(57)【要約】本発明は、永久磁石モータの最適化されたセグメント磁石を提供する。連続的な周期関数に従ってセグメント磁石における磁場の流れを設定することにより、少ない材料で電気モータの最適化された動作特性を達成することができる。セグメント磁石における磁化方向の周期的な形成は、この効果をさらに向上するために、他の周期関数による成形を組み合わせることができる。【選択図】図３
2019530421.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外縁（１０）に沿う磁化ベクトルが、連続的な周期関数に従って角度依存の方向を有する永久磁石モータのセグメント磁石（１）。
【請求項２】
前記磁化ベクトルの方向の周期関数が、複数の周期項を有する合計を備える請求項１に記載のセグメント磁石（１）。
【請求項３】
前記磁化ベクトルの方向の周期関数が、次式に従って形成される請求項１または請求項２に記載のセグメント磁石（１）。
【数１】
2019530421.tif 000007
ここで、
φ：半径ベクトルの角度、
ｖ（φ）：半径ベクトルに対する磁化ベクトルの角度、
ｐ：電気モータの極対の数、
ｎ：磁化ベクトルの整数モデリング度、および、
ａｋ：磁化ベクトルのモデリング係数
である。
【請求項４】
最初の前記モデリング係数ａ１が、１０°から５０°の範囲の値を有する請求項３に記載のセグメント磁石（１）。
【請求項５】
さらなる前記モデリング係数ａ２−ａｎが、最初の前記モデリング係数ａ１よりも小さい請求項４に記載のセグメント磁石（１）。
【請求項６】
前記セグメント磁石の外縁（１０）が、さらなる周期関数に従って角度依存する外径を有する請求項１から請求項５のいずれかに記載のセグメント磁石（１）。
【請求項７】
前記セグメント磁石（１）の外径に対するさらなる周期関数が、いくつかの周期項の合計を備える請求項６に記載のセグメント磁石（１）。
【請求項８】
前記セグメント磁石（１）の前記外縁（１０）の外径に対するさらなる周期関数が、次式に従って形成される請求項６または請求項７に記載のセグメント磁石（１）。
【数２】
2019530421.tif 000008
ここで、
φ：前記半径ベクトルの角度、
R（φ）：前記セグメント磁石の外縁の半径の角度依存の関数、
ｐ：前記電気モータの極対の数、
ｍ：前記半径の関数の整数モデリング度、
ｂｋ：前記半径の関数のモデリング係数、
ｄ０：前記永久磁石モータの磁極ポットの内径
である。
【請求項９】
前記半径の関数の最初のモデリング係数ｂ１が 0．０３と０．１２との間の範囲の値を有する請求項８に記載のセグメント磁石（１）。
【請求項１０】
前記半径の関数のさらなるモデリング係数ｂ２−ｂｍが、前記半径の関数Ｒ（φ）の前記最初のモデリング係数ｂ１よりも小さい請求項９に記載のセグメント磁石（１）。
【請求項１１】
固定子と、該固定子に対して回転可能に配置された回転子とを有し、
前記固定子または前記回転子が、複数の磁極を有する磁石を備え、
前記磁石が請求項１から請求項１０のいずれかに記載のセグメント磁石（１）を備える永久磁石モータ（２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セグメント磁石、特に、永久モータ用のセグメント磁石、ならびにセグメント磁石を有する永久磁石モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
回転子と固定子の間にある電気モータのエアギャップにおける磁場の流れは、モータ性能に決定的な影響力を有する。特に、磁場の流れはモータの出力密度、トルクの均一性およびノイズ形成に影響を及ぼす。ここで、エアギャップにおける磁場の永久磁石励起は、同時に、磁束の基本波を最大化し、干渉する高調波を最小化することを目的とする。
【０００３】
永久励起を有する電気モータにとって、放射状および平行に磁化された磁気セグメントが知られている。磁石の端部における磁束密度の増加は、力密度の増大によって、ノイズ形成に関連する不均一なモーメントを発生させる。この効果は、特に、平行に磁化された磁石と比較して、高い磁束の連続を達成可能な、放射状に磁化された磁気セグメントにおいて顕著である。
【０００４】
磁気セグメントの端部はモータ内のノイズ形成を改善するために、様々な方法で面取りされている。これは磁束密度の低下につながる。したがって、磁石の利用は、より低いノイズ放射のために減少している。
【０００５】
近年、磁気セグメントの純粋に平行で放射状の磁化に加え、多種多様な磁束パターンが実現可能となった。一つの可能性のあるフローが、例えば、いわゆるハルバッハ構造によって説明される。ここで、磁石の配列は永久磁石のいくつかの部分的なセグメントで構成されている。部分的なセグメントの磁化の方向は長手軸方向について９０°だけ互いに傾斜している。一側の磁力線は近づく一方、他側の磁力線はさらに離れ、ここでは磁場は弱まっている。
【０００６】
従来の方法は、実際にモータにより形成されるノイズを減らすことはできるが、これは、通常、使用される磁気材料の乏しい利用につながる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、ノイズ発生の低減などの動作特性を同時に改善しながら、磁気材料の最適な利用を可能にする、永久的に励起された電気モータのセグメント磁石が必要とされている。特に、できるだけ自由にパラメータ化できるセグメント磁石が必要とされており、そのパラメータ化は、電気モータのデザインにおける磁場計算および対応するセグメント磁石に必要な製造工程の両方に使用することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この本発明は一態様によれば、永久磁石モータ用のセグメント磁石を提供する。セグメント磁石は、セグメント磁石の磁化ベクトルがセグメント磁石の外縁に沿って角度依存の方向性を有することを特徴としている。角度依存の方向性は、ここでは、連続的な周期関数によって説明されている。
【０００９】
他の態様によれば、本発明は、永久磁石モータに関する。永久磁石モータは、固定子と、固定子に対して回転可能に配置された回転子とを有している。回転子または固定子は、複数の磁極を有する磁石を含む。特に、回転子または固定子の磁石は、本発明によるいくつかのセグメント磁石を有している。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、永久磁石モータにおいて様々な方法で使用されているような従来のセグメント磁石は、一般的には、ノイズ発生を最小化する設計手法に使用される磁気材料を十分に活用できないという認識に基づいている。特に、磁石の縁を面取りするなどの構造的な方法は、磁束密度の低下を招く。
【００１１】
本発明は、したがって、この認識を考慮に入れ、ノイズ低減などの最適化された動作特性に加え、必要な磁気材料の改良された利用法を可能にする永久的に励起された電気モータのセグメント磁石を提供するという認識に基づいている。これにより、使用される磁気材料に関して高い磁束密度を得ることができることができる。
【００１２】
さらに、本発明はパラメータ化を数学的に表現できるセグメント磁石を提供する。このように、セグメント磁石のパラメータは、例えば電気モータの開発または構築のための磁場計算に容易に取り入れることができる。さらに、その様なセグメント磁石のパラメータは、製造方法にも簡単に取り入れることができる。これは、時間とコストの両方のメリットを実現することができる。
【００１３】
連続的な周期関数による磁化ベクトルの角度に依存した変化は、磁化ベクトルの方向の適切なパラメータ化を可能とする。
特に、磁化ベクトルの角度依存の調整は、磁化方向をモータハウジングの輪郭に良好に適合させることができる。
【００１４】
一実施形態によれば、セグメント磁石の外側曲線に沿う磁化ベクトルの方向を表す周期関数は、いくつか数の周期項の合計を含む。周期項は、特に、正弦関数または余弦関数のような周期関数である。
【００１５】
一実施形態によれば、セグメント磁石の外縁に沿う磁化ベクトルの方向ｖ（φ）を表す周期関数は、次式に従って形成される。
【数１】
2019530421.tif 000003
ここで、φを用いて、与えられた方向に関する半径ベクトルの角度を説明する。ｖ（φ）はそれぞれの半径ベクトルに対する磁化ベクトルの方向の角度を表す。ｐは実現される永久磁石モータの極対の数に対応している。ｎは磁化ベクトルの整数モデリング度を示している。ａｋは磁化ベクトルのモデリング係数である。ここで、上式はセグメント磁石の外縁に沿う磁化ベクトルの方向のフーリエ表現を表している。
【００１６】
一実施形態によれば、最初のモデリング係数ａ１は１０°から５０°の間の角度範囲を有する。その他のモデリング係数ａ２−ａｎは、最初のモデル係数ａ１よりも小さい方が好ましい。このように、セグメント磁石をパラメータ化することによって、使用する磁気材料の利用を最適化しながら非常に良好な性能を備えたセグメント磁石を得ることができる。
【００１７】
一実施形態によれば、セグメント磁石の外縁は、角度に依存する外径を備えている。角度に依存する外径は、ここでは、他の周期関数によって説明されている。磁化ベクトルの角度依存方向を形成し、同時に、周期関数に従ってセグメント磁石の外縁を調整することによって、磁化ベクトルの方向と外縁とを互いに最適に整合させることができる。
【００１８】
一実施形態によれば、セグメント磁石の外縁の半径を表すさらなる周期関数は、いくつかの周期項の合計を含む。上記のように、特に、周期項は、正弦関数または余弦関数のような周期関数を含んでいる。
【００１９】
一実施形態によれば、セグメント磁石の外縁の半径Ｒ（φ）を表すさらなる周期関数は、次式に従って形成される。
【数２】
2019530421.tif 000004
ここで、φは与えられた方向に対する半径ベクトルの角度を表している。Ｒ（φ）はセグメント磁石の外縁の半径に対する角度依存の関数を表している。ｐはセグメント磁石が使用される永久磁石モータの極対の数を示している。ｍは半径関数の整数モデリング度を表している。ｂｋは半径関数のモデリング係数である。ｄ０は永久磁石モータの磁極ポットの内径を示している。ここで、上式はセグメント磁石の外縁の形状を展開するためのフーリエ表現を表している。
【００２０】
一実施形態によれば、半径関数の最初のモデリング係数ｂ１は０．０３から０．１２の間の範囲の値を有している。さらに、さらなる半径関数のモデリング係数ｂ２からｂｍは、半径関数の選択された最初のモデリング係数よりも小さい方が好ましい。
【００２１】
上記実施形態およびさらなる実現形態は、有用であれば、どのようにしても互いに組み合わせることができる。本発明におけるさらなる実施形態、実現形態および実装は、明示的に述べられていないが、前述、または、実施形態に関して以下に説明される発明の特徴の組み合わせを含んでいる。特に、当業者であれば、この発明のそれぞれの基本的な実現に対する改良または追加として個々の態様を追加するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
以下、本発明は、図面に描かれた実施形態を参照して、より詳細に説明される。
【図１】一実施形態に係るセグメント磁石を有する永久磁石モータの横断面図である。
【図２】一実施形態に係るセグメント磁石の横断面図である。
【図３】一実施形態に係るセグメント磁石を有する永久磁石モータ内における磁場の磁力線の流れを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１は一実施形態に係る永久磁石モータを概略的に示している。
永久磁石モータは、４つのセグメント磁石１が配置されたハウジング２を備えている。これらの４つのセグメント磁石１はモータの固定子を形成している。さらに、永久磁石モータは回転可能な回転子３を備えている。ここに示された実施形態は４極モータを表している。しかしながら、以下の４極モータの説明は、図示目的に過ぎず、この発明を与えられた極数に制限するものではない。
【００２４】
回転子３の方向に面するセグメント磁石１の内側は、少なくともほぼ円形の表面形状を有し、回転子３の方向に面するそれぞれのセグメント磁石１は、円筒部分の表面を有している。
【００２５】
ハウジングの方向に面するセグメント１の外側の形状は、連続的な周期関数に従って設計されている。この連続的な周期関数は、以下により詳細に説明される。特に、ハウジング２は、セグメント磁石１のハウジング２に面する側面に適合している。
【００２６】
ハウジング２に面するセグメント磁石１の外側の周期関数は、特に、フーリエ表現によって、いくつかの周期項の合計として記述することができる形態である。このフーリエ表現の実現は、図２を参考して以下のように説明される。セグメント磁石１のハウジング２に面する側面の外縁からモータの中心点までの距離Ｒ（φ）は次式に従って形成される。
【数３】
2019530421.tif 000005
角度φは、現在の半径ベクトルと、図２に破線で示されるセグメント磁石１の中心軸との間の角度を表している。ｐは、モータの極対の数を表している。ｄ０は、実現されるモータの磁極ポットの内径を表している。係数ｂｋは、半径関数Ｒ（φ）のモデリング係数を表し、Ｒ（φ）は、モータのハウジング２に面するセグメント磁石１の側面を表している。合計関数の上限であるｍは、モデリング度を表している。原則として、３，４，５等の係数の一桁のモデリング度で十分である。加えて、しかしながら、任意のより高度なモデリング度でも可能である。
【００２７】
最初のモデリング係数ｂ１は、０．０３から０．１２の間の範囲内で選択されることが好ましい。特に、例えば、０．０５、０．０７または０．１の値は、最初のモデリング係数ｂ１に適している。他のモデリング係数ｂ２−ｂｍは、通常、最初のモデリング係数ｂ１の値より小さい値を有する。例えば、モデリング係数は序数の増加とともに減少する。
【００２８】
上述したセグメント磁石１の形状に加え、セグメント磁石の磁化ベクトルの方向も周期関数、特に、フーリエ級数によって表される。ここで示されるセグメント磁石１の磁化方向は、放射状、平行、またはハルバッハ磁化のような従来の磁化形態とは異なっている。
【００２９】
図３は４極モータの例を使用した磁気回路の磁化を概略的に示している。セグメント磁石１の外縁に沿う磁化ベクトルの方向ｖ（φ）は、次式に従って表される。
【数４】
2019530421.tif 000006
ここで、φは、半径ベクトルの角度を表している。半径ベクトルに対する磁化ベクトルの方向はｖ（φ）と表現される。セグメント磁石１の外形の記述と同様、ここで、ｐも電気モータの極対の数を表している。ａｋは磁化ベクトルの方向にあるモデリング係数を表し、ｎは磁化ベクトルの方向のモデリング度を表現している。
【００３０】
セグメント磁石１の磁化方向を適切に形成するために、最初のモデリング係数ａ１は、例えば、１０°から５０°の間の値を有することができる。例えば、２０°、３０°、４５°の値が可能である。他のモデリング係数ａ２−ａｎは、通常、最初のモデリング係数ａ１よりも小さいものを選択することができる。例えば、序数の増加とともに小さな値をとるモデリング係数が選択可能である。
【００３１】
上述した外形と磁化方向を有するセグメント磁石１を形成することにより、磁気材料のための材料を減らして最適化された動作特性を達成する、永久的に励起された電気モータのセグメント磁石を構成することができる。特に、ノイズ発生のような、稼働中の特性を改善することができる。
【００３２】
周期関数の形態を有する外形を組み合わせと、他の周期関数による磁化ベクトルの方向を同時に調整することにより、最適化された特性を達成することができる。加えて、しかしながら、周期関数の形態を有する磁化ベクトルの方向形成することだけでなく、セグメント磁石の外形として従来の形状を選択することもできる。
【００３３】
ここで、セグメント磁石１の最適化は、磁化ベクトルの方向を構成する従来の成型によって、既に達成することができる。従来の形状により、そのような最適化されたセグメント磁石１は既存のモータの形状に統合することができる。これは最適化された動作特性が既存のモータの形状でも達成が可能であることを意味する。
【００３４】
要約すると、本発明は、永久磁石モータ用に最適化されたセグメント磁石に関するものである。連続的な周期関数に従ってセグメント磁石内の磁気の流れを設定または調整することにより、電気モータの最適化された動作特性を少ない材料で達成することができる。セグメント磁石における磁化方向の周期的な形成は、この効果をさらに増大させるために他の周期関数による成整形を組み合わせてもよい。
【図１】
2019530421.tif 000009
【図２】
2019530421.tif 000010
【図３】
2019530421.tif 000011
【国際調査報告】
2019530421.tif 000012
2019530421.tif 000013
2019530421.tif 000014
2019530421.tif 000015
2019530421.tif 000016
2019530421.tif 000017