JP2021529498A - トルクリップルを低減するロータ形態を伴う回転電気機械 - Google Patents

Abstract

本発明は、主に、−ステータであって、スロットを画定する歯が設けられる本体と、ステータ本体のスロット内に収容される巻線と、を備えるステータと、−本体（２１）と、永久磁石（２３）により形成される極（２２）と、を備えるロータ（１２）と、を含む、特に自動車両用の回転電気機械であって、−それぞれが１つの極（２２）の周方向範囲に対応する２つの連続する極角、又は、−それぞれが２つの隣り合う極（２２）の周方向範囲に対応する２つの連続する二重極角（Ａ０−Ａ４）が、−ステータピッチに関連付けられる角度オフセットパラメータ（δ）に依存する互いに対する角度差を示す、ことを特徴とする回転電気機械に関する。

Description

本発明は、トルクリップルを低減するロータ形態を伴う回転電気機械に関する。本発明は、自動車両で使用される回転電気機械を伴う特に有利であるが非排他的な用途を有する。

既知の態様において、回転電気機械は、ステータと、シャフトと一体のロータと、を備える。ロータは、駆動シャフト及び／又は被駆動シャフトと一体を成すことができるとともに、オルタネータ、電気モータ、又は、両方のモードで動作できる可逆機械の形態を成す回転電気機械に属することができる。

ロータは、適切な固定システムによって組を成して保持される金属板シートの積層体により形成される本体を備える。ロータは、ロータ本体に設けられるキャビティ内に収容される永久磁石によって形成される極を備える。

更に、ロータは、例えばローラベアリングによって、ロータシャフトを回転させるように構成されるハウジングに取り付けられる。ステータは、切り欠きを画定する複数の歯が設けられた本体と、ステータの切り欠き内に挿入される巻線と、を備える。巻線は、例えばエナメルで覆われる連続する配線から又は溶接によって互いに接続されるピンの形態を成す導電素子から得られる。

三相巻線の少なくとも１つのグループを備えるステータが埋め込まれた磁石によって形成される極が設けられたロータと組み合わせて使用される場合には、電気機械の性能に有害なトルクリップルが観察される。

本発明の目的は、
−ステータであって、切り欠きを画定する歯が設けられる本体と、ステータ本体の切り欠き内に収容される巻線と、を備えるステータと、
−本体と、永久磁石により形成される極と、を備えるロータと、
を備える、特に自動車両用の回転電気機械であって、
−それぞれが１つの極の周方向範囲に対応する２つの連続する極角、又は、
−それぞれが２つの隣り合う極の周方向範囲に対応する２つの連続する二重極角が、
−ステータピッチと関連付けられる角度オフセットパラメータに依存する互いからの角度差を有する、
ことを特徴とする回転電気機械を提案することによって、この不都合を効率的に排除することである。

２つの極角間又は２つの連続する二重極角間の角度差の導入のため、本発明は、トルクリップルを低減するために、及び、特にフラックスの漏れの問題と関連付けられる技術的制限を伴うことなく、ロータ場の歪み（ロータスキューイング）の影響を補償することを可能にする。また、本発明は、計算及びシミュレーションを２次元で実行できるため、開発の継続時間を過度に増大させないという利点も有する。

１つの実施形態によれば、角度オフセットパラメータがステータピッチの０．５〜１．５倍の間に含まれる。

１つの実施形態によれば、二重極角が以下の式によって規定される。
Ａｘ＝３６０／Ｐ−δ／２＋ｘ＊δ／（Ｐ−１）
−ｘは、二重極角のランクであり、すなわち、０〜Ｐ−１の間に含まれる整数であり、
−Ｐは極の対の数であり、
−δは角度オフセットパラメータである。

１つの実施形態によれば、極角が以下の式によって規定される。
Ａｘ’＝１８０／Ｐ−δ／２＋ｘ＊δ／（２Ｐ−１）
−ｘは、極角のランクであり、すなわち、０〜２Ｐ−１の間に含まれる整数であり、
−Ｐは極の対の数であり、
−δは角度オフセットパラメータである。

１つの実施形態によれば、二重極角又は極角のランクは、ロータの外周にしたがって所定の進行方向に進むときに増大する。

１つの実施形態によれば、各極は、「Ｖ」の形状の形態を有する２つの永久磁石によって形成される。

１つの実施形態によれば、各極は、ロータの軸に対して径方向に直交する方向に向けられる永久磁石によって形成される。

１つの実施形態によれば、極ごと及び相ごとの切り欠きの数が１〜３の間に含まれる。

１つの実施形態によれば、極の対の数が３〜１０の間に含まれる。

１つの実施形態によれば、巻線が３〜６の間に含まれる数の相を備える。

本発明は、以下の明細書本文を読むとともにこの明細書本文に添付の図を検討することによってより良く理解され得る。これらの図は、単なる例示として与えられ、決して本発明を限定しない。

本発明に係る回転電気機械の横断面図である。 本発明に係る回転電気機械に属するロータを示す。 ３対の極を伴うロータにおける、２つの連続する二重極角間の角度オフセットの導入を示す。 ５対の極を伴うロータにおける、２つの連続する二重極角間の角度オフセットの導入を示す。 ３対の極を伴うロータにおける、２つの連続する極角間の角度オフセットの導入を示す。 ５対の極を伴うロータにおける、２つの連続する極角間の角度オフセットの導入を示す。 極角オフセット及び一対の極における角度オフセットのそれぞれに関する、角度オフセットパラメータにしたがったトルクリップルの推移を示す。 極角オフセット及び一対の極における角度オフセットのそれぞれに関する、角度オフセットパラメータにしたがったトルクの推移を示す。 極角オフセット及び一対の極における角度オフセットのそれぞれに関する、角度オフセットパラメータにしたがった全高調波歪みの推移を示す。 従来のロータ及び２つの連続する極角間の角度オフセットを組み込むロータのそれぞれに関して得られた電気機械の無負荷電圧のグラフ表示である。 径方向に直交する方向に向けられた磁石を備える本発明に係るロータの変形実施形態を示す。 無作為に選択された角度オフセットパラメータの導入を示す図である。 無作為に選択された角度オフセットパラメータの導入を示す図である。

これらの図にわたって、同一、同様、又は、類似の要素は同じ参照符号を保有する。

図１は、回転軸Ｘを有するロータ１２を同軸的に取り囲む、多相であり得る巻回ステータ１１を備える回転電気機械１０を示している。ステータ１１及びロータ１２は、ロータ１２の外周とステータ１１の内周との間で延びる空隙によって互いに分離されている。

より具体的には、ステータ１１は、本体１４と、×印によって概略的に表わされる巻線１５と、を備えている。ステータ本体１４は、平坦な金属板の軸方向積層体から成る。本体１４は、一定の角度間隔で分布される歯１７を備えている。これらの歯１７は、２つの連続する歯１７によって各切り欠き１８が画定されるように、切り欠き１８を画定している。切り欠き１８は、本体１４の軸方向端面に軸方向で開口している。また、切り欠き１８は、本体１４の内部に向かって径方向でも開口している。

ステータ１１には、歯１７の自由端の側に歯根２０が設けられている。各歯根２０は、対応する歯１７の両側で周方向に延びている。

切り欠き１８内に収容される巻線１５は、例えば、エナメルで覆われる連続する配線から又は溶接によって互いに接続されるピンの形態を成す導電素子から得られる。

巻線１５は、３〜６の間に含まれる数の相を備えている。極ごと及び相ごとの切り欠き１８の数は、厳密に言えば１よりも大きく３以下であることが好ましい。

更に、図２に見られるように、軸Ｘを有するロータ１２は、フーコー電流を減少させるために、平坦な金属板の軸方向積層体によって形成される本体２１を備えている。本体２１は磁性材料から形成されている。

また、ロータ１２は、断面において「Ｖ」の形状の形態を規定する少なくとも２つの永久磁石２３によって形成される極２２も備えている。これらの磁石２３は、対応するキャビティ２５の内部に配置されている。

「「Ｖ」の形状の形態」とは、横断面において、極２２の２つの磁石２３の少なくとも１つのアセンブリの長手方向軸Ｘ１同士が互いの間に非ゼロの角度を形成するという事実を意味している。この場合、極２２と関連付けられるキャビティ２５は、互いに別個である。変形例として、キャビティ２５は、「Ｖ」の頂部で互いに結合され得る。

永久磁石２３は、機械から求められる用途と動力とに応じてフェライト又は希土類から形成され得る。変形例として、コストを低減するために、永久磁石２３が異なるグレードを有することができる。

図３ａ及び図３ｂの実施形態において、それぞれが２つの隣り合う極２２の周方向範囲に対応する２つの連続する二重極角Ａｘは、ステータピッチと関連付けられる角度オフセットパラメータに依存する互いからの角度差を有している。

角度Ａｘは、極２２によって互いから分離される極の２つの対称軸Ｘ２間で測定される。

「スロットピッチ」に関して「ｓｐ」と略記されるステータピッチは、３６０をステータ１１の歯１７の数で割ったものに等しいとして規定される。角度オフセットパラメータδは、ステータピッチｓｐの０．５〜１．５倍の間に含まれる。したがって、図１は、ステータピッチの半分（δ＝０．５ｓｐ）、ステータピッチｓｐ（δ＝ｓｐ）、及び、ステータピッチの１．５倍（δ＝１．５ｓｐ）の値をそれぞれ有するパラメータδを示している。

この場合、二重極角Ａｘは以下の式によって規定される。
Ａｘ＝３６０／Ｐ−δ／２＋ｘ＊δ／（Ｐ−１）
−ｘは、二重極角のランクであり、すなわち、０〜Ｐ−１の間に含まれる整数であり、
−Ｐは、特に３〜１０の間に含まれ得る、ロータ１２の極２２の対の数であり、
−δは角度オフセットパラメータである。

二重極角Ａｘのランクｘは、ロータ１２の外周にしたがって所定の進行方向Ｓ１に進むときに増大する。例えば、ｘが０に等しい第１の角度Ａ０が選択され、進行方向Ｓ１で直面される第２の角度Ａ１はＸが１に等しいことに対応し、進行方向Ｓ１で直面される第３の角度Ａ２はｘが２に等しいことに対応するというように、ｘがＰ−１に等しい最終角度Ａ（Ｐ−１）まで続く。進行方向Ｓ１は、時計回り又は反時計回りの方向で選択され得る。

図３ａは、３対の極（Ｐ＝３）を伴うロータ１２に関する実施形態を示し、一方、図１及び図３ｂは、５対の極（Ｐ＝５）を有するロータ１２に関する実施形態を示している。したがって、第１の角度Ａ０は３６０／Ｐ−δ／２の値を有し、最終角度Ａ（Ｐ−１）は３６０／Ｐ−δ／２の値を有し、この場合、中間角度Ａｘは、角度オフセットパラメータδに依存する機械的角度だけ、すなわち、ｘ＊δ／（Ｐ−１）の値だけ変化する。

図４ａ及び図４ｂの実施形態において、それぞれが極２２の周方向範囲に対応する２つの連続する極角Ａｘ’は、ステータピッチｓｐと関連付けられる角度オフセットパラメータδに依存する互いに対する角度差を有している。角度Ａｘ’は、２つの隣り合う極２２の２つの連続する対称軸Ｘ２間で測定される。

この場合、極角Ａｘ’は以下の式によって規定される。
Ａｘ’＝１８０／Ｐ−δ／２＋ｘ＊δ／（Ｐ−１）
−ｘは、極角のランクであり、すなわち、０〜２Ｐ−１の間に含まれる整数であり、
−Ｐは極２２の対の数であり、
−δは角度オフセットパラメータである。

極角Ａｘ’のランクｘは、ロータ１２の外周にしたがって所定の進行方向Ｓ１に進むときに増大する。例えば、ｘが０に等しい第１の角度Ａ０’が選択され、進行方向Ｓ１で直面される第２の角度Ａ１’はＸが１に等しいことに対応し、進行方向Ｓ１で直面される第３の角度Ａ２’はｘが２に等しいことに対応するというように、ｘが２Ｐ−１に等しい最終角度まで続く。進行方向Ｓ１は、時計回り又は反時計回りの方向で選択され得る。

図５ａ〜図５ｃは、極角オフセット（曲線Ｃ１参照）又は一対の極における角度オフセット（曲線Ｃ２参照）のそれぞれに関する、角度オフセットパラメータδに応じたトルクリップルＴｒ、トルクＴ、及び、全高調波歪みＴＨＤの推移をそれぞれ示している。これらの曲線は、１０００ｒｐｍの最大トルクを伴って３対の極と、５４個の切り欠きと、ピンを有する二重三相巻線と、を有する機械に関して得られたものである。値δ＝０が対称極を有する従来のロータに対応することに留意すべきである。

トルクリップル低減Ｔｒ及び全高調波歪みＴＨＤの観点において、０．５ｓｐに等しい角度オフセットパラメータ値δを発端としてセービングが重要であることが分かり得る。

また、図５ｄは、本発明に係るロータ１２に関して得られた無負荷電圧が従来のロータ１２に関するもの（曲線Ｃ０参照）よりも規則的であることを示している。

図６は、径方向に直交する方向に向けられた磁石２３が設けられた本発明に係るロータ１２の変形実施形態を示している。したがって、横断面において、磁石２３の長手方向軸Ｘ１は、ロータ１２の軸Ｘに対して径方向に直交する方向に向けられている。

変形例として、各極は、断面が「Ｖ」の形状の形態を規定する２つの永久磁石と、ロータ１２の軸Ｘに対して径方向に直交する方向に向けられる追加の磁石と、によって形成される。

変形例として、各極は、断面が「Ｖ」の形状の形態を規定する２つの永久磁石と、断面が「Ｖ」の形状の他の形態を規定する他の２つの永久磁石と、によって形成され、この他の形態は、「Ｖ」の形状の最初の形態で瓦状に重ねられる、すなわち、横断面において、極２２の４つの磁石２３の少なくとも１つのアセンブリの長手方向軸Ｘ１は、互いの間に非ゼロの角度を形成する。

図６におけるロータ１２の場合、トルクリップルＴｒは、供給されるトルクの大幅な減少を伴うことなく１１％から４％未満まで低下してしまっている（図示せず）。全高調波歪みＴＨＤは、角度オフセットを伴うことなく（δ＝０）その初期値と比べて半分に減少される（図示せず）。

図７ａ及び図７ｂは、無作為に選択された極角Ａｘの導入を示す図である。以下の表から明らかなように、無作為な分布も電気機械の向上された性能レベル得ることを可能にする。

ケース１は図７ａの角度分布に基づいており、また、ケース２は図７ｂの角度分布に基づいている。無作為な分布は、０．５＊ｓｐ〜１．５＊ｓｐの間で変化する異なるオフセット角度値を伴って具体化され得る。ケース１及びケース２は、１．５ｓｐに等しい角度オフセットパラメータδを選択するとともに、ロータ１２の外周にしたがって角度のランクを無作為に変更することによって、得られた。そのため、進行方向Ｓ１にしたがって無作為な角度でランクｘをとることによって角度Ａｘ，Ａｘ’を規定することを可能にする前述の式を使用することが可能であり得る。

図７ａでは、角度Ａ’０、Ａ’１、Ａ’２、Ａ’３、Ａ’４、及びＡ’５がロータの外周上に無作為に分布されるように、既に規定された極角Ａ’ｘが無作為に選択される。進行方向Ｓ１にしたがって、角度は連続してＡ’０、Ａ’２、Ａ’４、Ａ’１、Ａ’３、Ａ’５である。

図７ｂにおいて、極角Ａ’ｘの無作為な分布は、進行方向Ｓ２にしたがって角度が連続してＡ’０、Ａ’５、Ａ’１、Ａ’４、Ａ’３、Ａ’２となるようになっている。

本発明がロータ１２の回転方向とは独立して実施され得ることに留意すべきである。更に、得られる結果は、回転電気機械１０の動作モードに関係なく、すなわち、モータモード又は発電機モードで同じである。

前述の説明が、単に一例として与えられたにすぎず、本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の範囲からの逸脱が異なる要素を他の均等物で置き換えることによって構成されないことが理解されるであろう。

更に、本発明の異なる特徴、変形例、及び／又は、実施形態は、それらが不適合又は相互に排他的でなければ、様々な組み合わせにしたがって互いと関連付けられ得る。

Claims (10)

1. −ステータ（１１）であって、切り欠き（１８）を画定する歯（１７）が設けられる本体（１４）と、前記ステータ本体（１４）の前記切り欠き（１８）内に収容される巻線（１５）と、を備えるステータ（１１）と、
   −本体（２１）と、永久磁石（２３）により形成される極（２２）と、を備えるロータ（１２）と、
   を備える、特に自動車両用の回転電気機械（１０）であって、
   −それぞれが１つの極（２２）の周方向範囲に対応する２つの連続する極角（Ａｘ’）、又は、
   −それぞれが２つの隣り合う極（２２）の周方向範囲に対応する２つの連続する二重極角（Ａｘ）が、
   −ステータピッチ（ｓｐ）と関連付けられる角度オフセットパラメータ（δ）に依存する互いからの角度差を有する、
   ことを特徴とする回転電気機械（１０）。
2. 前記角度オフセットパラメータ（δ）が前記ステータピッチ（ｓｐ）の０．５〜１．５倍の間に含まれることを特徴とする、請求項１に記載の回転電気機械。
3. 二重極角（Ａｘ）が以下の式によって規定され、
   Ａｘ＝３６０／Ｐ−δ／２＋ｘ＊δ／（Ｐ−１）
   −ｘは、前記二重極角のランク、すなわち、０〜Ｐ−１の間に含まれる整数であり、
   −Ｐは極（２２）の対の数であり、
   −δは前記角度オフセットパラメータである、
   ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の回転電気機械。
4. 極角（Ａｘ’）が以下の式によって規定され、
   Ａｘ’＝１８０／Ｐ−δ／２＋ｘ＊δ／（２Ｐ−１）
   −ｘは、極角のランクであり、すなわち、０〜２Ｐ−１の間に含まれる整数であり、
   −Ｐは極（２２）の対の数であり、
   −δは前記角度オフセットパラメータである、
   ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の回転電気機械。
5. 前記二重極角（Ａｘ）又は前記極角（Ａｘ’）のランクは、前記ロータ（１２）の外周にしたがって所定の進行方向（Ｓ１）に進むときに増大することを特徴とする、請求項３又は４に記載の回転電気機械。
6. 各極（２２）が「Ｖ」の形状の形態を有する２つの永久磁石（２３）によって形成されることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の回転電気機械。
7. 各極（２２）は、前記ロータ（１２）の軸（Ｘ）に対して径方向に直交する方向に向けられる永久磁石（２３）によって形成されることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の回転電気機械。
8. 極（２２）ごと及び相ごとの切り欠き（１８）の数が１〜３の間に含まれることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の回転電気機械。
9. 極（２２）の対の数が３〜１０の間に含まれることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の回転電気機械。
10. 前記巻線（１５）が３〜６の間に含まれる数の相を備えることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の回転電気機械。

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