(57)【要約】回転電動モータは、複数の軸方向に離間された組をなす対応するステータ（３、６）であるステータと、ロータ要素（２２、２３、２４）とを有する。ステータの組の各々は、回転軸線まわりに周方向に配置された磁極を有する環状リングである。ロータの組の各々は、ステータ磁極とは反対側の環状エアギャップに沿って周方向に配置された複数の永久磁石を有する。隣接するロータ要素の永久磁石の組及び／又は隣接するステータの磁極の組は、互いに軸方向にオフセットされて、組の各々によって生じるコギングトルクの影響を打ち消しあう。
2005529576.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分離され、強磁性的に隔離され、回転軸線周りに同軸に配置されて環状円筒形ステータリングを形成する複数の電磁石コアセグメントからなり、該コアセグメントの各々がほぼ前記回転軸線方向に延びる連結部分によって一体的に連結された複数の磁極を備えるステータと、
前記ステータと同軸であり、該ステータから円筒形環状エアギャップによって離間された円筒形環状ロータと、
を備え、前記ロータは、前記エアギャップに対向する面を有する複数の永久磁石を備え、前記エアギャップに沿って周方向に配置され軸方向に離間された個別のリングを形成し、前記リングの数は、ステータコアセグメントにおけるステータ磁極の数と等しい数であり、前記ステータコアセグメントの各々の磁極が、互いに軸方向にオフセットされることを特徴とする回転永久磁石電動モータ。
【請求項２】
前記複数のロータ永久磁石が、前記エアギャップに沿って周方向に配置された軸方向列として整列されることを特徴とする請求項１に記載の回転永久磁石電動モータ。
【請求項３】
前記ステータコアセグメントの磁極及びロータ永久磁石が、それらのエアギャップ面において共通の幾何学的形状を有することを特徴とする請求項２に記載の回転永久磁石電動モータ。
【請求項４】
前記ステータコアセグメントが、非強磁性的支持構造体に取り付けられ、互いに強磁性的に接触することなく前記ステータリングにおいて分布されることを特徴とする請求項１に記載の回転永久磁石電動モータ。
【請求項５】
電流によって励磁されたときに、隣接しているステータ磁極において反対極性の磁極を生じさせるために、前記連結部分の上に巻線が形成されることを特徴とする請求項２に記載の回転永久磁石電動モータ。
【請求項６】
ロータ永久磁石の各々が、それぞれのリング及び軸方向列における隣接する永久磁石の磁気極性とは反対の磁気極性をもつことを特徴とする請求項５に記載の回転永久磁石電動モータ。
【請求項７】
前記永久磁石の各々が、前記エアギャップに面する表面に或る磁気極性を有し、前記エアギャップから遠い方に面する表面にそれと反対の磁気極性を有し、それにより前記エアギャップに対して垂直な方向に磁気極性方向を形成する磁気双極子であることを特徴とする請求項６に記載の回転永久磁石電動モータ。
【請求項８】
前記電磁石コアセグメントが、粉末化された金属材料から形成されることを特徴とする請求項１に記載の回転永久磁石電動モータ。
【請求項９】
前記ステータコアセグメントの磁極が、前記エアギャップにおいて共通の表面幾何学的形状を有し、前記永久磁石表面が、前記ステータ磁極の表面幾何学的形状とは異なる共通の幾何学的形状を有することを特徴とする請求項２に記載の回転永久磁石電動モータ。
【請求項１０】
前記ステータ磁極の各々が、前記回転軸線に対して斜めにされた表面幾何学的形状を有することを特徴とする請求項１に記載の回転電動モータ。
【請求項１１】
分離され、強磁性的に隔離され、回転軸線周りに同軸に配置されて環状円筒形ステータリングを形成する複数の電磁石コアセグメントからなり、該コアセグメントの各々がほぼ前記回転軸線方向に延びる連結部分によって一体的に連結された複数の磁極を備えるステータと、
前記ステータと同軸であり、該ステータから円筒形エアギャップによって離間された円筒形環状ロータと、
を備え、前記ロータは、前記エアギャップに対向する面を有する複数の永久磁石を備え、前記エアギャップに沿って周方向に配置され軸方向に離間された個別のリングを形成し、前記リングの数は、ステータコアセグメントにおけるステータ磁極の数と等しい数であり、前記隣接するリングにおける永久磁石が、互いに軸方向にオフセットされることを特徴とする回転永久磁石電動モータ。
【請求項１２】
前記コアセグメントの各々のステータ磁極が、軸方向に整列されることを特徴とする請求項１１に記載の回転永久磁石電動モータ。
【請求項１３】
前記電磁石コアセグメントが、粉末化された金属材料から形成されることを特徴とする請求項１１に記載の回転永久磁石電動モータ。
【請求項１４】
前記ステータコアセグメントの磁極が、前記エアギャップにおいて共通の表面幾何学的形状を有し、前記永久磁石表面が、前記ステータ磁極の表面幾何学的形状とは異なる共通の幾何学的形状を有することを特徴とする請求項１３に記載の回転永久磁石電動モータ。
【請求項１５】
複数の軸方向に離間された組をなす対応するステータ及びロータ要素を備える回転永久磁石電動モータであって、
前記組の各々は、回転軸線まわりに周方向に配置された磁極を有する環状ステータリングと、前記ステータ磁極とは反対側の環状エアギャップに周方向に沿って配置された複数の永久磁石とを有する円筒形環状ロータとを備え、
前記隣接するステータ磁極の組が互いに軸方向にオフセットされたことを特徴とする回転永久磁石電動モータ。
【請求項１６】
前記隣接するロータ要素の永久磁石の組が、軸方向に整列されたことを特徴とする請求項１５に記載の回転永久磁石電動モータ。
【請求項１７】
複数の軸方向に離間された組をなす対応するステータ及びロータ要素を備える回転永久磁石電動モータであって、
前記組の各々が、回転軸線まわりに周方向に配置された磁極を有する環状ステータリングと、前記ステータ磁極とは反対側の環状エアギャップに周方向に沿って配置された複数の永久磁石とを有する円筒形環状ロータとを備え、
前記隣接するロータ要素の永久磁石の組が、互いに軸方向にオフセットされたことを特徴とする回転永久磁石電動モータ。
【請求項１８】
前記隣接するステータのステータ磁極の組が、軸方向に整列されることを特徴とする請求項１７に記載の回転永久磁石電動モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電動モータ、より具体的には、複数の軸方向に離間されたロータ及びステータ磁極を備え、軸方向に離間されたロータ磁石及びステータ磁石が軸方向に相互に重なる状態からシフトされている永久磁石モータに関する。
【０００２】
（関連出願）
本出願は、全てが、本発明と同じ譲受人に譲渡された出願継続中の２０００年５月１６日付けのＰｙｎｔｉｋｏｖ他の米国特許出願第０９／５７１，１７４号、出願継続中の２００１年４月５日付けのＭａｓｌｏｖ他の米国特許出願第０９／８２６，４２３号、出願継続中の２００１年４月５日付けのＭａｓｌｏｖ他の米国特許出願第０９／８２６，４２２号、２００１年１０月１日付のＭａｓｌｏｖ他の米国特許出願第０９／９６６，１０１号、出願継続中の２００２年２月７日付けのＭａｓｌｏｖ他の米国特許出願第１０／０６７，３０５号、及び出願継続中の２００２年６月４日付けのＭａｓｌｏｖ他の米国特許出願第１０／１６０，２５７号に関連する主題を含む。これらの特許出願の開示内容は、引用によりここに組み入れる。
【背景技術】
【０００３】
上記で特定された出願継続中の関連出願であるＭａｓｌｏｖ他の米国特許出願第０９／８２６，４２３号は、簡略化された製造に適用可能であり、有効かつ融通性のある作動特徴を可能にする、改良されたモータの必要性を確認し、かつそれに対処するものである。車両駆動環境においては、例えば、最小限の電力消費量で高いトルク出力性能を維持しながら、幅広い速度範囲にわたって滑らかな作動を達成することが非常に望ましい。こうした車両モータ駆動装置は、部品の取り替えのために、種々の構造コンポーネントに最小限の面倒さで容易にアクセスできるという利点を備えるべきである。上記で特定された出願継続中の関連出願である米国特許出願は、隔離された透磁性構造体が環状リング状に形成され電磁石コアセグメントを構成することを説明している。こうした配置においては、従来技術の実施形態に比べて有利な効果を与えるように、磁束を集中させることができる。
【０００４】
上記で特定されたＭａｓｌｏｖ他の特許出願に記載されるように、電磁石コアセグメントを隔離させることは、磁束損失その他の電磁石部材との有害な変圧器干渉作用を最小にしながら、磁気コアにおける個々の磁束の集束を可能にする。単一の磁極対を隔離された電磁石の群として構成することによって、作動上の利点を得ることができる。個々の磁極対が他の磁極群から磁路隔離されることによって、磁極対の巻線の励磁が切り換えられたときの、隣接する群に対する磁束変圧器効果が除去される。磁極群内に付加的な磁極がないことにより、一つの磁極群内におけるこうしたあらゆる影響が防止される。モータ構造体三次元特徴を利用すること、例えば、軸方向に整列された複数のステータ磁極及び軸方向に整列された複数のロータ磁石が、機械の実効エアギャップに高度に集束化された磁束密度分布をもたらす構造形状にすることにより、更なる利点がもたらされる。こうした構成は、同じエアギャップ直径をもつ通常のモータに比べて、個々の実効エアギャップ表面積が同じ、及び／又は、実効エアギャップ全表面積が大きい多数の磁極を備えるものである。
【０００５】
前述の形状において得ることができる磁束集束化の利点に加えて、最近導入されているネオジム−鉄−ホウ素（ＮｄＦｅＢ）磁石材料は、ブラシレス機械に既に用いられている他の永久磁石材料より大きい磁束密度をもたらし、それによりトルク出力性能を増大させることができる。非常に多くの磁極を備えるモータに高密度生成永久磁石を使用することは、コギングトルクによってもたらされることがある望ましくない作用を改善することに対する懸念を与える。コギングトルクは、永久磁石が取り付けられたロータと、選択的励磁状態にないステータ磁極との間の磁気引力によってもたらされる。この引力は、ロータ磁石をステータ磁極とは反対の平衡位置に動かして、それらの間の磁気抵抗を最小にする傾向がある。ステータの励磁によってロータが回転駆動される際に、非励磁電磁石セグメントとの磁気的相互作用によってもたらされるコギングトルクの大きさ及び方向は、周期的に反対に変化し、励磁されたステータセグメントによってもたらされるトルクが増加される。補償のないときには、コギングトルクの方向がロータの回転に伴って突然に変化することがある。コギングトルクが非常に大きい場合には、それは、回転障害、並びに精密な速度制御及び滑らかな作動の目的に対して有害である機械的振動源となる。
【０００６】
コギングトルクの発生の例として、出願継続中の米国特許出願第０９／８２６，４２２号に開示されるようなモータが考えられる。この特許出願の開示内容を引用によりここに組み入れる。図１は、ロータ及びステータ要素を示す例示的な図である。ロータ部材２０は、円筒形バックプレート２５に沿って実質的に均等に分布された永久磁石２１を有する環状リング構造体である。永久磁石は、環状リングの内周に沿って磁気極性が交番するロータ磁石である。ロータは、ステータ部材３０を囲み、ロータ及びステータ部材は、半径方向環状エアギャップによって分離されている。ステータ３０は、エアギャップに沿って均等に分布された一様な構成の複数の電磁石コアセグメントを備える。コアセグメントの各々は、エアギャップに面する表面３２を有する２つの磁極を形成するほぼＵ字形の磁気構造体３６を備える。磁極対の脚部には巻線３８が巻かれるが、コアセグメントは、磁極対を連結する部分に形成された単一の巻線に対応するように構成することができる。ステータ電磁石コア構造体の各々は、隣接するステータコア要素から分離され、磁気的に隔離される。ステータ要素３６は、磁気的に透過性でない支持構造体に取り付けられ、それにより環状リング形状を形成する。この形状は、隣接するステータ磁極群からの浮遊磁束変圧器効果の発散をなくす。
【０００７】
図２は、Ａ−Ｄと付された磁極面３２を有する２つの隣接するステータコア要素３６を、０−５が付されたロータ磁石と関連して示す、モータ作動中における部分的な平面配置である。ロータ磁石の位置は、ロータが左から右に移動する間の３つの時点（ｔ1−ｔ3）について（Ａ）−（Ｃ）で示されている。時刻ｔ1において、Ａ−Ｂステータ磁極対の巻線は、Ａに強いＳ極を生じ、かつＢに強いＮ極を生じる方向に流れる電流によって励磁される。Ｃ−Ｄステータ磁極対の巻線は励磁されない。ロータの位置は（Ａ）に示される。Ｎ磁石１及びＳ磁石２がステータ磁極Ａに重なる。Ｓ磁石２及びＮ磁石３がステータ磁極Ｂに重なる。この時、磁石３が磁極Ｃと重なる位置に接近している。Ｓ磁石４が磁極Ｃと実質的に重なり、Ｎ磁石５が磁極Ｄと実質的に重なっている。この時、Ｓ極ＡとＮ極磁石１との間の引力、Ｎ極ＢとＳ極磁石２との間の引力、Ｎ極ＢとＮ極磁石３との間の反発力によって、駆動トルクが生じる。磁極Ｃ及びＤは、それぞれ磁石４及び５の引力によって生じる弱いＮ及びＳ磁化を有する。この最小磁気抵抗を維持しようとする引力は、モータ駆動トルクとは反対方向である。
【０００８】
時刻ｔ2においては、ロータが（Ｂ）に示される位置に移動されている。磁極対Ａ−Ｂの巻線の励磁がオフにされている。Ｃ−Ｄ磁極対の巻線は励磁されていない。磁石１及び２は、それぞれ磁極Ａ及びＢと実質的に重なっている。Ｎ磁石３とＳ磁石４が磁極Ｃに重なる。Ｓ磁石４とＮ磁石５が磁極Ｄに重なる。磁極Ａ及びＢは、それぞれ弱いＳ及びＮ磁化を有する。ステータ磁極Ｃ及びＤは、Ｎ及びＳロータ磁石の両方によって影響される。磁極Ｃは、Ｎ極磁石３とＳ極磁石４との間の磁路にある。磁極Ｄは、Ｓ極磁石４とＮ極磁石５との間の磁路にある。したがって、モータ駆動トルクとは反対向きのコギングトルクが発生し、ロータ磁石が非励磁ステータ磁極との直接的重なり状態から部分的重なり状態まで移動する間に、その大きさが変化する。
時刻ｔ3においては、ロータが（Ｃ）で示される位置に移動している。Ａ−Ｂ磁極対巻線の励磁が反転され、磁極Ａにおいて強いＮ極が、Ｂにおいて強いＳ極が生じることになる。Ｃ−Ｄ磁極対の巻線は励磁されない。Ｎ磁石１及びＳ磁石２がステータ磁極Ｂに重なる。Ｓ磁石０及びＮ磁石１がステータ磁極Ａに重なる。この時、Ｓ磁石２が磁極Ｃと重なる位置に接近している。Ｎ磁石３が磁極Ｃと実質的に重なり、Ｓ磁石４が磁極Ｄと実質的に重なる。
【０００９】
前述のように、相対するコギングトルク効果は、回転が進むにつれて回転角位置に応じて変化する形でトルクを生成する。コギングトルクは、ロータ磁石がエアギャップを横切り、ステータ磁極に向い合おうとする遷移点において最も顕著である。コギングトルクの突然の変化は、永久磁石のほぼ長方形の面の前縁が、それと平行な長方形のステータ磁極の縁に接近する際に起こる。ロータ永久磁石の近傍のエアギャップにおいて高い磁束密度を与えるネオジム−鉄−ホウ素（ＮｄＦｅＢ）磁気材料のような高エネルギー密度の永久磁石材料を使用すると、望ましくない振動が目立つようになるほど、この効果が高まる。軸方向に整列された複数のステータ磁極及び複数のロータ磁石のような多くのステータ磁極及びロータ磁石を有するモータは、さらに大きいコギングトルク効果を生じることがある。同じ形で、コギングトルクは、単一のステータコアを有するモータにおいて様々な程度で生じる。
【００１０】
コギングトルクの影響を最小にするために、様々な技術が用いられている。こうした技術は、ロータ位置に関する磁気抵抗変化率を減少させ、機械の磁束を減少させ、又は単一のステータコアの磁極をシフトさせて、個々の磁極によって生じたコギングトルクが互いに打ち消しあうようにすることを試みるものである。永久磁石と電磁石表面との間で生じる電磁気相互作用の強さを制御するために、電子的な方法を用いることができる。こうした方法は、モータ制御アルゴリズムと同時に実行される複雑な制御アルゴリズムを含み、モータの全体的な性能を低下させる傾向があるという欠点を有する。磁束の減少は、新しい永久磁石材料及び上記で特定された出願継続中の特許出願の磁束集束技術から得られる利点を低減させる。通常の単一のステータコア構造体における磁極の位置をシフトさせると、寸法、位置、及び磁極の数に制限が課され、それは最適な作動を与える配置を妨げることになる。
【００１１】
他の手法は、ステータ磁極の形状を変化させることによって機械の構成を修正することを含む。従来のステータ磁極は、通常は、積層ラミネートからなり、修正を直ちに適用できるものではない。利用可能なラミネート機械加工工程は、通常のパターン、特に三次元形状を再形成する能力が制限される。こうしたラミネート構造体の実質的な修正範囲は、実現可能にするには複雑すぎて、コストがかさむ。
したがって、モータ、特に高い磁束密度の大きさ及び集中度をもつモータの、コスト及び適用の実現可能性を与えながらモータの有効な作動及び制御能力を落とさない、モータの有効なコギングトルク補償の必要性が存在している。
【００１２】
出願継続中の米国特許出願（代理人整理番号第５７３５７−０２３）は、ステータ磁極面又はロータ磁石面を、該ステータ磁極表面の幾何学的形状又は該ロータ磁石表面の幾何学的形状が互いに対して斜めになる形状にすることによって、この必要性に対処するものである。斜め配置の効果は、永久磁石が回転経路を横断する際の、ロータ磁石と非励磁ステータ電磁石の磁極との間の相互作用によって生じるコギングトルクの変化率を抑えることである。ステータ磁極が選択的に形状付けられることは、様々な特殊化された形状の形成に適合する透磁性軟質媒体のようなコア材料の使用を通じて実現可能にされる。例えば、コア材料は、軟質磁性グレードのＦｅ、ＳｉＦｅ、ＳｉＦｅＣｏ、ＳｉＦｅＰ粉末材料から製造することができ、その各々は、固有のパワー損失、透過性及び飽和レベルを有する。これらの材料は、最初にどんな所望の三次元形状に形成することもでき、それにより既に成形された硬質ラミネート材料を機械加工する可能性をなくす。
トルク出力性能に悪影響を及ぼすことなく、コギングトルク効果を最小にすることは、引き続き重要な目的となる。
【発明の開示】
【００１３】
本発明は、複数の軸方向に離間された組をなすロータ要素及びステータ要素において生じるコギングトルク効果をオフセットさせることによって、この必要性を少なくとも部分的に満たすものである。ステータコア構造体を形成するための透磁性軟質材料の使用を通じて、さらに別の利点が達成される。ラミネートを形成する必要なしに、関連した許容誤差をもつステータ要素のコア幾何学的形状及びコア寸法を形成することができ、それによりロータ永久磁石及びステータ電磁石の対になる磁極間に生じる磁位勾配が最適化されるように製造することができる。
本発明の利点は、各々の個別の軸方向に配置されたステータコアの磁極が、互いに軸方向にオフセットされて、周方向のステータ磁極間の位置関係を制限することなく、コギングトルク効果を打ち消すことである。
【００１４】
本発明のさらに別の利点は、周方向に及び軸方向に整列されたロータ永久磁石が、互いに軸方向にオフセットされて、永久磁石の総数又はそれらの周方向の位置を制限することなく、コギングトルク効果を打ち消すことである。
本発明の構造的特徴は、各々が角リング形状で配置され、環状半径方向エアギャップによって互いから離間されたロータ及びステータを備えるモータにおいて具体化される。ステータは、回転軸線まわりに同軸に配置された複数の個別の一体の電磁石コアセグメントを備えることが好ましい。各コアセグメントは、互いに一体的に連結された２つ又はそれ以上の磁極を備える。電流によって励磁されたときに、隣接しているステータ磁極において反対極性の磁極を生じさせるために、連結部分の上に巻線が形成される。
ステータコアセグメントは、非強磁性的支持構造体に取り付けられ、互いに強磁性的に接触することなく、ステータリングにおいて分布される。したがって、非励磁巻線を有するコアセグメントは、別の強磁性的に隔離されたコアセグメントの巻線の励磁によって磁束がそこに生じることはない。しかしながら、非励磁電磁石コア部分は、ステータ磁極に対向するエアギャップ部分に接近し、通過する際に、ロータ永久磁石の移動によって生じた磁束に影響される。
【００１５】
本発明の１つの態様によれば、コアセグメントの各々は、ほぼ回転軸線に平行である連結部分によって一体的に連結された複数の磁極を備える。電磁石コアセグメントは、粉末化された金属材料から形成されることが好ましい。各ステータコアセグメントの磁極は、互いに軸方向にオフセットされる。ステータ磁極は全て、エアギャップにおいて共通の表面幾何学的形状を有する。ロータは、エアギャップに面する表面をもつ複数の永久磁石を備え、その表面は、共通の幾何学的形状を有する。各永久磁石は、エアギャップに面する表面に或る磁気極性を有し、エアギャップから遠い方に面する表面にそれと反対の磁気極性を有し、それによりエアギャップに対して垂直な方向に磁気極性方向を形成する磁気双極子である。永久磁石は、ステータ磁極と同一のものとすることができる共通の表面幾何学的形状を有し、エアギャップに沿って周方向に配置される軸方向列として整列される。各ロータ永久磁石は、それぞれのリング及び軸方向列において、隣接する永久磁石の磁気極性とは反対の磁気極性をもつ。
【００１６】
磁極を軸方向にシフトさせることの効果は、軸方向に隣接する要素における遷移部がオフセットされる際の、ロータ磁石とステータ磁極との間の遷移部の各々において生じるコギングトルクの大きな打ち消しあいである。重なり合うロータ磁石とステータ磁極との間の最大磁束鎖交を、駆動トルク性能が最大になるように維持することができる。コギングトルクはさらに、回転軸線に対するステータ磁極の幾何学的形状をさらに斜めにし、形をつけることによって補償することができる。磁極を斜めにすること及び形をつけることの利点の更なる説明のために、出願継続中の米国特許出願（代理人整理番号第５７３５７−０２３号）を参照する。
本発明の変形例は、隣接する軸方向に分離されたリングにおける永久磁石を互いに軸方向にオフセットさせることによって、実現させることができる。軸方向に隣接する要素における磁石とステータ磁極間の遷移部がロータ磁石位置によってオフセットされるので、各ステータコアのステータ磁極は、軸方向に重なっている。さらに別の変形例として、ステータコアセグメントの磁極は、エアギャップにおいて共通の表面幾何学的形状をもつことができ、永久磁石表面は、ステータ磁極の表面幾何学的形状とは異なる共通の幾何学的形状をもつことができる。
【００１７】
本発明の付加的な利点は、本発明を実施することが考慮されている最良モードの単なる例示として、本発明の好ましい実施形態のみが示され説明されている以下の詳細な説明から、当業者には直ちに明らかとなるであろう。理解されるように、本発明は、他の及び異なる実施形態が可能であり、その幾つかの細部は、全てが本発明から逸脱しない形で種々の自明な点について修正することができる。したがって、図面及び詳細な説明は、限定なものとしてではなく例示的な性質のものとして考えられるべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明は、単なる例として、限定する意味ではなしに、同じ参照番号が同じ要素を指す添付の図面に図示される。
本発明の概念は、軸方向に離間され２つ又はそれ以上の組になったロータ及びステータ要素を有するモータに適用可能である。ステータ要素及びロータ要素間の構造的相互関係を理解する目的のために、図３は、出願継続中の米国特許出願（代理人整理番号第５７３５７−０１９号）に開示されるモータの三次元分解図を示す。モータ１５は、半径方向エアギャップによって分離された環状永久磁石ロータ２０と環状ステータ構造体３０とを備える。透磁性材料からなる複数の強磁性的に隔離されたステータコアセグメント要素３６は、セグメントの強磁性的隔離を維持する支持構造体５０によって支持される。セグメント３６は、エアギャップに面する磁極表面３２を備える透磁性材料から形成された一体構造体である。各コアセグメントの磁極面は、図示のように異なる表面積をもつことができ、又は同一の表面形状をもつことができる。ステータコア要素３６の各々は、コア材料上に形成された巻線３８を含む電磁石である。公知の手法による励磁電流の方向の反転は、磁極の各々の磁気極性の反転に影響する。ロータは、永久磁石部分２１を備え、３つの軸方向に離間されたロータ磁石リング２２−２４がエアギャップ周りに周方向に分布され、鉄バックリング２５の上に永久磁石が取り付けられる。ステータ支持構造体５０は、固定シャフトに取り付けられ、ロータは、適切なブッシング及びベアリングを通じてシャフトに軸支されるハウジング内に取り付けられる。
【００１９】
図４は、ロータが静止状態にあるときの、図３に示されるようなモータのステータ磁極及びロータ永久磁石表面の部分的平面配置図である。図面の上側部分は、４つの隣接するステータ要素３６を示し、その各々は、表面３２を有する３つのステータ磁極を備える。図面の下側部分は、磁石２１を有する３つの軸方向に離間されたロータリングの一部を示す。実際に構成されたステータ要素及びロータ要素は、回転軸線まわりに周方向に配置され、それらの間の水平方向のスペースによって表わされるエアギャップを横切るそれらの空間的な関係性を説明するために、水平方向の平面上に並べられている。回転軸線は垂直方向にある。実際の構成においては、ステータ磁極の上の列は、エアギャップを横切ってロータ磁石の下の列と整列され、ステータ磁極の中央の列は、エアギャップを横切ってロータ磁石の中央の列と整列され、ステータ磁極の下の列は、エアギャップを横切ってロータ磁石の上の列と整列される。モータが作動中であるときに、前述の及び図２に示された形で、ステータ磁極及びロータ磁石の整列された列の各々においてコギングトルクが生じる。各セグメントにおける全てのステータ磁極が互いに軸方向に重なり、かつ離間された磁石リングの各々における隣接するロータ磁石が互いに軸方向に重なるので、ステータ磁極及びロータ磁石の対応する列は、同じコギングトルク変化を生じ、それらは付加的なものである。
【００２０】
図５は、本発明に係るモータのステータ磁極及びロータ永久磁石表面の部分的平面配置図である。図示された要素のための支持構造体は、図３に示されたのと同様のものとすることができる。ステータセグメント３６は、回転軸線の方向に整列され、回転軸線まわりに周方向に配置される。各セグメントにおける全てのステータ磁極は、互いに軸方向に重なっている。この図においては、全てのステータ磁極表面は、同じ幾何学的形状及び寸法をもつ。軸方向に離間されたロータリング２２−２４はまた、回転軸線まわりに周方向に配置される。図示のように、全ての磁石表面は、同じ幾何学的形状及び寸法をもつ。しかしながら、隣接するリングにおける磁石は、互いから軸方向にシフトされる。
モータ作動中に、ロータは、固定ステータセグメントに対し、水平方向経路を横断する。ロータ磁石と、対応するロータリングのステータ磁極／ステータ磁極の組との間の重なり遷移点は、周方向に沿った位置において、他の対応する組をなすロータ及びステータ要素の各々とは異なる時点で生じる。したがって、組の各々は、時間と共に変化する同様のコギングトルクを生じ、その一方で、コギングトルクがロータ磁石のオフセットに関連して各々からシフトされる。コギングトルクは、組み合わされたコギングトルク効果が最小となるように、様々な程度に互いに打ち消しあう。各々のコアセグメントのステータ磁極の寸法及び／又はロータ磁石の寸法は、必ずしも同一である必要はないが、例えば、図３の配置に示されるように変化させることができる。オフセットの度合いは、寸法特徴を考慮して、最適な効果のために適切に選択することができる。
【００２１】
図６は、本発明の別の態様に係るモータのステータ磁極及びロータ永久磁石表面の部分的平面配置図である。図示された要素の支持構造体は、図３に示されたのと同様のものとすることができる。ロータ２１は、軸方向に離間された永久磁石リング２２−２４の３つの組からなる。隣接するリングにおける磁石は、実質的に同じ表面寸法をもち、互いに軸方向に位置合わせされている。ステータセグメント３６は、回転軸線の方向に整列されており、回転軸線まわりに周方向に配置される。しかしながら、各セグメントにおけるステータ磁極は、互いに軸方向にオフセットされている。軸方向に整列されたセグメントのベース部分に対してシフトされた位置にある磁極面は、所望の形状に成形可能な粉末化金属材料といった透磁性軟質媒体から形成することができる。
図５の配置におけるように、モータ作動中に、ロータは、固定ステータセグメントに対し、水平方向経路を横断する。ロータ磁石と対応するロータリングのステータ磁極／ステータ磁極の組との間の重なり遷移点は、周方向に沿った位置において、他の対応する組をなすロータ及びステータ要素の組の各々の遷移点とは異なる時点で生じる。組の各々は、時間と共に変化する同様のコギングトルクを生じるが、ステータ磁極のオフセットに基づいて互いにシフトされる。各々のコアセグメントのステータ磁極の寸法は、ロータ磁石表面の寸法と同様に、互いに異なるものとすることができる。オフセットの度合いは、組み合わされたコギングトルクの最適な打ち消し合いのために適切に選択することができる。
【００２２】
図７は、本発明及び図６の配置の変形例に係るモータのステータ磁極及びロータ永久磁石表面の部分的平面配置図である。隣接するリング２２−２４におけるロータ磁石は、実質的に同じ表面寸法を有し、互いに軸方向に重なっている。各ステータセグメント３６のステータ磁極は、互いに、及びコアベース支持部と整列される。しかしながら、ステータセグメント３６は、回転軸線に対して斜めにされる。ステータセグメントを回転軸線から特定のオフセット角だけずらすことにより、ロータ磁石と対応するロータリングのステータ磁極／ステータ磁極の組との間の重なり遷移点が、図６の配置におけるような対応する他の組をなすロータ及びステータ要素の各々における遷移点からシフトされる。
【００２３】
作動の際に、既に説明された本発明の変形例におけるように、ロータ及びステータ要素の３つの組は、各組が時間と共に変化する同様のコギングトルクを生じるように、実質的に同じ表面形状を有する。個々の組によって生じたコギングトルクが、斜めの関係に付随するステータセグメントの磁極のオフセットに基づいて互いにシフトされるので、コギングトルクは或る程度打ち消しあう。さらに、組の各々によって生じるコギングトルクは、ステータ磁極と対応するロータ磁石との間の斜めの関係性によって減少される。エアギャップを横切ってステータ磁極に接近する磁石の前縁は、該縁がステータ磁極の傾斜角だけ互いに平行でない関係にあるので、ステータ磁極の縁全体には直ちに重ならない。したがって、ロータ磁石がエアギャップを横切ってステータ磁極と重なる関係に接近するときの遷移点におけるコギングトルクの変化は、既に説明された配置におけるトルク変化より漸進的である。それによりコギングトルクの振れが減少される。斜め配置の有利な効果のより詳細な説明のために、出願継続中の米国特許出願第１０／１６０，２５７号を参照する。図７の実施形態は、ロータ要素とステータ要素との間のシフトされた関係性と斜めにされた関係性との両方の利点を与える。同様の効果は、各セグメントのステータ磁極が軸方向に整列され、ロータ磁石がステータ磁極に対してシフトされると共に斜めにされた変形例から得ることができる。
【００２４】
この開示においては、本発明の好ましい実施形態のみが図示され説明されているが、それはその使途の広さのうちほんの幾つかの例に過ぎない。本発明は、種々の他の組み合わせ及び環境で用いることができ、ここで説明されるような本発明の概念の範囲内での変更又は修正が可能であることを理解されたい。例えば、図面に示された配置の各々は、セグメント化されたステータコアではなく、互いに軸方向に離間された一体のステータコアとして、有用な結果をもつように実施することができる。
ステータコア要素の特定の幾何学的形状が図示されているが、ここでの発明概念は、ほとんどどんな形状をも粉末金属技術を用いて形成することができるので、こうした形状の多くの変更を包含することを認識されたい。したがって、特定のコア形状を、所望の磁束分布に合わせることができる。
本発明の詳細な説明は、ロータによって囲まれたステータを示すが、本発明の概念は、ロータがステータによって囲まれるモータにも等しく適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】出願継続中の特許出願第０９／８２６，４２２号に開示されるモータのロータ及びステータ要素を示す例示的な図である。
【図２】モータ作動中の３つの時点におけるステータ磁極表面とロータ表面の相対的位置を示す、図１の要素の部分的な平面配置図である。
【図３】出願継続中の米国特許出願（代理人整理番号第５７３５７−０１９号）に開示されたようなモータの三次元分解図である。
【図４】図３に示されるようなモータのステータ磁極及びロータ永久磁石表面の部分的平面配置図である。
【図５】本発明に係るモータのステータ磁極及びロータ永久磁石表面の部分的平面配置図である。
【図６】本発明の別の態様に係るモータのステータ磁極及びロータ永久磁石表面の部分的平面配置図である。
【図７】本発明に係るモータのステータ磁極及びロータ永久磁石表面の部分的平面配置図であり、図６の配置の変形例である。
【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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【図７】
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【国際調査報告】
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