(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車輛用の電気トラクションモータであって、
ハウジングと、
前記ハウジング内に配置されたステータ界磁捲線と、
前記ステータ界磁捲線と磁気的に相互作用するロータとを備え、
前記ロータは永久磁石を有しており、
前記電気トラクションモータは、また、
前記ロータに形成された空間と、
前記空間内に配置された捲線と、
前記ロータの中央領域から磁気材料除去して形成された矩形状の底障壁と、
前記底障壁に挿入され、前記ロータの中央領域の磁化を改善するための補助捲線とを備えた、電気トラクションモータ。
【請求項２】
請求項１に記載の電気トラクションモータにおいて、
前記永久磁石は内部永久磁石である、電気トラクションモータ。
【請求項３】
請求項１に記載の電気トラクションモータにおいて、
内部永久磁石として形成された永久磁石の配列を更に含む、電気トラクションモータ。
【請求項４】
請求項３に記載の電気トラクションモータにおいて、
前記永久磁石の配列は、焼結磁石を含む、電気トラクションモータ。
【請求項５】
請求項１に記載の電気トラクションモータにおいて、
前記内部永久磁石は、前記ロータに作用する磁気源によって後磁化された磁気材料粉体を含む、電気トラクションモータ。
【請求項６】
請求項５に記載の電気トラクションモータにおいて、
前記磁気源は、前記捲線ステータである、電気トラクションモータ。
【請求項７】
請求項１に記載の電気トラクションモータにおいて、
永久磁石からなる多数の層を更に含む、電気トラクションモータ。
【請求項８】
請求項１に記載の電気トラクションモータにおいて、
前記内部永久磁石が、前記ロータに液体形態で注入された、電気トラクションモータ。
【請求項９】
請求項１に記載の電気トラクションモータにおいて、
前記空間は、熱伝導性材料で部分的に充填されている、電気トラクションモータ。
【請求項１０】
電気トラクションモータであって、
ハウジングと、
前記ハウジング内に配置されたステータ界磁捲線と、
前記ステータ界磁捲線と磁気的に相互作用するロータとを備え、
前記ロータは、キャビティの配列を有しており、
前記電気トラクションモータは、また、
前記キャビティの配列に形成された電気捲線と、
前記ロータの中央領域から磁気材料除去して形成された矩形状の底障壁と、
前記底障壁に挿入され、前記ロータの中央領域の磁化を改善するための補助捲線とを備えた、電気トラクションモータ。
【請求項１１】
請求項１０に記載の電気トラクションモータにおいて、
さらに、前記補助捲線に代えて前記底障壁に注入された型成形可能な磁石を備え、
前記型成形可能な磁石は、任意の割合で結合剤と混合された結合された磁気材料粉体を含む、電気トラクションモータ。
【請求項１２】
請求項１１に記載の電気トラクションモータにおいて、
前記結合剤はプラスチックである、電気トラクションモータ。
【請求項１３】
請求項１０に記載の電気トラクションモータにおいて、
前記キャビティの配列の一部が、不活性材料で充填される、電気トラクションモータ。
【請求項１４】
電気トラクションモータ用のロータの製造方法であって、
ロータにキャビティを形成する工程と、
磁気材料を前記キャビティの一部に注入する工程と、
前記ロータの中央領域から磁気材料除去して矩形状の底障壁を形成する工程と、
前記キャビティの一部に電気捲線を形成する工程と、
前記ロータの中央領域の磁化を改善するための補助捲線を前記底障壁に挿入する工程と、
前記電気捲線により前記磁気材料を後磁化する工程と
前記補助捲線により前記ロータの中央領域を後磁化する工程とを含む、方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法において、
前記キャビティから前記電気捲線を取り外す工程と、前記底障壁から前記補助捲線を取り外す工程とを更に含む、方法。
【請求項１６】
請求項１４に記載の方法において、
前記磁気材料をプラスチックで結合する工程を更に含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、全体として、電気式車輛推進システム又はハイブリッド型電気式車輛推進システムに関する。更に詳細には、本発明は、電気式車輛又はハイブリッド車輛で使用するための電気トラクションモータ又は機械の設計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日の自動車市場では、車輛に動力を与えるために使用される様々な電気式推進又は駆動技術が存在する。これらの技術には、ＤＣモータ、ＡＣ誘導モータ、スイッチ反作用モータ、同期反作用モータ、ブラシレスＤＣモータ等の電気トラクションモータ、及び対応するパワーエレクトロニクス（電力電子技術）が含まれる。電気車輛でトラクションモータとして使用する上で、ブラシレスＤＣモータが特に有利である。これは、ブラシレスＤＣモータの性能特性が、ＤＣモータやＡＣ誘導モータと比較して優れているためである。ブラシレスＤＣモータは、代表的には、永久磁石ロータで作動する。永久磁石ロータは、表面取り付け（表面実装）又は内部又は埋設永久磁石ロータとして形成できる。内部磁石埋込型（ＩＰＭ：ｉｎｔｅｒｉｏｒ  ｐｅｒｍａｎｅｎｔ  ｍａｇｎｅｔ）モータ又は機械が、ＤＣモータやＡＣ誘導モータと比較して、比較的高効率であり、比較的高トルクであり、出力密度が比較的高く、定出力作動範囲が長いという性能特性を有し、そのため、ＩＰＭ機械は車輛推進の用途について魅力的である。ブラシレスＤＣモータ用のロータ内部に埋め込まれた永久磁石は、高いリラクタンスを磁軸即ちｄ軸に沿って直接的に示す。これは、永久磁石の透磁率（又は透磁性）が低いためである。この際、ＩＰＭロータの磁極又は磁石障壁（ｍａｇｎｅｔ  ｂａｒｒｉｅｒ）間のｑ軸に沿って、磁気障壁が全く存在せず、磁束に対する磁気抵抗率（リラクティビティ）が非常に低い。ロータ周囲の磁気抵抗（リラクタンス）のこの変化により、ＩＰＭ機械装置のロータ構造にセイリエンシー（ｓａｌｉｅｎｃｙ）を形成する。従って、ＩＰＭロータは、ロータ内部に埋設された永久磁石トルクに加えてリラクタンストルクを有する。ｄ軸でのリラクタンスは、単一障壁ロータ設計で見られるような一つの磁石によって発生できる。
【０００３】
一つの障壁ロータ設計の単一の磁石を幾つかの層に割って多障壁設計を形成することもできる。多障壁設計は、漏れを減少し、ロータのセイリエンシーを改善する。従って、多障壁ロータを持つモータは、単障壁ロータ設計を上回る多くの性能上の利点、例えば、比較的高い全体効率、広い高速定出力作動範囲、及び改良された力率（動力ファクタ）を有する。多障壁ロータの改良されたセイリエンシーは、磁気トルクについての依存を減少することによって、ＩＰＭ機械の磁石又は磁気材料（磁性体）の量を、単障壁ＩＰＭ機械又は表面取り付け永久磁石機械と比較して減少するのを補助する。特定のトルク及びワット数定格を発生させるのに必要な磁性体の量は、ロータのセイリエンシーのレベルで決まる。ロータのセイリエンシーが高ければ高い程、全体性能が同じ機械に使用される磁性体の量が減る。多障壁ロータ設計を持つ電動モータは、単障壁設計と比較して、高いロータセイリエンシーを発生する。
【０００４】
ＩＰＭ機械の磁石を予備磁化した後、ロータ内部に挿入することができる。この磁石挿入は、ＩＰＭ機械の組み立てに製造工程を追加する、複雑であり且つ比較的費用のかかる工程である。
【０００５】
磁石がロータ表面近くに挿入されている場合には、挿入した磁性体を後磁化（ｐｏｓｔ−ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ：すなわち、挿入した後の磁化）できる。後磁化を行うため、磁気材料をロータの外側で予備形成し、ロータに挿入し、次いで磁化する。これは通常は、焼結磁石の場合であり、特定の配向を必要とする。ＩＰＭロータで使用できる、使用される別の種類の磁気材料は、結合磁石（ボンド磁石）であり、これらの磁石は、通常は、ＰＰＳ等のプラスチックと混合され、ロータの外側で予備成形された後、ロータに挿入される。しかしながら、一般的には、結合された磁気材料を、ロータキャビティに高温高圧で注入する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図２に示すようにロータに多相埋設磁石を持つ電動モータは、車輛推進の用途について優れた性能特性を示す。このようなロータ形状の後磁化と関連した問題点は、大量の磁気材料がロータ内部深くに埋設されることとなり、これが部分的にしか磁化されなかったり或いは全く磁化されず、そのため材料が無駄になるということである。後磁化は、ロータの表面の近くに埋設された又は配置された磁性体については効率的に作用する。ロータの比較的深くに埋設された磁気材料については後磁化は困難である。これは磁界が弱くなるためである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ＩＰＭ機械ロータを設計するための方法及び装置を含む。本発明は、後磁化プロセス中に効率的に又は強力に磁化できないロータの領域から磁気材料を除去し、磁化コイルを挿入する。図２のロータの外障壁は、磁化が比較的容易である。しかしながら、ロータの内領域の中央区分は、これらの領域を一杯に磁化するのに十分協力な磁界に露呈できない。本発明では、磁気材料をこれらの中央区分から取り除き、磁化プロセスを行うため、磁化コイルを空の領域に挿入する。挿入した磁化コイルは、ステータ又は他の磁化ジグによって発生される磁界を高め、かくしてロータの磁化を改善する。中央区分領域を磁気材料が全くない状態に保持すると、残りの領域が十分に磁化された磁気材料で充填されている場合、ロータのセイリエンシー即ちリラクタンストルクが変化しない。具体的には、空所と充填領域との間のブリッジは、セイリエンシーを保証するように磁気材料によって飽和されている。磁化プロセスを行うために空所領域に挿入された磁化コイルは、この領域の磁界を高め、ステータジグによって一杯に磁化できない磁気材料を磁化するのを補助する。好ましい実施例では、磁化コイルは、後磁化プロセスに続いてロータから取り出される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願第０９／９５２，３１９号には、多層モータ形状の詳細な説明が記載されており、同特許出願に触れたことにより、この特許出願に開示された内容は本明細書中に含まれたものとする。
【０００９】
図１は、巻線形ステータ１２及び永久磁石ロータ１４を持つ永久磁石モータ１０の概略図である。電源−インバータ１６がモータ１０に接続されており、エンコーダ、レゾルバー、タコメータ、近接スイッチ及び歯車組、及び逆起電力（ｅｍｆ）の検出を含むがこれらに限定されないフィードバックに応じて、モータ１０の速度及びトルクを制御する。モータは、電源−インバータ１６が提供する方形波又は正弦波で励起されるブラシレスＤＣモータと特徴付けることができる。
【００１０】
図２は、多層／障壁埋設磁石ロータ形状の断面図である。磁気材料層又は障壁２４の領域２６は、ロータ１４の表面からの距離のため、十分に磁化するのが困難である。磁気材料層２４の表面は、後磁化プロセス中に磁化ジグ又は巻線形ステータ１２によって磁化できる。本発明の一実施例の後磁化プロセスは、磁化ジグをロータ１４の周囲に位置決めし、ロータ１４内の磁気材料を磁化する。ステータ１２と類似の磁化ジグは、磁化プロセスに使用される捲線を含む。磁化ジグは、このジグが真に飽和することがないようにするのに十分に鉄を含む。磁化ジグの捲線は、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】
本発明の好ましい実施例では、プラスチックと混合した磁気材料粉体をロータキャビティ／障壁２４に高温高圧で注入し、材料をロータ１４のキャビティと結合し、ロータ１４の内側にキャビティを形成する。このプロセスは、大規模製造に望ましい。上文中に詳細に説明したように、磁気材料の後磁化は、現在のところ、磁気材料がロータ表面近くに埋設されている場合にだけ実施されている。
【００１２】
磁気材料は、その組成に応じて、磁界強度を変化させて十分に又は一杯に磁化させることを必要とする。減磁強度が高いために可変速度モータ駆動の用途について好ましい高エネルギ磁石は、磁気材料を飽和させて十分に磁化するために非常に高い磁界を必要とする。磁界は、ステータ１２の捲線に又は磁化ジグに電流を流すことによって発生される。通常、非常に短い時間でロータ１４を磁化するのに、非常に高い電流バーストが必要とされる。
【００１３】
上文中に説明したように、ＩＰＭロータについての多層即ち障壁形状が、ロータ１４のセイリエンシー（ｓａｌｉｅｎｃｙ）を改善する。従って、図２のロータ１４の形状には、セイリエンシーを比較的高くし、機械トルク密度を改善し、特定のトルク又はワット数に対する磁気材料容積が小さくて済むという要件になるという利点がある。磁気材料容積が小さくてよいという要件になると、モータの全体としての費用が低減し、更に、高磁束ＰＭ機械と関連した問題点、例えば、短絡や開路故障、及び永久磁界の存在によるスピン損（渦電流誘導損）等の問題点を緩和する。更に、多障壁ロータ形状には、車輛推進の用途で、広く一定の出力範囲で好ましいトルク−速度曲線が得られるという利点がある。この多層設計は、図２に示すように全ての層２４に磁気材料を有してもよく、又は一つ又はそれ以上の層に磁気材料を有すると同時にその他の層には磁気材料が設けられていないようにしてもよい。特定の設計は、磁束の要件、磁気材料の種類、及びセイリエンシーの要件で決まる。これらの有利な特性にも拘わらず、多層設計は、全ての磁石層２４、特に層２４の領域２６を磁化するのが困難であるため、製造が困難である。
【００１４】
図３及び図４は、多層ロータ１４の中央領域即ち底障壁２８から磁気材料を除去したことを示す。本発明は、磁気材料の磁化が困難な図２に示す領域２６等のロータ１４の領域から磁気材料を除去したものである。図３は、矩形の底障壁２８を示し、図４は延長した底障壁２８を示す。従って、空の底障壁２８と充填された障壁２９との間のブリッジ２２もまた、図４で示されるように変更する。図４の障壁形状は、図３の障壁形状と比較して更に容易に磁化される。しかしながら、図４に示すブリッジには、ロータ１４の回転により発生する遠心力により、更に大きな機械的応力が加わる。図４の障壁形状で使用される磁気材料の量は、図３の障壁形状と比較して少ない。かくして、図３の障壁形状の同じ空隙磁束（即ちトルク）を維持するため、図４の充填障壁２９の磁力又は磁界強度は、図３の充填障壁２９の磁力又は磁界強度よりも大きくなければならない。充填障壁２９における磁性体粉体（磁性体粉末）の濃度は、図４の形状の方が図３の形状と比較して高い。従って、図４の形状には、ロータ１４の製造中に充填障壁２９内に型成形可能な磁石を注入する最中に、更に高い機械的圧力及び応力が加えられる。
【００１５】
図４の障壁形状におけるトルク変動（コグ）もまた、図３の障壁形状と比較して高い。従って、図４の障壁形状の方が、十分に磁化される可能性が大きいが、一般的には図３の障壁形状の方が好ましい。本発明は、充填障壁２９を磁化するのに使用される磁界を高めるための補助捲線を含むことにより、図３の障壁形状の性能を最適化する。
【００１６】
図３の障壁形状について磁化プロセスを行うため、補助磁化コイル即ち捲線３２を、図５及び図６で示されているように、空障障壁２８に挿入する。補助磁化捲線３２は、磁化ジグ１２が発生する磁界を高め、磁化ジグでは十分に磁化できない磁石障壁２９の内部分の磁化を改善する。補助捲線３２を各空障壁２８にロータ磁極毎に一つずつ挿入する。従って、隣接したコイル（磁極から磁極まで）は極性が逆転する。補助捲線３２は、好ましい実施例では、後磁化プロセス後に取り外される。
【００１７】
図６は、補助捲線の詳細を示す。各補助磁化捲線３２は、一方向戻し側を持つ一つの完全なコイルを含み、コイル３２は、磁束の戻し経路を提供するようにコアに巻き付けてある。磁化プロセスのため、アッセンブリ全体を空キャビティ２８に挿入する。補助捲線３２を、短時間で電流バーストを提供するステータ磁化ジグ源と同様の電源に接続する。後磁化プロセス後、磁化捲線３２を取り外す。
【００１８】
補助捲線３２は、面積が小さいため、アンペア回数がステータ磁化ジグよりも遙に少ない。しかしながら、磁気材料に近接しているため、ロータ１４内の磁気材料の磁化に及ぼされる効果が顕著である。更に、ロータ１４の深部の飽和がロータ周囲近くよりも小さい。従って、アンペア回数の要件が更に小さくなる。
【００１９】
本発明を幾つかの特定の実施例に関して説明したが、当業者は他の形態を容易に適用できるということは理解されよう。従って、本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ制限されるものと考えられるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、永久磁石モータ及び制御装置の概略断面図である。
【図２】図２は、多層内部又は埋設磁石モータ形状の断面図である。
【図３】図３は、空の底障壁を持つ多層内部又は埋設磁石モータの断面図である。
【図４】図４は、空の延長底障壁を持つ多層内部又は埋設磁石モータの断面図である。
【図５】図５は、磁化補助捲線がロータの空の障壁に設けられた多層ロータ形状の断面図である。
【図６】図６は、図５の詳細部分図である。
【符号の説明】
１０  永久磁石モータ
１２  巻回ステータ
１４  永久磁石ロータ
１６  電源−インバータ
２４  障壁
２６  領域
【図１】
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【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６】
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