JP6190544B2 - 角部エアバリアを備える、分割ロータスタックの間隙 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部に記載の、電気モータのロータスタックに関する。

米国特許出願公開第２０１２／０２９３０３３号明細書では、開示された解決手段の主な欠点は、エアバリアの体積の増大に起因する、ロータスタックの積層の局所的な脆弱化に現われている。

米国特許出願公開第２０１３／０２７０９５８号明細書からは、上述の種類のロータが知られている。このロータでは、個別の間隙が１つの磁石が挿入されるように設けられ、中央接続要素が、丸みのある形状の対向するエアバリアを形成している。

モータ誘導電圧の高調波成分の含量の影響を効率的に低減するための技術的解決手段、および、ロータに内部配置された永久磁石を有するモータのトルク振動を低減するための技術的解決手段は提供されていない。

本発明の目的は、ステータスタック上に集中巻線を有する電動モータ内の、ロータスタックのエアバリアである。このエアバリアは、その形状と位置によって、ロータの磁界形成の制御に寄与し、したがって、モータ誘導電圧の高調波成分の含量の低減、および、内部配置された永久磁石を有するモータのトルク振動の低減に寄与する。

ＩＰＭとして知られる内部永久磁石（ｉｎｔｅｒｉｏｒ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔｓ）を備える電気機械および／または電気モータは、ハイブリッド車等への応用が確立されているという利点で、一般に知られている。基本的な概念では、ＩＰＭ電気モータは、積層金属シートから製造され、多くのティースを有する形状のステータスタック（５）を備え、このティースに励磁巻線（４）が設けられている。同様に、積層金属シートから製造されるおよび／または組み立てられるロータスタック（２）が、シャフトおよび／またはロータスタック基部（１）に配置され、その組立体のセグメントには間隙が設けられ、この間隙内に永久磁石（３）が配置される。磁界を制御するために、ロータスタック（２）にはエアバリアが形成され、このエアバリアは、その形状により、アーマチュアとステータスタック（２，５）との間のエアバリア内の磁力線の進路に影響を及ぼす。本特許出願の主題は、ロータスタック（２）のエアバリアであって、このロータスタック（２）内では、永久磁石（３）が配設される個別の間隙がエアバリアを１つのみ備え、このエアバリアはロータスタック間隙（２）の個別の角部に配置され、これにより、磁界の形成に直接的に影響を与え、このようにしてモータの誘導電圧の高調波成分の含量の影響、および、内部永久磁石を備えるモータのトルク振動を低減する。好ましい実施形態においては、磁界の個別の間隙は２つの部分に分割され、これらの２つの部分は分離され、および／または、中央接続要素（２Ｃ）により接続され、この中央接続要素（２Ｃ）は、実質的に、高速回転時のロータスタック（２）の機械的安定性に寄与する。

以下、本発明を詳細に説明するとともに、技術的解決手段の好ましい実施形態にかかる図についても説明する。

図１は、電気モータロータ（１）の軸の長手方向に沿った、電気モータの正面図である。図１には、さらに、積層ロータからなるロータスタック（２）、任意の永久磁石（３）、および、関連するステータスタックティース（５）上の任意の巻線（４）に符合を付して示す。また、詳細図Ａの範囲も示されている。 図２は、図１中のＡの詳細図である。図２には、ロータ（１）、ロータスタック（２）、側部接続要素（２ＳＡおよび２ＳＢ）、中央接続要素（２Ｃ）、有極永久磁石の半分（３Ａおよび３Ｂ）、巻線（４）、および、ステータスタック（５）に符合を付して示す。 図３は、永久磁石（３）が配設されたロータスタック（２）を示す。図３には、より明確にするため、上図において示されていた電気モータの構成要素は示されていない。図３は、さらに、中央接続要素の平面（ＲＡＣ）、側部接続要素の平面（ＲＡＳ）、および詳細図Ｂの範囲も示されている。 図４は、Ｂの詳細図であり、ロータスタック（２）、側部接続要素（２ＳＡ，２ＳＢ）、中央接続要素（２Ｃ）、１対の永久磁石（３Ａおよび３Ｂ）、個別の磁極における磁石用間隙の公称高さ（ＭＰＨ）と磁石対の幅（ＭＰＷ）に符合を付して示す。さらに、詳細図Ｃの範囲も指定されている。 図５は、Ｃの詳細図であり、ロータスタック（２）、側部接続要素（２ＳＢ）、中央接続要素（２Ｃ）、磁石対のうちの１つ（３Ｂ）、磁石高さ（３Ｙ）、磁石幅（３Ｘ）、中央接続要素の幅（２Ｃ−Ｔ）、側部接続要素の幅（２Ｓ−Ｔ）、中央接続要素の平面（ＲＡＣ）、側部接続要素の平面（ＲＡＳ）、エアバリアの接点および／または角部（Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，およびＪ５）、Ｘ方向におけるエアバリアの接点および／または角部の距離（Ｊ２Ｐｘ，Ｊ３Ｐｘ，Ｊ４Ｐｘ，Ｊ５Ｐｘ），Ｙ方向におけるエアバリアの接点および／または角部の距離（Ｊ２Ｐｙ，Ｊ３Ｐｙ，Ｊ４Ｐｙ，Ｊ５Ｐｙ）、エアバリアの直線セグメントの中間角（α，β，γ）に符合を付して示す。さらに、図５には、磁石角部の丸み半径（ＲＭ）、磁石中心面（３−ＣＬ）、中央接続要素の平面（ＲＡＣ）に対する磁石の傾斜角（π）に符合を付して示す。 図６は、Ｃの詳細図であり、エアバリアの角部直線セグメントが、丸み半径（ＪＲ１，ＪＲ２，ＪＲ３）で丸められている様子を示す。図６にはさらに、ロータスタック（２）、側部接続要素（２ＳＢ）、中央接続要素（２Ｃ）、磁石対のうちの１つ（３Ｂ）、中央接続要素の平面（ＲＡＣ）、側部接続要素の平面（ＲＡＳ）、第１の接点領域（Ｊ１ＰＡ）の周縁、および、磁石角部の丸み半径（ＲＭ）に符合を付して示す。 図７は、ロータスタック（２）の組立体を示す等角図である。ロータスタック（２）は、同軸の２つのロータスタックセグメント（Ｓ１−２，Ｓ２−２）を含み、これらは中心軸周りに互いに対してずれている。 図８は、ロータスタック組立体（２）の正面図である。図８はワイヤーモデルとして示されているので、実際には見えない縁部がハッチングした線で示されている。図８には、ロータスタックの第１のセグメント（Ｓ１−２）、第１のロータスタックセグメントの中央接続要素の平面（ＲＡＣ−Ｓ１）、第２のロータスタックセグメントの中央接続要素の面（ＲＡＣ−Ｓ２）、第１のロータスタックセグメント内の任意の磁石（Ｓ１−３）、これと対になるおよび／または第２のロータスタックセグメント内の磁石（Ｓ２−３）に符合を付して示す。ロータスタックの第１および第２のセグメント（Ｓ１−２，Ｓ２−２）、ロータスタックの第１のセグメントの中央接続要素の平面（ＲＡＣ−Ｓ１）、およびロータスタックの第２のセグメントの中央接続要素の平面（ＲＡＣ−Ｓ２）は、中心軸周りに、ずれ角度（Δ）分だけずれている。

内部永久磁石を備える同期モータの構造的および技術的特徴は、本明細書で取り扱う分野の専門家には周知であると思われるので、以下に記載の説明においては、本特許出願の主要な目的、すなわち、永久磁石（３Ａ，３Ｂ）が配設される間隙と、ロータスタック（２）における付属のエアバリア（ａｉｒ ｂａｒｒｉｅｒ）とに焦点を当てる。

好ましい実施形態における電気モータロータ（１）、および／または、より正確にはロータスタック（２）は、多数の磁界極を備え、この磁界極内において、永久磁石（３）がロータスタック（２）の内部に配置されている。高速回転と可能な限り高い磁界密度を実現しようとする傾向があるので、ロータスタック（２）は、その周縁に均等に配置された多くの永久磁石（３）を備える。永久磁石（３）が配設される間隙が形成されることにより、ロータスタック（２）は、電気モータのシャフトおよび／またはロータホルダ（１）に設けられる内側部と、ステータスタック（５）のティースとともにエアギャップを形成する外側部とに分割される。上記に関し、ロータスタック（２）内の永久磁石（３）同士がきつく隣り合わせに配置され、このため、側部接続要素（２Ｓ）および／または、より正確には側部接続要素の幅（２Ｓ−Ｔ）が、ロータスタック（２）の回転速度が高く直径が大きい場合に発生する半径方向力に対して、極めて小さくなる。ロータ（１）が高速で回転する際の、ロータスタック（２）の機械的安定性を確保するためには、好ましい実施形態においては、磁極の個別の間隙は２つの対称な部分に分割され、このため、図２に示すように、各極の永久磁石が２つの部分に等分されて、永久磁石対（３Ａ，３Ｂ）の形で設けられる。したがって、永久磁石が１つ配設される、ロータスタック（２）の個別の間隙は、好ましい実施形態においては、エアバリアを１つのみ備え、このエアバリアは、永久磁石（３Ａ，３Ｂ）を配設するための間隙の最外方の角部に優先的に形成される。

好ましい実施形態における永久磁石（３Ａ，３Ｂ）は直方体の形状であり、技術的要件と制約とにより、好ましい実施形態においては、磁石角部丸み半径（ＲＭ）で丸められた辺および／または角部を有する。ロータスタック（２）のセグメントは貫通孔を有し、この貫通孔は主に、永久磁石（３Ａ，３Ｂ）を配設するための間隙の主要な特徴を表す。当該間隙は、セグメントをロータスタックに配置することにより形成される。永久磁石（３Ａ，３Ｂ）が配設されるロータスタックの間隙（２）は、好ましい実施形態においては、多角形に形成される。この多角形は、その始点においては、永久磁石（３Ａ，３Ｂ）の形状と寸法とに一致し、永久磁石（３Ａ，３Ｂ）の最外方の角部におけるロータスタック間隙（２）には、エアバリアがさらに設けられる。このエアバリアは、磁力線の進路と形状とに直接的に影響する。

図５の説明において、主要な特徴の理解と定義づけをより容易にする目的で、エアバリアを補助的に調節して多角形として図示されていることに注視されたい。図５では、符号を付すのを容易にするために、エアバリアには、図６のエアバリアの最終形状に図示および符号が付されるような、接点（Ｊ１，Ｊ４，およびＪ５）の丸み（ＪＲ１，ＪＲ４，およびＪＲ５）が示されていない。基本的な構造におけるエアバリアは、少なくとも３つの角部および／または接点（Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３）を有する。第１の角部（Ｊ１）は、少なくとも３つの角部（Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３）を有する多角形のエアバリアの始点であり、角部（Ｊ２およびＪ３）は、永久磁石表面（３Ａ，３Ｂ）との接点および／または交点である。エアバリアの多角形の始点および／または接点（Ｊ１）の位置は、第１の点の周縁（Ｊ１ＰＡ）の内部にある。この周縁の中心は、非常に外方の角部に、より正確には磁石（３Ａ，３Ｂ）の辺の交点に位置し、第１の接点の周縁（Ｊ１ＰＡ）の半径は磁石高さ（３Ｙ）の半分に達する。開始接点（Ｊ１）に対し、エアバリアの（角部および／または接点Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３およびＪ５により画定される）多角形のその他の角部の位置は、エアバリアの直線セグメントの中間角（α，β，γ）によってさらに一次元的に画定される。適切な場合には、エアバリアはより多くの角部を有し、直線線分の代わりに、短い線分で構成される多角形としての曲線形状であってもよい。このように構成しても、本発明の要旨は変わらない。好ましい実施形態においては、磁石（３Ａ，３Ｂ）を配設するための個別の間隙が、上述のようにエアバリアを１つのみ有し、各磁極および／または永久磁石（３Ａ，３Ｂ）の各対が、ロータスタック（２）の外側部と内側部とを接続する中央接続要素（２Ｃ）を備えることに注視されたい。

本特許出願の解決手段を理解するために、ロータ（１）に注目することもまた重要である。ロータ（１）は、中心軸周りに配列された多くのロータスタックおよび／またはセグメント（Ｓ１−２，Ｓ２−２）を含み得る。好ましい実施形態においては、ロータ（１）は２つのセグメント（Ｓ１−２，Ｓ２−２）を備え、これらのセグメントは中心軸に対して、ロータスタックの隣接するセグメントのずれ角度（Δ）分ずれている。この角度は、好ましい実施形態においては、０．５°から２０°である。

エアバリアに関する構造の範囲を画定するために、本願の以下の記載において、より正確には、使用されている特徴的な寸法および／またはパラメータを示す図５および図６において、各上下限値が設定される。

この意味で、始点接点（Ｊ１）と各接点との間のＸ方向における間隙（Ｊ２Ｐｘ，Ｊ３Ｐｘ，Ｊ４Ｐｘ，Ｊ５Ｐｘ）の絶対値および／または始点（Ｊ１）と各接点との間のＹ方向における間隙（Ｊ２Ｐｙ，Ｊ３Ｐｙ，Ｊ４Ｐｙ，Ｊ５Ｐｙ）の値は、磁石用間隙の公称高さ（ＭＰＨ）の３倍よりも小さい。エアバリアの直線線分の中間角（α，β，γ）も同様であり、この角度は３０°から１７０°である。好ましい実施形態においては、中央接続要素の最小幅（２Ｃ−Ｔ）および側部接続要素の最小幅（２Ｓ−Ｔ）は、磁石幅（３Ｘ）の０．２倍よりも小さい。中央接続要素の平面（ＲＡＣ）に対する、磁石の傾斜角度（π）は、４５°から１３５°の範囲内であり、好ましくは９０°である。丸み半径（ＪＲ３におけるＪＲ１，ＪＲ２）および磁石角部丸み半径（ＲＭ）は、磁石高さ（３Ｙ）の０．５倍よりも小さい。

この分野の専門家であれば、記録に基づき、ロータスタック（２）の永久磁石（３Ａ，３Ｂ）を挿入するための間隙内のバリアの形成および／または設計方法の任意の技術的パラメータ値を変更することにより、同様の結果を得ることができること、また、このことが、以下の特許請求の範囲から逸脱するものではないことを理解されたい。

Claims (13)

1. ロータ（１）が回転する軸方向から見たとき、個別の磁極を有する１対の永久磁石（３Ａ，３Ｂ）を挿入するための間隙が軸方向に形成されている、複数のセグメントを備えた電気モータのロータスタック（２）であって、
   前記の各永久磁石（３Ａ，３Ｂ）は、直方体の形状であり、
   前記ロータスタック（２）の磁極の個別の間隙は、前記永久磁石対（３Ａ，３Ｂ）が嵌合するように形状と寸法とが構成された間隙を有し、
   前記軸方向から見たときにおいて、
   前記永久磁石（３Ａ，３Ｂ）が嵌合する前記個別の間隙は、さらに、少なくとも１つの中央接続要素（２Ｃ）と、少なくとも２つの側部接続要素（２ＳＡ，２ＳＢ）と、を備え、これら接続要素は前記ロータスタック（２）の内側部と外側部とを接続し、
   前記側部接続要素（２ＳＡ，２ＳＢ）は、多角形のエアバリアを形成し、
   前記エアバリアは、前記永久磁石対（３Ａ，３Ｂ）が嵌合する前記間隙の最外方の角部において、個別の永久磁石（３Ａ，３Ｂ）の少なくとも２つの辺に達すると共に、前記エアバリアの始点である開始接点（Ｊ１）と、前記エアバリアと前記永久磁石（３Ａ，３Ｂ）の表面との交点である接点（Ｊ２およびＪ３）と、を含む、少なくとも３点の接点を有し、
   前記中央接続要素（２Ｃ）の最小幅（２Ｃ−Ｔ）および前記側部接続要素（２ＳＡ，２ＳＢ）の最小幅（２Ｓ−Ｔ）は、前記永久磁石の幅（３Ｘ）の０．２倍よりも小さく、
   前記開始接点（Ｊ１）は、前記軸方向から見たときにおいて、中心が、前記永久磁石（３Ａ，３Ｂ）の最外方の角部に位置し、半径が、前記永久磁石の高さ（３Ｙ）の値の半分以下である、円形の第１の接点領域（Ｊ１ＰＡ）内に位置している、ことを特徴とするロータスタック（２）。
2. 請求項１において、
   前記エアバリアは、前記軸方向から見たときにおいて、多角形を構成する複数の直線線分からなる直線セグメントを有しており、前記開始接点（Ｊ１）が、中間角（α）から成る、前記直線セグメントによって画定される角部によって構成されている、ことを特徴とするロータスタック（２）。
3. 請求項２において、
   前記中間角の角度が、３０°から１７０°の範囲内である、ことを特徴とするロータスタック（２）。
4. 請求項１において、
   前記軸方向から見たときにおいて、
   前記エアバリアは、多角形を構成する複数の直線線分からなる直線セグメントによって画定される角部によって構成される５つの接点（Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５）を有し、
   これら接点は、前記開始始点（Ｊ１）から、前記永久磁石の中心面と平行なＸ方向における前記接点までの距離（Ｊ２Ｐｘ，Ｊ３Ｐｘ，Ｊ４Ｐｘ，Ｊ５Ｐｘ）と、前記Ｘ方向に直交したＹ方向における前記接点までの距離（Ｊ２Ｐｙ，Ｊ３Ｐｙ，Ｊ４Ｐｙ，Ｊ５Ｐｙ）と、によって画定され、前記直線セグメントによって画定される角部の中間角（α、β、γ）によってさらに画定されている、ことを特徴とするロータスタック（２）。
5. 請求項４において、
   前記中間角の角度が、３０°から１７０°の範囲内であるである、ことを特徴とするロータスタック（２）。
6. 請求項４または５において、
   Ｘ方向における前記距離の絶対値（Ｊ２Ｐｘ，Ｊ３Ｐｘ，Ｊ４Ｐｘ，Ｊ５Ｐｘ）、および／または、Ｙ方向における前記距離の絶対値（Ｊ２Ｐｙ，Ｊ３Ｐｙ，Ｊ４Ｐｙ，Ｊ５Ｐｙ）は、磁石用間隙の公称高さ（ＭＰＨ）の３倍よりも小さいこと、を特徴とするロータスタック（２）。
7. 請求項１において、
   前記軸方向から見たときにおいて、
   前記間隙内の前記永久磁石（３Ａ、３Ｂ）が、前記中央接続要素の、前記ロータの半径方向と平行な平面（ＲＡＣ）に対して、傾斜角度（π）で傾斜している、ことを特徴とするロータスタック（２）。
8. 請求項７において、
   前記傾斜角度（π）の値は、４５°から１３５°の範囲内である、ことを特徴とするロータスタック（２）。
9. 請求項７または８において、
   前記傾斜角度（π）が９０°である、ことを特徴とするロータスタック（２）。
10. 請求項１において、
    前記軸方向から見たときにおいて、
    前記エアバリアは、多角形を構成する複数の直線線分からなる直線セグメントによって画定される角部によって構成される５つの接点（Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５）を有し、
    前記接点（Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，およびＪ５）を構成する角部は、丸められており、前記角部の丸みの丸み半径（ＪＲ１，ＪＲ２，およびＪＲ３）の値は、前記磁石の高さ（３Ｙ）の０．５倍よりも小さい、ことを特徴とするロータスタック（２）。
11. 請求項１から１０のいずれか一項において、
    前記ロータスタック（２）は、軸方向に隣接する少なくとも２つのロータスタックセグメント（Ｓ１−２，Ｓ２−２）を有し、
    隣接する前記ロータスタックセグメント（Ｓ１−２，Ｓ２−２）は、中心軸周りに、ずれ角度（Δ）分、互いにずれている、ことを特徴とするロータスタック（２）。
12. 請求項１１において、
    前記ずれ角度（Δ）が、０．５°から２０°の範囲にある、ことを特徴とするロータスタック（２）。
13. 請求項１２において、
    前記ずれ角度（Δ）が５°である、ことを特徴とするロータスタック（２）。

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