JP2002369422A - 永久磁石式回転電機 - Google Patents
永久磁石式回転電機Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】定められた電流、電圧条件において、駆動トル
クを最大にし、小型化あるいは駆動効率向上を可能な永
久磁石式回転電機を提供することにある。 【解決手段】永久磁石回転電機は、複数相の固定子巻線
を有する固定子１と、回転子鉄心の内部に複数個の永久
磁石８を埋め込んで構成され、固定子１と所定のギャッ
プを有する状態で回転可能に配置される回転子６とを有
する。ここで、回転子６の各永久磁石８のギャップ側を
なす二点の角度（極弧度）θが電気角で９６度としてい
る。これにより、定められた電流、電圧条件において、
駆動トルクを最大にし、小型化あるいは駆動効率向上を
可能とする。
クを最大にし、小型化あるいは駆動効率向上を可能な永
久磁石式回転電機を提供することにある。 【解決手段】永久磁石回転電機は、複数相の固定子巻線
を有する固定子１と、回転子鉄心の内部に複数個の永久
磁石８を埋め込んで構成され、固定子１と所定のギャッ
プを有する状態で回転可能に配置される回転子６とを有
する。ここで、回転子６の各永久磁石８のギャップ側を
なす二点の角度（極弧度）θが電気角で９６度としてい
る。これにより、定められた電流、電圧条件において、
駆動トルクを最大にし、小型化あるいは駆動効率向上を
可能とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、回転子鉄心の内部
に複数個の永久磁石を埋め込んで構成される回転子を備
えた永久磁石式回転電機に関する
に複数個の永久磁石を埋め込んで構成される回転子を備
えた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においては、
高トルク化及び高効率化を図ったものとして、例えば、
特開平５-７６１４６号公報に記載されたものが知られ
ている。特開平５-７６１４６号公報に記載された永久
磁石式回転電機においては、固定子は、環状をなす固定
子鉄心に形成された複数個のスロットに三相の固定子巻
線を配置して構成されている。一方、回転子は、回転軸
に回転子鉄心を嵌合固着し、この回転子鉄心に形成され
た収納部に、断面が長方形をなす複数個の永久磁石を軸
方向から挿入して組み込むことによって構成されてい
て、固定子の内部に固定子鉄心の内周部と所定のギャッ
プを存する状態で回転可能に配置されている。また、各
永久磁石は、Ｎ極とＳ極が交互になるように着磁されて
いる。
高トルク化及び高効率化を図ったものとして、例えば、
特開平５-７６１４６号公報に記載されたものが知られ
ている。特開平５-７６１４６号公報に記載された永久
磁石式回転電機においては、固定子は、環状をなす固定
子鉄心に形成された複数個のスロットに三相の固定子巻
線を配置して構成されている。一方、回転子は、回転軸
に回転子鉄心を嵌合固着し、この回転子鉄心に形成され
た収納部に、断面が長方形をなす複数個の永久磁石を軸
方向から挿入して組み込むことによって構成されてい
て、固定子の内部に固定子鉄心の内周部と所定のギャッ
プを存する状態で回転可能に配置されている。また、各
永久磁石は、Ｎ極とＳ極が交互になるように着磁されて
いる。
【０００３】このような磁石形状を長方形としたモータ
は、高速回転時に弱め界磁が効き易く、高速回転時にお
ける効率が向上する利点があり、電気自動車用永久磁石
モータなどの高速回転を必要とするモータに用いられて
いる。
は、高速回転時に弱め界磁が効き易く、高速回転時にお
ける効率が向上する利点があり、電気自動車用永久磁石
モータなどの高速回転を必要とするモータに用いられて
いる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ここで、電気自動車用
の交流駆動システムはモータとインバータ及びバッテリ
からなるが、最も高コストのものはバッテリであり、次
に高コストのものはインバータで、特に電流素子容量に
より左右される。したがって、モータは所定の電圧と電
流条件において、高トルク（高効率）が求められる。
の交流駆動システムはモータとインバータ及びバッテリ
からなるが、最も高コストのものはバッテリであり、次
に高コストのものはインバータで、特に電流素子容量に
より左右される。したがって、モータは所定の電圧と電
流条件において、高トルク（高効率）が求められる。
【０００５】従来の永久磁石回転機においては、モータ
体格、モータの外径や積厚で対応していたが、電気自動
車用、特に、エンジンとモータを搭載し、動力結合機に
よって双方を組み合わせることにより燃費を向上させた
所謂ハイブリット電気自動車用モータの場合、エンジン
以外にモータ，インバータ，バッテリ等を搭載する関係
上、小型化に対する要望が大変強く、モータの外径や積
厚を大きくすることなく、高トルクが要求されている。
体格、モータの外径や積厚で対応していたが、電気自動
車用、特に、エンジンとモータを搭載し、動力結合機に
よって双方を組み合わせることにより燃費を向上させた
所謂ハイブリット電気自動車用モータの場合、エンジン
以外にモータ，インバータ，バッテリ等を搭載する関係
上、小型化に対する要望が大変強く、モータの外径や積
厚を大きくすることなく、高トルクが要求されている。
【０００６】本発明の目的は、定められた電流、電圧条
件において、駆動トルクを最大にし、小型化あるいは駆
動効率向上を可能な永久磁石式回転電機を提供すること
にある。
件において、駆動トルクを最大にし、小型化あるいは駆
動効率向上を可能な永久磁石式回転電機を提供すること
にある。
【０００７】
【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、複数相の固定子巻線を有する固定
子と、回転子鉄心の内部に複数個の永久磁石を埋め込ん
で構成され、上記固定子と所定のギャップを有する状態
で回転可能に配置される回転子とを有する永久磁石式回
転電機において、上記回転子の各永久磁石のギャップ側
をなす二点の角度（極弧度）が電気角で９６度としたも
のである。かかる構成により、定められた電流、電圧条
件において、駆動トルクを最大にし、小型化あるいは駆
動効率向上を可能とし得るものとなる。
るために、本発明は、複数相の固定子巻線を有する固定
子と、回転子鉄心の内部に複数個の永久磁石を埋め込ん
で構成され、上記固定子と所定のギャップを有する状態
で回転可能に配置される回転子とを有する永久磁石式回
転電機において、上記回転子の各永久磁石のギャップ側
をなす二点の角度（極弧度）が電気角で９６度としたも
のである。かかる構成により、定められた電流、電圧条
件において、駆動トルクを最大にし、小型化あるいは駆
動効率向上を可能とし得るものとなる。
【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。
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。
【０００９】永久磁石式回転電機においては、モータの
トルクは、次の式（１）で表せる。
トルクは、次の式（１）で表せる。
【００１０】 Ｔ＝ψＩq＋（Ｌq−Ｌd）Ｉq×Ｉd …（１） ここで、Ｔ：モータのトルク、ψ：永久磁石による磁
束、Ｌq：ｑ軸インダクタンス、Ｌd：ｄ軸インダクタン
ス、Ｉq：ｑ軸巻線電流、Ｉd：ｄ軸巻線電流である。な
お、式（１）において、第１項は永久磁石の主磁束によ
るトルクであり、第２項は磁石間の鉄部の補助磁極によ
るリラクタンストルクである。両者は磁石の極弧度に関
し相反する関係にある。
束、Ｌq：ｑ軸インダクタンス、Ｌd：ｄ軸インダクタン
ス、Ｉq：ｑ軸巻線電流、Ｉd：ｄ軸巻線電流である。な
お、式（１）において、第１項は永久磁石の主磁束によ
るトルクであり、第２項は磁石間の鉄部の補助磁極によ
るリラクタンストルクである。両者は磁石の極弧度に関
し相反する関係にある。
【００１１】一方、誘起電圧Ｅ（相電圧）は、次の式
（２）で表される。
（２）で表される。
【００１２】 Ｅ＝２√2×π×Ｎ×kw×ｆ×（Ｄ／Ｐ）×Ｌ×Ｂ …（２） ここで、Ｅ：誘起電圧（相電圧）、Ｎ：１相ターン数、
kw：巻線係数、ｆ：周波数、Ｄ：回転子外径、Ｐ：極
数、Ｌ：ステータコア積厚、Ｂ：回転ギャップの磁束密
度である。極弧度を大きくするとギャップの磁束密度Ｂ
は大きくなり、誘起電圧Ｅも増大する。バッテリの電圧
は一定なので、力率を悪化させないためには、誘起電圧
Ｅには適値が存在する。
kw：巻線係数、ｆ：周波数、Ｄ：回転子外径、Ｐ：極
数、Ｌ：ステータコア積厚、Ｂ：回転ギャップの磁束密
度である。極弧度を大きくするとギャップの磁束密度Ｂ
は大きくなり、誘起電圧Ｅも増大する。バッテリの電圧
は一定なので、力率を悪化させないためには、誘起電圧
Ｅには適値が存在する。
【００１３】ここで、図１〜図３を用いて、本実施形態
による永久磁石式回転電機を三相８極／４８スロットの
永久磁石式回転電機に適用した場合について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による永久磁石式回転電機
を三相８極／４８スロットの永久磁石式回転電機に適用
した場合に構成を示す部分側面図である。なお、図１に
おいては、側面形状が円形の回転電機の１／４の部分の
みを図示している。図２は、本発明の一実施形態による
永久磁石式回転電機を三相８極／４８スロットの永久磁
石式回転電機に適用した場合において、回転電機の極弧
度を変化させた場合の最大トルクの変化の説明図であ
る。図３は、本発明の一実施形態による永久磁石式回転
電機を三相８極／４８スロットの永久磁石式回転電機に
適用した場合における磁束密度分布の説明図である。
による永久磁石式回転電機を三相８極／４８スロットの
永久磁石式回転電機に適用した場合について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による永久磁石式回転電機
を三相８極／４８スロットの永久磁石式回転電機に適用
した場合に構成を示す部分側面図である。なお、図１に
おいては、側面形状が円形の回転電機の１／４の部分の
みを図示している。図２は、本発明の一実施形態による
永久磁石式回転電機を三相８極／４８スロットの永久磁
石式回転電機に適用した場合において、回転電機の極弧
度を変化させた場合の最大トルクの変化の説明図であ
る。図３は、本発明の一実施形態による永久磁石式回転
電機を三相８極／４８スロットの永久磁石式回転電機に
適用した場合における磁束密度分布の説明図である。
【００１４】図１に示すように、固定子１は、固定子鉄
心２と、固定子巻線Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１とから構成されて
いる。ほぼ環状をなす固定子鉄心２には、４８個のスロ
ット３が形成されている。スロット３には、Ｕ相の固定
子巻線Ｕ１，Ｖ相の固定子巻線Ｖ１，並びにＷ相の固定
子巻線Ｗ１を挿入配置されている。固定子鉄心２の内周
部には、各スロット３に対応して、開口部４が形成され
ている。
心２と、固定子巻線Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１とから構成されて
いる。ほぼ環状をなす固定子鉄心２には、４８個のスロ
ット３が形成されている。スロット３には、Ｕ相の固定
子巻線Ｕ１，Ｖ相の固定子巻線Ｖ１，並びにＷ相の固定
子巻線Ｗ１を挿入配置されている。固定子鉄心２の内周
部には、各スロット３に対応して、開口部４が形成され
ている。
【００１５】一方、回転子６は、回転子鉄心７と、永久
磁石８と、回転軸９とから構成されている。回転子鉄心
７は、回転軸９に嵌合固着されている。回転子鉄心７
は、硅素鋼板を多数枚積層して構成されている。回転子
鉄心７には、永久磁石８を収納するための孔が形成され
ている。この孔の内部に、ネオジウム製の８個の永久磁
石８ａ，８ｂを軸方向から挿入して組込まれている。回
転子６は、固定子１の内部に、固定子鉄心２の内周部と
所定のギャップ５を有する状態で回転可能に配置されて
いる。なお、８個の各永久磁石８ａ，８ｂは、図におい
てＮ極とＳ極とが交互になるように着磁されている。
磁石８と、回転軸９とから構成されている。回転子鉄心
７は、回転軸９に嵌合固着されている。回転子鉄心７
は、硅素鋼板を多数枚積層して構成されている。回転子
鉄心７には、永久磁石８を収納するための孔が形成され
ている。この孔の内部に、ネオジウム製の８個の永久磁
石８ａ，８ｂを軸方向から挿入して組込まれている。回
転子６は、固定子１の内部に、固定子鉄心２の内周部と
所定のギャップ５を有する状態で回転可能に配置されて
いる。なお、８個の各永久磁石８ａ，８ｂは、図におい
てＮ極とＳ極とが交互になるように着磁されている。
【００１６】ここで、本実施形態における特徴は、回転
子鉄心７に形成された永久磁石の収納部の断面がギャッ
プ側をなす中心からの角（極弧度）θを、電気角で９６
度としている点にある。
子鉄心７に形成された永久磁石の収納部の断面がギャッ
プ側をなす中心からの角（極弧度）θを、電気角で９６
度としている点にある。
【００１７】図２は、出力４０kW，最大電流４００Ａ，
最大回転数１５krpmにおける線間誘起電圧実効値４００
Ｖrmsの条件下で、極弧度θを変化させた場合のトルク
の変化を示している。すなわち、定められた電流，電圧
の条件下では、永久磁石の極弧度θに、トルクが最大と
なる最適値が存在する。
最大回転数１５krpmにおける線間誘起電圧実効値４００
Ｖrmsの条件下で、極弧度θを変化させた場合のトルク
の変化を示している。すなわち、定められた電流，電圧
の条件下では、永久磁石の極弧度θに、トルクが最大と
なる最適値が存在する。
【００１８】ここで、極弧度θを変化させると、ギャッ
プの磁束密度Ｂが変化し、誘起電圧が変化するので、線
間誘起電圧実効値を４００Ｖrms一定とするため、ター
ン数Ｎを変化させている。最大電流は４００Ａなので、
ターン数Ｎが増加すると、線径が小さくなり電流密度が
増大する。電流密度が増大すると、同一の冷却条件下で
は、出力時間が短くなる。しかし、ここでは、エンジン
とモータを搭載した所謂ハイブリット電気自動車用モー
タを対象としているため、モータ出力時間が短くなって
も、エンジン駆動により走行は可能なので、余り問題は
ないものである。但し、モータ走行時間が短くなること
による燃費の劣化は考慮する必要がある。
プの磁束密度Ｂが変化し、誘起電圧が変化するので、線
間誘起電圧実効値を４００Ｖrms一定とするため、ター
ン数Ｎを変化させている。最大電流は４００Ａなので、
ターン数Ｎが増加すると、線径が小さくなり電流密度が
増大する。電流密度が増大すると、同一の冷却条件下で
は、出力時間が短くなる。しかし、ここでは、エンジン
とモータを搭載した所謂ハイブリット電気自動車用モー
タを対象としているため、モータ出力時間が短くなって
も、エンジン駆動により走行は可能なので、余り問題は
ないものである。但し、モータ走行時間が短くなること
による燃費の劣化は考慮する必要がある。
【００１９】図２に示すように、定められた電流，電圧
の条件下では、永久磁石の極弧度θが９６度の場合、最
も高トルクとなり、高効率が可能である。ここで、図３
は、極弧度θを、９６度とした場合の磁束密度分布を示
している。
の条件下では、永久磁石の極弧度θが９６度の場合、最
も高トルクとなり、高効率が可能である。ここで、図３
は、極弧度θを、９６度とした場合の磁束密度分布を示
している。
【００２０】次に、図４および図５を用いて、本実施形
態による永久磁石式回転電機を三相１２極／７２スロッ
トの永久磁石式回転電機に適用した場合について説明す
る。本実施形態における永久磁石式回転電機の構成は、
図１に示したものと同様である。
態による永久磁石式回転電機を三相１２極／７２スロッ
トの永久磁石式回転電機に適用した場合について説明す
る。本実施形態における永久磁石式回転電機の構成は、
図１に示したものと同様である。
【００２１】図４は、本発明の一実施形態による永久磁
石式回転電機を三相１２極／７２スロットの永久磁石式
回転電機に適用した場合において、回転電機の極弧度を
変化させた場合の最大トルクの変化の説明図である。図
５は、本発明の一実施形態による永久磁石式回転電機を
三相１２極／７２スロットの永久磁石式回転電機に適用
した場合における磁束密度分布の説明図である。
石式回転電機を三相１２極／７２スロットの永久磁石式
回転電機に適用した場合において、回転電機の極弧度を
変化させた場合の最大トルクの変化の説明図である。図
５は、本発明の一実施形態による永久磁石式回転電機を
三相１２極／７２スロットの永久磁石式回転電機に適用
した場合における磁束密度分布の説明図である。
【００２２】磁石の極弧度θの汎用性を確認するため、
半径や積厚、出力などが異なるモータについて検討し
た。ここでは、極数１２極で、スロット数７２のモータ
について、検討を行った。
半径や積厚、出力などが異なるモータについて検討し
た。ここでは、極数１２極で、スロット数７２のモータ
について、検討を行った。
【００２３】図４は、出力４０kW，最大電流４００Ａ，
最大回転数１５krpmにおける線間誘起電圧実効値４００
Ｖrmsの条件下で、極弧度θを変化させた場合のトルク
の変化を示している。すなわち、定められた電流，電圧
の条件下では、永久磁石の極弧度θに、トルクが最大と
なる最適値が存在する。
最大回転数１５krpmにおける線間誘起電圧実効値４００
Ｖrmsの条件下で、極弧度θを変化させた場合のトルク
の変化を示している。すなわち、定められた電流，電圧
の条件下では、永久磁石の極弧度θに、トルクが最大と
なる最適値が存在する。
【００２４】図４に示すように、定められた電流，電圧
の条件下では、図２と同様に、永久磁石の極弧度θが９
６度の場合、最も高トルクとなり、高効率が可能であ
る。ここで、図５は、極弧度θを、９６度とした場合の
磁束密度分布を示している。
の条件下では、図２と同様に、永久磁石の極弧度θが９
６度の場合、最も高トルクとなり、高効率が可能であ
る。ここで、図５は、極弧度θを、９６度とした場合の
磁束密度分布を示している。
【００２５】なお、本発明は、永久磁石の個数（極数）
は８極や１２極以外でもよく、例えば、１０極でもよい
ものである。また、固定子のスロット数も４８や７２個
以外でもよく、例えば、８極／２４スロット，８極／７
２スロット，１２極／３６スロット，１２極／１０８ス
ロット，１０極／６０スロット，１０極／３０スロット
などでも、同様に、極弧度θが９６度において、最大ト
ルクを示している。
は８極や１２極以外でもよく、例えば、１０極でもよい
ものである。また、固定子のスロット数も４８や７２個
以外でもよく、例えば、８極／２４スロット，８極／７
２スロット，１２極／３６スロット，１２極／１０８ス
ロット，１０極／６０スロット，１０極／３０スロット
などでも、同様に、極弧度θが９６度において、最大ト
ルクを示している。
【００２６】さらに、永久磁石８は、ネオジウム磁石以
外でもよいものである。また、永久磁石の形状として
は、図１に示したように、側面形状が長方形のもの以外
に、円弧状のものを用いてもよいものである。そのと
き、円弧状の永久磁石の凸部側が回転子鉄心７の外周側
を向くようにアーク型に配置してもよく、また、円弧状
の永久磁石の凸部側が回転子鉄心７の回転軸方向を向く
ようにＵ字型に配置してもよいものである。
外でもよいものである。また、永久磁石の形状として
は、図１に示したように、側面形状が長方形のもの以外
に、円弧状のものを用いてもよいものである。そのと
き、円弧状の永久磁石の凸部側が回転子鉄心７の外周側
を向くようにアーク型に配置してもよく、また、円弧状
の永久磁石の凸部側が回転子鉄心７の回転軸方向を向く
ようにＵ字型に配置してもよいものである。
【００２７】また、極弧度θは、永久磁石のギャップ側
をなす二点の角度であるが、永久磁石の製作時の誤差を
考慮すると、極弧度θは、９６度±１度の範囲が好適で
あった。また、本実施形態における回転電機としては、
内転型、外転型などの回転電機に限らず、リニアモータ
などにも応用できる。
をなす二点の角度であるが、永久磁石の製作時の誤差を
考慮すると、極弧度θは、９６度±１度の範囲が好適で
あった。また、本実施形態における回転電機としては、
内転型、外転型などの回転電機に限らず、リニアモータ
などにも応用できる。
【００２８】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、磁石の極弧度を最適の約９６度とすることにより、
定められた電流，電圧の条件下では、最も高トルクとな
り、高効率化が可能となる。
ば、磁石の極弧度を最適の約９６度とすることにより、
定められた電流，電圧の条件下では、最も高トルクとな
り、高効率化が可能となる。
【００２９】
【発明の効果】本発明によれば、定められた電流、電圧
条件において、駆動トルクを最大にし、小型化あるいは
駆動効率向上を可能となる。
条件において、駆動トルクを最大にし、小型化あるいは
駆動効率向上を可能となる。
【図１】本発明の一実施形態による永久磁石式回転電機
を三相８極／４８スロットの永久磁石式回転電機に適用
した場合に構成を示す部分側面図である。
を三相８極／４８スロットの永久磁石式回転電機に適用
した場合に構成を示す部分側面図である。
【図２】本発明の一実施形態による永久磁石式回転電機
を三相８極／４８スロットの永久磁石式回転電機に適用
した場合において、回転電機の極弧度を変化させた場合
の最大トルクの変化の説明図である。
を三相８極／４８スロットの永久磁石式回転電機に適用
した場合において、回転電機の極弧度を変化させた場合
の最大トルクの変化の説明図である。
【図３】本発明の一実施形態による永久磁石式回転電機
を三相８極／４８スロットの永久磁石式回転電機に適用
した場合における磁束密度分布の説明図である。
を三相８極／４８スロットの永久磁石式回転電機に適用
した場合における磁束密度分布の説明図である。
【図４】本発明の一実施形態による永久磁石式回転電機
を三相１２極／７２スロットの永久磁石式回転電機に適
用した場合において、回転電機の極弧度を変化させた場
合の最大トルクの変化の説明図である。
を三相１２極／７２スロットの永久磁石式回転電機に適
用した場合において、回転電機の極弧度を変化させた場
合の最大トルクの変化の説明図である。
【図５】本発明の一実施形態による永久磁石式回転電機
を三相１２極／７２スロットの永久磁石式回転電機に適
用した場合における磁束密度分布の説明図である。
を三相１２極／７２スロットの永久磁石式回転電機に適
用した場合における磁束密度分布の説明図である。
θ…磁石の極弧度 １…固定子 ２…固定子鉄心 ３…固定子スロット ４…固定子開口部 ５…ギャップ部 ６…回転子 ７…回転子鉄心 ８…永久磁石 ９…回転軸
───────────────────────────────────────────────────── 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 21/16 Ｈ０２Ｋ 21/16 Ｍ (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 Ｆターム(参考） 5H002 AA09 AB07 AC06 AE07 5H621 AA03 BB07 BB10 GA04 GA16 HH01 JK03 5H622 AA03 CA02 CA07 CA10 CA14 CB01 CB05 PP07 PP10
Claims (1)
- 【請求項１】複数相の固定子巻線を有する固定子と、回
転子鉄心の内部に複数個の永久磁石を埋め込んで構成さ
れ、上記固定子と所定のギャップを有する状態で回転可
能に配置される回転子とを有する永久磁石式回転電機に
おいて、 上記回転子の各永久磁石のギャップ側をなす二点の角度
（極弧度）が電気角で９６度としたことを特徴とする永
久磁石式回転電機。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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-
2001
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