JP7162590B2 - 磁気位置センサを含む回転電気機械 - Google Patents

Description

本発明は、回転電気機械の分野に関し、詳細には回転電気機械の回転子の角度位置の測定に関する。
より詳細には、本発明は、一体型磁気位置センサを含む同期リラクタンス回転電気機械に関する。

回転電気機械は従来、互いに同軸に配置された、固定部分、すなわち固定子と、回転移動可能な部分、すなわち回転子とを含む。回転子は一般に、固定子内部に収容され、固定子は、回転子を回転駆動する磁界を発生させる電気巻線を保持する。回転子は一般に、層状構造の積層体で形成され、回転シャフト上に配置された本体で形成される。それらの層状構造は、回転子の周囲に磁極を形成する永久磁石または巻線用のハウジングを構成する。各磁石は、回転子の表面上に露出されてもよく、または完全に回転子内部に組み込まれてもよい。

回転子の位置に関する正確な情報は、これらの機械を特に高速で制御するうえで必須である。図１は、この動作の原理と、電気機械４と、この機械のトルクを調節するアルゴリズム３と、センサによって得られる電圧Ｕ_ｍ、電流Ｉ_ｍ、および機械回転位置Ｐ_ｍの情報２との間の関係を示す。機械４の回転子の位置Ｐ_ｍに関する正確な情報は従来、機械のトルクのベクトル制御についてのアルゴリズム３によって使用される。このことは一般に、ベクトル制御と呼ばれる。その理由は、機械４が目標用途によって必要とされるトルクを発生させるには、機械４内を循環する電流同士を同相に維持し、回転子の位置と同期させなければならないからである。このことを実現するために、機械のマイクロコントローラ１は、機械を制御するインバータに組み込まれ、機械４の端子に電圧Ｕ_ａを印加することによって機械を制御する。それらの電圧はトルク制御アルゴリズム３によって供給される。

回転電気機械の回転子の角度位置を得る様々な方法が知られている。第１の方法は、その位置を完全にソフトウェアによって推定することから成り、第２の方法は、位置センサを使用してこの位置を判定することから成る。位置センサを使用すると、より正確な情報が与えられる。同期リラクタンス機械などのいくつかの回転電気機械は、磁石をほとんど含まず、回転子の位置に関する非常に正確な情報を必要とする。この測定は一般に、１電気角が１機械角に極の対の数を掛けた値に等しい場合に、特に高速では精度が１電気角未満でなければならない。より一般的には、最高の精度を実現することの目的は、機械の安定した確実な制御を可能にすることである。

一般に正確な測定値をもたらすが、コストがかかり、インバータをどのように制御するかを適応させることが必要になることがある「リゾルバ」型センサを含む、いくつかの既知の種類の位置センサを使用することができる。コストの低い磁気センサ、またはインクリメンタルセンサなどの他の種類のセンサが使用されてもよい。

本発明は、回転子の角度位置を判定する磁気位置センサを含む回転電気機械に関する。
図２は、動作原則が本発明による機械において使用される動作原則と同一である標準的な磁気位置センサを示す。位置センサ１０は、２つの部分、すなわち、磁石を含み、回転移動が矢印によって示されている回転部１１と、複数のホール効果磁気センサを含む固定部１２とを有する。回転部は、機械の回転子のシャフトに固定され、一般にシャフト内に磁石が組み込まれる。固定部１２のホール効果センサは、シャフトとともに回転する磁石によって生成される回転する磁界の振幅を検出し、それによって、磁石の位置、したがって回転子の角度位置を示す出力信号を生成することが可能になる。ケーブル１３は、位置センサ１０によって生成される電気信号を送るために使用される。この種のセンサは、ＤＣ電圧、たとえば、５ボルト±５％のＤＣ電圧Ｖｄｄによって駆動される。センサは、２つの出力信号、すなわち、回転子の角度位置の正弦波および余弦波を生成する。これらの信号Ｖ_ＡおよびＶ_Ｂは一般に正弦波形態であり、互いに９０°ずれる。したがって、電気機械を制御するために、この２つの信号が、機械を制御するのに使用されるマイクロコントローラにおいて使用されて調整される。

シャフトに固定された磁石と固定部の磁気センサとの間の半径方向距離は、出力信号の振幅および測定精度に大きな影響を及ぼす。

上記の位置センサ形状は、以下のようにいくつかの利点を有する。
－このセンサが生成することのできる位置測定値の精度に対してコストが低いこと、
－規格ＥＮ６０５２９による「ＩＰ」保護等級が高く、一般に保護等級ＩＰ６７であること、
－設置が容易であること。

一方、この種の位置センサは、磁気センサを含む固定部に対する回転部の磁石の半径方向移動および軸方向移動の影響を非常に受けやすい。軸方向移動は、回転子のシャフトが回転する軸（Ｘ）によって定義される方向における移動を意味し、半径方向移動は、軸（Ｘ）に垂直な移動を意味する。これらの移動は、たとえば、累積機械公差、熱的効果（たとえば、鉄の膨張）、磁石の支持体の機械公差（シャフトの穴の移動）に起因して生じる。累積機械公差は、位置センサと従来採用されている機械基準、すなわち、回転シャフトを支持する軸受との間の中間部の存在、特に、機械を冷却するためにシャフト上に取り付けられたファンなどの回転中間部の存在に関連する。位置センサと（機械の後端部の所で）回転シャフトを支持する軸受との間の任意の中間部は、様々な機械部品、特に位置センサについての厳密な累積公差を維持するのを困難にする。ここで、磁気位置センサによる回転子の正確な測定を実現するには厳密な公差が重要である。

さらに、出力信号、特に信号の（ピーク間）振幅は、機械の誘導磁界および磁石が取り付けられたシャフトの磁化によって乱されることがある。磁石の支持体は通常、非磁性体であり、それによって、一方では固定子からの磁力線から磁石を保護し、他方では、磁石の場の集中を維持することが可能になる。しかし、一般に常に、特に高電流では、支持体によって除去できない漏洩磁力線がある。シャフトが磁化される場合、位置センサの磁石が経時的に消磁される恐れがあり、かつ固定子において磁力線が発生することもある。このことはすべて、磁気位置センサの動作、したがって測定を妨害する。

本発明の目的は、上述の従来技術の欠点を解消し、モータのシャフト上で生じやすい機械的及び／又は磁気的な乱れとは無関係に回転子の位置に関する安定した正確な情報を提供することができる、回転子の角度位置の一体型センサを備えた回転電気機械を提供することである。
詳細には、本発明の目的は、回転子の位置に関するこの種の情報を提供し、同時に、位置センサの容易な組込み、及び／又は、前記センサの高い密封レベルに関する保護、一般には規格ＥＮ６０５２９による保護等級ＩＰ６７を実現し、電気機械の密封に関する要件、及び／又は、回転子の位置の測定についての限定的で効率的なコストに適合することである。

したがって、上記の目的のうちの少なくとも１つを実現するために、本発明は、回転電気機械であって、
－フレーム内に配置され、巻線を含む固定子と、
－固定子内に回転可能に取り付けられ、軸（Ｘ）の周りを回転する回転シャフトに固定された本体を含む回転子と、
－負荷を駆動する回転シャフトの端部を支持する第１の軸受と、
－負荷を駆動する端部とは反対側の回転シャフトの端部を支持する第２の軸受と、
－フレームの第１の端部に配置され、第１の軸受を受け入れる第１のハウジングを中央部に含む前部フランジと、
－第１の端部とは反対側のフレームの第２の端部に配置され、第２の軸受を受け入れる第２のハウジングを中央部に含む後部フランジとを有し、
前部フランジおよび後部フランジの各々が内面と外面とを有し、回転電気機械が、
－シャフトが回転する間、回転子の角度位置を測定する磁気位置センサをさらに有し、位置センサが、
－負荷を駆動する端部とは反対側の回転シャフトの端部に固定され、回転シャフトが回転する間、回転シャフトとともに回転するように制限される磁石を有する回転部と、
－ホール効果センサと、センサ出力信号を送信するための手段とを含み、回転部に面し、機械のフレームに連結された固定金属支持体上に取り付けられた固定部とを有し、
位置センサの回転部と固定部が、軸（Ｘ）を中心とする第３の軸受によって分離され、第３の軸受が、一方では負荷を駆動する端部とは反対側の回転シャフトの端部に固定され、他方ではセンサの回転部を含む回転シャフトの端部を通過させるように構成された金属支持体内に形成された開口部の壁に固定される回転電気機械を提案する。

本発明の一実施形態によれば、第３の軸受は、位置センサの回転部と接触している。
一実施形態によれば、位置センサの回転部は、負荷を駆動する端部とは反対側の回転シャフトの端部に形成されたキャビティ内に収容されたインサートを含み、キャビティは、機械の外部に向かう開口部を含み、インサートは、位置センサ磁石を含むキャビティの開口部の側面上に設けられる。
位置センサの回転部のインサートは、好ましくは非磁性材料で作られ、好ましくは非磁性鋼または真鍮で作られる。

第３の軸受は、好ましくは強磁性材料で形成され、好ましくは強磁性鋼で形成される。
第３の軸受は、転動部材、好ましくは玉を有する種類の軸受であってもよく、好ましくは金属支持体の開口部の壁に固定された外部レースと、負荷を駆動する端部とは反対側であり、センサの回転部と接触している回転部の端部に固定された内部レースとを含む。
センサの固定部の固定金属支持体は好ましくは、後部フランジの方に面する内面と、機械の外部の方に向けられた外面とを有し、外面は、金属支持体の開口部の周囲に平面を含み、前記平面は、位置センサの固定部に接触している。

一実施形態によれば、機械は、フレームならびに前部フランジおよび後部フランジを冷却する外部冷却手段を含む冷却システムをさらに含み、外部冷却手段は、回転シャフトに固定され、後部フランジの外面と第３の軸受との間に配置され、外部空気をフレームに沿って前部フランジの方向に送る外部ファンを含む。
フレームは有利には、回転シャフトの軸（Ｘ）に平行な軸に実質的に沿って伸びる冷却フィンの組を含む外面を有し、後部フランジは有利には、円筒形周囲部に連結されたリングの形をした中央部と、後部フランジの中央部と周囲部との間に配置され、外部ファンからの外部空気をフレームの外面上に冷却フィンの組によって形成された通路内に送る少なくとも１つの開口部とを有する。

外部ファンは好ましくは、後部フランジの外面と第３の軸受との間の回転シャフト上に取り付けられた外部空気インペラを含み、位置センサ用の固定金属支持体は、外部ファンを覆う保護プレートに固定されることによってフレームに連結され、保護プレートは、外部空気が進入するオリフィスを含み、後部フランジの周囲部に固定される。
フレームならびに前部フランジおよび後部フランジは好ましくは、密閉ケーシングを形成し、冷却システムは好ましくは、フレーム内部に配置され、回転子が回転するときにフレーム内部に空気流を生じさせる内部ファンの対をさらに含み、各ファンは、回転子の本体と軸受との間の回転シャフト上に固定的に取り付けられ、前部フランジおよび後部フランジの各々の内面は、各フランジの第１および第２のハウジングの周囲部上に配置され、空気流の向きを定め、前記空気流の熱を取り込むフィンを含む。
機械と一体的な磁気位置センサは有利には、ヨーロッパ規格ＥＮ６０５２９による保護等級ＩＰ６７を有する。

本発明による電気機械は好ましくは、出力定格が２０ｋＷ以上でかつ７５ｋＷ以下である。
本発明による電気機械は好ましくは、同期リラクタンス型である。
本発明の他の目的および利点は、非制限的な例を介した、後述の添付の図を参照する本発明の特定の実施形態についての以下の説明を読んだときに明らかになろう。

電気機械におけるモータ制御についての回転子の位置に関する情報の使用を示す、すでに説明した理論図である。 本発明による電気機械において使用することができる位置センサと同じ種類の標準的な磁気位置センサの一例の、すでに説明した斜視図である。 本発明の一実施形態による電気機械の後部の断面斜視図である。 本発明の同じ実施形態による電気機械の前部の断面斜視図である。 本発明の同じ実施形態による電気機械の長手方向断面図である。 本発明による電気機械への回転子位置センサの組込みを中心とする図４の詳細図である。 本発明による電気機械への回転子位置センサの組込みを中心とする図３の詳細図である。

各図において、同じ参照番号は同一または類似の部材を示す。
本発明の主題は、回転子の角度位置を検知する一体的な磁気センサを含む回転電気機械に関する。

図３～図７は、電気車両またはハイブリッド車両におけるトラクション電気モータとして使用できる本発明の一実施形態による回転電気機械の様々な断面図である。
図３～図７に示されるようなモータは、たとえば、シンクロリラクタントモータとも呼ばれる同期リラクタンスモータであり、連続出力定格が３５ｋＷであり、過渡（ピーク）出力定格が５２ｋＷであり、３５０ＶのＤＣバス上の供給電圧によって動作することができる。

本発明は、有利には同期リラクタンス電気機械に適用されるが、電気機械構成に限定されず、より広範に任意の種類の電気機械、特に、出力定格が２０ｋＷ以上でかつ１８０ｋＷ以下である特定の電気機械に関する。詳細には、特に空気の通気による外部（フレームおよびフランジ）冷却を含む専用冷却システムを含む図３～図７に示されている電気機械は、一般に出力定格が２０ｋＷ以上でかつ７５ｋＷ以下であってもよい。７５ｋＷを超える場合、電気機械は好ましくは、たとえば液体の循環による冷却に関する他の外部冷却手段を含んでいる。

電気モータ１００は、一方の端部で前部フランジ１１０によって閉鎖され、他方の端部で後部フランジ１２０によって閉鎖されたフレーム１３０を含んでいる。電気モータの、巻線を含む固定子１９０および回転子１５０は、フレーム１３０内に収容されている。接続が行われる端子箱（図中の参照符号なし）は、特にモータの前部でフレームを閉鎖するフランジ１１０の高さにおいてフレーム１３０に固定されている。フレーム１３０ならびにフランジ１１０および１２０は、金属、たとえばアルミニウムまたは鉄で作られている。図示されていないが、フレームはフランジの一方と一体化することができ、または各フランジがフレームの一部と単一の構成部材を形成し、そして、この２つの構成部材を接合して、固定子と回転子とを収容するハウジングを形成することができる。

回転子１５０は、固定子内に回転可能に取り付けられた回転シャフト１６０に固定された本体を含んでいる。回転シャフト１６０は、軸（Ｘ）の周りを回転し、前部フランジ１１０および後部フランジ１２０によって保持されている。前部フランジ１１０は、負荷を駆動する回転シャフト１６０の端部１６０ａを支持し、後部フランジ１２０は、負荷を駆動する端部とは反対側の回転シャフト１６０の端部１６０ｂを支持している。
説明の残りの部分では、機械の前部は、回転子の回転シャフトによって負荷が駆動される機械の側を意味し、機械の後部は、その反対側を意味する。

詳細には、前部フランジ１１０および後部フランジ１２０はそれぞれ、機械の内部の方に向けられた内面（１１１、１２１）と、機械の外部の方に向けられた外面（１１２、１２２）と、内面（１１１、１２１）の中央部に位置して軸受（１７１、１７２）を受け入れるハウジング（１１６ａ、１２６ａ）とを有している。軸受１７１および１７２、たとえば玉軸受はそれぞれ、負荷を駆動する回転シャフト１６０の端部１６０ａと負荷を駆動する端部とは反対側の回転シャフトの端部１６０ｂを支持している。

本発明によれば、この電気機械は、シャフトが回転する間、回転子の角度位置を測定する磁気位置センサ１０１を含んでいる。位置センサ１０１および位置センサ１０１が電気機械と一体化されている状態は、図６および図７に特に明確に示されており、図６および図７は、それぞれ図４および図３に示されている機械の後部の詳細である。

位置センサは、
－回転シャフト１６０とともに回転するように制限されるように回転シャフト１６０の端部１６０ｂに固定された磁石１０２を有する回転部１０８と、
ホール効果センサとセンサ１０９の出力信号を送信する手段とを含む固定部１０３とを含んでいる。固定部１０３は、回転部１０８に面しており、機械１００のフレーム１３０に連結された固定金属支持体１０６上に取り付けられている。各ホール効果センサは従来、３６０度の機械角にわたって規則的に分散されている。たとえば、固定部１０３が３つのホール効果センサを含む場合、各ホール効果センサは１２０度離れて位置している。

本発明によれば、位置センサ１０１の回転部１０８と固定部１０３は軸受１０４によって分離されている。この軸受１０４は、シャフトの回転軸（Ｘ）に心合わせされる。軸受１０４は、一方ではシャフト１６０の端部１６０ｂに固定され、他方では、金属支持体１０６に形成された開口部の壁に固定されており、前記開口部は、センサの回転部を保持する回転シャフト１６０の端部を通過させるように構成されている。
軸受１０４は好ましくは、センサの回転部と接触しており、それによって、この特定の組立体の機械的耐久性および機械的精度を向上させる。

本発明によれば、この軸受１０４は、シャフト上に取り付けることのできる各部品についての新しい機械基準を構成し、特に位置センサの各部に対して通常の基準、すなわち軸受１７２に置き換わる。この新しい基準は、シャフト位置センサに近接しているので、位置センサの半径方向および軸方向位置の公差を小さくし（精度を高くし）、磁石とセンサとの間に一定で厳密な距離を定める。したがって、この軸受１０４と位置センサによって形成される組立体は、たとえば、以下に説明する外部ファンなどの、シャフト上に取り付けられた他の機械的部品が存在することに起因して干渉を生じさせることがある機械的攪乱とは無関係に、回転子の位置に関する安定した正確な情報をセンサ１０１によって得るのを可能にする。

軸受１０４と位置センサ１０１のこの構成は、シャフトが強磁性材料で作られている場合に、シャフトが磁化することによって発生する場合がある磁力線の誘導を密閉する効果も有する。このことに起因して、センサの磁石は、回転子の磁化によって誘導され、回転子の位置の測定に支障をもたらすことがあるあらゆる磁気攪乱から分離される。したがって、本発明は、位置センサが経時的に消磁する恐れを制限する。
回転シャフトの位置は、シャフト１６０に固定された磁石１０２の回転に連動する磁場振動を検出することによって測定される。ホール効果素子型の磁気位置センサの動作原理は、当業者には公知であり、ここでは説明しない。センサの出力信号は、センサ１０９の出力信号を送信する手段、一般的にはケーブルによって、モータを制御するインバータに組み込まれたマイクロコントローラに送られる。

磁気位置センサ１０１は、好ましくは密封に関するヨーロッパ規格ＥＮ６０５２９による保護等級がＩＰ６７である。この等級ＩＰは、固体および液体の進入に対する保護のレベルを分類する。この等級のフォーマットは、規格ＩＥＣ６０５２９によって規定されており、「ＩＰ」と、その後に続く２つの数字と文字の少なくとも一方とを含む。最初の数字は塵埃に対する保護に関し、２番目の数字は水の進入に対する保護に関する。等級ＩＰ６７を有する物体は、塵埃および一時的な浸漬（１ｍまで）の作用に対して完全に保護され、機器を圧力および時間の規定された条件の下で浸漬させた場合（１ｍまでの浸水）水が有害な量だけ浸透することはあり得ない。

センサ１０１の回転部１０８は好ましくは、磁石１０２を備えるインサート１０５を含んでいる。インサート１０５は、シャフト１６０の端部１６０ｂに形成されたキャビティ１０７内に収容されている。このキャビティ１０７は、機械の外部に向けて開口部を有する。磁石１０２は、この開口部の側面上のインサート１０５内に位置している。シャフトの端部１６０ｂを掘削することによってこの種のキャビティを作製することが可能である。インサート１０５はたとえば、ねじ山によってシャフト１６０に固定されている。
位置センサ１０１の回転部１０８のインサート１０５は好ましくは、非磁性鋼または真鍮などの非磁性金属で作られている。この組成は、固定子からの磁力線から磁石を保護し、磁石に特有の磁界の集中を維持することに寄与する

軸受１０４は好ましくは、強磁性材料、たとえば強磁性鋼で作られている。したがって、軸受１０４は漏洩磁力線を密閉することができる。
この軸受は有利なことに、一般的には玉であるが、ローラでもよい転動部材を有する種類の軸受である。したがって、この軸受は、金属支持体１０６の中央開口部の壁に固定された外部レースと、シャフト１６０の端部１６０ｂに固定され、センサの回転部１０８と接触し、特にキャビティ１０７の外側でインサート１０５の一部と接触している内部レースとを有することができる。

センサ１０１の固定部１０３の固定金属支持体１０６は、後部フランジ１２０に面する内面と、機械の外部の方に向けられた外面とを有している。支持体１０６の外面は、金属支持体の開口部の周囲に平面１０６ａを有しており、この平面は、位置センサの固定部１０３と接触している。より詳細には、金属支持体１０６の外面は、センサの固定部１０３を受け入れる環状のハウジングを含んでおり、前記環状のハウジングは、平面１０６ａを含んでおり、平面１０６ａは、位置センサの磁石を含むシャフトの端部に対する開口部の周囲に位置している。固定金属支持体１０６は、図３～図７に示されているように円板の形を取ることができ、または任意の他の形状であってもよい。

本発明は有利には、フレームならびに前部フランジおよび後部フランジを冷却する外部冷却手段、一般的には機械の後部に位置し、回転シャフト上に取り付けられた外部ファンを含む電気機械に適用される。

図３～図７に示されている本発明の実施形態によれば、外部冷却手段は、シャフト１６０に固定され、後部フランジ１２０の外面１２２と位置センサの軸受１０４との間に配置され、外部空気をフレーム１３０に沿って前部フランジ１１０の方向に向ける外部ファン１４０を含んでいる。
本発明による機械には軸受１０４が存在しているので、ファン１４０の後段に（軸Ｘに沿って機械の外部に向かう方向に）位置する、すなわち、ファン１４０と位置センサ１０１との間に位置する新しい機械基準が提供される。したがって、位置センサの近くのこの新しい機械基準は、位置センサの半径方向および軸方向位置に対する公差を小さくし、磁石とセンサとの間に一定で厳密な距離を定めるのを可能にする。この種の構成は、干渉のないセンサの正確な出力信号、すなわち、特に高調波をほとんど含まず、したがって、容易に利用可能な出力信号を得るうえで好ましい。

図３～図７に示されている本発明の実施形態によれば、フレーム１３０は、回転シャフト１６０の軸（Ｘ）に平行な軸に実質的に沿って延びる細長い冷却フィン１３１の組を含む外面を有している。後部フランジ１２０は、円筒形周囲部１２８ｂに連結されたリングの形をした中央部１２８ａと、後部フランジ１２０の前記中央部１２８ａと周囲部１２８ｂとの間に位置し、外部空気を外部ファン１４０から、フレーム１３０の外面上の冷却フィン１３１の組によって形成される通路に送る少なくとも１つの開口部１２７とを含む。
外部ファン１４０は好ましくは、後部フランジ１２０の外面１２２と位置センサの軸受１０４との間の回転シャフト１６０上に取り付けられた外部空気インペラを含む。

モータの後部に保護プレート１２９が位置しており、外部ファン１４０を覆っている。保護プレート１２９は、後部フランジ１２０の周囲部１２８ｂに固定されている。保護プレート１２９は、ファン１４０のインペラによって吸引された外部空気が進入するオリフィス１２９ａを含んでいる。
位置センサ１０１用の固定金属支持体１０６は、たとえば、固定金属支持体１０６をこの保護プレート１２９に固定することによってフレームに連結されている。
本発明は同様に、フレームならびに前部フランジおよび後部フランジを冷却する冷却液回路を含む外部冷却手段を含む電気機械に適用されてもよい。

本発明による電気機械を冷却するシステムは好ましくは、ロータの２つの端部でロータ１５０のシャフト１６０上に固定的に取り付けられた２つの内部ファン（１８１、１８２）をさらに含んでおり、それぞれ、内部ファンによって生じた空気流の向きを定め、その空気流の熱を取り込むように構成されたフィン（１１３、１２３）を含むフランジ（１１０、１２０）の内面に面している。

この場合、内部ファンの対を含むこの種の一体型冷却システムを含む電気機械は、密閉回転電気機械である。内部冷却システムを含むこの特定の実施形態について以下に詳細に説明する。
密閉電気機械は、ケーシングと呼ばれることもある密封されたフレーム内に回転子および固定部が密閉された電気機械を意味する。

図３～図７に示されている本発明の実施形態では、フレームは、電気機械の回転子と固定部とを含み、２つのフランジ１１０および１２０によって密封状態で密閉されている。つまり、前部フランジ１１０および後部フランジ１２０は、フレーム１３０を密封状態で密閉する密封手段を含んでいる。
前部フランジ１１０は、リングの形をした中央部１１８ａと、円筒形の周囲部１１８ｂとを含んでいる。内面１１１は、フレーム１３０の内部の方に面しており、軸受１７１を受け入れるように、内面の中央部に位置するハウジング１１６ａを含んでいる。このハウジング１１６ａは、回転子の回転シャフト１６０が通過するオリフィスを中央に有している。フレーム１３０と接触するように、シャフト１６０用のオリフィスの高さにおいて周囲部１１８ｂの周縁にシールが設けられている。フランジ１１０の周囲部１１８ｂは、前部フランジ１１０をフレーム１３０に固定する固定点も含んでいる。

前部フランジ１１０の内面１１１は、軸受１７１のハウジング１１６ａの周囲に配置されたフィン１１３の組を含んでいる。これらのフィン１１３の機能は、後述のように軸受１７１と回転子１５０との間に配置された内部ファン１８１によって生じさせられる空気流の向きを定め、その空気流の熱を取り込むことである。前部フランジ１１０の内面１１１は、たとえば１２個のフィン１１３を保持している。

フィン１１３は好ましくは、ハウジング１１６ａの周りに規則的に分散されている。フランジの各フィンおよび本体は、たとえば、型を使用して製造される（一体鋳造の）単体を形成している。フィンは有利には、この機械の巻線ヘッドおよび回転部を効果的に冷却する内部空気の特定の循環に寄与するような形状を有している。各フィンは好ましくは平面であり、概形が台形であり、この台形は、底辺（互いに平行な向かい合う辺）が軸（Ｘ）に直交し、ハウジング１１６ａと向かい合う辺が、直線ではなく曲線であり、（フランジの周囲部１１８ｂの所で半径方向においてフィンに沿って位置する点に対して）凹状をなしている。フィンの縁部のこの凹状は、巻線ヘッドとの近接度を最適にし、同時に、効果的な冷却が実現されるように空気流を最適にするのを可能にする。フィンのこの説明は、フランジの表面に露出される部分に基づいている（かつフランジの一部に基づいている）。フィンの長手方向断面において、フィンは、概形が、各底辺と直角を形成する辺がハウジング１１６の壁を構成する矩形台形（rectangular trapezium）である。内部フィンは、いわゆる肩部がフランジの内面に面する鳥の翼状である。各フィンの寸法は、フランジと機械の内部部材との間に残される自由空間内において空気を良好に循環させるうえで適切な内部ファンに対する近接度を維持するように、内部ファンと内部ファンに面する各フィンの上部との間に最大空間が残されるような寸法である。非制限的な一例として、長さが約２０ｍｍの内部フィンを保持する、内径が約２０ｃｍのフランジを含む装置において、内部ファンと各フィンの上部との間に４～５ｍｍの空間が残される。各フィンの長さ（または高さ）は、軸（Ｘ）に沿った各フィンの寸法と理解される。

前部フランジ１１０の周囲部１１８ｂは、その外面１１２上に複数の熱放散フィン１１７をさらに含んでもよい。放散フィン１１７は、回転子の軸（Ｘ）に平行な軸に実質的に沿って延びている。フレーム１３０が冷却フィン１３１の組を含む外面を有する場合、前部フランジ１１０の複数のフィン１１７は、フレーム１３０の複数の冷却フィン１３１によって形成される通路を延長する。
後部フランジ１２０は、円筒形周囲部１２８ｂに連結されたリングの形をした中央部１２８ａを含んでいる。前部フランジ１１０の場合と同様に、内面１２１は、フレーム１３０の内部の方に面しており、軸受１７２を受け入れることを目的として、内面の中央部に位置するハウジング１２６ａを含んでいる。このハウジング１２６ａは、回転子の回転シャフト１６０が通過するオリフィスを中央に有している。フレーム１３０と接触するように、シャフト１６０用のオリフィスの高さにおいて周囲部１２８ｂの周縁にシールが設けられている。後部フランジ１２０の周囲部１２８ｂおよび中央部１２８ａは、フランジをフレームに固定する固定点も有する連結部を含んでいる。たとえば、後部フランジは、４つの固定点（たとえば、ネジ穴）を備えた４つの連結部を含んでいる。

後部フランジ１２０の内面１２１は、前部フランジ１１０のように、軸受１７２のハウジング１２６ａの周囲に配置されたフィン１２３の組を含んでいる。これらのフィン１２３は、軸受１７２と回転子１５０との間に配置された内部ファン１８２の回転によって生じさせられる空気流の向きを定め、その空気流の熱を取り込む同じ機能を有している。後部フランジ１２０の内面１２１は、たとえば１２個のフィン１１３を保持している。
各フィン１２３は好ましくは、ハウジング１２６ａの周りに規則的に分散されている。それらのフィンの形状および寸法は好ましくは、上述の前部フランジ１１０の内面１１１上のフィン１１３の形状および寸法と同一である。

後部フランジ１２０は、外部ファン１４０からの外部空気をフレーム１３０に沿った方向に向け、特にその空気をフレーム１３０の外面上に冷却フィン１３１の組によって形成される通路内に向ける少なくとも１つの開口部を中央部１２８ａと周囲部１２８ｂとの間に含んでいる。後部フランジ１２０は、たとえばこの種の４つの開口部を含んでいる。これらの開口部は、たとえば円弧状であり、フランジ１２０の中央部１２８ａの周縁に均等に分散されている。
フレーム１３０の外面上の冷却フィン１３１は、回転子の軸（Ｘ）に実質的に平行な軸に沿って延びている。軸（Ｘ）に実質的に平行であるとは、その軸（Ｘ）に対してプラスまたはマイナス２５°の角度内であることを意味する。これらの冷却フィン１３１の役割は、フレームの、空気との交換領域を大きくして熱の放散量を増やし、フレームの表面上の外部空気の流れを、一方のフランジから他方のフランジまでフレームの全長をカバーするように向けることである。前部フランジ１１０の周囲部が、好ましくはフレーム１３０の各冷却フィンと同じ方向に向けられた放散フィン１１７も含む場合に、外部空気が流れる連続的な通路が形成され、それによって、フレームおよび前部フランジの冷却が向上する。

この説明では、外部空気は、密閉回転電気機械の外部の空気を意味し、内部空気は、密閉電気機械に含まれる空気、より厳密には、この機械の密封されたフレーム内に密閉された空気を意味する。
電気モータは、フレーム１３０上に取り付けられ、各冷却フィン１３１を囲み、空気がフレーム１３０に沿って流れるときにフレーム１３０の外面および冷却フィン１３１の近傍に空気を保持する金属、好ましくはアルミニウムプレート１３２をさらに含むことができる。図３～図７に示されているモータの例では、各金属プレート１３２は、フレームの外面の形状に倣うようにわずかに湾曲している。各金属プレート１３２は好ましくは、フレームの周りに規則的に分散されており、たとえば、８つのプレートが、フレームの周りに間隔を置いて配置されたユニットを形成するように２×２個にグループ分けされてフレームに固定されている。各金属プレート１３２は、外部ファン１４０からの外部空気が流れる通路を残すようにフレーム上に取り付けられている。したがって、各金属プレート１３２は、後部フランジ１２０の周囲部上に位置することができる。

フレーム内部の内部ファン（１８１、１８２）の対は、回転子が回転するときにフレームの内部に空気流を生じさせるのを可能にする。密封されたフレーム内部の空気流は、動作時の内部ファン１８１および１８２と、フレーム１３０内部の機械の構造部材、特にフランジ１１０および１２０の内面の構造との相互作用によって生じさせられる。より詳細には、前部フランジおよび後部フランジ（１１０、１２０）の内面（１１１、１２１）上の各フィン（１１３、１２３）は、各内部ファン（１８１、１８２）によって生じさせられた空気流を半径方向において固定部１９０の巻線の各ヘッド１９１の方へ向け（回転シャフト１６０の軸（Ｘ）を中心とする遠心力方向への流れ）、次いで各巻線ヘッド１９１からの空気流を、まず各巻線ヘッドの高さにおける軸（Ｘ）に平行な方向に流し、次いで半径方向において回転シャフトの方へ流して（軸（Ｘ）に平行に流し、次いで軸（Ｘ）を中心とする向心力方向に流して）、フランジの中央の方へ戻すように構成されている。したがって、空気のこの種の内部循環は、モータの前部側および後部側、すなわち、回転子１５０の各側において生じさせられる。フランジ１１３および１２３の内面上の各フィンは、内部空気流の向きを定めることに加えて、空気流の熱を放散させ、したがって、固定部１９０の各巻線ヘッド１９１と電気機械のシャフト１６０および回転子１５０を冷却するのを可能にする。

後部フランジ１２０の外面と軸受１０４との間のモータの後部に位置する外部ファン１４０は、外部空気流を発生させることによってフレーム１３０およびフランジの冷却に寄与し、この外部空気流は、まず半径方向において後部フランジ１２０の外面の周囲の方へ向けられ、そして、好ましくは冷却フィン１３１を備え、好ましくはフレーム１３０の外面上に空気流を拘束する金属プレート１３２で覆われたフレーム１３０の外面に沿って延びるように、回転軸（Ｘ）に平行に前部フランジ１１０に向けられる。したがって、空気は好ましくは、実質的に軸（Ｘ）に沿った細長いフィン間に形成された通路内を通過し、各金属プレートとフレーム１３０の外面との間に形成された空間に拘束される。後部フランジ１２０の各開口部１２７は有利には、ファン１４０からの外部空気がフランジの外面から、好ましくは冷却フィン１３１を備えるフレーム１３０の外面の方へ流れるのを可能にする。

外部ファン１４０は内部ファン１８１および１８２よりも大きい。ファン１４０のサイズは、冷却が最適になるようにモータの出力と最大回転速度の関数として選択される。
本発明は有利には、同期リラクタンスモータに適用され、好ましくは、出力が２０ｋＷ以上でかつ１８０ｋＷ以下である機械に適用される。非制限的な一例として、本発明に従って冷却されるモータは、連続出力定格が３０ｋＷであり、過渡（ピーク）出力定格が５２ｋＷであり、３５０ＶのＤＣバス供給電圧によって動作することができ、以下の寸法、すなわち、回転子の外径１３４ｍｍ、固定子の外径２００ｍｍ、フレームの外径２５０ｍｍ、モータの長さ２１４ｍｍ、能動部分の長さ（回転子の層状構造の積層体の長さに相当する）１００ｍｍを有することができる同期リラクタンスモータであってもよい。

Claims (13)

1. 回転電気機械であって、
   －フレーム（１３０）内に配置され、巻線を含む固定子（１９０）と、
   －前記固定子内に回転可能に取り付けられ、軸（Ｘ）の周りを回転する回転シャフト（１６０）に固定された本体を含む回転子（１５０）と、
   －負荷を駆動する前記回転シャフト（１６０）の端部（１６０ａ）を支持する第１の軸受（１７１）と、
   －前記負荷を駆動する前記端部とは反対側の前記回転シャフト（１６０）の端部（１６０ｂ）を支持する第２の軸受（１７２）と、
   －前記フレーム（１３０）の第１の端部に配置され、前記第１の軸受（１７１）を受け入れる第１のハウジングを中央部に含む前部フランジ（１１０）と、
   －前記第１の端部とは反対側の前記フレームの第２の端部に配置され、前記第２の軸受（１７２）を受け入れる第２のハウジングを中央部に含む後部フランジ（１２０）とを含み、 前記前部フランジおよび後部フランジ（１１０、１２０）はそれぞれ内面と外面とを有し、前記回転電気機械は、
   －前記シャフトが回転する間、前記回転子の角度位置を測定する磁気位置センサ（１０１）をさらに有し、前記位置センサ（１０１）は、
   －前記負荷を駆動する前記端部とは反対側の前記回転シャフト（１６０）の前記端部（１６０ｂ）に固定され、前記回転シャフト（１６０）が回転する間、前記回転シャフトとともに回転するように制限される磁石（１０２）を有する回転部（１０８）と、
   －ホール効果センサと、前記センサ（１０９）の出力信号を送信するための手段とを含み、前記回転部（１０８）に面し、前記機械の前記フレームに連結された固定金属支持体（１０６）上に取り付けられた固定部（１０３）とを有し、
   前記位置センサ（１０１）の前記回転部（１０８）および前記固定部（１０３）は、前記軸（Ｘ）を中心とする第３の軸受（１０４）によって分離され、前記第３の軸受は、一方では前記負荷を駆動する前記端部とは反対側の前記回転シャフト（１６０）の前記端部（１６０ｂ）に固定され、他方では前記センサの前記回転部を含む前記回転シャフト（１６０）の前記端部を通過させるように構成された前記金属支持体（１０６）内に形成された開口部の壁に固定され、前記第３の軸受（１０４）は、前記位置センサ（１０１）の前記回転部（１０８）と接触している、回転電気機械（１００）。
2. 前記位置センサの前記回転部（１０８）は、前記負荷を駆動する前記端部とは反対側の前記回転シャフト（１６０）の前記端部（１６０ｂ）に形成されたキャビティ（１０７）内に収容されたインサート（１０５）を含み、前記キャビティ（１０７）は、前記機械の外部に向かう開口部を含み、前記インサート（１０５）は、前記位置センサの磁石を備えた前記キャビティ（１０７）の前記開口部の側面上に設けられる、請求項１に記載の電気機械。
3. 前記位置センサ（１０１）の前記回転部（１０８）の前記インサート（１０５）は、非磁性材料で作られ、好ましくは非磁性鋼または真鍮で作られる、請求項２に記載の電気機械。
4. 前記第３の軸受（１０４）は、強磁性材料で形成され、好ましくは強磁性鋼で形成される、請求項１から３のいずれか一項に記載の電気機械。
5. 前記第３の軸受（１０４）は、転動部材、好ましくは玉を有する種類の軸受であり、好ましくは前記金属支持体（１０６）の前記開口部の前記壁に固定された外部レースと、前記駆動端部とは反対側であり、前記センサ（１０１）の前記回転部（１０８）と接触している前記回転シャフト（１６０）の前記端部（１６０ｂ）に固定された内部レースとを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の電気機械。
6. 前記センサの前記固定部（１０３）の前記固定金属支持体（１０６）は、前記後部フランジ（１２０）の方に面する内面と、前記機械の外部の方に向けられた外面とを有し、前記外面は、前記金属支持体の前記開口部の周囲に平面（１０６ａ）を含み、前記平面（１０６ａ）は、前記位置センサ（１０１）の前記固定部（１０３）に接触している、請求項１から５のいずれか一項に記載の電気機械。
7. 前記フレームならびに前記前部フランジおよび前記後部フランジを冷却する外部冷却手段を含む冷却システムをさらに含み、前記外部冷却手段は、前記回転シャフト（１６０）に固定され、前記後部フランジ（１２０）の前記外面（１２２）と前記第３の軸受（１４０）との間に配置され、外部空気を前記フレーム（１３０）に沿って前記前部フランジ（１１０）の方向に送る外部ファン（１４０）を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の電気機械。
8. －前記フレーム（１３０）は、前記回転シャフト（１６０）の前記軸（Ｘ）に平行な軸に実質的に沿って伸びる冷却ファン（１３１）の組を含む外面を有し、
   －前記後部フランジ（１２０）は、円筒形周囲部（１２８ｂ）に連結されたリングの形をした中央部（１２８ａ）と、前記後部フランジ（１２０）の前記中央部（１２８ａ）と前記周囲部（１２８ｂ）との間に配置され、前記外部ファン（１４０）からの前記外部空気を前記フレーム（１３０）の前記外面上に前記冷却ファン（１３１）の前記組によって形成された前記通路内に送る少なくとも１つの開口部（１２７）とを有する、請求項７に記載の電気機械。
9. 前記外部ファン（１４０）は、前記後部フランジ（１２０）の前記外面（１２２）と前記第３の軸受（１０４）との間の前記回転シャフト（１６０）上に取り付けられた外部空気インペラを含み、前記位置センサ（１０１）用の前記固定金属支持体（１０６）は、前記外部ファン（１４０）を覆う保護プレート（１２９）に固定されることによって前記フレームに連結され、前記保護プレート（１２９）は、前記外部空気が進入するオリフィス（１２９ａ）を含み、前記後部フランジ（１２０）の前記周囲部（１２８ｂ）に固定される、請求項７および８のいずれか一項に記載の電気機械。
10. 前記フレーム（１３０）ならびに前記前部フランジおよび前記後部フランジは、密閉ケーシングを形成し、前記冷却システムは、前記フレーム（１３０、２３０）内部に配置され、前記回転子（１５０）が回転するときに前記フレーム内部に空気流を生じさせる内部ファン（１８１、１８２）の対をさらに含み、各ファンは、前記回転子（１５０）の前記本体と軸受（１７１、１７２）との間の前記回転シャフト（１６０、２６０）上に固定的に取り付けられ、前記前部フランジおよび前記後部フランジの各々の前記内面は、前記各フランジの前記第１および第２のハウジング（１１６ａ、１２６ａ、２１６ａ、２２６ａ）の周囲部上に配置され、前記空気流の向きを定め、前記空気流の前記熱を取り込むフィン（１１３、１２３）を含む、請求項７から９のいずれか一項に記載の密閉電気機械。
11. 前記機械と一体的な前記磁気位置センサは、ヨーロッパ規格ＥＮ６０５２９による保護等級ＩＰ６７を有する、請求項１から１０のいずれか一項に記載の電気機械。
12. 出力定格が２０ｋｗ以上でかつ７５ｋｗ以下である、請求項１から１１のいずれか一項に記載の電気機械。
13. 同期リラクタンス型である、請求項１から１２のいずれか一項に記載の電気機械。

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