JP3655272B2 - 電気式トラクション・モータのためのロータを製造する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に、電気式またはハイブリッド電気式車両の推進系に関する。より詳細には、本発明は、電気式またはハイブリッド式車両に使用される電気式走行用のモータまたは機械の設計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日の自動車市場では、車両に動力を供給するために使用される多様な電気式の推進または駆動技術が存在する。これらの技術には、直流モータ、交流誘導モータ、スイッチ反作用モータ、同期反作用モータ、ブラシレス直流モータおよび対応するパワー・エレクトロニクスなどの電気式トラクション・モータがある。電気式車両のトラクション・モータとして使用するブラシレス直流モータは、直流モータおよび交流誘導モータに比べて、その優れた性能特徴のために特に重要である。ブラシレス直流モータは、典型的には永久磁石ロータで動作する。永久磁石ロータは、表面取付け、または内部ないし埋込み永久磁石ロータとして構成することができる。直流モータおよび交流誘導モータに比較すると、内部永久磁石（ＩＰＭ）モータまたは機械は、相対的に高い効率、相対的に高いトルク、相対的に高い出力密度、および車両を推進させる応用例にとってＩＰＭ機械を魅力あるものにする長時間連続の出力動作範囲を含む性能特性を有する。
【０００３】
ブラシレス直流モータ用ロータの内側に埋込まれた永久磁石は、その永久磁石の低い透磁率によって、直接に磁気軸またはｄ軸に沿って高い磁気抵抗を示す。一方、ｑ軸沿い、すなわちＩＰＭロータの磁極の間または磁石バリヤの間では、磁気バリヤが存在せず、磁束に対する磁気抵抗率は非常に低い。ロータの周りの磁気抵抗の変化によって、ＩＰＭ機械のロータ構造に突極性が作り出される。したがって、ＩＰＭロータは、そのロータの内側に埋込まれた磁石によって生成される永久磁石トルクに加えて磁極抵抗トルクを有する。ｄ軸での磁気抵抗は、単一バリヤ型ロータ設計に見られるように、１個の磁石によって生成可能である。
【０００４】
この１バリヤ型ロータ設計の単一磁石はまた、いくつかの層に分割されて、多バリヤ設計を形成することができる。この多バリヤ設計は、漏洩を低減し、ロータの突極性を向上させる。したがって、多バリヤ型ロータを有するモータは、相対的に高い全体効率、長時間連続の出力動作範囲、および力率の向上を含め、単一バリヤ型ロータ設計にまさる数多くの性能上の利点を備える。多バリヤ型ロータの突極性が向上すると、磁気トルクへの依存が低下することによって、単一バリヤ型ＩＰＭ機械または表面永久磁石機械に比べて、ＩＰＭ機械内の磁石または磁気材料の量を削減する助けとなる。特定のトルクおよびワット数定格を生成するのに必要な磁気材料の量は、ロータの突極性の水準に左右される。ロータの突極性が高いほど、それだけ同じ機械の性能全体に関する磁石材料の使用量は少なくなる。多バリヤ型ロータ設計を有する電気モータは、単一バリヤ設計に比べて、高いロータの突極性を生成する。
【０００５】
電気モータ内のロータの磁気材料を削減することは、コストの観点から望ましいことである。また磁気材料の使用量が減少することによって、モータがいかなるトルクも生成していない場合でも、ロータ磁石によって生じる磁界による障害問題やスピン・ロス問題などの永久磁石機械に見られるいくつかの問題が改善される。多バリヤ型の永久磁石（ＰＭ）設計と同様のロータの幾何学形状を有するが、ロータ内に磁気材料が存在しない純粋な同期反作用モータは、相対的に性能が低い機械である。多バリヤ型ＩＰＭ電気モータは、同期反作用機械と永久磁石機械の有用な特性を併せ持ち、車両を推進させることに関する優れた候補である。ＩＰＭ機械に関わる主要な問題点は、ロータの設計と製造である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ＩＰＭ機械内の磁石は、予め磁化し、次いでロータ内側に挿入することができる。このような磁石の挿入は、ＩＰＭ機械の組立てにいくつかの製造過程を加える複雑で相対的にコストの掛かるプロセスである。
【０００７】
図２に示すように、磁石をロータ表面近くに挿入する場合は、挿入されている磁気材料を事後に磁化することができる。事後の磁化に関しては、ロータの外側で磁気材料を予め成形して、ロータに挿入し、次いで磁化することができる。これは通常、焼結磁石の場合であり、それには一定の配向が必要である。ＩＰＭロータ内で使用することができる他のタイプの磁気材料は、通常ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）樹脂などのプラスチックと混合されるボンド磁石材料であり、同様にロータの外側で予め成形し、次いでロータ内に挿入される。しかし、一般にボンド磁石は、高温および高圧下でロータの空洞内に注入される。
【０００８】
図４に示すように、ロータ内に多層埋込み磁石を有する電気モータは、車両を推進する応用例に関して優れた性能特徴を示す。このようなロータの幾何学形状を事後に磁化することに伴う問題は、部分的に磁化できるだけであるか、または全く磁化できない大量の磁気材料をロータ内部に深く埋込むことになり、材料の浪費となろう。事後の磁化は、図２に示すように、ロータ表面近くに埋込まれているまたは位置する磁気材料に関してのみ効率上有効となる。相対的にロータ内に深く埋込まれている磁気材料に関しては、磁化界磁が弱化するために事後の磁化は困難である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ＩＰＭ機械のロータの設計に関する方法および装置を含む。本発明は、事後の磁化過程の間に、効果的にまたは強力に磁化することができないロータ領域から磁気材料を除去する。例えば、図４のロータの外部バリヤ全体は、容易に磁化可能である。しかし、ロータ内部領域の中間部は、これらの領域を完全に磁化するほど強力な磁界に曝すことができない。本発明は、これらの領域から磁気材料を除去し、どんな材料もない状態にすることができる。それによって、ロータ内に突磁性を生成するのに必要な、磁石軸またはｄ軸に対する高い抵抗が保証される。
【００１０】
本発明の代替実施形態では、モータ軸領域を介してロータの熱を逃がすことができるように、ＩＰＭロータの中間領域に非磁性の伝熱材料が充填され、ロータの熱性能を向上させる。ロータの中間領域をどんな材料もない状態にしておいても、あるいは非磁性の伝熱材料を挿入しても、ロータの突極性または抵抗トルクに変化はない。しかし、ロータの一定領域から磁気材料を除去することによって、磁界が減少し、その結果、この磁界によって生成されるトルクおよびステータ電流の相互作用が減少することになる。磁界の損失およびその対応する磁気トルクを補償するために、残存する磁気材料の磁界強度が増強される。
【００１１】
磁石の強度は通常、磁気エネルギー積（ＭＥＰ）によって定義される。ＭＥＰは、残留磁束密度Ｂｒと保磁度Ｈｃの積に比例する。ＭＥＰは、単位体積当たりのエネルギー単位で測る。このエネルギー積に総磁気体積を乗ずると、ＭＥＰ量または磁石からのエネルギー量が得られる。図４および５に示す両方の幾何学形状において、ＭＥＰと磁気材料の体積との積が実質的に同じならば、磁気トルクは実質的に同じのままであることが有限要素シミュレーションによって確認されている。したがって、ロータの中央および中間領域付近の磁気材料の除去によって磁気材料の体積が減少するのと同じ比率で、図５の幾何学形状の磁石のＭＥＰを増強する必要がある。磁気材料のコストもまた、磁気エネルギー積および磁気材料の総体積に関連する。その関係は複合的であり、磁気材料の化学的組成、磁石の種類および処理の方式などの数多くの他の要素にも左右される。しかし、磁気材料の総体積が減少し、かつＭＥＰと、モータのロータ内に残存する磁気材料の体積との積が実質的に同じならば、モータ性能を損失することなく磁気材料の総コストが低下する。
【００１２】
本発明のＩＰＭロータに使用される磁気材料の量を削減することによって、かつＭＥＰと磁石体積との積を実質的に同じに保つことによって、ＩＰＭモータのコストを削減することができる。さらに、本発明は、外部および内部磁気材料またはバリヤの完全な磁化が可能であり、よってロータ内の高価な磁気材料の体積およびモータのコストが減少し、製造および材料コストが減少することになる。さらには、磁気材料の体積または質量が削減される結果、モータの質量が削減されることになり、さらにロータの熱性能も向上して磁気バリヤの冷却が可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、巻線形ステータ１２および永久磁石ロータ１４を有する永久磁石モータの図面である。電源およびインバータ１６が、エンコーダ、レゾルバ、タコメータ、近接スイッチおよびトゥース・セット、および逆起電力検出などを含むが、それらに限定されないフィードバックに応じて、モータ１０の速度とトルクを切換えかつ制御する。このモータは、方形波または正弦波の励磁が電源およびインバータ１６によって供給されるブラシレス直流モータとして特徴付けることができる。
【００１４】
図２は、磁気材料１９がロータ１４の表面近くに埋込まれている永久磁石ロータ１４の断面図である。この磁気材料は、ロータ１４表面に近接するその位置のために、事後の磁化過程の間、磁化器または巻線形ステータ１２によって磁化可能である。本発明の一実施形態での事後の磁化には、ロータ１４内の磁気材料１９を磁化するために磁化器をロータ１４の周りに配置することが含まれる。ステータ１２と類似の磁化器には、磁化過程に使用するコイルが内蔵されている。本発明の別の実施形態では、磁化器の代わりにステータ１２を使用してロータ１４を磁化することもできる。
【００１５】
本発明の好ましい一実施形態では、プラスチックと混合された磁気粉末を高温および高圧下でロータ１４の空洞内に注入して、この材料をロータ１４の空洞の内側に接着かつ成形することができる。このような過程は大量生産にとって望ましい。先に述べたように、磁気材料を事後に磁化することは、その磁気材料がロータ表面近くに埋込まれている場合のみ現時点で実用的である。
【００１６】
磁気材料を完全に磁化された状態にするには、その組成に応じて様々な磁界強度が必要である。可変速度モータ駆動の応用例にとって有利な高エネルギー磁石は、その大きな減磁強度のせいで、完全に磁化された状態になるように磁気材料を飽和するために非常に強い磁界が必要である。この磁界は、ステータ１２のコイル内または磁化器内に電流を流すことによって生成される。ロータ１４を磁化するには、通常は非常に短時間に極めて大きな電流バーストが必要である。ステータ１２に鉄が十分にないと、そのステータがこのような過程の間で飽和状態になり、生成された磁界がロータ１４内に透過するのを妨げる恐れがある。
【００１７】
本発明の好ましい実施形態では、ロータ１４が磁化器によって磁化される。この磁化器には、それが著しい飽和状態にならないように十分な鉄が含まれている。磁化器内のコイルは、磁界を所望の磁化方向に沿って誘導するように配置されている。
【００１８】
図３は、磁気材料２１をスポーク型に構成した永久磁石ロータ１４の断面図である。磁気材料２１の領域２３は、ロータ表面１４からの距離のために磁化することが難しい。先に説明したように、磁化器またはステータ１２のコイルによって生成された磁界は一般に、ロータ１４の内側深くに透過することはない。したがって、領域２３は、事後に磁化する間、部分的または不完全にしか磁化されないことになる。磁気材料の不完全または部分的な磁化によって、エア・ギャップの磁束が減少することになる。したがって、領域２３が完全に磁化されているロータに比べて、機械トルクおよび機械効率も低下することになる。
【００１９】
図４は、多層または多バリヤ型埋込み磁石モータの幾何学形状の部分断面図である。図３のスポーク型構成と同様に、磁気材料層またはバリヤ２４は、ロータ１４の表面からの距離のために完全に磁化することが難しい。
【００２０】
先に説明したように、ＩＰＭロータに関して、多層または多バリヤ型の幾何学形状によってロータ１４の突極性が向上する。したがって、図４のロータ１４の幾何学形状には、相対的に高い突極性が備わる利点があり、それによって機械のトルク強度が高まり、かつ特定のトルクまたはワット数に関する磁気材料の体積要件が低下する。磁気材料の体積要件が低下することによって、モータのコストが低下し、短絡と開路の障害問題、および永久磁石の磁界が存在することによるスピン・ロス（渦電流誘導損失）などの大きな磁束のＰＭ機械に関連する問題も改善される。また多バリヤ型ロータの幾何学形状が、車両を推進する応用例に関して、長時間連続の出力範囲を有する有利なトルク速度分布の利点を備える。このような多層設計は、図４に示す全ての層２４内に磁気材料を有することもできるし、またはその設計は１つまたは複数の層２４内に磁気材料を有するが、その他の層は空であってもよい。具体的な設計は、磁石の磁束要件、磁気材料の種類、および突極性要件に左右される。これら全ての有利な特性にもかかわらず、全ての磁石層２４、特に層２４の領域２６を磁化することが難しいために、多層設計を生産することは困難である。
【００２１】
図５は、図４のロータの中央領域から磁気材料が除去されていることを例示する図である。本発明は、磁気材料を磁化することが難しい領域２６などのロータ１４の領域から磁気材料を除去する。これらの領域２６は、空気、または熱伝導性エポキシ樹脂など不活性もしくは非磁性の熱伝導性材料が充填されている。ロータ内側深くの磁界はほとんど直流なので、優れた熱伝導率を有する非磁性のステンレスまたはアルミニウムなどの材料も使用することができる。磁化が不可能なロータ１４領域から磁気材料を除去することによって、機械のエア・ギャップ内の磁束が少なくなり、よって磁束による機械トルクが低下することになる。領域２６から除去された磁気材料を補償するために、残存する磁気材料の磁力が増強される。磁石のエア・ギャップの磁束が変化しないように、残存する材料の磁界強度を増強する。それによって磁気トルクは低下しないことが保証される。
【００２２】
先に開示したように、磁界強度は、磁石の残留磁束密度Ｂ_rおよび磁石の保磁度Ｈ_cによって定義される。Ｂ_rは、磁石の両端（磁石のＮおよび磁石のＳ）が高透磁率の磁気材料を使用して短絡されるときの磁束密度の大きさである。Ｈ_cは、磁石内の総磁束をゼロにするために必要とされる磁界強度の大きさである。磁気エネルギー積（ＭＥＰ）は、磁石の残留磁束密度と磁石の保磁度との積に比例し、それは単位体積当たりのジュールの単位で表す。ＭＥＰに総磁石体積を乗ずると、磁気材料によって形成された磁石の総エネルギーが得られる。エア・ギャップ内において磁石の磁束が変化しないように保つために、磁気材料の体積が図４から除去されるのと同じ比率だけ、図５の設計に関するＭＥＰが増加される。したがって、図４および５のロータの幾何学形状に関して、ＭＥＰと磁石体積との積は実質的に不変である。
【００２３】
磁気材料の実際のコストは、磁石の種類、磁気材料の化学的組成、ＭＥＰ、磁気材料体積、磁気材料の処理要件などの数多くの要素の複合関数である。しかし、総磁気材料体積を削減すると共にＭＥＰと磁気材料体積との積を実質的に同じに保つことによって、全体的な磁気材料のコストを削減することができる。さらに、図４のロータ１４に比べて、図５のロータ１４は容易に磁化可能である。
【００２４】
先に説明したように、ＩＰＭの幾何学形状は、永久磁石の界磁による磁気トルクに加えて、磁気抵抗トルクを有する。この磁気抵抗トルクは、ロータ１４位置と共にロータ１４の突極性が変化することによって生じる。ロータ１４位置と共にロータ１４の抵抗がこのように変化することによって、ロータ１４の突極性が生成されるが、それは抵抗トルクの供給源である。図４の領域２６から磁気材料が除去され、かつ非磁気材料と置換えられるかまたは空のままにされるとき、ロータ１４の全体的な抵抗は変化しない。したがって、抵抗トルクはほとんど不変である。図５の磁気材料によって形成されたロータ１４の磁石またはバリヤのＭＥＰを増大させることによって、磁気材料の除去が補償されると、モータのトルクは実質的に不変である。それが、図６に見る有限要素シミュレーションによって例示されている。
【００２５】
図４および５のロータ１４の構成は、最大ピーク・トルクに関して最適化されている。ステータ１２のコイルが分布巻および短節巻にされている。それによって高調波トルクリップル（harmonics torque ripple）が軽減する。しかし、ロータ１４とステータ１２のスロットの存在によって、一般に知られている「スロット・リップル」がモータ・トルクに生じる。このようなロータ１４の幾何学形状に関する、スロット・リップルによるトルク変化は、図６に例示されているように、１スロット・ピッチの周期性を有する。
【００２６】
図６を参照すると、実線３０が図４のロータの幾何学形状に関するトルクを表し、破線曲線３２が図５のロータの幾何学形状に関するトルクを表す。図４に比べると、図５の幾何学形状に関して、その平均トルクがわずかに高い。したがって、図５のロータ１４の幾何学形状は、図４のロータ１４の幾何学形状よりもわずかに高いトルクを生成する。さらに、図５のロータ１４の幾何学形状は、容易に磁化可能であり、かつコストが実質的に低い。
【００２７】
本発明をいくつかの実施形態で説明してきたが、当業者には他の形態が容易に適合可能であることが理解されよう。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるものと考慮されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】永久磁石モータの断面図である。
【図２】磁石がロータの表面近くに埋込まれている永久磁石モータの断面図である。
【図３】磁気材料をスポーク型ロータ構成にした永久磁石の断面図である。
【図４】多層の内部または埋込みロータの幾何学形状の部分（一方の極）断面図である。
【図５】図４のロータの中央領域から磁気材料が除去されていることを例示する図である。
【図６】図４および図５のロータの発生トルクのグラフである。
【符号の説明】
１０ ＰＭモータ
１２ 巻線形ステータ
１４ ＰＭロータ
１６ 電源およびインバータ
１９ 磁気材料
２１ 磁気材料のスポーク型構成
２３ 領域
２４ 磁気材料層またはバリヤ
２６ 領域
３０ 図４のロータ幾何学形状に関するトルク
３２ 図５のロータ幾何学形状に関するトルク

Claims (11)

1. 電気式トラクション・モータのためのロータを製造する方法であって、
   前記ロータ内に空洞のアレイを形成するステップと、
   前記空洞のアレイの一部分の中に成型可能な磁気材料を注入するステップと、
   前記空洞のアレイの前記一部分の中で前記成型可能な磁気材料を事後に磁化することによって、前記空洞のアレイの前記一部分の中に永久磁石のアレイを構成し、前記空洞のアレイの一部分の中をエア・ギャップとして残すステップとを含む、方法。
2. 前記永久磁石のアレイが内部永久磁石として構成される、請求項１記載の方法。
3. 前記成型可能な磁気材料は、磁気粉末を含む、請求項１記載の方法。
4. 前記成型可能な磁気材料を事後に磁化するステップは、前記ロータに対して作用する磁気源によって事後に磁化するステップを含む、請求項１記載の方法。
5. 前記磁気源が巻線形ステータである、請求項４記載の方法。
6. 前記永久磁石のアレイが多層の永久磁石を含む、請求項１記載の方法。
7. 前記成型可能な磁気材料を注入するステップは、前記成型可能な磁気材料を前記ロータ内に液体の形態で注入するステップを含む、請求項１記載の方法。
8. 前記エア・ギャップを熱伝導材料で部分的に充填するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
9. 結合剤と一定の比率のボンド磁気粉末を混合して、前記成型可能な磁気材料を成形するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。
10. 前記結合剤がプラスチックである、請求項９記載の方法。
11. 前記空洞のアレイの一部分を不活性材料で充填するステップをさらに含む、請求項１記載の方法。

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