JP2012509051A - 電気機械 - Google Patents

Abstract

本発明は、回転子及び固定子を含む電気機械に関する。ここで、回転子及び／又は固定子の周縁面には少なくとも２つの切り欠きが配置されている。これらの２つの切り欠きは、回転子及び／又は固定子において磁束の阻害を引き起こす。ここで、これらの切り欠きは回転子及び／又は固定子の周縁に沿って不規則に分布している。

Description

本発明は、回転子及び固定子を含む電気機械に関する。ここで、回転子及び／又は固定子の周縁面には少なくとも２つの切り欠きが配置されている。

ブラシレス直流モータ又は永久磁石励磁同期機の場合、電機子の歯部が磁石によって吸引されるために、通電していない場合に外乱となるコギングトルクが生じてしまう。コギングトルクのせいで、モータを、任意のどの停止位置にも静止させておくことができない。

外乱となるコギングトルクを低減するために、ＥＰ１５４２３３５Ａ１からは、回転子の磁束を阻害するために切り欠きを回転子に均等に分布させて設けることが公知である。これによって、外乱となるコギングトルクを低減することができる。しかしながら、通電しているときの作用トルクも不所望に低減されてしまう。さらに、上記文献のような切り欠きの配置ではコギングトルクを限られた量でしか低減できない。

それ故に、本発明の課題は、有効トルク（Nutzmoment）の減少量を無視できる程度に抑えて、コギングトルクを一層良好に低減することである。

前記課題は、請求項１に従う電気機械によって解決される。

発明の開示
本発明によれば、従来技術で提案された切り欠きを周縁面に不規則に分布させれば、電機子の歯部が磁石により吸引されることにより生じる外乱となるコギングトルクが、例えばＥＰ１５４２３３５Ａ１で提案された解決策を用いるよりも著しく低減可能であり、且つ、同時に有効トルクもわずかにしか阻害されないということが明らかである。本発明の意味では、少なくとも２つの切り欠きを不規則に配置するとは、２つの隣接する切り欠きと回転軸との間の角度が別の２つの隣接する切り欠きと回転軸との間の角度とは異なるということである。

本発明の意味では、切り欠きは、回転子及び／又は固定子の断面における、材料を含まないか又は周辺の回転子ないし固定子とは異なった材料を含む面領域である。切り欠きの断面での形状は、コギングトルクを低減するために最適化することができる。例えば、高さ、幅又は境界線の延長を合わせることができる。断面は、切り欠きの長手方向に沿って同じでなくともよい。切り欠きが回転子の表面で溝の形状で剥き出しになっているか、又は回転子材料の材料層によって覆われていることにより、周縁面に対して閉じられたキャビティが形成されていてもよい。

本発明の有利な発展形態によれば、少なくとも２つの切り欠きは異なる形状で形成されている。これは、種々のコギングトルクの大きさ（Ordnung）を補償することができ、同時に有効トルクをわずかにしか阻害しないという利点を有する。本発明の意味では、形状は、ボディの輪郭及び断面又は例えば溝等の切り欠きの輪郭及び断面である。本発明の意味では異なるとは、１つの切り欠きパターンが他の切り欠きパターンに対して切り欠きの数において異なっているか、又は切り欠きの分布のパターンが異なっている場合である。

本発明の別の実施形態によれば、切り欠きは同じ形状で形成されている。このやり方では、これらの切り欠きは形状の異なる切り欠きの場合に比べて簡単に充填材料を用いて密閉することができる。本発明の意味では、充填材料は、切り欠き内に、その断面及び／又は輪郭を変化させるために注入される材料である。

本発明の別の実施形態によれば、回転子及び／又は固定子における切り欠きは材料でのキャビティとして形成されている、すなわち、これらの切り欠きは回転子の周縁面に対して材料の層で覆われているのである。これらのキャビティの配置が回転子及び／又は固定子の周縁面に近ければ近いほど、一層効果的に磁束が阻害される。切り欠きと回転子表面との間の間隔が切り欠きの高さ又は幅の３倍以下の値の場合に磁束の阻害が考えられる。これは、外側の輪郭が滑らかでありチャーニングロス（Planschverlust）を低減することができるという利点を有する。

本発明の別の実施形態によれば、回転子及び／又は固定子における少なくとも１つの切り欠きは、反磁性材料又は常磁性材料を含む少なくとも１つの充填材料によって少なくとも部分的に充填されている。充填材料として、殊に、例えばエポキシ樹脂のようなプラスチック、例えばアルミニウム若しくはマグネシウムを含む合金又は金属が適している。このように、電気機械の音響反射、いわゆるサイレン効果（Sireneneffekt）を低減することができる。

本発明の別の実施形態によれば、回転子及び／又は固定子における切り欠きは回転子の回転軸に対して実質的に平行に配置されている。したがって製造物における切り欠きは、例えば型押しすることによって簡単に設けることができる。とりわけ、回転軸と切り欠きとの間の角度が５°より小さい、特に２°より小さな角度を成す場合を、軸に対して実質的に平行な配置と仮定してよい。

本発明の別の実施形態によれば、回転子及び／又は固定子の周縁面は、切り欠きが第１分布に従って不規則に配置された少なくとも１つの第１セクションと、切り欠きが第１分布とは異なる第２分布に従って不規則に配置された少なくとも１つの第２セクションとを有している。これは、種々の大きさのコギングトルクを阻害するために、両方の領域における切り欠きの配置を、所定の、有利には種々の大きさのコギングトルクに適合化することができるという利点を有している。このようにして、コギングトルクを簡単に低減することができる。切り欠きパターンを回転子及び／又は固定子上で１つのセクションにまとめてしまうと、切り欠きパターンは製造技術的に非常にコストのかかってしまう。

次に本発明を、基本的な発明コンセプトを制限することなく図面に基づき詳細に説明する。

本発明の第１実施形態に従う電気機械を断面で示した図 本発明の第１実施形態に従う、電気機械の回転子を示した図 本発明の第２実施形態に従う、電気機械の回転子を断面で示した図 本発明の第３実施形態に従う、電気機械の回転子を示した図

図１には、本発明による電気機械の断面が示されている。この電気機械は、固定子４及び回転子３を含んでおり、この回転子３の回転軸は図に示していない。固定子４は回転子３を取り囲んでおり、例えばインダクションコイル５を含んでいる。このインダクションコイル５は、図示していない別のインダクションコイルと共に磁場を形成する。回転子３は、多極磁場を形成する永久磁石２を含んでいる。

磁石２は、例えば四辺形の断面を有しており、回転子３の表面から見えないように回転子内に同心的に取り付けられる。この磁石２は、有利には周縁面の近くに配置される。（永久）この磁石２を製造するために、例えば鉄、ニッケル又はコバルトを含み、さらに添加剤が含まれる合金が用いられる。原材料は、例えば焼結され、続いて外部磁場で磁化される。

電気機械のトルク形成は、回転子及び固定子の磁場を結合することによって電磁的に行われる。そのために決め手となるのは、負荷電流を誘導するコイルの電気装荷であり、固定子４と回転子３との間のエアギャップにおける磁束密度である。切り欠きを回転子３及び／又は固定子４に設けることにより、エアギャップを局所的に拡大することによって、磁束が局所的に低減される。これは、電機子の歯部と磁石との間で吸引特性の変化を引き起こし、これによって結果としてコギングトルクも変化する。この作用は、外乱となるコギングトルクを制御するために、本発明において利用される。

切り欠き３００〜３５２は、種々の大きさのコギングトルクを小さくするために、回転子３及び／又は固定子４の周縁に沿って不規則に、相互に異なる形状で配置されている。

切り欠きの位置も形状も、複数回実施される繰り返しの計算プロセス及びテストプロセスにおいて改善されていき、電気機械の構造と、要求されるコギングトルクの低減量と有効トルクの許容可能な減少量とに応じて異なる。この場合、これらの切り欠きは、回転子の構造に応じて、例えばフライス加工、型押し又はプレスによって回転子に種々に設けることができる。

固定子４は、電気機械の固定された素子であり、多くの場合電気機械のケーシングに直接接続されることを特徴としている。この固定子４の構造は、少なくとも２つのインダクションコイル５が組み込まれていることを特徴としている。これらの少なくとも２つのインダクションコイル５のうちの１つが図１に示されている。このインダクションコイル５は、磁石と同じように、固定子４の内側の、回転子３の回転子軸に対して同心的な面の可能な限り近くに配置されている。この固定子４は、例えば充填材料、例えば磁場を誘導するための薄鉄板で充填されている。典型的な３相交流によるインダクションコイル５の駆動制御又は電子的な整流作用による適切な駆動制御によって、回転磁場を形成することが可能である。

図１に示した例では、固定子４は、回転子３に向かい合う面上に、周縁に沿ってそれぞれ異なる形状で不規則に分布している切り欠き３５０−３５２を有している。コギングトルクが磁石により電機子の歯部が吸引されることによって生じてしまうので、切り欠き３００−３５２は、周縁に沿って回転子側の面上にも回転子に向かい合う固定子４の面上にも設けられている。

別の実施形態では、回転子３又は固定子４のどちらか一方が、周縁に沿って不規則に分布している切り欠き３００−３５２を有している。このような構造も同じように、外乱となるコギングトルクを低減する。

図２では、本発明による電気機械の回転子３が立体的に示されている。ここでは、基本形状が円柱状である回転子３は、対称軸内に存在する回転子軸１と、周縁面に沿った複数の切り欠き３００−３０４とを備えている。これらの切り欠き３００−３０４は、周縁に沿って不規則に分布しており、種々異なる断面を有している。これらの切り欠き３００−３０４は、回転子の回転軸に対して実質的に平行に配置されている。磁石は回転子ケーシング内に組み込まれており、外側から見えない。

上述した回転子３を製造するために、電磁鋼板は回転子軸１上で数珠繋ぎされている。ここでは、これらの電磁鋼板の形状が回転子の断面を形成している。これらの電磁鋼板は、少なくとも２つの磁石を収容する空胴を有している。これらの磁石は、例えばクリップ留め、接着又は圧着することによって電磁鋼板内に固定される。これらの電磁鋼板は、例えば溝に嵌めるか又は圧着することによって回転子軸に固定される。図示した回転子３の回転対称な基本形状は、切り欠き３００−３０４によって乱される。これらの切り欠き３００−３０４は、例えば型押し、フライス加工又はプレスすることによって電磁鋼板に設けることができ、回転子の表面で剥き出しであるか、又は充填材料で埋められている。充填材料として、殊にプラスチック、例えばエポキシ樹脂が適している。別の実施形態では、例えばアルミニウム若しくはマグネシウムを含む合金又は金属を用いることができる。

図３には、電気機械の別の実施形態に従う回転子３の断面が部分的に示されている。この円柱状の回転子３は、回転子周縁面の近くに取り付けられた四辺形の磁石２と、キャビティとして磁石２と回転子表面との間に設けられた切り欠き３４０−３４２とを含んでいる。図示したケースでは、キャビティは固体の充填材料で埋められていない。これらのキャビティの形状は、周縁面において充填材料で覆われた切り欠きである。これらのキャビティは剥き出しの切り欠きと同じように材料の磁束を制御するが、例えばチャーニングロス又はサイレン効果のような、剥き出しの溝に起因した欠点を示すことはない。

図２に示したような充填材料を用いた充填は、別の実施形態においても同様に可能である。充填材料は、回転子軸１上に電磁鋼板を数珠繋ぎした場合に、例えば磁石２に類似した棒状の形状で注入することができる。切り欠きを不規則に分布することによる質量不均衡は、種々の密度を有する種々の充填材料を選択することによって適切に補償することができる。

図４では、本発明による電気機械の円柱状の回転子３が立体的且つ概略的に示されている。この回転子３は、回転子軸１と、回転子３に組み込まれた四辺形の磁石２とを備えており、磁石２のうちの１つが例として示されている。これらの磁石は、回転子３の回転軸に対して実質的に平行に配置されている。この回転子３の周縁面は、セクションＩ及びセクションＩＩを有している。磁石は、両方のセクションに亘って延在している。セクションＩにおける切り欠き３１０−３１３及びセクションＩＩにおける切り欠き３２０−３２７は、周縁に沿って不規則に配置されており、その分布は異なっている。これらの切り欠き３１０−３２７の形状は、それぞれ異なっている。これらの切り欠き３１０−３２７は、回転子３の回転軸に対して実質的に平行に配置されている。

種々異なるセクションは、種々の大きさのコギングトルクを低減するために用いることができる。これによって、１セクション毎に１つの切り欠きパターンによって所定の大きさのコギングトルクを低減することができ、この低減されるコギングトルクの大きさは、有利には別のセクションのコギングトルクとは異なっている。このようにして、複数の大きさのコギングトルクを簡単に低減することができる。複数の切り欠きを１つのセクションにまとめてしまうと、製造するのが面倒な切り欠きパターンとなってしまう。これらの切り欠きの設計は、どのセクションにおいても複数回繰り返す計算プロセス及びテストプロセスで別個に行われる。

当然、本発明が図示した実施例に限定されないことは当業者には当然のことである。むしろ、本発明を実施する際に、本発明自体を本質的に変更することなく、変形及び変更が可能である。それ故に、本明細書は、限定するものではなく説明するものとして見るべきである。

上述した回転子３を製造するために、電磁鋼板は回転子軸１上で数珠繋ぎされている。ここでは、これらの電磁鋼板の形状が回転子の断面を形成している。これらの電磁鋼板は、少なくとも２つの磁石を収容する空胴を有している。これらの磁石は、例えばクリップ留め、接着又は圧着することによって電磁鋼板内に固定される。これらの電磁鋼板は、例えば溝に嵌めるか又は圧着することによって回転子軸に固定される。図示した回転子３の回転対称な基本形状は、切り欠き３００−３０４によって乱される。これらの切り欠き３００−３０４は、例えば型押し、フライス加工又はプレスすることによって電磁鋼板に設けることができ、回転子の表面で剥き出しであるか、又は充填材料で埋められている。充填材料として、殊にプラスチック、例えばエポキシ樹脂が適している。別の実施形態では、例えばアルミニウム若しくはマグネシウムを含む合金又は金属を用いることができる。有利には、上記充填は多材射出成型法によって行われる。

Claims (10)

1. 回転子（３）及び固定子（４）を含む電気機械であって、
   前記回転子（３）及び／又は固定子（４）の周縁面に、該回転子（３）及び／又は固定子（４）における磁束を阻害する少なくとも２つの切り欠き（３００，３０１）が配置されている、電気機械において、
   前記切り欠き（３００，３０１）は、前記回転子（３）及び／又は固定子（４）の周縁面に沿って不規則に分布している、
   ことを特徴とする電気機械。
2. 前記少なくとも２つの切り欠き（３００，３０１）は、異なる形状を有している、請求項１記載の電気機械。
3. 前記切り欠き（３００，３０１）は同じ形状を有している、請求項１記載の電気機械。
4. 前記少なくとも１つの切り欠き（３００，３０１）は、溝として形成されている、請求項１から３のいずれか１項記載の電気機械。
5. 前記少なくとも１つの切り欠き（３００，３０１）は、キャビティとして前記回転子（３）及び／又は固定子（４）の中に形成されている、請求項１から４のいずれか１項記載の電気機械。
6. 前記回転子（３）及び／又は固定子（４）における切り欠き（３００，３０１）は、充填材料を含んでいる、請求項１から５のいずれか１項記載の電気機械。
7. 前記充填材料は、反磁性材料又は常磁性材料を含んでいる、請求項６記載の電気機械。
8. 前記切り欠き（３００，３０１）は、前記回転子（３）の回転軸に対して実質的に平行に配置されている、請求項１から７のいずれか１項記載の電気機械。
9. 前記回転子（３）及び／又は固定子（４）の周縁面は、前記切り欠き（３００，３０１）が第１分布に従って不規則に分布している少なくとも１つの第１セクションと、前記切り欠き（３００，３０１）が該第１分布とは異なる第２分布に従って不規則に分布している少なくとも１つの第２セクションとを有している、請求項１から８のいずれか１項記載の電気機械。
10. 多材射出成型法を用いた、請求項１から９のいずれか１項記載の電気機械の回転子及び／又は固定子の製造方法。

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