JP5046923B2 - 同期電動機 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の同期電動機に関する。

リニア式又は回転式の直流駆動の形態の同期電動機は、技術で常に重要な役割を果たす。このような直流駆動は、有効負荷をむしろ直接動かす機械的な伝動装置を必要としない。

このような直流駆動の例は、ヨーロッパ特許第 0 793 870号明細書中に記されている。固定子が、コイルで巻かれた歯を支持する。回転子は、規則的に配置された永久磁石を支持する。これらの磁石は、一般に磁束導体上に貼り付けられる。例えば工作機械の回転台に対するような特定の用途に対しては、このような直流駆動の非常に高い回転数が要求される。磁石の土台上にこの磁石の貼り付けは、高い回転数の場合に遠心力によって剥がれうる。高い回転数で発生する損失出力が、電動機を激しく加熱し、したがって高い回転数に対して磁石の貼り付けをもはや不十分にする。

渦電流も、電動機の加熱の原因である。それ故に固定子のコイルは、成層体に巻かれる。これらの成層体の個々の薄板は、互いに絶縁されている。回転子の磁束導体も、頻繁に成層体として構成される。磁石自体の中の渦電流を阻止するため、公開特許公報 平４−７９７４１では、電動機に対して区分された磁石が既に提唱されている。これらの磁石は、互いに絶縁された多数の層又は区画から構成されている。この手段だけでは、高い回転数時に磁石と回転子との間に十分安定した接合をまだ実現しない。

磁石を貼り付けるのに加えて締め付けることも既に提唱されている。ドイツ連邦共和国特許出願公開第100 53 694号明細書は、このような同期電動機を記す。締め付け爪を軸線方向に曲げることによって、回転子の前面に取り付けられた放射状の締め付け爪を有するクランプ要素で、磁石が、回転子に対して挟持される。この手段に対しては、確かに追加の構造部材が必要であり、しかも磁石が回転子の端部だけで挟持されている。
ヨーロッパ特許第 0 793 870号明細書 公開特許公報 平４−７９７４１ ドイツ連邦共和国特許出願公開第100 53 694号明細書

本発明の課題は、同期電動機の磁石が挟持によって回転子からの剥離から良好に保護されかつ簡単に製造可能である同期電動機を提供することにある。

この課題は、請求項１に記載の特徴を有する装置によって解決される。好適な実施形は、請求項１に従属する請求項中に記載されている特徴から実現される。

回転子を有する同期電動機が提唱される。磁石が、回転子上でクランプ要素によって固定されている。この場合、クランプ要素が、ウェブとして構成されていて、回転子上の磁石間に配置されている。ウェブが、回転子の軸線のほぼ全長にわたって延在するので、磁石が、回転子に対して良好に固定されている。このことは、磁石自体の中の渦電流損及びこれによる熱の発生を低減するために軸線方向に沿って区分された磁石が使用される場合に特に非常に重要である。

以下に、本発明のその他の利点及び詳細を図面に基づく好適な実施形から説明する。

図１は、回転式同期電動機１の断面図である。観察者に対して固定された固定子２及び軸受７によって回転可能に軸線８周りに軸支された回転子３が、この電動機１の重要な構成要素を成す。軸線方向Ａ，半径方向Ｒ及び接線方向Ｔ（この接線方向Ｔは、ここでは符号面に対して垂直）が、電動機１の幾何構造によって設定されている。

固定子２は、歯及びスロットを有する鉄心５を備える。コイル及び巻線６が、鉄心５のスロット内に嵌合されている。鉄心５は、特に成層体として構成されている。渦電流損を低減するため、この鉄心５の薄板は、電気的に互いに絶縁されている。

回転子３は、巻線６に対向して配置されている磁石４を有する。この磁石４は、特にネオジム・鉄・ホウ素磁石である。磁石４中の渦電流を阻止するため、これらのネオジム・鉄・ホウ素磁石は、軸線方向Ａに沿って区分されている。この場合、軸線方向Ａに沿って一般に約10mmの長さの個々の部分磁石は、互いに電気的に絶縁されている。

巻線６の適切な通電によって、磁場を生成することができる。回転トルクが、固定子２と回転子３との間に生じるように、これらの磁場は、鉄心５によって束ねられて磁石４の磁場と協働する。巻線６に通電するため、多数の方法が公知である。例えば、３つの異なる電気位相が発生するように、巻線６が互いに接続される。これらの電気位相は、パルス幅変調された電流によって制御される。

回転子３の特に高い回転数が必要である場合、磁石４を回転子３に対して良好に固定する必要がある。この特別な実施の形態で作用する遠心力だけでなくて、渦電流による回転子の加熱、場合によっては加速及び制動時の磁石４の接線方向の加速度も問題になる。
磁石と回転子との従来の貼り付けは、それ故に場合によってはもはや十分でなく、本発明にしたがって挟持接合部と交換されるか又は挟持接合部によって補充される。
これに対して、特別な装置が、回転子３に対して使用される。図２は、軸線方向から見たこのような回転子３の一部を示す。この回転子３の一部は、簡単のためまっすぐにして示されている。方向を分かりやすくするため、軸線方向Ａ，半径方向Ｒ，接線方向Ｔは、図２中にも示されている。図２中には、回転子３の製造段階が示されている。この製造段階では、磁石４が、回転子３に対してまだ固定されていない。

回転子３の軸線方向の長さのほとんどにわたって延在するウェブ１０が見て取れる。このウェブ１０は、回転子３に面さないこのウェブ１０の側面上のほぼ中央に１本の溝１１を有する。この溝１１は、回転子１０面さないウェブ１０の側面上でこのウェブ１０を広くすることを可能にする、すなわち最初は回転子の表面に向かってほぼ垂直に立っているウェブ１０の側面を接線方向Ｔに曲げることを可能にする。したがってウェブ１０は、磁石４を挟持するために使用され、それ故にクランプ要素１０とも呼ばれる。

さらに回転子３は、クランプ要素１０に対して平行に延在するストッパ１３を有する。これらのストッパ１３は、台形状の横断面を有する。その結果、回転子３に面したストッパ１３の側面が、回転子３に面さない側面より狭い。

特に多数のストッパ（１３）及びクランプ要素（１０）が、回転子３上に接線方向（Ｔ）に交互に配置されている。以下でさらに記すように、クランプ要素自体が、ストッパとしても作用するので、クランプ要素１０だけを使用することも可能である。

回転子３は、特に固定子２のように成層体として形成されている。すなわち、渦電流損が小さく保持され得る。回転子３をクランプ要素１０及びストッパ１３と共に非常に簡単に一体化することができる。回転子３の成層体用の薄板を打ち抜く場合、図２に相当する形を有する異なる工具だけを使用する必要がある。こうして製造された多数の薄板を相前後して配置すると、ウェブ１０及びストッパ１３を有する回転子３が得られる。それ故に、図２にしたがう回転子３の製造は、クランプ要素１０なしの回転子３より経費がかからない。

図３中では、磁石４が、回転子３内に既に嵌合されていて、接着層１２によって回転子３に接合されている。磁石４は、台形状の横断面１２を有する。この場合、磁石４は、回転子３に面したその側面が回転子３に面しない側面より広い。この場合、ストッパ１３の傾斜した側面と磁石４とは互いに合致している。製造過程のこの段階では、クランプ要素１０がまだほぼ垂直な側面であるため、磁石４は、ストッパ１３とクランプ要素１０との間に問題なく容易に嵌合される。

図４は、完全に取り付けられた回転子３を示す。クランプ要素１０の挟持作用が、クランプ要素１０を広げる型押し機１４によって働く。ウェブ１０が、型押し機１４を溝１１内に押し込むことによって回転子１０に面しない側面に対して広くされ、このウェブ１０の側壁が、磁石４の傾斜した側壁に接触するまで、すなわち磁石４が、回転子３とストッパ１３とに対して押圧するまで、このウェブ１０の側壁が接線方向に傾く。ウェブ１０を広げた後の溝１１にかけたこのウェブ１０の形は、ストッパ１３の形にほぼ一致する。ストッパ１３の代わりに、各磁石４の両側に配置されるウェブ１０を使用してもよいことは明らかである。

全てのクランプ要素１０が、多数の型押し機１４によって同時に加工されてもよいし又はただ１つの型押し機１４によって相前後して加工されてもよい。

特に、接着層１２がまだ硬化しないうちに、クランプ要素１０の挟持作用を働かせてもよい。接着層１２は、磁石４の縁部がストッパ１３又はクランプ要素１０に対して直接押圧されることを阻止するので、この接着層１２は、磁石４の縁部を保護する。全ての縁部は、好ましくは0.2mm の半径を有する。接着層１２なしの場合、磁石４の縁部は、必ず面取り又は丸くしなければならない。

軸線方向Ａの締め付けも実現するため、磁石４は、その傾斜した側面に沿って追加の切り欠き部を有してもよい。この切り欠き部は、磁石４の軸線方向の長さの一部だけにわたって延在する。このとき、クランプ要素１０が、この切り欠き部に係合し、磁石の軸線方向の位置ずれを阻止する。したがって、接着層１２が、良好に省略され得る。

ウェブ１０の全長を型押し機１４によって変形することは必ずしも必要でない。ウェブ１０の一部を広げるだけでも十分である。したがって、個々の形押し過程に対して必要な力が著しく低減する。特に、ウェブ１０の約5mm の長さの変形した領域と変形しなかった領域とが交互する。10mmの長さの磁石部分に対して、このことは好ましいと実証されている。このようなウェブ１０の変形しなかった領域は、不要であって、例えば回転子３の成層体用の部分的に使用される異なる薄板によって省略され得る。このとき、ウェブ１０が、回転子の軸線方向の長さ（例えば、760mm の回転子の直径の場合で約100mm ）にわたって間隔をあけた多数のウェブ区間によって形成される。

一般に、磁石区間の長さの半分が、クランプ要素１０によって締め付けられなければならない。各クランプ要素１０の締め付け力が、回転子３又はそれぞれの締め付けられた磁石４の軸線方向の全長に対してほぼ均一に分布されなければならない。

半径方向Ｒのクランプ要素１０が、磁石４より薄いので、このクランプ要素１０は、回転子３と固定子２との間の隙間内に突出しない。最大の回転トルクを得るため、この隙間は最適に小さく保持され得る。この好適な配置は、一方では磁石４の傾斜した側壁と他方ではクランプ要素１０又はストッパ１３との間のツバメ状の尻尾の接合によって可能になる。

ここで説明した実施の形態は、回転式の同期電動機を示す。しかし本発明は、リニア式の電動機にも同様に使用することができる。これらのリニア式の電動機は、無限の半径を有する回転式の電動機の区間としてもみなせ得る。このとき、回転子の接線方向は、リニア式の電動機の（直線）運動方向に相当する。軸線方向は、この移動方向に対して垂直にあり、この軸線方向によって磁石の平面を固定する。半径方向は、磁石の平面に対して垂直にある。回転子と固定子との間の移動は、相対移動とみなせる。本発明に関しては、両要素のどの要素が周囲に対して移動するのか及びどれが停止するのかは重要でない。電動機の一部だけが、磁石を支持する回転子と呼ばれる。固定子は、巻線を支持する。本発明は、当然に磁石を使用するあらゆる種類の電動機又は発電機に対して使用することができる。この意味では、用語である同期電動機は、特別な種類に限定されないと解される。

同期電動機を示す。 磁石なしの回転子の一部を示す。 接着されてまだ挟持されていない磁石を有する回転子の一部を示す。 完全に取り付けられた磁石を有する回転子の一部を示す。

符号の説明

１ 同期電動機
２ 固定子
３ 回転子
４ 磁石
５ 鉄心
６ 巻線
７ 軸受
８ 軸線
１０ クランプ要素
１１ 溝
１２ 接着層
１３ ストッパ

Claims (8)

1. 磁石（４）が回転子（３）上でクランプ要素（１０）によって固定されている回転子（３）と、
   クランプ要素（１０）は、ウェブ（１０）として構成されていて、
   これらのウェブ（１０）は、回転子（３）上の磁石（４）間に配置され、
   溝（１１）が、回転子（３）に面しない側面に向かってウェブ（１０）のうちの少なくとも一部を広げることを可能なように、これらの溝（１１）が、ウェブ（１０）内に形成されている同期電動機において、
   磁石（４）は、回転子（３）の外側半径方向に配置され、かつ、台形状の横断面（１２）を有し、
   磁石（４）は、回転子（３）に面したその側面が回転子（３）に面しない側面より広く、
   磁石（４）は、前記クランプ要素（１０）と、ロータの軸方向に延在するストッパ（１３）との間に配置され、
   前記磁石（４）間には、前記クランプ要素（１０）又は前ストッパ（１３）のいずれか１つのみが交互に配置され、
   ストッパ（１３）は、回転子（３）に面したストッパ（１３）の側面が、回転子（１３）に面しない側面より狭くなるような台形状の横断面を有し、
   磁石（４）は、クランプ要素（１０）によって、半径方向（Ｒ）に回転子（３）に対して押圧され、かつ、ストッパ（１３）に対して接線方向（Ｔ）に対して押圧されて固定されることを特徴とする同期電動機。
2. ストッパ（１３）は、クランプ要素（１０）に対して平行に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の同期電動機。
3. ストッパ（１３）とクランプ要素（１０）とは、回転子（１３）上で接線方向（Ｔ）に互いに交互に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の同期電動機。
4. 回転子（３）及びクランプ要素（１０）は、一体に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の同期電動機。
5. 回転子（３）、クランプ要素（１０）及びストッパ（１３）は、一体に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の同期電動機。
6. 回転子（３）は、成層体として構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の同期電動機。
7. 磁石（４）は、接着層（１２）によって回転子（３）に接着されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の同期電動機。
8. 磁石（４）は、軸線方向（Ａ）に沿って区分されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の同期電動機。

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