JP2010504078A - 同期機 - Google Patents

Abstract

本発明は、個別の歯に巻き回された個別の巻線として構成された多相ステータ巻線、有利には３相交流巻線を備えた同期機、例えば電子的に転流可能な直流モータであって、巻線が１つ置きの主歯（３２）に巻き回され、巻線の巻き回された２つの主歯のあいだに巻線の巻き回されていない１つの従歯（３４）が存在しており、前記主歯および前記従歯は低い導電率を有する軟磁性材料から成る同期機に関する。本発明によれば、同期機の利用率、特に磁束の導通する空間の利用率を高め、しかもコイルジオメトリないし巻線特性を簡単化するために、前記主歯（３２）がほぼ円形の断面を有しておりかつ環状の巻線を支承している。

Description

従来技術
本発明は請求項１の上位概念に記載された同期機、特に電子的に転流可能な直流モータに関する。こうした同期機は独国公開第１０１３４１２３号明細書から公知である。この文献には、永久磁石によって励磁される、ステータを備えた同期機が記載されている。ステータの金属板パケットはヨークの上方に複数の歯を有しており、そのうち１つ置きの歯に電気巻線が巻き回されている。巻線が巻き回された歯のあいだに位置する歯には巻線は巻き回されない。巻線は個々のストランドに対応し、３相交流モータとして接続されている。つまり当該のステータは１２０゜ずつ位相のずらされた電流を印加される３つのストランドを有する。

さらに、このような同期機については、E.Arnold, "die Wechselstromtechnik 4.Band", Springer Verlag Berlin, 1904の177頁以降から公知であり、ここでは、ステータのうち巻線を支承するコアが円形に構成され、１つ置きのコアのみに巻線が巻き回されている。この場合、マグネットコアはヨークに固定されており中実であるので、誘導される渦電流に対して小さな電気抵抗しか生じず、冒頭に言及した形式の交流巻線を備えた同期機には適さない。

３相交流巻線を連続する歯によって支承するステータと永久磁石によって励磁される内部回転子としてのロータとを備えた同期機の断面図である。 直線状に配置された極および溝を備えた従来の同期機のステータの断面図である。 図２のステータの歯の頭部の突出部の断面図である。 円形の主歯および円形の巻線を備えた本発明の同期機のステータの断面図である。 図４のステータの歯の頭部の突出部の断面図である。 本発明の同期機について、個々に成形され種々の接合技術によって組み合わされる各ステータ部材の実施例の断面図である。

本発明の請求項１記載の特徴を有する同期機は、従来技術の同期機に比べて、同期機の利用率がいちじるしく高まり、特に磁束の導通のための空間が良好に利用されるという利点を有する。この場合、低減された電気抵抗を有する巻線について特に簡単なコイルジオメトリが達成され、溝領域での銅線の充填度が高まる。

従属請求項に記載された構成によって、独立請求項に記載された同期機の有利な発展形態および改善形態を得ることができる。特に有利には、主歯は従歯とともに円形溝または扇形溝を形成するように構成されている。ここで、従歯は当該の同期機の周方向で見て巻線の巻き回された２つの主歯のあいだの空間をほぼ完全に充填している。従歯の中央領域において鉄片の断面積が低減されることにより、有利には、従歯は主歯よりも大きい軸線方向長さを有する。こうして、ステータとロータとのあいだの空隙の主歯および従歯の個所での磁気抵抗がほぼ補償される。

また有利には、主歯および／または従歯は当該の同期機の空隙の個所で面積の拡大された歯の頭部をなす突出部を有する。ここで、有利には、空隙の個所の主歯の頭部と従歯の頭部とは同じ断面積を有する。

同期機のステータを製造する際には、主歯および／また従歯および／またはこれらの歯を支承するヨークを鉄粉末複合材料またはＳＭＣ材料すなわち軟磁性複合材料から形成すると有利である。この実施形態では、軟磁性の鉄粉末がバインダとともに型押し成形または注型成形され、ステータのジオメトリの形成にとって有利な手段が得られる。これにより、湾曲した溝を有する積層ステータパケットに対して種々のジオメトリの金属板を打ち抜く際に生じる従来技術での問題は発生しない。ＳＭＣ材料ではバインダが成形後に焼成される。

さらに、本発明の同期機のステータの構造に対して、個別の電気的絶縁性の金属板を用いることもできる。適切な製造プロセス、例えば自動レーザー切断プロセスすなわちレーザー切断工具の自動制御によって、個々の金属板のそれぞれ異なるジオメトリを低コストに実現できるからである。こうして金属板から成るステータの有利な磁気特性および電気特性をさらに利用することができる。

特に有利には、主歯および／または従歯および／または歯の頭部および／またはこれらの歯を支承するヨークは少なくとも部分的に分離して成形されその後に相互に接合される。ここで、公知の適切な接合技術、例えば接着、形状による結合、押圧力による結合など、それぞれ異なる材料から成るステータの各部材を組み合わせる技術が用いられる。ここで、接合技術の特別な特長点、すなわち、金属板の良好な導磁性および鉄粉末複合材料の３次元での成形のしやすさが利用される。頭部を備えた歯を個別に成形する場合、コイルをあらかじめ巻き回しておき、これを歯に載置してもよい。これにより銅線の高い充填度が達成される。

本発明の実施例を図示し、以下に詳細に説明する。

本発明の実施例
図１には本発明の同期機が概略的に示されている。当該の同期機は外側に位置するステータ３０を有しており、このステータは周に沿って、巻線の巻き回された主歯３２と巻線の巻き回されていない従歯３４とを交互に有する。個々の巻線は相Ｕ，Ｖ，Ｗを有する３相交流巻線として接続されており、当該の順序でステータの周に沿って分布している。ステータの溝３６については、主歯および従歯の特殊な形状とともに、図４〜図６に則して後述する。

図示されている同期機は内部回転子として構成されるロータ３８を有しており、外周に沿って放射状に、交互に異なる磁化方向で磁化された永久磁石４０を有する。この実施例では、永久磁石４０は接着された表面磁石として構成されており、２４個の溝および巻線Ｕ，Ｖ，Ｗを備えたステータに２０個の磁極を備えたロータが対向している。永久磁石４０とステータの歯３２，３４とのあいだに空隙４２が存在する。

ステータの歯３２，３４および溝３６の形状の例を図２〜図６に則して詳細に説明する。ここで、図２，図３には従来の構造が示されており、図４〜図６には本発明の主歯３２および従歯３４が示されている。同期機は多相巻線Ｕ，Ｖ，Ｗを支持しているので、渦電流を抑圧するために、低い導電率を有する軟磁性材料から成る主歯３２および従歯３４を設ける必要がある。通常、ステータの構造として、良好な導磁性材料から成り、表面の絶縁された金属板のパケットが用いられる。当該の金属板は金属板のウェハから打ち抜きにより形成され、パケットして積層される。ここで、こうしたパケットの全ての金属板を同じステップで製造することができる。なぜなら軸方向に延在する溝３６が直線状に配向されているからである。ステータの歯３２，３４のうち磁束の通っている断面は図２，図３に示されているように長方形である。ここで、図２には開放された溝３６を有するステータ３０の構成が示されており、図３には歯の頭部４２の領域の突出部４４によって部分的に閉鎖された溝３６を有するステータ３０の構成が示されている。

図４，図５には本発明のステータ３０の主歯３２および従歯３４の構成が示されている。ここで、図４では開放された溝３６を有するステータの構成が示されており、図５では歯の頭部４２の領域の突出部４４によって部分的に閉鎖された溝３６を有するステータの構成が示されている。主歯３２および溝３６はほぼ円形の断面を有しており、従歯３４は円弧状の溝の縁に適合された表面を有する２重円錐形（２つの円錐が合わさった形）の断面を有する。従歯３４は同期機の周方向で巻線の巻き回された２つの主歯３２のあいだの空間ないし外側の溝の縁と縁とのあいだの空間をほぼ完全に充填している。従歯３４は主歯３２よりも大きな軸線方向長さを有しており、図５の構成では、空隙４６の個所の歯の突出部４４によって、主歯３２および従歯３４の頭部４２は同じ大きさとなっている。

前述したように、積層された金属板から成るステータ３０の構造は溝３６が湾曲して延在する場合に問題を生じる。なぜなら、パケットの個々の金属板はそれぞれ異なる金属片を有するからである。ただし、個々の金属板のカットおよびこれに続く積層に対して数値制御される製造装置および実装装置が用いられる場合には、こうした金属板のパケットから成るステータ３０の構造も可能である。金属片を製造するには、レーザービームを用いた切削工具が特に適している。こうした工具では、レーザービームのガイドを簡単な電子的手段によって制御できるからである。

円形の主歯３２および溝３６ならびにこれらの形状に適合する図４，図５に示されているような従歯３４を備えたステータ３０を製造する別の有利な手段は、ステータ３０の材料として鉄粉末複合材料、特にプラスティック結合された鉄粉末複合材料または軟磁性複合材料すなわちＳＭＣ材料を用いることである。こうした新たな材料を用い、表面の絶縁された磁性を有する鉄粉末を型押しまたは注型成形することにより、主歯３２および従歯３４の形状を自由に形成することができる。この種の材料は市販で入手可能であり、単独でも金属板と組み合わせてもステータの歯の形状に用いるのに適している。この場合、種々の材料の固有の特性を個別にまたは相互に組み合わせて利用可能である。例えば、特定のジオメトリを形成する際に鉄粉末複合材料の良好な成形可能性を利用することができるし、また、金属板の良好な導磁性を利用して同期機の出力を増大させることもできる。

以下に、従来技術のステータの構造と本発明のステータの構造との相違を、磁束を導通させる構造の例に則して詳細に説明する。ここで、個々の歯に巻き回された巻線、特に１つ置きの歯に巻き回された巻線を備えた同期機は、分割された巻線を有する同期機よりも高いインダクタンスを有する。こうした同期機は高い回転数での弱め界磁制御によって駆動される駆動機構にきわめて良好に適している。これは例えば電子的に転流可能な直流モータに利用される。本発明の同期機の構造は、大きな直径および大きな極数を有するコンパクトな同期機に特に適している。例えば緩慢に回転し、高いトルクを送出するいわゆるトルクモータに適する。

図２〜図５では同じ要素には同じ参照番号を付してある。ここで、ｂ_Ｙは溝幅であり、ｂ_Ｚは歯幅であり、ｌ_Ｆｅはコア長さであり、Ｌは全長であり、Ｄは主歯の直径であり、Ｂ_ＺＫは歯の頭部幅である。

図２，図３の従来のステータの構造と図４，図５の本発明のステータの構造とを比較すると、従来の構造ではいわゆる正方形構造が基礎となっており、溝３６が直線状に延在しかつ歯の断面が長方形である場合に最適なコイル形状および最良のモータの利用率が得られる。この場合、磁気回路および電気回路の形状も正方形に近似し、電気回路は最小の周において最大の磁束断面積を有する銅巻線の形状によって定められる。巻線の頭部の長さは溝３６内の銅線の長さひいてはコア長さｌ_Ｆｅに等しいので、最小のオーム抵抗および最大磁束が保証される。ここから、図２，図３のステータの主歯３２の辺と従歯３４の辺との最適な比がコイル幅ｂ_Ｎを考慮して得られる。ここで、空隙４６での磁気抵抗は図３の歯の頭部４２の領域の突出部４４によりいちじるしく低減される。

図２から図５の構造を直接に比較するために、それぞれの実施例において、歯幅ｂ_Ｚ＝２０ｍｍ（図２〜図５），溝幅ｂ_Ｎ＝１０ｍｍ（図２〜図５），溝ピッチτ_Ｎ＝ｂ_Ｚ＋ｂ_Ｎ＝３０ｍｍ（図２〜図５），コア長さｌ_Ｆｅ＝３１ｍｍ（図２，図３），全長Ｌ＝７１ｍｍ（図２，図３）という値が挙げられる。

ここから、歯の断面積Ａ＝ｂ_Ｚ・ｌ_Ｆｅ＝６２０ｍｍ^２および平均の線長さｌ_Ｃｕ＝２・ｌ_Ｆｅ＋π・τ＝１５６ｍｍが計算される。

図４，図５の円形コイル装置において、溝幅ｂ_Ｎ，溝ピッチτ_Ｎおよび主歯の断面積Ａが同じであるとすると、図４の主歯の直径Ｄは２８ｍｍとなり、巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの平均の線長さは１１９ｍｍと計算される。これにより、線の断面積が同じであれば必要な銅線の量が低減され、オーム損失が２４％低減される。また、円形コイルは長方形のコイルよりも均一に巻き回すことができる。なぜなら、巻き回しの際の線の引っ張り力が一定に保たれ、直線状の巻回し部分においても線が扇形に開いてしまわないからである。これにより付加的に溝の充填度も改善される。図２，図３のコイルの全長Ｌは７１ｍｍであり、これが図４，図５のコイルでは４８ｍｍへ低減されるため、コイルの頭部の幅もいちじるしく小さくなるし、金属板パケットの長さｌ_Ｆｅに迅速かつ完全に巻き回せるようになる。

図３，図５に示されているような歯の頭部４２が用いられる場合、図５の装置でアクティブとなっている長さｌ_Ｆｅは４０ｍｍであり、その際にも全長Ｌは増大しない。図４，図５の従歯のコアの長さｌ_Ｆｅは図５の主歯の長さｌ_Ｆｅに相当し、空隙の磁束密度が同じであれば、ロータ３８に弱い永久磁石４０を使用することができるし、また、用いられる磁石が同じであれば、空隙の磁束密度を高めることができる。さらに、磁束密度が同じであれば、ステータのヨーク４８の高さを低減することができ、鉄パケットの延長部の長さが長さｌ_Ｆｅに相応に係数１だけ低減される。これにより同期機の外径も低減される。さらに、円形の溝により、同期機の残留モーメントに関して、従来の線形の溝において当該の溝を斜めにしたのと同じ効果が奏される。これにより、駆動中のモーメントの変動が低減される。

図６のａ〜ｄには、ヨーク４８の個々の部材の構造、すなわち、主歯３２，従歯３４および歯の頭部４２を組み合わせたステータ３０の構造の種々の例が示されている。ロータ３８は永久磁石４０を接着された状態で有しており、それぞれ同じように構成されている。

図６のａでは、ヨーク４８は、それぞれ同じ金属片を打ち抜いて積層した金属板パケットから成る。円形断面を有する主歯３２は金属の条片からロールとして巻き取られ、歯の頭部４２は打ち抜かれた金属板から可変幅の断面積または同幅の断面積で積層される。従歯３４のみが鉄粉末複合材料から型押し成形または注型成形によって製造される。これは、図４，図５から明らかなように、３つの軸について可変のジオメトリが存在し、形状が複雑なために金属片によって製造するのが困難だからである。ヨーク４８，主歯３２および歯の頭部４２に対して、金属板の良好な導磁性が利用される。個々の部材は接触面５０でそれぞれ相互に接着される。

図６のｂの構成では、個々の部材３２，３４，４２，４８がそれぞれ図６のａの構成と同じ材料から形成されているが、個々の部材が燕尾状部分５２の形状によって主歯３２の頭部４２へ結合されている。ヨーク４８および主歯３２の相応する位置に切欠が設けられ、そこに燕尾状突出部がはめ込まれている。これに代えて、従歯３４を主歯３２に相応に形成し、接着剤５０に代えて形状による結合を行ってもよい。

図６のｃ〜ｄには、ヨーク４８が放射方向で見て領域４８ａでは金属片から積層され、領域４８ｂでは鉄粉末複合材料から成形されている。この場合、それぞれの主歯３２または従歯３４は鉄粉末複合材料から成る極のピッチないし幅に相応にヨーク部材４８ｂと一体に製造される。一体に構成された弧状のヨークの外側部材４８ａの湾曲部とヨークの内側部材４８ｂすなわち主歯３２または従歯３４および歯の頭部４２の湾曲部とが組み合わされ、押圧力によって結合される。組み合わせの安定性は、図６のｃの構成、すなわち、付加的な突き合わせ部４８ｃの形状による結合によって高められるか、突き合わせ部での接着ないしヨークの外側部材４８ａと内側部材４８ｂとの接触面での接着によって高められる。

Claims (20)

1. 個別の歯に巻き回された個別の巻線として構成された多相ステータ巻線、有利には３相交流巻線（Ｕ，Ｖ，Ｗ）を備えた同期機、例えば電子的に転流可能な直流モータであって、巻線が１つ置きの主歯（３２）に巻き回され、巻線の巻き回された２つの主歯のあいだに巻線の巻き回されていない１つの従歯（３４）が存在しており、前記主歯および前記従歯は低い導電率を有する軟磁性材料から成る同期機において、
   前記主歯（３２）はほぼ円形の断面を有しておりかつ環状の巻線を支承している
   ことを特徴とする同期機。
2. 前記主歯（３２）は前記従歯（３４）とともに円形溝（３６）または扇形溝（３６）を形成している、請求項１記載の同期機。
3. 前記従歯（３４）は当該の同期機の周方向で見て巻線の巻き回された２つの主歯（３２）のあいだの空間をほぼ完全に充填する、請求項１または２記載の同期機。
4. 前記従歯（３４）は前記主歯（３２）よりも大きな軸線方向長さ（ｌ_Ｆｅ）を有する、請求項１から３までのいずれか１項記載の同期機。
5. 前記主歯（３２）および／または前記従歯（３４）は当該の同期機の空隙の個所で歯の頭部（４２）をなす突出部（４４）を有する、請求項１から４までのいずれか１項記載の同期機。
6. 前記主歯（３２）および前記従歯（３４）の頭部（４２）は当該の同期機の軸方向および／または周方向で見て同じ大きさを有する、請求項５記載の同期機。
7. 前記主歯（３２）および／または前記従歯（３４）および／またはこれらの歯を支承するヨーク（４８）は鉄粉末複合材料から成る、請求項１から６までのいずれか１項記載の同期機。
8. 前記主歯（３２）および／または前記従歯（３４）および／または前記ヨーク（４８）はプラスティック結合された鉄粉末複合材料またはＳＭＣ材料すなわち軟磁性複合材料から成る、請求項７記載の同期機。
9. 前記主歯（３２）および／または前記従歯（３４）および／またはこれらの歯を支承するヨーク（４８）は個別の電気的絶縁性の金属板から積層されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の同期機。
10. 前記主歯（３２）および／または前記従歯（３４）および／または歯の頭部（４２）および／またはこれらの歯を支承するヨーク（４８）は少なくとも部分的に分離して成形されその後で相互に接合されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の同期機。
11. 前記主歯（３２）および／または前記従歯（３４）および／または歯の頭部（４２）および／または前記ヨーク（４８）は相互に接着されている（図６のａ）、請求項１０記載の同期機。
12. 前記主歯（３２）および／または前記従歯（３４）および／または前記歯の頭部（４２）および／または前記ヨーク（４８）は、相互に適合する形状によって、有利には燕尾状部分（５２）の形状によって、相互に接続されている（図６のｂ）、請求項１０記載の同期機。
13. 前記主歯（３２）および／または前記従歯（３４）および／または前記歯の頭部（４２）および／または前記ヨーク（４８）は、湾曲部分によって、有利には形状の適合する湾曲部分によって、相互に接続されている（図６のｃ，ｄ）、請求項１０記載の同期機。
14. 前記主歯（３２）および／または前記従歯（３４）および／または歯の頭部（４２）および／またはこれらの歯を支承するヨーク（４８）は種々の軟磁性の材料から成るかまたは種々の軟磁性の材料の組み合わせから成る、請求項１から１３までのいずれか１項記載の同期機。
15. 前記主歯（３２）は金属板コイルから成り、前記従歯（３４）は鉄粉末複合材料、有利にはＳＭＣ材料から成る、請求項１から１４までのいずれか１項記載の同期機。
16. 前記主歯（３２）は鉄粉末複合材料、有利にはＳＭＣ材料から成り、前記従歯（３４）はヨーク（４８）とともに金属板から打ち抜かれて積層されている、請求項１から１４までのいずれか１項記載の同期機。
17. 前記主歯（３２）および前記従歯（３４）は鉄粉末複合材料、有利にはＳＭＣ材料から成り、歯の頭部（４２）および／またはヨーク（４８）は金属板から打ち抜かれて積層されている、請求項１から１４までのいずれか１項記載の同期機。
18. 永久磁石の励磁装置（４０）が設けられている、請求項１から１７までのいずれか１項記載の同期機。
19. 当該の同期機は内部回転子（３８）として構成されており、かつ、外部に位置するステータ（３０）内に従歯（３４）の配列を有するように構成されている、請求項１から１８までのいずれか１項記載の同期機。
20. 当該の同期機はトルクモータとして構成されている、請求項１から１９までのいずれか１項記載の同期機。

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