JP2000232741A

JP2000232741A - 永久磁石式回転電機

Info

Publication number: JP2000232741A
Application number: JP11033030A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Matsunobu; 豊松延; Fumio Tajima; 文男田島; Shoichi Kawamata; 昭一川又; Koji Kobayashi; 孝司小林; Suetaro Shibukawa; 末太郎渋川; Osamu Koizumi; 小泉　　修
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-02-10
Filing date: 1999-02-10
Publication date: 2000-08-22

Abstract

(57)【要約】【課題】磁石の加工コストを低減できる永久磁石式回転
電機を提供することにある。【解決手段】永久磁石式回転電機１０は、固定子巻線２
４を巻回した固定子鉄心２２を有する固定子２０と、固
定子２０に対して回転ギャップＧを有して回転可能に保
持され、回転子鉄心３２と、回転子鉄心３２の内部に固
定子鉄心２０と対向して配置された複数個の永久磁石３
６を有する回転子３０とから構成されている。永久磁石
３６は、着磁方向が径方向（回転方向と垂直）であり、
かつ、Ｎ極とＳ極が２組着磁されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、永久磁石式回転電
機に係り、特に、複数個の永久磁石を回転子の周方向に
埋め込んで構成される永久磁石式回転電機に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の永久磁石式回転電機としては、例
えば、特開平９−２６１９０１号公報に記載されている
ように、永久磁石に、ＮもしくはＳ極を、着磁方向が径
方向（回転方向と垂直）で着磁し、交互に配置するもの
が知られている。また、別の従来の永久磁石式回転電機
としては、例えば、特開平７−３９０９１号公報の図５
に記載されているように、永久磁石に、ＮもしくはＳ極
を着磁方向が回転方向で着磁し、同一極性を向かい合わ
せて配置するものが知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述したような構成の
従来の回転電機は、極数が少ない場合には余り問題にな
らないが、多極（例えば、１６極）の場合、１６個の磁
石表面を詳細に研磨する必要がある。積層回転子鉄心内
に永久磁石を埋込むため、磁石表面が均一でないと挿入
の障害となるためである。磁石のコストとしては、材料
費である重さと、表面研摩の加工費より構成されるが、
例えば、８極機と１６極機を同じ磁石重さで比較した場
合、１６極機の磁石加工費は、８極機の倍となるため、
高コストとなる。

【０００４】本発明の目的は、磁石の加工コストを低減
できる永久磁石式回転電機を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】（１）上記目的を達成す
るために、本発明は、固定子巻線を巻回した固定子鉄心
を有する固定子と、この固定子に対して回転ギャップを
有して回転可能に保持され、回転子鉄心とこの回転子鉄
心の内部に上記固定子鉄心と対向して配置された複数個
の永久磁石を有する回転子とから構成された永久磁石回
転電機において、上記永久磁石は、着磁方向が径方向
（回転方向と垂直）であり、かつ、Ｎ極とＳ極が２組着
磁されたものとしたものである。かかる構成により、使
用する永久磁石の個数を低減することができるため、磁
石の加工コストを低減し得るものとなる。

【０００６】（２）上記（１）において、好ましくは、
上記永久磁石は、ブロック型の形状を有するものとした
ものである。かかる構成により、磁石の加工コストをさ
らに低減し得るとともに、コギングトルクを低減し得る
ものとなる。

【０００７】（３）上記（１）において、好ましくは、
上記永久磁石は、アーク型の形状を有するものとしたも
のである。かかる構成により、漏れ磁束を低減して、振
動や脈動を低減し得るものとなる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、図１〜図５を用いて、本発
明の一実施形態による永久磁石式回転電機の構成につい
て説明する。最初に、図１を用いて、本実施形態による
永久磁石式回転電機の全体構成について説明する。図１
は、本発明の一実施の形態による永久磁石回転電機の正
面側から見た部分断面図である。

【０００９】回転電機１０の固定子２０は、固定子鉄心
２２と、この固定子鉄心２２に巻回された多相の固定子
巻線２４と、固定子鉄心２２をその内周面に固定保持す
るハウジング２６から構成されている。回転子３０は、
回転子鉄心３２と、回転子鉄心３２に設けられた永久磁
石挿入孔３４に挿入された永久磁石３６と、回転軸３８
とから構成されている。回転軸３８は、ベアリング４
２，４４によって回転自在に保持されている。ベアリン
グ４２，４４は、エンドブラケット４６，４８によって
支持されており、エンドブラケット４６，４８は、ハウ
ジング２６の両端にそれぞれ固定されている。

【００１０】また、回転子３０の永久磁石３６の位置を
検出する磁極位置検出器ＰＳ及び回転子３０の位置を検
出するエンコーダＥが、回転子３０の側面側に配置され
ている。回転電機１０は、磁極位置検出器ＰＳの信号
と、エンコーダＥの出力信号によって、図示しない制御
装置によって運転制御される。

【００１１】次に、図２を用いて、固定子と回転子の構
成について説明する。図２は、図１のＡ−Ａ矢視の断面
を示しており、全体の構成は線対称でかつ点対象である
ため、全体の１／４の部分について拡大して示してお
り、また、ハウジングの図示は省略してある。そして、
本実施形態においては、三相１６極／４８スロットの永
久磁石式回転電機に適用した例であり、エンジンと回転
電機の双方により駆動されるハイブリッド電気自動車用
回転電機として用いるものについて示している。

【００１２】回転電機１０は、固定子２０と回転子３０
とから構成されている。固定子２０は、固定子鉄心２２
と固定子巻線２４から構成される。固定子巻線２４は、
Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の三相からなり、固定子鉄心２２に形
成されたスロット２６内に挿入されている。図示の例で
は、１２個のスロット２６が示されているが、実際に
は、４８個のスロットが固定子鉄心２２に形成され、そ
れぞれのスロット内に固定子巻線２４が挿入されてい
る。固定子鉄心２２の内周部には、各スロット２６に対
応して開口部２８が形成されている。

【００１３】回転子３０は、高透磁率磁性材料である，
例えば、複数枚の珪素鋼板が積層されている回転子鉄心
３２と、回転子鉄心３２に設けられた永久磁石収納部３
４Ａ，３４Ｂに挿入された永久磁石３６Ａ，３６Ｂと、
回転軸３８から構成されている。そして、固定子２０の
内部に、固定子鉄心２２の内周部と所定のギャップＧを
有する状態で回転可能に配置されている。図示の例で
は、２個の永久磁石収納部３４が示されているが、実際
には、８個の永久磁石収納部３４が形成されており、８
個の永久磁石３６が挿入されている。永久磁石３６とし
ては、例えば、ネオジウム製の永久磁石を用いている。
また、永久磁石３６の形状は、図２に示すように、断面
形状が長方形（ブロック形）のものを用いている。

【００１４】回転子鉄心３２は、永久磁石収納部３４と
回転軸３８を通す孔が打ち抜かれる構造となっている。
永久磁石収納部３４と回転軸３８を通す孔が打ち抜かれ
珪素鋼板を積層し、貫通する永久磁石収納部３４と回転
軸３８を通す孔の中に永久磁石３６及び回転軸３８が挿
入されて、回転軸３８は回転子鉄心３２に嵌合固着され
ている。永久磁石収納部３４は、回転子鉄心３２の外周
部周方向に打ち抜き形成されている。

【００１５】ここで、本実施形態においては、永久磁石
３６としては、着磁方向が径方向（回転方向と垂直）で
あり、かつ、Ｎ極とＳ極が２組着磁されたものを用いて
いる。即ち、永久磁石３６の着磁方向は、回転子３０の
回転方向Ｒに対して、これと直交する径方向ｒである。
そして、各永久磁石３６Ａ，３６Ｂについて見ると、永
久磁石３６Ａは、径方向ｒ１に着磁された第１組目のＮ
極とＳ極の組、及び径方向ｒ２に着磁された第２組目の
Ｎ極とＳ極の組の２組からなっている。同様に、永久磁
石３６Ｂは、径方向ｒ３に着磁された第１組目のＮ極と
Ｓ極の組、及び径方向ｒ４に着磁された第２組目のＮ極
とＳ極の組の２組からなっている。そして、第１組目の
着磁方向（図中のｒ１，ｒ３）は、第２組目の着磁方向
（図中のｒ２，ｒ４）と互いに反対方向になっている。
さらに、隣合う永久磁石収納部３４Ａ，３４Ｂに挿入さ
れた永久磁石３６Ａ，３６Ｂの隣り合う極性（図中のｒ
２とｒ３）は互いに反対方向としてある。

【００１６】次に、図３を用いて、本実施形態による永
久磁石式回転電機を、出力３０ｋＷの回転電機に適用し
た場合の磁場解析結果について説明する。図３の磁場解
析結果から明らかなように、１つの磁石にＮ極とＳ極が
２組着磁されている構成であっても、永久磁石の着磁の
方向は、径方向（回転方向と垂直）であることがわか
り、固定子スロットと鎖交する磁束が存在することが分
かる。従って、従来のＮもしくはＳ極を着磁方向が径方
向（回転方向と垂直）で着磁し、交互に配置する構成と
同様に、出力できることが分かる。

【００１７】次に、図４を用いて、本実施形態による回
転電機を、電気自動車用回転電機として用いる場合の構
成について説明する。なお、回転電機の全体構成は、図
１に示したものと同様である。図４は、図１のＡ−Ａ矢
視の断面を示しており、全体の構成は線対称でかつ点対
象であるため、全体の１／４の部分について拡大して示
しており、また、ハウジングの図示は省略してある。そ
して、本実施形態においては、三相８極／４８スロット
の電気自動車用の永久磁石式回転電機に適用した例であ
る。なお、図２と同一符号は、同一部分を示している。

【００１８】回転電機１０は、固定子２０と回転子３
０’とから構成されている。固定子２０は、固定子鉄心
２２と固定子巻線２４から構成される。固定子巻線２４
は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の三相からなり、固定子鉄心２２
に形成されたスロット２６内に挿入されている。図示の
例では、１２個のスロット２６が示されているが、実際
には、４８個のスロットが固定子鉄心２２に形成され、
それぞれのスロット内に固定子巻線２４が挿入されてい
る。固定子鉄心２２の内周部には、各スロット２６に対
応して開口部２８が形成されている。

【００１９】回転子３０’は、高透磁率磁性材料であ
る，例えば、複数枚の珪素鋼板が積層されている回転子
鉄心３２と、回転子鉄心３２に設けられた永久磁石収納
部３４Ａ，３４Ｂに挿入された永久磁石３６Ｃ，３６Ｄ
と、回転軸３８から構成されている。そして、固定子２
０の内部に、固定子鉄心２２の内周部と所定のギャップ
Ｇを有する状態で回転可能に配置されている。図示の例
では、２個の永久磁石収納部３４が示されているが、実
際には、８個の永久磁石収納部３４が形成されており、
８個の永久磁石３６が挿入されている。永久磁石３６と
しては、例えば、ネオジウム製の永久磁石を用いてい
る。また、永久磁石３６の形状は、図２に示すように、
断面形状が長方形（ブロック形）のものを用いている。

【００２０】回転子鉄心３２は、永久磁石収納部３４と
回転軸３８を通す孔が打ち抜かれる構造となっている。
永久磁石収納部３４と回転軸３８を通す孔が打ち抜かれ
珪素鋼板を積層し、貫通する永久磁石収納部３４と回転
軸３８を通す孔の中に永久磁石３６及び回転軸３８が挿
入されて、回転軸３８は回転子鉄心３２に嵌合固着され
ている。永久磁石収納部３４は、回転子鉄心３２の外周
部周方向に打ち抜き形成されている。

【００２１】ここで、本実施形態においては、永久磁石
３６としては、着磁方向が径方向（回転方向と垂直）で
あり、かつ、Ｎ極とＳ極が１組着磁されたものを用いて
いる。即ち、永久磁石３６の着磁方向は、回転子３０’
の回転方向Ｒに対して、これと直交する径方向ｒであ
る。そして、各永久磁石３６Ｃ，３６Ｄについて見る
と、永久磁石３６Ａは、径方向ｒａに着磁されたＮ極と
Ｓ極の１組を備えている。同様に、永久磁石３６Ｄは、
径方向ｒｂに着磁されたＮ極とＳ極の１組を備えてい
る。そして、隣合う永久磁石収納部３４Ａ，３４Ｂに挿
入された永久磁石３６Ｃ，３６Ｄの隣り合う極性（図中
のｒａとｒｂ）は互いに反対方向としてある。

【００２２】図２に示したようなエンジンと回転電機の
双方により駆動される所謂ハイブリット電気自動車用回
転電機においては、回転電機はエンジン直結のため、エ
ンジンと同じ回転数（約６，０００ｒｐｍ）である。一
方、電気自動車用回転電機は高回転により小型化してい
るため、回転数はハイブリット電気自動車用回転電機の
回転数のほぼ倍（約１２，０００ｒｐｍ）である。

【００２３】駆動するインバータを有効活用するために
は周波数を同一とする事が望ましく、ハイブリット電気
自動車用回転電機の極数を、電気自動車用回転電機の２
倍とすることが好ましいものである。例えば、インバー
タの周波数は一般的に１ｋＨｚ以下に用いられており、
回転数が１２０００ｒｐｍの電気自動車用回転電機で
は、８極の場合、インバータの周波数は８００Ｈｚであ
る。そして、ハイブリット電気自動車用の回転電機を、
同じく８極とすると、そのときのインバータの周波数は
４００Ｈｚとなり、インバータを有効活用することがで
きないものである。しかしながら、図２に示したよう
に、ハイブリット電気自動車用の回転電機を１６極とす
ることにより、インバータの周波数を８００Ｈｚとする
ことができるので、インバータを有効活用することがで
きる。しかも、図２の構成と図４の構成を比較すると明
らかなように、両者は、永久磁石３６Ａ，３６Ｂと永久
磁石３６Ｃ，３６Ｄの着磁の相違だけであるため、同じ
ロータの抜き型及び同じステータの好き型により、電気
自動車用の回転電機とハイブリット電気自動車用の回転
電機を構成することができるため、コアを共用できるの
で、製造コストを低減することができる。しかも、上述
したように、インバータを有効活用できるものである。

【００２４】次に、図５を用いて、本実施形態による永
久磁石式回転電機を、出力３０ｋＷの回転電機に適用し
た場合の磁場解析結果について説明する。図５の磁場解
析結果から明らかなように、１つの磁石にＮ極とＳ極が
１組着磁されている構成であっても、永久磁石の着磁の
方向は、径方向（回転方向と垂直）であることがわか
り、固定子スロットと鎖交する磁束が存在することが分
かるので、従来と同様に、出力できることが分かる。

【００２５】なお、本実施形態においては、永久磁石と
しては、ブロック型のものを用いているため、製造コス
トを低減できる。また、例えば、図２に示す構成におい
て、回転子鉄心３２の中で、永久磁石収納部３４Ａ，３
４Ｂの外周部Ｘは、補助突極として作用するため、コギ
ングトルクを低減することができる。

【００２６】以上説明したように、本実施形態において
は、永久磁石としては、着磁方向が径方向（回転方向と
垂直）であり、かつ、Ｎ極とＳ極が２組着磁されたもの
を用いているので、極数が多くなった場合でも、磁石の
加工コストを低減することができる。また、ハイブリッ
ト電気自動車用回転電機と電気自動車用回転電機のコア
の共用化が可能となり、コストを低減することができる
とともに、インバータの有効活用を図ることができ
る。。

【００２７】次に、図６及び図７を用いて、本発明の他
の実施形態による永久磁石式回転電機の構成について説
明する。なお、本実施形態による永久磁石式回転電機の
全体構成は、図１に示したものと同様である。最初に、
図６を用いて、本実施形態による永久磁石式回転電機に
用いる固定子と回転子の構成について説明する。図６
は、図２と同様に、図１のＡ−Ａ矢視の断面を示してお
り、全体の構成は線対称でかつ点対象であるため、全体
の１／４の部分について拡大して示しており、また、ハ
ウジングの図示は省略してある。そして、本実施形態に
おいては、三相１６極／４８スロットの永久磁石式回転
電機に適用した例であり、エンジンと回転電機の双方に
より駆動されるハイブリッド電気自動車用回転電機とし
て用いるものについて示している。

【００２８】回転電機１０は、固定子２０と回転子３
０”とから構成されている。固定子２０は、固定子鉄心
２２と固定子巻線２４から構成される。固定子巻線２４
は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の三相からなり、固定子鉄心２２
に形成されたスロット２６内に挿入されている。図示の
例では、１２個のスロット２６が示されているが、実際
には、４８個のスロットが固定子鉄心２２に形成され、
それぞれのスロット内に固定子巻線２４が挿入されてい
る。固定子鉄心２２の内周部には、各スロット２６に対
応して開口部２８が形成されている。

【００２９】回転子３０”は、高透磁率磁性材料であ
る，例えば、複数枚の珪素鋼板が積層されている回転子
鉄心３２’と、回転子鉄心３２’に設けられた永久磁石
収納部３４Ｅ，３４Ｆに挿入された永久磁石３６Ｅ，３
６Ｆと、回転軸３８から構成されている。そして、固定
子２０の内部に、固定子鉄心２２の内周部と所定のギャ
ップＧを有する状態で回転可能に配置されている。図示
の例では、２個の永久磁石収納部３４が示されている
が、実際には、８個の永久磁石収納部３４が形成されて
おり、８個の永久磁石３６が挿入されている。永久磁石
３６としては、例えば、ネオジウム製の永久磁石を用い
ている。また、永久磁石３６の形状は、図６に示すよう
に、断面形状がアーク形のものを用いている。

【００３０】回転子鉄心３２’は、永久磁石収納部３４
と回転軸３８を通す孔が打ち抜かれる構造となってい
る。永久磁石収納部３４と回転軸３８を通す孔が打ち抜
かれ珪素鋼板を積層し、貫通する永久磁石収納部３４と
回転軸３８を通す孔の中に永久磁石３６及び回転軸３８
が挿入されて、回転軸３８は回転子鉄心３２’に嵌合固
着されている。永久磁石収納部３４は、回転子鉄心３
２’の外周部周方向に打ち抜き形成されている。

【００３１】ここで、本実施形態においては、永久磁石
３６としては、着磁方向が径方向（回転方向と垂直）で
あり、かつ、Ｎ極とＳ極が２組着磁されたものを用いて
いる。即ち、永久磁石３６の着磁方向は、回転子３０”
の回転方向Ｒに対して、これと直交する径方向ｒであ
る。そして、各永久磁石３６Ｅ，３６Ｆについて見る
と、永久磁石３６Ｅは、径方向ｒ１に着磁された第１組
目のＮ極とＳ極の組、及び径方向ｒ２に着磁された第２
組目のＮ極とＳ極の組の２組からなっている。同様に、
永久磁石３６Ｆは、径方向ｒ３に着磁された第１組目の
Ｎ極とＳ極の組、及び径方向ｒ４に着磁された第２組目
のＮ極とＳ極の組の２組からなっている。そして、第１
組目の着磁方向（図中のｒ１，ｒ３）は、第２組目の着
磁方向（図中のｒ２，ｒ４）と互いに反対方向になって
いる。さらに、隣合う永久磁石収納部３４Ｅ，３４Ｆに
挿入された永久磁石３６Ｅ，３６Ｆの隣り合う極性（図
中のｒ２とｒ３）は互いに反対方向としてある。

【００３２】次に、図７を用いて、本実施形態による永
久磁石式回転電機を、出力３０ｋＷの回転電機に適用し
た場合の磁場解析結果について説明する。図７の磁場解
析結果から明らかなように、１つの磁石にＮ極とＳ極が
２組着磁されている構成であっても、永久磁石の着磁の
方向は、径方向（回転方向と垂直）であることがわか
り、固定子スロットと鎖交する磁束が存在することが分
かる。従って、従来のＮもしくはＳ極を着磁方向が径方
向（回転方向と垂直）で着磁し、交互に配置する構成と
同様に、出力できることが分かる。

【００３３】本実施形態においては、永久磁石として
は、アーク型のものを用いているため、回転子の表面に
永久磁石を配置した表面型回転子と同様の構成となるた
め、図７と図３を比較すると明らかなように、漏れ磁束
を低減することができるため、振動や脈動を低減するこ
とができる。

【００３４】なお、図６に示したものは、永久磁石をア
ーク形とした三相１６極／４８スロットの永久磁石式回
転電機に適用した例であり、エンジンと回転電機の双方
により駆動されるハイブリッド電気自動車用回転電機と
して用いるものであるが、三相８極／４８スロットの永
久磁石式回転電機に適用して、回転電機のみによって駆
動される電気自動車用回転電機として用いる場合には、
図４に示したように、永久磁石としては、着磁方向が径
方向（回転方向と垂直）であり、かつ、Ｎ極とＳ極が１
組着磁されたものを用いているようにすればよいもので
ある。

【００３５】以上説明したように、本実施形態において
は、永久磁石としては、着磁方向が径方向（回転方向と
垂直）であり、かつ、Ｎ極とＳ極が２組着磁されたもの
を用いているので、極数が多くなった場合でも、磁石の
加工コストを低減することができる。また、ハイブリッ
ト電気自動車用回転電機と電気自動車用回転電機のコア
の共用化が可能となり、コストを低減することができる
とともに、インバータの有効活用を図ることができる。

【００３６】なお、上述した各実施形態において、永久
磁石はネオジウム磁石以外でもよく、永久磁石の個数
（極数）は８極や１６極以外でもよく、固定子のスロッ
ト数も４８個以外でもよいものである。なお、本例では
内転型について示しているが外転型にも応用できるもの
である。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、永久磁石式回転電機に
おける磁石の加工コストを低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態による永久磁石回転電機の
正面側から見た部分断面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ矢視の断面図である。

【図３】本発明の一実施形態による永久磁石式回転電機
の磁場解析結果の説明図である。

【図４】図４は、図１のＡ−Ａ矢視の断面図である。

【図５】本発明の一実施形態による永久磁石式回転電機
の磁場解析結果の説明図である。

【図６】本発明の他の実施形態による永久磁石回転電機
を示し、図１のＡ−Ａ矢視の断面図である。

【図７】本発明の他の実施形態による永久磁石式回転電
機の磁場解析結果の説明図である。

【符号の説明】

１０…永久磁石回転電機２０…固定子２２…固定子鉄心２４…固定子巻線２６…固定子スロット２８…固定子開口部３０…回転子３２…回転子鉄心３４…永久磁石挿入穴３６…永久磁石３８…回転軸

───────────────────────────────────────────────────── 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)発明者小林孝司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） 5H622 AA03 CA02 CA05 CA14 CB03 CB05 PP03 PP10 PP11 QB01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固定子巻線を巻回した固定子鉄心を有する
固定子と、この固定子に対して回転ギャップを有して回
転可能に保持され、回転子鉄心とこの回転子鉄心の内部
に上記固定子鉄心と対向して配置された複数個の永久磁
石を有する回転子とから構成された永久磁石回転電機に
おいて、上記永久磁石は、着磁方向が径方向（回転方向と垂直）
であり、かつ、Ｎ極とＳ極が２組着磁されたものである
ことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項２】請求項１記載の永久磁石式回転電機におい
て、上記永久磁石は、ブロック型の形状を有することを特徴
とする永久磁石式回転電機。
【請求項３】請求項１記載の永久磁石式回転電機におい
て、上記永久磁石は、アーク型の形状を有することを特徴と
する永久磁石式回転電機。