(57)【要約】  本発明は、周方向（２２）に沿って配置された複数の永久磁石（１６）を有するロータ（１２）と、前記複数の永久磁石（１６）を少なくとも部分的に取り囲んでいる巻線装置を有するステータ装置とを備えた電気機械（１０）に関する。前記ステータ装置は、複数の巻線を有する第１のステータ（１４）を備え、前記ステータ装置は、第２のステータ（１８）を備え、前記第１及び第２のステータ（１４，１８）の前記巻線は、それぞれフレーム状のコイル（２０，２８）として形成され、前記第１のステータ（１４）のコイル（２０）は、半径方向（２４）で見て前記永久磁石（１６）の外側に配置されており、前記第２のステータ（１８）のコイル（２８）は、半径方向（２４）で見て前記永久磁石（１６）の内側に配置されており、さらに前記コイル（２０，２８）は、前記半径方向（２４）で見て巻回軸（２６）に沿って配置されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周方向（２２）に沿って配置された複数の永久磁石（１６）を有するロータ（１２）と、
前記複数の永久磁石（１６）を少なくとも部分的に取り囲んでいる巻線装置を有するステータ装置とを備え、
前記ステータ装置は、複数の巻線を有している第１のステータ（１４）を備えている、電気機械（１０）において、
前記ステータ装置が、第２のステータ（１８）を備えており、
前記第１及び第２のステータ（１４，１８）の巻線は、それぞれフレーム状の複数のコイル（２０，２８）として形成されており、
前記第１のステータ（１４）の複数のコイル（２０）は、半径方向（２４）で見て前記複数の永久磁石（１６）の外側に配置されており、
前記第２のステータ（１８）の複数のコイル（２８）は、半径方向（２４）で見て前記複数の永久磁石（１６）の内側に配置されており、
さらに前記複数のコイル（２０，２８）は、半径方向（２４）で見て当該コイルの巻回軸（２６）に沿って配置されていることを特徴とする、電気機械（１０）。
【請求項２】
相互に隣接して配置されている前記複数の永久磁石（１６）のＮ極（Ｎ）とＳ極（Ｓ）は、それぞれ相対向している、請求項１記載の電気機械（１０）。
【請求項３】
前記コイル（２０，２８）は、前記巻回軸（２６）に垂直な方向（３２）において、前記巻回軸（２６）の方向よりも大きな立体的拡がりを有している、請求項１または２記載の電気機械（１０）。
【請求項４】
前記コイル（２０，２８）は、前記第１及び／又は第２のステータ（１４，１８）内で、前記電気機械（１０）の周方向（２２）に沿って湾曲部を有している、請求項１から３いずれか１項記載の電気機械（１０）。
【請求項５】
前記第１のステータ（１４）のコイル（２０）の巻線の数及び／又は当該巻線のワイヤ断面積は、前記第２のステータ（１８）のコイル（２８）の巻線の数及び／又は当該巻線のワイヤ断面積と異なっている、請求項１から４いずれか１項記載の電気機械（１０）。
【請求項６】
前記複数の永久磁石（１６）は、実質的に中空円筒状のセグメント形態を有している、請求項１から５いずれか１項記載の電気機械（１０）。
【請求項７】
前記第１及び第２のステータ（１４，１８）の前記複数のコイル（２０，２８）の数は、３の倍数である、請求項１から６いずれか１項記載の電気機械（１０）。
【請求項８】
前記第１及び／又は第２のステータ（１４，１８）は、前記複数のコイル（２０，２８）の巻回のために構成された複数の支持体要素（３６）を備えた支持体構造部（３４）を有している、請求項１から７いずれか１項記載の電気機械（１０）。
【請求項９】
前記支持体構造部（３４）及び前記支持体要素（３６）は、電気絶縁材料、特に１の比透磁率を有する材料から製造されている、請求項８記載の電気機械（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周面方向に沿って配置された複数の永久磁石を有しているロータと、前記永久磁石を少なくとも領域毎に取り囲んでいる巻線装置を有しているステータ装置とを備えた電気機械に関している。
【背景技術】
【０００２】
エネルギー消費の少ない小型ドライブの形態の電気機械は、ますます重要になってきている。そのような小型ドライブに対する適用領域には、例えば自動化された機器内の小型ポンプやファン駆動部などがある。さらに、そのような小型ドライブは、好ましくは、医療技術にも使用される。この小型ドライブの設計は、慣例的には、最大限発生する駆動パラメータに基づいて行われるものである。しかしながら通常は、この小型ドライブは、いわゆる部分負荷領域内で動作する。この種の小型ドライブの上記したような適用領域に対しては、駆動機能がメカトロニクスシステムとしての意味で直接プロセスに統合される。そのようなケースでは、電気機械は、集積された内蔵コンポーネントになる。
【０００３】
このような構造的な周辺条件の他に、このような小型ドライブは、変更可能な回転数を有するように構成されるべきである。そのため、例えば駆動部は、インバータ駆動方式で構成されていてもよいし、パルス変換器を有する電圧中間回路を有していてもよい。さらに携帯型機器では、電圧中間回路を、例えば電池などの直流電圧源によって交換することも可能になる。特に医療技術への応用のためには、通常は、領域毎に高いトルクを提供することができると同時に、軽量で、エネルギー効率が高く、発熱が少なくて高い動作安定性を備えた電気機械が望まれる。
【０００４】
これを達成するために、今日では、通常の永久励磁式交流電圧サーボモータが、パルスインバーターと組み合わせて使用されている。この電気機械では、ステータが通常は、巻回されたステータコア備えているので、回転数の増加に伴って、磁化損失、ないし鉄損が著しく増加する。特に部分負荷動作中には、実質的に負荷に依存しない鉄損が、エネルギー効率の著しい悪化を招く。さらに、このような電気機械の能動部品は、通常は、望ましくない重量成分となり、コギングトルクをもたらす鉄製の構成要素を含んでいる。
【０００５】
欧州特許出願公開第１８５８１４２号明細書からは、複数の永久磁石を有する二次側部材と、電流の流れる多相巻線を有する可動の一次側部材とを備えたリニアモーターが公知である。ここでは達成可能な駆動力を高めるために、前記複数の永久磁石が次のように配置されている。すなわちそれらのＮ極とＳ極が、運動方向において同名同士が相前後するように配置されている。さらに、多相巻線の複数のコイルは、それらが二次側部材の永久磁石を少なくとも領域毎に取り囲むように構成されている。
【０００６】
欧州特許出願公開第１８５８１４２号明細書に記載のリニアモーターの原理は、回転子モータに転用することが可能である。この場合、ロータは、周方向に配列された複数の永久磁石を有している。ステータは、前記永久磁石を少なくとも領域毎に取り囲む巻線装置を備える。この目的のために、ステータは、例えば、Ｕ字形状に湾曲されたコイルを有する。しかしながら、これらのコイルの製造は、特にロータ直径が小さい場合には、非常に高価となる。
【０００７】
したがって、本発明の課題は、冒頭に述べたような形式の電気機械において、エネルギー効率を高めた動作ができ、容易にかつ安価に製造することができるように改善を行うことにある。
【０００８】
前記課題は、請求項１に記載の本発明による電気機械によって達成される。本発明の有利なさらなる構成例は、従属請求項でも特定されている。
【０００９】
本発明による電気機械は、周方向に沿って配置された複数の永久磁石を有するロータと、前記複数の永久磁石を少なくとも領域毎に取り囲んでいる巻線装置を有するステータ装置とを備え、前記ステータ装置は、複数の巻線を有している第１のステータを備え、さらに前記ステータ装置は、第２のステータを備えており、前記第１のステータの巻線及び前記第２のステータの巻線は、それぞれフレーム状のコイルとして形成されており、前記第１のステータのコイルは、半径方向で前記複数の永久磁石の外側に配置されており、前記第２のステータのコイルは、半径方向で前記複数の永久磁石の内側に配置されており、さらに前記コイルは、半径方向で当該コイルの巻回軸に沿って配置されている。
【００１０】
この電気機械は、複数の永久磁石が電気モータの周方向に沿って並んで配置されたロータを含んでいる。このロータは、当該電気機械のトルクを取り出すことのできる相応のシャフトに連結されていてもよい。さらにこの電気機械は、外側にある第１のステータと、内側にある第２のステータとを備える。この第１および第２のステータは、それぞれ周方向に並んで配置されたコイルの形態の相応の巻線を含んでいる。これにより、複数の永久磁石が、ロータ内で２つの側面からコイルによって取り囲まれる。これにより、高い磁力が提供され得る。
【００１１】
この電気機械はまた、唯１つの外側ステータと、唯１つの内側ステータとを所属のコイルと共に備えるように構成することも可能である。これに対しては代替的に、当該電気機械は、第１及び第２のステータのコイルに対して、さらに付加的に、永久磁石を領域毎に取り囲むさらなるコイルを有していてもよい。
【００１２】
第１および第２のステータのコイルは、実質的にフレーム状の形態を有している。これらのコイルは、ワイヤ巻線からなり特に空芯コイルとして形成され、それらのコイルは巻回軸に沿って半径方向に配置されるように電気機械内に配置されている。換言すれば、これらのコイルは、貫通孔部を有しており、該貫通孔部に沿って複数のコイルが電気機械の半径方向に配置されている。これらのコイルは、別個の部品として製造が容易で、簡単に電気機械内に配置することができる。このようなタイプのコイルは、小さな直径と小さな駆動力を有する電気機械への適用に特に適している。それによりこのような電気機械では、溝や鉄ヨークが不要となる。そのためここでは周波数に依存した磁気損失は発生しない。さらにステータの透磁率の変動によるディテントトルクも発生しない。
【００１３】
好ましくは、相互に隣接して配置されている永久磁石のＮ極とＳ極がそれぞれ相対向するように永久磁石が配置されている。そのような永久磁石の配置構成により、簡単な方法で、コンパクトな構造を実現することができる。また前記永久磁石は、個別部品として容易にかつ安価に製造することができ、それに伴って電気機械のより簡素な構造が可能になる。
【００１４】
有利な実施形態によれば、コイルは、巻回軸に対して垂直方向に、巻回軸方向よりも長い延在空間を有する。換言すれば、各コイルは、第１及び第２のステータ内で平坦な構造形態を有する。これらのコイルは特にフラットコイルとして形成されている。これらのコイルは、巻回軸に対して垂直な方向に、可及的に大きな立体的拡がりを有している。それにより、これらのコイルによってより高い作用力が永久磁石に対して生成可能となる。特にこれらのコイルは、巻線内にもたらされる電力と、電気機械によって生成される機械的出力との比が低減されるように設計されるべきである。それにより、高い電磁誘導効率によって、一定の電流密度のもとで、より大きなパワーとより高いトルクとを発生させることができる。このようにして、電気機械の高トルクを提供することができる。
【００１５】
有利な実施形態によれば、前記第１および／または第２のステータ内のコイルは、電気機械の周方向に沿って湾曲した部分を有する。この場合第２のステータのコイルは、周方向で第１のステータのコイルよりも大きな曲率を有し得る。周方向でのコイルの曲率によって、コイルの電界と、ロータの永久磁石によって形成される磁界とが互いに直交する。それに伴い、周方向において非常に高い力成分が生成され、これにより、高い回転トルクが電気機械によって生成され得る。
【００１６】
さらに別の実施形態によれば、第１のステータのコイル巻線の、巻回数および／またはワイヤ断面積と、第２のステータのコイル巻線の、巻回数および／またはワイヤ断面積とが異なっている。それにより、複数のコイルによって生成される電界が、前記巻回数および／またはワイヤ断面積に依存して適合化可能となる。同様に、前記第１及び第２のステータにおけるコイルの巻回数および／またはワイヤ断面積が、コイルに印加される電流強度に適合化される。
【００１７】
有利には、前記複数の永久磁石は、実質的に中空円筒状のセグメント形態を有する。当該の電気機械がリニアモーターとして構成されている場合には、矩形状の複数の永久磁石が用いられる。このような幾何学的形状を有する永久磁石は、容易にかつ安価に製造することができる。同様に、前記複数の永久磁石は円筒形状を有してもよい。さらに前記永久磁石は、周方向に曲率を有することも考えられる。このことも、当該電気機械の容易でかつ低コストの製造を可能にし得る。
【００１８】
好ましくは、第１及び第２のステータのコイルの数は３の倍数である。この場合、電気機械の半径方向で互いに面一に配置された第１のステータのコイルと第２のステータのコイルは、電気的に直列に接続されている。また代替的に、前記第１のステータのコイルは、前記第２のステータのコイルと電気的に並列に接続されてもよい。それにより、第１のステータと第２のステータにおいて等しい誘起電圧が生じる。この場合、電流強度の方向は、同じ巻線セグメントに対応付けられている第１のステータのコイルと第２のステータのコイル内に整流されて印加される。それにより、これらのコイルは簡単な方法で、三相電源を用いて作動することができる。
【００１９】
別の実施形態によれば、第１のステータおよび／または第２のステータは、コイルの巻回用に構成された複数の支持体要素を備えた支持体構造部を有している。これらの支持体要素によって巻線支援の種別が確定される。これにより、第１および第２のステータは、簡単な方法で製造される。
【００２０】
好ましくは、前記支持体構造部と支持体要素は、電気絶縁材料、特に比透磁率が１の材料から製造される。電気絶縁材料の周りにコイルまたは巻線を配置することによって、いかなる渦電流損も引き起こされない。それにより、電気機械のエネルギー効率の良い運転が可能となる。μr＝１の比透磁率を有する材料が用いられた場合には、ヒステリシス損は付加的に発生しない。
【００２１】
前述した電気機械の原理並びにそれらの利点及び改善構成は、リニアモーターにも転用可能である。
【００２２】
以下では本発明を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】電気機械の第１のステータのコイルとロータにおける複数の永久磁石の配置構成を概略的に示した斜視図
【図２】永久磁石と巻線コイルの配置構成図
【図３】電気機械の側方断面図
【図４】電気機械の平面図
【図５】電気機械の斜視図
【図６】電気機械の第２のステータとロータの側面図
【図７】第１および第２のステータのコイルの配置構成を示した斜視図
【図８】第２のステータの支持体構造部の平面図
【００２４】
実施例
以下でより詳細に示される実施形態は、本発明の好ましい実施形態を表すものである。
【００２５】
図１には、電気機械の第１のステータの複数のコイル２０に関するロータの複数の永久磁石１６の配置構成が概略的に斜視図で示されている。これらの永久磁石１６は、矩形の形状を有する。これらの永久磁石１６は、周方向２２に沿って、隣接して配置されており、ここではこれらの隣接する永久磁石１６のＮ極ＮとＳ極Ｓとが相対向している。第１のステータの前記複数のコイル２０は、実質的にフレーム状の形態を有している。これらのコイル２０は、半径方向２４で見て当該永久磁石１６の外側に配置されている。さらにまた、前記コイル２０は、それらの巻回軸２６が、電気機械の半径方向２４に並ぶように配置されている。
【００２６】
図２は、巻回中の永久磁石１６とコイル２０の配置構成を示す。ここでの電気機械は、次のように設計されている。すなわちコイル２０の数Ｎ*が３の倍数になるように設計されている。それ故これらのコイル２０は、三相電源に接続可能である。従って基準極数２ｐの電気機械が形成される。この場合、以下に示す規則が適用される。
【００２７】
フレームコイルＮ*の数は、３で割り切れなければならない：
Ｎ*＝（３・ｐ・ｚ）／ｎ
ここで定数ｐ／ｎの商に対して、ｐ／ｎが整数である必要があり、但しｎ≠３，６，９…であることが有効でなければならない。
【００２８】
前記ｚが偶数である場合、各巻線相は、それぞれｚ／２のフレームコイルの２ｐ／ｎのコイルグループからなる。
【００２９】
この場合本願では前述の規則が、１０極の電気機械の例で示されている。したがって、この実施例の基準極数２ｐ＝１０である。その結果として、定数ｚ／ｎの商からは２／５が得られる。従って、各巻線側は、以下の式の結果から、
Ｎ*＝（３・ｐ・ｚ）／ｎ＝（３・５・２）／５＝６
６個のフレームコイルからなっていることが結論付けられる。３つの巻線相の各々は、それぞれ、ｚ／２＝２／２＝１つのフレームコイルを有する、２ｐ／ｎ＝１０／５＝２つのコイルグループからなっている。
【００３０】
図１および図２の描写では、それぞれ外側に第１のステータを有している電気機械の複数の永久磁石１６と複数のコイル２０の配置構成が示されている。さらにこの電気機械は好ましくは、第２のステータを内側に含んでおり、そこでは複数のコイルが、半径方向２４で見て前記複数の永久磁石１６の内側に配置されている。
【００３１】
図３には、１０個の極を有している電気機械１０の側方断面図が示されている。この電気機械１０は、軸３０に機械的に結合されたロータ１２を含んでいる。さらにこのロータ１２は、半径方向でディスク状に配置され軸方向で中空円筒状に配置された複数の永久磁石１６を含んでいる。その上さらにこの電気機械１０は、複数のコイル２０を有する第１のステータ１４を含んでおり、さらにまたこの電気機械は、複数のコイル２８を有する第２のステータ１８も含んでいる。前記第１のステータ１４の複数のコイル２０と、前記第２のステータ１８の複数のコイル２８は、当該電気機械１０の周方向２２に湾曲した部分を有している。前記複数の永久磁石も、周方向２２に沿って曲率を有していてもよい。
【００３２】
図４は、図３による電気機械１０を平面図で示している。ここでは、当該電気機械のロータ１２が、１０個の永久磁石１６を有していることが認識できる。また、第１のステータ１４が、６つのコイル２０を有していることも示されている。ここでの第１のステータ１４のこれらのコイル２０は、当該電気機械１０の半径方向２４で見て、ロータ１２の複数の永久磁石１６の外側に配置されている。同様に、前記第２のステータ１８も、６つのコイル２８を含んでいる。この第２のステータ１８のこれらのコイル２８は、半径方向で見て前記ロータ１２の内側に配置されている。
【００３３】
図５は、電気機械１０の下側からの斜視図を表す。この場合特に第１のステータ１４のコイル２０が識別できる。図６には、第１のステータ１４なしでの電気機械１０が示されている。この場合複数の永久磁石１６を有する電気機械１０のロータ１２が識別できる。さらに、ここでは第２のステータ１８のコイル２８が示されている。
【００３４】
図７には、第１のステータ１４のコイル２０と、第２のステータ１８のコイル２８の配置構成が斜視図で示されている。これらのコイル２０，２８は、それぞれ、実質的にフレーム状の形態を有している。これらのコイル２０，２８は、ワイヤの巻回によって製造されるため、ここでは相応の空芯コイルが形成される。この場合これらのコイルは、巻回軸２６に対して垂直な方向３２への立体的拡がりよりも小さな立体的拡がりを巻回軸２６に沿って有している。つまり、換言すれば、これらのコイル２０，２８は、フラットな構造形態を有していることになる。特にこれらのコイル２０，２８は、巻線内にもたらされる電力と、機械的な動力との比が低減されるように構成されるべきである。それにより、より大きなパワーとより高いトルクとが一定の電流密度のもとで生成することができるようになる。
【００３５】
さらに前記コイル２０，２８は、電気機械１０の周方向に沿って湾曲している。図７に示されているように、前記コイル２０，２８の巻回数はとは異なっていてもよい。前記第２のステータ１８のコイル２８は、このケースでは、第１のステータ１４のコイル２０よりも巻回数が少ない。その際第１のステータ１４のコイル２０のワイヤの断面積も、コイルが、第２のステータ１８のコイル２８のワイヤの断面積と比べて異なっている構成にすることも可能である。
【００３６】
図８は、内側にあるステータ１８の支持体構造部３４の平面図を示している。この場合、該支持体構造部３４は、複数の支持体要素３６を有している。これらの支持体要素３６は、両側凹部３８を備えた半径方向の突出部によって形成されている。この凹部３８内にはワイヤを導入することができ、それによって各コイル２８が巻回されている。好ましくは、前記支持体構造部３４と支持体要素３６は、特に１の比透磁率を有する電気絶縁材料から形成されている。
【符号の説明】
【００３７】
１０      電気機械
１２      ロータ
１４      ステータ
１８      ステータ
２０      コイル
２２      周方向
２４      一方向
２６      巻回軸
２８      コイル
３０      軸
３２      一方向
３４      支持体構造部
３６      支持体要素
３８      凹部
Ｎ        Ｎ極
Ｓ        Ｓ極
【図１】
2015512241.tif 000003
【図２】
2015512241.tif 000004
【図３】
2015512241.tif 000005
【図４】
2015512241.tif 000006
【図５】
2015512241.tif 000007
【図６】
2015512241.tif 000008
【図７】
2015512241.tif 000009
【図８】
2015512241.tif 000010
【国際調査報告】
2015512241.tif 000011
2015512241.tif 000012
2015512241.tif 000013
2015512241.tif 000014