JP2000224790A - 回転電機及びそれを用いた電動車両 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】回転子鉄心を作製するときの材料利用率が良
く、かつ小形軽量の回転電機及びそれを用いた電動車両
を提供する。 【解決手段】固定子巻線５が巻回された固定子鉄心４を
有する固定子２と、該固定子鉄心４と空隙を有して回転
可能に対向する回転子鉄心７を有する回転子３とを備え
た回転電機１の回転子鉄心４を、空隙側でかつ周方向に
配置された複数の突極磁心部７３と、該各突極磁心部７
３の磁束を通す磁路を形成する複数の回転子ヨーク部７
６とで構成し、各突極磁心部７３と該各突極磁心部７３
に対向する各回転子ヨーク部７６とを単位として周方向
に分割する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転子鉄心の材料
利用率が良く、かつ小形軽量の回転電機及びそれを用い
た電動車両に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電動車両に用いる電動機としては、小形
軽量高効率であることが望まれる。小型化はモータを高
速回転させることによって達成できる。以上の点より、
電気自動車やバッテリフォーク等の電動車両の駆動モー
タとしては、第１には永久磁石式、第２にはリラクタン
スを利用したブラシレスモータが最適である。特に、リ
ラクタンスモータは高性能磁石を使った磁石モータに比
較すると、効率，トルク等は落ちるが、フェライト磁石
とはほぼ同等であり、かつ、特性の温度依存性や磁石の
減磁等の問題がないという良い点があり、さらに、価格
が安く実用的であるという利点がある。

【０００３】従来技術としては、電気学会 '９６，６月
号「スリット回転子を用いたフラックスバリア型リラク
タンスモータの磁界解析と試作実験」に、回転子を珪素
鋼板等の磁性体を軸方向に積層する構造で、かつ、回転
子が一体の珪素鋼板より構成されているリラクタンスモ
ータが開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術は、固定子鉄心は分割されており、固定子鉄心を
作製するときの材料利用率が向上する利点があるが、回
転子は一体に構成されているため、材料利用率が悪くな
る欠点がある。特に扁平形状の回転子においては中心部
のコア部は、磁束密度も低いので実用上は不要な部分で
はあるが、材料で埋められており、このため、回転子を
製作する材料の量が増え、それに伴い、モータ重量が増
加してしまうという問題がある。

【０００５】更に、この重量増加は、電気自動車及び電
動車両等にとって、決定的な負担となる。

【０００６】本発明の目的は、回転子鉄心を作製すると
きの材料利用率が良く、かつ小形軽量の回転電機及びそ
れを用いた電動車両を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明における回転電機の特徴とするところは、固
定子鉄心との空隙側でかつ周方向に配置された複数の突
極と、該各突極の磁束を通す磁路を形成する複数の回転
子ヨークとを有する回転子鉄心を、各突極と該各突極に
対向する各回転子ヨークとを単位として周方向に分割す
ることにある。

【０００８】具体的には本発明は次に掲げる回転電機を
提供する。本発明は、固定子巻線が巻回された固定子鉄
心を有する固定子と、該固定子鉄心と空隙を有して回転
可能に対向する回転子鉄心を有する回転子とを備えた回
転電機において、前記回転子鉄心は、前記空隙側でかつ
周方向に配置された複数の突極と、該各突極の磁束を通
す磁路を形成する複数の回転子ヨークとを有し、前記各
突極と該各突極に対向する前記各回転子ヨークとを単位
として周方向に分割されていることを特徴とする回転電
機を提供する。

【０００９】好ましくは、前記分割を、前記各突極の周
方向幅の中心位置で行なう。

【００１０】また、本発明は、固定子巻線が巻回された
固定子鉄心を有する固定子と、該固定子鉄心と空隙を有
して回転可能に対向する回転子鉄心を有する回転子とを
備えた回転電機において、前記回転子鉄心は、前記空隙
側でかつ周方向に配置内蔵された複数の永久磁石と、該
各永久磁石からの磁束を通す磁路を形成する複数の回転
子ヨークとを有し、前記各永久磁石の磁極と、該各永久
磁石の磁極に対向する前記各回転子ヨークとを単位とし
て周方向に分割されていることを特徴とする回転電機を
提供する。

【００１１】好ましくは、前記分割を、前記各永久磁石
の磁極間で行なう。

【００１２】好ましくは、前記回転子鉄心と前記固定子
鉄心とを異なる材料で作製する。

【００１３】また、本発明は、電力を供給するバッテリ
と、前記供給された電力により車両を駆動する駆動トル
クを出力する回転電機と、前記駆動トルクを制御する制
御装置とを備えた電動車両において、前記回転電機は、
固定子巻線が巻回された固定子鉄心を有する固定子と、
該固定子鉄心と空隙を有して回転可能に対向する回転子
鉄心を有する回転子とを備え、前記回転子を、周方向に
磁極単位に分割されている回転子鉄心と、該回転子鉄心
の内周側に設けられ前記回転子鉄心を保持する中空型保
持部材とで構成することにより、重量を軽減し、前記車
両の一充電走行距離を長くすることを特徴とする電動車
両を提供する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例に係る回
転電機及びそれを用いた電動車両を、図を用いて説明す
る。

【００１５】図１は、本発明の一実施の形態例に係わる
回転電機の周方向の断面を示し、図２は、図１の回転電
機の軸方向の断面を示す。

【００１６】本実施の形態例では、固定子として集中巻
の巻線構造のリラクタンスモータについて説明する。図
１、図２に示すように、回転電機１は、固定子２と、回
転子３と、エラドブラケット９と、ハウジング１４とを
含み構成されている。

【００１７】固定子２は、例えば、珪素鋼板で軸方向に
積層された磁性体からなる固定子鉄心４と固定子巻線５
とを含み構成される。ここで、固定子鉄心４は周方向に
１８分割された構成であり、かつそれぞれの固定子鉄心
４は円環状の固定子ヨーク部４１と鉄心磁極４２とから
構成されている。鉄心磁極４２にはそれぞれ固定子巻線
５が巻回されている。

【００１８】一方、回転子３は、例えば珪素鋼板で軸方
向に積層された磁性体からなる回転子鉄心７と回転軸８
とを含み構成されている。そして、回転子鉄心７は周方
向に６分割された構成である。そして、回転子鉄心７の
固定子鉄心４との空隙側には、突極の中心をなす突極磁
心部７３と回転子鉄心凹部７５とを有する構成になって
いる。さらに、回転子鉄心７の反空隙側には、突極磁心
部７３の磁束の通路を形成する回転子鉄心ヨーク部７６
が配置された構成となっている。

【００１９】なお、回転子鉄心凹部７５には、例えば、
ワニスや合成樹脂などの非磁性材、アルミニウムのよう
な非磁性導電材などを充填しても良い。

【００２０】、本発明は、回転子鉄心７を周方向に複数
に分割したことを特徴とする。

【００２１】図３は、回転子鉄心７を鉄心材料である珪
素鋼板から形抜きする一例を示す。

【００２２】図３に示すように、回転子鉄心の空隙側に
配置された突極磁心部７３と、反空隙側でその突極の磁
束を通す磁路を構成する回転子鉄心ヨーク部７６とを互
い違いに配置して抜ち抜く構成になっている。

【００２３】このような材料取りを構成することによっ
て、特に、回転子鉄心内径の大きなモータにおいては回
子鉄心材料である珪素鋼板の使用量を少なくすることが
できる。また、回転子鉄心材料は、図示のように、捨て
る部分が少なく、回転子鉄心７を作製するときの材料利
用率が良くなる。

【００２４】なお、本実施の形態例では、一磁極単位に
分割し、各突極磁心部７３の円周方向幅の中心位置で分
割する構成を示している。

【００２５】突極磁心部７３の円周方向幅の中心位置で
分割することは、分割面で生じる空間がリラクタンスモ
ータとして良い特性を与えることにある。つまり、リラ
クタンスモータは、突極磁心部７３の円周方向幅の真中
のリラクタンスＸｄと各突極磁心部７３間のリラクタン
スＸｑとの比が大きい方が特性がよい。そのため、分割
面における空間はｑ軸の磁気回路で回転子鉄心凹部７５
と同様の効果を生じ、各突極磁心部７３間のリラクタン
スＸｑを小さくする。これによって、リラクタンスモー
タの特性を上げることができる。

【００２６】また、回転子鉄心７の分割は、必要によっ
ては２磁極単位、３磁極単位でも可能なことは言うまで
もないことである。

【００２７】回転子鉄心７を含む回転子３の強度は分割
することによって落ちることが推察される。そこで、各
突極磁心部７３間、及び各突極磁心部７３の中心の内周
部には穴１１を設け、この穴１１にリベット，ボルト等
の軸方向締結指示部材１１ａを挿入し、軸方向締結指示
部材１１ａの両端を回転子の両側板１２に固定すること
によって回転子鉄心７の強度の補強をすることができ
る。

【００２８】また、図２に示すように、回転子鉄心７の
内周にはソリッドの中空型保持部材１３を配置すること
によって、回転子３の重量を低減することが可能にな
る。これは、特に扁平形状のモータにおいては効果的な
方法である。つまり、回転子鉄心７の内周部は大きく、
磁束密度も低くなるので磁気回路としては無用の物であ
る。従って、以上の構成とすることによって、回転子鉄
心７の使用素材の量を減らし、かつ回転子の内径を磁気
的に許せる位置まで大きくすることができ、軽量化を図
ることが可能となる。

【００２９】なお、上記の構成において、回転子鉄子７
と固定子鉄心４との使用材料を変えることにより、上記
と異なる効果を得ることができる。例えば、固定子部に
おける鉄心の損失が多い場合には低鉄損の材料を固定子
鉄心にのみ適用し、回転子には鉄損の比較的多い材料を
適用する。

【００３０】鉄心の飽和磁束密度と鉄損の関係は、例え
ば鉄損の多い材料は飽和磁束密度が高くなり、鉄損の少
ない材料は飽和磁束密度が低くなり、互いに逆の性質が
あるために、高効率が必要か、小型化が必要かを選択す
ることによって、特性の良いモータを得ることが可能に
なる。

【００３１】また、鉄損のみに関しては、回転子鉄心７
と固定子鉄心４の磁性材料の厚さを変えることによって
も同様の効果を得ることが可能になる。厚さを薄くする
ことによって、鉄損は少なくなるが、鉄心の必要枚数が
多くなり製作工数が増加し、強度も低下する欠点があ
る。従って、必要に応じて磁性材の板厚を変えることで
高性能の回転電機にすることができる。

【００３２】図４は、本発明の他の実施の形態例に係わ
る回転電機の周方向の断面を示す。本実施の形態例で
は、スリット付き回転子鉄心を有するリラクタンスモー
タの例を示す。図１と同じ記号は、同一の機能を有する
構成部材を示す。

【００３３】回転子３は、例えば、珪素鋼板で軸方向に
積層された磁性体からなる回転子鉄心７と回転軸８とを
含み構成されている。そして、回転子鉄心７は周方向に
Ａ孔を中心とした複数本の同心円弧形状のスリット７２
を有する形状をなしており、かつ、スリット７２間には
ブリッジ７４がスリット７２と同様同心円弧状に設けら
れている。

【００３４】ここで、ブリッジ７４は外周部を外周ブリ
ッジ７１によって連結されている。すなわち、回転子３
の遠心力に耐え、各ブリッジにて回転子鉄心がバラバラ
に分割しないような構造となっている。

【００３５】本実施の形態例では、回転子鉄心７は、回
転子鉄心７の外周側に設けられた突極磁心部７３と、該
突極磁心部７３を通る磁束の通路を構成する回転子鉄心
ヨーク部７６とで構成され、突極磁心部７３と回転子鉄
心ヨーク部７６とを単位として周方向に６分割されてい
ることを特徴とする。

【００３６】以上の構成によって図１で示した構造と同
じ利点を発揮することができると共に、スリット７２の
存在によって回転子鉄心７を一層軽量化することができ
る。

【００３７】図５は、本発明の更に他の実施の形態例に
係わる回転電機の周方向の断面を示す。本実施の形態例
では、永久磁石６を回転子鉄心７の中に収納する、いわ
ゆる内部磁石形鉄心永久磁石回転電機の例を示す。

【００３８】図５に示すように、回転電機１の固定子２
は図１と全く同一の構造を有する。一方、回転子３は、
例えば珪素鋼板等の磁性体からなる回転子鉄心７と回転
軸８とを含み構成されている。そして、回転子鉄心７は
永久磁石挿入穴を備えており、ここに永久磁石６を挿入
設置する構成になっている。さらに、永久磁石６の周方
向両側には回転子鉄心７と一体に形成された突極磁心部
７３を配置する構成になっている。

【００３９】本実施の形態例では、回転子鉄心７の外周
側に設けられた突極磁心部７３と、回転子鉄心７の中に
収納された永久磁石６と、突極磁心部７３及び永久磁心
６とを通る磁束の通路を構成する回転子鉄心ヨーク部７
６とで構成され、回転子鉄心７は、突極磁心部７３と回
転子鉄心ヨーク部７６とを単位として周方向に６分割さ
れていることを特徴とする。

【００４０】上記構成の内部磁石形永久磁石回転電機
は、永久磁石６によるトルクの他に突極磁心部７３によ
るリラクタンストルクをも活用できて、高トルク、高効
率の回転電機とすることができる。

【００４１】また、本実施の形態例では、回転子２を１
極単位で構成し、これを外径ブリッジ７１を介して連結
した構造になっている。さらに、これを一周巻回して組
み上げる構造となっており、回転子鉄心７の分割位置
は、各永久磁石６間の突極磁心部７３が選ばれている。

【００４２】なお、ここでも、回転子鉄心７の分割は、
必要によっては２磁極単位、３磁極単位でも可能なこと
は言うまでもないことである。

【００４３】回転子鉄心７を含む回転子３の強度は分割
することによって落ちることが推察される。そこで、図
１と同様に、回転子鉄心７の外周部及び突極磁心部７３
の内周部に穴１１を設け、この穴１１にリベット，ボル
ト等の軸方向締結指示部材１１ａを挿入し、軸方向締結
指示部材１１ａの両端を回転子の両側板１２に固定する
ことによって回転子鉄心７の強度の補強をすることがで
きる。

【００４４】回転子鉄心７の内周には、ソリッドのボス
１３を配置することによって、回転子３の重量を低減す
ることが可能になる。従って、以上の構成とすることに
よって、回転子鉄心７の使用素材を減らし、軽量化を図
ることが可能となる。

【００４５】図６は、本発明の更に他の実施の形態例に
係わる回転電機の周方向の断面を示す。本実施の形態例
では、外転内部磁石形永久磁石回転電機の例を示す。従
って、回転電機１の固定子２と回転子３とは図１と反対
の構成になっている。

【００４６】図６に示すように、固定子２は、分割固定
子で内側に配置されている。一方、回転子３は、例えば
珪素鋼板等の積層の磁性体からなる回転子鉄心７と磁性
体の回転子ケース１５とを含み構成されている。そし
て、回転子鉄心７は永久磁石挿入穴を備えており、ここ
に永久磁石６を挿入設置する構成になっている。さら
に、永久磁石６の周方向両側には回転子鉄心７と一体に
形成された突極磁心部７３を配置する構成になってい
る。

【００４７】本実施の形態例では、回転子鉄心７の外周
側に設けられた突極磁心部７３と、回転子鉄心７の中に
収納された永久磁石６と、突極磁心部７３及び永久磁心
６とを通る磁束の通路を構成する回転子鉄心ヨーク部７
６とで構成され、回転子鉄心７は、突極磁心７３と回転
子鉄心ヨーク部７６とを単位として周方向に６分割され
ていることを特徴とする。

【００４８】上記構成の外転内部磁石形永久磁石回転電
機では、図５と同様、永久磁石６によるトルクの他に突
極磁心部７３によるリラクタンストルクをも活用でき
て、高トルク、高効率の回転電機とすることができる。

【００４９】また、本実施の形態例の特徴は、回転子２
を２極単位で構成した点にある。これを外周ブリッジ７
１を介して連結した構造とし、さらにこれを一周巻回し
て組み上げる構造としている。分割位置は永久磁石６の
極間が選ばれている。なお、各回転子鉄心７の分割位置
を、軸方向に積層された回転子鉄心７一枚毎に周方向に
少しずつ移動した位置にすることによって、回転子２の
構成をより強くすることができる。

【００５０】特に、本実施の形態例では、２磁極単位に
分割し、突極磁心部７３の円周方向幅の中心位置で分割
する構成としている。また、永久磁石６の円周方向幅の
中心位置で分割することも当然、可能である。

【００５１】外転形回転子構造では、回転子鉄心７の機
械的な強度は、回転子ケース１５で持ってくれるために
あまり必要ではない。そのため、回転子鉄心７へのリベ
ット，ボルト等の軸方向締結支持部材１１ａは、内転形
回転子の場合より少なくすることができる。

【００５２】上記の構成にすることによって、回転子鉄
心７の使用素材の量を減らすことができ、回転電機の軽
量化を図ることができる。

【００５３】なお、上記の実施の形態例では、集中巻構
造の回転電機について説明したが、分布巻き構造の回転
電機でも適用可能である。また、電動機、発電機でも適
用可能である。

【００５４】外転型、内転型回転子を用いたリラクタン
スモータにも適用可能である。また、回転電機にのみな
らず、リニアモータ等への適用も可能である。

【００５５】次に、図７を用いて本発明の実施形態によ
る回転電機を用いた電気自動車について説明する。図７
は、本発明の実施の形態例に係わる回転電機を搭載した
電気自動車の駆動部の略構成を示す。

【００５６】電気自動車の車体１６は、４つの車輪１
７，１８，１９，２０によって支持されている。この電
気自動車は、前輪駆動であるため、前方の車軸２５に
は、本実施の形態例に係わる回転電機１が直結して取り
付けられている。

【００５７】回転電機１は、制御装置２１によって駆動
トルクが制御される。制御装置２１の動力源としては、
バッテリ２２が備えられ、このバッテリ２２から電力が
制御装置２１を介して回転電機１に供給され、回転電機
１が駆動トルクを出力し、該駆動トルクで車輪１７，１
９が回転する。ハンドル２３の回転は、ステアリングギ
ア２４及びタイロッド，ナックルアーム等からなる伝達
機構を介して、２つの車輪１７，１９に伝達され、車輪
の角度が変えられる。

【００５８】上記の回転電機１を、電気自動車の搭載す
ることによって電気自動車の小形軽量化が図れ、かつ一
充電走行距離を長くすることができる。

【００５９】なお、上記は電気自動車の例で示したが、
ハイブリッド電気自動車に搭載しても同様の効果を得る
ことができる。

【００６０】

【発明の効果】本発明によれば、回転子鉄心を作製する
ときの材料利用率を良くすることにより、資源の有効利
用を図ることができる。また、回転電機の小形軽量化を
図ることにより、本回転電機を搭載した電動車両の重量
低減が図れ、電動車両の一充電走行距離を長くすること
ができ、燃費効率の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態例に係わる回転電機の周
方向の断面図である。

【図２】図１の回転電機の軸方向の断面図である。

【図３】回転子鉄心を珪素鋼板から形抜きする一例を示
す図である。

【図４】本発明の他の実施の形態例に係わる回転電機の
周方向の断面図である。

【図５】本発明の更に他の実施の形態例に係わる回転電
機の周方向の断面図である。

【図６】本発明の更に他の実施の形態例に係わる回転電
機の周方向の断面図である。

【図７】本発明の実施の形態例に係わる回転電機を搭載
した電気自動車の駆動部の略構成図である。

【符号の説明】

１…回転電機、２…固定子、３…回転子、４…固定子鉄
心、５…固定子巻線、６…永久磁石、７…回転子鉄心、
８…回転軸、９…エンドブラケット、１０…軸受、１１
…穴、１１ａ…軸方向締結支持部材、１２…回転子の側
板、１３…中空型保持部材、１４…ハウジング、１５…
回転子ケース、１６…車体、１７，１８，１９，２０…
車輪、２１…制御装置、２２…バッテリ、２３…ハンド
ル、２４…ステアリングギア、２５…前方の車軸、４１
…固定子ヨーク部、４２…鉄心磁極、７１…外周ブリッ
ジ、７２…スリット、７３…突極磁心部、７４…ブリッ
ジ、７５…回転子鉄心凹部、７６…回転子鉄心ヨーク部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川又 昭一 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 渋川 末太郎 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者 小泉 修 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器事業部内 Ｆターム(参考） 5H002 AA06 AA09 AB07 AC03 AE07 AE08 5H115 PA12 PG04 PI16 PU11 UI32

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固定子巻線が巻回された固定子鉄心を有す
   る固定子と、該固定子鉄心と空隙を有して回転可能に対
   向する回転子鉄心を有する回転子とを備えた回転電機に
   おいて、 前記回転子鉄心は、前記空隙側でかつ周方向に配置され
   た複数の突極と、該各突極の磁束を通す磁路を形成する
   複数の回転子ヨークとを有し、前記各突極と該各突極に
   対向する前記各回転子ヨークとを単位として周方向に分
   割されていることを特徴とする回転電機。
2. 【請求項２】請求項１において、前記分割を、前記各突
   極の周方向幅の中心位置で行なうことを特徴とする回転
   電機。
3. 【請求項３】固定子巻線が巻回された固定子鉄心を有す
   る固定子と、該固定子鉄心と空隙を有して回転可能に対
   向する回転子鉄心を有する回転子とを備えた回転電機に
   おいて、 前記回転子鉄心は、前記空隙側でかつ周方向に配置内蔵
   された複数の永久磁石と、該各永久磁石からの磁束を通
   す磁路を形成する複数の回転子ヨークとを有し、前記各
   永久磁石の磁極と、該各永久磁石の磁極に対向する前記
   各回転子ヨークとを単位として周方向に分割されている
   ことを特徴とする回転電機。
4. 【請求項４】請求項３において、前記分割を、前記各永
   久磁石の磁極間で行なうことを特徴とする回転電機。
5. 【請求項５】請求項１または請求項３において、前記回
   転子鉄心と前記固定子鉄心とを異なる材料で作製するこ
   とを特徴とする回転電機。
6. 【請求項６】電力を供給するバッテリと、前記供給され
   た電力により車両を駆動する駆動トルクを出力する回転
   電機と、前記駆動トルクを制御する制御装置とを備えた
   電動車両において、 前記回転電機は、固定子巻線が巻回された固定子鉄心を
   有する固定子と、該固定子鉄心と空隙を有して回転可能
   に対向する回転子鉄心を有する回転子とを備え、前記回
   転子を、周方向に磁極単位に分割されている回転子鉄心
   と、該回転子鉄心の内周側に設けられ前記回転子鉄心を
   保持する中空型保持部材とで構成することにより、重量
   を軽減し、前記車両の一充電走行距離を長くすることを
   特徴とする電動車両。