JP6513181B2 - 巻線型の永久磁石結合伝動装置 - Google Patents

Description

本発明は永久磁石結合伝動分野に関し、具体的に巻線型の永久磁石結合伝動装置に関する。

現在、従来の大型回転機械調速方面で、永久磁石調速装置（永久磁石結合器又は永久磁石渦電流調速機等とも呼ばれる）はすでにユーザーの認可や好評を受け、その特徴は、１．エアギャップによりトルクを伝達し、機械接触がないこと、２．無段階調速ができること、３．軽負荷でソフト始動して、モータ始動時に電力系統への衝撃を低減させること、４．荷重振動を隔離して、衝撃荷重による設備への障害を緩和できること、５．過負荷保護機能を備えること、６．安全で信頼性が高く、設備の修理率やメンテナンス料金を減少させること、７．電磁波障害がないことである。

そのうち比較的代表的なものはアメリカマグナ株式会社の関連製品（アメリカ特許Ｎo．５４７７０９４）である。上記の永久磁石調速装置の基本作動原理は下記の通りである。即ち、導体ロータディスクと永久磁石ロータディスクは相対的に運動し、導体ロータディスクは永久磁石ロータディスクに発生された交番磁界で回転して磁力線を切断して、誘導渦電流が発生され、該誘導渦電流は逆に逆方向誘導磁界を発生させ、該誘導磁界と永久磁石ディスク磁界が相互に作用することで、導体ロータディスクと永久磁石ロータディスクの間に電磁トルクが発生される。二つのロータディスク間のガスギャップの大きさを調整する、あるいは筒式構造に対して二つのロータ間の結合面積を調整することにより電磁トルクを低下させる。

また、中国の引用文献（ＣＮ１０１９３１３０９Ａ）に高効率の伝動軸永久磁石結合装置が開示され、該高効率の伝動軸永久磁石結合装置は、少なくとも一組の電気子巻線ロータディスク及びこれに適合した電気子巻線ディスクカップリング機構と、一組の永久磁石ロータディスク及びこれに適合した永久磁石ディスクカップリング機構と、相応的な入力カップリング及び出力カップリングとからなり、電気子巻線ロータディスクは少なくとも一組の電気子巻線と装着用の電気子巻線の電気子巻線装着ディスクからなり、電気子巻線は電気子巻線装着ディスク側に配設された電気子スロットに嵌入又は装着され、永久磁石ロータディスクは一組の少なくとも二つの永久磁石体と永久磁石体が装着される永久磁石体装着ディスクからなり、永久磁石体はそれぞれにＮ、Ｓ極性で交錯的で均一的に永久磁石体装着ディスクの円周に嵌合又は装着され、電気子巻線ロータディスクの電気子巻線が配設される側面は永久磁石ロータディスクの永久磁石体が配設される側に対して、同軸中心線をもって電磁結合装着され、電気子巻線ロータディクスと永久磁石ロータディクスの間に、エアギャップが設けられ、電気子巻線ロータディクスはその適合した電気子巻線ディスクカップリング機構により相応的な入力カップリング又は出力カップリングに連結され、永久磁石ロータディクスはその適合した永久磁石ディスクカップリング機構により相応的な出力カップリング又は入力カップリングに連結される。

さらに、該引用文献に電気子巻線構造の五つの具体的な技術案が開示され（例えば請求項３参照）、すべての五つの技術案から見れば、何れもロータディスク内部に「先端と末端がショート接続して」、「閉ループ短絡コイル」が形成される。作動原理はアメリカマグナ株式会社の製品と同じであり、単に導体ロータディクスの渦電流を電気子巻線コイルに「併合」することに過ぎず、その電気子巻線ロータディクスと永久磁石ロータディクスの間のエアギャップの大きさはそれらの間に伝達可能な電磁トルクの大きさを決定する。 つまり、従来開示された技術は、何れも二つのロータ間のエアギャップの大きさを調整することにより出力されたトルクの大きさを調整するものであり、出力トルクと負荷は正比例関係になるため、伝動軸間に結合し、あるいは伝達トルク及び駆動負荷を調整する目的を達する。そのため、各永久磁石結合モジュールのロータディクス間のエアギャップの間隔を調整する目的を達し、負荷回転速度の調整を実現できる。

公知のように、永久磁石調速技術には、永久磁石ロータと導体ロータの間に回転速度差が必要であり、でないと、二つのロータディクス間に電磁トルクが発生できない。即ち、入力回転速度ｎ１が始終に出力回転速度ｎより大きいので、その回転速度差率（ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎａｌ ｓｌｉｐ）ｓはｓ＝（ ｎ１−ｎ）／ ｎ１であり、この式を変換すると、ｎ＝ｎ１（１−ｓ）になる。言うまでもなく、入力回転速度ｎ１は永久磁石調速装置にとって変えられないものである。
上記の式から見れば、出力回転速度ｎを変更しようとすると、つまり調速機能を実現しようとすると、回転速度差率ｓを変更するしかない。言い換えれば、永久磁石調速装置の調速は実質的に回転速度差調速であり、スリップ調速とも呼ばれる。
その調速原理は、出力トルクを変更することにより回転速度差率ｓを変更し、出力トルクが負荷トルクより小さい場合、回転速度が下がり、逆に大きいと回転速度が上がるということである。
従来の出力トルクを変更する方法は、一般に二つあり、一つが、永久磁石ロータと導体ロータの間の磁束面積を変更することであり、もう一つが、両者間のエアギャップの大きさを変更することである。しかしながら、この二つの方法は機械式実行機構が必要であり、この機械式実行機構の設置により、伝動装置の構造がもっと複雑になり、体積が増え、後のメンテナンス時の仕事量も増加することになる。

また、従来のこのような回転速度調速装置は大きな回転速度差電力の損失が存在し、機械的損失及びストレイ損失を無視すると、回転速度差電力と入力電力の関係は、Ｐｍ＝ｓＰｍ＋（１−ｓ）Ｐｍであり、この式では、Ｐｍが入力電力であり、ｓＰｍが回転速度差電力であり、（１−ｓ）Ｐｍが出力電力である。この式から、入力電力Ｐｍが変わらないと、回転速度差率ｓが大きくなり、回転速度差電力ｓＰｍも大きくなり、出力電力（１−ｓ）Ｐｍが小さくなると見られる。従来の永久磁石調速装置に、回転速度差電力ｓＰｍは熱エネルギーとして分散するため、永久磁石調速装置の調速が大きくなると、発熱が深刻になる。例えば、ｓ＝０．５である（即ち、５０％調速する）と、機械的損失及びストレイ損失を無視して、永久磁石調速装置の伝動効率が５０％しかない。そのため、このような永久磁石調速装置はその作動原理上、伝動効率が低く、エネルギーの損失が大きいという欠陥が存在している。

そこで、本発明の解決しようとする技術的課題は、従来の永久磁石調速装置に出力トルクを変更する場合に機械式実行機構が必要であり、この機械式実行機構の設置により、伝動装置の構造がもっと複雑になり、体積が増え、後のメンテナンス時の仕事量が増加し、同時に回転速度差電力の損失も存在し、入力電力が一定である場合、回転速度差電力が大きくなり、出力電力が小さくなり、且つ回転速度差が熱エネルギーの形で直接に分散し、永久磁石調速装置の調速が大きくなると、発熱が深刻になり、永久磁石調速装置の伝動効率が低くなり、エネルギーの損失が大きくなるということを解決することであり、さらに、構造が簡単で、エネルギーの損失が少なく且つ伝動効率が高い巻線式型の永久磁石結合伝動装置を提供する。

上記の技術的課題を解決するために、本発明の巻線型の永久磁石結合伝動装置は、永久磁石体と、前記永久磁石ロータと同軸で且つ両者の間に相対回転できる巻線ロータと、を含み、前記永久磁石ロータと前記巻線ロータの間にエアギャップがあり、前記巻線ロータに前記巻線ロータの電流／電圧を調整できる制御構造が接続される。

前記制御構造は集電リング及びブラシにより前記巻線ロータを接続する。

前記制御構造は、前記巻線ロータの電流を調整できるコンバータを含む。

前記コンバータは回転速度差電力を回収又は消費することにより前記巻線ロータの電流を調整する。そのうち、消費としては、巻線内部を通して消費してもよく、外部を通して消費してもよい。回収としては、電力系統に回収されてもよく、ほかの電気用又はエネルギー貯蔵用設備に回収されてもよい。

前記コンバータは、制御可能な起電力を導入することにより前記巻線ロータの電流を調整する。

前記永久磁石ロータは、永久磁石体とハウジングを含み、前記永久磁石体は、複数の相互に協力してラジアル磁極を形成した永久磁石アレイを含み、各前記永久磁石アレイの間に交錯的に配置され且つ片側磁界を形成する。

前記永久磁石体のアレイは径方向に設置された第一永久磁石体アレイと、前記第一永久磁石体アレイの円周方向に直交して設置された第二永久磁石体アレイと、を含む。

前記第一永久磁石体アレイは、間隔をもって設置される一対の第一ユニットマグネットと第二ユニットマグネットを含み、前記第一ユニットマグネットと前記第二ユニットマグネットの磁界方向は、それぞれに前記永久磁石体の半径方向に沿って内側及び外側に向ける方向であり、前記第二永久磁石体アレイは、間隔をもって設置される一対の第三ユニットマグネットと第四ユニットマグネットを含み、前記第三ユニットマグネットと前記第四ユニットマグネットの磁界方向は、それぞれに前記永久磁石体の円周接線に沿う時計回り方向と反時計回り方向であり、前記第一ユニットマグネットは隣接した前記第三ユニットマグネットと前記第四ユニットマグネットの間に設置され、前記第四ユニットマグネットは隣接した前記第一ユニットマグネットと前記第二ユニットマグネットの間に設置される。

前記永久磁石体は、さらに前記第一永久磁石体アレイと前記第二永久磁石体アレイの間に嵌入された２ｎ個の永久磁石体アレイ（ｎ＝１、２、３…）を含み、また、これらの永久磁石体アレイは前記第一永久磁石体アレイ及び前記第二永久磁石体アレイと共同作用して片側磁界を形成する。

永久磁石体アレイのユニットマグネットの磁化強度ベクトルＭが定期的に徐々に変化し、即ち、θｍ＝（１＋ｐ） θ又はθｍ＝（１−ｐ） θ（ｐ＝１、２、３…）であり、式のｐが永久磁石磁極対数であり、θｍが磁化強度ベクトルＭとＸ軸の角度であり、θがある扇形のユニットマグネットの半径とＸ軸の角度である。

前記永久磁石体アレイは、さらに前記第一永久磁石体アレイと前記第二永久磁石体アレイの間に嵌入された第三永久磁石体アレイを含み、前記第一永久磁石体アレイ、前記第二永久磁石体アレイ及び前記第三永久磁石体アレイ各自の磁界方向は、それぞれに相応的な半径と非鈍角の第一角度、第二角度及び第三角度を形成し、前記第一角度、第二角度及び第三角度の相互間の角度差はそれぞれ４５度である。

前記第三永久磁性体アレイは順次間隔をもって設置された第五ユニットマグネット、第六ユニットマグネット、第七ユニットマグネット及び第八ユニットマグネットを含み、前記第五ユニットマグネットは前記第三ユニットマグネットと前記第一ユニットマグネットの間に嵌入され、前記第六ユニットマグネットは前記第一ユニットマグネットと前記第四ユニットマグネットの間に嵌入され、前記第七ユニットマグネットは前記第四ユニットマグネットと前記第二ユニットマグネットの間に嵌入され、前記第八ユニットマグネットは前記第二ユニットマグネットと前記第三ユニットマグネットの間に嵌入される。

前記巻線ロータは、コアと分数スロット集中巻線により前記コアに巻き取られたコイル巻線を含み、前記コイル巻線のコイルピッチは１に設定されている。
各極各相のスロット数ｑは１／４〜１／２である。
前記コイル巻線は二層巻線又は単層巻線に設定されている。
前記コアは積層コアに設定され、前記積層コアに複数の前記コイルが巻き取るスロットが形成される。
前記コアは巻回型コアに設定され、前記巻回型コアに複数の前記コイルが巻き取るスロットが形成される。
前記スロットの数は３ｎ（ｎ＝１、２、３…）に設定されている。
前記コアは電炉鋼により製造されている。

本発明の上記技術案は従来技術に対して以下の長所がある。
１．本発明では、前記巻線ロータに前記巻線ロータの電流／電圧を調整できる制御構造が接続される。本発明の巻線型の永久磁石結合伝動装置において、従来に機械的構造を利用して伝達されたトルクの大きさを調整する考えを変え、巧妙に巻線ロータを設置してまたこの巻線ロータの制御構造を利用することにより、巻線ロータの電流／電圧を調整し、伝達されたトルクの大きさの変更を実現する。本発明の制御構造は、前記巻線ロータの電流又は電圧を制御することで、該伝動装置の出力トルクの大きさを調整でき、相応的な機械的実行機構を設置する必要がないため、該伝動装置は、構造が簡単で、体積が小さく且つメンテナンスが簡単である。

２．本発明では、前記制御構造は、前記巻線ロータの電流を調整できるコンバータを含む。具体的に、前記コンバータは回転速度差電力を回収又は消費することにより前記巻線ロータの電流を調整できる。そのうち、消費としては、巻線内部を通して消費してもよく、外部を通して消費してもよい。回収としては、電力系統に回収されてもよく、ほかの電気用又はエネルギー貯蔵用設備に回収されてもよい。従来の永久磁石調速機技術において原理上存在している回転速度差電力の損失による発熱の問題がないため、ラジエーター及び複雑な空冷、水冷システムを設置する必要がない。

３．本発明では、前記コンバータは制御可能な起電力を導入して前記巻線ロータの電流を調整してもいい。つまり、本発明の巻線ロータは制御装置に接続し、制御装置に一つの制御可能な起電力を導入する。これにより、巻線ロータの電流の大きさが制御でき、出力トルクの大きさも制御でき、調速する目的を達することができる。制御構造において制御可能な起電力の導入により必ず巻線回路に電力輸送が発生され、この電力輸送は双方向であり、つまり、回転速度差電力が外部回路に輸送されるとともに、外部回路から電力を吸収する。このような調速方式は、電力輸送の角度から見れば回転速度差電力の大きさ及び流向を制御することで出力回転速度への調整を実現すると考えられる。そうすると、巻線型の永久磁石結合伝動装置は定速モータと負荷システムの間に装着され、集電リング及びブラシにより制御構造及びコンバータに接続され、回転速度差電力はコンバータによりインバータトランスを経て電力系統に戻り、完全な回収利用が得られる。そのため、本発明の伝動装置の効率は非常に高く、回転速度差率ｓが如何変更しても効率は９５％以上に達することができるので、本当の意味上の調速による省エネを実現し、さらに従来の永久磁石調速装置に存在している欠陥も解決した。以上により、本実施例に係る巻線型の永久磁石結合伝動装置は伝動効率が高く、エネルギーの損失が小さい。

４．本発明では、前記永久磁石体は、複数のラジアル磁極を形成した永久磁石アレイを含み、各前記永久磁石アレイの間に交錯的に配置され、且つ前記永久磁石体は片側磁界を形成する。このような構造の前記永久磁石体は片側磁界を形成し、且つ該片側磁界は正弦に近づいて分布するので、伝統的な構造の傾斜スロット又はスキューが避けられ、加工量を大きく減少させ、生産コストを低減させた。同時にエアギャップ磁界密度が高まり、製造により発生された偏心の影響を無視して相対的通常設計理論上エアギャップ磁束が４１．４％（シミュレーション計算）高まるため、前記永久磁石体１の容量を節約でき、エアギャップ磁界密度基本波振幅が１．１〜１．４Ｔに達し、さらに１．５〜１．６Ｔまで達することができ、全体の電力密度が高い。また、前記永久磁石ロータのヨークは透磁性材料又は非透磁性材料を採用してもよく、即ち永久磁石ロータのヨークの材料は選択自由度が高く、設計の融通性が高められる。

５．本発明では、各前記永久磁石体アレイは複数のユニットマグネットを含む。各前記ユニットマグネットの磁化強度は定期的に変化して、正弦形のエアギャップ磁界が得られ、伝統的な方式、例えば傾斜スロット（又はスキュー）、不均一なエアギャップポールピース又は分布式固定子電気子巻線などを利用してエアギャップ波形を修正する必要がなく、構造が簡単になり、製造費用を低減できる。

６．本発明では、前記巻線ロータは、コアと分数スロット集中巻線により前記コアに巻き取られたコイル巻線を含む。前記コイル巻線のコイルピッチは１に設定され、各極各相のスロット数ｑは１／４〜１／２である。分数スロット集中巻線が採用された後、各コイル巻線のコイルは前記コアの一つの歯だけに巻き取られ、コイルの周長及びコイル端部の延出長さが短くなり、コイル巻線の抵抗が小さくなり、これに従って銅損が低下し、装置の作業効率が高まった同時に、時定数が低下し、稼動率が高まった。また、各コイル端部が重ならないので、相間絶縁が必要ないことにより、絶縁材料を節約し、コストを低減させることができる。同時に、各コイルが一つの歯だけに巻き取られるので、専用の巻き取り機の自動化生産が簡単に実現され、伝統的な人工線嵌入技術に取って代わり、生産効率を向上させることができる。

７．本発明では、前記永久磁石ロータ又は前記巻線ロータを固定すると、該巻線型の永久磁石結合伝動装置はブレーキとして使われ、かつ該ブレーキは無摩擦ブレーキであり、その作業効率が高く、損耗が小さい。

本発明の内容をより容易で明確的に理解するため、以下の、本発明の具体的な実施例により図面を参照して本発明をさらに詳細に説明する。

実施例１に係る巻線型の永久磁石結合伝動装置の模式図である。 実施例１に係る永久磁石体の模式図である。 実施例１に係る永久磁石体の磁界の模式図である。 実施例１に係るコアの模式図である。 実施例１に係るコイル巻線の展開模式図である。 実施例２に係る永久磁石体の模式図である。 実施例２に係る永久磁石体の磁界の模式図である。 実施例３に係る永久磁石体の模式図である。 実施例３に係るコアの模式図である。 実施例４に係る巻線型の永久磁石結合伝動装置の模式図である。 実施例５に係る巻線型の永久磁石結合伝動装置の模式図である。 実施例６に係る巻線型の永久磁石結合伝動装置の模式図である。

以下、図面を参照して本発明の具体的な実施形態を詳細に説明する。理解すべきなのは、ここで言った具体的な実施形態は本発明を説明し、解釈することだけに用いられ、限定するものではない。

［実施例１］
図１〜図６に示されるように、本実施例の巻線型の永久磁石結合伝動装置は、永久磁石ロータと、前記永久磁石ロータと同軸で且つ両者の間に相対回転できる巻線ロータと、を含み、前記永久磁石ロータと前記巻線ロータの間にエアギャップ９があり、前記巻線ロータに前記巻線ロータの電流を調整できる制御構造１７が接続される。公知のように、永久磁石結合伝動装置に伝達されたトルクの大きさは、（永久磁石ロータが提供した）エアギャップ流束密度の大きさにかかっている以外、導体ロータの電流の大きさにかかっている。導体ロータの電流の大きさを制御できれば、機械的実行機構を使わず出力トルクの大きさの調整を実現できる。

本実施例では、前記制御構造１７は前記巻線ロータの電流又は電圧を制御できる。従来の機械的構造を利用して伝達されたトルクの大きさを調整する考えを変え、巧妙に巻線ロータを設置してまたこの巻線ロータの制御構造１７を利用することにより、巻線ロータの電流／電圧を調整し、伝達されたトルクの大きさの変更を実現する。本実施例の制御構造は、前記巻線ロータの電流又は電圧を制御することで、該伝動装置の出力トルクの大きさを調整でき、相応的な機械的実行機構を設置する必要がないため、該伝動装置は、構造が簡単で、体積が小さく且つメンテナンスが簡単である。

具体的に、本実施例は、前記制御構造１７は集電リング７及びブラシ６により前記巻線ロータを接続し、前記制御構造１７はコンバータとインバータトランスを含み、制御可能な起電力を導入し、前記制御可能な起電力を調整することで前記巻線ロータの電流を調整することが好ましい。

さらに、本実施例の前記制御構造１７は、前記巻線ロータの電流を調整できるコンバータを含む。具体的に、前記コンバータは回転速度差電力を回収又は消費することにより前記巻線ロータの電流を調整できる。そのうち、消費としては、巻線内部を通して消費してもよく、外部を通して消費してもよい。回収としては、電力系統に回収されてもよく、ほかの電気用又はエネルギー貯蔵用設備に回収されてもよい。従来の永久磁石調速機技術において原理上存在している回転速度差電力の損失による発熱の問題がないため、ラジエーター及び複雑な空冷、水冷システムを設置する必要がない。

上記の実施例の上で、本実施例の前記コンバータは制御可能な起電力を導入して前記巻線ロータの電流を調整してもいい。つまり、本実施例の巻線ロータは制御装置に接続し、制御装置に一つの制御可能な起電力を導入してその振幅を変更する。
これにより、巻線ロータの電流の大きさを制御でき、出力トルクの大きさも制御でき、調速する目的を達することができる。加えて、制御可能な起電力の導入により必ず巻線回路に電力輸送が発生され、この電力輸送は双方向であり、つまり、回転速度差電力が外部回路に輸送されるとともに、外部回路から電力を吸収する。
このような調速方式は、電力輸送の角度から見れば回転速度差電力の大きさ及び流向を制御することで出力回転速度への調整を実現すると考えられる。
そうすると、巻線型の永久磁石結合伝動装置は定速モータと負荷システムの間に装着され、集電リング７及びブラシ６により制御構造１７及びコンバータに接続され、回転速度差電力はコンバータによりインバータトランスを経て電力系統に戻り、完全な回収利用が得られる。そのため、本実施例の伝動装置の効率は非常に高く、回転速度差率ｓが如何変更しても効率は９５％以上に達することができるので、本当の意味上の調速による省エネを実現し、さらに従来に永久磁石調速装置に存在している欠陥を解決する。
以上により、本実施例に係る巻線型の永久磁石結合伝動装置は伝動効率が高く、エネルギーの損失が小さい。

具体的に、前記永久磁石ロータは、永久磁石体１とハウジング３を含み、前記永久磁石体１は、複数の相互に協力してラジアル磁極を形成した永久磁石アレイを含み、各前記永久磁石アレイの間に交錯的に配置され且つ片側磁界（Ｕｎｉｌａｔｅｒａｌ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）を形成する。

つまり、本実施例において、本発明の、前記巻線ロータのコイル巻線回路はオンし且つ前記永久磁石ロータを装着する第一回転軸と前記巻線ロータを装着する第二回転軸は同一方向に回転し、その回転速度が違うだけで、電磁トルクが発生できるので、非常に簡単で信頼性があり且つ価格が低く有効的なトルク伝達を実現できる。同時に、本発明の、前記永久磁石体１は、複数のラジアル磁極を形成した永久磁石アレイを含み、各前記永久磁石アレイの間に交錯的に配置され、且つ前記永久磁石体１は片側磁界を形成する。

このような構造の前記永久磁石体１は片側磁界を形成し、且つ該片側磁界は正弦に近づいて分布するので、伝統的な構造の傾斜スロット又はスキューが避けられ、加工量を大きく減少させ、生産コストを低減させた。同時にエアギャップ磁界密度が高まり、製造により発生された偏心の影響を無視して相対的通常設計理論上エアギャップ磁束が４１．４％（シミュレーション計算）高まるため、前記永久磁石体１の容量を節約でき、エアギャップ磁界密度基本波振幅が１．１〜１．４Ｔに達し、さらに１．５〜１．６Ｔまで達することができ、全体の電力密度が高い。また、前記永久磁石ロータのヨークは透磁性材料又は非透磁性材料を採用してもよく、即ち永久磁石ロータのヨークの材料は選択自由度が高く、設計の融通性が高められた。

巻線型の永久磁石結合伝動装置の作動方式はモータの作動方式と違い、前者は動力トルクを伝達又は遮断するためのものであり、後者は動力トルクを発生するものである。公知のように、モータに対して、一般的にはエアギャップ磁界密度は高く設定されてはおらず（一般的にはエアギャップ磁界密度基本波振幅が０．７〜１．０５Ｔを取る）、さもなければ、固定子の歯部の磁界密度が飽和になり、モータの鉄損が増加し、発熱して効率が低くなるなどの問題は起きやすい。

通常、モータの通常設計に対して、永久磁石体１の配置方式は内蔵式と表面実装式が二つある。内蔵式は、並列磁気構造、直列磁気構造及び直並列混合磁気構造がある。表面実装式は、通常にアーク状又はタイルラジアル磁化と呼ばれるＮ、Ｓ極が交替分布した磁気構造である。この二つの方式はエアギャップ磁界密度基本波振幅が０．７〜１．０５Ｔである要求に達することができる。しかし、巻線型の永久磁石結合伝動装置にとって０．７〜１．０５Ｔのエアギャップ磁界密度基本波振幅は低い。巻線型の永久磁石結合伝動装置にとって、電力密度を高めるために、そのエアギャップ磁界密度は高く設定されてもよく、エアギャップ磁界密度基本波振幅は１．１〜１．４Ｔを取ってもよく、さらに１．５〜１．６Ｔまで取ることができる。

これは、永久磁石ロータと巻線ロータの間の回転速度差が低く、巻線ロータの周波数がｓｆ（ｓが回転速度差率で、ｆが回転磁界の周波数である）であり、通常、ｓが０．０１〜０．０４の間にあることにより、巻線ロータの周波数が低くなるので、その歯部の磁界密度が鉄損に大きな影響を与えない。そのため、本実施例の巻線型の永久磁石結合伝動装置のこのような永久磁石体の配置方式は、その電力密度を大きく高め、コストを低減させて、このような構造の巻線型の永久磁石結合伝動装置は広く利用される。

本実施例に、前記永久磁石ロータと前記巻線ロータの間に相対運動があると、前記第一回転軸２と前記第二回転軸８の回転速度が異なり、前記コイル巻線５が前記永久磁石による磁界で磁力線を切断して誘導起電力が発生し、前記コイル巻線５の回路がオン状態になると、コイル巻線５内に誘導起電力が発生し、電流が流れる前記コイル巻線５が前記永久磁石体１による磁界で電磁力の作用を受けて、トルクの伝達が実現し、コイル巻線５の回路がオフ状態になると、コイル巻線５内に誘導起電力があるが、誘導電流が流れていないため、電磁トルクが発生されず、クラッチが遮断状態になることに相当する。

前記永久磁石体１のアレイは径方向に設置された第一永久磁石体アレイ１１と、前記第一永久磁石体アレイ１１の円周方向に直交して設置された第二永久磁石体アレイ１２と、を含む。

具体的に、前記第一永久磁石体アレイ１１は、間隔をもって設置される一対の第一ユニットマグネット１３と第二ユニットマグネット１４を含む。前記第一ユニットマグネット１３と前記第二ユニットマグネット１４の磁界方向は、それぞれに前記永久磁石体１の半径方向に沿って内側及び外側に向ける方向である。前記第二永久磁石体アレイ１２は、間隔をもって設置される一対の第三ユニットマグネット１５と第四ユニットマグネット１６を含む。前記第三ユニットマグネット１５と前記第四ユニットマグネット１６の磁界方向は、それぞれに前記永久磁石体１の円周接線に沿う時計回り方向と反時計回り方向である。前記第一永久磁石体アレイ１１と前記第二永久磁石体アレイ１２の間の交錯的配置は、下記の関係に満足するものとする。即ち、前記第一ユニットマグネット１３は隣接した前記第三ユニットマグネット１５と前記第四ユニットマグネット１６の間に設置され、前記第四ユニットマグネット１６は隣接した前記第一ユニットマグネット１３と前記第二ユニットマグネット１４の間に設置される。

本実施例で、図２に示されるように、前記第一永久磁石体アレイ１１は八つの前記第一ユニットマグネット１３と八つの前記第二ユニットマグネット１４を含み、前記第二永久磁石体アレイ１２は八つの前記第三ユニットマグネット１５と八つの前記第四ユニットマグネット１６を含む。上記の構造の前記永久磁石体１は、図３に示された磁気誘導ラインが得られ、即ち、該磁界は単線磁界（Ｓｉｎｇｌｅ ｌｉｎｅ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）であり、正弦に近いエアギャップ磁界が得られる。

前記永久磁石体１は、さらに前記第一永久磁石体アレイ（１１）と前記第二永久磁石体アレイ（１２）の間に嵌入された２ｎ個の永久磁石体アレイ（ｎ＝１、２、３…）を含み、また、これらの永久磁石体アレイは前記第一永久磁石体アレイ及び前記第二永久磁石体アレイと共同作用して片側磁界を形成する。永久磁石体アレイのユニットマグネットの磁化強度ベクトルＭが定期的に徐々に変化し、即ち、θｍ＝（１＋ｐ） θ又はθｍ＝（１−ｐ） θ（ｐ＝１、２、３…）であり、式のｐが永久磁石磁極対数であり、θｍが磁化強度ベクトルＭとＸ軸の角度であり、θがある扇形のユニットマグネットの半径とＸ軸の角度である。本実施例に、各前記永久磁石体アレイは複数のユニットマグネットを含む。各前記ユニットマグネットの磁化強度は定期的に変化して、正弦形のエアギャップ磁界が得られ、伝統的な方式、例えば傾斜スロット（又はスキュー）、不均一なエアギャップポールピース又は分布式固定子電気子巻線などを利用してエアギャップ波形を修正する必要がなく、構造が簡単になり、製造費用を低減させた。

さらに、本実施例の上で、前記巻線ロータは、コア４と分数スロット集中巻線により前記コア４に巻き取られたコイル巻線５を含む。前記コイル巻線５のコイルピッチは１に設定されている。前記巻線ロータのコイル巻線５は分数スロット集中巻線を採用した後、一方、各相各極のスロット数は通常設計に対して大幅に減少し、スロット数の減少により該巻線型の永久磁石結合伝動装置の体積が極めて小さくなり、電力密度を提供する。

電機学理論において、巻線ロータの極対数は必ず固定子の極対数と等しく、通常の巻線分布設計により、例えば三相１６極モータの設計としては、巻線ロータのラミネーションは少なくとも４８個のスロットが必要で、この時、各極各相のスロット数がｑ＝１である。起電力波形を改善するために、一般的に

が設定されるので、三相１６極モータの理想的な設計は少なくとも９６個のスロット（ｑ＝２）が必要で、十分な銅線を置くために、十分に広いスロットの面積が必要で、歯部の磁界密度が飽和しすぎないように、十分に広い歯部が必要である。これにより、巻線ロータの直径を大きくしなければならず、装置の全体面積が大きくなり、高電力密度が得られにくい。

巻線ロータのコイルが分数スロット集中巻線を採用して分布された後、各極各相のスロット数ｑは１／４〜１／２から選ばれ、通常設計としての

に比べて、巻線ロータのラミネーションのスロット数はこれの１／８〜１／２であり、例えば、上述した三相１６極９６スロットのモータは１８スロット１６極の設計を採用可能である。しかし、本実施例には、１６極１８スロットの設計が採用され、スロット数の減少により装置の体積が極めて小さくなり、電力密度が高まった。

分数スロット集中巻線はモータ設計にも応用されることがあるが、制限がある。これは、定速モータの設計時に作業状況の回転速度に対する制限を受け、回転速度が極数を決定し、つまりモータ設計は極数を選ぶ時に制限を受ける。しかし、巻線型の永久磁石回転速度差クラッチの作動方式はモータと違い、永久磁石ロータと巻線ロータの間の回転速度差を利用するだけでトルクを伝達するため、それ自身が極数に対して制限せず、任意に選び取り、一番好ましいスロット数及び極数の組み合わせを簡単に選ぶ。そのため、分数スロット集中巻線が巻線型の永久磁石回転速度差クラッチに応用されていることで、構造装置の体積が大幅に小さくなった。

具体的に、図４に示されるように、前記コア４は積層コアに設定され、前記積層コアに複数の前記コイルが巻き取るスロットが成形される。前記スロットの数は３ｎ（ｎ＝１、２、３…）に設定されている。本実施例は、三相巻線Ｙ字型接続法を採用し、ｎが６に設定され、即ち前記スロットの数が１８に設定されることが好ましい。同時に、図５に示されるように、前記コイル巻線５は二層巻線に設定され、即ちＡ、Ｂ、Ｃの三相に設定され、各相が６組のコイル巻線を有する。もちろん、前記コイル巻線５は単層巻線に設定されてもいい。

本実施例に、前記コア４は電炉鋼により製造され、任意二つの前記電炉鋼の間に絶縁することが好ましい。分数スロット集中巻線が採用された後、各コイル巻線５のコイルは前記コア４の一つの歯だけに巻き取られ、コイルの周長及びコイル端部の延出長さが短くなり、コイル巻線５の抵抗が小さくなり、これに従って銅損が低下し、装置の作業効率が高まった同時に、時定数が低下し、稼働率が高まった。また、各コイル端部が重ならないので、 相間絶縁が必要ないことにより、絶縁材料を節約し、コストを低減させることができる。同時に、各コイルが一つの歯だけに巻き取られるので、専用の巻き取り機の自動化生産が簡単に実現され、伝統的な人工線嵌入技術に取って代わり、生産効率を向上させることができる。

［実施例２］
変換できる実施形態として、本実施例と実施例１との相違点は下記通りである。
実施例１の上で、本実施例の前記永久磁石体アレイは、さらに前記第一永久磁石体アレイ１１と前記第二永久磁石体アレイ１２の間に嵌入された第三永久磁石体アレイ２０を含む。前記第一永久磁石体アレイ１１、前記第二永久磁石体アレイ１２及び前記第三永久磁石体アレイ２０各自の磁界方向は、それぞれに相応的な半径と非鈍角の第一角度、第二角度及び第三角度を形成し、前記第一角度、第二角度及び第三角度の相互間の角度差はそれぞれに４５度である。

具体的に、前記第三永久磁性体アレイ２０は順次間隔をもって設置された第五ユニットマグネット２１、第六ユニットマグネット２２、第七ユニットマグネット２３及び第八ユニットマグネット２４を含む。前記第五ユニットマグネット２１は前記第三ユニットマグネット１５と前記第一ユニットマグネット１３の間に嵌入され、前記第六ユニットマグネット２２は前記第一ユニットマグネット１３と前記第四ユニットマグネット１６の間に嵌入され、前記第七ユニットマグネット２３は前記第四ユニットマグネット１６と前記第二ユニットマグネット１４の間に嵌入され、前記第八ユニットマグネット２４は前記第二ユニットマグネット１４と前記第三ユニットマグネット１５の間に嵌入される。

本実施例に、図６に示されるように、前記第一永久磁石体アレイ１１は、四つの前記第一ユニットマグネット１３と四つの前記第二ユニットマグネット１４を含み、前記第二永久磁石体アレイ１２は、四つの前記第三ユニットマグネット１５と四つの前記第四ユニットマグネット１６を含み、前記第三永久磁石体アレイ２０は、四つの前記第五ユニットマグネット２１と、四つの前記第六ユニットマグネット２２と、四つの前記第七ユニットマグネット２３及び四つの前記第八ユニットマグネット２４を含むことが好ましい。上記の構造の前記永久磁石体１は、図７に示された磁気誘導ラインが得られ、即ち、該磁界は単線磁界であり、また正弦形のギャップ磁界が得られる。

もちろん、本実施例にもっと多い永久磁石アレイを設置してもよく、例えば、第四永久磁石体アレイを設置する。この時、前記第一永久磁石体アレイ１１、前記第二永久磁石体アレイ１２、前記第三永久磁石体アレイ２０と前記第四永久磁石体アレイ各自の磁界方向はそれぞれに相応的な半径と非鈍角の第一角度、第二角度、第三角度及び第四角度を形成し、前記第一角度、第二角度、第三角度及び第四角度の相互間の角度差はそれぞれに３０度である。もちろん、第四永久磁石体アレイ及び第五永久磁石体アレイを同時に設置してもよく、また、各角度間の角度差は３０度でもよい。

変換できる実施例形式として、前記第一永久磁石体アレイ１１と前記第二永久磁石体アレイ１２の間にもっと多い永久磁石体を挿入してもよく、挿入された永久磁石体間にもっと小さい角度変化値があり、最終的に正弦形の片側磁界が得られる。

［実施例３］
変換できる実施形態として、本実施例と実施例１との相違点は下記通りである。
本実施例に、永久磁石体アレイ間の具体的な構造は図８に示されるとおりである。上記した構造の前記永久磁石体１は、片側磁界が得られ、また正弦形のギャップ磁界が得られる。
さらに、本実施例で、前記コア４は巻回型コアに設定され、前記巻回型コアに複数の前記コイルが巻き取るスロットが形成される。前記スロットの数は３ｎ（ｎ＝１、２、３…）に設定されている。本実施例に、ｎが８に設定され、即ち前記スロットの数が２４に設定され、具体的な構造は図９に示されるとおりである。

［実施例４］
変換できる実施形態として、本実施例と実施例１との相違点は下記通りである。前記巻線ロータは前記永久磁石ロータと同軸で水平配置され、前記巻線ロータは図１０に示されるように固定ディスクにより前記第二回転軸８に装着される。

［実施例５］
巻線型の永久磁石結合伝動装置の応用を提供し、該巻線型の永久磁石結合伝動装置はブレーキとして応用される原理は下記通りである。前記永久磁石ロータを固定し、前記巻線ロータのコイル巻線５の回路がオンすると、図１１に示されるように前記巻線ロータが第二回転軸８により逐次制動することで、ブレーキの機能を実現する。

［実施例６］
巻線型の永久磁石結合伝動装置の応用を提供し、該巻線型の永久磁石結合伝動装置はブレーキとして応用される原理は下記通りである。図１２に示されるように前記巻線ロータが第一回転軸２により逐次制動することで、ブレーキの機能を実現する。

上記実施例は明らかに単に挙げられた例を明確に説明するためのものに過ぎず、実施形態を限定するものではない。
所属分野の当業者にとって、上記の説明の上で他の違う形態の変化又は変動を行ってもよい。
ここですべての実施形態を説明する必要はなく、また説明できない。
これから得られた自明な変化又は変動は本発明の保護範囲に含まれている。

１ 永久磁石体
２ 第一回転軸
３ ハウジング
４ コア
４１ スロット
５ コイル巻線
６ ブラシ
７ 集電リング
８ 第二回転軸
９ エアギャップ
１０ 固定ディスク
１１ 第一永久磁石体アレイ
１２ 第二永久磁石体アレイ
１３ 第一ユニットマグネット
１４ 第二ユニットマグネット
１５ 第三ユニットマグネット
１６ 第四ユニットマグネット
１７ 制御構造
２０ 第三永久磁石体アレイ
２１ 第五ユニットマグネット
２２ 第六ユニットマグネット
２３ 第七ユニットマグネット
２４ 第八ユニットマグネット

Claims (14)

1. 永久磁石ロータと、前記永久磁石ロータと同軸で且つ両者の間に相対回転できる巻線ロータと、を含み、前記永久磁石ロータと前記巻線ロータの間にエアギャップ（９）がある巻線型の永久磁石結合伝動装置であって、
   前記巻線ロータに前記巻線ロータの電流／電圧を調整して、前記伝動装置のトルクを制御できる制御構造（１７）が接続され
   前記巻線ロータは、コア（４）と分数スロット集中巻線により前記コア（４）に巻き取られたコイル巻線（５）を含み、
   前記コイル巻線（５）のコイルピッチは１に設定され、各極各相のスロット数ｑは１／４〜１／２であり、
   前記永久磁石ロータは、永久磁石体（１）とハウジング（３）を含み、
   前記永久磁石体（１）は、若干の相互に協力してラジアル磁極を形成した永久磁石アレイを含み、
   各前記永久磁石アレイの間に交錯的に配置され且つ片側磁界を形成し、
   前記永久磁石体のアレイは径方向に設置された第一永久磁石体アレイ（１１）と、前記第一永久磁石体アレイ（１１）の円周方向に直交して設置された第二永久磁石体アレイ（１２）と、を含むことを特徴とする巻線型の永久磁石結合伝動装置。
2. 前記コイル巻線（５）は、二層巻線又は単層巻線に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の巻線型の永久磁石結合伝動装置。
3. 前記コア（４）は積層コアに設定され、前記積層コアに複数の前記コイルが巻き取るスロットが成形されることを特徴とする請求項１に記載の巻線型の永久磁石結合伝動装置。
4. 前記コア（４）は巻回型コアに設定され、前記巻回型コアに複数の前記コイルが巻き取るスロットが成形されることを特徴とする請求項１に記載の巻線型の永久磁石結合伝動装置。
5. 前記スロットの数は３ｎ（ｎ＝１、２、３…）に設定されていることを特徴とする請求項３又は４に記載の巻線型の永久磁石結合伝動装置。
6. 前記コア（４）は電炉鋼により製造されていることを特徴とする請求項１に記載の巻線型の永久磁石結合伝動装置。
7. 前記制御構造（１７）は集電リング（７）及びブラシ（６）により前記巻線ロータを接続することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つ又は請求項６に記載の巻線型の永久磁石結合伝動装置。
8. 前記制御構造（１７）は、前記巻線ロータの電流を調整できるコンバータを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つ又は請求項６に記載の巻線型の永久磁石結合伝動装置。
9. 前記コンバータは回転速度差電力を回収又は消費することにより前記巻線ロータの電流を調整することを特徴とする請求項８に記載の巻線型の永久磁石結合伝動装置。
10. 前記コンバータは、制御可能な起電力を導入することにより前記巻線ロータの電流を調整することを特徴とする請求項８に記載の巻線型の永久磁石結合伝動装置。
11. 前記第一永久磁石体アレイ（１１）は、間隔をもって設置される一対の第一ユニットマグネット（１３）と第二ユニットマグネット（１４）を含み、
    前記第一ユニットマグネット（１３）と前記第二ユニットマグネット（１４）の磁界方向は、それぞれに前記永久磁石体（１）の半径方向に沿って内側及び外側に向ける方向であり、
    前記第二永久磁石体アレイ（１２）は、間隔をもって設置される一対の第三ユニットマグネット（１５）と第四ユニットマグネット（１６）を含み、
    前記第三ユニットマグネット（１５）と前記第四ユニットマグネット（１６）の磁界方向は、それぞれに前記永久磁石体（１）の円周接線に沿う時計回り方向と反時計回り方向であり、
    前記第一ユニットマグネット（１３）は隣接した前記第三ユニットマグネット（１５）と前記第四ユニットマグネット（１６）の間に設置され、
    前記第四ユニットマグネット（１６）は隣接した前記第一ユニットマグネット（１３）と前記第二ユニットマグネット（１４）の間に設置されることを特徴とする請求項１に記載の巻線型の永久磁石結合伝動装置。
12. 前記永久磁石体（１）は、さらに前記第一永久磁石体アレイ（１１）と前記第二永久磁石体アレイ（１２）の間に嵌入された２ｎ個の永久磁石体アレイ（ｎ＝１、２、３…）を含み、また、これらの永久磁石体アレイは前記第一永久磁石体アレイ及び前記第二永久磁石体アレイと共同作用して片側磁界を形成したことを特徴とする請求項１１に記載の巻線型の永久磁石結合伝動装置。
13. 前記永久磁石体アレイは、さらに前記第一永久磁石体アレイ（１１）と前記第二永久磁石体アレイ（１２）の間に嵌入された第三永久磁石体アレイ（２０）を含み、
    前記第一永久磁石体アレイ（１１）、前記第二永久磁石体アレイ（１２）及び前記第三永久磁石体アレイ（２０）各自の磁界方向は、それぞれに相応的な半径と非鈍角の第一角度、第二角度及び第三角度を形成し、前記第一角度、第二角度及び第三角度の相互間の角度差はそれぞれに４５度であることを特徴とする請求項１１に記載の巻線型の永久磁石結合伝動装置。
14. 前記第三永久磁性体アレイ（２０）は順次に間隔をもって設置された第五ユニットマグネット（２１）、第六ユニットマグネット（２２）、第七ユニットマグネット（２３）及び第八ユニットマグネット（２４）を含み、
    前記第五ユニットマグネット（２１）は前記第三ユニットマグネット（１５）と前記第一ユニットマグネット（１３）の間に嵌入され、
    前記第六ユニットマグネット（２２）は前記第一ユニットマグネット（１３）と前記第四ユニットマグネット（１６）の間に嵌入され、
    前記第七ユニットマグネット（２３）は前記第四ユニットマグネット（１６）と前記第二ユニットマグネット（１４）の間に嵌入され、
    前記第八ユニットマグネット（２４）は前記第二ユニットマグネット（１４）と前記第三ユニットマグネット（１５）の間に嵌入されることを特徴とする請求項１３に記載の巻線型の永久磁石結合伝動装置。