JPH10513035A - 横断磁束機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 従来の横断磁束機械では、軟磁性体における損失により効率の上昇が妨げられていた。巻線の生産がその簡易さに大いに依存している一方で、磁束を伝達する張り合わせの鉄本体の生産は高いコストを被ることになる。鉄の伝達度の限界に加えて、空気ギャップを使用することで出力密度の増加が制限される。本発明によれば、２つの空気ギャップ（21）は巻線（15）の外側で半径方向に配置され、また磁気回路を周期的に閉じる磁気的硬質及び／又は軟質の磁性体の回転子部品（19，20）は軸方向に配置されている。この空気ギャップの配置により、外形寸法や機械の体積に大きく関連する空気ギャップ表面の上昇がもたらされ、またハウジングにかかる負荷が軽減される。Ｕ字型の固定子本体のセグメント化のため、生産中の材料屑は最小化され、粒子が配向した金属シートが使用できるが、その望ましい特性により、効率及び出力密度が増加するようになる。同一構造のセグメントが異なった寸法や動力データをもつ機械に使用できる。本発明による構造の種類により、横断磁束機械でのコスト重量、損失を同時に減少させる。

Description

【発明の詳細な説明】 横断磁束機械 本発明は、導体リング及びＵ字型の軟磁性体を備える横断磁束機械（transver se magnetic machine）に関するものである。 横断磁束機械はその巻線の単純さゆえに印象的である。その一方、軟磁性体の 製造にはかなり高いコストを被ることになる。 材料コストは電気シートの打ち抜き過程での屑の発生により増加し、ツールの コストは大型で複雑なダイにより増加し、組立てコストは重い構成部品の取扱い により増大する。達成可能な機械の効率及び／又は動力密度は、軟磁性材料の飽 和磁束密度及び空気ギャップ表面の設備利用率（utilization factor）のために 限界がある。 DE42 23 831 A1には、横断磁束機械が説明されており、２個ずつが異なった直 径を有する４個の巻線リングが示されている。回転子エレメントが固定子の４個 のリング溝に軸方向に挿入されており、これにより磁束の方向が半径方向の８個 の空気ギャップのある機械となっている。 GB-PS1 363 979では、回転子が固定子間で軸方向に並べられている横断磁束機 械が知られている。この固定子には導体リングが含まれており、また各磁気回路 には、異なった半径を持つ２個の空気ギャップが存在する。 DE-PS 597 597 では、そのＵ字型の軟磁性コアが、導体リングの回りに配置さ れた２つの部分から構成されている単相の横断磁束機械が知られている。空気ギ ャップは、導体リング内に半径方向に位置しており、磁界の動的な効果は、すべ ての空気ギャップで同一の半径方向を示している。脈動する半径方向の空気ギャ ップの力は、環状の回転子ハウジング上で作用し、振動やノイズが発生し損失が 生じる。したがって、ハウジングは頑丈で、重量のある構造のものが必要となる 。 また、DE43 14 513 A1で知られている外部回転子のデザインにおいて、運動の 方向に対して垂直に作用する磁気回路の２個の空気ギャップの磁気力は加算的で あり、これにより目的である最高の出力密度の達成が妨げられている。 GB2 161 992 A には、一方向のみに回転動作をし、３つの部分から構成される Ｕ字型の固定子コアのあるモーターが説明されている。２相の磁束を導く部品は スペーサーにより分離されている。空気ギャップ内で半径方向に作用する磁気力 は加算的である。 DE 43 14 513 A1 では、磁束が、磁気的に活性な回転子エレメントの内部の半 径方向磁束が空気ギャップの中を半径方向に通って流れる、横断磁束機械の外部 回転子のデザインが知られている。出力密度は、巻線の配置の両側にある２個以 上の空気ギャップにより増大する。この空気ギャップ配置は、回転子及び固定子 軸が常時お互いの中に滑り込むことを許容する。 横断磁束機械その他多数のデザインは広く知られているが、軟磁性材料の利用 が不十分であり、製造工学的にいえば、コストの高い薄鋼板打ち抜き工程を必要 とするものばかりである。 よって、本発明の目的は、可能な限り最も低い生産費用で高い効率と出力密度 が達成されるような方法で、横断磁束機械を改良することである。 本発明によれば、この目的は請求項１及び２の特徴により達成される。本発明 によれば、導体リングの周囲に配置された磁気的に活性な本体はそれぞれ２個の 空気ギャップを有し、そのいずれも導体リングの外側に半径方向に配置され、ま た磁気的に活性な回転子部品は軟磁性固定子部品の端の内側に軸方向に横たわっ ている。これにより、磁気回路内で脈動する磁気法線力（magnetic normal forc e）は捕償され、ハウジングにかかる負担は軽減される。この配置により、回転 子及び固定子は相互に連動する。この組み立てにより、固定子及び回転子リング が交互に配置されるか、又は回転子リングがいくつかの同一形状の部品、例えば ２個の半体、から構成される。回転軸まで最大の距離をおき導体リングの外側の 磁気回路で半径方向になっている両方の空気ギャップの配置と、Ｕ字型の部品の 端の内部に横たわっているヨーク部品による空気ギャップの力の補正との組合わ せにより、驚くほど高い出力密度及び効率が得られる。 本発明のもう一つの基本的な考え方は、異なる位相の隣接した導体リングの磁 界による磁気回路の軟磁性部品の多重利用である。これにより、一時的に軟磁性 材料の高い利用度が達成され、ここで、位相をずらした磁界により利用されるこ の質量の重量比は位相数の増加と共に増加する。異なった位相の構造部品は、軸 方向に連続して配置された同一形状のディスクから達成される。 さらに、組み立てを簡単にし、粒子が配向した（grain oriented）打ち抜き工 程を使用するために、Ｕ字型の固定子コアは有利にはいくつかのセグメントから 構成されており、これにより磁束主として一つの方向に導かれる。ところが、細 分された回転子リングにおいて、固定子コアは、例えば、打ち抜き加工された粒 子配向したコイル・コアなどのように１個の部品として予め組み立てられている 。 本発明の有利な実施例が図に示されている。 図１は、磁気抵抗原理を用いた24極横断磁束機械の単相構造部品の組立てを示 す。 図２は、図１の一部を切り取ったものを示す。 図３は、硬質磁石を有する磁気回路の異なる４つの断面図を示す。 図４は、３相ホイール・ハブ・ダイレクト・ドライブの断面を示す。 図５は、５相ロータリーモーターの断面図を示す。 図６は、中央星型ディスクを二重に利用した３相ドライブの断面を示す。 図７は、図６の機械の磁束と電流の進みを示す。 図８は、図６の有効部品の立方図を示す。 図１は、モジュール方式にデザインされた横断磁束機械に不可欠なデザインエ レメントをその組立て時に示している。導体リング１はコイルに巻かれた銅又は アルミニウムのストリップから構成されている。均等にスペースの置かれた24個 の軟磁性体は、上述の導体リングの周囲に配置されている。これらの電気的に発 生された磁界を束ねる各磁気体は、順に貼り合わされた４つのセグメント２、３ 、４、５から構成されており、そのうち向かい合った位置にある２つのセグメン ト２と３又は４と５はそれぞれ同一である。磁束を半径方向に導く２つのセグメ ント２、３は、磁気的・電気的に不伝導性の材料で構成されたキャリヤディスク ６、７上に接着され、セグメント３は、そのデザインと配置を明確にするために キャリアディスク７の軸方向前方に表示されている。磁束を軸方向に導くセグメ ント４、５は、キャリア・リング８、９に接着されている。導体リング１及び２ つの軟磁性セグメント２、３又は４、５のそれぞれに加えて、したがって単相の 構造部品は同一の２つのキャリアディスク６、７及び異なった２つのキャリア・ リング８、９から構成される。 図２は図１から一部を切り取ったものを拡大して表示している。これにより、 ４個のセグメントが導体リング１の周囲の磁界を増幅する回路をそれぞれどのよ うに形成するかを見ることができる。ここで、セグメント２、３、４は隣接して その各位置に固定されており、一方で半径方向外側のセグメント５は外側のキャ リア・リング９と一緒にこの配置の回りを回転し、その間磁気回路の抵抗値は周 期的に変化する。 図３は４種の有利な構造デザイン11〜14を断面図で示しており、ここで表示さ れているのは導体リング15a-d 及びその周囲の磁性体に限られている。導体リン グ15a-d は、その３つの側面をＵ字型の軟磁性体16a-d によって囲まれている。 これらは、磁界を主として１方向のみに導く２個又は３個の隣接するセグメント 17a-18d'から構成され、ここで半径方向に磁束を導く２個のセグメント18a-d 又 は18a'-d' はそれぞれ同一である。導体リング15a-d の外側にそれぞれ配置され た硬質及び／又は軟磁性体19ａ、ｂ、ｄ、20a-c は互いに異なる。 デザイン11では、傾斜のついた空気ギャップ21ａに配置された永久磁石20ａ、 20a'により、脈動の損失が減少する。この傾斜のために、セグメント18ａ，17ａ ，18a'，19ａ内で高い磁束密度が磁石の低い磁束密度で達成されている。硬質の 磁性材料が軟磁性材料とともに最適に利用されている。 コストが安く取扱いの簡単な永久磁石20ｂでは、デザイン12内での外側のセグ メントは２個の同一の半体19ｂ、19b'からなる。導体リング15ｂを囲むＵ字型の 軟磁性体16ｂは図３ａのものと同一である。 軸方向に非常に細くなっているデザイン13では、外側の軟磁性セグメントは削 除することもできる。セクターによって軸方向反対方向に磁化された環状の永久 磁石20ｃのみが、２個の半径方向のセグメント18ｃ、18c'の端部の間に配置され ている。 より少ない部品を用いて、しかし粒子が配向した材料を用いて、デザイン14を 達成することができる。これは、矩形に巻かれた打ち抜きコイル・コア16ｄの３ つの部分18ｄ、18d'、19ｄから構成されている。磁気抵抗機械でより強く脈動す る磁気的法線力（magnetic normal force）を補償するために、狭い空気ギャッ プ21ｄが半径方向に配置されている。 さらに、別々に予め組み立てられた導体リング15a-d が図３に示されている。 ２層になった導体リング15ａは、輪郭ワイヤ（profile wire）の中間部分を適切 に成形し、同一形状の２つの長い端を反対方向に巻くことによって、２つの端を 外側で半径方向に横たえて、有利に製造できる。輪郭ワイヤの多層導体リング15 ｂを用いて、高いスペース係数（space factor）が達成でき、軸方向に薄い機械 は単層の導体リング15ｃを使用でき、また矩形形状から離れた多数の曲がりや溝 の断面に丸いワイヤを圧縮した導体リング15ｄが使用できる。 図４には、３層の横断磁束機械22の完全な断面図が、ホイールハブ・ダイレク ト・ドライブが永久励磁のものとして表示されている。磁気的に活性な部分のデ ザインは図３ｄに対応している。磁気リング23は、プラスチックを結合した希土 類の磁石、薄い導体コイルの細い片の単層導体リング24、及びベーキングエナメ ルで束にした粒子配向電気シートのＵ字型軟磁性体25から構成されている。 ３つの構造部品はすべて同一で、５個の保持エレメント26a-c によりお互いに 120°_elの関係でずらされて適正な位置に保持されている。鏡面対称の利用によ り、わずか３つの異なった保持エレメントのデザインだけが必要で、これは予め 成形部品として組み立てられる。保持エレメントにより形成されるハブ26、及び ５つの部分からなる回転子27a-c は、異なった面から交互に挿入されるネジ28， 29によって一緒に保持される。ホイール・スポーク30から伝えられる力は、ボー ルベアリング31を介してハブ26に伝達される。駆動電子回路はハブ内の中空スペ ース32内に収納されている。 図５は、磁気抵抗機械として実施される５相の横断磁束機械33の断面図を示し ている。同一の構造エレメント34a-e は、固定部品内に接線方向にお互いにずら して配置されており、これによりＵ字型の軟磁性体35の断面を、完成のさまざま な度合いで見ることができる。異なった２つの固定用の保持エレメント36、37の みが必要である一方、回転する機械ハウジングは、傾斜の付いた空気ギャップ38 のために、軟磁性セグメント40を備える５つの外部保持リング３９、及び４つの スペーサー・リング41及び軸44上の軸受け43を介して保持される２つのモーター シールド42から構成される。回転モーターとして作られ、回転子はゴム引きのケ ーシング45で覆われている。 代替として、ハウジングを静止したものとして作ることもでき、そのときは回 転する導体リング46はブラシ又は共に回転する励磁機械によってトリガーされる 。他の実施例、例えば樽型の回転子のあるものも、本発明のモジュラー方式のデ ザイン原理によって実現できる。 図６は、３個の導体リング48が、すでにハブ49上に位置している櫛形の軟磁性 体50内に直接包まれた３相ドライブ47を表している。回転子は、軟磁性ブロック セグメント51を含んでいる２個の半体52から成り立っている。半体を半径方向に 合わせた後、樽型の本体53がその上を軸方向にすべらされる。櫛形のセグメント は、半径方向に粒子が配向した接線方向に層状になった打ち抜き部品により構成 されている。共通の後部54は４つの歯55a-d よりも広めに作られ、中間の歯55ｂ 、ｃを通って、上述の歯により分離された２個の導体リングの磁束が順番に流れ る。 図７では、上の２つの線図に第２、第３の歯55ｂ、ｃに対する磁気誘導の時間 的なシークエンスが示されている。中間の導体リングの磁気回路は、隣接する位 相の２つの磁気回路と一緒に中間の歯55ｂ、ｃを利用するが、ここで、流れは動 揺し、利用時間は２倍となる。この多重利用により、出力密度が増加する。３相 の磁気抵抗機械では、（線図58で示すように）一定のモーター電流が流れるよう にする120°_elブロックか、又はモーターの脈動が減少するような方法でブロッ クが120°_elを超えて重なるか、どちらかの方法で電流が整流化される。 図８には、３相ドライブの磁気的及び電気的に活性なデザインエレメントが示 されている。36極固定子の軟磁性体59は、ここで４つの同一形状の星型ディスク 60a-d 及び３個の同一形状のリングコア61から構成される。これらの予め組立て られた部品及び３個の同一形状の導体リング62a-c は軸方向に交互に組み立てら れる。中間の導体リング62ｂの電流供給は、好ましくは隣接する位相によって溝 の底部で、あるいはリングコア内の穴及び／又はスリットを通して生じる。1/3 磁極ピッチだけお互いにずれた異なる位相の軟磁性ブロックセグメント63は、初 めから組立て時に確実にずらすために軸方向に歯のある同一形状のリングに成形 されている。多磁極の環状ドライブでは、星型ディスク60a-d も粒子が配向した 電気シートから製造することもでき、ここで打ち抜き部品はわずかの磁極ピッチ から成り立っている。 最高の出力密度のドライブを達成するには、位相の数をさらに増やすことが有 利となるが、ここで多重利用部材の部分及び電流ブロックの幅を周期の例えば2/ 5又は3/7に増やすことができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．３つの側面をＵ字型の軟磁性体(16a-d，25，35，50，59)により囲まれた導 体リング(15a-d，24，46，48，62)を備える横断磁束機械（22，23）であって、 前記囲いにより軟磁性及び／又は硬質磁性部品(19a-c,20a-d，23，40，51，63) の磁気回路が周期的に閉じられ、前記軟磁性及び／又は硬質磁性部品は導体リン グの外側に配置された半径方向の２つの空気ギャップ(21a-d，38)により前記Ｕ 字型の軟磁性体から分離されており、ここで回転子又は固定子の軟磁性及び／又 は硬質磁性部品（19ａ−20ｄ）は一部分がＵ字型の軟磁性体の両端の内部に軸方 向に配置されているもの。 ２．３つの側面をＵ字型の軟磁性体(16a-d，25，35，50，59)により囲まれた導 体リング(15a-d，24，46，48，62)を備える横断磁束機械（22，23）であって、 前記囲いにより軟磁性及び／又は硬質磁性部品(19a-c,20a-d，23，40，51，63) の磁気回路が周期的に閉じられ、前記軟磁性及び／又は硬質磁性部品は導体リン グの外側に配置された半径方向の２つの空気ギャップ(21a-d，38)により前記Ｕ 字型の軟磁性体から分離されており、ここで前記Ｕ字型の軟磁性体の部品（50， 59）内を異なった位相の磁束が流れ、またここで異なった位相の前記導体リング （48，62）が前記導体リングが共に利用する前記軟磁性体（50，59）により分離 されているもの。 ３．請求項１記載の横断磁束機械で、前記Ｕ字型の軟磁性体(16a-d，25，35)が 少なくとも２つの部分（17ａ−18d'）に分割されているもの。 ４．請求項１記載の横断磁束機械で、前記Ｕ字型の軟磁性体(16a-d，25，35)が 磁束を主として一つの方向に伝える３つのセグメント（17ａ−18d'）に分割され ており、向かい合わせて配置されたセグメント（18ａ−18d'）が同一形状のもの 。 ５．請求項１記載の横断磁束機械で、星型の平ディスク(59a-d)が磁束を半径方 向に外側接線方向に向かって伝達するもの。 ６．請求項１記載の横断磁束機械で、前記硬質磁性部品（20ｃ，23）はリング状 であり、反対方向に磁化されているもの。 ７．請求項１記載の横断磁束機械で、お互いに対して移動可能な前記磁気回路の 部品間（18ａ，20ａ又は18ｂ，19ｃ）の接触面は軸方向及び半径方向に同時に延 びているもの。 ８．請求項１記載の横断磁束機械で、前記硬質磁性部品（20ａ）は前記磁気回路 を閉じる前記軟磁性部品（19ａ）の傾斜の付いた２つの端に配置されており、回 転軸に対する前記傾斜の角度が45°から70°の間のもの。 ９．請求項１記載の横断磁束機械で、前記導体リング(１，15a，c，d，24，46) は巻かれた矩形輪郭導体（15ｂ）又は陽極酸化処理済のアルミニウムストリップ （15ｃ）から構成されるもの。