JP4490047B2

JP4490047B2 - 電動機

Info

Publication number: JP4490047B2
Application number: JP2003123499A
Authority: JP
Inventors: 英治柳田; 宗宏神谷; 秀哉粟田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-04-28
Filing date: 2003-04-28
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2023-04-28
Also published as: JP2004328956A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電動機に関し、特に車両に搭載される電動機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電動機は、たとえば特開２００２−７８２６０号公報（特許文献１）に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−７８２６０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
車両に搭載される電動機では、トルクリプルを低下させることが求められている。このトルクリプルは出力トルクの変動分を、平均トルクに対する百分率で示すものであり、一般的に、トルクリプルが大きいほど電動機の振動および騒音が大きくなることが知られている。
【０００５】
また、電動機では無負荷誘起電圧の高調波含有率を小さくすることが求められる。無負荷誘起電圧とは電動機の回転子（ロータ）を回転させた場合に固定子（ステータ）に発生する誘起電圧を示し、これに高調波が多く含まれている場合には、電圧の実効値に対するピーク値が高くなる。そのため、最高回転数時に無負荷誘起電圧がシステムの耐圧を超え、インバータ部品の絶縁破壊を招く。また、高調波含有率が高い電動機に耐えるように電気システムを構成すると、高調波による電圧のピーク値がシステムの耐圧を決定することになる。その結果、出力トルクを左右する電圧の実効値を向上させることができず、電流値の上昇および電動機の大型化を招く。そのため、電動機を小型化するためには、無負荷誘起電圧の高調波含有率を小さくする必要がある。
【０００６】
さらに、鉄損が増加すると、効率悪化を招き、ハイブリッド自動車の燃費の悪化となる。
【０００７】
そこで、この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであり、トルクリプルおよび鉄損が小さい電動機を提供することを目的とする。
【０００８】
また、無負荷誘起電圧の高調波含有率が小さい電動機を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この発明に従って電動機は、分布巻により形成された複数の巻線相を有する固定子と、外周方向に開くＶ字形状をなすように埋設された複数の永久磁石により構成される複数の磁極を有し、かつ固定子に向い合う外周を有する回転子とを備える。回転子の外周には外周表面からの深さがほぼ一定の底面を有する凹部が形成されている。底面の一方端と回転子の中心とを結ぶ直線は、その一方端に最も近い磁極の中心線に対して４０°以上４４°未満の電気角度をなす。底面の他方端と回転子の中心とを結ぶ直線は、その他方端に最も近い磁極の中心線に対して４４°以上５３°以下の電気角度をなす。凹部が各磁極の中心線に対し対称に配置される。
【００１６】
このように構成された電動機においては、一方端により、鉄損およびトルクリプルを低減することができる。
【００１７】
また、他方端により、無負荷誘起電圧中の高調波の含有率を小さくすることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態においては同一または相当する部分については同一の参照符号を付し、その説明は繰返さない。
【００１９】
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１に従った電動機の断面図である。図２は、図１中のＩＩで囲んだ部分を拡大して示す断面図である。図１および図２を参照して、この発明の実施の形態１に従った電動機１は、分布巻により形成された複数の巻線相としてのＵ相１１０Ｕ、Ｖ相１１０ＶおよびＷ相１１０Ｗとを有する固定子１００と、複数の磁極としての永久磁石３０を有し、かつ固定子１００に向い合う外周を有する回転子１０とを備える。回転子１０の外周には溝１４が形成されている。溝１４のうち、外周表面１３からの深さが最も深い底点１５と回転子１０の中心１２０を結ぶ直線１２は、その底点１５に最も近い磁極の中心線１１に対して４０°以上４４°未満の電気角度φをなす。
【００２０】
固定子１００は、環状のコア体１０３を有する。コア体１０３は鉄または鉄合金などの磁性材料により構成される。コア体１０３の内周面にはティース部１０１が複数個（４８個）形成されており、各々のティース部１０１の間にスロット部１０２が形成されている。ティース部１０１は「凸」形状であり、スロット部１０２は「凹」形状である。スロット部１０２はコア体１０３の内周側に向って開口している。
【００２１】
ティース部１０１には、分布巻により、巻線相としてのＵ相１１０Ｕ、Ｖ相１１０ＶおよびＷ相１１０Ｗが形成されている。外周側から順にＵ相１１０Ｕ、Ｖ相１１０ＶおよびＷ相１１０Ｗが配置されている。Ｕ相１１０Ｕ、Ｖ相１１０ＶおよびＷ相１１０Ｗは、インサータを用いて巻線する方法または、ティース部１０１に直接巻付ける直巻のいずれで形成されてもよい。
【００２２】
Ｕ相１１０Ｕ、Ｖ相１１０ＶおよびＷ相１１０Ｗには交流電圧が印加されて、コイルとしてのＵ相１１０Ｕ、Ｖ相１１０ＶおよびＷ相１１０Ｗを貫通する方向に交流磁場が生じる。
【００２３】
回転子１０は、鉄または鉄合金などの磁性体からなるコア体２０を有する。コア体２０には複数の磁極を構成する永久磁石３０が埋込まれている。永久磁石３０の両端部には、空洞部分４０が設けられている。２つの永久磁石３０間に磁極の中心線１１が位置する。磁極の中心線１１は回転子１０の中心１２０を通る。回転子１０は回転軸１３０と接合されており、回転軸１３０が回転することにより、回転子１０も回転する。
【００２４】
図２で示すように、回転子１０の外周表面１３には複数の溝１４（窪み）が形成されている。溝１４はそれぞれが矩形状であるが、なだらかな円弧状に形成されていてもよい。溝１４の底点１５は溝１４のうち外周表面１３からの深さが最も深い部分であり、この底点１５の位置で電動機の特性が決定される。この実施の形態では、底点１５と回転子１０の中心１２０とを結ぶ直線１２は、その底点１５に最も近い磁極の中心線１１に対して４０°以上４４°未満の電気角度φをなす。好ましくは、この電気角度φは４１°以上４３°以下である。
【００２５】
このように構成された電動機１では、溝１４の底点１５と回転子１０の中心１２０とを結ぶ直線１２は、その底点１５に最も近い磁極の中心線１１に対して４０°以上４４°未満の電気角度φをなすため、電動機１のトルクリプルおよび鉄損を低下させることができる。そのため振動が少なく、かつ消費電力の小さい電動機１を提供することができる。
【００２６】
（実施の形態２）
図３は、この発明の実施の形態２に従った電動機で用いられる回転子の断面図である。図３を参照して、この発明の実施の形態２に従った回転子１０では、回転子１０の外周には溝１４が形成されている。溝１４のうち、外周表面１３からの深さが最も深い底点１５と回転子１０の中心とを結ぶ直線１２は、その底点１５に最も近い磁極の中心線１１に対して４４°以上５３°以下の電気角度φをなす。その他の固定子１００の構造は、実施の形態１と同様である。
【００２７】
このように構成された実施の形態２に従った電動機では、底点１５と回転子の中心とを結ぶ直線１２は、その底点１５に最も近い磁極の中心線１１に対して４４°以上５３°以下の角度をなすため、無負荷誘起電圧の高調波成分を小さくすることができる。そのため小型で高出力の電動機を提供することができる。
【００２８】
（実施の形態３）
図４は、この発明の実施の形態３に従った電動機で用いられる回転子の断面図である。図４を参照して、この発明の実施の形態３に従った回転子１０では、外周に第１の溝１４ａおよび第２の溝１４ｂが形成されている。第１の溝１４ａのうち、外周表面１３からの深さが最も深い第１の底点１５ａと回転子１０の中心とを結ぶ直線１２ａは、その第１の底点１５ａに最も近い磁極の中心線１１に対して４０°以上４４°未満の電気角度φ１をなす。第２の溝１４ｂのうち、外周表面１３からの深さが最も深い第２の底点１５ｂと回転子１０の中心とを結ぶ直線１２ｂは、その第２の底点１５ｂに最も近い磁極の中心線１１に対して４４°以上５３°以下の電気角度φ２をなす。
【００２９】
なお、この実施の形態では、第１の底点１５ａと第２の底点１５ｂとの間にはなだらかな凸状部分が形成されているが、この凸状部分の高さは図４で示したよりも高くても低くてもよい。
【００３０】
このように構成された、この発明の実施の形態３に従った電動機では、第１の底点１５ａと回転子１０の中心線とを結ぶ直線１２ａは、第１の底点１５ａに最も近い磁極の中心線１１に対して４０°以上４４°未満の電気角度φ１をなすため、この第１の溝１４ａにより電動機の鉄損およびトルクリプルを低下させることができる。
【００３１】
さらに、第２の底点１５ｂと回転子１０の中心点とを結ぶ直線１２ｂは第２の底点１５ｂに最も近い磁極の中心線１１に対して４４°以上５３°以下の電気角度φ２をなすためこの第２の溝１４ｂにより電動機の無負荷誘起電圧の高調波を低減することができる。
【００３２】
（実施の形態４）
図５は、この発明の実施の形態４に従った電動機で用いられる回転子の断面図である。図５を参照して、この発明の実施の形態４に従った電動機で用いられる回転子１０では、回転子１０の外周には、外周表面１３からの深さがほぼ一定で回転子１０の回転方向に沿って一方端２５から他方端２６まで広がる底面２７を有する凹部２４が形成されている。底面２７の一方端２５と回転子１０の中心とを結ぶ直線１２ａは、その一方端２５に最も近い磁極の中心線１１に対しして４０°以上４４°未満の電気角度φ１をなす。底面２７の他方端２６と回転子１０の中心とを結ぶ直線１２ｂは、その他方端２６に最も近い磁極の中心線１１に対して４４°以上５３°以下の電気角度φ２をなす。
【００３３】
なお、一方端２５および他方端２６は、回転子１０の回転方向に沿った端部である。なお、一方端２５および他方端２６は、凹部を形成する底面２７と、底面２７と外周表面１３とを結ぶ傾斜面との交わる点を示す。
【００３４】
このように構成された、この発明の実施の形態４に従った電動機では、一方端２５と回転子の中心とを結ぶ直線１２ａは、その一方端２５に最も近い磁極の中心線１１に対して４０°以上４４°未満の電気角度φ１をなすため、この一方端２５により、電動機のトルクリプルおよび鉄損を低減することができる。さらに、他方端２６と回転子１０の中心とを結ぶ直線１２ｂは、その他方端２６に最も近い磁極の中心線１１に対して４４°以上５３°以下の電気角度φ２をなすため、この他方端２６により、電動機の無負荷誘起電圧の高調波成分を小さくすることができる。
【００３５】
【実施例】
（実施例１）
実施例１では、実施の形態１に従った電動機において、電気角度φをさまざまに設定したサンプルを製造した。これらのサンプルについて、トルクリプルと、電動機の単位質量当りの鉄損とを測定した。その結果を図６に示す。
【００３６】
図６より、トルクリプルおよび鉄損を小さくするためには、底点の電気角度φが４０°以上４４°未満であれば好ましいことがわかる。
【００３７】
（実施例２）
実施例２では、実施の形態２に従った電動機で、電気角度φをさまざまに設定したサンプルを製造し、これらのサンプルについて、無負荷誘起電圧の最大値Ｖｐと実効電圧Ｖｅとの比率Ｖｐ／Ｖｅを求めた。その結果を図７に示す。
【００３８】
図７中の無負荷誘起電圧比Ｖｐ／Ｖｅが小さいほど、無負荷誘起電圧中の高調波成分が小さいことを示す。
【００３９】
図７より、電気角度φが４４°以上５３°以下であれば、無負荷誘起電圧比Ｖｐ／Ｖｅが小さくなっていることがわかる。
【００４０】
（実施例３）
実施例３では、実施の形態３に従った電動機において、電気角度φ１をさまざまに設定したサンプルを製造した。それぞれのサンプルで、電気角度φ２は５２°とした。これらのサンプルについて、トルクリプルと、電動機の単位質量当りの鉄損とを測定した。その結果、電気角度φ１とトルクリプルおよび鉄損の関係については、図６と同様の結果が得られた。
【００４１】
また、実施の形態３に従った電動機において、電気角度φ２をさまざまに設定したサンプルを製造した。それぞれのサンプルで、電気角度φ１は４０°とした。これらのサンプルについて、無負荷誘起電圧の最大値Ｖｐと実効電圧Ｖｅとの比率Ｖｐ／Ｖｅを測定した。その結果、電気角度φ２と無負荷誘起電圧比Ｖｐ／Ｖｅとの関係については、図７と同様の結果が得られた。
【００４２】
そのため、電気角度φ１を４０°以上４４°未満とし、電気角度φ２を４４°以上５３°以下とすれば、トルクリプルと鉄損が小さく、かつ、無負荷誘起電圧中の高調波成分が小さい電動機が得られることが分かった。
【００４３】
（実施例４）
実施例４では、実施の形態４に従った電動機において、電気角度φ１をさまざまに設定したサンプルを製造した。それぞれのサンプルで、電気角度φ２は５２°とした。これらのサンプルについて、トルクリプルと、電動機の単位質量当りの鉄損とを測定した。その結果、電気角度φ１とトルクリプルおよび鉄損の関係については、図６と同様の結果が得られた。
【００４４】
また、実施の形態４に従った電動機において、電気角度φ２をさまざまに設定したサンプルを製造した。それぞれのサンプルで、電気角度φ１は４０°とした。これらのサンプルについて、無負荷誘起電圧の最大値Ｖｐと実効電圧Ｖｅとの比率Ｖｐ／Ｖｅを測定した。その結果、電気角度φ２と無負荷誘起電圧比Ｖｐ／Ｖｅとの関係については、図７と同様の結果が得られた。
【００４５】
そのため、電気角度φ１を４０°以上４４°未満とし、電気角度φ２を４４°以上５３°以下とすれば、トルクリプルと鉄損が小さく、かつ、無負荷誘起電圧中の高調波成分が小さい電動機が得られることが分かった。
【００４６】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００４７】
【発明の効果】
この発明に従えば、トルクリプルおよび鉄損が小さな電動機を提供することができる。
【００４８】
また、この発明に従えば、無負荷誘起電圧中の高調波成分が小さな電動機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に従った電動機の断面図である。
【図２】図１中のＩＩで囲んだ部分を拡大して示す断面図である。
【図３】この発明の実施の形態２に従った電動機で用いられる回転子の断面図である。
【図４】この発明の実施の形態３に従った電動機で用いられる回転子の断面図である。
【図５】この発明の実施の形態４に従った電動機で用いられる回転子の断面図である。
【図６】底点の電気角度φとトルクリプルおよび鉄損との関係を示すグラフである。
【図７】底点の電気角度φと、無負荷誘起電圧比Ｖｐ／Ｖｅとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１電動機、１０回転子、１１中心線、１２，１２ａ，１２ｂ直線、１４溝、１４ａ第１の溝、１４ｂ第２の溝、１５底点、１５ａ第１の底点、１５ｂ第２の底点、２４凹部、２５一方端、２６他方端、２７底面、１００固定子、１１０ＵＵ相、１１０ＶＶ相、１１０ＷＷ相、１２０中心。

Claims

分布巻により形成された複数の巻線相を有する固定子と、
外周方向に開くＶ字形状をなすように埋設された複数の永久磁石により構成される複数の磁極を有し、かつ前記固定子に向い合う外周を有する回転子とを備え、
前記回転子の外周には、外周表面からの深さがほぼ一定で前記回転子の回転方向に沿って一方端から他方端まで広がる底面を有する凹部が形成されており、前記底面の一方端と前記回転子の中心とを結ぶ直線は、その一方端に最も近い磁極の中心線に対して４０°以上４４°未満の電気角度をなし、
前記底面の他方端と前記回転子の中心とを結ぶ直線は、その他方端に最も近い磁極の中心線に対して４４°以上５３°以下の電気角度をなし、
前記凹部が各磁極の中心線に対し対称に配置される、電動機。