JP2010504071A - 永久磁石を備える極歯 - Google Patents

Abstract

永久磁石を装備する極歯を備えた電気機械を、より簡単に製造できるようにするのが望ましい。そのために各々の極歯について、磁石粉末をプレス成形することができる切欠きを準備することが意図される。これに対応する電気機械の極歯の製造方法では、極歯の切欠きが磁石粉末で充填され、次いで磁石粉末が切欠きのなかでプレス成形される。
【選択図】 図１

Description

本発明は極歯に関し、もしくは、永久磁石すなわちパーマネントマグネットが挿入された少なくとも１つの極歯を有する第１の部分と、互いに相対的に運動するように第１の部分と磁気的に結合された第２の部分とを備える電気機械に関する。第１の部分は例えば電気機械のロータであり、このとき第２の部分は電気機械のステータである。この電気機械は、回転をする電気機械として実現可能なばかりでなく、直線的な電気機械すなわち例えばリニアモータなどとしても実現可能である。このとき、例えば第１の部分はリニアモータの一次側であり、第２の部分はリニアモータの二次側である。電気機械は、一次側および／または二次側が永久磁石を有することができるように構成可能である。このとき一次側とは、通電可能な巻線を有する部分である。このことは、例えばトルクモータの場合などにも当てはまる。

さらに本発明は、上記電気機械の極歯を製造する方法に関する。

以下において、本発明の問題と解決法を主としてリニアモータに関して説明するが、この解決法はリニアモータに限定されるものではなく、例えば永久磁石励磁式の同期機やトルクモータのような、回転式に作業をする電気機械にも有利に適用可能である。

例えば独国特許出願第１０２００４０４５９９２．４号明細書より、永久磁石のない二次側を備えた同期型リニアモータが公知である。同明細書では、永久磁石は同期型リニアモータの一次側に取り付けられているので、二次側みずからは磁界の生成に寄与しない。このような型式のリニアモータの構造は、強力な永久磁石を一次側へ組み込むことを必要とする。しかし、個々の製造段階中における強力に磁化された永久磁石の取扱は、製造技術の面からきわめて困難である。しかも、強力に磁化され部分しかも重い部品によって、怪我をするリスクが高くなっている。

さらに、エアギャップ領域に配置された磁石を備える同期型リニアモータが知られている。永久磁石（パーマネントマグネット）は二次側に挿入することもできる。永久磁石が埋設された同期型リニアモータでは、例えば、永久磁石を有する永久磁石励磁式の二次側の製造を、非常に大きな慎重さと高いコストをもって行わなければならないことが欠点になる。永久磁石はさまざまな形状で（例えばブロックの形状、ディスクの形状、パンの塊の形状・・・）製造することができ、形状は安定的である。永久磁石はモータ製造者によってさらに加工することができる。このような再加工は、例えば二次側への貼りつけによって行われる。

本発明の課題は、製造に当たって安全で極歯の低コストな構造およびこれに対応する製造方法を見出すことにある。

本発明によるとこの課題は、
請求項１に記載の特徴を有する極歯、
請求項６に記載の特徴を有する極歯モジュール、および／または、
請求項９に記載の特徴を備える方法によって解決される。

従属請求項２から５、７、８および１０から１３は、本発明の好ましい発展例を記載している。

本発明による極歯は、極歯が切欠きを有し、この切欠きのなかで磁石粉末がプレス成形されるようにして構成されている。このことは、極歯の切欠きへ永久磁石を嵌め込む必要がなくなるという利点を有する。この嵌め込み工程は、永久磁石の高い磁力と極歯の磁気特性によって非常に高いコストがかかる。磁石粉末のプレス成形は、例えば切欠きの形状に呼応する形状を有するプランジャによって行われる。このとき切欠きは、プレス成形されるべき磁石粉末のための一種の金型としての役目を果たす。

磁石粉末のプレス成形は一種の磁石ポケットのなかで行われるのが好ましく、この磁石ポケットは電気機械の完成後にはプレス成形された永久磁石で全面的または部分的に充填される。

切欠きは、磁石粉末を収容するための１つのチャンバを有するだけでなく、２つまたはそれ以上のチャンバを有するのが好ましい。１つのチャンバが１つの磁石ポケットとなる。希望する永久磁石の強さに応じて、切欠きの１つのチャンバまたは切欠きの複数のチャンバが磁石材料で充填されていてよい。

極歯の好ましい実施形態では、プレス成形された磁石粉末は、それが固体を形成するように構成されている。これを実現するために、プレス成形された磁石粉末は焼結され、および／または結合剤を施されている。結合剤は、例えば接着剤または含浸用樹脂である。焼結によって磁石粉末は安定性を獲得し、このとき、焼結によって特に磁界の減少に影響を与えることができる。例えばすでにプレス（プレス成形）のときに接着剤を添加することができ、それによって一種のプラスチック結合された磁石が生じるので、焼結の時間を短くできるという利点がある。焼結プロセス中の温度を下げることで、例えば焼結材料の収縮を低減することができる。収縮によって生じた中空スペースは、１つの好ましい実施形態では、充填材料によって充填される。充填材料としては、例えば巻線のモールドおよび／または浸漬（含浸）のときに使用されるモールド剤を使用することができる。生産フローを最適化するために、中空スペースの充填およびモールドおよび／または浸漬（含浸）は１回の作業ステップで行われるのが好ましい。

さらに極歯は、積層された状態で実現されているように構成可能である。積層によって、特に渦電流損を低減することができる。極歯の切欠きは、極歯の薄板スタックの薄板によって構成されているのが好ましい。このとき薄板は、プレス成形工程中に磁石粉末材料の些細な量しか薄板の間に達しないような厚みでスタックされている。

極歯は、２つの極歯半体を有するように構成可能であるのも好ましく、これらの極歯半体は向かい合う端面を有し、少なくとも１つの端面薄板が両方の極歯半体のそれぞれ１つの端面を相互に結合して、両方の極歯半体の間に切欠きが構成されるようになっている。

すなわち電気機械は、例えば極歯が永久磁石を装備しているように構成され、１つの極歯が２つの極歯半体を有する。極歯は、各々の半体が２つの互いに向かい合う端面を有する極歯半体に加えて、少なくとも１つの端面薄板を有し、この端面薄板が両方の極歯半体のそれぞれ１つの端面を相互に結合して、両方の極歯半体の間に磁石粉末を入れることが可能なポケットが切欠きとして形成されるようになっている。極歯半体は、例えば薄板スタックによって構成されている。

各々の極歯半体は薄板スタックでできているのが好ましい。このような種類のスタックは、通常のスタック技術により、希望する高さに製作することができる。場合により、端面薄板も両方の極歯半体とともに積層することができる。

極歯もしくは極歯半体は、１つの特別な実施形態では、分離可能な磁極片を有することができる。それにより、予備製作されたコイルを極歯へ嵌装することが可能であり、組立られた状態で極歯へ巻きつけなくてよくなる。

２つまたはそれ以上の極歯で極歯モジュールを構成することができる。極歯モジュールは２つまたはそれ以上の極歯を有し、極歯は上に説明したように構成されていてよい。各々の極歯は少なくとも１つの独自の薄板スタックを有するのが好ましい。それにより、電気機械の一次側もしくは二次側をモジュール形式で構成することが可能である。

さらに別の好ましい実施形態では、上に説明したような複数の極歯モジュールを製作し、各々の極歯もしくは各々の極歯半体が薄板スタックでできている。このとき、複数の極歯をスタック方向に並ぶように配置し、極歯のうちの２つについて共通する１つの端面薄板をそれぞれ使用することが可能である。この場合、極歯モジュールは、事実上、複数の同種類の極歯を並べることによって生じるただ１つの全体的極歯で構成される。このようにして、例えば全体的極歯の寸法を、一次側の対応する寸法に合わせて、スタック方向で適合化することができる。

あるいは極歯モジュールは、スタック方向に対して横向きに配置された複数の極歯で構成することもでき、複数の極歯の端面薄板は互いに一体的に結合されている。このようにして、例えば極歯をリニアモータの一次側の長さ全体にわたり、１つの共通の端面薄板を介して相互に結合することができる。

電気機械の極歯を製造する方法では、上に説明したように構成可能である極歯の切欠きが磁石粉末で充填され、次いで、磁石粉末が切欠きのなかでプレス成形される。

磁石粉末を固化させるために、これを加熱するのが好ましい。加熱によって、例えば磁石粉末の焼結を実現可能である。磁石粉末が例えば接着剤などの結合剤を有するとき、接着剤の接着特性を加熱によって活性化させることができるのが好ましい。磁石粉末が焼結および／または接着結合の成立のために加熱されるとき、この加熱はプレスの後に行われるのが好ましい。

磁石粉末のプレス中に、磁石粉末に作用する磁界を生成することができるのが好ましく、それにより、いっそうコンパクトなプレスが可能になるような磁石粉末の配向が生じる。

永久磁石の特性を実現するために、磁石粉末が磁化される。磁化は磁石粉末のプレス成形後および／または磁石粉末の加熱後に行われる。

別の好ましい方法の実施形態では、横方向磁界プレスが行われる。横方向磁界プレスにおいては、プレス成形方向は磁化の方向に対して横向きである。それにより、例えば改善された残留特性を実現することができる。横方向磁界プレスでは、例えば少なくとも一時的に、プレス成形された磁石粉末に作用する横方向磁界の生成のプロセスと並行してプレスが行われる。

極歯にコイルを巻きつけることが意図されているとき、この巻きつけは、プレス成形された磁石粉末の磁化の後で行われるのが好ましい。

巻きつけが磁化の前に行われるときには、磁化プロセスをサポートするために、巻きつけ部に通電することができる。このことは特に個別歯の場合に好ましい。

次に、添付の一例としての図面を参照しながら、本発明について詳しく説明する。

端面薄板を備えた本発明の極歯を示す分解図である。 図１の極歯を組立状態で示す図である。 スタック方向の極歯モジュールである。 スタック方向に対して横向きの極歯モジュールである。 閉じた切欠きを有する極歯の薄板断面図である。 横方向磁界プレスである。 線が巻きつけられた極歯である。

以下で詳しく説明する実施例は、本発明の好ましい実施形態である。

図１に分解図として示す極歯６は、スタックされた２つの極歯半体１および２を有する。さらに両方の端面に、端面薄板３および４がそれぞれ配置されている。

極歯半体１、２は実質的にＣ字型の構造を有し、一方の端部は極歯ヘッド１０、２０によって構成され、他方の端部は磁極片１１、２１で構成されている。極歯半体の中央領域１２、２２は、実質的にプレート状に構成されている。両方の極歯半体１および２は、これらの間に、もしくはその中央領域１２、２２の間に、間隙もしくはポケット５が生じるように配置されている。このポケットは、磁石粉末で充填されるべき切欠き２４としての役目をする。磁石粉末が切欠きで保持されるようにするために、極歯半体の薄板は端部ラグ２３を有する。端部ラグ２３によって切欠きが区切られる。本例では、端部ラグ２３は細くなった中央領域１２、２２の端部に位置決めされている。端部ラグは、一方の方向に向かって切欠き２４を閉じている。

各々の端面薄板３、４は、間に介在する間隙５も含めた両方の極歯半体１、２の端面の輪郭を有する。したがって、各々の端面薄板３、４は細くなった中央領域３０、４０を有する。

図２には、図１の極歯が組立状態で示されている。両方の端面薄板３、４は両方の極歯半体１、２を所望の間隔で保持し、それによってポケット５が生じている。上述した部材１から４は、打抜きスタックまたはその他のスタック技術（焼付エナメル、接着、溶接、クランプ、リベット留めなど）によって相互に結合される。いずれの場合にも、それによって形状安定的なポケット５が生じる。このような形状安定性により、磁石粉末をプレス成形するための金型としてポケット５を利用することが可能である。このことは、同期型リニアモータの一次側を組立てるときだけでなく、相応の回転式駆動装置の製造するときにも特別に好ましい。

図２に示すように、ポケット５は、閉止ばね２５が溝２６へ挿入されるようにして閉じることができる。この閉止ばね２５は、磁石粉末をプレス成形するためのプランジャとしても利用できるのが好ましい。

さらに発展させた本発明の実施形態が図３に示されている。ここでは積層された極歯が図示され、その極歯半体１００、２００は複数の一枚構造の薄板６０、６１、６２、６３、６４および６５によって、希望する間隔に保持されている。それにより、それぞれ薄板６０から６５で分離された状態で、相互に一直線上に並ぶように一列に５つのポケット５１、５２、５３、５４および５５が生じている。これらのポケット５１から５５に、磁石粉末を入れてプレス成形することができる。

図３に示す極歯は、図２に示す複数の個別極歯がスタック方向に相前後して配置された極歯モジュール７であると表現することもできる。このとき端面薄板は、スタック方向で互いに並ぶそれぞれ２つの薄板スタックについて、それぞれの極歯半体のためのスペーサとして利用することができる。例えば個別薄板スタック２０１および２０２もしくは１０１から１０２は、共通の端面薄板もしくはスペーサ薄板６１を有する。同様のことは、他の個別薄板スタックにも当てはまる。極歯モジュールの自由端面にのみ、極歯全体の端面を形成する、本当の意味での端面薄板６０、６５が取り付けられている。このようにして、一次側の幅全体について、ただ１つの極歯モジュールを使用することができる。

本発明のさらに別の実施形態が図４に示されている。これは６つの極歯を備える長手方向モジュールである。つまり本例では、図２に準ずる６つの極歯がスタック方向に対して横向きの方向に配置され、相互に結合されている。個々の極歯７１から７６の結合は、２つの連続する端面薄板８および９によって行われる。これら両方の端面薄板８および９は全体を覆う切断材料であり、極歯７１から７６の個々の極歯半体を希望する間隔に保つばかりでなく、相並んで配置された極歯をその極歯ヘッドのところで保持する。これに加えて両方の端面薄板８、９は、それぞれ極歯半体の間に形成されるポケットをスタック方向で仕切っている。このようにして、一次側の所望の長さをもつ極歯モジュール７を製造することができる。例えば別の一体的な薄板を、端面薄板８、９と平行に薄板スタック構造へ挿入することによって、このような種類のモジュールを図３に示すモジュールと組み合わせることもできる。切欠き２４は、磁石粉末で充填するために設けられている。

そのほか図４の図面で目を引くのは、個々の極歯７１から７６が特殊形状の磁極片を備えていないことである。このことは、予備製作されたコイルを極歯に嵌装することができ、場合によりコイルの組付け後に、特別な磁極片を薄板スタックの端部に取り付けることができるという利点がある。

図５の図面は極歯６の薄板断面を示し、この薄板断面は閉じた切欠き２４を有する。切欠き２４は、切欠き２４が常に薄板で取り囲まれるように薄板８から打ち抜かれているのが好ましい。この点に関する利点は、例えば、それによっていっそう高い安定性を実現可能なことである。

図６の図面は横方向磁界プレスを示している。矢印３１は、プレス成形されるべき磁石粉末３３のプレス方向を表している。矢印３２は磁化方向を表す。磁化方向はプレス方向３１に対して横向きに延びている。

図７の図面は互いに並んでいる極歯６を示し、これらにはすでに巻線３４が巻きつけられている。電気同期機の一次側が巻線と永久磁石を両方とも有するとき、パーマネントマグネットとも呼ばれる永久磁石は埋設された状態で配置されていてよい。他ならなぬ埋設された永久磁石の場合、切欠きをまず簡単な仕方により磁石粉末で充填することができ、次いで磁石粉末がプレス成形され、次いでプレス成形された磁石粉末が磁化されるのが好ましい。磁石粉末のプレス成形は、充填された磁石粉末により必要とされる空間の容積が減るような、高い圧力のもとで行われる。

本発明により、磁石全体を切欠きへ押し込む必要がなくなる。永久磁石の製造プロセスと同じように、そのまま消滅するプレス金型として歯の切欠きが利用され、磁石粉末がそのまま歯に押し込まれる。

個別歯のなかの磁石は後から磁化することができるので、当然ながら、磁石のプレスのときにも必要な磁界の配向を同じく外部から印加することができる。それにより、この方法ではいわゆる横方向磁界プレスを適用することができる。

本発明のさらに別の利点は、磁石での外面加工を省略できることにある。このことはコストを削減する。しかも、任意の外側形状を製作することができる。磁化が歯そのもので行われるので、磁石の許容誤差が大きな意味をもつこともなくなる。

Claims (13)

1. 電気機械のための極歯（６）であって、
   前記極歯（６）は切欠き（５、２４）を有し、前記切欠き（５、２４）のなかで磁石粉末（３３）がプレス成形されて固化された磁石を有することを特徴とする極歯。
2. プレス成形された磁石粉末（３３）は焼結され、および／または結合剤として接着剤または含浸用樹脂を有することを特徴とする、請求項１に記載の極歯。
3. 前記極歯（６）は複数の薄板（８）が積層され、前記切欠き（５、２４）はこの複数の薄板（８）によって形成されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の極歯。
4. ２つの極歯半体（１、２）を有し、これらはそれぞれ２つの互いに向かい合う端面を有し、少なくとも１つの端面薄板（３、４）が両方の前記極歯半体（１、２）の端面をそれぞれ相互に結合して、両方の前記極歯半体の間に切欠き（５）が形成されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の極歯。
5. 各々の前記極歯半体（１、２）は薄板スタックからなっていることを特徴とする、請求項４に記載の極歯。
6. 請求項１から５のうちいずれか一項に記載の複数の極歯を備える極歯モジュール（７）であって、各々の極歯（６）が少なくとも１つの独自の薄板スタックを有する極歯モジュール。
7. 複数の前記極歯がスタック方向に並んで配置され、前記極歯のうち２つがそれぞれただ１つの端面薄板（６１から６４）によって互いに分離されている、請求項６に記載の極歯モジュール。
8. 複数の前記極歯（７１から７６）がスタック方向に対して横向きに配置され、複数の極歯の端面薄板（８、９）は互いに一体的に結合されている、請求項６または７に記載の極歯モジュール。
9. 電気機械の極歯（６）を製造する方法であって、
   特に請求項１から５のいずれか一項に記載の前記極歯（６）の切欠き（５、２４）が磁石粉末（３３）で充填され、次いで前記磁石粉末（３３）が前記切欠き（５、２４）のなかでプレス成形されることを特徴とする方法。
10. プレスのときに横方向磁界プレスが行われることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. プレス中に磁石粉末の配向のために磁界が利用されることを特徴とする、請求項９または１０に記載の方法。
12. 極歯（６）および／または磁石粉末（３３）が焼結のために、および／または結合剤による結合のために加熱され、この加熱はプレスの後で行われることを特徴とする、請求項９から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 磁石粉末が磁化され、この磁化はプレスの後および／または加熱の後に行われることを特徴とする、請求項９から１２のいずれか一項に記載の方法。

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