(57)【要約】  変調極機械用の回転子であって、変調極機械の固定子の固定子磁場と相互作用するための回転子磁場を生成するように構成された回転子において、円周方向取付面を画定する管状支持構造体２０１、３０１であって、管状支持構造体の軸方向に延びる複数の細長い凹部２０２を取付面に有する管状支持構造体と、管状支持構造体の取付面に配置され、回転子磁場を生成するように前記回転子の円周方向に磁化された複数の永久磁石２０３とを有し、これら永久磁石２０３は、前記永久磁石によって生成された回転子磁場を半径方向に方向付けるために、軸方向に延びる回転子磁極区域２０４によって回転子の円周方向に互いに分離されており、また少なくとも１つの永久磁石２０３又は１つの回転子磁極区域２０４が、複数の凹部の１つの中に少なくとも部分的に延びている回転子。
2013515455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変調極機械用の回転子であって、該変調極機械の固定子の固定子磁場と相互作用するための回転子磁場を生成するように構成された回転子において、
円周方向取付面を画定する管状支持構造体であって、該管状支持構造体の軸方向に延びる複数の細長い凹部を前記取付面に有している管状支持構造体と、
前記回転子磁場を生成するように前記回転子の円周方向に磁化された複数の永久磁石であって、前記複数の永久磁石は、該永久磁石によって生成された前記回転子磁場を少なくとも半径方向に方向付けるために、軸方向に延びる回転子磁極区域によって前記回転子の円周方向に互いに分離されている複数の永久磁石と
を有し、
前記複数の永久磁石は、前記複数の凹部それぞれの中に少なくとも部分的に半径方向に延び、またそれぞれの回転子磁極区域が、２つの隣接する永久磁石の間に配置されている
回転子。
【請求項２】
前記複数の凹部が、前記永久磁石の位置を半径方向に調節できるようになされており、それによって、凹部から外に延び出た各永久磁石の一部の半径方向長さが調節可能になされている請求項１に記載の回転子。
【請求項３】
各永久磁石が、前記凹部の２つの側壁と接触している請求項１又は２に記載の回転子。
【請求項４】
前記永久磁石が、前記凹部の側壁によって形成される摩擦ばめによって前記管状支持構造体の凹部内に嵌め込まれる請求項１から３までのいずれか一項に記載の回転子。
【請求項５】
変調極機械用の回転子であって、該変調極機械の固定子の固定子磁場と相互作用するための回転子磁場を生成するように構成された回転子において、
円周方向取付面を画定する管状支持構造体であって、該管状支持構造体の軸方向に延びる複数の細長い凹部を前記取付面に有している管状支持構造体と、
前記回転子磁場を生成するように前記回転子の円周方向に磁化された複数の永久磁石であって、前記複数の永久磁石は、該永久磁石によって生成された前記回転子磁場を少なくとも半径方向に方向付けるために、軸方向に延びる回転子磁極区域によって前記回転子の円周方向で互いに分離されている複数の永久磁石と
を有し、
少なくとも１つの回転子磁極区域が、前記複数の凹部の１つの中に少なくとも部分的に半径方向に延びており、回転子磁極区域が、前記支持構造体の凹部に嵌め込まれたとき、半径方向軸線を画定している前記凹部から半径方向に延びており、また前記回転子磁極区域が、
前記回転子磁極区域の第１の端部を形成し、前記支持構造体の凹部に少なくとも部分的に嵌め込まれるようになされた第１の一定幅区間であって、前記第１の一定幅区間における前記回転子磁極区域の幅が一定であるように２つの平行な側壁を有する第１の一定幅区間と、
前記第１の一定幅区間が終了する点から始まるテーパ付き区間であって、前記テーパ付き区間が、前記テーパ付き区間での前記回転子磁極区域の幅が一定でないように２つの非平行の側壁を有するテーパ付き区間と
を有している
回転子。
【請求項６】
前記回転子磁極区域は、前記テーパ付き区間が終了する点から始まって前記回転子磁極区域の第２の端部を形成する第２の一定幅区間をさらに有し、前記回転子磁極区域の幅が前記第２の一定幅区間において一定であるように前記第２の一定幅区間の側壁が平行である請求項５に記載の回転子。
【請求項７】
前記複数の凹部が、前記回転子磁極区域の位置を半径方向に調節できるようになされており、それによって、凹部から外に延び出た各回転子磁極区域の一部の半径方向長さが調節可能になされている請求項５又は６に記載の回転子。
【請求項８】
前記回転子磁極区域が、前記凹部の側壁によって形成される摩擦ばめによって前記管状支持構造体の凹部内に嵌め込まれる請求項５から７までのいずれか一項に記載の回転子。
【請求項９】
前記円周方向取付面が、前記管状支持構造体の内面である請求項１から８までのいずれか一項に記載の回転子。
【請求項１０】
前記円周方向取付面が、前記管状支持構造体の外面である請求項１から９までのいずれか一項に記載の回転子。
【請求項１１】
前記回転子磁極区域が軟磁性材料から作られる請求項１から１０までのいずれか一項に記載の回転子。
【請求項１２】
前記管状支持構造体が、アルミニウムやプラスチックなど非磁性材料から作られる請求項１から１１までのいずれか一項に記載の回転子。
【請求項１３】
回転子磁極区域において、
前記回転子磁極区域の第１の端部を形成し、支持構造体の凹部に少なくとも部分的に嵌められるように適合された第１の一定幅区間であって、前記第１の一定幅区間での回転子磁極区域の幅が一定であるように２つの平行な側壁を有する第１の一定幅区間と、
前記第１の一定幅区間が終了する点から始まるテーパ付き区間であって、前記テーパ付き区間での前記回転子磁極区域の幅が一定でないように２つの非平行の側壁を有するテーパ付き区間と
を有する回転子磁極区域。
【請求項１４】
前記テーパ付き区間が終了する点から始まって前記回転子磁極区域の第２の端部を形成する第２の一定幅区間をさらに有し、前記回転子磁極区域の幅が前記第２の一定幅区間において一定であるように前記第２の一定幅区間の側壁が平行である請求項１３に記載の回転子磁極区域。
【請求項１５】
粉末圧縮を用いて請求項１３又は１４に記載の回転子磁極区域を製造する方法であって、
第１の一定幅区間と第２の一定幅区間とを有する回転子磁極区域の反転形状を有するダイを得るステップと、
前記ダイに磁性粉末を充填するステップと、
少なくとも２つのパンチを使用して前記ダイ内で前記磁性粉末を圧縮するステップと
を含み、
前記パンチの少なくとも一方が、製造される回転子磁極区域の半径方向軸線に沿って他方のパンチに対して移動し、前記ダイの前記第１の一定幅区間又は前記第２の一定幅区間の少なくとも一方に部分的に進入し、それによって、製造される回転子磁極区域の前記第１の一定幅区間又は第２の一定幅区間の少なくとも一方の長さが短くされる
方法。
【請求項１６】
変調極機械用の回転子を製造するための方法であって、前記回転子が、円周方向取付面を画定する管状支持構造体を有し、前記管状支持構造体が、前記支持構造体の前記取付面に沿って前記取付面に周期的に位置決めされた複数の細長い凹部を有し、前記細長い凹部が、前記管状支持構造体の軸方向に延び、各凹部が２つの側壁を有し、前記回転子が複数の永久磁石をさらに有し、前記複数の永久磁石が、軟磁性材料から形成された軸方向に延びる回転子磁極区域によって互いに円周方向に分離されている方法において、
前記凹部それぞれの内部に永久磁石又は回転子磁極区域を少なくとも部分的に配置するステップであって、前記永久磁石又は回転子磁極区域が、凹部から出て半径方向に延び、それによって２つの隣接する凹部の間に複数のスロットを形成するステップと、
前記形成された各スロットの中に永久磁石又は回転子磁極区域を配置するステップと
を含む方法。
【請求項１７】
前記支持構造体と同心にエア・ギャップ固定具を配置するステップをさらに含み、回転子磁極区域又は永久磁石は、前記エア・ギャップ固定具に面する永久磁石又は回転子磁極区域の側面が前記エア・ギャップ固定具に接触するように、凹部内で半径方向に調節される請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記エア・ギャップ固定具が、回転子磁極区域又は永久磁石と前記エア・ギャップ固定具との間の接触圧を強めるための磁性デバイスをさらに有する請求項１７に記載の変調極機械用の回転子を製造するための方法。
【請求項１９】
固定子と、請求項１から１２までのいずれか一項に記載の回転子とを有する変調極機械であって、前記固定子が、
前記回転子に向かって半径方向に突出する複数の歯をそれぞれ含む第１及び第２の固定子コア区域と、
前記第１の固定子コア区域と第２の固定子コア区域の間に配置された巻線と
を有し、
前記第２の固定子コア区域の歯が、前記第１の固定子コア区域の歯に対して円周方向でずらされ、また前記永久磁石を分離するように軸方向に延びる回転子磁極区域が、前記第１の固定子コア区域と前記第２の固定子コア区域の両方に対して軸方向に延び、
前記回転子の前記永久磁石の磁化方向が実質的に円周方向であり、それによって、前記変調極機械の使用中、軸方向に延びる磁極区域内で生成された磁束経路が少なくとも円周方向及び軸方向に延び、前記隣接する永久磁石の対面する領域から前記固定子区域の１つの歯の位置に磁束を集中させ、また１つおきの永久磁石の磁化方向が、間にある永久磁石の磁化方向と逆である
変調極機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変調極機械用の回転子に関し、より詳細には、容易に大量製造可能な変調極機械用の回転子に関する。
【背景技術】
【０００２】
数年来、変調極（ｍｏｄｕｌａｔｅｄ  ｐｏｌｅ）機械、クローポール型（ｃｌａｗ−ｐｏｌｅ）機械、ランデル（Ｌｕｎｄｅｌｌ）機械、及び横方向磁束機（ＴＦＭ）などの電気機械設計に対する関心がますます高まっている。これらの機械の原理を使用した電気機械は、ＡｌｅｘａｎｄｅｒｓｓｏｎとＦｅｓｓｅｎｄｅｎによって１９１０年頃に開示されている。関心が高まっている最も重要な理由の１つは、この設計が、例えば誘導機械、スイッチ型リラクタンス機械、さらには永久磁石ブラシレス機械に比べて、非常に高いトルク出力を可能にすることである。さらに、そのような機械は、コイルの製造が容易であることが多い点で有利である。しかし、この設計の欠点の１つは、典型的にはそれらの製造に比較的高い費用がかかること、及びそれらが高い漏れ磁束を受け、そのため低力率となり、より多くの磁性材料が必要になることである。低力率は、大型のパワー電子回路（又は機械が同期して使用されるときには電源）を必要とし、これもまた駆動機構全体の体積、重量、及びコストを高める。
【０００３】
変調極電気機械の固定子は、基本的には、軟磁性コア構造体によって形成される複数の歯に磁力を供給する中心単巻線の使用によって特徴付けられる。ここでは、軟磁性コアは、巻線の周りに形成される。それに対し、他の一般的な電気機械構造では、巻線は、歯のコア区域の周りに形成される。変調極機械トポロジーの例は、時として、例えばクローポール型機械、クローフィート型（Ｃｒｏｗ−ｆｅｅｔ）機械、ランデル型機械、又はＴＦＭ機械として認識されている。埋込磁石を有する変調極機械は、さらに、回転子磁極区域によって分離された複数の永久磁石を含む能動回転子構造体によって特徴付けられる。能動回転子構造体は、偶数個のセグメントから構成され、半数のセグメントが軟磁性材料から形成され、残りの半数のセグメントが永久磁石材料から形成される。永久磁石は、永久磁石の磁化方向が実質的に円周方向であるように、すなわちそれぞれＮ極とＳ極が実質的に円周方向に向いているように配置される。
【０００４】
従来、回転子は、典型的には１０〜５０個の比較的多数の個別の回転子セグメントを作製することによって製造されている。しかし、機械の性能を保つように、多数の構成要素を一体にして、よく画定されたエア・ギャップを得られるようにすべきであるので、組立てプロセスは複雑であり、時間がかかる。さらに、組立てプロセスは、組立て中に回転子磁極区域を互いに反発させる傾向がある永久磁石セグメントの逆向きの極性方向によって複雑になる。
【０００５】
国際公開第２００９１１６９３５号は、個別部品の数が減少され、それにより回転子を組み立てるのに必要な時間が短縮された回転子及び回転子を製造するための方法を開示している。しかし、この手法により、個々の部品の複雑さ及びコストが増加されることになる。さらに、構成要素は、断面積の大きなばらつきを示し、これは熱処理中の湾曲など望ましくない変形をもたらすことがあるので、良好な全体の公差を得るのが難しいことがある。また、特に、幾何学的公差に対する要件を満たすために組立て中に構造をわずかに変形させなければならない場合、一体化された薄いブリッジ区域が、組立て中に強度の問題を引き起こすこともある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００９１１６９３５号
【特許文献２】米国特許第６３４２６５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般に、製造及び組立てにおいて比較的安価な変調極機械用の回転子を提供することが望ましい。高い構造的安定性、低い磁気抵抗、効率的な磁束経路ガイダンス、軽量、及び低慣性など、良好な性能パラメータを有する回転子を提供することがさらに望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書において、第１の観点によれば、変調極機械用の回転子であって、変調極機械の固定子の固定子磁場と相互作用するための回転子磁場を生成するように構成された回転子において、
円周方向取付面を画定する管状支持構造体であって、管状支持構造体の軸方向に延びる複数の細長い凹部を取付面に有している管状支持構造体と、
回転子磁場を生成するように前記回転子の円周方向に磁化された複数の永久磁石であって、前記永久磁石によって生成された回転子磁場を半径方向に方向付けるために、軸方向に延びる回転子磁極区域によって回転子の円周方向に互いに分離された複数の永久磁石と
を有し、
少なくとも１つの永久磁石又は少なくとも１つの回転子磁極区域が、複数の凹部の１つの中に半径方向に少なくとも部分的に延びている
回転子の実施例が開示される。したがって、永久磁石及び回転子磁極区域から選択される少なくとも１つの構成要素は、その構成要素の一部が凹部から外に延びるように、複数の凹部の１つの中に少なくとも部分的に延びている。
【０００９】
その結果、本明細書で述べる回転子の実施例では、永久磁石及び回転子磁極区域が、管状支持構造体と同軸の管状回転子構造体を形成する。管状回転子構造体の円周面の１つが、管状支持構造体の円周方向取付面に接続される。このために、永久磁石のいくつか若しくは全て、及び／又は回転子磁極区域のいくつか若しくは全てが、管状回転子構造体の円周面の前記１つから、管状支持構造体の取付面のそれぞれの凹部内へ半径方向に突出している。
【００１０】
本明細書で述べる回転子の実施例は、効率的で確実な組立てプロセスを提供し、その際、個々の構成要素の公差が比較的大きいときでさえ、さらには組み立てるべき構成要素の強度及び脆弱挙動に限定があるときでさえ、よく画定されたエア・ギャップが提供される。
【００１１】
いくつかの実施例では、複数の凹部は、半径方向で複数の凹部の１つの中に少なくとも部分的に延びる少なくとも１つの永久磁石又は少なくとも１つの回転子磁極区域の位置を半径方向に調節できるように適合されており、それにより、凹部から外に延び出た部分の半径方向長さが調節できるようになされている。
【００１２】
凹部は、平均的な構成要素に必要とされる深さよりも大きい深さを有することによって、前記構成要素の位置を半径方向に調節できるように適合されることがある。それにより、製造のばらつきによって平均よりも大きい半径方向長さで作製された構成要素が凹部内により深く挿入することができ、凹部から外に延び出た部分の半径方向長さを平均的な構成要素のものと等しくすることができる。逆の原理を、平均よりも小さい半径方向長さで作製された構成要素に関して使用することができる。
【００１３】
本発明のいくつかの実施例では、複数の凹部の１つの中に少なくとも部分的に延びる少なくとも１つの永久磁石又は少なくとも１つの回転子磁極区域は、前記凹部の２つの側壁と接触し、すなわち２つの側壁と直接接触するか、又は接着剤によって２つの側壁から離隔されている。
【００１４】
回転子は、外側固定子の半径方向内側で回転するように適合された内側回転子、又は内側固定子の周りで回転するように回転された外側回転子など、任意のタイプの回転子でよい。
【００１５】
複数の永久磁石は、円周を巡って１つおきの磁石の磁化方向が逆になるように配置することができる。それにより、個々の回転子磁極区域は、同じ極性を示す磁石とのみ干渉することがある。
【００１６】
凹部は、管状支持構造体の取付面に沿って周期的に位置決めすることができる。凹部の壁は、管状支持構造体の半径方向に延びることがある。したがって、複数の凹部の１つの中に少なくとも部分的に延びる永久磁石又は回転子磁極区域は、半径方向に凹部から外に延び出ることがある。
【００１７】
いくつかの実施例では、円周方向取付面は、管状支持構造体の内面によって画定される。この設計は、外側回転子に関して有益である。
【００１８】
いくつかの実施例では、円周方向取付面は、管状支持構造体の外面によって画定される。この設計は、内側回転子に関して有益である。
【００１９】
管状支持構造体は、例えば２個〜２００個の間、５個〜６０個の間、又は１０個〜３０個の間など任意の数の凹部を備えることができる。本発明のいくつかの実施例では、全ての凹部に、永久磁石又は回転子磁極区域が嵌め込まれる。管状支持構造体は、任意の軸方向長さを有することができる。本発明のいくつかの実施例では、管状支持構造体の軸方向長さは、永久磁石及び／又は回転子磁極区域の軸方向長さに相当する。本発明のいくつかの実施例では、凹部は、管状支持構造体の軸方向長さ全体に沿って延びている。本発明のいくつかの実施例では、凹部は、支持構造体の軸方向長さの一部のみに沿って延びている。凹部は、管状支持構造体内に半径方向に延びる第１と第２の平行な側壁を第３の壁によって接続することによって形成することができる。本発明のいくつかの実施例では、第３の壁は、第１及び第２の壁に垂直である。本発明のいくつかの実施例では、第３の壁が湾曲され、管状支持構造体の湾曲にほぼ従う曲線状を有する。回転子は、任意のサイズを有することができる。管状支持構造体の凹部は、回転子磁極区域又は永久磁石の位置を半径方向で調節できるように適合させることができ、それにより、凹部から外に延び出た部分の半径方向長さが調節できるようになされている。
【００２０】
回転子、例えば管状支持構造体は、回転子と固定子の相互作用によって生成されるトルクを伝達するための手段を備えることができる。いくつかの実施例では、管状支持構造体は、生成されるトルクを伝達するためのシャフトに接続される。例えば、磁石及び／又は回転子磁極区域を取り付けるための取付面と向かい合う管状支持構造体の表面は、回転子をハブやシャフトなどに取り付けるために使用することができる。
【００２１】
任意の製品を製造するコストは、最終製品の精度要件に密接に関係付けられる。高精度の製造は、複雑で高価な製造技法を必要とし、又は製造された製品の比較的高い不良品発生率が避けられず、どちらにせよ高い製造コストをもたらす。変調極機械の回転子と固定子の効率的な相互作用を保証するために、高精度要件が適用される。これは、回転子の構成要素、例えば回転子磁極区域及び永久磁石のための対応する高精度要件を生み出す。しかし、複数の凹部を備える支持構造体を回転子に提供することによって、回転子磁極区域又は永久磁石を、管状支持構造体の凹部内へ半径方向で調節することができ、それにより凹部から半径方向に延びる部分の長さを調節できるようになる。これは、回転子磁極区域又は永久磁石の精度要件を低減し、したがってそれに対応して製造コストを下げる。本発明のいくつかの実施例では、凹部内に位置決めされた構成要素と凹部の背面と間の隙間には、適切な材料、例えばエポキシ接着剤など適切なタイプの接着剤が充填される。
【００２２】
いくつかの実施例では、支持構造体は、凹部内の回転子磁極片又は永久磁石の半径方向調節中に接着剤を軸方向に輸送するための小さな凹部を備えることがある。これらの小さな凹部は、磁極片又は永久磁石の下の領域から接着剤が軸方向に逃げるためのそれぞれのチャネルを提供することができ、それにより公差の調節精度を高める。
【００２３】
また、管状支持構造体は、回転子磁極区域及び永久磁石を挿入することができるフレームを提供することによって、回転子部分の組立てプロセスを単純化する役割を果たすこともある。さらに、管状支持構造体は、より剛性の回転子を提供する役割を果たし、使用中の回転子の歪みの危険を低減する。管状支持構造体を高い精度で製造することができるので、得られる回転子の幾何学的なばらつきが低減し、これは、製品の全体的な品質を高め、人為的過失の危険を低減する。それにより、廃棄する必要がある回転子がより少なくなる。
【００２４】
本発明の利点は、管状支持構造体に凹部を有することによって、永久磁石又は回転子磁極区域の位置を修正できるようになり、個々の構成要素のより大きい公差に対応することができることである。これは、管状支持構造体の公差も含む。さらなる利点は、管状支持構造体が、本発明による回転子を簡単に良好な同心性で組み立てるためのフレームを提供することである。
【００２５】
いくつかの実施例では、管状支持構造体は、単一構成要素でよく、又は複数のセグメント若しくはモジュールとして提供されることもあり、例えば軸方向及び／又は円周方向で区画化されることがある。同様に、永久磁石及び／又は磁極片のいくつか又はそれぞれをモジュール化することができ、例えば、軸方向に区画化する、又は他の形で複数の構成要素に分割することができる。
【００２６】
本発明のいくつかの実施例では、回転子磁極区域は、軟磁性粉末など軟磁性材料から形成される。軟磁性粉末から回転子磁極区域を形成することによって回転子の製造を単純化することができ、磁束集中は、効果的な３次元磁束経路の利点を利用して、より効率的になることがある。
【００２７】
本発明のいくつかの実施例では、管状支持構造体は、非磁性材料、例えばアルミニウムやプラスチック、例えば押出成形アルミニウムや射出成形プラスチックなど、及び／又は他の適切な非磁性材料からなる。非磁性材料の管状支持構造体を製造することによって、回転子の磁気的特性が乱されることがない。
【００２８】
第１の観点によれば、永久磁石は、前記管状支持構造体の前記凹部内に嵌め込まれ、回転子磁極区域は、２つの隣接する永久磁石の間に配置される。永久磁石を前記支持構造体の凹部内に嵌め込むことによって、永久磁石は、回転子磁極区域よりも半径方向に延び出る。これは、永久磁石によって生成される磁束のより効率的な利用を可能にする。
【００２９】
本発明のいくつかの実施例では、回転子磁極区域は、前記支持構造体の前記凹部内に嵌め込まれる。
【００３０】
本発明のいくつかの実施例では、永久磁石又は回転子磁極区域は、前記凹部の側壁によって成される摩擦ばめによって、管状支持構造体の凹部内に嵌め込まれる。摩擦ばめを使用することによって、永久磁石又は回転子磁極区域を固定する簡単で確実な方法が提供される。摩擦ばめは、永久磁石又は回転子磁極区域よりもわずかに小さくなるように凹部を設計することによって生成することができる。摩擦力の調節は、凹部壁の制御下での変形によって容易に行うことができ、例えば、磁極区域又は磁石を損傷しないように十分に小さい望ましい力で曲げることができる材料のリップなどいくつかの一体設計機構によって容易に行うことができる。
【００３１】
第２の観点によれば、本発明は、上述した回転子用の回転子磁極区域であって、前記凹部に嵌め込まれたとき、半径方向軸線を画定している前記凹部から半径方向に延びる回転子磁極区域において、
前記回転子磁極区域の第１の端部を形成し、前記支持構造体の凹部に少なくとも部分的に嵌め込まれるように適合された第１の一定幅区間であって、前記第１の一定幅区間が２つの平行な側壁を有し、それにより前記第１の一定幅区間での回転子磁極区域の幅が一定である第１の一定幅区間と、
前記第１の一定幅区間が終了する点から始まるテーパ付き区間であって、前記テーパ付き区間が２つの非平行の側壁を有し、それにより、前記テーパ付き区間での前記回転子磁極区域の幅が一定でないテーパ付き区間と
を有する回転磁極区域に関する。
【００３２】
したがって、２つの隣接する回転子磁極区域のテーパ付き区間が、永久磁石のための平行な壁を有するスロット開口を形成し、それにより、高価な永久磁石の幾何形状を単純で低コストのものにできるようにする。
【００３３】
本発明のいくつかの実施例では、第１の一定幅区間の側壁は、前記半径方向軸線と平行である。
【００３４】
本発明のいくつかの実施例では、テーパ付き区間の側壁は、前記半径方向軸と非平行である。
【００３５】
本明細書においては、回転子磁極区域の長さは、回転子磁極区域が管状支持構造体内に嵌め込まれたときに管状支持構造体の半径方向軸線に沿って延びる寸法と定義し、回転子磁極区域の高さは、回転子磁極区域が管状支持構造体に嵌め込まれたときに管状支持構造体の軸線に沿って延びる寸法と定義し、回転子磁極区域の幅は、回転子磁極区域の長さ及び高さに垂直な寸法と定義する。
【００３６】
回転子磁極区域の高さは、第１の一定幅区間とテーパ付き区間との両方にわたって一定であることがある。第１の一定幅区間の長さは、凹部の深さ、例えば凹部の側壁の（半径方向での）高さにほぼ相当することがある。本発明のいくつかの実施例では、第１の一定幅区間の長さは、回転子磁極区域の全長の２〜３０パーセントに相当する。本発明のいくつかの実施例では、第１の一定幅区間の長さは、回転子磁極区域の全長の５〜２０パーセントに相当する。本発明のいくつかの実施例では、第１の一定幅区間の長さは、回転子磁極区域の全長の８〜１２パーセントに相当する。
【００３７】
テーパ付き区間は、任意の長さを有することがある。本発明のいくつかの実施例では、テーパ付き区間の長さは、回転子磁極区域の全長の４０〜９５パーセントに相当する。本発明のいくつかの実施例では、テーパ付き区間の長さは、回転子磁極区域の全長の６０〜９０パーセントに相当する。テーパ付き区間の長さは、永久磁石の半径方向長さによって決定することができる。本発明のいくつかの実施例では、テーパ付き区間の２つの側壁は、中心半径方向軸線に向かって角度を付けられた直線壁であり、それにより、回転子磁極区域の幅は、第１の一定幅区間からの距離が増加するにつれて半径方向軸線に沿って単調減少している。この設計は、回転子磁極区域が外側回転子で使用されるときに有利である。本発明のいくつかの実施例では、テーパ付き区間の２つの側壁は、中心半径方向軸線に離れるように角度を付けられた直線壁であり、それにより、回転子磁極区域の幅は、第１の一定幅区間からの距離が増加するにつれて半径方向軸線に沿って単調増加している。この設計は、回転子磁極区域が内側回転子で使用されるときに有利である。
【００３８】
回転子の円柱形状を保証するために、本発明のいくつかの実施例では、回転子磁極区域は、好ましくはテーパ付き区間を備える。上述したように、テーパ付き区間は、回転子磁極区域の幅が内側回転子に関しては拡張され、外側回転子に関しては減少されることを保証する。しかし、管状支持構造体の凹部に位置決めされるように適合された第１の一定幅区間をさらに有することによって、半径方向軸線に沿った移動で回転子磁極区域を凹部内に挿入することができるので、回転子磁極区域を利用する回転子の組立てを単純化することができる。これは、軸方向移動によって回転子磁極区域を凹部内に押し入れる手法に勝ることが示されている。なぜなら、回転子磁極区域の高さは典型的には大きいので、そのような押入れは挿入プロセスの開始時に回転子磁極区域を不安定にするからである。それにより製造コストを減少させることができる。さらに、第１の一定幅区間は、回転子磁極区域が内側回転子のために使用されるときに、より堅固な嵌合を保証する役割を果たす。
【００３９】
本発明のいくつかの実施例では、回転子磁極区域が第２の一定幅区間をさらに備え、第２の一定幅区間は、テーパ付き区間が終了する点から始まり、前記回転子磁極区域の第２の端部を形成し、また前記第２の一定幅区間の側壁が平行であり、したがって前記回転子磁極区域の幅が、前記第２の一定幅区間において一定である。
【００４０】
いくつかの実施例では、第２の一定幅区間の２つの側壁は、半径方向軸線と平行である。
【００４１】
第２の一定幅区間は、任意の長さを有することができる。本発明のいくつかの実施例では、第２の一定幅区間は、回転子磁極区域の全長の約２〜２０パーセントに相当する長さを有する。本発明のいくつかの実施例では、第２の一定幅区間は、回転子磁極区域の全長の約５〜１５パーセントに相当する長さを有する。
【００４２】
第２の一定幅区間を有することによって、２つの隣接する回転子磁極区域によって形成される空間の幅を、第２の一定幅区間が開始する点から減少させることができる。それにより、空間内に配置された磁石が半径方向でポケットから抜け落ちるのを防止することができる。
【００４３】
本発明のいくつかの実施例では、磁極区域の高さは長さよりも大きく、長さは幅よりも大きい。
【００４４】
第３の観点によれば、本発明は、粉末圧縮を用いて、上で開示した及び以下に開示する回転子磁極区域を製造する方法であって、
第１の一定幅区間と第２の一定幅区間を備える、上で開示した及び以下に開示する回転子磁極区域の反転形状を有するダイを得るステップと、
前記ダイに、例えば鉄又は鉄ベース粉末などの磁性粉末を充填するステップと、
例えば２つ以上のパンチを使用してダイ内で変形可能な磁性粉末を圧縮するステップと
を含み、
前パンチの少なくとも一方が、得られる回転子磁極区域の半径方向軸線に沿って他方のパンチに対して移動し、ダイの第１の一定幅区間又は第２の一定幅区間の少なくとも一方に部分的に進入し、それにより、得られる回転子磁極区域の第１の一定幅区間又は第２の一定幅区間の少なくとも一方の長さが圧密中に短くなる
方法に関する。
【００４５】
磁性粉末は、例えば、軟磁性鉄粉や、Ｃｏ若しくはＮｉを含む粉末、又はそれらの一部を含有する合金でよい。軟磁性粉末は、実質的に純粋な水アトマイズ鉄粉、又は電気的絶縁体をコーティングされている不定形粒子を有する海綿鉄粉でよい。この文脈で、用語「実質的に純粋な」は、粉末が実質的にインクルージョンを含まず、不純物Ｏ、Ｃ、及びＮの量が最小限に保たれることを意味する。平均粒径は、一般に３００μｍ未満であり、１０μｍ超である。
【００４６】
しかし、軟磁性特性が十分なものであり、粉末がダイ圧密に適している限り、任意の軟磁性金属粉末又は金属合金粉末を使用することができる。
【００４７】
粉末粒子の電気的絶縁体は、無機材料からなることがある。特に適しているのは、（参照により本明細書に組み込む）米国特許第６３４２６５号に開示されている絶縁体のタイプであり、これは、絶縁性の酸素及びリン含有障壁を有する実質的に純粋な鉄からなるベース粉末の粒子に関する。絶縁された粒子を有する粉末は、Ｈｏｅｇａｎａｓ  ＡＢ（スウェーデン）から入手可能なＳｏｍａｌｏｙ（登録商標）５００、Ｓｏｍａｌｏｙ（登録商標）５５０、又はＳｏｍａｌｏｙ（登録商標）７００として入手可能である。
【００４８】
それにより、回転子磁極区域は、粉末形成法の使用によって同じ操作で効率的に行われ、その際、形成は、単一の圧密ツール・セットアップで行われる。
【００４９】
ダイ内に一定幅区間を有することによって、パンチは、ダイを損傷せずに様々な度合いで区間内に移動することができる。これは、鉄粉の圧縮率のより大きな公差を許容し、製造コストをさらに下げる。
【００５０】
第４の観点によれば、本発明は、変調極機械用の回転子を製造するための方法であって、前記回転子が、円周方向取付面を画定する管状支持構造体を備え、管状支持構造体が、支持構造体の取付面に沿って取付面に周期的に位置決めされた複数の細長い凹部を備え、細長い凹部が、管状支持構造体の軸方向に延び、各凹部が２つの側壁を有し、回転子が、軟磁性材料から形成された軸方向に延在する回転子磁極区域によって、互いに円周方向で分離された複数の永久磁石をさらに備える方法であって、
凹部それぞれの内部に永久磁石又は回転子磁極区域を少なくとも部分的に配置するステップであって、永久磁石又は回転子磁極区域が、凹部から出て半径方向に延び、それにより２つの隣接する凹部の間に複数のスロットを形成するステップと、
形成された各スロットの中に永久磁石又は回転子磁極区域を配置するステップと
を含む方法に関する。
【００５１】
本発明のいくつかの実施例では、この方法が、支持構造体と同心にエア・ギャップ固定具を配置するステップをさらに含み、回転子磁極区域又は永久磁石が、エア・ギャップ固定具に面する永久磁石又は回転子磁極区域の側面が前記エア・ギャップ固定具に接触するように凹部内で半径方向に調節される。
【００５２】
エア・ギャップ固定具は、好ましくは、外側回転子を組み立てるときには円柱形であり、内側回転子を組み立てるときには管状である。エア・ギャップ固定具は、支持構造体の軸方向長さにほぼ等しい軸方向長さ、支持構造体よりも小さい軸方向長さ、又は支持構造体の軸方向長さを超える軸方向長さなど、任意の軸方向長さを有することができる。
【００５３】
エア・ギャップ固定具を使用することによって、本発明による回転子を組み立てる迅速で簡単な方法が提供され、製造コストを下げる。さらに、エア・ギャップ固定具は、自動化された製造プロセスで使用することができ、それにより製造コストをさらに下げる。また、エア・ギャップ固定具は、最終製品でのばらつきがあまりないことを保証する役割を果たす。
【００５４】
本発明のいくつかの実施例では、エア・ギャップ固定具が、回転子磁極区域又は永久磁石とエア・ギャップ固定具の間の接触圧を強めるための磁性デバイスをさらに備える。
【００５５】
磁気デバイスは、磁極片又は永久磁石が前記磁性回路の一部を形成する磁束回路の一構成でよく、それにより、前記磁性回路によって引き起こされる磁力は、アプリケーション機械の所望のエア・ギャップ幾何形状を呈する固定具に近接して磁極片及び永久磁石を保持することができる。磁性回路は磁場源を含むことができ、磁場源は、磁場を生成するために制御可能な電流を維持するワイヤ及びコイルを使用した電磁石でよく、又は外部永久磁石によるものでよい。外部永久磁石は、回転子の永久磁石でよい。さらに、磁気固定具表面の表面に軸方向に延びる半径方向凹部が存在することがあり、組立てプロセス中に、回転子磁極片及び永久磁石の幾何学的制御をさらに向上させる。
【００５６】
磁性デバイスを備えるエア・ギャップ固定具を使用することによって、磁気エネルギーを使用して回転子磁極区域の位置を調節することができる。これは、製造コストをさらに下げる。
【００５７】
第５の観点によれば、本発明は、電気的な回転機械であって、実質的に円形であり複数の歯を含む第１の固定子コア区域と、実質的に円形であり複数の歯を含む第２の固定子コア区域と、第１の円形固定子コア区域と第２の円形固定子コア区域の間に配置されたコアと、上に開示した及び／又は以下に開示する回転子とを備え、第１の固定子コア区域と、第２の固定子コア区域と、コイルと、回転子とが、共通の幾何学的な軸線を取り囲んでおり、第１の固定子コア区域と第２の固定子コア区域の複数の歯が、回転子に向かって突出するように配置され、第２の固定子コア区域の歯が、第１の固定子コア区域の歯に対して円周方向でずらされた電気的な回転機械に関する。
【００５８】
本発明の様々な観点は、上述した及び後述する回転子及び回転子磁極区域、並びにさらなる製品手段を含めた様々な形態で実装することができ、それらの形態は、上述した観点の少なくとも１つに関連付けて述べた１つ又は複数の利益及び利点をそれぞれ生み出し、また、上述した観点及び／又は従属請求項で開示する観点の少なくとも１つに関連付けて述べる好ましい実施例に対応する１つ又は複数の好ましい実施例をそれぞれ有する。さらに、本明細書で述べる観点の１つに関連付けて説明する実施例を、他の観点にも適用することができることを理解されたい。
【００５９】
本発明の上記及び／又は追加の目的、特徴、及び利点を、本発明の実施例の以下の例示的であり非限定的な詳細な説明によって、添付図面を参照しながらさらに説明する。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１ａ】従来技術の変調極機械の分解斜視図である。
【図１ｂ】従来技術の変調極機械の断面図である。
【図２ａ】本発明のいくつかの実施例による外側回転子の管状支持構造体を示す図である。
【図２ｂ】本発明のいくつかの実施例による外側回転子の凹部のより詳細な図である。
【図２ｃ】本発明のいくつかの実施例による外側回転子の複数の永久磁石２０３を備える管状支持構造体を示す。
【図２ｄ】本発明のいくつかの実施例による外側回転子を示す。
【図３】本発明のいくつかの実施例による内側回転子を示す図である。
【図４】本発明のいくつかの実施例による外側回転子に関する回転子磁極区域４０１を示す図である。
【図５】本発明のいくつかの実施例による回転子磁極区域５０２を製造する方法を示す図である。
【図６ａ】本発明のいくつかの実施例による外側回転子を示す。
【図６ｂ】本発明のいくつかの実施例による外側回転子の一部のより詳細な図である。
【図７ａ】本発明のいくつかの実施例による回転子を示す図である。
【図７ｂ】本発明のいくつかの実施例による回転子のより詳細な図である。
【図８】（ａ）および（ｂ）は、磁気エア・ギャップ固定デバイスの一例を示す。
【図９】変調極機械の一例を示す図である。特に、（ａ）は、固定子１０と回転子３０を含む機械の活性部分の斜視図を示し、（ｂ）は、機械の一部の拡大図を示す。
【図１０】図９の変調極機械の固定子１０の一例を示す。
【図１１】３相変調極機械の一例を示す図である。特に、（ａ）は、３相変調極機械の一例の活性部分を示し、（ｂ）は、（ａ）の機械の固定子の一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００６１】
以下の説明では添付図面を参照する。添付図面は、本発明を実施することができる方法を例示として示す。
【００６２】
本発明は、変調極電気機械１００の分野にあり、その一例が、図１ａに概略分解斜視図で示されている。変調極電気機械の固定子１０は、基本的には、軟磁性コア構造体によって形成される複数の歯１０２に磁力を供給する中心単巻線２０の使用によって特徴付けられる。ここでは、固定子コアは、巻線２０の周りに形成される。それに対し、他の一般的な電気機械構造では、巻線は、個々の歯のコア区域の周りに形成される。変調極機械トポロジーの例は、時として、例えばクローポール型機械、クローフィート型機械、ランデル型機械、又はＴＦＭ機械として認識されている。より詳細には、図示した変調極電気機械１００は、それぞれ複数の歯１０２を含む実質的に円形の２つの固定子コア区域１４、１６と、第１の円形固定子コア区域と第２の円形固定子コア区域の間に配置されたコイル２０と、複数の永久磁石２２を含む回転子３０とを備える。さらに、固定子コア区域１４、１６、コイル２０、及び回転子３０は、共通の幾何学的軸線１０３を取り囲み、２つの固定子コア区域１４、１６の複数の歯が、閉回路の磁束経路を形成するために、回転子３０に向かって突出するように配置される。図１における機械は、固定子の歯が回転子に向かって半径方向に突出しているので半径方向タイプのものであり、この場合には固定子が回転子を取り囲んでいる。しかし、固定子は、回転子に対して内側に配置することもでき、このタイプも以下の図面のいくつかに示す。以下に提示する本発明の範囲は、いかなる具体的なタイプの変調極電気機械にも限定されず、軸方向タイプと半径方向タイプ両方の機械に同様に適用することができ、また回転子に対して内側に配置された固定子にも、外側に配置された固定子にも適用することができる。同様に、本発明は、単相機械に限定されず、多相機械にも適用することができる。
【００６３】
能動回転子構造体３０は、偶数個のセグメント２２、２４から構成され、回転子磁極区域２４とも呼ぶ半数のセグメントが軟磁性材料から形成され、残りの半数のセグメントが永久磁石材料２２から形成される。現況技術の方法は、これらのセグメントを個別の構成要素として製造するものである。しばしば、セグメントの数が比較的多いことがあり、典型的には１０〜５０個程度の個別区域がある。永久磁石２２は、永久磁石の磁化方向が実質的に円周方向である、すなわちそれぞれＮ極とＳ極が実質的に円周方向に向いているように配置される。さらに、円周方向で数えて１つおきの永久磁石２２が、残りの永久磁石とは逆向きの磁化方向を有するように配置される。所望の機械構造での軟磁性磁極区域２４の磁気的機能は完全に３次元であり、軟磁性磁極区域２４が、３つの空間方向全てで高い透磁率を有して、様々な磁束を効率的に担うことができることが必要とされる。積層鋼板を使用する従来の設計は、鋼板の平面に垂直な方向では所要の高い透磁率を示さない。ここで、現況技術の積層鋼板構造よりも高い磁束等方性を示す軟磁性構造及び材料を使用することが有益である。
【００６４】
図１ｂは、図１のものと同じ半径方向変調極電気機械を、組み立てられた機械の断面図で示し、固定子の歯１０２が回転子に向かって延在する様子、及び２つの固定子コア区域１４、１６の固定子の歯が互いに対して回転方向でずらされている様子をより明瞭に示す。
【００６５】
以下、図１ａ及び図１ｂに示される変調極電気機械の一部として使用することができる回転子の実例をより詳細に説明する。本願で述べる回転子を、上述したものとは異なるタイプの変調極機械の固定子と共に使用することもできることを理解すべきである。
【００６６】
図２ａは、本発明のいくつかの実施例による外側回転子の管状支持構造体２０１を示す。管状支持構造体２０１は、半径及び高さを有し、ここで、高さは、管状支持構造体２０１の軸方向軸線に沿って延びる。管状支持構造体２０１は、管状支持構造体２０１の内面である円周方向取付面に、支持構造体２０１の周縁に巡らせて周期的に位置決めされた複数の凹部２０２を備える。管状支持構造体２０１は、不透磁性材料、例えばアルミニウムやプラスチックなど非磁性材料からなることがある。複数の凹部２０２は、管状支持構造体の軸方向に延在する。図２ｂは、凹部のより詳細な図を示す。凹部は、管状支持構造体内に半径方向に延在する２つの平行な側壁２０５と２０６を備える。２つの平行な側壁２０５と２０６は、端壁２０７によってつなげられる。凹部は、管状支持構造体２０１の高さ全体にわたって延在する。
【００６７】
図２ｃは、本発明のいくつかの実施例による外側回転子の複数の永久磁石２０３を備える管状支持構造体を示す。複数の凹部それぞれに、永久磁石２０３が嵌められる。永久磁石２０３は、摩擦ばめによって、及び／又は適切なタイプの接着剤など任意の種類の固定手段によって、凹部２０２内に固定することができる。
【００６８】
図２ｄは、本発明のいくつかの実施例による外側回転子を示す。外側回転子は、管状支持構造体２０１と、複数の永久磁石２０３と、複数の回転子磁極区域２０４とを備える。
【００６９】
回転子磁極区域２０４は、支持構造体２０１の凹部２０２に嵌められた永久磁石によって形成されたスロット内に嵌められる。回転子磁極区域２０４は、永久磁石によって成される摩擦ばめによって、及び／又は適切なタイプの接着剤など任意のタイプの固定手段によって、永久磁石及び／又は支持構造体に固定することができる。永久磁石２０３は、支持構造体２０１の凹部２０２内に嵌められたとき、回転子磁極区域２０４よりもさらに半径方向外側に延び出る。それにより、永久磁石２０３によって生成された磁場のより大きくの割合を極性区域が利用して、回転子磁場を生成することができる。これは、永久磁石の磁気的要件を低減し、したがって、より小さな永久磁石を使用することができ、製造コストを下げる。図３は、図２ｄに示される外側回転子に対応する内側回転子を示す。
【００７０】
図４は、本発明のいくつかの実施例による外側回転子用の回転子磁極区域４０１を示す。回転子磁極区域４０１は、幅４０７と長さ４０６を有する。回転子磁極区域４０１は、３つの区間、すなわち第１の一定幅区間４０２と、テーパ付き区間４０３と、第２の一定幅区間４０４とを備える。第１の一定幅区間４０２は、支持構造体の凹部に少なくとも部分的に嵌められるように適合される。第１の一定幅区間４０２は、回転子磁極区域４０１の半径方向軸線に平行な２つの側壁を備え、それにより、第１の一定幅区間４０２において回転子磁極区域４０１の幅が一定であることを保証する。第１の一定幅区間の長さは、凹部の深さ、例えば凹部の２つの側壁の広がりにほぼ相当することがある。テーパ付き区間４０３は、回転子磁極区域４０１の半径方向軸線に対して等しいが逆の角度を有する２つの直線状の側壁を備え、したがって、テーパ付き区間の幅は、第１の一定幅区間４０２からの距離が増加すると共に単調減少する。しかし、他の実施例では、テーパ付き区間の側壁は、第１の一定幅区間４０２からの距離が増加すると共にテーパ付き区間での回転子磁極区域の幅が単調増加するように鏡映にされる。第２の一定幅区間４０４は、回転子磁極区域４０１の半径方向軸線に平行な２つの側壁を備え、それにより、第２の一定幅区間において回転子磁極区域４０１の幅が一定であることを保証する。さらに、第２の一定幅区間は、回転子磁極区域が外側回転子のために使用されるときには凹形端部４０５を備え、回転子磁極区域が内側回転子のために使用されるときには凸形端部を備える。本発明のいくつかの実施例では、回転子磁極区域は、第１の一定幅区間４０２とテーパ付き区間４０３のみを備える。
【００７１】
図５は、本発明のいくつかの実施例による回転子磁極区域５０２を製造する方法を示す。回転子磁極区域５０２は、ダイ５０１に鉄又は鉄ベース粉末を充填し、２つのパンチ５０５及び５０６で鉄粉を圧縮することによって製造される。ダイ５０１は、例えば図４に示されるような所望の回転子磁極区域の反転形状を有するが、ダイ５０１の第１の一定幅区間５０３及び第２の一定幅区間５０４の長さが延ばされているという点が異なる。これにより、パンチ５０５及び５０６は、得られる回転子磁極区域５０２の半径方向で移動できるようになり、ダイ５０１の第１の一定幅区間５０３及び第２の一定幅区間５０４に部分的に進入し、それによりダイ５０１内で鉄粉を圧縮し、回転子磁極区域５０２を形成する。
【００７２】
図６ａは、本発明のいくつかの実施例による外側回転子を示す。外側回転子は、管状支持構造体６０１と、複数の永久磁石６０３と、図４に示されるような複数の回転子磁極区域６０４とを備える。管状支持構造体は、支持構造体６０１の周縁に巡らせて周期的に位置決めされた複数の凹部６０２を備える。回転子磁極区域６０４は、管状支持構造体６０１の複数の凹部６０２に嵌められ、永久磁石６０３は、２つの隣接する回転子磁極区域６０４によって形成されたスロットに嵌められる。
【００７３】
図６ｂは、図６ａに示される外側回転子の一部のより詳細な図である。図６ｂは、管状支持構造体６０１の凹部６０２に嵌められた回転子磁極区域６０４の形状が、２つの隣接する回転子磁極区域６０４によって形成される空間に影響を及ぼす様子を示す。回転子磁極区域６０４のテーパ付き区間６０７は、２つの隣接する回転子磁極区域６０４の間に形成される空間の幅が、回転子磁極区域２０４のテーパ付き区間６０７に沿って一定であることを保証する。これにより、一定の幅を有する永久磁石６０５を空間内に嵌めることができるようになる。回転子磁極区域６０４に第２の一定幅区間６０８を設けることによって、２つの隣接する回転子磁極区域６０４の間に形成される空間の幅は、回転子磁極区域６０４の第２の一定幅区間６０８に沿って減少される。これは、空間内に閉じ込められた永久磁石６０３が、回転子から出て半径方向に摺動しないようにする。
【００７４】
図７ａは、さらにエア・ギャップ固定具６０５を備える本発明のいくつかの実施例による回転子を示す。エア・ギャップ固定具は、回転子の製造中に、回転子磁極区域の正確な位置決めを保証することができる。エア・ギャップ固定具６０５は円柱形状を有することがあり、或いは、外側回転子を組み立てるときには円錐形状を有することがあり、また、内側回転子を組み立てるときには管形状を有することがある。エア・ギャップ固定具６０５を使用して、回転子磁極区域６０４を凹部６０２内で半径方向に調節することができる。エア・ギャップ固定具は、凹部６０２内での回転子磁極区域６０４の半径方向位置を調節するために磁気エネルギーを使用できるようにする磁気デバイスを備えることがある。回転子を組み立てた後、エア・ギャップ固定具を取り外すことができる。図７ｂは、図７ａのより詳細な図を示す。エア・ギャップ固定具を使用することによって、本発明による回転子を組み立てる迅速で簡単な方法が提供され、製造コストを下げる。
【００７５】
図８の（ａ）及び（ｂ）は、磁気エア・ギャップ固定デバイスの一例を示す。磁気的なエア・ギャップ固定具６０５は概して円柱形の本体を備え、本体には、コイル８５２を収容するための円周方向凹部８５１があり、コイル８５２は、回転子磁極区域８５３を定位置に保つための制御可能な磁場を提供する。
【００７６】
図９は、変調極機械の一例を示す。特に、図９は、例えば単相機械の唯一の相、又は多相機械の１相の活性部分（または作用部分）を示す。図９の（ａ）は、固定子１０と回転子３０を含む機械の活性部分の斜視図を示す。図９の（ｂ）は、機械の一部の拡大図を示す。
【００７７】
図１０は、図９の変調極機械の固定子１０の一例を示す。特に、図１０は、固定子１０の切欠図を示す。
【００７８】
機械は固定子１０を備え、固定子１０は中心単巻線２０を備え、巻線２０は、軟磁性コア構造体によって形成された複数の歯１０２に磁力を供給する。固定子コアは、巻線２０の周りに形成される。それに対し、他の一般的な電気機械構造では、巻線は、個々の歯のコア区域の周りに形成される。より詳細には、図９及び図１０の変調極電気機械は、それぞれ複数の歯１０２を含む実質的に環状の２つの固定子コア区域１４、１６と、第１の円形固定子コア区域と第２の円形固定子コア区域の間に配置された巻線２０と、複数の永久磁石２２を含む回転子３０とを備える。さらに、固定子コア区域１４、１６、コイル２０、及び回転子３０は、共通の幾何学的軸線を取り囲み、２つの固定子コア区域１４、１６の複数の歯１０２が、閉回路の磁束経路を形成するために、回転子３０に向かって突出するように配置される。２つの固定子コア区域１４、１６の固定子の歯は、互いに対して円周方向でずらされている。
【００７９】
各固定子区域は、隣接する歯の間に円周方向の磁束経路を提供する環状コア・バック部分２６１を備える。さらに、固定子は、２つの固定子コア区域の間に少なくとも１つの軸方向の磁束経路を提供する磁束ブリッジ又はヨーク構成要素１８を備える。図９及び図１０における機械では、固定子の歯は、回転子に向かって半径方向に突出し、この場合には回転子が固定子を取り囲んでいる。しかし、固定子は、回転子に対して外側に配置することもできる。本明細書で述べる回転子の実施例は、単相機械及び／又は多相機械で使用することができる。
【００８０】
能動回転子構造体３０は、偶数個のセグメント２２、２４から構成され、回転子磁極区域２４とも呼ぶ半数のセグメントが軟磁性材料から形成され、残りの半数のセグメントが永久磁石材料２２から形成される。これらのセグメントは、個々の構成要素として製造することができる。例示のために、回転子の磁気的に活性の部分のみが図９及び図１０に示されている。本明細書で述べる管状支持構造体は、図９及び図１０には明示されていない。
【００８１】
永久磁石２２は、永久磁石の磁化方向が実質的に円周方向である、すなわちそれぞれＮ極とＳ極が実質的に円周方向を向いているように配置される。さらに、円周方向で数えて１つおきの永久磁石２２が、その隣接する永久磁石とは逆向きの磁化方向を有するように配置される。所望の機械構造での軟磁性磁極区域２４の磁気的機能は完全に３次元であり、各軟磁性磁極区域２４が、３つの空間方向全てで高い透磁率を有して、様々な磁束を効率的に担うことができる。
【００８２】
回転子３０と固定子１０のこの設計は、永久磁石２２からの磁束集中を可能にするという利点があり、したがって、固定子１０の歯に面する回転子３０の表面が、隣接する永久磁石２２の両方から、対面する歯の表面に対して総磁束を提供することができる。磁束集中は、各磁極区域２４に面する永久磁石２２の面積を、歯に面する面積で割った値の関数と見ることができる。特に、歯の円周方向ずれにより、磁極区域に面する歯は、能動エア・ギャップを生じており、このギャップは、磁極区域の軸方向での広がりの一部にわたってのみ延在する。それにも関わらず、永久磁石の軸方向での広がり全体からの磁束が、能動エア・ギャップに向けて、磁極区域において軸方向及び半径方向に方向付けられる。各磁極区域２４のこれらの磁束集中特性は、回転子の永久磁石２２として低コストの弱い永久磁石を使用できるようにし、しかも非常に高いエア・ギャップ磁束密度を実現できるようにする。磁束集中は、磁極区域を磁性粉末から作製して、効果的な３次元磁束経路を実現することによって促進することができる。さらに、この設計はまた、対応するタイプの機械よりも効率的な磁石の使用を可能にする。
【００８３】
図９及び図１０を引き続き参照すると、単相固定子１０は、図９及び図１０に示されるように単相機械の固定子として使用されること、及び／又は多相機械の１つの固定子相、例えば図１１の機械の固定子相１０ａ〜ｃの１つとして使用されることがある。固定子１０は、それぞれ複数の歯１０２を備える２つの同一の固定子コア区域１４、１６を備える。各固定子コア区域は、プレスツールで所定形状に圧密された軟磁性粉末からなる。固定子コア区域が同一形状を有するとき、それらは同じツールでプレスすることができる。次いで、第２の作業において、２つの固定子コア区域が接合され、半径方向に延在する固定子コア歯を有する固定子コアを一体となって形成する。ここで、一方の固定子コア区域の歯が、他方の固定子コア区域の歯に対して軸方向及び円周方向でずらされている。
【００８４】
各固定子コア区域１４、１６は一部片に圧密することができる。各固定子コア区域１４、１６は、環状コア・バック部分２６１の半径方向内縁部５５１によって画定された実質的に円形の中心開口を有する環状ディスクとして形成することができる。歯１０２は、環状ディスク形状コア・バックの半径方向外縁部から半径方向外側に突出する。内縁部５５１と歯１０２の間の環状部分は、半径方向及び円周方向の磁束経路、及びコイル２０を収容する円周方向キャビティの側壁を提供する。各固定子コア区域は、内縁部５５１又はその付近に円周方向フランジ１８を備える。組み立てられた固定子では、円周方向フランジ１８は、固定子コア区域の内側、すなわちコイル２０及び他方の固定子コア区域に面する側に配置される。図９及び図１０に示される実施例では、固定子コア区域１４、１６は、同一の構成要素として形成される。特に、両方の固定子コア区域が、それぞれ他方の固定子コア区域に向かって突出するフランジ１８を備える。組み立てられた固定子では、フランジ１８は、互いに当接し、軸方向磁束ブリッジを形成し、固定子コア区域の間に軸方向の磁束経路を提供することができる。したがって、外側回転子機械用の組み立てられた固定子では、コイルは、フランジ１８によって形成された固定子コア・バックを取り囲む。
【００８５】
各歯１０２は、エア・ギャップに面する境界面２６２を有する。機械の動作中、磁束は、境界面２６２を通って、エア・ギャップを介し、且つ回転子の磁極片の対応する境界面を通って伝達される。
【００８６】
図１１（ａ）は、３相変調極機械の一例の活性部分を示し、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の機械の固定子の一例を示す。この機械は、固定子１０と回転子３０を備える。固定子１０は、図９及び図１０に関連して述べたものとそれぞれ同様の３つの固定子相区域１０ａ、ｂ、ｃを含む。特に、各固定子相区域は、それぞれの固定子構成要素の対１４ａ、１６ａ；１４ｂ、１６ｂ；及び１４ｃ；１６ｃをそれぞれ備え、各対が、それぞれ１つの円周方向巻線２０ａ〜ｃを保持する。
【００８７】
したがって、図９及び図１０の実例と同様に、図１１の各電気変調極機械固定子相区域１０ａ〜ｃは、中央コイル２０ａ〜ｃ、例えば単巻線を備え、中央コイル２０ａ〜ｃは、軟磁性コア構造体によって形成される複数の歯１０２に磁力を供給する。より詳細には、図示した電気変調極機械１００の各固定子相１０ａ〜ｃは、それぞれ複数の歯１０２を含み実質的に環状である２つの固定子コア区域１４と、第１の円形固定子コア区域と第２の円形固定子コア区域の間に配置されたコイル２０とを備える。さらに、各固定子相の固定子コア区域１４とコイル２０は、共通の軸線を取り囲み、固定子コア区域１４の複数の歯１０２が、半径方向外側に突出するように配置される。図１１の実例では、回転子３０は、固定子１０と同軸に配置され、固定子を取り囲み、固定子と回転子の歯１０２の間にエア・ギャップを形成する。回転子は、図９及び図１０に関連して述べたように交互の永久磁石２２と磁極片２４として提供することができるが、軸方向に全ての固定子相区域にわたって延在する。
【００８８】
いくつかの実施例を詳細に説明して図示してきたが、本発明はそれらに限定されず、添付の特許請求の範囲で定義する主題の範囲内で他の形で実施することもできる。特に、本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施例を利用することもでき、構造的及び機能的な変更を行うこともできることを理解されたい。
【００８９】
本明細書で開示する本発明の実施例は、電動自転車又は他の電動車両、特に軽量車両のためのダイレクト・ホイール・ドライブ・モータのために使用することができる。そのような用途では、高いトルク、比較的低い速度、及び低コストという要件が課されることがある。これらの要件は、高い回転子アセンブリ・ルーチンによるコスト要件に適合して見合うように、小さな体積の永久磁石及びワイヤ・コイルを使用したコンパクトな幾何形状での比較的多数の磁極を有するモータによって実現することができる。
【００９０】
いくつかの手段を列挙する装置クレームにおいて、これらの手段のうちのいくつかを、ハードウェアの同一の要素によって具現化することができる。特定の手段が互いに異なる従属請求項に挙げられている又は異なる実施例で述べられているとしても、単にそれだけでは、これらの手段の組合せを利用することができないということは意味しない。
【００９１】
本明細書で使用するとき、用語「備える／備えている」は、記載された特徴（ｆｅａｔｕｒｅ）、整数、ステップ、又は構成要素の存在を特定するものであり、１つ又は複数の他の特徴、整数、ステップ、構成要素の存在又は追加、或いはそれらの群の存在又は追加を除外するものではないことを強調しておく。
【図１ａ】
2013515455.tif 000003
【図１ｂ】
2013515455.tif 000004
【図２ａ】
2013515455.tif 000005
【図２ｂ】
2013515455.tif 000006
【図２ｃ】
2013515455.tif 000007
【図２ｄ】
2013515455.tif 000008
【図３】
2013515455.tif 000009
【図４】
2013515455.tif 000010
【図５】
2013515455.tif 000011
【図６ａ】
2013515455.tif 000012
【図６ｂ】
2013515455.tif 000013
【図７ａ】
2013515455.tif 000014
【図７ｂ】
2013515455.tif 000015
【図８ａ）】
2013515455.tif 000016
【図８ｂ）】
2013515455.tif 000017
【図９ａ）】
2013515455.tif 000018
【図９ｂ）】
2013515455.tif 000019
【図１０】
2013515455.tif 000020
【図１１ａ）】
2013515455.tif 000021
【図１１ｂ）】
2013515455.tif 000022
【国際調査報告】
2013515455.tif 000023
2013515455.tif 000024
2013515455.tif 000025
2013515455.tif 000026
2013515455.tif 000027