JP3790665B2 - 永久磁石回転電機および永久磁石回転電機を用いた電動車両 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は回転電機および回転電機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、および永久磁石回転電機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】
本発明は上記事情に鑑みて、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、およびそれを用いた電動車両を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、車両に搭載される永久磁石回転電機であって、前記永久磁石回転電機は、固定子と、前記固定子に空隙を介して配置された回転子とを有し、前記回転子は、回転子鉄心と、前記回転子鉄心の内部に配置された複数の永久磁石とを備えており、前記回転子鉄心には、複数の永久磁石挿入孔と、リラクタンストルクを発生させるための複数の補助磁極部と、前記永久磁石の磁束を前記固定子側に伝達するための複数の磁極片部と、複数の磁気的な空隙と、前記磁極片部と前記補助磁極部との間を磁気的に飽和させて前記磁極片部から前記補助磁極部に漏れる前記永久磁石の磁束を抑制する複数のブリッジ部とが形成されており、前記永久磁石挿入孔は、その前記固定子側に前記磁極片部が形成されるように、前記回転子鉄心の内部に前記回転子鉄心を打ち抜いて、形成されており、前記複数の補助磁極部は、回転子の回転軸に関して周方向に配置されていてそれぞれ前記ブリッジ部を介して前記磁極片部と接続されており、前記補助磁極部と次の前記補助磁極部との間にはそれぞれ前記永久磁石挿入孔と前記永久磁石挿入孔に挿入された永久磁石とが配置されるようになっており、前記永久磁石は、前記補助磁極部を挟んでその周方向両側に配置された前記永久磁石の極性が互いに逆極性になるように、前記永久磁石挿入孔に挿入されて配置されており、前記磁気的な空隙は、前記永久磁石と前記補助磁極部との間の回転子鉄心の内部に形成されていて、前記磁気的な空隙の固定子側の回転子鉄心部に前記ブリッジ部を形成することを特徴とする。
また、請求項２記載の発明は、車両に搭載される永久磁石回転電機であって、前記永久磁石回転電機は、固定子と、前記固定子に空隙を介して配置された回転子とを有し、前記回転子は、回転子鉄心と、前記回転子鉄心の内部に配置された複数の永久磁石とを備えており、前記回転子鉄心には、複数の永久磁石挿入孔と、リラクタンストルクを発生させるための複数の補助磁極部と、前記永久磁石の磁束を前記固定子側に伝達するための複数の磁極片部と、複数の磁気的な空隙と、前記磁極片部と前記補助磁極部との間を磁気的に飽和させ、前記磁極片部から前記補助磁極部に漏れる前記永久磁石の磁束を抑制する複数のブリッジ部とが形成されており、前記永久磁石挿入孔は、その前記固定子側に前記磁極片部が形成されるように、前記回転子鉄心を回転子の回転軸方向に打ち抜いて形成したものであり、また前記回転子鉄心の内部に回転子の回転軸に関して周方向に配置されており、前記複数の補助磁極部は、回転子の回転軸に関して周方向に配置されていてそれぞれ前記ブリッジ部を介して前記磁極片部と接続されており、前記補助磁極部と次の前記補助磁極部との間にはそれぞれ前記永久磁石挿入孔と前記永久磁石挿入孔に挿入された永久磁石とが配置されるようになっており、前記永久磁石は、前記補助磁極部を挟んでその周方向両側に配置された前記永久磁石の極性が互いに逆極性になるように、前記永久磁石挿入孔に挿入されて前記回転子鉄心の内部に配置されており、前記磁気的な空隙は、前記永久磁石と前記補助磁極部との間であって前記磁気的な空隙の固定子側に位置する回転子鉄心に前記ブリッジ部を形成することを特徴とする。
また、請求項３記載の発明は、車両に搭載される永久磁石回転電機であって、前記永久磁石回転電機は、回転可能に保持されたシャフトと、前記シャフトに固定された回転子と、前記回転子の外側に空隙を介して配置された固定子と、前記シャフトや前記回転子や前記固定子がその内部に設けられているハウジングとを有しており、前記固定子は、複数の固定子突極部を有する固定子鉄心と、前記固定子突極部に設けられた固定子巻線とを備えており、前記回転子は、その内部に複数の永久磁石挿入孔を有する回転子鉄心と、前記複数の永久磁石挿入孔の内部に保持された複数の永久磁石とを備えており、前記回転子鉄心には、リラクタンストルクを発生させるための複数の補助磁極部と、前記永久磁石の磁束を前記固定子に導くための複数の磁極片部と、複数の磁気的な空隙と、複数のブリッジ部とが形成されており、前記シャフトの回転軸を横切る垂直な断面において、前記永久磁石は短辺と長辺とを有する細長い四角形の形状を為しており、前記永久磁石挿入孔は打ち抜きにより前記回転子鉄心の内部に形成され、前記永久磁石挿入孔の固定子側の回転子鉄心には前記磁極片部が形成され、前記シャフトの回転軸を横切る垂直な断面において、前記 複数の補助磁極部は前記シャフトの回転に関して周方向に配置されていて、前記複数の補助磁極部はそれぞれ前記ブリッジ部を介して前記磁極片部と接続されており、前記補助磁極部と次の前記補助磁極部との間にはそれぞれ前記永久磁石挿入孔と前記永久磁石挿入孔に挿入された前記永久磁石とが配置されており、前記細長い四角形の形状の永久磁石は、前記補助磁極部を挟んでその周方向両側に配置された前記永久磁石の極性が互いに逆極性になるように、前記永久磁石挿入孔に挿入されて配置されており、前記シャフトの回転軸を横切る垂直な断面において、前記複数の磁気的な空隙は、前記細長い四角形の形状の永久磁石の前記補助磁極側に位置する短辺と前記補助磁極部との間に形成されていて、前記複数の磁気的な空隙は前記回転子鉄心の内部を前記シャフトの回転軸の軸方向に延びた形状を為しており、前記複数の磁気的な空隙のそれぞれとその外側に位置する前記回転子の外周面との間の回転子鉄心にそれぞれ前記ブリッジ部が形成され、前記各ブリッジ部は前記磁極片部から前記補助磁極部に該ブリッジ部を介して漏れる前記永久磁石の磁束を抑制することを特徴とする。
また、請求項４記載の発明は、請求項３に記載の永久磁石回転電機において、前記磁気的な空隙は前記永久磁石挿入孔とつながった形状を為しており、前記シャフトの回転軸を横切る垂直な断面において、前記永久磁石の前記細長い四角形の形状の前記磁気的な空隙側の短辺の固定子側の端から、前記回転子の周方向であって前記補助磁極部の方に、延びている形状を前記磁気的な空隙の固定子側の辺が為していることを特徴とする。
【００１３】
この磁気的な空隙は、回転子の周方向における永久磁石と補助磁極間の磁束密度分布変化を緩やかにし、トルク脈動を減少させるものである。よってこの空隙は、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。
【００１４】
またこの空隙は、永久磁石の両端にあってもよく、また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。
【００１５】
しかし上記空隙を永久磁石の周方向端部に設けることにより、高速回転時などに磁石の位置決めが不安定になる可能性がある。そこで請求項５に記載のように、磁気的な空隙には非磁性材が配置又は充填されていることで、永久磁石を位置決めすることが可能である。
【００１６】
また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至５に記載の永久磁石回転電機において、前記永久磁石回転電機が車両駆動用として使用されるものであって、前記固定子は、固定子巻線が巻かれた固定子鉄心を備えており、前記車両の低速運転状態の場合、前記固定子巻線による電機子起磁力の合成ベクトルが、前記補助磁極部の中心位置よりも前記回転子の回転方向側に向くように制御されることを特徴とする。
【００２７】
請求項７に記載の発明は、請求項１ないし請求項６に記載の永久磁石回転電機により駆動される電動車両であり、トルク脈動を抑えることができる駆動装置を持つ電動車両を提供することができる。
【００２８】
なお、上記回転電機は、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であっても、本発明を適用可能である。
【００２９】
また上記全ての発明は、永久磁石の形状に依存せず、直方体，アーク形，台形等、どのようなものでも適用可能であり、同様の効果を奏する。
【００３０】
【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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
この空隙１４の作用を図４および図５を用いて説明する。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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１５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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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１４によって、回転子表面の補助磁極部１６と磁極片部１５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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
図６ないし図８には、本発明の他の実施形態を示す。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
図９ないし図１１に本発明の他の実施形態を示す。
【００６２】
これらは、磁極片部１５と補助磁極部１６の間に磁気的な空隙１４を設けるものであり、図のように磁極片部１５の両端に空隙１４が形成される。この空隙１４は、永久磁石９の固定子側周方向縁部に沿って軸方向に伸びている。この空隙１４により、図のようなブリッジ部１７が形成され、その部分における磁束密度分布が緩やかに変化し、コギングトルクを抑制することが可能となる。
【００６３】
さらに図９ないし図１１では、空隙１４が永久磁石９の固定子側の面の周方向端部に接し、かつ永久磁石９の周方向端面より内へ入り込むように形成する。また図１０では空隙１４が永久磁石９の内側に向かって伸びるように形成し、図１１では空隙１４が永久磁石９の内側に矩形状に伸びるように形成する。
【００６４】
このことにより、補助磁極部１６に漏洩する磁束が減少し、磁極片部１５における磁束密度が高まることにより、回転電機として効率を高めることができる。
【００６５】
図１２ないし図１４に、本発明の他の実施形態を示す。
【００６６】
永久磁石埋め込み構造の回転子を高速に回転させたとき、永久磁石の受ける遠心力が増加し、永久磁石を支持する部材、すなわち磁極片部１５やブリッジ部１７の負担が増加する。その負担に対応し、該部材を厚く設けた場合、回転子表面と永久磁石との距離が大きくなること、および磁束が補助磁極部１６に漏洩することにより、永久磁石から固定子に対して伝達される磁束が減少し、トルクが減少するという問題が生じる。
【００６７】
そこで、永久磁石９の固定子側の面の周方向両端に図１２のような断面で軸方向に伸びる磁気的な空隙１４を形成し、空隙１４を挟むように磁極片部１５と補助磁極部１６に磁極片支持部材１８を軸方向に差し込み固定する。図１３は磁極片支持部材１８の例であり、ここではコの字形をした非磁性の樹脂とする。図１４に磁極片支持部材１８が回転子鉄心８の両側から差し込まれた回転子２を持つ永久磁石回転電機の軸方向断面図を示す。
【００６８】
ここで空隙１４は、磁極片部１５から補助磁極部１６へ漏洩する磁束を抑制する。また磁極片支持部材１８は、磁極片部１５にかかる永久磁石９および磁極片部１５自身の遠心力を、補助磁極部１６をもって支えるための媒体として働く。
【００６９】
このことにより、遠心力に対する永久磁石の支持力を高めることができる。
【００７０】
さらには、図１２におけるブリッジ部１７を回転子２の組立後に切削することにより、磁極片支持部材１８により磁極片部１５の支持力を維持しながら、ブリッジ部１７による漏洩磁束も減少させることができる。
【００７１】
図１５に本発明の他の実施形態を示す。
【００７２】
ここでは、図のように磁極片部１５と補助磁極部１６の間に磁気的な空隙１４を形成し、永久磁石９と磁極片部１５の間に磁性材料と非磁性材料を組み合わせた永久磁石支持部材１９を設ける。
【００７３】
永久磁石支持部材１９は、図のように磁性材料１９ａと非磁性材料１９ｂの組み合せであり、両者は例えば溶接などによって接合する。磁性材料１９ａは永久磁石９の発生磁束を磁極片部１５に伝達するために磁性体の材料で構成し、非磁性材料１９ｂは永久磁石９から補助磁極部１６への漏洩磁束を抑制するために非磁性体の材料で構成する。
【００７４】
以上の構成によって、永久磁石９にかかる遠心力を永久磁石支持部材１９を介し補助磁極部１６で支持することができ、ブリッジ部１７には磁極片部１５の遠心力がかかるのみとなる。よって、ブリッジ部１７の半径方向の長さを短くでき、従って永久磁石９からの磁束漏洩を少なくすることができる。
【００７５】
あるいは、図９ないし図１１の実施形態において、空隙１４に非磁性材料を配置または充填することも有効である。
【００７６】
磁極片部１５の厚さを十分な磁束を得るために必要な厚さに設定し、空隙１４を永久磁石９の固定子側に図９ないし図１１のような形状で打ち抜き、そこに非磁性の材料、例えば接着剤，ワニスを充填する構成とする。このことによって、磁極片部１５を半径方向に厚くすることなく、永久磁石９や磁極片部１５が受ける遠心力を空隙１４によって支えることができる。
【００７７】
また、永久磁石９の材料として、樹脂磁石を用いることも可能である。この場合、空隙１４に充填する非磁性の材料の代わりに、樹脂磁石を永久磁石挿入孔１０と空隙１４を合わせた形状で嵌め込むことができる。すなわちプラスチックマグネット自身に空隙１４の上記のような役割を兼ねさせることが可能となる。
【００７８】
さらには、図１６のように永久磁石９の周方向幅よりも補助磁極部１６の周方向幅を大きく設けることも有効である。
【００７９】
このことにより、ブリッジ部１７にかかる遠心力を作り出す永久磁石９の重量が軽減され、ブリッジ部１７の厚さをより小さくすることができ、磁極片部１５から補助磁極部１６に漏洩する磁束を減少することができる。
【００８０】
なお、永久磁石９の周方向幅が小さくなることによって、永久磁石９から発生する磁束は減少するが、相対的に補助磁極部１６によるリラクタンストルクは増加する。これは永久磁石９として高価なネオジウム磁石を用いた場合などに有効であり、永久磁石９の量を減らすことによるコストダウンの分を、補助磁極部１６のリラクタンストルクで補うことにより、コストパフォーマンスの向上を図ることができるものである。
【００８１】
なお、以上に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。
【００８２】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、トルク脈動の少ない永久磁石回転電機を構成できる。
【００８３】
請求項２および請求項３に記載の発明によれば、請求項１と同様の効果に加えて、永久磁石の位置決めが可能となる。
【００８４】
請求項４および請求項５に記載の発明によれば、さらに補助磁極を通る磁束がスムーズに永久磁石を周回するよう構成することが可能である。
【００８５】
請求項６および請求項７に記載の発明によれば、さらに永久磁石から空隙の固定子側の部材から補助磁極へ漏洩する磁束を抑えることが可能となる。
【００８６】
また請求項８に記載の発明によっても、トルク脈動の少ない永久磁石回転電機を実現できる。
【００８７】
請求項９ないし請求項１１に記載の発明によれば、請求項８と同様の効果に加えて、永久磁石の固定子側の面から補助磁極部に漏洩する磁束を抑えることができる。
【００８８】
さらに請求項１２ないし請求項１６に記載の発明によれば、トルク脈動の減少という効果に加えて、永久磁石にかかる遠心力に対する支持力を確保することができる。
【００８９】
請求項１７に記載の発明によれば、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。
【図９】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１０】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１１】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１２】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１３】図１２の磁極片支持部材の斜視図。
【図１４】図１２の永久磁石回転電機の軸方向断面図。
【図１５】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１６】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、１８…磁極片支持部材、１９…永久磁石支持部材。
【発明の属する技術分野】
本発明は回転電機および回転電機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、および永久磁石回転電機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】
本発明は上記事情に鑑みて、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、およびそれを用いた電動車両を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、車両に搭載される永久磁石回転電機であって、前記永久磁石回転電機は、固定子と、前記固定子に空隙を介して配置された回転子とを有し、前記回転子は、回転子鉄心と、前記回転子鉄心の内部に配置された複数の永久磁石とを備えており、前記回転子鉄心には、複数の永久磁石挿入孔と、リラクタンストルクを発生させるための複数の補助磁極部と、前記永久磁石の磁束を前記固定子側に伝達するための複数の磁極片部と、複数の磁気的な空隙と、前記磁極片部と前記補助磁極部との間を磁気的に飽和させて前記磁極片部から前記補助磁極部に漏れる前記永久磁石の磁束を抑制する複数のブリッジ部とが形成されており、前記永久磁石挿入孔は、その前記固定子側に前記磁極片部が形成されるように、前記回転子鉄心の内部に前記回転子鉄心を打ち抜いて、形成されており、前記複数の補助磁極部は、回転子の回転軸に関して周方向に配置されていてそれぞれ前記ブリッジ部を介して前記磁極片部と接続されており、前記補助磁極部と次の前記補助磁極部との間にはそれぞれ前記永久磁石挿入孔と前記永久磁石挿入孔に挿入された永久磁石とが配置されるようになっており、前記永久磁石は、前記補助磁極部を挟んでその周方向両側に配置された前記永久磁石の極性が互いに逆極性になるように、前記永久磁石挿入孔に挿入されて配置されており、前記磁気的な空隙は、前記永久磁石と前記補助磁極部との間の回転子鉄心の内部に形成されていて、前記磁気的な空隙の固定子側の回転子鉄心部に前記ブリッジ部を形成することを特徴とする。
また、請求項２記載の発明は、車両に搭載される永久磁石回転電機であって、前記永久磁石回転電機は、固定子と、前記固定子に空隙を介して配置された回転子とを有し、前記回転子は、回転子鉄心と、前記回転子鉄心の内部に配置された複数の永久磁石とを備えており、前記回転子鉄心には、複数の永久磁石挿入孔と、リラクタンストルクを発生させるための複数の補助磁極部と、前記永久磁石の磁束を前記固定子側に伝達するための複数の磁極片部と、複数の磁気的な空隙と、前記磁極片部と前記補助磁極部との間を磁気的に飽和させ、前記磁極片部から前記補助磁極部に漏れる前記永久磁石の磁束を抑制する複数のブリッジ部とが形成されており、前記永久磁石挿入孔は、その前記固定子側に前記磁極片部が形成されるように、前記回転子鉄心を回転子の回転軸方向に打ち抜いて形成したものであり、また前記回転子鉄心の内部に回転子の回転軸に関して周方向に配置されており、前記複数の補助磁極部は、回転子の回転軸に関して周方向に配置されていてそれぞれ前記ブリッジ部を介して前記磁極片部と接続されており、前記補助磁極部と次の前記補助磁極部との間にはそれぞれ前記永久磁石挿入孔と前記永久磁石挿入孔に挿入された永久磁石とが配置されるようになっており、前記永久磁石は、前記補助磁極部を挟んでその周方向両側に配置された前記永久磁石の極性が互いに逆極性になるように、前記永久磁石挿入孔に挿入されて前記回転子鉄心の内部に配置されており、前記磁気的な空隙は、前記永久磁石と前記補助磁極部との間であって前記磁気的な空隙の固定子側に位置する回転子鉄心に前記ブリッジ部を形成することを特徴とする。
また、請求項３記載の発明は、車両に搭載される永久磁石回転電機であって、前記永久磁石回転電機は、回転可能に保持されたシャフトと、前記シャフトに固定された回転子と、前記回転子の外側に空隙を介して配置された固定子と、前記シャフトや前記回転子や前記固定子がその内部に設けられているハウジングとを有しており、前記固定子は、複数の固定子突極部を有する固定子鉄心と、前記固定子突極部に設けられた固定子巻線とを備えており、前記回転子は、その内部に複数の永久磁石挿入孔を有する回転子鉄心と、前記複数の永久磁石挿入孔の内部に保持された複数の永久磁石とを備えており、前記回転子鉄心には、リラクタンストルクを発生させるための複数の補助磁極部と、前記永久磁石の磁束を前記固定子に導くための複数の磁極片部と、複数の磁気的な空隙と、複数のブリッジ部とが形成されており、前記シャフトの回転軸を横切る垂直な断面において、前記永久磁石は短辺と長辺とを有する細長い四角形の形状を為しており、前記永久磁石挿入孔は打ち抜きにより前記回転子鉄心の内部に形成され、前記永久磁石挿入孔の固定子側の回転子鉄心には前記磁極片部が形成され、前記シャフトの回転軸を横切る垂直な断面において、前記 複数の補助磁極部は前記シャフトの回転に関して周方向に配置されていて、前記複数の補助磁極部はそれぞれ前記ブリッジ部を介して前記磁極片部と接続されており、前記補助磁極部と次の前記補助磁極部との間にはそれぞれ前記永久磁石挿入孔と前記永久磁石挿入孔に挿入された前記永久磁石とが配置されており、前記細長い四角形の形状の永久磁石は、前記補助磁極部を挟んでその周方向両側に配置された前記永久磁石の極性が互いに逆極性になるように、前記永久磁石挿入孔に挿入されて配置されており、前記シャフトの回転軸を横切る垂直な断面において、前記複数の磁気的な空隙は、前記細長い四角形の形状の永久磁石の前記補助磁極側に位置する短辺と前記補助磁極部との間に形成されていて、前記複数の磁気的な空隙は前記回転子鉄心の内部を前記シャフトの回転軸の軸方向に延びた形状を為しており、前記複数の磁気的な空隙のそれぞれとその外側に位置する前記回転子の外周面との間の回転子鉄心にそれぞれ前記ブリッジ部が形成され、前記各ブリッジ部は前記磁極片部から前記補助磁極部に該ブリッジ部を介して漏れる前記永久磁石の磁束を抑制することを特徴とする。
また、請求項４記載の発明は、請求項３に記載の永久磁石回転電機において、前記磁気的な空隙は前記永久磁石挿入孔とつながった形状を為しており、前記シャフトの回転軸を横切る垂直な断面において、前記永久磁石の前記細長い四角形の形状の前記磁気的な空隙側の短辺の固定子側の端から、前記回転子の周方向であって前記補助磁極部の方に、延びている形状を前記磁気的な空隙の固定子側の辺が為していることを特徴とする。
【００１３】
この磁気的な空隙は、回転子の周方向における永久磁石と補助磁極間の磁束密度分布変化を緩やかにし、トルク脈動を減少させるものである。よってこの空隙は、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。
【００１４】
またこの空隙は、永久磁石の両端にあってもよく、また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。
【００１５】
しかし上記空隙を永久磁石の周方向端部に設けることにより、高速回転時などに磁石の位置決めが不安定になる可能性がある。そこで請求項５に記載のように、磁気的な空隙には非磁性材が配置又は充填されていることで、永久磁石を位置決めすることが可能である。
【００１６】
また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至５に記載の永久磁石回転電機において、前記永久磁石回転電機が車両駆動用として使用されるものであって、前記固定子は、固定子巻線が巻かれた固定子鉄心を備えており、前記車両の低速運転状態の場合、前記固定子巻線による電機子起磁力の合成ベクトルが、前記補助磁極部の中心位置よりも前記回転子の回転方向側に向くように制御されることを特徴とする。
【００２７】
請求項７に記載の発明は、請求項１ないし請求項６に記載の永久磁石回転電機により駆動される電動車両であり、トルク脈動を抑えることができる駆動装置を持つ電動車両を提供することができる。
【００２８】
なお、上記回転電機は、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であっても、本発明を適用可能である。
【００２９】
また上記全ての発明は、永久磁石の形状に依存せず、直方体，アーク形，台形等、どのようなものでも適用可能であり、同様の効果を奏する。
【００３０】
【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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
この空隙１４の作用を図４および図５を用いて説明する。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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１５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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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１４によって、回転子表面の補助磁極部１６と磁極片部１５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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
図６ないし図８には、本発明の他の実施形態を示す。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
図９ないし図１１に本発明の他の実施形態を示す。
【００６２】
これらは、磁極片部１５と補助磁極部１６の間に磁気的な空隙１４を設けるものであり、図のように磁極片部１５の両端に空隙１４が形成される。この空隙１４は、永久磁石９の固定子側周方向縁部に沿って軸方向に伸びている。この空隙１４により、図のようなブリッジ部１７が形成され、その部分における磁束密度分布が緩やかに変化し、コギングトルクを抑制することが可能となる。
【００６３】
さらに図９ないし図１１では、空隙１４が永久磁石９の固定子側の面の周方向端部に接し、かつ永久磁石９の周方向端面より内へ入り込むように形成する。また図１０では空隙１４が永久磁石９の内側に向かって伸びるように形成し、図１１では空隙１４が永久磁石９の内側に矩形状に伸びるように形成する。
【００６４】
このことにより、補助磁極部１６に漏洩する磁束が減少し、磁極片部１５における磁束密度が高まることにより、回転電機として効率を高めることができる。
【００６５】
図１２ないし図１４に、本発明の他の実施形態を示す。
【００６６】
永久磁石埋め込み構造の回転子を高速に回転させたとき、永久磁石の受ける遠心力が増加し、永久磁石を支持する部材、すなわち磁極片部１５やブリッジ部１７の負担が増加する。その負担に対応し、該部材を厚く設けた場合、回転子表面と永久磁石との距離が大きくなること、および磁束が補助磁極部１６に漏洩することにより、永久磁石から固定子に対して伝達される磁束が減少し、トルクが減少するという問題が生じる。
【００６７】
そこで、永久磁石９の固定子側の面の周方向両端に図１２のような断面で軸方向に伸びる磁気的な空隙１４を形成し、空隙１４を挟むように磁極片部１５と補助磁極部１６に磁極片支持部材１８を軸方向に差し込み固定する。図１３は磁極片支持部材１８の例であり、ここではコの字形をした非磁性の樹脂とする。図１４に磁極片支持部材１８が回転子鉄心８の両側から差し込まれた回転子２を持つ永久磁石回転電機の軸方向断面図を示す。
【００６８】
ここで空隙１４は、磁極片部１５から補助磁極部１６へ漏洩する磁束を抑制する。また磁極片支持部材１８は、磁極片部１５にかかる永久磁石９および磁極片部１５自身の遠心力を、補助磁極部１６をもって支えるための媒体として働く。
【００６９】
このことにより、遠心力に対する永久磁石の支持力を高めることができる。
【００７０】
さらには、図１２におけるブリッジ部１７を回転子２の組立後に切削することにより、磁極片支持部材１８により磁極片部１５の支持力を維持しながら、ブリッジ部１７による漏洩磁束も減少させることができる。
【００７１】
図１５に本発明の他の実施形態を示す。
【００７２】
ここでは、図のように磁極片部１５と補助磁極部１６の間に磁気的な空隙１４を形成し、永久磁石９と磁極片部１５の間に磁性材料と非磁性材料を組み合わせた永久磁石支持部材１９を設ける。
【００７３】
永久磁石支持部材１９は、図のように磁性材料１９ａと非磁性材料１９ｂの組み合せであり、両者は例えば溶接などによって接合する。磁性材料１９ａは永久磁石９の発生磁束を磁極片部１５に伝達するために磁性体の材料で構成し、非磁性材料１９ｂは永久磁石９から補助磁極部１６への漏洩磁束を抑制するために非磁性体の材料で構成する。
【００７４】
以上の構成によって、永久磁石９にかかる遠心力を永久磁石支持部材１９を介し補助磁極部１６で支持することができ、ブリッジ部１７には磁極片部１５の遠心力がかかるのみとなる。よって、ブリッジ部１７の半径方向の長さを短くでき、従って永久磁石９からの磁束漏洩を少なくすることができる。
【００７５】
あるいは、図９ないし図１１の実施形態において、空隙１４に非磁性材料を配置または充填することも有効である。
【００７６】
磁極片部１５の厚さを十分な磁束を得るために必要な厚さに設定し、空隙１４を永久磁石９の固定子側に図９ないし図１１のような形状で打ち抜き、そこに非磁性の材料、例えば接着剤，ワニスを充填する構成とする。このことによって、磁極片部１５を半径方向に厚くすることなく、永久磁石９や磁極片部１５が受ける遠心力を空隙１４によって支えることができる。
【００７７】
また、永久磁石９の材料として、樹脂磁石を用いることも可能である。この場合、空隙１４に充填する非磁性の材料の代わりに、樹脂磁石を永久磁石挿入孔１０と空隙１４を合わせた形状で嵌め込むことができる。すなわちプラスチックマグネット自身に空隙１４の上記のような役割を兼ねさせることが可能となる。
【００７８】
さらには、図１６のように永久磁石９の周方向幅よりも補助磁極部１６の周方向幅を大きく設けることも有効である。
【００７９】
このことにより、ブリッジ部１７にかかる遠心力を作り出す永久磁石９の重量が軽減され、ブリッジ部１７の厚さをより小さくすることができ、磁極片部１５から補助磁極部１６に漏洩する磁束を減少することができる。
【００８０】
なお、永久磁石９の周方向幅が小さくなることによって、永久磁石９から発生する磁束は減少するが、相対的に補助磁極部１６によるリラクタンストルクは増加する。これは永久磁石９として高価なネオジウム磁石を用いた場合などに有効であり、永久磁石９の量を減らすことによるコストダウンの分を、補助磁極部１６のリラクタンストルクで補うことにより、コストパフォーマンスの向上を図ることができるものである。
【００８１】
なお、以上に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。
【００８２】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、トルク脈動の少ない永久磁石回転電機を構成できる。
【００８３】
請求項２および請求項３に記載の発明によれば、請求項１と同様の効果に加えて、永久磁石の位置決めが可能となる。
【００８４】
請求項４および請求項５に記載の発明によれば、さらに補助磁極を通る磁束がスムーズに永久磁石を周回するよう構成することが可能である。
【００８５】
請求項６および請求項７に記載の発明によれば、さらに永久磁石から空隙の固定子側の部材から補助磁極へ漏洩する磁束を抑えることが可能となる。
【００８６】
また請求項８に記載の発明によっても、トルク脈動の少ない永久磁石回転電機を実現できる。
【００８７】
請求項９ないし請求項１１に記載の発明によれば、請求項８と同様の効果に加えて、永久磁石の固定子側の面から補助磁極部に漏洩する磁束を抑えることができる。
【００８８】
さらに請求項１２ないし請求項１６に記載の発明によれば、トルク脈動の減少という効果に加えて、永久磁石にかかる遠心力に対する支持力を確保することができる。
【００８９】
請求項１７に記載の発明によれば、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。
【図９】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１０】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１１】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１２】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１３】図１２の磁極片支持部材の斜視図。
【図１４】図１２の永久磁石回転電機の軸方向断面図。
【図１５】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１６】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、１８…磁極片支持部材、１９…永久磁石支持部材。
Claims (7)
- 車両に搭載される永久磁石回転電機であって、
前記永久磁石回転電機は、固定子と、前記固定子に空隙を介して配置された回転子とを有し、
前記回転子は、回転子鉄心と、前記回転子鉄心の内部に配置された複数の永久磁石とを備えており、
前記回転子鉄心には、複数の永久磁石挿入孔と、リラクタンストルクを発生させるための複数の補助磁極部と、前記永久磁石の磁束を前記固定子に導くための複数の磁極片部と、複数の磁気的な空隙と、前記磁極片部と前記補助磁極部との間において磁気的飽和により前記磁極片部から前記補助磁極部に漏れる前記永久磁石の磁束を抑制するための複数のブリッジ部とが形成されており、
前記永久磁石挿入孔は、その前記固定子側に前記磁極片部が形成されるように、前記回転子鉄心の内部に前記回転子鉄心を打ち抜いて、形成されており、
前記複数の補助磁極部は、回転子の回転軸に関して周方向に配置されていてそれぞれ前記ブリッジ部を介して前記磁極片部と接続されており、前記補助磁極部と次の前記補助磁極部との間にはそれぞれ前記永久磁石挿入孔と前記永久磁石挿入孔に挿入された永久磁石とが配置されるようになっており、
前記永久磁石は、前記補助磁極部を挟んでその周方向両側に配置された前記永久磁石の極性が互いに逆極性になるように、前記永久磁石挿入孔に挿入されて配置されており、
前記磁気的な空隙は、前記永久磁石と前記補助磁極部との間に形成されていて、
前記磁気的な空隙の固定子側の回転子鉄心部に前記ブリッジ部を形成することを特徴とする永久磁石回転電機。 - 車両に搭載される永久磁石回転電機であって、
前記永久磁石回転電機は、固定子と、前記固定子に空隙を介して配置された回転子とを有し、
前記回転子は、回転子鉄心と、前記回転子鉄心の内部に配置された複数の永久磁石とを備えており、
前記回転子鉄心には、複数の永久磁石挿入孔と、リラクタンストルクを発生させるための複数の補助磁極部と、前記永久磁石の磁束を前記固定子側に伝達するための複数の磁極片部と、複数の磁気的な空隙と、前記磁極片部と前記補助磁極部との間を磁気的に飽和させ、前記磁極片部から前記補助磁極部に漏れる前記永久磁石の磁束を抑制する複数のブリッジ部とが形成されており、
前記永久磁石挿入孔は、その前記固定子側に前記磁極片部が形成されるように、前記回転子鉄心を回転子の回転軸方向に打ち抜いて形成したものであり、また前記回転子鉄心の内部に回転子の回転軸に関して周方向に配置されており、
前記複数の補助磁極部は、回転子の回転軸に関して周方向に配置されていてそれぞれ前記ブリッジ部を介して前記磁極片部と接続されており、前記補助磁極部と次の前記補助磁極部との間にはそれぞれ前記永久磁石挿入孔と前記永久磁石挿入孔に挿入された永久磁石とが配置されるようになっており、
前記永久磁石は、前記補助磁極部を挟んでその周方向両側に配置された前記永久磁石の極性が互いに逆極性になるように、前記永久磁石挿入孔に挿入されて前記回転子鉄心の内部に配置されており、
前記磁気的な空隙は、前記永久磁石挿入孔に前記永久磁石が挿入された状態で前記永久磁石の周方向端部と前記補助磁極との間に形成され、前記永久磁石と前記補助磁極部との間であって前記磁気的な空隙の固定子側に位置する回転子鉄心に前記ブリッジ部を形成する
ことを特徴とする永久磁石回転電機。 - 車両に搭載される永久磁石回転電機であって、
前記永久磁石回転電機は、回転可能に保持されたシャフトと、前記シャフトに固定された回転子と、前記回転子の外側に空隙を介して配置された固定子と、前記シャフトや前記回転子や前記固定子がその内部に設けられているハウジングとを有しており、
前記固定子は、複数の固定子突極部を有する固定子鉄心と、前記固定子突極部に設けられた固定子巻線とを備えており、
前記回転子は、その内部に複数の永久磁石挿入孔を有する回転子鉄心と、前記複数の永久磁石挿入孔の内部に保持された複数の永久磁石とを備えており、
前記回転子鉄心には、リラクタンストルクを発生させるための複数の補助磁極部と、前記永久磁石の磁束を前記固定子に導くための複数の磁極片部と、複数の磁気的な空隙と、複数のブリッジ部とが形成されており、
前記シャフトの回転軸を横切る垂直な断面において、前記永久磁石は短辺と長辺とを有する細長い四角形の形状を為しており、
前記永久磁石挿入孔は打ち抜きにより前記回転子鉄心の内部に形成され、前記永久磁石挿入孔の固定子側の回転子鉄心には前記磁極片部が形成され、
前記シャフトの回転軸を横切る垂直な断面において、前記複数の補助磁極部は前記シャフトの回転に関して周方向に配置されていて、前記複数の補助磁極部はそれぞれ前記ブリッジ部を介して前記磁極片部と接続されており、前記補助磁極部と次の前記補助磁極部との間にはそれぞれ前記永久磁石挿入孔と前記永久磁石挿入孔に挿入された前記永久磁石とが配置されており、
前記細長い四角形の形状の永久磁石は、前記補助磁極部を挟んでその周方向両側に配置された前記永久磁石の極性が互いに逆極性になるように、前記永久磁石挿入孔に挿入されて配置されており、
前記シャフトの回転軸を横切る垂直な断面において、前記複数の磁気的な空隙は、前記細長い四角形の形状の永久磁石の前記補助磁極側に位置する短辺と前記補助磁極部との間に形成されていて、前記複数の磁気的な空隙は前記回転子鉄心の内部を前記シャフトの回転軸の軸方向に延びた形状を為しており、
前記複数の磁気的な空隙のそれぞれとその外側に位置する前記回転子の外周面との間の回転子鉄心にそれぞれ前記ブリッジ部が形成され、前記各ブリッジ部は前記磁極片部から前記補助磁極部に該ブリッジ部を介して漏れる前記永久磁石の磁束を抑制する
ことを特徴とする永久磁石回転電機。 - 請求項３に記載の永久磁石回転電機において、
前記磁気的な空隙は前記永久磁石挿入孔とつながった形状を為しており、
前記シャフトの回転軸を横切る垂直な断面において、前記永久磁石の前記細長い四角形の形状の前記磁気的な空隙側の短辺の固定子側の端から、前記回転子の周方向であって前記補助磁極部の方に、延びている形状を前記磁気的な空隙の固定子側の辺が為している
ことを特徴とする永久磁石回転電機。 - 請求項１乃至４に記載の永久磁石回転電機において、
前記磁気的な空隙には非磁性材が配置又は充填されている
ことを特徴とする永久磁石回転電機。 - 請求項１乃至５に記載の永久磁石回転電機において、前記永久磁石回転電機が車両駆動用として使用されるものであって、前記固定子は、固定子巻線が巻かれた固定子鉄心を備えており、
前記車両の低速運転状態の場合、前記固定子巻線による電機子起磁力の合成ベクトルが、前記補助磁極部の中心位置よりも前記回転子の回転方向側に向くように制御されることを特徴とする永久磁石回転電機。 - 電動車両を駆動するための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５のいずれかに記載された永久磁石回転電機を備えていることを特徴とする電動車両。
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