(57)【要約】本発明の目的は、永久磁石を用いる電気装置のためのロータ（４）を提供することにある。このロータ（４）は、当該電気装置ボディに軸受を介して取り付けられた軸（６）と；前記軸（６）の周りに配置された鉄製のロータ・パックと；前記ロータ・パックに組み込まれ、ロータの磁極（９）を形成するために用いられる永久磁石（１０）と；を備える。本発明によれば、ロータの磁極（９）は、磁極（９）の両エッジから  実質的に磁極の中央に向かって伸びるスロット（２４）を有しており、前記スロット（２４）は、ロータの中心軸よりもロータの外周（３）に近くに配置されている。本発明はまた、そのようなロータを製造するための方法を含む。
2005536974.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石を用いる電気装置のためのロータ（４）であって、
当該電気装置のボディに軸受を介して取り付けられた軸（６）と；
この軸（６）の周りに配置された鉄製のロータ・パックと；
このロータ・パックに組み込まれ、ロータの磁極（９）を形成するために用いられ、磁束密度が磁極の中央で最大となり、磁極のエッジに向かって減少するように構成された、永久磁石（１０）と；
を備えたロータにおいて、
前記磁束の経路上でロータの磁極（９）の中にスロット（２４，２６，３２）が設けられており、その内の少なくとも一つのスロット（２４，２６，３２）が、磁極（９）の両エッジから実質的にその中央に向かって伸び、且つ、ロータの中心軸よりもロータの外周（３）の近くに配置されていることを特徴とするロータ。
【請求項２】
下記特徴を備えた請求項１に記載のロータ：
前記スロット（２４，２６，３２）は、ロータの外周（３）から間隔を開けて配置されている。
【請求項３】
下記特徴を備えた請求項１または２に記載のロータ：
前記永久磁石（１０）は、Ｖ字型に配置され、それによって、前記永久磁石（１０）がロータの外周（３）の近傍に伸び、且つ、前記永久磁石（１０）が一つの磁極（９）を形成し、前記外周（３）側の端部よりも前記軸（６）側の端部で互いより近付くように構成されている。
【請求項４】
下記特徴を備えた請求項１から３のいずれか１項に記載のロータ： 
前記スロット（２４）は、磁極（９）のエッジから、磁極（９）の中央に向かって、ロータの外周（３）に対して実質的に平行に伸びている。
【請求項５】
下記特徴を備えた請求項１から４のいずれか１項に記載のロータ：
前記スロット（２４）の幅は、磁極（９）の中央に向かって減少する。
【請求項６】
下記特徴を備えた請求項１から５のいずれか１項に記載のロータ：
前記スロット（２６）の、磁極の中央の方向に向いた端部は、前記軸の方向に曲げられている。
【請求項７】
下記特徴を備えた請求項１から３のいずれか１項に記載のロータ：
前記スロット（２４，２６，５１）は、磁極のエッジから、ロータの外周上の磁極の中央に実質的に向かって伸びている。
【請求項８】
下記特徴を備えた請求項１から７のいずれか１項に記載のロータ：
数個のスロット（３２，５１，５２，５３）が、磁極の両エッジから、磁極の中央に向かって伸びていて、
磁極の同じエッジ上にある前記スロットは、ロータの径方向に互いに一定の間隔を開けて配置され、且つ、磁極の両エッジ上にある少なくとも一つのスロット（３２，５１）は、ロータの外周に対して実質的に平行であるように構成されている。
【請求項９】
下記特徴を備えた請求項１から８のいずれか１項に記載のロータ：
ロータの外周（３）に近い方のスロット（３２，５１）は、ロータの外周（３）から遠い方のスロットと比べて、幅が広く、および／または、長さが長い。
【請求項１０】
下記特徴を備えた請求項１から８のいずれか１項に記載のロータ：
前記永久磁石（６２）は、ロータの外周（３）の表面に位置し、且つ、前記スロット（６３）は、前記永久磁石（６２）の位置で、ロータの径方向に関してロータの内側に配置されている。
【請求項１１】
永久磁石を用いる電気装置を、空隙磁束が正弦曲線形を持つように製造するための方法であって、
前記電気装置は、そのボディに軸受を介して取り付けられた軸（６）を備えており、
当該方法は、前記軸（６）の周りにロータの磁極（９）を配置する工程を有し、
磁極は、磁気伝導性を備えた鉄（１３）及びそれに組み込まれた永久磁石（１０）で作られており、
前記方法は下記特徴を備える：
ロータの中に、軸方向のスロット（２４，２６，３２）が設けられ、磁極のエッジからその中央に向かって実質的に伸びている。
【請求項１２】
下記特徴を備えた請求項１１に記載の方法：
前記スロット（２４，２６，３２）は、型打ち抜きで作られる。
【請求項１３】
下記特徴を備えた請求項１１に記載の方法：
前記スロット（２４，２６，３２）は、レーザを使用して作られる。
【請求項１４】
下記特徴を備えた請求項１１に記載の方法：
前記スロット（６３）は、ロータに軸方向の穴を開けることによって作られる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の目的は、請求項１の導入部分による、永久磁石を用いる電気装置のためのロータを提供することにある。本発明の目的はまた、請求項１１の導入部分による、ロータを製造するための方法を提供することにある。
【背景技術】
【０００２】
電気装置のブレークアウエイ・トルク（breakaway torque）は、空隙磁束（air gap flux）及びアーマチュア回路電流に比例する。ブレークアウエイ・トルクが全ての負荷条件において均一であることが、マシンの運転のために重要である。空隙磁束は、アーマチュア回路内にマシン制御のために必要なフィードバック量を測定するために用いられる電流を誘導する。測定される量は、正確で且つ干渉が無いことが要求される。
【０００３】
例えば周波数変換器で制御される永久磁石を用いる同期式のマシンのような、永久磁石を用いる電気装置におけるロータの位置は、しばしば、ステ−タ電流に基づいて計算される。この場合、運転の信頼性のために、電流に干渉が無いことが重要である。不正確なあるいは不明確なフィードバック情報は、制御ロジック及び周波数変換器内でのスイッチの制御との間で干渉を生じさせる。
【０００４】
交流装置または同様な電気装置において空隙磁束を作る狙いは、可能な限り正確な正弦曲線を形成するためである。これが、例えば、巻線により引き起こされるスロット高調波、及び永久磁石の位置や永久磁石の磁極の形状に起因する外乱要因などの問題によって妨げられることは、良く知られている。
【０００５】
これまで、永久磁石の磁極は、永久磁石を適切に配置し、ロータの永久磁石回路を構成するシート・パック（sheet pack）のために適切な形状をデザインすることにより作られて来た。例えば、一つのソリューションが欧州特許出願 EP 0955714 号から知られている。それによれば、永久磁石のロータの外周が、空隙の幅を磁極領域内で正弦曲線的に変化させるような形状を備え、それによって、空隙が磁極の中央で最小値となり、磁極のエッジに向かって増加するように構成されている。この機能的なソリューションの不利なところは、大きなロータ直径及び数対の磁極（例えば、１２個の磁極）を有する大型や低速マシンにおいて製造上の問題が生ずることにある。
【０００６】
例えば、一つのソリューションが日本特許公開公報 JP 2001-037127 号から知られている。それによれば、空隙磁束が、ロータのシート・パックに形成された径方向のスロットによってコントロールされる。それらのスロットは、できる限り正弦曲線に近い分布を備えた空隙の中に磁束を方向付けるように構成されている。しかしながら、ロータの外周のほぼ全域に渡って伸びるスロットは、正弦曲線形でスムーズに変化する空隙磁束を確実に形成することができない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この発明の目的は、全てのサイズの製品を経済的に製造することが可能で、且つ、正弦曲線形にスムーズに従う空隙を実現することができる、新しい永久磁石モータを作り出すことである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的を実現するため、本発明によるロータは、請求項１の特徴部分に規定された特徴によって特徴付けられる。これに対応して、本発明による方法は、請求項１１の特徴部分に規定された特徴によって特徴付けられる。本発明の他の好ましい実施形態は、従属請求項の中に挙げられた特徴によって特徴付けられる。
【０００９】
本発明によるソリューションにおける空隙磁束の変形形態は、正弦曲線形に実質的に従う。大きな直径及び数対の磁極を備えたロータにおける、空隙磁束の正弦曲線はまた、製造技術的に経済的な手段によって実現される。ロータ・シートに、スロットに適した型打ち抜きまたはレーザ切断を施せば十分であり、これにより、製造技術的に厄介なロータの外周に形状を加工することが不要になる。本発明によるソリューションはまた、全ての負荷条件において空隙磁束を実質的に正弦曲線に保つ。
【００１０】
本発明は、特に、製造技術に関して好ましい具体化を実現する。更に、本発明は、異なるサイズ及びタイプの電気装置などにも適用可能である。
【００１１】
本発明の基本的なアイディアは、当該マシンの空隙を構成する構造（即ち、ロータの外周またはステ−タの内周）を実際には変更することなく、有効空隙（effective air gap）を調整することに基づいている。このソリューションによる構造は、ロータのシート・パック内での磁束の分布に対して僅かな影響しか及ぼさない。その理由は、磁力線の方向において、スロットが短い磁力線に対して垂直のブレイクをもたらし、磁力線を途絶させることがないからである。
【００１２】
本発明の一つの実施形態によれば、スロットがロータの中のロータ・パックの外周から離れた位置に配置される。本発明の他の実施形態によれば、永久磁石がＶ字形状に配置され、それによって、永久磁石がロータの外周の近傍に伸び、且つ一つの磁極を形成する永久磁石が、外周側の端部よりも、軸側の端部で互いにより接近するように構成される。
【００１３】
本発明の更に他の実施形態によれば、スロットは、磁極のエッジから磁極の中央に向かって、実質的にロータの外周に対して平行に伸びる。
【００１４】
本発明の好ましい実施形態によれば、ロータのシート・パック内でのスロットの幅は、ロータの磁極の中央に向かって、ロータの径方向に減少する。このようにして、有効空隙が、実質的に正弦曲線的に変化する空隙の幅に対応して増大する。
【００１５】
一つの実施形態によれば、スロットは、磁極の中央側で、ロータの外周から軸の方向に曲がる。製造技術上、例えば０．５ｍｍよりも狭いような、非常に狭いスロットの製造は困難である、従って、この理由のため、磁極の中央での正弦曲線は、付加的空隙と現実の空隙の間の距離を増大させることによって確保される。このようにして、磁束は、空隙内の分布を最適化するように曲線状になる。
【００１６】
一つの実施形態によれば、スロットは、磁極のエッジから、ロータの外周上の磁極の中央に実質的に向かって伸びる。このケースでは、スロットと空隙の間の距離を、より大きくすることができるが、それでもスロットは、磁束方向に対して実質的に垂直である。そして、この実施形態でもまた、増加する空隙の効果は、中央よりもむしろ磁極のエッジに向かって方向付けられ、正弦曲線形の実現を可能にする。この実施形態は、特に、スロットが大きめで且つその形状が規則的なので、型打ち抜き加工の場合に適用可能である。しかしながら、空隙磁束の分布に対するスロットの効果は、スロットが空隙から大きく離れるに従って適当に減少される。
【００１７】
好ましい実施形態によれば、数個のスロットは、磁極の両エッジから磁極の中央に向かって伸びるように配置され、それによって、空隙の有効な増加が数個のスロットによって作られるように構成される。それに加えて、磁極の同じ側のエッジで、スロットがロータの径方向に互いに間隔を開けて配置され、磁極の両エッジで、少なくとも一つのスロットはロータの外周に対して実質的に平行である。このことは、特に、レーザ切断の場合に適用可能である。レーザ切断の場合には、例えば０．５から１．５ｍｍの範囲のスロットのような、限られた幅のスロットを形成することが好ましい。
【００１８】
更に発展させた実施形態によれば、ロータの外周により近い方のスロットは、ロータの外周から遠い方のスロットと比べて幅が広くおよび／または長さが長い。更に他の実施形態によれば、永久磁石が、ロータの外周の表面上に配置され、且つ、スロットが、永久磁石の位置でロータの径方向に関してロータの内側に配置される。
【００１９】
更に他の実施形態によれば、永久磁石と空隙の間の稜線が磁極のエッジで増大する。このケースでは、磁束は、この稜線の側面で磁極に近付き、磁極の相互の間の空隙磁束密度を実質的にゼロにする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下において、本発明について、添付図面を参照しながら、幾つかの実施形態を用いて詳細に説明する。
【００２１】
図１から５に、永久磁石を用いる同期式のマシン２の本発明によるソリューションを示す。ここで、永久磁石はロータの中に埋め込まれている。このマシンは、軸方向の断面図として描かれており、各図において、互いに対応する部分に対しては同一の参照符号が付けられている。この例によるマシンは１２個の磁極を備えているが、理解し易くするため、この図には、一つの磁極を示す一つの扇形のみが示されている。他の磁極も同様な形状を備えているが、既知の通り、Ｎ極とＳ極が交互に配置されるように構成されている。
【００２２】
マシン２のロータ４は、磁気伝導性を備えたシートを組み合わせて作られており、その結果得られたロータ・パックがマシン２の軸６に取り付けられている。これらのロータ・シートは、例えば型打ち抜きにより形成されたスロット８を有していて、永久磁石要素１０がそれらのスロットの中に配置されている。永久磁石はＶ字型に配置され、それによって、一つの磁極９の両側の永久磁石が、軸側のロータ部分で互いに近付き、且つ、ロータの外周の近傍で実質的に磁極９のエッジに位置するように構成されている。ロータの外周３は実質的に円筒形である。
【００２３】
図１から５において、磁極は、Ｖ字形状に配置された二つの永久磁石によって形成されているが、本発明を実施する場合に、他の様々な方法によって磁極を形成することができる。例えば、二つの永久磁石を磁極のエッジに放射状に配置して、“Ｖ”字形の底の部分を開いたまま残すことも可能であり、あるいは、磁極を三つの永久磁石で形成し、その内の二つを磁極のエッジに他の一つをそれらの間にして、ロータの外周に対して平行に配置しても良い。更に、永久磁石でＷ字形状を形成して良いし、あるいは、数個の永久磁石を所定の順序で並べても良い。
【００２４】
マシンのステ−タ１４は、磁気伝導性を備えたシートにより形成され、シートには、ステ−タ巻線（図示せず）のための溝１６が加工されている。図１に示すように、磁束は、磁力線１８によって示される経路を閉じる。その経路は、ロータの永久磁石１０−ロータの磁極９−空隙１１−ステ−タ・ティース２０−ステ−タ・バック２２を通って、隣接する他の磁極（図示せず）のステ−タ・ティースに入り、次いで、空隙−他のロータの磁極−他のロータの永久磁石−ロータ・バック１３−ロータの永久磁石１０を通る。
【００２５】
磁力線は空隙内で曲がる傾向があり、それによって、空隙内の磁束密度が正弦曲線形から外れる。このことは、永久磁石の位置、ステ−タ・ティース内での磁束経路、及び迷走磁束により影響を受ける。空隙磁束をより正弦曲線に近付ける一つの方法は、ロータ発電機を修正することである。例えば、欧州特許出願 EP 0955714 に記載されているソリューションでは、ロータの外周が、空隙が磁極の中央で最小となり、磁極のエッジで最小となるように構成されている。
【００２６】
図１に示された実施形態において、ロータの磁極はスロット２４を有している。スロット２４は、ロータの外周に対して実質的に平行に、磁極のエッジから磁極の中央に向かって伸び、磁極のエッジ側でスロットの幅が最大となる。各スロットは、磁極の中央に向かって幅が狭くなり、その外周の方向の長さは磁極の幅の約３分の１である。各スロットは、その幅の最小値が約１．５ｍｍであって、ロータ・パックを組み立てる前に、ロータ・パックを構成するシートに型打ち抜き加工を施すことにより形成することができる。スロットがマシンの空隙の近くにあるとき、空隙磁束の分布に対するその影響は、ロータの外周の形状による影響とほぼ同様である。これらのスロットは、磁極の両エッジに互いに対称に配置される。
【００２７】
スロットの幅を零まで一様に減少させることができないので、磁極の中央には、磁極の全幅の約３分の１の幅で、スロットが無い部分があり、その部分が空隙磁束の分布における正弦曲線形からの偏差を生じさせる。このような影響は、図２に示されたソリューションにより軽減される。それによれば、スロット２６が磁極の中央に近づくに従いロータの中心の方向に曲がるように、型打ち抜きによって形成されている。
【００２８】
機械的な理由で、ロータのシート・パックの厚さは、永久磁石と空隙の間の稜線２８の位置に当たる磁極のエッジ上で、十分な値を有していなければならない。この理由で、スロットを磁極の実際のエッジまで伸ばすことはできない。このケースでは、空隙磁束の分布が正弦曲線形から外れる傾向がある。この問題を解決するため、図３に示された実施形態は、スロット２９が永久磁石の端部から離れた位置に形成され、ロータの磁極の間に稜線３０を有している。この稜線３０は、磁束が隣接する磁極に直接向かい、ステ−タ・ティース及びその間の溝に取り付けられたステ−タ巻線には向かわない程度の大きさに設定されている。このケースでは、ステ−タ巻線の中に誘導される電圧が実質的に正弦曲線形になる。
【００２９】
第四の実施形態によれば、図４中に示されているように、ロータは、磁束の方向に（即ちロータの径方向に）規則的に配置された数個のスロット３２を有している。これらのスロットは、好ましくは、磁極のエッジから中央に向かって次第に狭くなる。これらのスロットはまた、ロータ軸の方向に曲がり、それによって、スロットからロータの外周までの距離、従ってマシンの空隙までの距離が、磁極のエッジから離れるに従い次第に大きくなるように構成されている。
【００３０】
この実施形態において、スロットの幅を、図１に例示されたものよりも小さくすることが可能であり、それにより、スロットを加工するためにレーザ切断が適切な手段となる。空隙の近くでの磁束の分布は、１またはそれ以上のスロットの曲率を増やすことによって、細かく調整することができる。上記の曲率は空隙磁束に同様な影響を与える。
【００３１】
本発明の発想は、磁束の経路内でロータ内にスロットが形成され、磁束がこれらのスロットを通過して行かなければならないと言うことにある。図１から４までに示された実施形態を用いて説明したように、空隙磁束の分布に対する影響は、スロットが空隙に近付くに従い大きくなり、また、スロットの幅が大きくなるに従い大きくなる。即ち、上記の影響は、スロットによって形成される空隙の、磁束の方向の長さに比例する。
【００３２】
図５に示された実施形態では、空隙から離れた位置において、磁極の鉄部分の内側に磁束を向けるようにスロットが配置されている。このようにして、これらのスロットは、実質的に永久磁石要素の近くから、空隙の磁極の中央に向かって伸びるように配置されている。第一のスロット５１は、特に、永久磁石要素の空隙側の端部から、ロータの外周に対してほぼ平行に伸びている。第二のスロット５２は、永久磁石要素の側面（永久磁石要素の長さの約５分の１の距離の位置）から、磁極の６分の１の距離にある空隙に向かって伸びている。第三のスロット５３は、永久磁石要素の中心から、磁極約３分の１と空隙との距離の交点に向かって伸びている。
【００３３】
図６に、本発明をモータに適用した実施形態を示す。このモータは、ロータの表面に永久磁石を有しており、表面永久磁石ソリューションと呼ばれるものである。ロータ６１は、例えば、円形に型打ち抜きされたシートで構成され、永久磁石６２がロータの外周３に取り付けられている。空隙磁束をコントロールする目的で、ロータにスロット６３が設けられている。それらのスロットは、例えば、組み立て前にシートに型打ち抜きを施すことにより形成される。それらのスロットは、磁極のエッジで永久磁石に近付き、且つ、磁力線の方向（即ち、永久磁石に対して垂直方向）のスロットの寸法は、磁極の中央に向かうスロットの端部での寸法と比べて、磁極のエッジでの寸法が大きくなるように構成されている。
【００３４】
磁束が、それを閉じるための最短の経路を辿るので、磁束密度は、永久磁石のエッジで減少し、空隙磁束が正弦曲線形に近付く。特に、この実施形態において、ロータの背面部分１３を無垢の鉄から作ることもできる。その場合には、スロットは、ロータに軸方向の穴を適当に加工することにより作られる。
【００３５】
以上において、本発明について、特定の実施形態を用いて説明がなされている。しかしながら、上記の説明は本発明の技術的範囲を限定するものではなく、その実施の態様は添付のクレームの範囲内で様々に変化し得る。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に基づくロータの断面を示す。
【図２】本発明の第二の実施形態に基づくロータの断面を示す。
【図３】本発明の第三の実施形態に基づくロータの断面を示す。
【図４】本発明の第四の実施形態に基づくロータの断面を示す。
【図５】本発明の第五の実施形態に基づくロータの断面を示す。
【図６】本発明の第六の実施形態に基づくロータの断面を示す。
【図１】
2005536974.tif 000003
【図２】
2005536974.tif 000004
【図３】
2005536974.tif 000005
【図４】
2005536974.tif 000006
【図５】
2005536974.tif 000007
【図６】
2005536974.tif 000008
【国際調査報告】
2005536974.tif 000009
2005536974.tif 000010
2005536974.tif 000011