JP4668721B2 - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

Description

本発明は永久磁石式回転電機に関する。

永久磁石回転電機、特に車両の駆動用として用いられる永久磁石回転電機には、その制御回路であるインバータ装置を含めて小型化と高出力化が要求されている。特に低速回転域において大トルクの出力が可能であり、かつ高速回転域においても高出力が可能な永久磁石回転電機が望まれている。このため、永久磁石回転電機としては従来、高速回転時に弱め界磁が可能であり、しかもリラクタンストルクを活用できる補助突極付の埋込型永久磁石式回転電機が多く用いられている。例えば、特開平１０−１２６９８５号公報には、埋込型永久磁石式回転電機の構造が開示されている。

その他、関連する回転電機の構造として、特開２０５−６４８４号公報，特開２００２−３５４７２６号公報，実開平７−１１８５９号公報，特許第３５９８８８７号公報に記載のものが知られている。

永久磁石式回転電機には、車両の限られた電力供給の下で出力を１％でも増加させることが期待されている。永久磁石式回転電機は、制御回路であるインバータ装置から電流及び電圧の供給を受けて電動力を発生している。このため、永久磁石式回転電機において大きな出力を得るためには、インバータ装置との関係を考慮して、永久磁石式回転電機が発生する誘起電圧の波形を調節する必要がある。永久磁石式回転電機が発生する誘起電圧の波形を調節するやり方としては従来、例えば、特開２００１−１１２２０２号公報及び特開２００２−７８２６０号公報に開示されたものが知られている。

特開平１０−１２６９８５号公報 特開２０５−６４８４号公報 特開２００２−３５４７２６号公報 実開平７−１１８５９号公報 特許第３５９８８８７号公報 特開２００１−１１２２０２号公報 特開２００２−７８２６０号公報

永久磁石式回転電機は車両から連れ回される場合、例えば車両の惰性走行や制動時などの減速時、他の駆動源による車両駆動の場合、永久磁石の磁束によって固定子巻線に誘起電圧が生じる。誘起電圧は回転数に比例する。これにより、永久磁石式回転電機の最大誘起電圧は、連れ回される最大回転数で決定される。永久磁石式回転電機の電気設計においては、永久磁石回転電機の誘起電圧のピーク電圧が、インバータ装置を構成する半導体素子やコンデンサの耐圧を超えないように設計する必要がある。また、永久磁石回転電機の出力は誘起電圧の基本波成分の大きさによって決まる。このため、永久磁石式回転電機の更なる高出力化を図るためには、誘起電圧のピーク値を抑えながら誘起電圧の基本波成分の大きさを大きくする必要がある。

誘起電圧のピーク値を抑えるためには、前述した特開２００１−１１２２０２号公報及び特開２００２−７８２６０号公報に開示されたもののように、永久磁石式回転電機が発生する誘起電圧の波形を調節するればよい。しかしながら、前述した特開２００１−１１２２０２号公報に開示されたものは、永久磁石の周方向両側に非磁性部が設けられた永久磁石式回転電機まで考慮しているものではない。このため、特許文献２に開示されたものは、永久磁石の周方向両側に非磁性部を設けない永久磁石式回転電機に対して有効であるが、永久磁石の周方向両側に非磁性部が設けられた永久磁石式回転電機に対しては直ちに適用することができない。また、特開２００２−７８２６０号公報に開示されたものは、回転子鉄心の外周表面に複数の溝を形成しているので、風損や風きり音（騒音）などに対しての対応が必要になる。

また、車両駆動に用いられる永久磁石式回転電機は、体格あたりに要求されるトルクが非常に大きい。また、回転電機から出力されるトルクを大きくするためには一般に、固定子巻線に流す電流を大きくすればよい。しかし、電流を大きくすると、その分、発熱が大きくなるので、電流密度に熱的な制約が生じる。従って、車両駆動に用いられる永久磁石式回転電機において少しでも多くのトルクを出力するためには、永久磁石の磁束を有効に利用することが有効である。

埋込型永久磁石式回転電機において永久磁石の有効磁束を増やすためには、永久磁石の埋め込み深さを少なく（浅く）して漏れ磁束を少なくすればよい。しかしながら、車両駆動に用いられる埋込型永久磁石式回転電機は高回転で使用されるので、永久磁石の埋め込み深さを少なく（浅く）するためには、遠心力に対する機械的な強度を向上させ、高回転に耐え得る構造とする必要がある。

本願の代表的な発明の一つは、永久磁石の周方向両側に非磁性部を形成したときに、誘起電圧のピーク電圧を抑えることができる永久磁石式回転電機を提供する。

本願の代表的な発明の一つは、回転子の中心軸に対するティース鉄心の周方向ピッチをτｓ（度）とし、１対の磁路部の最小径方向幅部分間の周方向幅が回転子の中心軸に対してなす角度をθ（度）としたとき、θが、次に示す関係式（１）で、
θ≒（ｎ＋Y）×τｓ（ｎは０以上の整数） …（１）
で表され、
前記固定子巻線の巻回方法が分布巻きであるときは、Ｙ＝０．５とし、
前記固定子巻線の巻回方法が集中巻きであるときは、Ｙ＝０．９〜１．２とし、
前記回転子の１磁極を構成する前記永久磁石は周方向に複数に分割されており、
前記複数に分割された永久磁石間には、前記永久磁石の前記固定子側にある前記回転子鉄心と、前記永久磁石の前記回転子の中心軸側にある前記回転子鉄心とを機械的に接続するブリッジ部が設けられており、
前記複数に分割された永久磁石は、前記回転子の磁極両端部から前記回転子の磁極中心に向かうにしたがって前記固定子側に片寄っているものである。
また、本願の代表的な発明の一つは、回転子の中心軸に対するティース鉄心の周方向ピッチをτｓ（度）とし、１対の磁路部の最小径方向幅部分間の周方向幅が回転子の中心軸に対してなす角度をθ（度）としたとき、θが、次に示す関係式（１）で、
θ≒（ｎ＋Y）×τｓ（ｎは０以上の整数） …（１）
で表され、
前記固定子巻線の巻回方法が分布巻きであるときは、Ｙ＝０．５とし、
前記固定子巻線の巻回方法が集中巻きであるときは、Ｙ＝０．９〜１．２とし、
前記非磁性部の形状は台形状であり、
前記非磁性部の前記回転子の中心軸側の辺部は前記非磁性部の前記固定子側の辺部よりも長さが短いものである。

以上説明した本発明によれば、永久磁石の周方向両側に非磁性部を形成したときに、誘起電圧のピーク電圧を抑えることができるので、車両駆動に好適な永久磁石式回転電機を提供できる。

さらに、本発明によれば、高回転に耐えながら永久磁石の磁束を有効に利用することができるので、車両駆動に好適な永久磁石式回転電機を提供できる。

また、さらに、本発明によれば、回転子の内周側に空間を有する永久磁石式回転電機を提供できる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

まず、本実施例のモータジェネレータが適用される車両の構成を図４に基づいて説明する。本実施例では、２つの異なる動力源を持つハイブリッド電気自動車を例に挙げて説明する。

本実施例のハイブリッド電気自動車は、内燃機関であるエンジンＥＮＧと、モータジェネレータＭＧ１によって前輪ＦＬＷ，ＦＲＷを、モータジェネレータＭＧ２によって後輪ＲＬＷ，ＲＲＷをそれぞれ駆動するように構成された四輪駆動式のものである。本実施例では、エンジンＥＮＧとモータジェネレータＭＧ１によって前輪ＷＦＬＷ，ＦＲＷを、モータジェネレータＭＧ２によって後輪ＲＬＷ，ＲＲＷをそれぞれ駆動する場合について説明するが、モータジェネレータＭＧ１によって前輪ＷＦＬＷ，ＦＲＷを、エンジンＥＮＧとモータジェネレータＭＧ２によって後輪ＲＬＷ，ＲＲＷをそれぞれ駆動するようにしてもよい。

前輪ＦＬＷ，ＦＲＷの前輪車軸ＦＤＳには差動装置ＦＤＦを介して変速機Ｔ／Ｍが機械的に接続されている。変速機Ｔ／Ｍには動力分配機構ＰＳＭを介してモータジェネレータＭＧ１とエンジンＥＮＧが機械的に接続されている。動力分配機構ＰＳＭは、回転駆動力の合成や分配を司る機構である。モータジェネレータＭＧ１の固定子巻線にはインバータ装置ＩＮＶの交流側が電気的に接続されている。インバータ装置ＩＮＶは、直流電力を三相交流電力に変換する電力変換装置であり、モータジェネレータＭＧ１の駆動を制御するものである。インバータ装置ＩＮＶの直流側にはバッテリＢＡＴが電気的に接続されている。

後輪ＲＬＷ，ＲＲＷの後輪車軸ＲＤＳには差動装置ＲＤＦと減速機ＲＧを介してモータジェネレータＭＧ２が機械的に接続されている。モータジェネレータＭＧ２の固定子巻線にはインバータ装置ＩＮＶの交流側が電気的に接続されている。ここで、インバータ装置ＩＮＶはモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２に対して共用のものであって、モータジェネレータＭＧ１用のパワーモジュールＰＭＵ１及び駆動回路装置ＤＣＵ１と、モータジェネレータＭＧ２用のパワーモジュールＰＭＵ２及び駆動回路装置ＤＣＵ２と、モータ制御装置ＭＣＵとを備えている。

エンジンＥＮＧにはスタータＳＴＲが取り付けられている。スタータＳＴＲはエンジンＥＮＧを始動させるための始動装置である。

エンジン制御装置ＥＣＵは、エンジンＥＮＧの各コンポーネント機器（絞り弁，燃料噴射弁など）を動作させるための制御値をセンサや他制御装置などからの入力信号に基づいて演算する。この制御値は制御信号としてエンジンＥＮＧの各コンポーネント機器の駆動装置に出力される。これにより、エンジンＥＮＧの各コンポーネント機器の動作が制御される。

変速機Ｔ／Ｍの動作は変速機制御装置ＴＣＵによって制御されている。変速機制御装置ＴＣＵは、変速機構を動作させるための制御値をセンサや他制御装置などからの入力信号に基づいて演算する。この制御値は制御信号として変速機構の駆動装置に出力される。これにより、変速機Ｔ／Ｍの変速機構の動作が制御される。

バッテリＢＡＴはバッテリ電圧が２００ｖ以上の高電圧のリチウムイオンバッテリであり、バッテリ制御装置ＢＣＵによって充放電や寿命などが管理されている。バッテリ制御装置ＢＣＵには、バッテリの充放電や寿命などを管理するために、バッテリＢＡＴの電圧値及び電流値などが入力されている。尚、図示省略したが、バッテリとしては、バッテリ電圧１２ｖの低圧バッテリも搭載されており、制御系の電源、ラジオやライトなどの電源として用いられている。

エンジン制御装置ＥＣＵ，変速機制御装置ＴＣＵ，モータ制御装置ＭＣＵ及びバッテリ制御装置ＢＣＵは車載用ローカルエリアネットワークＬＡＮを介して相互に電気的に接続されていると共に、総合制御装置ＧＣＵと電気的に接続されている。これにより、各制御装置間では双方向の信号伝送が可能になり、相互の情報伝達，検出値の共有などが可能になる。総合制御装置ＧＣＵは、車両の運転状態に応じて各制御装置に指令信号を出力するものである。例えば総合制御装置ＧＣＵは、運転者の加速要求に基づいたアクセルの踏み込み量に応じて車両の必要トルク値を算出し、この必要トルク値を、エンジンＥＮＧの運転効率が良くなるように、エンジンＥＮＧ側の出力トルク値とモータジェネレータＭＧ１側の出力トルク値とに分配し、分配されたエンジンＥＮＧ側の出力トルク値をエンジントルク指令信号としてエンジン制御装置ＥＣＵに出力し、分配されたモータジェネレータＭＧ１側の出力トルク値をモータトルク指令信号としてモータ制御装置ＭＣＵに出力する。

次に、本実施例のハイブリッド自動車の動作について説明する。

ハイブリッド電気自動車の始動時，低速走行時（エンジンＥＮＧの運転効率（燃費）が低下する走行領域）は、モータジェネレータＭＧ１によって前輪ＦＬＷ，ＦＲＷを駆動する。尚、本実施例では、ハイブリッド電気自動車の始動時及び低速走行時、モータジェネレータＭＧ１によって前輪ＦＬＷ，ＦＲＷを駆動する場合について説明するが、モータジェネレータＭＧ１によって前輪ＦＬＷ，ＦＲＷを駆動し、モータジェネレータＭＧ２によって後輪ＲＬＷ，ＲＲＷを駆動するようにしてもよい（四輪駆動走行をしてもよい）。インバータ装置ＩＮＶにはバッテリＢＡＴから直流電力が供給される。供給された直流電力はインバータ装置ＩＮＶによって三相交流電力に変換される。これによって得られた三相交流電力はモータジェネレータＭＧ１の固定子巻線に供給される。これにより、モータジェネレータＭＧ１は駆動され、回転出力を発生する。この回転出力は動力分配機構ＰＳＭを介して変速機Ｔ／Ｍに入力される。入力された回転出力は変速機Ｔ／Ｍによって変速され、差動装置ＦＤＦに入力される。入力された回転出力は差動装置ＦＤＦによって左右に分配され、左右の前輪車軸ＦＤＳにそれぞれ伝達される。これにより、前輪車軸ＦＤＳが回転駆動される。そして、前輪車軸ＦＤＳの回転駆動によって前輪ＦＬＷ，ＦＲＷが回転駆動される。

ハイブリッド電気自動車の通常走行時（乾いた路面を走行する場合であって、エンジンＥＮＧの運転効率（燃費）が良い走行領域）は、エンジンＥＮＧによって前輪ＦＬＷ，ＦＲＷを駆動する。このため、エンジンＥＮＧの回転出力は動力分配機構ＰＳＭを介して変速機Ｔ／Ｍに入力される。入力された回転出力は変速機Ｔ／Ｍによって変速される。変速された回転出力は差動装置ＦＤＦを介して前輪車軸ＦＤＳに伝達される。これにより、前輪ＦＬＷ，ＦＲＷをＷＨ−Ｆが回転駆動される。また、バッテリＢＡＴの充電状態を検出し、バッテリＢＡＴを充電する必要がある場合は、エンジンＥＮＧの回転出力を、動力分配機構ＰＳＭを介してモータジェネレータＭＧ１に分配し、モータジェネレータＭＧ１を回転駆動する。これにより、モータジェネレータＭＧ１は発電機として動作する。この動作により、モータジェネレータＭＧ１の固定子巻線に三相交流電力が発生する。この発生した三相交流電力はインバータ装置ＩＮＶによって所定の直流電力に変換される。この変換によって得られた直流電力はバッテリＢＡＴに供給される。これにより、バッテリＢＡＴは充電される。

ハイブリッド電気自動車の四輪駆動走行時（雪道などの低μ路を走行する場合であって、エンジンＥＮＧの運転効率（燃費）が良い走行領域）は、モータジェネレータＭＧ２によって後輪ＲＬＷ，ＲＲＷを駆動する。また、上記通常走行と同様に、エンジンＥＮＧによって前輪ＦＬＷ，ＦＲＷを駆動する。さらに、モータジェネレータＭＧ１の駆動によってバッテリＢＡＴの蓄電量が減少するので、上記通常走行と同様に、エンジンＥＮＧの回転出力によってモータジェネレータＭＧ１を回転駆動してバッテリＢＡＴを充電する。モータジェネレータＭＧ２によって後輪ＲＬＷ，ＲＲＷを駆動するめに、インバータ装置ＩＮＶにはバッテリＢＡＴから直流電力が供給される。供給された直流電力はインバータ装置ＩＮＶによって三相交流電力に変換され、この変換によって得られた交流電力がモータジェネレータＭＧ２の固定子巻線に供給される。これにより、モータジェネレータMG2は駆動され、回転出力を発生する。発生した回転出力は、減速機ＲＧによって減速されて差動装置ＲＤＦの入力される。入力された回転出力は差動装置ＲＤＦによって左右に分配され、左右の後輪車軸ＲＤＳにそれぞれ伝達される。これにより、後輪車軸ＲＤＳが回転駆動される。そして、後輪車軸ＲＤＳの回転駆動によって後輪ＲＬＷ，ＲＲＷが回転駆動される。

ハイブリッド電気自動車の加速時は、エンジンＥＮＧとモータジェネレータＭＧ１によって前輪ＦＬＷ，ＦＲＷを駆動する。尚、本実施例では、ハイブリッド電気自動車の加速時、エンジンＥＮＧとモータジェネレータＭＧ１によって前輪ＦＬＷ，ＦＲＷを駆動する場合について説明するが、エンジンＥＮＧとモータジェネレータＭＧ１によって前輪FLW,ＦＲＷを駆動し、モータジェネレータＭＧ２によって後輪ＲＬＷ，ＲＲＷを駆動するようにしてもよい(四輪駆動走行をしてもよい)。エンジンＥＮＧとモータジェネレータＭＧ１の回転出力は動力分配機構ＰＳＭを介して変速機Ｔ／Ｍに入力される。入力された回転出力は変速機Ｔ／Ｍによって変速される。変速された回転出力は差動装置ＦＤＦを介して前輪車軸ＦＤＳに伝達される。これにより、前輪ＦＬＷ，ＦＲＷが回転駆動される。

ハイブリッド電気自動車の回生時（ブレーキを踏み込み時，アクセルの踏み込みを緩めた時或いはアクセルの踏み込みを止めた時などの減速時）は、前輪ＦＬＷ，ＦＲＷの回転力を前輪車軸ＦＤＳ，差動装置ＦＤＦ，変速機Ｔ／Ｍ，動力分配機構ＰＳＭを介してモータジェネレータＭＧ１に伝達し、モータジェネレータＭＧ１を回転駆動する。これにより、モータ・ジェネレータＭＧ１は発電機として動作する。この動作により、モータジェネレータＭＧ１の固定子巻線に三相交流電力が発生する。この発生した三相交流電力はインバータ装置ＩＮＶによって所定の直流電力に変換される。この変換によって得られた直流電力はバッテリＢＡＴに供給される。これにより、バッテリＢＡＴは充電される。一方、後輪ＲＬＷ，ＲＲＷの回転力を後輪車軸ＲＤＳ，差動装置ＲＤＦ，減速機ＲＧを介してモータジェネレータＭＧ２に伝達し、モータジェネレータＭＧ２を回転駆動する。これにより、モータジェネレータＭＧ２は発電機として動作する。この動作により、モータジェネレータＭＧ２の固定子巻線に三相交流電力が発生する。この発生した三相交流電力はインバータ装置ＩＮＶによって所定の直流電力に変換される。この変換によって得られた直流電力はバッテリＢＡＴに供給される。これにより、バッテリＢＡＴは充電される。

図３は、本実施例のインバータ装置ＩＮＶの構成を示す。

インバータ装置ＩＮＶは、前述したように、パワーモジュールＰＭＵ１，ＰＭＵ２、駆動回路装置ＤＣＵ１，ＤＣＵ２及びモータ制御装置ＭＣＵから構成されている。パワーモジュールＰＭＵ１，ＰＭＵ２は同一構成のものである。駆動回路装置ＤＣＵ１，ＤＣＵ２は同一構成のものである。

パワーモジュールＰＭＵ１，ＰＭＵ２は、バッテリＢＡＴから供給された直流電力を交流電力に変換して、それを対応するモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２に供給する変換回路（主回路ともいう）を構成している。また、変換回路は、対応するモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２から供給された交流電力を直流電力に変換してバッテリＢＡＴに供給することもできる。

変換回路はブリッジ回路であり、三相分の直列回路がバッテリＢＡＴの正極側と負極側との間に電気的に並列に接続されて構成されている。直列回路はアームとも呼ばれ、２つの半導体素子によって構成されている。

アームは相毎に、上アーム側のパワー半導体素子と下アーム側のパワー半導体素子とが電気的に直列に接続されて構成されている。本実施例では、パワー半導体素子として、スイッチング半導体素子であるＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）を用いている。ＩＧＢＴを構成する半導体チップは、コレクタ電極，エミッタ電極及びゲート電極の３つの電極を備えている。ＩＧＢＴのコレクタ電極とエミッタ電極との間にはＩＧＢＴとは別チップのダイオードが電気的に接続されている。ダイオードは、ＩＧＢＴのエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向になるように、ＩＧＢＴのエミッタ電極とコレクタ電極との間に電気的に接続されている。尚、パワー半導体素子とては、ＩＧＢＴの代わりにＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いる場合もある。この場合、ダイオードは省略される。

パワー半導体素子Ｔｐｕ１のエミッタ電極とパワー半導体素子Ｔｎｕ１のコレクタ電極が電気的に直列に接続されることにより、パワーモジュールＰＭＵ１のｕ相アームが構成されている。ｖ相アーム，ｗ相アームもｕ相アームと同様に構成されており、パワー半導体素子Ｔｐｖ１のエミッタ電極とパワー半導体素子Ｔｎｖ１のコレクタ電極が電気的に直列に接続されることにより、パワーモジュールＰＭＵ１のｖ相アームが、パワー半導体素子Ｔｐｗ１のエミッタ電極とパワー半導体素子Ｔｎｗ１のコレクタ電極が電気的に直列に接続されることにより、パワーモジュールＰＭＵ１のｗ相アームがそれぞれ構成されている。パワーモジュールＰＭＵ２についても、上述したパワーモジュールＰＭＵ１と同様の接続関係で各相のアームが構成されている。

パワー半導体素子Ｔｐｕ１，Ｔｐｖ１，Ｔｐｗ１，Ｔｐｕ２，Ｔｐｖ２，Ｔｐｗ２のコレクタ電極はバッテリＢＡＴの高電位側（正極側）に電気的に接続されている。パワー半導体素子Ｔｎｕ１，Ｔｎｖ１，Ｔｎｗ１，Ｔｎｕ２，Ｔｎｖ２，Ｔｎｗ２のエミッタ電極はバッテリＢＡＴの低電位側（負極側）に電気的に接続されている。

パワーモジュールＰＭＵ１のｕ相アーム（ｖ相アーム，ｗ相アーム）の中点（各アームの上アーム側パワー半導体素子のエミッタ電極と下アーム側パワー半導体素子のコレクタ電極との接続部分）は、モータジェネレータＭＧ１のｕ相（ｖ相，ｗ相）の固定子巻線に電気的に接続されている。

パワーモジュールＰＭＵ２のｕ相アーム（ｖ相アーム，ｗ相アーム）の中点（各アームの上アーム側パワー半導体素子のエミッタ電極と下アーム側パワー半導体素子のコレクタ電極との接続部分）は、モータジェネレータＭＧ２のｕ相（ｖ相，ｗ相）の固定子巻線に電気的に接続されている。

バッテリＢＡＴの正極側と負極側との間には、パワー半導体素子が動作することによって生じる直流電圧の変動を抑制するために、平滑用の電解コンデンサＳＥＣが電気的に接続されている。

駆動回路装置ＤＣＵ１，ＤＣＵ２は、モータ制御装置ＭＣＵから出力された制御信号にに基づいて、パワーモジュールＰＭＵ１，ＰＭＵ２の各パワー半導体素子を動作させる駆動信号を出力し、各パワー半導体素子を動作させる駆動部を構成するものであり、絶縁電源，インタフェース回路，駆動回路，センサ回路及びスナバ回路（いずれも図示省略）などの回路部品から構成されている。

モータ制御装置ＭＣＵは、マイクロコンピュータから構成された演算装置であり、複数の入力信号を入力し、パワーモジュールＰＭＵ１，ＰＭＵ２の各パワー半導体素子を動作させるための制御信号を駆動回路装置ＤＳＵ１，ＤＳＵ２に出力する。入力信号としてはトルク指令値τ＊１，τ＊２、電流検知信号ｉｕ１〜ｉｗ１，ｉｕ２〜ｉｗ２、磁極位置検知信号θ１，θ２が入力されている。

トルク指令値τ＊１，τ＊２は車両の運転モードに応じて上位の制御装置から出力されたものである。トルク指令値τ＊１はモータジェネレータＭＧ１に、トルク指令値τ＊２はモータジェネレータＭＧ２にそれぞれ対応する。電流検知信号ｉｕ１〜Ｉｗ１は、インバータ装置ＩＮＶの変換回路からモータジェネレータＭＧ１の固定子巻線に供給されるｕ相〜ｗ相の入力電流の検知信号であり、変流器（ＣＴ）などの電流センサによって検知されたものである。電流検知信号ｉｕ２〜Ｉｗ２は、インバータ装置ＩＮＶからモータジェネレータＭＧ２の固定子巻線に供給されたｕ相〜ｗ相の入力電流の検知信号であり、変流器（ＣＴ）などの電流センサによって検知されたものである。磁極位置検知信号θ１はモータジェネレータＭＧ１の回転の磁極位置の検知信号であり、レゾルバ，エンコーダ，ホール素子，ホールＩＣなどの磁極位置センサによって検知されたものである。磁極位置検知信号θ２はモータジェネレータＭＧ１の回転の磁極位置の検知信号であり、レゾルバ，エンコーダ，ホール素子，ホールＩＣなどの磁極位置センサによって検知されたものである。

モータ制御装置ＭＣＵは、入力信号に基づいて電圧制御値を演算し、この電圧制御値を、パワーモジュールＰＭＵ１,ＰＭＵ２のパワー半導体素子Ｔｐｕ１〜Ｔｎｗ１,Ｔｐｕ２〜Ｔｎｗ２を動作させるための制御信号（ＰＷＭ信号（パルス幅変調信号））として駆動回路装置ＤＣＵ１，ＤＣＵ２に出力する。

一般にモータ制御装置MCUが出力するPWM信号は、時間平均した電圧が正弦波になるようにしている。この場合、瞬時の最大出力電圧は、インバータの入力である直流ラインの電圧だから、正弦波の電圧を出力する場合には、その実効値は１／√２になる。そこで、本発明のハイブリッド車両では、限られたインバータ装置でさらにモータの出力をあげるために、モータの入力電圧の実効値を増やす。つまり、MCUのPWM信号が矩形波状にONとOFFしか無いようにする。こうすれば、矩形波の波高値はインバータの直流ラインの電圧Vdcとなり、その実効値はVdcとなる。これが最も電圧実効値を高くする方法である。

しかし、矩形波電圧は、低回転数領域ではインダクタンスが小さいために電流波形が乱れる問題があり、これによりモータに不要な加振力が発生し騒音が生じる。したがって、矩形波電圧制御は高速回転時のみ使用し、低周波数では通常のPWM制御を行う。

図１及び図２には、本実施例のモータジェネレータＭＧ１の構成を示す。

本実施例では、モータジェネレータＭＧ１として埋設型永久磁石式三相交流同期機を用いた場合を例に挙げ説明する。尚、本実施例では、モータジェネレータＭＧ１の構成について説明するが、モータジェネレータＭＧ２も同様の構成になっている。

図２に示すように、本実施例のモータジェネレータＭＧ１は、固定子１０と、この固定子１０の内周側に空隙３０を介して対向配置されて、回転可能に保持された回転子２０から構成されている。固定子１０及び回転子２０はハウジングに保持されている。ハウジングは図示省略している。

固定子１０は固定子鉄心１１及び固定子巻線１２を備えている。固定子鉄心１１は複数の磁性体、例えば複数の珪素鋼板を軸方向に積層して形成したものであり、ヨーク部（コアバック部ともいう）及びティース部（突出部或いは突極部ともいう）から構成されている。ヨーク部は、ハウジングの内周側に嵌合された円筒状のヨークコア１１ａ（コアバックともいう）から構成されている。ティース部は、ヨークコア１１ａの内周側から径方向に突出し、所定の間隔をもって周方向に複数配置された複数のティースコア１１ｂから構成されている。本実施例では、ヨークコア１１ａの内周側に４８個のティースコア１１ｂが形成されている。これにより、本実施例では、固定子磁極の極数が４８極の固定子１０が得られる。

隣接するティースコア１１ｂ間のそれぞれには、軸方向に連続すると共に、回転子２０側にスロット開口部１３ａを有する４８個のスロット１３が形成されている。４８個のスロット１３内にはスロット絶縁（図示省略）が設けられ、固定子巻線１２を構成するｕ相〜ｗ相の複数の相巻線が装着されている。本実施例では、固定子巻線１２の巻き方として分布巻を採用している。ここで、分布巻は、複数のスロット１３を跨いで離間した２つのスロット１３に相巻線が収納されるように、相巻線が固定子鉄心１１に巻かれる巻線方式である。本実施例では、巻線方式として分布巻を採用しているので、弱め界磁制御や、リラクタンストルクを活用して、低回転速度だけでなく高回転速度までの広い回転数範囲についての制御が可能となる。

回転子２０は回転子鉄心２１及び永久磁石２２を備えている。回転子鉄心２１は、複数の円環状の磁性体、例えば複数の円環状の珪素鋼板が軸方向に積層して形成されたものである。回転子鉄心２１の外周部には、周方向に等間隔で配置されると共に、軸方向一側端側から軸方向他側端側に貫通する８個の永久磁石挿入孔２９が形成されている。永久磁石挿入孔２９のそれぞれは、積層前に円環状の珪素鋼板のそれぞれの外周部の同一部位に同一形状，同一寸法，同数の開口部を形成しておくことにより、円環状の珪素鋼板を積層した際、必然的に形成される。

永久磁石挿入孔２９は磁極毎に周方向に２分割されている。各磁極の２分割された永久磁石挿入孔２９の間には、永久磁石挿入孔２９の固定子１０側にある回転子鉄心２１部分と、永久磁石挿入孔２９の回転子２０の中心軸側にある回転子鉄心２１部分とを機械的に接続するブリッジ部２８が設けられている。ブリッジ部２８は永久磁石挿入孔２９と同様に、軸方向に連続して設けられている。

永久磁石挿入孔２９のそれぞれには永久磁石２２が挿入されている。これにより、回転子鉄心２１の外周側内部に８個の永久磁石２２が埋め込まれた回転子２０が得られる。すなわち本実施例では、回転子磁極の極数が８極の回転子２０が得られる。このように、本実施例では、永久磁石２２を回転子鉄心２１の内部に埋め込んでいるので、回転子２０の遠心力に対する強度が増し、高速回転に適したモータジェネレータＭＧ１を得ることができる。

永久磁石挿入孔２９に合わせて永久磁石２２も磁極毎に、周方向に２分割されて永久磁石挿入孔２９に挿入されている。永久磁石２２は、磁極単位で隣接するもの同士が互いに逆極性となるように、周方向にＳ極のものとＮ極のものが永久磁石挿入孔２９に交互に挿入されている（同じ磁極内では同じ極性になっている）。これにより、隣接する永久磁石２２間のそれぞれにある回転子鉄心２１部分には補助磁極部２５が形成される。補助磁極部２５は、永久磁石２２の磁気回路をバイパスする磁気回路を構成するものであり、固定子１０の起磁力によって直接、磁束を回転子２０側に発生させる領域である。また、永久磁石２２のそれぞれの外周側の回転子鉄心２１部分には磁極片部２６が形成される。磁極
片部２６は、永久磁石２２の磁束が通る磁気回路を構成する領域である。

本実施例では、永久磁石２２の磁束によるトルクと、補助磁極部２５を通る磁束によるリラクタンストルクとを両方活用できるので、モータジェネレータＭＧ１の効率を向上させることができる。また、本実施例では、補助磁極部２５によって弱め界磁制御が可能になるので、モータジェネレータＭＧ１の高速運転領域を広げることができる。さらに、本実施例では、磁極片部２６が磁性体であるので、固定子磁極の脈動磁束を緩和することができる。

永久磁石２２には、ネオジウム系の焼結磁石やフェライト磁石，ネオジウム系のボンド磁石などを用いることができる。永久磁石２２の残留磁束密度はほぼ０.４〜１.２Ｔ程度である。永久磁石２２はほぼ径方向に着磁されている。周方向に２分割された二つの永久磁石２２の着磁方向もほぼ同じである。

回転子磁極１極当たり、６個のティースコア１１ｂが対向している。すなわち回転子磁極ｍと、ティースコア１１ｂの本数の関係は、ｍ：６ｍ（ｍは自然数）にある。

各回転子磁極における永久磁石２２の周方向両側端部には、磁気的な空隙部（スリット部）からなる１対の非磁性部２４が形成されている。非磁性部２４は、各回転子磁極における永久磁石２２の周方向両端部と補助磁極部２５との間の永久磁石２２の磁束密度分布の傾きを緩やかにするためのものであり、永久磁石挿入孔２９と一体に形成され、永久磁石挿入孔２９に永久磁石２２が挿入されたときに、永久磁石２２の周方向端部に隣接するように形成される。非磁性部２４も永久磁石挿入孔２９と同様に、軸方向の一方から他方に貫通している。非磁性部２４内にはワニスなどの充填材が充填されていても良い。非磁性部２４を設けた本実施例ではコギングトルクを減少させることができる。さらに、非磁性部２４の形成により、磁極片部２６と補助磁極部２５との間の境界に形成された磁路部２７の径方向の寸法を、永久磁石２２の径方向の幅よりも小さくでき、永久磁石２２の漏洩磁束を低減することができる。実際、磁路部２７の径方向寸法は、永久磁石２２の径方向幅の半分以下である。

非磁性部２４は台形状をしており、その固定子１０側辺部よりも回転子２０の中心軸側辺部の長さが短い。また、固定子１０側辺部と回転子２０の中心軸側辺部とを結ぶ補助磁極部２５側斜辺部と、固定子１０側辺部との間に形成された角部に、所定の曲率半径を有するｒをつけて、その形状を円弧状にしている。このようにすることにより、回転子２０の回転による遠心力によって、固定子１０側辺部と回転子２０の中心軸側辺部とを結ぶ補助磁極部２５側斜辺部と、固定子１０側辺部との間に形成された角部に作用する応力集中を緩和できる。

回転子２０の軸方向一側端側の回転軸上には、回転子２０の磁極（永久磁石２２）位置を検知するための磁極位置検知器（レゾルバ）と、回転子２０の位置を検知するためのエンコーダが設けられている。それらから出力された検出信号は、前述したインバータ装置ＩＮＶのモータ制御装置ＭＣＵに入力される。インバータ装置ＩＮＶは、入力された検知信号や、上位の制御装置などから出力された指令信号などに基づいて演算を行い、モータジェネレータＭＧ１の固定子巻線１２に印加されるべく電圧を制御する。モータジェネレータＭＧ１は、インバータ装置ＩＮＶで制御された電圧が固定子巻線１２に印加されることによって電動機として駆動される。

図５は、固定子巻線１２に通電していない無負荷状態での回転子２０の永久磁石２２が作る磁束の流れを示す。モータジェネレータＭＧ１が無負荷状態で回転させられると、固定巻線１２には誘起電圧が発生する。すなわち誘起電圧は、永久磁石２２の磁束が回転子２０の回転によって回転磁界を作り、これによる磁束が変化しながら固定子巻線１２に鎖交することによって生じるものである。

１対の磁路部２７における永久磁石２２の磁束の流れをみると、固定子１０に近い部分では磁束が回転子２０側から固定子１０側に出ているが、それよりも内側の領域では磁束が回転子鉄心２１の内部を回り込んで固定子１０側には出でいかず、漏れ磁束となっていることが分かる。

一般に永久磁石２２の磁束はＮ極からＳ極へ回り込むため、鉄心で囲まれた磁束は回転子２０の外には出て行かないが、磁路部２７の径方向の幅を狭くすることにより、その部分の磁束密度を飽和させることができ、空隙３０を介して回転子２０側から固定子１０側に磁束を渡すことができる。回転子鉄心２１は鉄なので、その飽和磁束密度が約２Ｔである。ここで、永久磁石２２の残留磁束密度が１Ｔ程度だとすれば、磁路部２７の径方向の幅ｙに対して、永久磁石２２の周方向端部からの周方向幅ｘが約２倍あれば磁路部２７の磁束密度は飽和することになる。つまり、永久磁石２２の周方向幅をｗとすれば、固定子１０側に有効に伝わる永久磁石２２の磁束φは、下記関係式で示す永久磁石２２の周方向幅分の磁束となる。
φ ∝ ｗ−ｘ＝ｗ−２×ｙ
永久磁石２２は、飽和した１対の磁路部２７よりも内側にある。従って、回転子２０から出て行く永久磁石２２の磁束は、１対の磁路部２７が回転子２０の周方向のどの位置にあるかによって変わってくる。

図６は、図１の回転子磁極１磁極分の空隙３０における永久磁石２２の磁束密度Ｂの径方向成分Ｂｒの分布を示す。図６では、図１の回転子磁極１磁極分の空隙３０の周方向位置（機械角θ）を横軸にとり、永久磁石２２の磁束密度Ｂの径方向成分Ｂｒを縦軸にとっている。尚、図６の分布図では、永久磁石２２の磁束密度Ｂの径方向成分Ｂｒの分布の５カ所のｃ点において低い値になっている。これは、その部分が、スロット開口部１３ａの場所にそれぞれ対応しているためである。

図６の分布図から判るように、永久磁石２２の磁束密度Ｂの径方向成分Ｂｒの分布形状はほぼ台形形状になっている。そして、永久磁石２２の磁束密度Ｂの径方向成分Ｂｒの分布のＡ点であって、台形の２つの底辺角の部分にあたる位置は、１対の磁路部２７の最小径方向幅部分の周方向位置と一致している。以上のことから、１対の磁路部２７の最小径方向幅部分の周方向位置が、空隙３０における永久磁石２２の磁束密度分布を決めていることが判る。

図７は、固定子巻線１２に誘起される誘起電圧波形を示す。尚、図７においては、空隙３０における永久磁石２２の磁束密度分布が台形状であり、永久磁石２２の周方向幅（ピッチ）τｐと、回転子磁極１磁極に対応する固定子巻線１２の周方向幅Ｃｐが同じとした場合を仮定している。固定子巻線１２に鎖交する磁束は、永久磁石２２の磁束密度Ｂの径方向成分Ｂｒの半周分の積分であり、磁束φとなる。そして、磁束φの微分が誘起電圧Ｅとなる。また、空隙３０の永久磁石２２の磁束密度の空間積分したφの時間微分が誘起電圧である。従って、この場合、空隙３０の永久磁石２２の磁束密度の空間分布と誘起電圧の時間変化の波形が同じになっていることが判る。すなわち誘起電圧の波形は、空隙３０の永久磁石２２の磁束密度分布の投影になる。

以上のことから、空隙３０における永久磁石２２の磁束密度の空間分布を変えることにより、誘起電圧の波形を調節できることが判る。このため、本実施例では、１対の磁路部２７の最小径方向幅部分の周方向位置を調節し、誘起電圧の波形を調節している。前述した背景技術では、本実施例とは異なり、誘起電圧の波形を、永久磁石の固定子側の周方向幅で決めているので、回転子２０に１対の非磁性部２４を有するものに対してそのまま適
用することができない。

また、本実施例では、永久磁石２２の周方向幅ｗは、１対の磁路部２７の最小径方向幅部分の周方向位置とは独立した関係にある。従って、本実施例では、設計の自由度が多くなり、永久磁石２２の周方向幅ｗの調節によって、誘起電圧の基本波成分の大きさを調節することができる。このことは、車両駆動用の永久磁石式回転電機にとって非常に重要な特徴となる。

ハイブリッド車両の連れ回り損について説明する。連れ回り損は主に磁石の磁束が固定子に鎖交することで、コアに発生する鉄損が問題となっている。これは、モータを駆動や発電に利用していない場合にも発生するので、車両の燃費を悪くしてしまう。そこで、車両用モータには連れ回り損が少ないことが要求される。

鉄損はほぼ、磁束密度の１．６〜２乗に比例することがよく知られている。固定子の平均的な磁束密度は磁石の周方向の長さに比例する。このため、鉄損は、磁石の周方向の長さの１．６〜２乗に比例することになる。従って、従来のように磁石幅を決めて誘起電圧波形を調節すると、連れ回り損を抑えたい場合には、小さな磁石幅を取ることになる。これが従来技術の問題である。

埋込磁石式モータのトルクは磁石トルクとリラクタンストルクの合計である。磁石トルクは上記のように磁石幅に比例するが、リラクタンストルクは縦軸（ｄ軸）インダクタンスLdと横軸（ｑ軸）インダクタンスLqの差に依って生じる。埋込磁石モータは一般にLq＞Ldである。これは磁石の透磁率がほぼ空気に等しいため、磁石の方向であるｄ軸インダクタンスの磁気抵抗が大きいためである。一方、ｑ軸インダクタンスは磁石間の補助突極を流れる磁束である。このため、磁石が小さいとｄ軸方向の磁気抵抗を小さくできないので、ｄ軸インダクタンスを小さくすることができない。それによりリラクタンストルクが小さくなってしまう場合があるからである。

一方、本発明では、磁石両端の非磁性部による最小磁路部の開き角を大きく取れ、ｄ軸インダクタンスを小さくしたままにできるので、ｄ軸とｑ軸のインダクタンスの差で生じるリラクタンストルクを大きく保つことができる。特許第３５０８８８７号に示されている方法では、磁石の両端に小さなギャップがあるが、これはあくまで磁石の端部の応力緩和のための補助構造であり、本発明のようにリラクタンストルクを活かすように十分に大きくする本発明とは本質的に異なる。本発明では、磁石の角部から直線部があり、その先に角のRを設けており、角部を含む曲率を規定している概発明とは異なる。

モータジェネレータＭＧ１はエンジンＥＮＧと協調するために、車両毎に最適な設計しなければならい。従って、本実施例のような回転子構造が重要である。例えば商用車用と乗用車では回転数領域が違うので、誘起電圧値も変わるし、モータジェネレータＭＧ１とエンジンＥＮＧとの間の駆動力分担率も変わってくる。このため、エンジン毎に、少しずつ異なるモータジェネレータＭＧ１が必要になる。前述した背景技術では、１対の磁路部の最小径方向幅部分の周方向位置と永久磁石の固定子側の周方向幅が一致するので、有効磁束の割合も一義に決まってしまい、設計の自由度が小さい。しかし、本実施例では、永久磁石２２の周方向幅ｗは、１対の磁路部２７の最小径方向幅部分の周方向位置とは独立した関係にあるので、有効磁束の割合（誘起電圧の基本波成分の大きさ）を永久磁石２２の周方向幅ｗで決め、誘起電圧のピーク値をは１対の磁路部２７の最小径方向幅部分の周方向位置で決めることができ、設計の自由度が大きい。

車両では、車内で使用できる電力が限られているので、できるだけ小型で軽量なシステムで高出力を得ることが重要である。図８は、ハイブリッド自動車駆動用モータに求められる速度−トルク特性を示す。通常のサーボモータなどに比べで、低速で大きなトルクが要求され、且つ高速まで高出力を維持する必要がある。

モータジェネレータＭＧ１の固定子巻線１２は、中性点を取ったＹ結線で結線され、インバータ装置ＩＮＶのパワーモジュールＰＭＵ１のパワー半導体素子に電気的に接続されている。このため、モータジェネレータＭＧ１を設計する場合、誘起電圧に対するパワー半導体素子やコンデンサＳＥＣの耐圧を考慮し、異常時や車両惰行時に車輪に連れ回されて発生する誘起電圧がそれらの耐圧を超えないようにする必要がある。特にパワー半導体素子の耐圧は誘起電圧のピーク電圧で決まり、異常時にも超えてはならない。また、パワー半導体素子は電流容量を持っており、小さい定格電流のパワー半導体素子の方が外寸も小さい。ハイブリッド自動車では軽量化が重要なため、定格電流の小さいパワー半導体素子を利用することが望ましいので、電流容量も制限される。

一方、永久磁石を用いたモータジェネレータＭＧ１において高出力を得るためには、永久磁石の磁束を最大限に有効に使うことが必要であるが、永久磁石の磁束が増えると誘起電圧も増えてしまうので、誘起電圧を制限する必要がある。誘起電圧の波形はモータジェネレータＭＧ１の回転数には依存せず、誘起電圧の振幅がモータジェネレータＭＧ１の回転数に比例する。パワー半導体素子の耐圧は誘起電圧のピーク電圧で決まるので、実際の設計では、モータジェネレータＭＧ１の最大回転時に誘起電圧のピーク値を制約した設計にする必要がある。図９から明らかなように、誘起電圧の基本波と誘起電圧のピーク電圧値は一定比のまま、回転電機の回転数に比例して増加する。

ところで、モータジェネレータＭＧ１の出力は、インバータ装置ＩＮＶから入力される電圧と電流の基本波成分に比例する。高調波成分は脈動となるが、平均的な出力には無関係である。また、永久磁石を用いたモータジェネレータＭＧ１の場合、トルクは電流に比例する。従って、誘起電圧のピーク値と誘起電圧の基本波の比が大きいと、誘起電圧の基本波の電圧を低く設計しなければならない。ハイブリッド自動車に用いられるモータジェネレータＭＧ１では、低速で大トルクを出す必要があるものの、高速時の誘起電圧制限に縛られてモータジェネレータＭＧ１の誘起電圧の基本波の電圧を低く設計すると、低速時にインバータ装置ＩＮＶから供給される電圧が低くなり、インバータ装置ＩＮＶから供給される電流が大きくなってしまう。このため、小型軽量のパワー半導体素子を使うことができなくなる。そこで、本実施例では、誘起電圧の基本波の電圧をなるべく高くし、誘起電圧のピーク電圧を低く抑えるようにした。

本実施例では、誘起電圧の基本波の電圧をなるべく高くし、誘起電圧のピーク電圧を低く抑えることができる最適寸法を実験により確認した。その結果を、図１０乃至図１５に示す。モータジェネレータＭＧ１は、回転子２０の磁極の極数が８、固定子２０のティースコア１１ｂ（スロット１３）の個数が４８であり、回転子磁極１磁極当たりの角度が機械角で４５°である。これに対して、１対の磁路部２７の最小径方向幅部分の周方向位置の開き角度θ（回転子２０の中心軸に対する開き角度（機械角））を変えて誘起電圧の波形を計算した。

図１０及び図１１は、永久磁石２２の固定子２０側の周方向幅が回転子２０の中心軸に対してなす角度φを、１対の磁路部２７の最小径方向幅部分の開き角度θの０.７ 倍とした場合である。図１０から明らかなように、１対の磁路部２７の最小径方向幅部分の開き角度θが３２°から３４°の場合、誘起電圧のピーク電圧値は高くなるが、１対の磁路部２７の最小径方向幅部分の開き角度θが２８°と４２°の場合、誘起電圧のピーク電圧値は小さく抑えられている。尚、この時、永久磁石２２の固定子２０側の周方向幅の角度φは１９.６°と２９.４°になる。

図１１には、図１０の誘起電圧の基本波成分と誘起電圧のピーク値との比（抑尖率）を示す。抑尖率が大きい方が誘起電圧の基本波の含まれる割合が多くなり、誘起電圧の基本波成分の電圧を大きくできる。図１１から明らかなように、１対の磁路部２７の最小径方向幅部分の開き角度θが２８°と４２°のところで、誘起電圧の基本波の含まれる割合が多くなっている。

図１２及び図１３は、永久磁石２２の固定子２０側の周方向幅が回転子２０の中心軸に対してなす角度φを、１対の磁路部２７の最小径方向幅部分の開き角度θの０.８ 倍とした場合である。この場合、１対の磁路部２７の最小径方向幅部分の開き角度θが２６°〜２８°の場合と、３８°〜４２°の場合、誘起電圧のピーク電圧値は小さく抑えられており、抑尖率も大きくなっている。尚、この時、永久磁石２２の固定子２０側の周方向幅の角度φは２０.８°〜２２.４°，３０.４〜３３.６になる。

図１４及び図１５は、永久磁石２２の固定子２０側の周方向幅が回転子２０の中心軸に対してなす角度φを、１対の磁路部２７の最小径方向幅部分の開き角度θの０.９ 倍とした場合である。この場合、１対の磁路部２７の最小径方向幅部分の開き角度θが２６°の場合と、３８°〜４２°の場合、誘起電圧のピーク電圧値は小さく抑えられており、抑尖率も大きくなっている。尚、この時、永久磁石２２の固定子２０側の周方向幅の角度φは２３.４°，３４.２〜３７.８になる。

尚、永久磁石２２の固定子２０側の周方向幅が回転子２０の中心軸に対してなす角度φを、１対の磁路部２７の最小径方向幅部分の開き角度θの０.７ 倍よりも小さいと、永久磁石２２の有効磁束が減り過ぎる。一方、０.９ 倍よりも大きいと、１対の非磁性部２４の効果が小さくなり過ぎる。従って、ハイブリッド自動車を駆動するのに好適な特性を満足するモータジェネレータＭＧ１を得るためには、永久磁石２２の固定子２０側の周方向幅が回転子２０の中心軸に対してなす角度φを、１対の磁路部２７の最小径方向幅部分の開き角度θの０.７〜０.９倍の範囲に設定するのが好ましい。最も好ましいのは、１対の磁路部２７の最小径方向幅部分の開き角度θの０.８５倍である。

以上まとめると、ハイブリッド自動車を駆動するのに好適な特性を満足するモータジェネレータＭＧ１を得るためには、１対の磁路部２７の最小径方向幅部分の開き角度θを２６〜２８°或いは３８〜４２°とし、、永久磁石２２の固定子２０側の周方向幅が回転子２０の中心軸に対してなす角度φを１９.６〜２３.４°或いは２９.４〜３７.８°とすることがよい。

尚、上記角度はいずれも機械角である。それらを電気角で示す場合には、回転子２０の磁極数が８極であるので、それらを４倍すればよい。以上のことから、１対の磁路部２７の最小径方向幅部分の開き角度θは電気角で１０４〜１１２°或いは１５２〜１６８°である。永久磁石２２の固定子２０側の周方向幅が回転子２０の中心軸に対してなす角度φは電気角で７２.８〜１００.８°或いは１０６.４〜１５１.２°である。

また、１対の磁路部２７の最小径方向幅部分の開き角度θを一般式化すると、次式により、
θ≒（ｎ＋０.５）×τｓ（ｎは自然数）
表すことができる。尚、τｓは、隣接するティースコア１１ａの中心軸間の周方向ピッチであり、回転子２０の中心軸に対してなす角度を示す。

以上の本実施例の説明では、８極４８スロットのモータジェネレータＭＧ１について説明したが、回転子２０の磁極の極数ｍとティースコア１１ａの個数とがｍ：６ｍ（ｍは自然数）の関係にある回転電機において、上記角度は常に同じように成立する。

ハイブリッド自動車駆動用のモータジェネレータＭＧ１は最大で１００００rpm 程度の高速で回るため、回転子に働く遠心力に対して十分な強度が必要である。永久磁石を従来のように分割していない永久磁石式回転電機では、図１６の左側のように、遠心力が永久磁石に対して矢印の方向に働き、径方向の寸法が最も小さい磁路部２７に応力が集中する。磁気的には、磁路部２７の径方向幅ｙを小さくし、永久磁石の漏れ磁束を小さくすることが望ましいが、このような機械的制約を受けるため、磁路部２７をあまり狭くすることができない。従って、従来の回転子構造では、磁路部２７における永久磁石の漏れ磁束が多く、その分、回転電機のトルクが小さくなる。

これに対して本実施例では、回転子２０の磁極単位で永久磁石２２を周方向に２分割して、それらの間に前述したブリッジ部２８を設け、応力集中を緩和している。ここで、磁路部２７に働く遠心力をＦ，永久磁石２２の重量をｍ，回転子２０の回転数をＮとしたとき、
Ｆ ∝ １／２ｍＮ2となり、磁路部２７に働く応力Ｓは、磁路部２７の径方向幅をｙとすると、
Ｓ ∝ １／ｙ
となる。

永久磁石２２を周方向に２分割した場合、永久磁石２２の重量が半分になるので、遠心力Ｆは半分になる。従って、遠心力による応力Ｆを同じに保てば、磁路部２７の径方向幅ｙを半分にすることができる。

また、回転子鉄心２１の飽和磁束密度を２Ｔ、永久磁石２２の残留磁束密度を１Ｔとすると、磁路部２７において、磁路部２７の径方向幅ｙの２倍の永久磁石周方向幅分の磁束が回転子鉄心２１の内部に漏れる。この漏れ磁束は永久磁石２２の周方向両端にある。前述した永久磁石２２の有効磁束φの関係式を考慮すると、従来の永久磁石式回転電機では有効磁束φ１が、
φ１ ∝ ｗ−２×（２×ｙ）＝ｗ―４×ｙ
となる。

一方、本実施例のモータジェネレータＭＧ１では、ブリッジ部２８にも永久磁石の磁束が漏れる。ここで、ブリッジ部２８の周方向幅をｙ／２にすると、本実施例のモータジェネレータＭＧ１では有効磁束φ２が、
φ１ ∝ ｗ−３×（２×ｙ／２）＝ｗ−３×ｙ
となる。

この結果、本実施例のモータジェネレータＭＧ１の方が、永久磁石２２の漏れ磁束が少なくなるということができる。これにより、本実施例では、遠心力による応力集中を緩和しながら、従来の永久磁石式回転電機よりも高出力を得ることができる。

尚、本実施例では、ブリッジ部２８の周方向幅をｙ／２としたが、実際にはもっと小さくできる。すなわち磁路部２７に働く応力は曲げ応力であり、一方、ブリッジ部２８に働く応力は引っ張り応力である。金属材料の特性として、引っ張り強度の方が曲げ強度よりも大きい。従って、実際のブリッジ部２８の周方向幅は磁路部２７の径方向幅ｙよりも小さくできる。

さらに、ブリッジ部２８の飽和する磁路が長いため、同じ磁路幅でも磁路部２７よりも磁気抵抗を大きくすることができる。このため、実際の漏れ磁束はさらに少なくなる。磁路部２７の磁気抵抗を大きくするために、磁路部２７の周方向の長さ大きくすると、回転子周方向に、等価的に非磁性部が増えることになり、トルクに対して無効な部分が増えてしまうことになる。また、永久磁石２２の周方向幅を確保できなくなる。このため、回転子の強度を確保しつつ磁気抵抗を大きくするための方法としては、ブリッジ部２８の径方向の長さを大きくすることが有効である。

さらに、ブリッジ部２８を設けることによって総合的な効果がある。永久磁石式回転電機を使うシステム毎に永久磁石式回転電機の回転子外径と固定子外径には最適な値が存在する。しかし、回転子の強度に制約があると、回転子の径を小さくして遠心力を弱めなければならない。これにより、永久磁石回転電機の総合的な特性が低下する。一方、本実施例では、ブリッジ部２８の効果により、モータジェネレータＭＧ１の総合的な特性を向上させることができる。

前述したように、本実施例では、非磁性部２４の形状を台形としている。このため、本実施例では、図１７に示すように、非磁性部２４の固定子１０側の辺部の長さをａ、回転子２０の中心軸側の辺部の長さｂとしたとき、
ｂ／ａ≦１
となる。この結果、本実施例では、リラクタンストルクを増やすことができる。この理由について以下、図１７乃至図２０を用いて説明する。

リラクタンストルクは、ｄ軸磁束とｑ軸磁束との流れ易さの差で発生する。ここで、永久磁石を回転子鉄心の内部に埋め込んだ永久磁石回転電機では、ｄ軸方向に、空気とほぼ等しい比透磁率を有する永久磁石が存在するので、ｄ軸磁束は流れ難い。一方、ｑ軸方向には、鉄心である補助磁極部２５が存在するので、ｑ軸磁束は流れ易い。

図１８は、１対の磁路部２７の最小径方向幅部分の開き角度θを機械角で３８°とした場合における磁束の流れを示す。この磁束は、固定子巻線１２に流れる電流が作る磁束であり、リラクタンストルクを発生させている状態における流れを示す。図１８の左側は図１７において定義したｂ／ａが１.０ の場合であり、右側は０の場合である。ｂ／ａ＝１の場合には、非磁性部２４の回転子２０の中心軸側が、周方向に隣接する別の磁極と接近しているため、磁束の流れがゆがんで磁束密度も高くなっている。従って、図１８の左側のものではｑ軸磁束が通り難く、その分、リラクタンストルクが小さい。一方、ｂ／ａ＝０の場合には、非磁性部２４を三角状に削ってあるため、磁束の流れが滑らかあり、ｑ軸磁束が多くなる。このため、ｂ／ａ＝０の場合の方が、ｂ／ａ＝１の場合よりも約２０％リラクタンストルクが大きくなる。

図１９は、１対の磁路部２７の最小径方向幅部分の開き角度θを機械角で２８°とした場合における磁束の流れを示す。図１９の左側は図１７において定義したｂ／ａが０.８の場合であり、右側は０の場合である。この場合、リラクタンストルクはｂ／ａ＝０.８の場合に最も大きい。一方、ｂ／ａ＝０の場合は、ｑ軸磁束は流れ易いが、１対の磁路部２７の最小径方向幅部分の開き角度θが小さいので、ｄ軸磁束も流れ易くないり、ｄ軸磁束が増えた分、リラクタンストルクが減少する。

以上の関係をまとめたものを図２０に示す。図２０から明らかなように、１対の磁路部２７の最小径方向幅部分の開き角度θを機械角で３８°とし、ｂ／ａ≦１とすることにより、リラクタンストルクを増やすことができる。特にｂ／ａを０〜０.３ とすることが望ましい。

また、本実施例では、図１７に示すように、非磁性部２４の径方向の幅を永久磁石挿入孔２９の径方向幅よりもｚ分だけ小さくしている。これにより、永久磁石挿入孔２９の周方向両端部にはエッジが形成される。従って、永久磁石２２を永久磁石挿入孔２９に挿入した際、そのエッジを活用して永久磁石挿入孔２９に永久磁石２２を容易に固定することができる。

図２１及び図２２に変形例を示す。この変形例では、周方向に２分割した永久磁石２２の磁極中央側を磁極端部側よりも固定子１０側に片寄るように、周方向に２分割した永久磁石２２を回転子鉄心２１の内部に配置したものである。これにより、磁路部２７の曲率を下げることができ、さらに応力集中を緩和することができる。周方向に２分割した永久磁石２２が直線上、あるいは中央が内径側に傾けてＶ字型にすると、永久磁石２２に働く遠心力は、より外周側に集中することになり、磁路部２７への応力集中が大きくなる。しかし、本例のように傾けることにより、ブリッジ部２８が磁路部２７よりも固定子１０側になるので、磁路部２７とブリッジ部２８の受け持つ遠心力が均等に近づき、より応力集中を小さくすることができる。

尚、図２１の例では、周方向に２分割した永久磁石２２の磁極中央側端部に、磁気的空隙からなる非磁性部４０，４１を形成している。

図２３乃至図２６に変形例を示す。図２３の変形例では、ブリッジ部２８に加え、永久磁石２２の周方向両端部と非磁性部２４との間にもブリッジ部４４を設けている。図２４の変形例では、永久磁石２２を周方向に３分割し、それぞれの間にブリッジ部２８を設けている。図２５の変形例では、永久磁石２２の周方向両端部と非磁性部２４との間にブリッジ部４４を設けている。図２６の変形例では、図２４の変形例を図２１及び図２２と同様に、固定子１０側に片寄るように、永久磁石２２を回転子鉄心２１の内部に配置している。いずれの変形例も、ブリッジを増やしたことで、磁路部２７の径方向幅を狭くすることができ、永久磁石２２の有効磁束を増やすことができる。

次に、図２７〜図３８を用いて、固定子巻線の巻回方法を集中巻とした場合の他の実施例について説明する。

最初に、図２７及び図２８を用いて、本発明の他の実施例による２０極２４ティースの集中巻のモータジェネレータＭＧ１の構成について説明する。なお、インバータ装置の回路構成は、図３と同様である。本実施例のモータジェネレータが適用されるハイブリッド自動車の構成は、図４と同様である。
図２７は、本発明の他の実施例であるモータジェネレータＭＧ１の構成を示す断面図である。図２８は、本発明の他の実施例であるモータジェネレータＭＧ１の構成を示す断面図であり、図２７の要部拡大断面図である。

本実施例では、モータジェネレータＭＧ１として埋設型永久磁石式三相交流同期機を用いた場合を例に挙げ説明する。尚、本実施例では、モータジェネレータＭＧ１の構成について説明するが、モータジェネレータＭＧ２も同様の構成になっている。

図２７に示すように、本実施例のモータジェネレータＭＧ１は、固定子１０と、この固定子１０の内周側に空隙３０（図２８）を介して対向配置されて、回転可能に保持された回転子２０から構成されている。固定子１０及び回転子２０はハウジングに保持されている。ハウジングは図示省略している。

固定子１０は、固定子鉄心１１及び固定子巻線１２を備えている。固定子鉄心１１は、複数の磁性体、例えば複数の珪素鋼板を軸方向に積層して形成したものであり、ヨーク部（コアバック部ともいう）及びティース部（突出部或いは突極部ともいう）から構成されている。ヨーク部は、ハウジングの内周側に嵌合された円筒状のヨークコア１１ａ（コアバックともいう）から構成されている。ティース部は、ヨークコア１１ａの内周側から径方向に突出し、所定の間隔をもって周方向に複数配置された複数のティースコア１１ｂから構成されている。本実施例では、ヨークコア１１ａの内周側に２４個のティースコア１１ｂが形成されている。

隣接するティースコア１１ｂ間のそれぞれには、軸方向に連続すると共に、回転子２０側にスロット開口部１３ａ（図２８）を有する２４個のスロット１３（図２８）が形成されている。２４個のスロット１３内にはスロット絶縁（図示省略）が設けられ、固定子巻線１２を構成するｕ相〜ｗ相の複数の相巻線が装着されている。本実施例では、固定子巻線１２の巻き方として集中巻を採用している。ここで、集中巻は、一つのティースの周りに集中的に固定子巻線を巻回する方式であり、ティースの両側の２つのスロット１３に相巻線が収納されるように、相巻線が固定子鉄心１１に巻かれる巻線方式である。本実施例では、巻線方式として集中巻を採用しているので、分布巻に比べて固定子巻線のコイルエンド部の長さを短くできるため、回転電機の軸方向の長さを短くでき、回転電機を小型化することができる。

回転子２０は、回転子鉄心２１及び永久磁石２２を備えている。回転子鉄心２１は、複数の円環状の磁性体、例えば複数の円環状の珪素鋼板が軸方向に積層して形成されたものである。回転子鉄心２１の外周部には、周方向に等間隔で配置されると共に、軸方向一側端側から軸方向他側端側に貫通する２０個の永久磁石挿入孔２９が形成されている。永久磁石挿入孔２９のそれぞれは、積層前に円環状の珪素鋼板のそれぞれの外周部の同一部位に同一形状，同一寸法，同数の開口部を形成しておくことにより、円環状の珪素鋼板を積層した際、必然的に形成される。

以上の構成により、回転子の永久磁石の極数が２０極で、固定子のティースの数が２４個の２０極２４ティースの集中巻で永久磁石内蔵式の回転電機が構成される。

次に、図２８に詳細に示すように、永久磁石挿入孔２９は、磁極毎に周方向に２分割されている。各磁極の２分割された永久磁石挿入孔２９の間には、永久磁石挿入孔２９の固定子１０側にある回転子鉄心２１部分と、永久磁石挿入孔２９の回転子２０の中心軸側にある回転子鉄心２１部分とを機械的に接続するブリッジ部２８が設けられている。ブリッジ部２８は、永久磁石挿入孔２９と同様に、軸方向に連続して設けられている。

永久磁石挿入孔２９のそれぞれには、永久磁石２２が挿入されている。これにより、回転子鉄心２１の外周側内部に、２分割された２０個の永久磁石２２が埋め込まれた回転子２０が得られる。すなわち本実施例では、回転子磁極の極数が２０極の回転子２０が得られる。このように、本実施例では、永久磁石２２を回転子鉄心２１の内部に埋め込んでいるので、回転子２０の遠心力に対する強度が増し、高速回転に適したモータジェネレータＭＧ１を得ることができる。

永久磁石挿入孔２９に合わせて永久磁石２２も磁極毎に、周方向に２分割されて永久磁石挿入孔２９に挿入されている。永久磁石２２は、磁極単位で隣接するもの同士が互いに逆極性となるように、周方向にＳ極のものとＮ極のものが永久磁石挿入孔２９に交互に挿入されている（同じ磁極内では同じ極性になっている）。これにより、隣接する永久磁石２２間のそれぞれにある回転子鉄心２１部分には、補助磁極部２５が形成される。補助磁極部２５は、永久磁石２２の磁気回路をバイパスする磁気回路を構成するものであり、固定子１０の起磁力によって直接、磁束を回転子２０側に発生させる領域である。また、永久磁石２２のそれぞれの外周側の回転子鉄心２１部分には、磁極片部２６が形成される。磁極
片部２６は、永久磁石２２の磁束が通る磁気回路を構成する領域である。

本実施例では、永久磁石２２の磁束によるトルクと、補助磁極部２５を通る磁束によるリラクタンストルクとを両方活用できるので、モータジェネレータＭＧ１の効率を向上させることができる。また、本実施例では、補助磁極部２５によって弱め界磁制御が可能になるので、モータジェネレータＭＧ１の高速運転領域を広げることができる。さらに、本実施例では、磁極片部２６が磁性体であるので、固定子磁極の脈動磁束を緩和することができる。

永久磁石２２には、ネオジウム系の焼結磁石やフェライト磁石，ネオジウム系のボンド磁石などを用いることができる。永久磁石２２の残留磁束密度はほぼ０.４〜１.２Ｔ程度である。永久磁石２２はほぼ径方向に着磁されている。周方向に２分割された二つの永久磁石２２の着磁方向もほぼ同じである。

各回転子磁極における永久磁石２２の周方向両側端部には、磁気的な空隙部（スリット部）からなる１対の非磁性部２４が形成されている。非磁性部２４は、各回転子磁極における永久磁石２２の周方向両端部と補助磁極部２５との間の永久磁石２２の磁束密度分布の傾きを緩やかにするためのものであり、永久磁石挿入孔２９と一体に形成され、永久磁石挿入孔２９に永久磁石２２が挿入されたときに、永久磁石２２の周方向端部に隣接するように形成される。非磁性部２４も永久磁石挿入孔２９と同様に、軸方向の一方から他方に貫通している。非磁性部２４内にはワニスなどの充填材が充填されていても良い。非磁性部２４を設けた本実施例ではコギングトルクを減少させることができる。さらに、非磁性部２４の形成により、磁極片部２６と補助磁極部２５との間の境界に形成された磁路部２７の径方向の寸法を、永久磁石２２の径方向の幅よりも小さくでき、永久磁石２２の漏洩磁束を低減することができる。実際、磁路部２７の径方向寸法は、永久磁石２２の径方向幅の半分以下である。

非磁性部２４は台形状をしており、その固定子１０側辺部よりも回転子２０の中心軸側辺部の長さが短い。また、固定子１０側辺部と回転子２０の中心軸側辺部とを結ぶ補助磁極部２５側斜辺部と、固定子１０側辺部との間に形成された角部に、所定の曲率半径を有するｒをつけて、その形状を円弧状にしている。このようにすることにより、回転子２０の回転による遠心力によって、固定子１０側辺部と回転子２０の中心軸側辺部とを結ぶ補助磁極部２５側斜辺部と、固定子１０側辺部との間に形成された角部に作用する応力集中を緩和できる。

回転子２０の軸方向一側端側の回転軸上には、回転子２０の磁極（永久磁石２２）位置を検知するための磁極位置検知器（レゾルバ）と、回転子２０の位置を検知するためのエンコーダが設けられている。それらから出力された検出信号は、前述したインバータ装置ＩＮＶのモータ制御装置ＭＣＵに入力される。インバータ装置ＩＮＶは、入力された検知信号や、上位の制御装置などから出力された指令信号などに基づいて演算を行い、モータジェネレータＭＧ１の固定子巻線１２に印加されるべく電圧を制御する。モータジェネレータＭＧ１は、インバータ装置ＩＮＶで制御された電圧が固定子巻線１２に印加されることによって電動機として駆動される。

ここで、磁石挿入穴２９と、回転子鉄心２１の外周がなす，最小の幅になる磁路部２７の最小径方向幅部分との開き角度θは、電気角で１４５度である。

次に、図２９〜図３１を用いて、２０極２４ティースの集中巻回転電機の開き角度θと、誘起電圧波形の関係について説明する。なお、２０極２４ティースは、電気的には、１０極１２ティースの２回繰り返しであるので、１０極１２ティースの場合も同様である。
図２９は、本発明の他の実施例である２０極２４ティースの集中巻モータジェネレータにおける開き角と誘起電圧波形の関係図である。図３０は、図２９に示した誘起電圧波形の抑尖率の説明図ある。図３１は、図２９に示した誘起電圧波形の単位磁石当たりの実効値の説明図である。

図２９に示すように、モータの開き角度とこのモータの誘起電圧波形の関係はなる。図２９において、横軸は時間を示し、縦軸は誘起電圧電圧を示している。また、図の右側に例示するように、モータの開き角度θを電気角１００度〜１５５度とした場合の誘起電圧波形を示している。

図２９から分かるように、開き角度θが小さいと電圧自体が小さく、また、波形の先端が尖っている。電気角１３０度の場合以上では波形の先端が平坦であり、電圧ピークが抑えられているために、基本波成分が多い。モータ設計では、最大回転数における誘起電圧のピークがインバータの耐電圧を超えないようにするので、この波形を持つモータは、インバータと組み合わせた場合に高出力なモータとなる。

すなわち、モータの制御回路であるインバータは、小型化のために電流を小さくする必要がある。しかし、これには磁石モータ特有の、連れ回された場合に発生する誘起電圧の問題がある。ハイブリッド車の場合には、モータが惰行している場合の誘起電圧は、制御回路であるインバータのスイッチング素子の耐圧を超えてはならない。そこで、最大車速の場合のモータ電圧を低く設計すると、例えば固定子コイルの巻数を少なくすると、低速、低電圧時にインバータの最大出力電流でだせるトルクが減少する。制御回路の耐圧はピーク電圧で決まり、モータトルクや出力は電圧の基本波で決まる。このため、図２９に示した電気角１３０度以上の場合のように、誘起電圧波形のピーク値を抑えながら、電圧の基本波成分を上げることで、高出力なモータを得ることができる。

図３０は、電圧のピーク値と基本波振幅の比を取った抑尖率を示している。電気角１２０度で急激に下がっているため、電気角１３０度以上が良いことが分かる。

また、図３１は、磁石量当たりの誘起電圧の実効値を示している。磁石は高価な材料なので、この表はコストパフォーマンスの優れたモータの指標となる。これも電気角１３０度以下で急激に下がっており、磁石量が無駄になっていることが分かる。

したがって、図２９〜図３１にて説明した理由により、２０極２４ティースの集中巻の回転電機にあっては、開き角度θを電気角を１３０度以上とすることが良いものである。

次に、図３２及び図３３を用いて、２０極２４ティースの集中巻回転電機の開き角度θを電気角１３０度とした場合と、電気角１５５度とした場合の回転電機の構成について説明する。
図３２は、本発明の他の実施例である２０極２４ティースの集中巻モータジェネレータにおいて、開き角θを電気角１３０度とした場合の構成を示す断面図である。図３３は、本発明の他の実施例である２０極２４ティースの集中巻モータジェネレータにおいて、開き角θを電気角１５５度とした場合の構成を示す断面図である。

図３２に示すように、開き角度θが、電気角１３０度の場合、磁石の極と極の間に十分な空間があり、十分な大きさの補助突極が形成される。この極と極の中心には回転子に非磁性部が無いため、磁束が最も流れやすくなっており、これにより補助突極が形成され、リラクタンストルクを期待することができる。従って、補助突極の大きさの観点からも、開き角度θを電気角を１３０度以上とすることが有効である。

一方、図３３に示すように、開き角度θが、電気角１５５度の場合、磁石の極と極の間には、補助突極は形成されているが、これ以上開き角度θが広いと、隣の極と重なるためにこれ以上広くはできないことが分かる。

従って、回転子のレイアウトの観点からすると、開き角度θは、電気角１３０度から１５５度の間が最適であり、また磁石も有効に利用できることが分かる。

１対の磁路部２７の最小径方向幅部分の開き角度θを一般式化すると、次式により、
θ≒（ｎ＋０.９〜１．２）×τｓ（ｎは０以上の整数）
と表すことができる。尚、τｓは、隣接するティースコア１１ａの中心軸間の周方向ピッチであり、回転子２０の中心軸に対してなす角度を示す。ただし、集中巻の場合、永久磁石の極数に対して、スロットの数（ティースの数）が１．５倍以上とはならないため、ｎ＝０となる。

以上の説明は１０極１２ティース系の電気的組合せのモータについて説明したが、これ以外の電気的組合せのモータについても利用できる。例えば、３相モータの場合、極数をｐ、ティース数をｔとしたｐ：ｔの比が２：３、４：３、８：９、１０：９、１４：１２、１４：１５、１６：１５、１４：１８、２２：１８、１６：２１、２０：２１、２２：２１、２６：２１、２２：２４、２６：２４などである。

次に、図３４を用いて、本実施例によるモータジェネレータＭＧ１を用いたハイブリッド自動車の駆動源の構成について説明する。
図３４は、本発明の他の実施例によるモータジェネレータＭＧ１を用いたハイブリッド自動車の駆動源の構成を示すブロック図である。

モータジェネレータＭＧ１は、固定子１０と、固定子１０の内周側に回転可能に保持された回転子２０とから構成される。回転子２０の内周側には、空間が設けられ、この空間内に、遊星ギアＰＧからなる減速機と、クラッチＣＬが配置される。モータジェネレータＭＧ１の駆動力は、遊星ギアＰＧによって減速され、クラッチＣＬに伝達される。エンジンＥＮＧ及びモータジェネレータＭＧ１の駆動力は、図４に示した動力分配機構ＰＳＭ及び変速機Ｔ／Ｍを介して、ゼンリンＦＬＷ，ＦＲＷに伝達される。

このように、モータジェネレータＭＧ１の内周側に、遊星ギアやクラッチなどの駆動系部品を組み込む場合、モータジェネレータＭＧ１の回転子の内周側には、駆動系部品を組み込むための空間が必要となる。すなわち、半径方向に扁平なモータジェネレータの構造となる。そして、この空間に、遊星ギアやクラッチを配置することでシステムとして小型化することができる。

このような構成の場合、固定子１０の外径と回転子２０の内径の半径方向の幅が小さくなる。特に、固定子のコアバックや回転子の磁石内周側ヨークが薄くなる。このような形状を実現するため、モータジェネレータＭＧ１の回転子に用いる永久磁石の極数を多くすると効果的である。

ここで、図３５と図３６を用いて、２０極２４ティースの集中巻回転電機の場合と、１０極１２ティースの集中巻回転電機の場合の磁束線について説明する。
図３５は、本発明の他の実施例における２０極２４ティースの集中巻回転電機の磁束線図である。図３６は、本発明の他の実施例における１０極１２ティースの集中巻回転電機の磁束線図である。

図３５と図３６を比較して分かるように、１０極の場合に比べて、２０極の場合の方が、固定子のコアバック厚さを小さくすることができ（Ａ１＜Ａ２）、また、回転子の磁石内周側のコアの径方向厚さを小さくすることができる（Ｂ１＜Ｂ２）。その結果、２０極の場合の回転子の内周の空間の半径Ｒ１は、１０極の場合の回転子の内周の空間の半径Ｒ２よりも大きくできる（Ｒ１＞Ｒ２）。これは、図３５と図３６に示すモータの磁束線から分かるように、多極モータの磁束は小さく回り込むためである。

さらに、極数が多いと固定子コアバックＡ１が薄い分だけ、回転子の半径を大きく取ることができるため（Ｄ１＞Ｄ２）、１０極よりも２０極の方が高トルク化できる。

また、図３５と図３６の回転子の構図から容易に分かるように、極数が多い方が磁石が分割されてブリッジの数が増えるため、遠心力に対する機械強度が上がる。換言すると、同じ磁束を発生させる場合、極数が多くなると、一つの磁石を小型化できるため、遠心力に対する機械強度が上がる。

また、２０極モータは１０極モータに比べて減磁しにくいため、磁石の厚さを減らすことができ、低コスト化できる。減磁しにくい理由を以下に述べる。固定子の作る磁界が磁石の着磁方向と正反対であり、その強さがある一定以上の値になると磁石は減磁する。磁石は減磁しないようにある程度の厚さを必要とする。２０極モータは１０極モータに比べて２倍のスロット数があるため、１スロット当たりの起磁力は約半分になるので、固定子の１個のティースに巻かれた巻線が作る磁界の強さも半分になる。従って、磁石はほぼ半分の厚さでも減磁耐力は等価になる。このようにして、磁石量を減らし、コストパフォーマンスに優れたモータにすることができる。

ただし、さらに極数を多くすると、固定子のコアバックは磁気回路的には薄くすることが可能だが、機械強度が持たないため、現実的にはあまり極数を多くしてもその効果を期待できない。極数の上限は、３０極程度である。

多極はこのようにギア内蔵には有利であるが、分布巻モータだとスロット数が増える。集中巻の場合には、一般的な組合せでは極数の１．５倍以上になることはない。しかし、分布巻だと３倍以上になる。スロット数が増えてスロット形状が細くなると、電工作業も難しく、スロット内のコイル密度が下がってしまい、小型化が困難である。従ってギア内蔵の多極モータの場合には集中巻の構造が適している。

モータを多極化することによる問題は、周波数が上がることによる固定子コアの鉄損や磁石の渦電流発熱である。これに対しては磁石を軸方向や周方向、厚さ方向に分割したり、スリットを設けることで設計可能である。さらに、磁石粉末を固めたボンド磁石を利用しても良い。この粉末には無機物をコート剤として使用し、耐熱性を向上する。自動車用モータでは冷却を油で行う場合もあり、１５０度以上の温度になることもあるため、従来の有機物のコートでは耐熱性が足りないためである。あるいは、この無機物コート剤を、鉄粉に施し、これを圧縮成型した圧粉磁芯を回転子やステータに使うことなどで対応できる。このように、圧粉の磁石や鉄心を用いることで、渦電流が減少し、鉄損を減らすことができ、高速回転が可能となる。

次に、図３７及び図３８を用いて、本発明の他の実施例による２：３系列の１６極２４ティースの集中巻のモータジェネレータＭＧ１の構成について説明する。なお、インバータ装置の回路構成は、図３と同様である。本実施例のモータジェネレータが適用されるハイブリッド自動車の構成は、図４と同様である。
図３７は、本発明の他の実施例であるモータジェネレータＭＧ１の構成を示す要部拡大断面図である。図３８は、本発明の他の実施例である１６極２４ティースの集中巻モータジェネレータにおける開き角と誘起電圧波形の関係図である。なお、図３７において、図２７及び図２８と同一符号は、同一部分を示している。

図３７は、開き角度θが電気角１５０度の例を示している。

図３８に示すように、モータの開き角度とこのモータの誘起電圧波形の関係はなる。図３８において、横軸は時間を示し、縦軸は誘起電圧電圧を示している。また、モータの開き角度θを電気角１２０度〜１６０度とした場合の誘起電圧波形を示している。

図３８から分かるように、開き角度θが小さいと電圧自体が小さく、また、波形の先端が尖っている。電気角１３０度の場合以上では波形の先端が平坦であり、電圧ピークが抑えられているために、基本波成分が多い。モータ設計では、最大回転数における誘起電圧のピークがインバータの耐電圧を超えないようにするので、この波形を持つモータは、インバータと組み合わせた場合に高出力なモータとなる。

回転子の内周側には、駆動系部品を組み込むための空間を設ける半径方向に扁平なモータジェネレータの場合、永久磁石の極数は、１６極以上の多極が好ましいものである。

扁平なモータジェネレータとしての電気的組合せとしては、３相モータの場合、極数をｐ、ティース数をｔとしたｐ：ｔの比が、２：３系統では、１６：２４，１８：２７，２０：３０，２２：３３，２４：３６；１６：９となり、４：３系統では、１６：９，２０：１５，２４：１８となり、８：９系統では、１６：１８，２４：２７となり、１０：９系統では、２０：１８となり、その他の系統では、１６：１５，１６：２１，２０：２１，２２：１８，２２：２１，２２：２４などである。

本発明の実施例であるモータジェネレータの構造を示す断面図。 本発明の実施例であるモータジェネレータの構造を示す断面図。 本発明の実施例であるインバータ装置の回路構成を示す回路図。 本発明の実施例であるモータジェネレータが適用されるハイブリッド自動車の構成を示すブロック図。 本発明の実施例であるモータジェネレータの永久磁石の磁束の流れを示す図。 本発明の実施例であるモータジェネレータの永久磁石の磁束密度の径方向成分の分布図。 誘起電圧波形を示す図。 トルクの比較図。 誘起電圧のピーク値と誘起電圧の基本波の比較図。 本発明の実施例であるモータジェネレータの特性図。 本発明の実施例であるモータジェネレータの特性図。 本発明の実施例であるモータジェネレータの特性図。 本発明の実施例であるモータジェネレータの特性図。 本発明の実施例であるモータジェネレータの特性図。 本発明の実施例であるモータジェネレータの特性図。 遠心力による応力緩和構造を説明するための図。 非磁性部の形状に関する効果を説明するための図。 非磁性部の形状に関する効果を説明するための図。 非磁性部の形状に関する効果を説明するための図。 非磁性部の形状に関する効果を説明するための図。 本発明の変形例であるモータジェネレータの構成を示す断面図。 本発明の変形例であるモータジェネレータの構成を示す断面図。 本発明の変形例であるモータジェネレータの構成を示す断面図。 本発明の変形例であるモータジェネレータの構成を示す断面図。 本発明の変形例であるモータジェネレータの構成を示す断面図。 本発明の変形例であるモータジェネレータの構成を示す断面図。 図２７は、本発明の他の実施例であるモータジェネレータＭＧ１の構成を示す断面図である。 本発明の他の実施例であるモータジェネレータＭＧ１の構成を示す断面図である。 本発明の他の実施例である２０極２４ティースの集中巻モータジェネレータにおける開き角と誘起電圧波形の関係図である。 図２９に示した誘起電圧波形の抑尖率の説明図ある。 図２９に示した誘起電圧波形の単位磁石当たりの実効値の説明図である。 本発明の他の実施例である２０極２４ティースの集中巻モータジェネレータにおいて、開き角θを電気角１３０度とした場合の構成を示す断面図である。 本発明の他の実施例である２０極２４ティースの集中巻モータジェネレータにおいて、開き角θを電気角１５５度とした場合の構成を示す断面図である。 本発明の他の実施例によるモータジェネレータＭＧ１を用いたハイブリッド自動車の駆動源の構成を示すブロック図である。 本発明の他の実施例における２０極２４ティースの集中巻回転電機の磁束線図である。 本発明の他の実施例における１０極１２ティースの集中巻回転電機の磁束線図である。 本発明の他の実施例であるモータジェネレータＭＧ１の構成を示す要部拡大断面図である。 本発明の他の実施例である１６極２４ティースの集中巻モータジェネレータにおける開き角と誘起電圧波形の関係図である。

符号の説明

１０…固定子
１１…固定子鉄心
１１ｂ…ティースコア
１２…固定子巻線
２０…回転子
２１…回転子鉄心
２２…永久磁石
２４…非磁性部
２７…磁路部
２８…ブリッジ部

Claims (11)

1. 永久磁石式回転電機において、
   固定子と、
   該固定子に空隙を介して対向配置された回転子とを有し、
   前記固定子は、
   固定子鉄心と、
   該固定子鉄心に装着された固定子巻線とを備えており、
   前記固定子鉄心は、
   環状のヨーク鉄心と、
   該ヨーク鉄心から径方向に突出した複数のティース鉄心から構成されており、
   前記回転子は、
   回転子鉄心と、
   該回転子鉄心の内部に埋め込まれた複数の永久磁石とを備えており、
   前記回転子鉄心の内部であって、１磁極分の前記永久磁石の周方向両側には１対の非磁性部が形成されており、
   前記１対の非磁性部の前記固定子側にある前記回転子鉄心には、前記１対の非磁性部の形成によって１対の磁路部が形成されており、
   前記回転子の中心軸に対する前記ティース鉄心の周方向ピッチをτｓ（度）とし、前記１対の磁路部の最小径方向幅部分間の周方向幅が前記回転子の中心軸に対してなす開き角度をθ（度）としたとき、
   θ≒（ｎ＋Y）×τｓ（ｎは０以上の整数）
   であり、
   前記固定子巻線の巻回方法が分布巻きであるときは、Ｙ＝０．５とし、
   前記固定子巻線の巻回方法が集中巻きであるときは、Ｙ＝０．９〜１．２とし、
   前記回転子の１磁極を構成する前記永久磁石は周方向に複数に分割されており、
   前記複数に分割された永久磁石間には、前記永久磁石の前記固定子側にある前記回転子鉄心と、前記永久磁石の前記回転子の中心軸側にある前記回転子鉄心とを機械的に接続するブリッジ部が設けられており、
   前記複数に分割された永久磁石は、前記回転子の磁極両端部から前記回転子の磁極中心に向かうにしたがって前記固定子側に片寄っている
   ことを特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 請求項１に記載の永久磁石式回転電機において、
   前記固定子巻線の巻回方法が分布巻きであるときは、
   前記回転子の磁極数と前記ティース鉄心の数との関係がｍ：６ｍ（ｍは自然数）であるとき、前記開き角度θは電気角で１０４〜１１２°或いは１５２〜１６８°である
   ことを特徴とする永久磁石式回転電機。
3. 請求項２に記載の永久磁石式回転電機において、
   前記永久磁石の前記固定子側の周方向両端部間の幅が前記回転子の中心軸に対してなす角度をφ（度）としたとき、φはθの０.７〜０.９倍である
   ことを特徴とする永久磁石式回転電機。
4. 請求項１に記載の永久磁石式回転電機において、
   前記非磁性部の形状は台形状であり、
   前記非磁性部の前記回転子の中心軸側の辺部は前記非磁性部の前記固定子側の辺部よりも長さが短い
   ことを特徴とする永久磁石式回転電機。
5. 請求項４に記載の永久磁石式回転電機において、
   前記非磁性部の前記固定子側の辺部から前記非磁性部の前記回転子の中心軸側の辺部に向かう辺部と、前記非磁性部の前記固定子側の辺部との間に形成された角部は円弧状に形成されている
   ことを特徴とする永久磁石式回転電機。
6. 請求項１に記載の永久磁石式回転電機において、
   前記複数に分割された永久磁石と前記非磁性部との間には、前記永久磁石の前記固定子側にある前記回転子鉄心と、前記永久磁石の前記回転子の中心軸側にある前記回転子鉄心とを機械的に接続するブリッジ部が設けられている
   ことを特徴とする永久磁石式回転電機。
7. 請求項１に記載の永久磁石式回転電機において、
   前記永久磁石と前記非磁性部との間には、前記永久磁石の前記固定子側にある前記回転子鉄心と、前記永久磁石の前記回転子の中心軸側にある前記回転子鉄心とを機械的に接続するブリッジ部が設けられている
   ことを特徴とする永久磁石式回転電機。
8. 請求項１に記載の永久磁石式回転電機において、
   前記複数の永久磁石は、周方向に間隔をあけて、しかも極性が交互になるように、前記回転子鉄心の内部に配置されており、
   前記永久磁石の前記固定子側にある前記回転子鉄心は、前記永久磁石の磁束の磁気回路を構成する磁極片部を構成しており、
   隣接する前記永久磁石間にある前記回転子鉄心は、前記永久磁石の磁束によって発生するトルクとは別のトルクを発生させるための磁束の磁気回路を構成する補助磁極部を構成しており、
   前記磁路部は前記磁極片部と前記補助磁極部との間を磁気的に接続している
   ことを特徴とする永久磁石式回転電機。
9. 請求項１に記載の永久磁石式回転電機において、
   前記固定子巻線の巻回方法が集中巻きであるときは、
   前記θは電気角で１３０〜１５５°である
   ことを特徴とする永久磁石式回転電機。
10. 請求項１に記載の永久磁石式回転電機において、
    前記回転機は、前記回転子の内周側に空間を有し、
    前記固定子巻線の巻回方法が集中巻きであり、
    前記永久磁石の極数が１６極以上である
    ことを特徴とする永久磁石式回転電機。
11. 永久磁石式回転電機において、
    固定子と、
    該固定子に空隙を介して対向配置された回転子とを有し、
    前記固定子は、
    固定子鉄心と、
    該固定子鉄心に装着された固定子巻線とを備えており、
    前記固定子鉄心は、
    環状のヨーク鉄心と、
    該ヨーク鉄心から径方向に突出した複数のティース鉄心から構成されており、
    前記回転子は、
    回転子鉄心と、
    該回転子鉄心の内部に埋め込まれた複数の永久磁石とを備えており、
    前記回転子鉄心の内部であって、１磁極分の前記永久磁石の周方向両側には１対の非磁性部が形成されており、
    前記１対の非磁性部の前記固定子側にある前記回転子鉄心には、前記１対の非磁性部の形成によって１対の磁路部が形成されており、
    前記回転子の中心軸に対する前記ティース鉄心の周方向ピッチをτｓ（度）とし、前記１対の磁路部の最小径方向幅部分間の周方向幅が前記回転子の中心軸に対してなす開き角度をθ（度）としたとき、
    θ≒（ｎ＋Y）×τｓ（ｎは０以上の整数）
    であり、
    前記固定子巻線の巻回方法が分布巻きであるときは、Ｙ＝０．５とし、
    前記固定子巻線の巻回方法が集中巻きであるときは、Ｙ＝０．９〜１．２とし、
    前記非磁性部の形状は台形状であり、
    前記非磁性部の前記回転子の中心軸側の辺部は前記非磁性部の前記固定子側の辺部よりも長さが短い
    ことを特徴とする永久磁石式回転電機。

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