特許 7399500 磁石と、異なる方向の繊維を備えた複合材料層の本体を有する軸方向磁束ロータ、ロータの製造方法、およびロータを備える電磁モータまたは発電機

(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】

(24)【登録日】2023-12-08

(45)【発行日】2023-12-18

(54)【発明の名称】磁石と、異なる方向の繊維を備えた複合材料層の本体を有する軸方向磁束ロータ、ロータの製造方法、およびロータを備える電磁モータまたは発電機

(51)【国際特許分類】

   H02K 1/2795 20220101AFI20231211BHJP

【ＦＩ】

H02K1/2795

【請求項の数】 14

(21)【出願番号】P 2021507000

(86)(22)【出願日】2019-09-23

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-01-04

(86)【国際出願番号】 IB2019058015

(87)【国際公開番号】W WO2020065488

(87)【国際公開日】2020-04-02

【審査請求日】2022-09-01

(31)【優先権主張番号】18/01010

(32)【優先日】2018-09-24

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR

(73)【特許権者】

【識別番号】514325376

【氏名又は名称】ホワイロット

(74)【代理人】

【識別番号】100086461

【弁理士】

【氏名又は名称】齋藤 和則

(72)【発明者】

【氏名】マイユール、ロイック

(72)【発明者】

【氏名】ラヴォー、ロマン

【審査官】柏崎 翔

(56)【参考文献】

【文献】仏国特許出願公開第３０１４２５５（ＦＲ，Ａ１）

【文献】仏国特許発明第１４７５５０１（ＦＲ，Ａ）

【文献】特開２０１１－７８２６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１１－５０９０６４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｋ １／２７９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電磁モータまたは発電機のロータ（１）であって、本体（２、３）を有し、
前記本体（２、３）は：前記ロータ（１）の回転中心軸（７）に対して同心の内部ハブ（２）と；前記内部ハブ（２）から出発し、前記ロータ（１）の円形の外周を形成するフレット（８）に向かって、前記回転中心軸（７）に関して径方向に伸長する枝部（３）と；２つの隣接する前記枝部（３）の間に画定されるそれぞれの空間内に収容される、複数の磁石（４）を有する少なくとも１つの磁石構造体（１０）と；を有し、
前記本体（２、３）は、樹脂で結合された繊維を含む複合材料の複数の層で構成され、
前記層は重ね合わされ、それぞれの前記層の前記繊維が２つの重ねられた層に対して異なる所定の方向（Ｆ１、Ｆ２）に配向され、
径方向のカバースキンは、前記ロータの前記本体（２、３）の２つの対向する面のそれぞれに配置され、そして樹脂により結合された繊維を含む複合材料層の複数の重ねられた層で構成され、そして
前記磁石構造体（１０）の複数の単位磁石（４）のそれぞれの前記単位磁石（４）が多角形の形状であるか、または、それぞれの前記単位磁石（４）が少なくとも部分的に卵形の輪郭を有し、前記卵形の輪郭は、前記単位磁石（４）の本体を形成する第１の部分（４ａ）と前記単位磁石（４）の長手方向端部を指し示す少なくとも１つの長手方向末端の第２の部分（４ｂ）とを有し、前記第１の部分は、前記第２の部分（４ｂ）に比べてより大きな断面を有し、そして前記単位磁石（４）のより長い長さにわたって伸長し、そして前記長手方向末端の第２の部分（４ｂ）の断面積は、前記長手方向末端に近づくにつれて減少する、ことを特徴とする電磁モータまたは発電機のロータ（１）。

【請求項2】

前記磁石構造体（１０）の複数の前記単位磁石（４）が繊維強化絶縁材料によって一緒に結合され、各前記単位磁石（４）が前記ロータ（１）の軸方向に伸長する細長い形状である、ことを特徴とする請求項１に記載のロータ（１）。

【請求項3】

それぞれの前記磁石構造体（１０）は、それぞれの前記単位磁石（４）用のハウジングを画定するメッシュセルを有する少なくとも１つのメッシュ構造体を含み、それぞれの前記ハウジングは、前記単位磁石（４）を内部に導入した後に、前記ハウジングと前記単位磁石（４）との間に繊維強化樹脂で満たされるべきスペースを残すのにちょうど十分な内部寸法を有し、前記メッシュセルは繊維強化絶縁材料で作られる、ことを特徴とする、請求項２に記載のロータ（１）。

【請求項4】

電磁モータまたは発電機のロータ（１）であって、本体（２、３）を有し、
前記本体（２、３）は：前記ロータ（１）の回転中心軸（７）に対して同心の内部ハブ（２）と；前記内部ハブ（２）から出発し、前記ロータ（１）の円形の外周を形成するフレット（８）に向かって、前記回転中心軸（７）に関して径方向に伸長する枝部（３）と；２つの隣接する前記枝部（３）の間に画定されるそれぞれの空間内に収容される、複数の磁石（４）を有する少なくとも１つの磁石構造体（１０）と；を有し、
前記本体（２、３）は、樹脂で結合された繊維を含む複合材料の複数の層で構成され、
前記層は重ね合わされ、それぞれの前記層の前記繊維が２つの重ねられた層に対して異なる所定の方向（Ｆ１、Ｆ２）に配向され、
径方向のカバースキンは、前記ロータの前記本体（２、３）の２つの対向する面のそれぞれに配置され、そして樹脂により結合された繊維を含む複合材料層の複数の重ねられた層で構成され、そして
２つの隣接する前記枝部（３）間のそれぞれの前記磁石構造体（１０）が少なくとも１つの複合材料の層に埋め込まれ、前記ロータ（１）もまた、前記埋め込まれた磁石構造体（１０）を取り囲む、少なくとも１つの複合材料の層の中にコーティングされ、そして前記本体（２、３）は複数の複合材料層で構成される、
ことを特徴とする電磁モータまたは発電機のロータ（１）。

【請求項5】

前記ロータを取り囲み、前記本体（２、３）の前記内部ハブ（２）および前記枝部を構成する前記複合材料層が、樹脂で鋳造されたガラスまたは炭素繊維でできている、ことを特徴とする請求項４に記載のロータ（１）。

【請求項6】

前記本体（２、３）の前記複合材料層の繊維が、隣接する重ねられた前記複合材料層の繊維に対して垂直に配向されている、ことを特徴とする請求項１―５のいずれかに記載のロータ（１）。

【請求項7】

前記本体（２、３）の前記複合材料層の繊維が、隣接する重ねられた前記複合材料層の繊維に対して３０°～４５°のオフセットで配向されている、ことを特徴とする請求項１―６のいずれかに記載のロータ（１）。

【請求項8】

前記本体（２、３）の前記複合材料層の数が、前記磁石構造体（１０）および前記カバースキンの軸方向の厚さに従って決定され、そして前記カバースキンは、０．３ｍｍ－２ｍｍの厚さを有する、ことを特徴とする請求項１―７のいずれかに記載のロータ（１）。

【請求項9】

前記各枝部（３）は、前記内部ハブ（２）からの距離が増大するに従って減少する幅を有し、そして前記フレット（８）に対する先細りの先端部（３ｂ）で終わる、ことを特徴とする請求項１―８のいずれかに記載のロータ（１）。

【請求項10】

２つの隣接する前記枝部（３）の基部（３ａ）が、前記内部ハブ（２）の中間部分（９）によって分離され、前記中間部分（９）が前記ロータ（１）の前記回転中心軸の方向に丸みを帯びた凹面の形状であり、前記内部ハブ（２）は前記ロータ（１）の半径の少なくとも４分の１に等しい半径を有する、ことを特徴とする請求項９に記載のロータ（１）。

【請求項11】

前記各磁石構造体（１０）は、前記内部ハブ（２）から離れるに連れて増加する幅を有し、そして前記ロータ（１）を取り囲む前記フレット（８）に対して終了する、ことを特徴とする、請求項１―１０のいずれかに記載のロータ（１）。

【請求項12】

樹脂によって結合された繊維を含む複合材料の複数の層からなる本体（２、３）を含むロータ（１）を製造する方法であって、前記方法は：第１の複合材料層を鋳造するステップであって、前記第１の層の繊維は単一の所定の方向（Ｆ１）に配向されるステップと；前記第１の複合材料層の上に積み重ねられた少なくとも１つの第２の複合材料層を鋳造するステップであって、前記第２の層の繊維は前記第１の層の方向（Ｆ１）とは異なる所定の方向（Ｆ２）に配向されるステップと；そして前記樹脂を硬化させるステップと；を有し、
前記本体（２、３）が、前記ロータ（１）の回転中心軸（７）に対して同心の内部ハブ（２）と；前記内部ハブ（２）から出発し、前記ロータ（１）の円形の外周を形成するフレット（８）に向かって、前記回転中心軸（７）に関して径方向に伸長する枝部（３）とを備え、
前記内部ハブ（２）の外周から前記フレット（８）の内周まで径方向に延びる前記枝部（３）の長さの上の１つの点における、各前記枝部（３）の幅 が、前記ロータ(１)に加えられうる許容機械的応力、前記ロータ（１）の最大許容回転速度、および前記枝部（３）の材料の機械的強度に基づいて決定され、
前記内部ハブ（２）からの距離の増大に従う各前記枝部（３）の幅の減少は、各前記枝部（３）に対して、前記枝部の長さの各点での幅を、前記枝部（３）内で等応力を取得できるように選択することによって得られる、
ことを特徴とする方法。

【請求項13】

軸方向磁束電磁モータであって、請求項１－１１のいずれかに記載の少なくとも１つのロータ（１）を有し、前記電磁モータは、少なくとも１つの巻線を担持する少なくとも１つのステータを有し、前記電磁モータは、前記少なくとも１つのロータ（１）と前記少なくとも１つのステータとの間に１つまたは複数のエアギャップを備える、ことを特徴とする軸方向磁束電磁モータ。

【請求項14】

軸方向磁束電磁発電機であって、請求項１－１１のいずれかに記載の少なくとも１つのロータ（１）を有し、前記電磁発電機は、少なくとも１つの巻線を担持する少なくとも１つのステータを有し、前記電磁発電機は、前記少なくとも１つのロータ（１）と前記少なくとも１つのステータとの間に１つまたは複数のエアギャップを備える、ことを特徴とする軸方向磁束電磁発電機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、異なる配向の繊維との複合材料層のハブ本体と枝部を有する軸方向磁束電磁モータまたは発電機用のロータに関する。本発明はまた、そのようなロータを備えた電磁モータまたは発電機に関する。

【背景技術】

【0002】

本発明は、本発明によるロータの特定の特性によって得られる、ロータの高速回転で高出力を送達する電磁モータに有利で非限定的な用途を見出す。このようなモータは、例えば、完全な電気自動車またはハイブリッド自動車の電磁モータとして使用することができる。

【0003】

有利であるが、しかしそれに限定されないが、電磁モータまたは発電機は、２つのステータに取り囲まれた少なくとも１つのロータを含むことができ、これらの要素は、単一のシャフト上で、少なくとも１つのエアギャップによって分離されながら、互いに対して重ね合わせることができる。

【0004】

高速の用途では、システムの信頼性を向上させるために、回転部品、つまりロータの機械的強度が非常に優れている必要がある。

【0005】

軸方向磁束電磁機械の場合、ロータは、厚さで接続された２つの円形面を有する、磁石のディスク形状支持体の形状の本体を有し、そのディスクは、フレットによって形成される外側リングと、回転シャフト用のくぼみを画定する内周との間で画定される。

【0006】

磁石はそれぞれ、保持手段によってディスク形状の支持体に保持され、磁石の間に隙間が残されている。

【0007】

軸方向磁束モータは、径方向磁束モータよりも質量トルクが高いモータとしてよく使用される。したがって、低速の用途によく使用される。

【0008】

高速用途の場合、遠心効果による力によってロータに非常に大きな機械的応力が発生するため、軸方向磁束モータのロータの設計はより困難になる。さらに、渦電流損失は、回転部分が導電性材料で作られている場合、磁石と回転部分の両方で支配的になる。

【0009】

高速で回転しなければならないロータにとって、高回転速度モータの主な欠点は、１つまたは複数の磁石がロータから外れる可能性が高く、ロータが少なくとも部分的に故障することである。したがって、そのようなモータのロータは、高い回転速度に耐えることができなければならない。

【0010】

従来型技術は、遠心力に対抗するために、１つまたは複数の磁石のディスク形状支持体を強化するように当技術分野の当業者に促している。これには、ディスク形状支持体に特定の材料が必要であり、ディスク形状支持体がより剛性になるように厚くすることによって、その寸法を増やす必要がある。

【0011】

このようにディスク形状支持体を備えたモータまたは発電機は、重量が重く、製造コストが高くなるため、完全に満足のいくものではなかった。

【0012】

１つの解決策は、渦電流を低減するため、強化繊維および樹脂の構造の細長い単位磁石のメッシュを作成し、そしてロータに電気を通さない複合材料からなる本体を使用し、理想的にはグラスファイバからなるロータとし、遠心効果による力を維持するためにロータの周囲にフレットが配置される。

【0013】

ただし、速度が非常に高速になる用途では、機械的応力が大きくなり、これらの回転速度にアクセスするには、磁石の質量を減らす必要がある。ただし、電気機械が提供しなければならないトルクは、ステータによって生成された磁場と相互作用する磁石の面積に比例する。したがって、磁石の面積が減少すると、トルクが減少し、したがって機械の出力が減少する。

【0014】

本発明が解決しようとする課題は、複数の永久磁石を支持するための、フレットを備える軸方向磁束電磁機械用ロータの設計であって、それは一方ではロータが支持する永久磁石を効果的に維持し、効率的に遠心力を補償しながら永久磁石がロータから外れるのを防ぎ、他方ではロータが非常に高速で回転できるような機械的強度を有する、ロータを設計することである。

【発明の概要】

【0015】

この目的のため、本発明は電磁モータまたは発電機のロータであって、本体を有し、本体は：ロータの回転中心軸に対して同心の内部ハブと；内部ハブから出発し、ロータの円形の外周を形成するフレットに向かって、回転中心軸に関して径方向に伸長する枝部と；２つの隣接する枝部の間に画定されるそれぞれの空間内に収容される、複数の磁石を有する少なくとも１つの磁石構造体と；を有し、本体は、樹脂で結合された繊維を含む複合材料の複数の層で構成される、電磁モータまたは発電機のロータにおいて、
－層は重ね合わされ、それぞれの層の繊維が２つの重ねられた層に対して異なる所定の方向に配向され、
－径方向のカバースキンは、ロータの本体の２つの対向する面のそれぞれに配置され、そして樹脂により結合された繊維を含む複合材料層の複数の重ねられた層で構成される、
ことを特徴とする電磁モータまたは発電機のロータに関する。

【0016】

本発明の複合材料は鉄を含まない。

【0017】

本発明によるロータの構成は、ロータに非常に高速で適用される最大応力が、ロータの回転の中央軸を取り囲むハブのレベルにあるという観察に基づいている。したがって、ロータのこの内部部分を固化する必要がある。

【0018】

出願人は、それぞれが固有の所定の配向方向を有し、各層の配向方向が異なる複合材料層の重ね合わせが、本体およびロータを硬化させることを発見した。これは、製造がより困難な２つの異なる方向に伸びる繊維を含む複合材料の単層を持つことと同等ではない。それは、同じ層の２つの異なる方向の繊維は、樹脂などの結合剤の注入中にずらされうるため、製造がより困難である。

【0019】

線形速度が非常に高くなる、典型的には毎秒１６０メートルまたは毎秒１８０メートル以上、の用途の場合、機械的応力はこれらの回転速度に到達するために磁石の質量を減らす必要がある程に増加する。これには、電気機械が提供しなければならないトルクが、ステータによって生成された磁場と相互作用する磁石の面積に比例するという大きな不利益がある。したがって、磁石の面積が減少すると、トルクが減少し、したがって機械の出力が低下する。

【0020】

本発明によれば、本体はハブと枝部が一体である。これにより、組立体の機械的強度が向上し、その結果、ロータの機械的強度が向上する。

【0021】

スキンまたはカバーディスクは、ロータのそれぞれの円形面に配置される。フレットは、ガラスまたはグラスファイバ、炭素、あるいは炭素繊維で作ることができる。複合材料フレットは、ロータの外周で大きな磁石または磁石構造体を円周方向に囲んでいる。フレットは、外部の複合材料コーティング層によって保証されるものに加えて、磁石の径方向の保持に、必要に応じて貢献する。

【0022】

有利には本体の複合材料層の繊維が、隣接する重ねられた複合材料層の繊維に対して垂直に配向されている。有利には本体の複合材料層の繊維が、隣接する重ねられた複合材料層の繊維に対して３０°～４５°のオフセットで配向されている。

【0023】

有利には本体の複合材料層の数が、磁石構造体およびカバースキンの軸方向の厚さに従って決定され、そしてカバースキンは、０．３ｍｍ～２ｍｍの厚さを有する。

【0024】

有利には各枝部は、内部ハブ（２）からの距離が増大するに従って減少する幅を有し、そしてフレット（８）に対する先細りの先端部（３ｂ）で終わる。

【0025】

本願申請者は、軸方向磁束機械の場合、トルクはロータの半径の３乗に比例することを考慮に入れている。したがって、ロータのより内側の部分よりも、ロータの周辺に磁石の表面積を追加する方が理にかなっている。回転軸の近くに磁石がないことは、ロータの周囲に磁石を追加することで簡単に補償することができる。これは、ロータの中心から離れるほど幅が狭くなる枝部の構成によって得られ、幅がゼロに近い先細の先端部で終わる。

【0026】

したがって、高いモータトルクを維持するために、ロータの枝部の断面積をハブとの接続のレベルで増大させ、そして磁石の断面積を増やすために、枝部の断面を徐々に減らすことが望ましい。

【0027】

これは、磁石用のスペースを作るために一定幅の枝部と小さなスポークハブのみを使用する従来技術では考慮されていなかった。したがって、ロータの機械的強度を増やすためにロータ上の磁石の分布を減らすという強い偏見があり、最先端技術は、枝部およびハブの軸方向の増加などの他の解決策に向かって進んでいました。しかしこの解決策は、ロータの強度に大きな有益な効果をもたらすことなく、ロータの重量を増加させた。

【0028】

有利には、２つの隣接する枝部の基部が、内部ハブの中間部分（９）によって分離され、中間部分がロータの回転中心軸の方向に丸みを帯びた凹面の形状であり、内部ハブはロータの半径の少なくとも４分の１に等しい半径を有する。

【0029】

枝部の間の中間部分の内向きの湾曲は、ハブの外周上で保持される枝部の最も厚い部分での機械的応力を減らすことを可能にする。

【0030】

有利には各磁石構造体は、内部ハブから離れるに連れて増加する幅を有し、そしてロータを取り囲むフレットに対して終了する。

【0031】

有利には、磁石構造体の複数の単位磁石のそれぞれの単位磁石が多角形の形状であるか、または、それぞれの単位磁石が少なくとも部分的に卵形の輪郭を有し、そして単位磁石の本体を形成する第１の部分を有し、第１の部分は、単位磁石の関連する長手方端部を指し示す少なくとも１つの長手方向末端の第２の部分に比べて、より大きな断面を有しそして単位磁石のより長い長さにわたって伸長し、長手方向末端の第２の部分の 断面積は長手方向末端に近づくにつれて減少する。

【0032】

有利には各磁石構造体は繊維強化絶縁材料によって一緒に結合される複数の単位磁石によって構成され、各単位磁石がロータの径方向に伸長する細長い形状である。

【0033】

上記は主にカバースキンの使用に適用される。従来技術に従ってロータに使用された大きな磁石は、大量の熱を放散した。この散逸は、スキンまたはディスクを覆う複合材料の形での軸方向保持手段の使用を妨げ、そして熱放散は、このコーティングおよび磁石の加速エージングを伴うコーティングの強度に影響を与える可能性がある。

【0034】

複合材料カバーディスクは、磁石によって生成される熱放散に耐えることが出来ないため、従来技術では多くは使用されていなかった。

【0035】

本発明は、好ましくは、従来技術のコンパクトな磁石の代わりに多数の単位磁石を使用するので、熱放散が少なく、カバースキンまたはディスクを軸方向保持手段として使用することができ、これらのスキンまたはディスクは、磁石とロータ本体との間の軸方向の保持手段を置き換えることができ、それは場合によっては、ロータによって担持される固定手段との追加の固定を実現するために、磁石またはそれらのコーティングの変更を必要とする。

【0036】

本発明によって得られる追加のシナジー効果は、ロータが、２つの分岐間の１つの磁石構造体にグループ化される単位磁石を有することである。それぞれの三次元磁石構造体は、複数の単位磁石で構成される。

【0037】

これにより、多数の単位磁石を備えた磁石構造体が可能になる。このような複数の単位磁石を備えた構造は、ステータの巻線によって生成される空間高調波または電流に対し高いレベルの非敏感性を有することが見出された。したがって、磁石構造体内で発生する損失は非常に低く、出力は特に高速で非常に大きい。このような磁石構造体は、磁極を形成することも、完全な磁石にすることもできる。

【0038】

本発明の手段の１つは、従来技術による磁石全体または磁極であり得る磁石構造を複数の小さな磁石またはマイクロ磁石に分解することである。大きな磁石は、小さな磁石やマイクロ磁石の同等物よりも大きな渦電流損失を受ける。したがって、小さな磁石またはマイクロ磁石を使用すると、電磁アクチュエータの動作に悪影響を与えるこれらの損失が減少する。

【0039】

最適な強度の磁場を得るには、磁石の理想的な体積が、立方体または長さが直径に等しい円柱のそれに近づく必要があることが知られている。それを超えて磁石の長さを長くしても磁場は増加しないことは周知の事実である。しかしながら、本発明のアプローチは、この一般的な知見に反する。

【0040】

単位磁石の長さは、広く使用されている方法と比較して、その平らな長手方向面の直径または対角線と比較してかなり長くなっている。これは本質的に、本発明の主な目的である、構造の機械的強度に関する要求を満たすためである。

【0041】

単位磁石の長さは、広く使用されている方法と比較して、その平らな長手方向面の直径または対角線と比較してかなり長くなっている。これは本質的に、本発明の主な目的である、構造の機械的強度に関する要求を満たすためである。

【0042】

卵形の磁石はファセットを備える場合がある。このようにして得られた単位磁石は、ファセットまたは長手方向ファセットの表面全体にわたって結合されていないが、互いに接続される「クリスタル」である。樹脂と接着剤の層が、多面ファセットのブロックの端部に磁石間の限られた接触面積を備える、メッシュネットワークを構築する。

【0043】

別の方法として、丸みを帯びた第１の部分を持つ完全な卵形の単位磁石の場合、２つの隣接する単位磁石間の接触は小さく、点接触のみが可能であり、２つの単位磁石の間の小さな円弧に実質的に一致する。溝は、好ましくは樹脂の形の接着剤を受容するために、２つの隣接する単位磁石間の接触円弧の寸法に中空に掘られうる。

【0044】

有利には、磁石構造体の複数の単位磁石が繊維強化絶縁材料によって固定され、各単位磁石がロータの径方向に伸長する細長い形状である。

【0045】

有利には、それぞれの磁石構造体は、それぞれの単位磁石のハウジングを画定するメッシュセルを有する少なくとも１つのメッシュ構造体を含み、それぞれのハウジングは、単位磁石を内部に導入した後に、ハウジングと単位磁石との間に繊維強化樹脂で満たされたスペースを残すのにちょうど十分な内部寸法を有し、メッシュセルは繊維強化絶縁材料で作られる。

【0046】

メッシュ構造体は所定の位置に残り、また複合材料層でコーティングされうる。このようなタイプのメッシュ構造体は、磁石構造体の製造中に単位磁石を所定の位置に保ち、磁石構造体の追加の強化要素であるという利点があり、ここでメッシュ構造体は強化繊維を含むこともできる。

【0047】

たとえば、ハニカムメッシュ構造体は、要素、この場合は磁石構造体、の強度を強化することが知られている。単位磁石は、それらの保持を確実にする六角形のハウジングに挿入される。ハウジングの壁は電気絶縁体として機能し、磁石構造内のハウジングの密度を大幅に高めることができる。ハニカムメッシュ構造体は、繊維強化絶縁複合材料で作ることができる。

【0048】

有利には、２つの隣接する枝部の間のそれぞれの磁石構造体が少なくとも１つの複合材料の層に埋め込まれ、ロータもまた、その埋め込まれた磁石構造体を取り囲む、少なくとも１つの複合材料の層の中にコーティングされ、そして本体は複数の複合材料層で構成される。

【0049】

有利には、ロータを取り囲み、ハブおよび本体の枝部を構成する複合材料層が、樹脂で鋳造されたガラスまたは炭素繊維でできている。

【0050】

本発明は上記のタイプのロータ（１）を製造する方法であって、方法は：第１の複合材料層を鋳造するステップであって、第１の層の繊維は単一の所定の方向（Ｆ１）に配向されるステップと；第１の複合材料層の上に積み重ねられた少なくとも１つの第２の複合材料層を鋳造するステップであって、第２の層の繊維は第１の層の方向（Ｆ１）とは異なる所定の方向（Ｆ２）に配向されるステップと；そして樹脂を硬化させるステップと；を有することを特徴とする方法に関する。

【0051】

このプロセスは、複合材料層ごとに複数の異なる繊維配向がある場合よりも簡単に実行でき、繊維配向を維持しやすい。

【0052】

有利なことに、ハブの外周からフレットの内周まで径方向に延びる枝部（３）の長さの上の１つの点における、各枝部の幅 が、ロータに加えられうる許容機械的応力、ロータの最大許容回転速度、および枝部の材料の機械的強度に基づいて決定され、ハブから距離が離れるに従う各枝部の幅の減少は、各枝部に対して、その長さの各点での幅を、枝部内で等応力を取得できるように選択することによって得られる。

【0053】

制限する訳ではないが、ハブに接続された端部に向かって分岐にかかる最大応力は、１２０メガパスカルと見積もることができる。この等応力を取得することで、分岐の幅を最小限に抑え、大きな磁石または磁石構造の表面積を増やすことができる。したがって、後者の場合、より多くの単位磁石が可能になり、それにより、より大きなトルクを得、そしてハブに向かっての磁石表面積の損失に対する追加の補償を得る。

【0054】

最後に、本発明は軸方向磁束の電磁モータまたは発電機であって、上記のタイプの少なくとも１つのロータを含み、電磁モータまたは発電機は少なくとも１つの巻線を担持する少なくとも１つのステータを有し、電磁モータまたは発電機は少なくとも１つのロータと少なくとも１つのステータとの間に１つまたは複数のエアギャップを備える、ことを特徴とする軸方向磁束の電磁モータまたは発電機に関する。

【図面の簡単な説明】

【0055】

本発明の他の特徴、目的および利点は、以下の詳細な説明を読み、非限定的な例として与えられた添付の図面に関して明らかになるであろう：

【図1】本発明の第１の実施形態による、軸方向磁束電磁機械用ロータの正面図の概略図であり、本体は、２つの異なる層内の繊維の指向性がそれぞれ９０°異なる複合材料層から構成される、ハブと枝部を備える。

【図2】図１に示したロータの一部の拡大概略図である。

【図3】本発明の第１の実施形態による、軸方向磁束電磁機械用ロータの正面図の概略図であり、本体は、２つの異なる層内の繊維の指向性がそれぞれ３０°異なる複合材料層から構成される、ハブと枝部を備える。

【図4】図３に示すロータの一部の拡大概略図である。

【図5a-5c】図５ａおよび５ｂは、卵形の単位磁石のそれぞれの実施形態の概略図であり、図５ｃは、卵形単位磁石を含む磁石構造体の概略図であり、４つの卵形単位磁石が磁石構造体から離れて示されている。

【発明を実施するための形態】

【0056】

図は例として与えられており、本発明を限定するものではない。それらは、本発明の理解を容易にすることを目的とした原理の概略図を構成し、必ずしも実際の適用の規模ではない。特に、さまざまな部品の寸法は現実を表すものではない。

【0057】

以下では、単一の枝部３、枝部３の単一の基部３ａと単一の先細りの先端部３ｂは図１～４の全ての枝部を代表する。同じことが内部面１０ａと外部面１０ｂを備える単一の磁石構造体１０について言える。２つの枝部間の中間部分９はすべての中間部分を代表し、そして単一の繊維指向性Ｆ１またはＦ２は図２～４のそれぞれの複合材料層を代表する。図１～４では、単一の磁石単位磁石４が識別されるが、それは磁石構造体１０内の全ての単位磁石を代表する。

【0058】

これらの個別に識別された要素の一つに記載されている内容は、すべての個別に識別されていない同様の要素さに適用される。

【0059】

すべての図、より具体的には図１～４を参照すると、これらの図はそれぞれ、本発明によるロータ１およびロータ１の一部の拡大図を示し、拡大図は２つの枝部３を有し、枝部に挟まれた磁石構造体１０を備え、磁石構造体は複数の多角形形状の単位磁石４からなる。

【0060】

この実施形態は限定的なものではなく、単一の大型磁石が２つの枝部３の間に挿入されうる。ここでこの単一の大型磁石を、図２および図４で示されそして参照される、磁石構造体１０の単位磁石４と混同しないようにされたい。

【0061】

このようなロータ１は、有利には軸方向磁束の電磁モータまたは発電機で使用される。ロータ１は、有利には実質的に円形であり、ロータ１の回転中心軸７またはロータ１の長手方向正中軸と同心の内部ハブ２を備える本体を有する。枝部３は、ロータ１内で、回転中心軸７に関して径方向に、内部ハブ２から始まって、ロータ１の円形の外周を形成するフレット８に向かって延びる。

【0062】

ハブ２と枝部３は一体であり、ロータ本体２、３を形成する。少なくとも１つの磁石、即ち、１つの大きな磁石または小さなサイズの複数の単位磁石４を含む１つの磁石構造体１０が、２つの隣接する枝部３の間に画定されるそれぞれの空間に収容される。

【0063】

本発明によれば、本体２、３は、樹脂によって結合された繊維を含む複合材料のいくつかの重ねられた層からなり、各層の繊維は、２つの重ねられた層に対して異なる所定の方向Ｆ１、Ｆ２に配向される。

【0064】

ロータ１の円形面を径方向に覆うために図に示されていないスキンまたはカバーディスクは、ロータの本体２、３の２つの対向する面のそれぞれに配置され、複数の積み重ねられた、樹脂により結合された繊維を含む複合材料層から構成される。図に示されていないスキンまたはカバーディスクは、２つの枝部３の間の磁石構造体１０または大きな磁石の軸方向の移動を防止するために、ロータ１の各円形面上に配置されうる。

【0065】

これらすべての特性を組み合わせて使用すると、ロータ１の本体２、３の剛性がかなり高まる。

【0066】

複合材料層のいくつかの実施形態が想定しうる。ここで、非限定的な例を以下に示す。

【0067】

図１および図２に示すように、本体２、３の１つの複合材料層の繊維は、重ね合わされた隣接する複合材料層の繊維に対して垂直に配向でき、図２に示す方向Ｆ１およびＦ２は垂直である。

【0068】

図３および４に示すように、本体２、３の１つの複合材料層の繊維は、重ね合わされた隣接する複合材料層の繊維から３０°～４５°のオフセットで配向されている（これらの図では３０°）。

【0069】

２つ以上の複合材料層が重なっている可能性がある。本体２、３の複合材料層の数は、磁石または磁石構造体１０の軸方向の厚さに従って決定され、そしてカバースキンは、０．３～２ｍｍの間の厚さを有する。
図１および３に最もよく示されているように、各枝部３は、内部ハブ２から離れるに従って幅が減少し、フレット８に当接する先細りの先端部３ｂで終わりうる。

【0070】

各大きな磁石または磁石構造体１０は、内部ハブ２から離れるに従って増加する幅 ｌａ を有し、ロータ１を取り囲むフレット８に当接して終了しうる。

【0071】

ハブ２に面する枝部の端部または基部３ａに向かって枝部３の幅を増やすことによって、また必要に応じてハブ２の半径を大きくすることによって、磁石に対して失われたスペースは、ロータ１の周縁部末端において補償される。

【0072】

各大型磁石または各磁石構造体１０を最大の幅 ｌａ でロータ１の外周に向けて配置することにより、ロータ１の周縁部に配置される磁石部分を増やすことができ、したがって総磁化面積を増やすことができる。

【0073】

さらに特に図１および３を参照すると、各枝部３の先細りの先端３ｂは、内部ハブ２に接続された枝部３の基部３ａに比較して少なくとも２倍から４倍狭くすることができる。

【0074】

２つの隣接する枝部３の基部３ａは、内部ハブ２の中間部分９によって分離できる。この中間部分９は、ロータ１の軸の方向に丸みを帯びた凹状形状であり得る。内部ハブ２は、ロータ１の半径の少なくとも４分の１に等しい半径を有することができ、その結果、実際には、本発明のハブ２は従来技術のハブ２より大きい。ロータの半径は、枝部３の半径に、フレット８の厚さを追加したものに等しい。

【0075】

ハブ２と枝部３は、樹脂で鋳造されたガラス繊維で作ることができる。ロータ１の強度、特に曲げ剛性および座屈剛性を高めるために、強化プラスチック繊維を使用することもできる。

【0076】

前述のように、ロータ１を強固にするために、ハブ２および枝部３は一体であり、それらを含む複合材料層に応じた異なる配向Ｆ１、Ｆ２の繊維を有する、複合材料層を形成している。枝部３は、それらの先細りの端部３ｂによってフレット８に固定されてもされなくてもよい。

【0077】

特に図１、３、５ａ～５ｃを参照すると、各磁石構造体１０は、繊維強化絶縁材料によって固定された複数の単位磁石４から構成され得、各単位磁石４は、細長い形状であり、そしてロータ１の軸方向に延在している。単位磁石４は、図には１つだけ示されているが、磁石構造体１０または図に示されていない大きな磁石と混同されるべきではない。

【0078】

したがって、各磁石構造体１０は、三次元であり得、複数の単位磁石４から構成されうる。

【0079】

図１～図４において、複数の単位磁石４の各単位磁石４は多角形である。

【0080】

図５ａ、５ｂおよび５ｃにおいて、各単位磁石４は、少なくとも部分的に卵形の輪郭を有し、単位磁石４の本体を形成する第１の部分４ａを含みうる。第１の部分４ａは、単位磁石４の関連する長手方向端部を指し示す少なくとも１つの長手方向末端の第２の部分４ｂと比較して、より大きな断面を有し、より長い単位磁石４の長さにわたって延在しうる。そして、第２の部分４ｂは、それが長手方向端に近づくにつれて断面が減少する。

【0081】

図５ａでは、単位磁石４はほぼ完全な卵形であり、１つの第１の部分４ａと端部が丸くそして凸形状の２つの第２の部分４ｂを有する。図５ｃに見られるように、２つの隣接する卵形単位磁石４間の接触は、実質的に点状であるか、または限定された円弧に沿って延在する。

【0082】

この場合、単位磁石４は、少なくとも部分的に卵形の外側輪郭を有し得、単位磁石４の本体を形成する第１の部分４ａを備え、第１の部分は少なくとも１つの第２の部分４ｂよりも、より大きな断面を有し、より長い単位磁石４の長さにわたって延在する。

【0083】

図５ｂにおいて、単位磁石４は、第１の部分４ａの延長として、単位磁石４の少なくとも１つの長手方向端部に少なくとも１つの第２の部分４ｂを有し得る。単位磁石４の１つの長手方向端部にそれぞれ１つの第２の部分４ｂを有する、２つの第２の部分４ｂが存在し得る。

【0084】

１つまたは複数の第２の部分４ｂは、単位磁石の関連する長手方向端部を指すことができ、その断面積は長手方向端部に近づくにつれて減少する。

【0085】

図５ｂに示されるように、第２の長手方向端部４ｂは、凸型形状であることにより丸まっている。第２の長手方向端部４ｂは、長手方向端部を形成する中央ファセット１１によって、それらの関連する長手方向端部で終了しうる。ただし、図５ｂでは、卵形の場合、長手方向の端部を形成するこの中央ファセット１１は膨らんでおり、それは選択肢にすぎない。

【0086】

この図５ｂにおいて、１つまたは複数の第２の長手方向端部４ｂは、単位磁石４の関連する長手方向端部に接近しながら単位磁石４の長手方向軸に向かって傾斜した横方向ファセットを含み得る。

【0087】

図５ｃに示すように、磁石構造体１０では、単位磁石４は互いに直接隣接しており、部分的に接触している。単位磁石４は、接着剤を堆積させることによって結合されている。複数の単位磁石４は、接着剤以外の保持要素をそれらの間に介在させることなく磁石のメッシュを形成し、単位磁石４は、隣接する磁石間で直接接触している。単位磁石の第１の部分４ａおよび第２の部分４ｂもまた、この図５ｃに示されている。

【0088】

図２および図４では、単位磁石４は、メッシュ構造体をその間に介さずに互いに接着されうる。図５ｃについても同様である。接着剤は、複合材料層または、有利には熱硬化性または熱可塑性の接着樹脂、であり得る。

【0089】

２つの隣接する枝部３の間の各磁石構造体１０も複合材料の層に埋め込まれうる。ロータ１もその全体が複合材料の層でコーティングされうる。

【0090】

したがって、単位磁石４を取り囲む少なくとも１つの第１の複合材料層、磁石構造体１０を個別に取り囲む少なくとも１つの第２の複合材料層、およびロータ１をコーティングするための少なくとも１つの第３の複合材料層の重ね合わせがあり得る。ロータのハブ２および枝部を含む本体２、３もまた、層に応じて異なる配向の繊維を有する、重ね合わされた複合材料の層からなる。

【0091】

図に示されていないが、同様の要素について図ですでに識別された参照として、各磁石構造体１０は、それぞれの単位磁石４のハウジングをそれぞれが画定するメッシュセルを備える、少なくとも１つのメッシュ構造を有することができる。各ハウジングは、ハウジングと単位磁石４との間に繊維強化樹脂で満たされる空間を残しながら、その内部に単位磁石４を導入するのにちょうど十分な内部寸法を有し得、ここでメッシュセルは繊維強化絶縁材料で出来ている。

【0092】

フレット８はガラス繊維または炭素繊維で作ることができる。複合材料のフレット８は、ロータ１の外周で磁石構造体１０または大きな磁石の周囲を取り囲む。フレット８は、必要に応じて、外側の複合材料コーティング層によって提供される保持に加えて、磁石構造体１０または大きな磁石の径方向の保持に寄与する。枝部３の先細りの先端部３ｂは、フレット８に固定されてもされなくてもよい。

【0093】

本発明は、ハブ２および枝部３を含むロータ１の本体２、３の製造のための以下のステップを含む、ロータ１を製造する方法に関する。

【0094】

第１のステップは、樹脂によって結合された繊維を含む第１の複合材料層の鋳造であり、第１の層の繊維は、同じ所定の方向Ｆ１に配向されている。

【0095】

第２のステップは、樹脂によって結合された繊維を含む少なくとも１つの第２の複合材料層の鋳造であり、第２の層の繊維は、第１の層の方向Ｆ１とは異なる所定の方向Ｆ２に配向される。

【0096】

３番目のステップは樹脂の硬化である。

【0097】

これで、本体２、３は、ロータ１のフレームワークを形成するために使用される準備が整う。

【0098】

有利には、本発明はまた、このタイプのロータ１を製造する方法に関し、そこでは、ロータ１の回転中心軸７からの既知の距離にある、ハブ２の外周からフレットの内周まで径方向に延びるその長さの上の１つの点における、各枝部３の幅 ｌ が、ロータ１に加えられうる許容機械的応力、ロータ１の最大許容回転速度、および枝部の材料の機械的強度、の評価に基づいて決定される。

【0099】

ハブ２からの距離の増加に従う各枝部３の幅の減少は、各枝部３に対して、その長さの各点での幅を、枝部３内で等応力を取得できるように選択することによって得られる。

【0100】

図１および図３において、枝部３の幅は、半径が大きくなるほど、したがって、ロータ１の中心軸７からからの距離が増加するにつれて減少することが分かる。

【0101】

有利なことに、径方向に伸びる枝部の長さのある１点での各枝部の幅は、次の式で与えられる：

【数1】

Ｋはフレット８の厚さによって変化する定数であり、枝部の材料の機械的強度を表し、ρ は磁石構造体１０の密度であり、σm はロータ１に、そして結果的に枝部に加えられる可能性のある許容可能な機械的応力であり、θ は各磁石構造体１０の開き角であり、Ｗ はロータの最大許容回転速度である。

【0102】

最後に、本発明は、少なくとも１つの上記のロータ１を含む軸方向磁束電磁モータまたは発電機、少なくとも１つの巻線を担持する少なくとも１つのステータを含む電磁モータまたは発電機、少なくとも１つのロータ１と少なくとも１つのステータとの間の１つまたは複数のエアギャップを含む電磁モータまたは発電機に関する。

【0103】

モータまたは電磁発電器は、好ましくは、２つのステータに関連する少なくとも１つのロータ１を含み得る。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5a-5c】