JPH09508520A - 永久磁石ロータを含むモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 数個のセグメントによって所定の場所に保持された埋め込み磁石（２２０）を有する永久磁石ロータ（１７）を含む電動機（１０）。中心付近に非円形開口（２７０）を含むセグメント（２１０）によって埋め込み磁石が固定されている。数個の非磁性、非伝導性バー（２３０）がセグメント（２１０）の非円形開口を貫通して延びており、セグメント（２１０）を軸（８０）に関して固定している。モータ（１０）は最小限の空間を要するのみで、高トルクを発生することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 永久磁石ロータを含むモータ 発明の技術分野 本発明は、数個のセグメントにより所定の位置に保持された埋め込み磁石を有 する永久磁石ロータを含む電動機に関する。特に、本発明は、最小限のスペース を要するだけで高トルクを発生することのできるモータに関する。 発明の背景 永久磁石ロータを有する同期電動機はかなり昔から存在している。そのような 電動機で用いられてきたロータの多くは、ロータ表面の周囲に搭載された磁石を 有する。これらのモータに於いては、磁気的に伝導性の（ｍａｇｎｅｔｉｃａｌ ｌｙ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ）材料、例えば鉄のような材料でできているのが普 通である。ステータに於いて磁場と結びついて力を発生させるのに有効な磁束は ロータの外表面上の磁石の表面積に比例する。これらのモータに於いては、磁石 をロータの軸線に対して正確な関係をもって搭載し、またスムーズな外表面を維 持するように細心の注意が払われなければならない。 稼働中には、これらのモータに於ける磁石からの磁束線は、エアギャップを横 切ってステータにリンクする。磁石は、磁石の隣り合う列が外側に向いた反対の 磁極を有するように配列される。したがって、ロータの外周回りには、磁石の列 が北、南、北という具合に配列される。典型的には、それらの列はまたステータ に関して僅かに斜めに配列されているか（ｓｋｅｗｅｄ）、またはステータがロ ータに関して僅かに斜めに配列されている。それは磁石がステータのそれぞれの 歯に沿って並んでいると起こるコギング（ｃｏｇｇｉｎｇ）を最小限にするため である。磁石の全磁束はその表面積に比例するので、これらの型のモータの利用 可能な全トルクはロータの外側の利用できる全表面積に直接関連している。した がって、このロータの構成は、モータのサイズ（ロータの直径サイズ）を小さく する必要がないかまたは利用可能な全トルクが大きくなくてもよいような場合に 最も役に立つ。 永久磁石がロータの外周に搭載されていないようなモータもある。そのような モータの例は、アメミヤ他に１９８７年９月２９日に発行された米国特許第４６ ９７１１４号に示されている。これらのモータに於いては、永久磁石は、ロータ の軸に関して固定的な関係でしっかりと取り付けられた（ｓｅｃｕｒｅｄ）磁気 伝導性のウエッジの間にしっかりと取り付けられている。これらのモータに於け るウエッジは、締め付けボルトによって所定の場所に保持された薄板で作られた （ｌａｍｉｎａｔｅｄ）プレートのセットから成り、それらの締め付けボルトは モータの回転軸線に平行にプレートを貫通して延びており、スチール製のエンド プレートに付着している。それらのスチールエンドプレートは軸に固定的に（ｓ ｅｃｕｒｅｌｙ）嵌め込まれている。これらのモータに於いては、ウエッジと永 久磁石の内表面は軸から半径方向に空間をもって配置されており、磁化されたロ ータの全長にわたっている。 以上説明したモータに於いては、ロータの直径は軸と磁石及びウエッジとの間 にエアギャップを収容するに十分な大きさでなければならない。このことは、与 えられた直径のロータ及びより大きい全体サイズに対して利用可能トルクが比較 的小さいという点に於いて明らかな問題を提示する。加えるに、磁石とウエッジ の搭載方法と位置決め方法が、信号入力の急変に対するモータの応答時間に悪い 影響を与えるように見える（ステイッフネス（ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ））。また比 較的高いイナーシャと渦電流及びロータ効率の低下をもたらす。 制御システムに於いては、いろいろな機械的システムを稼動させるためには、 小さくて高トルクの装置を用いるのがしばしば望ましい。過去に於いては、高ト ルクが必要であるがスペースが限られているような場合には、システム設計者は しばしば液体圧（ｈｙｄｒａｕｌｉｃ）システムを用いることを選んだ。それは 十分に高いトルク対サイズ比を有する電動機がなかったからである。その結果と して、高トルクを有するが比較的小スペースで用いることができる電動機に対す る要望があった。 ロボット工学のような分野に於いては、応答時間が重要な場合には、あまり大 きなスペースを要求せず高いステイッフネスを有する電動機に対する要望もある 。加えるに、そのような分野はしばしば、制御システムが高いエネルギー効率を 維持することを、要求する。 したがって、本発明の一つの目的は、高いトルク対サイズ比を有する、埋め込 み磁石を有する永久磁石ロータを含む小さい電動機を提供することである。 本発明の関連する目的は、最小限のスペースしか要求しない高ステイッフネス を有する、埋め込み磁石を有する永久磁石ロータを含む電動機を提供することで ある。 本発明の他の関連する目的は、高効率を維持しつつ高トルク及びステイッフネ スを達成する、埋め込み磁石を有する永久磁石ロータを含む電動機を提供するこ とである。 本発明の他の関連する目的は、低速度に於けるスムーズな運転を達成する、埋 め込み磁石を有する永久磁石ロータを含む電動機を提供することである。 発明の概要 本発明の特徴は、中心付近に非円形開口を含むセグメントによって固定された 埋め込み磁石を有する永久磁石ロータを含む電動機である。 本発明の他の特徴は、軸に関してセグメントを固定するためにセグメントの非 円形開口を貫通して延びる、数本の非磁性（ｎｏｎ−ｍａｇｎｅｔｉｃ）、非伝 導性（ｎｏｎ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ）のバーを含む電動機である。 本発明の他の特徴は、セグメントの中心近傍の開口がほぼ細長いダイヤモンド 形をしている電動機である。 本発明の他の特徴は、セグメントと磁石が軸に当接している電動機である。 本発明の他の特徴は、軸がステンレス鋼のような非磁性材料で構成されている 電動機である。 本発明の他の特徴は、固定バーが高い引っ張り強さを有するファイバーグラス で形成されている電動機である。 本発明の更に他の特徴は、埋め込み磁石を有する永久磁石ロータを含む電動機 を組立てる方法である。 本発明の他の特徴は、ロータが運転中に単一のビームのように挙動するように セグメント、磁石、バー及びリテーナリングを含む組立体の中心にロータ軸が強 制嵌合（ｆｏｒｃｅｆｉｔ）されている電動機を組み立てる方法である。 他の目的及び利点は、図面と共に以下の詳細な説明から明らかになるであろう 。 図面の簡単な説明 図１は、埋め込み磁石を有する永久磁石ロータを含み、本発明の教えるところ を用いた電動機の部分断面側面図である。 図２は、図１の２ー２線に沿って断面し、詳細を示すために拡大された断面図 である。 図２Ａは、図１のモータのロータのセグメントを形成するのに用いられる薄片 （ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）の拡大平面図である。 図３は、図１のロータ組立体で用いられるリテーナリング薄片の平面図である 。 図４は、図２の３ー３線に沿って断面された図１のロータの部分断面図である 。 図５は、一組の軸方向のセグメントに関する埋め込み磁石及び支持バーを示す 、ロータの拡大概略斜視図である。 図６は、図１のロータ組立体で用いられる軸の分解図である。 好ましい実施例の詳細な説明 本発明は好ましい実施例に関連して説明されるが、本発明はその実施例に限定 されるものではないと理解される。むしろ逆に、本発明は、添付されたクレーム によって定義される本発明の精神及び範囲内にある全ての代案、変更及び均等物 をカバーしている。例えば、好ましい実施例は電動機に関して説明されているが 、本発明はモータ或いは発電機の形をとることもできる。 先ず図１を参照すると、一般的に番号８として示されているモータ組立体は外 側ハウジング２０内に電動機１０及び端子箱３０とを含み、それらはお互いに機 械ネジ４０によって接続されている。モータ１０は更に一般的に１５で示されて いるステータと一般的に１７で示されているロータとを含む。端子箱３０は、ネ ジ６０によって固定されるカバー５０を含み、そのカバーは開口（図示せず）を 有し、その開口を通して電源(図示せず)が伸延しモータ１０に動力を供給する。 図示のように、ハウジング２０と端子箱３０のベースにある整列した開口を電線 が貫通している。最初の一組の電線（以下ステータリード線６５と呼ぶ）が、ス テータ１５内のステータ巻き線７０と接続している。図示のように、合計６本の ステータリード線６５があり、それらがモータ１０のＹ或いはΔ三相運転を提供 する。好ましい実施例は三相運転を提供しているが、他の多相或いは単相の配列 も実行できるということに注意されたい。 図１に示されるように、ロータ１７は中心軸線の回りを回転する駆動軸８０を 含み、それは前方軸受け９０及び間隔をおいて置かれた後方軸受け１００によっ て回転可能に支えられている。軸受け９０と１００とは、それぞれフロントエン ドプレート１１０と内部支持プレート１２０とに支えられている。フロントエン ドプレート１１０は、軸受け９０を、クランプ片１３０によって軸受けを抱き込 むことによって位置決めし固定している。クランプ片１３０は、プレート１１０ の前面からアクセス可能な一組のネジ１３５によって固定されている。 フロントエンドプレート１１０は、フロントエンドプレート１１０の外側エッ ジ及び中間ケーシング１４０の前面エッジ近傍に於いてネジ１５０によって中間 ケーシング１４０に付着している。ハウジング１４０はまた、ハウジングを貫通 して伸延するネジによって内部支持プレート１２０に固定されている。勿論、ネ ジが二つの部品を合わせて固定すると説明されている場合にはいつでも、他の適 切な接続装置例えばボルト、リベット、或いは一体組立溶接が用いられ得る。後 ろ側エンドプレート１６０は、内部支持プレート１２０に固定されており、それ らの間に閉鎖された後ろ側領域１６２を画成するようになっている。この後ろ側 領域内には軸８０に近接して、ブラシレス回転計及び整流器（ｃｏｍｍｕｔａｔ ｏｒ）１７０及び／または軸８０の回転スピード及び/または位置を示す信号を 発生する他のセンサーが搭載されている。図１に示されるようにブラシレス回転 計と整流器１７０は信号線１８０を含んでおり、それは端子箱３０内に伸延し、 究極的にはステータ巻き線７０に動力を供給する適切な回路と接続している。ブ ラシレス回転形と整流器１７０は、ロータ１７の位置及び／またはスピードを監 視するのに用いられ、モータ１０がサーボとしても用いられるような用途にとっ ては絶対に必要な部品である。好ましい実施例に於いては、ブラシレス回転計と 整流器１７０は、６極モータ用のＴＡＣＨＳＹＮ（モデルナンバーＴ６６２１） としてサーボテック（ＳＥＲＶＯ−ＴＥＫ）によって製造されているような種類 のものであってよい。 図２は、ロータ１７、ステータ１５及び中間ケーシング１４０の断面を示して いる。ステータ１５はステータコア１９０を含んでおり、そのステータコアは各 々実質的に同一な寸法を有する多数の薄板（ｌａｍｉｎａｔｉｏｎｓ）から成っ ている。図に示すように、ステータコア１９０は３６本の歯２００（図２ではそ れらの歯のうちの一つにだけ番号がふってある）を有しており、それらの歯は内 方向に伸延し、内側直径部に於いて円筒輪郭を形成している。それらの歯２００ は、内周に沿って一つの歯から隣の歯まで実質的に等間隔になっており、したが って中心軸線に関して６０度毎に６本のステータ歯がある。 典型的な実施例に於いては、ステータコア１９０の内部輪郭の直径は非常に小 さくてもよい。ステータコア１９０の歯２００の間の内周に沿った距離は、それ に応じて小さくてもよい。ステータコア１９０の寸法は、製造工程が許す限り小 さくすることができる。更に好ましい実施例に於いては、歯２００はロータ１７ の長さにわたって一つの歯によって斜めに創ることができる。このような方法で 斜めに創られた歯（ｔｅｅｔｈ）２００は、トルクの脈動（ｒｉｐｐｌｅ）を最 小限にし、低速に於いてスムーズな運転を提供し、またコギング（ｃｏｇｇｉｎ ｇ）を防止する。 ロータ１７による磁気サーキットを容易にするために、ステータコア１９０の 各薄板（ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）は、例えば磁性珪素（ｓｉｌｉｃｏｎ）鋼のよ うな高磁気伝導性（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ）と低ヒステ レシス損失を示す材料で作られる。加うるに、各薄板は電気的に絶縁され渦電流 が制限されるようになっている。好ましい実施例に於いては、ステータコア１９ ０の各薄板は２−３％珪素鋼から打ち抜かれ、非伝導性のコーティング付きの薄 片となる。例えばテンプルスチール（Ｔｅｍｐｅｌ Ｓｔｅｅｌ）によって販売 されているＣ５コーティングをされたＭ３６鋼である。好ましい実施例の薄板は 打ち抜き工程を用いて作られているが、他の工程を用いることもできると認識さ れたい。 更に磁気サーキットを容易にするために、ステータコア１９０の歯２００の内 端部が周方向に広げられる。中間ハウジング１４０は、アルミニウム、ステンレ ス鋼等のような非磁性材料で単独に形成される。しかしながら磁性材料を使うこ ともできる。このようにして、磁気サーキットが形成され、最高効率が得られる ようになる。ステータ巻き線７０（図２には図示せず）は、ステータコア１９０ の歯２００の間の空間を、歯２００の半径方向の最も外側の端部から広げられた 内端面に隣接した内部領域まで満たす。 図２、４及び５を参照すると、図示されたロータ１７は、中心軸方向の駆動軸 ８０と、モータの極数の倍数に対応する複数のセグメント２１０を含む。セグメ ントの数は例えば６極モータに対しては少なくとも６個のセグメント２１０であ る。個々の部品のサイズや空間及びモータの動力パラメータにしたがって、中心 軸に関して第一のセットと軸方向に整列させて、追加のセットのセグメントを付 け加えてもよい。ロータ１７は、６個のセグメントの軸方向に整列したセットを ３セット含んでいる。図５の略図には、分かり易くするために、セグメントを１ 個だけと各セットの関連する磁石を示している。この実施例は、約４９．５ｍｍ の外径と図４、５及び６に示されるような３セットのセグメントを有するロータ １７で最高１３Ｎｍのトルクを発生する。個々のセグメント２１０は、固定バー ２３０上に支持されている。バー２３０は、セグメント２１０内の中央開口２７ ０を貫通してロータ１７の軸線に平行に伸延しており、軸８０に取り付けられ軸 ８０上に支持されているリテーナリング２８０によって支えられている。リテー ナリング２８０（図３参照）は、ロータ１７の各端部に於ける端部組立体の部品 として少なくとも端部リテーナリング２８０を含み、図示された実施例に示さる ようにロータ１７が複数のセットを含む場合にはセグメント２１０の各セットの 間に付加的リテーナリング２８２を有する。 磁石２２０は、各々その厚さ方向に磁化された薄い平坦な矩形の磁石であり、 その対抗する極がその対抗する主平面にあるようになっている。１個のそのよう な磁石２２０が、図２に一番よく見られるように隣り合うセグメント２１０の間 の各インターフェイスに位置決めされており、それぞれの当接するセグメント２ １０と係合してその位置に保持されている。このようにして磁石２２０の各々は 、それぞれのセグメント２１０の長さにわたって軸８０に沿って且つ軸８０と平 行に、また軸から半径方向に、伸延するように配置されている。即ち、その中央 平面が軸８０の軸線に平行且つ軸線から半径方向に広がるように配置されている 。磁石２２０は、同じ極が各セグメント２１０の各側面に当接するような方向に 配置されており、それによってセグメント２１０がロータ１７の周囲に関して交 互 にＮ−Ｓと極性が与えられるようになっている。このようにして、磁石２２０に よって作られる単一の磁気サーキットはいずれも、ステータ１５と接続して、一 つのセグメントの部分と、隣接するセグメントの部分を利用する。磁石２２０は 、無理のない取り扱いと搭載のために必要な最小の物理的強度を与えるための最 小限の厚さがあればよい。即ち磁石要素それ自身の著しい壊れ易さを避けるため の最小限の厚さがあればよい。各磁石２２０は、軸８０の表面に非常に近く隣接 した内側エッジ２２１から、セグメント２１０の外側エッジに隣接しておりそれ 故ロータ１７の表面に隣接した外側エッジまで伸延しており、それはロータの表 面からセグメント２１０の狭いリテーナ突出部２６０によってのみ隔てられてお り、その突出部は磁石２２０の外側エッジに部分的に重なっており半径方向に保 持するという目的を果たしている。その対抗する保持耳２６０間のエアギャップ は、ロータ１７とステータ１５との間のエアギャップよりも僅かに大きくすべき である。それは磁束がロータセグメント間を横切らずにステータへのエアギャッ プを横切るように方向づけられるのを確実にするためである。別の実施例に於い ては、磁石２２０に面したセグメント２１０の側面に沿って逃げ（ｒｅｃｅｓｓ ｅｓ）が与えられている。この別の実施例に於いては、磁石２２０を位置決めし 且つ保持するためにシムがその逃げの中に挿入される。 図示のロータに於いては、バー２３０が、セグメント２１０をその内側エッジ が軸８０の表面にしっかりと着座するように位置的に保持している。このように 、軸８０、セグメント２１０、バー２３０及びリテーナリング２３０、２３２は 、一体構造を形成しており、その一体構造は軸８０が比較的小さな直径を有する 場合であっても実質的な強度及び剛性を与える。翻って言えばこのことは、ロー タの外径に対して相対的に大きい半径範囲を有する半径方向の磁石２２０及びセ グメント２１０の使用を可能にし、それによって磁束コントロール性のよい、よ り大きい磁束を用いることができ、また小さいモータにおける小さいロータによ り、付随する高動力能力（ａｔｔｅｎｄａｎｔ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｐｏｔ ｅｎｔｉａｌ）を提供する。 セグメント２１０の各々は、実質的に同一の形状と寸法を有する積層された薄 板２１２から成る。図２Ａに示されるように、各薄板２１２は輪郭がほぼパイの 形状をしており、軸８０の外周面に適合するように凹型にカーブした内側エッジ ２４０と、ロータ１７に対して選定された外周面に適合するように凸型にカーブ した外側エッジ２５０とを含む。即ち、カーブしたエッジ２４０は軸８０の半径 に実質的に対応する半径の円弧を画成し、カーブしたエッジ２５０はロータ１７ の設計半径に対応した円弧を画成する。 更に各薄板２１２は、その薄板の中心付近に形成された非円形の開口２７０を 含む（エッジ２４０と２５０との間で半径方向に測られる）。その開口２７０は 、ほぼ細長いダイヤモンド形状をしている。それは薄板２１２の中心半径に関し て対称であり、薄板の半径方向に延びる主軸の方向を向いており、薄板２１２を 開口２７０の各側部に於いて対称位置に実質的に二股に分けるような長さと位置 を有している。勿論、開口２７０は他の形状、例えば矩形、三角形或いは他の半 径方向に細長い幾何学的な形状に形成することができる。図示された開口２７０ の内部の二つの隣接する側部２７２ａ、２７２ｂは、お互いに対して実質的に３ ０度を成しており、二つの外側の隣接する側部２７４ａ、２７４ｂも同様である 。その二つの内部及び外部側部が接続するところで、それらは１２０度の内角を 形成する。図示のように、開口２７０の内部及び外部の角部２７６、２７８は丸 められている。好ましい実施例に於いては、内部角部２７６は外部角部２７８よ りも実質的に大きい曲率半径を有する。外部角部２７８を内部角部２７６程丸め ないことによって、開口２７０は外側エッジ２５０に向けて半径方向に更に容易 に伸ばされることができる。同様に、内部角部２７６を外部角部２７８よりも多 く丸めることによって、開口２７０が端部２４０に向けてそれ程延びないように できる。開口２７０をここで述べたように形成することの特別の利益は下で更に 説明する。 ステータコア１９０と同様に、セグメント２１０の各薄板２１２は磁性材料か ら打ち抜いて作られる。渦電流を低減するために、各薄板２１２は電気的に非伝 導性の材料でカバーされる。好ましい実施例に於いては、薄板２１２は２−３％ 珪素鋼で創られ非伝導性のコーティングで覆われる。例えばテンプルスチールに よって製造されるＣ５コーティングをされたＭ３６鋼のようなものである。シリ コンを有する粉末焼結金属で上記薄板を置き換えてもよい。 セグメント２１０のその形状が、磁石２２０の表面から発する磁束線をセグメ ント２１０の各々の外表面２５０に向ける。磁石２２０は、セグメント２１０を 含む各薄板の材料をその外側エッジ２５０に於いて飽和させ或いはほぼ飽和させ るに十分な磁力を有するようなタイプのものである。加うるに、磁石２２０は、 ロータ１７が熱くなった場合に（約１４９℃（３００°Ｆ））、あまり多くの磁 性を失わないような十分な耐熱性を有する。好ましい実施例に於いては、磁石２ ２０は３０×１０⁶（ガウスエルステッド（Ｇａｕｓｓ Ｏｈｅｒｓｔｅｄｓ（ ＧＯｅ））のエネルギー製品（ｅｎｅｒｇｙ ｐｒｏｄｕｃｔ）（ＢＨｍａｘ） を有するネオダイミアムアイアンボロン（Ｎｅｏｄｙｍｉｕｍ−Ｉｒｏｎ−Ｂｏ ｒｏｎ（ＮｄＦｅＢ））で作られる。しかしながら、そのような好ましい磁石の 代わりに他の磁石を用いることもできる。例えば、更に高い耐熱性が望まれる場 合には、サマリアムコバルト（Ｓａｍａｒｉｕｍ−Ｃｏｂａｌｔ（ＳｍＣｏ）） の磁石を用いてもよい。一般に、与えられたある運転要件例えば最高温度や最小 磁束のような要件に合わせて、特定の磁石を選定することができる。 開口２７０とバー２３０とは、セグメント２１０を固定する他に、磁石２２０ から発せられる磁束をセグメント２１０を通るように方向づけるのを助ける。本 発明によれば、バー２３０は、非磁性で且つ電気的に非伝導性の高張力の材料で 構成される。好ましい実施例に於いては、バー２３０は熱硬化性樹脂バインダと 共に引き抜かれた（ｐｕｌｌｔｒｕｄｅｄ）ガラス繊維、普通にはファイバーグ ラスと呼ばれているもので作られる。そのプルトルージョン（ｐｕｌｌｔｒｕｓ ｉｏｎ）プロセスは、連続したガラス繊維をバーの長さ方向に実質的に平行に方 向づける。この好ましい実施例はクラスＨファイバーグラス（１８０℃での使用 に適する）で作られたバーを用いるが、バー２３０は十分な強度と重さ特性を有 する如何なる非磁性、非伝導性材料で作ることができる。バー２３０は電気的に 非伝導性であるので、循環電流が防止され、それによってモータ１０の効率を改 善する。例えば、渦電流を発生することによる効率の損失がない。更には、バー ２３０は誘導ロータ（篭型）を創り出すかもしれない循環電流を生じさせない。 開口２７０を含み、非磁性で非伝導性のバー２３０を用いるロータ１７の構造 によれば、磁石２２０の表面から発する磁束は、セグメント２１０の外表面２５ ０を横切って均一な分布の磁束を発生するように方向づけられると信じられる。 上で述べたように、そのような分布はセグメント２１０の材料をその外表面２５ ０に於いて飽和させるに十分な強さであるのが望ましく、それによってステータ １５とリンクする最大の磁束を提供する。図２に示されるように、セグメント２ １０の外表面２５０に存在する磁束はロータ１７とステータ１５との間にあるエ アギャップを横切り、磁気サーキットを創り出す。ここで説明したように磁束を 方向づけることによって、磁束は（回転軸に関して）実質的に半径方向のライン 上にあるエアギャップを横切り、面積当たり最大の磁束ラインを発生し最大の利 用できるトルクを発生する。このようにして、フラックス（ｆｌｕｘ）が通過し なければならない距離が最小限に抑えられ、エアギャップに見られる磁気抵抗が 同様に最小限に抑えられる。 図２に描かれている位置に於いては、磁気サーキットは磁石２２０のうちの一 つに於いて始まる。磁束はセグメント２１０のうちの一つの２分の１を通過し、 開口２７０とバー２３０によって案内され、セグメント２１０のうちの一つの外 表面２５０の２分の１を横切る均一な分布を形成すると信じられる。その点に於 いて、磁束はロータ１７とステータ１５との間にあるエアギャップを横切る。磁 束を案内するのを助けるために、軸８０は非磁性材料で構成されており、磁石２ ２０の磁束は軸８０を磁気サーキットを完成するための手段として用いることが なく、セグメント２１０の外表面２５０に向かって外側に案内されるようになっ ている。一旦エアギャップを横切ると、セグメント２１０の２分の１から発した 磁束はステータ１５の等価の三本の歯２００と直ちにリンクし、ステータ１５の 次のセットの三本の歯２００にリンクされる。次に磁束はセグメント２１０のう ちの隣接する一つの外表面２５０の２分の１にエアギャップを横切って戻りリン クする。外表面に２５０から、磁束はセグメント２１０のうち隣のセグメントを 通って案内され、最初の磁束ラインが発したのと同じマグネット２２０のもう一 方の側面と接続し、それによって磁気サーキットを完成する。リテーナリング２ ８２は、本質的にリング２８０と同一の構造を有する。 図２及び２Ａは、バー２３０が開口２７０を完全に満たしていないことを示し ている。図示のように小さいギャップが開口２７０の内部角部２７６と外部角部 ２７８の近くに残されている。バー２３０とセグメント２１０との間の第一の機 械的力の接触は、開口２７０の内側の角度のついた表面２７２ａ、２７４ｂに沿 っており、即ち遠心力に対抗してセグメントを保持するような方向である。この 理由により、開口２７０の内部角部２７６は開口２７０の外部角部２７８よりも 大きい曲率半径を有している。通常の状態に於いて、バー２３０の丸められた内 部エッジ２３２は開口２７０の内部角部２７６と接触するに至ることができる。 そのような場合には、保持力を伝達するのに有効な表面積は、内部角部２７６が 丸められていないとした場合に存在するであろう面積を超えて増加する。 開口２７０の外部角部２７８は、内部角部２７６よりも小さい曲率半径を有す る。理想的には、開口２７０は外部角部を有さず、磁束ラインを上で説明したよ うに案内するために外表面２５０までずっと延びているのがよい。しかしながら 、製造に於ける複雑さを避けるために、開口２７０はセグメント２１０の薄板を 打ち抜き形成するのを可能に維持しつつ半径方向に許容される限り延びているの である。加うるに、開口２７０の外部角部２７８は内部角部と同程度まで丸くす る必要はない。それは開口２７０の外表面には如何なる力もかからないからであ る。 好ましい実施例は、一般的に細長いダイヤモンド形状を有するバー２３０を含 んでいるが、他の形状のバー２３０も利用できる。例えば、円形、三角形等のロ ッドが開口２７０に挿入されることができる。勿論、開口２７０が細長いダイヤ モンド形状以外の形状をしている場合にはバー２３０はその開口２７０を貫通し 嵌合できる形状に作られ、セグメントを支持するのに十分な剛性を有していなけ ればならない。 図３は、開口２９０と中心穴３００とを含むリテーナリング２８０を示す。リ テーナリング２８０は、軸８０に嵌合し、バー２３０をその軸に関してしっかり と固定する。リテーナリング２８０はステンレス鋼のような非磁性材料で出来て いる。しかしながら他の同様な材料でもよい。リテーナリング２８０はまた薄板 であってもよいので、数枚の本質的に同一な板がロッド２３０を支持し位置決め するように一緒に固定される。好ましい実施例に於いては、他の薄板と同様に、 各リテーナリング２８０は打ち抜き形成された後で絶縁コーテイングで覆われた 薄いステンレス鋼板で創られる。更に図３に示されているように、リテーナリン グ２８０はその周辺に沿って切り欠き３１０を含む。一つの実施例に於いては切 り欠き３１０は数枚のリテーナ板を合わせて溶接する（ｆｕｓｉｏｎ ｗｅｌｄ ）のに用いられる。他の実施例に於いては、リテーナリングは全体として必要な 厚さを有する材料から切断され、結果として切り欠き３１０は省略され、溶接は 必要ではない。勿論、リテーナリング板が合わせて溶接される場合にはそれらを 接続する他の幾つかの方法も用いることができる。 リテーナリング２８０の開口２９０は、セグメント２１０の開口２７０と僅か に違った形状をしている。開口２７０と違って、固定バー２３０によってリテー ナリング２８０に掛けられる第一の機械的な力は開口２９０の外側の表面に沿っ ているものである。即ちバー２３０とセグメント２１０と磁石２００を遠心力に 対抗して保持する方向である。したがって、開口２９０の外部角部は内部角部よ りも大きい曲率半径を有しており、それに沿ってバー２３０の係合表面積を増加 するようになっている。 図４は、組み立てたロータを図２に示す線３−３に沿って切断した部分断面図 であり、セグメント２１０を３セットと二つの内部保持リング２８２を示してい る。ロータ１７がもっと短い、図１に示されるようなより単純な好ましい実施例 に於いては、内部リテーナリング２８２は必要ではなく、したがってそれらは存 在しない。固定バー２３０はセグメント２１０の全長にわたって伸延しており、 セグメントが何セットあるかには関係なくセグメント２１０の何れかの端部に於 いてリテーナリング２８０と接続している。 説明したように、本発明は色々なセット数の磁石（モジュール）を用いて実施 してもよい。各磁石モジュールは、ロータ１７の外径が何れかの（ｅｉｔｈｅｒ ）側にリテーナリングをもって約４９．５ｍｍである場合に、長さが約５１ｍｍ （２インチ）である。磁石モジュールは約５１ｍｍ（２インチ）の長さであると 説明したが、他の長さ、より小さい場合とより大きい場合の両方であるが、も利 用できるということを理解すべきである。このようなモジュールアプローチを用 いることによって、最適には一つのモジュールセグメントで約４Ｎｍのトルクを 発生し、二つのモジュールセグメントで７Ｎｍのトルクを発生し、三つのモジュ ールセグメントで１０Ｎｍのトルクを発生し、四個のモジュールセグメントで１ ３Ｎｍのトルクを発生しといった具合のモータ（直径約４９．５ｍｍのロータ） を得る。ここで明らかなように、得られるトルクは用いられる磁石モジュールの 数に比例して増える。 バランス駆動プレート３１２がリテーナリング２８０の一つの端部に備えられ ており、その内側リム３１４（図１に示されている）にエポキシパテイのような 材料３２０を取り付けることによってロータ１７のバランスをとる。好ましい実 施例に於いては駆動プレート３１２はステンレス鋼或いはそれに相当する非磁性 材料でできている。 ロータ１７のもう一方の端部近傍にはクランプと止めネジ組立体３３０がある 。図示のようにクランプ３４０は、軸８０の外表面がクランプ３４０の内表面に 接触しているところで、軸８０上に軸方向にねじ込まれている。クランプは、リ テーナリング２８０の外表面と整列するネジの切られた穴３５０を提供している 。止めネジ（図示せず）が各穴３５０にねじ込まれ、リテーナリング２８０に接 触し、薄板の組立体をタイトな整列状態（ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）に圧縮する。 図６は分解した状態にある軸８０を示している。図示のように、後ろ側軸３６ ０と前側軸３７０とが、ネジの切られた部分３８０とそれと補完関係にあるネジ の切られた受容部分３９０とによって一緒に接続され軸８０を形成している。後 ろ側軸３６０は、テーパ部４００とローレットの切られた（ｋｎｕｒｌｅｄ）部 分４１０を含む。図示のように、部分４１０のローレットは後ろ側軸３６０の外 表面に沿って軸方向に伸延している。後ろ側軸３６０は更にネジの切られた部分 ４２０を含んでおり、その部分が先に述べたようにクランプと止めネジ組立体３ ３０を収容する。好ましい実施例に於いては、後ろ側軸３６０はステンレス鋼或 いは同様な材料で作られており、一方前側軸３７０は冷間仕上げ炭素鋼或いは同 様な材料で創られている。 ロータ１７を製造するためには、リテーナリング２８０（及び必要な場合には リング２８２）、セグメント２１０及び磁石２２０の組立体がガイド手段（例え ばガイドピン）上に整列される。そのガイド手段はセグメント２１０の開口２７ ０及びリテーナリング２８０、２８２の開口２９０を貫通して伸延している。次 に、その組立体の外径上に円筒が挿入される。それはほぼ最終的なロータ１７の 直径に等しい。その円筒は各セグメント２１０を磁石２２０と接触するようにな るまで中心軸線に向かって押し付ける。 次に、バー２３０が、リテーナリング２８０、２８２の開口２９０内に、また セグメント２１０の開口２７０を貫通して挿入される。バー２３０が挿入される につれて案内（ｇｕｉｄｅ）ロッドは組立体から押し出される。バー２３０は、 組立体への挿入を容易にするためにその先端部に於いて僅かなテーパが付けられ ている。一旦バー２３０が組立体に挿入されると、後ろ側軸３６０は、リテーナ リング２８０、２８２内の中心開口３００内に押し込まれ、セグメント２１０と 磁石２２０によって形成された中心開口を貫通して押し込まれる。勿論、後ろ側 軸３６０のテーパの付けられた端部（図６のネジ付き部３８０及びテーパ部４０ ０参照）が先ず最初に組立体内に挿入される。これらの部品は、軸部分４００、 ４１０がセグメント２１０及び保持される磁石を半径方向外側に押し付け、セグ メントをバー２３０に対してしっかりと押し付け、それによってバー２３０を外 側に押し付けリテーナリング内の開口２９０の外側端部にしっかりと着座させる ような寸法に作られている。挿入されている間、後ろ側軸３６０のローレット部 分４１０は色々な部品の適切なアライメントを維持するのを明らかに助けており 、スプライン（ｓｐｌｉｎｅ）と同様にトルクを伝達するために薄板とのしまり 嵌め（ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｆｉｔ）を創り出している。 一旦後ろ側軸３６０が挿入されると、組立体は円筒から抜き出され、前側軸３ ７０の受容部３９０がネジ部３８０によって後ろ側軸３６０上にねじ込まれる。 前側軸３７０が後ろ側軸３６０にねじ込まれる前に、バランス駆動板３１２が前 側軸３７０に溶接され、或いは何らかの他の適切な手段によって固定される（図 ４参照）。前側と後ろ側の軸が組み立てられた後、止めネジ（図１参照）がバラ ンス駆動板３１２を貫通して付加される。次に、完全に清掃された後に、金属接 着剤が組立体に塗布され浸透し、組立体を永久的に接着固化する。好ましい実施 例に於いては、ロクタイトグレード（Ｌｏｃｔｉｔｅ ｇｒａｄｅ）２９０とし て市販されているポリマーセメントが使われる。全ての構成部品が所定の場所に 取り付けられた後、組立体は必要であれば旋盤或いはグラインダに載せられ、ロ ータ１７の外表面に沿って広がっている部分が全て機械加工で削り取られる。そ のような機械加工が必要な場合には、金属の削り屑が溜まらないようにするため にセグメントの耳２６０の間のエアギャップ内にパテを埋め込んでもよい。セメ ントが重合した後、ロータ１７は最終的に機械加工される。 本発明によれば、ロータ１７はその構造の結果として一つの一体物として挙動 し、それ故にひときわ優れた剛性を示すと信じられる。加うるに、ロータ１７は 小さなサイズに構成できる一方、その外表面に於いて大きな磁束を発生させまた 高トルクを発生させる。

───────────────────────────────────────────────────── 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，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ)，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，Ｃ Ｎ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ， ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，Ｍ Ｘ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ ，ＳＥ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 高トルクサイズ比を有するモータに使用するための、円筒外周面を有す る、円筒形状のロータであって、 中心ロータ軸と、 お互いに間隔をおいた対抗関係で前記軸上に固定的に搭載された少なくとも第 一と第二のリテーナと、 前記第一と第二のリテーナの間で前記軸の周りに整列された複数の磁気的に伝 導性のあるセグメントであって、各々のセグメントが前記円筒形状の扇形セクタ を張っている複数のセグメントと、 前記整列されたセグメントの各隣接した一対のセグメントの間に配設され、前 記外周面の回りに配設されたステータを通してリンクするためにそれぞれの隣接 したセグメントの各々を通過する磁束を提供するための磁石とを備え、 前記セグメントの各々が前記軸に一般的に間隔をおいて平行な関係でセグメン トを貫通して延びる開口を有し、前記開口の各々は、前記軸の中心軸線を通る半 径方向平面に垂直な前記開口の幅に関してそれぞれのセグメントの半径方向に細 長い断面を有し、更に、 前記開口の各々を貫通して伸延し、前記リテーナによって支持されており、よ って前記セグメントを前記ロータ内で所定の位置に支持する、非磁性固定バーと を備える、 ロータ。 ２． 前記非磁性固定バーが電気的に非伝導性である、請求項１記載のロータ 。 ３． 前記リテーナの各々が、前記軸の軸線周りに角度的に間隔をおいたイン タバルをもって配置されたバーサポートを含む、請求項１記載のロータ。 ４． 前記バーが前記バーサポートに係合している、請求項３記載のロータ。 ５． 前記バーサポートが前記リテーナの各々に於ける開口によって画成され ている、請求項４記載のロータ。 ６． 前記磁石が前記軸から半径方向に伸延する実質的に薄い板であり、それ らの極が前記セグメントに面したそれらの主平面側面にあるようにそれらの厚さ 方向に磁化されている、請求項１記載のロータ。 ７． 前記磁石が前記軸に密接的に隣接したところから前記ロータの外周に隣 接したことろまで伸延している、請求項６記載のロータ。 ８． 前記開口が前記セグメントの半径方向中心線に関して対称に配設されて いる、請求項１記載のロータ。 ９． 前記開口がほぼダイヤモンド形状に形成されている、請求項１記載のロ ータ。 １０． 前記軸が非磁性体である、請求項１記載のロータ。 １１． ３以上の前記リテーナがお互いに間隔をおいた関係で前記軸上に搭載 されており、前記ロータが前記セグメントの対応するセットを含み、前記磁石が 各々隣接した一対の前記リテーナの間に於いて前記軸の周りに整列し配列されて おり、固定バーによって前記リテーナ上に支えられるようになっている、請求項 １記載のロータ。 １２． 前記リテーナの１つであって、他の２つのリテーナの中間にあるリテ ーナの各々が前記セグメントを貫通する前記開口と整列した貫通開口を画成して おり、前記バーの各々が前記中間リテーナの各々の前記開口を貫通して延び、且 つ前記軸上に搭載されたリテーナの各々の上に半径方向に支持されている単一の バーである、請求項１１記載のロータ。 １３． 前記セグメントの各々が前記中心ロータ軸に当接している、請求項１ 記載のロータ。 １４． 高トルクサイズ比を有するモータに使用するための、円筒外周面を有 する、円筒形状のロータであって、 中心ロータ軸と、 お互いに間隔をおいた対抗関係で前記軸上に固定的に搭載された少なくとも第 一と第二のリテーナと、 前記第一と第二のリテーナの間で前記軸の周りに整列された複数の磁気的に伝 導性のあるセグメントであって、各々のセグメントが前記円筒形状の扇形セクタ を張っている複数のセグメントと、 前記整列されたセグメントの各隣接した一対のセグメントの間に配設され、前 記軸に密接的に隣接したところから前記ロータの外周に隣接したことろまで伸延 しており、前記外周面の回りに配設されたステータを通してリンクするためにそ れぞれの隣接したセグメントの各々を通過する磁束を提供するための、磁石であ って、前記軸から半径方向に伸延する実質的に薄い板であり、それらの極が前記 セグメントに面したそれらの主平面側面にあるようにそれらの厚さ方向に磁化さ れている磁石とを備え、 前記セグメントの各々が前記軸に一般的に間隔をおいて平行な関係でセグメン トを貫通して延びる開口を有し、前記開口の各々は、前記軸の中心軸線を通る半 径方向平面に垂直な前記開口の幅に関してそれぞれのセグメントの半径方向に細 長い断面を有し、更に、 前記開口の各々を貫通して伸延し、前記リテーナによって支持されており、よ って前記セグメントを前記ロータ内で所定の位置に支持する、非磁性で電気的に 非伝導性の固定バーとを備える、 ロータ。 １５． 前記リテーナの各々が、前記軸の軸線周りに角度的に間隔をおいたイ ンタバルをもって配置されたバーサポートを含む、請求項１４記載のロータ。 １６． 前記バーが前記バーサポートに係合している、請求項１５記載のロー タ。 １７． 前記バーサポートが前記リテーナの各々に於ける開口によって画成さ れている、請求項１６記載のロータ。 １８． 前記開口が前記セグメントの半径方向中心線に関して対称に配設され ている、請求項１４記載のロータ。 １９． 前記開口がほぼダイヤモンド形状に形成されている、請求項１６記載 のロータ。 ２０． 前記軸が非磁性体である、請求項１６記載のロータ。 ２１． ３以上の前記リテーナがお互いに間隔をおいた関係で前記軸上に搭載 されており、前記ロータが前記セグメントの対応するセットを含み、前記磁石が 各々隣接した一対の前記リテーナの間に於いて前記軸の周りに整列し配列されて おり、固定バーによって前記リテーナ上に支えられるようになっている、請求項 １４記載のロータ。 ２２． 前記リテーナの１つであって、他の２つのリテーナの中間にあるリテ ーナの各々が前記セグメントを貫通する前記開口と整列した貫通開口を画成して おり、前記バーの各々が前記中間リテーナの各々の前記開口を貫通して延び、且 つ前記軸上に搭載されたリテーナの各々の上に半径方向に支持されている単一の バーである、請求項２１記載のロータ。 ２３． 前記セグメントの各々が前記中心ロータ軸に当接している、請求項１ ４記載のロータ。 ２４． 高トルクサイズ比を有するモータに使用する、また中心駆動軸及びそ の中心駆動軸の周りに配設された永久磁石と磁場セグメントとを含むロータの製 造方法であって、 実質的に薄い板状の前記磁石と前記セグメントが前記軸の回りに組み立てられ たとき前記軸に一般的に間隔をおいて平行な関係で伸延する方向にある開口を有 する前記セグメントを提供する工程と、前記軸と係合する形状を有し、前記軸上 に前記セグメントと共に組み立てられたとき前記セグメントの開口と整列するよ うな位置にある開口を有するリテーナリングを提供する工程と、 前記セグメントの開口が前記リテーナの開口と整列し、前記リテーナと磁石と セグメントの内表面によって画成される中央穴を前記組立体が形成するように、 前記リテーナと磁石とセグメントを備える組立体を前記軸上に整列させ且つ支持 する工程と、 前記セグメントと前記リテーナとによって形成される整列した開口に非磁性固 定ロッドを挿入する工程と、 前記中央穴に非磁性軸を挿入する工程とを備え、 ここで前記リテーナによって保持された前記固定ロッドが前記セグメントに半 径方向内側に向いた力をかけ、前記セグメントを前記軸に関してしっかりした当 接状態に維持し、よって軸とリテーナとセグメントとロッドを単一のプレストレ ストラス体として相互作用させるようにした、 方法。 ２５． 前記ロータを接着剤に浸す工程を更に備える、請求項２４記載の方法 。 ２６． 前記ロータをその外周に沿って機械加工し滑らかな円形表面を提供す る工程を更に備えた、請求項２４記載の方法。