JP2014500703A

JP2014500703A - 変調磁極機械のための固定子

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Publication number: JP2014500703A
Application number: JP2013545293A
Authority: JP
Inventors: ノルド、ゲラン
Original assignee: ホガナスアクチボラグ（パブル）
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2014-01-09
Also published as: US20130270928A1; KR20130127495A; TW201233004A; MX2013007303A; CA2821957A1; EP2656480A1; BR112013018319A2; EP2656480B1; WO2012084905A1; RU2013133838A; CN103329400A; KR101551228B1

Abstract

変調磁極機械の固定子のための固定子コア部分であって、変調磁極機械が、固定子と、移動デバイスと、固定子及び移動デバイスの間で磁束を伝達するための、移動デバイス及び固定子のそれぞれの境界面の間の能動ギャップとを有し、移動デバイスが固定子に対して運動方向に移動するようになされている固定子コア部分において、固定子コア部分が固定子コア背面を有し、複数の歯が固定子コア背面をから延び、各歯が、回転子に向かう方向を画定するそれぞれの第１の方向に延び、複数の歯が、運動方向を画定する第２の方向に沿って配置され、各歯が、隣接する歯に向いた少なくとも１つの側壁と、能動ギャップに向いた境界面とを有し、境界面及び側壁が、境界面及び側壁を接続する縁部を形成し、縁部が、第１及び第２の方向によって広げられる平面内に曲率半径を画定する丸みであり、曲率半径が、前述の平面に垂直な横方向に沿って変化する固定子コア部分。

Description

本発明は一般に、変調磁極機械（ｍｏｄｕｌａｔｅｄｐｏｌｅｍａｃｈｉｎｅ）に関する。より詳細には、本発明はそのような変調磁極機械のための固定子に関する。

数年来、例えばクロー・ポール型機械、ランデル型機械、及び横方向磁束機械（ＴＦＭ）のような変調磁極機械などの電気機械設計への関心が増大している。これらの機械の原理を使用した電気機械は、ＡｌｅｘａｎｄｅｒｓｓｏｎとＦｅｓｓｅｎｄｅｎにより、早くも１９１０年頃に開示されている。関心が高まっている最も重要な理由のうちの１つは、この設計が、例えば誘導機械、可変磁気抵抗機械、さらには永久磁石ブラシレス機械と比べて、非常に高いトルク出力を可能とすることである。さらに、そのような機械は、コイルの製造がしばしば容易であるという点で有利である。しかし、この設計の欠点の１つは、通常それらの製造に比較的費用がかかること、及びそれらが高い漏洩磁束に見舞われ、それにより力率（ＰＦ）の低下とさらなる磁性材料の必要性とがもたらされることである。低い力率は、大型のパワー・エレクトロニクス回路（又は機械が同調して使用されるときの電源）を必要とし、また、体積、重量、及び駆動全体にかかるコストを増大させる。

変調磁極電気機械の固定子は一般に、軟磁性コア構造によって形成された複数の歯に磁力を与える中心単巻線を使用する。ここで、軟磁性コアは、巻線の周りに形成されるが、他の一般的な電気機械構造の場合、巻線がコア部分の歯の周りに形成される。変調磁極機械のトポロジーの実例は、例えばクロー・ポール型機械、クロー・フィート型機械、ランデル型機械、又はＴＦＭ機械として認識されることがある。埋込磁石を有する変調磁極機械は、回転子磁極部分によって分離されている複数の永久磁石を含む能動回転子構造によって、さらに特徴付けられる。

横方向磁束機械（ＴＦＭ）のトポロジーは、変調磁極機械の一実例である。横方向磁束機械（ＴＦＭ）のトポロジーは、従来の機械よりも多くの利点を有することで知られている。片面径方向磁束固定子の基本設計は、エア・ギャップに平行な単一の単純な巻線を特徴とし、ほぼＵ字形のヨーク部分が、この巻線を取り囲んでおり、且つ、エア・ギャップに面している歯の主要な２つの平行列に露出している。多相構成は、回転子又は移動子の運動方向に対して垂直に積み重ねられた、磁気的に分離された複数の単相ユニットを含む。そこで、これらの相は、３相構成のために１２０度ずつ電気的及び磁気的にシフトされて、動作を滑らかにし、且つ、回転子又は移動子の位置に関わらずほぼ均一な力又はトルクを生み出す。ここで、言及された角度が電気角度によって与えられていることに注意されたい。電気角度は、磁極の対の数で割った機械角度と等しい。

円筒形モータには同心の固定子及び回転子が使用され、したがってその運動は、回転的な運動すなわち無限回転と見なされる。線形機械には並進運動が使用され、これは通常は閉運動パターンではないが、「線」に沿った前後運動とされる場合がある。線形機械又は線形駆動機器は、回転子の代わりに移動子を有する。同じ基本磁気原理により、回転子及び移動子の両方に磁気回路を配置することができるが、幾何学的形状は異なっていてもよい。

有効な回転子又は移動子の構成の一実施例は、例えばＪａｃｋらによる国際公開第２００７／０２４１８４号で説明されているように、軟磁極部分又は軟磁極片と組み合わせたいわゆる埋込磁石を使用して、永久磁場が磁束収束をできるようにする、又は永久磁場を運動に対して横断方向に柔軟にできるようにすることである。

国際公開第２００７／０２４１８４号は、実質的に円形であり且つ複数の歯を有する第１の固定子コア部分と、実質的に円形であり且つ複数の歯を有する第２の固定子コア部分と、第１の円形固定子コア部分と第２の円形固定子コア部分との間に配置されたコイルと、複数の永久磁石を有する回転子とを含む電気回転機械を開示している。第１の固定子コア部分、第２の固定子コア部分、コイル、及び回転子は、共通の幾何学軸を取り囲んでおり、また、第１の固定子コア部分及び第２の固定子コア部分の複数の歯は、回転子に向かって突出するように配置されている。さらに、第２の固定子コア部分の歯は、第１の固定子コア部分の歯に対して円周方向にずらされており、また、回転子内の永久磁石は、軟磁性材料から作られた軸方向に延在する磁極部分により、互いに円周方向に分離されている。

一般に、作製及び組立が比較的安価な変調磁極機械のための固定子を提供することが望ましい。さらに、高い構造的安定性、低い磁気抵抗、効率的な磁束通路誘導、軽量、小型、高い体積比性能などのうちの１つ又は複数の良好な性能パラメータを有する、そのような固定子を提供することが望ましい。

電気機械において発生する望ましくない効果は、いわゆるコギング・トルク、すなわち、移動デバイスの永久磁石と固定子との間の相互作用に起因するトルクである。コギング・トルクは、ディテント・トルク又は「無通電」トルクとしても知られている。

多くの用途において、騒音及び振動に関する要求のために、コギングは低くなければならない。例えば、機械が風車の発電機として使用される場合、非常に低い風速でその発電機を回転させるために、コギング・トルクは低くなければならない。最大で約５０〜１００Ｎｍまでの小型モータの場合、コギング・トルクは、モータを手で回転させることによって容易に気付くことができる。

国際公開第２００７／０２４１８４号米国特許第６３４８２６５号

変調磁極機械（ＭＰＭ）において、コギング・トルクの大きさは様々な要因に依存する。トルク低減のための手段が幾つか知られてはいるが、コギングの低減は、設計がより複雑になるため、機械のコストを増大させることが多い。コスト及び複雑さを追加する方法の実例は、回転子及び／又は固定子を傾斜させることである。したがって、変調磁極機械のコギングを低減させながらも、機械の複雑性及び／又はコストの増大を避けることが望ましい。さらに、効率良く且つ低コストで製造可能な機械を提供することが望ましい。

本明細書において開示されるのは、第１の観点によれば、変調磁極機械の固定子のための固定子コア部分であって、変調磁極機械が、固定子と、移動デバイスと、固定子と移動デバイスの間で磁束を伝達するための、移動デバイス及び固定子のそれぞれの境界面の間の能動ギャップとを含み、移動デバイスが固定子に対して運動方向に移動するように構成されている固定子コア部分において、固定子コア部分は、複数の歯がそこから延びる固定子コア背面を含み、各歯が、回転子に向かう方向を画定するそれぞれの第１の方向に延び、これらの複数の歯が、運動方向を画定する第２の方向に沿って配置され、各歯が、隣接する歯に対向する少なくとも１つの側壁、及び能動ギャップに対向する境界面を有し、境界面及び側壁が、境界面及び側壁を接続する縁部を形成し、縁部が、第１及び第２の方向によって広げられる平面内に曲率半径を画定する丸み（ｒｏｕｎｄ）であり、曲率半径が、前述の平面に対して垂直な横方向に沿って変化している、固定子コア部分である。

したがって、本明細書において、効率良く作製することができ且つ機械のコギング・トルクを低減させる、変調磁極機械のための固定子コア部分の実施例が開示される。詳細には、本明細書で説明される固定子コア部分の実施例は、粉末冶金（Ｐ／Ｍ）作製方法での作製によく適している。

固定子部分の成形は、得られる機械の製造コスト又は複雑性を著しく増大させることなく、行うことができる。さらに、回転子の修正を必要としない。

能動ギャップは、通常、空気で満たされるので、しばしばエア・ギャップと呼ばれる。

変調磁極機械の実施例において、移動デバイスは、磁極部分によって運動方向に互いに分離された複数の永久磁石を含む。磁極部分は、横方向に長い直線ロッドとして形成されうる。複数の永久磁石は、運動方向に沿って１つおきに磁石の磁化方向が逆になるように配置されうる。それにより個々の磁極部分は、同等の極性を示す磁石とのみ相互作用しうる。一般に、永久磁石もまた、横方向に長い直線ロッドとされうる。このロッドは、能動エア・ギャップの側方範囲にわたって延在しうる。

幾つかの実施例において、固定子コア部分及び／又は移動デバイスの磁極片は、軟磁性粉末などの軟磁性材料から作られ、それによって、変調磁極機械の構成要素の製造が簡素化され、また、例えば回転機械において径方向、軸方向、及び円周方向の磁束通路成分を可能とする軟磁性材料における効果的な３次元磁束通路の利点を利用した、効果的な磁束収束が提供される。

軟磁性粉末は、例えば、軟磁性鉄粉や、Ｃｏ若しくはＮｉを含む粉末、又はそれらの一部を含む合金とすることができる。軟磁性粉末は、電気絶縁体でコーティングされた不規則形状の粒子を有する、実質的に純粋な水アトマイズ鉄粉又は海綿鉄粉とすることができる。この文脈において、「実質的に純粋」という用語は、粉末が実質的に介在物を含んでいてはならず、また、不純物Ｏ、Ｃ、及びＮの量が最小限に保たれていなければならないことを意味する。平均粒径は通常、３００μｍ未満であり、１０μｍ超である。

しかし、軟磁性特性が十分なものであり、また、その粉末がダイ圧密に適している限り、任意の軟磁性金属粉末又は金属合金粉末を使用することができる。

粉末粒子の電気絶縁体は、無機材料で作ることができる。特に適しているのは、絶縁酸素及びリン含有障壁を有する本質的に純粋な鉄から成るベース粉末の粒子に関する米国特許第６３４８２６５号（参照により本明細書に組み込まれる）に開示されているタイプの絶縁体である。絶縁された粒子を有する粉末は、ＨｏｇａｎａｓＡＢ、Ｓｗｅｄｅｎから市販されている、Ｓｏｍａｌｏｙ（登録商標）５００、Ｓｏｍａｌｏｙ（登録商標）５５０、又はＳｏｍａｌｏｙ（登録商標）７００として入手可能である。

側壁と境界面とを接続する縁部の変化する半径は、いわゆる成形ダイを使用したツールなどの適切な圧縮成形ツールで、軟磁性粉末から固定子コア部分を圧縮成形することによって、効率的に実現することができる。

各固定子コア部分は、固定子コア背面部分、及び固定子コア部分から延在する複数の歯の組を含むことができ、固定子コア背面部分が各歯を接続している。固定子コア部分はさらに、同じ相の複数の歯の組のうちの他方の組を含む他方の固定子コア部分に向けて横方向に磁束通路を提供する、ヨーク部分を含むことができる。

コア背面部分及びヨーク部分は、それぞれの固定子コア部分の（互いに対して運動方向にずらされている）隣接する歯と歯の間に磁束通路を提供する。

幾つかの実施例において、電気機械は回転機械であり、移動デバイスは回転子である。この場合、第１の固定子コア部分、第２の固定子コア部分、コイル、及び回転子は、共通の幾何学軸を取り囲むことができる。回転機械においては、横方向は機械の軸方向であり、運動方向は機械の円周方向である。

幾つかの実施例において、固定子は、実質的に環状であり且つ複数の歯を有する第１の固定子コア部分と、実質的に環状であり且つ複数の歯を有する第２の固定子コア部分と、第１の円形固定子コア部分と第２の円形固定子コア部分との間に配置されたコイルとを含み、第１の固定子コア部分、第２の固定子コア部分、コイル、及び回転子は、回転子の長手方向軸によって画定された共通の幾何学軸を取り囲み、第１の固定子コア部分及び第２の固定子コア部分の複数の歯は、回転子に向かって突出するように配置され、第２の固定子コア部分の歯は、第１の固定子コア部分の歯に対して円周方向にずらされている。

従来の機械においては、コイルは多重極構造の磁界を明確に形成し、コアの機能は、この多重極磁界を通して磁石及び／又は他のコイルを結びつけることに過ぎない。変調磁極機械においては、コイルによって生成される、はるかに低い、通常は２つの極磁界から多重極磁界を形成するのは、磁気回路である。変調磁極機械においては、磁石は通常、整合多重極磁界を明確に形成するが、単一の磁石から多重極磁界を形成する磁気回路を有することも可能である。変調磁極機械は、固定子及び移動デバイスの両方の横断方向の、例えば移動デバイスが回転子である回転機械においては軸方向の、磁束通路を利用した３次元（３Ｄ）磁束通路を有する。

したがって、幾つかの実施例においては、固定子デバイス及び／又は移動デバイスは、運動方向に対して横断（すなわち側）方向に磁束通路成分を含む３次元（３Ｄ）磁束通路を有する。

本発明は、上記及び以下で説明される固定子デバイス、並びに対応する方法、デバイス、及び／又は製品手段を含む様々な観点に関し、これらのそれぞれが、最初に述べた観点に関連して説明される利益及び利点のうちの１つ又は複数をもたらし、また、これらのそれぞれが、最初に述べた観点に関連して説明される実施例及び／又は添付の特許請求の範囲に開示されている実施例に対応する、１つ又は複数の実施例を有している。

本発明の上記及び／又は追加の目的、特徴、並びに利点を、以下の本発明の実施例の事例的且つ非限定的な詳細な説明により、添付の図面を参照しながらさらに説明する。

変調磁極機械の実例を示す図である。変調磁極機械用の固定子の実例の概略図である。それぞれが１つの円周巻線を保持している３組の固定子構成要素対を有する固定子を含む３相変調磁極機械の図である。変調磁極機械用の固定子の別の実例を示す図である。図４の固定子の固定子コア部分のうちの一方の歯１０２のうちの１つの歯の一部分のより詳細な図である。固定子コア部分の別の実例を示す図である。本明細書で説明されるような固定子コア部分を製造するためのツールの実例を概略的に示す図である。本明細書で説明されるような固定子コア部分を製造するためのプレス工程の実例を概略的に示す図である。本明細書で説明されるような固定子コア部分を製造するためのプレス工程の実例を概略的に示す図である。本明細書で説明されるような固定子コア部分を製造するためのプレス工程の実例を概略的に示す図である。本明細書で説明されるような固定子コア部分を製造するためのプレス工程の実例を概略的に示す図である。本明細書で説明されるような固定子コア部分を製造するためのプレス工程の実例を概略的に示す図である。本明細書で説明されるような固定子コア部分を製造するためのプレス工程の実例を概略的に示す図である。１相ＭＰＭモデルのＦＥＡ解析のＦＦＴ解析に基づいた、コギング・トルク低減の無い変調磁極機械のコギング・トルク周波数スペクトルの実例を示す図である。１相ＭＰＭモデルのＦＥＡ解析のＦＦＴ解析に基づいた、コギング・トルク低減の有るＭＰＭコギング・トルク周波数スペクトルの実例を示す図である。１相ＭＰＭモデルのＦＥＡ解析に基づいた、コギング・トルク低減の無い３相ＭＰＭコギング・トルク形状の相毎及び合計（３相）の実例を示す図である。１相ＭＰＭモデルのＦＥＡ解析に基づいた、コギング・トルク低減の有る３相ＭＰＭコギング・トルク形状の相毎及び合計（３相）の実例を示す図である。

以下の説明では、本発明を実施することができる方法を図によって示す添付の図面を参照する。

図１は、変調磁極機械の実例を示す。詳細には、図１は、単相、例えば１相機械、又は多相機械のうちの１相の、能動部品を示す。図１のａ）は、固定子１０及び回転子３０を含む、機械の能動部品の斜視図を示す。図１のｂ）は、機械の一部分の拡大図を示す。

図２は、図１の変調磁極機械の固定子１０の実例を示す。詳細には、図２のａ）は、２つの固定子コア部分１４、１６、及び巻線２０を説明する、固定子１０の分解組立図を示す。図２のｂ）は、固定子１０の切断図を示し、図２のｃ）は、固定子１０の一部分の拡大図を示し、図２のｄ）は、固定子コア部分のうちの一方の固定子コア部分１６の一部分の拡大図を示す。

機械は固定子１０を備え、固定子１０は、軟磁性コア構造体によって形成された複数の歯１０２に磁力を与える中心単巻線２０を含む。固定子コアは巻線２０の周りに形成されるが、他の一般的な電気機械構造では、巻線が個々の歯のコア部分の周りに形成される。より詳細には、図１及び図２の変調磁極電機機械は、それぞれが複数の歯１０２を含む実質的に環状の２つの固定子コア部分１４、１６と、第１の環状固定子コア部分と第２の環状固定子コア部分との間に配置された巻線２０と、複数の永久磁石２２を含む回転子３０とを備える。さらに、固定子コア部分１４、１６、コイル２０、及び回転子３０は、共通の幾何学軸を取り囲んでおり、２つの固定子コア部分１４、１６の複数の歯１０２は、閉回路磁束通路を形成するために、回転子３０に向かって突出するように配置される。２つの固定子コア部分１４、１６の固定子歯は、互いに対して円周方向にずらされる。

各固定子部分は、環状コア背面部分２６１と、円周方向にずらされた２つの固定子コア部分の歯と歯の間に磁束通路を提供する磁束ブリッジ又はヨーク要素１８と、を備える。図１及び図２の機械では、固定子歯は回転子に向かって径方向に突出し、この場合では、回転子は固定子を取り囲んでいる。しかし、固定子は、回転子の外側に同様に良好に配置することができる。本明細書で説明される固定子の実施例は、単相及び／又は多相の機械に使用することができる。同様に、本明細書で説明される固定子の実施例は、インナー・ロータ型機械やアウター・ロータ型機械などの回転機械、及び／又は線形機械に使用することができる。

能動回転子構造体３０は、偶数個のセグメント２２、２４から構成され、そのうちの回転子磁極部分２４とも呼ばれる半数のセグメントは、軟磁性材料で作られ、もう半数のセグメントは、永久磁石材料２２から作られる。これらのセグメントは、個別の構成要素として作製することができる。永久磁石２２は、永久磁石の磁化方向が実質的に円周方向であるように、すなわち、Ｎ磁極とＳ磁極とがそれぞれ実質的に円周方向を向くように、配置される。さらに、円周方向に数えて１つおきの永久磁石２２が、隣接する永久磁石に対して逆向きの磁化方向を有するように配置される。所望の機械構造における軟磁性磁極部分２４の磁気的機能は完全に３次元であり、各軟磁性磁極部分２４は、３つの空間方向の全てにおいて、高い透磁率を有する様々な磁束を効率的に通すことができる。

回転子３０及び固定子１０のこの設計は、永久磁石２２からの磁束収束を可能にして、それにより固定子１０の歯に対向する回転子３０の表面は、隣接する永久磁石２２の両方からの全磁束を対向する歯の表面に与えることができる、という利点を有する。磁束収束は、歯に対向する領域によって分割された、各磁極部分２４に対向する永久磁石２２の領域の関数として見ることができる。詳細には、各歯が円周方向にずらされていることのため、磁極部分に対向する歯により、磁極部分の軸方向範囲に部分的にわたってのみ延在する能動エア・ギャップがもたらされる。それにもかかわらず、永久磁石の全軸方向範囲からの磁束は、磁極部分において軸方向及び径方向に向けられて、能動エア・ギャップに向かう。各磁極部分２４のこれらの磁束収束特性は、弱い低コストの永久磁石を回転子内の永久磁石２２として使用することを可能にし、且つ、非常に高いエア・ギャップ磁束密度を得ることを可能にする。効果的な３次元磁束通路を可能にする磁性粉末から磁極部分を作ることにより、磁束収束を促進することができる。さらに、この設計により、類似のタイプの機械よりも、より効率的に磁石を使用することができる。

さらに図１及び図２を参照すると、単相の固定子１０は、図１及び図２で示されるように単相機械の固定子として、且つ／又は、多相機械の固定子相、例えば図３の機械の固定子相１０ａ〜ｃのうちの１つとして、使用することができる。固定子１０は、それぞれが複数の歯１０２を有する２つの同一の固定子コア部分１４、１６を備える。各固定子コア部分は、プレス・ツールで圧縮成形された軟磁性粉末で作られる。固定子コア部分が同一の形状を有する場合には、これらを同一のツールでプレスすることができる。次いで２つの固定子コア部分は、第２の作業で結合されて、径方向に延在する固定子コア歯を有する固定子コアを一緒に形成する。ここで、一方の固定子コア部分の歯は、他方の固定子コア部分の歯に対して軸方向及び円周方向にずらされている。

固定子コア部分１４、１６のそれぞれは、一体に圧縮成形することができる。各固定子コア部分１４、１６は、環状コア背面部分２６１の径方向内側縁部５５１によって画定された実質的に円形の中央開口部を有する環状円板として形成することができる。歯１０２は、環状円板形状コア背面の径方向外側縁部から、径方向外方に突出する。内側縁部５５１と歯１０２との間の環状部分は、磁束通路、及びコイル２０を収容する円周空洞の側壁を提供する。各固定子コア部分は、内側縁部５５１に又はその近くに、円周フランジ１８を備える。組み立てられた固定子では、円周フランジ１８は、固定子コア部分の内側、すなわちコイル２０及び他方の固定子コア部分に対向する側に、配置される。図１及び図２に示された実施例では、固定子コア部分１４、１６は、同一の構成要素として形成されている。詳細には、両方の固定子コア部分が、それぞれの他方の固定子コア部分に向かって突出するフランジ１８を備える。組み立てられた固定子では、フランジ１８は互いに接して、固定子コア部分間での軸方向磁束通路の存在を可能にする軸方向磁束ブリッジを形成する。したがって、アウター・ロータ型機械用に組み立てられた固定子では、コイルはフランジ１８によって形成された固定子コア背面を取り囲む。

歯１０２のそれぞれは、エア・ギャップに対向する境界面２６２を有する。機械の動作中、磁束は、境界面２６２を通り、エア・ギャップを介し、対応する回転子の磁極片の境界面を通って、伝達される。境界面２６２は、縁部２６３により、円周方向に、すなわち回転子の運動方向に沿って区切られる。したがって、縁部２６３は、境界面２６２を、隣接する歯に対向するそれぞれの歯の側方面２６６と接続する。Ｐ／Ｍ（粉末冶金）技術により縁部２６３に特定の最小半径が課せられる、すなわち、縁部２６３は完全な鋭角ではなく丸みを付けられることが、理解されるであろう。圧縮成形ツールの複雑さ、圧密圧力、ツール材料などに依存して、得られる最小半径は例えば０．２５ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲内とされうる。この半径は、ダイの形状によって設定される。しかし、図２ｄで最も明白に見られるように、縁部２６３の半径は、縁部２６３に沿って変化する。すなわち、半径は、歯の一方の側方面において、他方の側方面よりも小さい。詳細には、半径は、歯の巻線から遠い方の側から、歯の巻線に近い方の側に向かって大きくなる。図２ｄの実例では、半径は直線的に大きくなっている。幾つかの実施例では、縁部２６３の半径は、例えば約０．３ｍｍの最小半径ｒから、最大で歯の幅の半分までの最大半径Ｒまで、徐々に大きくなる。設計最適化は、コギング・トルクが低減されるように大小の半径Ｒ及びｒを変更することによって行うことができる。３次元電磁気有限要素ソフトウェアは、この設計工程に適したツールである。最適形状は、磁極及び歯の数、機械のサイズなどに依存しうる。Ｐ／Ｍ技術の限界により、最小半径ｒに例えば０．２５ｍｍ〜０．３５ｍｍの下限が課されうる（構成要素のサイズ及びダイの材料に依存する）。２つの縁部の最大半径の和は通常円周方向における歯の幅よりも大きくてはならないという点において、最大半径Ｒに上限が課されうる。例えば、両方の縁部が同じ最大半径を有する場合、最大半径Ｒに対する上限は、２つのカーブが歯の中央で出会って完全な半円を形成するときとされうる。例えば、最適化には、粉末技術により圧縮成形される固定子コア部分を製造するためのプレス・ツール及び工程に適合した最小半径になるように小半径ｒを選択すること、大半径Ｒに関する複数の選択に対して得られるコギング・トルクを（例えば、有限要素解析を使用して）推定すること、及び、結果として最小推定コギング・トルクをもたらす半径になるように大半径Ｒを選択することが含まれうる。

図２のｄ）の実例では、両方の縁部２６３が同一の半径で丸まり、また、半径は同じように変化する。しかし、先側縁部及び後側縁部の半径は異なっていてもよく、且つ／又はそれぞれの縁部に沿って異なる形で変化してもよいことが、理解されるであろう。

したがって、固定子コア部分１４、１６の歯は、円周方向に測定した境界面の幅が巻線に近い方の側から巻線から遠い方の側に向かって徐々に増大するように成形される。したがって、機械の動作中、境界面２６２は、回転子の磁極片及び磁石の対応する表面と、瞬時にではなく徐々に重なり合う。したがって、本明細書で説明される固定子の実施例において、固定子歯は、それらが互いに及び回転子磁極部分を滑らかに通過できるように成形された縁部を有する。境界面２６２が回転子から実質的に一定の距離を有することが、例えば図２ｄから理解されるであろう。本明細書で説明される歯の成形法は、コギング・トルクを低減させるための他の手段、例えば傾斜された磁極片及び永久磁石を有する変形された回転子設計と組み合わせられることが、理解されるであろう。

図３のａ）は、３相変調磁極機械の一実例を示し、一方で図３のｂ）は、図３のａ）の機械の固定子の一実例を示す。機械は、固定子１０及び回転子３０を備える。固定子１０は、それぞれが図１及び図２に関連して説明した通りの、３つの固定子相部分１０ａ、ｂ、ｃを含む。詳細には、各固定子相部分は、それぞれの固定子構成要素の対、すなわち、１４ａと１６ａの対、１４ｂと１６ｂの対、及び１４ｃと１６ｃの対をそれぞれ含み、各対が１つの円周巻線２０ａ〜２０ｃをそれぞれ保持している。

したがって、図１及び図２の実例におけるように、図３の各電気変調磁極機械固定子相部分１０ａ〜１０ｃは、軟磁性コア構造体によって形成された複数の歯１０２に磁力を与える、例えば単巻線の中心コイル２０ａ〜２０ｃを含む。より詳細には、示された電気変調磁極機械の各固定子相１０ａ〜１０ｃは、それぞれが複数の歯１０２を含む実質的に環状の２つの固定子コア部分１４を備え、第１の円形固定子コア部分と第２の円形固定子コア部分との間にコイル２０が配置される。さらに、各固定子相の固定子コア部分１４及びコイル２０は、共通の軸を取り囲み、また、固定子コア部分１４の複数の歯１０２は、径方向外方に突出するように配置される。図３の実例では、回転子３０は、固定子１０と同軸上に配置され、且つ、固定子の歯１０２と回転子との間にエア・ギャップを形成するように、固定子を取り囲んでいる。回転子は、図１及び図２に関連して説明されたように交互に並んでいるが全ての固定子相部分にわたって軸方向に延在している永久磁石２２及び磁極片２４として、設けることができる。

図１〜図３に関連して説明された固定子の実施例は、いわゆるつめ（クロー）の無い歯を有する。しかし、図４〜図５を参照して以下で説明されるように、ツールのコストを増大させること無しに小型のつめを付け加えて、モータ性能をさらに向上させることが可能である。

図４は、変調磁極機械用の固定子の別の実例を示す。図５は、図４の固定子の固定子コア部分のうちの一方の歯１０２のうちの１つの歯１０２のより詳細な図を示す。図４〜図６を参照して説明される固定子１０は、図１及び図３に記載されているように磁極機械で使用することができる。固定子１０は、能動エア・ギャップを形成するように回転子に向かって径方向に突出している複数の歯１０２をそれぞれが含む、２つの環状固定子コア部分１４、１６を備える。それぞれの固定子コア部分の歯は、互いに対して円周方向にずらされている。各歯は、エア・ギャップに面する境界面２６２を画定する。境界面は、丸縁部２６３によって運動方向に区切られており、丸縁部２６３の曲率半径は、全て図１〜図２に関連して説明されたように、それぞれの縁部２６３に沿って変化する。

しかし、図４〜図５の固定子の歯は、巻線２０の軸方向範囲の一部にわたって軸方向に延在しているつめを備える。詳細には、各歯は、径方向に延在する基部と、巻線２０よりもさらに外方に径方向に延在する頂部４７０と、を備える。頂部は、歯から巻線に向かって軸方向に延在するつめ部材４７１を含み、それにより、頂部は、巻線の軸方向範囲の一部にわたって軸方向に延在する。したがって、歯は、巻線の径方向外側表面と重なり合う重なり部分を有する境界面２６２を備える。つめ部材が十分に小さければ、固定子磁極部分は、粉末圧密工程によって依然として効率的に製造することができる。例えば、固定子コア部分は、巻線を収容するために、それらの間にギャップを画定することができる。つめ部材のそれぞれは、他方の固定子に向かって、ギャップの軸方向幅の半分未満の軸方向範囲、例えば巻線の軸方向幅の半分未満だけ、軸方向に延在することができる。幾つかの実施例では、つめ部材は、固定子コア部分から軸方向に３ｍｍ未満突出する。

図５から最も明白に分かるように、縁部２６３は、縁部の各側方端部に定半径部分７６７及び７６８を有する。巻線２０に近い方の定半径部分７６７は、巻線から遠い方の定半径部分７６８よりも小さい半径、例えば上述のプレス・ツール及び工程によって決定される最小半径を有する。縁部２６３は、定半径部分間に延在し、且つ、定半径部分７６７の小さい方の半径から定半径部分７６８の大きい方の半径まで徐々に例えば直線的に増大する曲率半径を有する変動半径部分６６３を、さらに備える。この縁部の形態が、つめの無い歯、例えば図１〜図２に関連して説明された歯にも使用できることは、理解されるであろう。

図６は、複数の歯１０２がそこから径方向外方に延在している固定子コア背面２６１を含む、固定子コア部分の一実例を示す。歯は、運動方向に沿って配置されており、また、各歯が境界面２６２を有する。境界面は、軸方向、すなわち運動方向及び径方向によって広げられる平面に対して垂直な方向において変化する、運動方向における幅を有する。

本明細書で説明される固定子コア部分の実施例は、Ｐ／Ｍ技術を使用して効率的に製造及び成形することができる。Ｐ／Ｍは、図７〜図８によって示されるようなツール及びプレス機を使用して金属粉末から構成要素を作製するための、十分に確立された技法である。図７は、軟磁性粉末から作られた軟磁性構成要素をプレスするためのツールを概略的に示す。詳細には、図７ａは、ダイ７０２、単一上部パンチ７０４、及び単一下部パンチ７０５を有するプレス・ツールを示す。図７ｂは、図７ａのツールの切断図を示す。

提示を容易にするために、単純な構成要素８０３を参照しながら工程を例示する。しかし、以下で説明される工程及びツールが、本明細書で説明される固定子コア部分の実施例の製造に十分適することは、理解されるであろう。Ｐ／Ｍ工程は、ダイ７０２に金属粉末７０３を詰めて、続いて複数のパンチ７０４及び７０５を使用してプレスするステップを含む。プレスの後に、高温（例えば、約１０００℃）での焼結、又はより低温（例えば、約６５０℃まで）での熱処理が続く。全体的に７００で示されるツールは、ダイ７０２、並びに少なくとも１つの上部パンチ７０４及び／又は下部パンチ７０５を含むことができる。この技術は、高品質の金属製構成要素を大量生産するために使用される場合もある。ＭＰＭタイプの電気機械は、Ｐ／Ｍ技術の便益を利用するのに非常に良く適している。Ｐ／Ｍを使用して電気モータを製造する場合、粉末は、上述のような軟磁性粉末と呼ばれる電気絶縁鉄粉から作ることができる。

本明細書で説明されるように成形された歯を有する固定子を作製するために、ツールのダイ７０２は、当技術分野でそのように知られた技法であるいわゆる「成形ダイ」幾何形状を有するように、特に構成することができる。ツールの実施例においては、ダイ７９２だけが歯を形成している。ダイの的確な形状は、製造される実際の構成要素に依存する。本明細書で説明されるＭＰＭＳＭＣ固定子構成要素の場合、形状は、ダイの歯のフィレット半径を約０．３ｍｍから最大で歯の幅の半分の半径まで徐々に大きくすることによって、作ることができる。確実なプレス工程を可能とするために、大きい方の半径は、磁束ブリッジ・フランジ１８が配置される側、すなわち「巻線側」に近接する。このことは、つめ有り及びつめ無しのどちらの場合にも当てはまる。

図８は、図７のツールを使用したプレス工程を示す。

図８ａは、粉末充填位置に有るツールを示し、この位置では、下部パンチ７０５は、ダイから後退されながら依然としてダイの底部開口を塞いでおり、一方で、上部パンチは、ダイから後退されてダイの上部開口を塞がれていない状態にして、上部開口を通じて粉末を挿入できるようにしている。図８ｂは、充填工程完了後の、閉じられたダイを示す（明瞭にするために、図８ｂでは粉末は示されていない）。図８ｃは、粉末７０３を含む閉じられたダイを示す。図８ｄは、プレスされた構成要素を含むツールを示す。すなわち、ここでは、粉末をダイの成形部分内で圧密するために、下部及び上部のパンチの両方がダイに挿入されている。図８ｅは、構成要素取出しステップを示し、ここでは、構成要素８０３をダイから取り出すために、パンチが上方に移動される。図８ｆは、取り出された構成要素８０３を示す。

本明細書で説明されたように固定子歯を成形することによるコギング・トルクの低減は、高速フーリエ変換解析（ＦＦＴ）と組み合わせた有限要素解析（ＦＥＡ）を使用して、解析することができる。ＭＰＭの場合、ＭＰＭ３相コギング・トルクは、式：
ＭＰＭ３相コギング・トルク＝３^＊（１相の第６高調波振幅＋１相の第１８高調波振幅）
により、１相コギング・トルクの第６高調波振幅と第１８高調波振幅の和の３倍であると示すことができる。

第６高調波は、この寄与に著しく影響している。図９は、コギング低減の無いＭＰＭに対する高調波スペクトルの一実例である。図１０は、本明細書で説明されたようなコギング低減の有るＭＰＭに対する高調波スペクトルの一実例である。図９は、第６高調波の大きさが約０．６であることを示す。第１８高調波を無視すると（図９から分かるように、第１８高調波は明らかに微小である）、３相コギング・トルクは、１．８の大きさと計算することができる。これは、図１１における３相コギング・トルク曲線の最大の大きさと比較することができる。同一の解析を、結果的にほとんど一致することになるコギング・トルク設計にも行うことができる。

同一の実例のＭＰＭのコギング・トルクが、図１１及び図１２に、それぞれコギング・トルク低減無し及び有りで、示されている。

本明細書で説明された形状の歯によって得られるコギング・トルク低減は、ほぼ１００％にすることができる。実例では、約８０％である。特定の機械に対してどれほどの低減が得られるかは、磁極の数や位相の数などのパラメータに依存しうる。上記の実例では、位相の数は３であるが、本明細書で説明された形状の歯が、ＳＭＣに歯を有している任意のＭＰＭ固定子に応用することができることは、理解されるであろう。位相の数が３とは異なる場合、コギング・トルクに寄与するのは、必ずしも第６及び第１８の高調波ではない。

幾つかの実施例を詳細に説明し且つ示してきたが、本発明はそれらの実施例に限定されず、以下の特許請求の範囲で定義される主題の範囲内で、他の方法で具現化することもできる。詳細には、本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施例を利用することができ、また、構造的及び機能的な修正を行えることを理解されたい。

本明細書で開示された本発明の実施例は、電動自転車又は他の電動車両、特に軽量車両のためのダイレクト・ホイール・ドライブ・モータのために使用することができる。そのような用途では、高いトルク、比較的低い速度、及び低コストという要求が課せられる可能性がある。これらの要求は、改善された回転子組立ルーチンによるコスト要求に適合して見合うように、小さな体積の永久磁石及びワイヤ・コイルを使用したコンパクトな幾何形状で比較的多数の磁極を有するモータによって、満たすことができる。

幾つかの手段を列挙しているデバイス特許請求では、これらの手段のうちの幾つかは、同一のハードウェアの品目によって具現化することができる。特定の手段が互いに異なる従属請求項に挙げられているか、又は異なる実施例で説明されているということだけでは、これらの手段の組合せを有利に使用することができないとは意味しない。

「有する（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）／有している（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語が本明細書で使用される場合は、明示された特徴、整数、ステップ、又は構成要素の存在を特定するが、１つ又は複数の他の特徴、整数、ステップ、構成要素、若しくはそれらの群の存在又は追加を除外するのではないと解釈されることは、強調されるべきである。

Claims

変調磁極機械の固定子のための固定子コア部分であって、前記変調磁極機械が、前記固定子と、移動デバイスと、前記固定子及び前記移動デバイスの間で磁束を伝達するための、前記移動デバイス及び前記固定子のそれぞれの境界面の間の能動ギャップとを有し、前記移動デバイスが前記固定子に対して運動方向に移動するようになされている固定子コア部分において、
前記固定子コア部分が固定子コア背面を有し、複数の歯が前記固定子コア背面から延び、各歯が、前記回転子に向かう方向を規定するそれぞれの第１の方向に延び、前記複数の歯が、前記運動方向を規定する第２の方向に沿って配置され、各歯が、隣接する歯に向いた少なくとも１つの側壁と、前記能動ギャップに向いた境界面とを有し、前記境界面及び前記側壁が、前記境界面及び前記側壁を接続する縁部を形成し、
前記縁部が、前記第１及び第２の方向によって広げられる平面内に曲率半径を規定する丸みであり、また
前記曲率半径が、前記平面に垂直な横方向に沿って変化している
固定子コア部分。
前記半径が前記横方向に沿って連続的に増大している、請求項１に記載の固定子コア部分。
前記歯が、前記運動方向に対して先側及び後側の側壁を含み、またそれぞれの先側及び後側の縁部を前記境界面と形成し、
前記先側及び後側の縁部が、前記運動方向及び前記第１の方向によって広げられる平面内にそれぞれの曲率半径を有する丸みであり、また
前記曲率半径が、前記平面に垂直な横方向に沿って変化している、請求項１又は２に記載の固定子コア部分。
前記縁部が、該縁部の側方端部の近くに第１の端部を有し、前記第１の端部が一定の曲率半径を有している、請求項１から３までのいずれか一項に記載の固定子コア部分。
前記固定子コア部分が軟磁性粉末から作られている、請求項１から４までのいずれか一項に記載の固定子コア部分。
前記固定子コア背面が、前記歯を接続し、且つ磁束通路を提供している、請求項１から５までのいずれか一項に記載の固定子コア部分。
固定子と、移動デバイスと、前記固定子及び前記移動デバイスの間で磁束を伝達するための、前記移動デバイス及び前記固定子のそれぞれの境界面の間の能動ギャップとを有する変調磁極機械であって、前記移動デバイスが前記固定子に対して運動方向に移動するようになされている変調磁極機械において、
前記固定子が、固定子コア背面を有する第１の固定子コア部分を有し、複数の歯が前記固定子コア背面から延び、各歯が、前記移動デバイスに向かってそれぞれの第１の方向に延び、前記歯が、前記運動方向に沿って配置され、各歯が、隣接する歯に向いた少なくとも１つの側壁と、前記能動ギャップに向いた境界面とを有し、前記境界面及び前記側壁が、前記境界面及び前記側壁を接続する縁部を形成し、
前記縁部が、前記運動方向及び前記第１の方向によって広げられる平面内に曲率半径を規定する丸みであり、また
前記曲率半径が、前記平面に垂直な横方向に沿って変化している
変調磁極機械。
前記固定子が、前記横方向に前記第１の固定子コア部分と並列に配置された第２の同様の固定子コア部分を有し、前記第１及び第２の固定子コア部分の前記歯が、互いに対して前記運動方向にずらされており、また
前記第１の固定子コア部分の前記歯の前記曲率半径が、前記第２の固定子コア部分に向かう方向に増大している、請求項７に記載の変調磁極機械。
前記固定子が、前記第１の固定子コア部分及び前記第２の固定子コア部分の間に配置された巻線を有する、請求項８に記載の変調磁極機械。
前記境界面の少なくとも一部分が、前記移動デバイスから実質的に一定の距離を有し、前記境界面の前記一部分が、前記運動方向にある幅を有し、また前記幅が前記横方向に変化している、請求項７から９までのいずれか一項に記載の変調磁極機械。
固定子と、移動デバイスと、前記固定子及び前記移動デバイスの間で磁束を伝達するための、前記移動デバイス及び前記固定子のそれぞれの境界面の間の能動ギャップとを有する変調磁極機械であって、前記移動デバイスが前記固定子に対して運動方向に移動するようになされている変調磁極機械において、
前記固定子が、固定子コア背面を有する第１の固定子コア部分を有し、複数の歯が前記固定子コア背面から前記移動デバイスに向かって第１の方向に延び、前記歯が、前記運動方向に沿って配置され、各歯が、前記能動ギャップに向いた少なくとも１つの境界面を有し、前記境界面の少なくとも一部分が、前記移動デバイスから実質的に一定の距離を有し、
前記境界面の前記一部分が、前記運動方向にある幅を有し、また
前記幅が、前記運動方向及び前記第１の方向によって広げられる平面に垂直な横方向に変化している
変調磁極機械。
前記幅が前記横方向に減少している、請求項１０又は１１に記載の変調磁極機械。
前記固定子が、前記横方向に前記第１の固定子コア部分と並列に配置された第２の同様の固定子コア部分を有し、前記固定子コア部分の前記歯が、互いに対して前記運動方向にずらされ、また
前記第１の固定子コア部分の前記歯の前記幅が、前記第２の固定子コア部分に向かう方向に減少している、請求項１０から１２までのいずれか一項に記載の変調磁極機械。
前記固定子が、前記第１の固定子コア部分及び前記第２の固定子コア部分の間に配置された巻線を有し、また前記歯のそれぞれが、基部と、前記巻線に向かって前記歯から延びるつめ部材とを有する、請求項９又は１３に記載の変調磁極機械。
前記変調磁極機械が線形機械である、請求項７から１４までのいずれか一項に記載の変調磁極機械。
前記変調磁極機械が回転機械であり、前記移動デバイスが回転子である、請求項７から１４までのいずれか一項に記載の変調磁極機械。
前記回転子が、前記固定子の固定子磁場と相互作用するための回転子磁場を生成するように構成され、前記回転子が、前記回転子磁場を生成するように前記回転子の円周方向に磁化された複数の永久磁石を含み、前記永久磁石が、前記永久磁石によって生成される前記回転子磁場を少なくとも径方向及び軸方向に向けるために、軸方向に延びる回転子磁極部分によって前記回転子の円周方向で互いに分離されている、請求項１６に記載の変調磁極機械。
前記固定子デバイス及び／又は前記移動デバイスが、前記運動方向に対して横断方向に、磁束通路成分を含む３次元（３Ｄ）磁束通路を提供する、請求項７から１７までのいずれか一項に記載の変調磁極機械。