JPH11500897A

JPH11500897A - 多相ブラシレスａｃ電気機械

Info

Publication number: JPH11500897A
Application number: JP8517974A
Authority: JP
Inventors: クーテュレ、ピエール; フランクール、ブルーノ
Original assignee: Hydro Quebec Corp
Current assignee: Hydro Quebec Corp
Priority date: 1994-12-02
Filing date: 1995-11-15
Publication date: 1999-01-19
Also published as: TR199501515A2; CA2191128A1; WO1996017429A1; EP0795229A1; TW280964B; CN1157675A; AR000493A1; BR9508702A; MX9700858A; AU3865695A; US5753991A

Abstract

(57)【要約】交替する平行突起とスロットとを有する表面を備えたロータコアを含む整流子レス多相ＡＣ電気機械。各スロットは対応するスロットの最大巾の部分と実質的に同じ巾である開口をステータ表面に有する。前記機械はさらに、前記スロットと突起とに面する各表面部を有する磁石を備えた表面を有するロータコアを含む。磁石のすべての表面部は、対応するステータ表面に垂直な平均振幅成分Ｂ_r（θ）をもつ磁束密度を発生し、平均振幅成分Ｂ_r（θ）は実質的に以下の式（Ｉ）によって定義され、Ｌ_a（θ）は実質的に以下の式（ＩＩ）によって定義され、 θはロータコア上の基準位置に対するラジアンで表した角位置であり、Ｂ_r（θ）は角位置θにおける平均振幅成分であり、Ｌν（θ）は角位置θでの前記突起とロータコア表面との間の間隔であり、Ｍ_r（θ）は角位置θにおける残留磁気誘導成分であって対応するステータ表面に垂直かつ、４π／Ｋに対応する周期で交替し、Ｋはすべての表面部を表す偶数であり、Ｃは任意の定数である。また、前記整流子レス多相ＡＣ電気機械を動作する方法が開示される。

Description

【発明の詳細な説明】多相ブラシレスＡＣ電気機械発明の分野本発明はステータ枠とロータ枠とを有する多相ブラシレスＡＣ電気機械に関するものである。発明の背景外部ロータ及び内部ロータを有する円筒型回転機械が知られている。このような機械においては、磁石が機械の鋼製シリンダヘッドの内壁に固定されている。これらの磁石は鋼製突起によって一連のコンダクタのまわりに提供される磁界を生成する。電流がコンダクタを通して循環して、回転トルクを誘導すべく磁石によって生成された磁界に反応する。この電流を制御することによって回転トルクの大きさと方向とを制御することができる。さらに、米国特許第５３２７０３４号（発明者：COUTUREなど、許可日：１９９４年７月５日）が知られている。この特許に示されている電気的に駆動されるホイールアッセンブリは機械がホイールに含まれている駆動システムとして特に使用されている。ロータは電気的接触なしにタイヤを支持している外輪を直接駆動する。ステータはホイールの中央部に固定されている。この機械の動作時のパフォーマンスは、一方では、使用されている磁気回路の構成に依存し、他方では、電流及び磁石によって発生する各磁界の特性に依存する。このような電気機械のパフォーマンスを決定するために種々の要因を考慮する必要がある。第１に、コンダクタの電流によって発生する磁界強度がステータ枠における磁束密度分布に与える影響を考慮する必要がある。ステータの磁気回路は非線形の磁化曲線を有する金属シートからなる。この曲線は、空気の透磁率と等しい値に降下する所定の磁力レベルに到達するまで高い初期透磁率を示す。金属シートの磁束密度の分布は、磁化曲線に関連して、コンダクタの電流と磁石によって発生する磁界強度が付加されることによる。機械が磁化曲線の高透磁率領域で動作するとき、磁束密度はコンダクタの電流の増加に比例して増加し、これによって回転トルクが増大する。この場合は、２つの源の和による磁界は磁気回路のすべての領域で飽和閾値以下に維持される。コンダクタの電流は、全磁力が飽和閾値を越えるとともに、磁束密度が同じ比率に従わないレベルにまで増大する。この現象は両方の磁力が累積される磁気回路の領域において発生する。この点において、回転トルクの歪曲が始まって線形な増大が終わりになり、コンダクタの電流の増大に伴って飽和してしまう。第２に、ステータ金属シートの磁束密度の変動は、ヒステリシス効果とエディ電流に関連した損失の要因となる。このような損失は磁束密度に含まれる調波(h armonics)に比例する。ロータの回転中に各磁石と突起との間の吸引によって発生するコグトルク(cog ging torque)を考慮する必要がある。さらに、コンダクタ電流と磁石の磁界との積によって発生するトルク調波がコグトルクに付加される。第４に、銅製コンダクタによるスロット内に存在する空間の充満比率は機械の重量及び銅製コンダクタと鋼との間の熱伝導率に影響を与える。第５に、機械の全重量を最小にするために、磁束密度を最大かつ飽和しないようにして提供するのに磁気回路を使用しなければならない。したがって、機械の動作中において、機械の効率を増大するために、複数の要因を同時に考慮しなければならない。これらすべての要因は機械がモータホイールとして使用されるときに機械のパフォーマンスに実質的な影響を及ぼす。 JR.Hendershot Jr.の著書、“ブラシレス永久磁石モータの設計”は上記した問題を部分的に除去するために異なる構成を提案している。この書籍では、外部ロータを有する磁石機械の設計に対していくつかの規則を提案している。ロータは方形の磁石を有する円筒型シリンダヘッドから構成されている。ステータはロータに関して各軸方向の長さに沿って１スロット間隔(step)だけスキューされる傾斜した突起から構成されている。ステータの突起は、コンダクタを対応するスロットに１つずつ挿入するのに必要な最小の開口を得るために、スロットを部分的に覆う湾曲した先端部を有していなければならない。湾曲した先端部は磁石の磁界による飽和を防止すべく比較的一様な厚さを有していなければならない。このような機械においては、各ステータスロットのスキューした部分はコグトルクを低減する。スキューしたスロットは各ステータ突起の長さに沿ってコグトルクの漸次的位相シフトを引き起こし、これによって全体ですべての調波が相殺される。スキューしたスロットは米国特許第５３２７０３４号に記載されたアッセンブリで使用されている。この解決方法は単純だが、現実的には構成の複雑さを増大してしまう。さらには、この解決方法は回転軸に沿ったステータの軸方向の長さが比較的短い場合には実現することが困難である。湾曲した先端部により、コンダクタのまわりに磁界を生成するのに必要な磁石の量を最小にしながら、磁界の実質的な部分を提供することが可能である。しかしながら、この同一の湾曲した先端部においては、コンダクタを１つずつ対応するスロットに挿入しなければならない。したがって、スロットにコンダクタを順序よく積層することがむずかしくなるので、方形横断面のコンダクタを使用することはほとんど困難である。さらに、このような湾曲した先端部においては、方形横断面を有する大型のコンダクタを使用することは困難である。さらにこのような湾曲した先端部においては、コンダクタの電流によって生成された磁界強度が増大して、同一のスロットの湾曲先端部によって引き起こされる磁束漏れを発生してしまう。磁石によって発生する磁界強度を加算するにあたって、蓄積が起こる領域の全磁界強度は低い電流レベルにおいて飽和閾値に達する。トルクの線形部対機械の電流曲線は低電流値に制限される。 IEEE No.0018-9464/88/1100-2901からの論文はロータに関してスキューのないステータを有する線形機械を開示している。このようなタイプの機械においては、一様な磁化を有する方形磁石が使用される。この磁石はスキューのないステータとともに使用され、湾曲先端部を有するスロットなしの突起を備えている。磁石の巾ｗは（ｎ＋０．１４）ｐに等しい。ここでｎは整数であり、ｐはスロット間隔を表している。極間隔ｐに対するステータの突起の巾ｙについての比率ｙ／ｐは０．５に等しい。このタイプの機械においてはコグトルクの基本成分が除去される。突起のレラクタンストルクの基本成分は対応する磁石の側面の１つによって残されるが、他の側面から磁石へと発生する第２の基本成分に到来する次の突起のレラクタンストルクの基本成分を相殺する。その後、低い振幅のトルク調波のみが残る。比率ｙ／ｐが０．５のときに最善の結果が得られる。この方法によれば、機械構成は簡単になるが、上記した負の効果のすべてが除去されるわけではない。ステータの突起の１つによって発生する磁束は回転する間に台形形状にしたがって発生する。この形状は磁石の方形形状によるものである。突起及びステータの残りの部分における磁束密度は１つ以上の調波を具備する。各調波は、それ自身を機械の全損失に付加する損失を発生するエディ電流を含む。これらの損失は基本成分によって発生した損失に付加される。さらに、巻線によって得られた磁束の形状はステータがどのように巻かれているかに依存する。極及びスロットごとに１相の簡単な巻線では、磁束調波が存在して、相における電流が正弦波であるならばトルクリップルを引き起こす。このリップルは、各極下のスロットの数を増やすとともに、磁束調波をろ波するために互いに取り付けられた巻線を使用することによって低減することができるが、この場合はアッセンブリが複雑になってしまう。最後に、比率ｙ／ｐは構成を制限してしまう。シンポジュウムプロシーディング（ＥＶＳ１１、１９９２）において、論文、“電気自動車のための新規な高パワー密度の永久磁石モータドライブ”が公表されているこの機械は方形磁石を備え、コグトルクを防止すべく他の方法を用いている。これらの方形磁石はロータの内壁に固定される。ステータは部分的にスロットを包囲する湾曲した先端部を有する突起を具備している。スロットは円形コンダクタで満たされている。ステータのスロットの数に対するロータの極の数の比率は１１：１０である。この文献で提案されたものの目的はコグトルクを低減することにある。ステータの極の数に対するロータの極の数の比率はわり算により得られる。ステータ上で各ロータ極によって引き起こされたトルクの和から得られるトルクは一様である。しかしながら、磁束調波に関連した金属シートの損失問題が常につきまとう。機械が負荷の下で動作するときに一様なトルクを得るためには、巻線の電流は台形の形状を有していなければならない。これらの電流調波は表皮効果（ケルビン効果）のために負荷的損失を発生する。この機械はまた、湾曲した先端部を備えたスロットを有する突起を用いている。さらに、米国特許第３６０４９６１号が知られている。この特許に記載された機械は、ＤＣタイプであり、ロータ枠が回転しているときにコグトルクを低減するべく構成された永久磁石を有する極を備えたステータを用いている。この機械は突起と湾曲した先端部のないスロットを備えたロータを有する。ステータ極は一定の空気間隙でロータの周辺部を包囲する。この機械のコグトルクは連続するスロットとステータの各極の前を通過するロータの突起によって引き起こされる透磁率の変動によるものである。極は同じ大きさを有する正及び負の最大値を有する他のコグトルクを発生する。このタイプの標準的な機械では、極は互いに１８０の電気角度だけ離れている。各極によって生成されたコグトルクの正及び負の最大値は全コグトルクの増大に寄与する。２つのうち１極を所定の角度だけ相を変位することが可能であり、極の半分の正の最大値は他の半分の負の最大値に対応している。すなわち、極の１つの半分によって生成されたコグトルクの和は他の半分によって生成されたコグトルクの和を相殺する。提案された極の構成は各極から一部を除去することからなる。除去された部分は１つの極と他の極とで隣接している。すなわち、極全体を物理的に位相シフトしないで極のシフトを得ることが可能である。この方法によってモータの構成が簡単になる。しかしながら、極の平坦な外形のために、磁束調波が磁路に沿って発生して鉄損失を増大してしまう。他の従来技術として、米国特許第５１６２６８４号、第５２０６５５６号、第５１７００８４号、第５２０４５６９号がある。これらすべての特許はブラシを備えたＤＣ機械の回転枠の極に正弦波の磁束を実質的に生成する手段を示している。この正弦波磁束はステータ枠上に取り付けられた磁石によって発生する。動作時、この方法はコグトルクを低減することを可能にする。しかしながら、これらの米国特許に記載された各機械はブラシを用いているので、機械が複雑になり、かつ、より多くの保守を要してしまう。さらに他の従来技術として、米国特許第４９４０９１２号、第４９９４７０２号、第４３４１９６９号、第５１４２１７９号、第４９８０５９４号、第４８７６４７２号、第５１０５１１３号、第３２３４４１６号、第２６９５３７０号があるが、これらの米国特許はいずれもコグトルクの問題と調波の生成に関連した鉄損失の問題とを同時に解決することができない。本発明の第１の目的は、大きい電流帯域(band)内で線形なトルク対電流曲線を有するブラシレス多相ＡＣ電気機械を提供することにある。本発明の第２の目的は、ステータ枠内における磁束密度の調波歪曲による損失が低いブラシレス多相ＡＣ電気機械を提供することにある。本発明の第３の目的は、負荷あり及び負荷なしの状態でロータ枠とステータ枠との間のコグトルクが低いブラシレス多相ＡＣ電気機械を提供することにある。本発明の要約本発明によれば、多相ブラシレスＡＣ電気機械が提供され、交互に配置された平行なスロットと突起とを備えた表面を有するステータ枠であって、各スロットは前記表面に設けられた開口を有し、各開口は対応するスロットの最大の巾に実質的に等しいステータ枠と、前記スロットと突起に面した各表面部を有する永久磁化手段を備えた表面を有するロータ枠であって、前記各表面部は前記機械の多数の相に対応する多数の前記スロットに面しており、前記磁化手段の前記表面部のすべてはステータの対応する表面に垂直な平均振幅Ｂ_r(θ)の成分を有する磁束密度を生成するロータ枠とを具備し、前記平均振幅Ｂ_r(θ)は次の式で定義され、Ｌ_a(θ)は次の式で定義され、θは前記ロータ枠上の基準位置に関するラジアンで表した角位置であり、Ｂ_r(θ)は前記角位置θにおける平均振幅成分であり、Ｌνは前記角位置 θでの前記突起と前記ロータ枠の前記表面との間の間隙距離であり、Ｍ_r(θ)は前記角位置での前記磁化手段の残留誘導の成分であってステータ枠の対応表面に垂直かつ４π／Ｋに対応する周期で交替し、Ｋは前記表面部のすべてを表す偶数であり、Ｃは任意の定数であり、これによって、動作時に、前記回転枠は前記ステータ枠に磁気的に結合されて、前記ステータ枠内の磁束密度の調波歪曲による損失を低減可能にし、大電流帯域内で線形なトルク対電流曲線を有し、前記ステータ枠と前記ロータ枠との間のコグトルクを低減した多相ブラシレスＡＣ電気機械が提供される。また、本発明によれば、多相ブラシレスＡＣ電気機械を動作する方法が開示され、ロータ枠を有する巻線を備えたステータ枠に磁気的に結合する結合工程であって、前記ステータ枠は交互に配置された平行スロットと突起とを有し、各スロットは前記表面上に開口を有し、各開口は対応するスロットの最大の巾に実質的に等しく、前記ロータ枠は前記スロットと突起とに面する各表面部を有する永久磁化手段を備えた表面を有し、各表面部は前記機械の多数の相に対応する多数の前記スロットに面し、前記磁化手段の前記表面部のすべては前記ステータ枠の対応する表面に垂直な平均振幅Ｂ_r（θ）の成分を有する磁束密度を発生し、平均振幅Ｂ_r（θ）は次の式によって実質的に定義され、Ｌ_a（θ）は次の式によって定義され、 θは前記ロータ枠上の基準位置に関するラジアンで表した角位置であり、Ｂ_r（ θ）は前記角位置θでの平均振幅の前記成分であり、Ｌν（θ）は前記角位置θ での前記突起と前記ロータ枠の前記表面との間の間隙であり、Ｍ_r（θ）は前記角位置θでの前記磁化手段の残留誘導の成分であって前記ステータ枠の対応する表面に垂直であってかつ４π／Ｋに対応する周期で交替し、Ｋは前記表面部のすべてを表す偶数であり、Ｃは任意の定数である結合工程と、前記ステータを励起する励起工程であって、動作時、前記ロータ枠が前記ステータ枠に磁気的に結合され、前記ステータ枠内の磁束密度の調波歪による損失を低減し、大電流帯域内で線形なトルク対電流曲線を有し、前記ステータ枠と前記ロータ枠との間のコグトルクを低減する励起工程と、を具備する。本発明の目的、利点、及び他の特徴は、好ましい実施形態に関する次の限定しない記載を図面を参照して読むことによって理解される。図面の簡単な説明図１は本発明の第１の好ましい実施形態に係る多相ブラシレスＡＣ電気機械のステータ及びロータ枠の一部横断側面図であり、図２は本発明の第２の好ましい実施形態に係る多相ブラシレスＡＣ電気機械のステータ及びロータ枠の一部横断側面図であり、図３は本発明の第３の好ましい実施形態に係る多相ブラシレスＡＣ電気機械のステータ及びロータ枠の一部横断側面図であり、図４は本発明の第４の好ましい実施形態に係る多相ブラシレスＡＣ電気機械のステータ及びロータ枠の一部横断側面図であり、図５は本発明の第５の好ましい実施形態に係る多相ブラシレスＡＣ電気機械のステータ及びロータ枠の一部横断側面図であり、図６は本発明の第６の好ましい実施形態に係る多相ブラシレスＡＣ電気機械のステータ及びロータ枠の一部横断側面図であり、図７は本発明の第７の好ましい実施形態に係る多相ブラシレスＡＣ電気機械のステータ及びロータ枠の一部横断側面図であり、図８は本発明の第８の好ましい実施形態に係る多相ブラシレスＡＣ電気機械のステータ及びロータ枠の一部横断側面図であり、図９は本発明の第９の好ましい実施形態に係る多相ブラシレスＡＣ電気機械のステータ及びロータ枠の一部横断側面図であり、図１０は本発明の好ましい実施形態に係る図１に示すＸ−Ｘ線に沿った一部横断側面図であり、図１１は本発明の他の好ましい実施形態に係る図１に示すＸ−Ｘ線に沿った一部横断側面図であり、図１２は機械の動作中における電流ＩとトルクＴとの関係を示すブロック図である。発明の詳細な説明本実施形態を説明するにあたっては同一の参照番号は図の同一の要素を示しているものとする。図１は多相ブラシレスＡＣ電気機械のステータ及びロータ枠の一部横断側面図である。この機械は交互に配置された平行スロット８と突起７とを備えた表面を有するステータ枠２を具備する。各スロット８はステータ枠２の表面に開口４０を有する。各開口４０は対応するスロット８の最大巾と実質的に同じである。機械はスロット８と突起７に面する各表面部４２を有する永久磁化手段３を備えた表面４４を有するロータ枠１を具備する。各表面部４２は機械の相の数に対応する多数のスロット８に面する。本実施形態においては好ましくは、各表面部４２は３つのスロットに面している。したがって、３相機械である。磁化手段３の表面部４２のすべては、ステータ２の対応する表面に垂直な平均振幅Ｂ_r（θ）を有する磁束密度を発生し、実質的に以下の式で定義される。ここで、Ｌ_aは次の式で定義される。ここで、θはロータ枠１上の基準位置に関するラジアンで表した角位置である。Ｂ_r（θ）は角位置θでの平均振幅の成分である。Ｌν（θ）は角位置θにおけるロータ枠１の突起７と表面４４との間の間隙である。Ｍ_r（θ）は角位置θでの磁化手段３の残留誘導の成分である。Ｍ_r（θ）はステータ２上の対応表面に垂直である。Ｍ_r（θ）は４π／Ｋに対応する周期で交互する。Ｋは表面部４２のすべてを表す偶数であり、Ｃは任意の定数である。上記した特徴によれば、大電流帯域内で線形なトルク対電流曲線を有する多相ブラシレスＡＣ電気機械を得ることができる。また、ステータ枠内での磁束密度の調波歪による損失が低い多相ブラシレスＡＣ電気機械を得ることができる。負荷及び無負荷状態において、ロータ枠とステータ枠との間のコグトルクが低い多相ブラシレスＡＣ電気機械を得ることができる。ステータ枠２に巻かれた方形横断面のコンダクタからなるコイルを用いることができる多相ブラシレスＡＣ電気機械を得ることができる。好ましくは、ステータ枠２は円筒形状を有する。平行スロット８及び突起７を備えた表面はステータ枠２の外面を形成している。ロータ枠１は円筒形状である。永久磁化手段を備えた表面４４はロータ枠１の内面を形成する。好ましくは、平均振幅Ｂ_r（θ）の成分は径方向成分である。各スロット８は方形横断面を有する。永久磁化手段は一様な材料からなる一連の永久磁石３を具備する。各磁石３はＬ_a（θ）によって実質的に決定される角位置θに関連する厚さを有する。各突起７は方形端部を有する。動作時における図１に示す多相ブラシレスＡＣ電気機械の動作方法は、巻線６を備えたステータ枠２をロータ枠１に磁気的に結合する工程と、ステータ２の巻線６を励起する工程とを具備する。すなわち、動作時、ロータ枠１はステータ枠２における磁束密度による損失を低減しながら、ステータ枠２に磁気的に結合され、これによって、大電流帯域において線形となるトルク対電流曲線を有し、ステータ枠２とロータ枠１との間のコグトルクを低減する。好ましい実施形態によれば、円筒形状のロータ１は鋼からなるシリンダヘッド４とシリンダヘッド４の内壁に取り付けられた多数のＫ個の磁石（Ｋは偶数である）とを具備する。ロータ１のシリンダヘッド４は距離Ｌνだけ円筒形状ステータ２から離れている。ステータ２は一連のスキューのない突起７とスロット８を形成する磁性金属シート５からなる。これらのスロットはロータ１に向かって開放している。好ましくは、方形横断面のコンダクタ６はスロット８に取り付けられる。同じスロット８に取り付けられたすべてのコンダクタ６は同じ相に対応している。相の数は２からＮ（Ｎは２より大きい整数である）まで変化する。ステータ２はロータ１各磁石３に対してＮ個のスロット８を有する。スロット８または突起７の全体数はＮ・Ｋに等しい。好ましくは、各磁石３は材料内で高い一様な内因性の保磁力と、空気に等しい透磁率を有する。円筒形状ヘッド４と金属シート５は高い透磁率を有する材料からなる。円筒形状ヘッド４と金属シート５の各々の磁化曲線は非線形であり、透磁率が空気の透磁率に等しい値にまで減少する飽和しきい値に到達する。各磁石３はロータ１の円形内壁に一致する円弧状の断面(profile)を有している。各磁石３は径方向の厚さＬ_aが以下の式で定義されるように定義された第２の対向断面１０を有する。ここで、θはロータ１上の基準位置に関するラジアンで表される角位置である。Ｌ_a（θ）は角位置θでの磁石３の径方向の厚さである。Ｍ_r（θ）は角位置θでの磁石３の残留誘導径方向成分であり、４π／Ｋに対応する周期で交替する。Ｋはロータ１の周囲のすべての磁石３を表す偶数である。１つの突起７によって提供された磁束密度は、対応する突起７の端部と円筒形状ヘッド４との間に位置する体積１１に含まれる磁性部によって実質的に発生される。体積１１の一部における磁束密度径方向成分Ｂ_r（θ）の平均振幅は、によって定義される。ここで、Ｌνはステータ２の突起７とロータ１の円筒形状ヘッド４との間の間隙である。Ｍ_r（θ）は１つの磁石から他の磁石の間で１８０度交替するので、Ｂ_r（θ）は正弦波となる。Ｂ_r（θ）をによって定義することができる。Ｂ_r（θ）の形状はロータ１が回転するとき正弦波となる。この方程式は機械が鋼磁化曲線の線形部分で動作する場合は有効である。図１に示す磁石３の場合、Ｍ_r（θ）が一定であるとみなされるのでＬ_a（θ）は角位置θに関してサイン曲線に従って変化する。コンダクタ６を流れる電流はそれ自身を磁石３によって発生される磁界に付加する磁界を発生する。全磁束密度は磁石３によって発生される磁束密度とコンダクタ６を流れる電流によって発生される磁束密度とのベクトル和に対応する。図１２に示すように、本発明は、従来の類似の機械の帯域よりも大きい電流帯域（ａ）に対して線形となるトルク対電流曲線を有する回転機械を得ることができる。本発明による機械によって得られるトルクは、空隙半径で発生される力の接線成分である。この力はコンダクタ電流と磁石３によって発生される磁界とのベクトル積によるものである。動作時、スロット８の相電流と突起７によって提供される磁束とが交替して発生して同じ方向におけるトルクを発生する。機械が鋼磁化曲線の線形部分内で動作する限りは、ベクトル積はコンダクタ６を流れる電流に比例する。磁石３によって発生される磁界はそれ自身をコンダクタ６を流れる電流によって発生される磁界に付加する。電流を増加することによって、磁界の和が蓄積される領域に磁束密度の飽和が発生する。飽和によって影響されるこれらの領域は機械の磁界分布に作用して、トルクの増大を制限する。コンダクタの電流が増加するとき、トルクはもはや線形に応答しない。スロット８のコンダクタによって発生される磁束の一部は開口から漏洩する。本実施形態では、スロット開口には湾曲した先端がないので、漏れ磁束の磁路レラクタンスを最大にすることができる。かなり高い電流で飽和が発生し、トルク対電流曲線は、湾曲した先端を有するスロットを備えた同様の機械によって発生されたものよりも大きい電流帯域に対して線形となる。本実施形態では、スロット開口における湾曲した先端がないことを補償するために高い残留誘導を有する磁石を用いることが望ましい。本発明の好ましい実施形態によって得られる本発明の他の目的によれば、ステータ２の開口スロット８は巻線に対して実質的に方形の断面を有するコンダクタの使用を可能にする。すなわち、円形の横断面を有するコンダクタによって得られるものよりも優れた充満因数(filling factor)を得ることが可能である。スロット部はより狭くかつ磁束を提供するための突起の長さは短くなる。したがって、従来技術に記載された機械によって獲得されたものと同様のトルクを獲得可能な機械の重量は小さい。銅とスロット８の間の接触面は増大するので、銅コンダクタと鋼金属シートとの間の熱伝導率を増大する全巾方形横断面を有するコンダクタを使用することが可能である。すなわち、コンダクタ６の加熱によって発生された熱エネルギの外部への移動を改善することが可能である。本発明による電気機械に対する鉄損失の低減について以下に説明する。ステータ２の鋼はロータ１の回転とともに変化する磁束を提供する。磁束のこのような変化は一方では磁化曲線のヒステリシス効果に関連し、他方では金属シートの鋼において誘導されるうず電流に関連する。うず電流による損失の大きさは発振周波数と、鋼内の磁束密度の振幅とに比例する。損失の全値は鋼内における各磁束密度調波によって発生される損失の和に対応する。突起７の１つの特定位置の磁束密度はＢ_r（θ）に比例する。したがって、磁束密度はロータ１の回転とともに正弦波状に変化する。ステータ２の金属シート５の内部帯域は対応する突起７に誘導される磁界に対するフィードバック経路として使用される。提供された磁束密度は正弦波磁束の和に対応し、このためにこの和は正弦波状となる。ステータ２の金属シート５内における、基本成分以外の調波に関連した損失は基本成分による損失に関しては無視できる。これによって、機械は低減された鉄損失で動作する。本発明は動作時に負荷のある場合あるいは負荷のない場合においてトルクリップルの低い回転機械を得ることを可能にする。この結果は次の方法で説明できる。ロータ１のステータ２に関する回転は磁石３と突起７との間の吸引力を発生する。この吸引力は機械が回転する間、各突起７と円筒形状ヘッド４との間の実質的に空気と磁石体積１１内に含まれる磁界に蓄積されるエネルギ変化に関連する。各突起７に対するこの吸引力の接線成分は回転トルクに負荷される。トルクＴは次の方法で定義される。ここで、Ｗは体積１１内に含まれるエネルギであり、によって定義される。ここで、トルクは鋼が飽和していない限り有効である。体積１１内の空気の相対透磁率に略等しい磁石３内の相対透磁率μ_oは全体積に対して使用される。ステータ２の各突起７に作用するトルクは突起ごとに独立している。エネルギは角度変位ωに沿って機械の軸方向の長さによって乗算される径方向成分Ｂ_r（θ）の総和（積分）であり、体積１１の径方向部を包囲する。この総和（積分）は次の式で定義される。ここで、Ｐは回転軸に沿った機械の軸方向長さであり、Ｒ_icはロータ１のシリンダヘッド４の内径であり、Ｒ_esはステータ２の金属シート５の外径である。この積分を解くことによって以下の式が得られる。トルクＴはθに関してＷの微分係数である。トルクＴは以下のように定義される。したがって、各突起７のコグトルクは正弦波状となり、１／（２πＫ）の周期をもつ。機械が無負荷のときの全コグトルクはステータ２の各突起７に作用するコグトルクの和である。すべてのステータ２にはＮ＊Ｋ個の突起があるので、全コグトルクＴ_rはに等しい。この和は、Ｎ＊Ｋ＞１のとき常に０に等しい。磁石３の断面は鋼内の正弦波磁束密度を維持すべく予知されるが、同時に、機械が無負荷で回転中に概して存在するコグトルクを低減する。ステータの突起７において磁石３によって発生される磁束密度は正弦波である。機械の１つの相を形成するコイルによって包囲された磁束は、対応する巻線によって巻かれた突起によって提供される磁束の和に対応する。磁束のこの和もまた正弦波となる。各相によって発生するトルクの和は正弦波相電流に対して一定であり、提供される磁束に関して同様に位相シフトされる。したがって、動作時、機械はコグトルクを示さない。また、正弦波電流はケルビン効果（表皮効果）に関連した銅のジュール損の一部を低減する。この損失は銅内の電流の調波成分がただ１つの成分を有するときに最小となる。図２は多相ブラシレスＡＣ電気機械を示す図であり、好ましくは各突起７は端部が方形であり、かつ、各磁石３は切断された端部を有することを特徴とする。磁石３の各末端が除去された磁性材料の体積はこの同じ切断端部の近くに付加され、これによってその厚さを増大している。すなわち、各磁石はより厚い切断端部を有し、その端部が切断されないならばほぼ同じ量の磁性材料を有する。このような変形によれば、非切断磁石のそれよりもこわれにくい端部を有する磁石を形成することができる。これらの切断磁石はロータ１のシリンダヘッド４上により容易に取り付けられる。磁束密度の磁気的パフォーマンスについての影響は無視できるほどである。図３は多相ブラシレスＡＣ電気機械を示しており、好ましくは各突起７は丸い端部を有し、かつ、各磁石３は切断端部を有する。図２に示す実施形態において、磁石３の端部は切断磁性材料の体積を個々に付加することによってより厚く形成することができる。突起７の丸い端部により、突起７に磁束飽和を発生する磁束密度のファネル(f unnel)効果を除去することが可能である。このファネル効果は突起が方形端部を有するときに調波成分の振幅を増大する効果を有する。また、コンダクタの電流によって発生させる磁束漏れが低減する。好ましくは、突起７に提供される磁束は突起７の丸い端部を補償するためにより高い磁化を持つ磁石によって発生される。図４は多相ブラシレスＡＣ電気機械を示す図であり、好ましくは、各突起３０に実質的に整列する凹部をもつ内面４８を有することを特徴とする。また、各突起７は丸い端部を有し、各磁石３は切断された端部を有する。図２に示す実施形態において、磁石３の端部はおのおのそれ自身を切断磁性材料の体積に付加することによってより厚く形成される。ロータ枠１は各磁石３の中央部に実質的に整列する凹部２９をもつ外面５０を有する。さらに、本発明の好ましい目的は機械の重量を低減することにある。この低減は図４に示すように、磁束密度が低い領域を除去することによって得られる。最大磁束密度が低い領域２９、３０においては鋼が除去された。このため、領域２９、３０に隣接する残りの部分における磁束密度は通常の機械に発生するものに類似のレベルにまで増大する。図４に示す実施形態は本発明の他の目的を実現するためのものであり、小さいステータ磁気回路構成を特徴とする多相ブラシレスＡＣ電気機械を提供する。この実施形態によれば電気機械の全重量を低減することが可能となる。図５は多相ブラシレスＡＣ電気機械を示す図であり、ロータ枠１が円筒型外面５０を有する。各突起７は丸い端部を有し、ロータ枠１の内面４４はおのおの永久磁石３を受けるための内方向に湾曲したハウジングを備えていることを特徴とする。図６は多相ブラシレスＡＣ電気機械を示す図であり、ロータ枠１が円筒外面５０を有する。各突起は丸い端部を有する。各磁石３は切断端部を有する。図２に示す実施形態においては、磁石の端部はおのおの切断された磁性材料の体積を付加することによってより厚く形成されている。ロータ枠１の内面４４はおのおの永久磁石３を受けるための内方向に湾曲したハウジングを備えていることを特徴とする。図７は多相ブラシレスＡＣ電気機械を示す図であり、ステータ枠２は各突起７に実質的に整列する凹部３０を定義するうね状内面を有することを特徴とする。各スロット８は丸い底部で終端となっている。各突起７は丸い端部を有し、各磁石は切断端部を有する。図２に示す実施形態においては、磁石３の端部はおのおの切断磁性材料の体積を付加することによってより厚く形成されている。図８は多相ブラシレスＡＣ電気機械を示す図であり、ステータ枠２は内面４８を有し、各突起７に実質的に整列する横断空洞部５２を備えていることを特徴とする。各空洞部５２は対応する突起７の低端部とステータ枠２の内面４８との間の距離の中間に設けられている。各空洞部５４は実質的に三角形状であり、その頂点５４は対応する突起７に面する。各スロット８は丸い底部で終端となっている。各突起７は丸い端部を有し、各磁石３は切断端部を有する。図２に示す実施形態においては、磁石の各端部はそれぞれ切断磁性材料の体積を付加することによってより厚く形成されている。図９は多相ブラシレスＡＣ電気機械を示す図であり、各突起７は方形端部を有し、各磁石３は切断端部を有することを特徴とする。図２に示す実施形態においては、磁石３の各端部はそれぞれ切断磁性材料の体積を付加することによってより厚く形成されている。図１０、図１１はそれぞれ多相ブラシレスＡＣ電気機械を示す図であり、ステータ枠２は突起７を形成する周囲部をもつ一連の隣接金属シート５４からなる。金属シート５４のこれらの周囲部は周囲に向かってテーパ状の厚さを有する。図１０に示すステータの周囲部は同一であり、同じ対称のテーパ形状を有し、図１１に示すものは非対称のテーパ形状を有する。図１に示す実施形態のステータ枠２及びロータ枠１の横断側面図において、各突起７の底部はその端部よりもより狭い。この形状は熱伝導率を増大するために、方形コンダクタ６とスロット８の側壁との間の物理的接触を維持するのに必要である。各突起７の底部に向かって狭くなっていることは、一様な厚さを有するステータの金属シートと組み合わせて、各突起７によって提供される磁束密度をその端部ではなく底部により集中させることを可能にしている。しかしながら、図１０、図１１において、各突起を形成するステータの各金属シートの厚さは一様ではなく、磁束密度が各突起に沿ってより一様になるようにその底部から端部へ向けてテーパ状となっている。このため、磁力線に作用するファネル効果を除去し、各突起の磁束密度を最大に増加して各突起のすべての体積内で実質的に一様になるように、各突起における鋼量を低減することが可能である。図４に示すように鋼部を除去し、図１０、１１に示すようにテーパ状厚さをもつ金属シートを使用することによって、ステータの鋼は最大容量で磁束提供媒体として使用される。すなわち、磁束密度の調波成分に影響を与えることなしに、機械の重量を低減することが可能となる。本発明によれば、磁石は多相及び正弦波交替電流によって励起される一群のコンダクタを備えた回転機械における磁界を発生するために用いられる。好ましくは、磁石は一様な材料からなる断面磁石であり、一連の突起及びスロット（このスロットは湾曲先端のない開口を有する）を面するように、円筒形状ロータの内壁に取り付けられる。本発明によれば、正弦波磁界が基本成分以外の調波成分を低減するために極部に発生され、これによって損失を低減している。このため、高いトルクと低いコグトルクとが得られる。極部の重量もまた低減される。本発明の好ましい実施形態によれば、高い充満因数を可能にする全軸方向方形横断面を有するコンダクタを用いることが可能である。また、丸い端部突起を用いることによって磁束の集中を低減することが可能であり、これによって、磁界の飽和による調波損失を低減することができる。低い磁束密度が誘導されるステータの一部を除去することによってステータの重量を低減することができる。さらには、低い磁束密度が誘導されるロータの一部を除去することによってロータの重量を低減することが可能である。以上、図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこれらの実施形態のみに限定されず、本発明の範囲内で当業者による多くの変形及び変更が可能である。排他的な所有及び特権が以下のように請求される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ【要約の続き】成分であり、Ｌν（θ）は角位置θでの前記突起とロータコア表面との間の間隔であり、Ｍ_r（θ）は角位置θ における残留磁気誘導成分であって対応するステータ表面に垂直かつ、４π／Ｋに対応する周期で交替し、Ｋはすべての表面部を表す偶数であり、Ｃは任意の定数である。また、前記整流子レス多相ＡＣ電気機械を動作する方法が開示される。

Claims

【特許請求の範囲】１．多相ブラシレスＡＣ電気機械であって、交互に配設された平行スロットと突起とを備えた表面を有するステータ枠であって、各スロットは前記表面に開口を有し、各開口は対応するスロットの最大巾と実質的に同じであるステータ枠と、前記スロットと突起とに面する各表面部を有する永久磁化手段を備えた表面を有するロータ枠であって、前記各表面部は前記機械の多数の相に対応する多数の前記スロットに面し、前記磁化手段の前記すべての表面部は前記ステータの対応する表面に垂直な平均振幅Ｂ_r（θ）の成分を有する磁束密度を発生するロータ枠とを具備し、前記平均振幅Ｂ_r（θ）は実質的に以下の式で定義され、Ｌ_a（θ）は次の式で定義され、 θは前記ロータ枠上の基準位置に関するラジアンで表された角位置であり、Ｂ_r （θ）は前記角位置θでの前記平均振幅成分、Ｌν（θ）は前記角位置θでの前記突起と前記ロータ枠の前記表面との間の間隙であり、Ｍ_r（θ）は前記角位置θでの前記磁化手段の残留誘導成分であって前記ステータ枠の対応する表面に垂直かつ４π／Ｋに対応する周期で交替し、Ｋはすべての前記表面部を表す偶数であり、Ｃは任意の定数である多相ブラシレスＡＣ電気機械。２．前記ステータ枠は円筒形状を有し、平行スロットと突起を備えた前記表面は前記ステータ枠の外面であり、前記ロータ枠は円筒形状を有し、永久磁化手段を備えた前記表面は前記ロータ枠の内面であり、前記平均振幅Ｂ_r（θ）は径方向の成分であり、各スロットは方形横断面を有し、前記永久磁化手段は一様な材料からなる一連の永久磁石を具備し、各磁石はＬ_a （θ）によって実質的に決定される角位置θに関する厚さを有する請求の範囲第１項に記載の多相ブラシレスＡＣ電気機械。３．各突起は方形端部を有し、各磁石は切断された端部を有し、前記磁石の各端部は実質的にその切断部に対応する磁性材料の体積を付加することによってより厚く形成されている請求の範囲第２項に記載の多相ブラシレスＡＣ電気機械。４．各突起は丸い端部を有し、各磁石は切断された端部を有し、前記磁石の各端部は実質的にその切断部に対応する磁性材料の体積を付加することによってより厚く形成されている請求の範囲第２項に記載の多相ブラシレスＡＣ電気機械。５．前記ステータ手段は前記各突起に実質的に整列する凹部をもつ内面を有し、各突起は丸い端部を有し、各磁石は切断された端部を有し、前記磁石の各端部はその切断部に実質的に対応する磁性材料の体積を付加することによってより厚く形成されており、前記ロータ枠は各磁石の中央部に実質的に整列する凹部をもつ外面を有する請求の範囲第２項に記載の多相ブラシレスＡＣ電気機械。６．前記ロータ枠は円筒外面を有し、各突起は丸い端部を有し、前記ロータ枠の内面はそれぞれ前記永久磁石を受けるための内方に湾曲したハウジングを備えている請求の範囲第２項に記載の多相ブラシレスＡＣ電気機械。７．前記ロータ枠は円筒外面を有し、各突起は丸い端部を有し、各磁石は切断された端部を有し、前記磁石の各端部はその切断部に実質的に対応する磁性材料の体積を付加することによってより厚く形成されており、前記ロータ枠の内面はそれぞれ前記永久磁石を受けるための内方に湾曲したハウジングを備えている請求の範囲第２項に記載の多相ブラシレスＡＣ電気機械。８．前記ステータ枠は各突起に実質的に整列する凹部を定義するうね状内面を有し、各スロットは丸い底部で終了しており、各突起は丸い端部を有し、各磁石は切断された端部を有し、前記磁石の各端部はその切断部に実質的に対応する磁性材料の体積を付加することによってより厚く形成されている請求の範囲第２項に記載の多相ブラシレスＡＣ電気機械。９．前記ステータ枠は内面を有しかつ各突起に実質的に整列する横断空洞部を備え、各空洞部は対応する突起の低端部と前記ステータ枠の内面との中間位置に設けられ、各空洞部は実質的に三角形状であり、その頂点は対応する突起に面しており、各スロットは丸い底部で終了しており、各突起は丸い端部を有し、各磁石は切断された端部を有し、前記磁石の各端部はその切断部に実質的に対応する磁性材料の体積を付加することによってより厚く形成されている請求の範囲第２項に記載の多相ブラシレスＡＣ電気機械。１０．各突起は方形の端部を有し、各磁石は切断された端部を有し、前記磁石の各端部はその切断部に実質的に対応する磁性材料の体積を付加することによってより厚く形成されており、前記ロータ枠は各磁石の中央部に実質的に整列する凹部をもつ外面を有する請求の範囲第２項に記載の多相ブラシレスＡＣ電気機械。１１．前記ステータ枠は突起を形成する周囲部を有する一連の隣接金属シートからなり、前記金属シートの前記周囲部はその周囲に向かってテーパ状の厚さを有する請求の範囲第２項に記載の多相ブラシレスＡＣ電気機械。１２．各突起は方形の端部を有する請求の範囲第２項に記載の多相ブラシレスＡＣ電気機械。１３．多相ブラシレスＡＣ電気機械の動作方法であって、巻線を備えたステータ枠を磁気的にロータ枠に結合する結合工程であって、前記ステータ枠は互いに交互に配設された平行スロットと突起とを備えた表面を有し、各スロットは前記表面に開口を有し、各開口は対応するスロットの最大巾と実質的に同じ巾であり、前記ロータ枠は前記スロットと突起とに面する各表面部を有する永久磁石手段を備えた表面を有し、前記各表面部は前記機械の多数の相に対応する多数の前記スロットに面し、前記磁化手段のすべての前記表面部は前記ステータ枠の対応する表面に垂直な平均振幅Ｂ_r（θ）の成分を有する磁束密度を発生し、平均振幅Ｂ_r（θ）は次の式によって実質的に定義され、Ｌ_a（θ）は次の式によって定義され、 θは前記ロータ枠上の基準位置に関するラジアンで表した角位置であり、Ｂ_r（ θ）は前記角位置θでの平均振幅成分であり、Ｌν（θ）は前記角位置θでの前記突起と前記ロータ枠の前記表面との間の間隙であり、Ｍ_r（θ）は前記角位置 θでの前記磁化手段の残留誘導の成分であって前記ステータ枠の対応する表面に垂直でかつ４π／Ｋに対応する周期で交替し、Ｋは前記表面部のすべてを表す偶数であり、Ｃは任意の定数である結合工程と、前記ステータの巻線を励起して、動作時において前記ロータ枠を前記ステータ枠に磁気的に結合する結合工程と、を具備する多相ブラシレスＡＣ電気機械の動作方法。