JP2799209B2 - 電気機械 - Google Patents

電気機械

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JP2799209B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は永久的な励磁系を有する第１機能部分と導電
系を有する第２機能部分とを含み、第１および第２機能
部分が空隙の活性領域に沿って相対的に可動となった電
気機械に関する。
この定義は最も広義の電気機械であり、唯一、永久的
な励磁系という記載によって電気機械の分野における特
定の部分であることを明らかにしている。このタイプの
電気機械は、永久的なＮおよびＳ磁極が活性領域におい
て互いに交互となり、隣接した磁極間の機能的に必要な
復磁路が活性領域とは反対の側の永久磁石の後側の鉄に
より形成されるような形式か、あるいは異なる方向に磁
化された均一の磁性体の部分領域が永久磁石であるよう
な形式となっている直流モータに最も多く見られる。第
２機能部分は個々の磁極に関連した巻線または２個の形
の導電系を含む。この電動機が作動されるためには個々
の巻線の電流の方向は２つの機能部分の夫々の相対動作
後に特定の距離だけ反転させねばならないのであり、こ
れは機械的または電子的な整流により行うことができ
る。
本発明の目的は重量または体積に対し、高いトルクと
出力をその構成に基づきつくることのできる前記の形式
の電気機械を提供することである。
この目的を達成するために、本発明による電気機械
は、第１機能部分が相対動作の方向において順次にその
相対動作方向に磁化され永久磁石と透磁性材料部分の交
互配列を含んでいること、この透磁性材料部分の夫々が
活性領域に面して２個の隣接する永久磁石の磁束横断領
域の面積の和より小さい磁束出口領域を有し、永久磁石
の磁束がこの活性領域に集中されるようになっているこ
と、相対動作方向において永久磁石の幅がそれらの活性
領域からの距離の増加に伴い増加しそして透磁性材料部
分の幅がそれらの活性領域からの距離の増加に伴い減少
することを特徴とする。
従来の電気機械では励磁系の永久磁石の磁界強度の上
限は永久磁石の材料によりきまり、それにより活性領域
における磁束密度の上限が与えられる。これらパラメー
タを別として、従来の電気機械のトルクを増加するには
活性領域を大きくしなければならない。回転型の電気機
械の場合には、これは直径をまたは軸方向長さを大きく
することを意味する。
本発明は第１機能部分から第２機能部分へと活性領域
を横切る空隙の磁界強度を、使用する永久磁石の残留磁
束密度より著しく大きくすることによる、基本的に異な
る方法を提供する。Ｂ磁界の「変換因子」は、本質的
に、一方の側で永久磁石に隣接する磁性材料部分の活性
領域への磁束出口面積の半分に対する永久磁石の磁束横
断領域の面積の大きさの比によりきまる。この変換因子
は、容易に、1.2より大、あるいは1.3より大、あるいは
1.5より大、あるいは2.0より大となりうる。
空隙におけるＢ磁界が大きいと、導電系の極における
巻線の数は電気機械の寸法を同じとすれば小さくなる。
巻線の数が少くなることにより第２機能部分の２次イン
ダクタンスが小さくなる。これは、回転速度を不変とし
たとき電気機械がより大きい電流を整流するようになる
こと、または同じ電流がより高い回転速度で整流しうる
ことを意味し、機器の性能がそれに対応して向上する。
したがって、電動機の出力を同じにしつつ第２機能部
分に誘導する起電力を減少させることなく、そして、イ
ンダクタンスを変えることなく軸方向長さの短い電動機
を構成する可能性が生じる。上記のこと、本発明により
体積または重量をそのままとして、より大きいトルク若
しくはより大きい出力又は発電機の場合にはより大きい
電気的出力を有する電気機械を構成することができると
いう効果に関連する。云い換えると、出力要求を一定と
すれば電気機械をより小型に、そしてより軽量としう
る。
相対動作方向における永久磁石の幅が活性領域からの
それらの距離の増加に伴い増加すること、および磁性材
料部分のこの幅が活性領域からのそれらの距離の増加に
伴い減少することにより、構造的に好ましい形状、低リ
ラクタンス効果および材料の高い利用率という効果が得
られる。
本発明による電気機械は電動機または電流発生器であ
りうる。電動機としてつくられた機械は発電機モードで
も動作しうる。本発明は、回転動作を行う電気機械に関
するものであり、活性領域は第１および第２機能部分が
互いに半径方向で逆に配置されていれば円筒形となり、
第１および第２部分が互いに軸方向において対向するよ
うに配置されていれば環状となる。従って相対動作の方
向は円形である。
活性領域に面する透磁性材料部分の磁束の出口領域
は、通常、軸方向に間隔をもって第１および第２機能部
分を有する回転型電気機械の場合には平面であり、半径
方向に間隔をもって第１および第２機能部分を有する回
転型電気機械の場合には円筒形であるが、必ずしもそう
である必要はない。この磁束の出口領域がこのような単
純な幾何形状ではないときには夫々の場合について所定
の面積比を決定するために上記の単純な幾何形状の比較
領域に対応する夫々の領域の投影を適当に考慮すること
になる。一般に、励磁系の永久磁石は、相対動作方向に
順に、第１永久磁石のＳ極が第２永久磁石のＳ極の前に
なり、第２永久磁石のＮ極が第３永久磁石の前になり、
第３永久磁石のＳ極が第４永久磁石のＳ極の前になる等
々となるように磁極が交番して接続される。しかしなが
ら、形状はいろいろ考えられるのであり、永久磁石の磁
化方向はそのような交番順序に限定されるものではな
い。更に、本発明の電気機械は、透磁性材料を用いず永
久磁石間に与えられる空隙を有するものとすることもで
きる。
本発明の好適な実施例によれば、第２機能部分に面す
る第１機能部分の表面は、相対動作方向から見て、第２
機能部分に対し多少接近して交互に伸びるようになって
いる。これによる効果は、第１および第２機能部分の特
定の相対位置において機械の個々の磁気回路の磁束が最
大となり、他の相対位置において最大値より小さくなる
ということである。電気的に誘導される磁束が小さい場
合にはその機械のインダクタンスはそれに対応する時点
において低くなるが、これは第２機能部分の導電系にお
ける電流の方向が逆転したときに有利である。電気的に
誘導される磁石が最大となるときのその時点または対応
する時間における機械のインダクタンスは最大となり、
これは導電系が同一方向の電流を受ける期間において有
利である。これは、導電系における電流反転間の期間に
おけるその導電系に時間的に一定の電流ではなく、パル
ス状の電流が給電されるようになった実施例について特
にそうである。上記の効果は活性領域に面する側の透磁
性材料部分の夫々が第２機能部分により近いそれらの中
央部分に伸びるとき、すなわち、空隙の幅がそこで減少
するときに特に有利に達成できる。云い換えると、透磁
性部分は活性領域に面するその側において、空隙の幅が
大きくなるように２個の隣接する永久磁石に面するそれ
らの縁部にくぼみをつけられる。
異なる透磁率を有する材料からなる透磁性部分を相対
動作方向において、組合せることにより同様の効果を得
ることができる。詳細に云えば、夫々の透磁性部分の中
央の部分を透磁率の高い材料とし、その通磁性材料部分
の２つの縁部分を低い透磁率をもつ材料でつくることも
可能である。
適当な永久磁石は夫々すべて同一の材料でつくり、相
対動作方向およびそれに直角の方向の異なる材料層を有
しないものとするとよい。
これら永久磁石は、好適には、μｒが１に近い、空気
の透磁率に近い透磁率をもつ材料からなる。特に適した
材料はSe−Co（Se＝希土類、特にサマリウム）、Fe−Nd
およびある種のフェライトを基本とするものである。こ
れは機械の磁気回路のインダクタンスを減少させるもの
である。
本発明の電気機械は電子的に整流される。そのような
機械は特に制御が容易であり、疲労がないことを特徴と
する。そのような電動機は最も単純な場合には直流形で
あり、そして好適には整流または電流の反転期間におい
て直流電圧が第２機能部分の導電系に加えられ、この導
電系が調整しうる所望の中間電流値を保つための電子的
整流手段によりオン、オフされまたはパルス化される。
整流期間において、この機械のインダクタンスが前述し
たように高い場合に好ましい低いパルス周波数が得られ
る。交流電源が用いられる場合にはこの電動機は中間直
流電圧回路で給電される。
本発明の電気機械は静止型の第２機能部分に対し可動
の第１機能部分あるいは静止した第１機能部分に対し可
動な第２機能部分を含み、あるいは第１および第２機能
部分は共に静止せず、相対動作しうるものとすることが
できる。しかしながら、第１機能部分が電気機械の可動
部分であるときにはそこに電流を供給しなくてもよいか
ら特に好適である。
本発明の電気機械が円筒状の活性領域を有する回転機
械として構成される場合には、外側ロータと内側ロータ
の２つの形式が原理的にある。外側ロータ構造は、励磁
部分のスペースが第２機能部分の導電系よりも小さくて
よいから、与えられた体積について活性領域の直径が大
きくでき、トルクが大きくできる点で有利である。
本発明の電気機械は活性領域とは反対の側の励磁系の
背側に復磁路がないため、永久磁石を透磁性部分を互い
に積極的に接続しそしてまたは活性領域とは反対の側の
励磁系の背後に非透磁性材料からなる負荷担持部分を設
けるとよい。円筒形活性領域を有する回転機械の場合に
はこの負荷を受ける部分は実質的に円筒形であり、環形
の活性領域を有する回転機械の場合には実質的に円形ま
たは環形である。負担を受ける部分はプラスチック材
料、好適には繊維で補強されたプラスチック材料でつく
ることができる。外側ロータの回転機械の場合には、負
荷を受ける部分にリング状のバンデージを設けるか、あ
るいはその部分全体を励磁系の要素を遠心力に対して保
持するリング状のバンドとして設計すると特に有利であ
る。負荷を受ける部分は機械的強度が大きく且つ体積と
重量が夫々小さい現代の材料、特にファイバ材料または
繊維で補強されたプラスチック材料を用いてつくること
ができる。
本発明および本発明の発展した形態を以下の図面に示
す実施例に基づき詳細に説明する。
第１図は、回転動作をする電気機械を、回転軸に対し
て直角の方向における断面として、部材を省略した状態
で概略的に示したものである。
第２図は、回転動作を行う電気機械の一部をその活性
領域に対して直角のそして相対動作方向を含む方向にお
ける断面として示したものである。
第３図は、第２図と比較して変更された電気機械を同
じ断面において示したものである。
第４図は、第１および第２機能部分の相対位置の変化
による第３図の機械のインダクタンスの変化を示すグラ
フである。
第１乃至第３図に概略的に示す機械は電流発生機また
は電動機である。以下の説明は主として電動機としての
ものであるが、同様に構成される電流発生機についても
当業者には明らかである。
第１図の電動機２は外側ロータ電動機であって第１機
能部分４として実質的に筒状の外側ロータが内側のほぼ
円筒状の第２機能部分６、すなわち電動機２のステータ
のまわりで回転するようになっている。ステータ６は周
辺にステータ磁極８を有し、これら磁極は一つの時点で
考えると周辺的に順次ＮまたはＳ極となるものである。
磁極８の夫々は巻線10を有し、これら巻線10が電動機２
の導電系を構成する。
ロータ４はその内側に永久磁石12を有し、これら磁石
は第１図の断面において三角形状を有し、その頂部が半
径方向内向きとなり、隣接する永久磁石12がそれらの半
径方向外側の縁部で互いに当接している。透磁性材料部
分14は第１図の断面において半径方向外向きの頂部を有
する三角形状とされて、隣接する永久磁石12の間に配置
される。永久磁石12と材料部分14は全体として第１図の
断面において環形の形状とされて電動機２の励磁系16を
構成する。永久磁石12と材料部分14はその半径方向外側
においてほぼ円形バンド18で囲まれており、このバンド
は一重または数回重ねとなっており、例えば実質的に周
辺的に伸びるガラス繊維、カーボン繊維、ケブラー繊維
またはプラスチック材料またはそのような繊維で補強さ
れたプラスチック材料からなっている。
ロータ４内周とステータ６の外周の間には通常空隙幅
である半径方向の幅ａを有するほぼ円筒状の活性領域が
配置される。厳密に云うとこの活性領域は２次元の領域
ではなく、相対動作の方向に垂直の方向においてすべて
の位置で必ずしも等しい厚さである必要のない「活性
層」である。
周方向において個々の磁極８はそれらの内側にある材
料部分14とほぼ同じ幅を有する。
永久磁石12の夫々は全体として同じ材料で構成されて
いる。そして、矢印で図示されているように、時計方向
に向うＮ極を有する永久磁石12の次に反時計方向に向う
Ｎ極を有するような永久磁石12が周方向に沿って配列さ
れるように、ロータ４の周方向に磁化される。関係する
材料部分14において、周方向上で隣接する２個の永久磁
石12の磁束横断領域の面積の和が活性領域24への磁束の
出口面積22より大であることから、活性領域24内に存在
する磁束強度は永久磁石12の残留磁界強度よりかなり大
である。
26はステータ６の外周に固定されてそこを通過する永
久磁石12の磁界に応答してロータ４とステータ６の相対
位置を検出するセンサである。センサ26の信号は制御ユ
ニット28に送られる。この制御ユニットは、第１図に示
すようにステータの磁極８の夫々が材料部分14の中央に
対応して位置したときに導電系用の直流電圧を整流す
る。あるいは、制御用永久磁石を有しロータ４と共に回
転するリングを設け、センサ26がこの永久磁石に応答す
るようにしてもよい。
この機械が発電機として構成されるときは、整流のた
めの電子的制御は不要であるが、発電機内に発生した電
流を整流していることを示すために設けることとしても
よい。
第２図及び第３図は上記の基本的条件を付加的なもの
と共に拡大して示すものである。平面図の第１機能部分
４は第１図の回転電動機の展開図である。
これらの図において、電動機２の磁気回路に属する磁
束線30が示されており、磁気回路は永久磁石12と、材料
部分14の右半分、材料部分14の左半分およびソレノイド
8,10の夫々の半分からなっている。更に、活性領域24に
直角の方向に伸びている磁束の横断領域21は、永久磁石
12のうちの１個において２つの位置で示されている。夫
々の横断領域21は相対動作方向における永久磁石12と材
料部分14との接続領域（三角形の斜辺に相当する部分）
が、隣接する材料部分14へ投じた投影部分と考えること
ができる。活性領域24の対応部分における永久磁石12の
磁束の横断領域21の磁束の集中を見ることができる。
更に、永久磁石はその夫々の両側に、相対動作方向32
の方向に伸びると共に材料部分14の対応する溝30に継合
する突起34を有する。組立てには、永久磁石12と材料部
分14を第２図の底面に直角の方向に互いにスライドさせ
て係合させる。これにより、永久磁石12と材料部分14の
相互固定が得られる。特に、高負荷用ではない電動機の
場合には、第１図のバンドに対応する負荷受け部分18の
強度は低くてよく、あるいは省略することもできる。
更に、添附図面は材料部分14の中央部を透磁率の極め
て高い材料36でつくり、第２図に示すそれらの左右のマ
ージン部分を夫々透磁率の低い材料38でつくることの可
能性を示している。
第３図はこれまで述べた実施例とは異なり、空隙の幅
ａが材料部分14の中央部において、そのマージン部分に
おけるより小さくなるように、第２機能部分６に対向す
る第１機能部分４の領域が設計された実施例を示す。し
たがって、突出部40が形成され、この突出部40は、それ
らの間の部分よりも第２の機能部分に対してより接近す
るように延びている。この効果は第3a図に示す位置にお
いて、電動機のインダクタンスが特に低くなり、制御ユ
ニット28による電圧反転後に巻線10に電流が急速に生じ
るようにすることである。
これとは対照的に第3b図に示すように磁極８の夫々の
中心が活性領域24に面する永久磁石12の平らにされた先
端部に対向するようになるとき、電動機のインダクタン
スは大きくなる。これは、特に、電動機にパルス状の直
流電流を加えるときにより好ましいものとなる。これら
の条件が第４図に図式的に示されている。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 グリュンデル，アンドレアス ドイツ連邦共和国ミュンヘン、70、ハー ゼネイシュトラーセ、20 (56)参考文献 特開 昭62−213538（ＪＰ，Ａ) 米国特許4336649（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H02K 21/22 H02K 1/27

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】（ａ）〜（ｇ）の構成要素を含んで成るこ
    とを特徴とする電気機械。 （ａ） 導電系（10）を有するステータ（６）、及び永
    久磁石励磁系（12）を有するロータ（４）が空隙活性領
    域（24）を介して互いに対向するように配置されたこと
    と、 （ｂ） 上記ロータは、その内側に活性領域（24）を有
    する外部ロータとして構成されることと、 （ｃ） 上記ロータ（４）は、回転方向（32）に沿って
    磁化された永久磁石（12）、及び透磁性材料部分部分
    （14）が、回転方向に沿って交互に配列されたものであ
    ることと、 （ｄ） 上記永久磁石（12）は、空気の透磁率に近い透
    磁率を有する材料から成るものであることと、 （ｅ） 回転断面で測定した場合、上記永久磁石（12）
    の幅は活性領域（24）から離れるにしたがって増大し、
    透磁性材料部分（14）の幅は活性領域（24）から離れる
    にしたがって減少するものであることと、 （ｆ）上記透磁性材料部分（14）のそれぞれは磁束出口
    領域（22）を有しており、この磁束出口領域は、永久磁
    石（12）の磁束が活性領域（24）に集中するように、活
    性領域（24）と対向し、且つ隣接する２つの永久磁石の
    磁束が横断する領域（21）の面積の合計よりも小さな断
    面積を有するものであることと、 （ｇ） 回転断面で測定した場合、ステータ（６）の磁
    極（８）のそれぞれは、透磁性材料部分（14）の磁束出
    口領域（22）とほぼ等しい幅を有するものであること。
  2. 【請求項２】ロータ（４）の回転軸に直角方向の断面か
    ら見た場合、前記永久磁石（12）は実質的に三角形状で
    あること、 を特徴とする請求項１記載の電気機械。
  3. 【請求項３】ロータ（４）の回転軸に直角方向の断面か
    ら見た場合に、前記透磁性材料部分（14）は実質的に三
    角形状であること、 を特徴とする請求項１又は２記載の電気機械。
  4. 【請求項４】前記永久磁石（12）は全体が同じ材料から
    なることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載
    の電気機械。
  5. 【請求項５】前記透磁性材料部分（14）は回転方向（3
    2）に沿って異なる透磁率をもつ材料を並べて形成され
    ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の
    電気機械。
  6. 【請求項６】電気的整流を受けることを特徴とする請求
    項１乃至５のいずれかに記載の電気機械。
  7. 【請求項７】前記ステータ（６）に面する前記ロータ
    （４）は回転方向（32）に沿って上記ステータ（６）に
    交互に多少接近する領域を有することを特徴とする請求
    項１乃至６のいずれかに記載の電気機械。
  8. 【請求項８】前記透磁性材料部分（14）はその中央部に
    おいてステータ（６）に接近した突起（40）を有するこ
    とを特徴とする請求項７記載の電気機械。
  9. 【請求項９】前記永久磁石（12）と透磁性材料部分（1
    4）とは互いに接続されていることを特徴とする請求項
    １乃至８のいずれかに記載の電気機械。
  10. 【請求項１０】前記永久磁石（12）と透磁性領域（14）
    の、前記活性領域（24）とは反対の背側に、非透磁性材
    料部分からなる負荷受け部（18）が配置されることを特
    徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の電気機械。
  11. 【請求項１１】前記負荷受け部分（18）は好適には繊維
    で補強されたプラスチック材料からなることを特徴とす
    る請求項10記載の電気機械。
  12. 【請求項１２】前記負荷受け部分（18）は前記ロータ
    （４）の外周に配置されたバンドを含むことを特徴とす
    る請求項10または11記載の電気機械。
JP1503415A 1988-03-02 1989-03-02 電気機械 Expired - Fee Related JP2799209B2 (ja)

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