(57)【要約】      （修正有）【課題】永久磁石モータにおけるコギングトルクを低減し、潜在的なＮＶＨ問題を低減するロータアセンブリを提供する。【解決手段】アセンブリは、積層スタック内の２層の磁石を利用し、内層は、ロータの近くに配置され、大きい磁石から構成され、外層は、外側積層スタック表面の近くに配置され、小さい磁石から構成される。各層内の磁石は対で構成され、各磁石対はＶ字形の配置を形成する。【選択図】図３
2020068654.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気モータ用のロータアセンブリであって、
ロータと、
複数の積層を含む積層スタックであって、前記積層スタックが、前記ロータの長手方向軸に沿って積層される、積層スタックと、
前記積層スタック内の第１の複数の空洞と、
前記第１の複数の空洞内に含まれる第１の複数の永久磁石であって、前記第１の複数の永久磁石が、第１の複数の磁石対として構成され、前記第１の複数の磁石対の各磁石対が、第１のＶ字形の構成で配置される、第１の複数の永久磁石と、
前記積層スタック内の第２の複数の空洞と、
前記第２の複数の空洞内に含まれる第２の複数の永久磁石であって、前記第２の複数の永久磁石の各永久磁石が、前記第１の複数の永久磁石の各永久磁石よりも大きく、前記第２の複数の永久磁石が、第２の複数の磁石対として構成され、前記第２の複数の磁石対の各磁石対が、第２のＶ字形の構成で配置されている、第２の複数の永久磁石とを備える、
ロータアセンブリ。
【請求項２】
前記第２の複数の空洞内に含まれる前記第２の複数の永久磁石が、前記第１の複数の空洞内に含まれる前記第１の複数の永久磁石よりも内側積層スタック表面の近くに配置される、請求項１に記載のロータアセンブリ。
【請求項３】
前記第１のＶ字形の構成が、第１の角度によって画定され、前記第２のＶ字形の構成が、第２の角度によって画定され、単一線が、前記第１の角度を２等分し、かつ、前記第２の角度を２等分する、請求項２に記載のロータアセンブリ。
【請求項４】
前記第１の複数の磁石対の磁石の各対が、第１の磁石および第２の磁石を含み、前記第１の磁石の第１の端部が、前記第１の磁石の第２の端部よりも前記第１の角度に対応する第１の頂点に近く、前記第２の磁石の第１の端部が、前記第２の磁石の第２の端部よりも前記第１の頂点に近く、前記第１の磁石の前記第１の端部が、前記第１の磁石の前記第２の端部よりも前記内側積層スタック表面に近く、前記第２の磁石の前記第１の端部が、前記第２の磁石の前記第２の端部よりも前記内側積層スタック表面に近く、かつ、
前記第２の複数の磁石対の磁石の各対が、第３の磁石および第４の磁石を含み、前記第３の磁石の第１の端部が、前記第３の磁石の第２の端部よりも前記第２の角度に対応する第２の頂点に近く、前記第４の磁石の第１の端部が、前記第４の磁石の第２の端部よりも前記第２の頂点に近く、前記第３の磁石の前記第１の端部が、前記第３の磁石の前記第２の端部よりも前記内側積層スタック表面に近く、前記第４の磁石の前記第１の端部が、前記第４の磁石の前記第２の端部よりも前記内側積層スタック表面に近い、請求項３に記載のロータアセンブリ。
【請求項５】
前記第１の角度および前記第２の角度を２等分する前記単一線が、外側積層スタック表面に直交する、請求項３または４に記載のロータアセンブリ。
【請求項６】
前記第１の角度が前記第２の角度よりも大きい、請求項３または４に記載のロータアセンブリ。
【請求項７】
エポキシ樹脂をさらに含み、前記エポキシ樹脂が、前記第１の複数の空洞内に前記第１の複数の永久磁石を固定し、かつ、前記第２の複数の空洞内に前記第２の複数の永久磁石を固定する、請求項１〜４のいずれか１項に記載のロータアセンブリ。
【請求項８】
前記エポキシ樹脂が、熱硬化性エポキシ樹脂である、請求項７に記載のロータアセンブリ。
【請求項９】
前記第２の複数の永久磁石の各永久磁石が、前記第１の複数の永久磁石の各永久磁石よりも約３倍大きい、請求項１〜４のいずれか１項に記載のロータアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、電気モータに関し、より詳細には、永久磁石モータにおいてコギングトルクを低減する手段に関する。
【背景技術】
【０００２】
高騰し続ける燃料価格および地球温暖化による恐ろしい結末の両方に駆り立てられた消費者の要求に応えて、自動車産業は超低排出、高効率の自動車の必要性を徐々に受け入れ始めている。業界内では、より効率的な内燃機関を設計することによって、これらの目標を達成しようとしている企業もあれば、ハイブリッドまたは全電気式の駆動系を自動車ラインアップに組み入れている企業もある。しかし、消費者の期待に応えるために、自動車産業は、単に環境に優しい駆動系を実現するだけでなく、性能、走行距離、信頼性、安全性、およびコストの合理的な水準を維持しながら、それを実現しなければならない。
【０００３】
低排出、高効率の自動車を実現するための最も一般的な手法は、内燃機関（ＩＣＥ）を１つまたは複数の電気モータと組み合わされるハイブリッド駆動系を使用することである。ハイブリッド車により、従来のＩＣＥベースの自動車よりも改善された燃費および少ない自動車の排気量が実現されるが、内燃機関を搭載しているため、従来の自動車と比較して低減された水準ではあるが、有害な汚染物質を依然として排出している。さらに、内燃機関および電気モータと、それに付随するバッテリパックとの両方が含まれていることに起因して、ハイブリッド車の駆動系は通常、従来のＩＣＥベースの自動車または電気自動車の駆動系よりも複雑であるので、コストおよび重量が増加する。したがって、いくつかの自動車メーカは、電気モータのみを使用する自動車を設計することにより、駆動系の複雑さを大幅に削減しながら、汚染源の一つを排除している。
【０００４】
電気自動車（ＥＶ）が広く受け入れられるようにするには、これらの自動車が性能および信頼性の両方に関してユーザの期待に応えることが重要である。したがって、ＥＶメーカは、従来の自動車によって設定された規格を満たすか上回ることを目指して、意図するＥＶ設計のあらゆる態様を研究している。懸念される一組の自動車の特性として、自動車の騒音、振動、およびハーシュネス（ＮＶＨ）という特性がある。ＮＶＨ特性は、車内の搭乗者が経験するだけでなく、自動車の駆動系、サスペンション、およびステアリングアセンブリなど、様々な自動車サブシステムにおいて、早期の部品故障を引き起こす可能性がある。
【０００５】
ＮＶＨの問題の潜在的な原因の１つは、モータのコギングトルクである。コギングトルクは、ロータの動作中にロータ極とステータ歯との相互作用によって生じる望ましくない現象である。モータの平均コギングトルクは、極の反対の極性のためにゼロであるが、各極の端がステータ歯の間を交差するとき、正と負の間のトルクの振動が、ロータ内でＮＶＨの問題を引き起こす可能性がある。これらの振動は、モータ、軸受け、および関連する歯車装置に悪影響を及ぼす可能性がある。これは、差動装置がロータシャフト内に取り付けられている場合、特に問題となる。
【０００６】
したがって、必要とされているものは、永久磁石モータにおけるコギングトルクを低減することにより、潜在的なＮＶＨの問題を低減する効果的な手段である。本発明は、そのような手段を提供する。
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、（ｉ）ロータと、（ｉｉ）ロータの長手方向軸に沿って積層される、複数の積層で形成された積層スタックと、（ｉｉｉ）第１の複数の永久磁石が、第１の複数の空洞内に含まれ、第１の複数の永久磁石が、第１の複数の磁石対として構成され、各磁石対が、第１のＶ字形の構成で配置される、積層スタック内の第１の複数の空洞と、（ｉｖ）第２の複数の永久磁石が、第２の複数の空洞内に含まれ、第２の複数の永久磁石の各永久磁石が、第１の複数の永久磁石の各永久磁石よりも大きく、第２の複数の永久磁石が、第２の複数の磁石対として構成され、各磁石対が、第２のＶ字形の構成で配置される、積層スタック内の第２の複数の空洞とを備える、電気モータ用のロータアセンブリを提供する。
【０００８】
一態様では、第２の複数の空洞内に含まれる第２の複数の永久磁石は、第１の複数の空洞内に含まれる第１の複数の永久磁石よりも内側積層スタック表面の近くに配置される。第１のＶ字形の構成は、第１の角度によって画定され得て、第２のＶ字形の構成は、第２の角度によって画定され得て、単一線が、第１の角度および第２の角度の両方を２等分する。
【０００９】
別の態様では、第１の複数の磁石対の磁石の各対は、第１の磁石および第２の磁石から構成される。第１の磁石の第１の端部は、第１の磁石の第２の端部よりも第１の角度に対応する第１の頂点に近い。第２の磁石の第１の端部は、第２の磁石の第２の端部よりも第１の頂点に近い。したがって、第１の磁石の第１の端部は、第１の磁石の第２の端部よりも内側積層スタック表面に近く、第２の磁石の第１の端部は、第２の磁石の第２の端部よりも内側積層スタック表面に近い。同様に、第２の複数の磁石対の磁石の各対は、第３の磁石および第４の磁石から構成される。第３の磁石の第１の端部は、第３の磁石の第２の端部よりも第２の角度に対応する第２の頂点に近い。第４の磁石の第１の端部は、第４の磁石の第２の端部よりも第２の頂点に近い。したがって、第３の磁石の第１の端部は、第３の磁石の第２の端部よりも内側積層スタック表面に近く、第４の磁石の第１の端部は、第４の磁石の第２の端部よりも内側積層スタック表面に近い。
【００１０】
別の態様では、第１の角度および第２の角度を２等分する単一線は、外側積層スタック表面に直交し得る。第１のＶ字形の構成に対応する第１の角度は、第２のＶ字形の構成に対応する第２の角度より大きくなり得る。第１の複数の磁石は、第２の複数の磁石よりも外側積層スタック表面に近いことが好ましい。エポキシ樹脂、好ましくは、熱硬化性エポキシ樹脂を使用して、第１の複数の空洞内に第１の複数の永久磁石を固定し、第２の複数の空洞内に第２の複数の永久磁石を固定し得る。
【００１１】
本発明の性質および利点のさらなる理解は、明細書および図面の残りの部分を参照することにより実現され得る。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
添付の図面は、発明の範囲を限定するものではなく、例示することのみを意図しており、縮尺通りであると見なされるべきではないことを理解されたい。さらに、異なる図面上の同じ参照符号は、同じ構成要素または同様の機能の構成要素を指すものと理解されるべきである。
【００１３】
【図１】本発明で使用され得る動力伝達系アセンブリの断面図を提供する。
【００１４】
【図２】図１に示す動力伝達系アセンブリの積層スタックの斜視図を提供する。
【００１５】
【図３】積層スタックおよびステータの断面図を提供する。
【００１６】
【図４】図３に示す断面図の一部の拡大図を提供する。
【００１７】
【図５】積層の一部を通る磁束線、具体的には、外層の１対の磁石と内層の１対の磁石を通る磁束線を示す。
【００１８】
【図６】本発明の２重磁石層手法の利点をグラフで示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本明細書で使用される、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が明らかにそれ以外を示さない限り、複数形も同様に含むことが意図される。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、および／または「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という用語は、本明細書で使用される場合、記載されている特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素の存在を指定するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらの群の存在または追加を除外しないことがさらに理解されるであろう。本明細書で使用される場合、用語「および／または」および記号「／」は、関連する列挙された項目の１つまたは複数の任意およびすべての組み合わせを含むことを意味する。さらに、第１、第２などの用語は、様々なステップまたは計算を説明するために本明細書で使用され得るが、これらのステップまたは計算は、これらの用語によって制限されるべきではなく、これらの用語は、あるステップまたは計算を、別のステップまたは計算と区別するためにのみ使用される。例えば、本開示の範囲から全く逸脱することなく、第１の計算は第２の計算と呼ぶことができ、同様に、第１のステップは第２のステップと呼ぶことができ、同様に、第１の構成要素は第２の構成要素と呼ぶこともできる。
【００２０】
前述したように、コギングトルクは、永久磁石モータの設計における共通の考慮事項であり、コギングトルクが、望ましくないＮＶＨ特性を引き起こす可能性があることを考えると、電気モータが自動車のトラクションモータである場合は特に懸念される。そのようなＮＶＨ特性は、車内の搭乗者が経験し得て、自動車の駆動系、サスペンション、およびステアリングアセンブリを含む、様々な自動車サブシステムにおいて、早期の部品故障をしばしば引き起こす可能性がある。コギングトルクを低減することにより、関連する望ましくないＮＶＨ特性を低減するための一般的な手法は、ロータ積層スタックをいくつかの区域に分割し、次いで、それらの区域を互いに対して傾斜させることである。この手法を、図１および図２に示す。
【００２１】
図１は、コギングトルクを低減するために、積層スタックの傾斜を利用する例示的な動力伝達系アセンブリ１００の断面図を提供する。図示されたアセンブリでは、中空のロータシャフト１０１が使用される。中空ロータシャフト１０１は、差動歯車アセンブリ１０３を含む。この構成により、遊星アセンブリ１０５、差動歯車アセンブリ１０３、および遊星アセンブリ１０７が、同軸に位置合わせされるように動力伝達系を配置できることにより、比較的狭い幅１０９の動力伝達系が作成され、幅１０９は、２つの等速（すなわち、ＣＶ）ジョイントハウジング部材の底面１１１間で測定される。アセンブリ１００で使用される積層スタックは、４つの積層区域（本明細書では層とも呼ばれる）１１３Ａ〜１１３Ｄで構成される。図２は、アセンブリ１００の積層スタックの斜視図を提供する。ロータ積層スタックの周囲には、ステータ１１５がある。この図では、ステータの両方の端部から延在するステータ巻き線１１７が示されている。
【００２２】
図１で提供されるアセンブリ１００の断面図では、各区域内の永久磁石が示されている。具体的には、層１１３Ａ内には、永久磁石１１９Ａが示され、層１１３Ｂ内には、永久磁石１１９Ｂが示され、層１１３Ｃ内には永久磁石１１９Ｃが示され、層１１３Ｄ内には永久磁石１１９Ｄが示される。
【００２３】
コギングトルクを低減するために、各区域１１３Ａ〜１１３Ｄは隣接する区域から一定の角度だけオフセットされ、これにより、各層内に保持された永久磁石を同じ角度だけオフセットする。積層区域を傾斜させ、それによって、積層スタック内の永久磁石をオフセットすることで、ロータ回転中のステータ歯あたりの磁力の集中が低減されるため、トルク振動が低減される。これにより、コギングトルクが低減される。
【００２４】
積層の傾斜はコギングを減らす効果的な手段であるが、この手法には欠点がある。例えば、このタイプのロータアセンブリの製造は、部品数およびアセンブリステップ数の両方が増加するため、通常の傾斜のないアセンブリよりも困難である。さらに、一般的であるように、ロータがアセンブリ後に磁化ステップを受ける場合、積層間のオフセットは、各層の磁化方向における精度の問題を引き起こす可能性がある。さらに、積層を傾斜させることにより、隣接する傾斜させた区域間に漏れ磁束が発生し、トルクおよび出力の両方の大幅な低下につながる。
【００２５】
本発明によれば、ロータ積層内の磁石は、具体的には、磁石の２次層を追加することによって傾斜させる。この手法では、上述したような積層を傾斜させる必要はなくなるが、本発明は、傾斜させた積層を有する積層スタックにおいても使用できることを理解されたい。しかしながら、発明者は、開示された複数の磁石層の手法を利用する場合、積層を傾斜させる必要がないことを見出した。
【００２６】
図３は、本発明によるロータアセンブリの断面図を提供する。図４は、図３に示す断面の一部の拡大図を提供する。これらの図では、ステータ１１５、ステータスロット３０１およびロータ積層３０３はすべて示されている。前述したように、ロータ積層には、磁石の第１の層３０５および磁石の第２の層３０７が含まれる。本明細書では、磁石の内層３０５とも呼ばれる磁石の第１の層３０５は、磁石の第２の層３０７よりもロータの近くに配置される。
【００２７】
内側および外側磁石層の好ましい位置を決定する際には、いくつかの要因を考慮する必要がある。第１に、積層スタックの幅３０９は、磁石の可能な配置に影響を及ぼす。積層幅３０９は、モータのサイズならびに積層スタックが取り付けられるロータのサイズによって決まり、積層スタックは、ロータに直接取り付けられ得るか、積層スタックとロータの間に介在層があり得る。ロータ内に差動装置を含めると、明らかにロータのサイズに影響し、一般に、一体型差動装置に十分な容積を提供するためには、好ましくは、より大きなロータが必要である。所与のモータのサイズを仮定すると、ロータのサイズが大きくなるにつれて、通常、積層スタック幅は減少し、磁石の配置における柔軟性の低下を引き起こす。第２に、磁石の位置は磁束に影響し、したがって、コギング効果の強度に影響する。磁石が外側積層スタック表面３１１の近くに配置されるほど、磁束がより強くなり、したがって、発生トルクならびに発生コギングトルクがより強くなる。したがって、所望のモータトルクおよび望ましくないコギングトルクの間には直接的なトレードオフが存在する。
【００２８】
一般に、積層スタック内での傾斜を実現するために、発明者は、磁石の各層が複数の磁石対で構成される、２層の磁石を使用することが最良の手法であることを見出した。磁石の各対は、Ｖ字形の構成に配置される。磁石の最も外側の対、例えば、図４の磁石４０１Ａおよび４０１Ｂは、両方の磁石対が同一線４０５で２等分されるように、磁石の最も内側の対、例えば、磁石４０３Ａおよび４０３Ｂと位置合わせされることが好ましい。２等分線４０５は、積層スタック表面３１１に直交する。磁石の各対の場合、示されるように、外側積層表面３１１に近づくにつれて、磁石の隣接する縁部間の距離が増加する。したがって、各磁石対の最も外側の縁部ではなく、磁石の各対を画定する各角度の頂点が、内側の積層スタック表面３１３により近い。
【００２９】
一般に、磁石の位置を部分的に画定する角度が小さいほど、リラクタンストルクは高くなる。残念なことに、この角度が減少すると、図４に磁石４０１Ａ／４０１Ｂの角度４０７および磁石４０３Ａ／４０３Ｂの角度４０９として示されるように、コギングトルクが増加する。上述したように、および本発明に関して上述したように、コギングトルクを軽減するために、積層スタックは永久磁石の２つの層を利用する。発明者は、磁石の内層（例えば、図３の磁石３０５および図４の磁石４０３Ａ／４０３Ｂ）が大きく、磁石の外層（例えば、図３の磁石３０７および図４の磁石４０１Ａ／４０１Ｂ）よりも小さい分離角度４０９を使用したとき、コギングトルクの最適な軽減が達成されると判断した。
【００３０】
磁石の内層および外層の正確な寸法および位置は、モータの所望の動作特性ならびにモータのサイズに依存することは、当業者なら理解するであろう。一般的に、磁石の内層に含まれる大きな磁石は、磁石の外層にある小さな磁石よりも約３倍大きくなる。さらに、内層の大きな磁石の分離角度（例えば、図４の角度４０５）は、外層の小さな磁石の分離角度（例えば、図４の角度４０７）よりも小さいことが好ましい。積層スタックが約１１０ミリメートルの長さであり、約１５０ミリメートルの外径および約７５ミリメートルの内径を有する好ましい実施形態では、磁石の外層を含む磁石は、３ミリメートル×１２ミリメートル×２７ミリメートルであり、磁石の内層を含む磁石は、６ミリメートル×２０ミリメートル×２７ミリメートルである。本実施形態では、磁石の内層を含む大きい磁石は、トルク生成の約８０パーセントを占める。
【００３１】
好ましい実施形態では、内層および外層を含む大きな磁石および小さな磁石の両方が、エポキシ熱硬化性樹脂で対応する積層スタック空洞内の所定の位置に保持される。好ましくは、接着材料を積層スタックに適用するために、エポキシ樹脂射出成形プロセスが使用される。エポキシ樹脂で、磁石を所定の位置にしっかりと保持することにより、機械的に堅固なスタックを作成する。さらに、磁石と積層スタックのスロットの間の空隙（例えば、図３に示す空隙３１５）を充填することにより、エポキシ樹脂は、スタック内に不均衡が生じる可能性がある空隙内にオイルが停滞することを防ぐ。さらに、エポキシ樹脂が空気よりも優れた熱特性を有していることを考えると、空隙をエポキシ樹脂で充填することにより、より均一な熱特性を有する積層スタックが作成される。最後に、本発明は、コギングを低減するために積層の傾斜ではなく、複数の磁石層を利用するため、スタック全体を１回で成形できる。対照的に、層の傾斜を使用する場合、各層は通常、それ自体で成形されるため、コストおよび製造時間が増加する。
【００３２】
図５は、積層の一部を通る磁束線、具体的には、外層の１対の磁石と内層の１対の磁石を通る磁束線を示す。
【００３３】
図６は、コギングトルクに関する本発明の２重層手法の利点をグラフで示している。曲線６０１は、磁石３０７の外層のみを利用する経時的なコギングトルクを示し、曲線６０３は、磁石３０５の内層のみを利用する同じ期間にわたるコギングトルクを示す。積層スタックに内層および外層の両方が含まれる場合、曲線６０５で示すように、コギングトルクは３倍以上低減する。
【００３４】
システムおよび方法は、本発明の詳細を理解する補助として一般的な用語で説明されてきた。いくつかの例では、本発明の態様を曖昧にすることを避けるために、周知の構造、材料、および／または動作は、具体的に示されていないか、または詳細に説明されていない。他の例では、本発明の完全な理解を提供するために、具体的な詳細が述べられている。当業者は、本発明が、その思想または本質的な特徴から逸脱することなく、例えば、特定のシステムまたは装置もしくは状況または材料または構成要素に適合するように、他の特定の形態で実施され得ることを認識するであろう。したがって、本明細書の開示および説明は、本発明の範囲を限定するものではなく、例示することを意図したものである。
【図１】
2020068654.tif 000003
【図２】
2020068654.tif 000004
【図３】
2020068654.tif 000005
【図４】
2020068654.tif 000006
【図５】
2020068654.tif 000007
【図６】
2020068654.tif 000008
【外国語明細書】
2020068654000001.pdf