JP2009544269A - 斜めに推移する磁極境界を有する電気機械 - Google Patents

Abstract

【課題】 電気機械の力リプル又はトルクリプルを大幅に低減することを目的とする。
【解決手段】 磁極を、例えばロータ表面の複数の区域（Ａ１、Ａ２）において異なるスキューで配置する。この結果、値の点で異なるスキュー角（β１、β２）が生じる。磁極の間の境界線（Ｇ４）の連続的推移に至るまで２つ以上の異なるスキュー角を実現することもできる。電気機械は、例えばモータ或いは発電機であり、回転型であっても、リニア型であってもよい。
【選択図】 図４

Description

本発明は、第１構成部品（例えばロータ）と、移動方向で第２構成部品に対し移動可能な第１構成部品に磁気的に連結された第２構成部品（例えばステータ）とを有する電気機械に関する。更にこの電気機械は第１構成部品に磁極配列を有し、該磁極配列の磁極は移動方向で一方で第１磁界方向、他方で第１磁界方向とは逆向きの第２磁界方向を交互に向いている。異なる磁界方向の磁極間の境界は、第１構成部品の第１領域では移動方向に対し相対的に第１スキュー角に相応して推移し、第１構成部品の第２領域では第２スキュー角に相応して推移する。本発明は、特に回転型モータ又はリニア型モータに関する。

永久磁石電気機械の動作挙動に本質的影響を持つのは励磁磁界の形状である。その際多かれ少なかれ力リプル又はトルクリプルが常に観察される。これは、トルクの最大化と並んで最小にされねばならない。

トルクリプルを改善するための有効な手段は、ステータおよび／又はロータを例えば１スロットピッチだけスキューさせることである。図１はロータを例にこのようなスキューを示し、このロータの周面を展開して図示している。こうして垂直方向で半周πｒを示している。全体として、ロータは軸線方向で長さlを有する。異なる磁界方向又は磁化方向を有する永久磁石又は磁極がロータ表面に配置されている。これら磁化方向を図１にＮ、Ｓで表してある。異なる磁化方向の磁極の間を推移する境界Ｇ１は、例えばＮ極からＳ極へと、場合によっては連続的に、移行することを示している。

ロータはステータに対し移動方向Ｂで移動する。境界Ｇ１は実質的に移動方向Ｂを横切って推移し、移動方向の垂線に対し軸線方向スキュー角βを成す。ロータの全長lを介して軸線方向スキュー角は弧度αｒとなり、αはロータの中心角、ｒは半径である。

この軸線方向スキュー角βを特徴とする励磁磁界を有する電気機械は先行技術に数えられる。更に、図２に略示した如く、移動方向Ｂを横切って、即ち軸線方向で２つの領域Ａ１、Ａ２に区分されたロータを有する電気機械も公知である。更に、図３に示すように軸線方向で４つの区域Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４に区分されたロータも利用されている。各区域長はl／２又はl／４である。軸線方向スキュー又は境界Ｇ２、Ｇ３は、ここでは区域毎に直線的に推移する。図２の例によれば、区域Ａ１では軸線方向スキュー角β１、区域Ａ２では軸線方向スキュー角β２が生じる。β１＝−β２、即ち｜β１｜＝｜β２｜が成り立つ。図３の例における軸線方向スキュー角も、それらの値は相互に等しい。特許文献１により公知の磁石は図２又は図３と同様に複数の区域内で離散的磁化を可能とする。

独国特許第１０１４７３１０号明細書

本発明の課題は、電気機械の力リプル又はトルクリプルを更に減らすことである。

本発明によればこの課題は、電気機械であって、第１構成部品と、移動方向で第２構成部品に対し移動可能な第１構成部品に磁気的に連結された第２構成部品と、第１構成部品に形成され、その磁極が移動方向で一方で第１磁界方向、他方で第１磁界方向とは逆向きの第２磁界方向を交互に向く磁極配列とを有し、異なる磁界方向の磁極の間の境界が第１構成部品の第１領域では移動方向に対し相対的に第１スキュー角に相応して推移し、第１構成部品の第２領域では第２スキュー角に相応して推移するものにおいて、第１スキュー角が第２スキュー角とが別の値を有する電気機械によって解決される。

従って本発明によれば、トルクリプルはスキュー角の任意の機能によって様々に影響を及ぼすことができる。特に、このように決定された励磁磁界の高調波は消去又は最小にできる。例えば、軸端領域における漏れの影響は、軸線方向スキュー角の幾何学形状によって減らし得る。

好ましくは、本発明に係る電気機械の第１構成部品はロータ、第２構成部品はステータである。この場合、モータ又は発電機のトルクリプルは本発明に係る構造によって減らすことができる。

選択的に、電気機械はリニアモータとして形成され、第１構成部品は一次部品、第２構成部品は二次部品である。電気機械のこの構成では、走行方向でのリニアモータの力リプルを減らし得る。

移動方向において上で規定した第１領域における境界の長さは、電気機械の特殊な構成に応じて、第２領域における境界の長さに等しい（例えば１スロットピッチ）。しかし、第１領域における境界の長さは第２領域におけるよりも長くてもよい。応用事例に応じ、一方又は他方の変更態様が有利となる。

他の好ましい実施形態によれば、異なる向きの磁極の間の境界は３つの区域において３つの異なるスキュー角で推移する。こうしてトルクリプルに対する多様で非対称な影響を考慮できる。

更に、境界の推移が実質的に移動方向を横切って中心対称又は軸対称であるとよい。これにより、例えばロータの場合軸線方向力を低減又は防止できる。

特殊な実施形態では、異なる向きの磁極間の境界は実質正弦波状に推移し得る。境界の連続的推移は、同様にトルクリプル又は力リプルに対して肯定的に作用する。

しかし、境界の推移は量子化(quantisieren)しておいてもよい。これは、矩形磁石要素の相応する配置によってスキュー角が模擬されることを意味する。その場合、境界は段階的に移動方向に沿って又はそれを横切って推移する。

本発明を、添付図面に基づいて詳しく説明する。

異なる向きの磁極と単一のスキュー角とを有する先行技術によるロータの半分の展開図である。 値の点で同じスキュー角の２つの区域を有する先行技術による磁極配列を示す。 ４つの区域を有する先行技術による磁極配列を示す。 ２つの異なる大きさのスキュー角を有する本発明に係る磁極配列を示す。 量子化されたスキューを有する図４の例を示す。 ３つの区域と２つの異なるスキュー角とを有する磁極配列を示す。 量子化されたスキューを有する図６の例を示す。 ３つの区域と３つの異なるスキュー角とを有する磁極配列を示す。 量子化されたスキューを有する図８の例を示す。 磁極境界の正弦波状推移を有する磁極配列を示す。 不連続的磁極境界を有する磁極配列を示す。 量子化されたスキューを有する図１１の例を示す。

以下で詳しく述べる実施例は、本発明の好ましい実施形態である。

少なくとも２つの異なる軸線方向スキュー角を使用する、本発明に係る基本的考えに基づく第１実施例を図４に示す。先行する図１〜図３におけると同様に、図４でもロータ表面の半分を展開して示す。ロータの軸線は図中水平方向にあり、移動方向Ｂはやはり垂直方向に推移する。電気機械は当然に方向を反転して移動してもよい。移動方向Ｂは、ここでは使用される角度および量を定義し説明するのに役立つにすぎない。

ロータはここでは２つの区域Ａ１、Ａ２に分割されている。第１区域Ａ１は長さが３／８l、第２区域は長さが５／８lである。つまり区域の幅又は長さはここでは３／５の比である。この比は任意に別の比にも選択できる。例えば２／l又は１／lの比が特別有利である。

第１区域Ａ１におけるスキュー角はβ１、第２区域Ａ２におけるスキュー角はβ２である。角度は異なる値と異なる前置符号を有する。スキュー、即ち異なる磁極の間の境界Ｇ４は、段差なしにロータの縦軸線の方向で恒常的に推移し、α×ｒの距離にある。

図５の実施例では、永久磁石を小さな磁石要素として形成している。個別磁石をロータ表面に配置すると、図４の磁極配列に一致した磁極配列が生ずる。各磁石要素の１つの磁極はロータ表面で上向きである。異なるハッチングを持つ、異なる磁極を図５に示す。異なる向きの永久磁石又は磁極の間の境界Ｇ５は、ここでは階段状に推移する。境界Ｇ５が直線化されると、図４の境界Ｇ４の推移と厳密に同じ推移が得られる。境界Ｇ４の恒常的推移は、例えばプラスチック結合磁石材料をロータに吹付けて相応に磁化することで得られる。選択的に、斜めに作製され予め磁化された高価な永久磁石を境界Ｇ４の恒常的推移用に利用できる。

本発明の第３実施例を図６に示す。ここではロータ表面が軸線方向で３つの区域Ａ１、Ａ２、Ａ３に分割されている。両方の外側区域Ａ１、Ａ３は幅が２／８l、従って中央区域Ａ２は幅が４／８lである。軸線方向スキュー角は両方の区域Ａ１、Ａ３ではβ１、中央区域Ａ２ではβ２である。図６の例においてβ２＝０である。２つの境界線Ｇ５の間の距離はここでもαｒである。単一の境界線Ｇ５が周方向で通過する弧度は、選択された例においてやはりαｒである。

図７に略示した第４実施例も、図６の実施例の量子化した態様を示す。境界Ｇ７はここでは、それが直線化されているとき、図６の境界Ｇ６と厳密に同じ推移である。

３つの異なる軸線方向スキュー角β１、β２、β３の第５実施例を図８に示す。幅l／８の第１区域Ａ１ではスキュー角β１、長さ５／８lの第２区域Ａ２ではスキュー角β２、長さ２／８lの第３区域Ａ３ではスキュー角β３が実現されている。３つのスキュー角β１、β２、β３は全て、境界Ｇ８が各区域内で弧度αｒを通過するような大きさである。

図９による第６実施例は、図８の第５実施例の量子化した態様である。境界Ｇ９は、直線化した場合、境界Ｇ８と同じ推移を有する。

図１０に示す第７実施例は正弦波状磁化に関する。ここでは事実上無限に多くの軸線方向スキュー角があり、このスキュー角は正弦波関数から得られる。異なる向きの磁極間の境界Ｇ１０は、ここではロータの軸線方向で複数の周期を有する。しかしこの境界は、例えば単に１周期又は１周期の微小部分を含むこともできる。境界Ｇ１０が正弦波状推移の他に有することもできる推移は、別の関数で描くことができ、連続的に変化し、絶えず区別することのできるものである。

第８実施例を図１１に略示する。ここでは２つの異なる軸線方向スキュー角β１、β２が区域Ａ１、Ａ２、Ａ３内に設けられている。中央区域は、両方の区域Ａ１、Ａ３内の軸線方向スキュー角β１に比べて値の点で小さな勾配、即ち小さな軸線方向スキュー角β２を有する。これは、境界Ｇ１１が両方の縁区域Ａ１、Ａ３内でここでは同じ勾配を有することを意味する。境界Ｇ１１がここでは連続的に推移するのでなく、区域境界に段差を有する。区域Ａ１、Ａ３では境界Ｇ１１の区域が弧度α１×ｒを通過する。それに対し、境界Ｇ１１の部分は区域Ａ２内で弧度α２×ｒを通過する。弧度α２×ｒは第１弧度α１×ｒよりも小さい。この変更態様は特にトルクリプルに対するコイル端漏れの影響の補償に役立つ。

図１２に示す第９実施形態は図１１の磁石配列の量子化された実現態様に相当する。

Ａ1、Ａ2 領域、Ｂ 移動方向、Ｇ1、Ｇ2 境界、Ｎ 第１磁界方向、Ｓ 第２磁界方向、β1、β2、β3 スキュー角

Claims (9)

1. 電気機械であって、
   第１構成部品と、
   移動方向（Ｂ）で第１構成部品に対して移動可能な、第１構成部品に磁気的に連結された第２構成部品と、
   第１構成部品に形成され、磁極が移動方向（Ｂ）で一方で第１磁界方向（Ｎ）、他方で第１磁界方向（Ｎ）とは逆向きの第２磁界方向（Ｓ）を交互に向く磁極配列とを有し、
   異なる磁界方向の磁極間の境界（Ｇ１〜Ｇ１１）が第１構成部品の第１領域（Ａ１）では移動方向（Ｂ）に対し相対的に第１スキュー角（β１）に相応して推移し、第１構成部品の第２領域（Ａ２）では第２スキュー角（β２）に相応して推移するものにおいて、
   第１スキュー角（β１）が第２スキュー角（β２）とは別の値を有する電気機械。
2. 第１構成部品がロータ、第２構成部品がステータである請求項１記載の電気機械。
3. リニアモータとして形成されており、第１構成部品が一次部品、第２構成部品が二次部品である請求項１記載の電気機械。
4. 移動方向（Ｂ）において、第１領域（Ａ１）における境界（Ｇ１〜Ｇ１１）の長さが第２領域（Ａ２）における長さに等しい請求項１から３の１つに記載の電気機械。
5. 移動方向（Ｂ）において、第１領域（Ａ１）における境界（Ｇ１〜Ｇ１１）の長さが第２領域（Ａ２）におけるよりも長い請求項１から３の１つに記載の電気機械。
6. 境界（Ｇ１〜Ｇ１１）が３つの異なるスキュー角（β１、β２、β３）で推移する請求項１から５の１つに記載の電気機械。
7. 境界（Ｇ１〜Ｇ１１）の推移が実質的に移動方向（Ｂ）を横切って中心対称である請求項１から６の１つに記載の電気機械。
8. 境界（Ｇ１〜Ｇ１１）が実質正弦波状に推移する請求項１から７の１つに記載の電気機械。
9. 境界（Ｇ１〜Ｇ１１）の推移が量子化されている請求項１から８の１つに記載の電気機械。

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