JP2009540788A - リングコイルモータ - Google Patents

Abstract

本発明は、一次部分（３，２１）と二次部分（２，２２）とを備えたリングコイルモータ（１，２０）に関する。一次部分（３，２１）はリングコイル（６，２５）と永久磁石（９，２７）とを有している。

Description

本発明は、一次部分と二次部分とを備えたリングコイルモータに関するものである。

電気機械は一次部分と二次部分とを有している。一次部分には特に二次部分が対向している。一次部分は電流を供給するために設けられている。二次部分はたとえば永久磁石或いは通電可能な巻線を有している。その結果、この種の電気機械では、一次部分も二次部分も磁場を発生させるために能動的磁気手段を有している。一次部分および二次部分から発生した磁場は互いに相互作用してトルクを生じさせる。

独国特許出願公開第１０３２９６５１Ａ１号明細書からは、リング巻線を備えたリニアモータが知られており、この場合一次部分は複数個の積層薄板から構成され、積層薄板は周回するように延在するコイル（リングコイルとも言う）によって取り囲まれている。第２の磁場を発生させるため、二次部分はたとえば永久磁石を有している。

この種の電気機械の構成は、一次部分も二次部分も磁場を発生させるための手段を有していなければならないので、非常に複雑である。

本発明の課題は、簡潔な電気機械、特に簡潔な二次部分を提供して、電気機械の構成を簡潔にすること、或いは、より低コストで構成できるようにすることである。

この課題は請求項１の構成により解決される。有利な他の構成は従属項から見て取れる。

本発明による電気機械は一次部分と二次部分とを有し、一次部分はリングコイルと永久磁石とを有している。

一次部分は、磁場を発生させるための２つの手段を有するように実施されている。二次部分には、磁場を発生させるための手段は設けられていない。

一次部分は少なくとも１個のリングコイルを有し、リングコイルは実質的に二次部分のまわりに同心に配置されている。一次部分はさらに永久磁石を有しており、永久磁石も実質的に二次部分のまわりに同心に配置されている。リングコイルと永久磁石とにより励磁場が発生し、励磁場は二次部分との相互作用でトルクを発生させる。永久磁石が設けられているため、リングコイルにより付加的な磁束が発生する。永久磁石は付加的な永久磁石磁場を発生させ、永久磁石磁場は二次部分に作用して動力を発生させ、或いは、動力を伝達させる。個々の永久磁石は一体の永久磁石として構成されている。しかし、永久磁石を複数個の（部分）永久磁石から製造して、１個の永久磁石に継ぎ合わせてもよい。

リングコイル（特にソレノイドコイルとも呼ばれる）を使用すると、従来の巻線に比べて利点がある。１個または複数個のリングコイルは周回するように延在する巻線を形成し、コイル端の長さを著しく短縮させるとともに、従来のコイル端に発生していたような電流ロスを有さない。このためパワーロスが少なくなり、作用効率が改善される。さらに、リングコイルモータの軸線方向の大きさは、コイル端が短縮された分だけ短くなるので、モータはコンパクトな構成になる。

好ましくは、リングコイルが該リングコイルを含んでいるコイル受容部内にあり、コイル受容部が二次部分のほうへ開口する開口部を有しているのがよい。コイル受容部（溝と呼ぶこともできる）はリングコイルを配置するために用いる。さらに、コイル受容部には、半径方向に磁化される永久磁石が配置されている。永久磁石は、コイル受容部の、二次部分に対向している側に配置されている。

好ましくは、永久磁石は交互極性で配置されている。磁石の極性は、永久磁石が軸線方向においても周方向においても異なる極性を有するように選定されている。

永久磁石は極対数ｐでもってコイル受容部または溝に配置されている。任意の数量の極対を配置してよく、よって任意の数量の永久磁石を配置してよい。リングコイルの数量は極対数ｐとは独立である。

リングコイルモータの一次部分は、二次部分を取り囲むように軸線方向に相前後して配置される３個のリングコイルを有しているのが特に有利である。それぞれのリングコイルは三相回路網の１つの相ｕ，ｖ，ｗのために設けられている。複数個のリングコイルを装着してもよく、この場合にはリングコイルの数量は好ましくは３の整数倍であり、その結果三相モータを実現させることができる。したがって、リングコイルの数量ｎに対しては、ｎ＝３ｉ（ｉ＝１，２，３．．．）が適用される。隣接しあっているリングコイルは三相回路網の異なる相に対し設けられる。一次部分がたとえば６個のリングコイルを有しているとすると、三相回路網の３つの相がたとえばｕ，ｖ，ｗ，ｕ，ｖ，ｗの順番で配置される。一次部分が３個以上のリングコイルを有している場合、たとえば６個または９個のリングコイルを有している場合には、隣接しあっているリングコイルの一部はたとえば三相回路網の同じ相のために設けられていてもよい。６個のリングコイルを設ける場合は、相はたとえばｕ，ｕ，ｖ，ｖ，ｗ，ｗの順番で配置されていてよい。

１つの相の複数個のリングコイルは多様に結線されていてよく、たとえば並列または直列に結線されていてよい。１つの相または１つの相巻線のリングコイルの並列結線は、たとえば、１つの相巻線のリングコイルの誘導電圧が同じ相位置を持っていれば可能である。

好ましくは、２個のコイル受容部または溝の間に、非導磁性材料から成る中間リングが配置されているのがよい。中間リングは一次部分の冷却に特に好適であり、たとえば伝熱性注封材料から成っている。

好ましくは、一次部分がたとえば水冷部のような冷却部を有しているのがよい。リングコイルはコイル受容部のなかに完全に埋設されているので、一次部分の外面に冷却部を好適に配置することができる。

好ましくは、コイル受容部は導磁性に優れた軟磁性材料、特にたとえば鉄のような強磁性材料から製造されているのがよい。

好ましくは、コイル受容部は、ヒステリシス現象および渦電流を回避するために１個または複数個の積層薄板から製造されているのがよい。しかしコイル受容部は、塊状に製造されていてもよく、および／または、いわゆる（焼結材から成る）粉末プレス部材として製造されていてもよい。

コイル受容部の積層薄板は複数個の個別の薄板から成り、これらの薄板は互いに接触して配置され、或いは、積層されている。したがって、一次部分によって発生した磁場を軸線方向へ一次部分内部へ到達させ、そこでまず半径方向へ誘導し、軸線方向へ転向させ、その後再び半径方向へ二次部分へ誘導させることができる。

コイル受容部全体を固定するにはいくつかの可能性がある。たとえば、コイル受容部をピンで位置固定して回転を阻止し、次に軸線方向においてタイロッドを用いて締め付けることができる。他方、一次部分を鋳造してコイル受容部をリングコイルとともに固定させる可能性もある。

特に、コイル受容部は極分割隙間を有しており、極分割隙間はリングコイルモータの作用効率をさらに改善させる。極分割隙間の幅は少なくとも一次部分と二次部分との間の空気間隙の幅に相当している。

二次部分がリラクタンスプロフィールを有しているのが特に有利である。リラクタンスプロフィールは、たとえば、二次部分が一次部分側の表面に歯を有するように実施されている。この場合、歯の数量は特に永久磁石の極対の数量に相当している。周方向における歯幅は周方向における永久磁石の幅と同じ幅であるのが好ましい。

一次部分と二次部分との間の空気間隙は、一次部分の永久磁石と二次部分の歯とによって画成される。

好ましくは、二次部分は導磁性に優れた軟磁性材料、特にたとえば鉄のような強磁性材料から製造されているのがよい。さらに、二次部分は、ヒステリシス現象および渦電流を回避するために積層薄板から製造されている。しかし二次部分は、塊状に製造されていてもよく、および／または、いわゆる（焼結材から成る）粉末プレス部材として製造されていてもよい。二次部分の個々の歯の間の隙間は自由であり、或いは、たとえばプラスチックのような非磁性材料で充填されている。

リングコイルモータはロータリーモータまたはリニアモータとして構成されていてよく、この場合一次部分か二次部分のいずれかが可動である。

回転機械の場合、ロータもステータもともに一次部分または二次部分として構成されていてよい。有利にはステータが一次部分として実施されているのがよい。これによって給電が容易になるからである。ロータは二次部分として実施され、このことは、ロータが磁場発生手段を有する必要がないので、ロータの構成を簡潔にさせる。特に、ロータは永久磁石を有しておらず、これには、モータの作動中に、特に高回転数時に永久磁石が外れるのが回避されるという利点がある。

リングコイルが設けられているため、リニアモータは筒状に実施され、この場合一次部分または二次部分は可動である。一次部分は横断面に関し多様に構成されていてよく、たとえば円形、長方形または多角形のように構成されていてよい。この場合、二次部分はたとえば鉄製リアクションレールから構成されるにすぎない。

リングコイルモータをこのように構成すると、二次部分が磁場を発生させるための能動手段を有さないという利点がある。二次部分は磁場を案内するための手段を有しているにすぎず、それ故簡単に低コストに製造される。本発明によるリングコイルモータは特に多極電動機に適しており、すなわち極対数ｐがｐ＞７のモータに適しており、またコンビネーションドライブにも適しており、すなわちリニアドライブとロータリードライブの双方を有しているドライブにも適している。

次に、本発明の他の構成および詳細を、添付の図面を用いて本発明の実施形態に関し詳細に説明する。なお、個々の実施形態で説明する構成およびコンテクストは基本的にはすべての実施形態に転用することができる。

図１は、本発明によるリングコイルモータ１の、ロータリーリングコイルモータとして実施された１実施形態の部分斜視図であり、その作用は三相の永久磁石型同期機の作用に対応している。リングコイルモータ１はロータ２（二次部分）とステータ３（一次部分）とを有している。ステータ３は３個のリングコイル６を有し、これらのリングコイル６はロータ２の周囲に軸線方向に相前後して配置されている。リングコイル６はたとえば銅（Ｃｕ）巻線から製造されている。各リングコイル６は三相回路網の相ｕ，ｖ，ｗのために設けられている。各リングコイル６は該リングコイルを含んでいるコイル受容部４のなかにある。コイル受容部４はロータ２のほうへ開口する開口部５を有している。コイル受容部４はリングコイル６を配置するために用いる。さらに、コイル受容部４には、半径方向に磁化された永久磁石９が配置されている。永久磁石９は、コイル受容部４の、ロータ２と対向する側に配置されている。

永久磁石９は交互極性で配置されている。磁化方向を矢印ｃで示した。磁石の極性は、永久磁石９が軸線方向においても周方向においても異なる極性をもつように選定されている。

永久磁石９は極対数ｐでコイル受容部４に配置されている。任意の数量の極対ｐを配置してよく、よって任意の数量の永久磁石９を配置してよい。この場合、周方向における永久磁石９の数量に対しては、２ｐ＝２，４，６などが適用される。特に、永久磁石の数量に対しては、２ｐ＜πＤ／６ｍｍが適用され、ここでＤはロータ２の外径である。リングコイル６の数量は極対数ｐとは独立である。

２つのコイル受容部４の間には、非導磁性材料から成っているそれぞれ１つの中間リング７が配置されている。中間リング７は特にステータ３またはコイル受容部４の冷却に好適であり、たとえば伝熱性注封材料から成っている。

コイル受容部４は、リングコイルモータ１の作用効率をさらに改善させる極分割隙間８を有している。この場合、極分割隙間８の幅ｂはステータ３とロータ２との間の空気間隙１０の幅ａに相当している。

ロータ２はリラクタンスプロフィールを有している。リラクタンスプロフィールは、ロータ２がステータ３側の表面に歯１１を有するように実施されている。歯１１の数量は永久磁石９の極対ｐの数量に相当している。周方向における歯幅ｄは周方向における永久磁石の幅ｅに相当している。歯１１の間の隙間または空間は充填されておらず、すなわち自由である。しかし、たとえばプラスチックのような非磁性材料で充填してもよい。

図２は図１の実施形態を横から見た図である。特に、図２は図示していないロータ軸に対し垂直に切断した横断面図の一部である。ロータ２は歯１１を有し、歯幅ｄは永久磁石９の幅ｅに相当している。個々の永久磁石の磁化方向を矢印ｃで示した。さらに、コイル受容部４が極分割隙間８を有し、１つの極分割隙間８の幅ｂがロータ２とステータ３との間の空気間隙１０の幅ａに相当していることが示されている。

図３は図１の実施形態を他の方向から見た図である。図３は、特に、ステータ３における永久磁石９の配列を示している。リングコイル６はそれぞれ三相回路網の１つの相ｕ，ｖ，ｗに接続されている。図３では、特に、相ｕ，ｖ，ｗの極対ｐがそれぞれ極ピッチτ_pの２／３・τ_pまたは１２０゜だけ周方向にシフトされていることがよくわかる。極対ｐをこのように配列することにより、リングコイルモータ１の作用効率がさらに改善される。

図４は、本発明によるリングコイルモータ２０の、リニアモータとして実施された第２実施形態の部分斜視図であり、その作用は三相の永久磁石型同期機の作用に対応している。リングコイルモータ２０は一次部分２１と二次部分２２とを有している。

リングコイルリニアモータ２０はリングコイル２５が設けられているために筒状に実施されており、この場合二次部分２２は可動部分である。一次部分２１は横断面に関し種々に構成されていてよく、たとえば円形、長方形または多角形に構成されていてよい。二次部分２２は歯２９を備えた鉄製リアクションレールとして構成されている。

一次部分は３個のリングコイル２５を有し、それぞれのリングコイル２５は三相回路網の１つの相ｕ，ｖ，ｗのために設けられている。もちろん更なる数量のリングコイル２５を配置してもよく、この場合にはその数量は３の倍数であるのが好ましい。各リングコイル２５は該リングコイルを含んでいるコイル受容部２３内にあり、コイル受容部２３は二次部分のほうへ開口する開口部２４を有している。さらに、コイル受容部２３には、半径方向に磁化される永久磁石２７が配置されている。永久磁石２７は交互極性で配置されている。磁化方向を矢印ｃで示した。磁石の極性は、永久磁石９が軸線方向においても、すなわち二次部分２２の運動方向Ｒにおいても、周方向においても異なる極性をもつように選定されている。

２個のコイル受容部２３の間には、非導磁性材料から成っているそれぞれ１つの中間リング２６が配置されている。中間リング２６は特に一次部分２１またはコイル受容部２３の冷却に好適であり、たとえば伝熱性注封材料から成っている。

図５は第２実施形態の他の構成の部分斜視図である。図５は、１つのリングコイル２５が軸線方向において２つの極対ｐを有していることを示している。なお、図４ではそれぞれのリングコイル２５につき１つの極対ｐのみが図示してある。このように１つのリングコイル２５または１つのコイル受容部２３に複数個の極対ｐを軸線方向に配置することが有利なのは、それぞれのリングコイル２５により大きな磁束が伴うからである。同様に、それぞれのリングコイルにつき更なる数量の極対ｐを軸線方向に配置してもよい。１つの極対ｐの永久磁石２７は異なる磁化方向を有しており、これを矢印ｃで示した。理想的には、１つの極対ｐの永久磁石２７が磁束バリヤー３０によって互いに分離されているのがよい。

本発明によるリングコイルモータの第１実施形態の部分斜視図である。 図１の第１実施形態の側面図である。 図１の第１実施形態を他の方向から見た図である。 本発明によるリングコイルモータの第２実施形態の部分斜視図である。 図４の第２実施形態の他の構成の部分斜視図である。

符号の説明

１ リングコイルモータ
２ ロータ（二次部分）
３ ステータ（一次部分）
４ コイル受容部
６ リングコイル
７ 中間リング
８ 極分割隙間
９ 永久磁石
２０ リングコイルモータ
２１ 一次部分
２２ 二次部分
２３ コイル受容部
２５ リングコイル
２６ 中間リング
２７ 永久磁石
３０ 磁束バリヤー

Claims (15)

1. 一次部分（３，２１）と二次部分（２，２２）とを備え、一次部分（３，２１）がリングコイル（６，２５）と永久磁石（９，２７）とを有するリングコイルモータ（１，２０）。
2. 永久磁石（９，２７）は、半径方向に磁化され、且つ隣接しあっている永久磁石（９，２７）が異なる極性を有するように配置されている、請求項１に記載のリングコイルモータ（１，２０）。
3. 一次部分（３，２１）がリングコイル（６，２５）を受容するためのコイル受容部（４，２３）を有している、請求項１または２に記載のリングコイルモータ（１，２０）。
4. 一次部分（３，２１）が３個のリングコイル（６，２５）または３の整数倍のリングコイル（６，２５）を有している、請求項１から３までのいずれか一つに記載のリングコイルモータ（１，２０）。
5. 一次部分（３，２１）が２個のコイル受容部（４，２３）の間に配置されている中間リング（７，２６）を有している、請求項１から４までのいずれか一つに記載のリングコイルモータ（１，２０）。
6. 中間リング（７，２６）が非導磁性材料から成っている、請求項５に記載のリングコイルモータ（１，２０）。
7. 一次部分（３，２１）が冷却部を有している、請求項１から６までのいずれか一つに記載のリングコイルモータ（１，２０）。
8. コイル受容部（４，２３）が極分割隙間（８）を有している、請求項１から７までのいずれか一つに記載のリングコイルモータ（１，２０）。
9. 二次部分（２，２２）がリラクタンスプロフィールを有している、請求項１から８までのいずれか一つに記載のリングコイルモータ（１，２０）。
10. コイル受容部（４，２３）と二次部分（２，２２）とが軟磁性で且つ導磁性に優れた材料から製造されている、請求項１から９までのいずれか一つに記載のリングコイルモータ（１，２０）。
11. τ_pを周方向における極ピッチとしたとき、リングコイル（６，２）の極対ｐが周方向において２／３・τ_pだけずらして配置されている、請求項１から１０までのいずれか一つに記載のリングコイルモータ（１，２０）。
12. リングコイルモータ（１，２０）がロータリーモータ（１）として構成されている、請求項１から１１までのいずれか一つに記載のリングコイルモータ（１，２０）。
13. リングコイルモータ（１，２０）がリニアモータ（２０）として構成されている、請求項１から１１までのいずれか一つに記載のリングコイルモータ（１，２０）。
14. ｐを極対の数量、Ｄをロータの外径としたとき、永久磁石（９）の数量２ｐに対し、２ｐ＜π・Ｄ／６ｍｍが適用されている、請求項１から１２までのいずれか一つに記載のリングコイルモータ（１）。
15. １個の極対ｐの永久磁石（２７）が磁束バリヤー（３０）によって互いに分離されている、請求項１から１４までのいずれか一つに記載のリングコイルモータ（２０）。

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