JP2002507380A - 軟質磁性体の歯を有する電気機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 磁気抵抗の原理に基づいて動作する電気機械には、その可動部品と固定部品の間に歯のついたエアギャップ表面がある。これらの歯の磁化されやすさは機械の性能に直接影響する。この発明によれば、エアギャップ内に突き出した残りの部分の軟質磁性体と関連した材料でできている歯によって、磁化性が向上するとともに、飽和磁束密度が大きくなる(またはそのどちらか)。この材料は、粒状の方向が揃っている電気を帯びた鉄あるいはコバルト鉄合金製であることが望ましい。別の方法として、あるいはそれを追加するものとして、導体コイルの配置されている軟質磁性体は、適切にセグメント化することで、すべて粒状の方向が揃っている材料にすることができる。この場合、２つ目ごとに導線の巻かれていない磁極があり、非磁性の保持エレメントによって分離されている２個の半磁極から構成される。一定の角度に圧延された鉄製のシートを使用することも、回転式機械、特に横方向の磁束機械の隙間および材料の使用を改善する一因である。この発明で提供されている構造特性により、切削の無駄の少ない生産ができ、したがって、エアギャップ表面に軟質磁性体の歯のある電気機械の性能が向上するとともに損失が低減される。

Description

【発明の詳細な説明】 軟質磁性体の歯を有する電気機械 発明の属する技術分野 この発明は、エアギャップ表面に軟質磁性体の歯を有する電気機械に関するも のである。 従来の技術 エアギャップ表面に軟質磁性体の歯を有する電気機械は、“ステップモーター ”あるいは“切り換え型リラクタンスモーター”という名称の各種の設計が知ら れている。歯を有することで、エアギャップを通過する磁束の磁気抵抗が回転子 の移動に伴い変化する。利用可能な力は、歯の形状、軟質磁性体材質の磁化され やすさ、エアギャップの磁束密度などにより異なる。 巻線の技術が単純なことで際立った１つの設計には、横断磁束機械がある。軟 質磁性体には、周辺方向に磁極の幅のほぼ半分に相当するギャップがある。導体 リング内を流れる電流は、このギャップ内には弱い磁場しか発生させることがで きず、これら周辺の断面は、有用な性能を発揮するよりも電力損失ということに 帰する。 ＤＥ ４３ ２５ ７４０ Ｃ１では、Ｕ字型の軟質磁性体コアが導体リング のまわりに配置された横断磁束機械は周知のとおりであり、その軟質磁性体コア の接線方向の幅は、導体リングの半径の増大に対して比例せずに増大するもので ある。このため、円周方向のギャップがコア自体の幅よりも円周内のコア末端同 士間で広くなる。 ＤＥ−ＯＳ ２８ ０５ ３３３およびＤＥ ４０ ４０ １１６ Ｃ２では 、セグメントに分けられた軟質磁性体が示されており、歯型のコアの層はヨーク シートの層に対して垂直方向に影響を及ぼす。 ＤＥ ３４ １４ ３１２ Ａ１では、永久磁石により励磁される複数組の電 磁石の付いた機械が知られており、ここで電磁石には両端に導線の巻かれてい ない半磁極が動作方向に置かれている。電磁石の磁極ユニットの間のギャップに より位相のずれが発生する。磁極および半磁極には、平坦なエアギャップ表面の ある磁極の脚部があり、溝スロットは巻線を挿入するには非常に狭いものとなっ ている。電磁石の組で構成される強磁性の回路はユニットとして作成される。 さらに、ＤＥ ４２ ４１ ０８５ Ａ１は、磁極の脚部を鳩の尾型にして、 磁極コアに取り付けることが知られている。 したがって、この発明の目的は、磁気抵抗の原理にしたがって機能する機械を 、エアギャップ表面に関してトルク・口径比率を増大させ、抵抗および磁気損失 を減少する方法により相応の製作コストで改善することである。 発明の要約 この発明によれば、この目的は請求の範囲１および４の特徴により達成される 。 この発明によれば、エアギャップ表面を定義する軟質磁性体の歯は、残りの部 分の軟質磁性体に比較して、同一の磁界強度で高い磁束密度が得られるか、また は飽和磁束密度が高いか、あるいはその両方の特性をもつ材料でできている。歯 として粒状の方向が揃っている電気シートまたはコバルト鉄合金が使用されるこ とが望ましい。 力の増加の効果を弱めないように、残りの部分の軟質磁性体の磁束方向の断面 積合計は、エアギャップを境界とする歯の表面の合計よりも大きい。 発明の実施の形態 コバルト鉄合金を利用することで、機械への電流供給が同一であれば、歯での 磁束密度を最大２０％増加（１．９Ｔに対して２．３Ｔ）させることができる。 エアギャップ表面が同一な場合、または、ほぼ同一サイズの機械で、機械の最大 機能は４４％増加する。 別の方法として、あるいはそれに付け加えるものとして、導体コイルが並べら れている軟質磁性体は、組立て式の磁極セグメントで構成され、これは粒状の方 向が揃っている電気シートで作成されることが望ましい。１つおきに導線が巻か れていない磁極があり、半分の磁極２個で構成されており、これらは非磁性の保 持用エレメントで接続されている。導線の巻かれた磁極のエアギャップ表面での 歯数は、半磁極の歯数の２倍に相当している。保持用のエレメントはＴ字型が望 ましく、これは磁界および電気の伝導率の低い材料で構成され、半磁極がエアギ ャップ内の磁束方向に移動するのを防ぐ。一方、半磁極により導線の巻かれた磁 極エレメントが所定の位置に固定される。 モジュラー式の構造は、この発明の第２の基本的なアイデアに相当するもので 、粒状の方向が揃っている材料が有効に利用されるようになり、これにより機械 領域のエアギャップ部分の磁化性が最大限に有効利用されているが、ここで隙間 は導体材料および強磁性体材料によって共用される。粒状の方向が揃っている磁 極セグメントにおいて、機械の最大出力を減少させる磁気抵抗の増大が、わずか 約１．９Ｔで見られる。その一方、粒状の方向が揃っていない電気シートでの磁 気抵抗の増大は、１．６Ｔですでに見られる。最新技術と比較して、巻線のある 本体を斬新な方法でセグメント化することによってのみ、磁極の溝部分での粒状 の方向の揃いを最大限に活用することができる。 磁極の磁束密度が高いことで、同様なエアギャップの直径および同様な磁束で 、溝の幅を広げることができ、また溝の隙間が大きいことで、生じうる巻線の損 失が減少されるようになる。さらに、磁極の巻線を狭い溝スロットを通す必要が ない。 溝領域中央で磁極コアの幅が溝の幅と等しい従来の機械に比較して、エアギャ ップでの磁束密度が等しいとき、磁極セグメントを粒状の方向が揃っている電気 シートで組立てることにより、磁極コアの幅は１５％増加する。その上、巻線技 術がさらに進んだおかげて、磁極コイルの隙間ファクターを５０％ではなく６５ ％で作成できる。総合すると、溝に対する銅の断面が５０％大きくなるか、巻線 の損失の３３％減少が達成される。 この改良において欠かせないのは、巻線のある軟質磁性体を導線の巻かれた磁 極および導線の巻かれていない磁極の半分にセグメント化することで、この磁極 の半分はエアギャップ表面において少なくとも１つの歯から構成される。ヨーク 領域において同一のユニットに導線の巻かれた磁極およびそれに接続された２個 の半磁極が結び付けられ、非磁性の保持エレメントによって隣接する同一の磁気 体から分離されている磁気体である。保持エレメントで分離された半磁極の歯は 、磁気体内の歯よりも運動の方向に互いに離れており、これにより、隣接する磁 気体間の位相のオフセットが形成されている。 非磁性の保持エレメントにより、望ましくない漏れ磁束により反対に作用する 力が回避され、これによりこの機械の力密度も増大する。磁極セグメントをまと めて押し付けることにより、また斜角をつけることで接触表面が著しく増加する 。これにより２次的なエアギャップによるマイナスの影響がかなり回避される。 さらに、溝の深さ方向のヨークの厚みを導線の巻かれた磁極の幅の７５％に保つ ことにより、ヨーク領域での磁気抵抗が増加することが回避されている。効果と して、次が挙げられる。 − 粒状の方向が揃っている磁極セグメントで、これまでより進んだ磁気化が可 能 − 磁極コイルの巻線技術のコンパクト化 − 磁気的に分離されたユニットにより、磁束通路が短く位相が分離 その結果、出力密度が増加する。 この発明によれば、機能が向上し、巻線の損失が低減されるほか、セグメント 化することにより、穿孔ツールが簡素化され、穿孔による無駄が少なくなる。磁 極コイルの巻線が簡略化されており、融通性のある自動組立て機を利用すれば、 多数の組立て式の磁極部品の組立ての際の追加費用は妥当なものとなる。この発 明によれば、二体磁極機械のセグメント化は、半径方向および軸方向のエアギャ ップフィールドのある回転式デザインのほか、直線形駆動用にも適している。 回転式機械で効率のよい隙間および材料の利用が、特に横断磁束配列の機械で 、両端での厚みの異なる電気シートを使用することにより実現されている。現行 では、電気工学産業では一様な厚みの電気シートが独占的に使用されている。こ の発明の基本をなす３つめのアイデアによれば、穿孔前、穿孔中、穿孔後のいづ れかの時点でシートは厚み方向に成形される。この工程は圧延過程で穿孔の前に 実施されることが望ましく、その結果、電気を帯びた台形断面の細片ができあが る。 台形の細片は、異なった２枚の穴をあけたシートからなる完全に層状にした鉄 製のリングを導体リングの周囲に配置することで、横断磁束機械で有利に利用す ることができる。磁束は磁気的に活性なエアギャップだけの周辺にある歯に集中 しており、この歯はコバルト鉄合金製であることが望ましい。台形の断面に電気 を帯びた薄板を使用することによって、半径方向および軸方向の磁束機械、特に 中間にある固定子や回転子にも有利となる。 図面の簡単な説明 この発明の長所を具現化した構造図を以下に示す。 図１は、磁極の脚部キャップおよび構成された回転子の環のある外部回転子を 有するステップモーターの断面から周辺方向に切取った図を示している。 図２は、コバルト鉄合金製の歯型の挿入物のある横方向の磁束機械の断面を片 方だけ示している。 図３は、図２における横方向の磁束機械の軟質磁性体を、軸方向から側面を見 た切取り図を示している。 好ましい実施例の説明 図１は、それぞれ４つの歯（３）のある同一形状の６個の磁気ユニット（２） で構成される発明に基づいて、磁気抵抗機械（１）の断面から切取った図を示す 。この切取り図では、磁気ユニットを１個だけ示しており、これは１個の導線の 巻かれた磁極セグメント（４）および導線の巻かれていない同一形状の２個の半 磁極セグメント（５）で構成される。磁極および半磁極セグメントは、粒状の方 向が揃っている電気シートを軸方向に積み重ねたもので、粒状の方向は半径方向 であることが望ましい。半磁極には、エアギャップ（６）の表面に１つの歯があ る。２４個の固定子の歯（３）が、回転子（８）の２６個の歯セグメント（７） の反対側に並べられている。隣接する半磁極（５）の歯（３）間の距離は、磁気 ユニット内の歯の距離に比べて歯の幅の２／３だけ大きい。磁気ユニットあたり の歯の数は４、８、１２、１６個などとすることができ（それぞれ、４×ｋで、 ｋは整数）、磁気ユニットの数は位相数の任意倍数とすることができる。 固定子の歯（３）に先立って回転子の歯（７）により磁気抵抗が増大すること はないため、同じく粒状の方向が揃っている電気シートで作成する。その一方、 回転子の環（９）は、粒状の方向が揃っていない電気シートで構成される。接線 方向に薄板で包んだ回転子の歯（７）の断面は、ごくわずか台形形状をしている 。この断面は、電気を帯びた細片を台形に圧延したものを使用して実現できる。 この細片を棒状にまとめて、加熱した回転子の環に押し込む。冷却中に、回転子 の環（９）の回転子の歯（７）に対する圧力は増大し、しっかりと固定されるよ うになる。さらに、回転子の歯の間にある接線方向の隙間を機械的に安定した絶 縁材（１０）で充填するので、安定性がさらに向上する。 固定子で、異なった磁気ユニットが隣接する歯（３）の間の隙間は、Ｔ型の保 持エレメント（１１）の広めので塞ぐ。この保持エレメントも、伝導性が低く機 械的強度が高い非磁気性の材料で構成される。 前の生産手順において、磁極コイル（１２）が磁極セグメント（４）に巻きつ け済みである。この手順では、巻線を溝スロット（１３）を通して挿入するより も弱い引っ張り応力で正確な位置に配置するため、かなり高い隙間ファクターが 達成される。それに続いて、隣接する２個の半磁極（５）を接線方向に押し付け るが、接着剤で貼り付けることが望ましい。完全に組立てられた磁気ユニット（ ２）を、ここで予め加熱された保持用の本体（１４）に軸方向に挿入する。冷却 中に、Ｔ型の保持エレメント（１１）が収縮し、それにより元応力が発生し、３ つの部品からなる磁気ユニットの軟質磁性体は、エアギャップ内での正規磁気力 の変動の激しい場合でさえも安定したものとなる。さらに、構造体は組立て後に 密封する。補足として、爪型の本体（図示されていない）を磁極セグメントの溝 に掛けることができ、これにより安定性が高められている。 図２には、２位相の横断磁束機械（１５）の片方の断面図が図示されている。 コバルト鉄合金製の比較的小さな歯型の挿入物（１７）を、粒状の方向が一様で ない電気シートで作成した穿孔シート（１６）に挿入する。運動の方向には、こ れもコバルト鉄合金で構成されている回転子セグメント（１８）が常に歯型の挿 入物（１７）または逃げ（１９）とのみ面するようになっている。その一方、周 辺部全域にわたり、穿孔シート（１６）によって導体リング（２０）が囲まれて おり、歯型の挿入物（１７）で磁束密度が最大（２．３Ｔ）となるにもかかわら ず、残りの部分の軟質磁性体（２１）の磁束密度は、漂遊磁気について、１．２ 〜１．４Ｔの間の値に制限され好ましいといえる。導体リング（２０）は、軟質 磁性体（２１）により３辺で接線方向に完全に組み込まれているため、電流は導 体の長さ全体での磁界が一様に発生することに貢献しうる。磁束が著しく狭くな る重要な部分にのみ、比較的高価な透過性の高い材料が使用される。 この発明のデザインにより軟質磁性体の重量でみた回転子セグメントと歯型の 挿入物の比率を１０〜２０％低減しうる。その結果、機械全体がコバルト鉄合金 で構成される従来の機械と比較した場合、ほぼ同等の最大出力で材料費がかなり 節約される。 厚みを変化させた電気シートを使用することにより、電気エネルギーから磁気 エネルギーへの変換の向上が達成される。図３で、台形の断面のある電気シート （２２）を接線方向に積み重ねることによりギャップのない軟質磁性体リング（ ２１）が作成できることがわかる。 台形の断面のある電気シート（図１において回転子の歯で表示したもの）も、 半径方向の磁束機械に楽に挿入できる。その上、そのような方法で変形された電 気シートを、細分化された軸方向の磁束機械に挿入して隙間を有効に利用するこ ともでき、その結果として最大出力が向上する。 軟質磁性体の歯の間の隙間で、磁気遮蔽として機能する永久磁石を挿入するこ ともできる。この発明には、純粋な磁気抵抗機械のみに限らず、エアギャップで 軟質磁性体の歯のほか、短絡用の巻線または励起用の巻線の備わった混成モータ ーや混成ジェネレーターなども含まれる。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 ップ表面に軟質磁性体の歯のある電気機械の性能が向上 するとともに損失が低減される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 少なくとも１個の磁気回路および、互いに移動可能な少なくとも２つの 構造グループ（２，８）のある電気機械で、これらの構造グループはエアギャッ プ（６）により互いに分離され、またそれぞれ少なくとも１個の軟質磁性体（４ ，５，７，２１）があり、エアギャップ（６）に隣接する上記の少なくとも２個 の構造グループ（２，８）の表面の部分的な領域には、磁束に関して異なる（ｉ ｎｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ）特性があり、ここで、少なくとも１つの上記の軟質 磁性体（２１）には、エアギャップから遠めに配置された上記の軟質磁性体（２ １）の部分（９，１６）に比較して同エアギャップ（６）の近くに配置され、か つ高い磁化性があるか高い飽和磁束密度のある（あるいはそのどちらかの性質の ある）材料から構成されているコンポーネント（７，１７）があり、この部分が 同一の上記の磁気回路に属している電気機械。 ２． 請求の範囲１による電気機械で、少なくとも１個の上記の軟質磁性体に は上記エアギャップに歯（７）があり、この歯は粒状の方向が揃っている電気シ ートで構成されており、またこれ以外に少なくとも１個の上記の軟質磁性体から なる部品（９）から構成され、この部品は粒状の方向が揃っていない電気シート から構成される電気機械。 ３． 請求の範囲１による電気機械で、少なくとも１個の上記の軟質磁性体（ ２１）にはエアギャップに歯（１７）があり、この歯はコバルト鉄合金製で、ま たこのほかに少なくとも１個の上記の軟質磁性体（２１）から構成される部品（ １６）があり、この部品は他の鉄合金製である電気機械。 ４． 少なくとも１個の磁気回路およびお互いに移動可能で、エアギャップ（ ６）によりお互いに分離されており、少なくとも２つの構造グループ（２，８） のある電気機械で、またそれぞれ少なくとも１個の軟質磁性体（４，５，７，２ １）が含まれており、エアギャップ（６）に隣接する上記の少なくとも２個の構 造グループ（２，８）の表面の部分領域には、磁束に関して異なる特性があり、 ここで少なくとも１つの上記の構造グループには少なくとも２つの電磁ユニット （２）が含まれており、このユニットは巻線のある１個の磁極セグメント（４） および巻線のない２個の半磁極セグメント（５）から構成され、この半磁極セグ メントには、ヨーク領域で少なくとも１個の磁極セグメント（４）に接している 電気機械。