JP2023026350A - 回転電機の回転子 - Google Patents

Abstract

【課題】質量及び回転慣性が小さい回転電機用の回転子を提供する。【解決手段】回転電機用の回転子は、軸方向に向けられ、閉じたリングを形成するように回転軸の周りに互いに隣接して配列された複数の永久磁石６、永久磁石が載置される外面９、及び中央空洞１２を有する支持シリンダ８、並びに、互いに独立して分離しており、支持シリンダ８と共に単一のブロックを形成するように、支持シリンダ８の中央空洞１２の両端に単独で挿入される、２つのハーフシャフト１０，１１を備える。この永久磁石は、永久磁石の内側で半径方向に磁場を無効にし、永久磁石の外側で半径方向に磁場を最大にするように、ハルバッハ配列に従って互いに連続して円周方向に配列される。【選択図】図４

Description

関連出願の相互参照

本特許出願は、２０２１年８月１２日に出願されたイタリア特許出願第１０２０２１００００２１８１５号の優先権を主張し、その全開示は参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、回転電機の回転子に関する。

本発明は、車両に搭載され、モータ（電気エネルギーを吸収して機械的トルクを発生させる）、又は発電機（機械エネルギーを電気エネルギーに変換する）として使用することができる、自動車動力用の回転電機において有利な用途を見出すものである。

自動車動力用の回転電機は、中心回転軸の周りを回転するように回転式に取り付けられたシャフト、一般に永久磁石を有し、シャフトと共に回転するようにシャフトに取り付けられた回転子、及び回転子を内側に囲むように回転子の周りに配置された固定子を備える。

中国特許出願公開第１０２２６３４４８号明細書、ドイツ特許出願公開第１０２０１１０１２４２９号明細書、米国特許出願公開第２０２１１２９７０９号明細書、米国特許出願公開第２０２１２４２７４１号明細書、米国特許出願公開第２０１９２８８５７９号明細書、ロシア特許２６５９７９６号明細書、米国特許出願公開第２０２００３６２４６号明細書、欧州特許第２０６９１８０号明細書、欧州特許第１８９２５１２号明細書、及び米国特許出願公開第２０１７２７１９３４号明細書には、回転電機用の回転子のいくつかの例が記載されている。

本発明の目的は、特に質量及び回転慣性が小さい回転電機用の回転子を提供することである。

本発明によれば、添付の特許請求の範囲による、回転電機用の回転子が提供される。

添付の特許請求の範囲は、本発明の好ましい実施形態を説明し、説明の不可欠な部分を形成する。

ここで、その非限定的な実施形態を示す添付の図面を参照して、本発明の説明を行う。

本発明による回転子を備える、回転電機の概略縦断面図である。 より明瞭にするために、いくつかの部分を省略した図１の回転子の斜視図である。 図１の回転子の斜視分解図であり、より明瞭にするためにいくつかの部分が省略されている。 図１の回転子の縦断面図である。

図１において、番号１は、全体として、自動車動力用の同期電気機械を示しており、この電気機械は可逆電気機械（すなわち、電気モータとして、電気エネルギーを吸収して機械的トルクを発生させ、発電機として、機械エネルギーを吸収して電気エネルギーを発生させることができる電気機械）である。

電気機械１は、少なくとも２つの駆動輪を備える電気駆動又はハイブリッド駆動車両（すなわち、二輪駆動又は四輪駆動の電気又はハイブリッド車両）に設置するのに適している。特に、電気機械１は、（直接的に、又は場合によってはクラッチを備えたドライブトレインを使用して）駆動輪に接続することができる。すなわち、電気機械１と駆動輪との間に直接接続することができ、単純な減速機を設けることができ、あるいはクラッチを設けることもできる。

電気機械１は、中心回転軸３の周りを回転するように回転式に取り付けられたシャフト２、シャフト２と共に回転するようにシャフト２に取り付けられた、永久磁石を有する回転子４、及び回転子４を内側に囲むように回転子４の周りに配置された、管状の円筒形状を有する固定子５を備える。

回転子４と固定子５との間には、厚さの小さい環状のエアギャップ（通常、回転子４が固定子５の内側で総合的に安全に回転できるようにするための、必要最低限のもの）が画定されている。

図２及び図３によれば、回転子４は、軸方向に向けられ、閉じたリングを形成するように回転軸３の周りに互いに並んで配列された、複数の永久磁石６を備える。図２に示す実施形態では、閉じたリングを形成するように配置された２４個の永久磁石６があるが、本明細書に示されていない他の実施形態によれば、永久磁石６の総数は異なっていてもよく、例えば、４～３２個の永久磁石６であり得る。永久磁石６は、表面に配列されている。すなわち、永久磁石６は、回転子４の外面の領域に配置され、回転子４に設けられたスロットには挿入されない。

閉じたリングを構築する一連の永久磁石６は、永久磁石６の内側で半径方向に磁界を無効にし、永久磁石６の外側で半径方向に磁界を最大にするために、ハルバッハ配列による円周方向の配列を必要とする。言い換えれば、永久磁石６は、永久磁石６の内側で（シャフト２に向かって）半径方向に磁界を無効にし、永久磁石６の外側で（固定子５の磁気コアに向かって）半径方向に磁界を最大にするように配列される。すなわち、永久磁石６は、永久磁石６の内側で半径方向に磁界を無効にし、永久磁石６の外側で半径方向に磁界を最大にするように、ハルバッハ配列に従って互いに連続して円周方向に配列される。

ハルバッハ配列は、配列の一方の側（この実施形態では半径方向外側）で磁界を増強し、他方の側（この実施形態では半径方向内側）で磁界を干渉によって相殺する（無効化する）ように配列された、永久磁石６の特別な接合（配列）である。図２によれば、このハルバッハ配列は、時計回り方向の円周方向に配向されたＮＳ方向を有する永久磁石６、外側に向かって半径方向に配向されたＮＳ方向を有する後続の永久磁石６（すなわち、中心回転軸３から離れる方向に移動する）、反時計回り方向の円周方向に配向されたＮＳ方向を有する後続の永久磁石６、及び内側に向かって半径方向に配向されたＮＳ方向を有する後続の永久磁石６（すなわち、中心回転軸３に近づく方向に移動する）の、４つの永久磁石６のセットを、周期的に繰り返すことを伴う。

別の実施形態によれば、永久磁石６はハルバッハ配列に従って配列されない。

好ましい実施形態によれば、各永久磁石６は、モノリス状（すなわち、当初から、分割されておらず不可分の磁性材料の単一片からなるもの）ではなく、軸方向に前後に並んだ（より小さい）永久磁石７の軸方向の連続によって形成され、すなわち、各永久磁石６は、軸方向に次々に配列された、複数の（より小さい）永久磁石７からなる。特に、各永久磁石６には、概して、前後に並んだ２０～６０個の永久磁石７がある。

各永久磁石６において、永久磁石６を構成するすべての永久磁石７は同一の方向を有し、すなわち、それらはすべて等しく配向されている。言い換えれば、同じ永久磁石６において、永久磁石６を構成する各永久磁石７は、すべて全く同じように配向されている。

添付の図面に示される実施形態では、永久磁石６は、交互に、長方形形状の断面及び等脚台形形状の断面を有する。本明細書に示されていない別の実施形態によれば、永久磁石６はすべて、（明らかに、リングを構築するために向きを互い違いにした）等脚台形形状の同じ断面を有する。

図３及び図４によれば、回転子４は、永久磁石６を収容する支持シリンダ８を備える。特に、支持シリンダ８は、永久磁石６が載置される外面９を有する。好ましい実施形態によれば、支持シリンダ８の外面９は切子面を有する。すなわち複数の平坦面からなり、それぞれが対応する永久磁石６のための平坦な支持部を提供する。言い換えると、永久磁石６は、支持シリンダ８の外側の表面上に配列されている。

支持シリンダ８は、シャフト２に結合され（すなわち、角度的に一体になるように拘束され）、それらは共に単一のブロックを形成する。図４によりよく示されている好ましい実施形態によれば、シャフト２は、それぞれが他方から分離され、支持シリンダ８に単独で結合（固定）された、２つのハーフシャフト１０及び１１からなる。すなわち、ハーフシャフト１０又は１１はそれぞれ、他方のハーフシャフト１０又は１１から独立して分離しており、他方のハーフシャフト１０又は１１から独立して、支持シリンダ８に結合（固定）されている。特に、支持シリンダ８は内部が中空であり、中央貫通空洞１２を有し、その中に２つのハーフシャフト１０及び１１が挿入される。好ましい実施形態によれば、各ハーフシャフト１０又は１１は、干渉を介して（特に、高い締結力を得るための焼き嵌め、冷やし嵌めによって）支持シリンダ８内（すなわち、支持シリンダ８の中央空洞１２内）に打ち込まれる。

好ましい実施形態によれば、支持シリンダ８の中央空洞１２の内部及び２つの端部の領域では、対応するハーフシャフト１０及び１１が当接する、２つの当接部が得られる。すなわち、２つの当接部は、ハーフシャフト１０及び１１を支持シリンダ８の中央空洞１２に挿入するための制限止め具ある。

ハーフシャフト１０は、支持軸受けに取り付けられるように成形される。更に、ハーフシャフト１０はまた、運動の伝達装置に接続されるように成形され、したがって、スプライン加工を有する。一方、ハーフシャフト１１は、別の支持軸受けに取り付けられるように成形される。更に、ハーフシャフト１１はまた、角度位置センサ（特に、レゾルバに）に接続されるように成形される。

図４によれば、回転子４は、支持シリンダ８の２つの対向する端部でシャフト２の周りに配置され、（とりわけ）まとめて束ねられた複数の永久磁石６を保持するように設計された、一対の端部ディスク１３を備える。言い換えれば、２つの端部ディスク１３は、回転子４の２つの対向する端部を構成し、複数の永久磁石６をまとめて束ねた状態に保持するために、永久磁石６への軸方向の加圧を維持する。

可能な実施形態によれば、端部ディスク１３は、バランス開口部（本明細書には図示せず）を有するように設計される。これは回転軸３の周りで回転子４のバランスをとるものであり、円筒状穿孔又はフライス加工によって製造される。回転子４を高回転速度で動作させ、同時に動作寿命を長く保証するために、シャフト２を支持する軸受けが吸収しなければならない、動作中に発生する振動を最小限に抑える必要がある。この目的のために、回転子４は、多くの場合、回転中に振動を発生させる（不可避の構造的公差による）不均衡を低減するように、バランスをとる必要がある。回転子４がバランスをとれるようにするために、２つの端部ディスク１３が使用される。バランス開口部（デッド開口部又は貫通開口部とすることができ、半径方向又は軸方向に配置することができる）によって質量の非対称性が較正される結果、端部ディスク１３は、バランス調整要素として機能する。

バランス穴の存在、数、配置、及び深さは、明らかに完全に不規則であり、その製造プロセス終了時における回転子４の（構造的公差による）実際の不均衡に依存するため、回転子４によって全面的に変わる可能性がある。理論的に言えば、回転子４は、構造的公差の組み合わせが好都合な場合には、その製造プロセス終了時に回転軸３の周りの不均衡から受ける影響は、補正を必要としないほど小さいものにすぎないため、バランス穴を全く必要としない。

各端部ディスク１３は、対応するハーフシャフト１０又は１１の周りに嵌合され、干渉を介してハーフシャフト１０又は１１上に打ち込まれる、すなわち、各端部ディスク１３は、中央に、対応するハーフシャフト１０又は１１が（干渉嵌合によって）挿入される貫通孔を有する。

端部ディスク１３は、支持シリンダ８に軸方向に突き当たる。すなわち、端部ディスク１３は、永久磁石６を押圧する代わりに、支持シリンダ８を軸方向に直接押圧するように、永久磁石６ではなく支持シリンダ８に軸方向に「接触」する。このため、支持シリンダ８は、永久磁石６よりも先に端部ディスク１３に接触するように、永久磁石６よりも軸方向に長い（わずかに、実際には数ミリメートル長い）。本発明の一部ではない別の実施形態によれば、端部ディスク１３は、複数の永久磁石６をまとめて束ねた状態に保持するように、永久磁石６に対して軸方向に突き当たる。すなわち、端部ディスク１３は、支持シリンダ８を押圧する代わりに、永久磁石６を軸方向に直接押圧するように、支持シリンダ８ではなく永久磁石６に軸方向に「接触」する。このため、永久磁石６は、支持シリンダ８よりも先に端部ディスク１３に接触するように、支持シリンダ８よりも軸方向に長い（わずかに、実際には数ミリメートル長い）。

回転子４は、内部が中空であり、永久磁石６を支持シリンダ８と接触させて保持するように永久磁石６の周りに配置された、（図３によりよく示されている）円筒形の収容要素１４を備える。すなわち、収容要素１４は、遠心力によって永久磁石６が固定子５の磁気コアに押し付けられるのを防止するために、永久磁石６を半径方向に収容するように、外側で永久磁石６を覆うものである。好ましい実施形態によれば、収容要素１４は、干渉を介して永久磁石６の周りに打ち込まれる、複合材料製の管状要素からなる。あるいは、収容要素１４は、プラスチック材料、軽量の非強磁性金属材料（例えば、アルミニウム、チタン又はマグネシウム）、又は強磁性金属材料で作製される。更に代替として、収容要素１４は、永久磁石６の周りに螺旋状に巻かれた樹脂結合フィラメントからなる。

可能な実施形態によれば、収容要素１４は、単一のモノリス状部品（すなわち、隙間なく）からなる。あるいは、収容要素１４は２つ以上の部品からなり、これらは互いに分離かつ独立し、互いに隣接して配置される。この実施形態では、収容要素１４を構成する異なる部品は、永久磁石６の周りに単独で取り付けられ、（上述したように、所与の干渉で行われる）操作に必要な力を全体的に低減する。

一般的に言えば、ハーフシャフト１０は、回転子４によって生成又は吸収されたトルクを伝達できなければならないため、高抵抗鋼（又は機械的特徴に関して同等の別の材料）で作製される。一方、ハーフシャフト１１は、回転子４によって生成又は吸収されたトルクを伝達しないため、ハーフシャフト１０の鋼材よりも抵抗が小さい、鋼材又は他の金属材料で作製される。

支持シリンダ８は、磁性金属材料（鋼）、非磁性材料（例えば、アルミニウム、チタン又はマグネシウムなど）、又は、更には非金属材料（典型的には、必要な抵抗を有するための、炭素繊維などの複合材料）で作製される。上述したように、永久磁石６のハルバッハ配列によって永久磁石６の内部の磁界はゼロであり、したがって、支持シリンダ８は大きな磁界の影響を受けない。結果として、支持シリンダ８は必ずしも強磁性特性を有する必要がない。磁性金属材料で作製された支持シリンダ８では、永久磁石６が磁気吸引によって支持シリンダ８の外面９に接着するので、回転子の組立てが単純化し、したがって、組立て中に、それらを支持シリンダ８の外面９上に、より容易に配置することができる。

端部ディスク１３は、通常、まとめて束ねられた永久磁石６を保持するのに必要な抵抗を有すると同時に、永久磁石６によって生成される磁場を乱さないように、非磁性ステンレス鋼で作製される。

図３に示す可能な実施形態によれば、各永久磁石６において、単一の永久磁石７は、寄生電流による電力損失を低減するために、（電気絶縁体である）取付け用接着剤１５を挿入することによって、互いに接着される。言い換えれば、各永久磁石６は、（電気絶縁体である）取付け用接着剤１５を使用して、単一の永久磁石７を互いに接着することによって得られる。

好ましい実施形態によれば、永久磁石６は、支持シリンダ８の外面９に直接取り付けられる。特に、各永久磁石６は、好ましくは、（支持シリンダ８の外面９を介して、同じ永久磁石６の異なる永久磁石７を「短絡」させることを回避するために）電気絶縁体である取付け用接着剤によって、支持シリンダ８の外面９に接着される。言い換えれば、支持シリンダ８の外面９と永久磁石６との間には、取付け用接着剤によって構築された電気絶縁層が介在している。

取付け用接着剤は、永久磁石６を下にある支持シリンダ８の外面９から電気的に絶縁する機能を有し、特に、回転子４を構築しながら、永久磁石６を支持シリンダ８の外面９に接続する機能を有する（回転子４の高速回転時には、取付け用接着剤が遠心力に耐えられないため、永久磁石６の機械的保持は、収容要素１４によって保証される）。

本明細書に記載の実施形態は、互いに組み合わせることができ、この理由で本発明の保護範囲を超えることはない。

上述の回転子４には、数々の利点がある。

第１に、上述の回転子４は、性能の利点のために、小さい質量及び低い回転慣性の両方を有する（特に、回転慣性が低いことは、ドライブトレイン全体の動的応力を低減する）。

更に、上述の回転子４は、革新的な材料（特に、複合材料）を使用して、かつて到達されたことのない性能／質量比を保証する。特に、上述の回転子４は、回転子４を構成する３つの主要部分（支持シリンダ８、ハーフシャフト１０、ハーフシャフト１１）に、異なる材料を使用する。このようにして、各主要部分（支持シリンダ８、ハーフシャフト１０、ハーフシャフト１１）は、使用時に発生する機械的応力に抵抗し、性能／質量比を最適化するのに最も適した材料で作製することができる。

上述の回転子４は、高エネルギー効率（すなわち、入力された機械的又は電気的な力と、出力された電気的又は機械的な力との間の高い効率）を保証する。この点に関して、収容要素１４が存在することで、半径方向の位置決め及び真円度の高い精度が保証され、回転子４と固定子５との間に存在するエアギャップが最小化されることを指摘しておくべきである。

最後に、上述の回転子４は、単純な形状を有する、少数の構成要素からなるため、製造が簡単であり、自動化工程においても互いに迅速に組み合わせることができる。

１ 電気機械
２ シャフト
３ 回転軸
４ 回転子
５ 固定子
６ 永久磁石
７ 永久磁石
８ 支持シリンダ
９ 外面
１０ ハーフシャフト
１１ ハーフシャフト
１２ 中央空洞
１３ 端部ディスク
１４ 収容要素
１５ 取付け用接着剤

Claims (16)

1. 回転電機（１）用の回転子（４）であって、
   軸方向に向けられ、閉じたリングを形成するように回転軸（３）の周りに互いに隣接して配列された、複数の第１の永久磁石（６）と、
   支持シリンダ（８）であって、中央空洞（１２）、及び前記第１の永久磁石（６）が前記支持シリンダ（８）の外側の表面上に配列されるように、前記第１の永久磁石（６）が載置される外面（９）を有する、支持シリンダ（８）と、
   互いに独立して分離しており、前記支持シリンダ（８）と共に単一ブロックを形成するように、前記支持シリンダ（８）の前記中央空洞（１２）の両端に単独で挿入される、２つのハーフシャフト（１０，１１）と、を備え、
   前記支持シリンダ（８）の２つの対向する端部に配列され、互いに束ねられた前記第１の永久磁石（６）を保持するように設計された２つの端部ディスク（１３）が設けられており、
   前記支持シリンダ（８）は、前記第１の永久磁石（６）より先に前記端部ディスク（１３）と接触するように、すなわち前記端部ディスク（１３）が前記支持シリンダ（８）に軸方向に突き当たるように、前記第１の永久磁石（６）よりも軸方向に長いことを特徴とする、回転子（４）。
2. 前記ハーフシャフト（１０，１１）のそれぞれが、干渉を介して前記支持シリンダ（８）の前記中央空洞（１２）内に打ち込まれる、請求項１に記載の回転子（４）。
3. 前記支持シリンダ（８）の前記中央空洞（１２）の内部及び前記２つの端部の領域には、対応する前記ハーフシャフト（１０，１１）が当接する２つの当接部が得られる、請求項１に記載の回転子（４）。
4. 前記第１のハーフシャフト（１０）は、支持軸受けに取り付けられるように成形され、トランスミッションへ接続できるように機械加工を有し、
   前記第２のハーフシャフト（１１）は、別の支持軸受けに取り付けられ、角度位置センサに接続されるように成形されている、請求項１に記載の回転子（４）。
5. 前記支持シリンダ（８）の前記外面（９）は切子面を有し、すなわち、複数の平坦面からなり、それぞれが、対応する前記第１の永久磁石（６）のための平坦な支持部を提供する、請求項１に記載の回転子（４）。
6. 前記端部ディスク（１３）のそれぞれが、対応する前記ハーフシャフト（１０，１１）の周りに嵌合され、干渉を介して前記ハーフシャフト（１０，１１）に打ち込まれる、請求項１に記載の回転子（４）。
7. 内部が中空であり、前記第１の永久磁石（６）を前記支持シリンダ（８）と接触させて保持するように、前記第１の永久磁石（６）の周りに配置された、円筒状の収容要素（１４）を備える、請求項１から６のいずれか一項に記載の回転子（４）。
8. 前記収容要素（１４）が、非磁性材料、特に複合材料で作製されている、請求項７に記載の回転子（４）。
9. 前記収容要素（１４）が、互いに分離され、独立しており、かつ互いに隣接して配置された、異なる部品からなる、請求項７に記載の回転子（４）。
10. 前記収容要素（１４）は、干渉によって前記第１の永久磁石（６）の周りに嵌合される、請求項７に記載の回転子（４）。
11. 前記第１のハーフシャフト（１０）が、前記第２のハーフシャフト（１１）を構成する材料とは異なる材料で作製されている、請求項１から６のいずれか一項に記載の回転子（４）。
12. 前記支持シリンダ（８）が、前記２つのハーフシャフト（１０，１１）を構成する材料とは異なる材料で作製されている、請求項１から６のいずれか一項に記載の回転子（４）。
13. 前記支持シリンダ（８）が炭素繊維で作製されている、請求項１から６のいずれか一項に記載の回転子（４）。
14. 前記第１の永久磁石（６）は、好ましくは電気絶縁体である、取付け用接着剤を挿入することによって、前記支持シリンダ（８）の前記外面（９）に直接接着される、請求項１から６のいずれか一項に記載の回転子（４）。
15. 前記第１の永久磁石（６）は、前記永久磁石（６）の内側で半径方向に磁場を無効にし、前記永久磁石（６）の外側で半径方向に磁場を最大にするように、ハルバッハ配列に従って互いに連続して円周方向に配列される、請求項１から６のいずれか一項に記載の回転子（４）。
16. 前記ハルバッハ配列が、時計回り方向の円周方向に配向されたＮＳ方向を有する第１の永久磁石（６）、外側に向かって半径方向に配向されたＮＳ方向を有する後続の第１の永久磁石（６）、反時計回り方向の円周方向に配向されたＮＳ方向を有する後続の第１の永久磁石（６）、及び内側に向かって半径方向に配向されたＮＳ方向を有する後続の第１の永久磁石（６）の、４つの第１の永久磁石（６）のセットを、周期的に繰り返すことを伴う、請求項１５に記載の回転子（４）。
    

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