JP2018196163A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】動作点を広くすることができ、リラクタンストルクを大きくすることができる回転電機を提供すること。【解決手段】ロータ２０は、隣り合う突極２２同士を接続する第１バイパス路ＢＰ１と、第１バイパス路ＢＰ１に、該第１バイパス路ＢＰ１の延伸方向に磁極を向くように配置された第１永久磁石ＰＭ１と、ロータコア２１と第１バイパス路ＢＰ１との間に形成される第１フラックスバリアＦＢ１と、を備えている。そして、回転電機１の駆動中に、電機子コイル１４に通電する電流の電流位相角を制御するようになっている。【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機に関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両の駆動源に用いられる回転電機として、永久磁石型同期モータが知られている。永久磁石型同期モータは、車両の走行状態によって動作点が異なる。例えば、車両の発進時は高トルク領域の動作点を用い、車両の市街地走行時は低トルク領域の動作点を用い、車両の高速走行時は高速領域の動作点が用いられる。

従来のこの種の回転電機として、特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１に記載のものは、回転子が形成する１つの磁極から他の磁極へ永久磁石の磁石磁束をバイパスさせるバイパス路を備えている。

特許６０３３４２４号公報

ところで、特許文献１に記載の回転電機のようにバイパス路を備える回転電機においては、所望の動作点を得ることができるよう、バイパス路を通る永久磁石の磁束量を電機子コイルの磁束で強める強め界磁制御を行うことが考えられる。

しかしながら、特許文献１に記載の回転電機にあっては、永久磁石の磁石磁束は正弦波状にステータに鎖交するため、電機子コイルに電流を流していない無負荷状態での高速回転時に電機子コイルに誘起電圧が発生してしまう。電機子コイルに誘起電圧が発生すると、この誘起電圧がインバータの電源電圧を超えないようにモータ回転数を制限しなければならず、モータの動作点が狭くなってしまう。

また、特許文献１に記載の回転電機にあっては、ｄ軸上に磁気抵抗が高い永久磁石を配置し、ｑ軸上に外側磁気的空隙部を配置しているので、ｄ軸とｑ軸の磁気抵抗が同等になり、ｄ軸とｑ軸の磁気抵抗比率である突極比が低下し、リラクタンストルクが低下してしまう。

したがって、特許文献１に記載の回転電機にあっては、モータの動作点が狭くなってしまい、リラクタンストルクを有効に活用することができず、出力トルク及び効率が低下してしまう。

本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたもので、動作点を広くすることができ、リラクタンストルクを大きくすることができる回転電機を提供することを目的としている。

本発明は、上記目的を達成するため、電機子コイルを有するステータと、ロータコアおよび前記ロータコアにおける前記ステータへの対向面に設けられた複数の突極を有するロータと、を備える回転電機であって、前記ロータは、隣り合う前記突極同士を接続する第１バイパス路と、前記第１バイパス路に、該第１バイパス路の延伸方向に磁極を向くように配置された第１永久磁石と、前記ロータコアと前記第１バイパス路との間に形成される第１フラックスバリアと、を備え、回転電機の駆動中に、前記電機子コイルに通電する電流の電流位相角を制御することを特徴とする。

本発明によれば、動作点を広くすることができ、リラクタンストルクを大きくすることができる。

図１は、本発明の一実施例に係る回転電機を回転軸に直交する平面で切断した断面図である。 図２は、本発明の一実施例に係る回転電機の一部を拡大した断面図である。 図３は、本発明の一実施例に係る回転電機の一部をさらに拡大した断面図である。 図４は、本発明の一実施例に係る回転電機における、無負荷時の磁束線を示す磁束線図である。 図５は、本発明の一実施例に係る回転電機における、電流位相とトルクの関係を示すトルク特性図である。 図６は、本発明の一実施例に係る回転電機における、ｄ軸電圧とｑ軸電圧の関係を示す電圧特性図である。 図７は、本発明の一実施例に係る回転電機における、＋ｄ軸電流の強め界磁駆動による最大トルク時の状態を示す図であり、（ａ）は磁束線の状態を示す磁束線図であり、（ｂ）は磁束ベクトルの状態を示す磁束ベクトル図である。 図８は、本発明の一実施例に係る回転電機における、−ｄ軸電流の弱め界磁駆動による漏れ磁束駆動時の状態を示す図であり、（ａ）は磁束線の状態を示す磁束線図であり、（ｂ）は磁束ベクトルの状態を示す磁束ベクトル図である。 図９は、本発明の一実施例に係る回転電機における、−ｄ軸電流の弱め界磁駆動による漏れ磁束駆動時の磁石磁束の漏れ経路を示す磁束ベクトル図である。 図１０は、本発明の一実施例に係る回転電機における、＋ｄ軸電流の強め界磁駆動による最大トルク時の磁石磁束の経路を示す磁束ベクトル図である。

本発明の一実施の形態に係る回転電機は、電機子コイルを有するステータと、ロータコアおよびロータコアにおけるステータへの対向面に設けられた複数の突極を有するロータと、を備える回転電機であって、ロータは、隣り合う突極同士を接続する第１バイパス路と、第１バイパス路に、該第１バイパス路の延伸方向に磁極を向くように配置された第１永久磁石と、ロータコアと第１バイパス路との間に形成される第１フラックスバリアと、を備え、回転電機の駆動中に、電機子コイルに通電する電流の電流位相角を制御することを特徴とする。これにより、本発明の一実施の形態に係る回転電機は、動作点を広くすることができ、リラクタンストルクを大きくすることができる。

以下、本発明に係る回転電機の一実施例について、図面を用いて説明する。

図１、図２、図３に示すように、本実施例に係る回転電機１は、永久磁石をロータ内部に埋め込んだ埋込磁石同期回転電機(ＩＰＭＳＭ：Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)である。回転電機１は、例えばハイブリッド自動車や電気自動車に搭載するのに好適な性能を有している。

回転電機１は、環状に形成されたステータ１０と、ステータ１０内に回転自在に収容されたロータ２０とを備えている。ロータ２０は、軸心Ｏを中心に回転する回転軸２に固定されており、回転軸２と一体回転するようになっている。

ステータ１０は、図示しないモータケースに固定されている。ステータ１０は、高透磁率の磁性材料からなる環状のステータコア１１を備えている。ステータコア１１は、回転軸２の軸線に沿った軸方向に電磁鋼板を積層したものからなる。

ステータコア１１には、径方向の内方側に突出したステータティース１２が周方向に沿って複数（本実施例では４８）設けられている。周方向に隣り合うステータティース１２の間には、溝状の空間であるスロット１３が形成されている。

ここで、径方向とは、上述の軸方向と直交する方向を示す。径方向の内方側とは、径方向において回転軸２に近い側を示し、径方向の外方側とは、径方向において回転軸２から遠い側を示す。周方向とは、回転軸２を中心とする円周方向を示す。

ステータコア１１の各スロット１３には、ステータコア１１の周方向に沿ってＷ相、Ｖ相、Ｕ相の三相の電機子コイル１４がそれぞれ配置されている。Ｗ相、Ｖ相、Ｕ相の各電機子コイル１４は、それぞれのステータティース１２に分布巻されている。

ステータ１０は、電機子コイル１４に三相交流が供給されることで、周方向に回転する回転磁界を発生させる。ステータ１０で発生した磁束は、ロータ２０に鎖交するようになっている。これにより、ステータ１０は、ロータ２０を回転させることができる。

電機子コイル１４には、この電機子コイル１４に流れる電流を制御するためのインバータ（不図示）が接続されており、インバータは、電機子コイル１４に供給される三相交流、すなわち供給電機子電流の振幅および位相を制御する。

電機子電流の振幅および位相は、要求される動作点を満たす範囲で適切に制御される。モータの電力効率に応じて、そのときどきで振幅および位相のいずれか一方のみを制御してもよいし、その両方を制御してもよい。

ロータ２０は、環状のロータコア２１を備えている。ロータコア２１は、回転軸２の軸線に沿った軸方向に、高透磁率の磁性材料である電磁鋼板を積層したものからなる。

ロータコア２１の外周面には、ロータ２０の周方向に沿って複数（８つ）の突極２２が等間隔で形成されている。突極２２は、径方向外方、すなわちステータ１０方向に突出している。隣り合う突極２２は、周方向に機械角で４５［deg］離れている。

ここで、ロータコア２１と突極２２とは、一体で構成されており磁気的にも結合されている。このため、本実施例におけるロータコア２１はヨーク部として機能し、複数の突極２２の基部を機械的および磁気的に結合している。

本実施例において、突極２２を通る軸をｄ軸とし、このｄ軸と電気的および磁気的に直交する軸（電気角で９０［deg］離れた軸）をｑ軸としている。ｑ軸は、ｄ軸から周方向に機械角で２２．５［deg］離れており、周方向に隣り合う突極２２の中間を通過している。突極２２は磁束が通過する磁路であり、突極２２のことを以下、突極磁路またはｄ軸磁路ともいう。

本実施例に係る回転電機１において、ロータ２０は、隣り合う突極２２同士を接続する第１バイパス路ＢＰ１を備えている。

第１バイパス路ＢＰ１は、突極２２におけるロータコア２１側の基端部同士を接続しており、ロータ２０の接線と平行に直線状に延伸している。

ロータ２０は、第１バイパス路ＢＰ１に、この第１バイパス路ＢＰ１の延伸方向に磁極を向くように配置された第１永久磁石ＰＭ１を備えている。第１永久磁石ＰＭ１は、本実施例は分割されていない１つの永久磁石からなる。

ロータ２０は、ロータコア２１と第１バイパス路ＢＰ１との間に形成される第１フラックスバリアＦＢ１を備えている。

第１フラックスバリアＦＢ１および後述する第２フラックスバリアＦＢ２、第３フラックスバリアＦＢ３、第４フラックスバリアＦＢ４は、磁束の回り込みを防止するものであり、透磁率の低い物質（本実施例では空気）から構成されている。

ここで、ハイブリッド自動車や電気自動車に搭載する回転電機は、動作点が広く、リラクタンスが大きいことが望まれている。そこで、本実施例では、動作点の拡大とリラクタンストルクの向上のため、回転電機１の負荷時において強め界磁を行うように電流位相角を制御することでトルクを向上させ、ロータ２０が高速回転している無負荷時において弱め界磁を行うように電流位相角を制御することで永久磁石の磁束をロータ２０内で短絡させて誘起電圧を低減させるようになっている。このように、本実施例では、回転電機１の駆動中に、電機子コイル１４に通電する電流の電流位相角を制御するようになっている。電流位相角を制御の詳細について後述する。

また、隣り合う突極２２の間であって第１バイパス路ＢＰ１よりステータ１０側に、ロータ２０のステータ１０との対向面における一方の突極２２の近傍からｑ軸を跨いで他方の突極２２の近傍に向かって延伸する第２バイパス路ＢＰ２が設けられている。

第２バイパス路ＢＰ２は、ロータ２０の外周面における一方の突極２２の先端部の近傍において、突極２２と平行に径方向内方に延伸した後、ｑ軸を跨いで他方の突極２２に向かうようにＵ字状に湾曲して延伸し、他方の突極２２の先端部の近傍に到達している。

言い換えれば、第２バイパス路ＢＰ２は、隣り合う一方の突極２２の先端の側部から、ロータコア２１の内周側を経て、他方の突極２２の先端の側部に向かうように、Ｕ字状に湾曲している。

また、第２バイパス路ＢＰ２に、該第２バイパス路ＢＰ２の延伸方向に磁極を向くように第２永久磁石ＰＭ２が配置されている。第２永久磁石ＰＭ２は、ｑ軸を挟んで対向配置される１組の永久磁石である。

また、第２バイパス路ＢＰ２と後述する第３バイパス路ＢＰ３との間に第２フラックスバリアＦＢ２が設けられている。したがって、第１バイパス路ＢＰ１と第２バイパス路ＢＰ２との間に第２フラックスバリアＦＢ２が設けられている。

ここで、本実施例のロータ２０はインナロータ型のラジアルギャップロータであるため、ロータ２０のステータ１０との「対向面」は、ロータ２０の外周面を意味している。仮にロータ２０がアウタロータ型のラジアルギャップロータである場合、ロータ２０の内周面がステータ１０との対向面を構成する。また、ロータ２０がアキシャルギャップロータである場合、ステータ１０に軸方向に対向する面が対向面を構成する。

また、突極２２の「近傍」の範囲は、隣り合う突極２２同士の間であって、ｄ軸である突極２２からｑ軸の間である。すなわち、一方または他方の突極２２の近傍とは、当該突極２２とｑ軸との間の空間を意味する。

隣り合う突極２２の間であって第１バイパス路ＢＰ１と第２バイパス路ＢＰ２との間に、ロータ２０のステータ１０との対向面における一方の突極２２の近傍からｑ軸を跨いで他方の突極２２の近傍に向かって延伸する第３バイパス路ＢＰ３が設けられている。また、第１バイパス路ＢＰ１と第３バイパス路ＢＰ３との間に第３フラックスバリアＦＢ３が設けられている。

第３バイパス路ＢＰ３は、ロータ２０の外周面における一方の突極２２の先端部の近傍において、突極２２と平行に径方向内方に延伸した後、ｑ軸を跨いで他方の突極２２に向かうようにＵ字状に湾曲して延伸し、他方の突極２２の先端部の近傍に到達している。

言い換えれば、第３バイパス路ＢＰ３は、隣り合う一方の突極２２の先端の側部から、ロータコア２１の内周側を経て、他方の突極２２の先端の側部に向かうように、Ｕ字状に湾曲している。

隣り合う突極２２の間であって第１バイパス路ＢＰ１と第３バイパス路ＢＰ３との間に、ロータのステータ１０との対向面における一方の突極２２の近傍からｑ軸を跨いで他方の突極２２の近傍に向かって延伸する第４バイパス路ＢＰ４が設けられている。

また、第４バイパス路ＢＰ４に、該第４バイパス路ＢＰ４の延伸方向に磁極を向くように第３永久磁石ＰＭ３が配置されている。第３永久磁石ＰＭ３は、ｑ軸を挟んで対向配置される１組の永久磁石である。また、第１バイパス路ＢＰ１と第４バイパス路ＢＰ４との間に第４フラックスバリアＦＢ４が設けられている。

第４バイパス路ＢＰ４は、ロータ２０の外周面における一方の突極２２の先端部の近傍において、突極２２と平行に径方向内方に延伸した後、ｑ軸を跨いで他方の突極２２に向かうようにＵ字状に湾曲して延伸し、他方の突極２２の先端部の近傍に到達している。

言い換えれば、第４バイパス路ＢＰ４は、隣り合う一方の突極２２の先端の側部から、ロータコア２１の内周側を経て、他方の突極２２の先端の側部に向かうように、Ｕ字状に湾曲している。

ステータ１０の近傍における第２フラックスバリアＦＢ２、第３フラックスバリアＦＢ３および第４フラックスバリアＦＢ４の幅をＷｂとし、ステータ１０におけるロータ２０への対向部のティース間隔をＷｓとしたとき、第２フラックスバリアＦＢ２、第３フラックスバリアＦＢ３および第４フラックスバリアＦＢ４のうち少なくとも１つは、Ｗｂ＜Ｗｓを満たす。例えばＷｓが１．８ｍｍのとき、Ｗｂを１．０ｍｍとする。ここで、ティース間隔とは、スロット１３の開口幅、すなわち隣り合うステータティース１２の間隔のことである。

隣り合う突極２２の一方を挟んで隣り合う一対の第２永久磁石ＰＭ２および一対の第３永久磁石ＰＭ３は、何れもロータ２０の外周側がＮ極になるように配置されている。また、隣り合う突極２２の他方を挟んで隣り合う一対の第２永久磁石ＰＭ２および一対の第３永久磁石ＰＭ３は、何れもロータ２０の外周側がＳ極の他方になるように配置されている。したがって、ロータ２０には、Ｎ極の突極２２とＳ極の突極２２とが周方向に交互に配置されている。

ロータ２０の表面近傍における第２バイパス路ＢＰ２に囲まれる部位には、ｑ軸を挟んで一対の空気層２３が設けられており、この空気層２３によって磁束の回り込みが防止される。

突極２２の基端部にはフラックスバリア３１が設けられている。このフラックスバリア３１は、突極２２の基端部におけるロータコア２１との連結部に配置されている。フラックスバリア３１は、突極２２の基端部がロータコア２１に対して斜めに連結されるように、三角形に形成されている。

また、第１バイパス路ＢＰ１にはブリッジ部２７が設けられており、第４バイパス路ＢＰ４にはブリッジ部２６が設けられている。ブリッジ部２７、２６は、それぞれ第１バイパス路ＢＰ１、第４バイパス路ＢＰ４における第１永久磁石ＰＭ１、第３永久磁石ＰＭ３の外径側に配置されており、第１バイパス路ＢＰ１、第４バイパス路ＢＰ４の機械強度を確保する機能を有する。また、本実施例では、ロータ２０の外周のｑ軸上にロータコア２１に向かって凹む凹部２５が設けられている。

また、本実施例では、第１バイパス路ＢＰ１に鉤爪形状の係止部３０を設け、第２バイパス路ＢＰ２に鉤爪形状の係止部２８を設け、第４バイパス路ＢＰ４に鉤爪形状の係止部２９を設けている。これにより、第１永久磁石ＰＭ１、第２永久磁石ＰＭ２、第３永久磁石ＰＭ３の組付性を向上でき、特別な治具を用いることなく第１永久磁石ＰＭ１、第２永久磁石ＰＭ２、第３永久磁石ＰＭ３の位置決めを容易に行うことができる。

次に、本実施例に係る回転電機１の動作と作用効果について説明する。

このように、本実施例では、永久磁石を備えたバイパス路である第１バイパス路ＢＰ１、第２バイパス路ＢＰ２および第４バイパス路ＢＰ４を、３層の層構造にしている。これにより、第１永久磁石ＰＭ１の磁石磁束、第２永久磁石ＰＭ２の磁石磁束および第３永久磁石ＰＭ３の磁石磁束が、第１バイパス路ＢＰ１、第２バイパス路ＢＰ２および第４バイパス路ＢＰ４をそれぞれ通って流れやすくなり、これらの磁石磁束をロータ２０内で短絡しやすくできる。なお、第１永久磁石ＰＭ１、第２永久磁石ＰＭ２、第３永久磁石ＰＭ３を総称して単に永久磁石ともいう。また、第１永久磁石ＰＭ１の磁石磁束、第２永久磁石ＰＭ２の磁石磁束および第３永久磁石ＰＭ３の磁石磁束を総称して単に磁石磁束ともいう。

第１のフラックスバリアＦＢ１、第３のフラックスバリアＦＢ３、第４のフラックスバリアＦＢ４はｑ軸を跨いでおり、第１永久磁石ＰＭ１はｑ軸上に配置されている。このため、ｑ軸方向においては磁束が通過しにくい。一方、突極２２のあるｄ軸においては磁束が通過しやすい。

すなわち、突極２２を通るｄ軸方向のインダクタンス（ｄ軸インダクタンスＬｄ）は、ｑ軸方向のインダクタンス（ｑ軸インダクタンスＬｑ）よりも大きい。したがって、ロータ２０は順突極性）（Ｌｄ＞Ｌｑ）を有する構造（以下、順突極構造ともいう）であり、ハイブリッド車両等において今日一般的に用いられている逆突極性（Ｌｄ＜Ｌｑ）を有する構造（以下、逆突極構造ともいう）の回転電機とは異なっている。

このようにロータ２０を順突極構造とすることで、本実施例の回転電機１は、第１永久磁石ＰＭ１、第２永久磁石ＰＭ２、第３永久磁石ＰＭ３が発生するマグネットトルクに加えて、ｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑとの差に応じたリラクタンストルクを発生することができる。

本実施例の回転電機１は、順突極性（Ｌｄ＞Ｌｑ）の構造のロータ２０を備えているため、ｄ−ｑ座標上に電機子電流（ｉｄ）およびｑ軸電流（ｉｑ）を表したベクトル図において、ｄ軸電流（ｉｄ）が正の値かつ、ｑ軸電流（ｉｑ）が正の値となる第１象限（＋ｉｄかつ＋ｉｑ）に電流ベクトルを配置するようにして駆動される。

すなわち、この回転電機１では、磁石磁束ベクトルと同方向に、ロータ界磁電流としてｄ軸電流（ｉｄ）を通電することで、強め界磁を行いながらトルクを発生できる。すなわち、ｄ軸電流（ｉｄ）の振幅を調整することによって、ロータ界磁量を調整できる。

一方、逆突極構造においては、負のｄ軸電流（−ｉｄ）によって、ロータ２０の磁石磁束ベクトルに対して反磁界になるようにｄ軸電流ベクトルを大きくさせて磁束の打ち消し合いによって弱め界磁を実現している。

しかし、逆突極性を有する回転電機は、弱め界磁のためにトルクに寄与しない負のｄ軸電流（−ｉｄ）を用いているため効率が悪化してしまう。また、逆突極性を有する回転電機は、磁束波形が大きく歪むことにより鉄損が大幅に増加してしまう。また、逆突極性を有する回転電機は、磁束波形の歪によって、空間高調波が増加し、トルクリプル、電磁振動および振動が増加してしまう。

これに対し、本実施例の回転電機１は、順突極性を有することから、正のｄ軸電流（＋ｉｄ）を減少させる（ｑ軸側に進角させる、もしくは振幅を減少させる）ことによって、ｄ軸磁化量を調整できる。このため、トルクに直接寄与しないｄ軸電流が減少し、効率を増加させることができる。

また、正のｄ軸電流（＋ｉｄ）を減少させるよりも負のｄ軸電流（−ｉｄ）による弱め界磁で駆動した方が効率の良い場合、弱め界磁で駆動してもよい。弱め界磁で駆動しても、漏れ磁束の効果により従来技術よりも負のｄ軸電流（−ｉｄ）の電流値を低減できるため、効率が向上する。

また、第２バイパス路ＢＰ２と第４バイパス路ＢＰ４の間に第３バイパス路ＢＰ３が設けられているため、ロータ２０は多層磁石磁路と多層突極磁路とが交互に形成された構造となっている。ここで、回転電機１において、電機子コイル１４の各相の線間電圧は直流バス電圧により制約される。

本実施例では、線間電圧が電圧制限に達した場合に、負のｄ軸電流（−ｉｄ）による逆磁界により磁石磁束が突極磁路に漏れ、ロータ２０内に短絡磁路が形成される。これにより、電機子コイル１４に鎖交する磁束量を大幅に低減でき、広い可変界磁特性を得ることができる。

また、本実施例では、第１永久磁石ＰＭ１、第２永久磁石ＰＭ２、第３永久磁石ＰＭ３の磁極が図２、図３に示すように配置されているため、Ｎ極の突極２２とＳ極の突極２２とがロータ２０の周方向に交互に配置される。

このような回転電機１において、正のｄ軸電流（＋ｉｄ）となる強め界磁領域で駆動する場合、最もインダクタンスが大きいｄ軸磁路に、ステータ１０の電機子コイル１４で発生した磁束（以下、電機子磁束ともいう）が多く鎖交し、磁石磁路をバイパス路として磁気回路が構成される。

一方、負のｄ軸電流（−ｉｄ）となる弱め界磁領域で回転電機１を駆動する場合、最もインダクタンスが大きいｄ軸磁路に、磁石磁束ベクトルとは逆方向の電機子磁束が鎖交する。そして、負のｄ軸電流（−ｉｄ）によって作り出された逆磁界が発生しているステータ１０よりも磁気抵抗が小さくなる突極磁路に、磁石磁束の漏れ磁束経路が形成される。このため、ロータ２０内で磁石磁束が短絡する。

このような漏れ磁束効果によって、ロータ２０からステータ１０に鎖交する磁束（以下、電機子鎖交磁束ともいう）を低減でき、可変界磁効果を得ることができる。

無負荷時において磁石磁束は、図３、図４に示すように、第１バイパス路ＢＰ１のブリッジ部２７、および第４バイパス路ＢＰ４のブリッジ部２６を介して、突極磁路に短絡する。ブリッジ部２７、２６は第１永久磁石ＰＭ１および第３永久磁石ＰＭ３を径方向に支持している。このため、第１永久磁石ＰＭ１および第３永久磁石ＰＭ３に作用する遠心力をブリッジ部２７、２６に受け持たせることができ、遠心力に対する第１永久磁石ＰＭ１および第３永久磁石ＰＭ３の耐力を向上できる。

本実施例では、ブリッジ部２６、２７を介して磁石磁束が突極磁路に短絡するので、ステータに鎖交する磁束量を低減でき、無負荷時において、鉄損を低減でき、コギングトルクを低減でき、誘起電圧を低減できる。

また、本実施例では、突極磁路におけるロータ２０の最内径部分に、磁石磁路のバイパス経路が設けられている。

これにより、正のｄ軸電流（＋ｉｄ）となる強め界磁駆動時は、＋ｄ軸磁束による磁束アシスト効果によって、電機子コイル１４に鎖交する磁束量が増加するように強め界磁が行われる。

一方、負のｄ軸電流（−ｉｄ）となる弱め界磁駆動時は、−ｉｄ軸磁束による逆界磁効果によって、磁石バイパス路上の磁石磁束が、突極磁路におけるロータ２０の最内径部分に短絡するように短絡磁路が形成される。

このため、磁石磁路のバイパス路を形成しない場合と比較し、強め界磁時はトルクの向上を実現でき、弱め界磁時は電機子鎖交磁束の大幅な低減を実現できる。

また、本実施例では、ロータ２０に凹部２５が設けられている。このため、凹部２５によってｑ軸における磁気抵抗を増大でき、図４に示すように磁束が形成される。このため、ｑ軸インダクタンスを低減でき、ｄ軸インダクタンスとの差（Ｌｄ−Ｌｑ）を向上させることができる。この結果、突極比を大きくでき、リラクタンストルクを向上できる。

また、本実施例では、第２フラックスバリアＦＢ２、第３フラックスバリアＦＢ３、第４フラックスバリアＦＢ４の幅（Ｗｂ）を、ティース間隔（Ｗｓ）よりも小さくしているため、強め界磁時はＬｄ＞Ｌｑの突極比を高めてリラクタンストルクを向上できる。

また、弱め界磁時は、磁石磁束がステータ１０とのギャップを介してステータ１０に鎖交するよりも、ロータ２０内で第２フラックスバリアＦＢ２、第３フラックスバリアＦＢ３、第４フラックスバリアＦＢ４を通り抜けて漏れ磁束になりやすくなる。その結果、弱め界磁領域で駆動する際に磁石磁束をロータ２０内に多く漏らすことができ、ステータ１０に鎖交する磁束を大幅に削減できる。

図５に示すように、本実施例では、最大トルク点（ＭＴＰＡ：Max Torque Per Ampere）は＋ｄ軸から＋ｑ軸の間に存在しており、回転電機１が順突極モータ（Ｌｄ＞ｌｑ）であること、およびリラクタンストルクおよび磁石トルクの活用が可能である。

これに加え、本実施例の回転電機１は、一般的なＰＭＳＭと異なり、電流位相角を変えることでロータ２０内に短絡する磁路が変化するため、強め界磁領域（−９０［deg］から０［deg］の範囲）で駆動した場合と、弱め界磁領域（０［deg］から＋９０［deg］の範囲）で駆動した場合とで、電流位相−トルク特性が異なるという特徴を有する。

図６に示すように、負のｄ軸電流（−ｉｄ）となる弱め界磁領域で回転電機１を駆動することで、磁石磁束がロータ２０内で短絡するため、電機子電圧を大幅に低減できている。

図７（ａ）、図７（ｂ）に示すように、最大トルク時（電流位相は例えば−３０［deg］）では、磁石磁束ベクトルと同じ方向に電機子磁束ベクトルが向いており、強め界磁で回転電機１を駆動できている。また、図３、図１０に示すように、磁石磁束をアシストするように電機子磁束が作用している。

一方、図８（ａ）、図８（ｂ）に示すように、漏れ磁束駆動時（電流位相は例えば＋３０［deg］のとき）は、磁石磁束ベクトルと逆方向に電機子ベクトルが向いており、突極磁路に磁石磁束が漏れることが誘発されている。

図９に示すように、負のｄ軸電流（−ｉｄ）による逆磁界により、磁石磁束がステータ１０に鎖交するときの磁気抵抗が増加する。一方で、突極磁路はインダクタンスが大きく磁気抵抗が小さいため、磁石磁束が第３フラックスバリアＦＢ３を通って突極磁路に漏れる。このため、磁石磁路の短絡磁路がロータ２０内に形成される。これにより、電機子コイル１４に鎖交する磁束量を大幅に低減でき、広い可変界磁特性を得ることができる。

また、ロータ２０の最内径部分の突極磁路に磁石磁路のバイパス経路を設けることで、正のｄ軸電流（＋ｉｄ）となる強め界磁駆動時は、＋ｄ軸磁束による磁束アシスト効果により電機子コイル１４に鎖交する磁束量が増加し、負のｄ軸電流（−ｉｄ）となる弱め界磁駆動時は、負のｄ軸電流（−ｉｄ）の磁束による逆界磁効果により磁石バイパス路上の磁石磁束が最内径部分の突極磁路内に短絡磁路を形成する。

このため、磁石磁路のバイパス路を形成しなかった場合と比較し、強め界磁時はトルク向上を実現でき、弱め界磁時は電機子鎖交磁束の大幅な低減を実現できる。

以上のように、本実施例に係る回転電機１において、ロータ２０は、隣り合う突極２２同士を接続する第１バイパス路ＢＰ１と、第１バイパス路ＢＰ１に、該第１バイパス路ＢＰ１の延伸方向に磁極を向くように配置された第１永久磁石ＰＭ１と、ロータコア２１と第１バイパス路ＢＰ１との間に形成される第１フラックスバリアＦＢ１と、を備えている。

これにより、隣り合う突極２２と第１バイパス路ＢＰ１とロータコア２１とにより、第１フラックスバリアＦＢ１の周囲を周回するような磁石磁束のバイパス回路が形成される。

このため、第１永久磁石ＰＭ１の磁石磁束がロータ２０内で短絡しやすくなるため、ステータ１０側に鎖交する磁石磁束量を低減することができる。このため、電機子コイル１４に通電していない無負荷時にロータ２０が高速回転している状態で、電機子コイル１４に発生する誘起電圧を低減でき、無負荷状態での許容回転数を広げることができる。このため、動作点を広くすることができる。

また、突極２２を通る電機子コイル１４の磁束が、図１に破線の矢印Ａで示すように、ロータ２０のロータコア２１のある深部まで回り込むことができるため、リラクタンストルクを大きくすることができる。ここで、ロータ２０の「深部」とは、第１フラックスバリアＦＢ１よりも軸心Ｏ（図１参照）側の位置のことである。言い換えれば、ロータ２０の「深部」とは、ロータ２０のコア２１のうち、ステータ１０から見て遠い側の部位のことである。本発明をアウタロータ型のラジアルギャップロータに適用した場合、アウタロータのコアのうち、ステータから見て外周方向に遠い側の部位が深部となる。また、本発明をアキシャルギャップロータに適用した場合、アキシャルギャップロータのコアのうち、ステータから見て軸線方向に遠い側の部位が深部となる。

これに加え、本実施例に係る回転電機１は、回転電機１の駆動中に、電機子コイル１４に通電する電流の電流位相角を制御するようになっている。

これにより、無負荷時は永久磁石の磁束をロータ２０内で短絡させつつ、負荷時にロータ２０内で短絡する永久磁石の磁束を可変できるため、回転電機１の動作点を広げることができる。

より詳しくは、負荷時において、電機子コイル１４に通電する電流位相角を、電機子磁束が作用して磁石磁束のステータ１０鎖交磁束量が増える方向に変更（例えば進角。現在の位相によっては遅角）して強め界磁を行うことで、トルクを向上させることができる。

一方、ロータ２０が高速回転している無負荷時において、電機子コイル１４に通電する電流位相角を、電機子磁束が作用して磁石磁束のステータ１０への鎖交磁束量が弱まる方向に変更（例えば進角。現在の位相によっては遅角）して弱め界磁を行うことで、誘起電圧を低減できる。

この結果、動作点を広くすることができ、リラクタンストルクを大きくすることができる。

また、本実施例に係る回転電機１において、隣り合う突極２２の間であって第１バイパス路ＢＰ１よりステータ１０側に、ロータ２０のステータ１０との対向面における一方の突極２２の近傍からｑ軸を跨いで他方の突極２２の近傍に向かって延伸する第２バイパス路ＢＰ２が設けられている。

また、第２バイパス路ＢＰ２に、該第２バイパス路ＢＰ２の延伸方向に磁極を向くように第２永久磁石ＰＭ２が配置されている。

また、第１バイパス路ＢＰ１と第２バイパス路ＢＰ２との間に第２フラックスバリアＦＢ２が設けられている。

これにより、弱め界磁制御中は、第２永久磁石ＰＭ２の磁石磁束を、第２永久磁石ＰＭ２の短絡経路に合流させて第１永久磁石ＰＭ１の短絡経路内に循環させて閉じ込めることができ、磁石磁束のうち電機子磁束に鎖交する磁束量を低減できる。

また、弱め界磁制御中は、電機子磁束と衝突した磁石磁束を短絡経路に逃がすことができ、永久磁石に作用する電機子磁束を低減でき、永久磁石が減磁することを抑制できる。

また、本実施例に係る回転電機１において、隣り合う突極２２の間であって第１バイパス路ＢＰ１と第２バイパス路ＢＰ２との間に、ロータ２０のステータ１０との対向面における一方の突極２２の近傍からｑ軸を跨いで他方の突極２２の近傍に向かって延伸する第３バイパス路ＢＰ３が設けられている。また、第１バイパス路ＢＰ１と第３バイパス路ＢＰ３との間に第３フラックスバリアＦＢ３が設けられている。

これにより、第３バイパス路ＢＰ３からも磁石磁束が短絡するので、無負荷時の高速回転時に発生する誘起電圧を低減できる。また、電機子磁束が、ロータコア２１と突極２２とを通過するルートに加えて、第３バイパス路ＢＰ３も通過することで、リラクタンストルクを向上させることができる。

また、本実施例に係る回転電機１において、隣り合う突極２２の間であって第１バイパス路ＢＰ１と第３バイパス路ＢＰ３との間に、ロータのステータ１０との対向面における一方の突極２２の近傍からｑ軸を跨いで他方の突極２２の近傍に向かって延伸する第４バイパス路ＢＰ４が設けられている。

また、第４バイパス路ＢＰ４に、該第４バイパス路ＢＰ４の延伸方向に磁極を向くように第３永久磁石ＰＭ３が配置されている。また、第１バイパス路ＢＰ１と第４バイパス路ＢＰ４との間に第４フラックスバリアＦＢ４が設けられている。

これにより、強め界磁時はマグネットトルクの向上を図ることができる。

また、弱め界磁時は、ロータコア２１から最も遠い位置にある第２永久磁石ＰＭ２の磁束が、第２バイパス路ＢＰ２、第３バイパス路ＢＰ３、第４バイパス路ＢＰ４および突極２２を経てロータコア２１に到達した後、第１バイパス路ＢＰ１とロータコア２１との間で短絡する。

このため、ステータ１０側に鎖交する電機子鎖交磁束を低減できる。また、第３永久磁石ＰＭ３がロータコア２１側へ短絡できるので、電機子磁束が永久磁石に作用して永久磁石が減磁することを抑制できる。

また、本実施例に係る回転電機１において、ステータ１０の近傍における、第２フラックスバリアＦＢ２、第３フラックスバリアＦＢ３および第４フラックスバリアＦＢ４の幅をＷｂとし、ステータ１０におけるロータ２０への対向部のステータティース１２の間隔をＷｓとしたとき、第２フラックスバリアＦＢ２、第３フラックスバリアＦＢ３および第４フラックスバリアＦＢ４のうち少なくとも１つは、Ｗｂ＜Ｗｓを満たす。

これにより、強め界磁時は、突極比を高めてリラクタンストルクを向上できる。

また、弱め界磁時は、磁石磁束が、ロータ２０とステータ１０とのギャップを介してステータ１０に鎖交するよりも、ロータ２０内で第２フラックスバリアＦＢ２、第３フラックスバリアＦＢ３、第４フラックスバリアＦＢ４を通り抜けて漏れ磁束になりやすくなる。このため、磁石磁束をロータ２０内に多く漏らすことができ、電機子鎖交磁束を低減できる。

本発明の実施例を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

本実施例では、インナロータ型のラジアルギャップロータに本発明を適用したが、アウタロータ型のラジアルギャップロータや、アキシャルギャップロータにも本発明を適用できる。

また、本実施例では、各パイパス路に配置した複数の永久磁石をｑ軸に対して斜めに配置したが、永久磁石の磁極がｑ軸と直行する方向に向くように永久磁石を配置してもよいし、永久磁石をクロスポール状に配置してもよい。

本実施例では、極数が８極の回転電機を例示したが、６極や１０極などの、８極以外の極数の場合においても、同様の磁気回路構成を採用することができる。

１ 回転電機
１０ ステータ
１１ ステータコア
１２ ステータティース
１４ 電機子コイル
２０ ロータ
２１ ロータコア
２２ 突極
ＢＰ１ 第１バイパス路
ＢＰ２ 第２バイパス路
ＢＰ３ 第３バイパス路
ＢＰ４ 第４バイパス路
ＦＢ１ 第１フラックスバリア
ＦＢ２ 第２フラックスバリア
ＦＢ３ 第３フラックスバリア
ＦＢ４ 第４フラックスバリア
ＰＭ１ 第１永久磁石
ＰＭ２ 第２永久磁石
ＰＭ３ 第３永久磁石

Claims (5)

1. 電機子コイルを有するステータと、ロータコアおよび前記ロータコアにおける前記ステータへの対向面に設けられた複数の突極を有するロータと、を備える回転電機であって、
   前記ロータは、
   隣り合う前記突極同士を接続する第１バイパス路と、
   前記第１バイパス路に、該第１バイパス路の延伸方向に磁極を向くように配置された第１永久磁石と、
   前記ロータコアと前記第１バイパス路との間に形成される第１フラックスバリアと、を備え、
   回転電機の駆動中に、前記電機子コイルに通電する電流の電流位相角を制御することを特徴とする回転電機。
2. 隣り合う前記突極の間であって前記第１バイパス路より前記ステータ側に、前記ロータの前記ステータとの対向面における一方の突極の近傍からｑ軸を跨いで他方の突極の近傍に向かって延伸する第２バイパス路が設けられ、
   前記第２バイパス路に、該第２バイパス路の延伸方向に磁極を向くように第２永久磁石が配置され、
   前記第１バイパス路と前記第２バイパス路との間に第２フラックスバリアが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 隣り合う前記突極の間であって前記第１バイパス路と前記第２バイパス路との間に、前記ロータの前記ステータとの対向面における一方の突極の近傍からｑ軸を跨いで他方の突極の近傍に向かって延伸する第３バイパス路が設けられ、
   前記第１バイパス路と前記第３バイパス路との間に第３フラックスバリアが設けられていることを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
4. 隣り合う前記突極の間であって前記第１バイパス路と前記第３バイパス路との間に、前記ロータの前記ステータとの対向面における一方の突極の近傍からｑ軸を跨いで他方の突極の近傍に向かって延伸する第４バイパス路が設けられ、
   前記第４バイパス路に、該第４バイパス路の延伸方向に磁極を向くように第３永久磁石が配置され、
   前記第１バイパス路と前記第４バイパス路との間に第４フラックスバリアが設けられていることを特徴とする請求項３に記載の回転電機。
5. 前記第２フラックスバリア、前記第３フラックスバリアおよび前記第４フラックスバリアにおける前記ステータ近傍の幅をＷｂとし、前記ステータにおける前記ロータへの対向部のティース間隔をＷｓとしたとき、
   前記第２フラックスバリア、前記第３フラックスバリアおよび前記第４フラックスバリアのうち少なくとも１つは、
   Ｗｂ＜Ｗｓを満たすことを特徴とする請求項３に記載の回転電機。

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