JP2014531191A - 回転電気機械の回転子および回転子を備えた回転電気機械 - Google Patents

Abstract

本発明による回転子（１）は、多角形状の放射断面を有するとともに第１凹部（４）に配置された複数の永久磁石（３）から形成された複数の交互に位置するＮ極（Ｎ）およびＳ極（Ｓ）を備えている。これらの第１凹部は、複数の周縁極性部分（１０）を規定するように、軸方向に延びるとともに、回転子の磁性質量体（２）の周縁部（５）と中央部（６）との間に規則的に分布されている。本発明によれば、放射断面は、中央部の隣の実質的に台形状部分（７）に隣接して周縁部の隣の実質的に長方形状部分（８）を有する。回転子の別の特徴によれば、放射方向において、長方形状部分の第２高さ（Ｈ）に対する台形状部分の第１高さ（ｈ）の割合（Ｒ）は、電気機械の効率を最大化するように予め決められている。

Description

本発明は、回転電気機械のために設計された永久磁石を有する回転子に関連する。

また、本発明は、特に電気自動車およびハイブリッド自動車における電気トラクションモータまたはアクセサリモータのような応用のための、このタイプの回転子を備えた回転電子機械に関連する。

比出力および出力密度に関してそれらの高められた性能の結果として、現在、永久磁石を有する同期機械は、自動車の分野において広範囲の応用を有している。

これらの電気機械は、広範囲にわたる出力およびスピードで製造され得るとともに、「オール電気」タイプの自動車といわゆる「マイルドハイブリッド」および「フルハイブリッド」タイプの低ＣＯ２排出を有する自動車との両方における応用を有している。

「マイルドハイブリッド」の応用は、概して、約８〜２０ｋＷの電気機械、例えば熱機関の前面に取り付けられるとともに駆動ベルトによって熱機関に連結された電気モータに関する。このタイプの電気モータにより、とくに回転数を上げる時に補助的出力を提供する電気トルク支援によって熱機関の最大容積を減少させること（「エンジン・ダウンサイジング」）が可能である。また、例えば都市環境における低スピードでのトラクションが、この同じ電気モータによって保証され得る。

「フルハイブリッド」タイプの応用は、概して、車両のトラクションチェーンにおける電気モータのより達成された一体性のレベルを有する、直列および／または並列タイプのアーキテクチャのための３０〜５０ｋＷのモータに関する。

永久磁石を有する現在の機械の顕著な性能のレベルは、大部分は、テスラレベルを超過する残留磁気を有し得る、ネオジム−鉄−ボロン（ＮｅＦｅＢ）、サマリウム−鉄（ＳｍＦｅ）、またはサマリウム−コバルト（ＳｍＣｏ）タイプの希土類磁石の発展による。

しかしながら、いわゆる「フロー集中」構造を有する回転子を備えた、永久磁石を有する機械は、ずっと以前に、より低い残留磁気を有する磁石、例えば焼結フェライトまたはボンドフェライトから得られる磁石を用いる実質的な磁気流れを得ることを可能にしている。

また、ずっと以前に、このタイプの構造の寸法上および磁気的な特徴は、機械の電気的性能を改善するように、多くの試験を行うことにより、もしくは、より最近は、計算機シミュレーションを行うことにより、最適化されている。

永久磁石を有する回転氏の磁石および磁極の寸法上の最適化の一例は、特許発明ＦＲ２．０８４．２７９において１９７１年に開示された。

磁石の寸法上の最適化は、最近、好ましくない地政学的な状況と関連して、希土類磁石の価格の増加の結果として、もう一度注意の対象となっている。

自動車の応用のために設計された電気機械の回転子における希土類磁石の実装は、もはや経済的に実行可能ではなく、おそらく持続可能ではないため、他の代替物は、フェライトに基づく磁石から構成されている。

しかしながら、フェライトの残留磁気または誘導は、希土類磁石の場合より低いため、等価な磁気流れを得るために、磁石のフェライトの体積を増加させることが必要である。

この磁気的な制約が課せられていながら、フェライト磁石の体積は、一定サイズを有する回転子において無制限に増加され得ない、ということは理解されよう。

本発明の目的は、したがって、前述された寸法上の制約および機械的な制約に適合しながら、機械の性能を最大化するために、回転子の磁石の体積を最適化することである。

特に、その対象は、第１凹部に配置された複数の永久磁石から形成された複数の交互に位置するＮ極およびＳ極を備えた回転電気機械の回転子である。

これらの第１凹部は、複数の周縁極性部分を規定するように、軸方向に延びているとともに、回転子の磁性質量体の周縁部と中央部との間に規則的に分布されている。

問題になっている回転子タイプの永久磁石は、多角形状の放射断面を有している。

本発明によれば、永久磁石の放射断面は、放射方向において、０．２５〜０．７０の間にあって前記電子機械の性能を最大化するように予め定められている、長方形状部分の第２高さＨに対する台形状部分の第１高さｈの割合Ｒで、前記中央部の近くの実質的に台形状部分に隣接する、前記周縁部の近くの実質的に長方形状部分を有している。

本発明による回転子の極性部分の各々は、好ましくは、放射方向に延びるともに２つの第１連続凹部の間の区画を形成している中央舌部により放射方向に保持されている。

この場合、周方向において、前記長方形状部分の幅Ｌは、前記機械の動作中に前記舌部により耐えられる機械的応力σの限界σ_０以内で、前記永久磁石の各々の体積を最大化するように予め定められている。

より詳しくは、前記磁石の前記部分を特徴付ける前記高さの割合ｈ／Ｈは、舌部により耐えられる機械的応力σのこの同じ制限σ_０以内で、前記舌部の予め定められた最小厚みＥによる上限を有している。

利点は、本発明による回転電気機械の回転子の永久磁石がフェライトから構成されているという事実から得られるであろう。

詳細な実施の形態によれば、本発明による回転子は、軸方向に延びるとともに前記中央部と前記周縁部との間の当該回転子の中間部において前記永久磁石の間に配置された複数の第２凹部を追加的に備えている。

別の詳細な実施の形態によれば、この回転子の周縁部は、前記永久磁石に向かい合って、少なくとも部分的に、放射方向に開である。

本発明は、また、前記特徴を有する回転子を備えた回転電気機械に関連する。

これらの少数の本質的な仕様は、従来技術と比較して、本発明による回転電気機械の回転子および対応する電気機械により提供される利点を、当業者に対して明らかにするであろう。

本発明の詳細な仕様は、添付の図面と関連して以下の説明において与えられる。これらの図面は、単に当該説明の文章を図示するという目的に適合し、本発明の範囲の制限を構成するものではない、ということに注意されるべきである。

図１は、本発明による永久磁石を有する回転子の放射断面の単純化された図を示している。 図２は、一定のエンジントルクに対して、これらの永久磁石の放射断面を特徴付ける高さの割合による、本発明によるタイプの永久磁石を有する回転子を備えた電気機械の固定子電流の変化を示している。 図３は、一定のエンジントルクに対して、これらの永久磁石の放射断面を特徴付ける高さの割合による本発明によるタイプの永久磁石を有する回転子の極性部分を、放射方向に維持する舌部によって動作中に耐えられる機械的応力の変化を示している。

図１に示された、本発明の好ましい実施の形態において永久磁石を有する回転子１の単純化された放射断面は、複数の交互に位置するＮ極（Ｎ）およびＳ極（Ｓ）を形成するように、周縁部５と中央部６との間に規則的に分布された第１凹部４における永久磁石３の磁性質量体２における配置を明らかに示している。

このタイプの回転子を備えた機械の具体的な実施の形態は、いわゆる「マイルドハイブリッド」タイプの自動車における応用のための、例えば８〜２０ｋＷのモータ／発電機である。

モータとして機能するモードにおいて、この機械は、熱機関の起動、熱機関用のトルク補助、および低速における車の電気トラクションのために設計され得る。

この機械の特定の実施の形態によれば、１０個の永久磁石３を有する回転子１は、複数のノッチを有する固定子（図示されていない）の内側で回転する。

固定子および回転子１は、磁性質量体２を形成する金属板のセットを用いて従来のやり方で製造されている。

固定子におけるノッチは、固定子巻線（図示されていない）を受けるように設計されており、互いの間に複数の固定子歯を形成している。実施の形態に依存して、ノッチは、大きな歯の上に巻かれた集中された巻線、または分散された巻線を収容するように設計されよう。

固定子電流は、固定子巻線を通過して、これにより、回転子１を駆動する回転磁場を形成する。供給されるエンジントルクは、特に、固定子電流Ｉｓの強度および回転子１における磁気流れに依存する。

前文において説明されたように、フェライト磁石による希土類磁石の置き換えは、回転子１における同様の磁気流れを得るために、より大きな体積の磁石を必要とする。

同一の固定子強度Ｉｓのための同一のエンジントルクを維持するという目的のために、フェライト磁石の体積は、従って、最適化されなければならない。

従来技術により知られた流れの集中を有する回転子は、概して、等角の軸平面上に配置された長方形状の直線断面を有する磁石の棒体を有している。

結果的に、周方向による棒体の幅は、回転子の中央部の円形断面の全長の長さにより制限されており、一方、当該棒体は、周縁部において磁性質量体の小さい部分のみを占有している。

磁石３の体積を最大化するという目的のために、本発明は、したがって、くさびの形状を有する回転子１の中央部６に近い磁石３の部分を提供すること、を提案する。

したがって、回転子１における磁石３の放射断面は、回転子１の中央部に近い実質的に台形状部分７と、周縁部５に近い実質的に長方形状部分８と、を有する。

くさびの形状の磁石３を有する回転子１を備えた電気機械を用いた試験、および計算機シミュレーションは、放射方向において長方形状部分８の第２高さＨに対する台形状部分７の第１高さｈの割合Ｒが機械の電気的性能に影響するパラメータであることを考慮するという本発明の本体を導いた。

図２は、試験の機械のための高さｈ／Ｈの割合Ｒによる同一のエンジントルクを得るために必要な固定子電流Ｉｓを示している。

固定子強度が最小となる高さｈ／Ｈの割合の値ΔＲの範囲があることが分かった。実際、この例では、０．２５〜０．７の間において、この強度Ｉｓは約１４０Ａであり、一方、磁石３の断面が長方形状の断面（Ｒ＝０）に向かう時、この強度Ｉｓは１７５Ａを超える強度に急速に向かう。

動作中に回転子１により維持される機械的応力は、また、磁石３の体積を最適化するために、本発明の本体によって考慮されている。

図１に示された回転子１の特定の実施の形態において、磁石３の断面の実質的に台形状部分７の側面は、回転子１の軸平面と平行な平面上に位置している（大底および小底は、回転子に対して接線方向の平面と平行な平面上に実質的に位置している）。

磁石３を含む第１凹部４は、したがって、厚みＥを有する区画を形成する中央舌部９によって分離されており、当該厚みＥは、回転子の中央部６を介して流れるリークを最小化するための低い値として選択されている。この特定の実施の形態では、厚みＥは一定であるが、ある実施の形態では厚みＥは可変であり得ることに注意されよう。

これらの舌部９は、第１凹部４によって磁性質量体２において規定された周縁極性部分１０を放射方向に保持している。

極性部分１０は、それ自身、放射方向に磁石３を保持しており、舌部９は、磁石３および極性部分１０上における回転子１の回転の効果から導き出される求心力に耐えるために要求される最小限の機械的強度を有しなければならない。

磁石３の幅Ｌおよび舌部９の厚みＥは、幾何学的理由により逆に変化する２つのパラメータである。舌部の厚みＥが当該舌部が機械的応力σに耐えることを可能にするのに十分であるならば、幅Ｌは、したがって、磁石３の体積を最大化するように増加される。

同じ幾何学的理由により、図３に示すように、高さｈ／Ｈの割合Ｒは、舌部９により耐えられる機械的応力σのレベルに影響する。

この例では、超過されない制限σ_０は、約２５０ＭＰａであると考えられる。高さｈ／Ｈの割合Ｒは、したがって、約１の値Ｒ_０を超えないことがあり得る。

本発明による回転子１は、非常に有利には、複数の第２凹部１１を備えており、第２凹部１１は、図１に明らかに示すように、極性部分１０に配置されている。

回転子１において磁場の制御に寄与するというそれらの機能に加えて、これらの第２凹部１１は、極性部分１０の質量を減少させ、結果的に、これらの極性部分１０により舌部９によって耐えられる機械的応力σを減少させ、これにより、同時に磁石３の質量を増加させることを可能にする。

本発明による回転子１の第１凹部４は、好ましくは、磁性質量体２の周縁に向かう開口１２を有している。

これらの開口は、磁気回路のこれらの部分の磁気抵抗を増加させ、これにより、磁石のリーク流れを制限する効果を有しながら、回転子１の周縁部５の質量の減少に寄与し、これにより、磁石３の質量を増加させることを可能にしながら、舌部９により耐えられる機械的応力の同じ制限σ_０以内に留まる、という効果を有する。

本発明は、前述された好ましい実施の形態に単純に制限されないことは理解されよう。

特に、長方形状部分８と台形状部分７とを含む放射断面を有する磁石３は、有利には、２つの並置された棒体から構成され、一方は、長方形状断面を有し、もう一方は台形状断面を有する。

上記に具体的に示された数値とは異なる数値に基づくとともに、前述されたタイプの回転子を有する回転電気機械の他の試験またはシミュレーションに対応する、他の実施の形態は、それらが以下の特許請求の範囲の請求項から導出されるならば、本発明の範囲を超えないであろう。

Claims (7)

1. 複数の交互に位置するＮ極（Ｎ）およびＳ極（Ｓ）を備え、
   前記Ｎ極（Ｎ）およびＳ極（Ｓ）は、複数の周縁極性部分（１０）を規定するように、軸方向に延びるともに当該回転子（１）の磁性質量体（２）の周縁部（５）と中央部（６）との間に規則的に分布された第１凹部（４）に配置された、複数の永久磁石（３）から形成され、
   前記永久磁石（３）は、多角形状の放射断面を有し、
   前記放射断面は、放射方向において、０．２５〜０．７０の間にあって当該電子機械の性能を最大化するように予め定められている、長方形状部分（８）の第２高さＨに対する台形状部分（７）の第１高さｈの割合Ｒで、前記中央部（６）の近くの実質的に台形状部分（７）に隣接する、前記周縁部（５）の近くの実質的に長方形状部分（８）を有する
   ことを特徴とする回転電気機械の回転子（１）。
2. 前記極性部分（１０）は、放射方向に延びるともに２つの前記第１連続凹部（４）の間の区画を形成する中央舌部（９）によって放射方向に保持されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電気機械の回転子（１）。
3. 周方向において、前記長方形状部分（８）の幅Ｌは、前記舌部（９）により耐えられる機械的応力σの限界σ_０以内で、前記永久磁石（３）の各々の体積を最大化するように予め定められている
   ことを特徴とする請求項２に記載の回転電気機械の回転子（１）。
4. 前記永久磁石（３）は、フェライトから構成されている
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の回転電気機械の回転子（１）。
5. 軸方向に延びるとともに前記中央部（６）と前記周縁部（６）との間の当該回転子の中間部において前記永久磁石（３）の間に配置された複数の第２凹部（１１）
   を更に備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の回転電気機械の回転子（１）。
6. 前記周縁部（５）は、前記永久磁石（３）に向かい合って、少なくとも部分的に、放射方向に開である
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の回転電気機械の回転子（１）。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の回転子（１）を備えたことを特徴とする回転電気機械。

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