JP6963324B2 - 電気モーター又は発電機用の回転子 - Google Patents

Description

本発明は、電気モーター又は発電機用の回転子に関し、またより具体的には、回転子内の１組の磁石を保持するための機構に関する。

永久磁石シンクロナス・電気モーターは、回転磁界の作成により動作し、回転磁界は、通常、固定子に取り付けたコイル巻線通って流れる電流により形成される。コイル巻線は、通常、固定子の周りに分配され連結された一群の相巻線を形成する。三相の電気モーター又は発電機に対して、３組の相巻線がスター又はデルタ構成のどちらかで、接続される。

スター構成で接続された６組の相巻線を有する六相の電気モーター又は発電機の表示が図１に示され、巻線の各々の一端が、スター点１００として知られる共通点に接続される。

電気モーター又は発電機の動作中、異なる電圧位相が相巻線の各群にわたって印加され又は生成される。したがって、ｎ相の電気モーター又は発電機に対して、ｎ相の電圧が電気モーター又は発電機のそれぞれの相巻線にわたって印加される。

相巻線に印加される電気位相、すなわち、電気位相角が、通常、回転子に取り付けた永久磁石により発生する磁界に同期することを確実にすることにより、電気位相角は、所定のトルク／速度に対する磁界に対して固定位相オフセットにあるようにし、永久磁石シンクロナス・電気モーター又は発電機の効率は、最適化される。言い換えれば、電気位相角は、回転子の磁束角に同期する。

それぞれの相巻線の電気位相が、回転子に取り付けた永久磁石により発生する磁界、すなわち、回転子の磁束角に同期することができるようにするために、整流磁石リングの形状の磁石のリング又は多数の磁極のリングが回転子に取り付けられ、整流磁石リングは、回転子に取り付けた永久磁石とマッチする構成を有し、駆動磁石の機能を果たし、整流磁石は、駆動磁石の回転子の磁束角を推定するために用いられる。

通常、固定子に取り付けられるのは、整流磁石リングから磁界強度を測定するために、配置されるホールセンサである。回転子の方向を決めることができるように、精度の向上のために、第２のホールセンサを第１のホールセンサから、通常、９０電気角度、離れて置く。

回転子が固定子に対し回転するときに、ホールセンサはＡＣ電圧信号を出力し、ＡＣ電圧信号は回転子の磁束角を推定することができる。回転子の磁束角は、三角法計算により、ホールセンサからの信号出力から決定される。２つのホールセンサの構成に対して、１つのホールセンサは回転子の磁束角の正弦を表し、第２のホールセンサ信号は回転子の磁束角の余弦を表す。出力ＡＣ電圧信号は、回転子の速度に比例する振動数を有する。例示により、図２は、固定子に取り付けられた２つのホールセンサからの、約９０度の電気位相角により分離された出力を表す。例示されたように、２つの正弦波信号が出力され、１つの出力信号は、他の出力信号に対して、約９０度だけシフトされる。

整流磁気リングが永久駆動磁石に対して動くリスクを最小にしながら、整流磁気リングを回転子の上に一定の場所に保つことを確実にするために、締め付けリングを、通常、整流磁気リングの上に取り付け、それにより、整流磁気リングが永久駆動磁石に対して固定位置に維持されることを可能にする。通常、締め付けリングの周囲の周りに特定の間隔で置いた複数の取り付け点を用いて、締め付けリングは回転子に取り付けられる。例示により、図３は、３つの取り付け点を用いて回転子に取り付けられた締め付けリングを示す。

しかしながら、図３に例示するように、締め付けリングが取り付けられる回転子の部分のみが図３に例示されるが、締め付けリング３０の回転子３２への取り付けにより、締め付けリング３０がゆがめられるという結果になり得て、締め付けリング３０の周りに、しわ状効果を引き起こし、通常、取り付け点３４間の締め付けリング３０の部分は、取り付け点３４の周りの締め付けリング３０の部分よりも、回転子の表面から更に遠い。例えば、図３に例示するように、２つの取り付け点間の中間の領域は、取り付け点３４に隣接する領域よりも、回転子の表面から更に遠い。これにより、位置センサに対する整流磁気リ置に影響を与えることができ、回転子の表面に対するそれぞれの整流磁石（図示せず）の距離は、締め付けリング３０の表面に合わせて変わり得て、回転子の磁束角を決定するときの誤差をもたらし得る。締め付けリングのゆがみ効果を最小にすることを助けるために、整流磁気リングを回転子に接着するプロセスを用いることができるが、しかし、これにより、製造プロセスを複雑にし、電気モーターをアセンブルするために必要な時間を増大する。

この状況を改善することが望ましい。

本発明の態様により、添付の特許請求の範囲により、方法及び設定が提供される。

特許請求の範囲に係る本発明は、整流磁石と回転子の取り付け表面との間の距離の変化を低減することにより、電気位相測定の精度を向上する優位性を有する。本発明は、また、電気モーター又は発電機をアセンブルするために必要な時間も低減しながら、電気モーター又は発電機を製造するプロセスを単純化する追加の優位性を有する。

本発明は、添付図面を参照して、例により説明する。

電気モーターの表示を例示する。 回転子の位置を決定するためのホールセンサからの出力の表示を例示する。 従来の整流磁石締め付けリングを例示する。 本発明の実施形態による、モーターの分解組立図を例示する。 図４のモーターの別の角度からの分解組立図である。 本発明の実施形態による、電気モーターの断面図を例示する。 本発明の実施形態による締め付けリングの部分を例示する。 本発明の実施形態による締め付けリングを例示する。

説明する本発明の実施形態は、整流磁石を回転子に保持するための締め付けリングを有する電気モーター又は発電機用の回転子のためのものである。

本実施形態の目的のために、回転子は、車両の車輪での使用のための電気モーター用であるが、しかし、電気モーターは、車両内のどこにも配置することができる。モーターは、車両への取り付け用の固定子の部分であり、車輪への取り付け用の背部の鉄に取り付けた１組の磁石を有する回転子により放射状に包囲された１組のコイルを含むように配置されたタイプである。疑念を避けるために、本発明の様々な態様は、発電機用の回転子に等しく適用することができる。そのため、電気モーターの定義は、発電機を含むように意図される。当業者により十分理解されるように、本発明は、他のタイプの電気モーターでの使用用の回転子に適用することができる。

図４及び５は、本発明の実施形態による、回転子２４０を有する望ましい電気モーターの分解組立図の例示を提供し、図５は、図４で例示する同じモーター部品の反対側からの分解組立図を示す。インホイール電気モーターは固定子２５２を含み、固定子２５２は、ヒートシンク２５３、コイル巻線を形成するように固定子の歯積層の上に形成された多数のコイル２５４を有するヒートシンク２５３の上に取り付けられた固定子の背部の鉄、コイルを駆動するため、固定子の後部分でヒートシンク２５３の上に取り付けられた２つの制御デバイス４００、及び、制御デバイス４００の内径内の固定子の上に取り付けられた、別名、ＤＣリンクコンデンサとして知られている環状コンデンサを備える。制御デバイス４００を包み込み固定子２５２を形成する固定子カバー２５６を、固定子２５２の後部分に取り付け、固定子２５２は、次いで、車両に固定することができ、使用中、車両に対して回転しない。固定子の背部の鉄は、望ましくは、高透磁率を有する材料から製造された一連の円周積層から形成され、それにより、磁束を増大するため、背部の鉄内に磁界を形成することができる。背部の鉄用に用いる材料の例は、鉄又は電気鋼（ラミネーション鋼、シリコン鋼又はトランス鋼としても知られる）を含む。積層は、通常、約０．３５ｍｍの厚さを有し得る薄いシートの材料から所望の形状をスタンピングすることにより、通常、形成される。望ましくは、固定子の歯積層は、円周積層の部分として形成されるか、または、固定子の背部の鉄のアセンブリの後に固定子の背部の鉄の上へ取り付けられる。

回転子２４０は、前面部分２２０、及び、固定子２５２をほぼ包囲するカバーを形成する円筒部分２２１を備える。回転子は、複数の永久磁石２４２を有する円筒部分の内面に取り付けられた背部の鉄を含み、永久磁石２４２は、背部の鉄の内面に取り付けられ、従って、円筒部分２２１の内側の周りに配置される。本実施形態の目的のため、３２個の磁石対が、円筒部分２２１の内側に取り付けられる。しかしながら、任意の数の磁石対を用いることができる。固定子の背部の鉄と同様に、回転子の背部の鉄は、望ましくは、高透磁率を有する材料、例えば、電気鋼、から製造された一連の円周積層から形成される。

背部の鉄の内周は、背部の鉄の内面及び外面から軸方向に延びる複数のリッジを含み、リッジは半径内向き方向に突出する。リッジは、背部の鉄の内周に取り付けられた磁石要素間のスペーサとして作用し、スペーサは、背部の鉄に取り付けられた磁石の整列を容易にするために、用いることもできる。隣接する磁石が交互の磁気極性を有する磁石を、一対のリッジの間に取り付けるように配置する。

望ましくは、固定子のヒートシンクも回転子のハウジングも、構造的に強いが、軽量でも、耐食性でもあるように選択された、アルミニウム又はアルミニウムの合金から形成される。

磁石は固定子２５２のコイル巻線にごく接近して配置され、コイルにより発生する磁界が、回転子２４０の円筒部分２２１の内側の周りに配置された磁石２４２と相互作用するようにし、回転子２４０が回転することを引き起こし、それぞれの回転子及び固定子の背部の鉄が利用され電気モーターの磁気回路を完成する。永久磁石２４２は電気モーターを駆動するための駆動トルクを発生するために利用されるので、永久磁石は、通常、駆動磁石と呼ばれる。

別名、整流磁石として知られている複数の磁石を備える磁気リング２２７は、固定子に対する回転子の位置を同定するために提供される。通常、回転子の位置は、固定子に取り付けられた１つ以上の位置センサ、例えば、ホールセンサ、により決定され、１つ以上の位置センサは、磁気リング２２７により発生した磁界の測定により、回転子の位置を決定する。

改良した磁界の検出のために、望ましくは、整流集束リング（図示せず）が、磁気リング２２７の下に形成され、磁気リングにより発生した磁界の焦点を磁気リング２２７に垂直な方向に合わせる。通常、整流集束リングは、高透磁率を有する材料、例えば、電気鋼、から形成される。磁気リング２２７は、回転子に取り付けられ、回転子に取り付けられ駆動磁石として作動する永久磁石とマッチする磁気構成を有するようにする。したがって、本実施形態内で、磁気リングは３２個の磁気対を含むが、しかし、任意の数の磁気対を用いることができる。整流磁石は、駆動磁石の回転子の磁束角を推定するために用いられる。磁気対は、任意の適切な手段により、形成することができ、例えば、別個の磁石が、複数の磁気対を有するように配値された１つのリング又は単一の磁気要素を形成するように配値される。

回転子２４０の前部分２２０の内側の磁気リング２２７を取り付けるための実施形態を説明する。

図６は、電気モーターの断面図を例示し、磁気リング２２７を形成する複数の整流磁石は、隆起へり６１０により包囲される回転子の環状ディスク部分６００に取り付けられ、環状ディスク部分６００は、隆起へり６１０により境界をつけられる凹部により形成される。磁気リングは凹部内に位置づけられる。同じ参照番号は、図４及び図５に示す同じ特徴部を表すために用いる。

望ましくは、磁気リング２２７の上面６４０は、隆起へり６１０の上面６５０の上を延び、プラスの締め付け力が締め付けリング６２０から磁気リングへ加えられることを可能にする。

望ましくは、整流磁石２２７と回転子の表面６００との間に置かれる接着剤（図示せず）の使用により、例えば、接着片又は接着テープの使用により、複数の整流磁石は、最初に、回転子の環状ディスク部分に保持される。あるいは、整流磁石を、最初に、環状ディスク部分に保持するために、他の手段、例えば、ばねクリップを用いることができる。

一旦、整流磁石が回転子の環状ディスク部分６００に置かれると、上述のように、締め付けリング６２０が整流磁石２２７の上に位置づけられ、保持要素６３０により回転子に取り付けられる。

図７は、締め付けリング６２０を回転子に形成された隆起へり６１０に取り付けるための取り付け点７００を含む環状締め付けリング６２０の部分上面図を例示し、締め付けリング６２０は、磁気リング２２７が取り付けられる環状ディスク部分の周りに延びるように配置される。図６に例示するように、締め付けリング６２０は、回転子に取り付けられたときに、磁気リング２２７を回転子に保持するように、配置される。

望ましくは、取り付け点７００はアパーチャを含み、環状締め付けリング６２０を回転子のハウジングに保持するために、保持要素６３０は取り付けアパーチャを通って挿入される。任意の適切な保持要素、例えば、ねじ又はリベット、を用いることができる。あるいは、取り付け点の各々において、スポット溶接を用いることができる。

締め付けリング６２０を回転子に取り付けるときに、締め付けリング６２０のどんな変形も制限するために、図７に例示するように、環状締め付けリング６２０の断面積は、取り付け点７００に隣接する少なくとも１つの領域に低減される。望ましくは、環状締め付けリング６２０の断面積の低減は、取り付け点７００に隣接して円周方向に形成される１つ以上のスロット７１０により達成される。本実施形態の目的のため、５個のスロット７１０が取り付け点７００に隣接して形成される。これにより、締め付けリング６２０のどんな変形も取り付け点７００の周りに局限することをもたらし、締め付けリング６２０に形成されるスロット７１０は、保持要素６３０により生成されるどんな変形力も、取り付け点７００の周りの領域に局限する。これにより、全体の締め付けリング６２０の周りの変形を防ぐ。その結果として、締め付けリング６２０は、磁気リング２２７のほぼ全体の表面が、回転子の内面６００からほぼ一定の距離に維持されて、磁気リング２２７を回転子に保持することができる。

図７において文字Ａにより示される、スロットを超えて延びる締め付けリング６２０の材料の半径方向の長さ、及び、図７において文字Ｂにより示される、スロット間の円周方向の距離は、締め付けリング６２０の取り付け点の部分と締め付けリング６２０の残りとの間の結合部の剛性を画定する。スロット７１０の数並びにＡ及びＢの値は、磁気リング２２７に加えられる必要な締め付け力を最適化するために調整することができ、取り付け点７００の周りに局限される適切な変形を有し、締め付けリング６２０の周りのゆがみを最小にする。

本実施形態内で、取り付け点７００に隣接する５つの円周部分は、低減した半径方向の断面積を有する。しかしながら、取り付け点７００に隣接する円周部分のどの数も、締め付けリング６２０を回転子に取り付けることにより生じるどの変形力も、取り付け点７００に極限することを可能にする、低減した半径方向の断面積を有することができる。

本実施形態は、締め付けリング６２０を回転子に取り付けることにより生じるひずみを、取り付け点７００に隣接して形成される半径方向のスロット７１０の使用により、極限するけれども、取り付け点７００に隣接して形成される低減した断面積を、締め付けリングを通って延びることなく、半径方向に達成することができる。

図８に例示するように、本実施形態内で、締め付けリング６２０は、互いから等距離の３つの取り付け点７００を含み、低減した断面積の領域は各々の取り付け点に隣接して形成される。図８は、回転子の内面６００に対する締め付けリング６２０の高さも例示し、締め付けリング６２０のどんな変形も、各取り付け点７００に隣接して極限され、取り付け点７００間の締め付けリング６２０の部分は、一定の高さに維持される。本実施形態は、３つの取り付け点７００を組み込むけれども、電気モーターを動作している間に、締め付けリング６２０を回転子に保持することができるように、任意の数の取り付け点７００を用いることができる。

望ましくは、磁気リング２２７を回転子に保持することを更に助けるために、例えば、接着片又は接着テープの使用により、磁気リング２２７と環状締め付けリング６２０との間に接着剤（図示せず）をつける。

締め付けリングを回転子に取り付けるのに続いて、回転子２４０はベアリングブロック２２３により固定子２５２に取り付けられる。ベアリングブロック２２３は、このモーターアセンブリがフィットすべき、車両に用いられるような、標準のベアリングブロックにすることができる。ベアリングブロックは２つのパーツを備え、第１のパーツは固定子に取り付けられ、第２のパーツは回転子に取り付けられる。ベアリングブロックは固定子２５２の壁の中央部分２５３に取り付けられ、また、回転子２４０のハウジングの壁２２０の中央部分２２５に取り付けられる。回転子２４０は、したがって、車両に回転で取り付けられ、回転子は車両で回転子２４０の中央部分２２５において、ベアリングブロック２２３により用いるべきである。ホイールリムを、回転子の中央部分に取り付け、その結果、ベアリングブロック２２３の回転自在の側に堅く取り付けるため、ホイールリム及びタイヤを、通常のホイールボルトを用いて中央部分２２５において、回転子２４０に、次いで、取り付けることができることにおいて、これは、優位性を有する。ホイールボルトは、回転子の中央部分２２５を通ってフィットすることができ、ベアリングブロック自体の中へ通ることができる。ベアリングブロック２２３に取り付けられた回転子２４０及びホイールの両方を用いることで、回転子の回転角とホイールの回転角との間に１対１の対応がある。

本実施形態において、アセンブルされる電気モーターは、各コイルのセットが３つのコイルのサブセットを有する４つのコイルのセットを含み、３つのコイルのサブセットはＹ字形の構成で連結され、３相サブモーターを形成し、４つの３相サブモーターを有するモーターという結果になる。それぞれのサブモーターの動作は、２つの制御デバイスの内の１つにより制御される。しかしながら、本実施形態は４つのコイルのセット（すなわち、４つのサブモーター）を有する電気モーターを説明するけれども、モーターは、関連する制御デバイスを有する１つ以上のコイルのセットを等しく有することができる。望ましい実施形態において、モーターは、各コイルのセットが３つのコイルのサブセットを有する８つのコイルのセットを含み、３つのコイルのサブセットはＹ字形の構成で連結され、３相サブモーターを形成し、８つの３相サブモーターを有するモーターという結果になる。同様に、各コイルのセットが任意の数のコイルのサブセットを有することができ、それにより、各サブモーターが２つ以上の相を有するようにすることができる。

Claims (7)

1. 電気モーター又は発電機用の回転子であって、該回転子は、
   第１のセットの磁石が取り付けられる第１の表面を有するハウジングと、
   第２のセットの磁石を前記ハウジングの第２の表面に保持するための環状締め付けリングと、を備え、
   前記第２の表面の上の前記第２のセットの磁石の位置により、前記第１のセットの磁石の位置を決定することができるようにし、
   前記環状締め付けリングは、前記第２のセットの磁石を前記第２の表面に保持するために、前記環状締め付けリングを前記ハウジングに取り付けることができるようにする、取り付け点を含み、
   前記環状締め付けリングの断面積は、前記取り付け点に隣接する領域において、低減され、
   前記環状締め付けリングは、前記第２のセットの磁石の上に取り付けられる、回転子。
2. 前記ハウジングは円周部分を含む、請求項１記載の回転子。
3. 前記環状締め付けリングの半径方向の断面積は、取り付けアパーチャに隣接する領域において、低減される、請求項１または請求項２に記載の回転子。
4. 前記環状締め付けリングは、前記取り付け点に隣接して位置付けられる複数の低減した断面積を含む、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転子。
5. 前記環状締め付けリングは、それぞれの前記取り付け点に隣接して位置付けられる低減した断面積を有する複数の取り付け点を含む、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転子。
6. 前記取り付け点はアパーチャであり、前記環状締め付けリングを前記回転子のハウジングに保持するために、保持要素は取り付けアパーチャを通って挿入される、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の回転子。
7. 前記第２のセットの磁石と前記回転子のハウジングの前記第２の表面との間に、及び、前記第２のセットの磁石と前記環状締め付けリングとの間に、接着剤が位置付けられる、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の回転子。
   

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