JP2020512807A - 低振動及び低抵抗損失の高速用途のための永久磁石三相機械 - Google Patents

Abstract

最小の磁気抵抗トルク及び電磁トルクリップル、並びに、巻線の単位ボリューム当たり最大のエネルギー効率及び始動トルクをもつ小型三相永久磁石回転機械は、３（２ｎ＋１）個の強磁性極及びスロットを含む電機子であって、ｎが１以上の整数である、電機子と、２つ、４つ、又は６つの永久磁極を含む永久磁石組立体とを備える。巻線の三相の各々が、複数のコイルを備え、各々が、それぞれの強磁性極の周りに巻き付けられており、それぞれの極の各側のすぐ近くに位置するスロットのペアを占有する。特定の相のコイルが、２ｎ＋１個の極を包含する強磁性極の円形アレイの区域内に位置する。

Description

[01] 本発明は、モーター及び発電機などの三相永久磁石回転電気機械の改善に関する。より具体的には、本発明は、小型化、エネルギー効率、巻線の単位ボリューム当たりのモーター始動トルク、及び、動作速度を最大化しながら、磁気抵抗トルク及び電磁トルクリップルを最小化する改善に関する。本発明は、さらに、磁気抵抗トルク及び電磁リップルの最低周波数成分、及び後続の高調波を、より低い周波数範囲から、人間により聞かれる、及び感じられる可能性の低いものより高い周波数範囲に動かす改善に関する。

[02] スロット付き電機子及び多コイル相を含む永久磁石モーターは、米国特許第４，４３７，０２９号及び第４，５３２，４４９号に示されるモーターにより例示されるように、磁気抵抗トルクを低減し、従って振動を低減するために、奇数個のスロット及び電機子極及び偶数個の永久磁極を使用してこれまでに製造されてきた。しかし、このようなモーターのための巻線のコイルは、互いに重ね合わされるか、又は、重ね合わされない場合、３相より多くの相の使用を必要とする。前者の場合において、重ね合わされたコイルは、巻線におけるワイヤの量を最大化し、それにより、そのボリュームとインピーダンスとの両方を最大化し、その効率と１巻当たりのトルク（又は、ｅｍｆ）とを最小化する傾向がある。後者の場合において、多数の相は、複雑になり費用を高くする、相応に多数となる相スイッチング回路の必要性という理由から望ましくない。

[03] 個々のコイルが互いに重ね合わされない多コイル相を含む三相永久磁石モーターが設計されている。しかし、コイルが重ならない場合であっても、１つの相のコイルが別の相のコイル間の隙間に挿入されるので相が重なる。このような巻線構成は、高速用途において有益なように自己インダクタンスを最小化するが、電磁トルクリップルを生成し、ワイヤの単位ボリューム当たりの始動トルクを低減し、いずれも、多くの用途において不利益となる。

[04] 逆に、米国特許第４，１８８，５５６号により例示される、同数の電機子スロット及び永久磁極を含むモーターは、多くの用途において有害な振動を生成する大幅な磁気抵抗トルク、又は「コギング」トルクを特徴とする。

[05] 当技術分野においてこのような欠陥に対処することを試みた設計が、米国特許第４，７７４，４２８号において説明されている。このような設計は概して効果的であるが、より低い速度（例えば、６ｋｒｐｍから１５ｋｒｐｍ）においてのみである。より高い速度では、比較的多くの極数のこのような設計は、非常に高いパルス幅変調（ＰＷＭ）スイッチングを必要とし、より高い制御装置電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）及びコアの損失をもたらす。

[06] 従って、小型化と、最小の磁気抵抗トルク及び電磁トルクリップルと、高速（例えば、１５ｋｒｐｍを上回る）動作に適した最大のエネルギー効率及びワイヤの単位ボリューム当たりの始動トルクとのすべての目的を適合する形態で満たす三相永久磁石回転電気機械の必要性が存在する。

[07] 本発明は、モーター又は発電機などの三相永久磁石回転機械において前述の競合する目的のすべてを適合する形態で満たす特徴の固有の組み合わせを提供する。本機械は、永久磁石組立体に対して内部又は外部にある電機子を含み、半径方向又は軸方向ギャップを含む。本発明の原理に基づき、同様の数のスロットにより互いに離されて円形アレイに配置された３（２ｎ＋１）個（ｎは、１以上の整数である）の突出した強磁性極を含む強磁性コアを含む電機子と、２つ、４つ、又は６つの磁極の円形アレイを含む永久磁石組立体とが、相互に対する相対的な回転のためにマウントされている。この構造物は、磁気抵抗トルクの大きさが最小化されるとともに、１回転当たりのその周波数が最大化されるように、電機子の強磁性極とは異なる数の永久磁極と組み合わされて、複数のコイルを各々が含む三相の使用を可能にする。三相巻線の小型化及び高エネルギー効率は、各コイルがそれぞれの電機子極の各側のすぐ近くに位置するスロットのペアを占有するように、それぞれの強磁性電機子極の周りに各相の各コイルを巻き付けることにより達成される。この構造物は、それぞれのコイルのあらゆる重なりを避け、結果として、コイルワイヤのボリュームを最小化し、結果として、１巻当たりのその効率及びトルク（又は、ｅｍｆ）を最大化しながら、巻線のインピーダンスを最小化する。

[08] 相及び相の個々のコイルが互いに重ならないように、各相のコイルを電機子の限られた区域に集中させることにより、電磁トルクリップルの最小化、及び、ワイヤの単位ボリューム当たりの始動トルクの最大化が達成される。これは、各相のコイルが２ｎ＋１個の電機子極のみを包含する電機子極の区域内に位置する２ｎ＋２個の電機子スロットを占有するようにすること、及び、極性を交互にして、又は極性を交互にせずに、コイルを巻き付けることにより達成される。交互になった極性のコイルの近い配置は、各相の自己インダクタンスを大きくするが、異常に高いモーター速度における場合を除いて、結果として得られるインピーダンスの増加は取るに足らない。

[09] 一実施形態において、三相永久磁石回転電気機械が提供される。本機械は、強磁性極間に隙間があって位置する同数のスロットにより互いに離されて円形アレイに配置された３（２ｎ＋１）個の突出した前記強磁性極を含む強磁性コアを含む電機子であって、ｎが１以上の整数である、電機子と、２つ、４つ、又は６つの磁極の円形アレイを含む永久磁石組立体と、相互に対して相対的な回転のため前記電機子と前記永久磁石組立体とをマウントするための手段と、前記スロット内において前記電機子にマウントされた三相コイル手段であって、前記コイル手段の三相の各々が、複数のコイルを備え、各コイルが、それぞれの強磁性極の周りに巻き付けられており、各前記極が１つの相のコイルを使用して巻き付けられた、三相コイル手段とを備える。

[10] 各コイルは、強磁性極の各側のすぐ近くに位置するスロットのペアを占有する。

[11] 相内のコイルは、他の相により互いに隙間があって分離される。

[12] 各相のコイルのすべてが、強磁性極の円形アレイの所定の区域内に位置し、前記コイル手段の各相のコイルは、同じ極性、又は交互になった極性で巻き付けられており、２ｎ＋２個のスロットを占有し、２ｎ＋１個の強磁性極を包含する強磁性極の前記円形アレイの区域内に位置する。

[13] 永久磁石組立体は、２つの磁極のみを含む。永久磁石組立体は、４つの磁極のみを含む。永久磁石組立体は、６つの磁極を含む。

[14] 電機子は、永久磁石組立体の内部に配置される。

[15] 電機子は、永久磁石組立体の外部に配置される。

[16] 本発明のこれらの、及び他の目的、特徴、及び特性、並びに、動作の方法、構造物の関係する要素及びパーツの組み合わせの機能、及び、製造の経済性が、そのすべてが本明細書の一部を形成する添付図面を参照した以下の説明及び添付の特許請求の範囲の検討により、より明らかとなり。様々な図内において同様の参照符号は対応する部分を指す。しかし、図面が例示及び説明のみを目的としていること、及び、本発明の限定の定義であることが意図されているわけではないことが明らかに理解される。

[17] 本発明の例示的な半径方向ギャップの実施形態の概略図である。 [18] 図１のデバイスに適した巻線の一実施形態の概略図である。 [19] 図１のデバイスに適した代替的な巻線の実施形態の概略図である。 [20] 本発明の別の例示的な半径方向ギャップの実施形態の概略図である。 [21] 本発明のさらに異なる別の例示的な半径方向ギャップの実施形態の概略図である。 [22] 本発明のさらに異なるさらなる例示的な半径方向ギャップの実施形態の概略図である。

[23] 本明細書において使用されるとき、単数形に対応した表現は、コンテキスト上、他の意味に明示的に規定される場合を除き、複数形による参照を含む。本明細書において使用されるとき、２つ以上のパーツ又はコンポーネントが「結合された」という記述は、直接的に、又は間接的に、すなわち、連結した状態となる限り１つ又は複数の中間パーツ又はコンポーネントを介して、パーツが一緒になって接続されている、又は動作することを意味する。本明細書において使用されるとき、「直接結合された」とは、２つの要素が互いに直接接触することを意味する。本明細書において使用されるとき、「固定して結合された」又は「固定された」とは、２つのコンポーネントが互いに対する一定の配向を維持しながら一体となって動くように結合されていることを意味する。

[24] 本明細書において使用されるとき、「単体の」という用語は、コンポーネントが単一の部品又はユニットとして生成されることを意味する。すなわち、別々に生成された後にユニットとして一緒に結合された部品を含むコンポーネントは、「単体の」コンポーネント又はボディではない。本明細書で使用される場合、２つ以上のパーツ又はコンポーネントが互いに「係合」するという記述は、パーツが互いに対して直接的に、或いは１つ又は複数の中間パーツ又はコンポーネントを通して力を加えることを意味する。本明細書で使用される場合、「数」という用語は、１又は１より大きい整数（すなわち、複数）を意味する。

[25] 本明細書で使用される、例えば、限定されないが、上部、底部、左、右、上側、下側、前、後、及び、その派生語などの方向の表現は、図面に示される要素の向きに関係しており、特許請求の範囲に明示的に記載されない限り特許請求の範囲に対する限定ではない。

[26] 図１に示される本発明の例示的な実施形態を参照すると、全体として１０と示される回転電気機械は、強磁性体環状コア又はハウジング１４を備える外部永久磁石回転子組立体１２を備え、強磁性体環状コア又はハウジング１４の内面に、セラミックスフェライト、希土類コバルト、又は、他の適切な種類の半径方向に、又は直径方向に（平行に）励磁された永久磁石１６の円形アレイがマウントされている。電機子１８は、固定子として機能し、極２２間の隙間に位置するスロット２４により互いに離されて円形アレイに配置された、及び、環状半径方向ギャップ２６によりそれぞれの永久磁石１６の極から離された、突出した強磁性極２２を含むラミネートされた強磁性コア２０を備える。

[27] 回転子及び固定子は、内容が参照により本明細書に組み込まれる米国特許第４，５４０，９０６号に示されるものなどの任意の適切なベアリング組立体による相互に対する相対的な回転のためにマウントされる。永久磁石回転子組立体はブラシレス整流を可能にするが、永久磁石組立体は、代替的に、機械的に整流された電機子と連携して固定子として機能し得る。

[28] 図１のデバイスに対する巻線の３つの相Ａ、相Ｂ、及び相Ｃのそれぞれの位置は、強磁性電機子極Ａ１、Ａ２、Ａ３；Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３；及びＣ１、Ｃ２、Ｃ３のそれぞれの集合により図１に示される。直線状に延びたそれぞれの電機子極の概略的な半径方向の図である図１Ａに示されるように、Ａなどの典型的な相は３つのコイルを含み、各々がＡ１、Ａ２、Ａ３などのそれぞれの電機子極の周りに巻き付けられており、どのコイルもすべての他のコイルと重ならないように、それぞれの電機子極の各側に直接隣接して位置するスロットのペアを占有する。相Ｂ及び相Ｃは、それぞれ、相Ａと同様に、相Ｂ及び相Ｃのそれぞれの極Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、及び、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３に巻き付けられているが、電流の方向は当業者によく知られているように整流に依存する。図１Ｂは、相Ａに対する代替的な構成を示し、他の２つの相Ｂ及び相Ｃは同様に巻き付けられている。異なる性能を達成するために、相Ａ、相Ｂ、及び相Ｃの他の構成が使用されてよいことが理解される。

[29] 図１Ａ及び図１Ｂに示される巻線の両方の実施形態において、個々のコイルが互いに重ね合わされないだけでなく、同様に相も互いに重ね合わされない。むしろ、各相Ａ、Ｂ、Ｃは図１において破線により示されるように、電機子極２２の円形アレイのそれぞれの排他的な区域に制限される。コイルの重なりを避けることが、必要なワイヤのボリュームを最小化することにより、最高の小型化及び効率を提供するとともに、相の重なりを避けることが、電磁トルクリップルを最小化し、ワイヤの単位ボリューム当たりの始動トルクを最大化する。従って、各極が１つの相のコイルを使用して巻き付けられており、従って、各コイルは、それぞれの電機子極２２の各側のすぐ近くに位置するスロット２４のペアを占有する。

[30] その一方で、４つの永久磁極（４つの永久磁石１６）及び９つの強磁性電機子極２２の組み合わせが、より多数の歯及びスロット間においてトルクを分割することにより、磁気抵抗トルク及び電磁リップルの最低周波数成分の強度を最小化する。さらに、配置は磁気抵抗トルク及び電磁リップルの最低周波数成分をより低い可聴周波数範囲から、人間により聞かれる、又は感じられる可能性の低いものである、より高い周波数範囲に動かす。３（２ｎ＋１）個の歯又はスロットの使用は、銅の量を減らす手法により電機子の周りにおける相の巻き回しを分散させ、それにより、銅損を減らす。

[31] 同じ原理は、ｎが１以上の整数であるとき強磁性極の数が３（２ｎ＋１）に等しく、永久磁極の数が２、４、又は６に等しい限り、異なる数の永久磁極及び強磁性極に着目した本発明の他の実施形態に適用される。永久磁石回転子組立体１２’において２つの永久磁石１６’のみ（従って、２つの磁極のみ）を使用する、図１の機械１０と同様の、全体として１０’と示される回転電気機械の例示的な配置が図２に示される。

[32] さらなる代替例として、電機子は、永久磁石組立体がその内部に位置する固定子又は回転子として機能する外部要素であり得る。図３及び図４は、外部電機子１１８の内部にある永久磁石回転子組立体１１２及び１１２’を含む、本発明の例示的な実施形態による回転電気機械１００及び１００’の例を示す。図１の回転子組立体１２と同様の、図３の回転子組立体１１２は、４つの永久磁極を使用し、従って、４つの永久磁石１１６を含む。図２の回転子組立体１２’と同様の図４の回転子組立体１１２’は、２つの永久磁極を使用し、従って、１つの永久磁石１１６を含む（永久磁石１１６の両方の磁極が使用される）。

[33] 特許請求の範囲において、括弧間に位置するいずれの参照符号も、請求項を限定すると解釈されてはならない。「備える」又は「含む」という用語は、請求項において列挙される要素及びステップではない要素及びステップの存在も排除するわけではない。いくつかの手段を列挙したデバイスの請求項において、これらの手段のうちのいくつかは、同じ１つの部材のハードウェアにより具現化されてよい。単数形の表現は、複数のこのような要素の存在を排除しない。いくつかの手段を列挙した任意のデバイスの請求項において、これらの手段のうちのいくつかが、同じ１つの部材のハードウェアにより具現化されてよい。単に特定の要素が相互に異なる従属請求項に記載されているということが、これらの要素が組み合わせて使用されることができないことを示すわけではない。

[34] 現時点で最も実用的で好ましい実施形態であると考えられるものに基づいて例示を目的として本発明が詳細に説明されてきたが、このような詳細はそれだけを目的としており、本発明は開示される実施形態に限定されるのではなく、むしろ、添付の請求項の趣旨及び範囲に入る変形例及び均等な構成を包含することが意図されることが理解される。例えば、本発明は、可能な限りにおいて、任意の実施形態の１つ又は複数の特徴が任意の他の実施形態の１つ又は複数の特徴と組み合わされ得ることが想定されることが理解される。

Claims (9)

1. 強磁性極間に隙間があって位置する同数のスロットにより互いに離されて円形アレイに配置された３（２ｎ＋１）個の突出した前記強磁性極を含む強磁性コアを含む電機子であって、ｎが１以上の整数である、前記電機子と、
   ２つ、４つ、又は６つの磁極の円形アレイを含む永久磁石組立体と、
   相互に対して相対的な回転のため前記電機子と前記永久磁石組立体とをマウントするための手段と、
   前記スロット内において前記電機子にマウントされた三相コイル手段であって、前記三相コイル手段の三相の各々が、複数のコイルを備え、各コイルが、それぞれの強磁性極の周りに巻き付けられており、各極が１つの相のコイルを使用して巻き付けられた、前記三相コイル手段とを備える、三相永久磁石回転電気機械。
2. 各コイルは、前記強磁性極の各側のすぐ近くに位置する前記スロットのペアを占有する、請求項１に記載の三相永久磁石回転電気機械。
3. 相内のコイルは、他の相により互いに隙間があって分離される、請求項１に記載の三相永久磁石回転電気機械。
4. 各相のコイルのすべてが、前記強磁性極の前記円形アレイの所定の区域内に位置し、前記コイル手段の前記各相のコイルは、同じ極性、又は交互になった極性で巻き付けられており、２ｎ＋２個のスロットを占有し、２ｎ＋１個の前記強磁性極を包含する前記強磁性極の前記円形アレイの区域内に位置する、請求項１に記載の三相永久磁石回転電気機械。
5. 前記永久磁石組立体は、２つの磁極のみを含む、請求項１に記載の三相永久磁石回転電気機械。
6. 前記永久磁石組立体は、４つの磁極のみを含む、請求項１に記載の三相永久磁石回転電気機械。
7. 前記永久磁石組立体は、６つの磁極を含む、請求項１に記載の三相永久磁石回転電気機械。
8. 前記電機子は、前記永久磁石組立体の内部に配置される、請求項１に記載の三相永久磁石回転電気機械。
9. 前記電機子は、前記永久磁石組立体の外部に配置される、請求項１に記載の三相永久磁石回転電気機械。

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