特開 2022-89181 電気機械のロータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022089181

(43)【公開日】2022-06-15

(54)【発明の名称】電気機械のロータ

(51)【国際特許分類】

   H02K 1/22 20060101AFI20220608BHJP

   H02K 1/276 20220101ALI20220608BHJP

【ＦＩ】

H02K1/22 A

H02K1/276

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2021196062

(22)【出願日】2021-12-02

(31)【優先権主張番号】10 2020 215 316.7

(32)【優先日】2020-12-03

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(71)【出願人】

【識別番号】521219051

【氏名又は名称】ヴァレオ、シーメンス、イーオートモーティブ、ジャーマニー、ゲーエムベーハー

【氏名又は名称原語表記】ＶＡＬＥＯ ＳＩＥＭＥＮＳ ＥＡＵＴＯＭＯＴＩＶＥ ＧＥＲＭＡＮＹ ＧＭＢＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100091487

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 行孝

(74)【代理人】

【識別番号】100120031

【弁理士】

【氏名又は名称】宮嶋 学

(74)【代理人】

【識別番号】100127465

【弁理士】

【氏名又は名称】堀田 幸裕

(74)【代理人】

【識別番号】100150717

【弁理士】

【氏名又は名称】山下 和也

(72)【発明者】

【氏名】ボリス、ドッツ

(72)【発明者】

【氏名】クリスティアン、フィンガー－アルベルト

【テーマコード（参考）】

5H601

5H622

【Ｆターム（参考）】

5H601AA22

5H601CC05

5H601CC15

5H601DD01

5H601DD09

5H601DD11

5H601DD21

5H601DD47

5H601EE18

5H601FF02

5H601FF04

5H601FF05

5H601FF17

5H601GA02

5H601GA13

5H601GA24

5H601GA32

5H601GA39

5H601GC12

5H601JJ10

5H622AA02

5H622CA02

5H622CA07

5H622CA10

5H622CB04

5H622CB05

5H622PP10

(57)【要約】      （修正有）

【課題】電気機械の動作中のトルク変動を低減し、他方では、単純なデータ転送およびロータ若しくはロータ積層コアの単純な製造が可能になるロータを提供する。
【解決手段】複数のセクタに分割されたロータ積層コア６を含む電気機械用のロータが説明されている。各セクタには、セクタを２つの半セクタに区画する対称面Ｃに対してＶ字形状に対称に位置付けられた２つの永久磁石を有する永久磁石アセンブリが配置されている。ロータ積層コア６の外輪郭Ｅは、対称面Ｃに対して対称に各セクタ内で延び、１つの半セクタにおいて、同じ数の異なる中心点を有する少なくとも３つの異なる半径によって形成されている。本発明はまた、このようなロータを有する電気機械、およびこのような電気機械を有する車両に関している。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電気機械（１）用のロータ（３）であって、複数のセクタ（Ｂ）に分割されたロータ積層コア（６）を備え、各セクタには、前記ロータ（３）の回転軸（Ａ）から見て、前記セクタ（Ｂ）を２つの半セクタ（Ｄ、Ｄ’）に区画する対称面（Ｃ）に対してＶ字形状に対称に位置付けられた２つの第１永久磁石（１３ａ、１３ｂ）を含む永久磁石アセンブリが配置され、前記ロータ積層コア（６）の外輪郭（Ｅ）が前記対称面（Ｃ）に対して対称に各セクタ（Ｂ）内で延び、前記ロータ積層コア（６）の前記外輪郭（Ｅ）は、前記半セクタ（Ｄ、Ｄ’）のうちの１つの半セクタ（Ｄ、Ｄ’）において、同じ数の異なる中心点を有する少なくとも３つの異なる半径によって形成されている、
ロータ（３）。

【請求項2】

前記ロータ積層コア（２）の前記外輪郭（Ｅ）は、前記半セクタ（Ｄ、Ｄ’）のうちの１つの半セクタ（Ｄ、Ｄ’）において、３つの異なる中心点を有するまさに３つの異なる半径によって形成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載のロータ（３）。

【請求項3】

前記半径は、前記対称面（Ｃ）を起点に、反時計回りに第１の半径から第３の半径まで連続して配置されており、
－前記第１の半径は、基準長さの７１．５％であり、
－前記第２の半径は、前記基準長さの５０％であり、
－前記第３の半径は、前記基準長の７４．４％である、
ことを特徴とする請求項２に記載のロータ（３）。

【請求項4】

前記半径の中心点を、反時計回りに０°である前記対称面（Ｃ）を起点とした極座標で規定し、前記極座標を、「半径／角度」の形式で規定し、前記半径を、前記基準長さに対する割合で規定した場合、
－前記第１の半径は、５．７３％／－１２．１７°の前記中心点を有し、
－前記第２の半径は、２９．１０％／１１．７０°の前記中心点を有し、
－前記第３の半径は、４．２５％／３０．００°の前記中心点を有している、
ことを特徴とする請求項３に記載のロータ（３）。

【請求項5】

前記ロータ積層コア（６）の前記外輪郭は、前記半セクタ（Ｄ、Ｄ’）のうちの１つの半セクタ（Ｄ、Ｄ’）において、４つの異なる中心点を有するまさに４つの異なる半径によって、形成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載のロータ（３）。

【請求項6】

前記半径は、前記対称面（Ｃ）を起点に、反時計回りに第１の半径から第４の半径まで連続して配置されており、
－前記第１の半径は、基準長さの７１．５％であり、
－前記第２の半径は、前記基準長さの１００％であり、
－前記第３の半径は、前記基準長の５０％であり、
－前記第４の半径は、前記基準長の７４．４％である、
ことを特徴とする請求項５に記載のロータ（３）。

【請求項7】

前記半径の中心点を、反時計回りに０°である前記対称面（Ｃ）を起点とした極座標で規定し、前記極座標を、「半径／角度」の形式で規定し、前記半径を、前記基準長さに対する割合で規定した場合、
－前記第１の半径は、７．７０％／０．００°の前記中心点を有し、
－前記第２の半径は、２１．０５％／１９３．１８°の前記中心点を有し、
－前記第３の半径は、２９．１０％／１１．７０°の前記中心点を有し、
－前記第４の半径は、４．２５％／２９．５８°の前記中心点を有している、
ことを特徴とする請求項６に記載のロータ（３）。

【請求項8】

前記永久磁石アセンブリは、前記ロータ（３）の前記回転軸（Ａ）から見て、前記セクタ（Ｂ）を２つの半セクタ（Ｄ、Ｄ’）に区画する前記対称面（Ｃ）に対してＶ字形状に対称に位置付けられた２つの第２永久磁石（１４ａ、１４ｂ）を更に含む、
ことを特徴とする請求項１～７のいずれか一項に記載のロータ（３）。

【請求項9】

請求項１～８のいずれか一項に記載のロータ（３）によって特徴付けられた、ステータ（５）を備えた電気機械（１）であって、前記ロータ（３）が、前記ロータ（３）の前記回転軸（Ａ）を中心に前記ステータ（５）に対して回転可能になるように取り付けられている、電気機械（１）。

【請求項10】

少なくとも２つの車軸を備え、そのうちの少なくとも１つが駆動される車両（１７）であって、前記駆動動作が、請求項９に記載の前記電気機械（１）によって少なくとも部分的または一時的に行われる、
ことを特徴とする車両（１７）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気機械用のロータに関するものであり、このロータは、複数のセクタに分割されたロータ積層コアを含み、各セクタには、ロータの回転軸から見て、セクタを２つの半セクタに区画する対称面に対してＶ字形状に対称に位置付けられた２つの第１永久磁石を含む永久磁石アセンブリが配置されている。ロータの積層コアの外輪郭は、対称面に対して対称に各セクタ内で延びている。更に、このようなロータを備えた電気機械、および、このような電気機械を備えた車両について説明する。

【背景技術】

【0002】

ロータに設けられた永久磁石の配置により、電気機械の運転中に望ましくないトルク変動が発生する。これは、ロータとステータとの間のエアギャップを周方向で変化させることによって低減することができる。ここで不利なことは、このようにして作られた外輪郭は、数学計算の結果であり、比較的複雑な形状をしていることである。この複雑さは、一方ではデータ転送に関する問題を発生させ、他方ではロータの製造に関する問題を発生させる。特に、さまざまなソフトウェアプラットフォーム間の互換性の問題や、開発部門と製造ラインの間のデータ転送に関する誤解は、製造エラーの原因となり得る。また、全ての機械が、コンピュータで制御された機械であっても、複雑な形状を製造することができるわけではない。結局のところ、不足していることは、ロータ若しくはロータ積層コアの外輪郭を単純に記述することであり、これにより、一方では、電気機械の運転中のトルク変動を低減し、他方では、単純なデータの転送およびロータ若しくはロータ積層コアの単純な製造が可能になる。

【発明の概要】

【0003】

したがって、本発明の目的は、電気機械のための改良されたロータ、改良された電気機械、およびそのような電気機械を備えた改良された車両を提供することである。特に、ロータ若しくはロータ積層コアの外輪郭の単純な記述が規定され、これにより、一方では、電気機械の動作中のトルク変動を低減し、他方では、単純なデータ転送およびロータ若しくはロータ積層コアの単純な製造が可能になる。

【0004】

本発明の目的は、電気機械用のロータであって、複数のセクタに分割されたロータ積層コアを備え、各セクタには、ロータの回転軸から見て、セクタを２つの半セクタに区画する対称面に対してＶ字形状に対称に位置付けられた２つの第１永久磁石を含む永久磁石アセンブリが配置され、ロータ積層コアの外輪郭は、対称面に対して対称に各セクタ内で延び、ロータ積層コアの外輪郭は、半セクタのうちの１つの半セクタにおいて、同じ数の異なる中心点を有する少なくとも３つの異なる半径によって形成されているロータによって達成される。

【0005】

本発明の目的は、ステータと、ロータの回転軸を中心にステータに対して回転可能になるように取り付けられた上記タイプのロータとを備えた電気機械によっても達成される。

【0006】

最後に、この目的は、少なくとも２つの車軸を備え、そのうちの少なくとも１つが駆動される車両であって、当該駆動動作が、上記電気機械によって少なくとも部分的または一時的に行われる車両によっても達成される。

【0007】

提案された手段により、最初に挙げた欠点を克服することができる。特に、ロータ若しくはロータ積層コアの外輪郭の単純な記述が規定され、これにより、一方では、電気機械の動作中のトルク変動を低減し、他方では、単純なデータ転送およびロータ若しくはロータ積層コアの単純な製造を可能にする。外輪郭は、ここでは、異なる中心点を有する少なくとも３つの半径によって記述される。データ転送に関する技術的な問題や誤解は、言及する外輪郭の複雑でない記述によって回避され、したがって、製造エラーのリスクを排除するか、少なくとも大幅に低減することができる。更に、最も単純な機械の数値制御でも、半径に基づいた輪郭を作成することができる。

【0008】

本発明の有利な変形例では、ロータ積層コアの外輪郭が、半セクタのうちの１つの半セクタにおいて、３つの異なる中心点を有するまさに３つの異なる半径によって形成されている。ロータ若しくはロータ積層コアの外輪郭は、特に少ない半径で規定されている。

【0009】

ここで特に有利には、半径は、対称面を起点に、半時計回りに第１の半径から第３の半径まで連続して配置されており、
－第１の半径は、基準長さの７１．５％であり、
－第２の半径は、基準長さの５０％であり、
－第３の半径は、基準長の７４．４％である。

【0010】

更に特に有利な実施形態では、半径の中心点を、反時計回りに０°である対称面を起点とした極座標で規定し、極座標を、「半径／角度」の形式で規定し、半径を、基準長さに対する割合で規定した場合、
－第１の半径は、５．７３％／－１２．１７°の中心点を有し、
－第２の半径は、２９．１０％／１１．７０°の中心点を有し、
－第３の半径は、４．２５％／３０．００°の中心点を有している。

【0011】

本発明の更に有利な変形例では、ロータ積層コアの外輪郭は、半セクタのうちの１つの半セクタにおいて、４つの異なる中心点を有するまさに４つの異なる半径によって形成されている。このようにして、電気機械の運転中のトルク変動を、ロータ若しくはロータ積層コアの外輪郭の記述を過度に複雑にすることなく、更に良好に低減することができる。

【0012】

ここで特に有利には、半径は、対称面を起点に、反時計回りに第１の半径から第４の半径まで連続して配置されており、
－第１の半径は、基準長さの７１．５％であり、
－第２の半径は、基準長さの１００％であり、
－第３の半径は、基準長の５０％であり、
－第４の半径は、基準長の７４．４％である。

【0013】

更に特に有利な実施形態では、半径の中心点を、反時計回りに０°である対称面を起点とした極座標で規定し、極座標を、「半径／角度」の形式で規定し、半径を、基準長さに対する割合で規定した場合、
－第１の半径は、７．７０％／０．００°の中心点を有し、
－第２の半径は、２１．０５％／１９３．１８°の中心点を有し、
－第３の半径は、２９．１０％／１１．７０°の中心点を有し、
－第４の半径は、４．２５％／２９．５８°の中心点を有している。

【0014】

いずれの場合においても、基準長さは、ロータの所望のサイズに応じて任意に選択することができる。例えば、基準長さとして１００ｍｍを選択した場合、第１の半径の絶対値は、例えば７１．５ｍｍとなる、などである。

【0015】

また、永久磁石アセンブリが、ロータの回転軸から見て、セクタを２つの半セクタに区画する対称面に対してＶ字形状に対称に位置付けられた２つの第２の永久磁石を更に含んでいると有利である。これにより、電気機械の運転中のトルク変動を更に低減することができる。

【0016】

この際、保護の範囲は規定された数値に厳密に限定されるものではなく、特に基準長さの±５％の点、または規定された角度の±５°の許容範囲は、一般的に保護の範囲に含まれるとみなされることに留意すべきである。例えば、第１の半径が公称で基準長さの７１．５％であり、その中心点が７．７０％／０．００°にある場合、特に半径については基準長さの６６．５％から７６．５％の範囲、特に中心点の中心距離については基準長さの２．７％から１２．７％の範囲、特に角度については－５°から＋５°の範囲が保護範囲に含まれる。

【0017】

以上のような本発明の改良・発展は、任意に組み合わせることができる。

【0018】

本発明の例示的な実施形態は、添付の概略図に例示的に示されている。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】図１は、例示的な電気機械の模式的な半断面図である。

【図2】図２は、図１に示したロータの正面図である。

【図3】図３は、図１に示したロータの半セクタの第１実施形態の詳細図である。

【図4】図４は、第２の実施形態における、図１に示したロータの半セクタの詳細図である。

【図5】図５は、本発明による回転体を備えた電気機械を搭載した車両の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

はじめに、異なる実施形態における同一の部品は、同一の参照符号または同一の部品呼称で提供され、場合によっては異なる指標で提供されることを述べておく。この説明に含まれる部品の開示は、それに応じて、同じ参照符号または同じ部品呼称を持つ別の部品に移すこともある。また、例えば「上」、「下」、「後」、「前」、「横」など、説明の中で選択された位置データは、直接説明されて図示された図に関するものであり、位置が変更された場合には、それに応じて新しい位置に移されるべきものである。

【0021】

図１は、電気機械１を模式的に示す半断面図である。電気機械１は、その上に着座したロータ３を有するシャフト２を備えており、シャフト２は、回転軸Ａを中心にステータ５に対して相対的に回転可能になるように、（ローラー）ベアリング４ａ、４ｂによって取り付けられている。この例では、ロータ３は、ロータ積層コア６を形成する複数のロータ積層体（詳細には図示せず）を有している。また、本例のステータ５は、複数のステータ積層体（ここでは詳細に図示せず）を有し、これによりステータ積層コア７が形成されるとともに、ステータ積層コア７に配置されたステータ巻線８が形成されている。具体的には、第１軸受４ａは、前端板９に着座しており、第２軸受４ｂは、後端板１０に着座している。更に、電気機械１は、前端板９と後端板１０とを連結し、ステータ５を受容する（中間の）ハウジング部１１を備えている。この例では、前端板９、後端板１０およびハウジング部１１は、電気機械１のハウジング１２を形成している。

【0022】

図２は、電気機械１のロータ３を正面から見た図である。この例では、ロータ３は、互いに隣接して配置された合計６つのセクタＢに分割することができる。各セクタＢには、（回転軸Ａから見て）対称面Ｃに対してＶ字形状に対称に位置付けられた２つの第１永久磁石１３ａ、１３ｂを有する永久磁石アセンブリが配置されている。対称面Ｃは、ロータ１の軸方向および半径方向に延び、セクタＢを２つの半セクタＤ、Ｄ’に区画している。この場合、永久磁石１３ａは半セクタＤに、永久磁石１３ｂは半セクタＤ’に位置する。各セクタＢは、ロータ３の極を形成する。ロータ３またはロータ積層コア６は、円形形状から逸脱した外輪郭Ｅを有しており、この外輪郭Ｅは、各セクタＢにおいて、対称面Ｃに対して対称に延びており、すべてのセクタＢにおいて同じである。

【0023】

更に、永久磁石アセンブリ１０は、（回転軸Ａから見て）セクタＢの対称面Ｃに対してＶ字形状に対称に配置されたオプションである２つの第２永久磁石１４ａ、１４ｂを含むことができ、永久磁石１４ａは半セクタＤに配置され、永久磁石１４ｂは半セクタＤ’に配置されている。第２の永久磁石１４ａ、１４ｂの半径方向最内周点は、第１の永久磁石１３ａ、１３ｂの半径方向最内周点よりも半径方向外側に位置している。

【0024】

セクタＢや極の数は単なる例示に過ぎない。言い換えれば、ここで開示されている技術的教示は、セクタＢまたは極の数が６から外れている場合にも無制限に適用可能である。

【0025】

更に、ロータ３は、ロータシャフト２のために、回転軸Ａに沿って軸方向に延びる貫通孔１５と、ロータ積層体を整列させるため、および／またはロータ３のバランスをとるために機能する孔１６とを有している。

【0026】

次に、図３は、本発明の第１の実施形態の半セクタＤの詳細な説明図である。ロータ３またはロータ積層コア６の外輪郭Ｅは、この例では、半セクタＤにおいて、３つの異なる中心点を有するまさに３つの異なる半径によって形成されている。

【0027】

半径は、対称面Ｃを起点に、反時計回りに第１の半径から第３の半径まで連続して配置されていることが好ましく、
－第１の半径は基準長さの７１．５％であり、
－第２の半径は基準長さの５０％であり、
－第３の半径は、基準長の７４．４％である。

【0028】

述べられた半径の中心点は、好ましくは、以下のように配置されている。反時計回りに０°である対称面Ｃを起点とした極座標で規定し、極座標を、「半径／角度」の形式で規定し、半径を、基準長さに対する割合で規定した場合、
－第１の半径は、５．７３％／－１２．１７°の中心点を有し、
－第２の半径は、２９．１０％／１１．７０°の中心点を有し、
－第３の半径は、４．２５％／３０．００°の中心点を有している。

【0029】

図３では、極座標の代わりに直交座標が規定されており、極座標系と直交座標系のゼロ点は、それぞれロータ３の回転軸Ａに位置している。

【0030】

基準長さは、ロータ３の所望の大きさに応じて、任意に選択することができる。例えば、基準長さとして１００ｍｍを選択した場合、第１の半径の絶対値は７１．５ｍｍとなる、などである。

【0031】

次に、図４は、本発明の第２の実施形態の半セクタＤの詳細な説明図である。ロータ３またはロータ積層コア６の外輪郭Ｅは、この例では、４つの異なる中心点を有するまさに４つの異なる半径によって半セクタＤに形成されている。

【0032】

半径は、対称面Ｃを起点に、反時計回りに第１半径から第４半径まで連続して配置されていることが好ましく、
－第１の半径は基準長さの７１．５％であり、
－第２の半径は基準長さの１００％であり、
－第３の半径は基準長の５０％であり、
－第４の半径は、基準長の７４．４％である。

【0033】

述べられた半径の中心点は、好ましくは、以下のように配置される。反時計回りに再び０°である対称面を起点とした極座標で規定し、極座標を、「半径／角度」の形式で規定し、半径を、基準長さに対する割合で規定した場合、
－第１の半径は、７．７０％／０．００°の中心点を有し、
－第２の半径は、２１．０５％／１９３．１８°の中心点を有し、
－第３の半径は、２９．１０％／１１．７０°の中心点を有し、
－第４の半径は、４．２５％／２９．５８°の中心点を有している。

【0034】

図４では、極座標の代わりに直交座標が規定されており、極座標系と直交座標系のゼロ点は、それぞれロータ３の回転軸Ａに位置している。

【0035】

基準長さは、ロータ３の所望のサイズに応じて、再び任意に選択することができる。基準長さとして１００ｍｍを選択した場合、第１の半径の絶対値は７１．５ｍｍとなる、などである。

【0036】

提案された対策により、ロータ３とステータ５との間のエアギャップの幅は、電気機械１の動作中のトルク変動が平準化されるように変化する。したがって、電気機械１はよりスムーズに動作する。提案された対策は、有利なことに、単純な仕様に基づいており、外輪郭のために複雑な数式を規定する必要はない。そのため、データ転送が簡素化され、ロータ３を容易に製造することができる。

【0037】

図５は、最終的に、車両１７に搭載される電気機械１を示している。車両１７は、少なくとも２つの車軸を有し、そのうちの少なくとも１つが駆動される。具体的には、電気モータ１は、オプションであるギアボックス１８に接続されている。後車軸の半軸１９は、ギアボックス１８に隣接している。最後に、従動輪２０がハーフシャフト１９に取り付けられている。車両１７の駆動動作は、電気機械１によって少なくとも部分的または一時的に行われる。つまり、電気機械１は、車両１７を排他的に駆動する機能を有していてもよいし、例えば、内燃機関と組み合わせて提供されてもよい（ハイブリッド駆動）。

【0038】

最後に、保護の範囲は特許請求項によって決定されることが確立されている。しかしながら、明細書と図面は特許請求の範囲を解釈するために使用されるべきである。図に含まれる特徴は、任意の方法で互いに交換したり組み合わせたりすることができる。特に、図示されている装置は、実際には、図示されているよりも多くのまたは他のより少ない構成部品で構成されていてもよいことにも留意されたい。場合によっては、図示された装置またはその構成部品は、縮尺通りに図示されていないこともあり、サイズが大きくなったり小さくなったりすることもある。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【外国語明細書】