JPH03500840A - 電気機械の多極回転子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

電気機械の多極回転子 技術分野 本発明は、電気歳械に関し、特に電気機械の多極回転子に関する。 背景の技術 高い比電気機械的特性値（該機械の質量当たりの出力、トルク、起電力）は永久 磁石を有する電気機械にとって非常に重要である。 この目的は、高い磁気特性を有する異方性の硬質磁性材料（ａ＋ａｇｎｅｔｉｅ ａｌｌｙ　ｈａｒｄ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ）で複数の回転子磁石を作ることによ り、該複数の磁石を配置するための回転子容積のより良い利用により、及びそれ らの力線の最適方向のために、電気機械の多極回転子により生せしめられる磁束 の強さを増すことによって達成され得る。 一つの円の回りに一様に配置され、それらの対称軸に沿って磁化された角柱形の （ｐｒ　ｉｓｍａ−ｓｈａｐｅｄ　）複数の永久磁石を備え、各磁石は軟質磁性 材料（ｍａＨｎｅｔｉｃａｌｌｙ　５ｏｆｔ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ）で作られた 磁極片を備える電気機械の円筒状多極回転子が技術上知られている（ＳＵ、＾、 ６４７７９７）　、硬質磁性材料による回転子容積の完全な充填のために、複数 の角柱形の磁石は、先細りの側面を有し、該側面によって、隣接する磁石が互い に接する。 複数の永久磁石は軟質磁性材料で作られたブシュに固定され、非磁性材料製挿入 物がそれらの永久磁石の間に配置される。 上記の回転子は、その容積が硬質磁性材料で完全に満たされることを可能にせず 、該硬質磁性材料は、磁極片の存在のため、回転子の表面から一定の間隔を置い ており、これは磁束が有意に高められることを可能にしない。それに加えて、磁 極片の存在は、渦電流損及び再磁化損を高め、電気機械のインダクタンスもまた 高める隣接する磁極片間の漏れ磁束の出現のために磁束を減少させる。 このような磁石の磁束は、複数の磁極に分布せしめられた磁荷によって生ぜしぬ られ、磁極は横断面弧形をなし、この弧の長さは回転子の磁極区分（ｐｏｌｅ　 ｄｉｖｉｓｉｏｎ＞よりもずっと少なく、またこの磁荷は軟質磁性ブシュの表面 に分布せしめられ、磁極に分布せしめられた磁荷の磁束に関して反対方向の磁束 を生ずる。これらの二つの要素、即ち短くされた磁極部及び軟質磁性ブシュにお ける反対方向に向けられた磁束の存在は、磁極の磁束を減少させる。更にこの短 くされた弧は、この弧を越えるギャップにおける誘導の急速な低下が電動機によ って生じさせられる機械的トルクを減少させることをもたらす。 一つの円に沿って一様に配置された軟質磁性材料で作られた複数の磁極部及び隣 接する磁極部の夫々の対称面に対して直角に磁化された軟質磁性材料で作られた 複数の中間磁極部を備える電気機械用の永久磁石を有する円筒状回転子が技術上 知られている（ＣＢ、＾、２０７５２７４　）。 上に説明した回転子と電気機械の固定子の間のギャップにおける磁束の集中は、 このギャップにおける軟質磁性材料部分の存在のため得られる。 電気機械の上記回転子は、一定数の磁極と複数の小さな作動ギャップを有し、磁 束を増加させるが、しかし、同時に軟質磁性材料部分の存在のため漏れ磁束を増 加させ、またそれ故このような回転子を有する電気機械のインダクタンスが電気 駆動制御を妨げる。 円い円筒体の形に作られ、且つ一つの円の回りに一様に配置された偶数の後磁石 （少なくとも四つの磁石）を備える電気機械の回転子が技術上知られている（Ｓ Ｕ、＾３３３４２５４）　、これらの磁石のいくつかの磁極は、前記円の中心の 方に向き、一方その他の磁極は、その円周の方に向き、互い違いになっている。 後磁石に隣接する中間極磁石は円の円周の方に向けられた側面を有する。 後磁石には、中間極磁石の円筒面と組み合って回転子の円筒面を形成する軟質磁 性材料で作られた磁極片が備えられる。この後磁石は軟質磁性材料で作られたブ シュに固定され、半径方向に磁化されるが、一方中間極磁石は前記ブシュに対し てギャップをおいて取り付けられ、円の弧に沿って磁化される。この回転子にお いて、回転子の作動面に対して直角の磁界の力線の方向に向く磁極片の存在は、 後磁石が回転子の側面の方に向かず、一方漏れ磁束は完全に除かれず、その結果 磁束が減少せしめられるということをマす、更に渦電流損及び再磁化損並びに電 気機械のインダクタンスを増加する。 この場合、後磁石の半径方向の磁化の方向及び中間極磁石の弧形の磁化の方向は 技術的に与えることが困難であり、一方かかる方向の磁化の達成は硬質磁性材料 の磁気特性値を損なう。 半径方向の磁化が達成されるとき、磁荷が後磁石の内側に現れ、それは励磁磁束 を減少させる。 軟質磁性材料で作られたブシュの存在は、回転子の容積が磁石を取り付けるため に完全に使用されることを可能にせず、回転子の抵抗が減磁まで減少し、渦電流 損及び再磁化損を生じ、電気機械のインダクタンスを増加させる。 発明の開示 この発明の目的は、回転子の磁束が実質的に増加せしめられるようにその後磁石 及び中間極磁石が配列されている電気機械の多極回転子を提供することである。 さらに別の目的は、渦電流損及び再磁化損を減少させることである。 これらの目的は、その数量が偶数であり、且つ少なくとも四に等しい複数の後磁 石が一つの円に沿って一様に配置され、且つそれらの対称軸に平行に磁化され： 前記円の円周の方向に向く側面を有する中間極磁石が、前記後磁石に隣接し、且 つそれらの対称軸に対して直角に磁化されており；前記後磁石のいくつかの磁極 は、前記円の円周の中心の方に向くが、一方その他の磁極は、前記円の円周の方 に向き、互い違いになっており、中間極磁石の側面と組み合って回転子の円筒面 を形成する、本質的に円形の円筒体の形の多極回転子を提供することによって得 られる。 回転子の円筒面を形成するために、回転子の横断面における各後磁石が、回転子 の種型なり率と磁極区分の大きさの積に実質的に等しい長さを有する弧と相応す る後磁石の対称面に位置する複数の弦の線分とによって限定された円の一部であ り、各中間極磁石は隣接する後磁石の弦の線分と結合されるいくつかの相対する 側部と中間極磁石の対称面に関して対称なその他の相対する側部とを有する幾何 学的な形状のものであることが得策である。 後磁石の弦の線分間の角度は次の関係：から決定されることが、また得策である 。ここにおいてｐは回転子の極の対の数であり；αは後磁石を限定する弧である 。 後磁石の弦の線分間の角度は好ましくは−に等しい。 回転子の円筒面を形成するために、回転子の横断面において各後磁石は回転子の 磁極区分に等しい長さを有する弧と該弧の端から延び且つ弧（−＋−）で支えら れる弦の線分とによ２　２ｐ 限定される円の一部であり、一方中間極磁石は隣接する後磁石の弦の線分と結合 した側面を有し、頂点はそれらの後磁石の弧の端の間の点に位置する二等辺三角 形のものであることが好ましい。 特許を請求する電動機械の多極回転子は、所定の硬質磁性材特許を請求する回転 子において、高い磁気特性を持った直線で囲まれた結晶質で且つ磁性の組織を有 する異方性の硬質磁性材料の磁石が使用され得る。それに加えて特許を請求する 回転子はそれが軟質磁性材料で作られた構成要素を何等有しないので高い減磁に 対する抵抗を特徴とする 特徴を請求する回転子の電気機械における使用は、異方性の硬質磁性材料が低い 導電率を有するので渦電流損及び再磁化損を有意に減少させることが可能である 。 特許を請求する設計は、例えば総ての（総ての磁極片についての）磁束の本質的 な減少のないステップモーターにおいて広く使用される多数の極（２０以上）を 有する回転子を作り出すことを可能にする。 ４、

【図面の簡単な説明】

さらに本発明が、添付の図面を参照して例として説明される。 図面において； 第１図は本発明による電気機械の４極回転子の端面図を示し、第２図は本発明に よるほかの形の複数の中間極磁石を有する４極回転子の端面図を示し、 第３図は本発明によるさらに別の形の後磁石及び中間極磁石を有する第２図に図 示の４極回転子の端面図を示し、第４図は本発明によるさらに別の形の後磁石及 び中間極磁石を有する６極磁石の端面図を示し、 第５図は異なる数の極についての後磁石の厚さ対回転子半径の比に対する第１図 に図示の回転子の極の磁束（相対的な単位で）のグラフを示す。 発明の実施の最良の態様 本質的に円筒の形の多極回転子は、偶数の後磁石１　（第１図）を備え、その数 は少なくとも４に等しく、該後磁石は半径Ｒの円に沿って一様に配置されくここ に説明される実１ｆ！Ｂ様においては４８ｉ回転子に相当する４つの後磁石があ る）、その極のいくつかの磁極は円の中心の方に向くがその他の磁極は円の円周 の方に向き、互い違いである。後磁石１に隣接して中間極磁石２が配置されてお り、該中間極磁石の等しい極は該磁石２間に位置せしめられた後磁石１の側面に ぴったりと合体し、そして円の円周の方に向く後磁石１の磁極と一致している。 後磁石及び中間極磁石１．２　は同様な又は異なる異方性の硬質磁性材料で作ら れ、好ましくは直線で囲まれた結晶質の磁性組織を有する硬質磁性材料で作られ る。それというのもそれらの材料が高い磁気特性を有するからである。 後磁石１は、それらの磁極のいくつかは円の円周の方に向き、中間極磁石２の側 面と共に回転子の円筒面を形成するように配置されている。 回転子の横断面において（この及びその他の図面において回転子の端面図が便宜 上図示されている）、各後磁石１は、電する弧αによって限定される半径Ｒの円 の一部である。 説明する実施態様において、第１図は小さな作動ギヤ・ノブを有する階動電動機 （巻線は図示されていない）の固定子３を示し、該固定子に対して種型なり率は 固定子３の磁極４の弧の長さ！１対磁極区分の大きさτの比として決定される。 この場合極磁石１の弧の長さは固定子３の磁極４の弧の長さ１１に実際等しい。 後磁石１も弧αの端を通って延び、且つ後磁石１の対称面５にある点で交差する 二つの弦の線分によっても限定される。 各後磁石１の弦の線分の間の角度βは、磁極当たりの磁束Φが軟質磁性材料の最 小消費量の最大磁束Φｍａｘに近づくように選択される。 加えて、該角度βは回転子が取り付けられる電気機械の設計、即ち極数、回転子 と固定子間、のギャップ、回転子磁極の幅、及び後磁石及び中間極磁石１．２の 磁化の比に依存する。総ての磁石１，２の磁化ベクトルが等しく、且つ回転子と 固定子間のギャップが小さいとき（０，００５Ｒまで）、これらの条件は、式に よって応じられる。上式においてｐは後磁石１の対の数に等しい回転子の極の対 の数である６ 説明される実施態様について、ｐ＝２であり、α−０，５のとき、角度βは０． ３５４π〈ラジアン）に等しい。 回転子横断面における中間磁石２は、いくつかの相対する側が後磁石１の弦の線 分と結合し、一方他の相対する側は中間極磁石２の対称面に関して対称である幾 何学的形状を有する。説明される実施態様において、円の中心の方に向く中間磁 石２の一つの側部は隣接する後磁石１の頂点を連結する直線の線分であり、一方 それに相対する側部は半径Ｒの円の弧き、方形のチャネル（ｃｈａｎｎｅｌ　） 　７が回転子の中央部に形成される。非磁性材料で作られたブシュ及び軸がこの チャネル７に配置される。 第２図に図示の回転子の他の実施態様において、後磁石は上に述べたのと同様に 作られているが、円の中心の方に向く各申分の間に中間極磁石２の対称面６に直 角に配置された弦９とからなる折れた線である。この場合、円形横断面を有する チャネル７が回転子の中央部に形成され、これは回転子に取り付けられるブシュ 及び軸を作るとき、技術的に有利である。 第３図に図示の回転子の実施態様において、後磁石１は角度βによって上に述べ たように決定される弧αを有する半径Ｒの円の一部でもある。このような関係が 守られるとき、それらの間に中間極磁石２が位置せしめられる隣接する後磁石１ の弦の線分は平行である。この場合、中間極磁石２は、好ましくはそれらの製造 を容易にするように長方形の形に作られる。 第４図に図示の多極回転子のさらに別の実施態様において、６極回転子が使用さ れ、その回転子においては各後磁石１は磁極区分τに等しい長さ！を有する弧α と弧αの端かれる弦の線分とによって限定される円の一部である。各中間極磁石 ２はその側面が後磁石１の弦の線分と結合し、一方頂点がこれらの後磁石１の弧 の端の間の点に位置する二等辺三角形の形を有する。 このような後磁石及び中間極磁石１，２の構造は、硬質磁性材料を節約すること を可能にし、この法則性は、極数が高いほどより際立ち、これは回転子の上に述 べた実施態様について同様に当てはまる。 本発明の本質及び利点の一層の理解のために、第５図は、第１図に図示の多極回 転子について縦座標にプロットされた磁束Φ対最大の可能な磁束Φｎａｘの比の 、種々の数量の磁極についての対称面５に沿って測定された極磁石対回転子１の 厚さｈの半径Ｒの依存関係（ｐ−２に対する曲線ａ＝　ｐ＝　４に対する曲線す 、ｐ＝　８に対する曲線Ｃ）を示す。 特許を請求する電気機械の多極回転子は次のように作られる。 上に説明した形状及び回転子が取り付けられる固定子の寸法によって決定される 寸法の後磁石及び中間極磁石１，２が硬質磁性材料から切断される（第１図乃至 第４図）。 直線の結晶質で（ｓｔｒａｉｇｈｔ−１ｉｎｅ　ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）且つ 磁性の組織を有する異方性硬質磁性材料が後磁石及び中間極磁石１゜２を作るた めに使用されるとき、後磁石１の対称面５は該材料の軽（ｌｉｇｈｔ）磁化の軸 に平行であり、一方中間極磁石１．２の対称面６は軽磁化の軸に対して直角であ るように磁石１゜２を切ることが必要である。 その後、切られた磁石１．２が予め定めた方向に二極誘導器（１ｎｄｕｃｅｒ　 ）で磁化される。即ち、後磁石１がそれらの対称面５に対して平行に磁化され、 一方中間極磁石２がそれらの磁石２の対称面６に対して直角に磁化される。 次に、後磁石１と中間極磁石２が交互に接続されて、前記磁石１，２が接続され る。磁石１．２が非磁性材料の接着剤又は外被（図示されていない）によって固 定される。 大寸法の磁石１，２は複数の小片から組み立てられる。そのようにするとき、上 記のそれらの軽磁化軸の方向に関する要件が守られなければならない０組み立て の工程において、中間極磁石２は夫々の横断面積を有するブシュ又は回転子軸に 固定される。 セラミック磁石が使用されるとき、中間極磁石２は粉末冶金技術を使用して作ら れる。 その他の場合において、組み立てられる回転子の磁化が多極（回転子の極数に相 当する）誘導器を使用して行われる。磁界の最適分布状態（ｔｏｐｏｇｒａｇｈ ｙ　）を得るために、電流搬送導体（ｃｕｒｒｅｎｔ−ｃａｒｒｙｉｎｇ　ｃｏ ｎｃｌｕｃｔｏｒｓ）が回転子の軸方向チャネル７に配置される６磁化工程を終 えたのち、これらの導体は除かれる。 上記形状の後磁石及び中間極磁石１．２の、該磁石１，２の異なる磁化方向及び 形状で、隣接する中間極磁石２の対称面によって限定される同極領域における存 在は、励磁磁束が回転子の円筒面に分布した磁荷のみならずまた後磁石と中間極 磁石１．２の間の界面に現れる内部磁荷によって生ぜしめられることをもたらす 。この場合、回転子の磁束が硬質磁性材料で完全に満たされるとき、内部磁荷は 表面の磁荷（ｃｈａｒｇｅ　）と結合して最大の可能な磁束に近い磁束を生じさ せ、各その点における回転子の磁化は最適に方向づけられる。 内部磁荷（ｃｈａｒｇｅ）の場の磁束の値は、後磁石と中間極磁石１．２間の界 面と後磁石１の対称面５との交点の位置に依存し、即ち、磁石１の弦の線分間の 角度βの値によって決定される。 最適角度βは、Φが０．９５に等しいようなものである。このような角度βの値 の選択のとき、回転子によって生せしめられる磁束は、硬質磁性材料の最小の消 費量で最大の磁束Φｍａｘにする角度βを決定することを可能にする。極数が増 加すると、Φ 最適比□が径磁石１の厚さｈの低い値で得られることはΦｍａｘ 明らかである。特許を請求する回転子の磁極数が増加すると、磁極当たりの磁束 Φが従来技術の多極回転子におけるよりもゆっくり減少する。これは磁極数が増 加するとき、内部磁性が集中する極磁石と中間極磁石１，２間の界面が最適設計 の回転子の表面に接近することによる。計算は、特許を請求する回転子の総磁束 （総ての２ｐ極についての）が極数の増加（２ｐ＝１６−２０まで）を伴って増 加し、次いで取るに足らないほど僅か減少する。 内部磁性の場の磁束の値は回転子の極数に依存する。例えば式（１）によってめ られた角度βの最適値で、且つα−０，５τのとき、内部磁性（ｃｈａｒＨｅ　 ）の場の最大磁束は表面磁性の磁束の２６％に等しい、即ち特許を請求する回転 子は、例えばソビエト発明者証第６４７７９７号により同材料で作られた回転子 よりも高い２６％だけ磁束を生ずる。 内部磁性の磁界への寄与は、磁極数の増加と共に増す。従ってα−０，５τで且 つ式（１）を使用して計算された角度βのときの１４極の回転子に対して内部磁 性の場の磁束は表面磁性の場の磁束の５３％に等しい。即ち磁束は５３％だけ増 加する。 第２図に図示の回転子は、それが円形横断面を有する非磁性材料で作られた軸を 備えるので、技術的に有利である。しかし、中間極磁石２が上記形状を有すると き、その場合、我々は磁束を取るに足らないほど減少させる非零正規磁化（ｎｏ ｎ−ｚｅｒ。 ｎｏｒｍａｌ　ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ）成分を持つので、磁性がそれらの 内部の境界に生ずる。角度βの最適値の決定に関連して上に説明した多極回転子 の実施態様に対してめられた法則性（ｒ＋４ｕｌａｒｉＬｉｅｓ）　、即ち内部 磁性の寄与、極数の増加を伴う磁束その他の法則性は説明される実施態様に対し ても同様に典型的である。 長方形の形の中間極磁石Ｚ　（第３図）は製造が最も簡単である。しかし、この ような磁石２を有する回転子の磁束ΦはΦｍａｘに比べて取るに足らないほどし か低下させない。 第４図に図示の回転子の実ｍ態揉において、各極磁石Ｉは回転子の磁極区分τの 等しい長さを有する弧αによって限定され、一方弦の線分間の角度は磁性が極磁 石１と中間極磁石２の間の界面になんら存在しないという条件で選択される。こ の場合、磁束Φは表面磁性によってのみ生ぜしぬられる。この磁束はΦｍａｘよ りも幾分低いが回転子の内部は硬質磁性材料で満たされず、即ち回転子の重量は かなり減じられる。 上に述べた総ての本発明の実施態様は、軟質磁性材料で作られた構成要素がない ことを特徴とし、これは回転子の減磁に対する抵抗を増加し、渦電流損及び再磁 化損を減少させることを特徴とする 特許を請求する発明の利点は、磁石が同様な特性を有する硬質磁性材料で作られ た種々の型の電動機の特性の比較によって例証される。 電動機の型　極数　電動機　機械的　比トルクの重量　トルク　Ｎ　ｍ７ｋｇ 特許を請求する 回転子を有する 電動機　８　１１．２　１３　１．１５「シーメンス （Ｓｉｅｍｅｎｓ）　Ｊ ＩＰＥＴ５電動機　６　１３．５　１２　０．８８特許を請求する 回転子を有する 電動機　６　６５　４０　０．６１ 電動機　６　６７　２５　０．３７ 表から分かるように特許を請求する回転子を有する電動機は最良の従来技術の装 置に比べてよりよいパラメーターを有する。 従って、特許を請求する多極回転子は最大磁束に近い磁束を生ずることを可能に し、これはそれが取り付けられる電動機の電気機械的パラメーターを有意に改良 する。 産業上の適用の可能性 本発明は電気産業、航空機及び機械建造産業その他の電動機を作る分野に使用さ れ得る。 ＦＩ６．２ 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．一つの円に沿って一様に配置され、且つ前記円の中心の方に向くそれらのい くつかの磁極を有し、一方その他の磁極は前記円の円周の方に向く、少なくとも 四つに等しい偶数個の極磁石（１）と、前記極磁石（１）に隣接しており、且つ 前記円の円周の方に向く側面を有する中間極磁石（２）とを備える本質的に円い 円筒の形の電気機械の多極回転子において、前記円の円周の中心の方に向く、前 記極磁石（１｝のいくつかの磁極は、中間極磁石（２）の側面と組み合って回転 子の円筒面を形成し、極磁石（１）はそれらの対称面（５）に平行に磁化され、 一方中間極磁石（２）はそれらの対称面（６）に対して直角に磁化されているこ とを特徴とする多極回転子。 ２．回転子の円筒面を形成するために各極磁石（１）は、回転子の横断面におい て、極重なり率と回転子の磁極区分の大きさ（ｐｏｌｅ　ｄｉｖｉｓｉｏｎ）の 大きさの積に本質的に等しい長さ（ｌ）を有する弧（α）と夫々の極磁石（１） の対称面（５）に位置する点で交差する弦の線分とによって限定される円の一部 であり、各中間極磁石（２）は、いくつかの相対する側部が隣接する極磁石（１ ）の弦の線分と合致し、一方その他の相対する側部は中間極磁石（２）の対称面 （６）に関して対称である幾何学的形状を有することを特徴とする請求項１に記 載の多極回転子。 ３．極磁石（１）の弦の線分間の角度（β）が、関係：ｐが極対の数であるとき 、 β＝α（ｐ／３＋３／４） によって得られるものであることを特徴とする請求項２に記載の多極回転子。 ４．極礎石（１）の弦の線分（ｌ）間の角度（β）がπ／２に等しいことを特徴 とする請求項２に記載の多極回転子。 ５．回転子の円筒面を形成するために、各極磁石（１）が、回転子の磁極区分の 大きさ（τ）に等しい長さを有する弧（α）と該弧（α）の端から延び、且つ弧 （π／２＋π／２ｐ）に支えられる弦の線分とによって限定される円の一部であ り、一方中間軸磁石（２）は隣接する極磁石（１）の弦の線分と合致し、その頂 点がそれらの極磁石（１）の弧の端の間の点に位置する二等辺三角形のものであ ることを特徴とする請求項１に記載の多極回転子。