JP2015500619A - 回転電気機械のためのロータ、および、このタイプのロータを備える回転電気機械 - Google Patents

Abstract

本発明はロータ（１）に関し、このロータは、該ロータの磁石本体（２）の外周部分（５）と中央部分（６）との間に一定間隔で分布されて外周極領域（７）を規定する永久磁石（３）により形成される複数の交互に並ぶ磁極を備える。極領域は、所定の極ピッチ（Θｐ）を有するとともに、ローブ形成径方向領域（８）を備える。本発明によれば、ローブ形成径方向領域は、極領域のそれぞれを通じて径方向に流れる有効磁束（ΦＵ）を最大にするように、且つ、外周部分を通じて流れる漏れ磁束（ΦＬ）を最小にするように、磁石を部分的に覆う。極領域は、有効磁束（ΦＵ）を最大にするように、且つ、漏れ磁束（ΦＬ）を最小にするように、所定の極重なり角（Θｒ）を有することができ、前記重なり角（Θｒ）は、ロータの軸の１つのポイントから見るローブ（８）の角度である。

Description

本発明は、回転電気機械のために設計される永久磁石を有するロータに関する。

また、本発明は、特に自動車の分野における用途のためのこのタイプのロータを備える回転電気機械に関する。

今日、永久磁石を有する同期機械は、出力、比出力、および、出力密度に関するそれらの性能の向上の結果として、自動車の分野において広範囲に及ぶ用途を有する。

これらの電気機械は、幅広い範囲の出力および速度を伴って製造することができ、“全電気”タイプの車両、ならびに、いわゆる“マイルドハイブリッド”タイプおよび“フルハイブリッド”タイプのＣＯ_２に基づく車両の両方において用途を有する。

“マイルドハイブリッド”用途は、一般に、約８〜１０ｋＷの電気機械、例えば、熱エンジンの前部に取り付けられて駆動ベルトによって熱エンジンに結合される電気モータに関係する。このタイプの電気モータを用いて、特にエンジン回転数を上げる最中に、付加的な電力を供給する電気トルク支援を行なうことにより、熱エンジンの容積を減少させることができる（“エンジン小型化”）。また、例えば都市環境内における低速での牽引をこの同じ電気モータによって確保することもできる。

この電力範囲内の電気機械の用途の他の例は、熱エンジンのダブルブーストシステムの遠心コンプレッサを駆動させることから成る。低速において、電気コンプレッサは、排ガスによって駆動されるターボコンプレッサを支援するとともに、容積の減少における付加的なステップを省くことを可能にする。“フルハイブリッド”タイプの用途は、一般に、より良好なレベルで電気モータを車両の牽引チェーンに組み込む直列および／または並列タイプのアーキテクチャのための３０〜５０ｋＷモータに関係する。

永久磁石を伴うこの機械の驚くべき性能レベルは、主に、１テスラを上回る残留磁気を有し得る、ネオジム−鉄−ホウ素（ＮｅＦｅＢ）、サマリウム−鉄（ＳｍＦｅ）、または、サマリウム−コバルト（ＳｍＣｏ）タイプの磁石などのレアアース磁石の開発に起因する。

しかしながら、複数の永久磁石がいわゆる“磁束集中”構造を伴うロータを構成する機械は、かなり前から、残留磁気が少ない磁石、例えば焼結フェライトまたは接着フェライトから得られる磁石を使用してかなりの磁束を得ることを可能にしてきた。

また、ある長い時間まで遡っても、このタイプの構造の寸法特性および磁気特性は、機械の電気出力を高めるべく多くの試験に取り組むことによってあるいはごく最近ではコンピュータシミュレーションを行なうことによって最適化されてきた。

永久磁石を伴うロータの磁極および磁石の寸法最適化の一例は、発明ＦＲ２．０８４．２７９の特許において１９７１年に開示された。

磁極の寸法最適化は、最近、好ましくない地政学的状況に起因して、レアアース磁石が益々高価になってきている結果として、もう一度世間の注目を浴びるようになってきた。

自動車用途のために設計される電気機械のロータにおけるレアアース磁石の使用はもはや経済的に実行不可能であるため、また、恐らく長持ちしないため、他の代替案は、フェライトに基づく磁石から成る。

しかしながら、フェライトの残留磁気はレアアース磁石の残留磁気よりも低いため、レアアース磁石をフェライトに置き換えると、性能レベルが低い機械がもたらされる。

したがって、本発明の目的は、ロータの極の形態を最適化して、極における磁束を最大にすること、したがって、特に機械のトルクを保持することである。

本発明の対象は、具体的には、第１の凹部内に配置される複数の永久磁石から形成される複数の交互に並ぶＮ極およびＳ極を備える回転電気機械のロータである。

これらの第１の凹部は、ロータの軸に沿って延びるとともに、ロータの磁石本体の外周部分と中央部分との間に一定間隔で分布され、それにより、所定の極ピッチを伴う複数の外周極領域を規定する。

当該ロータタイプの永久磁石は、第１の多角形径方向領域と、第１の軸方向対称面とを有する。

極領域は、それらに関する限り、ローブを外側に形成する第２の径方向領域と、第２の軸方向対称面とを有する。

本発明に係るロータは、このローブが、極領域のそれぞれで径方向に循環する有効磁束を最大にするように、且つ、ロータの外周部分で周方向に循環する漏れ磁束を最小にするように、永久磁石と部分的に重なり合い、ロータの極領域が、この有効磁束を最大にするように、且つ、漏れ磁束を最小にするように、所定の極重なり角を有し、この極重なり角が、ロータの軸の１つのポイントから見るローブの角度として規定され、極領域が、好ましくは、有効磁束を最大にするように、且つ、漏れ磁束を最小にするように、所定の重なり比率を有し、重なり比率が、所定の極ピッチに対する極重なり角の比率に等しく、重なり比率が０．３５〜０．５０の間にほぼ含まれるという点において区別される。

また、本発明に係るロータは、永久磁石の第１の径方向領域が、中央部分に近い楔の形態を成す部分に隣接する、外周部分に近い長方形部分を備えるという点において区別される。

非常に好適には、本発明に係るロータが少なくとも複数の第２の凹部を更に備え、これらの第２の凹部は、軸方向に延びるとともに、中央部分と外周部分との間のロータの中間部分で永久磁石間に配置される。

非磁性ブレースがこれらの第２の凹部内に配置されることが好ましい。

本発明に係るロータの変形実施形態では、非常に好適には、外周部分が軸方向溝を更に備え、これらの軸方向溝は、極領域間に配置されて永久磁石と対向するとともに、第１の凹部の開口を形成する。

利点は、本発明に係る回転電気機械のロータの永久磁石がフエライトから成るという事実から得られる。

また、本発明は、前述した特徴を有するロータを備える回転電気機械に関する。

これらの数少ない本質的仕様は、従来技術と比べた、本発明に係る回転電気機械のロータによっておよび対応する電気機械によって与えられる利点を当業者に明らかにする。

本発明の詳細な仕様は、添付図面と関連する以下の説明で与えられる。これらの図面が、単に説明の本文を例示する目的を果たすにすぎず、決して本発明の範囲の限定を成さないことに留意すべきである。

本発明に係る回転電気機械の、部分径方向断面で示されるステータ内に配置される、本発明の主要実施形態における永久磁石を有するロータの簡略的な径方向断面図を示す。 極重なり角にしたがった、極領域における有効磁束を表わす相間の起電力定数の変化を示す。 重なり比率にしたがった、極領域における有効磁束を表わす相間の起電力定数の変化を示す。 本発明に係る回転電気機械の、部分径方向断面で示されるステータ内に配置される、本発明の変形実施形態に係る永久磁石を有するロータの簡略的な径方向断面図を示す。 図５ａおよび図５ｂは、図１に示される発明の主要実施形態に係るロータを備える回転電気機械の、無負荷時の相間起電力の波形、および、対応する高調波レベルをそれぞれ示す。 図６ａおよび図６ｂは、図４に示される発明の変形実施形態に係るロータを備える回転電気機械の、無負荷時の相間起電力の波形、および、対応する高調波レベルをそれぞれ示す。

図１に表わされる本発明の主要実施形態における永久磁石を有するロータ１の簡略的な径方向断面は、複数の交互に並ぶ北極Ｎおよび南極Ｓを形成するように外周部分５と中央部分６との間に一定間隔で分布される第１の凹部４内の永久磁石３から成る磁石本体２における配置を明確に示す。

本発明に係るロータ１は磁束集中型のものである。永久磁石３は、全体的に略長方形の断面を有するが、ロータ１の軸Ｘ−Ｘ’へ向けて楔の形態を成して面取りされる。これらの永久磁石は、等角軸方向平面付近で対称的に延びる。

永久磁石３が内部に配置される第１の凹部４は、１０個の外周極領域７を画定する。

これらの極領域７のアセンブリは、径方向断面において、極Ｎ，Ｓの突出に対応する複数のローブ８を伴う略円形の形態を形成する。

極領域７は、永久磁石３間に配置される第２の凹部９を備える。これらの第２の凹部は、等角軸方向平面付近で対称的に延びる。

これらの第２の凹部９は、円形断面を有するとともに、ロータ１およびステータ１１の磁石本体２，１０を形成する金属プレートの組を保持する非磁性ブレースを受ける。

また、これらの第２の凹部９は、ロータ１における磁場の制御に向けて寄与する。

この機械の特定の実施形態によれば、１０個の永久磁石３を備えるロータ１は、複数のステータ歯１３を規定する複数の切り欠き１２を有するステータ１１の内側で回転し、ステータ歯の周囲にステータ巻線１４が配置される。

このタイプのロータを備える特定の実施形態の機械は、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用途のための例えば８〜１０ｋＷモータ／発電機である。

この機械は、それがモータとして機能しているその形態では、熱エンジンの始動、熱エンジンのためのトルク補助、車両の低速での電気牽引のため、且つ、遠心コンプレッサの駆動のために設計され得る。

ステータ電流は、ロータ１を駆動させる回転磁場を形成するステータ巻線１４を通過する。供給されるエンジントルクは、特に、ステータ電流の強度と、ロータ１における磁束とに依存する。

前文で説明されるように、レアアース永久磁石３をフェライト永久磁石３に置き換えるには、磁極Ｎ，Ｓを最適化して、ロータ１において同様の磁束を取得し、それにより、同じステータ強度において同じエンジントルクを維持する必要がある。

前述の特性を有するロータ１を備える電気機械のコンピュータシミュレーションは、本発明者がロータ１およびステータ１１における磁束の分配を立証できるようにした。

永久磁石３により形成されてロータ１の磁石本体２で循環する磁束が、極領域７で径方向に循環する有効磁束ΦＵと、ロータ１の外周部分５で周方向に循環する漏れ磁束ΦＬとの間で分配されることが立証された。

有効磁束ΦＵは、極領域７のローブ８による永久磁石３の重なり合いに依存する。この重なり合いが大きければ大きいほど、有効磁束ΦＵを更に増大させることができるが、漏れ磁束ΦＬも増大し、これは、有効磁束ΦＵを減少させるという効果を有する。したがって、シミュレーションにより決定される最適な重なり合いが存在し、その最適な重なり合いにおいては、有効磁束ΦＵが最大であり、漏れ磁束ΦＬが最小である。

極重なり角Θｒ、すなわち、ロータ１の軸Ｘ−Ｘ’の１つのポイントから見るローブ８の角度は、極領域７による永久磁石３の重なり合いを定量化できるようにするパラメータである。

図１は、ロータ１の外周上のローブ８による永久磁石３の部分的な重なり合いの一例を明確に示す（この場合、破線は、最適化されないロータの外表面を示す）。

図２は、前述したロータを備える回転電気機械の特定のプロトタイプのコンピュータシミュレーションの結果であり、１０°〜３０°（絶対値）の間にほぼ含まれる極重なり角Θｒの値における相間起電力定数Ｋｅの進展を示す。

この定数Ｋｅは有効磁束ΦＵを表わしている。１２°よりも小さい極重なり角Θｒ（重なり合いが小さいあるいは無い）および１８°よりも大きい極重なり角Θｒ（漏れ磁束ΦＬが優位になる）において相間起電力定数が減少することが見出される。したがって、１２°〜１８°の間にほぼ含まれる角度重なり角Θｒの最適値の範囲ΔΘｒが存在し、この範囲では、有効磁束ΦＵが最大であり、漏れ磁束ΦＬが最小である。

発明者は、任意の数Ｎｐの極Ｎ，Ｓを伴うロータ１に適用される最適化パラメータが、ロータ１の極ピッチΘｐ（極ピッチΘｐ（度）は３６０°／Ｎｐに等しい）に対する極重なり角Θｒの比率Θｒ／Θｐとして規定される重なり比率Ｒであると決定した。

コンピュータシミュレーションによって同様に立証された図３は、１０個の極を伴う前述したロータ（Θｐ＝３６°）におけるこの重なり比率Ｒにしたがった相間起電力定数Ｋｅの進展を示す。

Ｋｅの最大値（すなわち、有効磁束ΦＵの最大値）が０．３５〜０．５０の間にほぼ含まれるＲの値の組ΔＲにおいて得られることが見出される。本発明に係る最適化されたロータ１と最適化されないロータ（図１に破線で表わされる）との間の利得は約５％である。

ロータ１のこの最適化された構造は、永久磁石３の本体を過度に増大させることなく、レアアース磁石の代わりにフェライトが使用されるときに機械の性能レベルを維持できるようにする。

定数技術を用いると、ロータ１における磁束の増大へ向けて寄与する本発明は、所定のトルクを生み出すために必要なステータ１１により形成される回転磁場の強度を低下させることも可能にし、結果として、ステータ巻線１４をもたらすために必要な銅の本体を減少させることを可能にする。

永久磁石および銅の本体の減少は、製造コストを低減させることを可能にし、したがって、車両機器の非常に競合する分野で商業上の利益を与える。

しかしながら、極重なり角を使用する、本発明の前述した主要実施形態における極Ｎ，Ｓの形状の最適化の可能性は、永久磁石３に対して多かれ少なかれ厚い外周部分５が漏れリラクタンスを有するという事実によって制限される。

図４に示される変形実施形態において、ロータ１の外周部分５は、極領域７間に配置されて永久磁石３と対向する軸方向溝１５を更に備える。これらの溝１５は、第１の凹部４に開口を形成するとともに、磁石３を空隙１６内の空気に晒す。したがって、これらの溝は、極重なり角Θｒを増大させることができるようにする磁束バリアを構成し、この磁束バリアは、漏れ磁束ΦＬの過度に大きな増大をもたらさない。

この変形例の利点は、２つの実施形態のそれぞれに対応する一方の図６ａおよび図６ｂと他方の図５ａおよび図５ｂとを比較して示されるように、トルクおよび起電力の高調波歪みの減少のおかげにより、機械により発生される磁気ノイズが主要実施形態と比べて減少することである。

実際に、この変形例（図４）に係るロータ１を備える機械の無負荷時の相間起電力Ｕ２ｐｈ−ｐｈの波形１７は、図６ａにおいてはほぼ正弦曲線であるように見え、一方、図５ａにおいては歪み１８を有する。

図６ｂは、基本高調波１９以外の高調波が存在しないことを裏付け、一方、主要実施形態に係るロータ１を備える機械（図１）の無負荷時の他の相間起電力Ｕ１ｐｈ−ｐｈでは、基本高調波１９の６％を超える大きさを伴う第５ランクの高調波２０が存在する。

本発明が単に前述した好ましい実施形態に限定されないことが認識される。

先に明記された数値とは異なる数値、特に、前述したタイプのロータを備え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極の異なる数Ｎｐに基づく他の実施形態は、それらが以下の特許請求の範囲から導き出されれば、本発明の文脈から逸脱しない。

Claims (7)

1. 回転電気機械のロータ（１）であって、前記ロータ（１）の軸（Ｘ−Ｘ’）に沿って延びるとともに、所定の極ピッチ（Θｐ）を伴う複数の外周極領域（７）を規定するように、前記ロータ（１）の磁石本体（２）の外周部分（５）と中央部分（６）との間に一定間隔で分布される第１の凹部（４）内に配置される複数の永久磁石（３）から形成される複数の交互に並ぶ北（Ｎ）極および南（Ｓ）極を備え、前記永久磁石（３）が第１の多角形径方向領域と第１の軸方向対称面とを有し、前記極領域（７）がローブ（８）を外側に形成する第２の径方向領域と第２の軸方向対称面とを有する、ロータ（１）において、前記ローブ（８）は、前記極領域（７）のそれぞれで径方向に循環する有効磁束（ΦＵ）を最大にするように、且つ、前記外周部分（５）で周方向に循環する漏れ磁束（ΦＬ）を最小にするように、前記永久磁石（３）と部分的に重なり合い、前記極領域（７）は、前記有効磁束（ΦＵ）を最大にするように、且つ、前記漏れ磁束（ΦＬ）を最小にするように、所定の極重なり角（Θｒ）を有し、前記極重なり角（Θｒ）は、前記ロータの前記軸（Ｘ−Ｘ’）の１つのポイントから見る前記ローブ（８）の角度であり、前記極領域（７）は、前記有効磁束（ΦＵ）を最大にするように、且つ、前記漏れ磁束（ΦＬ）を最小にするように、所定の重なり比率（Ｒ）を有し、前記重なり比率（Ｒ）は、前記所定の極ピッチ（Θｐ）に対する前記極重なり角（Θｒ）の比率に等しく、前記重なり比率（Ｒ）が０．３５〜０．５０の間にほぼ含まれることを特徴とする回転電気機械のロータ（１）。
2. 前記第１の径方向領域は、前記中央部分（６）に近い楔の形態を成す部分に隣接する、前記外周部分（５）に近い長方形部分を備えることを特徴とする請求項１に記載の回転電気機械のロータ（１）。
3. 少なくとも複数の第２の凹部（９）を備え、これらの第２の凹部（９）は、軸方向に延びるとともに、前記中央部分（６）と前記外周部分（５）との間の前記ロータ（１）の中間部分で前記永久磁石（３）間に配置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電気機械のロータ（１）。
4. 非磁性ブレースが前記第２の凹部（９）内に配置されることを特徴とする請求項３に記載の回転電気機械のロータ（１）。
5. 前記永久磁石（３）がフェライトから成ることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の回転電気機械のロータ（１）。
6. 前記外周部分（５）が軸方向溝（１５）を更に備え、これらの軸方向溝は、前記極領域（７）間に配置されて前記永久磁石（３）と対向するとともに、前記第１の凹部（４）の開口を形成することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の回転電気機械のロータ（１）。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載のロータ（１）を備えることを特徴とする回転電気機械。

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