JP2009284757A - ロータに磁石を組み込んだ回転電気機械 - Google Patents

Abstract

【課題】 性能と費用との間のバランスの取れた、ロータ中に磁石を組み込んだ回転電気機械を提供する。
【解決手段】 磁石（Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃）は、コア（２８）および／または磁極ホイール（２３ａ、２３ｂ）内に配置され、回転電気機械の磁路（２９）上の総磁石長（Ｌ）と総ギャップ長（ｊ_T＋２ｅ）との比（Ｒ）が、８〜１２の範囲になるように、総磁石長（Ｌ）を選ぶ。
【選択図】図２

Description

本発明は、広義では回転電気機械に関し、より詳細には、自動車用のオルタネータタイプまたはオルタネータスタータタイプの回転電気機械に関し、さらにより詳細には、ロータの内部に、１つ以上の励磁巻線、磁極、および永久磁石が配置されている回転電気機械に関する。

本明細書においては、本発明を、爪ロータを備えた回転電気機械を引用して説明するが、本発明は、突出磁極ロータを備えた回転電気機械などの他のタイプの回転電気機械に関するものでもある。本発明によって提案する方法によると、巻線励磁による磁気分極によって発生する磁束を強化する。

ロータは、通常爪構造を有する。この種の構造は、各々が複数の爪を有していて、互いに対向するように組み合わされた２つの磁極ホイールを備えている。２つの磁極ホイールは、一方の磁極ホイールの各爪が、他方の磁極ホイールに向かって軸方向に突き出るように、向かい合っている。さらに２つの磁極ホイールは、一方の磁極ホイールの各爪が、他方の磁極ホイールの隣接し合う２つの爪の間に入り込むように組み合わされている。またロータは、ロータの回転軸の方向に向いている、各爪の表面によって画定される空間内に配置されており、かつ２つの磁極ホイールの間で軸方向に延在しているコアを有している。コアの周囲には、励磁巻線が巻かれている。

ロータは、回転電気機械のステータの内部に配置されている。回転電気機械が作動しているとき、ロータは、その軸のまわりに回転し、２つの磁石ホイール間の、隣接し合う逆極性の磁極（すなわち爪）対を結んで磁束が発生して、ステータ巻線を通る。

爪ロータ回転電気機械においては、磁束のうちのいくらかは、このような磁束路から漏れ出る。特に、磁束のうちのいくらかは、一方の磁極ホイールの１つの爪から、他方の磁極ホイールの隣接する爪に直接移り、ステータ巻線を通らない。したがって、このような磁束は、回転電気機械によるエネルギーの生成に寄与しない。

ステータを通らない、一方の磁極から他方の磁極への磁束のこの漏洩は、回転電気機械の効率に影響を与え、その出力性能を低下させる。

当技術分野において、コアに環状の磁石を組み込んだ、回転電気機械のロータは公知である。コアの外側表面に、環状の磁石を受けるための、全周にわたる切り欠きが形成される。コア内に配置された磁石は、回転電気機械の有効磁束を増やす磁束を発生させる。

励磁巻線内に、低励磁電流しか流れていないか、または励磁電流が流れていないときには、コア内で磁束は飽和していない。このときには、磁石によって発生した磁束の磁束線は、それら自身で閉じ、かつコア内に閉じ込められる。

励磁巻線に、高励磁電流が流れているときには、コア内で磁束は飽和している。この場合には、磁石によって発生した磁束の磁束線を、コア内に閉じ込めておくことはできない。これらの磁束線が、それら自身で閉じるためには、これらの磁束線は、回転電気機械の動作に寄与している磁束の磁路にしたがわなければならない。この磁路は、一方の磁極ホイールを通り、その磁極ホイールの１つの爪から抜け出てステータ巻線に入り、次いで最初の爪の極性と逆極性の、他方の磁極ホイールの隣接する爪から再びロータに入り、最後にコアを通って、それ自身で閉じる。

しかしながら、コアに磁石を加えることによって、主に磁石を作る素材に費用を要するために、回転電気機械の費用が増加する。したがって、有効磁束を増加させることと、磁石の付加による回転電気機械の費用の上昇を制限することとの間に妥協点を見出す必要がある。

さらに、磁石の量が多すぎるとき、およびコア内で磁束が高度に飽和しているときには、電流を切るために、前もって「磁束を消去する」必要がある。これは、回転電気機械の動作の特別な制御を不可欠とし、それによって、回転電気機械の操作はより複雑になる。

本発明は、磁石の量、したがってその費用を制限することによって、上述の欠点を緩和することを目的とするものである。

この目的を達成するために、本発明は、ステータと、回転シャフトと一緒に回転することができるように、ステータの内側に配置されたロータとを備えている回転電気機械を提案するものである。各ロータは、一連の爪を有する、２つの磁極ホイールを備えている。これらの爪の縦断面は、実質的に台形である。これらの爪は、一方の磁極ホイールから他方の磁極ホイールに向かって、軸方向に突き出ている。さらにロータは、磁極ホイールの各爪の内側表面によって画定される空間内に配置されたコアを備えている。このコアは、２つの磁極ホイールの間で、軸方向に延在している。励磁巻線がコアに巻かれている。さらにロータは、少なくとも１つの磁石であり、その各々は、磁極の配向方向が軸方向となるようにコア内に配置されているか、または磁極の配向方向が半径方向となるように、磁極ホイール内に配置されている少なくとも１つの磁石を備えている。総磁石長と等しい第１の長さと、各磁石の各端面と、コアまたは磁極ホイールの対向する面との間の軸方向または半径方向の距離の和と、ロータの爪の半径方向外側の表面とステータの内側表面との間の半径方向の距離の２倍との和に等しい第２の長さとの比、すなわち、長さ比が、約８〜１２の範囲にある。

回転電気機械は、１つ以上の磁石を有することができる。第１の長さは、総磁石長に等しい。この第１の長さは、回転電気機械の有効磁束の磁束路に沿って測定される。

第２の長さは、回転電気機械の有効磁束が通過するギャップの総ギャップ長に等しい。

したがって、磁石は、回転電気機械の有効磁束に対する補助磁束を供給する。この補助磁束は、回転電気機械の性能の観点から十分となるように、かつ経済的観点から最適となるように決められる。

長さ比に対する、この約８〜１２の値の範囲は、特に、磁石の製造に好適な種々の材料を考慮に入れたものである。具体的には、用いる材料の比透磁率を考慮に入れている。

長さ比として、８よりかなり小さい値を選ぶと、回転電気機械の動作に対する磁石の影響は、それほど大きくない。したがって、磁石にかかった費用は、性能の観点から妥当であるとは受け入れがたい。長さ比として、１２よりかなり大きい値を選ぶと、必要な磁石材料の費用は、得られる有効磁束の強化の大きさに比してあまりにも高いものになる。

本発明の一実施形態においては、全ロータ中の第１の体積（総磁石体積）と、第２の体積（ロータ本体体積）との比は、２０〜３０％の範囲にある。

この比の値の範囲では、磁気回路の磁気抵抗が最小になる。これによって、コアの励磁巻線窓を、同一の磁束を与える従来技術の回転電気機械の励磁巻線窓に比して小さくすることができる。逆に回転電気機械の磁束を、同一の励磁巻線窓を有する従来技術の回転電気機械の磁束に比して増加させることもできる。

したがって、例えばコアの寸法を縮小することによって、ジュール効果によるエネルギー損失の源である励磁巻線の量を減らすことができる。

本発明の別の一実施形態において、各爪の基部における半径方向の長さが、コアの外側表面とロータの回転シャフトの外側表面との間の半径方向距離よりも長い。

ロータが、ロータ軸のまわりに回転し始めると、爪は、遠心効果によって機械的力を受ける。

従来技術の回転電気機械においては、爪の基部における半径方向の幅は、励磁巻線窓の半径方向の長さによって制限される。したがって、従来技術においては、爪の基部は、ロータの回転シャフトの外側表面とコアの外側表面との間の、コアの半径方向の幅と同じ寸法を有している。したがって、爪の機械的強度が制限されて、所定の電力を維持しにくくなる。

本発明のこの実施形態においては、爪の基部における半径方向の幅を広げることによって、爪の機械的強度を上げることができる。したがって爪は、遠心効果による破断に対してより高い耐性を有する。

さらに、爪の基部における半径方向の幅を広げることによって、爪の体積は増加する。したがって、爪における磁束は、従来技術の回転電気機械の爪におけるほど飽和しない。このために、磁極間の漏洩が制限され、したがって、回転電気機械の性能は改善される。

別の実施形態において、複数の磁石を、回転軸のまわりに等間隔に配置することができる。

したがって、ロータは、慣性の観点からバランスがとれており、また、磁石の動特性が損ねられることはない。

１つまたは複数の磁石を、等しく、コア内および／または磁極ホイール内に完全に埋め込むことができる。

その場合には、励磁巻線を流れる励磁電流が低いときには、磁石からの磁束線は、コアまたは磁極ホイール内に閉じ込められており、ステータによって「感知される」危険性はない。

励磁電流が低いときには、回転電気機械の磁束も少なくなければならない。したがって、この場合には、磁石が有効磁束に寄与することを防ぐ必要がある。

本発明の構成では、コアにおける磁束の飽和が低レベルであるときの動作の低下を伴うことなく、回転電気機械の公称性能が改善される。さらに本発明の構成では、励磁電流の特別な制御を必要としない。

実施形態に応じて、磁石の全体形状を、平行六面体形状、円柱形状、または部分環状形状とすることができる。

これらの磁石形状のいずれもが、製造、およびコアまたは磁極ホイールへの組み込みを簡単にするという長所を有する。

実施形態に応じて、磁石は、希土類磁石またはフェライト磁石である。

これらの磁石は、高補助磁束を供給し、かつその費用は、使用に適する程度である。

実施形態に応じて、コアおよび／または磁極ホイールは鋼製である。

この材料は、磁気性能と機械的強度との間に妥当な妥協点を与える。さらに、ロータの機械的側面、とりわけ爪の機械的強度を優先すれば、炭素鋼を用いることもできる。

本発明の別の一態様は、オルタネータまたはオルタネータスタータとして機能するように適合化された回転電気機械に関する。

本発明の一実施形態の回転電気機械の縦断面図である。 本発明の一実施形態の回転電気機械のロータの縦断面図である。 本発明の回転電気機械、およびロータ中に磁石を備えていない回転電気機械における磁束の変化を、励磁巻線を流れる励磁電流の関数として示すグラフである。 本発明の一実施形態の回転電気機械のコア中の磁石による磁束線を、コアにおける磁束が飽和している場合と、飽和していない場合とで示す図である。 本発明の一実施形態の回転電気機械の磁界と仮想磁界との比の変化を、総磁石長と総ギャップ長との比の関数として示すグラフである。 本発明の一実施形態の回転電気機械の磁気回路の磁気抵抗の変化を、ロータ内の総磁石体積とロータ本体体積との比の関数として示すグラフである。 従来技術の回転電気機械と本発明の回転電気機械との励磁巻線窓を示す図である。 平行六面体形状の磁石を内部に備えた半コアが突き出ている、本発明の一実施形態の磁極ホイールを示す図である。 磁石が円柱形状である場合の、本発明の一実施形態の回転電気機械のコアの断面図である。 磁石が部分環状形状である場合の、本発明の一実施形態の回転電気機械のコアの断面図である。 部分環状形状の磁石の斜視図である。

添付図面を参照して、単に例示のために与えられている以下の説明を読むことによって、本発明をよりよく理解することができると思う。

本発明の回転電気機械の縦断面が、図１に示されている。この回転電気機械は、例えば自動車の内燃エンジンのための多相オルタネータである。もちろんオルタネータは、可逆的であることもあり、その場合には、オルタネータモードで作動することも、特に車両の内燃エンジンを始動させるために、電動機モードで作動することもできるオルタネータスタータで構成されている。

この回転電気機械は、ステータ２２の内部に配置されたロータ２０を備えている。このステータは、動作中に誘導電流が誘導される巻線１２を有している。ロータは、ロータシャフト２１に支持されて回転するように適合化されている。この回転を可能にするために、具体的には、玉軸受１４が、ロータシャフト上に配置されており、かつ回転電気機械のケーシングに取り付けられている。図２を参照して、ロータをより詳細に説明する。

ロータは、少なくとも１つの対称軸を有している。この軸は、ロータの回転軸である。本明細書において、「軸方向」および「半径方向」は、図２において、それぞれ矢印「Ａ」および「Ｒ」によって示されている方向を意味している。

「内側成分」（例えば内側表面）は、軸の方向を向いた成分（表面）を意味している。「外側成分」（例えば外側表面）は、軸の反対側を向いた成分（表面）を意味している。

図２は、ロータシャフト２１と呼ばれる中央シャフトを有するロータ２０、およびロータを囲むステータ２２を示している。図示の例においては、ロータ２０は、２つの磁極ホイール２３ａ、２３ｂ（本明細書においては、軸方向に並置されている）を有する爪ロータである。各磁極ホイールは、ロータシャフト２１と直角に配置された、環状のフランジ２４を有する。このロータシャフト２１と直角に配置されたフランジ２４は、その外縁に、実質的に軸方向に突き出た爪２５を有している。

爪２５の外側表面と、ステータ２２の内側表面との間に、エアギャップ距離ｅを有する環状のエアギャップが存在する。エアギャップ距離ｅは、爪の外側表面と、ステータの内側表面との間の半径方向距離と一致する。

爪２５は、縦断面が台形または三角形である全体形状を有している。一方の磁極ホイール２３ａまたは２３ｂの各爪は、他方の磁極ホイール２３ｂまたは２３ａのフランジ２４に向かって、軸方向に突き出ている。さらに、一方の磁極ホイール２３ａまたは２３ｂの爪２５は、他方の磁極ホイール２３ｂまたは２３ａの、隣接し合う２つの爪２５の間の空間に入り込んでいる。したがって、磁極ホイール２３ａの爪２５と磁極ホイール２３ｂの爪２５とは、互い違いに差し込まれている。

ロータ２０は、さらに、磁極ホイール２３ａと２３ｂとの間で、各爪２５の内側表面によって画定される空間内に位置しているコア２８を有している。励磁巻線（図示せず）が、コア２８の周囲に巻かれている。本明細書において、コア２８は、２つの磁極ホイール２３ａ、２３ｂの各々から突き出た２つの半コアを備えている。

磁石Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃が、動作時に回転電気機械の有効磁束がとる磁路２９中に配置されている。

磁石Ａ₁、Ａ₃は、平行六面体形状である。磁石Ａ₁は、磁極ホイール２３ｂ内に位置しており、磁石Ａ₃は、磁極ホイール２３ａ内に位置している。磁石Ａ₁、Ａ₃は、それらの磁極の配向軸が、それらの位置しているエリアの磁路と平行になるように配置されている。したがって、磁路２９は、磁石Ａ₁、Ａ₃に、それぞれのＮ極から入り、Ｓ極から出る。

磁石Ａ₂は、環状形状であり、コア２８内に埋め込まれている。磁石Ａ₂は、ロータシャフト２１を囲むように配置されている。さらに磁石Ａ₂は、その磁極の配向軸が、磁石Ａ₂の位置しているエリアの、回転電気機械の磁束の磁路２９と平行になるように配置されている。したがって磁路は、磁石Ａ₂にそのＮ極から入り、Ｓ極から出る。

磁石Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃は、それぞれの長さＬ₁、Ｌ₂、Ｌ₃を有している。磁石Ａ₁、Ａ₃の長さＬ₁、Ｌ₃は、半径方向の長さである。磁石Ａ₂の長さＬ₂は、軸方向の長さである。各磁石は、その両端面と、両端面に面しているロータの内部壁との間の磁束路内にギャップが生じるように、ロータ内に配置されている。すなわち、これらのギャップ、すなわち間隙は、各磁石の両端近傍の磁路上に位置している。したがって、磁石Ａ₁は、間隙長ｊ₆およびｊ₅を有する２つの間隙、磁石Ａ₂は、間隙長ｊ₃およびｊ₄を有する２つの間隙、磁石Ａ₃は、間隙長ｊ₁およびｊ₂を有する２つの間隙を、それぞれ有している。

磁石Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃の各々は、回転電気機械の有効磁束を補強する補助磁束を発生させる。これらの磁石Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃は、回転電気機械の作動時に、各磁石によって発生した磁束の磁束線が、回転電気機械の磁路２９を通るように配置されている。

磁石Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃からの補助磁束について、図３のグラフを用いて説明する。図３のグラフにおいて、ロータのコアに巻かれた励磁巻線を流れる励磁電流Ｉｅｘ（単位：アンペア（Ａ））が、横軸上にプロットされている。ロータの磁極ホイールおよびステータを流れる、回転電気機械の磁束Ｆｌｘ（単位：マイクロウェーバー（μＷｂ））が、縦軸上にプロットされている。実線の曲線ＭＡＧは、本発明の回転電気機械の磁束の変化を、その回転電気機械の励磁巻線中を流れる励磁電流の関数として示している。破線の曲線ＮＯ ＭＡＧは、ロータ中に磁石を設けていない回転電気機械の磁束の変化を、その回転電気機械の励磁巻線中を流れる励磁電流の関数として示している。図３のグラフは、２つの領域ＮＯ ＳＡＴおよびＳＡＴが存在することを示している。領域ＮＯ ＳＡＴは、低磁束によって示されているように、低励磁電流状態、すなわち回転電気機械のコアおよび磁極ホイールにおける磁束が飽和していない状態に対応している。領域ＳＡＴは、一定の高磁束によって示されているように、高励磁電流状態、すなわち回転電気機械のコアおよび磁極ホイールにおける磁束が飽和している状態に対応している領域である。

図３のグラフを参照して、本発明の回転電気機械の磁束と、磁石を備えていない回転電気機械の磁束とを比較することができる。領域ＮＯ ＳＡＴでは、磁石は、本発明の回転電気機械において、その動作を変えないことがわかる。本発明の回転電気機械と、ロータ中に磁石を設けていない回転電気機械とで、磁束曲線は同一である。他方、領域ＳＡＴにおいては、本発明の回転電気機械の磁束の量は、ロータ中に磁石を設けていない回転電気機械の磁束の量よりも多いことに注意されたい。

本発明の回転電気機械の磁石によって誘起される補助磁束の、領域ＮＯ ＳＡＴとＳＡＴとにおける違いを、図４を参照して説明する。

図４は、コア４１内に埋め込まれた磁石４０を示している。図４には、さらに磁石４０から出ている磁束の２本の磁束線４２、４３が示されている。磁束線４２は、コア４１内の磁束が飽和していないとき、すなわち、励磁巻線を流れている励磁電流が低いときの磁束線である。この磁束線４２は、図３の領域ＮＯ ＳＡＴに対応している。磁束線４３は、コア４１内の磁束が飽和しているときに磁石から出てくる磁束線である。この磁束線４３は、図３の領域ＳＡＴに対応している。

したがって、コア４１内で磁束が飽和していないとき、磁石４０から出てくる磁束線は、コア内に閉じ込められているということがわかる。したがって、この場合の磁束線はステータに到達せず、したがって、低励磁状態の回転電気機械の挙動が変わることはない。他方、コア４１内で磁束が飽和しているときには、磁石４０から出てくる磁束線は、回転電気機械の有効磁束の磁路を通り、ステータに到達する。

本発明の回転電気機械のロータ内に配置される磁石Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃の全長の決定に関して、図５を参照して説明する。図５について解説するために、次の記号を導入する。Ｌは、回転電気機械の磁路上の総磁石長である。言い換えると、総磁石長Ｌは、全ての磁石の長さ（ロータ内の磁石の配置状態に依存して、軸方向の長さである場合もあれば、半径方向の長さである場合もある）の和である。したがって、総磁石長Ｌは、（Ｌ＝Ｌ₁＋Ｌ₂＋Ｌ₃）によって与えられる。ｊ_Tは、磁石とロータの内部壁との間の総間隙長である。したがって、総間隙長ｊ_Tは、（ｊ_T＝ｊ₁＋ｊ₂＋ｊ₃＋ｊ₄＋ｊ₅＋ｊ₆）によって与えられる。Ｒは、総磁石長Ｌと、総間隙長ｊ_Tと磁路２９上の総エアギャップ距離２ｅの和との比である。したがって、比Ｒは、次式（数１）によって与えられる。

以下において、磁石内の磁界と仮想磁界との間の比を、比Ｒの関数として表現する。そのために、当業者には公知のように、回転電気機械の有効磁束線がとる平均磁路に、アンペールの法則を適用する。必要な近似は全て行われる。特に、回転電気機械の有効磁路に直交する磁石断面の断面積は、全ての磁石において同じであると仮定する。さらに、磁束線が通過するエアギャップの断面積は、有効磁路に直交する磁石断面の断面積と等しいと仮定する。

磁路２９に、磁束保存の法則を適用することによって、次式が得られる。
Φ＝Ｂ₁Ｓ₁＝Ｂ₂Ｓ₂＝Ｂ₃Ｓ₃＝Ｂ_eＳ_e＝Ｂ_jＳ_j
ここで、Ｂ₁、Ｂ₂、Ｂ₃、Ｂ_e、Ｂ_jは、それぞれ磁石Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃、エアギャップ、各間隙における磁界の絶対値（以下、単に磁界と呼ぶ）であり、Ｓ₁、Ｓ₂、Ｓ₃、Ｓ_e、Ｓ_jは、磁束線が通る、それらの場所における断面積である。

したがって、断面積に関する上述の仮定を適用すると、磁石Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃、エアギャップ、ロータ内の磁石に伴う各間隙の各々における磁界は、全て同一であると結論付けることができる。すなわち、（Ｂ₁＝Ｂ₂＝Ｂ₃＝Ｂ_e＝Ｂ_j）である。この同一の磁界をＢで表わす。

磁路２９にアンペールの法則を適用することによって、次式（数２）が得られる。

上式において、Ｎは、磁束路によって囲まれている巻線の巻数であり、Ｉは、巻線を流れる励磁電流である。ベクトルＨは、回転電気機械の磁束路上の磁界強度である。ＮとＩの積は、回転電気機械の起磁力と一致する。

一方において、磁石、エアギャップおよび間隙の外側の磁界強度は０であり、他方において、磁界は磁界強度に比例するという通常の仮定をおくことによって、次式（数３）が得られる。

ここで、μ₀およびμ_aは、それぞれ真空および磁石の透磁率である。以下においては、磁石の比透磁率μ_a,rを用いる。

次に、仮想磁界を導入する。仮想磁界とは、エアギャップおよび間隙が存在しない（ｅ＝０、ｊ_i＝０（ｉ＝１、２、…、６））という仮想上の磁石内の磁界のことである。この場合に、再度、アンペールの法則を適用することによって、次式（数４）が得られる。

したがって、回転電気機械に対して、次式（数５）を導出することができる。

もちろん、上式は、説明のために導出したものであるにすぎない。実際に発生する現象を、このように単純にモデル化することは正確なことではない。しかしながら、実験結果は、図５のグラフの傾向を裏付けている。

上式によって、磁界と仮想磁界との比の、比Ｒへの依存性には、磁石の比透磁率が関係することがわかる。

この比透磁率は、用いる磁石材料に依存して、種々の値を呈する。しかしながら、磁石の比透磁率は、一般に、１．０３〜１．１０の範囲にある。したがって、図５のグラフにおいては、比透磁率の値として１を用いている。それでも、比透磁率として、より現実的な値を用いても、非常によく似た曲線が得られる。

図５のグラフからわかるように、磁石の磁界と仮想磁界との比は、比Ｒの増加とともに増加する。しかしながら、比Ｒの値が８未満の場合には、磁石の磁界は、仮想磁界に比して相当に低いことに注意されたい。さらに比Ｒの値が１２を超過する場合には、磁石の磁界はほとんど変化せず、ほぼ仮想磁界に等しいことに注意されたい。したがって、回転電気機械において、比Ｒの値として、磁束に対する磁石の寄与が十分に大きい８〜１２の範囲が存在する。比Ｒの値が１２を超過しなければ、磁石の量は、経済的見地から最大限界である量より十分に少ない。

比Ｒの値が１２を超過すると、磁界およびしたがって磁束は、ほとんど増加しない。したがって、総磁石長が増加するために、費用がかさむだけである。

比Ｒの値を８〜１２の範囲に選ぶことによって、回転電気機械に過度な費用を要することなく、回転電気機械の有効磁束に対して、磁石を十分に寄与させることができる。したがって、与えられた回転電気機械に用いる総磁石長を決定するために最初になすべきステップは、回転電気機械のエアギャップ距離を決定することである。すなわち、ステータの内側表面と、ロータの爪の外側表面との間の半径方向距離を決定することである。ロータ内の磁石に伴う間隙の長さも、決定される。エアギャップ距離ｅおよび総間隙長ｊ_Tは、一般に磁石のサイズを決める前に決定される。したがって、比Ｒの値を定めることによって、総磁石長の値が得られる。

比Ｒの値を選択することによって、回転電気機械の有効磁路上の総磁石長が決定される。磁石の体積を最適に選択するために、磁石の他の大きさを決定することも、同様に有用なことである。

ロータに磁石を組み込むことによって、ロータ本体の体積が変わる。特に、ロータのコアおよび磁極ホイール内に磁石を加えることによって、回転電気機械の総磁気抵抗が変化する。

回転電気機械の総磁気抵抗は、磁束の通過に対する、回転電気機械の抵抗に相当する。簡単に言えば、この磁気抵抗は、起磁力と、回転電気機械を通る磁束Φとの比として与えられる。起磁力は、回転電気機械の磁束路によって囲まれる巻線の巻数と、巻線を流れる励磁電流との積に一致する。したがって磁気抵抗は、次式（数６）によって与えられる。

したがって、この磁気抵抗ができるだけ低くなるように、ロータに組み込まれる磁石の体積を選ばなければならない。

図６は、ロータ内の総磁石体積Ｖｏｌ_magと、総ロータ体積から総磁石体積を差し引いたロータ本体体積Ｖｏｌ_acとの比の関数として、回転電気機械の磁気抵抗Ｒｅｌの変化を示すグラフである。このグラフは、例えばロータの有限要素モデリングによって得ることができる。

このグラフは、総磁石体積Ｖｏｌ_magとロータ本体体積Ｖｏｌ_acとの比の値が２０〜３０％の範囲で、磁気抵抗Ｒｅｌが最小になることを示している。

したがって、比Ｒを選び、次いで総磁石体積Ｖｏｌ_magとロータ本体体積Ｖｏｌ_acとの比を選ぶと、ロータに組み込まれる磁石の寸法を、全て決定することができる。

本発明によって提案された寸法を有する磁石を、ロータに組み込むことによって、励磁巻線窓を縮小することができる。この励磁巻線窓は、励磁巻線によって占められる体積に一致する。磁石Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃は、補助磁束を供給する。したがって、励磁巻線の巻線数を減らすことができる。巻線数Ｎの減少に伴う起磁力の低下は、磁石からの補助磁束によって補償される。

したがって、本発明による、回転電気機械の励磁巻線の巻線数のこのような減少は、回転電気機械の出力性能を低下させるものではなく、さらに、ロータの爪の基部を強化するように働く。

図７は、同じ大きさの２つのロータ７０および７１の縦断面図である。ロータ７０は、磁石を備えていない従来技術のロータである。ロータ７１は、本発明のロータである。

ロータ７０、７１は、それぞれのコア７４、７５に巻かれた、それぞれの巻線７２、７３を備えている。コア７４、７５は、それぞれ半径方向の厚さｎ₀、ｎ₁を有する。この厚さは、コアの外側表面と、ロータシャフト７６、７７の外側表面との間で測定される。

従来技術においては、機械的強度を得るために、爪の基部幅とコアの厚さとは、慣習的に、同一に設定されている。

図７は、本発明のロータ７１において、励磁巻線窓が縮小されていることを示している。したがって、２つのロータの全体寸法が等しい場合には、本発明のロータ７１の爪の基部の幅ｂ₁は、従来技術のロータ７０の爪の基部の幅ｂ₀より広い。

このように、本発明のロータの爪の基部が広くなっているために、ロータ軸のまわりのロータの回転によって、爪が遠心力を受けたときに、爪の機械的強度が高くなる。

さらに、本発明のロータの爪の基部が広くなっているために、爪の基部の断面積が増加し、それによって、磁束密度が減少し、回転電気機械の有効磁束の導通が改善される。爪ロータに関する公知の問題として、磁極間の磁気漏洩の問題がある。この問題は、特に、爪における磁束の飽和によって引き起こされる。爪における磁束の飽和は、磁束が、ステータを通過せずに、一方の磁極ホイールの１つの爪から、他方の磁極ホイールの、隣接する爪に移るように促進する。爪における磁束密度の減少は、この磁極間の漏洩の問題を改善する。

図８は、本発明の回転電気機械のロータの磁極ホイール８０を示している。この磁極ホイール８０は、その全周にわたって、複数の爪８１を配置されている。さらに図８は、半コア８２が、磁極ホイール８０から、爪８１の各内側表面（ロータの軸の方向を向いている）によって画定される空間内に突き出ていることを示している。さらに磁極ホイール８０には、ロータシャフトの挿入を可能にする孔８３が形成されている。

半コア８２は、平行六面体形状の磁石を受けるための、機械加工された部分８４を有する。

この幾何形状の磁石を製造することは簡単であり、また、このような磁石を半コア内に組み込むために必要な機械加工を実行することも容易である。

別の実施形態も可能である。図９は、コア９０の断面図である。この実施形態においては、コアに組み込まれる磁石９１は、円柱形状をしている。したがって、コア９０は、銃身状の全体形状をしている。円柱形状の磁石９１は、回転電気機械のロータシャフト９２のまわり全体にわたって、等間隔で配置されている。そのために、ロータの総慣性は、磁石の存在によって不利益を受けることはない。

図１０に示す別の一実施形態において、円筒形状のコア１００は、部分円環形状の磁石１０１を備えている。これらの磁石は、コアの半径にほぼ等しい曲率半径を有する。これらの磁石は、ロータの回転軸のまわり全体にわたって、等間隔で配置されている。

図１１は、部分円環形状の磁石の斜視図である。

もちろん、本発明は、上述の例示の目的だけの実施形態に限定されない。本発明は、他の変形例も包含する。

他の磁石形状を用いることもできる。さらに他のコア形状を用いることもできる。特に、磁極ホイールと分離した部分を形成しているコアを用いることもできるし、また、磁極ホイールと一体に形成されたコアを用いることもできる。さらに、２つの磁極ホイールの各々に１つずつ一体に形成された２つの半コアから成るコアを用いることもできる。

磁石は、コアだけに組み込まれていてもよいし、磁極ホイールだけに組み込まれていてもよいし、コアと磁極ホイールとの両方に組み込まれていてもよい。

磁石として、種々の材料、特にフェライトまたはネオジウム鉄ボロンを用いることができる。同様に、ロータとして、種々の材料、特に鋼（典型的には炭素鋼）を用いることができる。

本発明は、爪ロータタイプまたは突出磁極タイプの回転電気機械に適用することができる。本発明は、自動車分野において、スタータ、オルタネータ、またはオルタネータスタータに適用することができる。本発明は、さらに、回転電気機械を使用する他の分野に適用することもできる。

１２、７２、７３ 巻線
１４ 玉軸受
２０、７０、７１ ロータ
２１、７６、７７、９２ ロータシャフト
２２ ステータ
２３ａ、２３ｂ、８０ 磁極ホイール
２４ フランジ
２５、８１ 爪
２８、４１、７４、７５、９０、１００ コア
２９ 磁路
４０、９１、１０１、Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃ 磁石
４２、４３ 磁束線
８２ 半コア
８３ 孔
８４ 機械加工された部分

Claims (14)

1. ステータ（２２）と、回転シャフト（２１）と一緒に回転することができるように、前記ステータの内部に配置されたロータ（２０）とを備えている回転電気機械であって、前記ロータは、
   ２つの磁極ホイール（２３ａ、２３ｂ）と、
   励磁巻線が巻かれているコア（２８）と、
   少なくとも１つの磁石（Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃）であって、その各々は、磁極の配向方向が、前記回転シャフト（２１）に実質的に平行な軸方向となるように、前記コア（２８）内に配置されているか、または、磁極の配向方向が、前記軸方向に直交する半径方向となるように、前記２つの磁極ホイール（２３ａ、２３ｂ）のうちの１つ内に配置されている、少なくとも１つの磁石（Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃）とを有している回転電気機械において、
   各磁石は、前記コア内に配置されているか、前記磁極ホイール内に配置されているかに応じて、それぞれ軸方向であるか半径方向である、各磁石の長さ（Ｌ₁、Ｌ₂、Ｌ₃）の和に等しい第１の長さ（Ｌ）と、
   各磁石の各端面と、各磁石の配置位置に応じて前記コアまたは磁極ホイールの対向する面との間の、軸方向または半径方向の距離（ｊ₁、ｊ₂、ｊ₃、ｊ₄、ｊ₅、ｊ₆)の和と、前記ロータの爪の半径方向外側の表面と前記ステータの内側表面との間の半径方向の距離（ｅ）の２倍との和に等しい第２の長さとの比、すなわち、
   長さ比（Ｒ）が、８〜１２の範囲にあることを特徴とする回転電気機械。
2. 前記ロータは、複数の磁石を有していること、および前記第１の長さ（Ｌ）は、各磁石が前記コア内に配置されているか、前記磁極ホイール内に配置されているかに応じて、それぞれ軸方向であるか、半径方向である各磁石の長さ（Ｌ₁、Ｌ₂、Ｌ₃）の和に等しいことを特徴とする、請求項１に記載の回転電気機械。
3. 前記ロータ内に配置されている総磁石体積に等しい第１の体積（Ｖｏｌ_mag）と、
   総ロータ体積から前記総磁石体積を差し引いたロータ本体体積に等しい第２の体積（Ｖｏｌ_ac）との比が、２０〜３０％であることを特徴とする、請求項１または２に記載の回転電気機械。
4. 前記２つの磁極ホイール（２３ａ、２３ｂ）の各一方は、前記回転シャフトに直交する、実質的に台形形状の縦断面を有しており、かつ該一方の磁極ホイール（２３ａ、２３ｂ）の半径方向外側の表面から、他方の磁極ホイール（２３ｂ、２３ａ）に向かって軸方向に突き出ている一連の爪（２５）を備えていること、および、
   前記爪の基部における前記台形形状の縦断面の半径方向の長さ（ｂ₁）が、前記コアの外側表面と前記ロータの回転シャフトの外側表面との間の半径方向距離（ｎ₁）より大きいことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つに記載の回転電気機械。
5. 前記少なくとも１つの磁石の少なくとも一部は、前記回転シャフトのまわりに、実質的に等間隔に配置されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の回転電気機械。
6. 前記少なくとも１つの磁石（Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃）の各々は、前記コア（２８）内または前記磁極ホイール（２３ａ、２３ｂ）内に、完全に埋め込まれていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１つに記載の回転電気機械。
7. 前記少なくとも１つの磁石（Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃）の少なくとも一部の全体形状は、平行六面体形状であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１つに記載の回転電気機械。
8. 前記少なくとも１つの磁石の少なくとも一部（９１）の全体形状は、円柱状であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１つに記載の回転電気機械。
9. 前記少なくとも１つの磁石の少なくとも一部（１０１）の全体形状は、部分円環状であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１つに記載の回転電気機械。
10. 前記少なくとも１つの磁石（Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃）の少なくとも一部は、希土類磁石であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１つに記載の回転電気機械。
11. 前記少なくとも１つの磁石（Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃）の少なくとも一部は、フェライト磁石であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１つに記載の回転電気機械。
12. 前記コア（２８）は鋼製であり、および／または、前記磁極ホイール（２３ａ、２３ｂ）は鋼製であることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１つに記載の回転電気機械。
13. オルタネータとして機能するように適合化されていることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１つに記載の回転電気機械。
14. オルタネータスタータとして機能するように適合化されていることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１つに記載の回転電気機械。

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