JP2016519559A - ロータおよびロータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】ロータは、シャフトの載置領域に沿って載置部（１２）を有するロータ・シャフト（１０）と、前記ロータ・シャフト（１０）で前記載置部（１２）に載置される複数の永久磁石（２１，２２，２３，２４）とを含み、永久磁石（２１）の放射状実測厚さが前記領域において前記ロータ・シャフト（１０）の減じてない半径を有する隣接する領域においてよりも大きいように、前記ロータ・シャフトは、前記載置部において、円形断面に関して減じた半径を有する領域を含む。【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、ロータに関し、特に、電気モータのための永久磁石を有するロータに関する。

電気モータは、多くのアプリケーションで用いられる。モータのスムーズな動作は、例えば遠心コンプレッサを駆動するための電気モータにおいてなど、高速回転を要するアプリケーションのために特に重要である。これは、高速回転でさえ、モータができるだけスムーズに動作すべきであることを意味する。その結果、同じことはモータが組み込まれるシステム全体にいかなる振動も伝達しない。

通常、このようなモータのために用いられるロータにおいて、永久磁石がロータ・シャフトに載置される。ここでは、例えば、金属ロータ・シャフトが用いられる。それから、２個以上の永久磁石が、このロータ・シャフトに適用される。これらの永久磁石は、例えば、工具鋼で生産され、金属ロータ・シャフトに接着され得る。特に高速回転で、永久磁石がロータ・シャフトに十分にしっかりと載置されることは重要である。その結果、永久磁石とロータ・シャフトの間でスリップが生じず、一方で、永久磁石がロータから分離されない。特に高速回転で、永久磁石に作用する遠心力は極度である。特に、モータが荷重を受けるとき、すなわち、力が生じるとき、永久磁石とロータ・シャフトの間の剪断力もまた高く、それはロータ・シャフトに関して永久磁石を「ねじり」たがる。

上記のように、このような永久磁石同期モータは、少なくとも３つのステータ・コイルを有するステータによって生成される回転磁場において駆動され、それは永久磁石を有するロータを駆動する。これは、ロータがステータ・コイルを制御することによって生成される磁場の前を連続的に動作することによって「後ろに引かれる」ように、モータの回転方向におけるロータの磁場の指向を「引き離す」ステータの中の「瞬間的な」磁場状況という事実に起因して引き起こされる。

このような永久磁石同期モータは、発電機としてもまた動作し得る。ここで、ロータが機械的力によって駆動され、且つその永久磁石を有するロータの運動が少なくとも３つのステータ・コイルにおいて誘起電圧をもたらす。

このような模範的ロータが図６に示される。図６は、４つの模式的に例示される永久磁石１０１，１０２，１０３，１０４が適用されるためのロータ・シャフト１００を示す。図６において模式的に示されるように、交互のノース磁極Ｎとサウス磁極Ｓが外側および内側に配置されるように、個々の永久磁石が９０°セクタに適用され、且つ磁化される。図６の断面図において示されるロータが少なくとも３つのコイルを備えるステータの中で回転される場合、正弦波の電気的誘起電圧の殆どは、コイル端子のそれぞれで感知され得る。

図６に示されるロータは、異なる理由のために理想的ではない。

一つの理由は、減じた機械的安定性である。ロータ・シャフト１００の表面と永久磁石の隣接面との間の剪断力のため、スリップが、一方では永久磁石のリングと、他方ではロータ・シャフトとの間に生じ得、または非常に高い負荷が、例えば、用いられた接着性接続に加えられる。これは、永久磁石がロータ・シャフトから部分的にまたは完全に分離されることに影響を及ぼし得、特に高速回転で、永久磁石が部分的に分離され、および隣接するステータ要素に衝突することに影響を及ぼし得、且つモータの破壊という結果になる。

さらなる理由は、３つのステータ・コイルにおける誘起電圧が発電機の動作の場合における正弦波であり、且つモータの動作においてモータを操作するための３つのステータ・コイルに印加される電圧もまた正弦波であろうことである。正弦波電圧をスイッチングすることは、しかしながら、一般に且つ特にデジタル環境において不利になる。

本発明の目的は、改良されたロータ概念を提供することである。

この目的は、請求項１に係るロータ、請求項１５に係る電気モータもしくは発電機、または請求項１６に係るロータの製造方法によって解決される。

永久磁石の放射状実測厚さがロータ・シャフトの円形断面を有する隣接領域においてよりもその領域において大きいように、本発明は、断面において円形セクタの形状を有する非永久磁石が円形断面を有するシャフトに適用され、しかし、シャフトが円形断面に関して減じた半径を有する領域を備えるという認識に基づく。

ロータ・シャフトの減じた半径を有するこの領域は、異なる利点を得る。一つの利点は、ロータ・シャフトの材料が永久磁石の材料と「連結する」ため、永久磁石とロータ・シャフトとの間の機械的接続が接線の剪断力に関して改良される。このように、ロータ・シャフトから永久磁石へのまたはその逆の動力伝達は、接着剤層などによってだけでなく、２つの部品の材料が実際に「共にフックする」という事実によっても行われる。さらなる利点は、永久磁石の有効厚さ、ここで周囲に沿って変動し、周囲の結果に沿って変動する概念的な要素磁石の厚さに起因し、それはステータ・コイルにおいて誘起電圧の波形を導出し、それはもはや正弦波でなく多くの矩形波である。これは、発電機の動作においてこの電圧を処理するため、またはモータの動作においてこれらの電圧を生成するための電気回路の著しくより安価な実装を可能とする。

一実施の形態において、永久磁石の有効厚さの変動は、放射状ではなく水平方向または接線方向に、磁石の位置に依存する永久磁石を磁化することによって、さらに多くの矩形波の電圧を得るために、さらに改良される。それによって、有効磁石厚さは永久磁石のポイントそれぞれで存在し、永久磁石の放射状厚さよりも厚く、永久磁石の端部で小さい領域から離れている。さらに、永久磁石が放射状に磁化されるのではなく、水平方向または接線方向に磁化されるため、永久磁石の中心においてさえ、より大きい有効磁石厚さが得られ得、磁石の材料によって「満たされる」減じた断面を有する領域に起因する。

減じた半径を有する領域は、４つの永久磁石を用いる場合に四分円の全体に亘って拡張されず、または２つだけの永久磁石を用いる場合に半円の重要な領域に亘って拡張されないが、減じた半径を有する領域、円形断面に関して標準の半径を有する領域からもまた離間して存在するような、特定の領域を単に採用する。この領域は、永久磁石が載置されるシャフトの載置領域において、ロータ・シャフトが弱められ過ぎないことを確実にする。永久磁石は、単に四角の載置領域（すなわち、シャフトが円形断面から四角形へと減じられた場所）に載置される場合、ロータ・シャフトの安定性がこの載置領域において著しく減じられるだろう。特に高温および高速回転で、これがこれらの領域においてシャフトが剛性を損失する結果を有し得、且つそれ故に、丸みのなさは、より低いまたはモータまたは発電機の標準速度の範囲であり得る機械的共振周波数という結果を引き起こし、それは特に不利になる。本発明の実施の形態において、載置領域において減じた半径を有する領域は、円形セクタの３分の２よりも小さく、且つ好ましくは永久磁石によって定義される円形セクタの半分よりも小さいことでさえ満たすように実装される。

このように、本発明によれば、ロータは、一方で機械的安定性、他方で容易な発電またはステータ・コイル電圧の処理を可能にする電気的な効果を提供される。

本発明の好ましい実施の形態は、添付図面に関連して下記で議論されるであろう。

断面指示を有するロータの一部の平面図である。 指示された位置での図１Ａのロータの断面図である。 図１Ｂのロータを通る断面図（しかし、具体的な寸法を有する）である。 例えば、熱ポンプにおいて用いられ得るコンプレッサの放射状ホイールを有するロータの平面図である。 磁化方向の指示を有する永久磁石の詳細図である。 発明に関するロータを有するモータまたは発電機の断面図である。 本発明との比較のための４つの永久磁石を有するロータの断面図である。

図１Ａは、断面を有するロータの一部の平面図を示す。ロータは、ロータ・シャフト１０および載置部１２を含み、図１Ａにおいて部分的に示される。図１Ｂは、図１Ａの位置１４でロータ・シャフトを通る断面を示す。図１Ｂにおけるロータは、シャフトの載置位置１２においてシャフトに載置される４つの永久磁石２１，２２，２３，２４だけでなく、断面におけるロータ・シャフト１０も含む。領域３１，３２，３３，３４における永久磁石の放射状実測厚さが、ロータ・シャフト１０の円形断面を有する隣接する領域４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂ，４４ａ，４４ｂにおいてよりも大きいように、載置位置１２において、シャフトは、円形断面に関して減じた半径を有する領域３１，３２，３３，３４を含む。図１Ｂから、領域３１において永久磁石の放射状厚さが永久磁石の放射状厚さより何処でも（例えば、領域４１ａにおいて）大きいことが理解し得る。

永久磁石は、図４において詳細に示される。放射状厚さＤは、領域３１においてマークされ、且つ円形の交差形セクションを有する領域においてより小さい放射状厚さｄもまたマークされる。図４における底ライン５０は、円形の領域において放射状厚さｄに関して垂直な厚さを示す。永久磁石に沿って矢印５２によって表される垂直な厚さは、ライン５４において文字「ｌ」および「ｋ」によって示されるように、左から右に、長い垂直な厚さｓ、短い垂直な厚さｋ、再び長い垂直な厚さｌ、再び短い垂直な厚さｋ、および再び長い垂直な厚さｌを含む曲線を有する。放射状厚さに対する永久磁石の垂直な厚さのそれぞれの比は、垂直な厚さが長い場所で約１．２１、且つ放射状厚さが短い場所で約１．０４である。

本発明の実施の形態において、永久磁石における個々の「要素磁石」の方向が矢印５２に沿って正確に延びるように、永久磁石が磁化される。これは、永久磁石における要素磁石の有効な長さが、永久磁石の垂直な長さのように永久磁石の曲線に沿って変動することを意味する。要素永久磁石の有効な長さのこの変動は、ステータ・コイルの誘起電圧がもはや正弦波でなく、むしろ矩形の波形の傾向であるという効果を有する。これは、ロータが発電機において用いられる場合、特に特有の利点である。ロータが、しかしながら、電気モータにおいて用いられる場合、このロータが、例えば、断面で図１Ｂにおいて、示されるように、むしろ矩形波の電圧を用いて制御されるとき、最適動作が得られる。むしろ矩形波の電圧は、特に発電機または電気モータの動作において、むしろ正弦波の電圧よりも、例えば簡単なスイッチングトランジスタを用いることによって、著しくより少ない努力で処理され得る。したがって、図１Ｂのロータ・シャフトの平らにされた部分３１，３２，３３，３４は、２つの利点を提供する。一つの利点は、永久磁石とロータ・シャフトの材料の「連動」に起因するロータ・シャフトと永久磁石の間の改良された機械的接続である。二つ目の利点は、矩形波の電圧が制御するために用いられ得または誘起されることであり、簡単なスイッチを用いてむしろ矩形波の電圧を処理することが、正弦波の電圧を処理する場合よりもとてもより少ない努力で可能となるだろう。

図２は、図１と同様の断面を示すが、寸法記入を有する。図３に基づいて例示されるような熱ポンプの遠心羽根車のための図２に示されるロータの実施の形態において、１７．６ｍｍの円形断面を用いることが好ましい。減じた半径を有する平らにされた部分または領域は、直径が１６．４８ｍｍであるように実装される。永久磁石の放射状厚さは２．７ｍｍであり、且つロータの全体は、安定性を改良するためにリング状のスリーブ６０によって囲まれ、それは比較的薄い手段で実装される。一実施の形態において、リングまたは円形のスリーブは１．２ｍｍの厚さを有する。

本発明の一実施の形態において、減じた半径を有する領域が永久磁石の中心に沿って対称的にそれぞれ実装されるように、４つの永久磁石は９０°セクタにおけるロータ・シャフトに沿って対称的に配置される。さらに、２０°以上且つ大きくても８０°の寸法で減じた断面を有する領域によって占められるセクタを実装することが好ましい。具体的に好ましい実施の形態において、この範囲は３５°と４５°の間で、且つ図２に示される実施の形態において４０°である。シャフトの載置部の残りの部分、すなわち、減じた断面を有する領域によって占められない領域は、円形の断面を用いて実装される。したがって、図２に示される実施の形態において、約５０°を有するセクタは、ロータ・シャフトの半径または断面が減じない場所で、ロータ・シャフトの減じた半径を有する２つの領域の間で常に減じられないという結果になる。永久磁石の場合と比べてロータ・シャフトの改良された機械的安定性というこの結果は、断面において長方形であるロータ・シャフトの載置部に適用される。それによって、静かでとても良好な機械的安定性に伴って、高速回転が機械的共振の範囲に達する望ましい回転速度なしで得られ得る。

本発明の実施の形態において、図３に示されるように、ロータは、遠心羽根車７０に接続され、載置部１２もまた図３に示される。遠心羽根車７０は、熱ポンプのコンプレッサにおいて、蒸発された作動流体を圧縮するために実装される。この熱ポンプにおいて、好ましくは、水が作動流体として用いられ、熱ポンプの直径が適切な直径の中にあるべき場合、高速回転が水蒸気を圧縮するために必要とされる。回転速度は、発明に関するロータによって安全且つ効率的に得られ得る。

図５は、モータまたは発電機を通る断面を示し、モータまたは発電機は、ロータが駆動されることによって、回転磁場がステータの中に結果としてなるように、３つのフェーズ９１，９２，９３によって制御される少なくとも３つのコイルを備える。

２つの永久磁石を有する実装ロータに応じて、４つの永久磁石、６つの永久磁石、または如何なる他の永久磁石の数でさえ用いられ得る。ロータ・シャフトは、永久磁石それぞれを載置するために、図１Ｂに示される平らにされた領域のように、減じた半径を有する領域を備える。６つの永久磁石が用いられる場合、６つの平らにされた領域があり、または２つだけの永久磁石が用いられる場合、２つの平らにされた領域があるだろう。

３つのコイルを有するステータを有するモータまたは発電機が図５において記載される一方で、代わりに、６，９，１２，１５，１８または３で割り切れるコイルの如何なる番号のそれぞれを有するステータが用いられ得る。そのとき、コイルはステータに沿って適宜に配置され、１つ且つ３つのフェーズ９１，９２，９３の同じフェーズによってそれぞれ制御される。したがって、ステータは、通常、ポール・シューズ（ｐｏｌｅ ｓｈｏｅｓ）を有する金属シート積層体を有する。コイルはポールの外観の間の螺旋状ギャップにおける曲折である。また、ロータがステータに挿入される場合、ポール・シューズは永久磁石の外側の制限に向かって方向付けられ、すなわち、ステータに関して、また、ロータの軸に関して対称的に放射状でもある。

永久磁石は、異なる手段でロータ・シャフトに接続され得、接着剤による接続が好ましい。代わりに、溶接、はんだ付けまたは接続することの如何なる他の形式も用いられ得る。

一方で、上記した平らにされた領域は、減じた断面を有する領域の例として例示されたが、平らにされた領域の表面は必ずしも平面でなく、構造化され得ることが留意されたい。上記のように、平らにされた領域は、波打たされるかまたは如何なる他の方法でもまた実装され得る。更なる改良によって、減じた断面を有する領域の特定の形状により、ステータのコイルの中のおそらく矩形波電圧の曲線を得ることができる。さらに、ロータ・シャフトの長さに沿って減じた断面を有する領域は、必ずしもロータ・シャフトの同じ角座標に配置されなくてもよいことを留意されたい。しかし、例えば特定の機械的特徴を再び得るために、または図６の比較例によって例えば得られるような通常の正弦波電圧の曲線よりも効率的に処理され得る特定の電圧波形を得るために、螺旋状またはスパイラル状にもまた配置され得る。

図１Ｂは、個々の永久磁石は斜角９０が備わっていることをさらに示す。これらの斜角は、減じた磁場または多くの矩形波信号波形に向かって流れ込むための磁場の更なる形成をもたらす。上記のように、ギャップが２つの永久磁石の間に存在することが図１Ｂにおいて理解され得る。セクタが基準セクタ角度数よりもそれぞれ僅かに小さいように、すなわち、４つの永久磁石を用いる場合９０°よりも僅かに小さいように、永久磁石が形成される。これは、不可避の製造公差に関してさえ、個々の永久磁石がロータ・シャフトの載置部に適切に置くことを確実にする。

本発明に関する主題の様々な特徴は、上記した図面および記述における装置の特徴として記述された。しかしながら、この記述は、方法ステップそれぞれの記述として等しく考慮され得ることもまた留意されたい。上記のように、方法ステップの上記の記述は、装置の特徴それぞれの記述としてもまた類似的に適用する。

Claims (9)

1. ロータは、
   シャフトの載置領域に沿って載置部（１２）を有するロータ・シャフト（１０）と、
   前記ロータ・シャフト（１０）で前記載置部（１２）に載置される複数の永久磁石（２１，２２，２３，２４）とを備え、前記永久磁石（２１，２２，２３，２４）は、それらが前記載置部（１２）における連動手段において前記ロータ・シャフト（１０）に接続されるように形成され、且つ前記永久磁石の対称軸が水平または垂直な基準軸と一致するように前記ロータ・シャフトが方向付けられる場合、前記複数の永久磁石は垂直または水平な方向において磁化され（５２）、
   平らにされた領域における永久磁石（２１）の放射状実測厚さが前記ロータ・シャフト（１０）の減じてない半径を有する隣接する平らにされてない領域においてよりも大きいように、前記ロータ・シャフトは、前記載置部において、平らにされてない領域における円形断面に関して減じた半径を有する４つの平らにされた領域（３１，３２，３３，３４）を備え、
   前記４つの平らにされた領域（３１，３２，３３，３４）は、前記ロータ・シャフトの周囲に沿って対称的に配置され、平らにされた領域それぞれは、少なくとも３５°且つ最大で４５°の角度セクタを含み、平らにされた領域は、２つの隣接する平らにされてない領域ともによりも角度セクタに関して小さく、且つ平らにされた領域における永久磁石および前記載置部における２つの隣接する平らにされてない領域は、連動手段において前記ロータ・シャフト（１０）に接続される、ロータ。
2. 前記永久磁石は、前記ロータ・シャフトに関して放射状に広がるギャップ（９１）によって間隔が空けられる、請求項１に記載のロータ。
3. 前記永久磁石（２１，２２，２３，２４）のコーナーは、斜角（９０）を備える、請求項１または２に記載のロータ・シャフト。
4. リング状の載置スリーブ（６０）は、前記永久磁石の周りに配置される、請求項１〜３のいずれかに記載のロータ・シャフト。
5. 前記平らにされた領域（３１，３２，３３，３４）は、平らなまたは平らでない表面を有する、請求項１〜４のいずれかに記載のロータ。
6. 前記ロータ・シャフト（１０）は平らにされてない領域において１５ｍｍと３０ｍｍの間の直径を有し、前記平らにされた領域における直径は前記平らにされてない領域における直径の少なくとも８５％且つ最大で９８％である、請求項１〜５のいずれかに記載のロータ。
7. 前記ロータ・シャフトは、熱ポンプのためのコンプレッサの遠心羽根車（７０）に接続される、請求項１〜６のいずれかに記載のロータ。
8. 電気モータまたは発電機は、
   前記請求項１〜７のいずれかに記載のロータと、
   少なくとも３つのコイルを有するステータと、
   前記ステータが回転磁場を前記ロータに適用するように、前記３つのコイルを制御する（９１，９２，９３）ための制御装置とを備え、前記制御装置は前記３つのコイルのための制御信号をスイッチングするためのスイッチを備える、電気モータまたは発電機。
9. ロータの製造方法は、
   ロータ・シャフトの載置部に複数の永久磁石を載置することを備え、前記永久磁石（２１，２２，２３，２４）は、それらが連動手段における前記載置部（１２）において前記ロータ・シャフト（１０）に接続されるように形成され、且つ前記永久磁石の対称軸が水平または垂直な基準軸と一致するように前記ロータ・シャフト（１０）が方向付けられる場合、前記複数の永久磁石は垂直または水平な方向において磁化され（５２）、
   平らにされた領域における永久磁石（２１）の放射状実測厚さが前記ロータ・シャフト（１０）の減じてない半径を有する隣接する平らにされてない領域においてよりも大きいように、前記ロータ・シャフトは、前記載置部において、平らにされてない領域における円形断面に関して減じた半径を有する４つの平らにされた領域（３１，３２，３３，３４）を備え、
   前記４つの平らにされた領域（３１，３２，３３，３４）は、前記ロータ・シャフトの周囲に沿って対称的に配置され、平らにされた領域それぞれは、少なくとも３５°且つ最大で４５°の角度セクタを含み、平らにされた領域は、２つの隣接する平らにされてない領域ともによりも角度セクタに関して小さく、且つ平らにされた領域における永久磁石および前記載置部における２つの隣接する平らにされてない領域は、連動手段において前記ロータ・シャフト（１０）に接続される、ロータの製造方法。