JP2014511669A - 低保磁力の磁石を使用可能なブラシレス永久磁石電気機械 - Google Patents
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Abstract
本願開示は、本質的に円形に形成された回転子と回転子内に配置される一対の磁石とを含むブラシレス永久磁石電気機械を提供する。複数の磁石は各々Ｕ字形に設けられ、各磁石の対向する両磁極の間に各磁石の輪郭に沿って延在する厚さの方向を有する。複数の磁石の各々は、レアアース材料よりも保磁力の低い非レアアース材料で設けられる。磁石の対の各々の磁化方向は、各磁石の厚さの方向と平行に設けられる。本願開示はまた、ブラシレス永久磁石電気機械の製造方法を提供する。
Description
［関連出願の参照］
本願は、２０１１年２月２８日に出願された米国特許仮出願第６１／４４７，２８０号の、米国特許法第１１９条に依拠する利益を主張し、当該仮出願の開示内容の全てを本明細書に援用する。
本願は、２０１１年２月２８日に出願された米国特許仮出願第６１／４４７，２８０号の、米国特許法第１１９条に依拠する利益を主張し、当該仮出願の開示内容の全てを本明細書に援用する。
本願の開示はブラシレス電気機械（典型的には電動機又は発電機）の構造に関する。より詳細には、本願の開示は、例えばアルミニウムニッケルコバルト（ＡｌＮｉＣｏ）や鉄コバルトタングステン（ＦｅＣｏＷ）等の保磁力が低い磁石を用いることができるようにするブラシレスＰＭ（永久磁石）電気機械又はＰＭ同期電気機械の構造に関する。
誘導電気機械及び巻線界磁電気機械は、レアアース磁石に頼らない高出力駆動技術の二類型である。いずれの技術も、磁界を発生させるために電力を消費するので、永久磁石電気機械の方が好まれるということもあり、今日に至るまで顧みられていない（例えば、トヨタ（登録商標）、ホンダ（登録商標）、ＧＭ（登録商標）フォード（登録商標）及びクライスラー（登録商標）が製造するハイブリッド自動車、ＧＭ（登録商標）が製造する、走行距離が延長された電気自動車並びに日産（登録商標）が製造する電気自動車の全てが、本願の出願日以前に製造されている）。上記車両に搭載されるＰＭ電気機械（これらの例では永久磁石電動機）は、保磁力が高い（ｈｉｇｈ ｃｏｅｒｃｉｖｉｔｙ）という理由から、レアアース材料を用いている。しかしながらレアアース材料の価格は変動しやすいので、これに代わる材料が望まれている。
本願に開示する例示の実施の形態は、レアアース材料を用いなくても、レアアース材料を用いる電気機械と特性を同じくする永久磁石電気機械を提供する。例えば、本願に開示する例示の実施の形態は、レアアース材料を用いなくても、高性能を発揮するＰＭ電気機械の構造を提供する。この例示の永久磁石電気機械の構造は、例えば、ＡｌＮｉＣｏ、ＦｅＣｏＷ等のより低エネルギの磁石材料を用いることを許容する、回転子（ロータ）の幾何学形状（ジオメトリ）を有する。これらの磁石材料は、レアアース材料の磁石に比べて保磁力が低いことから、現行の電気機械には採用されていない。言い換えれば、これらの磁石材料を高出力の電気機械に用いた場合に減磁をもたらす可能性があるので、現行の電気機械には用いることができない。しかしながら、本願に開示する実施の形態に係るＰＭ電気機械の構造は、その幾何学的配置が独特であることから複数の磁石の作動磁束の磁束密度を他の公知のどの構造よりも高く維持できる。磁束密度（例えば、残留磁束密度）がピーク値近くになるように作動させることにより、磁石の低保磁力が許容可能となる。
本願に開示する例示の実施の形態は、本質的に円形の回転子（ロータ）と、この回転子内に配置される少なくとも一対の磁石（２の倍数個の磁石）とを含むブラシレス永久磁石電気機械を提供する。本明細書で用いる「本質的に円形の」とは、製造の許容差に起因する、回転子の内径又は外径の輪郭に沿う変化（例えば±５％）を意味している。複数の磁石の各々は実質的にＵ（ユー）字形を成し、各磁石の対向するＮ極とＳ極両磁極の間に各磁石の輪郭に沿って延在する厚さの方向を有する。前記磁石は、それぞれレアアース材料よりも保磁力の低い非レアアース材料（ｎｏｎ‐ｒａｒｅ ｅａｒｔｈ ｍａｔｅｒｉａｌ）で構成されている。磁石の各々の磁化の方向は、各磁石の厚さの方向に平行である。
本願に開示する例示の実施の形態は、ブラシレス永久磁石電気機械の製造方法を提供する。この例示の方法は、本質的に円形に形成された回転子（ロータ）内に複数の磁石を配置するステップを含む。この例示の方法はまた、複数の磁石の各々を、各磁石の対向する（Ｎ極とＳ極の）磁極の間で各磁石の輪郭（ｃｏｎｔｏｕｒ）に沿って延在する厚さの方向を有するＵ字形に形成するステップを含む。更に、この例示の方法は、一対の磁石の各々を、Ｕ字形に形成された一対の磁石の各々の磁化の方向が各磁石の厚さの方向と平行であるように、レアアース材料よりも保磁力が低い非レアアース材料で形成するステップを含む。
本願開示の更なる改良点、利点及び特徴を、図面に示す例示の実施の形態を参照しながら、以下に詳細に説明する。
図面において、類似する構成要素又は同様に機能する構成要素には同一の符号を付与する。図面に開示する多様な特徴の図示は、本願開示の特徴をより良く理解できるように、必ずしも実際の寸法比の通りには描かれていない。
図１Ａは、本願開示による一の例示の実施の形態に従うＰＭモータ装置の部分断面図を示す。図１Ａは、モータの軸（モータシャフト）上へ回転可能に組み付けられた永久磁石の回転子１１０（ロータコア）の部分図である。永久磁石の回転子１１０は本質的に円形に形成される。モータの軸は、回転子１１０の内周の内側に配置され、固定子は回転子１１０の外周の周囲に、又は外周面に近接して配置される。モータの軸及び固定子は公知であるのでいずれも図示しない。
図１Ａに示す部分図に、回転子１１０に配置された一対の磁石１２０、１３０を示す。一の例示の実施の形態では、磁石１２０、１３０の複数の対は、回転子１１０の本質的に円形の全周にわたって（ｔｈｒｏｕｇｈｏｕｔ）包摂されるように、回転子（ロータコア）１１０の全長にわたって延在する。図１Ａに示す一の例示の実施の形態では、一対の磁石１２０、１３０は、回転子１１０の円周に沿って互いに隣接して配置される。磁石１２０、１３０の各々は、モータの軸の方向を指す半径方向内側の側部（ｓｉｄｅ）１４０と、固定子の方向を指す半径方向外側の側部（ｓｉｄｅ）１５０とを有するＵ字形の形状に形成される。回転子（ロータコア）の磁石１２０、１３０の各対は、低透磁率、低電導性の材料１６０で包囲されている。図１Ａに示す例示の実施の形態の構成では、磁石１２０、１３０の対は、回転子１１０の輪郭（ｃｏｎｔｏｕｒ）に沿って相互に隣接するように設けられ、そこで材料１６０が磁石１２０、１３０の間に配置される。しかしながら、以下の例示の実施の形態に示すように、本願開示は、この構造に限定されるものではない。以下本明細書において、低透磁率（ｌｏｗ‐ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ）、低導電性（ｌｏｗ‐ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ）の材料とは、電気伝導度が低く非磁性体であるすべての材料をいう。このような材料の例には、合成樹脂、エポキシ樹脂、ポリマー樹脂、ガラス繊維強化樹脂、炭素繊維強化樹脂などがあるが、これらの例に限定されるものではない。材料１６０は非磁性の支持構造を提供するので、磁束の漏れ（ｆｌｕｘ ｌｅａｋａｇｅ）を防ぎ、磁石１２０、１３０の対の磁化の方向（磁化方向（ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ））のために回転子の磁気的なバックアイアン（ｂａｃｋ ｉｒｏｎ）を設ける必要をなくす。
図１Ａに示す例示の実施の形態では、磁石１２０、１３０の対の極が、相互に隣接する磁石１２０、１３０の対のそれぞれの部分で同じになるように、相互に隣接する磁石１２０、１３０の対の複数の側部で共通する極を有する。従って、磁石１２０、１３０の対は相互に反対に配置された磁極性を有する。例えば、図１Ａに示す例示の実施の形態では、左側の磁石１２０は、Ｕ字形に設けられた磁石１２０の左側にＳ極を有し、右側にＮ極を有する。反対に、右側の磁石１３０は、Ｕ字形に設けられた磁石１３０の右側にＳ極を有し、左側にＮ極を有する。本願開示は、図１Ａに示す磁極の指定に限定されるものではない。例えば、互に隣接する対の磁石１２０の側部と磁石１３０の側部同士が同じ極性を有するかぎり、磁石１２０、１３０の対の磁極性を逆転させてもよい。
一対の磁石１２０、１３０の各々は、各々の磁石の対向する両極（ｏｐｐｏｓｉｔｅ ｐｏｌｅｓ）の間で各々の磁石の輪郭（ｃｏｎｔｏｕｒ）に沿って延在する厚さの方向を有する。図１Ａに示す矢印は、磁石１２０、１３０の対の各々の厚さ方向及び磁化の方向を示す。
永久磁石（例えば、磁石１２０、１３０）は、例えば（ＡｌＮｉＣｏ）や（ＦｅＣｏＷ）等の低保磁力の磁石である。これらの材料は、公知の永久磁石の製造で用いられる材料と対比した場合、非レアアース材料であるものと考えられる。公知の永久磁石技術は、磁石の原料として、例えば、ネオダイミニウム鉄ボロン（ＮｄＦｅＢ）やサマリウムコバルト（ＳｍＣｏ）等の磁石用のレアアース材料を用いている。低保磁力の材料を用いることにより、本願開示における各永久磁石（例えば磁石１２０、１３０）は、各々の磁石の厚さの厚さ方向と平行である磁化方向を有する。従って、図１Ａに示す例示の実施の形態を参照すると、磁石１２０、１３０の対の各々の磁化方向は、各矢印で示される方向となる。したがって、磁石１２０の磁化方向は、Ｓ極からＮ極に延在する矢印で示される磁石１２０の厚さ方向と平行である。同様に、磁石１３０の磁化方向は、Ｓ極からＮ極に延在する矢印で示される磁石１３０の厚さ方向と平行である。
従って、磁石１２０、１３０の磁化方向は、レアアース材料を磁石の原材料として用いる公知のＰＭ電気機械の磁化方向と異なる。その理由は、レアアースを用いた公知の永久磁石の磁化方向が、当該磁石の厚さ方向に対して垂直（例えば直角）だからである。
図１Ａに示す例示の実施の形態では、一対の磁石１２０、１３０の各々は、連続体及び／又は連接体の構造として示されているが、本願開示はこれに限られない。例えば、回転子１１０内の任意の磁石１２０、１３０の対の１つ又は１つを超える数の磁石を複数の断面部分に分割してもよい。例えば、図１Ｂに示すように、磁石１２０、１３０の各々を、３個の分離された台形部分（ｉ）１２２、１３２、（ｉｉ）１２４、１３４及び（ｉｉｉ）１２６、１３６で構成してもよい。これらは、図１Ａに示した実施の形態と同様に、各磁石の厚さ方向と平行に磁化される。対となった複数の磁石の断面を分割する際には、互に同じ数に分割しなければならないということはない。例えば、磁石１２０を、（例えば、（ｉ）部分１２２及び（ｉｉ）部分１２６と接合もしくは連接された部分１２４とからなる）２分割構造とすることもできる一方、磁石１３０を、（例えば、（ｉ）部分１３２、（ｉｉ）部分１３４及び（ｉｉｉ）部分１３６からなる）３分割構造としてもよい。更に、対をなす複数の磁石の一方を、図１Ａに示すように連続体及び／又は連接体としてもよいし、他方の磁石を、図１Ｂに示すように、２つ又は２つを超える数のの部分に分割して設けるものとしてもよい。重要なことは、各対の１つ又は１つを超える数の磁石が連続して及び／又は相互に連接して設けられているか、あるいは複数の個々の部分に分割されて設けられているかにかかわらず、各対の複数の磁石の各々が各磁石の厚さ方向と平行に磁化されていることである。
図２は、本願開示による一の例示の実施の形態に従うＰＭ電気機械の構造の部分断面図を示す。図２に示す例示の実施の形態は、図１Ａ、Ｂに示す例示の実施の形態の変形例を示す。特に、対をなすＵ字形の磁石２２０、２３０の輪郭（外形（ｃｏｎｔｏｕｒ））が、図１Ａに示す対をなすＵ字形の永久磁石１２０、１３０の輪郭に比べて、より丸みを帯びるように形成されている。しかしながら、図２に示す各永久磁石は、図１Ａ及び図１Ｂに示される対応する各永久磁石と同様の効果を奏する。例えば、図２に示す一対の磁石２２０、２３０の各々は、例えば、ＡｌＮｉＣｏ、ＦｅＣｏＷ等の低保磁力の材料を磁石の材料に用い、磁石をＵ字形に設ける構成により、各磁石の厚さ方向に平行な磁化方向を有する。
図３及び図４は、本願開示による複数の例示の実施の形態に従うＰＭ電気機械の構造が備える磁石の対の部分断面図を示す。図３は図１Ａ及び図１Ｂに示す例示の実施の形態の変形例を示し、図４は図２に示す例示の実施の形態の変形例を示す。図３に示す例示の実施の形態では、相互に隣接する一対の磁石３２０、３３０の各々の側部の上部では軟磁性体材料３７０が、低透磁率、低導電性材料１６０と置き換えられている。磁石３２０、３３０の残りの部分は、例えば、硬質（硬磁性）の非レアアース材料であるＡｌＮｉＣｏやＦｅＣｏＷでできている。図３に示す例示の実施の形態では、軟磁性体材料３７０が、磁石３２０、３３０に一のＮ極として作用する。磁石３２０、３３０及び軟磁性体材料３７０により占有されていない回転子の他の部分のすべては、材料１６０が充填される。同様に、図４に示す例示の実施の形態では、軟磁性体材料４７０が、硬質（硬磁性）の非レアアース材料を用いて、より丸みを帯びたＵ字形に形成された磁石４２０、４３０に一のＮ極として作用する。図３及び図４に示す例示の実施の形態では、軟磁性体材料３７０、４７０は、例えば、鉄、けい素鋼、ニッケル鉄及びそれらの合金等から、作製することができる。図３及び図４に示す例示の実施の形態では、図示の永久磁石は、前述の例示の実施の形態に示した永久磁石と同様の効果を奏する。例えば、図３に示す対応する一対の磁石３２０、３３０及び図４に示す一対の磁石４２０、４３０の各々は、例えばＡｌＮｉＣｏ、ＦｅＣｏＷ等の低保磁力の材料を磁石に用い、磁石をＵ字形に形成する構成により各磁石の厚さ方向に平行な磁化方向を有する。
図５Ａ及び５Ｂは、本願開示による複数の例示の実施の形態に従うＰＭ電気機械の構造の部分断面図を示す。図１Ａ及び図１Ｂに示す例示の実施の形態では、例えば、隣接する磁石１２０、１３０の対は、材料１６０により離隔されるものと説明したが、本願開示はこれに限定されない。例えば、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、非磁性のリテーナ（保持部材）５８０を、Ｕ字形に形成された磁石５２０、５３０の対の各々が有する内側の凹部内に設けて、磁石５２０、５３０を回転子５１０の所定の位置に固定することもできる。Ｕ字形に形成された磁石５２０、５３０の対の各々の内側の凹部内に設けられるリテーナ５８０は、例えば、アルミニウム棒、真鍮棒、ステンレス鋼材、チタン、炭素繊維強化樹脂等、の低透磁率を有する非磁性材料であれば、どのようなものでもよい。リテーナ５８０は非磁性体であるが、必ずしも非電導体である必要はない。従って、リテーナ５８０は、例えばＡｌＮｉＣｏ、ＦｅＣｏＷ等の硬質（硬磁性）の非レアアース材料で作製された磁石５２０、５３０の対を回転子５１０の内部の所定位置に固定する機能を果たすことができるので、その結果として、複数の磁石５２０、５３０のすべての対を相互に連結して固定しようとする場合は、回転子５１０内に材料１６０を用いる必要がなくなる。図５Ａに示されるように、リテーナ５８０は、回転子５１０の外周と面一に設けられる必要はない。
図５Ｂに示す他の実施の形態では、磁石５２０、５３０の対を相互に連結することができるように設けられる連結構造を示す。図５Ｂに示す例示の実施の形態では、雄雌嵌合用のタブ（突起）５９０をＵ字形に形成された磁石の対５２０、５３０に設けることができ、このタブ５９０で、回転子５１０内で磁石５２０、５３０を相互に連結固定することができる。タブ５９０は、リテーナ５８０と共に、またリテーナ５８０の代わりに用いることができる。図５Ｂに示す例示の実施の形態では、リテーナ５８０及びタブ５９０の双方が設けられている。注意すべきは、図５Ａの例示の実施の形態では、リテーナ５８０は、回転子５１０の外周と面一には設けられていなかったが、図５Ｂに示す例示の実施の形態では、リテーナ５８０と回転子５１０の外周とは面一に設けられている。本願開示において、リテーナ５８０やタブ５９０は、例示の実施の形態として示された図５Ａや図５Ｂに示す態様に限定されない。例えば、雄状突出部材及び対応する雌状受容部材を、相互に磁石の対が連結される任意の態様で作製することができる。図５Ａ及び図５Ｂに示す例示の実施の形態では、図示の永久磁石は、前述の例示の実施の形態に示した永久磁石と同様の効果を奏する。例えば、図５Ａ及び図５Ｂに示す対応する一対の磁石５２０、５３０の各々は、例えば、ＡｌＮｉＣｏ、ＦｅＣｏＷ等の低保磁力の材料を磁石の材料に用い、磁石をＵ字形に形成する構成により、各磁石の厚さ方向に平行な磁化方向を有する。
図６Ａ乃至図６Ｃに示す他の例示の実施の形態では、磁石６２０、６３０の各対の各々を回転子６１０内の所定の位置に保持するために保持ロッドが用いられる。図６Ａに示すように、Ｕ字形に形成された磁石６２０、６３０の対の各々の凹部の内部に保持ロッド（保持棒）６５０を配設することにより、磁石６２０、６３０が回転子６１０内の所定の位置に保持される。一の例示の実施の形態では、回転子６１０内に含まれたＵ字形に形成された１つ又は１つを超える数の磁石６２０、６３０の対に保持ロッド６５０を設けることができる。図６Ｂに示すように、保持ロッド６５０は、回転子の断面の内側及び／又は外側の断面の表面から延出する。このため、図６Ｃに示す、保持ロッド６５０に対応する挿入部を有するキャップを、回転子６１０の前方側及び／又は後方側で保持ロッド６５０と連結させるように用いることにより、Ｕ字形に形成された磁石６２０、６３０の対（複数であってもよい）を所定位置に保持することができる。更に、図６Ａ乃至図６Ｃの例示の実施の形態において、図５Ｂに示すような特徴を有する磁石の連結構造を用いることができる。図６Ａ乃至図６Ｃに示す複数の例示の実施の形態では、図示の永久磁石は、前述の例示の実施の形態に示した永久磁石と同様の効果を奏する。例えば、図６Ａ乃至図６Ｃに示す対応する一対の磁石６２０、６３０の各々は、例えば、ＡｌＮｉＣｏ、ＦｅＣｏＷ等の低保磁力の材料を磁石の材料に用い、磁石をＵ字形に形成する構成により、各磁石の厚さ方向に平行な磁化方向を有する。
図７Ａ及び図７Ｂは、磁石７２０と磁石７３０とが界接する境界部位７８０の位置で、回転子組立体の外側の直径が、この境界部位に隣接する他の部位よりも大きく形成され、全体として、外側の直径が不均一になっている、他の例示の実施の形態を示す。図７Ａでは、磁石７２０、７３０の対は物理的に接触するように示す一方で、図７Ｂでは磁石の７２０、７３０の対は物理的に接触するようには示していない。図７Ａ及び図７Ｂに示す外側の直径を不均一にする構造は、前述の複数の例示の実施の形態のいずれにおいても用いることができる。図７Ａ及び図７Ｂに示す複数の例示の実施の形態では、図示の永久磁石は、前述の例示の実施の形態に示した永久磁石と同様の効果を奏する。例えば、図７Ａ及び図７Ｂに示す対応する一対の磁石７２０、７３０の各々は、例えば、ＡｌＮｉＣｏ、ＦｅＣｏＷ等の低保磁力の材料を磁石の材料に用い、磁石をＵ字形に設ける構成により、各磁石の厚さ方向に平行な磁化方向を有する。
図８Ａ及び図８Ｂに、モータの軸と係合する回転子８１０の内側の直径が不均一である他の例示の実施の形態を示す。例えば、図８Ａに示すように、回転子８１０の内側の表面に複数のタブ（ここでは突起状のへこみ）８４０が形成されており、タブ８４０がモータの軸の外側の表面に形成された対応する複数の係合突起部を受容することができるように設けられている。一方、図８Ｂに示すように、回転子８１０に複数の突起部８５０を設けて、突起部８５０を、モータの軸の表面に形成された対応する受容部に嵌合させることもできる。
上記の複数の例示の実施の形態の各々の技術的特徴は、適宜、有利に組み合わせることができる。
図９は、本願開示による複数の例示の実施の形態に従うＰＭ電気機械のパーミアンス係数（Ｐｅｒｍｅａｎｃｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）と公知のＰＭ電気機械のパーミアンス係数とを示すグラフである。先に述べたように、上述の複数の例示の実施の形態は、以下の特徴を含むブラシレス電気機械の構造を提供する。
‐厚さを横切るように（垂直方向に）ではなく、輪郭（ｃｏｎｔｏｕｒ）形状に沿って（接線方向に）磁化されたＵ字形状に形成された磁石。
-この磁化方向によって、磁束の漏れを防ぎ、回転子の磁気的なバックアイアンを設ける必要をなくす、非磁性の支持構造。
この構造を開発するに当たり、まず、エアギャップ磁束を高密度に維持することができる永久磁石技術に着目した。その結果、残留誘導磁束密度が高い（図９参照）、アルミニウムニッケルコバルト（ＡｌＮｉＣｏ）の化学構造に注目した。ＡｌＮｉＣｏで作製した磁石の磁束密度は１３キロガウス（１．３テスラ）を超え、これは、ＮｄＦｅＢで作製した磁石の磁束密度に匹敵する。一般に、十分な温度耐性を有するＮｄＦｅＢで作製された磁石の最大の磁束密度は、１．１乃至１．２テスラであって、これは、高い磁束密度を有するＡｌＮｉＣｏで作製された磁石に比べ低い値である。ＡｌＮｉＣｏで作製された磁石が電気推進モータに用いられない理由は、その低保磁力（ｌｏｗ ｃｏｅｒｃｉｖｉｔｙ）にある（Ｘ軸方向のパラメータ）。このことは、ＡｌＮｉＣｏで作製された磁石は、磁気回路内に置かれたときや固定子のアーマチャを流れる電流により生成される磁界に露呈されたときに減磁され易いことを意味する。従来の永久磁石モータにおいては、この特定の磁石が減磁された場合、磁束は２０パーセント未満まで低下し、その結果モータのトルクが実用不可能な８０パーセントの低下に至る可能性がある。これに反して、本願開示による例示のＰＭ電気機械は、図９に示す曲線の「膝」部の上側の領域において、残留誘導磁束密度の近くに作動点を維持することができ、磁束が消されることがない。無負荷の条件では、この作動点を示す属性は、パーミアンス係数である。従来の永久磁石モータ（磁石が表面装着されているか、埋め込まれているかにかかわらず）の構造におけるパーミアンス係数は約２又は３である（図９に示す「通常のモータ」の負荷表示線を参照）。本願開示による永久磁石のパーミアンス係数は約２０（図９に示す「本願開示」の負荷表示線を参照）である。これが、アプローチの最初の鍵となる。
‐厚さを横切るように（垂直方向に）ではなく、輪郭（ｃｏｎｔｏｕｒ）形状に沿って（接線方向に）磁化されたＵ字形状に形成された磁石。
-この磁化方向によって、磁束の漏れを防ぎ、回転子の磁気的なバックアイアンを設ける必要をなくす、非磁性の支持構造。
この構造を開発するに当たり、まず、エアギャップ磁束を高密度に維持することができる永久磁石技術に着目した。その結果、残留誘導磁束密度が高い（図９参照）、アルミニウムニッケルコバルト（ＡｌＮｉＣｏ）の化学構造に注目した。ＡｌＮｉＣｏで作製した磁石の磁束密度は１３キロガウス（１．３テスラ）を超え、これは、ＮｄＦｅＢで作製した磁石の磁束密度に匹敵する。一般に、十分な温度耐性を有するＮｄＦｅＢで作製された磁石の最大の磁束密度は、１．１乃至１．２テスラであって、これは、高い磁束密度を有するＡｌＮｉＣｏで作製された磁石に比べ低い値である。ＡｌＮｉＣｏで作製された磁石が電気推進モータに用いられない理由は、その低保磁力（ｌｏｗ ｃｏｅｒｃｉｖｉｔｙ）にある（Ｘ軸方向のパラメータ）。このことは、ＡｌＮｉＣｏで作製された磁石は、磁気回路内に置かれたときや固定子のアーマチャを流れる電流により生成される磁界に露呈されたときに減磁され易いことを意味する。従来の永久磁石モータにおいては、この特定の磁石が減磁された場合、磁束は２０パーセント未満まで低下し、その結果モータのトルクが実用不可能な８０パーセントの低下に至る可能性がある。これに反して、本願開示による例示のＰＭ電気機械は、図９に示す曲線の「膝」部の上側の領域において、残留誘導磁束密度の近くに作動点を維持することができ、磁束が消されることがない。無負荷の条件では、この作動点を示す属性は、パーミアンス係数である。従来の永久磁石モータ（磁石が表面装着されているか、埋め込まれているかにかかわらず）の構造におけるパーミアンス係数は約２又は３である（図９に示す「通常のモータ」の負荷表示線を参照）。本願開示による永久磁石のパーミアンス係数は約２０（図９に示す「本願開示」の負荷表示線を参照）である。これが、アプローチの最初の鍵となる。
以下、図１０を参照してパーミアンス係数について説明する。この作動点の変化は、革新的な回転子の形状及び磁石の磁化方向の革新によるものである。接線方向（ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）に沿って磁化されるように磁石を湾曲した形状に設けることにより、「磁石の厚さ」が、一方の磁極面から隣接する他方の磁極面に向かって全長に亘って延在することで、この高いパーミアンス係数が得られる。図１０は、このことを可能ならしめる磁気回路の一例を示す。ＡＮＳＹＳ（登録商標）の有限要素法による解析を用いてこの属性を設計及び検証した。ＡＮＳＹＳ（登録商標）は電気機械の設計及び解析を行うためのツールであって、磁気回路を正確にシミュレートできることが認められている。この磁束のプロット（表示）は、この磁石の厚さがいかにして一方の磁極から隣の他方の磁極に延在するか及びいかにして代表的な磁気エアギャップと組み合わせられてこの構造に特有の高いパーミアンス係数を実現するかについて示している。本願開示による例示のＰＭ電機機械構造は非磁性の回転子支持構造（支持機構）を含む。これは、従来のラミネートにとって代わる構造である。非磁性の回転子支持構造は、モータの設計に不利に作用する可能性がある磁束の漏洩を無くすことができ、また、永久磁石を減磁する方向に作用するおそれがあるアーマチャー反作用磁束（固定子磁界強度）を減少させることができる。永久磁石により生成された回転子磁束のすべてが、磁石全体を通過することとなる、つまり一方の磁極から隣の磁極へ流れることなるが、このことが、非磁性の回転子が有利である理由である。
当業者にとっては、上記の実施の形態の永久磁石電機機械や永久磁石同期電気機械の構造を種々の異なった有益な分野に適用することができることを容易に理解できるはずである。例えば、とりわけ、上記した例示の実施の形態は、モータや発電機において利用することができる。
本願開示は、図面及び上述の記載の中で詳細に説明しているが、このような図示及び説明は図説ないし例示であって、限定する記載であるものと見るべきではない。本願開示は、開示された複数の実施の形態に限定されない。図面、開示された事項及び添付の請求の範囲の内容を精査することにより、請求の範囲に記載された発明を実施するにあたっては、開示された実施の形態を他の形態に改変可能であることは、当業者にとって理解可能であろう。特許請求の範囲における用語「備える」又は「含む」は、他の構成要素やステップ（工程）を除外するものではなく、また、単数表現の要素は、当該要素が複数存在することを排除するものではない。相互に異なる従属クレームにおいて特定の構成が記載されていることをもって、これらの構成を組み合わせる実益を失わせるものではない。特許請求の範囲で使用されるいずれかの符号は特許請求の範囲を限定するものとは解釈されないものとする。
かくして、本発明を、その精神及び本質的特性から逸脱することなく、当業者が他の特定の形態にて具現化できることは明確に理解されるであろう。それゆえ、本明細書に開示する実施の形態は、全ての点で、例示的且つ非限定的であると解釈されねばならない。本発明の範囲は、先の記載ではなく、添付する特許請求の範囲により示され、特許請求の範囲の意味及び範囲並びにそれらの均等物に該当する全ての変形は本発明の権利範囲に包含されることが意図されている。
１１０ 回転子、ロータコア
１２０ 磁石、左側の磁石（一対の磁石）
１２２ 第１の分離された台形部分（左側の磁石）
１２４ 第２の分離された台形部分（左側の磁石）
１２６ 第３の分離された台形部分（左側の磁石）
１３０ 磁石、右側の磁石（一対の磁石）
１３２ 第１の分離された台形部分（右側の磁石）
１３４ 第２の分離された台形部分（右側の磁石）
１３６ 第３の分離された台形部分（右側の磁石）
１４０ 半径方向内側の側部（磁石）
１５０ 半径方向外側の側部（磁石）
１６０ 低透磁率、抵電導性の材料
２２０ 磁石、左側の磁石（一対の磁石）
２３０ 磁石、右側の磁石（一対の磁石）
３２０ 磁石、左側の磁石（一対の磁石）
３３０ 磁石、右側の磁石（一対の磁石）
３７０ 軟磁性体材料
４２０ 磁石、左側の磁石（一対の磁石）
４３０ 磁石、右側の磁石（一対の磁石）
４７０ 軟磁性体材料
５１０ 回転子、ロータコア
５２０ 磁石、左側の磁石（一対の磁石）
５３０ 磁石、右側の磁石（一対の磁石）
５８０ リテーナ、保持部材
５９０ タブ、突起
６１０ 回転子、ロータコア
６２０ 磁石、左側の磁石（一対の磁石）
６３０ 磁石、右側の磁石（一対の磁石）
６５０ 保持ロッド、保持棒
７２０ 磁石、左側の磁石（一対の磁石）
７３０ 磁石、右側の磁石（一対の磁石）
７８０ 境界部位
８１０ 回転子
８４０ 係合部
８５０ 突起部
１２０ 磁石、左側の磁石（一対の磁石）
１２２ 第１の分離された台形部分（左側の磁石）
１２４ 第２の分離された台形部分（左側の磁石）
１２６ 第３の分離された台形部分（左側の磁石）
１３０ 磁石、右側の磁石（一対の磁石）
１３２ 第１の分離された台形部分（右側の磁石）
１３４ 第２の分離された台形部分（右側の磁石）
１３６ 第３の分離された台形部分（右側の磁石）
１４０ 半径方向内側の側部（磁石）
１５０ 半径方向外側の側部（磁石）
１６０ 低透磁率、抵電導性の材料
２２０ 磁石、左側の磁石（一対の磁石）
２３０ 磁石、右側の磁石（一対の磁石）
３２０ 磁石、左側の磁石（一対の磁石）
３３０ 磁石、右側の磁石（一対の磁石）
３７０ 軟磁性体材料
４２０ 磁石、左側の磁石（一対の磁石）
４３０ 磁石、右側の磁石（一対の磁石）
４７０ 軟磁性体材料
５１０ 回転子、ロータコア
５２０ 磁石、左側の磁石（一対の磁石）
５３０ 磁石、右側の磁石（一対の磁石）
５８０ リテーナ、保持部材
５９０ タブ、突起
６１０ 回転子、ロータコア
６２０ 磁石、左側の磁石（一対の磁石）
６３０ 磁石、右側の磁石（一対の磁石）
６５０ 保持ロッド、保持棒
７２０ 磁石、左側の磁石（一対の磁石）
７３０ 磁石、右側の磁石（一対の磁石）
７８０ 境界部位
８１０ 回転子
８４０ 係合部
８５０ 突起部
Claims (22)
- 本質的に円形に形成された回転子と；
前記回転子内に配置される一対の磁石であって、前記一対の磁石の各々がＵ字形に形成され且つ各磁石の対向する両磁極の間に前記各磁石の輪郭に沿って延在する厚さ方向を有する、一対の磁石とを備え；
前記一対の磁石は、各々レアアース材料に比べて保磁力が低い、非レアアース材料で構成され；
前記一対の磁石の各々の磁化方向は、前記各磁石の厚さ方向に平行である；
ブラシレス永久磁石電機機械。 - 前記一対の磁石は前記回転子内で相互に隣接して設けられ、相互に近接する前記一対の磁石の一方の側部及び他方の側部が同極性を有し、前記一対の磁石の各々が対向する両極性を有するように設けられ；
前記一対の磁石の各々の磁化方向は、相互に近接する前記側部に向かう方向である；
請求項１に記載のブラシレス永久磁石電機機械。 - 前記レアアース材料に比べて保磁力が低い非レアアース材料は、アルミニウムニッケルコバルト（ＡｌＮｉＣｏ）及び鉄コバルトタングステン（ＦｅＣｏＷ）のいずれかである、
請求項１に記載のブラシレス永久磁石電機機械。 - 前記一対の磁石は、低透磁率で低導電性の材料により包囲されて設けられる、
請求項１に記載のブラシレス永久磁石電機機械。 - 前記低透磁率で低導電性の材料は導電性が低く、非磁性体である、
請求項４に記載のブラシレス永久磁石電機機械。 - 前記低透磁率で低導電性の材料は、樹脂、エポキシ樹脂、ポリマー樹脂、ガラス繊維強化樹脂及び炭素繊維強化樹脂からなる群の中から選択されるいずれか一以上の材料である、
請求項５に記載のブラシレス永久磁石電機機械。 - 前記一対の磁石の磁極面は、前記回転子内で軟磁性体により連結された、
請求項１に記載のブラシレス永久磁石電機機械。 - 前記軟磁性体は、鉄、ケイ素鋼及びニッケル鉄からなる群の中から選択されるいずれか一以上の材料で構成される、
請求項７に記載のブラシレス永久磁石電機機械。 - 前記Ｕ字形に形成された複数の磁石の各々の対応する凹部内に設けられた前記磁石の対を前記回転子内に固定する複数のリテーナを更に備える、
請求項１に記載のブラシレス永久磁石電機機械。 - 前記リテーナは非磁性体である、
請求項９に記載のブラシレス永久磁石電機機械。 - 前記一対の磁石の一方に設けられた延長部と、前記一対の磁石の他方に設けられた前記延長部を嵌合受容する嵌合受容部とを更に備える、
請求項１に記載のブラシレス永久磁石電機機械。 - 前記一対のＵ字形に形成された磁石の各々の凹部に設けられた複数の保持ロッドと；
前記保持ロッドに対応して受容する受容部を有するキャップとを更に備え；
前記キャップは前記保持ロッドで保持することにより、前記回転子に固定するように構成された；
請求項１に記載のブラシレス永久磁石電機機械。 - 前記一対の磁石が界接する、前記回転子が有する前記磁石の界接部位で、前記回転子の直径が不均一に形成された、
請求項１に記載のブラシレス永久磁石電機機械。 - 前記一対の磁石の少なくとも一方は、その両磁極の間で連続体として構成された、
請求項１に記載のブラシレス永久磁石電機機械。 - 前記一対の磁石の少なくとも一方は、少なくとも２つの分離された部材に分割されて設けられた、
請求項１に記載のブラシレス永久磁石電機機械。 - 本質的に円形に形成された回転子内に一対の磁石を配置するステップと；
前記一対の磁石の各々を、前記磁石の対向する両磁極の間で前記磁石の輪郭に沿って延在する厚さの方向を有するＵ字形に形成するステップと；
前記一対の磁石の各々を、前記Ｕ字形に形成された一対の磁石の各々の磁化の方向が各磁石の厚さの方向と平行であるように、レアアース材料に比べて保磁力が低い非レアアース材料で形成するステップとを備える；
ブラシレス永久磁石電機機械の製造方法。 - 前記一対の磁石を前記回転子内で互いに隣接するように配置するステップであって、互いに近接する前記一対の磁石の側部が同じ磁極性を有し、磁化方向が互いに近接する前記磁石の側部へ向かい、前記一対の磁石が対向する両磁極を有するように、前記一対の磁石を配置するステップを備える、
請求項１６に記載のブラシレス永久磁石電機機械の製造方法。 - 前記レアアース材料に比べて保磁力が低い非レアアース材料は、アルミニウムニッケルコバルト(ＡｌＮｉＣｏ)及び鉄コバルトタングステン（ＦｅＣｏＷ）のいずれかである、
請求項１６に記載のブラシレス永久磁石電気機械の製造方法。 - 前記回転子内の前記一対の磁石を、低透磁率で低導電性の材料で包囲するステップを含む、
請求項１６に記載のブラシレス永久磁石電機機械の製造方法。 - 前記回転子内の前記一対の磁石の各々の磁極面を軟磁性体で連結するステップを含む、
請求項１６に記載のブラシレス永久磁石電機機械の製造方法。 - 前記Ｕ字形に形成された複数の磁石の各々の対応する凹部内に設けられた前記磁石の対を前記回転子内に固定する複数のリテーナを配置するステップを更に備える、
請求項１６に記載のブラシレス永久磁石電気機械の製造方法。 - 複数の保持ロッドの各々を、前記Ｕ字形に形成された一対の磁石の対応する凹部内に配置するステップと；
前記保持ロッドに対応する受容部を有するキャップを前記保持ロッドに固定するステップを備える；
請求項１６に記載のブラシレス永久磁石電機機械の製造方法。
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