JP2003111322A - 永久磁石機械のロータ - Google Patents
永久磁石機械のロータInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 電気式またはハイブリッド式車両に使用され
る電気式走行用のモータまたは機械を提供すること。 【解決手段】 電気式トラクション・モータのためのロ
ータを製造する方法が、そのロータ内に空洞を形成する
ステップと、その空洞の一部分の中に磁気材料を注入す
るステップと、その空洞の一部分の中に非磁気材料を注
入するステップと、その磁気材料を事後に磁化するステ
ップとを含む。ロータは永久磁石を含み、この永久磁石
は内部永久磁石であってもよい。また、永久磁石は焼結
磁石のアレイであってもよい。
る電気式走行用のモータまたは機械を提供すること。 【解決手段】 電気式トラクション・モータのためのロ
ータを製造する方法が、そのロータ内に空洞を形成する
ステップと、その空洞の一部分の中に磁気材料を注入す
るステップと、その空洞の一部分の中に非磁気材料を注
入するステップと、その磁気材料を事後に磁化するステ
ップとを含む。ロータは永久磁石を含み、この永久磁石
は内部永久磁石であってもよい。また、永久磁石は焼結
磁石のアレイであってもよい。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は一般に、電気式また
はハイブリッド電気式車両の推進系に関する。より詳細
には、本発明は、電気式またはハイブリッド式車両に使
用される電気式走行用のモータまたは機械の設計に関す
る。
はハイブリッド電気式車両の推進系に関する。より詳細
には、本発明は、電気式またはハイブリッド式車両に使
用される電気式走行用のモータまたは機械の設計に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】今日の自動車市場では、車両に動力を供
給するために使用される多様な電気式の推進または駆動
技術が存在する。これらの技術には、直流モータ、交流
誘導モータ、スイッチ反作用モータ、同期反作用モー
タ、ブラシレス直流モータおよび対応するパワー・エレ
クトロニクスなどの電気式トラクション・モータがあ
る。電気式車両のトラクション・モータとして使用する
ブラシレス直流モータは、直流モータおよび交流誘導モ
ータに比べて、その優れた性能特徴のために特に重要で
ある。ブラシレス直流モータは、典型的には永久磁石ロ
ータで動作する。永久磁石ロータは、表面取付け、また
は内部ないし埋込み永久磁石ロータとして構成すること
ができる。直流モータおよび交流誘導モータに比較する
と、内部永久磁石（ＩＰＭ）モータまたは機械は、相対
的に高い効率、相対的に高いトルク、相対的に高い出力
密度、および車両を推進させる応用例にとってＩＰＭ機
械を魅力あるものにする長時間連続の出力動作範囲を含
む性能特性を有する。
給するために使用される多様な電気式の推進または駆動
技術が存在する。これらの技術には、直流モータ、交流
誘導モータ、スイッチ反作用モータ、同期反作用モー
タ、ブラシレス直流モータおよび対応するパワー・エレ
クトロニクスなどの電気式トラクション・モータがあ
る。電気式車両のトラクション・モータとして使用する
ブラシレス直流モータは、直流モータおよび交流誘導モ
ータに比べて、その優れた性能特徴のために特に重要で
ある。ブラシレス直流モータは、典型的には永久磁石ロ
ータで動作する。永久磁石ロータは、表面取付け、また
は内部ないし埋込み永久磁石ロータとして構成すること
ができる。直流モータおよび交流誘導モータに比較する
と、内部永久磁石（ＩＰＭ）モータまたは機械は、相対
的に高い効率、相対的に高いトルク、相対的に高い出力
密度、および車両を推進させる応用例にとってＩＰＭ機
械を魅力あるものにする長時間連続の出力動作範囲を含
む性能特性を有する。
【０００３】ブラシレス直流モータ用ロータの内側に埋
込まれた永久磁石は、その永久磁石の低い透磁率によっ
て、直接に磁気軸またはｄ軸に沿って高い磁気抵抗を示
す。一方、ｑ軸沿い、すなわちＩＰＭロータの磁極の間
または磁石バリヤの間では、磁気バリヤが存在せず、磁
束に対する磁気抵抗率は非常に低い。ロータの周りの磁
気抵抗の変化によって、ＩＰＭ機械のロータ構造に突極
性が作り出される。したがって、ＩＰＭロータは、その
ロータの内側に埋込まれた磁石によって生成される永久
磁石トルクに加えて磁極抵抗トルクを有する。ｄ軸での
磁気抵抗は、単一バリヤ型ロータ設計に見られるよう
に、１個の磁石によって生成可能である。
込まれた永久磁石は、その永久磁石の低い透磁率によっ
て、直接に磁気軸またはｄ軸に沿って高い磁気抵抗を示
す。一方、ｑ軸沿い、すなわちＩＰＭロータの磁極の間
または磁石バリヤの間では、磁気バリヤが存在せず、磁
束に対する磁気抵抗率は非常に低い。ロータの周りの磁
気抵抗の変化によって、ＩＰＭ機械のロータ構造に突極
性が作り出される。したがって、ＩＰＭロータは、その
ロータの内側に埋込まれた磁石によって生成される永久
磁石トルクに加えて磁極抵抗トルクを有する。ｄ軸での
磁気抵抗は、単一バリヤ型ロータ設計に見られるよう
に、１個の磁石によって生成可能である。
【０００４】この１バリヤ型ロータ設計の単一磁石はま
た、いくつかの層に分割されて、多バリヤ設計を形成す
ることができる。この多バリヤ設計は、漏洩を低減し、
ロータの突極性を向上させる。したがって、多バリヤ型
ロータを有するモータは、相対的に高い全体効率、長時
間連続の出力動作範囲、および力率の向上を含め、単一
バリヤ型ロータ設計にまさる数多くの性能上の利点を備
える。多バリヤ型ロータの突極性が向上すると、磁気ト
ルクへの依存が低下することによって、単一バリヤ型Ｉ
ＰＭ機械または表面永久磁石機械に比べて、ＩＰＭ機械
内の磁石または磁気材料の量を削減する助けとなる。特
定のトルクおよびワット数定格を生成するのに必要な磁
気材料の量は、ロータの突極性の水準に左右される。ロ
ータの突極性が高いほど、それだけ同じ機械の性能全体
に関する磁石材料の使用量は少なくなる。多バリヤ型ロ
ータ設計を有する電気モータは、単一バリヤ設計に比べ
て、高いロータの突極性を生成する。
た、いくつかの層に分割されて、多バリヤ設計を形成す
ることができる。この多バリヤ設計は、漏洩を低減し、
ロータの突極性を向上させる。したがって、多バリヤ型
ロータを有するモータは、相対的に高い全体効率、長時
間連続の出力動作範囲、および力率の向上を含め、単一
バリヤ型ロータ設計にまさる数多くの性能上の利点を備
える。多バリヤ型ロータの突極性が向上すると、磁気ト
ルクへの依存が低下することによって、単一バリヤ型Ｉ
ＰＭ機械または表面永久磁石機械に比べて、ＩＰＭ機械
内の磁石または磁気材料の量を削減する助けとなる。特
定のトルクおよびワット数定格を生成するのに必要な磁
気材料の量は、ロータの突極性の水準に左右される。ロ
ータの突極性が高いほど、それだけ同じ機械の性能全体
に関する磁石材料の使用量は少なくなる。多バリヤ型ロ
ータ設計を有する電気モータは、単一バリヤ設計に比べ
て、高いロータの突極性を生成する。
【０００５】電気モータ内のロータの磁気材料を削減す
ることは、コストの観点から望ましいことである。また
磁気材料の使用量が減少することによって、モータがい
かなるトルクも生成していない場合でも、ロータ磁石に
よって生じる磁界による障害問題やスピン・ロス問題な
どの永久磁石機械に見られるいくつかの問題が改善され
る。多バリヤ型の永久磁石（ＰＭ）設計と同様のロータ
の幾何学形状を有するが、ロータ内に磁気材料が存在し
ない純粋な同期反作用モータは、相対的に性能が低い機
械である。多バリヤ型ＩＰＭ電気モータは、同期反作用
機械と永久磁石機械の有用な特性を併せ持ち、車両を推
進させることに関する優れた候補である。ＩＰＭ機械に
関わる主要な問題点は、ロータの設計と製造である。
ることは、コストの観点から望ましいことである。また
磁気材料の使用量が減少することによって、モータがい
かなるトルクも生成していない場合でも、ロータ磁石に
よって生じる磁界による障害問題やスピン・ロス問題な
どの永久磁石機械に見られるいくつかの問題が改善され
る。多バリヤ型の永久磁石（ＰＭ）設計と同様のロータ
の幾何学形状を有するが、ロータ内に磁気材料が存在し
ない純粋な同期反作用モータは、相対的に性能が低い機
械である。多バリヤ型ＩＰＭ電気モータは、同期反作用
機械と永久磁石機械の有用な特性を併せ持ち、車両を推
進させることに関する優れた候補である。ＩＰＭ機械に
関わる主要な問題点は、ロータの設計と製造である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ＩＰＭ機械内の磁石
は、予め磁化し、次いでロータ内側に挿入することがで
きる。このような磁石の挿入は、ＩＰＭ機械の組立てに
いくつかの製造過程を加える複雑で相対的にコストの掛
かるプロセスである。
は、予め磁化し、次いでロータ内側に挿入することがで
きる。このような磁石の挿入は、ＩＰＭ機械の組立てに
いくつかの製造過程を加える複雑で相対的にコストの掛
かるプロセスである。
【０００７】図２に示すように、磁石をロータ表面近く
に挿入する場合は、挿入されている磁気材料を事後に磁
化することができる。事後の磁化に関しては、ロータの
外側で磁気材料を予め成形して、ロータに挿入し、次い
で磁化することができる。これは通常、焼結磁石の場合
であり、それには一定の配向が必要である。ＩＰＭロー
タ内で使用することができる他のタイプの磁気材料は、
通常ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）樹脂などのプ
ラスチックと混合されるボンド磁石材料であり、同様に
ロータの外側で予め成形し、次いでロータ内に挿入され
る。しかし、一般にボンド磁石は、高温および高圧下で
ロータの空胴内に注入される。
に挿入する場合は、挿入されている磁気材料を事後に磁
化することができる。事後の磁化に関しては、ロータの
外側で磁気材料を予め成形して、ロータに挿入し、次い
で磁化することができる。これは通常、焼結磁石の場合
であり、それには一定の配向が必要である。ＩＰＭロー
タ内で使用することができる他のタイプの磁気材料は、
通常ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）樹脂などのプ
ラスチックと混合されるボンド磁石材料であり、同様に
ロータの外側で予め成形し、次いでロータ内に挿入され
る。しかし、一般にボンド磁石は、高温および高圧下で
ロータの空胴内に注入される。
【０００８】図４に示すように、ロータ内に多層埋込み
磁石を有する電気モータは、車両を推進する応用例に関
して優れた性能特徴を示す。このようなロータの幾何学
形状を事後に磁化することに伴う問題は、部分的に磁化
できるだけであるか、または全く磁化できない大量の磁
気材料をロータ内部に深く埋込むことになり、材料の浪
費となろう。事後の磁化は、図２に示すように、ロータ
表面近くに埋込まれているまたは位置する磁気材料に関
してのみ効率上有効となる。相対的にロータ内に深く埋
込まれている磁気材料に関しては、磁化界磁が弱化する
ために事後の磁化は困難である。
磁石を有する電気モータは、車両を推進する応用例に関
して優れた性能特徴を示す。このようなロータの幾何学
形状を事後に磁化することに伴う問題は、部分的に磁化
できるだけであるか、または全く磁化できない大量の磁
気材料をロータ内部に深く埋込むことになり、材料の浪
費となろう。事後の磁化は、図２に示すように、ロータ
表面近くに埋込まれているまたは位置する磁気材料に関
してのみ効率上有効となる。相対的にロータ内に深く埋
込まれている磁気材料に関しては、磁化界磁が弱化する
ために事後の磁化は困難である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、ＩＰＭ機械の
ロータの設計に関する方法および装置を含む。本発明
は、事後の磁化過程の間に、効果的にまたは強力に磁化
することができないロータ領域から磁気材料を除去す
る。例えば、図４のロータの外部バリヤ全体は、容易に
磁化可能である。しかし、ロータ内部領域の中間部は、
これらの領域を完全に磁化するほど強力な磁界に曝すこ
とができない。本発明は、これらの領域から磁気材料を
除去し、どんな材料もない状態にすることができる。そ
れによって、ロータ内に突磁性を生成するのに必要な、
磁石軸またはｄ軸に対する高い抵抗が保証される。
ロータの設計に関する方法および装置を含む。本発明
は、事後の磁化過程の間に、効果的にまたは強力に磁化
することができないロータ領域から磁気材料を除去す
る。例えば、図４のロータの外部バリヤ全体は、容易に
磁化可能である。しかし、ロータ内部領域の中間部は、
これらの領域を完全に磁化するほど強力な磁界に曝すこ
とができない。本発明は、これらの領域から磁気材料を
除去し、どんな材料もない状態にすることができる。そ
れによって、ロータ内に突磁性を生成するのに必要な、
磁石軸またはｄ軸に対する高い抵抗が保証される。
【００１０】本発明の代替実施形態では、モータ軸領域
を介してロータの熱を逃がすことができるように、ＩＰ
Ｍロータの中間領域に非磁性の伝熱材料が充填され、ロ
ータの熱性能を向上させる。ロータの中間領域をどんな
材料もない状態にしておいても、あるいは非磁性の伝熱
材料を挿入しても、ロータの突極性または抵抗トルクに
変化はない。しかし、ロータの一定領域から磁気材料を
除去することによって、磁界が減少し、その結果、この
磁界によって生成されるトルクおよびステータ電流の相
互作用が減少することになる。磁界の損失およびその対
応する磁気トルクを補償するために、残存する磁気材料
の磁界強度が増強される。
を介してロータの熱を逃がすことができるように、ＩＰ
Ｍロータの中間領域に非磁性の伝熱材料が充填され、ロ
ータの熱性能を向上させる。ロータの中間領域をどんな
材料もない状態にしておいても、あるいは非磁性の伝熱
材料を挿入しても、ロータの突極性または抵抗トルクに
変化はない。しかし、ロータの一定領域から磁気材料を
除去することによって、磁界が減少し、その結果、この
磁界によって生成されるトルクおよびステータ電流の相
互作用が減少することになる。磁界の損失およびその対
応する磁気トルクを補償するために、残存する磁気材料
の磁界強度が増強される。
【００１１】磁石の強度は通常、磁気エネルギー積（Ｍ
ＥＰ）によって定義される。ＭＥＰは、残留磁束密度Ｂ
ｒと保磁度Ｈｃの積に比例する。ＭＥＰは、単位体積当
たりのエネルギー単位で測る。このエネルギー積に総磁
気体積を乗ずると、ＭＥＰ量または磁石からのエネルギ
ー量が得られる。図４および５に示す両方の幾何学形状
において、ＭＥＰと磁気材料の体積との積が実質的に同
じならば、磁気トルクは実質的に同じのままであること
が有限要素シミュレーションによって確認されている。
したがって、ロータの中央および中間領域付近の磁気材
料の除去によって磁気材料の体積が減少するのと同じ比
率で、図５の幾何学形状の磁石のＭＥＰを増強する必要
がある。磁気材料のコストもまた、磁気エネルギー積お
よび磁気材料の総体積に関連する。その関係は複合的で
あり、磁気材料の化学的組成、磁石の種類および処理の
方式などの数多くの他の要素にも左右される。しかし、
磁気材料の総体積が減少し、かつＭＥＰと、モータのロ
ータ内に残存する磁気材料の体積との積が実質的に同じ
ならば、モータ性能を損失することなく磁気材料の総コ
ストが低下する。
ＥＰ）によって定義される。ＭＥＰは、残留磁束密度Ｂ
ｒと保磁度Ｈｃの積に比例する。ＭＥＰは、単位体積当
たりのエネルギー単位で測る。このエネルギー積に総磁
気体積を乗ずると、ＭＥＰ量または磁石からのエネルギ
ー量が得られる。図４および５に示す両方の幾何学形状
において、ＭＥＰと磁気材料の体積との積が実質的に同
じならば、磁気トルクは実質的に同じのままであること
が有限要素シミュレーションによって確認されている。
したがって、ロータの中央および中間領域付近の磁気材
料の除去によって磁気材料の体積が減少するのと同じ比
率で、図５の幾何学形状の磁石のＭＥＰを増強する必要
がある。磁気材料のコストもまた、磁気エネルギー積お
よび磁気材料の総体積に関連する。その関係は複合的で
あり、磁気材料の化学的組成、磁石の種類および処理の
方式などの数多くの他の要素にも左右される。しかし、
磁気材料の総体積が減少し、かつＭＥＰと、モータのロ
ータ内に残存する磁気材料の体積との積が実質的に同じ
ならば、モータ性能を損失することなく磁気材料の総コ
ストが低下する。
【００１２】本発明のＩＰＭロータに使用される磁気材
料の量を削減することによって、かつＭＥＰと磁石体積
との積を実質的に同じに保つことによって、ＩＰＭモー
タのコストを削減することができる。さらに、本発明
は、外部および内部磁気材料またはバリヤの完全な磁化
が可能であり、よってロータ内の高価な磁気材料の体積
およびモータのコストが減少し、製造および材料コスト
が減少することになる。さらには、磁気材料の体積また
は質量が削減される結果、モータの質量が削減されるこ
とになり、さらにロータの熱性能も向上して磁気バリヤ
の冷却が可能となる。
料の量を削減することによって、かつＭＥＰと磁石体積
との積を実質的に同じに保つことによって、ＩＰＭモー
タのコストを削減することができる。さらに、本発明
は、外部および内部磁気材料またはバリヤの完全な磁化
が可能であり、よってロータ内の高価な磁気材料の体積
およびモータのコストが減少し、製造および材料コスト
が減少することになる。さらには、磁気材料の体積また
は質量が削減される結果、モータの質量が削減されるこ
とになり、さらにロータの熱性能も向上して磁気バリヤ
の冷却が可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】図１は、巻線形ステータ１２およ
び永久磁石ロータ１４を有する永久磁石モータの図面で
ある。電源およびインバータ１６が、エンコーダ、レゾ
ルバ、タコメータ、近接スイッチおよびトゥース・セッ
ト、および逆起電力検出などを含むが、それらに限定さ
れないフィードバックに応じて、モータ１０の速度とト
ルクを切換えかつ制御する。このモータは、方形波また
は正弦波の励磁が電源およびインバータ１６によって供
給されるブラシレス直流モータとして特徴付けることが
できる。
び永久磁石ロータ１４を有する永久磁石モータの図面で
ある。電源およびインバータ１６が、エンコーダ、レゾ
ルバ、タコメータ、近接スイッチおよびトゥース・セッ
ト、および逆起電力検出などを含むが、それらに限定さ
れないフィードバックに応じて、モータ１０の速度とト
ルクを切換えかつ制御する。このモータは、方形波また
は正弦波の励磁が電源およびインバータ１６によって供
給されるブラシレス直流モータとして特徴付けることが
できる。
【００１４】図２は、磁気材料１９がロータ１４の表面
近くに埋込まれている永久磁石ロータ１４の断面図であ
る。この磁気材料は、ロータ１４表面に近接するその位
置のために、事後の磁化過程の間、磁化器または巻線形
ステータ１２によって磁化可能である。本発明の一実施
形態での事後の磁化には、ロータ１４内の磁気材料１９
を磁化するために磁化器をロータ１４の周りに配置する
ことが含まれる。ステータ１２と類似の磁化器には、磁
化過程に使用するコイルが内蔵されている。本発明の別
の実施形態では、磁化器の代わりにステータ１２を使用
してロータ１４を磁化することもできる。
近くに埋込まれている永久磁石ロータ１４の断面図であ
る。この磁気材料は、ロータ１４表面に近接するその位
置のために、事後の磁化過程の間、磁化器または巻線形
ステータ１２によって磁化可能である。本発明の一実施
形態での事後の磁化には、ロータ１４内の磁気材料１９
を磁化するために磁化器をロータ１４の周りに配置する
ことが含まれる。ステータ１２と類似の磁化器には、磁
化過程に使用するコイルが内蔵されている。本発明の別
の実施形態では、磁化器の代わりにステータ１２を使用
してロータ１４を磁化することもできる。
【００１５】本発明の好ましい一実施形態では、プラス
チックと混合された磁気粉末を高温および高圧下でロー
タ１４の空胴内に注入して、この材料をロータ１４の空
胴の内側に接着かつ成形することができる。このような
過程は大量生産にとって望ましい。先に述べたように、
磁気材料を事後に磁化することは、その磁気材料がロー
タ表面近くに埋込まれている場合のみ現時点で実用的で
ある。
チックと混合された磁気粉末を高温および高圧下でロー
タ１４の空胴内に注入して、この材料をロータ１４の空
胴の内側に接着かつ成形することができる。このような
過程は大量生産にとって望ましい。先に述べたように、
磁気材料を事後に磁化することは、その磁気材料がロー
タ表面近くに埋込まれている場合のみ現時点で実用的で
ある。
【００１６】磁気材料を完全に磁化された状態にするに
は、その組成に応じて様々な磁界強度が必要である。可
変速度モータ駆動の応用例にとって有利な高エネルギー
磁石は、その大きな減磁強度のせいで、完全に磁化され
た状態になるように磁気材料を飽和するために非常に強
い磁界が必要である。この磁界は、ステータ１２のコイ
ル内または磁化器内に電流を流すことによって生成され
る。ロータ１４を磁化するには、通常は非常に短時間に
極めて大きな電流バーストが必要である。ステータ１２
に鉄が十分にないと、そのステータがこのような過程の
間で飽和状態になり、生成された磁界がロータ１４内に
透過するのを妨げる恐れがある。
は、その組成に応じて様々な磁界強度が必要である。可
変速度モータ駆動の応用例にとって有利な高エネルギー
磁石は、その大きな減磁強度のせいで、完全に磁化され
た状態になるように磁気材料を飽和するために非常に強
い磁界が必要である。この磁界は、ステータ１２のコイ
ル内または磁化器内に電流を流すことによって生成され
る。ロータ１４を磁化するには、通常は非常に短時間に
極めて大きな電流バーストが必要である。ステータ１２
に鉄が十分にないと、そのステータがこのような過程の
間で飽和状態になり、生成された磁界がロータ１４内に
透過するのを妨げる恐れがある。
【００１７】本発明の好ましい実施形態では、ロータ１
４が磁化器によって磁化される。この磁化器には、それ
が著しい飽和状態にならないように十分な鉄が含まれて
いる。磁化器内のコイルは、磁界を所望の磁化方向に沿
って誘導するように配置されている。
４が磁化器によって磁化される。この磁化器には、それ
が著しい飽和状態にならないように十分な鉄が含まれて
いる。磁化器内のコイルは、磁界を所望の磁化方向に沿
って誘導するように配置されている。
【００１８】図３は、磁気材料２１をスポーク型に構成
した永久磁石ロータ１４の断面図である。磁気材料２１
の領域２３は、ロータ表面１４からの距離のために磁化
することが難しい。先に説明したように、磁化器または
ステータ１２のコイルによって生成された磁界は一般
に、ロータ１４の内側深くに透過することはない。した
がって、領域２３は、事後に磁化する間、部分的または
不完全にしか磁化されないことになる。磁気材料の不完
全または部分的な磁化によって、エア・ギャップの磁束
が減少することになる。したがって、領域２３が完全に
磁化されているロータに比べて、機械トルクおよび機械
効率も低下することになる。
した永久磁石ロータ１４の断面図である。磁気材料２１
の領域２３は、ロータ表面１４からの距離のために磁化
することが難しい。先に説明したように、磁化器または
ステータ１２のコイルによって生成された磁界は一般
に、ロータ１４の内側深くに透過することはない。した
がって、領域２３は、事後に磁化する間、部分的または
不完全にしか磁化されないことになる。磁気材料の不完
全または部分的な磁化によって、エア・ギャップの磁束
が減少することになる。したがって、領域２３が完全に
磁化されているロータに比べて、機械トルクおよび機械
効率も低下することになる。
【００１９】図４は、多層または多バリヤ型埋込み磁石
モータの幾何学形状の部分断面図である。図３のスポー
ク型構成と同様に、磁気材料層またはバリヤ２４は、ロ
ータ１４の表面からの距離のために完全に磁化すること
が難しい。
モータの幾何学形状の部分断面図である。図３のスポー
ク型構成と同様に、磁気材料層またはバリヤ２４は、ロ
ータ１４の表面からの距離のために完全に磁化すること
が難しい。
【００２０】先に説明したように、ＩＰＭロータに関し
て、多層または多バリヤ型の幾何学形状によってロータ
１４の突極性が向上する。したがって、図４のロータ１
４の幾何学形状には、相対的に高い突極性が備わる利点
があり、それによって機械のトルク強度が高まり、かつ
特定のトルクまたはワット数に関する磁気材料の体積要
件が低下する。磁気材料の体積要件が低下することによ
って、モータのコストが低下し、短絡と開路の障害問
題、および永久磁石の磁界が存在することによるスピン
・ロス（渦電流誘導損失）などの大きな磁束のＰＭ機械
に関連する問題も改善される。また多バリヤ型ロータの
幾何学形状が、車両を推進する応用例に関して、長時間
連続の出力範囲を有する有利なトルク速度分布の利点を
備える。このような多層設計は、図４に示す全ての層２
４内に磁気材料を有することもできるし、またはその設
計は１つまたは複数の層２４内に磁気材料を有するが、
その他の層は空であってもよい。具体的な設計は、磁石
の磁束要件、磁気材料の種類、および突極性要件に左右
される。これら全ての有利な特性にもかかわらず、全て
の磁石層２４、特に層２４の領域２６を磁化することが
難しいために、多層設計を生産することは困難である。
て、多層または多バリヤ型の幾何学形状によってロータ
１４の突極性が向上する。したがって、図４のロータ１
４の幾何学形状には、相対的に高い突極性が備わる利点
があり、それによって機械のトルク強度が高まり、かつ
特定のトルクまたはワット数に関する磁気材料の体積要
件が低下する。磁気材料の体積要件が低下することによ
って、モータのコストが低下し、短絡と開路の障害問
題、および永久磁石の磁界が存在することによるスピン
・ロス（渦電流誘導損失）などの大きな磁束のＰＭ機械
に関連する問題も改善される。また多バリヤ型ロータの
幾何学形状が、車両を推進する応用例に関して、長時間
連続の出力範囲を有する有利なトルク速度分布の利点を
備える。このような多層設計は、図４に示す全ての層２
４内に磁気材料を有することもできるし、またはその設
計は１つまたは複数の層２４内に磁気材料を有するが、
その他の層は空であってもよい。具体的な設計は、磁石
の磁束要件、磁気材料の種類、および突極性要件に左右
される。これら全ての有利な特性にもかかわらず、全て
の磁石層２４、特に層２４の領域２６を磁化することが
難しいために、多層設計を生産することは困難である。
【００２１】図５は、図４のロータの中央領域から磁気
材料が除去されていることを例示する図である。本発明
は、磁気材料を磁化することが難しい領域２６などのロ
ータ１４の領域から磁気材料を除去する。これらの領域
２６は、空気、または熱伝導性エポキシ樹脂など不活性
もしくは非磁性の熱伝導性材料が充填されている。ロー
タ内側深くの磁界はほとんど直流なので、優れた熱伝導
率を有する非磁性のステンレスまたはアルミニウムなど
の材料も使用することができる。磁化が不可能なロータ
１４領域から磁気材料を除去することによって、機械の
エア・ギャップ内の磁束が少なくなり、よって磁束によ
る機械トルクが低下することになる。領域２６から除去
された磁気材料を補償するために、残存する磁気材料の
磁力が増強される。磁石のエア・ギャップの磁束が変化
しないように、残存する材料の磁界強度を増強する。そ
れによって磁気トルクは低下しないことが保証される。
材料が除去されていることを例示する図である。本発明
は、磁気材料を磁化することが難しい領域２６などのロ
ータ１４の領域から磁気材料を除去する。これらの領域
２６は、空気、または熱伝導性エポキシ樹脂など不活性
もしくは非磁性の熱伝導性材料が充填されている。ロー
タ内側深くの磁界はほとんど直流なので、優れた熱伝導
率を有する非磁性のステンレスまたはアルミニウムなど
の材料も使用することができる。磁化が不可能なロータ
１４領域から磁気材料を除去することによって、機械の
エア・ギャップ内の磁束が少なくなり、よって磁束によ
る機械トルクが低下することになる。領域２６から除去
された磁気材料を補償するために、残存する磁気材料の
磁力が増強される。磁石のエア・ギャップの磁束が変化
しないように、残存する材料の磁界強度を増強する。そ
れによって磁気トルクは低下しないことが保証される。
【００２２】先に開示したように、磁界強度は、磁石の
残留磁束密度Ｂrおよび磁石の保磁度Ｈcによって定義さ
れる。Ｂrは、磁石の両端（磁石のＮおよび磁石のＳ）
が高透磁率の磁気材料を使用して短絡されるときの磁束
密度の大きさである。Ｈcは、磁石内の総磁束をゼロに
するために必要とされる磁界強度の大きさである。磁気
エネルギー積（ＭＥＰ）は、磁石の残留磁束密度と磁石
の保磁度との積に比例し、それは単位体積当たりのジュ
ールの単位で表す。ＭＥＰに総磁石体積を乗ずると、磁
気材料によって形成された磁石の総エネルギーが得られ
る。エア・ギャップ内において磁石の磁束が変化しない
ように保つために、磁気材料の体積が図４から除去され
るのと同じ比率だけ、図５の設計に関するＭＥＰが増加
される。したがって、図４および５のロータの幾何学形
状に関して、ＭＥＰと磁石体積との積は実質的に不変で
ある。
残留磁束密度Ｂrおよび磁石の保磁度Ｈcによって定義さ
れる。Ｂrは、磁石の両端（磁石のＮおよび磁石のＳ）
が高透磁率の磁気材料を使用して短絡されるときの磁束
密度の大きさである。Ｈcは、磁石内の総磁束をゼロに
するために必要とされる磁界強度の大きさである。磁気
エネルギー積（ＭＥＰ）は、磁石の残留磁束密度と磁石
の保磁度との積に比例し、それは単位体積当たりのジュ
ールの単位で表す。ＭＥＰに総磁石体積を乗ずると、磁
気材料によって形成された磁石の総エネルギーが得られ
る。エア・ギャップ内において磁石の磁束が変化しない
ように保つために、磁気材料の体積が図４から除去され
るのと同じ比率だけ、図５の設計に関するＭＥＰが増加
される。したがって、図４および５のロータの幾何学形
状に関して、ＭＥＰと磁石体積との積は実質的に不変で
ある。
【００２３】磁気材料の実際のコストは、磁石の種類、
磁気材料の化学的組成、ＭＥＰ、磁気材料体積、磁気材
料の処理要件などの数多くの要素の複合関数である。し
かし、総磁気材料体積を削減すると共にＭＥＰと磁気材
料体積との積を実質的に同じに保つことによって、全体
的な磁気材料のコストを削減することができる。さら
に、図４のロータ１４に比べて、図５のロータ１４は容
易に磁化可能である。
磁気材料の化学的組成、ＭＥＰ、磁気材料体積、磁気材
料の処理要件などの数多くの要素の複合関数である。し
かし、総磁気材料体積を削減すると共にＭＥＰと磁気材
料体積との積を実質的に同じに保つことによって、全体
的な磁気材料のコストを削減することができる。さら
に、図４のロータ１４に比べて、図５のロータ１４は容
易に磁化可能である。
【００２４】先に説明したように、ＩＰＭの幾何学形状
は、永久磁石の界磁による磁気トルクに加えて、磁気抵
抗トルクを有する。この磁気抵抗トルクは、ロータ１４
位置と共にロータ１４の突極性が変化することによって
生じる。ロータ１４位置と共にロータ１４の抵抗がこの
ように変化することによって、ロータ１４の突極性が生
成されるが、それは抵抗トルクの供給源である。図４の
領域２６から磁気材料が除去され、かつ非磁気材料と置
換えられるかまたは空のままにされるとき、ロータ１４
の全体的な抵抗は変化しない。したがって、抵抗トルク
はほとんど不変である。図５の磁気材料によって形成さ
れたロータ１４の磁石またはバリヤのＭＥＰを増大させ
ることによって、磁気材料の除去が補償されると、モー
タのトルクは実質的に不変である。それが、図６に見る
有限要素シミュレーションによって例示されている。
は、永久磁石の界磁による磁気トルクに加えて、磁気抵
抗トルクを有する。この磁気抵抗トルクは、ロータ１４
位置と共にロータ１４の突極性が変化することによって
生じる。ロータ１４位置と共にロータ１４の抵抗がこの
ように変化することによって、ロータ１４の突極性が生
成されるが、それは抵抗トルクの供給源である。図４の
領域２６から磁気材料が除去され、かつ非磁気材料と置
換えられるかまたは空のままにされるとき、ロータ１４
の全体的な抵抗は変化しない。したがって、抵抗トルク
はほとんど不変である。図５の磁気材料によって形成さ
れたロータ１４の磁石またはバリヤのＭＥＰを増大させ
ることによって、磁気材料の除去が補償されると、モー
タのトルクは実質的に不変である。それが、図６に見る
有限要素シミュレーションによって例示されている。
【００２５】図４および５のロータ１４の構成は、最大
ピーク・トルクに関して最適化されている。ステータ１
２のコイルが分布巻および短節巻にされている。それに
よって高調波トルクリップル（harmonics torque rippl
e）が軽減する。しかし、ロータ１４とステータ１２の
スロットの存在によって、一般に知られている「スロッ
ト・リップル」がモータ・トルクに生じる。このような
ロータ１４の幾何学形状に関する、スロット・リップル
によるトルク変化は、図６に例示されているように、１
スロット・ピッチの周期性を有する。
ピーク・トルクに関して最適化されている。ステータ１
２のコイルが分布巻および短節巻にされている。それに
よって高調波トルクリップル（harmonics torque rippl
e）が軽減する。しかし、ロータ１４とステータ１２の
スロットの存在によって、一般に知られている「スロッ
ト・リップル」がモータ・トルクに生じる。このような
ロータ１４の幾何学形状に関する、スロット・リップル
によるトルク変化は、図６に例示されているように、１
スロット・ピッチの周期性を有する。
【００２６】図６を参照すると、実線３０が図４のロー
タの幾何学形状に関するトルクを表し、破線曲線３２が
図５のロータの幾何学形状に関するトルクを表す。図４
に比べると、図５の幾何学形状に関して、その平均トル
クがわずかに高い。したがって、図５のロータ１４の幾
何学形状は、図４のロータ１４の幾何学形状よりもわず
かに高いトルクを生成する。さらに、図５のロータ１４
の幾何学形状は、容易に磁化可能であり、かつコストが
実質的に低い。
タの幾何学形状に関するトルクを表し、破線曲線３２が
図５のロータの幾何学形状に関するトルクを表す。図４
に比べると、図５の幾何学形状に関して、その平均トル
クがわずかに高い。したがって、図５のロータ１４の幾
何学形状は、図４のロータ１４の幾何学形状よりもわず
かに高いトルクを生成する。さらに、図５のロータ１４
の幾何学形状は、容易に磁化可能であり、かつコストが
実質的に低い。
【００２７】本発明をいくつかの実施形態で説明してき
たが、当業者には他の形態が容易に適合可能であること
が理解されよう。したがって、本発明の範囲は、添付の
特許請求の範囲によってのみ限定されるものと考慮され
るべきである。
たが、当業者には他の形態が容易に適合可能であること
が理解されよう。したがって、本発明の範囲は、添付の
特許請求の範囲によってのみ限定されるものと考慮され
るべきである。
【図１】永久磁石モータの断面図である。
【図２】磁石がロータの表面近くに埋込まれている永久
磁石モータの断面図である。
磁石モータの断面図である。
【図３】磁気材料をスポーク型ロータ構成にした永久磁
石の断面図である。
石の断面図である。
【図４】多層の内部または埋込みロータの幾何学形状の
部分（一方の極）断面図である。
部分（一方の極）断面図である。
【図５】図４のロータの中央領域から磁気材料が除去さ
れていることを例示する図である。
れていることを例示する図である。
【図６】図４および図５のロータの発生トルクのグラフ
である。
である。
１０ ＰＭモータ
１２ 巻線形ステータ
１４ ＰＭロータ
１６ 電源およびインバータ
１９ 磁気材料
２１ 磁気材料のスポーク型構成
２３ 領域
２４ 磁気材料層またはバリヤ
２６ 領域
３０ 図４のロータ幾何学形状に関するトルク
３２ 図５のロータ幾何学形状に関するトルク
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｈ０２Ｋ 15/03 Ｈ０２Ｋ 15/03 Ｇ
21/14 21/14 Ｍ
(72)発明者 カワージャ・エム・ラッマン
アメリカ合衆国カリフォルニア州90505,
トーランス，ナディーン・サークル
22555，ナンバー 250
(72)発明者 ピーター・ジェイ・サヴァギャン
アメリカ合衆国ミシガン州48304，ブルー
ムフィールド・ヒルズ，ブラウンレイ・コ
ート 532
(72)発明者 フランソワ・ジ・ビエ
フランス国78400 シャトゥ，リュー・レ
オン・バルビ 44
(72)発明者 コンスタンチン・シー・スタンチュ
アメリカ合衆国カリフォルニア州92808,
アナハイム，サウス・シルバースター・ウ
ェイ 11207
Ｆターム(参考） 5H002 AA01 AA07 AE08
5H621 BB07 HH01 JK03
5H622 AA03 CA02 CA07 CA10 PP07
QA02 QB01
Claims (15)
- 【請求項１】 ハウジングと、 前記ハウジング内に位置する巻線形ステータ界磁と、 前記巻線形ステータ界磁と磁気的に相互作用する、永久
磁石を含むロータと、 前記ロータ内に構成されたエア・スペースとを備える、
車両のための電気式トラクション・モータ。 - 【請求項２】 前記永久磁石が内部永久磁石である、請
求項１の電気式トラクション・モータ。 - 【請求項３】 内部永久磁石として構成された永久磁石
のアレイをさらに含む、請求項１の電気式トラクション
・モータ。 - 【請求項４】 永久磁石の前記アレイが焼結磁石を備え
る、請求項３の電気式トラクション・モータ。 - 【請求項５】 前記内部永久磁石が、前記ロータに対し
て作用する磁気源によって事後に磁化される磁気粉末を
備える、請求項１の電気式トラクション・モータ。 - 【請求項６】 前記磁気源が巻線形ステータである、請
求項５の電気式トラクション・モータ。 - 【請求項７】 多層の永久磁石をさらに含む、請求項１
の電気式トラクション・モータ。 - 【請求項８】 前記内部永久磁石が、前記ロータ内に液
体の形態で注入される、請求項１の電気式トラクション
・モータ。 - 【請求項９】 前記エア・スペースが熱伝導材料で部分
的に充填されている、請求項１の電気式トラクション・
モータ。 - 【請求項１０】 ハウジングと、 前記ハウジング内に位置する巻線形ステータ界磁と、 前記巻線形ステータ界磁と磁気的に相互作用する、空洞
のアレイを含むロータと、 前記空洞のアレイの一部分の中に成型可能な磁石を注入
し、かつ前記磁気粉末を事後に磁化することによって、
前記空洞のアレイの一部分の中に構成された永久磁石の
アレイとを備え、それによって前記空洞のアレイの一部
分がエア・ギャップとして残る、電気式トラクション・
モータ。 - 【請求項１１】 前記成型可能な磁石が、結合剤と一定
の比率で混合されたボンド磁気粉末を含む、請求項１０
の電気式トラクション・モータ。 - 【請求項１２】 前記結合剤がプラスチックである、請
求項１１の電気式トラクション・モータ。 - 【請求項１３】 前記空洞のアレイの一部分が不活性材
料で充填されている、請求項１０の電気式トラクション
・モータ。 - 【請求項１４】 電気式トラクション・モータのための
ロータを製造する方法であって、 そのロータ内に空洞を形成するステップと、 これらの空洞の一部分の中に磁気材料を注入するステッ
プと、 これらの空洞の一部分の中に非磁気材料を注入するステ
ップと、 その磁気材料を事後に磁化するステップとを含む、方
法。 - 【請求項１５】 前記磁気材料をプラスチックと結合す
るステップをさらに含む、請求項１４の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/952319 | 2001-09-14 | ||
| US09/952,319 US6684483B2 (en) | 2001-09-14 | 2001-09-14 | Method of fabricating a rotor for an electric traction motor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003111322A true JP2003111322A (ja) | 2003-04-11 |
| JP3655272B2 JP3655272B2 (ja) | 2005-06-02 |
Family
ID=25492786
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002266794A Expired - Fee Related JP3655272B2 (ja) | 2001-09-14 | 2002-09-12 | 電気式トラクション・モータのためのロータを製造する方法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6684483B2 (ja) |
| EP (1) | EP1294081A3 (ja) |
| JP (1) | JP3655272B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPWO2011125191A1 (ja) * | 2010-04-07 | 2013-07-08 | 株式会社アドバンテスト | プローブ及びその製造方法 |
Families Citing this family (43)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3507395B2 (ja) * | 2000-03-03 | 2004-03-15 | 株式会社日立製作所 | 回転電機及びそれを用いた電動車両 |
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