(57)【要約】【課題】同期リラクタンス機械と永久磁石機械の両方の有益な特性を有する多重障壁ＩＰＭ電気モータを提供する。【解決手段】内部永久磁石機械用の回転子３０は出力軸１５を有する回転子本体１４、および磁性材料１７が充填された第１の空洞１８を有する。第２の空洞は第１の空洞から中央寄りに配置され、磁性材料が充填されない。非磁性ロッド３４が第２の空洞を貫通し、回転子本体の端面よりも先に突出する。このロッドは、回転子本体の端面に隣接して配置された非磁性端板４６、４８に形成された袋孔５０の中に圧入される。シュリンクディスク６２、６４が、端板と突合せ状態になって出力軸の突出する端部の周りに収縮される。誘起電圧がロッドおよび端板によって形成されるかごの中に電流を生じることを防ぐために、酸化物層５６がロッドと端板の袋孔との間に配置される。【選択図】図３
2008187890.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部永久磁石機械用の回転子であって、
非磁性材料でできた円筒形本体であって、該円筒形本体は、該円筒形本体から突出するアキシャル軸を有すると共に、第１の端部および第２の端部、ならびに円筒形の外表面を有する、前記円筒形本体と、
永久磁石を内部に収容する第１の空洞の配列および磁石を内部に収容しない第２の空洞の配列であって、前記空洞が前記回転子の材料から成る該回転子のブリッジによって分離される前記第１の空洞の配列および前記第２の空洞の配列と、
前記回転子の前記第２の空洞を貫通する非磁性材料でできたロッドの配列と、
前記回転子の前記第１の端部および前記第２の端部に隣接して配置され、前記ロッドの配列に固定される第１の端板および第２の端板と、
を備える、内部永久磁石機械用の回転子。
【請求項２】
前記端板のうちの少なくとも１つが、前記ロッドと前記端板との間に絶縁酸化物層を有する、請求項１に記載の回転子。
【請求項３】
前記ロッドおよび前記端板がステンレス鋼またはチタンで作られる、請求項２に記載の回転子。
【請求項４】
前記ロッドが前記端板の袋孔に受け入れられる端部突起を有し、前記端板が前記回転子の前記端部に隣接して保持される、請求項３に記載の回転子。
【請求項５】
前記ロッドが前記回転子の前記第１の端部および前記第２の端部より先に突出する第１の端部突起および第２の端部突起を有し、前記端板が袋孔を有し、該袋孔の中に前記ロッドの前記端部突起が圧入によって保持される、請求項３に記載の回転子。
【請求項６】
シュリンクディスクが、前記端板の外側寄りで前記出力軸の端部の周りに収縮されている、請求項５に記載の磁気機械の回転子。
【請求項７】
前記第２の空洞に隣接して前記第１の空洞が群れをなして配置され、これら複数の第１の空洞は、前記第２の空洞から前記回転子の前記外側の円筒状表面に向かって斜めに延在する、請求項５に記載の磁気機械の回転子。
【請求項８】
前記第２の空洞に隣接して前記第１の空洞が群れをなして配置され、これら複数の第１の空洞は、前記第２の空洞から前記回転子の前記外側の円筒状表面に向かって斜めに延在する、請求項１に記載の磁気機械の回転子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、電気車両推進システムまたはハイブリッド電気車両推進システムに関する。詳細には、本発明は、電気車両またはハイブリッド車両に使用する電気トラクションモータまたは電気牽引機械の設計に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日の自動車市場では、動力車両に使用される様々な電気推進技術または電気駆動技術が存在している。これらの技術は、ＤＣモータ、ＡＣ誘導電動機、スィッチトリラクタンスモータ、同期リラクタンスモータ、ブラシレスＤＣモータ、永久磁石同期モータ（ＰＭＳＭ）、および対応するパワーエレクトロニクスなどの電気トラクションモータを含む。ＰＭＳＭモータは、通例のＤＣモータおよびＡＣ誘導電動機と比べてそのより優れた性能特性のために、電気車両のトラクションモータとしての使用に特に重要性がある。ＰＭＳＭモータは、一般的には永久磁石回転子で作動する。永久磁石回転子は、表面実装永久磁石回転子あるいは埋込構造永久磁石回転子（ｉｎｔｅｒｉｏｒ  ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  ｍａｇｎｅｔ  ｒｏｔｏｒ）または埋め込み永久磁石回転子として構成され得る。埋込構造永久磁石（ＩＰＭ）モータまたは機械は通例のＤＣモータおよびＡＣ誘導電動機と比べた場合、比較的高い効率、比較的高いトルク、比較的高い電力密度、および長い定電力動作範囲を始めとした性能特性を有し、車両推進の用途においてＩＰＭモータを魅力的なものにしている。
【０００３】
ＰＭＳＭモータの回転子内部に埋め込まれた永久磁石は、この永久磁石の透磁率が低いために磁軸またはｄ軸に沿って直接的に高い磁気抵抗を示す。ＩＰＭ回転子の各磁極または各磁石障壁（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｂａｒｒｉｅｒ）間でｑ軸に沿って磁気障壁は全く存在せず、磁束に対する磁気抵抗率は非常に低い。回転子の周りの磁気抵抗のこの変化は、ＩＰＭ機械の回転子構造に突極性を作り出す。したがってＩＰＭ回転子は、回転子内部に埋め込まれた磁石によって作り出される永久磁石のトルクに加えてリラクタンストルクを有する。
【０００４】
モータの磁石はいくつかの層に配置され、多重障壁の設計を形成する。多重障壁設計は漏れを低減し、回転子の突極性を改善する。したがって、多重障壁回転子を有するモータは、比較的高い全効率、広い高速定電力動作範囲、および改良された力率を含む、単一障壁回転子の設計より優れた非常に多くの性能上の利点を有する。磁気トルクに対する依存を低減することは単一障壁ＩＰＭ機械または表面取り付け永久磁石機械と比べて、ＩＰＭ機械の磁石の数または磁性材料の量を減少するのに貢献する。特定のトルクおよびワット数定格を発生させるのに必要な磁性材料の量は回転子の突極性のレベルに依存する。回転子の突極性が高ければ高いほど、全体に亘って同じ機械的性能を得るためには磁性材料の使用が低下していく。多重障壁回転子の設計を有する電気モータは、単一障壁の設計に比べてより高い回転子の突極性を生じる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電気モータの回転子の磁性材料を低減することはコストの観点から望ましい。したがって、深い空洞が、たとえこれが充填されても回転子磁界への寄与は比較的小さいので一般に空のまま残される。この理由はモータの空隙に対する相対距離である。多重障壁永久磁石（ＰＭ）の設計と同様な回転子の幾何学的形状を有するが回転子内に磁性材料を全く有しない純粋の同期リラクタンスモータは、比較的低い性能の機械である。多重障壁ＩＰＭ電気モータは、同期リラクタンス機械と永久磁石機械の両方の有益な特性を有し、したがって車両推進に適した優れた候補となる。ＩＰＭ機械に伴う主要な難点は回転子の設計および製造である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前述の考察に鑑みて本発明は、内部永久磁石機械用の回転子を対象とし、該回転子は非磁性材料でできた円筒形本体を有し、該円筒形本体は、該円筒形本体から突出するアキシャル軸、第１の端部および第２の端部、ならびに円筒形の外表面を有する。第１の空洞の配列が回転子内に配置され、その第１の配列は永久磁石を収容し、第２の空洞の配列が磁石を収容しない回転子内に配置される。この空洞は回転子材料から成る回転子のブリッジによって分離される。非磁性材料のロッドの配列が回転子内の第２の空洞を貫通し、回転子の第１の端部および第２の端部に隣接して配置された第１の端板および第２の端板に固定される。
【０００７】
回転子の更なる態様では、端板のうちの少なくとも１つは、ロッドと端板との間に絶縁酸化物層を有する。
回転子の更なる態様では、ロッドおよび端板はステンレス鋼またはチタンで作られる。
【０００８】
回転子の更なる態様では、ロッドは端板の袋孔に受け入れられる端部突起を有し、その端板は回転子の端部に隣接して保持される。
回転子の更なる態様では、環状のシュリンクディスクが端板の外側寄りで出力軸の端部の周りに収縮されて、この端板を保持する。
【０００９】
回転子の他の態様では、第２の空洞に隣接して第１の空洞が群れをなして配置され、これらの複数の第１の空洞は第２の空洞から回転子の外側の円筒状表面に向かって斜めに延在する。
【００１０】
本発明の様々な他の特徴および付随する利点は、添付図面と共に考察するとよりよく理解されるようになると同時により完全に理解されよう。ここに同じ参照符号はいくつかの図を通じて同一の部品または類似する部品を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、巻線固定子１２および永久磁石回転子１４を有する永久磁石モータ１０の概略図であり、この永久磁石回転子１４はそれと共に一体の出力軸１５を有する。電源および変換装置１６は、エンコーダ、レゾルバ、回転速度計、近接スィッチ歯セット、および逆起電力による検出を含む（しかしこれらに限定されない）帰還信号に応じてモータ１０の速度およびトルクを転換し制御する。モータ１０は、電源および変換装置１６により提供される矩形波励磁または正弦波励磁を有するブラシレスＤＣモータの形で特徴付けられることができる。
【００１２】
図２は、回転子１４の表面１９の近くの空洞１８の中に埋め込まれた磁性材料１７を有する非磁性材料の永久磁石回転子１４である。磁性材料１７は、回転子１４の表面に直近のその位置の故に、後着磁工程の間に着磁器具または巻線固定子１２（図１）によって磁化され得る。
【００１３】
回転子障壁を確立する磁性材料１７が充填された第１の空洞１８から中央寄りに設けられているものは、空である第２の回転子空洞２３である。回転子の構造の内側に中空の空洞（または障壁）２３があると、回転子が高い角速度で高速回転するので回転子１４の内側に構造上の問題が生じることがあり、この高い角速度により、主として回転子障壁１８と中空の空洞２３との間の非磁性回転子材料のブリッジ２７において高いレベルの材料応力が生じる。
【００１４】
機械的応力問題の簡単な解決法は、回転子のブリッジ２７をより肉厚にすることであろう。しかし、この解決策は２つの方法でモータ１０の性能を発生するトルクを減少させる。第１に、永久磁石の磁束は、ブリッジ２７が隣接する空洞１８に存する磁石１７を「短絡させる」ので低減され、第２に、回転子１４の突極性特性が劣化される。そのうえ、永久磁石の磁束が磁石端部において肉厚のブリッジ２７を通して「漏れる」ので、モータのトルク密度が損なわれる。したがって、同じモータトルクが望まれる場合、より高価でより高強度の磁石材料１７が磁束漏れを補償するのに必要とされる。
【００１５】
ＩＰＭ回転子についての多層または障壁の幾何学的形状が回転子１４の突極性を改善する。したがって、図２の回転子１４の幾何学的形状は比較的高い突極性を有するという利点を有し、それにより機械のトルク密度が改善され、特定のトルクまたはワット数について磁性材料の体積の所要量が減少される。磁性材料の体積の所要量が減少すればするほど、モータコストが低減され、また短絡故障および開放故障の問題、ならびに永久磁石界磁の存在によるスピン損失（渦電流に起因する損失）などの高磁束のＰＭ機械に関連する諸問題も緩和する。また多重障壁回転子の幾何学的形状は、車両推進用途に対して広い定電力範囲を有する有利なトルク速度グラフという利点も有する。
【００１６】
磁界強度は、磁石の残留磁束密度Ｂｒおよび磁石の保持力Ｈｃによって規定される。Ｂｒは磁石の２つの端部（磁北および磁南）が高透磁率材料を用いて短絡される場合の磁束密度の限界である。Ｈｃは磁石内の総磁束をゼロにさせるのに必要とされることになる磁界強度の限界である。磁気エネルギー積（ＭＥＰ）は磁石の残留磁束密度と磁石の保持力の積に比例し、単位体積当たりのジュールである単位を有する。全体の磁石体積を掛けたＭＥＰは磁性材料によって形成される磁石のトータルエネルギーを与える。空隙において磁石の磁束を不変に保つために、ＭＥＰは、磁性材料の体積が減らされると同じ割合だけ増加される。したがって、磁石の体積にＭＥＰをかけたものは回転子の幾何学的形状について実質的に変更されないままである。
【００１７】
磁性材料１７の実際のコストは、磁石の種類、磁性材料の化学組成物、ＭＥＰ、磁性材料の体積、磁性材料の処理条件等のような多くの要因の複雑な関数である。しかし、磁性材料の体積を掛けたＭＥＰを実質的に同一に保ちながら全磁性材料の体積を減少することによって、磁性材料全体のコストを低減することができる。
【００１８】
ＩＰＭの幾何学的形状は、永久磁石界磁による磁気トルクに加えてリラクタンストルクを有する。リラクタンストルクは回転子位置と共に回転子１４の突極性が変化することにより作り出される。回転子位置と共に回転子１４の磁気抵抗がこのように変化すると回転子の突極性が作り出され、これがリラクタンストルクの源である。磁性材料１７が空洞２３に存在せず、非磁性材料で置き換えられ、または空に保たれる場合、回転子１４の磁気抵抗は一般に変化しない。したがって、リラクタンストルクは大部分変化されない。磁性材料１７の除去が磁性材料１９により形成される回転子の磁石または障壁２７のＭＥＰを増大することによって補償される場合、モータトルクは実質的に不変である。
【００１９】
次に、本発明の組立体による回転子構造３０が示される図３を参照すると、ロッド３４の配列３２が図２の予め中空の空洞２３を貫通する。ロッド３４は回転子１４の第１の端部４０および第２の端部４２から突出する、突き出ている端部部分３６および端部部分３８を有する。ロッド３４はステンレス鋼またはチタン（しかしこれに限定されない）などの非磁性材料で作られ、これは磁束に透過性でなく、したがって回転子１４の磁石の状態に影響しない。
【００２０】
それぞれがその中に袋孔５０を有する第１の環状端板４６および第２の環状端板４８が、ロッド３４の突き出ている端部部分３６および端部部分３８と位置合わせされる。端板４６および端板４８のそれぞれは、回転子１４の出力軸１５を受け入れる中央開口５２を有する。
【００２１】
ロッド３４は、回転子１４の残部に比べて磁束が小さい回転子１４の部位に配置されるが、モータ１０の基本の電気的周波数において磁束の小さな成分がある。この磁束は、２つの隣接するロッド３４ならびに端板４６および端板４８によって形成される回路に電圧を生じるのに十分である。１２０００ｒｐｍで回転する外径２５０ｍｍで長さ４００ｍｍの回転子１４について行われた計算によると、約２Ｖ（２ボルト）のピーク電圧が生じる。
【００２２】
隣接する２つのロッド３４によって形成される回路のインピーダンスが低いために、誘起電圧によって生じる電流は非常に大きいことがあり得る。この電流は、主モータの界磁と同じ周波数を有するのでモータ１０にいかなるトルクも発生しないが、回転子ロッド３４によって形成されるかご内の所望されていない損失、すなわちモータ１０の効率を低下させる損失を生じ得る。この理由から図４で分かるように、端板４６または端板４８のうちの少なくとも１つが、ロッドと嵌り合う部位５８に当てがわれた絶縁酸化物層５６を有する。このように隣接する２つのロッド３４の閉回路が開き、非常に僅かな損失発生電流しか、またはいかなる損失発生電流も循環することができない。
【００２３】
中央開口５２を有する一対の環状シュリンクディスク６２および環状シュリンクディスク６４が出力軸１５の両端と同心になり、ロッド３４の端部３６および端部３８と圧入状態で端板４６および端板４８を保持するのに貢献する。
【００２４】
次に、図５を参照すると回転子構造３０が示され、これは端板４６および端板４８の袋孔５０の中にロッド３４の端部部分３６および端部部分３８を圧入し、かつ出力軸１５にシュリンクディスク６２およびシュリンクディスク６４を焼き嵌めしたうえで組み立てられる。
【００２５】
回転子の中空の障壁または空洞２３の中にロッド３４を挿入し、端板４６および端板４８とこれらを連結することによって構造上のかごが回転子１４の内側に展開される。したがって、回転子のブリッジ２７の応力レベルが低下され、そのうえ回転子のブリッジの変形が減少される。
【００２６】
図５ならびに図２から図４で分かるように、磁性材料１７で充填された第１の空洞１８が群れをなして配置され、この群れは回転子１４の外周面１９に向かって斜めに延在する方向に、ロッド３４を収容する第２の空洞２３から外側に延在する。
【００２７】
本発明が特定の実施形態により説明されたが、他の形態が当業者によって容易に適合され得ることが理解されよう。したがって、本発明の範囲は特許請求の範囲によってだけ限定されると考えられるべきである。
【００２８】
上述の説明から、当業者は本発明の主要な特性を容易に確かめることができ、本発明の精神および範囲から逸脱することなく様々な使用および条件に本発明を適合するように本発明の様々な変更および改造を施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】永久磁石モータの概略断面図である。
【図２】磁性インサートを有する空洞から中央寄りに中空の空洞を有する回転子の透視図である。
【図３】図２と同様な分解透視図であるが、環状端板リングに固定する回転子の中に挿入されたロッドを示す図である。
【図４】ロッドの端部と位置合わせされた袋孔を有する環状端板の一部の立面図である。
【図５】組み立てられた図３の回転子について一部が切り欠かれた透視図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０  磁石
１２  巻線固定子
１４  永久磁石回転子
１５  出力軸
１６  電源および変換装置
１７  磁性材料、磁石
１８  第１の空洞、回転子障壁
１９  磁性材料、回転子の表面、外周面
２３  中空の空洞、第２の空洞
２７  ブリッジ、障壁
３０  回転子構造
３２  ロッドの配列
３４  ロッド
３６  端部部分、端部
３８  端部部分、端部
４０  第１の端部
４２  第２の端部
４６  端板
４８  端板
５０  袋孔
５２  中央開口
５６  絶縁酸化物層
５８  ロッドに嵌り合う部位
６２  環状シュリンクディスク
６４  環状シュリンクディスク
【図１】
2008187890.tif 000003
【図２】
2008187890.tif 000004
【図３】
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【図４】
2008187890.tif 000006
【図５】
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