JP2015510389A - 電気機械用の固定子及び回転子 - Google Patents
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Abstract
電気機械用の固定子であって、固定子コアと巻線とを備える固定子である。固定子コアは、環状固定子コアバックコンポーネントであって、その周方向及び軸方向に磁束通路を設ける環状固定子コアバックコンポーネントと、複数の固定子極コンポーネントとを備え、各固定子極コンポーネントは、固定子コアバックコンポーネントに取り付けられた取付部と、電気機械の固定子と回転子との間の能動エアギャップに対向するインタフェース面を規定するインタフェース部と、環状固定子コアコンポーネントから径方向に延出しインタフェース部を取付部と接続する径方向配向歯部とを備える。
Description
本発明は、概して電気機械に関し、詳しくは変調極機械に関する。より詳しくは、本発明は、そのような電気機械用の固定子及び回転子に関する。
年々、変調極機械、例えばクローポール型(claw pole)機械、ランデル型(Lundell)機械及び横方向磁束(transverse flux)機械(TFM)等の電気機械設計の関心が高まっている。これらの機械の原理を用いた電気機械は、古くは1890年に特許文献1に、そして1910年前後にはAlexanderssonとFessendenによって開示されている。関心が高まっている理由の一つは、その設計によって、例えば誘導機械やスイッチトリラクタンス機械、更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が可能となるからである。更に、そのような機械は、多くの場合コイルを製造し易いという利点がある。しかしながら、その設計の欠点の一つは、それらが比較的製造コストが高いということである。
変調極電気機械の固定子は一般に、軟磁性固定子コア構造により形成される複数の歯に磁性を与える中央単一巻線を備える。軟磁性コアは巻線の周囲に形成されるが、他の一般的な電気機械構造の場合、巻線がコアセクションの歯の周囲に形成される。変調極機械のトポロジー(形態)の例として認知されることがあるものには、クローポール型機械やクローフィート型(claw−feet)機械、ランデル型機械、TFM機械がある。磁石が埋設された変調極機械は、回転子極セクションによって分割された複数の永久磁石を備える能動回転子構造によって更に特徴付けられる。
横方向磁束機械(TFM)トポロジーは、変調極機械の一例である。TFMトポロジーは、従来の機械に対して多くの利点を有することが知られている。片面径方向磁束固定子の基本設計は、エアギャップに対して平行な単純な単相巻線によって特徴付けられ、おおよそU字状のヨークセクションがこの巻線を囲み、エアギャップに対向している歯の主要な2つの平行な列に露出している。多相構成は、回転子又は移動子の運動方向に対して垂直方向に積み重ねられた磁気的に分割された単相ユニットを備える。そして、これらの相は、3相構成として電気的且つ磁気的に120度ずつずらされて、動作を円滑にするとともに回転子又は移動子の位置に依らず略均一な力又はトルクを発生させる。ここで言及した角度が電気角度で与えられていることに注意されたい。電気角度は、磁極対の数で割った機械角度と等しい。
いわゆるクローポール型機械では、固定子コアの極歯はそれぞれ、径方向配向部と、固定子と回転子との間のエアギャップの軸方向範囲に亘って軸方向に延出する軸方向配向部とを備える。現在、クローポール型機械は、固定子が自動車のオルタネータに使用される典型的な機械同様に完全に鋼鉄から構築される場合、小型且つ/又は低速のものに限定されている。
特許文献2には、略円形状で複数の歯を含む第1固定子コアセクションと、略円形状で複数の歯を含む第2固定子コアセクションと、第1及び第2円形状固定子コアセクション間に配置されたコイルと、複数の永久磁石を含む回転子とを含む電気回転機械が開示されている。第1固定子コアセクション、第2固定子コアセクション、コイル及び回転子は、共通の幾何学的軸線周りを囲繞しており、第1固定子コアセクション及び第2固定子コアセクション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。また、第2固定子コアセクションの歯は、第1固定子コアセクションの歯に対して周方向に変位しており、回転子の永久磁石は、軟磁性材料から作られた軸方向延長極セクションによって、周方向に互いに分割されている。
ロバストな設計の電気機械が得られる固定子を提供することが一般に望ましい。電気機械完成品全体の比較的廉価な製造・組み立てを可能にする変調極機械用の固定子を提供することが一般に望ましい。更に、高い構造的安定性、低い磁性抵抗、効率的な磁束通路案内、低重量、小型、高い比容量性能等の良好な性能パラメータを有する固定子を提供することが望ましい。
同様に、ロバストで、比較的廉価で製造でき、且つ良好な性能パラメータを有する電気機械用の回転子を提供することが一般に望ましい。
第1の態様によれば、本明細書において電気機械用の固定子が開示される。この固定子は、固定子コアと巻線とを備える。固定子コアの実施例は、
環状固定子コアバックコンポーネントであって、その少なくとも周方向及び軸方向に磁束通路を設ける環状固定子コアバックコンポーネントと、
複数の固定子極コンポーネントとを備え、
各固定子極コンポーネントが、固定子コアバックコンポーネントに取り付けられた取付部と、電気機械の固定子と回転子との間の能動エアギャップに対向するインタフェース面を規定するインタフェース部と、環状固定子コアコンポーネントから径方向に延出しインタフェース部を取付部と接続する径方向配向歯部とを備える。
環状固定子コアバックコンポーネントであって、その少なくとも周方向及び軸方向に磁束通路を設ける環状固定子コアバックコンポーネントと、
複数の固定子極コンポーネントとを備え、
各固定子極コンポーネントが、固定子コアバックコンポーネントに取り付けられた取付部と、電気機械の固定子と回転子との間の能動エアギャップに対向するインタフェース面を規定するインタフェース部と、環状固定子コアコンポーネントから径方向に延出しインタフェース部を取付部と接続する径方向配向歯部とを備える。
本明細書に開示の固定子の実施例によって、クローポール型機械等の電気機械のロバストな構成が可能になる。
従って、本明細書に記載の固定子の実施例は、環状固定子コアバックコンポーネント及び複数の固定子極コンポーネントを含む複数の別体のコンポーネントを備える。固定子コアの個々のコンポーネントは、別体のコンポーネントとして個別に製造可能である。使用時、各固定子極コンポーネントのインタフェース部は固定子の磁極を形成する。すなわち、異なる固定子極がそれぞれ別体の固定子極コンポーネントによって形成される。固定子極コンポーネントはそれぞれ、固定子極コンポーネントを環状固定子コアバックコンポーネントと組み立てて組み立て固定子コアを形成するのを可能にする取付部を備える。
固定子コアの個々のコンポーネントは、最終機械の製造コスト又は複雑性を大幅に増大させることなく固定子コアを製造可能とするような形状及び大きさとすることができる。更に、他の既知の機械と比較して回転子の変形は必要ない。しかしながら、本明細書に開示の固定子の実施例によって、非常に簡単な回転子構成が可能となる一方、対応する回転子よりもサイズが通常大きい固定子コンポーネントをかなり容易に組み立てることが可能となる。この結果、本明細書に開示の固定子の実施例は、機械全体の組み立てをより容易にし、その構成のためのコストを低減できる。
本明細書に開示の固定子の実施例のモジュラー設計によって、ラミネート鋼を固定子極コンポーネントに使用して、機械のコイルをリンクする磁束のための通路を設け、機械における損失を低く抑えることが可能になる。固定子極コンポーネントがラミネート金属シートから作られている場合、エアギャップ領域内に機械的に強いラミネーションが設けられる。ラミネート金属シートが周方向に積層されている場合、すなわち、シートが概して軸方向‐径方向平面を規定している場合、効率的な軸方向‐径方向磁束通路が固定子極コンポーネントに設けられる一方、周方向には軸方向及び径方向と比べて極めて低い透磁性が与えられる。従って、ラミネートシートの使用によって、隣接する固定子極コンポーネント間の磁気漏洩及び周方向における渦電流損を更に低減できる。更に、周方向にラミネートされた金属シートは更に、径方向力による曲げに対して高い安定性を提供する。
幾つかの実施例において、ラミネーションの金属シートは全てスタンピング(圧縮成型)の方向において同じラミネーション外形を有し、これにより構成のコストを低減できる。幾つかの実施例において、個々のラミネート固定子極コンポーネントは、組み立てを向上させるための機械的係止機能を備える。
幾つかの実施例において、固定子は、全体的にL字形状のラミネート固定子極コンポーネントによって囲まれた単純なフープ巻コイル(hoop wound coil)を備える。固定子の磁気回路は、軟磁性複合材料(SMC)、ストリップ巻ラミネーション又はソリッド鋼から作ることができる環状固定子コアバックコンポーネントによって完成する。
固定子極コンポーネントは、回転子に向かって突出するように配置される。それらは、環状固定子コアバックコンポーネントの軸方向両側に交互に配置され、環状固定子コアバックコンポーネントの第1の側に配置された固定子極コンポーネントが、第1の側とは反対側の環状固定子コアバックコンポーネントの第2の側に配置される固定子極コンポーネントに対して周方向に変位している。環状固定子コアバックコンポーネントは、環状固定子コアバックコンポーネントの両側に配置された固定子極コンポーネントを接続する磁束通路を設ける。
本明細書に記載の固定子の実施例の更なる利点は、固定子極コンポーネントと環状固定子コアバックコンポーネントとの間のインタフェース面が平面となるため、また、組み立て中互いに対して押圧することができるため、固定子極コンポーネント及び環状固定子コアバックコンポーネントを密着させて、すなわち、それらの間に大きなギャップを形成することなく互いに取り付けることができることである。このように密着させると、製造公差の影響を比較的受けにくく、固定子極コンポーネントと環状固定子コアバックコンポーネントとの間に効率的な磁的連結を提供できる。
幾つかの実施例において、固定子はクローポール型であり、各固定子極コンポーネントのインタフェース部が軸方向延出爪部を備える。従って、固定子極コンポーネントは全体的にL字形状を有し、L字の第1の脚が歯部を形成し、L字の第2の脚が固定子極コンポーネントのインタフェース部を形成する。
軸方向延出爪部が、能動エアギャップ領域の軸方向範囲に亘って軸方向に部分的に又は完全に延在するインタフェース面を規定するため、回転子において軸方向磁束集中が全く必要ない、あるいは、少なくともそれほど必要ないため、回転子構成の複雑さを低減できる。更に、本明細書に開示の固定子の実施例は、高トルク密度の電気機械が得られ、所定の容量に対して性能を高められる。本明細書に開示の固定子の実施例は更に、より高価な材料をより廉価な代替の材料と置き換えるのを可能にするため、更にコストを低減できる。
幾つかの実施例において、環状固定子コアバックコンポーネントに取り付けられる固定子極コンポーネントは、永久磁石回転子からの磁束を集めるエアギャップの軸方向長さ全体を覆う周方向に積層されたラミネーションから作られる爪である。
幾つかの実施例において、各固定子極コンポーネントの取付部は、軸方向延出突起又はフランジを備える。突起は、環状固定子コアバックの径方向配向裏面に当接してもよく、裏面は固定子極エレメントのインタフェース部から離れる方向を向いている。軸方向延出突起は、固定子極コンポーネントが回転子に向かって径方向に変位するのを防止する。更に、軸方向延出フランジは、固定子極コンポーネントと環状固定子コアバックコンポーネントとの間に増大した磁束インタフェースを発生させる。
本明細書に記載の環状固定子コアバックコンポーネントの実施例は、粉末冶金(P/M)製造方法による製造に良く適している。従って、幾つかの実施例において、電気機械の環状固定子コアバックコンポーネント及び/又は他のコンポーネントは、圧縮軟磁性粉体等の軟磁性材料から作られ、これによって、そのコンポーネントの製造を単純化し、例えば回転機械の径方向、軸方向、及び周方向の磁束通路成分を可能にする効率的な3次元磁束通路を軟磁性材料に設けることができる。ここで、またこれ以降において、軟磁性という表現は、磁化させることはできるが磁場を取り除いたときに磁化された状態を維持する傾向を有さない材料の物性を指すことを意図している。一般に、材料の保持力が1kA/m以下であればその材料は軟磁性であると説明される。(David Jiles著、「Introduction to Magnetism and Magnetic materials」、第1版、ISBN0 412 38630 5(HB),1991年、p.74を参照のこと)
本明細書において、「軟磁性材料」(SMC)という表現は、3次元(3D)磁的特性を有する圧縮加熱処理された金属粉体コンポーネントを指すことを意図している。SMC材料は、典型的に、単一の工程で圧縮されて複雑な形状を有する均一等方性コンポーネントを形成する表面断熱鉄粉粒子から構成される。
本明細書に記載の固定子の実施例の更なる利点は、圧縮SMCコンポーネントから作られる固定子部分が、比較的複雑でないツールを可能にするアスペクト比を有し、比較的少ない圧縮工程を用いると同時に不必要な複雑且つ脆弱なコンポーネントを回避する効率的な押圧プロセスでできることである。例えば、幾つかの実施例において、固定子極コンポーネントはラミネート金属から作られ、環状固定子コアバックコンポーネントは圧縮SMCコンポーネントである。
軟磁性粉体は、例えば、軟磁性鉄粉、Co又はNiを含む粉体、又はそれらの成分を含む合金とすることができる。軟磁性粉体は、電気絶縁体で被覆された不均一な形状の粒子を有する実質的に純粋な水噴霧鉄粉又は海綿状鉄粉としてもよい。この文脈において、「実質的に純粋な」という表現は、粉体が、実質的に含有物がなく、不純物O,C及びNの量が最小限に抑えられていなければいけないことを意味する。平均粒径は、概して、300μm未満且つ10μm超である。
しかしながら、軟磁性特性が十分であり粉体が圧縮成型に適している限り、任意の軟磁性金属粉体又は合金粉体を使用してもよい。
粉体粒子の電気絶縁は、無機材料から作ってもよい。特に適切なものは、米国特許第6348265号(参照により本明細書に組み込まれる)に開示されている種類の絶縁である。この文献は、絶縁酸素及びリン含有バリアを有する純鉄から基本的になるベース粉体の粒子に関するものである。絶縁粒子を有する粉体は、スウェーデンのHoganas AB社が販売しているSomaloy(登録商標)500、Somaloy(登録商標)550又はSomaloy(登録商標)700が利用できる。
環状固定子コアバックコンポーネントの実施例は、固定子極コンポーネントを互いに対して磁気的に接続する。環状固定子コアバックコンポーネントは、軸方向及び周方向に磁束通路を設けられるように、圧縮軟磁性粉体の単純なリング、ストリップ巻ラミネーション又はソリッド鋼から作ってもよい。
幾つかの実施例において、環状固定子コアバックコンポーネントは、固定子の組み立て中ラミネート片を案内してそれらの適切な位置決めを補助する割り出し手段を備える。これにより自動化し易い組み立てプロセスが得られる。例えば、環状固定子コアバックコンポーネントが圧縮SMCから作られている場合、コンポーネントは、適切な割り出し機能を含むリングとして押圧できる。このため、固定子極コンポーネント及び割り出し手段は相互に補完的な形状を有し対をなす接続を形成する。
各割り出し手段は、固定子極エレメントの一つの対応する接触面に当接する径方向外方に配向された取付面と、固定子極エレメントの周方向における変位を防止する割り出しエレメントとを規定している、この文脈において、「径方向外方に配向された」という表現は、軸方向に厳密に配向された取付面だけではなく、軸方向から若干ずれた、例えば10°未満のように20°未満の角度だけずれた方向を規定する取付面も含むことを意図している。取付面が軸方向に対して例えば、10°未満のように20°未満の角度を規定し、且つ、固定子極コンポーネントが軸方向延出爪部を備える場合、爪部も同様に軸方向に対して角度を有して配向される。従って、「軸方向延出爪部」という表現は、軸方向に厳密に配向された爪部だけではなく、軸方向から若干ずれた、例えば10°未満のように20°未満の角度だけずれた方向に配向された爪部も含むことを意図している。このような固定子極エレメントの斜行配置によって、いわゆるコギングトルクを低減できる。コギングトルクは、回転子及び固定子の永久磁石間の相互作用による望ましくないトルクのことをいう。これはまたディテント(detent)トルクや「無電流(no−current)」トルクとしても知られている。
固定子は、爪間に配置されて機械の軸線を囲むコイルを更に備える。コイルは、回転子からの磁束をリンクし電流を付与されてトルクを発生させる単純巻フープコイルであってもよい。
幾つかの実施例において、固定子は、2つのエンドプレートを更に備え、環状固定子コアバックコンポーネント及び固定子極コンポーネントがそれらエンドプレート間に軸方向に挟持される。従って、エンドプレートによって、固定子コンポーネントの効率的且つロバストな組み立てが可能になる。エンドプレートの少なくとも1つは、固定子極コンポーネントのそれぞれと対をなす割り出し機能を備えてもよい。
本発明は、上述の固定子を含めて、それぞれが第1に説明した態様に関連して説明した利益及び利点の1つ以上を生み出し、また、それぞれが第1に説明した態様に関して説明した且つ/又は添付の特許請求の範囲に開示した実施例に対応する1つ以上の実施例を有する回転子及び対応する方法、装置及び/又は製品手段といった様々な態様に関する。
一態様によれば、本明細書に開示の固定子の実施例とその固定子に能動エアギャップを介して磁気的に接続された固定子とを備え、能動エアギャップによって磁束が回転子と固定子との間を流通可能となっている電気機械が本明細書に開示される。能動エアギャップには通常空気が充填されるが、他の媒体が充填されていてもよい。
電気機械は変調極機械であってもよい。従来の機械において、コイルは明確に磁界の多極構造を形成し、磁気コア機能は単にこの多極磁界を運んで磁石及び/又は他のコイルとリンクするだけである。変調極機械において、コイルにより発生される非常に少ない極数(通常2極)の磁界から多極磁界を形成するのが磁気回路である。変調極機械において、磁石は通常、整合多極磁界(matching multi−pole field)を明確に形成するが、単一の磁石から多極磁界を形成する磁気回路を有することも可能である。変調極機械は、固定子及び移動装置の両方における(回転子の移動方向に対して)横方向の、例えば移動装置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。従って、幾つかの実施例において、固定子装置及び/又は回転子は、軸方向に磁束通路成分を含む3次元(3D)磁束通路を有する。幾つかの実施例において、電気機械はクローポール型である。
電気機械の幾つかの実施例において、回転子は、運動方向に沿って1つおきの磁石の磁化方向が反対となるように配置された複数の永久磁石を備える。一般に永久磁石は、機械の軸方向に細長い直線状ロッドでもあり、それらのロッドは、能動エアギャップの軸方向範囲に亘って延出してもよい。
幾つかの実施例において、永久磁石は径方向に磁化されていてもよい。例えば、回転子の実施例は、複数の表面取付永久磁石を備えてもよい。回転子は、例えば軟鋼から作られたコアバックを備えてもよく、これにより容易な組み立てを可能とする単純な構成が得られる。回転子は、永久磁石のハルバッハ磁化配置を用いることによって更に簡略化してもよく、これにより回転子コアバックを省略することが可能となる。
代替の実施例において、回転子は、運動方向において極セクションによって互いに分割された複数の永久磁石を備える。複数の永久磁石は周方向に磁化されていてもよい。これによって、個々の極セクションは単に、等しい極性を示す永久磁石の極とのインタフェースとなる。
更に他の態様によれば、電気機械用の回転子であって、固定子の固定子磁界と相互作用する回転子磁界を発生させるように構成され、その回転子の長手方向軸線周りに回転するようになっており、
軸方向に磁化された環状永久磁石と、
複数の回転子極コンポーネントとを備え、複数の回転子極コンポーネントのそれぞれが、取付部と、固定子と回転子との間の能動エアギャップに対向するインタフェース面を規定するインタフェース部と、永久磁石に対して径方向に延出し、インタフェース部を取付部と接続する径方向配向歯部とを備える、回転子が本明細書に開示される。
軸方向に磁化された環状永久磁石と、
複数の回転子極コンポーネントとを備え、複数の回転子極コンポーネントのそれぞれが、取付部と、固定子と回転子との間の能動エアギャップに対向するインタフェース面を規定するインタフェース部と、永久磁石に対して径方向に延出し、インタフェース部を取付部と接続する径方向配向歯部とを備える、回転子が本明細書に開示される。
幾つかの実施例において、回転子は、第1及び第2環状回転子コアバックコンポーネントを備え、環状永久磁石が第1及び第2環状回転子コアバックコンポーネント間に挟持され、各回転子極コンポーネントの取付部が第1及び第2環状回転子コアバックコンポーネントのそれぞれに連結されている。第1及び第2環状回転子コアバックコンポーネントは、磁束ガイド部材として、また、回転子極コンポーネントのための取り付けエレメントとして機能する。特に、環状回転子コアバックコンポーネントは、回転子極コンポーネントの第1及び第2サブセットにおける各回転子極コンポーネントを永久磁石と接続する磁束通路を設ける。
幾つかの実施例において、第1環状回転子コアバックコンポーネントが第1の径方向外方に配向された側面を規定し、第2環状回転子コアバックコンポーネントが第1の径方向外方に配向された側面とは反対側の第2の径方向外方に配向された側面を規定し、複数の回転子極コンポーネントの第1サブセットが第1の径方向外方に配向された側面に取り付けられ、複数の回転子極コンポーネントの第2サブセットが第2の径方向外方に配向された側面に取り付けられる。
幾つかの実施例において、回転子極コンポーネントは、環状回転子コアバックコンポーネントの周囲に沿って分配されており、第1及び第2サブセットの回転子極コンポーネントが、その周囲に沿って交互に連続して配置されている。
第1及び第2環状回転子コアバックコンポーネントのそれぞれは、回転子極コンポーネントのそれぞれの取付部と係合するように構成された複数の割り出し手段を備えてもよい。各割り出し手段は、回転子極エレメントの一つの対応する接触面に当接する取付面と、回転子極エレメントの周方向における変位を防止する割り出しエレメントとを規定してもよい。取付面は、軸方向と平行な方向又軸方向はからずれた方向を向いていてもよい。
各回転子極コンポーネントは、周方向に積層されたラミネート金属シートを備えてもよい。各回転子極コンポーネントのインタフェース部は、軸方向延出爪部を備えてもよい。環状回転子コアバックコンポーネントは、SMC材料から作られてもよい。
各回転子極コンポーネントの取付部は、例えば第1及び第2環状回転子コアバックコンポーネントの1つの径方向配向裏面に当接する軸方向延出突起を備えてもよく、この場合、裏面が、回転子極コンポーネントのインタフェース部から離れる方向を向く。
あるいは、軸方向延出突起は、回転子コアバックコンポーネントの1つの軸方向側面に設けられた対応する凹部と係合してもよい。
幾つかの実施例において、回転子は、エンドプレートを備え、環状回転子コアバックコンポーネント、環状永久磁石及び回転子極コンポーネントがそれらエンドプレート間に軸方向に挟持されている。
本発明の上述の及び/又は追加の目的、特徴及び利点は、添付の図面を参照してなされる本発明の実施例についての以下の例示的且つ非限定の詳細な説明によって更に明らかとなろう。
以下の説明において、本発明がどのように実施されるかを例示的に示す添付の図面を参照する。図面を通じて、同様の参照符号は、同様の又は対応する部品、要素及び特徴を示す。
図1a及びbは、3相内側回転子型変調極機械の例を例示する。特に、図1aは、機械の一部が切断された電気機械の斜視図を示し、図1bは、機械の磁気的能動部分の対応図を示す。
この機械は、ハウジング5と、ハウジング内に配置された固定子10及び回転子30とを備えており、回転子がハウジングに対して相対回転できるよう軸受8により支持された回転子軸7がハウジング5から突出している。固定子10及び回転子30は、回転子軸7によって規定される共通の幾何学的軸線を囲繞している。回転子及び固定子は、それらの間に能動エアギャップ23を画成して固定子と回転子との間に磁束を流通させるとともに、回転子が回転できるよう機械的クリアランスを残している。
図1の例では固定子が回転子を囲繞している。言い換えると、この機械は内側回転子型である。しかしながら、固定子は、回転子に対して外側に設置されてもよい。本明細書で説明する固定子の実施例は、単相及び/又は多相機械において使用できる。同様に、本明細書で説明する固定子の実施例は、内側回転子型機械及び外側回転子型機械において使用できる。
固定子10は、3つの相を備え、その各相は、固定子コアに磁性を与える中央単一巻線20を備える。各固定子コアは、環状固定子コアバックコンポーネント18と、複数の固定子極コンポーネント102とを備える。固定子極コンポーネントは、環状固定子コアバックコンポーネントの両側部から回転子に向かって径方向に延出している。それらはまた、環状固定子コアバックコンポーネントの第1側部から延出する各固定子極コンポーネントが、環状固定子コアバックコンポーネントの、第1側部とは反対側の第2側部から延出する2つの固定子極コンポーネントと周方向において隣接するように交互に配置されている。これにより、各固定子相の固定子極コンポーネントは、2つのサブセット、つまり、その相の巻線20の軸方向一方側に配置された第1サブセットと、巻線の軸方向他方側に配置された第2サブセットとに分割される。固定子極コンポーネントは、歯とも称される。固定子コアは、巻線20の周囲に形成されるが、他の一般的な電気機械構造の場合には、巻線が個々の歯の周囲に形成される。
各固定子極コンポーネントは、取付部と、径方向に延出する歯部と、インタフェース部とを備える。図1a及びbの実施例において、各固定子極コンポーネントは、全体的にL字形状であり、L字の一方の脚132が、歯部を形成して径方向に延出し、L字の他方の脚131が、機械の軸方向に延出し巻線20の軸方向幅に亘って部分的に又は完全に延出する爪を形成している。このように爪131は、固定子極コンポーネント102のインタフェースを形成している。図1a及びbの例において、固定子極コンポーネントの第1サブセットにおける固定子極コンポーネントの軸方向爪131は、第2サブセットにおける固定子極コンポーネントの径方向脚132に向かって軸方向に延出することによって、各相の固定子極コンポーネントの2つのサブセットにおける固定子極コンポーネントの爪が軸方向に重なり合っている。各固定子極コンポーネント102は、固定子極コンポーネントの取付部を形成する軸方向延出突起を更に備える。突起133は、径方向延出脚132の、爪131が延出する端部とは反対側の端部から延出している。図1a及びbの例において、突起133は爪131よりも短い。突起133は、エアギャップ23から離れる方向を向く環状固定子コアバックコンポーネント18の周方向面134に当接している。
回転子30は、回転子軸7と、軸7を囲繞する筒状スリーブ31と、筒状スリーブの外面に表面取り付けされた複数の永久磁石22とを備える。しかしながら、以下で説明するように、代わりに他の種類の回転子を使用してもよい。スリーブは、永久磁石の磁化パターンに応じて透磁性を有しても有さなくてもよい。
複数の固定子極コンポーネント102、環状固定子コアバックコンポーネント18及びスリーブ31は共に、閉回路磁束通路を、永久磁石と周りを囲むコイル20との間に形成する。この目的のために、各固定子極コンポーネント102は、ラミネート金属から作ることができ、例えば、ラミネートが周方向に積層されることによって径方向及び軸方向に効率的な磁束通路を設けるようになっているラミネート鋼から作ることができる。図1a及びb並びにそれ以降の図の幾つかにおいて、固定子極コンポーネントのラミネート構造は、極部分(参照符号102aで示す)の幾つかのみに関して示されている。しかしながら、全ての固定子極コンポーネントをそのようなラミネートから作ってもよいことは理解されよう。環状固定子コアバックコンポーネント18は、軟磁性材料、例えば圧縮成形された軟磁性粉体、又は帯体を巻いたラミネートから作ることができ、これにより、少なくとも軸方向及び周方向に効率的な磁束通路を設けることができる。
回転子30の能動回転子構造は、偶数個の永久磁石22から組み立てられる。永久磁石は、スリーブ31上に表面取り付けされ、例えば、接着あるいは接合される。スリーブは、軟鋼又は他の軟磁性材料から作ることができ、これにより、永久磁石に対して機械的支持を与えるとともに隣接する磁石間に磁束通路を設けることができる。特に、スリーブは、周方向及び径方向に磁束通路を設けることができる。あるいは、スリーブは、圧縮した軟磁性粉体又は他の軟磁性材料から作ってもよい。
永久磁石22は、永久磁石の磁化方向が略径方向となる、すなわち、N極及びS極がそれぞれ略径方向を向くように配置される。更に、周方向に数えて1つおきの永久磁石22は、その近傍の永久磁石に対して反対方向に磁化方向を有する。
図2a〜cは、変調極機械のための固定子の例を例示する。図2aは、固定子の斜視図を示す。概して参照符号10で示す固定子は、図1a〜bの電気機械の固定子と類似している。この固定子は、3相内側回転子型固定子であり、環状固定子コアバックコンポーネント(図2aにおいては明確に示していない)と、全て図1a〜bとの関連で説明したような複数の固定子極コンポーネント102とを備える。
固定子の異なる相は、ディスタンスプレート225によって軸方向に分離され、固定子の軸方向外面は、エンドプレート226によって覆われている。図2bは、ディスタンスプレートの例を示し、図2cは、エンドプレートの例を示す。ディスタンスプレート225の面及び/又はエンドプレート226の内方面は、固定子コンポーネントのより簡潔な組み立て及び相互配向のために、凹部229及び/又は他の適切な位置決め/割り出し機能を備えてもよい。ディスタンスプレート225及びエンドプレート226は、任意の適切な材料、例えば、アルミニウムやプラスチック等の非磁性材料から作ることができる。多相機械の幾つかの実施例において、異なる相は、ディスタンスプレートによって分離されていなくてもよい。固定子極コンポーネント間の空間には、適切な材料227、例えばプラスチック又は他の非磁性材料が充填されている。例えば、この材料は、適切な成型プロセス、例えば、エンドプレート及びディスタンスプレートがモールドの一部を形成するオーバーモールド成型プロセスによって付着(deposit)させることができる。エンドプレート226は、軸方向に延出するボルト、ネジ等によって互いに接続して、エンドプレート間に挟まれた固定子コンポーネントを固定且つ/又は圧着させることができる。
幾つかの実施例において、異なる相は、別々に製造又は組み立ててもよい。オーバーモールド成型プロセスにおいて、ディスタンスプレート225をオーバーモールド成型材料227と一緒に作ってもよく、これによって組み立てプロセスにおける部品点数を低減できる。
図3a〜bは、単相固定子の例を示す。特に、図3aは、固定子の斜視図を示し、図3bは、固定子の磁気的能動部の対応図であって、固定子極コンポーネントの一部を取り外してその固定子極コンポーネントにより遮られて見えなかった特徴をより明確に示す図を示す。概して参照符号10で示す固定子は、図2に示す固定子の中央の相と同様に単相内側回転子の固定子である。固定子10は、全て図2及び図1a〜bとの関連で説明したような環状固定子コアバックコンポーネント18と、巻線20と、複数の固定子極コンポーネント102とを備える。図3a〜bの固定子10は、単相機械の固定子又は多相固定子の相として使用できる。固定子の軸方向外面は、エンドプレート225によって覆われている。固定子極コンポーネント間の空間には、全て図2との関連で説明したような適切な材料、例えばプラスチック又は他の非磁性材料が充填されている。図3aに示す固定子10を図2に示す固定子の中央の相として使用する場合、図3aに示す固定子のエンドプレート225は、3相固定子のディスタンスプレートとして機能してもよい。この目的のために、エンドプレート225の横方向外方面は、隣接する固定子相の対応する固定子極コンポーネントを受容するための凹部329及び330(又は他の適切な位置決め/割り出し機能)を有してもよく、これにより固定子コンポーネントのより簡単な組み立て及び相互配向が可能になる。
環状固定子コアバックコンポーネント18は、エアギャップから離れる方向を向くその表面に凹部328を備える。凹部は、環状固定子コアバックコンポーネントの周囲に分散されており、各凹部は、固定子極セクション102のそれぞれの突起133を受容するような形状及び大きさを有する。図3bの例において、凹部は周囲に沿って等間隔で分散されている。しかしながら、他の実施例において、凹部間の距離は異なっていてもよい。凹部は、環状固定子コアバックコンポーネントとの固定子極コンポーネント102の正確且つ容易な組み立てを可能にする。各凹部は、突起133の対応する接触面が当接できる平面接触面を規定する。凹部の接触面は、固定子極コンポーネントの周方向位置を規定する側壁342によって境界が定められている。環状固定子コアバックコンポーネントが凹部328に加えて又は凹部328に代えて異なる割り出し機能を備えてもよいことは理解されよう。
図4a〜bは、3相外側回転子電気機械の例を示す。特に、図4aは、磁気的能動部を含む機械の部品の斜視図を示し、図4bは、図4aと同じ図だが回転子の外側スリーブを取り外した状態を示す。
この機械は、固定子10及び回転子30を備える。固定子10及び回転子30は、回転子が固定子を取り囲むように共通の軸線を有する。回転子及び固定子は、それらの間に能動エアギャップ23を規定して、固定子と回転子との間を磁束が流通するのを可能にする。
固定子は、3つの相を備え、その各相は、固定子コアに磁性を与える中央単一巻線20を備える。各固定子コアは、環状固定子コアバックコンポーネント18と、複数の固定子極コンポーネント102とを備える。固定子極コンポーネントは、環状固定子コアバックコンポーネントの両側部から回転子に向かって径方向に延出している。それらはまた、環状固定子コアバックコンポーネントの第1側部から延出する各固定子極コンポーネントが、環状固定子コアバックコンポーネントの、第1側部とは反対側の第2側部から延出する2つの固定子極コンポーネントと周方向において隣接するように交互に配置されている。これにより、各固定子相の固定子極コンポーネントは、2つのサブセット、つまり、その相の巻線20の軸方向一方側に配置された第1サブセットと、巻線の軸方向他方側に配置された第2サブセットとに分割される。固定子極コンポーネントは、歯とも称される。
図1a〜bの実施例のように、各固定子極コンポーネントは、全体的にL字形状でもよく、L字の一方の脚132が、径方向に延出し、L字の他方の脚131が、機械の軸方向に延出し巻線20の軸方向幅に亘って部分的に又は完全に延出する爪を形成してもよい。固定子極コンポーネントは、例えば軸方向延出突起133の形態の取付部を更に備える。突起133は、径方向延出脚の、爪が延出する端部とは反対側の端部から延出している。
回転子30は、図1a〜bとの関連でただし外側回転子構造について説明したように、筒状スリーブ31と、筒状スリーブの内面に表面取り付けされた複数の永久磁石22とを備える。
幾つかの実施例において、外側スリーブ31は、磁気的に能動性を有してもよい。すなわち、このような実施例では、図4aに示す全ての部分が磁気的に能動性を有する。他の部分において、例えば、磁石の磁化パターンがハルバッハ配列型の場合、外側スリーブは磁気的に能動性を有さないが、それでも機械的な支持を回転子に与えるために存在してもよい。
図5は、外側回転子電気機械用の単相固定子、例えば、図4a〜bの3相固定子の相の例を示す。
固定子10は、固定子コアに磁性を与える中央単一巻線20を備える。固定子コアは、環状固定子コアバックコンポーネント18と、複数の固定子極コンポーネント102とを備える。固定子極コンポーネントは、環状固定子コアバックコンポーネントの両側から回転子に向かって径方向に延出している。それらは、図4a〜bとの関連で説明したように、交互に配置されている。
各固定子極コンポーネントは、全体的にL字形状であり、L字の一方の脚132が、径方向に延出する歯部を形成し、L字の他方の脚131が、上述のように、軸方向延出爪部を形成している。固定子極コンポーネントは、軸方向延出突起133の形態の取付部を更に備える。突起133は、径方向延出脚の、第1軸方向脚が延出する端部とは反対側の端部から延出している。突起133は、固定子極コンポーネントが環状固定子コアバックコンポーネント18の対応する割り出し機能と係止するのを可能にする。
図6a〜bは、図5の固定子の一部のより詳細な図を示す。図7は、環状固定子コアバックコンポーネント18、例えば図5及び6a〜bに示す環状固定子コアバックコンポーネントの例を示す。特に、図6a〜bはそれぞれ、固定子極コンポーネント102と、巻線20の対応する部分と、環状固定子コアバックコンポーネント18との3つを示す。図6a及び6bは、各歯の中心を切断した切断図を示す。
図6bは、環状固定子コアバックコンポーネント18の詳細をより明確に示すために固定子極コンポーネントの一つを軸方向にずらして示す部分展開図である。特に、環状固定子コアバックコンポーネント18は、その環状固定子コアバックコンポーネント18の周囲の軸方向両側に分配された凹部628を備える。各凹部628は、固定子極コンポーネントの1つの軸方向突起133を受容することによって、環状固定子コアバックコンポーネント18の周囲に沿った固定子極コンポーネント102の正確な位置決めを可能にする。図7の例において、凹部は、能動エアギャップから径方向に離れるように配向された面736、すなわち、外側回転子機械の場合には径方向内方に配向された面と、環状固定子コアバックコンポーネントの軸方向に配向された側面735によって形成される縁部734に設置されている。
図8は、環状固定子コアバックコンポーネントの他の例を示す。環状固定子コアバックコンポーネント18は、その環状固定子コアバックコンポーネント18の周囲の軸方向両側に分配された凹部628を備える。各凹部628は、固定子極コンポーネントの径方向延出脚を受容することによって、環状固定子コアバックコンポーネント18の周囲に沿った固定子極コンポーネントの正確な位置決めを可能にする。図8の例において、各凹部は、環状固定子コアバックコンポーネントの軸方向に配向された側面735の径方向幅全体に亘って延出している。凹部の側壁842は、固定子極コンポーネントが周方向にずれるのを防止し、環状固定子コアバックコンポーネントの周囲に沿った固定子極コンポーネントの正確な位置決めを容易にする。凹部の底面841は、固定子極コンポーネントが当接できる平坦な当接面を提供する。
図8の環状固定子コアバックコンポーネント18は、異なる形状の固定子極コンポーネント、例えば、その取付部に軸方向突起を有さない以下に説明する図9aに示すようなL字形状の固定子極コンポーネントや、その取付部に軸方向突起を有する以下に説明する図9bに示すようなL字形状の固定子極コンポーネントと共に使用してもよい。前者の場合、径方向における固定子極コンポーネントの固定は、エンドプレート若しくはディスタンスプレートの、又は、組み立てモールドの適切な割り出し機能によって実現できる。そして、固定子極コンポーネントは、オーバーモールド成型材料によって径方向のずれが防止される。後者の場合、固定子極コンポーネントの軸方向突起が、環状固定子コアバックコンポーネントの径方向に配向された面736と当接することによって、固定子極コンポーネントを周方向及び径方向の両方において環状固定子コアバックコンポーネントと係止させることができる。
図9a〜dは、固定子極コンポーネントの断面の異なる実施例を例示する。固定子極コンポーネントは、全体的にL字形状であり、固定子の径方向延出脚132と、固定子の軸方向に延出する脚131とを備える。径方向脚が、環状固定子コアバックコンポーネントから回転子に向かう径方向磁束通路を設け、軸方向脚131が、径方向脚から能動エアギャップの軸方向幅に亘る軸方向磁束通路を設ける爪を形成する。従って、軸方向脚は、エアギャップに対向するインタフェース面837を設ける。内側回転子機械ではインタフェース面837は径方向内方を向き、外側回転子機械ではインタフェース面837は径方向外方を向く。
図9b〜dの固定子極コンポーネントは、固定子の軸方向に径方向脚132から突出する突起133を更に備える。突起は、脚131が延出する端部の遠位側の脚132の端部に位置付けられている。上述のように、突起133は、固定子極コンポーネント102が環状固定子コアバックコンポーネントの凹部と係止するのを可能にする。突起の代わりに又は突起に加えて他の割り出し機能を設けてもよいことは理解されよう。このような代替の又は追加の割り出し機能は、環状固定子コアバックコンポーネントの対応する割り出し機能と係合して、固定子極コンポーネントの正確な位置決めを可能にするとともに、例えば回転子の永久磁石からの磁力による固定子極コンポーネントの径方向且つ/又は軸方向のずれを防止するようにしてもよい。突起は更に、固定子極コンポーネントと環状固定子コアバックコンポーネントとの間の接触面の面積を増大させることによって、磁束の効率的な移動を容易にする。これは、固定子極コンポーネントが透磁性の高いラミネート材料から作られ且つ環状固定子コアバックコンポーネントが透磁性の低い材料から作られている場合に特に有益である。
図9aの固定子極コンポーネントは、L字形状の固定子極コンポーネントの脚131及び132から延出する突起を備えていない。固定子コアバックコンポーネント、例えば図8又は図12cの固定子コアバックコンポーネント18に対する径方向における固定子極コンポーネントの固定、径方向における固定子極コンポーネントの固定は、エンドプレート若しくはディスタンスプレートの、又は、組み立てモールドの適切な割り出し機能によって実現できる。そして、固定子極コンポーネントは、オーバーモールド成型材料によって径方向のずれが防止される。
軸方向延出爪131は、異なる形態で成形してもよい。図9a〜bの例において爪131はその軸方向範囲に亘って一定の径方向幅を有する一方、図9c及び9dの爪131はその脚の径方向幅が径方向脚132から離れるにつれて減少するようにテーパ状となっている。爪131は、インタフェース面837の軸方向範囲に沿って磁束を流通させるため、脚132から/脚132に向かって流れる磁束の量は、脚132から離れるにつれて減少する。従って、爪131の増加する径方向幅は、磁束のための十分な断面を提供しながら必要な材料を低減できる。その結果、この実施例は、良好な磁性特性及び径方向力に対する高い安定性を維持しつつ軽量化が実現できる。
図9dの例において示すように、固定子極コンポーネントは、軸方向爪131と同じ脚132の端部に、回転子に向かう方向に径方向に突出する径方向突出部を更に備えてもよい。図11に例示するように、爪131及び径方向突出部1039は脚132の径方向両側から延出し、径方向突出部1039は回転子の永久磁石22の横側面に沿って延出する。図11は、固定子極コンポーネント102が図9dに示す外形を有する外側回転子電気機械の一部を示す。径方向延出部1039は、永久磁石22の軸方向縁部1140に起こりうる漏洩磁束を固定子極コンポーネントへと移動させて電気機械により利用することを可能にする。
図10a〜cは、固定子コアの他の実施例を例示する。図10aは、各歯の中心を切断した固定子の一部の詳細切断図を示す。図10aの固定子は、固定子が固定子コアに磁性を与える中央単一巻線20を備える点で、図5及び6a〜bとの関連で説明した固定子と類似している。固定子コアは、環状固定子コアバックコンポーネント18と、複数の固定子極コンポーネント102とを備える。固定子極コンポーネントは、環状固定子コアバックコンポーネントの両側から回転子に向かって径方向に延出している。それらは交互に配置されている。各固定子極コンポーネントは、全体的にL字形状であり、L字の一方の脚132が、径方向に延出する歯部を形成し、L字の他方の脚131が、上述のように、軸方向延出爪部を形成している。これらは全て図5との関連で説明したものと同様である。図10bは固定子コアの環状コアバック部を示し、図10cは固定子の固定子極コンポーネントの一つの側面図を示す。
固定子極コンポーネント102は、軸方向延出突起133の形態の取付部を更に備える。軸方向延出突起133は、第1軸方向脚が延出する端部とは反対側の端部近傍において径方向延出脚から延出している。突起133は、固定子極コンポーネントが環状固定子コアバックコンポーネント18の対応する割り出し機能628と係止するのを可能にする。
特に、環状固定子コアバックコンポーネント18は、その環状固定子コアバックコンポーネント18の周囲の軸方向両側に分配された凹部628を備える。各凹部628は、固定子極コンポーネントの1つの軸方向突起133を受容することによって、環状固定子コアバックコンポーネント18の周囲に沿った固定子極コンポーネント102の正確な位置決めを可能にする。突起は、固定子極コンポーネントの幅全体に亘って延在する稜線の形態を有してもよい。特に、固定子極コンポーネントがラミネート金属シートから作られている場合、これによってラミネートに均一な形状を持たせることが可能になる。稜線は、上部が丸い、例えば半球状の断面を有することができる。
図10a〜cの例において、凹部628は、環状固定子コアバックコンポーネントの軸方向配向側面735に設置されている。凹部は、周方向に延ばされた細長い窪みの形態を有することができ、凹部133を窪み内に隙間なく嵌めるのを可能にする長さ及び幅を有する。窪みは、側面735の中心に、又は、その中心の近傍に径方向に位置付けることができる。この種の窪みを有する環状コアバック部によって、SMCコンポーネントとして特にコスト効率の高い製造が可能になる。更に、側面735が、固定子極コンポーネントのための平坦な当接面を提供することによって、信頼性の高い取付及び効率的な磁的インタフェースを提供できる。
上述の実施例において、L字形状の固定子極コンポーネントの軸方向延出爪は、機械の軸線と平行である。以下、軸方向延出爪が斜行された、すなわち、機械の軸線に対して角度を形成している固定子の実施例を説明する。このような爪の斜行によって、電気機械の望ましくないコギングトルクを低減できる。
図12a〜cは、斜行させた爪を有する外側回転子機械の固定子の図を示す。図12aは、固定子の径方向図を示し、図12bは、固定子極セクションの幾つかを取り外して環状固定子コアバックコンポーネントの詳細の遮られていない図を提供する固定子の斜視図を示す。図12cは、固定子の環状固定子コアバックコンポーネントを示す。この固定子は、図5に示す固定子と同様であり、上述の実施例との関連で説明したような環状固定子コアバックコンポーネント18と、固定子極コンポーネント102と、巻線20とを備える。しかしながら、図12の実施例では、固定子極セクション102の爪を形成する軸方向延出脚131が、固定子の軸線1243に対して角度をなすように配向されている。斜行は、環状固定子コアバックコンポーネント18に適切な割り出し機能を設けることによって得られる。この割り出し機能は、環状固定子コアバックコンポーネントの軸方向側面に、軸方向端部壁1242で終端する傾斜面1241を規定する。端部壁1242は、固定子極コンポーネントを位置付けるための周方向位置を規定し、傾斜面1241は、固定子極コンポーネントの斜行角度を規定している。更に、環状固定子コアバックコンポーネント18の径方向内方に配向された円筒状面1245は、固定子極セクションの軸方向延出突起133が当接できる平坦当接面1244を備える。
図13は、斜行させた固定子極コンポーネントの他の実施例を例示する。図13aは、外側回転子機械のための固定子の一部を示す。特に、図13aは、ラミネート固定子極コンポーネント102の一つと、環状固定子コアバックコンポーネント18の一部と、巻線20の一部とを示す。環状固定子コアバックコンポーネント18は、固定子極コンポーネント102の軸方向突起133を受容するための割り出し機能328を備える。図13bは、固定子極部102の爪が斜行された同様の固定子を示す。この例において、斜行は、割り出し機能328によって規定されるのではなく、ラミネートによって設けられている。ラミネートの個々のシートが互いに対して若干ずれて、脚132の斜行させた縁部を規定している。
図14a〜cは、本明細書に記載の固定子、例えば、内側回転子機械のための固定子を組み立てるための組み立てプロセスの例を例示する。この固定子は、環状固定子コアバックコンポーネント18と、巻線20と、複数の固定子極コンポーネント102a,bと、2つのエンドプレート226とを備え、エンドプレート226はそのうち1つのみが図14a〜cに示されている。図14aは組み立て前の固定子コンポーネントの展開図を示す。図14bは組み立てられた固定子コンポーネントを示し、図14cはオーバーモールド成型工程後の組み立てられた固定子を示す。
エンドプレート226は、固定子極コンポーネント102a,bのそれぞれを受容する大きさ及び形状を有する凹部の形態の複数の割り出し機能329a,bを備える。割り出し機能の第1サブセット329aは、巻線20及び環状固定子コアバックコンポーネント18の第1の側に位置付けられた固定子極コンポーネントの第1サブセット102aを受容する大きさ及び形状を有する。割り出し機能の第2サブセット329bは、巻線20及び環状固定子コアバックコンポーネント18の、第1の側とは反対側の第2の側に位置付けられた固定子極コンポーネントの第2サブセット102bを受容する大きさ及び形状を有する。組み立て中、最初に固定子極コンポーネントの第1サブセット102aを、正確な位置決めのための割り出し機能329aを用いてエンドプレート226上に位置決めする。続いて、巻線20及び環状固定子コアバックコンポーネント18を、例えば正確な位置決めを容易にする環状固定子コアバックコンポーネント18の割り出し機能を用いて、固定子極コンポーネント102a上に位置決めする。幾つかの実施例ではエンドプレート/ディスタンスプレートのみに割り出し機能を設けてもよく、他の実施例では環状固定子コアバックコンポーネントのみに割り出し機能を設けてもよいことは理解されよう。更なる実施例では、エンドプレート/ディスタンスプレート及び環状固定子コアバックコンポーネントの両方に割り出し機能が設けられる。
続いて、固定子極コンポーネントの第2サブセット102bを、割り出し機能329bと、任意で、正確な位置決めを容易にする環状固定子コアバックコンポーネントの割り出し機能とを用いて、すでに組み立てられたコンポーネント上に組み立てる。この結果得られる組立体を図14bに示す。最後に、任意で第1エンドプレートと同じ割り出し機能を備える第2エンドプレート(不図示)を取り付け、組み立てられた固定子を適切な材料227、例えばプラスチックによりオーバーモールド成型する。
同様の組み立て方法を外側回転子機械及び/又は多相機械のために行ってもよいことは理解されよう。後者の場合、個々の相を、その両側に割り出し機能を有するディスタンスプレートによって分離してもよい。従って、組み立ては1度に1相ずつ連続して行って、次の相の固定子コンポーネントをすでに組み立てられた相のディスタンスプレート上に組み立てるようにしてもよい。更に、組み立てプロセスを様々なやり方で変更してもよいことは理解されよう。例えば、オーバーモールド成型に加えて又はオーバーモールド成型に加えてに代えて、固定子コンポーネントを互いに対して軸方向に押圧できるような軸方向ネジ又は他の締結手段によってエンドプレートを互いに対して固定してもよい。
従って、本明細書に記載の固定子の実施例の利点は、コンポーネントを、軸方向圧力をかけることによって組み立てることが可能になることである。更に、平坦面を互いに押圧するように圧力をかけることによる組み立てが可能になる。その結果、本明細書に記載の固定子の実施例は、固定子極コンポーネントと環状固定子コアバックコンポーネントとを密着させ、それにより良好な磁的特性及び高い機械的安定性を提供する。
更に代替の実施例において、エンドプレート226は、組み立てプロセス中、組み立てモールドにより置き換えてもよい。このような組み立てモールドは、エンドプレート226との関連で示した割り出し機能329a,bと同様の割り出し機能を有してもよい。これにより組み立てモールドは、取付面を提供し、エンドプレート226を参照して説明したような形で使用して、固定子極コンポーネント、巻線及び環状固定子コアバックコンポーネントの組み立てを容易にすることができる。任意のオーバーモールド成型工程を含む組み立てプロセスの完了後、組み立てモールドは、取り外すか、エンドプレートにより置き換えてもよい。
図15a〜dは、電気機械の異なる例を示し、ここで、本明細書に記載の固定子の例を異なる種類の回転子と組み合わせている。
図15aは、径方向に磁化された表面取り付け磁石22を有する回転子を備える機械の例を示す。このような回転子構成によって、比較的廉価なフェライト磁石を使用することが可能になる。磁石の強さの低下は磁石の径方向厚さを増加させることで補完できる。外側回転子機械において、表面取り付け磁石を有する回転子は、回転子の直径がより小さい場合に特に有益である。
図15bは、周方向に磁化された磁石22を有する回転子を備える機械の例を示す。周方向に磁化された磁石22は、例えば特許文献2に記載されているように、それら永久磁石からの磁束を集中させるための軟磁性回転子極片1546によって互いに対して周方向に分離されている。
図15cは、周方向に磁化された磁石22を有する回転子を備える機械の例を示す。周方向に磁化された磁石22は、それら永久磁石からの磁束を集中させるための軟磁性回転子極片1546によって互いに対して周方向に分離されている。固定子は、固定子と回転子との間に磁束を流通させるための固定子と回転子との間のエアギャップ23の軸方向限界を規定している。極片は、それぞれの近傍の永久磁石の対応する接触面にそれぞれ当接する接触面と、それら接触面間に中央部1551とを有する。中央部1551は、対応する近傍の永久磁石の径方向厚さよりも小さい径方向厚さを有する。或いは又は加えて、中央部は、近傍の永久磁石の径方向長さよりも小さい径方向長さを有してもよい。これは、例えば、国際公報第2009/116937号に開示されているように、磁的能動固定子構造により規定される能動エアギャップの軸方向範囲よりも大きな軸方向範囲を永久磁石が有する場合に、有益である。
図15dは、埋設磁石を有する回転子を備える内側回転子機械を示す。この回転子は、周方向及び径方向に磁束通路を設ける筒状磁束ガイド部材1548によって囲繞された筒状支持部材1547を備える。磁束ガイド部材1548は、内部に永久磁石22が配置される軸方向延在キャビティを備える。永久磁石は、周方向に磁化され、1つおきの磁石が反対方向に磁化されている。磁束ガイド部材は、永久磁石を囲繞する外側筒状支持構造を形成してもよく、軸方向にラミネートされることによって効率的な磁束通路を設けるとともに遠心力に対して構造的に永久磁石を支持するラミネート金属から作られてもよい。この回転子は、複数のスポーク部材1550を備える。複数のスポーク部材1550は、内側筒状支持構造1547から径方向外方に延出し、周方向に隣接する永久磁石を分離している。内側支持構造1547は、アルミニウムやプラスチック等の非磁性材料から作ることができる。図15dの例において、内側支持部材は、軸方向延在稜線1549、例えば、内側支持部材の径方向に突出する押し出し部を備え、その上に永久磁石が配置されている。その稜線がトルク負荷を支持する。磁石は、この構造に接着してもよいが、大型ラミネートリング1548が磁石を径方向に支持するため、磁石の追加の固定は必ずしも必要ではない。
図15dの回転子は、回転子が高速で回転動作する高速用途に対して特に良く適している。代替の実施例において、回転子は、例えば同時係属国際出願第PCT/EP2011/065905号に記載されているように、周方向において埋設磁石22に隣接して位置付けられ周方向及び軸方向に磁束通路を設ける追加磁束ガイド部材を備えてもよい。従って、このような回転子は、回転子において軸方向磁束を集中させ、固定子極コンポーネントが爪を有さない又は小さな爪のみ有する固定子とともに使用できる。追加磁束ガイド部材は、径方向にラミネートされたラミネート、又は、他の軟磁性材料、例えば圧縮軟磁性粉体から作ることができる。
図16は、固定子の他の実施例を示し、ここで、固定子極コンポーネントはそれぞれの隣接する固定子極セクションに対する距離が変化するように、すなわち、固定子極エレメントのピッチング(pitching)によって分配されている。図16の例において、固定子極エレメント102は、一方側の近傍のものに対して距離d1、他方側の近傍のものに対して異なる距離d2有している。このようなピッチングは、望ましくないコギングトルクを低減し、固定子の製造に大幅な複雑性を追加することなく簡単なやり方で本明細書に開示の固定子の実施例に設けることができる。例えば、固定子極コンポーネントのピッチングは、図10a〜cの固定子において望ましくないコギングトルクを低減するために使用できる。
図17a〜bは、内側回転子の他の例を示す。図17aは斜視図を示し、図17bは回転子の展開図を示す。この回転子は、本明細書に記載の固定子の実施例と同じ原理で構築されている。図17の回転子は内側回転子型であるが、同じ原理を用いて外側回転子も構築できることは理解されよう。
この回転子は、軸方向に磁化された環状永久磁石1722を備える。磁石1722の各側には、この磁石から歯1732及び1733への3次元磁束を運ぶ環状軟磁性ディスク1766の形態の環状回転子コアバックコンポーネントが存在する。ディスクは、SMCコンポーネントとして製造でき、磁束の集中を回転子において利用するのを可能にする。ディスク1766は、固定子との関連で上述した固定子コアバックとしての回転子のための同じ機能性を有する回転子コアバックとして機能する。
回転子は、複数の回転子極コンポーネント1702を更に備える。回転子極コンポーネントは、環状永久磁石の両側から固定子に向かって径方向に延出しており、環状永久磁石の第1の側から延出する各回転子極コンポーネントが、第1の側とは反対側の環状永久磁石の第2の側から延出する2つの回転子極コンポーネントと周方向に隣接するように配置されている。従って、回転子極コンポーネントは、2つのサブセット、つまり、永久磁石1722の軸方向一方側に配置された第1サブセットと、永久磁石の軸方向他方側に配置された第2サブセットとに分割されている。
各回転子極コンポーネントは、取付部と、径方向延出歯部と、インタフェース部とを備える。図17a〜bの実施例において、各回転子極コンポーネントは、全体的にL字形状であり、L字の一方の脚1732が歯部を形成して径方向に延出し、L字の他方の脚1731が回転子の軸方向延出爪を形成している。このように、爪1731は、回転子極コンポーネント1702のインタフェースを形成している。図17a〜bの例において、回転子極コンポーネントの第1サブセットにおける回転子極コンポーネントの軸方向爪1731は、第2サブセットにおける回転子極コンポーネントの径方向脚1731に向かって軸方向に延出することによって、回転子極コンポーネントの2つのサブセットにおける回転子極コンポーネントの爪が軸方向に重なり合っている。各回転子極コンポーネント1702は、回転子極コンポーネントをディスク1766のそれぞれに且つ/又は永久磁石に直接連結するための回転子極コンポーネントの取付部を形成する軸方向延出突起1733を更に備える。突起1733は、爪1731が延出する端部とは反対側の径方向延出脚1732の端部から延出している。図17a〜bの例において、突起1733は爪1731よりも短い。突起1733は、エアギャップから離れる方向を向くディスク1766の周方向面1734に当接している。
従って、図17の回転子の構造は、本明細書に記載の固定子の構造に類似しており、効率的に製造できる。回転子極コンポーネント1702は、本明細書に記載の固定子極コンポーネントとの関連で説明したように、SMC材料又はラミネート金属シートから作ることができる。
ディスク1766は、永久磁石1722と回転子極コンポーネント1702との間に磁束通路を設けるとともに、回転子極コンポーネント1702に対して機械的支持を提供する。この目的のために、ディスク1776は、上述の環状固定子コアバックエレメントの実施例との関連で説明したようなものと同じ又は同様の機能を備えることができる。例えば、ディスク1766には、例えば図18a〜bの例において示すような、回転子極コンポーネントのそれぞれの取付部と係合するように構成された割り出しエレメントを設けてもよい。
図18a〜bは、内側回転子の他の例を示す。図18aは斜視図を示し、図18bは回転子の展開図を示す。図18a〜bにおいて、環状永久磁石1722及びディスク1766の遮られていない図を可能とするために回転子極コンポーネントの一部が省略されている。図18a〜bの回転子は、図17a〜bの回転子と類似しているが、ディスク1766が、回転子極コンポーネントの対応する軸方向突起1733と係合するようになっている割り出し機能1828を備える。図18a〜bの例において、割り出し機能1828は、エアギャップから離れる方向を向くディスク1766の中央穴のリムに沿って分配された凹部の形態を有する。各凹部は、回転子極セクション1702のそれぞれの突起1733を受容するような形状及び大きさを有する。図18a〜bの例において、凹部は周囲に沿って等間隔で分配されている。しかしながら、他の実施例において、凹部間の距離は異なっていてもよい。凹部によって、環状回転子コアバックコンポーネント1766との回転子極コンポーネント1702の正確かつ容易な組み立てが可能になる。各凹部は、突起1733の対応する接触面が当接できる平面接触面を規定する。凹部の接触面は、回転子極コンポーネントの周方向位置を規定する側壁によって境界が定められている。環状回転子コアバックコンポーネントが凹部1828に加えて又は凹部1828に代えて異なる割り出し機能を備えてもよいことは理解されよう。
回転子の幾つかの実施例において、割り出しエレメントは、回転子極エレメントの一つの対応する接触面に当接する概して径方向外方に配向された取付面を規定する。取付面は、軸方向と平行な方向、又は、軸方向から若干ずれた方向を向いて、固定子との関連で上述したような回転子エレメントの斜行を提供してもよい。このディスクは、より高い磁束を与え、ディスク1766における割り出し機能などを設ける際の高い自由度を可能にする。しかしながら、回転子をディスク1766無しで構成してもよいことは理解されよう。このような実施例において、回転子極コンポーネントの取付部は永久磁石と直接連結させてもよい。
この種類の回転子は、共通径方向磁束3相固定子において使用することができ、これにより、磁石を1つのみ使用して多数の極が可能になり、その結果コストを抑えることができる。
幾つかの実施例を詳細に説明し、示してきたが、本発明はそれらに限定はされず、以下の特許請求の範囲で規定する主題の範囲内の他のやり方で実施してもよい。特に、他の実施例を利用してもよいこと、本発明の範囲から逸脱することなく構造的及び機能的変更を行ってもよいことは理解されよう。更に、特定の種類の機械を参照して幾つかの機能を説明してきたが、当業者であればこれらの機能を他の種類の機械において実施してもよいことは当然理解できよう。例えば、内側回転子機械を参照して例示した特徴は、外側回転子機械において実施してもよい。同様に、本明細書で開示した固定子の実施例は主に、固定子極コンポーネントがエアギャップの軸方向範囲の一部又は全体に亘って延出する軸方向延出爪を有するクローポール型機械を参照して説明してきた。しかしながら、本明細書に開示した固定子の代替の実施例を、爪のない機械設計において使用してもよいことは理解されよう。そのような実施例において、軸方向磁束集中は、例えば図15b,15cにおいて示した回転子設計を用いて、又は、図15dとの関連で説明した回転子設計を用いて、回転子において少なくとも部分的に行うことができる。そのような実施例は、コスト効率の高い製造方法を使用したとしても本明細書に記載した固定子設計によってロバストな固定子設計が可能となるため、大型の機械において特に有益となる。例えば、環状固定子コアバックコンポーネントは、複数のリングセグメントから製造することができ、他の固定子コンポーネントは、より大型の固定子設計に適合するように容易に大きさを設定できる。
本明細書に開示した本発明の実施例は、電動自転車又は他の電動駆動車両、特に軽量車両用の直接車輪駆動モータに使用できる。そのような用途は、高いトルク、比較的低速、及び低コストの要求が課せられる。これらの要求は、高い回転子組み立て作業によるコスト要求に適合する小容量の永久磁石及びワイヤコイルを用いたコンパクトな形状において比較的多い極数を有するモータによって満たしうる。
幾つかの手段を列記した装置請求項において、これらの手段の幾つかは1つ且つ同じ構造的コンポーネントによって具体化できる。特定の手法が相互に異なる従属項において記載され、又は、異なる実施例において説明されているという単なる事実は、これらの手法の組み合わせを使用しても有利とならないということを意味しない。
「備える」という表現は、本明細書において使用されている場合、記載の特徴、整数、工程又はコンポーネントの存在を明記するために使用されており、1つ以上の他の特徴、整数、工程、コンポーネント又はそれらの群の存在又は追加を除外するものではない。
Claims (23)
- 電気機械用の固定子(10)であって、
固定子コアと、
巻線(20)とを備え、
前記固定子コアが、
環状固定子コアバックコンポーネント(18)であって、その少なくとも周方向及び軸方向に磁束通路を設ける環状固定子コアバックコンポーネント(18)と、
複数の固定子極コンポーネント(102)とを備え、
各固定子極コンポーネント(102)が、前記固定子コアバックコンポーネントに取り付けられた取付部(133)と、電気機械の前記固定子と回転子との間の能動エアギャップ(23)に対向するインタフェース面(837)を規定するインタフェース部(131)と、前記環状固定子コアバックコンポーネントから径方向に延出し前記インタフェース部を前記取付部と接続する径方向配向歯部(132)とを備える、固定子。 - 前記環状固定子コアバックコンポーネントが、第1の径方向外方に配向された側面(735,841)と、前記第1の径方向外方に配向された側面とは反対側の第2の径方向外方に配向された側面(735,841)とを規定し、
前記複数の固定子極コンポーネントの第1サブセット(102a)が前記第1の径方向外方に配向された側面に取り付けられ、前記複数の固定子極コンポーネントの第2サブセット(102b)が前記第2の径方向外方に配向された側面に取り付けられた、請求項1に記載の固定子。 - 前記固定子極コンポーネントが、前記環状固定子コアバックコンポーネントの周囲に沿って分配されており、
前記第1及び第2サブセットの固定子極コンポーネントが、前記周囲に沿って交互に連続して配置されている、請求項2に記載の固定子。 - 前記環状固定子コアバックコンポーネントが、前記第1及び第2サブセットの各固定子極コンポーネントを接続する磁束通路を設ける、請求項2又は3に記載の固定子コアバック。
- 前記固定子極コンポーネントの第1及び第2サブセット間に挟持された巻線を備える請求項2〜4のいずれか一項に記載の固定子。
- 前記環状固定子コアバックコンポーネントが、前記固定子極コンポーネントのそれぞれの前記取付部と係合するように構成された複数の割り出し手段(628)を備える、請求項1〜5のいずれか一項に記載の固定子。
- 各割り出し手段が、前記固定子極エレメントの一つの対応する接触面に当接する概して径方向外方に配向された取付面(841,1241)と、前記固定子極エレメントの周方向における変位を防止する割り出しエレメント(842,1242)とを規定している、請求項6に記載の固定子。
- 前記取付面(1241)が軸方向からずれた方向を向いている、請求項7に記載の固定子。
- 各固定子極コンポーネントが、周方向に積層されたラミネート金属シートを備える、請求項1〜8のいずれか一項に記載の固定子。
- 各固定子極コンポーネントの前記インタフェース部が軸方向延出爪部(131)を備える、請求項1〜9のいずれか一項に記載の固定子。
- 各固定子極コンポーネントの前記取付部が、前記環状固定子コアバックコンポーネントの径方向配向裏面(736,1244)に当接する軸方向延出突起(133)を備え、前記裏面が、前記固定子極コンポーネントの前記インタフェース部から離れる方向を向いている、請求項1〜10のいずれか一項に記載の固定子。
- 2つのエンドプレート(226)を更に備え、前記環状固定子コアバックコンポーネント及び前記固定子極コンポーネントが前記エンドプレート間に軸方向に挟持されている、請求項1〜11のいずれか一項に記載の固定子。
- 前記エンドプレートの少なくとも1つが、前記固定子極コンポーネントのそれぞれと対をなす割り出し機能(229)を備える、請求項12に記載の固定子。
- 請求項1〜13のいずれか一項に記載の固定子(10)と、
前記固定子の固定子磁界と相互作用する回転子磁界を発生させるように構成された回転子とを備え、
前記回転子が、該回転子の長手方向軸線周りに回転するようになっている電気機械。 - 前記回転子が、
前記固定子に対向する円筒状取付面を規定する取付部と、
前記取付面に取り付けられ前記長手方向軸線周りに周方向に配置された複数の表面取付永久磁石(22)であって、それぞれが磁束を発生させるように磁化方向に磁化されている永久磁石と
を備える、請求項14に記載の電気機械。 - 前記回転子が、
前記長手方向軸線周りに周方向に配置された複数の永久磁石(22)であって、それぞれが磁束を発生させるように磁化方向に磁化されている永久磁石と、
前記複数の永久磁石の径方向内方に配置された内側筒状支持部材(1547)を備える支持構造と、
前記複数の永久磁石の1つ以上によって発生された磁束に対して少なくとも径方向の通路を設けるようになっている少なくとも1つの磁束ガイド部材(1548)とを備える、請求項14に記載の電気機械。 - 前記回転子が、
軸方向に磁化された環状永久磁石(1722)と、
複数の回転子極コンポーネント(1702)とを備え、
前記複数の回転子極コンポーネント(1702)のそれぞれが、
取付部(1733)と、
前記固定子と前記回転子との間の能動エアギャップに対向するインタフェース面を規定するインタフェース部(1731)と、
前記永久磁石から径方向に延出し、前記インタフェース部を前記取付部と接続する径方向配向歯部(1732)とを備える、請求項14に記載の電気機械。 - 電気機械用の固定子のための環状固定子コアバックコンポーネント(18)であって、
前記環状固定子コアバックコンポーネントの周方向及び軸方向に磁束通路を設け、
複数の固定子極コンポーネントのそれぞれと係合するように構成された複数の割り出し手段(628)を備える環状固定子コアバックコンポーネント。 - 軟磁性粉体から作られる請求項18に記載の環状固定子コアバックコンポーネント。
- 請求項1〜12に記載の固定子の製造方法であって、
取付面を設けることと、
前記取付面の所定の位置に固定子極コンポーネントの第1サブセットを設置することと、
巻線及び環状固定子コアバックコンポーネントを前記固定子極コンポーネントの第1サブセットに対して位置決めして、前記第1サブセットの前記固定子極コンポーネントの前記取付部を前記環状固定子コアバックコンポーネントと係合させることと、
前記固定子極コンポーネントの第2サブセットを前記環状固定子コアバックコンポーネント及び前記固定子極コンポーネントの第1サブセットに対して位置決めして、前記第2サブセットの前記固定子極コンポーネントの前記取付部を前記環状固定子コアバックコンポーネントと係合させることと
を含む方法。 - 電気機械用の回転子であって、
固定子の固定子磁界と相互作用する回転子磁界を発生させるように構成され、
該回転子の長手方向軸線周りに回転するようになっており、
軸方向に磁化された環状永久磁石(1722)と、
複数の回転子極コンポーネント(1702)とを備え、
前記複数の回転子極コンポーネント(1702)のそれぞれが、
取付部(1733)と、
前記固定子と前記回転子との間の能動エアギャップに対向するインタフェース面を規定するインタフェース部(1731)と、
前記永久磁石に対して径方向に延出し、前記インタフェース部を前記取付部と接続する径方向配向歯部(1732)とを備える、回転子。 - 第1及び第2環状回転子コアバックコンポーネント(1766)を備え、
前記環状永久磁石が前記第1及び第2環状回転子コアバックコンポーネント間に挟持され、
各回転子極コンポーネントの前記取付部が前記第1及び第2環状回転子コアバックコンポーネントのそれぞれに連結されている、請求項21に記載の回転子。 - 前記第1及び第2環状回転子コアバックコンポーネントのそれぞれが、前記回転子極コンポーネントのそれぞれの前記取付部と係合するように構成された複数の割り出し手段を備える、請求項21〜22のいずれか一項に記載の回転子。
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