JP2013169034A - 永久磁石式電機及び車両装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トルク脈動を低減することができる永久磁石式電機及び車両装置を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、永久磁石式電機は、固定子と回転子を備える。前記固定子は、固定子鉄心と、固定子スロットと、電機子巻線と、を備える。前記固定子スロットは、前記固定子鉄心に配置されている。前記電機子巻線は、前記固定子スロット内部に配置されている。前記回転子は、回転子鉄心と、永久磁石と、を備える。前記回転子鉄心は、前記固定子鉄心と空隙を隔てて対向して配置されている。前記永久磁石は、両端部が前記固定子スロットと同時に対向しないように回転子鉄心に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、永久磁石式電機及び車両装置に関するものである。

従来の永久磁石式回転電機は、固定子に電機子巻線を挿入する固定子スロットが配置され、一方、回転子に永久磁石が配置されている。その永久磁石の位置と対向する固定子スロットの位置によっては、空隙における空間上の磁気抵抗の変化が大きくなる。空隙の磁気抵抗の変化が大きくなると、固定子と永久磁石間などの磁気吸引力によって発生するトルク脈動が大きくなる。このトルク脈動は、振動や騒音の発生原因になり、回転電機を制御する上で外乱となるため、小さく抑えることが望まれる。

トルク脈動を低減する手法としては、回転子外周に溝を設けたもの、回転子形状を非円形にしたもの、回転子内部に磁束の流れを阻害するフラックスバリヤ（空隙）を設けたものなど、回転子形状に関するものが提案されている。また、回転子形状以外を調整する手法としては、永久磁石の形状及び配置を調整したもの、永久磁石の磁束を正弦波に近くなるよう着磁する方法など、永久磁石に関するものが提案されている。さらに、これら回転子形状や永久磁石形状を総合して調整したものも提案されている。

特開平１０−１７４３２４号公報 特開２００８−２０６３０８号公報

しかしながら、従来の永久磁石式回転電機では、次に示す問題点があった。トルク脈動は、固定子と永久磁石間などの磁気吸引力に起因して発生するものであるが、トルク脈動を低減する手法は、回転子形状あるいは永久磁石形状を調整するものに限定され、固定子スロット位置に起因する影響は特に考慮されていない。回転子形状及び永久磁石形状を調整することによってトルク脈動の低減を図るものの、永久磁石と対向する固定子スロットの位置によっては、トルク脈動低減に効果が得られないものがある。ここでは永久磁石式回転電機を例にして説明したが、他の永久磁石式電機も同様の課題を有する。

この発明は、トルク脈動を低減することができる永久磁石式電機及びこれを用いた車両装置を提供することを目的とする。

実施形態によれば、永久磁石式電機は、固定子と回転子を備える。前記固定子は、固定子鉄心と、固定子スロットと、電機子巻線と、を備える。前記固定子スロットは、前記固定子鉄心に配置されている。前記電機子巻線は、前記固定子スロット内部に配置されている。前記回転子は、回転子鉄心と、永久磁石と、を備える。前記回転子鉄心は、前記固定子鉄心と空隙を隔てて対向して配置されている。前記永久磁石は、両端部が前記固定子スロットと同時に対向しないように回転子鉄心に配置されている。

第１の実施形態の永久磁石式回転電機の全体構成を示す図。 第１の実施形態の永久磁石式回転電機の１極分を展開した図。 第２の実施形態の永久磁石式回転電機の全体構成を示す図。 第２の実施形態の永久磁石式回転電機の１極分を展開した図。 第３の実施形態の永久磁石式回転電機の全体構成を示す図。 第３の実施形態の永久磁石式回転電機の１極分を展開した図。 第４の実施形態の永久磁石式回転電機の全体構成を示す図。 第４の実施形態の永久磁石式回転電機の１極分を展開した図。 本実施形態の永久磁石式回転電機を駆動するドライブシステムの概略構成図。

以下に、図面を参照しながら、種々の実施形態について説明する。なお、実施形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。

（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態の永久磁石式回転電機１００について図面を参照して説明する。
（構成）
図１は、第１の実施形態の永久磁石式回転電機１０の径方向断面図である。なお、図１は、永久磁石式回転電機１０の１極分である。なお、図１に示す中心０は、回転子２００の回転中心を示している。永久磁石型回転電機１０は、固定子１００と回転子２００を有する。図１において、固定子１００は、固定子鉄心１０１、固定子ティース１０２、固定子スロット１０３、電機子巻線１０４を有している。固定子１００を主に構成する固定子鉄心１０１は、鉄にケイ素を添加することによって製造された薄板の電磁鋼板といわれる材料を積層して構成される。固定子鉄心１０１は、円筒状である。固定子鉄心１０１の内周側には、固定子ティース１０２、固定子スロット１０３が配置されている（設けられている）。固定子ティース１０２は、固定子鉄心１０１から中心に向かって径方向に伸び、回転子２００の外周に面する。固定子ティース１０２は、固定子鉄心１０１の周方向に等間隔で複数配置されている。固定子スロット１０３は、電機子巻線１０４を内部に配置（収容）するための溝である。各電機子巻線１０４は、各固定子ティース１０２に例えば集中巻または重ね巻されることにより、各固定子ティース１０２の中に収められている。各電機子巻線１０４は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれかの交流電流が流れる。固定子ティース１０２、固定子スロット１０３の周方向に沿った幅（寸法）については、後述する。

回転子２００は、固定子１００の内周側に配置される。回転子２００は、回転子鉄心２０１、永久磁石２０２、回転子シャフト２０３を有している。回転子鉄心２０１は、鉄にケイ素を添加することによって製造された薄板の電磁鋼板といわれる材料を積層して構成される。回転子鉄心２０１は、円筒状である。回転子鉄心２０１は、空隙（エアギャップ）を隔てて固定子ティース１０２（固定子鉄心１０１）と対向するように配置されている。回転子鉄心２０１は、固定子鉄心１０１と同軸上に回転自在に配置されている。回転子鉄心２０１の外周面には、永久磁石２０２が配置されている。永久磁石２０２は、回転子鉄心２０１の周方向に等間隔で複数配置されている。永久磁石２０２の周方向の幅については、後述する。回転子シャフト２０３は、回転子２００の内周側の中心に配置されている。回転子シャフト２０３は、図示しないコロ軸や玉軸などを有する軸受によって回転自在に支持されている。このような構成の永久磁石式回転電機１０では、電機子巻線１０４は、電流が流れることによって回転磁界を発生する。回転子２００は、発生した回転磁界によって吸引され、回転子シャフト２０３を中心に回転する。

次に、永久磁石２０２の幅について説明する。図２は、第１の実施形態の永久磁石式回転電機１０の１極分を曲面から平面に展開した径方向断面図であって、永久磁石式回転電機１０の空隙部近傍の拡大図である。第１の実施形態では、図２に示すように、固定子１００の固定子スロット１０３のスロット幅をＷｓ、固定子スロット１０３間の固定子ティース１０２の鉄心歯幅をＷｔ、永久磁石２０２の両端部間の磁石幅をＷｍとする。なお、第１の実施形態では、永久磁石２０２の端部は、固定子スロット１０３と対向する周方向の端部（磁極中心で対称となる２箇所）を指すものとする。永久磁石２０２の磁石幅Ｗｍは、１極分の固定子１００及び回転子２００の構成について、以下の式１を満たすように構成されている。

ｎ_１×Ｗｓ＋(ｎ_１−１)×Ｗｔ≦Ｗｍ≦(ｎ_２−１)×Ｗｓ＋ｎ_２×Ｗｔ （式１）
なお、ｎ_１、ｎ_２は、１以上の整数であって、ｎ_１＜ｎ_２を満たすように設定する。つまり、永久磁石２０２の両端部は、固定子スロット１０３と同時に対向しない（永久磁石２０２の両端部は、固定子スロット１０３内に同時に位置することがない）。ここでは、任意の１極の永久磁石２０２の磁石幅Ｗｍについて説明したが、他の極の永久磁石についても同様である。

（作用）
はじめに、一般的な永久磁石式回転電機で生じるトルク脈動の要因について説明する。トルク脈動の要因は、永久磁石より出た磁束が磁路のパーミアンス（磁気抵抗の逆数）の変化によって増減して、磁気エネルギーが変化するためである。磁気エネルギーの変化が大きくなると、固定子と永久磁石間などの磁気吸引力によって発生するトルク脈動が大きくなる。パーミアンスの変化（磁束密度の変化）は、固定子スロットと永久磁石の位置関係よって生じる。そのため、パーミアンスの変化を緩和することは、トルク脈動の減少につながる。特に、回転子に配置された永久磁石の端部では、急激にパーミアンスが変化するため、パーミアンスの変化を緩和する必要がある。つまり、トルク脈動を減少させるためには、固定子と回転子の間の空隙における急峻なパーミアンスの変化を緩和すること（起磁力を正弦波化すること）が必要である。

一般に、電磁機械系において発生するトルクは、仮想仕事の原理から、次式のように求められる。

ここで、Ｗは全磁気エネルギー、θは回転角度である。また、Ｗ＝１／２ΦＩである。ここで、Φは全磁束、Ｉは磁束と鎖交する電流である。また、Φ＝Ｆ／Ｉである。ここで、Ｆは前期電力、Ｒは磁気抵抗である。なお、パーミアンスρは、ρ＝１／Ｒである。

磁気エネルギーは、パーミアンスの変化に直接影響を受ける。そのため、パーミアンスの変化が低減すると、磁気エネルギーの変化が小さくなり、結果として、トルク脈動も小さくなる。

次に、第１の実施形態の永久磁石式回転電機１０の特性（作用）について説明する。永久磁石２０２の磁石幅Ｗｍが式１の下限値ｎ_１×Ｗｓ＋(ｎ_１−１)×Ｗｔまたは上限値(ｎ_２−１)×Ｗｓ＋ｎ_２×Ｗｔで構成されている場合、永久磁石２０２の両端部の位置は、回転子２００の回転動作により、固定子スロット１０３に対して反対となる。つまり、永久磁石２０２両端部のうちいずれか一方が固定子スロット１０３と対向する位置にある場合（固定子スロット１０３内に位置する場合）、他方が固定子スロット１０３以外の部材（つまり固定子ティース１０２）と対向する位置にある。したがって、磁石２０２の両端部のうちの他方は、固定子スロット１０３と対向しない位置にある（固定子スロット１０３内に位置しない）。言い換えると、上記説明したように、永久磁石２０２の両端部は、固定子スロット１０３と対向する位置に同時に存在することはない（永久磁石２０２の両端部は、固定子スロット１０３内に同時に位置することがない）。

永久磁石２０２の両端部のうちいずれか一方の磁気エネルギーが大きくなると、他方の磁気エネルギーが小さくなる。つまり、永久磁石２０２の両端部での磁気エネルギーの変化は緩和（平均化）するので、永久磁石式回転電機１０におけるトルク脈動は、小さくなる。したがって、永久磁石２０２の磁石幅Ｗｍは、ｎ_１×Ｗｓ＋(ｎ_１−１)×Ｗｔまたは(ｎ_２−１)×Ｗｓ＋ｎ_２×Ｗｔが好適であるが、式１で示したようにこれらの間に収まるように構成されていても同様に作用する。

（効果）
第１の実施形態によれば、永久磁石２０２の磁石幅Ｗｍを式１の関係を満たすように最適化して構成することにより、トルク脈動の低減を実現することが可能な永久磁石式回転電機１０を提供することができる。その結果、永久磁石式回転電機１０は、損失、回転ムラを抑制できる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について、図３、図４を参照して詳細に説明する。図３は、第２の実施形態の永久磁石式回転電機（永久磁石式リラクタンス形回転電機）１１の径方向断面図である。図４は、第２の実施形態の永久磁石式回転電機１１の１極分を曲面から平面に展開した径方向断面図であって、永久磁石式回転電機１１の空隙部近傍の拡大図である。尚、図１乃至図２に示した同一の構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。第２の実施形態は、磁極中心で対称な平板形状の永久磁石が回転子鉄心２０１の内部に埋め込まれて配置されている点で第１の実施形態と異なっている。以下、その点について詳細に説明する。

（構成）
永久磁石２０２１は、回転子鉄心２０１の内部に配置されている。例えば、永久磁石２０２１は、径方向（磁極中心）と直交する平板形状であり、磁化方向が径方向（磁極中心）と一致する。第２の実施形態では、図４に示すように、固定子１００の固定子スロット１０３のスロット幅をＷｓ、固定子スロット１０３間の固定子ティース１０２の鉄心歯幅をＷｔ、回転子２００の永久磁石２０２１の両端部間の磁石幅をＷｍ、固定子２００の内径をＤｓ、永久磁石２０２１の端部の外周側外径をＤｍとする。なお、第２の実施形態では、永久磁石２０２の端部は、回転子鉄心２０１の外周面に最も近い部分（磁極中心で対称となる２箇所）を指すものとする。永久磁石２０２１の磁石幅Ｗｍは、１極分の固定子１００及び回転子２００の構成について、以下の式２を満たすように構成されている。

(ｎ_１×Ｗｓ＋(ｎ_１−１)×Ｗｔ)×Ｄｍ／Ｄｓ≦Ｗｍ≦((ｎ_２−１)×Ｗｓ＋ｎ_２×Ｗｔ)×Ｄｍ／Ｄｓ （式２）
なお、ｎ_１、ｎ_２は、１以上の整数であって、ｎ_１＜ｎ_２を満たすように設定する。つまり、永久磁石２０２１の両端部は、固定子スロット１０３と同時に対向しない（永久磁石２０２１の両端部は、固定子スロット１０３内に同時に位置することがない）。ここでは、任意の１極の永久磁石２０２１の磁石幅Ｗｍについて説明したが、他の極の永久磁石についても同様である。

なお、１つの磁極に１つの永久磁石２０２１が配置されている例を示したが、径方向（磁極中心）に沿って、磁化方向が磁極中心となるように永久磁石が２以上の多層で配置されていてもよい。この場合、各永久磁石は、それぞれの磁石幅Ｗｍが式２を満たすように構成される。なお、多層で配置された複数の永久磁石のうち、少なくともいずれか１層を形成する永久磁石の磁石幅Ｗｍが式２を満たすように構成されていてもよい。

（作用）
次に、第２の実施形態の永久磁石式回転電機１１の特性について説明する。永久磁石２０２１の磁石幅Ｗｍが式２の下限値(ｎ_１×Ｗｓ＋(ｎ_１−１)×Ｗｔ)×Ｄｍ／Ｄｓまたは上限値((ｎ_２−１)×Ｗｓ＋ｎ_２×Ｗｔ)×Ｄｍ／Ｄｓである場合、永久磁石２０２１の両端部の位置は、回転子２００の回転動作により、固定子スロット１０３に対して反対となる。つまり、永久磁石２０２１の両端部のうちいずれか一方が固定子スロット１０３と対向する位置にある場合（固定子スロット１０３内に位置する場合）、他方が固定子スロット１０３以外の部材（つまり固定子ティース１０２）と対向する位置にある。したがって、磁石２０２１の両端部のうちの他方は、固定子スロット１０３と対向しない位置にある（固定子スロット１０３内に位置しない）。言い換えると、永久磁石２０２１の両端部は、固定子スロット１０３と対向する位置に同時に存在することはない（永久磁石２０２１の両端部は、固定子スロット１０３内に同時に位置することがない）。第1の実施形態で説明したように、永久磁石２０２１の両端部での磁気エネルギーの変化は緩和（平均化）するので、永久磁石式回転電機１０におけるトルク脈動は、小さくなる。したがって、永久磁石２０２１の磁石幅Ｗｍは、(ｎ_１×Ｗｓ＋(ｎ_１−１)×Ｗｔ)×Ｄｍ／Ｄｓまたは((ｎ_２−１)×Ｗｓ＋ｎ_２×Ｗｔ)×Ｄｍ／Ｄｓが好適であるが、式２で示したようにこれらの間に収まるように構成されていても同様に作用する。

（効果）
第２の実施形態によれば、永久磁石２０２１の磁石幅Ｗｍを式２の関係を満たすように最適化して構成することにより、トルク脈動の低減を実現することが可能な永久磁石式回転電機１１を提供することができる。その結果、永久磁石式回転電機１１は、損失、回転ムラを抑制できる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態について、図５、図６を参照して詳細に説明する。図５は、第３の実施形態の永久磁石式回転電機（永久磁石式リラクタンス形回転電機）１２の径方向断面図である。図６は、第３の実施形態の永久磁石式回転電機１２の１極分を曲面から平面に展開した径方向断面図であって、永久磁石式回転電機１２の空隙部近傍の拡大図である。尚、図１乃至図４に示した同一の構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。第３の実施形態は、例えば略Ｖ字形状のように、磁極中心で対称となる永久磁石が回転子鉄心２０１の内部に埋め込まれて配置されている点で第１の実施形態と異なっている。以下、その点について詳細に説明する。

（構成）
永久磁石２０２２、永久磁石２０２３は、磁極中心で対称となるように回転子鉄心２０１の内部に配置された平板形状の永久磁石である。永久磁石２０２２、永久磁石２０２３は、磁化方向が径方向（磁極中心）と交わるように配置されている。また、永久磁石２０２２、永久磁石２０２３は、磁極中心側に近い一端側よりも磁極端側に近い他端側が回転子鉄心２０１の外周面に近くなるように配置されている。つまり、永久磁石２０２２、永久磁石２０２３は、回転子鉄心２０１の中心０側から外周面側にかけて広がる略Ｖ字形状で、磁極中心で対称となるように配置されている。

第３の実施形態では、図６に示すように、固定子１００の固定子スロット１０３のスロット幅をＷｓ、固定子スロット１０３間の固定子ティース１０２の鉄心歯幅をＷｔ、永久磁石２０２２の端部と永久磁石２０２３の端部との間の磁石幅をＷｍ、固定子２００の内径をＤｓ、永久磁石２０２２の端部（または永久磁石２０２３の端部）の外周側外径をＤｍとする。なお、第３の実施形態では、永久磁石２０２２の端部、永久磁石２０２３の端部は、回転子鉄心２０１の外周面に最も近い部分を指すものとする。永久磁石２０２２の端部と永久磁石２０２３の端部との間の磁石幅Ｗｍは、１極分の固定子１００及び回転子２００の構成について、以下の式３を満たすように構成されている。

(ｎ_１×Ｗｓ＋(ｎ_１−１)×Ｗｔ)×Ｄｍ／Ｄｓ≦Ｗｍ≦((ｎ_２−１)×Ｗｓ＋ｎ_２×Ｗｔ)×Ｄｍ／Ｄｓ （式３）
なお、ｎ_１、ｎ_２は、１以上の整数であって、ｎ_１＜ｎ_２を満たすように設定する。つまり、永久磁石２０２２の端部と永久磁石２０２３の端部は、固定子スロット１０３と同時に対向しない（永久磁石２０２２の端部と永久磁石２０２３の端部は、固定子スロット１０３内に同時に位置することがない）。ここでは、任意の１極の磁石幅Ｗｍについて説明したが、他の極の永久磁石についても同様である。

なお、回転子鉄心２０１に配置される永久磁石は、図５では、磁極中心を挟んで永久磁石２０２２、永久磁石２０２３に分割されているが、磁極中心でつながった１つの永久磁石で構成された略Ｖ字形状であってもよい。また、永久磁石は、略Ｖ字形状以外にも、略Ｕ字形状で回転子鉄心２０１に配置されてもよい。略Ｕ字形状の場合、回転子鉄心２０１に配置される永久磁石は、永久磁石２０２２、永久磁石２０２３を磁極中心側に近い一端側から磁極端側に近い他端側にかけて曲線状で構成される。この場合も、回転子鉄心２０１に配置される永久磁石は、磁極中心でつながった１つの永久磁石で構成された略Ｕ字形状であってもよい。

なお、１つの磁極に永久磁石２０２２、２０２３が１層の略Ｖ字形状で配置されている例を示したが、磁極中心軸に沿って、略Ｖ字形状の永久磁石が２以上の多層で配置されていてもよい。この場合、各層を形成する２つ永久磁石は、それぞれ永久磁石の端部間の磁石幅Ｗｍが式３を満たすように構成する。なお、少なくともいずれか１層を形成する２つの永久磁石の端部間の磁石幅Ｗｍが式３を満たすように構成されていてもよい。なお、略Ｕ字形状で多層配置された永久磁石についても同様である。

（作用）
次に、第３の実施形態の永久磁石式回転電機１２の特性について説明する。永久磁石２０２２の端部と永久磁石２０２３の端部間の磁石幅Ｗｍが式３の下限値(ｎ_１×Ｗｓ＋(ｎ_１−１)×Ｗｔ)×Ｄｍ／Ｄｓまたは上限値((ｎ_２−１)×Ｗｓ＋ｎ_２×Ｗｔ)×Ｄｍ／Ｄｓである場合、永久磁石２０２２の端部と永久磁石２０２３の端部の位置は、回転子２００の回転動作により、固定子スロット１０３に対して反対となる。つまり、永久磁石２０２２の端部と永久磁石２０２３の端部のうちいずれか一方が固定子スロット１０３と対向する位置にある場合（固定子スロット１０３内に位置する場合）、他方が固定子スロット１０３以外の部材（つまり固定子ティース１０２）と対向する位置にある。したがって、永久磁石２０２２の端部と永久磁石２０２３の端部のうちの他方は、固定子スロット１０３と対向しない位置にある（固定子スロット１０３内に位置しない）。言い換えると、永久磁石２０２２の端部と永久磁石２０２３の端部は、固定子スロット１０３と対向する位置に同時に存在することはない（永久磁石２０２２の端部と永久磁石２０２３の端部は、固定子スロット１０３内に同時に位置することがない）。第1の実施形態で説明したように、永久磁石２０２２の端部と永久磁石２０２３の端部での磁気エネルギーの変化は緩和（平均化）するので、永久磁石式回転電機１２におけるトルク脈動は、小さくなる。したがって、永久磁石２０２２の端部と永久磁石２０２３の端部の両端部間の幅Ｗｍは、(ｎ_１×Ｗｓ＋(ｎ_１−１)×Ｗｔ)×Ｄｍ／Ｄｓまたは((ｎ_２−１)×Ｗｓ＋ｎ_２×Ｗｔ)×Ｄｍ／Ｄｓが好適であるが、式３で示したようにこれらの間に収まるように構成されていても同様に作用する。

（効果）
第３の実施形態によれば、永久磁石２０２２の端部と永久磁石２０２３の端部との間の磁石幅Ｗｍを式３の関係を満たすように最適化して構成することにより、トルク脈動の低減を実現することが可能な永久磁石式回転電機１２を提供することができる。その結果、永久磁石式回転電機１２は、損失、回転ムラを抑制できる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態について、図７、図８を参照して詳細に説明する。図７は、第４の実施形態の永久磁石式回転電機（永久磁石式リラクタンス形回転電機）１３の径方向断面図である。図８は、第４の実施形態の永久磁石式回転電機１３の１極分を曲面から平面に展開した径方向断面図であって、永久磁石式回転電機１３の空隙部近傍の拡大図である。尚、図１乃至図６に示した同一の構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。第４の実施形態は、永久磁石２０２１が回転子鉄心２０１の内部に埋め込まれて配置されている点で第２の実施形態と共通しているが、永久磁石２０２の周囲にフラックスバリア（空隙）２０６、２０７が配置されている点で第２の実施形態と異なっている。以下、その点について詳細に説明する。

（構成）
回転子鉄心２０１は、永久磁石埋め込み孔２０５を有する。例えば、永久磁石埋め込み孔２０５は、径方向（磁極中心）と直交し、磁極中心で対称な矩形状の孔である。永久磁石埋め込み孔２０５は、永久磁石２０２を挿入した際に永久磁石２０２の周囲（磁極中心で対称となる永久磁石２０２の両側の２箇所）にフラックスバリア２０６、２０７が形成されるサイズである。永久磁石埋め込み孔２０５は、その内部にフラックスバリア２０６、２０７、永久磁石２０２を一体に包含する。なお、永久磁石埋め込み孔２０５は、フラックスバリア２０６、２０７の代わりに非磁性体材料を配置してもよい。

第４の実施形態では、図８に示すように、固定子１００の固定子スロット１０３のスロット幅をＷｓ、固定子スロット１０３間の固定子ティース１０２の鉄心歯幅をＷｔ、フラックスバリア２０６の端部とフラックスバリア２０７の端部の両端部間の距離であるフラックスバリア幅をＷｆ、固定子２００の内径をＤｓ、フラックスバリア２０６の端部（または、フラックスバリア２０７の端部）の外周側外径をＤｆとする。なお、第４の実施形態では、フラックスバリア２０６の端部、フラックスバリア２０７の端部は、回転子鉄心２０１の外周面に最も近い部分を指すものとする。フラックスバリア幅Ｗｆは、１極分の固定子１００及び回転子２００の構成について、以下の式４を満たすように構成されている。

(ｎ_１×Ｗｓ＋(ｎ_１−１)×Ｗｔ)×Ｄｆ／Ｄｓ≦Ｗｆ≦((ｎ_２−１)×Ｗｓ＋ｎ_２×Ｗｔ)×Ｄｆ／Ｄｓ （式４）
なお、ｎ_１、ｎ_２は、１以上の整数であって、ｎ_１＜ｎ_２を満たすように設定する。つまり、フラックスバリア２０６の端部とフラックスバリア２０７の端部は、固定子スロット１０３と同時に対向しない（フラックスバリア２０６の端部とフラックスバリア２０７の端部は、固定子スロット１０３内に同時に位置することがない）。なお、第４の実施形態では、永久磁石埋め込み孔２０５に埋め込まれる永久磁石２０２の大きさ（幅）は、永久磁石２０２を挿入した際にフラックスバリア２０６、２０７が永久磁石埋め込み孔２０４に形成される範囲で可変であり、限定されない。ここでは、任意の１極のフラックスバリア幅Ｗｆについて説明したが、他の極についても同様である。

なお、１つの磁極に１つの永久磁石埋め込み孔２０５（及びこれに挿入される永久磁石２０２１）が配置されている例を示したが、径方向（磁極中心）に沿って、永久磁石埋め込み孔（及びこれに挿入される永久磁石）は、２以上の多層で配置されていてもよい。この場合、各永久磁石埋め込み孔は、それぞれに形成される２つのフラックスバリアの端部間のフラックスバリア幅Ｗｆが式４を満たすように構成される。なお、多層で配置された複数の永久磁石埋め込み孔のうち、少なくともいずれか１層を形成する永久磁石埋め込み孔のフラックスバリア幅Ｗｆが式４を満たすように構成されていてもよい。

（作用）
次に、第４の実施形態の永久磁石式回転電機１３の特性について説明する。フラックスバリア幅Ｗｆが式４の下限値(ｎ_１×Ｗｓ＋(ｎ_１−１)×Ｗｔ)×Ｄｆ／Ｄｓまたは上限値((ｎ_２−１)×Ｗｓ＋ｎ_２×Ｗｔ)×Ｄｆ／Ｄｓである場合、フラックスバリア２０６の端部とフラックスバリア２０７の端部の位置は、回転子２００の回転動作により、固定子スロット１０３に対して反対となる。つまり、フラックスバリア２０６の端部とフラックスバリア２０７の端部のうちいずれか一方が固定子スロット１０３と対向する位置にある場合（固定子スロット１０３内に位置する場合）、他方が固定子スロット１０３以外の部材（つまり固定子ティース１０２）と対向する位置にある。したがって、フラックスバリア２０６の端部とフラックスバリア２０７の端部のうちの他方は、固定子スロット１０３と対向しない位置にある（固定子スロット１０３内に位置しない）。。言い換えると、フラックスバリア２０６の端部とフラックスバリア２０７の端部は、固定子スロット１０３と対向する位置に同時に存在することはない（フラックスバリア２０６の端部とフラックスバリア２０７の端部は、固定子スロット１０３内に同時に位置することがない）。フラックスバリア２０６の端部とフラックスバリア２０７の端部での磁気エネルギーの変化は緩和（平均化）するので、永久磁石式回転電機１３におけるトルク脈動は、小さくなる。したがって、フラックスバリア幅Ｗｆは、(ｎ_１×Ｗｓ＋(ｎ_１−１)×Ｗｔ)×Ｄｆ／Ｄｓまたは((ｎ_２−１)×Ｗｓ＋ｎ_２×Ｗｔ)×Ｄｆ／Ｄｓが好適であるが、式４で示したようにこれらの間に収まるように構成されていても同様に作用する。

（効果）
第４の実施形態によれば、フラックスバリア２０６の端部とフラックスバリア２０７の端部の両端部間のフラックスバリア幅Ｗｆを式４の関係を満たすように最適化して構成することにより、トルク脈動の低減を実現することが可能な永久磁石式回転電機１３を提供することができる。その結果、永久磁石式回転電機１３は、損失、回転ムラを抑制できる。

図９は、本実施形態の永久磁石式回転電機（モータ）を駆動するドライブシステム３０の概略構成図である。図９は、第１の実施形態の永久磁石式回転電機１０を示しているが、このドライブシステム３０は、第２の実施形態の永久磁石式回転電機１１、第３の実施形態の永久磁石式回転電機１２、第４の実施形態の永久磁石式回転電機１３についても同様に適用できる。ドライブシステム３０は、インバータ３１、インバータ制御部３２、回転角検出器３３、電流検出器３４、３５を有する。インバータ３１は、永久磁石式回転電機１０とつながれ、永久磁石式回転電機１０を駆動する。インバータ制御部３２は、インバータ３１とつながれ、永久磁石式回転電機１０のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各電機子巻線１０４に３相交流電圧を印加する。インバータ制御部３２は、要求されたトルク指令に合致したトルクが永久磁石式回転電機１０で出力されるように制御する。回転角検出器３３は、永久磁石式回転電機１０の回転子２００の回転角（電気角）θを検出する。電流検出器３４、３５は、電流値Ｉｕ、Ｉｗを検出する。

インバータ制御部３２は、座標変換（ＵＶＷ／ｄｑ）部３２１、電流制御部３２２、座標変換（ｄｑ／ＵＶＷ）部３２３、三角波ＰＷＭ(Pulse width modulation)変調部３２４を有する。座標変換部３２１は、電流検出器３４、３５から電流値Ｉｕ、Ｉｗ、回転角検出器３３から回転角θが入力される。座標変換（ＵＶＷ／ｄｑ）部３２１は、回転角θに応じて、ＵＶＷ座標系上の電流値Ｉｕ、ＩｗをＤＱ座標系上のＤＱ軸電流値Ｉ_ｄ ^res _、Ｉ_ｑ ^resへ変換する。電流制御部３２２は、座標変換（ＵＶＷ／ｄｑ）部３２１からＤＱ軸電流値Ｉ_ｄ ^res _、Ｉ_ｑ ^res、外部からトルク指令に応じたＤＱ軸電流指令Ｉ_ｄ ^ref _、Ｉ_ｑ ^refが入力される。電流制御部３２２は、ＤＱ軸電流値Ｉ_ｄ ^res _、Ｉ_ｑ ^resが各々のＤＱ軸電流指令Ｉ_ｄ ^ref _、Ｉ_ｑ ^refに一致するようにＤＱ軸出力の電圧指令Ｖｄ、Ｖｑを生成する。電流制御部３２２は、電圧指令Ｖｄ、Ｖｑを座標変換（ｄｑ／ＵＶＷ）部３２３に出力する。座標変換（ｄｑ／ＵＶＷ）部３２３は、ＤＱ座標系上の電圧指令Ｖｄ、ＶｑをＵＶＷ座標系上の電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換する。座標変換（ｄｑ／ＵＶＷ）部３２３は、電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを三角波ＰＷＭ変調部３２４に出力する。三角波ＰＷＭ変調部３２４は、電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに基づいて、インバータ２０のスイッチング素子へのゲート指令を生成する。三角波ＰＷＭ変調部３２４は、インバータ２０にゲート指令を出力する。永久磁石式回転電機１０は、上記ドライブシステム３０の構成により駆動する。

本実施形態の永久磁石式回転電機は、負荷機械の駆動用途以外にも、車両、鉄道（電車）などの車両装置に適用できる。また、本実施形態は、インナーロータ型の永久磁石式回転電機を例にして説明したが、アウターロータ型の永久磁石式回転電機にも適用できる。また、本実施形態は、固定子、回転子を同軸で配置された円筒形構造の永久磁石式回転電機を例にして説明したが、リニアモータ、アキシャルギャップモータなどの水平方向（水平面）で回転軸方向に対向するフラットタイプの永久磁石式電機（モータ）にも適用できる。また、本実施形態は、オープンスロットの固定子１０を例にして説明したが、スロット幅が固定子の内径方向にかけて小さくなるような半閉スロットの固定子であってもよい。この場合、スロット幅Ｗｓは、固定子スロットのスロットオープニング幅であり、歯幅Ｗｔは、ギャップ面における固定子ティースの鉄心歯幅である。

なお、第１の実施形態乃至第４の実施形態は、適宜組み合わせることができる。つまり、組み合わせる実施形態毎に磁石幅またはフラックスバリア幅を決定して、永久磁石または永久磁石埋め込み孔は、回転子鉄心２０１に配置される。例えば、第２の実施形態と第３の実施形態を組み合わせた場合、回転子鉄心２０１に配置される永久磁石は、第３の実施形態の永久磁石２０２２のうち磁極端側に近い他端側と永久磁石２０２３のうち磁極端側に近い他端側の間に磁化方向が径方向（磁極中心）となるような第２の実施形態の永久磁石２０２が配置され、略∇字形状を構成する。この場合、永久磁石２０２の磁石幅Ｗｍは式２を満たすように構成され、永久磁石２０２２の端部と永久磁石２０２３の端部との間の磁石幅Ｗｍは式３を満たすように構成される。なお、永久磁石２０２の磁石幅Ｗｍまたは永久磁石２０２２の端部と永久磁石２０２３の端部との間の磁石幅Ｗｍのうち少なくとも一方が条件式をみたすように構成されてもよい。なお、回転子鉄心２０１に配置される永久磁石２０２、永久磁石２０２２、永久磁石２０２３は、互いにつながった１つの永久磁石で構成された略∇字形状であってもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…永久磁石式回転電機、１１…永久磁石式回転電機、１２…永久磁石式回転電機、１３…永久磁石式回転電機、３０…ドライブシステム、３１…インバータ、３２…インバータ制御部、３３…回転角検出器、３４…電流検出器、３５…電流検出器、１００…固定子、１０１…固定子鉄心、１０２…固定子ティース、１０３…固定子スロット、１０４…電機子巻線、２００…回転子、２０１…回転子鉄心、２０２…永久磁石、２０３…回転子シャフト、２０５…永久磁石埋め込み孔、２０６…フラックスバリア、２０７…フラックスバリア、３２１…座標変換（ＵＶＷ／ｄｑ）部、３２２…電流制御部、３２３…座標変換（ｄｑ／ＵＶＷ）部、３２４…三角波ＰＷＭ変調部、２０２１…永久磁石、２０２２…永久磁石、２０２３…永久磁石。

Claims (12)

1. 固定子鉄心と、
   前記固定子鉄心に配置された固定子スロットと、
   前記固定子スロット内部に配置された電機子巻線と、
   を備える固定子と、
   前記固定子鉄心と空隙を隔てて対向して配置された回転子鉄心と、
   両端部が前記固定子スロットと同時に対向しないように回転子鉄心に配置された永久磁石と、
   を備える回転子と、
   を備える永久磁石式電機。
2. 前記永久磁石は前記回転子鉄心の外周面に配置され、
   前記固定子スロット幅をＷｓ、前記固定子スロット間の鉄心歯幅をＷｔとしたとき、
   前記永久磁石の両端部間の幅Ｗｍは、
   ｎ_１×Ｗｓ＋(ｎ_１−１)×Ｗｔ≦Ｗｍ≦(ｎ_２−１)×Ｗｓ＋ｎ_２×Ｗｔ
   （ｎ_１、ｎ_２は１以上の整数、ｎ_１＜ｎ_２）
   となる式を満たすように構成されている、請求項１記載の永久磁石式電機。
3. 前記永久磁石は前記回転子鉄心の内部に配置され、
   前記固定子スロット幅をＷｓ、前記固定子スロット間の鉄心歯幅をＷｔ、前記固定子鉄心の内径をＤｓ、前記永久磁石の端部の外周側外径をＤｍとしたとき、
   前記永久磁石の両端部間の幅Ｗｍは、
   （ｎ_１×Ｗｓ＋(ｎ_１−１)×Ｗｔ）×Ｄｍ／Ｄｓ≦Ｗｍ≦（（ｎ_２−１）×Ｗｓ＋ｎ_２×Ｗｔ）×Ｄｍ／Ｄｓ
   （ｎ_１、ｎ_２は１以上の整数、ｎ_１＜ｎ_２）
   となる式を満たすように構成されている、請求項１記載の永久磁石式電機。
4. 前記永久磁石は、磁化方向が径方向と一致するように配置されている、請求項３記載の永久磁石式電機。
5. 前記永久磁石は、前記回転子鉄心の中心側から外周面側にかけて広がる形状で、磁極中心で対称に配置されている、請求項３記載の永久磁石式電機。
6. 前記永久磁石が２以上の多層で配置されている場合、少なくともいずれか１層を形成する前記永久磁石の両端部間の幅Ｗｍは、前記式を満たすように構成されている、請求項３記載の永久磁石式電機。
7. 固定子鉄心と、
   前記固定子鉄心に配置された固定子スロットと、
   前記固定子スロット内部に配置された電機子巻線と、
   を備える固定子と、
   前記固定子鉄心と空隙を隔てて対向して配置された回転子鉄心と、
   前記回転子鉄心の内部に配置された永久磁石と、
   前記永久磁石の挿入時に前記永久磁石の両側にフラックスバリアが形成される永久磁石埋め込み孔と、
   を備える回転子と、を備え、
   前記永久磁石埋め込み孔は、前記フラックスバリアの両端部が前記固定子スロットと同時に対向しないように回転子鉄心に配置されている、
   を備える永久磁石式電機。
8. 前記固定子スロット幅をＷｓ、前記固定子スロット間の鉄心歯幅をＷｔ、前記固定子鉄心の内径をＤｓ、前記フラックスバリアの端部の外周側外径をＤｆとしたとき、
   前記フラックスバリアの両端部間の幅Ｗｆは、
   （ｎ_１×Ｗｓ＋(ｎ_１−１)×Ｗｔ）×Ｄｆ／Ｄｓ≦Ｗｆ≦（（ｎ_２−１）×Ｗｓ＋ｎ_２×Ｗｔ）×Ｄｆ／Ｄｓ
   （ｎ_１、ｎ_２は１以上の整数、ｎ_１＜ｎ_２）
   となる式を満たすように構成されている、請求項７記載の永久磁石式電機。
9. 前記固定子と前記回転子は、同軸で配置された円筒形構造である、請求項１乃至８のいずれか１項記載の永久磁石式電機。
10. 前記固定子と前記回転子は、回転軸方向に対向する、請求項１乃至８のいずれか１項記載の永久磁石式電機。
11. 前記固定子スロット幅は、前記固定子の内径方向にかけて小さくなる、請求項１乃至１０のいずれか１項記載の永久磁石式電機。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項記載の永久磁石式電機を備える車両装置。

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