JP5438749B2 - 磁束集中型極片を持つ永久磁石回転子 - Google Patents

Description

本発明は永久磁石機械の分野に関するもので、より特定するとＤＣブラシレス永久磁石機械に関する。

永久磁石機械、特にＤＣブラシレス永久磁石機械は、電気変調極機械（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ｐｏｌｅ ｍａｃｈｉｎｅ）として実現することができる。近年、変調極機械、クローポール型機械、ランデル（Ｌｕｎｄｅｌｌ）機械、およびトランスバース磁束機械（ＴＦＭ）から発展した電気機械設計がますます注目を集めている。これらの機械の原理を用いる電気機械はすでに１９１０年ごろにアレキサンダーソンおよびフェセンデンにより開示されている。ますます注目を集めている最も大きな理由の１つは、その設計により、例えば、誘導機、スイッチドリラクタンス機械、更には永久磁石ブラシレス機械に関して、非常に高いトルク出力が得られるからである。また、かかる機械の利点はコイルを製作しやすいことである。変調極機械トポロジを実現した例として、例えば、クローポール型機械、クローフィート（Ｃｒｏｗ−ｆｅｅｔ）機械、ランデル機械、またはＴＦＭ機械などの実現がある。磁束集中型回転子は、一般的に述べると、多数の軟磁性材料の極片と、その間に配設した同数の永久磁石とで組み立てる。永久磁石は円周方向に磁化され、１つ置きの磁石は逆磁化ベクトル方向を有する。

米国特許第６３４８２６５号明細書

最近の回転子設計は高性能のＮｅＦｅＢ磁石を用いて極磁界の強さを最大にし、また構造の性能対重さ比を最小にする。別の方法は低性能で低コストの磁石を用いることであるが、この場合は同じ磁極強さを得るために磁石の断面積を比例的に大きくしなければならない。低性能の磁石を配設する現在の方法は半径方向寸法全体に回転子を増やすことであるが、その結果、回転子の重さおよび慣性モーメントが増加する。永久磁石からの磁束を取り込むために、中間の軟磁極片も半径方向に伸ばさなければならない。
電気機械の性能を向上させ、および／またはその性能を低下させずにかかる機械の製作コストを減らすことが望ましい。

ここに開示するのは固定子および回転子を含む永久磁石機械である。この機械の回転子は固定子に対して回転する。回転子は複数の永久磁石を含み、この複数の永久磁石は、永久磁石からの磁束を集中させるために軸方向に伸びる極片により円周方向に相互に離される。固定子は固定子と回転子の間に磁束を通すために形成する固定子と回転子の間のエアギャップの軸方向限界を規定する構造を有する。

ここに開示する永久磁石機械の実施の形態では、永久磁石の一部または全部が固定子構造により規定されるエアギャップの軸方向限界の外側まで軸方向に伸びる。固定子と回転子との間に磁束を通すための固定子と回転子との間のエアギャップは活性エアギャップとも呼ぶ。したがって、永久磁石の軸方向長さは、エアギャップの軸方向の外側限界により規定される活性エアギャップの全軸方向寸法より長い。一般に、固定子は軟磁気構造を含み、エアギャップの軸方向限界はエアギャップに（したがって回転子に）面する軟磁気構造の部分により規定されることがある。詳しく述べると、エアギャップの軸方向限界はエアギャップに（したがって回転子に）面する固定子の軟磁気構造の部分の軸方向限界により規定されることがある。

したがって、より大きな磁石からの磁束は固定子の軸方向寸法により規定される活性エアギャップ領域内に集中し、これにより機械の性能は向上し、および／または機械の性能を低下させずに低性能の磁石を用いることが可能になり、したがって機械の製作コストが下がる。更に、性能の向上および／またはコストの低減を、機械の半径方向寸法を大きくせずに得ることができる。多くの応用において半径方向寸法の増加は望ましくない。それは、例えば、空間に制約があるため、または機械の回転部の慣性モーメントを減らしたいためである。
固定子は複数の固定子歯を含んでよい。各固定子歯は回転子に向かって半径方向に突出しまた回転子に面する端面を有し、固定子歯の端面はエアギャップの軸方向限界を規定する。

ここに開示する永久磁石機械の実施の形態では、極片は、前記永久磁石からの磁束が固定子により規定される活性エアギャップの近くに集中するように成形する。
このため、変調極機械のエアギャップの磁束密度を増やすような回転子極構造になる。更に、小型の永久磁石を用いて望ましい磁束を得ることができるので慣性モーメントが減少し、これにより機械の動的性能が向上する。更に、軟磁極片構成要素の形により、磁束が集中して電気機械の性能を向上させることができる。

或る実施の形態では、前記極片の少なくとも１個はそれぞれの隣接する永久磁石の対応する接触面に接する接触面と、接触面の間の中央部とを有する。この中央部は、隣接する永久磁石の軸方向長さより短い軸方向長さ、および／または隣接する永久磁石の半径方向厚さより薄い半径方向厚さを有する。或る実施の形態では、極片の少なくとも１個は前記活性エアギャップ領域に向かって軸方向におよび／または半径方向に制限される。すなわち、活性エアギャップに近接する面を形成しまた活性エアギャップを介して回転子と固定子の間に磁束を通す極片の中央部は、隣接する永久磁石との接触面を形成する極片の側面部に比べて小さな半径方向および／または軸方向寸法を有する。

或る実施の形態では、極片構成要素の少なくとも１個は、隣接する永久磁石の表面を覆う接触面と、活性エアギャップ領域の近くに向かう方向に制限される長さを持つ中央部とを有する。これにより、永久磁石全体の表面からの磁束は極機械の性能を向上させる領域内に導かれて集中する。
或る実施の形態では、極片は活性エアギャップ領域の近くに向かって軸方向に制限される。極片を軸方向に制限することにより、固定子部より軸方向に広い磁石からの磁束を実際に集中させて利用することができる。

更に、低性能の永久磁石を固定子構造の軸方向限界の外側まで軸方向に伸ばすと、磁束は固定子の軸方向長さにより規定される活性エアギャップ領域内に軸方向に戻って集中する。軸方向に伸びる軟磁極片により、回転子の半径方向厚さを現在のものに比べて小さくすることができるので、慣性モーメントは減少する。
或る実施の形態では、極片は活性エアギャップ領域の近くに向かって半径方向に制限される。極片を半径方向に制限することにより、従来の回転子に用いられているものより半径方向に広い磁石からの磁束を実際に集中させて利用することができる。
或る実施の形態では、永久磁石機械はアキシャルタイプである。
或る実施の形態では、永久磁石機械はラジアルタイプである。

或る実施の形態では、前記極片の少なくとも１個は成形した軟磁粉で作る。
軟磁粉は実質的に純粋な水で噴霧化した鉄粉、すなわち海綿鉄粉でよく、電気絶縁体で被覆した不規則な形の粒子を有する。この文脈では、「実質的に純粋な」という用語は、粉末に含有物が実質的にないこと、および不純物Ｏ、Ｃ、およびＮの量が最小限に保たれていることを意味する。平均粒子サイズは一般に３００μｍより小さく１０μｍより大きい。
しかし、軟磁気特性が十分でありまた粉末がダイ圧縮固化に適していれば、任意の軟磁性金属粉または金属合金粉を用いてよい。

粉末粒子の電気絶縁は無機材料で行ってよい。特に適しているのは米国特許第６３４８２６５号に開示されている絶縁のタイプである。この特許をここに援用する。この特許は、絶縁する酸素およびリンを含有する障壁を有する実質的に純粋な鉄を含むベース粉末の粒子に関するものである。絶縁粒子を有する粉末としては、スウェーデンのＨｏｅｇａｎａｓ ＡＢ社製のＳｏｍａｌｏｙ（Ｒ）５００、Ｓｏｍａｌｏｙ（Ｒ）５５０、またはＳｏｍａｌｏｙ（Ｒ）７００などが市販されている。
成形を単一の圧縮固化ツール装置で行う粉末成形法を用いることにより、統合された極片を同じ操作で効率的に作ることができる。

以下に、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照して説明する。
現在のラジアル永久磁石機械および従来技術の回転子／固定子設計の略組立分解斜視図である。 図１のラジアル永久磁石機械の断面図である。 軸方向に磁束が集中する固定子および回転子を備える電気機械の一例を示す。 軸方向に磁束が集中する回転子の回転子極片を示す。 永久磁石および固定子歯の相対的寸法の例を示す。 軸方向および半径方向に磁束が集中する固定子および回転子を備える電気機械の一例を示す。 軸方向および半径方向に磁束が集中する回転子の回転子極片を示す。

本発明は永久磁石機械１００の分野であり、その一例を図１の略組立分解斜視図に示す。永久磁石機械の固定子１０は基本的に、磁気コイル（例えば、中央の単一巻線２０）を用いて、軟磁気コア構造により形成される多重歯１０２に磁気的にフィードすることを特徴とする。この場合は固定子コアを巻線２０の周りに形成するが、他の普通の電気機械構造では巻線を個別の歯コア部の周りに形成する。変調極機械トポロジの例として、例えば、クローポール型機械、クローフィート機械、ランデル機械、またはＴＦＭ機械などがある。より特定すると、図に示す永久磁石機械１００は、それぞれが複数の歯１０２を含みまた実質的に円形である２個の固定子コア部１４、１６と、第１および第２の円形の固定子コア部の間に配設するコイル２０と、複数の永久磁石２２を含む回転子３０とを含む。

更に、固定子コア部１４、１６、コイル２０、および回転子３０は共通の幾何学的軸１０３を囲み、２個の固定子コア部１４、１６の複数の歯は、図３に示すように閉回路磁束路を形成するために回転子３０に向かって突出するように配設する。図１の機械は、固定子歯が回転子に向かって半径方向に突出しているのでラジアルタイプであり、この場合は固定子が回転子を囲む。しかし、固定子は回転子に対して全く同様に内部に位置してよく、このタイプも以下のいくつかの図に示す。以下に提示する本発明の範囲は特定のタイプの永久磁石機械に限定されるものではなく、アキシャルタイプおよびラジアルタイプの機械に、また回転子に対して固定子が内側にあるタイプおよび外側にあるタイプの機械に、全く同様に適用することができる。同様に、本発明は単相機械に限定されるものではなく、多相機械にも全く同様に適用することができる。

能動回転子構造３０は偶数のセグメント２２、２４で製作する。ただし、極片とも呼ぶ半数のセグメント２４は軟磁性材料で作り、他の半数のセグメント２２は永久磁石材料で作る。永久磁石と極片とは1つ置きに配設する。現在の方法ではこれらのセグメントを個別の構成要素として作る。セグメントの数はかなり多く、一般に１０−５０個程度の個別の片であることが多い。永久磁石２２は、永久磁石の磁化方向が実質的に円周方向になるように配設する。すなわち、北極および南極は実質的に円周方向にそれぞれ面する。

更に、円周方向に数えて１つ置きの永久磁石２２は、その磁化方向が他の永久磁石に対して逆方向になるように配設する。望ましい機械構造では、軟磁極片２４の磁気機能性は完全に三次元であり、軟磁極片２４は３空間方向全てに高い透磁率で磁束を効率的に運ぶ必要がある。積層鋼板を用いる従来の設計は鋼板の面に垂直な方向に対して必要な高い透磁率を示さないので、ここでは現在の積層鋼板構造より高い磁束等方性を示す軟磁気構造および材料を用いるのが有利である。

図２は図１と同じラジアル永久磁石機械であるが、組み立てられた機械の断面図であって、固定子歯１０２が回転子に向かって伸びる様子と、２個の固定子コア部１４、１６の固定子歯が互いに対して回転方向にずれている様子とをより明確に示す。

図３ａおよび図３ｂは、本発明に係る固定子および回転子を持つ電気機械の一例を示す。固定子３０１は歯３０３を有し、回転子３０５の内側に位置する。回転子３０５は永久磁石３０７および回転子極片３０９を含む。図３ｂは上に述べた回転子の回転子極片を示す。見やすいように、１個の回転子極片および１個の永久磁石を除いてある。回転子極片３０７は、永久磁石からの磁束が固定子と回転子の間の活性エアギャップ領域の近くに集中するように成形する。永久磁石３０７の軸方向長さは固定子３０１の軸方向長さより長く、固定子の長さｗにより規定される活性エアギャップの近くに磁束を集中させるために、回転子極の中央部３１１は固定子３０３の長さｗにより規定される活性エアギャップに向かって軸方向に制限される。この例では、中央部の長さｌは固定子の全長ｗと一致する。永久磁石全体からの磁束を集中させるために、回転子片は隣接する永久磁石の全表面を覆う接触面３１３を持つ端部を有する。

図４は永久磁石および固定子歯の相対的寸法の例を示す。
図４ａは、回転子４０１の一部分の図であって、この部分は回転子極片４０９およびその２個の隣接する永久磁石４０７を含む。永久磁石４０７および回転子極片４０９はそれぞれ回転子の回転軸４１７に平行な方向に細長い。永久磁石の軸方向長さをＬ_mで示す。回転子が回転中は、図の回転子極片は矢印４１０で示す方向に動く。図４ａは更に、回転子極片４０９および永久磁石４０７に向かって位置する固定子歯の端面４１３ａ、４１３ｂを示す。すなわち、端面４１３ａ、４１３ｂは回転子に面し、活性エアギャップだけ回転子から離れている。

一般に、活性エアギャップの軸方向長さＷは固定子の全軸方向寸法により規定され、特に回転子に対して半径方向に近い固定子構造の部分の全軸方向長さにより規定される。この実施の形態では、固定子はそれぞれの組の端面４１３ａ、４１３ｂをそれぞれ有する２組の固定子歯を含み、対応する他の組の固定子歯の端面から軸方向にずれている。したがって、活性エアギャップの長さＷは端面のそれぞれの組の端面の軸方向の最も外側の限界４３２ａと４３２ｂの間の軸方向の距離により規定される。

更に、この実施の形態では、細長い回転子極片４０９は、それぞれの隣接する永久磁石に対する接触面４２６を形成する横向きの外側部４２４と、中央部４２５とを有する。横向きの外側部４２４と中央部４２５とは異なる軸方向長さを有する。詳しく述べると、中央部の軸方向長さＬは永久磁石４０７の軸方向長さより短く、また回転子極片４０９の横向きの外側部４２４の軸方向長さより短い。この例では、横向きの外側部は永久磁石の軸方向長さＬ_mに等しい軸方向長さを有する。したがって、回転子極片の接触面４２６は永久磁石４０７の軸方向長さ全体を覆う。

図５の例では、中央部４２５は活性エアギャップの長さＷに等しい長さＬを有するので、磁束を永久磁石の全長から活性エアギャップに向かって導いて集中させ、磁気損失を最小にする。それにもかかわらず、認識されるように、横向きの外側部の長さは永久磁石の長さと異なってよく、および／または中央部の長さは固定子の軸方向寸法により規定される活性エアギャップの長さＷと異なってよい。更に、後で説明するが、図面に垂直な方向の回転子極片４０９の厚さも、回転子極片全体で横方向におよび／または縦方向に変化してよい。

したがって、実際には、永久磁石４０７が生成する円周方向の磁束は接触面４２６を介して回転子極片４２４に入り、中央部４２５の方に導かれて集中し、ここで磁束は永久磁石から固定子の方に（すなわち、この実施の形態では半径方向に）出る。したがって、回転子極片４２４は永久磁石の軸方向長さ全体から、特に活性エアギャップより長い軸方向長さを有する領域から磁束を受け、より狭い活性エアギャップに向けて磁束を集中させることにより、エアギャップより軸方向に長い永久磁石が生成する磁束を効率的に用いる。

図４ｂは図４ａと同様の別の例であるが、異なるタイプの永久磁石機械のものであって、固定子歯の端面４１３は活性エアギャップの全長Ｌにわたって軸方向に伸びる。

図５ａおよび図５ｂは固定子および回転子を持つ電気機械の或る実施の形態を示す。固定子５０１は歯５０３を有して、半径方向に回転子５０５の内側に位置する。すなわち、いわゆる外側回転子構成である。回転子５０５は上に述べたように永久磁石５０７および回転子極片５０９を含む。図５ｂは上に述べた回転子の回転子極片を示す。見やすいように、１個の回転子極片および１個の永久磁石を除いてある。回転子極片５０９は永久磁石からの磁束が固定子と回転子の間の活性エアギャップ領域の近くに集中するように成形する。

この実施の形態では、永久磁石５０７は回転子極片５０９の中央部５１１より軸方向および半径方向に広く、磁束を活性エアギャップの近くに集中させる。すなわち、回転子極片５０９の中央部５１１は活性エアギャップに向かって軸方向および半径方向に制限される。この例では、中央部の軸方向長さｌは固定子の全軸方向長さｗに一致し、また中央部５１１の半径方向の深さ／厚さｄは固定子の近くのエアギャップに向かって制限される。永久磁石全体からの磁束を集中させるために、回転子片は隣接する永久磁石の表面全体を覆う接触面５１３を持つ端部を有する。

いくつかの実施の形態を説明して詳細に示したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲内で規定される主題の範囲内で、他の方法で実現してもよい。例えば、本発明について主として、永久磁石の横表面が半径方向に揃うように配設される対称回転子構造に関して説明した。しかし認識されるように、いくつかの実施の形態では、埋め込み磁石回転子構造、Ｖ型極を持つ構造、ダブテール設計の回転子、またはそれらの組合せなどの他の回転子配列を用いてよい。本出願に述べた回転子構造をＡＣ同期永久磁石機械に用いてもよい。

Claims (10)

1. 回転子および固定子を含む永久磁石機械であって、前記回転子は前記固定子に対して回転し、前記回転子は複数の永久磁石を含み、前記複数の永久磁石は前記永久磁石からの磁束を集中させるために軸方向に伸びる回転子極片により円周方向に相互に分離され、前記固定子は前記固定子と前記回転子の間に磁束を通すために形成する前記固定子と前記回転子の間のエアギャップの軸方向限界を規定する構造を有し、その特徴は、前記永久磁石の少なくとも一部は前記固定子構造により規定される前記エアギャップの軸方向限界の外側まで軸方向に伸び、また前記極片の少なくとも１個はそれぞれの隣接する永久磁石の対応する接触面に接する接触面と、前記接触面の間の中央部とを有し、前記中央部は前記隣接する永久磁石の軸方向長さより短い軸方向長さを有することである、永久磁石機械。
2. 前記極片の少なくとも１個はそれぞれの隣接する永久磁石の対応する接触面に接する接触面と、前記接触面の間の中央部とを有し、前記中央部は前記対応する隣接する永久磁石の半径方向厚さより薄い半径方向厚さを有する、請求項１記載の永久磁石機械。
3. 前記極片の少なくとも１個は前記それぞれの隣接する永久磁石のそれぞれの接触面を覆う接触面を有する、請求項２記載の永久磁石機械。
4. 前記固定子はそれぞれが前記回転子に向かって半径方向に突出しまた前記回転子に面する端面を有する複数の固定子歯を含み、前記固定子歯の端面は前記エアギャップの軸方向限界を規定する、請求項１から３のいずれか一項記載の永久磁石機械。
5. 対応する他の組の固定子歯の前記端面から軸方向にずれたそれぞれの組の端面を有する少なくとも２組の固定子歯を含み、各組は前記対応する他の組の固定子歯の端面から軸方向にずれ、各端面はそれぞれの他の組の端面に近い境界とそれぞれの他の組の端面から遠い境界とを有し、前記エアギャップの軸方向限界は異なる組の固定子歯の端面の遠い境界により規定される、請求項４記載の永久磁石機械。
6. 前記固定子は、前記固定子と前記回転子の間の前記エアギャップ内に磁束を生成して前記回転子を前記固定子に対して回転させるために、前記固定子歯に向かって導かれる磁束を生成するよう配設した磁束生成手段を含む、請求項４または５記載の永久磁石機械。
7. 前記極片は、前記永久磁石からの磁束が前記固定子と前記回転子の間の前記エアギャップの近くに集中するように形成する、請求項１から６のいずれか一項記載の永久磁石機械。
8. 前記永久磁石機械はラジアルタイプである、請求項１から７のいずれか一項記載の永久磁石機械。
9. 前記極片の少なくとも１個は圧縮固化した軟磁粉で作る、請求項１から８のいずれか一項記載の永久磁石機械。
10. 前記固定子の少なくとも一部は圧縮固化した軟磁粉で作る、請求項１から９のいずれか一項記載の永久磁石機器。

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