JP2001211577A - 永久磁石回転電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、高速に適し、高効率であると
ともに、小型軽量な永久磁石回転電機を提供するにあ
る。 【解決手段】回転電機１０は、固定子巻線２４を巻回し
た固定子鉄心２２を有する固定子２０と、固定子２０の
内周に回転可能に保持され、回転子鉄心３２とこの回転
子鉄心３２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３６を有する回転子３０とから構成
されている。ここで、固定子巻線２４は、固定子２０の
磁極２２Ｂに集中的に巻回されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、永久磁石回転電機
に係り、特に、内部磁石型回転電機に好適な永久磁石回
転電機に関する。

【０００２】

【従来の技術】電動車両，特に、電気自動車において使
用される駆動電動機は、電気自動車として積載されるバ
ッテリーの量が限定され、かつ、そのバッテリー容量で
十分な一充電走行距離を確保することが必要なために、
小型軽量、高効率であることが望まれている。

【０００３】電動機を小型軽量化するためには、高速回
転に適していることが要望される。また、高効率電動機
としては、直流電動機や誘導電動機よりも永久磁石電動
機が推奨できる。

【０００４】永久磁石回転子には、永久磁石を回転子の
外周に配置する表面磁石回転子と、永久磁石よりも高い
透磁率を有する，例えば、珪素鋼板の中に永久磁石保持
部を有する，いわゆる内部磁石回転子とがある。

【０００５】表面磁石永久磁石電動機は、磁石磁束のた
め制御が簡単であることや、固定子巻線の反作用磁束の
影響が弱いため低騒音にできる反面、高速回転のために
は磁石の補強が必要であること、弱め界磁制御が困難で
あるため、速度制御範囲が狭く、高速低負荷時の効率が
低いこと等の欠点を有していた。

【０００６】一方、内部磁石永久磁石電動機は、表面磁
石回転子と反対に、弱め界磁制御によって高速まで運転
できる点、弱め界磁制御によって高速低負荷時を高効率
にできる点、磁石外周の磁性体の磁極片部によって高速
時まで回転可能である点、リラクタンストルクを利用で
きる等の利点を有している。

【０００７】内部永久磁石回転電機としては、例えば、
特開平５−２１９６６９号公報や特開平７−３９０９１
号公報の図５に記載のものが知られている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来の内部永久磁石回
転電機において、電動車両等に用いることができる大型
回転電機では、その固定子の構造としては、分布巻固定
子が採用されている。しかしながら、分布巻固定子は、
固定子の巻線のエンド部が長くなるため、回転電機本体
の大きさを小型化するには限界があるという問題があっ
た。特に、電動車両に用いる回転電機においては、高速
に適し、高効率であることが要求されるとともに、さら
に、小型軽量であることが要求されている。本発明の目
的は、高速に適し、高効率であるとともに、小型軽量な
永久磁石回転電機を提供するにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
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、この固定子の内周に回転可能に保持さ
れ、磁性材からなる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、上記固定子巻線は、上記固定子の磁極に集中的
に巻回されているとともに、上記回転子の極数を、８極
以上としたものであり、かかる構成により、回転電機を
小型化し得るものとなる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態による
永久磁石回転電機について、図１〜図５を用いて説明す
る。図１は、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。

【００１１】図１において、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、シャフト３８とから構成されている。シャフト３８
は、ベアリング４２，４４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４
６，４８によって支持されており、エンドブラケット４
６，４８は、ハウジング２６の両端にそれぞれ固定され
ている。

【００１２】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３によって後
述する制御装置によって運転制御される。

【００１３】図２は、図１のＡ−Ａ矢視の断面図である
が、ハウジングの図示は省略してある。図２において、
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。固定子鉄心２２は、円環状の固定
子ヨ−ク２２Ａと固定子磁極２２Ｂとからなり、固定子
磁極２２Ｂには、固定子巻線２４が集中的に巻回される
構成である。各巻線２４は、空隙面での磁路を共有する
ことのない構成である。固定子巻線を集中巻とする固定
子構造とすることにより、エンドコイル部の長さを短く
することができるため、回転電機の体格を小さくするこ
とができる。エンドコイル部は、図１において、固定子
鉄心２２の左右から固定子巻線２４が飛び出ている部分
であり、このエンドコイル部を短くできるため、回転電
機の長さを短くでき、小型化できる。

【００１４】固定子巻線２４のＵ相には、Ｕ1+，Ｕ1-，
Ｕ2+，Ｕ2-がそれぞれ接続され、Ｖ相には、Ｖ1+，Ｖ1
-， Ｖ２+，Ｖ2-がそれぞれ接続され、Ｗ相には、Ｗ1
+，Ｗ1-，Ｗ2+，Ｗ2-がそれぞれ接続される。

【００１５】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４個の永久磁石挿
入孔３４に挿入された４個の永久磁石３６と、シャフト
３８から構成されている。１０個の永久磁石３６は、極
性が互いに反対方向になるように、回転子鉄心３２の周
方向に等間隔で配置されている。

【００１６】回転子鉄心３２は、永久磁石挿入孔３４と
シャフト３８を通す孔が打ち抜かれる構造となってい
る。永久磁石挿入孔３４とシャフト３８を通す孔が打ち
抜かれ珪素鋼板を積層し、貫通する永久磁石挿入孔３４
とシャフト３８を通す孔の中に永久磁石３６及びシャフ
ト３８が挿入されて回転子３０を構成する。回転子鉄心
３２を半径方向に分けると、内周側のヨーク部３２Ａ
と、外周部３２Ｂに分けられる。また、回転子鉄心３２
の外周部３２Ｂを周方向に２つの部分に分けると、補助
磁極部３２Ｂ１と、磁極片部３２Ｂ２に分けられる。補
助磁極部３２Ｂ１は、隣合う永久磁石挿入孔３４に挟ま
れる領域であり、磁石の磁気回路をバイパスして、固定
子の起磁力によって直接磁束を固定子側に発生させる領
域である。磁極片部３２Ｂ２は、回転子鉄心３２の外周
部３２Ｂの中で、永久磁石３６の外周側に位置する領域
であり、永久磁石３６からの磁束Ｂφがギャップを介し
て固定子２０側に流れて磁気回路を構成する領域であ
る。

【００１７】永久磁石３６は、補助磁極部３２Ｂ１によ
って周方向を覆われ、磁極片部３２Ｂ２によって外周を
覆われた永久磁石挿入穴３４の中に収納することがで
き、高速回転に適した電動機とすることができる。

【００１８】ここで、集中巻固定子は、一般には、リラ
クタンスモータや小型のブラシレスモータに使用されて
いる。この場合、リラクタンスモータの場合には、回転
子は補助磁極のみであり、ブラシレスモータの場合に
は、永久磁石を回転子外表面に直接配置する構成であ
る。従って、リラクタンスモータの場合には脈動トルク
が大きく、また、トルクが小さいものである。

【００１９】一方、表面磁石回転子の場合には、弱め界
磁制御が比較的困難であり、表面磁石に発生する渦電流
によって損失を発生し、効率を低下させるものであっ
た。

【００２０】それに対して、内部永久磁石の回転子と、
集中巻固定子を組み合わせた構成とすることによって、
永久磁石の磁束によるトルクと補助磁極のリラクタンス
成分によるトルクの両方を活用でき、高効率とすること
ができる。また、後述のように補助磁極の効果によって
弱め界磁が可能となり、運転領域，特に、高速領域での
運転領域が格段に広くすることができる。

【００２１】さらには、磁極片部が磁性体であるため、
固定子磁極の脈動磁束を緩和することができる。また、
積層鉄心であるため、渦電流損を発生しないものであ
る。

【００２２】なお、図２に示す例では、電動機構成で、
３相、かつ永久磁石回転子３６の極数Ｐが１０極、固定
子の磁極数Ｍが１２極の構成としている。固定子磁極を
Ｍ，回転子磁石の極数をＰとしたとき、Ｍ：Ｐ＝６ｎ：
６ｎ±２ （ここでｎは正の整数）なる構成とすること
により、トルク脈動が少なく、かつ、巻線の利用率（巻
線係数）を大きくできることから、高効率，小型軽量と
することができる。

【００２３】以上は、電動機の例で示したが、発電機で
も同様であることはいうまでもないことである。

【００２４】次に、図３を用いて、本実施形態による永
久磁石回転電機を制御する制御装置について説明する。
図３は、本発明の一実施形態による永久磁石回転電機の
制御回路の回路図である。

【００２５】直流電源８０よりインバータ８２を介して
回転電機１０の固定子巻線２４に電力を供給する。速度
制御回路（ＡＳＲ）８４は、速度指令ωｓと、エンコー
ダＥからの位置情報θからＦ／Ｖ変換器８６を介して得
られる実際の速度ωｆとから速度差ωｅを算出し、これ
にＰＩ制御（Ｐ：比例項、Ｉ：積分項）等によってトル
ク指令，即ち、電流指令Ｉｓと回転子３０の回転角θ１
を出力する。位相シフト回路８８は、エンコーダＥより
のパルス，即ち、回転子の位置情報θを、速度制御回路
（ＡＳＲ）８４からの回転角θ１の指令に応じて位相シ
フトして出力する。正弦波・余弦波発生器９０は、回転
子３０の永久磁石磁極の位置を検出する位置検出器ＰＳ
と、位相シフト回路８８からの位相シフトされた回転子
の位置情報θに基づいて、固定子巻線２４の各巻線（こ
こでは３相）の誘起電圧を位相シフトした正弦波出力を
発生する。位相シフト量は、零の場合でもよい。

【００２６】２相−３相変換回路９２は、速度制御回路
（ＡＳＲ）８４からの電流指令Ｉｓと正弦波・余弦波発
生器９０の出力に応じて、各相に電流指令Ｉｓａ，Ｉｓ
ｂ，Ｉｓｃを出力する。各相はそれぞれ個別に電流制御
系（ＡＣＲ）９４Ａ，９４Ｂ，９４Ｃを持ち、電流指令
Ｉｓａ，Ｉｓｂ，Ｉｓｃと電流検出器ＣＴからの電流検
出信号Ｉｆａ，Ｉｆｂ，Ｉｆｃに応じた信号を、インバ
ータ８２に送って各相電流を制御する。この場合、各相
合成の電流は、界磁磁束に直角，あるいは位相シフトし
た位置に常に形成され、これによって無整流子で、かつ
直流機と同等の特性を得ることができる。

【００２７】ここで、電機自動車に適用する場合には、
制御装置は、速度制御回路８４ではなく、直接トルクを
制御するトルク制御系を有する。即ち、速度制御回路８
４に替えて、トルク制御回路を使用する。トルク制御回
路は、入力信号として、トルクＴｓと、トルク検出器に
よって得られる実際のトルクＴｆとからトルクＴｅを算
出し、これにＰＩ制御（Ｐ：比例項、Ｉ：積分項）等に
よってトルク指令，即ち、電流指令Ｉｓと回転子３０の
回転角θ１を出力する。

【００２８】永久磁石回転電機においては、トルクは電
流に直接比例するために電流制御系を速度制御回路８４
の代わりに配置される。

【００２９】固定子巻線２４の結線は、３相固定子巻線
で、Ｕ相には、Ｕ1+，Ｕ1-，Ｕ2+，Ｕ2-が図示の順で接
続され、Ｖ相には、Ｖ1+，Ｖ1-，Ｖ2+，Ｖ2-が図示の順
で接続され、Ｗ相には、Ｗ1+，Ｗ1-，Ｗ2+，Ｗ2-が図示
の順で接続される。ここで、各相を構成する巻線、例え
ば、Ｕ相ではＵ1+とＵ2-の間、Ｕ1-とＵ2+の間、Ｖ相で
はＶ1+とＶ2-の間、Ｖ1-とＶ2+の間、Ｗ相ではＷ1+とＷ
2-の間、Ｗ1-とＷ2+の間では、電気角で３０度の位相差
を有する。即ち、図１に示すように、例えば、固定子磁
極Ｕ1+とＵ2-の間の角度θ１に対して、回転子３０の隣
合う永久磁石３６の角度θ２となっており、電気角で３
０度の位相差を有するようになっている。このようにし
て、同一の相に接続される固定子巻線の巻回される固定
子磁極は、永久磁石に対して少なくとも一つが位相が異
なるようになっている。例えば、Ｕ1-が巻回される固定
子磁石とＵ2+が巻回される固定子磁石を見ると、Ｕ1-に
対して永久磁石３６Ａが同相とすると、永久磁石３６Ｂ
に対しては、位相が３０度異なるようになっている。こ
れによって、集中巻の固定子において問題となる脈動ト
ルクが軽減されている。この理由については、図４を用
いて後述する。

【００３０】集中巻きにおいては、図１に示すように、
各巻線が空隙面でラップしないような構成にする。これ
によって、各巻線間の相互干渉は無くなり、小型軽量
で、しかも、構成も簡単にすることができる。

【００３１】また、図示のように、隣あう巻線を同相に
選択することによって、接続が容易になる。即ち、Ｕ相
ではＵ1+とＵ2-とが隣あっており、Ｕ1-とＵ2+とが隣あ
っている。また、Ｖ相ではＶ1+とＶ2-とが隣あってお
り、Ｖ1-とＶ2+とが隣あっている。同様にして、Ｗ相で
はＷ1+とＷ2-とが隣あっており、Ｗ1-とＷ2+とが隣あっ
ているので、接続が容易になる。次に、図４を用いて、
トルク脈動の低減する理由について説明する。図４は、
本発明の一実施形態による永久磁石回転電機によって発
生するトルクの説明図である。

【００３２】図４（ａ）は、Ｕ1+,Ｕ1-,Ｖ1+,Ｖ1-,Ｗ1
+,Ｗ1-の各固定子巻線に、図３に示した正弦・余弦発生
回路９０からの信号に基づいて正弦波電流を加えた場合
に発生するトルクを示している。高調波成分を含まなけ
れば、均一なトルクになるが、永久磁石の高調波分や、
補助磁極による高調波分等が含まれているため、図示の
ように、電気角で６０度を周期とするトルク脈動を発生
する。

【００３３】図４（ｂ）は、Ｕ２+,Ｕ２-,Ｖ２+,Ｖ２-,
Ｗ２+,Ｗ２-の各固定子巻線に、正弦波電流を加えた場
合に発生するトルクを示している。図４（ａ）に示した
のと同様に、永久磁石の高調波分や、補助磁極による高
調波分等が含まれているため、図示のように、電気角で
６０度を周期とするトルク脈動を発生する。

【００３４】ここで、固定子巻線２４のＵ1+，Ｕ1-，Ｖ
1+，Ｖ1-，Ｗ1+，Ｗ1-が巻回されている固定子磁極２２
Ｂと、 固定子巻線２４のＵ2-，Ｖ2+，Ｖ2-，Ｗ2+，Ｗ2
-が巻回されている固定子磁極２２Ｂ２とは、電気角で
３０度の位相差があるために、発生トルクの脈動は逆相
となっている。

【００３５】従って、図４（ｃ）に示すように、図４
（ａ）と図４（ｂ）の合成されたトルクは、脈動トルク
を低減したものとなる。図２において、永久磁石極数Ｍ
と固定子磁極数Ｐとの比を１０：１２の例では、永久磁
石回転電機のコギングトルクは、永久磁石極数と固定子
磁極数の最小公倍数、ここでは、６０／回転の脈動とな
る。一般に、コギングトルクは脈動数／回転が大きくな
るほど小さくなる。ここで、従来からある一般的な表面
磁石回転子で集中巻固定子においては、永久磁石極数Ｍ
と固定子磁極数Ｐとの比は、２：３であり、永久磁石極
数Ｍ＝２を図２に示した永久磁石極数Ｍ＝１０極に換算
してみると、Ｍ：Ｐ＝１０：１５に相当する。この場
合、コギングトルクの脈動数／回転は、１０と１５の最
小公倍数ということで、３０となる。従って、本実施形
態による方が、コギングトルクを小さくできるものであ
る。

【００３６】また、電流通電時の脈動トルクの減少も図
４で示した原理のよって小さくすることができる。次
に、本実施形態による永久磁石回転電機の弱め界磁制御
による動作原理について、図５を用いて説明する。図５
は、本発明の一実施形態による永久磁石回転電機の動作
原理図である。

【００３７】永久磁石回転電機の発生トルクＴは、一般
には次式で表される。

【００３８】 Ｔ＝｛Ｅ０・Ｉｑ＋（Ｘｑ−Ｘｄ）・Ｉｄ・Ｉｑ｝／ω ここで、Ｅ０は誘起電圧、Ｘｑはｑ軸リアクタンス、Ｘ
ｄはｄ軸リアクタンス、Ｉｄはｄ軸電流、Ｉｑはｑ軸電
流、ωは回転角速度を表している。

【００３９】図５（ａ）に示すように、永久磁石３６は
ｄ軸に配置され、永久磁石より高い透磁率を有する補助
磁極部３２Ｂ１の位置はｑ軸に配置される。この場合、
各ベクトルは、図５（ａ）で表される。ここで、ｄ軸電
流−Ｉｄ，ｑ軸電流Ｉｑの合成である電流Ｉｍは、図３
に示した制御回路の電流指令Ｉｓａ，Ｉｓｂ，Ｉｓｃや
電動機の磁極位置検出器ＰＳやエンコーダＥの出力位置
の計算等によって図示の位置に制御される。

【００４０】上式において、第一項が永久磁石による成
分で、第二項がリラクタンス成分で補助磁極部３２Ｂ１
による成分である。

【００４１】電気自動車用駆動電動機では、特に低速時
に電動機のトルク／電流を最大にするように制御する必
要がある。図５（ａ）はトルク・電流を最大にするよう
に制御した場合のベクトル図を示す。ここでは、補助磁
極３２Ｂ１に増磁起磁力がかかるように制御し、上式の
第１項の永久磁石によるトルクとともに第２項の補助磁
極３２Ｂ１のよるリラクタンストルクをも十分に活用し
た制御となる。

【００４２】一方、高速領域においては、トルクは少な
くともよく、むしろ永久磁石３６の磁束を弱めるため
に、Ｉｄ成分を大きくし、永久磁石Ｅ０をＸｄ・Ｉｄに
よって打ち消し、高速領域まで回転できるようにしてい
る。図５（ｂ）は高速時のベクトル図を示している。

【００４３】以上の電流Ｉｄ，Ｉｑの制御は、図３の制
御回路の位相シフト回路８８によって行われる。図５
（ｃ）において、破線Ｔ２は、従来の表面磁石回転電機
によって発生するトルクを示しており、高速領域でのト
ルクは低下している。それに対して、実線Ｔ１は、上述
した制御によって、本実施形態による永久磁石回転電機
の速度トルクの関係を示しており、従来の表面磁石回転
電機に比較して、電流が流れやすくなるため、高速領域
まで運転することが可能になる。本実施形態によれば、
集中巻固定子とすることにより、固定子のエンドコイル
部を短くでき、回転電機を小型化できる。また、同一の
相に接続される固定子巻線の巻回される固定子磁極は、
永久磁石に対して少なくとも一つが位相が異なるように
なっているので、集中巻の固定子において問題となる脈
動トルクが軽減されている。また、補助磁極を有する永
久磁石回転子とすることにより、弱め界磁制御に適する
構成となっており、高速回転に適した回転電機とするこ
とができる。また、永久磁石の間には、永久磁石よりも
高い透磁率を有する磁性材料からなる補助磁極部を配置
したため、発生するトルクを大きくすることができる。
また、永久磁石の周囲を珪素鋼板で覆う構成とすること
により、高速回転に適したものとなる。

【００４４】次に、本発明の他の実施形態による永久磁
石回転電機について、図６を用いて説明する。図６は、
本発明の他の実施形態による永久磁石回転電機の断面図
である。本実施形態の特徴とする点は、電動機構成で、
３相、かつ永久磁石回転子３６の極数Ｐが１０極、固定
子の磁極数Ｍが９極の構成としている。固定子磁極を
Ｍ，回転子磁石の極数をＰとしたとき、Ｍ：Ｐ＝３ｎ：
３ｎ±１ （ここでｎは正の整数）なる構成とすること
により、トルク脈動が少なく、かつ、巻線の利用率（巻
線係数）を大きくできることから、高効率，小型軽量と
することができるものである。

【００４５】図６において、回転電機１０は、固定子２
０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
子鉄心２２は、円環状の固定子ヨ−ク２２Ａと固定子磁
極２２Ｂとからなり、固定子磁極２２Ｂには、固定子巻
線２４が集中的に巻回される構成である。各巻線２４
は、空隙面での磁路を共有することのない構成である。
固定子巻線を集中巻とする固定子構造とすることによ
り、エンドコイル部の長さを短くすることができるた
め、回転電機の体格を小さくすることができる。

【００４６】固定子巻線２４のＵ相には、Ｕ1+，Ｕ1-，
Ｕ2+がそれぞれ接続され、Ｖ相には、Ｖ1+，Ｖ1-， Ｖ2
+がそれぞれ接続され、Ｗ相には、Ｗ1+，Ｗ1-，Ｗ2+が
それぞれ接続される。

【００４７】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４個の永久磁石挿
入孔３４に挿入された４個の永久磁石３６と、シャフト
３８から構成されている。１０個の永久磁石３６は、極
性が互いに反対方向になるように、回転子鉄心３２の周
方向に等間隔で配置されている。

【００４８】回転子鉄心３２は、永久磁石挿入孔３４と
シャフト３８を通す孔が打ち抜かれる構造となってい
る。永久磁石挿入孔３４とシャフト３８を通す孔が打ち
抜かれ珪素鋼板を積層し、貫通する永久磁石挿入孔３４
とシャフト３８を通す孔の中に永久磁石３６及びシャフ
ト３８が挿入されて回転子３０を構成する。回転子鉄心
３２を半径方向に分けると、内周側のヨーク部３２Ａ
と、外周部３２Ｂに分けられる。また、回転子鉄心３２
の外周部３２Ｂを周方向に２つの部分に分けると、補助
磁極部３２Ｂ１と、磁極片部３２Ｂ２に分けられる。補
助磁極部３２Ｂ１は、隣合う永久磁石挿入孔３４に挟ま
れる領域であり、磁石の磁気回路をバイパスして、固定
子の起磁力によって直接磁束を固定子側に発生させる領
域である。磁極片部３２Ｂ２は、回転子鉄心３２の外周
部３２Ｂの中で、永久磁石３６の外周側に位置する領域
であり、永久磁石３６からの磁束Ｂφがギャップを介し
て固定子２０側に流れて磁気回路を構成する領域であ
る。

【００４９】永久磁石３６は、補助磁極部３２Ｂ１によ
って周方向を覆われ、磁極片部３２Ｂ２によって外周を
覆われた永久磁石挿入穴３４の中に収納することがで
き、高速回転に適した電動機とすることができる。

【００５０】さらには、磁極片部が磁性体であるため、
固定子磁極の脈動磁束を緩和することができる。また、
積層鉄心であるため、渦電流損を発生しないものであ
る。

【００５１】この例では、電動機構成で、３相、かつ永
久磁石回転子３６の極数Ｐが１０極、固定子の磁極数Ｍ
が９極の構成としている。固定子磁極をＭ，回転子磁石
の極数をＰとしたとき、Ｍ：Ｐ＝３ｎ：３ｎ±１（ここ
でｎは正の整数）なる構成とすることにより、トルク脈
動が少なく、かつ、巻線の利用率（巻線係数）を大きく
できることから、高効率，小型軽量とすることができ
る。

【００５２】固定子巻線２４の結線は、３相固定子巻線
で、Ｕ相には、Ｕ1+，Ｕ1-，Ｕ2+が図示の順で接続さ
れ、Ｖ相には、Ｖ1+，Ｖ1-，Ｖ2+が図示の順で接続さ
れ、Ｗ相には、Ｗ1+，Ｗ1-，Ｗ2+が図示の順で接続され
る。ここで、各相を構成する巻線、例えば、Ｕ相ではＵ
1+とＵ1-の間、Ｕ1-とＵ2+の間、Ｖ相ではＶ1+とＶ1-の
間、Ｖ1-とＶ2+の間、Ｗ相ではＷ1+とＷ1-の間、Ｗ1-と
Ｗ2+の間では、電気角で２０度の位相差を有する。この
ようにして、同一の相に接続される固定子巻線の巻回さ
れる固定子磁極は、永久磁石に対して少なくとも一つが
位相が異なるようになっている。例えば、Ｕ1-が巻回さ
れる固定子磁石とＵ2+が巻回される固定子磁石を見る
と、Ｕ1-に対して永久磁石３６Ａが同相とすると、永久
磁石３６Ｂに対しては、位相が２０度異なるようになっ
ている。これによって、集中巻の固定子において問題と
なる脈動トルクが軽減されている。また、隣り合う固定
子磁極２２Ｂの電気的な角度は、１８０×（１０／９）
＝２００度となり、位相差を考えると２０度となる。永
久磁石回転電機のコギングトルクは、永久磁石極数と固
定子磁極数の最小公倍数，ここでは、９０／回転の脈動
となる。

【００５３】一方、図２に示した永久磁石極数Ｍと固定
子磁極数Ｐとの比を１０：１２の例では、上述したよう
に、永久磁石回転電機のコギングトルクは、６０／回転
の脈動となる。従って、本実施形態では、コギングトル
クをさらに、小さくすることができる。

【００５４】以上は、電動機の例で示したが、発電機で
も同様であることはいうまでもないことである。本実施
形態によれば、集中巻固定子とすることにより、固定子
のエンドコイル部を短くでき、回転電機を小型化でき
る。また、同一の相に接続される固定子巻線の巻回され
る固定子磁極は、永久磁石に対して少なくとも一つが位
相が異なるようになっているので、集中巻の固定子にお
いて問題となる脈動トルクが軽減されている。また、コ
ギングトルクをさらに、低減できる。また、補助磁極を
有する永久磁石回転子とすることにより、弱め界磁制御
に適する構成となっており、高速回転に適した回転電機
とすることができる。また、永久磁石の間には、永久磁
石よりも高い透磁率を有する磁性材料からなる補助磁極
部を配置したため、発生するトルクを大きくすることが
できる。また、永久磁石の周囲を珪素鋼板で覆う構成と
することにより、高速回転に適したものとなる。

【００５５】次に、本発明の第３の実施形態による永久
磁石回転電機について、図７を用いて説明する。図７
は、本発明の第３の実施形態による永久磁石回転電機の
断面図である。本実施形態の特徴とする点は、電動機構
成で、３相、かつ永久磁石回転子３６の極数Ｐが１２
極、固定子の磁極数Ｍが８極の構成としている。かかる
構成とすることにより、巻線の利用率（巻線係数）を大
きくできることから、高効率，小型軽量とすることがで
きるものである。

【００５６】図７において、回転電機１０は、固定子２
０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
子鉄心２２は、円環状の固定子ヨ−ク２２Ａと固定子磁
極２２Ｂとからなり、固定子磁極２２Ｂには、固定子巻
線２４が集中的に巻回される構成である。各巻線２４
は、空隙面での磁路を共有することのない構成である。
固定子巻線を集中巻とする固定子構造とすることによ
り、エンドコイル部の長さを短くすることができるた
め、回転電機の体格を小さくすることができる。

【００５７】固定子巻線２４のＵ相には、Ｕ1，Ｕ2，Ｕ
3，Ｕ4がそれぞれ接続され、Ｖ相には、Ｖ1，Ｖ2，Ｖ
3，Ｖ4がそれぞれ接続され、Ｗ相には、Ｗ1，Ｗ2，Ｗ
3，Ｗ4がそれぞれ接続される。

【００５８】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４個の永久磁石挿
入孔３４に挿入された４個の永久磁石３６と、シャフト
３８から構成されている。１０個の永久磁石３６は、極
性が互いに反対方向になるように、回転子鉄心３２の周
方向に等間隔で配置されている。

【００５９】回転子鉄心３２は、永久磁石挿入孔３４と
シャフト３８を通す孔が打ち抜かれる構造となってい
る。永久磁石挿入孔３４とシャフト３８を通す孔が打ち
抜かれ珪素鋼板を積層し、貫通する永久磁石挿入孔３４
とシャフト３８を通す孔の中に永久磁石３６及びシャフ
ト３８が挿入されて回転子３０を構成する。回転子鉄心
３２を半径方向に分けると、内周側のヨーク部３２Ａ
と、外周部３２Ｂに分けられる。また、回転子鉄心３２
の外周部３２Ｂを周方向に２つの部分に分けると、補助
磁極部３２Ｂ１と、磁極片部３２Ｂ２に分けられる。補
助磁極部３２Ｂ１は、隣合う永久磁石挿入孔３４に挟ま
れる領域であり、磁石の磁気回路をバイパスして、固定
子の起磁力によって直接磁束を固定子側に発生させる領
域である。磁極片部３２Ｂ２は、回転子鉄心３２の外周
部３２Ｂの中で、永久磁石３６の外周側に位置する領域
であり、永久磁石３６からの磁束Ｂφがギャップを介し
て固定子２０側に流れて磁気回路を構成する領域であ
る。

【００６０】永久磁石３６は、補助磁極部３２Ｂ１によ
って周方向を覆われ、磁極片部３２Ｂ２によって外周を
覆われた永久磁石挿入穴３４の中に収納することがで
き、高速回転に適した電動機とすることができる。

【００６１】さらには、磁極片部が磁性体であるため、
固定子磁極の脈動磁束を緩和することができる。また、
積層鉄心であるため、渦電流損を発生しないものであ
る。

【００６２】この例では、電動機構成で、３相、かつ永
久磁石回転子３６の極数Ｐが１２極、固定子の磁極数Ｍ
が８極の構成としている。かかる構成とすることによ
り、巻線の利用率（巻線係数）を大きくできることか
ら、高効率，小型軽量とすることができる。

【００６３】固定子巻線２４の結線は、３相固定子巻線
で、Ｕ相には、Ｕ1，Ｕ2，Ｕ3，Ｕ4が図示の順で接続さ
れ、Ｖ相には、Ｖ1，Ｖ2，Ｖ3，Ｖ4が図示の順で接続さ
れ、Ｗ相には、Ｗ1，Ｗ2，Ｗ3，Ｗ4が図示の順で接続さ
れる。ここで、各Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相を構成する巻線の間
では、電気角で６０度の位相差を有する。本例では、同
一の相に接続される固定子巻線の巻回される固定子磁極
は、永久磁石に対して同相となっており、トルク脈動の
低減ななし得ないが、同一の相は、対称に配置される構
成となっているため、バランスがよい構造となってい
る。即ち、Ｕ相についてみると、各Ｕ1，Ｕ2，Ｕ3，Ｕ4
は、シャフト３８を中心として、点対称になっている。

【００６４】以上は、電動機の例で示したが、発電機で
も同様であることはいうまでもないことである。本実施
形態によれば、集中巻固定子とすることにより、固定子
のエンドコイル部を短くでき、回転電機を小型化でき
る。また、補助磁極を有する永久磁石回転子とすること
により、弱め界磁制御に適する構成となっており、高速
回転に適した回転電機とすることができる。また、永久
磁石の間には、永久磁石よりも高い透磁率を有する磁性
材料からなる補助磁極部を配置したため、発生するトル
クを大きくすることができる。また、永久磁石の周囲を
珪素鋼板で覆う構成とすることにより、高速回転に適し
たものとなる。

【００６５】次に、本発明の第４の実施形態による永久
磁石回転電機について、図８を用いて説明する。図８
は、本発明の第４の実施形態による永久磁石回転電機の
断面図である。本実施形態の特徴とする点は、電動機構
成で、３相、かつ永久磁石回転子３６の極数Ｐが１２
極、固定子の磁極数Ｍが８極の構成としている。かかる
構成とすることにより、巻線の利用率（巻線係数）を大
きくできることから、高効率，小型軽量とすることがで
きるものである。また、回転子の磁極片部を、固定子の
磁極側に突出させる形状とすることにより、磁束分布を
正弦波状にするようにしたものである。

【００６６】図８において、回転電機１０は、固定子２
０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
子鉄心２２は、円環状の固定子ヨ−ク２２Ａと固定子磁
極２２Ｂとからなり、固定子磁極２２Ｂには、固定子巻
線２４が集中的に巻回される構成である。各巻線２４
は、空隙面での磁路を共有することのない構成である。
固定子巻線を集中巻とする固定子構造とすることによ
り、エンドコイル部の長さを短くすることができるた
め、回転電機の体格を小さくすることができる。

【００６７】固定子巻線２４のＵ相には、Ｕ1，Ｕ2，Ｕ
3，Ｕ4がそれぞれ接続され、Ｖ相には、Ｖ1，Ｖ2，Ｖ
3，Ｖ4がそれぞれ接続され、Ｗ相には、Ｗ1，Ｗ2，Ｗ
3，Ｗ4がそれぞれ接続される。

【００６８】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４個の永久磁石挿
入孔３４に挿入された４個の永久磁石３６と、シャフト
３８から構成されている。１０個の永久磁石３６は、極
性が互いに反対方向になるように、回転子鉄心３２の周
方向に等間隔で配置されている。

【００６９】回転子鉄心３２は、永久磁石挿入孔３４と
シャフト３８を通す孔が打ち抜かれる構造となってい
る。永久磁石挿入孔３４とシャフト３８を通す孔が打ち
抜かれ珪素鋼板を積層し、貫通する永久磁石挿入孔３４
とシャフト３８を通す孔の中に永久磁石３６及びシャフ
ト３８が挿入されて回転子３０を構成する。回転子鉄心
３２を半径方向に分けると、内周側のヨーク部３２Ａ
と、外周側であって、永久磁石３６の外周に位置する磁
極片部３２Ｂ２に分けられる。磁極片部３２Ｂ２は、永
久磁石３６からの磁束Ｂφがギャップを介して固定子２
０側に流れて磁気回路を構成する領域であり、ここで
は、回転子の磁極片部を、固定子の磁極２２Ｂ側に突出
させる形状とすることにより、磁束分布を正弦波状にし
ている。

【００７０】永久磁石３６は、補助磁極部３２Ｂ１によ
って周方向を覆われ、磁極片部３２Ｂ２によって外周を
覆われた永久磁石挿入穴３４の中に収納することがで
き、高速回転に適した電動機とすることができる。

【００７１】さらには、磁極片部が磁性体であるため、
固定子磁極の脈動磁束を緩和することができる。また、
積層鉄心であるため、渦電流損を発生しないものであ
る。

【００７２】この例では、電動機構成で、３相、かつ永
久磁石回転子３６の極数Ｐが１２極、固定子の磁極数Ｍ
が８極の構成としている。かかる構成とすることによ
り、巻線の利用率（巻線係数）を大きくできることか
ら、高効率，小型軽量とすることができる。

【００７３】固定子巻線２４の結線は、３相固定子巻線
で、Ｕ相には、Ｕ1，Ｕ2，Ｕ3，Ｕ4が図示の順で接続さ
れ、Ｖ相には、Ｖ1，Ｖ2，Ｖ3，Ｖ4が図示の順で接続さ
れ、Ｗ相には、Ｗ1，Ｗ2，Ｗ3，Ｗ4が図示の順で接続さ
れる。ここで、各Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相を構成する巻線の間
では、電気角で６０度の位相差を有する。本例では、同
一の相に接続される固定子巻線の巻回される固定子磁極
は、永久磁石に対して同相となっており、トルク脈動の
低減ななし得ないが、同一の相は、対称に配置される構
成となっているため、バランスがよい構造となってい
る。即ち、Ｕ相についてみると、各Ｕ1，Ｕ2，Ｕ3，Ｕ4
は、シャフト３８を中心として、点対称になっている。

【００７４】以上は、電動機の例で示したが、発電機で
も同様であることはいうまでもないことである。本実施
形態によれば、集中巻固定子とすることにより、固定子
のエンドコイル部を短くでき、回転電機を小型化でき
る。また、永久磁石回転子とすることにより、弱め界磁
制御に適する構成となっており、高速回転に適した回転
電機とすることができる。また、永久磁石の周囲を珪素
鋼板で覆う構成とすることにより、高速回転に適したも
のとなる。

【００７５】以上、各実施形態においては、制御方式と
して回転子の位置に対して、正弦波状の電流制御を行う
方式について述べたが、電流制御を行わない１２０度通
電型のブラシレスモ−タ方式でも適用できることは言う
までもないことである。

【００７６】また、以上の説明では、内転形の電動機で
示したが、外転型及び発電機あるいはリニアモータにも
適用可能である。次に、本発明の第５の実施形態による
永久磁石回転電機を用いた電気自動車について、図９を
用いて説明する。図９は、本発明の第５の実施形態によ
る永久磁石回転電機を搭載した電気自動車のブロック構
成図である。電気自動車の車体１００は、４つの車輪１
１０，１１２，１１４，１１６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１５４には、永久磁石回転電機１２０が直結して取り
付けられている。永久磁石回転電機１２０の構成は、図
２，図６，図７，図８に示したような構成となってい
る。永久磁石回転電機１２０は、制御装置１３０によっ
て駆動トルクが制御される。制御装置１３０の動力源と
しては、バッテリ１４０が備えられ、このバッテリ１４
０から電力が制御装置１３０を介して、永久磁石回転電
機１２０に供給され、永久磁石回転電機１２０が駆動さ
れて、車輪１１０，１１４が回転する。ハンドル１５０
の回転は、ステアリングギア１５２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
１１０，１１４に伝達され、車輪の角度が変えられる。
なお、以上の実施例では、永久磁石回転電機を電気自動
車の車輪の駆動に用いるものとして説明したが、電気機
関車等の車輪の駆動にも使用できるものである。本実施
形態によれば、永久磁石回転電機を電動車両、特に電気
自動車に適用すれば、小型軽量高効率の永久磁石回転電
機駆動装置を搭載でき、一充電走行距離の長い電気自動
車を提供することができる。

【００７７】

【発明の効果】本発明によれば、永久磁石回転電機を、
高速に適し、高効率であるとともに、小型軽量にでき
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断面を示し、本発明の一実施形態
による永久磁石回転電機の断面図である。

【図３】本発明の一実施形態による永久磁石回転電機の
制御回路の回路図である。

【図４】本発明の一実施形態による永久磁石回転電機に
よって発生するトルクの説明図である。

【図５】本発明の一実施形態による永久磁石回転電機の
動作原理図である。

【図６】本発明の他の実施形態による永久磁石回転電機
の断面図である。

【図７】本発明の第３の実施形態による永久磁石回転電
機の断面図である。

【図８】本発明の第４の実施形態による永久磁石回転電
機の断面図である。

【図９】本発明の第５の実施形態による永久磁石回転電
機を搭載した電気自動車のブロック構成図である。

【符号の説明】

１０…永久磁石回転電機 ２０…固定子 ２２…固定子鉄心 ２２Ａ…固定子ヨーク ２２Ｂ…固定子磁極 ２４…固定子巻線 ２６…ハウジング ３０…回転子 ３２…回転子鉄心 ３２Ａ…ヨーク ３２Ｂ…外周部 ３２Ｂ１…補助磁極部 ３２Ｂ２…磁極片部 ３４…永久磁石挿入穴 ３６…永久磁石 ３８…シャフト ３９…風孔 ４６，４８…エンドブラケット ４２，４４…ベアリング ８０…直流電源 ８２…インバータ ８４…速度制御回路 ８６…Ｆ／Ｖ変換器 ８８…位相シフト回路 ９２…２相−３相変換回路 ９０…正弦波・余弦波発生器 ９４Ａ，９４Ｂ，９４Ｃ…電流制御系 １００…車体 １１０，１１２，１１４，１１６…車輪 １３０…制御装置 １４０…バッテリ １５０…ハンドル １５２…ステアリングギア １５４…車軸 ＰＳ…位置検出器 Ｅ…エンコーダ ＣＴ…電流検出器

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０２Ｋ 3/18 Ｈ０２Ｋ 3/18 Ｐ 21/14 21/14 Ｍ (72)発明者 松延 豊 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 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 (72)発明者 小田 圭二 茨城県ひたちなか市高場2477番地 株式会 社日立カーエンジニアリング内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【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、 この固定子の内周に回転可能に保持され、磁性材からな
   る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、 上記固定子巻線は、上記固定子の磁極に集中的に巻回さ
   れているとともに、上記回転子の極数を、８極以上とし
   たことを特徴とする永久磁石回転電機。