JP2021101608A - ノイズを最小にする寸法比率を有する回転電気機械 - Google Patents

Abstract

【課題】性能レベルを損なうことなく、電磁起源のノイズを低減する回転電気機械を提供する。【解決手段】永久磁石３７が収容されるキャビティ３６を画定する複数のロータ歯４０を備える本体３１であって、各ロータ歯４０は永久磁石３７を半径方向に保持するための単一のリップ４１を備える本体３１と、磁極のアセンブリであって、各極は、円弧形状の湾曲を有し、円弧は、曲率半径と曲率中心と極角とにより規定される。ロータ１１は、０．５２と０．６３との間に含まれる曲率半径とロータ半径との比率と、０．６２と０．８０との間に含まれる半極角と極ステップとの比率と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、特に自動車両で使用される単一リップの回転電気機械に関する。また、本発明は、本発明によるロータを備えた回転電気機械に関する。

本発明は、オルタネータモードおよびモータモードで動作可能な高出力電気機械への適用に特に有利であるが、これに限定されない。

回転電気機械は、既知の態様において、ステータと、シャフトと一体のロータとを備えている。ロータは、駆動および／または被駆動シャフトと一体であってもよく、また、オルタネータ、電気機械、または両モードで動作可能な可逆機械の形態の回転電気機械に属していてもよい。

ステータは、シャフトを回転させるように構成されたハウジングに、例えばローラーベアリングにより取り付けられている。ステータは、ノッチを画定する複数の歯（ティース）が設けられた本体と、ステータのノッチに挿入された巻線と、を備えている。

巻線は、例えばエナメルで被覆された連続ワイヤから、または溶接により互いに接続されたピンの形態の導電性要素から作られる。あるいは、機械の相は、ステータ歯（ステータティース）にそれぞれ捲回された個々のコイルから形成される。星形または三角形の形で接続された相は、電気制御モジュールに接続される出力を備えている。また、ロータは、金属板シートの積層体により形成された本体を備えている。金属板シートは、適切な固定システムにより一組とされて保持される。ロータは、例えば永久磁石によって形成された極を備えている。これらの磁石は、２つの隣接するロータ歯（ロータティース）によってそれぞれ画定されたキャビティに収容されている。

永久磁石を有する同期機等の従来技術による一定数の機械は、トルクや出力等の最適な性能レベルを有しているが、ノイズに関する問題も有している。例えば、各ステータ歯の幾何学的形状を最適化する、またはマグネットホイールの形状や制御アルゴリズムを調整するといったノイズを低減させるための種々の手段によって、いくつかの試みがなされてきた。

本発明の課題は、性能レベルを損なうことなく機械の電磁起源のノイズを低減させることを目的として、ロータの最適な定義を提案することである。

この目的のために、本発明の主題は、回転軸とロータ半径と極ステップとを有する、電気機械用の、特に自動車両用のロータであって、
− 永久磁石が収容されるキャビティを画定する複数のロータ歯を備える本体であって、各ロータ歯は永久磁石を半径方向に保持するための単一のリップを備える、本体と、
− 磁極のアセンブリであって、各極は、円弧形状の曲率を有し、前記円弧は、曲率半径と曲率中心と極角とにより規定される、磁極のアセンブリと、
を備え、
前記ロータは、０．５２と０．６３の間に含まれる前記曲率半径とロータ半径との比率と、０．６２と０．８０の間に含まれる前記半極角と前記極ステップとの比率と、を有するロータである。

このように比率を定義することにより、機械により供給されるトルクと、対応するトルク変動レベルとの最適な妥協点を得ることができる。したがって、本発明は、このタイプのロータを備えた回転電気機械の磁気的および音響的性能レベルを改善することができる。実際に、磁極の曲率半径および極角は、電気機械の性能レベルに最も大きな影響を及ぼす２つの幾何学的パラメータである。

各ロータ歯は、永久磁石を半径方向に保持するための単一のリップを有しているため、保持リップのうちの１つを除くことにより、ロータの極と極との間からの磁気漏れを低減することができる。したがって、ロータの磁気性能レベルが向上し、これにより、永久磁石の質量を小さくすることができ、機械の原価を節約することができる。

本発明の文脈において、「極ステップ」とは、３６０°を極数で割ったものに等しいと定義される。「円弧」とは、極の接触円弧を指す。当該円の中心がポイントＭでの曲線の曲率中心として理解され、その半径が曲率半径である。

詳細な説明および特許請求の範囲において、ロータ、ステータ、および／または電気機械の諸要素を指定するために、「外（側）」および「内（側）」という用語、並びに「軸（方向）」および「半径（方向）」の方向が、詳細な説明でなされた定義にしたがって使用される。慣例により、「半径」方向は軸方向に直交する。文脈にしたがって、軸方向は、ロータ、ステータ、および／または電気機械の回転軸に関連する。「周（円周）」方向は、軸方向に直交し、且つ半径方向に直交する。「外（側）」および「内（側）」という用語は、基準軸に対して、或る要素の他の要素に対する相対的位置を定義するように使用される。したがって、軸に近接する要素は、半径方向周縁部に位置する外側の要素に対して、内側として分類される。

また、「ａとｂとの間」という表現により指定される範囲の値は、ｂに至るまでの範囲を意味する（すなわち、厳密な極限値（上限値および下限値）ａおよびｂを含む）。

曲率半径およびロータ半径は、ミリメートル［ｍｍ］で表され、半極角および極ステップは度［°］で表される。

他の有利な実施形態によれば、このタイプのロータは、単数または複数の特性を、単独でまたは組み合わせて有していてもよい。

一実施形態によれば、前記ロータは、０．５４と０．６１との間に含まれる前記曲率半径と前記ロータ半径との比率と、０．６４と０．７８との間に含まれる前記半極角と前記極ステップとの比率と、を有する。このような比率により、本発明によるロータを備えた機械により供給される平均トルクの非常に良好なレベルを維持しつつ、トルク変動を更に効率的に抑えることができる。「含まれる」という用語は、範囲の上限および下限が当該範囲内にあることを意味する。

一実施形態によれば、各ロータ歯は、半径方向外側面を備え、前記面は、曲率中心を有する前記円弧により画定され、前記２つの端部のうちの一方が前記リップを備える。

一実施形態によれば、ロータの半径方向外側面の前記２つの端部は、当該同一の面の曲率中心を有する前記円弧の曲率と異なる曲率を有する。換言すれば、２つの端部は、それら
２つの端部のうちの一方がリップを有し、各磁極の円弧を画定する曲率の円に内接していない。

変形例として、ロータ歯の半径方向外側面の２つの端部は、各磁極の円弧を画定する曲率の円に内接していない。したがって、端部および各極の円弧は、同一の曲率を有する。

一実施形態によれば、ロータ歯の単一の半径方向外側面の２つの端部は、非対称である。このような非対称性（不対称性としても理解される）により、本発明によるロータを備えた機械により供給される平均トルクの非常に良好なレベルを維持しつつ、トルク変動を更に効率的に抑えることができる。

変形例として、ロータ歯の単一の半径方向外側面の２つの端部は、対称である。

一実施形態によれば、前記ロータは、磁束集中型である。

一実施形態によれば、前記ロータは、リップと対応する永久磁石の外周との間にそれぞれ嵌入されたアドオンストリップを備える。

一実施形態によれば、前記永久磁石は、レアアースから製造される。

一実施形態によれば、前記ロータは、一組の金属プレートから形成される。

一実施形態によれば、前記ロータは、シャフトを通過させるための中央開口を設けられたコアを備え、前記ロータ歯は、その端部のうちの一方によって前記コアに接続する。

一態様によれば、本発明は、上述のロータを備える回転電気機械に関する。

本発明は、以下の説明を読み、添付された図面を精査することでより良く理解されるである。これらの図面は、純粋に例示として提供され、本発明を制限するものでは全くない。

本発明による回転電気機械の横断面図である。 第１実施形態によるロータの横断面の詳細図である。 第２実施形態によるロータの横断面の詳細図である。

同一、類似、または相似の要素について、各図面毎に同じ参照符号を付す。

図１は、回転軸Ｘとロータ半径Ｒｒと極ステップτとを有するロータ１１を備えた回転電気機械１０であって、シャフト１２に取り付けられるように設計された回転電気機械１０を示す。多相とすることができる巻きステータ１５が、ロータ１１の外周とステータ１５の内周との間にエアギャップが存在した状態でロータ１１を取り囲んでいる。このステータ１５は、ボールベアリングおよび／またはニードルベアリングを介して、シャフト１２を回転させるように構成されたハウジングに固定されている。

より具体的には、ステータ１５は、本体１６と巻線１７とを備えている。ステータ本体１６は、平坦な金属プレートの軸方向積層体からなる。本体１６は、ヨーク２１の内周に角度を付けて規則的に分散配置されたステータ歯２０を備えている。これらの歯２０は、２つの連続する歯２０によって各ノッチ２４が画定されるように、ノッチ２４を画定する。したがって、ヨーク２１は、ノッチ２４の基部とステータ１５の外周との間で延びる本体１６の中実の外側環状部分に対応する。

ノッチ２４は、本体１６の軸方向端面に軸方向に開放している。また、ノッチ２４は、本体１６の内部に向かって半径方向に開放している。

ステータ１５は、歯２０の自由端部の側に歯根２５を有している。各歯根２５は、対応する歯２０の両側に周方向に延びている。各歯根２５は、回転軸Ｘを中心とする円弧に一致するように周方向に延びている。

巻線１７を得るように、複数の相が、ステータ歯２０にそれぞれ捲回されたコイルにより形成されている。各コイルは、エナメル等の電気絶縁材料層で被覆された導電性ワイヤから形成されている。コイル絶縁体が、各コイルと対応する歯２０との間に介在させることができる。

ロータ１１は、フーコー電流を削減するように、平坦な金属プレートの軸方向積層体により形成された本体３１を備えている。本体３１は、強磁性材料から構成されている。本体３１は、回転電気機械のシャフト１２に種々の態様で、例えば、リブ付きのシャフト１２をロータの中央開口３２に押し込むことによって、回転可能に接続することができる。この開口はコア３３に設けられている。

ロータ１１は、複数のキャビティ３６を備えている。それらの内部に、磁極５０を形成する永久磁石３７が配置されている。キャビティ３６は、直方体形状の単一の磁石３７を収容可能である。変形例として、キャビティ３６は、軸方向または半径方向に互いに積層された複数の磁石３７を収容可能である。磁石３７は、ベベル付きの角を有することができる。

磁石３７は、機械１０の出力を最大とするように、好適にはレアアースから構成される。変形例として、磁石３７は、コスト削減のために別のグレードのものであってもよい。例えば、各キャビティ３６において、レアアースから構成される磁石と、パワーは劣るがより安価なフェライトから構成された磁石とが組み合わされる。

ロータ１１は、磁束集中型であり、すなわち、２つの連続するキャビティに配置された磁石３７の互いに対面する側面は、同一の極性を有する。

各キャビティ３６は、本体３１を、その一方の軸方向端面から他方に貫通するとともに、ロータ１１の外周の側に開放している。変形例として、キャビティ３６は止まり孔であってもよい。

本例において、各キャビティ３６は、ロータ１１の２つの隣接するロータ歯４０により画定されている。ロータ歯４０は、角度を付けて規則的に互いに離間している。ロータ歯４０は、その端部のうちの一方によって、開口３２を有するコア３３に接続している。

磁石３７が軸方向において確実に保持されるように、フランジ（図示せず）が、ロータ本体３１の軸方向端部に接して配置される。これらのフランジは、ロータ１１のバランスをとる機能も果たすことができる。

図示しない特定の実施形態によれば、リップ４１と対応する永久磁石３７の外周との間にそれぞれ嵌入されたアドオン（追加の）ストリップを設けることが可能である。各ストリップは、磁石３７の材料より硬くない材料から構成された小型プレートの形状を有する。例えば、これは、予備含浸プラスチック材料に埋設されたガラス繊維であってもよい。ストリップは、平坦で矩形であり、それが覆う磁石３７の外周面と実質的に同一の寸法および同一の形状を有する。ストリップは、その一致する縁部で磁石３７を覆う。異なる実施形態によれば、寸法は異なってもよい。磁石３７よりもフレキシブルな接着剤層を、磁石３７とストリップとの間に介在させてもよい。

本発明の文脈において、各ロータ歯４０は、単一のリップ４１を備えている。検討例において、磁石を半径方向に保持するように、キャビティ３６は、ロータの外周において、単一のリップ４１により部分的に閉鎖されている。したがって、全てのリップ４１が、対応するロータ歯４０の同一面から周方向に延びている。

検討例において、単一のリップ４１が、各ロータ歯４０の左側面から延びる。図示しない変形例において、単一のリップ４１が、各ロータ歯４０の右側面から延びていてもよい。

図２および３を参照すると、各磁極５０は、円弧形状の湾曲を有している。円弧は、磁極５０と、曲率半径Ｒｃと曲率中心Ｃｃと極角２αρとにより規定される当該同一の極５０の接触円との共通部分に対応する。したがって、円弧は、その２つの周方向端部においてポイントＭ１およびＭ２により限定されている。ポイントＭ１およびＭ２は、磁極５０の接触円と磁極５０との両方に配置された最終ポイントである。

したがって、極角２αρは、曲率中心Ｃｃと端部Ｍ１／Ｍ２とをそれぞれ通過する２つの直線Ｄ１とＤ２との間の角度に等しい。

各ロータ歯４０は、ステータ１５の内周に対面するように配置された半径方向外側面４２を備えている。したがって、面４２は、中心Ｃｃを有する前記円弧と２つの端部４３とにより画定されている。検討例において、２つの端部４３のうちの一方が、リップ４１を備えている。

好適な実施形態によれば、面４２の２つの端部４３は、同じ面４２の中心Ｃｃを有する円弧の湾曲と異なる湾曲を有する。換言すれば、端部４３の半径方向外側面は、ポイントＭ１およびＭ２により区切られた前記円弧を含む磁極５０の接触円上に位置するポイントを有していない。これにより、可変のエアギャップを有する機械を得ることができる。

図２に示すロータにおいて、単一の面４２の２つの端部４３は非対称である。一方、図３に示すロータにおいて、単一の面４２の２つの端部４３は対称である。対称性は、極の正中直線に対して対称な外側面プロファイルに対応する。

本発明の文脈において、ロータは、０．５と０．７との間に含まれる曲率半径Ｒｃとロータ半径Ｒｒとの比率ｒ、および０．６と０．８との間に含まれる半極角αρと極ステップτとの比率αを有している。

これらの比率をどのように決定したかについて、以下に説明する。この目的は、仕様に必要される磁気性能レベルを維持しつつも、曲率半径および半極角を最適化するプロセスによってノイズを最小にしようとすることである。

極毎に２つのリップ（バイリップとしても知られる）を備えたＩ形状の磁石を有する従来の機械を基準機械として使用した。この機械は、ネオジム、鉄およびホウ素（Ｎｄ_２Ｆｅ_１４Ｂ）で構成される磁石と、１０個の極と、１５個のノッチと、集中巻線とを有し、パッケージ高さが２１７ｍｍであり、ステータの外径が９３ｍｍであった。この機械において、それぞれ１８ｍｍと２２°の値を有する曲率半径Ｒｃと半極角αρとの最適な組み合わせを求めることで、トルクとノイズに関する限り最適な性能レベルの組み合わせが得られた。これらの値をロータ半径Ｒｒおよび極ステップτに関連付けると、これらの最適値は、ｒ＝０．５７およびα＝０．６１になる。

次に、仕様、特に電磁力の高調波歪みレベル（ＴＨＤ）により課される最適な性能レベルを提供しつつ、電磁起源のノイズを低減させるように、基準機械を、機械１（図２−非対称の端部４３）および機械２（図３−対称の端部４３）にしたがって修正した。採用されたプロセスは、ロータ半径Ｒｒに対する曲率半径Ｒｃと、極ステップτに対する半極角αρとの最適な組み合わせを、パラメータを許容範囲において変化させることで求めることからなる。

２Ｄ分析に続いて３Ｄ計算をすることにより、上述の機械の値に対する最適な妥協点を得るべく、パラメータｒおよびαを変化させた。電磁力のＴＨＤ（起電力のＴＨＤ）を示す結果と、各ステータの歯が支持する力の次数３０および４０の高調波（機械のノイズを発生させるロータとステータとの相互作用の力）に基づいて、高調波の次数３０および４０（Ｆｙ３０、Ｆｙ４０）および各ステータ歯にかかる力を最小としつつ、必要なＴＨＤに応じて成功した解決策が何であるかを特定することができた。

これらの結果に基づいて、最適範囲の値、すなわち、曲率半径Ｒｃとロータ半径Ｒｒとの比率が０．５２と０．６３との間に含まれること、および半極角αρと極ステップτとの比率が０．６２と０．８０との間に含まれることを特定することができた。

ロータが、０、５４と０．６１との間に含まれる曲率半径Ｒｃとロータ半径Ｒｒとの比率、および０．６４と０．７８との間に含まれる半極角αρと極ステップτとの比率を有する場合、性能レベルを更に改善することができる。

次に、６つの実施形態、すなわち、基準機械（ＭＡＲ）、本発明による２つの機械（機械１−ＭＡ１および機械２−ＭＡ２）、および３つの比較機械（ＭＡＣ１、ＭＡＣ２、およびＭＡＣ３）を呈示する。これらの機械の特性を以下の表１に示す。比較機械（ＭＡＣ１、ＭＡＣ２、およびＭＡＣ３）は、比率ｒと比率αのいずれかを、本発明の範囲外となるように変化させた機械１である。

６つの機械の性能レベルを、以下の表２にまとめて示す。

１番目の基準機械と比較して、機械１は、課された制限未満の起電力ＴＨＤを維持しつつ、高調波成分３０および４０、ならびに各ステータ歯に作用する力を低減させることができた。これにより、機械のノイズもあるレベルまで低減させることができる。機械２の方では、基準機械と比較して高調波Ｆ_３０が大幅に低減される。その高調波Ｆ_４０は、基準機械と同等のレベルのままである。このため、本機械は、基準機械よりノイズが小さいが、トルクは大きい。

その一方で、比率ｒが０．５２未満である場合、高調波Ｆ_４０のみが減少し、高調波Ｆ_３０が増加し、ＴＨＤが必要とされる最低値を超える（ＭＡＣ１）。比率ｒが０．６３を超えるかαが０．６２未満の場合、ＴＨＤは仕様を大きく下回るが、ノイズレベルは全く改善されない。

以上の説明は、純粋に例示としてなされ、本発明の範囲を限定するものではない。その逸脱は、種々の要素を他の同等物に置換することで構成されないであろう。

さらに、本発明の種々の特性、変形例、および／または実施形態は、それらが両立し得ないか相互に排他的でない限り、異なる組み合わせに従って互いに関連付けることができる。

Claims (10)

1. 回転軸（Ｘ）とロータ半径（Ｒｒ）と極ステップ（τ）とを有する、電気機械用の、特に自動車両用のロータ（１１）であって、
   − 永久磁石（３７）が収容されるキャビティ（３６）を画定する複数のロータ歯（４０）を備える本体（３１）であって、各ロータ歯（４０）が永久磁石を半径方向に保持するための単一のリップ（４１）を備えている、前記本体（３１）と、
   − 磁極（５０）のアセンブリであって、各極が、円弧の形状の湾曲を有し、前記円弧は、曲率半径（Ｒｃ）と曲率中心（Ｃｃ）と極角（２αρ）とにより規定されている、前記磁極（５０）のアセンブリと、
   を備え、
   前記ロータ（１１）は、０．５２と０．６３との間に含まれる前記曲率半径（Ｒｃ）と前記ロータ半径（Ｒｒ）との比率（ｒ）と、０．６２と０．８０との間に含まれる前記半極角（αρ）と前記極ステップ（τ）との比率（α）と、を有することを特徴とするロータ（１１）。
2. 前記比率（ｒ）は０．５４と０．６１との間に含まれ、前記比率（α）は０．６４と０．７８との間に含まれることを特徴とする、請求項１に記載のロータ（１１）。
3. 各ロータ歯（４０）は半径方向外側面（４２）を備え、前記外側面（４２）は、中心（Ｃｃ）を有する前記円弧と２つの端部（４３）とにより画定され、前記２つの端部（４３）のうちの一方が前記リップ（４１）を備えることを特徴とする、請求項１または２に記載のロータ（１１）。
4. 面（４２）の前記２つの端部（４３）は、同じ面（４２）の中心（Ｃｃ）を有する前記円弧の湾曲と異なる湾曲を有することを特徴とする、請求項３に記載のロータ（１１）。
5. 単一の面（４２）の２つの端部（４３）が非対称であることを特徴とする、請求項４に記載のロータ（１１）。
6. 磁束集中型であることを特徴とする、請求項１から５のうちのいずれか一項に記載のロータ（１１）。
7. リップ（４１）と対応する永久磁石（３７）の外周との間にそれぞれ嵌入された追加のストリップを備えることを特徴とする、請求項１から６のうちのいずれか一項に記載のロータ（１１）。
8. 前記永久磁石（３７）は、レアアースから構成されることを特徴とする、請求項１から７のうちのいずれか一項に記載のロータ（１１）。
9. 前記ロータ（１１）は、シャフトを通過させるための中央開口（３２）を設けられたコア（３３）を備え、前記ロータ歯（４０）は、その端部のうちの一方によって前記コア（３３）に接続することを特徴とする、請求項１から８のうちのいずれか一項に記載のロータ（１１）。
10. 請求項１から９のうちのいずれか一項に記載のロータ（１１）を備えることを特徴とする回転電気機械。

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