JP4085059B2 - ユニポーラ横磁束電動機 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の形式のユニポーラ横磁束電動機（Unipolar-Transversalflussmaschine）から出発する。

欧州特許公開第０５４４２００号明細書に、横断方向の磁束によるハイブリッド同期機（Hybrid Synchronous Machine with Transverse Magnetic Flux）とも記載されている公知のユニポーラ横磁束電動機では、各回転子リングの歯列が、均等な歯ピッチで、回転子リングの、回転子軸とは反対側の外周に沿って延びる歯列と、回転子リングの、回転子軸に向いた内周に沿って延びる歯列とを備えている。各回転子リングに設けられた歯列は、１歯ピッチ分互いにずらされている。固定子におけるヨークピッチ（分配間隔）は、内側歯列または外側歯列の歯ピッチに対応しているので、一方の回転子リングの１つの外歯と、他方の回転子リングの１つの内歯とが、同時に固定子ヨークの下方に位置している。それぞれ２つの回転子リングと、回転子リングに半径方向で互いに逆向きの磁束を発生させるための１つの永久磁石構造体とから成る両方の回転子モジュールは、回転子体の、回転子の軸方向で互いに反対側で緊締されており、この回転子体は回転支承部を介してケーシングに支持されている。ここでは永久磁石構造体は、それぞれ回転子リング間に嵌め込まれた永久磁石リングによって形成されており、この永久磁石リングは、回転軸に向かってユニポーラ（単極）式に磁化されている。各固定子モジュールの、ケーシングに収容された固定子ヨークはＵ字形に形成されていて、かつ回転子軸に対して平行に向けられたヨーク脚部で、回転子モジュールの両方の回転子リングの内側歯列および外側歯列を取り囲んでいる。各固定子モジュールの、回転子軸に対して同心的に配置された円形のリングコイルは、ヨーク基部で固定子ヨークを越えて延びていて、要するに外側の回転子リングの、回転子体から離間する側のリング面と固定子ヨークの横ウェブとの間の領域に位置する。

永久磁石励磁による横磁束電動機は、文献“Ｍｉｃｈａｅｌ Ｂｏｒｋ， Ｅｎｔｗｉｃｋｌｕｎｇ ｕｎｄ Ｏｐｔｉｍｉｅｒｕｎｇ ｅｉｎｅｒ ｆｅｒｔｉｇｕｎｇｓｒｅｃｈｔｅｎ Ｔｒａｎｓｖｅｒｓａｌｆｌｕｓｓｍａｓｃｈｉｎｅ， Ｄｉｓｓ． ８２， ＲＷＴＨ Ａａｃｈｅｎ， Ｓｈａｋｅｒ Ｖｅｒｌａｇ Ａａｃｈｅｎ， １９９７，Ｓｅｉｔｅ ８ ｆｆ．”から公知である。円形に巻かれた固定子巻線は、軟鉄から成るＵ字形の複数のヨークによって取り囲まれ、これらのヨークは回転方向で２倍の極ピッチで配置されている。このＵ字形ヨークの開放端部は、固定子と回転子との間の空隙に向けられていて、かつ固定子の極を形成している。開放端部に複数の永久磁石小板が対向して配置されており、固定子ヨークの極に対向する両方の小板が反対の極性を有するようになっている。回転子が回転する際に一時的に固定子の極の間に位置し、かつ強磁性の短絡手段を備えていない永久磁石を短絡させるために、固定子に帰磁路素子が配置されている。このことによって、永久磁石の磁束がヨーク脚部とリングコイルとを介して拡散し、固定子磁束の減衰によって固定子磁束結合の効果が低減される、ということが妨げられる。帰磁路素子は、機械の著しい出力向上をもたらす。

冒頭で述べた形式のユニポーラ横磁束電動機（ドイツ連邦共和国特許出願第１００３９４６６号明細書参照）において、回転子リングの歯列を、回転子リングの、回転子軸とは反対側の外周だけに設けて、固定子モジュールに固定子ヨークを次のように配置し、つまりそれぞれ半径方向のギャップを有して、固定子ヨークの一方のヨーク脚部が一方の固定子リングに対向し、かつ固定子ヨークの他方のヨーク脚部が他方の固定子リングに対向するように配置することが既に提案されている。回転子の回転方向で相前後して位置する固定子ヨーク間にそれぞれ１つの帰磁路素子が配置されており、この帰磁路素子は軸方向で両方の回転子リングにわたって延びていて、かつ半径方向で一定のギャップ間隔を有して回転子リングに対向している。回転子リングにおいて半径方向で互いに逆向きに延在する磁束を発生させるための永久磁石構造体は、永久磁石リングによって形成されており、この永久磁石リングは、両方の回転子リングの間に嵌め込まれていて、かつ回転子の軸方向でユニポーラ式に磁化されている。そのようなユニポーラ横磁束電動機は、モジュール構造式の簡単な構造をその利点としており、これによって機械の所望の段は、同一に形成された固定子モジュールおよび回転子モジュールの増減（取り付けおよび取り外し）によって実現でき、つまりモジュール式に構成することができる。それぞれ１つの固定子モジュールと１つの回転子モジュールとから構成されるモジュールユニットの数が増えるにつれ、機械の回転性が改善され、初めの段階ではステップ式に類似した形式の機械動作が、モーメント経過においてリプル（脈動）のない連続的な回転に移行する。機械の総モーメントがモジュールユニットのモーメント成分の合計であるので、機械の総モーメントは簡単な形式で存在する要求に適合させることができる。

発明の利点
本発明による、請求項１の特徴部に記載の構成を有するユニポーラ横磁束電動機の利点によれば、永久磁石構造体の磁気量が同じ場合、比較的高い静的トルクが得られる。したがって同じ設計で同じ寸法のユニポーラ横磁束電動機では、ドイツ連邦共和国特許出願第１００３９４６６号明細に記載の公知のユニポーラ横磁束電動機に比べて高い平均トルクが得られる。

請求項２以下に記載の構成によって、請求項１に記載のユニポーラ横磁束電動機の有利な実施形態および改良形が得られる。

本発明の有利な実施形態によれば、両方の永久磁石リングを相互結合する磁束素子が、強磁性材料から成る中空体によって形成されており、この中空体は回転子軸に相対回動不能に取り付けられていて、かつ両方の永久磁石リングを相対回動不能に収容する。この場合回転子軸は非導磁性材料から製作されている。

本発明の有利な実施形態によれば、磁束案内素子が、回転子軸自体によって形成されており、この回転子軸に両方の永久磁石リングが取り付けられている。別個の磁束案内素子を省略することによって、構成部材コストが削減される。もちろんここでは回転軸は強磁性材料から製作する必要がある。

本発明の有利な実施形態によれば、多段式のユニポーラ横磁束電動機の構成では、つまり複数の回転子モジュールが強磁性の回転子軸に取り付けられている構成では、回転子軸が回転子モジュールにわたって延びる複数の軸区分に分けられ、これらの軸区分の間に非導磁性材料から成る中実円板が配置されている。中実円板による軸区分化によって捻れに強い軸が得られる。このような磁気的に絶縁性の中実円板によって、ユニポーラ横磁束電動機の個々のモジュールユニットまたは段の回転子モジュールは、磁気的に互いに分離されるので、相互的で磁気的な反作用は生じない。

本発明の選択的な実施形態によれば、回転子モジュール間の軸方向間隔は、回転子モジュールの軸方向幅よりも大きくなっており、この場合前記のものと同じ効果が、強磁性の回転子軸を備えた、多段式のユニポーラ横磁束電動機で得られる。軸方向間隔の最適化は、回転子モジュール間の磁気的な影響が無視できほど小さくなると、達成される。

実施例の説明
次に本発明の実施例を図示し、詳しく説明する。

図１にその断片を斜視図で示したユニポーラ横磁束電動機は、機械ケーシング１０を備えており、この機械ケーシング１０には固定子１１が保持されていて、また固定子１１内で回転する回転子１２が設けられており、この回転子１２は機械ケーシング１０内で支承された回転子軸１３に相対回動不能に（つまり一緒に回転するように）取り付けられている。回転子１２は、複数の回転子モジュール１５を備えており、固定子１１はこれと同数の固定子モジュール１４を備えている。回転子モジュール１５は軸方向で相前後して回転子軸１３に直接的に相対回動不能に取り付けられており、固定子モジュール１４は軸方向で相前後して、かつ半径方向で対応配置された回転子モジュール１５に向かって機械ケーシング１０に固定されている。それぞれ１つの固定子モジュール１４と回転子モジュール１５とを備えたモジュールユニットの数は、ユニポーラ横磁束電動機の段の選択によって特定されており、このユニポーラ横磁束電動機は、図１の実施例では２段式であり、したがって２つのモジュールユニットを備えている。ユニポーラ横磁束電動機は、１段式、３段式または４段式以上で構成することもできる。固定子モジュール１４および回転子モジュール１５ひいては個々のモジュールユニットは同一に形成されているので、ユニポーラ横磁束電動機はモジュール構造を有していて、かつモジュールユニットを増減することにより出力およびトルクに関して存在する要求に問題なく適合させることができる。

図１の斜視図で示したように、２段式のユニポーラ横磁束電動機の実施例では、両方のモジュールユニットの、軸方向で相前後して回転子軸１３に固定された回転子モジュール１５は互いに整合されており、両方のモジュールユニットの、機械ケーシング１０内で軸方向で相前後して配置された固定子モジュール１４は９０°の電気角で互いにずらされており、これは磁極ピッチの半分に相当し、つまり３２極式電動機の実施例では、回転方向で５．６２５°の空間的なずれ角（オフセット角）に相当する。選択的に、両方の固定子モジュール１４を軸方向で互いに整合するようにして、回転子軸１３に固定された回転子モジュール１５を上記の９０°の電気角で互いにずらすこともできる。

ユニポーラ横磁束電動機が３つ以上の段、概してｍ段で形成されていて、ｍが３つ以上の整数であるとすると、固定子１１に軸方向で相前後して配置された固定子モジュール１４は３６０°／ｍの電気角で互いにずらされていて、つまり３つのモジュールユニットを備えた３段式の電動機では１２０°の電気角でずらされている。

各回転子モジュール１５は、歯列の設けられた強磁性で共軸的な２つの回転子リング１６，１７と、１つの永久磁石構造体１８とを備えており、この永久磁石構造体１８は、図２に矢印１９，２０で示したように半径方向で互いに逆向きに回転子リング１６，１７に延在する磁束を発生させる。永久磁石構造体１８は、２つの永久磁石リング２６，２７と１つの磁束案内素子２９とから成っており、永久磁石リング２６，２７はそれぞれ１つの回転子リング１６，１７によって外側で取り囲まれており、磁束案内素子２９は両方の永久磁石リング２６，２７を互いに結合している。磁束案内素子２９は、図１の実施例では強磁性材料から製作された回転子軸１３によって形成されており、この回転子軸１３上に両方の永久磁石リング２６，２７は軸方向で相互間隔を有して固定されている。各永久磁石リング２６，２７は半径方向で磁化されており、この場合両方の永久磁石リング２６，２７の磁化方向は逆向きであり、これについては図２において両方の永久磁石リング２６，２７のＮ極ＮおよびＳ極Ｓを示したことによって明らかである。２つ以上の回転子モジュール１５が回転子軸１３に固定されている場合、つまりユニポーラ横磁束電動機が図１に示したような２段式に、または３段式以上に構成されていると、個々の回転子モジュール１５を、回転子軸１３に配置された、非導磁性材料から成る中実円板によって分離するのが有利である。図１に示した実施例では、磁気的に絶縁性の中実円板３０が、回転子軸１３の、それぞれ１つの回転子モジュール１５を備えた区分の間に設けられている。選択的に一体的な回転子軸１３に固定された回転子モジュール１５間の間隔を、個々の段の磁気的な影響が無視できるようになるまで拡大してもよい。

各回転子リング１６，１７は、回転子軸１３とは反対側の外周で、一定間隔で配置された歯列を備えているので、形成される歯列の、歯溝２１によって互いに分離された歯２２は、互いに一定の回転角度間隔を有している。回転子リング１６の歯２２と回転子リング１７の歯２２とは、軸方向で互いに整合している。回転子リング１６，１７に歯２２が一体的に成形されており、これらの歯２２を備えた回転子リング１６，１７は、積層（薄板を並べること）されていて、かつ有利には軸方向で隣接する同形の金属薄板打ち抜き成形片から構成されている。

半径方向間隔を有して回転子モジュール１５を同心的に取り囲む固定子モジュール１４は、回転子軸１３に対して共軸的に配置されたリングコイル２３と、リングコイル２３を取り囲むＵ字形の固定子ヨーク２４と、リングコイル２３の下側（回転子軸側）に位置する帰磁路素子２５とを備えている。同様に積層された、打ち抜き金属薄板から鉄心ユニットに構成される固定子ヨーク２４および帰磁路素子２５は、回転子モジュール１５における歯ピッチに対応するヨークもしくは帰磁路素子配置形式で機械ケーシング１０に固定されているので、固定子ヨーク２４と帰磁路素子２５とは、互いに回転子リング１６，１７の歯２２と同じ回転角度間隔を有している。ここでは固定子ヨーク２４は次のように配置されていて、つまり対応する回転子モジュール１５の一方の回転子リング１６を備えた一方のヨーク脚部と、他方の回転子リング１７を備えた他方のヨーク脚部とが、半径方向で整合し、ヨーク脚部の、極面を形成する自由端面が、半径方向のギャップを有して回転子リング１６もしくは１７に対向するように、配置されている。本実施例では、ヨーク脚部の端面は回転子リング１６，１７と同じ軸方向幅を有している。ヨーク脚部の、片側または両側で回転子リング１６，１７を軸方向で越えて突出する端面も有利である。帰磁路素子２５は、回転子１２の回転方向でそれぞれ２つの固定子ヨーク２４の間に配置されていて、かつ固定子ヨーク２４に対してヨークまたは帰磁路素子の配置形式の半分、もしくは１磁極ピッチ分ずらして配置されている。帰磁路素子２５は回転子軸１３に対して平行に、両方の回転子リング１６，１７にわたって延びていて、かつ固定子ヨーク２４と同様の半径方向ギャップ間隔を有して回転子リング１６，１７に対向している。

図１の実施例では、帰磁路素子２５は、たとえば回転子リング１６，１７に半径方向で対向する短い２つの脚部と、これらの脚部を互いに結合する横ウェブとを備えたＣ字形状を有しており、この横ウェブは、円形に形成されたリングコイル２３の、回転子軸１３に向いた側の内面に沿って回転子軸１３に対して平行に延びている。材料節減または遊びスペース形成のために、帰磁路素子２５のための択一的な形状、たとえば矩形または台形を選択することができる。帰磁路素子２５および固定子ヨーク２４のこのような構成によって、円形のリングコイル２３はヨーク脚基部で固定子ヨーク２４を越えて延びていて、かつ固定子ヨーク間でそれぞれ１つの帰磁路素子２５を越えて延びている。帰磁路素子２５の脚部の端面の軸方向幅は、ここでは回転子リング１６，１７の軸方向幅と同じに形成されている。また帰磁路素子２５の脚部は、軸方向で回転子リング１６，１７を越えて突出していてもよい。

図３には、たとえば１８０°の電気角に関する４つのモーメント経過を線図で示した。ここでは曲線ａは、図１に示したユニポーラ横磁束電動機の静的トルクの経過を示しており、曲線ｂは、ドイツ連邦共和国特許出願第１００３９４６６号明細書に記載したものと同様の設計をしたユニポーラ横磁束電動機の静的トルクの経過を示している。このドイツ連邦共和国特許出願第１００３９４６６号明細書に記載したユニポーラ横磁束電動機では、永久磁石構造体１８が半径方向で互いに逆向きに磁化された２つの永久磁石リング２６，２７によってではなく、回転子リング１６，１７間に配置された、回転子１２の軸方向で磁化された永久磁石リングによって形成されている。この線図から判るように、図１に示したユニポーラ横磁束電動機の平均トルクが高くなっている。

曲線ｃおよび曲線ｄは、図１に示したユニポーラ横磁束電動機（曲線ｃ）または前述の公知のユニポーラ横磁束電動機（曲線ｄ）の係止モーメント（Rastmoment；コギングトルク）の経過を示した。ここでも係止モーメントの増大がみられる。

図２に部分断面図で示した変化形の３２極式ユニポーラ横磁束電動機では、両方の永久磁石リング２６，２７が直接的に回転子軸１３に取り付けられれいるのではなく、一定の軸方向間隔を有して強磁性材料から成る中空円筒体２８に相対回動不能に取り付けられており、この中空円筒体２８自体は回転子軸１３に相対回動不能に取り付けられている。この中空円筒体２８は、半径方向で互いに逆向きに磁化された両方の永久磁石リング２６，２７の間の、永久磁石構造体１８の磁束案内素子２９を形成しており、この中空円筒体２８によって回転子軸１３の導磁性の構造を省略することができる。多段式のユニポーラ横磁束電動機の実施例では、強磁性材料から成る一体的な回転子軸１３に取り付けられた個々の回転子モジュール１５は、磁気的に良好に分離されていて、かつ互いに狭い間隔で隣接配置することができ、これによってユニポーラ横磁束電動機の小さな軸方向構造長さを達成することができる。

３２極式ユニポーラ横磁束電動機を概略的に示した部分断面斜視図である。

図１に示したユニポーラ横磁束電動機の変化実施例を示した部分断面斜視図である。

図１または図２に示したユニポーラ横磁束電動機のトルク経過と公知のユニポーラ横磁束電動機のトルク経過とを相対的に示した線図である。

符号の説明

１０ 機械ケーシング、 １１ 固定子、 １２ 回転子、 １３ 回転子軸、 １４ 固定子モジュール、 １５ 回転子モジュール、 １６，１７ 回転子リング、 １８ 永久磁石構造体、 １９，２０ 矢印、 ２１ 歯溝、 ２２ 歯、 ２３ リングコイル、 ２４ 固定子ヨーク、 ２５ 帰磁路素子、 ２６，２７ 永久磁石リング、 ２８ 中空円筒体、 ２９ 磁束案内素子、 ３０ 中実円板、 ａ，ｂ，ｃ，ｄ 曲線、 Ｎ Ｎ極、 Ｓ Ｓ極

Claims (12)

1. ユニポーラ横磁束電動機であって、回転子軸を中心に回転する回転子（１２）が設けられており、該回転子（１２）が、少なくとも１つの回転子モジュール（１５）を備えており、該回転子モジュール（１５）が、それぞれ歯列を備えた強磁性で共軸的な２つの回転子リング（１６，１７）と、これらの回転子リング（１６，１７）に半径方向で互いに逆向きに延在する磁束を発生させるための１つの永久磁石構造体（１８）とから成っており、回転子軸に対して同心的な固定子（１１）が設けられており、該固定子（１１）が、回転子モジュール（１５）に対応配置された少なくとも１つの固定子モジュール（１４）を備えており、該固定子モジュール（１４）が、回転子軸に対して共軸的に配置されたリングコイル（２３）と、該リングコイル（２３）を取り囲むＵ字形の複数の固定子ヨーク（２４）とから成っている形式のものにおいて、
   回転子リング（１６，１７）の歯列が、回転子リング（１６，１７）の、回転子軸とは反対側の外周に設けられており、固定子ヨーク（２４）の複数のヨーク脚部が半径方向遊びを有してそれぞれ回転子リング（１６，１７）の１つに対向するように、固定子モジュール（１４）に固定子ヨーク（２４）が配置されており、永久磁石構造体（１８）が、半径方向で互いに逆向きに磁化された２つの永久磁石リング（２６，２７）によって形成されており、これらの永久磁石リング（２６，２７）が、それぞれ回転子リング（１６，１７）の１つによって該回転子リングに対して相対回動不能に取り囲まれていて、かつ共通の磁束案内素子（２９）に取り付けられていることを特徴とする、ユニポーラ横磁束電動機。
2. 回転子（１２）の回転方向で相前後して位置する複数の固定子ヨーク（２４）の間にそれぞれ１つの帰磁路素子（２５）が配置されており、該帰磁路素子（２５）が、軸方向で両方の回転子リング（１６，１７）にわたって延びていて、かつ半径方向ギャップを有してこれらの回転子リング（１６，１７）に対向している、請求項１記載の電動機。
3. 回転子リング（１６，１７）の歯列が、一定の歯ピッチを有しており、ヨーク脚部が、歯ピッチに応じた配置形式で機械ケーシングに取り付けられている、請求項１または２記載の電動機。
4. 磁束案内素子（２９）が、強磁性材料から成る回転子軸（１３）によって形成されており、該回転子軸（１３）に、両方の永久磁石リング（２６，２７）が相対回動不能に固定されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の電動機。
5. 磁束案内素子（２９）が、強磁性材料から成るの中空円筒体（２８）によって形成されており、該中空円筒体（２８）が、両方の永久磁石リング（２６，２７）を相対回動不能に収容しており、該中空円筒体自体が、回転子軸（１３）に相対回動不能に取り付けられている、請求項１から３までのいずれか１項記載の電動機。
6. 回転子（１２）が、同形の２つの回転子モジュール（１５）を備えていて、固定子（１１）が、同形の２つの固定子モジュール（１４）を備えており、これらの固定子モジュール（１４）または回転子モジュール（１５）が、それぞれ９０°の電気角度で互いにずらして位置するような相関的な配置形式で、これらの固定子モジュール（１４）が、軸方向で相前後して機械ケーシング（１０）に取り付けられていて、かつこれらの回転子モジュール（１５）が、軸方向で相前後して回転子軸（１３）に取り付けられている、請求項４または５記載の電動機。
7. 回転子（１２）が、ｍ個の回転子モジュール（１５）を備えていて、固定子（１１）が、ｍ個の固定子モジュール（１４）を備えていて、ｍが３以上の整数であり、固定子モジュール（１４）または回転子モジュール（１５）が、それぞれ３６０°／ｍの電気角度で互いにずらして位置するような相関的な配置形式で、これらの固定子モジュール（１４）が、軸方向で相前後して機械ケーシング（１０）に取り付けられていて、かつこれらの回転子モジュール（１５）が、軸方向で相前後して回転子軸（１３）に取り付けられている、請求項４または５記載の電動機。
8. 回転子軸（１３）が、それぞれ１つの回転子モジュール（１５）にわたって延びる複数の軸区分に分けられており、これらの軸区分の間に、非導磁性材料から成る中実円板（３０）が配置されている、請求項４、６または７のいずれか１項記載の電動機。
9. 複数の回転子モジュール（１５）が、これらの回転子モジュールの間の磁気的影響を無視できるような軸方向相互間隔を有している、請求項４、６または７のいずれか１項記載の電動機。
10. 帰磁路素子（２５）が、１磁極ピッチ分固定子ヨーク（２４）に対してずらして配置されている、請求項２から９までのいずれか１項記載の電動機。
11. 固定子ヨーク（２４）と回転子リング（１６，１７）との間の半径方向ギャップと、帰磁路素子（２５）と回転子リング（１６，１７）との間の半径方向ギャップとが、同じ大きさである、請求項２から１０までのいずれか１項記載の電動機。
12. 固定子ヨーク（２４）のヨーク脚部の自由端面が、少なくとも回転子リング（１６，１７）の幅と同じ軸方向幅を有していて、有利には回転子リング（１６，１７）を一方または両方で越えて延びている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の電動機。

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