JPH11275836A - 電気機械装置用ロ―タ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ロータ軸に垂直に複数の面の各々を内側領域か
ら外側領域にかけてロータの周縁に分配されて延びる複
数の巻線部分から形成された導電巻線を有するロータに
おいて、各巻線の接続部分に対する冷却効果を高め、そ
の接続の形成手順を容易にする。 【解決手段】巻線部分は、前記外側領域に延びた２つの
先端部を有した金属ストリップからなる個別の導電部分
から構成される。その導電部分は、外側領域において前
記先端部でのみ相互に接続されるとともに、前記複数の
面のうちの二つの面に沿って前記内側領域に延びて続い
ている。そして、金属ストリップの端縁がコミュテータ
を提供し、各巻線部分間にロータ軸方向に延びた強磁性
片（４８）を有し、巻線部分間で空気が流れるように、
前記外側領域において巻線部分間が所定のギャップ（Ｇ
１，Ｇ２）を有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明の一特徴は電気機械装
置に関し、この装置は磁界と電流間の相互作用により機
械的エネルギーを電気的エネルギーに、あるいはその逆
に変換するものである。この種の機械装置の例は電動モ
ータ、ダイナモおよびオルタネータである。本発明の他
の特徴はこの種の機械装置のロータに関する。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】ダイナモの磁界を生成
する界磁コイルを備えるダイナモにおいて、界磁電流を
変化させることによりダイナモの電気的出カを変動させ
ることは周知である。

【０００３】しかし、電気機械装置の電気的出力を変化
させるこの方法は、該装置の磁界が１個以上の永久磁石
により提供される場合には不可能である。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の一特徴に従って
提供される電気機械装置は、両側に磁石を配置し該磁石
により流れる電流が変化しかつ該磁石に対して可動であ
る導電部材と、導電部材の両側にあって磁石と導電部材
との間に配置された一対の磁界分流（ｄｉｖｅｒｔｉｎ
ｇ）部材とを有し、各分流部材が互いに結合されて磁石
を基点に反対方向に移動するようにさせ、導電部材中を
流れる各磁石によって生成される磁界の割合を変化させ
る。

【０００５】このようにして、磁界は永久磁石により生
成されるが、一方磁界と電流との間の相互作用の度合い
は磁界を分流することにより変化させることができる。

【０００６】好ましいのは、磁界分流部材が移動して、
磁界の分流度を漸進的に変化させ得ることである。その
結果モータの場合は、速度および／またはトルクを漸進
的に変化させることが可能であり、またゼネレータの場
合は電気的出力を漸進的に変化させることができる。

【０００７】好ましいのは、機械装置が、導電部材の両
側に前記導電部材から離間したまま交互に反対極性とな
って配列された第１および第２のシリーズ（一連）の磁
石と、その各シリーズの磁石と対応した各シリーズのエ
レメントを有し、その磁石と導電部材間のスペース内で
可動である各分流部材とを備えていることである。

【０００８】好ましいのは、各シリーズの磁石および各
シリーズの分流エレメントはそれぞれ円形に配列され、
分流部材は各円の中心で回転可能であり、そして該シリ
ーズの磁石と分流エレメントの円は好ましくは導電部材
の軸を中心としている。好ましくは、導電部材が軸の周
りで回転可能なロータであり、シリーズの磁石および導
電部材がステータ・アセンブリを構成することである。

【０００９】本発明の他の特徴による電気機械装置は、
ディスク状導電ロータが、前記ロータ中の電流と相互反
応する磁界を生成するステータを提供するため、ロータ
軸を中心として円形に配列されたシリーズの永久磁石に
対して可動であり、前記シリーズの永久磁石は、相互作
用磁界を変化させるために相対的に軸の周囲で回転可能
であって夫々円形の少なくとも第１及び第２の各副次シ
リーズからなる。

【００１０】好ましいのは、この２つのシリーズがそれ
ぞれ対応する複数個の規則正しく円周状に離間された磁
石を含んで成り、それぞれが導電部材から離間し、前記
第１と第２副次シリーズとの間の相互整合状態を変更す
るように一方の副次シリーズに対して他方のシリーズを
ずらすことができる手段が設けられることである。各副
次シリーズにおける磁石は好ましくは交互に反対の極性
となっており、最大磁界は第１および第２副次シリーズ
磁石の同じ極性が相互に整合されたときに達成され、最
小磁界は第１および第２副次シリーズ磁石の反対の極性
が整合されたときに達成される。

【００１１】機械装置は更に別のシリーズの永久磁石を
備えていてもよく、これらは再びロータ軸を中心として
円形に配列された第１および第２副次シリーズに分けら
れ、導電部材は２つのシリーズの永久磁石の間にサンド
イッチされている。２つのずらし可能な副次シリーズを
同一、もしくはより好ましくは、反対方向に移動させる
ために互いに結合してもよい。

【００１２】磁石の各シリーズについて、円形に配列さ
れた対応するシリーズの磁気的に透過性のある固定磁極
片を設けてもよく、一方の副次シリーズの磁石は磁極片
の第１の部分に取り付けられ、ずらし可能な副次シリー
ズの磁石は磁極片の第２の部分と整合可能である。

【００１３】本発明の別の特徴によれば、電気機械装置
用ロータが提供され、このロータは、ロータ軸に垂直な
少なくとも二つの面に存在して内側領域と外側領域との
間に分配される複数の巻線部分を含んで構成される。コ
ミュテータは、前記内側領域において、巻線部分の表面
によって提供されている。この巻線部分は、複数個の個
別の導電部が連なって接続されることで形成されてい
る。そして、巻線部分を形成するための各導電部間の相
互接続は、ロータの外周縁上に位置する導電部の端部の
みで行われる。

【００１４】従って、この巻線は、過熱による巻線部分
間のジョイントでの損傷の危険が最小となる。それは該
ジョイントが巻線の外側領域に存在し、この領域は最も
熱の発生するコミュテータから離れているからであり、
ロータの回転による冷却効果もまたこの外側領域におい
て最大となるからである。このことは、はんだ付けされ
たジョイントが使用される場合に特に効果的である。

【００１５】これらの導電部は、金属（たとえば、銅）
ストリップ（たとえば、打ち抜き片）から調整され、コ
ミュテータを提供する表面は、前記金属ストリップの端
縁面である。

【００１６】好ましいのは、ギャップが前記外側領域に
おける巻線部分間に設けられる。このことが巻線ジョイ
ントに対する冷却効果を高め、かつ以下に説明するよう
に、更にジョイントの形成手順を助けるものである。

【００１７】本発明のこの特徴は、特に波巻きロータに
対して適用可能であり、この場合巻線は最初、ロータ軸
に垂直な複数個の面内に延在し、そして都合が良いのは
４個の平行面内に延在することである。

【００１８】更に好ましいのは、ロータが巻線部分間に
配置された強磁性材料を備えていて、ロータの軸方向に
おける磁界の伝導を促進することである。

【００１９】好ましくは、強磁性材料（これらは、たと
えばマイルドスチール、けい素鋼または軟鉄であればよ
い）をシートの形状で提供し、その表面はロータの軸方
向かつ半径方向に延在するものとする。このシートはラ
ミネートした層により提供してもよい。

【００２０】本発明のこの特徴において、磁界は好まし
くはロータの両側の磁石またはコイルにより提供され
る。ロータの片側のみに磁石またはコイルを備える配列
と比較すると、この配列はより大きな磁界を生成し、そ
の結果ＤＣモータの場合、一定の電流についてはより大
きなトルクを、そして一定の電圧についてはより低い速
度をもたらす。モータはより遅く走行させるので、摩擦
損失は減少し、その結果効率は増加する。同様な効果は
ＤＣゼネレータの場合にも生ずる。すなわち、一定の速
度に関して電圧はより大となり、また一定のトルクにつ
いて電流はより小さくなる。その結果抵抗損失は減少
し、従って効率が増加する。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明の具体的な実施態様の実例
により添付図面を参照しながら以下に説明を続ける。

【００２２】第１図および第２図を参照すると、ＤＣモ
ータ１０は一対のステータ・アセンブリ１２およびシャ
フト１６上に装架したロータ１４を含んで成り、これは
ステータ・アセンブリ１２に対しベアリング１８により
回転可能に装着されている。

【００２３】各ステータ・アセンブリは鋼ステータ・プ
レート２０を含んで成り、そして２枚のプレート２０は
プレート内の各孔２４を経由して延びる４本の支柱２２
により互いに保持されている。８個の永久磁石２６が円
形配列において各ステータ・プレートに交互にそれらの
北探および南探面をもって結合されており、従ってロー
タに対面する磁石の面は交互に北および南探性となって
いる。更に、ロータに対面する北探面を有する１枚のプ
レート上の磁石は、そのロータに対面する南探面を有す
る他のプレート上では逆の磁石であり、また逆の場合も
同じである。従って、説明した限りにおいては、各磁石
が２個の一次磁石回路中に存在し、一方はその磁石、ロ
ータ、他のステータ・プレート上の逆の磁石、該他のス
テータ・プレート、その逆の磁石に隣接する１個の磁
石、ロータ、間題の磁石に隣接する１個の磁石、その上
に間題の磁石が装着されているステータ・プレートを経
由し、そして間題の磁石に復帰するものである。他方の
磁石同路も同様である。但し、ここでは逆の磁石に隣接
する他の磁石を経由し、更に問題の磁石に隣接する他の
磁石を径由するものである。

【００２４】電流はロータ上のブラシ２８およびコミュ
テータを経由してロータに流され、そしてこれは通常ロ
ータ内の放射状電流導体（radial current conductor）
に沿って流れる。このようにして、電流は磁界と相互に
作用してロータを回転させる。

【００２５】鋼分流部材３０は各ステータ・プレート２
０に装架される。各分流部材は狭い環状部３２を今み、
これから８枚のペタル（petal）部３４が放射状に広が
っている。その環状部は、ステータ・プレートに固着さ
れた環状プラスチック・ボス３６の周りで摺動可能であ
る。各ペタル部３４の外端は環状プラスチック部材３８
に固着され、これは４個のブラケット４０によりステー
タ・プレート上に回転可能に保持されるので、ペタル部
３４は磁石２６の面上で摺動可能である。ギヤー・セグ
メント４２は環状部材３８に固定され、そして共通リン
グギヤ（図示せず）は両ステータ・アセンブリ１２のギ
ヤー・セグメント４２と協働して、分流部材を反対方向
に回転させる。各分流部材の最大回転は１ターンの１／
１６であり、そしてその配列は回転の一方の限界におい
て、第３Ａ図に示すように、各ペタル部３４が各磁石２
６上に横たわっており、そして他方の限界においては、
第３Ｂ図に示すように２個の隣接磁石２６上に部分的か
つ均等に横たわるように設定される。

【００２６】ステータ・アセンブリおよびロータ中の磁
束を表す線は第３Ａおよび第３Ｂ図中に示されており、
そして２つの図の比較から第３Ｂ図に示された位置にお
けるペタル部３４をもってロータを通り抜ける磁束は、
第３Ａ図位置におけるペタル部による磁束よりも小さい
ことが理解されよう。それは前者の場合、２個の隣接す
る磁石により生成された磁束の部分が各ペタル部を介し
て「短絡されている」からである。ペタル部３４は第３
Ａおよび第３Ｂ図中に示される２つの位置間を漸進的に
移動しているので、ロータ１４を取り抜ける磁束は漸進
的に変動し、その結果モータのトルクおよび／または速
度は漸進的に変動する。

【００２７】第４図乃至第７図（この場合、本実施態様
および第１実施態様において共通のエレメントは同じ参
照数字により示す）に示されるステータ・アセンブリの
第２実施態様において、磁界は各アセンブリについて８
対の永久磁石により生成され、各アセンブリはロータの
軸を中心とする２個の同心円状に配列される。より詳細
に、８個の磁石６０はそれらの北探および南探面により
各ステータ・プレートに交互に結合されている。第１実
施態様におけるように、ロータに対面する北探面を備え
る一方のプレート上の磁石６０は、ロータに対面する南
探面を備える他方のプレート上では逆の磁石であり、ま
た逆も同様である。各ステータ・アセンブリは、更に８
個の磁石６１を含み、これらは磁石６０との半径方向で
整合するために円周上で離間されており、これら後者の
磁石はプラスチック・リング６３の内方端縁に形成され
た対応する切欠き６２内に位置決めされており、該プラ
スチック・リングはブラケット６４によりステータ・プ
レートに回転可能に保持されているので、磁石６１の円
は磁石６０の内側円に関連して回転可能である。再び、
ギヤー・セグメント４２がリング６３に固着され、そし
て共通のリングギヤ（図示せず）は両ステータ・アセン
ブリ１２のギヤー・セグメント４２と協働して、後者の
磁石６１を反対方向に回転させる。この場合の各リング
６３の最大回転は１ターンの１／８であり、そしてその
配列は回転の一方の限界において、磁石６０および６１
の円が、第４および第５図に示すように、ロータに対面
する整合した磁石の対応する極と相互に整合し、また他
方の限界において、整合磁石の各対が、第７図に示すよ
うに、ロータに対面する反対の極を有するように設定さ
れる。

【００２８】第５および第７図から理解され得るよう
に、各固定磁石６０はロータ１４に隣接して横たわるそ
れぞれ磁気的に透過性である軟鉄磁極片６５（明瞭とす
るため、第４図から省略してある）の半径方向内側部に
取り付けられている。磁石６０と整合したとき、各磁石
６１は対応する磁極片の半径方向外側に隣接して横たわ
っている。これらの磁極片は磁束の線をロータ中に集中
させる。外側磁石６１はロータの磁気的透過性コア１
４’の半径方向外側に配置され、そして磁極片６５は第
５図に示すように、これらの磁石から内側に磁束を指向
して、コア１４’を通過する。

【００２９】第４および第５図のリング６３の位置にお
いて、ロータを通り抜ける磁束は最大である。それは磁
石６０に起因する磁界が、磁石６１のそれによって強化
されるからである。しかし、リング６３が回転して磁石
６１を磁極片６５から離れるように移動させると、ロー
タを通り抜ける磁束は弱められる。それは磁石６１に帰
すべき磁束の若干のものがリークしてステータ・プレー
トと磁気的閉路を形成し、また若干の磁束は次の隣接磁
極片にリークする。たとえば、第６図はリング６３が１
ターンの１／１６回転して、磁石６１を磁石６０間の中
間に位置させた状況を示している。この図は地点６６に
おいて、ステータ・プレート２０にリークする磁束を、
そして地点６７において、次の隣接磁極片６５に「短
絡」し、かつこれからリークする磁束を示している。

【００３０】リング６３は第４および第５図の位置から
漸進的に移動するので、リークする磁束の割合は増加
し、その結果モータのトルクおよび／または速度が漸進
的に変化する。

【００３１】第７図は、リング６３が１ターンの１／８
移動して磁石６１を、その北探極が磁石６０に隣接する
ロータに対面し、また磁石６０の南探極がロータに対面
し、そして逆の場合も同様であるように配置された状況
を示している。この状態において、磁石６０／６１の各
対は対応する磁極片６５およびステータ・プレート２０
と閉磁気回路を形成し、そして磁束はロータを全く通り
抜けることはない。従って、該ロータに対してトルクが
加えられることは全くない。

【００３２】磁石６１は切欠き６２内に非常に援く配置
すればよい。第４図におけるように、同じ極性の磁石６
０と整合すると、磁石６１は半径方向に作用する反発力
Ｆによって切欠き内に確実に位置することになる。固定
磁石６０のコーナー８１に対抗する磁石６１の、それら
の前部コーナー８０（第４図において、リング６３の時
計方向の回転を仮定する）におけるジャミング（jammin
g）を回避するために、磁石６０間の円周上のギャップ
をプラスチック材料８２で充填する。第５図から理解し
得るように、磁石６１はステータ・プレート２０および
磁極片６５の外面により軸方向において拘束される。

【００３３】第８および第９図を参照すると、ロータ１
４は波巻きディスク・ロータである。円形プレート４４
はロータ・シャフト上に装架され、その周縁は切欠き４
６を有している。１枚以上の強磁性体から成る長方形打
抜き片４８が、その打抜き片の面が第８図の紙面に対し
て直角であるように各切欠きに装着される。これらの打
抜き片は好ましくは、マイルドスチール、けい素鋼、ま
たは軟鉄から成り、そして上述のコア１４’を形成す
る。次いで、銅ストリップを打抜き片の周囲でロータ上
に巻回し、そのロータの導電巻線を提供する。

【００３４】この巻線は、通常４枚の平行面Ａ、Ｂ、
Ｃ、Ｄ内に位置しており、ロータ面ＡおよびＤはロータ
の対向面に隣接しており、そして面ＢおよびＣは中間面
ＡおよびＤである。巻線に対し１３０の区分が存在し、
それらの区分の各対は以下のように進行する。すなわ
ち、面Ａ内の部分Ａ１はロータの周縁から打抜き片に延
び、その結果、部分Ａ２は２個の打抜き片間へ向かって
半径方向内側へ延び、次いで部分Ａ３は巻線の内部限界
に延在し、そこで区分は部分Ａ−Ｂにおいて面Ｂ内へ屈
曲し、その後部分Ｂ１は打抜き片に延び、それから部分
Ｂ２は２個の打抜き片間へ向かって半径方向外側へ延び
るが、そこでは部分Ａ２およびＢ２間に８個の打抜き片
が存在し、次いで部分Ｂ３は打抜き片とロータの外周縁
との間の途中まで位置Ｂ−Ｃに延び、そこで巻線区分は
次の巻線区分にはんだ付けされ、それは面Ｃ内の部分Ｃ
１として打抜き片に延び、それで部分Ｃ２は同じ２個の
打抜き片間で部分Ａ２として半径方向内側へ延び、その
結果部分Ｃ３は巻線の内部限界に延在し、そこで区分は
部分Ｃ−Ｄにおいて面Ｄ内へ屈曲し、その結果部分Ｄ１
は打抜き片に対し延在し、それで部分Ｄ２は同じ２個の
打抜き片間で部分Ｂ２として半径方向外側へ延び、次い
で部分Ｄ３はロータの外周縁に対し延在するが、そこで
それは位置Ｄ−Ａにおいて別対の巻線区分の部分Ａ２に
はんだ付けされる。この別対の巻線区分の部分Ａ２は２
個の打抜き片間へ向かって半径方向内側へ延びるが、そ
こではこの部分Ａ２と第１対の巻線区分の部分Ａ２との
間に１６個の打抜き片が存在する。ロータの巻線は、こ
のような方法で連続するので、そこでは合計６５対の巻
線区分が存在し、この第６５対目の部分Ｄ３は位置Ｄ−
Ａにおいて第１対の部分Ａ１にはんだ付けされる。この
ようにして、前記巻線は１個の連続するループを形成す
る。

【００３５】ロータの重要な特徴の１つは、巻線部分Ａ
３およびＤ１を形成する銅ストリップの外側に対面する
端縁がロータの２個のコミュテータを提供し、そしてブ
ラシ２８により直接係合されていることである。鋼スト
リップはロータの軸方向におけるコミュテータにおいて
比較的幅が広く、その結果コミュテータは長寿命であ
る。更に、コミュテータに隣接するロータの内側領域に
おいては、はんだ付け接続が全く存在せず、これらの接
続はロータ運動の冷却効果が最大である外周縁において
のみ為されているので、コミュテータにおける如何なる
過熱もロータの損傷も惹き起こすようなことがない。

【００３６】はんだ付け接続Ｄ−Ａおよびはんだ付け接
続Ｂ−Ｃ間の対応するギャップＧ２に先立ってギヤップ
Ｇ１が、周縁で隣接する部分Ａ１、部分Ｂ３、部分Ｃ１
および部分Ｄ３間に設けられている。これらのギャップ
は巻線区分の外側部における空冷を強化し、更に過熱に
よるはんだ付け接続に対する損傷の可能性を減少させ
る。

【００３７】ロータ内側領域における接続の必要性を回
避し、さらに周縁におけるギャップＧ２を提供する結
果、必要なはんだ接続を行うための巻線区分の端部への
適切なアクセスをもたらすという付加的な効果をも提供
する。

【００３８】第１図から理解されるように、モータはブ
ラシを備えており、各ブラシは非常に導電性がよいコミ
ュテータ係合炭素焼結銅部分５０および減摩性炭素部分
５２を有している。これら２つの部分は互いに結合され
てもよく、あるいは独立に装着してもよいが、ブラシホ
ルダーに近接するものとする。炭素部分はそれ自体のみ
ならず、銅ベース部分に関しても減摩剤として作用する
ので該銅ベース部分の寿命が改良される。

【００３９】各種の変形を上記の機械装置に対し施すこ
とか可能である。たとえば、機械的手段または永久磁石
により磁界を分流させる代わりにステータに補助磁界コ
イルを取り付けて、永久磁石により生成させる磁気回路
に影響を及ぼさせてもよい。更に、上記したような特別
の構造を有するアーマチュアを従来のステータと共に使
用してもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施態様によるモータのステー
タ・アセンブリを示す。

【図２】 概要を示したロータを備える図１のＩＩ−Ｉ
Ｉ線に沿うモータの半断面図である。

【図３】 図１のＩＩＩーＩＩＩ線に沿うモータの切断
した概要展開図である。

【図４】 本発明の第２実施態様によるモータのステー
タ・アセンブリを示す。

【図５】 概要を示したロータならびに最大磁界に位置
する磁石を備える図４のＶーＶ線に沿うモータの半断面
図である。

【図６】 中間磁界に位置する磁石を備える図４のＶＩ
ーＶＩ線に沿うモータの切断した概要展開図。

【図７】 最小磁界に位置する磁石を備えるモータを示
す図５に類似する半断面図である。

【図８】 巻線パターンを示す口ータの概略図である。

【図９】 図８のＩＸーＩＸ線に沿う断面図である。

【符号の説明】

１０…ＤＣモータ １２…ステータ・アセンブリ １４…ロータ ２６…永久磁石 ３０…鋼分流部材 ４８…打ち抜き片 ６０，６１…磁石 ６５…磁極片

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロータ軸に垂直に複数の面（Ａ，Ｂ，
   Ｃ，Ｄ）の各々を内側領域から外側領域にかけてロータ
   の周縁に分配されて延びる複数の巻線部分から形成され
   た導電巻線を有するロータにおいて、 前記巻線は、前記外側領域に延びた２つの先端部を有し
   た金属ストリップからなる個別の導電部分から構成さ
   れ、 前記導電部分は、前記外側領域において前記先端部での
   み接続されるとともに、前記複数の面のうちの少なくと
   も２つの面に沿って前記内側領域に延びて続き、 前記金属ストリップの端縁面によってコミュテータの接
   触面が提供され、 前記各巻線部分間にロータ軸方向に延びた強磁性片（４
   ８）を有し、 前記巻線部分間で空気が流れるように、前記外側領域に
   おいて巻線部分間が所定のギャップ（Ｇ１，Ｇ２）を有
   している、ことを特徴とする電気機械装置用ロータ。