JP5859516B2

JP5859516B2 - 単極モーター位相

Info

Publication number: JP5859516B2
Application number: JP2013506719A
Authority: JP
Inventors: ベルノ，フランソワ; ベルノ，アリ
Original assignee: フェデラルモーグルシンテルテク
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2011-04-28
Publication date: 2016-02-10
Anticipated expiration: 2031-04-28
Also published as: JP2013526255A; US20130099619A1; FR2961037A1; CN102948037B; US9337710B2; CN102948037A; EP2564490A1; WO2011135268A1; FR2961037B1

Description

発明の詳細な説明

１．従来技術の状態
本発明は，フレーム内に格納された固定子及び前記固定子と同じ回転軸を中心に回転する回転子とを備えた単極構造を有する回転式電気機械において，少なくとも前記固定子又は前記回転子が，互いに等距離になるよう角度が変位された少なくとも２つの極を含む環状磁気フレームヨークで支持された少なくとも１つの環状形の電気コイルから構成され，これらの極が前記環状磁気フレームヨークに堅固に取り付けられ，かつ前記軸に平行に折り畳まれたタブによって形成される回転式電気機械に関する。

回転式電気機械等のこの種の電気機械の構造及び動作は，ＦＲ００／０６２９８及びＢＲ１８０８３／ＦＲ（発明者ベルノ，フランソワ）の特許で説明されている。

図１は，複数の爪を有する３相固定子と，表面磁石を有する回転子を有する８極の型(version)の単極構造における従来技術を示す。別の変形例は埋め込み磁石付き回転子を備えてもよい。

別の変形例は多相固定子を備えてもよく，相数は任意であり（１以上），別の変形例は逆配置型の(inverse)外部回転子を備えてもよい。

図１の実施形態は３つの同一の固定子を含み，これらがそれぞれのコイル（ｃ４，ｃ５又はｃ６）を備える場合に，本明細書では位相と表記する。前記固定子には（ｃ１），（ｃ２），（ｃ３）と番号を付与する。これらの固定子は，約３０°の機械的角度で互いに位相が変位されている。図１に示す実施形態の場合，角度（ｃ１０）は実質的に３０°の値を有し，角度（ｃ１１）は実質的に６０°の値を有する。角度（ｃ１０）は，回転機械の電気角の３分の１に実質的に対応しており，前記電気角は３６０°（１回転）を極の組数（この８極の場合は４組）で割った値に等しい。角度（ｃ１１）は，実質的に角度（ｃ１０）の２倍の値を有する。これらの角度の変位は用途により異なることがあるが，こういった変動は周知の従来技術の範囲内であり，特に，他の構造の回転機械に適用されている。これらは，最終的な機械を最適化するためのみに利用されている。前記機械の２相の変形例は，図１で説明する８極の実施形態において，角度（ｃ１０）＝４５°変位されることになる２つの固定子（ｃ１）及び（ｃ２）のみを備えることになる。位相間又は各固定子間における角度の変位を計算する規則は，従来技術の一部である。

図１の実施形態において，固定子（ｃ１），（ｃ２），（ｃ３）は，各固定子の回転面Ｘ／Ｙ（ｃ１２）の周囲にある各々（ｃ４），（ｃ５），（ｃ６）と示された固定子コイルの明らかな凹凸を特徴とする爪付き構造を有する。前記凹凸は，特許ＢＲ１８０７５／ＦＲで提案されているように固定子の歯を捻ることにより得ることができ，或いは特許ＢＲ１８０８３／ＦＲによって提案されているようにコイル（ｃ４），（ｃ５），（ｃ６）を更に取り囲むことにより得ることができる。

図２に示す極の数が２８に相当する場合の後者の優れた実施形態において，固定子（ｃ１），（ｃ２）及び（ｃ３）は全て，コイル（ｂ３）をクランプする２つの同一のウェーハ（ｂ１）及び（ｂ２）から同じ方法で構成される。特許ＢＲ１８０８３／ＦＲに従い，前記ウェーハは，それぞれの歯（ｂ４）及び（ｂ５）が実質的に等距離になるように互いの上に組み立てられる。ウェーハ（ｂ１）は，矢印（ｂ７）で示されるように，ウェーハ（ｂ２）の上に載置されている。ウェーハ（ｂ１）と（ｂ２）との間の接触面（ｂ３０）は，該接触面における望ましくない磁気ギャップを避けるために，適切に作成されなければならない。

この接触面（ｂ３０）の形状はＸ／Ｙ（ｃ１２）に沿った同一平面から成るものではないが，前記ウェーハ（ｂ１）及び（ｂ２）の相対的な角度設定を可能にする凹凸また凹状等の他の形状を採用することができる。ウェーハ（ｂ２）は，ウェーハ（ｂ１）に対して角度が変位されている。図２の固定子の場合における前記設定角度（ｂ６）は実質的に前記機械の電気角の半分の値を有し，図２に示すこの１４組の極の場合，この値は１２．８５７°となる。

図１及び図２の実施形態では，各々の歯（ｂ４）及び（ｂ５）が機械の完全な電極を形成するとしている点に留意することが重要である。したがって，図１では，同じ回転子（ｃ７）を中心として軸方向に集合させた単相電気式回転機械のアセンブリが示される。前記回転子は同期，非同期，又は可変リラクタンス等いくつかの性質を有し得る。今日周知の回転子の様々な実施形態は，従来技術の一部となっており，図１で説明するように，それらは全て，爪付き固定子のアセンブリの存在に適合されている。

本明細書では，固定子（ｃ１），（ｃ２），（ｃ３）を，それらの役割を明らかにするために「位相」と称する。回転子はこれら３つの位相で共通である。したがって，以下の説明全体において，２つのウェーハ（ｂ１）及び（ｂ２）によって形成され，かつコイル（ｂ３）をクランプしているアセンブリを完全な位相とする。前述のように２つのウェーハ（ｂ１）及び（ｂ２）を接合して，コイル（ｂ３）をクランプすることに対応して，図３においても，単相（ｄ４）を形成するために，方向（ｄ３）に沿って互いに集められたこれらのウェーハ（ｂ１）に対するウェーハ（ｄ１）及びウェーハ（ｂ２）に対するウェーハ（ｄ２）の両方を示すことにより，より統合的な方法でこの提案を想定している。従来技術に記載の現状において，例えば面ＸＹ（ｃ１２）の回転軸の任意の位置に取り付けられた弾性クランピングワッシャーから成り得るウェーハ（ｂ１）と（ｂ２）とを互いに軸方向に保持する手段を提供する利点に注目されたい。

図１及び図２のこれら全ての説明は従来技術の一部となっている。それらには，ウェーハ（ｂ１）及び（ｂ２）の歯（ｂ４）及び（ｂ５）が外周に配置され，回転子が固定子の外側にある，逆配置型の固定子を備える変形例が含まれる。

従来技術は，図４に示すように，電気式回転機械の様々な要素の互換性，とりわけそれらの内的又は外的な相対位置を明確に示す。２つのウェーハ（ｄ１）及び（ｄ２）から成る位相（ｄ４）は，単相単極回転機械（ｅ４）を形成するために，部品（ｅ２）の外側に配置してもよい。２つのウェーハ（ｄ１）及び（ｄ２）から成る位相（ｄ４）は，単相単極回転機械（ｅ５）を形成するために，部品（ｅ３）の内側に配置してもよい。適切な角度だけ変位させたこれらの完全な機械（ｅ４）又は（ｅ５）の軸方向の並置は，前記技術から周知のように，多相回転機械を形成する。

この図４の提示において，部品（ｄ４），（ｅ２）及び（ｅ３）は，静的又は回転式とすることができる。部品（ｄ４）が回転式の場合，リング又は他のあらゆるシステム（例えば回転ダイオード）のいずれかによって電力が供給されなければならない。

回転磁石（又は巻線インダクタ）（ｅ２）との静的な組合せ（ｄ４）は，いわゆる同期機械を形成する機械（ｅ４）に対応する。

その後，位相（ｄ４）には，交流電流により，かつ，周知のいわゆるブラシレス制御方法に従って電力が供給される。

回転磁石（又は巻線インダクタ）（ｅ３）との静的な組合せ（ｄ４）はいわゆる逆配置型の同期機を形成する機械（ｅ５）に対応する。このとき位相（ｄ４）は交流電流により，かつ，既知のいわゆるブラシレス制御方法に従って電力が供給される。

静的（ｅ３）と回転式（ｄ４）との組合せは，爪付きオルタネータを形成する機械（ｅ５），すなわち，熱機関で広く使用されるいわゆるランデルオルタネータ（Lundell alternator）に対応する。

例えば，回転式（ｄ４）及び静的（ｅ２）な構成，又は更に回転式（ｄ４）及び静的（ｅ３）な組合せ，或いは両方が回転式の部分（ｄ４）及び（ｅ２），又は更に両方が回転式の部分（ｄ４）及び（ｅ３）等，他のあらゆる組合せが可能である。

同一平面構造を有する回転機械に関して，これらの様々な組合せは，従来技術において広く説明されている。

欧州特許出願第０２２５３７２８号の公開公報である欧州特許公開第１２６３１１５Ａ２号公報及び欧州特許出願第０６０２０５９５号の公開公報である欧州特許公開第１７７０８４６Ａ２号公報はどちらも，歯を備える環状位相ウェーハにおいて，歯脚が一定の半径厚さ（つまり，ウェーハの半径に沿って）を有する環状位相ウェーハについて説明する。

本発明の以下の説明は，前述の多様な構成に導入することができる位相（ｄ４）の実施形態に関する。前記位相（ｄ４）を，部分（ｅ２）又は（ｅ３）によってカスタマイズされた回転機械に組み込んでもよい。前記位相（ｅ４）を組み込んだ機械の最終構造は，後述する本発明の最終用途の代替例と，従来技術に該当する記載されていない代替例の全てに関する。

以下のリストでは，回転式電気機械における，本発明の用途の非包括的な様々な考え得る代替例に分類する：
・巻線形回転子又は磁石を有する同期機，
・巻線形回転子又はケージを有する非同期機，
・可変リラクタンス付きの受動又は能動（磁化された）回転子を有する機械。

以下のリストでは，電気式回転機械を形成するための非包括的な様々な可能な代替例に分類する：
・外部固定子を備えた機械又は内部固定子を備えたいわゆる逆配置型の機械となる（ｅ４）又は（ｅ５）タイプの機械を形成するための，様々な部分（ｄ４），（ｅ２）及び（ｅ３）の相対的配置，
・１電気回転（３６０°÷極の対の数）を位相数で割ったものと実質的に等しい電気角だけ互いに適切に位相を変位した基本機械（ｅ４）又は（ｅ５）を軸方向に積み重ねることで得られる単相，２相，３相又は多相の機械であり，前記の角度の変位を回転子又は固定子において創出することができるもの。
・少なくとも１つの位相を含み，各電気位相はいくつかの基本（ｅ４）機械又は電気的に直列又は電気的に並列に接続された機械（ｅ５）から成る多相機械。
・位相（ｄ４）は全て角度をつけて整列され，場合により磁石又は巻線インダクタ，或いは補助部品（ｅ２）又は（ｅ３）の導体のいずれかの回転により相間の位相の変位が生じる，少なくとも１つの位相を含む多相機械。
・複数のコイル（ｂ３）がいくつかの別個の巻線に分割され，完全な多相機械を形成するために，巻線自体が，ある位相から別の位相へ，ジグザグ型，星型又は三角形のパターンで連結される，少なくとも１つの位相を備える多相機械。
・前記アセンブリは，全ての静止部分（ｄ４），（ｅ２）及び（ｅ３）が静止移相器を形成する静止変圧器を形成することもできる。

無し

２．本発明の説明
本発明は，この単極回転機械構造の磁気回路の特定の実施形態を提示する。図５は従来技術に対応するウェーハ（ａ０）における磁束の軌道を示す。前記ウェーハ（ａ０）はウェーハ（ｂ１）又はウェーハ（ｂ２）のいずれかに対応し，その接合が位相（ｄ４）を形成する。回転子及び固定子の磁束の組合せによって発生する磁束Ｆｄ（ａ２）は，外部フレームヨーク（ａ４）において２つの同一部分Ｆｃ（ａ１）に分割されるよう，歯足(pied de dent)（ａ５）及び歯脚(jambe de dente)（ａ３）を通り，歯（ｂ４）又は（ｂ５）に沿って戻される。従来技術のこの実施形態において，歯間空間（ａ６）は空隙である。

磁束保存の法則は，回転機械の設計に取り組む当業者が，磁束の大半が磁気回路中を循環し，かつ空気中を循環するものを最小にすることを確実にする。この結果として，フレームヨーク（ａ４）との接続部における脚（ａ３）の最適な断面が非常に重要となる。それは，この場所に過剰な量の磁性物質が存在し，一方，コイル（ｂ３）のために利用可能な銅の断面は減少するため，それと結合するからである。

従来技術では磁束Φｄ（ａ２）を歯脚（ａ３）に沿って放射状に循環させ，次いでフレームヨーク（ａ１）によって前記磁束を戻す。コイル（ｂ３）の断面を増大させるための選択肢の１つは，位相を内側から見て，平坦に展開した図９に示す歯形状を採用することから成る。位相（ｂ４）を形成するウェーハ（ｂ１）及び（ｂ２）の双方が，この図９で認識される。第１の周知の形状（ｂ１２ａ）は丸くなっており，それにより，磁気漏れを起こさずに角度をつけて歯（ｂ１３ａ）を接合できる。第２の周知の尖った形状（ｂ１３ｂ）は，磁気漏れを増加させることなく，角度をつけて歯を更に接合できる。これらの後者の両実施形態（ｂ１３ａ）及び（ｂ１３ｂ）では，歯によって戻される磁束は歯の断面に関して最適化される。そのため，ウェーハ（ｂ１）及び（ｂ２）の壁の横幅を減少させることが可能になり，コイル（ｂ３）のために解放した半径方向の高さが増加する。

これら双方の歯形状(formes de dents)（ｂ１３ａ）及び（ｂ１３ｂ）は，歯を互いにより接近させることを可能にし，その結果，前記歯形状が歯脚（ａ３）に達する前に磁束Φｄ（ａ２）を偏向させ，それにより，ウェーハ（ｂ１）及び（ｂ２）の壁の厚さを減少させることができる。しかし，前記歯形状（ｂ１３ａ）及び（ｂ１３ｂ）は，（ｂ１４ａ）及び（ｂ１４ｂ）の部分において，対向する部分（場合により固定子又は回転子）を経由して，前記歯形状（ｂ１３ａ）及び（ｂ１３ｂ）の先端で磁気相互作用を生むという短所を有する。その結果，この機械には著しいトルク損失が生じる。位相（ｄ４）によってもたらされるトルクを増加するための最も賢明な方法は，（ｂ１４）の部分において，あらゆる磁気漏れがないが，十分なコイル断面（ｂ３）を得るために下記発明を用いることを課す直線状の歯（ｂ４）を採用することから成る。

これは図６及び図７に見られるように，歯は，環状フレームヨーク（ａ４）に対して放射状に伸長する歯脚（ａ３）と呼ばれる第１の部分と，環状位相の軸に平行に伸長し，かつ屈曲部を通って歯脚の一端に連結する歯足（ａ５）と呼ばれる別の部分を含む。前記歯足（ａ５）の他端は自由端であり，歯先端又は歯端と呼ばれる。

これは図９でも見られるように，歯が直線状だということは，それらの歯足（ａ５）が双方の隣接する歯にそれぞれ面する２つの対向する面を有し，これらの面は歯足（ａ５）の全長に亘ってフレームヨーク（ａ４）の回転軸に平行に伸長することを意味する。

他の実施形態では，複数の歯はフレームヨークの回転軸に対して１０°以内，好適には５°以内に平行で，及び／又は歯足の長さの少なくとも９０％，好適には少なくとも９５％に亘って伸長するこれらの両側に対して＜＜略直線＞＞でもよい。

以下の記載において，本発明の説明は各図によって支持される：
・図５は，通常の機械位相における磁束の循環を示す
・図６は，最適化された機械位相における磁束の循環を示す
・図７は，ウェーハの形状の最適化の詳細を示す
・図８は，最適化されたウェーハに穿孔する可能性を示す
・図９は，先行技術と本発明との間で歯形状を比較する。

本発明は，図６において，歯足（ａ５）及び歯脚（ａ３）によって形成された歯の特定の実施形態を示し，該実施形態では放射状の経路以外の経路に磁束を誘導するために，２本の連続する歯脚（ａ３）の間の接合面に磁束の方向を変更する。この結果，コイル（ｂ３）のために利用可能な対応する銅の断面が増大する。

図６の実施形態では，磁束Φｄ（ａ２）は，図５と同様の方法で，各歯足（ａ５）を通って入る。しかし，歯の２本の連続する歯脚（ａ３）の間に存在する空間（ａ６）は，図５に存在する空隙の代わりに磁性体で充填されているので，磁束Φｄ（ａ２）は，捻れた経路を通って位相（ｄ４）の対向するウェーハに属する対向する歯（ａ５ａ）に到達する前に，この後者の歯間空間（ａ６）に移行することにより２つの磁束Φｃ（ａ１）に分割される。

この結果，歯脚（ａ３）にある磁束が分散し，これにより磁束は軸方向に改善することができ，したがって，コイル（ｂ３）のための軸方向の空間を解放することができる。コイル（ｂ３）を形成する導体のために利用可能な体積の増加により，機械のジュール損失が減少すること，その効率が改善すること，及びその出力が増加することが確実となる。

図７は，（ａ３）及び（ａ５）で形成した歯の設計において，ウェーハ（ａ０）及び前記ウェーハ（ａ０）に接着された他方のウェーハ（ａ８）の歯の様々な部分の間に存在する空間（ａ７）を最適化する方法を示す。ウェーハ（ｂ１）及び（ｂ２）の間の磁気漏れを制限するために，この空間（ａ７）が十分であることが不可欠であり，そうでなければ磁気相互作用が減少して機械のトルクも低下する。

この最適化の達成は，各歯足（ａ５）の先端部上の領域（ａ７）に，歯脚（ａ３）の内半径（ａｌｌ）を減少させることのできる凹部を形成することから成り，そのため，前記歯脚（ａ３）の同一平面上の断面を増大できる。この巧みな方策により，歯脚（ａ３）の軸方向厚さ（ａ１０）と，歯足（ａ５）の半径方向厚さ（ａ１２）とを更に減少させることが可能であり，その結果，コイル（ｂ３）のための空間を更に多く解放する。

好適には，この凹部は少なくとも０．２mmであり，更に好適には，少なくとも０．５mmである。

図８は，ウェーハ（ｂ１）及び（ｂ２）に孔又は切欠き（ｂ９）又は（ｂ１０）を形成する方法を示す。前記孔又は切欠き（ｂ９）又は（ｂ１０）は，コイル（ｂ３）に電力を供給するための電線を通過させること，又はオーバーモールド樹脂の通過を促進すること，又はウェーハ（ｂ１）及び（ｂ２）の材料の量を減らすことを目的とする。前記孔は磁束が減少する場所に配置される。第１の実施形態では，前記孔は，位置（ｂ９）にある歯に対向して配置される。別の実施形態では，前記孔は，相補的に一方のウェーハ（ｂ１）から他方のウェーハ（ｂ２）へ，（ｂ１０）における外径上に半孔として配置され，これが，コイル（ｂ３）の電線の通過を大幅に簡略化する。孔のその他の形状又は配置(localisation)が可能であり，検討できる。

本発明に提示された全ての要素は，任意の数の電気位相及び電磁極を備える他の電気式の回転機械又は静止機械に拡大適用することができる。本発明は記載した例示的実施形態に限定されず，添付の特許請求の範囲で定義する保護の範囲内であれば，当業者にとってのあらゆる変更及び明白な代替例にも拡大適用することができる。

本発明は（ｅ４）タイプ（いわゆる直接外部位相（ｄ４）タイプ）又は（ｅ５）タイプ（いわゆる逆配置型内部位相（ｄ４）タイプ）の機械構造に直接適用できるという点を特に明記する。図及び説明により述べた本文書の記載では，機械構造（ｅ４）は本質的に，特に歯（ｂ４）及び（ｂ５）に位相（ｄ４）を形成し，その後，位相の外側となる部品の半径方向に対称変換(transformation symetrique)を実施することにより得られる構造（ｅ５）を有する。当業者は，この転位(transposition)を容易に行うことができるだろう。

Claims

歯を備えたウェーハ（ａ０）から成り，各歯が，環状のフレームヨーク（ａ４）に対して放射状に伸長する歯脚（ａ３）を備えると共に，前記フレームヨーク（ａ４）の軸に平行に伸長し，かつ前記歯脚（ａ３）の一端に連結された歯足（ａ５）を備え，各歯の前記歯脚（ａ３）が前記フレームヨーク（ａ４）に達する前に隣の歯の前記歯脚（ａ３）と連通し，前記歯脚（ａ３）が前記歯脚（ａ３）間の空間（ａ６）を部分的又は完全に充填した単極モーター位相において，
前記歯足（ａ５）の先端部上の領域（ａ７）に凹部が存在することにより，前記歯脚（ａ３）の内径（ａ１１）を減少させることを特徴とする単極モーター位相（ｄ４）。
低磁気誘導領域に配置された孔（ｂ９）又は切欠き（ｂ１０）の存在を特徴とし，前記孔（ｂ９）又は前記切欠き（ｂ１０）が，コイル（ｂ３）に電力を供給するための電線を通過させる請求項１記載の単極モーター位相（ｄ４）。
前記歯が直線状である請求項１又は２記載の単極モーター位相（ｄ４）。
各前記歯が，２本の隣接する歯にそれぞれ対向する２つの面を有し，前記フレームヨークの回転軸に対して１０°以内に平行で，及び／又は，前記歯の前記歯足の長さの少なくとも９０％に亘り伸長する請求項１又は２記載の単極モーター位相（ｄ４）。
前記凹部が少なくとも０．２mmである請求項１〜４いずれか１項記載の単極モーター位相（ｄ４）。
前記凹部が少なくとも０．５mmである請求項１〜４いずれか１項記載の単極モーター位相（ｄ４）。