JP4713734B2 - 電気機械要素 - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、一般に電気機械、特にモータに関するものであり、より正確には電気機械の固定子組立体または回転子組立体の構造に関するものある。
【０００２】
（発明の背景と従来技術）
電気機械は静止要素と可動要素とを有している。可動要素は回転要素あるいは線形可動要素である。静止要素と可動要素の間の相互作用は、静止要素または可動要素の発生する磁場と、可動要素または静止要素の巻線内のそれぞれの電流との相互作用に基づく。この相互作用において、電流の方向と磁場の方向と動作方向とが互いにほぼ直角であり、例えば直交座標系のｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向に沿っている。
【０００３】
巻線は、渦電流を減少させるために、通常は薄板鋼積層体からなる電磁軟材料の歯の周りに巻かれた複数のコイルを有している。
【０００４】
巻線は静止要素あるいは可動要素上に巻くことができるが、以下の説明は静止要素の一部分に巻きつけられた巻線に限定されている。
【０００５】
従来、電気機械の固定子組立体は薄板鋼積層体からなる固定子コアを有していた。鋼積層体を用いる代わりに、固定子コアを鉄粉から形成してもよく、これは一体成形された固定子を開示する米国特許第４，９４７，０６５、および実質的に同一且つ分離した複数の部品を有する固定子を開示する国際特許出願ＷＯ９５／１２９１２に例示されている。
【０００６】
いかなる圧縮された非焼結材料も本質的に十分に密にはならない。これは、従来用いられていた軟鉄粉が、鋼積層体によって得られる透磁率よりも小さい透磁率を有することを意味する。しかしながら、磁性粉末混合材料は、等方的な磁性作用、高周波数での鉄損の減少、改良された熱特性、および自由度のある設計おとび組立てといった利点を提供することができる。
【０００７】
（要約）
本発明の目的は、特性を失うことなく機械装置のコストを減ずる電気機械要素、特に固定子組立体を提供することにある。本発明の電気機械要素は、特許請求の範囲の請求項１に記載の構成によって特徴づけられている。特許請求の範囲の従属項にはこの電気機械要素の好適例が記載されている。
【０００８】
従って、本発明は、磁性粉末材料でできたコアの共同体に関するものであり、ヨークと、ヨークに沿って第１の方向に離間し且つヨークから第２の方向に延びる複数の歯とを有している。ここで、各歯の間の空間が離間した巻線溝を画定している。さらに、コアによって支持される巻線は、各歯の周りであって巻線溝内に位置するコイル折返し部を有している。
【０００９】
本発明によれば、共同組立体は、コア内の磁束通路の各部分において、磁束を所望または最適な磁束密度に調節するために、各歯とヨークの接続部分とが、前記第１方向と前記第２方向によって規定される平面を横断する方向に可変の寸法を有することを特徴としている。
【００１０】
第１の実施例では、コアと巻線が回転電気機械のための固定子組立体を構成している。従って、コアは環状ヨークと、環状ヨーク上で円周方向に離間した複数の歯とを有し、各歯の間の空間が円周方向に離間した巻線溝を画定している。
【００１１】
好適実施例において、各歯はヨークから半径方向に延び、各歯とヨークの接続部分は可変の軸線方向寸法を有している。
【００１２】
あるいは、各歯はヨークから軸線方向に延び、この場合、各歯とヨークの接続部分は可変の半径方向寸法を有している。
【００１３】
コアの歯は丸い輪郭を有し、それによってコイル折返し部がきつく曲げられることがなく、角部における絶縁貫通の危険性が減少される。このことは、より薄い絶縁の適用を可能とし、それによって多くの熱的な利点がもたらされる。
【００１４】
上述してきた固定子組立体の好適実施例においては、各歯がヨークの接続部分を備えた分離ユニットあるいはセグメントを形成している。
【００１５】
本発明による設計の結果として、コイル折返し部からの磁場が有効に用いられる。従って、漂遊損失が減少され、より効率的な機械装置が得られる。また、特に巻線溝の外側でコイル巻き部分を接続しているヨークの軸線方向延長部によって、より良好な熱移送が行われる。
【００１６】
他の実施例では、コアと巻線が線形電気機械のための固定子組立体を構成しており、このコアは長手方向のヨークとこの長手方向のヨークに沿って離間した複数の歯とを有し、各歯の間の空間が長手方向に離間した巻線溝を画定している。これは、動作方向が直交座標系のｘ軸方向に沿い、磁場の方向がｙ軸方向に沿い、各歯とヨークの接続部分との可変寸法の方向がｚ軸方向に沿っているということである。効率を改良することによって、巻線溝面積を増大させ、および／またはヨークの巾を減少させることができる。このことは、性能を維持しながら電気機械の寸法を減少させるか、あるは寸法を維持しながら性能を改良することができることを意味している。
【００１７】
（好適実施例の説明）
図１および図２を参照すると、サーボモータの固定子１がヨーク２と９個の極または歯３からなるコアを有するものとして図示されている。各歯３とヨーク２の接続部分４が分離ユニットあるいはセグメント５を形成している。各々の接続部分４はその歯３の両側部から円周方向に突出しており、各歯３の両側に溝６が形成されている。さらに、各々の歯３の内端７は円周方向に拡大されており、一方、各歯３のその他の部分はほぼ一定の巾を有している。
【００１８】
分離ユニット５から固定子１が組み立てられているので、固定子の各ユニット５の巻線作業が簡易化される。
【００１９】
９個の分離ユニット５は軟磁性粉末混合材料でできており、この材料はダイの中へ充填され、所望の形状に押し固められ、さらに粉末粒子間の必要な絶縁層を破壊しないように比較的低い温度で熱処理される。これは、分離ユニット５の大量生産を可能とし、材料廃棄物をなくし、且つ高い許容誤差を有する最終的な押型ユニットを実現し、機械加工を殆どまたは全く必要としないことを意味する。
【００２０】
１つのユニット５に関して図２において示したように、各歯３の軸線方向長さは接続部分４の軸線方向長さより短い。ヨーク２のこの延長部分は歯の両方の軸線側部において軸線方向に歯３を越えて延びていて、巻線の有効長さを増加させ且つ漂遊損失を減少させて、より効率的な機械装置を提供する。さらに、巻線から固定子への熱移送は、巻線溝の外側でコイル巻き部分を接続する前記ヨークの軸線方向延長部分によって改良される。
【００２１】
上述した設計は、全巻線長さを減少させるために用いられてもよく、それによって性能を維持しながら電気機械の寸法が減少される。
【００２２】
粉末材料を使用する他の利点は、部分的な歯の輪郭が丸く、または楕円形にされ得ることにあり、それによってコイル折返し部がきつく曲げられることがなく、その角部における絶縁貫通の危険性が減少されている。これによって、より薄い絶縁を用いることができ、その結果相当な熱的利点が得られることになる。巻線の配置は、各歯において非重複巻線とすることができ、これは巻線作業を簡素化し、大きなパッキング係数（ｐａｃｋｉｎｇ ｆａｃｔｏｒ）を達成する。
【００２３】
サーボモータの回転子（図１，２には図示せず）は、好ましくは従来の積層設計であり、コギングを減少させるために好ましくは磁気的なスキューを備えた表面磁石が設けられていることに留意すべきである。
【００２４】
本発明を理解するための単なる参考例として示す図３および図４を参照すると、この参考例による交直両用モータの固定子１１は、ヨーク１２と２つの極すなわち歯１３とを備えたコアを有するものとして示されている。回転子は従来型のものであり、示されていない。コアは鉄粉で形成され、一体成形される。
【００２５】
図３に見られるコアの形状は従来型のものであるが、各極１３の軸線方向の断面形状（図４に示す）は、図２に例示したサーボモータの固定子の歯３の軸線方向断面形状と似ていて、ヨーク１２の軸線方向長さが極１３との接続部分の軸線方向長さより長い。しかしながら、前記交直両用モータの固定子１１の極１３の内端１４は軸線方向に延びており、ヨーク１２とほぼ同じ長さになっている。従って、低エアギャップ磁束密度は短い方の電機子巻線に集中し、また固定子の鉄容積が減少されている。
【００２６】
上記では本発明の１つの実施例しか記載していないが、当業者にとっては、本発明の精神から逸脱することなしに、幾つかの修正例が可能であることは明らかである。
【００２７】
従って、本発明は他の形式のモータ、例えば誘導モータ、リラクタンス・モータ、ステッパ・モータ、およびハイブリッド・ステッパ・モータや、これに対応する形式の発電機、すなわち回転電気機械全般に適用することができる。また、本発明は例示した内部回転子の代わりに外部回転子を有する機械装置に用いることができる。
【００２８】
さらに、固定子の材料は、例えば積層体等の他の材料と結合した粉末材料から構成されていてもよく、あるいは固定子が鋳造によって製作されてもよい。
【００２９】
歯は、例えば歯における磁束密度を低下させるために、歯（および／あるいはヨーク）の先端よりも軸線方向に長くなっていてもよいことに注目すべきであり、それによって歯における磁気飽和の危険性が減少される。
【００３０】
一般的に、本発明の目的は、磁束通路の各部分において磁束を最適な磁束密度に調節するために、実質的に従来の電気機械における積層体の面を横断する方向において、各々の歯の寸法およびヨークの接続部分の寸法を変更することを可能にする材料あるいは材料の組み合わせを用いることにある。言い換えると、各歯とヨークの接続部分は前記横断方向において寸法を変えること、すなわち一定の巾から変化させることができるということである。
【００３１】
最後に、本発明が特定の上述した実施例のみに限定されるものではなく、静止要素と可動要素の、その他の組み合わせからなる電気機械にも適用することができることを強調すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例によるサーボモータの固定子の軸線方向の図である。
【図２】 図１における線II―IIに沿った軸線方向の断面図であり、本発明の一実施例による固定子のコアのヨークと歯の軸線方向の輪郭を示す図である。
【図３】 本発明を理解するための参考例として示す、交直両用モータの固定子の軸線方向の図である。
【図４】 図３における線IV―IVに沿った軸線方向の断面図であり、固定子の極の軸線方向の輪郭を示す図である。

Claims (8)

1. 磁気粉末材料でできたコアであって、ヨーク（２；１２）と、ヨークに沿う第１方向に離間し且つ実質的に前記第１方向を横断する第２方向にヨークから延びる複数の歯（３；１３）とを有し、各歯の間の空間が離間した巻線溝（６）を規定しているコアと、該コアによって担持された巻き線であって、歯の周囲且つ巻線溝内にコイル折返し部を有する巻線とを有する、回転電気機械のための組立体であって、
   前記コアおよび前記ヨークにおける磁束通路の各部分の磁束密度を調節するために、各歯（３；１３）とヨーク（２；１２）の接続部分（４）との、前記第１方向と第２の方向とによって画定される平面を横断する方向の寸法が、前記第２の方向に沿って変化しており、
   前記ヨークが、前記歯の少なくとも一方の側部において、前記歯を越えて前記横断方向に延びており、
   各歯（３）が、ヨーク（２）の接続部分（４）とともに分離セグメント（５）を形成しており、
   各セグメントが磁気粉末材料でできており、該磁気粉末材料は、所望の形状に押し固められ、さらに粉末粒子間の絶縁層を破壊しない温度で熱処理されており、また
   コアの歯（３；１３）が丸みのある断面輪郭を有し、それによってコイル折返し部をきつく曲げることがなく、角部における絶縁貫通の危険性を減少させていることを特徴とする回転電気機械のための組立体。
2. 前記組立体が固定子組立体を構成しており、前記コアが環状ヨーク（２；１２）と、該環状ヨーク上で円周方向に離間した複数の歯（３；１３）とを有し、該歯の間の空間が円周方向に離間した巻線溝（６）を規定している請求項１に記載の組立体。
3. 前記歯（３；１３）がヨーク（２；１２）から半径方向に延び、各歯とヨークの接続部分とが変化している軸線方向寸法を有している請求項２に記載の組立体。
4. 環状ヨーク（２；１２）が、各歯（３；１３）の少なくとも１つの軸線方向側部において、該歯を越えて軸線方向に延びていることを特徴とする請求項３に記載の組立体。
5. 各歯（１３）が該歯の主要部分を越えて軸線方向に延びる先端部（１４）を有している請求項３または請求項４に記載の組立体。
6. 各歯がヨークから軸線方向に延び、各歯とヨークの接続部分とが変化している半径方向寸法を有している請求項２に記載の組立体。
7. 環状ヨークが前記歯の少なくとも１つの軸線方向側部において前記歯を越えて半径方向に延びている請求項６に記載の組立体。
8. 前記歯が該歯の主要部分を越えて半径方向に延びる先端部を有している請求項６または請求項７に記載の組立体。

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