JP2012500612A - 回転電気機械用の溝付きシャフトを備えた内部ロータ - Google Patents

Abstract

本発明は、回転電気機械用のマグネットが埋め込まれた内部ロータ（１）であって、・シャフト（２）を有し、・磁性材料で作られていて、シャフトを包囲した複数個の極性部品（３０）を有し、極性部品相互間には、収納部（４０）が画定され、・収納部（４０）内に配置された複数個の永久磁石（４）を有する。ロータは、シャフトが極性部品の半径方向ほぞと相互作用する複数個の長手方向スプライン（２１）を有する、ロータ。

Description

本発明は、ロータが永久磁石を有する回転電気機械に関する。より詳細には、本発明は、磁石がロータの凹部内に配置される機械に関する。問題の電気機械は、一般に、「磁石埋め込み型」という表現によって表示されている。ロータのこの構成上の原理は、自動制御型磁束密度同期機に広く適用される。

回転電気機械のサイズは、その公称トルクで決まる。モータが送り出すことができるトルクが高ければ高いほど、電気モータはそれだけ一層大型化する。ただし、他の条件が全て同じであることを前提とする。しかしながら、相当大きな出力とモータの高度のコンパクトさを同時に達成することが望ましい用途が存在する。単に実用的な例を挙げると、自動車のホイール内に電気トラクションモータを設置することが望ましい場合、非懸架重量を可能な限り制限するために考えられる最も小さな重量についてモータ１つ当たり少なくとも１０ｋＷ、大抵の場合モータ１つ当たり少なくとも２５又は３０ｋＷの出力を生じさせることができるということが望ましい。また、スペース上の要件は、極めて甘く、サスペンションの動作中及び車両のボデーシェルに対するホイールの他形式の運動中、車両の種々の要素を邪魔しないようにホイールの可能な限り小さい内容積を上回ることが望ましい。

これら２つの必要条件（高い出力が高いこと、スペース上の要件が甘いこと及び軽量であること）により、現在市場に存在する電気機械の重量／出力比を劇的に改善することなく乗用車のホイール内に電気トラクションモータを設置することは非常に問題がある。

モータを設計する際に電気モータの高速を選択することは、出力が所与の場合、トルクを減少させ、それ故にスペース上の要件を減少させることを可能にする解決策である。換言すると、モータの公称出力が所与の場合、その公称回転速度が高ければ高いほど、そのスペース上の要件がそれだけ一層緩和される。

他方、回転電気機械の回転速度を上げると、特にロータの幾つかの要素、特に磁石及び極性部品の受ける遠心力に関して多くの問題が生じる。

かかるモータの設計で見受けられる別の問題は、磁石内に生じると共にモータシャフトに伝達されなければならない原動力の大きさと関連している。

振動（機械的振動及び音響振動）も又、回転速度が増大するにつれて増悪する問題である。

高い回転速度を達成する特定の設計が欧州特許出願公開第１００１５０７号明細書に既に提案されている。この欧州特許出願公開明細書において提案されている速度は、これに関しては、多角形一体形シャフトと、このシャフトの周りに適切な判断により配置された極性部品とから成る組立体の特定の配置を提案することによって１２０００ｒｐｍのオーダのものである。

２００００ｒｐｍのオーダの速度を目的とすることができる改造例がこれに関し、磁石をこれらの収納部内に半径方向にロックするウェッジの使用を提案することによって欧州特許出願公開第１３５９６５７号明細書に提案されている。

欧州特許出願公開第１００１５０７号明細書 欧州特許出願公開第１３５９６５７号明細書

本発明の一目的は、特にシャフトの原動力の伝達に関して改良されたロータを提案することにある。

したがって、本発明は、回転電気機械用のマグネット埋め込み型内部ロータであって、ロータは、
・シャフトを有し、
・磁性材料で作られていて、シャフトを包囲した複数個の極性部品を有し、極性部品相互間には、収納部が画定され、
・収納部内に配置された複数個の永久磁石を有する、ロータにおいて、
シャフトは、極性部品の半径方向ほぞと相互作用する複数個の長手方向スプラインを有することを特徴とするロータに関する。

好ましくは、シャフトは、ロータが有する磁極と同数の長手方向スプラインを有する。

好ましくは、ロータは、６極ロータであり、シャフトは、６つの長手方向スプラインを有する。

また、好ましくは、シャフトの各長手方向スプラインの半径方向壁は、互いに平行である。

好ましくは、極性部品は、金属シートのスタックから成り、各金属シートは、実質的にシャフトから半径方向に延び、各金属シートは、半径方向突出部を有し、半径方向突出部は、ほぞの一部分をなしている。

好ましくは、ロータは、シャフトに沿って極性部品の各側に軸方向に設けられた側方シュラウドを更に有し、側方シュラウドは、極性部品をタイロッドによって軸方向にクランプし、極性部品に及ぼされる遠心力は、側方シュラウドによって吸収される。

また、好ましくは、側方シュラウドのうちの１つの中央開口部は、シャフト上における極性部品の軸方向位置を定めるためにシャフトの内部肩と相互作用することができる肩を有する。

また、好ましくは、側方シュラウドは、シャフトに摺動回転可能に取り付けられる。

本発明は又、かかる磁石埋め込み型ロータを有する回転電気機械に関する。

本発明の内容は、以下の図に基づく以下の説明により良好に理解されよう。

図２及び図３に見える破線Ａ‐Ａに沿って見た本発明のロータの軸線方向の断面図である。 図１に見える破線Ｂ‐Ｂに沿って見た図１の本発明のロータの軸線に垂直な方向の部分断面図である。 図１に見える破線Ａ‐Ａに沿って見た図１の本発明のロータの軸線に垂直な方向の断面図である。 シャフト２の斜視図である。 ロータの軸線沿いのシュラウド及び磁石ウェッジの詳細な実施例の断面斜視図である。 図１に類似した図であり、本発明の第２の実施形態としてのロータを示す図である。

添付の図は、図示されていないステータを更に有する６極機用のロータ１を示している。ロータ１は、軸受２０で支持された一体形シャフト２を有している。６つの極性部品３０が好ましくは強磁性金属シートのスタックによって形成された状態で見える。各金属シート３は、シャフトの軸線に実質的に垂直である。金属シートは、極めて薄いのが良く、例えば、１ミリメートルの数十分の一のオーダのものであるのが良く、例えば０．２ｍｍである。ついでに言うに過ぎないが、本発明は、中実極性部品（非層状）の場合にも有用であることに注目されたい。

シャフト２の半径方向各側には、側方シュラウド５，５′（好ましくは非磁性材料で作られている）が極性部品３０の各側に位置した状態で見える。図１は又、２つのオプションとしての中間シュラウド７（好ましくはこれ又非磁性材料で作られている）を示している。各側方シュラウド及び該当する場合には各中間シュラウド７は、中央開口部を有している。図１に記載された非限定的な例では、側方シュラウドの中央開口部の形状は、円形であり、中間シュラウドの中央開口部の形状は、シャフト２の形状に合わせられ、即ち、この場合、スプライン付きである。

極性部品３０の各々に関し、タイロッド６が金属シート３のスタック、該当する場合には中間シュラウドを貫通しており、このタイロッドにより、組立体を側方シュラウド５，５′相互間にクランプすることができる。したがって、極性部品の受ける遠心力は、側方シュラウドにより且つ該当する場合には中間シュラウドによって（ただし、任意他の手段を除く）吸収される。

シャフト２は、この場合、その軸方向位置及びかくしてシャフト上における極性部品の軸方向位置（特に、図１、図４、図５及び図６を参照されたい）を定めるために第１の側方シュラウド５と相互作用するよう設計された内部肩２２を更に有している。シャフトの肩２２は、好ましくは、シュラウドの皿穴５０の底部又は肩に当たる。例えば、焼嵌めによってシャフトに固定された外リング２６がシュラウドをシャフトの肩に軸方向に押し付けることによってシュラウドを不動化する。したがって、「浮動性」と形容することができる第２のシュラウドは、シャフトの肩に載らず、スタックの熱膨張によって定められるように自由に軸方向に動くことができる状態のままである。この浮動性シュラウドは、不動化されたシュラウドの皿穴と実質的に同一である皿穴を有しても良く、或いは、これとは異なり、図示のように（第２のシュラウドのボア５０′を参照されたい）その厚さを貫通して穴あけされても良い。

平行六面体形の永久磁石４が極性部品３０相互間で収納部４０内に配置された状態で示されている。収納部は、中間シュラウド７によって途切れている。したがって、図１の例では、磁極１つ当たり３つの磁石が設けられ、図６の例では、磁極１つ当たり２つの磁石しか設けられていない。磁石の収納部の各々は、磁石ウェッジ５１によって閉じられている。

さらに、図２で理解できるように、極性部品３０の長手方向フェース（面）３００は各々、各磁性部品３０（及びかくして各金属シート３）の外縁３２の近くの半径方向高さ位置までくりぬかれた、ロータの軸線に平行なスプライン３１を有しており、これら磁性部品は、更に、磁石４の高さよりも僅かに大きな高さ（より正確に言えば半径方向寸法）を有している。したがって、各ウェッジ５１は、隣接の極性部品の各々に設けられた２つのスプライン３１と嵌合している。したがって、磁石４は、磁性部品３０に機械的に固定されている。各スプライン３１の本質的な機能は、ウェッジ及び磁石の遠心作用に抵抗するための肩を形成することにある。極性部品はこれら自体、タイロッド及び側方シュラウド並びに必要な場合には中間シュラウドによって互いに固定されている。

ウェッジ５１は、Ｔ字形である。“Ｔ”は、ロータの頂部に配置されたウェッジを見たときに（図２）上下逆さまである。“Ｔ”のフランジ及びスプライン３１は、平坦な半径方向支持面を有し、即ち、収納部４０の中央半径線４１に垂直な表面を有している。一方において、ウェッジ５１のこの輪郭形状及びスプライン３１のこの輪郭形状により、ロータは、この場合、収納部４０を広げる傾向のある力を発生させることなく、遠心作用に耐えることができる。

他方、“Ｔ”の半径方向部分（足）は、ロータに事実上滑らかな（研削が行われていない場合であっても）外面を与える極性部品相互間の空間を埋める。というのは、ウェッジの半径方向外面５３は、極性部品の外面３２と面一をなしているからである。

ウェッジ５３の頂部は、金属シートの外縁３２の曲率を正確に延長させるために僅かにドーム状になっているのが良い（好ましくは、ロータの外部と同一のアールを採用するのが良い）。このように、この場合も又、高速回転により、僅かな音響振動（ノイズ）が生じる。さらに、スプライン及びウェッジのコーナ部は、応力の集中を阻止するために約０．５ｍｍのアールで丸くなっている。

図示のＴ字形輪郭形状は、好ましい輪郭形状であるが、それ自体知られている他の輪郭形状、例えば単純な平べったい（長方形）輪郭形状を本発明との関連で用いることができる。

図５に詳細に示されているように、ウェッジ５１の端部５１１は、極性部品を超えて各側で側方シュラウドの凹部５５内に軸方向に延びている。好ましくは、端部５１１は、側方シュラウドの周辺溝５２内に折り返し可能であるように薄く作られており、その目的は、端部をこの周辺溝の中に軸方向に不動化することにある。この構成は又、モータが高速で回転しているときに音響振動（ノイズ）についても有利であることが判明した。ウェッジの端部５１１を周辺溝５２内に折り返すことができるようにするために、ウェッジの端部５１１は、好ましくは、薄く作られ、他方、Ｔ字形輪郭形状の半径方向部分を含まない。この場合、端部５１１は、舌部の形態をしている。この場合も又、好ましくは、周辺溝５２の外壁は、ウェッジを折り返したときにウェッジの軸方向クランプをもたらすために軸方向に対して実質的に９０°未満、例えば７０°オーダの角度をなして傾けられている。

本発明によれば、極性部品３０は、シャフト２のスプライン２１と相互作用するよう設計されたほぞ（tenon ）を有する。極性部品からのトルクをシャフトに直接伝えるのは、この連結部である。スプライン２１は、好ましくは、互いに平行な壁を有すると共にこれ又互いに平行な支承面を備えたほぞと相互作用する。極性部品は、好ましくは、強磁性金属シート３のスタックで作られているので、各金属シートは、ほぞの一部分をなす実質的に長方形の半径方向突出部３４を有する。当然のことながら、極性部品の金属シートの一部分のみがこの突出部を有している場合、応力は、かかる金属シートに集中することになろう。

図２及び図４は、シャフトが好ましくは、磁極（この場合、数が６つ）と同数のスプラインを有するが、関与する力に応じて、それ自体を４つだけ、３つだけ又はそれどころか２つだけのスプラインに制限することが可能である。

肩２２は、好ましくは、シャフトの中央スプライン付き部分２３の端部に対応している。皿穴５０及びボア５０′が設けられているので、この場合、これら端部は、シュラウド５，５′中に引っ込められる。このように、スタックの端部の金属シートは、シャフトのスプライン付き中央部分２３から逃げ出ることができない。これは、ロータの組み立ての際に特に有利である。

ロータの静的及び動的釣合いを完全にするために重りも又シュラウドに取り付けられるのが良い。

図１、図３及び図６の本発明の実施形態によれば、釣合い重りは、シュラウドに設けられたねじ山付きドリル穴１０２内に位置決めされた頭なしねじ１０１の形状を有している。好ましくは、ドリル穴は、この場合磁石４に向いた状態で設けられており、従って、釣合いねじが磁石を軸方向にクランプすることができるようになっている。したがって、各シュラウドは、６本のタイロッド６のための６つの通路６１に加えて、６つのねじ山付きドリル穴１０２を有している。

第２の実施形態によれば、釣合い重りは、タイロッドの端部６０に設けられた凹み１０４内に位置決めされるのが良い。重りは、例えば、タイロッドの凹み又は実際にはタイロッドねじ６２の頭に設けられたねじ山にマッチする頭なしねじの形態をしているのが良い。

理解できるように、各釣合い重りについて選択された位置、長さ及び／又は材料を変えることによって、ロータの釣合いを調節することができる。ねじ山の個数が制限されるので、十分にきめ細やかな釣合いを得るために各々が特定のドリル穴内に位置決めされた２つの重りの作用効果を組み合わせることが必要な場合が多い。満足のいく動的釣合いを得るためには、２つの側方シュラウドの各々の上に重りを配置することが有益な場合が多い。

好ましくは、重りは又、これらのねじ山を結合することによって不動化され、その目的は、重りがこれらの軸方向位置に保持されるようにすることにある。

図は又、特定のタイロッド６及びタイロッドねじ６２を示している。タイロッドの頭は、シュラウドのうちの１つの中に滑り込まされており（この場合、図の右側）そして、保持リング６３がシュラウドの肩６４と相互作用することによって単に停止されている。タイロッドねじ６２は、皿穴付き頭がシュラウドの厚みの中に潜り込んでいる（図の左側）ねじである。

この設計により、一方において、ロータの軸方向におけるスペース上の要件を緩和することができ、他方、事実上滑らかであり、従って発生させるノイズが少ないシュラウドを得ることができる。

図６のロータの中間シュラウド７の中央開口部は、円形であり、即ち、それにより、回転力をシャフトに伝達することができないようにする。したがって、この例では、トルク全体は、金属シートの突出部３４によってシャフトに伝達される。というのは、シュラウドが全て（側方シュラウド及び中間シュラウド）は、シャフトに摺動回転可能に取り付けられているからである。図１に示されている形態（この形態では、中間シュラウドも又ほぞを有している）は、一方において、トルクを伝達しやすくすると共にロータの組み立ての際にタイロッドの通路６１を位置合わせしやすいようにするよう選択可能である。

ロータは、損傷なく、１００００ｒｐｍを遙かに超える非常に高い回転速度、即ち、少なくとも２００００ｒｐｍのオーダの回転速度に耐える。

図は、６極ロータ、即ち、３対の磁極を有するロータを示しているが、当業者であれば、本発明の技術的開示内容を３対ではなく、例えば２対、４対又は５対の磁極を有するロータに適用することができる。

Claims (9)

1. 回転電気機械用のマグネット埋め込み型内部ロータ（１）であって、前記ロータは、
   ・シャフト（２）を有し、
   ・磁性材料で作られていて、前記シャフトを包囲した複数個の極性部品（３０）を有し、前記極性部品相互間には、収納部（４０）が画定され、
   ・前記収納部（４０）内に配置された複数個の永久磁石（４）を有する、ロータにおいて、
   前記シャフトは、前記極性部品の半径方向ほぞと相互作用する複数個の長手方向スプライン（２１）を有する、ロータ。
2. 前記シャフトは、前記ロータが有する磁極と同数の長手方向スプラインを有する、請求項１記載のロータ。
3. 前記ロータは、６極ロータであり、前記シャフトは、６つの長手方向スプラインを有する、請求項２記載のロータ。
4. 前記シャフトの各長手方向スプラインの半径方向壁は、互いに平行である、請求項２又は３記載のロータ。
5. 前記極性部品（３０）は、金属シート（３）のスタックから成り、各金属シートは、実質的に前記シャフト（２）から半径方向に延び、各金属シートは、半径方向突出部（３４）を有し、前記半径方向突出部は、前記ほぞの一部分をなしている、請求項１乃至４の何れか１項に記載のロータ。
6. 前記シャフト（２）に沿って前記極性部品の各側に軸方向に設けられた側方シュラウドを更に有し、前記側方シュラウドは、前記極性部品をタイロッド（６）によって軸方向にクランプし、前記極性部品に及ぼされる遠心力は、前記側方シュラウドによって吸収される、請求項１乃至５の何れか１項に記載のロータ。
7. 前記側方シュラウド（５）のうちの１つの中央開口部は、前記シャフト上における前記極性部品の軸方向位置を定めるために前記シャフトの内部肩（２２）と相互作用することができる肩（５０）を有する、請求項６記載のロータ。
8. 前記側方シュラウド（５，５′）は、前記シャフト（２）に摺動回転可能に取り付けられている、請求項７記載のロータ。
9. 請求項１乃至８の何れか１項に記載の磁石埋め込み型ロータ（１）を有する回転電気機械。

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