JP2003522511A

JP2003522511A - 電磁装置

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Publication number: JP2003522511A
Application number: JP2001509142A
Authority: JP
Inventors: ウデ、クロード; ウルイレ、ジャン−フランソワ
Original assignee: エムエムティ・ソシエテ・アノニム
Priority date: 1999-07-12
Filing date: 2000-07-12
Publication date: 2003-07-22
Also published as: WO2001005019A1; US6628032B1; DE60036003D1; EP1201021B1; AU5518200A; ATE370543T1; DE60036003T2; EP1201021A1; EP1069670A1

Abstract

(57)【要約】この発明は、電磁装置に関する。即ち、軟磁性体でできた少なくとも２つの歯の組を有する単相又は多相の直線式又は回転式のモータあるいは発電機に関する。そして２つの歯の組は、関係する相変位で１つの歯の組がステータに設けられ、他の１つの歯の組がロータに設けられている。この装置は、少なくとも１．７×１０^-4Ｊ／μ₀アンペア回数の最大磁位差Ｕ_maxを発生できる寸法となっている。自由度に垂直方向に測定されるロータ及びステータの歯間の最小エアギャップの長さＥは、ほぼ０．７μ₀Ｕ_max／Ｊの値以上である。ここで、μ₀は透磁率、Ｕ_maxは磁界がエアギャップＥを横切ることによって発生する最大磁位差である。Ｊは歯に用いられる軟磁性体の最大分極である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

この発明は、制限がないストロークあるいは制限されたストロークの単相ある
いは多相の発電機あるいはモータ（作動装置）に関するものである。それぞれの
装置は、相ごとに少なくとも２つ相対的に移動可能な軟磁性体の歯の組を有して
いる。１つの組はステータ側に設けられ、他の１つの組は回転又は直線的に動作
する可動部分（以下、ロータという）側に設けられている。それぞれの歯の組は
多数の歯を有している。そして、その歯の数はステータとロータとの間で異なっ
ている。限界として、１つあるいは両方の組が１つの歯を持つことが条件とされ
る。

【０００２】

【従来の技術】

この形式の多くの装置では、歯のピッチはほぼ一定で、両方の歯の組がほぼ同
一である。これらの歯の組の間に生じる磁気抵抗及び磁気抵抗の逆関数であるパ
ーミアンスは、変位によって変化する。ステータの１つの歯の端部とロータの１
つの歯の端部とが互いに対向したときには、それらの間に最小幅Ｅのエアギャッ
プが形成される。この発明が適用される装置では、ロータの歯の単位変位ｄｘ（
図５参照）はステータの歯の端の接線と平行である。この点でこの装置は変位が
最小エアギャップ方向に起こる電磁装置と相違している。

【０００３】上述の特徴を有している回転あるいは直線的に動作する装置は、永久磁石を用
いない磁気抵抗可変のモータ、作動装置（アクチュエータ）又は発電機、あるい
はハイブリッド即ち少なくとも１つステータ又はロータに永久磁石を含む”極性
のある磁気抵抗”を有しているモータ、アクチュエータ又は発電機とすることが
できる。

【０００４】最も一般的な回転機の場合、この装置はほぼ円筒形状のロータを有している。
このロータは、シャフトに固定された少なくとも１つのロータ磁極片を有してい
る少なくとも１つの同軸の組立体で構成されている。それぞれのロータの磁極片
は、一定ピッチでその周に沿って配列された放射状の歯によって形成された歯の
組を与えている。この装置はまた、軟磁性体の磁気回路部分を有したステータを
有している。このステータは、ほぼ環状形状をしており、同軸にロータの周囲を
取り囲んで配置されている。そして、周辺部分及び多数のステータ磁極片で構成
されている。それぞれのステータ磁極片は少なくとも１つの電磁コイルにより電
力を与えられ、ロータの歯に対向するように径方向に向いている１つ以上の歯を
有している。１つの磁極片当たり２つ以上の歯がある場合、そのステータの歯は
ロータの歯とほぼ同一ピッチで配列され、１つのロータの歯と１つのステータの
歯とが対向してその間に最小幅Ｅを有する径方向のエアギャップを形成するよう
に配置されている。また、エアギャップが軸に沿っていたり、あるいは傾斜して
いてもよい。

【０００５】このような電磁装置は数十年前から知られている。ハイブリッド形式は広く利
用され、特に２相又は３相のステッピングモータの形式で利用されている。この
装置の説明は、例えば"stepping motors and their microprocessor controls"
by Takashi Keino and Akira Sugavara, Clarendon Press, Oxford, 1994 の第
２版で、磁気抵抗可変モータについては２８頁から３６頁まで、ハイブリッドモ
ータについては３７頁から４４頁までに記載され、あるいは電気論文"l'Ecole P
olytechnique Federale de Lausanne", Vol. IX, 題名 "Electromecanique",（
電気機械技術）by Marcel Jufer, Presses polytechniques et universitaires
romandes, 章11.2.5 "Moteur reluctant a simple circuit"（単回路磁気抵抗モ
ータ）及び章11.2.11 "Moteur reluctant polarise"（有極磁気抵抗モータ）に
記載されている。直線的移動に変形したものは回転ロータリーモータを平面にし
たものと一致し、例えば上記T. Kenjoの論文の３３頁及び上記M. Juferの論文の
章11.13に記載されている。

【０００６】このような装置について多くの理論上の研究がこれまでに行われている。特に
１９８６年の第１５回定例シンポジウムの"Incremental Motor Control Systems
and Devices (IMCSD) Proceedings"の２０７頁から２１１頁までにMarcel Jufe
r及びGunter Heineの論文"Hybrid stepper motor torque and inductance chara
cteristics with saturation effects"が記載され、この装置について述べられ
ている。

【０００７】このような装置の従来のデザインでは、２つの対向した歯の間のエアギャップ
の幅は、直径、同心円、センタリング、バーリング及び他のさまざまな原因によ
る製造上の許容誤差から生じる技術的制約の範囲内でできるだけ狭くなるべきで
ある。T. Kenjoは上述の論文の３０頁の"Air-gap should be as small as possi
ble"と題する章の中で明らかにこのことを述べている。この考えは理論によって
裏付けられている。電磁気学において力又はトルクを算出し、エアギャップに蓄
えられた磁気エネルギを導出するよく知られた基本公式は、２つの歯の組の変位
角αとの関係で、発生するトルクＣが以下の式に比例することを表している。（ｄＡ／ｄα）Ｕ² ここで、Ｕは２つの歯の組の間に適用される磁位差、及びＡはそれらのパーミア
ンスである。可変磁気抵抗モータにおいて、これは可能な限りさまざまな方法で
配置され、単に通電される１以上のコイルによって発生するアンペア回数による
磁位差で構成される。あるいは、ハイブリッドモータにおいては、永久磁石の影
響下でエアギャップを分極化させる磁位差Ｕ_aと上述のコイルによって発生する
磁位差Ｕ_niとを代数合計した磁位差で構成される。

【０００８】このパーミアンスｄＡ／ｄαの導関数は以下のようにフーリエ級数の形式に展
開できる。Ａ＝ａ₀＋ａ₁ｓｉｎ（Ｎα）＋ａ₂ｓｉｎ（２Ｎα）… ｄＡ／ｄα＝Ｎａ₁ｃｏｓ（Ｎα）＋２Ｎａ₂ｃｏｓ（２Ｎα）… ここで、Ｎはロータの周囲の歯の数、あるいはロータが歯の数に適合していない
場合は存在する歯の２π／（角ピッチ）の数である。

【０００９】 αに関する公式の導関数の最初の項は、基本項として知られているもので、Ｎ
ａ₁ｃｏｓ（Ｎα）である。移動制御をするモータあるいは作動装置において、
あるいは正確に正弦波電圧が予想される発電機において、歯の数Ｎが固定されて
いるときには、基本項のａ₁の大きさを大きくし、ｃｏｓ（２Ｎα）、ｃｏｓ（
３Ｎα）、…と一緒の項のａ₂、ａ₃、…の大きさを小さくすることが望ましい。
従って、トルクの基本項は式（１）によって与えられる。（１）Ｃ＝（ｄＡ／ｄα）Ｕ²＝Ｎａ₁Ｕ²ｃｏｓ（Ｎα）エアギャップが小さくなるとａ₁は大きくなることはよく知られている。トルク
Ｃがこの項に比例するので、製造可能でできるだけ小さいエアギャップを選択す
ることは論理的である。

【００１０】通常用いられるサイズ（直径が約５１ｍｍ、長さが約５１ｍｍで与えられるサ
イズ”２３”が知られている）のハイブリッドモータについては、大抵、最小エ
アギャップが約０．０７ｍｍから０．０８ｍｍであるが、製造上の許容誤差につ
いての制約が厳しくなる。それゆえに、製造に要するコストが高くなる。実際、
このサイズの従来のモータのエアギャップＥはいつも０．１ｍｍ以下である。

【００１１】このようなハイブリッドモータについては、トルクについて上式に表された最
大磁位差Ｕ_maxはＵ_max＝Ｕ_ni(max)＋Ｕ_aである。例えば、上述のサイズ及び安定
した状況下で、コイルは歯の間で最大磁位差Ｕ_ni(max)＝８５アンペア回数（Ａ
ｔ）を与える。Ｕ_aがＵ_ni(max)にほぼ等しいときに、電流によるトルクが最大に
なるので、Ｕ_aも約８５Ａｔになり、Ｕ_max＝１７０Ａｔとなる。ステータあるい
はロータの軟磁性体部分での磁気損失を無視すると、エアギャップでの誘導Ｂは
式（２）によって与えられる。（２）Ｂ＝μ₀Ｕ_max／Ｅ

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】

磁気回路の材質の飽和のためＢ＝２テスラ（Ｔ）の制限が要求される場合、Ｅ
＝１．０７×１０^-4メートル（ｍ）となる。このように、７×１０^-4ｍから８×
１０^-4のエアギャップとすることにより、シリコンアイアンをわずかに飽和させ
て軟磁性体として用いている。しかしながら、このようなモータが小さいデュテ
ィーレシオで運転されるときは、アンペア回数は駆動している短い間に大きくな
るので、（２）式が適用できる直線領域内に留めるようにエアギャップを大きく
することができるようになる。しかしながら、従来の装置では、これは上述の理
由、即ちパーミアンスの導関数を最大にし、従ってエアギャップを小さくし、磁
気回路を更に飽和させることが好ましい、という理由でなされていない。

【００１３】例えば、上述のM. Juferの論文の章11.19.1にWarner社の回転磁気抵抗ステッ
ピングモータが記載されているが、それはＥ＝０．０５ｍｍ及びＵｍａｘ＝（１
４／５）８０＝２２４Ａｔのようである。そのステッピングモータはエアギャッ
プが５×１０^-5ｍでＢを２（Ｔ）まで大きくするアンペア回数の３倍である。そ
れは実際にトルクのピークを高くするために役立っているが、上述のようにそれ
は関数Ｃ＝ｆ（α）に大きな歪みを発生し、正弦波状から離れた関数になる。こ
れはM. Juferの論文の章11.11.7及び図11.85によく記載されている。付け加える
と、トルクはもはや電流のみの関数でない、即ちａ₁の項自体がＵ_maxの関数にな
っている。多くの応用において、これは、モータが一定のスピードで回転し一定
のトルクが均等に分配されると仮定したとき、電流によるスピード及びトルクの
瞬時の変調（コギング）が大きくなることにより、またノイズレベルが大きくな
ることにより、ひどい不利益を引き起こす。また、これは、特にステップを小分
けにする必要があるときに、開ループにおいてポジショニングが悪くなる。

【００１４】これらの不利益に鑑み、この発明の目的は製造コストを十分に下げ、また装置
のトルク特性Ｃ＝ｆ（α）を改良できるように構成された電磁装置を供給するこ
とである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】

移動制御をする場合に、開ループあるいは閉ループのいずれに於いても、それ
ぞれの相についてトルクの正弦波形状が最大磁位差よりもわずかに小さい磁位差
の値にまで十分に維持されるような電磁装置を供給することは望ましいことであ
る。この発明の目的はクレーム１の装置によって達成される。

【００１６】この発明の電磁装置は、Ｊ＝２Ｔの場合、約２７０Ａｔあるいはそれ以上であ
る約１．７×１０^-4Ｊ／μ₀の最大磁位差Ｕ_maxを発生させることができ、特に自
由度に対して垂直方向に測定した最小のエアギャップの幅Ｅが以下のようにして
選択されたことを特徴としたものである。０．７［１−５×１０^-4（Ｕ_max−１．７×１０^-4Ｊ／μ₀）］μ₀Ｕ_max／Ｊ但し、［１−５×１０^-4（Ｕ_max−１．７×１０^-4Ｊ／μ₀）］≧０．５のとき、Ｅは、ほぼ０．３５μ₀Ｕ_max／Ｊ以上であり、［１−５×１０^-4（Ｕ_max−１．７×１０^-4Ｊ／μ₀）］＜０．５のとき、Ｅは２×１０^-3ｍより大きい値である。ここで、 μ₀は、真空の透磁率である。Ｕ_maxは、磁界がエアギャップＥを横切るようにする発生する最大磁位差であ
り、上記磁位差は、そのエアギャップＥのコイルのアンペア回数だけによるもの
か、あるいはこのアンペア回数と永久磁石（”分極”磁位差）のため電流のない
状態での２つの歯の組間の磁位差との合計によるものか、どちらかである。Ｊは、歯に用いられる軟磁性体の最大分極であり、このＪは、ＨがＪの制限値
の約９９％に達するのに十分大きい値であるとき、一般にＢ＝μ₀Ｈ＋Ｊの関係
で定義付けられ、実際に相対的透磁率μ_rを考慮した場合には、Ｊ＝μ₀（μ_r−
１）Ｈ（ここで、ＨはＪの制限値の約９９％に達するのに十分大きい値である）
の関係によって定義付けられる。

【００１７】軟磁性体として通常用いられる積層された珪素鉄板については、Ｊは約２Ｔで
ある。

【００１８】モータあるいは発電機の運転条件を詳しく研究した結果は、驚くべきことに、
またエアギャップを小さくしようとする一般的傾向に反して、十分なアンペア回
数が得られるときにモータあるいは発電機を最適化するためには、反対にエアギ
ャップのサイズを大きくすることが有利となり、特に最大磁位差が約１．７×１
０^-4Ｊ／μ₀より大きいモータあるいは発電機に有利となる。

【００１９】この発明において最適化されるのは（１）式中の積ａ₁Ｕ²であり、これは従来
の全ての装置では歯のパーミアンスの変化の基本項ａ₁のみが最適化されるのと
対照的である。

【００２０】分極化された可変磁気抵抗形式の例えば発電機においては、電圧はｄφ／ｄｔ
即ちｄφ／ｄα−ｄα／ｄｔに比例する。ｄα項は角速度である。磁束はパーミ
アンスと磁位差との積であり、磁束変化はａ₁Ｕ_aに比例する。発電機が電流を発
生しているとき、その電流は歯の組間の磁位差を大きくする。そしてモータに関
しても、その関係は、ａ１Ｕ²の項を含んでいて、従って、最小エアギャップＥ
に関して同様の結論が導びかれる。

【００２１】軟磁性体が分極（polarization）Ｊよりも２％だけ大きい誘導（induction）
として働くとき、上述の（２）式の関係によってＵの関数として与えられる最大
誘導Ｂの変化は、実質的に直線の範囲内にある。このとき、トルクの式のＵに値
ＢＥ／μ₀を代入することができ、以下のようになる。（３）Ｃ＝（Ｎａ₁Ｂ²Ｅ²／μ₀ ²）ｃｏｓ（Ｎα）

【００２２】軟磁性体のＵ_maxの小部分のみが失われるように、ＢがＪを２％以下だけ越え
たものとなる所定条件内で、二乗の項であるＢを軟磁性体の許容範囲内で大きく
することが好ましいことは明らかである。この材質を選択する基準となるものは
、例えば製造の容易さ、コスト及び装置の動作周波数等である。

【００２３】この発明において、ａ₁がどのように変化するかだけでなく、積ａ₁Ｅ²がどの
ように変化するかを決定することも必要である。ａ₁は歯のピッチＰとエアギャ
ップＥとの比（Ｐ／Ｅ）の関数である。この関数はＰ／Ｅの変化の広い領域に亘
って出力関数に経験的に関連させていた。ロータの歯が一定ピッチ（弧に沿って
測定）として、ａ₁はＥ^-1.42にほぼ比例することと、これはＰ／Ｅが１０より小
さい範囲内で満足されることが分かる。結果として、積ａ₁Ｅ²、従ってＣは、驚
くべきことに、増加関数であるＥ^0.58に比例することになる。例えば、Ｅが２倍
になるとき、Ｅ^0.58は約５０％だけ大きくなる。この０．５８乗は、歯の形状の
関数としてわずかに変化することがあるが、結論は積ａ₁Ｅ²はＥの増加関数であ
ることに変わりがない。

【００２４】この有利性から利益を得ることができるようにするためには、通常の種類のシ
リコン−鉄（線２３）と最も利用可能性の高い材質の１つであるコバルト−鉄（
線２３’）とにそれぞれ相当するＪの２つの値についてのＥ＝０．７μ₀Ｕ_max／
Ｊを範囲２５内に描いた図７に示すように、ＥとともにＵ_maxを大きくできるよ
うにしなければならないことが明らかである。このように、Ｅについてのこの値
は、小さなエアギャップの場合、用いられる軟磁性体をほぼ飽和させてしまうよ
うな値を越えることになる。磁位差が小さい場合、即ちＵ_maxがシリコン−鉄に
対して約１１４Ａｔより小さく、そして図７の範囲２４内に示されるように、機
械的具体化上の実用的な制限に対応した５×１０^-5ｍよりも小さいエアギャップ
の値となる。この場合、エアギャップは、たとえ値が重なったとしても、上述の
式以外の理由を考慮して決定される。

【００２５】結果として、この発明は回転式で約４０ｍｍから５０ｍｍよりも大きなサイズ
の装置に適用される。このような装置は、図７の範囲２５で示されるように、Ｕ _max が１．２×１０^-4Ｊ／０．７μ₀よりも大きい。

【００２６】実際には、制御動作については非常に高い動作品質が必要とされない場合、例
えば歯の端部でＢをＪよりも５％だけ大きくすることができる。この場合、軟磁
性体での磁位差の低下が許容できものであれば、Ｅは式μ₀Ｕ_max／１．０５Ｊに
より定義付けられる。しかしながら、実際には、軟磁性体、特に歯においての磁
位差の損失は無視できないので、２つの歯の組の間に残留している磁位差は例え
ばＵｍａｘのたったの８４％である。このようにして、０．８４μ₀Ｕ_max／１．
０５ＪによってＥの限界値を定義付けることができ、Ｅ≧０．８μ₀Ｕ_max／Ｊと
なる。それにもかかわらず、軟磁性体によっては、Ｂ＝１．０５Ｊにおいてアン
ペア回数の損失が大きくなる。そして、印加あるいは発生する電力（装置がモー
タであるか発電機であるかによる）の関数としてのトルクの線形性に過度に影響
を及ぼすことなく、軟磁性体で発生した磁位差の３０％が損失となるのを容認す
ることは妥当であり、この場合、Ｕ_maxの３０％即ち０．７Ｕ_maxが歯の間に残る
ことになる。

【００２７】このように、この発明によればＥの好ましい値は以下の関係に従う。（４）Ｅ≧０．７μ₀Ｕ_max／Ｊこのような装置のサイズを大きくすることは、製造、センタリング及び熱膨張
に対して順応するために必要なクリアランスに必要とされる許容度を大きくする
ので、従来の装置におけるエアギャップの向上もＵ_maxとともに大きくなるので
ある。それにもかかわらず、従来の装置では、常にエアギャップをできるだけ小
さく保つようになされ、そしてこのことは、エアギャップが上記（４）式よりも
緩い勾配でＵ_maxの関数として増大することを意味する。従って、それによって
より好ましいＥ≧０．７μ₀Ｕ_max／Ｊに達せさせることなく、エアギャップを大
きくすることによって既存の装置を改善することができる。

【００２８】この関係において、大きなＵ_maxを発生できるサイズの大きな装置では、軟磁
性体の磁気回路が長いので損失が大きいが、用途によっては（例えば、走行用モ
ータ）許容範囲内である。従って、μ₀Ｕ_max／Ｊの係数の値の低下を容認できる
。この減衰係数は以下の式によって定義付けられる。Ｅ≧０．７μ₀Ｕ_max／Ｊここで、ｋ＝１−５×１０^-4（Ｕ_max−１．７×１０^-4Ｊ／μ₀）但し、ｋ≧０．５

【００２９】従来の装置のエアギャップＥは１ｍｍから２ｍｍまでを超えていないので、エ
アギャップの最適値である上記（４）式の関係によって与えられた値より小さく
残留している間でさえ、エアギャップを１ｍｍから２ｍｍまでを超えて大きくす
ることによって大型装置の性能を改善することができる。

【００３０】エアギャップを大きし、エアギャップ内の誘導を一定に保った状態で、ステー
タ及びロータの軟磁性体内での磁位差の損失はほぼ一定に維持される。このよう
に、トータルの磁位差Ｕｍａｘと比べてみると、この損失は減少しており、それ
によって、供給された電力の関数としてのトルクを発生する装置の特性を線形に
できる。トルクと同様に、供給電力はＵ²の項を有している。逆に言えば、上述
（M. Jufer 章11.19.1）の従来装置においては、軟磁性体での磁位差の損失は、
歯の端部間に存在する磁位差の数倍になり得る。従来の装置においては、トルク
と供給電力との間に線形性は期待できない。

【００３１】例えば、ハイブリッドモータ、即ち永久磁石を有しているモータ、に関係する
具体例において、軟磁性体がＪ＝２Ｔの性質があるシリコン−鉄であり、ステー
タの各磁極片が通電により１６０Ａｔを発生する場合、Ｕ_aは同様に約１６０Ａ
ｔの値となるように選択され、Ｕ_maxは３２０Ａｔとなる。このようなモータに
適用される寸法選定法によりＥの値は１．６×１０^-4ｍ即ち０．１６ｍｍとなり
、この値は従来の作動装置の値よりもかなり大きい。

【００３２】この発明の他の特徴、目的及び有利な点は、請求項、以下に述べる詳細な説明
及びそれに伴う図面から明らかである。例えば、図面はこの発明のモータの２つ
の具体例及びそれらの寸法を示している。

【００３３】

【発明の実施の形態】

図１において、この発明のハイブリッドモータは、ステータ１と、シャフト３
に取り付けられたロータ２とを有している。シャフト３は、ステータ１に関して
シャフト３がセンターになるように配置されたモータのケーシング（図示しない
）に支持されたベアリング（図示しない）に差し込まれている。

【００３４】ステータ１は、例えばシリコン−鉄の板の積層体から構成された磁気回路部分
４を有している。電磁コイル５が以下に説明するようにステータに取り付けられ
ている。ロータ２は、例えばシリコンアイアン薄板の積層体でそれぞれ構成され
た２つの磁極片６及び７を有している。これらの磁極片は、磁気特性に影響を与
えないがロータの慣性を低減するために、それぞれ同軸の窪み８及び９を有して
いる。永久磁石は、環状のディスク１０の形状にされて磁極片６及び７の間に配
置され、シャフト３に心を合わせて整列させた積層体が形成されている。永久磁
石１０は、軸線方向に磁化されており、この方向の厚さはその外径より非常に小
さくなっている。

【００３５】図２は、軸線方向に見たときのロータ及びステータを示している。この図にお
いて、ステータ１の磁気回路部分４は、実質的に環状の部分１１と、基本的にス
テータの内側に向かって延びている１２のような複数の磁極片とを有している。
磁極片１２のそれぞれは、本体部分と、複数の歯１４で形成された１組の歯の組
１３とを有している。電磁コイル５、５’は、１５、１５’のような絶縁支持体
に組み込まれ、磁極片の本体部分に取り付けられている。これらの磁極片は、軸
線方向に一定の長さで、モータの径方向の平面で一定の長さである。このように
して、コイル及び絶縁支持体の組立体はステータの内側から磁極片に配置される
ことができる。この絶縁支持体１５、１５’は、少し弾性を有しており、磁極片
の側面に設けられた窪み１７に合わせて入るように調整された突出部分１６とと
もにそれらの内側に供給されることができるので、コイルは磁極片に保持される
。これらの磁極片の形状、特に歯に向かっていくらか広がっている部分が無いた
め、図に示すように組立体として形成されることができ、もとの状態でかなり複
雑で高価なコイルを巻く必要を避けることができる。

【００３６】図２に示される磁気回路部分４の外形は、断面が八角形状であり、ステータは
８つの磁極片１２を有している。このような八角形にすることにより、固定及び
センタリング用の開口即ち穴１８を八角形の角部分に設けて、磁気回路を弱め、
断面積の低下した部分で飽和が起こる危険性を避けることができる。

【００３７】図４のハイブリッドモータは、４つの磁極片１２’を有していることを除き、
図２のそれと極めて類似している。図２の実施形態で４つのコイルが用いられて
いる代わりに１相当たり２つのコイル５”及び５”’を使用しているので、それ
ぞれのコイルがより多くの銅を有しているため、１つのコイル当たり２倍の電力
を与えることができる。このため、８つの磁極片及び８つのコイルを有している
図２の構成の装置よりも、１つのコイル当たりにほぼ２倍のアンペア回数を発生
させることができる。

【００３８】その外面において、ロータ２は、一定のピッチで１組の歯の組１４を形成する
１続きの歯列１９を有している。

【００３９】図３は、ステータの１つの磁極片の歯１３に対向して配置されたロータの歯２
０の詳細を示している。歯１４及び１９並びに近接した窪み部分２１及び２２の
形状及び寸法は、ステータの窪み部分がロータの窪み部分よりも深いことを除い
て、互いに類似している。互いに対向配置された２つの歯は、それらの間に径方
向の幅Ｅのエアギャップを形成している。ここで、Ｅは歯の高さに比べて小さく
なっている。図３に示される歯の組の特徴は、特に窪み２１、２２の形状であり
、この形状はモータの径方向面内で実質的に放物線であるのが望ましく、窪み部
分および歯の輪郭のコーナーでのそれらの接線の間に形成される角度βの値は約
１１０°であり、９５°から１２５°までの範囲内でも良く、好ましくは１０５
°から１１５°までの範囲内である。この形状は、歯に好ましい深さ（ｄ）を与
えながら歯の端部における磁位差の損失を顕著に低減できるので、誘導が大きな
ときに特に有利である。

【００４０】この発明によれば、エアギャップの寸法選定は、エアギャップＥに電力供給す
るコイルのアンペア回数に等しい最大磁位差Ｕ_ni(max)に依存する。この磁位差
は、モータが安定状態下、あるいは低いデューティーレシオの状態下のどちらで
も、最大電流ｉによって制限される。その場合、電流の大きさは安定状態下での
最大電流の倍数となる。

【００４１】図１、２及び４の実施形態（ハイブリッドモータ）において、永久磁石は、最
大電流によって発生するのとおおよそ同じ磁位差を、そのエアギャップにおいて
発生するように、即ちＵ_aがＵ_ni(max)とほぼ等しくなるように選択され寸法選定
される。従って、対向している歯の間の最大磁位差はＵ_(max)＝２Ｕ_ni(max)とな
る。

【００４２】上述のモータに磁気回路がＪ＝２Ｔの性質があるシリコン−鉄を用いて、安定
した動作をするように最適化すると、コイルはＵ_ni(max)≒１６０Ａｔ発生する
ことができる。上記関係Ｅ≧０．８μ₀Ｕ_(max)／Ｊを適用すると、Ｅ≧１．６１
×１０^-4ｍとなる。それぞれの相のトルクの関係において、極めて線形状でゆが
みがほとんどないことが必要とされる状況下を除き、下限値よりもずっと大きい
値、例えば、２．２×１０−４ｍ、即ち３７％大きい値をとることは適切でない
。なぜなら、より大きなギャップが最大トルクのには有害であるからである。エ
アギャップ及び歯の端部における最大誘導は、上述の例では約１．８Ｔとなる。

【００４３】それにもかかわらず、以下の関係によって定義付けられた値の範囲内に残すこ
とが有利である。０．７μ₀Ｕ_(max)／Ｊ≦Ｅ≦１．１μ₀Ｕ_(max)／Ｊ

【００４４】上限値は、軟磁性体の磁位差の損失が大きくとも、最大トルクの損失が下限値
Ｅに対して３０％より小さく、優れた直線性が得られるようにする大きな誘導を
与えるように経験的に選択される。

【００４５】永久磁石は、連続した２つのエアギャップに供給するので、耐蝕層及び薄板間
の隙間でのさまざまな損失を埋め合わせるのに充分以上の３２０Ａｔの磁位差を
発生する。これは、図４に示されたモータ、即ちステータに１相当たり２つの磁
極片を有している２相モータにおいて、１．５ｍｍの厚さを有するＮｄＦｅＢ（
ネオジム−鉄−ホウ素）磁石によって容易に達成できる。その値は、最大ＢＨ点
より少し小さくなる。この動作点は軸線方向のロータの磁極片の長さによって、
及び永久磁石の磁界によって調節される。従来技術に用いられる最小エアギャッ
プは、ＮｄＦｅＢ磁石を用いて、しばしばＢ／μ₀Ｈ＝−４から−５によって特
徴付けられる負荷線があった最大ＢＨ点に近づけるときに、磁石の動作点を調節
することを困難にさせる。そのことは、この発明における永久磁石のそれより大
量の磁石を用いることが必要であることを意味し、よりコストがかかった。

【００４６】この発明のモータにおいて、１回転当たり２Ｐ×Ｎ周期で寄生的な緩和トルク
を減衰することが有利である。ここで、Ｐはモータの相の数、Ｎはロータの歯の
数である。この緩和トルクは、永久磁石によって供給され、エアギャップの分極
磁位差の二乗に比例して大きくなるが、エアギャップを大きくすると急勾配に低
減する。それを除去するために、あるいは少なくとも完全でなくてもそれを縮小
するために、それぞれの歯による２Ｐ^th調和を表したベクトル和が零になるよう
にステータのそれぞれの磁極片での歯間ピッチを従来同様に変更することができ
る。

【００４７】上述のモータが２５％のデューティーレシオで動作するよう最適化される場合
、磁位差が２倍で、好ましいエアギャップが０．３２ｍｍとなる。”出力率”と
して知られる機械動力Ｃ²／Ｉの増加の割合は、従来技術で可能な最小のエアギ
ャップとなっているものと比較して、驚くべきことに、２倍以上となる。ここで
、Ｉはロータの慣性モーメントである。

【００４８】通常のモータあるいは発電機に比べて製造の許容度を緩めることに加えて、こ
の発明の装置におけるエアギャップの増大はまた、製造上多くの利益を得ること
を可能にさせる。例えば、ロータの永久磁石は、ステータの中にロータを入れ込
むためのクリアランスが大きくなるため、それがステータの外側にある間に磁化
されることができる。このような磁化は、よりよくこの永久磁石を飽和させ、も
との磁化にショックを与えることによる磁化の変形を避けることを可能にさせる
。しかしながら、上述のステータの外側で磁化することにより、モータのロータ
をそれぞれが永久磁石と対応する磁極片とを有する２つの組立体で構成すること
が可能となる。この磁極片は、外側の磁極片から、第１の永久磁石、２つの接触
した中央磁極片、第２の永久磁石、及び外側の磁極片に延びた軸線方向に連続し
て形成されたものである。このような状況下で、永久磁石は、同一極性、例えば
Ｎ極を有する中央磁極片を配置することで、逆方向に磁化させることができる。
従って、磁極片の反対側にはＳ極が現れる。このことにより、中央磁極片が逆の
極性を有して組み立てられたモータにおけるロータを磁化する場合で、ロータの
端部間で磁気漏れがなく、中央磁極片を磁気的に分ける必要もなくなる。

【００４９】図４に示されるような４つの磁極片を有したステータとＮ＝５０の歯を有した
ロータとを有するハイブリッドモータにおいて、磁力の力学的バランスはロータ
が２つの磁極片を有するときの最適条件ではない。３つの磁極片で、図５に示さ
れる具体例での説明のように、かなりよいバランスが得られる。

【００５０】エアギャップがロータ及びステータを構成する薄板を同時に打ち抜くようにす
るのに十分大きくなっていることは、この発明の利点というべきである。これは
製造を簡素化し、材料の大きな削減を与える。

【００５１】図５は、純粋な可変磁気抵抗３相モータを示している。このモータは、歯を磁
化する永久磁石を有していない。このモータは、ステータ１に設けられた１相当
たり２つ即ち６つの歯のない磁極片１２”と、ロータ２に設けられた４つの歯１
９”とを有している。電気制御の最新の可能性を有したこの形式のモータに再度
関心が増加している。この発明において、スイッチングに便利であり、通電され
ない状態で、ロータに緩和トルク及び磁気損失がないので、それは優れたサーボ
モータを構成することができる。モータの慣性モーメントは、ロータの直径が磁
位差を発生する必要のある永久磁石の範囲で決定されているハイブリッドモータ
の慣性モーメントよりも大変小さくなる。通常、サーボモータは安定状態で適応
される電流よりも８から１０倍のピーク電流に適応するように作製される。

【００５２】安定した電流が１つのコイル５当たり１５０Ａｔ発生させる場合、上述のハイ
ブリッドモータの例と同一サイズのモータでは、エアギャップは少なくとも１２
００Ａｔの最大磁位差となるように寸法選定しなければならない。これは、エア
ギャップＥが少なくとも０．６ｍｍでなければならないことを意味し、製造上の
精密性及び他の許容度に左右される約０．１ｍｍ以下の従来のエアギャップより
もかなり大きい。

【００５３】ステータの１つの磁極片当たりたった１つの歯、及び一定のエアギャップで、
パーミアンスの関数Ａ＝ｆ（α）における低い調和成分を得ることは困難である
。例えば、図５に示されるように、平坦な端部を有するステータの磁極片に協動
する円筒状のロータを用いることがより適切である。２つの歯が互いに面してい
るとき、それらの間のエアギャップＥは対称軸上にある最小値のどちらかのサイ
ドの最大値の間でわずかに変化する。このような状況下で、請求される寸法選定
の最適条件で使用するためのエアギャップＥは、最小エアギャップである。図６
の変形例は、ロータ２"'が８つの歯１９"'を有していることを除き、図５におけ
る変形例と類似している。歯間の窪み部分２２”は、上述の図５に示された歯と
同様の理由で、都合よく放物線形状にすることができる。ロータのそれぞれの磁
極片は、端部から離れるときの誘導を低減するために、その端部に面取り部２６
を有している。ロータの歯の端部２７は、そのロータに外接する円と同一半径を
有している。ステータの磁極片１２”のそれぞれの端部２８は、ステータ及びロ
ータの歯が互いに対向しているときに、それらの間のエアギャップが変化するよ
うな半径でカーブしている。この例においては、かなり低い割合の高調波成分を
含んだパーミアンスの変動量の関数を得るために、磁位差Ｕ_maxは１１００Ａｔ
で、エアギャップは５×１０^-4ｍの最小値Ｅから約１．６５Ｅ、即ち８．２５×
１０^-4ｍまで変化するようになっている。

【００５４】この発明は、他のモータの変形、例えば、T. Kenjoによる３３頁の図2.19（リ
ニアモータ）及び３４頁の図2.22（連続した２つのエアギャップ）によって述べ
られた構造を有するモータに、この発明の範囲を超えることなく適用できる。

【００５５】他の可能性及び利点は、この発明のモータの製造及び使用の両方に関する技術
を有する者にとっては明白である。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施形態の特にハイブリッドモータの軸線に沿
った断面図であり、この断面は図２におけるＩ−Ｉ線についてのものである。

【図２】図１のモータの軸線方向に見た正面図である。

【図３】この発明のモータの歯の部分を示す拡大した詳細図である。

【図４】この発明のハイブリッドモータの変形例の軸方向に見た正面図で
ある。

【図５】この発明の特に可変磁気抵抗のモータあるいは発電機の別の変形
例の軸方向に見た正面図である。

【図６】この発明の可変磁気抵抗のモータあるいは発電機の別の変形例の
軸方向に見た正面図である。

【図７】この発明の装置における最小エアギャップＥと最大磁位差Ｕ_max
との間の最適関係を示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者ウルイレ、ジャン−フランソワスイス国、2732 ルコンヴィレ、リュ・ドゥ・ブリュイ 36

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単相又は多相の直線式又は回転式のモータあるいは発電機で
ある電磁装置であって、一方の歯の組がステータに設けられ、他方の歯の組がロータに設けられ、相対
的に移動可能な少なくとも２つの軟磁性体でできた歯の組を各相毎に有し、約１．７×１０^-4Ｊ／μ₀アンペア回数（Ａｔ）の最大磁位差Ｕ_maxを発生でき
る寸法を有する電磁装置に於いて、ロータ及びステータの歯の間の最小エアギャップの幅Ｅが、それらの自由度に
対して垂直方向に測定して、ほぼ次の値以上であることを特徴とする電磁装置。０．７［１−５×１０^-4（Ｕ_max−１．７×１０^-4Ｊ／μ₀）］μ₀Ｕ_max／Ｊ但し、［１−５×１０^-4（Ｕ_max−１．７×１０^-4Ｊ／μ₀）］≧０．５のとき、Ｅは、ほぼ０．３５μ₀Ｕ_max／Ｊの以上であり、［１−５×１０^-4（Ｕ_max−１．７×１０^-4Ｊ／μ₀）］＜０．５のとき、Ｅは、２×１０^-3ｍより大きい値であり、 μ₀は真空の透磁率、Ｕ_maxは磁界がエアギャップＥを横切るようにする最大磁
位差、上記磁位差は、そのエアギャップに供給するコイルのアンペア回数だけに
よるものか、あるいはこのアンペア回数と永久磁石による無電流状態での２つの
歯の組の間の磁位差との合計によるものか、のいずれかであり、Ｊは歯の作製に
用いられる軟磁性体の最大分極
【請求項２】エアギャップの幅Ｅは、ほぼ１．１μ₀Ｕ_max／Ｊ以下である
ことを特徴とする請求項１に記載の電磁装置。
【請求項３】エアギャップの幅Ｅは、１．２×１０^-4ｍよりも大きいこと
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電磁装置。
【請求項４】エアギャップの幅Ｅは、１．５×１０^-4ｍよりも大きいこと
を特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の電磁装置。
【請求項５】ロータの歯間の窪み部分（２２，２２”）は、実質的に放物
線形状をしていることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載の電磁
装置。
【請求項６】ステータの歯間の窪み部分（２１）は、実質的に放物線形状
をしていることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載の電磁装置。
【請求項７】歯の輪郭の角部における接線間に形成される角度βは、９５
°から１２０°の範囲内にあることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の
電磁装置。
【請求項８】角度βは、１００°から１１５°の範囲内にあることを特徴
とする請求項７に記載の電磁装置。
【請求項９】ステータ（１２）の複数の磁極片は、軸線方向に一定の長さ
で、径方向面内で一定の幅であり、コイル（５）が絶縁支持体（１５）に組立体として組み込まれており、上記コイル及びステータの磁極片は、この組立体コイルが上記ステータの磁極
片に組み込まれることができるように調整されていることを特徴とする請求項１
乃至請求項８の何れかに記載の電磁装置。
【請求項１０】電磁装置は、エアギャップの末端における磁位差のトータ
ルがほぼ０．５Ｕ_maxに等しくなるように磁位を分配する永久磁石（１０）を有
するハイブリッドモータであることを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れか
に記載の電磁装置。
【請求項１１】ロータ（２）は、ほぼ円筒形状であり、軸線方向に磁化された環状のディスクに形成された永久磁石と、上記ディスク
の両側に配置された２つの透磁性のロータ磁極片（６，７）とを、軸線方向に整
列させた少なくとも１つの組立体によって構成されていることを特徴とする請求
項１０に記載の電磁装置。
【請求項１２】電磁装置は、可変磁気抵抗のモータあるいは発電機である
ことを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れかに記載の電磁装置。
【請求項１３】ステータの磁極片（１２”）の端部（２８）は、ステータ
及びロータの歯が互いに対向しているときに、それらの間のエアギャップの幅が
変化するように曲率をもって曲げられていることを特徴とする請求項１２に記載
の電磁装置。
【請求項１４】エアギャップ幅Ｅは、ほぼ０．７μ₀Ｕ_max／Ｊの値以上で
あることを特徴とする請求項１乃至請求項１３の何れかに記載の電磁装置。
【請求項１５】エアギャップ幅Ｅは、ほぼ０．８μ₀Ｕ_max／Ｊの値以上で
あることを特徴とする請求項１４に記載の電磁装置。