(57)【要約】      （修正有）【課題】磁束誘導及びコギングトルクに関して優れた特性を有する一方、ステータ歯への簡単な巻回を可能にするステータ構造と、回転位置センサが内部に適切に配置された電気機械とを提供する。【解決手段】ステータ歯１６は、ステータ保磁子リング１４から半径方向に延在しており、ステータ歯１６の自由端にはステータ極が形成されており、ステータ歯１６がその自由端の部位において、ステータ本体と同軸に延在するスリーブ１２と結合されている。また、互いに同軸に配置されたステータ構造及びロータ構造を備え、当該ロータ構造が、内部に永久磁石が埋設されたロータ本体を有している電気機械、特にブラシレス直流モータにおいて、ロータの回転位置を検出するための少なくとも一つの磁気センサが、ロータ本体の端面に配置されており、さらに、当該端面に直接対向している。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに同軸に配置されたステータ及びロータを備え、前記ステータは、ステータ保磁子リング（１４）と、巻線を収容するためのステータ溝がそれぞれの間に形成された複数のステータ歯（１６）とを有するステータ本体（１０）を備え、前記ロータは、内部に永久磁石が埋設されたロータ本体を有し、前記ステータ歯（１６）は、前記ステータ保磁子リング（１４）から半径方向に延在しており、前記ステータ歯（１６）の自由端には、ステータ極が形成されている、特に直流モータのステータ構造を含む電気機械において、前記ステータ歯（１６）は、その自由端の部位において、前記ステータ本体（１０）と同軸に延在するスリーブ（１２）と結合されており、前記ロータの回転位置を検出するための磁気センサが前記ロータの軸方向端面側に配置されていることを特徴とする電気機械。
【請求項２】
前記スリーブ（１２）は、それぞれ二つの隣接する前記ステータ歯（１６）の間において軸方向に延在するスリット（２２）を有していることを特徴とする請求項１に記載の電気機械。
【請求項３】
前記スリーブ（１２）は、強磁性材料から製作されており、前記ステータ歯（１６）の自由端の部位において磁極片を形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の電気機械。
【請求項４】
前記スリーブ（１２）は、前記ステータ溝の方を向いている表面が電気絶縁材料によりコーティングされていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項５】
前記スリーブ（１２）は、前記ステータ溝とは反対を向いている方の表面が電気絶縁材料によりコーティングされていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項６】
前記スリーブ（１２）は、打ち抜かれて丸められた薄板から製作されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項７】
前記薄板は、前記スリーブ（１２）を前記ステータ歯（１６）に装着するために柔軟であることを特徴とする請求項６に記載の電気機械。
【請求項８】
前記薄板は、継目部位（３２）の箇所において、開いたスリーブ（１２）になるように丸められていることを特徴とする請求項６又は７に記載の電気機械。
【請求項９】
前記スリーブ（１２）に、前記ステータ歯（１６）と連結するための切欠き（１８）が形成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項１０】
前記ステータ歯（１６）と連結するための前記切欠き（１８）は、前記スリーブ（１２）の少なくとも一方の軸方向端部において閉じた、軸方向に延在するスリットによって形成されていることを特徴とする請求項９に記載の電気機械。
【請求項１１】
前記ステータ歯（１６）に、前記スリーブ（１２）が内部で保持される側方の溝（３６）が形成されていることを特徴とする請求項９又は１０に記載の電気機械。
【請求項１２】
前記スリーブ（１２）と前記ステータ歯（１６）とが、特に溶接又は接着によって互いに堅固に連結されていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項１３】
前記スリーブ（１２）の少なくとも一方の軸方向端部は、前記ステータ本体（１０）の端面から軸方向に突出していることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項１４】
前記ステータ歯（１６）は、前記ステータ保磁子リング（１４）から半径方向内側に向かって突出していることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のインナーロータ型モータの電気機械。
【請求項１５】
前記電気機械は、プラスチック又は合成樹脂により押出被覆されていることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項１６】
請求項１３及び１４に記載の電気機械を備える直流モータにおいて、ロータ（２４）が、前記ステータ本体（１０）に同軸に挿入されており、前記ロータ（２４）の端面にある回転位置センサが、軸方向に突出する前記スリーブ（１２）の半径方向内部に配置されていることを特徴とする直流モータ。
【請求項１７】
ステータ保磁子リング（１４）と、巻線を収容するためのステータ溝がそれぞれの間に形成された複数のステータ歯（１６）とを有するステータ本体（１０）を準備するステップであって、前記ステータ歯（１６）は、前記ステータ保磁子リング（１４）から半径方向に延在しており、前記ステータ歯（１６）の自由端にはステータ極が形成されている、ステップと、
前記ステータ本体（１０）に位相巻線を巻回するステップと、
前記ステータ歯（１６）をその自由端の部位において、前記ステータ本体（１０）と同軸に延在するスリーブ（１２）と連結するステップと、
内部に永久磁石が埋設されたロータ本体を有しているロータを、前記ステータ本体（１０）と互いに同軸に配置するステップと、
前記ロータの回転位置を検出するための磁気センサを、前記ロータの軸方向端面側に配置するステップと、
を備えていることを特徴とする、特に直流モータのステータ構造を含む電気機械の製造方法。
【請求項１８】
前記スリーブ（１２）は、薄板から打ち抜かれて丸められ、このとき、前記薄板は、前記スリーブ（１２）が前記ステータ歯（１６）との連結後にそれぞれ二つの隣接する前記ステータ歯（１６）の間において軸方向に延在するスリット（２２）を有するように打ち抜かれることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記スリーブ（１２）は、強磁性材料から製作され、前記ステータ歯（１６）の自由端に磁極片を形成することを特徴とする請求項１７又は１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記スリーブ（１２）は、前記ステータ歯（１６）への装着後に個々の磁極片に分割されることを特徴とする請求項１８及び１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記スリーブ（１２）は、前記ステータ溝の方を向いている表面が電気絶縁材料によりコーティングされることを特徴とする請求項１７乃至２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記スリーブ（１２）は、前記ステータ溝とは反対を向いている方の表面が電気絶縁材料によりコーティングされることを特徴とする請求項１７乃至２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
前記スリーブ（１２）は、継目部位（３２）の部位において、前記スリーブ（１２）が開くように薄板から打ち抜かれて丸められることを特徴とする請求項１７乃至２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
前記スリーブ（１２）に、前記ステータ歯（１６）と連結するための切欠き（１８）が形成されることを特徴とする請求項１７乃至２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
前記スリーブ（１２）は、前記切欠き（１８）において前記ステータ歯（１６）の自由端に押し付けられることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記スリーブ（１２）は、前記切欠き（１８）において前記ステータ歯（１６）の自由端に軸方向に押し込まれることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記ステータ歯（１６）に側方の溝（３６）が形成されており、その内部で前記スリーブ（１２）は、軸方向に案内されることを特徴とする請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記スリーブ（１２）は、特に溶接又は接着により前記ステータ歯（１６）と堅固に連結されることを特徴とする請求項１７乃至２６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２９】
前記ステータ構造は、前記スリーブ（１２）の装着後にプラスチック又は合成樹脂により押出被覆されることを特徴とする請求項１７乃至２８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３０】
前記スリーブ（１２）は、条溝又は面取りによって剛性を与えられていることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項３１】
互いに同軸に配置されたステータ及びロータを備え、前記ロータは、内部に永久磁石が埋設されたロータ本体を有している電気機械において、前記ロータの回転位置を検出するための磁気センサが前記ロータの軸方向端面側に配置されていることを特徴とする電気機械。
【請求項３２】
互いに同軸に配置されたステータ構造（１３４）とロータ構造（１３２）とを備え、前記ロータ構造が、ロータ本体（１４０）と、前記ロータ本体に埋設された永久磁石（１４４）とを有している電気機械、特にブラシレス直流モータにおいて、前記ロータ本体（１４０）の回転位置を検出するために、少なくとも一つの磁気センサ（１５２）が、前記ロータ本体の一方の軸方向端面側に配置され、当該端面に直接対向していることを特徴とする電気機械。
【請求項３３】
前記永久磁石（１４４）は、前記ロータ本体（１４０）にスポーク状に配置されていることを特徴とする請求項３２に記載の電気機械。
【請求項３４】
前記ロータ本体（１４０）に、少なくとも一方の端部の部位において開いた切欠き（１４２）が前記永久磁石（１４４）を収容するために形成されていることを特徴とする請求項３２又は３３に記載の電気機械。
【請求項３５】
前記ロータ本体（１４０）は、磁石が組み付けられた後、磁性材料又は非磁性材料により端面側において封止されることを特徴とする請求項３４に記載の電気機械。
【請求項３６】
前記磁気センサ（１５２）は、埋設された前記永久磁石（１４４）の内径（ｒ１）乃至外径（ｒ２）の間に半径Ｒが位置する円環の上に配置されていることを特徴とする請求項３３又は３４に記載の電気機械。
【請求項３７】
前記磁気センサ（１５２）は、ホールセンサ、ＭＲセンサ又はＧＭＲセンサを含むことを特徴とする請求項３２乃至３６のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項３８】
二つ又は三つ又は四つの磁気センサ（１５２）が、前記ロータ本体（１４０）の端面に１８０°、１２０°又は９０°だけ電気的にオフセットされた状態で配置されていることを特徴とする請求項３６に記載の電気機械。
【請求項３９】
前記磁気センサ（１５２）は、配線板（１５０）の上に配置されていることを特徴とする請求項３２乃至３８のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項４０】
前記ロータ構造（１３２）と前記ステータ構造（１３４）との間にスリーブが挿入されていることを特徴とする請求項３２乃至３９のいずれか一項に記載の電気機械。
【請求項４１】
前記スリーブは、強磁性材料を含んでいることを特徴とする請求項４０に記載の電気機械。
【請求項４２】
センサ装置（１４８）が位置決めされている前記ロータ構造（１３２）の少なくとも一方の端面において、前記スリーブは、軸方向に当該端面から突出していることを特徴とする請求項４０又は４１に記載の電気機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機械、電気機械のステータ構造、ステータ構造の製造方法、及び、そのようなステータ構造を用いた直流モータに関する。本発明に係るステータ構造は、様々な種類の電気機械において採用することができ、特に、直流モータ用や直流発電機用として意図することができる。
【０００２】
また、本発明は、請求項３２の上位概念に記載されている電気機械、特にブラシレス直流モータに関する。このような電気機械は、互いに同軸にアライメントされたステータ構造及びロータ構造を備えており、ロータ構造は、ロータ本体と、ロータ本体に埋設された永久磁石とを有している。
【背景技術】
【０００３】
本発明の一つの有利な利用分野及び適用分野は、特に、インナーロータ型モータ又はアウターロータ型モータとして設計され得るブラシレス直流モータ及びその他の永久磁石モータである。
【０００４】
永久磁石を用いたインナーロータ型の設計を有する電動モータ、又は、本発明を適用することが可能な電気モータは、シャフトに装着されたロータ保磁子若しくはロータ本体を有しており、一つ若しくは複数の永久磁石がロータ保磁子若しくはロータ本体に装着されているか、又は、これに埋設されている。永久磁石がロータ保磁子若しくはロータ本体に埋設される場合、特にスポーク状に埋設され得る。
【０００５】
さらに、上記モータは、通常、ステータ歯が半径方向内側又は外側に向かって突出する環状のステータ保磁子を形成する、一体化された複数の金属板により通常構成されるステータ構造を備えている。ステータ歯はステータ極を形成し、それらの間には巻線を収容するためのステータ溝が形成されている。
【０００６】
ロータ構造は、ステータ構造の中に同軸に挿入されており（アウターロータ型モータの場合）、又は、ステータ構造を同軸に取り囲む（インナーロータ型モータの場合）。
【０００７】
モータを取り付けるために少なくとも一方の端面側のフランジを有するハウジングの中に、ロータ及びステータが収容されているのが通常である。
【０００８】
しかしながら、ステータ鉄心の外面がモータを外方に向かって封止するモータも知られている。多くのモータでは、ステータは溝のある積層鉄心からできており、例えば絶縁された銅線からなる巻線がステータの溝に収容される。通常、ステータ歯は、その自由端の部位において幅広になっており、磁束をできるだけ収容して電気機械のコギングトルクを低減する役割を果たすいわゆる磁極片を有している。
【０００９】
磁極片には、溝の内部において巻線をその位置に固定するという追加の機能もある。電気機械のコギングトルクを低減して磁束を最適化するために、磁極片は、可能な限り幅広であるのが望ましい。
【００１０】
しかしながら、幅広の磁極片の欠点は、巻線の線材をステータ溝に挿通するために比較的細い間隙しか空けておけないことである。
【００１１】
ところで、ブラシレス直流モータを動作させるとき、整流信号を生成するために、ロータの回転位置を検出することが必要である。さらに、様々な用途において、回転速度及び回転方向も検出するのが好ましい。この目的のために、従来の技術では、回転位置センサが用いられるのが普通である。このような回転位置センサは、実際にはホール素子が大半であるが、それ以外の磁気センサ、例えばＭＲ（磁気抵抗式）やＧＭＲ（巨大磁気抵抗式）のセンサ素子も知られている。
【００１２】
環状のロータ保磁子の円周に磁石が配置されているモータの場合、有線式のいわゆる縦置きのホール素子を使用することが知られており、この場合、ロータから半径方向に出ていく磁界の極性を検出することができる。このような構成が図７ａ及び図７ｂに示されている。図７ａは、従来の技術に基づくブラシレス直流モータの縦断面図を示しており、図７ｂは、図７ａのＡ−Ａ平面における断面図を示している。
【００１３】
このモータは、ロータ構造を支持するシャフト１１０を備えている。ロータ構造は、ロータ保磁子１１２と、ロータ保磁子１１２の外側円周に装着された一つ又は複数の永久磁石１１４とを備えている。ロータ構造は、ステータ本体１１６とステータ巻線１１８とを有するステータ構造に同軸に挿入されている。ステータ本体１１６は、例えば打抜かれて一体化された積層薄板によって形成される。ステータ巻線１１８は、図７ａではその巻線頭部１１８’，１１８’’により模式的に図示されている。
【００１４】
図７ａに見られるように、ロータ構造１１２，１１４は軸方向に延在しており、一方の端面において、ほぼ対応する巻線頭部１１８’の高さまで延長されている。この端面には、ホール素子１２２を支持する配線板１２０が配置されている。ロータ構造１１２，１１４を軸方向に延長させることには、ホール素子がロータ磁石１１４の半径方向の磁界成分を検知するという目的がある。
【００１５】
ロータ構造１１２，１１４の軸方向の延長部は、強磁性の磁性材料やある程度の追加の製造費用のために、無視することのできない付加コストを生じさせる。さらに、ホール素子１２２は、隣接するステータ巻線の磁界によって妨害を受ける。
【００１６】
図７ａ及び図７ｂに示す従来の技術の構成では、ホール素子１２２には、特に、配線板１２０にはんだ付けしなければならない有線式の部品が用いられ、それが付加コストを生じさせる。この実施の形態では、永久磁石１１４の半径方向の漏れ磁束が検出される。
【００１７】
従来の技術では、ロータ構造の永久磁石の軸方向の漏れ磁束を検出することも知られている。その一例が図８ａ及び図８ｂに示されている。図８ａ及び図８ｂでは、前出の図面と類似する部品には同じ符号が付されている。図８ａでも、永久磁石１１４は、ロータ保磁子１１２の外側円周に配置されている。しかし、この場合には、ロータ構造は軸方向に延長されているのではなく、その端面に、ホールセンサ１２２を支持し、ロータ構造１１２，１１４の端面と対向する配線板１２０が配置されている。配線板１２０は、巻線頭部１１８’の内部に位置することになる。この実施の形態は、ロータ構造を軸方向に延長させる必要がないので、最初の実施の形態に比較して材料が節減され、モータの全高が大きくならないという利点がある。この実施の形態の欠点は、永久磁石１１４の軸方向の漏れ磁束は半径方向の漏れ磁束よりもはるかに弱いため、ホール素子１２２が相応に弱い信号しか受信及び評価できないことである。
【００１８】
従来の技術に基づく回転位置検出のさらに別の方法が、図９ａ及び図９ｂに図示されている。
【００１９】
図９ａ及び図９ｂのロータ構造及びステータ構造は、図８ａ及び図８ｂのものと完全に一致している。しかし、上に説明した実施の形態と異なるのは、ロータ構造１１２，１１４の回転位置を検出するために、ロータ構造の永久磁石１１４の軸方向の漏れ磁束も半径方向の漏れ磁束も利用されないことである。その代わりに、永久磁石１１４から分離されたセンサ磁石１２４が、ロータ構造１１２，１１４の一方の端面に位置していてシャフト１１０と回転不能に結合された別個の支持体１２６の上に配置されている。ホール素子１２２は、図９ａに示すようにホール素子をセンサ磁石１２４の方に向ける配線板１２０に配置されている。この実施の形態では、センサ磁石１２４は例えば軸方向に磁化されており、巻線がほとんど妨害を引き起こすことがないようなステータ巻線１１８との間隔で配置することができる。センサ磁石１２４の直径は永久磁石１１４の直径に左右されないので、配線板１２０におけるホール素子１２２の配置やセンサ磁石１２４との相対位置を、永久磁石１１４がどこに配置されているかに関わりなく、最適化することができる。
【００２０】
図９ａ及び図９ｂの構成により、ロータ構造１１２，１１４のロータ位置に関しては優れた測定結果を得ることができるが、このような構成は、モータを組み立てるときに追加のコストを生じさせ、全体としてモータの軸方向の全長を長くする。しかも、ロータ磁石とステータ磁石リングとを互いにアライメントしなければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
そこで、本発明の第一の課題は、磁束誘導及びコギングトルクに関して優れた特性を有しており、にも拘わらずステータ歯への簡単な巻回を可能にする電気機械のステータ構造を提供することにある。
【００２２】
また、本発明の第二の課題は、回転位置センサが内部に適切に配置された電気機械を提供することにある。
【００２３】
さらに、本発明の第三の課題は、設計的に簡単な手段により、モータの回転位置の確実な検出を可能にする電気機械、特にブラシレス直流モータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
第一の課題は、請求項１の構成要件を備えるステータ構造によって解決される。本発明は、請求項１４に記載の直流モータも意図しており、また、請求項１５に記載された、電気機械のステータ構造の製造方法も意図している。
【００２５】
また、第二の課題は、請求項３１の構成要件を備える電気機械によって解決される。
【００２６】
本発明は、ステータ保磁子リングと複数のステータ歯とを備えるステータ構造を有する、電気機械の、特に直流モータの、ステータ構造を意図している。ステータ歯は、ステータ保磁子リングから半径方向へ延在しており、巻線を収容するためのステータ溝をそれぞれの間において区切っている。ステータ歯の自由端には、ステータ極が形成されている。本発明の有利な実施の形態では、ステータ構造はインナーロータ型モータ用として意図されており、この設計においては、ステータ歯は、ステータ保磁子リングから半径方向内方に向かって延在している。ステータ歯は、その自由端の部位に、従来の技術では通常であるような、幅広になった磁極片を有していない。従って、それぞれのステータ歯の間の溝開口部が広くなっており、ステータ歯へ巻回するための溝開口部への巻線の線材の導入が、インナーロータ型モータ用の通常のステータ構造に比べて明らかに容易になる。ステータ歯へ巻回した後、ステータ本体と同軸に延在し、ステータ歯の自由端と結合されるスリーブが、本発明に係るステータ構造に装着される。インナーロータ型の設計においては、このスリーブがステータの内径を規定し、ステータ巻線をロータに対して封止する。
【００２７】
スリーブは、本発明に係るステータ構造では、複数の機能を有している。第１に、スリーブは溝カバーとしての役割を果たし、巻線をステータ溝の中において保持する。この機能のために、ステータ溝の方を向く表面においてスリーブを電気絶縁材料によりコーティングし、それにより、スリーブが溝絶縁の機能も担うようにするのが好都合である。スリーブのさらに重要なもう一つの機能は、磁極片を形成することである。この役割を果たすために、スリーブは、強磁性材料からできているのが好都合であり、ステータ歯の自由端と磁気的に結合される。さらにスリーブは、隣接するステータ歯の磁極片を互いに分離するために、それぞれ二つの隣接するステータ歯の間において軸方向に延在するスリットを有するように構成されるのが好ましい。ステータ歯には既に巻回がなされており、スリットには、隣接するステータ歯の磁極片を磁気的に互いに分離する役割しかないので、それぞれの磁極片の間のスリットは細くても構わない。それにより、電気機械の回転挙動にとって好ましく、特にコギングトルクの低減を可能にする、格別に幅広の磁極片を備えるステータ構造を得ることができる。
【００２８】
本発明の一つの有利な実施の形態においては、スリーブは、例えば故障時の弧絡電圧を回避すべく、ロータに対する電気絶縁部を設けるために、ステータ溝とは反対を向いている方の表面でも電気絶縁材料によりコーティングされている。
【００２９】
打ち抜かれて丸められ、場合によりコーティングされた薄板からスリーブが製作されると、本発明に係るステータ構造を格別に簡単かつ低コストな方法により製造することができる。この場合、スリーブは先ず平坦な薄板から打ち抜かれ、このときに、個々の磁極片を分離するためのスリットと、ステータ歯との連結をするための切欠きも一緒に打ち抜かれる。次いで、この薄板を丸め、継目部位の箇所において開いていることによって柔軟なスリーブにする。このことは、ステータ歯の自由端にスリーブを装着又は圧着するのを容易にする。スリーブの切欠きと協働する対応する楔形状を、ステータ歯の自由端に設けるのが好都合である。スリーブには様々な実施の形態が考えられる。例えば、ステータ歯との連結をするための切欠きは、スリーブの両方の軸方向端部の部位において閉じられた、スリーブに沿って軸方向に延在するスリットによって形成されていてもよい。この実施の形態では、切欠きは、ステータ歯に対して押し付けられる。これに代わる実施の形態では、切欠きは、スリーブの一方の軸方向端部においてのみ閉じられたスリットによって形成される。この実施の形態では、スリーブを軸方向においてステータ本体又はステータ歯に押し込むことができる。本発明のさらに別の実施の形態では、切欠きのエッジがスリットに係合するようにスリーブを軸方向においてステータ歯に押し込むために、ステータ歯にその自由端の近傍において側方のスリットが形成されている。このことは、スリーブがロータ磁石の磁気的な吸引力によってステータ極から引き離されることがないという利点がある。この追加又は代替として、例えば溶接、特にレーザ溶接、又は、接着等によって、スリーブをステータ歯と堅固に連結することができる。スリーブにさらに高い安定性を与えるために、ステータ本体への装着後に丸められたスリーブの継目を閉じると好都合な場合がある。開いている継目は、スリーブを打ち抜くときに比較的大きな公差を許容することができ、スリーブがより柔軟になるという利点がある。
【００３０】
スリーブが先ずステータ歯に圧着され又は押し込まれ、次いでスリーブが、磁極片を分離するスリットの領域において分割されて、互いに完全に分離された磁極片を形成するような本発明の実施の形態も考えられる。さらに、本発明に係るステータ構造のいずれかの実施の形態を安定化するために、巻回がなされたステータをプラスチックにより押出被覆することが意図され得る。
【００３１】
本発明の格別に有利な実施の形態では、スリーブの少なくとも一方の軸方向端部が、ステータ本体の端面から軸方向に突出している。この実施の形態は、スリーブを束ねて磁極片を橋絡する、軸方向の端面に配置されたウェブを、ロータの磁界の範囲外に配置することができるという利点がある。それにより、スリーブがロータの領域において磁気的な短絡を形成することが防止される。ステータ本体の少なくとも一方の端部から軸方向に突出するスリーブのさらに別の利点は、スリーブがステータの磁界をロータに対して遮蔽することである。このことは、特に、回転位置を検出するための磁気センサがロータの軸方向端面側に取り付けられている機械において有意義である。軸方向に突出するスリーブの遮蔽作用によって、この磁気センサがステータの磁界による影響を受けず、従って、ロータの回転位置をさらに正確に判定することができる。
【００３２】
第三の課題は、請求項３２の構成要件を備える電気機械によって解決される。
【００３３】
本発明は、ステータ構造とロータ構造とを備える電気機械、特にブラシレス直流モータを意図している。ステータ構造とロータ構造とは、それ自体公知の方法により互いに同軸に配置されており、本発明は、インナーロータ型の設計にもアウターロータ型の設計にも適用可能である。ロータ構造は、ロータ本体と、ロータ本体に埋設された永久磁石とを備えている。ロータ本体の回転位置を検出するために、ロータ本体の一方の端面側には、当該端面に直接対向する少なくとも一つの磁気センサが配置されている。
【００３４】
ロータの回転位置を検出するために、ロータ本体に埋設された永久磁石と関連させて磁気センサを利用することは、従来の技術においてこれまで通常は行われていなかった。このような磁気センサの利用は、円周に永久磁石が装着されたロータ構造の場合には得られない本質的な利点があり、従って、上に説明したような従来の技術を本発明に容易に転用することはできない。
【００３５】
図７及び図８を参照して説明した技術を、永久磁石が埋設されたロータ構造に転用することは、当業者には容易には想到し得ないことかもしれないが、本発明は、永久磁石が埋設されたロータ構造は、ロータ構造の端面の領域において高い軸方向の漏れ磁束を生成するという、本発明の目的にとって大きな利点を有していることを発見した。永久磁石は、ロータ本体にスポーク状に配置されるのが好ましく、一つ又は複数の磁気センサは、ロータ構造の端面と対向するように、図８ａ及び図８ｂの実施の形態と類似した形態で配置され、ロータ本体に埋設されたこれらの永久磁石の軸方向の漏れ磁束を検出する。
【００３６】
本発明の解決法は、従来の技術の解決法と比較したとき、組み立てのための付加コストを必要とせず、かつ、追加の磁気材料等のための付加費用も必要としない。分離されたセンサ磁石が必要なく、かつ、その磁石をロータの永久磁石に対して正しい位置にアライメントする必要もないので、図９ａの実施の形態と比較してコストが顕著に低減する。埋設された永久磁石の高い軸方向の漏れ磁束に基づいて、検出される信号の品質を有意に損なうことなく、磁気センサからロータまで最大１ミリメートルの比較的大きい間隔が可能である。磁気センサの組み付けについての間隔の許容誤差も、従来の技術の解決法の場合より大きくてよい。さらに、埋設されたロータ磁石の軸方向の磁束成分を測定するために、特にＳＭＤ型式の横置きのホールセンサを用いることができ、それにより、低コストな製造を可能にする。
【００３７】
それに対して、従来の技術に基づく別個のセンサ磁石を備える回転位置検出器では、センサ磁石を組み付けた後に、センサ磁石リングと永久磁石との間のずれを回避するために、個々のセンサ磁石又はセンサ磁石リングと、ロータの永久磁石との間の割り振りを行わなければならない。センサ磁石の考えられる位置決め不良は、誤った整流信号につながることになる。さらに、ロータと回転不能に結合された磁石支持体リングの形態でしばしば具体化される別個のセンサ磁石が設けられると、測定された位置の誤差を生じさせる虞がある追加の公差が発生する。逆に、別個のセンサ磁石を使わずに行われる従来の技術の解決法は、検出される信号が弱すぎるか（図８ａ、図８ｂの解決法）、又は、ロータを延長することが必要になり、それが顕著な付加コストにつながる（図７ａ、図７ｂ）という欠点がある。
【００３８】
本発明の有利な実施の形態では、一つ又は複数の磁気センサが配置される少なくとも一方の端面の部位において開いた、永久磁石を収容するための切欠きがロータ本体に構成される。それにより、格別に大きな軸方向の漏れ磁束を検出することができる。
【００３９】
本発明の別の有利な実施の形態は、例えばプラスチックやアルミニウム等の非磁性材料によりロータ本体が封止されることを意図している。それにより、埋設された磁石の軸方向の漏れ磁束は低減されることがない。
【００４０】
一つ又は複数の磁気センサが、埋設された永久磁石の内径乃至外径の間に半径が位置する円環の上に配置されていると好都合である。即ち、換言すると、磁石センサは、永久磁石の寸法によって規定される円環の上に位置している。用いられる磁気センサの例としては、ホールセンサ、ＭＲセンサ及びＧＭＲセンサがあり、二つ又は三つ又は四つの磁気センサがロータ本体の端面に１８０°，１２０°又は９０°だけ電気的にオフセットされた状態で配置されるのが好ましい。
【００４１】
格別に簡素な実施の形態では、磁気センサは、配線板の上に直接配置される。ロータ構造の端面との間隔に応じて、永久磁石の軸方向の磁気的な漏れ磁束の接線方向成分又は軸方向成分を検出するために、磁気センサを「縦置き」又は「横置き」に配置することができる。軸方向の漏れ磁束成分を検知するには「横置き」のセンサを用いるのが好ましい。
【００４２】
本発明のさらに別の実施の形態では、例えばドイツ特許出願第ＤＥ１０  ２００４  ０５６  ３０３．９号に記載されているように、ロータ構造とステータ構造との間にスリーブが挿入される。このスリーブは強磁性材料から製作することができ、ステータ歯の自由端と連結されている。スリーブは、各極を互いに磁気的に分離するために、個々の極の間にスリット又は減磁ゾーンを有している。スリーブは、磁気センサが位置しているロータ構造の一方の端面において、軸方向に端面から突出しているのが好ましい。それにより、ステータ磁界をロータに向かって遮蔽することができ、ロータの回転位置の検出に誤差を生じさせることもなくなる。軸方向に突出するスリーブの遮蔽作用によって、磁気センサは、ステータの磁界によって影響を受けることがなく、従って、ロータの回転位置をさらに正確に判定することができる。
【００４３】
次に、図面を参照しながら有利な実施の形態を用いて本発明を詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
以下においては、ブラシレス直流モータの例を用いて本発明を説明するが、当業者であれば理解できるように、本発明の原理は、発電機を含めた様々な種類の電気機械に適用可能である。
【００４５】
以下、図面を参照しながら本発明について説明するが、先ず最初に図１乃至図４を援用する。
【００４６】
図１は、本発明に係る直流モータの外観図を示している。図１の外観図では、ステータ本体１０の両方の端面において軸方向に突出するスリーブ１２が内部でステータ歯に装着されたステータ本体１０を見ることができる。図２ａ，図２ｂ，図３及び図４に示すように、ステータ本体１０はステータ保磁子リング１４を含んでおり、そこからステータ歯１６が半径方向内側に向かって延在している。ステータ歯１６は、その自由端においてスリーブ１２と結合されている。スリーブ１２は、ステータ歯１６の自由端と係合するスリット状の切欠き１８を有しており、図示した実施の形態では、ステータ歯１６はその自由端の部位に、切欠き１８の中に押し込まれ又は差し込まれる連結部２０を有している。
【００４７】
さらにスリーブ１２は、隣接する二つの切欠き１８乃至これに付属するステータ歯１６の間のほぼ中央に配置されたスリット２２を有している。スリーブ１２は、条溝（ビード）又は面取り又はその他の類似のものによって剛性を与えられるものとするとよい（図示せず）。
【００４８】
特に図１及び図４に見られるように、スリーブ１２は、ステータ本体１０の端面に比べて軸方向に突出している。スリーブ１２は、ステータ本体１０をロータ空間に対して区切っている。
【００４９】
ステータ本体１０の内部において同軸に、図面ではロータ本体２４によって模式的に図示するロータ本体が配置されている。図示した実施の形態では、ロータ本体２４は、永久磁石を収容するためにスポーク状に配置された切欠き２６を有しており、切欠き２６はそれぞれ対をなすように橋絡されている。ロータ本体２４は、シャフト２８に装着されている。ロータ本体２４とステータ本体１０との間には、動作空隙３０が形成されている。
【００５０】
各図面に示すように、ステータ歯１６は、磁極片を形成するために従来の技術では通常である自由端の幅広部を備えておらず、実質的に長方形である。このことは、隣接する二つの極歯１６の間の溝開口部が非常に広くなるので、ステータ本体１０への簡単な巻回を可能にする。代替案として、既に事前に巻回がなされたステータ巻線を、巻枠とともに内側からステータ歯１６に押し込むことも可能である。スリーブ１２は、ステータ歯１６への巻回が終了した後でその自由端に装着され、それによって溝カバーとしての役割を果たす。スリーブ１２は、ステータ溝の方を向いている表面を電気絶縁材料によりコーティングするのが好都合である。
【００５１】
本発明の有利な実施の形態では、スリーブ１２は強磁性材料から製作され、ステータ歯１６と磁気的に結合される。この実施の形態では、スリーブ１２は、ステータ歯１６の端部において磁極片を形成し、それぞれ隣接する磁極片は、スリーブ１２に形成されたスリット２２によって分離される。それにより、従来の技術において通常であるよりも溝開口部が狭い、磁極片を備えるステータ構造を製造することができる。磁極片が一体成形された公知のステータ構造では、溝開口部が、溝開口部に挿通しなければならない線材直径よりも１．５倍以上でなくてはならないという法則が適用される。本発明に係るステータ構造では、このような制約を守る必要がない。それにより、動作時に非常に少ないトルク変動と比較的高い磁束集中とを実現するステータ構造が得られる。
【００５２】
スリーブ１２は、ステータ本体１０の軸方向の端面の部位において突出するように構成されるのが好ましい。このことは、スリーブ１２を束ねるために必要な、スリット２２を橋絡する軸方向のウェブ３４が、ロータ構造の作用範囲の外部に位置するので、磁気的な短絡を形成することがないという利点がある。さらにスリーブ１２は、ステータ構造１０の端面の部位において、ステータ構造により生成される磁界をロータ構造に向かう方向において遮蔽する。ロータ構造の端面には、電気機械の回転位置を検出するための磁気センサ、例えばホールセンサや磁気抵抗センサがしばしば配置される。特に正確な回転位置信号を得るためには、これらのセンサがロータ構造の外側円周の近傍に配置されるのが好ましい。このことは特に、ロータ構造が図示した実施の形態のように埋設された永久磁石を有しているのではなく、永久磁石がロータ本体の外側円周に配置されている場合に当てはまる。しかし、ロータ構造の円周の近傍では、ステータ構造により生成される磁界も作用するが、本発明では、軸方向に突出するスリーブ１２によってこの磁界がほぼ遮蔽される。図４では、回転位置センサの配置場所として考えられる位置が矢印Ｓにより図示されている。
【００５３】
スリーブ１２は、その内面及び／又は外面が電気絶縁材料によりコーティングされているものとするとよい。
【００５４】
特に図５を参照するとよく理解できるように、スリーブ１２は、薄板から打ち抜かれ、次いで丸められるのが好ましく、このときスリーブ１２は継目部位３２の部位において開いたままであってもよい。それにより、ステータ本体１０の内部に軸方向から挿入し、切欠き１８によりステータ歯１６に圧着するために、スリーブ１２が十分に柔軟になる。ステータ歯１６の自由端と切欠き１８の幾何学形状とは、適宜、相互に適合化する必要がある。
【００５５】
図示した実施の形態では、切欠き１８及びスリット２２は、ウェブ３４を通ってスリーブ１２の両方の軸方向端部において橋絡されている。別案の実施の形態では、切欠き１８がスリーブ１２の一方の軸方向端部において開いていることが意図されていてもよい。このことは、スリーブ１２を軸方向においてステータ歯１６に押し込むことを可能にする。さらに、スリット２２も、スリーブ１２の一方の軸方向端部において開いていることが意図されていてもよく、それにより、スリーブ１２による磁気的な短絡の形成という危険が減少する。また、ステータ歯１６に装着した後にスリーブ１２をスリット２２の領域において分割して、磁気的な最適化のために、隣接する磁極片を完全に互いに分離することが意図されていてもよい。さらに、ステータ構造の安定性を高めるために、巻回がなされたステータ構造を、スリーブ１２の装着後、プラスチックにより押出被覆すると好都合な場合がある。スリーブ１２の分割は、ステータ構造がプラスチックに埋設された後で行うことができる。
【００５６】
図６は、図２ｂに類似する本発明のさらに別の実施の形態に基づく電気機械の一部を、模式的な断面図として示している。対応する部品には同じ符号が付されており、再度詳細に説明することはしない。上に説明した実施の形態とは異なり、ステータ歯１６は、その自由端の近傍に側方の溝３６を有しており、その中にスリーブ１２を（ステータの軸方向に）差し込むことができる。この実施の形態では、スリーブ１２の切欠き１８は、スリーブ１２を切欠き１８のエッジでスリット３６に差し込むために、一方の端面の部位において開いている。この実施の形態は、ロータ磁石の磁気的な吸引力の結果、スリーブ１２がステータ歯１６又はステータ極から引き離されることがないという利点がある。
【００５７】
本発明のいずれの実施の形態でも、スリーブ１２をステータ歯１６と溶接、特にレーザ溶接、又は、接着等により追加的に堅固に連結することが可能である。
【００５８】
スリーブ１２は、磁気伝導性の材料、即ち、強磁性材料からできているのが好ましい。しかし、スリーブが溝カバーの機能だけを果たせばよいのであれば、非磁性材料から製作することもできる。
【００５９】
次に、図１０ａ乃至図１０ｃに示すように、特にブラシレス直流モータとして構成された本発明に係る電気モータは、ロータ構造１３２を支持するシャフト１３０を備えている。ロータ構造１３２は、原則として従来の技術と同様に構成されたステータ構造に同軸に挿入されている。即ち、ステータ構造１３４は、ステータ本体１３６と巻線１３８とを備えている。ステータ本体１３６は、図１０からよりよく分かるように、ステータ巻線１３８を支持するステータ極を備えるステータ保磁子リングを形成する、打ち抜かれて一体化された積層薄板として構成されているものとするとよい。ロータ構造１３２は、内部に永久磁石１４４が挿入されたスポーク状の切欠き１４２を有するロータ本体１４０を備えている。この有利な実施の形態においては、切欠き１４２は、永久磁石を収容するために、それぞれ対をなすように凹陥部１４６によって橋絡されている。この凹陥部１４６は、ロータ構造１３２の内部においてシャフト１３０の方に向かう半径方向の漏れ磁束を緩和する役割を果たす。
【００６０】
図１０ａ及び図１０ｂを併せて見ると分かるように、切欠き１４２は、軸方向においてロータ本体１４０の長さ全体に亘って延在しており、その端面の部位において開いているので、永久磁石１４４は、ロータ構造１３２の端面において比較的大きい側方の漏れ磁束を放出する。
【００６１】
ロータ構造１３２の一方の端面においてセンサ構造１４８が位置決めされており、このセンサ構造１４８は、実質的に、ステータ巻線１３８の巻線頭部の範囲内に位置するようになっている。センサ構造１４８は、配線板１５０と、配線板１５０の上に取り付けられた磁気センサ１５２とを備えている。配線板１５０は、ステータ構造１３４又はフランジと連結されている。フランジは、特に、シャフト１３０を軸支するための軸受を支持する。磁気センサ１５２はホール素子であるのが好ましいが、それ以外の磁気センサ、例えばＧＭＲセンサやＭＲセンサを用いることもできる。磁気センサ１５２は、永久磁石１４４の軸方向の漏れ磁束の接線方向成分又は軸方向成分を検出するために、埋設されている永久磁石１４４との間隔に応じて縦置き又は横置きに配置することができる。磁気センサ１５２の「縦置き」の配置は、センサの検出方向がロータの端面と平行であることを意味しており、「横置き」の配置はこれに対して垂直な磁気センサの方向付けを意味している。
【００６２】
１２０°だけ電気的にオフセットされた状態で配置された三つの磁気センサが用いられるのが好ましい。ロータ構造の回転位置を判定するセンサ構造１４８を調節する方法、並びに、磁気センサ１５２の信号の検出及び評価の考えられる形式については、本件と同じ出願人のドイツ特許第ＤＥ１０２５３３８８号に記載されている。
【００６３】
本発明は、磁気センサ１５２の信号間隔がロータ構造の永久磁石１４４の磁極の長さと同一なので、モータ整流のために必要な信号を磁気センサ１５２から直接導き出すことができるという利点を有している。本発明の実施の形態では、永久磁石１４４が埋設されたロータの軸方向の漏れ磁束が比較的大きいので、ロータ構造１３２の端面と磁気センサ１５２との最大１ｍｍという比較的大きい間隔を意図することができる。この間隔の許容誤差も相応に大きくてよい。このことは、回転位置センサの低コストでの製造を可能にする。
【００６４】
本発明の有利な実施の形態においては、磁気センサ１５２の特にアナログ式の出力信号が検出され、正確な参照センサの信号と比較され、次いで修正値が生成されて保存される。磁気センサ１５２に基づいて算出された位置値を、この修正値を用いて修正し、次の処理のためにバスシステム等の電子インターフェースを介してモータの上位の調節部又は制御部に転送することができる。それにより、磁気センサ１５２の出力信号を、モータ整流用の信号を生成するために利用するだけでなく、それに加えて、電気モータの回転方向及び回転数を調べるために利用することができる。この点に関しては、本件と同じ出願人の前掲の特許明細書を援用する。
【００６５】
図１１は、図１０ｂの一部を別の描写方法により示しており、ステータ構造はほぼ省略されている。永久磁石１４４の磁化方向が矢印（Ｎ→Ｓ）により図示されている。図１１では、磁気センサ１５２が配置されるのが好ましい半径Ｒの円周１５４が一点鎖線により示されている。この円周は、永久磁石１４４の最小の半径（ｒ１）と最大の半径（ｒ２）とによって規定される（仮想的な）円板の範囲内に位置している。換言すると、磁気センサ１５２は、ロータ構造１３２の端面において、軸方向の漏れ磁束の可能な限り多い割合を検出するために、永久磁石１４４の対応する端面と対向するように配置される。これらの磁気センサ１５２は、１２０°だけ電気的に互いにオフセットされているのが好ましい。このような配置は、センサの位置誤差に対する比較的大きい許容誤差を保証する。
【００６６】
図１２は、図１０ａとの関連において、センサ構造１４８を含めた本発明に係る電気モータが、センサ構造のない電気モータに比較してわずかな追加のコストで製造することができ、モータの設計容積が全体として増加しないことを図示している。
【００６７】
以上の説明、請求項及び図面に開示されている構成要件は、単独でも任意の組み合せの形態でも、本発明を様々な実施の形態において具現化するために有意義であり得る。
【００６８】
例えば、永久磁石がスポーク状にではなく別の形態でロータ本体に埋設されたロータ構造との関連において、本発明を適用することが可能である。永久磁石は、例えばドイツ特許出願第ＤＥ１０  ２００４  ０１７  ５０７号や同第ＤＥ１０  ２００４  ０１７  １５７号に記載されているように、例えば実質的にハルバッハ磁化に対応する線に沿って配置されていてもよい。磁気センサをさらに内側の円の方向へ移動させると、即ち、例えば図１１において見たとき半径ｒ１の方向に移動させると、検出された軸方向の漏れ磁束がステータ磁界にほぼ左右されないことを保証することができる。ドイツ特許出願第ＤＥ１０  ２００４  ０５６  ３０３号から公知となっているように、冒頭に述べた通り、ステータとロータとを強磁性スリーブによって分離することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明に係る電気機械を示す外観図である。
【図２ａ】図１の電気機械をＸ−Ｘ線に沿って示す模式的な断面図である。
【図２ｂ】図２ａの拡大詳細図である。
【図３】本発明に係る電気機械を示す分解斜視図である。
【図４】図３に類似しているが、組み立てられた状態を示す図である。
【図５】本発明に係るステータ構造に挿入されたスリーブを示す斜視図である。
【図６】図２ｂの図面に類似した本発明の別の実施の形態に係る電気機械の一部を示す模式的な断面図である。
【図７ａ】従来の技術に基づくブラシレス直流モータを示す縦断面図である。
【図７ｂ】図７ａのモータをＡ−Ａ線に沿って示す横断面図である。
【図８ａ】従来の技術に基づくブラシレス直流モータを示す縦断面図である。
【図８ｂ】図８ａのモータをＡ−Ａ線に沿って示す横断面図である。
【図９ａ】従来の技術に基づくブラシレス直流モータを示す縦断面図である。
【図９ｂ】図９ａのモータをＡ−Ａ線に沿って示す横断面図である。
【図１０ａ】本発明に係るブラシレス直流モータを示す縦断面図である。
【図１０ｂ】図１０ａのモータをＡ−Ａ線に沿って示す横断面図である。
【図１０ｃ】図１０ａのモータをＢ−Ｂ線に沿って示す横断面図である。
【図１１】磁気センサの位置を説明するために、図１０ｃの図面に類似する本発明に係るモータの一部を示す横断面図である。
【図１２】本発明に係る電気モータを示す外観斜視図である。
【符号の説明】
【００７０】
１０  ステータ本体
１２  スリーブ
１４  ステータ保磁子リング
１６  ステータ歯
１８  切欠き
２０  連結部
２２  スリット
２４  ロータ本体
２６  切欠き
２８  シャフト
３０  動作空隙
３２  継目部位
３４  ウェブ
３６  溝
Ｓ  センサ位置
１１０  シャフト
１１２  ロータ本体
１１４  永久磁石
１１６  ステータ本体
１１８  ステータ巻線
１１８’，１１８’’  巻線頭部
１２０  配線板
１２２  ホール素子
１２４  センサ磁石
１２６  支持体
１３０  シャフト
１３２  ロータ構造
１３４  ステータ構造
１３６  ステータ本体
１３８  ステータ巻線
１４０  ロータ本体
１４２  切欠き
１４４  永久磁石
１４６  凹陥部
１４８  センサ構造
１５０  配線板
１５２  磁気センサ
１５４  円周
【図１】
2007014184.tif 000003
【図２ａ】
2007014184.tif 000004
【図２ｂ】
2007014184.tif 000005
【図３】
2007014184.tif 000006
【図４】
2007014184.tif 000007
【図５】
2007014184.tif 000008
【図６】
2007014184.tif 000009
【図７ａ】
2007014184.tif 000010
【図７ｂ】
2007014184.tif 000011
【図８ａ】
2007014184.tif 000012
【図８ｂ】
2007014184.tif 000013
【図９ａ】
2007014184.tif 000014
【図９ｂ】
2007014184.tif 000015
【図１０ａ】
2007014184.tif 000016
【図１０ｂ】
2007014184.tif 000017
【図１０ｃ】
2007014184.tif 000018
【図１１】
2007014184.tif 000019
【図１２】
2007014184.tif 000020