JP2015510751A - 電動機 - Google Patents

Abstract

本発明は、周方向（２２）に沿って配列された複数の永久磁石（１６）を備えたロータ（１２）と、永久磁石（１６）を少なくとも部分的に取り囲む巻線アセンブリを備えたステータ装置とが設けられ、ステータ装置は、複数の巻線を備えた第１ステータ（１４）を有する、電動機（１０）に関する。ステータ装置は第２ステータ（１８）を有し、第１ステータ（１４）および第２ステータ（１８）の巻線は、それぞれフレーム状のコイル（２０，２８）として形成され、第１ステータ（１４）のコイル（２０）は、半径方向（２４）において永久磁石（１６）の外側に配列され、第２ステータ（１８）のコイル（２８）は、半径方向（２４）において永久磁石（１６）の内側に配列され、コイル（２０，２８）は、コイル巻回軸（２６）に沿って半径方向（２４）に配列され、永久磁石（１６）は、その磁化方向（４０）に沿って半径方向（２４）に配列されている。

Description

本発明は、周方向に沿って配置された複数の永久磁石を備えたロータと、前記永久磁石を少なくとも部分的に取り囲む巻線アセンブリを備えたステータ装置とを有する電動機に関する。

エネルギー消費の僅かな小型ドライブ機構の形態をとる電動機は、ますます重要になってきている。この種の小型ドライブ機構は、たとえば自動化装置における小型ポンプドライブ機構およびファンドライブ機構などである。さらに有利であるのは、この種の小型ドライブ機構を医療技術に用いることである。小型ドライブ機構は一般に、最大駆動パラメータに合わせて設計される。ただし通常、それらの小型ドライブ機構はいわゆる部分負荷領域で駆動される。それらの小型ドライブ機構を上述の用途に適用するため、駆動機能はメカトロシステムとしてプロセスにそのまま組み込まれる。このようなケースでは、電動機は集積されたビルトインコンポーネントとなる。

構造上のこのような周囲条件のほか、これらの小型ドライブ機構を回転数可変に構成したい。このため、たとえばドライブ機構をインバータ制御型として構成して、パルス制御型インバータを備えた中間電圧回路を含むように構成可能である。しかも携帯型機器であれば、中間電圧回路を直流電圧源たとえばバッテリと置き換える可能性もある。特に医療技術での適用にあたり一般に望まれる電動機とは、高いトルクを供給可能であり、かつ軽量であって、しかも高エネルギー効率、僅かな加熱、さらにはムラのない高度な動作安定性を有する電動機である。

これらの要求を達成するため現在一般的には、永久磁石励磁型の交流電圧サーボモータがパルス制御型インバータとともに利用される。このような電動機の場合、ステータは通常、巻線の巻回された積層薄板によって形成されており、それによって回転数の上昇とともに磁気損失ないしは鉄損が上昇しがちになる。特に部分負荷駆動中は、実際には負荷とは無関係な鉄損によって、エネルギー効率が著しく劣化してしまう。さらにこの種の電動機の能動部材には、一般に鉄から成るコンポーネントが含まれており、それらのコンポーネントは、重量のあるコンポーネントを成すものであり望ましくなく、それによってコギングトルクを引き起こすおそれがある。

EP 1 858 142 A1により公知のリニアモータによれば、二次側に永久磁石が設けられており、可動の一次側には、電流が流される多相巻線が設けられている。この場合、達成可能な駆動力を高めるため、Ｎ極とＳ極が運動方向で同極どうし隣り合って並置されるように、永久磁石が配置されている。さらにこの場合、多相巻線のコイルは、それらが二次側の永久磁石を少なくとも部分的に取り囲むように構成されている。

EP 1 858 142 A1に記載されているリニアモータの基本原理を、回転型モータにも転用することができる。その場合、ロータは、周方向に配置された複数の永久磁石を有し、ステータは、永久磁石を少なくとも部分的に取り囲む巻線アセンブリを有する。この目的でステータは、たとえばＵ字型に曲げられたコイルを有している。しかしそれらのコイルの製造は、特にロータ直径が小さいと著しく煩雑である。

したがって本発明の課題は、冒頭で述べた形式の電動機を、エネルギー効率よく駆動できるようにし、しかも簡単かつ低コストで製造できるようにすることである。

本発明によればこの課題は、請求項１記載の電動機によって解決される。従属請求項には、本発明の有利な実施形態が示されている。

本発明による電動機は、周方向に沿って配列された複数の永久磁石を備えたロータと、永久磁石を少なくとも部分的に取り囲む巻線アセンブリを備えたステータ装置とを有しており、ステータ装置は、複数の巻線を備えた第１ステータを有している。この場合、ステータ装置は第２ステータを有しており、第１ステータおよび第２ステータの巻線は、それぞれフレーム状のコイルとして形成されており、第１ステータのコイルは、半径方向において永久磁石の外側に配列されており、第２ステータのコイルは、半径方向において永久磁石の内側に配列されており、各コイルは、それらの巻回軸に沿って半径方向に配列されており、永久磁石は、それらの永久磁石の磁化方向に沿って半径方向に配列されている。

電動機はロータを有しており、このロータにおいて、複数の永久磁石が電動機の周方向に沿って並置されている。ロータを適切なシャフトと結合することができ、そのシャフトから電動機のトルクを取り出すことができる。さらに電動機は、外側に位置する第１ステータと、内側に位置する第２ステータを有している。第１ステータおよび第２ステータは、コイルの形態をとる適切な巻線を有しており、それらのコイルはそれぞれ周方向に並置されている。このためロータにおける永久磁石が、２つの側からコイルによって取り囲まれている。これによって高い磁力を供給することができる。

さらにこの電動機を、外側のステータまたは内側のステータだけがそれに属するコイルとともに設けられるように、構成することもできる。別の選択肢としてこの電動機に、第１ステータおよび第２ステータのコイルに加えて、永久磁石を少なくとも部分的に取り囲むさらに別のコイルを設けることができる。

第１ステータおよび第２ステータのコイルは、実質的にフレーム形状である。これらのコイルは線材の巻線から成り、たとえば空心コイルとして形成されていて、これらのコイルの巻回軸に沿って半径方向に配列されるように、電動機内に配置されている。換言すれば、これらのコイルは貫通開口部を有しており、この貫通開口部に沿って電動機の半径方向にコイルが配置されている。これらのコイルを別個の部品として簡単に製造することができ、電動機内に配置することができる。このようなコイルの形式は、直径の小さい電動機もしくは小型電気ドライブ機構に適用する場合に特に適している。この場合には、電動機のためにスロットも継鉄も不要である。したがって、周波数に依存する磁気損失も発生しない。また、ステータの透磁率の変動に起因する残留トルクも発生しない。

並置された永久磁石の磁化方向が半径方向で互いに逆向きになるように、永久磁石を配置するのが有利である。個々の永久磁石の磁化方向は、それらの永久磁石のＳ極からＮ極へと延びている。永久磁石をこのように配置することによって、コンパクトなデザインを簡単に実現することができる。しかも永久磁石は、個別部品として簡単にかつ低コストで製造することができるとともに、それによって電動機の単純な構造を実現することもできる。

１つの実施形態によれば、コイルは巻回軸に対し垂直な方向において、巻回軸方向よりも大きい空間的な広がりないしは寸法を有している。換言すれば、第１ステータおよび第２ステータにおける個々のコイルは、平坦な形状を有している。これらのコイルは、たとえばフラットコイルとして形成されている。これらのコイルの空間的な広がりを、巻回軸に対し垂直な方向において、できるかぎり大きくすることができる。このようにすれば、それらのコイルによって発生し永久磁石に及ぼされる力を高めることができる。特にこれらのコイルは、巻線に誘起される電力と、電動機によって生じる機械的な力との比が、小さくなるように形成すべきである。このようにすれば電磁的な利用効率が高められて、電流密度が一定のままでも、いっそう強い力といっそう大きいトルクを発生させることができる。したがって本発明による電動機によって、高いトルクを供給することができる。

１つの有利な実施形態によれば、第１ステータおよび／または第２ステータのコイルは、電動機の周方向に沿って湾曲している。この場合、第２ステータのコイルを第１ステータのコイルよりも、周方向で大きく湾曲させることができる。コイルを周方向で湾曲させることによって、コイルの電界と、ロータの永久磁石によって発生する磁界とが、互いに垂直方向に位置するようになる。このようにすれば、周方向において極めて強い力の成分を発生させることができ、ひいてはこの電動機によって高いトルクを発生させることができる。

さらに別の実施形態によれば、第１ステータにおけるコイルの巻数および／または巻線線材の横断面積と、第２ステータにおけるコイルの巻数および／または巻線線材の横断面積とが異なっている。このようにすれば、これらの巻数および／または横断面積に基づいて、コイルから発せられる電界を簡単に整合させることができる。同様に、第１ステータおよび第２ステータにおけるコイルの巻数および／または横断面積を、コイルに加えられる電流強度に整合させることもできる。

さらに有利であるのは、永久磁石が実質的に中空円柱体の切片の形状を有することである。電動機がリニアモータとして構成されている場合であれば、矩形の永久磁石を用いることができる。この種の幾何学的形状を有する永久磁石であれば、簡単かつ低コストで製造することができる。同様に、永久磁石を円柱状にしてもよい。ここでさらに考えられるのは、永久磁石を周方向で湾曲させることである。このようにすることで、簡単にかつ低コストで電動機を製造することができる。

さらに有利であるのは、第１ステータおよび第２ステータにおけるコイルの個数を３の倍数にすることである。この場合、第１ステータの１つのコイルと第２ステータの１つのコイルは、電動機の半径方向で互いに位置合わせされて配列され、電気的には直列に接続されている。これに対する別の選択肢として、第１ステータの１つのコイルを第２ステータの１つのコイルと電気的に並列に接続することもでき、これによって第１ステータと第２ステータに等しい誘導電圧を発生させることができる。この場合、同じ巻線セグメントに属する第１ステータのコイルと第２ステータのコイルとに加わる電流強度の方向を、互いに逆向きにすることができる。このようにすれば、コイルを三相電圧電源によって簡単に駆動することができる。

１つの実施形態によれば、第１ステータおよび／または第２ステータは、コイル巻回のために形成された複数の支持部材を備えた支持構造体を有している。これらの支持部材によって、一種の巻回補助手段が提供される。このようにして、第１ステータおよび第２ステータを簡単に製造することができる。

ここで有利であるのは、支持構造体と支持部材を、電気的に絶縁性の材料によって製造することであり、たとえば比透磁率が１である材料によって製造することである。電気的に絶縁性の材料の周囲にコイルもしくは巻線を配置することによって、渦電流損失が発生しないようになる。したがって、電動機を極めてエネルギー効率よく駆動することができる。比透磁率μ_r＝１の材料を用いれば、付加的にヒステリシス損失が発生しない。

これまで述べてきた電動機の原理ならびに利点を、リニアモータにも転用することができる。

次に、図面を参照しながら本発明について詳しく説明する。

電動機のロータの永久磁石と第１ステータのコイルの配置を示す斜視図 永久磁石とコイルの配置を示す展開図 電動機の側面断面図 電動機の平面図 電動機の斜視図 電動機の第２ステータとロータを示す側面図 第１ステータと第２ステータのコイルの配置を示す斜視図 第２ステータの支持構造体を上から見た図

以下で詳しく説明する実施例は、本発明の有利な実施形態を成すものである。

図１には、電動機の第１ステータのコイル２０に対するロータの永久磁石１６の配置が、斜視図で描かれている。永久磁石１６は矩形である。永久磁石１６は、周方向２２に沿って並置されている。ここでは永久磁石１６は、Ｓ極からＮ極に延在するそれらの磁化方向４０に沿って、半径方向２４に配置されている。さらにこの場合、永久磁石１６は、並置された永久磁石１６の磁化方向４０が互いに逆向きになるように配置されている。

第１ステータのコイル２０は、実質的にフレーム状の構造を有している。この場合、コイル２０は、半径方向２４で永久磁石１６の外側に位置するように配置されている。しかもコイル２０は、それらの巻回軸２６が電動機の半径方向２４に位置するように配置されている。

図２には、永久磁石１６とコイル２０の配置が展開図として示されている。この電動機は、コイル２０の個数Ｎ*が３の倍数となるように構成されている。このようにすれば、コイル２０を三相電圧電源と接続することができる。このようにして、基本極数２ｐの電動機を形成する。その際に以下の法則が適用される：
フレームコイルＮ*の個数は、３で割り切れなければならない：

ここで定数ｐ／ｎの商について、ｐ／ｎは整数でなければならず、ただしｎ≠３，６，９，．．．である。

ｚが偶数であれば、各巻線相は、それぞれｚ／２個のフレームコイルごとに、２ｐ／ｎ個のコイル群によって構成される。

ここでは上述の法則を、１０極の電動機の実施形態にあてはめて説明する。この場合には基本極数は２ｐ＝１０となる。ゆえに、定数の商ｚ／ｎ＝２／５となる。したがって各巻線側は

によって構成される。３つの巻線相の各々は、それぞれｚ／２＝２／２＝１個のフレームコイルを有する２ｐ／ｎ＝１０／５＝２個のコイル群によって構成される。

図１および図２にはそれぞれ、外側に位置する第１のステータを有する電動機の永久磁石１６とコイル２０の配置が示されている。しかも有利であるのは、電動機が内側に位置する第２のステータを有することであり、第２のステータの場合、コイルは半径方向２４で永久磁石１６の内側に配置されている。

図３には、１０極の電動機１０の側面断面図が示されている。電動機１０は、シャフト３０と機械的に接続されているロータ１２を有している。さらにロータ１２は複数の永久磁石１６を有しており、これらの永久磁石１６は、半径方向に拡がるディスクにおいて軸方向に延びる中空円柱体の上に配置されている。さらに電動機１０は、複数のコイル２０を備えた第１ステータ１４を有しているとともに、複数のコイル２８を備えた第２ステータ１８も有している。第１ステータ１４のコイル２０と第２ステータ１８のコイル２８は、電動機１０の周方向２２で湾曲している。同様に永久磁石も、周方向２２に沿って湾曲している。

図４には、図３に示した電動機の平面図が示されている。この図から、電動機のロータ１２が１０個の永久磁石１６を有していることがわかる。さらにこの図には、第１ステータ１４が６個のコイル２０を有することも示されている。この場合、第１ステータ１４のコイル２０は、電動機１０の半径方向２４において、ロータ１２の永久磁石１６の外側に位置するように配置されている。同様に第２ステータ１８も、６個のコイル２８を有している。この場合、第２ステータ１８のコイル２８は、半径方向２４において、ロータ１２の内側に位置するように配置されている。

図５には、電動機１０を下側から見た斜視図が示されている。特にこの図に示されているのは、第１ステータ１４のコイル２０である。図６には、電動機１０の部分図が、第１ステータ１４を示さずに描かれている。この図に示されているのは、永久磁石１６を備えた電動機１０のロータ１２である。さらにこの図には、第２ステータ１８のコイル２８も示されている。

図７には、第１ステータ１４のコイル２０と第２ステータ１８のコイル２８の配置が、斜視図で描かれている。これらのコイル２０，２８は、それぞれ実質的にフレーム状の構造を有している。コイル２０，２８は、巻回された線材によって形成されているので、それ相応の空心コイルを成している。この場合、巻回軸２６に沿って延在する方向において、これらのコイルの空間的な広がりないしは寸法は、巻回軸２６に対し垂直に延在する方向３２よりも小さい。換言すれば、コイル２０，２８は平坦な形状を有している。特にこれらのコイル２０，２８は、巻線に誘起される電力と機械的な力との比が、小さくなるように形成すべきである。このようにすれば、電流密度が一定のままで、いっそう強い力といっそう大きいトルクを発生させることができる。

さらにコイル２０，２８は、電動機１０の周方向に沿って湾曲している。図７に示されているように、コイル２０とコイル２８の巻数をそれぞれ異ならせることができる。ここに示されている事例では、第２ステータ１８のコイル２８の巻数は、第１ステータ１４のコイル２０よりも少ない。この場合、第１ステータ１４のコイル２０の線材の横断面積を、第２ステータ１８のコイル２８の線材の横断面積とは異なるように形成することも可能である。

図８には、内側のステータ１８の支持構造体３４を上から見た様子が示されている。この場合、支持構造体３４は複数の支持部材３６を有している。これらの支持部材３６は、半径方向に延在する突出部によって形成されており、この突出部は両側に切り欠き３８を有している。この切り欠き３８に線材を収容することができ、つまりそこに個々のコイル２８を巻回することができる。ここで有利であるのは、支持構造体３４と支持部材３６を、たとえば比透磁率が１である電気的に絶縁性の材料から形成することである。

１０ 電動機
１２ ロータ
１４ ステータ
１８ ステータ
２０ コイル
２２ 周方向
２４ 方向
２６ 巻回軸
２８ コイル
３０ シャフト
３２ 方向
３４ 支持構造体
３６ 支持部材
３８ 切り欠き
４０ 磁化方向
Ｎ Ｎ極
Ｓ Ｓ極

Claims (9)

1. 周方向（２２）に沿って配列された複数の永久磁石（１６）を備えたロータ（１２）と、
   前記永久磁石（１６）を少なくとも部分的に取り囲む巻線アセンブリを備えたステータ装置とが設けられており、
   前記ステータ装置は、複数の巻線を備えた第１ステータ（１４）を有する、
   電動機（１０）において、
   前記ステータ装置は第２ステータ（１８）を有しており、
   前記第１ステータ（１４）および前記第２ステータ（１８）の巻線は、それぞれフレーム状のコイル（２０，２８）として形成されており、
   前記第１ステータ（１４）のコイル（２０）は、半径方向（２４）で前記永久磁石（１６）の外側に配列されており、
   前記第２ステータ（１８）のコイル（２８）は、半径方向（２４）で前記永久磁石（１６）の内側に配列されており、
   前記両コイル（２０，２８）は、半径方向（２４）で該コイルの巻回軸（２６）に沿って配列されており、
   前記永久磁石（１６）は、半径方向（２４）で該永久磁石の磁化方向（４０）に沿って配列されている
   ことを特徴とする、電動機（１０）。
2. 前記永久磁石（１６）は、並置された永久磁石（１６）の磁化方向（４０）が、半径方向で互いに逆向きになるように配列されている、請求項１記載の電動機（１０）。
3. 前記コイル（２０，２８）は、前記巻回軸（２６）に対し垂直な方向（３２）で、前記巻回軸（２６）の方向よりも大きな空間的広がりを有する、請求項１または２記載の電動機（１０）。
4. 前記第１ステータ（１４）および／または前記第２ステータ（１８）における前記コイル（２０，２８）は、前記電動機（１０）の周方向（２２）に沿って湾曲している、請求項１から３のいずれか１項記載の電動機（１０）。
5. 前記第１ステータ（１４）における前記コイル（２０）の巻数および／または巻線線材の横断面積と、前記第２ステータ（１８）における前記コイル（２８）の巻数および／または巻線線材の横断面積とは異なる、請求項１から４のいずれか１項記載の電動機（１０）。
6. 前記永久磁石（１６）は、実質的に中空円柱体の切片の形状を有する、請求項１から５のいずれか１項記載の電動機（１０）。
7. 前記第１ステータ（１４）および前記第２ステータ（１８）におけるコイルの個数は３の倍数である、請求項１から６のいずれか１項記載の電動機（１０）。
8. 前記第１ステータ（１４）および／または前記第２ステータ（１８）は、前記コイル（２０，２８）を巻回するために形成された複数の支持部材（３６）を備えた支持構造体（３４）を有している、請求項１から７のいずれか１項記載の電動機（１０）。
9. 前記支持構造体（３４）と前記支持部材（３６）は、電気的に絶縁性の材料により製造されており、たとえば比透磁率が１である材料によって製造されている、請求項８記載の電動機（１０）。

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