JP5138716B2 - 電気機械 - Google Patents

Description

本発明は、電気機械に関する。

図１は、ステータ２及び永久磁石ロータ３を有する電気モータ１を示している。ステータは、巻線５が巻き付けられたステータコア４を有している。ステータコア４は、ロータ３の互いに反対側に配置された２つの磁極６，７を有している。ロータ３が最大トルクの位置にあるとき、磁極６，７の縁部のところに磁気飽和が起こる。磁気飽和を回避するため、各磁極６，７の縁部は、厚くされている場合がある。しかしながら、縁部の厚さを増大させると、ステータ巻線５のインダクタンスが増大する。

第１の観点において、本発明は、永久磁石型ロータと、ステータとを有する電気機械であって、ステータは、複数の磁極を有し、各磁極は、ロータの回転方向に関して前縁及び後縁を有し、前縁は、ロータの回転軸線に垂直な方向において後縁よりも厚いことを特徴とする電気機械を提供する。

前縁及び後縁を上述したように設けた場合、電気機械は、一方向（単方向）であるようになっている。厚い前縁を設けることにより、前縁のところの飽和が回避され、或いは、少なくとも、飽和点が増大する。したがって、ステータを通る磁束について制限度の少ない経路が得られる。さらに、前縁は、ロータの回転軸線に垂直な方向に厚いので、ステータを通る磁束のための制限度の少ない経路がロータの方向に得られる。薄い後縁を設けることにより、ステータに巻き付けられた巻線のインダクタンスが減少する。したがって、強力且つ効率的な電気機械を実現できる。

各磁極の前縁は、有利には、面取りされる。前縁の各々を面取りすることにより、ステータに巻き付けられた巻線のインダクタンスが一段と減少する。前縁のコーナ部だけが面取りされているので、前縁の飽和は、引き続き回避され、かくして、磁気性能の低下が生じない。

各磁極は、前縁と後縁との間に延びる磁極弧状部を有する。この場合、前縁及び後縁の各々は、磁極弧状部と磁極の一側部との間に延びるのが良い。この場合、各磁極は、磁極弧状部の一方の側が厚い。

有利には、各磁極は、少なくとも１３０°の電気角の範囲にわたっている。したがって、磁極は、ロータの相当な部分を包囲し、それによりロータ磁束の良好な捕捉が得られる。

ステータは、少なくとも一対の互いに向かい合った磁極を有するのが良い。この場合、互いに向かい合った磁極の前縁相互間の離隔距離は、好ましくは、少なくとも、後縁相互間の離隔距離である。前縁相互間の離隔距離は、磁極とロータとの間に対称な空隙が作られるよう後縁相互間の離隔距離と同一であっても良い。対称な空隙を設けることにより、磁極によるロータ磁束の捕捉を増大させることができ、それにより、逆起電力が向上し、かくして一層効率的な電気機械が得られる。しかしながら、より好ましくは、前縁相互間の離隔距離は、後縁相互間の離隔距離よりも大きい。それ故、ロータと互いに向かい合った磁極の各々の前縁との間の空隙は、ロータと後縁との間の空隙よりも大きい。この場合、これにより、ロータは、ロータが始動時、大きな機械角を取るのに必要とされる起点としての特定の位置で停止するようになる。大きな機械角を取ることにより、ロータは、転流（コミュテーション）時点で大きな運動量を達成し、かくして、始動が容易になる。

有利には、各磁極は、磁極作用面と、磁極作用面から遠ざかって延びる第１の側部及び第２の側部と、磁極作用面に形成された磁極弧状部とを有する。この場合、各磁極の前縁は、磁極弧状部から第１の側部まで延び、後縁は、磁極弧状部から第２の側部まで延びる。この場合、磁極弧状部を２等分する中心線と第１の側部との間の距離は、理想的には、中心線と磁極作用面に隣接して位置する領域の第２の側部との間の距離よりも大きい。

ステータは、Ｃ字形であり、ステータは、スロット開口部によって互いに隔てられた一対の向かい合った磁極を有する。この場合、これにより、スロット開口部を経て巻線をステータに巻き付けるのが容易になるという利点が得られる。加うるに、巻線の高いフィルファクタ（充填率）を達成することができ、それにより、銅損が減少し、かくして効率が向上する。さらに、ステータの形状が全体として正方形又は長方形なので、無駄を少なくした状態でシート材料を打ち抜くことによりステータ積層体を製作することができる。

本明細書においてＣ字形ステータコアという場合、これは又、Ｕ字形ステータコアを含むものと理解されるべきである。

本発明を容易に理解できるようにするため、次に、添付の図面を参照して本発明の実施形態を例示として説明する。

従来型モータを示す図である。 本発明のモータを示す図である。 最大トルク位置でモータの磁極を通る磁束を示す図である。 本発明の別のモータを示す図である。

図２のモータ１０は、ロータ１１及びステータ１２を有している。ロータ１１は、シャフト１４で支持された２極永久磁石１３から成り、ステータ１２は、単相巻線１６が巻き付けられたステータコア１５から成っている。

ステータコア１５は、Ｃ字形であり、このステータコアは、後部１７、スロット開口部２０により隔てられた一対の磁極１８，１９、及び後部１７と磁極１８，１９との間に延びる一対のネック２１，２２を有している。巻線１６は、ステータコア１５のネック２１，２２の各々に巻き付けられているが、同じようにステータコア１５の後部１７に巻き付けられても良い。

各磁極１８，１９は、ロータ１１に隣接して位置する磁極フェース又は作用面２３、磁極作用面２３から遠ざかるように延びる第１の側部２４、及びこれと対向するように反対側に位置していて磁極作用面２３から遠ざかるように延びる第２の側部２５を有している。各磁極作用面２３は、弧状凹部又は磁極弧状部（アーク）２６、ロータ１１の回転方向に関して前縁２７及び後縁２８を有している。前縁２７は、磁極弧状部２６と各磁極１８，１９の第１の側部２４との間に延び、後縁２８は、磁極弧状部２６と各磁極１８，１９の第２の側部２５との間に延びている。かくして、磁極弧状部２６は、前縁２７と後縁２８との間に延びている。

各磁極１８，１９の前縁２７は、少なくともロータ１１の回転軸線に垂直な方向では、後縁２８よりも厚い。加うるに、各磁極１８，１９の前縁２７は、面取りされており、即ち、磁極作用面２３及び各磁極１８，１９の第１の側部２５によって構成されたコーナ部は、面取りされている。

２つの磁極１８，１９の磁極弧状部２６は、２つの磁極１８，１９の前縁２７相互間の距離が後縁２８相互間の距離よりも大きいよう僅かに位置がずらされている。

ロータ１１は、ステータコア１５の２つの磁極１８，１９相互間に支持されている。磁極弧状部２６の位置ずれに起因して、ロータ１１と２つの磁極１８，１９の各々との間の空隙は、非対称である。具体的に言えば、ロータ１１と各磁極１８，１９の前縁２７との間の空隙は、ロータ１１と後縁２８との間の空隙よりも大きい。

モータ１０の作動中、巻線１６は、連続して通電され、それにより、ロータ１１が回転し、図２及び図３に示されている特定の実施形態では、ロータ１１は、時計回りに回転するようになる。図３に示されているように最大トルクの位置では、磁極１８，１９を通る磁束は、前縁２７のところに集中する（即ち、磁束密度は、各磁極１８，１９の前縁２７のところで最大である。厚い前縁２７を設けることにより、前縁２７のところのステータコア１５の飽和は、回避され、或いは、少なくとも、飽和点が増大する。その結果、ステータ１２を通る磁束について制限度の少ない経路が得られ、かくして効率的なモータが達成される。

薄い後縁２８を設けたことにより、ステータ巻線１６のインダクタンスが減少する。最大トルク位置では、後縁２８の各々を通る磁束は、比較的小さく、かくして、後縁２８のところの飽和は、起こらない。磁極弧状部２６によって張られた又は定められる角度は不変なので、各磁極１８，１９は、ロータ１１から同量の磁束を捕捉し続ける。その結果、薄い後縁２８が設けられていることにより、磁気性能が低下することなくインダクタンスが減少する。

各磁極１８，１９の前縁２７を面取りすることにより、ステータ巻線１６のインダクタンスが一段と減少する。前縁２７のコーナ部だけが面取りされているので、前縁２７のところの飽和は、引き続き回避される。したがって、磁気性能の低下が生じない。

ロータ１１と磁極１８，１９の各々との間における非対称空隙により、ロータ１１は、これが容易に始動することができる基点としての位置で停動する。空隙は、後縁２８のところで最も小さいので、ロータ１１は、始動時に、転流に先立って大きな機械的角度をカバーすることが必要とされる。その結果、ロータは、転流時に大きな運動量を有し、かくして始動が容易になる。

かくして、本発明は、磁気性能が向上した低インダクタンスのステータ１２を提供する。特に、磁気飽和又はロータ磁束の捕捉能力に悪影響を及ぼさないでインダクタンスが減少する。これは、ステータコア１５の磁極を各磁極１８，１９が厚い前縁２７及び薄い後縁２８を有するように形作ることによって達成される。薄い後縁２８により、ステータ巻線１６のインダクタンスを減少し、厚い前縁２７により、磁極１８，１９のところでのステータコア１５の飽和が回避され、或いは、少なくとも、飽和点が増大する。低インダクタンスのステータ１２を設けることにより、電流を迅速にステータ巻線１６に流すことができ、かくして、強力且つ効率的なモータ１０を実現することができる。

本発明のモータ１０に関する欠点は、上述の利点がロータ１１を単一の方向に駆動した場合にしか実現されないということにある。図２及び図３に示されている実施形態の場合、各磁極１８，１９の前縁２７及び後縁２８は、ロータ１１の時計回りの回転が可能なように構成されている。ロータ１１を反時計回りの方向に駆動しようとする場合、最大トルク点においては、磁束密度は、磁極１８，１９の後縁２８のところで最も高い。後縁２８が薄いので、ステータコア１５の飽和は、後縁２８のところで起こる可能性がある。したがって、本発明のモータ１０は、単一方向にのみ駆動されるようになっている。

図２及び図３に示されている実施形態の前縁２７及び後縁２８は、時計回りの回転が可能であるように構成されているが、前縁及び後縁２７，２８は、同様に、反時計回りの回転が可能であるように構成されても良い（即ち、切り替えられても良い）。

上述の実施形態では、２つの磁極弧状部２６の位置をずらすことによりロータ１１と各磁極１８，１９との間の非対称空隙が達成される。変形例として、一定ではない曲率の磁極弧状部を設けることにより、又は段付き磁極弧状部を設けることにより非対称空隙を形成しても良い。変形例として、非対称空隙を全く省いても良く、この場合、別の手段、例えば小形永久磁石の使用によりロータ１１の停動を達成することができる。

上述のモータ１０は、単相磁極モータであり、加うるに、ステータコア１５は、Ｃ字形である。しかしながら、モータ１０は、任意の数の磁極を有しても良い。さらに、ステータコア１５は、Ｃ字形である必要はない。一例を挙げると、図４は、上述の幾何学的形状の磁極を有する２つの変形例としてのモータ３０，４０を示している。

両方のモータ３０，４０は、上述の形状とは異なる形状のステータコア３１，４１を有している。各モータ３０，４０のステータコア３１，４１は、円形後部３２，４２、複数の磁極３３，４３、及び後部３２，４２と磁極３３，４３との間に半径方向に延びる複数のネック３４，４４を有している。両方のモータ３０，４０は、単相であり、巻線３５，４５は、ステータコア３１，４１のネック３４，４４の各々に巻き付けられている。第１のモータ３０は、２極ロータ３６を有し、ステータコア３１は、単一の対をなす互いに向かい合った磁極３３を有している。他方、第２のモータ４０は、４極ロータ４６を有し、ステータコア４１は、２つの対をなす向かい合った磁極４３を有している。モータ１，３０，４０相互間の違いにもかかわらず、ステータコア３１，４１は、図２及び図３を参照して上述した幾何学的形状と同一の幾何学的形状の磁極を有する。特に、各磁極は、前縁３７，４７、後縁３８，４８、及び前縁３７，４７と後縁３８，４８との間に延びる磁極弧状部３９，４９を有している。さらに、各磁極３３，４３の前縁３７，４７は、少なくともロータ３６，４６の回転軸線に垂直な方向において後縁３８，４８よりも厚い。

ステータコアはＣ字形である必要はないが、それにもかかわらず、ステータコア１５をＣ字形にすると利点が得られる。具体的に言えば、一般に、磁極１８，１９相互間のスロット開口部２０を介して巻線１６をステータコア１５に巻き付けるのが容易である。加うるに、巻線１６について高いフィルファクタを達成することができ、それにより、銅損が減少し、かくして効率が向上する。さらに、ステータコア１５の形状が全体として正方形なので、無駄を少なくした状態でシート材料（例えば、鋼）を打ち抜くことによってステータコア積層体を製作することができる。

ステータコア１５の飽和を前縁２７のところで回避するためには、各磁極１８，１９の第１の側部２４を磁極作用面２３に隣接した領域で厚くすることが必要であるに過ぎない。したがって、磁極１９の第１の側部２４のうち、磁極作用面２３から離れた部分から材料を除くことができる（例えば、図２の点線２９によってされているように）。この場合、これにより、ステータコア１５の外側プロフィールが減少し、それにより、ステータコア１５を小形且つ安価に作ることができるという利点が得られる。

上述の実施形態の各々に関し、各磁極１８，１９は、少なくとも１３０°の電気角の範囲にわたっている。したがって、磁極１８，１９は、ロータ１１の相当な部分を包囲し、かくして、ロータ磁束の相当な部分を捕捉する。

本発明は、磁気性能が向上した低インダクタンスのステータを提供する。特に、磁気飽和又はロータ磁束の捕捉能力に悪影響を及ぼさないでインダクタンスが減少する。その結果、強力且つ効率的なモータを実現できる。

かくして、モータに関して本発明を上述したが、性能の向上を達成するためにステータコアが同様に、発電機又は他の電気機械の一部をなしても良いことは理解されよう。

１，１０，３０，４０ 電気モータ
２，１２ ステータ
３，１１ 永久磁石ロータ
５，１６ 巻線
６，７，１８，１９ 磁極
１３ 永久磁石
１４ シャフト
２７ 前縁
２８ 後縁

Claims (10)

1. 永久磁石型ロータと、ステータとを有する一方向回転用の電気機械であって、前記ステータは、複数の磁極を有し、各磁極は、前記ロータの回転方向に関して前縁及び後縁を有し、前記前縁は、前記ロータの回転軸線に垂直な方向において前記後縁よりも厚く、
   前記ステータは、一対の互いに向かい合った磁極を有し、前記ロータと前記互いに向かい合った磁極の各々の前記前縁との間の空隙は、前記ロータと前記後縁との間の空隙よりも大きい、電気機械。
2. 各磁極の前記前縁は、面取りされている、請求項１記載の電気機械。
3. 各磁極は、前記前縁と前記後縁との間に延びる磁極弧状部を有する、請求項１又は２記載の電気機械。
4. 各磁極の前記前縁及び前記後縁は、前記磁極弧状部と前記磁極の側部との間に延びる、請求項３記載の電気機械。
5. 前記ステータは、一対の向かい合った磁極を有し、前記向かい合った磁極の前記前縁相互間の離隔距離は、少なくとも前記後縁相互間の離隔距離である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電気機械。
6. 前記前縁相互間の前記離隔距離は、前記後縁相互間の前記離隔距離よりも大きい、請求項５記載の電気機械。
7. 各磁極は、前記ロータに隣接して位置する磁極作用面と、前記磁極作用面から遠ざかって延びる第１の側部及びこれに対向する第２の側部と、前記磁極作用面に形成された磁極弧状部とを有し、各磁極の前記前縁は、前記磁極弧状部から前記第１の側部まで延び、前記後縁は、前記磁極弧状部から前記第２の側部まで延びる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電気機械。
8. 前記磁極弧状部を２等分する中心線と前記第１の側部との間の距離は、前記中心線と前記磁極作用面に隣接して位置する領域の前記第２の側部との間の距離よりも大きい、請求項７記載の電気機械。
9. 各磁極は、少なくとも１３０°の電気角の範囲にわたっている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の電気機械。
10. 前記ステータは、Ｃ字形であり、前記ステータは、スロット開口部によって互いに隔てられた一対の向かい合った磁極を有する、請求項１〜９のいずれか１項に記載の電気機械。

Images