特表 2024-513130 永久磁石電気機械用のロータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-03-21

(54)【発明の名称】永久磁石電気機械用のロータ

(51)【国際特許分類】

   H02K 1/276 20220101AFI20240313BHJP

   H02K 1/22 20060101ALI20240313BHJP

【ＦＩ】

H02K1/276

H02K1/22 A

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023561876

(86)(22)【出願日】2022-04-05

(85)【翻訳文提出日】2023-10-06

(86)【国際出願番号】 GB2022050849

(87)【国際公開番号】W WO2022214798

(87)【国際公開日】2022-10-13

(31)【優先権主張番号】2105065.3

(32)【優先日】2021-04-09

(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】516017189

【氏名又は名称】イクイップメイク・リミテッド

【氏名又は名称原語表記】ＥＱＵＩＰＭＡＫＥ ＬＴＤ

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】アソレイ・ブラスケス・アンヘル

【テーマコード（参考）】

5H601

5H622

【Ｆターム（参考）】

5H601CC01

5H601CC02

5H601CC15

5H601DD01

5H601DD09

5H601DD11

5H601DD18

5H601GA02

5H601GA24

5H601GA32

5H601GA40

5H601GD03

5H601GD07

5H601GD08

5H601GD14

5H601GD17

5H601KK13

5H622CB01

5H622CB05

(57)【要約】

永久磁石電気機械用のロータ（２）は、中心回転基準軸を有するハブ（１０）と、ロータセグメント（６０）の第１及び第２のセット（４、６）を備える。各セグメントは、第１のセットの永久磁石が第２のセットの永久磁石に対して円周方向にオフセットされている、少なくとも１つの永久磁石（２０）と、半径方向の力に抵抗するようにハブと機械的に係合するように形成され、且つ中心回転基準軸に対して垂直に延びる平面において半径方向に延びる中心軸（７０）を有する、係合部分（１６）と、を含む。第１のセットの各ロータセグメントにおいて、その磁石の質量中心は、それぞれの係合部分の中心軸から円周方向にオフセットされており、セグメントは、セグメントの質量中心（６８）がそれぞれの係合部分の中心軸（７０）と実質的に整列されるような形状である。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

永久磁石電気機械用のロータであって、
中心回転基準軸を有するハブと、
ロータセグメントの第１及び第２のセットであって、前記第１のセットが、前記第２のセットとは異なる軸方向位置において前記ハブの円周面の周囲に延びる、ロータセグメントの第１及び第２のセットと、を備え、
各セグメントが、
少なくとも１つの永久磁石であって、前記第１のセットの前記永久磁石が、前記第２のセットの前記永久磁石に対して円周方向にオフセットされている、少なくとも１つの永久磁石と、
半径方向の力に抵抗するように前記ハブと機械的に係合するように形成され、且つ前記中心回転基準軸に対して垂直に延びる平面において半径方向に延びる中心軸を有する、係合部分と、を含み、
前記第１のセットの各ロータセグメントにおいて、その磁石の質量中心が、前記それぞれの係合部分の前記中心軸から円周方向にオフセットされており、
前記セグメントが、前記セグメントの前記質量中心が前記それぞれの係合部分の前記中心軸と実質的に整列されるような形状である、ロータ。

【請求項2】

前記第１のセットの各ロータセグメントの半径方向に延びる側壁が、前記中心回転基準軸に対して垂直な断面においてその磁石の前記質量中心を通って延びる半径方向線に対して非対称である、請求項１に記載のロータ。

【請求項3】

前記第１のセットの各ロータセグメントが、前記円周方向において前記第１のセットの隣接セグメントと重複している、請求項１又は２に記載のロータ。

【請求項4】

前記第１のセットの各ロータセグメントが、前記円周方向において前記第１のセットの隣接セグメントの下の途中まで延びている、請求項１～３のいずれか一項に記載のロータ。

【請求項5】

前記第１のセットの各ロータセグメントが、一対の永久磁石を含み、
前記一対の永久磁石の各々が、前記中心回転基準軸に対して垂直に延びる断面において、細長く、外側端部よりも前記セグメントの前記質量中心に近い内側端部を有し、且つその内側端部が前記中心回転基準軸により近くなるように傾斜されており、
前記第１のセットの各ロータセグメントが、前記円周方向において隣接セグメントの永久磁石の下の少なくとも途中まで延びている、請求項１～４のいずれか一項に記載のロータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、永久磁石電気機械用のロータに関する。より具体的には、ロータのロータセグメントの構成に関する。

【背景技術】

【0002】

モータ又は発電機などの永久磁石電気機械用のロータは、永久磁石のセットと、その外周の周囲に配置されたロータセグメントとを備えた中央ハブを含み得る。そのようなロータは、非常に高い回転速度で動作する場合があるため、高い遠心力及び磁力に対して磁石及びセグメントを確実に定位置に保持するように設計される必要がある。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0003】

本開示は、永久磁石電気機械用のロータを提供し、ロータは、
中心回転基準軸を有するハブと、
ロータセグメントの第１及び第２のセットであって、第１のセットが、第２のセットとは異なる軸方向位置においてハブの円周面の周囲に延びる、ロータセグメントの第１及び第２のセットと、を備え、
各セグメントが、
少なくとも１つの永久磁石であって、第１のセットの永久磁石が第２のセットの永久磁石に対して円周方向にオフセットされている、少なくとも１つの永久磁石と、
半径方向の力に抵抗するようにハブと機械的に係合するように形成され、且つ中心回転基準軸に対して垂直に延びる平面において半径方向に延びる中心軸を有する、係合部分と、を含み、
第１のセットの各ロータセグメントにおいて、その磁石の質量中心が、それぞれの係合部分の中心軸から円周方向にオフセットされており、
セグメントが、セグメントの質量中心がそれぞれの係合部分の中心軸と実質的に整列されるような形状である。

【0004】

好ましくは、セグメントは、セグメントの質量中心がそれぞれの係合部分の中心軸上に位置するような形状である。

【0005】

セグメントの第１のセットの永久磁石は、コギングトルクを最小化する観点で、第２のセットの永久磁石に対して円周方向にオフセットされてもよい。しかしながら、本発明者は、これにより、（ロータの回転中に）第１のセットのセグメントにおいて、ハブに対して各セグメントを回転させるように作用する、その上に及ぼされる力を有することになり、その結果、係合部分の半径方向中心線とセグメントの質量中心との間に円周方向におけるオフセットが生じることに気付いた。これは、応力がセグメント上で比較的不均一に分布されることにつながり、それによって機械的故障のリスクを増大させる。

【0006】

本開示によれば、セットの各セグメントは、係合部分に対するその磁石の円周方向オフセットがセグメントの円周方向重量分布に及ぼす影響が、その質量中心がそれぞれの係合部分の半径方向中心軸と実質的に整列されるようにセグメントを成形することによって補償されるような形状である。この配置は、その少なくとも１つの磁石の円周方向のオフセットにより、ハブに対して各セグメントが経験する任意の回転力を最小化するように機能する。

【0007】

係合部分の半径方向中心軸は、係合部分の質量中心を通って延びてもよい。好ましくは、係合部分は、ロータハブの中心回転基準軸に対して垂直に延びる平面において、半径方向中心軸に対して対称である。係合部分は、その半径方向中心軸とロータハブの中心回転基準軸とを含む平面に対して対称であってもよい。

【0008】

第１のセットの（又は第１及び第２のセットの両方の）各ロータセグメントの半径方向に延びる側壁は、セグメントの質量中心がそれぞれの係合部分の中心軸と実質的に整列されるように、中心回転基準軸に対して垂直な断面においてその磁石の質量中心を通って延びる半径方向線に対して非対称であってもよい。

【0009】

第１のセットの（又は第１及び第２のセットの両方の）セグメントは、ロータハブの中心回転基準軸に対して垂直に延びる平面において非対称であってもよい。第１のセットの（又は第１及び第２のセットの両方の）セグメントの各々は、ロータハブの中心回転基準軸に対して垂直に延びる断面において、同じ円周プロファイルを有してもよい。

【0010】

いくつかの実装形態では、各ロータセグメントは、２つの永久磁石を含んでもよい。他の実施例では、各ロータセグメントは、単一の磁石、又は３つ以上の磁石を含んでもよい。

【0011】

各セグメントの少なくとも１つの磁石は、それぞれのセグメント内に保持されてもよい。磁石は、ロータハブの中心回転基準軸に対して垂直に延びる平面において、セグメントの本体によって取り囲まれてもよい。

【0012】

好ましい構成では、各セグメントの係合部分は、ロータハブによって受容される突起の形態である。各係合部分は、実質的に相補的な形状を有するハブの領域によって受容されてもよい。突起は、ハブの外側円周面に画定される軸方向に延びる溝に受容されてもよい。突起は、ロータハブの中心回転基準軸に対して垂直に延びる断面においてダブテール形状を有してもよい。

【0013】

好ましくは、第１のセットの（又は第１及び第２のセットの両方の）各ロータセグメントは、円周方向において第１のセットの隣接セグメントと重複する。より詳細には、第１のセットの（又は第１及び第２のセットの両方の）各ロータセグメントは、円周方向において第１のセットの隣接セグメントの下の途中まで延びてもよい。

【0014】

いくつかの好ましい実装形態では、第１のセットの（又は第１及び第２のセットの両方の）各ロータセグメントは、一対の永久磁石を含み、
一対の永久磁石の各々は、中心回転基準軸に対して垂直に延びる断面において、細長く、外側端部よりもセグメントの質量中心に近い内側端部を有し、且つその内側端部が中心回転基準軸により近くなるように傾斜されており、
第１のセットの（又は第１及び第２のセットの両方の）各ロータセグメントは、円周方向において隣接セグメントの永久磁石の下の少なくとも途中まで延びる。

【0015】

ここで、本開示の実施例を、例示として、添付の概略図を参照して説明する。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】永久磁石電気機械用のロータの上部の斜視図である。

【図2】図１に示されるロータの上部の断面図である。

【図3】図１に示されるロータの上部の断面図である。

【図4】図１に示されるロータの上部の断面図である。

【図5】本開示の一実施例によるロータの上部の断面図である。

【図6】本開示の一実施例によるロータの上部の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

図１～図４は、ロータセグメントの２つの隣接セット４及び６を含むロータ２の上部を示している。ロータセグメントは、ロータハブ１０の外側円周面８上に担持されている。

【0018】

ハブ１０は、材料の固形片の機械加工によって、付加製造プロセス、又は好ましくは鋳造によって形成される。ハブ１０は、例えば鋼鉄又はアルミニウムで構成され得る。

【0019】

セグメントの各セットは、ハブの周囲にリング状に配置され、ハブの回転基準軸方向において、一方のセットが他方のセットに対して軸方向に変位されている。セグメントは、例えば、積層鋼板で形成され得る。

【0020】

各ロータセグメント１２は、本体部分１４と係合部分１６とを含む。係合部分は、セグメント上に作用する半径方向の力によるハブに対するセグメントの変位に抵抗するように、ハブと機械的に係合する形状である。

【0021】

図１～図４に示される実施例では、各ロータセグメントは、半径方向内向きに延びる突起１６の形態の係合部分を含む。他の実装形態では、係合部分は代わりに、ハブ１０の一部を形成する外向きに延びる突起を受容する溝の形態であってもよい。

【0022】

図１～図４では、突起１６は、ハブの回転基準軸に対して垂直に延びる平面において実質的にダブテール形状である。突起は、ロータハブ１０の半径方向外向きに面する円周面によって画定される軸方向に延びる溝１８に受容される。溝の断面形状は、突起１６の断面形状に対して実質的に相補的である。溝は、軸方向においてハブの幅を横切って直線状に延び、セグメントの他のセット（６）の突起も受容する。

【0023】

各ロータセグメントは、一対の磁石２０を含み得る。各磁石は、そのロータセグメントの本体部分１４によって画定されるそれぞれの切り欠き２２内に保持される。磁石は円周方向において間隔をあけて配置され、ハブの中心軸から同じ距離に位置する磁石の質量中心を有する。

【0024】

各磁石は、（図１及び図２に示されるように）ハブの中心回転基準軸に対して垂直な断面において見たときに細長くてもよい。各磁石は、この平面において見たときに、（その外側端部２３よりもセグメントの質量中心に近い）その内側端部２１がその外側端部２３よりもロータハブの中心に近くなるように傾斜されている。

【0025】

他の実装形態では、各ロータセグメントは、単一の磁石、又は３つ以上の磁石を含み得る。

【0026】

図２に見られ得るように、１つのセット４の各セグメントは、各セグメントの突起１６の半径方向中心基準線又は軸３０が、セグメントの本体部分１４の半径方向中心基準線又は軸３２から円周方向においてオフセット３４だけ間隔をあけて配置されるように構成される。半径方向軸３２は、一対の磁石２０の間に延びる。突起は、その中心軸３０を中心としてロータの回転軸に対して垂直な平面において対称である。本体部分１４は、その中心軸３２を中心としてその平面において対称である。このオフセットはまた、図１に見えるロータセグメントの他のセット（６）内に存在し得るが、円周方向では反対側にある。その構成では、両方のセットのロータセグメントは同一であってもよく、組み立てられたロータでは、一方のセットが他方のセットに対して逆にされている。各セットは、他方に対して円周方向にオフセット又はスキューされている。ロータセグメントの２つのセット間の円周方向におけるオフセットは、コギングトルクの影響を最小化するように機能する。

【0027】

しかしながら、図１～図４に従って構成されたロータでは、ロータがその中心軸を中心として回転するとき、セグメントの質量中心が突起１６の中心軸３０と円周方向に整列されていないため、セット４のセグメントは、各セグメントをロータハブに対して回転させるように作用する力を経験することになる。これは、セグメントとロータハブとの間に望ましくない空隙の形成につながる場合がある。相互係合するセグメント及びロータハブの表面の寸法精度を高めることにより、この影響を低減することができるが、そうすることで、製造コストを増大させることになる。

【0028】

また、これらの回転力は、セグメント及びロータハブ上に不均一な応力分布をもたらす傾向がある。これは、図３に描かれたシミュレーション結果に示されており、ロータの回転中にこれらの構成要素の横断面にわたって経験される応力の違いを異なる陰影で示し、影が濃いほど、応力が高いことを示している。応力は不均一に分布されており、溝１８の角部４０付近では角部４２に比べてより高い応力が発生していることが分かり得る。同様に、一方の側部上の突起１６と本体部分１４との接合部４４の周囲では、突起の他方の側部上の接合部４６に比べて、より高い応力が経験されている。

【0029】

接合部４４及び４６の半径を増大させて、これらの位置における応力の集中を低減することができる。しかしながら、磁束がセグメントの一方の磁石から他方の磁石に流れる位置においてセグメント本体から材料を除去するため、これにより、ロータの電磁性能に悪影響を及ぼす場合がある。これは、磁気回路のリラクタンスを増大させる傾向があり、次いで、トルクを発生させるためにロータと周囲のステータとの間の空隙に入る磁束を妨げることになる。

【0030】

図４は、ロータの回転中にセグメントの異なる部分がシフトする可能性がある程度をシミュレーションした結果を示している。影が濃いほど、シフトが大きいことを示している。図２に示されたオフセット３４によりセグメント上に及ぼされる回転力は、突起から円周方向に離れたロータセグメントの側部５２が、反対側の側部５０よりもハブの中心から離れて移動することをもたらす傾向がある。

【0031】

図５及び図６は、本開示の一実施例によるロータセグメント６０の断面図である。各セグメントは、本体部分６２と突起６４とを含む。磁石２０は、図１～図４に示されるセグメントの磁石と同様に傾斜されている。

【0032】

本体部分６２は、磁石２０の間に延びる半径方向軸６６を中心として図面の平面において非対称である。本体部分の質量は、セグメントの質量中心６８が突起６４の半径方向中心基準軸７０上に位置するように、その半径方向軸６６を中心として分布される。各ロータセグメントの断面形状は、軸方向において均一であってもよい。

【0033】

本体部分６２は、隣接セグメントの下の途中まで、好ましくは隣接セグメントの磁石の下の途中まで、１つの円周方向に延びる延長部７２を含む。延長部は、セグメントの中心から離れるにつれて幅が減少するような先細状であってもよい。延長部の上面７８は、その上方の磁石の半径方向内向きに面する傾斜面８０によって画定される平面に対して実質的に平行な平面に位置してもよい。延長部の下面８２は、ハブ１０の外側円周面８と接触してもよい。

【0034】

本体部分６２は、反対側の側部上の隣接セグメントの延長部７２を収容するように、円周方向に反対側の側部７３に沿って相補的な方法で切り離されてもよい。このようにして、セグメントの質量中心６８は、突起６４の中心基準軸７０と一致するように、円周方向においてその磁石に対してシフトされる。したがって、ロータの回転中にセグメントに作用する遠心力は、突起６４の中心軸と整列されているため、セグメントに作用するハブに対する機械的モーメントの結果は存在しない。

【0035】

図５は、本開示の一実施例によるロータセグメント６０を含むロータの回転中に経験される応力のシミュレーション結果を示している。図３に示されるものと比較して、応力はより低く、より均等に分布されており、突起６４の中心半径方向軸７０に対してより対称に分布されていることが分かり得る。

【0036】

図６は、ロータの回転中のセグメントの変位のシミュレーション結果を示すように陰影付けされている。いかなる変位の大きさも、より薄く且つより均一な陰影によって示されるように、図４に示されるシミュレーションによって予測されるものに比べて著しく減少している。

【0037】

図５及び図６に示されるハブ及びセグメントの構成により、より低い応力が経験されるため、遠心力に対するロータセグメントの所与の抵抗に対して、図３に示される対応部分４４及び４６と比較して、接合部７４及び７６の半径を低減することができる。更に、遠心力に対する所与の抵抗は、より低い製造公差で達成することができ、それによって製造コストを低減することができる。

【0038】

図５及び図６に示されるロータセグメントの磁石は、隣接セットの磁石に対して円周方向にオフセットされている。好ましくは、両方のセットのロータセグメントは同一であり、組み立てられたロータでは、一方のセットが、円周方向において他方のセットに対して逆にされている。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【国際調査報告】