電気的な回転磁界機器および１次側
【課題】高い線形性（電流を横軸とするトルク曲線）と、低い漏れインダクタンス（低い飽和特性および高い最大回転数）と、とりわけ低いトルクリプルとを有する回転磁界機器を提供することである。
【解決手段】該１次側に設けられた個々のモジュール（２０）は、奇数個の歯（２５）でありかつ少なくとも３つの歯（２５）を有し、個々のモジュール（２０）の相互に直接隣接する歯（２５）には、逆の捲回方向を有するコイル（３０）が設けられており、前記逆の捲回方向によって、歯（２５）に逆の磁界極性が発生するように構成されていることを特徴とする１次側。
【解決手段】該１次側に設けられた個々のモジュール（２０）は、奇数個の歯（２５）でありかつ少なくとも３つの歯（２５）を有し、個々のモジュール（２０）の相互に直接隣接する歯（２５）には、逆の捲回方向を有するコイル（３０）が設けられており、前記逆の捲回方向によって、歯（２５）に逆の磁界極性が発生するように構成されていることを特徴とする１次側。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気的な回転磁界機器の１次側および電気的な回転磁界機器に関する。該回転磁界機器はとりわけ、高い同期性が必要とされる機器のための同期モータまたはリニアモータである。
【背景技術】
【０００２】
この形式のモータは、たとえば印刷機器および研磨機器において適用される。またサーボアプリケーションでも、高い同期特性が必要とされる。高い同期性を達成して、たとえばサーボアプリケーションのために精確に位置決めできるようにするためには、とりわけ、モータのトルクリプルが小さいことが必要である。理想上は、電動機は各時点で、一定のトルクを供給すべきである。トルクリプルは、モータのトルクが時点ｔでモータの平均的なトルクからどの程度ずれているかの尺度である。トルクリプルはたいてい、電動機の平均トルクに関して、ロータ角度に依存して表される。モータが過度に大きなトルクリプルを有すると、所望のロータ位置決めを精確に制御できなくなる。さらに、電動機の漏れインダクタンスは低くなければならず、電動機は高い飽和特性を有してはならない。低い漏れインダクタンスを実現するためには、とりわけ、ステータの歯の間隔を可能な限り大きくする。こうすることにより、起磁力特性がモータジオメトリおよびコイルの配置に依存するようになる。漏れインダクタンスが低いことにより、モータの飽和特性が小さくなり、最大回転数が高くなり、ひいては回転数に関連して、適用範囲が広くなる。
【０００３】
電気機器はたいてい、（少なくとも）１つの静止状態の主要部材および１つの可動の主要部材を有する。回転式の機器の場合、これらは固定子および回転子であり、これらはしばしば、ステータないしはロータとも称される。リニア機器の場合、このように静止状態の主要部材および可動の主要部材に分割されることがないので、ここでは、回転式機器でも一般的に使用されている名称である１次側および２次側が使用される。この１次側は、回転電磁界が印加される部材である。それに対して２次側は、電気的に励磁されるかまたは永久磁場によって励磁される部材である。以下では、１次側という名称は固定子ないしはステータも含み、２次側という名称は回転子ないしはロータも含むこととする。通常、これらの主要部材はラミネートされた鉄から構成され、絶縁された銅導体から成る巻線を支持する。トルク形成は、磁界内で通電中の導体に対して力作用が発生することにより、電磁的に行われる。ここで重要なのは、負荷電流を通す巻線の電流密度（Strombelag）、および１次側と２次側との間のエアギャップに発生する磁束密度である。このような機器は、たとえば非同期機および同期機である。とりわけ以下では、同期機に関して説明し、とりわけ同期モータに関して説明する。同期モータの場合、１次側において電気的に生成された励磁界は、回転数に依存して回転する。２次側にはたいてい、永久磁石が取り付けられており（しかし、直流電流磁石も取り付けられる）、回転磁界を生成するための１次側には多相交流巻線が取り付けられる。１次側巻線に流れる電流の分割は、２次側の位置決め角度に依存して行われる。同期モータの２次側および回転磁界は、等しい回転数を有する。
【０００４】
ＤＥ１０１１９６４２Ａ１から、電気的な回転磁界機器用のステータ、とりわけ同期機用のステータが公知である。ここでは、ステータの歯はヨークに着脱可能に固定されるので、ステータの外側の歯に捲回した後に、この歯をステータに取り付けることができる。モータの取り付け済みの状態では、相互に直接隣接する歯は異なる巻線方向を有する。さらにステータは、捲回されていない補助歯を有する。このような構成によって、コイルを簡単に取り付けることができるが、同期機の漏れインダクタンスは高くなり、ひいては同期機の飽和特性が高くなる。
【０００５】
ＵＳ５６４２０１３には、トルクリプルを低減するために、有利には比が０．４０〜０．５５になるようにスロット幅および歯間隔が相互に整合された同期モータが開示されている。この比は、磁極片がない場合しか実現することができず、このことによって同期モータの漏れインダクタンスが高くなり、ひいては飽和特性が高くなる。
【０００６】
ＵＳ４７５２７０７には、次のような同期機器のステータが開示されている。すなわち、それぞれ相互に対角線上に対向する歯に異なる磁界極性が発生して、隣接する歯が３つで固定子の１つの極を形成するように、歯に捲回されるコイルが方向付けられてモータの作動中に通電されるステータが開示されている。このような構成によって、モータのトルクリプルが高くなる。ステータへの巻き付けは、常に３つの歯に同時に、巻線フォークによって巻き付けられることによって行われる。
【０００７】
ＥＰ１３１５２７４Ａ１には、同期モータのトルクリプルを低減するために、次のような固定子が提案されている。すなわち、歯または歯モジュール（相互に直接隣接する多数の歯）にコイルが巻き付けられることにより、相互に直接隣接するエレメントが通電時に、異なる磁界極性を有する固定子が提案されている。ここでは歯の数ないしは歯モジュールの数は、モータのために使用される電流位相の数のちょうど２倍である。このモータの欠点は、飽和特性が高いことである。さらにこの公報には、歯ないしは歯モジュールのための適切な捲回の指示と、極ピッチ対スロットピッチの有利な比とが記載されている。
【特許文献１】ＤＥ１０１１９６４２Ａ１
【特許文献２】ＵＳ５６４２０１３
【特許文献３】ＵＳ４７５２７０７
【特許文献４】ＥＰ１３１５２７４Ａ１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、次のような電気的な回転磁界機器を提供することである。すなわち、上記の使用分野に適用可能であり、高い線形性（電流を横軸とするトルク曲線）と、低い漏れインダクタンス（低い飽和特性および高い最大回転数）と、とりわけ低いトルクリプルとを有する回転磁界機器を提供することである。さらにモータは、高い力密度（小さい構造的容量）と、低いコストと、小さい重量とを有していなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題は、歯ピッチ対スロットピッチの比が巻き方を考慮して最適化されていることを特徴とする電気的な回転磁界機器によって解決される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明では、電気的な回転磁界機器の１次側、とりわけ同期モータまたはリニアモータは複数の歯付きモジュールを有し、１つのモジュールは少なくとも３つの歯と、それぞれ歯を囲むスロットを１つずつ有する。このスロットで、コイルが相応の歯に捲回されており、１つのモジュールのコイルのみが、多相ネットワークの１つの位相にのみ結線されている。本発明による１次側では、モジュールの数は電流位相の数に等しいか、または電流位相の数の整数倍である。１つのモジュールの巻き方は単独で、電流が１つのモジュールのコイルのみを流れる際に相互に直接隣接するコイルによって、逆に分極された磁界が生成されるように構成されている。
【００１１】
有利な実施形態では、２つの相互に直接隣接するモジュールの相互に直接隣接する歯において、これら両歯に捲回される巻線が、同じ回転方向で形成されている。
【００１２】
１次側のこのような構成により、モジュールの巻き方に起因して回転磁界に高調波が発生し、この高調波によって高い次数の場合（ひいては振幅が小さい場合）に初めて、２次側磁界の一致する高調波が発生する。このことによって、モータのトルク変動が格段に低減される。さらに、高調波の巻線係数が比較的小さく、基本波の巻線係数は非常に高くなる。このことは総じて、高いトルクかつ小さいトルクリプルを実現する。さらに、２次側の磁石幅（磁極カバー率）を適合することにより、コギング力が低減される。
【００１３】
１次側の有利な巻き方は、Ｐ１，−Ｐ１，−Ｐ１，Ｐ１，Ｐ１，−Ｐ１；．．．；Ｐｍ，−Ｐｍ，−Ｐｍ，Ｐｍ，Ｐｍ，−Ｐｍまたはこの整数倍である。このｍは電流位相の数を表し、ここではとりわけ、３相電流が有利である。本発明による１次側の実施形態では、歯の数は９の整数倍であり、有利には９の偶数倍である。
【００１４】
有利な実施形態では、１次側の歯は磁極片を有している。この磁極片は、歯の相互間に設けられたスロットをモータのエアギャップの側で、少なくとも部分的に閉鎖する。これによって、誘導電圧の正弦波の経過が実現され、漏れインダクタンスが低減される。
【００１５】
上記の手段全体によって、ひずみ率が低くなる。
【００１６】
有利な実施形態では、１次側は補助歯を有する。この補助歯は、直接隣接する２つの歯の間に配置されている。補助歯によって、ベース負荷領域のトルクが上昇される。というのも、磁束案内のために使用される鉄が増加し、ひいては鉄コイルにおいて、鉄（空気より大きなμｒ）を通る磁束路が短縮されるからである。
【００１７】
本発明の有利な実施形態では、２次側の極ピッチ対１次側のスロットピッチの比は９／８に等しい。
【００１８】
サーボアプリケーション用のモータは、高ダイナミックで位置決めしなければならず、そのためには高い過負荷耐性と同時に、簡単に制御可能であることと、高い線形性とが必要である。本発明による回転磁界機器の低い飽和特性により、高い線形性および高い過負荷耐性が実現される。１次側の歯および巻線の構成に基づいて低いトルクリプルが実現されることにより、非常に簡単に２次側を位置決めできるようになる。ひずみ率が低いことにより、フィードバック波の電流が高い場合に制御装置が受ける影響はごくわずかになるので、本発明による回転磁界機器の制御品質はさらに向上される。
【００１９】
本発明の別の有利な実施形態が、従属請求項に記載ｓされている。
【実施例】
【００２０】
本発明の有利な実施形態を以下で、添付図面に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
以下の説明はとりわけ、同期モータに関する説明である。ここでは、該同期モータのステータ（１次側）内部でロータ（２次側）が回転する。しかし本発明は、リニアモータ、非同期モータおよびジェネレータも含むことを述べておく。さらに、従来のモータのように回転磁界を調整するための歯を内側に向けるのではなく、外側に向けることもできる。こうする場合、モータのステータは内部になるか、ないしはステータの機能とロータの機能とが入れ替わる。以下では、回転式機器で慣用されている表現であるステータないしは固定子、およびロータないしは回転子を使用する。
【００２２】
図１は、本発明による回転磁界機器のステータないしは固定子１０の端面を示している。このような実施形態では、固定子１０は９つの歯２５を有しており、これらの歯２５はヨーク１５を介して相互に接続されている。ヨーク１５は円筒形であり、９つの歯２５は相互に等しい角度間隔で、内側に突出している。歯２５の自由な端部によって円筒状の空間が形成され、この円筒状の空間内で、ロータないしは回転子１００が回転する。この実施形態では、歯２５に磁極片２３が設けられている。これらの磁極片２３は、直接隣接する２つの歯の間に残された間隙を歯２５の自由端部で、少なくとも部分的に閉鎖する。本発明の別の実施形態では、磁極片２３は設けられない。
【００２３】
各歯２５の周部に、周辺スロット４０が設けられている（図１の歯を参照せよ）。この周辺スロット４０にそれぞれコイル３０（図５を参照せよ）が設けられており、このコイル３０によって、モータの運転時にその都度、時間的に可変の磁界が発生する。この実施形態では、直接隣接して配置された３つの歯２５によって１つのモジュール２０が形成される。この実施形態の場合、電気的な回転磁界機器の本発明による固定子１０は３つのモジュール２０を有し、これらのモジュール２０はそれぞれ、歯１〜３、４〜６および７〜９を有する。しかし本発明による固定子１０の別の実施形態では、１つの固定子１０あたりに設けられるモジュールの数を３つより多くするか、または各モジュール２０に３つより多くの歯２５を設けることもできる。後者の場合、モジュールあたりの歯の数は、有利には奇数である。
【００２４】
本発明の有利な実施形態では固定子１０は、強磁性の薄い複数の一体形の薄鋼板（ステータ薄板）から構成されている。この薄鋼板は、図１に示されたようなプロフィールを有する。また、固定子１０全体または個々のモジュール２０を一体形で形成するか、ないしは薄板から成る歯２５またはモジュール２０をまとめて、歯２５にコイル３０を捲回した後に固定子１０を取り付けることができる。
【００２５】
図２は、ロータないしは回転子１００（極ホイールとも称される）を示している。このロータないしは回転子１００は、本発明による固定子１０内で回転可能に支承されている。回転子１００を固定子１０内部で無妨害で回転させるため、固定子１０と回転子１００との間にエアギャップ１２０が設けられている（図４参照）。本発明の有利な実施形態では、回転子１００は回転子磁石１１０として永久磁石を有する。この永久磁石は、円筒状形の回転子１００の円周に規則的に分布されており、回転子磁石１１０はそれぞれ外側に（ひいては内側にも）異なる磁気分極状態を有する。有利には回転子磁石１１０は、軸１０５に設けられる。この軸１０５は固定子１０と同様に、強磁性の薄鋼板から形成されている。さらに、軸１０５を一体形で形成するか、または永久磁石を設ける代わりに固定子磁石１１０として直流電流磁石を設けることもできる。
【００２６】
図３は、本発明の別の有利な実施形態を示している。この実施形態では、図１に示された実施形態と異なり、直接隣接する２つの歯２５の間に、補助歯２７がそれぞれ１つずつ設けられている。この実施形態はとりわけ、低い電流強度の領域において有利である。というのも、ベース負荷領域では磁束案内のために使用される鉄がより多くなるからである。
【００２７】
図４には、リニアモータの本発明による固定子１０、ないしは図１に示された本発明による固定子１０が切開および展開されて示されている。固定子１０はエアギャップ１２０を介して、回転子１００と共働する。固定子１０はこの実施形態では、それぞれ歯を３つずつ有する３つのモジュール２０を備えている。したがって、この固定子１０は９つの歯２５を有する。これらと向かい合って、８つの回転子磁石１１０が設けられている。これらの回転子磁石１１０はモータの作動中、歯２５の自由端部に発生する固定子１０の磁界と、エアギャップ１２０を介して共働する。この磁界は、時間的に変化する。
【００２８】
モータにおいて重要なパラメータは、極ピッチτＰ対スロットピッチτＮの比である。極ピッチτＰは、回転子１００の円周に分布された回転子磁石１１０に対する尺度である。極ピッチτＰは、回転子１００に設けられた回転子磁石１１０の円周所要面積を表す無次元または次元付きの特性値であり、単位［ｍ］、［°］または［ｒａｄ］によって表される。前記円周所要面積は、３６０°（電気的）を基準とする。この実施例では、極ピッチτＰを無次元で表すと、τＰ＝１／８である。それに対してスロットピッチτＮは、固定子１０の円周に配置されかつ歯のスロット４０に配置されるコイル３０の所要面積の尺度である。極ピッチτＰと同様に、スロットピッチτＮはコイル３０ないしはスロット４０の円周で占有する所要面積を表す。前記実施例では、スロットピッチτＮも無次元で表すと、τＮ＝１／９となる。したがって、前記の実施例による電気的な回転磁界機器における極ピッチτＰ対スロットピッチτＮの無次元の比は、τＰ／τＮ＝９／８となる。
【００２９】
一般的に、無次元の極ピッチτＰはτＰ＝１／（ｖ’±１）によって算出され、無次元のスロットピッチτＮはτＮ＝１／ｖ’によって算出され、極ピッチτＰ対スロットピッチτＮの比はτＰ／τＮ＝ｖ’／（ｖ’±１）によって算出される。ここでは、ｖ’はｖ’＝ｎ’＊ｍで計算され、ｍは電流位相の数であり、ｎ’は、固定子１０に設けられたモジュール２０の数を表す自然数である。
【００３０】
以下で本発明の有利な実施形態を、図４および５に基づいて詳細に説明する。図５は、固定子１０の歯２５の横断面を示しており、各歯２５は、周辺スロット４０に設けられたコイル２５を有する。理解しやすくするため、図４および５のそれぞれ左側に、歯１の隣に歯９が示されており、それぞれ右側には、歯９の隣に歯１が示されている。これは、相応の回転子磁石１１０でも同様である。これは回転式モータの事例では、歯９と歯１との間の円周接続部を表すか、ないしはリニアモータの場合には、繰り返されるパタンを表すようになっている。
【００３１】
図５には、固定子１０の歯１〜９に捲回されたコイル３０の捲回方向が示されている。ここでは、それぞれ１つの個々のモジュール２０の相互に直接隣接するコイル３０は、異なる巻き方３５を有する。たとえば、歯１のコイル３０は（図５に示されているところによれば）時計回りで該歯１に捲回されており、歯２のコイル３０は反時計回りに該歯２に捲回されている。歯３もまた、時計回りのコイル巻線を有する。モジュール２０のこれら３つのコイル３０は、多相電流（この例では３相電流）の個々の位相（この例では電流位相ａ）に結線される。このことはたとえば、図６に示された並列接続ないしは３つの直列接続にしたがって行われる。
【００３２】
技術的に簡単に実現できるコイル３０の巻線接続は、それぞれ１つの歯２５に他の歯２５に依存せずに捲回できる巻線接続である。これによってたとえば、固定子１０の取り付け前に、歯２５に相互に別個に捲回することができる。その後、歯２５に捲回されたコイル３０の接続が、固定子１０の取り付け時に行われる。このような実施形態は、図６の右側に示されている。
【００３３】
ここで歯１〜３のコイル３０に、同じ電流位相ａを印加すると、直接隣接する２つのコイル３０の巻き方が異なることにより、両コイル３０のコア（歯）に、逆に分極された磁界が形成される。たとえば、時点ｔで歯１のコイル３０が、該歯１の自由端部でＮ極を生成するのに対し、歯２のコイル３０は該歯２の自由端部でＳ極を発生する。歯３もまた、自由端部でコイル巻き方３５に起因して、Ｎ極を有する。逆の電圧を位相ａで印加した場合、このモジュール２０の相応の歯２５に、上記の磁界と逆の磁界極性が形成される。
【００３４】
固定子１０の第２のモジュール２０（歯４〜６）でも同様である。このコイル３０は、多相電流の別の電流位相ｂに結線されている。第３のモジュール２０（歯７〜９）でも同様に、コイルは多相電流の電流位相ｃに接続されている。
【００３５】
各モジュールが別の電流位相Ｐｍに結線されている。ここでは、Ｐｍは電流位相（前記の例ではａ，ｂおよびｃ）を表しており、ｍは位相の数を示している。このことは、たとえば図７に示されている。ここではモジュール２０は、それぞれボックスとして示されている。９つの歯１〜９を有する第１の実施形態による電気的な回転磁界機器は、図７では斜線によって示されており、歯１〜９は均等に３つのモジュール２０に区分されている。第１のモジュール（歯１〜３）は３相電流の位相Ｐ１＝ａに結線されており、第２のモジュール（歯４〜６）は該３相電流の位相Ｐ２＝ｂに結線されており、第３のモジュール（歯７＝９）は該３相電流の第３の位相Ｐ３＝ｃに結線されており、モジュール４０の最後の歯２５（歯３，６および９）のそれぞれ最後のコイル３０は、スター結線のスター点１３０に結線されている。さらに、図７には別のモジュール２０も示されており（破線のボックス）、この別のモジュール２０によって、３つの歯を有するモジュール２０を備えた本発明の別の実施形態が実現されるが、この別のモジュール２０の電流位相の数は異なっている。
【００３６】
本発明によれば、図７に示された３つのモジュール２０の前記のパタンを繰り返して、これらを同様に、３相電流の電流位相ａ，ｂおよびｃにそれぞれ結線するか（リニアモータに適している）、または、別のモジュール２０を多相電流の別の電流位相に接続することができる。ここで４相電流が存在する場合、該電気的な回転磁界機器は少なくとも４つのモジュール２０を有するか、または少なくとも４の整数倍のモジュールを有さなければならない。ここでも、モジュール２０は各個別に、電流位相Ｐｍに結線される。さらに、個々のモジュール２０は３つの歯２５だけを有するのではなく、４つ以上の歯２５を有することもできる。本発明によれば、このようなモジュール２０を有するモータは上記の変形形態でも、多相電流ネットワークに接続される。本発明において有利なのは、モジュール２０の歯２５の個数は奇数であり、かつステータ１０内の歯２５の総数が偶数であることだ。このことはたとえば、モジュール１つあたりの歯数が３でありかつモジュール数が６である場合に実現される。したがってこのような実施形態で有利なのは、３つの位相を有する多相電流であり、各１つの位相は２つのモジュール２０に印加される構成である。
【００３７】
図５には、歯２５に捲回されるコイル３０の巻き方３５を簡単に図解するために、コイル３０に結線される電流位相ａ，ｂ，ｃの前にプラス（＋）およびマイナス（−）が付与された捲回方向が示されている。このコイル３０の巻き方３５の場合には、該コイル３０の巻き方が相互間でどのように行われるかのみが重要である。したがって、異なる巻き方３５（時計回り／反時計回り）に対応して異なる名称を使用するのであれば、用語を任意に選択することができる。図５では正の符号は、コイルワイヤが（図５では常に）下方から上方へ（相応の矢印によって示されているように）案内されることを意味し、負の符号は、コイルワイヤが上方から下方へ案内されることを意味する。
【００３８】
多相電流の電流位相は正弦波形であり、基本的な周波数成分ｃｏｓ（ω・ｔ−α）を有する。ここでは、各多相電流位相Ｐｍは速度ω［ｒａｄ／ｓ］で回転し、各多相電流位相Ｐｍは次の多相電流位相から角度αずれている。この角度αは、たとえば３相電流の場合には１２０°または２π／ｒａｄである。この３相ネットワークの例ではこのことは、任意の時点ｔにおける電流および電圧に関しては、位相ａがｃｏｓ（ω・ｔ）にしたがって経過し、位相ｂがｃｏｓ（ω・ｔ−２π／３）にしたがって経過し、位相ｃがｃｏｓ（ω・ｔ−４π／３）にしたがって経過することを意味する。これらの相電流Ｐｍは各コイル巻線３５を通って、固定子１０に磁束を生成する。この磁束は、固定子１０と回転子１００との間に設けられたエアギャップ１２０に対して実質的に垂直に当たる。時間的に可変の電流に起因して同様に時間的に変化する磁界は、回転子磁石１１０と共働することにより、回転子１００は回転し（リニアモータの場合には線形に移動し）、トルクが出力される（ないしは、回転子が力によって線形に移動する）ように構成されている。ここで理想的には、回転子の磁界は９０°位相シフトされている。これによって、ステータ１０のダイナミックな磁界が実現され、最大の力伝達が実現される。
【００３９】
固定子のジオメトリ１０および本発明による巻き方３５によって、回転磁界によって発生される高調波では、高い次数ひいては小さい振幅の場合にはじめて、ロータ磁界の一致する高調波が得られる。高調波の振幅が小さいため、回転子１００に作用するこの不所望の力は低くなり、モータのトルクリプルが格段に低減される。
【００４０】
固定子１０で形成された時間的に変化する磁界を、より良好に理解できるようにするため、図８を考察する。図８の左側の部分には、電流位相ａ，ｂおよびｃを有する３相電流の位相ダイヤグラムが示されている。これらの電流位相ａ，ｂおよびｃは、それぞれ相互に１２０°シフトされている。ここでも例として３相電流が示されているが、別の多相電流も可能である。その隣の右側に、３つのモジュール２０の個々の歯２５の磁気分極が表で示されている。
【００４１】
時点ｔ０では、第１のモジュール２０（歯１〜３）には電流も電圧も印加されないので、コイル３０によって磁界が生成されていない。第２のモジュール２０（歯４〜６）には、時点ｔ０の時点では負の電圧が印加される。この電圧は第２のモジュール２０のコイル３０の巻き方３５に起因して、歯４にＳ極を発生し、歯５にＮ極を発生し、歯６にＳ極を発生する。その際、電流が最大値に未だ達していないので、極は完全には形成されていない（このことは第２のモジュールでは、時点ｔ１で初めて行われる）。それに対して第３のモジュール（歯７〜９）には、時点ｔ０で正の電圧が印加され、これによって歯７にＮ極が生成され、歯８にＳ極が生成され、歯９にＮ極が生成される。これらもまたモジュール２と同様に、未だに最大値に達していない。
【００４２】
時点ｔ１で、位相ａ，ｂおよびｃのすべての電圧ひいてはすべての電流が、０とは異なる値を有する。したがって９つの歯にそれぞれ、多かれ少なかれ強い磁界が現れる。この磁界は、図８の表の列ｔ１に示されている。ここでは第１のモジュールの歯１〜３に、弱いＮ極、弱いＳ極および弱いＮ極が形成される。それに対して第２のモジュールの歯４〜６には、最大のＳ極、最大のＮ極および最大のＳ極が形成され、第３のモジュールの歯７〜９には、弱いＮ極、弱いＳ極および弱いＮ極が形成される。ここでは、歯１および歯９にそれぞれＮ極が形成され、これらは同期機で相互に隣接してＮ極として作用するので、本発明による固定子１０は時点ｔ１で、８つの極を形成するのが理解できる。ここでこれらの８つの極は、回転子１００の回転子磁石１１０と対向する。
【００４３】
固定子１０に８つの極を有するこの構成は、モータの作動の各時点ｔで、電流位相の相応のゼロ交差に達するまで形成される。したがって時点ｔ３では、歯６および歯７に共通のＳ極が形成され、時点ｔ５では歯３および歯４に共通のＮ極が形成され、時点ｔ７では歯１および歯９に共通のＳ極が形成され、時点ｔ９では歯６および歯７に共通のＮ極が形成され、時点ｔ１１では歯３および歯４に共通のＳ極が形成される。とりわけ有利なのは、固定子１０が９の偶数倍の個数の歯２５を有する電気的な回転磁界機器である。すなわち、固定子１００がたとえば１８個または３６個の歯２５を有する電気的な回転磁界機器が有利である。このような実施形態では、このように発生する「２重極」は対角線上に相互に対向しているので、これによって幾何的な不均一性を補償することができる。さらにたとえば、各モジュール２０ごとに５つの歯２５を有する本発明の実施形態が有利である。ここではたとえば、３０個の歯２５が本発明による固定子１００に設けられている。
【００４４】
図８の表に示された磁界の強度のおおよそのイメージを提供するため、各歯２５の弱い磁界は小文字で示されており、各歯２５のある程度強い磁界は太字の小文字で示されており、各歯２５の最大磁界は太字の大文字で示されている。
【００４５】
また、同様の弱い磁界極性から形成される「２重極」が常に形成されることも述べておく。このことは経験的に、図８の表に灰色のボックスによって一度に示されている。すべての他の時点でも、このような弱い「２重極」が形成される。これによって、幾何的な非対称性が過度に目立つことがなくなる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】電気的な回転磁界機器の本発明による１次側の実施形態を示している。
【図２】図１に示された１次側に適用される２次側を示している。
【図３】電気的な回転磁界機器用の本発明による１次側の別の実施形態を示している。
【図４】本発明によるリニアモータの実施形態の縦断面図、ないしは図１に示された実施形態を切開および展開した横断面図である。
【図５】図４の１次側の歯の断面を示している。
【図６】１次側のモジュールのコイルの３つの直列回路および１つの並列回路を示している。
【図７】図１に示された本発明による電気的な回転磁界機器の結線図である。
【図８】図１に示された実施形態による３相電流ダイヤグラムと関連して、モジュール歯で異なる時点ｔ０〜ｔ１１で発生する磁気分極状態を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
Ｐ （多相）電流位相全般
ｍ 電流位相の数
ａ （３相電流の）電流位相
ｂ （３相電流の）電流位相
ｃ （３相電流の）電流位相
ｎ 自然数
ｎ’ 自然数
ｖ’ ［＝ｎ’＊ｍ］
ｂＰ 磁石幅（磁極カバー率）
τＮ スロットピッチ［＝１／ｖ’］
τＰ 極ピッチ［＝１／（ｖ’±１）］
１〜９ 歯
１０ １次側、固定子（ステータ）
１５ ヨーク
２０ モジュール
２３ 磁極片
２５ 歯（一般的）
２７ 補助歯
３０ コイル
３５ 巻き方、コイル巻線
４０ スロット
１００ ２次側、回転子（ロータ）
１０５ 軸
１１０ 回転子磁石（有利には永久磁石）
１２０ エアギャップ
１３０ スター点
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気的な回転磁界機器の１次側および電気的な回転磁界機器に関する。該回転磁界機器はとりわけ、高い同期性が必要とされる機器のための同期モータまたはリニアモータである。
【背景技術】
【０００２】
この形式のモータは、たとえば印刷機器および研磨機器において適用される。またサーボアプリケーションでも、高い同期特性が必要とされる。高い同期性を達成して、たとえばサーボアプリケーションのために精確に位置決めできるようにするためには、とりわけ、モータのトルクリプルが小さいことが必要である。理想上は、電動機は各時点で、一定のトルクを供給すべきである。トルクリプルは、モータのトルクが時点ｔでモータの平均的なトルクからどの程度ずれているかの尺度である。トルクリプルはたいてい、電動機の平均トルクに関して、ロータ角度に依存して表される。モータが過度に大きなトルクリプルを有すると、所望のロータ位置決めを精確に制御できなくなる。さらに、電動機の漏れインダクタンスは低くなければならず、電動機は高い飽和特性を有してはならない。低い漏れインダクタンスを実現するためには、とりわけ、ステータの歯の間隔を可能な限り大きくする。こうすることにより、起磁力特性がモータジオメトリおよびコイルの配置に依存するようになる。漏れインダクタンスが低いことにより、モータの飽和特性が小さくなり、最大回転数が高くなり、ひいては回転数に関連して、適用範囲が広くなる。
【０００３】
電気機器はたいてい、（少なくとも）１つの静止状態の主要部材および１つの可動の主要部材を有する。回転式の機器の場合、これらは固定子および回転子であり、これらはしばしば、ステータないしはロータとも称される。リニア機器の場合、このように静止状態の主要部材および可動の主要部材に分割されることがないので、ここでは、回転式機器でも一般的に使用されている名称である１次側および２次側が使用される。この１次側は、回転電磁界が印加される部材である。それに対して２次側は、電気的に励磁されるかまたは永久磁場によって励磁される部材である。以下では、１次側という名称は固定子ないしはステータも含み、２次側という名称は回転子ないしはロータも含むこととする。通常、これらの主要部材はラミネートされた鉄から構成され、絶縁された銅導体から成る巻線を支持する。トルク形成は、磁界内で通電中の導体に対して力作用が発生することにより、電磁的に行われる。ここで重要なのは、負荷電流を通す巻線の電流密度（Strombelag）、および１次側と２次側との間のエアギャップに発生する磁束密度である。このような機器は、たとえば非同期機および同期機である。とりわけ以下では、同期機に関して説明し、とりわけ同期モータに関して説明する。同期モータの場合、１次側において電気的に生成された励磁界は、回転数に依存して回転する。２次側にはたいてい、永久磁石が取り付けられており（しかし、直流電流磁石も取り付けられる）、回転磁界を生成するための１次側には多相交流巻線が取り付けられる。１次側巻線に流れる電流の分割は、２次側の位置決め角度に依存して行われる。同期モータの２次側および回転磁界は、等しい回転数を有する。
【０００４】
ＤＥ１０１１９６４２Ａ１から、電気的な回転磁界機器用のステータ、とりわけ同期機用のステータが公知である。ここでは、ステータの歯はヨークに着脱可能に固定されるので、ステータの外側の歯に捲回した後に、この歯をステータに取り付けることができる。モータの取り付け済みの状態では、相互に直接隣接する歯は異なる巻線方向を有する。さらにステータは、捲回されていない補助歯を有する。このような構成によって、コイルを簡単に取り付けることができるが、同期機の漏れインダクタンスは高くなり、ひいては同期機の飽和特性が高くなる。
【０００５】
ＵＳ５６４２０１３には、トルクリプルを低減するために、有利には比が０．４０〜０．５５になるようにスロット幅および歯間隔が相互に整合された同期モータが開示されている。この比は、磁極片がない場合しか実現することができず、このことによって同期モータの漏れインダクタンスが高くなり、ひいては飽和特性が高くなる。
【０００６】
ＵＳ４７５２７０７には、次のような同期機器のステータが開示されている。すなわち、それぞれ相互に対角線上に対向する歯に異なる磁界極性が発生して、隣接する歯が３つで固定子の１つの極を形成するように、歯に捲回されるコイルが方向付けられてモータの作動中に通電されるステータが開示されている。このような構成によって、モータのトルクリプルが高くなる。ステータへの巻き付けは、常に３つの歯に同時に、巻線フォークによって巻き付けられることによって行われる。
【０００７】
ＥＰ１３１５２７４Ａ１には、同期モータのトルクリプルを低減するために、次のような固定子が提案されている。すなわち、歯または歯モジュール（相互に直接隣接する多数の歯）にコイルが巻き付けられることにより、相互に直接隣接するエレメントが通電時に、異なる磁界極性を有する固定子が提案されている。ここでは歯の数ないしは歯モジュールの数は、モータのために使用される電流位相の数のちょうど２倍である。このモータの欠点は、飽和特性が高いことである。さらにこの公報には、歯ないしは歯モジュールのための適切な捲回の指示と、極ピッチ対スロットピッチの有利な比とが記載されている。
【特許文献１】ＤＥ１０１１９６４２Ａ１
【特許文献２】ＵＳ５６４２０１３
【特許文献３】ＵＳ４７５２７０７
【特許文献４】ＥＰ１３１５２７４Ａ１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、次のような電気的な回転磁界機器を提供することである。すなわち、上記の使用分野に適用可能であり、高い線形性（電流を横軸とするトルク曲線）と、低い漏れインダクタンス（低い飽和特性および高い最大回転数）と、とりわけ低いトルクリプルとを有する回転磁界機器を提供することである。さらにモータは、高い力密度（小さい構造的容量）と、低いコストと、小さい重量とを有していなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題は、歯ピッチ対スロットピッチの比が巻き方を考慮して最適化されていることを特徴とする電気的な回転磁界機器によって解決される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明では、電気的な回転磁界機器の１次側、とりわけ同期モータまたはリニアモータは複数の歯付きモジュールを有し、１つのモジュールは少なくとも３つの歯と、それぞれ歯を囲むスロットを１つずつ有する。このスロットで、コイルが相応の歯に捲回されており、１つのモジュールのコイルのみが、多相ネットワークの１つの位相にのみ結線されている。本発明による１次側では、モジュールの数は電流位相の数に等しいか、または電流位相の数の整数倍である。１つのモジュールの巻き方は単独で、電流が１つのモジュールのコイルのみを流れる際に相互に直接隣接するコイルによって、逆に分極された磁界が生成されるように構成されている。
【００１１】
有利な実施形態では、２つの相互に直接隣接するモジュールの相互に直接隣接する歯において、これら両歯に捲回される巻線が、同じ回転方向で形成されている。
【００１２】
１次側のこのような構成により、モジュールの巻き方に起因して回転磁界に高調波が発生し、この高調波によって高い次数の場合（ひいては振幅が小さい場合）に初めて、２次側磁界の一致する高調波が発生する。このことによって、モータのトルク変動が格段に低減される。さらに、高調波の巻線係数が比較的小さく、基本波の巻線係数は非常に高くなる。このことは総じて、高いトルクかつ小さいトルクリプルを実現する。さらに、２次側の磁石幅（磁極カバー率）を適合することにより、コギング力が低減される。
【００１３】
１次側の有利な巻き方は、Ｐ１，−Ｐ１，−Ｐ１，Ｐ１，Ｐ１，−Ｐ１；．．．；Ｐｍ，−Ｐｍ，−Ｐｍ，Ｐｍ，Ｐｍ，−Ｐｍまたはこの整数倍である。このｍは電流位相の数を表し、ここではとりわけ、３相電流が有利である。本発明による１次側の実施形態では、歯の数は９の整数倍であり、有利には９の偶数倍である。
【００１４】
有利な実施形態では、１次側の歯は磁極片を有している。この磁極片は、歯の相互間に設けられたスロットをモータのエアギャップの側で、少なくとも部分的に閉鎖する。これによって、誘導電圧の正弦波の経過が実現され、漏れインダクタンスが低減される。
【００１５】
上記の手段全体によって、ひずみ率が低くなる。
【００１６】
有利な実施形態では、１次側は補助歯を有する。この補助歯は、直接隣接する２つの歯の間に配置されている。補助歯によって、ベース負荷領域のトルクが上昇される。というのも、磁束案内のために使用される鉄が増加し、ひいては鉄コイルにおいて、鉄（空気より大きなμｒ）を通る磁束路が短縮されるからである。
【００１７】
本発明の有利な実施形態では、２次側の極ピッチ対１次側のスロットピッチの比は９／８に等しい。
【００１８】
サーボアプリケーション用のモータは、高ダイナミックで位置決めしなければならず、そのためには高い過負荷耐性と同時に、簡単に制御可能であることと、高い線形性とが必要である。本発明による回転磁界機器の低い飽和特性により、高い線形性および高い過負荷耐性が実現される。１次側の歯および巻線の構成に基づいて低いトルクリプルが実現されることにより、非常に簡単に２次側を位置決めできるようになる。ひずみ率が低いことにより、フィードバック波の電流が高い場合に制御装置が受ける影響はごくわずかになるので、本発明による回転磁界機器の制御品質はさらに向上される。
【００１９】
本発明の別の有利な実施形態が、従属請求項に記載ｓされている。
【実施例】
【００２０】
本発明の有利な実施形態を以下で、添付図面に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
以下の説明はとりわけ、同期モータに関する説明である。ここでは、該同期モータのステータ（１次側）内部でロータ（２次側）が回転する。しかし本発明は、リニアモータ、非同期モータおよびジェネレータも含むことを述べておく。さらに、従来のモータのように回転磁界を調整するための歯を内側に向けるのではなく、外側に向けることもできる。こうする場合、モータのステータは内部になるか、ないしはステータの機能とロータの機能とが入れ替わる。以下では、回転式機器で慣用されている表現であるステータないしは固定子、およびロータないしは回転子を使用する。
【００２２】
図１は、本発明による回転磁界機器のステータないしは固定子１０の端面を示している。このような実施形態では、固定子１０は９つの歯２５を有しており、これらの歯２５はヨーク１５を介して相互に接続されている。ヨーク１５は円筒形であり、９つの歯２５は相互に等しい角度間隔で、内側に突出している。歯２５の自由な端部によって円筒状の空間が形成され、この円筒状の空間内で、ロータないしは回転子１００が回転する。この実施形態では、歯２５に磁極片２３が設けられている。これらの磁極片２３は、直接隣接する２つの歯の間に残された間隙を歯２５の自由端部で、少なくとも部分的に閉鎖する。本発明の別の実施形態では、磁極片２３は設けられない。
【００２３】
各歯２５の周部に、周辺スロット４０が設けられている（図１の歯を参照せよ）。この周辺スロット４０にそれぞれコイル３０（図５を参照せよ）が設けられており、このコイル３０によって、モータの運転時にその都度、時間的に可変の磁界が発生する。この実施形態では、直接隣接して配置された３つの歯２５によって１つのモジュール２０が形成される。この実施形態の場合、電気的な回転磁界機器の本発明による固定子１０は３つのモジュール２０を有し、これらのモジュール２０はそれぞれ、歯１〜３、４〜６および７〜９を有する。しかし本発明による固定子１０の別の実施形態では、１つの固定子１０あたりに設けられるモジュールの数を３つより多くするか、または各モジュール２０に３つより多くの歯２５を設けることもできる。後者の場合、モジュールあたりの歯の数は、有利には奇数である。
【００２４】
本発明の有利な実施形態では固定子１０は、強磁性の薄い複数の一体形の薄鋼板（ステータ薄板）から構成されている。この薄鋼板は、図１に示されたようなプロフィールを有する。また、固定子１０全体または個々のモジュール２０を一体形で形成するか、ないしは薄板から成る歯２５またはモジュール２０をまとめて、歯２５にコイル３０を捲回した後に固定子１０を取り付けることができる。
【００２５】
図２は、ロータないしは回転子１００（極ホイールとも称される）を示している。このロータないしは回転子１００は、本発明による固定子１０内で回転可能に支承されている。回転子１００を固定子１０内部で無妨害で回転させるため、固定子１０と回転子１００との間にエアギャップ１２０が設けられている（図４参照）。本発明の有利な実施形態では、回転子１００は回転子磁石１１０として永久磁石を有する。この永久磁石は、円筒状形の回転子１００の円周に規則的に分布されており、回転子磁石１１０はそれぞれ外側に（ひいては内側にも）異なる磁気分極状態を有する。有利には回転子磁石１１０は、軸１０５に設けられる。この軸１０５は固定子１０と同様に、強磁性の薄鋼板から形成されている。さらに、軸１０５を一体形で形成するか、または永久磁石を設ける代わりに固定子磁石１１０として直流電流磁石を設けることもできる。
【００２６】
図３は、本発明の別の有利な実施形態を示している。この実施形態では、図１に示された実施形態と異なり、直接隣接する２つの歯２５の間に、補助歯２７がそれぞれ１つずつ設けられている。この実施形態はとりわけ、低い電流強度の領域において有利である。というのも、ベース負荷領域では磁束案内のために使用される鉄がより多くなるからである。
【００２７】
図４には、リニアモータの本発明による固定子１０、ないしは図１に示された本発明による固定子１０が切開および展開されて示されている。固定子１０はエアギャップ１２０を介して、回転子１００と共働する。固定子１０はこの実施形態では、それぞれ歯を３つずつ有する３つのモジュール２０を備えている。したがって、この固定子１０は９つの歯２５を有する。これらと向かい合って、８つの回転子磁石１１０が設けられている。これらの回転子磁石１１０はモータの作動中、歯２５の自由端部に発生する固定子１０の磁界と、エアギャップ１２０を介して共働する。この磁界は、時間的に変化する。
【００２８】
モータにおいて重要なパラメータは、極ピッチτＰ対スロットピッチτＮの比である。極ピッチτＰは、回転子１００の円周に分布された回転子磁石１１０に対する尺度である。極ピッチτＰは、回転子１００に設けられた回転子磁石１１０の円周所要面積を表す無次元または次元付きの特性値であり、単位［ｍ］、［°］または［ｒａｄ］によって表される。前記円周所要面積は、３６０°（電気的）を基準とする。この実施例では、極ピッチτＰを無次元で表すと、τＰ＝１／８である。それに対してスロットピッチτＮは、固定子１０の円周に配置されかつ歯のスロット４０に配置されるコイル３０の所要面積の尺度である。極ピッチτＰと同様に、スロットピッチτＮはコイル３０ないしはスロット４０の円周で占有する所要面積を表す。前記実施例では、スロットピッチτＮも無次元で表すと、τＮ＝１／９となる。したがって、前記の実施例による電気的な回転磁界機器における極ピッチτＰ対スロットピッチτＮの無次元の比は、τＰ／τＮ＝９／８となる。
【００２９】
一般的に、無次元の極ピッチτＰはτＰ＝１／（ｖ’±１）によって算出され、無次元のスロットピッチτＮはτＮ＝１／ｖ’によって算出され、極ピッチτＰ対スロットピッチτＮの比はτＰ／τＮ＝ｖ’／（ｖ’±１）によって算出される。ここでは、ｖ’はｖ’＝ｎ’＊ｍで計算され、ｍは電流位相の数であり、ｎ’は、固定子１０に設けられたモジュール２０の数を表す自然数である。
【００３０】
以下で本発明の有利な実施形態を、図４および５に基づいて詳細に説明する。図５は、固定子１０の歯２５の横断面を示しており、各歯２５は、周辺スロット４０に設けられたコイル２５を有する。理解しやすくするため、図４および５のそれぞれ左側に、歯１の隣に歯９が示されており、それぞれ右側には、歯９の隣に歯１が示されている。これは、相応の回転子磁石１１０でも同様である。これは回転式モータの事例では、歯９と歯１との間の円周接続部を表すか、ないしはリニアモータの場合には、繰り返されるパタンを表すようになっている。
【００３１】
図５には、固定子１０の歯１〜９に捲回されたコイル３０の捲回方向が示されている。ここでは、それぞれ１つの個々のモジュール２０の相互に直接隣接するコイル３０は、異なる巻き方３５を有する。たとえば、歯１のコイル３０は（図５に示されているところによれば）時計回りで該歯１に捲回されており、歯２のコイル３０は反時計回りに該歯２に捲回されている。歯３もまた、時計回りのコイル巻線を有する。モジュール２０のこれら３つのコイル３０は、多相電流（この例では３相電流）の個々の位相（この例では電流位相ａ）に結線される。このことはたとえば、図６に示された並列接続ないしは３つの直列接続にしたがって行われる。
【００３２】
技術的に簡単に実現できるコイル３０の巻線接続は、それぞれ１つの歯２５に他の歯２５に依存せずに捲回できる巻線接続である。これによってたとえば、固定子１０の取り付け前に、歯２５に相互に別個に捲回することができる。その後、歯２５に捲回されたコイル３０の接続が、固定子１０の取り付け時に行われる。このような実施形態は、図６の右側に示されている。
【００３３】
ここで歯１〜３のコイル３０に、同じ電流位相ａを印加すると、直接隣接する２つのコイル３０の巻き方が異なることにより、両コイル３０のコア（歯）に、逆に分極された磁界が形成される。たとえば、時点ｔで歯１のコイル３０が、該歯１の自由端部でＮ極を生成するのに対し、歯２のコイル３０は該歯２の自由端部でＳ極を発生する。歯３もまた、自由端部でコイル巻き方３５に起因して、Ｎ極を有する。逆の電圧を位相ａで印加した場合、このモジュール２０の相応の歯２５に、上記の磁界と逆の磁界極性が形成される。
【００３４】
固定子１０の第２のモジュール２０（歯４〜６）でも同様である。このコイル３０は、多相電流の別の電流位相ｂに結線されている。第３のモジュール２０（歯７〜９）でも同様に、コイルは多相電流の電流位相ｃに接続されている。
【００３５】
各モジュールが別の電流位相Ｐｍに結線されている。ここでは、Ｐｍは電流位相（前記の例ではａ，ｂおよびｃ）を表しており、ｍは位相の数を示している。このことは、たとえば図７に示されている。ここではモジュール２０は、それぞれボックスとして示されている。９つの歯１〜９を有する第１の実施形態による電気的な回転磁界機器は、図７では斜線によって示されており、歯１〜９は均等に３つのモジュール２０に区分されている。第１のモジュール（歯１〜３）は３相電流の位相Ｐ１＝ａに結線されており、第２のモジュール（歯４〜６）は該３相電流の位相Ｐ２＝ｂに結線されており、第３のモジュール（歯７＝９）は該３相電流の第３の位相Ｐ３＝ｃに結線されており、モジュール４０の最後の歯２５（歯３，６および９）のそれぞれ最後のコイル３０は、スター結線のスター点１３０に結線されている。さらに、図７には別のモジュール２０も示されており（破線のボックス）、この別のモジュール２０によって、３つの歯を有するモジュール２０を備えた本発明の別の実施形態が実現されるが、この別のモジュール２０の電流位相の数は異なっている。
【００３６】
本発明によれば、図７に示された３つのモジュール２０の前記のパタンを繰り返して、これらを同様に、３相電流の電流位相ａ，ｂおよびｃにそれぞれ結線するか（リニアモータに適している）、または、別のモジュール２０を多相電流の別の電流位相に接続することができる。ここで４相電流が存在する場合、該電気的な回転磁界機器は少なくとも４つのモジュール２０を有するか、または少なくとも４の整数倍のモジュールを有さなければならない。ここでも、モジュール２０は各個別に、電流位相Ｐｍに結線される。さらに、個々のモジュール２０は３つの歯２５だけを有するのではなく、４つ以上の歯２５を有することもできる。本発明によれば、このようなモジュール２０を有するモータは上記の変形形態でも、多相電流ネットワークに接続される。本発明において有利なのは、モジュール２０の歯２５の個数は奇数であり、かつステータ１０内の歯２５の総数が偶数であることだ。このことはたとえば、モジュール１つあたりの歯数が３でありかつモジュール数が６である場合に実現される。したがってこのような実施形態で有利なのは、３つの位相を有する多相電流であり、各１つの位相は２つのモジュール２０に印加される構成である。
【００３７】
図５には、歯２５に捲回されるコイル３０の巻き方３５を簡単に図解するために、コイル３０に結線される電流位相ａ，ｂ，ｃの前にプラス（＋）およびマイナス（−）が付与された捲回方向が示されている。このコイル３０の巻き方３５の場合には、該コイル３０の巻き方が相互間でどのように行われるかのみが重要である。したがって、異なる巻き方３５（時計回り／反時計回り）に対応して異なる名称を使用するのであれば、用語を任意に選択することができる。図５では正の符号は、コイルワイヤが（図５では常に）下方から上方へ（相応の矢印によって示されているように）案内されることを意味し、負の符号は、コイルワイヤが上方から下方へ案内されることを意味する。
【００３８】
多相電流の電流位相は正弦波形であり、基本的な周波数成分ｃｏｓ（ω・ｔ−α）を有する。ここでは、各多相電流位相Ｐｍは速度ω［ｒａｄ／ｓ］で回転し、各多相電流位相Ｐｍは次の多相電流位相から角度αずれている。この角度αは、たとえば３相電流の場合には１２０°または２π／ｒａｄである。この３相ネットワークの例ではこのことは、任意の時点ｔにおける電流および電圧に関しては、位相ａがｃｏｓ（ω・ｔ）にしたがって経過し、位相ｂがｃｏｓ（ω・ｔ−２π／３）にしたがって経過し、位相ｃがｃｏｓ（ω・ｔ−４π／３）にしたがって経過することを意味する。これらの相電流Ｐｍは各コイル巻線３５を通って、固定子１０に磁束を生成する。この磁束は、固定子１０と回転子１００との間に設けられたエアギャップ１２０に対して実質的に垂直に当たる。時間的に可変の電流に起因して同様に時間的に変化する磁界は、回転子磁石１１０と共働することにより、回転子１００は回転し（リニアモータの場合には線形に移動し）、トルクが出力される（ないしは、回転子が力によって線形に移動する）ように構成されている。ここで理想的には、回転子の磁界は９０°位相シフトされている。これによって、ステータ１０のダイナミックな磁界が実現され、最大の力伝達が実現される。
【００３９】
固定子のジオメトリ１０および本発明による巻き方３５によって、回転磁界によって発生される高調波では、高い次数ひいては小さい振幅の場合にはじめて、ロータ磁界の一致する高調波が得られる。高調波の振幅が小さいため、回転子１００に作用するこの不所望の力は低くなり、モータのトルクリプルが格段に低減される。
【００４０】
固定子１０で形成された時間的に変化する磁界を、より良好に理解できるようにするため、図８を考察する。図８の左側の部分には、電流位相ａ，ｂおよびｃを有する３相電流の位相ダイヤグラムが示されている。これらの電流位相ａ，ｂおよびｃは、それぞれ相互に１２０°シフトされている。ここでも例として３相電流が示されているが、別の多相電流も可能である。その隣の右側に、３つのモジュール２０の個々の歯２５の磁気分極が表で示されている。
【００４１】
時点ｔ０では、第１のモジュール２０（歯１〜３）には電流も電圧も印加されないので、コイル３０によって磁界が生成されていない。第２のモジュール２０（歯４〜６）には、時点ｔ０の時点では負の電圧が印加される。この電圧は第２のモジュール２０のコイル３０の巻き方３５に起因して、歯４にＳ極を発生し、歯５にＮ極を発生し、歯６にＳ極を発生する。その際、電流が最大値に未だ達していないので、極は完全には形成されていない（このことは第２のモジュールでは、時点ｔ１で初めて行われる）。それに対して第３のモジュール（歯７〜９）には、時点ｔ０で正の電圧が印加され、これによって歯７にＮ極が生成され、歯８にＳ極が生成され、歯９にＮ極が生成される。これらもまたモジュール２と同様に、未だに最大値に達していない。
【００４２】
時点ｔ１で、位相ａ，ｂおよびｃのすべての電圧ひいてはすべての電流が、０とは異なる値を有する。したがって９つの歯にそれぞれ、多かれ少なかれ強い磁界が現れる。この磁界は、図８の表の列ｔ１に示されている。ここでは第１のモジュールの歯１〜３に、弱いＮ極、弱いＳ極および弱いＮ極が形成される。それに対して第２のモジュールの歯４〜６には、最大のＳ極、最大のＮ極および最大のＳ極が形成され、第３のモジュールの歯７〜９には、弱いＮ極、弱いＳ極および弱いＮ極が形成される。ここでは、歯１および歯９にそれぞれＮ極が形成され、これらは同期機で相互に隣接してＮ極として作用するので、本発明による固定子１０は時点ｔ１で、８つの極を形成するのが理解できる。ここでこれらの８つの極は、回転子１００の回転子磁石１１０と対向する。
【００４３】
固定子１０に８つの極を有するこの構成は、モータの作動の各時点ｔで、電流位相の相応のゼロ交差に達するまで形成される。したがって時点ｔ３では、歯６および歯７に共通のＳ極が形成され、時点ｔ５では歯３および歯４に共通のＮ極が形成され、時点ｔ７では歯１および歯９に共通のＳ極が形成され、時点ｔ９では歯６および歯７に共通のＮ極が形成され、時点ｔ１１では歯３および歯４に共通のＳ極が形成される。とりわけ有利なのは、固定子１０が９の偶数倍の個数の歯２５を有する電気的な回転磁界機器である。すなわち、固定子１００がたとえば１８個または３６個の歯２５を有する電気的な回転磁界機器が有利である。このような実施形態では、このように発生する「２重極」は対角線上に相互に対向しているので、これによって幾何的な不均一性を補償することができる。さらにたとえば、各モジュール２０ごとに５つの歯２５を有する本発明の実施形態が有利である。ここではたとえば、３０個の歯２５が本発明による固定子１００に設けられている。
【００４４】
図８の表に示された磁界の強度のおおよそのイメージを提供するため、各歯２５の弱い磁界は小文字で示されており、各歯２５のある程度強い磁界は太字の小文字で示されており、各歯２５の最大磁界は太字の大文字で示されている。
【００４５】
また、同様の弱い磁界極性から形成される「２重極」が常に形成されることも述べておく。このことは経験的に、図８の表に灰色のボックスによって一度に示されている。すべての他の時点でも、このような弱い「２重極」が形成される。これによって、幾何的な非対称性が過度に目立つことがなくなる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】電気的な回転磁界機器の本発明による１次側の実施形態を示している。
【図２】図１に示された１次側に適用される２次側を示している。
【図３】電気的な回転磁界機器用の本発明による１次側の別の実施形態を示している。
【図４】本発明によるリニアモータの実施形態の縦断面図、ないしは図１に示された実施形態を切開および展開した横断面図である。
【図５】図４の１次側の歯の断面を示している。
【図６】１次側のモジュールのコイルの３つの直列回路および１つの並列回路を示している。
【図７】図１に示された本発明による電気的な回転磁界機器の結線図である。
【図８】図１に示された実施形態による３相電流ダイヤグラムと関連して、モジュール歯で異なる時点ｔ０〜ｔ１１で発生する磁気分極状態を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
Ｐ （多相）電流位相全般
ｍ 電流位相の数
ａ （３相電流の）電流位相
ｂ （３相電流の）電流位相
ｃ （３相電流の）電流位相
ｎ 自然数
ｎ’ 自然数
ｖ’ ［＝ｎ’＊ｍ］
ｂＰ 磁石幅（磁極カバー率）
τＮ スロットピッチ［＝１／ｖ’］
τＰ 極ピッチ［＝１／（ｖ’±１）］
１〜９ 歯
１０ １次側、固定子（ステータ）
１５ ヨーク
２０ モジュール
２３ 磁極片
２５ 歯（一般的）
２７ 補助歯
３０ コイル
３５ 巻き方、コイル巻線
４０ スロット
１００ ２次側、回転子（ロータ）
１０５ 軸
１１０ 回転子磁石（有利には永久磁石）
１２０ エアギャップ
１３０ スター点
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的な回転磁界機器の１次側であって、
該回転磁界機器は、たとえば同期モータまたはリニアモータであり、
それぞれ連続して配置された歯（２５）を有する複数のモジュール（２０）を備えており、
該歯（２５）は、少なくとも部分的に囲んでいるスロット（４０）を有し、
各歯（２５）のスロット（４０）で、コイル（３０）が該歯（２５）に捲回されており、
個々のモジュール（２０）のコイル（３０）は、多相電流ネットワークの個々の位相（Ｐｍ）に結線されており、
該１次側（１０）にあるモジュール（２０）の数は、電流位相（Ｐｍ）の数に等しいか、または該電流位相（Ｐｍ）の数の整数倍に等しい形式のものにおいて、
個々のモジュール（２０）は、奇数個の歯（２５）でありかつ少なくとも３つの歯（２５）を有し、
個々のモジュール（２０）の相互に直接隣接する歯（２５）には、逆の捲回方向を有するコイル（３０）が設けられており、
前記逆の捲回方向によって、歯（２５）に逆の磁界極性が発生するように構成されていることを特徴とする１次側。
【請求項２】
相互に直接隣接するモジュール（２０）の相互に直接隣接する歯（２５）には、同じ捲回方向を有するコイル（３０）が設けられている、請求項１記載の１次側。
【請求項３】
該１次側（１０）の無次元のスロットピッチ（τＮ）は、数式τＮ＝１／ｖ’にしたがって計算され、
ここではｖ’＝ｎ’＊ｍであり、ｍは電流位相（Ｐｍ）の数であり、ｎ’は自然数である、請求項１または２記載の１次側。
【請求項４】
該１次側（１０）の巻き方（３５）は、
（Ｐ１／−Ｐ１）、［（−Ｐ１／Ｐ１）、（Ｐ１／−Ｐ１）］×ｎ；．．．；（Ｐｍ／−Ｐｍ）、［（−Ｐｍ／Ｐｍ）、（Ｐｍ／−Ｐｍ）］×ｎであるか、またはこれの整数倍であるか、ないしはこれに対して電磁的に変わらない等価物であり、
ここではｎは自然数である、請求項１から３までのいずれか１項記載の１次側。
【請求項５】
該１次側（１０）の巻き方（３５）は、
（ａ／−ａ）、（−ａ／ａ）、（ａ／−ａ）；（ｂ／−ｂ）、（−ｂ／ｂ）、（ｂ／−ｂ）；（ｃ／−ｃ）、（−ｃ／ｃ）、（ｃ／−ｃ）であるか、またはこれの整数倍であるか、ないしはこれに対して電磁的に変わらない等価物である、請求項１から４までのいずれか１項記載の１次側。
【請求項６】
該１次側（１０）の歯（２５）の数は、９または１５の任意の整数の倍数であり、有利には９または１５の偶数倍である、請求項１から５までのいずれか１項記載の１次側。
【請求項７】
該１次側（１０）の直接隣接する２つの歯（２５）の間にそれぞれ、補助歯（２７）が配置されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の１次側。
【請求項８】
スロット（４０）は歯（２５）の自由端部の領域で、磁極片（２３）によって少なくとも部分的に閉鎖されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の１次側。
【請求項９】
電気的な回転磁界機器であって、
たとえば同期モータまたはリニアモータである形式のものにおいて、
請求項１から８までのいずれか１項記載の１次側を有し、
該１次側（１０）とエアギャップ（１２０）を介して共働する２次側（１００）が設けられており、
該２次側（１００）は回転子磁石（１１０）として、たとえば永久磁石を有することを特徴とする回転磁界機器。
【請求項１０】
２次側（１００）の極ピッチ（τＰ）対１次側（１０）のスロットピッチ（τＮ）の比は、τＰ／τＮ＝ｖ’／（ｖ’±１）である、請求項９記載の回転磁界機器。
【請求項１１】
極ピッチ（τＰ）対スロットピッチ（τＮ）の比は、τＰ／τＮ＝９／８である、請求項９または１０記載の回転磁界機器。
【請求項１２】
電気的な位相の数は、３に等しい、請求項９から１１までのいずれか１項記載の回転磁界機器。
【請求項１】
電気的な回転磁界機器の１次側であって、
該回転磁界機器は、たとえば同期モータまたはリニアモータであり、
それぞれ連続して配置された歯（２５）を有する複数のモジュール（２０）を備えており、
該歯（２５）は、少なくとも部分的に囲んでいるスロット（４０）を有し、
各歯（２５）のスロット（４０）で、コイル（３０）が該歯（２５）に捲回されており、
個々のモジュール（２０）のコイル（３０）は、多相電流ネットワークの個々の位相（Ｐｍ）に結線されており、
該１次側（１０）にあるモジュール（２０）の数は、電流位相（Ｐｍ）の数に等しいか、または該電流位相（Ｐｍ）の数の整数倍に等しい形式のものにおいて、
個々のモジュール（２０）は、奇数個の歯（２５）でありかつ少なくとも３つの歯（２５）を有し、
個々のモジュール（２０）の相互に直接隣接する歯（２５）には、逆の捲回方向を有するコイル（３０）が設けられており、
前記逆の捲回方向によって、歯（２５）に逆の磁界極性が発生するように構成されていることを特徴とする１次側。
【請求項２】
相互に直接隣接するモジュール（２０）の相互に直接隣接する歯（２５）には、同じ捲回方向を有するコイル（３０）が設けられている、請求項１記載の１次側。
【請求項３】
該１次側（１０）の無次元のスロットピッチ（τＮ）は、数式τＮ＝１／ｖ’にしたがって計算され、
ここではｖ’＝ｎ’＊ｍであり、ｍは電流位相（Ｐｍ）の数であり、ｎ’は自然数である、請求項１または２記載の１次側。
【請求項４】
該１次側（１０）の巻き方（３５）は、
（Ｐ１／−Ｐ１）、［（−Ｐ１／Ｐ１）、（Ｐ１／−Ｐ１）］×ｎ；．．．；（Ｐｍ／−Ｐｍ）、［（−Ｐｍ／Ｐｍ）、（Ｐｍ／−Ｐｍ）］×ｎであるか、またはこれの整数倍であるか、ないしはこれに対して電磁的に変わらない等価物であり、
ここではｎは自然数である、請求項１から３までのいずれか１項記載の１次側。
【請求項５】
該１次側（１０）の巻き方（３５）は、
（ａ／−ａ）、（−ａ／ａ）、（ａ／−ａ）；（ｂ／−ｂ）、（−ｂ／ｂ）、（ｂ／−ｂ）；（ｃ／−ｃ）、（−ｃ／ｃ）、（ｃ／−ｃ）であるか、またはこれの整数倍であるか、ないしはこれに対して電磁的に変わらない等価物である、請求項１から４までのいずれか１項記載の１次側。
【請求項６】
該１次側（１０）の歯（２５）の数は、９または１５の任意の整数の倍数であり、有利には９または１５の偶数倍である、請求項１から５までのいずれか１項記載の１次側。
【請求項７】
該１次側（１０）の直接隣接する２つの歯（２５）の間にそれぞれ、補助歯（２７）が配置されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の１次側。
【請求項８】
スロット（４０）は歯（２５）の自由端部の領域で、磁極片（２３）によって少なくとも部分的に閉鎖されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の１次側。
【請求項９】
電気的な回転磁界機器であって、
たとえば同期モータまたはリニアモータである形式のものにおいて、
請求項１から８までのいずれか１項記載の１次側を有し、
該１次側（１０）とエアギャップ（１２０）を介して共働する２次側（１００）が設けられており、
該２次側（１００）は回転子磁石（１１０）として、たとえば永久磁石を有することを特徴とする回転磁界機器。
【請求項１０】
２次側（１００）の極ピッチ（τＰ）対１次側（１０）のスロットピッチ（τＮ）の比は、τＰ／τＮ＝ｖ’／（ｖ’±１）である、請求項９記載の回転磁界機器。
【請求項１１】
極ピッチ（τＰ）対スロットピッチ（τＮ）の比は、τＰ／τＮ＝９／８である、請求項９または１０記載の回転磁界機器。
【請求項１２】
電気的な位相の数は、３に等しい、請求項９から１１までのいずれか１項記載の回転磁界機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−１４９１９２（Ｐ２００６−１４９１９２Ａ）
【公開日】平成１８年６月８日（２００６．６．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３３２１８７（Ｐ２００５−３３２１８７）
【出願日】平成１７年１１月１６日（２００５．１１．１６）
【出願人】（５０２４２５８４６）ボッシュ レックスロート アクチエンゲゼルシャフト (42)
【氏名又は名称原語表記】Ｂｏｓｃｈ Ｒｅｘｒｏｔｈ ＡＧ
【住所又は居所原語表記】Ｈｅｉｄｅｈｏｆｓｔｒａｓｓｅ ３１， Ｄ−７０１８４ Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ， Ｇｅｒｍａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月８日（２００６．６．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１１月１６日（２００５．１１．１６）
【出願人】（５０２４２５８４６）ボッシュ レックスロート アクチエンゲゼルシャフト (42)
【氏名又は名称原語表記】Ｂｏｓｃｈ Ｒｅｘｒｏｔｈ ＡＧ
【住所又は居所原語表記】Ｈｅｉｄｅｈｏｆｓｔｒａｓｓｅ ３１， Ｄ−７０１８４ Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ， Ｇｅｒｍａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]