JP2015510387A - 電気機械 - Google Patents

Abstract

ステータ（８）を有し、回転軸（４）を備えたロータ（６）を有する電気機械（２）、特に、自動車の電気モータに関する。電気機械（２）とは、特に、ブラシレス電気モータ（ＤＣモータ）を意味するか、または同期機械であるが、同時に発電機でもあるものを意味すると解釈される。ステータ（８）及びロータ（６）の一方は電磁石構造体（１２）を有し、他方は、永久磁石（３２）の第一の部分（３６）と永久磁石（３２）の第二の部分（３８）を備える永久磁石構造体（３４）を有する。少なくとも動作温度で、第一の部分（３６）の保磁力（ＨｃＪ１）は第二の部分（３８）の保磁力（Ｈｃｊ２）より大きい。

Description

本発明は、ステータを有し、回転軸を備えたロータを有する電気機械に関する。この場合、電気機械とは、特に、ブラシレス電気モータ（ＤＣモータ）を意味するか、または同期機械であるが、同時に発電機でもあるものを意味すると解釈される。

自動車産業または自動車では、電気モータ（ＤＣモータ）は、例えば、ウインドウリフト、サンルーフ、もしくはシート調整駆動部として、および／またはステアリングホイール駆動部として（電動ステアリング）、冷却ファン駆動部として、またはトランスミッションアクチュエータとして、様々な駆動要素の駆動部で使用される。そのような電気モータは、比較的高いトルクまたは出力密度を有し、特に、例えば、最大で少なくとも１２０℃の比較的高い温度においても確実に動作しなければならない。

原則的に、ブラシ付き電気モータ（整流子モータ）および／または界磁巻線を設けたステータで囲まれたロータに、永久磁石を装備した、または設けたブラシレス電気モータが、自動車分野で使用される。典型的には、ロータおよびステータはともに積層体として作製され、ステータスロットが間に位置するステータ歯が、界磁巻線のコイルを支持する。コイルは、常に磁化されたロータにトルクを生じさせる回転磁界を発生させるために、（電子）回路によって制御される。

例えば、ステータ側の界磁巻線またはコイル内に誘導された電流ピークによってもたらされた高い動作温度および（外部）磁界の両方により、ロータ側の永久磁石の望ましくない端部磁化が引き起こされることがあるので、可能な限り高い保磁力を有する磁石材料または合金が通常使用される。したがって、可能な限り高い保磁力を得るために、通常、希土類元素からなる要素、またはある量の希土類元素を含む合金が使用される。この点について、保磁力を高め、使用できる温度範囲を広げるために、２つの軽希土類元素（ＬＲＥＥ）、特に、サマリウム−コバルト、またはネオジウム−鉄−ボロン合金、およびテルビウム−またはジスプロシウム−含有合金が採用されている。しかし、その一方で、例えば、テルビウムおよび、特に、ジスプロシウムなどのいわゆる重希土類元素（ＨＲＥＥ）は、コストが次第に高くなっている。

本発明の目的は、特に比較的低価格で製造することができ、有利には、比較的高い耐減磁性を有する、特に適切な電気機械を提供することである。

その目的は、請求項１の特徴により、本発明に従って達成される。有利な改良形態および実施形態は、本明細書で言及する、従属請求項の対象である。

電気機械は、特に電気モータ、好ましくはブラシレスＤＣモータであり、ステータおよびロータを含む。ロータは、ステータに対してロータ軸のまわりに回転可能に取り付けられ、ロータは、例えば、ステータの内側に配置される。あるいは、ロータは、アウターロータの態様でステータを囲む。ステータおよびロータは、ハウジング内に適切に配置され、ハウジングは、ステータおよびロータの両方を起こり得る損傷および／または環境影響から保護する。

ステータまたはロータのいずれかは、特定の位置で２つの部品、すなわち、ロータまたはステータの他方に取り付けられた少なくとも１つのコイル体を備えた電磁石構造体を有する。コイル体は、好ましくは、エナメル銅線からなり、電気機械が電気モータの場合に、時間変化する磁界を発生させるために使用される。これは、端部端子（ｔｅｒｍｉｎａｌ ｅｎｄ）を介してコイルに通電することで可能になる。発電機として使用時に、誘導電圧がコイル本体から取り出される。

電磁石構造体のないステータまたはロータは、永久磁石構造体を含む。言い換えると、ステータまたはロータのいずれかは電磁石構造体を有し、他方は永久磁石構造体を有する。特に好ましくは、電磁石構造体はステータの一部であり、永久磁石構造体はロータの一部である。

永久磁石構造体は、永久磁石の第１の部分および第２の部分を有し、特定の部分の永久磁石は、特定の位置に配置される。各部分は、少なくとも１つの永久磁石を含み、特定の部分の永久磁石は、例えば、同一に形成される。好ましくは、２つの部分の永久磁石の数量は互いに対応し、特に同じであるか、または、例えば、一方の数量は他方の数量の整数倍である。

永久磁石の第１の部分の保磁力は、第２の部分の保磁力よりも大きい。言い換えると、第１の部分の各永久磁石の保磁力は、第２の部分の各永久磁石の保磁力よりも大きく、好ましくは、各部分のすべての永久磁石の保磁力は同じである。この特性は、少なくとも、電気機械の動作温度において当てはまり、動作温度は、特に、特定の動作時間を経て調整される。

例えば、動作温度は、永久磁石構造体の領域内で、好ましくは、永久磁石構造体の各永久磁石に対して測定される。この場合に、最大動作温度は８０℃〜１２０℃である。例えば、動作温度未満の温度でも同様に、第１の部分の保磁力は、第２の部分の保磁力よりも大きい。

好ましくは、第１の部分の永久磁石は、それ自体望ましくない、または回避すべき比較的高い動作温度、（外部）磁界、または磁束のために、すなわち、電磁石構造体が動作中であるために、減磁の発生が比較的顕著である露出した位置に配置される。減磁に対して比較的耐性のある第１の部分の永久磁石の位置を特定することで、永久磁石構造体の十分な耐減磁性が保証される。その結果、第２の部分の永久磁石は、第１の部分の永久磁石ほど減磁作用を受けないので、第２の部分の永久磁石を比較的低価格の材料で製造することが可能になる。

適切には、特定の部分のすべての永久磁石は同じ材料で製造され、好ましくは同じ構造を有する。例えば、特定の部分のすべての永久磁石は、同じ加工ステップで製造されるか、またはブロック磁石から切断され、２つの部分に対して異なるブロックが使用される。あるいは、永久磁石構造体のすべての永久磁石は同じ材料であるが、異なる方法で製造され、そのため、保磁力に差違がある。

適切には、少なくとも動作温度において、第２の部分の残留磁気は、第１の部分の残留磁気よりも大きい。その結果として、第２の部分の永久磁石によって、体積当たりに発生する磁界は、第１の部分の永久磁石のものよりも強い。したがって、第２の部分の永久磁石を用いて、永久磁石構造体の比較的強い磁界を実現することが可能であり、永久磁石構造体の起こり得る減磁が、第１の部分の永久磁石によって防止される。このように、両方の部分の永久磁石は、特定の意図した使用法に対して最適化することができ、それにより、特定の他方の特徴、すなわち、保磁力または残留磁気（残留磁束密度）は、より低い程度であると考えられる。永久磁石構造体の永久磁石は、このように両方の要件を満たす必要がなく、その結果としてコストが節減され、それにもかかわらず、電気機械は、比較的高い性能要件を満たす。

本発明の適切な実施形態では、電気機械の電磁石構造体を有する部品、つまり、ステータまたはロータから第１の部分の永久磁石までの距離は、第２の部分の永久磁石までの距離よりも短い。そのため、電気機械が、永続的に磁化されたロータを有するインナーロータ型の場合、第１の部分の永久磁石は、第２の部分の永久磁石と比較して半径方向外側にシフトされる。そのような配置のために、第２の部分は、動作中に、電磁石構造体による減磁作用から保護され、好ましくは、これらの発生した磁界の一方は、第１の部分の磁石を用いて誘導される。それに対して、第１の部分は、好ましくは電磁石構造体に比較的接近して配置されるので、電磁石によって発生した磁界は、主に第１の部分の領域で永久磁石構造体と相互作用する。

都合よくは、第１の部分の１つの永久磁石と第２の部分の１つの永久磁石とが組み合わされてハイブリッド磁石を形成し、このハイブリッド磁石は、回転軸に対して半径方向に配置される。互いにあてがわれた第１の部分および第２の部分の永久磁石は、こうして、特に、半径方向の直線上に少なくとも部分的に置かれる。このようにして、第２の部分の永久磁石は、電磁石構造体による減磁作用から十分に保護される。適切には、この場合に、各部分の永久磁石の数量は同じであり、そのため、ハイブリッド磁石の数量は、特にこの数量に一致する。言い換えると、ハイブリッド磁石は、すべての永久磁石から形成される。好ましくは、ハイブリッド磁石の数量は８個〜１０個である。

都合よくは、当該ハイブリッド磁石または各ハイブリッド磁石の２つの永久磁石の磁化方向は互いに平行である。したがって、第２の部分の永久磁石の減磁を推進する磁界は、第１の部分の永久磁石によって発生しない。さらに、第２の部分の永久磁石の磁界による、第１の部分の永久磁石の減磁は防止されるか、または少なくとも弱められる。さらに、電気機械が停止されると、ひいては、電磁石構造体が通電されないと、第１の部分の永久磁石は、第２の部分の永久磁石によって元の磁化方向に再度磁化され、そのために、電気機械の寿命が延びる。

この効果は、当該ハイブリッド磁石または各ハイブリッド磁石の２つの永久磁石の直接的な機械接触によって高められる。さらに、両方の永久磁石のこの種の配置の場合、磁化方向とは無関係に設置空間が縮小され、ロータまたはステータに取り付ける前であっても、当該ハイブリッド磁石または各ハイブリッド磁石を製造することが可能になる。特に、このために、２つの永久磁石はともに接着される。２つの永久磁石の平行磁化では、２つの永久磁石が、相互作用する磁気力により互いに結合されるために、この接着はなくすことができる。

例えば、第１および／または第２の部分の永久磁石の断面は、回転軸に対して矩形である。あるいは、断面は特に台形である。都合よくは、この場合に、互いに平行な台形の２つの辺の短い方が、回転軸の方向に向けられる。このようにして、比較的大きい体積の磁石材料が得られ、比較的小径の電気機械を実現することもできる。特に好ましくは、当該ハイブリッド磁石または各ハイブリッド磁石を形成する第１の部分の永久磁石の断面は長方形であり、第２の部分の永久磁石の断面は台形である。この場合に、２つの永久磁石は、互いに密着して適切に置かれる。言い換えると、互いに対向する辺の長さは一致する。したがって、第２の部分の永久磁石の減磁が防止され、第２の部分の永久磁石によって発生した磁界は、電磁石構造体によって発生した磁界と比較的強力に相互作用する。

適切には、永久磁石構造体は、第１の部分または第２の部分のいずれかに割り当てられた少なくとも２つの台形永久磁石を含む。いくつかの第３の部分の永久磁石は、これらの台形永久磁石の間に配置される。好ましくは、２つの数量は同じであるので、第３の部分と、第１の部分または第２の部分とは、円周方向に交互に配置される。例えば、第３の部分の永久磁石もまた台形である。特に、この場合に、すべての台形永久磁石は、互いに対向するそれらのそれぞれの側面で互いに当接し、台形の平行な辺は回転軸に対して接線方向である。

好ましくは、この場合に、第１の部分の永久磁石は長方形であり、第２の部分の永久磁石を囲む。その結果、第３の部分の磁石は囲まれない。特に、第３の部分の永久磁石の磁化方向は他と異なる。永久磁石構造体の磁界は、このようにして、第３の部分の永久磁石によって適切に形成される。特に、磁化方向はほぼ半径方向である。その結果として、これは、第３の部分の材料として、比較的小さい保磁力を有する材料の使用を可能にするが、その理由は、電磁石構造体によって発生した磁界による減磁作用が、主に、接線方向に磁化された永久磁石に影響を及ぼすからである。さらに、別の磁石材料が第３の部分によって提供されて、電気機械の性能を高める。

都合よくは、第３の部分の保磁力は、第１および／または第２の部分の保磁力とは異なる。それに代えて、またはそれと組み合わせて、第３の部分の残留磁気は異なる。適切には、この場合に、第３の部分の残留磁気は、第１の部分の残留磁気よりも大きく、保磁力は、第２の部分の保磁力よりも大きい。これは、例えば、第３の部分の永久磁石の製造に重希土類元素を使用することで実現される。実際上、このようにして、材料が高くつくが、電気機械の寿命および性能の両方も向上する。しかし、重希土類元素合金だけで永久磁石構造体を製造した場合と比較して、寿命および性能がほぼ同じ場合に、製造コストが削減される。

都合よくは、当該ハイブリッド磁石または各ハイブリッド磁石は、積層体のポケットに配置される。この場合、ポケットの伸長方向は、回転軸にほぼ平行であるのが好ましく、積層板は、軟磁性材料で構成される。例えば、エナメル層を用いて、互いから絶縁された個々の積層板を使用することで、本来なら電気機械の効率を下げることになる寄生誘導電流の伝播が抑制される。さらに、永久磁石は、損傷および／または、例えば、本来なら腐食を引き起こす環境影響から保護される。ハイブリッド磁石は、積層体のポケットに挿入しさえすればよいので、ハイブリッド磁石の組立ても容易になる。特に、ロータに取り付ける場合、電気機械の動作中に、遠心力によってハイブリッド磁石が緩むのが防止される。

本発明の代替の実施形態によれば、中心が、特に、ロータの回転軸上にある、下記に第１のリングまたは第２のリングと称されるリングは、いずれも第１および第２の部分から形成されるようになっている。この点について、リングは、要素磁石からリングの形態に組み立てられるか、または特定の部分の材料から型で作られ、例えば、焼結もしくは成形される。第１のリングから電磁石構造体までの距離は、この場合も、第２のリングの距離よりも短い。例えば、インナーロータとして形成されたロータが電磁石構造体を有する場合、第２のリングは第１のリングを囲む。それに対して、電磁石構造体を有するアウターロータの場合、第１のリングが第２のリングを囲む。電気機械の製造は、２つのリングを使用することで簡単になるが、その理由は、２つのリングだけを取り付けさえすればよいからである。さらに、可能な要素磁石の向きを考慮する必要がなく、それでもなお、永久磁石構造体の磁界は所望の形を有する。

これに関連する有利な改良形態において、第１および第２のリングは、互いに機械的に直接接触する。言い換えると、２つのリングは互いに当接し、有利には、２つのリングの一方は、円周方向に他方を囲む。したがって、インナーリングの外径は、アウターリングの内径と同じである。例えば、２つのリングは、密着嵌めおよび／または圧力嵌めを用いて互いに結合することができる。２つのリングは、ロータまたはステータに取り付ける前に、ユニットとして製造できるので、この場合もこうして製造が簡単になる。その結果として、単一部品だけをロータまたはステータに取り付けさえすればよい。

適切には、ロータとステータとの間に形成された空隙は、第１のリングに隣接する。言い換えると、第１のリングは、回転軸に対して半径方向に、第１のリング付近のロータまたはステータに最も近いステータまたはロータ要素である。このように、永久磁石構造体と電磁石構造体との間の間隔が比較的狭くなって、漂遊磁界が抑制され、電気機械の誘導作用が高まる。特に、第１のリングの材料は、比較的耐腐食性があり、一方、第２のリングの材料は、電気機械の比較的長い寿命を保証するのに、この特性を完全に満たす必要はない。都合よくは、第１のリングの材料はセラミックである。

例えば、永久磁石構造体は、残留磁気が第１および／または第２の部分とは異なる第３の部分から形成された第３のリングを含む。例えば、さらに保磁力も異なる。適切には、第３の部分の残留磁気は、第１の部分の残留磁気よりも大きく、保磁力は、第２の部分の保磁力よりも大きい。特に、第３の部分は重希土類元素を有する。

第３のリングは、第１のリングとは反対側の、第２のリングの側面に配置される。特に、第２のリングは、第１および第３のリングによって、内側および外側を半径方向に囲まれ、それによりリングは都合よくは互いに当接する。このように、第２のリングは、減磁から比較的効果的に保護される。

有利には、各リングは８個〜１０個の磁極を有する。このために、各リングは、型成形中か、または型成型後、例えば、電気機械に取り付けた後のいずれかで適切な磁界にさらされる。その結果、電気機械が電気モータとして使用される場合、比較的一定のトルクバンドが保証され、発電機として使用される場合、比較的一定の電流流れが保証される。

都合よくは、リングはいずれも同じ数量の磁極を有し、これらの磁極は、互いに対して半径方向に配置されるのが好ましい。言い換えると、２つのリング間の磁極近辺の磁界はほぼ一定であり、半径方向に向けられる。特に、リングが互いに直接当接する場合、リングは相互磁力によって互いにくっつくので、永久磁石構造体の製造が簡単になる。

都合よくは、第１の部分の材料は、焼結されるのが好ましいフェライトである。あるいは、材料は、例えば、焼結したＳｍＣｏ、またはＮｄＦｅＢ、（ＮｄＤｙ）ＦｅＢである。材料を型成形することも可能であり、ＮｄＦｅＢ、ＳｍＣｏ、またはＳｍＦｅＮを使用するのが好ましい。例えば、第２の部分と同じ材料が使用され、組成のタイプおよび／または製造が、第１の部分の高い保磁力を達成するために調整される。

例えば、材料は、第１および第２の部分に対して同じであり、これは、特定の永久磁石の直接的な機械接触による接触腐食を防止する。適切には、軽希土類元素を有する合金が、第２の部分の材料として使用される。この合金は、特に、比較的高い残留磁気によって特徴付けられ、このために、電気機械の性能が向上する。それに伴う、重希土類元素の使用と比較して低い保磁力は、第１の部分の使用によって補償される。特に好ましくは、第２の部分は、比較的高い供給性および高い残留磁気を有するＮｄＦｅＢで構成される。

特に、永久磁石構造、適切には、電気機械全体は、重希土類元素が含まれていない。電気機械全体は、少なくとも、ジスポシウムおよび／またはテルビウムを全く有しない。このようにして、比較的コスト効率よく電気機械を製造することが可能になる。

本発明の例示的な実施形態が、図面を使用して下記に詳細に説明される。

永久磁石の第１および第２の部分を有する電気機械を断面図で示す。 代替の実施形態を詳細に示す。 複数のハイブリッド磁石を有する電気機械のさらなる実施形態を断面図で示す。 代替の実施形態を詳細に示す。 ハイブリッド磁石の代替の実施形態を示す。 図２ａによる電気機械のさらなる実施形態を示す。 図２ｂに従った代替の実施形態を示す。 図２ａによる電気機械のロータのさらなる実施形態を示す。 図２ａによる電気機械の最後の実施形態を示す。

すべての図において、互いに対応する部品には同じ参照符合が付与されている。

同期機械として設計され、電気モータとして使用される電気機械２の第１の実施形態が図１に示されている。ここで、電気機械２は、ステータ８によって囲まれたロータ６の回転軸４に垂直な断面図で示され、空隙１０がロータ６とステータ８との間に形成されている。ステータ８は、軟磁性ステータ積層体１４を有する電磁石構造体１２を含み、積層体１４は１５個の歯１６を有し、各歯１６は、回転軸４に平行に延びるスロット１８によって分離されている。２つの隣接するスロット１８に配置されたコイル２０は、各歯１６のまわりに巻き付けられている。コイル２０は、エナメル線で作られ、電子回路（図示せず）を用いて通電される。したがって、電気モータ２はブラシレスである。

ロータ６は、断面が正十角形で実質的に非磁性のコア２４によって囲まれたシャフト２２を有する。コア２４は、軟磁性積層体２６によって形状を合わせた形で囲まれ、結果として、比較的小さい保磁力を有する。回転軸４に平行に延びる、大きさが等しい１０個の第１のポケット２８、および大きさが等しい１０個の第２のポケット３０は、積層体の中に作られ、第２のポケット３０の容積は、第１のポケット２８の１／１０である。永久磁石構造体３４の永久磁石３２は、ポケット２８、３０内に形状を合わせた形で配置され、永久磁石３２は、第１の部分３６および第２の部分３８に分割されている。それに関して、第１の部分３６は第１のポケット２８に割り当てられ、第２の部分３８は第２のポケット３０に割り当てられている。第１の部分３６の永久磁石３２は焼結フェライトでできており、第１の部分３６のすべての永久磁石３２に対して同じである第１の保磁力Ｈｃｊ_１および第１の残留磁気Ｂｒ_１を有する。

ＮｄＦｅＢからなる、第２の部分３８の永久磁石３２は、一定の第２の保磁力Ｈｃｊ_２および一定の第２の残留磁気Ｂｒ_２を有する。この場合に、第２の部分３８の永久磁石３２は、第２の残留磁気Ｂｒ_２が最大になるように作られる。これは、比較的小さい第２の保磁力Ｈｃｊ_２をもたらす。この状況は第１の部分３６の永久磁石３２と対照的であり、第１の保磁力Ｈｃｊ_１は比較的大きい。少なくとも、４０℃〜８０℃であるが、さらに最大で１２０℃または１４０℃になることさえあり得る、電気機械２の動作温度Ｔにおいて、第１の保磁力Ｈｃｊ_１は、第２の保磁力Ｈｃｊ_２よりも大きく、第２の残留磁気Ｂｒ_２は、第１の残留磁気Ｂｒ_１よりも大きい。

第１の部分３６の永久磁石３２の磁化方向は接線方向であり、永久磁石３２は、隣接する永久磁石３２の磁気Ｎ極および磁気Ｓ極がいずれも互いに向けられるように第１のポケット２８内に配置される。それに対して、第２の部分３８の永久磁石３２は、それらの特定のＮ極またはＳ極が、第１の部分３６の永久磁石３２のそれぞれの反対の磁極に向けられるように配置および磁化される。結果として、第１の部分３６の２つの永久磁石３２の２つのＮ極間に配置された、第２の部分３８の永久磁石３２の１つのＳ極は回転軸４に向けられ、それに対して、Ｎ極は、ステータ８の方向を向いている。

コア２４を削除した代替の実施形態が図１ｂに詳細に示されている。したがって、積層体２６は、シャフト２２に直接置かれ、そこに固定されている。第１のポケット２８は、半径方向外側で互いの方に向けられた突起４０を有し、突起４０は、それぞれの第１のポケット２８に配置された第１の部分３６の永久磁石３２の後ろで係合している。したがって、突起４０は、電気機械２の動作中に、ロータ６の回転運動によって発生した遠心力による分離を防止する。

さらに、第２のポケット３０および第２の部分３８の永久磁石３２の両方の形状および位置が、前の実施形態と比較して変わっている。第２のポケット３０および永久磁石３２は、一方で半径方向内側にシフトしており、これは、電磁石構造体１２によって発生した磁界による第２の部分３８の永久磁石３２の減磁を抑制する。他方で、第２のポケット３０および永久磁石３２の断面は、長方形ではなくて台形であり、そのため、第２のポケット３０および永久磁石３２の側面は、隣接する第１のポケット２８に平行であり、第２のポケット３０および第２のポケット３０に配置された永久磁石３２は、隣接する第１のポケット２８までの距離が比較的短い。この形状のために、第２の部分３８の各永久磁石３２の質量は大きくなり、内側にシフトしたために、ロータ６の慣性は大きくならない。特定の永久磁石３２の磁化方向Ｍが図示した矢印で示されている。第２の部分３８の永久磁石３２の磁化方向Ｍおよびそれらの位置により、永久磁石構造体３４によって発生したシャフト２２内の磁界の強さが弱められ、電気機械２の効率および性能がさらに向上する。

電気機械２のさらなる代替案が、回転軸４に垂直な断面図で図２に示されており、電磁石構造体１２を有するステータ８は、前の実施形態の電磁石構造体にほぼ一致する。第１の部分３６の各永久磁石３２は、第２の部分３８の永久磁石３２の１つとともにハイブリッド磁石４２を形成し、それぞれの永久磁石３２は互いに当接し、両方の永久磁石３２の磁化方向Ｍは、互いに対して、およびそれらの相互接触面に対して平行である。

各ハイブリッド磁石４２は、第２のポケット３０がないロータ６の積層体２６の各第１の半径方向ポケット２８の１つに配置されている。この場合に、ハイブリッド磁石４２は、それらの磁化方向Ｍがほぼ接線方向であるように配置されて、２つの隣接するハイブリッド磁石４２の同じ磁極はいずれも互いの方を向く。さらに、第２の部分３８の永久磁石３２は内側に配置されている。言い換えると、第２の部分３８の永久磁石３２の回転軸４までの距離は、第１の部分３６の永久磁石３２の対応する距離よりも短い。したがって、第２の部分３８の永久磁石３２の、電磁石構造体１２を有するステータ８までの距離は、第１の部分３６の永久磁石３２の距離よりも長い。このようにして、第２の部分３８の永久磁石３２は、それらの第２の保磁力Ｈｃｊ_２が比較的小さいにもかかわらず、電磁石構造体１２によって、動作中に発生した磁界による減磁作用から効果的に保護される。

電気機械２のロータ６の修正した変形形態が図２ｂに示されている。永久磁石３２の磁化方向Ｍは、前の例の磁化方向と同じである。しかし、すべての永久磁石３２の回転軸４に垂直な断面は、長方形から台形形状に変わっており、第１の部分３６の永久磁石３２は、各ハイブリッド磁石４２の第２の部分３８の永久磁石３２に密着して置かれている。この点について、各ハイブリッド磁石４２の接線方向の伸長範囲は、回転軸４までの距離が長くなるにつれて大きくなっている。第１の部分３６の永久磁石３２の接線方向の幅が広くなっているので、第１の部分３６の永久磁石３２の厚さが半径方向に比較的薄くても、第２の部分３８の永久磁石３２の減磁は十分に防止される。このために、永久磁石構造体３４の比較的強力な磁界を発生させる半径方向に比較的厚い厚さで、第２の部分３８の永久磁石３２を製造することが可能になる。

図２ｃは、ハイブリッド磁石４２の様々な実施形態を示しており、実施形態は、列において左から右に番号を付けられる。ハイブリッド磁石４２の磁化方向Ｍは、常に左から右で半径方向に垂直であり、ロータ６に取り付けた場合の回転軸４は、示した特定のハイブリッド磁石４２の下である。第１の部分３６の永久磁石３２は、第２の部分３８の永久磁石３２の上に示されている。適切には、電気機械の場合に、ハイブリッド磁石４２の実施形態の１つだけがそれぞれ使用されるが、異なる実施形態を組み合わせることも可能である。ハイブリッド磁石４２を配置するための特定の第１のポケット２８は、密着嵌めを形成するように適宜設計される。

ハイブリッド磁石４２の第１の実施形態は、図２ａに示すものと同じである。第２の実施形態では、磁化方向Ｍが第１の部分３６の永久磁石３２の磁化方向と平行である第３の部分４４の２つの永久磁石３２が、第１の部分３６の永久磁石３２の半径方向の自由端で接線方向に結合されている。第３の部分４４は、第３の残留磁気Ｂｒ_３および第３の保磁力Ｈｃｊ_３を有する。第３の保磁力Ｈｃｊ_３は、第１の実施形態と比較して小さい第１の保磁力Ｈｃｊ_１よりも大きく、そのため、第１の残留磁気Ｂｒ_１が増大する。電磁石構造体１２によって引き起こされる減磁は、主に、第３の部分４４の永久磁石３２の領域で起こるので、それでもなお、ハイブリッド磁石４２は減磁から保護され、それにより、ハイブリッド磁石４２の磁界は強化される。

ハイブリッド磁石４２の第３の実施形態では、第１の例示的な実施形態と比較すると、第１の部分３６の永久磁石３２の断面が台形であり、第１の部分３６の永久磁石３２の接線方向の幅が、第２の部分３８の永久磁石３２までの距離が遠くなるにつれて広くなっており、これは、ハイブリッド磁石４２を減磁から効果的に保護する。第４の実施形態では、第１の部分３６および第３の部分４４の両方の永久磁石３２、さらにそれらの配置が、第２の実施形態に示すものと同じである。第２の部分３８の永久磁石３２に対するシールドが改善されたために、第２の部分３８の永久磁石３２は、減磁の恐れなくその自由端を広げられている。広くなったために、より多くの磁性材料が利用可能であり、ハイブリッド磁石４２の磁界は、第２の実施形態の磁界よりも大きい。

第５の実施形態では、第１の部分３６の永久磁石３２は、第３の実施形態のものと同じであり、第２の部分３８の永久磁石３２は、第４の実施形態に示す永久磁石３２と同じであり、それらの特定の利点は、このハイブリッド磁石４２にも同様に当てはまる。ハイブリッド磁石４２の第６の実施形態は、永久磁石３２の半径方向の伸長範囲が異なる点で第１とは異なる。つまり、第１の部分３６の永久磁石３２の体積が小さくなり、第２の部分３８の永久磁石３２の体積が大きくなっている。確実な動作を可能にするために、第２の保磁力Ｈｃｊ_２は、重希土類元素を第２の部分３８の材料に加えることで大きくされる。

第７の実施形態では、第２の部分３８の永久磁石３２は、その縁部領域の減磁を抑制するために、回転軸４の方向に細くなっている。その形状のために、この永久磁石３２の場合に、比較的低い第２の保磁力Ｈｃｊ_２を有する材料を使用することも可能である。第８の実施形態では、第１の部分３６の永久磁石３２が大きくなって、第２の保磁力Ｈｃｊ_２がさらに小さくなった場合に、第２の部分３８の永久磁石３２の減磁を防止する。最後の実施形態では、第１の実施形態と比較すると、第２の部分３８の永久磁石３２の断面が、第７の実施形態の場合と同様に、回転軸４の方向に細くなっている。

図１ａによる電気機械２の修正した実施形態が図３ａに示されており、ステータ８は同じである。ロータ６も、永久磁石構造体３４を除いて、図１ａに示す実施形態と同じである。一方、ハイブリッド磁石４２は、図２ａに示す電気機械２に従って第１のポケット２８に配置されている。第２のポケット３０には第３の部分４４の永久磁石３２があり、それらの配置および向きは、図１ａに示す第２の部分３８の永久磁石３２のものと同じである。第３の保磁力Ｈｃｊ_３は、第２の保磁力Ｈｃｊ_２よりも小さく、第３の残留磁気Ｂｒ_３は、第２の残留磁気Ｂｒ_２よりも大きい。

図３ｂは修正形態を示している。ハイブリッド磁石４２は、図２ｃに示す第６の実施形態に従って設計され、第２のポケット３０は、図１ｂに示す第２のポケット３０に従って設計されている。この場合に、第３の部分４４の永久磁石３２は、ここでも形状を合わせた形で第２のポケット３０に配置され、半径方向に磁化されている。第３の残留磁気Ｂｒ_３は、３つの残留磁気Ｂｒ_１、Ｂｒ_２、Ｂｒ_３の中で最も大きく、第３の保磁力Ｈｃｊ_３は、３つの保磁力Ｈｃｊ_１、Ｈｃｊ_２、Ｈｃｊ_３の中で最も小さい。

重希土類元素のないロータ６の代替案が図３ｃに示されている。すべての永久磁石３２の半径方向厚さはほぼ同じである。第１の部分３６の永久磁石３２の断面は長方形であり、第２の部分３８の永久磁石３２の断面は台形であるので、形成されたハイブリッド磁石４２の形状は、図２ｃの第７の実施形態とほぼ同じであり、厚さが異なっている。磁化方向Ｍがほぼ半径方向である第３の部分４４の永久磁石３２は、第２の部分３８の永久磁石３２間に配置されている。この場合に、第３の部分４４の永久磁石３２の断面もまた台形であり、その断面は、回転軸４までの距離が長くなるにつれて狭くなっている。したがって、第２の部分３８および第３の部分４４の永久磁石３２の側面は半径方向に延びていない。それぞれの隣接する永久磁石３２と機械的に直接接触しているすべての永久磁石３２は、積層体２６によって半径方向外側で囲まれている。永久磁石３２は、半径方向内側で非磁性コア２４によってシャフト２２から分離されている。

電気機械２のさらなる実施形態が図４に示されており、図４では、ステータ８も変更されている。ステータ８は、１２個の歯１６および１２個のコイル２０を有する。ロータ６は、第１の部分３６から形成された外側の第１のリング４６を含む。第１のリング４６は、１つの部片として作られ、したがって、単一の永久磁石３２であり、焼結フェライトからなる。第２の部分３８の８個の永久磁石３２からなる第２のリング４８は、第１のリング４６の内側に配置されている。第２の部分３８の各永久磁石３２の断面は、４５°の円弧セグメントである。第１のリング４６と同様に作られているが直径が小さい第３のリング５０は、第２のリング４８の内側に配置され、第３の部分４４からなる。第３の部分４４の材料も焼結フェライトである。原理的に、すべてのリング４６、４８、５０を１つの部片として、または円弧セグメントから、しかも異なる角度で製造することも可能である。

個々のリング４６、４８、５０は互いに同心であり、機械的に直接接触している。したがって、第１のリング４６および第３のリング５０は、２つのリング４６、５０間に形状を合わせた形で置かれた第２のリング４８の個々の永久磁石３２を安定させる。フェライトからなる第１のリング４６によって第２のリング４８を遮蔽しているために、空隙１０の酸素との化学反応による第２のリング４８の腐食がなくなる。電気機械２の製造において、リング４６、４８、５０の複合体が前もって組み立てられ、コア２４（より詳細に示していない）およびシャフト２２を支えとして置かれる。したがって、リング複合体は、ロータ６の半径方向外側の境界を形成している。

第２の部分３８の各永久磁石３２の磁化方向Ｍは半径方向に向けられ、第２の部分３８の互いに隣接する永久磁石３２の磁化方向Ｍの向きは異なる。第２の部分３８の各永久磁石３２に半径方向に当接した第１のリング４６および第３のリング５０の領域は、第２の部分３８の特定の永久磁石３２によって半径方向に磁化される。その結果、全体としてのリング複合体の磁化方向も半径方向であり、極性は４５°ごとに変わる。したがって、電気機械２は８つの磁極を有する。

本発明は、上記の例示的な実施形態に限定されない。むしろ、本発明の主題を逸脱することなく、当業者は、本明細書から本発明の他の変形形態を導き出すこともできる。さらに、特に、例示的な実施形態に関連して説明したすべての個々の特徴は、本発明の主題から逸脱することなく、様々な態様で互いに組み合わせることができる。

２ 電気機械
４ 回転軸
６ ロータ
８ ステータ
１０ 空隙
１２ 電磁石構造体
１４ ステータ積層体
１６ 歯
１８ スロット
２０ コイル
２２ シャフト
２４ コア
２６ 積層体
２８ 第１のポケット
３０ 第２のポケット
３２ 永久磁石
３４ 永久磁石構造体
３６ 第１の部分
３８ 第２の部分
４０ 突起
４２ ハイブリッド磁石
４４ 第３の部分
４６ 第１のリング
４８ 第２のリング
５０ 第３のリング
Ｂｒ_１ 第１の残留磁気
Ｂｒ_２ 第２の残留磁気
Ｂｒ_３ 第３の残留磁気
ＨｃＪ_１ 第１の保磁力
Ｈｃｊ_２ 第２の保磁力
Ｈｃｊ_３ 第３の保磁力
Ｍ 磁化方向
Ｔ 動作温度

Claims (14)

1. ステータ（８）を有し、回転軸（４）を有するロータ（６）を有する電気機械（２）、特に、自動車の電気モータであって、前記ステータおよび前記ロータの一方は、電磁石構造体（１２）を有し、他方は、永久磁石構造体（３４）を有し、前記永久磁石構造体（３４）は、永久磁石（３２）の第１の部分（３６）および永久磁石（３２）の第２の部分（３８）を含み、少なくとも動作温度（Ｔ）において、前記第１の部分（３６）の保磁力（Ｈｃｊ_１）は、前記第２の部分（３８）の保磁力（Ｈｃｊ_２）よりも高い、電気機械（２）。
2. 少なくとも前記動作温度（Ｔ）において、前記第２の部分（３８）の残留磁気（Ｂｒ_２）は、前記第１の部分（３６）の残留磁気（Ｂｒ_１）よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載の電気機械（２）。
3. 前記第１の部分（３６）の永久磁石（３２）の、前記電磁石構造体（１２）を有する前記ステータ（８）またはロータ（６）までの距離は、第２の部分（３８）の前記永久磁石（３２）の距離よりも短いことを特徴とする、請求項１または２に記載の電気機械（２）。
4. 前記第１の部分（３６）の永久磁石（３２）および前記第２の部分（３８）の永久磁石（３２）はいずれも組み合わされてハイブリッド磁石（４２）を形成し、前記ハイブリッド磁石（４２）の向きは、回転軸（４）に対して半径方向であることを特徴とする、請求項３に記載の電気機械（２）。
5. 各ハイブリッド磁石（４２）の前記２つの永久磁石（３２）の磁化方向（Ｍ）は互いに平行であり、かつ／または前記２つの永久磁石（３２）は、機械的に直接接触することを特徴とする、請求項４に記載の電気機械（２）。
6. 前記第１の部分（３６）および／または前記第２の部分（３８）の前記永久磁石（３２）の、前記回転軸（４）に対する断面は、矩形または台形であることを特徴とする、請求項４または５に記載の電気機械（２）。
7. 少なくとも２つの台形永久磁石（３２）であって、前記少なくとも２つの台形永久磁石（３２）の間に、特に、同じ数量の第３の部分（４４）の永久磁石（３２）が配置され、前記第３の部分（４４）の保磁力（Ｈｃｊ_３）および／または残留磁気（Ｂｒ_３）は、前記第１の部分（３６）および前記第２の部分（３８）のものと異なる、少なくとも２つの台形永久磁石（３２）を特徴とする、請求項６に記載の電気機械（２）。
8. 前記ハイブリッド磁石（４２）は、積層体（２６）のポケット（２８）に配置されることを特徴とする、請求項４〜７のいずれか１項に記載の電気機械（２）。
9. 前記永久磁石構造体（３４）は、第１のリング（４６）および第２のリング（４８）を有し、前記第１のリング（４６）は前記第１の部分（３６）から形成され、前記第２のリング（４８）は前記第２の部分（３８）から形成されることを特徴とする、請求項３に記載の電気機械（２）。
10. 前記第１のリング（４６）および前記第２のリング（４８）は、機械的に直接接触することを特徴とする、請求項９に記載の電気機械（２）。
11. 前記ロータ（６）と前記ステータ（８）との間の空隙（１０）は、前記第１のリング（４６）に隣接することを特徴とする、請求項９または１０に記載の電気機械（２）。
12. 前記永久磁石構造体（３４）は、前記第２のリング（４８）の前記第１のリング（４６）とは反対側の側面に配置された第３のリング（５０）を有し、前記第３のリング（５０）の保磁力（Ｈｃｊ_３）および／または残留磁気（Ｂｒ_３）は、前記第１のリング（４６）および前記第２のリング（４８）のものとは異なることを特徴とする、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の電気機械（２）。
13. 前記リング（４６、４８、５０）は８個〜１０個の磁極を有し、前記リング（４６、４８、５０）の前記磁極はそれぞれ、特に、互いに対して半径方向に配置されることを特徴とする、請求項９〜１２のいずれか１項に記載の電気機械（２）。
14. 前記第１の部分（３６）は、特に焼結されたフェライト、ＳｍＣｏ、（ＮｄＤｙ）ＦｅＢからなり、かつ／または前記第２の部分（３８）は、軽希土類元素合金、特に、ＮｄＦｅＢからなることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の電気機械（２）。

Images