JP3308828B2 - 永久磁石回転電機及びそれを用いた電動車両 - Google Patents

永久磁石回転電機及びそれを用いた電動車両

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JP3308828B2
JP3308828B2 JP27582696A JP27582696A JP3308828B2 JP 3308828 B2 JP3308828 B2 JP 3308828B2 JP 27582696 A JP27582696 A JP 27582696A JP 27582696 A JP27582696 A JP 27582696A JP 3308828 B2 JP3308828 B2 JP 3308828B2
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rotor
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末太郎 渋川
小泉　　修
圭二 小田
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2706—Inner rotors
    • H02K1/272—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
    • H02K1/276—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM]
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K29/00—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
    • H02K29/03—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with a magnetic circuit specially adapted for avoiding torque ripples or self-starting problems

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は回転電機及びそれを
用いた電動車両に係り、特に磁束発生手段として永久磁
石を用いた永久磁石回転電機及びそれを用いた電動車両
に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より回転電機の一種として、回転子
の磁界発生手段に永久磁石を用いた永久磁石回転電機が
使用されている。
【０００３】従来の永久磁石回転電機としては、表面磁
石構造、すなわち隣接する永久磁石が周方向に逆極性と
なるように、回転子の表面に複数の永久磁石を並置，固
定したものがある。
【０００４】しかし、表面磁石構造のものは、遠心力に
より高速回転時に永久磁石が剥離する可能性が高いこと
から、回転子内の軸方向へ伸びる孔に永久磁石を挿入，
固定した永久磁石埋め込み構造の永久磁石回転子が特開
平５−７６１４６号公報に開示されている。
【０００５】また永久磁石埋め込み構造の回転子にスキ
ューを施す場合の構成を簡素にすることを目的として、
回転子内部に設置した各永久磁石の端面から回転子の外
周へ空隙を形成したものが特開平５−２３６６８７号公
報に開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の従来技
術では、補助磁極によるリラクタンストルクを得ること
と、コギングトルクまたはトルク脈動（以下、両者を併
せて「トルク脈動」と言う）の減少を両立できないとい
う問題がある。
【０００７】永久磁石埋め込み構造の回転子では、隣接
した永久磁石間の回転子部材を補助磁極として利用し、
固定子の電機子起磁力の合成ベクトルをこの補助磁極の
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
り、リラクタンストルクを得ることができる。このリラ
クタンストルクは、永久磁石による主トルクに加算さ
れ、回転電機の総トルクを増加し、効率を高めるもので
ある。
【０００８】一方、永久磁石回転電機においては、通電
の有無にかかわらず常に磁束を発生している永久磁石を
用いるため、回転子は常に永久磁石と固定子突極部との
位置関係に応じた力を受け、回転時にはその力が脈動的
に変化する。それがトルク脈動となって現れる。これは
回転子のスムーズな回転を妨げ、回転電機として安定し
た動作を得ることができないという問題を生じる。
【０００９】特開平５−７６１４６号公報に記載されて
いる永久磁石回転子は、補助磁極を有していることか
ら、リラクタンストルクを得ることは可能であるが、永
久磁石と補助磁極との距離が周方向に微小であることか
ら、そこに磁束密度分布の急激な変化が現れ、トルク脈
動が生じる。
【００１０】特開平５−２３６６８７ 号公報に開示さ
れている永久磁石回転電機は、永久磁石間に空隙が設け
られていること、または空隙に非磁性体からなる接着性
の充填材が充填されていることによって、隣り合った永
久磁石間の磁束密度分布変化が緩やかとなり、コギング
トルクまたはトルク脈動は発生しにくいが、この空隙ま
たは充填材は補助磁極の役目を果たさないので、リラク
タンストルクを得ることができない。
【００１１】本発明の目的は、補助磁極によるリラクタ
ンストルクを得ながら、トルク脈動を抑えることのでき
る永久磁石回転電機及びそれぞれを用いた電動車両を提
供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、固定子
と、この固定子に空隙を介して配置された回転子と、こ
の回転子に形成されると共に環状に配置された複数の永
久磁石挿入孔と、交互に逆極性となるように複数の永久
磁石挿入孔に埋め込まれた直方体形状或いはアーク形状
若しくは台形形状の永久磁石と、回転子に形成されると
共に周方向に隣接する永久磁石間に設けられた補助磁極
部とを有する永久磁石回転電機において、永久磁石の周
方向端部と補助磁極部の間に、永久磁石と補助磁極部の
間の磁束密度分布の変化を緩やかにする磁気的な空隙を
設けたことにある。
【００１３】磁気的な空隙はコギングトルクを抑制する
ものであり、単なる空間であってもよいし、非磁性材料
を配置または充填したものであってもよい。また、磁気
的な空隙は永久磁石の両端にあってもよく、回転電機の
回転方向やその用途によっては、永久磁石の周方向どち
らか一端のみにあってもよい。
【００１４】また、本発明の他の特徴は、電動車両の駆
動装置に上記永久磁石回転電機を用いたことにある。
【００１５】尚、本発明の永久磁石回転電機の構造は、
発電機及び電動機，インナロータ及びアウタロータ，回
転型及びリニア型，集中巻及び分布巻き固定子構造のい
ずれのものにも適用可能である。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図を用
いて詳細に説明する。
【００１７】図１は本発明の一実施形態であるインナロ
ータ型集中巻固定子構造の永久磁石回転電機の周方向断
面図を示す。
【００１８】回転電機は固定子１と回転子２から構成さ
れ、これらは図のように互いに回転空隙をもって配置さ
れる。
【００１９】固定子１は、固定子鉄心３と固定子巻線４
からなり、固定子鉄心３は更にコア部５と固定子突極部
６とから構成される。コア部５には固定子突極部６に磁
束を通すための磁気回路が形成され、固定子突極部６に
は固定子巻線４が集中的に巻回される。
【００２０】回転子２はシャフト７，回転子鉄心８、お
よび永久磁石９からなる。回転子鉄心８には、永久磁石
９を挿入する永久磁石挿入孔１０およびシャフト７を通
す孔が軸方向に打ち抜かれ、それぞれ永久磁石９および
シャフト７が挿入，固定される。
【００２１】このように本実施形態はいわゆる永久磁石
埋め込み構造のものであり、永久磁石９を回転子２に環
状に配置することによって、互いに隣接する永久磁石挿
入孔１０の間の部材を補助磁極部１６として機能させる
ことができる。
【００２２】すなわち、図示しない制御装置によって、
固定子巻線４による電機子起磁力の合成ベクトルを補助
磁極の中心位置より回転方向側に向くように制御すれ
ば、固定子巻線４から発生した磁束が補助磁極部１６を
介して永久磁石９を周回し、リラクタンストルクが発生
する。これは特に低速運転状態において有効であり、上
記リラクタンストルクが永久磁石９による通常のトルク
に加わることで、電動機として高いトルクを得ることが
できる。
【００２３】図３は本実施形態に係る永久磁石回転電機
の軸方向の断面構造を示す。
【００２４】固定子１はハウジング１１の内周面に図の
ように固定され、また回転子２に挿入，固定されたシャ
フト７は、回転子２が固定子１に回転空隙をもって回転
自在に接するよう、ベアリング１３およびエンドブラケ
ット１２によって固定子１に保持される。
【００２５】本実施形態では、回転子鉄心８の材料とし
て永久磁石９よりも高い透磁率を有するもの、例えば珪
素鋼板のような高透磁率磁性材料を用いる。これによ
り、磁石内部に発生する渦電流損を減少させることがで
き、また前述の補助磁極部１６をより有効に機能させる
ことができる。
【００２６】なお本発明は、発電機及び電動機，インナ
ロータ及びアウタロータ，回転型及びリニア型，集中巻
き及び分布巻き固定子構造のいずれにおいても適用可能
であり、同様の効果が得られる。
【００２７】本実施形態は、永久磁石９と、該永久磁石
９に周方向に隣り合った補助磁極部１６との間に磁気的
な空隙１４を設けるものである。
【００２８】図２に図１における任意の永久磁石９の周
辺を拡大した図を示す。図のように、永久磁石９の周方
向端部に空隙１４を設けるように永久磁石挿入孔１０を
形成し、そこに永久磁石９を挿入，固定する。この空隙
は軸方向に伸び、永久磁石９と補助磁極部１６に接して
いる。
【００２９】この空隙１４の作用を図４および図５を用
いて説明する。
【００３０】図４および図５は、永久磁石９周辺の周方
向断面図と、永久磁石９によって回転子２の周表面から
発生される磁束密度分布の関係を表した図である。図４
は前述の実施形態を用いた回転子を、図５は従来の回転
子を示す。
【００３１】双方とも、回転子鉄心８の磁極片部１５
は、永久磁石９が発生した磁束を固定子１へ伝達する部
材として機能する。また隣り合った永久磁石挿入孔１０
の間の部材、すなわち図中の補助磁極部１６はリラクタ
ンストルクを発生する補助磁極として機能する。
【００３２】図４および図５の上部にあるグラフは、永
久磁石９によって回転子２の固定子側表面から発生され
る磁束密度分布を表している。両図ともに、磁極片部１
５では、永久磁石９の発生する磁束はほぼ一定の磁束密
度分布を示す。一方、補助磁極部１６では、永久磁石９
による磁束が伝達されにくく、回転子２の固定子側表面
から発生される磁束はほぼ零となる。
【００３３】しかし、従来の回転子においては、図５の
ように回転子鉄心８に設けられた永久磁石挿入孔１０全
体を埋めるように永久磁石９が配置されていることか
ら、磁極片部１５と補助磁極部１６の境界付近において
図のような急激な磁束密度分布の変化が現れる。
【００３４】永久磁石回転電機においては、回転電機へ
の通電の有無にかかわらず、永久磁石が常に磁束を発生
しているため、回転子は、常に固定子突極部６と磁極片
部１５との位置関係に応じた力を受ける。回転子が回転
すれば、互いの位置が変化することにより回転子の受け
る力が脈動的に変化し、これがコギングトルクやトルク
脈動となって現れる。回転子周方向における磁束密度分
布の変化が急激なほど、トルク脈動は顕著である。
【００３５】そこで本実施形態のように空隙１４を設
け、磁束密度分布の変化を緩やかなものにする。空隙１
４によって、回転子表面の補助磁極部１６と磁極片部１
５の間にブリッジ部１７が形成され、磁極片部１５と補
助磁極１６の間に距離が設けられる。従って、図４のグ
ラフのように従来に比べて緩やかな磁束密度分布の変化
が現れ、コギングトルクやトルク脈動を抑制することが
できる。
【００３６】また、回転方向が一方向のみに定まってい
る回転電機では、永久磁石９の周方向一端にのみ磁気的
な空隙１４を設けても良い。
【００３７】なお本実施形態においては図のような直方
体の永久磁石９を用いているが、他の形状のもの、例え
ばアーク形や台形のものに同様の空隙１４を形成しても
同様の効果が得られる。
【００３８】図６ないし図８には、本発明の他の実施形
態を示す。
【００３９】図６および図７の実施形態は図２における
実施形態の空隙１４の形状を変化させたものである。
【００４０】図６の実施形態は、永久磁石挿入孔１０の
底に凹部を設け、該凹部に永久磁石９を配置したもので
ある。その結果、空隙１４の回転子半径方向の厚さは永
久磁石９の回転子半径方向の厚さよりも小さく形成さ
れ、図のように空隙１４の反固定子側の面が永久磁石９
の反固定子側の面よりも固定子寄りに形成される。
【００４１】これらにより永久磁石９を永久磁石挿入孔
１０の所定の位置に位置決めすることができる。
【００４２】また永久磁石９の位置決めのためには、空
隙１４に非磁性材料を配置または充填しても同様の効果
を得ることができる。例えば空隙１４に非磁性材料から
成る固体を配置し、一体にワニス及び接着剤で固着させ
ることによって、永久磁石９をより安定して配置するこ
とができる。
【００４３】また図７の実施形態は、空隙１４の固定子
側の面の周方向幅を反固定子側の面の周方向幅よりも大
きくしたものである。図７では特に空隙１４の周方向断
面が略三角形状となるように形成する。このことによっ
て、補助磁極部１６を通る磁束がスムーズに永久磁石９
を周回することができ、リラクタンストルクをより多く
得ることができる。
【００４４】さらに図６および図７の実施形態において
は、回転子２の固定子側表面に略平行となるように空隙
１４の固定子側の面を形成する。
【００４５】これによって、ブリッジ部１７の磁気的な
飽和はきつくなり、永久磁石９から発生する磁束が磁極
片部１５，ブリッジ部１７を介して補助磁極部１６に漏
洩する磁束を抑制することができる。
【００４６】図８の実施形態は、同様の構成を得るた
め、逆に回転子２の形状を変更したものである。すなわ
ちブリッジ部１７が空隙１４の傾斜面１４ａに略垂直に
伸びるよう構成される。このことにより、回転子２の半
径方向に対するブリッジ部１７の傾きが大きくなり、磁
極片部１５及び永久磁石９にかかる遠心力をブリッジ部
１７の引っ張り力により支えることができる。一般的に
材料の耐久性は、剪断力に対するよりも引っ張り力に対
する方が高く、ブリッジ部１７が回転子２の半径方向に
対してほぼ直角をなす前述の実施形態よりも遠心力に対
する耐久性が高い。従ってブリッジ部１７をより薄く形
成し、永久磁石９から発生する有効磁束量を高めること
も可能であり、またより高速に回転子を回転することが
できる。
【００４７】尚、以上述べた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、コギングトルクが少
なく、スムーズに発進できる安定した永久磁石回転電機
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。
【００４８】
【発明の効果】本発明によれば、永久磁石の周方向端部
と補助磁極部の間に、永久磁石と補助磁極部の間の磁束
密度分布の変化を緩やかにする磁気的な空隙を設けたの
で、補助磁極によるリラクタンストルクを得ながら、ト
ルク脈動を抑えることができる永久磁石回転電機を提供
することができる。
【００４９】また、本発明によれば、永久磁石の周方向
端部と補助磁極部の間に、永久磁石と補助磁極部の間の
磁束密度分布の変化を緩やかにする磁気的な空隙を設け
た永久磁石回転電機を電動車両の駆動装置に用いたの
で、コギングトルクの少ない、安定した駆動装置を持つ
電動車両を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態をなす永久磁石回転電機の
周方向断面図。
【図２】図１の回転子の任意の永久磁石周辺の拡大図。
【図３】図１の実施形態の軸方向断面図。
【図４】図２の回転子部材の機能説明図と磁束密度分
布。
【図５】従来の永久磁石回転電機の回転子部材の機能説
明図と磁束密度分布。
【図６】本発明の他の実施形態をなす永久磁石回転電機
の回転子の周方向断面図。
【図７】本発明の他の実施形態をなす永久磁石回転電機
の回転子の周方向断面図。
【図８】本発明の他の実施形態をなす永久磁石回転電機
の回転子の周方向断面図。
【符号の説明】
１…固定子、２…回転子、３…固定子鉄心、４…固定子
巻線、５…コア部、６…固定子突極部、７…シャフト、
８…回転子鉄心、９…永久磁石、１０…永久磁石挿入
孔、１１…ハウジング、１２…エンドブラケット、１３
…ベアリング、１４…空隙、１５…磁極片部、１６…補
助磁極部、１７…ブリッジ部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川又 昭一 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (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 (72)発明者 小田 圭二 茨城県ひたちなか市高場2477番地 株式 会社 日立カーエンジニアリング内 (56)参考文献 特開 平５−304737（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−251891（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−107639（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−251846（ＪＰ，Ａ) 国際公開92／7409（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H02K 1/27

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】固定子と、該固定子に空隙を介して配置さ
    れた回転子と、該回転子に形成されると共に環状に配置
    された複数の永久磁石挿入孔と、交互に逆極性となるよ
    うに前記複数の永久磁石挿入孔に埋め込まれた直方体形
    状或いはアーク形状若しくは台形形状の永久磁石と、前
    記回転子に形成されると共に周方向に隣接する前記永久
    磁石間に設けられた補助磁極部とを有し、前記永久磁石
    の周方向端部と前記補助磁極部の間には、前記永久磁石
    と前記補助磁極部の間の磁束密度分布の変化を緩やかに
    する磁気的な空隙が設けられていることを特徴とする永
    久磁石回転電機。
  2. 【請求項２】請求項１に記載の永久磁石回転電機におい
    て、前記空隙には非磁性材が設けられていることを特徴
    とする永久磁石回転電機。
  3. 【請求項３】請求項１に記載の永久磁石回転電機におい
    て、前記空隙はコギングトルクを抑制するものであるこ
    とを特徴とする永久磁石回転電機。
  4. 【請求項４】駆動装置を備えた電動車両において、前記
    駆動装置は、請求項１乃至３のいずれかに記載の永久磁
    石回転電機を有することを特徴とする電動車両。
JP27582696A 1996-10-18 1996-10-18 永久磁石回転電機及びそれを用いた電動車両 Expired - Lifetime JP3308828B2 (ja)

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