JP2018007493A - 回転電機とそれを用いた電動駆動システム及び電動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機の高速回転時の出力を向上できる回転電機を提供することである。【解決手段】本発明に係る回転電機は、回転子と固定子を備え、前記回転子は、磁石と、当該磁石を保持する回転子鉄心を有し、前記回転子鉄心のうち、磁石孔の周辺部の透磁率がｑ軸付近の透磁率より小さい。【選択図】 図３

Description

本発明は、回転電機とそれを用いた電動駆動システム及び電動車両に関する。

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。また、回生時には回転方向とは逆向きにトルクが発生するような位相で電流を流すことで、バッテリにエネルギーを戻している。

自動車用途に用いられる回転電機の場合、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、ステータのコイル巻数を増やすことで少ない電流値で高応答な瞬時トルク発生を実現している（特許文献１参照）。

しかし、巻数を増やすことで、インダクタンス増加に伴う必要な端子電圧の増大が問題となる。つまり力率が悪化するため、高速回転時でも大トルクを得るためにはPWMインバータ電圧を高くする必要がある。PWMインバータを高くするために、バッテリの直列接続数を増やしてバッテリ電圧を高くする必要がある。そのために車体重量の増大、燃費の悪化につながり、環境負荷が増大してしまう恐れがある。

特開2013-013295号公報

本発明の目的は、回転電機の高速回転時の出力を向上できる回転電機を提供することである。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。

本発明に係る回転電機は、回転子と固定子を備え、前記回転子は、磁石と、当該磁石を保持する回転子鉄心を有し、前記回転子鉄心のうち、磁石孔の周辺部の透磁率がｑ軸付近の透磁率より小さい。

本発明によれば、永久磁石回転電機において、限られたバッテリ電圧の制約上でインダクタンス低減を図ることができ、高速時の出力向上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。

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。 図１に示す回転電機１の回転子３のシャフト８に垂直な面での断面図である。 図２の永久磁石４００近傍の部分拡大図である。 図２の永久磁石４００近傍に他の実施形態の部分拡大図である。 図２の永久磁石４００近傍に他の実施形態の部分拡大図である。 図２の永久磁石４００近傍に他の実施形態の部分拡大図である。 図２の永久磁石４００近傍に他の実施形態の部分拡大図である。 図３及び図４に示された本実施形態と従来例（挿入孔周辺部が回転子鉄心と同一の特性）の出力特性を示す。 本発明を電気自動車に適用した場合の電気自動車のブロック構成図である。

以下に説明の実施の形態では、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。

本発明の実施形態について、図１ないし図７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。シャフト８の回転軸が紙面の左右方向に平行になるように配置される。シャフト８を境に上部側が断面となっており、下部側が非断面図である。

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、を備える。固定子２は、ハウジング１１に収納されかつハウジング１１に保持されている。

回転子３は、永久磁石４００を挿入するための磁石挿入孔６（図３に後述）が設けられた回転子鉄心７（図２に後述）と、磁石挿入孔６に挿入されかつ回転子３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。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。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。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に供給される。制御装置により固定子巻線に供給される電流が制御されることにより、回転電機１の出力トルクが制御される。

図２は、図１に示す回転電機１の回転子３のシャフト８に垂直な面での断面図である。また、図３は、図２の永久磁石４００近傍の部分拡大図である。
永久磁石４００は、ｑ軸６３付近に設けられる。図２に記載の例では１極あたり２ケ乃至３ケ有しているが、これは遠心力による破損を防ぐためである。 回転子３は、シャフト８の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４００を備えている。

図２や図３の実施の形態では、永久磁石４００は１極あたり直線状に配置され、図３に示される１つの磁極即ち各磁極を形成する。

磁極を形成する各永久磁石４００は、図２に示されるｑ軸６３方向に磁化されている。一つの磁極において固定子２側がＮ極となるように磁化されている場合、周方向の両隣の磁極を構成する永久磁石４００は逆に固定子２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つの永久磁石４００によって形成されているが、必ずしも３つの永久磁石４００は直線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２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非常に煩雑となるので、同じ部品の内の一部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。本実施形態に示す構造は回転子鉄心７の内部に磁石を配置している構造の回転電機１（埋め込み磁石形回転電機と記す）である。

永久磁石４００が回転子鉄心４の固定子２側が外周面に配置する構造である回転電機１（以下表面磁石形回転電機と記す）は、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るが、効率が低下する欠点があり、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回転電機１の用途に適している。
一方、永久磁石４００が回転子鉄心４に埋め込まれる埋め込み式磁石形回転電機１は、回転子３と固定子間のギャップ１２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。本実施形態に記載されている実施の形態は何れも自動車の走行用の回転電機に適している。例１では、回転子鉄心７に永久磁石４００を挿入し固定するための磁石挿入孔６が各永久磁石４００に対応して設けられている。磁石挿入孔６は、固定子２側に対して開く状態に形成されかつ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、ｑ軸６３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、Ｌｄ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には必ずしも永久磁石４００を充填させる必要はなく、透磁率が回転子鉄心７と比較して低い材料であれば構わない。また、何も充填しない場合はリラクタンストルクのみで動作するのでシンクロナスリラクタンスモータと呼称する。

図２及び図３に示されるように、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２が発生するｑ軸６３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４００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４００を固定子２側に対して開く状態に配置して構成されている。永久磁石４００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。
回転軸６０に発生することができる最大のトルクは、T∝BI以下の式で求めることができる。Tはトルク（Nm）であり、Bはギャップ１２の磁束密度（Wb/m2）であり、Iはインバータ５３（図９にて後述する）から固定子コイル５に流すことのできる最大電流（Arms）である。電流は、I＝V／Zで求めることができる。ただし、Vはインバータ５３が供給できる最大電圧（Vrms）であり、Zはインピーダンス（Ω）である。インピーダンスZは、Z＝R＋jωLで示される。Rはコイル５の電気抵抗（Ω）であり、jは虚数単位であり、ωは角周波数（rad/sec）であり、Lは磁気回路３５に鎖交する固定子巻線５のインダクタンス（H）である。
固定子巻線５のインダクタンスL は、L∝１／Rmで示される。Rmは磁気回路３５の磁気抵抗（[A/Wb=1/H）である。

ここで示す磁気回路３５は固定子巻線５の電流位相によって多少変化するが，概ね図２のｑ軸６３に沿うように形成される。
従来、回転数が高くなるとωが増加するため、Zが大きくなる。通常は電圧Vを高くして電流を流していくが，与えられる電圧には限界がある。そのため，ωが高くなると流せる最大電流I が小さくなり，トルクが小さくなるという問題があった。本実施例により、磁気回路３５の磁気抵抗Rm を大きくすることで、磁気回路に鎖交するコイル５のインダクタンスLを小さくすることができる。そして，Lが小さくなると、インピーダンスZが小さくなる。インピーダンスZが小さくなるので電流I を大きくできる。よって，電流I を大きくできるため、高速時のトルクTを大きくすることができる。図３に示す実施例では磁気回路３５の磁気抵抗Ｒｍを透磁率低くするために回転子鉄心５を設けることによりインダクタンスを下げ、高速時でも大電流を流せるようにして高速時のトルクを改善した例を示す。

図２に示されるように、ｄ軸６３は磁極中心を通り、ｑ軸６４は磁極中心から電気角９０度離れた場所を通る。ｑ軸６４は，磁石４００と磁石４００の間から隣の磁石４００と磁石４００の間へ向かう高透磁率の領域のことであり，ｄ軸６３の磁気抵抗とｑ軸６４軸の磁気抵抗が大きいほどリラクタンストルクが大きくなる。

図３に示されるように、回転子鉄心７は、磁石４００を収納するための磁石挿入孔６を形成す挿入孔周辺部２３ないし２８を有する。

挿入孔周辺部２３ないし２８は、磁石挿入孔６よりギャップ１２に近い側に設けられるギャップ側挿入孔周辺部２３と、同極となる磁石４００を支持する磁石間挿入孔周辺部２４と、フラックスバリア１３を形成しかつ回転子鉄心７の外周側に形成されたフラックスバリアギャップ側部２５と、回転軸６０とフラックスバリア１３の端部を結んだ直線６１よりｑ軸６４側に形成されたフラックスバリアｑ軸６４側部２６と、フラックスバリア１３を形成しかつフラックスバリア１３に対してギャップ１２と反対側に形成されたフラックスバリア内径部２７と、磁石挿入孔６に対してギャップ１２と反対側の内径側挿入孔周辺部２８と、により構成される。

永久磁石４００の周りとフラックスバリア１３を形成する磁石孔周辺部２３ないし２８は、途切れることなく、透磁率が小さい部材で形成されることで，加工する部位数が細切れにならないため加工が容易となる。また材料置き換えを行う際は一体とすることで遠心力に対して接着剤が不要となるメリットがある。

ギャップ側挿入孔周辺部２３に示す部位が別部材であると，ギャップ側挿入孔周辺部２３と磁石間挿入孔周辺部２４との間，そして磁石間挿入孔周辺部２４とフラックスバリアギャップ側部２５との間に別途接着剤を必要とするが，本実施形態では図３に示すとおり，フラックスバリアｑ軸側部２６の部材に突起部４０を設けることで，一体となった磁石孔周辺部２３ないし２８を軸方向から挿入することで遠心力がかかっても部材が飛散しないため，接着剤が不要となる。また，磁石間挿入孔周辺部２４，フラックスバリアギャップ側部２５を経由する磁石磁束の漏れが低減するため，誘起電圧を増やすことが可能となり，更なるトルク向上も可能となる。

また本実施形態では、磁石孔周辺部において、磁石間挿入孔周辺部２４及びフラックスバリアギャップ側部２５を除くギャップ側挿入孔周辺部２３とフラックスバリアｑ軸６４側部２６とフラックスバリア内径部２７と内径側挿入孔周辺部２８のうち少なくとも一つの透磁率がｑ軸６４付近の透磁率より小さい。

これにより、回転電機１のインピーダンスを低減させることが可能になり，高速時に流すことができる電流を増加させることが可能になるため，高速時のトルクを大きくすることができるようになる。

図４は、図２の永久磁石４００近傍に他の実施形態の部分拡大図である。図４に示される実施形態と図３に示される実施形態と異なる部分は、図３に示されたフラックスバリアギャップ側部２５が他の挿入孔周辺部とは異なる材料で構成され、回転子鉄心７と同じ材料により構成される。

図５は、図２の永久磁石４００近傍に他の実施形態の部分拡大図である。図５に示される実施形態と図４に示される実施形態と異なる部分は、ギャップ側挿入孔周辺部２３の形成の態様である。本実施形態におけるギャップ側挿入孔周辺部２３は、回転子鉄心７と同じ材料による第１部材と、当該材料の透磁率よりも小さい第２部材と、により構成される。そして、第１部材と第２部材は周方向に交互に形成されかつ、第１部材と第２部材の形成方向はｄ軸６３に平行になっている。これにより、ｄ軸６３に平行に透磁率を低くなり、磁石磁束を極力の低下を抑制することができる。

図６は、図２の永久磁石４００近傍に他の実施形態の部分拡大図である。図６に示される実施形態と図５に示される実施形態と異なる部分は、ギャップ側挿入孔周辺部２３の形成の態様である。本実施形態におけるギャップ側挿入孔周辺部２３は、回転子鉄心７と同じ材料による第１部材と、当該材料の透磁率よりも小さい第２部材と、により構成される。そして、第１部材と第２部材は周方向に交互に形成されかつ、磁石磁束に対して斜めになるようにした例である。これにより、回転子３の主たる回転方向が左回転である場合，左回転時に磁石磁束を妨げないようにすることができる。

図７は、図２の永久磁石４００近傍に他の実施形態の部分拡大図である。図７に示される実施形態と図３に示される実施形態と異なる部分は、挿入孔周辺部２３ないし２８を回転子鉄心７とは別部材で構成されることである。回転子鉄心７とは別部材で構成された挿入孔周辺部２３ないし２８を挿入孔形成部品２９と称する。

挿入孔形成部品２９は突起部４１を設け、この突起部４１は回転子鉄心７の嵌合部に嵌め込まれる。これにより、遠心力で透磁率を低くした挿入孔形成部品２９及び永久磁石４００が飛散を防止することができる。また、突起部４１は回転子鉄心７の嵌合部に嵌め込んだ後に、冷間圧延処理を施されると、更に強固に挿入孔形成部品２９が保持される。

図８は、図３及び図４に示された本実施形態と従来例（挿入孔周辺部が回転子鉄心と同一の特性）の出力特性を示す。横軸は回転数であり、縦軸は回転電機１のトルクである。本実施形態により高回転領域の出力が増加したことが分かる。

次に、上述の実施例が適用される電気自動車に適用した実施例について、図９を用いて説明する。図９は、本実施形態の回転電機１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、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３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。

なお、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、最高回転数時の出力を向上でき、高性能な電気自動車を提供することができる。

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、１２…ギャップ、１３…フラックスバリア、２３…ギャップ側挿入孔周辺部、２４…磁石間挿入孔周辺部、２５…フラックスバリアギャップ側部、２６…フラックスバリアｑ軸側部、２７…フラックスバリア内径部２７、２８…内径側挿入孔周辺部、２９…挿入孔形成部品、３３…補助磁極部、４０…突起部、４１…突起部、５１…直流電源、５３…インバータ回路、６０…回転軸、６１…直線、６３…ｄ軸、６４…ｑ軸、１００…車体、１１０…車輪、１１２…車輪、１１４…車輪、１１６…車輪、１３０…制御装置、１５４…車軸、４００…永久磁石、Ｅ… 回転位置検出器、ＰＳ…磁極位置検出器

Claims (7)

1. 回転子と固定子を備える回転電機であって、
   前記回転子は、磁石と、当該磁石を保持する回転子鉄心を有し、
   前記回転子鉄心のうち、磁石孔の周辺部の透磁率がｑ軸付近の透磁率より小さい回転電機。
2. 回転子と固定子を備える回転電機であって、
   前記回転子は、磁石と、当該磁石を保持する回転子鉄心を有し、
   前記回転子鉄心のうち、同極磁石間部およびフラックスバリアとギャップの間の部位を除く磁石孔の周辺部のうち少なくとも一部の透磁率がｑ軸付近の透磁率より小さい回転電機。
3. 請求項１または２に記載の回転電機であって、
   前記磁石孔の前記周辺部のうち、前記磁石孔と固定子との間の空間に設けられる部分は、前記回転子鉄心の当該部分以外の透磁率と同じ第１部分と、当該第１部分よりも小さい透磁率である第２部分と、により構成され、
   前記第１部分と前記第２部分は、前記回転子の周方向に交互に形成され、
   前記第２部分は、ｄ軸に平行となるよう形成される回転電機。
4. 請求項１または２に記載の回転電機であって、
   前記磁石孔の前記周辺部のうち、前記磁石孔と固定子との間の空間に設けられる部分は、前記回転子鉄心の当該部分以外の透磁率と同じ第１部分と、当該第１部分よりも小さい透磁率である第２部分と、により構成され、
   前記第１部分と前記第２部分は、前記回転子の周方向に交互に形成され、
   前記第２部分は、前記磁石からの磁束の方向と平行となるように形成される回転電機。
5. 請求項１ないし４に記載のいずれかの回転電機であって、
   前記磁石孔の周辺部は、前記回転子鉄心とは別部品かつ異なる材料により構成され、
   さらに前記回転子鉄心及び前記磁石孔の周辺部は、互いに接続するための嵌合部を有する回転電機。
6. 請求項１ないし５に記載のいずれかの回転電機と、
   前記回転電機に電力を供給するバッテリと、
   前記回転電機の駆動トルクを制御する制御装置と、を備える電動駆動システム。
7. 請求項１ないし５に記載のいずれかの回転電機と、
   前記回転電機に電力を供給するバッテリと、
   前記回転電機の駆動トルクを制御する制御装置と、を備える電動車両。

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