JP3645663B2 - 電気機器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気機器に関し、特に横磁束原理によって作動する同期機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
横磁束原理によって作動する同期機器は、回転子と同軸の円形コイルの形態である電機子巻線とからなる。電機子巻線は、一連の固定子コアによって、回転子のリムに取り付けられた永久磁石によって発生した磁束を連結する。この構成の利点は、電機子巻線に必要なスペースを侵食することなしに、より多くの磁束を支持することができるように固定子コアの部分を増大することができることにある。
【０００３】
横磁束機器のこれまでの構成において、回転子のリムは、絶縁スペーサによって分離された並列の２列の永久磁石を支持している。２つの円形の固定子コイルが使用され、固定子コアは、回転子の内側及び外側の双方に組み込まれ、その結果、回転子の内外面の双方で有効なトルクが提供される。
【０００４】
この構成に関する機器の問題は、固定子コイルを固定子のコアに包囲されるように組み立てることが困難なことである。回転子リムは長く、剛性が欠如しており、回転子は半径方向の衝撃に対して剛性が小さいのでたわみ易い。磁束が交番するとき固定子コアへの半径方向の力は、固定子ケーシングの半径方向の動きを生じる。このゼロオーダの固定子ケースの振動は、ケーシングを厚くすることなしに解消するのは困難である。
【０００５】
横磁束モータの構成は、最近これらの問題を解決するために改善された。
【０００６】
改良された構成は一連の固定子コアがまたぐ一列の永久磁石からなるリムを有する。固定子コアの両端部は回転子のリムをまたぐように半径方向に変位している。
【０００７】
これらの改良された横磁束モータに関する問題は、隣接するモータ位相に属する固定子コアが著しい電磁結合を受け、これが機器の性能を低下させることである。
【０００８】
本発明は、モータの周りの電磁結合の量を低減する横磁束モータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
本発明による電気機器は、軸線の周りで回転可能な回転子軸と該回転子軸から伸び前記回転軸と共に回転可能な少なくとも１つのディスクとを含む回転子を有し、前記回転子ディスクは、前記回転子ディスクに固定された少なくとも一対の、円周に延在する回転子リムを有し、各対の前記リムは前記回転子ディスクの両側の同じ半径位置で固定されており、前記各回転子リムは、交互に配置された一列の磁石及び磁極片から成り、前記回転子リムに隣接しそれに面して配置されている固定子コアを有する固定子組立体と向き合っており、電機子巻線が前記固定子を作動可能に励磁するために前記固定子コア内に配置されている横磁束型電気機器において、作動時に前記回転子ディスクの特定の半径位置における一対の前記回転子リムのための前記電機子巻線は、互いに逆位相の電流によって励磁され、各対の回転子リムにおける回転子磁石若しくは回転子磁石及び固定子コアは、長い通路の磁束が相殺されるように配置されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明の１つの実施例において、長い通路の磁束は、各リムの磁石が互いに反対の極性を有し、固定子コアが互いに反対の形状を有するように各対のリムを配置することによって相殺される。
【００１０】
本発明の第２の実施例において、長い通路の磁束は各リムの磁石を反対方向に傾斜するように配置することによって相殺される。
【００１１】
複数のディスクを有する本発明の電気機器は、１つのディスクの１対のリムの位相が、トルクリップルを低減するために、他のディスクのリムの対の位相に対してずれている。
【００１２】
本発明の１つの実施例において、トルクリップルを低減するために３つのディスクを有する電気機器は、各リムの対の位相が他のディスクのリムの対の位相に対して１２０°ずれている。
【００１３】
複数対のリムがディスクの異なる半径位置で各ディスクに設けられる。トルクリップルを低減するために好ましくは、１つのディスクのリムの対の位相は、同じディスクの他の対のリムの位相に対してずれている。
【００１４】
本発明の他の実施例において、２対のリムがディスクの異なる半径位置で各ディスクに設けられ、トルクリップルを低減するために、リムの半径方向外側の対の位相は、半径方向内側の対の位相に対して９０°ずれている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
図１を参照すると、参照符号１０で指示された横磁束モータは、回転子及び固定子組立体を有する。
【００１７】
回転子組立体は、中空軸１２のフランジ１３に結合された４つの回転ディスク１４を有する。各ディスク１４は、４つのモータ位相のための回転子作動部品を支持する４つの円周方向の回転子リム１６を有する。回転子リム１６は、交互に配列された一列の積層磁極片１８及び永久磁石２０から成る。
【００１８】
適当な磁石材料は、サマリウムコバルト及びネオジミウム鉄ボロンのような高エネルギー希土磁石材料である。磁石はその中の渦電流を制限するために細分されている。
【００１９】
磁石２０は、図２に示すように円周方向に配向されており、その結果、２つの磁石２０からの磁束は、１つの磁極片１８に集中される。磁極片１８は、ボルト（図示せず）によって圧縮されて保持される薄層から成る。
【００２０】
各回転子リム１６に対向しているのは、一連の固定子コア２２である。コイル２４が回転子のリム１６の周りの固定子コア２２の間に配置されている。コイル２４及び固定子コア２２は、固定子フレームに支持されている。固定子フレームは、フランジを介してハウジング２８に固定された固定子ディスク２６を有する。固定子コア２２は、固定子ディスク２６のスロットに配置される。固定子ディスク２６は、アルミニウムから製造され熱を除去するために高熱伝導性を有する。冷却接続部２９を通して、水のような冷却剤が冷却のために供給される。
【００２１】
固定子コア２２は、図３に示すようなＣ形状であり、必要な磁束の集中を与えるように、隣接する２つの磁石から磁束を受けることができるように配置される。固定子コア２２または回転子リム１６の磁石２０は、各固定子コア２２が２つの対向する（Ｎ及びＳ）薄層磁極片１８の周りをまたぐように傾斜している。
【００２２】
図４及び図５は、前述した構成を有する異なる形状の固定子コア２２を示す。本発明の異なる実施例において、固定子コア２２は図５に示すように非対称形である。
【００２３】
作用において、交流電流は固定子フレーム２８に取り付けられた端子ボックス３６からコイル２４を通過して回転磁界を生じる。回転子は磁石２０が回転磁界に追従するときに回転する。各コイル２４によって発生したトルクは、通常正弦波であり、磁極２０及び３２が互いに引き付けたときにゼロとなる。円滑で安定したトルクを得るために、複数の位相が必要である。複数の位相は、複数のディスクかまたはディスク毎の複数の位相によって提供される。位相は、正弦波のトルクリップルが相殺されるように補完的なトルクを与えるように配置される。
【００２４】
トルクリップルの相殺は、対をなす位相が互いに補完的であることを意味する。これは位相の方向の変位を意味し、すなわち、電流及び電極または固定子コアがリムの対の間で変位することを意味する。トルクリップルを相殺するために位相は９０°離れていなければならない。しかしながら、９０°の電気的な位相間隔では、位相間でかなりの電磁結合があり、モータの性能が低下する。電磁結合の結果、渦電流が発生し、回転子ディスク１２を通過して大きな電磁的な損失が生じる。
【００２５】
もし、ディスク１４の両側の位相が１８０度電気的に変位している（逆位相）のであれば電磁結合および渦電流を無くすことができる。
【００２６】
また、隣接する回転子リム１６の長い通路の磁束が等しく反対であるように配置することによって長い通路の磁束を相殺する必要がある。長い通路の磁束を相殺しなければ、回転子軸１２及び固定子フレームとを通過する円形電流が生じる。
【００２７】
固定子コア２２の上方端部を通る磁束は図８の磁石２によって生成される短い通路の磁束と、磁石１によって生成される長い通路の磁束とから成る。磁束の集束は、双方の磁石１及び２が磁束を固定子コア２２の上方端部に通すことができることに依存する。しかしながら、短い磁束通路は単一の固定子コア２２を介して電機子巻線２４を単に連結する局所的な磁束ループから成るが、長い磁束通路は、図９に示すように磁石１及び３を含む全部の奇数番号の磁石を連結する。長い磁束通路は、固定子コア２２全部と奇数番号の磁石全部を連結して固定子の全周に完全な磁束ループを形成する。正規の動作において、長い磁束通路は、機器の周りで（時計回り及び反時計回り）に交番する。
【００２８】
ディスク１４の両側の長い通路の磁束が相殺されると、円形電流による損失が減少する。
【００２９】
図８は、リム１６の各対を各リム１６の磁石２０が反対方向に傾斜するように配置することによって長い通路の磁束が相殺される構成を示す。
【００３０】
図９は、各リム１６の磁石２０が互いに反対の極性を有し、各リム１６に対向する固定子コア２２が互いに反対の形状を有するようにリム１６の各対を配列することによって長い通路の磁束を相殺する他の構成を示している。
【００３１】
図１０は、各回転子ディスク１４が４つの位相を有する構成を示している。リム１６の各対の位相は、電磁結合を低減するために逆位相であり、すなわち、１８０°の電気的位相間隔を有する。リム１６の各対の回転子磁石２０は、互いに逆の極性を有し、固定子コア２２は、互いに反対の形状を有し、長い通路の磁束が相殺される。この構成の電気位相関係は、図１１に示されており、リム１６の半径方向内側の対は、トルクリップルを低減するために半径方向外側のリム１６の対に対して９０°位相がずれている（図１２参照）。
【００３２】
図１０に示す構成は、トルクリップルを大幅に相殺する。トルクリップルはモータの速度及び動力の全範囲にわたって完全には解消されない。なぜならば、内側及び外側リム１６は異なる全負荷トルクを生じるからである。（各リム１６に生じるトルクは、直径の二乗に比例する）。しかしながら、トルクリップルの相殺が不完全であっても多ディスクの構成においては実際的な意味は少ない。なぜならば、トルクリップルの相殺は、異なるディスク１４の位相方向によっても生じるからである。
【００３３】
図１３に示すような本発明の他の実施例において、軸１２は、各々が特定の半径位置に一対のリム１６を有する３つのディスク１４を支持している。
【００３４】
ディスク１４の両側の位相は、電磁結合を低減するように逆位相であり、各対において、固定子コア２２は長い通路の磁束を相殺するように反対の形状を有する。トルクリップルは、各ディスク１４の位相の対を他のディスク１４の位相に対して１２０°変位させることによって低減される。図１４は、この構成における電気位相関係を示す。
【００３５】
１つのディスク１４に複数対のリム１６を有し、各対が適当な量の位相変位を有することにより、または隣接ディスク１４のリム１６の対の位相を適当な量ずらせることによってトルクリップル効果を低減することができることを当業者は理解することができる。
【００３６】
本発明によって製造されるモータは、いかなる数のディスク１４、またはディスク１４毎の複数対のリム１６を有することもできる。各ディスク１４の両側に複数対のリム１６と固定子組立体２２を使用することによって、与えられた両ディスク直径に対し、得られるトルクが増大される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の横磁束モータの断面図である。
【図２】 図１に示す１つの回転子リムの一部の拡大図である。
【図３】 １つのモータ位相の構成を示す断面図である。
【図４】 本発明による横磁束モータに使用する固定子コアの他の実施例を示す図である。
【図５】 本発明による横磁束モータに使用する固定子コアの他の実施例を示す図である。
【図６】 本発明による固定子コアを通る短い磁束通路を示す図である。
【図７】 本発明による固定子コアを通る長い磁束通路を示す図である。
【図８】 長い通路の磁束を相殺するために一対の固定子コアの磁石が互いに反対に傾斜している構成を示す図である。
【図９】 長い通路の磁束を相殺するために一対の固定子コアが左右反対の形状を有する構成を示す図である。
【図１０】 ４つの位相を有する回転子ディスクの一部を示す部分図である。
【図１１】 図１０に示す構成の電気的な位相関係を示す図である。
【図１２】 図１０に示す４つの位相のトルク対時間を示すグラフである。
【図１３】 各ディスクが一対の位相を有する３つのディスクを備えた横磁束モータの一部を示す部分図である。
【図１４】 図１３に示す構成の電気的な位相関係を示す図面である。
【符号の説明】
１０ 横磁束モータ
１２ 回転子軸
１３ フランジ
１４ 回転子ディスク
１６ 回転子リム
２０ 磁石
２２ 固定子コア
２４ コイル
２８ 固定子フレーム
３１ 開口部
３２ 端部

Claims (9)

1. 軸線の周りで回転可能な回転子軸（１２）と該回転子軸から伸び前記回転軸と共に回転可能な少なくとも１つのディスク（１４）とを含む回転子を有し、前記回転子ディスク（１４）は、前記回転子ディスク（１４）に固定された少なくとも一対の、円周に延在する回転子リム（１６）を有し、各対の前記リム（１６）は前記回転子ディスク（１４）の両側の同じ半径位置で固定されており、前記各回転子リム（１６）は、交互に配置された一列の磁石（２０）及び磁極片（１８）から成り、前記回転子リム（１６）に隣接しそれに面して配置されている固定子コア（２２）を有する固定子組立体と向き合っており、電機子巻線（２４）が前記固定子を作動可能に励磁するために前記固定子コア（２２）内に配置されている横磁束型電気機器（１０）において、作動時に前記回転子ディスク（１４）の特定の半径位置における一対の前記回転子リム（１６）のための前記電機子巻線（２４）は、互いに逆位相の電流によって励磁され、各対の回転子リムにおける回転子磁石（２０）若しくは回転子磁石（２０）及び固定子コア（２２）は、長い通路の磁束が相殺されるように配置されていることを特徴とする横磁束型電気機器（１０）。
2. 長い通路の磁束を相殺するために各対の前記リム（１６）の回転子磁石（２０）は、互いに反対の極性を有し、前記固定子コア（２２）は、互いに反対の形状を有することを特徴とする請求項１に記載の電気機器。
3. 長い通路の磁束を相殺するために各対の前記リム（１６）の回転子磁石（２０）は、互いに反対側に傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の電気機器。
4. 複数のディスク（１４）を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電気機器。
5. トルクリップルを低減するために、１つのディスク（１４）の一対のリム（１６）の位相は、他のディスク（１４）のリムの対の位相に対してずれていることを特徴とする請求項４に記載の電気機器。
6. トルクリップルを低減するために、各ディスク（１４）の一対のリム（１６）の位相は、他のディスク（１４）のリム（１６）の対の位相に対して１２０°ずれている、３つのディスク（１４）を有する請求項５に記載の電気機器。
7. 複数対のリム（１６）がディスク（１４）の異なる半径位置で各ディスク（１４）に設けられていることを特徴とする請求項１乃至６項のいずれか１項に記載の電気機器。
8. トルクリップルを低減するために、各ディスク（１４）のリム（１６）の対の位相は、同じディスク（１４）のリム（１６）の他の対の位相に対してずれている請求項７に記載の電気機器。
9. ２対のリム（１６）が異なる半径位置の場所で各回転子ディスク（１４）に設けられており、トルクリップルを低減するために、半径方向外側の対のリム（１６）の位相は、半径方向内側の対リム（１６）の位相に対して９０°ずれていることを特徴とする請求項８に記載の電気機器。

Images