JP3655205B2

JP3655205B2 - 回転電機とそれを用いた電動車両

Info

Publication number: JP3655205B2
Application number: JP2001049758A
Authority: JP
Inventors: 文男田島; 豊松延; 昭一川又; 小泉　　修; 隆安原; 末太郎渋川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-02-26
Filing date: 2001-02-26
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2021-02-26
Also published as: JP2002252947A

Description

【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、低騒音の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】
電動車両，特に、電気自動車，ハイブリッド電気自動車に使用される駆動電動機としては、小型軽量であることが望まれている。このような電動機としては、第１には、例えば、特開平９−２６１９０１号公報に記載されているように、回転子鉄心の中に高性能永久磁石であるネオジウム磁石を配置した永久磁石回転電機が知られている。また、第２には、例えば、特開平１０−１５０７５４号公報に記載されているようなリラクタンス型回転電機が知られている。これらの回転電機は、何れも、固定子が作り出す磁界と、回転子の作る永久磁石磁極やリラクタンス電磁極の作用によって、大きなトルクが発生できるものであり、小型軽量化に適している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の永久磁石回転電機やリラクタンス型回転電機においては、固定子巻線の巻回数を増加させ、流す電流を増加する，つまり回転電機の電気装荷を増加させることによって一層小型軽量化が可能である。その一方で、固定子巻線の巻回数を増加させ、流す電流を増加することによる回転電機の電気装荷の増加は、回転電機の電磁加振力を増加させ、大きな騒音を引き起こす原因となる。特に、電気自動車やハイブリッド電気自動車駆動等の電動車両用の回転電機の電磁加振力によって発生する騒音は高周波となり、運転者並びに同乗者の及び通行者の迷惑となるという問題があった。
【０００４】
本発明の目的は、簡単な構成で低騒音の回転電機及びそれを用いた電動車両を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、多相の固定子巻線が巻回された固定子鉄心を有する固定子と、この固定子に空隙面を介して対向して配置された回転子とを有する回転電機において、上記回転子の回転子鉄心の表面に設けられた電磁加振力低減溝を備え、上記固定子鉄心のスロット間隔ｓｈと、上記電磁加振力低減溝の幅ｗとの比（ｗ／ｓｈ）を、 0.34 ≦ｗ／ｓｈ≦ 1.1 としたものである。かかる構成により、簡単な構成で低騒音化し得るものとなる。
（２）また、上記目的を達成するために、本発明は、多相の固定子巻線が巻回された固定子鉄心を有する固定子と、この固定子に空隙面を介して対向して配置された回転子とを有する回転電機において、上記回転子の回転子鉄心の表面に設けられた電磁加振力低減溝を備え、上記電磁加振力低減溝は、１磁極当たり複数個設けられ、上記複数の電磁加振力低減溝の幅は、スリット間隔の整数倍もしくは１／整数としたものである。
（３）さらに、上記目的を達成するために、多相の固定子巻線が巻回された固定子鉄心を有する固定子と、この固定子に空隙面を介して対向して配置された回転子とを有する回転電機において、上記回転子の回転子鉄心の表面に設けられた電磁加振力低減溝を備え、上記電磁加振力低減溝は、１磁極当たり複数個設けられ、上記複数の電磁加振力低減溝の幅の合計ｓｗと、上記固定子鉄心のスロット間隔ｓｈとの比（ｓｗ／ｓｈ）を、 0.34 ≦ｓｗ／ｓｈ≦ 1.1 としたものである。
【０００６】
（４）上記（１）〜（３）のいずれかにおいて、好ましくは、上記回転子を構成する回転子鉄心の内部に配置された永久磁石を備えるようにしたものである。
【０００７】
（５）上記（１）〜（３）のいずれかにおいて、好ましくは、上記溝は、開口部の周方向の長さが深さより大きい溝としたものである。
【００１２】
（６）上記（１）〜（３）のいずれかににおいて、好ましくは、この回転電機は、リラクタンス型回転電機としたものである。
【００１３】
（７）上記目的を達成するために、本発明は、多相の固定子巻線が巻回された固定子鉄心を有する固定子と、この固定子に空隙面を介して対向して配置された回転子とを有する回転電機を備えた電動車両において、上記回転子の回転子鉄心の表面に設けられた電磁加振力低減溝を備え、上記固定子鉄心のスロット間隔ｓｈと、上記電磁加振力低減溝の幅ｗとの比（ｗ／ｓｈ）を、 0.34 ≦ｗ／ｓｈ≦ 1.1 としたものである。かかる構成により、簡単な構成で低騒音化し得るものとなる。
（８）また、上記目的を達成するために、本発明は、多相の固定子巻線が巻回された固定子鉄心を有する固定子と、この固定子に空隙面を介して対向して配置された回転子とを有する回転電機を備えた電動車両において、上記回転子の回転子鉄心の表面に設けられた電磁加振力低減溝を備え、上記電磁加振力低減溝は、１磁極当たり複数個設けられ、上記複数の電磁加振力低減溝の幅は、スリット間隔の整数倍もしくは１／整数としたものである。
（９）さらに、上記目的を達成するために、本発明は、多相の固定子巻線が巻回された固定子鉄心を有する固定子と、この固定子に空隙面を介して対向して配置された回転子とを有する回転電機を備えた電動車両において、上記回転子の回転子鉄心の表面に設けられた電磁加振力低減溝を備え、上記電磁加振力低減溝は、１磁極当たり複数個設けられ、上記複数の電磁加振力低減溝の幅の合計ｓｗと、上記固定子鉄心のスロット間隔ｓｈとの比（ｓｗ／ｓｈ）を、 0.34 ≦ｓｗ／ｓｈ≦ 1.1 としたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図４を用いて、本発明の第１の実施形態による回転電機の構成について説明する。
最初に、図１及び図２を用いて、本実施形態による回転電機の構成について説明する。なお、本実施形態では、永久磁石回転電機を例にして説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による回転電機の回転軸に直交する方向の断面図であり、図２は、本発明の第１の実施形態による回転電機の回転軸方向の部分断面図である。
【００１５】
図１に示すように、回転電機１は、固定子２と、回転子３とから構成される。固定子２は、固定子鉄心４と、固定子巻線５とで構成される。ここで、固定子鉄心４には、固定子巻線５が巻回されている。
回転子３は、高透磁率磁性材料，例えば、珪素鋼板よりなる回転子鉄心８と、その回転子鉄心８に設けられた永久磁石挿入孔７に挿入された永久磁石６と、シャフト９とから構成される。高透磁率磁性材料から成る回転子鉄心８は、永久磁石６間に設けられた補助磁極８２と、永久磁石６の外周に設けられた磁極片部８４と、ヨーク８１とから構成される。回転子鉄心８には、永久磁石挿入孔７と、シャフト９を通す孔が打ち抜かれている。回転子鉄心８の外周部は、補助磁極８２と、磁極片８４と、両者を結ぶブリッジ部８３とで一体につながる構成となっている。ここでは、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６は直方体とすることにより、弧状の磁石に比較して寸法精度が確保でき、ブリッジ部８３等を精度よくでき、従って、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。
【００１６】
次に、図２に示すように、回転電機１の固定子２は、ハウジング１０と、ハウジング１０の内周面に固定された固定子鉄心４と、固定子鉄心４に巻回された多相の固定子巻線５とで構成される。回転子３は、回転子鉄心８と、回転子鉄心８に設けられた永久磁石挿入孔７に挿入された永久磁石６と、シャフト９とからなる。シャフト９は、ベアリング１２と、エンドブラケット１１とによって、固定子２に回転自在に保持されている。ここで、磁極位置検出器ＰＳは、回転子３の永久磁石６の位置を検出するために用いられ、エンコーダＥは、回転子３の位置を検出するために用いられる。回転電機１は、磁極位置検出器ＰＳの信号と、エンコーダＥの出力信号によって、図示しない制御装置によって運転制御される。
【００１７】
以上の構成で、制御装置によって固定子巻線５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８２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１は、永久磁石６によるトルクの他に補助磁極８２による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。
【００１８】
本実施形態においては、上述した構成の永久磁石回転電機において、さらに、永久磁石６の外周部に位置する磁極片８４の外周に、電磁加振力低減溝８５を設けている。溝８５は、電磁加振力低減して、騒音を低減するために設けられたものであり、その詳細については、図３及び図４を用いて後述する。なお、本実施形態では、電磁加振力低減溝８５は、永久磁石６の外周にある磁極片８４の外周中心部に、各磁極当たり１個設けている。
【００１９】
次に、図３を用いて、本実施形態による回転電機に用いる電磁加振力低減溝８５の詳細構成について説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態による回転電機の要部拡大断面図である。
【００２０】
永久磁石回転電機の騒音は、固定子巻線５に正弦波電流を加えたときに、固定子鉄心を膨らませたり、収縮させたりするいわゆる円環振動が生じ、その空間モードとしては０次で，かつ、周波数はスロット数の機械回転周波数倍となることが知られている。従って、２４スロットで、６０００回転の場合には、２．４ｋHzの周波数となる。更に、その整数倍の高調波成分も発生する。
【００２１】
本発明者らは、図３に示す電磁加振力低減溝８５を、適切に配置することによって、電磁加振力を大幅に低減できることを見いだした。つまり、モータの固定子鉄心寸法であるスリットピッチｓｈ及びスリット幅ｓに対して、永久磁石６の外周に位置する電磁加振力低減溝８５の幅を適切に選択することによって、電磁加振力を１／５に，つまり、騒音として１４ｄｂ低減できることを見いだした。
【００２２】
ここで、図４を用いて、本実施形態による回転電機による電磁加振力の低減の効果について説明する。
図４は、本発明の第１の実施形態による回転電機による電磁加振力の低減の効果の説明図である。
【００２３】
ここで、対象とする回転電機は、永久磁石モータで、外径がφ１９０、固定子内径φ１６１、空隙長０．５ｍｍ、スリット長２．６ｍｍ、回転子極数１６極、固定子スロット数４８（毎極毎相当たりのスロット数が１）、永久磁石として希土類のネオジウム磁石を使用したものとする。
【００２４】
図４は、本実施形態による電磁加振力低減溝８５を磁極片８４の外周中心部に配置し、且つその大きさを変化させた場合の空間０次モードで時間周波数はスロット数の機械回転周波数倍の電磁加振力とその２倍高調波成分、及び発生トルク、電流を加えないときのコギングトルク成分を示している。
【００２５】
以下に、その算出方法について簡単に説明する。計算手法は、有限要素法を用いている。図１に示した永久磁石回転電機を有限要素法解析により、定格電流の条件下で、最もトルクの出る位相で電流を流した場合の磁界解析を、固定子巻線５の電流位相変化に同期して回転子を回転させながら解析を行った。
【００２６】
以上の条件下で、空隙の磁束密度よりその２乗として電磁加振力の値が、空間的な位置とともに、回転子の位置（時間的な変化）に対する値を算出する。
以上の結果を２重フーリエ積分することによって電磁加振力の空間及び時間高調波成分が算出できる。
【００２７】
計算結果では、空間０次でスロット数の機械回転周波数倍の時間周波数成分が最大となり、騒音発生要因となる。
【００２８】
以上の計算方法による電磁加振力低減溝の幅ｗとスロットピッチｓｈの比に対して、電磁加振力の基本周波数及びその２倍成分、また、発生トルク、電流０Ａ時のコギングトルクを、図４に示した。
【００２９】
図４から理解されるように、電磁加振力低減溝幅Ｗとスロットピッチｓｈの比の横軸に対して、電磁加振力が最も低減できる最小値があることがわかる。一方、発生トルクは、電磁加振力低減溝８５の幅ｗの増加によって減少する傾向が見られるが、その値は小さい結果となっている。
【００３０】
また、電磁加振力の空間０次の２倍周波数成分は、基本周波数成分と逆の傾向となるが、その値は小さく、全体に大きく影響を与えるものではない。一方、コギングトルクについては、全体の電磁加振力低減溝幅に対して最適値はあるが、電磁加振力の場合よりも電磁加振力の溝幅が小さい値で最小値となる。
【００３１】
図４中に、溝幅ｗ／スロットピッチｓｈと、この電磁加振力低減効果が同じになる電磁加振力の溝幅ｗ／スロットピッチｓｈは１．１倍となり、従って、電磁加振力を現行より十分小さくできる電磁加振力低減溝幅ｗとスロットピッチｓｈの比（ｗ／ｓｈ）が、０．３４から１．１倍の間にあることを示している。従って、溝幅ｗとスロットピッチｓｈとの比（ｗ／ｓｈ）を、0.34から1.1の間に選択することによって、現行より十分電磁加振力を低減でき、低騒音にすることができる。
【００３２】
また、電磁加振力低減溝８５の溝幅ｗと深さとは、一般には相互補完できる。つまり、電磁加振力低減溝の幅を大きくした場合には、深さを浅くすることによって同じ条件を作り出すことができる。電磁加振力低減溝の幅を大きくして、深さと浅くすることで、風損を低減し、製作精度を向上し、磁極片８４の強度を確保することができる。
【００３３】
以上説明したように、本実施形態によれば、溝を設けるだけの簡単な構成で、低騒音にすることができる。
【００３４】
次に、図５を用いて、本発明の第２の実施形態による回転電機の構成について説明する。
図５は、本発明の第２の実施形態による回転電機の要部拡大断面図である。なお、図３と同一符号は、同一部分を示している。また、本実施形態による回転電機の全体構成は、図１及び図２に示したものと同様である。
【００３５】
本実施形態においては、永久磁石回転子の永久磁石６の外周の磁極片８４の外周に、３つの電磁加振力低減溝８５Ａ，８５Ｂ，８５Ｃを３カ所に分散して設けたものである。従って、溝８５ａ，８５Ｂ，８５Ｃの大きさは、図４で示した電磁加振力低減溝８５の１／３で良いことになるが、実際にはこれより大きい溝幅が必要になるものと考えられる。複数個配置することによって、１個当たりの溝の大きさが小さくなり、高速回転の電動機では、溝に起因する風音を減少させることができる。
【００３６】
本実施形態においては、電磁加振力低減溝８５ａ，８５Ｂ，８５Ｃの溝幅とスロットピッチとの比は、電磁加振力低減溝８５のＡ，８５Ｂ，８５Ｃ溝幅ｗ１，ｗ２，ｗ３の合計ｗとスロットピッチｓｈとの比（ｗ／ｓｈ）を、0.34から1.1の間に選択することによって、現行より十分電磁加振力を低減でき、低騒音にすることができる。
【００３７】
複数の電磁加振力低減溝の間隔は、スリット間隔の整数倍もしくは１／整数としている。
【００３８】
また、電磁加振力低減溝８５の溝幅ｗと深さとは、一般には相互補完できる。つまり、電磁加振力低減溝の幅を大きくした場合には、深さを浅くすることによって同じ条件を作り出すことができる。電磁加振力低減溝の幅を大きくして、深さと浅くすることで、風損を低減し、製作精度を向上し、磁極片８４の強度を確保することができる。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態によれば、溝を設けるだけの簡単な構成で、低騒音にすることができる。
【００４０】
次に、図６を用いて、本発明の第３の実施形態による回転電機の構成について説明する。なお、本実施形態では、リラクタンスモータを例にして説明する。
【００４１】
図６は、本発明の第３の実施形態による回転電機の回転軸に直交する方向の断面図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。また、本実施形態による回転電機の全体構成は、図２に示したものと同様である。
【００４２】
リラクタンスモータ１Ａは、固定子２と、回転子３とを備えている。固定子２は、固定子鉄心４と、固定子巻線５とを備えている。ここで、固定子鉄心４は、円環状のヨ−ク４１と、鉄心歯部４２とからなる。隣接する鉄心歯部４２の間には、固定子巻線５を収納するスロット４３が設けられている。
【００４３】
一方、回転子３は、例えば、珪素鋼板等の磁性体からなる回転子鉄心８と、シャフト９とを備えている。回転子鉄心８は、周方向に複数本の同心円弧形状のスリット８６を有する形状となっている。スリット８６の外周部は、外周ブリッジ８７によって連結され、内部はブリッジ８８によって連結されて、スリット８６が形成されている。即ち、回転子の遠心力に耐え、各ブリッジにて回転子鉄心がバラバラに分離しないような構造となっている。
【００４４】
なお、スリット８６の内部は一般に空洞であり、非磁性材である空気で満たされている。また、スリット８６の内部に、例えば、ワニスや合成樹脂などの非磁性材、アルミニウムのような非磁性導電材などを充填してもよいものである。
【００４５】
本実施形態によるリラクタンスモータは、回転子に、この回転子の一つの突極より隣の突極に向かう複数の非磁性スリットを設けたものである。
【００４６】
上述した構成のリラクタンス回転電機においても、固定子巻線５に電流を通電することによって、空間０次で、スロット数軒回数倍の時間周波数成分の電磁加振力が発生する。その大きさも、図４で示した永久磁石回転電機の場合と若干異なるが、ほぼ同じ傾向となる。そこで、本実施形態では、回転子鉄心８の外周部に電磁加振力低減溝８５を設置することによって、リラクタンスモータの電磁加振力を低減でき、それによって、低騒音のモータとすることができる。
【００４７】
以上説明したように、本実施形態によれば、溝を設けるだけの簡単な構成で、低騒音にすることができる。
【００４８】
なお、上述の各実施形態においては、永久磁石回転電機、リラクタンス電動機の一実施例について述べたが、リニア型、集中巻固定子、爪形磁極のＡＣＧ等にも適用できる。リニアモータへも展開可能である。
次に、図７を用いて、本発明の各実施形態による回転電機を用いた電動車両について説明する。
図７は、本発明の各実施形態による回転電機を用いた電動車両のブロック構成図である。
電動車両の車体１００は、４つの車輪１１０，１１２，１１４，１１６によって支持されている。この電動車両は、前輪駆動であるため、前方の車軸１５４には、回転電機１２０が直結して取り付けられている。回転電機１２０の構成は、図１，図２，図５，図６に示したような構成となっている。回転電機１２０は、制御装置１３０によって駆動トルクが制御される。制御装置１３０の動力源としては、バッテリ１４０が備えられ、このバッテリ１４０から電力が制御装置１３０を介して、回転電機１２０に供給され、回転電機１２０が駆動されて、車輪１１０，１１４が回転する。ハンドル１５０の回転は、ステアリングギア１５２及びタイロッド，ナックルアーム等からなる伝達機構を介して、２つの車輪１１０，１１４に伝達され、車輪の角度が変えられる。
【００４９】
なお、ここで、電動車両としては、電気自動車やハイブリッド自動車に適用です。
【００５０】
以上説明したように、本実施形態によれば、溝を設けるだけの簡単な構成で、騒音の少ない電動車両とすることができる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、回転電機及びそれを用いた電動車両を、簡単な構成で低騒音化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による回転電機の回転軸に直交する方向の断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態による回転電機の回転軸方向の部分断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態による回転電機の要部拡大断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態による回転電機による電磁加振力の低減の効果の説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態による回転電機の要部拡大断面図である。
【図６】本発明の第３の実施形態による回転電機の回転軸に直交する方向の断面図である。
【図７】本発明の各実施形態による回転電機を用いた電動車両のブロック構成図である。
【符号の説明】
１…永久磁石回転電機
２…固定子
３…回転子
４…固定子鉄心
４１…歯部
４２…コア部
５……固定子巻線
６…永久磁石
７…永久磁石挿入穴
７１…ブリッジ部の孔
７２…風孔
８…回転子鉄心
８１…ヨーク
８２…補助磁極
８３…ブリッジ
８４…磁極片
８５…電磁加振力低減溝
８６…同心円弧状のスリット
８７…外周ブリッジ
８８…ブリッジ
９…シャフト
１０…ハウジング
１１…エンドブラケット
１２…ベアリング

Claims

多相の固定子巻線が巻回された固定子鉄心を有する固定子と、この固定子に空隙面を介して対向して配置された回転子とを有する回転電機において、
上記回転子の回転子鉄心の表面に設けられた電磁加振力低減溝を備え、
上記固定子鉄心のスロット間隔ｓｈと、上記電磁加振力低減溝の幅ｗとの比（ｗ／ｓｈ）を、 0.34 ≦ｗ／ｓｈ≦ 1.1 としたことを特徴とする回転電機。
多相の固定子巻線が巻回された固定子鉄心を有する固定子と、この固定子に空隙面を介して対向して配置された回転子とを有する回転電機において、
上記回転子の回転子鉄心の表面に設けられた電磁加振力低減溝を備え、
上記電磁加振力低減溝は、１磁極当たり複数個設けられ、
上記複数の電磁加振力低減溝の幅は、スリット間隔の整数倍もしくは１／整数であることを特徴とする回転電機。
多相の固定子巻線が巻回された固定子鉄心を有する固定子と、この固定子に空隙面を介して対向して配置された回転子とを有する回転電機において、
上記回転子の回転子鉄心の表面に設けられた電磁加振力低減溝を備え、
上記電磁加振力低減溝は、１磁極当たり複数個設けられ、
上記複数の電磁加振力低減溝の幅の合計ｓｗと、上記固定子鉄心のスロット間隔ｓｈとの比（ｓｗ／ｓｈ）を、 0.34 ≦ｓｗ／ｓｈ≦ 1.1 としたことを特徴とする回転電機。
請求項１から請求項３のいずれか１項記載の回転電機において、
上記回転子を構成する回転子鉄心の内部に配置された永久磁石を備えたことを特徴とする回転電機。
請求項１から請求項３のいずれか１項記載の回転電機において、
上記溝は、開口部の周方向の長さが深さより大きい溝であることを特徴とする回転電機。
請求項１から請求項３のいずれか１項記載の回転電機において、
この回転電機は、リラクタンス型回転電機であることを特徴とする回転電機。
多相の固定子巻線が巻回された固定子鉄心を有する固定子と、この固定子に空隙面を介して対向して配置された回転子とを有する回転電機を備えた電動車両において、
上記回転子の回転子鉄心の表面に設けられた電磁加振力低減溝を備え、
上記固定子鉄心のスロット間隔ｓｈと、上記電磁加振力低減溝の幅ｗとの比（ｗ／ｓｈ）を、 0.34 ≦ｗ／ｓｈ≦ 1.1 としたことを特徴とする回転電機を用いた電動車両。
多相の固定子巻線が巻回された固定子鉄心を有する固定子と、この固定子に空隙面を介して対向して配置された回転子とを有する回転電機を備えた電動車両において、
上記回転子の回転子鉄心の表面に設けられた電磁加振力低減溝を備え、
上記電磁加振力低減溝は、１磁極当たり複数個設けられ、
上記複数の電磁加振力低減溝の幅は、スリット間隔の整数倍もしくは１／整数であることを特徴とする回転電機を用いた電動車両。
多相の固定子巻線が巻回された固定子鉄心を有する固定子と、この固定子に空隙面を介して対向して配置された回転子とを有する回転電機を備えた電動車両において、
上記回転子の回転子鉄心の表面に設けられた電磁加振力低減溝を備え、
上記電磁加振力低減溝は、１磁極当たり複数個設けられ、
上記複数の電磁加振力低減溝の幅の合計ｓｗと、上記固定子鉄心のスロット間隔ｓｈとの比（ｓｗ／ｓｈ）を、 0.34 ≦ｓｗ／ｓｈ≦ 1.1 としたことを特徴とする回転電機を用いた電動車両。