(57)【要約】  変調磁極機械のための回転子であって、変調磁極機械が、固定子と、回転子と、固定子と回転子との間で磁束を伝達するための、回転子及び固定子のそれぞれの境界面の間の能動ギャップとを含み、回転子が、固定子に対して回転子の軸の周りで回転するように構成されており、回転子が、磁極片によって互いに円周方向に分離された複数の永久磁石を含み、各磁極片が、能動エア・ギャップに面する境界面を含み、磁極片のうちの１つ又は複数の磁極片の境界面が、軸からの径方向距離が異なる様々な部分を含む、回転子。
2015520600.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変調磁極機械のための回転子であって、前記変調磁極機械が、固定子と、前記回転子と、前記固定子と前記回転子との間で磁束を伝達するための、前記回転子及び前記固定子のそれぞれの境界面の間の能動ギャップとを含み、前記回転子が、前記固定子に対して前記回転子の軸の周りで回転するように構成されており、前記回転子が、磁極片によって互いに円周方向に分離された複数の永久磁石を含み、各磁極片が、前記能動ギャップに面する境界面を含み、前記磁極片のうちの１つ又は複数の磁極片の前記境界面が、前記軸からの径方向距離がそれぞれ異なる様々な表面部分を含む、回転子。
【請求項２】
前記境界面が、前記軸までの第１の距離を有する隆起部分と、前記第１の距離とは異なる前記軸までの第２の距離を有する低部分とを含み、前記隆起部分が、前記磁極片の中心に対して前記低部分から隆起されている、請求項１に記載の回転子。
【請求項３】
前記隆起部分が、前記回転子の前記円周方向に所定の幅を有し、前記幅が、前記回転子の軸方向に沿って変化する、請求項２に記載の回転子。
【請求項４】
前記隆起部分が、前記低部分に対して、前記回転子の前記円周方向に沿って変化する高さを有する、請求項２又は３に記載の回転子。
【請求項５】
前記磁極片のうちの１つ又は複数がそれぞれ、前記回転子の前記軸方向に見て、少なくとも２つの外側隆起部分、及び中央隆起部分を含み、前記外側隆起部分が、前記中央隆起部分から隆起されている、請求項２から４までのいずれか一項に記載の回転子。
【請求項６】
前記隆起部分が、一定の前記軸からの径方向距離を有する、請求項２から５までのいずれか一項に記載の回転子。
【請求項７】
磁極片の前記境界面と前記回転子の前記軸との間の径方向距離が、前記円周方向において変化する、請求項１から６までのいずれか一項に記載の回転子。
【請求項８】
前記磁極片の前記境界面の径方向円周断面が、周期的に変化する前記中心からの径方向距離を有する曲線を辿る、請求項１から７までのいずれか一項に記載の回転子。
【請求項９】
少なくとも、それぞれが前記回転子の前記円周方向に測定した第１の幅を有している第１の磁極片のサブセットと、それぞれが前記第１の幅とは異なる前記回転子の前記円周方向に測定した第２の幅を有している第２の磁極片のサブセットとを含む、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】
変調磁極機械のための回転子であって、前記変調磁極機械が、固定子と、回転子と、前記固定子と前記回転子との間で磁束を伝達するための、前記回転子及び前記固定子のそれぞれの境界面の間の能動ギャップとを含み、前記回転子が、前記固定子に対して前記回転子の軸の周りで回転するように構成されており、前記回転子が、磁極片によって互いに前記円周方向に分離された複数の永久磁石を含み、前記回転子が、少なくとも、それぞれが前記回転子の前記円周方向に測定した第１の幅を有している第１の磁極片のサブセットと、それぞれが前記第１の幅とは異なる前記回転子の前記円周方向に測定した第２の幅を有している第２の磁極片のサブセットとを含む、回転子。
【請求項１１】
固定子と、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の回転子と、前記固定子と前記回転子との間で磁束を伝達するための、前記回転子及び前記固定子のそれぞれの境界面の間の能動ギャップとを含む、変調磁極機械。
【請求項１２】
前記磁極片のそれぞれの前記境界面と前記固定子の前記境界面との間の距離が、前記磁極片が前記固定子の前記境界面にわたって移動するときに変化する、請求項１１に記載の変調磁極機械。
【請求項１３】
請求項１から９までのいずれか一項に記載の回転子を含み、前記変調磁極機械が、２つの外側相及び１つ又は複数の中心相を有する多相機械であり、前記外側相の位置における前記境界面の部分が、前記中心相の位置における前記境界面の部分から隆起されている、請求項１１又は１２に記載の変調磁極機械。
【請求項１４】
前記固定子が、第１の固定子コア部分を含み、前記第１の固定子コア部分が、複数の歯がそこから延在する固定子コア背面を含み、各歯が、前記回転子に向かう方向を画定するそれぞれの第１の方向に延在し、前記複数の歯が、前記円周方向に沿って配置されており、各歯が、前記能動ギャップに面する少なくとも１つの境界面を有している、請求項１１から１３までのいずれか一項に記載の変調磁極機械。
【請求項１５】
前記固定子が、前記側方向において前記第１の固定子コア部分に並列して配置された、同様の第２の固定子コア部分を含み、前記第１及び第２の固定子コア部分の前記歯が、互いに対して前記運動方向にずらされており、前記第１の固定子コア部分の前記歯の曲率半径が、前記第２の固定子コア部分に向かう方向に大きくなる、請求項１４に記載の変調磁極機械。
【請求項１６】
前記変調磁極機械が、２つの外側相及び１つ又は複数の中心相を有する多相機械であり、各相が径方向に突出した複数の歯のそれぞれの円周列の間に軸方向に挟まれたコイルを含み、前記歯の軸方向位置における前記回転子磁極片の前記境界面の部分が、前記コイルの軸方向位置における前記境界面の部分から隆起されている、請求項１１から１５までのいずれか一項に記載の変調磁極機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、変調磁極機械（ｍｏｄｕｌａｔｅｄ  ｐｏｌｅ  ｍａｃｈｉｎｅ）に関する。より詳細には、本発明はそのような変調磁極機械のための回転子に関する。
【背景技術】
【０００２】
数年来、例えばクロー・ポール型機械、ランデル型機械、及び横方向磁束機械（ＴＦＭ）のような変調磁極機械などの電気機械設計は、ますます関心を持たれてきた。これらの機械の原理を使用した電気機械は、１８９０年頃にはＷ．Ｍ．Ｍｏｒｄｅｙにより、及び１９１０年頃にはＡｌｅｘａｎｄｅｒｓｓｏｎとＦｅｓｓｅｎｄｅｎにより開示されている。関心が高まっている最も重要な理由のうちの１つは、この設計が、例えば誘導機械、可変磁気抵抗機械、さらには永久磁石ブラシレス機械と比べて、非常に高いトルク出力を可能とすることである。さらに、そのような機械は、コイルの製造がしばしば容易であるという点で有利である。しかし、この設計の欠点の１つは、通常それらの製造に比較的費用がかかること、及びそれらが高い漏洩磁束に見舞われ、それにより力率の低下とさらなる磁性材料の必要性とがもたらされることである。低力率は、大型のパワー・エレクトロニクス回路（又は機械が同調して使用されるときの電源）を必要とし、また、体積、重量、及び駆動全体にかかるコストを増大させる。
【０００３】
変調磁極電気機械の固定子は一般に、軟磁性コア構造によって形成された複数の歯に磁力を与える、中心単巻線を使用する。ここで、軟磁性コアは、巻線の周りに形成されるが、他の一般的な電気機械構造の場合、巻線がコア部分の歯の周りに形成される。変調磁極機械のトポロジーの実例は、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、又は横方向磁束機械（ＴＦＭ）として認識されることがある。埋込磁石を有する変調磁極機械は、回転子磁極片によって分離されている複数の永久磁石を含む能動回転子構造によって、さらに特徴付けられる。
【０００４】
ＴＦＭ機械のトポロジーは、変調磁極機械の一実例である。横方向磁束機械（ＴＦＭ）のトポロジーは、従来の機械よりも多くの利点を有することで知られている。片面径方向磁束固定子の基本設計は、エア・ギャップに平行した単一の単純な巻線を特徴とし、ほぼＵ字形のヨーク部分が、この巻線を取り囲んでおり、且つ、エア・ギャップに面している歯の主要な２つの平行列に露出している。多相構成は、回転子又は移動子の運動方向に対して垂直に積み重ねられた、磁気的に分離された複数の単相ユニットを含む。そこで、これらの相は、３相構成のために１２０度ずつ電気的及び磁気的にシフトされて、動作を滑らかにし、且つ、回転子又は移動子の位置に関わらずほぼ均一な力又はトルクを生み出す。ここで、言及された角度が電気角度によって与えられていることに注意されたい。電気角度は、磁極の対の数で割った機械角度と等しい。
【０００５】
円筒形モータには同心の固定子及び回転子が使用され、したがってその運動は、回転的な運動すなわち無限回転と見なされる。線形機械には並進運動が使用され、これは通常は閉運動パターンではないが、「線」に沿った前後運動とされる場合がある。線形機械又は線形駆動機器は、回転子の代わりに移動子を有する。同じ基本磁気原理により、回転子及び移動子の両方に磁気回路を配置することができるが、幾何学的形状は異なっていてもよい。
【０００６】
有効な回転子又は移動子の構成の一実施例は、例えばＪａｃｋらによる国際公開第２００７／０２４１８４号で説明されているように、軟磁極片又は軟磁極片と組み合わせたいわゆる永久磁石を使用して、永久磁場が磁束収束をできるようにする、又は永久磁場を運動に対して横断方向に柔軟にできるようにすることである。
【０００７】
国際公開第２００７／０２４１８４号は、実質的に円形であり且つ複数の歯を有する第１の固定子コア部分と、実質的に円形であり且つ複数の歯を有する第２の固定子コア部分と、第１の円形固定子コア部分と第２の円形固定子コア部分との間に配置されたコイルと、複数の永久磁石を有する回転子と、を含む、電気回転機械を開示している。第１の固定子コア部分、第２の固定子コア部分、コイル、及び回転子は、共通の幾何学軸を取り囲んでおり、また、第１の固定子コア部分及び第２の固定子コア部分の複数の歯は、回転子に向かって突出するように配置されている。さらに、第２の固定子コア部分の歯は、第１の固定子コア部分の歯に対して円周方向にずらされており、また、回転子内の永久磁石は、軟磁性材料から作られた軸方向に延在する磁極片により、互いに円周方向に分離されている。
【０００８】
一般に、作製及び組立が比較的安価な変調磁極機械を提供することが望ましい。さらに、高い構造的安定性、低い磁気抵抗、効率的な磁束通路誘導、軽量、小型、高い体積比性能などのうちの１つ又は複数の良好な性能パラメータを有する、そのような機械を提供することが望ましい。そのような機械のための構成要素を提供することがさらに望ましい。
【０００９】
電気機械において発生する望ましくない効果は、いわゆるコギング・トルク、すなわち、回転子の永久磁石と固定子との間の相互作用に起因するトルクである。コギング・トルクは、ディテント・トルク又は「無通電」トルクとしても知られている。
【００１０】
コギング・トルクは、望ましくない振動をもたらす可能性があり、また、特定の状況下では電気機械を含む装置に望ましくない共鳴をもたらす場合すらあるので、多くの用途において、騒音及び振動に関する要求のために、コギングは低くなければならない。例えば、機械が風車の発電機として使用される場合、非常に低い風速でその発電機が回転することを可能にするために、コギング・トルクは低くなければならない。最大で約５０〜１００Ｎｍまでの小型モータの場合、コギング・トルクは、モータを手で回転させることによって容易に気付くことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】国際公開第２００７／０２４１８４号
【特許文献２】米国特許第６３４８２６５号
【特許文献３】国際特許出願ＰＣＴ／ＥＰ２０１１／０７３３４７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
変調磁極機械（ＭＰＭ）において、コギング・トルクの大きさは様々な要因に依存する。コギング・トルク低減のための手段が幾つか知られてはいるが、コギングの低減は、設計がより複雑になるため、機械のコストを増大させることが多い。コスト及び複雑さを追加する方法の実例は、回転子及び／又は固定子を傾斜させることである。したがって、変調磁極機械のコギングを低減させながらも、機械の複雑性及び／又はコストの増大を避けることが望ましい。さらに、効率良く且つ低コストで製造可能な機械を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本明細書において開示されるのは、第１の態様によれば、変調磁極機械のための回転子であって、変調磁極機械が、固定子と、回転子と、固定子と回転子との間で磁束を伝達するための、回転子及び固定子のそれぞれの境界面の間の能動ギャップとを含み、回転子が、固定子に対して回転子の軸の周りで回転するように構成されており、回転子が、磁極片によって互いに円周方向に分離された複数の永久磁石を含み、各磁極片が、能動ギャップに面する境界面を含み、磁極片のうちの１つ又は複数の磁極片の境界面が、軸からの径方向距離がそれぞれ異なる様々な表面部分を含む、回転子である。
【００１４】
したがって、本明細書において、効率良く作製することができ且つ機械のコギング・トルクを低減させることのできる構成要素を持つ変調磁極機械のための回転子の実施例が開示される。詳細には、本明細書で説明される磁極片の実施例は、粉末冶金（Ｐ／Ｍ）作製方法での作製によく適している。より詳細には、隆起部分は非常にわずかな高さしか必要とせず、また、隆起部分はパンチの方向に隆起されるので、上部パンチの形状を変更することにより、隆起部分を容易に提供することができる。具体的には、磁極片は比較的単純な幾何形状を有し、また、必要とされる変更は、例えば固定子の固定子コア部分と比較すると単純であるので、成形過程及びツールの変更は、容易で且つ安価である。
【００１５】
幾つかの実施例では、境界面は、軸までの第１の距離を有する隆起部分と、第１の距離とは異なる軸までの第２の距離を有する低部分とを含み、また、隆起部分は、磁極片の中心に対して、低部分から隆起される。低部分は、低部分から軸までの距離に等しい半径を有する円筒面の一部とされうる基部面であってもよい。したがって、低部分は、一定の軸までの距離を有しうる。同様に、各隆起部分は、隆起部分から軸までの距離に等しい半径を有する円筒面の一部であってもよい。すなわち、各隆起部分は、一定の軸までの距離を有しうる。一般に、組み立てられた機械では、隆起部分は、低部分よりも短い固定子までの距離を有する。
【００１６】
通常、磁極片は、１つのレベルの構成要素として製造されうる。隆起部分の隆起が特定の閾値、例えば０．２ｍｍを超える場合に限り、追加のパンチが望まれうる。したがって、磁極片の成形は、得られる機械の製造コスト又は複雑性を著しく増大させることなく、行うことができる。さらに、他のモータ構成要素、例えば固定子の修正を必要としない。低部分と隆起部分との間の高さの違いは、回転子の寸法に依存しうる。一般に、高さの違いは、能動エア・ギャップよりも高くはならない。高さの違いは、各隆起部分にわたって一定であってもよく、又は、隆起部分のうちの１つ若しくは複数にわたって変化してもよい。
【００１７】
したがって、幾つかの実施例では、隆起部分は、低部分に対して、回転子の円周方向に沿って変化する高さを有する。１つの実施例では、この高さは、所定の最大値を有し、磁極片の縁部に向かって円周方向に減少する。
【００１８】
幾つかの実施例によれば、磁極片に沿った軸方向に沿って平均化された、境界面から軸までの平均径方向距離が、回転子の円周方向に変化する。
【００１９】
幾つかの実施例によれば、磁極片の円周方向に沿って平均化された、境界面から軸までの平均径方向距離が、回転子の軸方向に変化する。
【００２０】
幾つかの実施例によれば、軸方向に垂直な磁極片の断面が、境界面の輪郭を画定する。幾つかの実施例では、この輪郭は、円筒の直線とは異なり、且つ／又は円筒の円周の弧とは異なる。
【００２１】
幾つかの実施例によれば、各磁極片は、回転子の軸方向に長く且つ境界面を画定する第１の側方面を有している、細長いロッドである。
【００２２】
本発明は、上記及び以下で説明される回転子、並びに対応する方法、デバイス、及び／又は製品手段を含む様々な態様に関し、これらのそれぞれが、最初に述べた態様に関連して説明される利益及び利点のうちの１つ又は複数をもたらし、また、これらのそれぞれが、最初に述べた態様に関連して説明される実施例及び／又は添付の特許請求の範囲に開示されている実施例に対応する、１つ又は複数の実施例を有している。詳細には、本発明は、そのような回転子を備える変調磁極機械に関する。
【００２３】
第２の態様によれば、本明細書で説明される磁極片の境界面の成形に加えて又はその代わりに、回転子の運動方向に測定してそれぞれ異なる幅を有する磁極片を回転子に設けることにより、コギング・トルクを低減することもできる。例えば、回転子は、第１の幅を有する第１の磁極片の組と、第１の幅よりも大きい第２の幅を有する第２の磁極片の組とを含むことができる。第１及び第２の組の磁極片は、各永久磁石に第１の組の磁極片及び第２の組の磁極片が隣接するように、回転子の運動方向に沿って交互に配置されうる。
【００２４】
境界面は、変調磁極機械の動作中に磁極片が例えば回転子に向かって突出する固定子の歯によって画定されるような固定子の境界面を通過するときに能動ギャップの幅が徐々に変化するように、成形されうる。詳細には、幾つかの実施例では、隆起部分は、軸方向に沿って変化する、円周方向に測定した幅を有しうる。例えば、隆起部分は、（径方向から見て）三角形の形状、平行四辺形の形態を有する形状、などの形状を有することができる。他の実施例では、隆起部分は、低部分に対して、回転子の円周方向に沿って変化する高さを有する。
【００２５】
幾つかの実施例では、磁極片の境界面の径方向円周断面が、中心からの径方向距離が周期的に変化し、それによりコギング・トルクの高次高調波の低減を可能にする曲線を辿る。
【００２６】
能動ギャップは、通常、空気で満たされるので、しばしばエア・ギャップと呼ばれる。
【００２７】
変調磁極機械の実施例では、磁極片は、回転子の軸方向に長い直線ロッドとして形成される。複数の永久磁石は、磁化方向が円周の周りで互い違いになるように配置されうる。一般に、永久磁石は、横断方向に長い直線ロッドとされうる。このロッドは、能動エア・ギャップの横断方向範囲にわたって延在しうる。
【００２８】
変調磁極機械の固定子の実施例は、１つ、又は２つ以上の固定子コア部分を含む。各固定子コア部分は、固定子コア背面部分、及び固定子背面コア部分から回転子に向かって延在する複数の歯の組を含むことができ、固定子コア背面部分が各歯を接続している。固定子コア部分はさらに、同じ相の複数の歯の組のうちの他方の組を含む他方の固定子コア部分に向けて横方向に磁束通路を提供する、ヨーク部分を含むことができる。コア背面部分及びヨーク部分は、それぞれの固定子コア部分の隣接する歯と歯の間に磁束通路を提供する。それぞれの固定子コア部分の歯は、互いに対して円周方向にずらされうる。幾つかの実施例では、固定子は、第１の固定子コア部分と第２の固定子コア部分との間に配置された巻線を含む。したがって、２つの固定子コア部分の複数の歯は、それぞれの歯の円周方向列を形成することができ、各列は、軸方向に離間され且つ固定子の巻線によって分離され、コイル／巻線は、歯の列間に円周方向に延在するギャップに収容されている。
【００２９】
幾つかの実施例において、固定子コア部分及び／又は回転子の磁極片は、軟磁性粉末などの軟磁性材料から作られ、それによって、変調磁極機械の構成要素の製造が簡素化され、また、例えば回転機械において径方向、軸方向、及び円周方向の磁束通路成分を可能とする軟磁性材料における効果的な３次元磁束通路の利点を利用した、効果的な磁束収束が提供される。
【００３０】
軟磁性粉末は、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む合金とすることができる。軟磁性粉末は、電気絶縁体でコーティングされた不規則形状の粒子を有する、実質的に純粋な水アトマイズ鉄粉又は海綿鉄粉とすることができる。この文脈において、「実質的に純粋」という用語は、粉末が実質的に介在物を含んでいてはならず、また、不純物Ｏ、Ｃ、及びＮの量が最小限に保たれていなければならないことを意味する。平均粒径は通常、３００μｍ未満であり、１０μｍ超である。
【００３１】
しかし、軟磁性特性が十分なものであり、また、その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。
【００３２】
粉末粒子の電気絶縁体は、無機材料で作ることができる。特に適しているのは、絶縁酸素及びリン含有障壁を有する本質的に純粋な鉄から成るベース粉末の粒子に関する米国特許第６３４８２６５号（参照により本明細書に組み込まれる）に開示されているタイプの絶縁体である。絶縁された粒子を有する粉末は、Ｈｏｇａｎａｓ  ＡＢ、Ｓｗｅｄｅｎから市販されている、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。
【００３３】
したがって、境界面の隆起部分を含む磁極片の成形は、いわゆる成形ダイを使用したツールなどの適切な圧縮成形ツールで、軟磁性粉末から磁極片を圧縮成形することによって、効率的に実現することができる。
【００３４】
固定子コア部分、コイル、及び回転子は、共通の幾何学軸を取り囲む。回転機械においては、横方向は機械の軸方向であり、運動方向は機械の円周方向である。
【００３５】
幾つかの実施例において、固定子は、実質的に環状であり且つ複数の歯を有する第１の固定子コア部分と、実質的に環状であり且つ複数の歯を有する第２の固定子コア部分と、第１の円形固定子コア部分と第２の円形固定子コア部分との間に配置されたコイルと、を含み、第１の固定子コア部分、第２の固定子コア部分、コイル、及び回転子は、回転子の長手方向軸によって画定された共通の幾何学軸を取り囲んでおり、第１の固定子コア部分及び第２の固定子コア部分の複数の歯は、回転子に向かって突出するように配置されており、第２の固定子コア部分の歯は、第１の固定子コア部分の歯に対して円周方向にずらされている。
【００３６】
従来の機械においては、コイルは多重極構造の磁界を明確に形成し、コアの機能は、この多重極磁界を通して磁石及び／又は他のコイルを結びつけることに過ぎない。変調磁極機械においては、コイルによって生成される、はるかに低い、通常は２つの極磁界から多重極磁界を形成するのは、磁気回路である。変調磁極機械においては、磁石は通常、整合多重極磁界を明確に形成するが、単一の磁石から多重極磁界を形成する磁気回路を有することも可能である。変調磁極機械は、固定子及び回転子の両方の軸方向の磁束通路を利用する、３次元（３Ｄ）磁束通路を有する。したがって、幾つかの実施例においては、固定子デバイス及び／又は回転子は、運動方向に対して横方向に磁束通路成分を含む、３次元（３Ｄ）磁束通路を提供する。
【００３７】
幾つかの実施例では、変調磁極機械は、２つの外側相及び１つ又は複数の中心相を有する多相機械であり、各相は、径方向に突出した複数の歯のそれぞれの円周列の間に軸方向に挟まれたコイルを含み、歯の軸方向位置における回転子磁極片の境界面の部分は、コイルの軸方向位置における境界面の部分から隆起されている。その代わりに又はそれに加えて、歯の軸方向位置における境界面の部分は、それぞれの相の隣接した歯の列の間で軸方向位置における境界面の部分から隆起される。したがって、回転子磁極片と固定子との間の距離は、磁極片の下にコイル又はギャップがある軸方向位置において径方向により大きくなり、したがって、回転子における望ましくない「漏洩」磁束が低減され、また、各相間の相互インダクタンスが低減される。
【００３８】
幾つかの実施例では、変調磁極機械は、２つの外側相及び１つ又は複数の中心相を有する多相機械であり、外側相の位置における境界面の部分は、中心相の位置における境界面の部分から隆起され、したがって、中心相の能動ギャップを外側相の能動ギャップよりも幅広くさせる。本明細書で説明される回転子の実施例の利点は、コスト効率の高い方法で逆起電力を低減させられることである。
【００３９】
本発明の上記及び／又は追加の目的、特徴、並びに利点を、以下の本発明の実施例の事例的且つ非限定的な詳細な説明により、添付の図面を参照しながらさらに説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】単相の変調磁極機械の実例を示す図である。
【図２】変調磁極機械用の固定子の実例の概略図である。
【図３】それぞれが１つの円周巻線を保持している３組の固定子構成要素対を有する固定子を含む３相変調磁極機械の図である。
【図４】変調磁極機械の回転子のための回転子磁極片の実例を示す図である。
【図５】変調磁極機械用の回転子の実例の各部の断面を示す図である。
【図６】変調磁極機械用の回転子の別の実例を示す図である。
【図７】本明細書で説明されるような回転子磁極片及び固定子コア部分を製造するためのツールの実例を概略的に示す図である。
【図８ａ】本明細書で説明されるような回転子磁極片及び固定子コア部分を製造するためのプレス工程の実例を概略的に示す図である。
【図８ｂ】本明細書で説明されるような回転子磁極片及び固定子コア部分を製造するためのプレス工程の実例を概略的に示す図である。
【図８ｃ】本明細書で説明されるような回転子磁極片及び固定子コア部分を製造するためのプレス工程の実例を概略的に示す図である。
【図８ｄ】本明細書で説明されるような回転子磁極片及び固定子コア部分を製造するためのプレス工程の実例を概略的に示す図である。
【図８ｅ】本明細書で説明されるような回転子磁極片及び固定子コア部分を製造するためのプレス工程の実例を概略的に示す図である。
【図８ｆ】本明細書で説明されるような回転子磁極片及び固定子コア部分を製造するためのプレス工程の実例を概略的に示す図である。
【図９】コギング低減無し、及び異なるタイプのコギング・トルク低減有りの、３相ＭＰＭコギング・トルク形状の実例を示す図である。
【図１０】それぞれが１つの円周巻線を保持している３組の固定子構成要素対を有する固定子を含む３相変調磁極機械の図である。
【図１１】変調磁極機械の回転子のための回転子磁極片のさらなる実例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下の説明では、本発明を実施することができる方法を図によって示す添付の図面を参照する。
【００４２】
図１は、変調磁極機械の実例を示す。詳細には、図１は、単相、例えば１相機械、又は多相機械のうちの１相の、能動部品を示す。図１ａは、固定子１０及び回転子３０を含む、機械の能動部品の斜視図を示す。図１ｂは、機械の一部分の拡大図を示す。
【００４３】
図２は、図１の変調磁極機械の固定子１０の実例を示す。詳細には、図２ａは、２つの固定子コア部分１４、１６、及び巻線２０を説明する、固定子１０の分解組立図を示す。図２ｂは、固定子１０の切断図を示す。
【００４４】
機械は固定子１０を備え、固定子１０は、軟磁性固定子コア構造体によって形成された複数の歯１０２に磁力を与える、中心単巻線２０を含む。固定子コアは巻線２０の周りに挟まれて形成されるが、他の一般的な電気機械構造では、巻線が、固定子コア部分の個々の歯の周りに形成される。より詳細には、図１及び図２の変調磁極電機機械は、それぞれが複数の歯１０２を含む実質的に環状の２つの固定子コア部分１４、１６と、第１の環状固定子コア部分と第２の環状固定子コア部分と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、固定子コア部分１４、１６、コイル２０、及び回転子３０は、共通の幾何学軸を取り囲んでおり、２つの固定子コア部分１４、１６の複数の歯１０２は、閉回路磁束通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つの固定子コア部分１４、１６の固定子歯は、互いに対して円周方向にずらされる。
【００４５】
各固定子コア部分は、環状コア背面部分２６１と、円周方向にずらされた２つの固定子コア部分の歯と歯の間に磁束通路を提供する磁束ブリッジ又はヨーク要素１８と、を備える。図１及び図２の機械では、固定子歯は回転子に向かって径方向に突出し、この場合では、回転子は固定子を取り囲んでいる。しかし、固定子は、回転子の外側に同様に良好に配置することができる。本明細書で説明される回転子及び固定子の実施例は、単相及び／又は多相の機械に使用することができる。同様に、本明細書で説明される回転子及び固定子の実施例は、インナー・ロータ型機械やアウター・ロータ型機械に使用することができる。
【００４６】
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、そのうちの回転子磁極片２４とも呼ばれる半数のセグメントは、軟磁性材料で作られ、もう半数のセグメントは、永久磁石材料２２から作られる。これらのセグメントは、個別の構成要素として作製することができる。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ように、すなわち、Ｎ磁極とＳ磁極とがそれぞれ実質的に円周方向を向くように、配置される。さらに、円周方向に数えて１つおきの永久磁石２２が、隣接する永久磁石に対して逆向きの磁化方向を有するように配置される。機械構造における軟磁性磁極片２４の磁気的機能は完全に３次元であり、各軟磁性磁極片２４は、３つの空間方向の全てにおいて、高い透磁率を有する様々な磁束を効率的に通すことができる。
【００４７】
回転子３０及び固定子１０のこの設計は、永久磁石２２からの磁束収束を可能にして、それにより固定子１０の歯に対向する回転子３０の表面は、隣接する永久磁石２２の両方からの全磁束を対向する歯の表面に与えることができる、という利点を有する。磁束収束は、歯に対向する領域によって分割された、各磁極片２４に対向する永久磁石２２の領域の関数として見ることができる。詳細には、各歯が円周方向にずらされていることのため、磁極片に対向する歯により、磁極片の軸方向範囲に部分的にわたってのみ延在する能動エア・ギャップがもたらされる。それにもかかわらず、永久磁石の全軸方向範囲からの磁束は、磁極片において軸方向及び径方向に向けられて、能動エア・ギャップに向かう。各磁極片２４のこれらの磁束収束特性は、弱い低コストの永久磁石を回転子内の永久磁石２２として使用することを可能にし、且つ、非常に高いエア・ギャップ磁束密度を得ることを可能にする。効果的な３次元磁束通路を可能にする磁性粉末から磁極片を作ることにより、磁束収束を促進することができる。さらに、この設計により、類似のタイプの機械よりも、より効率的に磁石を使用することができる。
【００４８】
さらに図１及び図２を参照すると、単相の固定子１０は、図１及び図２で示されるように単相機械の固定子として、且つ／又は、多相機械の一相、例えば図３の機械の固定子相１０ａ〜ｃのうちの１つとして、使用することができる。固定子１０は、それぞれが複数の歯１０２を有する２つの同一の固定子コア部分１４、１６を備える。各固定子コア部分は、プレス・ツールで圧縮成形された軟磁性粉末で作られる。固定子コア部分が同一の形状を有する場合には、これらを同一のツールでプレスすることができる。次いで２つの固定子コア部分は、第２の作業で結合されて、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緒に形成する。ここで、一方の固定子コア部分の歯は、他方の固定子コア部分の歯に対して軸方向及び円周方向にずらされている。
【００４９】
固定子コア部分１４、１６のそれぞれは、一体に圧縮成形することができる。各固定子コア部分１４、１６は、環状コア背面部分２６１の径方向内側縁部５５１によって画定された実質的に円形の中央開口部を有する環状円板として形成することができる。歯１０２は、環状円板形状コア背面の径方向外側縁部から、径方向外方に突出する。内側縁部５５１と歯１０２との間の環状部分は、磁束通路、及びコイル２０を収容する円周空洞の側壁を提供する。各固定子コア部分は、内側縁部５５１に又はその近くに、円周フランジ１８を備える。組み立てられた固定子では、円周フランジ１８は、固定子コア部分の内側、すなわちコイル２０及び他方の固定子コア部分に対向する側に、配置される。図１及び図２に示された実施例では、固定子コア部分１４、１６は、同一の構成要素として形成されている。詳細には、両方の固定子コア部分が、それぞれの他方の固定子コア部分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は互いに接して、固定子コア部分間での軸方向磁束通路の存在を可能にする軸方向磁束ブリッジを形成する。したがって、アウター・ロータ型機械用に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背面を取り囲む。
【００５０】
歯１０２のそれぞれは、エア・ギャップに対向する境界面１６２を有する。機械の動作中、磁束は、境界面１６２を通り、エア・ギャップを介し、対応する回転子の磁極片の境界面を通って、伝達される。境界面１６２は、縁部１６３により、円周方向に、すなわち回転子の運動方向に沿って区切られる。したがって、縁部１６３は、境界面１６２を、隣接する歯に対向するそれぞれの歯の側方面１６６と接続する。
【００５１】
図３ａは、３相変調磁極機械の一実例を示し、一方で図３ｂは、図３ａの機械の固定子の一実例を示す。機械は、固定子１０及び回転子３０を備える。固定子１０は、それぞれが図１及び図２に関連して説明した通りの、３つの固定子相部分１０ａ、ｂ、ｃを含む。詳細には、各固定子相部分は、それぞれの固定子構成要素の対、すなわち、１４ａと１６ａの対、１４ｂと１６ｂの対、及び１４ｃと１６ｃの対をそれぞれ含み、各対が１つの円周巻線２０ａ〜２０ｃをそれぞれ保持している。
【００５２】
したがって、図１及び図２の実例におけるように、図３の各電気変調磁極機械固定子相部分１０ａ〜１０ｃは、軟磁性コア構造体によって形成された複数の歯１０２に磁力を与える、例えば単巻線の中心コイル２０ａ〜２０ｃを含む。より詳細には、示された電気変調磁極機械の各固定子相１０ａ〜１０ｃは、それぞれが複数の歯１０２を含む実質的に環状の２つの固定子コア部分１４を備え、第１の円形固定子コア部分と第２の円形固定子コア部分との間にコイル２０が配置される。さらに、各固定子相の固定子コア部分１４及びコイル２０は、共通の軸を取り囲み、また、固定子コア部分１４の複数の歯１０２は、径方向外方に突出するように配置される。図３の実例では、回転子３０は、固定子１０と同軸上に配置され、且つ、固定子の歯１０２と回転子との間にエア・ギャップを形成するように、固定子を取り囲んでいる。回転子は、図１及び図２に関連して説明されたように交互に並んでいるが全ての固定子相部分にわたって軸方向に延在している永久磁石２２及び磁極片２４として、設けることができる。すなわち、単一の回転子構造が提供されて、３つ相の全ての機能を果たす。しかし、他の実施例では、回転子は、互いに軸方向に延長して配置された３つの独立した円筒形回転子として提供されうることが、理解されるであろう。さらに他の実施例では、回転子構成要素、例えば永久磁石２２のうちの幾つか又は全てが、それぞれが単相の軸方向範囲のみを有している一連のより短い構成要素として、提供されうる。
【００５３】
図１〜図３に関連して説明された固定子の実施例は、いわゆるつめの無い歯を有する。しかし、ツールのコストを増大させること無しに小型のつめを付け加えて、モータ性能をさらに向上させることが可能である。
【００５４】
図４は、変調磁極機械の回転子のための回転子磁極片の実例を示す。図４ａ〜図４ｄのそれぞれは、アウター・ロータ型機械の回転子、例えば図３に示されている機械の回転子３０のための、磁極片２４の実例を示す。しかし、同様の特徴を有する磁極片をインナー・ロータ型機械に設けることもできることは、理解されるであろう。各磁極片２４は、回転子の軸方向に長い細長いロッドの形状を有する。端面４６３から分かるように、磁極片の断面は、磁極片が図３に示されるような円筒形の回転子構造に配置されたときに隣接する磁極片の間にギャップを提供するように、全体的に台形であり、その結果、ギャップは、矩形断面を持った直線永久磁石を収容することができる。しかし、的確な断面形状が変化しうること、例えば、断面形状が矩形、台形、円の一部分などとされうることは、理解されるであろう。
【００５５】
磁極片２４は、図３での回転子構造のような回転子構造での磁極片及び永久磁石の交互配置において磁極片に隣接して配置されるそれぞれの永久磁石にそれぞれの境界面を提供する、向かい合った側方面４６２を有する。磁極片はさらに、回転子と固定子との間のエア・ギャップに面する方向を画定する境界面４６１を有する。
【００５６】
上述のように、図４の磁極片は、例えば図３に示されているような３相機械の回転子用のものとすることができる。したがって、磁極片は、各区間が３相機械の各相のうちの１つの相のための磁極片として機能する、同程度の長さの３つの区間に機能的に分割されうるように、３相機械の３つの相の全てにわたって軸方向に延在しうる。したがって、各区間は、磁極片全体の長さの約１／３を有しうる。同様の考察が、他の多相機械に適用される。
【００５７】
図４に示されている様々な磁極片の実例は、境界面４６１の成形方法の点で異なっている。
【００５８】
図４ａの実例では、境界面４６１は、全体的に平坦である。すなわち、境界面４６１は、平面、又は回転子の軸まで一定の径方向距離を有する円筒を画定することができる。
【００５９】
実例４ｂ〜４ｄでは、境界面は、１つ又は複数の隆起部分、及び１つ又は複数の低部分を有し、隆起部分は、低部分に対して隆起され又は盛り上げられ、したがって、境界面の様々な部分と回転子の軸との間の径方向距離を変化させている。
【００６０】
詳細には、図４ｂの実例では、境界面４６１は、２つの隆起部分４６４及び４６６、並びに低部分又は陥凹部分４６７を有する。各隆起部分は、細長い磁極片のそれぞれの端部に近接しているが、低部分は、細長い磁極片の中央に配置されている。各部分は、軸方向に磁極片の長さの約１／３に延在して、３相機械のそれぞれの相の軸方向範囲に対応している。したがって、この実施例により、エア・ギャップの幅が様々な相に対して異なる機械がもたらされる。より詳細には、中心相に対するエア・ギャップは、外側相に対するエア・ギャップよりも（径方向に）大きい。様々な相に対してエア・ギャップの幅が異なることにより、コスト効率の高い方法で逆起電力（「逆ｅｍｆ（ｂａｃｋ−ｅｍｆ）」）の低減が可能になる。
【００６１】
図４ｃの磁極片もまた、３相機械用の回転子のための磁極片であり、詳細には、各歯の先端がエア・ギャップのそれぞれの境界面を画定するように回転子に向かって突出する２つの複数の歯の円周列を各相が含んでいる、固定子を有する機械用の回転子のための磁極片である。各相の複数の歯の列は、連続した輪の形態で、それらの間にギャップを開けて、互いに軸方向に離間される。そのような固定子の一実例が、図３に示されている。図４ｃの磁極片の境界面４６１は、固定子のそれぞれの相の複数の歯の列の軸方向位置に、隆起部分４６４ａ〜ｂ、４６５ａ〜ｂ、及び４６６ａ〜ｂを有する。詳細には、隆起部分４６４ａ〜ｂは、第１の相の複数の歯の軸方向位置に対応し、隆起部分４６５ａ〜ｂは、第２の相の複数の歯の軸方向位置に対応し、隆起部分４６６ａ〜ｂは、第３の相の複数の歯の軸方向位置に対応する。隆起部分はそれぞれ、一様な表面を有し、この表面は、平面、又は円筒面の一部とされうる。後者の場合、各隆起部分上の全ての点が、同一の回転子の軸からの径方向距離を有する。境界面の残りの部分は一様であり、低部分４６７を構成する。したがって、低部分の軸方向位置は、コイルの軸方向位置、及び相と相の間のギャップの軸方向位置に対応する。低部分は、平面又は円筒形とすることができる。すなわち、後者の場合、低部分の全ての点が、同一の回転子の軸からの径方向距離を有する。アウター・ロータ構造の場合、隆起した表面部分と回転子軸との間の径方向距離は、低部分と回転子軸との間の径方向距離よりも小さい。インナー・ロータ構造の場合、隆起した表面部分と回転子軸との間の径方向距離は、低部分と回転子軸との間の径方向距離よりも大きい。
【００６２】
隆起部分のそれぞれは、対応する固定子構造の歯の軸方向範囲に対応した（例えば、実質的に等しい）軸方向範囲を有する。隆起部分のそれぞれは、軸方向範囲に沿って変化する（回転子の円周方向に測定した）幅を有する。詳細には、各隆起部分は、固定子巻線の位置の近くに、すなわち、固定子相の歯のそれぞれの列の間のギャップの近くに、狭い端部を有し、また、巻線から離れる方向を向いた、狭い端部よりも幅広な広い端部を有する。したがって、電気機械の動作中に、磁極片が固定子歯を通過すると、エア・ギャップの平均幅は最初に、隆起部分及び固定子歯が完全に整列されたときの最小値に達するまで、減少する。回転子が引き続き回転する間に、エア・ギャップの平均幅は再び増大する。ここで、エア・ギャップの幅とは、固定子歯の境界面上の一点と回転子の境界面との間の最短距離として測定したものである。エア・ギャップの平均幅とは、固定子歯の境界面にわたって延在する軸方向直線上の全ての点を平均化したものである。
【００６３】
図４ｃの実例では、隆起部分は、三角形、詳細には二等辺三角形の形態を有する。しかし、他の実施例では、隆起部分は異なる形状を有する場合もある。
【００６４】
図４ｃの実例では、全ての隆起部分が、低部分に対して同じ高さを有する。詳細には、隆起部分の全ての点が、同一の回転軸からの径方向距離を有する。しかし、幾つかの実施例では、低部分に対する隆起部分の高さ、及び／又は回転軸からの隆起部分のそれぞれの距離は、例えば図４ｄに示されているように変化しうる。
【００６５】
図４ｄは、図４ｃの回転子磁極片に類似した回転子磁極片、すなわち、固定子のそれぞれの歯の列の軸方向位置に複数の隆起部分を有する回転子磁極片の実例を示す。しかし、図４ｄの実例では、隆起部分は、様々な高さを有する。詳細には、３相機械の中心相に対応する隆起部分４６５ａ及び４６５ｂは、３相機械の外側相に対応する残りの隆起部分よりも隆起が少ない。アウター・ロータ型機械の場合、隆起した表面部分４６５ａ及び４６５ｂと回転子軸との間の距離は、対応する他の隆起部分と回転軸との間の距離よりも大きい。
【００６６】
図５は、変調磁極機械用の回転子の実例の部品の側面図を示す。
【００６７】
各回転子は、永久磁石２２及び回転子磁極片２４を含み、これらは、円筒形の回転子構造を形成するように、回転子の円周方向に交互に配置されている。したがって、各回転子磁極片２４は、隣接する永久磁石２２を２つ有し、各永久磁石は、隣接する回転子磁極片２４を２つ有する。永久磁石は、回転子磁極片の側方面４６２に接触する。この目的のために、図５の実例では、永久磁石２２は直線的であるが、磁極片は、側方面がわずかに傾斜した、全体的に台形の断面を有するロッドである。永久磁石は、図５に矢印で示されているように円周方向に磁化される。永久磁石は、磁束を、回転子磁極片の側方面４６４を通じて両側から磁極片に入れるか、又は回転子磁極片の側方面を通じて両方の円周方向に向かって磁極片から出すように、交互配向の磁界ベクトルで磁化される。
【００６８】
回転子磁極片の境界面は、輪郭加工（ｐｒｏｆｉｌｅ）される。すなわち、境界面の様々な部分が、様々な回転子の軸からの径方向距離を有する。境界面は、隆起部分４６４及び低部分４６７を有し、隆起部分は低部分に対して隆起されている。
【００６９】
図５ａ〜図５ｅの実例は、様々な断面形状を有する磁極片を備えた回転子を示している。幾つかの回転子磁極片は、凸状の境界面を有するが、他の回転子磁極片は、凹状の境界面を有する。幾つかの実例では、隆起部分は、一定の回転子軸からの径方向距離を有するが、他の実例では、隆起部分は、様々な回転子軸からの径方向距離を有する。断面形状は、磁極片の軸方向長さにわたって一様であってもよいし、変化していてもよい。例えば、断面形状は、輪郭加工された部分とそうでない部分とを繰り返していてもよく、且つ／又は違うように輪郭加工された部分を繰り返していてもよい。
【００７０】
図５ａの実例では、磁極片は中央低部分４６７を有し、また、磁極片の隣接する永久磁石に面する縁部は、隆起されて、磁極片のそれぞれの縁部に向かって低部分から延在する傾斜した表面部分を形成する。したがって、この実例では、永久磁石は、隣接する磁極片の直近の部分に対してわずかに凹設される。
【００７１】
図５ｂの実例は、図５ａの実例に似ている。しかし、図５ａの磁極片の断面は、磁極片の中心に関して対称であるが、図５ｂの磁極片の断面は、わずかに非対称である。すなわち、低部分は、永久磁石のうちの一方に向かって、他方の永久磁石に向かうのよりも多めに延在し、隆起した表面のうちの一方は、他方の隆起した表面よりも急勾配で傾斜している。
【００７２】
図５ｃは、磁極片の境界面が外方に湾曲された、すなわち、磁極片の境界面がその中央に隆起部分を有し、低部分が側方面４６２によって形成された縁部に向かう、回転子の実例を示す。境界面は、磁極片の側方面によって形成された縁部において、隣接する永久磁石と同一平面になって終わる。したがって、機械の動作中、エア・ギャップの幅は、回転子磁極片が歯と整列されたときの最小値に達するまで、回転子磁極片が歯に近づくときに、徐々に減少し、その後に、再び徐々に増大する。
【００７３】
図５ｄは、各磁極片の境界面がその側方面のうちの一方から他方の側方面に向かって傾斜している、すなわち、境界面が、境界面の一方の縁部に近接した低部分と、反対側の縁部に近接した隆起部分とを有する、回転子の実例を示す。境界面の低部分は、隣接する永久磁石の縁部と同一平面になって終わるが、反対側の縁部の隆起部分は、隣接する永久磁石に対して隆起される。
【００７４】
図５ｅは、各磁極片の境界面が、隆起した中央部分と、隣接する永久磁石に向かう磁極片の縁部に向かって傾斜し、また、隣接する永久磁石と同一平面になって終わる、傾斜した低部分とを有する、回転子の実例を示す。
【００７５】
例えば、磁極片の軸方向中心線に対して非対称な、非対称断面の境界面は、単相機械の始動を容易にするという利点を有しうる。そのような非対称表面の実例が、図５ｂ及び図５ｄに示されている。
【００７６】
上記の実例では、回転子の全ての磁極片は、同一のものである。しかし、他の実施例では、回転子の磁極片の境界面は、変化しうる。次に、図６を参照しながら、そのような実施例を説明する。
【００７７】
図６は、変調磁極機械用の回転子の別の実例を示す。詳細には、図６ａは、回転子構造の斜視図を示し、図６ｂは、回転子の一部の側面図を示す。図６の回転子は、図５の回転子に似ており、また、上述のように円筒形の回転子構造を形成するように交互に配置された永久磁石２２と磁極片とを含む。しかし、図６の実例では、磁極片の境界面４６１は、全てが同一というわけではない。図６の実例では、磁極片の境界面は、外方及び内方に交互に湾曲している。すなわち、内方に湾曲した境界面を持つ磁極片は、その中央に低部分を、またそのそれぞれの縁部に隆起部分を有し、一方で、外方に湾曲した境界面を持つ磁極片は、その中央に隆起部分を、またその縁部の近位に低部分を有する。しかし、どちらの場合でも、磁極片の縁部は、そのそれぞれの隣接する永久磁石に比べて隆起している。すなわち、永久磁石は、隣接する各磁極片の間に凹設されている。
【００７８】
境界面は、回転子軸を取り囲み且つエア・ギャップを画定する円筒構造の表面を辿る閉曲線６７１に境界面の全てが接触するように、湾曲している。曲線６７１は、エア・ギャップを画定する円筒面に沿った弧の関数として周期的に変化する半径を画定する。図６の実例では、周期関数は、各磁極片のピッチ間隔の２倍に等しい周期を有する。図６の実例では、各境界面は、その円周方向幅にわたる各点において曲線６７１に接触する。したがって、回転子磁極片の各境界面は、それらが集まって回転子の外周に沿った周期的な曲線に近似するように、成形されうる。これにより、コギング・トルクの１つ又は複数の高調波を補償するように回転子を成形することが可能になる。
【００７９】
本明細書で説明される回転子磁極片及び固定子コア部分の実施例は、Ｐ／Ｍ技術の範囲内で金属粉末を圧密することにより、効率的に製造及び成形することができる。そのような方法の一実例が、図７〜図８によって示されるようなツール及びプレス機を使用して金属粉末から構成要素を作成するための十分に確立された技法である。
【００８０】
図７は、軟磁性粉末から作られた軟磁性構成要素をプレスするためのツールを、概略的に示す。詳細には、図７ａは、ダイ７０２、単一上部パンチ７０４、及び単一下部パンチ７０５を有するプレス・ツールを示す。図７ｂは、図７ａのツールの切断図を示す。
【００８１】
提示を容易にするために、単純な構成要素８０３を参照しながら工程を例示する。しかし、以下で説明される工程及びツールが、本明細書で説明される磁極片及び固定子コア部分の実施例の製造に十分適することは、理解されるであろう。Ｐ／Ｍ工程は、ダイ７０２に金属粉末７０３を詰めて、続いて複数のパンチ７０４及び７０５を使用してプレスするステップを含む。プレスの後に、高温（例えば、約１０００℃）での焼結、又はより低温（例えば、約６５０℃まで）での熱処理が続く。全体的に７００で示されるツールは、ダイ７０２、並びに少なくとも１つの上部パンチ７０４及び／又は下部パンチ７０５を含むことができる。この技術は、高品質の金属製構成要素を大量生産するために使用される場合もある。ＭＰＭタイプの電気機械は、Ｐ／Ｍ技術の便益を利用するのに非常に良く適している。Ｐ／Ｍを使用して電気モータを製造する場合、粉末は、上述のような軟磁性粉末と呼ばれる電気絶縁鉄粉から作ることができる。
【００８２】
本明細書で説明されるように磁極片及び固定子コア部分を作製するために、ツールのダイ７０２は、当技術分野でそのように知られた技法であるいわゆる「成形ダイ」幾何形状を有するように、特に構成することができる。ツールの実施例においては、ダイ７０２だけが歯を形成している。ダイの的確な形状は、製造される実際の構成要素に依存する。
【００８３】
図８は、図７のツールを使用したプレス工程を示す。
【００８４】
図８ａは、粉末充填位置に有るツールを示し、この位置では、下部パンチ７０５は、ダイから後退されながら依然としてダイの底部開口を塞いでおり、一方で、上部パンチは、ダイから後退されてダイの上部開口を塞がれていない状態にして、上部開口を通じて粉末を挿入できるようにしている。図８ｂは、充填工程完了後の、閉じられたダイを示す（明瞭にするために、図８ｂでは粉末は示されていない）。図８ｃは、粉末７０３を含む閉じられたダイを示す。図８ｄは、プレスされた構成要素を含むツールを示す。すなわち、ここでは、粉末をダイの成形部分内で圧密するために、下部及び上部のパンチの両方がダイに挿入されている。図８ｅは、構成要素取出しステップを示し、ここでは、構成要素８０３をダイから取り出すために、パンチが上方に移動される。図８ｆは、取り出された構成要素８０３を示す。
【００８５】
本明細書で説明されたように回転子磁極片を成形することによるコギング・トルクの低減は、高速フーリエ変換解析（ＦＦＴ）と組み合わせた有限要素解析（ＦＥＡ）を使用して、解析することができる。図９は、図３に示されるような変調磁極機械に対するコギング・トルクを、角度の関数として示す。曲線９８１は、図４ａに示されるような磁極片を含む機械に対するコギング・トルクを示す。曲線９８２は、図４ａに示されるような磁極片と、同時係属の国際特許出願ＰＣＴ／ＥＰ２０１１／０７３３４７で説明されるように成形された歯とを含む機械に対するコギング・トルクを示す。曲線９８３は、図４ｃに示されるような磁極片を含むが、固定子歯が平坦な表面を有している機械に対するコギング・トルクを示す。したがって、図９からは、固定子歯又は回転子磁極片の境界面を成形することにより、かなりのコギング・トルクの低減を達成できることが分かる。さらに、固定子歯の成形によって達成される低減と、回転子磁極片の成形によって達成される低減は、同程度の大きさである。しかし、磁極片は非常に単純な幾何形状を有し、また、磁極片の境界面は成形ツールの上部パンチに面するので、製造工程又はツールの複雑性を著しく増大させることなしに、限られた高さの隆起部分の成形を行うことができる。
【００８６】
図１０は、それぞれが１つの円周巻線を保持している３組の固定子構成要素対を有する固定子を含む３相変調磁極機械を示す。図１０の機械は図３の機械に似ているが、図１０の機械では、磁極片は、回転子の円周方向に測定して、様々な幅を有する。詳細には、回転子は、第１の幅狭な磁極片２４ａの組と、第１の組の磁極片よりも幅が広い第２の幅広な磁極片２４ｂの組とを含む。第１及び第２の組の磁極片は、機械の周囲に沿って交互に配置される。磁極片が、平坦／一定半径の境界面か、又は本明細書で説明されるような成形された／輪郭加工された境界面を有しうることが、理解されるであろう。回転子が２種以上の様々な幅の磁極片を含みうることが、さらに理解されるであろう。
【００８７】
図１１は、変調磁極機械の回転子のための回転子磁極片のさらなる実例を示す。図１１ａ〜図１１ｂのそれぞれは、図４ｃに示される磁極片、すなわち、回転子の軸方向に長い細長いロッドの形態を有し且つ全体的に台形の断面を有する磁極片に似ている、磁極片２４の実例を示す。境界面は、低部分４６７、及び隆起部分４６４を含む。図１１ａの実例では、隆起部分は矩形の形状を有し、図１１ｂの実例では、隆起部分は平行四辺形の形態を有する。
【００８８】
幾つかの実施例を詳細に説明し且つ示してきたが、本発明はそれらの実施例に限定されず、以下の特許請求の範囲で定義される主題の範囲内で、他の方法で具現化することもできる。詳細には、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ができ、また、構造的及び機能的な修正を行えることを理解されたい。
【００８９】
本明細書で開示された本発明の実施例は、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求が課せられる可能性がある。これらの要求は、改善された回転子組立ルーチンによるコスト要求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比較的多数の磁極を有するモータによって、満たすことができる。
【００９０】
幾つかの手段を列挙しているデバイス特許請求では、これらの手段のうちの幾つかは、同一のハードウェアの品目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か、又は異なる実施例で説明されているということだけでは、これらの手段の組合せを有利に使用することができないとは意味しない。
【００９１】
「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）／含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語が本明細書で使用される場合は、明示された特徴、整数、ステップ、又は構成要素の存在を特定するが、１つ又は複数の他の特徴、整数、ステップ、構成要素、若しくはそれらの群の存在又は追加を除外するのではないと解釈されることは、強調されるべきである。
【図１ａ）】
2015520600.tif 000003
【図１ｂ）】
2015520600.tif 000004
【図２ａ）】
2015520600.tif 000005
【図２ｂ）】
2015520600.tif 000006
【図３ａ）】
2015520600.tif 000007
【図３ｂ）】
2015520600.tif 000008
【図４ａ）】
2015520600.tif 000009
【図４ｂ）】
2015520600.tif 000010
【図４ｃ）】
2015520600.tif 000011
【図４ｄ）】
2015520600.tif 000012
【図５ａ）】
2015520600.tif 000013
【図５ｂ）】
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【図５ｃ）】
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【図５ｄ）】
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【図５ｅ）】
2015520600.tif 000017
【図６ａ）】
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【図６ｂ）】
2015520600.tif 000019
【図７】
2015520600.tif 000020
【図８ａ】
2015520600.tif 000021
【図８ｂ】
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【図８ｃ】
2015520600.tif 000023
【図８ｄ】
2015520600.tif 000024
【図８ｅ】
2015520600.tif 000025
【図８ｆ】
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【図１０】
2015520600.tif 000027
【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図９】
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【国際調査報告】
2015520600.tif 000031
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