JP2018110497A

JP2018110497A - 回転電機

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Publication number: JP2018110497A
Application number: JP2017000488A
Authority: JP
Inventors: 祐二狩野; Yuji Kano; 泰行齋藤; Yasuyuki Saito; 太祐池田; Tasuke Ikeda
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2017-01-05
Filing date: 2017-01-05
Publication date: 2018-07-12
Anticipated expiration: 2037-01-05
Also published as: JP6670767B2

Abstract

【課題】回転子が回転する際に発生するトルク脈動を抑制できる回転電機を提供する。【解決手段】回転子は、磁石挿入孔２５３を備える回転子コア２５２と磁石挿入孔２５３に固定された永久磁石２５４を備える。磁石挿入孔２５３は、永久磁石２５４の幅方向の両側に磁気的空隙２５７を備える。回転軸に垂直な断面において、磁気的空隙２５７の輪郭の頂点のうち回転子コア２５２の外周に最も近い頂点Ｐ０を通り、回転子コア２５２の外周と同心円の線を仮想線Ｌ１とし、磁石挿入孔２５３の径方向外側の辺と重なる直線を仮想線Ｌ２とし、仮想線Ｌ１と仮想線Ｌ２の交点を交点Ｐ１とし、仮想線Ｌ２上に又は仮想線Ｌ２に対してｄ軸の反対側に位置し、交点Ｐ１よりも径方向内側に位置する頂点を頂点Ｐ２とすると、磁気的空隙２５７の輪郭は、頂点Ｐ０と頂点Ｐ２とを結ぶ辺Ｓとを有し、辺Ｓが仮想線Ｌ１よりも径方向内側で、仮想線Ｌ２に対してｄ軸の反対側に位置する。【選択図】図６

Description

本発明は、回転電機に関する。

車両駆動用に用いられる回転電機には、騒音低減のために、通常の回転電機に比べ、回転子が回転する際に発生するトルク脈動の抑制が要求されている。トルク脈動の抑制にあたっては、回転子の外周側から出る磁束の波形を正弦波化するのが有効であることが知られている。

特許文献１には、従来の回転電機における回転子の例が記載されている。回転子は、磁石挿入孔が開けられた回転子コアを備え、磁石挿入孔には永久磁石が埋め込まれて固定されている。磁石挿入孔において、永久磁石の両側には、コギングトルクや通電磁のトルク脈動を低減するために磁気的空隙が設けられている。

特開２０１１−１０１５０４号公報

特許文献１に記載の発明などの従来の回転電機では、回転子が回転する際に発生するトルク脈動の抑制が図られてきたが、必ずしも十分にトルク脈動を抑制できたわけではなく、騒音低減という観点から見ると更なるトルク脈動の抑制が望まれてきた。

本発明は、回転子が回転する際に発生するトルク脈動を抑制できる回転電機を提供することを目的とする。

本発明による回転電機は、次のような特徴を備える。本発明による回転電機は、固定子と、前記固定子の内周側に空隙を介して回転可能に配置された回転子とを備える。前記回転子は、複数の磁石挿入孔を備える回転子コアと、前記磁石挿入孔に固定された複数極の永久磁石とを備える。前記磁石挿入孔は、前記回転子の回転軸方向に延伸するとともに、前記永久磁石の幅方向の両側に、前記永久磁石が存在しない磁気的空隙を備える。前記回転軸方向に垂直な断面において、前記磁気的空隙の輪郭を構成する頂点のうち前記回転子コアの外周に最も近い頂点を頂点Ｐ０とし、前記頂点Ｐ０を通り、前記回転子コアの外周を示す円と同心円を描く線を仮想線Ｌ１とし、前記磁石挿入孔の前記永久磁石に面する辺のうち前記幅方向に延伸し前記回転子の径方向の外側にある辺と重なる直線を仮想線Ｌ２とし、前記仮想線Ｌ１と前記仮想線Ｌ２との交点を交点Ｐ１とし、前記仮想線Ｌ２上に位置し又は前記仮想線Ｌ２に対して前記永久磁石の１極の中心軸であるｄ軸の反対側に位置し、前記交点Ｐ１よりも前記径方向の内側に位置する頂点を頂点Ｐ２とする。前記磁気的空隙は、前記断面において、前記輪郭が、前記頂点Ｐ０と、前記頂点Ｐ２と、前記頂点Ｐ０と前記頂点Ｐ２とを結ぶ辺Ｓとを有し、前記辺Ｓが、前記仮想線Ｌ１よりも前記径方向の内側で、前記仮想線Ｌ２に対して前記ｄ軸の反対側に位置する。

本発明によれば、回転子が回転する際に発生するトルク脈動を抑制できる回転電機を提供することができる。

本発明の一実施例による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。電力変換装置の回路図である。本実施例による回転電機のｒ−ｚ断面図である。本実施例による回転電機の固定子及び回転子のｒ−θ断面図である。本実施例による回転電機の固定子及び回転子のｒ−θ断面図の１磁極分を拡大して示した図である。本実施例による回転電機のうち、回転子コアの磁気的空隙を含む部分領域（図５の領域Ｂ）を拡大して示した図である。本実施例による回転電機のうち、回転子コアの磁気的空隙を含む部分領域（図５の領域Ｂ）を拡大して示した図であり、磁気的空隙の輪郭の形状が図６と異なるものを示す図である。従来の回転電機のうち、回転子コアの磁気的空隙を含む部分領域（図５の領域Ｂに相当する領域）を拡大して示した図である。

以下、本発明の実施例による回転電機を、図面を参照して説明する。なお、回転電機の回転子の径方向をｒで表し、回転子の回転軸方向をｚで表し、回転子の回転方向をθで表す。また、回転子の径方向、回転軸方向、及び回転方向を、それぞれ「径方向」、「軸方向」、及び「周方向」と呼ぶ。

本発明による回転電機は、以下に説明するように、回転子コアの磁石挿入孔の逃げ部（磁気的空隙）に発生する応力を低減し、高回転化が可能である。そのため、例えば、電気自動車の走行用モータとして用いるのに好適である。本発明による回転電機は、回転電機のみの動力によって走行する純粋な電気自動車や、エンジンと回転電機の双方によって駆動されるハイブリッド型の電気自動車にも適用できるが、以下ではハイブリッド型の電気自動車を例に説明する。

図１は、本発明の一実施例による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、第１の回転電機２００や第２の回転電機２０２による駆動力が車両１００に必要な場合には、電力変換装置６００を介して第１の回転電機２００や第２の回転電機２０２に直流電力を供給する。さらに、バッテリ１８０は、回生走行時には第１の回転電機２００や第２の回転電機２０２から直流電力を受ける。バッテリ１８０と第１の回転電機２００や第２の回転電機２０２との間の直流電力の授受は、電力変換装置６００を介して行われる。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直流電力を供給する。

エンジン１２０及び第１の回転電機２００や第２の回転電機２０２による回転トルクは、変速機１３０とデファレンシャルギア１６０を介して前輪１１０に伝達される。変速機１３０は、変速機制御装置１３４により制御される。エンジン１２０は、エンジン制御装置１２４により制御される。バッテリ１８０は、バッテリ制御装置１８４により制御される。変速機制御装置１３４、エンジン制御装置１２４、バッテリ制御装置１８４、電力変換装置６００及び統合制御装置１７０は、通信回線１７４によって互いに接続されている。

統合制御装置１７０は、変速機制御装置１３４、エンジン制御装置１２４、電力変換装置６００及びバッテリ制御装置１８４よりも上位の制御装置であり、変速機制御装置１３４、エンジン制御装置１２４、電力変換装置６００及びバッテリ制御装置１８４の各状態を表す情報を、通信回線１７４を介してそれらからそれぞれ受け取る。統合制御装置１７０は、取得したそれらの情報に基づき各装置への制御指令を演算する。演算された制御指令は、通信回線１７４を介してそれぞれの装置へ送信される。

バッテリ１８０は、リチウムイオン電池又はニッケル水素電池などの２次電池で構成され、２５０ボルトから６００ボルト、又はそれ以上の高電圧の直流電力を出力する。バッテリ制御装置１８４は、バッテリ１８０の充放電状況やバッテリ１８０を構成する各単位セル電池の状態を、通信回線１７４を介して統合制御装置１７０に出力する。

統合制御装置１７０は、バッテリ制御装置１８４からの情報に基づいてバッテリ１８０の充電が必要と判断すると、電力変換装置６００に発電運転の指示を出す。また、統合制御装置１７０は、主に、エンジン１２０、第１の回転電機２００及び第２の回転電機２０２の出力トルクの管理と、エンジン１２０の出力トルクと第１の回転電機２００及び第２の回転電機２０２の出力トルクとの総合トルクやトルク分配比の演算処理を行い、この演算処理結果に基づく制御指令を、変速機制御装置１３４、エンジン制御装置１２４及び電力変換装置６００へ送信する。電力変換装置６００は、統合制御装置１７０からのトルク指令に基づき、指令通りのトルク出力又は発電電力が発生するように第１の回転電機２００と第２の回転電機２０２を制御する。

電力変換装置６００には、第１の回転電機２００と第２の回転電機２０２を運転するためのインバータ回路を構成するパワー半導体が設けられている。電力変換装置６００は、統合制御装置１７０からの指令に基づきパワー半導体のスイッチング動作を制御する。このパワー半導体のスイッチング動作により、第１の回転電機２００と第２の回転電機２０２は、電動機として又は発電機として運転される。

第１の回転電機２００と第２の回転電機２０２を電動機として運転する場合は、高電圧のバッテリ１８０からの直流電力が電力変換装置６００のインバータの直流端子に供給される。電力変換装置６００は、パワー半導体のスイッチング動作を制御して、供給された直流電力を３相交流電力に変換し、変換した電力を第１の回転電機２００と第２の回転電機２０２に供給する。一方、第１の回転電機２００と第２の回転電機２０２を発電機として運転する場合には、第１の回転電機２００と第２の回転電機２０２の回転子が外部から加えられる回転トルクで回転駆動され、第１の回転電機２００と第２の回転電機２０２の固定子巻線に３相交流電力が発生する。発生した３相交流電力は、電力変換装置６００で直流電力に変換され、この直流電力がバッテリ１８０に供給されることにより、高電圧のバッテリ１８０が充電される。

図２は、図１の電力変換装置６００の回路図である。電力変換装置６００は、第１の回転電機２００のための第１のインバータ装置と、第２の回転電機２０２のための第２のインバータ装置と、制御回路６４８と、コンデンサモジュール６３０と、送受信回路６４４とを備える。

第１のインバータ装置は、パワーモジュール６１０と、パワーモジュール６１０の各パワー半導体２１のスイッチング動作を制御する第１の駆動回路６５２と、第１の回転電機２００の電流を検知する電流センサ６６０とを備える。第１の駆動回路６５２は、駆動回路基板６５０に設けられている。

第２のインバータ装置は、パワーモジュール６２０と、パワーモジュール６２０の各パワー半導体２１のスイッチング動作を制御する第２の駆動回路６５６と、第２の回転電機２０２の電流を検知する電流センサ６６２とを備える。第２の駆動回路６５６は、駆動回路基板６５４に設けられている。

制御回路６４８は、制御回路基板６４６に設けられる。送受信回路６４４は、コネクタ基板６４２に実装される。制御回路６４８、コンデンサモジュール６３０及び送受信回路６４４は、第１のインバータ装置と第２のインバータ装置とで共通に使用される。

パワーモジュール６１０とパワーモジュール６２０は、それぞれが対応する第１の駆動回路６５２と第２の駆動回路６５６から出力された駆動信号によって動作する。パワーモジュール６１０とパワーモジュール６２０は、それぞれバッテリ１８０から供給された直流電力を三相交流電力に変換し、この電力を対応する第１の回転電機２００と第２の回転電機２０２の電機子巻線である固定子巻線に供給する。また、パワーモジュール６１０とパワーモジュール６２０は、それぞれ第１の回転電機２００と第２の回転電機２０２の固定子巻線に誘起された交流電力を直流に変換し、バッテリ１８０に供給する。

図２に示すように、パワーモジュール６１０とパワーモジュール６２０は、３相ブリッジ回路を備えており、３相に対応した直列回路が、それぞれバッテリ１８０の正極側と負極側との間に電気的に並列に接続されている。各直列回路は、上アームを構成するパワー半導体２１と下アームを構成するパワー半導体２１とを備え、これらのパワー半導体２１は直列に接続されている。パワーモジュール６１０とパワーモジュール６２０は、図２に示すように回路構成が互いにほぼ同じであるので、以下ではパワーモジュール６１０で代表して説明することもある。

本実施例では、パワー半導体２１（スイッチング用パワー半導体素子）としてＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）２１を用いている。ＩＧＢＴ２１は、コレクタ電極、エミッタ電極及びゲート電極の３つの電極を備える。ＩＧＢＴ２１のコレクタ電極とエミッタ電極との間には、ダイオード３８が電気的に接続されている。ダイオード３８は、カソード電極及びアノード電極の２つの電極を備えており、ＩＧＢＴ２１のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向となるように、カソード電極がＩＧＢＴ２１のコレクタ電極に、アノード電極がＩＧＢＴ２１のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。

なお、スイッチング用パワー半導体素子（パワー半導体２１）として、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いてもよい。ＭＯＳＦＥＴは、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極の３つの電極を備えている。ＭＯＳＦＥＴの場合には、ソース電極とドレイン電極との間に、ドレイン電極からソース電極に向かう方向が順方向となる寄生ダイオードを備えているので、図２のダイオード３８を設ける必要がない。

パワーモジュール６１０とパワーモジュール６２０の３相ブリッジ回路の各相のアームは、ＩＧＢＴ２１のエミッタ電極とＩＧＢＴ２１のコレクタ電極とが電気的に直列に接続されて構成されている。なお、本実施例では、各相の各上下アームのＩＧＢＴ２１を１つしか図示していないが、実際には、制御する電流容量が大きいので複数のＩＧＢＴ２１が電気的に並列に接続されて構成されている。以下では、説明を簡単にするため、図示した１つのパワー半導体２１について説明する。

図２に示す例では、各相の各上下アームは、それぞれ３個のＩＧＢＴ２１によって構成されている。各相の各上アームのＩＧＢＴ２１のコレクタ電極は、バッテリ１８０の正極側に、各相の各下アームのＩＧＢＴ２１のエミッタ電極は、バッテリ１８０の負極側に、それぞれ電気的に接続されている。各相の上下アームの中点（上アーム側ＩＧＢＴ２１のエミッタ電極と下アーム側のＩＧＢＴ２１のコレクタ電極との接続部分）は、対応する第１の回転電機２００と第２の回転電機２０２の、対応する相の電機子巻線（固定子巻線）に電気的に接続されている。

第１の駆動回路６５２と第２の駆動回路６５６は、それぞれが対応するパワーモジュール６１０とパワーモジュール６２０を制御するための駆動部を構成しており、制御回路６４８から出力された制御信号に基づいて、ＩＧＢＴ２１を駆動させるための駆動信号を発生する。第１の駆動回路６５２と第２の駆動回路６５６で発生した駆動信号は、それぞれが対応するパワーモジュール６１０とパワーモジュール６２０の各パワー半導体２１のゲートにそれぞれ出力される。第１の駆動回路６５２と第２の駆動回路６５６のそれぞれには、各相の各上下アームのゲートに供給する駆動信号を発生する集積回路が６個設けられており、６個の集積回路が１ブロックとして構成されている。

制御回路６４８は、パワーモジュール６１０とパワーモジュール６２０の制御部を構成しており、複数のスイッチング用パワー半導体２１を動作（オン又はオフ）させるための制御信号（制御値）を演算するマイクロコンピュータによって構成されている。制御回路６４８には、上位制御装置からのトルク指令信号（トルク指令値）、電流センサ６６０と電流センサ６６２のセンサ出力、及び第１の回転電機２００と第２の回転電機２０２に搭載された回転センサのセンサ出力が入力される。制御回路６４８は、これらの入力信号に基づいて制御値を演算し、第１の駆動回路６５２と第２の駆動回路６５６にスイッチングタイミングを制御するための制御信号を出力する。

コネクタ基板６４２に実装された送受信回路６４４は、電力変換装置６００と外部の制御装置との間を電気的に接続するためのもので、図１にも示した通信回線１７４を介して他の装置と情報の送受信を行う。コンデンサモジュール６３０は、ＩＧＢＴ２１のスイッチング動作によって生じる直流電圧の変動を抑制するための平滑回路を構成するものであり、パワーモジュール６１０とパワーモジュール６２０の直流側の端子に、電気的に並列に接続されている。

図３は、図１に示した第１の回転電機２００のｒ−ｚ断面図である。なお、第１の回転電機２００と第２の回転電機２０２とはほぼ同じ構造を有しており、以下では第１の回転電機２００の構造を代表例として説明する。但し、以下に示す構造は、第１の回転電機２００と第２の回転電機２０２の双方が備えている必要はなく、一方だけが備えていてもよい。

第１の回転電機２００は、固定子２３０と回転子２５０とハウジング２１２を備える。固定子２３０は、ハウジング２１２の内部に保持され、固定子コア２３２と固定子巻線２３８とを備える。固定子コア２３２の内周側には、回転子２５０が空隙２２２を介して回転可能に配置されている。回転子２５０は、シャフト２１８に固定された回転子コア２５２と、複数極の永久磁石２５４と、非磁性体のあて板２２６とを備え、シャフト２１８を回転軸として回転可能である。ハウジング２１２は、軸受２１６が設けられた一対のエンドブラケット２１４を有している。シャフト２１８は、これらの軸受２１６により回転自在に保持されている。

シャフト２１８は、回転子２５０の極の位置や回転速度を検出するレゾルバ２２４（回転角センサ）を備える。レゾルバ２２４からの出力は、図２に示した制御回路６４８に取り込まれる。制御回路６４８は、取り込んだレゾルバ２２４からの出力に基づいて制御信号を第１の駆動回路６５２に出力する。第１の駆動回路６５２は、この制御信号に基づく駆動信号をパワーモジュール６１０に出力する。パワーモジュール６１０は、制御信号に基づきスイッチング動作を行い、バッテリ１８０から供給される直流電力を３相交流電力に変換する。この３相交流電力は、図３に示した固定子巻線２３８に供給され、回転磁界が固定子２３０に発生する。３相交流電流の周波数は、レゾルバ２２４の出力値に基づいて制御され、３相交流電流の回転子２５０に対する位相も、同じくレゾルバ２２４の出力値に基づいて制御される。

図４は、第１の回転電機２００の固定子２３０及び回転子２５０のｒ−θ断面図（軸方向に垂直な断面図）であり、図３のＡ−Ａ断面図である。なお、図４ではハウジング２１２、シャフト２１８及び固定子巻線２３８の図示を省略した。

固定子コア２３２の内周側には、複数のスロット２３７とティース２３６とが固定子コア２３２の全周に渡って均等の間隔で配置されている。図４では、スロット及びティースの全てに符号を付すことはせず、代表して一部のスロット及びティースのみに符号を付した。

スロット２３７内には、スロット絶縁材（図示は省略）が設けられ、図３の固定子巻線２３８を構成するＵ相、Ｖ相及びＷ相の複数の相巻線が装着されている。本実施例では、毎極毎相スロット数が２であるため、スロット２３７は等間隔に４８個設けられている。毎極毎相スロット数が２であるとは、各スロット２３７のＵ相、Ｖ相、Ｗ相が周方向にＵ相、Ｕ相、Ｖ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｗ相、・・・と２つずつ並ぶように相を配置することを意味し、１極のＵ相、Ｖ相及びＷ相で６つのスロット２３７を使うことになる。本実施例では、後述する永久磁石２５４（２５４ａ、２５４ｂ）が周方向に８個（８対）並ぶ８極であるため、固定子コア２３２のスロット２３７の数は８×６の４８個である。

回転子コア２５２の外周近傍には、直方体形状の永久磁石２５４を固定する複数の穴（磁石挿入孔２５３）が、周方向に沿って等間隔に配設されている。本実施例では、永久磁石２５４が８極（８対）であるので、８個（８対）の磁石挿入孔２５３が配設されている。磁石挿入孔２５３は、軸方向に延伸しており、８極（８対）の永久磁石２５４（２５４ａ、２５４ｂ）が埋め込まれている。

永久磁石２５４は、接着剤や充填剤などで回転子コア２５２に固定されており、回転子２５０の界磁極として作用し、本実施例では８極構成である。永久磁石２５４は、長さ方向（磁石挿入孔２５３に埋め込まれたときの軸方向）に垂直な断面（横断面）での形状が長方形である。永久磁石２５４について、横断面形状（長方形）の長辺の長さを「幅」ｂ２と呼び、短辺の長さを「厚さ」と呼ぶ。

以下では、磁石挿入孔２５３の幅を、磁石挿入孔２５３に埋め込まれた永久磁石２５４の幅ｂ２方向の長さとし、ｂ１で表す。磁石挿入孔２５３の幅ｂ１は、永久磁石２５４の幅ｂ２よりも大きい。磁石挿入孔２５３の内部には、幅ｂ１方向の両側に、永久磁石２５４が存在しない空間が存在する。この空間は、磁気的空隙２５７として機能する。この空間（磁気的空隙２５７）には、接着剤を埋め込んでもよく、成型用樹脂を充填して成型用樹脂と永久磁石２５４とを一体に固めてもよい。

磁石挿入孔２５３は、長さ方向（軸方向）に垂直な断面（横断面）での形状（輪郭）が、永久磁石２５４が埋め込まれる長方形部分の長辺の形状と、磁気的空隙２５７として機能する部分の形状とからなる。

永久磁石２５４の磁化方向は、永久磁石２５４の幅ｂ２方向に垂直であり、界磁極毎に磁化方向の向きが反転している。すなわち、永久磁石２５４ａの、固定子２３０側の面（径方向外側の面）がＮ極、回転軸側の面（径方向内側の面）がＳ極であれば、永久磁石２５４ａの周方向の隣にある永久磁石２５４ｂは、固定子２３０側の面がＳ極、回転軸側の面がＮ極である。これらの永久磁石２５４ａと永久磁石２５４ｂは、周方向に交互に配置されている。

永久磁石２５４は、磁化した後に回転子コア２５２の磁石挿入孔２５３に挿入してもよいし、磁石挿入孔２５３に挿入した後に強力な磁界を与えて磁化させてもよい。但し、磁化後の永久磁石２５４は強力な磁石なので、回転子２５０に固定する前に永久磁石２５４を着磁すると、永久磁石２５４の回転子２５０への固定時に永久磁石２５４と回転子コア２５２との間に強力な吸引力が生じて組み付け作業の妨げとなる。また、永久磁石２５４の強力な吸引力により、永久磁石２５４に鉄粉などのごみが付着するおそれがある。このため、回転電機の生産性を考慮すると、永久磁石２５４は、回転子コア２５２の磁石挿入孔２５３に挿入した後に磁化するのが好ましい。

なお、永久磁石２５４には、ネオジウム系、サマリウム系の焼結磁石、フェライト磁石、及びネオジウム系のボンド磁石などを用いることができる。永久磁石２５４の残留磁束密度は、０．４〜１．５Ｔ程度である。

３相交流電流を固定子巻線２３８に流すことにより回転磁界が固定子２３０に発生すると、この回転磁界が回転子２５０の永久磁石２５４に作用してトルクが生じる。このトルクは、永久磁石２５４から出る磁束のうち各相巻線に鎖交する成分と、各相巻線に流れる交流電流の鎖交磁束に直交する成分の積で表される。ここで、交流電流は正弦波状になるように制御されているので、鎖交磁束の基本波成分と交流電流の基本波成分の積がトルクの時間平均成分となり、鎖交磁束の高調波成分と交流電流の基本波成分の積がトルクの高調波成分であるトルクリプルとなる。つまり、トルクリプルを低減するには、鎖交磁束の高調波成分を低減すればよい。言い換えれば、鎖交磁束と回転子の回転する角速度の積が誘起電圧であるから、鎖交磁束の高調波成分を低減することは、誘起電圧の高調波成分を低減することに等しい。

図５は、図４に示した固定子２３０及び回転子２５０のｒ−θ断面図の１磁極分を拡大して示した図である。以下では、図５に示した断面について説明する。

回転子コア２５２には、１極あたりに１対の磁石挿入孔２５３が設けられている。１対の磁石挿入孔２５３は、永久磁石２５４の１極あたりの中央（中心軸）であるｄ軸３００に対して対称の形状である。磁石挿入孔２５３には、永久磁石２５４の磁極外側（幅ｂ２方向の両側）に、磁気的空隙２５７が存在する。磁気的空隙２５７は、コギングトルクや通電時のトルク脈動を低減するために設けられている。磁気的空隙２５７の厚さを、磁石挿入孔２５３に埋め込まれた永久磁石２５４の厚さ方向の長さとすると、磁気的空隙２５７の厚さは、永久磁石２５４の厚さよりも小さい。このため、永久磁石２５４は、幅ｂ２方向への動きが規制される。回転子コア２５２のうち、永久磁石２５４の幅ｂ２方向への動きを規制する部分は、磁極端押え部２６４と呼ばれ、磁気的空隙２５７よりも内周側（径方向内側）に位置する。

また、回転子コア２５２のうち、磁石挿入孔２５３と回転子コア２５２の外周との間の部分を、コア部２５６と呼ぶ。磁石挿入孔２５３と回転子コア２５２の外周との径方向の距離のうち、最も短い距離をＷ１とする。回転子コア２５２のうち、回転子コア２５２の外周から径方向内側に距離Ｗ１の位置までの範囲の部分を、磁極端ブリッジ部２５８と呼ぶ。磁極端ブリッジ部２５８は、幅がＷ１の円環状の部分である。幅Ｗ１が小さいほど回転子２５０内の磁路に流れる永久磁石２５４からの磁束が減って、より多くの磁束が固定子２３０に到達するようになり、マグネットトルクを大きくすることができる。従って、磁極端ブリッジ部２５８の幅Ｗ１は、回転子２５０が回転した時の応力に耐えられる程度に、できる限り小さくすることが好ましい。

図６は、本実施例による回転電機のうち、回転子コア２５２の磁気的空隙２５７を含む部分領域（図５の領域Ｂ）を拡大して示した図である。以下では、図６に示した断面について説明する。

回転子コア２５２の外周から径方向内側に距離Ｗ１の位置を示す線を仮想線Ｌ１（３０１）とする。磁極端ブリッジ部２５８は、回転子コア２５２のうち、回転子コア２５２の外周と仮想線３０１との間の領域である。また、磁石挿入孔２５３の永久磁石２５４に面する辺のうち、永久磁石２５４の幅ｂ２方向に延伸する辺であって径方向外側にある辺と重なる直線を仮想線Ｌ２（３０２）とする。

磁石挿入孔２５３は、図５、６に示すように、ｒ−θ断面（横断面）での形状（輪郭）が、永久磁石２５４が埋め込まれる長方形部分の長辺の形状と、磁気的空隙２５７として機能する部分の形状とからなる。磁気的空隙２５７の横断面形状（横断面での輪郭）を構成する頂点のうち、仮想線３０１上に位置する頂点（磁気的空隙２５７として機能する部分の頂点）を頂点Ｐ０（２７０）とし、仮想線３０２上に位置する又は仮想線３０２に対してｄ軸３００の反対側に位置する頂点を頂点Ｐ２（２７２）とする。仮想線３０１は、頂点２７０を通り、回転子コア２５２の外周を示す円と同心円を描く線である。仮想線３０１と仮想線３０２との交点を、交点Ｐ１（２７１）とする。頂点２７０は、磁気的空隙２５７の輪郭を構成する頂点のうち回転子コア２５２の外周に最も近い頂点であり（頂点２７０と回転子コア２５２の外周との距離はＷ１）、仮想線３０２に対してｄ軸３００の反対側に位置する。頂点２７２は、交点２７１よりも径方向内側に位置する。

なお、図６に示した例では、頂点２７２は、永久磁石２５４の角部２５４ｃの近傍に位置する。頂点２７２は、仮想線３０２上であって永久磁石２５４の角部２５４ｃ（回転子コア２５２の外周に最も近い角部）からの距離が最短の地点に位置するのが、トルク脈動の抑制効果の点から好ましい。しかし、頂点２７２がこの地点の近傍に位置しても、トルク脈動を抑制することができる。

磁気的空隙２５７は、ｒ−θ断面（横断面）での輪郭の形状が、頂点２７０と、頂点２７２と、頂点２７０と頂点２７２とを結ぶ辺Ｓ（２７３）を有する形状である。辺２７３は、仮想線３０１よりも径方向内側で、仮想線３０２に対してｄ軸３００の反対側に位置する辺である。辺２７３は、図６では直線であるが、曲率半径の大きい曲線でもよい。磁気的空隙２５７の輪郭が辺２７３を有する形状であるので、磁気的空隙２５７は、その輪郭と内部とに交点２７１を含まない。従って、頂点２７０と頂点２７２と交点２７１との３点を結ぶ３つの辺（辺２７３と、頂点２７０と交点２７１とを結ぶ辺と、交点２７１と頂点２７２とを結ぶ辺）で囲まれた領域を領域Ｒとすると、回転子コア２５２では、領域Ｒは、磁気的空隙２５７や磁石挿入孔２５３ではなく、回転子コア２５２が存在して永久磁石２５４からの磁束が流れる磁路である。

図８は、従来の回転電機のうち、回転子コアの磁気的空隙を含む部分領域（図５の領域Ｂに相当する領域）を拡大して示した図である。従来の回転電機では、頂点２７０と頂点２７２が交点２７１の位置にあり、磁気的空隙２５７ａが本実施例による回転電機の磁気的空隙２５７より大きい。すなわち、従来の回転電機では、磁気的空隙２５７ａは、輪郭の形状が、図６では回転子コア２５２の内部にある２つの辺（頂点２７０と交点２７１とを結ぶ辺と、交点２７１と頂点２７２とを結ぶ辺）を有する形状であり、図６における領域Ｒを含む形状である。このため、従来の回転電機では、図６における領域Ｒは、回転子コア２５２が存在せず、磁気的空隙２５７ａに含まれる領域である。

本実施例による回転電機では、磁気的空隙２５７の横断面での輪郭の形状が辺２７３を有する形状（磁気的空隙２５７の輪郭と内部に交点２７１を含まない形状）であり、領域Ｒに回転子コア２５２が存在し、領域Ｒが永久磁石２５４からの磁束が流れる磁路である。このため、本実施例による回転電機は、従来の回転電機に比べ、永久磁石２５４から出る磁束の波形が正弦波に近くなり、回転子２５０が回転した際の固定子２３０と回転子２５０の間に発生する磁束密度の波形が正弦波に近くなる。従って、本実施例による回転電機は、回転子２５０が回転した際に発生するトルク脈動を、従来よりも抑制することができる。

仮想線３０１上に位置する頂点２７０と、仮想線３０２上に位置する又は仮想線３０２に対してｄ軸３００の反対側に位置する頂点２７２は、交点２７１以外の位置にあればよい（但し、頂点２７０は、仮想線３０２に対してｄ軸３００の反対側に位置し、頂点２７２は、交点２７１よりも径方向内側に位置する）。頂点２７０は、可能な限り交点２７１から周方向に（ｄ軸３００から遠くなる方向に）離れた位置にある方が、トルク脈動の抑制効果がより大きい。また、頂点２７２は、可能な限り永久磁石２５４の角部２５４ｃに近い位置にある方が、トルク脈動の抑制効果がより大きい。頂点２７０と頂点２７２が交点２７１からより離れた位置にあれば、回転子コア２５２が存在する部分である領域Ｒがより大きくなり、永久磁石２５４から出る磁束の波形がより正弦波に近くなるからである。

頂点２７０と頂点２７２の間に、仮想線３０１よりも径方向内側で、仮想線３０２に対してｄ軸３００の反対側であれば、頂点を１つ又は複数設けても、同様の効果を得ることができる。辺２７３は、仮想線３０１よりも径方向内側で、仮想線３０２に対してｄ軸３００の反対側に位置すれば、曲線でも複数の線分から成る折れ線でもよい。

なお、頂点２７０と頂点２７２がある位置は、回転子コア２５２の製造の関係上、厳密には角ではなく、丸みがついている。本実施例では、この丸みのある角も頂点に含める。

図７は、本実施例による回転電機のうち、回転子コア２５２の磁気的空隙２５７を含む部分領域（図５の領域Ｂ）を拡大して示した図であり、磁気的空隙２５７の輪郭の形状が図６と異なるものを示す図である。以下では、図７に示した断面について説明する。

上述したように、図６に示した例では、頂点２７２は、仮想線３０１と仮想線３０２との交点２７１よりも径方向内側で、永久磁石２５４の角部２５４ｃの近傍に位置する。

図７に示した例では、頂点２７２は、仮想線３０１と仮想線３０２との交点２７１よりも径方向内側で、永久磁石２５４の角部２５４ｃよりも径方向外側に位置する。図７に示すように、頂点２７２が、永久磁石２５４の角部２５４ｃの近傍に位置しない場合でも、交点２７１（仮想線３０１）よりも径方向内側に位置すれば、トルク脈動の抑制効果を得ることができる。

また、本実施例では、図５に示すように１対の永久磁石２５４が径方向外側に向かって開くＶ字状に配置されているが、永久磁石２５４の配置はこれに限らない。例えば、Ｖ字状に配置した１対の永久磁石２５４の間のコア部２５６に、着磁方向がｄ軸３００と同一方向の永久磁石をさらに配置しても、本実施例と同様の効果を得ることができる。他にも、Ｖ字状に配置した１対の永久磁石２５４の径方向外側に、さらにＶ字状に配置した１対の永久磁石を設けても、本実施例と同様の効果を得ることができる。つまり、本実施例での磁石挿入孔２５３の周囲に別の空隙や永久磁石を設けても、トルク脈動の抑制効果を得ることができる。

なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記の実施例は、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、本発明は、必ずしも説明した全ての構成を備える態様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る。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、削除したり、他の構成を追加・置換したりすることが可能である。

２１…パワー半導体（ＩＧＢＴ）、３８…ダイオード、１００…車両、１１０…前輪、１２０…エンジン、１２４…エンジン制御装置、１３０…変速機、１３４…変速機制御装置、１６０…デファレンシャルギア、１７０…統合制御装置、１７４…通信回線、１８０…バッテリ、１８４…バッテリ制御装置、２００…第１の回転電機、２０２…第２の回転電機、２１２…ハウジング、２１４…エンドブラケット、２１６…軸受、２１８…シャフト、２２２…空隙、２２４…レゾルバ、２２６…あて板、２３０…固定子、２３２…固定子コア、２３６…ティース、２３７…スロット、２３８…固定子巻線、２５０…回転子、２５２…回転子コア、２５３…回転子コアの磁石挿入孔、２５４、２５４ａ、２５４ｂ…永久磁石、２５４ｃ…永久磁石の角部、２５６…コア部、２５７、２５７ａ…磁気的空隙、２５８…磁極端ブリッジ部、２６４…磁極端押え部、２７０、２７２…頂点、２７１…仮想線の交点、２７３…磁気的空隙の辺、３００…ｄ軸、３０１、３０２…仮想線、６００…電力変換装置、６１０、６２０…パワーモジュール、６３０…コンデンサモジュール、６４２…コネクタ基板、６４４…送受信回路、６４６…制御回路基板、６４８…制御回路、６５０…駆動回路基板、６５４…駆動回路基板、６５２…第１の駆動回路、６５６…第２の駆動回路、６６０…電流センサ、６６２…電流センサ。

Claims

固定子と、前記固定子の内周側に空隙を介して回転可能に配置された回転子とを備え、
前記回転子は、複数の磁石挿入孔を備える回転子コアと、前記磁石挿入孔に固定された複数極の永久磁石とを備え、
前記磁石挿入孔は、前記回転子の回転軸方向に延伸するとともに、前記永久磁石の幅方向の両側に、前記永久磁石が存在しない磁気的空隙を備え、
前記回転軸方向に垂直な断面において、
前記磁気的空隙の輪郭を構成する頂点のうち前記回転子コアの外周に最も近い頂点を頂点Ｐ０とし、
前記頂点Ｐ０を通り、前記回転子コアの外周を示す円と同心円を描く線を仮想線Ｌ１とし、
前記磁石挿入孔の前記永久磁石に面する辺のうち前記幅方向に延伸し前記回転子の径方向の外側にある辺と重なる直線を仮想線Ｌ２とし、
前記仮想線Ｌ１と前記仮想線Ｌ２との交点を交点Ｐ１とし、
前記仮想線Ｌ２上に位置し又は前記仮想線Ｌ２に対して前記永久磁石の１極の中心軸であるｄ軸の反対側に位置し、前記交点Ｐ１よりも前記径方向の内側に位置する頂点を頂点Ｐ２とすると、
前記磁気的空隙は、前記断面において、
前記輪郭が、前記頂点Ｐ０と、前記頂点Ｐ２と、前記頂点Ｐ０と前記頂点Ｐ２とを結ぶ辺Ｓとを有し、
前記辺Ｓが、前記仮想線Ｌ１よりも前記径方向の内側で、前記仮想線Ｌ２に対して前記ｄ軸の反対側に位置する、
ことを特徴とする回転電機。
前記断面において、前記辺Ｓと、前記頂点Ｐ０と前記交点Ｐ１とを結ぶ辺と、前記交点Ｐ１と前記頂点Ｐ２とを結ぶ辺とで囲まれた領域を領域Ｒとすると、
前記領域Ｒは、前記磁気的空隙ではなく、前記回転子コアが存在する領域である、
請求項１に記載の回転電機。
前記断面において、前記磁気的空隙は、前記輪郭と内部に前記交点Ｐ１を含まない、
請求項１に記載の回転電機。
前記断面において、前記辺Ｓは、直線、曲線、又は複数の線分から成る折れ線である、
請求項１に記載の回転電機。
前記断面において、前記頂点Ｐ２は、前記仮想線Ｌ２上であって前記永久磁石の角部からの距離が最短の地点、又は前記地点の近傍に位置する、
請求項１に記載の回転電機。