JP2009213256A - 回転電機および電気自動車 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】回転電機は、固定子巻線を有する固定子230と、固定子230に対して回転自在に配設され、複数の磁石254a,254bが設けられた回転子250を備える。そして、回転子250に設けられた磁石254a,254bの極間に形成された磁気的補助突極部259において、突極中心を通るq軸から周方向にずれた位置に磁気的空隙258a,258bを設けることで、コギングトルクの低減と通電時のトルク脈動の低減とを図るようにした。磁気的空隙258a,258bに起因する通電時のトルク脈動が打ち消されるように、磁気的空隙258a,258bのq軸から周方向へのずれ量を軸方向の位置に応じて異ならせることで、トルク脈動の低減を図ることができる。
【選択図】図6
Description
本発明は、上述の固定子電流により発生する回転磁束に起因する脈動を低減するものである。
上述の特許文献1に記載の方法により本発明が解決しようとする固定子電流によるトルク脈動を低減しようとすると、コギングトルクを適切に低減することが非常に難しくなる。すなわち、特許文献1に記載の方法はコギングトルク低減であるが、この考えを更に固定子電流に起因するトルク脈動の低減に応用しようとすると、もともとのコギングトルクの低減が適切に行えない問題がある。
一般に提案されているトルク脈動低減技術は、コギングトルクと固定子電流に起因するトルク脈動の両方に同じような影響を与え、結果的に上記両方のトルク脈動の低減を図るには両方の影響を考慮して対応することが必要となり、両方を簡単に解決することが困難であった。
発明者らは、コギングトルクへの影響が少ない構成あるいは方法で固定子電流に起因するトルク脈動を低減できれば、トルク脈動全体の低減、そのための調整がより容易となると考えた。例えばコギングトルクを低減し、それに加え固定子電流に起因するトルク脈動を低減できればトルク脈動全体を低減することが容易となる。
本発明の目的はコギングトルクへの影響が少ない方法あるいは構成で、固定子電流に起因するトルク脈動を低減できる技術を提供することである。
回転子コアを、軸方向に沿って設けられるとともに磁石、磁気的補助突極部および磁気的空隙を各々有する複数の分割コアに分割し、分割コア内における磁石の周方向位置を軸方向の位置によらず一定としても良い。
〔自動車用駆動回転電機としての良好なトルク特性〕
自動車駆動用回転電機は、回転開始状態あるいは低速回転領域で大きなトルク出力が要求される。さらに、回転電機の高速回転域においてもトルク出力が要求される。例えば6000rpm以上でのトルク出力は当然であり、10000rpm以上でのトルク出力が望まれており、12000rpmで電動機として使用できれば自動車駆動がより好ましい状況となる。
回転開始状態を含む低速回転領域でのトルク出力を永久磁石による磁石トルクにより発生しようとすると、磁石の使用量が多くなる。更にまた高速回転域で上記永久磁石が発生する磁束に基づいて誘起される誘起電圧が高くなり、電源電圧を非常に高くしないと電力を回転電機に供給することが困難となる。すなわち電源電圧をむやみに高めることが困難なため、比較的高速回転域、例えば6000rpm以上でのトルク出力が困難となる。
以下に説明する実施の形態では、上記永久磁石の軸をd軸とした場合のq軸の磁気抵抗を小さくし、大きなリラクタンストルクを発生する構造としている。要求トルクを磁石トルクとリラクタンストルクの両方のトルクで満たす構造としているので、磁石トルクの割合を少なくできる。例えば、要求トルクの30%から50%程度あるいはそれ以上の55%程度をリラクタンストルクが受け持つことができれば、その分磁石トルクを減少させることができ永久磁石の量を少なくできる。高速回転時の永久磁石による誘起電圧を低減でき、高速回転においてもインバータからの電力供給が容易となり、高速回転での回転トルクの発生が可能となる。以下の実施形態の回転電機はリラクタンストルクを効率良く発生できる構造となっており、低速回転領域で大きな回転トルクが得られるだけでなく、上述の高速回転域でも回転トルク出力が可能となる。
車両を駆動できる領域が広がることで、例えばハイブリッド車両の場合、エンジンが受け持つ回転領域を狭くした車の運転が可能となり、車の燃費の向上に繋がる。さらに永久磁石量の低減は回転電機の無負荷損失を低減でき、車両走行の効率向上に繋がる。
〔小型化〕
車両用駆動回転電機においては、上記のトルク特性の他に回転電機の体積の小型が望ましい。以下の実施の形態では回転子の磁極数が8極以上となっており、小型高出力の点で優れている。また回転子の磁極数が8極以上となっていることで、固定子に生じる磁気回路が固定子鉄心の回転子寄りに形成される傾向となり、固定子鉄心の半径方向の長さを短くできる効果がある。このことから固定子の半径方向の長さ、すなわち回転軸に垂直な断面での中心軸を通る径方向の寸法が小さくなる効果がある。
〔脈動低減〕
上述の発明の効果および発明が解決しようとする課題でトルク脈動の低減について記載したが、下記の実施の形態が解決するトルク脈動の低減について更に具体的に説明する。下記の実施の形態ではコギングトルクの低減と固定子電流に起因するトルク脈動の低減とのそれぞれを低減できる。以下それぞれについて説明する。
(1)コギングトルクの低減
回転子鉄心に永久磁石を内蔵した構造では永久磁石の回転方向端部(周方向端部と記載する場合有り)で、回転子と固定子との間のギャップの回転方向における磁束密度が急激に変化する傾向があり、コギングトルクの原因となる。以下の実施の形態では、永久磁石により形成される回転子磁極(界磁極)の端部に対応する永久磁石の端部に磁気的空隙257を設けており、この磁気的空隙257により、上述した回転子と固定子との間のギャプにおける回転方向での磁束密度の急激な変化を低減できる効果がある。この磁気的空隙257によりコギングトルクを低減できる効果がある。
(2)固定子電流に起因する脈動の低減
以下の実施の形態ではq軸の磁気回路を形成する補助磁極(補助突極部259)に磁気的空隙258を形成し、回転軸方向沿って見た場合に、該磁気的空隙258の位置が回転方向に変化している構造を有している。このような構造を有することで固定子電流に起因する脈動を低減することができる。
(3)コギングトルクに影響を与えない構造による、固定子電流に起因する脈動の低減
従来行われているトルク脈動の低減技術は、コギングトルクと固定子電流に起因する脈動との両方に影響を与える。コギングトルクを低減しようとすると固定子電流に起因する脈動の低減効果が不十分であったり、その逆であったりする。このため両方のトルク脈動が低減できそうな条件を、実験を繰り返すことで見付けることが必要であった。すなわち固定子電流に起因する脈動の低減に最適な条件を見付けても、その条件がコギングトルク低減の好ましい条件かどうかが疑問であり、好ましくない条件となることも多々あった。従って、両方のトルク脈動を低減できる条件を見つけ出すことがたいへん難しかった。また好ましい条件が見付ったとしても、上記好ましい条件は色々な要因で変わるため、新たな回転電機がデザインされるたびに、上記実験を繰り返すことが必要となる。上述の(2)に記載の解決策はコギングトルクへの影響が非常に少ないので、固定子電流に起因する脈動の低減についての条件を調整した場合に、その調整内容によりコギングトルクの状態が悪化する可能性が少ない。このため、トルク脈動の低減がたいへん容易となる効果がある。
〔回転電機の効率向上〕
さらに、以下に説明する実施の形態では磁気ブリッジ部を長くできるので、永久磁石の漏洩磁束を低減でき効率向上に繋がる。また、磁気ブリッジ部を界磁極両端に設けた磁気的空隙257あるいは溝282に沿って形成できるので、応力の集中を防ぐことができ、結果として磁束断面積を小さくでき、効率向上に繋がる。
〔生産性の向上〕
以下に示す実施の形態の形状は珪素鋼板をパンチングにより生産できるので、生産性に優れている。また以下に説明するコア301とコア302とは対象形状であり、パンチング成形された珪素鋼板を裏返すことで他方のコアとして使用できる。結果的に生産するコアの種類を少なくでき、生産性が向上する。
また、以下に示す実施の形態では、回転子の軸方向に沿って挿入された磁石が周方向にずれて配置されていない、または周方向にずれている箇所が少ないため、磁化作業が容易になり、生産性が向上する。後述のように永久磁石は磁化した後に回転子鉄心に埋め込んでも良いし、磁化する前に回転子鉄心に挿入してその後に強力な磁界を与えて磁化するようにしても良いが、後者の方が磁石挿入の際に磁石の吸引力によって挿入作業が妨げられず、またごみなどの付着が低減できるので、より生産性が向上する。このような磁化方法をとった場合、磁石が軸方向に分割されて互いに周方向にずれていると、磁化性能向上のため分割されている磁石ごとに磁化した方が良い場合がある。以下に示す実施の形態では磁石が軸方向に分割されていない、または分割数が少ないため、磁化作業の回数が低減でき、生産性が向上する。また、軸方向に伸びている磁石を一度に磁化する場合、磁石が軸方向に分割されて互いに周方向にずれている場合に比較して、磁化装置との距離の大きさの違いなどの影響による磁化のムラが生じにくく、磁石性能の向上、及び生産性の向上といった効果が得られる。
図1は、本発明の一実施の形態の回転電機を搭載したハイブリッド型電気自動車の概略構成を示す図である。車両100には、エンジン120と第1の回転電機200と第2の回転電機202とバッテリ180とが搭載されている。バッテリ180は、回転電機200,202による駆動力が必要な場合には回転電機200,202を駆動するための電力変換装置(インバータ装置)600に直流電力を供給し、電力変換装置600は直流電力を交流電力に変換して回転電機200、202にそれぞれ供給する。一方回生走行時には回転電機200,202が車両の運動エネルギーに基づいて交流電力を発生し、前記電力変換装置600に供給する。前記電力変換装置600は交流電力を直流電力に変換し、バッテリ810に供給する。また、図示していないが、車両には低電圧電力(例えば、14ボルト系電力)を供給するバッテリが搭載されており、以下に説明する制御回路に定電圧の直流電力を供給する。
(磁石トルク)
最初に、磁石トルクについて説明する。図9は、固定子巻線338に電流を流さない場合の磁束、すなわち、永久磁石254による磁束の分布のシミュレーション結果を示したものであり、A−A断面について示したものである。非通電時には,永久磁石254の磁束は磁石端部を短絡している。そのため、q軸の磁束を通す補助突極部259には永久磁石254が発生する磁束はほとんど通らない。また,磁石端部の磁気的空隙257から少しずれた位置に設けられた磁気的空隙258aの部分にも,磁束が殆ど通らないことがわかる。固定子232を通る磁束は、永久磁石254の固定子側の鉄心部分を通ってティース236へと至っている。
次に、磁気的空隙258a,258bのリラクタンストルクへの影響について説明する。図11および図12は通電時の磁束を示したものであり、図11はA−A断面の場合を示し、図12はB−B断面の場合を示す。本実施の形態の回転電機は1極あたり6スロットあるモータであって,固定子鉄心232のスロット24に設けられている固定子巻線238のコイル233は、スロット深さ方向に対して2層に分かれている。スロット底側に配置されたコイル233は、隣のスロットを1スロットと数えると、1スロットから5スロットまでを跨いで6スロット離れたスロット24の回転子側に挿入される短節巻である。短節巻は固定子起磁力の高調波を少なくでき、かつ、コイルエンドが短く、銅損が少なくなることが特長である。また、この高調波低減の巻き方によって、三相モータに特有な6次のトルク脈動を少なくすることができ、ほぼ12次の成分だけが残る。
上述したように、磁気的空隙258a,258bの形成は非通電時のコギングトルクに対して影響を与えない。そのため、従来行われているようなコギングトルクの低減方法を適用することで、通電時トルク脈動の低減とは別個にコギングトルクの低減を図ることができる。本実施の形態では、以下のような構成とすることでコギングトルクの低減を図るようにしている。
図15に示す例では、τm=τgとして説明したが、補助突極部259の効果であるリラクタンストルクを効率よく利用するためには、磁石穴極弧度τg/τpを0.5〜0.9程度、より好ましくは0.7〜0.8程度に設定するのが良い。
上述した実施の形態の説明では、磁気的空隙258を異なる二つの位置に配置することにより、すなわち、位置の異なる磁気的空隙258a,258bを設けることにより、通電時のトルク脈動を低減するようにした。ここでは、トルク脈動の低減が図れるような磁気的空隙258のずらし方について説明する。
上述した本実施の形態の回転電機は、次のような作用効果を奏する。
(1)補助突極部259に磁気的空隙258a,258bを設け、図13のように各磁気的空隙258a,258bにより生じる通電時のトルク脈動が互いに打ち消されるように、磁気的空隙258aと磁気的空隙258bをずらして配置した。その結果、通電時における回転電機のトルク脈動の低減を図ることができる。特に、通電時のトルク脈動を低減できる本実施の形態の回転電機を電気自動車等の車両走行用モータとして適用した場合、低速加速時の振動や騒音を低減することができ、乗り心地がよく、静粛性の高い電気自動車を提供することができる。
(2)図9に示すように、非通電時には、磁気的空隙258は磁石磁束に対して影響を殆ど与えない。そのため、永久磁石254の磁束に起因するコギングトルクの低減対策と、通電時のトルク脈動の低減対策とを独立して個別に行うことができる。その結果、コギングトルクが小さく、かつ、通電時のトルクが大きくなるような磁石トルクの最適化と、通電時のトルク脈動の低減との両立を図ることができる。従来は、トルクが最大となるように磁石を構成してから、コギングトルクが小さくなるようにスキュー等を施していたので、それによってトルク(磁石トルク)が小さくなる欠点があったが、本実施の形態ではトルク脈動低減に伴うトルク低下を避けることができる。
(3)上述したように、トルク脈動低減に伴う磁石トルクの低下を防止できるので、磁石を極力小さくすることができ、回転電機の小型化およびコスト低減を図ることができる。
(4)補助突極部259に設けられた磁気的空隙258a,258bの位置をずらすことで、通電時のトルク脈動の低減を図るようにしているので、従来のスキュー構造のように永久磁石254を軸方向に関して複数に分割したり、着磁をスキューさせたりする必要がない。永久磁石254には、例えばネオジウム系に代表される希土類磁石が用いられるが、希土類磁石では磁石整形を研磨加工で行うため、製造誤差の精度を上げることはコスト増に直結する。そのため、磁石を軸方向に分割する必要のない本実施の形態によれば、回転電機の低コスト化を図ることができる。また、磁石公差の積み上げで性能ばらつきが増えたり,歩留まりが悪くなったりするという心配がない。このように、本実施の形態によれば、回転電機の生産性および生産コストの低減を図ることができる。
(5)磁気空隙257により界磁極の磁束の漏洩を低減でき、回転電機の効率が向上する。磁気的空隙257はコギングトルクの低減作用をすることを上述した。他の効果として磁気的空隙257が永久磁石の漏洩を低減する効果を有する。図9を用いて説明する。永久磁石254aや254bは、固定子230側がN/S極で回転子の中心側が逆磁極S/Nである。補助突極部259を介して永久磁石254の磁極間を短絡する磁気回路が生じる可能性がある。短絡する磁束は磁石トルクに寄与しないこととなり、回転電機の効率が低下する。磁気的空隙257を設けることで、磁気的空隙257と回転子外周との間の狭い磁気通路(磁気ブリッジ部)を回転方向に沿って(周方向に)長く形成することができる。図9に示す如く磁気的空隙257を設けることで磁気ブリッジ部を形成することができ、漏れ磁束を低減できる。また磁気ブリッジ部の磁気回路の断面積が小さいので、磁気飽和状態となり、磁気ブリッジ部を通る磁束量を低減することができ、回転電機の効率が向上する。また磁気ブリッジ部を通る磁束量を低減できるので、磁気的空隙258によるコギングトルクへの影響が非常に小さくなる。磁気的空隙257は色々な形状が可能であり、曲線を有する形状とすることができる。この形状は、機械的な応力の集中を避ける形状で機械的応力の集中が少ないため、断面積を小さくでき、漏れ磁束を低減することに繋がる。
図22〜24は、本発明の第2の実施の形態を説明する図である。図22は、回転子250の断面図であり、(a)は図6(a)に示したA−A断面に対応し、(b)は図6(b)に示すB−B断面に対応する。すなわち、第2の実施の形態の場合も、固定子鉄心252は図5に示すような3つのコアから構成され、図22(a)はコア301の断面を、図22(b)はコア302の断面を示す。上述した図6に示す例では、磁気的空隙258を回転子鉄心252の表面に溝として形成したが、第2の実施の形態では、回転子鉄心252の内部に形成するようにした。
図25は第3の実施の形態における回転子250を示すであり、(a)は図6(a)に示すA−A断面図に相当する断面図であり、(b)は図6(b)に示すB−B断面図に相当する断面図である。図25に示す例では、磁気的空隙を1極あたり2種類設けた。すなわち、補助突極部259にある磁気的空隙258の他に,磁石部外周側の鉄心部分にも磁気的空隙251を一対設けた。磁気的空隙251は永久磁石の中心を通るd軸に関して対称に設けられている。もちろん事態省に設けても構わない。磁気的空隙251は、主にコギングトルク低減用に設けられたものであり、そのため磁石磁束の通過する磁石部外周側の鉄心部分に設けられている。このような構成とすることで、1次と2次のトルク脈動をそれぞれ低減させたり、コギングトルクと通電時のトルク脈動をそれぞれ低減させたりすることが可能となる。
図27乃至図32を用いて第4の実施の形態を説明する。図27は、回転子鉄心252の部分外観図である。回転子鉄心252、磁気的空隙(切欠き)258を補助突極部259の中心に対して回転方向の一方側に形成したコア301と、磁気的空隙(切欠き)258を補助突極部259の中心に対して回転方向の他方側に形成したコア302とからなる。図5に示した如く、コア301に対しコア302の回転子方向の長さは約2倍である。但しこの構造に限るものではなく、コアの形状およびその組合せは、先に図17から図19での説明のとおりである。コア301とコア302に挿入されている永久磁石254aおよび254bは略同じ回転位置で略同じ形状であり、一体形状の永久磁石254を挿入しても良いし、コア301とコア302に関係なく分割しても良い。永久磁石254を挿入する穴および磁気的空隙257もまたコア301とコア302において略同じ形状および同じ回転位置であり、回転軸方向に連続して形成されている。
Claims (18)
- 固定子巻線を有する固定子と、
前記固定子に対して回転自在に配設され、複数の磁石と該磁石の極間に形成された複数の磁気的補助突極部とが設けられた回転子コアを有する回転子とを備え、
前記磁気的補助突極部内であって該磁気的補助突極部の突極中心を通るq軸から周方向にずれた位置に、前記回転子の軸方向に沿って磁気的空隙を設け、
前記磁気的空隙に起因する通電時のトルク脈動が打ち消されるように、前記磁気的空隙の前記q軸から周方向へのずれ量を前記軸方向の位置に応じて異ならせたことを特徴とする回転電機。 - 請求項1に記載の回転電機において、
前記回転子コアにおける前記磁石の周方向位置は、前記軸方向の位置によらず一定であることを特徴とする回転電機。 - 請求項1に記載の回転電機において、
前記回転子コアは、前記軸方向に沿って設けられるとともに前記磁石、前記磁気的補助突極部および前記磁気的空隙を各々有する複数の分割コアに分割され、
前記分割コア内における前記磁石の周方向位置は、前記軸方向の位置によらず一定であることを特徴とする回転電機。 - 請求項3に記載の回転電機において、
前記磁気的空隙の周方向位置がほぼ同一の前記分割コアから成るコア群を複数有し、
前記コア群毎の合計軸方向厚さをほぼ同一としたことを特徴とする回転電機。 - 請求項4に記載の回転電機において、
前記磁気的空隙の周方向位置が異なる2つのコア群を有し、
前記2つのコア群の各々により生成されるトルク脈動の位相が、電気角で15度または30度ずれていることを特徴とする回転電機。 - 請求項4に記載の回転電機において、
前記磁気的空隙の周方向位置が異なる第1、第2および第3のコア群を有し、
前記第1、第2および第3のコア群の各々により生成されるトルク脈動の位相は、前記第1のコア群と前記第2のコア群との間、および前記第2のコア群と前記第3のコア群との間において、それぞれ電気角で10度または20度ずれていることを特徴とする回転電機。 - 請求項1〜6のいずれか一項に記載の回転電機において、
前記磁気的空隙は、前記回転コアの表面に形成した凹部または前記回転コア内部に形成された穴であることを特徴とする回転電機。 - 請求項7に記載の回転電機において、
前記凹部の周方向角度は、補助突極部の周長の半分以下に設定されていることを特徴とする回転電機。 - 請求項7に記載の回転電機において、
前記磁気的空隙としての穴は、前記磁石が設けられている穴と一体に形成されていることを特徴とする回転電機。 - 請求項1〜9のいずれか一項に記載の回転電機において、
前記複数の磁石は、磁化方向が前記回転子コアの径方向であって、磁化方向の向きが交互に逆向きになるように周方向に配置されていることを特徴とする回転電機。 - 請求項10に記載の回転電機において、
前記磁石の各々は、磁化の向きがほぼ等しい複数の磁石からなる磁石群を構成していることを特徴とする回転電機。 - 請求項1〜11のいずれか一項に記載の回転電機において、
前記磁気的補助突極部に前記磁気的空隙を複数設けたことを特徴とする回転電機。 - 請求項1〜12のいずれか一項に記載の回転電機において、
前記回転子コアは、前記磁気的空隙を形成する穴または切り欠きが形成された電磁鋼板を積層して成ることを特徴とする回転電機。 - 請求項13に記載の回転電機において、
前記電磁鋼板の表裏を逆に積層することにより、周方向位置が異なる2種類の前記磁気的空隙を回転子コアに形成したことを特徴とする回転電機。 - 請求項1〜13のいずれか一項に記載の回転電機において、
前記磁石の周方向配置を軸方向位置に対応して周方向にずらすスキュー構造とするとともに、前記磁気的空隙の周方向位置を軸方向位置に対応して周方向にずらすスキュー構造としたことを特徴とする回転電機。 - 請求項1〜15のいずれか一項に記載の回転電機において、
前記固定子巻線は、分布巻で巻回されていることを特徴とする回転電機。 - 請求項1〜16のいずれか一項に記載の回転電機において、
前記固定子、前記回転子および冷却油を収容したケーシングを備え、
前記回転子の回転子コアに形成された磁気的空隙の一部が前記冷却油内に浸っていることを特徴とする回転電機。 - 請求項1〜17のいずれか一項に記載の回転電機と、
直流電力を供給するバッテリと、
前記バッテリの直流電力を交流電力に変換して前記回転電機に供給する変換装置とを備え、
前記回転電機の駆動力により走行を行うことを特徴とする電気自動車。
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