JP2912277B2

JP2912277B2 - 永久磁石を有し広い速度範囲に亘って一定電力で作動するようにされた同期電気機械

Info

Publication number: JP2912277B2
Application number: JP8344246A
Authority: JP
Inventors: マンフフィリップ
Original assignee: MOTOORU RUROI SOME
Current assignee: MOTOORU RUROI SOME
Priority date: 1995-12-22
Filing date: 1996-12-24
Publication date: 1999-06-28
Anticipated expiration: 2016-12-24
Also published as: DE69609807D1; FR2742936B1; JPH09298864A; EP0780954A1; DE69609807T2; EP0780954B1; FR2742936A1

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、低速からこの低速
の少なくとも３倍に等しい最大速度にまで至る広い速度
範囲全体にわたって一定の出力で作動するように適合さ
れた、永久磁石をもつ同期電気機械に関する。本発明は
またかかる電気機械用の回転子に関する。

【０００２】

【従来の技術】本発明は、特に電気自動車用の電動機、
より特定的には、広い速度範囲にわたって一定の出力で
作動する必要のあるあらゆるタイプの電動機に応用でき
るものである。永久磁石付同期電気機械が、単位質量あ
たり非常に高いトルクを発生させるのに特にうまく適合
されていること、そして一定トルクでの作動に対応する
応用分野において最も満足のいく性能を示し、このとき
発生した出力は速度に比例して増大することは既知の事
実である。

【０００３】その結果として、かかる機械は一般に一定
の出力で作動するのにうまく適合されていない。電気自
動車の牽引のための１つの解決法は、ギヤボックスと、
定トルク電動機を結びつけることから成る。それでも、
車両メーカーにとっては、ギヤボックスは重く、かさ高
くかつ高価なユニットである。

【０００４】車両メーカーの仕様では、かかるギヤボッ
クスを削除し、低速からこの低速の少なくとも約３倍に
等しい最大速度に至る広い速度範囲にわたって実質的に
一定の出力で作動するのに適した電気機械を設計するこ
とが要求されている。仕様には又、機械の重量を低くと
どめるため、単位質量あたりの高いトルクも要求されて
いる。

【０００５】永久磁石付同期電気機械は、頑丈で信頼性
が高いものであるとの評判を博している。従って、出願
人は、このタイプのものでありしかも上述の新しい必要
条件を満たすように適合された機械を設計することに着
手した。例えば、磁石内で実質的に完全に覆われた周囲
表面をもつ回転子を内含する永久磁石付同期電気機械が
知られている。磁石は、好ましくは、高エネルギー密度
の磁石であり、半径方向に磁化されている。

【０００６】この同期電気機械は又、多相磁気回路を構
成ししかも巻線が中に巻き込まれているスロットを構成
するその内部周囲表面上に歯を有している固定子、なら
びに巻線によって搬送される電圧及び電流と該多相磁気
回路の磁束に対する永久磁石の磁束の位相角とを変動さ
せるための制御手段も内含している。従来、この同期機
械は、機械に給電する電圧がその最大値に達した時点で
到達するその基本速度まで、実質的に一定のトルクにて
作動する。電気的牽引を伴う車両については、この電圧
は、車両に搭載されたバッテリの公称電圧である。

【０００７】この機械がその基本速度よりもはるかに高
い速度で作動できるようにするためには、機械の制御装
置は、固定子の巻線によって搬送される電圧及び電流の
みならず、回転子の永久磁石の磁束と固定子の多相磁気
回路の磁束との間の位相角も調整するように適合されて
いる。電流が増大するにつれて、多相磁気回路により生
成される磁束は増大し、磁石により生成された磁束に対
抗し、かくして機械により発生させられるトルクを減少
させる。同時に、上述の位相角の増大は、機械の速度の
上昇をひき起こす。かくして、一定出力の運転が得られ
る。

【０００８】主としてサーボモーターのために用いられ
るこのような構造は、実際には基本速度の約１．５倍に
制限されている最大速度を達成することを可能にする。
前記実際上の限界よりも高い最大速度を得るためには、
機械の中を流れる電流が非常に大幅に増大させられかく
してかかる機械に電力供給する電力用トランジスタが非
常に大幅に過大寸法決定されることが必要となる。この
ことは、許容しがたいコストをもたらす。

【０００９】上述の速度範囲は、本発明の目的にとって
はきわめて不満足なものである。磁束の集中なく永久磁
石の上にとりつけられた磁極片をもつ回転子も知られて
いる。磁石によって生成される磁束は、高いエネルギー
密度の磁石が使用された場合、高いものでありうる。か
くしてこのような構造は、基本速度未満で、非常に高い
単位質量あたりのトルク比を達成することを可能にす
る。しかしながら、定出力で作動するためのその適合性
は、前述の構造よりはましであるものの、広い速度範囲
にわたる運転に使用できるためにはなお不充分である。

【００１０】同様に、ＥＰ−Ａ−０３７８１６２から知
られているのは、磁束集中タイプの永久磁石付同期機械
である。この電動機は、方位角（又は接線）方向での磁
化を伴って半径方向に位置づけされた永久磁石をそなえ
た回転子、及び隣接する磁石の対の間に配置され磁束集
中装置として作用する磁極片を含んで成る。電動機シャ
フトに向かう方向で磁石の磁束に対して提供される磁気
抵抗は、電動機のエアギャップに向かう方向で磁石の磁
束に対して提供される磁気抵抗の１０倍〜２０倍の範囲
内にある。

【００１１】この構造の所定の目的は、一定の与えられ
た基本速度から基本速度の４倍に等しい最大速度に至る
広い速度範囲にわたって作動することのできる同期電動
機を提供することにある。それでも、この構造は、上述
の問題に対する満足のいく解決法を構成するものではな
い。

【００１２】これは、仕様が要求している単位質量あた
りの出力レベルの達成を可能にしてくれるものではな
く、従って、かさが高くひいては重く高価なものである
電動機をもたらすことになる。磁石により生成される磁
束に対抗できるようにするべく機械を過大寸法決定する
ことにもなる。同様に、例えばＥＰ−Ａ−０１６３７４
７から知られているのは、半径方向外向きに突出し、単
数又は複数の半径方向に磁化された永久磁石を、隣接す
る磁極片対の間に支持する磁極片を内含する磁気回路を
含む同期電動機用の回転子である。磁石の側面は、隣接
する磁極片の対応するそれぞれの側面から離隔されてい
る。磁極片は、回転子の半径よりもかなり小さい半径の
それぞれの円形外周縁部を有し、かくして、磁石の軸上
にある磁束の成分にとって不利なものである効果をも
つ、さまざまな寸法のエアギャップが生成される。

【００１３】これとは対照的に、各磁石と隣接する磁極
片との間の著しい距離及び、前記磁極片の外縁部の特殊
な丸味を帯びた凸状の輪郭は、磁束に対し、実質的に正
弦波状である分布を与えるという機能をもち、かくして
回転子トルクの変動が除去され、その規則的回転が得ら
れることになる。従って、この構造の目的は、従来のよ
うなその後の修正ステップを実施することが全く不要で
あるようなすぐれた品質の機械加工を得るために、特に
工作機械にとって有利なことでありうる、低速にて非常
に規則的でスムーズなトルクを得ることにある。

【００１４】このタイプの回転子は、広い速度範囲にわ
たって定出力で作動ししかも高い効率及び単位質量あた
りの出力を示すことのできる機械に向くように適合され
てはいない。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、永久
磁石付同期電気機械のための既知の構造の上述の欠点を
補正し、コンパクトで、信頼性が高く、非常に廉価でし
かも上述の広い速度範囲にわたり定出力で作動するよう
に特に適合された、上記で規定されたタイプの機械を提
案することにある。

【００１６】本発明のもう１つの目的は、このような同
期電気機械に搭載するのに適した回転子を提供すること
にある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】第１の形態においては、
本発明は、回転子が、隣接する磁極片の各対の間の予め
定められた厚みの少なくとも１つの永久磁石を伴って、
予め定められた数の磁極片を含んでおり、永久磁石は、
半径方向又は軸方向に磁化されており、磁極片の対応す
る実質的に半径方向の壁に隣接する磁石の実質的に半径
方向の各々の壁は、特に機械が短絡した場合に、機械が
搬送するはずである最大電流の存在下で磁石が消磁する
危険性をことごとく防ぐような要領で予め決定されてい
る距離だけ、前記実質的に半径方向の壁から離隔されて
いることを特徴とする上述のタイプの永久磁石付同期電
気機械を提供する。

【００１８】上述のサーボモーター構造を認識しており
かつそれを改善しようといしている当業者は、本発明の
目的を達成するために回転子から突出する磁極片又は磁
極を作り出すことを考えるのを思いとどまることになる
だろう。このような修正のもたらす第１の効果は、磁石
によって生成される磁束を低減させることであるが、一
方、当業者は、突出する磁極がなく基本速度未満で作動
する機械においては、トルク及び単位質量あたりの出力
は、高エネルギー密度の磁石が用いられた場合に大きい
ものでありうる前記磁束に比例するものであるというこ
とを理解しうる。

【００１９】同様に、当業者は、回転子磁束を導く効果
をもち、かくしてこの磁束を受けた磁石を消磁する傾向
をもつ磁束を牽引用電動機内で遭遇する極端な条件下で
自らの中及びその近辺において作り出すことになる磁極
片の使用を思いとどまらされている。かくして、磁石の
半径方向壁と、対応する磁極片の隣接する実質的に半径
方向の壁との間の予め定められた距離は、磁極片の外側
でその実質的に半径方向の壁にて通過するフリンジ磁界
のため、機械が搬送する電流が著しく増大した場合に磁
石が消磁される危険性をことごとく回避するのに役立
つ。

【００２０】これらの予め定められた距離の効果は、最
大トルクを求めるという当業者の絶え間ない関心事に逆
らうことになる、無負荷時の磁石が生成する磁束をさら
に低減させることにある。このとき、磁極片の使用とい
う考えを屈せずに押し通す当業者は、磁石の磁束が固定
子の磁束に対し或る位相角にある場合でしかも、突出す
る磁極片を全くもたないサーボモーターにおいて必要と
される電流に比べ電流が増大させられたことを条件とし
て、基本速度より低い速度で最大トルクが得られるとい
うことを発見するだろう。

【００２１】このことは、磁石の磁束の位相角をシフト
させるのに利用できる範囲を低減させ、前記のさらに大
きい電流のために機械の最大速度及び効率を低下させる
という影響をもつと思われる。しかしながら、きわめて
驚くべきことに、本発明の同期機械においては、結果と
して得られるトルクは、磁石の磁束による相互作用トル
ク、及び上述の欠点を補償する以上のものである、ｄ及
びｑ軸の間のパーミアンスの変動による磁気抵抗トルク
の和である。

【００２２】本発明のもう１つの形態においては、永久
磁石回転子は、本発明の第１の形態の同期電気機械に搭
載されるように適合されていることを特徴とする。磁石
が回転子上に位置づけされる前に磁化される場合、その
位置づけを容易にすることができれば有用である。この
ため、磁極片の半径方向壁の基部で実質的に接線方向に
延びしかも隣接する磁石のための接線方向における取付
け部を形成する肩部によって、予め定められた距離が固
定される。

【００２３】１つの実施形態では、磁極片の実質的に半
径方向の壁と、磁石の対応する隣接した実質的に半径方
向の壁との間に残された間隙は、少なくとも部分的に、
非磁性材料の要素で充てんされる。非磁性材料は、特に
接着剤又はワニスで構成され得、かくして、対応する磁
石を固定するためにも役立つ。

【００２４】もう１つの実施形態では、非磁性材料の要
素は、管の形状をもち、磁極片に沿って軸方向に延び、
冷却液を運ぶように適合されている。非磁性材料の要素
は同様に、磁石が位置づけされつつある間、磁石を案内
することができるようにするガイド部分を内含していて
もよい。本発明の１つの有利な実施形態においては、永
久磁石は高エネルギー密度の磁石であり、特に約１３０
℃といった作動温度で高い残留インダクタンス（ｒｅｍ
ａｎｅｎｔｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ）と中程度の保磁磁
界（ｃｏｅｒｃｉｖｅｆｉｅｌｄ）をもつタイプの材料
で作られている。

【００２５】単位質量あたりの高いトルクをもつ同期電
動機の回転子のために高エネルギー密度の磁石を用いる
ことが理解される。しかしながら、当業者は、広い速度
範囲にわたり一定の出力でつまり高電流及び磁石が消磁
される高い危険性を伴って作動するよう適合されている
同期電動機のために、例えばＮｄＦｅＢ合金といったよ
うな、その作動温度で中程度である保磁磁界をもつ材料
で作られた磁石を用いることを強く思いとどまらされ
る。すなわち固定子の多相磁気回路により生成された対
抗する磁束による消磁に耐える能力を規定しているの
は、磁石の保磁磁界である。

【００２６】本発明の好ましい実施形態においては、永
久磁石は、ＮｄＦｅＢ合金で作られた磁石については、
例えば４mm〜８mmの範囲内、好ましくは４．５mm〜５．
５mmの範囲内にある比較的小さな厚みをもつものであ
る。磁石の厚みが比較的小さいことはすなわち、半径方
向に比較的小さなエアギャップがありかくして固定子の
多相磁気回路によって生成され磁極片によって導かれる
磁束について比較的高い密度が存在することを意味して
いる。

【００２７】広い速度範囲にわたり一定の出力で作動す
るように適合された同期機械の中で磁石が消磁された状
態となる危険性を認識している当業者は、このような機
械の回転子上に厚みの小さい永久磁石を使用することを
完全に思いとどまらされる。回転子の周囲部分上のみに
あるこれらの磁石は、上述のサーボモーター内で用いら
れるものよりもはるかに小さい合計体積をもつ。

【００２８】しかしながら、本発明の機械及び回転子
が、先行技術の機械及び回転子に比べ重量及びコストの
面で著しく低いのは、特定的に言うと、高いエネルギー
密度をもつものの保磁磁界は中程度でありかつ比較的コ
ストの低い材料で作られた小さな体積の磁石を用いるこ
とが可能であるためである。本発明のその他の特徴は、
単に限定的なものではない実施例として示され、添付図
面を参考にした以下の記述の中で説明されている。

【００２９】

【発明の実施の形態】図１乃至図３に示された実施例で
は、周囲に永久磁石２を有する回転子１は、また回転子
１の軸４を中心として規則的に分布形成された予め定め
られた数の磁極片３をもそなえている。図１の実施例に
おいては、磁気積層体５は、２つの隣接する磁極片３が
互いに６０度だけ角度的に離隔されている状態で、軸４
のまわりに規則的に分布形成された６つの磁極片３をそ
なえている。

【００３０】各積層体５は、シャフト（図示せず）が中
を通る中央開口部５ａを有している。磁極片３は、積層
体５の周辺縁部６から半径方向外向きに突出する。２つ
の隣接する磁極片３の間で、周辺縁部６は、示されてい
る磁石が直角状の平行六面体の形をしている図２（ａ）
及び（ｂ）に概略的に図示されているように、共通の円
周に接ししかもそれぞれの永久磁石２のための座として
役立つように適合されている３つのセグメント７で構成
されている。

【００３１】これは、他のもののうちの単に１つの実施
例にすぎないが、市場で容易に入手できる直角状の平行
六面体の形をした小さな寸法の磁石を使用するのに充分
に適している。重要な点は、２つの隣接する磁極片３の
間には、例えば管状壁の一部分の形といったような、さ
まざまな異なる形状をとりうる少なくとも１つの永久磁
石２が存在するということである。この管状壁の一部分
という形状の場合、その内側半径は、そのときそれ自体
が円形である縁部６の半径に実質的に等しいものであ
る。

【００３２】以下で詳細に説明する通り、永久磁石２は
規定の厚みをもつものである。これらは好ましくは半径
方向に磁化されているが、磁極の数が多い場合には、軸
方向つまりその軸の方向に磁化されていてもよい。図３
は、軸方向か又は半径方向に磁化されている磁石２を示
している。図３の右側にある２つの隣接する磁極片３の
間に挿入された磁石２は、全て、その露呈された外部面
にそのＮ極Ｎを有し、その座７と接触する面上にそのＳ
極Ｓをもつ。中央磁極片のもう１方の側で、図の左側で
磁極片の間に挿入された磁石は全て、反対方向に磁化さ
れている。

【００３３】磁極片３の対応する実質的に半径方向の壁
９に隣接する磁石２の実質的に半径方向の壁８は各々、
本発明に従うと、以下で記述されている要領で予め定め
られている距離１０だけ前記実質的に半径方向の壁９か
ら離隔されている。図１、図２（ａ）及び（ｂ）に示さ
れている実施例においては、予め定められた距離１０
は、磁極片３の実質的に半径方向の壁９の基部から実質
的に接線方向に延び、しかも隣接する永久磁石２のため
の取り付け部を構成している１つの肩部１１によって固
定されている。

【００３４】磁極片３の実質的に半径方向の壁９と永久
磁石２の対応する隣接した実質的に半径方向の壁８との
間に残された間隙は、図１乃至図３に示されている実施
例においては、空気で占有されている。一変形形態にお
いては、この間隙は、少なくとも部分的に、非磁性材料
の要素によって満たされていてもよい。この非磁性材料
は、図２（ａ）の右側に１２として示されているよう
に、接着剤又はワニスであってよく、かくして回転子１
に対する磁石２の固定が改善されることになる。

【００３５】図２（ｂ）の左側に示された非磁性材料の
要素１３は、磁極片３に沿って軸方向に延びた管状をし
ており、冷却液を搬送するように適合されている。図２
（ｂ）の右側に示された非磁性材料の要素１４は、回転
子１上に位置づけされつつある間、隣接する磁石２を誘
導するのに役立つガイド部分によって構成されている。
かくしてこれは、磁極片３の側壁９に隣接しており、磁
石２を肩部１１の縁部までそしてそこからその座７まで
誘導するべく傾斜している、該壁９から離れた表面１５
を有している。上述の要素１３も、磁石を位置づけする
上で助けとなるように壁１５のように実質的に傾斜した
壁を有していてもよい。

【００３６】永久磁石２は、高エネルギー密度の磁石で
ある。該永久磁石は好ましくは、例えばＮｄ，Ｆｅ及び
Ｂの合金といったように、特に約１３０℃という設計作
動温度で高い残留誘導（ｒｅｍａｎｅｎｔｉｎｄｕｃ
ｔｉｏｎ）Ｂｒ及び中程度の保磁磁界（ｃｏｅｒｃｉｖ
ｅｆｉｅｌｄ）Ｈｃを有するタイプの材料で作られて
いる。

【００３７】永久磁石２は比較的薄く、ＮｄＦｅＢ合金
で作られた磁石については、例えば４mm〜８mmの厚み、
好ましくは４．５mm〜５．５mmの厚みをもつ。予め定め
られた距離１０は、実質的には磁石２の厚みに実質的に
等しく、約４mm〜約８mmの範囲内にあってよい。こうし
て磁極片３の側壁９の外側に存在するフリンジ磁界によ
り消磁される危険性に対する磁石２についての効果的な
保護が提供される。

【００３８】しかしながら、こうして、無負荷時に磁石
が生成する磁束が低減される傾向にある（以下参照）。
上述の回転子は、図７で参照番号２０が付された同期電
気機械に装着されるべく設計されており、又基本速度か
らこの基本速度の少なくとも約３倍に等しい最大速度に
至る広い速度範囲にわたって一定の出力で作動するよう
に適合させられている。同期機械は、その周囲に永久磁
石２を支持している回転子１、図５で２３という参照番
号が付された巻線が中に巻きつけられたスロット２２を
構成するその内側周囲表面１８上に歯２１を有し、かつ
多相磁気回路を構成している固定子１９、及び巻線２３
の中を通過する電圧及び電流を調整しかつまた永久磁石
２の磁束と固定子１９の多相磁気回路の磁束との間の位
相角を調整するのに適した、図７に２４という参照番号
の付された制御手段、をそなえて成る。これらの制御手
段２４は、それ自体既知のものであり、従ってここでそ
れらについて詳述する必要はない。当然のことながら該
制御手段には、回転子の位置を検知し、電圧及び電流を
調整するために必須である信号を送り出すため、ならび
に上述の位相角を検知するためのセンサ（図示せず）も
内含されている。

【００３９】上述のように、永久磁石付同期機械は、非
常に高い単位質量あたりのトルクを提供するという評判
をもつ。一般に、このような機械は、電圧がその最大値
まで増大した場合に基本速度まで増大する速度で一定の
トルクにて作動する。車両の牽引用電動機については、
最大電圧は車両のバッテリによって送り出され得る最大
電圧である。

【００４０】このような車両を駆動するためには、本発
明の同期電気機械は、基本速度からこの基本速度の少な
くとも約３倍に等しい最大速度に至る広い速度範囲にわ
たり一定の出力で作動することができなくてはならな
い。最大電圧に対応する基本速度以上では、固定子の巻
線により搬送される電流を増大させ、磁石の磁束と多相
磁気回路の磁束との間の位相角を変更することによっ
て、永久磁石付同期機械を一定出力で作動させることが
できるということが理解される。

【００４１】最大電圧は固定されていることから、同期
機械の特性が基本的に次の３つのパラメータに左右され
ることが理解される：・磁石によって生成された無負荷状態での磁束Φ₀、・固定子の多相磁気回路により生成される磁束Φ₁、
及び・磁石の磁束Φ₀と多相磁気回路の磁束Φ₁との間の
位相角γ＋π／２。

【００４２】図５は、１つの磁石の軸ｄ及び２つの隣接
する磁石の間の軸ｑを示すこのような機械の作動条件の
通常の表示である。軸ｄに対する軸ｑの電気位相角は、
回転子１が固定子１９の多相磁気回路に対して回転して
いる矢印２５の方向において９０度である。図示したダ
イヤグラムは、位相Ａを基準位相として用いて、磁極及
び位相あたり１つの巻線（ｏｎｅｔｕｒｎ）によって
構成された３相磁気回路の場合に対応する。磁束Φ₁が
つねに、位相Ａを搬送する巻線の軸の上に位置づけられ
ることが理解される。磁石の磁束Φ₀は、多相磁気回路
の磁束Φ₁に付して位相角γ＋π／２にある。

【００４３】大きさが正弦波的に変動すると仮定する
と、電磁トルクＣｅｌを以下のとおりに記すことができ
ることが理解される。

【００４４】

【数１】

【００４５】上述の等式において、・ Φ₀＝無負荷の場合に磁石により生成される磁極及
び１相あたりの磁束；・Ｌ_q（ｉ_q）＝磁極及び１相あたりの軸ｑ上のイン
ダクタンス；・Ｌ_d（ｉ_d）＝磁極及び１相あたりの軸ｄ上のイン
ダクタンス；

【００４６】

【数２】

【００４７】・Ｐは、回転子の磁極対の数、である。
電磁トルクＣｅｌは次の２つの項の関数として表わされ
ていることがわかる。すなわち、・第１の項（１）は、多相磁気回路が電力供給を受けた
時点で磁石により独自で生成されるトルクに対応する。
このトルク成分は、磁石の磁束及び電流に比例する。こ
れは、γ＝０であるとき、すなわち磁束Φ₀及びΦ₁を
表わす各ベクトルが直交している（９０°ずれている）
場合に最大であり、γが０°〜９０°まで変化するにつ
れて減少する。

【００４８】・第２の項（２）は、多相磁気回路によっ
て“見られる”ようなパーミアンスの変動に結びつけら
れた磁気抵抗トルク（リラクタンストルク）に対応す
る。この成分は、位置ｑとｄとの間のインダクタンスの
変動に比例し、電流の２乗で変動する。磁気抵抗トルク
は、Ｌ_q＞Ｌ_dの場合に永久磁石により生成されるもの
に付加される。これはγ＝π／４で最大となる。

【００４９】基本速度より低い速度で作動する場合、す
なわち各位相に対して供給される給電電圧が利用可能な
最大電圧よりも低い場合、機械は、その最大トルクを送
り出すことができる。これらの条件は、一般に０°〜４
５°の範囲にある比較的小さい位相角Φ（Φの値は、選
択された作動点及び各パラメータΦ₀，Ｌ_q，Ｌ_dによ
り左右される）に対応する。

【００５０】基本速度以上では、磁石の間に配置された
磁極片の存在は、軸ｄの上の磁束をかなり増大させ、一
定のトルクで非常に広い作動範囲を得ることを可能にす
る。このような条件下で、Ｃｅｌの値を与える上述の等
式は、基本速度未満の速度で高いトルクを送り出すため
の永久磁石付同期機械の適性が、磁石により生成される
磁束Φ₀の増大及びｑ及びｄの増大すなわち（Ｌ_q−Ｌ
_d）の増大と共に増加する、ということを示している。
このことはよく理解されうる。

【００５１】同様にして、一定の与えられた電流につい
て、広い速度範囲にわたり一定の出力で作動するための
永久磁石付同期機械の適性は、Ｌ_d／Φ₀という量（Ａ
^-1で表わされる）の増大を共に増加させられる。単位質
量あたり高いトルクを得ることも望まれる場合には、磁
石により生成される磁束Φ₀は、できるかぎり大きくな
くてはならない。このとき上述の提案は、軸ｄ上ででき
るかぎり大きなインダクタンスを提供する構造の探求に
匹敵する。

【００５２】図１〜図３を参考にしながら以上で記述し
た構造をもつ回転子の場合、永久磁石により生成される
磁束Φ₀は、その他の既知の永久磁石回転子構造で得る
ことのできるものよりも小さい。電磁トルクについて
は、この状況は、基本速度未満で単位質量あたり高いト
ルクを生成するための優れた適性をこのタイプの機械に
付与する、付加的な磁気抵抗トルク（リラクタンスト
ルク）を生成する非常に極立った突出効果によって、十
分に補償される。この構造の主要な特徴は、比較的大き
いインダクタンス値を軸ｄ上に得ることができ、かくし
て広い速度範囲にわたる一定出力での作動に有利に作用
する、という点にある。

【００５３】図６に示されている通り、結果として得ら
れるトルクは、磁石の磁束による相互作用トルク（ｉｎ
ｔｅｒａｃｔｉｏｎｔｏｒｑｕｅ）及び、軸ｄ及び軸
ｑの間の連続的変動による磁気抵抗トルク（ｒｅｌｕｃ
ｔａｎｃｅｔｏｒｑｕｅ）の和である。かくして、基
本速度未満で、最大トルクは、一般に１５°〜４５°の
範囲内にある電気角γについて得られる。さらに、電流
が固定されている場合、トルクは、このγの変動範囲内
で、すなわち電気的に３０度にわたって、ほとんど変動
しない。この観察事実は、センサが安価なコード化技術
と相容れる比較的低い解像度を有する可能性があること
から（特に低速範囲内で）機械を制御するように選択さ
れる必要のある位置センサの種類に対し、重大な影響を
もたらす。

【００５４】磁気抵抗トルクは、結果として得られるト
ルクの２０％〜３０％を構成する（基本速度より低い速
度で、上述の寸法を用いて）ことから、単位質量あたり
及びアンペアあたりのトルクの比は、表面上にとりつけ
られた磁石が搭載された最良のサーボモーターのものと
等価であるが、当該ケースでは、磁石の体積は、このよ
うなサーボモーターの磁石体積の２０％〜３０％にまで
低減させられる。

【００５５】本出願人は、本発明に従った回転子１の磁
極片３の間に挿入された永久磁石２をもつ同期機械の主
な幾何学的パラメータを決定するべく、数多くの計算及
びシミュレーションを実施した。機械のサイズを規定す
るような幾何学的パラメータに加えて、本出願人はま
た、回転子の幾何形状及び使用される磁石の体積を最適
化することを追究してきた。

【００５６】第１のパラメータは、回転子の磁極角度
（ｐｏｌｅａｎｇｌｅ）π／Ｐにより割られた磁石の
磁極角度α・π／Ｐである、１より小さい値の商の形で
表わされる、図１に示されたとおりの、２つの隣接する
磁極片３の間にある磁石２の相対的磁極角度（ｒｅｌａ
ｔｉｖｅｐｏｌｅａｎｇｌｅ）αである。磁石の相
対的磁極角度は、０．６５を超えてはならない。αがこ
の値を超えた時点で、トルクはもはや増大しない。

【００５７】対応する隣接した強磁性磁極片３上の磁石
の漏洩磁束を制限するため、及び消磁の危険性をことご
とく排除するため、磁石は、磁極片と直接接触しない。
多相磁気回路からの磁束は、基本的に前記磁極片によっ
て導かれ、かくして磁石に対し効果的な保護を提供す
る。それでも、磁束のわずかな部分は、磁極片の中にそ
の側面９を介して組込まれる。このため、磁石２と隣接
する磁極片３との間には予め定められた距離に対応する
間隙を残すことが必要となる。

【００５８】上述のとおり、かくして、電動機の専門家
の通常の基準及び実践に反して、磁石の磁束Φ₀が著し
く低減されることになるが、同期電動機の性能とコスト
の間の最適な妥協点を得るために、αは有利には、０．
４５〜０．５５の範囲内にあり、好ましくは約０．５に
等しいと考えられる。同様にして、各々の磁極片３の磁
極角度β・π／Ｐ（図１を参照）は、上述の最適化を得
るべく有利には、範囲０．２０〜０．３５内にある相対
的磁極角度βに対応しており、ここで残りの磁極角度
は、磁石と隣接する磁極片との間の予め定められた距離
によって専有されている。

【００５９】ＮｄＦｅＢ合金で作られた磁石について
は、最大トルクを得ることができるようにする磁石の厚
みは約７．５mmである。それでも、磁石の厚みを５．０
mmに制限することによって、トルクのほぼ９５％が得ら
れ、消磁に対する耐性は確保される（最も厳しく負荷さ
れた作動条件下での磁石内の磁界の値は、材料の消磁限
界よりはるか下、すなわちＮｄＦｅＢ合金については１
４０°で約７００ＫＡ／ｍにとどまっている）。この厚
みはかくして、およそ４mm〜８mmという有利な範囲又
は、およそ４．５mm〜５．５mmという好ましい範囲にわ
たって選択することができる。

【００６０】図８は、固定子の図示された扇形（セクタ
ー）の両端にあるスロットの中に支持された２つの巻線
２３によって多相磁気回路の磁束が生成される場合に得
られる磁力線を示す。この磁束は矢印２７の方向に導か
れ、磁極片の軸上で、２つの隣接する磁石間の軸ｑ上に
ある。図９は、磁極片にある２つの巻線２３によって磁
束が生成された時点で得られる磁力線を示している。こ
の磁束は、矢印２８の方向に導かれ、磁石の軸ｄの上に
ある。

【００６１】図９中の軸ｄ上の磁束は、図８中の軸ｑ上
の磁束よりも小さい。図９は、図８の各磁力線の間の磁
界差よりもはるかに小さい磁界差に対応する磁力線を示
す。こうして、磁束がいかに、対応する磁極片の２つの
実質的に半径方向の側壁の近くで集中させられるかを示
すことができるようになっている。磁石をもつ全ての同
期機械と同様に、単位質量あたりのトルク及び生成され
たトルクの質（トルクの平均値との関係におけるリップ
ル百分率として表わされるもの）で表わしたこの機械の
性能は、供給電源の波形によって左右される。

【００６２】一定の与えられたピーク電流値について、
１５０°の方形波での給電が、単位質量あたり最高のト
ルクを提供する（正弦波給電に対応するトルクよりも１
５％〜２０％大きい）。それでも、このタイプの給電
は、低速度でのトルクにおける比較的高いパルスレベル
を生成し（固定子磁気回路が回転子に対しゼロのところ
で傾斜をもつ場合には２５％のリップル、そして固定子
のスロットピッチの半分のところで傾斜している場合に
は約６％）、このため、各位相はＨ−ブリッジを用いて
独立して電力供給される必要がある。このときバッテリ
により送り出される電流は、給電周波数の８倍に等しい
周波数で大幅な変動を受ける。

【００６３】１２０°での方形波給電は、単位質量あた
りのトルクの増大が正弦波給電に比べ５％〜１０％未満
であることから、さほど高くない性能を達成できるよう
にする。しかしながら、このタイプの給電は、すぐれた
質のトルク（適切な傾斜で３％未満のリップル）を得る
ことを可能にする。星形に接続された６つのトランジス
タ及びコイルをもつ伝統的なブリッジ回路は、このタイ
プの給電に適している。

【００６４】それでも、１２０°の方形波の形での電力
供給は、基本速度未満の範囲内にある速度に制限される
べきである。基本速度以上では、正弦波給電が、機械の
より優れた制御を提供する。本出願人は、以下で示され
るとおり、回転子の磁極片の間に挿入された永久磁石を
もち、２７KWの最大出力を有する同期電動機の特性を規
定した。

【００６５】選択された磁石は、ＮｄＦｅＢタイプのも
のであった。一例を挙げると、これらは、ＵＧＩＭＡＧ
社により製造されＵＧＩＳＴＡＢ２６×Ｕ（登録商標）
の名で知られているタイプのものであり、このタイプの
磁石は、その高温に耐える性能のため、いくつかの磁気
特性を犠牲にして選択されたのであった。最大出力２７KW バッテリー電圧１６０Ｖ基本速度２２５０rpm. 最大速度９０００rpm. 最大出力でのｒｍｓ電流：・基本速度で１４５Ａ・最大速度で１２０Ａ最大出力での電動機独自の効率：・基本速度で０．９２・最大速度で０．８８回転子：・磁石ＵＧＩＳＴＡＢ２６×Ｕ・積層体の外径２２０mm ・鉄製部分の軸方向長さ１１０mm ・磁極数６・電動機及び差動ギヤの質量６８kg ＮｄＦｅＢのエネルギーコストは、ＳｍＣｏ５のものよ
りも認識できるほどに低く、構造物内に使用される磁石
の体積を最小限におさえることができることから、大型
機械内で高エネルギー密度の磁石を使用することに付随
する欠点の大部分が削減される。

【００６６】当然のことながら、本発明は上述の各実施
例に制限されるものではなく、本発明の範囲から逸脱す
ることなく、数多くの変更及び修正をこれに加えること
が可能である。特に、磁石のタイプ、数及び形状を変更
すること及び磁極数を増大することが可能である。

【００６７】いかなる電動機メーカーでも、本発明に従
って同期電動機を設計し製造するべく、上述の特徴を利
用する能力をもつ、ということが理解されるだろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例において回転子を形成するの
に適した要領で設計された磁気積層体の概略的立面図で
ある。

【図２】（ａ）は永久磁石が示されている、図１よりも
拡大した詳細図であり、（ｂ）は本発明の回転子のさま
ざまな実施例を示す、（ａ）に類似した図である。

【図３】磁石を磁化できる２つの可能な方向を示す、図
１及び図２の実施例に対応する回転子の断片的な概略平
面図である。

【図４】（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ、軸方向に
磁化されている平行六面体の形をした磁石、管状壁の一
部分の形をし軸方向に磁化された磁石、及び同じ形状で
あるが半径方向に磁化されている磁石、を示す立面図で
ある。

【図５】回転子の永久磁石及び固定子の多相磁気回路の
各磁束、及び軸ｄ及びｑを利用した従来の表示における
前記２つの磁束の間の位相角を示す図である。

【図６】磁石の磁束と多相磁気回路の磁束との間の電気
位相角の関数として電磁トルクの各成分を示すグラフで
ある。

【図７】回転子及び固定子のセクターを示す、概略的断
片図である。

【図８】多相磁気回路の磁束がｑ軸に沿って延びている
場合の磁束線を示す、図７に類似した図である。

【図９】多相磁気回路の磁束がｄ軸に沿って導かれてい
る場合の磁束線を示す、図７に類似した図である。

【符号の説明】１…回転子２…永久磁石３…磁極片８，９…実質的に半径方向の壁１０…予め定められた距離１１…肩部１２…接着剤又はワニス１３，１４…非磁性材料の要素１８…内側周囲表面１９…固定子２１…歯２３…巻線２４…制御手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H02K 21/14 H02K 1/27 501 H02K 19/02 H02K 29/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】永久磁石（２）を有し基本速度から該基
本速度の少なくとも約３倍に等しい最大速度に至る広い
速度範囲に亘って一定の出力で作動するようにされた同
期電気機械（２０）において、周囲（１７）に該永久磁
石（２）をもつ回転子（１）、多相磁気回路を構成し巻
線（２３）が中に巻きつけられているスロット（２２）
を構成するその内側周囲表面（１８）上に歯（２１）を
提示している固定子（１９）、及び該巻線（２３）によ
って搬送される電圧及び電流ならびに該永久磁石（２）
の磁束と該固定子（１９）の多相磁気回路の磁束との間
の位相角をも変動させるための制御手段（２４）を含ん
で成る同期電気機械であって、該回転子（１）が、隣接
する磁極片（３）の各対の間に予め定められた厚みの少
なくとも１つの永久磁石（２）を伴って、予め定められ
た数の磁極片（３）を含んでおり、該永久磁石（２）
は、半径方向又は軸方向に磁化されており、該磁極片
（３）の対応する実質的に半径方向の壁（９）に隣接す
る該永久磁石（２）の実質的に半径方向の各々の壁
（８）は、特に該機械が短絡した場合に、該機械が搬送
するはずである最大電流の存在下で該永久磁石（２）が
消磁される危険性をことごとく防ぐような要領で予め定
められた距離（１０）だけ、前記実質的に半径方向の壁
（９）から離隔されており、前記予め定められた距離（１０）が、前記磁極片（３）
の実質的に半径方向の壁（９）の基部において実質的に
接線方向に延びしかも隣接する前記永久磁石（２）のた
めの取付け部を構成する肩部（１１）によって設定され
ていることを特徴とする同期電気機械。
【請求項２】蓄電池によって給電を受けている電気自
動車の牽引用電動機を構成していることを特徴とする、
請求項１に記載の同期電気機械。
【請求項３】請求項１又は２に記載の同期電気機械に
設けられるようにされていることを特徴とする、前記永
久磁石（２）を有する回転子。
【請求項４】前記磁極片（３）の実質的に半径方向の
前記壁（９）と前記永久磁石（２）の対応する隣接した
実質的に半径方向の前記壁（８）との間に残された間隙
が、少なくとも一部分、非磁性材料の要素で充てんされ
ていることを特徴とする、請求項３に記載の回転子。
【請求項５】前記非磁性材料が接着剤又はワニス（１
２）であることを特徴とする、請求項４に記載の回転
子。
【請求項６】前記非磁性材料の要素（１３）が管の形
状とされ、前記磁極片（３）に沿って軸方向に延び冷却
液を搬送するようにされていることを特徴とする、請求
項４に記載の回転子。
【請求項７】前記非磁性材料の要素（１４）が、隣接
する前記永久磁石（２）が前記回転子（１）上に配置さ
れる間、前記永久磁石（２）が誘導され得るようにする
ガイド部分を構成していることを特徴とする、請求項４
乃至６のいずれか１項に記載の回転子。
【請求項８】前記永久磁石（２）が高エネルギー密度
の磁石であり、例えばＮｄＦｅＢ合金のような特に約１
３０℃といった作動温度で高い残留インダクタンスＢｒ
と中程度の保磁磁界Ｈｃをもつタイプの材料で作られて
いることを特徴とする、請求項３乃至７のいずれか１項
に記載の回転子。
【請求項９】前記永久磁石（２）は、ＮｄＦｅＢ合金
で作られている磁石について４mm〜８mm、好ましくは
４．５mm〜５．５mmの範囲内にある比較的小さい厚みの
ものであることを特徴とする、請求項３乃至８のいずれ
か１項に記載の回転子。
【請求項１０】前記予め定められた距離（１０）が実
質的に前記永久磁石（２）の厚みに等しいことを特徴と
する、請求項３乃至９のいずれか１項に記載の回転子。
【請求項１１】前記永久磁石の相対的磁極角度がおよ
そ０．４５〜０．５５の範囲内にあり、特に実質的に
０．５に等しいことを特徴とする、請求項３乃至１０の
いずれか１項に記載の回転子。
【請求項１２】前記磁極片の相対的磁極角度がおよそ
０．２０〜０．３５の範囲内にあることを特徴とする、
請求項３乃至１１のいずれか１項に記載の回転子。
【請求項１３】２つの隣接する前記磁極片（３）の間
にある前記永久磁石（２）が全て同じ半径方向又は軸方
向の磁化方向を有していること、及び所定の前記磁極片
（３）の各側に位置づけされた前記永久磁石（２）の磁
化方向が反対であることを特徴とする、請求項３乃至１
２のいずれか１項に記載の回転子。