JP2009240158A - 移動磁界同期ａｃモータ - Google Patents

Abstract

【課題】リニア式の装置にも回転式の装置にも同様に適用可能であり、高トルクまたは損失低減等の既存の集中巻モータの前記パフォーマンス上の利点を確保し、同時にモータのマニュファクチュアラビリティを改善し、製造コストを低減し、トルク生成効率を上昇させ、同時に出力トルクの非線形性を低減することによってパフォーマンスを改善する集中巻モータの作動方法を提供すると同時に、モータサーボ制御システムに対する要求を低減すること。
【解決手段】２次側の永久磁石は、基本相電流周波数を有さない磁界を生成し、１次側磁極と２次側磁極との間のエアギャップ内に、１次側に供給された前記基本相電流周波数の少なくとも１つの高調波によって、エアギャップ磁束を生成し、該エアギャップ磁束は、前記基本相電流周波数を有さない磁界と相互作用する、集中巻を有する移動磁界同期ＡＣ電気モータの作動方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、集中巻を有するＡＣブラシレスモータにおいてトルクリプルを低減するための方法に関する。集中巻の１次側巻き線を有するＡＣ同期移動磁界モータまたはＡＣ同期回転磁界モータは、重ね巻か、いわゆる分布巻か、または正弦状に重みづけされて捲回された巻き線を有する標準的な回転ＡＣ磁界モータと比較すると、パフォーマンス上有利な利点を有する。前記集中巻の１次側巻き線とはすなわち、１次側の単一の歯付きモジュールに捲回された個別のコイルがともに結合され、モータ巻き線の１つの位相を形成する巻き線のことである。

その利点は数年前からよく知られており、この利点には、損失電力の低減、トルク密度の上昇、製造プロセスが簡略化され、かつより高度に自動化されること、および工具費の低減が含まれる。これらの利点はすべて、集中巻が占める物理的なスペースが分布巻より小さいという事実に基づいている。

分布巻はモータ１次側を横断しなければならず、１つの巻き線のコイルが第２の巻き線のコイルとオーバーラップするように捲回しなければならない。このような巻き線を１次側で使用可能なスペースに物理的にフィットさせることは困難であるため、スロットの充塞率が低減すること、すなわち１次側の各スロットにおけるワイヤが減少することにつながり、モータの終端における１次側スロット間にて延在するワイヤの長さが長くなるという結果になる。

このいわゆる終端巻き線は、トルク生成に寄与することはなく、巻き線抵抗ひいては該巻き線抵抗に比例する熱損失を増加させ、ひいてはモータ効率を低減させてしまう。

それに対して、集中巻モータは通常、コイルを個別に製造された１次側歯付きモジュールに捲回することによって形成され、それ自体は複数のラミネーションから形成されている。その後、捲回されたモジュールは一緒に溶接されるか、そうでなければジョイントされ、モータの１次側が形成される。

この種のモータは、ＵＳ５７２９０７２に記載されている。ここには、巻き線の物理的構造によってスロット充塞率がどのようにして理論的な最大値に到達し、かつ終端巻き線の長さが絶対的な最小値まで低減されるかということが示されている。望ましい特性のこの組み合わせによって、所与のトルクで容積が非常に小さく、かつ、スペースが最小である適用に非常に適したモータを製造することができる。前記適用は、たとえばロボットを使用する適用または材料管理の適用である。

しかし集中巻型のモータは、電磁的にも物理的にも、幾つかの不所望な特性を有し、これらの特性によってサーボ適用の際に該集中巻型のモータの有効性が制限されてしまうことがある。１次側巻き線の集中巻型の特性により、エアギャップ磁束においてハイレベルの高調波を生成する磁気システムとなってしまい、この高調波が磁束回路に存在する相応の高調波と組み合わされると、モータ出力トルクまたはモータ出力の強度に不所望の変化が発生してしまう。サーボ制御システムでは、結果として得られたモータ速度が許容範囲外のレベルを示すか否かということを示すことができないので、このトルクリプルを補償しなければならない。

これを回避するため、集中巻モータの設計において特別な測定を実施して、モータの出力に存在するトルクリプル／力リプルのレベルを低減しなければならない。そうでなければ、駆動システムの絶対的なパフォーマンスが低減されるおそれがある。このような測定には、２次側の磁石を斜めにすること、または２次側自体を斜行磁化すること、または巻き線の区画分けが含まれる。巻き線の区画分けには、１つの歯付きモジュールで複数のスロットにわたって巻き線を分布させることが含まれている。このような測定が実施されても、モータの出力トルクには未だに有意なリプルの成分が含まれることがある。さらに、歯付きセグメントを個別に捲回し、その後ともにジョイントしなければならないので、製造プロセスの精度に対して大きな要求が課され、それと同時にセグメントをともにジョイントする際に、モータ１次側自体の磁気的特性を保護するために細心の注意を払わねばならない。

その上、磁気回路設計において、リラクタンスおよびコギングトルク成分を低減するために注意を払わねばならない。このコギングトルク成分は、２次側の位置および１次側インダクタンスの変化に起因し、最終的にはモータ出力トルクまたはモータ出力における非線形性の原因となる。

設計の前記内在的な欠点を克服するために必要なこの最適化プロセスはすべて、モータの製造コストを上昇させ、モータの最終的な効率を低減させてしまうという傾向にある。

ＵＳ５７２９０７２

本発明の目的は、高度に最適化された次のような集中巻モータ設計を提供することである。すなわち、リニア式の装置にも回転式の装置にも同様に適用可能であり、高トルクまたは損失低減等の既存の集中巻モータの前記パフォーマンス上の利点を確保し、同時にモータのマニュファクチュアラビリティを改善し、製造コストを低減し、トルク生成効率を上昇させ、同時に出力トルクの非線形性を低減することによってパフォーマンスを改善する集中巻モータの作動方法を提供することである。同時に、モータサーボ制御システムに対する要求を低減することでもある。

前記課題は、集中巻を有する移動磁界同期ＡＣ電気モータの作動方法において、
２次側の永久磁石は、基本相電流周波数を有さない磁界を生成し、
１次側磁極と２次側磁極との間のエアギャップ内に、１次側に供給された前記基本相電流周波数の少なくとも１つの高調波によって、エアギャップ磁束を生成し、該エアギャップ磁束は、前記基本相電流周波数を有さない磁界と相互作用することにより、移動磁界同期ＡＣ電気モータを駆動するためのベース周波数として該高調波が使用され、該移動磁界同期ＡＣ電気モータの出力トルクのリプルが低減される
ことを特徴とする、集中巻（２）を有する移動磁界同期ＡＣ電気モータの作動方法によって解決される。

３相モータの１次側および相応する永久磁石２次側の概略的な縦断面図であり、本発明の第１の実施形態を示している。 本発明の請求項に相応する３相リニア同期ＡＣモータの１次側の平面図の一部を示している。 「区画分け」の一例を示している。 磁極片を有する１次側歯を示している。 標準的な集中巻モータおよび本発明におけるトルク対電気角のグラフィカルな対比を示している。

本発明の対象である巻き線パタンおよび１次側のジオメトリによって、モータエアギャップに移動電磁界が発生する。この移動電磁界は、フーリエ変換等の数学的手法によって成分に分解されると、予測可能な周波数および大きさを有する複数の空間高調波から成るように表される。この複数の空間高調波のうち１つが、モータを駆動させるためのベース周波数として選択される。

トルクを生成する空間高調波は基本相電流周波数の倍数であり、この基本相電流周波数自体もまたエアギャップ磁界に存在するが、モータ２次側は、基本相電流周波数の成分を有さない磁界を形成するように設計されている。このことは、２次側磁石担体上における磁石の空間的な分布をコントロールすることによって達成される。磁石の相互の物理的な位置およびモータ１次側に対する物理的な位置は、モータの特性を決定する際の決定的な要因である。モータトルクは、電磁界成分と相応の磁界成分との相互作用に依存し、基本周波数では出力トルクは存在しない。

類似した論拠を、エアギャップ電磁界の比較的高い別の周波数成分に適用することができる。ここでは、１次側のジオメトリおよび巻き線パタンを選択することによって、このような成分が消去されるか、またはこのような成分の大きさが故意に低減され、相応するトルク成分が消去または低減される。

このようにして実現されるモータは、他の標準的な集中巻モータと比較して有意に低減されたレベルのリプルトルクを含む出力トルクを有する。前記リプルトルクはすなわち、位置または電流によるトルクの変化である。

こうすることによって、サーボ制御システムにてアクチュエータとして使用される際、たとえば標準的なＰＩＤ速度制御システムを使用する際に、より簡単かつ正確に調整可能な同期モータが実現され、所与の最大許容速度リプルが、低減されたコントローラ利得係数で達成され、ひいてはゲインマージンおよびシステムのスタビリティが改善される。

本発明の主要な利点は、ロータまたは２次側の位置によるモータ出力トルクの変化が有意に減少することである。このことはとりわけ、基本相電流周波数の高調波であるモータ作動周波数を使用することによって達成される。このことを達成するため、高調波成分によってエアギャップ磁束が発生される。この高調波成分の振幅は、基本周波数成分と比較して有意である。したがって本発明では、モータ１次側巻き線パタンについて説明される。歯付きモジュール表面のコイルは、交番的な極性のシーケンスを形成するように捲回されている。すなわちコイルは、交代で時計回りおよび反時計回りで捲回されている。

換言すれば、すべてのモータ相電流が正でありかつモータへ流れ（これは実際にはあり得ない状態であるが、理解するのに役立つ）、すべてのコイルに給電される時点で２次側またはエアギャップ側から１次側を見ると、エアギャップに歯付きモジュールによって生成された磁界の極性が交番するように・・・Ｎ‐Ｓ‐Ｎ‐Ｓ・・・、該シーケンスの各歯付きモジュール表面のコイルまたは巻き線は捲回され、モータＡＣ給電部の位相のうち１つに接続されている。モータ位相Ｐ１〜Ｐｎの場合、このことは以下の電気的な巻き線パタンによって示される：
Ｐ１ -Ｐ１，-Ｐ２ Ｐ２，Ｐ３ -Ｐ３・・・Ｐｎ -Ｐｎ，-Ｐ１ Ｐ１，Ｐ２ -Ｐ２，-Ｐ３ Ｐ３，・・・-Ｐｎ Ｐｎ。

同じ結果を提供するため、電磁的に等価のすべての巻き線パタン、すなわち本発明のパタンによる対称的な不変性によって等価の電磁界を生成するすべての巻き線パタンを使用することもできる。

本発明では、２次側磁石の数ひいては物理的な大きさは、所与の２次側直径および所与の１次側ジオメトリでは、電磁界のトルク生成成分の周波数と関連づけられている。基本相電流周波数の倍数である周波数成分を使用することにより、磁石の大きさが、基本周波数が使用される類似の標準的なＡＣ磁界モータと比較して比例的に縮小され、それと同時に、比較的高い周波数成分の波長が基本周波数成分の波長より比例的に短くなる。したがって、２次側の個別の磁石は１次側磁極の長さと比較して小さい。このことによって、２次側の個別の磁石間のスペースを調整することによってエアギャップ磁束が最適化され、モータ周辺のエアギャップインダクタンスの変化が最小化される。それゆえ、磁束片等の構造を付加することなく、ＵＳ５７２９０７２に示されているように、モータの磁気回路において角度によってインダクタンスが変化することにより発生されるリラクタンスおよびコギングトルクは最小化される。

本発明では、磁極片を有さない実質的に平行な側を含む１次側スロットを備えた同期モータが記載されている。したがって、エアギャップに面して幅広の開口部を有することによって利点が得られる。このような機械的な構造によって、個別の巻き線を容易にその場で、モータ１次側の歯付きモジュールに嵌合することができ、スロット充塞率が高いモータの構成が可能になる。それと同時に、時間的に手間がかかる捲回プロセスの必要性が排除される。

本発明の利点は、集中巻モータの１次側が適切なジオメトリのラミネーションのスタックから形成されており、該ラミネーションはそれぞれ単一の個体として、スタンピングまたはレーザ切断等、標準的なＡＣモータを製造する際に通常使用されるプロセスによって形成されていることである。各ラミネーションは、完全な１次側を構成するのに必要なすべての歯付きモジュールを有する。たとえば、シリンダ形回転式モータ用の各単一のラミネーションの形状は環状である。こうすることにより、内在的に頑強かつ安定的なモータ構造が得られ、たとえばＵＳ５７２９０７２に記載されているような集中巻モータの製造において通常の後続処理ステップ、たとえば溶接または接着等が必要ではなくなる。

磁極片を省略することにより、モータ１次側歯の物理的なジオメトリに相応するジオメトリを有する前捲回されたコイルをその場で、完全な１次側の１次側歯に直接嵌合することが物理的に可能になる。したがって別の新奇な特徴は、本発明によって高いスロット充塞率の集中巻モータ１次側を単一のラミネーションのスタックから、標準的な回転式またはリニア式のＡＣモータ１次側の製造において通常のプロセスを使用して製造することがフレキシブルになるということである。

本発明の別の実施形態は、複数の１次側磁極を有するリニアＡＣ同期モータを含む。ここでは、所与のモータ１次側長で歯付きモジュールを寸法決めする際に幾らかのフレキシビリティを実現するため、巻き線パタンをモータの一方の終端で非対称または不完全にする。したがってたとえば、４つの１次側磁極および位相Ｐ１〜Ｐｎを有するリニアＡＣ同期モータでは、以下の巻き線パタンが３回繰り返される。ここでは、各磁極あたり１回である：
Ｐ１ -Ｐ１，-Ｐ２ Ｐ２，Ｐ３ -Ｐ３，・・・Ｐｎ -Ｐｎ，−Ｐ１ Ｐ１，Ｐ２ −Ｐ２，−Ｐ３ Ｐ３，・・・−Ｐｎ Ｐｎ。

最後の部分は、以下のような不完全なパタンを有する：
Ｐ１ −Ｐ１，−Ｐ２ Ｐ２，Ｐ３ −Ｐ３，・・・Ｐｎ −Ｐｎ
本発明の別の有利な実施形態では、集中巻モータの１次側は、出力トルクを最大にするように設計されている。ここでは、２次側磁極長対１次側スロット幅の比は６：５である。このようにして、２次側を最適化するエアギャップ電磁束が生成され、出力トルク中の第７次高調波成分が消去され、第１１次高調波成分および第１３次高調波成分が最小にされる。このようにして、最大出力トルクのために最適化されており、同時に許容トルクリプルが維持され、製造プロセスで容易に取り扱える磁石の大きさが確保されたモータが実現される。

本発明の別の有利な実施形態では、集中巻モータの１次側は、２次側磁極長対１次側スロット幅の比が６：７になるように最適化されている。こうすることにより、ベース周波数として使用すべき第７次高調波を生成するエアギャップ電磁束が形成される。このようなジオメトリの利点は、第７次高調波によって作用するように設計された磁界において、相応する成分を有さない電磁束の第５次高調波成分によるトルクリプルが有意に低減されることである。

所要の磁石の大きさは、モータベース周波数が増加するにつれて縮小するので、所与のモータの大きさで、２次側磁極長対１次側スロット幅の比が上昇して所定のレベルを上回ると、磁石を取り扱うのが困難になる。６：５および６：７の比が、小さいサイズのサーボモータおよび中程度のサイズのサーボモータを製造するのに最適であり、比較的大きなモータに関しては、６：１１，６：１３またはそれ以上の比が実用的であり、磁気回路ジオメトリをさらに最適化することができる。

本発明の別の有利な実施形態では、モータ位相の数は３に等しい。これによって、すべてのＡＣモータに対して互換性を有し、ひいてはすべての標準的なコンバータ、インバータおよび商用電源トポロジに対して互換性を有する集中巻同期ＡＣモータが実現される。それゆえ、既存の３相電力制御システムを使用してモータを作動させることができる。

したがって１次側巻き線は、モータ位相ａ，ｂおよびｃを有する標準的な３相モータにおいて、隣接するコイルが捲回される際、６つの歯付きモジュールのシーケンスから成る１次側の１つの完全な磁極が以下の巻き線パタンを有するように接続されている：ａ -ａ，-ｂ ｂ，ｃ -ｃ，ａ ａ，ｂ -ｂ，-ｃ ｃ。ここではマイナス符号は、正のモータ電流が各コイルから流れるコイルの側を示す。前記正のモータ電流はすなわち、モータ位相へ給電部から流れる電流である。

このような巻き線パタンから得られる空間ベクトル磁界は、幾何的に等価である巻き線パタンによって達成することもできる。この幾何的に等価である巻き線は、たとえば区画分け等の技術を使用して構成される巻き線である。

比較的大きな装置では、２次側磁界を電磁的に生成するのが有利であるが、同期ＡＣモータの磁界は一般的に、２次側に配置された複数の永久磁石によって生成され、該永久磁石は、物理的に２次側に放射状に配置されているか、または１次側に対して直径上反対側に配置されている。２次側で可能な機械的な変形形態が複数存在し、この変形形態はたとえば、表面上の磁石または埋込された磁石を使用することである。本発明のこの実施形態では、表面上に取り付けられた磁石が使用され、この磁石は１次側の歯付きモジュールに対して固定的に対応している。

本発明は、以下の図面を参照すると詳細に理解できる。図１および図２双方に、有利な実施形態が示されている。

図１は、多相同期ＡＣモータの断面を示す正面図である。ステータまたは１次側（１）は歯付きモジュール（４）のシーケンスから構成されており、歯付きモジュール（４）自体は、１つまたは複数の歯（９）から成る。図１に示されているものは、長さ方向に沿って「スライスオープン」された後に扁平に展開されたシリンダ形の装置の１次側（１）の断面を示すものと見なすことができる。この構造は、リニア形またはシリンダ形の装置の機能を示すのに使用される。

モータ１次側（１）およびモータ２次側（１６）は、ラミネーションとして知られる薄い強磁性の複数の鉄シートから形成されている。このラミネーションは、図１に示されたような断面を有する。このラミネーションをともに積層することにより、モータ１次側（１）およびモータ２次側（１６）が形成される。このモータは、積層されたラミネーションを保持するために使用される別の機械的な構造またはケーシングを有することができる。

１次側（１）の各ラミネーションは、長さ方向に繰り返しの「Ｔ」形のパタンを示しており、このパタンの基本的な単位は、歯付きモジュールまたは単にモジュール（４）と称される。モジュール自体は、実質的に「Ｔ」形の１つまたは複数の歯（９）から成り、この「Ｔ」字の水平断面は、モジュール（４）に設けられた１つまたは複数の歯（９）のすべてにおいて共通である。垂直断面は、単一の歯（９）を示している。こうすることにより、単一の「Ｔ」字の形状か、または櫛状構造を有するモジュールが形成される。

歯（９）の合間のギャップはスロット（１３）として知られており、各スロット（１３）は１つの集中巻（２）の半分を有する。各巻き線は、１つまたは複数の「巻き数」のワイヤから成る。このワイヤは強磁性の歯（９）に捲回されるか、または前形成された後に強磁性の歯（９）に嵌合され、実質的にいわゆる電磁石が形成される。

各コイル（２）は、磁界を形成する電流（１１）を流すように設計されており、この磁界の形態および強度は、該モータにおける強磁性構造体のジオメトリによって決定される。

モータには、磁気エネルギーの２つのソースが存在する。すなわち、永久磁石（１４）および通電コイル（２）である。永久磁石（１４）によって発生されたフィールドは磁界と称され、コイル（２）を流れる相電流（５）によって発生されたフィールドは電磁界と称される。磁界の方向付けすなわちＮ‐ＳまたはＳ‐Ｎは、磁界の極性と称される。

各歯付きモジュール（４）表面上のコイル（２）は、該モジュール（４）が単なる「Ｔ」字形状ひいては単一の集中巻（図１）を有するか、または櫛状構造ひいては区画分けされた巻き線（図３）を有するかに関係なく、結果として得られる電磁界の極性が同一であるように捲回されている。すなわち、いずれにしてもこれらの巻き線（２）のうちいずれかへ流れる正の電流は、関連の強磁性の歯の材料において、同じ極性または同じ空間的方向で磁束を発生させる。櫛状構造ひいては区画分けされた巻き線（図３）では、１つのモジュールで巻き線が複数の歯にわたって分布されている。さらに、歯付きモジュール（４）表面上のコイル（２）は、正の電流がすべてのコイルへ流れている場合、すなわち電流の流れがモータへ流れている場合、連続または隣接するモジュール（４）が常に逆の極性を有するように捲回されている。巻き線（２）に流れる電流の大きさおよび位相に直接比例する磁束は、原則的に１次側（１）と２次側（１６）と両者間のエアギャップ（１０）とから成る磁気回路を流れる。１次側（１）から２次側（１６）への磁束のこの流れおよびその逆の磁束の流れによって、トルクを生成する磁界または磁束がエアギャップ（１０）に形成される。各個別のモジュール（４）のコイル（２）は、モータ給電部の単一の位相（１１）に接続されており、連続するモジュール（４）は、モータ給電部の連続した位相に接続されている。すべての位相（５）は実質的に、等しい大きさを有する正弦波の電流を流すが、これらの正弦波の電流の電気角は異なっている。すなわち、連続する各相電流は直前の相電流（５）と、２π／Ｐラジアンに等しい固定的な角度だけずらされている。ここでは、Ｐはモータ位相の数である。

隣接する巻き線（２）によって発生された磁界は、相互作用することによってエアギャップ磁束を発生させる。このエアギャップ磁束は、強磁性の部品のジオメトリと、巻き線（２）のジオメトリと、巻き線電流（５）の大きさおよび位相とに依存する。

発生したエアギャップ磁束は、時間および空間両方で変化するベクトル量である。このベクトル量の周波数成分は、時間領域から周波数領域へ変換することによって分析することができる。このことは、フーリエ変換等の適切な数学的変換を使用することによって達成される。したがってこの時間的に変化する磁束波形は、供給電流（１１）の整数倍であるかまたは基本周波数である周波数の個別の波形の和から成ると言うことができる。各波形は、１次側（１）のジオメトリおよび巻き線パタン（１５）と直接関連する大きさを有し、エアギャップ（１０）の周囲またはエアギャップ（１０）に沿って伝播または進行する。

該モータは、トルク生成成分であるエアギャップ磁束のどの周波数成分も使用できるように最適化される。この周波数は、モータベース周波数と称される。

モータのパフォーマンスもまた、２次側（１６）のジオメトリと１次側のジオメトリ（１）との関係と密接に関連している。この関係の重要な尺度は、１つの１次側歯付きモジュール（７）の長さと１つの２次側磁極（６）の相応の長さとの比、または１つの１次側歯付きモジュール（７）に包含される円周角と１つの２次側磁極（６）に包含される相応の円周角との比である。２次側磁極長または２次側円周角（６）は、モータ２次側のアクティブな部材の全長または２πラジアンを２次側（１６）の磁極の数によって除算されたものと定義されている。２次側（１６）の１つの磁極（６）は実質的に、１つの磁石、および該１つの磁石とそのいずれかの側で隣接する磁石とのギャップの半分を有する。１次側磁極は、完全なパタン（１５）を形成するために必要なモジュールの数として定義されている。たとえば、次のような巻き線パタン（１５）を有する３相式装置は、６つのモジュールを必要とする：ａ -ａ，-ｂ ｂ、ｃ -ｃ、-ａ ａ、ｂ -ｂ、-ｃ ｃ。したがって「Ｐ」相式置は、１つの１次側磁極あたり２×Ｐ個のモジュール（４）を有する。

２次側（１６）は図１に示されているように、ラミネートされた強磁性担体上に固定されている複数の永久磁石（１４）によって構成されている。定義された寸法の小さなギャップ（２０）が磁石（１４）間に設けられており、連続した磁石は交番的な極性を有する。磁石（１４）は、１次側（１）の歯付きモジュール（４）に対して可能な限り平行になるように方向付けされている。

２次側（１６）と１次側（１）との間の間隔を機械的に固定することによって、理想的には一定の寸法のエアギャップ（１０）が形成される。このエアギャップの絶対的な大きさは、構成されたモータのタイプおよびパフォーマンスに依存する。

「Ｐ」相式装置の１次側（１）では、集中巻（２）の交番的な極性が、Ｐ１ −Ｐ１，−Ｐ２ Ｐ２，Ｐ３ −Ｐ３・・・Ｐｎ −Ｐｎ、−Ｐ１ Ｐ１，Ｐ２ −Ｐ２，−Ｐ３ Ｐ３，・・・−Ｐｎ，Ｐｎという幾何的なパタンを形成する。図２に示されているような位相ａ，ｂおよびｃを有する３相式装置では、以下のような巻き線パタン（１５）が形成される：
ａ −ａ、−ｂ ｂ、ｃ −ｃ、−ａ、ａ、ｂ −ｂ、−ｃ ｃ
ここでは個別のモータ位相（１１）は、図示されているように巻き線（２）に接続されており、これらの巻き線（２）は相互に「スター」結線点（１７）で接続されている。

相電流（５）の形態は正弦波であり、基本周波数成分ｃｏｓ（ωｔ−α）を有する。すなわち、各位相（１１）は毎秒ωラジアンの速度で回転し、各位相（１１）は次の位相より、１２０°または２π／３ラジアンの電気角だけ先行する。したがって、
Ｕ≡ａ＝ｃｏｓ（ωｔ）、Ｖ≡ｂ＝ｃｏｓ（ωｔ−２π／３）、Ｗ≡ｃ＝ｃｏｓ（ωｔ−４π／３）
Ｕ，ＶおよびＷは、標準的な３相ＡＣモータの位相（５）を表す共通の記号である。

巻き線（２）に流れる相電流（５）によって、モータの強磁性の１次側（１）に磁束が発生され、モータジオメトリは、磁束路が実際に放射状または垂直であり、１次側（１）と２次側（１６）との間のエアギャップ（１０）を横断するように構成されている。空間的および時間的なエアギャップ磁束成分の和自体は、エアギャップ（１０）の周辺を伝播する正弦量であり、リニアモータの場合は、エアギャップ（１０）に沿って伝播する正弦量である。この進行波は、永久磁石（１４）によって生成されたモータ磁束と相互作用することにより、トルク出力または出力される力を生成する。

巻き線パタン（１５）を有するように配置された巻き線（２）内の電流の流れによってエアギャップ磁束が発生する。このエアギャップ磁束は複合的な時間領域の波形であり、周波数領域で基本周波数の正弦波成分の連続によって表され、これの整数倍である。

巻き線パタン（１５）によって生成されたエアギャップ磁束の基本周波数成分または最も低い周波数成分の大きさは、第５次高調波および第７次高調波の大きさと比較して有意に減衰されたものとして表される。本発明のこの特徴では、モータを駆動するためのベース周波数として、基本周波数の高調波が有効に使用される。従来のように基本周波数自体は使用されない。

さらに、永久磁石（１４）によって生成されたエアギャップ磁束は、回転電磁界または移動電磁界の基本周波数「ω」の成分を有さないように設計されているので、モータ出力中に相応のトルク成分またはフォース成分は存在しない。１次側の相電流（５）によって発生されたエアギャップ磁束空間高調波のトルク生成成分は、永久磁石（１４）の配置によって生成された磁界の等価成分と相互作用する成分である。たとえば、図２に示されたジオメトリを有するモータでは磁極（６）対スロット（７）は６：５であり、主トルク生成成分は、第５次高調波、第７次高調波および第１３次高調波である。

区画分け、図３、等の技術を使用して歯付きモジュール（４）のジオメトリを変更することにより、エアギャップ磁束のトルク生成成分を「同調」することができる。ここでは、基本的な巻き線パタン（１５）は決して変更されない。こうすることにより、エアギャップ磁束の所望のトルク生成成分が強調されると同時に、出力トルク（１９）中のリプルにしか寄与しない別の成分が減衰または消去される。

磁気回路ジオメトリの変化によって、別の不所望のトルク成分が発生される。この変化は、２次側（１６）が１次側（１）に対して相対的に運動する際に発生する。永久磁石（１４）によって生成された磁束は、異なるレベルのリラクタンスで磁気回路を流れるようになっている。リラクタンスの引力および斥力、またはこれによって発生されるトルクは、モータの不可避な対称性のため、該装置の周囲または該装置に沿って総和が発生する。２次側磁石（１４）を相互に、および１次側歯（９）に関連して適切に配置することにより、この作用を低減することはできるが、標準的な設計では、磁石（１４）位置によるリラクタンスの変化を最小にするため、磁極片構造（１２）を含む必要がある。すなわち、エアギャップ（１０）終端に向かって歯を拡大する必要がある。基本給電電流周波数の高調波をモータベース周波数として使用することにより、１次側磁極と比較して小さい磁石（１４）を使用することができる。このようにして２次側（１６）は、適切な磁石スペース（２０）および磁極（６）対スロット（７）比を使用して最適化され、磁極片（１２）を使用しなくても、該装置の周囲または該装置に沿ったリラクタンストルクの和は常にゼロになる。

磁極片（１２）を省略することの直接的な利点は、前捲回されたコイル（２）を完全な１次側（１）にある歯（９）に直接嵌合できることである。したがって、捲回された単一の歯付きモジュール（４）を形成して、溶接または接着等の後続の製造プロセスでジョイントする必要がなくなる。

前記のように、このようなモータの最適な設計は数学的に導き出され、テストされている。その結果、この最適な設計は６：５，６：７，６：１１，６：１３およびそれ以上の比を有することが明らかになった。この比が高くなるほどベース周波数は高くなり、ひいては所要の磁石の相対的な大きさが小さくなる。すなわち、磁石の大きさはモータの大きさに直接比例する。ある時点で２次側磁極の幅（６）が小さくなりすぎると、磁石を製造プロセス時に容易に扱うことができなくなる。６：１１，６：１３以上の比によって、物理的に大きなモータの構造に適用可能であり、かつ容易に扱うのに十分大きな磁石（１４）の大きさが得られる。前記物理的に大きなモータはたとえば、２０ｃｍ以上の直径を有する回転式ＡＣ同期永久磁石モータである。

本発明の利点は、標準的な巻き線構造を有するモータの出力トルクと本発明で実施される構造を有するモータの出力トルクとを比較すれば、明らかに理解できる。この比較の結果は、図（５）に示されている。本発明の思想にしたがって構成されたモータによって発生されたトルクリプル／力リプルのレベル、すなわち平均トルクレベルからの偏差のレベル（１９）は、モータ平均トルク／力のパーセンテージとして測定されており、従来の集中巻設計（１８）よりも有意に低いことが見て取れる。標準的なモータの最大トルクは比較的高いが、実際に使用することはできない。というのも最終的には、トルクリプルのレベルがモータパフォーマンスおよびサーボシステムパフォーマンスを決定するからである。

本発明の構想を取り入れたモータ設計でトルクリプルが有意に低減されるので、使用可能なモータトルクが上昇し、ひいては、Ｎｍ. Ａ^−１またはＮ. Ａ^−１で測定されるようなモータ自体のトルク生成効率が上昇する。

したがって、主成分が給電電流周波数の高調波である磁気的な空間波を生成するジオメトリおよび巻き線パタン（１５）を備えた、１次側（１）に集中巻（２）を有する同期ＡＣモータを提供することによって、本発明の利点が得られることが理解できる。給電電流周波数の高調波は、２次側（１６）の磁界の相応の成分と相互作用し、実質的にリプルフリーのトルクを生成する。

１． 「Ｐ」相モータステータ
２． 集中巻
３． 標準的な集中巻
４． 歯付きモジュール
５． モータ給電位相
６． ２次側磁極長
７． スロットスペース
８． 歯縁部
９． 歯
１０．エアギャップ
１１．相電流
１２．磁極片
１３．スロット
１４．永久磁石
１５．巻き線パタン
１６．２次側
１７．スター結線点
１８．モータ出力トルク曲線
１９．モータ出力トルク曲線
２０．マグネット相互間ギャップ

Claims (8)

1. 集中巻（２）を有する移動磁界同期ＡＣ電気モータの作動方法であって、
   １次側磁極（１）と２次側磁極（１６）とを有し、
   前記１次側磁極は、連続する複数のモジュール（４）から構成され、前記各モジュール（４）は、巻線が巻回されたＴ字形の歯により構成されることによって歯付モジュール（４）が形成され、かつ、隣接する各モジュールの巻線は互いに反対方向に巻回され、
   前記２次側磁極は複数の永久磁石（１４）により構成され、かつ隣接する永久磁石（１４）同士（Ｎ−Ｓ，Ｓ−Ｎ）の極性は逆であり、
   前記１次側磁極の歯付モジュール同士の間隔（７）が、前記永久磁石の前記１次側磁極に対向する側の長さ（６）よりも長い、集中巻（２）を有する移動磁界同期ＡＣ電気モータの作動方法において、
   前記２次側の永久磁石（１４）は、基本相電流周波数を有さない磁界を生成し、
   前記１次側磁極と前記２次側磁極との間のエアギャップ（１０）内に、前記１次側（１）に供給された前記基本相電流周波数の高調波によって、エアギャップ磁束を生成し、該エアギャップ磁束は、前記基本相電流周波数を有さない磁界と相互作用することにより、前記移動磁界同期ＡＣ電気モータを駆動するためのベース周波数として該高調波が使用され、該移動磁界同期ＡＣ電気モータの出力トルクのリプルが低減される
   ことを特徴とする、集中巻（２）を有する移動磁界同期ＡＣ電気モータの作動方法。
2. 使用される電気的な位相（５）「Ｐ」の数は３である、請求項１記載の、集中巻（２）を有する移動磁界同期ＡＣ電気モータの作動方法。
3. 前記１次側磁極の１つの端部から開始して順番に、前記歯付モジュール（４）は、前記移動磁界同期ＡＣ電気モータの連続した相電流に接続されている、請求項１または２記載の、移動磁界同期ＡＣ電気モータの作動方法。
4. モータ２次側磁極長（６）と１次側スロットスペース（７）との比は、τｐ／τｎ＝６／５である、請求項１から３までのいずれか１項記載の、集中巻（２）を有する移動磁界同期ＡＣ電気モータの作動方法。
5. モータ２次側磁極長（６）と１次側スロットスペース（７）との比は、τｐ／τｎ＝６／５である、請求項１から３までのいずれか１項記載の、集中巻（２）を有する移動磁界同期ＡＣ電気モータの作動方法。
6. モータ２次側磁極長（６）と１次側スロットスペース（７）との比は、τｐ／τｎ＝６／１１である、請求項１から３までのいずれか１項記載の、集中巻（２）を有する移動磁界同期ＡＣ電気モータの作動方法。
7. モータ２次側磁極長（６）と１次側スロットスペース（７）との比は、τｐ／τｎ＝６／１３である、請求項１から３までのいずれか１項記載の、集中巻（２）を有する移動磁界同期ＡＣ電気モータの作動方法。
8. 前記歯付モジュールの歯（９）は、磁極片形状（１２）を有さない平行な側（８）を有する、請求項１から３までのいずれか１項記載の、集中巻（２）を有する移動磁界同期ＡＣ電気モータの作動方法。

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