JP2015525051A - 高レベルの効率を有する電気機械 - Google Patents

Abstract

ステータ（２）と、ロータ軸（３）のまわりに回転可能に取り付けられたロータ（１、１’）と、ロータ本体（４）とを有する電気機械、特に電気モータに関する。永久磁石（１７、１７’、１８、１８’、１８’’、２４、２４’、２５、２６、２７、２８、２９、２９’、３０、３２、３３、３４、３５、４８、４９、５７）が、ロータ本体の収容部（５ａ、６ａ、３５ａ、４７ａ、５５ａ、５５’ａ）に配置され、永久磁石は、少なくとも部分的に混合材料からなり、混合は、室温において、混合材料が０．６〜１テスラの残留磁束密度Ｂｒと１３００〜２５００ｋＡ／ｍの保磁力Ｈｃｊとを有するように調整される。加えて、永久磁石（１７、１７’、１８、１８’、１８’’、２４、２４’、２５、２６、２７、２８、２９、２９’、３０、３２、３３、３４、３５、４８、４９、５７）又は複合体（４７）が収容部（５ａ、６ａ、３５ａ、４７ａ、５５ａ、５５’ａ）に配置され、前記永久磁石と複合体が輪郭を有し、長手軸（７）に対して垂直なその輪郭の断面が、それぞれ収容部（５ａ、６ａ、３５ａ、４７ａ、５５ａ、５５’ａ）の半径方向外側の方の端部（５ｂ、６ｂ）に向かって縮小すると規定される。

Description

本発明は、電子工学の分野に含まれ、有利には、回転電気機械、例えば、電気モータおよび発電機で使用することができる。

本発明は、特に、電気機械に関し、詳細には、ステータと、ロータ軸のまわりに回転可能に取り付けられ、ロータ本体を有するロータとを有する電気モータに関し、永久磁石がロータ本体の収容部に配置される。

そのような機械は、一方で、ロータが内側に配置され、ステータによって囲まれたインナーロータとして、他方で、内側にステータが配置された中空の円筒形ロータを有するアウターロータとして形成することができる。この機械がブラシレス機械またはブラシ付き機械のどちらに関係するかに応じて、永久磁石（ブラシレス変形型）がロータに設けられるか、または永久磁石がステータに設けられ、電磁石がロータに設けられる。基本的に、そのような機械は、ロータとステータとの間の磁気ギャップに特に高い磁界の強さを発生させるという点において最適化することができ、その結果として、高いトルクおよび出力密度を達成することができる。しかし、機械がそのような性能上の特徴および対応する電気出力をもつ場合、高い動作温度を可能にすることも次第に重要になり、磁気回路の磁気特性が、高い動作温度で、さらには有効磁界が大きく、相応して干渉磁界が大きい状態で維持されること、特に、干渉磁界による永久磁石の減磁がないことに配慮しなければならない。このために、少なくとも、強い干渉磁界にさらされる永久磁石の領域において、採用された材料の一定の保磁力が必要である。他方で、高い残留磁束密度も望ましく、その理由は、残留磁束密度が、磁気回路の達成可能な磁束の大きさに対する決定的な要因だからである。

最終的に、ロータおよびステータの構築において、適切な物的価値と最適に合わせた幾何形状とが組み合わされなければならない。

したがって、本発明の目的は、特に、高温においても、機械の可能な限り高い出力密度および高い耐久性を得るために最適化された永久磁石を有する上記のタイプの電気機械を提供することである。

その目的は、請求項１による本発明の特徴によって達成される。

この点について、本発明によれば、永久磁石は、少なくとも部分的に混合材料からなり、室温において、混合材料が、０．６テスラ〜１テスラの残留磁束密度Ｂｒと１３００〜２５００ｋＡ／ｍの保磁力Ｈｃｊとを有するように混合を調整されると規定される。この場合に、室温は２０℃と仮定される。混合材料は、２０℃〜１２０℃、好ましくは、さらに最大１８０℃の温度において、全体にわたって０．６テスラ〜１テスラの残留磁束密度Ｂｒと１３００〜２５００ｋＡ／ｍの保磁力Ｈｃｊとを有すると特に規定することができる。

本発明の特に有利な実施形態によれば、少なくとも一部、特に、すべての永久磁石は、少なくとも一部が、フェライト材料および希土類を含む磁石材料の混合物である混合材料からなる。

保磁力および／または残留磁束密度（残留磁気）に関して、言及された材料は、公知の希土類材料を十分に有さず、特に、保磁力に関連して、重希土類の質量分率が十分な材料を有さず、残留磁束密度に関連して、主に軽希土類を含有する材料を十分に有しない。他方で、言及されたパラメータは、要求される磁界の強さ、磁束、ならびに危険な領域において要求される保磁力および要求される残留磁束密度を、ロータ本体の収容部内の永久磁石の適切な幾何学的配置によって得ることができるように調整することができ、この要求される保磁力および要求される残留磁束密度は、高いレベルの効率と、特に熱的安定性および耐久性とを有する電気機械に必要である。

保磁力および残留磁束密度に関して示されたパラメータは、希土類の質量分率、特に、軽希土類の質量分率、およびフェライト材料の量を用いて、混合材料によって特に有利には達成することができる。特に、有利には、重希土類材料は、完全に削除することができる、すなわち、重希土類材料の質量分率は、ゼロまたは少なくとも１％未満とすることができる。したがって、必要な材料は入手可能であり、比較的手ごろな価格である。

ロータに配置されたすべての永久磁石が、混合材料、特に、同じ混合材料の上記の組成を有することも特に有利であり得る。一方、同じ混合材料からなる永久磁石の示されたセット以外に、すべてがやはり同じ材料組成を有し、特に、永久磁石の第１のセットよりも高いフェライト含有率を有する永久磁石の第２のセットが使用されると規定することもでき、永久磁石の第２のセットはフェライトだけからなるのが有利である。

さらに、永久磁石の第１のセットの混合材料は、−５０℃〜１８０℃の温度範囲内での残留磁束密度Ｂｒの温度係数が、−０．１１％／Ｋ〜０％／Ｋであるように、混合比に関して有利には調整することができる。

さらに、永久磁石の第１のセットの混合材料は、−５０℃〜１８０℃の温度範囲内での保磁力Ｈｃｊの温度係数（β）が、−０．５％／Ｋ〜＋０．４％／Ｋであるように、混合比に関して調整されると有利には規定することができる。

それにより、最大で１８０℃の温度である従来の動作範囲内での永久磁石の第１のセットの磁気特性が、最適な範囲内にあり、温度依存性がほとんどないことが保証され、特に、永久磁石の第１のセットは、より高い希土類含有率を有する材料よりも温度依存性が低い。

その結果、最大で１８０℃の高い動作温度においても、永久磁石の減磁に対する電気機械の安定性を保証することができる。

有利には、永久磁石または永久磁石の少なくとも一部を構成する混合材料は、フェライト粉末および希土類粉末を含有することができる。混合材料は、焼結または他の公知の成形技術によって、フェライト粉末および希土類粉末からなる均質な混合物から固形物として製造することができる。様々な粉末からなる均質な混合物ではなく、混合物、特に、混合物全体の中の希土類の割合の、または混合物全体の中のフェライト粉末の濃度勾配が存在することがあり、勾配は、１つの物質の濃度における非連続的な増加、または連続的な直線性もしくは非直線性の増加を示すことができる。例えば、１つまたは複数の永久磁石の長手軸に沿った希土類粉末の含有量は、永久磁石の半径方向外側の方の領域から半径方向内側の方の領域まで増減することがある。

本発明のさらに有利な実施形態は、混合材料が、ポリマー、例えば、注型用樹脂によって結合されると規定することができる。この場合に、最初に、個々の粉末をポリマーと組み合わせて液体またはゲルを形成することができ、これを成形型に注入して硬化させることができる。例えば、硬化後に、永久磁石が残る、ロータ本体の収容部の形態の凹部を注型として使用することができる。成形は、圧縮成形プロセスまたは射出成形プロセスとすることもできる。ポリマー材料の硬化は、Ｘ線照射、α線、β線、もしくはγ線照射、または熱処理などの物理的作用によって加速することができる。

混合材料の製造または硬化中に、異方性材料を生成するために、配向磁界をかけることができる。

混合材料の構成要素を形成する個々の粉末は、粉砕によって、特に、前もって磁気的に配向された材料をすりつぶすことで、粉末として製造することができる。

この点において、フェライト粉末および／または希土類粉末、特に、ＮｄＦｅＢは、有利には、磁気異方性にすることができる。

本発明のさらに有利な実施形態は、１つまたは複数の永久磁石の断面が、特定の収容部の長手軸に対して垂直な方向に見た場合に、ロータ本体の特定の収容部の半径方向外側の方の端部に向かって少なくとも部分的に縮小し、永久磁石が、少なくとも永久磁石の半径方向外側端で、特に永久磁石の外側輪郭全体で、特定の収容部と形状を合わせた形で互いに嵌合すると規定する。

永久磁石のこの形状により、永久磁石は、ロータ本体の特定の収容部内に有利には配置および保持することができる。特に、高い回転速度において有効であり、永久磁石に作用する高い半径方向遠心力は、ロータ本体の収容部のエッジ面で吸収される。永久磁石と収容部のエッジ面との形状を合わせた接触により、遠心力の発生中に、均一な力分布が可能になる。永久磁石の断面積が、半径方向外側に少なくとも部分的に縮小することで、磁気ギャップの付近で収容部の半径方向外側に、特別な保持用突起を設ける必要なしに、相応した先細り形状の収容部によって、永久磁石を形状を合わせた形で固定することが可能になる。そのような突起は、永久磁石が磁気ギャップにできるだけ近づくのを可能にするために、可能な限り薄い材料厚さで製造されるので、特に傷つきやすいことが多い。これは、多くの場合、収容部の縁部にある突起の機械的脆弱性を伴う。そのような問題は、説明した構造によって回避される。

特に、１つまたは複数の永久磁石が、ロータ断面において、樽形状の輪郭または半径方向外側に先細りとなった輪郭を有する場合、遠心力は、収容部の適切に採用された形状によって十分に分散することができる。

特に、１つまたは複数の永久磁石が、半径方向内側端の方を向いた段付き断面拡大部を有し、その断面拡大部が、収容部の対応する断面拡大部の縁部に置かれた場合、永久磁石が半径方向にスリップして収容部から出るのが効果的に防止される。

本発明のさらに有利な実施形態によれば、複合体の形態の永久磁石は、半径方向外側の方の永久磁石と半径方向内側の方の永久磁石とを有し、半径方向内側の方の永久磁石は、２つの永久磁石間の接合部で、半径方向外側の方の永久磁石よりも大きい断面領域を有する。

この特別な構造により、特定の永久磁石を少なくとも２つの永久磁石からなる複合体として設計することが可能になり、要素永久磁石間の接合部は、ロータ本体の収容部のそれぞれ相補的な縁部領域用の接触面を形成し、回転中に、永久磁石は、この場合に作用する遠心力によって拘束される。この場合に、永久磁石の半径方向外側の方のものは、有利には、内側の永久磁石に機械的に結合される。この結合は、接着、クランプによって、または形状を合わせた結合もしくは他の接合技術によって確実にすることができる。複合体をともに形成する永久磁石の１つまたは複数、特に２つは、本発明に従った磁気特性を有する混合材料で構成することができる。特に、複合体の永久磁石の２つまたはすべては、適切な混合材料、特に、同じ混合材料からなる。

少なくとも１つの複合体の２つの接合された永久磁石が、互いに平行な磁化方向を有することも特に有利であると分かった。

この構造の実施形態は、ロータ本体内の磁束を特に有利には確立することができる。

さらに、有利には、永久磁石および／または複合体が、磁気回路の構成要素のＶ字形状の配置の一部であると規定することができる。

Ｖ字の脚部は、ロータ軸に対して正確な半径方向に延びないが、ロータ軸から半径方向にある程度離れた点で合流する、ロータの永久磁石のそのようなＶ字形状の配置により、特に効率的な磁束の構成が、相応して高い磁界の強さおよび電気機械の高いエネルギ密度とともに可能になる。

特に有利な磁石の実施形態によれば、永久磁石および／または複合体は、磁気回路の構成要素のハルバッハ配列の一部である。ハルバッハ配列の永久磁石は、ロータの円周に沿って配置することができる。

本発明の例示的な実施形態が、図面を使用して下記にさらに詳細に説明される。

電気モータのロータとステータの一部とを断面図で示す。 電気モータのさらなるロータを断面図で示す。 永久磁石構成を断面図で示す。 さらなる永久磁石構成を断面図で示す。 さらなる永久磁石構成を断面図で示す。 さらなる永久磁石構成を断面図で示す。 さらなる永久磁石構成を断面図で示す。 さらなる永久磁石構成を断面図で示す。 さらなる永久磁石構成を断面図で示す。 さらなる永久磁石構成を断面図で示す。 さらなる永久磁石構成を断面図で示す。 電気モータのさらなるロータを断面図で示す。 断面が樽形状の永久磁石を有する電気モータのさらなるロータをさらなる断面図で示す。 磁石材料のパラメータを用いた図を示す。 外部ロータ式モータのアウタ−ロータおよびインナーステータを断面図で示す。 電気モータの別のロータの細部を断面図で示す。 電気モータのロータおよびステータの一部を部分断面図で示しており、２つの永久磁石がＶ字構成で示されている。 電気モータのロータを概略的な断面図で示しており、永久磁石がＶ字構成で配置されている。 電気モータのロータおよびステータの部分断面図を示しており、永久磁石はＶ字構成である。 永久磁石が断面を２つの台形として成形された、図１９に示した配置を示す。 断面を樽形状に形成された、スポーク配置の永久磁石を有するロータの断面図を示す。 断面が樽形状である永久磁石を有するロータの「直線展開された」図を示す。 図２２と同様な電気機械のロータの断面の「直線展開された」図を示し、断面が樽形状の永久磁石が２つの部品として樽形状に形成されている。

図１は、ステータ２の内側でロータ軸３のまわりに回転可能に取り付けられた、電気モータのロータ１を示している。６つの永久磁石５、６が、ロータ本体４内の収容部５ａ、６ａに保持され、収容部の長手軸７が、ロータ軸３に対して半径方向に向けられていることが図１の断面図から分かる。このタイプの構造は、永久磁石のいわゆるスポーク形状の配置である。磁気ギャップ８は、図１に過度に大きく示されている。磁気ギャップ８は、ステータとロータ１の円筒形外側面との間に形成されている。

対応する電気モータの特に高い効率を達成するために、磁気ギャップ８／ロータギャップを可能な限り狭く設計する取り組みがなされている。

永久磁石５、６は、収容部５ａ、６ａの半径方向外側部分の領域にあるロータ本体の突起９、１０によって収容部に保持されているので、ロータ１の円筒形外側面に完全に達してはいない。特に、急速回転時に、遠心力が永久磁石５、６に対して半径方向外側に作用するので、各個々の永久磁石を保持する突起９、１０はかなりの力を受ける。

図２は、一連のロータ１’およびステータ２’を示しており、断面で示したステータ２’内にいわゆるステータ歯１１、１２が示され、このステータ歯１１、１２はいずれも、ステータ歯１１、１２間に位置するステータスロット１３、１４内で電気巻線１５、１６を支持している。巻線１５、１６には、回転電場を発生させるために、制御電子回路（図示せず）によって、時間変化する電流を供給することができる。

収容部内で、ロータ１’は永久磁石５’、６’を支持し、永久磁石５’、６’は、ロータ軸３にスポーク状に向けられ、いずれも半径方向に２つに分割されて、この場合に、第１の要素磁石１７および第２の要素磁石１８を有する複合体として形成されている。永久磁石５’、６’は、例えば、図１に示され、図１で９、１０で指定された突起を用いて収容部に保持することも、例えば、接着、はんだ付け、溶接、クランプ、または密着嵌めによる結合などの公知の接合技術によって収容部に保持することもできる。永久磁石５’、６’は、ロータの円筒形外側面まで半径方向に延び、円筒形外側面と面一になっている。

特定の収容部内で半径方向外側の方に位置する要素磁石１７は、フェライト部分としての、またはフェライト材料を含有する永久磁石の第１のセットから形成され、一方、永久磁石の第２のセットである半径方向内側の方の要素磁石１８は、希土類を含有する材料からなると規定することができる。この要素磁石は、主として軽希土類を、特に、重希土類よりも高い割合で軽希土類を含むのが有利であり、重希土類を全く含まないのがより有利である。両方の要素磁石は、１つの、特に、本発明による同じ混合材料からなり、半径方向内側の方の要素磁石が、半径方向外側の方の要素磁石よりも少量の希土類元素を含むのが有利である。

説明したアレイを使用することで、最も大きい磁界の強さが作用する領域にある、すなわち、磁気ギャップの周辺にある永久磁石全体が、コスト効率がよく、十分な保磁力を有するフェライト材料で、少なくとも主に、または完全に構成され、一方で、半径方向内側の方にあり、干渉磁界からより離れた要素磁石１８に高い残留磁束密度の希土類材料を利用することが実現される。このようにして、磁気ギャップの近くで減磁が起こるのを防止し、全体的に見て、最小量の希土類磁石が使用される。

ロータ／ロータ本体内の磁界のさらに有利な設計のために、永久磁石の第３のセットのさらなる永久磁石１９、２０が、スポーク状の２つの隣接する永久磁石アレイ間にいずれも挿入されると、図２に従って規定される。第３のセットの永久磁石は、例えば、特に、希土類を含まないフェライト材料で構成することができる。それにより実現可能な磁界または磁束配列、例えば、ハルバッハ配列が、下記にさらに詳細に説明される。

図３〜１１は、図のそれぞれの上部領域にある第１の要素磁石と、図のそれぞれの底部領域にある第２の要素磁石とを有する、２つの永久磁石を備えた永久磁石アレイを断面図で示している。基本的に、図は、図の下側部分が図の上側部分よりも、電気機械のロータのロータ軸に対して遠くに離れるように描かれている。図示した磁石の１つまたは両方は混合材料で構成することができ、混合材料の混合は、室温において、混合材料が０．６テスラ〜１テスラの残留磁束密度Ｂｒと１３００〜２５００ｋＡ／ｍの保磁力Ｈｃｊとを有するように調整される。この場合に、対応する永久磁石アレイは、ロータ軸に対してスポーク状の配置で使用することができるが、下記にさらに詳細に説明される永久磁石のいわゆるＶ字形状アレイも考えられる。特定の永久磁石アレイは、有利には、ロータ本体の収容部に置かれ、ロータ本体の収容部は、有利には、永久磁石アレイに対して形状を合わせた形で形成される、すなわち、永久磁石アレイは隙間なく囲まれる。ただし、収容部は、部分的にのみ、例えば、半径方向外側の方向に見たときに、永久磁石の断面が縮小する領域で、特定の磁石アレイを形状を合わせた形で囲むと規定することもできる。

図３において、ロータ軸３は、例として、永久磁石アレイの上に示されている。両方の要素磁石１７、１８の断面は長方形であり、同じ幅寸法であるので、磁石アレイ全体は、一定断面の長方形に形成されている。両方の要素磁石１７、１８の磁化方向２１、２２は、矢印で示されており、図３〜１１の他のすべての永久磁石の矢印も同様である。

図４で、半径方向内側領域にある半径方向内側の要素磁石１７’には、長方形の拡張部２３が設けられており、磁石アレイは、遠心力が半径方向に作用する場合に、拡張部２３によって収容部に保持される。なお、図３、図４、図５、図６、図７、および図１１によれば、原則的に、磁石アレイの半径方向内側の要素磁石は、半径方向外側の要素磁石よりも半径方向に長く形成されている。図８、図９、および図１０によれば、配分は逆転し、半径方向内側の要素磁石は、半径方向外側の要素磁石よりも半径方向に短く形成されている。

図５は、半径方向内側の要素磁石２４の台形断面を示しており、台形は、半径方向外側に先細りになっている。半径方向外側の要素磁石１８’’は長方形になっている。

図６は、長方形の拡張部２３’を有する半径方向内側の要素磁石２５を示しており、半径方向外側の要素磁石２６は、断面を台形に形成され、半径方向外側に広がっている。

図７は、半径方向外側に先細りになった台形形状の断面を有する、半径方向内側の要素磁石２４’を示しており、半径方向外側の要素磁石２６’は、図６に示すように台形として形成され、半径方向内側に先細りになっている。

図４〜７に示すすべてのアレイはアンダーカットを有し、このアンダーカットは、ロータ本体に適切に形成された収容部から半径方向外側への半径方向のスリップを確実に防止する。

図８は、長方形の磁石アレイの断面図を示しており、半径方向内側の要素磁石２７は、半径方向外側の要素磁石２８よりも半径方向に短い寸法を有する。

図９に示す磁石アレイは、長方形の半径方向内側の要素磁石２７’を断面図で示しており、半径方向外側の要素磁石２９は断面を台形に形成され、ロータ軸３に対して半径方向外側に先細りになっている。

図１０によれば、両方の要素磁石２９’、３０は断面を台形に形成され、いずれの台形も、ロータ軸に対して半径方向外側に先細りになっている。さらに、要素磁石３０の台形形状の小さい方の表面領域が、要素磁石２９’の台形断面形状の大きい方の表面領域よりも大きいことから、要素磁石２９’と要素磁石３０との間の接合面に出っ張り３１が形成されている。

したがって、半径方向内側の要素磁石３０と半径方向外側の要素磁石２９’との間の移行部または接合部で、断面領域が非連続的に小さくなっている。

図１１は、半径方向内側の要素磁石３２が長方形とされ、半径方向外側の要素磁石３３が台形とされた断面アレイを示しており、半径方向外側の要素磁石３３の台形断面は、半径方向外側に先細りになっている。

図９、図１０、および図１１に示すアレイは、図４、図５、図６、および図７に示すアレイと同様に、半径方向内側から半径方向外側に断面が小さくなっており、いずれもロータ本体の適切に形成された収容部での保持をもたらしている。

図３〜１１に示すアレイに加えて、他の断面アレイも考えられ、例えば、特に示した長方形および台形の境界面は、凸形または凹形の境界線、例えば、部分的に丸いおよび樽形状の境界線によって置き換えることもできる。

図１２は、例えば、永久磁石アレイ／複合体がスポーク形状に配置された電気モータのロータを断面図で示しており、各個々の永久磁石アレイは、断面が円形の２つの要素磁石３４、３５からなり、半径方向外側の要素磁石３５はいずれも、断面の直径が半径方向内側の要素磁石３４よりも小さい。ただし、各外側に配置された要素磁石は、断面で見て、半径方向内側の要素磁石よりも直径が大きいと規定することもできる。断面が円形の形状により、適切な形状の収容器での磁石アレイの保持がすでに起こっている。

この場合も同様に、半径方向外側の要素磁石３５は、フェライトまたはフェライト含有材料で構成することができ、半径方向内側の要素磁石３４は、同様にフェライト材料か、または希土類含有材料か、または両方の材料の混合物かのいずれかで構成できるのが好ましい。さらに、半径方向内側グループの要素磁石３４は、半径方向外側の要素磁石３５とは異なる材料で構成することができる。

図１３は、それぞれ断面が樽形状である永久磁石３６、３７を有するロータの永久磁石配置を断面図で示している。隣接する収容部に配置された２つの永久磁石３６、３７の、方位角の方向を向いた矢印３８で示された磁化は、反対方向に向けられていることがここで示されている。

永久磁石３６、３７の樽形状の断面形状は、半径方向のそのアンダーカットによって、ロータ本体の適切な形状の収容部内での保持ももたらす。したがって、図１に示す突起９、１０は、完全に削除することができ、永久磁石および複合体３４、３５、３６、３７は、ロータの円筒形外側面まで延びることができる。その結果、永久磁石からステータまでのより短い距離、ひいては、電気機械の高い効率または高い出力密度を達成するか、達成することができる。

本発明を締めくくるために、図１５は、アレイを内側ステータ３９および中空円筒形ロータ４０の形態の外側ロータとともに示している。ロータ軸は３で示され、ロータ４０は、ロータ軸３のまわりに回転可能に取り付けられている。

ロータ軸３を中心としたスポーク形状の配置に向きを合わされ、断面が半径方向外側に先細りになった永久磁石４１、４２がロータ本体内に示されている。永久磁石４１、４２が保持された収容部は、それに応じて形状を合わせた形で設計されている。

図１４は、特に本願の各図に示した永久磁石の特別な幾何学的配列を用いて、単一ロータの要素磁石に対して様々な材料を使用することは別として、特に、複合体の様々な要素磁石に対して様々な材料を使用することは別として、適切な材料選択によって、ロータの使用される永久磁石に用いられる様々な材料の数を減らすこともできることを示している。特に、混合材料を構成する材料がここで検討され、少なくとも室温において、混合材料が０．６テスラ〜１テスラの残留磁束密度Ｂｒを有するように混合が調整される。それに代えて、またはそれに加えて、混合材料は、室温において、保磁力Ｈｃｊが１３００〜２５００ｋＡ／ｍであるという特性を有することができる。そのような材料を使用する場合に、特に、混合材料でできた複合体の形態の永久磁石を使用すると、有利には、複合体の２つ以上の要素磁石は、示した材料で構成することができる。この場合に、この材料は、ロータの半径方向内側領域において、複合体の半径方向外側部分と同じ組成および同じ物理特性を有し、したがって、磁気ギャップに接近した領域において、磁気ギャップから離れた領域と同じ組成を有することもできる。そのような材料は、例えば、特に希土類金属を加えたフェライトおよびフェライトと同等の物質から製造することができ、これらの混合材料は、有利には、重希土類材料がなくてもよい。したがって、全体的に見れば、ロータの永久磁石における希土類の使用を抑制することができる。残留磁束密度および保磁力の必要なまたは有利な値は、そのような材料を用いて達成することができる。図１４では、ＢＨｍａｘ（ｋＪ／ｍ^３）の値で表されたクラスＮｄ／（Ｄｙ／Ｔｈ）／Ｆｅ／Ｂの物質が、第１のクロスハッチング領域４３で温度と対比させてプロットされている。このパラメータが、モータにおける１８０〜２００℃の比較的高い動作温度の領域でかなり減少しているのは明らかである。第３のクロスハッチング領域４５は、従来のフェライトの対応するパラメータ範囲を示している。第２のクロスハッチング領域４４は、例えば、フェライトおよび希土類の混合物として製造でき、保磁力および残留磁束密度が、希土類材料およびフェライトの保磁力および残留磁束密度の中間にあり、温度依存性が、より多くの、または希土類のみを含有する磁性材料におけるよりも大幅に小さい、本発明によって使用される物質を示している。有利には、適切な混合材料の場合に、残留磁束密度Ｂｒに関して−０．１１％／Ｋ〜０％／Ｋの温度依存性が実現される。これらの値は、−５０℃〜＋１８０℃で維持されなければならない。

さらに、保磁力Ｈｃｊに関して、−５０℃〜＋１８０℃の温度間で適用できる−０．５％／Ｋ〜＋０．４％／Ｋの温度係数を実現することができる。

適切な混合材料は、ポリマーで結合した混成物として製造することができ、ＮｄＦｅＢを粉末の形態でフェライト粉末と混合することができる。特に、ＮｄＦｅＢの保磁力の温度依存性は負であり、フェライト粉末の温度依存性は正であるので、より小さい温度係数を適切な混合によって設定することができる。個々の粉末は、前もって磁化した材料をすりつぶすなど、公知の適切なプロセスによって磁気異方性に製造して使用することができる。その結果、ポリマーバインダの磁気低減効果を補償することができる。異方性粉末材料を適切に配向させるために、強力な直流磁場中で、対応する磁性体の製造および結合を行うことができる。さらに、射出成形、高圧射出成形、および他の技術によって、特定のロータ本体の収容部内で磁性体を成形することが可能である。

本発明の永久磁石はまた、粉末材料、特に、フェライト粉末および希土類含有粉末の混合物の焼結によって得ることができる。

有利には、採用した混合材料において、希土類材料、特に軽希土類材料の質量分率は、全体量の１０〜５０％、より有利には２０〜２５％とすることができる。混合材料の残りの部分は、例えば、フェライトからなることも、フェライトを含むこともできる。

説明した電気機械の適切な効率を得るのに必要な磁界の強さは、説明した材料によって、特に、永久磁石の適切な幾何学的配列が使用され、任意選択で、個々の磁石が最適に成形された場合に得ることができる。この点について、図１６は、例えば、２つの永久磁石を有する電気機械のロータの細部を断面図で示しており、各永久磁石は、複合体４６、４７として形成され、各複合体４６、４７は２つの要素磁石４８、４９からなる。磁化方向５０、５１は、各複合体４６、４７で一定であり、複合体４６、４７間で反対である。半径方向外側の要素磁石４９は通常、第１のセットの永久磁石を形成し、一方、半径方向内側に配置された要素磁石４８は、第２のセットの永久磁石を形成する。第１および第２のセットの永久磁石の材料組成は同じでも、異なってもよい。さらに、図１６において、永久磁石の第３のセットの永久磁石５２を見ることができ、この最後に言及する永久磁石５２は、ロータの半径方向内側領域に向かって先細りになった台形形状の断面を有する。永久磁石５２の磁化方向５３は、半径方向外側に向けられている。

図１６に示す永久磁石は、永久磁石のハルバッハ配列の典型的な断面を形成しており、ハルバッハ配列は、磁石アレイの片側に、したがって、通常は磁気ギャップの領域に特に強力な磁束の集中をもたらす。適切なポケット５２ａ内の永久磁石５２は、スポーク状に配置され、２つの磁石４８、４９で構成された永久磁石でそれぞれ形成された２つの複合体４６、４７間に設けられている。

図１７は、Ｖ字配置の２つの永久磁石５４、５５を有する永久磁石アレイを断面図で示しており、永久磁石５４、５５は、相応してＶ字形状に配置された対応する収容部５５ａに配置されている。永久磁石５４、５５はそれぞれ仮想Ｖ字の脚部を形成し、永久磁石５４、５５がその長手軸でロータ軸に接近することはない。むしろ、永久磁石の長手軸は、ロータ軸から離れてロータ軸の半径方向外側に配置された地点で交差する。永久磁石のそのようないわゆるＶ字形状の配置のアレイが、図１８に全体図で概略的に示されている。Ｖ字形状に配置された４対の永久磁石５４、５５と、対応する磁化方向５６とが図に示されている。磁束の模様を明瞭にするために、永久磁石５４、５５間の磁力線が図１７に示されている。永久磁石５４、５５のＶ字形状の配置により、ロータとステータとの間の磁気ギャップの領域で最適な磁束密度が得られる。このアレイは、本発明の混合材料の使用によって最適化することができる。

個々の永久磁石５４、５５も、それらの長手方向に分割することができ、点線と、参照番号５７による半径方向内側の要素磁石の表記とにより、永久磁石５５内に示されているように、それぞれ２つの要素磁石で構成することができる。ただし、すべての永久磁石は、単一の材料で均質に構成することもできる。Ｖ字形状に配置され、任意選択で複数の要素磁石からなる永久磁石／複合体５４、５５は、図３〜１１に示すアレイのように組み立てることもできる。その他の点では、永久磁石の磁化方向は、図１７に矢印５８、５９で示されている。

図１９では、同様のアレイが図１７と同様に断面図で示されているが、個々の永久磁石５４’、５５’は、断面を樽形状または長円形に形成されている。これは、図２２および図２３を使用して下記にさらにより詳細に説明するように、ロータ本体の適切な形状の収容部５５’ａでの良好な保持、およびさらに最適化された磁界設計をもたらす。図１９に示す永久磁石もまた、永久磁石の第１および第２のセットの複数の要素磁石で構成することができる。

図２０は、図１７および図１９と同様の図を示しており、永久磁石５４’’、５５’’は、断面において、ベース部が互いに当接した２つの台形四辺形で構成され、個々の台形体は、１つの部片として結合されても、組み合わされて複合体を形成する要素磁石であってもよい。

磁化方向は、図１７および図１９と同様に矢印の形態で示されている。

示した２つの台形体の代わりに、断面が樽形状の２つの要素磁石、すなわち、互いに結合されたか、または少なくとも互いに隣接するかのいずれかの半径方向内側および半径方向外側の部分的な本体が複合体を形成することもできる。

図２１は、例として、磁石のいわゆるハルバッハ配列を示しており、ハルバッハ配列の個々の要素磁石６０、６１、６２、６３、６４、６５、６６が円周方向に並べられている。基本的に、スポーク状に配置された永久磁石６０、６１、６２、６３が設けられており、第１の対６０、６１は、図２１に矢印で示された、互いの方に向かう磁化方向を有する。永久磁石の隣接する対６２、６３も、互いの方に向かう磁化方向を有し、永久磁石６１、６２の磁化方向は、互いに反対方向に形成され、互いから離れる方向を向いている。

それぞれが隣接する永久磁石間に配置されたさらなる永久磁石６４、６５、６６は、円周に沿って交互に変わる、半径方向外側および半径方向内側を向いた磁化方向を有する。このアレイ全体により、磁束が永久磁石６０、６１、６２、６３に対して半径方向内側に最小化され、磁石の半径方向外側に最大化される。結果として、最適化された磁界の強さが、ステータとロータとの間の磁気ギャップの領域に生じる。

永久磁石の最適化された配置および配向に加えて、磁界の強さまたは磁束も、個々の永久磁石の外部形状によって最適化することができる。図２２は、明瞭にするために、円筒形ロータの互いに隣接する２つの永久磁石６０、６１の直線状に展開したアレイを示している。磁気的および物理的関係のより厳密な考察から、そのような配置の残留磁束密度は、矢印６７で示すように、方位角方向の永久磁石の間隔が狭まるとともに、さらには、方位角方向の個々の永久磁石の拡張とともに大きくなると分かる。さらに、磁束線が方位角方向に特定の永久磁石を出る、または永久磁石に入ることができる面が拡大することから、磁束密度が高まり得る。したがって、永久磁石６０’、６１’の２つの樽形状構造により、図２２によるアレイよりも図２３に示す変形形態でさらに高い磁束密度が生じる。

上記の例で個々に説明した、ロータ本体内の磁束密度を高めるための、または磁束全体を設計するための方策は、特定の要件に合わせて最適化したロータを設計するために組み合わせることができる方策であると解釈すべきである。したがって、本発明に従って電気機械を製造することができ、本発明は、希土類元素を最小限に使用して、電気機械の高い出力密度および高いトルクが達成されるのを可能にする。

１、１’ ロータ
２ ステータ
３ ロータ軸
４ ロータ本体
５、６ 永久磁石
５ａ、６ａ 収容部
５ｂ、６ｂ ５ａ、６ａの半径方向外側端
５ｃ、６ｃ ５ａ、６ａの半径方向内側端
７ ５ａの長手軸
８ 磁気ギャップ、ロータギャップ
９、１０ 突起
１１、１２ ステータ歯
１３、１４ ステータスロット
１５、１６ ステータ巻線
１７、１７’ フェライトでできた要素磁石
１８、１８’、１８’’ 希土類を含む要素磁石
１９、２０ 第３のセットの永久磁石
２１、２２ 磁化方向
２３、２３’ 拡張部
２４、２４’、２５、２６、２７、２８、２９、２９’、３０ 要素磁石
３１ 出っ張り
３２、３３ 要素磁石
３４、３５ 円形要素磁石
３５ａ 収容部
３６、３７ 樽形状の永久磁石
３８ 磁化方向
３９ 内側ステータ
４０ 中空円筒形外側ロータ
４１、４２ 永久磁石
４３ 第１の領域
４４ 第２の領域
４５ 第３の領域
４６、４７ 複合体
４７ａ 収容部
４８、４９ 要素磁石
５０、５１ 磁化方向
５２ 第３のセットの永久磁石
５２ａ ポケット
５３ 磁化方向
５４、５４’、５４’’、５５、５５’、５５’’ Ｖ字配置の永久磁石
５５ａ 収容部
５５’ａ 収容部
５６ 磁化方向
５７ 要素磁石
５８、５９ 磁化方向／矢印
６０、６０’、６１、６１’、６２、６３ スポーク配置の永久磁石
６４、６５、６６ さらなる永久磁石
６４ａ ポケット
６７ 方位角方向

Claims (18)

1. 電気機械、特に、ステータ（２）と、回転軸（３）のまわりに回転可能に取り付けられ、ロータ本体（４）を有するロータ（１、１’）とを有する電気モータであって、少なくとも部分的に混合材料からなる永久磁石（１７、１７’、１８、１８’、１８’’、２４、２４’、２５、２６、２７、２８、２９、２９’、３０、３２、３３、３４、３５、４８、４９、５７）が、前記ロータ本体の収容部（５ａ、６ａ、３５ａ、４７ａ、５５ａ、５５’ａ）に配置され、混合は、室温において、前記混合材料が０．６テスラ〜１テスラの残留磁束密度Ｂｒと１３００〜２５００ｋＡ／ｍの保磁力Ｈｃｊとを有するように調整される、電気機械。
2. 少なくとも一部、特に、すべての永久磁石（１７、１７’、１８、１８’、１８’’、２４、２４’、２５、２６、２７、２８、２９、２９’、３０、３２、３３、３４、３５、４８、４９、５７）は、少なくとも一部が、フェライト材料および希土類を含む磁性材料の混合物である混合材料からなることを特徴とする、請求項１に記載の電気機械。
3. 前記混合は、−５０℃〜１８０℃の温度範囲における前記残留磁束密度Ｂｒの温度係数が、−０．１１％／Ｋ〜０％／Ｋであるように調整されることを特徴とする、請求項１または２に記載の電気機械。
4. 前記混合は、−５０℃〜１８０℃の温度範囲内における前記保磁力Ｈｃｊの温度係数が、−０．５％／Ｋ〜＋０．４％／Ｋであるように調整されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電気機械。
5. 前記混合材料は、フェライト粉末および希土類粉末を含有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電気機械。
6. 前記混合材料は、ポリマーによって結合されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電気機械。
7. 前記混合材料は、フェライト粉末および希土類含有粉末を使用して、射出成形、高圧縮成形、または焼結によって製造されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電気機械。
8. 前記フェライト粉末および／または前記希土類粉末、特に、ＮｄＦｅＢは、磁気異方性として設計されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電気機械。
9. １つまたは複数の前記永久磁石（１７、１７’、１８、１８’、１８’’、２４、２４’、２５、２６、２７、２８、２９、２９’、３０、３２、３３、３４、３５、４８、４９、５７）の断面は、前記特定の収容部（５ａ、６ａ、３５ａ、４７ａ、５５ａ、５５’ａ）の半径方向外側の方の端部（５ｂ、６ｂ）に向かって少なくとも部分的に縮小することと、前記永久磁石（１７、１７’、１８、１８’、１８’’、２４、２４’、２５、２６、２７、２８、２９、２９’、３０、３２、３３、３４、３５、４８、４９、５７）は、少なくとも前記永久磁石の半径方向外側端で、特に前記永久磁石の外側輪郭全体を用いて、前記それぞれの収容部（５ａ、６ａ）と形状を合わせた形で互いに嵌合することとを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の電気機械。
10. １つまたは複数の永久磁石（１７、１７’、１８、１８’、１８’’、２４、２４’、２５、２６、２７、２８、２９、２９’、３０、３２、３３、３４、３５、４８、４９、５７）は、前記ロータ（１、１’）の断面において、樽形状の輪郭または半径方向外側に先細りになった輪郭を有することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の電気機械。
11. １つまたは複数の永久磁石（１７、１７’、１８、１８’、１８’’、２４、２４’、２５、２６、２７、２８、２９、２９’、３０、３２、３３、３４、３５、４８、４９、５７）は、前記特定の収容部（５ａ、６ａ、３５ａ、４７ａ、５５ａ、５５’ａ）の半径方向内側端（５ｃ、６ｃ）の方を向いた段付きの断面拡大部を有することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電気機械。
12. 複合体（４７）は、半径方向外側の方の永久磁石および半径方向内側の方の永久磁石（１７、１７’、１８、１８’、１８’’、２４、２４’、２５、２６、２７、２８、２９、２９’、３０、３２、３３、３４、３５、４８、４９、５７）を有することと、前記半径方向内側の方の永久磁石は、前記２つの永久磁石間の接合部において、前記半径方向外側の方の永久磁石よりも大きい断面領域を有することとを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の電気機械。
13. 少なくとも１つの複合体（４７）の２つの結合された永久磁石は、互いに平行な磁化方向（２１、２２、３８、５０、５１、５３、５６、５８、５９）を有することを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の電気機械。
14. 前記永久磁石（１７、１７’、１８、１８’、１８’’、２４、２４’、２５、２６、２７、２８、２９、２９’、３０、３２、３３、３４、３５、４８、４９、５７）および／または複合体（４７）は、磁気回路の構成要素のＶ字形状の配置の一部であることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の電気機械。
15. 前記永久磁石（１７、１７’、１８、１８’、１８’’、２４、２４’、２５、２６、２７、２８、２９、２９’、３０、３２、３３、３４、３５、４８、４９、５７）および／または複合体（４７）は、磁気回路の構成要素のハルバッハ配列の一部であることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の電気機械。
16. 永久磁石（１７、１７’、１８、１８’、１８’’、２４、２４’、２５、２６、２７、２８、２９、２９’、３０、３２、３３、３４、３５、４８、４９、５７）の第１のセットは、第２のセットよりも希土類の質量分率が小さく、特に、希土類を含まないことを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の電気機械。
17. 永久磁石（１７、１７’、１８、１８’、１８’’、２４、２４’、２５、２６、２７、２８、２９、２９’、３０、３２、３３、３４、３５、４８、４９、５７）の前記第２のセットは、軽希土類元素の質量分率を有することと、重希土類元素の前記質量分率は、軽希土類元素の前記分率よりも小さく、特に、重希土類元素の前記質量分率はゼロであることとを特徴とする、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の電気機械。
18. 前記ロータ（１、１’）は、第３のセットの永久磁石を含む収容部（５ａ、６ａ）をさらに有し、前記第３のセットの前記永久磁石（１９、２０、５２、６４、６５、６６）は、材料組成に関して前記第１および第２のセットの前記永久磁石（１７、１７’、１８、１８’、１８’’、２４、２４’、２５、２６、２７、２８、２９、２９’、３０、３２、３３、３４、３５、４８、４９、５７）とは異なることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の電気機械。

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