JP2021087352A - ロータ積層板、ロータ積層コア、ロータ、電気機械、及び車両 - Google Patents

Abstract

【課題】車両用動力として使用するための、ロータ積層板の改良された設計を提供する。【解決手段】ロータ積層板は、同一サイズの複数の等間隔のセクタに細分化され、各セクタは、分離面４で分離される第１のハーフセクタ３及び第２のハーフセクタを含む。第１のハーフセクタ３に、第１の脚辺１０と第２の脚辺１３とエッジ部１５とを含む貫通開口６が形成されている。第１の脚辺１０の仮想延長線１１が、半径方向外向きに開いた鋭角１２で分離面４と交差する。第２の脚辺１３は第１の脚辺１０に平行であり、第２の脚辺１３の仮想延長線１４が、第１の脚辺１０の仮想延長線１１よりも半径方向外側で分離面４と交差する。エッジ部１５は、分離面４から最も遠い第１及び第２の脚辺１０，１３の一方端１６，１７同士を接続する。第２のハーフセクタに、分離面４に関して貫通開口６と鏡面対称に、貫通開口が成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、同じ大きさの複数の等距離のセクタに細分化されるロータ積層板に関し、詳しくは、各セクタそれぞれは、分離面で第１のハーフセクタと第２のハーフセクタとに分かれ、第１のハーフセクタに、第１の脚辺と第２の脚辺とエッジ部とを含む貫通開口が形成され、第１の脚辺の仮想延長線は、径方向外側に開いた鋭角で分離面と交差し、第２の脚辺は、第１の脚辺と平行に延在し、第２の脚辺の仮想延長線が、第１の脚辺の仮想延長線よりも半径方向外側で分離面と交差し、エッジ部は、分離面から最も離れている脚辺の一方端同士をつなぎ、第２のハーフセクタに、分離面に関して貫通開口とは鏡面対称に、さらなる貫通開口が形成されている、ロータ積層板に関する。

また、本発明は、ロータ積層コア、ロータ、電気機械、及び車両に関する。

このようなロータ積層板は、例えば、複数枚のロータ積層板から形成された積層コアを開示する文献 EP 3 352 337 A2（特許文献１）から知られている。このロータ積層板は、ロータ積層板の円周方向に配置された第１の凹部及び第２の凹部を備えている。第１及び第２の凹部は、永久磁石を収容するために使用され、この目的のために、スロット状の細長い直線状の設計を有する。第１及び第２の凹部は、それらの長手方向が、半径方向に対して斜めに延在するように配向されている。互いにＶ字形に配置された２つの第１及び第２の凹部は、それぞれ、ロータ磁極を形成する。

欧州特許出願公開第３０５７２０３号明細書

複数枚のこのようなロータ積層板から形成されたロータを高速で動作させると、考慮すべき機械的応力が、貫通開口の半径方向外側の端部とロータ積層板の外側輪郭との間の橋渡し領域に発生する。これらの橋渡し領域の機械的応力に対する耐性は、ロータの許容速度を必ず制限する。ロータの許容速度を増加させるためには、貫通開口の所定の形状に対して外径までの距離を大きくしなければならないが、これは通常、望ましくない漏れ磁束をもたらし、あるいは、応力に対する耐性が高いほど、より高価になる材料をロータ積層板に使用しなければならない。

したがって、本発明の目的は、特に車両用動力として使用するための、ロータ積層板の改良された設計を記載することである。

この目的を達成するために、本発明によれば、冒頭に述べたタイプのロータ積層板において、エッジ部が、ロータ積層板の外側輪郭まで等距離である等距離部を有することが提供される。

本発明は、エッジ部が等距離部を有する場合、エッジ部とロータ積層板の外側輪郭との間の橋渡し領域における機械的応力の大幅な低減が達成される可能性があるという知見に基づいている。本発明に従ったロータ積層は、有利には、本発明に従ったロータ積層で形成されたロータを、より高い速度で動作させることを可能にし、あるいは、所定速度において磁束漏れがより少ないロータ積層板を、及び／又は低い機械的抵抗を有する材料からロータ積層板を形成することを可能にし、これにより、そのようなロータ積層のコストが低減される。

本発明の意味では、エッジ部が、外側輪郭の法線上の点であって外側輪郭から所定距離にある点を複数、含む場合、エッジ部は、ロータ積層板の外側輪郭まで等距離である。

典型的には、本発明に従ったロータ積層板の外側輪郭は円形である。しかしながら、不規則に円形の外側輪郭もまた、例えば考えられる。特に、等距離部もまた、外側輪郭と同心である。本発明に従うロータ積層板の金属板は、好ましくは少なくとも４個、特に好ましくは少なくとも６個、非常に好ましくは少なくとも８個のセクタを有する。等距離部は、点状ではない。等距離部の弦は、典型的には、第１の脚辺と第２の脚辺との間の距離の少なくとも２５％、好ましくは少なくとも５０％、特に好ましくは少なくとも７５％の長さを有する。貫通開口が鏡面対称であると述べたが、これは、ロータの積層板全体が両方のハーフセクタにおいて鏡面対称であることが必要であるという意味ではない。

好ましくは、エッジ部は、第１の脚辺から見て等距離部に移行する部分に、貫通開口内に突出する突出部を有する。突出部は、有利には、貫通開口内に収容される永久磁石のための横方向の制限又は停止する部分を形成し、また、ロータの製造中に永久磁石の位置決めを容易にする。さらなる突出部が、分離面に対向する第１の脚辺の他方端に隣接していてもよい。

等距離部の拡大を可能にするために、エッジ部は、第１の脚辺から見たとき等距離部に移行する部分に、貫通開口から離れる方向に向かう戻り部を有することが好ましい。

ある実施形態では、突出部が第１の脚辺と戻り部との間にあることが提供される。

エッジ部が、戻り部と等距離部との間に直線部分を有し、好ましくは第１の脚辺の仮想延長線と平行な直線部分を有することが提供されてもよい。

特に好ましい実施形態では、戻り部の範囲は、第１の脚辺に平行に延在するとともに第１の脚辺の仮想延長線よりもさらに半径方向内側において分離面と交差する仮想線までに制限される。この場合、第１の脚辺に平行に延在する内側の仮想線と、突出部の貫通開口内に突出している先端との間の距離は、第１の脚辺の仮想延長線と突出部の先端との間の距離の少なくとも１．１倍、好ましくは少なくとも１．２倍、特に好ましくは少なくとも１．３倍、及び／又は、最大でも２倍、好ましくは最大でも１．７倍、特に好ましくは最大でも１．４倍であることが、提供されてもよい。

等距離部の基本的な拡大も可能にする代替実施形態によれば、戻り部の範囲が、第１の脚辺の仮想延長線を越えないことが提供される。

上述した戻り部の代替実施形態として、エッジ部は、突出部と等距離部との間において、真直ぐに、好ましくは第１の脚辺の仮想延長線と平行に延在することが提供されてもよい。これにより、特に使用されるパンチングツールの複雑さに鑑みて、ロータ積層板を容易に製造することができる。

エッジ部は、等距離部に移行する部分が、等距離部の曲率半径よりも小さい曲率半径で丸くされて、局所的な機械的応力がより小さくされてもよい。

また、本発明に従ったロータ積層板の場合、エッジ部は、第２脚辺から等距離部に移行する部分が、等距離部の曲率半径よりも小さい曲率半径で丸くされていることが提供されてもよい。このようにすることで、第２脚辺から等距離部に移行する部分での過剰な局部応力を回避又は低減することも可能となる。

改良されたエアギャップ磁界を形成するために、第１のハーフセクタに第２の貫通開口が形成され、第２の貫通開口が、第１の脚辺と、第１の脚辺に平行に延在する第２の脚辺とを有し、第２の貫通開口の第１の脚辺の仮想延長線が、第１の貫通開口の仮想延長線よりもさらに半径方向外側において、半径方向外側に開く鋭角で分離面と交差し、第２の脚辺の仮想延長線が、第１の脚辺の仮想延長線よりもさらに半径方向外側において分離面と交差し、第２のハーフセクタに、分離面に関して第２の貫通開口とは鏡面対称に、さらなる貫通開口が形成されていることが、さらに好ましい。このような配置は、ダブルＶ配置とも呼ばれる。

また、第１のハーフセクタに、分離面に垂直な貫通開口がさらに存在することも考えられる。このような配置は、三角配置又はデルタ配置とも呼ばれる。

また、本発明の目的は、本発明に従った複数のロータ積層板を備えるロータ積層コアであって、ロータ積層板の貫通開口が軸方向に延在する磁石ポケットを形成するように、ロータ積層板が層状に互いに接続されている、ロータ積層コアによって達成される。

本発明の目的は、本発明に従ったロータ積層コアを備えるロータであって、磁石ポケットそれぞれに、１個以上の永久磁石が配置されているロータによってさらに解決される。

さらに、本発明の根底にある課題は、本発明に従ったロータを備える電気機械によって解決される。

最後に、本発明の目的は、電気機械を備える車両であって、電気機械が車両を駆動するように構成されている車両によって解決される。

本発明のさらなる利点及び詳細は、図面に示すように、以下に説明する実施形態から明らかになるであろう。これらは、概要の記述及び図示である。

図１は本発明に係る第１実施形態のロータ積層板の平面図である。 図２は図１に示されたロータ積層板のハーフセクタの平面図である。 図３は図１のロータ積層板の貫通開口のエッジ部の詳細図である。 図４は本発明に係る第２実施形態のロータ積層板の貫通開口のエッジ部の詳細図である。 図５は本発明に係る第３実施形態のロータ積層板の貫通開口のエッジ部の詳細図である。 図６は本発明に係るロータ積層コアを有する本発明に係る一実施形態のロータを備える、本発明に係る一実施形態の電気機械の基本的な略図である。 図７は先行技術によるロータ積層板のハーフセクタの平面図である。 図８は本発明に係る一実施形態の車両の基本的な略図である。

図１は、第１実施形態のロータ積層板１の平面図である。ロータ積層板１は、同じ大きさで等距離の複数のセクタ２ａ〜２ｈに細分化されている。本例のセクタ２ａ〜２ｈの数は８個である。

各セクタ２ａ〜２ｈは、第１のハーフセクタ３と、分離面４で第１のハーフセクタ３から分離される第２のハーフセクタ５とを有する。第１のハーフセクタ３は、第１の貫通開口６と第２の貫通開口７とを有する。第２のハーフセクタ５は、第１の貫通開口６に対して鏡面対称に形成されたさらなる貫通開口８と、第２の貫通開口７に対して鏡面対称に形成されたさらなる貫通開口９とを有し、それぞれの場合において分離面に関して鏡面対称である。貫通開口６〜９の対称性により、第１のハーフセクタ３に形成されたセクタ２ａの貫通開口６，７のみを以下に説明し、これはまた、他のセクタ２ｂ〜２ｇのハーフセクタ３，５を代表するものでもある。

図２は、セクタ２ａの第１のハーフセクタ３の平面図である。

第１の貫通開口６は、第１の脚辺１０を有しており、第１の脚辺１０の仮想延長線１１は、分離面４と鋭角１２で交差している。第１の貫通開口６の第２の脚辺１３は、第１の脚辺１０と平行に延在する。第２の脚辺１３の仮想延長線１４は、第１の脚辺１０の仮想延長線１１よりもさらに径方向外側で、分離面４と交差する。第１の貫通開口６は、分離面４から最も遠い第１の脚辺１０の一方端１６と、分離面４から最も遠い第２の脚辺１３の一方端１７とを接続するエッジ部１５を有している。

図３は、第１の貫通開口６のエッジ部１５の詳細図である。

エッジ部１５は、ロータ積層板１の外側輪郭１９まで等距離である等距離部１８を有している。したがって、等距離部１８と外側輪郭１９との間の径方向の距離２０は、周方向のある角度範囲にわたって一定である。等距離部の弦の長さは、脚辺１０，１３間の距離に実質的に対応している。

さらに、エッジ部１５は、第１の脚辺１０から見るとエッジ部から等距離部１８に移行する部分に、貫通開口６内に向いている突出部２１と、突出部２１と等距離部１８との間に設けられた戻り部２２とを有している。戻り部２２は、第１の脚辺１０と平行に延在し、第１の脚辺１０の仮想延長線１１よりもさらに径方向内側で分離面４（図２参照）と交差する仮想線２３によって境界が定められている。エッジ部１５は、突出部２１と戻り部２２との間に、第１の脚辺１０の仮想延長線１１と平行に延在する直線部２４を有しているが、これに代え、斜めであってもよい。直線部２４と仮想線２３との間の距離は、直線部２４と第１の脚辺１０の仮想延長線１１との間の距離の約１．３倍である。エッジ部１５は、戻り部２２と等距離部１８との間に、仮想線２３に沿って延在する別の直線部２５を有する。

第１の脚部の一方端１６から突出部２１への移行部分、突出部２１から直線部２４への移行部分、直線部２４から戻り部２２への移行部分、戻り部２２から直線部２５への移行部分、及び直線部２４から等距離部１８への移行部分は、それぞれ、曲率半径が等距離部１８の曲率半径よりも小さくなるように丸く形成されている。このような丸みは、第２の脚辺１３の一方端１７から等距離部１８への移行部分にも形成する。

再び図２を参照して、第２の貫通開口７は、第１の脚辺２６を有し、第１の脚辺２６の仮想延長線２７は、第１の貫通開口６の第２の脚辺１３よりもさらに半径方向外側において、半径方向外側に開いた鋭角２８で分離面４と交差する。この例では、鋭角２８は、鋭角１２よりも大きい。第２の貫通開口７の第２の脚辺２９は、第１の脚辺２６と平行に延在する。第２の脚辺２９の仮想延長線３０は、第２の貫通開口７の第１の脚辺の仮想延長線２７よりもさらに径方向外側で分離面４と交差している。

以下の第２及び第３の実施形態のロータ積層板１は、エッジ部１５の構成のみが図１〜図３の第１の実施形態と異なり、したがって、第１の実施形態に関するすべての上述した事項が、以下に別段の記載がない限り、これらの実施形態にも当てはまる。

図４は、第２実施形態のロータ積層板１の第１貫通開口６のエッジ部１５の詳細図である。戻り部２２は、ここでは、第１の脚辺１０の仮想延長線１１まで延在している。したがって、等距離部１８の弦は、第１実施形態の場合よりも幾分短い。

図５は、第３実施形態のロータ積層板１の第１の貫通開口６のエッジ部１５の詳細図である。ここでは、エッジ部１５は、突出部２１と等距離部１８との間に、第１の脚辺１０の仮想延長線１１と平行な直線部３１に沿って延在しているが、これに代えて、斜めでもよい。突出部２１から直線部３１への移行部分、及び直線部３１から等距離部１８への移行部分は、それぞれ、等距離部１８の曲率半径よりも曲率半径が小さい丸みによって形成されている。等距離部１８の弦は、第２実施形態の場合よりも若干短くなっている。

図６は、一実施形態の電気機械３２の基本的な略図である。電気機械３２は、ステータ３３と、ステータ３３の内部に設けられた一実施形態のロータ３４とを備える。

ロータ３４は、上述した実施形態の一つに係る複数のロータ積層板１が積層されてなる、一実施形態の積層コア３５を備えている。各ロータ積層板１の貫通開口６〜９は、ロータ積層コア３５にロータ３４の永久磁石３６のための磁石ポックを形成するように、互いに対向し整合的に配置されている。

図７は、貫通開口６ａのエッジ部１５ａが明らかに等距離部を有さない先行技術に従ったロータ積層板１ａのハーフセクタ３ａの平面図である。これとは別に、ロータ積層板１ａは、第１の実施形態のロータ積層板１に実質的に対応する。

ロータ積層板１ａに基づいて構成された図６に対応する電気機械の速度１６０００min^-1での回転動作中に、ロータ積層板１ａのエッジ部１５ａと外側輪郭１９ａとの間の橋渡し領域３７に約４２４ＭＰａの最大機械的応力が存在することがシミュレーションによって決定された。対照的に、このような橋渡し領域における最大機械的応力は、第３実施形態では約４１０ＭＰａであり、第２実施形態では約３７０ＭＰａであり、第１実施形態では約３３７ＭＰａであるので、等距離部１８によって、それぞれ３．３パーセント、１２．７パーセント、及び２０．５パーセントの最大機械的応力の低減が達成され得る。

図８は、車両３８の一実施形態の基本的な略図である。車両3８は、車両３８を駆動するように設計された図６による一実施形態の電気機械３２を備える。車両３８は、バッテリ電気自動車（ＢＥＶ）であってもよいし、ハイブリッド車であってもよい。

１，１ａ ロータ積層板
２ａ〜２ｈ セクタ
３ 第１のハーフセクタ
４ 分離面
５ 第２のハーフセクタ
６ 第１の貫通開口
７ 第２の貫通開口
８ さらなる貫通開口
９ さらなる貫通開口
１０ 第１の脚辺
１１ 仮想延長線
１２ 鋭角
１３ 第２の脚辺
１４ 仮想延長線
１５，１５ａ エッジ部
１６，１７ 一方端
１８ 等距離部
１９，１９ａ 外側輪郭
２１ 突出部
２６ 第１の脚辺
２７ 仮想延長線
２８ 鋭角
２９ 第２の脚辺
３０ 仮想延長線
３５ ロータ積層コア
３６ 永久磁石
３８ 車両

Claims (15)

1. 同じ大きさの複数の等距離のセクタ（２ａ〜２ｈ）に細分化され、前記セクタ（２ａ〜２ｈ）それぞれが、分離面（４）で互いに分離される第１のハーフセクタ（３）と第２のハーフセクタ（５）とを含み、
   前記第１のハーフセクタ（３）に、第１の脚辺（１０）と第２の脚辺（１３）とエッジ部（１５）とを含む第１の貫通開口（６）が形成され、
   前記第１の脚辺（１０）の仮想延長線（１１）が、径方向外側に開く鋭角（１２）で前記分離面（４）と交差し、
   前記第２の脚辺（１３）は、前記第１の脚辺（１０）と平行に延在し、前記第２の脚辺（１３）の仮想延長線（１４）が、前記第１の脚辺（１０）の前記仮想延長線（１１）よりも半径方向外側で前記分離面（４）と交差し、
   前記エッジ部（１５）は、前記分離面（４）から最も離れた前記脚辺（１０，１３）の一方端（１６，１７）同士を接続し、
   前記第２のハーフセクタ（５）に、前記分離面（４）に関して前記第１の貫通開口（６）とは鏡面対称に、さらなる貫通開口（８）が形成されている、ロータ積層板（１）であって、
   前記エッジ部（１５）が、前記ロータ積層板（１）の外側輪郭（１９）まで等距離である等距離部（１８）を有していることを特徴とする、ロータ積層板（１）。
2. 前記エッジ部（１５）が、前記第１の脚辺（１０）から見て、前記等距離部（１８）に移行する部分に、前記第１の貫通開口内に突出する突出部（２１）を有している、請求項１に記載のロータ積層板。
3. 前記エッジ部（１５）が、前記第１の脚辺（１０）から見て、前記等距離部（１８）に移行する部分に、前記第１の貫通開口（６）から離れる方向に向かう戻り部（２２）を有している、請求項１又は２に記載のロータ積層板。
4. 前記突出部（２１）が、前記第１の脚辺（１０）と前記戻り部（２２）との間にある、請求項３に記載のロータ積層板。
5. 前記戻り部（２２）の範囲は、前記第１の脚辺（１０）に平行に延在するとともに前記第１の脚辺（１０）の前記仮想延長線（１１）よりもさらに半径方向内側で前記分離面（４）と交差する仮想線（２３）までに制限される、請求項３又は４に記載のロータ積層板。
6. 前記戻り部（２２）の範囲が、前記第１の脚辺（１０）の前記仮想延長線（１１）を越えない、請求項３に記載のロータ積層板。
7. 前記エッジ部（１５）は、前記前記戻り部（２２）と前記等距離部（１８）との間に、直線部分（２５）を有し、好ましくは、前記直線部分（２５）は前記第１の脚辺（１０）の前記仮想延長線（１１）に平行に延在する、請求項３乃至６のいずれか一つに記載のロータ積層板。
8. 前記エッジ部（１５）は、前記突出部（２１）と前記等距離部（１８）との間の間において、真直ぐに延在し、特に前記第１の脚辺（１０）の前記仮想線（１１）に平行に延在する、請求項２に記載のロータ積層板。
9. 前記エッジ部（１５）は、前記等距離部（１８）に移行する前記部分が、前記等距離部（１８）の曲率半径よりも小さい曲率半径で丸くされている、請求項１乃至８のいずれか一つに記載のロータ積層板。
10. 前記エッジ部（１５）は、前記第２の脚辺（１３）から前記等距離部（１８）に移行する部分が、前記等距離部（１８）の曲率半径よりも小さい曲率半径で丸くされている、請求項１乃至９のいずれか一つに記載のロータ積層板。
11. 前記第１のハーフセクタ（３）に、第２の貫通開口（７）が形成され、
    前記第２の貫通開口（７）は、第１の脚辺（２６）と、前記第１の脚辺（２６）に平行に延在する第２の脚辺（２９）とを有し、
    前記第１の脚辺（２６）の仮想延長線（２７）が、前記第１の貫通開口（６）の前記第２の脚辺（１３）の前記仮想延長線（１４）よりもさらに半径方向外側において、半径方向外側に開いた鋭角（２８）で前記分離面（４）と交差し、
    前記第２の脚辺（２９）の仮想延長線（３０）が、前記第１の脚辺（２６）の前記仮想延長線（２７）よりもさらに半径方向外側で前記分離面（４）と交差し、
    前記第２のハーフセクタ（５）に、前記分離面（４）に関して前記第２の貫通開口（７）とは鏡面対称に、さらなる貫通開口（９）が形成されている、請求項１乃至１０のいずれか一つに記載のロータ積層板。
12. 請求項１乃至１１のいずれか一つに記載の複数のロータ積層板（１）を備え、
    前記ロータ積層板（１）の前記貫通開口（６〜９）が、軸方向に延在する磁石ポケットを形成するように、前記ロータ積層板（１）が層状に互いに接続されている、ロータ積層コア（３５）。
13. 請求項１２に記載のロータ積層コア（３５）を備え、
    前記磁石ポケットそれぞれに永久磁石（３６）が配置されている、ロータ（３４）。
14. 請求項１３に記載のロータ（３４）を備える電気機械（３２）。
15. 請求項１４に記載の電気機械（３２）を備える車両（３８）であって、前記電気機械（３２）が、前記車両（３８）を駆動するように構成されている、車両（３８）。

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