｈ}＝ｎ_{ｐａｉｒｓ}・ｎ_{ｐｈａｓｅｓ}の関係を有する磁極対の数ｎ_{ｐａｉｒｓ}と位相の数ｎ_{ｐｈａｓｅｓ}の関数であることが好ましい。この関係を満足することにより、欧州特許出願ＥＰ−Ａ−０ ８７２ ９４３号について説明したものと違って、ステータは卵形になるストレスを受けることがなくなる。

磁束集中型ロータと歯部に巻線を設けたステータとの組み合わせにより、比較的小型高パワーの機械を得ることができ、特に軸の端部の張り出し位置にモータを設け、それによりベアリングの数を減少させることができる。ロータは、脈動する磁束から磁極片により保護されるので、高速で回転できる。したがって、複数の磁石を表面上に設けたロータのように、断片化した磁石を高速で用いる必要がない。

磁束集中型ロータを用いることにより、ＥＰ−Ａ−０ ８２３ ７７１号の目的とは違って、差Ｌｄ−Ｌｑを最小化し、またリラクタンスを用いて駆動力を発生させるのを避けるように機能する形状に、磁石と磁極片とを容易にすることができ、その結果、トルクのリップルは最小になる。ロータは、特にステータに対向する磁極片の面を膨らみ形状とすることで、ＬｄがほぼＬｑに等しくなるように作るのが好ましい。

ロータマグネットは、該ロータをその回転軸に沿って観察したとき、ロータの回転軸から反対側に向かって幅が狭くなる楔形状であり、また磁極片は切り欠きを有し且つ該切り欠きによって軸のスプラインに係合し、対応形状によって軸に固定される。楔形状の磁石と、対応形状によって軸に連結された磁極片との協働により、高速時に磁石が磁極片に圧縮力を作用させ、これにより磁極片の係合するスプラインの両側に配置された該磁極片の領域の広がりに対向する。これにより、上述の米国特許５，０９１，６６８号に記載されたものと違って、棒上の磁極片に係合させることを避けることができる。

上述のスプラインは、非磁性材料（例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、非磁性鋼、又は複合材料）から作られた軸の中央部分に一体的に形成するのが好ましい。

磁極片の半径方向内側端部と軸との間には、磁石を所定の場所に容易に収めることができるように、隙間を残すのが好ましい。そのような構造は、磁極片が軸に載る円筒軸受面を有する欧州特許出願ＥＰ−Ａ−０ ３２７ ４７０号に記載のものと異なるものである。

特に、楔形状の磁石を用いた実施形態において、各スプラインの横断面は、スプラインの中央を通る半径に対して傾斜（例えば、角度（ｉｉ）で傾斜）した部分を両側に有する形状をしている。その角度は、磁極片を作るために用いる材料のせん断強度よりも小さなせん断強度の材料からスプラインを作ることができるように選択される。例えば、その角度（ｉｉ）は、軸をアルミニウムで作り、磁極片を鋼で作る場合、約７０°である。上述の形状は、クラックが発生する危険を抑えるように、丸みのある部分を含むことが好ましい。

上述のように、ステータに対向する各磁極片の面は、ステータに向かって凸状に膨らませることが好ましい。これにより、ロータはその周囲に円い突出部を有し、これは上述のがたつきやトルクリップルを共に減少させると共に、冷却空気の流れを形成する。

特定の実施形態において、少なくとも一つの非磁性材料からなる端部側面板（チークプレート）を有し、その端部側面板の周囲はステータに隣接する磁石の端部から後退している。この配置により、以下に説明するように、磁石の磁界を容易に検出できると共に、上述した欧州特許出願ＥＰ−Ａ−０ ８７２ ９４３号に記載のものと違って、ロータの回転を測定するためだけにロータに磁石を取り付けることを要することなく、磁界検出器を利用できる。

ある実施形態では、ステータは独立したコイルを有する。これにより、機器は容易に製造し維持できる。

ステータは、絶縁された電線の束からなる少なくとも一つの独立したコイルを有するものであってもよい。この束は、ほぼ平坦で、複数の重ねた巻を形成するように巻回軸を中心に巻かれる。そして、重ねられた巻からなる束の断面は、コイルの巻回軸にほぼ垂直に伸びる長い寸法を有する。電線は、例えば０．３ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲の径を有する円形断面であるのが好ましい。この形状により、ロータの高速回転時に銅の内部における高周波損失を減少できる。

コイルの内側断面は、ほぼ矩形であるのが好ましい。所定量の締付力をもって対応する形状の歯部に装着できるように、一側部を他側部よりも広くするのが好ましい。この締付効果は、絶縁樹脂の中にステータ全体を再装入することなく、予め装入された交換コイルをステータに一旦取り付けた後は該コイルが移動しないことを保証するという点で特に有効である。そのような締付効果は、歯部が一定の幅を有する欧州特許出願ＥＰ−Ａ−０ ８７２ ９４３号に記載の機械では不可能である。また、自由端部から所定距離の場所から始まる、ロータから離れるに従って増加する幅の歯部を有する別の利点は、磁力線の通過する断面が大きく取れ、それにより磁気薄板が飽和する危険が減少することにある。これにより、安価な磁性材料を用いることができる。

特定の実施形態において、ワイヤはコイルとの電気的接続のために端部が剥がれており、フック状態に曲がられている。これにより、コイルの所定場所への装着及びそこからの取り出しが容易になる。そのフックは、巻き軸に垂直に、コイルの中央面に向けることができる。

フック形状の曲がられた接続端部は、シース付き（被覆で覆った）電気ケーブルの剥ぎ取り部にはんだ付けされる。

コイルは内側断面を有し、その長い側部は歯部の軸方向の大きさよりも長く、そこに隙間をあけて歯部が係合される。その隙間は、ロータの回転を示す信号を送出する検出器が通過するために十分大きなものである。

また、機器は、ロータの回転軸上から観察したとき、ロータの外周領域に覆い被さる所定の場所からロータ磁石の磁界を検出するように、ステータ上に設けた少なくとも一つの磁界検出器を有する。この外周領域は、上述のように、磁石の半径方向外側縁部から後退するように配置された端部側面板の回りに伸びる領域である。

ｎ相交流に対し、機器は、該機器ケースの開口部に近接した連続するｎ個の歯部に設けたｎ個の検出器を有する。そのような検出器は、ステータの磁気回路の前面に固定でき、それぞれ対応する歯部の半径方向軸に沿って伸びる。それらは、上述のように、歯部に係合したコイルを通るのが好ましい。これにより、機器は更に小型になる。

磁界センサに加えて、各検出器には温度センサを設けてもよい。コイルと歯部との間に温度センサを配置すると、対応する位相の電気回路の実温度を得ることができる。

特定の実施形態において、ステータの歯部は、該歯部に装着されたコイルを保持するためにステータ上にシムを固定できる切り欠きを有する。各シムは、対応するスロットのほぼ中央部に伸びる分離用仕切りを有する。

また、特定の実施形態では、ステータの磁気回路は、相互に組み合わされ、幅が半分の位置で歯部と交差する空気ギャップ（隙間）を形成するセクタを有する。セクタは、接合する側部に協働するレリーフ部分を有するのが好ましい。分割されたセクタを用いてステータの磁気回路を構成することにより、廃品が減少する。歯部の幅半分の位置にある空気ギャップは、同一セクタからなる２つの半歯部の間を通過する磁力線が中断するのを防止する。また、ＥＰ−Ａ−０ ８２３ ７７１号に記載された機器に適用されているように、空気ギャップがスロットの幅半分の位置にあるときよりも、積載面はサイズが大きい。これにより、セクタをより良く保持できると共に、単に円筒ケースに押し込むことによって結合力を保持できる。

本発明は、ロータリ式電気機器のロータを提供する。このロータは、複数の磁極部と、該磁極部に固定される共にロータのハウジングに固定された複数の磁石とを有し、ロータは以下の構成により特徴付けられている。
（ａ） 上記ハウジングは、上記磁石を受けるために、磁極部の間に形成されている。
（ｂ） 磁極部は、ロータが所定速度以上の速度で回転すると、遠心力により上記ハウジングが拡大し、その拡大は回転速度の減少により消滅するように、配置されている。
（ｃ） 上記磁石は、ロータが所定速度以上の速度で回転するときに拡大するハウジングによって形成されたギャップに係合して配置されており、ロータの速度が上記予め決められた速度以下に低下したときに、上記磁石に上記磁極部を締め付ける（クランプする）。上記磁極部は、シャフトのスプライン上に配置してもよいし、シャフトに固定した棒に取り付けてもよい。

各スプラインは、上述のように、磁極部に形成された切り欠きに対応する形状により協働するのが好ましい。これにより、磁極部は、磁石の楔形状により磁極部に誘導される力で、ロータのシャフトに良好に保持される。

本発明の他の特徴及び利点は、本発明の非限定的実施例の詳細な説明及び添付図面から明らかになるであろう。

図１は、本発明の同期モータ１０を示す。このモータは、ステータ１００と、ロータ２００を有する。モータ１０は、ブラシレスモータであり、磁束集中型ロータを有し、そのステータは歯部上に巻線を有し、三相交流で動作する。

ステータ１００は、鋼製ケース１１０を有する。このケースは、ステータの巻線に電力を供給するために、電気導線が通過する側部開口部１１１を有する。ケースの外側には、固定タブ１１２と、持ち上げ用のフック１１３を有する。

図示する例において、ステータ１００は、磁気回路を有する。この磁気回路は、複数の同一セクタ１２０を有し、該セクタの一つが独立して図６に斜視図で示してある。

各セクタ１２０は、同一の磁性薄板の積層体により構成されている。これら薄板は重ねられてクリップで留められ、一つのアセンブリを構成している。クリップ留めは従来の技術を用いて行われており、複数の組立点１２１で部分的に変形されている。磁性薄板の積層体を用いることにより、誘導電流による損失が防止される。他の形態において、ステータの磁気回路は、ほぼ環状の形をした薄板を積層し、ステータの歯部１３０を切り出して形成することが可能である。さらに別の形態では、複数のセクタのそれぞれは複数の歯部を有するものであってもよい。組み合わせると、２つの隣接するセクタ１２０は、一定幅でない歯部１３０を形成する。その歯部は、特に図５に示すように、個々のコイル３４０を受けるために利用される。実施例において、歯部の数ｎ_{ｔｅｅｔｈ}は１２個である。また、モータは、３相交流により駆動し、ロータは８個の磁極を有するように設計されている。当然、ロータの磁極数は違ってもよいし、例えば１２個又は１６個であってもよい。上述の問題を生じるが、ステータはｎ_{ｔｅｅｔｈ}＝ｎ_{ｐａｉｒｓ}・ｎ_{ｐｈａｓｅｓ}（ｎ_{ｐａｉｒｓ}：ロータ磁極対の数、ｎ_{ｐｈａｓｅｓ}：位相数）の関係を満たさない多数の歯部を有してもよい。

隣接するステータ１２０と協働する側部（側面）１２３ａと１２３ｂの上に、各ステータ１２０はレリーフ（表面が平らでない部分）１２４ａと１２４ｂの形をした部分を有する。これらのレリーフ１２４ａと１２４ｂの部分は補足的な形状をしており、上方から眺めたときにほぼ三角形の輪郭を有し、一方は窪みで他方は突起であり、ほぼ直線的な２つの側部を有し、円くなった部分で相互に接続されている。レリーフ１２４ａと１２４ｂの部分とが協働することにより、セクタの磁気回路を組み立てる際に、セクタ１２０を他のセクタに対して正しく位置決めすることができる。各セクタ１２０はまた、その側部１２３ａと１２３ｂに溝１２５ａと１２５ｂを有する。各溝は、半円形断面を有し、レリーフ１２４ａと１２４ｂの部分の近傍に配置されて、セクタ１２０を相互に組み合わせたときに、２つの隣接する溝が円形断面の穴１２５を形成するようにしてある。これらの穴１２５は、以下に詳細に説明するように、３つの検出器１９０を受けるために利用される。

図７において、２つの隣接するセクタ１２０の間の境界部の空気ギャップ（隙間）Ｅが対応する歯部１３０の中央部を占めており、これにより機器の動作中における磁気損失が減少する。その理由は、同一セクタ１２０内における歯部の半部から隣接する歯部の半部へと磁束が空気ギャップに出くわすことなく流れるからである。また、セクタは、比較的小さな切断工具（すなわち、高速処理の可能な工具）を用いて実際に削ることなく切り出される部材を用いて得ることができる。

セクタ１２０は、全体として円筒ケース１１０の中に押し込まれ、セクタ１２０により形成された磁気回路はケース１１０からセクタ１２０に加わる半径方向の圧縮力によって相互に保持され、このとき隣接するセクタ間の支持面は比較的大きいものである。

各セクタ１２０は溝１４０を形成している。この溝の両側１４１ａと１４１ｂは、溝１４０の底部の隣接領域１４２ａ、１４２ｂに対して９０°以上の角度ｉを有する。領域１４２ａ、１４２ｂは、対応する歯部が溝の底部に当たる場所の線を通る半径に垂直である。図に示す実施形態において、角度ｉは９０．４°である。ただし、この値は一例に過ぎない。

レリーフ１２４ａと１２４ｂ、１２５ａと１２５ｂの部分を無視すると、セクタの側部１２３ａと１２３ｂはそれぞれ半径に一致している。そして、ロータに対向する自由端１３１に近接して形成された切り欠き１４４ａ、１４４ｂを無視すると、各歯部１３０の幅はロータから離れるにしたがって増加している。図７から明らかなように、自由端部１３１の近傍で、半分を閉じたスロットを備えた多くの従来のステータとは対称的に、各歯部１３０は磁極の増大部を備えていない。図示する実施例において、自由端１３１と切り欠き１４４ａ又は１４４ｂとの間にある、各歯部１３０の端部１３１ａと１３２ｂは、それぞれ側部１４１ａと１４１ｂに整列している。

自由端部１３１は、ロータの回転軸と同一の軸を中心とする円形円筒部であり、ロータに向かって凹状となっている。

各スロットの底部は、領域１４２ａと１４２ｂとをそれらの間で連結し且つスロット１４０の半幅部で該スロットと交差する半径（図７に一点鎖線で示す。）に垂直の中央領域１４２ｃを含む。

上述のように、各歯部１３０は個々のコイル３４０を受ける。このコイルは、当該歯部１３０に隣接するスロット１４０の容積のほぼ半分を占める。

図８は、コイル３４０を独立して示す。このコイルは、エナメル電線３４２の束３４１を巻き軸Ｗの回りに巻いて形成されている。その束は、図９に示すように、断面がほぼ平坦である。

束３４１の巻きを通る断面で観察したとき、その長手方向の寸法は、巻き軸Ｗとほぼ平行である。

図示する実施例において、束３４１は１０個の円形断面導線３４２を有する。束３４１は、約２０回重ねた巻き３４３を形成している。巻きの内部で、導線３４２は、エナメル電線を用いることによって、相互に絶縁されている。電線３４２は、端部の被覆が剥がされており、電気接続端部３４４ａと３４４ｂが形成されている。これら接続端部は、巻き軸Ｗに垂直なコイルの中央面に向けてフック（鉤状部）を形成するように曲げられている。コイル製造プロセスの最終段階で、これらフックはそれぞれ、コイル本体に向けて開かれる。

図８は、導線３４２のすべてが端部３４４ａで上方に曲げられ、その後、コイル本体に向けて曲がれている状態を示す。一方、電線３４４ｂの端部は下方に曲がられ、その後、コイルの本体に向けて曲げられている。端部３４４ａと３４４ｂは、２つのコイル端面を越えて著しく突出していない。コイル本体を構成する巻きは、樹脂で一体化する前に、クロス３４５の接着ストリップによって重ねた状態で保持され得る。絶縁シースのスリーブ３４６は、端部３４４ａ、３４４ｂとコイル本体との間に伸びる束３４１の部分に係合される。

コイル３４０の内側断面は、図１０に示すように、ほぼ矩形をしている。コイル３４０は重ねて巻かれ、２つの対向する大きな面を有する。これら２つの面は、それらの間に歯部の側面１４１ａと１４１ｂとの間の角度と同一の角度を形成する。したがって、各コイルの内側断面の幅は、一端面から反対面に向かって変化している。これは、ステータ１００の歯部１３０にコイルを誤って載せたときに知覚され得る。

図１０において、ステータ１００の歯部１３０に装着する前に、コイル３４０は電気接続端部３４４ａ又は３４４ｂの一方又は他方を介して部分的に被覆が剥がれたシース付き電気導線１５０に電気的に接続される。端部３４４ａと３４４ｂで形成されたフックは、例えば剥ぎ取り部１５１の電気導線１５０の外周にほぼ適合するように、配置される。これらの剥ぎ取り部は、絶縁プラスチック材料のシース（被覆）を所定長さに亘って除去することで、電気導線１５０の端部だけでなく、それらの間に形成してもよい。

図示する実施例では、図１１に示すように、２つのコイル３４０からなるセットが形成され、対応する歯部１３０に順次装着される。絶縁材料からなるシート３４９が、歯部の間とスロット底部とコイルとの間に介在される。これらシート３４９の端部は、図５と図１１に示されている。

コイル３４０が歯部１３０に装着されると、支持詰め木（シム）１６０が切り欠き１４４ａ、１４４ｂにスライド挿入されて、スロット１４０を閉じる。図４から明らかなように、これらのシム１６０は、対応するスロット１４０に収容された２つのコイル３４０の間部分に伸びる部分１６１を有する。

全てのコイル３４０が所定の場所に装着された後、図１２に示すように、歯部の自由端から後退して、ステータの磁気回路の一側部に設けたほぼ円形の通路に沿ってケーブル１５０が配置される。これらのケーブルは、カラーによって相互に取り付けられ、ステータは従来と同様に絶縁樹脂によって覆われる。１２個のコイルの間の特定の電気的接続状態が図２０に示されているが、それは単に一例に過ぎない。

コイル３４０の交換を容易にするために、上述のようにして非一定幅の歯部に据え付けられたコイル３４０を用いるのが特に好ましい。コイル３４を交換するために、ロータ２００が取り除かれると、コイルの端部３４４ａと３４４ｂを対応する剥ぎ取り部１５１からはんだ付けを外し、対応するシム１６０を除去する。これにより、コイル３４０を取り出すことができる。次に、先に取り除いた歯部１３０に、樹脂で覆われた交換コイル３４０を係合して所定場所に取り付け、その後、端部３４４ａと３４４ｂが剥ぎ取り部１５１にはんだ付けされる。ロータに向けて歯部１３０の側面１４１ａと１４１ｂが先細りになっていること、またコイルの内側断面の形状がそれに対応していることにより、コイルは歯部１３０上で移動することがない。機器を製造元に返送することなく、またステータを再び一体化することなく、現場で修理が行える。そのため、修理時間が短縮される。モータ１０は、１以上の交換コイル３４０と共に出荷される。

ロータ２００は、図１３から図１８を参照して説明する。ロータは、図１５に単独でその端部を示す、非磁性軸（シャフト）２１０を有する。シャフトは、ほぼ環状の中央部２１１を有し、外周部に複数のスプライン２２０を有する。スプラインは、磁極片２３０を固定するためのものである。磁極片は、積層されてクリップで留められた同一の磁性薄板の積層物で構成されている。積層された磁性薄板を用いることにより、誘導電流による損失が減少する。断面において、スプライン２２０は、ほぼＴ形をしている。シャフトは非磁性材料で形成されているので、磁極片２３０は磁気的に接続されていない。

図１６は、磁極片２３０を単独で上方から見た図である。各磁極片２３０は、所定形状の切り欠き２５０を有する。この切り欠きは、ロータの回転軸に平行にスライドさせて、スプライン２２０に係合する形としてある。スプライン２２０は、本実施例において機械加工によりアルミニウムから中央部２１１と一体的に形成される。しかし、その他の技術、例えば引き抜き又は射出を用いてもよい。図示する実施例において、磁極片２３０は、シャフトのスプライン以外に係合しない。スプライン２２０は、ロータが比較的短く且つ以下に説明するように高速で回転しない場合、端部部品に固定された別の棒で置換することができる。

図示する実施例では、切り欠き２５０は、その中央を通り且つ半径を含む中央平面について対称である。それは、対応するスプライン２２０の半径方向外側面２２１に接触する底部２５１を有する。底部２５１は、両側２５２を接続している。各側は、曲率半径Ｒａの第１の円い部分２５２ａと、底部２５１の中央を通る半径とゼロでない角度ｉｉをなす直線状の斜め中央部分２５２ｂと、曲率半径Ｒｃを有する第２の円い部分２５２ｃを有する。本実施例において、Ｒａは３ｍｍ、Ｒｃは５ｍｍ、角度ｉｉは７０°である。切り欠き２５０は、狭い開口部を有し、スプライン２２０と係合するようにしてある。

一般に、角度ｉｉは、シャフト２１０と磁極片２３０を形成するために用いる材料の性質に依存し、有限要素法を用いてコンピュータ計算で決められる。各スプライン２２０の断面形状は、切り欠き２５２の断面形状にほぼ対応している。ただし、スプライン２２０の半径方向外側面２２１の縁部には、面取り部２２１ａが存在している点で異なる。したがって、スプラインの各側部２２２は、円い部分２５２ａと同一の曲率半径Ｒａを有する円い部分２２２ａと、磁極片２３０がシャフト２１０の所定場所に取り付けられたときに部分２５２ｂに平行な直線部分２２２ｂと、部分２５２ｃと同一の曲率半径Ｒｃを有する円い部分２２２ｃとを有する。スロット２５０の両側に設けた磁極片２３０の半径方向内側縁部２３３は、特に図１７と図１８から明らかなように、スプライン２２０の間に設けたシャフト２１０の領域２１３から後退している。したがって、２つの隣接するスプライン２２０と、スプラインに係合した磁極片２３０と、シャフト２１２０との間には、隙間（ギャップ）２６０が残る。

僅かに台形の断面を有する永久磁石２７０は、図１８に示すように、磁極片２３０の間に挿入されて、半径方向に向けて配置されている。ロータの回転軸に沿って見たとき、各磁石２７０はその幅が半径方向外側に向かって先細りになるように、僅かに楔形をしている。各磁石２７０は、横断方向に磁化されており、単一部品として形成されるか又は複数の磁石要素をそれらの端部を当てて形成される。２つの隣接する磁石２７０の同一極性の磁極が、図１８に示すように、磁石２７０間に設けた磁極片２３０に向けられている。図示する実施例において、各磁石２７０は、図３に示すように、ロータの回転軸Ｘに沿って端部と端部を当てて配置された３つの磁石要素２７０ａ、２７０ｂ、２７０ｃで形成されている。図示する実施例において、磁石２７０は、磁極片２３０の側面２３８の半径方向側部のほぼ全体に伸びてそれと接触している。

磁極片２３０と接触する磁石２７０の対向する平面の間に形成される角度は非常に小さく、僅か数度である。図１６に示す実施例において、磁極片２３０の側部２３８と隣接する縁部２３３との角度ｉｉｉは９２．４°に等しい。

磁極片２３０の半径方向外側面２３５は、ロータの最大半径よりも小さな曲率半径の円形断面としてある。その結果、各磁極片２３０は、図１８に示すように、僅かに外側に膨らんだ丸い突出部を形成する外側面２３５を形成している。磁極片２３０の膨らみ形状により、トルクリップルが減少し、冷却空気の流れが形成される。説明に係る実施例において、円い突出部２３５の形状及び幅に対する磁石の半径方向幅の比率は、Ｌ_ｑ＝Ｌ_ｄの関係を有するように選択される。これにより、モータは磁気抵抗効果を生じることなく回転する。

ロータ２００が予め決められた速度以上の速度で回転する場合、使用されている材料の弾性により、磁極片２３０の間に形成されて磁石２７０を収容するハウジングは、遠心力により広がり始める。そして、その広がりは、回転速度が再び減少したときに消滅する。

磁石２７０の半径方向の大きさは、ロータの対応するハウジングに収容されたときに、それらの半径方向外側端部が、磁石に隣接する磁極片の半径方向外側縁部から後退するように、選択される。

磁石２７０は、ロータが予め決められた速度以上の速度で回転する際に、上述ようにハウジングが大きくなることにより形成される隙間と係合するように、取り付けられる。その結果、ロータの速度が上述した予め決められた速度以下に戻ったとき、磁極片２３０が磁石２７を締め付ける。隙間２６０が存在することにより、磁石２７０は容易に所定の場所に取り付けることができる。これは、磁極片２３０に対して磁石２７０を押圧するために簡単で且つ効果的な手段を提供するものと理解できる。磁石２７０を固定するために、公称回転速度よりも例えば１０％大きな速度で、又は公称回転速度よりも２０％大きな速度で、ロータ２００を回転してもよい。磁石２７０は、非常に大きな力で磁極片２３０の間に当初挿入する必要がないので、容易に取り付けることができる。この場合、磁石２７０の最終位置決めは、ロータ２００を回転することにより、自動的に行われる。また、ロータをより高速又は低速で回転することにより、必要ならば磁極片２３０と磁石２７０をロータの外径に対して大きく又は小さく移動させることができる。これにより、より大きな製造公差を用いて、磁石２７０と磁極片２３０、及びステータ１００を、製造できる。その理由は、より高速又は低速で回転することにより、ロータ２００の外径を所望の値に調整できるからである。

磁石２７０は、低電気抵抗を有するが、高速時に脈動する磁束に対して磁極片２３０により付与される保護によって、それらを非磁性化する加熱作用を受けることがない。

楔形状の磁石２７０により、スプライン２２０を収容する磁極片２３０の部分に圧縮力が作用し、スプライン２２０に対して切り欠き２５０を閉鎖するようになる。この効果は、速度の上昇に応じて増加し、アセンブリは自分自身でロックする。上述の圧縮力により、スプラインの両側にある磁極片の幅が減少し、スプラインとシャフトとの間の接続部の幅が大きいことによる利点が得られ、アルミニウムのような、非磁性鋼ほど機械的に強くない安価で軽量な材料でシャフトを作ることができる。

必要ならば、端部側面板（チークプレート）２８０と２９０がシャフト２１０の両端に固定され、磁極片２３０と磁石２７０の軸方向移動を防止する。側面板は、機械の一部を形成する。ロータ２００は、複数の中間側面板によって複数の部分に分解してもよい。また、各部分の磁石２７０の数は、４個から６４個（例えば８極モータについて示す例の場合は８個）の範囲にあればよい。複数の部分を用いると共に中間の側面板によって分離する場合、側面板の数は部分の数に１を加えた数とするのが好ましい。

側面板２８０，２９０は、例えばアルミニウム、または非磁性鋼材から作られる。側面板２８０，２９０は、ボルト２８１によりシャフト２１０に固定される。側面板５００の周囲には、複数のタッピング穴５００が形成され、釣り合いねじが嵌め込まれる。

特に図１３に示すように、側面板２８０は円形の半径方向外側縁部２８２を有する。この縁部は、磁極片２３０の半径方向外側縁部２３５と、膨らみ面の端部２３５ａとほぼ同一の位置にある磁石２７０の半径方向外側縁部から後退している。

これにより、側面板２８０の周囲に環状領域Ａが形成されており、そこでは図４に示す種類の検出器１９０によってロータの磁石２７０の磁界を読み取ることができる。図４において、検出器１９０は、僅かだけロータ２００に重なることができることが分かる。何故ならば、側面板２８０は、僅かに後退した位置にあるからである。

説明に係る実施例では、モータが３相モータであることから、３つの検出器１９０が設けてある。各検出器は、側面板２８０の周りでロータ２００の外周領域Ａにおける磁界を検出するように配置されたホール効果センサを備えている。磁界は、ロータの回転軸に平行な軸に沿って読まれ、ホール効果センサは外周領域Ａを部分的に覆っている。図示する実施例において、開口部１１１の近傍に配置された３つの連続した歯部１３０上に、検出器１９０は設けてある。

各検出器１９０は、穴１２５にねじ１９１を係合して、ステータ１３０の歯部１３０に固定される。各検出器１９０は、関係する歯部の半径方向軸Ｚｕ，Ｚｖ，又はＺｗに沿って伸びており、歯部に係合するコイル３４０を通過している。コイル３４０は、その目的から、検出器１９０が通過できるために十分大きな長さの内側断面が設けてある。コイルと検出器が通過する対応歯部との間に残された空間は、例えば約５ｍｍであり、コイルを絶縁物３４９の無い歯部から絶縁するために利用される。

永久磁石２７０の磁界を直接読み取ることが好ましい。それにより、ロータの回転位置を読み取ることが唯一の目的である特別な構成をロータに付加する必要が無くなるからである。これは、ロータの製造を簡素化し、信頼性を向上する。また、コイル３４０と歯部１３０との間の隙間に検出器１９０を設けることが非常にコンパクトに行えると共に、必要に応じて検出器１９０を交換するために該検出器に容易にアクセスできる。

各検出器１９０は、所定の位相（ｕ、ｖ、及びｗ）を有するコイル３４０の内側に配置される。各検出器１９０は、ロータのどの極性がコイル（そして、対応する位相）と同期しているか所定時間ごとに検出できる。各検出器１９０は、検出する極性に応じて高圧信号又は低圧信号を送出する。各検出器１９０は、干渉に対する感度を低下するように、ホール効果センサにより送出される信号を成形する電気回路を有する。ロータの位置に応じて、検出器１９０から送出される種々の信号は６つの組み合わせを採り、検出器１９０の状態によって構成される３つのうちのそれぞれの変化がロータの所定角度位置に対応している。これにより、ロータの角度位置を所定時間ごとに求めることができると共に、速度が与えられると、補間によってそれらの時間のロータの位置を計算することができる。したがって、コイル３４０は、所望量の位相シフトをもって、最適状態で励起可能である。各コイルにより運ばれる電流は、ゼロまで減少できると共に、磁石が対応する歯部の軸上にあるとき、方向を変えることができる。吸引力だけで動作するリダクタンスモータと違って、上述のモータはリラクタンス無し（実施例では、Ｌ_ｄ＝Ｌ_ｑ）で、吸引と反発の両方で動作し、大きなトルクが得られる。

各検出器１９０はまた、温度センサを有する。種々の位相におけるコイル３４の温度を知ることにより、モータの動作不良を検出できる。

少なくとも一つの側面板２８０と２９０上に、ロータ２００は、特に図１に示す冷却フィン（羽根）２９１を有する。ロータの外周に設けた磁極片２３０により形成される膨らみ部２３５の存在により、更なる冷却効果が得られる。そのため、モータの内部に冷却空気の流れが形成される。

上述のように、図１から図１９のモータは、以下の数々の利点を有する。
特にコンパクトは構成により、シャフトの端部に張り出し状態で取り付けることができる。そのため、ベアリングの数が減少し、摩擦による機械的損失が減少し、潤滑の問題が減少する。
磁石は表面に誘導される電流に殆ど曝されることがないので、マグネットが分離したり過熱したりすることなく、ロータは高速で回転できる。
個々のコイルは、容易に据え付け及び交換ができる。また、ステータを再含浸させる必要がない。
磁石の質量は非常に小さく、分割する必要がない。
歯部の数及びコイルの数は比較的小さく、そのために製造が容易である。
コイルのヘッド部は非常に短く、そのために軸方向に小型の構造が得られる。
位相は接点無しに又は渡り線（クロスオーバ）無しで、電気的に分離できる。
コイルの巻きは接触させることができるので、スロットが十分に満たされる。
トルクリップルは、無視できる。

以上の実施例を通じて、標準的な歯部を有する異なる径のステータと共に予め作られたステータとロータの磁気回路からロータリ式電気機器を製造することができる。ロータとステータの磁気回路の軸方向の寸法は、より多くの数の又はより少ない数のセクタと磁極片を積層することにより、取り出すパワーの関数として選択することができる。コイルの巻き数、平坦な束における導線の径、電線の数を機器に対する需要者の要求する性能の関数として求めることで、予め決められた要素から作られたステータの磁気回路に対し、コイルだけを評価すればよい。

本発明は、同期モータに限るものでなく、発電機にも適用可能である。ロータは、内部にあってもよいし、外部にあってもよい。

機器の電気パワーは、例えば１ｋＷから７５０ｋＷの範囲にある。ロータの回転速度は、例えば１，０００ｒｐｍから１０，０００ｒｐｍである。本発明の機械は、速度が１０００ｒｐｍ以下の場合でも、適用可能である。機械の外径は、例えば５０ｍｍ〜１ｍであり、最も広汎な適用において外径は１００ｍｍ〜６００ｍｍである。

本発明は、特定の磁極数に限定されるものでないし、３相交流で駆動されるステータに限るものでない。電流はｎ相（３相以外）の多相であってもよい。

シャフトは、アルミニウム以外の非磁性材料（例えば、アルミニウム合金）で作ることができる。

若干有利性に欠けるが、楔形状の磁石と組み合わせて、平行六面体又はその他の形の磁石も使用できる。ステータの歯部はロータに対向する面に、ロータの軸を中心とする円筒形以外の形を有することもある。

スロットは、半分を閉鎖することもできる。

他の実施例において、磁極片２３０’は、図２０に示すように、シャフトに固定された端部側面板に保持された棒２２０’に積層してもよい。この図において、楔形状の磁石２７０’は、棒２２０’に係合された磁極片２３０’の間に配置されている。磁極片は、図２１に示すように、遠心力を作用させる前に、磁石２７０’を保持するように、段部を含むものであってもよい。

本発明の実施形態を構成する同期モータの斜視図。 図１の矢印ＩＩに沿って見た平面図。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿ったモータの軸方向断面図。 図２の細部ＩＶの拡大図。 ステータを単独で示す斜視図。 ステータの磁気回路のセクタを単独で示す斜視図。 図６のセクタを他のセクタと組み合わせる方法を示す図。 コイルを単独で示す斜視図。 図８のＩＸ−ＩＸ線に沿った断面図。 ステータを製造するために用いるコイルを示す図。 製造中にコイルをステータに取り付ける状態を示す図。 全てのコイルを所定の場所に取り付け、電流供給ケーブルの環状通路を示す図１１と同様の図。 ロータの正面図。 ロータシャフトの端部を示す図。 図１４のＸＶ−ＸＶに沿った軸方向断面図。 ロータの磁極片を示す平面図。 ロータシャフトに磁極片を組み付ける状態を示す図。 磁石と磁極片を所定の場所に取り付けた後の、ロータシャフトの断面図。 コイル（符号１〜１２のコイル）が電気的に接続された状態を示す非限定的な図。 ロータの他の形態を示す断面図。 図２０の詳細図。

符号の説明

１００：ステータ
１３０：歯部
２００：ロータ
２１０：シャフト
２２０：スプライン
２３０：磁極片
２５０：切り欠き
２７０：永久磁石

Claims (1)

1. 磁極片（２３０；２３０’）の間に配置された永久磁石（２７０；２７０’）を有する磁束集中式ロータ（２００）と、歯部に巻線を有するステータ（１００）とを備えたロータリ式電気機器。

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