JP2021007290A - 電気機械用のロータ、車両用の電気機械、及び車両 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の扇に分割されるロータ積層スタックを備える電気機械の空隙磁場の分布を改善すると共に高リラクタンストルクを発生させる。【解決手段】 複数の扇（３）に分割されるロータ積層スタック（２）を備える電気機械（２８）用のロータ（１）において、前記扇（３）のそれぞれには、前記扇（３）を２つの半扇（８、９）に分割する対称面（５）に対してＶ字型に対称に位置する２つの永久磁石（６、７）を備える永久磁石アセンブリ（４）が配置され、ある扇（３）内のロータ積層スタック（２）の外半径（ｒ）は、前記扇（３）の半扇（８、９）の対称面（５）に対して互いに対称に位置する局所的最小値（１６）の対を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、複数の扇に分割されるロータ積層スタックを備える電気機械用のロータに関し、各扇には、扇を２つの半扇に分割する対称面に関してＶ字型に対称に位置する２つの永久磁石を備える永久磁石アセンブリが配置される。

さらに、本発明は車両用の電気機械および車両に関する。

このようなロータは、例えば、回転電気機械に関するＤＥ１０２０１２２１９１７５Ａ１（特許文献１）から知られている。これは、永久磁石を内蔵したロータ（ＩＰＭ）で構成され、複数の永久磁石の組が、各組の磁石が外円周面に開く方向にＶ字型に位置する永久磁石の対を備えるように内蔵される。

このようなロータは高い突極比により特徴付けられ、大きいリラクタンストルクが発生する。しかし、永久磁石のＶ字型配置は、望ましい正弦形状から逸脱した歪んだ空隙磁場につながる。

ＤＥ１０２０１２２１９１７５Ａ１

本発明の目的は、電気機械の空隙磁場の分布を改善し、同時に高リラクタンストルクを発生させることである。

この目的を達成するために、本発明によれば、冒頭で説明した種類のロータにおいて、ある扇内のロータ積層スタックの外半径が、扇の半扇の対称面に対して互いに対称に位置する局所的最小値の対を有する。

本発明は、空隙磁場の分布が望ましい正弦形状に近似されるように、外半径の局所的最小値の配置によってロータ積層スタックの外側形状を適応させる思想に基づく。一定の外半径を有する従来のロータにおいては、永久磁石のＶ字型配置によって実質的に階段状の空隙磁場が生成され、漏れ磁束が生じている領域においては、さらに台形形状となっていることが分かった。外半径を選択的に変更することにより、この空隙磁場の形状を打ち消すことができ、これにより本発明のロータ内の空隙磁場は望ましい正弦形状に有利に近似され、同時に高リラクタンストルクを発生させることができる。

永久磁石は、典型的にはロータに沿って軸方向に延在する。永久磁石は、典型的には立方体の形状を有する。面法線が軸方向に延びる面である永久磁石の断面領域は典型的には長辺と短辺とを有し、長辺はロータ積層スタックの外半径方向に開いている。便宜上、各永久磁石のロータ積層スタックは軸方向にロータ積層スタックを貫通する磁石ポケットを有し、その中に永久磁石の１つが配置されている。磁石ポケットのために、特に永久磁石の短辺に隣接して、ロータ内に隙間が形成されてもよい。各扇は典型的にはロータの極を形成する。対称面は、典型的には径方向と軸方向に延在する。半扇の内部でロータ積層スタック自体が対称に形成されるかぎり、半扇の対称性は必要とされない。例えば、開口部内にシャフトを設けるために、ロータを貫通する開口部が半扇において対称性を有していないことが考えられる。

本発明のロータにおいては、扇全体の外半径の最大値が対称面上に位置することが特に好ましい。ほぼ正弦の空隙磁場の最大値がこの領域に位置し、よってロータはこの領域に外半径の局所的最大値を有してよい。本発明のロータの場合、外半径の局所的最大値は、典型的には隣接する２つの扇間の境界に形成される。

実験により、局所的最小値の対が、周方向が永久磁石アセンブリの径方向における最も外側の点の位置および周方向における永久磁石アセンブリの最も外側の点の位置によって定められる半扇の部分扇内に位置することが有利であることが分かった。

本発明のロータの特に好ましい実施形態によれば、第２の永久磁石アセンブリが扇内に配置され、第２の永久磁石アセンブリの径方向における最も内側の点は第１の永久磁石アセンブリの径方向における最も内側の点よりも径方向における外側に位置し、ロータ積層スタックの外半径は、扇の半扇の対称面に対して互いに対称に位置し、局所的最小値の第１の対よりも周方向において対称面の近くに位置する局所的最小値の第２の対を有する。最適化された空隙磁場は、扇内のより複雑な永久磁石構造によって実現することもできる。

この場合、局所的最大値（特に１つの局所的最大値）が、第１の対の局所的最小値と第２の対の局所的最小値との間の半扇内に位置することが好ましい。

特に好ましい代替案によれば、第２の永久磁石アセンブリは、扇の対称面に対してＶ字型に対称に配置される２つの別の永久磁石を備える。第２の永久磁石アセンブリの永久磁石は、典型的には、第１の永久磁石アセンブリの永久磁石よりも小さい断面積を有する。

別の好ましい代替案によれば、第２の永久磁石アセンブリは、対称面に直交して配置される永久磁石を有している。その結果、永久磁石は両方の半扇に位置する。

本発明の範囲内で、ロータの外半径の形状も分析的に表現することが可能であることも分かった。よって、最小値に関して対称面から近い領域内の外半径の形状は、以下の関数に従うことが望ましい。

代替的または追加的に、最小値に関して対称面から遠い領域内の外半径の形状は、以下の関数に従ってよい。

ここで、
‐ｒは外半径の値を表し、
‐Ｒ_ｍａｘは外半径の最大値を表し、
‐δ_０は定数またはロータと電気機械のステータとの間の空隙の最小値を表し、
‐α、βはそれぞれが正比例係数を表し、
‐τ_ｐは隣接する扇の対称面間の周方向における距離を表し、
‐ｘは、対称面の位置をｘ＝０、隣接する扇の対称面間の中心位置をｘ＝τ_ｐ／２とした場合の周方向における座標を表す。

原理的には、本発明のロータでは、周方向において漏れ磁束強度が増加する位置に、局所的最小値の対が位置してよい。

本発明の基礎的な目的は、ステータと、スタータ内に回転可能に取り付けられた本発明のロータの中とを備える車両用の電気機械によっても実現される。
最後に、本発明の基礎をなす目的は、車両を駆動するために設計された本発明の電気機械を有する車両によっても実現される。

本発明のさらなる効果や詳細については、以下に説明する例示的実施形態及び図面によって明らかになるであろう。図面は以下の内容を示す概略図である。

本発明のロータの第１の例示的な実施形態における基本的な断面図である。 図１に示すロータの扇の詳細図である。 図１に示すロータの半扇の基本的な図である。 ロータの外半径を円周方向の座標上において表すグラフである。 磁束密度をロータの円周方向の座標上において表すグラフである。 従来のロータにおいて図５に対応するグラフである。 本発明のロータの別の例示的な実施形態における基本的な断面図である。 本発明の電気機械の例示的な実施形態を備えた本発明の車両の例示的な実施形態の基本図である。

図１は、ロータ１の第１の例示的な実施形態における基本的な断面図である。

ロータ１は、合計８つの扇３に分割されるロータ積層スタック２を備えている。この場合、図示した断面図におけるロータ１の各ポイントは、正確に１つの扇３と関連付けられている。したがって、２つの隣接する扇３は直接互いの境界となっている。各扇３には、対称面５に対してＶ字型に対称に配置された２つの永久磁石６、７を有する第１の永久磁石アセンブリ４が設けられている。対称面５は、ロータ１の軸方向及び径方向に延在し、扇３を２つの半扇８、９に分割する。この場合、永久磁石６は半扇８に配置され、永久磁石７は半扇９に配置されている。各扇３は、ロータ１の極を形成する。ここで、扇３や極の数は単なる例示である。

さらに、ロータ１は、扇３の対称面５に対してＶ字型に対称に配置された２つの別の永久磁石１１、１２を有する第２永久磁石アセンブリ１０を備える。永久磁石１１は半扇８に配置され、永久磁石１２は半扇９に配置されている。第２永久磁石アセンブリ１０または永久磁石１１、１２の径方向における最も内側の点は、第１永久磁石アセンブリ４または永久磁石６、７の径方向における最も内側の点よりも径方向において外側にある。

また、ロータ１は、中心部において軸方向に延在するシャフト（不図示）用の貫通開口部１３を有している。

図２は、すべての扇３の代表例として、ロータ１の１つの扇３の詳細を示す。図示されている永久磁石６、７、１１、１２は、永久磁石６、７、１１、１２の長辺がロータ積層スタック２と接するように磁石ポケット１４内に配置されている。軸方向に貫通開口部として延在する磁石ポケットは、受け入れる永久磁石６、７、１１、１２よりも断面積がそれぞれ大きいので、各磁石６、７、１１、１２の短辺側においてロータ１に隙間１５が形成される。

図３は、扇３の半扇８の基本図を示している。基本図も鏡像において、扇３の半扇９および他の扇３の対応する半扇８、９の代表例として考えられるものである。

ロータ積層スタック２の外半径ｒは、半扇８における第１の局所的最小値１６を有する。したがって、半扇８、９の対称性のために、扇３には第１の局所的最小値の対が形成されている。第１の局所的最小値１６は、半扇８の部分扇１７（図３においてハッチングによって示される）内に位置し、部分扇１７は、第１の永久磁石アセンブリ４または永久磁石６の径方向における最も外側の点１８の位置および永久磁石６の周方向における最も外側の点１９によって周方向の範囲が定められている。

また、半扇８の外半径ｒは第２の局所的最小値２０を有し、周方向における第２の局所的最小値２０は、第１の局所的最小値１６よりも対称面５に近い位置に相当する。外半径ｒの局所的最大値２１は、第１及び第２の局所的最小値１６、２０の間に位置する。完全性のためには、半扇８、９の対称性のために、第２の局所的最小値の対と局所的最大値の対とがこのように形成されることに留意すべきである。

また、すべての扇３の外半径ｒにわたって全域的最大値Ｒ_ｍａｘがあり、これは図面においてはロータ１の円周全体にわたって破線で示されている。別の局所的最大値は、隣接する２つの扇３間の境界を形成する。

図４は、ロータ１の外半径ｒを周方向の座標ｘ上において表すグラフである。この場合の座標は対称面からの距離を表し、ｘ＝０は対称面の位置、ｘ＝τ_ｐ／２は２つの隣接する扇３間の境界を表す。この場合、τ_ｐはロータ１の極の幅を表す。

第１の局所的最小値１６よりも対称面５に近く、局所的最大値２１の位置から第１の局所的最小値１６の位置まで延びる領域２２内及び、第２の局所的最小値２０よりも対称面５に近く、対称面５の位置から第２の局所的最小値２０の位置まで延びる領域２３内においては、外半径ｒの形状は以下の関数に従う。

ここで、αは領域２２、２３における比例係数を表し、δ_０はロータ１とステータ２９との間の空隙の最小値を表す（図８参照）。すなわち、δ_０はステータ内側ボアに関する最小空隙を表す。

第１の局所的最小値１６よりも対称面５から遠く、局所的最小値１６の位置から隣接する扇３の位置まで延びる領域２４内及び、第２の局所的最小値２０よりも対称面５から遠く、第２の局所的最小値２０の位置から最大値２１の位置まで延びる領域２５内においては、外半径ｒの形状は以下の関数に従う。

ここで、βは領域２４、２５における比例係数を表す。

図５および図６は、座標ｘ上の磁束密度Ｂのグラフを示す。ここで、図５は、ロータ１の例示的な実施形態を有する電気機械の空隙磁場に関し、図６は、外半径が常に値Ｒ_ｍａｘに対応し、ロータ１に対応するロータを有する電気機械の空隙磁場に関する。

図５に示す空隙磁場は、図６に示す空隙磁場よりもはるかに正弦形状に近似していることがわかる。これにより、局所的最小値１６、２０の周方向における位置を、これらの位置における漏れ磁束の急激な上昇やステップ状の形状を考慮して選択されることになる。

図７は、以下で説明する違いを除いて第１の例示的な実施形態に相当するロータ１の第２の例示的な実施形態の基本図を示す。ここで、同等または機能的に同等な要素には同一の参照符号が付される。

第２の例示的な実施形態のロータ１において、第２の永久磁石アセンブリ１０は、対称面５に直交して配置される永久磁石２６を有している。この種の永久磁石６、７、２６の構造においても、局所的最小値１６、２１や局所的最大値１８の配置によって正弦形状に近似した空隙磁場を生成することができる。ここで、外半径ｒの形状は図４のグラフと関連して設定され、あるいは外半径ｒの関数は偏差漏れ磁場に適用される。

図８は、電気機械２８の例示的な実施形態を含む車両２７の例示的な実施形態の基本図を示す。電気機械２８は、ステータ２９と、上述の実施形態のいずれか１つに係るステータ２９内に配置されたロータ１とを有している。電気機械２８は、車両２７を駆動するように設計されている。車両２７は、電気自動車（ＢＥＶ）またはハイブリッド自動車であってもよい。

Claims (11)

1. 複数の扇（３）に分割されるロータ積層スタック（２）を備える電気機械（２８）用のロータ（１）であって、
   前記扇（３）のそれぞれには、前記扇（３）を２つの半扇（８、９）に分割する対称面（５）に対してＶ字型に対称に位置する２つの永久磁石（６、７）を備える永久磁石アセンブリ（４）が配置され、
   前記扇（３）内の前記ロータ積層スタック（２）の外半径（ｒ）が、前記扇（３）の前記半扇（８、９）の前記対称面（５）に対して互いに対称に位置する局所的最小値（１６）の対を有することを特徴とする、ロータ（１）。
2. 前記扇（３）の前記外半径（ｒ）の最大値（Ｒ_ｍａｘ）が、前記対称面（５）上に位置する、
   請求項１に記載のロータ。
3. 前記局所的最小値（１６）の対は前記半扇（８、９）の部分扇（１７）内に位置し、
   前記部分扇（１７）は、前記永久磁石アセンブリ（４）の径方向における最も外側の点（１８）の位置および周方向における最も外側の点（１９）の位置によって範囲が定められている、
   請求項１または２に記載のロータ。
4. 第２の永久磁石アセンブリ（１０）が前記扇（３）内に配置され、
   前記第２の永久磁石アセンブリ（１０）の径方向における最も内側の点は前記第１の永久磁石アセンブリ（４）の径方向における最も内側の点よりも径方向における外側に位置し、前記ロータ積層スタック（２）の前記外半径（ｒ）は、前記扇（３）の前記半扇（８、９）の前記対称面（５）に対して互いに対称に位置し、第１の対の前記局所的最小値（１６）よりも周方向において前記対称面（５）の近くに位置する第２の対の局所的最小値（２０）を有する、
   請求項１から３のいずれかいずれか１つに記載のロータ。
5. 局所的最大値（２１）が、前記第１の対の前記局所的最小値（１６）と前記第２の対の前記局所的最小値（２０）との間の前記半扇（８、９）に位置する、
   請求項４に記載のロータ。
6. 前記第２の永久磁石アセンブリ（１０）は、前記扇（３）の前記対称面（５）に対してＶ字型に対称に配置される２つのさらなる永久磁石（１１、１２）を備える、
   請求項４または５に記載のロータ。
7. 前記第２の永久磁石アセンブリ（１０）は、前記対称面（５）に直交して配置される永久磁石（２６）を備える、
   請求項４または５に記載のロータ。
8. 前記外半径の形状は、前記最小値（１６、２０）に関して前記対称面（５）から近い領域（２２、２３）内では、以下の関数に従い、
   

   

   
   

   

   かつ／または
   前記最小値（１６、２０）に関して前記対称面（５）から遠い領域（２４、２５）内では、以下の関数に従う、
   

   

   
   

   

   （ここで、
   ‐ｒは前記外半径の値を表し、
   ‐Ｒ_ｍａｘは前記外半径の最大値を表し、
   ‐δ_０は定数を表し、
   ‐α、βはそれぞれが正比例係数を表し、
   ‐τ_ｐは隣接する前記扇（３）の前記対称面（５）間の周方向における距離を表し、
   ‐ｘは、前記対称面（５）の位置をｘ＝０、隣接する前記扇（３）の前記対称面（５）間の中心位置をｘ＝τ_ｐ／２とした場合の周方向における座標を表す）
   請求項１から７のいずれかいずれか１つに記載のロータ。
9. 前記局所的最小値（１６、２０）の対は、周方向において磁気漏れ磁束が局所的に最大となる位置に位置する、
   請求項１から８のいずれかいずれか１つに記載のロータ。
10. ステータ（２９）と前記ステータ（２９）内に回転可能に取り付けられた請求項１から９のいずれかいずれか１つに記載のロータ（１）とを備える車両（２７）用の電気機械（２８）。
11. 車両（２７）を駆動するように設計された請求項１０に記載の電気機械（２８）を備える車両（２７）。

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