JP2016535566A - 電気モータのための磁束シールド - Google Patents

Abstract

電気モータは、ステータ、シャフト、シャフトに取り付けられたロータ、シャフトに連結されたエンドリングを有するロータ、およびエンドリング内のシャフト周囲の磁束シールドを含んでいる。【選択図】図１

Description

電気モータは数多くの異なる背景において使用される。一般に、電気モータは、ハウジング内のロータ（回転子）およびステータ（固定子）で構成される。ロータおよびステータはいずれも、銅または別の導電材用を含みうる。例えば、ステータは銅製エンドターンを有し、ロータは銅製エンドリングを有する。これらの銅製の構成要素はいずれも、モータが作動している時、励磁を引き起こす。銅部分からの磁束のいくらかの量は漏れを起こし、すなわち、磁束線は、モータの駆動部分内部で終結しない。モータの非駆動部分に近接する磁束線は、モータのトルクに貢献しない。とりわけ、モータが高速（すなわち、高周波）で作動している時、漏れはモータの動力を低下させうる。電磁気の観点からすれば、漏れ磁束は必ずしも損失とみなされないが、モータを実際上小さくすることとなり、望ましくない。

第１の様態において、電気モータはステータ、シャフト、該シャフトに取り付けられたロータであって、シャフトと同心のエンドリングを有するロータ、および、エンドリング内部のシャフトの周囲の磁束シールドを含む。

実施は以下の特徴のいずれかまたはすべてを含みうる。磁束シールドは、エンドリング内部のシャフトを包囲するシリンダを備える。磁束シールドは電気モータのハウジングと一体化している。ハウジングはシャフトのベアリングインサートを保持するエンド部材を含み、磁束シールドはエンド部材から延在する。磁束シールドおよびハウジングの少なくとも一部は正方形環状筐体（ｓｑｕａｒｅ ｔｏｒｏｉｄ ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ）を形成し、ステータのエンドリングおよびエンドターンは正方形環状筐体内に含まれる。磁束シールドは、アルミニウム、マグネシウムおよび不動態化銅で構成される群から選択される、少なくとも１つの材料を含む。ロータは積層物の堆積体を含み、エンドリングはシャフトの軸方向に、該堆積体から離隔して、磁束シールドはエンドリングを通過して堆積体に向かって延在する。電気モータは、電気モータ用のハウジング、および、ステータのコア（ｃｏｒｅ）とステータのエンドターンとの間のステータ固定式磁束シールド（ｓｔａｔｏｒ ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ ｆｌｕｘ ｓｈｉｅｌｄ）をさらに含む。ステータ固定式磁束シールドはリング形状である。磁束シールドはロータ磁束シールドを含み、ロータ磁束シールドはステータ固定式磁束シールドと同じ材料でできている。電気モータは、ロータの反対の端部に、別のエンドリングを、および該別のエンドリング内部のシャフト周囲に別の磁束シールドをさらに備える。磁束シールドは固定式磁束シールドを含む。固定式磁束シールドは、筒状部分を備える。固定式磁束シールドは筒状部分から延在するディスク状部分を備える。磁束シールドは回転式磁束シールドを備える。回転式磁束シールドはロータのコア上のスペーサから延在し、スペーサはロータのコアから間隔を空けてエンドリングを配置するよう機能する。回転式磁束シールドおよびスペーサは断面においてＬ字状を形成する。

図１は電気モータの例の断面図を示している。 図２は磁束シールドの例を示している。 図３は磁束シールドの例を示している。 図４は磁束シールドの例を示している。 図５は磁束シールドの例を示している。 図６は磁束シールドの例を示している。 図７はロータ周波数の関数として、ロータエンドリングの漏れを例示するグラフを示している。

本書類は電気モータのための固定式磁束シールドの例を説明する。ある実施例において、磁束シールドはロータエンドリングとモータのシャフトの間に配置される。その代わりに、またはそれに加えて、磁束シールドはステータコアおよびそのエンドターン（巻端部）の間に配置されてもよい。磁束シールドはモータからの磁束の漏れを低減し、結果としてより多くの磁束線が、モータの駆動部分の外部ではなく内部で終結する。一般に、モータの磁界は、磁束シールド内部の磁束線の量を減らすことを助ける磁束シールド材料に、渦電流を誘導する。磁束の漏れの低減は、モータの駆動部分で、より役に立つ磁束を可能にする。同様に、このことは、とりわけ（高速／定電圧で）弱め界磁領域で作動する際に、モータがより多くのトルクを生み出すのを助ける。

図１は一実施例の電気モータ１００の断面を示している。ここでは、断面図はモータのシャフト１０１の軸に沿ったものであり、該シャフト１０１は変速機または他の駆動される構成要素に連結されうるが、それらは明確性のために図示されていない。モータはハウジング１０２内に内包され、ハウジングは、アルミニウムまたは別の非導電性の磁気許容材料（ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ ｐｅｒｍｉｓｓｉｖｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）で形成可能である。ハウジング内部に保持されているのはステータ１０４及びロータ１０６である。ここで、ステータは部分１０４Ａ、コア部分１０４Ｂ及びエンドターン１０４Ｃを含む。ロータは、部分１０６Ａ、コア部分１０６Ｂ、エンドターン１０６Ｃおよびコンテインメント（封じ込め）リング（ｃｏｎｔａｉｎｍｅｎｔ ｒｉｎｇ）１０６Ｄを含む。コア部分１０４Ｂ及び１０６Ｂは、鋼鉄のような高度に磁気的に許容的な材料から形成されている。部分１０４Ａおよび１０６Ａは、鉄製の歯の間に形成されたスロットに銅製のバーを設置することなどによって、低密度の鉄でできている。例えば、ロータ１０６は鋼鉄積層の堆積を形成することによって作成されてもよい。

ステータエンドターン１０４Ｃおよびロータエンドリング１０６Ｃは例えば銅、または他の導電材料で形成されてもよい。ある実施では、コンテインメントリング１０６Ｄは硬化物で形成されり、硬化物は、回転中の遠心力により発生する可能性のある、ロータエンドリング１０６Ｃの変形を防ぐまたは低減する役割を果たす。

ロータ１０４は、この例ではハウジング１０２の一部によって保持されているベアリングインサート（挿入体）１０８によって吊持されたシャフトに取り付けられる。

この例では、ベアリングインサート１０８を保持するハウジング１０２の部分が、ロータのエンドリング１０６Ｃとシャフト１０１の対応する部位との間に位置するシールド１１０も備える。この軸対称の形状において、磁束シールド１１０は、その中で磁束シールド１１０がシャフトの周囲を回転延伸するカップまたはシリンダ（筒体）とみなされうる。ある実施では、磁束シールドはベアリングインサートから、基本的にロータの外面まで延在しうる。ロータのエンドリングをロータの両端に有する実施においては、各エンドリングが磁束シールドを有していてもよい。

磁束シールドは、磁気的に許容的ではあるが、導電性ではない材料によって製造されてもよい。例えば、１つ以上の磁束シールドが、アルミニウム、マグネシウム、および／または不動態銅から作られてもよい。

図２−６は導電性磁束シールドの実施例を示している。各実施例は、ハウジング部材２００によって保持される、ハウジング１０２の一部およびベアリングインサート１０８の一部、および、ロータおよびステータの一部をそれぞれ示している。図２では、磁束シールド２０２は、軸方向に、部材２００からロータコア部１０６Ｂに向かって延在する。そうすることにより、磁束シールドはロータのエンドリング１０６Ｃのすぐ近くを通過する。この例では、磁束シールドはロータコアの付近、すなわち、ロータを構成する積層のうち、最外部の積層付近で終結する。ここで磁束シールド２０２は、エンドリングに面する場所において、ベアリングインサートが取り付けられている場所よりも、いくらか薄くなっている。別の実施においては、磁束シールドは、実質的に一定の厚さであるか、またはエンドリング付近では、他の領域よりも厚みがあってもよい。

ここで、磁束シールド２０２がロータのエンドリング１０６Ｃにより近接している領域において、磁束シールドは、他の領域に対して半径方向にオフセットして（ずれて）いる。言い換えると、エンドリング付近の磁束シールドの一部分は、軸方向にエンドリングよりも離れ、かつベアリングインサートにより近接する磁束シールドの部分よりも、大きな直径のシリンダである。別の実施においては、オフセットがない、または反対方向のオフセットが使用されうる。例えば、磁束シールドはロータエンドリングに近接する、より幅の狭いシリンダであってもよく、そうでなければ、より大きな直径を有しうる。

動作中、ロータのエンドリングおよびステータエンドターンで発生される電流密度は、磁束シールド２０２の表面で渦電流を誘導する。結果として、磁束線は、そうではない場合よりも、モータの駆動部分内に、むしろ方向づけられる。例えば、ハウジング１０２、部材２００および磁束シールド２０２は、ロータのエンドリングおよびステータエンドターンを含む筐体（エンクロージャ）２０４を形成すると言えよう。この筐体は、モータの駆動部分内部に近接する磁束線の動きを増加させ、それにより、とりわけ高回転速度で、モータから利用可能なトルクを増加させる手助けとなる。

ある実施において、磁束シールド２０２および／または部材２００は、ステータエンドターン、ロータのエンドリング、またはその両方にぴったりと嵌合されてもよい。例えば、筐体２０４は、磁束シールド２０２がエンドリングの底部付近で開始し（すなわち、図で示されるように）、次いでエンドターンに到達するまで接触することなく、エンドリングの外面を接近してトレース（追従）するように設計されてもよい。この地点から、磁束シールドは、モータのハウジングに到達するまで、ステータエンドターンの外面を接近してトレースしうる。エンドターンおよび磁束シールドは固定式であることから、磁束シールドは、エンドターンとエンドリングとの間の相対運動により、ロータのエンドリングに対するよりも、エンドターンに対して、さらに近接して配置されうる（例えば、直接的接触）。

図３では、ステータ磁束シールド３００が備わっている。ステータ磁束シールドが追加されたことを除き、この実施例は、図２のものと同等である。ステータ磁束シールドはステータコアとステータエンドターンとの間に位置し、例えば、基本的にディスク（円盤）またはリング（環）状の形状をしてもよい。ある実施では、ステータ磁束シールドは、ステータがモータハウジングに挿入される前に適所に組み立てられる２つ（またはそれ以上）の部分で構成される。ステータ磁束シールドは、ステータエンドターンが例えば樹脂で覆われる前後に、ステータに配置されてもよい。

ある実施例では、ステータ磁束シールド３００はハウジングと同一の材料で形成されてもよい。例えば、ステータ磁束シールドおよび磁束シールド２０２は同一の材料で形成されてもよい。

筐体２０４’はハウジング１０２、部材２００、磁束シールド２０２およびステータ磁束シールド３００で形成される。例えば、筐体は、磁束線を含むことを補助してもよく、その結果、より多くの磁束線が駆動部分内部に近接することになる。

上記の例では、ロータ磁束シールドは固定式であり、ロータによって回転することはない。これは、シールドがステータ磁界およびロータ磁界の（例えば、すべり周波数ではなく）絶対周波数の影響を受けることを意味する。この磁界で発生される渦電流の量は、材料がさらされる周波数に依存しうる。

ただし、別の実施では、１つ以上の回転式磁束シールドが使用されてもよい。回転式磁束シールドは、固定式磁束シールドに加えて、またはその代替として使用されてもよい。図４−６はロータ磁束シールド４００の例を示している。ここで、スペーサ４０２はロータコア部分１０６Ｂに位置している。ここで、モータは、基本的に長方形の外形のロータエンドリング４０４を有する。ある実施では、例えば、コンテインメントリング４０６によって、ロータエンドリングの半径方向の変形が防止または軽減されうる。

ロータ磁束シールド４００は、例えば筒状のような任意の形状であってもよい。ここでは、ロータ磁束シールドはスペーサから軸方向に延在し、結果として、これらの構成要素は断面においてＬ字型を形成する。上記の例と同様に、筐体は、ハウジング１０２、部材２００およびロータ磁束シールド４００によって定められる。

図５では、固定式磁束シールド５００が提供される。ある実施例において、固定磁束（ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ ｆｌｕｘ）はモータのハウジングによって提供される。ここでは、固定式磁束シールドは部材２００から延在している。

固定式磁束シールド５００は、ここでは基本的に筒状の第１部分５００Ａを含んでいる。固定式磁束シールドは、例えば、その端部において、第１部分５００Ａから延在する第２部分５００Ｂを含んでいる。例えば、第２部分は基本的に円盤形状であってもよく、結果としてその１つの面がロータエンドリング４０４の方向に向いている。ここで、第２部分は、残りのロータから見て別の方向に向いた、ロータエンドリングの表面領域の一部を覆っている。別の実施においては、第２部分は、エンドリングのより小さな表面領域、またはより大きな表面領域を覆っていてもよい。

固定式磁束シールドはステータ磁束シールドと共に使用されてもよい。図６は、ステータ磁束シールド３００が、ロータ磁束シールド４００および固定式磁束シールド５００と共に使用されている例を示している。

図７はロータ周波数の関数として、ロータエンドリングの漏れ（リーケージ）を例示するグラフ７００を示している。ロータエンドリングの漏れはインダクタンスとして計測され、縦軸に対して示されている。一方、周波数は横軸に対して計測されている。

最初に、線７０２は駆動部分のみからの漏れを示している。つまり、この数字はロータエンドリングまたはステータエンドターンによる漏れを反映していない。ある意味で、線７０２は避けることのできない最小限の漏れとして見ることができる。なぜなら、漏れは駆動部分そのものの動作に本質的に備わっているからである。

次に、このグラフは、１つ以上の磁束シールド、および異なるタイプのロータエンドリングを含む複合的構成のためのコンピュータを使用したシミュレーションの結果を示している。各例は線８０４−７１０のうちの１つで表されている。線７０４は図２のロータエンドリング１０６Ｃを使用した場合の漏れを反映しているが、この図に関して記述されている磁束シールド２０２は除かれている。例えば、エンドリング１０６Ｃは、エンドリングを、ロータの残りの部分へのろう付けに適した形にする形状および材料（例えば銅）であってもよい。ここでは、線７０４は図示される例の中で、最も多くの量の漏れを有する。

線７０６は長方形の断面を有するロータエンドリングに対応し、長方形の底辺（すなわち、ロータに面する側面）は、高さの約２．５倍である。その形状および材料のため、このエンドリングは電子ビームを使用してロータに溶接される（時に電子ビーム溶接と呼ばれる）ことに適している場合がある。図示される例の中で、線７０６は最も大きな漏れを有する。

線７０８および７１０はいずれも、図２に示されるロータエンドリング１０６Ｃを含んでいる。線７０８では、磁束シールド２０２（図２）のみが使用され、線７１０では、磁束シールド２０２および３００（図３）の両方が使用されている。

数多くの実施例を例示として記述されてきたが、他の実施例は以下の請求項によって含まれる。

Claims (17)

1. ステータと、
   シャフトと、
   前記シャフトに取り付けられたロータであって、前記シャフトと同心のエンドリングを有するロータと、
   前記エンドリング内部の前記シャフトの周囲の磁束シールドと、
   を備えることを特徴とする電気モータ。
2. 前記磁束シールドは、前記エンドリング内部の前記シャフトを包囲するシリンダを備えることを特徴とする請求項１に記載の電気モータ。
3. 前記磁束シールドは前記電気モータのハウジングと一体化していることを特徴とする請求項１に記載の電気モータ。
4. 前記ハウジングは前記シャフトのベアリングインサートを保持するエンド部材を含み、前記磁束シールドは前記エンド部材から延在することを特徴とする請求項３に記載の電気モータ。
5. 前記磁束シールドおよび前記ハウジングの少なくとも一部は正方形環状筐体を形成し、前記エンドリングおよび前記ステータのエンドターンが前記正方形環状筐体内に含まれることを特徴とする請求項３に記載の電気モータ。
6. 前記磁束シールドは、アルミニウム、マグネシウムおよび不動態化銅で構成される群から選択される少なくとも１つの材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の電気モータ。
7. 前記ロータは積層の堆積体を含み、前記エンドリングは前記シャフトの軸方向に前記堆積体から離隔し、前記磁束シールドは前記エンドリングを通過して前記堆積体に向かって延在することを特徴とする請求項１に記載の電気モータ。
8. 前記電気モータ用のハウジング、および、前記ステータのコアと前記ステータのエンドターンとの間のステータ固定式磁束シールドをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電気モータ。
9. 前記ステータ固定式磁束シールドはリング形状であることを特徴とする請求項８に記載の電気モータ。
10. 前記磁束シールドはロータ磁束シールドを備え、前記ロータ磁束シールドは前記ステータ固定式磁束シールドと同じ材料で形成されていることを特徴とする請求項８に記載の電気モータ。
11. 前記ロータの反対の端部に位置する別のエンドリング、および、前記別のエンドリング内部の前記シャフト周囲に別の磁束シールドをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電気モータ。
12. 前記磁束シールドは固定式磁束シールドを含むことを特徴とする請求項１に記載の電気モータ。
13. 前記固定式磁束シールドは、筒状部分を備えることを特徴とする請求項１２に記載の電気モータ。
14. 前記固定式磁束シールドは前記筒状部分から延在するディスク状部分を備えることを特徴とする請求項１３に記載の電気モータ。
15. 前記磁束シールドは回転式磁束シールドを含むことを特徴とする請求項１に記載の電気モータ。
16. 前記回転式磁束シールドは前記ロータのコア上のスペーサから延在し、前記スペーサは前記ロータのコアから離隔して前記エンドリングを配置するように機能することを特徴とする請求項１５に記載の電気モータ。
17. 前記回転式磁束シールドおよび前記スペーサは、断面においてＬ字状を形成することを特徴とする請求項１６に記載の電気モータ。

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