JP3289635B2 - 永久磁石回転電機装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は永久磁石回転電機装
置に係り、小形軽量，高トルクの永久磁石回転電機、及
び電流容量の小さなスイッチング素子ですむインバータ
とを備えた永久磁石回転電機装置を提供するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】電動車両、特に電気自動車において使用
される駆動電動機は電気自動車として積載されるバッテ
リの量が限定され、かつそれで十分一充電走行距離を確
保することが必要なために小型軽量，高効率であること
が望まれる。一方、車両としての加速性能，最高速の確
保等のために高トルクであること、弱め界磁に適した永
久磁石回転電機であることが要求される。

【０００３】以上の条件に適した電動機として永久磁石
回転電機が有効であり、特に永久磁石によるトルクと突
極性を利用したリラクタンストルクを有効に発生する方
式の永久磁石回転電機が効果的であることが、特開平2
−324232 号で開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術によれ
ば、永久磁石を永久磁石よりも高い透磁率を有する回転
子鉄心の中に配置し、かつ周方向に永久磁石と回転子鉄
心とで構成される補助磁極とを並置した構成を示してい
る。一方、固定子は分布巻の固定子で永久磁石回転子の
回転に同期して滑らかな回転磁界を作り出す構成であ
る。

【０００５】このように永久磁石を永久磁石よりも高い
透磁率を有する磁性材からなる回転子鉄心の中に配置す
るすなわち内部磁石回転子構成とすることによって弱め
界磁が可能となり、高効率でかつ高速領域までの運転が
可能となる。

【０００６】しかし、永久磁石を弱め界磁する回転電機
において、高速運転時にインバータが故障すると弱め界
磁制御が不能となり、永久磁石回転電機の線間には高電
圧が発生し、バッテリに大きなパワーを戻すことにな
る。これは、第１には、急ブレーキが生じ、走行車両姿
勢の不安定を招く。第２にはバッテリ，平滑コンデン
サ，インバータ等を損傷せしめる可能性がある点で問題
がある。

【０００７】また、上記従来技術では一般にトルク発生
に寄与する永久磁石の磁束の割合が少ないためにその発
生する誘起電圧は比較的小さく押さえられるが、それで
も最高速での発生誘起電圧は非常に大きなものとなる。

【０００８】さらに、分布巻固定子の永久磁石電動機等
の場合はスロットリプルによる誘起電圧の跳ね上がりに
よって一層深刻になる場合もある。

【０００９】実際には以上を避けるためには第１にはイ
ンバータと回転電機の間にコンタクタを挿入し、故障時
に永久磁石回転電機をインバータより切り離す方法、第
２には誘起電圧を低く設定する方法があるが、第１の方
法では、コンタクタのスペース，重量等がネックで、他
の電動機例えば誘導電動機に対する優位点が損なわれ
る。また、第２の点ではリラクタンストルク成分に期待
する比率が大きく、電動機の体格を大きくすること、及
びトルクを発生するのに必要な電流が増加し、インバー
タの電流容量をいたずらに増加させる結果を生ぜしめる
欠点がある。

【００１０】本発明は故障時の誘起電圧のピーク値を低
減し、これによって小形軽量，高トルクの永久磁石回転
電機、及び電流容量の小さなスイッチング素子ですむイ
ンバータとを備えた永久磁石回転電機装置を提供するこ
とを目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、直流電
源と、この直流電源に接続されたインバータによって回
転速度が制御されると共に、鉄心に設けられた複数の孔
に永久磁石が挿入された回転子を有する永久磁石回転電
機と、この永久磁石回転電機を弱め界磁制御する手段と
を備え、永久磁石回転電機の端子間の発生誘起電圧のピ
ーク値をＶｐとし、その基本波電圧のピーク値をＶｐ１
としたとき、Ｖｐ＜Ｖｐ１の誘起電圧値となるようにし
たことにある。

【００１２】また、本発明の他の特徴は、直流電源と、
この直流電源に接続されたインバータによって回転速度
が制御されると共に、鉄心に設けられた複数の孔に永久
磁石が挿入された回転子を有する永久磁石回転電機と、
この永久磁石回転電機を弱め界磁制御する手段とを備
え、永久磁石回転電機の端子間の発生誘起電圧の中心の
電圧値をＶｍとし、その発生誘起電圧のピーク値をＶｐ
としたとき、Ｖｍ＜Ｖｐの誘起電圧値となるようにした
ことにある。

【００１３】また、本発明においては、永久磁石回転電
機のコイル幅を回転子の磁極の幅にほぼ等しくすること
が好ましい。

【００１４】また、本発明においては、永久磁石回転子
の磁極中心の空隙長を磁極端の空隙長より大きくするこ
とが好ましい。

【００１５】また、本発明においては、同じ相に属する
固定子巻線を巻回した複数の固定子突極が電気的にすべ
て同相の位置に配置することが好ましい。

【００１６】また、本発明においては、低回転数での定
トルク範囲と高速時の定出力運転範囲とを有し、かつ定
トルク範囲の最高回転数をＮ１，定出力範囲の最高回転
数をＮ２としたとき、Ｎ２／Ｎ１が２以上であることが
好ましい。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について説
明する。

【００１８】図１は本発明にかかわる永久磁石回転電機
装置の一実施例を、図２に本発明の永久磁石回転電機の
構造を、図３に本発明の永久磁石回転電機の断面構造を
示す。

【００１９】図２，図３において永久磁石回転電機は固
定子１と回転子２とからなり、該固定子１は積層された
鉄心からなりスロット部１１に絶縁材を介して固定子巻
線３を巻装している。ここで、固定子構造は一般に広く
使用されている分布巻固定子構造であって、例えば、固
定子鉄心は歯部１２とで磁気回路を形成するヨーク部１
３とからなり、固定子巻線３は固定子鉄心の空隙面に近
い部分のスリット部１４からスロット部１１に収納され
る。

【００２０】回転子２は高透磁率磁性材料である、例え
ば珪素鋼板よりなる積層鉄心と、その積層鉄心に設けら
れた永久磁石挿入孔２１に挿入された永久磁石２２とシ
ャフト４とからなる。この高透磁率磁性材料からなる積
層鉄心は隣り合う永久磁石２２間に設けられた補助磁極
部２３と永久磁石２２の外周に設けられた磁極片部２４
とヨーク部１３とを備え、このヨーク部には前記した永
久磁石挿入孔２１とシャフト４を通す孔が打ち抜かれ
る。この永久磁石回転子２の回転方向は反時計方向に回
転し、電動機として運転するものとする。ここで、使用
する永久磁石２２は直方体にしてあるため、弧状の磁石
に比較して寸法精度が確保しやすく、回転子のバランス
作業なしに高速回転に供することができる。また永久磁
石２２には高性能磁石であるネオジウム磁石等が使用さ
れるものとする。

【００２１】図３に本発明の永久磁石回転電機の断面構
造図を示す。回転電機の固定子１は一対のハウジング１
０，１０１の内周面に固定されている。ここで、固定子
鉄心のスロット部１１は２４個で永久磁石回転子の極数
８に対して毎極毎相あたりのスロット数が１の例で示し
てある。これが２，３と増加しても同様である。

【００２２】シャフト４はベアリング１０ａ，１０ｂを
介してハウジング１０，１０１に回転自在に保持されて
いる。ここで、ＰＳは回転子２の永久磁石２２の位置を
検出する磁極位置検出器であり、Ｅは回転子２の位置を
検出するエンコーダである。回転電機はこの磁極位置検
出器ＰＳの信号と、エンコーダＥの出力信号により、制
御装置を介して運転制御される構成である。Ｅは速度制
御用の位置センサである。

【００２３】図１に本発明の永久磁石回転電機装置の制
御回路を示す。

【００２４】図において、直流電源３０よりインバータ
３１を介して多相の固定子巻線３に電力を供給する。

【００２５】速度制御回路（ＡＳＲ）３２では、速度指
令ωｓと、エンコーダＥよりの位置情報θからＦ／Ｖ変
換器３３を介して得られる実際の速度ωｆとから速度差
ωｅを算出し、これにＰＩ制御（Ｐ：比例項，Ｉ：積分
項）等によってトルク指令すなわち電流指令Ｉｓと回転
子２の回転角θ１を出力する。

【００２６】一方、正弦波，余弦波発生器３４では、回
転子２の永久磁石磁極の位置を検出する位置検出器ＰＳ
とエンコーダＥよりのパルスすなわち回転子の位置情報
θから、固定子巻線３の各巻線（ここでは３相）の誘起
電圧と同相の正弦波出力、あるいは必要に応じて位相シ
フトした正弦波出力を発生する。

【００２７】２相−３相変換回路３５においては、電流
指令Ｉｓと正弦波，余弦波発生器３４の出力に応じて各
相に電流指令Ｉｓａ，Ｉｓｂ，Ｉｓｃを出力する。各相
はそれぞれ個別に電流制御系（ＡＣＲ）３６を持ち、電
流指令Ｉｓａ，Ｉｓｂ，Ｉｓｃと電流検出器ＣＴからの
電流検出信号Ｉｆａ，Ｉｆｂ，Ｉｆｃに応じた信号をイ
ンバータ３１に送って各相電流を制御する。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（各相電流の合成の起磁力を永久磁石より９０
度以上進ませる制御を弱め界磁制御という）電流を常に
形成し、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。

【００２８】以上の構成で、制御装置によって固定子巻
線３に流す電流のつくる電機子起磁力の合成ベクトルを
補助磁極部２３の中心位置より回転方向側に向くように
制御することによって、回転電機は、永久磁石２２によ
るトルクの他に補助磁極部２３によるリラクタンストル
クを発生することができ、高トルクの電動機として運転
することができる。

【００２９】以上の構成において、本発明では図１に示
すように直流電源３０と、それに接続されたインバータ
３１と、インバータ３１の出力端に直接接続された永久
磁石回転電機とを備え、かつ永久磁石回転電機を位相シ
フト回路３７によって弱め界磁制御する方式の永久磁石
回転電機装置において、永久磁石回転電機の端子間の発
生誘起電圧のピーク電圧をＶｐとし、その基本波電圧の
ピーク値をＶｐ１としたとき、Ｖｐ＜Ｖｐ１の誘起電圧
形状となさしめたことを特徴とするものである。

【００３０】電気自動車等の電動車両に使用する駆動電
動機に求められるトルク特性は、低速（ある回転数まで
の範囲）では大トルクの発生が可能であり、かつそれを
越える高速領域ではインバータ３１の容量がなるべく大
きくならない範囲で定出力の運転が可能であることが望
まれている。このため、低速ではインバータ３１のスイ
ッチング素子の許容電流の範囲内での定トルク運転範囲
と高速での定出力範囲での運転とを一般に行っている。

【００３１】永久磁石モータのトルクＴは一般に Ｔ＝(Ｅ０・Ｉｑ＋(Ｘｑ−Ｘｄ)・Ｉｄ・Ｉｑ)／ω …（１） ここで、Ｅ０：誘起電圧 ω：回転角速度 Ｉｄ，Ｉｑ：ｄ，ｑ軸の電流 Ｘｑ，Ｘｄ：ｄ，ｑ軸のリアクタンス （１）式で第１項は永久磁石２２によるトルク成分で、
第２項は補助磁極部２３によるリラクタンストルク成分
である。

【００３２】トルクを大きくするためにはリラクタンス
によるトルクと永久磁石によるトルクを最大に利用する
必要がある。従って永久磁石の誘起電圧を増加させた法
がインバータ３１のスイッチング素子の電流容量を小さ
くすることができる。

【００３３】一方、高速回転数の領域では定出力のた
め、必要トルクは小さくなり、リラクタンスによるトル
クも永久磁石によるトルクも同一の電流に対する最大の
トルクを出せる位相とはしない。ここでは、永久磁石２
２の磁束を弱めて永久磁石による誘起電圧を低める、い
わゆる弱め界磁制御で運転する。これによって永久磁石
による誘起電圧を下げ、従って永久磁石回転電機に加え
る端子電圧以下にして直流電源より電力が供給されるよ
うになって高速まで回転可能とすることができるのであ
る。

【００３４】この条件で低速のトルクを優先させて誘起
電圧を上昇させると、高速で弱め界磁を大きくする必要
がある。

【００３５】ここで、制御装置が正常動作中であれば永
久磁石の誘起電圧は弱め界磁制御によってインバータ３
１の素子耐圧、及びインバータの入力端子間に設けられ
たコンデンサ等の耐圧の範囲を超えることはないが、高
速運転まで正常に運行し、その後、インバータが故障し
た場合には弱め界磁が不能となり、大きな誘起電圧が直
接インバータ３１及びコンデンサにかかり、破損のおそ
れと、大きな電力を直流電源に戻すことにより大きなブ
レーキ力を引き起こすおそれもある。

【００３６】従って、インバータの素子容量を小さくす
るためには大きなトルクの発生と誘起電圧の最大値を低
減せしめるという合い矛盾する課題を達成する必要があ
る。一方、永久磁石回転電機の固定子鉄心には前述のよ
うに固定子巻線３をスロット部１１に収納するスリット
１４が一般に設けられている。このスリットの影響は、
図２で示したようなリラクタンストルクを積極的に利用
する補助磁極部２３を有する型の永久磁石回転電機では
永久磁石の角度τ１の選定によっては図４（ａ）のよう
にな波形になる。つまり中心部の誘起電圧波形Ｖｍ＝Ｖ
ｐが大きくなってしまう。

【００３７】このような波形で高速領域でのインバータ
３１の故障を考えるとインバータ３１の素子及びコンデ
ンサの電圧耐量は誘起電圧の最大値Ｖｐで決まってしま
うため、結果としてトルクに影響する誘起電圧の実行値
は小さくせざるを得ず、従って、同一トルクを得るため
にはインバータ素子の電流容量を増加させなければなら
ない欠点がある。

【００３８】本発明では、図２で示した永久磁石τ１の
角度をパラメータに検証した結果、角度によって誘起電
圧波形に図４（ａ)，(ｂ)，(ｃ）のように変化すること
を見いだした。

【００３９】図４は８極，スロット４８個での図示例
で、実線は線間誘起電圧、波線はその基本波分を示すも
のである。

【００４０】図４（ａ）は永久磁石τ１の角度と極節τ
ｐの比を０.６３ にした場合で、この場合、回転電機の
誘起電圧の最大値Ｖｐは誘起電圧の中心部の値Ｖｍに等
しく、その値は誘起電圧の基本波分Ｖｐ１よりも大きく
なる。

【００４１】図４（ｂ）は永久磁石τ１の角度と極節τ
ｐの比を０.５８ にした場合で、この場合、回転電機の
誘起電圧の最大値Ｖｐは誘起電圧の中心部の値Ｖｍより
高く、誘起電圧の基本波分Ｖｐ１よりも小さくなる。

【００４２】図４（ｃ）は永久磁石τ１の角度と極節τ
ｐの比を０.５３ にした場合で、この場合、回転電機の
誘起電圧の最大値Ｖｐは誘起電圧の中心部の値Ｖｍより
大きく、誘起電圧の基本波分Ｖｐ１よりも小さくなる。

【００４３】図４（ｄ）には永久磁石τ１の角度と極節
τｐの比に対するＶｐ／Ｖｐ１，Ｖｍ／Ｖｐを示す。

【００４４】ここで、誘起電圧の基本波分Ｖｐ１はトル
クに直接関係するもので大きい方が望ましい。一方、誘
起電圧の最大値Ｖｐは高速時まで運転させるにはできる
限り小さいことが望ましい。従って、Ｖｐ／Ｖｐ１の比
を小さくすることが求められる。図４（ｄ）では永久磁
石τ１の角度と極節τｐの比が０.６ 以下、つまりＶｐ
／Ｖｐ１が１.０ 以下（Ｖｐ＜Ｖｐ１）がよい。一方、
誘起電圧の中心部の値Ｖｍは直接は意味を持たないが図
４（ｄ）で示すようにＶｍ／Ｖｐ＜１となる範囲と上記
の範囲はよく対応している。つまりＶｐ＜Ｖｐ１はＶｍ
＜Ｖｐで顕彰できる。

【００４５】以上、図４（ｂ)，(ｃ）のようにすること
によってインバータ素子の電流容量を小さくすることが
できる。

【００４６】以上の効果は、低回転数での定トルク範囲
と高速時の定出力運転範囲とを有し、かつ定トルク範囲
の最高回転数をＮ１，定出力範囲の最高回転数をＮ２と
したとき、Ｎ２／Ｎ１の値が大きいほど効果がある。つ
まり、高速域で永久磁石の磁束を弱める必要が大きくな
るためである。ここではこの値が２以上で上記の効果を
発揮できる。

【００４７】図５に本発明の永久磁石回転電機装置の回
転電機の他の実施例を示す。

【００４８】図２と同一記号は同一構成部品を示す。こ
こでも、同相に属する固定子巻線（例えばＵ１，Ｕ２，
Ｕ３，Ｕ４）が電気的にすべて同相の位置に配置された
構成で示す。同じ位相とすることによって誘起電圧の高
調波がすべての固定子巻線で発生するため減衰せず、台
形状の誘起電圧を発生しやすくなる。

【００４９】ここでは永久磁石回転子の中心の外周部の
磁極片部２４の空隙部を大きくする構成とした。以上の
形状によって図５（ｂ）に示すように永久磁石回転電機
の誘起電圧は階段状となってＶｐ＜Ｖｐ１とすることが
でき、図４での説明と同様の効果を得ることができる。

【００５０】図６に本発明の永久磁石回転電機装置の回
転電機の他の実施例を示す。図２と同一記号は同一構成
部品を示す。ここでは永久磁石回転電機の固定子を集中
巻としたことを特徴とする。ここでも、固定子巻線を集
中的に巻回し、かつ同相に属する固定子巻線が電気的に
すべて同じ位相の位置に配置された構成である。

【００５１】以上の構成とすることによって回転子はほ
ぼ全周にわたって永久磁石を配置した構成であっても図
５（ｂ）に示すように永久磁石回転電機の誘起電圧は階
段状とすることができる。これによってＶｐ＜Ｖｐ１と
することができ、図４での説明と同様の効果を得ること
ができる。

【００５２】なお、以上の永久磁石回転電機を電動車
両、特に電気自動車に適用すれば、小型軽量高効率の永
久磁石回転電機駆動装置を搭載でき、一充電走行距離の
長い電気自動車を提供することができる。また、安全性
の高い電動車両を提供できる。また、以上は制御装置と
して速度制御機能（ＡＳＲ）を有する永久磁石回転電機
装置について述べたが、トルク制御機能を有する永久磁
石回転電機装置についても適用可能である。また、回転
電機としては軸方向の空隙を有する回転電機及び発電
機，電動機及び内転型，外転型，リニア型を問わず適用
可能である。

【００５３】

【発明の効果】本発明によれば、インバータ故障時、誘
起電圧のピーク値を低減することができるので、小形軽
量，高トルクの永久磁石回転電機、及び電流容量の小さ
なスイッチング素子ですむインバータとを備えた永久磁
石回転電機装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の永久磁石回転電機装置を示す。

【図２】本発明の永久磁石回転電機を示す。

【図３】本発明の永久磁石回転電機の断面を示す。

【図４】本発明の誘起電圧波形の動作説明図を示す。

【図５】本発明の永久磁石回転電機の他の実施例を示
す。

【図６】本発明の永久磁石回転電機の他の実施例を示
す。

【符号の説明】

１…固定子、２…回転子、３…固定子巻線、１１…スロ
ット部、１２…固定子歯部（突極部）、１３…固定子ヨ
ーク部、２１…永久磁石挿入孔、２２…永久磁石、２３
…補助磁極部、２４…磁極片部、３１…インバータ、３
２…速度制御回路（ＡＳＲ）、３３…Ｆ／Ｖ変換器、３
４…正弦波，余弦波発生器、３６…電流制御系（ＡＣ
Ｒ）、３５…２相−３相変換回路、３７…位相シフト回
路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渋川 末太郎 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株式会社 日立製作所 自動車機器事業 部内 (72)発明者 小泉 修 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株式会社 日立製作所 自動車機器事業 部内 (56)参考文献 特開 平８−9610（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−304134（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−1457（ＪＰ，Ａ) 実開 平３−106852（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02K 29/00 H02K 21/00 H02P 6/18

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】直流電源と、該直流電源に接続されたイン
   バータによって回転速度が制御されると共に、鉄心に設
   けられた複数の孔に永久磁石が挿入された回転子を有す
   る永久磁石回転電機と、該永久磁石回転電機を弱め界磁
   制御する手段とを備え、前記永久磁石回転電機の端子間
   の発生誘起電圧のピーク値をＶｐとし、その基本波電圧
   のピーク値をＶｐ１としたとき、Ｖｐ＜Ｖｐ１の誘起電
   圧値となるようにしたことを特徴とする永久磁石回転電
   機装置。
2. 【請求項２】直流電源と、該直流電源に接続されたイン
   バータによって回転速度が制御されると共に、鉄心に設
   けられた複数の孔に永久磁石が挿入された回転子を有す
   る永久磁石回転電機と、該永久磁石回転電機を弱め界磁
   制御する手段とを備え、前記永久磁石回転電機の端子間
   の発生誘起電圧の中心の電圧値をＶｍとし、その発生誘
   起電圧のピーク値をＶｐとしたとき、Ｖｍ＜Ｖｐの誘起
   電圧値となるようにしたことを特徴とする永久磁石回転
   電機装置。
3. 【請求項３】請求項１又は２に記載された永久磁石回転
   電機装置において、前記永久磁石回転電機のコイル幅を
   前記回転子の磁極の幅にほぼ等しくしたことを特徴とす
   る永久磁石回転電機装置。
4. 【請求項４】請求項１又は２に記載された永久磁石回転
   電機装置において、前記回転子の磁極中心の空隙長を磁
   極端の空隙長より大きくしたことを特徴とする永久磁石
   回転電機装置。
5. 【請求項５】請求項１又は２に記載された永久磁石回転
   電機装置において、同じ相に属する固定子巻線を巻回し
   た複数の固定子突極が電気的にすべて同相の位置になる
   ようにしたことを特徴とする永久磁石回転電機装置。
6. 【請求項６】請求項１又は２に記載された永久磁石回転
   電機装置において、低回転数での定トルク範囲と高速時
   の定出力運転範囲とを有し、かつ定トルク範囲の最高回
   転数をＮ１，定出力範囲の最高回転数をＮ２としたと
   き、Ｎ２／Ｎ１が２以上であることを特徴とする永久磁
   石回転電機装置。