JP2019193427A - 回転電機、回転電動機駆動システム、並びに電動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】広い運転範囲でトルク脈動を低減できる回転電機を提供する。【解決手段】回転電機は、固定子と、回転子コアを備える回転子とを備え、回転子コアは、磁石挿入孔の外周側および内周側にそれぞれ配置されるｄ軸コア（４１）および内周側コアと、ｄ軸コアと隣接するｑ軸コア（４６）を有し、ｄ軸コアは、磁石挿入孔の両端部の隣接する第１ブリッジ部（６１）および第２ブリッジ部（６２）により内周側コアと連結され、ｄ軸コアの第１ブリッジ部側の端部と磁極中心（Ｃ）との距離Ｌ１が、第１ブリッジ部とｄ軸コアとの接続部と磁極中心との距離Ｌ２よりも大きく、ｄ軸コアの第２ブリッジ部側の端部と磁極中心との距離Ｌ３が、第２ブリッジ部とｄ軸コアとの接続部と磁極中心との距離Ｌ４よりも大きく、回転子コアは１極ピッチ角τｐ分の断面形状を複数種類有する。【選択図】図１１

Description

本発明は、回転電機、回転電動機駆動システム、並びに回転電機を備える電動車両に関する。

電気自動車や電気鉄道車両などの電動車両に用いられる回転電機である駆動用モータには大出力が求められるため、磁気エネルギーを保持する永久磁石を組み込んだ永久磁石モータが用いられる。特に駆動用モータには、低速大トルクや高速低トルクなど広範囲な運転範囲が求められるので、これらの特性を満足できる埋込磁石式モータが一般に利用されている。さらに、電動車両の駆動用モータには、これらの特性の他に、振動や騒音の低減が要求される。低振動化や、低騒音化のためには、埋込磁石式モータのトルク脈動低減が課題となる。

これに対し、従来、特許文献１に記載の技術が知られている。本技術においては、回転子コアのｑ軸から周方向にずれた位置に磁気抵抗変化部が設けられる。このような回転子において、磁気抵抗変化部を有する領域と有さない領域とで、発生するトルク脈動の位相がほぼ正反対になる。このため、磁気抵抗変化部を有する領域と有さない領域を交互に配置することで、回転子全体が受けるトルク脈動が低減される。

特開２０１０−９８８３０号公報

上記従来技術では、永久磁石の端部付近のｄ軸コア部には、永久磁石の漏洩磁束が通る。さらに、このｄ軸コア部には、モータのｑ軸電流によるｑ軸磁束が通る。このため、ｄ軸コア部は磁気飽和する。このｄ軸コア部が磁気飽和すると、永久磁石の実効的な磁極幅が変化するため、トルク脈動の位相が変化する。ｄ軸コア部において磁気飽和する範囲は、ｑ軸電流量すなわち負荷状態によって異なるため、上記従来技術では、負荷状態によっては、磁気抵抗変化部を有する領域と有さない領域とで必ずしもトルク脈動の位相が正反対にはならず、トルク脈動を十分低減することが難しい。

そこで、本発明は、広い運転範囲でトルク脈動を低減できる回転電機、回転電動機駆動システム、並びに回転電機を備える電動車両を提供する。

上記課題を解決するために、本発明による回転電機は、固定子と、固定子と対向する回転子コアを備える回転子と、を備えるものであって、回転子コアは、磁極１極あたり少なくとも１つの磁石挿入孔を有するとともに、磁石挿入孔に対して外周側に配置されるｄ軸コアと、磁石挿入孔に対して内周側に配置される内周側コアと、ｄ軸コアと周方向に隣接するｑ軸コアと、を有し、磁石挿入孔には永久磁石が挿入され、ｄ軸コアは、磁石挿入孔の両端部の一方に隣接する第１ブリッジ部と両端部の他方に隣接する第２ブリッジ部により、内周側コアと連結され、ｄ軸コアの第１ブリッジ部側の端部と、磁極中心との距離Ｌ１が、第１ブリッジ部とｄ軸コアとの接続部と、磁極中心との距離Ｌ２よりも大きく、ｄ軸コアの第２ブリッジ部側の端部と、磁極中心との距離Ｌ３が、第２ブリッジ部とｄ軸コアとの接続部と、磁極中心との距離Ｌ４よりも大きく、回転子コアは、１極ピッチ角τｐ分の断面形状を複数種類有する。

上記課題を解決するために、本発明による回転電機駆動システムは、負荷を駆動する回転電機と、回転電機を駆動する電力変換装置と、を備えるものであって、回転電機は、上記本発明による回転電機である。

上記課題を解決するために、本発明による電気自動車は、回転電機と、バッテリと、バッテリの直流電力を交流電力に変換して、交流電力を回転電機に供給する電力変換装置と、を備え、回転電機のトルクが変速機を介して車輪に伝達されるものであって、回転電機は、上記本発明による回転電機である。

上記課題を解決するために、本発明による電気鉄道車両は、回転電機と、ギアを介して回転電機によって駆動される車輪と、を備えるものであって、回転電機は、上記本発明による回転電機である。

本発明によれば、広い運転範囲で回転電機のトルク脈動を低減できる。これにより、回転電機駆動システム、電気自動車や電気鉄道車両を含む電動車両において、負荷が変動しても、トルク脈動に起因する騒音や振動を低減できる。

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

実施例１である回転電機の全体構成を示す。 図１における回転子の構成を示す。 実施例１の変形例である回転電機の回転子の構成を示す。 実施例１における回転子の構成を示す斜視図である。 一変形例における回転子の構成を示す斜視図である。 他の変形例における回転子の構成を示す斜視図である。 比較例である回転電機における回転子の構成を示す。 比較例と実施例１について、低負荷時において永久磁石の周辺コア部を通る磁束の流れを示す。 比較例と実施例１について、高負荷時において永久磁石の周辺コア部を通る磁束の流れを示す。 実施例１における固定子と回転子の回転軸に垂直な平面での断面図である。 実施例１における回転子コアの断面形状を表すパラメータを示す。 実施例２である回転電機駆動システムの概略構成を示す。 実施例３である電気自動車の概略構成を示す。 実施例４である電気鉄道車両の概略構成を示す。

以下、本発明の実施形態について、下記の実施例１〜３により、図面を用いながら説明する。なお、各図において、参照番号が同一のものは同一の構成要件あるいは類似の機能を備えた構成要件を示している。

図１は、本発明の実施例１である回転電機の全体構成を示す。本図１は、回転電機の回転軸に平行な平面での断面図である。なお、本実施例１の回転電機は、埋め込み磁石型の永久磁石同期モータである。

図１に示すように、回転電機１は、固定子１０と、固定子１０の径方向内側に回転可能に支持される回転子３０と、回転子３０に固定されるシャフト９０と、固定子１０および回転子３０を覆うフレーム５から構成されている。回転子３０は、固定子１０にギャップ１００（空隙）を介して対向する。固定子１０は、後述する固定子スロット（図１０中の「２２」）に巻装される固定子巻線２１を備えている。

図２は、図１における回転子３０の構成を示す。本図２は、回転軸に垂直な平面での断面図である。

図２において、回転子３０は回転軸心Ｘを中心に回転する。なお、以下の説明において、断りのない限り、「内周側」および「外周側」という記載は、それぞれ回転軸心Ｘに対して距離が近い側および遠い側を意味する。また、「径方向」という記載は、回転軸心Ｘと垂直に交わる直線方向を意味し、「周方向」という記載は、回転軸心Ｘまわりの回転方向を意味する。

図２に示すように、回転子３０は、磁性体からなる回転子コア４０と、回転子３０の回転軸であり、回転子コア４０を貫通するシャフト９０とから構成される。また、回転子３０は、偶数個（図２では８個）の磁極を有している。各磁極は、少なくとも一つ（図２では一つ）の磁石挿入孔５０を有している。磁石挿入孔５０には、磁極を構成するために永久磁石７０が収容されている。

回転子コア４０は、磁石挿入孔５０に対して内周側に配置される内周側コア１１０と、磁石挿入孔５０に対して外周側に配置されるｄ軸コア４１を有している。ｄ軸コア４１における固定子との対向面は、円弧状である。なお、この円弧は、径方向に回転子に向って凸である。各磁極の内周側コア１１０とｄ軸コア４１とは、回転子コア４０の一部である、磁石挿入孔５０の幅方向両端部に隣接する第１ブリッジ部６１および第２ブリッジ部６２という少なくとも二つのブリッジ部によって、機械的に連結される。第１ブリッジ部６１は、磁極中心Ｃから一方の周方向（図２では反時計回り）に沿って離れて位置し、磁石挿入孔５０の幅方向の一方の端部に隣接する。第２ブリッジ部６２は、磁極中心Ｃから他方の周方向（図２では時計回り）に沿って離れて位置し、磁石挿入孔５０の幅方向の他方の端部に隣接する。磁石挿入孔５０は、第１ブリッジ部６１、第２ブリッジ部６２、内周側コア１１０およびｄ軸コア４１によって画される空間によって構成される。

永久磁石７０の磁石材料は、フェライト系、ネオジム系、サマリウムコバルト系などの磁石材料のいずれでもよい。また、本実施例１の永久磁石７０は、図２の断面において矩形形状であるが、これに限らず円弧形状でもよい。さらに、磁石挿入孔５０に、ボンド磁石（プラスチック磁石やゴム磁石など）を射出充填してもよい。また、１極当たりの永久磁石７０は、径方向や周方向に複数に分割されてもよい。

回転子コア４０を構成する磁性体として、好ましくは、回転子コア４０に発生する渦電流損失を低減するために、電気的絶縁体でラミネーションされる磁性鋼板の積層体が適用される。なお、材料費や加工費を低減するためにソリッド（バルク）磁性体を使用してもよい。また、圧粉磁心などの粉末磁性体を圧縮成型した構成でもよいし、アモルファス金属やナノ結晶材で構成してもよい。回転子コア４０は、シャフト９０に対して接着、溶接、圧入、焼き嵌めなどの手段によって固定される。回転子コア４０をソリッド（バルク）磁性体で構成する場合は、回転子コア４０とシャフト９０を一体成型してもよい。

図２では磁石挿入孔５０の断面形状を長方形としているが、これに限らず、内周側コア１１０と各磁極部におけるｄ軸コア４１を径方向に沿って離間する空孔であれば、略Ｖ字形状や略円弧形状などの他の形状でもよい。

固定子コア２０とフレーム５は接着、溶接、圧入、焼き嵌め等の方法を用いて固定される。

回転子コア４０においては、ｄ軸コア４１の周方向両端部に隣接して、ｑ軸コア４６が設けられる。すなわち、各ｑ軸コア４６は、周方向に沿って隣り合う二つのｄ軸コア４１の間に位置する。ｑ軸コア４６の周方向両側には、略Ｖ字状の溝部１２０（空隙）が位置し、溝部１２０によって、ｄ軸コア４１とｑ軸コア４６は、周方向に分離されている。また、溝部１２０内において、ｄ軸コアの両端部は、第１ブリッジ部６１および第２ブリッジ部６２の位置から、周方向に、ｑ軸コア４６に向って張り出している。本実施例１では、これら張り出し部の長さは、一つのｑ軸コア４６を挟んで隣接する二つのｄ軸コア４１では互いに異なる。

なお、本実施例１においては、ｄ軸コア４１の最外径とｑ軸コア４６の最外径は略等しい。また、第１および第２ブリッジ部６１，６２の周方向の厚みは、ｄ軸コア４１の周方向張り出し部の先端部の厚みよりも薄い。また、磁極を構成する８個の永久磁石７０については、径方向の厚さや、周方向の幅が同等である。さらに、磁石挿入孔５０の径方向および周方向の各寸法も同等である。

第１ブリッジ部６１と第２ブリッジ部６２は、磁極中心Ｃの径方向両側に位置し、互いに離間されている。第１ブリッジ部６１とｄ軸コア４１は、周方向で、ｄ軸コア４１の一方の張り出し部の先端、すなわちｄ軸コア４１における第１ブリッジ部６１側の周方向のｄ軸コア端部４２よりも磁極中心Ｃの近くに位置する接続部８１で接続される。また、第２ブリッジ部６２とｄ軸コア４１は、周方向で、ｄ軸コア４１の他方の張り出し部の先端、すなわちｄ軸コア４１における第２ブリッジ部６２側の周方向のｄ軸コア端部４２よりも磁極中心Ｃの近くに位置する接続部８２で接続される。なお、本実施例１では、各ｄ軸コア端部４２とｑ軸コア４６との間の間隔は略一定である。

各磁極部において、第１ブリッジ部６１側のｄ軸コア端部４２と磁極中心Ｃとの距離をＬ１、接続部８１と磁極中心Ｃとの距離をＬ２とすると、本実施例１では、Ｌ１はＬ２よりも大である（Ｌ２＜Ｌ１）。ここで、ある部位と磁極中心Ｃとの距離は、ある部位から磁極中心Ｃを示す仮想中心線（図２中の一点鎖線）に下ろした垂線の長さ、すなわち、ある部位と仮想中心線を結ぶ最短の線分の長さである（以下に記す「距離」も同様）。さらに、第２ブリッジ部６２側のｄ軸コア端部４２と磁極中心Ｃとの距離をＬ３、接続部８２と磁極中心Ｃとの距離をＬ４とすると、Ｌ３はＬ４よりも大である（Ｌ４＜Ｌ３）。なお、本実施例１では、一つのｄ軸コアにおいて、Ｌ１＝Ｌ３かつＬ２＝Ｌ４である。また、一つのｑ軸コア４６の周方向両側に位置し、互いに隣接する二つのｄ軸コア４１において、Ｌ１およびＬ３の大きさについては異なり、Ｌ２およびＬ４の大きさは同じである。

図２に示すように、回転子３０は、いわば、１極ピッチ（τｐ）分の略扇形状の断面を有する部分の集合体である。ここで、τｐは回転子１周分の３６０度を極数で割った値である。本実施例１では、極数が８であるから、τｐ＝４５度となる。本実施例１では、上述のように、互いに隣接する二つのｄ軸コア４１との間で、ｄ軸コア４１の周方向におけるｄ軸コア端部４２と磁極中心Ｃとの距離（Ｌ１）が異なっている。従って、回転子３０は、１極ピッチ分の断面形状として、２種類の形状を有し、これら２種類の形状が、周方向に交互に配置される。断面形状の種類数は２種類に限らず、複数種類でも良い。

なお、本実施例１においては、２種類の断面形状において、溝部１２０の形状も異なる。具体的には、ｑ軸コア４６の最外周部の略平面部、すなわち、径方向に沿って回転軸心Ｘから回転子３０の外周へ向かう方向を高さ方向とする場合におけるｑ軸コア４６の頂部における略平坦部と、この略平坦部の縁部に連続する溝部１２０の内壁斜面とがなす角度（図２では鈍角）の大きさが、互いに接する２種類の断面形状において異なっている。

図３は、本実施例１の変形例である回転電機の回転子の構成を示す。本図３は、図２と同様に、回転軸に垂直な平面での断面図である。

図３に示すように、本変形例においては、ｄ軸コア端部４２とｑ軸コア４６の最外周部における略平坦部の周方向のｑ軸コア端部４７とが、ブリッジ部６３によって接続されている。なお、ブリッジ部６３は、回転軸の方向に沿って、溝部１２０の開口部を塞いでいる。また、本変形例では、ｄ軸コア４１とｑ軸コア４６およびブリッジ部６３における、固定子との各対向面が、連続した滑らかな円筒面を構成する。これにより、回転子における固定子との対向面における凹凸部によって回転時に発生する騒音（風切音）や機械損（風損）を低減できる。

なお、本変形例において、ブリッジ部６３は、ｄ軸コア４１およびｑ軸コア４６に連続し、ｄ軸コア４１およびｑ軸コア４６と同じ磁性体から構成される。また、ブリッジ部６３の径方向の厚みは、ｄ軸コア４１の周方向張り出し部の先端部の厚みよりも薄く、例えば、第１および第２ブリッジ部６１，６２の周方向厚みと同等である。

図４は、実施例１における回転子の構成を示す斜視図である。

図４に示すように、本実施例１の回転子３０は、一つの回転子コアを備えている。回転子３０においては、１極ピッチ（τｐ）分の略扇形状の断面形状として、永久磁石付近のコア形状が互いに異なる、第１の断面形状１３１および第２の断面形状１３２、すなわち２種類の断面形状を有する。第１の断面形状１３１および第２の断面形状１３２が、回転子３０の周方向に交互に配置される。回転子コアは図示の１個のみであるため、回転軸方向に沿った回転子３０の断面形状は、回転子３０の各部で同一である。

なお、本実施例１では、τｐ＝４５度であるため、図示のように第１の断面形状１３１および第２の断面形状１３２が１個ずつ交互に配置される場合、回転子３０は、４個の第１の断面形状１３１および４個の第２の断面形状１３２、従ってτｐが等しい合計８個の略扇形状の断面形状を有する。

図５は、実施例１の一変形例における回転子の構成を示す斜視図である。

図５の変形例においては、２個の回転子コアが、同軸に、図示しないシャフト（図１の「９０」）に固定される。従って、回転子３０は、いわば、２個の回転子部を備える。一方の回転子部においては、１極ピッチ（τｐ（＝４５度））分の略扇形状の断面形状として、第１の断面形状１３１が周方向に８個配置される。また、他方の回転子部においては、同じ１極ピッチ（τｐ（＝４５度））分の略扇形状の断面形状として、第１の断面形状１３１とは永久磁石付近のコア形状が異なる第２の断面形状１３２が周方向に８個配置される。さらに、二つの回転子部は、一方の回転子部における第１の断面形状１３１と、他方の回転子部における第２の断面形状１３２とが、互いに各断面形状の全面が重なるように、配置される。

従って、本変形例の回転子３０では、永久磁石付近のコア形状（前述のｄ軸コアの周方向張り出し部の寸法など）が互いに異なる、第１の断面形状１３１および第２の断面形状１３２が、回転子３０の回転軸方向に配置される。なお、一周方向では、同一の断面形状（第１の断面形状１３１および第２の断面形状１３２のいずれか）が配置される。

図６は、実施例１の他の変形例における回転子の構成を示す斜視図である。

図６の変形例において、回転子３０は、図５の変形例と同様に、２個の回転子部を備える。一方の回転子部では、１極ピッチ（τｐ）分の略扇形状の断面形状として、永久磁石付近のコア形状が互いに異なる、第１の断面形状１３１および第２の断面形状１３２、すなわち２種類の断面形状を有する。第１の断面形状１３１および第２の断面形状１３２が、一方の回転子部の周方向に交互に配置される。また、他方の回転子部では、１極ピッチ（τｐ）分の略扇形状の断面形状として、永久磁石付近のコア形状が互いに異なる、第３の断面形状１３３および第４の断面形状１３４、すなわち２種類の断面形状を有する。第３の断面形状１３３および第４の断面形状１３４が、他方の回転子部の周方向に交互に配置される。さらに、二つの回転子部は、一方の回転子部における第１の断面形状１３１と、他方の回転子部における第３の断面形状１３３とが、互いに各断面形状の全面が重なるように、かつ一方の回転子部における第２の断面形状１３２と、他方の回転子部における第４の断面形状１３４とが、互いに各断面形状の全面が重なるように、配置される。

ここで、第１の断面形状は１３１と第４の断面形状１３４は同一である。また、第２の断面形状１３２と第３の断面形状１３３は同一である。従って、図６の変形例では、周方向に、２種類の断面形状（１３１と１３２という２種類、もしくは１３３，１３４という２種類）が配置されるとともに、回転軸方向に、２種類の断面形状（１３１と１３３という２種類、もしくは１３２，１３４という２種類）が配置される。

図４〜６に示す回転子のように、１極ピッチ（τｐ）分の略扇形状の断面形状として、永久磁石付近のコア形状が互いに異なる、複数種類の断面形状が、回転子の周方向および回転軸方向のいずれか、もしくは両方において配置されることにより、これらの方向のいずれかにおいて、断面形状が互いに異なる部分では、磁束分布の状態が異なる。磁束分布の状態が異なれば、トルク脈動の位相が異なる。これにより、断面形状が互いに異なる部分におけるトルク脈動どうしが打ち消し合って、回転電機におけるトルク脈動が低減できる。さらに、本実施例１によれば、後述するように、回転電機の広い運転範囲（負荷範囲）で、トルク脈動を低減することができる。

以下、本実施例１の作用・効果について説明する。

図７は、本実施例１の比較例である回転電機における回転子の構成を示す。本図７は、回転子の回転軸に垂直な平面での断面図を示す。

図７に示すように、本比較例では、ｄ軸コア端部４２の位置と、第１および第２ブリッジ部６１，６２の位置と、ｄ軸コア端部４２と第１および第２ブリッジ部６１，６２の接続部８１，８２の位置とが、一致している。すなわち、本比較例においては、ｄ軸コア４１が、接続部８１，８２の位置から周方向に張り出す部分を有していない。

図８は、比較例と本実施例１について、低負荷時において永久磁石の周辺コア部を通る磁束の流れを示す。なお、本図８は、回転子の回転軸に垂直な平面での部分断面図である。

図８に示すように、比較例および実施例において、漏洩磁束１５０がｄ軸コア端部４２を通る。漏洩磁束１５０は、ブリッジ部６１，６２もしくはｄ軸コア端部４２のいずれかが磁気飽和して比透磁率がほぼ１になるまで、増大し得る。したがってブリッジ部６１，６２とｄ軸コア端部４２は、いずれも高磁束密度状態になる。なお、図８中の領域Ａが高磁束密度領域を示す（後述の図９も同様）。

図８に示すように、低負荷状態では、ｄ軸コア端部４２が高磁束密度状態になっていても、ｑ軸磁束１６０の量が少ないため、比較例および実施例において、ｑ軸磁束１６０はｄ軸コア端部４２を通り抜けることができる。

図９は、比較例と本実施例１について、高負荷時において永久磁石の周辺コア部を通る磁束の流れを示す。本図９は、図８と同様の部分断面図である。

図９に示すように、比較例において、高負荷状態では、ｄ軸コア端部４２における漏洩磁束１５０とｑ軸磁束１６０の重畳により、両磁束（１５０，１６０）の向きが揃う側のｄ軸コア端部４２が磁気飽和する。このため、一部のｑ軸磁束１６０が、ｄ軸コア端部４２を通ることができず、高磁束密度領域Ａを避けるようにして固定子１０へ抜ける。

ここで、本発明者が得た知見によれば、各磁極でのトルク脈動の位相は、ｄ軸コア４１の一端から他端までの周方向の開角τｄ（図１０参照）に依存するが、ｄ軸コア端部４２が磁気飽和すると、実効的な開角τｄが狭まるためにトルク脈動の発生状態が変化することになる。したがって、低負荷時におけるトルク脈動を低減するように開角τｄを設定しても、高負荷時には実効的な開角τｄが狭まるためにトルク脈動が低減できなくなるおそれがある。つまり、比較例では、ある運転点でのトルク脈動が低減できても、広い運転範囲でトルク脈動を低減することが難しい。

これに対して、本発明例１では、ｄ軸コアがその両端部において張り出し部を有するため、図９に示すように、高負荷状態においても、ｄ軸コア端部４２において、ブリッジ部６１，６２を通る漏洩磁束１５０が通過しない部分が生じる。すなわち、漏洩磁束１５０によってブリッジ部６１，６２が磁気飽和しても、ｄ軸コア端部４２の磁束密度は、ｄ軸コア端部４２を磁気飽和させるまでには増大しない。このため、低負荷時と同様に、高負荷状態でも、ｑ軸磁束１６０はｄ軸コア端部４２を通過することができるので、実効的な開角τｄは負荷状態によらず、実質一定である。従って、本実施例によれば、低負荷から高負荷までの広い運転範囲でトルク脈動を低減することができる。

なお、前述の図３に示す変形例では、ブリッジ部６３を通る漏洩磁束の経路が生じ得る。しかし、ブリッジ部６３は、ブリッジ部６１，６２よりも永久磁石７０の端部から周方向に離れており、またブリッジ部６３の径方向厚さは、張り出し部の端部の径方向厚さよりも薄く、ブリッジ部６１，６２の周方向厚さと同程度である。このため、ブリッジ部６３を通る漏洩磁束の経路の磁気抵抗は、ブリッジ部６１，６２を通る漏洩磁束の経路の磁気抵抗よりも大きい。これにより、漏洩磁束（図８，９における「１５０」）のほとんどは、ブリッジ部６１，６２を通る漏洩磁束の経路を通る。従って、磁束の流れの状態は、図８，９に示す状態と同様であり、変形例３によっても、広い運転範囲でトルク脈動を低減することができる。

一方、本実施例１では、ブリッジ部６３を有さず、ｄ軸コア４１とｑ軸コア４６が、周方向に連結されず、溝部１２０からなる空隙で周方向に分離されているので、漏洩磁束の経路は、実質、ブリッジ部６１，６２を通る経路に限られ、他の経路を通る漏洩磁束によってｄ軸コア端部４２の磁束密度が増加することが防止される。従って、本実施例１によれば、広い運転範囲で、確実にトルク脈動を低減することができる。

以下、本実施例１の回転子の断面形状について、さらに具体的に説明する。

図１０は、実施例１の回転電機における固定子と回転子の回転軸に垂直な平面での断面図である。なお、図の簡略化のため、固定子スロット２２に巻装されている固定子巻線２１（図１）は図示を省略している。また、図１０に示す、本実施例１の回転電機では、回転子３０の極数が８、固定子１０のスロット数が４８である。なお、極数とスロット数の組み合わせは、本実施例１のような８極４８スロットに限らず、適宜設定することができる。

各磁極のある瞬間でのトルクは、ｄ軸コア端部４２と固定子ティース２５との位置関係に依存する。例えば、スロットコンビネーションはトルク脈動成分の次数に影響し、図１０のように８極４８スロットの場合では１２次成分が主要なトルク脈動成分となる。

また、トルク脈動成分の位相は、ｄ軸コア端部４２と固定子ティース２５との位置関係に依存する。各磁極で、ｄ軸コア端部４２と、ｄ軸コア端部４２に対向する固定子ティース２５との位置関係が同一である場合、各磁極でのトルク脈動の位相はほぼ一致する。例えば、図１０に示すように、固定子１０のスロットピッチ角をτｓとすると、形状が異なる２種類の断面形状（図４における１３１，１３２）において、ｄ軸コア４１の一端から他端までの周方向の開角τｄの差が２τｓのとき、各磁極でのトルク脈動の位相がほぼ一致する。

なお、図１０では、各磁極部において、ｄ軸コア４１の第１ブリッジ部６１側の周方向におけるｄ軸コア端部４２と磁極中心（図２における「Ｃ」）との距離をＬ１、ｄ軸コア４１の第２ブリッジ部６２側の周方向におけるｄ軸コア端部４２と磁極中心との距離をＬ３とすると、Ｌ１＝Ｌ３である（後述の図１１参照）。これに対し、Ｌ１≠Ｌ３であるときは、２種類の断面形状におけるτｄの差がτｓかつｄ軸コア端部４２と固定子ティース２５の対面する位置が同一のとき、各磁極でのトルク脈動の位相はほぼ一致する。

したがって、形状が異なる複数種類（本実施例１では２種類）の断面形状において、少なくともτｄの最大値と最小値の差をτｓよりも小さくすることで、各磁極のスロットコンビネーション起因のトルク脈動の位相をずらすことができ、トルク脈動を低減することができる。

図１１は、本実施例１における回転子コアの断面形状を表すパラメータ（Ｌ１〜Ｌ９）を示す。なお、本図１１は、回転軸に垂直な平面での回転子の部分断面図である。

Ｌ１は、ｄ軸コア４１における第１ブリッジ部６１側の周方向のｄ軸コア端部４２と磁極中心Ｃとの距離である。

Ｌ２は、接続部８１と磁極中心Ｃとの距離である。

Ｌ３は、ｄ軸コア４１における第２ブリッジ部６２側の周方向のｄ軸コア端部４２と磁極中心Ｃとの距離である。

Ｌ４は、接続部８２と磁極中心Ｃとの距離である。

Ｌ５は、第１ブリッジ部６１側の溝部１２０（空隙）の開口の周方向の幅である。すなわち、Ｌ５は、第１ブリッジ部６１側における、ｄ軸コア４１の周方向終端とｑ軸コア４６における径方向最外周部ｃ（平坦部）の縁部との距離である。

Ｌ６は、第２ブリッジ部６２側の溝部１２０（空隙）の開口の周方向の幅である。すなわち、Ｌ６は、第２ブリッジ部６２側における、ｄ軸コア４１の周方向終端とｑ軸コア４６における径方向最外周部ｃの縁部との距離である。

Ｌ７は、第１ブリッジ部６１側のｑ軸コア４６の径方向最外周部ｃの回転軸心Ｘからの径方向距離である。

Ｌ８は、第２ブリッジ部６２側のｑ軸コア４６の径方向最外周部ｃの回転軸心Ｘからの径方向距離である。

Ｌ９は、磁極中心Ｃ上におけるｄ軸コア４１の外周面と永久磁石７０の外周面との距離である。

本実施例１は、回転子コアがｑ軸コア４６を有するので、マグネットトルクだけでなくリラクタンストルクも発生する。前述のように、ｄ軸コア端部４２の一端から他端までの周方向の開角τｄは、マグネットトルクによるトルク脈動の位相に関係するパラメータである。τｄは、Ｌ１〜Ｌ４に応じて変化する。従って、複数種類（実施例１では２種類）の断面形状において、Ｌ１〜Ｌ４のいずれか、もしくは複数を異ならしめることにより、マグネットトルクによるトルク脈動の位相を異ならしめることができる。なお、本実施例１では、各磁極部においてＬ１＝Ｌ３，Ｌ２＝Ｌ４（但し、Ｌ１＞Ｌ２，Ｌ３＞Ｌ４）としながら、２種類の断面形状（図４における１３１，１４１）においてＬ１およびＬ３を異ならしめている。

Ｌ５〜Ｌ８のいずれか、もしくは複数を変化させると、ｑ軸磁束の分布状態が変化するので、各磁極のリラクタンストルクの位相を異ならせることができる。これにより、リラクタンストルクの脈動を低減することができる。

Ｌ９を変化させると、永久磁石７０の磁束量とｑ軸インダクタンスの両方が変化するため、マグネットトルクおよびリラクタンストルクの大きさを変化させることができる。このため、各断面形状でＬ９を異ならしめることで、各磁極のマグネットトルクの脈動成分とリラクタンストルクの脈動成分の割合を調整することができる。したがって、Ｌ１〜Ｌ８によりマグネットトルクおよびリラクタンストルクの各トルク脈動の位相をずらし、Ｌ９によりで各トルク脈動の大きさを同等とすることで、両脈動成分が互いに打ち消し合い、回転子全体のトルク脈動を低減することができる。

Ｌ１〜Ｌ９は、本実施例１のように回転子の周方向で異ならしめても良いし、図５および図６の変形例のように回転軸方向や、周方向および回転軸方向の両方で異ならしめても良い。

なお、本実施例１においては、各磁極において、Ｌ１＝Ｌ３，Ｌ２＝Ｌ４であり、かつＬ１＞Ｌ２，Ｌ３＞Ｌ４である。すなわち、ｄ軸コアの両端部は、第１ブリッジ部６１および第２ブリッジ部６２の位置から、周方向に、ｑ軸コア４６に向って張り出している。これにより、上述のように（図８，９）、ｄ軸コア４１の周方向におけるｄ軸コア端部４２における磁気飽和が防止される。

また、本実施例１においては、２種類の断面形状において、Ｌ１，Ｌ３が異なり、Ｌ２，Ｌ４，Ｌ５〜Ｌ９は同等としている。従って、マグネットトルクのトルク脈動が低減される。なお、２種類の断面形状において、極ピッチ角τｐ（図２）は同等であるため、Ｌ５，Ｌ６が同等ではあるが、２種類の断面形状において、溝部１２０（空隙）の形状が異なる。具体的には、図１１に示すように、隣接する２種類の断面形状において、ｑ軸コア４６の最外周部の平坦部ｃの縁部に連続する溝部１２０の内壁斜面ｂ１と、ブリッジ部（６１，６２）の外側壁面ａ１がなす角度の大きさと、同様の内壁斜面ｂ２および外側壁面ａ２がなす角度の大きさとが互いに異なる。このため、２種類の断面形状において、ｑ軸磁束の分布状態が異なるため、リラクタンストルクのトルク脈動の位相が異なる。これにより、リラクタンストルクのトルク脈動が低減される。

なお、図１１に示すように、永久磁石７０の矩形状断面における周方向の短辺と第１，第２ブリッジ部６１，６２の外側壁面ａ１，ａ２とは、径方向において平行に配置される。また、図１１に示すように、溝部１２０は、断面が略Ｖ字状である。このため、ａ１とｂ１がなす角度、ａ２とｂ２がなす角度は、どちらも鋭角である。これにより、ｑ軸コア４６を大きくすることなく、脈動の少ないリラクタンストルクが得られる。

また、本実施例１では、ｄ軸コアの両端部は、第１ブリッジ部６１および第２ブリッジ部６２の位置から、周方向に、ｑ軸コア４６に向って張り出しているので、永久磁石７０から固定子へ向かう磁束が各磁極において周方向に広がる。従って、ｄ軸コア４１の周方向におけるｄ軸コア端部４２における磁束密度の変化が緩和される。さらに、異なる断面形状の磁極どうしで脈動成分を打ち消し合うことにより、コギングトルクが低減されるとともに、無負荷誘導起電力を正弦波化することができる。無負荷誘導起電力が正弦波化されると、スロットコンビネーションなどの回転電機の構造に起因する高調波損失を低減することができ、回転電機の効率が向上する。

なお、各断面図においては説明を省略したが、本実施例１においては、永久磁石７０の周方向端部と第１，第２ブリッジ部６１，６２との間には磁気的空隙が設けられる。これによっても、コギングトルクを低減できる。なお、磁気的空隙部は、空間部であっても良いし、樹脂などの非磁性体の充填部でも良い。

上述のように、本実施例１の回転電機によれば、低負荷から高負荷までの広い運転範囲において、トルク脈動を低減することができる。

図１２は、本発明の実施例２である回転電機駆動システムの概略構成を示す。

本実施例２において、図１２における回転電機１として、前述の実施例１の回転電機が適用される。

図１２の回転電機駆動システム２００において、回転電機１を駆動するための電力は、電源２１０からインバータやコンバータ等から構成される電力変換装置２２０を介して供給される。この場合、電力変換装置２２０によって、回転電機１で駆動される負荷２３０に応じた回転電機１の出力制御が可能である。

従来技術による回転電機や前述の比較例（図８，９）では、ある運転点でトルク脈動を低減できても、他の運転点でトルク脈動が低減できないため、負荷変動があった場合に大きなトルク脈動が発生する懸念がある。トルク脈動が発生する場合、一般的に、トルク制御では、トルク脈動を打ち消すような電流を流す制御が実行される。トルク脈動は高次の脈動成分として発生するため、これに制御を追従させるためには、高応答な電力変換装置２２０が必要になり、電力変換装置２２０のコストが増大する。また、トルク脈動を抑えるための高調波電流を注入することになるため、電力変換装置２２０内のスイッチング損失や、回転電機１内に発生する高調波損失が増大し、システム効率の低下を招く。速度制御でも、回転子の慣性モーメントが小さい場合、トルク脈動は速度変動につながるため、トルク制御時と同様に、高応答な電力変換装置２２０が必要になるとともに、システム効率が低下する。

これに対し、本実施例２では、実施例１の回転電機が適用されるので、回転電機１は広い運転範囲でトルク脈動を低減できるため、負荷変動があった場合にも回転電機１のトルク脈動を抑えることができる。このため、トルク制御および速度制御のいずれの制御方式においても、高応答な電力変換装置２２０は不要となる。また、電力変換装置２２０内のスイッチング損失や、回転電機１内に発生する高調波損失を低減することができるため、回転電機駆動システム２００のシステム効率が向上する。また、位置制御の場合も、トルク脈動による制御性の低下が起こらず、様々な負荷に対して高精度な位置制御が可能になる。また、トルク脈動に起因する振動や騒音を低減できる。

図１３は、本発明の実施例３である電気自動車の概略構成を示す。

本実施例３において、図１３における回転電機３５１，３５２として、前述の実施例１の回転電機が適用される。

図１３に示すように、電気自動車３００には、エンジン３６０と回転電機３５１，３５２と、バッテリ３８０とが搭載されている。

バッテリ３８０は、回転電機３５１，３５２を駆動する場合、回転電機３５１，３５２を駆動するための電力変換装置３７０（インバータ装置）に直流電力を供給する。電力変換装置３７０は、バッテリ３８０からの直流電力を交流電力に変換して、この交流電力を回転電機３５１，３５２にそれぞれ供給する。

また、回生走行時には、回転電機３５１，３５２が車両の運動エネルギーに応じて交流電力を発生して電力変換装置３７０に供給する。電力変換装置３７０は、回転電機３５１，３５２からの交流電力を直流電力に変換し、この直流電力をバッテリ３８０に供給する。

エンジン３６０および回転電機３５１，３５２による回転トルクは、変速機３４０、デファレンシャルギア３３０および車軸３２０を介して車輪３１０に伝達される。

一般的に、自動車には、坂道発進での低速大トルクや、高速道路での高速低トルク、街乗りでの中速中トルクなど、広い運転範囲が要求される。このような広い運転範囲において、回転電機３５１，３５２ではトルク脈動が低減される。このため、広い運転範囲で、回転電機３５１，３５２のトルク脈動に起因する騒音や振動を低減することができるので、電気自動車３００の乗り心地が向上する。

また、回転電機３５１，３５２のトルク脈動を低減することにより、変速機３４０やデファレンシャルギア３３０に与えられる機械的な衝撃を緩和することができる。このため、電気自動車３００の安全性向上や長寿命化が可能になる。また、トルク脈動低減のための高調波電流注入が不要となり、電気自動車３００のシステム効率が向上するので、電気自動車３００の航続距離を延ばすことが可能になる。

なお、エンジン３６０を備えず、回転電機の動力だけで駆動される電気自動車においても、実施例１の回転電機を適用することにより、本実施例３と同様の効果が得られる。

図１４は、本発明の実施例４である電気鉄道車両の概略構成を示す。

本実施例４において、図１４における回転電機１として、前述の実施例１の回転電機が適用される。

図１４に示すように、電気鉄道車両４００は、ギア４１０、車輪４２０、車軸４３０および回転電機１を備えた台車４４０を備えている。回転電機１は、ギア４１０を介して車軸４３０に接続された車輪４２０を駆動する。回転電機１は、図示されない電力変換装置によって駆動される。なお、本実施例４では、台車４４０は、回転電機１を２基搭載しているが、これに限らず、１基または３基以上搭載しても良い。

一般的に鉄道車両は、発進時から最高速運転までの広い速度域でのトルク特性が要求される他、乗車率に応じて広いトルク範囲が要求される。このような広い運転範囲において、回転電機１ではトルク脈動が低減される。このため、乗車率によらず、常に回転電機１のトルク脈動に起因する騒音や振動を低減することができるので、電気鉄道車両４００の乗り心地が向上する。また、回転電機１のトルク脈動が低減するので、ギア４１０に与えられる機械的な衝撃が緩和される。このため、電気鉄道車両４００の安全性向上や長寿命化が可能になる。また、トルク脈動低減のための高調波電流注入が不要となり、電気鉄道車両４００のシステム効率が向上する。

なお、本発明は前述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、前述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、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置き換えをすることが可能である。

例えば、電動車両は、上述の電気自動車や電気鉄道車両に限らず、トルク脈動の低減が要求される他の電動車両でもよい。また、電気鉄道車両は、架線から電力を取り込んでも良いし、車両に搭載される蓄電器から電力を取り込んでも良い。

１ 回転電機
５ フレーム
１０ 固定子
２０ 固定子コア
２１ 固定子巻線
２２ 固定子スロット
２５ 固定子ティース
３０ 回転子
４０ 回転子コア
４１ ｄ軸コア
４２ ｄ軸コア端部
４６ ｑ軸コア
４７ ｑ軸コア端部
５０ 磁石挿入孔
６１ 第１ブリッジ部
６２ 第２ブリッジ部
６３ ブリッジ部
７０ 永久磁石
８１，８２ 接続部
９０ シャフト
１００ ギャップ
１１０ 内周側コア
１２０ 溝部
１３１，１３２，１３３，１３４ 断面形状
１５０ 漏洩磁束
１６０ ｑ軸磁束
２００ 回転電機駆動システム
２１０ 電源
２２０ 電力変換装置
２３０ 負荷
３００ 電気自動車
３１０ 車輪
３２０ 車軸
３３０ デファレンシャルギア
３４０ 変速機
３５１，３５２ 回転電機
３６０ エンジン
３７０ 電力変換装置
３８０ バッテリ
４００ 電気鉄道車両
４１０ ギア
４２０ 車輪
４３０ 車軸
４４０ 台車

Claims (14)

1. 固定子と、
   前記固定子と対向する回転子コアを備える回転子と、
   を備える回転電機において、
   前記回転子コアは、磁極１極あたり少なくとも１つの磁石挿入孔を有するとともに、前記磁石挿入孔に対して外周側に配置されるｄ軸コアと、前記磁石挿入孔に対して内周側に配置される内周側コアと、前記ｄ軸コアと周方向に隣接するｑ軸コアと、を有し、
   前記磁石挿入孔には永久磁石が挿入され、
   前記ｄ軸コアは、前記磁石挿入孔の両端部の一方に隣接する第１ブリッジ部と前記両端部の他方に隣接する第２ブリッジ部により、前記内周側コアと連結され、
   前記ｄ軸コアの前記第１ブリッジ部側の端部と、磁極中心との距離Ｌ１が、前記第１ブリッジ部と前記ｄ軸コアとの接続部と、前記磁極中心との距離Ｌ２よりも大きく、
   前記ｄ軸コアの前記第２ブリッジ部側の端部と、前記磁極中心との距離Ｌ３が、前記第２ブリッジ部と前記ｄ軸コアとの接続部と、前記磁極中心との距離Ｌ４よりも大きく、
   前記回転子コアは、１極ピッチ角τｐ分の断面形状を複数種類有することを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記複数種類の前記断面形状は、前記回転子の周方向または回転軸方向、周方向と回転軸方向の両方向に配置されることを特徴とする回転電機。
3. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記ｄ軸コアは、前記第１ブリッジ部と前記ｄ軸コアとの前記接続部および前記第２ブリッジ部と前記ｄ軸コアとの前記接続部から周方向に張り出す張り出し部を有することを特徴とする回転電機。
4. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記複数種類の前記断面形状における、前記ｄ軸コアの前記第１ブリッジ側の前記端部から、前記第２ブリッジ側の前記端部までの周方向開角τｄの最大値と最小値の差が、前記固定子のスロットピッチ角τｓよりも小さいことを特徴とする回転電機。
5. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記ｄ軸コアと前記ｑ軸コアとの間には溝部が位置することを特徴とする回転電機。
6. 請求項５に記載の回転電機において、
   前記溝部は略Ｖ字状であることを特徴とする回転電機。
7. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記Ｌ１と、前記Ｌ２と、前記Ｌ３と、前記Ｌ４と、
   前記ｄ軸コアの前記第１ブリッジ部側の前記端部と、前記ｑ軸コアにおける径方向最外周部との距離Ｌ５と、
   前記ｄ軸コアの前記第２ブリッジ部側の前記端部と、前記ｑ軸コアにおける径方向最外周部との距離Ｌ６と、
   前記第１ブリッジ部側の前記ｑ軸コアの前記径方向最外周部の回転軸心からの距離Ｌ７と、
   前記第２ブリッジ部側の前記ｑ軸コアの前記径方向最外周部の前記回転軸心からの距離Ｌ８と、
   前記磁極中心上における前記ｄ軸コアの外周面と前記永久磁石の外周面との距離Ｌ９と、の内のいずれかが、前記複数種類の前記断面形状において異なることを特徴とする回転電機。
8. 請求項７に記載の回転電機において、
   前記Ｌ１ないしＬ４のいずれかが、前記複数種類の前記断面形状において異なることを特徴とする回転電機。
9. 請求項７に記載の回転電機において、
   前記Ｌ５ないしＬ８のいずれかが、前記複数種類の前記断面形状において異なることを特徴とする回転電機。
10. 請求項７に記載の回転電機において、
    前記Ｌ９が、前記複数種類の前記断面形状において異なることを特徴とする回転電機。
11. 請求項５に記載の回転電機において、
    前記ｄ軸コアと前記ｑ軸コアを連結し、前記溝部の開口を塞ぐブリッジ部を備えることを特徴とする回転電機。
12. 負荷を駆動する回転電機と、前記回転電機を駆動する電力変換装置と、を備える回転電機駆動システムにおいて、
    前記回転電機は、請求項１に記載される回転電機であることを特徴とする回転電機駆動システム。
13. 回転電機と、バッテリと、前記バッテリの直流電力を交流電力に変換して、前記交流電力を前記回転電機に供給する電力変換装置と、を備え、前記回転電機のトルクが変速機を介して車輪に伝達される電気自動車において、
    前記回転電機は、請求項１に記載される回転電機であることを特徴とする電気自動車。
14. 回転電機と、
    ギアを介して前記回転電機によって駆動される車輪と、
    を有する台車を備える電気鉄道車両において、
    前記回転電機は、請求項１に記載の回転電機であることを特徴とする鉄道車両。

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