JP2012161243A - 永久磁石回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】
鉄損の影響をさらに低減でき、高効率な永久磁石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】
永久磁石回転電機１は、固定子巻線５が固定子鉄心に巻回された固定子２と、回転子鉄心７内に周方向に極性が交互に配置された複数の永久磁石６が挿入された永久磁石回転子３とからなる。永久磁石回転子鉄心７は、磁極片７２と、補助磁極７１と、固定子ヨーク７４とからなり、さらに、永久磁石の回転子鉄心７の磁極片７２の空隙面に設けられ、磁極中心部より端部にかけてなだらかな凹部７６を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、電動車両に用いるに好適な永久磁石回転電機及びそれを用いた電動車両に関する。

電動車両，特に、電気自動車（ＥＶ）やハイブリット自動車（ＨＥＶ）の駆動等に用いる電動機としては、小形軽量，高効率であることが望まれる。近年、高性能磁石材の開発によって、電動車両（特に、ＥＶやＨＥＶ）の駆動用モータは、誘導電動機やリラクタンスモータよりも小型軽量，高効率にできる点に着目して永久磁石電動機が主流となっている。永久磁石電動機では、大電流を流さなくても大きな磁束量が発生できるからである。特に低速時で、高トルクの領域において、その特徴を発揮することができる。その反面、高速時には、その磁束量による鉄損発生，高電圧発生が問題となることが多い。

電動車両，特にＥＶやＨＥＶ駆動等に用いる電動機の回転子構造としては、鉄損発生，高電圧発生対策，永久磁石の保持等を考慮して積層珪素鋼板の中に永久磁石を埋め込む埋め込み型の永久磁石回転電機が知られている。さらに、特表平８−８２１５４１号公報に記載されているように、磁石によるトルクの割合を少なくして永久磁石の磁束量を少なくする構造として、永久磁石間に補助突極を配置する構造が知られている。この構造では、永久磁石の磁束が少ないので比較的高速での鉄損が少ないのに反し、低速のトルクが必要な領域については補助突極によるリラクタンストルクを発生して少ない磁石トルクを補うことが可能である。

特表平８−８２１５４１号公報

しかしながら、特表平８−８２１５４１号公報に記載ものであっても、特に、ハイブリッド車用に使用される駆動モータの場合には永久磁石の磁束による鉄損は、ブレーキ力となって自動車の燃費を悪化させるために、高速域での鉄損は問題となるものである。

また、電動車両，特に、ＥＶやＨＥＶ駆動等に用いる電動機としては、トルクリプルの低減も乗り心地、騒音低減からも重要であるが、この点については、従来の電動機では配慮されていないものである。

本発明の第１の目的は、鉄損の影響をさらに低減でき、高効率な永久磁石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。

また、本発明の第２の目的は、トルクリプルを低減でき、低トルクリプルの永久磁石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。

（１）上記第１の目的を達成するために、本発明は、固定子巻線が固定子鉄心に巻回された固定子と、回転子鉄心内に周方向に極性が交互に配置された複数の永久磁石が挿入された永久磁石回転子とからなる永久磁石回転電機であって、前記永久磁石回転子鉄心は、前記永久磁石の空隙面に位置し、前記永久磁石の磁路を構成する磁極片と、前記複数の永久磁石間に空隙面まで突起し、リラクタンストルク発生用の補助磁極と、前記永久磁石の反空隙面に位置し、補助突極と永久磁石の磁路を形成する固定子ヨークとからなり、かつ、前記永久磁石の回転子鉄心の磁極片の空隙面に設けられ、磁極中心部より端部にかけてなだらかな凹部を備えたものである。
かかる構成により、鉄損の影響をさらに低減でき、高効率とすることができる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記凹部の位置における磁極中心部の空隙長の変化が、磁極端部の空隙長の変化よりも小さいものとする。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記補助突極部の空隙長が、前記磁極片部の空隙長より小さいものとする。

（４）上記第２の目的を達成するために、本発明は、固定子巻線が固定子鉄心に巻回された固定子と、回転子鉄心内に周方向に極性が交互に配置された複数の永久磁石が挿入された永久磁石回転子とからなる永久磁石回転電機であって、前記永久磁石回転子鉄心は、前記永久磁石の空隙面に位置し、前記永久磁石の磁路を構成する磁極片と、前記複数の永久磁石間に空隙面まで突起し、リラクタンストルク発生用の補助磁極と、前記永久磁石の反空隙面に位置し、補助突極と永久磁石の磁路を形成する固定子ヨークとからなり、かつ、前記永久磁石の回転子鉄心の磁極片の空隙面であって、磁極中心の両側に形成され、前記固定子鉄心の毎極毎相当たりのスロット数を２とするとき、磁極中心より電気角２０度より３０度の範囲の位置に、前記固定子鉄心の毎極毎相当たりのスロット数を１とするとき、磁極中心より電気角１５度より４５度の範囲の位置に形成された凹部を備えるようにしたものである。
かかる構成により、トルクリプルを低減できるものとなる。

（５）上記第１の目的を達成するために、本発明は、永久磁石回転電機と、この永久磁石回転電機により駆動される車輪と、前記永久磁石回転電機が出力する駆動トルクを制御する制御手段とを有する電動車両であって、前記永久磁石回転電機は、固定子巻線が固定子鉄心に巻回された固定子と、回転子鉄心内に周方向に極性が交互に配置された複数の永久磁石が挿入された永久磁石回転子とからなり、前記永久磁石回転子鉄心は、前記永久磁石の空隙面に位置し、前記永久磁石の磁路を構成する磁極片と、前記複数の永久磁石間に空隙面まで突起し、リラクタンストルク発生用の補助磁極と、前記永久磁石の反空隙面に位置し、補助突極と永久磁石の磁路を形成する固定子ヨークとからなり、かつ、前記永久磁石の回転子鉄心の磁極片の空隙面に設けられ、磁極中心部より端部にかけてなだらかな凹部を備えるようにしたものである。
かかる構成により、電動車両を低振動，低騒音にし得るものである。

（６）上記第２の目的を達成するために、本発明は、永久磁石回転電機と、この永久磁石回転電機により駆動される車輪と、前記永久磁石回転電機が出力する駆動トルクを制御する制御手段とを有する電動車両であって、前記永久磁石回転電機は、固定子巻線が固定子鉄心に巻回された固定子と、回転子鉄心内に周方向に極性が交互に配置された複数の永久磁石が挿入された永久磁石回転子とからなり、前記永久磁石回転子鉄心は、前記永久磁石の空隙面に位置し、前記永久磁石の磁路を構成する磁極片と、前記複数の永久磁石間に空隙面まで突起し、リラクタンストルク発生用の補助磁極と、前記永久磁石の反空隙面に位置し、補助突極と永久磁石の磁路を形成する固定子ヨークとからなり、かつ、前記永久磁石の回転子鉄心の磁極片の空隙面であって、磁極中心の両側に形成され、前記固定子鉄心の毎極毎相当たりのスロット数を２とするとき、磁極中心より電気角２０度より３０度の範囲の位置に、前記固定子鉄心の毎極毎相当たりのスロット数を１とするとき、磁極中心より電気角１５度より４５度の範囲の位置に形成された凹部を備えるようにしたものである。
かかる構成により、電動車両を低振動，低騒音にし得るものである。

本発明によれば、鉄損の影響をさらに低減でき、高効率な永久磁石回転電機を得ることができ、燃費が良く、低振動で低騒音の電動車両を得ることができる。

また、本発明によれば、低トルクリプルの永久磁石回転電機得ることができ、低振動で低騒音の電動車両を得ることができる。

本発明の第１の実施形態による永久磁石回転電機の構成を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態による永久磁石回転電機の構成を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態による永久磁石回転電機の回転子の詳細構成を示す拡大断面図である。 本発明の第１の実施形態による永久磁石回転電機の回転子の磁極片における空隙長の説明図である。 本発明の第１の実施形態による永久磁石回転電機の回転子の鉄損の説明図である。 本発明の第１の実施形態による永久磁石回転電機の回転子の鉄損の説明図である。 本発明の第２の実施形態による永久磁石回転電機の構成を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態による永久磁石回転電機の構成を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態による永久磁石回転電機の回転子の磁極片の外周に形成された凹部７７とトルクリプルの関係の説明図である。 本発明の第３の実施形態による永久磁石回転電機の回転子の磁極片の外周に形成された凹部７７とトルクリプルの関係の説明図である。 本発明の各実施形態による永久磁石回転電機を搭載した電動車両の電機駆動システムの構成を示すブロック図である。

以下、図１〜図６を用いて、本発明の第１の実施形態による永久磁石回転電機の構成について説明する。ここでは、一例として、回転電機は、固定子として分布巻の巻線構造で、回転子の極数は８極の永久磁石電動機の例で説明する。
最初に、図１及び図２を用いて、本実施形態による永久磁石回転電機の全体構成について説明する。
図１，図２は、本発明の第１の実施形態による永久磁石回転電機の構成を示す断面図である。図１は回転軸に平行な方向の断面図であり、図２は回転軸に直交する方向の断面図であるとともに、図１のＡ−Ａ矢視図である。なお、図１と図２において、同一符号は、同一部分を示している。

図１に示すように、永久磁石回転電機１は、固定子２と、回転子３と、エンドブラケット９Ａ，９Ｂ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。回転子３は、磁性体からなる回転子鉄心７と、シャフト８とを備えている。また、回転子３は、回転子鉄心７に嵌挿したシャフト８を介して、エンドブラケット９Ａ，９Ｂに嵌挿したベアリング１０Ａ，１０Ｂにて、回転可能に保持されている。なお、固定子鉄心４の外周にフレームが無い構成で示したが、必要によってはフレームを用いてもよいものである。

回転子３のシャフト８上には、回転子３の位置を検出する磁極位置検出器ＰＳと、位置検出器Ｅとが備えられている。回転子３の位置を検出する磁極位置検出器ＰＳ，位置検出器Ｅによって検出された回転子位置に応じて、固定子巻線５に３相の電流を加えることによって回転磁界を発生させる。この回転磁界と回転子３の永久磁石の間に磁気的な吸引，反発力を発生させて、連続的な回転力を発生させるものである。ここで、電流の位相を適切に選択することによって低速大トルク領域では永久磁石トルク６によるトルクと、補助突極７１によるトルクとの合成トルクが最大になるように制御される。

一方、永久磁石の誘起電圧がモータの端子電圧以上となる高速領域では、電流のベクトルを進ませることによって永久磁石６の中心に固定子巻線電流による回転磁界が減磁力となってかかるようにように、弱め界磁制御によって制御する。これによって、効果的に永久磁石６の磁束を減少させることで、回転電機の鉄損を低減させて高効率の運転を可能にする。

次に、図２に示すように、固定子鉄心４は、円環状の固定子ヨ−ク４１と、鉄心歯部４２とからなる。隣接する固定子歯部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。ここで、固定子巻線５には、一般の３相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の分布巻の巻線が巻回されている。固定子歯部４２の数は４８個であり、スロット４３の数も４８個である。一相辺りの固定子歯部（突極）４２の数は、１６個である。

回転子鉄心７は、周方向に等間隔に配置される永久磁石６の挿入孔７０を有している。挿入孔７０には、永久磁石６が挿入されている。回転子３の極数は、８極であり、挿入孔７０は、１６個備えられている。例えば、２個の挿入孔７０Ａ１，７０Ａ２に挿入された永久磁石６Ａ１，６Ａ２は、同極となり、これにより、１極を構成する。例えば、永久磁石６Ａ１，６Ａ２の極性をＳ極とすると、これに対して周方向に隣接する永久磁石６Ｂ１，６Ｂ２の極性はＮ極となっており、周方向に交互の極性となっている。挿入孔７０Ａ１，７０Ａ２は、回転子鉄心７の半径方向に対して、線対称に、しかも、Ｖ字形状となるように配置されている。したがって、一磁極当たり、２個の永久磁石６Ｂ１，６Ｂ２が配置されるため、一磁極当たりの磁束密度を高くできる。

回転子鉄心７は、永久磁石６の外周部に設けられた磁極片７２を備えている。磁極片７２は、永久磁石６が発生する磁束が回転子３と固定子２の間に形成される空隙を介して固定子２の側に流れて磁気回路を形成する。

各磁極を形成する永久磁石６は、回転子鉄心７の一部である補助突極７１を介して隣接している。補助磁極７１は、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。磁極片７２と補助突極７１は、ブリッジ７３によって連結され、機械的強度を大きくしている。

磁石６Ａ１，６Ａ２とブリッジ７３の間には、それぞれ、三角形状の空隙７５Ａ，７５Ａ２が設けられ、同極を構成する磁石６Ａ１，６Ａ２の間には、三角形状の空隙７５Ａ３が設けられている。空隙７５Ａ１，７５Ａ２，７５Ａ３の内部は、空気が存在しており、漏れ磁束を低減する。

挿入孔７０，補助突極７１，空隙７５Ａ１，７５Ａ２，７５Ａ３の内周側は、永久磁石６の磁路を構成する回転子ヨーク７４である。以上の構成により、いわゆる埋め込み型の永久磁石回転子が構成される。

前述した弱め界磁電流による制御は電流を増加させることによってその鉄損の基本波分は少なくすることができるが、逆に鉄損の高調波成分が増加し、結局は鉄損の低減にならないことがある。

一方、空隙長を増加させることによって、高調波の鉄損は減少する。しかし、空隙長の増加に伴い、トルクの低下も生じる。従って、トルク発生の低下を押さえつつ、高速時の鉄損の増加を抑えることが重要である。

そこで、本実施形態では、回転子鉄心７の外周部であって、磁極片７２の空隙面に、磁極中心部より端部にかけてなだらかに凹部７６を設けている。特に、回転子鉄心の磁極片の空隙面に磁極中心部より端部にかけてなだらかに凹部７６を設けることで、トルク発生に大きく寄与し、鉄損発生に影響を及ぼさない補助突極部７１及び磁極片７２の中心部の空隙長は小さくし、トルク発生よりむしろ高調波鉄損を引き起こす磁極の中心から磁極端部の磁極片の空隙部を図１で示すように大きくするすることによって鉄損の低減とトルク発生の確保を両立させることができる。その点については、図３を以降を用いて説明する。

次に、図３を用いて、本実施形態による永久磁石回転電機の回転子の詳細構成について説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態による永久磁石回転電機の回転子の詳細構成を示す拡大断面図である。図３は、図２の要部を拡大して示している。なお、図２と同一符号は、同一部分を示している。

同極を構成する永久磁石６Ａ１，６Ａ２の中心，すなわち、空隙７５Ａ３の中心と、回転子３の中心，すなわち、シャフト８の中心を結ぶ線をＬ１とする。この線Ｌ１に対して、挿入孔７０Ａ，７０Ａ２は、線対称に設けられている。従って、永久磁石６Ａ１，６Ａ２も、線Ｌ１に対して、線対称に配置されている。線Ｌ１が、一つの磁極の中心部を示す線となっている。

また、ブリッジ７３Ａ１，７３Ａ２の中心と、回転子３の中心，すなわち、シャフト８の中心を結ぶ線を、それぞれ、Ｌ２，Ｌ３とする。線Ｌ２〜線Ｌ３の範囲が、一磁極である。一磁極の角度θ１は、電気角で１８０°であり、８極の構成であるので、機械角で４５°である。また、角度θ２は、図示の例では、電気角で１３０°である。

線Ｌ４，Ｌ５は、それぞれ、永久磁石６Ａ１の右側の角部及び，永久磁石６Ａ２の左側の角部と、回転子３の中心，すなわち、シャフト８の中心を結ぶ線である。

ここで、磁極中心部の位置において、回転子３の外周部と、固定子２の内周部の間の空隙長をＧ１とし、回転子３の外周に凹部７６Ａ１，７６Ａ２が形成された位置の空隙長をＧ２とし、磁極端部の空隙長をＧ３とする。空隙長Ｇ３に対して、空隙長Ｇ１，Ｇ２は大きくなっており、回転子３は、その磁極部の中央付近において、外周に凹部７６が形成されている。しかも、空隙長Ｇ１は、空隙長Ｇ２よりも小さく、磁極片７２の空隙面に、磁極中心部より端部にかけてなだらかに凹部７６が形成されている。一例を挙げると、空隙長Ｇ１＝０．５ｍｍ，空隙長Ｇ２＝１．５ｍｍ，空隙長Ｇ３＝０．３ｍｍである。

ここで、図４を用いて、本実施形態による永久磁石回転電機の回転子の磁極片における空隙長について具体的に説明する。
図４は、本発明の第１の実施形態による永久磁石回転電機の回転子の磁極片における空隙長の説明図である。

空隙長Ｇ１＝０．５ｍｍとし、また、空隙長Ｇ２＝１．５ｍｍとし、その間においては、空隙長の変化は、図４に実線Ｘ１で示すように、下に凸の形状としている。すなわち、磁極中心部の空隙長の変化が、磁極端部の空隙長の変化よりも小さくしている。なお、図中、破線Ｘ２は直線であり、一点鎖線Ｘ３は上に凸の曲線である。

ここで、図５及び図６を用いて、本実施形態による永久磁石回転電機の回転子の鉄損に説明する。なお、図５，図６における値は、理論計算により求めたものであり、図４の説明における値とは、相違するものである。
図５及び図６は、本発明の第１の実施形態による永久磁石回転電機の回転子の鉄損の説明図である。

図５は、高速回転領域で、空隙長一定の場合の弱め界磁電流に対する全鉄損Ｗfeと、その基本波分及び高調波分との内訳を示している。前述のように弱め界磁電流を増加させることによって鉄損の基本波分は減少するが、高調波分は増加することを示し、全鉄損としては減少しないことを示している。

図６は、一定弱め界磁電流で、空隙長を変えた場合のトルクＴと、鉄損Ｗfeの変化を示している。鉄損Ｗfe１は、空隙長Ｇが０．５ｍｍで一定の場合の鉄損を示している。鉄損Ｗfe２は、一様に空隙長Ｇを変えた場合の鉄損を示しており、空隙長を増加させることによって、主に高調波分の減少による鉄損が急激に減少することを示しており、一方、磁束密度の基本波分の低下により発生トルクＴも減少することを示している。

また、図中の鉄損ＷfeInvは、図１〜図４に示した本実施形態の構造の永久磁石回転電機に対する計算結果を示している。トルクが同一になる点の鉄損の低減比較では、従来より３５％以上の鉄損低減効果を示し、鉄損比較では３０％以上の鉄損減少となる。これによって、本実施形態によれば、単に空隙長を増加させることよりも、（（鉄損の低減）／（トルクの低減））を大きくできることを示している。

凹部７６の形状としては、図４に示した線Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３のいずれにおいても、鉄損を低減しつつ、トルクの減少を抑えることができる。この中で、特に、図４に実線Ｘ１で示したように、凹部７６の形状として磁極中心部の空隙長の変化が磁極端部の空隙長の変化よりも小さくすると、磁極片７２の空隙の分布を磁極中心で大きく、端部で低くすることができ、全体に正弦波状にすることができて、鉄損を少なくすることができる。

また、本実施形態において。補助突極７１の空隙長Ｇ３を、磁極片７２の空隙長Ｇ１〜Ｇ２より小さくすることによって、永久磁石６の鉄損に大きく影響を与えない補助突極７１のトルク発生比率を大きくすることによってトルク低減を少なくしたまま、鉄損低減が可能である。

以上説明したように、本実施形態によれば、鉄損の影響をさらに低減でき、高効率な永久磁石回転電機を得ることができる。

次に、図７を用いて、本発明の第２の実施形態による永久磁石回転電機の構成について説明する。ここで、本実施形態による永久磁石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７は、本発明の第２の実施形態による永久磁石回転電機の構成を示す断面図である。図７は、図２と同様に、回転軸に直交する方向の断面図であるとともに、図１のＡ−Ａ矢視図である。なお、図１，図２と、同一符号は、同一部分を示している。

図２に示した構成では、回転子の一磁極を構成する永久磁石を２個としており、Ｖ字型に配置しているのに対して、本実施形態では、図７に示すように、回転子の一磁極を構成する永久磁石６Ｊを１個として、断面が長方形のブロック型の長辺が回転子３の周方向を向くように配置された挿入孔７０Ｊの中に挿入されている。

永久磁石の配置，すなわち、磁極の構成は図２に示したものと異なるが、磁極片７２に設けた回転子３の外周部の凹部７６の形状は、図３に詳述したものと同様で、回転子鉄心の磁極片の空隙面に磁極中心部より端部にかけてなだらかに凹部となっている。したがって、空隙長Ｇ１，Ｇ２も、図４に示したものと同様である。

このような、ブロック型の配置とすることにより、図２に示したＶ字型の配置に対して、一磁極当たりの磁石数が少ないことにより、材料費の点、及び、組み立て工数が少なくなることにより、回転電機を低コスト化できる。

一方、永久磁石をブロック型に配置すると、Ｖ字型の配置に対して、磁石の空隙面側の磁束密度が低くなるため、その点で、トルクが多少低下する。

以上説明したように、本実施形態によっても、鉄損の影響をさらに低減でき、高効率な永久磁石回転電機を得ることができる。

次に、図８〜図１０を用いて、本発明の第３の実施形態による永久磁石回転電機の構成について説明する。ここで、本実施形態による永久磁石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８は、本発明の第３の実施形態による永久磁石回転電機の構成を示す断面図である。図８は、図２と同様に、回転軸に直交する方向の断面図であるとともに、図１のＡ−Ａ矢視図である。なお、図１，図２と、同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態では、永久磁石回転電機１の回転子３の磁極片７２の外周部に、磁極中心よりθ４の位置に、凹部７７を設けている。他の構成については、図２に示したものと同様である。但し、図２に示した凹部７６は設けられていないものである。

次に、図９及び図１０を用いて、本実施形態による永久磁石回転電機の回転子の磁極片の外周に形成された凹部７７について説明する。
図９及び図１０は、本発明の第３の実施形態による永久磁石回転電機の回転子の磁極片の外周に形成された凹部７７とトルクリプルの関係の説明図である。

図９は、磁極の中心と凹部７７の中心位置とのなす角度θ４を変数としたときの最大トルク発生条件におけるトルクリプル値Ｙ２を示している。図８に示した例では、毎極，毎相当たりのスロット数が２（４８スロット，３相，８極）の場合（nspp=2)である。

また、図９に示したトルクリプル値Ｙ１は、毎極，毎相当たりのスロット数が１の場合（nspp=2)の特性を示している。この場合には、スロットの幅，ティースの幅は、毎極，毎相当たりのスロット数が２の場合の値に対して２倍に設定している。図中、θの記号で＋側は回転方向で、固定子巻線による起磁力の増磁力がかかる領域を示している。

溝（凹部７７）が無い場合のトルクリプルＹ２は、毎極，毎相当たりのスロット数が２の場合には、２０Ｎｍである。一方、凹部７７の位置が、磁極の中心位置より電気角θａ１（１５°〜４５°）の範囲では、凹部がない場合に比べてトルクリプルを低減できる。

また、溝（凹部７７）が無い場合のトルクリプルＹ１は、毎極，毎相当たりのスロット数が１の場合には、５４Ｎｍである。一方、凹部７７の位置が、磁極の中心位置より電気角θａ２（２０°〜３０°）の範囲では、凹部がない場合に比べてトルクリプルを低減できる。

図１０は、毎極，毎相当たりのスロット数が２の条件で、θを電気角で２４度、孔の大きさを最適化した場合のトルクリプル（実線Ｚ２）と、孔が無い場合のトルクリプル（実線Ｚ０）を比較して示している。図１０から理解されるように、凹部７７を磁極片の適当な位置に設けることによって、トルクリプルを約１／３に小さくできる。

以上説明したように、本実施形態によれば、永久磁石回転電機のトルクリプルを低減することができる。

なお、例えば、特開８−２５１８４６号公報や、特開２００２−１７１７３０号公報には、埋め込み磁石回転子において磁極片の両側に溝を配置したものが開示されている。しかしながら、特開８−２５１８４６号公報に記載のものは、回転子表面に配置された溝は、その溝の形状や、溝の位置が本実施形態とは異なり、磁極片と補助突極間の磁束漏洩防止のためのものであり、鉄損防止やトルクリプルの低減のためのものではない。また、特開２００２−１７１７３０号公報に記載のものにおいては、溝は、その溝の形状や、溝の位置が本実施形態とは異なり、電機子反作用による磁束の遮断を目的としたもので、鉄損低減、トルクリプル低減を目的としたものではない。

次に、図１１を用いて、本発明の各実施形態による永久磁石回転電機を搭載した電動車両の電機駆動システムの構成について説明する。
図１１は、本発明の各実施形態による永久磁石回転電機を搭載した電動車両の電機駆動システムの構成を示すブロック図である。

図において、永久磁石回転電機１は、前述したいずれかの実施例に記載のものである。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、永久磁石回転電機１が直結して取り付けられている。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１４０から電力が制御装置１３０を介して、永久磁石回転電機１に供給され、永久磁石回転電機１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。

尚、本実施形態では、永久磁石回転電機１によって前輪１１０，１１４を回転駆動して前輪１１０，１１４を回転駆動する場合について説明するが、後輪１１２，１１６を回転駆動するようにしてもよい。

電気自動車の力行時（始動時、走行時、加速時など）は、永久磁石回転電機１の電動機によって前輪１１０，１１４を駆動する。バッテリー１４０の電圧は制御装置１３０を介して、永久磁石回転電機１に供給され、永久磁石回転電機１は駆動され、回転出力を発生する。これにより、前輪１１０，１１４が回転駆動される。

電気自動車の回生時（ブレーキを踏み込み時，アクセルの踏み込みを緩めた時或いはアクセルの踏み込みを止めた時などの減速時）は、前輪１１０，１１４の回転出力を前輪車軸１５４を介して永久磁石回転電機１に伝達し、永久磁石回転電機１を回転駆動する。これにより、永久磁石回転電機１は発電機として動作する。この動作により、永久磁石回転電機１の固定子巻線に三相交流電力が発生する。この発生した三相交流電力はインバータによって所定の直流電力に変換され、バッテリ１４０に充電される。

なお、以上の説明では、永久磁石回転電機を電動車両の車輪の駆動に用いるものとして説明したが、エンジンとモータとによるハイブリッドの駆動機構を有するハイブリッド電動車両、あるいはエンジンと駆動機構の間に配置し、エンジン起動，発電装置等を行う、いわゆるエンジン始動装置に適用しても同様の効果によって、この場合には、上記のハイブリッド車の駆動部の高効率化と低騒音化を図れる。

以上説明したように、本実施形態によれば、電動車両に本発明の低鉄損，低トルクリップルの永久磁石回転電機を搭載することによって、簡単な構成で、高速時で鉄損の少ない，燃費の良い、低振動・低騒音の電動車両を得ることができる。

１…永久磁石回転電機
２…固定子
３…回転子
４…固定子鉄心
５…固定子巻線
６…永久磁石
７…回転子鉄心
８…シャフト
９Ａ，９Ｂ…エンドブラケット
１０Ａ，１０Ｂ…ベアリング
４１…固定子ヨーク
４２…鉄心歯部
４３…スロット
７１…補助磁極
７２…磁極片
７３…ブリッジ
７４…回転子ヨーク
７５…空隙
７６，７７…凹部
１００…電気自動車の車体
１１０，１１２，１１４，１１６…車輪
１３０…制御装置

本発明の目的は、遠心力への抵抗が上がる永久磁石回転電機を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、固定子と、周方向に沿って複数の磁極が形成された回転子鉄心を有し、空隙を介して前記固定子対向するように支持された回転子と、備える永久磁石回転電機であって、前記回転子は、周方向において前記磁極間の前記回転子鉄心にリラクタンストルクを発生させるための複数の補助磁極が形成されるとともに、周方向において磁極毎に極性が交互に変わるように磁化された第１と第２の永久磁石が前記回転子鉄心の内部に配置され、前記第１と第２の永久磁石は、固定子側が開くようにＶ字の形状に配置され、前記第１と第２の永久磁石と前記回転子鉄心の固定子側の外周面との間の回転子鉄心に磁極片が形成され、前記磁極片と周方向において隣接する前記補助磁極とを繋ぐ回転子鉄心にはそれぞれ第１のブリッジ部が形成され、前記磁極片と前記永久磁石より径方向における内側に位置する回転子鉄心とを繋ぐ第２のブリッジ部が、前記第１と第２の永久磁石の内側端部の間に設けられ、前記第１と第２の永久磁石の外周側端部と前記第１のブリッジ部との間に第１の空隙が設けられ、前記第２のブリッジ部は、周方向の幅がほぼ一定の部分を有しているものである。
かかる構成により、遠心力への抵抗が上がるものである。

本発明によれば、遠心力への抵抗が上がることができる。

本発明の第１の実施形態による永久磁石回転電機の構成を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態による永久磁石回転電機の構成を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態による永久磁石回転電機の回転子の詳細構成を示す拡大断面図である。 本発明の第１の実施形態による永久磁石回転電機の回転子の磁極片における空隙長の説明図である。 本発明の第１の実施形態による永久磁石回転電機の回転子の鉄損の説明図である。 本発明の第１の実施形態による永久磁石回転電機の回転子の鉄損の説明図である。 参考例による永久磁石回転電機の構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態による永久磁石回転電機の構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態による永久磁石回転電機の回転子の磁極片の外周に形成された凹部７７とトルクリプルの関係の説明図である。 本発明の第２の実施形態による永久磁石回転電機の回転子の磁極片の外周に形成された凹部７７とトルクリプルの関係の説明図である。 本発明の各実施形態による永久磁石回転電機を搭載した電動車両の電機駆動システムの構成を示すブロック図である。

回転子３のシャフト８上には、回転子３の位置を検出する磁極位置検出器ＰＳと、位置検出器Ｅとが備えられている。回転子３の位置を検出する磁極位置検出器ＰＳ，位置検出器Ｅによって検出された回転子位置に応じて、固定子巻線５に３相の電流を加えることによって回転磁界を発生させる。この回転磁界と回転子３の永久磁石の間に磁気的な吸引，反発力を発生させて、連続的な回転力を発生させるものである。ここで、電流の位相を適切に選択することによって低速大トルク領域では永久磁石６によるトルクと、補助磁極７１によるトルクとの合成トルクが最大になるように制御される。

各磁極を形成する永久磁石６は、回転子鉄心７の一部である補助磁極７１を介して隣接している。補助磁極７１は、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。磁極片７２と補助磁極７１は、ブリッジ７３によって連結され、機械的強度を大きくしている。

磁石６Ａ１，６Ａ２とブリッジ７３の間には、それぞれ、三角形状の空隙７５Ａ１，７５Ａ２が設けられ、同極を構成する磁石６Ａ１，６Ａ２の間には、三角形状の空隙７５Ａ３が設けられている。空隙７５Ａ１，７５Ａ２，７５Ａ３の内部は、空気が存在しており、漏れ磁束を低減する。

挿入孔７０，補助磁極７１，空隙７５Ａ１，７５Ａ２，７５Ａ３の内周側は、永久磁石６の磁路を構成する回転子ヨーク７４である。以上の構成により、いわゆる埋め込み型の永久磁石回転子が構成される。

そこで、本実施形態では、回転子鉄心７の外周部であって、磁極片７２の空隙面に、磁極中心部より磁極片の端部にかけてなだらかに凹部７６を設けている。特に、回転子鉄心の磁極片の空隙面に磁極中心部より磁極片の端部にかけてなだらかに凹部７６を設けることで、トルク発生に大きく寄与し、鉄損発生に影響を及ぼさない補助磁極７１及び磁極片７２の中心部の空隙長は小さくし、トルク発生よりむしろ高調波鉄損を引き起こす磁極の中心から磁極片の端部における空隙部を図１で示すように大きくすることによって鉄損の低減とトルク発生の確保を両立させることができる。その点については、図３以降を用いて説明する。

また、補助磁極７１Ａ１，７１Ａ２の中心と、回転子３の中心，すなわち、シャフト８の中心を結ぶ線を、それぞれ、Ｌ２，Ｌ３とする。線Ｌ２〜線Ｌ３の範囲が、一磁極である。一磁極の角度θ１は、電気角で１８０°であり、８極の構成であるので、機械角で４５°である。また、角度θ２は、図示の例では、電気角で１３０°である。

ここで、磁極中心部の位置において、回転子３の外周部と、固定子２の内周部の間の空隙長をＧ１とし、回転子３の外周に凹部７６Ａ１，７６Ａ２が形成された位置の空隙長をＧ２とし、磁極端部の空隙長をＧ３とする。空隙長Ｇ３に対して、空隙長Ｇ１，Ｇ２は大きくなっており、回転子３は、外周に凹部７６が形成されている。しかも、空隙長Ｇ１は、空隙長Ｇ２よりも小さく、磁極片７２の空隙面に、磁極中心部より端部にかけてなだらかに凹部７６が形成されている。一例を挙げると、空隙長Ｇ１＝０．５ｍｍ，空隙長Ｇ２＝１．５ｍｍ，空隙長Ｇ３＝０．３ｍｍである。

空隙長Ｇ１＝０．５ｍｍとし、また、空隙長Ｇ２＝１．５ｍｍとし、その間においては、空隙長の変化は、図４に実線Ｘ１で示すように、下に凸の形状としている。すなわち、磁極中心部の空隙長の変化が、磁極片の端部の空隙長の変化よりも小さくしている。なお、図中、破線Ｘ２は直線であり、一点鎖線Ｘ３は上に凸の曲線である。

ここで、図５及び図６を用いて、本実施形態による永久磁石回転電機の回転子の鉄損について説明する。なお、図５，図６における値は、理論計算により求めたものであり、図４の説明における値とは、相違するものである。
図５及び図６は、本発明の第１の実施形態による永久磁石回転電機の回転子の鉄損の説明図である。

また、本実施形態において、補助磁極７１の空隙長Ｇ３を、磁極片７２の空隙長Ｇ１〜Ｇ２より小さくすることによって、永久磁石６の鉄損に大きく影響を与えない補助磁極７１のトルク発生比率を大きくすることによってトルク低減を少なくしたまま、鉄損低減が可能である。

以上説明したように、本実施形態によれば、鉄損の影響をさらに低減でき、高効率な永久磁石回転電機を得ることができる。
また、第１と第２の永久磁石６Ａ１，６Ａ２の内側端部の間に、磁極片７２と永久磁石より径方向における内側に位置する回転子鉄心とを繋ぐ第２のブリッジ部が設けられ、当該第２のブリッジ部は、周方向の幅がほぼ一定の部分を有している。すなわち、第２のブリッジ部が直線状であるので、この第２のブリッジ部には均一に引張応力がかかるため、遠心力への抵抗が上がる。

次に、図７を用いて、参考例の永久磁石回転電機の構成について説明する。ここで、参考例の永久磁石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７は、参考例の永久磁石回転電機の構成を示す断面図である。図７は、図２と同様に、回転軸に直交する方向の断面図であるとともに、図１のＡ−Ａ矢視図である。なお、図１，図２と、同一符号は、同一部分を示している。

以上説明したように、参考例によっても、鉄損の影響をさらに低減でき、高効率な永久磁石回転電機を得ることができる。

次に、図８〜図１０を用いて、本発明の第２の実施形態による永久磁石回転電機の構成について説明する。ここで、本実施形態による永久磁石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８は、本発明の第２の実施形態による永久磁石回転電機の構成を示す断面図である。図８は、図２と同様に、回転軸に直交する方向の断面図であるとともに、図１のＡ−Ａ矢視図である。なお、図１，図２と、同一符号は、同一部分を示している。

次に、図９及び図１０を用いて、本実施形態による永久磁石回転電機の回転子の磁極片の外周に形成された凹部７７について説明する。
図９及び図１０は、本発明の第２の実施形態による永久磁石回転電機の回転子の磁極片の外周に形成された凹部７７とトルクリプルの関係の説明図である。

溝（凹部７７）が無い場合のトルクリプルＹ２は、毎極，毎相当たりのスロット数が２の場合には、２０Ｎｍである。一方、凹部７７のθａ１（１５°〜４５°）の範囲では、凹部がない場合に比べてトルクリプルを低減できる。

また、溝（凹部７７）が無い場合のトルクリプルＹ１は、毎極，毎相当たりのスロット数が１の場合には、５４Ｎｍである。一方、凹部７７の位置が、磁極の中心位置より電気角θａ１（１５°〜４５°）の範囲では、凹部がない場合に比べてトルクリプルを低減できる。

図１０は、毎極，毎相当たりのスロット数が２の条件で、θ４を電気角で２４度、孔の大きさを最適化した場合のトルクリプル（実線Ｚ２）と、孔が無い場合のトルクリプル（実線Ｚ０）を比較して示している。図１０から理解されるように、凹部７７を磁極片の適当な位置に設けることによって、トルクリプルを約１／３に小さくできる。

以上説明したように、本実施形態によれば、永久磁石回転電機のトルクリプルを低減することができる。
また、第１と第２の永久磁石の内側端部の間に、磁極片と永久磁石より径方向における内側に位置する回転子鉄心とを繋ぐ第２のブリッジ部が設けられ、当該第２のブリッジ部は、周方向の幅がほぼ一定の部分を有している。すなわち、第２のブリッジ部が直線状であるので、この第２のブリッジ部には均一に引張応力がかかるため、遠心力への抵抗が上がる。

Claims (6)

1. 固定子巻線が固定子鉄心に巻回された固定子と、回転子鉄心内に周方向に極性が交互に配置された複数の永久磁石が挿入された永久磁石回転子とからなる永久磁石回転電機であって、
   前記永久磁石回転子鉄心は、
   前記永久磁石の空隙面に位置し、前記永久磁石の磁路を構成する磁極片と、
   前記複数の永久磁石間に空隙面まで突起し、リラクタンストルク発生用の補助磁極と、
   前記永久磁石の反空隙面に位置し、補助突極と永久磁石の磁路を形成する固定子ヨークとからなり、
   かつ、前記永久磁石の回転子鉄心の磁極片の空隙面に設けられ、磁極中心部より端部にかけてなだらかな凹部を備えたことを特徴とする永久磁石回転電機。
2. 請求項１記載の永久磁石回転電機において、
   前記凹部の位置における磁極中心部の空隙長の変化が、磁極端部の空隙長の変化よりも小さいことを特徴とする永久磁石回転電機。
3. 請求項１記載の永久磁石回転電機において、
   前記補助突極部の空隙長が、前記磁極片部の空隙長より小さいことを特徴とする永久磁石回転電機。
4. 固定子巻線が固定子鉄心に巻回された固定子と、回転子鉄心内に周方向に極性が交互に配置された複数の永久磁石が挿入された永久磁石回転子とからなる永久磁石回転電機であって、
   前記永久磁石回転子鉄心は、
   前記永久磁石の空隙面に位置し、前記永久磁石の磁路を構成する磁極片と、
   前記複数の永久磁石間に空隙面まで突起し、リラクタンストルク発生用の補助磁極と、
   前記永久磁石の反空隙面に位置し、補助突極と永久磁石の磁路を形成する固定子ヨークとからなり、
   かつ、前記永久磁石の回転子鉄心の磁極片の空隙面であって、磁極中心の両側に形成され、
   前記固定子鉄心の毎極毎相当たりのスロット数を２とするとき、磁極中心より電気角２０度より３０度の範囲の位置に、
   前記固定子鉄心の毎極毎相当たりのスロット数を１とするとき、磁極中心より電気角１５度より４５度の範囲の位置に形成された凹部を備えたことを特徴とする永久磁石回転電機。
5. 永久磁石回転電機と、この永久磁石回転電機により駆動される車輪と、前記永久磁石回転電機が出力する駆動トルクを制御する制御手段とを有する電動車両であって、
   前記永久磁石回転電機は、固定子巻線が固定子鉄心に巻回された固定子と、回転子鉄心内に周方向に極性が交互に配置された複数の永久磁石が挿入された永久磁石回転子とからなり、
   前記永久磁石回転子鉄心は、
   前記永久磁石の空隙面に位置し、前記永久磁石の磁路を構成する磁極片と、
   前記複数の永久磁石間に空隙面まで突起し、リラクタンストルク発生用の補助磁極と、
   前記永久磁石の反空隙面に位置し、補助突極と永久磁石の磁路を形成する固定子ヨークとからなり、
   かつ、前記永久磁石の回転子鉄心の磁極片の空隙面に設けられ、磁極中心部より端部にかけてなだらかな凹部を備えたことを特徴とする電動車両。
6. 永久磁石回転電機と、この永久磁石回転電機により駆動される車輪と、前記永久磁石回転電機が出力する駆動トルクを制御する制御手段とを有する電動車両であって、
   前記永久磁石回転電機は、固定子巻線が固定子鉄心に巻回された固定子と、回転子鉄心内に周方向に極性が交互に配置された複数の永久磁石が挿入された永久磁石回転子とからなり、
   前記永久磁石回転子鉄心は、
   前記永久磁石の空隙面に位置し、前記永久磁石の磁路を構成する磁極片と、
   前記複数の永久磁石間に空隙面まで突起し、リラクタンストルク発生用の補助磁極と、
   前記永久磁石の反空隙面に位置し、補助突極と永久磁石の磁路を形成する固定子ヨークとからなり、
   かつ、前記永久磁石の回転子鉄心の磁極片の空隙面であって、磁極中心の両側に形成され、
   前記固定子鉄心の毎極毎相当たりのスロット数を２とするとき、磁極中心より電気角２０度より３０度の範囲の位置に、
   前記固定子鉄心の毎極毎相当たりのスロット数を１とするとき、磁極中心より電気角１５度より４５度の範囲の位置に形成された凹部を備えたことを特徴とする電動車両。

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