(57)【要約】      （修正有）【課題】磁性材料を液体の形態でロータ内の別々の空洞内に注入し、固化することにより低渦電流損の高効率永久磁石モータを提供する。【解決手段】電気牽引モータに使用するための電機子１２は、中央部分および複数の空洞を有する周囲部分を有するロータ１４を備える。液体磁性材料から固化される永久磁石がロータ１４の極を形成するように空洞内に配設され、空洞の少なくとも一部分は、単一の空洞内に液体または流動性のある形態で注入される異なる特性の少なくとも第１および第２の磁性材料から構成される直接当接する永久磁石を有する。この少なくとも第１および第２の磁性材料４０、４２の間の界面区域で、第１および第２の磁性材料は移行ゾーンを形成するように混ぜ合わされる。この電機子を製造する方法は、磁性材料を同時に注入するステップ、ならびに最初の磁性材料が未だ流体的に流動性のあるとき後続の磁性材料を注入するステップを含む。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中央部分および複数の空洞を有する周囲部分を有するロータと、
前記空洞の少なくとも一部分が単一の空洞内に注入され固化される異なる特性の、少なくとも第１および第２の磁性材料から構成される直接当接する永久磁石を有する、前記ロータの極を形成するように前記空洞内に配設される、液体磁性材料から固化される永久磁石と、
前記磁性材料が移行ゾーンを形成するように混ぜ合わされる、前記少なくとも第１および第２の磁性材料の間の界面区域とを備える、電気牽引モータに使用するための電機子。
【請求項２】
前記単一空洞内に少なくとも第３の磁性材料が存在し、前記第３の磁性材料が、異なる区域からの磁性材料が移行ゾーンを形成するように混ぜ合わされる追加の界面区域によって前記第１および第２の磁性材料のうちの少なくとも１つから間隔が開いている、請求項１に記載の電機子。
【請求項３】
前記第１の磁性材料がＮｄＦｅＢであり、前記第２の磁性材料がフェライトである、請求項１に記載の電機子。
【請求項４】
前記複数の空洞が空洞の別々の配列から構成され、各配列がその中に可変特性永久磁石を有する選択された空洞を有する、請求項１に記載の電機子。
【請求項５】
前記選択された空洞が前記ロータに対して実質的に半径方向の構成部分を伴うある範囲を有し、前記可変特性永久磁石の磁気特性が前記ロータに対して半径方向で変化する、請求項１に記載の電機子。
【請求項６】
前記選択的空洞が前記ロータに対してある軸方向範囲を有し、前記可変特性永久磁石の前記磁気特性が前記ロータに対して軸方向で変化する、請求項１に記載の電機子。
【請求項７】
前記選択された空洞が前記ロータに対して実質的に半径方向の構成部分を伴うある範囲も有し、前記可変特性永久磁石の磁気特性が前記ロータに対して半径方向で変化する、請求項６に記載の電機子。
【請求項８】
空洞の第１の部分内に第１の磁気特性を有する第１の磁性材料を液体または流動性のある形態で注入するステップと、
前記第１の磁性材料が未だ液体または流動性のある形態である間に、前記第１の特性と異なる第２の特性を有する少なくとも第２の磁性材料を前記空洞の第２の部分内に注入するステップであって、選択された空洞がその中に前記第１と第２の磁性材料の間の界面区域を伴う前記第１および第２の磁性材料の両方を有するステップと、
前記磁性材料が、前記界面区域内で混合される両方の材料を有する界面区域を有して固化することを可能にするステップとを含む、ロータが周囲と前記周囲に隣接する空洞とを有する電気牽引モータ用の電機子を形成するためのロータの製造方法。
【請求項９】
前記磁性材料が磁気強度または温度安定性で異なる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の磁性材料がＮｄＦｅＢであり、前記第２の磁性材料がフェライトである、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記空洞が前記電機子内に、前記ロータの前記周囲に隣接する第１の部分および前記第１の部分の内側寄りに形成される第２の部分を有して形成され、前記ＮｄＦｅＢが前記第１の部分に、かつ前記フェライトが前記第２の部分内に注入される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記磁性材料が前記ロータの前記周囲から別々の半径方向距離に配設される空洞部分内に注入される、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
高エネルギおよび低エネルギ磁性材料が存在し、前記高エネルギ磁性材料が前記ロータの前記周囲に近接する空洞部分内に注入され、前記低エネルギ磁性材料が前記高エネルギ磁性材料の内側寄りの空洞部分内に注入される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記空洞が、前記ロータの前記周囲に隣接する第１の部分および前記第１の部分の内側寄りに形成される第２の部分を有して前記電機子内に形成され、前記ＮｄＦｅＢが前記第１の部分内に、フェライトが前記第２の部分内に注入される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１および第２の磁性材料と共に液体または流動性のある形態の第３の磁性材料が、第３の区域を作り出すように前記第１と第２の磁性材料の間の位置に注入するステップをさらに含み、前記第３の区域が、磁性材料が混合され前記材料が固化するとき混合されたままである界面区域によって前記第１および第２の磁性材料から分離される、請求項８に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１、第２および第３の磁性材料が同時に注入される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１および第２の磁性材料が同時に注入される、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の特性を有する内部永久磁石ロータおよびその製造方法に関する。より詳しくは、本発明は、電気車両またはハイブリッド車両に使用される電気モータ、または他の目的のために使用される電気モータに使用するように構成されるそのようなロータに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気モータに使用されるロータの異なる区域での磁性材料の種類または強度は変更することができる。例えば、米国特許第６，７０３，７４６号では、容易に磁化され得るロータの外側バリア（ｂａｒｒｉｅｒ）全体を構成するようにＮｂＦｅＢが使用される。しかしながらこの特許では、ロータの中間区間または内側区域の高エネルギ磁性材料は、高エネルギ磁性材料を完全に磁化するのに十分に強い磁化磁界に曝されていない。結果として、低エネルギ磁性材料は高エネルギ磁性材料より低い大きさの磁化磁界しか必要としないので、磁化するのが困難なロータの領域に低エネルギ磁性材料が配置される。その結果、内側区域の低エネルギ磁性材料は完全に磁化されることができる。この内側区域の低エネルギ磁石は空隙磁束に寄与しない。しかしながら、この低エネルギ磁石は、より良好な性能に対応する高度な究極性を確実にするのに重要な、ブリッジ飽和を確実にする。内側区域の磁化されない高エネルギ磁石は、高価な磁性材料の浪費、ならびに不適切なブリッジ飽和の原因となる可能性がある。不適切なブリッジ飽和は、ロータの究極性およびモータの性能を低下させる可能性がある。
【０００３】
米国特許第６，７０３，７４６号では、高エネルギおよび低エネルギ磁性材料が液体の形態でロータ内の別々の空洞内に注入され、高エネルギ磁性材料はロータの周辺に隣接する外側空洞内に注入され、低エネルギ磁性材料はロータの軸により近い内側空洞内に注入される。この液体の磁性材料が固化するとき、ステータまたは他の磁化源によって磁化される。米国特許第６，７０３，７４６号の構造では、空洞内の各磁性材料は、間に混合していない界面を有して両立している。
【０００４】
ＩＰＭモータの設計は、設計の望ましくない副作用を最小限にしながら、システムの目標に合致させるための一連の妥協点である。トルクリップルおよびロータ内の損失が、２つのそのような望ましくない副作用である。モータの磁石内の渦電流損失は、ロータの加熱の原因になる。ロータの軸長に沿ったセグメントに分割された焼結磁石がしばしば、渦電流損失、したがってロータの加熱を最小限にするために使用される。トルクリップルは、ロータ磁石を（ロータ表面に向かってより薄く）注意深く形状化することによって、かつ／またはロータまたはステータのどちらかをモータの長さに沿って空隙磁束を取り除くように斜めにすることによって最小限にすることができる。斜めにすることは、平均トルク発生量を減少させ、モータの製造を複雑化させる。渦電流損失は、ロータ表面近くの空洞の小さな部分が磁性材料で満たされないままにしておくことができるように、ロータ内に追加の機械的なブリッジを作り出すことによって最小限にすることができる。ロータの表面に最も近い磁性材料がトルクリップルに大きく寄与し、ＡＣ磁束が渦電流に寄与するのであるから、そのような技術はトルクリップルおよび渦電流損失の両方を減少させる。ロータの表面により近い磁性材料はロータ全体が一組立品として磁化されるとき磁化されるのがより容易であり、したがって、より強い磁石をロータ表面の近くに、かつより弱い磁石をロータのより深い内側に配置することは、コスト節約策になる。しかしながら、磁性材料のそのような構造を可能な限り効率的に作ることが求められている。
【特許文献１】米国特許第６，７０３，７４６号
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
電気牽引モータに使用するための電機子は、中央部分と複数の空洞を有する周囲部分とを有するロータを備える。液体磁性材料から固化される永久磁石がロータの極を形成するように空洞内に配設される。空洞の少なくとも一部分は磁性材料が各空洞内で一緒に固化する、両方が液体または少なくとも流動性のある形態である間に注入される異なる特性の少なくとも第１および第２の磁性材料から構成される、直接当接する永久磁石を有する。これは結果として、各空洞内で第１および第２の材料が共通の界面区域に沿って互いに混ざり合う、第１および第２の磁性材料の間の界面区域になる。
【０００６】
別の態様では、ロータの各空洞内に少なくとも１つの第３の磁性材料が存在する。
さらに別の態様では、この磁性材料はＮｄＦｅＢおよびフェライトである。
さらに別の態様では、選択される空洞はロータに対して実質的に半径方向構成部分を有し、可変特性永久磁石の磁気特性はロータの軸に対して半径方向に変化する。
【０００７】
別の態様では、選択的空洞はロータに対して軸方向範囲を有し、可変特性永久磁石の磁気特性はロータに対して軸方向に変化する。
電気牽引モータ用の電機子を形成するためのロータ製造方法は、ロータの周囲に隣接する空洞を有するロータを最初に準備するステップを含む。異なる特性を有する第１および第２の磁性材料が、両方が同時に液体形態である間に空洞の第１および第２の部分内に注入される。磁性材料がそのまま固化するとき、この空洞は第１および第２の材料の混合物を有する界面区域を伴う、空洞の別々の区域に濃縮される第１および第２の磁性材料の両方を有する。
【０００８】
本発明の様々な他の特徴および付随する利点は、いくつかの図を通して同様な参照記号が同じまたは同様な部品を示す添付の図面と共に考慮するとき本発明はより良く理解されるので、より完全に理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、巻線ステータ１２および永久磁石ロータ１４を有する永久磁石モータ１０の線図である。ロータ１４は、長手方向軸１５および周囲表面１６の周りに形成される。動力供給部およびインバータ１７は、エンコーダ、レゾルバ、タコメータ、近接スイッチおよびツースセット（ｔｏｏｔｈ  ｓｅｔ）、および逆起電力（ｅｍｆ）検出器を含む、ただし限定ではない、フィードバックに応答してモータ１０の回転数およびトルクと通信しかつ制御する。このモータ１０は、電力供給部およびインバータ１７によって供給される方形波またはサイン波励磁を伴うブラシレスＤＣモータとして特徴付けることができる。
【００１０】
図２は、従来技術の多層式またはバリア埋込式磁石ロータ形状の横断面である。永久磁石２０は、ロータ１４の周囲表面１６から比較的長い距離のために完全に磁化するのが困難な磁性材料層の区域２６またはバリア２４によって画成される。磁性材料層の表面２４は、後磁化処理中、磁化器具によってまたは巻線ステータ１２によって磁化される。本発明の一実施形態でのこの後磁化処理は、ロータの磁性材料を磁化するためにロータ１４の周りに磁化器具を配置することを含む。磁化器具は、ステータ１２と類似し、磁化処理用に使用される巻線を含む。本発明の代替実施形態では、磁化器具を使用する代わりにステータ１２がそれ自体、ロータ１４を磁化するために使用することができる。磁化器具は飽和されるのを防止するように十分な鉄を備える。磁化器具の巻線は、磁界が所望の磁化方向に沿って案内されるように配置される。
【００１１】
図３は、プラスチックと混合された磁気粉体が高温および高圧の下でロータ１４の空洞内に注入され、材料が、硬化に際してロータ１４の空洞の内側で接着し固体の磁石を形成することができる図２と同様なロータの横断面図である。この方法は、大量生産に対して望ましい。前に述べたように、高エネルギ磁性材料の後磁化処理は、現行では磁性材料がロータ表面近くに埋め込まれている場合のみ実際的である。
【００１２】
磁性材料２４は、その成分に応じて完全に磁化するために磁界強度を変化させる必要がある。より高い消磁強度の故に可変回転数モータ駆動用途に好ましい高エネルギ磁石２０は、完全に磁化されるように磁性材料２４を飽和させるために非常に高い磁界を必要とする。この磁界は、ステータ１２の巻線内のまたは磁化器具内の電流の流れによって生じる。通常、ロータ１４を磁化するために、非常に短時間の非常に高い電流突発（ｂｕｒｓｔ）が必要である。ステータ１２が十分な鉄を欠いている場合、ステータはこの処理中飽和されるようになり、発生する磁界がロータ１４内に浸透するのを妨げる可能性がある。
【００１３】
前に説明したように、ＩＰＭロータ用の多層またはバリア形状は、ロータ１４の究極性を改善する。したがって、図２に示すロータ１４の形状は、機械トルク密度を改善しかつ特定のトルクまたはワット数モータ定格に対する磁性材料の容積必要量を低下させる相対的に高度な究極性を有する利点を有する。より低い磁性材料容積必要量はモータコストを低減し、短絡および断線事故問題などの高磁束ＰＭ機械に関連する問題点、および永久磁界の存在に起因するスピン損失（渦電流誘起損失）も軽減する。
【００１４】
図３は、低エネルギ磁性材料４０で満たされロータ１４の軸１５により近接して配設される磁石２０の底部バリア、および高エネルギ磁性材料４２で満たされた磁石の上側バリアを有する多層式またはバリア埋め込み式磁石モータ１０の横断面である。本発明では高エネルギ磁性材料が、図２の区域２６などの高エネルギ磁性材料を磁化するのが困難であるロータ１４の領域から低エネルギ磁性材料によって取り除かれている。この高エネルギ磁性材料４２は、磁化するために２０００ｋＡ／ｍより大きな磁化磁界を必要とする材料を含むことができる。低エネルギ磁性材料４０は、２０００ｋＡ／ｍより小さな磁化磁界を必要とする材料を含むことができる。低エネルギ磁性材料４０の低飽和保磁力によってより容易な磁化が可能になる。本発明の好ましい実施形態では、高エネルギ磁性材料４２はＮｄＦｅＢであり、低エネルギ磁性材料４０はフェライトであるが、任意の他の高エネルギまたは低エネルギ磁性材料も本発明の範囲内であるとみなされる。
【００１５】
ロータ１４の中心により近く配置されるこの低エネルギ磁性材料４０は、そのより低い磁化磁界の故に磁化装置によって完全に磁化することができる。磁性材料４０の主なる性能寄与は、バリア２４間のブリッジ２２を飽和させ、したがって、ロータ１４の究極性を確実にすることである。これらのブリッジ２２は、ロータ１４の機械的強度も確実にする。ロータの中心近くに配置される低エネルギ磁性材料４０の機械的強度は、この機能を満たすのに十分である。
【００１６】
次にロータ１４の一部分１４Ａを示す図４を参照すると、図１〜３の従来技術で論じたように、複数特性注入成型磁石５０の使用は、設計者に最適な機械設計のための追加の自由度を提供する。問題の１つの領域は、機械的なロータブリッジ５２である。ロータブリッジ５２は漏れ通路をもたらすので、漏れ磁束が最小限になるようにこのブリッジを備えるロータ鉄が磁気的に飽和されていることが望ましい。ロータブリッジ５２の近辺にある強力な磁石がこのブリッジの局所的な飽和を増加させ、この目的を達成するのを助ける。しかしながら、ブリッジ５２を飽和させるためのこの磁石強度は、空洞全体に使用される場合は、このシステム目標に合致させるのに強すぎる可能性がある。
【００１７】
図４では、磁石５０は、ロータブリッジ５２の局所的な飽和を制御できるように液体形態または流動性のある（すなわち、流動可能プラスチック）形態でロータ空洞セグメント５３および５４内に注入される複数特性磁石であり、一方磁石５４は単一特性の注入磁石である。図４では、異なる特性（すなわち、異なる磁石強度、温度安定性、等）を有する磁石部分６０および６２が、両方の磁性材料が液体形態である間にロータ空洞セグメント内に注入される。磁石部分６０および６２は両方の部分が液体形態である間に注入されるので、いくらかの混合が界面区域６３で起きる。これは結果として、磁石の半径方向範囲に沿って磁気特性の滑らかな移行部を有する磁石５０になる。結果として、磁気部分６０および６２が、両方の部分が未だ液体または流動性のある形態である間に注入されるまたは同時に注入されるとき、空洞５３および５４セグメント内の磁気部分は界面区域６３で混ざり合う。
【００１８】
第１の磁性材料６０がＮｄＦｅＢなどの比較的高エネルギ材料であり、第２の材料６２がフェライトなどの比較的低エネルギ材料であり、界面区域の材料がＮｄＦｅＢとフェライトの混合物であることが好ましい。半径方向に周囲１６から離れてロータ軸１５に向かう磁気空洞（図１および２参照）の強度および／または熱的特性を変更することによって、設計者にロータ１４を構成する増大する柔軟性を提供しながら、ロータを構成する半径方向鋼断面で磁気飽和が制御される。
【００１９】
図５は、空洞７０が第１の磁性材料６０’と第２の磁性材料６２’の間に注入される第３の磁性材料７２を有する、本発明の別の実施形態を示す。第１の磁性材料６０’と第３の磁性材料７２の間に配設されて第２の界面区域７４が存在し、第２の磁性材料６２’と第３の磁性材料６２’および第３の磁性材料７４の間に配設されて第３の界面区域７６が存在する。図４の第１の界面区域６３が数で１つであるのに対して、この第２および第３の界面区域７４および７６は数で２つである。図４の第１の界面区域６３についてのように、この第３の磁性材料７２は、第１および第２の材料６０’および６２’が液体または流動性のある（すなわち、流動可能プラスチック）形態であり、第３の材料７２と混ざり合うのに十分に流動性のある間に空洞７０内に注入される。結果として、この第２および第３の界面区域７４および７６は、空洞７０内の３つの磁性材料の間で滑らかな移行ゾーンをもたらす。図５で、磁性材料６０’の第２の磁性材料６２’への移行が第３の磁性材料７２によってより滑らかに、かつ界面区域７４および７６によってさらにより滑らかにされている。
【００２０】
次に図６を参照すると、磁性材料８０および８２の磁気特性は、別の実施形態では軸方向空洞８４によって示すようにロータ１４’の軸長さに沿って変化する。磁性材料８２と８２’’の間で、材料間の移行を滑らかにするために磁性材料８０および８２が混じり合う界面区域８６が存在する。この構造は、ロータ積層板を物理的に配置させる必要がないように、ロータ１４を電磁気的に斜めにする。
【００２１】
図７では磁気特性が、いくつかの磁性材料６０’’を磁性材料６２’’と混合させることによってロータ１４の周囲表面１６近くで変化する。磁性材料６２’’とロータ１４の周囲１６に隣接する混合区域の間にさらに界面区域６３’’が存在する。この構造は、ロータとステータ１２の間のスロット効果（ｓｌｏｔｔｉｎｇ  ｅｆｆｅｃｔ）に関連するトルクリップルを減少させ、同時に所望のブリッジ飽和をロータ内でより深くするのを確実にする。局所的なベースで飽和を制御することによって、リラクタンストルク・アベイラビリティが増大し、結果として増大するモータトルクおよび出力密度が得られる。
【００２２】
この発明をいくつかの特定の実施形態に関して説明してきたが、他の形態も当業者によって容易に適用できることは理解されるであろう。したがって、この発明の範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるとみなされるべきである。
【００２３】
前述の説明から、当業者はこの発明の本質的な特徴を容易に確認し、その趣旨および範囲から逸脱することなく様々な使用法および条件に適合するように、本発明の様々な変更および改変を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】永久磁石モータおよび制御システムの横断面線図である。
【図２】多層内部式または埋め込み式磁気モータ形状の断面図である。
【図３】低エネルギ磁性材料で満たされる底部バリアおよび高エネルギ磁性材料で満たされる上側バリアを有する多層内部式または埋め込み式磁気モータの横断面図である。
【図４】図１〜３と同様な図であるが、単一空洞のうちのいくつかが少なくとも２つの磁性材料をその中に有する単一空洞を示し、かつ２つの磁性材料が相互混合する界面区域を作り出すように、本発明の原理に従って２つの磁性材料が同時に液体形態である間に注入されたことを示す図である。
【図５】第３の材料が空洞内に注入され、その材料がその中で磁性材料の相互混合物を有する２つの界面区域によって分離される、図１〜３のロータと同様なロータ内の単一の空洞を示す図である。
【図６】注入された磁性材料がロータの軸長さにわたり、その間の混合された材料の界面区域を有して変化する、図４と同様なロータ内の単一空洞を示す図である。
【図７】注入された磁性材料がロータの周囲表面近くで変化する、図４と同様なロータ内の単一空洞を示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１０  永久磁石モータ
１２  巻線ステータ
１４  永久磁石ロータ
１５  長手方向軸
１６  周囲表面
１７  動力供給部およびインバータ
２０  永久磁石
２２  ブリッジ
２４  バリア
２６  磁化困難区域
４０  低エネルギ磁性材料
４２  高エネルギ磁性材料
５０  複数特性注入成型磁石
５２  ロータブリッジ
５３、５４  セグメント
５４  磁石
６０、６２  磁石部分
６３  界面区域
７０  空洞
７２  第３の磁性材料
７４  第２の界面区域
７６  第３の界面区域
８０、８２  磁性材料
８４  軸方向空洞
【図１】
2007267593.tif 000003
【図２】
2007267593.tif 000004
【図３】
2007267593.tif 000005
【図４】
2007267593.tif 000006
【図５】
2007267593.tif 000007
【図６】
2007267593.tif 000008
【図７】
2007267593.tif 000009
【外国語明細書】
2007267593000001.pdf