JP2013225997A - 永久磁石回転電機及びそれを用いた電動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、回転電機のトルク特性を向上できる回転電機を提供することを目的とする。また本発明の回転電機を使用することにより電動車両から排出される環境負荷を軽減することを目的とする。
【解決手段】回転子鉄心中に設けた複数の永久磁石挿入孔に埋設した永久磁石を有する回転子を備え、回転子が固定子の内周側でギャップを介して回転軸により回転自在に支承され、永久磁石の磁束軸をｄ軸、ｄ軸と電気角で９０°隔てられた位置をｑ軸としたとき、ｑ軸上には永久磁石挿入孔があり、永久磁石挿入孔にはｑ軸と直交するように着磁された第一の永久磁石を埋設し、ｄ軸上にも永久磁石挿入孔を配置し、永久磁石挿入孔にはｄ軸と平行する方向に着磁された第二の永久磁石を埋設するとともに、第一の永久磁石と前記第二の永久磁石との間に、永久磁石挿入孔に埋設された第三の永久磁石を、少なくとも一つ以上備えるように永久磁石回転電機を構成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、永久磁石回転電機及びそれを用いた電動車両に関する。

車両用の回転電機、例えばハイブリッド電気自動車の駆動用電動機などでは、発進、追い越し等、加速性能が必要となるため、モータには瞬時的な加速トルクが要求される。

自動車用途に用いられる回転電機の場合この瞬時的なトルクを発生させるため、電動機として永久磁石式の回転電機を採用し、大電流を通電することで高応答な瞬時トルク発生を実現している。ここで、大電流を用いる旨を記述したが、その際の問題点はインバータのスイッチング素子やバスバーに発生する回路損失が大となり、発熱対策の観点からインバータ体積が大きくなってしまうことにある。

そのため、瞬時トルク発生時のインバータ電流低減、すなわち永久磁石回転電機のトルク特性向上が望まれている。

永久磁石回転電機のトルク成分は、永久磁石の磁束と通電される電流との積で表わされる磁石トルクと、回転子のｄ軸リラクタンスとｑ軸リアクタンスとの差異で生じるリラクタンストルクとに大別される。永久磁石回転電機のトルク特性向上は、換言するとこれらトルク成分の向上と言える。

上述した磁石トルク成分を増加させるためには、永久磁石の表面積を増やすように構成し、永久磁石磁束を増加させることが近道である。つまり、回転電機の体格を増加させることが常套手段となる。

しかしながら、自動車の燃料消費量は車体重量に比例して増加することから、昨今の環境負荷軽減のためには、車体重量を軽くすることが必須となっている。つまり、車体に搭載される回転電機を含めたあらゆるコンポーネントには、実装スペースの制限も含め、小型・軽量化が強く望まれている。つまり、回転電機も体格増によるトルク向上は選択肢として成立しないことになる。

そこで、リラクタンストルクと磁石トルクとを活用する技術が特許文献１に開示されている。

特開２００２−３５４７２８号公報

リラクタンストルクを多用すると、機内のインダクタンスが増大するため、力率が悪化し、インバータ容量やバッテリ容量を増加させることとなり、回転電機以外のコンポーネントの重量が増え、燃料消費量、および環境負荷が増大するおそれがあった。

そこで、本発明は、回転電機のトルク特性を向上できる回転電機を提供することを目的とする。また本発明の回転電機を使用することにより、電動車両から排出される環境負荷を軽減することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、固定子鉄心に形成された複数のスロット内に電機子巻線を有する固定子と、回転子鉄心と、該回転子鉄心中に設けた複数の永久磁石挿入孔に埋設した永久磁石とを有する回転子とを備え、前記回転子が、前記固定子の内周側でギャップを介して回転軸により回転自在に支承された永久磁石回転電機において、前記永久磁石の磁束軸をｄ軸、該ｄ軸と電気角で９０°隔てられた位置をｑ軸としたとき、該ｑ軸上には永久磁石挿入孔があり、該永久磁石挿入孔には該ｑ軸と直交するように着磁された第一の永久磁石を埋設し、前記ｄ軸上にも永久磁石挿入孔を配置し、該永久磁石挿入孔には該ｄ軸と平行する方向に着磁された第二の永久磁石を埋設するとともに、前記第一の永久磁石と前記第二の永久磁石との間に、永久磁石挿入孔に埋設された第三の永久磁石を、少なくとも一つ以上具備していることを特徴とする。

本発明によれば、永久磁石回転電機において、限られた回転子鉄心断面の中で永久磁石の磁束量を増加させることができ、トルクと出力の両立をはじめとした性能向上、および永久磁石回転電機の小型化を図ることができる。またこの永久磁石回転電機を備えた電動車両においては、電動車両の低燃費化により、環境負荷低減を図ることができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施例１による回転電機の部分断面図である。 図１に示す回転電機の回転軸に垂直な断面図である。 図２の部分拡大図である。 本発明の効果を示した図である。 本発明の実施例２による回転電機の断面図である。 図５の部分拡大図である。 本発明の実施例３による回転子の断面図である。 本発明の実施例４による回転子の断面図である。 本発明の実施例５による回転子の断面図である。 本発明の実施例６による回転子の断面図である。 本発明の実施例７による回転子の断面図である。 回転電機を駆動するためのシステム図である。 本発明を電気自動車に適用した場合の実施例による電気自動車のブロック構成図である。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態（実施例）を説明する。
以下に説明の実施例では、上述の発明が解決しようとする課題の欄や発明の効果の欄に記載した内容に止まらず、製品の実施に向けての様々な課題を解決している。具体的には以下の実施の形態の中で説明する。

〔実施例１〕
本発明の実施例１について、図１〜図４に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態による永久磁石を使用した回転電機１の部分断面図である。永久磁石を使用した回転電機１の固定子２は、固定子鉄心４と、この固定子鉄心４に形成されたスロットに巻回された３相あるいは多相の固定子巻線５と、を備えており、前記固定子２はハウジング１１に収納され保持されている。回転子３は、永久磁石を挿入するための磁石挿入孔６が設けられた回転子鉄心７と、前記回転子鉄心７に形成された前記磁石挿入孔６に挿入された回転子の磁極を形成するための永久磁石４００と、シャフト８とを備えている。前記シャフト８は、ハウジング１１の両端に固定されたエンドブラケット９にベアリング１０によって回転可能に保持されている。

回転電機１には、回転子３の磁極位置を検出するための磁極位置検出器ＰＳが設けられている。前記磁極位置検出器ＰＳは例えばレゾルバで構成される。さらに回転子３の回転速度を検出するため回転速度検出器Ｅが設けられている。前記回転速度検出器Ｅはここではエンコーダであり、回転子３の側部に配置され、シャフト８の回転に同期してパルスを発生し、該パルスを計数することで回転速度が計測できる。回転電機１は、磁極位置検出器ＰＳの信号に基づき磁石位置を検知し、回転速度検出器Ｅの出力信号を基に回転速度を検出し、図示しない制御装置により、回転電機１の目標トルクを発生するための交流電流が固定子巻線５に供給される。制御装置により固定子巻線５に供給される電流が制御されることにより、回転電機の出力トルクが制御される。

前記永久磁石４００は、ｄ軸の固定子に近いところに設けられる第一の磁石４０１、ｑ軸付近に設けられる磁石４０２、そして前記永久磁石４０１と永久磁石４０２の磁気回路間に設けられる永久磁石４０３を有している（図３に記載）。

図２は、図１に示す回転電機の回転軸に垂直な面での断面図である。なお煩雑さを避けるためにハウジングの図示は省略している。また図３は図２の部分拡大図である。これらの図において、回転電機１は固定子２と回転子３とを備えており、固定子２は固定子鉄心４と前記固定子鉄心４の回転子側に周方向において全周に渡って形成されたスロットに巻回された固定子巻線５を備えている。固定子鉄心４はコアバック部とも言われている略円筒状のヨーク部２１と前記ヨーク部２１から径方向における内側に突出する形状を成すティース部２２とを有し、前記ティース部２２は全周に渡って形成されている。隣接する前記ティース部２２の間には前記スロットが形成され、前記スロットは前記固定子巻線を収納し保持する。全周に渡って配置された前記固定子巻線に３相交流電流が供給されることにより前記固定子には回転磁界を発生する。また後述する回転子が発生する磁束が前記固定子巻線に鎖交し、前記回転子が回転することにより前記鎖交磁束が変化することにより、前記固定子巻線に誘起電圧が発生する。

回転子３は、回転軸に沿う方向に積層された電磁鋼板からなる回転子鉄心７と、回転子鉄心７に設けられた磁極を形成するための永久磁石４０１と永久磁石４０２と永久磁石４０３を備えている。図２や図３の実施の形態では円弧形状に配置された磁石４０３で、１つの磁極即ち各磁極を形成する。磁極を形成する各磁石はｄ軸方向に磁化されており、一つの磁極において固定子側がＮ極となるように磁化されているとその両隣の磁極を構成する磁石は逆に固定子側がＳ極となるように磁化されている。なお本実施例１では上述のように各磁極は少なくとも３組の磁石によって形成されているが、必ずしも第三の磁石は円弧形状の配置とは限らない。Ｖ字形に配置しても良いし、Ｖ字形状とバスタブ形の組み合わせた形状に配置しても良い。各磁極を構成する磁石量を増やすと各磁極の磁束量が多くなり、発生する回転トルクが増大するあるいは誘起される誘起電圧が大きくなる傾向となる。

図１乃至図３において、該当する全ての部品または部分に参照符号を付すと煩雑となるので、同じ部品のいずれか一つをそれら全体の代表として一部にのみ参照符号を付し、他の部分の参照符号は省略する。以下の各実施例に示す構造は回転子鉄心の内部に磁石を配置している構造の回転電機（埋め込み磁石形回転電機と記す）である。磁極を形成する永久磁石は回転子鉄心の固定子側が外周面に配置する構造の回転電機（以下表面磁石形回転電機と記す）は、効率は低下するが、発生する回転トルクの変動を抑制できる効果が顕著であり、回転トルクの変動の抑制が必須とされる操舵力をアシストするためのモータに適している。一方埋め込み磁石形回転電機は回転子と固定子間のギャップを小さくできるために高効率あるいは小型で高出力の回転電機に適しており、自動車の走行用の回転電機に適している。以下の各実施例は何れも自動車の走行用の回転電機に適している。

図２および図３に記載の実施の形態では、回転子鉄心７に永久磁石を挿入し固定するための磁石挿入孔６が各磁石に対応して設けられており、各磁極に対応して設けられた磁石挿入孔６は固定子側に対して開く状態に配置されており、各磁極に対応して全周に渡って配置されている。また、磁石挿入孔６はｄ軸インダクタンスＬｄの増大を防ぐ役目も果たしているため、ＬｑとＬｑの差で生じるリラクタンストルクの向上の役目もある。よって、磁石挿入孔６には必ずしも磁石を充填させる必要はなく、比透磁率が回転子鉄心と比較して低い材料であれば構わない。

回転子鉄心７の各前記磁石挿入孔６は例えばプレスの打ち抜き加工により形成される。回転軸方向に積層された電磁鋼板により形成される前記回転子鉄心７はシャフト８（図示せず）に固定されており、シャフト８と共に回転する。

回転子３の回転子鉄心７は、隣接する各磁極の周方向における間に、固定子が発生するｑ軸の磁束Φｑを通すための補助磁極部３３を全周に渡って形成しており、その一部を図３に記載する。また逆の見方では、図３において、各隣接する補助磁極部３３の間に永久磁石により形成される磁極が設けられており、この実施の形態では各磁極は複数の永久磁石を固定子側に対して開く状態に配置して構成されている。各磁石挿入孔に収納し保持される永久磁石はフラックスバリアの役割もあるため、低リコイル透磁率の材料が望ましい。上記永久磁石４０１及び円弧状に配置された永久磁石４０３、永久磁石４０２とにより発生するｄ軸の磁束Φｄが回転子外周との間の回転子鉄心７により形成される磁極片部３４、回転子３と固定子４との間のギャップ３６、を介して固定子２を通り、隣接する他の磁極の永久磁石４０１、永久磁石４０３、永久磁石４０２、永久磁石４０３を通って、元の永久磁石４０１に戻る磁気回路６０１および磁気回路６０２が作られる。前記磁気回路を通る磁束Φｄが前記固定子２を通る際に固定子巻線５を流れる電流と作用して回転トルクを発生する。また前記磁気回路を通る磁束Φｄが前記固定子巻線５と鎖交し、この鎖交磁束量の単位時間当たりの変化量に基づいて前記固定子巻線５（図１参照）に誘起電圧が発生する。なお、図２および図３の磁束の分布図の記載には正確に表現できない点があるが、磁束Φｄは永久磁石４０１乃至永久磁石４０３の内部では磁化方向に沿っておりその表面においては垂直に出入りしており、また固定子鉄心４や回転子鉄心７の表面に対して垂直に出入りする。

補助磁極部３３を通るｑ軸の磁束Φｑの磁気抵抗と、ｄ軸の磁束Φｄが通る永久磁石を有する磁気回路の磁気抵抗との差に基づいてリラクタンストルクが発生する。図３に示すように本実施の形態では補助磁極部３３の周方向の幅を広くしているので補助磁極部３３を通る磁束Φｑの磁気回路の磁気抵抗は小さい。一方磁束Φｄが通る磁気回路には透磁率の低い永久磁石が２組存在するので磁気抵抗が極めて高い。このため本実施の形態では大きなリラクタンストルクが発生する。回転電機に要求される全トルクは磁石トルクとリラクタンストルクの合計となるので、リラクタンストルクの発生が大きいと要求される磁石トルクはその分小さくてよい。図２や図３に示す回転電機では、回転電機が発生するトルクに対しリラクタンストルクで対応する部分があるので、たとえば要求磁石の半分程度をリラクタンストルクで賄うので、磁石の磁束密度Ｂｒが小さくても磁石トルクの要求トルクを小さくできる構造を成している。ただし、リラクタンストルクがしめる割合が大きいということは、インダクタンスが大きいことを示しており、力率が悪化し、最大出力が低下するというデメリットもある。この点において、本実施の形態の回転電機は磁石を多く有することでインピーダンスが低減できているため高速回転にも適している。

図２および図３において、バスタブ形状に配置された複数の磁石挿入孔６が回転子鉄心４に形成され、各磁石挿入孔６には複数の永久磁石４０１乃至４０３が挿入されている。この実施の形態では、永久磁石４０１乃至永久磁石４０３の端部（永久磁石４０２の端部は図示省略）にそれぞれ磁気的な空隙３５（以下磁気空隙と記す）が形成されている。上記磁気空隙３５は磁気抵抗が極めて大きい真空や空気に近い特性を持つ空間であり、空隙状態や樹脂などが充填されている、常磁性体や強磁性体が存在しない空間である。以下の説明では磁気空隙が他にも存在するが同様の構造である。各磁石挿入孔６は挿入される磁石より大きい形状としている。

上記磁気空隙３５は次に記載の作用を有する。磁気空隙３５を有することで、永久磁石の固定子側の回転子鉄心により形成される各々の磁気空隙３５の間にブリッジ部５０１を形成する。前記ブリッジ部５０１は、遠心力によって回転子３が飛散しないように支える作用を成す。このブリッジ部の形状を薄くまた長くすることにより、例えばブリッジ部５０１で磁気飽和が生じ、漏れ磁束量の値を小さい値とすることができる。またこのような形状とすることでブリッジ部５０１の磁気抵抗を大きくすることができ、結果としてブリッジ部を通る磁束量を少なくでき、機械的信頼性の向上にもつながる。

さらに補助磁極３３と永久磁石との境界部分で急激に磁束密度が変化すると前記急激な磁束密度の変化によりトルクリプルが発生する恐れがあるが、本実施の形態の如くバスタブ形状に配置された永久磁石４０１乃至永久磁石４０３で構成される各永久磁石の組の固定子側端部に磁気空隙３５を設けているので、補助磁極３３と永久磁石との境部での急激な磁束密度の変化を低減でき、トルクリプルを低減する効果がある。

本実施の形態では、磁石挿入孔６の中に永久磁石が挿入されており、それぞれの永久磁石の磁化容易軸が前記磁束Φｄの磁気回路に沿う方向に各永久磁石が配置されている。なお永久磁石の磁化容易軸とはその磁石における磁化し易い方向のことである。図２や図３に示す永久磁石４０１乃至永久磁石４０３はその短手方向を磁化容易軸となるように作られており、前記磁化容易軸が図３の波線矢印に沿う方向となるように、各永久磁石が配置されている。この波線矢印に沿う方向は上述の通り、ｄ軸の磁束Φｄ６０１の方向である。

本実施の形態では、各磁石挿入孔６の中に永久磁石を挿入し固定しているので、回転子に占める磁石保持のために必要な体積を小さくでき、回転子の小型化につながる。

図４に永久磁石４０１及び永久磁石４０２を挿入せず、フェライト磁石の永久磁石４０３のみで構成されたモータを従来例とし、同様にフェライト磁石で構成された本実施例との比較を示す。Ｎｄ＋Ｄｙ構成のモータ性能を１００％として図示した。比較の結果、最大出力が７７％から９１％に上昇、最大トルクが８１％から８９％に増加したことが分かる。

〔実施例２〕
図５、図６に第四の磁石４０４を挿入した実施例を示す。これは高速回転にも機械的に耐えられるよう、バスタブ構造とし、更に第四の磁石４０４を挿入することで、更なる磁束の増加を図ったものである。

〔実施例３〕
図７にフラックスバリアとなる磁石を何層にも重ねて構成された実施例の回転子を示す。Ｌｄ増大の原因となるブリッジを薄くした構造である。低速回転の場合は、遠心力の問題が小さくなるため、本形状を圧粉磁心と磁石で構成する二色成形を行うことで製作可能である。

〔実施例４〕
図８に層数を減らし、磁石を厚くして磁石の減磁耐力の向上を図った実施例の回転子の一部を示す。

〔実施例５〕
図９に層数を更に減らし、コアに対する磁石の比率を増やすことで、力率増加を図った実施例の回転子の一部を示す。

〔実施例６〕
図１０に磁石４０３をＶ字配置とし、磁石両端に磁束漏れを最小限にしつつ、応力分散を図った磁気空隙３５を設け、磁石４０２の内径側のコア内径を削ることで、Ｌｄを小さくし、磁石４０２、磁石４０３の寸法を等しくすることで、磁石種類を減らすことを図った実施例の回転子の一部を示す。

〔実施例７〕
図１１に磁石４０２、磁石４０３、磁石４０４をバスタブ状に構成することで、磁石磁束を増やし、遠心力に対する強度向上を図った実施例の回転子の一部を示す。

次に、図１２を用いて本発明の実施例に係る回転電機装置の構成を説明する。ここでは実施例１を例として用いる。回転電機１は、回転電機１と、回転電機１の駆動電源を構成する直流電源５１と、回転電機１に供給される電力を制御して駆動を制御する制御装置とを備えている。

永久磁石を使用した回転電機１は前述した構成あるいは後述する構造を有している。直流電源５１は、例えば交流電源と該交流電源からの交流電力を直流電力に変換するコンバータ部で構成しても良いし、車両に搭載されるリチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池であっても良い。制御装置はインバータ装置であり、直流電源５１から直流電力を受け交流電力に変換して、その交流電力を回転電機１の固定子巻線５に供給している。インバータ装置は、直流電源５１と固定子巻線５との間に電気的に接続された電力系のインバータ回路５３（電力変換回路）と、インバータ回路５３の動作を制御する制御回路１３０とを備えている。

インバータ回路５３は、スイッチング用半導体素子、例えばＭＯＳ−ＦＥＴ（金属酸化膜半導体形電解効果トランジスタ）、あるいはＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）から構成されたブリッジ回路を有し、平滑用コンデンサモジュールからの直流電力を交流電力に変換し、あるいは回転電機が発生した交流電力を直流電力に変換する。上記ブリッジ回路は、アームと呼ばれる高電位側スイッチと低電位側スイッチと直列回路が回転電機１の相数分電気的に並列に接続されて構成されていて、三相交流電力を発生する本実施の形態では３組設けられている。各アームの高電位側スイッチの端子は直流電源５１の正極側に電気的に接続され、低電位側スイッチの端子は直流電源５１の負極側に電気的に接続されている。各アームの上側のスイッチング用半導体素子と下側のスイッチング用半導体素子との接続点から回転電機１の固定子巻線５に相電圧を供給するように前記固定子巻線５に電気的に接続されている。

インバータ回路５３から固定子巻線５へ供給される相電流は、回転電機に交流電力を供給するための各相のバスバーにそれぞれ設けられた電流検出器５２により計測される。電流検出器５２は例えば変流器である。制御回路１３０は、トルク指令や制動指令を含む入力情報に基づいて目標トルクを得るためのインバータ回路５３のスイッチング用半導体素子のスイッチング動作を制御する作用をする。入力情報としては例えば、回転電機１に対する要求トルクである電流指令信号Ｉｓと、回転電機１の回転子３の磁極位置θが入力されている。要求トルクである電流指令信号Ｉｓは、車両の場合に運転者から要求されるアクセル操作量などの要求量に応じて上位コントローラから送られてくる指令により制御回路１３０で演算して求められる。磁極位置θは、磁極位置検出器ＰＳの出力から得られた検出情報である。

速度制御回路５８は、上位コントローラの要求指令により作られた速度指令ωｓと、エンコーダからの位置情報θ１から周波数を電圧に変換するＦ／Ｖ変換器６１を介して得られる実際の速度である実速度ωｆとから、速度差ωｅを算出し、これにＰＩ制御によってトルク指令である電流指令Ｉｓと回転子３の回転角θ１を出力する。上記ＰＩ制御は偏差値に比例乗数を乗ずる比例項Ｐと積分項Ｉを使用する一般に使用されている制御方式である。

位相シフト回路５４は、回転速度検出器Ｅが発生する回転の同期したパルス、すなわち回転子３の位置情報θを、速度制御回路５８からの回転角θ１の指令に応じて位相シフトして出力する。位相シフトは、例えば固定子巻線５に流れる電流が作る電機子起磁力の合成ベクトルを、永久磁石４００が作る磁束又は磁界の方向に対して電気角で９０度以上進むようにする。

正弦波・余弦波発生回路５９は、回転子３の永久磁石４００の磁極位置を検出する位置検出ＰＳと、位相シフト回路５４からの位相シフトされた回転子の位置情報θに基づいて、固定子巻線５の各巻線の誘起電圧を位相シフトした正弦波出力を発生する。ここで位相シフト量には値が零の場合も含む。

２相−３相変換回路５６は、速度制御回路５８からの電流指令ＩＳと正弦波・余弦波発生回路５９の出力とに応じて、各相の電流指令Ｉｓｕ、Ｉｓｖ、Ｉｓｗを出力する。各相はそれぞれ個別に電流制御系５５ａ、５５ｂ、５５ｃを持ち、電流指令Ｉｓｕ、Ｉｓｖ、Ｉｓｗと電流検出器５２からの電流検出信号Ｉｆｕ、Ｉｆｖ、Ｉｆｗに応じた信号を、インバータ回路５３に送ってスイッチング用半導体素子のスイッチング動作を制御し、３相交流の各相電流が制御される。この場合、各相合成の電流は、界磁磁束に直角、あるいは位相シフトした位置に制御され、これによって無整流子で、かつ直流機と同等の特性を得ることができる。

上述の交流電流の各相の電流制御系５５ａ、５５ｂ、５５ｃから出力された信号は、対応する相のアームを構成するスイッチング用半導体の制御端子に入力される。これにより、各スイッチング用半導体がオン・オフ動作であるスイッチング動作を行い、直流電源５１から平滑用コンデンサモジュールを介して供給された直流電力が交流電力に変換され、固定子巻線５の対応する相巻線に供給される。

本実施例１のインバータ装置では、固定子巻線５に流れる電機子起磁力の合成ベクトルを、永久磁石４００が作る磁束又は磁界の方向に対して直交するように、或いは位相シフトするように、固定子巻線５に流れる電流（各相巻線に流れる相電流）を常に形成している。これにより、本実施例１の回転電機装置では、無整流子すなわちブラシレスの回転電機１を用いて、直流機と同等の特性を得ることができる。尚、弱め界磁電流は、固定子巻線５に流れる電流が作る電機子起磁力の合成ベクトルを、永久磁石４００が作る磁束又は磁界の方向に対して９０度（電気角）以上進むように、固定子巻線５に流れる電流（各相巻線に流れる相電流）を常に形成する制御である。

従って、本実施例１の回転電機装置では、固定子巻線５に流れる電流が作る電機子起磁力の合成ベクトルを、永久磁石４００が作る磁束又は磁界の方向に対して直交するように、固定子巻線５に流れる電流（各相巻線に流れる相電流）を回転子３の磁極位置に基づいて制御すれば、回転電機１から連続的に最大トルクを出力できる。弱め界磁制御が必要な時には、固定子巻線５に流れる電流が作る電機子起磁力の合成ベクトルを、永久磁石４００が作る磁束又は磁界の方向に対して９０度（電気角）以上進むように、固定子巻線５に流れる電流（各相巻線に流れる相電流）を回転子３の磁極位置に基づいて制御すればよい。

次に、フェライト磁石などのように減磁しやすい永久磁石４００を用いた場合の着磁判定及び着磁方法について説明する。回転電機１には、さらに磁束検出器６０が備えられ、この磁束検出器６０が出力する磁束量を表す値と前記Ｆ／Ｖ変換器６２が出力する実速度ωｆを着磁判定回路６１に入力し、再着磁の要不要について判定する。永久磁石４００に弱め界磁電流に基づく磁束を加えたことにより、仮に可逆減磁の範囲を超えた強い磁束が永久磁石に加えられると、永久磁石、特に第２永久磁石４０２、が減磁してしまう恐れがある。このように仮に不可逆減磁した場合には、永久磁石が発生する磁束量が減少するため、永久磁石の再着磁が必要となる。永久磁石の再着磁が必要判断された場合には着磁判定回路６１から位相シフト回路５４に着磁指令を出力する。

次に着磁判定回路６１から位相シフト回路５４に着磁指令を出力された場合の第２永久磁石４０２の着磁方法について説明する。着磁のために特別な着磁回路を使用しても良いことはもちろんであるが、特別な着磁回路を使用しなくても、上述の制御回路１３０を使用して、ある程度の再着磁が可能である。図８に永久磁石を内蔵した上述の回転電機における電流位相とトルクの関係を示す。ここで、電流位相０度はｑ軸である。永久磁石４００、特に第２永久磁石４０２、が不可逆減磁した場合には、固定子巻線５に流れる電流が作る電機子起磁力の合成ベクトルを、永久磁石４００が作る磁束又は磁界の方向に対して電気角で９０度程度遅れるように、固定子巻線５に流れる電流すなわち各相巻線に流れる相電流を制御する。このように固定子巻線５に供給する相電流を制御することにより、固定子巻線５に流れる電流が作る電機子起磁力の合成ベクトルが永久磁石４００の磁化に対して増磁する方向となるため、永久磁石４００、特に第２永久磁石４０２、を着磁することが、すなわち減磁された磁化状態を再び強くすることが可能となる。

以上の説明では、内転型の回転電機で説明したが、外転型の回転電機でも適用できる。また、本発明は、分布巻方式の回転電機、集中巻方式の回転電機の両者においても適用できる。

次に、上述の実施例が適用される電気自動車に適用した例について、図１３を用いて説明する。図１３は、本発明を適用した電気自動車のブロック構成図である。

電気自動車の車体１００は、４つの車輪１１０、１１２、１１４、１１６によって支持されている。この電気自動車は、前輪駆動であるため、前方の車軸１５４には、走行トルクを発生しあるいは制動トルクを発生する回転電機１が機械的に接続されており、回転電機１により発生する回転トルクが機械的な伝達機構により伝達される。回転電機１は、図７により説明した制御装置１３０およびインバータ回路５３によって発生した３相交流電力により駆動され、該駆動トルクが制御される。

制御装置１３０の動力源としては、リチウム二次電池などの高電圧バッテリで構成される直流電源５１が備えられ、この直流電源５１からの直流電力が制御装置１３０の制御に基づいてインバータ回路５３がスイッチング動作し、交流電力に変換され、回転電機１に供給される。回転電機１の回転トルクにより車輪１１０、１１４が駆動され、車両が走行する。

また運転者のブレーキ操作により、制御装置１３０はインバータ回路が発生する交流電力の回転子の磁極に対する位相を反転することにより、回転電機１は発電機として作用し、回生制動運転が行われる。回転電機１は走行を抑える方向の回転トルクを発生して、車両１００の走行に対して制動力を発生する。このとき車両の運動エネルギが電気エネルギに変換され、直流電源５１に電気エネルギが充電される。

以上の実施例では、回転電機を電気自動車の車輪の駆動に用いるものとして説明したが、電動車両用の駆動装置、電動建機用の駆動装置及び他あらゆる駆動装置においても使用できるものである。なお、本実施の形態による回転電機を電動車両、特に電気自動車に適用すれば、最高回転数が向上でき、出力が大きな電気自動車を提供することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１ 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 磁石挿入孔
７ 回転子鉄心
８ シャフト
９ エンドブラケット
１０ ベアリング
１１ ハウジング
２１ 固定子のヨーク部
２２ ティース部
２３ スロット
３３ 補助磁極部
３４ 磁極片部
３５ 磁気空隙
３６ ギャップ
５１ 直流電源
５２ 電流検出器
５３ インバータ回路
５４ 位相シフト回路
５５ａ、５５ｂ、５５ｃ 各相の電流制御系
１００ 電気自動車の車両
１１０、１１２、１１４、１１６ 車輪
１３０ 電気自動車の制御装置
１５４ 車軸
４００ 永久磁石
４０１ 第一の永久磁石Ａ
４０２ 第二の永久磁石Ｂ
４０３ 第三の永久磁石Ｃ
４０４ 第四の永久磁石Ｄ
５０１ ブリッジ
６０１、６０２ 磁束Φｄの磁路
Ｅ 回転位置検出器
ＰＳ 回転速度検出器

Claims (11)

1. 固定子鉄心に形成された複数のスロット内に電機子巻線を有する固定子と、
   回転子鉄心と、該回転子鉄心中に設けた複数の永久磁石挿入孔に埋設した永久磁石とを有する回転子とを備え、
   前記回転子が、前記固定子の内周側でギャップを介して回転軸により回転自在に支承された永久磁石回転電機において、
   前記永久磁石の磁束軸をｄ軸、該ｄ軸と電気角で９０°隔てられた位置をｑ軸としたとき、
   該ｑ軸上には永久磁石挿入孔があり、該永久磁石挿入孔には該ｑ軸と直交するように着磁された第一の永久磁石を埋設し、
   前記ｄ軸上にも永久磁石挿入孔を配置し、該永久磁石挿入孔には該ｄ軸と平行する方向に着磁された第二の永久磁石を埋設するとともに、
   前記第一の永久磁石と前記第二の永久磁石との間に、永久磁石挿入孔に埋設された第三の永久磁石を、少なくとも一つ以上具備したことを特徴とする永久磁石回転電機。
2. 請求項１に記載の永久磁石回転電機において、
   前記第一の永久磁石、前記第二の永久磁石のうち、いずれか一方の径方向面積が大となるように構成したことを特徴とする永久磁石回転電機。
3. 請求項１又は請求項２に記載の永久磁石回転電機において、
   前記第二の永久磁石は、前記回転子鉄心の外周側に設けたことを特徴とする永久磁石回転電機。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載の永久磁石回転電機において、
   前記第一の永久磁石は、径方向に長、周方向に短、前記第二の永久磁石は、径方向に短、周方向に長となるように構成されていることを特徴とする永久磁石回転電機。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載の永久磁石回転電機において、
   前記第三の永久磁石は、２つの永久磁石からなり、前記第二の永久磁石を挟み込むようにＶ字状に設けたことを特徴とする永久磁石回転電機。
6. 請求項１に記載の永久磁石回転電機において、
   前記ｄ軸上の前記回転子鉄心外径側および内径側に永久磁石挿入孔を配置し、該永久磁石挿入孔には該ｄ軸と平行する方向に着磁された第二、第四の永久磁石を埋設するとともに、
   前記第一の永久磁石と前記第二の永久磁石、および前記第四の永久磁石との間に、永久磁石挿入孔に埋設された第三の永久磁石を、少なくとも一つ以上具備したことを特徴とする永久磁石回転電機。
7. 請求項６に記載の永久磁石回転電機において、
   前記第三の永久磁石は、前記第四の永久磁石の外径側且つ前記第二の永久磁石の内径側にあって、前記ｄ軸と直交するとともに、前記第二、第四の永久磁石と同一方向に着磁された永久磁石Ａと、
   該永久磁石Ａのｑ軸側周方向端部から、空隙を介して外径側に伸延する永久磁石Ｂとで形成されたことを特徴とする永久磁石回転電機。
8. 請求項７に記載の永久磁石回転電機において、
   前記第四の永久磁石および前記永久磁石Ａが、ｄ軸を境に周方向に２分割されている永久磁石回転電機。
9. 請求項６記載の回転電機において、
   前記第三の永久磁石は、前記第四の永久磁石の外径側且つ前記第二の永久磁石の内径側に複数均等に且つ外径側にいくに従い周方向の幅寸法が縮小されるように配置された永久磁石Ａと、
   該永久磁石Ａのｑ軸側周方向端部から、外径側に伸びる複数均等に且つｑ軸最寄からｄ軸に行くに従い径方向の長さ寸法が縮小されるように配置された永久磁石Ｂとからなる、複数の凹字型になるように構成したことを特徴とする永久磁石回転電機。
10. 電力を供給するバッテリと、
    前記供給された電力により駆動トルクを出力する回転電機と、
    前記駆動トルクを制御する制御装置とを備えた電動駆動システムにおいて、
    前記回転電機は、請求項１乃至９のいずれか一つに記載の永久磁石回転電機であることを特徴とする電動駆動システム。
11. 電力を供給するバッテリと、
    前記供給された電力により車両を駆動する駆動トルクを出力する回転電機と、
    前記駆動トルクを制御する制御装置からなる駆動システムを備えた電動車両において、
    前記駆動システムは、請求項１０に記載の駆動システムである電動車両。