JP5178519B2

JP5178519B2 - 永久磁石励磁同期電動機の一次側磁極部材に対する歯モジュール

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Publication number: JP5178519B2
Application number: JP2008531641A
Authority: JP
Inventors: ヤイティック、ツェルイコ; マチェコ、ゲアハルト; シーレ、シュテファン; ヴォルター、ヴォルフガング
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-09-22
Filing date: 2006-08-11
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2026-08-11
Also published as: US20090039717A1; US7737597B2; DE102005045347A1; JP2009509491A; WO2007033871A1

Description

本発明は、永久磁石励磁同期電動機の一次側磁極部材に対する歯モジュールに関する。

電気機械は非常に多くの技術分野で利用されている。電気機械は、直流機、交流機、三相機に分類される。三相機はまた三相同期機と三相非同期機に区分される。

或る形式の電気機械は永久磁石励磁同期電動機である。これは一次側磁極部材と二次側磁極部材から成る。一次側磁極部材は能動的に、二次側磁極部材は受動的に作用する。

異なる形式の要件に応えるべく、永久磁石励磁同期電動機を如何様に構成すべきかは既知である。種々の形式は、有用な構造空間、許容重量又は必要な動力により定まる。

しかし、新しい構造形状に合わされた永久磁石励磁同期電動機を製造すべく、一次側磁極部材と二次側磁極部材を新たに構成せねばならないという問題がある。この場合、あり得る構造形式は、例えばリニアモータ或いは回転モータである。

本発明の課題は、本発明に基づく永久磁石励磁同期電動機の構造が比較的安価であるようにすべく、種々の単純な永久磁石励磁同期電動機における一次側磁極部材を歯モジュール様式で製造する方式を提供することにある。

この課題は、本発明に基づき、少なくとも１個の一次側磁極部材と少なくとも区域的に永久磁石が存在しない少なくとも１個の二次側磁極部材とを有し、二次側磁極部材が一次側磁極部材に面して連続して位置する複数の歯を備えた鉄製構造物で構成され、一次側磁極部材と二次側磁極部材との間に空隙が存在し、二次側磁極部材と一次側磁極部材が少なくとも一運動方向に或いは両運動方向に相対移動可能な永久磁石励磁同期電動機の一次側磁極部材に対する歯モジュールにおいて、
歯モジュールが少なくとも１個の永久磁石を有し、
歯モジュールが、運動方向における側ないしそれと逆の側に、空隙に対して垂直に延びる各々少なくとも１個の鉄平棒を有し、
片側の鉄平棒間に空所が存在し、
鉄平棒の周りを少なくとも１個のコイルが導かれ、該コイル軸線が空隙に対して垂直に延び、
少なくとも１個の鉄平棒のコイルで包囲される箇所が、空隙から離れた箇所より僅かしか突出せず、
歯モジュールの少なくとも片側に他の歯モジュールを、鉄平棒が隣り合う歯モジュールの空所に各々係合するように取り付けることができ、かくして、歯モジュールが種々に設計できる一次側磁極部材の形に結合できる
ことによって解決される。

この課題は、本発明に基づく永久磁石励磁同期電動機並びにこの永久磁石励磁同期電動機の一次側磁極部材のモジュール構成方法によっても解決される。

これに伴い、永久磁石なしの二次側磁極部材を備えた永久磁石励磁同期電動機に対する多数の一次側磁極部材を少数の歯モジュールから形成できる。このため、永久磁石が存在しない二次側磁極部材を備えた新しい永久磁石励磁同期電動機の製造費と組立時間を低減できる。永久磁石励磁同期電動機の二次側磁極部材を永久磁石無しに構成するとよい。即ち、永久磁石励磁同期電動機は永久磁石が存在しない二次側磁極部材を有する。

少なくとも区域的に永久磁石が存在しない二次側磁極部材は、全く永久磁石無しに構成できる。しかし、二次側磁極部材に永久磁石を用いた実施形態も考えられ、その場合、例えば磁極ピッチ角に相当する二次側磁極部材の箇所に永久磁石が存在しないままにする。

第１の有利な実施態様では、歯モジュールは少なくとも１個の永久磁石を有し、該磁石の両側に少なくとも１個の鉄平棒が隣接する。そして、磁束が永久磁石から鉄平棒に良好に導かれる。更にこの実施態様は、少なくとも１個のコイルが永久磁石も少なくとも部分的に包囲することで最良となる。永久磁石は空隙に対し垂直に磁化するとよい。

第２の実施態様では、歯モジュールの少なくとも２個の鉄平棒の対向する側面を互いに重なり合わせる。この場合、磁束は片側から反対側に鉄平棒を介して直に導かれる。

特に第２の実施態様では、歯モジュールが各々少なくとも１個の永久磁石から成る２つの永久磁石群を有し、一方の永久磁石群の永久磁石が同じ極性を有し、永久磁石群が異なる磁化方向を有するが、両永久磁石群における磁化方向が空隙に対し垂直に延び、両永久磁石群は、相対向する運動方向並びにそれと逆の側において、各々永久磁石励磁同期電動機の空隙側の面に配置される。これは、例えば一方の永久磁石群が空隙の側の面に設けられた永久磁石から成り、各永久磁石が鉄平棒の片側の下側に位置することで実現される。即ち、両永久磁石群の永久磁石において磁化方向は空隙に対し垂直に向いている。

他の実施態様では、少なくとも１個の鉄平棒を少なくとも１枚の鋼板で構成する。これによって渦電流を減少できる。全鉄平棒を各々積層鋼板で構成すると好ましい。

歯モジュールは、それがリニアモータの一次側磁極部材、又は回転モータの一次側磁極部材の形に結びつくように作れる。即ち、それに応じ単に一種類の歯モジュールを設計・製造し、この歯モジュールから、種々の形式の電動機の一次側磁極部材を作れる。

他の有利な実施態様では、歯モジュールは、セグメントモータ、トルクモータ或いはリングモータの一次側磁極部材の形に結合される。セグメントモータは、環状ロータを有するが、結合されるセグメントだけでステータが構成され、そのセグメントがロータを完全に包囲しないことを特徴とする。即ち、セグメントモータは２個のステータセグメントから成り、該セグメントは、ロータを回転方向に３６０°囲む代わりに、例えば各々ロータの３０°だけを覆う。該セグメントは一次側磁極部材で形成され、二次側磁極部材は環状ロータを形成する。リングモータの場合、ロータとステータは環状に形成される。トルクモータは、モータ軸にかかるトルクを、伝動装置による伝達によることなく各用途に利用できる特徴を持つ。二次側磁極部材は、通常、内部又は外部ロータとして形成される。

渦電流損失を減少すべく、二次側磁極部材は積層鋼板で構成される。また、鉄平棒は永久磁石に、各鉄平棒に永久磁石の反対側の空所が対向して位置するように設けている。その場合、歯モジュールは、歯モジュールの横側ずれが生じないように結合できる。

コイルは、歯モジュール上にコイルをはめ込み、或いは線を歯モジュール上に巻回することで設け得る。そのはめ込みを容易にすべく、鉄平棒が、歯モジュールの脚箇所における横断面積が減少されるように相対移動され、そして再び終端位置に置かれる。その後、鉄平棒は通しボルトによって固定される。

磁化可能材料を歯モジュールに取り付け、そして、永久磁石が生ずるように磁化するとよい。これによって、磁化可能材料が組合せ時点で磁化されていないので、歯モジュールの全部品の結合を単純化できる。

以下図に概略的に示す実施例を参照し、本発明並びに従属請求項に記載の特徴を有する本発明の有利な実施態様を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。

図１に本発明による歯モジュール６を示す。歯モジュール６は少なくとも１個の永久磁石１から成り、該磁石１の両側面に各々少なくとも１個の鉄平棒２が設けられ、片側の鉄平棒２間に空所３が存在し、永久磁石１と鉄平棒２の周りを少なくとも１個のコイル５が導かれている。コイルは給電可能である。鉄平棒２は永久磁石１に、各鉄平棒２に永久磁石１の反対側の空所３が対向して位置するよう設けられている。図１で、永久磁石１の両側にきっちり５個の鉄平棒２が設けられ、この結果歯モジュール６の幅４が生じている。しかし永久磁石１の少なくとも片側に唯一の鉄平棒２を設けてもよい。片側に唯一の鉄平棒２しか存在しない場合、鉄平棒の両側の自由空間は空所に相当する。鉄平棒は歯モジュール６から突出し特にコイル５が歯モジュール６から外れるのを阻止する脚１０を有し得る。歯モジュール６の安定化のため、脚１０の箇所に通しボルト１７が設けられている。

図１に示すように、空所３内においてが鉄平棒２間に鉄小片１６が取り付けられ、このため、鉄小片１６が鉄平棒２に接し、歯モジュール６の安定性が向上する。歯モジュール６を一層安定化すべく、永久磁石１の両側で、通しボルト１７が鉄平棒２並びに鉄平棒２間に位置する鉄小片１６を貫いて延びている。

鉄平棒２と鉄小片１６は空所３内で永久磁石１に接している。また、図１から解る如く、鉄平棒２における、コイル５で取り巻かれている箇所は、その箇所よりも空隙１８から遠い部位における突出の程度ほどには、一運動方向又は両運動方向に突出していない（つまり、空隙１８から離れている箇所の突出の度合いと比べると、僅かしか突出していない）。

空隙１８の位置を図３に示す。歯モジュール６から突出する鉄平棒２で複数の歯モジュール２を結合し、磁束の比較的良好な伝導を保証できる。また、図１から解る如く、鉄平棒２におけるコイル５で包囲される箇所は、その箇所よりもさらに空隙１８の近くに位置する箇所の突出又は張り出しの度合いと比較して僅かしか突出又は張り出していない。鉄平棒２は、通常、例えば金属材料等の磁束を良好に伝導する材料、例えば少なくとも１枚の鋼板で作られる。即ち、鉄平棒２を複数の鋼板から積層鋼板として構成し或いは唯一の鋼板部材で構成できる。

図２は組立中の、本発明に基づく２個の歯モジュールを示す。この場合、歯モジュール６の鉄平棒２は各々隣の歯モジュール６の空所３に係合し、その結果隣り合う歯モジュール６の鉄平棒２は側面が互いに接する。結合された歯モジュール６は、それから補助的に例えば接着やねじ止めによって固定される。

図３は、一次側磁極部材１２が本発明に基づく歯モジュール６で構成され、二次側磁極部材９に永久磁石が存在しない、永久磁石励磁同期リニアモータ７を示す。この実施例から解るように、歯モジュール６は互いに並べて直結され、この結果歯モジュール６の二次側磁極部材９の側の端部は同一平面に位置している。二次側磁極部材９は一次側磁極部材１２に面する複数の歯１１を備えた鉄製構造物で構成されている。その場合、一次側磁極部材１２と二次側磁極部材９との間に空隙１８が存在している。二次側磁極部材９の歯１１間の隙間は、非磁性材料で充填してもよい。

永久磁石１の反対側の空所３が各鉄平棒２に対向して位置するよう鉄平棒２を永久磁石１に取り付けることで、歯モジュール６を横側ずれ無しに結合できる。

図４に、一次側磁極部材１２が本発明に基づく歯モジュール６で構成され、二次側磁極部材９に永久磁石が存在しない、永久磁石励磁同期セグメントモータ８を示す。図４において、二次側磁極部材９は内部ロータとして形成している。この実施例から解るように、歯モジュール６は互いに並べて結合され、この結果歯モジュール６の湾曲した二次側磁極部材９の側の端部は、二次側磁極部材９の曲率に沿って延びている。二次側磁極部材９は一次側磁極部材１２に面する複数の歯１１を備えた鉄製構造物で構成されている。その場合、一次側磁極部材１２と二次側磁極部材９との間に空隙１８が存在している。各鉄平棒２に永久磁石１の反対側の空所３が対向して位置するように鉄平棒２を永久磁石１に取り付けることで、歯モジュール６を横側ずれ無しに結合できる。

図５は、一次側磁極部材１２が本発明に基づく歯モジュール６で構成され、二次側磁極部材９に永久磁石が存在しない、永久磁石励磁同期セグメントモータ１３を示す。図５では、二次側磁極部材９を外部ロータとして形成している。この実施例から解るように、歯モジュール６は互いに並べて結合し、この結果歯モジュール６の湾曲二次側磁極部材９の側の端部は、二次側磁極部材９の曲率に沿って延びている。二次側磁極部材９は一次側磁極部材１２に面する複数の歯１１を備えた鉄製構造物で構成されている。その場合、一次側磁極部材１２と二次側磁極部材９との間に空隙１８が存在している。各鉄平棒２に永久磁石１の反対側の空所３が対向して位置するように鉄平棒２を永久磁石１に設けることによって、歯モジュール６を横側ずれ無しに結合できる。

図６に本発明に従う歯モジュールの異なる実施例を示す。この歯モジュール６の場合、両側の鉄平棒２は重畳している。鉄平棒２間には、その両側に空所３が存在している。歯モジュール６と二次側磁極部材９との間の隙間１８に面する歯モジュール６の面に、永久磁石１４が設けられ、該永久磁石１４は隙間１８に対し垂直に極性付けられている。各永久磁石１４は、歯モジュール６と二次側磁極部材９の間の隙間１８に面する歯モジュール６の面内で鉄平棒に面する側に存在している。

図１における歯モジュール６は、追加的に永久磁石１４を備えて形成することもでき、これにより、歯モジュールは図１に応じて構成されるが、追加的に隙間１８の側に永久磁石１４を有する。

図７はコイル軸線１５を備えたコイル５を示す。それに応じて、コイル５のコイル軸線１５は、歯モジュール６に組み込まれた状態において空隙１８に対し垂直に延びている。

本発明に基づく歯モジュールの斜視図。本発明に基づく２個の歯モジュールの組立中の斜視図。一次側磁極部材が本発明に基づく歯モジュールで構成されたリニアモータの部分斜視図。一次側磁極部材が本発明に基づく歯モジュールで構成されたセグメントモータの部分斜視図。一次側磁極部材が本発明に基づく歯モジュールで構成された別のセグメントモータの部分斜視図。本発明に基づく歯モジュールの異なった実施例の斜視図。コイルの斜視図。

符号の説明

１、１４永久磁石、２鉄平棒、３空所、６歯モジュール、７リニアモータ、８、１３セグメントモータ、９二次側磁極部材、１１歯、１２一次側磁極部材

Claims

少なくとも１個の一次側磁極部材（１２）と、少なくとも部分的に永久磁石が存在しない少なくとも１個の二次側磁極部材（９）とを有し、前記二次側磁極部材（９）が、前記一次側磁極部材（１２）に面して、相前後して位置する複数の歯（１１）を備えた鉄製構造物で構成されており、前記一次側磁極部材（１２）と前記二次側磁極部材（９）との間に空隙（１８）が存在し、前記二次側磁極部材（９）と前記一次側磁極部材（１２）とが、少なくとも一運動方向又は両運動方向に相対移動可能である、永久磁石励磁同期電動機（７、８、１３）の一次側磁極部材（１２）に対する歯モジュール（６）において、
当該歯モジュール（６）が、運動方向又は反運動方向と対向する側に、空隙（１８）に対して垂直に延びた、１個の鉄平棒（２）を含んだ少なくとも１枚の鋼板を有し、
片側の前記鉄平棒（２）同士の間に空所（３）が存在し、前記鉄平棒（２）の外部の積層鋼板の周りを少なくとも１個のコイル（５）が取り巻いており、そのコイル軸線（１５）が、前記空隙（１８）に対して垂直に延び、１個の鉄平棒（２）を含む少なくとも１枚の鋼板における、前記空隙（１８）から遠い部位が、前記一運動方向又は両運動方向に突出しており、それと比較して、前記コイル（５）で取り巻かれている部位が、両運動方向に僅かしか突出せず、かつ前記コイル軸線（１５）と直交する２辺であって前記空隙（１８）から最も遠い一辺および最も近い一辺のいずれもが、一直線に延びた辺であるように、前記鉄平棒（２）の外形形状が構成されており、
当該歯モジュール（６）の少なくとも片側にて、２つの当該歯モジュール（６）同士の、前記鉄平棒（２）の前記突出した部位と前記空所（３）とが、それぞれ互いに係合されることで、それら両歯モジュール（６）同士が結合されることが可能となっていて、複数の当該歯モジュール同士の結合の個数および角度のうちの少なくともいずれか一方の変更によって、当該複数の歯モジュール全体で構成される一次側磁極部材（１２）の形が種々に変更可能となっており、
各当該歯モジュール（６）が、少なくとも１個の永久磁石（１）を有していて、前記永久磁石（１）の両側に、少なくとも１個の前記鉄平棒（２）が隣接して配置されている
ことを特徴とする、永久磁石励磁同期電動機の一次側磁極部材に対する歯モジュール。
前記永久磁石（１）が、前記空隙（１８）に対して垂直に磁化されている
ことを特徴とする、請求項１記載の永久磁石励磁同期電動機の一次側磁極部材に対する歯モジュール。
当該歯モジュール（６）の少なくとも２個の前記鉄平棒（２）の対向する側面が、互いに重なり合っている
ことを特徴とする、請求項１記載の永久磁石励磁同期電動機の一次側磁極部材に対する歯モジュール。
当該歯モジュール（６）が、それぞれ少なくとも１個の永久磁石（１４）から成る２つの永久磁石群を有し、その一方の永久磁石群の各永久磁石（１４）が同じ極性を有し、その他方の永久磁石群は、前記一方の永久磁石群とは異なった磁化方向を有するが、両永久磁石群における磁化方向が空隙（１８）に対して垂直に延び、かつ
前記永久磁石群が、前記運動方向又は反運動方向と対向する側において、永久磁石励磁同期電動機（７、８、１３）の空隙（１８）の側の面に配置されている
ことを特徴とする、請求項１記載の永久磁石励磁同期電動機の一次側磁極部材に対する歯モジュール。
少なくとも１個の前記鉄平棒（２）が、少なくとも１枚の鋼板で構成されている
ことを特徴とする、請求項１から４のいずれか１つに記載の永久磁石励磁同期電動機の一次側磁極部材に対する歯モジュール。
当該歯モジュール（６）が、リニアモータ（７）の一次側磁極部材（１２）の形に結合される
ことを特徴とする、請求項１から５のいずれか１つに記載の永久磁石励磁同期電動機の一次側磁極部材に対する歯モジュール。
当該歯モジュール（６）が、回転モータの一次側磁極部材（１２）の形に結合される
ことを特徴とする、請求項１から５のいずれか１つに記載の永久磁石励磁同期電動機の一次側磁極部材に対する歯モジュール。
当該歯モジュール（６）が、セグメントモータ（８）の一次側磁極部材（１２）の形に結合される
ことを特徴とする、請求項７記載の永久磁石励磁同期電動機の一次側磁極部材に対する歯モジュール。
当該歯モジュール（６）が、トルクモータの一次側磁極部材（１２）の形に結合される
ことを特徴とする、請求項７又は８記載の永久磁石励磁同期電動機の一次側磁極部材に対する歯モジュール。
当該歯モジュール（６）が、リングモータの一次側磁極部材（１２）の形に結合される
ことを特徴とする、請求項７から９のいずれか１つに記載の永久磁石励磁同期電動機の一次側磁極部材に対する歯モジュール。
前記各鉄平棒（２）に前記永久磁石（１）の反対側における空所（３）が対向して位置するように、前記各鉄平棒（２）が前記永久磁石（１）に設けられている
ことを特徴とする請求項１、２又は請求項５から１０のいずれか１つに記載の、永久磁石励磁同期電動機の一次側磁極部材に対する歯モジュール。
前記コイル（５）で包囲される部位における前記１個の鉄平棒（２）を含む少なくとも１枚の鋼板が、当該部位よりも前記空隙（１８）に近い位置にある部位と比較して、前記一運動方向又は両運動方向に僅かしか突出せず、前記空隙（１８）に近い位置にある部位の突出によって前記鋼板に脚（１０）が形成されている
ことを特徴とする、請求項１から１１のいずれか１つに記載の、永久磁石励磁同期電動機の一次側磁極部材に対する歯モジュール。
少なくとも１個の一次側磁極部材（１２）と、少なくとも部分的に永久磁石が存在しない少なくとも１個の二次側磁極部材（９）とを有する、永久磁石励磁同期電動機（７、８、１３）において、
前記二次側磁極部材（９）が、前記一次側磁極部材（１２）に面する複数の歯（１１）を備えた鉄製構造物で構成され、
各前記一次側磁極部材（１２）が、請求項１から１２のいずれか１つに記載の少なくとも１個の歯モジュール（６）で構成されている
ことを特徴とする永久磁石励磁同期電動機。
前記二次側磁極部材（９）が、内部ロータとして形成されている
ことを特徴とする請求項１３記載の永久磁石励磁同期電動機。
前記二次側磁極部材（９）が、外部ロータとして形成されている
ことを特徴とする請求項１３記載の永久磁石励磁同期電動機。
前記二次側磁極部材（９）が、積層鋼板で構成されている
ことを特徴とする請求項１３から１５のいずれか１つに記載の永久磁石励磁同期電動機。
少なくとも１個の一次側磁極部材（１２）と、少なくとも区域的に永久磁石が存在しない少なくとも１個の二次側磁極部材（９）とを備え、前記二次側磁極部材（９）が前記一次側磁極部材（１２）に面する複数の歯（１１）を備えた鉄製構造物で構成され、前記一次側磁極部材（１２）と前記二次側磁極部材（９）との間に空隙（１８）が存在し、前記二次側磁極部材（９）と前記一次側磁極部材（１２）とが少なくとも一運動方向又は両運動方向に相対移動可能な永久磁石励磁同期電動機（７、８、１３）の、前記一次側磁極部材（１２）を歯モジュール（６）によりモジュール式に構成する方法であって、
各前記歯モジュール（６）を、その運動方向又は反運動方向と対向する側に、前記空隙（１８）に対して垂直に延びる、１個の鉄平棒（２）を含む少なくとも１枚の鋼板で構成し、
片側の前記鉄平棒（２）同士の間に空所（３）を設け、
前記鉄平棒（２）の外部の鋼板の周りを少なくとも１個のコイル（５）が取り巻き、そのコイル軸線（１５）が前記空隙（１８）に対して垂直に延びるようにし、
前記１個の鉄平棒（２）を含む少なくとも１枚の鋼板における、前記空隙（１８）から遠い部位が、前記一運動方向又は両運動方向に突出しており、それと比較して、前記コイル（５）で取り巻かれている部位は、両運動方向に僅かしか突出しておらず、かつ前記コイル軸線（１５）と直交する２辺であって前記空隙（１８）から最も遠い一辺および最も近い一辺が、一直線に延びた辺であるように、前記鉄平棒（２）の外形形状を構成し、かつ
各当該歯モジュール（６）が、少なくとも１個の永久磁石（１）を有していて、前記永久磁石（１）の両側に、少なくとも１個の前記鉄平棒（２）が隣接して配置されているように構成しておき、
当該歯モジュール（６）の少なくとも片側にて、２つの当該歯モジュール（６）同士の、前記鉄平棒（２）の前記突出した部位と前記空所（３）とを、それぞれ互いに係合することでそれら両歯モジュール（６）同士を結合し、その際、結合される複数の当該歯モジュールの個数および互いに対する結合の角度のうちの少なくともいずれか一方を変更することによって、同じ一種類の設計および仕様の複数の歯モジュールを用いて、当該複数の歯モジュール全体で、異なった設計または仕様のリニアモータの形、または異なった設計または仕様の回転モータの形の、一次側磁極部材（１２）を構成可能とした
ことを特徴とする、永久磁石励磁同期電動機の一次側磁極部材のモジュール式構成方法。
前記歯モジュール（６）上に、前記コイル（５）が、導電線を巻回して形成される
ことを特徴とする、請求項１７記載の永久磁石励磁同期電動機の一次側磁極部材のモジュール式構成方法。
コイル（５）が、歯モジュール（６）上にはめ込まれる
ことを特徴とする、請求項１７記載の永久磁石励磁同期電動機の一次側磁極部材のモジュール式構成方法。
磁化可能材料を前記歯モジュール（６）に取り付け、
次いで、前記永久磁石（１、１４）が生ずるように、前記磁化可能材料を磁化する
ことを特徴とする、請求項１７から１９のいずれか１つに記載の請求項１７記載の永久磁石励磁同期電動機の一次側磁極部材のモジュール式構成方法。