電子的に整流されたロータモータのステータ

专利摘要:
本発明は、電子的に整流されたロータモータ（１２）のステータ（１０）であって、前記ロータモータ（１２）が、複数の溝（１４）によって分離されかつそれぞれ１つのフォーク状の磁極叉部（１５）を有する多数の磁極（１３）と、該磁極（１３）に配置された少なくとも２つの巻き線ストランド（１７）とを備えている形式のものに関する。本発明の構成では、磁極（１３）が、各フォーク状の磁極叉部（１５）のところに、フォーク状の付加磁極叉部（１９）を形成するための少なくとも１つの付加溝（１８）を備えている。
公开号:JP2011510605A
申请号:JP2010542543
申请日:2008-11-11
公开日:2011-03-31
发明作者:ヘルマン；ティム アイケ；クラウト ヴォルフガング
申请人:ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツングＲｏｂｅｒｔ Ｂｏｓｃｈ Ｇｍｂｈ；
IPC主号:H02K1-14

专利说明:

[0001] 本発明は、請求項１の上位概念部に記載の形式の電子的に整流されたロータモータのステータ、すなわち前記ロータモータが、複数の溝によって分離されかつそれぞれ１つのフォーク状の磁極叉部を有する多数の磁極と、該磁極に配置された少なくとも２つの巻き線ストランドとを備えている形式のものに関する。]
[0002] 背景技術
冒頭で述べた形式の、電子的に整流されたロータモータのステータは、一般に、エアギャップ（空隙）を介して間隔を置いて配置されたロータと相俟って知られている。電気的なロータモータとは、直流電流を用いて作動させられる直流機である。直流機はこの場合、運動不可能な部分、つまりステータと、回転可能に支承された部分、つまりロータとを有している。直流モータはロータ構造に応じて、ロータがステータの内側で回転するインナロータモータとしても、ロータがステータの外側で回転するアウタロータモータとしても形成されていてよい。インナロータモータでは、ロータもしくは回転子が、ステータの内側に位置しており、それに対して、アウタロータモータは、ステータの周囲を回転するロータによって取り囲まれている。]
[0003] 電子的に整流されたロータモータ（ＥＣモータ）の機能原理は、永久磁石を備えたロータと、整流のための電子制御部を備えたステータとに基づいている。電子制御部はセンサ、特にホールセンサを介して、ロータのその都度の位置を検出し、これに相応してステータの巻き線における電磁界を切り換える。このことから得られる効果は、スリップ損失の回避によって作用するので、システム効率は著しく高められる。ステータの巻き線はこの場合、円形にかつ互いに対して間隔を置いて配置された複数の磁極の収容範囲に位置している。これらの磁極は場合によってはエアギャップに向けられたその自由端部においてフォーク状の磁極叉部（Polgabelung）を備えている。]
[0004] しかし、電子的に整流されたロータモータでは、その構造が原因となって生ぜしめられる「コギングトルク（Rastmoment）」と呼ばれる現象が問題となる。この場合、ステータの磁極から磁石溝（スロット）への交番時におけるエアギャップの変化に基づき、ロータの永久磁石に対して磁気抵抗が変化し、ひいてはロータに加えられる力が変化する。コギングトルクはトルク変動や、特に低い回転数においてはモータ回転むらを招くと共に、ロータがモータの遮断後に特定の位置においてしか安定位置を占めなくなる（コギング）ことをも生ぜしめる。コギングトルクは特に、ステータに設けられた永久磁石と、電気鉄板から成る溝（スロット）付きのロータを有しているか、または逆に溝付きのステータと、永久磁石を備えたロータとを有している電気機械において発生する。ステータにおいてもロータにおいても溝付けされているような機械においても、作動時にはやはりコギングトルクが発生する。]
[0005] 発明の開示
請求項１の特徴部に記載の特徴を有する、電子的に整流されたロータモータの本発明によるステータ、すなわち磁極が、各フォーク状の磁極叉部のところに、フォーク状の付加磁極叉部を形成するための少なくとも１つの付加溝を備えていることを特徴とする、電子的に整流されたロータモータのステータには、従来のものに比べて次のような利点がある。すなわち、電動モータの、各コギングトルクに関連した基本次数、すなわち、ステータに関するロータの既存のコギングスキュー（Rastneigung）を減少させることができる。この場合、磁極は各フォーク状の磁極叉部のところに、フォーク状の付加磁極叉部を形成するための少なくとも１つの補助溝もしくは付加溝を備えている。したがって、コギングトルクを減少させるために溝スロットまたは磁石縁部に設けられた、磁束損失を招く原因となるスキューを減少させることができる。スキューもしくは規定されたスキュー角度は、たとえばコギングトルク基本次数（Rastmomentgrundordnung）が倍増されると１／２に半減され、ひいては著しく低減され得る。つまり、低減されたスキュー角度により、これによって生ぜしめられた磁束損失が低下し、この場合、付加溝によって磁束損失が生ぜしめられるが、この磁束損失は比較的僅かであり許容され得る。理想的には、前記付加溝は、低減されたスキューによる磁束利得が、エアギャップ補填による磁束損失よりも著しく大きくなるような電気機械において使用される。磁束利得は、電気モータのサイズを減少させることができるか、または相応する作動電流を低下させることができる点で利用可能である。]
[0006] 請求項２以下に記載の特徴により、請求項１に記載の構成の有利な改良が得られる。]
[0007] 本発明の有利な構成では、フォーク状の磁極叉部１つ当たり、巻きスペースもしくは巻き間として形成された１つのフォーク状の叉部溝が設けられている。磁極１つ当たりに設けられた各フォーク状の叉部溝によって、溝容積当たりの巻き線ストランドの比較的高い導体横断面を得ることができる。このことから得られる、高められた「スロット占積率（Nutfuellfaktor）」により、改善された出力密度ならびにロータモータの改善された効率がもたらされる。]
[0008] 本発明の別の有利な構成では、各フォーク状の磁極叉部は、それぞれ２倍の前記付加磁極叉部が与えられるように２つの付加溝を備えている。これにより、電気モータのコギングトルク次数を、低減されたコギングスキューが得られるようになお一層高次化し、ひいては最適化することができる。したがって、スキューもしくは溝スロットの相応するスキュー角度および／または磁石縁部の相応するスキュー角度は低減可能となり、これにより磁束損失を一層減少させることができる。]
[0009] 本発明のさらに別の有利な構成では、各付加溝の幅が、前記溝の幅に相応して寸法設定されているので、前記溝と前記付加溝とを導入するために同じ工具を使用することにより、製作相乗効果を得ることができる。]
[0010] 本発明のさらに別の有利な構成では、各付加溝の幅が、前記溝の幅に相応して、±１５％の公差を持って寸法設定されている。前記公差帯域では、電気モータのバランスのとれた同心回転におけるコギングトルクに関して有効な機能形式を得ることができる。]
[0011] 本発明のさらに別の有利な構成では、各付加溝の深さが、条件



に相当しており、ただしエアギャップは、フォーク状の磁極叉部もしくはフォーク状の付加磁極叉部と、磁極に対して間隔を置いて配置されたロータとの間の間隔によって規定されている。付加溝のこのような寸法設定は、コギングトルク有効な機能形式に対して補填的に前記解決手段に貢献する。上で挙げた条件は、付加溝深さを寸法設定するために特に効果的であることが判っている個別値を有する値スケールの記載である。]
[0012] 本発明のさらに別の有利な構成では、１２個の磁極と、巻き線ストランドで占められた２４個の溝（スロット）とが設けられている。この構成は、有利な構造および該構造の、トルクと回転数と同心回転（Rundlauf）とが、バランスのとれた関係となる所属のコンフィグレーション（Konfiguration）である。さらに、２つの磁極と、巻き線ストランドで占められた４つの溝とが、基本機械（Elementarmaschine）として設けられていると有利である。この場合、可分性条件を満たす、それぞれ最小の機能性アッセンブリを「基本機械」とみなす。]
[0013] 前記ステータは、ロータの、ステータを取り囲む磁石、特に永久磁石が設けられているような、電子的に整流されたロータモータにおいて使用されると有利である。このようなモータカテゴリにおいて、いわゆるアウタロータモータ、つまりロータがステータの外側で回転するタイプのモータが特に有利であると強調することができる。なぜならば、この場合には、たとえばファンにおいて使用される際のロータの「回転慣性モーメント」を利用可能にすることができるからである。電子的に整流された、ひいてはブラシレスである電気モータを用いて、車両電源網および車両バスシステムにおける要求の多い組込みのための新規しい可能性が開かれる。このような電気モータは集積された電子装置を用いて直流網において作動され得ると共に、僅かな手間をかけるだけで制御可能となり、しかも摩耗なしの作動によりすぐれている。]
[0014] 以下に、本発明ならびに請求項２以下に記載の特徴による本発明の有利な構成を、図面に図示した実施形態につき詳しく説明するが、ただし本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、むしろ特許請求の範囲の枠内で可能となるあらゆる変化形および改良形を包含するものである。]
図面の簡単な説明

[0015] 本発明によるステータを示す断面図である。]
[0016] 発明の実施形態
図１には、電子的に整流されたロータモータ１２のステータ１０およびロータ１１が、成層鉄心を成す金属薄板の断面に相当する断面図で図示されている。ステータ１０は多数の磁極１３を備えている。これらの磁極１３は溝（スロット）１４、特に巻き間によって互いに分離されている。磁極１３（「ステータティース」とも呼ばれる）は、叉部として形成されたそれぞれ１つのフォーク状の磁極叉部１５を有している。これらの磁極叉部１５はそれぞれ１つの叉部溝（叉部スロット）１６を備えている。磁極１３には、少なくとも２つの巻き線ストランド１７が巻き付けられている。これらの巻き線ストランド１７は場合によってはフォーク状の磁極叉部１５をも取り囲んでいる。この場合に重要となるのは、磁極１３が各磁極叉部１５に、フォーク状の付加磁極叉部１９を形成するための少なくとも１つの補助溝もしくは付加溝１８を備えていることである。これにより、ステータ１０の外側の周面と、ロータ１１の内側の周面との間に存在するエアギャップ２０が部分的に拡張され、これにより溝１４もしくは叉部溝１６の作用に対応した効果、すなわちコギングトルク次数の高次化が得られる。各付加溝１８の深さは以下の条件に相当していると有利である：] 図１
[0017] ロータ１１の内側の周面は磁石２１、特に永久磁石を備えており、この場合、Ｎ極性を有する磁石２１とＳ極性を有する磁石とが交互にステータ１０に向けられている。さらに、これらの技術的な手段によって、従来では溝スロットまたは磁石縁部もしくは積層鉄心において行われなければならなかったスキュー（斜めスロット）を回避することができる。スキューもしくは斜めスロットは磁束損失と結びつけられていて、斜めスロット係数（Schraegungsfaktor）を用いて規定される。斜めスロット係数は、磁束損失を算出する乗数（Multiplikator）によって表される。この場合、１の斜めスロット係数は１００％の磁束に相当し、つまり磁束損失なしのコンフィグレーションもしくは配置構成に相当する。図示の実施形態では、たとえば０.９に相当する典型的な斜めスロット係数を有する慣用の構成に比べて、７.４％の磁束利得が実現可能となる。したがって、図示の本発明の実施形態の斜めスロット係数は、０.９７４である。有限要素法（ＦＥＭ）を用いたエアギャップ拡開部の検査により、著しい磁束利得が維持されている限り、図示のモータ構成による手段は好都合に使用可能となる。]
[0018] 有限要素法は、特に境界条件を有する楕円型の偏微分方程式を近似的に解くための数値方法である。有限要素法を用いて計算を実施することができ、この場合、計算領域が多数の小さな要素に分割される。これらの要素は有限的に小さく、この場合、要素の数はやはり有限である。計算領域を有限の大きさの有限の数の要素に分割することが有限要素法の核である。これらの要素内で試行関数もしくは試験関数（Ansatzfunktionen）が規定され、これらの関数から、偏微分方程式および与えられた境界条件および遷移条件（Uebergangs-Bedingungen）を介して１つの大きな方程式系が得られる。その後に、解かれた方程式系から、求められた解が引き出される。]
[0019] ロータモータ１２は、アウタロータモータの形の電子的に整流された駆動装置である。電子的に整流されたロータモータ１２（ＥＣモータ）は高い極数を有するアウタロータ構造の、コレクタ・ブラシレス式の永久磁石によって励起される直流モータである。出力電子装置を備えた制御装置（ＥＣコントローラ）が、ロータモータ１２に対して接続切換された電流をモータ巻き線内で電子的に、ひいては摩耗なしに整流する。さらに、前記制御装置はロータモータ１２を監視して、駆動装置の簡単な制御のためのインタフェースを提供する。ステータ１０の少なくとも２つ、特に３つのコイルストランド１７は、ブリッジ回路、たとえばバイポーラトランジスタを備えたブリッジ回路、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果型トランジスタ）またはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を介して整流されるか、または小さな出力の場合には出力ＩＣに集積されて、整流される。このようなモータは、たとえばエンジン冷却ブロワ、特に電子的に整流されたエンジン冷却ブロワにおいて使用される。]
[0020] ブラシレスの、つまり電子的に整流された電気モータを用いると、自動車電源網および自動車バスシステムにおける要求の多い組込みのための新しい可能性が開拓される。電子的に整流されたモータは集積された電子装置に基づき、直流網において作動され得ると同時に、容易に制御され得る。また、電子的に整流されたモータは十分に摩耗なしである。ＥＣモータは相応する出力電子装置を用いて、電流接続部および制御接続部を介して、たとえば自動車工業において汎用されるデータバスを介して制御され得る。さらに、ＥＣモータは、選び抜かれた磁石材料によって出力密度および構成容積の点で、慣用の駆動装置コンフィグレーションがはるかに凌駕されるように最適化され得る。外転型のアウタロータモータの場合、回転するロータは外部で界磁巻き線を覆っている。これにより、永久磁石のためのスペースが与えられている。バランスのとれた同期回転における高いトルクの他に、このようなタイプのモータは、ロータが外側で露出していることに基づき、たとえばファン羽根またはポンプ車を支持するための理想的なベースが与えられていることによりすぐれている。]
[0021] 要約すると、溝１４によって分離されかつそれぞれ１つのフォーク状の磁極叉部１５を有する多数の磁極１３と、該磁極１３に配置された少なくとも２つの巻き線ストランド１７とを備えた、電子的に整流されたロータモータ１２のステータ１０が与えられている。磁極１３が各磁極叉部１５において、フォーク状の付加磁極叉部１９を形成するための少なくとも１つの付加溝１８を備えていることにより、一方では、電動モータもしくはロータモータ１２の、コギングトルクに関連した基本次数（Grundordnung）を高次化させることができ、他方ではこれまで設けられなければならなかった斜めスロットもしくはスキューを減少させることができる。言い換えれば、図面に図示されているように、２４個の溝１４；１６を有するステータ１０が与えられており、このステータ１０は、１２個の磁極１３もしくはティースに設けられた各溝底部にまとめられている。エアギャップ２０内では、２４個のティースヘッド１５；１９全てがいわば「平等」である。したがって、エアギャップ２０内に２４個の溝を有するステータ１０は付加溝１８によって、４８個の溝１４；１６；１８を有するレベルにまで引き上げられている。]

权利要求:

請求項1
電子的に整流されたロータモータ（１２）のステータ（１０）であって、前記ロータモータ（１２）が、複数の溝（１４）によって分離されかつそれぞれ１つのフォーク状の磁極叉部（１５）を有する多数の磁極（１３）と、該磁極（１３）に配置された少なくとも２つの巻き線ストランド（１７）とを備えている形式のものにおいて、磁極（１３）が、各フォーク状の磁極叉部（１５）のところに、フォーク状の付加磁極叉部（１９）を形成するための少なくとも１つの付加溝（１８）を備えていることを特徴とする、電子的に整流されたロータモータのステータ。
請求項2
フォーク状の磁極叉部（１５）１つ当たり、巻き間として形成された１つのフォーク状の叉部溝（１６）が設けられている、請求項１記載のステータ。
請求項3
各フォーク状の磁極叉部（１５）は、それぞれ２倍の前記付加磁極叉部（１９）が与えられるように２つの付加溝（１８）を備えている、請求項１または２記載のステータ。
請求項4
各付加溝（１８）の幅が、前記溝（１４）の幅に相応して寸法設定されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のステータ。
請求項5
各付加溝（１８）の幅が、前記溝（１４）の幅に相応して、±１５％の公差を持って寸法設定されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のステータ。
請求項6
各付加溝（１８）の深さが、条件に相当しており、ただしエアギャップ（２０）は、フォーク状の磁極叉部（１５）もしくはフォーク状の付加磁極叉部（１９）と、磁極（１３）に対して間隔を置いて配置されたロータ（１１）との間の間隔によって規定されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のステータ。
請求項7
１２個の磁極（１３）と、巻き線ストランド（１７）で占められた２４個の溝（１４；１６）とが設けられている、請求項１から６までのいずれか１項記載のステータ。
請求項8
２つの磁極（１３）と、巻き線ストランド（１７）で占められた４つの溝（１４；１６）とが、基本機械として設けられている、請求項１から７までのいずれか１項記載のステータ。
請求項9
電子的に整流されたロータモータ（１２）において、請求項１から８までのいずれか１項記載のステータ（１０）が設けられていることを特徴とする、電子的に整流されたロータモータ。
請求項10
磁石（２１）、特に永久磁石を備えかつステータ（１０）を取り囲むロータ（１１）が設けられている、請求項９記載のロータモータ。
請求項11
当該ロータモータがアウタロータモータとして形成されている、請求項９または１０記載のロータモータ。