(57)【要約】電気機械、とりわけブラシレス同期電動機が提示され、このブラシレス同期電動機は、スタータ（１４）及び周囲に亘って分散配置された突極（１８）を有するロータ（１２）を有し、突極（１８）はそれぞれエンクローズされた永久磁石（１１）を有し、さらにスタータ（１４）とロータ（１２）との間のエアギャップ（１３）を限定する半径方向に外部へと延びる磁極片（１９）を有する。小さなコギングトルク及び僅少な回転トルクリップルを実現するために、磁極片（１９）は磁気異方的に半径方向の突極軸に対してパラレルに延在する比較的大きな磁気的伝導性の優先方向を有するように構成されている。
2006509483.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械、とりわけブラシレス同期電動機であって、スタータ（１４）及び周囲に亘って分散配置された突極（１８）を有するロータ（１２）を有し、前記突極（１８）はそれぞれエンクローズされた永久磁石（１１）を有し、さらに前記スタータ（１４）と前記ロータ（１２）との間のエアギャップ（１３）を限定する半径方向に外部へと延びる磁極片（１９）を有する、電気機械、とりわけブラシレス同期電動機において、
磁極片（１９）は磁気異方的に半径方向の突極軸に対してパラレルに延在する比較的大きな磁気的伝導性の優先方向を有するように構成されていることを特徴とする、電気機械、とりわけブラシレス同期電動機。
【請求項２】
磁気異方性を得るために、磁極片（１９）の中に複数の互いに間隔をおいて配置されたフラックスバリア（２２）が組み込まれており、該フラックスバリア（２２）は半径方向の突極軸に対してパラレルに延在していることを特徴とする、請求項１記載の機械。
【請求項３】
フラックスバリア（２２）は磁気的に伝導性のない材料から成る含有物によって形成されていることを特徴とする、請求項２記載の機械。
【請求項４】
フラックスバリア（２２）は磁極片（１９）における切欠部（２３）によって形成されていることを特徴とする、請求項２記載の機械。
【請求項５】
ロータ（１２）は多角形プリズム状ロータコア（２０）を有し、該ロータコア（２０）には永久磁石（１１）が当接しており、
磁極片（１９）は前記永久磁石（１１）を該永久磁石（１１）の前記ロータコア（２０）に当接した側面とは正反対の側面において被覆し、周囲方向において一体構造で互いに隣接しており、さらに接触箇所において細い半径方向支柱（２１）によって前記ロータコア（２０）に一体構造で結合されており、
磁極片（１９）及び半径方向支柱（２１）を有する前記ロータコア（２０）は多数の一体構造の互いに隣接した金属薄板から組み立てられており、
前記切欠部（２３）は前記永久磁石（１１）のための挿入開口部の方に向いている櫛開口部によって金属薄板に櫛状に打ち抜かれていることを特徴とする、請求項４記載の機械。
【請求項６】
磁極片（１９）毎の切欠部（２３）の個数は突極幅及び金属薄板の厚さに依存して選択されていることを特徴とする、請求項５記載の機械。
【請求項７】
磁気異方性を得るために、磁極片（１９）は２Ｄ異方性ＳＭＣ鉄粉材料から製造されることを特徴とする、請求項１記載の機械。
【請求項８】
ロータ（１２）は多角形プリズム状ロータコア（２０）を有し、該ロータコア（２０）には永久磁石（１１）が当接しており、
磁極片（１９）は前記永久磁石（１１）を該永久磁石（１１）の前記ロータコア（２０）に当接する側面とは正反対の側面において被覆することを特徴とする、請求項７記載の機械。
【請求項９】
磁極片（１９）は、ロータ軸と同心の、磁気的伝導性のない又は磁気的伝導性の不十分な材料から成る保護管（２５）によって取り囲まれていることを特徴とする、請求項８記載の機械。
【請求項１０】
永久磁石（１１）は直方体状に形成されており、最大磁石面（１１１、１１２）上の垂線に対してパラレルに経過する磁化方向を有し、
磁極片（１９）の比較的大きな磁気的伝導性の優先方向は前記永久磁石（１１）の磁化方向（２７）と一致することを特徴とする、請求項１〜９のうちの１項記載の機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は請求項１の上位概念記載の電気機械、とりわけブラシレス同期電動機に関する。
【０００２】
インナーロータモータとして構想された従来の永久磁石励磁型ブラシレス同期電動機では、ロータとステータとの間の作動エアギャプにおいて励磁フィールドを発生する永久磁石がシェルセグメントとしてロータの表面上に固定されている。このような同期電動機は、最適化された場合には、低いコギングトルク及び僅少な回転トルクリップルを有し、このことは非常にスムースな回転トルクが要求されるモータの所定の適用事例においては非常に有効である。このモータの欠点は高い製造費であり、この高い製造費はとりわけシェル状の永久磁石の製造に基づいており、このシェル状の永久磁石はシェル形状を作り出すために研磨されなければならない。
【０００３】
従って、製造コストを低減するために、永久磁石がロータに組み込まれて、その中に「埋め込まれて」いるブラシレス同期電動機が開発された（ＥＰ１０２８０４７Ａ２）。「埋め込まれる」永久磁石は大抵の場合矩形状であり、簡単に永久磁石材料の大きなブロックからカットされ、このことはシェルセグメント磁石に比べてコスト節減をもたらす。「内部に埋め込まれた」永久磁石を有するこのような公知のブラシレス同期電動機は、ＩＰＭモータとも呼ばれ、最適化されていてもロータ表面上にシェル状の永久磁石を有する類似のモータよりもはるかに高いコギングトルク及び回転トルクリップルを持つ傾向がある。
【０００４】
本発明の利点
請求項１の特徴部分記載の構成を有する本発明の電気機械、とりわけ本発明のブラシレス同期電動機は公知のＩＰＭモータに比べてはるかに低減されたコギングトルク及びはるかに僅少な回転トルクリップルの利点を有する。ロータ表面上にシェル状の永久磁石セグメントを有する公知のブラシレス同期電動機に比べて、製造コストははるかに低く、公知のＩＰＭモータの場合と同じレベルにある。
【０００５】
本発明の磁極片の磁気異方性によって、すなわち「埋め込まれた」永久磁石を作動エアギャップの方に配置したロータの領域の磁気異方性によって、誘導される電圧又はＥＭＫの経過は、ほぼ台形状の電圧経過を有する公知のＩＰＭモータの場合と異なり、正弦波状になり、その結果、ＥＭＫのひずみ率はより小さくなり、これにより正弦波状の給電電流の使用において回転トルクリップルがより小さくなる。事前コミュテーションが使用されない場合には、ＥＭＫのピーク値が上昇し、これによりモータから送出される平均回転トルクも上昇する。さらに、磁極片の磁気異方性によって鉄損が磁極片において低減し、従ってアーマチュア横方向フィールドも低減される。高い巻線電流の場合には、公知のＩＰＭモータに比べて低下したサリアンス（Schenkeligkeit／salience）（これは直軸インダクタンスＬｄに対する横軸インダクタンスＬｑの比率）を生じ、この低下したサリアンスは理想的には１であるべきであり、これは回転トルクリップルも低減する。
【０００６】
更に別の請求項に記載されている構成は請求項１に記載された電気機械の有利な改良実施形態を提供する。
【０００７】
本発明の有利な実施形態によれば、永久磁石は矩形状に形成され、比較的大きな磁石面上の垂線に対してパラレルに経過する磁化方向を有する。磁極片の比較的大きな磁気的伝導性又は比透磁率の優先方向は、永久磁石の磁化方向に向くように配向されている。
【０００８】
本発明の有利な実施形態によれば、磁気異方性を得るために、磁極片の中に複数の互いに間隔をおいて配置されたフラックスバリアが組み込まれており、これらのフラックスバリアは半径方向の突極軸に対してパラレルに延在している。有利には、フラックスバリアは磁極片における切欠部によって形成されており、代替的にフラックスバリアは磁気的に伝導性のない材料から成る含有物によっても実現されうる。フラックスバリアの切欠部としての形成は、磁極片の質量を低減し、この低減は例えばロータの６ポール又は４ポールの構成に対して約３４％であるという利点を有する。低減された質量は慣性モーメントの低下をもたらし、このことはまた電気機械のダイナミック特性を改善する。低下した遠心力は同じ半径方向支柱幅においてより高い回転数を可能にする。
【０００９】
本発明の代替的な実施形態によれば、磁気異方性を得るために、磁極片は２Ｄ異方性のＳＭＣ（Soft Magnetic Composite）鉄粉材料から製造される。この材料の磁気特性は優先方向に対する垂直方向よりも優先方向においてほぼ４〜５倍良好であり、例えば比透磁率は優先方向において約８００であり、優先方向に対して垂直方向の比透磁率は約２００である。
【００１０】
図面
本発明を図面に図示された実施例に基づいて以下の記述で詳しく説明する。
【００１１】
図１は概略的に図示された６ポールのブラシレス同期電動機の断面図である。
【００１２】
図２はフラックス経過が記入された図１の部分ＩＩの拡大図である。
【００１３】
図３〜９は公知のＩＰＭモータに対する利点を説明するためのモータの特性の様々な線図を示す。
【００１４】
図１０は概略的に図示された更なる実施例によるブラシレス同期電動機の断面図の部分である。
【００１５】
実施例の記述
図１に断面図で一般的な電気機械の実施例として概略的に図示されたブラシレス同期電動機はインナーロータモータとして構成されており、永久磁石１１を設けられたロータ１２及び作動エアギャップ１３を形成してこのロータ１２を同心に取り囲むステータ１４を有する。ステータ１４はヨークリング１５及び多数のステータ歯１６から成り、これらのステータ歯１６はヨークリング１５から半径方向に内部へ向かって張り出しており、周囲方向において等間隔で配置されている。各ステータ歯１６には環状コイル１７が巻き付けられており、図１ではステータ巻線の１つの相又は巻線の環状コイル１７だけが図示されている。図１の実施例では、ステータ巻線は、３相に又は３巻線にそれぞれ３つの直列に又は並列に接続された環状コイル１７によって構成されている。相応にステータ歯１６の個数は９個である。
【００１６】
例として６ポールで構成された同期電動機のロータ１２はそれぞれエンクローズされた永久磁石１１及びこれらの永久磁石１１において半径方向に外部にエアギャップ１３へとつづく磁極片１９を有する６個の突極１８を有する。ロータ１２は多角形のプリズム状のロータコア２０を有し、このロータコア２０は６ポール同期電動機の実施例では６角プリズムである。中心の円筒状の開口部２６はロータシャフトにロータコア２０を挿入するために使用される。６角形のロータコア２０の各プリズム側面には、それぞれフラットな直方体として構成されている永久磁石１１がその大きな磁石面１１１によって当接しており（図２）、この結果、磁石面上の垂線は半径方向に向いている。この磁石面１１１と正反対の同じ大きさの磁石面１１２は磁極片１９によって被覆される。全ての突極１８の磁極片１９は周囲方向に互いに一体構造に隣接しており、ここでは細い半径方向支柱２１によってロータコア２０に一体構造に結合されている。半径方向支柱２１は６角形プリズムの角から突き出ている。磁極片１９及び半径方向支柱２１を有するロータコア２０は一体構造の互いに隣接した明確に輪郭付けられた多数の金属薄板から組み立てられている。突極１８の中に収容された永久磁石１１は、その磁化方向が大きな磁石面１１１、１１２上の垂線に対してパラレルに経過するように磁化されており、周囲方向に互いに連続する永久磁石１１において磁化方向は１８０°回転されており、この結果、隣接する突極１８において磁化方向は反対となっている。
【００１７】
正弦波状の巻線電流とともに非常に僅少な回転トルクリップルを有する回転トルク経過を生じる誘導される電圧の正弦波状の経過を得るために、エアギャップ１３の方に永久磁石１１の前に配置された磁極片１９が磁気異方性をもつように構成されており、これらの磁極片１９は比較的大きな磁気的伝導性又は透磁率の優先方向を有し、この優先方向は半径方向の突極軸に対してパラレルに経過し、すなわち永久磁石１１の磁化方向と一致する。突極１８のこの異方性によって、図２に記入されている磁力線の経過から識別されるように、磁束は突極１８においてパラレルな方向に強制的に向けられる。
【００１８】
図１及び図２に図示された同期電動機の実施例では、磁気異方性は複数のフラックスバリア２２によって得られる。これらのフラックスバリア２２は互いに間隔をおいて半径方向の突極軸にパラレルに経過するように磁極片１９に組み込まれている。磁束に対するフラックスバリア２２はこの場合切欠部２３によって実現されており、これらの切欠部２３はロータ１２のための金属薄板の薄板切断と共に櫛状に薄板コアの方に向いた櫛開口部によって打ち抜かれる。これらの櫛開口部は永久磁石１１をはめ込むとその磁石面１１２に当接する。磁極片１９毎の切欠部２３の個数は突極１８の幅すなわち永久磁石１１及び磁極片１９の周囲方向における幅と金属薄板の厚さに依存して選択される。有利には、切欠部２３の個数はできるだけ大きく（小さいモータの場合には約１０〜２０）、周囲部の切欠部２３の個数は同期電動機の磁極数の増加によって増加する。
【００１９】
ここでは図示されていないが、フラックスバリアは代替的に磁気的に伝導性の無い材料からなる含有物により形成されることも可能であり、これらの含有物はまた互いにパラレルな間隔をおいて磁極片１９に配置される。
【００２０】
図３〜図９までの線図では、フラックスバリアのない公知の同じように設計されたＩＰＭモータとの比較において９種類の前述の図１及び２の同期電動機の有利な電磁的特性が説明される。線図において１と記されている曲線は図１及び２によるフラックスバリアを有する同期電動機を示し、２と記されている曲線は磁極片にフラックスバリアの無い公知の従来のＩＰＭモータに所属する。図３〜５及び図７及び８の線図の同期電動機の様々な電磁的特性は、図２において定義されているように、それぞれ磁石幅ｂとの関係において図示されている。磁石幅ｂは電気的な角度において指示されている。図示された結果は傾斜したロータ又はステータなしのモータに関する。
【００２１】
図３の線図は磁石幅ｂとの関連におけるコギングトルク経過を示す。フラックスバリアを有する同期電動機の磁石幅ｂの最適な角度はほぼ電気的に１２８°であり、この角度ではほんの０．０５Ｎｍしかないコギングトルクのピーク-ピーク値が発生され、これに対して公知のＩＰＭモータでは磁石幅の電気的に１２０°の最適角度において最適値は０．５７Ｎｍである。従って、多数のパラレルなフラックスバリア２２による異方性のある突極１８によって、コギングトルクの最小ピーク-ピーク値の９１％の低減が実現される。注意すべきは、０．０５Ｎｍのこの実現された値はロータ１２の表面にシェル磁石を有する類似のモータにより発生される最小値より良好でもあることである。
【００２２】
図４の線図は磁石幅ｂとの関係における誘導電圧経過のひずみ率を示す。１４０°磁石幅において１％の電圧経過のひずみ率が発生され、これに対して電気的に１２７°の磁石幅の最適角度において異方性のない従来のＩＰＭモータにおいて最適値２．２％である。１．０％のこのファクタはロータ表面にシェルセグメントを有する類似のモータにより発生される最小値に等しい。
【００２３】
図５は誘導電圧（elektromotorische Kraft=ＥＭＫ）の経過の基本振動のピーク値を磁石幅ｂに関して示す。フラックスバリアを有する同期電動機の基本振動値のピークは全ての磁石幅において平均して１．２％だけ公知のＩＰＭモータより高い。基本振動のピークの最大上昇は電気的に１２０°の磁石幅において公知のＩＰＭモータの場合よりも８．５％高い。
【００２４】
図６はフラックスバリアのない公知のＩＰＭモータとフラックスバリアを有する同期電動機の巻線の誘導電圧（ＥＭＫ）の経過を示し、より詳しく言えば電気的に１４０°の同じ磁石幅の場合を示す。公知のＩＰＭモータのひずみ率３．９％と比べてフラックスバリアを有する同期電動機により発生されるほんの１．０％のひずみ率（図４参照）のために、ＥＭＫの経過は明らかに公知のＩＰＭモータの場合よりも正弦波状であり、公知のＩＰＭモータではより台形状の経過が観察されうる。
【００２５】
図７は様々な磁石幅ｂにおける両方の比較すべきモータの回転トルクリップルを示す。フラックスバリアを有する同期電動機の最適値はほぼ電気的に１３３°であり、ほんの０．３４Ｎｍの回転トルクリップルのピーク-ピーク値が達成される。これに対して、電気的に１２０°の磁石幅の最適角度において公知のＩＰＭモータでは最適値は０．４８Ｎｍである。本発明の同期電動機では多数のパラレルなフラックスバリアを有する異方性突極ジオメトリの適用によって回転トルクリップルのピーク-ピーク値の２９％の低減が達成される。注意すべきことは、この０．３４Ｎｍのリップルも同様にロータ１２の表面にシェルセグメントを有する類似のモータにおいて達成される最小値よりも良好であることである。
【００２６】
図８は平均回転トルクと磁石幅ｂとの関係を示す。フラックスバリアを有する同期電動機の平均回転トルクは全磁石幅において平均して公知のＩＰＭモータの場合よりも３．１％高い。平均回転トルクの最大上昇は４．８％である。この場合、事前コミュテーションは使用されなかった。
【００２７】
線図９は巻線電流の実効値と両方のモータのサリアンスＬｑ／Ｌｄとの関係を示す。非常に低い回転トルクリップルが要求される同期電動機の適用において、モータは巻線電流スペクトル全体に亘って１．０％のサリランスを持つべきである。この条件はロータ表面上にシェル磁石を有するモータによって充たされる。横軸インダクタンスＬｑが直軸インダクタンスＬｄよりも大きい場合には、これは回転トルクリップの増大をもたらす。
【００２８】
フラックスバリアなしの公知のＩＰＭモータでは巻線電流の増大によって直軸磁束通路が飽和し、これによって直軸インダクタンスＬｄが低下する。しかし、横軸磁束通路は飽和せず、それゆえ横軸インダクタンスＬｑは巻線電流の増大においてほとんど一定のままである。この関係にもとづいて、公知のＩＰＭモータのサリアンスは巻線電流とともに上昇する（図９の曲線２参照）。この例では、公知のＩＰＭモータの最大サリアンスは４０Ａの実効巻線電流において１．４５である。フラックスバリアを有する本発明の同期電動機では巻線電流の上昇において直軸及び横軸磁束通路が飽和する。しかし、横軸インダクタンス降下は直軸インダクタンス降下よりも低い。１．０のサリアンスはなるほど達成されないが、公知のＩＰＭモータに比べてサリアンスは大きく低下し、この例では１５Ａの実効巻線電流以降は１．１５でしかない。
【００２９】
図１０に部分的に断面図において図示される修正された同期電動機では、突極１８における磁気異方性を得るために磁極片１９が２Ｄ異方性ＳＭＣ（Soft Magnetic Composite）鉄粉材料から製造されている。この材料は、図１０において矢印２４により示されているように、磁化乃至は透磁率の優先方向を有する。この磁気的優先方向における材料の磁気的特性は、この優先方向に対して垂直方向のこの材料の磁気的特性よりもはるかに良好であり、例えばほぼ４倍から５倍は良好である。例えば優先方向（矢印２４）におけるこの材料の比透磁率はほぼ８００であり、他方でこの優先方向に対して横断方向（矢印２４に対して垂直方向）の最大比透磁率は約２００である。このコア配向された（core-oriented）ＳＭＣ鉄粉材料によっても、フラックスバリアの形成の場合のように磁極片１９におけるパラレルなフラックス経過が得られ、このことはモータの上述の有利な特性をもたらす。永久磁石１１の磁化方向２７は図１０では矢印２７によって示されている。２つの隣接する永久磁石１１において磁化方向２７は反対である。
【００３０】
図１０のロータでもロータコア２０は多角形プリズムとして構成されており、図示されているように、同期電動機の６ポールの設計においては６角プリズムである。同様に直方体状の永久磁石１１がそれぞれ６角プリズムの面に当接しており、その面の反対側の側面において磁極片１９によって被覆されている。磁極片１９は磁気的に伝導性のない又は磁気的に不十分にしか伝導性のない材料からなる同心の保護管２５によって取り囲まれており、この材料は磁極片１９のＳＭＣ材料及びロータ１２を全体として保護している。ロータコア２０はマッシブな鋼鉄から成るか又は多数の互いに隣接した金属薄板から組み立てられており、これらの金属薄板はそれぞれ打ち抜かれた中心の円形状の開口部２６を有する６角形プロフィールを有する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】概略的に図示された６ポールのブラシレス同期電動機の断面図である。
【図２】フラックス経過が記入された図１の部分ＩＩの拡大図である。
【図３】公知のＩＰＭモータに対する利点を説明するためのモータの特性の線図を示す。
【図４】公知のＩＰＭモータに対する利点を説明するためのモータの特性の線図を示す。
【図５】公知のＩＰＭモータに対する利点を説明するためのモータの特性の線図を示す。
【図６】公知のＩＰＭモータに対する利点を説明するためのモータの特性の線図を示す。
【図７】公知のＩＰＭモータに対する利点を説明するためのモータの特性の線図を示す。
【図８】公知のＩＰＭモータに対する利点を説明するためのモータの特性の線図を示す。
【図９】公知のＩＰＭモータに対する利点を説明するためのモータの特性の線図を示す。
【図１０】概略的に図示された更なる実施例によるブラシレス同期電動機の断面の部分である。
【符号の説明】
【００３２】
１  フラックスバリアを有する同期電動機の特性曲線
２  公知のＩＰＭモータの特性曲線
１１  永久磁石
１２  ロータ
１３  作動エアギャップ
１４  ステータ
１５  ヨークリング
１６  ステータ歯
１７  環状コイル
１８  突極
１９  磁極片
２０  ロータコア
２１  半径方向支柱
２２  フラックスバリア
２３  切欠部
２４  矢印
２５  保護管
２６  開口部
２７  矢印
１１１  磁石面
１１２  磁石面
【図１】
2006509483.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2006509483.tif 000012
【国際調査報告】
2006509483.tif 000013
2006509483.tif 000014
2006509483.tif 000015
2006509483.tif 000016
2006509483.tif 000017
2006509483.tif 000018