JP2008514175A - 電気機械 - Google Patents

Abstract

本発明は、第１磁界を発生する第１手段を備えた一次部品（３）と、磁界を案内する手段を備えた二次部品（５）とを備えた電気機械、特に直動型又は回転型電気同期機（１）に関する。本発明によれば、一次部品に他の磁界を発生する少なくとも１つの他の手段（７）が設けられ、該手段は前記第１の磁界に他の磁界が重畳するように配置される。一次部品のみに磁界を発生する手段を設けるようにしたことにより、電気機械の構成を簡素化することができる。

Description

本発明は、電気機械の一次部品、電気機械又は電気機械を作動させる方法に関する。

電気機械は一次部品と二次部品とを有する。一次部品に、特に二次部品が向き合っている。一次部品には電流が供給される。二次部品は、例えば永久磁石や通電可能な巻線を有する。通電可能な巻線は同期機の場合、例えば変換装置により通電可能であり、又は非同期機では誘導により通電される。従ってかかる電気機械では、一次部品も二次部品も能動磁気手段を有し、能動磁気手段は磁界を生成すべく利用される。能動磁気手段は、例えば通電可能な巻線、永久磁石又は誘導により電流を発生する巻線である。引き起こされた電流の貫流に伴い磁界が発生する。

かかる電気機械の構成は、一次部品も二次部品も磁界発生手段を備えねばならない故に極めて複雑である。これは特に同期機にあてはまる。

本発明の課題は、それらの構成が簡略化され又は一層安価に行うことができるように簡略化された電気機械又はこのような電気機械用の一次部品を提供することである。このように簡略化された構成は特に同期機において望ましい。同期機は例えば永久磁石同期機又は他励同期機の形態である。

上記の課題は、例えば請求項１乃至４の１つに記載の特徴を持つ電気機械、請求項１９又は２０記載の特徴を持つ一次部品、請求項２２記載の特徴を持つ二次部品、又は請求項２４記載の特徴を有する搬送機構により解決される。従属請求項３〜１８、２１、２３および２５は各装置の発明的諸構成又は諸展開に係る。

一次部品と二次部品を持つ本発明の電気機械において、一次部品は２つの磁界発生手段を備えている。二次部品は磁界発生手段を持たない。即ち、一次部品は第１磁界発生手段と他の磁界発生手段とを有し、第１磁界発生手段は交流電圧又は交流電流を印加可能である。第１磁界である磁界を発生するための第１手段は例えば巻線である。励磁磁界である磁界を発生する他の手段は、他の、即ち少なくとも１つの第２磁界を発生可能な手段である。他の磁界を発生する磁界励磁は作動時変化がなく、一定であるとよい。他の磁界を発生する該他の手段は、例えば永久磁石又は定電流を供給される巻線である。他の磁界を発生する前記他の手段は、異極磁界励磁を発生する他の手段を多数有すると好ましい。

第１磁界を発生する第１手段は例えばコイル巻線であり、コイルから流出又はコイルに流入する第１磁界は他の磁界を発生する他の手段（即ち第２、第３手段等）へ誘導され、他の磁界を発生する少なくとも２つの他の手段は第１磁界の磁界範囲内にあり、こうして両方の磁界の相互作用が実現する。他の磁界を発生する前記他の手段は、互いに各々逆向きの多数の磁化方向を有し、こうして異極磁化を持つ配置が実現する。

即ち、一次部品と二次部品を持ち、一次部品が第１磁界を発生する第１手段、二次部品が磁界案内手段を有する電気機械は、少なくとも２つの他の磁界を発生する少なくとも２つの他の手段を一次部品が有するよう構成され、第１磁界を発生する第１手段は、他の磁界を発生する他の手段に対し、第１磁界と他の磁界の重なりが起こるように配置される。

電気機械のかかる構成の利点は、電気機械の二次部品が能動的磁界発生手段を備えない点にある。電気機械の二次部品は磁界案内手段のみを備え、それ故に簡単かつ安価に作製できる。二次部品は、渦電流を避けるべく、例えば成層構造とされる。

一次部品と二次部品を形成すべく、軟鉄部品を使用するとよい。これら部品の成層は渦電流を低減させる。他の実施形態では、軟鉄部品は中実におよび／又は所謂粉末プレス成形品として形成できる。

課題は更に、電気機械が同期機であって、一次部品と二次部品とを有し、一次部品が第１磁界を発生する第１手段、そして更に、他の１つの磁界を発生する他の手段を有し、第１手段が巻線であり、他の手段が少なくとも１つの永久磁石であることで解決される。前記他の手段は、特に多数の手段、即ち多数の永久磁石である。本発明に係る電気機械のこの構成では、磁界発生手段は全て一次部品内にある。二次部品は磁界案内手段を有するだけであり、例えば一次部品の方を向いた表面に歯を有する。この手段は特に、成層鉄心等の鉄含有手段である。

二次部品および／又は一次部品は、例えば歯を有するように形成される。二次部品の歯ピッチと一次部品の歯ピッチ又は磁石ピッチは同じでも、異なってもよい。例えばピッチが同じ場合、電動機巻線相のコイルは群成され、別の電動機巻線相の他のコイル群に対して３６０°／ｍのオフセットで配置される。「ｍ」は相又は巻線相の数を表す。二次部品の歯ピッチ（Ｔａｕ_-Ｓｅｋ）は機械の極ピッチ（Ｔａｕ_-ｐ）を設定し、Ｔａｕ_-ｚａｈｎ、ｓｅｋ＝２^*Ｔａｕ_-ｐが妥当する。

本発明に係る電気機械の１実施形態では、二次部品の歯ピッチは、例えば一次部品の磁石ピッチの整数倍である。しかし電気機械は、二次部品の歯ピッチが一次部品の磁石ピッチの整数倍でないようにも構成可能である。

本発明に係る電気機械によって、例えばリニアモータを構成可能である。このリニアモータでは、例えば永久磁石はリニアモータのコイルを支持する一次部品に一体化される。この構成は特に移動経路が長い場合費用上の利点をもたらす。その場合、リニアモータの二次部品は例えば鉄リアクションレールのみからなる。これにより、リニアモータの安全性も向上できる。

このリニアモータにおける費用上の利点は、例えば同期リニアモータであるリニアモータが従来は電気励磁可能な一次部品を有し、永久磁石を装備した二次部品にこの一次部品が対向することから得られる。その際、長固定子型も短固定子型も可能である。一方の場合多量の銅、他方の場合多量の磁性材料が必要となり、両方共高い費用を伴う。既知のリニアモータにおいて二次部品内に収容される永久磁石は、開放リンクを形成する。磁石（永久磁石）は全長にわたり切屑、油又は別の不純物等の環境の影響から保護せばならず、支出を伴う。更に、永久磁石の吸引力が強いので二次部品の長さにわたり操作者の保護に留意せねばならない。これらの保護措置も費用と技術的支出を引き起こす。本発明に係る電気機械の二次部品により、支出を著しく減らすことができる。

本発明では、永久磁石を一次部品に一体化でき、コイル（巻線）と磁石（永久磁石）を電気機械の同じ部品（一次部品）内に収容できる。短固定型では、公知の電動機原理と比較して遥かに少ない磁性材料で足りる。一次部品はこれ迄も環境から保護され、そこでは既に操作者保護も考慮されているので、磁石を一次部品に一体化する際付加的保護装置は省略できる。二次部品は、危険の生じない鉄リアクションレールのみからなるとよい。

本発明に係る電気機械は特に同期機である。同期機は厳密に調節可能であり、運動および位置精度に関し厳しい要求を満たし得る。本発明による単純又は小型な同期機構成によって、上述の多様な利点が生ずる。

発生する係止トルクは、既知の方法で回避できる。この方法とは、例えば永久磁石のスキュー、歯部のスキュー等である。

電気機械の他の有利な１構成では、他の磁界発生手段（例えば永久磁石）は軟磁性磁気回路区域に埋め込まれ、磁束集中型に構成される。磁束集中型配置は電気機械の高い磁気利用を可能とする。埋め込みとは、磁束が流出する永久磁石側面に完全に又は部分的に軟磁性材料が続くような、軟磁性材料内への永久磁石の位置決めを意味する。

電気機械の他の１構成では、二次部品は少なくとも１つの磁気帰路手段を備える。この手段は例えば成層鉄心を有する。更に、二次部品は磁気源を持たないように構成するとよい。磁気源は例えば永久磁石、又は通電（電気を流す）巻線でもある。

有利な１実施形態では一次部品はモジュール構成にされる。歯数又は相応する巻線によって電動機長は変更できる。この結果、電動機の定格力を適合する可能性が生ずる。

電気機械の他の１構成では、二次部品内で磁化性の異なる領域が交番する。異なる磁化性は、例えば鉄から製造可能な軟磁性材料と空気又はプラスチックとの間に生ずる。交番する領域によって、二次部品の内部で磁界を案内することができる。

他の１実施形態では、二次部品は一次部品の方に向いた歯を有するように構成される。それと共に作動磁束は、二次部品の内部で歯および場合により設けられる帰路を経て案内される。歯を経て磁束を案内する場合、磁束は例えば各々単に１つの歯又は少なくとも２つの歯を介して案内できる。

他の有利な１構成では、例えば横桁とも称し得る歯の間の空隙を充填する。充填物は、例えばプラスチックからなる。充填物により、例えば歯の間に汚れが溜まることはない。

第１磁界を発生する第１手段は、既述のように、通電可能な巻線である。機械の通電可能な巻線は単数又は複数の巻線相（例えばＵ、Ｖ、Ｗ）からなる。各巻線相は単数又は複数のコイルからなる。コイルの有利な実施の形態は、各１つの歯に巻回された集中巻コイル（歯巻回コイル）であることを特徴とし、歯は単数又は複数の極又は永久磁石を担持する。歯巻回コイルは１つの巻線の少なくとも一部である。コイルは個別コイルとしても分割コイルとしても実施できる。巻線の利点として、巻線を利用してごく簡単に、変化する磁界は、例えば交流電流で実現できる。電気機械は、例えば複数の巻線又はコイルを有するように構成でき、これら巻線は三相電源の様々な相で通電可能である。

電気機械は、二次部品が相互にピッチ距離Ｔａｕ_-Ｓｅｋで配置した歯を持つ如く構成できる。電気機械の一次部品は励磁磁界を発生する第２手段を含み、該手段は、互いにピッチ距離Ｔａｕ_-Ｐｒｉｍで配置される多数の手段（例えば永久磁石）で実現される。

ところで電気機械の１実施形態は、Ｔａｕ_-ＳｅｋとＴａｕ_-Ｐｒｉｍとの間の関係が次式で表現できることを特徴としている。
Ｔａｕ_-Ｓｅｋ＝ｎ×Ｔａｕ−Ｐｒｉｍ。
式中、ｎ＝１、２、３、…であり、Ｔａｕ_-ＳｅｋはＴａｕ_-Ｐｒｉｍの整数倍により表現できる。

電気機械の他の実施形態では、Ｔａｕ_-ＳｅｋとＴａｕ_-Ｐｒｉｍとの間の関係は次式で明示できる。
Ｔａｕ_-Ｓｅｋ≠ｎ×Ｔａｕ_-Ｐｒｉｍ。
式中、ｎ＝１、２、３、…。即ちピッチ距離Ｔａｕ_-Ｓｅｋはピッチ距離Ｔａｕ_-Ｐｒｉｍの整数倍ではない。

他の有利な１構成では、本発明に係る電気機械は変換装置と結合される。変換装置は、特に第１磁界を発生する第１手段への通電を行うインバータである。電気機械と変換装置が駆動装置を形成する。それ故に電気機械は、一次部品が複数の巻線を有するようにも形成可能であり、これら巻線に異なる位相角の交流電圧又は交流電流を通電できる。異なる位相角を使用することで、電気機械の一次部品および／又は二次部品の運動時に均一な力推移を引き起こし得る。このように均一な力推移は、電気機械一次部品の複数の巻線の位置を二次部品に対し移相させ、より一層均一な力の発生が可能となるように構成できる。例えば三相機（ｍ＝３）の場合、１２０°電気角の位相差を選択するとよい。

既述のように、電気機械の他の１実施は少なくとも１つの第２磁界を発生する他の手段として永久磁石を有する。永久磁石を、各々異なる方向の磁気励磁磁界を発生するように一次部品に配置するとよい。

永久磁石の一配置例では、永久磁石の磁化方向を平行に、但し交互に逆向きとする。

電気機械の他の実施例では、歯付き二次部品の運動によって一次部品のコイルを担持する磁気回路区域内に交番磁束を発生し、もってコイルの交番磁束鎖交（交番磁束配列）が実現するように、永久磁石の磁化方向を向ける。

別の実施例では、歯付き二次部品の運動により一次部品のコイルを担持する磁気回路区域内で脈動的直流磁束を発生させ、もってコイルの直流磁束鎖交（直流磁束配列）を実現すべく、永久磁石の磁化方向を向けることができる。

磁界を案内する平面に関しても、有利な諸構成が存在する。例えば運動方向に対し横を向いた平面で磁界を案内する（横軸磁束の磁気回路）。これに伴い、一次部品の成層鉄心は電動機積層板の数によって長手方向広がりを変更可能である。

他の実施形態では、運動方向と平行に配列した平面において磁界を案内する（直軸磁束磁気回路）。この結果、成層鉄心幅を電動機積層板の数により変更可能となる。

横軸磁束配列、即ち横軸磁束の磁気回路を直軸磁束配列、つまり直軸磁束の磁気回路と組合せてもよい。こうすると、リニアモータにおいて０度又は１８０度に等しくない角度にある様々な運動方向用に電気機械を設け得る利点がある。

本発明に係る電気機械は回転型電気機械としても直動機としても実現できる。回転型機械とする利点は、例えば大きな半径を持つ特別大きな電気機械を構成できる点にある。回転子も固定子も一次部品又は二次部品として形成できる。固定子を一次部品として形成すると、電力供給が容易になる点で有利である。

電気機械の他の実施例では、電気機械を上記の如く直動機として構成する。特に直動機は、二次部品が磁界発生手段を持たないと言う利点を持つ。それ故、二次部品はごく簡単かつ安価に形成できる。

他の有利な実施例では、電気機械の一次部品によって１つの二次部品だけでなく少なくとも２つ以上の二次部品が運動可能である。そのことは、例えば箱等の搬送体を担持する多種多様な二次部品が、１つの一次部品により運動可能な搬送システムで考えられる。一次部品は、例えば二次部品の位置決め、二次部品の加速、二次部品の減速等に用い得る。

電気機械は、一次又は二次部品、更には両部品が運動可能なように柔軟に構成できる。

電気機械の他の実施例では、電気機械は１つの一次部品と２つの二次部品とを有する。一次部品は両方の二次部品の間に配置される。この配置では、有効磁束により形成される磁気回路が、１つの一次部品と両方の二次部品とを介して閉じるように構成される。

電気機械の他の構成では、電気機械が２つの一次部品と１つの二次部品とを有する。二次部品は両方の一次部品の間に配置される。一次部品と二次部品は、有効磁束で形成された磁気回路が両方の一次部品と１つの二次部品とを経て閉じるように構成できる。

しかし一次部品と二次部品は、有効磁束により形成される磁気回路が各々１つの一次部品と、共通する二次部品を経て閉じるようにも構成できる。

本発明は、電気機械だけでなく、電気機械の一次部品にも関する。電気機械の一次部品は、本発明によればそれが第１磁界発生手段を持つよう構成され、一次部品は少なくとも１つの他の磁界発生手段を有し、第１手段と前記他の手段は、第１手段と該他の手段（第２手段および／又は第３手段…）とで発生される磁界を重ねて、この磁界が強化又は弱化可能となるように互いに位置合せされる。強化又は弱化は結果として得られる総磁界に関係し、該総磁界は第１手段で発生される磁界に依存して増大又は縮小可能である。

一次部品は、特に上記電気機械の構成態様の１つにおける一次部品である。

電気機械、特に上記実施形態の１つによる電気機械の二次部品は、少なくとも１つの磁界案内手段を有し、二次部品は磁気源を持たない。

本発明は、搬送機構にも関する。該搬送機構は本発明に係る電気機械を備える。搬送機構は、例えば少なくとも１つの一次部品と少なくとも１つの二次部品を有する。搬送機構が複数の一次部品を有する際、これら一次部品は例えば相互に独自に、複数の個別電動機として、又は一緒に１つの電動機として制御できる。例えばｘ軸とｙ軸を有する１平面に複数の一次部品を配置する場合、一次部品の総数を２つの群に分割することで二次元運動が実現できる。第１群はｘ軸での運動用、第２群はｙ軸での運動用に設ける。位置合せも相応に得られる。これら２つの群を、例えば市松模様に従いｘｙ平面に配分する。その場合、二次部品の能動面はｘ運動方向又はｙ運動方向用に２つの領域に相応に分配する。

電気機械の本発明に係る諸構成の例を、図示の実施例により説明する。

図１は電気機械１を示す。この電気機械１は一次部品３と二次部品５とを有する。一次部品３は巻線９と永久磁石１７を持つ。一次部品３の運動方向は長手方向１１に延びる両方向矢印で示す。他の両方向矢印は横方向１３を示す。第３両方向矢印で法線１５を定めており、法線は空隙面１９に関係し、空隙面１９は図１に図示していない。空隙面１９は図２に示す。矢印で示す側面図７は、図３、図４の図に関係する。この電気機械１は、接続ケーブル１６を経て接続された変換装置１４により制御されるリニアモータである。

図２は電気機械１を示す。一次部品３は成層鉄心として形成され、巻線９を有する。巻線９は相巻線であり、交流電流が通流する。電流の瞬間的な方向を図２に図示している。この方向を点２３と×印２５で示す。成層構成の一次部品３は、二次部品５に向き合う側に永久磁石１７を有する。永久磁石１７は一次部品上に、それらの磁化が法線１５方向で交番するよう取付けられている。即ち磁石（永久磁石）は交互に上方（一次部品３の方）又は下方（二次部品５の方）を向く磁束を生ずる。つまり北‐南永久磁石（Ｎ‐Ｓ）２７（磁化方向は二次部品の方を向く）が南‐北永久磁石（Ｓ‐Ｎ）２９（磁化方向は一次部品の方を向く）と交番する。一次部品３と二次部品５の間に空隙２１が生じ、該空隙２１が空隙面１９を定める。この際直動機である電気機械１の運動は長手方向１１で起きる。その際、一次部品３が固定され、二次部品５が動くか、二次部品５が固定され、一次部品３が二次部品５にわたって動くかの何れかになし得る。巻線９は第１磁界を発生するの第１手段、永久磁石１７は他の磁界を発生する他の手段である。図２は電気機械１の横軸磁束型を示す。横軸磁束型では二次部品５は例えば、支持体３１と横桁３３とを有するように実施されている。少なくとも横桁３３は成層型に形成されている。成層は、長手方向１１で板と板が続くように行われる。横桁３３は支持体３１に例えば貼付けられ又は蝋付され又は溶接され、又は固着手段を組合せて互いに結合されている。成層は渦電流を避ける上で有利である。否定的渦電流効果が強く現れていない場合（例えば十分に低い電気基本周波数を応用する場合）、成層を省略し、安価な中実部品を使用できる。

図３は一次部品３と二次部品５を部分図で示す。図３の部分図は磁界を一次部品３内でどのように分割できるのかを概略的に示し、選択された側面図の形状は図１の側面図７に一致している。図３には巻線１０の１巻が示してある。更に、一次部品３と二次部品５が区画に分割可能であることを示す。一次部品が一次区画４７、４９、５１、５３を有し、これらの一次区画４７、４９、５１、５３は永久磁石２７、２９に関係している。区画は永久磁石２７、２９の磁化方向に相応して磁束が二次部品５から離れるか又は二次部品５に向かって推移するかのである領域である。この推移を矢印４１、４３で図示する。巻線１０と鎖交する全ての磁束の合計が鎖交磁束Ψとなる。鎖交磁束は、主に二次部品５を介して磁気帰路を形成する磁石によって発生される。異なる長さの磁束矢印は、各磁石について、巻線（コイル）と鎖交する磁束を示す。二次部品５は設けられた横桁３３に相応して区画も有する。つまりこれらの二次区画５５、５７、５９、６１は横桁３３が設けられた区域又は設けられない区域に相当する。横桁３３によって磁束は案内可能である。磁束の案内はこの実施例では、図示したＸ軸６３に垂直に起きる。つまり磁束は図示したシート平面に垂直に推移し、これはＹ軸６５に相当する。Ｘ軸とＹ軸に対してＺ軸が垂直であり、全ての軸は互いに直交する。例えば北‐南永久磁石２７により引き起こされる磁気励磁磁束は、横桁３３と一次部品３とを経て、区画５５と結合された区画４７内で閉じる。一次部品３が例えば第１北‐南永久磁石２７（Ｎ‐Ｓ永久磁石）の背後に有する他の永久磁石は逆方向に磁化されており、これはＳ‐Ｎ永久磁石２９である。しかしこのような永久磁石２９は、背後に来るので図３に図示していない。横桁３３が永久磁石２７、２９に対向する諸位置に細い空隙３５が生じる。横桁３３のない隣接位置には他の空隙３７が生じる。空隙３５、３７が同じでない故、区画４７、５１と４９、５３内に永久磁石２７、２９により強さの異なる磁束４１、４３が生ずる。結果として生ずる磁束３９は、全ての磁束４１、４３の合計に相当する。

図３が示す磁気励磁磁束４１、４３は、時間的には巻線１０中の電流が零通過する時点およびそのときの一次部品３および二次部品５の位置についてのものである。磁気励磁磁束又は巻線誘導電圧とその際に変換される通電電動機出力との位置依存推移を図５に示してある。図３に示す二次部品位置Ｘ＝０では負の鎖交磁束Ψが生じ、図４に示す位置Ｘ＝τ_Mでは正の磁束Ψが得られる。つまり図４の図は二次部品５を位置Ｘ＝τ_Mにおいて示す。つまり二次部品５が１磁極ピッチだけ動くと、これによりコイル（巻線１０）の磁束鎖交３９は負値から正値へと徐々に変化する。変化がどのように推移するかは磁気幅、空隙、歯幅（横桁３３の幅）等の幾何学パラメータにより調節できる。有利な１構成では、極力正弦波状の変化を追求している。

図５は鎖交磁束Ψと、それに基づく誘導電圧Ｕ_iと、１つの巻線相／巻線の電気出力Ｐ_el、_strの時間的推移とを３つの線図で示す。この時間的推移は電圧の相位置を明示することで表せる。磁束Ψの推移は、例えば永久磁石で発生される磁界９０の推移も表す。１つの巻線相の最適な力形成のため相中の電流は誘導電圧で印加せねばならない。更に位置Ｘ＝０、Ｘ＝τ_Mを示してあり、これらの位置は、他の図示した磁束Ψ、電圧Ｕ_i、電気出力Ｐ_el、_str等の推移と一緒に、図３、図４による象徴的図に関係している。電気出力をプロットした第３グラフから明らかなように、一定した出力（＝力）のために電動機巻線相ｍの数は２よりも大きくおよび／又は同じでなければならない。有利には３つの巻線相が選択されている。と言うのは、３相コンバータは２相又は多相コンバータより必要とする半導体素子が少ないからである。

図６は技術的原理の具体的説明に役立ち、力Ｆの発生を具体的に説明する。リニアモータの長手方向での力の発生を具体化すべく、補助モデルを用いる。永久磁石２７をこれに付属した側面の電流で模擬する。即ち、永久磁石２７は例えば想定直方体で表示でき、図示の如く直方体６９の側面を電流が流れる。つまりモデル７１で、永久磁石２７は１つの巻線で表示でき、このモデルでは、巻線内部の電流の方向は点２３又は×印２５で表現している。２Ｄにおいて、磁石は等価電流の導体横断面に簡素化できる。ところで一次部品の側面において磁石を置換すると、以下の配置が得られる。巻線９で発生した磁界は、磁気抵抗がそこでは最も小さいことから磁束集中片として役立つ横桁３３の代わりに、空隙２１内に集中する。即ち仮想導体は相コイルの磁界内にあり、一方の側では増磁し、反対側では減磁する。導体は磁界強度の弱い領域へと「逃げ」、これを図６に一次部品に作用する力Ｆの方向により図示している。この関係は、電流と磁界と力Ｆが互いに直角である「右手の法則」でも説明できる。一次部品３と二次部品５が図６に示す相互位置Ｘ＝τ_M/2のとき相電流、つまり巻線９を流れる電流は極大に達する。

図７は横軸磁束リニアモータ１のジオメトリと永久磁石１７によって発生される磁気励磁磁界８８とを略示する。有効磁束は運動方向（１１）に対し横を向いた平面（１０６）で案内される。有効磁束は、コイル９と結合又は鎖交する磁束である。このように向けられたこの有効磁束が横軸磁束の磁気回路を形成する。

図７の励磁磁界８８は単数又は複数の他の磁界である。リニアモータ１は成層一次部品３と成層二次部品５を持つ。成層鉄心の積重ね方向を原理的に示す。永久磁石１７の磁化方向９４を矢印で明示している。一次部品の可能な運動方向は長手方向１１である。

図８は一次部品４と二次部品６を示す。一次部品４と二次部品６とが電気機械２を形成し、電気機械２は直軸磁束配列を有する。直軸磁束配列は、特に磁界が一次部品又は二次部品の運動方向を横切って閉じるのでなく、一次部品の運動方向又は二次部品の運動方向に沿って閉じることを特徴としている。平面１０８が運動方向１１と平行に向き、この平面１０８で案内される磁束が有効磁束である。有効磁束は、コイル９と結合された磁束である。このように向いたこの有効磁束が直軸磁束磁気回路を形成する。

図８では、二次部品６を支持体３２の領域でも横桁３４の領域でも成層型に形成している。空隙面での磁石の配置は、横軸磁束配列とは異なり市松模様にではなく、帯状としている。磁石は、直軸磁束変更態様では実質的に横桁（磁束集中片）と平行に向いている。しかし、力リプルを減らすべく、磁石を一種の傾斜位置で適切に位置決めし得る。

他の有利な実施例では、二次部品６を、電動機幅にわたり相前後して積重ねた板から製造する。該板では、支持体３２と歯７５が１つの部品からなる。板を相前後して積重ねると、横桁３４を持つ二次部品の歯付き構造が生ずる。成層方式を図８に示す。二次部品は例えば長手方向で複数の部分から構成でき、１つの二次部品６が次の二次部品に隣接している。しかしこのように運動方向で隣接する他の二次部品は、図８には図示していない。図８は更に永久磁石を示す。永久磁石はＮ‐Ｓ永久磁石２８又はＳ‐Ｎ永久磁石３０である。該永久磁石は、例えば一次部品４の成層鉄心幅７７全体にわたり延びている。

図９は、図８の電気機械２の１展開例を示す。一次部品４は、磁極片７９を備える。磁極片７９は永久磁石２８、３０用載置面を拡大する。この結果電気機械２の力効率は高め得る。永久磁石を位置決めする面を増大させることで、巻線９を一次部品に挿入可能な領域が狭まるので、一次部品４は巻型８１を有するように構成するとよい。巻型８１は磁極片７９と巻回首部８４を有する。巻回首部８４の周りに巻線９は巻回し、引き続き一次部品４に押込む。巻型８１は鼻端８３で一次部品内に保持するとよい。図９で巻線９は、電動機の巻線相Ｕとして示す。他の電動機巻線相（例えばＶ、Ｗ）は同一構成の一次部品４で実現できるが、図示していない。図示位置において永久磁石２８、３０が磁気励磁磁束８６を発生し、これら磁束の合計がコイル９の鎖交磁束Ψを形成する。図９から明らかなように、有効磁束となる磁気励磁磁束８６が直軸磁束の磁気回路を形成する。

図１０は直軸磁束の磁気回路を持つリニアモータ２を示す。これは図９に一致する。図１０は、前記他の磁界９２の分布を図中下方にずらして付加的に示してある。前記他の磁界９２は、永久磁石１７により形成される磁気励磁磁界である。

図１１は電気機械２の他の実施例を示す。この電気機械は、３つの巻線相Ｕ、Ｖ、Ｗで構成される。各巻線相は、三相電源の１相用に設けられている。所要の位相差は巻線相相互の幾何学的オフセットにより達成される。幾何学的オフセットΔｘは、図示した三相機の場合１２０°の電気角に一致する。図１１は、図１
０に関し、例えば各巻線相Ｕ、Ｖ、Ｗに１つの歯巻回コイル９が付設されているだけでなく、各巻線相Ｕ、Ｖ、Ｗ毎に２つの歯巻回コイル１２、１４が付設されている点でも相違している。

図１２はリニアモータの態様の電気機械２を示す。ここでは永久磁石として歯磁石１８を使用している。永久磁石でもある歯磁石１８は、例えば成層軟鉄材料９６の間にある。歯磁石１８により発生される前記他の磁界８６は矢印付きの線で示す。永久磁石１８の磁化方向９４も同じく矢印で具体的に示している。歯磁石１８は歯９８の略中心に位置決めされ、歯巻回コイル９のコイル軸線１００と略平行に延びている。歯９８は歯巻回コイル９で包囲されている。図１２は図の上半分に幾何学的構成、下半分に磁気励磁磁界８８のパターンを示す。磁気励磁磁界８８は歯磁石１８により発生された前記他の磁界である。励磁磁界８８の図は磁束集中１０２の作用を具体的に示す。磁束集中は磁気回路ジオメトリによって決まる。影響量は、例えば磁石寸法と板片寸法である。永久磁石である歯磁石１８の磁化方向９４は、主として空隙１０５の空隙面と平行である。

図１２に示す電気機械２の二次部品６の歯ピッチは、一次部品４の磁石ピッチの整数倍ではない。これは、歯ピッチ又は磁石ピッチが一定でない場合、特に平均値に相当する。

コイル９は単数および／又は複数の相で通電可能である。個々の電動機相へのコイルの割当ては一次部品４と二次部品６との間の選択された歯ピッチ比に依存している。図１２の一次部品４の歯９８は、二次部品６の歯９９とは別の歯ピッチを持つ。多相電気機械は一次部品および二次部品の同じ歯ピッチ用にも異なる歯ピッチ用にも実現できる。同じ歯ピッチは、例えば図７と図１１に示している。

図１３は実質的に、歯磁石の代わりに継鉄磁石２０が他の磁界を発生するための他の手段として使用された点で図１２と相違している。継鉄磁石２０は永久磁石でもあり、継鉄１０４の領域に位置決めされている。継鉄１０４は歯９８の結合に役立つ。図１２と比較して磁石の位置決めから、図１３では別の励磁磁界８８も得られる。

図１４は横軸磁束の磁気回路１１５を持つ一次部品３と直軸磁束の磁気回路１１７を持つ一次部品４とを対比して示す。一次部品３、４は特にこの図に図示しない永久磁石同期機の一次部品３、４であり、該同期機は一次部品内に永久磁石を有するが、この図には図示していない。磁束Φを各々記号でのみ示す。例えば通電可能な巻線等の、磁束Φを発生する他の手段も、見易さのため省略している。可能な運動方向１１は矢印で示す。各一次部品３、４に付設された二次部品は図１４に示していない。一次部品３、４の成層時、その実施が各磁気回路１１５、１１７の向きに依存することもこの図に示す。横軸磁束の磁気回路１１５では磁気励磁磁束Φは、主に運動方向１１に対し横を向く平面で閉じる。一次部品３、４の成層に使用する電動機板は磁束平面に追従し、例えば一次部品３の長手方向で積重ねられる。長手方向は運動方向１１における一次部品３の方向である。

図１５は電気機械２ａ、２ｂを対比して示す。両電気機械２ａ、２ｂはリニアモータである。電気機械２ａが有する一次部品４ａは歯９８を有し、各１つの歯９８に取付けられた永久磁石１７は異なる磁化方向９４を持つ。永久磁石１７は空隙１０５に向き合う一次部品側面に取付けられている。永久磁石１７の磁化方向９４は空隙面に対し垂直である。

図１５では、歯９８の周りに各々１つの歯巻回コイル９を巻回している。各歯９８が磁化方向９４が交互に逆向きの永久磁石１７を有するので、一次部品４ａが二次部品６に対し相対的に動くと交番磁束が生じる。即ち電気機械２ａは交番磁束配列を有する。（磁気）励磁磁界を形成する永久磁石１７により、二次部品６と一次部品４ａとの相対運動時に磁気回路中に交番磁束が発生する。つまり個々の永久磁石１７の磁化方向９４は、歯付き二次部品６の運動により一次部品４ａのコイルを担持する磁気回路区域に交番磁束が発生されるように位置合せされている。

図１５の電気機械２ｂも歯９８を有する一次部品４ｂを備える。電気機械２ａとは異なり、電気機械２ｂでは歯９８が歯９８ごとに単に１つの永久磁石１７を有する。永久磁石１７が磁化方向９４を有するので、各歯９８に単に１つの磁化方向９４が割当てられている。電気機械２ｂは歯９８が複数の永久磁石を有するようにも構成可能であるが、しかしこれらの永久磁石は１つの歯９８に関して同じ磁化方向を有する。この変更実施形態が図１５に明確には図示されていない。電気機械２ｂでは、一次部品４ｂの歯９８に伴って磁化方向９４も変転する。つまり各歯は交互に異なる磁化方向９４を有する。ところで歯９８は磁化方向９４の異なる永久磁石１７を有するので、一次部品４ｂが二次部品６に対して相対的に動くとき直流磁束が生じる。つまり電気機械２ｂは直流磁束配列を有する。（磁気）励磁磁界を形成するのに役立つ永久磁石１７によって、二次部品６が一次部品４ｂに対して相対運動するとき磁気回路中に直流磁束が発生される。図１５の電気機械２ｂにおいて個々の永久磁石１７の磁化方向９４は、歯付き二次部品６の運動によって一次部品４ｂのコイルを担持する磁気回路区域内で直流磁束が発生されるように位置合せされている。その際、直流磁束はその方向を変えず、最大値と最小値との間を周期的に移動する。

図１５では、又は図１２でも、一次部品と二次部品との間に力の作用が達成できる配置を選択している。図１６は、１つの一次部品４と２つの二次部品６ａ、６ｂとを有する電気機械の配置を示す。即ち力が単に１つの一次部品４と２つの二次部品６ａ、６ｂとの間で生じる。このため、生成可能な力が略２倍となる。図１６のリニアモータの一次部品３の歯９８は、各々２つの磁極片７９を有し、各磁極片７９に１つの二次部品６ａ又は６ｂが向き合っている。図１６による電気機械２のこの実施形態は、図１２による電気機械２の一つの発展形である。二次部品の両側への配置は、永久磁石１７が軟磁性材料１１９に埋め込まれた図１６に示す一次部品４の実施形態に限定されない。磁極片上に永久磁石を持つ一次部品も実施可能である。しかしこのような実施例は図１６に図示していない。

図１７は、２つの一次部品４ａ、４ｂと、付属の単一つの二次部品６とを有する電気機械２の配置を示す。力の作用は単一の二次部品６と２つの一次部品４ａ、４ｂとの間に生じる。その結果、生成可能な力は略２倍になる。図１６によるリニアモータ２の二次部品の歯３は、各１つの一次部品４ａ、４ｂに対し両側の位置合せを有する。即ち各一次部品４ａ、４ｂに一方の二次部品５の歯３３を付設している。図１７による電気機械２のこの実施形態は、図１２による電気機械２の一種の発展形である。一次部品４ａ、４ｂを両側に配置する形態は、永久磁石１７を軟磁性材料１１９に埋め込んだ図１６に示す一次部品４ａの実施形態に限定されない。例えば図１０の如く、磁極片上に永久磁石を有する一次部品も実施可能である。しかしこのような実施形態は図１７に図示していない。

図１８は、２つの一次部品３ａ、３ｂと１つの二次部品５とを有する電気機械１における磁界パターンを例示的に示す。一次部品３ａ、３ｂは永久磁石１７と巻線９を有する。図１８に示す磁束８６は一次部品の破線で示した巻線９内の電流により生じる。図１８に示す磁束８６では、永久磁石によって引き起こされる磁束は考慮していない。

図１９は、図１８と同様に、２つの一次部品３ａ、３ｂと１つの二次部品５とを有する電気機械１における磁界パターンを例示する。図１９に示す磁界パターンは永久磁石１７のみにより形成される。図１９に示す磁束８６は、一次部品の通電可能な巻線９によって形成される磁束は考慮していない。

図２０は図１８、図１９と同様に電気機械１における磁界パターンを例示的に示す。永久磁石１７の磁界と通電巻線９の磁界が重なっている。図２０は、図１８、図１９に個々に示した磁界を重ねて示す。更に図２０は二次部品５が２つの一次部品３ａ、３ｂ間に配置されることを示し、この配置は両方の一次部品３ａ、３ｂと二次部品５とに関係する共通する磁気回路を形成するのに役立つ。

図２１は回転型電気機械１１０を示す。この機械は、例えば同期電動機や同期発電機である。電気機械１１０は固定子１３０と回転子１２０を有する。回転子１２０は軸線１２２を中心に回転する。回転子１２０は電気機械１１０の二次部品、固定子１３０は電気機械１１０の一次部品である。回転子１２０は、上記リニアモータの二次部品と同様に、歯３３を持つ。電気機械１１０の固定子１３０は、磁極片７９を有する歯９８の周りに巻線９と、永久磁石１７とを備える。図２１の回転型電気機械１１０のこの実施形態は、回転型電気機械の種々の実施形態の１例にすぎない。回転型電気機械の図示しない別の実施形態は、例えば先行する図面説明によるリニアモータの実施形態を同様に転用することで得られる。回転型電気機械でも、永久磁石の種々の位置決めが可能である。更に、回転型機械においても、１つの一次部品に２つの二次部品を付設し又は１つの二次部品に２つの一次部品を付設した実施形態が可能である。しかしこれらの変更態様は図示していない。

図２２は図２１の細部である。図２２は、軟磁性材料内部での永久磁石１７の位置決め（埋込み）を詳細に図示している。図２２では永久磁石１７の磁化方向９４も図示しており、歯９８から歯９８へと磁化方向の変転が常に起きる。しかしこれは図示していない。

図２３は搬送および／又は位置決め機構１４０の１例を示す。搬送機構１４０は少なくとも１つ又は複数の一次部品３を有する。一次部品３が搬送軌道を形成する。一次部品３に１つの二次部品５が付属している。二次部品５上に、例えば搬送容器１４２がある。搬送機構１４０は複数の二次部品５を有し得るが、これは図示していない。複数の一次部品３を設けた場合、一次部品は相互に独自に複数の個別電動機として、又は一緒に１つの電動機としても、制御するとよい。

搬送および／又は位置決め機構の他の有利な実施例は、１つの短い一次部品と１つの長い二次部品リンクとで実現できる。この結果、安価な製造費（僅かな永久磁石材料）に関する諸利点と、作動上および安全上重要な構造様式（開放磁石リンクなし）とが生ずる。しかしそのような搬送機構は図２３に図示していない。

リニアモータの原理図である。 一次部品に永久磁石を有するリニアモータを示す。 リニアモータ内の磁界の第１パターンを示す。 リニアモータ内の磁界の第２パターンを示す。 磁束、誘導電圧および出力の時間的推移を示す。 力発生の具体的説明図である。 横軸磁束配列を有するリニアモータのジオメトリと磁界パターンを示す。 直軸磁束配列を有するリニアモータを斜視図で示す。 一次部品が磁極片を有するリニアモータを示す。 直軸磁束配列を有するリニアモータのジオメトリと磁界パターンを示す。 異なる相用に異なる巻線相を有するリニアモータを示す。 磁束集中部に歯磁石を有するリニアモータのジオメトリと磁界パターンを示す。 磁束集中部に継鉄磁石を有するリニアモータのジオメトリと磁界パターンを示す。 横軸磁束の磁気回路を有する一次部品と直軸磁束磁気回路を有する一次部品との対比である。 交番磁束配列を有する電気機械と直流磁束配列を有する電気機械との対比である。 二次部品を両側に配置した電気機械を示す。 一次部品を両側に配置した電気機械を示す。 電流により生ずる横軸磁束磁気回路の磁界パターンを示す。 永久磁石により生ずる横軸磁束磁気回路の磁界パターンを示す。 電流と永久磁石により生ずる横軸磁束磁気回路の磁界パターンを示す。 回転型電気機械である電気機械を示す。 図２１の細部を示す。 搬送機構を示す。

符号の説明

１、２、１１０ 電気機械、３、４、１３０ 一次部品、５、６、１２０ 二次部品、９、１０、１２、１４ 第１磁界発生手段、１７、１８、２０、２７〜３０ 他の磁界発生手段、１１ 運動方向、２１ 空隙、３５、３７ 幅、１０６、１０８ 平面

Claims (26)

1. 一次部品（３、４、１３０）と二次部品（５、６、１２０）とを有する電気機械（１、２、１１０）であって、一次部品（３、４、１３０）が第１磁界を発生する第１手段（９、１０、１２、１４）を有し、二次部品（５、６、１２０）が磁界を案内する手段（３１、３２、３３、３４、９９）を有するものにおいて、
   一次部品（３、４、１３０）が他の磁界を発生する少なくとも１つの他の手段（１７、１８、２０、２７、２８、２９、３０）を有し、特に第１磁界を発生する第１手段（９）が、他の磁界を発生する前記他の手段（１７、１８、２０、２７、２８、２９、３０）に対し、第１磁界と前記他の磁界との重なりを可能とするように配置されたことを特徴とする電気機械。
2. 一次部品（３、４、１３０）と二次部品（５、６、１２０）とを有する電気機械（１、２、１１０）において、一次部品（３、４、１３０）が、
   ａ）第１磁界を発生する第１手段（９、１０、１２、１４）と、
   ｂ）特に励磁磁界である他の１つの磁界を発生する他の手段（１７、１８、２０、２７、２８、２９、３０）とを有し、
   第１手段（９）が巻線を有し、前記他の手段（１７、１８、２０、２７、２８、２９、３０）が永久磁石を有することを特徴とする電気機械。
3. 一次部品（３、４、１３０）と二次部品（５、６、１２０）とを有する同期機である電気機械（１、２、１１０）において、一次部品（３、４、１３０）が、
   ａ）第１磁界を発生する第１手段（９、１０、１２、１４）と、
   ｂ）特に励磁磁界である他の１つの磁界を発生する他の手段（１７、１８、２０、２７、２８、２９、３０）とを有し、
   第１手段（９、１０、１２、１４）並びに前記他の手段が各々巻線を有することを特徴とする電気機械。
4. 一次部品（３、４、１３０）と二次部品（５、６、１２０）とを有する同期機である電気機械（１、２、１１０）において、一次部品（３、４、１３０）が、
   ａ）第１磁界を発生する第１手段（９、１０、１２、１４）と、
   ｂ）特に励磁磁界である他の１つの磁界を発生する他の手段（１７、１８、２０、２７、２８、２９、３０）とを有し、
   第１手段（９、１０、１２、１４）が巻線、前記他の手段が超伝導材料を各々有することを特徴とする電気機械。
5. 電気機械（１、２、１１０）の二次部品（５、６、１２０）が少なくとも１つの磁気帰路手段（３１、３２、３３、３４、９９）を有し、かつ磁気源（９、１０、１８、２０、２７、２８、２９、３０）を持たないことを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の電気機械。
6. 前記他の手段（１７、１８、２０）が磁束集中型に形成されたことを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の電気機械。
7. 前記他の手段（１７、１８、２０、２７、２８、２９、３０）が空隙（２１）の領域に配置されたことを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の電気機械。
8. 前記他の手段（１７、１８、２０、２７、２８、２９、３０）が少なくとも部分的に軟磁性材料に埋め込まれており、該材料が特に磁気回路区域を形成し、前記他の手段（１７、１８、２０、２７、２８、２９、３０）が特に磁束集中型に配置されたことを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の電気機械。
9. 一次部品（３、４、１３０）と二次部品（５、６、１２０）との間に空隙（２１）が形成され、該空隙（２１）が少なくとも２つの異なる幅（３５、３７）を有することを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載の電気機械。
10. 有効磁束が完全に又は少なくとも圧倒的に、運動方向（１１）に対し横を向く平面（１０６）で案内されることを特徴とする請求項１乃至９の１つに記載の電気機械。
11. 有効磁束が完全に、又は少なくとも圧倒的に、運動方向（１１）と平行に配列した平面（１０８）で案内されることを特徴とする請求項１乃至９の１つに記載の電気機械。
12. 横軸磁束の磁気回路が直軸磁束の磁気回路と組合されたことを特徴とする請求項１乃至１１の１つに記載の電気機械。
13. 他の磁界を発生する前記他の手段（１７、１８、２７、２８、２９、３０）で、二次部品（５、６、１２０）と一次部品（３、４、１３０）との相対運動時、コイルを担持する磁気回路区域内で交番磁束が発生されることを特徴とする請求項１乃至１２の１つに記載の電気機械。
14. 他の磁界を発生する前記他の手段（１７、１８、２７、２８、２９、３０）で、二次部品（５、６、１２０）と一次部品（３、４、１３０）との相対運動時、磁気回路内で脈動的直流磁束が発生されることを特徴とする請求項１乃至１２の１つに記載の電気機械。
15. 二次部品（５、６、１２０）の歯ピッチが、一次部品（３、４、１３０）の磁石ピッチの整数倍であることを特徴とする請求項１乃至１４の１つに記載の電気機械。
16. 二次部品（５、６、１２０）の歯ピッチが、一次部品（３、４、１３０）の磁石ピッチの整数倍とは異なることを特徴とする請求項１乃至１４の１つに記載の電気機械。
17. 一次部品（３、４、１３０）が２つの二次部品（５、６、１２０）の間に配置され、該配置が、両方の二次部品（５、６、１２０）と一次部品（３、４、１３０）に関係した共通の磁気回路を形成することを特徴とする請求項１乃至１６の１つに記載の電気機械。
18. 二次部品（５、６、１２０）が２つの一次部品（３、４、１３０）間に配置され、該配置が、両方の一次部品（３、４、１３０）と二次部品（５、６、１２０）に関係した共通する磁気回路を形成することを特徴とする請求項１乃至１７の１つに記載の電気機械。
19. 電気機械（１、２、１１０）が直動機（１、２）又は回転機又は回転型機械（１１０）であることを特徴とする請求項１乃至１８の１つに記載の電気機械。
20. 同期機である電気機械（１、２、１１０）の一次部品（３、４、１３０）であって、一次部品（３、４、１３０）が磁界を発生する第１手段（９、１０、１２、１４）を有し、磁界を発生する該第１手段（９、１０、１２、１４）が巻線を有するものにおいて、
    一次部品（３、４、１３０）が磁界を発生する少なくとも１つの他の手段（２７、２８、２９、３０）を備え、磁界を発生する前記他の手段（２７、２８、２９、３０）によって励磁磁界が生成されることを特徴とする一次部品。
21. 一次部品（３、４、１３０）を持つ電気機械の一次部品（３、４、１３０）において、該一次部品（３、４、１３０）が、
    ａ）第１磁界を発生する第１手段（９、１０、１２、１４）と、
    ｂ）他の１つの磁界を発生する他の手段（１７、１８、２０、２７、２８〜３０）とを有し、
    第１手段（９）が巻線を有し、前記他の手段（１７、１８、２０、２７〜３０）が永久磁石を有することを特徴とする一次部品。
22. 一次部品（３、４、１３０）が請求項１乃至１９の１つに記載の電気機械（１、２、１１０）の一次部品であることを特徴とする請求項２０又は２１記載の一次部品。
23. 電気機械（１、２、１１０）の二次部品（５、６、１２０）であって、二次部品（５、６、１２０）が少なくとも１つの磁気帰路手段（３１〜３４、９９）を有し、かつ磁気源（９、１０、１８、２０、２７〜３０）を持たない二次部品。
24. 二次部品（５、６、１２０）が請求項１乃至１９の１つに記載の電気機械の二次部品であることを特徴とする請求項２２記載の電気機械（１、２、１１０）の二次部品。
25. 電気機械（１、２、１１０）を有する搬送機構（１４０）において、電気機械（１、２、１１０）が請求項１乃至１９の１つに記載の電気機械（１、２、１１０）であることを特徴とする搬送機構。
26. 電気機械（１、２、１１０）が二次元での運動のため設けられたことを特徴とする請求項２５記載の搬送機構。

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