JP2015033329A - トルクリップルが低減されたスポーク永久磁石機械およびその製造方法 - Google Patents
トルクリップルが低減されたスポーク永久磁石機械およびその製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】トルクリップルを低減する。
【解決手段】主軸体から径方向外側に延びかつ主軸体を中心として円周に主軸体の軸線方向長さに沿って形成された複数の突起を備える軸を有するロータ組立体を含む。複数の薄板積層体は、薄板に複数の突起を受け入れるように、軸を中心として円周に配設され、各薄板積層体が軸の長さに沿って軸線方向に配設された複数の薄板群を含み、永久磁石が薄板積層体の間に配置される。薄板の各々は、それぞれの軸突起を受け入れるように薄板に形成された軸突起切欠き部を含み、複数の薄板積層体の各々に対して、それぞれの薄板群の薄板に形成された軸突起切欠き部が、隣接する薄板群の薄板に形成された軸突起切欠き部から角度的にオフセットされる。
【選択図】図１Ａ
【解決手段】主軸体から径方向外側に延びかつ主軸体を中心として円周に主軸体の軸線方向長さに沿って形成された複数の突起を備える軸を有するロータ組立体を含む。複数の薄板積層体は、薄板に複数の突起を受け入れるように、軸を中心として円周に配設され、各薄板積層体が軸の長さに沿って軸線方向に配設された複数の薄板群を含み、永久磁石が薄板積層体の間に配置される。薄板の各々は、それぞれの軸突起を受け入れるように薄板に形成された軸突起切欠き部を含み、複数の薄板積層体の各々に対して、それぞれの薄板群の薄板に形成された軸突起切欠き部が、隣接する薄板群の薄板に形成された軸突起切欠き部から角度的にオフセットされる。
【選択図】図１Ａ
Description
本発明の実施形態は、一般に電気機械に関し、より詳細には、単一の押出成形ロータ軸およびブロック磁石の使用を可能にしつつ、トルクリップルを低減するために、ロータ薄板が機械の軸線方向長さに沿ってずらされるスポークロータ永久磁石電気機械に関する。
ＩＰＭモータまたはＩＰＭ発電機などの内部永久磁石（ＩＰＭ）機械は、航空機、自動車、産業利用を含む、様々な用途で広く使用されており、現在では、ハイブリッド自動車用途で用いられる好ましい機械である。それゆえ、軽量で高出力密度のＩＰＭ機械を求める要求が、出力重量比を最大にするより高速のモータおよび発電機の設計につながっている。したがって、この傾向により、高い機械速度、高出力密度、質量およびコスト低減を提供するＩＰＭ機械がますます受け入れられている。
従来のＩＰＭ機械では、多数の永久磁石が、ロータの多数の薄板の内部に埋め込まれる。ロータにおける機械的応力は、多数のブリッジおよびセンターポストに集中する。より高速の用途に関しては、ロータおよび様々な他の部品の構造強度を高めるために、多数のブリッジおよびセンターポストの厚さを増加させなければならない。厚さの増加は、多数のブリッジおよびセンターポストへのより大きな磁束漏れにつながり、かかる漏れが機械出力密度を著しく低下させ、その結果、機械効率の低下が生じる。
ＩＰＭ機械でのスポークロータの使用は、ブリッジおよびセンターポストを不要にすることにより、ＩＰＭ機械の電磁的要件と機械的要件とを切り離すことができる。これにより、機械出力密度が大幅に増加する。また、スポーク形態には、磁束集中効果があり、この効果により機械出力密度が更に増加する。ロータ薄板を軸上に蟻継ぎすることにより、より速いロータ外径の速度を可能にし、機械出力密度を更に増加させる。ロータ組立体および様々な関連する構成要素は、最大出力密度および最小渦電流損失をもたらすように構成することができる。更に、スポークロータを有するＩＰＭ機械は、低体積、低質量および低コストの点で有利である。したがって、スポークロータＩＰＭ機械は、高効率の永久磁石機械を実現する。
しかしながら、分布巻線を備えたスポーク電気モータでは、トルクリップルが大きいという問題に直面する。トルクリップルは、駆動系における機械的問題に加えて、過渡損失および機械制御の複雑性の増加につながるため、電気モータにおいて望ましくない。分布巻線を備えたステータを有するモータでは、通常、トルクリップルが大きくなるが、分布巻線を有するステータを備えたロータの使用により、追加の高調波が加わり、トルクリップルが更に増大する。
トルクリップルを低減する標準的なアプローチは、スロットピッチ分のステータシフトを含み、標準的な技術は、スロットの半分のステータシフトを導入する。残念ながら、軸線に沿ったステータシフトまたはステッピングでは、スロット内の絶縁材に応力がかかる可能性があり、機械のトルク成分を減少させる。また、ロータシフトにより、モータのロバスト性および信頼性に影響を及ぼすスロット絶縁を妨げる鋭いエッジが形成される。
ロータシフトとして知られるトルクリップルを低減する別の方法は、絶縁の問題を解消するが、ロータシフトは、ロータ構造を複雑にし、軸の複雑化およびずれたロータ薄板への磁石の手動挿入につながるため困難である。ロータ構造に押出成形軸を使用することにより、製造上の複雑さを低減できるが、それでも異なる軸線方向位置に磁石を手で挿入することまたは異なる軸線方向長さでの押出成形が必要となり得る。
それゆえ、既存のステータシフトとロータシフトの技術および構造に関連する懸案事項を解消すると同時に、トルクリップルを低減する構造を有するスポーク永久磁石機械を提供することが望ましい。
本発明の一態様によれば、内部永久磁石機械は、複数のステータティースを含むステータコアと、複数のステータティースの周りに巻回され、交流電流で励磁されるとステータ磁界を発生させるステータ巻線とを備えるステータ組立体を含む。内部永久磁石機械はまた、ステータ組立体により画定された空洞内に配置されかつステータ組立体に対して回転するように構成されたロータ組立体であって、主軸体から径方向外側に延びかつ主軸体を中心として円周に主軸体の軸線方向長さに沿って形成された複数の突起を備える軸と、複数の突起を受け入れるように、軸を中心として円周に配設された複数の薄板積層体であって、各々が軸の長さに沿って軸線方向に配設された複数の薄板群を備え、複数の薄板群の各々が複数の薄板を備える、複数の薄板積層体と、ステータ磁界と相互作用してトルクを生成する磁界を発生させるように構成された複数の永久磁石であって、各々が隣接する薄板積層体のそれぞれの対の間に配置される永久磁石と更に含む、ロータ組立体を含む。複数の薄板の各々は、それぞれの軸突起を受け入れるように薄板に形成された軸突起切欠き部を含み、複数の薄板積層体の各々に対して、それぞれの薄板群の薄板に形成された軸突起切欠き部が、隣接する薄板群の薄板に形成された軸突起切欠き部から角度的にオフセットされる。
本発明の別の態様によれば、内部永久磁石機械を組み立てる方法は、ステータティースに巻回され、交流電流で励磁されるとステータ磁界を発生させるステータ巻線を備えた複数のステータティースを有するステータコアを備えるステータ組立体を用意することと、ステータ組立体により形成された空洞内で回転可能であるロータ組立体を用意することとを含む。ロータ組立体を用意するステップは更に、回転軸の軸線方向長さに沿って径方向に延びかつ軸を中心として円周に形成された複数の突起を備える軸を用意することと、複数の薄板積層体が軸の円周に位置決めされかつ複数の薄板積層体の各々が軸の軸線方向長さに沿って複数の薄板群として配設されるように、複数の薄板積層体を軸の複数の軸突起上に配置することであって、各薄板積層体における隣接する薄板群が互いに対して角度オフセットを有するように軸上に位置決めされるように、複数の薄板積層体を軸の複数の軸突起上に配置することとを含む。ロータ組立体を用意するステップはまた更に、複数の薄板積層体により画定された開口内に、ステータ磁界と相互作用してトルクを生成する磁界を発生させる複数の永久磁石を固定することを含む。
本発明の更に別の態様によれば、内部永久磁石機械に使用するロータ組立体は、軸体と、軸体から径方向外側に延びる複数の突起であって、軸の軸線方向長さに沿って軸を中心として円周に形成された複数の突起とを有する軸を含む。ロータ組立体はまた、径方向突起上に配置された複数の薄板積層体であって、複数の薄板積層体の各々が軸に沿って軸線方向に配設された複数の薄板群を備え、複数の薄板群の各々が複数の薄板を備える、複数の薄板積層体と、複数の薄板積層体の間に配置された複数の永久磁石とを備える。薄板積層体の複数の薄板群の各々における薄板の形状は、薄板積層体における複数の薄板群のうちの他の薄板の形状とは異なる。
様々な他の特徴および利点は、以下の詳細な説明および図面により明らかにする。
図面は、本発明を実施するために現在考えられる好ましい実施形態を例示する。
本発明の実施形態は、ＩＰＭ機械の製造上の複雑性を増加させることなくトルクリップルの低減を図りつつ、ＩＰＭ機械、詳細には分布巻線を有する分割型スポークロータ電気機械におけるかかるトルクリップルを低減することを対象とする。トルクリップルの低減は、機械の軸線方向全長にわたって薄板の間でロータ薄板と磁石とをずらすことにより行われる。一実施形態では、全てのシフトをロータ側で行うことができ、ステータシフトがステータの絶縁および巻線の挿入に及ぼす悪影響を防止する。
ＩＰＭ機械は、多数の永久磁石と係合する蟻継ぎ形態の形状とされることが好ましい薄板の積層体を含み、この薄板は、ロータ組立体の軸の円周に多数の突起上に装着される。本明細書で使用する場合、「蟻継ぎ」という用語は、ロータ薄板と軸との間の固い相互結合部を形成する扇形の特徴部を指す。薄板積層体は更に、ステータ巻線を異なる時点で通過するように、隣接する群から角度的にオフセットされ得る群で構成される。
図１Ａは、ロータ組立体１２とステータ組立体１４とを含む内部永久磁石（ＩＰＭ）機械１０の断面図を図示している。図１Ａに示すように、ＩＰＭ機械１０は、分割型スポークロータ永久磁石機械として構成される。ロータ組立体１２は、ロータ軸１８上に配置されたロータコア１６であって、ＩＰＭ機械１０の長手方向軸線２０を中心として回転するように構成されたロータコア１６を含む。軸１８は、主軸体２４上に形成された多数の突起２２であって、主軸体２４を中心として円周に主軸体２４の軸線方向長さに沿って形成された突起２２を有するように構築される。図示の実施形態において、軸１８はまた、多数の突起２２に対して交互に配設された多数の下部構造２６を含む。
図１Ａに示すように、ロータコア１６は、複数の別個のロータ突極２８で形成された分割型ロータとして構築される。ロータ極２８の各々は、それぞれの突起２２上に配置された薄板３０積層体で形成される。ロータ極２８を形成する薄板３０積層体は、軸１８の円周に配設（すなわち、蟻継ぎ）され、その結果、極間間隙３２（すなわち、蟻継ぎ状凹部）が隣接するロータ極２８の間に形成される。永久磁石３４は、ロータコア１６内に、隣接する薄板３０積層体の間に配置され、ロータ組立体１２とステータ組立体１４との間の空隙に径方向に誘導される磁界を発生させる。永久磁石３４により発生する磁界は更に、ステータ磁界と相互作用してトルクを生成する。永久磁石３４は、特に高速用途に好適な、蟻継ぎ状のスポーク形態の配置を提供する。蟻継ぎ状のスポーク形態は、優れた磁束集中効果をもたらし、それにより、機械出力密度を高める。一実施形態において、永久磁石３４は、ネオジム−ホウ素−鉄で作製してもよい。別の実施形態において、永久磁石３４は、サマリウム−コバルト、フェライト、もしくはアルニコ、またはこれらの磁石の任意の組み合わせで作製される。
一実施形態によれば、ロータ組立体１２はまた、軸１８の下部構造２６上に配置された多数の下部ウェッジ３６を含む。多数の下部ウェッジ３６は、多数の薄板３０積層体および多数の永久磁石３４をロータ組立体内に保持し、更に高速回転中にばらばらになるのを防止するように配設される。一実施形態において、下部ウェッジ３６は、ロータコア１６の渦電流損失を低減するための非金属製のウェッジであり、またロータ渦電流損失が少ない場合には金属製の突起である。特定の実施形態において、ロータ組立体１２にはまた、高速のロータコア１６に発生する遠心力により永久磁石３４がばらばらになるのを防止するために、ロータ組立体１２の外周面を覆う多数の上部ウェッジ３８が設けられる。
本明細書に例示するように、薄板３０積層体と永久磁石３４の蟻継ぎ状のスポーク形態は、優れた磁束集中効果をもたらし、それにより、ＩＰＭ機械１０の機械出力密度を高める。下部ウェッジ３６は、非金属製であることが好ましく、磁束線がそれら下部ウェッジを通って流れないようにし、それにより磁束漏れを防止する。同様に、上部ウェッジ３８も、非金属製であることが好ましく、磁束がそれら上部ウェッジを通って流れるのを防止し、それにより磁束漏れを防ぐ。一実施形態において、多数の上部ウェッジ３８および多数の下部ウェッジ３６は、多数の永久磁石３４の横方向両端部に設けられる。非金属製の上部ウェッジ３８および下部ウェッジ３６は、磁束の流れを妨げる役割を果たし、それにより、磁束が永久磁石３４から出て、実質的に漏れのない状態で、ステータ巻線に結合することを確実にする。
図１Ａに示すロータ組立体１２の実施形態が軸１８の下部構造２６上に配置された下部ウェッジ３６を含む一方で、代わりに、図１Ｂに示すロータ組立体の実施形態と同じように、場合によっては、例えば、渦電流損失がより小さい状態で、これらの下部の金属製ウェッジ３６を軸１８により塞ぐこともできることが理解される。つまり、場合によっては、別個のウェッジ要素３６は、必要でない場合があり除去することが可能であって、軸１８は、多数の薄板３０積層体および多数の永久磁石３４をロータ組立体内に保持し、高速回転中にばらばらになるのを防止するように構築する（すなわち、外側に突出する）ことができる。
図１Ａおよび図１Ｂを参照し、ＩＰＭ機械１０のステータ組立体１４について述べると、ＩＰＭ機械１０のステータ組立体１４は、ステータコア４０の中心に空洞４６を形成するように円周に配設された多数のステータティース４４を有するステータコア４０を含む。ステータ組立体１４は、磁界を発生させ、かつ、内面が空洞４６を画定した状態で長手方向軸線２０に沿って延びる。ロータ組立体１２は、上述したように、ステータコア４０により画定された空洞４６内に配置される。ステータ組立体１４は、ステータティース４４に巻回される分布巻線５０を中に受け入れるステータスロット４８を含む。巻線５０は、例えば、銅コイルとして形成してもよく、ＡＣ交流により励磁されたときに空隙内にほぼ正弦波の回転磁界（ｆａｉｒｌｙ ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｆｉｅｌｄ）を生成するように機能してもよい。ステータ組立体１４はまた、ステータバックアイアン５２を含む。
ここで図２を参照すると、例示的なロータ組立体１２の部分断面図が示されており、単一のロータ突極２８の全体構造がより詳細に示されている。ロータ極２８は、軸１８の突起２２上に配置された薄板３０積層体で形成される。本明細書に例示するように、各ロータ薄板３０は、一般に蟻継ぎ形態を有し、ロータコアを形成する複数のロータ極２８は軸１８の円周に蟻継ぎされる。隣接する薄板３０積層体の間の極間間隙（すなわち、蟻継ぎ状凹部）３２は、永久磁石３４を受け入れ、それにより、回転により生じる遠心力５４に抗して、永久磁石３４を隣接する積層体の間に径方向に保持することを可能にする。更に、特定の実施形態において、ロータ組立体１２には、永久磁石３４を確実に拘束するための、ロータ組立体１２の外周面を覆う多数の上部ウェッジ３８が設けられる。更に、各薄板には、上部ウェッジ３８を部分的に覆うリップ状の特徴部５６が設けられる。これはまた、永久磁石３４がロータ組立体１２の蟻継ぎ状凹部３２内にしっかりと保持されることを確実にする。
一実施形態において、ロータ組立体１２には、軸１８の多数の下部構造２６上に配置された多数の下部ウェッジ３６が設けられる。好ましい実施形態において、下部ウェッジ３６は、非金属製であり、磁束漏れを防止し、それにより、渦電流損失を更に低減する。更に別の実施形態において、下部ウェッジ３６および下部構造２６は、下部ウェッジ３６の一部が多数の永久磁石３４より下の薄板３０積層体の間の蟻継ぎ状凹部３２内に位置するように構成される。これにより、薄板３０における「蟻継ぎ状」特徴部の傾斜面と突起２２に作用する遠心力の結果として多数の薄板３０積層体がばらばらになるのを防止する。しかしながら、その代わりに、多数の薄板３０積層体および多数の永久磁石３４をロータ組立体内に保持し、高速回転中にばらばらになるのを防止するように構築（すなわち、外側に突出した）された軸１８（図１Ｂ参照）により、下部の金属製ウェッジ３６を塞ぐこともできることが理解される。
図２に示すロータ極２８に関しては、それぞれの軸突起２２を受け入れるように構成された軸突起切欠き部５８が（薄板にレーザ切断されるなどより）ロータ薄板に形成されることが分かる。本発明の例示的な実施形態によれば、薄板３０に形成される軸突起切欠き部５８の位置は、それぞれのロータ極２８を形成する薄板間で異なる位置とすることができる。つまり、特定のロータ極２８を形成する薄板３０積層体に関して、軸突起切欠き部５８の位置／場所は、薄板積層体の異なる薄板３０に対して異なる角度で位置するように様々な位置／場所とすることができる。したがって、軸突起切欠き部５８は、薄板３０の中心に位置するものとして図２に示されており、薄板積層体ロータ極２８における他の薄板３０は、中心から角度的にオフセットされた軸突起切欠き部５８を含む。ロータ極２８を形成するロータ薄板３０における軸突起切欠き部５８のこのような角度変化は、ＩＰＭ機械１０においてトルクリップルを低減するロータ組立体１２に正味のロータシフトを導入する役割を果たす。ロータ薄板３０における軸突起切欠き部５８の角度変化は、ロータ組立体１２における単一の押出成形ロータ軸１８、および、以下に更に説明するように、永久磁石３４を形成するために使用され得る「磁石ブロック」の使用を可能にしつつ、トルクリップルの低減をもたらす。
ここで図３を参照すると、ＩＰＭ機械１０の斜視図が提供されており、このＩＰＭ機械１０では、角度が様々な軸突起切欠き部５８が形成されたロータ薄板３０の使用によりロータシフトが導入されている。図３に見られるように、ロータ組立体１２は、分割型ロータコア１６を集合的に形成する複数のロータ薄板３０積層体６０であって、各々が分割型ロータコアのそれぞれのロータ突極２８を形成する薄板３０積層体６０を含む。更に図３に見られるように、各薄板３０積層体６０は、ロータ軸１８に沿って軸線方向（方向６８）に配設された多くの薄板群６２、６４、６６（薄板群の各々は複数の薄板３０で形成される）に分割される。本発明の例示的な実施形態によれば、（各ロータ極２８に対して更に多くの薄板群を画定できることが理解されるが）それぞれのロータ極２８を形成する各薄板３０積層体６０は、第１の薄板群６２と、第２の薄板群６４と、および第３の薄板群６６とを含む。ロータ組立体１２の構造は更に、ロータ組立体１２の特定の軸線方向位置に対して、その特定の軸線方向位置におけるロータ薄板３０を「一組」７０のロータ薄板として集合的に称することができることを特徴とする。したがって、例えば、ロータ組立体１２の前端部において図３で視認可能である前部ロータ薄板３０を一組７０のロータ薄板３０として集合的に称する。
本発明の実施形態によれば、それぞれの薄板群６２、６４、６６の薄板３０に形成された軸突起切欠き部５８は、以下に更に詳述するように、隣接する薄板群６２、６４、６６における薄板３０に形成された軸突起切欠き部５８から角度的にオフセットされる。それぞれの薄板群６２、６４、６６の薄板３０に形成された軸突起切欠き部５８が他の薄板群６２、６４、６６の薄板３０に形成された軸突起切欠き部５８から角度的にオフセットされるので、各薄板群６２、６４、６６の角度位置は、単一の押出成形ロータ軸１８の使用に対応するように、他の群に対してずらされる。つまり、薄板積層体６０の薄板群６２、６４、６６を角度的にずらすことにより、ロータ軸１８が、それぞれの薄板積層体６０（すなわち、ロータ極２８）の薄板群６２、６４、６６に形成された角度的にオフセットされた軸突起切欠き部５８を貫通することができる。特定の軸線方向位置における一組７０のロータ薄板に関して、その組７０の各ロータ薄板３０は薄板内の同一位置に形成された軸突起切欠き部５８を含むことが更に理解される。
更に図３に示すように、ロータ極２８の隣接する各対の間に挿入される永久磁石３４は、実際には、（１つの磁石ブロック７２が薄板群６２、６４、６６の各々に対応した）多くの磁石ブロック７２で形成される（つまり、各永久磁石３４に対して、別個の磁石ブロック７２が各薄板群６２、６４、６６に関連付けられる）。ロータ極２８の薄板積層体６０の各薄板群６２、６４、６６をロータ極２８の他の薄板群６２、６４、６６に対して角度的にずらすことに続いて、永久磁石３４の各磁石ブロック７２を他の磁石ブロック７２に対してずらし、その結果、ＩＰＭ機械１０の動作中、特定の永久磁石３４の磁石ブロック７２が、ロータ組立体１２の回転中に同一のステータ巻線５０を異なるタイミングで通過する。これにより、ＩＰＭ機械１０においてトルクリップルは低減される。図３で分かるように、ロータ組立体１２へのブロック３４の挿入工程を簡略化するために、各永久磁石３４の磁石ブロック７２は、均一な大きさおよび形状を有する。
ここで図４〜図９を参照し、更に図３参照すると、薄板群６２、６４、６６に含まれるロータ薄板３０の様々な構造／形状が、本発明の実施形態に従って示されている。薄板３０は、一般に、「標準的な」薄板形態または「非標準的な」薄板形態を有するものとして説明することができ、標準的な薄板は、軸突起切欠き部５８が薄板３０の中心に位置しており、また、非標準的な薄板は、軸突起切欠き部５８が薄板３０の中心からオフセットされている。
まず図４および図５を参照すると、ロータ薄板７４に形成された軸突起切欠き部５８が中心（すなわち、中心線７６）から第１の角度方向７８にオフセットされた第１の非標準的な薄板形態を有するロータ薄板７４が示されている。本発明の実施形態によれば、ロータ薄板７４は、複数の薄板積層体６０の各々に第１の薄板群６２を形成するために使用される。このように、第１の薄板群６２の軸線方向長さの範囲内にある軸線方向位置を有するロータ組７０の各ロータ薄板７４（すなわち、第１の群の範囲内にある特定の軸線方向位置において軸を中心として円周に配設された全ての薄板）は、第１の非標準的な薄板形態を有する。図４および図５に示すように、軸突起切欠き部５８は、ロータ薄板７４の製造中に選択された（８０として表す）角度で中心からオフセットされるように形成される。軸突起切欠き部５８を中心から外して位置決めする角度８０は、最大値がスロットピッチの約半分であり、この角度は、極対数を乗じた２つのスロットの間の角度として定義される。中心７６からの軸突起切欠き部５８の角度オフセット８０がこの最大値未満であり得ることが理解される。
ここで図６および図７を参照すると、ロータ薄板８２に形成された軸突起切欠き部５８が薄板の中心に位置する（すなわち、中心線７６を中心として位置する）標準的な薄板形態を有するロータ薄板８２が示されている。本発明の実施形態によれば、ロータ薄板８２は、複数の薄板積層体６０の各々に第２の薄板群６４を形成するために使用される。このように、第２の薄板群６４の軸線方向長さの範囲内にある軸線方向位置を有するロータ組７０の各ロータ薄板８２は、標準的な薄板形態を有する。
ここで図８および図９を参照すると、ロータ薄板８４に形成された軸突起切欠き部５８が中心（すなわち、中心線７６）から第１の角度方向７８（図４）と反対方向である第２の角度方向８６にオフセットされた第２非標準的な薄板形態を有するロータ薄板８４が示されている。本発明の実施形態によれば、ロータ薄板８４は、複数の薄板積層体６０の各々に第３の薄板群６６を形成するために使用される。このように、第３の薄板群６６の軸線方向長さの範囲内にある軸線方向位置を有するロータ組７０の各ロータ薄板８４は、第２の非標準的な薄板形態を有する。図８および図９に示すように、軸突起切欠き部５８は、薄板の製造中に選択された（８８として表す）角度で中心７６からオフセットされるように形成される。軸突起切欠き部５８を中心から外して位置決めする角度８８は、最大値がスロットピッチの約半分であり、この角度は、極対数を乗じた２つのスロットの間の角度として定義される。中心からの軸突起切欠き部５８の角度オフセット８８がこの最大値未満であり得ることが理解される。
本発明の実施形態によれば、第１の薄板群６２の薄板７４および第３の薄板群６６の薄板８４に形成された軸突起切欠き部５８は、第２の薄板群６４の薄板８２に形成された軸突起切欠き部５８を中心として対称に形成されるように、中心７６から等しい角度（つまり、角度８０は角度８８と等しい）だけオフセットしてもよい。代替的に、本発明の別の実施形態によれば、第１の薄板群６２の薄板７４および第３の薄板群６６の薄板８４に形成された軸突起切欠き部５８は、第２の薄板群６４の薄板８２に形成された軸突起切欠き部５８を中心として非対称に形成されるように、中心７６から異なる角度（つまり、角度８０は角度８８と等しくない）だけオフセットしてもよい。ＩＰＭ機械１０の設計上の考慮事項により、薄板８２の軸突起切欠き部５８を中心として薄板７４、８４の軸突起切欠き部５８を対称に形成するかまたは非対称に形成するかを決定することができる。
したがって、有利なことに、本発明の実施形態は、トルクリップルが低減される分割型スポークロータＩＰＭ電気機械１０を提供する。様々な角度／位置で薄板に形成された軸突起切欠き部５８を有するロータ薄板７４、８２、８４を組み込むことは、単一のステータスロットシフトに相当する電気角度分のＩＰＭ機械１０に正味のロータシフトを導入する役割を果たす。ロータ薄板７４、８２、８４を組み込むことにより、押出成形スポークロータ軸、（ステータシフトのない）簡単なステータ構造、および（異形の磁石ブロックではなく）均一な寸法形状の永久磁石の使用を可能にし、それにより、ロータ組立体の製造上の複雑性を低減する利点を保持しつつ、こうしたトルクリップルの低減をもたらす。追加的に、トルクリップルを低減する他の技術は追加的な製造上の複雑性を伴うに対して、薄板の所要の形状への切断は機械的な処理であるので、ＩＰＭ機械１０の製造が更に簡略化される。
それゆえ、本発明の一実施形態によれば、内部永久磁石機械は、複数のステータティースを含むステータコアと、複数のステータティースの周りに巻回され、交流電流で励磁されるとステータ磁界を発生させるステータ巻線とを備えるステータ組立体を含む。内部永久磁石機械はまた、ステータ組立体により画定された空洞内に配置されかつステータ組立体に対して回転するように構成されたロータ組立体であって、主軸体から径方向外側に延びかつ主軸体を中心として円周に主軸体の軸線方向長さに沿って形成された複数の突起を備える軸と、複数の突起を受け入れるように、軸を中心として円周に配設された複数の薄板積層体であって、各々が軸の長さに沿って軸線方向に配設された複数の薄板群を備え、複数の薄板群の各々が複数の薄板を備える、複数の薄板積層体と、ステータ磁界と相互作用してトルクを生成する磁界を発生させるように構成された複数の永久磁石であって、各々が隣接する薄板積層体のそれぞれの対の間に配置される永久磁石とを更に含む、ロータ組立体を含む。複数の薄板の各々は、それぞれの軸突起を受け入れるように薄板に形成された軸突起切欠き部を含み、複数の薄板積層体の各々に対して、それぞれの薄板群の薄板に形成された軸突起切欠き部が、隣接する薄板群の薄板に形成された軸突起切欠き部から角度的にオフセットされる。
本発明の別の実施形態によれば、内部永久磁石機械を組み立てる方法は、ステータティースに巻回され、交流電流で励磁されるとステータ磁界を発生させるステータ巻線を備えた複数のステータティースを有するステータコアを備えるステータ組立体を用意することと、ステータ組立体により形成された空洞内で回転可能であるロータ組立体を用意することとを含む。ロータ組立体を用意するステップは更に、回転軸の軸線方向長さに沿って径方向に延びかつ軸を中心として円周に形成された複数の突起を備える軸を用意することと、複数の薄板積層体が軸の円周に位置決めされかつ複数の薄板積層体の各々が軸の軸線方向長さに沿って複数の薄板群として配設されるように、複数の薄板積層体を軸の複数の軸突起上に配置することであって、各薄板積層体における隣接する薄板群が互いに対して角度オフセットを有するように軸上に位置決めされるように、複数の薄板積層体を軸の複数の軸突起上に配置することとを含む。ロータ組立体を用意するステップはまた更に、複数の薄板積層体により画定された開口内に、ステータ磁界と相互作用してトルクを生成する磁界を発生させる複数の永久磁石を固定することを含む。
本発明の更に別の実施形態によれば、内部永久磁石機械に使用するロータ組立体は、軸体と、軸体から径方向外側に延びる複数の突起であって、軸の軸線方向長さに沿って軸を中心として円周に形成された複数の突起とを有する軸を含む。ロータ組立体はまた、径方向突起上に配置された複数の薄板積層体であって、複数の薄板積層体の各々が軸に沿って軸線方向に配設された複数の薄板群を備え、複数の薄板群の各々が複数の薄板を備える、複数の薄板積層体と、複数の薄板積層体の間に配置された複数の永久磁石とを備える。薄板積層体の複数の薄板群の各々における薄板の形状は、薄板積層体における複数の薄板群のうちの他の薄板の形状とは異なる。
本明細書では、最良の形態を含めて本発明を開示するとともに、任意の装置またはシステムの製造および使用ならびに任意の包含される方法の実行を含めて、当業者が本発明を実施できるようにもするために、例を使用する。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲により定義され、当業者が想到する他の例を含み得る。そのような他の例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有する場合、または、それらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の範囲内に含まれることが意図される。
１０ ＩＰＭ機械
１２ ロータ組立体
１４ ステータ組立体
１６ ロータコア
１８ ロータ軸、軸
２０ 長手方向軸線
２２ 突起、軸突起
２４ 主軸体
２６ 下部構造
２８ ロータ極
３０ 薄板、ロータ薄板
３２ 極間間隙、蟻継ぎ状凹部
３４ 永久磁石
３６ 下部ウェッジ、ウェッジ要素
３８ 上部ウェッジ
４０ ステータコア
４４ ステータティース
４６ 空洞
４８ ステータスロット
５０ 巻線
５２ ステータバックアイアン
５４ 遠心力
５６ リップ状の特徴部
５８ 軸突起切欠き部
６０ 積層体、薄板積層体
６２ 第１の薄板群
６４ 第２の薄板群
６６ 第３の薄板群
６８ 方向
７０ 組、ロータ組
７２ 磁石ブロック
７４ 薄板、ロータ薄板
７６ 中心、中心線
７８ 第１の角度方向
８０ 角度、角度オフセット
８２ 薄板、ロータ薄板
８４ 薄板、ロータ薄板
８６ 第２の角度方向
８８ 角度、角度オフセット
１２ ロータ組立体
１４ ステータ組立体
１６ ロータコア
１８ ロータ軸、軸
２０ 長手方向軸線
２２ 突起、軸突起
２４ 主軸体
２６ 下部構造
２８ ロータ極
３０ 薄板、ロータ薄板
３２ 極間間隙、蟻継ぎ状凹部
３４ 永久磁石
３６ 下部ウェッジ、ウェッジ要素
３８ 上部ウェッジ
４０ ステータコア
４４ ステータティース
４６ 空洞
４８ ステータスロット
５０ 巻線
５２ ステータバックアイアン
５４ 遠心力
５６ リップ状の特徴部
５８ 軸突起切欠き部
６０ 積層体、薄板積層体
６２ 第１の薄板群
６４ 第２の薄板群
６６ 第３の薄板群
６８ 方向
７０ 組、ロータ組
７２ 磁石ブロック
７４ 薄板、ロータ薄板
７６ 中心、中心線
７８ 第１の角度方向
８０ 角度、角度オフセット
８２ 薄板、ロータ薄板
８４ 薄板、ロータ薄板
８６ 第２の角度方向
８８ 角度、角度オフセット
Claims (22)
- 内部永久磁石機械であって、
複数のステータティース（４４）を含むステータコア（４０）と、
前記複数のステータティース（４４）の周りに巻回され、交流電流で励磁されるとステータ磁界を発生させるステータ巻線（５０）と、
を備えるステータ組立体（１４）と、
前記ステータ組立体（１４）により画定された空洞（４６）内に配置されかつ前記ステータ組立体（１４）に対して回転するように構成されたロータ組立体（１２）であって、
前記主軸体（２４）から径方向外側に延びる複数の突起（２２）であって、前記主軸体（２４）を中心（７６）として円周に前記主軸体（２４）の軸線方向長さに沿って形成された前記複数の突起（２２）を備える軸（１８）と、
複数の突起（２２）を受け入れるように、前記軸（１８）を中心（７６）として円周に配設された複数の薄板積層体（６０）であって、前記複数の薄板積層体（６０）の各々が前記軸（１８）の長さに沿って軸線方向（６８）に配設された複数の薄板群（６２、６４、６６）を備え、前記複数の薄板群（６２、６４、６６）の各々が複数の薄板（３０）を備える、前記複数の薄板積層体（６０）と、
前記ステータ磁界と相互作用してトルクを生成する磁界を発生させるように構成された複数の永久磁石（３４）であって、各々が隣接する薄板積層体（６０）のそれぞれの対の間に配置される永久磁石（３４）と、
を備える前記ロータ組立体（１２）とを備え、
前記複数の薄板（３０）の各々が、それぞれの軸突起（２２）を受け入れるように前記薄板（３０）に形成された軸突起切欠き部（５８）を含み、前記複数の薄板積層体（６０）の各々に対して、それぞれの薄板群（６２、６４、６６）の前記薄板（３０）に形成された前記軸突起切欠き部（５８）が、隣接する薄板群（６２、６４、６６）の前記薄板（３０）に形成された前記軸突起切欠き部（５８）から角度的にオフセットされる、内部永久磁石機械。 - 前記軸（１８）は、複数の突起（２２）が前記主軸体（２４）と一体に形成された、単一の連続軸を含む、請求項１に記載の機械。
- 隣接する薄板積層体（６０）のそれぞれの対の間に配置された各永久磁石（３４）は、１つの磁石ブロック（７２）が前記積層群の各々に対応した、多くの磁石ブロック（７２）を備え、請求項１に記載の機械。
- 前記複数の薄板積層体（６０）がロータコア（１６）を集合的に形成し、前記複数の薄板積層体（６０）の各々が前記ロータコア（１６）のロータ極（２８）を形成する、請求項３に記載の機械。
- 前記複数の薄板群（６２、６４、６６）が、第１の薄板群（６２）と、第２の薄板群（６４）と、第３の薄板群（６６）とを含み、前記第２の薄板群（６４）が前記第１の薄板群（６２）と第３の薄板群（６６）との間に軸線方向（６８）に位置決めされる、請求項１に記載の機械。
- 前記第２の薄板群（６４）の前記薄板（８２）に形成された前記軸突起切欠き部（５８）が、前記薄板（８２）の中心（７６）に位置するように形成される、請求項５に記載の機械。
- 前記第１の薄板群（６２）の前記薄板（７４）および前記第３の薄板群（６６）の前記薄板（８４）に形成された前記軸突起切欠き部（５８）が、前記薄板（７４、８４）の中心（７６）からオフセットされるように形成され、前記第１の薄板群（６２）の前記薄板（７４）に形成された前記軸突起切欠き部（５８）が、中心（７６）から第１の角度方向（７８）にオフセットされ、前記第３の薄板群（６６）の前記薄板（８４）に形成された前記軸突起切欠き部（５８）が、中心（７６）から前記第１の角度方向（７８）と反対方向の第２の角度方向（８６）にオフセットされる、請求項６に記載の機械。
- 前記第１の薄板群（６２）の前記薄板（７４）および前記第３の薄板群（６６）の前記薄板（８４）に形成された前記軸突起切欠き部（５８）が、前記第２の薄板群（６４）の前記薄板（８２）に形成された前記軸突起切欠き部（５８）を中心（７６）として対称に形成されるように、中心（７６）から等しい角度だけオフセットされる、請求項７に記載の機械。
- 前記第１の薄板群（６２）の前記薄板（７４）および前記第３の薄板群（６６）の前記薄板（８４）に形成された前記軸突起切欠き部（５８）が、前記第２の薄板群（６４）の前記薄板（８２）に形成された前記軸突起切欠き部（５８）を中心（７６）として非対称に形成されるように、中心（７６）から異なる角度だけオフセットされる、請求項７に記載の機械。
- 隣接する薄板群（６２、６４、６６）の前記薄板（３０）に形成された前記軸突起切欠き部（５８）間の角度オフセット（８０、８８）が、ステータスロットピッチの半分以下である、請求項１に記載の機械。
- 前記ステータ組立体（１４）およびロータ組立体（１２）が、分布巻線（５０）を有する分割型スポーク電気モータを構成する、請求項１に記載の機械。
- 内部永久磁石機械を組み立てる方法であって、
複数のステータティース（４４）の周りに巻回され、交流電流で励磁されるとステータ磁界を発生させるステータ巻線（５０）を備えた前記複数のステータティース（４４）を有するステータコア（４０）を備えるステータ組立体（１４）を用意することと、
前記ステータ組立体（１４）により形成された空洞（４６）内で回転可能であるロータ組立体（１２）を用意することであって、
前記回転軸の軸線方向長さに沿って径方向に延びかつ前記軸（１８）を中心（７６）として円周に形成された複数の突起（２２）を備える軸（１８）を用意することと、
複数の薄板積層体（６０）が前記軸（１８）の円周に位置決めされかつ前記複数の薄板積層体（６０）の各々が前記軸（１８）の前記軸線方向長さに沿って複数の薄板群（６２、６４、６６）として配設されるように、前記複数の薄板積層体（６０）を前記軸（１８）の前記複数の軸突起（２２）上に配置することであって、各薄板積層体（６０）における隣接する薄板群（６２、６４、６６）が互いに対して角度オフセット（８０、８８）を有するように前記軸（１８）上に位置決めされるように、前記複数の薄板積層体（６０）を前記軸（１８）の前記複数の軸突起（２２）上に配置することと、
前記複数の薄板積層体（６０）により画定された開口内に、前記ステータ磁界と相互作用してトルクを生成する磁界を発生させる複数の永久磁石（３４）を固定することと、
を含む前記ロータ組立体（１２）を用意することと、
を含む方法。 - 前記軸（１８）を用意することが、前記軸（１８）を単一の一体軸として押出成形することを含む、請求項１２に記載の方法。
- 前記複数の薄板積層体（６０）の各薄板（３０）に、軸突起（２２）を受け入れるように構成された軸突起切欠き部（５８）を形成することを更に含む、請求項１２に記載の方法。
- 前記軸突起切欠き部（５８）を形成することが、前記軸突起切欠き部（５８）を前記薄板（３０）にレーザ切断すること含む、請求項１４に記載の方法。
- 前記複数の薄板積層体（６０）の各々に対して、それぞれの薄板群（６２、６４、６６）の前記薄板（３０）に形成された前記軸突起切欠き部（５８）が、隣接する薄板群（６２、６４、６６）の前記薄板（３０）に形成された前記軸突起切欠き部（５８）から角度的にオフセットされる、請求項１４に記載の方法。
- 隣接する薄板群（６２、６４、６６）における前記軸突起切欠き部（５８）間の角度オフセット（８０、８８）が、ステータスロットピッチの半分である、請求項１６に記載の機械。
- 内部永久磁石機械に使用するロータ組立体（１２）であって、
軸体と、前記軸体から径方向外側に延びる複数の突起（２２）であって、前記軸（１８）の軸線方向長さに沿って前記軸（１８）を中心（７６）として円周に形成された前記複数の突起（２２）とを含む前記軸（１８）と、
径方向突起上に配置された複数の薄板積層体（６０）であって、前記複数の薄板積層体（６０）の各々が前記軸（１８）に沿って軸線方向（６８）に配設された複数の薄板群（６２、６４、６６）を備え、前記複数の薄板群（６２、６４、６６）の各々が複数の薄板（３０）を備える、前記複数の薄板積層体（６０）と、
前記複数の薄板積層体（６０）の間に配置された複数の永久磁石（３４）とを備え、
薄板積層体（６０）の前記複数の薄板群（６２、６４、６６）の各々における前記薄板（３０）の形状が、薄板積層体（６０）における前記複数の薄板群（６２、６４、６６）のうちの他の前記薄板（３０）の形状とは異なる、
ロータ組立体（１２）。 - 前記複数の薄板（３０）の各々が、それぞれの軸突起（２２）を受け入れるように前記薄板（３０）に形成された軸突起切欠き部（５８）を含み、前記複数の薄板積層体（６０）の各々に対して、それぞれの薄板群（６２、６４、６６）の前記薄板（３０）に形成された前記軸突起切欠き部（５８）が、隣接する薄板群（６２、６４、６６）の前記薄板（３０）に形成された前記軸突起切欠き部（５８）から角度的にオフセットされる、請求項１８に記載のロータ組立体（１２）。
- 隣接する薄板群（６２、６４、６６）における前記軸突起切欠き部（５８）の前記角度オフセット（８０、８８）が、単一のステータスロットシフトに相当する電気角度分の正味のロータシフトを導入する、請求項１９に記載のロータ組立体（１２）。
- 前記軸（１８）は、前記複数の突起（２２）が前記軸体と一体に形成された、単一の連続軸を含む、請求項１８に記載のロータ組立体（１２）。
- 隣接する薄板積層体（６０）のそれぞれの対の間に配置された永久磁石（３４）は、１つの磁石ブロック（７２）が前記複数の積層群の各々に関連付けられた、多くの磁石ブロック（７２）を備え、
トルクリップルを低減するために、各永久磁石（３４）を形成する前記磁石ブロック（７２）が、前記ロータ組立体（１２）の回転中に同一のステータコイルを異なるタイミングで通過するように、互いから角度的にオフセットされる、請求項１８に記載のロータ組立体（１２）。
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