JP6416235B2 - 永久磁石を有する同期電気モータ - Google Patents

Description

本発明は、自動車産業において適用するための特に電動コンプレッサ用の永久磁石を有する同期モータに関する。

永久磁石を有する同期機械は、現在、出力および比出力並びに出力密度に関するそれらの性能向上の結果として、自動車両の分野で広範囲に及ぶ用途を有する。

これらの電気機械は、広範囲の出力および速度を伴って製造され得るとともに、“全電気”型式の車両および“マイルドハイブリッド”や“フルハイブリッド”として知られるタイプのＣＯ_２排出量が低い車両のいずれにおいても用途を有する。

マイルドハイブリッド用途は、一般に、約８〜１５ｋＷの電気機械、例えば熱エンジンの前面に取り付けられて駆動ベルトにより熱エンジンに結合される電気モータに関係する。このタイプの電気モータを用いると、特に再始動中に付加的な電力を供給する電気トルク支援を与えることによって熱動力化容量を減少させる（エンジンダウンサイジング）ことができる。また、例えば都市環境において低速でのトラクションをこの同じ電気モータによって確保することもできる。

この出力範囲における電気機械の用途の他の例は、熱エンジンのダブル過給のためのシステムの遠心コンプレッサの駆動である。低速において、電動コンプレッサは、排ガスによって駆動されるターボコンプレッサを補助するとともに、容量の減少における付加的なステップを省くことができるようにする。

フルハイブリッドタイプの用途は、一般に、車両のトラクションチェーンにおける電気モータの組み込みレベルよりも洗練された組み込みレベルを伴う、直列型および／または並列型の構造のための３０〜５０ｋＷのモータに関する。

しかしながら、これらの電気車両のバッテリーは気候状態の影響を受け易く、また、最も厳しい条件において車両の自律性がかなり低下される可能性がある。したがって、空調システムが必要である。

熱エンジンを有する車両では、空調システムのコンプレッサが一般にこのエンジンに対して機械的に結合される。

電気車両において、コンプレッサは、出力、トルク、および、回転速度に関するだけでなく、寸法および重量に関しても、多数の制約に従わなければならない電気モータによって駆動される。

このタイプのモータは、モロッコのマラケシュ州で２０１１年に行われた会議“Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｓｍ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ”においてＭ．Ｋａｎｃｈｏｕｌ等により提出された論文（“Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ａ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ”，ｐ．１６０，ＰＩＥＲＳ，２０−２３ Ｍａｒｃｈ ２０１１）で論じられる。

これは、６ｋＷの公称出力、６Ｎｍの最大トルク、および、１００００ｒｐｍの最大速度を伴う、ＮｄＦｅＢタイプの永久磁石を有する同期モータに関係する。モータの重量は２ｋｇ未満であり、また、モータの長さは５０ｍｍ未満である。

これらの状況において、増え続けるエネルギー制約に従うため、本発明者は、性能の向上を伴うモータの必要性を判断した。

したがって、本発明の目的は、最良の可能な性能を得るために前述したタイプのモータの寸法パラメータを最適化することである。

具体的には、その対象は、永久磁石を有するとともに、軸方向に延びてケーシングに形成されるステータ歯を備える巻線ステータと、ヘッドの第１の凹部内で軸方向に延びる複数のこれらの永久磁石を備えるロータとを備えるタイプの同期電気モータである。

本発明によれば、永久磁石を有するこの同期電気モータは、前記モータが最大の性能を有するように予め決定される、ステータの第２の外径に対するロータの第１の外径の寸法比を有する。

好適には、前記寸法比は、ジュール効果によるステータ損失が最小であるように予め決定される。

好ましくは、このロータが磁束集中タイプのものである。

したがって、本発明に係る同期電気モータは、永久磁石がそれぞれ、ロータの外周部に近い第１の平行六面体部分を、このロータの中心部に近い楔状の第２の部分に隣接して備えるという点において区別される。

本発明に係るモータのロータは、更に好適には、少なくとも１つの複数の第２の凹部を備え、これらの凹部は、軸方向に延びるとともに、中心部と外周部との間にあるロータの中間部で永久磁石間に配置される。

これらの第２の凹部内にタイロッドが配置されることが好ましい。

利点は、本発明に係るモータの永久磁石がフェライトによって構成されるという事実から得られる。

また、本発明は、それが前記特徴を有する永久磁石を伴う同期電気モータを備えるという点において区別される、自動車両に配備するようになっている電動コンプレッサ、および、一般的には、このタイプのモータによって構成される自動車両の任意の機器に関する。

これらの幾つかの本質的な仕様は、本発明に係る永久磁石を有する同期電気モータによっておよび該モータを使用する電動コンプレッサによって与えられる従来技術と比べた利点を当業者に明らかにする。

以下の説明では、添付図面と併せて、本発明の詳細な仕様が与えられる。これらの図面が、単に説明の本文を図解するという目的を果たすにすぎず、本発明の範囲の限定を何ら成すものではないことに留意すべきである。

本発明の主要な実施形態に対応するタイプの同期電気モータの部分径方向断面で示される、永久磁石を伴ってステータ内に配置されるロータの簡略的な径方向断面図を示す。 本発明の主要な実施形態に対応するタイプの非同期電気機械のステータに対するロータの寸法比に応じたジュール効果によるステータ損失の変化を示す。 ステータに対するロータの寸法比に応じた、本発明の主要な実施形態に対応するタイプの同期電気モータの起電力定数の変化を示す。 ステータに対するロータの寸法比に応じた、本発明の主要な実施形態に対応するタイプの同期電気モータのステータ抵抗の変化を示す。

図１に表される本発明の主要な実施形態に対応する永久磁石を伴うロータ１の簡略的な径方向断面は、複数の交互に並ぶＮ極およびＳ極を形成するように外周部５と中心部６との間に一定の間隔で配設される第１の凹部４内の永久磁石３のヘッド２内における配置を明確に示す。

本発明に係るモータのロータ１は、磁束集中タイプのものである。永久磁石３は、全体的に略長方形の断面を有するが、ロータ１の軸Ｘ−Ｘ’へ向かって楔状に面取りされる。これらの永久磁石は、等角軸方向平面付近で対称的に延びる。

永久磁石３が内部に配置される第１の凹部４は、図示の特定の例では、１０個の周方向極性区間７を画定する。

これらの極性区間７のアセンブリは、径方向断面内で、Ｎ，Ｓ極の突出に対応する複数の突出部８を有する略円形形態を成す。

極性区間７は、永久磁石３間に配置される第２の凹部９を備える。これらの極性区間は、等角軸方向平面付近で対称的に延びる。

これらの第２の凹部９は、円形断面を有するとともに、ロータ１のヘッド２を形成する金属プレートの組を保持するタイロッドを受ける。

また、これらの第２の凹部９は、ロータ１内の磁場を制御することにも寄与する。

本発明に係るモータの特定の実施形態において、フェライトによって構成される１０個の永久磁石３を備えるロータ１は、複数のステータ歯１３を画成する複数の切り欠き１２を有するステータ１１のケーシング１０の内側で回転し、ステータ歯１３の周囲にステータ巻線１４が配置される。

特定の実施形態は、例えば、いわゆるマイルドハイブリッドタイプの自動車両において適用できる８〜１５ｋＷモータ１，１１である。

このモータ１，１１は、熱エンジンの始動、熱エンジンのためのトルク支援、および、車両の低速度での電気牽引を目的として、並びに、遠心コンプレッサを駆動させることを目的として形成され得る。

ステータ巻線１４は、これらをステータ電流が通過するとともに、ロータ１を駆動させる回転磁場をもたらす。与えられるモータトルクは、特に、ステータ電流の強度とロータ１の磁束とに依存する。

モータトルクに関するモータ１，１１の性能の向上のための要件は、大部分は、ステータ電流の増大によって引き起こされるステータ巻線１４におけるジュール効果によるステータ損失Ｐ_Ｊの増大に起因して、モータの出力の減少をもたらす。

発明者は、ステータ１１の第２の外径Ｄ２に対するロータ１の第１の外径Ｄ１の寸法比に等しい特徴的な寸法比ｒを最適化することによってジュール効果によるステータ損失Ｐ_Ｊを減少させることによりモータ１，１１の出力を増大させることができることをコンピュータシミュレーションを用いて見出した。

図２に明確に示されるように、ｒ＝Ｄ１／Ｄ２の関数として表されるジュール効果によるステータ損失Ｐ_Ｊは、０．６３から０．７０にまで及ぶ範囲Δｒ内に含まれるｒに関して明確な最小値を有する。

これは、以下の事実によって説明される。
− ロータ１の第１の外径Ｄ１の増大は、ロータ１により生み出される磁束の増大をもたらし（これにより、図３に示されるように、モータ１，１１のＫｅの増大をもたらす）、ひいては、トルクを生み出すために必要なステータ電流の減少をもたらす。
− ステータ巻線１４のインダクタンスを増大させないように一定の回転数を維持しつつ、ロータ１の第１の外径Ｄ１が増大されると（モータ１，１１のインダクタンスに対するロータ１の第１の外径Ｄ１の増大の影響のみが考慮に入れられる）、切り欠き１２の表面積が更に小さくなる（切り欠き１２の一定の充填レベルは維持される）ため、配線の断面が減少されなければならない。したがって、この場合には、図４に示されるようにステータ抵抗Ｒ_Ｓが増大する。

ジュール効果による最小のステータ損失Ｐ_Ｊ、したがってモータ１，１１の性能の向上を得るために（図２）、（ロータ１の第１の外径Ｄ１の増大による）ステータ電流の減少と（配線の断面の減少によって引き起こされる）ステータ抵抗Ｒ_Ｓの増大との間の最善の歩み寄りが見出された。

実際に、ロータ１の第１の外径Ｄ１が増大される場合には、ステータ歯１３およびケーシング３の両方の幅、すなわち、ステータ１１の第２の外径Ｄ２を増大させて、モータ１，１１によって生み出される全体の磁束を増大させることが必要であり、また、この場合には、切り欠き１２の表面積が減少される。結果として、巻回数が変化してはならないため、配線の断面が減少される。

シミュレーション中に充填レベルを計算することにより、配線の寸法の非線形性によって引き起こされる不連続性に気付かされた（例えば、０．５３ｍｍ〜０．５６ｍｍの寸法を有する配線が存在しない）。

言うまでもなく、本発明は前述した好ましい実施形態に何ら限定されない。

先に特定された特徴とは異なる一般的な特徴を有する、特に異なる数の極を有するとともに前述したタイプのロータ１とステータ１１とを備えるモータの他の試験またはシミュレーションに対応する他の実施形態は、それらが以下の特許請求の範囲から導き出される場合には、本発明の範囲から外れない。

Claims (4)

1. 軸方向に延びてケーシング（１０）に形成されるステータ歯（１３）を備える巻線ステータ（１１）と、ヘッド（２）の第１の凹部（４）内で軸方向に延びるタイプの複数の永久磁石（３）を備えるロータ（１）とを備える同期電気モータ（１，１１）であって、前記ステータ（１１）の第２の外径（Ｄ２）に対する前記ロータ（１）の第１の外径（Ｄ１）の寸法比（ｒ）は、前記モータ（１，１１）が最大の性能を有するように予め決定され、前記寸法比が０．６３〜０．７であり、
   前記寸法比（ｒ）は、ジュール効果によるステータ損失（Ｐ_Ｊ）が最小であるように予め決定され、
   前記ロータ（１）が磁束集中タイプのものであり、
   前記永久磁石（３）はそれぞれ、前記ロータ（１）の中心部（６）に近い楔状の第２の部分に隣接して、前記ロータ（１）の外周部（５）に近い第１の平行六面体部分を備え、
   前記ロータ（１）が少なくとも１つの複数の第２の凹部（９）を備え、前記第２の凹部（９）は、軸方向に延びるとともに、前記中心部（６）と前記外周部（５）との間にある前記ロータ（１）の中間部で前記永久磁石（３）間に配置され、
   前記第２の凹部（９）内にタイロッドが配置され、
   前記第２の凹部（９）は、円形断面を有するとともに、前記タイロッドは、前記ロータ（１）の前記ヘッド（２）を形成する金属プレートの組を保持することを特徴とする同期電気モータ（１，１１）。
2. 前記永久磁石（３）がフェライトによって構成されることを特徴とする請求項１に記載の同期電気モータ（１，１１）。
3. 請求項１から２のいずれか一項に記載の同期電気モータ（１，１１）によって構成されることを特徴とする自動車両の機器。
4. 請求項１から２のいずれか一項に記載の同期電気モータ（１，１１）を備えることを特徴とする、自動車両に配備するようになっている電動コンプレッサ。

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