JP2009521198A - 隣接する２つの歯の間に磁性部を備える回転電気機械用のロータ - Google Patents

Abstract

【課題】 隣接する２つの歯間に取り付けられた磁性部を備えるロータであって、磁性部が生成する磁束が、ロータが設けられる電気機械の用途に対して最適であるものを提供する。
【解決手段】 本発明に係る回転電気機械用ロータ１０は、２つの磁気ホイール１２を備え、各磁気ホイール１２は、ロータ１０の主軸に対してほぼ放射状に延出し、一連の軸方向の歯２０を備えており、各歯２０は、軸方向に、対応する磁気ホイールから、他方の磁気ホイール１２に向かって内側に延出しており、これにより、一方の磁気ホイール１２上の各歯２０は、他方の磁気ホイール１２上の連続する２つの歯２０の間のスペースに入るようになっており、各磁気ホイール１２を構成する隣接する２つの歯２０の間に横方向に設けられ、長手方向である主方向を向く少なくとも１つの磁性部２４を備え、磁性部２４は、永久磁石２８の横方向の端面に取り付けられた非磁性体からなる少なくとも１つの支持用詰め材３０と、詰め材３０を永久磁石２８に接続する手段とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、２つの隣接する歯の間に設けられ、かつ数点の部品からなる、少なくとも１つの磁性部を備える電気機械用のロータに関する。

詳細に述べると、本発明は、２つの磁気ホイールと、各磁気ホイールをそれぞれ構成する隣接する２つの歯の間に横方向に設けられ、少なくとも１つの磁石を備え、かつ、長手方向である主方向を向く少なくとも１つの磁性部とを備える回転電気機械用のロータに関する。各磁気ホイールは、ロータの主軸に対して、ほぼ放射状に延出する一連の軸方向の歯を備えている。各歯は、軸方向に、対応する磁気ホイールから他方の磁気ホイールに向かって内側に延出し、これにより、一方の磁気ホイール上の各歯は、他方の磁気ホイール上の隣り合う２つの歯の間のスペースに入るようになっている。

例えば下記特許文献１および２に開示されているような公知の構成では、ロータは、軸方向の歯の間に、横方向に向けられた磁石を備えている。

この磁石の主要な機能は、隣接する２つの歯の間のスペースをもって磁束漏れを抑制し、内在する磁束を生成することにより、磁束を強化することである。従って、ロータの一般的磁気特性は、ある程度、この磁石によって決まる。

ロータに設けられる磁石の数はいくつでもよく、回転電気機械に求められる特性に応じて決められる。よって、磁石の数が異なる機械を製造することが可能である。

磁石の数のみが異なる２組のロータを製造する場合には、組ごとに、ロータを組み立てるための方法が大きく異なるため、採算が取れなくなることがある。
ヨーロッパ特許公開第０１７６２６１７号公報 フランス国特許公開第２７８４２４８号公報

そのため、すべてのロータの組に対して、同数の磁石を設けることができるロータを製造することは、通常好ましいことである。従って、ロータの組によっては、必要以上の磁石を備えているものもある。

そのため、ロータに取り付けられている磁石が生成する磁束が必要以上に大きくなり、ロータの性能が、期待される用途に見合わなくなってしまう。

本発明は、隣接する２つの歯の間に取り付けられた磁性部を備えるロータであって、磁性部が生成する磁束が、ロータを備える電気機械に対して最適であるロータを提供することを目的としている。

上記の点に鑑みて、本発明に係るロータは、磁性部は、磁石の横方向の端面に取り付けられた非磁性体からなる少なくとも１つの支持用詰め材と、この詰め材を磁石に接続する手段とを備えていることを特徴としている。

本発明の他の特徴として、次のことが挙げられる。
・磁性部は、磁石の各側面上に横方向に配置された２つの詰め材を備えている。
・磁性部は、詰め材の各面上に横方向に配置された２つの磁石を備えている。
・磁性部は、磁石の半径方向の外側端面上に取り付けられた外側詰め材を備えている。
・磁石の寸法および詰め材の寸法は、磁性部の寸法、および磁性部の磁気特性に応じて決められる。
・磁石の幅と磁性部の幅との比率は、０．４から１である。
・詰め材は、詰め材と磁石との間に配置されている接着層によって、磁石に接続されている。
・詰め材は、磁石の少なくとも一部の周囲に非磁性体を挿入成形することにより、磁石に接続されている。
・詰め材は、接続手段と一体的に製造されている。

磁気ホイールの歯の各側面には、側面の長手方向に延びる溝が、それぞれ設けられている。

磁石は、例えば少なくとも部分的には、貴土類材料から製造されている。

磁石と磁気ホイールの歯の側面との間に通気路が形成されないよう、詰め材を隙間のない部材とする。

変形例として、磁石を冷却させるために、詰め材を、磁石と歯の側面との間に、少なくとも１つの通気路が形成されるように構成することもできる。

詰め材を、少なくとも部分的には、熱硬化性材料または熱可塑性材料から製造することができる。

変形例として、詰め材を、少なくとも部分的にはアルミニウムで製造する。

本発明の上記以外の特徴および利点は、添付図面を参照して、以下の詳細な説明を読むことにより、明らかとなると思う。

図１は、回転電気機械用のロータ１０を示す。ロータ１０は、ロータ１０の主軸Ａを中心に回転するよう、中心軸（図示せず）に固定して取り付けられている。

ロータ１０は、軸方向に並置された２つの磁気ホイール１２を備える爪ロータである。各磁気ホイール１２は、その外周部に、爪１６が設けられた環状の放射状フランジ１４を備えている。

励磁巻線（図示せず）が、磁気ホイール１２のフランジ１４との間に、軸方向に設けられている。

各爪１６の根元部１８の外周縁からは、ほぼ軸方向を向く歯２０が延出されている。

歯２０の外周面２０ｅと、固定子である爪１６の本体の内周との間には、環状の空隙が設けられている。

歯２０は、ほぼ台形状をしており、他方の磁気ホイール１２のフランジ１４に向かって、軸方向に配置されている。一方の磁気ホイール１２の歯２０は、他方の磁気ホイール１２の連続する２つの歯間のスペースに入り、これにより、磁気ホイール１２の歯２０が噛み合うようになっている。

公知のように、各歯２０には２つの側面２２があり、各側面２２は、他方の磁気ホイール１２を構成する隣接する歯２０の対向する側面２２と、平行でかつ離間している。

次に、それぞれ他方の歯２０の側面２２に対向する側面２２を備える、一方の磁気ホイール１２を構成する第１の歯２０、および他方のホイール１２を構成する第２の歯２０について、隣接する２つの歯２０として説明する。

図２〜図４に示すように、ロータ１０は、隣接する２つの歯２０の間に介在する磁性部２４を備えている。この磁性部２４は、隣接２つの歯２０の間のスペースにおける磁束漏れを減少させて、磁束の強化に寄与している。

好ましい実施例においては、磁性部２４の数は、ロータ１０上のポールの数よりも少なく、またロータ１０の軸に対して対称に構成されている。例えば、８対のポールに対しては、４対の時磁性部２４が設けられる。

次に、隣接する２つの歯２０、およびこれらの歯２０の間に設けられる磁性部２４について説明する。図２〜図５において「Ｖ」で示される垂直方向、および「Ｔ」で示される横方向は、単なる例示として用いられている。ここで、垂直方向は、磁性部２４の中央面を通るロータ１０の主軸Ａに対する方向であり、横方向は、隣接する２つの歯２０の間の側面２２に対する法線に相当し、長手方向は、磁性部２４の主軸に相当する。

各歯２０は、同一の形状を有し、ある歯２０を例に取った本明細書の記載は、他の歯２０にも当てはまるものであることは理解しうると思う。

図２他に詳細に示すように、２つの歯２０の対向する側面２２には、側面２２の長手方向を向く溝２６、あるいは凹部が、それぞれ設けられている。

横方向と垂直方向の面からなる各溝２６の断面は、他方の溝２６に向かって横方向に開いたＵ字型である。各溝２６は、垂直方向の底部２６ａと、平行の２つの横方向の側部２６ｂとを備えている。

これにより、隣接する２つの歯２０上の２つの溝２６が、磁性部２４を収容するための長手方向の収容部を画定している。

本発明によると、各磁性部２４は、数点の部品、すなわち、少なくとも１つの永久磁石２８と、少なくとも１つの支持用詰め材３０と、詰め材３０を永久磁石２８に接続する手段とからなっている。

永久磁石２８は、磁性粉を焼結するか、あるいは磁性材料の塊を機械加工するという、公知の方法で製造されている。

支持用詰め材３０は、詰め材３０が磁性部２４の磁気特性に対して何も影響を及ぼさないような非磁性体から製造される。支持用詰め材３０は、例えばプラスチック材またはアルミニウムから製造されている。

詰め材３０は、補足的な空隙を作り出す働きがある。

詰め材３０は、永久磁石２８と対向する垂直かつ横方向の端面２８ａに取り付けられている。

永久磁石２８および詰め材３０を組み立てて磁性部２４を形成した後、この磁性部２４を、磁場に配置して磁化させる。

ここで、永久磁石２８および詰め材３０とともに、磁性部２４は、略平行六面体をなすように配置される。

図２に示す本発明の第１の実施形態では、磁性部２４は、永久磁石２８および詰め材３０を、それぞれ１つずつ備えており、これらは、それぞれ磁性部２４の横方向の端部に配置されている。永久磁石２８および詰め材３０は、それぞれ対応する溝２６に収容されている。

図３に示す本発明の第２の実施形態では、磁性部２４は、２つの永久磁石２８、および１つの詰め材３０を備えている。２つの永久磁石２８は、それぞれ、詰め材３０の端部に横方向に配置され、各永久磁石２８は、対応する溝２６に収容されている。

図４に示す本発明の第３の実施形態では、磁性部２４は、２つの詰め材３０および１つの永久磁石２８を備えている。２つの詰め材３０は、それぞれ永久磁石２８の端部に横方向に配置され、各詰め材３０は、対応する溝２６に収容されている。

磁性部２４を、異なる磁気特性を持つ２つの構成部から製造することにより、磁性部２４が生成する磁束を調整することができる。

これは、磁性部２４が生成する磁束は、各磁性構成部が生成する磁束の和に相当するためである。

各磁性構成部が生成する磁束は、磁性部の動作磁束密度Ｂ、および磁性部の磁石と爪表面との間の表面積Ｓの積に等しい。

動作磁束密度Ｂは、図７の磁化曲線から導かれる。より詳しく述べると、永久磁石２８の磁気特性（曲線Ω）と（特にその傾きが、磁束が通過する主要路の空隙と永久磁石２８の幅Ｌａとに関連している）直線Δとの交点Ｃ位置の縦座標に相当する。

この空隙は、例えば歯２０の外周面２０ｅと、固定子である爪１６の本体の内周との間に位置するスペースからなっている。

Ｂｒは、磁場Ｈが０の場合の残留磁束の密度を指す。

このように、各永久磁石２８の横方向の寸法Ｌａが大きいほど、直線ΔはＹ軸方向へ傾く。磁石の動作磁束密度Ｂは、こうしてＢｒへ傾き、磁性部２４によって生成される磁束が増加する。

本発明によると、磁性部２４を構成する１つまたは２つの永久磁石２８の寸法は、所望の磁束値に応じて決められる。

磁性部２４の寸法（特に横方向の幅Ｌｇ）は、磁性部の横方向の幅Ｌｇが、２つの溝２６の底部２６ａの間の距離とほぼ等しくなるよう、２つの溝２６の寸法に応じて決められる。

従って、磁性部２４の寸法を、２つの対向する溝によって画定された収容部の寸法に合わせて調整するために、各詰め材３０の寸法は、各永久磁石２８の寸法に応じて決められる。

図６は、Ｌａ／Ｌｇ比率の関数としてのＢ／Ｂｒ比率の変化を示している。

上述のように、Ｂは、磁性部２４の動作磁束密度を示し、Ｂｒは、残留磁束の密度を示し、Ｌａは、磁性部２４中の永久磁石２８の幅を示し、Ｌｇは、磁性部２４の横方向の幅を示している。

残留磁束の密度は、磁化相の終わりにおいて、磁石に残留した永久磁束の密度に相当する。

図６の曲線により、磁性部２４に求められる磁気特性に応じて、すなわち、求められる動作磁束密度に応じて、永久磁石２８の幅Ｌａを推定することが可能である。

Ｌａ／Ｌｇ比率の関数としてのＢ／Ｂｒ比率の変化は、磁性部２４がさらされている温度に応じて変化する。

約２０℃のＴ１において、プロットラインは直線となる。約１２０℃のＴ２において、曲線は、Ｌａ／Ｌｇ比率が小さい初期段階では直線ではないが、その後は直線となる。これは、温度が上昇すると、磁性部を構成する磁石の特性が劣化するためである。Ｌａ／Ｌｇ比率が小さい場合には、この劣化はより顕著に現れる。

しかし、機械の作動中には、磁石の温度はＴ２辺りにある。こうして、Ｔ２の曲線の直線部分に至ると、永久磁石の幅Ｌａに応じた動作磁束密度を採用することが可能となる。

最小の動作磁束密度Ｂは、温度Ｔ２における磁石の直線動作限界によって定められる。

このように、Ｔ２の曲線に関して、Ｌａ／Ｌｇ比率が０．４よりも大きくなるよう、曲線の部分に至る必要がある。これにより、永久磁石２８の完全消磁を防ぐことができる。

Ｔ２の曲線から、所望の動作磁束密度Ｂの関数として、２つの溝２６の間にとることができる距離Ｌｇに応じて、永久磁石２８の寸法をより簡単に導くことが可能である。

例えば図３に示す実施形態のように、磁性部２４が複数の永久磁石２８を備えている場合には、上述の実施形態において定められた永久磁石２８の幅Ｌａは、磁性部２４中のすべての永久磁石２８の幅の合計に相当することが理解されると思う。

磁性部２４を使用することは、隣接する２つの歯２０の間に部品を取り付けたいときに、動作磁束密度の値が、２つの歯の間に取り付けられた単体磁石の動作磁束密度の値よりも小さい場合に、特に有利である。

少なくとも１つの詰め材３０の使用により、磁性部２４の寸法を、溝２６の寸法に合わせて調整することが可能である。

非磁性体からなる詰め材３０は、補足的な空隙を作り出す働きがある。

さらに、詰め材３０を磁性部２４中で使用することにより、単体磁石と比較して、磁性部２４に特定の機械的特性を加えることが可能である。

これは、永久磁石２８は、どのような方法で製造されても、比較的もろい部品であり、一方詰め材３０は、弾性的に変形可能な材料から製造されるためである。

したがって、磁性部２４を製造する際に、変形可能な材料からなる詰め材３０を使用することにより、例えば２つの溝２６の半径方向のずれ、すなわち、横方向の位置合わせ不良や、２つの溝２６の底部２６ａ間の距離の変動等に起因する、ロータ１０におけるある程度の寸法公差を補正することができる。

図２から図５に示す本発明の実施形態においては、支持用詰め材３０は、接着層３２によって、各永久磁石２８に接続されている。

詰め材３０を永久磁石２８に接続する接着層３２も、非磁性体から製造される。さらに、実施形態の好ましい態様では、接着層３２は比較的軟質であり、これにより、磁性部２４の形状を、ロータ１０におけるいかなる寸法公差にも合わせて調整することができる。

詰め材３０を、永久磁石２８に接続する手段の変形例（図示せず）によると、非磁性体が、磁石２８の周囲および詰め材３０の周囲に設けられる。

この変形例の好ましい実施形態では、詰め材３０は、接続手段と一体的に形成される。すなわち、永久磁石２８の少なくとも一部の周囲に非磁性体を成形することにより、詰め材３０が形成される。

ロータ１０を備える電気機械の作動中は、ロータ１０は、その軸を中心に高速で回転している。

すなわち、ロータ１０の歯２０が、従って磁性部２４が、フランジ１４の半径方向の外端に設けられ、ロータ１０の回転中、各磁性部２４は、強い遠心力を受ける。

図５は、本発明の別の実施形態を示し、磁性部２４は、外側詰め材３４を備えている。外側詰め材３４は、磁性部２４の全幅Ｌｇにわたって横方向に延び、各溝２６の上側の横方向側部２６ｂに、上方向に垂直に当接している。

このようにして、外側詰め材が各永久磁石２８と溝２６の上側の横方向側部２６ｂとの間に、半径方向に設けられている。

ロータ１０が回転すると、各永久磁石は外側詰め材３４に寄りかかり、これによって、磁気ホイール１２の遠心力、および変形に起因する永久磁石２８の圧縮力は弱まる。

磁性部２４を、単体磁石の代わりに、ロータ１０に取り付けることが可能である。ロータに磁性部２４を取り付ける際には、ロータ１０を組み立てるための取付け方法を変更する必要はなく、そのため、回転電気機械の製造コストを上昇させることはない。

上述したロータは、平行六面体状の磁性部２４を備えているが、本発明は、この実施形態に限定されるものではなく、磁性部２４は、横方向の断面が、ダイアモンド型等の別の形状であってもよい。

図１は、本発明に係る磁性部を備えるロータの概略斜視図である。 図２は、図１に示すロータの半径方向の面における磁性部の構造を示す拡大図である。 図３は、別の実施形態による磁性部を示す、図２と同様の図である。 図４は、別の実施形態による磁性部を示す、図２と同様の図である。 図５は、別の実施形態による磁性部を示す、図２と同様の図である。 図６は、２０℃および１２０℃におけるＬａ／Ｌｇ比率の関数としてのＢ／Ｂｒ比率の変化を示すグラフである。 図７は、磁性部を構成する永久磁石の磁気特性を示すグラフである。

符号の説明

１０ ロータ
１２ 磁気ホイール
１４ フランジ
１６ 爪
１８ 根元部
２０ 歯
２０ｅ 外周面
２２ 側面
２４ 磁性部
２６ 溝
２６ａ 底部
２６ｂ 側部
２８ 永久磁石
２８ａ 端面
３０ 詰め材
３２ 接着層
Ｂ 磁性部の動作磁束密度
Ｂｒ 残留磁束の密度
Ｌａ 永久磁石の幅
Ｌｇ 磁性部の横方向の幅

Claims (14)

1. ２つの磁気ホイール（１２）は、ロータ（１０）の主軸に対してほぼ放射状に延出し、一連の軸方向の歯（２０）を備え、各歯（２０）は、軸方向に、対応する磁気ホイールから、他方の磁気ホイール（１２）に向かって内側に延出し、これにより、一方の磁気ホイール（１２）上の各歯（２０）は、他方の磁気ホイール（１２）上の連続する２つの歯（２０）の間のスペースに入るようになっており、
   各磁気ホイール（１２）をそれぞれ構成する隣接する２つの歯（２０）の間に、少なくとも１つの磁石（２８）が横方向に設けられ、かつ長手方向である主方向を向く少なくとも１つの磁性部（２４）とを備え、
   磁性部（２４）は、磁石（２８）の横方向の端面に取り付けられた非磁性体からなる少なくとも１つの支持用詰め材（３０）と、詰め材を磁石に止着する手段とを備えていることを特徴とする回転電気機械用のロータ（１０）。
2. 磁性部（２４）は、磁石（２８）の各側面上に横方向に配置された２つの詰め材（３０）を備えていることを特徴とする、請求項１に記載のロータ（１０）。
3. 磁性部（２４）は、詰め材（３０）の各面上に横方向に配置された２つの磁石（２８）を備えていることを特徴とする、請求項１に記載のロータ（１０）。
4. 磁性部（２４）は、磁石（２８）の半径方向の外側端面上に取り付けられた外側詰め材（３４）を備えていることを特徴とする、請求項１〜３いずれか１項に記載のロータ（１０）。
5. 磁石（２８）の寸法、および詰め材（３０）の寸法は、磁性部（２４）の寸法（Ｌｇ）、および磁性部（２４）の磁気特性に応じて決められていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のロータ（１０）。
6. 磁石（２８）の幅と磁性部（２４）の幅（Ｌｇ）との比率が０．４〜１であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のロータ（１０）。
7. 詰め材（３０）は、詰め材（３０）と磁石（２８）との間に配置されている接着層（３２）によって磁石に止着されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載のロータ（１０）。
8. 詰め材（３０）は、磁石（２８）の少なくとも一部の周囲に非磁性体を挿入成形することにより、磁石（２８）に止着されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載のロータ（１０）。
9. 詰め材（３０）は、接続する手段と一体的に製造されていることを特徴とする、請求項８に記載のロータ（１０）。
10. 磁気ホイールの歯の側面（２２）には、側面の長手方向に延出する溝（２６）が設けられていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載のロータ（１０）。
11. 磁石は、少なくとも部分的には、貴土類材料から製造されていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のロータ。
12. 詰め材は、磁石と磁気ホイールの歯の側面（２２）との間に通気路が形成されないよう、隙間のない部材であることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のロータ。
13. 詰め材は、少なくとも部分的には、熱硬化性材料または熱可塑性材料から製造されていることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のロータ。
14. 詰め材は、少なくとも部分的には、アルミニウムから製造されていることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載のロータ。

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