(57)【要約】【要旨】  本発明は、電気機械のための回転子（１）であって、回転子が、Ｎ個の一次磁極（１３）とＮ個の二次磁極（１４）とからなり、磁極それ自体が、磁気ブリッジ（１９，２０，２１）によって軸方向ハウジング（６）から分離したフラックスバリア（９，１０，１１）からなる、回転子に関する。本発明によれば、軸方向ハウジング（６）の両側に、磁気ブリッジ（１９，２０，２１）が直線上に整列しており、それらは、α２＝α１＋１±０．５となるように、半径方向に関して、一次磁極（１３）に対しては角度α１を形成し、二次磁極（１４）に対しては角度α２を形成している。本発明は、そのような回転子を有する電気機械にも関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械のための回転子（１）であって、
金属薄板（３）の積層体から構成され、好ましくは回転子シャフト（２）上に配置された回転子本体と、
Ｎ個の磁極対であって、該各磁極が、軸方向凹部（６）内に配置された少なくとも３つの磁石（７）からなる、Ｎ個の磁極対と、
前記各磁極を構成する３つのフラックスバリアであって、外側フラックスバリア（９）と中央フラックスバリア（１０）と内側フラックスバリア（１１）とを有し、前記各フラックスバリア（９，１０，１１）が、前記各軸方向凹部（６）の両側に配置された２つの傾斜した凹部（８）を有するとともに、磁気ブリッジ（２０，２１，２２）によって前記軸方向凹部（６）から離れて配置されている、３つのフラックスバリアと、を有する回転子（１）において、
Ｎ個の一次磁極（１３）であって、該各一次磁極（１３）に対して、前記軸方向凹部（６）の両側に、前記一次磁極の半径方向Ｒ１に対して角度α１を形成する軸Δ１に沿って、内側磁気ブリッジ（２０）と中央磁気ブリッジ（２１）と外側磁気ブリッジ（２２）とが整列している、Ｎ個の一次磁極（１３）と、
Ｎ個の二次磁極（１４）であって、該各二次磁極（１４）に対して、前記軸方向凹部（６）の両側に、前記二次磁極の半径方向Ｒ２に対して角度α２を形成する軸Δ２に沿って、内側磁気ブリッジ（２０）と中央磁気ブリッジ（２１）と外側磁気ブリッジ（２２）とが整列している、Ｎ個の二次磁極（１４）と、を有し、
前記角度α１，α２が、度で表される以下の式：α２＝α１＋１±０．５を満たすことを特徴とする回転子（１）。
【請求項２】
前記磁極対の数Ｎは、２〜９の範囲であって、好ましくは３〜６の範囲、より好ましくは４であることを特徴とする、請求項１に記載の回転子（１）。
【請求項３】
前記磁極対の数Ｎは４であり、前記角度α２は、１６．１〜１６．２°の範囲であり、前記角度α１は、１４．６〜１４．７°の範囲である、請求項１または２に記載の回転子（１）。
【請求項４】
前記フラックスバリア（９，１０，１１）は、平坦な底部を有する実質的にＶ字形である、請求項１から３のいずれか１項に記載の回転子（１）。
【請求項５】
前記内側磁気ブリッジ（２０）の厚さは、前記中央磁気ブリッジ（２１）の厚さ以上であり、前記中央磁気ブリッジ（２１）の厚さは、前記外側磁気ブリッジ（２２）の厚さ以上である、請求項１から４のいずれか１項に記載の回転子（１）。
【請求項６】
前記一次磁極（１３）の前記フラックスバリア（９，１０，１１）の開き角θ１，θ２，θ３は、前記二次磁極（１４）の前記フラックスバリア（９，１０，１１）の開き角θ１，θ２，θ３よりも大きい、請求項１から５のいずれか１項に記載の回転子（１）。
【請求項７】
前記固定子（１５）と、前記固定子（１５）の内側に収容された請求項１から６のいずれか１項に記載の回転子（１）とを有することを特徴とする電気機械。
【請求項８】
前記固定子（１５）が、前記固定子（１５）に沿って周方向に配置された複数の半径方向スロット（１９）を有する、請求項７に記載の電気機械。
【請求項９】
前記スロット（１９）は、前記固定子（１５）に沿って軸方向に延びている、請求項８に記載の電気機械。
【請求項１０】
前記電気機械は同期リラクタンス型である、請求項７から９のいずれか１項に記載の電気機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同期リラクタンス（永久磁石補助型）回転電気機械に関し、特に、低電圧ＤＣバスで動作し、かつ高速回転を可能にするこのような機械の回転子に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、このような電気機械は、互いに同軸に配置された固定子および回転子を有している。
【０００３】
回転子は、回転子シャフト上に配置された金属薄板の積層体を有する回転子本体からなる。これらの薄板は、永久磁石用のハウジングと、磁石の磁束を固定子の方へ半径方向に向けることを可能にするフラックスバリアを形成する穿孔であって、リラクタンストルクの発生を促進する穿孔とを有している。
【０００４】
この回転子は、一般に固定子内に収容され、固定子は、磁界を発生させて回転子の回転駆動を可能にする電気巻線を支持している。
【０００５】
国際公開第２０１６／１８８７６４号にさらに記載されているように、回転子は、薄板全体にわたって延びる複数の軸方向凹部を有している。
【０００６】
第１の一連の軸方向凹部は、半径方向に互いに上下に間隔を置いて配置され、ここでは長方形の棒状の永久磁石である磁束発生部のためのハウジングを形成している。
【０００７】
他の一連の凹部は、半径方向に傾斜した穿孔であって、上述のハウジングを起点として薄板の端部近傍で終端し、すなわち空隙の近くで終端する穿孔からなる。
【０００８】
傾斜した穿孔は、平坦な底部を有する実質的にＶ字形の幾何学的図形をいたる所で形成するように、磁石ハウジングに対して対称に配置され、平坦な底部は、磁石ハウジングによって形成され、このＶ字の傾斜したアーム部は、穿孔によって形成されている。こうして、穿孔によって形成されたフラックスバリアが形成される。このとき、磁石からの磁束は、穿孔間の中実部分しか通過することができない。これらの中実部分は強磁性材料で作られている。このような回転子の構成では、永久磁石のハウジングとフラックスバリアとの間の材料の厚さは、磁気ブリッジと呼ばれる。
【０００９】
これらの磁気ブリッジは、一般に薄く、高い機械的応力（破壊、疲労）に耐えなければならないが、こうした応力は、回転子の回転速度と共に顕著に増加するものである。
【００１０】
欧州特許出願公開第２８９６１１４明細書は、磁気ブリッジを特定の方向に配向させることでこの問題を解決することを目的としている。しかしながら、提案された形状は、トルクリップルと逆起電力高調波を顕著に発生させてしまう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
実際には、このタイプの永久磁石補助型同期リラクタンス機械では、逆起電力高調波とトルクリップルが重要であることが分かっている。
【００１２】
これにより、回転子に衝撃や振動が発生し、その機械を使用する際に不快感を与えることがある。
【００１３】
本発明は、上述の欠点を克服することを目的とし、特に、トルクリップル、逆起電力高調波、および音響ノイズを制限しながら、回転子が受ける機械的疲労応力および機械的破壊応力を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、電気機械のための回転子であって、
金属薄板の積層体から構成され、好ましくは回転子シャフト上に配置された回転子本体と、
Ｎ個の磁極対であって、該各磁極が、軸方向凹部内に配置された少なくとも３つの磁石からなる、Ｎ個の磁極対と、
前記各磁極を構成する３つのフラックスバリアであって、外側フラックスバリアと中央フラックスバリアと内側フラックスバリアとを有し、各フラックスバリアが、各軸方向凹部の両側に配置された２つの傾斜した凹部を有するとともに、磁気ブリッジによって軸方向凹部から離れて配置されている、３つのフラックスバリアと、を有する回転子に関する。
【００１５】
上記回転子は、
Ｎ個の一次磁極であって、各一次磁極に対して、軸方向凹部の両側に、一次磁極の半径方向Ｒ１に対して角度α１を形成する軸Δ１に沿って、内側磁気ブリッジと中央磁気ブリッジと外側磁気ブリッジとが整列している、Ｎ個の一次磁極と、
Ｎ個の二次磁極であって、各二次磁極に対して、軸方向凹部の両側に、二次磁極の半径方向Ｒ２に対して角度α２を形成する軸Δ２に沿って、内側磁気ブリッジと中央磁気ブリッジと外側磁気ブリッジとが整列している、Ｎ個の二次磁極と、を有し、
角度α１，α２が、度で表される以下の式：α２＝α１＋１±０．５を満たしている。
【００１６】
本発明の一実施態様によれば、磁極対の数Ｎは、２〜９の範囲であって、好ましくは３〜６の範囲、より好ましくは４である。
【００１７】
有利なことに、磁極対の数Ｎは４であり、角度α２は、１６．１〜１６．２°の範囲であり、角度α１は、１４．６〜１４．７°の範囲である。
【００１８】
一実装態様によれば、フラックスバリアは、平坦な底部を有する実質的にＶ字形である。
【００１９】
一態様によれば、内側磁気ブリッジの厚さは、中央磁気ブリッジの厚さ以上であり、中央磁気ブリッジの厚さは、外側磁気ブリッジの厚さ以上である。
【００２０】
一特徴によれば、一次磁極のフラックスバリアの開き角θ１，θ２，θ３は、二次磁極のフラックスバリアの開き角θ１，θ２，θ３よりも大きい。
【００２１】
さらに、本発明は、固定子と、固定子の内側に収容された上記特徴のいずれか１つを有する固定子とを有する電気機械に関する。
【００２２】
一実施態様によれば、固定子が、固定子に沿って周方向に配置された複数の半径方向スロットを有している。
【００２３】
一実装態様によれば、スロットは、固定子に沿って軸方向に延びている。
【００２４】
有利なことに、電気機械は同期リラクタンス型である。
【００２５】
本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照しながら示す、非限定的な例として与えられる以下の実施形態の説明から明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態による回転子を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態による電気機械を示す図である。
【図３】本発明の他の実施形態による回転子を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態による回転子の磁石のためのハウジングを示す図である。
【図５】従来技術による回転子および本発明による回転子について、図４に定義された４つの領域に対するミーゼス基準を表すヒストグラムである。
【図６】磁気ブリッジの角度の角度シフトに対する機械的応力（破壊および疲労）の曲線を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明は、電気機械、特に同期リラクタンス型の電気機械のための回転子に関する。さらに、本発明は、固定子と、固定子の内側に同軸に配置された本発明の回転子とを有する電気機械に関する。
【００２８】
（非限定的な例として）図１に示すように、回転子１は、それ自体が公知の方法でシャフト２を有し、シャフト２は、好ましくは磁性を有し、その上に金属薄板３の積層体が配置されている。本発明では、これらの薄板は、強磁性であり、平坦かつ同一に圧延され、円形の形状を有し、任意の公知の手段によって互いに組み立てられている。薄板３は、回転子シャフト２が通過する中央ボア４と、薄板３の全体にわたって延びる複数の軸方向凹部５とを有することができる。
【００２９】
第１の一連の軸方向凹部６は、半径方向に互いに上下に間隔を置いて配置され、ここでは棒状の永久磁石７である磁束発生部のためのハウジングを形成している。軸方向凹部６の形状は、実質的に台形である。しかしながら、軸方向凹部６は、他の形状、特に長方形や正方形などの形状を有していてもよい。
【００３０】
第２の一連の凹部は、半径方向に対して傾斜方向を有する穿孔８であって、軸方向凹部６を起点として薄板３の端部近傍で終端し、すなわち電気機械の空隙の領域で終端する穿孔８からなる。
【００３１】
傾斜した穿孔８は、平坦な底部を有する実質的にＶ字形の幾何学的図形をいたる所で形成するように、磁石７の凹部６に対して対称に配置され、平坦な底部は、磁石７のハウジング６によって形成され、このＶ字の傾斜したアーム部は、傾斜した穿孔８によって形成されている。傾斜した穿孔８はフラックスバリアを形成している。このとき、磁石７からの磁束は、凹部間の薄板３の中実部分しか通過することができない。これらの中実部分は（薄板３を形成する）強磁性材料で作られている。
【００３２】
本発明によれば、回転子は、Ｎ個の磁極対（すなわち２×Ｎ個の磁極）と、同じ半径方向の磁石のための３つの凹部６からなる磁極と、関連するフラックスバリア（９，１０，１１）とを有している。有利なことに、Ｎは、２〜９の範囲であってよく、好ましくは３〜６の範囲、より好ましくは４である。
【００３３】
図１および図２に示す例では、回転子１は８個の磁極（Ｎ＝４）を有している。各磁極は、永久磁石７を収容するために設けられた３つの軸方向凹部６内に位置決めされた３つの永久磁石７からなる。また、回転子１は、（外側凹部６に関連する、すなわち回転子１の外周に最も近い）外側フラックスバリア９と、（中央凹部６に関連する）中央フラックスバリア１０と、（内側凹部６に関連する、すなわち回転子１の中心に最も近い）内側フラックスバリア１１とを含む３つのフラックスバリアで構成されている。
【００３４】
各フラックスバリア（９，１０，１１）は、磁気ブリッジ（２０，２１，２２）によって軸方向凹部６から離れて配置されている。磁気ブリッジ（２０，２１，２２）は、２つの凹部間の材料ブリッジ（すなわち、薄板３の材料の一部）であり、一方では回転子１の機械的強度を提供し、他方では磁束を通過させる。こうして、各軸方向凹部６の両側に磁気ブリッジ（２０，２１，２２）が設けられている。そして、各磁極は、（内側軸方向凹部６、すなわち回転子の中心に最も近い軸方向凹部６に関連し、内側フラックスバリア１１に関連する）２つの内側磁気ブリッジ２０と、（中央軸方向凹部６に関連し、中央フラックスバリア１０に関連する）２つの中央磁気ブリッジ２１と、（外側軸方向凹部６、すなわち回転子の外周に最も近い軸方向凹部６に関連し、外側フラックスバリア９に関連する）２つの外側磁気ブリッジ２２とを有している。
【００３５】
本発明では、回転子１は、２つの異なる磁極構造を有している。すなわち、Ｎ個の一次磁極１３と、Ｎ個の二次磁極１４とを有している。回転子は、交互に設けられた一次磁極１３と二次磁極１４とを有している。図１および図２の例では、回転子１は、４個の一次磁極１３と４個の二次磁極１４とを有している。
【００３６】
本発明によれば、各一次磁極１３に対して、軸方向凹部６の両側には、一次磁極１３の半径方向Ｒ１に対して非ゼロ角度α１を形成する軸Δ１に沿って、内側磁気ブリッジ２０と中央磁気ブリッジ２１と外側磁気ブリッジ２２とが整列している。
【００３７】
さらに、各二次磁極１４に対して、軸方向凹部６の両側には、二次磁極１４の半径方向Ｒ２に対して非ゼロ角度α２を形成する軸Δ２に沿って、内側磁気ブリッジ２０と中央磁気ブリッジ２１と外側磁気ブリッジ２２とが整列している。
【００３８】
また、角度α１，α２は、以下の等式：α２＝α１＋１±０．５を満たすように選択される。本出願において、Ｘ＋／−Ｙ（ＸおよびＹは正の数とする）は、値Ｘを中心とする区間を意味し、値Ｘ−Ｙと値Ｘ＋Ｙとの間の、それぞれの端点を含む区間を意味する。
【００３９】
有利なことに、角度α１，α２は、１０〜２０°の範囲であってよい。
【００４０】
換言すると、軸方向凹部６の両側の磁気ブリッジ（２０，２１，２２）は、直線Δ１または直線Δ２上に配置されている。これらの直線Δ１，Δ２は、２つの異なる角度α１，α２をそれぞれ形成するように、回転子の半径Ｒ１，Ｒ２に対して交差している。好ましくは、直線Δ１，Δ２は、軸方向凹部６の横方向端部を通っている。有利なことに、各磁極は、磁極の半径方向Ｒ１，Ｒ２に対して対称的な構造を有している。換言すると、フラックスバリア（９，１０，１１）および磁気ブリッジ（２０，２１，２２）は、半径方向Ｒ１，Ｒ２に対して対称である。したがって、磁極の片側の角度α１，α２は、同じ磁極の反対側の角度α１，α２と同じである。
【００４１】
この構成により、一方では、一次磁極と二次磁極との非対称性がもたらされ、他方では、材料内の応力の均一化によって、高回転速度においても、回転子の破損および疲労に対して良好な機械的強度を保証することができる。
【００４２】
Ｎ＝４である図１および図２の非限定的な実施形態では、角度α２は、１６．１〜１６．２°の範囲であってよく、角度α１は、１４．６〜１４．７°の範囲であってよい。好ましくは、角度α２は１６．１５°であってよく、角度α１は１４．６５°であってよい。
【００４３】
本発明の実装例によれば、内側磁気ブリッジ２０の厚さは、中央磁気ブリッジ２１の厚さ以上であり、中央磁気ブリッジ２１の厚さは、外側磁気ブリッジ２２の厚さ以上である。この構成により、回転子の良好な機械的強度がもたらされる。実際、応力は、外側磁気ブリッジ２２よりも内側磁気ブリッジ２０において大きい。
【００４４】
有利なことに、磁気ブリッジの厚さは、機械的制約を満たすように０．６５〜１ｍｍの範囲であってよい。
【００４５】
図３は、非限定的な例として、本発明の一実施形態による３極対（Ｎ＝３、したがってＰ＝６０°）の回転子１の一部を概略的に示している。
【００４６】
各磁極の各フラックスバリア（９，１０，１１）に対して、Ｖ字形の開口を規定する開き角（θ１，θ２，θ３）が対応することになる。これらの開き角は、回転子１の中心Ｃと、各フラックスバリアの傾斜した半径方向を有する穿孔８の外面１２に位置する中点Ｍとをそれぞれが通過する２本の直線（Δ１，Δ２）間の角度に対応する。後述するように、この外面１２は、電気機械の機械的空隙の領域では、回転子１の外周上にある。
【００４７】
本発明の一実施形態によれば、一次磁極１３のフラックスバリア（９，１０，１１）の開き角（θ１，θ２，θ３）は、二次磁極１４のフラックスバリア（９，１０，１１）の開き角（θ１，θ２，θ３）よりも大きくてよい。したがって、二次磁極１４の構造は、一次磁極１３の構造とは異なっている。そして、トルクリップル、逆起電力高調波、および音響ノイズを最小限に抑えるように、開き角（θ１，θ２，θ３）を選択することができる。実際、２つの連続した極の間に、非対称フラックスバリアがこうして形成される。したがって、磁石からの磁束は、穿孔間の中実部分を通過することしかできず、それにより、トルクリップル、逆起電力高調波、および音響ノイズを低減することができる。
【００４８】
この実施形態は、本発明に特に適している。したがって、実際、磁気ブリッジの角度およびフラックスバリアの開き角は、一次磁極と二次磁極とで異なっている。これにより、トルクリップルを制限しながら、回転子内の機械的応力を制限することができる。
【００４９】
本発明の一実施形態による回転電気機械（ここでは永久磁石補助型可変リラクタンス同期機）を非限定的な例として概略的に示す図２から分かるように、電気機械は、回転子１に同軸に一体化された固定子１５をさらに有している。
【００５０】
固定子１５は、内壁１７を備えた環状リング１６を有し、その内径は、回転子１を受け入れるとともに、空隙１８を形成するのに必要な空間を確保するように設計されている。このリングは、ここでは長方形の断面を有し、電機子巻線のためのスロット１９を形成する複数のスロット（ボア）を有している。
【００５１】
より正確には、これらのボアは、リング上に半径方向に配置され、かつ周方向に互いに距離Ｄだけ離れた位置にありつつ、固定子１５の全体にわたって軸方向に延びている。スロットの数は、電気機械の特性に応じて、かつ極対の数Ｎの関数として予め定められている。極対の数Ｎが４である図２に示す例では、４８個のスロットが存在する。
【００５２】
例示的な実施形態によれば、固定子は、外径が１００〜３００ｍｍの範囲、好ましくは約１４０ｍｍであってよく、内径が５０〜２００ｍｍの範囲、好ましくは約９５ｍｍであってよい。電気機械の空隙１８の長さは、０．４〜０．８ｍｍの範囲、好ましくは０．５〜０．６ｍｍの範囲であってよい。
【００５３】
本発明は、例として上述した凹部の実施形態のみに限定されず、それどころか、あらゆる変形実施形態を包含することは明らかである。
【００５４】
図４は、非限定的な例として、本発明の一実施形態による回転子の磁石のためのハウジングを概略的に示している。それは、内側軸方向凹部６であってよい。この軸方向凹部６は、磁石を受け入れるように設計されているが、概ね実質的に台形状であり、その四隅には様々なフィレットが設けられている。そのフィレットは、金属薄板内の機械的応力を最適化するように選択可能である。しかしながら、軸方向凹部は、他の形状を有していてよく、他のフィレットを有していてよい。軸方向凹部６の両側に、フラックスバリアを形成する２つの傾斜した穿孔５が設けられている。軸方向凹部６と傾斜した穿孔５との間に、２つの磁気ブリッジ２０が設けられている。
【００５５】
この図４には、軸方向凹部６と傾斜した穿孔５との間の回転子１の金属薄板内の領域である４つの領域Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４も示されている。
【００５６】
これら４つの領域Ａ１〜Ａ４について、対称な磁気ブリッジ（α１＝α２）を磁極間に有する従来技術による電気機械と、非対称な磁気ブリッジを磁極間に有する本発明による電気機械、特に、α１＝１４．６５°およびα２＝１６．１５°である図１の構成による電気機械に対して、それぞれ機械的応力のミーゼス基準を計算した。こうして比較された２つの電気機械は、角度α１，α２を除いて同一である。
【００５７】
図５は、図４で定義された４つの領域Ａ１〜Ａ４について、従来技術による電気機械ＡＡと本発明による電気機械ＩＮＶとの間でこのミーゼス応力基準Ｃｍ（ＭＰａ）を比較した結果を示すヒストグラムである。したがって、本発明により規定された磁気ブリッジにより、材料内の応力の均質化が可能になることが分かる。また、この基準による最大応力は、本発明の場合（４０６ＭＰａ）に比べて、従来技術の場合（４４５ＭＰａ）で大きいことに留意されたい。
【００５８】
図６は、図１の実施形態による電気機械の回転子について、角度α１と角度α２との角度ずれＤ（°）（Ｄ＝α２−α１）に対して、（ミーゼス基準に従って得られる）機械的破壊応力ＲＵＰ（ＭＰａ）を表す曲線と、（ヘーグ・グッドマン基準に従って得られる）機械的疲労応力ＦＡＴ（無次元）を表す曲線とをそれぞれ示したものである。０．５〜１．５°の範囲の角度ずれによって、回転子上の機械的破壊応力および機械的疲労応力の両方の低減が可能になることが分かる。したがって、実際に、角度間の関係（すなわち、α２＝α１＋１±０．５）を規定する本発明により、特に、すべての磁気ブリッジが一次磁極および二次磁極に対して同一である回転子（α１＝α２によりＤ＝０）に比べて、回転子上の機械的破壊応力および機械的疲労応力を低減することが可能になる。
【００５９】
したがって、本発明の回転子は、低電圧ＤＣバスで動作し、かつ（１５０００ｒｐｍを超える）高速回転を可能にする同期リラクタンス電気機械に適している。
【図１】
2021532715.tif 000003
【図２】
2021532715.tif 000004
【図３】
2021532715.tif 000005
【図４】
2021532715.tif 000006
【図５】
2021532715.tif 000007
【図６】
2021532715.tif 000008
【国際調査報告】
2021532715.tif 000009
2021532715.tif 000010
2021532715.tif 000011
2021532715.tif 000012