(57)【要約】  本発明はロータ（１）に関し、このロータは、該ロータの磁石本体（２）の外周部分（５）と中央部分（６）との間に一定間隔で分布されて外周極領域（７）を規定する永久磁石（３）により形成される複数の交互に並ぶ磁極を備える。外周部分は、磁石と対向して極領域間に配置されるとともに磁石を収容する凹部（４）の開口を形成する軸方向溝（１５）を備える。本発明によれば、開口は、外周部分（５）を通じて流れる漏れ磁束（ΦＬ）を最小にするように、および、極領域（７）のそれぞれを通じて径方向に流れる有効磁束（ΦＵ）を最大にするように、所定の第１の幅（ａ）を有する。外周部分は、漏れ磁束（ΦＬ）を最小にするように、および、有効磁束（ΦＵ）を最大にするように、所定の開口比率を有することができ、前記開口比率は、周方向における磁石の第２の幅（ｗ）に対する第１の幅の第１の比率に等しい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転電気機械のロータ（１）であって、前記ロータ（１）の軸（Ｘ−Ｘ’）に沿って延びるとともに、複数の外周極領域（７）を規定するように、前記ロータ（１）の磁石本体（２）の外周部分（５）と中央部分（６）との間に一定間隔で分布される第１の凹部（４）内に配置される複数の永久磁石（３）から形成される複数の交互に並ぶ北（Ｎ）極および南（Ｓ）極を備え、前記永久磁石（３）が第１の多角形径方向領域と第１の軸方向対称面とを有し、前記外周部分（５）が前記極領域（７）間に配置される軸方向溝（１５）を備え、前記軸方向溝が、前記永久磁石（３）と対向するとともに、前記第１の凹部（４）の開口を形成する、ロータ（１）において、前記開口（８）は、前記外周部分（５）で周方向に循環する漏れ磁束（ΦＬ）を最小にするように、および、前記極領域（７）のそれぞれで径方向に循環する有効磁束（ΦＵ）を最大にするように、第１の所定の幅（ａ）を有し、前記外周部分（５）は、前記漏れ磁束（ΦＬ）を最小にするように、および、前記有効磁束（ΦＵ）を最大にするように、所定の開口比率（ｇ）を有し、前記開口比率は、周方向における前記永久磁石（３）の第２の幅（ｗ）に対する前記第１の幅（ａ）の第１の比率に等しく、前記開口比率（ｇ）が０．３５〜０．８の間にほぼ含まれることを特徴とする回転電気機械のロータ（１）。
【請求項２】
前記第１の径方向領域は、前記中央部分（６）に近い楔の形態を成す部分に隣接する、前記外周部分（５）に近い長方形部分を備えることを特徴とする請求項１に記載の回転電気機械のロータ（１）。
【請求項３】
少なくとも複数の第２の凹部（９）を備え、これらの第２の凹部（９）は、軸方向に延びるとともに、前記中央部分（６）と前記外周部分（５）との間の前記ロータ（１）の中間部分で前記永久磁石（３）間に配置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電気機械のロータ（１）。
【請求項４】
非磁性ブレースが前記第２の凹部（９）内に配置されることを特徴とする請求項３に記載の回転電気機械のロータ（１）。
【請求項５】
前記永久磁石（３）がフェライトから成ることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の回転電気機械のロータ（１）。
【請求項６】
前記極領域（７）は、外面にローブ（１５）を形成する第２の径方向領域と、第２の軸方向対称面とを有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の回転電気機械のロータ（１）。
【請求項７】
前記周方向における、前記第１の幅（ａ）と前記ローブ（１５）の第３の幅（ｐ）との和に対する前記第２の幅（ｗ）の第２の比率が０．２５〜０．６の間にほぼ含まれることを特徴とする請求項６に記載の回転電気機械のロータ（１）。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載のロータ（１）を備えることを特徴とする回転電気機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電気機械のために設計される永久磁石を有するロータに関する。
【０００２】
また、本発明は、特に自動車の分野における用途のためのこのタイプのロータを備える回転電気機械に関する。
【背景技術】
【０００３】
今日、永久磁石を有する同期機械は、出力、比出力、および、出力密度に関するそれらの性能の向上の結果として、自動車の分野において広範囲に及ぶ用途を有する。
【０００４】
これらの電気機械は、幅広い範囲の出力および速度を伴って製造することができ、“全電気”タイプの車両、ならびに、いわゆる“マイルドハイブリッド”タイプおよび“フルハイブリッド”タイプのＣＯ２に基づく車両の両方において用途を有する。
【０００５】
“マイルドハイブリッド”用途は、一般に、約８〜１０ｋＷの電気機械、例えば、熱エンジンの前部に取り付けられて駆動ベルトによって熱エンジンに結合される電気モータに関係する。このタイプの電気モータを用いて、特にエンジン回転数を上げる最中に、付加的な電力を供給する電気トルク支援を行なうことにより、熱エンジンの容積を減少させることができる（“エンジン小型化”）。また、例えば都市環境内における低速での牽引をこの同じ電気モータによって確保することもできる。
【０００６】
この電力範囲内の電気機械の用途の他の例は、熱エンジンのダブルブーストシステムの遠心コンプレッサを駆動させることから成る。低速において、電気コンプレッサは、排ガスによって駆動されるターボコンプレッサを支援するとともに、容積の減少における付加的なステップを省くことを可能にする。“フルハイブリッド”タイプの用途は、一般に、より良好なレベルで電気モータを車両の牽引チェーンに組み込む直列および／または並列タイプのアーキテクチャのための３０〜５０ｋＷモータに関係する。
【０００７】
永久磁石を伴うこの機械の驚くべき性能レベルは、主に、１テスラを上回る残留磁気を有し得る、ネオジム−鉄−ホウ素（ＮｅＦｅＢ）、サマリウム−鉄（ＳｍＦｅ）、または、サマリウム−コバルト（ＳｍＣｏ）タイプの磁石などのレアアース磁石の開発に起因する。
【０００８】
しかしながら、複数の永久磁石がいわゆる“磁束集中”構造を伴うロータを構成する機械は、かなり前から、残留磁気が少ない磁石、例えば焼結フェライトまたは接着フェライトから得られる磁石を使用してかなりの磁束を得ることを可能にしてきた。
【０００９】
また、ある長い時間まで遡っても、このタイプの構造の寸法特性および磁気特性は、機械の電気出力を高めるべく多くの試験に取り組むことによってあるいはごく最近ではコンピュータシミュレーションを行なうことによって最適化されてきた。
【００１０】
永久磁石を伴うロータの磁極および磁石の寸法最適化の一例は、発明ＦＲ２．０８４．２７９の特許において１９７１年に開示された。
【００１１】
磁極の寸法最適化は、最近、好ましくない地政学的状況に起因して、レアアース磁石が益々高価になってきている結果として、もう一度世間の注目を浴びるようになってきた。
【００１２】
自動車用途のために設計される電気機械のロータにおけるレアアース磁石の使用はもはや経済的に実行不可能であるため、また、恐らく長持ちしないため、他の代替案は、フェライトに基づく磁石から成る。
【００１３】
しかしながら、フェライトの残留磁気はレアアース磁石の残留磁気よりも低いため、レアアース磁石をフェライトに置き換えると、性能レベルが低い機械がもたらされる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
したがって、本発明の目的は、ロータの極の形態を最適化して、極における磁束を最大にすること、したがって、特に機械のトルクを保持することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の対象は、具体的には、第１の凹部内に配置される複数の永久磁石から形成される複数の交互に並ぶＮ極およびＳ極を備える回転電気機械のロータである。
【００１６】
これらの第１の凹部は、ロータの軸に沿って延びるとともに、複数の外周極領域を規定するように、ロータの磁石本体の外周部分と中央部分との間に一定間隔で分布される。
【００１７】
当該ロータタイプの永久磁石は、第１の多角形径方向領域と、第１の軸方向対称面とを有する。
【００１８】
このとき、外周部分は、極領域間に配置される軸方向溝を備え、該軸方向溝は、永久磁石と対向するとともに、第１の凹部の開口を形成する。
【００１９】
本発明に係るロータは、この開口が、外周部分で周方向に循環する漏れ磁束を最小にするように、および、極領域のそれぞれで径方向に循環する有効磁束を最大にするように、第１の所定の幅を有し、この外周部分が、漏れ磁束を最小にするように、および、有効磁束を最大にするように、所定の開口比率を有し、この開口比率が、周方向における永久磁石の第２の幅に対する開口の第１の幅の第１の比率に等しく、この開口比率が０．３５〜０．８の間にほぼ含まれるという点において区別される。
【００２０】
また、本発明に係るロータは、永久磁石の第１の径方向領域が、中央部分に近い楔の形態を成す部分に隣接する、外周部分に近い長方形部分を備えるという点において区別される。
【００２１】
有利には、本発明に係るロータは、少なくとも複数の第２の凹部を更に備え、これらの第２の凹部は、軸方向に延びるとともに、中央部分と外周部分との間のロータの中間部分で永久磁石間に配置される。
【００２２】
非磁性ブレースがこれらの第２の凹部内に配置されことが好ましい。
【００２３】
本発明に係るロータの変形実施形態において、極領域は、外面にローブを形成する第２の径方向領域と、第２の軸方向対称面とを更に有することが非常に有益である。
【００２４】
好ましくは０．２５〜０．６の間にほぼ含まれる、周方向における開口の第１の幅とローブの第３の幅との和に対する磁石の第２の幅の第２の比率は、この変形例のロータを特徴付ける。
【００２５】
利点は、本発明に係る回転電気機械のロータの永久磁石がフエライトから成るという事実から得られる。
【００２６】
また、本発明は、前述した特徴を有するロータを備える回転電気機械に関する。
【００２７】
これらの数少ない本質的仕様は、従来技術と比べた、本発明に係る回転電気機械のロータによっておよび対応する電気機械によって与えられる利点を当業者に明らかにする。
【００２８】
本発明の詳細な仕様は、添付図面と関連する以下の説明で与えられる。これらの図面が、単に説明の本文を例示する目的を果たすにすぎず、決して本発明の範囲の限定を成さないことに留意すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る回転電気機械の、部分径方向断面で示されるステータ内に配置される、本発明の主要実施形態における永久磁石を有するロータの簡略的な径方向断面図を示す。
【図２】本発明に係るロータにおける磁束の循環に対する、ロータの外周部分の開口を形成する溝の影響の簡略化されたモデルを示す。
【図３】図２に示される簡略化されたモデルにより得られる開口比率にしたがった、最大有効磁束付近の有効磁束の相対変化を示す。
【図４】図１に示される実施形態に係るロータを備える完全機械のコンピュータシミュレーションにより得られる開口比率にしたがった、相間の起電力定数の最大値付近の絶対変化および相対変化を示す。
【図５】本発明に係る回転電気機械の、部分径方向断面で示されるステータ内に配置される、本発明の変形実施形態に係る永久磁石を有するロータの簡略的な径方向断面図を示す。
【図６】図６ａおよび図６ｂは、図５に示される発明の変形実施形態に係るロータを備える回転電気機械の、無負荷時の相間起電力の波形、および、対応する高調波レベルをそれぞれ示す。
【図７】図７ａおよび図７ｂは、図５に示されるタイプであるが、そのロータの外周部分が開口を形成する溝を備えていない回転電気機械の、無負荷時の相間起電力の波形、および、対応する高調波レベルをそれぞれ示す。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
図１に表わされる本発明の主要実施形態における永久磁石を有するロータ１の簡略的な径方向断面は、複数の交互に並ぶ北極Ｎおよび南極Ｓを形成するように外周部分５と中央部分６との間に一定間隔で分布される第１の凹部４内の永久磁石３から成る磁石本体２における配置を明確に示す。
【００３１】
本発明に係るロータ１は磁束集中型のものである。永久磁石３は、全体的に略長方形の断面を有するが、ロータ１の軸Ｘ−Ｘ’へ向けて楔の形態を成して面取りされる。これらの永久磁石は、等角軸方向平面付近で対称的に延びる。
【００３２】
永久磁石３が内部に配置される第１の凹部４は、１０個の外周極領域７を画定する。
【００３３】
外周部分５は、極領域７間に配置される軸方向溝８を備え、これらの軸方向溝は、永久磁石３と対向するとともに、第１の凹部４の開口を形成する。
【００３４】
極領域７は、永久磁石３間に配置される第２の凹部９を備える。これらの第２の凹部は、等角軸方向平面付近で対称的に延びる。
【００３５】
これらの第２の凹部９は、円形断面を有するとともに、ロータ１およびステータ１１の磁石本体２，１０を形成する金属プレートの組を保持する非磁性ブレースを受ける。
【００３６】
また、これらの第２の凹部９は、ロータ１における磁場の制御に向けて寄与する。
【００３７】
この機械の特定の実施形態によれば、１０個の永久磁石３を備えるロータ１は、複数のステータ歯１３を規定する複数の切り欠き１２を有するステータ１１の内側で回転し、ステータ歯の周囲にステータ巻線１４が配置される。
【００３８】
このタイプのロータ１を備える特定の実施形態の機械は、いわゆる“マイルドハイブリッド”タイプの自動車における用途のための例えば８〜１０ｋＷモータ／発電機である。
【００３９】
この機械は、それがモータとして機能しているその形態では、熱エンジンの始動、熱エンジンのためのトルク補助、車両の低速での電気牽引のため、および、遠心コンプレッサの駆動のために設計され得る。
【００４０】
ステータ電流は、ロータ１を回転させる回転磁場を形成するステータ巻線１４を通過する。供給されるエンジントルクは、特に、ステータ電流の強度と、ロータ１における磁束とに依存する。
【００４１】
前文で説明されるように、レアアース永久磁石３をフェライト永久磁石３に置き換えるには、磁極Ｎ，Ｓを最適化して、ロータ１において同様の磁束を取得し、それにより、同じステータ強度において同じエンジントルクを維持する必要がある。
【００４２】
前述の特性を有するロータ１を備える電気機械のコンピュータシミュレーションは、本発明者がロータ１およびステータ１１における磁束の分配を立証できるようにした。
【００４３】
永久磁石３により形成されてロータ１の磁石本体２で循環する磁束が、極領域７で径方向に循環する有効磁束ΦＵと、ロータ１の外周部分５で周方向に循環する漏れ磁束ΦＬとの間で分配されることが立証された。
【００４４】
漏れ磁束ΦＬは、永久磁石３を収容する凹部４の開口８の第１の幅ａに依存する。この第１の幅ａが大きければ大きいほど、外周部分５のこの場所における第１のリラクタンスが増大するため、より多くの漏れ磁束ΦＬが減少するが、ステータ歯１３と対向する極Ｎ，Ｓの表面が減少するため、有効磁束ΦＵも減少する。
【００４５】
したがって、シミュレーションによって決定される開口８の第１の最適な幅ａが存在し、その最適な幅においては、漏れ磁束ΦＬが最小であり、有効磁束ΦＵが最大である。
【００４６】
ロータ１における有効磁束ΦＵと漏れ磁束ΦＬとの分配に対する第１の幅ａの影響の簡略化されたモデルが図２に示される。
【００４７】
開口８の第１の幅ａの変化は、永久磁石３の第２の幅ｗに対する第１の幅ａの比率に等しい開口比率ｇの変化に加えられる。したがって、この比率ｇは、第１の凹部４が外部に対して完全に開放するときの０から、これらの第１の凹部４が完全に閉じられるときの１へと変化する。
【００４８】
第１のリラクタンスは、第１の相対透磁率μ０（空気の相対透磁率に等しい）を有する、ｇに等しい第１の長さを伴うロータ１の外周部分５の第１のセグメント８のリラクタンスと、その第２の相対透磁率μ１がロータ１の第１のケーシング２の相対透磁率である、第２の長さ１−ｇを伴う第２のセグメント５のリラクタンスとの和から求められる。第１および第２のセグメント８，５は、ｗを単位として厚さｅを有する。
【００４９】
この簡略化されたモデルに介在する第２のリラクタンスは、有効磁束ΦＵがロータ１の極Ｎ，Ｓとステータ１１のステータ歯１３との間で循環する磁気回路のリラクタンスであり、ステータ歯１３は、第３の長さＬｓｔを伴い、その第３の相対透磁率μ２がステータ１１の第２のケーシング１０の相対透磁率である。
【００５０】
この簡略化されたモデルでは、法則ｌｓｔ×（１．５−ｇ）に基づいて、スタータ歯１３と対向する極Ｎ，Ｓの表面がｇにしたがって直線的に変化し、それにより、この回路の周方向の寸法が同じ法則にしたがって変化することが考慮される。
【００５１】
永久磁石３は、１に等しい周方向のサイズと、ｗを単位としたｈに等しい高さと、第４の相対透磁率μ３とを有する媒体から並行して得られる第３のリアクタンスを伴う磁束発生器Φ＝ΦＵ＋ΦＬと見なされる。
【００５２】
図３は、ｇにしたがった最大値ΦＵｍａｘ付近の有効磁束ΦＵの相対変化を示す。
【００５３】
開口比率ｇが０．８０まで上がるときに有効磁束ΦＵが増大することが分かる。
【００５４】
この簡略化されたモデルにおいて、ほぼ０．３５〜０．８０の間に含まれるｇの値の範囲Δｇは、有効磁束ΦＵを最大にすることを可能にし、この場合、有効磁束ΦＵは、この範囲Δｇ内で０．５％だけ変化する。
【００５５】
本発明に係るロータ１を備える回転電気機械のより現実的なコンピュータシミュレーションは、図４に示されるように、０．８にほぼ等しい開口比率ｇの値における有効磁束ΦＵの最大値の存在を確かめる。
【００５６】
この図は、ほぼ０．３〜０．９の間に含まれる開口比率ｇの値における相間の起電力定数Ｋｅの進展を示す。
【００５７】
定数Ｋｅは有効磁束ΦＵを表わす。定数が約０．８の開口比率ｇへ向けて最大値に達するように増大するのが分かる。
【００５８】
ロータ１の最適化された構造は、レアアース磁石の代わりにフェライトが使用されるときに、永久磁石３の本体を過度に増大させることなく、機械の性能レベルを維持するのに役立つ。
【００５９】
定数技術を用いると、ロータ１における磁束の増大へ向けて寄与する本発明は、所定のトルクを生み出すために必要なステータ１１により形成される回転磁場の強度を低下させることも可能にし、結果として、ステータ巻線１４をもたらすために必要な銅の本体を減少させることを可能にする。
【００６０】
永久磁石３および銅の本体の減少は、製造コストを低減させることを可能にし、したがって、車両機器の非常に競合する分野で商業上の利益を与える。
【００６１】
しかしながら、第１の凹部４の開口の第１の幅ａを使用する本発明の前述した主要実施形態における有効磁束ΦＵの最適化の可能性は、ａが増大するときに減少する傾向がある第３の幅ｐを外周極領域７が有し、したがって、ロータ１の極Ｎ，Ｓとステータ１１のステータ歯１３との間の磁気回路の第２のリラクタンスの急速な増大がもたらされるという事実によって制限される。
【００６２】
第１の幅ａの増大の悪影響を減らすことを目的とする図５に示される変形実施形態において、極領域７は、ローブ１５を形成する第２の径方向領域を有する。
【００６３】
このとき、これらの極領域７のアセンブリは、径方向断面において、極Ｎ，Ｓの突起に対応する複数のローブ１５を有する略円形の形態を形成する。
【００６４】
したがって、ロータ１の外周でのローブ１５による永久磁石３の部分的な被覆は、外周部分５の厚さを増大させる（図５の破線は、主要実施形態のロータの外表面を示す）とともに、開口比率ｇが増大するときに磁気回路ロータ１−ステータ１１の第２のリラクタンスの増大の軽減に向けて寄与する。言い換えると、前記被覆は、漏れ磁束ΦＬを最小限に抑えつつ有効磁束ΦＵを最大にするのに役立つ。
【００６５】
この変形実施形態において、本発明者は、０．２５〜０．６の間にほぼ含まれる、開口８の第１の幅ａとローブの第３の幅ｐとの和に対する、永久磁石３の第２の幅ｗの第２の比率が最適であることを究明した。
【００６６】
この変形例の利点は、図６ａおよび図６ｂに示されるように、トルクおよび起電力の高調波歪みの減少によって減らされる、機械により発生される磁気ノイズである。
【００６７】
実際に、この変形例（図５）に係るロータ１を備える機械の無負荷時の相間起電力Ｕ１ｐｈ−ｐｈの波形１７は、図６ａにおいてほぼ正弦曲線であるように見える。
【００６８】
図６ｂは、基本高調波１８以外の高調波が存在しないことを裏付ける。
【００６９】
比較において、図７ａおよび図７ｂは、図５に示されるタイプであるが、そのロータ１の外周部分５が開口を形成する溝８を備えていない回転電気機械（図示せず）に対応する同じ特性を示す。
【００７０】
図７ａにおいては、他の相間起電力Ｕ２ｐｈ−ｐｈが正弦波形１７と比べて歪み１９を有することが明確に分かる。
【００７１】
図７ｂは、基本高調波１８の６％を超える大きさに相当する大きさを有する第５ランクの高調波２０がこの場合に存在し、一方、変形実施形態（図５）に係るロータ１を備える機械においてはそのような高調波が存在しなかったことを裏付ける。
【００７２】
本発明が単に前述した好ましい実施形態に限定されないことが認識される。
【００７３】
先に明記された数値とは異なる数値、特に、前述したタイプのロータを備える回転電気機械の他の試験またはシミュレーションに対応する極の異なる数Ｎｐに基づく他の実施形態は、それらが以下の特許請求の範囲から導き出されれば、本発明の文脈から逸脱しない。
【図１】
2015503318.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
2015503318.tif 000011
【国際調査報告】
2015503318.tif 000012
2015503318.tif 000013
2015503318.tif 000014
2015503318.tif 000015