JP6159401B2 - 狭い歯を有する最適化された電気モータ - Google Patents

Description

本発明は、電気モータの技術分野に関し、より詳細には、低〜中位のエネルギー、すなわち、最大、数キロワットまでの出力を供給することができる、単相または多相の永久磁石の機械に関する。

電気機械の性能は、いくつかの要素によって特徴付けられるが、それらの中でも重要なものは、目標とされた用途のタイプに依存する。

主要な規定要素は、Ｋｍとも呼ばれるモータ定数であって、単位電力の平方根当たりのトルクで表される。すなわち、これはモータがコイル内で消費する所定の電力に対して発生することができるトルクを反映している。

重要であり得る別の要因は、電流が流れないときのトルクである。即ちこれは、種々の理由（ノイズ、損失、機械的疲労、ギヤードモータの可逆性）のために可能な限り減少させられなければならない。

「半径方向の」位相幾何学（トポロジー（topology））を有している、すなわち平面流と半径方向に延びている歯とを有しているモータに関して、電流が流れないときに最小のトルクを有するモータを得るために奮闘しながら、所定の軸方向の全体的な大きさおよび直径に対するモータ定数を最適化することは本発明の範囲内であり、我々の関心事になるであろう。

軸方向の全体的な大きさは、本明細書では、固定子の高さに固定子上のコイルヘッドの高さを加えたものとして定められる。

より一般的には、このようなモータを工業化する能力は、明らかに考慮されるべき背景要因である。

結局、我々は、バランスのとれた半径方向の力を有する構造（回転子ガイド要素のノイズや摩耗のような問題を解決することを可能にする構造）に優先的に興味を持つであろう。

上述の基準は、一般に、常に最適化された構造を得ることはできないと言う構造の定義における妥協へと導く。

低出力から中間出力のモータに対して、６または１２の固定子歯を有するトポロジーが一般に見出せ、１２の歯を有するトポロジーは、Ｋｍ（モータ定数）の観点からは、最高の性能を得ることを可能にする。

同一な先端広がり（peak divergences）を有する１２の歯を持つ固定子トポロジーは、極対数が５＋２Ｒ（Ｒは整数）で、かつ３の倍数ではない、磁化された回転子に関しては、電流が流れないときのトルクの１２番目の列を除くまでの高調波を除去することを可能にする。第１に表れる主要な高調波は、従ってモータの電気周期に対して１２分の１の周期を有する。高調波の振幅がそれらの列とともに減衰するので、これらのモータは、電流がない場合に最小のトルクが要求される用途に対して、とりわけ有益である。

米国特許公報７，５９５，５７７号は、１２の同じ歯を有し、固定子上にそれらの端部が延びたモータに関する先行技術として知られている。

この解決策は、この分野において必要とされている電流が流れないときのトルクを最小化するための古典的な方法である。実のところ、電流が流れないときのトルクは、回転子の磁石が固定子歯の間の間隙のために取ることができる好ましい位置にリンクしているので、これらの空間を最小化することが賢いように思われる、または、場合によっては、１２番目の高調波を低減するために歯を接触させることでそれらを除去することが賢いように思われる。

しかしながら、このタイプの解決策にはいくつかの欠点がある。第一に、より接近した位置、または歯の間の接触は、接触領域（通常ネックと言われる）が磁気的に飽和可能であるように設けられているとしてもモータ性能に影響する漏れ磁束を誘導する。

加えて、これらのトポロジーは、スロット内における直巻き、または、複数のサブセットにわたる固定子の作製を必要とし、工業生産の観点では面倒である。結局、銅巻線に対して利用できるスペースは、最適ではない。

ドイツ特許出願第１０２００９０００６８１号もまた知られており、これは、中心軸に関して回転可能であるように配置された１４極を有する回転子と、回転子の方向において中心軸に対して半径方向に突出している１２の固定子歯を有する固定子とを備える電気機械であって、各固定子歯が固定子コイルを装備しており、２つの隣接する固定子コイルが、各時間、一対の固定子コイルを形成するように互いに直列に接続されており、一対の固定子コイルは星形回路を形成するように、各時間、専用の中性点に接続されていることを特徴としている。先行技術の実施形態のこのタイプに対しては、直歯同期機が、通常は約１５°の歯幅の、ノッチの幅と同じような広い歯で装備されている。ドイツ特許出願第１０２００９０００６８１号の図では、歯の先端広がりが明瞭に理解できなく、加えて、先行技術のこの文献の図３では、一方の歯から他方へ、１５．１°または１５．８°の値で変化している。

欧州特許公報８７２９４３号は、集中巻線を有する固定子を有し、永久磁石を有する電気力学的回転機械の別な例を開示している。

国際公開公報第９３／０７６７２号もまた知られており、これは直歯を有するモータの構造に関する。しかしながら、提案されているトポロジーは、回転子の上に４つの磁極対を有しており、残留トルクの第６高調波の自然な補償を許容できなく、残留トルクを低減させるために回転子磁石の形状に対する修正を必要とする。その上、もし、この構造が直歯に用いられれば、後者（直歯）は広い幅（磁極ピッチの約５０％）を有し、最適化できない。

一定数の特許において、出願人は、固定子歯の幅の観点から電流が流れないときのトルクを除去できるまたは少なくとも顕著に最小化することができる、理解できる構造を示しながら、５または７極対を有する回転子に関連した直歯トポロジーを用いることにより、上述した欠点の全てまたは一部を改善する解決策を提案している。

特に、米国特許公報８，１０２，０９３号は、６つが巻かれており、６つが巻かれていない１２のまっすぐな固定子歯を有し、特に巻かれた歯は少なくとも巻かれていない歯の２倍の幅の歯を有するモータに関する。コイルを支持している幅広歯は、所定の条件下でＫｍ値を最大化させることができ、これにより性能改善を可能にしている。歯の幅は、歯の間の幅が同じではないことにより表れる残留トルクの第６高調波の最適化された補償を
得るように選択されている。

このタイプの構造は、バランスのよい半径方向の力に対して、電流が流れないときのトルクを減少させるための必要性には完全に合致し、引き続く固定子の上に加えられるコイル本体の独立した巻線を実現し、性能を満足できるレベルに導く。

しかしながら、仮に、一定の軸方向の全体的な大きさおよび直径が用いられれば、いくつかの場合には、このトポロジーは最適化された結果を導かないことが、当業者には驚きを有して明らかになる。そして、同一ではあるが、しかしより狭い歯を有する方が、先行技術の教示に比べてモータのＫｍ値を最適化するためには好ましいことが示唆される。

例えば、固定子の高さが減少されなければならなくても、より大きな巻線コイルヘッドが用いられれば全体の大きさを一定に保つことができ、同一の幅を有する１２の狭い歯のほうが、異なるサイズを有する１２の歯よりもＫｍ値の観点からはよりよい構成であり、この歯幅は電極ピッチの半分よりも小さいことが得られている。

本発明は、従って前述の問題に対する解決策を提供することを目的とする。

より具体的には、本発明は、単相または多相の電気モータを提供することを目的とする。
この電気モータは、少なくとも３個のコイルを支持しており、半径方向に（すなわちモータの回転軸に垂直に）延びている１２×Ｎの直歯（straight teeth）であって、Ｎは１以上の整数で、モータの中心からそれらの端部で測定された先端広がりアルファが同一である１２×Ｎの直歯から構成される固定子と、Ｐ＝５＋２×Ｒであり、Ｐは３の倍数ではなく、Ｒは０以上の整数である、Ｐ極対の磁化された磁極を有する回転子と、を備え、アルファは３６０°÷（１２×Ｎ）÷３と３６０°÷（１２×Ｎ）÷２との間であることを特徴とする。

好ましくは、電気モータは二つの歯のうちの一つの歯がコイルを支持するように特徴付けられている。

１代替案においては、電気モータは全ての歯がコイルを支持するように特徴付けられている。

個別の１実施形態においては、電気モータは通常、歯のピッチが１２０°以下の歯のピッチ（シータ）に渡って分布しており、６０°の間隔によって歯を取り付けられた３個のコイルを有する。

仮に、電流が流れないときのトルクのより大きな削減が求められれば、方法は、少なくとも部分的に歯の間の空隙を減少させることを用いることで可能になる。固定子構造は従って、高さの一部に渡る飽和可能なネックを得ることによって、または、１またはそれ以上の強磁性リングを追加することによって修正されてもよい。

従って、個別の１実施形態においては、電気モータは、２つの異なるタイプの金属プレートの積み重ねから作られており、隣接する固定子歯が飽和可能な磁化ネックを介して第１のタイプの金属プレートに接触している固定子を有している。

１代替案においては、電気モータは、固定子歯と磁気回転子との間の半径方向の空隙に挿入された少なくとも１つの強磁性体リングを有している。

強磁性体リングを受容するように構成されたリセスを形成している、２つのタイプの金属プレートを有する固定子を有する電気モータはまた、考慮することができる。

別の可能な代替案によれば、電気モータは、磁気回路を閉じることを提供するために、歯の巻線の後ろに位置している外側のリングを有する固定子を有する。

回転子に関しては、好ましい代替案によれば、磁石は、半径方向の磁化に相当するまたは少なくともそれを閉じるような別の磁極を有するリングタイプである。この場合、回転子は固定子に組み込まれている。しかしながら、軸方向の磁化を有するディスク状の磁石もまた、用いることができる。その後、半径方向に延びる歯の上を回転する磁石を有し、その磁石に対して半径方向にリセスしているコイルを有する。

本発明は、以下の図を検討することによってより良く理解されるであろう。

先行技術による、１２の延ばされた歯を有するモータを示す図である。 先行技術による、６つは幅広で６つは幅の狭い、１２の直歯を有するモータを示す図である。 本発明の第１実施形態におけるモータを示す図である。 一定の軸方向の全体寸法を有して、１２個の同一な狭い歯を有するモータの、歯の幅を関数としたモータトルク定数の理論的変化を示す図である。 本発明の第２実施形態による固定子の断面図であり、代わりの金属プレートを用いており、金属プレートのいくつかが飽和可能なネックを有している。 第１の代替案における空隙に強磁性体リングを用いる本発明の別の第２実施形態による固定子の断面図である。 第２の代替案における空隙に強磁性体リングを用いる本発明の別の第２実施形態による固定子の断面図である。 ５対の極および１２の巻かれた狭い歯を用いる本発明の１実施形態によるモータの正面図である。 ７対の極および空隙に強磁性体リングを用いる本発明の１実施形態によるモータの正面図である。 １１対の極および空隙に強磁性体リングを用いる本発明の１実施形態によるモータの正面図である。 限られた歯のピッチに位置した３つのコイルを用いる本発明の別の実施形態によるモータの正面図である。 軸方向に磁化されたディスク状の回転子を有する本発明の代替案を２つの異なる視点から示す図である。 軸方向に磁化されたディスク状の回転子を有する本発明の代替案を２つの異なる視点から示す図である。 別の実施形態を示す図である。

図１は、５極対の磁極を回転子に有して、固定子に１２の巻かれた歯を有しており、前記歯のそれぞれが、磁化された回転子に対向する端部に突起１を有するモータに関する米国特許公報７，５９５，５７７号の図である。この実施形態は、電流が流れないときのトルクを最小化するために延ばされた歯を有する解決策の典型的表現であるが、この特許のプリアンブルで特定された欠点である、歯の間の漏れ磁束、巻線の複雑さ、コイルのスペ
ースの減少・・・を有している。

図２に示されたモータは、出願人の特許であるフランス特許公報２８９９３９６号によるもので、これらの欠点を治癒する適切な解決策を提供している。すなわち、広い歯２、狭い歯３を交互に実装しており、回転子に面している歯の端部で測定された先端広がりは、典型的には幅広歯では２２°、幅狭歯では１０°であるなど、２を超える倍数で変化しており、これはまた、先行例のような５極対の磁極を有する回転子のためでもある。これらの異なる幅は、巻線のための大きな空間をあけることを可能にしながら、残留トルクの高調波を新規の補償に導く。

しかしながら、もし、電流が流れないときの非常に低いトルクを目的にしていながら、所定の軸方向の全体的な大きさに対する最大トルク密度が我々の関心事であれば、ある環境下においてはこの解決策は限定的になりうる。

まず第１に、高調波補償の方法を除いて、磁石の欠点は、電流が流れないときのトルクの値をある値よりも下げることを常に妨害していることである。

ところで、１２の同一の歯を有するモータは、第６高調波の自然な補償を有している。（理論的には存在する第１高調波は、第１２高調波である。）もし、これが歯の幅の減少に組み合わされてそれが表れれば、場合によっては、それらの歯の過剰な飽和を避けながら、より多い量の銅に基づく、より良い性能を得ることができる。

図３は、図２に示されたものと同じ外側の大きさを有する、本発明による１２の歯と５極対の磁極を有するモータの正面図および断面を示している。なお、ここでは、−歯の端部で測定された−先端広がりアルファ（alpha）が１３°である、半径方向に延びている
同一の狭い歯４ａおよび４ｂを有している。

半径方向の中央軸に対して垂直な平面の断面は、長方形であるとともに、横軸に沿った断面でもある。歯４ａ、４ｂは、半径方向に向かっている。

固定子７は、歯４ａ、４ｂ、およびコイル５から構成されている。２つの歯のうちの１つの歯４ａは電気コイル５によって囲まれている。電気コイルは、典型的には銅またはアルミウムから作られており、２つのコイル５はモータの中心の周りに機械的に１８０°の間隔を有しているので電気的な一相を形成しており、６つのコイル５の全てにより三相モータを形成している。コイル５を支持しない歯４ｂは、限定するものではないが好ましくは、磁気性能および歯４ａ及び４ｂの背面で生じる磁束の返りに影響することなく、固定子を構成する金属プレートの取り付けを可能にする穴６を有している。これらの穴６は、歯が周辺の取り囲み領域に広がって大きくなっている展開領域に提供されている。

固定子７から空隙１５によって分離されている回転子は、半径方向に近接した磁化を生成するために、典型的には交互にＮ極／Ｓ極を有する、多相の一様なリング、または一様に磁化されて量子化された区域、からなる半径方向に磁化された形態の磁化された磁極８を支持している強磁性体ヨーク９から構成されている。

回転子は、また、この分野において容易に見出すことができる多数の技術的な教示に従って、ヨークに埋め込まれた磁石から作られてもよい。

金属プレートの厚さとコイルの厚さによって形成される同一のモータ高さのために、しかし、そのような高さの異なる分布のおかげで、同一の狭い歯を有するこのモータで、図２に示されたモータと比較してＫｍ値において約７％のゲインを得ることができる。加え
て、このようなモータは、第６高調波の自然な補償のおかげで磁石によって誘導される変動（材料、磁化・・・の不均一さ）に対してより敏感ではない、電流が流れないときのよりよいトルクを有する。

図４は、（前図の場合）３つの異なるモータ構造に対して（６つの巻かれた歯を有する５極対や７極対−それぞれ５ＰＰや７ＰＰと呼ぶ、および１２の巻かれた歯を有する５極対−５ＰＰ−１２と呼ぶ）Ｋｍの変動を示す図によって、歯の幅を１３°で選択することを正当であると証明する。そして、これは、ＩＳＯの軸寸法（ｉｅ指標）を有し、コイル・バンの厚さを含んでおり１ＳＯ有効長さ（ｉａ指標）を有している。この有効長さは、回転子の回転軸１８の方向で測定した固定子の金属プレートの高さである。この図４は従って、観察された角度範囲での最大のＫｍ値のための、それぞれ与えられた歯の幅に対するＫｍ比の、歯の幅（アルファ）の関数としての評価を示す。

図に示すように、６つの巻かれた歯の５極対に対する最適のＫｍ値は、約１３°（または、３６０°÷（１２×Ｎ）÷２．３）に存在し、通常の最適な値は３６０°÷（１２×Ｎ）÷３〜３６０°÷（１２×Ｎ）÷２の範囲内に存在し、より具体的には、仮にＮ＝１（固定子あたり１２歯）でＩＳＯ全体寸法またはＩＳＯ有効長さの比較が考慮されれば、５および７極対に対しては、１０°〜１４°の範囲内に存在する。特許請求された範囲は、この図４において、二重方向の矢印の幅によって象徴されている。

前述した、電流が流れないときのトルクを低減するための古典的な解決策は、飽和可能な領域（ネックと呼ばれる）に対して、延ばされた、または接触している歯を用いることから構成されている。加えて、巻線問題、これは、モータ性能を減少させるリークを招く。そこで、固定子の全体の高さに沿ったこのような歯のプロファイルを使用することは必要ではない。

ここに断面図で示される固定子７、すなわち、ネック１０を有する金属プレート１３ａおよびネックを有しない金属プレート１３ｂが交互に構成されている固定子７、を使用することも図５のように考慮することができる。固定子歯の巻線は、磁気回路の閉鎖を提供する外側のリング１１の位置決めに先立って、その後、歯の後から行われる。ネック１０を有する金属プレート１３ａとネックを有しない金属プレート１３ｂとの比は１未満である。典型的には、高さの１／３に相当するネック１０を使用することは、ネック１０での漏れ流に関して有効トルクへ影響することなく、ただ、残留トルクに対するよい妥協を導く。

この解決策は有効であるが、巻線工程を複雑にするかもしれない。別の解決策は、最初の固定子構造を保って、その後、強磁性体材料で作られた１またはそれ以上のリングから構成される。

図６は、固定子７と回転子（図示せず）との間の空隙に強磁性体リングを直接的に用いる第１の解決策を示す。事実、これらのリング１２は、狭い歯４の前面に位置されており、電流が流れないときのトルクの大きさを減少させることを可能にし、固定子アセンブリ７のための金属プレート１３ｂのただ１つのタイプを使用することを可能にする。一方、固定子７と回転子（図示せず）との間の空隙１５は、全体として若干増加する。

従って、別の代替手段は、図７に示すように強磁性体リング１２を金属プレートスタックの両側に位置させて構成されており、（１または複数の）リング１２を受容するように構成されたリセス１４を作り出す２つの異なる内径を有する金属プレート１３ｃおよび１３ｄを用いている。コイル５の深さにおける若干の減少を必要とするものの、この解決策は、小さな空隙１５を保つことを可能にするという利点を有する。

図８は、それぞれがコイル５を支持している１２個の同一の狭い歯４ａを有する本発明によるモータを示す。回転子は、ヨーク９によって支持される５極対の磁極８を有する。

図９は、同一の先端広がりを有する１２個の狭い歯と、７極対の磁極８とを有するモータを示す。その機能をすでに述べた１またはそれ以上の強磁性体リング１２が、回転子と固定子７との間の空隙１５に位置している。

図１０は、同一の先端広がりを有する１２個の狭い歯と、１１極対の磁極８とを有するモータを示す。その機能をすでに述べた１またはそれ以上の強磁性体リング１２が、回転子と固定子７との間の空隙１５に位置している。

図１１は、軸方向における小さい全体寸法（回転子の回転の軸に沿った方向における固定子の厚さ）を要求される用途への使用を意図した別の代替実施形態を示す。事実、モータは、固定子上で機械的に６０°に隔てられている３つの歯４ａによって支持される３個の電気コイル５のみを有しており、従って、２つの歯のうちの一つのみが巻かれており、歯のピッチ（シータ）は全体として１２０°である。この構造は、このように形成された歯のピッチの反対側にスペースを開けることを可能にするので、例えば、低速でおよびより大きいトルクで外部部材（図示せず）を動かすための回転子の速度低減を提供するギヤのセット（図示せず）を設置することができる。このギヤードモータは、その後、固定子７の第１の外径１６が、コイルの位置している所５が固定子７に設置されている部分である固定子７の第２の外径１７よりも小さいおかげで、歯のピッチの反対側で軸および半径方向の全体的な大きさを小さくして、固定子に可能な限り接近させて設置することができる。

図１２および１３は、６個のコイル５を有する固定子７の場合における、交互に軸方向に磁化された磁極（回転軸１８に平行または固定子７の半径方向の延長に対して垂直）を有するディスク形状の磁石８を使用する可能性を示す。このタイプの磁石は、リング形状の磁石と比べて使うのには安いので経済的な視点から好ましいのみならず、材料の均質性の観点でも好ましい。このタイプの構造は、しかしながら、磁石８を配置させることができるために、コイル５を短くすること、または、少なくともこれらの半径方向のリセスを導く。この例示的な実施形態においては、固定子７は単一の金属プレート１３ａから構成されているが、複数の金属プレートを使用することが考慮されてもよい。

図１４は、本発明によるモータを用いるギヤードモータの例示的な１実施形態を示す。本発明によるモータは、機械的な運動変換システム（減速または増倍）と組み合わせて使用されるときには、効率的なギヤードモータを得ることが可能になるので、特に好ましい。事実、電流に対して高いトルク密度を有するそれらの特性は、ギヤードモータをコンパクトにでき、それらの電流が流れないときの低いトルクは、弾性復帰システムが、機械的な運動変換システムの上流または下流に位置しているときは、ギヤードモータをしばしば呼ばれる「フェイルセイフ」位置に戻すことができる。

図１４は、減速システム１９と関連している本発明によるモータを示す。モータの回転子が第１の噛み合いギヤ２０と噛み合い、最後の噛み合いギヤ２１が、動かされるべき外部部材（図示せず）に関連している機械的出力軸２２と一体化している。

Claims (14)

1. 単相または多相の電気モータであって、
   少なくとも３個のコイルを支持しており、半径方向に延びている１２×Ｎの直歯であって、Ｎは１以上の整数で、前記モータの中心からそれらの端部で測定された先端広がりアルファが同一である１２×Ｎの直歯から構成される固定子と、
   Ｐ＝５＋２×Ｒであり、Ｐは３の倍数ではなく、Ｒは０以上の整数である、Ｐ極対の磁化された磁極を有する回転子と、を備え、
   アルファは３６０°÷（１２×Ｎ）÷３と、３６０°÷（１２×Ｎ）÷２との間であることを特徴とする電気モータ。
2. アルファが３６０°÷（１２×Ｎ）÷３と、３６０°÷（１２×Ｎ）÷２．１との間であることを特徴とする請求項１に記載の電気モータ。
3. 二つの歯のうちの一つの歯（４ａ）がコイル（５）を支持することを特徴とする請求項１または２に記載の電気モータ。
4. 全ての前記歯がコイル（５）を支持することを特徴とする請求項１または２に記載の電気モータ。
5. 前記コイル（５）が３個あり、６０°の間隔を有して歯（４ａ）が取り付けられており、通常、歯のピッチ（シータ）が１２０°以下である、ことを特徴とする請求項１または２に記載の電気モータ。
6. 前記回転子の前記Ｐ極対は、半径方向に磁化されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の電気モータ。
7. 前記回転子の前記Ｐ極対は、軸方向に磁化されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の電気モータ。
8. 前記固定子（７）は、２つのタイプの異なる金属プレート（１３ａ、１３ｂ）を積み重ねて形成されており、隣接する固定子歯（４）が、飽和可能な磁気ネック（１０）を介して第１のタイプの前記金属プレート（１３ａ）に接触していることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の電気モータ。
9. 少なくとも１つの強磁性体リング（１２）が、前記固定子（７）の前記歯（４）と磁気回転子との間の空隙（１５）に挿入されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の電気モータ。
10. 前記固定子（７）は、強磁性体リング（１２）を受容するように構成されたリセス（１４）を形成する２つのタイプの金属プレート（１３ｃ、１３ｄ）を有していることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の電気モータ。
11. 前記固定子（７）は、磁気回路の閉鎖を提供するために、前記歯の巻線の後ろに位置している外側のリング（１１）を有することを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の電気モータ。
12. ５極対の磁極と、
    １２個の半径方向の歯（（４ａ）および（４ｂ））であって、歯の端部で測定された先端広がりアルファは１３°に等しく、二つの歯のうちの一つの歯（４ａ）が電気的な一相
    を形成する前記モータの中心の周りに機械的に１８０°の間隔をあけた２個のコイル（５）を用いた電気コイル（５）によって囲まれている１２個の半径方向の歯と、
    三相モータを形成する６個のコイル（５）のアセンブリと、を有することを特徴とする請求項１または２に記載の電気モータ。
13. 前記コイル（５）を支持しない前記歯（４ｂ）は、周辺領域を形成するために広がった位置に穴（６）を有していることを特徴とする請求項１２に記載の電気モータ。
14. 請求項１に記載のモータを有するギヤードモータであって、
    機械的運動変換装置と、
    前記機械的運動変換装置の出力軸と、
    前記機械的運動変換装置の上流または下流に位置している弾性復帰システムとを備えることを特徴とするギヤードモータ。

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