(57)【要約】本発明は、永久磁石界磁型電気機器（１０）であって、当該電気機器（１０）の回転子（１１）の周囲に亘って設けられた、交番極性の各永久磁石磁極（１２）を有しており、前記各磁極は、前記電気機器の固定子（１５）の、電気コイル（１７）が嵌め込まれた歯（１４）と共働し、前記固定子歯（１４）の端面（１８）の下側の作業空隙（１３）の空隙幅（δ）は、歯のまん中から周方向両側に向かって低減している電気機器に関する。  この機器の空隙の誘導の調波成分を低減するために、空隙幅（δ）は、固定子歯（１４）の歯幅（Ｚｂ）に亘って正弦波関数に反比例する空隙幅関数に依存している。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石界磁型電気機器（１０）であって、当該電気機器（１０）の回転子（１１）の周囲に亘って設けられた、交番極性の各永久磁石磁極（１２）を有しており、前記各磁極は、前記電気機器の固定子（１５）の、電気コイル（１７）が嵌め込まれた固定子歯（１４）と共働し、前記固定子歯（１４）の端面（１８）の下側の作業空隙の空隙幅（δ）は、歯のまん中から周方向両側に向かって低減している電気機器において、
空隙幅（δ）は、固定子歯（１４）の歯幅（Ｚｂ）に亘って正弦波関数に反比例する空隙幅関数に依存していることを特徴とする電気機器。
【請求項２】
空隙幅（δ）の経過は、空隙幅関数の歯のまん中（Ｘ）から両側に、磁極ピッチ（τｐ）の少なくとも２５％、有利には約４０％の角度領域（φ）内で形成される請求項１記載の電気機器。
【請求項３】
空隙幅（δ）は、空隙幅関数
δ（ｘ）＝（ｈｍａｇ／μｒ＋δｏ）／ｃｏｓπ・ｘ／τｐ−ｈｍａｇ／μｒ
に相応し、但し、（ｘ）は、作業空隙（１３）内の歯のまん中（Ｘ）からのその都度の位置の距離であり、ｈｍａｇは、永久磁石磁極（１２）の磁場の高さであり、μｒは、前記永久磁石磁極（１２）の透磁率、τｐは、前記永久磁石磁極（１２）の磁極ピッチであり、δｏは、前記歯のまん中での空隙幅である請求項１又は２記載の電気機器。
【請求項４】
永久磁石磁極（１２）は、回転子（１１）の回転方向に均等に経過している平坦な極面（２０）を形成し、全歯幅（Ｚｂ）に亘って変化する所定の空隙幅（δ）は、専ら固定子歯（１４）の端面（１８）の不均一な湾曲によって形成されている請求項１〜３迄の何れか１記載の電気機器。
【請求項５】
インナーロータ機器で、回転子（１１）の外周の永久磁石磁極（１２）が、内側に向かって半径方向に配向された固定子歯（１４）と共働し、前記固定子歯（１４）の端面（１８；１８ａ−ｆ）は、歯幅（Ｚｂ）に亘って不均一な湾曲部を有している請求項４記載の電気機器。
【請求項６】
固定子歯（１４ａ）の端面（１８ａ）は、比較的小さな直径（Ｄ）の円筒状の作動空隙（１３）のところで、真ん中の領域内で、凹状、及び、両側に向かって凸状の経過を有している請求項５記載の電気機器。
【請求項７】
固定子歯（１４ａ）の端面（１８ｂ）は、平均的な直径（Ｄ）の円筒状の作動空隙（１３）のところで、真ん中の領域内で、平坦で、両側に向かって凸状の経過を有している請求項５記載の電気機器。
【請求項８】
固定子歯の端面は、比較的大きな直径（Ｄ）の円筒状の作動空隙（１３）のところで、全歯幅（Ｚｂ）に亘って凸状の経過を有している請求項５記載の電気機器。
【請求項９】
アウターロータ機器で、永久磁石磁極（１２）が、内周に、均一に平坦な、回転子（１１ｃ）の回転方向（１９ｃ）に延在している極面（２０）を形成し、前記極面（２０）は、内側に位置している固定子（１５ｃ）の固定子歯（１４ｃ）の不均一に凸状に湾曲した端面（１８ｇ）と共働する請求項１から４迄の何れか１記載の電気機器。
【請求項１０】
軸流機器で、永久磁石磁極（１２ｂ）は、当該軸流機器のディスク状の回転子（１１ｂ）の端面上に、回転方向（１９ｂ）に延在する平坦な極面（２０）を形成し、歯幅（Ｚｂ）に亘って延在する所定の空隙幅（δ）は、専ら固定子歯（１４ｂ）の端面（１８ｅ）の不均一な凸状の湾曲部によって形成されている請求項１から４迄の何れか１記載の電気機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
従来技術
本発明は、請求項１の上位概念に記載の、電気機器の回転子の周囲に亘って設けられた各永久磁石の磁極を有している永久磁石界磁型電気機器に関する。
【０００２】
永久磁石により励磁される電気機器では、永久磁石の磁極が、交番する極性で機器の回転子の周囲に設けられていることが屡々であり、従って、作業空隙を介して共働する固定子は、固定子巻線のコイルを持った、作業空隙の方に配向された歯を有する積層薄板から形成されている。その際、固定子のところでの歯の幅は、磁極ピッチの５０％より大きな回転子の極の幅に比較して比較的大きく、それにより、機器の作動中、一定空隙幅で、空隙のフィールドの高い調波成分を生じる。
【０００３】
直流電流により励磁される電気機器は、専門文献（ｅｌｅｋｔｒｉｓｃｈｅ  Ｍａｓｃｈｉｎｅｎ：  Ｒｕｄｏｌｆ  Ｒｉｃｈｔｅｒ：  Ｂａｎｄ  Ｉ，  Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ  １９６７，３版、  １６９ページ）から公知である。できる限り僅かな渦電流熱にするという観点で、磁極の領域内での作業空隙内のフィールド曲線を正弦波状に形成し、この作業空隙内で、界磁コイルを持った磁極の極片が、その端面上で、磁極の真ん中から相応に両側に向かって扁平乃至湾曲されている。そのような解決手段は、しかし、永久磁石によって励磁される機器では公知ではない。むしろ、フランス特許明細書第２８０２７２４Ａ１号によると、固定子コイルが設けられた固定子歯に、均一に凸状に湾曲した端面が設けられている。更に、パテント・アプストラクト・パブリケーションＪＰ７３０８０５７、１９９５年１１月２１日によると、歯のモーメントを低減するために、作業空隙を、周方向で歯の端面を相応に凸状に湾曲することによって、正弦波状に形成することが公知である。しかし、この公知の解決手段によっては、機器の作業空隙内での磁束の調波成分による損失及びノイズの問題点は、十分に解決されてはいない。従って、例えば、自動車でスタータ−ジェネレータとして使用するための高負荷電気機器では、そのような解決手段は不適切である。
【０００４】
本発明の解決手段により、永久磁石により励磁される電気機器で、空隙の誘導の調波成分を、殊に、固定子端面の形状によって最小化するようにされている。
【０００５】
発明の利点
請求項１記載の特徴要件を有する本発明の電気機器の有する利点は、電気機器の大きさ及び出力とは無関係に、所定の関数に応じた固定子歯の端面での空隙幅の経過によって、作業空隙内での誘導の調波成分を最小化することができるという点にある。そのことから別の利点として得られるのは、渦電流損の著しい低減と、それにより、例えば、自動車のスタータジェネレータのような、高負荷電気機器での解決手段に有利に用いることができる点にある。その際、渦電流損の低減は、スタータ歯でも回転子の永久磁石でも行われる。更に、この解決手段によって、回転子に作用するトルクの調波成分を低減することができ、それにより、ノイズも少なくなる。
【０００６】
従属請求項に記載の手段により、請求項１記載の要件を有利に構成し、改善することができる。
【０００７】
電気コイルを固定子の固定子歯に取り付けるために、歯の頂部の幅は、それと共働する永久磁石の磁極の磁極ピッチよりも狭いことが屡々あるので、固定子歯の端面の下側の空隙幅の経過は、関数１／ｃｏｓの歯のまん中から両側に、磁極ピッチの少なくとも２５％にすると目的に適っており、有利には約４０％の角度領域（φ）内で形成される。
【０００８】
誘導の最小調波成分を達成するためには、空隙幅δは、関数
（１）    δ（ｘ）＝（ｈｍａｇ／μｒ＋δｏ）／ｃｏｓπ・ｘ／τｐ−ｈｍａｇ／μｒ
に従って形成され、但し、ｘは、作業空隙内の歯のまん中からのその都度の位置の距離であり、ｈｍａｇは、永久磁石磁極の磁場の高さであり、μｒは、永久磁石磁極の透磁率、τｐは、永久磁石磁極の磁極ピッチであり、δｏは、歯のまん中での空隙幅である。
【０００９】
比較的簡単に、全歯幅に亘って変化する所定の空隙幅は、専ら、作業空隙の湾曲経過に重畳された、固定子の歯の端面の不均一な湾曲によって形成されており、その際、永久磁石磁極の端面は、回転子の回転方向に均等に経過している平坦な極面を形成している。
【００１０】
本発明の解決手段は、インナーロータ機器（Ｉｎｎｅｎｌａｅｆｅｒｍａｓｃｈｉｎｅ）でも、アウターロータ機器（Ａｕｓｓｅｎｌａｅｆｅｒｍａｓｃｈｉｎｅ）でも、軸流機器（Ａｘｉａｌｆｌｕｓｓｍａｓｃｈｉｎｅ）でも構成することができる。
【００１１】
インナーロータ機器で、回転子の外周に設けられた永久磁石磁極が、内側に向かって半径方向に配向された固定子の歯と共働し、固定子の歯の端面は、歯幅に亘って不均一な、関数１／ｃｏｓに従う湾曲部を有している。その際、固定子歯の端面は、磁極ピッチに比較して比較的小さな直径の円筒状の作動空隙のところで、真ん中の領域内で、凹状、及び、両側に向かって凸状の経過を有している。円筒状の作業空隙が、磁極ピッチに比べて、平均的な直径を有する電気機器で、歯の端面は、真ん中の領域内で、ほぼ平坦で、両側に向かって凸状の経過を有している。磁極ピッチに比べて、比較的大きな直径の円筒状の作動空隙で、歯の端面は、全磁極幅に亘って凸状の経過を有している。
【００１２】
アウターロータ機器で、永久磁石磁極が、内周に、均一に平坦な、回転子の回転方向に延在している極面を形成し、極面は、内側に位置している固定子の歯の不均一に、関数１／ｃｏｓに従って凸状に湾曲した端面と共働する。
【００１３】
ディスク状の回転子と、機器の軸線に対して垂直方向に延びている軸方向の作業空隙を有する軸流機器で、永久磁石磁極は、回転方向に延在する平坦な面を形成し、その際、歯幅に亘って変化する所定の空隙幅が、専ら、固定子の歯の端面の不均一な、関数１／ｃｏｓに従った凸状の湾曲部によって形成されている。
【００１４】
電気機器の固定子は、一般的に、押し抜き成形された薄板部分の積層薄板から製造されるので、この製造方法により、別の手段を用いずに、歯頂部を任意の形状に形成することができる。従って、ここでは、歯頂部の輪郭を、本発明により最適な空隙幅にすることができ、しかも、それにより、製造の際に大して余分なコストを掛けずに済む。
【００１５】
図面
以下、本発明について、図示の実施例を用いて詳細に説明する。その際：
図１は、内部磁極回転子としての本発明の電気機器の横断面図、
図２は、磁極幅に亘る作業空隙内の磁束の経過を示す図、
図３は、磁極ピッチに亘る空隙幅δの経過を示す図、
図４ａ及び図４ｂは、歯の真ん中に種々異なる空隙幅を有する多極電気機器の歯の輪郭を示す図、
図５ａ及び図５ｂは、歯の真ん中に種々異なる空隙幅を有する２極電気機器の歯の輪郭を示す図、
図６ａ及び図６ｂは、歯の真ん中に種々異なる空隙幅を有するアキシャルフィールド（Ａｘｉａｌｆｅｌｄ）機器の歯の輪郭を示す図、
図７は、内部支承された固定子の、本発明による歯の輪郭を有するアウターロータ機器の部分断面図
である。
【００１６】
実施例の説明
図１には、永久磁石により励磁される電気機器が半分だけ横断面で示されていて、１０で示されている。回転子１１が当該回転子の周囲に６個の均一に分布して設けられた、交番極性の永久磁石の磁極１２を有しており、有利には、半径方向に磁化される。極１２は、半径方向に配向された作動空隙１３を介して積層薄板として構成された固定子１５の６個の歯１４と共働し、固定子１５のマグネットヨーク１６に、固定子歯１４が内側に向かって半径方向に配向されている。固定子歯１４は、各々１つの電気コイル１７を有しており、電気コイル１７は、極１２の磁束Φで固定子歯１４内に固着されている。発電機作動時に、このコイル１７内に、駆動されている回転子１１により交流電圧が誘電され、モータ作動時に、電気コイル１７に交流電圧が印加され、電気コイルの、固定子１５に形成された磁界により、回転子が回転する。固定子歯１４の端面１８の下側の作動空隙１３は、空隙幅δが各々歯の真ん中Ｘから周方向の両側に向かって増大している。
【００１７】
電気機器１０内の渦電流損及び振動トルクによって生じるノイズを最小化するために、空隙での誘導Ｂδは、極１２の磁極ピッチに相応する１つの極幅に亘って、できる限り正弦波状に形成することができる。一定作動空隙で、空隙での誘導Ｂδは、近似的に以下のように算出される：
（２）      Ｂδ＝Ｂｒ・ｈｍａｇ／（ｈｍａｇ＋μｒ・δ）
その際、δは、空隙幅、Ｂｒは、極の磁気材料の残留磁気誘導、ｈｍａｇは、極の磁気の高さ、μｒは、磁極の透磁率である。
【００１８】
空隙での誘導Ｂδの正弦波状の経過は、
【００１９】
【数１】
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から得られ、その際、χは、空隙内の各々の位置から歯の真ん中までの距離、τｐは、磁極ピッチである。
【００２０】
そのような正弦波状の誘導の経過は、図２に、磁極ピッチτｐに相応する角度Φ＝１８０°に亘って示されている。
【００２１】
磁極１２内での損失を低減するために、及び、固定子歯１４内での、空隙での誘導の調波成分を最小化するために、式（２）と式（３）との対比から、空隙幅δは、固定子歯１４の歯幅に亘って、余弦波関数に反比例する（関数１／ｃｏｓ）空隙幅の関数に従うことが導出される。図３に示された、固定子歯１４の端面１８での輪郭の経過は、専ら式（１）から得られ、
δ（χ）＝（ｈｍａｇ／μｒ＋δｏ）／（ｃｏｓπ・χ／τｐ）−ｈｍａｇ／μｒ
その際、δｏは、歯の真ん中での最小作動空隙１３である。
【００２２】
固定子歯１４の歯の側縁は、作動空隙１３内で、誘導の分布に比較的僅かな作用しか及ぼさないので、固定子歯１４に十分な大きさのコイル１７を取り付けるために、理想的な歯形状で、端面輪郭の理想的な曲線の真ん中の一部分しか使われない。そのために、空隙幅δの経過は、歯の真ん中Ｘから両側に関数１／ｃｏｓに従って角度領域Φ内で、磁極ピッチτｐ＝１８０°の少なくとも＋／−４５°、有利には、＋／−７２°〜８０°によって限定される。これは、磁極ピッチτｐの少なくとも５０％、有利には、ほぼ８０％の歯幅に相応している。図３には、更に、永久磁石の磁極１２の端面が、回転子の矢印１９ａによって示した回転方向に延在している均一な平坦な面を形成し、歯幅に亘って変化する所定の空隙幅δが、専ら固定子歯１４の端面１８の不均一な湾曲によって形成されている。図３の実施例の基礎となっているのは、以下のような幾何的な寸法の機器である：
マグネットの高さｈｍａｇ＝３ｍｍ
マグネットの透磁率μｒ＝１．０５
磁極ピッチτｐ＝３１ｍｍ
最小空隙（歯の真ん中）δｏ＝１ｍｍ
図４〜７には、均一な歯幅Ｚｂまの固定子歯１４での端面１８の種々異なる実施例が示されており、この端面は、図３の実施例の磁極１２の透磁率とマグネットの高さが変わらない場合に、種々異なった磁極ピッチτｐと、歯の真ん中の下側の空隙幅δｏとによって制約されて形成される。その際、各々の磁極ピッチは、式
（４）      τｐ＝Ｄπ／２Ｐ
から得られ、その際、ｐは、回転子１１の極対の数である。
【００２３】
図４ａ及び図４ｂには、極数２ｐ＝４、回転子直径Ｄ＝５０ｍｍ、歯幅Ｚｂ＝２８ｍｍの永久磁石により励磁される電気機器が略示されている。このインナーロータ機器では、図４ａによると、最小空隙幅δｏ＝０．５ｍｍである。磁極ピッチτｐに比較して比較的小さな直径Ｄの、この円筒状の作動空隙１３で、固定子歯１４ａの端面１８ａは、真ん中の領域内で凹面状の、両側に向かって凸面状の経過を有している。図４ｂによると、固定子歯１４ａでの最小空隙幅δｏ＝２．０ｍｍでの拡大された作動空隙１３の均一な機器データで、真ん中の領域内で平坦で、両側に向かって凸面状の経過を有する端面１８ｂが形成される。空隙幅δｏ＝０．５ｍｍで、回転子１１ａが磁極ピッチに比較して真ん中の大きさの直径を有している場合も、少なくとも近似的な経過が形成される。
【００２４】
図５ａ及び図５ｂに、極数２ｐ＝２，直径Ｄ＝５０ｍｍ、歯幅Ｚｂ＝２８ｍｍを有するインナーロータ機器の歯の輪郭が示されており、比較的大きな極幅によって、ここでは、固定子歯１４ａの端面１８ｃ乃至１８ｄのところに、図３の曲線経過の比較的小さな部分だけが形成されている。端面１８は、ここでは、円筒状作動空隙１３のところに、磁極ピッチに比較して比較的小さな直径に基づいて凹状の経過の全歯幅に亘って有している。その際、図５ａの比較的小さな最小空隙幅δｏ＝１．０ｍｍで、端面１８ｃでの湾曲は、比較的大きな最小空隙幅δｏ＝２．０ｍｍの、図５ｂの端面１８ｄでの湾曲よりもほぼ強い。
【００２５】
図６ａ及び図６ｂは、永久磁石の磁極１２ｂの端面が、ディスク状の回転子１１ｂの端面上で、矢印１９ｂの回転方向に延在している平坦な面を形成している軸流機器又はリニア機器の歯輪郭を示している。従って、ここでも、歯幅Ｚｂ＝２８ｍｍに亘って変化する所定の空隙幅が、専ら固定子の固定子歯１４ｂの端面１８の不均一な凸状の湾曲部によって形成される。同じ磁極ピッチδｏ＝５０ｍｍでは、図６ａによると、比較的小さな空隙幅δｏ＝０．５ｍｍで、固定子歯１４ｂの端面１８ｅは、図６ｂの比較的大きな最小空隙幅δｏ＝２．０ｍｍの場合よりもたいして強く湾曲されていない。ここでも、磁極ピッチτｐが大きくなるにつれて、固定子歯１４ｂの端面１８ｆでの湾曲は一層扁平な形状となる。
【００２６】
図７には、永久磁石により励磁される電気機器１０ｃの一部分が、アウターロータ機器の構造形式で示されている。そこでは、回転子１１ｃは、リング状に形成されており、その際、永久磁石の磁極１２ｃは、その内面に設けられており、その内周には、矢印１９ｃの回転方向に延在している均一な、平坦面２０を形成している。磁極１２ｃは、ここでは、円筒状の作動空隙１３ｃを介して半径方向に外側に配向された、内部に支承された固定子１５ｃの固定子歯１４ｃと共働する。そこでは、固定子歯１４ｃの端面１８ｇは、不均一に凸状に湾曲しており、その際、この湾曲は、歯の真ん中Ｘから回転方向の両側に向かって低減されていて、式（１）による空隙幅δを達成するようにされている。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】内部磁極回転子としての本発明の電気機器の横断面図
【図２】磁極幅に亘る作業空隙内の磁束の経過を示す図
【図３】磁極ピッチに亘る空隙幅δの経過を示す図
【図４】ａ，ｂは歯の真ん中に種々異なる空隙幅を有する多極電気機器の歯の輪郭を示す図
【図５】ａ，ｂは歯の真ん中に種々異なる空隙幅を有する２極電気機器の歯の輪郭を示す図
【図６】ａ，ｂは歯の真ん中に種々異なる空隙幅を有する軸流機器の歯の輪郭を示す図
【図７】内部支承された固定子の、本発明による歯の輪郭を有するアウターロータ機器の部分断面図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図７】
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【国際調査報告】
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