(57)【要約】  永久磁石同期機（１）は、スロット（５）を持つ固定子（２）と、磁極（１０）を形成する永久磁石（９）を備えた回転子（３）を有する。本発明の同期機は、永久磁石（９）の極ピッチ（τp）に対し１よりも小さい極被覆（ｘ）の形態の第１抑制手段と、１つの極の永久磁石の第１の段階付又は永久磁石の第１の傾斜付又はスロット（５）の第１の傾斜付（αSch1）の形態の第２抑制手段と、１つの極（１０）の永久磁石（９）の第２の段階付（αSt2）又は永久磁石（９）の第２の傾斜付（αSch2）又はスロットの第２の傾斜付の形態の第３抑制手段とを備え、極めて小さなトルクリップルを示す。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スロット（５）を持つ固定子（２）と、磁極（１０、１２、１９、３０、３２、３５、３８）を形成する永久磁石（９、１３、１４〜１８、２０〜２９、３３、３４、３６、３７、３９）とを備えた回転子（３、３１）とを有する永久磁石同期機であって、
ａ）永久磁石（９、１３、１４〜１８、２０〜２９、３３、３４、３６、３７、３９）の極ピッチ（τp）に関して１よりも小さい極被覆（ｘ）の形態の第１抑制手段と、
ｂ）１つの極（１９、３０、３２、３５）の永久磁石（２０乃至２９、３３、３４、３６、３７）の第１の段階付（αSt1）又は永久磁石（３９）の第１の傾斜付（αSch3）又はスロット（５）の第１の傾斜付（αSch1）の形態の第２抑制手段と、
ｃ）１つの極（１０、１９、３０）の永久磁石（９、１４乃至１８、２０乃至２９）の第２の段階付（αSt2）又は永久磁石（９、１３、３３、３４、３６、３７、３９）の第２の傾斜付（αSch2、αSch4）又はスロットの第２の傾斜付の形態の第３抑制手段とを備える永久磁石同期機。
【請求項２】
４／５又は６／７の極被覆（ｘ）を備えることを特徴とする請求項１記載の永久磁石同期機。
【請求項３】
第１又は第２の段階付が
αSt1＝（ｉ×１８０°）／（ｋ×ｐ）
の第１段階角αSt1で施され、式中、ｉは零よりも大きい任意の自然数、ｋは同期機のトルク中の抑制すべき高調波の次数、ｐは極対数であることを特徴とする請求項１又は２記載の永久磁石同期機。
【請求項４】
第１又は第２の段階付が
αSt2＝（ｉ×３６０°）／（ｍ（ｋｇＶ（ｎ、２×ｐ）））
の第２段階角αSt2で施され、式中、ｉは零より大きい任意の自然数、ｍは第１又は第２の段階付の永久磁石（１４乃至１８、２０乃至２９）の磁石数、ｋｇＶは最小公倍数、ｎは固定子（２）内のスロット（５）のスロット数、ｐは極対数であることを特徴とする請求項１から３の１つに記載の永久磁石同期機。
【請求項５】
磁石数ｍが少なくとも３であることを特徴とする請求項４記載の永久磁石同期機。
【請求項６】
第２、第３抑制手段が第１並びに第２の段階付（αSt1、αSt2）として施され、第１と第２段階角（αSt1、αSt2）を有する二重段階付が施されたことを特徴とする請求項１から５の１つに記載の永久磁石同期機。
【請求項７】
１つの極（３０）の永久磁石（２０〜２９）が、第１又は第２の段階付に対する各々の従属に係りなく、軸線方向（４）において、この極（３０）の第１永久磁石（２９）に関して増加する円周角オフセットをもって配置されたことを特徴とする請求項６記載の永久磁石同期機。
【請求項８】
第１又は第２の傾斜付が
αSch1＝（ｉ×３６０°）／（ｋ×ｐ）
の第１の傾斜角αSch1で施され、式中、ｉは零より大きい任意の自然数、ｋは同期機のトルク中の抑制すべき高調波の次数、ｐは極対数であることを特徴とする請求項１から７の１つに記載の永久磁石同期機。
【請求項９】
第１又は第２の傾斜付が
αSch2＝（ｉ×３６０°）／（ｋｇＶ（ｎ、２×ｐ））
の第２の傾斜角αSch2で施され、式中、ｉは零より大きい任意の自然数、ｋｇＶは固定子（２）内のスロット（５）のスロット数、ｐは極対数であることを特徴とする請求項１から８の１つに記載の永久磁石同期機。
【請求項１０】
第１又は第２の傾斜付（αSch2）が矢状傾斜付として施され、永久磁石（３６、３７）又はスロットが矢形状を有することを特徴とする請求項１から９１つに記載の永久磁石同期機。
【請求項１１】
第２、第３抑制手段が第１又は第２の傾斜付として施され、第１、第２の傾斜角（αSch3、αSch4）を有する二重傾斜付が施されたことを特徴とする請求項１から１０の１つに記載の永久磁石同期機。
【請求項１２】
αSch3＝３６０°／（ｋ×４×ｐ）による第１の傾斜角αSch3と
αSch4＝αSch2−αSch3による第２の傾斜角αSch4が施されており、式中、ｋは同期機のトルク中の抑制すべき高調波の次数、ｐは極対数、αSch2は
αSch2＝（ｉ×３６０°）／（ｋｇＶ（ｎ、２×ｐ））による他の傾斜角であり、
ｉは零より大きい任意の自然数、ｋｇＶは最小公倍数、ｎは固定子（２）内のスロット（５）のスロット数であることを特徴とする請求項１１記載の永久磁石同期機。
【請求項１３】
第２抑制手段がスロット（５）の第１の傾斜付（αSch1）として施され、第３抑制手段が永久磁石（１３、１４乃至１８）の第２の傾斜付（αSch2）又は段階付（αSt2）として施されたことを特徴とする請求項１から１２の１つに記載の永久磁石同期機。
【請求項１４】
スロット（５）が巻線系を受容し、巻線系が歯巻回コイル（８）を含むことを特徴とする請求項１から１３の１つに記載の永久磁石同期機。
【請求項１５】
回転子（３、３１）が外部回転子又は内部回転子（３、３１）として構成されたことを特徴とする請求項１から１４の１つに記載の永久磁石同期機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スロットを持つ固定子と、磁極を形成する永久磁石を有する回転子とを備えた永久磁石同期機に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種永久磁石同期機は、作動時しばしばトルクリップルを示す。このトルクリップルを抑制すべく様々な抑制手段が公知である。例えば独国特許出願公開第１００４１３２９号明細書は、永久磁石による回転子表面の、７０〜８０％の極被覆が高調波磁界挙動の向上をもたらすと述べている。更に独国特許出願公開第１９９６１７６０号明細書は、スロット内に配置される巻線系の特殊な巻線係数とスロットの傾斜付がトルクリップルの低減をもたらすと述べている。これら公知の措置にも係らず、特に永久磁石同期機を極力安価に製造するとの要請が同時に存在するときには、トルクリップルがなお残存する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
そこで本発明の課題は、リップルが極めて小さく、トルク挙動が一層改善された、冒頭に記述の種類の永久磁石同期機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この課題は、請求項１の特徴により解決される。冒頭に指摘した永久磁石同期機は、
ａ）永久磁石の極ピッチに関して１よりも小さい極被覆の形態の第１抑制手段と、
ｂ）１つの極の永久磁石の第１の段階付又は永久磁石の第１の傾斜付又はスロットの第１の傾斜付の形態の第２抑制手段と、
ｃ）１つの極の永久磁石の第２の段階付又は永久磁石の第２の傾斜付又はスロットの第２の傾斜付の形態の第３抑制手段とを備えた永久磁石同期機である。
【０００５】
トルクリップルは、様々な原因に帰する。第１成分は回転子の永久磁石とスロット間に存在する歯との間の磁気抵抗力に起因する。この成分はコギングを引き起こし、脈動トルクを生じる。回転子磁界波と固定子磁界波との相互作用がトルクリップルの他の原因である。これに関連し、回転子と固定子との間の空隙内に存在する空隙磁界の有効波に対する特に第５、第７高調波が重要である。即ち全体として、コギング、空隙磁界内の第５高調波および第７高調波に、トルクリップルに関する３つの主要源を局限できる。上記の３つの各主要源を極力効果的に低減すべく、本発明では特別な抑制手段を設ける。その際、抑制手段はトルクリップルの各決定的原因に全く適切に合せて調整できる。この結果著しく改善されたトルクリップル抑制を達成できる。
【０００６】
本発明に係る永久磁石同期機の有利な諸構成は、請求項１に従属する各請求項に示す。
【０００７】
４／５、即ち８０％の極被覆は、特に空隙磁界の有効波に対する第５高調波の抑制に役立つ。同様に、６／７、即ち約８５．７％の極被覆で第７高調波を阻止できる。
【０００８】
第２抑制手段が１つの極の永久磁石の第１の段階付として施され、第３抑制手段が１つの極の永久磁石の第２の段階付として施された変更形態が好ましい。この結果、第１、第２スタガ角を持つ二重段階付が得られる。両方の段階付は各スタガ角に応じずらして配置した永久磁石により達成できる。二重段階付に必要な製造費用は単一段階付用より左程多くない。それにも係らず、二重段階付でトルクリップルの２つの主要源、例えばコギングと指摘した両方の特別障害となる高調波の一方の有効な抑制が得られる。二重段階付は更に専ら回転子での介入により実現でき、固定子に関し付加的製造費用は生じない。
【０００９】
二重段階付において、更に１つの極の永久磁石を、第１又は第２の段階付に対する各々の従属に係りなく、この極の第１永久磁石に関して増加する円周角オフセットをもって配置できる。この結果極めて低い漂遊磁界が生じる。その場合、更に永久磁石は一層容易に配置できる。それは、このように選別する場合、隣接する極の永久磁石組立体のかみ合いは生じないからである。
【００１０】
第１又は第２の傾斜付は単純な傾斜付として、又は矢状傾斜付としても実施できる。矢状傾斜付の場合、永久磁石又はスロットが矢形状を持つ。
【００１１】
更に、第１、第２の傾斜角を持つ二重傾斜付が可能であり、その際は第２抑制手段を第１の傾斜付として施し、第３抑制手段を第２の傾斜付として施す。この際は、二重傾斜付を回転子にも固定子にも施した二重段階付におけるのと同様の利点が生ずる。
【００１２】
他の構成では抑制手段の一部を固定子に設け、別の一部を回転子に設ける。特に、第２抑制手段はスロットの第１の傾斜付として、そして第３抑制手段は永久磁石の第２の傾斜付又は段階付として施し得る。措置をこのように分割することで、窮屈な空間事情の場合特に、一層容易な製造が可能となる。
【００１３】
スロット内に配置される巻線系が、主要構成要素として歯巻回コイルを含むとよい。歯巻回コイルは、特にその製造費および僅かなインダクタンスに基づき効果的である。
【００１４】
永久磁石同期機は内部回転子又は外部回転子をも含み得る。トルクリップル抑制措置は両方の構成において有効に利用できる。
【００１５】
本発明のその他の特徴、利点および詳細を、図示の実施例に関する以下の説明から明らかにする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１〜８において、相対応する部品には同じ符号を付けてある。
【００１７】
図１はモータとして構成した永久磁石同期機１を横断面図で示す。この同期機は固定子２と回転子３を含み、回転軸線４を中心に回転子を回転可能に支承している。回転子３は内部回転子である。固定子２は回転子３に向き合う内壁に複数の、図１の実施例では合計１２の、周面に均一に配設したスロット５を含む。各スロット間には歯６が存在する。外側周設継鉄７が歯６を互いに結合する。スロット５内に配置した歯巻回コイル８が各１つの歯６を取り囲む。回転子３が備える永久磁石９を、周面に均一に配設した合計８つの磁極１０が生じるよう配置している。１つの磁極１０に割り当てられる極ピッチτpは、円周角αの或る角範囲に形成している。永久磁石９は極ピッチτpの全角範囲にわたってではなく、一部ｘ×τpにのみ延びている。値ｘは極被覆を表し１未満の値である。
【００１８】
作動中のトルクリップルを抑制すべく、永久磁石同期機１は様々な抑制手段を有する。障害となるトルクリップルの発生には主として３つの点が関与している。
【００１９】
永久磁石９と歯６との間の磁気抵抗は、ｐR＝ｋｇＶ（ｎ、２×ｐ）により計算されるコギング極対数ｐRを持つコギングを引き起こす。式中、ｋｇＶは最小公倍数、ｎはスロット５のスロット数、ｐは磁極１０の極対数である。ｐは、固定子２と回転子３との間に存在する空隙１１内に生じる磁界の有効極対数をも表し、その場合空隙磁界の支配的成分、即ち有効波を再現する。合計８つの磁極１０、即ち極対数ｐ＝４とスロット数ｎ＝１２とを有する実施例では、コギング極対数ｐRは２４となる。即ち永久磁石同期機１はスロット数ｎの２倍でコギングする。この基本コギングに加えて、コギング極対数ｐRのあらゆる任意の倍数において高次のコギングを調整できる。
【００２０】
トルクリップルの他の２つの主要原因は、空隙１１内の回転子磁界波と固定子磁界波との相互作用に帰する。特別障害となるのは、空隙１１内に生じる空隙磁界の有効波に対する第５高調波と第７高調波である。
【００２１】
極力低いトルクリップルを保証すべく、コギングも、空隙磁界の第５、第７高調波も抑制せねばならない。永久磁石同期機１はこれら３つの障害源の各々に対し特別かつ適切に設計した抑制手段を含む。スロット５は回転軸線４に対し厳密に平行でなく、円周角オフセットを再現する第１の傾斜角αSch1を有する。この傾斜角は、
αSch1＝（ｉ×３６０°）／（ｋ×ｐ）                  （１）
に従って計算され、式中、ｉは任意の自然数、ｋは抑制すべき高調波の次数である。本実施例では第７高調波を抑制する。即ちｋは値７となる。ｉ＝１、ｐ＝４として第１の傾斜角αSch1は１２．８６°となる。
【００２２】
他の２つの抑制手段は、回転子３に施す措置に関係している。第２措置として、第５高調波を抑制すべく、極被覆ｘ用に４／５の値を用いる。基本的に、第１措置と第２措置は抑制すべき高調波に応じ取替えて施してもよい。
【００２３】
第３措置として、コギングを阻止すべく、永久磁石９を第２の傾斜角αSch2又は第２段階角αSt2を考慮して回転子３上に配置する。第２の傾斜角αSch2は、
αSch2＝（ｉ×３６０°）／（ｋｇＶ（ｎ、２×ｐ））      （２）
に従って計算され、第２段階角αSt2は、
αSt2＝（ｉ×３６０°）／（ｍ（ｋｇＶ（ｎ、２×ｐ）））  （３）
に従い計算される。ｍは１つの磁極１０の内部に段階配置される永久磁石９の数である。
【００２４】
永久磁石の傾斜付又は段階付の第３措置を図２に詳しく示す。図示するのは回転子３の展開した表面の一部である。この図は実質的に１つの磁極１２を示している。一部のみを図示する隣接磁極は破線で示す。
【００２５】
抑制手段として傾斜付を用いる場合、磁極１２は平行四辺形の形態の単一の永久磁石１３のみを含む。第２の傾斜角αSch2を書き込んであり、この角は、両方の下隅を結ぶ線上で左下隅と左上隅の垂線との距離から生じる円周角αの部分に相当する。ｉ＝１、ｎ＝１２、ｐ＝４として、本実施例では式（２）から第２の傾斜角αSch2は１５°となる。
【００２６】
傾斜付に代えて段階付も利用できる。永久磁石１３の平行四辺形は複数の、図示実施例では合計５つの同寸の長方形永久磁石１４〜１８で近似している。永久磁石１４〜１８は段階付され、各々隣接永久磁石１４〜１８に対し周方向で第２段階角αSt2だけずらされている。ｍ＝５として式（３）から第２段階角αSt2は３°となる。
【００２７】
図２に示す両方の選択案は各々コギングに対し作用し、傾斜付は基本波とコギングの全倍数との抑制を引き起こす。それに対し段階付は、磁石数ｍおよびその倍数に相応する次数を持つ高調波の抑制を保証しない。それ故、普通僅かに減衰するだけの低次数の高調波を抑制すべく、磁石数ｍは少なくとも３、有利には４以上とする。例ではｍ＝５である。長方形永久磁石１４〜１８は比較的簡単に製造でき、それに対し平行四辺形永久磁石１３はコギングの全高調波の阻止を可能とする。
【００２８】
永久磁石同期機の他の実施例では、回転子３のスロット５は傾斜付を有さず、実質的に回転軸線４と平行に延びている。その場合、トルクリップルの３つの主要原因を阻止するための全ての措置を回転子３に設けている。この実施例を図３〜７に示す。
【００２９】
図３に示す回転子３の展開した表面の内１つの磁極１９を含む部分は、二重段階付を含む。出発点となっているのは５つの永久磁石１４〜１８を持ち、図２の実施例で施した単一段階付である。回転軸線４の方向で永久磁石を半分にし、各々下半分を付属する上半分に対し周方向で第１段階角αSt1だけずらすと、図３に示す配置が生ずる。左にずらした下半分は明確にする意味でハッチングしてある。この際、磁極１９は合計１０の長方形永久磁石２０〜２９を含み、これら永久磁石を第１段階角αSt1と第２段階角αSt2とで二重に段階付して配置している。第１段階角αSt1は
αSt1＝（ｉ×１８０°）／（ｋ×ｐ）                    （４）
に従い計算し、第２段階角αSt2は式（３）に従い計算する。ｉ＝１、極対数ｐ＝４、抑制すべき高調波の次数ｋ＝７、磁石数ｍ＝５、スロット数ｎ＝１２として、第１段階角αSt1は６．４３°、第２段階角αSt2は３°となる。第１段階角αSt1は第７高調波に作用し、第２段階角αSt2はコギングに作用し、図３には示さない極被覆ｘ＝４／５は第５高調波に作用する。この結果トルクリップルは全体として著しく減少する。
【００３０】
１つの磁極３０を図示する図４の実施例は、図３の実施例と比べて、永久磁石２０〜２９を、第１永久磁石２９に関し各々円周角オフセットが回転軸線４の方向で増加するように再編している点で異なる。円周角オフセットを各々図４に一緒に書き込んである。
【００３１】
図５は付属の回転子３１を側面図で示し、該回転子３１上に磁極３０の永久磁石２０〜２９を、再編した順序で磁石殻として配置している。即ち回転子３１も、相応する極被覆の他に、トルクリップルを最小にすべく二重段階付を含む。
【００３２】
二重段階付の代わりに、傾斜付と段階付との組合せも可能である。これについての実施例を図６と７に示す。
【００３３】
図６の実施例は１つの磁極３２を含み、平行四辺形の永久磁石１３を有する図２に示す傾斜付に基づいている。２分割によって生じる上側および下側平行四辺形永久磁石３３又は３４を式（４）に従い第１段階角αSt1だけ相互にずらして施している。両永久磁石３３、３４は、各々式（２）に従って計算した第２の傾斜角αSch2を有する。
【００３４】
図７の実施例は、基本的に同一構造の磁極３５を含む。平行四辺形永久磁石３３、３４に代えて、本実施例では２つの矢状永久磁石３６、３７を設け、永久磁石を同様に第１段階角αSt1だけ相互にずらして施している。図７から解る如く、第２の傾斜角αSch2は、永久磁石３６、３７前端の、矢先端の突起又は後端の切込みの深さで決まる。
【００３５】
永久磁石３６又は３７に施した矢状傾斜付は、基本的に固定子２のスロット５においても利用できる。
【００３６】
図４又は６の実施例から出発して、二重傾斜付を有する永久磁石３９を含む磁極３８を有する他の実施例を実現できる（図８参照）。該永久磁石は３つの平行四辺形磁石部分領域４０〜４２からなる。第１、第３磁石部分領域４０、４２に各々第１の傾斜角αSch3を割り当て、第２磁石部分領域４１に第２の傾斜角αSch4を割り当てている。
【００３７】
第１の傾斜角αSch3は
αSch3＝３６０°／（ｋ×４×ｐ）                 （５）
に従って計算し、第２の傾斜角αSch4は
αSch4＝αSch2−αSch3                        （６）
に従い計算する。その際、式（２）による他の傾斜角αSch2を基礎とする。第１、第３磁石部分領域４０、４２は回転軸線４の方向で各々
ｌ1＝（１／２）×ｌG×（αSch3／αSch2）        （７）
の部分領域長ｌ1を有する。式中、ｌGは回転軸線４の方向における永久磁石３９の総長である。第２磁石部分領域４１の部分領域長ｌ2は
ｌ2＝ｌG−２×ｌ1である。                         （８）
この実施例による二重傾斜付により、高調波およびコギングの影響を阻止できる。
【００３８】
永久磁石３９は、図８に示すように単一部品で構成でき、又は例えば３つの磁石部分領域４０〜４２への分割に相応して多部品で構成できる。更に、図示しない回転子への永久磁石３９の装着に関し、図８に示した二重傾斜付は基本的に固定子２のスロット５にも基本的に使用できる。
【００３９】
各々３つの措置の前記組合せに基づき、トルクリップルのごく効率的抑制を全体として達成できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】抑制手段を有する永久磁石同期機の実施例の横断面図。
【図２】永久磁石の傾斜付又は段階付を施した回転子の第２実施例の展開図。
【図３】永久磁石の二重段階付を施した回転子の他の実施例の展開図。
【図４】永久磁石の二重段階付を施した回転子の他の実施例の展開図。
【図５】図４による二重段階付を施した回転子の側面図。
【図６】永久磁石の傾斜付と段階付を施した回転子の他の実施例の展開図。
【図７】永久磁石の矢状傾斜付と段階付を施した回転子の他の実施例の展開図。
【図８】永久磁石の二重傾斜付を施した回転子の他の実施例の展開図。
【符号の説明】
【００４１】
１  同期機、２  固定子、３  回転子、４  回転軸線、５  スロット、６  歯、７  継鉄、８  歯巻回コイル、９  永久磁石、１０  磁極、１１  空隙、ｐR  コギング極対数、ｘ  極被覆、α  円周角、αSch  傾斜角、αSt  段階角、τp  極ピッチ
【図１】
2008514174.tif 000003
【図２】
2008514174.tif 000004
【図３】
2008514174.tif 000005
【図４】
2008514174.tif 000006
【図５】
2008514174.tif 000007
【図６】
2008514174.tif 000008
【図７】
2008514174.tif 000009
【図８】
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【国際調査報告】
2008514174.tif 000011
2008514174.tif 000012
2008514174.tif 000013
2008514174.tif 000014
2008514174.tif 000015
2008514174.tif 000016