JP2010515410A - 永久磁石同期機 - Google Patents

Abstract

少なくとも２つの回転数用の永久磁石同期機であって、各回転数用にロータ側に異なる磁極数の永久磁石が設けられ、ステータ側には全ロータにわたって延びる電機子巻線（４、５、６）が設けられており、同一周波数の回転磁界が電機子巻線に付加される永久磁石同期機。
【選択図】 図２

Description

本発明は、永久磁石同期機に関する。

特許文献１にて公知の電気モータでは、モータ軸の一次回転数が後段の伝動装置によって減速又は増速される。後段のこの伝動装置では機械的部品がかみ合っているので、これらの部品は障害となる摩耗を受ける。

特許文献２によれば、永久磁石を装着した２つのロータを備えた同期機において、両方のステータ巻線群のコイルに互いに独自に通電することが公知である。

２つの回転数を有する本発明に係るモータは種々の分野で広く応用されており、例えば負圧の発生、空気／液体／固体混合物の分離に有利に利用できる。そこでは、例えば１６０ｈＰａの負圧を発生すべく、ラジアルファンによって約１００００〜１５０００ｒｐｍの高い回転数を発生しなければならないことが知られている。それに対し、同時に遠心分離器によって固体成分を液体成分から分離し、この液体成分を更に空気成分から分離したい場合、例えば分離器内で、後段の吸込み機によって本来なら吸い込まれるような混合物の発泡を防止すべく、４０００ｒｐｍオーダの回転数が不可欠である。従来、この種の機械は２つの分離されたモータを備えて構成されてきた。２つの回転数を有する本発明に係るモータによって、これらの機械を一層安価かつ小形に構成することが可能となる。

独国特許発明第１９９０３９７７号明細書 独国特許公開第６００２４３８３号明細書

本発明は、コンパクトな構造において伝動装置なしに電気機械内に少なくとも２つの回転数を発生することを課題とする。

この課題は、請求項１に示す措置によって解決される。本発明のその他の構成は従属請求項に示している。以下、図を基に詳しく説明する。

２極永久磁石ロータと６極永久磁石ロータとを有する３相駆動巻線組立体を例に本発明を示す。 ２極永久磁石ロータと６極永久磁石ロータとを有する３相駆動巻線組立体を例に本発明を示す。 ２極永久磁石ロータと６極永久磁石ロータとを有する３相駆動巻線組立体を例に本発明を示す。 低回転数に割り当てられる鐘状部材に関して単一の磁石で間に合うロータ設計を示す。 低回転数に割り当てられる鐘状部材に関して単一の磁石で間に合うロータ設計を示す。 本発明の一般的構造の断面図である。 ＬＲＫモータのステータ巻線を示す。 ＬＲＫモータのステータ巻線を示す。 ステータコイル駆動の細部を示す。 ステータコイル駆動の細部を示す。

ステータと永久磁石ロータとを有する同期モータが回転数ｆ_Mを有し、この回転数は巻線の駆動周波数ｆ_Wに２／ｐを掛けて与えられ、ｐはロータの磁極数である。そのことから理論的に、ロータの磁極数ｐの各選択に応じ異なる回転数を発生できる。

図１はまず３相駆動巻線組立体のステータを示す。この巻線組立体は渦電流を防止すべく、普通個々のステータ積層で構成されており、その内１つのみを後端に示している。巻線組立体はヨーク１、２、３とヨーク１ａ’、２ａ’、３ａ’とから成る。ヨーク１ａ’はヨーク１の中心に形成されており、切欠き（１ｂ’）によりヨーク１の末端に生じる。この切欠きによって有効空隙が拡大され、磁束は磁極１ａ’の領域でのみ流出する。同じことが磁極ヨーク２ａ’、３ａ’にあてはまる。中央ヨーク１ａ’とこれに隣接するヨーク２ａ’又は３ａ’との間の角度は１２０°以下である。符号４、５、６を付した巻線相から成る３相巻線が、全ロータにわたって延びるステータを取り囲む。

図２の部分断面図は、２つの回転する鐘状部材７、８によって取り囲まれたステータ巻線組立体を一部組み込んだ状態で示す。軟磁性鐘状部材７の内縁に、少なくとも１つの永久磁石１０ａ、例えば内方に有効なＮ極が貼付けられており、付属するＳ極は軟磁性鐘状部材７の内面に磁気的作用によって生じる。同じことは低回転数に割り当てられた軟磁性鐘状部材８にあてはまる。ここではやはり、軟磁性鐘状部材８の内面の方に有効な３つのＮ極９ａが貼付けてあり、磁石位置に対し各々６０°ずれた付属するＳ極９ｂは磁気的作用により発生する。

図３はステータとロータを組み立てた状態を示し、低回転数に割り当てられて軟磁性鐘状部材８と強固に結合された軸１６がこの図から明らかである。注目すべきは、ここに示す配置により、全体として単に４個の永久磁石を有しかつ２つの回転数を発生する点である。

図４は低回転数に割り当てられた軟磁性鐘状部材８の横断面を示す。この鐘状部材は単一の永久磁石９ｃのみで間に合う。この永久磁石９ｃは、例えばそのＳ極が軟磁性鐘状部材８の内面に接し、この鐘状部材はそれ自体各々１２０°ずれた３つの円形セグメント１１で成端し、そこにやはり磁気的作用によってＳ極を生じる。この永久磁石９ｃのＮ極は、１２０°又は２４０°ずれた２つの舌片（Lasche）を有する軟磁性リング１２の一方の舌片に接する。舌片は非磁性ライニング要素１３上で軟磁性鐘状部材８の内面に対して支えられる。

図５は、軟磁性鐘状部材８をスライドさせた状態の、ヨーク１、２、３を有するステータを示す。セグメント１１、軟磁性リング１２とその舌片、そして非磁性ライニング要素１３が認められる。

図６は基本構造を縦断面図で示す。ステータ側積層鉄心にフランジ１７が固定され、該フランジにモータ全体が固着されている。中空軸として形成された軸１５、１６は積層鉄心に圧入されたボールベアリング１４で回転可能に支承されている。ロータ側鐘状部材７、８がこれらの軸と強固に結合されている。傾動を減らすべく、外側で積層鉄心に着座する２つの他の軸受１８により鐘状部材７、８を支えるとよい。中空軸１５、１６が少なくとも１列の穴を有し、内側でステータ溝底の相応する孔がこれらの穴に割り当てられ、鐘状部材の磁石セグメント間の領域の平らな面に設けられた他の孔と合わせてステータ巻線４、５、６の通気に役立つ。ポンプ動力を強めるべく、鐘状部材の高さ増加に伴い磁石が鐘状部材内に貼付けられる角度も増加するよう、ステータヨーク１、２、３又は１ａ’、２ａ’、３ａ’およびロータ磁石を螺線状に形成するとよい。同様に、積層鉄心、従ってステータヨークを相互に取付ける角度も直線的に増加する。この配置を３軸又は４軸用にも形成できることも図６から明らかである。このために必要なのは軸１５、１６上の付加的ボールベアリングだけであり、これらの軸は反対側に新たな鐘状部材を受容し、その際これらの鐘状部材にステータ巻線が作用する。付加的ボールベアリングに代えて新たな鐘状部材を単純に軸１５、１６に摺着することもできる。

２００１年以来、飛行機模型製造用に新規な電気モータ、アウタロータ型の所謂ＬＲＫ（Lucas Retzbach Kuehlfuss）モータがあり、このモータは６個又は１２個の巻回ステータ歯を有する。ＬＲＫモータはトルクが高く、動作騒音が静かで効率が高い。それに加えてこのモータには殆ど摩耗がない。このモータは、駆動蓄電池の直流電圧を３相交流電圧に変換するブラシレス調節器で駆動される。

本発明の目的にとり、この種駆動装置は極めて適している。それは、両方の鐘状部材の下でステータ電機子ジオメトリを一定に留めることができ、任意の回転数差を実現可能だからである。図７と図８にＬＲＫモータの２つの横断面を示す。各１つのＮ極とＳ極とを備えた鐘状部材を有する図７のモータは高回転数に割り当てられた軸端に一致するのに対し、各５つのＮ極、Ｓ極を有する図８のモータは低回転数の軸端に一致する。ステータ歯１、１^*には、符号ａ₁、ｅ₁を付した巻線端の間に巻回方向を示している。点を付けた矢の先端は、図の面から流出する電流の流れを意味し、×印を付けた矢の末端は図の面に流入する電流の流れを示す。ステータ歯２、２^*、３、３^*では、巻線端ａ₂、ｅ₂、ａ₃、ｅ₃に同様のことがあてはまる。モータの電機子は全く同じに実施されている。即ち、低速で回転する鐘状部材の領域で段差部１ｂ’、２ｂ’、３ｂ’が省かれている。

各電機子セグメントの巻線は、巻線により歯１、１^*内に発生する磁化が半径方向に見て逆向きとなるよう施されている。歯２、２^*と歯３、３^*にも同じことがあてはまる。歯１に巻回された巻線に最大の電流が流れると、強さＢ₀の磁束密度を持つＮ極が歯１に発生するのに対し、歯１^*には強さ−Ｂ₀の磁束密度を持つＳ極が発生する。別の電機子巻線は３相電流の別の２つの相と接続されており、同じ瞬間に別の歯にとり磁束密度は時計回りにｃｏｓ（θ）で変化する。即ち例えば歯２では磁束密度がＢ₀ｃｏｓ（６０°）＝０．５Ｂ₀、歯３では磁束密度がＢ₀ｃｏｓ（１２０°）＝−０．５Ｂ₀である。

ところで電流位相が６０°回ると、歯２は強さＢ₀の磁束密度のＮ極となり、図７の２磁極鐘状部材７は永久磁石１０の吸引力の故に６０°回る。位相が３６０°回ると、鐘状部材７はやはり完全に３６０°１回転する。こうして２極鐘状部材７の回転数は交流電流の周波数に相応する。それに対し図８の１０極鐘状部材は５分の１の回転数で回転運動を行う。即ち電流位相６０°の時点で歯２は強さＢ₀の磁束密度を有するＮ極となり、次に鐘状部材磁石は７２°位置において６０°の角度に引っ張られ、鐘状部材は６０°−７２°＝−１２°だけ、つまり左に回る。回転磁界の位相が３６０°回ると、鐘状部材は−６×１２＝−７２°回り、検討開始時に７２°位置にあった鐘状部材磁石はいまや零位置にある。例えば１４極鐘状部材が使用されると、鐘状部材上の磁石は全３６０°／１４＝２５．７°にあり、同一極性方向の磁石は全３６０°／７＝５１．４°にある。この構成では回転数が７分の１に低下している。

図７の配置の如く２つの磁極を有する鐘状部材を利用する代わりに、多くの磁極数を有する鐘状部材も使用できる。こうして、場合によってはｎ極鐘状部材を有する図８に示す実施例と組合わせて、任意段階の回転数増速又は回転数減速が行える。

図９ａと図９ｂは個々の巻線を駆動するための細部を示す。符号ａ₁（ａ₂、ａ₃）は第１（第２、第３）巻線の巻線初端、符号ｅ₁（ｅ₂、ｅ₃）は巻線終端である。相応する電流に同じことがあてはまる。この位相関係は、通常の３相電源に接続することで、又は前記ＬＲＫモータにおけるように駆動蓄電池の直流電圧を３相交流電圧に変換するブラシレス調節器を使用することで達成できる。こうして、３相電源に左右されない移動式二重モータ駆動装置を実現できる。

巻線が短絡し、又は低オーム抵抗を介して通電すると、軸を駆動しかつ別の軸端で相応に増速又は減速された回転数を取り出す電気伝動装置が得られる。

１ｂ’、２ｂ’、３ｂ’ 領域、４、５、６ 電機子巻線、８ 鐘状部材、９ｃ 磁石、１２ リング、１３ ライニング要素、１５、１６ 中空軸、Ｉ₁、Ｉ₂、Ｉ₃ 供給電流

Claims (10)

1. 少なくとも２つの回転数用の永久磁石同期機であって、各回転数用にロータ側に異なる磁極数の複数の永久磁石が設けられ、ステータ側には全ロータにわたって延びる複数の電機子巻線（４、５、６）が設けられているものにおいて、同一周波数を持つ回転磁界により電機子巻線を励磁する手段が設けられている永久磁石同期機。
2. 同一極性の少なくとも１つの永久磁石セグメントと最大ｐ／２個の永久磁石セグメントが、高透磁率の反磁性体又は強磁性体から成るセグメントで置換され、ｐがロータの磁極数に一致する請求項１記載の装置。
3. 低回転数に割り当てられた２ｎ極鐘状部材が単一の磁石（９ｃ）を有し、該磁石が一方でｎ個の規則的にずれたヨークで成端する軟磁性鐘状部材（８）と結合され、他方で軟磁性リング（１２）の舌片に接し、このリングが、非磁性ライニング要素（１３）上で鐘状部材内面に対して支えられるｎ−１個の他の舌片を３６０°／ｎの間隔で有するアウタロータ型ロータ用の請求項１又は２記載の装置。
4. 鐘状部材と結合された軸が、少なくとも１列の穴を備えた中空軸（１５、１６）として形成されており、ステータ巻線（４、５、６）に通気するための手段が設けられている請求項１から３の１つに記載の装置。
5. ステータヨークにおいてステータヨークを凹ませた領域（１ｂ’、２ｂ’、３ｂ’）が非磁性体でライニングされている請求項４記載の装置。
6. ステータヨークとロータ磁石が螺線状に形成されている請求項１から５の１つに記載の装置。
7. ステータが各々その反対側に同じ絶対磁化を有するように接続されている請求項１から６の１つに記載の装置。
8. 遠心分離器を備えたラジアル吸引機において、ラジアルファンホイールが高回転側に取付けられ、遠心分離器が低回転側に取付けられている請求項１から７の１つに記載の装置。
9. ステータ巻線用供給電流（Ｉ₁、Ｉ₂、Ｉ₃）がブラシレス調節器から提供される請求項１から８の１つに記載の装置。
10. ステータ巻線が短絡され、又は低オーム抵抗によって結合されている請求項１から９の１つに記載の装置。

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