JPH11506600A - 電気機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 横磁束型機械において、永久磁石（１２）がロータ（１）内で閉じた軟磁性のリング（１３）に配置されている。軸方向に離して設けられかつ磁気的に互いに絶縁された２個のリング（１３）が、横磁束型機械の各々の位相にために設けられている。さもなければ横方向に流れる主磁束が、もっぱら縦方向に、すなわち機械の周方向に流れる。永久的に励磁される回転する横磁束型機械のこの実施形は、技術水準の解決策と比べて、製作がかなり簡単になる。機械の位相の数は自由に選択可能である。３分岐型実施形は特に有利である。なぜなら、標準コンバータが使用可能であるからである。内側ロータと外側ロータが考えられる。外側ロータは非常に簡単な巻線技術を可能にする。ステータ磁束に影響を与えないロータ内の縦方向磁束は、磁気回路を短くし、軟磁性材料を節約する。永久磁石のための磁気継鉄は積層体として形成可能であり、電機子の反作用によって生じるロータの渦電流損を低減し、機械に対する磁気小板の装備を容易にする。

Description

【発明の詳細な説明】 電気機械 技術分野 本発明は磁束が横方向に案内される電気機械の分野に関する。本発明は請求項 １に記載したような横磁束型機械に係る。 技術的背景および技術水準 電気式駆動装置の出力に関する要求は多くの技術分野で益々高まっている。そ の理由は、ロボットや工作機械においてダイナミクスを改善するという要望や作 業速度を高めるという要望と、保守整備が必要な機械的要素を、摩耗しにくい三 相駆動装置によって置き換えることにある。実験の結果、機械的な伝動装置を用 いないで負荷に電気的な機械を直接連結すると、システムの重要な特性が改善さ れることが判った。この特性はダイナミクス、強度および遊びがないことである 。 直接駆動の場合、機械的な伝達要素を省略することができる。それによって、 構造容積およびコストが低減される。それにもかかわらず、低い負荷回転数を必 要するほとんどの駆動課題の場合、従来伝動装置の使用が有利であることが照明 された。その理由は電気機械の発展規則にある。モータの構造的な大きさは最大 トルクと共に増大し、回転数によっては増大しない。これは、所定の出力の場合 、モータの大きさがモータと負荷の間の減速歯車装置によって小さくなることを 意味する。なぜなら、モータのトルクは伝達比によって低下するからである。こ の法則は基本的には、すべての電気機械、慣用の種類の機械および横磁束型機械 に当てはまる。しかし、この事実は、単位容積あたりのモータトルクを増大させ ることができるときには重要ではない。なぜなら、全体のシステムの容積におけ る機械の容積の割合が減少するからである。 磁束が横方向に案内される同期機（横磁束型機械）が、磁束が縦方向に、すな わち電気機械の周方向に案内される慣用のモータよりも、高い力密度ひいては大 きな比トルクを達成することが知られている。横磁束型機械は特に、直接駆動の ような大きなトルクが必要とされるシステムにおいて有利に使用可能である。そ の際、高い回転数での運転は排除されない。 横磁束型機械の原理は何年も前から知られている。しかし、今までのものは非 常に高い構造的コストを必要とする。このコストは経済的な大量生産にとって邪 魔になっている。ドイツ連邦共和国特許第３８２６３３９号公報により、例えば リング状の極体を備えた横磁束型機械が知られている。この極体は内側のステー タと外側のステータの間に配置されている。ロータの回転状態を改善するために 、この公報では、形状安定化するリングによってロータの両側を補強することが 提案されている。必須の安定性を達成するために必要なコストは比較的に高い。 更に、このような配置構造はステータの図示された位相数に制限される。このス テータは更に、適合した給電を必要とする。機械軸線に沿って位相の数を増やす ことは、純構造的にコストがかかり、保守整備しにくい。 発明の開示 本発明の根底をなす課題は、構造が簡単で低価格であると共に、機械的安定性 が高く、効率がよく、そして損失が少なく、更に市販の標準給電装置で運転可能 であるように、冒頭に述べた種類の横磁束型機械を改良することである。 この課題は本発明に従い、請求項１記載の特徴によって解決される。 本発明の要部は、ステータの位相に対してロータ内の２個の軟磁性リングを離 隔しかつ磁気的に絶縁することにより、このリング内の主磁束が縦方向にだけ、 すなわち横磁束型機械の周方向に案内され、隣接する極を経て再びステータの方 に閉じることにある。この実施形はロータ内の軟磁性材料を５０％まで減らすこ とができる。 本発明の有利な実施形では、ステータが内部冷却のために中空円筒体として形 成され、ロータによって取り囲まれている。この場合、ステータはその外周に、 半径方向深さの異なる二つの、軸方向に延びる第１と第２の溝を均一に備えてい る。この場合、第１の溝は第１の深さを有し、第２の溝は第１の深さよりも浅い 第２の深さを有し、第１と第２の溝は外周に交互に設けられている。第３の溝が ステータの外周に周方向に設けられている。この第３の溝には、第１の溝に切断 帯コアを挿入した後で、コイルが挿入される。この場合、切断帯コアの脚部と第 ３の溝はコイルの側方を画成する。 軟磁性のウェブが第２の溝に挿入されると非常に有利である。それによって、 主磁束は軟磁性のウェブと、隣接する切断帯コアとロータの永久磁石と２個の軟 磁性リングを経て閉じる。 更に、損失を減らすために、Ｕ字状の切断帯コア、軟磁性ウェブおよび軟磁性 リングのようなすべての軟磁性分が薄板積層体で形成されていると有利である。 並べて設けられた３つの位相をステータに配置すると特に有利である。この場 合、各々の位相に属する、永久磁石を備えた軟磁性リングは、隣のリングに対し て、相対的に回転することによって適当な位相のずれを有している。このような 三相機械は標準給電装置で運転可能である。 次に、図に基づいて実施の形態とそれによって得られる効果を説明する。 図面の簡単な説明 図には、本発明の実施の形態が略示されている。 図１は横磁束型機械の縦断面図、 図２は横磁束型機械内の主磁束の磁束案内を示す図、 図３ａと図３ｂは横磁束型機械のステータの部分断面図、 図４ａと図４ｂは軟磁性リングの部分断面図、 図５は軟磁性ウェブを示す図である。 本発明の理解にとって重要な要素だけが示してある。主磁束の案内は矢印で示 してある。 発明の実施の形態 図１には内側に設けられたステータ４と、ローラ１を備えた横磁束型機械が示 してある。図３ａおよび図３ｂと関連して、ステータ４の構造を次に説明する。 ステータ４は第１の溝１９ａと第２の溝１９ｂを機械の軸方向に備えている。こ の場合、第１の溝１９ａが第２の溝１９ｂよりも深い。第１の溝１９ａ内には、 Ｕ字形のいわゆる切断帯コア１１が挿入されている。この切断帯コアの脚部の間 の穴はステータ内の周方向の第３の溝２２と一直線上に並ぶように向いている。 第３の溝２２内および各切断帯コア１１の隣接する脚部の間には、コイル１０， １６，１７が挿入されている。このコイルは外周に設けられた切断帯コアと共に 、横磁束型機械の位相を示す。 軸方向に延びる第２の溝１９ｂ内に、図２に示す軟磁性のウェブ１８が設けら れている。空隙によって離隔された半径方向外側の、ロータ１の各々１個の磁極 が、軟磁性ウェブ１８と切断帯コア１１に対向している。そのために、交番極性 の永久磁石１２が、図４から判るように、貫通する軟磁性のリング１３上に並べ て接着されている。ステータの各々の位相には、合成樹脂リング１４によって互 いに分離され互いに磁気的に絶縁された２個のリング１３が付設されている。リ ング１３の間の位相分離は合成樹脂リング１５によって保証される。 主磁束は図２に例示されている。主磁束は切断帯コア１１と空隙と永久磁石１ ２と軟磁性リング１３と軟磁性ウェブ１８を経て閉じている。その際、主磁束は 軟磁性リング１３を除くすべての部品内を横方向に案内されている。軟磁性のリ ング１３内で、磁束案内は縦方向に、すなわち横磁束型機械の周方向に行われる 。損失を最小限にするために、リング１３とウェブ１８と切断帯コア１１は金属 薄板を積層して形成されている。この場合、切断帯コアの薄板積層形成はよく知 られている。リング１３とウェブ１８の薄板積層形成は図４，５から明らかであ る。軟磁性リング１３は同軸に配置された薄板リング２０から構成され、ウェブ １８は積み重ねられた薄板セグメント２１からなっている。その際、個々の薄板 セグメント２１は第２の溝１９ｂ内に垂直に配置されている。すなわち、横磁束 型機械を通る縦断面に対して平行に配置されている。軟磁性のウェブ１８は更に 、その端部が斜めに切断され、しかも図２の空隙に対向する側で斜めに切断され ている。これによって、損失が一層減少する。 ステータ４は、その内部が中空に形成されているときには、コイル（巻線）１ ０，１６，１７の水冷を可能にする。ステータは一体に製作されるかあるいは積 み重ねられた薄板またはセグメントによってユニット式に製作される。材料とし て、特にアルミニウムまたは非磁性鋼が適している。小さな出力の場合には、合 成樹脂でもよい。それによって、勿論、熱の排出は悪くなる。外側ロータ構造が 特に有利である。というのは、コイルの製作が簡単であるからである。 本発明による実施の形態の場合には、ロータ１の軟磁性材料の必要量が公知の 実施形と比べて約５０％だけ少なくなり、永久磁石のための支持体として、打ち 抜かれた金属製環状薄板を使用することが可能である。それによって、ロータ内 の渦電流損は電機子反作用に基づいて非常に小さくなる。 本発明による構造は製作技術的にも利点がある。３分岐型機械にとって必要な ６個のすべてのリング１３は完全に同一であり、ロータに組み込む際に、その位 相位置だけを個別的に調節すればよい。一つの位相の両リングは互いに電気的に １８０°だけずれており（極分配）、隣接する２つの位相のリングは１２０°だ けずれている。 必要な支承部を備えた横磁束型機械の全体構造が図１に示してある。ステータ ４は固定された保持部材８ところ軸受２によって保持されている。ステータは切 断帯コア１１とウェブ１８（ここでは見えない）と３個の分岐コイル１０，１６ ，１７を支持している。ステータの内部には、機械の固定された軸を通過する冷 却媒体流入部７と冷却媒体流出部６を備えた冷却装置が設けられている。内部に 設けられた管５により、冷却媒体は中空室内を均一に流通する。ロータ１は中空 シリンダとして形成され、２個のころ軸受３，９によって保持されている。ロー タはその内面に、磁石１２を接着した軟磁性リング１３を支持している。 本発明は図示し説明した実施の形態に限定されない。本発明の思想内で同様に 、内側にあるロータ１と周囲のステータ４を備えた、内部ロータとしての実施形 も考えられる。更に、図示した位相数と異なる位相数も考えられる。勿論、三位 相またはその複数倍の位相の使用が特に有利である。なぜなら、この場合、低コ ストの標準変換器を、コイル１０，１６，１７に給電するために使用可能である からである。 参照符号一覧表 １ ロータ ２ ころ軸受 ３ ころ軸受 ４ ステータ ５ 管 ６ 冷却媒体流出部 ７ 冷却媒体流入部 ８ 保持部材 ９ ころ軸受 １０ 分岐コイル １１ 切断帯コア １２ 永久磁石 １３ 軟磁性リング １４，１５ 合成樹脂リング １６，１７ 分岐コイル １８ 軟磁性ウェブ １９ａ 切断帯コア用のステータの軸方向溝 １９ｂ 軟磁性ウェブ用のステータの軸方向溝 ２０ 環状薄板 ２１ 薄板セグメント ２２ ステータ内の周溝

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ， ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，Ｇ Ｂ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ， ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，Ｎ Ｏ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ， ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも１個のステータ（４）とロータ（１）とを備え、交替する極性を 有する或る数の永久磁石（１２）がロータ（１）にリング状に配置され、永久磁 石が横磁束型機械のための励磁を行い、ステータ（４）が外周に、軟磁性材料か らなる或る数のＵ字形の切断帯コア（１１）を備え、各々のＵ字形の切断帯コア （１１）の脚部が横磁束型機械の軸方向に並べて配置され、脚部がロータ（１） の永久磁石（１２）に対して空隙によって半径方向に離隔して対向し、切断帯コ ア（１１）がその脚部の間にコイル（１０）を備え、横磁束型機械の位相を示し ている、横磁束型機械において、 横磁束型機械の位相のために、ロータ（１）の永久磁石（１２）が互いに軸 方向に離隔され互いに磁気的に絶縁された２個の軟磁性リング（１３）上に配置 され、各々の軟磁性リング（１３）が貫通する磁気継鉄として形成され、この継 鉄内で、横磁束型機械の主磁束が周方向に案内されていることを特徴とする横磁 束型機械。 ２．ステータ（４）が中空円筒体として形成され、かつロータ（１）によって取 り囲まれていることを特徴とする請求項１記載の横磁束型機械。 ３．ステータ（４）がその外周に、二つの異なる半径方向深さを有する軸方向に 延びる第１と第２の溝（１９ａ，１９ｂ）を均一に備え、第１の溝（１９ａ）が 第１の深さを有し、第２の溝（１９ｂ）が第１の深さよりも浅い第２の深さを有 し、第１と第２の溝（１９ａ，１９ｂ）が外周に交互に設けられていることを特 徴とする請求項２記載の横磁束型機械。 ４．ステータ（４）が外周に設けられた或る数の周方向の第３の溝（２２）を備 えていることを特徴とする請求項３記載の横磁束型機械。 ５．第１の溝（１９ａ）内にＵ字形の切断帯コア（１１）が挿入可能であり、各 々の切断帯コアの脚部の間の中間空間が、周方向の第３の溝（２２）の幅に一致 し、中間空間が第３の溝（２２）に対して一直線上に向けて設けられていること を特徴とする請求項４記載の横磁束型機械。 ６．第２の溝（１９ｂ）内に軟磁性のウェブ（１８）が挿入され、この軟磁性の ウェブがロータ（１）の永久磁石（１２）と２個の軟磁性のリング（１３）を介 して、隣接する切断帯コア（１１）に作用連結されていることを特徴とする請求 項５記載の横磁束型機械。 ７．軟磁性のウェブ（１８）が薄板セグメント（２１）からなり、薄板セグメン ト（２１）が横磁束型機械を通る軸方向の切断平面に対して平行に向けられてい ることを特徴とする請求項６記載の横磁束型機械。 ８．軟磁性のリング（１３）が個々のリング薄板（２０）によって形成されてい ることを特徴とする請求項１記載の横磁束型機械。 ９．切断帯コア（１１）が主磁束の方向に薄板に形成されていることを特徴とす る請求項１記載の横磁束型機械。 10．ステータ（４）が冷却のために、冷却媒体流入部（７）と冷却媒体流出部（ ６）を備えていることを特徴とする請求項２記載の横磁束型機械。 11．或る数の位相が軸方向に間隔をおいて並べてステータ（４）の外周に設けら れ、位相の数に対応して或る数の軟磁性リング（１３）がロータ（１）に設けら れ、或る位相に属する軟磁性のリング（１３）が位相ずれのために、隣接する軟 磁性リング（１３）に対してロータ（１）の周方向に回転させて配置されている ことを特徴とする請求項１記載の横磁束型機械。 12．軟磁性ウェブ（１８）の両端が第２の溝（１９ｂ）の溝底寄りの側で斜めに 切り取られていることを特徴とする請求項６または７記載の横磁束型機械。