JP2002252947A

JP2002252947A - 回転電機とそれを用いた電動車両

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Publication number: JP2002252947A
Application number: JP2001049758A
Authority: JP
Inventors: Fumio Tajima; 文男田島; Yutaka Matsunobu; 豊松延; Shoichi Kawamata; 昭一川又; Osamu Koizumi; 小泉　　修; Takashi Yasuhara; 隆安原; Suetaro Shibukawa; 末太郎渋川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-02-26
Filing date: 2001-02-26
Publication date: 2002-09-06
Anticipated expiration: 2021-02-26
Also published as: JP3655205B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】簡単な構成で低騒音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。【解決手段】回転電機は、多相の固定子巻線が巻回され
た固定子鉄心を有する固定子と、固定子に空隙面を介し
て対向して配置された回転子とを有する。回転子の回転
子鉄心の表面は、電磁加振力低減溝８５が設けられてい
る。回転子を構成する回転子鉄心の内部に配置された永
久磁石を備え、溝は、開口部の周方向の長さが深さより
大きい溝であり、固定子鉄心のスロット間隔ｓｈと、電
磁加振力低減溝の幅ｗとの比（ｗ／ｓｈ）を、０．３４
≦ｗ／ｓｈ≦１．１とし、電磁加振力低減溝は、１磁極
当たり複数個設けられたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転電機及びそれ
を用いた電動車両に係り、特に、低騒音の回転電機及び
それを用いた電動車両に関する。

【０００２】

【従来の技術】電動車両，特に、電気自動車，ハイブリ
ッド電気自動車に使用される駆動電動機としては、小型
軽量であることが望まれている。このような電動機とし
ては、第１には、例えば、特開平９−２６１９０１号公
報に記載されているように、回転子鉄心の中に高性能永
久磁石であるネオジウム磁石を配置した永久磁石回転電
機が知られている。また、第２には、例えば、特開平１
０−１５０７５４号公報に記載されているようなリラク
タンス型回転電機が知られている。これらの回転電機
は、何れも、固定子が作り出す磁界と、回転子の作る永
久磁石磁極やリラクタンス電磁極の作用によって、大き
なトルクが発生できるものであり、小型軽量化に適して
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の永久磁石回転電
機やリラクタンス型回転電機においては、固定子巻線の
巻回数を増加させ、流す電流を増加する，つまり回転電
機の電気装荷を増加させることによって一層小型軽量化
が可能である。その一方で、固定子巻線の巻回数を増加
させ、流す電流を増加することによる回転電機の電気装
荷の増加は、回転電機の電磁加振力を増加させ、大きな
騒音を引き起こす原因となる。特に、電気自動車やハイ
ブリッド電気自動車駆動等の電動車両用の回転電機の電
磁加振力によって発生する騒音は高周波となり、運転者
並びに同乗者の及び通行者の迷惑となるという問題があ
った。

【０００４】本発明の目的は、簡単な構成で低騒音の回
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。

【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、多相の固定子巻線が巻回された固
定子鉄心を有する固定子と、この固定子に空隙面を介し
て対向して配置された回転子とを有する回転電機におい
て、上記回転子の回転子鉄心の表面に設けられた電磁加
振力低減溝を備えるようにしたものである。かかる構成
により、簡単な構成で低騒音化し得るものとなる。

【０００６】（２）上記（１）において、好ましくは、
上記回転子を構成する回転子鉄心の内部に配置された永
久磁石を備えるようにしたものである。

【０００７】（３）上記（１）において、好ましくは、
上記溝は、開口部の周方向の長さが深さより大きい溝と
したものである。

【０００８】（４）上記（１）において、好ましくは、
上記固定子鉄心のスロット間隔ｓｈと、上記電磁加振力
低減溝の幅ｗとの比（ｗ／ｓｈ）を、0.34≦ｗ／ｓｈ≦
1.1としたものである。

【０００９】（５）上記（１）において、好ましくは、
上記電磁加振力低減溝は、１磁極当たり複数個設けるよ
うにしたものである。

【００１０】（６）上記（５）において、好ましくは、
上記複数の電磁加振力低減溝の幅は、スリット間隔の整
数倍もしくは１／整数としたものである。

【００１１】（７）上記（５）において、好ましくは、
上記複数の電磁加振力低減溝の幅の合計ｓｗと、上記固
定子鉄心のスロット間隔ｓｈとの比（ｓｗ／ｓｈ）を、
0.34≦ｓｗ／ｓｈ≦1.1としたものである。

【００１２】（８）上記（１）において、好ましくは、
この回転電機は、リラクタンス型回転電機としたもので
ある。

【００１３】（９）上記目的を達成するために、本発明
は、多相の固定子巻線が巻回された固定子鉄心を有する
固定子と、この固定子に空隙面を介して対向して配置さ
れた回転子とを有する回転電機を備えた電動車両におい
て、上記回転子の回転子鉄心の表面に設けられた電磁加
振力低減溝を用いるようにしたものである。かかる構成
により、簡単な構成で低騒音化し得るものとなる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図１〜図４を用いて、本発
明の第１の実施形態による回転電機の構成について説明
する。最初に、図１及び図２を用いて、本実施形態によ
る回転電機の構成について説明する。なお、本実施形態
では、永久磁石回転電機を例にして説明する。図１は、
本発明の第１の実施形態による回転電機の回転軸に直交
する方向の断面図であり、図２は、本発明の第１の実施
形態による回転電機の回転軸方向の部分断面図である。

【００１５】図１に示すように、回転電機１は、固定子
２と、回転子３とから構成される。固定子２は、固定子
鉄心４と、固定子巻線５とで構成される。ここで、固定
子鉄心４には、固定子巻線５が巻回されている。回転子
３は、高透磁率磁性材料，例えば、珪素鋼板よりなる回
転子鉄心８と、その回転子鉄心８に設けられた永久磁石
挿入孔７に挿入された永久磁石６と、シャフト９とから
構成される。高透磁率磁性材料から成る回転子鉄心８
は、永久磁石６間に設けられた補助磁極８２と、永久磁
石６の外周に設けられた磁極片部８４と、ヨーク８１と
から構成される。回転子鉄心８には、永久磁石挿入孔７
と、シャフト９を通す孔が打ち抜かれている。回転子鉄
心８の外周部は、補助磁極８２と、磁極片８４と、両者
を結ぶブリッジ部８３とで一体につながる構成となって
いる。ここでは、永久磁石回転子２の回転方向は反時計
方向に回転し、電動機として運転するものとする。ここ
で、使用する永久磁石６は直方体とすることにより、弧
状の磁石に比較して寸法精度が確保でき、ブリッジ部８
３等を精度よくでき、従って、回転子のバランス作業な
しに高速回転に供することができる。

【００１６】次に、図２に示すように、回転電機１の固
定子２は、ハウジング１０と、ハウジング１０の内周面
に固定された固定子鉄心４と、固定子鉄心４に巻回され
た多相の固定子巻線５とで構成される。回転子３は、回
転子鉄心８と、回転子鉄心８に設けられた永久磁石挿入
孔７に挿入された永久磁石６と、シャフト９とからな
る。シャフト９は、ベアリング１２と、エンドブラケッ
ト１１とによって、固定子２に回転自在に保持されてい
る。ここで、磁極位置検出器ＰＳは、回転子３の永久磁
石６の位置を検出するために用いられ、エンコーダＥ
は、回転子３の位置を検出するために用いられる。回転
電機１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。

【００１７】以上の構成で、制御装置によって固定子巻
線５に流す電流のつくる電機子起磁力の合成ベクトルを
補助磁極８２の中心位置より回転方向側に向くように制
御することによって、回転電機１は、永久磁石６による
トルクの他に補助磁極８２によるトルクを発生すること
ができ、高トルクの電動機として運転することができ
る。

【００１８】本実施形態においては、上述した構成の永
久磁石回転電機において、さらに、永久磁石６の外周部
に位置する磁極片８４の外周に、電磁加振力低減溝８５
を設けている。溝８５は、電磁加振力低減して、騒音を
低減するために設けられたものであり、その詳細につい
ては、図３及び図４を用いて後述する。なお、本実施形
態では、電磁加振力低減溝８５は、永久磁石６の外周に
ある磁極片８４の外周中心部に、各磁極当たり１個設け
ている。

【００１９】次に、図３を用いて、本実施形態による回
転電機に用いる電磁加振力低減溝８５の詳細構成につい
て説明する。図３は、本発明の第１の実施形態による回
転電機の要部拡大断面図である。

【００２０】永久磁石回転電機の騒音は、固定子巻線５
に正弦波電流を加えたときに、固定子鉄心を膨らませた
り、収縮させたりするいわゆる円環振動が生じ、その空
間モードとしては０次で，かつ、周波数はスロット数の
機械回転周波数倍となることが知られている。従って、
２４スロットで、６０００回転の場合には、２．４ｋHz
の周波数となる。更に、その整数倍の高調波成分も発生
する。

【００２１】本発明者らは、図３に示す電磁加振力低減
溝８５を、適切に配置することによって、電磁加振力を
大幅に低減できることを見いだした。つまり、モータの
固定子鉄心寸法であるスリットピッチｓｈ及びスリット
幅ｓに対して、永久磁石６の外周に位置する電磁加振力
低減溝８５の幅を適切に選択することによって、電磁加
振力を１／５に，つまり、騒音として１４ｄｂ低減でき
ることを見いだした。

【００２２】ここで、図４を用いて、本実施形態による
回転電機による電磁加振力の低減の効果について説明す
る。図４は、本発明の第１の実施形態による回転電機に
よる電磁加振力の低減の効果の説明図である。

【００２３】ここで、対象とする回転電機は、永久磁石
モータで、外径がφ１９０、固定子内径φ１６１、空隙
長０．５ｍｍ、スリット長２．６ｍｍ、回転子極数１６
極、固定子スロット数４８（毎極毎相当たりのスロット
数が１）、永久磁石として希土類のネオジウム磁石を使
用したものとする。

【００２４】図４は、本実施形態による電磁加振力低減
溝８５を磁極片８４の外周中心部に配置し、且つその大
きさを変化させた場合の空間０次モードで時間周波数は
スロット数の機械回転周波数倍の電磁加振力とその２倍
高調波成分、及び発生トルク、電流を加えないときのコ
ギングトルク成分を示している。

【００２５】以下に、その算出方法について簡単に説明
する。計算手法は、有限要素法を用いている。図１に示
した永久磁石回転電機を有限要素法解析により、定格電
流の条件下で、最もトルクの出る位相で電流を流した場
合の磁界解析を、固定子巻線５の電流位相変化に同期し
て回転子を回転させながら解析を行った。

【００２６】以上の条件下で、空隙の磁束密度よりその
２乗として電磁加振力の値が、空間的な位置とともに、
回転子の位置（時間的な変化）に対する値を算出する。
以上の結果を２重フーリエ積分することによって電磁加
振力の空間及び時間高調波成分が算出できる。

【００２７】計算結果では、空間０次でスロット数の機
械回転周波数倍の時間周波数成分が最大となり、騒音発
生要因となる。

【００２８】以上の計算方法による電磁加振力低減溝の
幅ｗとスロットピッチｓｈの比に対して、電磁加振力の
基本周波数及びその２倍成分、また、発生トルク、電流
０Ａ時のコギングトルクを、図４に示した。

【００２９】図４から理解されるように、電磁加振力低
減溝幅Ｗとスロットピッチｓｈの比の横軸に対して、電
磁加振力が最も低減できる最小値があることがわかる。
一方、発生トルクは、電磁加振力低減溝８５の幅ｗの増
加によって減少する傾向が見られるが、その値は小さい
結果となっている。

【００３０】また、電磁加振力の空間０次の２倍周波数
成分は、基本周波数成分と逆の傾向となるが、その値は
小さく、全体に大きく影響を与えるものではない。一
方、コギングトルクについては、全体の電磁加振力低減
溝幅に対して最適値はあるが、電磁加振力の場合よりも
電磁加振力の溝幅が小さい値で最小値となる。

【００３１】図４中に、溝幅ｗ／スロットピッチｓｈ
と、この電磁加振力低減効果が同じになる電磁加振力の
溝幅ｗ／スロットピッチｓｈは１．１倍となり、従っ
て、電磁加振力を現行より十分小さくできる電磁加振力
低減溝幅ｗとスロットピッチｓｈの比（ｗ／ｓｈ）が、
０．３４から１．１倍の間にあることを示している。従
って、溝幅ｗとスロットピッチｓｈとの比（ｗ／ｓｈ）
を、0.34から1.1の間に選択することによって、現行よ
り十分電磁加振力を低減でき、低騒音にすることができ
る。

【００３２】また、電磁加振力低減溝８５の溝幅ｗと深
さとは、一般には相互補完できる。つまり、電磁加振力
低減溝の幅を大きくした場合には、深さを浅くすること
によって同じ条件を作り出すことができる。電磁加振力
低減溝の幅を大きくして、深さと浅くすることで、風損
を低減し、製作精度を向上し、磁極片８４の強度を確保
することができる。

【００３３】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、溝を設けるだけの簡単な構成で、低騒音にすること
ができる。

【００３４】次に、図５を用いて、本発明の第２の実施
形態による回転電機の構成について説明する。図５は、
本発明の第２の実施形態による回転電機の要部拡大断面
図である。なお、図３と同一符号は、同一部分を示して
いる。また、本実施形態による回転電機の全体構成は、
図１及び図２に示したものと同様である。

【００３５】本実施形態においては、永久磁石回転子の
永久磁石６の外周の磁極片８４の外周に、３つの電磁加
振力低減溝８５Ａ，８５Ｂ，８５Ｃを３カ所に分散して
設けたものである。従って、溝８５ａ，８５Ｂ，８５Ｃ
の大きさは、図４で示した電磁加振力低減溝８５の１／
３で良いことになるが、実際にはこれより大きい溝幅が
必要になるものと考えられる。複数個配置することによ
って、１個当たりの溝の大きさが小さくなり、高速回転
の電動機では、溝に起因する風音を減少させることがで
きる。

【００３６】本実施形態においては、電磁加振力低減溝
８５ａ，８５Ｂ，８５Ｃの溝幅とスロットピッチとの比
は、電磁加振力低減溝８５のＡ，８５Ｂ，８５Ｃ溝幅ｗ
１，ｗ２，ｗ３の合計ｗとスロットピッチｓｈとの比
（ｗ／ｓｈ）を、0.34から1.1の間に選択することによ
って、現行より十分電磁加振力を低減でき、低騒音にす
ることができる。

【００３７】複数の電磁加振力低減溝の間隔は、スリッ
ト間隔の整数倍もしくは１／整数としている。

【００３８】また、電磁加振力低減溝８５の溝幅ｗと深
さとは、一般には相互補完できる。つまり、電磁加振力
低減溝の幅を大きくした場合には、深さを浅くすること
によって同じ条件を作り出すことができる。電磁加振力
低減溝の幅を大きくして、深さと浅くすることで、風損
を低減し、製作精度を向上し、磁極片８４の強度を確保
することができる。

【００３９】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、溝を設けるだけの簡単な構成で、低騒音にすること
ができる。

【００４０】次に、図６を用いて、本発明の第３の実施
形態による回転電機の構成について説明する。なお、本
実施形態では、リラクタンスモータを例にして説明す
る。

【００４１】図６は、本発明の第３の実施形態による回
転電機の回転軸に直交する方向の断面図である。なお、
図１と同一符号は、同一部分を示している。また、本実
施形態による回転電機の全体構成は、図２に示したもの
と同様である。

【００４２】リラクタンスモータ１Ａは、固定子２と、
回転子３とを備えている。固定子２は、固定子鉄心４
と、固定子巻線５とを備えている。ここで、固定子鉄心
４は、円環状のヨ−ク４１と、鉄心歯部４２とからな
る。隣接する鉄心歯部４２の間には、固定子巻線５を収
納するスロット４３が設けられている。

【００４３】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８と、シャフト９とを備えて
いる。回転子鉄心８は、周方向に複数本の同心円弧形状
のスリット８６を有する形状となっている。スリット８
６の外周部は、外周ブリッジ８７によって連結され、内
部はブリッジ８８によって連結されて、スリット８６が
形成されている。即ち、回転子の遠心力に耐え、各ブリ
ッジにて回転子鉄心がバラバラに分離しないような構造
となっている。

【００４４】なお、スリット８６の内部は一般に空洞で
あり、非磁性材である空気で満たされている。また、ス
リット８６の内部に、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
填してもよいものである。

【００４５】本実施形態によるリラクタンスモータは、
回転子に、この回転子の一つの突極より隣の突極に向か
う複数の非磁性スリットを設けたものである。

【００４６】上述した構成のリラクタンス回転電機にお
いても、固定子巻線５に電流を通電することによって、
空間０次で、スロット数軒回数倍の時間周波数成分の電
磁加振力が発生する。その大きさも、図４で示した永久
磁石回転電機の場合と若干異なるが、ほぼ同じ傾向とな
る。そこで、本実施形態では、回転子鉄心８の外周部に
電磁加振力低減溝８５を設置することによって、リラク
タンスモータの電磁加振力を低減でき、それによって、
低騒音のモータとすることができる。

【００４７】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、溝を設けるだけの簡単な構成で、低騒音にすること
ができる。

【００４８】なお、上述の各実施形態においては、永久
磁石回転電機、リラクタンス電動機の一実施例について
述べたが、リニア型、集中巻固定子、爪形磁極のＡＣＧ
等にも適用できる。リニアモータへも展開可能である。
次に、図７を用いて、本発明の各実施形態による回転電
機を用いた電動車両について説明する。図７は、本発明
の各実施形態による回転電機を用いた電動車両のブロッ
ク構成図である。電動車両の車体１００は、４つの車輪
１１０，１１２，１１４，１１６によって支持されてい
る。この電動車両は、前輪駆動であるため、前方の車軸
１５４には、回転電機１２０が直結して取り付けられて
いる。回転電機１２０の構成は、図１，図２，図５，図
６に示したような構成となっている。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１４０から電力が制御装置１３０
を介して、回転電機１２０に供給され、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。

【００４９】なお、ここで、電動車両としては、電気自
動車やハイブリッド自動車に適用です。

【００５０】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、溝を設けるだけの簡単な構成で、騒音の少ない電動
車両とすることができる。

【００５１】

【発明の効果】本発明によれば、回転電機及びそれを用
いた電動車両を、簡単な構成で低騒音化することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態による回転電機の回転
軸に直交する方向の断面図である。

【図２】本発明の第１の実施形態による回転電機の回転
軸方向の部分断面図である。

【図３】本発明の第１の実施形態による回転電機の要部
拡大断面図である。

【図４】本発明の第１の実施形態による回転電機による
電磁加振力の低減の効果の説明図である。

【図５】本発明の第２の実施形態による回転電機の要部
拡大断面図である。

【図６】本発明の第３の実施形態による回転電機の回転
軸に直交する方向の断面図である。

【図７】本発明の各実施形態による回転電機を用いた電
動車両のブロック構成図である。

【符号の説明】

１…永久磁石回転電機２…固定子３…回転子４…固定子鉄心４１…歯部４２…コア部５……固定子巻線６…永久磁石７…永久磁石挿入穴７１…ブリッジ部の孔７２…風孔８…回転子鉄心８１…ヨーク８２…補助磁極８３…ブリッジ８４…磁極片８５…電磁加振力低減溝８６…同心円弧状のスリット８７…外周ブリッジ８８…ブリッジ９…シャフト１０…ハウジング１１…エンドブラケット１２…ベアリング

───────────────────────────────────────────────────── 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 21/14 Ｈ０２Ｋ 21/14 ＭＧ (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グループ内 (72)発明者安原隆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グループ内 (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グループ内Ｆターム(参考） 5H002 AA04 AC06 AE06 AE07 5H115 PA05 PG04 PI16 PI21 PU10 5H619 AA10 BB01 BB02 BB06 BB24 PP01 PP02 PP05 PP08 5H621 AA02 BB10 GA04 GA11 HH01 5H622 CA07 CA10 CA11 CA14 CB01 CB05 DD02 PP11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多相の固定子巻線が巻回された固定子鉄心
を有する固定子と、この固定子に空隙面を介して対向し
て配置された回転子とを有する回転電機において、上記回転子の回転子鉄心の表面に設けられた電磁加振力
低減溝を備えたことを特徴とする回転電機。
【請求項２】請求項１記載の回転電機において、上記回転子を構成する回転子鉄心の内部に配置された永
久磁石を備えたことを特徴とする回転電機。
【請求項３】請求項１記載の回転電機において、上記溝は、開口部の周方向の長さが深さより大きい溝で
あることを特徴とする回転電機。
【請求項４】請求項１記載の回転電機において、上記固定子鉄心のスロット間隔ｓｈと、上記電磁加振力
低減溝の幅ｗとの比（ｗ／ｓｈ）を、0.34≦ｗ／ｓｈ≦
1.1としたことを特徴とする回転電機。
【請求項５】請求項１記載の回転電機において、上記電磁加振力低減溝は、１磁極当たり複数個設けられ
たことを特徴とする回転電機。
【請求項６】請求項５記載の回転電機において、上記複数の電磁加振力低減溝の幅は、スリット間隔の整
数倍もしくは１／整数であることを特徴とする永久磁石
回転電機。
【請求項７】請求項５記載の回転電機において、上記複数の電磁加振力低減溝の幅の合計ｓｗと、上記固
定子鉄心のスロット間隔ｓｈとの比（ｓｗ／ｓｈ）を、
0.34≦ｓｗ／ｓｈ≦1.1としたことを特徴とする回転電
機。
【請求項８】請求項１記載の回転電機において、この回転電機は、リラクタンス型回転電機であることを
特徴とする回転電機。
【請求項９】多相の固定子巻線が巻回された固定子鉄心
を有する固定子と、この固定子に空隙面を介して対向し
て配置された回転子とを有する回転電機を備えた電動車
両において、上記回転子の回転子鉄心の表面に設けられた電磁加振力
低減溝を用いたことを特徴とする回転電機を用いた電動
車両。