特許 5961344 永久磁石を備える、磁束収束タイプの同期回転電気機械

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5961344

(24)【登録日】2016年7月1日

(45)【発行日】2016年8月2日

(54)【発明の名称】永久磁石を備える、磁束収束タイプの同期回転電気機械

(51)【国際特許分類】

   H02K 1/27 20060101AFI20160719BHJP

   H02K 1/22 20060101ALI20160719BHJP

【ＦＩ】

   H02K1/27 501A

   H02K1/27 501K

   H02K1/22 A

【請求項の数】8

【外国語出願】

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2011-73939(P2011-73939)

(22)【出願日】2011年3月30日

(65)【公開番号】特開2011-217602(P2011-217602A)

(43)【公開日】2011年10月27日

【審査請求日】2014年2月18日

(31)【優先権主張番号】1052449

(32)【優先日】2010年3月31日

(33)【優先権主張国】FR

(73)【特許権者】

【識別番号】508075579

【氏名又は名称】ヴァレオ エキプマン エレクトリク モトゥール

(74)【代理人】

【識別番号】100060759

【弁理士】

【氏名又は名称】竹沢 荘一

(74)【代理人】

【識別番号】100087893

【弁理士】

【氏名又は名称】中馬 典嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100086726

【弁理士】

【氏名又は名称】森 浩之

(72)【発明者】

【氏名】ジャン・クロード マット

(72)【発明者】

【氏名】ジェローム レグランジェ

【審査官】 田村 耕作

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１１−１９６５５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０４３３９８７４（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２５４６２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−３５４７９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１０４９６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０４６５８１６５（ＵＳ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００８／０７８５８４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０５−３４４６６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０４６１８７９２（ＵＳ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００９／１５３５１１（ＷＯ，Ａ２）

【文献】 特開２０１０−０９４００１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｋ １／２７

Ｈ０２Ｋ １／２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ステータ巻線を有するステータ（１０）とロータ（１１）とを備えている回転電気機械であって、
前記ロータは、磁束収束タイプとして知られている概ね放射状の構造に配置された、複数の永久磁石（ＰＭ）によって形成されている、互い違いの複数のＮ磁極とＳ磁極とを備えており、複数の第１のスロット（Ｅ１）が、前記ロータ（１１）の磁性体に設けられており、この第１のスロット（Ｅ１）の各々は、前記永久磁石（ＰＭ）の１つを受容しており、前記ロータは、前記Ｎ磁極およびＳ磁極の各々において、その磁極を画定している２つの連続する永久磁石（ＰＭ）の間で、その磁極の磁性体内に概ね放射状に設けられた第２のスロット（Ｅ３）を有しており、第２のスロット（Ｅ３）は、前記ロータ（１１）の機械的慣性の低減に関与しており、前記ロータは、Ｎ磁極およびＳ磁極の各々において、前記ロータ（１１）の第２のスロット（Ｅ３）の両側の磁性体間の連絡部を形成している部分（ＢＲ）を有しており、前記永久磁石（ＰＭ）は、前記ロータ（１１）の半径方向の高さ（ｈ_ａ）、前記ロータ（１１）の軸方向の長さ（Ｌ_２５）、およびあらかじめ定められた寸法値の幅（ｌ_ａ）を有する概ね矩形状であって、前記連絡部を形成している部分（ＢＲ）は、前記永久磁石（ＰＭ）の幅（ｌ_ａ）の寸法の約１倍以下の磁性体の高さ（Ｈ）を有し、前記連絡部を形成している部分（ＢＲ）の磁性体の高さ（Ｈ）は、前記ロータ（１１）の磁性体を形成している金属シートパケットの単一の金属シートの厚さの約１倍を超え、前記第２のスロット（Ｅ３）は、前記ロータ（１１）の機械的慣性の低減に関与する上部台形部分（Ｅ３０）、および前記ロータ（１１）の中心部分を通る磁束の磁束弱め制御に関与する下方部分（Ｅ３１）を有していることを特徴とする回転電気機械。

【請求項2】

前記永久磁石（ＰＭ）は、前記ロータ（１１）の半径方向の高さ（ｈ_ａ）、前記ロータ（１１）の軸方向の長さ（Ｌ_２５）、およびあらかじめ定められた寸法値の幅（ｌ_ａ）を有する、概ね矩形形状を呈していること、および前記連絡部を形成している部分（ＢＲ）は、前記永久磁石（ＰＭ）の幅（ｌ_ａ）の寸法値の約１．５倍未満の磁性体長さ（Ｌ）を有していることを特徴とする、請求項１に記載の回転電気機械。

【請求項3】

前記連絡部を形成している部分（ＢＲ）は、前記ロータ（１１）の磁性体を形成している金属シートパケットの単一の金属シートの厚さの約１．５倍を超過する磁性体長さ（Ｌ）を有していることを特徴とする、請求項１又は２に記載の回転電気機械。

【請求項4】

前記連絡部を形成している部分（ＢＲ）は、前記ロータ（１１）の外縁面より奥まって形成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電気機械。

【請求項5】

前記上部部分（Ｅ３０）は、前記連絡部を形成している部分（ＢＲ）に面した短辺を有する、概ね台形を呈していることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電気機械。

【請求項6】

前記第２のスロット（Ｅ３）は、前記Ｎ磁極またはＳ磁極を画定している２つの連続した永久磁石（ＰＭ）間で、中央からずれていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１つに記載の回転電気機械。

【請求項7】

前記ロータ（１１）は、前記第２のスロット（Ｅ３）の各々の両側のそれぞれに、前記ロータ（１１）の慣性の低減に寄与し、かつ磁力線にほぼ並ぶように配置されている少なくとも１つの第３のスロット（Ｅ４）を有していることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の回転電気機械。

【請求項8】

ステータ巻線を有するステータ（１０）とロータ（１１）とを備えている回転電気機械のロータの寸法を定める方法であって、
前記ロータは、磁束収束構造として知られている概ね放射状に配置された複数の永久磁石（ＰＭ）によって形成されている、交互に配置された複数のＮ磁極とＳ磁極とを備えており、複数の第１のスロット（Ｅ１）が、前記ロータ（１１）の磁性体に設けられており、該第１のスロット（Ｅ１）の各々は、前記永久磁石（ＰＭ）の１つを受容しており、前記ロータは、前記Ｎ磁極およびＳ磁極の各々において、その磁極を画定している２つの連続する永久磁石（ＰＭ）の間で、その磁極の磁性体内に概ね放射状に設けられた第２のスロット（Ｅ３）を有しており、この第２のスロット（Ｅ３）は、前記ロータ（１１）の機械的慣性の低減に関与しており、前記ロータは、前記Ｎ磁極およびＳ磁極の各々において、前記ロータ（１１）の、前記第２のスロット（Ｅ３）の両側の磁性体間の連絡部を形成している部分（ＢＲ）を有している方法において、前記連絡部を形成している部分（ＢＲ）は、前記永久磁石（ＰＭ）の幅（ｌ_ａ）の寸法の約１倍以下の磁性体の高さ（Ｈ）を有し、前記連絡部を形成している部分（ＢＲ）の磁性体の高さ（Ｈ）は、前記ロータ（１１）の磁性体を形成している金属シートパケットの単一の金属シートの厚さの約１倍を超え、前記第２のスロット（Ｅ３）は、前記ロータ（１１）の機械的慣性の低減に関与する上部台形部分（Ｅ３０）、および前記ロータ（１１）の中心部分を通る磁束の磁束弱め制御に関与する下方部分（Ｅ３１）を有することを特徴とする方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、永久磁石を備える、磁束収束タイプの同期回転電気機械に関する。より詳細には、本発明は、電気自動車およびハイブリッド自動車の発電機、または電気駆動エンジンなどに適用するための、前記のタイプの同期回転電気機械に関する。

【背景技術】

【0002】

出力、出力／重量比、および出力／体積比に関する性能の改善によって、永久磁石を備える同期エンジンが、今日、自動車の駆動分野において広く用いられている。さらに、希土類永久磁石を大規模に、かつ採算の採れる状態で利用可能であるために、次世代の自動車において、そのような電気エンジンを選択することが可能である。

【0003】

このような電気エンジンは、広範囲の出力および速度を有するように製造することができ、全電気自動車、および「マイルドハイブリッド」および「フルハイブリッド」として知られているタイプの低二酸化炭素ガス排出自動車に応用可能である。

【0004】

「マイルドハイブリッド」への応用には、一般に、およそ８〜１０ｋＷの出力の電気エンジン、例えば熱エンジンの前方に搭載されて、駆動ベルトによって熱エンジンに結合される電気エンジンが該当する。このような電気エンジンにおいては、特に加速時に、トルクの発生を電気的に補助するように補助動力を供給することによって、必要な熱容量を低減させる（エンジンを小型化する）ことが可能である。さらに、この同じ電気エンジンで、例えば都市環境において、低速駆動を行うこともできる。「フルハイブリッド」タイプへの応用には、車両の駆動系に、１つ以上の電気エンジンを、より高度に統合させたシリーズ方式および／またはパラレル方式の構造において、一般に、３０〜５０ｋＷの出力の電気エンジンが該当する。

【0005】

永久磁石を備える公知の種々の同期エンジンのなかで、磁束収束タイプの同期エンジンが、その優れた性能のゆえに、特に関心を持たれている。これらの磁束収束タイプの同期エンジンにおいては、複数の永久磁石が、ロータの磁性体内に埋め込まれており、概ね放射状の構造をなすように配置されている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

自動車において、車両の移動動作の全てにおける駆動に用いられる電気エンジンは、多様な速度状態および充電状態に曝される。高速域を得るための磁束弱め（または弱め磁束）ストラテジー（「界磁弱めストラテジー」とも呼ばれる）によって補完された最大トルク制御ストラテジーが、このような多様な速度状態および充電状態に対する電気エンジンの制御への良好な解決方法であるように思われる。

【0007】

この解決方法を可能にするために、トルクおよび機械的慣性を最適にされた、永久磁石を有する、磁束収束タイプの同期回転電気機械を提供することが望ましい。この同期回転電気機械において、最大の機械的トルクとともに、加速を促進するために最小のロータ慣性が得られるようにする必要がある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の第１の態様は、ステータ巻線を有するステータとロータとを備えている回転電気機械に関する。ロータは、磁束収束タイプとして知られている概ね放射状の構造に配置された、複数の永久磁石によって形成されている、互い違いの複数のＮ磁極とＳ磁極とを備えており、複数の第１のスロットが、ロータの磁性体に設けられており、これらの第１のスロットの各々は、永久磁石の１つを受容している。ロータは、さらに、Ｎ磁極およびＳ磁極の各々において、その磁極を画定している２つの連続する永久磁石の間で、その磁極の磁性体内に概ね放射状に設けられた第２のスロットを有しており、第２のスロットは、ロータの機械的慣性の低減に関与している。ロータは、さらに、Ｎ磁極およびＳ磁極の各々において、ロータの、第２のスロットの両側の磁性体間の連絡部を形成している部分を有しており、永久磁石は、ロータの半径方向の高さ、ロータの軸方向の長さ、およびあらかじめ定められた寸法値の幅を有する、概ね矩形形状を呈している。

【0009】

本発明によれば、連絡部を形成している部分は、永久磁石の幅の寸法値の約１倍以下の磁性体高さを有している。

【0010】

本発明の一特性によれば、連絡部を形成している部分の磁性体高さは、ロータの磁性体を形成している金属シートパケットの単一の金属シートの厚さの約１倍を超えている。

【0011】

本発明のさらなる一特性によれば、連絡部を形成している部分は、永久磁石の幅の寸法の約１．５倍未満の磁性体長さを有している。連絡部を形成している部分の磁性体の長さは、ロータの磁性体を形成している金属シートパケットの単一の金属シートの厚さの約１．５倍を超えていることが好ましい。

【0012】

本発明のさらなる一特性によれば、連絡部を形成している部分は、ロータの外縁面より奥まって形成されている。

【0013】

本発明のさらなる一特性によれば、第２のスロットは、ロータの機械的慣性の低減に関与する上部部分、およびロータの中心部分を通る磁束の磁束弱め制御に関与する下部部分を有している。

【0014】

本発明のさらなる一特性によれば、第２のスロットの上部部分は、連絡部を形成している部分に面した短辺を有する、概ね台形の形状を呈している。

【0015】

本発明のさらなる一特性によれば、第２のスロットは、Ｎ磁極またはＳ磁極を画定している２つの連続した永久磁石間で、中央からずれている。

【0016】

本発明のさらなる一特性によれば、ロータは、第２のスロットの各々の両側のそれぞれに、ロータの慣性の低減に寄与し、かつ磁力線にほぼ並ぶように配置されている少なくとも１個の第３のスロットを有している。

【0017】

第２の態様によれば、本発明は、回転電気機械のロータの寸法を定める、要約すると、次のようなプロセスに関する。すなわち、本発明によれば、連絡部を形成している部分は、回転電気機械によってもたらされる最大機械的トルクと、ロータの最小機械的慣性との間の最適な兼ね合いを得るように、寸法が定められる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】永久磁石を備える、磁束収束タイプの磁束弱め可能な回転電気機械の、本発明による一実施形態の構造を示す概要図である。

【図2】図１の回転電気機械のロータの磁性体に形成されている各スロットを示す図である。

【図3】細片を上端に組み込んだ永久磁石の取り付け構造を示す図である。

【図4】図１の回転電気機械のロータの永久磁石に対する磁束弱め磁気回路の磁気抵抗網を示す図である。

【図5】回転電気機械の動作点を説明するための、永久磁石の磁化曲線の図である。

【図6a】ロータの、スロットＥ３の両側の磁性体間の連絡部を形成している部分の第１の実施例を示す図である。

【図6b】ロータの、スロットＥ３の両側の磁性体間の連絡部を形成している部分の第２の実施例を示す図である。

【図7】図６ａおよび図６ｂの、連絡部を形成している部分の高さＨの関数としての、回転電気機械のトルク曲線の図である。

【図8】図６ａおよび図６ｂの、連絡部を形成している部分の高さＨの関数としての、ロータの慣性曲線の図である。

【図9】図６ａおよび図６ｂの、連絡部を形成している部分の長さＬの関数としての、回転電気機械のトルク曲線の図である。

【図10】図６ａおよび図６ｂの、連絡部を形成している部分の長さＬの関数としての、ロータの慣性曲線の図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

添付図面を参照して、いくつかの実施形態に関する以下の説明を読むことによって、本発明の他の特性および利点が明らかになると思う。

【0020】

図１は、本発明による磁束弱め可能な回転電気機械の特定の一実施形態の構造を示している。この回転電気機械は、永久磁石が埋め込まれた、磁束収束タイプの回転電気機械であり、ステータ１０およびロータ１１を備えている。

【0021】

本発明による回転電気機械の一例は、例えば「マイルドハイブリッド」として知られているタイプの自動車に応用される、８〜１０ｋＷの出力の駆動エンジンである。この特定の一実施形態によれば、駆動エンジンは、６０個のリセス１０１を有するステータ１０と、総計１０個の交互に配置されたＮ極とＳ極とを有するロータ１１とを備えている。ロータ１１は、約１００ｍｍの直径、および約５０ｍｍの軸方向の長さを有している。ロータ１１は、長さ（Ｌ₂₅）×高さ（ｈ_a）×幅（ｌ_a）＝５０ｍｍ×２５ｍｍ×５ｍｍの寸法を有する、概ね矩形形状の１０個の永久磁石ＰＭを備えている。

【0022】

ステータ１０およびロータ１１は、従来どおりに、磁性体を形成している金属シートパケットを備えている。

【0023】

ステータ１０のリセス１０１は、ステータ巻線（図示せず）を受容するために設けられており、隣接し合う２つのリセス１０１間には、ステータの歯が形成されている。リセス１０１は、実施形態に応じて、大きな歯上に巻かれる集中巻線、または分布巻線を受容するように形成されている。

【0024】

ロータ１１は、多重に細裂したシリンダ状の全体形状を呈しており、各細裂部は、ロータの１つの磁極に相当している。

【0025】

磁束収束タイプのロータ構造が得られるように、永久磁石ＰＭは放射状に配置されている。いくつかの実施形態において、永久磁石ＰＭを、ロータ１１の半径方向に関して、わずかにアンバランスに配置してもよい。永久磁石ＰＭは、ネオジム・鉄・ボロン（ＮｄＦｅＢ）系、サマリウム・鉄（ＳｍＦｅ）系、またはサマリウム・コバルト（ＳｍＣｏ）系などの希土類永久磁石、または焼結フェライトまたは接合フェライトから得られる永久磁石であることが好ましい。

【0026】

ロータ１１の面端は開口しており、駆動シャフトＡを受けるようになっている中心孔を有している。本発明においては、駆動シャフトＡは、想定される応用に応じて、磁性体で作られていても、非磁性体で作られていてもよい。

【0027】

ロータ１１は、さらに、磁極毎に反復して形成されており、概ねロータの全長にわたって軸方向に延びるスロットＥ１、Ｅ２、Ｅ３を有している。

【0028】

ロータ１１の組み立てに寄与するように、スロットＥ１、Ｅ２、Ｅ３の形成されていない最後の金属シートを、ロータ１１の両面端に設けてもよい。ロータ１１の組み立てのために、さらに、金属シートパケットの端部にはんだ付け点（図示せず）が、また中心孔と平行に貫通連接棒（図示せず）が設けられている。貫通連接棒は、応用例に応じて、磁性体で作られている場合もあるし、非磁性体で作られている場合もある。ロータ１１の金属シートパケットを貫通する貫通連接棒の通路として、スロットＥ３を用いることができると有利である。

【0029】

この特定の実施形態においては、スロットＥ１、Ｅ２、Ｅ３は、各々１０個である。この数は、ロータ１１の磁極の数Ｎ＝１０と一致している。

【0030】

次に、図２および図３も参照して、スロットＥ１、Ｅ２、Ｅ３について、詳細に説明する。

【0031】

スロットＥ１は、永久磁石ＰＭのための、概ね長方形の受け部を形成している。スロットＥ１は、永久磁石ＰＭによって完全には占められておらず、ロータ１１の磁性体および永久磁石ＰＭ内の磁束の通路を制御するために、磁気抵抗および磁気障壁の機能を果たす、空いて残された部分を有している。

【0032】

スロットＥ１は、リセスＥ１０を介して、ロータ１１の外縁で開口している。リセスＥ１０は、ロータ１１の全長にわたって軸方向に延びており、したがって、隣接し合う２つの磁極を空間的に隔てている。したがって、隣接し合う２つの磁極に、それぞれ第１および第２の先端部Ｂ１、Ｂ２が形成されている。第１の先端部Ｂ１と第２の先端部Ｂ２とは、対向し合っており、永久磁石ＰＭに及ぼされる遠心力の作用に対抗して、永久磁石ＰＭを、その受け部に保持するように作られている。

【0033】

さらに、磁気抵抗空間Ｅ１１が、永久磁石ＰＭの上面と先端部Ｂ１、Ｂ２の下面との間に設けられている。この磁気抵抗空間Ｅ１１は、スロットＥ１のうちの、永久磁石ＰＭによって占められていない空き空間である。

【0034】

図３は、先端部Ｂ１およびＢ２の内部への、永久磁石ＰＭの実装状態の詳細を示している。図３におけるこの実装状態は、細片ＬＭが設けられている、特定の一実施形態に対応している。

【0035】

細片ＬＭは、永久磁石ＰＭの上面と、先端部Ｂ１、Ｂ２の下面との間に配置されている。細片ＬＭは、例えばガラス繊維樹脂中にエポキシ樹脂が充填されているタイプの充填プラスチック、複合材料、または変形可能な非磁性金属材料で作られている。この細片ＬＭは、永久磁石ＰＭの上面および先端部Ｂ１、Ｂ２に及ぼされる機械的作用を分散させ、また永久磁石ＰＭのいかなる変位も、変形によって吸収する機能を有している。本発明の発明者によってなされた試験において、永久磁石ＰＭに加えられる遠心力は、相当に大きくなることが示された。回転電気機械が超高回転速度に達すると、遠心力の効果によって、永久磁石ＰＭは、ロータ１１の回転軸（駆動シャフト）から遠ざかろうとし、先端部Ｂ１、Ｂ２は、ロータ１１の外部に向かって変形する危険性が生じる。細片ＬＭは、機械的応力の、先端部Ｂ１、Ｂ２間へのより良好な分散に寄与し、また永久磁石ＰＭのいかなる変位も、変形によって吸収し、それによって、永久磁石ＰＭの破損および／または先端部Ｂ１、Ｂ２の変形の危険性を減少させる。上述の試験において、このような機能を十分に果たすためには、細片ＬＭは、少なくとも０．１ｍｍの厚さを有することが望ましいことが示されている。

【0036】

本発明によれば、先端部Ｂ１、Ｂ２の下面は、永久磁石ＰＭの上面に相対的に傾斜角αで傾斜している。応用例に応じて、例えばα＝０．１〜１５°の範囲の角度を有する面取りを行うことによって、この傾斜を得ることができる。

【0037】

図３に示すように、傾斜角αを有するこの面取りに関連して、半径Ｒの丸み付けによって、機械的な補強を行うことが好ましい。この丸み付けは、先端部Ｂ１、Ｂ２の面取りされた下面と、永久磁石ＰＭの受け部の内壁を形成している、概ね半径方向に延びている対応する面との間でなされている。半径Ｒは、先端部Ｂ１、Ｂ２の深さＬ_Bの０．２〜０．９倍の範囲の値を有することが好ましい。例えば半径Ｒは、約０．５〜約１．５ｍｍの範囲の値を有する。図３に示すように、この実施形態においては、永久磁石ＰＭの端部と、半径Ｒの丸み付け部とが接触しないように、永久磁石ＰＭの上部に、面取り部ＣＦまたはその均等物（丸み付け部）が形成されている。用語「面取り」は、丸み付けなどの均等物も包含するから、以下の説明および請求項においては、面取り部ＣＦという言い方のみが用いられる。

【0038】

本発明の発明者によってなされた試験において、本発明が適用される種類の回転電気機械においては、０〜２００００ｒｐｍの回転速度範囲において生じる遠心力に対して、上述の範囲の傾斜角αおよび半径Ｒで、最適な耐性が得られ、満足な結果が生じることが示された。

【0039】

細片ＬＭは、機械的な力を、２つの先端部Ｂ１、Ｂ２に分散させ、またその厚さが十分に厚ければ、永久磁石ＰＭの端部の面取りが不必要になる場合もある。

【0040】

リセスＥ１０および磁気抵抗空間Ｅ１１によって生み出される磁気抵抗によって、また後述する、永久磁石ＰＭに生じる分極へのそれらの関与によって、端部における永久磁石ＰＭの局所的減磁（消磁を含む）が防止されることに留意されたい。

【0041】

図２に、より詳細に示すように、スロットＥ１は、ロータ１１の駆動シャフトの近傍の底部分に、磁気抵抗空間Ｅ１２を有している。磁気抵抗空間Ｅ１２は、この実施形態においては、永久磁石ＰＭによって占められずに空いていて、空気で満たされており、磁気抵抗を生み出すことによって、永久磁石ＰＭの局所的減磁を阻止している。

【0042】

スロットＥ２は、本質的に、ロータの中心部分を通る磁束、言い換えると、永久磁石ＰＭの底部とロータの駆動シャフトＡとの間の磁性体内の磁束の磁束弱め制御を行うための磁気抵抗および磁気障壁の機能を有している。これらのスロットＥ２は、この特定の実施形態においては、空気で満たされていることに注意されたい。応用例によっては、磁性材料、または低比透磁率を有する非磁性材料で、スロットＥ２が満たされる場合がある。

【0043】

スロットＥ３は、いくつかの機能を果たす。概括的に言うと、それらの機能は、本質的に、スロットＥ２と同様の、ロータの中心部分を通る磁束の磁束弱め制御、およびロータ１１の慣性の低減に寄与することである。この実施形態において、リセスＥ１０、磁気抵抗空間Ｅ１１、Ｅ１２、およびスロットＥ２と同様に、これらのスロットＥ３は、空気で満たされている。応用に応じて、低密度ではあるが、非磁性材料または磁性材料で、これらのスロットＥ３を満たす場合がある。

【0044】

この例においては、スロットＥ３は、連続する２つの永久磁石ＰＭの間の中央に、かつ対称的な形状を呈し、ロータ１１内に放射状に配置されているように示されているが、本発明の別の実施形態においては、スロットＥ３は、特にその上部において、永久磁石ＰＭの間の中央に配置されていなくてもよく、また対称的な形状を呈していなくてもよいことに留意されたい。

【0045】

図２に詳細に示すように、符号Ｅ４を付されている別のスロットが、各磁極において、スロットＥ３の両側部に配置されている。スロットＥ４は、ロータ１１の慣性の低減に寄与し、かつ永久磁石ＰＭの磁束の通過を可能な限り妨害しないように、スロットＥ４間の磁力線に並ぶように配置されている。この実施形態においては、スロットＥ４は、スロットＥ３の各側方に２個ずつ存在する。より一般的には、スロットＥ４の数は、応用および利用可能領域に応じて変更することができる。スロットＥ４の数は、例えば１〜８個の範囲で変更することができるが、本発明のおいて、２個または３個が妥当である。

【0046】

さらに、金属シートを切るための実務的基準として、金属シートの厚さの、場合に応じて１〜２倍の材料幅が必要であることに注意されたい。このことは、言い換えると、例えばロータの隣接し合う２個のスロット間、またはスロットとロータの外縁との間に、単一の金属シートの厚さの少なくとも１〜２倍の材料幅がなければならないということを意味する。したがって、例えば厚さ０．３５ｍｍの金属シートの場合には、残されるべき最小材料幅は、０．３５〜０．７ｍｍの範囲にある。

【0047】

この実施形態においては、スロットＥ３は、上部台形部分Ｅ３０および下部部分Ｅ３１を有している。概括的に言うと、上部台形部分Ｅ３０は、ロータ１１の慣性を低減させることができる。しかしながら、上部台形部分Ｅ３０は、アーマチュアの磁気反応に影響を与える。したがって、上部台形部分Ｅ３０を、アーマチュアの制御に関与するような大きさにすることもできる。下部部分Ｅ３１は、スロットＥ３のうちの、ロータ１１の中心部分を通る磁束の磁束弱め制御に関与する部分である。下部部分Ｅ３１は、磁気抵抗空間Ｅ１２およびスロットＥ２と共同で、ロータ１１の中心部分における磁力線の通過を制御することができる。

【0048】

本発明によれば、各磁極における磁力線の分散に関する研究から、下部部分Ｅ３１およびスロットＥ２を定めることによって、最適の規模を有する磁束弱め磁気回路を得ることができる。この磁束弱め磁気回路は、ステータ巻線に短絡状態が出現した際に、永久磁石ＰＭを囲むように磁束を通過させるような規模、すなわち、高速時に、永久磁石による磁束を打ち消すように、短絡電流に等しい最大電流がステータ巻線に注入されるような規模でなければならない。

【0049】

しかしながら、この磁束弱め磁気回路において、永久磁石ＰＭの不可逆的な減磁を生じ得る、あまりにも大きな減磁場が永久磁石ＰＭに出現することは防止されなければならない。したがって、永久磁石ＰＭの適切な分極が得られるように、磁束弱め磁気回路を計算しなければならない。

【0050】

ステータ巻線が短絡状態にあるときの、永久磁石ＰＭの周囲の等価磁気回路が、図４に示されている。

【0051】

ステータ巻線が短絡状態にある場合には、永久磁石ＰＭの磁力線ＬＣ（図２に示されている）は、回転電気機械のステータを通過しない。したがって、これらの磁力線ＬＣは、永久磁石ＰＭの周囲に形成されている磁気回路の高い磁気抵抗Ｒ_h、および低い磁気抵抗Ｒ_b1およびＲ_b2によって閉じ込められる。

【0052】

高い磁気抵抗Ｒ_hは、先端部Ｂ１、Ｂ２、およびリセスＥ１０を通る磁力線ＬＣの通路の磁気抵抗である。低い磁気抵抗Ｒ_b1は、隣接し合う２つの磁極にわたって、永久磁石ＰＭの底部の両側のスロットＥ２を通る磁力線ＬＣの通路の磁気抵抗である。低い磁気抵抗Ｒ_b2は、隣接し合う２つの磁極にわたって、スロットＥ２とスロットＥ１の対向端との間の鉄の狭窄部Ｓを通る磁力線ＬＣの通路の磁気抵抗である。

【0053】

先端部Ｂ１、Ｂ２によって形成されている狭窄部、および狭窄部Ｓは、いずれも飽和モードで機能する。

【0054】

図４に示すように、この等価磁気回路は、内部磁気抵抗Ｒ_aおよび磁気抵抗Ｒ_fに直列に接続された起磁力源Ｆ.Ｍ.Ｍを有している。磁気抵抗Ｒ_fは、並列に接続された３つの磁気抵抗Ｒ_h、Ｒ_b1、Ｒ_b2から成る回路に概ね等価な総合磁束弱め回路の磁気抵抗である。

【0055】

次に、図５も参照しながら、ステータ巻線が短絡状態にあるときの永久磁石ＰＭの機能について説明する。

【0056】

例えばＮｄＦｅＢ系の近年の永久磁石においては、磁化曲線は、図５に示すように、概ね直線形状を呈している。この直線は、次の式によって表わされる。
Ｂ_a＝μ_a・Ｈ_a＋Ｂ_r （１）
この式において、Ｂ_aは、永久磁石ＰＭの磁気誘導（磁束密度）であり、Ｈ_aは、永久磁石ＰＭに印加される磁界であり、Ｂ_rは、永久磁石ＰＭの残留磁気誘導であり、μ_aは、永久磁石ＰＭの透磁率である。

【0057】

本発明の発明者によってなされた試験において、永久磁石ＰＭの不可逆的な減磁を避けるためには、動作点Ｐを、次の式を満たすように定めることが望ましいことが示された。
Ｂ_a＝Ｂ_r／λ （２）
この式において、λは、最小値λ_minと最大値λ_maxとの間の値を有する定数である。最小値λ_minおよび最大値λ_maxは、ＮｄＦｅＢ系の永久磁石ＰＭの場合には、次のように定められる。
λ_min＝１．７
λ_max＝２．５

【0058】

より一般的には、λは、永久磁石のタイプに応じて、１．３〜４の範囲の値を有する。

【0059】

λ＝２に近い値が、ステータ巻線が短絡状態にあるときの永久磁石ＰＭに対して、最も妥当であるように思われる。

【0060】

説明を簡単にするために、永久磁石ＰＭの透磁率μ_aは、真空の絶対透磁率μ₀＝４π・１０^-7Ｈ／ｍにほぼ等しいと仮定する。

【0061】

永久磁石ＰＭのような矩形形状の磁石の内部磁気抵抗は、近似的に次の式によって与えられる。
Ｒ_a＝ｌ_a／（μ₀・ｈ_a・Ｌ₂₅） （３）
この式において、図２に示すように、ｌ_a、ｈ_a、Ｌ₂₅は、それぞれ永久磁石ＰＭの幅、高さ、長さである。

【0062】

永久磁石ＰＭの究極の消磁を発生させる（磁気誘導を０にする）保磁力Ｈ_cは、第一近似として、次のように与えられる。
Ｈ_c＝Ｂ_r／μ_a （４）

【0063】

永久磁石ＰＭによって生じる磁束φ_aは、磁気誘導と断面積との積によって、すなわち次の式によって与えられる。
φ_a＝Ｂ_a・Ｌ₂₅・ｈ_a （５）

【0064】

磁束φ_aは、次の比からも与えられる。
φ_a＝ＦＭＭ／（Ｒ_a＋Ｒ_f） （６）

【0065】

永久磁石ＰＭの起磁力ＦＭＭは、第一近似として、次のように与えられる。
ＦＭＭ＝Ｂ_r・ｌ_a／μ_a （７）

【0066】

式（５）、（６）、（７）から、次の式が得られる。
Ｂ_a・Ｌ₂₅・ｈ_a＝（Ｂ_r・ｌ_a／μ_a）／（Ｒ_a＋Ｒ_f） （８）

【0067】

式（８）から、次の式が得られる。
Ｒ_a＋Ｒ_f＝〔ｌ_a／（μ_a・Ｌ₂₅・ｈ_a）〕（Ｂ_r／Ｂ_a） （９）

【0068】

式（２）および式（３）を式（９）に代入することによって次の式が得られる。
Ｒ_a＋Ｒ_f＝Ｒ_a・λ （１０）

【0069】

この式から、次の比が得られる。
Ｒ_f／Ｒ_a＝λ−１ （１１）

【0070】

λは、最小値λ_minと最大値λ_maxとの間になければならないから、次の不等式が得られる。
λ_min−１≦Ｒ_f／Ｒ_a≦λ_max−１ （１２）

【0071】

λ_min＝１．７およびλ_max＝２．５であるＮｄＦｅＢ系の永久磁石ＰＭの場合には、次の不等式が得られる。
０．７≦Ｒ_f／Ｒ_a≦１．５ （１３）

【0072】

より一般的には、永久磁石のタイプに応じて、次の不等式が得られる。
０．３≦Ｒ_f／Ｒ_a≦３ （１４）

【0073】

λ＝２に対応するＲ_f／Ｒ_a＝１を選択することが好ましい。

【0074】

本発明によれば、永久磁石の各タイプに対して、最小値λ_minおよび最大値λ_maxを決定することができる。したがって、回転電気機械のために選択された永久磁石ＰＭの内部磁気抵抗Ｒ_aがわかれば、不等式（１２）から、総合磁束弱め回路の磁気抵抗Ｒ_fを決定することができる。総合磁束弱め回路の磁気抵抗Ｒ_fの値が決定されると、所望の性能を得るように、総合磁束弱め回路の磁気抵抗Ｒ_fの、磁気抵抗Ｒ_h、Ｒ_b1、Ｒ_b2間への分配を最適化することができる。

【0075】

次に、図６ａ、図６ｂ、図７〜１０を参照して、ロータ１１の、スロットＥ３の両側の磁性体の連絡部を形成している部分ＢＲ（以下、単に連絡部分ＢＲと呼ぶ）の最適化について説明する。

【0076】

本発明の発明者によってなされた試験によって、この連絡部分ＢＲにおける、ロータの金属シートパケットの寸法が、一方では、ロータ１１の慣性モーメントを低減させるために、他方では、回転電気機械に求められる最大トルクを得ることを確実にするために重要であることが示された。

【0077】

相異なる２つの実施形態を表わしている図６ａおよび図６ｂに示すように、連絡部分ＢＲの寸法は、その高さＨおよび長さＬによって定められる。

【0078】

このような連絡部分ＢＲは、ロータ１１の機械抵抗のために必要である。図６ａおよび図６ｂの実施形態においては、スロットＥ３が、ロータ１１の外縁面のいずれの点においても開口しないように、連絡部分ＢＲは、ロータ１１の軸方向の全長にわたって連続している。図６ｂの実施形態においては、連絡部分ＢＲは、ロータの外縁面から奥まっており、連絡部分ＢＲの領域で、ステータ１０とロータ１１との間に、より広いギャップが得られている。本発明の図示しない実施形態において、例えば２つに１つの金属シートにおいて、スロットＥ３を、ロータ１１の外縁面で外部に開口させることにより、連絡部分ＢＲを不連続にすることができる。

【0079】

連絡部分ＢＲが奥まっている図６ｂの実施形態、および不連続な連絡部分ＢＲを有する上述の実施形態は、起磁力の高調波成分を減少させることによって鉄損を低減させるために、いくつかの応用例において関心を引くものになり得ることに注意されたい。上述の実施形態において、図１、図６ａ、図６ｂに示されている、ロータ１１とステータ１０との間の各ギャップも、起磁力の高調波成分の低減、したがって鉄損の低減に寄与する。

【0080】

連絡部分ＢＲの高さＨの関数としての、トルクＣおよび慣性Ｉの曲線を表わしている図７および図８に示すように、本発明の発明者によってなされた試験によって、永久磁石ＰＭの幅ｌ_aのほぼ１倍（１×ｌ_a）未満にとどまらなければならない、連絡部分ＢＲの高さＨにおいて、最大トルク（Ｃ_max）と最小慣性（Ｉ_min）との良好な兼ね合いが得られることが判明した。

【0081】

図７に示すように、最大トルク（Ｃ_max）は、（１×ｌ_a）の高さＨにおいて得られている。さらに、図８も参照すると、高さＨを、（１×ｌ_a）を超えて増やしていくと、トルクの上昇を伴うことなく、慣性Ｉが増加するだけであることが明らかである。

【0082】

実務的な面において、上述の説明における、金属シートを切るための基準を考慮すると、連絡部分ＢＲの高さＨは、単一の金属シートの厚さのおよそ１倍と、永久磁石の幅ｌ_aのおよそ１倍との間にある。したがって、例えば金属シートの厚さが０．３５ｍｍであり、永久磁石の幅が５ｍｍである場合には、本発明による連絡部分ＢＲの高さは、約０．３５〜約５ｍｍの範囲にある。

【0083】

図９および図１０は、連絡部分ＢＲの長さＬの関数としての、トルクＣおよび慣性Ｉの曲線を示している。本発明の発明者によってなされた試験によって、最大トルクと最小慣性との間の性能の最良の兼ね合いが、永久磁石ＰＭの幅ｌ_aの約１．５倍（１．５×ｌ_a）未満の、連絡部分ＢＲの長さＬにおいて得られることが示された。実務的な面において、連絡部分ＢＲがとり得る最小の長さＬは、金属シートの厚さの約１．５倍、すなわち、金属シートの厚さが０．３５ｍｍの場合には、約０．５２０ｍｍになる。

【0084】

本明細書においては、特定の実施形態に関連付けて、本発明を説明している。本発明は、電気自動車およびハイブリッド自動車のための、電気駆動エンジンに特に好ましく適用しうる。しかしながら、本発明は、自動車分野以外の分野にも適用しうることは明白である。

【符号の説明】

【0085】

１０ ステータ
１１ ロータ
１０１、Ｅ１０ リセス
Ａ 駆動シャフト
Ｂ１、Ｂ２ 先端部
ＢＲ 連絡部を形成している部分
ＣＦ 面取り部
Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４ スロット
Ｅ１１、Ｅ１２ 磁気抵抗空間
Ｅ３０ 上部台形部分
Ｅ３１ 下方部分
Ｆ.Ｍ.Ｍ 起磁力源
ｈ_a、Ｈ 高さ
ｌ_a 幅
Ｌ 長さ
Ｌ_B 深さ
ＬＣ 磁力線
Ｐ 動作点
ＰＭ 永久磁石
Ｒ 半径
Ｒ_a 内部磁気抵抗
Ｒ_b1、Ｒ_b2、Ｒ_f、Ｒ_h 磁気抵抗
Ｓ 狭窄部
α 傾斜角

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6a】

【図6b】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】