JP5252607B2 - 円周状にスキューされた回転子極または固定子コイルを有する電気機械 - Google Patents

Description

本発明は、不均一な回転子極パターンおよび／または不均一な固定子歯パターンを有する電気機械に関する。

図１によれば、従来の電気機械１００の回転子１０１は、回転子周囲に沿って均一に分割された複数の磁気回転子極１０２を備える。隣接する２つの回転子極間（中心線）の角距離は、極ピッチ１０３と称され、それらは全て、等しい値αを有する。同様に、従来の電気機械１００の固定子１１０は、固定子スロット１１２によって離隔され、均一に分散配置された複数の固定子歯１１１を備える。導電体１１３は、固定子スロット内に延在しており、隣接する２つの導電体間（中心線）の角距離は、コイルピッチ１１４と称される。図１による従来の電気機械１００において、導電体は、それにより、値βを有する均一なコイルピッチ１１４だけ距離をおいている。

永久磁極を有する回転子は、コギングと称される周期的トルクによって引き起こされるトルクリップルを呈する。コギングは、最小磁気抵抗の位置に自己整合する回転子および固定子の傾向に起因し、この現象は、非励起機械においてさえも存在する。コギングは、回転子極が固定子歯の端縁を越えて移動しているときに生じる。コギングの大きさは、個々の回転子極と固定子歯との間の相互作用の合計であり、回転子極数と固定子歯数との間の関係に依存する。

コギングの問題は、従来は回転子極を調整することによって対処されている。例えば、永久磁石機においては、回転子極が軸方向に延在している列状に配置された数個の磁石を備えるとき、円周方向に互いに関して個々の磁石をスキューすることが知られている。また、固定子歯の端縁を越える移動をより滑らかにするように永久磁石を成形することも知られている。さらにまた、隣接する回転子極の角距離が不均一になるように距離を調整することも知られている。対応する調整手段が固定子歯に適用することもできるが、多くの場合において、回転子極を調整することの方が、固定子歯を調整するよりも実際には適している。

米国特許第４，７５１，４１６号明細書は、回転子上に不均一に分散配置された磁極を有する永久磁石モータを開示している。この磁極は、固定子スロットピッチのほんの一部に対応する角度、すなわち、隣接する固定子歯の端縁間の角距離だけ動かされる。米国特許第４，７５１，４１６号明細書のいくつかの実施形態において、回転子に作用する磁力は平衡がとれていないが、他の実施形態においては、磁力は平衡がとれている。平衡がとれている実施形態において、磁極は、対で有効に調整される。

米国特許第６，２８５，１０４号明細書は、回転子上に不均一に分散配置された磁極を有する永久磁石モータおよび同期リラクタンスモータを開示している。米国特許第６，２８５，１０４号明細書は、さらに不均一に分散配置された固定子歯を有する固定子をも開示している。米国特許第６，２８５，１０４号明細書の実施形態の全てによれば、磁極または固定子歯は、回転子に作用する磁力が不平衡であるように動かされる。

不平衡の磁力は、許容できない強さになることがある振動を不平衡さが引き起こすので明らかに望ましくない。対で回転子極を調整することもまた、製造の観点から、この調整の複雑さのために望ましくない。したがって、磁気的に平衡がとれた、磁極の対での調整に対する代替案を提供するという願望がある。

ＪＰ８２５１８４７明細書は、回転子上に不均一に分散配置された磁極を有する永久磁石機械を開示している。極は、極の組の中心位置を対称に調整することで平衡に調整される。回転子は単一の非分割部分からなる。

ＪＰ２００５１３７１１７明細書は、回転子が複数の別個の部分に分割されている永久磁石機械が開示している。

ＪＰ３２８４１４８明細書は、コイルを均一の円周距離に維持しながら回転子極の組を時計回り又は反時計回りの方向にシフトさせてコギングトルクを低減する電気機械を開示している。

本発明の１つの目的は、コギングの問題が扱いやすい製造形態で対処される電気モータを提供することである。

この目的は、添付された請求項１および請求項５による装置によって実現される。

本発明の第１の態様によれば、電気機械用の回転子が提供される。本回転子は、少なくとも４からなる偶数であるｎ_ｐｓ個の極部を備える。各極部は、１よりも大きい整数であるｎ_ｐ個の極を備える。各極部内の隣接する極は、値α_１を有する第１の極ピッチだけ距離をおいている。異なる極部に属する隣接する極は、各極部の一端において値α_２を有する第２の極ピッチだけ距離をおいており、かつ各極部の他端において値α_３を有する第３の極ピッチだけ距離をおいている。値α_１、α_２およびα_３の全ては異なる。均一な極ピッチを有し、かつ極部間で偏位した極ピッチを有する極部を設けることにより、個々にまたは対で磁極を調整する必要なく、コギングの問題に対処することができる。

本発明の一実施形態によれば、値α_２は値α_１よりも小さく、値α_３は値α_１よりも大きい。この実施形態は、円周状に組をなして磁極をスキューさせる単純な方法において実現され、好ましいコギング特性を提供する。

本発明の一実施形態によれば、極は、回転子の中心軸まわりに略対称に整列されている。極の対称整列により、磁力の平衡がとれ、それにより、振動のない機械作動が可能になる。

本発明の一実施形態によれば、回転子は、異なる極部間の界面に沿って複数の別個の部分に分割されている。この手段により、回転子部品は、より小さく、かつ軽量になり、それにより、取り扱いがより容易となる。

本発明の一実施形態によれば、回転子部分の全ては、略同一の構成を有する。この状態は、回転子が回転子断面の対称軸に沿って複数の部分に分割され、かつ回転子が軸方向に対称であることを前提とする。同一構成を有する回転子部分を設けることにより、非類似の回転子部品数がより少なくなる。

本発明の第２の態様によれば、電気機械用の固定子が提供される。この固定子は、少なくとも４からなる偶数であるｎ_ｃｓ個のコイル部を備える。各コイル部は、１よりも大きい整数であるｎ_ｃ個の導電体を備える。各コイル部内の隣接する導電体は、値β_１を有する第１のコイルピッチだけ距離をおいている。異なるコイル部に属する隣接する導電体は、各コイル部の一端において値β_２を有する第２のコイルピッチだけ距離をおいており、かつ各コイル部の他端において値β_３を有する第３のコイルピッチだけ距離をおいている。値β_１、β_２およびβ_３の全ては異なる。均一なコイルピッチを有し、かつコイル部間で偏位したコイルピッチを有するコイル部を設けることにより、単純な方法でコギングの問題に対処することができる。

本発明の一実施形態によれば、値β_２は、値β_１よりも小さく、値β_３は、値β_１よりも大きい。この実施形態は、円周状に組をなして固定子コイルをスキューさせる単純な方法において実現され、好ましいコギング特性を提供する。

本発明の一実施形態によれば、導電体は、固定子の中心軸まわりに略対称に整列されている。導電体の対称配置により、平衡がとれた磁力が可能になり、それにより、振動のない機械作動が可能になる。

本発明の一実施形態によれば、固定子は、異なるコイル部間の界面に沿って複数の別個の部分に分割されている。この手段により、固定子部品は、より小さく、かつ軽量になり、それにより、取り扱いがより容易となる。

本発明の一実施形態によれば、固定子部分の全ては、略同一の構成を有する。この状態は、固定子が固定子断面の対称軸に沿って複数の部分に分割され、かつ固定子が軸方向に対称であることを前提とする。同一構成を有する固定子部分を設けることにより、非類似の固定子部品数がより少なくなる。

本発明の一実施形態によれば、第１のコイルピッチだけ距離をおいている隣接する導電体は、第１の固定子歯によって離隔されており、第２のコイルピッチだけ距離をおいている隣接する導電体は、第２の固定子歯によって離隔されており、第２の固定子歯は第１の固定子歯よりも狭いか、または、第２の固定子歯は省略されている。固定子歯の幅を調整することは、円周状に固定子コイルをスキューさせる単純な方法である。固定子歯を省略することにより、非現実的に狭い固定子歯の製造が回避される。

本発明の一実施形態によれば、第１のコイルピッチだけ距離をおいている隣接する導電体は、第１の固定子歯によって離隔されており、第３のコイルピッチだけ距離をおいている隣接する導電体は、第３の固定子歯によって離隔されており、第３の固定子歯は、第１の固定子歯よりも広い。固定子歯の幅を調整することは、円周状に固定子コイルをスキューさせる単純な方法である。

本発明の第３の態様によれば、回転子を備える既存の電気機械のコギングの問題に対処する方法が提供される。本方法は、回転子を、回転子極間で複数の半径方向部分に分割するステップと、部分端部から回転子の鉄の区域を除去するステップと、対向する部分端部に回転子の鉄の区域を追加するステップと、改変された部分を接合して回転子を一体形成するステップとを備える。この手段により、既存の電気機械の回転子を、コギングの問題に対処する単純な方法で改変することができる。

本発明の第４の態様によれば、固定子を備える既存の電気機械のコギングの問題に対処する方法が提供される。本方法は、固定子を、固定子歯を横断して複数の半径方向部分に分割するステップと、部分端部から固定子の鉄の区域を除去するステップと、対向する部分端部に固定子の鉄の区域を追加するステップと、改変された部分を接合して固定子を一体形成するステップとを備える。この手段により、既存の電気機械の固定子を、コギングの問題に対処する単純な方法で改変することができる。

本発明は、以下の添付図面を参照しながらより詳細に説明される。

回転子における均一な極ピッチおよび固定子における均一なコイルピッチを有する従来の電気機械を示している。 本発明による回転子を示している。 本発明による固定子を示している。

図２を参照すると、４つの極部２０１を備える電気機械用の回転子２００が示されている。各極部２０１は、４つの磁極２０２を備え、各極部２０１内の隣接する極２０２は、値α_１＝２２．５°を有する第１の極ピッチ２０３だけ互いに距離をおいている。異なる極部２０１に属する隣接する極２０２は、各極部２０１の一端において値α_２＝２０°を有する第２の極ピッチ２０４だけ距離をおいており、かつ各極部２０１の他端において値α_３＝２５°を有する第３の極ピッチ２０５だけ距離をおいている。したがって、図１の均一に分散配置された極１０２と比較して、１つおきの極部２０１内の極２０２の全ては、１．２５°の角度だけ時計回りに動かされる一方で、残りの極部２０１内の極２０２の全ては、同じ角度だけ反時計回りに動かされると考えられることができる。

図２による回転子２００を、異なる極部２０１間の界面に沿って４つの別個の部分に分割することができる。結果として、等しく距離をおいている極２０２を備える４つの回転子部分が実現される。実際に、回転子断面の対称軸に沿って分割が行われると、結果としての隣接する回転子部分は鏡像になる。これは、回転子部分が軸方向に対称であり、回転子部分の全てが同一構成になるように設けられるということを意味する。製造観点から、個々に各極対を調整する代わりに、均一な極ピッチ２０３を有する同一の部分から回転子２００を構成することは非常に有利である。回転子２００を部分に分割することにより、個々の機械部品がより小さくなり、それにより、取り扱いおよび運搬がより容易となるというさらなる効果が得られる。

図１の従来の回転子１０１から始めると、本発明による回転子２００は、従来の回転子１０１を、回転子極１０２間で４つの同一部分に分割するステップと、対向する２つの分割界面において部分端部のそれぞれから１．２５°の回転子の鉄の区域を除去するステップと、残りの２つの分割界面において部分端部のそれぞれに１．２５°の回転子の鉄の区域を追加するステップと、改変された部分を接合して本発明による回転子２００を一体形成するステップとをとることによって実現される。もちろん、除去され、かつ追加された回転子の鉄の区域の大きさは、対象となる回転子の構成に応じて変化させることができる。

図３を参照すると、４つのコイル部３０１を備える電気機械用の固定子３００が示されている。各コイル部３０１は、固定子歯３０４間に画定された固定子スロット３０３内に延在している１２個の導電体３０２を備える。これらの１２個の導電体３０２は、１相あたり２つのコイルである電気的３相のコイルを表しており、各コイルは、固定子３００の第１の軸端からその第２の軸端まで延在している第１の導電体３０２を備え、さらに、固定子３００の第２の軸端からその第１の軸端まで延在している第２の導電体３０２を備える。実際には、各コイルは、２つの異なる固定子スロット３０３内に延在している単一のループから構成されているが、本発明を説明するために、異なる固定子スロット３０３内に位置する単一ループの部分は、別個の導電体３０２としてみなされる。

本例において、各コイル部３０１内の隣接する導電体３０２は、値β_１＝７．５°を有する第１のコイルピッチ３０５だけ互いに距離をおいている。異なるコイル部３０１に属する隣接する導電体３０２は、各コイル部３０１の一端において値β_２＝５°を有する第２のコイルピッチ３０６だけ距離をおいており、かつ各コイル部３０１の他端において値β_３＝１０°を有する第３のコイルピッチ３０７だけ距離をおいている。したがって、図１の均一に分散配置された導電体１１３と比較して、１つおきのコイル部３０１内の導電体３０２の全ては、１．２５°の角度だけ時計回りに動かされる一方で、残りのコイル部３０１内の導電体３０２の全ては、同じ角度だけ反時計回りに動かされると考えられることができる。実際に、この移動は、１つおきのコイル部３０１間の界面において、より狭い固定子歯３０４をもたらし、それに応じて、コイル部３０１間の残りの界面において、より広い固定子歯３０４をもたらす。図３において、より狭い固定子歯３０４は、完全に省略されている。

各コイル部３０１内の導電体３０２の数は、同じコイルに属する導電体３０２の全てが同じコイル部３０１内にあるように選択されなければならない。このようにして、コイルは、２つのコイル部３０１間の界面を横切らず、固定子３００を、コイル部界面に沿って別個の部分に容易に分割することができる。本例において、固定子３００はまた、それぞれが６つの導電体３０２を有する、すなわち、１相あたり１つのコイルである８つのコイル部３０１を備えることもできる。固定子３００をいくつかの別個の部分に分割することにより、個々の機械部品の大きさがより小さくなり、取り扱いおよび運搬がより容易になる。回転子２００と同様に、固定子断面の対称軸に沿って固定子３００を分割することにより、固定子３００が軸方向に対称であるという条件で、結果としての固定子部分の構成が同一となる。好ましい実施形態において、固定子３００は、異なるコイル部３０１間の界面に沿って複数の部分に分割される。

図１の従来の固定子１１０から始めると、本発明による固定子３００は、固定子１１０を、固定子歯１１１を横断して４つの同一部分に分割するステップと、対向する２つの分割界面において部分端部のそれぞれから１．２５°の固定子の鉄の区域を除去するステップと、残りの２つの分割界面において部分端部のそれぞれに１．２５°の固定子の鉄の区域を追加するステップと、改変された部分を接合して本発明による固定子３００を一体形成するステップとをとることによって実現される。固定子の鉄を除去した結果、残りの固定子歯３０４は、非常に狭くなることがある。場合によっては、図３に示されたように、これらの狭い歯３０４を、省略することができる。もちろん、除去され、かつ追加された固定子の鉄の区域の大きさは、対象となる固定子の構成に応じて変化させることができる。

ここで留意すべきは、上述した説明にしたがって回転子磁極２０２を動かし、かつ固定子コイルを動かすことにより、コギングの低減と同じ効果を実現することができるということである。本発明による回転子２００を、均一な導電体分布を有する従来の固定子１１０とともに使用することができ、本発明による固定子３００を、均一な極分布を有する従来の回転子１０１とともに使用することができる。さらにまた、本発明による回転子２００を、本発明による固定子３００とともに使用することができる。そのような組み合わせにおいて、回転子２００および固定子３００は、双方とも、不均一な極２０２および導電体３０２の分布をそれぞれ有する。さらにまた、極部数は、コイル部数とは異なる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、もちろん、当業者は、それらを特許請求の範囲によって規定されるような発明の範囲内で複数の方法で改変してもよい。したがって、本発明は、永久磁石機に限定されるものではなく、また、電気的に励起される機械またはリラクタンス機に適用されてもよい。さらにまた、極部２０１およびコイル部３０１の数は、対応する部分の数とともに、上述した例において述べられたものに限定されるものではなく、多くの場合において、より大きな部の数を有することが実際には有利である。

Claims (8)

1. 少なくとも４からなる偶数であるｎ_ｃｓ個のコイル部（３０１）を備え、各コイル部（３０１）が１よりも大きい整数であるｎ_ｃ個の導電体（３０２）を備え、各コイル部（３０１）内の隣接する導電体（３０２）が値β_１を有する第１のコイルピッチ（３０５）だけ距離をおいている電気機械用の固定子（３００）において、
   異なるコイル部（３０１）に属する隣接する導電体（３０２）が、各コイル部（３０１）の一端において値β_２を有する第２のコイルピッチ（３０６）だけ距離をおいており、かつ各コイル部（３０１）の他端において値β_３を有する第３のコイルピッチ（３０７）だけ距離をおいており、前記値β_１、前記値β_２および前記値β_３が全て異なることを特徴とする固定子（３００）。
2. 前記値β_２が前記値β_１よりも小さく、前記値β_３が前記値β_１よりも大きい、請求項１記載の固定子（３００）。
3. 前記導電体（３０２）が、前記固定子（３００）の中心軸まわりに略対称に整列されている、請求項１または請求項２に記載の固定子（３００）。
4. 前記固定子（３００）が、異なるコイル部（３０１）間の界面に沿って複数の別個の部分に分割されている、請求項１〜３のうちいずれか一項に記載の固定子（３００）。
5. 前記固定子部分の全てが、略同一の構成を有する、請求項４に記載の固定子（３００）。
6. 第１のコイルピッチ（３０５）だけ距離をおいている前記隣接する導電体（３０２）が、第１の固定子歯（３０４）によって離隔されており、第２のコイルピッチ（３０６）だけ距離をおいている前記隣接する導電体（３０２）が、第２の固定子歯（３０４）によって離隔されており、前記第２の固定子歯（３０４）が前記第１の固定子歯（３０４）よりも狭いか、または、前記第２の固定子歯（３０４）が省略されている、請求項１〜５のうちのいずれか一項に記載の固定子（３００）。
7. 第１のコイルピッチ（３０５）だけ距離をおいている前記隣接する導電体（３０２）が、第１の固定子歯（３０４）によって離隔されており、第３のコイルピッチ（３０７）だけ距離をおいている前記隣接する導電体（３０２）が、第３の固定子歯（３０４）によって離隔されており、前記第３の固定子歯（３０４）が前記第１の固定子歯（３０４）よりも広い、請求項１〜６のうちのいずれか一項に記載の固定子（３００）。
8. 請求項１〜７のうちのいずれか一項に記載の固定子（３００）を備える電気機械。

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