JP3807214B2

JP3807214B2 - Permanent magnet rotating electric machine and electric vehicle using the same

Info

Publication number: JP3807214B2
Application number: JP2000290340A
Authority: JP
Inventors: 豊松延; 文男田島; 昭一川又; 末太郎渋川; 修小泉
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-09-29
Filing date: 2000-09-20
Publication date: 2006-08-09
Anticipated expiration: 2018-09-29
Also published as: JP2001145284A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石回転電機およびそれを用いた電気車両に関する。
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石回転電機においては、固定子と回転子の磁気変動に起因する「コギングトルク」が生じ、スムーズな回転を妨げるという問題がある。
【０００３】
そのコギングトルクの低減を図ったものとして、特開平3−45140号公報には、永久磁石に溝を設け、発生するコギングトルクと同じ次数で、かつ、ほぼ逆相のコギングトルクを発生させる磁気的な変動成分を永久磁石界磁に設けた永久磁石回転電機が記載されている。
【０００４】
また、永久磁石界磁に磁気的な変動成分を永久磁石界磁に持たせるのではなく、永久磁石の外周に位置する回転子鉄心表面に孔または溝などの変動性分を設けるという構成の永久磁石回転電機として、特開平5−103453 号公報に記載されているもの、および特開平7−336917 号に記載されているものがある。
【０００５】
前者（特開平5−103453 号）は回転子鉄心の電気角６０度および１２０度に相当する位置に軸方向に延びる孔を回転子鉄心に設けるものである。トルクリップルのピーク位置となっていた部分のトルクを小さくし、全体としてのトルクを一様にすることにより、振動および騒音の低減を図ったものである。
【０００６】
後者（特開平7−336917 号）は、弧状の永久磁石の凸部が回転子の回転中心を向くように均等配置された回転子鉄心であって、永久磁石の凹部側に位置する部分に径方向に伸びるスリットを形成したものである。スリットにより該部分の磁気抵抗が大きくなり、そこを通過する磁束が減少し、固定子巻線のインダクタンスが減少することによって、トルク低下抑制を図ったものである。
【０００７】
また、永久磁石回転電機を用いた電気車両では、永久磁石回転電機のコギングトルクが原因で、車両のスムーズな減速，停止が困難となるため、車両の減速時または停止直前に動力源である回転電機の回転軸と車輪または車輪駆動軸との接続をカットする機構や、振動を吸収する機構が必要であった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
特開平3−45140号公報に記載の技術は、コギングトルクを低減することは可能であるが、永久磁石自身に溝を設けるため、以下の問題が生じる。
【０００９】
第１に、永久磁石を加工すると、材質によってはヒビや割れを生じやすく、機械強度が低下する。第２に、溝を永久磁石表面に形成するので、コギングトルクを十分に低減するためには、大きな溝を形成する必要がある。第３に、回転子形成後に磁石を着磁させる、いわゆる後着磁の場合、磁石表面に溝が存在すると、均一な着磁が困難なため磁石としての性能が低下する。
【００１０】
特開平5−103453 号公報に記載されている技術は、全体のトルクを一様化することは可能であるが、電気角６０度および１２０度に孔を設けたのでは、コギングトルクを有効に低減することはできない。
【００１１】
また特開平7−336917 号に記載されている技術は、アーク型の永久磁石の凸部が回転子中心を向くように配置した永久磁石回転電機に関し、それに特有の磁路の改善を目的としたものであり、このような配置の回転電機のコギングトルクを有効に低減するものではない。
【００１２】
以上の点に鑑み本発明は、ブロック形状または台形、若しくは凸部が固定子側を向くアーク形状の永久磁石回転電機において、永久磁石表面に溝を設けることなく、コギングトルクの極めて少ない永久磁石回転電機を提供することを第１の目的とする。
【００１３】
また、永久磁石回転電機を用いた電気車両においては、コギングトルクを抑制するため上記のような回転軸と車輪または車輪駆動軸との接続をカットする機構、または振動を吸収する機構を装備することにより、効率の低下，組み立て性の低下，コスト高を招いていた。
【００１４】
そこで本発明は、永久磁石回転電機を用いた電気車両において、コギングトルクの車両への影響を緩和する装備を不要にし、電気車両全体としての効率を高めることを第２の目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴は、固定子巻線を有する固定子と、この固定子の内周に回転空隙を介して回転可能に配置されると共に、ブロック形状，台形状及び凸部が固定子側を向くアーク形状のいずれかの形状からなる複数個の永久磁石が鉄心内部に円周状にかつ永久磁石の極性が交互になるように埋め込み配置された回転子とを有する永久磁石回転電機において、回転子鉄心の表面であって、回転子鉄心の外周部の永久磁石の周方向幅の外面との間における部分かつ永久磁石の磁極の中心付近に対応する位置に、固定子と回転子の回転時の磁気変動によって生じるコギングトルクの低減のための磁気変動を生じさせる溝を設けたことにある。或いは回転子鉄心の外周部の永久磁石の周方向幅の外面との間における部分かつ永久磁石の磁極の中心付近に対応する位置に、固定子と回転子の回転時の磁気変動によって生じるコギングトルクの低減のための磁気変動を生じさせる孔を設けたことにある。
【００１６】
また、本発明の他の特徴は、車輪或いは車輪駆動軸を直接的に駆動する駆動用モータを備えた電動車両において、その駆動用モータとして上記永久磁石回転電機を用いたことにある。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を三相８極／４８スロットの５０ｋＷ永久磁石回転電機に適用した第１実施例につき１ポールペアを示した図１を参照して説明する。まず、図１において固定子１は、ほぼ環状をなす固定子鉄心２に形成された４８個のスロット３にＵ相の固定子巻線Ｕ１、およびＶ相の固定子巻線Ｖ１、並びにＷ相の固定子巻線Ｗ１を挿入配置して構成されている。固定子鉄心の内周部には、各スロットに対応して開口部４が形成されている。
【００１８】
これに対して、回転子６は、回転軸９に回転子鉄心７を嵌合固着し、この回転子鉄心に形成された打抜きの収納部に、Ｎ極とＳ極とが交互になるように着磁されてるネオジウム製の８個の永久磁石８を軸方向から挿入して埋め込み組込むことによって構成され、固定子１の内部に固定子鉄心２の内周部と所定のギャップ５を有する状態で回転可能に配置されている。なお、回転子鉄心７は収納部形成用の孔が形成された硅素鋼板を多数枚積層して構成されており、表面にコギングトルクを低減させるための溝１０が永久磁石８の１磁極当り回転子鉄心７の外周部に設けられている。この溝１０は、回転子鉄心７の軸方向に延び、回転子鉄心７の外周部と永久磁石８の周方向幅の外面との間に配置され、かつ永久磁石８の磁極の中心に対応して位置している。
【００１９】
図２は本発明における回転子鉄心表面の溝の有無の効果を比較するため、溝がない場合の１極分の磁場解析結果を示したものであり、図３は図２の形状における１極分（電気角１８０度）のコギングトルクを示したものである。
【００２０】
図４は本発明の回転子鉄心表面に深さ１mmの溝がある場合の１極分の磁場解析結果を示したものであり、図５は図４の形状における１極分（電気角１８０度）のコギングトルクを示したものである。
【００２１】
図３と図５より、回転子鉄心表面に溝がない場合のピークからピークまでのコギングトルクが１１.４Ｎｍであるのに対して、本発明の回転子表面に溝がある場合のコギングトルクは４.６Ｎｍとなり、溝を付けることによりコギングトルクを４０％に低減できる。
【００２２】
一方、図６は従来例における磁石表面の溝の有無の効果を比較するため、溝がない場合の１極分の磁場解析結果を示したものであり、図７は図６の形状における１極分（電気角１８０度）のコギングトルクを示したものである。
【００２３】
図８は従来例における磁石表面に深さ１mmの溝がある場合の１極分の磁場解析結果を示したものであり、図９は図８の形状における１極分（電気角１８０度）のコギングトルクを示したものである。
【００２４】
図７と図９より、磁石表面に溝がない場合のピークからピークまでのコギングトルクが２１.６Ｎｍであるのに対して、永久磁石表面に溝がある場合のコギングトルクは１８.５Ｎｍとなり、溝を付けることによりコギングトルクを８５％に低減できる。
【００２５】
図１０に、本発明と従来例の溝の有無によるコギングトルクの値の変化を示す。同等の深さの溝を付けたにもかかわらず、従来例の磁石表面に溝を付ける場合よりも、本発明の回転子鉄心表面に溝を付けた場合の方が、コギングトルクを大きく低減できることが分かる。これは、永久磁石の溝有無による磁気エネルギーの変化よりも、回転子鉄心の溝の有無による磁気エネルギーの変化が大きいことに由来している。
【００２６】
本発明と従来例において、同等のコギングトルクとするためには従来例において磁石表面の溝を深くしなければならず、前述の製作上や機械強度上の困難に加えて、風損が増加し効率が低下する。
【００２７】
本発明においては回転子鉄心の表面に溝を付ける構成のため、積層鋼板の型抜きにおいて溝を付けた型を用いればよく、製作は容易である。機械強度も従来例より強固で、風損も低減でき効率が向上する。
【００２８】
以下に、この種の回転電機におけるコギングトルクの発生の原理を図１１により説明する。一般にコギングトルクは永久磁石磁極（ｂ）の移動に伴って、ギャップ部５内の磁気エネルギーが変化することにより、引き起こされる。この磁気エネルギーの変化の原因は巻線溝にある。
【００２９】
図１１で（ａ）はギャップ磁束密度、(ｃ）は固定子部の周方向展開図、(ｄ）は固定子部がθだけ移動したときの固定子部を示す。同図では便宜上、実際とは逆に電機子部（ｃ）が永久磁石磁極（ｂ）に対して動くものとして、次に説明する。
【００３０】
同図においてコギングトルクＴ_c は、θを永久磁石磁極（ｂ）に対する電機子部（ｃ）の移動角、Ｅ（θ）をギャップ全体の磁気エネルギーとした場合に、次式で表すことができる。
【００３１】
【数１】

【００３２】
一方、ギャップ中の任意の角度での微小体格ｄφ当りの磁気エネルギー ΔＥ(θ)は、μ₀ を空気の透磁率、Ｂ_g(φθ）をギャップの磁束密度、Ｋ₁ を定数とすれば（２）式で表される。
【００３３】
【数２】

【００３４】
したがって、ギャップ全体の磁気エネルギーＥ(θ)は、Ｐを永久磁石磁極数とすれば、（３）式で表される。
【００３５】
【数３】

【００３６】
一般に巻線溝がない場合のギャップ磁束密度Ｂ(φ)は高調波に分解され、Ｂ_nをＢ(φ)の高調波のピーク値とすれば、次式で表わされる。
【００３７】
【数４】

【００３８】
また、ギャップ部にはエネルギー関数Ｓ(φ)としてＳ_n(φ)をＳ(φ）の高調波分、Ｋ_n をＳ_n(φ)の直流分、Ｓ_anをＳ_n(φ)の高調波分のピーク分とした場合に次式を定義する（図１１(ｆ)）。
【００３９】
【数５】

【００４０】
ここで、巻線溝の磁束密度に対する影響は、溝部上のギャップ磁束密度が減少するか、もしくは零になると考えられる。そこで溝部の位置のみ単位とする以下の関数を、Ｗを巻線溝幅として定義する（図１１(ｅ)）。
【００４１】
【数６】

【００４２】
【数７】

【００４３】
以上の関数を使うことによって巻線溝の存在は、α₁，α₂，・・・α_n を巻線溝位置、ｎαを巻線溝数として以下のｕｔ(θ)で表示できる。
【００４４】
【数８】

【００４５】
したがって巻線溝を含めた磁束密度の分布は
【００４６】
【数９】
Ｂ_g(φ，θ)＝(１−ｕｔ(θ))Ｂ(φ) …（８）
となり、（８）式を（３）式に代入すると、
【００４７】
【数１０】

【００４８】
となる。ところで（９）式の第１項はθの関数とならないために（１）式より明らかにコギングトルクに影響を与えない。したがってコギングトルクＴ_c は、
【００４９】
【数１１】

【００５０】
となり、このＳ(φ)は巻線溝がない場合のエネルギー関数を示すもので、さらにこれは次式で表される。
【００５１】
【数１２】

【００５２】
したがって、コギングトルクは図１１で説明すると、同図（ｆ）で示したエネルギー関数Ｅ(θ)での移動前の位置関係（同図(ｅ)）が（ｃ）を示すエネルギー関数の総和Ｅ１と、移動後の（ｄ）を示すエネルギー関数Ｅ２との変動によって表される。
【００５３】
図１１(ｆ)より変動を直接見出すことは困難であるので、（１１）式を更に展開すると、次のようになる。
【００５４】
【数１３】

【００５５】
したがって（１２）式よりコギングトルクは各調波成分に分解することができる。このことはコギングトルクの各調波成分は、同じ調波成分のエネルギー関数の巻線溝位置部の和の変動として与えられることを示す。
【００５６】
以上のような理論によってコギングトルクが発生する永久磁石回転電機で、本実施例では図１に示されているように回転子鉄心７に永久磁石８と固定子１とで発生するコギングトルクと同じ次数でほぼ逆相のコギングトルクを発生させる溝１０を設けた。このようにすることにより回転子鉄心７に設けた溝１０によって永久磁石８と固定子１とで発生するコギングトルクが減少するようになる。特に、コギングトルクの脈動成分においてΣＢ² の脈動成分が小さくなるように溝
１０を配置すると効果が大である。
【００５７】
永久磁石回転電機を駆動モータとして用いた電気車両は、始動時と停止時に、回転電機のコギングトルクによる振動が発生する。本発明を用いることにより、回転電機のコギングトルクを低減でき、電気車両の始動時と停止時の振動が小さい快適な電気車両を得ることができる。
【００５８】
一方、回転子鉄心表面に溝１０を設けることにより、ギャップ５が不均一となるため誘起電圧波形が変化する。誘起電圧波形は通常正弦波であるが、台形波とすることにより、誘起電圧のピーク値と実効値を正弦波の場合より近づけることができる。よって、溝１０を誘起電圧波形が台形波になるように設けることにより、誘起電圧実効値を大きくすることができ、回転電機の高効率化もしくは小型化が可能となる。図１２に誘起電圧波形の解析値を示す。
【００５９】
なお本発明は磁石の形状が第１実施例で示したアーク型に限らず、色々な形状で成り立つ。図１３に第２実施例として磁石形状がブロック形（矩形）の場合を示す。この場合も第１実施例と同様に、回転子鉄心に溝を付けることによりコギングトルクを低減できる。
【００６０】
また、磁気的な変動成分は、回転子表面の溝１０以外でも良く、回転子内部に存在してもよい。図１４に第３実施例として、磁気的変動成分が回転子内部の打抜孔１１の場合を示す。この孔１１は永久磁石の１磁極当り１個回転子鉄心７に設けられており、回転子鉄心７の外周部と永久磁石８の磁極の周方向幅との外面に設置されている。この場合でも、前記と同様のコギングトルク低減効果を得ることができ、更に、風損を低減できる効果がある。なお、打抜孔１１の形状は、回転子の機械的強度が許す範囲内で、円形に限らず、楕円，ブロック形（矩形）等の形状を採用することができる。
【００６１】
また、永久磁石８はネオジウム磁石以外でも良く、永久磁石の個数（極数）は８極以外でも良く、固定子のスロット数も４８個以外でも良い。さらに、回転子鉄心表面の溝１０は永久磁石の磁極の周方向に１極当り複数個でも良い。また、永久磁石の磁極の周方向に設ける回転子鉄心表面の溝１０の深さは、個数を増やすことにより浅くできる。なお、コギングトルクの低減が必要なものは、内転型，外転型などの回転電機に限らず、リニアモータなどにも応用できる。
【００６４】
【発明の効果】
本発明によれば、回転子鉄心の表面であって、回転子鉄心の外周部の永久磁石の周方向幅の外面との間における部分かつ永久磁石の磁極の中心付近に対応する位置に、固定子と回転子の回転時の磁気変動によって生じるコギングトルクの低減のための磁気変動を生じさせる溝、或いは回転子鉄心の外周部の永久磁石の周方向幅の外面との間における部分かつ永久磁石の磁極の中心付近に対応する位置に、固定子と回転子の回転時の磁気変動によって生じるコギングトルクの低減のための磁気変動を生じさせる孔を設けたので、永久磁石界磁に溝を設けたものに比べて、小さな溝または孔で有効にコギングトルクを低減でき、加工性，機械強度に優れた永久磁石回転電機を提供することができる。
【００６５】
また、本発明によれば、車輪或いは車輪駆動軸を直接的に駆動する電動車両の駆動用モータとして上記永久磁石回転電機を用いたので、スムーズな減速，停止を実現し、電気車両全体としての効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す図。
【図２】本発明の第１実施例との比較のため溝がない場合の磁場解析を示す図。
【図３】図２の形状におけるコギングトルクを示すグラフ。
【図４】本発明の第１実施例の磁場解析を示す図。
【図５】図４の形状におけるコギングトルクを示すグラフ。
【図６】従来例との比較のため溝がない場合の磁場解析を示す図。
【図７】図６の形状におけるコギングトルクを示すグラフ。
【図８】従来例の磁場解析を示す図。
【図９】図８の形状におけるコギングトルクを示すグラフ。
【図１０】本発明の第１実施例と従来例の溝の有無の効果を示すグラフ。
【図１１】コギングトルクの発生原理を示す説明図。
【図１２】本発明において誘起電圧波形を台形形状とした回転電機の解析値を示すグラフ。
【図１３】本発明の第２実施例を示す図。
【図１４】本発明の第３実施例を示す図。
【符号の説明】
１…固定子、２…固定子鉄心、３…固定子スロット、４…固定子開口部、５…ギャップ部、６…回転子、７…回転子鉄心、８…永久磁石、９…回転軸、１０…溝。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a permanent magnet rotating electric machine and an electric vehicle using the same.
[0002]
[Prior art]
In a permanent magnet rotating electrical machine, there is a problem that “cogging torque” due to magnetic fluctuations between the stator and the rotor is generated, preventing smooth rotation.
[0003]
In order to reduce the cogging torque, Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-45140 discloses a magnetic that generates grooves in a permanent magnet and generates cogging torque of the same order as that of the cogging torque to be generated, and almost in reverse phase. A permanent magnet rotating electrical machine in which a variable component is provided in a permanent magnet field is described.
[0004]
In addition, the permanent magnet field is not provided with a magnetic fluctuation component in the permanent magnet field, but a permanent component having a structure such as a hole or a groove is provided on the surface of the rotor core located on the outer periphery of the permanent magnet. As the magnet rotating electric machine, there are one described in Japanese Patent Laid-Open No. 5-103453 and one described in Japanese Patent Laid-Open No. 7-336917.
[0005]
In the former (Japanese Patent Laid-Open No. 5-103453), a hole extending in the axial direction is provided in the rotor core at a position corresponding to an electrical angle of 60 degrees and 120 degrees of the rotor core. The torque and the noise are reduced by reducing the torque at the peak position of the torque ripple and making the torque as a whole uniform.
[0006]
The latter (Japanese Patent Laid-Open No. 7-336917) is a rotor core that is uniformly arranged so that the convex portions of the arc-shaped permanent magnets face the rotation center of the rotor, and the diameter of the rotor core is located on the concave portion side of the permanent magnets. A slit extending in the direction is formed. The magnetic resistance of the portion is increased by the slit, the magnetic flux passing therethrough is reduced, and the inductance of the stator winding is reduced, thereby suppressing torque reduction.
[0007]
Also, in an electric vehicle using a permanent magnet rotating electric machine, it is difficult to smoothly decelerate and stop the vehicle due to cogging torque of the permanent magnet rotating electric machine. A mechanism that cuts off the connection between the rotating shaft of the electric machine and the wheel or the wheel drive shaft and a mechanism that absorbs vibration are required.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
Although the technique described in Japanese Patent Laid-Open No. 3-45140 can reduce the cogging torque, since the grooves are provided in the permanent magnet itself, the following problems arise.
[0009]
First, when a permanent magnet is processed, cracks and cracks are likely to occur depending on the material, and the mechanical strength decreases. Second, since the groove is formed on the surface of the permanent magnet, it is necessary to form a large groove in order to sufficiently reduce the cogging torque. Thirdly, in the case of so-called post-magnetization in which the magnet is magnetized after the rotor is formed, if a groove is present on the magnet surface, uniform magnetization is difficult, and the performance as a magnet is degraded.
[0010]
The technique described in Japanese Patent Laid-Open No. 5-103453 can make the entire torque uniform. However, if holes are provided at an electrical angle of 60 degrees and 120 degrees, the cogging torque can be effectively used. It cannot be reduced.
[0011]
The technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-336917 relates to a permanent magnet rotating electrical machine in which the convex part of an arc-type permanent magnet is arranged so as to face the center of the rotor, and aims to improve the magnetic path unique to it. However, it does not effectively reduce the cogging torque of the rotating electrical machine having such an arrangement.
[0012]
In view of the above points, the present invention is a permanent magnet rotating machine with a very small cogging torque without providing a groove on the permanent magnet surface in a block-shaped or trapezoidal or arc-shaped permanent magnet rotating electric machine with convex portions facing the stator side. It is a first object to provide an electric machine.
[0013]
Moreover, in an electric vehicle using a permanent magnet rotating electrical machine, a mechanism for cutting the connection between the rotating shaft and the wheel or the wheel driving shaft as described above or a mechanism for absorbing vibration is provided to suppress cogging torque. As a result, the efficiency is lowered, the assemblability is lowered, and the cost is increased.
[0014]
Accordingly, a second object of the present invention is to eliminate the need for equipment for reducing the influence of cogging torque on a vehicle in an electric vehicle using a permanent magnet rotating electric machine, and to improve the efficiency of the entire electric vehicle.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
A feature of the present invention is that a stator having a stator winding, and an inner periphery of the stator are rotatably arranged via a rotation gap, and a block shape, a trapezoidal shape, and a convex portion face the stator side. In a permanent magnet rotating electrical machine, a rotor having a rotor in which a plurality of permanent magnets each having an arc shape are embedded and arranged so as to have a circumferential shape and an alternating polarity of the permanent magnets. At the position of the surface of the iron core between the outer circumference of the outer circumference of the rotor core and the outer surface of the circumferential width of the permanent magnet and at the position corresponding to the vicinity of the center of the magnetic pole of the permanent magnet, A groove for generating a magnetic fluctuation is provided to reduce the cogging torque caused by the magnetic fluctuation. Alternatively, a cogging torque generated by magnetic fluctuations during rotation of the stator and the rotor at a position between the outer peripheral portion of the rotor core and the outer surface of the circumferential width of the permanent magnet and at a position corresponding to the vicinity of the center of the magnetic pole of the permanent magnet This is because a hole for generating a magnetic fluctuation for reducing the above is provided.
[0016]
Another feature of the present invention resides in that the permanent magnet rotating electrical machine is used as a drive motor in an electric vehicle including a drive motor that directly drives a wheel or a wheel drive shaft.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A first embodiment in which the present invention is applied to a three-phase 8-pole / 48-slot 50 kW permanent magnet rotating electric machine will be described below with reference to FIG. 1 showing one pole pair. First, in FIG. 1, a stator 1 includes 48 slots 3 formed in a substantially annular stator core 2 and a U-phase stator winding U1, a V-phase stator winding V1, and a W-phase. The stator winding W1 is inserted and arranged. Openings 4 are formed in the inner peripheral portion of the stator core corresponding to the slots.
[0018]
On the other hand, in the rotor 6, the rotor core 7 is fitted and fixed to the rotary shaft 9, and the N pole and the S pole are alternately arranged in the punched storage portion formed in the rotor core. It is constructed by inserting and embedding eight magnetized neodymium permanent magnets 8 in the axial direction and having a predetermined gap 5 inside the stator core 2. It is arranged so that it can rotate. The rotor iron core 7 is formed by laminating a number of silicon steel plates having holes for forming the storage portion, and the grooves 10 for reducing the cogging torque on the surface rotate per magnetic pole of the permanent magnet 8. It is provided on the outer periphery of the core 6. The groove 10 extends in the axial direction of the rotor core 7, is disposed between the outer peripheral portion of the rotor core 7 and the outer surface of the permanent magnet 8 in the circumferential width, and corresponds to the center of the magnetic pole of the permanent magnet 8. Is located.
[0019]
FIG. 2 shows the magnetic field analysis result for one pole when there is no groove in order to compare the effect of the presence or absence of a groove on the surface of the rotor core in the present invention, and FIG. 3 shows one pole in the shape of FIG. It shows the cogging torque of minutes (electrical angle 180 degrees).
[0020]
FIG. 4 shows the magnetic field analysis result for one pole when the rotor core surface of the present invention has a groove of 1 mm in depth, and FIG. 5 shows one pole in the shape of FIG. ) Shows the cogging torque.
[0021]
From FIG. 3 and FIG. 5, the cogging torque from the peak to the peak when there is no groove on the rotor core surface is 11.4 Nm, whereas the cogging torque when there is a groove on the rotor surface of the present invention is The cogging torque can be reduced to 40% by adding a groove.
[0022]
On the other hand, FIG. 6 shows the magnetic field analysis result for one pole when there is no groove in order to compare the effect of the presence or absence of a groove on the magnet surface in the conventional example, and FIG. 7 shows one pole in the shape of FIG. It shows the cogging torque of minutes (electrical angle 180 degrees).
[0023]
FIG. 8 shows the magnetic field analysis result for one pole when the surface of the magnet has a groove having a depth of 1 mm in the conventional example, and FIG. 9 shows one pole (electrical angle 180 degrees) in the shape of FIG. It shows the cogging torque.
[0024]
From FIG. 7 and FIG. 9, the cogging torque from peak to peak when there is no groove on the magnet surface is 21.6 Nm, whereas the cogging torque when there is a groove on the permanent magnet surface is 18.5 Nm, By providing the groove, the cogging torque can be reduced to 85%.
[0025]
FIG. 10 shows a change in cogging torque value depending on the presence or absence of the groove of the present invention and the conventional example. The cogging torque can be greatly reduced when the groove is formed on the surface of the rotor core of the present invention compared to the case where the groove is formed on the surface of the magnet of the present invention, even though the groove of the same depth is provided. I understand. This is due to the fact that the change in magnetic energy due to the presence or absence of grooves in the rotor core is larger than the change in magnetic energy due to the presence or absence of grooves in the permanent magnet.
[0026]
In order to achieve the same cogging torque in the present invention and the conventional example, the groove on the magnet surface must be deepened in the conventional example, and in addition to the above-mentioned difficulties in manufacturing and mechanical strength, the windage loss increases. Efficiency is reduced.
[0027]
In the present invention, since the groove is formed on the surface of the rotor core, a die provided with a groove in die cutting of the laminated steel plate may be used, and the production is easy. Mechanical strength is stronger than the conventional example, windage loss can be reduced, and efficiency is improved.
[0028]
The principle of generation of cogging torque in this type of rotating electric machine will be described below with reference to FIG. In general, the cogging torque is caused by a change in magnetic energy in the gap portion 5 as the permanent magnet magnetic pole (b) moves. The cause of this change in magnetic energy is in the winding groove.
[0029]
11A is a gap magnetic flux density, FIG. 11C is a developed view in the circumferential direction of the stator portion, and FIG. 11D is a stator portion when the stator portion is moved by θ. In the figure, for the sake of convenience, the following description will be made assuming that the armature portion (c) moves relative to the permanent magnet magnetic pole (b) contrary to the actual case.
[0030]
In the figure, the cogging torque _Tc can be expressed by the following equation where θ is the moving angle of the armature part (c) with respect to the permanent magnet magnetic pole (b) and E (θ) is the magnetic energy of the entire gap. .
[0031]
[Expression 1]

[0032]
On the other hand, the magnetic energy ΔE (θ) per minute physique dφ at an arbitrary angle in the gap can be expressed by assuming that μ ₀ is the permeability of air, B _g (φθ) is the magnetic flux density of the gap, and K ₁ is a constant ( 2) It is expressed by the formula.
[0033]
[Expression 2]

[0034]
Therefore, the magnetic energy E (θ) of the entire gap is expressed by equation (3), where P is the number of permanent magnet magnetic poles.
[0035]
[Equation 3]

[0036]
In general, when there is no winding groove, the gap magnetic flux density B (φ) is decomposed into harmonics, and if B _n is the peak value of the harmonics of B (φ), it is expressed by the following equation.
[0037]
[Expression 4]

[0038]
Furthermore, harmonic harmonic content of S (phi) of S _n (phi) as an energy function S (phi), the K _n DC component of S _n (phi), the S _an, of S _n (phi) is the gap portion The following equation is defined when the peak of the wave is used (FIG. 11 (f)).
[0039]
[Equation 5]

[0040]
Here, it is considered that the influence on the magnetic flux density of the winding groove is that the gap magnetic flux density on the groove portion is reduced or becomes zero. Therefore, W is defined as the winding groove width in the following function that uses only the position of the groove as a unit (FIG. 11 (e)).
[0041]
[Formula 6]

[0042]
[Expression 7]

[0043]
By using the above function, the presence of winding grooves can be expressed by the following ut (θ), where α ₁ , α ₂ ,... Α _n are winding groove positions and nα is the number of winding grooves.
[0044]
[Equation 8]

[0045]
Therefore, the distribution of magnetic flux density including the winding groove is
[Equation 9]
B _g (φ, θ) = (1−ut (θ)) B (φ) (8)
When substituting equation (8) into equation (3),
[0047]
[Expression 10]

[0048]
It becomes. By the way, since the first term of the equation (9) is not a function of θ, it obviously does not affect the cogging torque from the equation (1). Therefore, the cogging torque _Tc is
[0049]
[Expression 11]

[0050]
S (φ) represents an energy function when there is no winding groove, and this is expressed by the following equation.
[0051]
[Expression 12]

[0052]
Accordingly, the cogging torque will be described with reference to FIG. 11. The energy function sum E1 in which the positional relationship before movement (FIG. (E)) in the energy function E (θ) shown in FIG. And an energy function E2 indicating (d) after movement.
[0053]
Since it is difficult to find the variation directly from FIG. 11 (f), further expansion of the expression (11) is as follows.
[0054]
[Formula 13]

[0055]
Therefore, the cogging torque can be decomposed into each harmonic component from the equation (12). This indicates that each harmonic component of the cogging torque is given as a variation of the sum of the winding groove positions of the energy function of the same harmonic component.
[0056]
In this embodiment, the permanent magnet rotating electrical machine that generates cogging torque according to the above theory is the same as the cogging torque generated by the permanent magnet 8 and the stator 1 in the rotor core 7 as shown in FIG. A groove 10 for generating a cogging torque of almost reverse phase in order is provided. By doing so, the cogging torque generated between the permanent magnet 8 and the stator 1 is reduced by the groove 10 provided in the rotor core 7. In particular, if the groove 10 is arranged so that the pulsation component of ΣB ² is small in the pulsation component of the cogging torque, the effect is great.
[0057]
In an electric vehicle using a permanent magnet rotating electric machine as a drive motor, vibration due to cogging torque of the rotating electric machine is generated at the time of starting and stopping. By using the present invention, it is possible to reduce the cogging torque of the rotating electrical machine, and to obtain a comfortable electric vehicle with small vibrations when starting and stopping the electric vehicle.
[0058]
On the other hand, by providing the groove 10 on the surface of the rotor core, the gap 5 becomes non-uniform and the induced voltage waveform changes. The induced voltage waveform is usually a sine wave, but by making it a trapezoidal wave, the peak value and effective value of the induced voltage can be made closer than in the case of a sine wave. Therefore, by providing the groove 10 so that the induced voltage waveform becomes a trapezoidal wave, the induced voltage effective value can be increased, and the rotating electric machine can be highly efficient or downsized. FIG. 12 shows the analysis value of the induced voltage waveform.
[0059]
In the present invention, the shape of the magnet is not limited to the arc type shown in the first embodiment, and various shapes can be used. FIG. 13 shows a case where the magnet shape is block (rectangular) as the second embodiment. In this case, as in the first embodiment, the cogging torque can be reduced by providing a groove in the rotor core.
[0060]
Further, the magnetic fluctuation component may be other than the groove 10 on the rotor surface, or may exist inside the rotor. FIG. 14 shows a case where the magnetic variation component is the punching hole 11 inside the rotor as a third embodiment. One hole 11 is provided in the rotor core 7 for each magnetic pole of the permanent magnet, and is provided on the outer surface of the outer peripheral portion of the rotor core 7 and the circumferential width of the magnetic pole of the permanent magnet 8. Even in this case, the same cogging torque reduction effect as described above can be obtained, and further, windage loss can be reduced. In addition, the shape of the punching hole 11 is not limited to a circle but may be an ellipse, a block shape (rectangle), or the like as long as the mechanical strength of the rotor permits.
[0061]
Further, the permanent magnet 8 may be other than a neodymium magnet, the number (number of poles) of the permanent magnet may be other than 8 poles, and the number of stator slots may be other than 48. Further, a plurality of grooves 10 on the surface of the rotor core may be provided per pole in the circumferential direction of the magnetic pole of the permanent magnet. Further, the depth of the groove 10 on the surface of the rotor core provided in the circumferential direction of the magnetic pole of the permanent magnet can be reduced by increasing the number. In addition, what needs reduction of a cogging torque is applicable not only to rotary electric machines, such as an internal rotation type and an external rotation type, but also to a linear motor.
[0064]
【The invention's effect】
According to the present invention, the surface of the rotor core is fixed at a position between the outer peripheral portion of the rotor core and the outer surface of the circumferential width of the permanent magnet and at a position corresponding to the vicinity of the center of the magnetic pole of the permanent magnet. Partial and permanent magnets between the outer surface of the circumferential width of the permanent magnets on the outer periphery of the rotor core and the grooves for generating magnetic fluctuations for reducing the cogging torque caused by the magnetic fluctuations during rotation of the rotor and the rotor Since a hole for generating magnetic fluctuation for reducing cogging torque caused by magnetic fluctuation during rotation of the stator and rotor is provided at a position corresponding to the vicinity of the center of the magnetic pole , a groove is provided in the permanent magnet field. Compared to the above, a cogging torque can be effectively reduced with a small groove or hole, and a permanent magnet rotating electrical machine excellent in workability and mechanical strength can be provided.
[0065]
In addition, according to the present invention, since the permanent magnet rotating electric machine is used as a drive motor for an electric vehicle that directly drives a wheel or a wheel drive shaft, smooth deceleration and stop are realized, and the electric vehicle as a whole is realized. Efficiency can be increased.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a magnetic field analysis when there is no groove for comparison with the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing cogging torque in the shape of FIG. 2;
FIG. 4 is a diagram showing magnetic field analysis of the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing cogging torque in the shape of FIG. 4;
FIG. 6 is a diagram showing a magnetic field analysis when there is no groove for comparison with a conventional example.
7 is a graph showing cogging torque in the shape of FIG.
FIG. 8 is a diagram showing magnetic field analysis of a conventional example.
9 is a graph showing cogging torque in the shape of FIG.
FIG. 10 is a graph showing the effect of the presence or absence of grooves in the first embodiment of the present invention and the conventional example.
FIG. 11 is an explanatory diagram showing the principle of generation of cogging torque.
FIG. 12 is a graph showing analysis values of a rotating electrical machine in which an induced voltage waveform is trapezoidal in the present invention.
FIG. 13 is a diagram showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a diagram showing a third embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Stator, 2 ... Stator core, 3 ... Stator slot, 4 ... Stator opening part, 5 ... Gap part, 6 ... Rotor, 7 ... Rotor core, 8 ... Permanent magnet, 9 ... Rotating shaft, 10 ... groove.

Claims

A stator having a stator winding and any one of a block shape, a trapezoidal shape, and an arc shape with a convex portion facing the stator side , which is rotatably arranged on the inner periphery of the stator via a rotation gap . A plurality of permanent magnets having a shape and a rotor embedded in a circumferential manner so that the polarities of the permanent magnets are alternately arranged inside the iron core, the surface of the iron core, Cogging torque generated by magnetic fluctuations during rotation of the stator and the rotor at a position between the outer peripheral surface of the permanent magnet and a position corresponding to the vicinity of the center of the magnetic pole of the permanent magnet. A permanent magnet rotating electrical machine is provided with a groove for generating magnetic fluctuations for reducing the magnetic field .

A stator having a stator winding and any one of a block shape, a trapezoidal shape, and an arc shape with a convex portion facing the stator side, which is rotatably arranged on the inner periphery of the stator via a rotation gap. A plurality of permanent magnets having a shape and a rotor embedded in a circumferential manner so that the polarities of the permanent magnets are alternately arranged, and the circumference of the permanent magnet on the outer peripheral portion of the iron core Magnetic fluctuations for reducing cogging torque caused by magnetic fluctuations during rotation of the stator and the rotor are provided at a position between the outer surface of the direction width and the vicinity of the center of the magnetic pole of the permanent magnet. A permanent magnet rotating electrical machine, wherein a hole to be generated is provided .

An electric vehicle comprising a drive motor, wherein the permanent magnet rotating electric machine according to claim 1 is used as the drive motor.