JPH10504699A - 永久磁石間に軸方向の空隙を有する電気機器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 一対の固定子（１０，１２）と単一の回転子（１４）からなる電動モーター等の電気機器において使用される回転子（１４）であって、好ましくは回転シャフト（３１）に取り付けられた中央シート（３０）を有し、このシートは相対する２つの面（３２，３４）と、好ましくは平行で一対もしくは複数対の永久磁石（３６，３８）とを有している。各対の磁石（３６，３８）のそれぞれは中央シート（３０）の相対する面に、まさに相対向して或いはほぼ対向する位置（３３，３４）に取り付けられている。一対の磁石（３６，３８）の極性は同方向になるように取り付けられている。

Description

【発明の詳細な説明】 永久磁石間に軸方向の空隙を有する電気機器 発明の分野 本発明はモータ、発電器、速度発電機等の軸方向に磁場を形成してなる電気機 器に関するもので、より具体的には永久磁石回転子を用いてなる軸方向に磁場を 形成してなる電気機器に関するものである。発明の背景 永久磁石を使用した電気機器は何年も前から知られている。近年、希土類金属 磁石（Sm-Co、Nd-Fe-Bなど）の質の向上と価格の低下によりこれらの電気機器の 進歩は目覚ましい。現在のところ、低トルク域から数十Ｎ・ｍ程度に至る電気機 器が利用されている。 ロボット工学、工作機械、電気自動車のようにより厳密なスペースの確保が要 求される分野においては、通常ディスク形機械、特に軸方向に空隙が形成された モータ及び発電機を必要としている。 軸方向に空隙が形成された機械の種々の形態としては、現在のところ、回転子 上において複数の永久磁石が分割されたものや、単体で磁化された回転子を有す るものや、歯状でスライド状のコアを有するものや、単体もしくは複数の回転子 と固定子を用いるものや、扇形もしくは円形に巻かれた巻線を有するもの等、が 知られている。 これらの形態のうちの幾つかは米国特許第4,835,840号、第5,117,141号、第4, 996,457号に開示されている。 米国特許第4,835,840号はリング状磁性体を固定してなる磁束伝導体のリング を有するディスク状回転体について記述している。その装置は、単一の固定子と 対向して平坦で軸方向に向いたリング状ローター面を有している。しかしながら 、このような装置は、２つの固定子がサンドウィッチ構造にデザインされた好適 な装置に使用することができないし、また広く流通している平面構造の磁石片を 利 用することができない。 米国特許第5,117,141号はブラシレスＤＣモータ用の回転子を数例開示してい る。これらはそれぞれ周縁に沿ってリング状に配置された１つもしくは複数の永 久磁石セットを有している。複数個の磁石は直接的に搬送ディスクに埋設され、 リングやシート等の媒介的構造エレメントを使用することなく相互に接続されて いる。さらに、上記特許では、その複数個の回転子は、それぞれの回転子に接続 されたシャフトを反対方向に回転させる駆動装置に使用されると述べている。 そのような軸方向に空隙を有する永久磁石電気機器の、特に高回転速度におけ る、欠点は、回転子が機械的に故障しやすいことである。これらの故障の潜在的 な原因は回転子が強力な周期的力場の下で動作していることで、軸方向に磁束が 伝導する必要性があるために堅固な構造にデザインすることを困難にしている。 このような回転子は機械的に壊れやすいため、コストアップにつながる装置の中 段時間を必要としたりまた費用のかかる修理や交換が必要となる。 従って、機械的に丈夫で作動に信頼性があり、堅固にしてしっかりしたデザイ ンの永久磁石回転子を使用した軸方向に空隙のある電気機器の必要性が広く認識 されまた望まれていた。発明の要約 本発明によれば、同期モータ、発電機、ジャイロスコープ、速度発電機、ブラ シレスＤＣモータの等のように種々の動作モードの信頼性の高い軸方向に磁場を 有する電気機器が提供された。 最も単純な形状では、本発明に係る機器は一対の固定子の間に配設された一枚 のディスク状回転子を有している。この回転子は中央部材、好ましくは0.01〜0. 08インチの厚みのシートから形成され、このシートの各面に一組の永久磁石が取 り付けられている。中央のシートの一つの面上に取り付けられた永久磁石の磁束 は中央のシートの他の面上に取り付けられた永久磁石の磁束と繋がっており、中 央のシートを軸方向に貫いている。このようにシートは磁気的に固定子同士を接 続している。図面の簡単な説明 以下に、添付図面を参照しながら本発明の実施例について述べる。 図において、 図１は、本発明に係る電気機器を一部断面した斜視図である。 図２は、本発明に係る回転子の構成の概略図である。 図３ａ及び図３ｂは、それぞれ本発明（図３ａ）と米国特許第4,996,457号（ 図３ｂ）に係るものの中央シート上の磁束路を含む回転子の構造の一部分を展開 して示す断面図である。 図４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ及び４ｅはそれぞれ本発明に基づいた回転子の様々 なものを示している。それぞれの回転子は磁化の状態、磁場の極性、磁石片の組 合せ等が異なっている。図４ａと４ｂはそれぞれ等しく相対向して分割された磁 石片を有する異極型と同極型のローターを示している。 図４ｃは異なる大きさの分割された磁石片を有する回転子を示している。 図４ｄは僅かにずらされた磁石セットを有する回転子を示している。 図４ｅは多数の極片により作成された回転子を示している。 図５ａと５ｂは機械的な強度を付加させるために非磁性構造の部品を組み込ん だ回転子のそれぞれ平面図と断面図である。 図６ａと６ｂは正多角形ハブに基づくデザインの回転子のそれぞれ平面図と断 面図である。 図６ｃと６ｄは非正多角形のハブに基づくデザインの回転子のそれぞれ平面図 と断面図である。 図７ａと７ｂは星形ハブ（磁石片の一部は省略して描いてある）に基づくデザ インの回転子のそれぞれ平面図と断面図である。 図８ａは保持リング形状にデザインされた回転子の断面図である。 図８ｂは磁石片をより良好に保持するために周辺域において拡大された中央シ ートを持つ回転子の断面図である。 図９はシャフトに垂直でない中央シートを持つ回転子の断面図である。 図１０は中央シート厚を可変にした構造の回転子を説明した断面図である。 図１１は多数の中央シートを持つ回転子の断面図である。 図１２は多数の回転子と多数の固定子形状を有する電気機器の断面図である。好適な実施例の詳細な説明 本発明は軸方向に空隙を有する永久磁石を利用した電気機器で改良された回転 子を備えたものに関するもので、以下に、その機械の原理と作用を添付図面を参 照にして詳細に説明する。 図１は本発明の典型的な応用例を示している。本記述では主として図１のよう なタイプの電気機器を取り扱うが、本発明はそれに限られるものでなく、一般に 広く様々な種類の永久磁石を利用した軸方向に空隙を有する電気機器に関連する もので、それらが全て本発明の範囲に含まれるものである。 図１に示された実施例は一対の固定子１０、１２とこれらの固定子１０、１２ 間に介装された回転子１４とを有している。機械の効率を最大にする為に、回転 子１４と固定子１０、１２との間の空隙は通常可能な限り小さく、例えば0.015 インチのオーダとする。固定子１０と１２のそれぞれは別個にコア部材１６、１ ８とワイヤ部材２０、２２を含んでもよい。 コア部分１６と１８はヨーク層２４と２６を含み、所謂スロット付コアの場合 にはさらに歯状層２８と２９をも含むことができる。一方の固定子はワイヤ部材 と歯状層とを欠落することができ、これによって専らヨークとして作動する。歯 状層２８と２９はテープを巻き付けたシリコンスチール若しくは鉄粉セラミック より構成され得る。ワイヤ部材は放射方向に活性を有する部分を含み、従来の絶 縁銅線による巻線や印刷回路若しくは他の可能な方法により形成されている。 複数のワイヤ部材はお互いに同じか若しくは異なっており、それらの巻線の配 置とか連結は従来の電気機器の巻線の場合と同じでよい。固定子中の磁束は共通 な為、電磁気的過程は専らそれらの電流に依存している。例えばブラシレスＤＣ モータとして作動している電気機器において、第１及び第２の固定子により生成 されるトルクはそれぞれ以下の通りである。 Ｍ₁＝Ｃ₁ ^*Ｗ₁ ^*Φ^*Ｉ₁ Ｍ₂＝Ｃ₂ ^*Ｗ₂ ^*Φ^*Ｉ₂ ただし、Ｃ₁とＣ₂は位相数と固定子巻線の配置および連結とさらには位相転換 スキームとにより決定される位相定数である。 Ｗ₁とＷ₂は巻数である。 Φは共通磁束である。 Ｉ₁とＩ₂はそれぞれ固定子中を流れる電流である。 固定子は平行にもしくは独立に作動することができ、共通磁束は相互に影響し 合う。そのため固定子の位相が都合のいいように直列に接続される。 電気機器は通常ハウジング１５、シャフト３１（図２）、軸受（図示せず）、 様々なセンサ（図示せず）、冷却手段（図示せず）等より構成される。 回転子１４の独特の構成が本発明の心臓部である。その構成は図１に示されて いるが、さらに詳細に図式的に描いたものが図２である。回転子１４は中央シー ト３０を有し、これは様々な形態をとることが可能であるが実質的に円形のもの が好ましい。中央シート３０は好ましくは0.01〜0.08インチの厚さで、単層若し くは複合層で形成されている。中央シート３０は磁性体若しくは非磁性体で作る ことができる。 中央シート３０は適宜シャフト３１に結合されるかまたはシャフト３１と一体 的に形成される。中央シート３０は３２と３４の二つの面を持っている。３２と ３４の面のそれぞれに一つ若しくはそれ以上の平坦な永久磁石３６と３８が設置 され、それらは軸方向に磁化されている。永久磁石３６と３８とは、中央シート ３０の一方の面上（この例では３２）に位置する一方の磁石、この例では３６、 が中央シート３０を介して対向する他方の面に位置する他方の磁石（この例では ３８）と磁化方向が同一となるように配置されなければならない。このようにし て、図３ａにみられるように、シート３０の厚みに沿い、中央シート３０を介し て相対向する磁石によって生成された共通磁束４０が出来る。 米国特許第4,996,457号は多数の固定子を用いた軸方向に空隙をおいて永久磁 石を配した超高速度発電機について記述している。この発明の心臓部はディスク 状回転子の構成で、一対の固定子間に位置する回転子が０．２５〜０．５インチ の厚さの中央部の軟質な磁石デイスクの各面に一組の永久磁石を有している点で ある。このディスクは磁気遮蔽体の役目をし、ディスクの一方の面上に設置され た永久磁石の磁場をディスクの他方の面に設置された永久磁石の磁場から切り離 し ている。この遮蔽の結果、一つの固定子に接合されている負荷は他の固定子に接 合されている負荷に影響を与えない。 特に注目すべき事は、本発明の回転子（図３ａ）に係る装置内に形成される磁 場は米国特許第4,996,457号（図３ｂ）で開示されている装置の回転子において 形成される磁場と正反対であることである。上記の参照特許における回転子にお いては、磁極の方向の一致した磁石の配置と、遮蔽ディスク４２の性質と厚みと によって磁束が接線方向に生じることにより極間の磁束は閉磁路４４を形成する 。これに対して、本発明による回転子においては閉磁路は全く存在せず、磁束の 閉合が生ずるのは専ら固定子ヨークにおいてである。 回転子中における特定の磁化方向と磁石片のグループ化を意図された用途に応 じて変えることによって、様々な種類の望ましい極性と磁場の配置を生み出すこ とができる。例えば図４ａに示したものは同じ磁石片が分離して相対向している 異極の回転子である。このような構成はブラシレスＤＣモータや同期モータや発 電機に適している。 この場合、表面３２と３４上の永久磁石３６と３８はそれぞれ中央シート３０ を通って極性が交互となるように配設されている。このように全ての磁石片は対 ３７に分割され、各対の磁石片は磁束４０を供給し、この磁束は固定子にもしも 歯状層が存在すれはその歯状層を貫通しもしくは固定子のワイヤ部材を直接的に 貫きそしてヨーク部を通って磁気回路を形成する。 図４ｂは同じ磁石片が分離して相対向している同極の回転子を示している。こ のような回転子の応用は例えば同極の低圧ＤＣ機器に見ることができる。表面３ ２と３４上の永久磁石３６と３８はそれぞれ同じ方向に磁化されている。全ての 磁石片は対３７に分割されそして固定伝導ディスクを貫通しハウジングヨークを 通る磁気回路を形成する磁束４０を供給している。 図４ｃはサイズの異なる分離した磁石片を有する回転子を示している。このよ うな形態は有用で例えば低コギング(cogging)ブラシレスＤＣモータや改善され た電圧源を有する発電機において使用される。磁束４０の形状は図４ａのものと 似ているが磁場の配置は多少台形になってる。 図４ｄは同じ磁石片が相対向した位置に若干ずれて配置された回転子を示して いる。このような形態は例えば低コギングブラシレスＤＣモータや改善された電 圧曲線を有する発電機において有用である。磁束の形態４０とその磁場の配置は 図４ｃのものと似ているがそれらは単一形状の磁石により創り出されている。 図４ｅは、例えば２ピースＴ極、３ピースII極のような多極片配置の回転子を 示している。それらは低コストのブラシレスモータや発電機に使用することがで きる。図示の例において２つの永久磁石が一つの磁化グループを形成する。その 各グループの極性はシート３０を横切って同方向となっている。このように全て の磁石グループは、組毎に分けられて図４ａの場合と同様に磁束を供給し、この 磁束は固定子にもしも歯状層が存在すればその歯状層を貫通しもしくは固定子の ワイヤ部材を直接的に貫きそしてヨーク部を通って磁気回路を形成する。 他の可能な形態は、中央シートの上面と底面に永久磁石からなる環状層を直接 取り付けてなる、所謂、固体磁石層構造による回転子である。各層の磁化は異極 同極の何れの場合においても同じで、軸方向に共通の磁束を生成する方向へ向い ている。 図５ｂに示されているように、相対向する位置において同一方向に磁化された 永久磁石３６と３８を配置することによって、二つの磁石を相互に近接する方向 に付勢する図に示した方向の充分な相互作用力が存在してこれらの磁石を所定の 位置から動かないようにしている。磁石がそれらの最適な位置からずれないよう にするために、適度に嫌気性の或いはエポキシ樹脂のような接着剤５２若しくは 溶接またはろう付けを用いるのが好ましく、これによって磁石片はより強固に固 定される。この結合は磁石片自体と中央シートの面の間でなされるし及び／また はそれらの内周及び／または外周においてもなされる（図５ａ）。 磁石片を固定するための様々な構造が考えられる。これらのいくつかを図６〜 図８を参照にして以下に説明する。 図６ａと図６ｂの構造は回転子に強度を持たせる付加的な手段を提供している 。中央シート３０は図７ａや図７ｂに示されるような多角形や星型などのブレー ス付ハブ６０によって拘束されている。固形の回転子ディスクを形成するには磁 石の側面を多角形ハブの縁に接合するとともに磁石片の平らな部分を中央シート ３０の表面に固定するのが好ましい。それに加え或いはそれとは別に、磁石の周 縁 に沿って溶接やろう付けしたりして磁石の面を固定したり、磁石の周りに非磁性 の接着性化合物を取り付けたり、磁石片をプラスチックやアルミニウムなどをモ ールディングすることによって固定してもよい。 中央シート３０の疲労強度を増すために不規則な多角形のハブを使用すること ができる（図６ｃ、６ｄ）。この場合隣接している磁石片の内周縁どうしてはシ ャフトの中心からの半径方向の距離が異なり、シートの回転によって軸方向の曲 げが繰り返されることによって生じる疲労に対するシートの脆弱性を減少させる ことになる。 回転子の破損を防ぐために、回転子には中央シート３０と磁石片（図８ａ）の 周辺を取り囲むリング状の枠部材を設けることができる。もう一つの方法として 、中央シート３０には、磁石片を内側に閉じこめ磁石片を放射状に外へ押し出そ うとする遠心力に打ち勝つ助けとなる軸方向に延出するリップ片７２を形成する ことができる。本発明の基本的な原理は様々な電気機器に適用することができる 。本発明の原理は、例えば図９のように一定の厚みを有するコーンや、図１０の ように厚みが異なる垂直な中央シートを有するコーンーギャップ装置の回転子に も適用することができる。 本発明はこのように単一回転子について述べてきたが本発明は、例えば図１１ に示すように、複数回転子についても応用できることは明らかである。このよう な機器においては、全ての中央シートの厚みを貫通して外側及び内側の全ての磁 石層を導通する共通の軸方向磁束が存在する。 また上記回転子は、例えば図１２のように多数の回転子と固定子が軸方向に空 隙を介して配設された電気機器に適用することができる。 発明の限られた具体例についてのみ述べてきたが本発明が多くのバリエーショ ン、改良、そして発明の他の応用も可能であることは明らかである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アルトフェルド，アレキサンダー イスラエル・レホボト 76381・パドバ ４／13 (72)発明者 ヒテラー，モシェ イスラエル・エルサレム 97854・ヘッツ ェル ６／10 (72)発明者 ニミロブスキー，デヴィッド イスラエル・アゾール 58017・シャピラ ３／27

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．（ａ）対向する一対の面を有する中央部材と （ｂ）少なくとも一対の永久磁石とからなり、少なくとも一対の前記永久磁 石がそれぞれ少なくとも一対の磁石片を有し、該一対の永久磁石の複数の該磁石 片が前記中央部材の対向する面に相対向して取り付けられてなるものにおいて、 該対をなす永久磁石の該磁石片の極方向が同一方向であることを特徴とする電気 機器において使用される回転子。 ２．請求項１の回転子において、該回転子が更に、 （ｃ）前記中央部材に取り付けられたシャフトを有することを特徴とする。 ３．請求項１の回転子において、前記中央部材の前記の複数の面が実質的に軸方 向に振り分けられてなることを特徴とする。 ４．請求項１の回転子において、前記対をなす永久磁石の前記磁石片の前記極方 向が実質的に軸方向であることを特徴とする。 ５．請求項１の回転子において、前記対をなす永久磁石の前記磁石片が相互に実 質的に相対向してなることを特徴とする。 ６．請求項１の回転子において、前記対をなす永久磁石の前記磁石片が互いに位 置がずれてなることを特徴とする。 ７．請求項１の回転子において、前記対をなす永久磁石のうちの前記磁石片の少 なくとも一つが複数個の独立した磁石片を含んでなることを特徴とする。 ８．請求項１の回転子において、該回転子が複数対の磁石片を包含し、隣接する 磁石対の磁場が反対方向となっていることを特徴とする。 ９．請求項１の回転子において、該回転子が複数対の磁石片を包含し、隣接する 磁石対の磁場が同方向となっていることを特徴とする。 １０．請求項１の回転子において、前記磁石片と前記中央部材は接着剤を介して 結合されていることを特徴とする。 １１．請求項１の回転子において、前記中央部材が中央ハブに接続されてなるこ とを特徴とする。 １２．請求項１１の回転子において、前記磁石片と前記ハブが接着剤を介して結 合されていることを特徴とする。 １３．請求項１１の回転子において、前記中央部材の一つの面上の隣り合う磁石 片が相互に半径方向に位置がずれて配設されてなることを特徴とする。 １４．請求項１の回転子において、前記中央部材の一つの面上の隣り合う磁石片 が相互に半径方向に位置がずれて配設されてなることを特徴とする。 １５．請求項１の回転子において、前記中央部材が円盤であることを特徴とする 。 １６．請求項１の回転子において、前記中央部材が星形であることを特徴とする 。 １７．請求項１の回転子において、該回転子が更に前記中央部材の周辺に保持部 材を有してなることを特徴とする。 １８．請求項１の回転子において、前記中央部材には前記磁石片を保持するため に実質的に軸方向の両方に亘って延出している周辺部分が形成されてなることを 特徴とする。 １９．請求項１の回転子において、前記中央部材の向き合う面が実質的に平行で あることを特徴とする。 ２０．請求項１の回転子において、前記中央部材の軸方向の厚みが半径方向にお いて変化してなることを特徴とする。 ２１．請求項１の回転子において、前記中央部材が磁性伝導体より成ることを特 徴とする。 ２２．（ａ）少なくとも一対の固定子と （ｂ）少なくとも一つの回転子とからなり、該回転子が （１）シャフトと、 （２）該シャフトに結合されるとともに実質的に平行な対向面を有する 中央部材と、 （３）少なくとも一対の永久磁石とからなり、該対をなす永久磁石の磁 石片が該中央部材の対向する面に相対向して取り付けられてなるものにおいて、 該対をなす永久磁石の該磁石片の極方向が同一方向であることを特徴とする電気 機器。