(57)【要約】モータが回転子及び固定子を有する。固定子は、回転軸線周りに同軸状に設けられた複数の別々の電磁石コアセグメントで構成されている。コアセグメントは、互いに強磁性接触をすることなく、非強磁性支持構造体に取り付けられている。回転子は、回転子と固定子との間でそれぞれ固定子の互いに軸方向反対側の側部に２つの互いに平行な軸方向空隙を構成するよう少なくとも一部が環状固定子を包囲する環状リングの形態をしている。永久磁石が、空隙に向いた環状回転子リングの各側に分布して設けられている。好ましくは、固定子の各電磁石コアセグメントは、磁極フェースが全体として回転軸線に垂直な状態で全体として回転軸線に平行な方向に整列した１対の磁極を有している。通電時に磁極フェースのところに互いに逆の極性の磁極を生じさせるために巻線が磁極を互いに連結するコア部分上に施されている。
2005524376.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転電気モータであって、回転軸線周りに環状リングの形態をなして設けられていて、複数の永久磁石要素から成る回転子と、内径及び外径によって境界付けられた環状固定子リングを形成するよう回転軸線周りに同軸状に設けられた複数の別々の電磁石コアセグメントから成る固定子とを有し、環状回転子リングは少なくとも一部が、回転子と固定子との間で固定子の軸方向反対側の側部に２つの軸方向空隙を構成するよう環状固定子を包囲していることを特徴とする回転電気モータ。
【請求項２】
各固定子電磁石コアセグメントは、回転軸線に全体として平行な方向に整列した１対の磁極を有し、磁極は、全体として回転軸線に垂直なそれぞれの磁極フェースを有していることを特徴とする請求項１記載の回転電気モータ。
【請求項３】
各コアセグメントの磁極対は、強磁性連結部分によって接合され、強磁性連結部分には、電流を流すと磁極対に互いに逆の極性の磁極を生じさせる巻線が施されており、巻線を通る電流の流れ方向を逆にすると、磁極対の磁気極性が逆になることを特徴とする請求項２記載の回転電気モータ。
【請求項４】
環状回転子リングは、横方向部分によって連結された強磁性材料で作られている２つの側部を備えたＵ字形の断面をしており、側部の各々の内面には、該内面に沿って分布して設けられると共にそれぞれの軸方向空隙に向いた複数の永久磁石が取り付けられ、横方向部分は、固定子の外周から半径方向に離れて位置していることを特徴とする請求項２記載の回転電気モータ。
【請求項５】
複数の永久磁石は、回転子リングに沿って極性が次々に交互になることを特徴とする請求項４記載の回転電気モータ。
【請求項６】
２つの側部の永久磁石の数は、互いに等しく、それぞれ互いに軸方向整列状態にあり、軸方向整列状態にある永久磁石は、互いに逆の磁気極性のものであることを特徴とする請求項５記載の回転電気モータ。
【請求項７】
各側部の回転子永久磁石は、互いに分離されて非接触状態にあり、各永久磁石は、空隙のところの表面に一方の磁気極性を有すると共に空隙から見て反対側の表面に逆の磁気極性を有し、それにより磁気極性配向現象が軸方向に生じることを特徴とする請求項５記載の回転電気モータ。
【請求項８】
軸方向に垂直な方向に磁気極性配向現象を呈する追加の永久磁石が、隣り合う双極子永久磁石相互間の空間内で側部に取り付けられていることを特徴とする請求項７記載の回転電気モータ。
【請求項９】
固定子は、コアセグメントが互いに強磁性接触をしないで取り付けられた非強磁性支持構造体を更に有していることを特徴とする請求項３記載の回転電気モータ。
【請求項１０】
回転子の横方向部分は、非強磁性材料で作られていることを特徴とする請求項４記載の回転電気モータ。
【請求項１１】
前記軸方向空隙は、互いに実質的に平行であることを特徴とする請求項１記載の回転電気モータ。
【請求項１２】
回転電気モータの固定子であって、それぞれの巻線が施された複数の別々の電磁石コアセグメントと、コアセグメントを支持した非強磁性構造体とを有し、コアセグメントは、回転軸線周りに環状リングの状態で互いに強磁性接触をしないで構成されており、各コアセグメントは、回転軸線に平行な方向に整列した１対の磁極から成り、磁極は、固定子の軸方向反対側の側部に設けられたそれぞれの磁極フェースを有していることを特徴とする固定子。
【請求項１３】
各コアセグメントの磁極対は、強磁性ヨーク部分によって接合され、強磁性ヨーク部分には、電流が流されると互いに逆の極性の磁極を生じさせる巻線が施され、磁極から生じる磁束は、軸方向に向けられることを特徴とする請求項１２記載の固定子。
【請求項１４】
磁極フェースは、実質的に回転軸線に垂直であることを特徴とする請求項１２記載の固定子。
【請求項１５】
回転電気モータの回転子であって、モータ回転軸線と同心であり、側部が横方向部分によって連結されて構成されたＵ字形断面を有する環状リングと、側部の各々の内面に沿って分布して設けられていて、少なくとも１つの軸方向空隙を形成するよう軸方向に向いた複数の永久磁石とを有し、横方向部分は、半径方向に向いた内面を有していることを特徴とする回転子。
【請求項１６】
側部の各々には同数の永久磁石が設けられ、側部の永久磁石はそれぞれ、互いに軸方向に整列しており、それぞれ軸方向に整列した永久磁石は、互いに逆の磁気極性のものであることを特徴とする請求項１５記載の回転子。
【請求項１７】
各側部の内面の複数の永久磁石は、磁気極性が次々に交互になっていることを特徴とする請求項１６記載の回転子。
【請求項１８】
各側部は、強磁性材料で作られ、各側部内面の永久磁石は、互いに分離されて非接触状態にあり、各永久磁石は、側部の表面に一方の磁気極性を有すると共に側部表面から見て軸方向反対側の磁石の表面に逆の磁気極性を有していることを特徴とする請求項１５記載の回転子。
【請求項１９】
追加の永久磁石が、隣り合う双極子磁石相互間に位置した空間内で側部に取り付けられ、前記追加の永久磁石は、軸線に垂直な平面内に磁気極性配向現象を呈することを特徴とする請求項１８記載の回転子。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連出願
本願は、２００１年４月５日に出願されたマスロフ等の同時係属米国特許出願第０９／８２６，４２３号明細書、２００１年４月５日に出願されたマスロフ等の同時係属米国特許出願第０９／８２６，４２２号明細書、２００１年１０月１日に出願されたマスロフ等の米国特許出願第０９／９６６，１０１号明細書及び２００２年２月７日に出願されたマスロフ等の米国特許出願第１０／０６７，３０５号明細書の要旨を含み、これら特許文献は全て本願と共に共通譲渡されている。これら出願の開示内容を本明細書の一部を形成するものとしてここに引用する。
【０００２】
発明の分野
本発明は、回転電気モータに関し、特に複数の永久磁石回転子要素及びこれから磁気的に隔絶された固定子要素を有し、固定子要素と回転子要素との間に複数の空隙があるモータに関する。
【０００３】
背景
電子システム、例えばモータの制御用のマイクロコントローラ及びマイクロプロセッサを利用した用途の技術進歩並びに改良型ポータブル電源の利用により、一層効率的な電気モータの開発が行われ、課題が否応無く生じている。モータの巻線の電子制御パルス化励磁方式により、融通性の高いモータ特性の管理の見込みが得られる。パルス幅、デューティーサイクル及び適当な固定子巻線へのバッテリ源の切換え印加の制御により、交流同期モータ動作から事実上識別できないほどの機能的融通性を達成できる。永久磁石をかかる巻線と関連して用いることは、電流消費量を抑える上で有利である。
【０００４】
上述のマスロフ等の関連同時係属米国特許出願第０９／８２６，４２３号明細書は、単純化された製造に適すると共に効率的且つ融通性のある動作特性を発揮できる改良型モータの要望を認め、その開発に取り組んでいる。スムーズな動作を広い速度範囲にわたって達成すると共に最小電力消費量で高トルク出力能力を維持することが非常に望ましい。関連のある上記同時係属米国特許出願に係る発明は、有利な効果を達成するために半径方向に比較的薄い環状リングをなした隔絶状態の磁気透過性構造として電磁石の磁極を備えている。この構成では、磁束を従来技術の例と比較して、事実上損失無く又は有害な変圧器干渉効果を生じさせないで電磁石コア中に集中させることができる。トルク特性及び効率の向上は上述の同時係属米国特許出願に係る発明の構造により達成できるが、それ以上の改良が相変わらず望ましい。
【０００５】
マスロフ等の米国特許出願明細書では、電磁石群の隔絶により、低い磁束損失で、しかも他の電磁石部材との有害な変圧器干渉効果を生じさせないでグループの磁気コア中の磁束の個々の集中が可能になることが認識されている。隔絶された電磁石群として単一の磁極対を構成することにより動作上の利点を得ることができる。個々の磁極対を他の磁極群から磁路的に隔絶することにより、磁極対巻線への通電を切り換えたときに隣のグループへの磁束による変圧器効果が無くなる。
【０００６】
マスロフ等の関連の同時係属米国特許出願第０９／９６６，１０１号明細書は、モータ構造の三次元特徴を利用して得られる利点を記載している。種々の特定の形状に形成しやすい軟質の磁気透過性媒体のような材料を用いて得られる利点が認められている。例えば、コア材料を軟質磁石等級のＦｅ、ＳｉＦｅ、ＳｉＦｅＣｏ、ＳｉＦｅＰ粉末材料で作るのがよく、これらは各々、固有の電力損失、透磁率及び飽和レベルを有する。積層板を形成する必要無く適切な公差で固定子要素のコア幾何学的形状及びコア寸法を得ることができ、かくして、回転子の永久磁石と固定子の電磁石の結合磁極相互間に生じる磁位（磁気ポテンシャル）勾配を最適化できる。軸方向に整列した固定子磁極及び軸方向に整列した回転子磁石が非常に集中した磁束分布をもたらす構造的形態が開示されている。かかる形態により、同じ個々の有効空隙表面積を備えると共に（或いは）同一の空隙直径を持つ従来型モータよりも広い総有効空隙表面積を持つ多数の磁極が得られる。
【０００７】
以上要するに、磁束の集中、磁束の最大化、磁束損失の最小化及び変圧器干渉効果の最小化は全て、高トルク性能を持つ効率の高いモータ動作の達成に寄与する要因である。多数の磁極が高トルク出力で効率のよい動作を行うよう軸方向整列状態にある構造的形態をしたモータが、上述の同時係属米国特許出願明細書に記載されている。かかる構成は、多数の固定子コア要素及び回転子磁極により占められる容積が比較的大きいので、空間及び重量に関する検討事項が問題にならない環境で用いるのに有利である。これら技術改良並びに寸法形状の経済性をもたらすモータ構造的形態が要望され続けている。
【０００８】
発明の開示
本発明は、従来技術の上述の要望を満たし、例えば上述のマスロフ等の米国特許出願に開示された隔絶状態の個々の磁極対構造のような形態について追加の利点をもたらす。本発明の利点は、少なくとも或る程度は、複数の空隙を横切って向かい合った固定子磁極と回転子磁極の表面積を増大させるようモータ構造的形態を一段と改良することにより達成される。磁束を集中させることができる表面を比較的広くすることにより、高トルク性能が高くなる。
【０００９】
本発明のかかる一構成の構造的特徴は、回転子及び回転軸線周りに同軸状に設けられた複数の別々の電磁石コアセグメントから成る固定子を有するモータに具体化されている。固定子コアセグメントは、内径及び外径により境界付けられた環状固定子リングを形成する。コアセグメントは、互いに強磁性接触をすることなく、非強磁性支持構造体に取り付けられている。回転子は、回転子と固定子との間でそれぞれ固定子の互いに軸方向反対側の側部に２つの互いに平行な軸方向空隙を構成するよう少なくとも一部が環状固定子を包囲する環状リングの形態をしている。永久磁石が、空隙に向いた環状回転子リングの各側に分布して設けられている。固定子の各電磁石コアセグメントは、磁極フェースが全体として回転軸線に垂直な状態で全体として回転軸線に平行な方向に整列した１対の磁極を有している。通電時に磁極フェースのところに互いに逆の極性の磁極を生じさせるために巻線が磁極を互いに連結するコア部分上に施されている。電流の方向を逆にすることにより、磁気極性が逆になる。
【００１０】
好ましい実施形態では、環状回転子リングは、横方向部分によって連結された強磁性材料で作られている２つの側部を備えたＵ字形の断面をしている。横方向部分も又、強磁性材料で作るのがよい。永久磁石は、互いに間隔を置いて設けられると共に側部の各々の内面に沿って分布して設けられる。横方向部分は、固定子の外周から半径方向に離れて位置している。比較的平らな各永久磁石は、空隙に向いたその表面に一方の磁気極性を有すると共に側部に取り付けられたその表面に逆の磁気極性を有する磁気双極子である。かくして、永久磁石は、軸方向に磁極配向現象を呈する。各側部の永久磁石は回転子リングに沿って極性が次々に交互になっていて、互いに分離していて互いに直接的な接触状態にはない。２つの側部の永久磁石の数は、互いに等しく、互いに逆の磁気極性を持った状態で軸方向に整列し、それにより互いに逆に磁化された固定子磁極対フェースとの適当なモータ駆動相互作用を可能にする。
【００１１】
追加の永久磁石を隣り合う軸方向に差し向けられた永久磁石相互間の空間内で側部に取り付けることにより磁束分布を一段と向上させることができる。半径方向における追加の磁石の厚さ寸法は、モータ駆動用永久磁石と同じオーダーのものであるのがよい。追加の永久磁石の磁極配向状態は、軸方向に垂直な方向である。追加の磁石の効果は、駆動磁石の経路を通る磁束を集中させ、かくして漂遊磁束を最小限に抑えると共に地鉄の寸法を減少させることにある。
【００１２】
本発明の追加の利点は、以下の詳細な説明から当業者には明らかになり、かかる詳細な説明では、本発明の好ましい実施形態だけが本発明を実施するよう計画された最良の形態の単なる例示として説明されている。理解されるように、本発明は、全て本発明の範囲から逸脱することなく他の実施形態及び異なる実施形態で実施でき、その幾つかの細部は種々の自明な点において設計変形可能である。したがって、図面及び説明は、性質上例示として解釈されるべきであり、本発明を限定するものと解されてはならない。
本発明は、添付の図面の図において限定するものではなく、例示として示されており、図中、同一の参照符号は、実質的に同一の要素を示している。
【００１３】
発明の詳細な説明
図１は、本発明の部品を示す立体分解図である。これら部品は組合せ状態で、図２に示す組立て状態のモータ構造を形成する。説明を単純にするために、本発明の理解にとって必要ではない要素は図示していない。かかる特徴の詳細な説明については上述の同時係属米国特許出願を参照されたい。括弧２０で示された要素は、組立て状態では、中心が回転軸線と一致した固定子環状リングを形成する。固定子リングは、巻線２４が施されるようになったコア部分２２を有する複数の強磁性的に隔絶された電磁石から成る。非強磁性リング２６は、個々の電磁石の支持構造体である。固定子リング構造の詳細が図４に示されている。回転子は、２つの端部３２及び永久磁石３４を有し、これらは、組み立てられると、少なくとも一部が固定子リングを包囲する中心が回転軸線と一致した環状リングを形成する。
【００１４】
固定子リング及び回転子リングは、図２の立体斜視図では組立て状態で示されている。回転子端部３２は各々、内径及び外径を有し、回転軸線と同軸状の全体として環状円板の形をした外側端部を有している。外側端部は、フランジ部分によりこれが取り付けられた管状縁部材の外周を越えて延びている。これと同様なフランジが、各回転子端部の管状縁部材の内側軸方向側部から延びている。両方のフランジの周囲の近くには穴が分布した状態で設けられている。内側フランジの貫通穴は、任意の従来手段により端部を互いに取り付けることができるよう整列状態にあり、縁部材はそれにより、Ｕ字形断面の横方向部分を形成している。外側フランジの貫通穴により、回転軸線のところでシャフトに結合される図示していないプレートに回転子リングを取り付けることができる。
【００１５】
図３の立体斜視図で示された固定子支持リング２６は、各端部に上側垂直フランジ２７及び下側垂直フランジ２８を有する軸方向に設けられた筒体である。上側フランジ２７は、１対の貫通穴を有する等間隔に間隔を置いた突起を有している。フランジ２７，２８相互間の軸方向間隔は、固定子電磁石コア要素２２を収容するように設定されている。全体として円形の周囲を持つ下側フランジ２８は、リングを適当な固定子支持構造体に取り付けるために用いられる貫通穴を有している。フランジ２８の貫通穴の数及び配設場所は、従来のやり方でこれに取り付けられる取り付け構造と協調をするよう調節できる。
【００１６】
図４に示すように、固定子電磁石コア要素は各々、実質的に半径方向平面内に位置する磁極フェースを備えた軸方向に整列している磁極対２２ａ，２２ｂを備えている。貫通穴が、リング２６のフランジ２７の貫通穴と整列できるよう各磁極のベースに設けられている。各コア要素は、磁極のベースの貫通穴を介してフランジ２７の各々の整列状態の突起に取り付けられる。電磁石要素は、互いに離されていて、互いに直接的な接触状態にはない。リング２６は、非強磁性材料、例えばアルミニウム又はステンレス鋼で作られている。動作にあたり、各電磁石はかくして、他の電磁石の磁路とは別個独立であってこれから隔絶される磁路を形成する。
【００１７】
好ましい具体化例では、固定子は、固定シャフトに結合されている。少なくとも一部が固定子を包囲する回転子は、適当な相互連結構造体及び軸受によりシャフトに結合されている。しかしながら、これとは異なり、シャフトを回転子に固定し、したがって回転自在であるようにすることは本発明の範囲に含まれる。後者の構成では、シャフトを軸受により固定子支持構造体に結合する。
【００１８】
図５は、図２の点線５−５に沿う平面で見た固定子及び回転子リングの概略断面図である。断面で見ると、回転子リング３２は、横方向部分３６によって連結された側部３３を有している。少なくとも側部は、永久磁石３４が図１に示すような仕方で分布状態で取り付けられる「地鉄」（back iron）を形成する強磁性材料で構成されている。磁石は、実質的に平らな磁極フェースを有する比較的薄い双極子磁石である。各磁極フェース全体は、磁石の後面の極性と反対の単一の磁気極性を呈している。隣り合う磁石は、側部リングに沿って磁気極性が次々に交互になっている。互いに反対側に位置する側部の磁石は、互いに整列状態にあり、互いに逆の磁気極性を呈する。
【００１９】
固定子電磁石２２は、強磁性材料の全体としてＨ形の断面をしている。巻線２４が、２つの磁極２２ａ，２２ｂを接合した連結部分２３に施されている。固定子磁極フェースは、回転子磁極フェースに実質的に平行である。かくして、２つの軸方向空隙が、固定子磁極フェースと回転子磁極フェースとの間に形成されている。動作にあたり、巻線２４に通電すると、逆の磁気極性を持つ磁極対を磁化するよう適当に切換えが行われる。それにより、磁路が空隙を横切って生じて起磁力を生じさせる。適当な切換え制御手段の説明については上述の同時係属米国特許出願を参照されたい。図５の構成を、モータの構造的体積を最小限に抑えた状態でトルク発生磁束を集中させることができる広い空隙表面積をもたらす。固定子電磁石の強磁性的隔絶により、漂遊磁束損失及びフリンジングが最小限に抑えられる。
【００２０】
図６は、回転子側部永久磁石分布に関する別の変形例を示す回転子側部の平面図である。追加の永久磁石３７が、隣り合う磁石３４相互間の空間内に設けられている。磁石は、半径方向平面内に磁気極性配向現象を呈している。磁束集中磁石の利用により得られる特定の磁束分布路の説明及び図示については上述の同時係属米国特許出願第０９／９６６，１０１号明細書を参照されたい。
【００２１】
本願の開示では、本発明の好ましい実施形態だけが図示記載されているがその融通性の幾つかの例が記載されている。本発明は、種々の他の組合せ及び環境に用いることができると共に本明細書に記載した本発明の思想の範囲内で変更又は改造を行うことができることは理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明のモータ部品を示す分解図である。
【図２】図１のモータ要素を組立て状態で示す立体斜視図である。
【図３】図２の構成に関する固定子リング支持構造体の立体斜視図である。
【図４】本発明の支持構造体と組み合わせた固定子コア要素の立体斜視図である。
【図５】図２の点線５−５に沿って見た断面図である。
【図６】本発明の回転子側部の平面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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2005524376.tif 000010
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