JP5313588B2 - 永久磁石式回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、非対称なロータ構成を備える永久磁石式回転電機に関連する。

永久磁石式回転電機は、ロータ鉄心と、それに埋め込まれた一組の永久磁石とを備えるロータを有しているのが一般的である。ロータを取り囲むステータは、ステータ鉄心と交流が流れるステータ巻線とからなる。埋込み型永久磁石式回転電機(interior permanent magnet machines)と呼ばれることもあるそのような回転電機は、モータとして、或いはジェネレータとして機能し得る。一組の永久磁石は、ロータ鉄心に設けられた穴又は空洞に挿入される。

ロータの重量及び慣性モーメントは、ロータ鉄心に流路（channnel）を設けることによって低減され得る。その流路は、幾つかの応用例として、放熱用の冷却オイルを流すためにも使用される。これらの流路、或いは、「オイル穴」は、永久磁石のロータ磁極に近接していて、且つ、それらの永久磁石に対して対称的に設けられるのが一般的である。特許文献1及び特許文献2には、上述のような公知の永久磁石式回転電機が開示されている。

オイル穴の大きさがロータにおける磁束流路の幅を大幅に減少させるならば、永久磁石式回転電機において、所定のステータ巻線電流における有効電磁性能は低減させられることになる。オイル穴の位置もまた、磁束流路に影響を及ぼす。

永久磁石式回転電機がハイブリッド電気自動車のパワートレインに使用される場合、永久磁石式回転電機の重量低減、温度管理、及び電流容量が特に重要であり、全体的な性能における磁束パターンの変化の影響を調整する際には、それらが考慮されるべきである。

ハイブリッド電気自動車のパワートレインに使用される公知の永久磁石式回転電機においては、円形のオイル穴が使用され、磁束流路はオイル穴の周りに形成される。このオイル穴は、埋め込まれた永久磁石に関して対称となるような位置に設けられている。

オイル穴がロータに設けられておらず、永久磁石式回転電機が冷却又は重量低減のためのオイル穴を必要としないならば、ロータの永久磁石の下流領域において、幅広の磁束流路が提供される。それ故、この永久磁石の下流領域において磁束飽和レベル(磁束が飽和している度合い)は低くなり得る。更に、この場合、磁束流路として利用可能な断面積が大きいため、磁束飽和レベルは比較的均一となり得る。しかしながら、オイル穴がロータに設けられるならば、磁束は、永久磁石とオイル穴との間において、はるかに狭い流路を流れることを強いられる。その結果として磁束飽和レベルの増加が生じるので、モータの電磁トルクの減少を補償するために、永久磁石式回転電機は更に高いステータ巻線電流を必要とする。
特開2001-339922号公報 特開2005-51896号公報

本発明の特徴を有する永久磁石式回転電機が、ハイブリッド電気自動車のパワートレイン部品であるとき、エンジン駆動のジェネレータ及び/又はバッテリーからモータに対して電力が供給されるため、永久磁石式回転電機はモータとして作動する。モータは電気的エネルギーを力学的エネルギーに変換し、その力学的エネルギーは自動車の駆動輪に伝達される。自動車が制動モードにあるときには、力学的エネルギーは駆動輪から永久磁石式回転電機に伝達され、該永久磁石式回転電機では力学的エネルギーを、バッテリー充電モードの間にバッテリーに蓄積される電気的エネルギーに変換する。

自動車のパワートレインが、（エンジン出力が、バッテリーの充電及び永久磁石式回転電機の駆動のため、力学的エネルギーを電気的エネルギーに変換する、ジェネレータを駆動する）シリーズ型ハイブリッド電気自動車のパワートレインであるならば、ジェネレータから出力されて原動力を生成するために使用されない電気的エネルギーは、バッテリーを充電するために使用され得る。

永久磁石式回転電機がパラレル型ハイブリッド電気自動車のパワートレインの一部であるならば、エンジンからの力学的エネルギーは分割され、その力学的エネルギーの一部は駆動輪に直接伝達される。残りの力学的エネルギーは、ジェネレータを駆動するのに使用される。このジェネレータは、電気的エネルギーを、バッテリーと、モータとして作動する永久磁石式回転電機とに供給する。その後、該永久磁石式回転電機では、駆動輪を駆動すべくその電気的エネルギーを力学的エネルギーに変換し、それによってエンジンによる力学的エネルギーを補完する。しかしながら、自動車の制動中のようなジェネレータ・モードで永久磁石式回転電機が作動している間、自動車の運動エネルギーの一部は、機械式ブレーキ及びエンジン・ブレーキによって消散される。

ハイブリッド電気自動車のパワートレインのこの非対称な作動特性のために、本発明の特徴を具現化する永久磁石式回転電機は、パラレル型ハイブリッド電気自動車のパワートレイン及びシリーズ型ハイブリッド電気自動車のパワートレインの両方で使用可能なように構成される。本発明の特徴を有するロータの構成要素の非対称な配置は、ジェネレータ・モードで作動中の永久磁石式回転電機の電磁性能を低下させることになるが、モータ・モードで作動中の永久磁石式回転電機の電磁性能の改善をもたらし得る。しかしながら、この永久磁石式回転電機は、総動作時間のかなり多くの間、モータ・モードにて作動するので、モータ・モードで作動中の永久磁石式回転電機の性能改善は、ジェネレータ・モードで作動中の永久磁石式回転電機の性能低下よりも、全体的な性能にとっては、はるかに重要である。

上記永久磁石式回転電機が無負荷状態で作動しているときに、ロータの磁束分布は磁石に関して対称的であって、磁束線はオイル穴の周りに一様に分布する。しかしながら、負荷状態においては、永久磁石の磁束分布は、ステータ巻線電流によって生成される磁束分布と相互作用し、その結果生じる磁束分布は、永久磁石式回転電機がモータとして作動する場合にはロータの回転方向に向けて変位され、永久磁石式回転電機がジェネレータとして作動する場合にはロータの回転方向とは反対側に変位される。

上述したように、モータ・モードでの作動は、ハイブリッド電気自動車のパワートレインにおける永久磁石式回転電機にとって支配的であるので、オイル穴の位置及び形状は、モータ・モードでの永久磁石式回転電機の作動を最適化するように調整され、それによって、全体的な性能が改善され得る。したがって、オイル穴の有利な位置、大きさ、及び形状は、ジェネレータ・モードでの永久磁石式回転電機の性能を幾分低下させるものの、モータ・モードでの永久磁石式回転電機の性能を改善することが可能となる。モータ・モード及びジェネレータ・モードのための種々のトルク要件は、支配的な磁束分布を十分に活用し得る非対称な配置を有するロータを設計することを可能にする。

本発明の特徴を有する永久磁石式回転電機のロータは、積層鉄心を有し得る。積層鉄心の数は、必要とされるロータの全体の厚みに応じて変化し得る。複数の磁石が、ステータとロータとの間の空隙の近傍にて、該ロータ内に埋め込まれる。オイル穴は、モータの電磁トルクを大幅に低減することなく、ロータの素材を最大限取り除くことを可能にする形状を有する。

本発明の実施形態において、オイル穴は、円形ではなくて、概ね三角形状であり得る。更に、オイル穴の有利な位置は、モータ・モードでの作動中において電磁特性が改善するように、磁束分布を最適化する場合がある。磁石に対してオイル穴は非対称になるように形成される。この非対称な配置は、オイル穴の幾何学中心を含む対称軸に対してオイル穴を回転させることによって、或いは、その対称軸に対してオイル穴を横に動かすことによって達成され得る。

本発明の別の実施形態によれば、非対称なロータ構成は、オイル穴の位置が磁石に対して最適にすべく、磁石を非対称に配置することによって達成される場合がある。

本発明の更に別の実施形態によれば、非対称に配置された追加の空洞又は穴が、永久磁石式回転電機によって生成される電磁トルクを増大させるべく、磁石に近接してロータに設けられる場合もある。

本発明の永久磁石式回転電機の動作環境を説明するために、シリーズ・パラレル型ハイブリッド電気自動車のパワートレイン、スプリット・パワー(動力分割)型ハイブリッド電気自動車のパワートレイン、及び、シリーズ型ハイブリッド電気自動車のパワートレインを各々示す図14乃至図16を先ず参照する。図16において概略的に示されるパワートレインの場合には、エンジン10はジェネレータ12に機械的に連結され、そのジェネレータ12は電動モータ14に電気的に結合される。一般的に、電気的な結合は、ＡＣ／ＤＣコンバータ16及びＤＣ／ＡＣコンバータ16'を備える直流リンクを含む。高電圧の駆動バッテリー18は、ＤＣ／ＤＣコンバータ20を通って直流リンクに結合される。モータ14は、複数段の変速ギア、或いは、単数段の変速ギアを有するギア式変速機22に機械的に連結される。

駆動輪24は、変速機22のトルク出力要素によって駆動される。エンジンにより生成される力学的エネルギーの全ては、動力損失を除いて、モータ14を駆動するために力学的エネルギーを電気的エネルギーに変換するジェネレータ12に伝達される。モータ14を駆動するのに必要とされない電気的エネルギーは如何なるものであっても、バッテリー18を充電するのに使用される。 自動車が減速しているときに、変速機22からモータ14に伝達される自動車の運動エネルギーの全て又は一部は、動力損失を除いて、モータ14がジェネレータとして作動するときにはバッテリー18を充電するのに使用される(この状態は一般的にジェネレータ・モードと呼ばれる)。

図16のシリーズ型ハイブリッド電気自動車のパワートレインの配置とは対照的に、図14のシリーズ・パラレル型ハイブリッド電気自動車のパワートレインの配置は、26'によって示されるように、エンジン10'と変速機22'との間に直接的な機械的連結を含む。図14のシリーズ・パラレル型ハイブリッド電気自動車のパワートレイン、及び、図15のスプリット・パワー型ハイブリッド電気自動車のパワートレインは、図16のシリーズ型ハイブリッド電気自動車のパワートレインにおける部品に対応した部品を有する。それらの部品は、図14及び図15において番号にプライム記号(')が付加されているものの、共通の参照番号によって示されている。

変速機22'とエンジン10'との間の機械的連結は、遊星歯車装置26を含む。遊星歯車装置26は、図15に示されるように、変速機22'の動力入力要素を駆動する動力出力部材として作動するリング・ギア28を含む。サン・ギア30は、ジェネレータ12'に機械的に連結される。遊星歯車装置26のキャリアは、32に示されるように、エンジン10'の動力出力軸又はクランクシャフトに連結される。エンジン10'が、遊星歯車装置26を介して変速機22'にトルクを供給するときに、サン・ギア30は、ジェネレータ12'に機械的に連結されているので、反作用要素として作動する。ジェネレータ12'への負荷は、それ故、エンジン速度を決定し得る。前進駆動の間、モータ14'の電磁トルクはエンジン・トルクを補完し、変速機22'に(エンジン10'からの動力とは異なる)第二の動力を入力する(この状態は一般的にモータ・モードと呼ばれる)。後進駆動の間、モータ14'のトルク方向は、トルクが後退方向に作用するように、変更される場合がある。このときには、エンジン10'は停止している。

自動車が減速モードにあるとき、回生エネルギーが、駆動輪から変速機を介してモータ14'に供給される。このときには、モータ14'は、バッテリーを充電するために、ジェネレータとして作動する。回生エネルギーの一部は、変速機を介して、図14の26'にて一部が示されるように、機械的なトルク流路を通って、エンジンに伝達される。この点において、図14のパワートレインにおける回生エネルギーのトルク流路は、回生制動中の力学的エネルギーがエンジン10に伝達されない図16のパワートレインにおけるトルク流路とは異なる。

図15のパラレル型ハイブリッド電気自動車のパワートレインのモータ14'が、回生エネルギーの一部しか回収しないことを考慮して、モータ・モードにおける永久磁石式回転電機のモータ効率は、ジェネレータ・モードにおける永久磁石式回転電機のジェネレータ効率よりも高く設定されている。それ故、図14に示されるようなシリーズ・パラレル型ハイブリッド電気自動車のパワートレインは、上述したように、本発明の特徴を有するモータを組み込むように構成される。図15のスプリット・パワー型ハイブリッド電気自動車のパワートレインにとっても、同じことが当てはまる。

後述するように、全体的なパワートレインの効率改善は、そのパワートレインが本発明の特徴を有するモータを含むときに、モータ14'のジェネレータ効率が幾分低下する一方で、モータ14'のモータ効率の改善をもたらす。

本発明における実施形態のロータ及びステータは、積層鉄心からなる。この形式のロータ及びステータの構成は、図1、図1a、及び図1bの部分断面図に示される。ステータの積層鉄心は36にて示され、ロータの積層鉄心は38にて示される。狭い空隙40が、図1乃至図4に示されるように、ステータの積層鉄心36の内周と、ロータの積層鉄心38の外周との間に設けられる。半径方向に延びるスロット(開口)37が、ステータの積層鉄心36に形成され、対称的に配置された磁石用開口42が、ロータの各積層鉄心38の外周に近接して形成される。磁石用開口42の各々は、磁石44を収容する。

図１ｃは、一つの磁石44の等角投影図である。各々の磁石44は、その断面が概ね長方形状である。磁石44の一端は、46に示されるようにＮ極であり、他端はＳ極48である。Ｎ極からＳ極に延びる磁束線(又は磁束流路とも言う)が50にて示される。

図1a及び図1bは、積層配置された複数の鉄心を備えるロータ38の構成を示す。図1aには、磁石用開口42が示されているものの、磁石の図示は省略されている。オイル穴として機能する空洞56が図1bにて示される。一般的に、図1a及び図1bのロータの軸方向の厚みは、磁石44の端面52、54の間の距離よりも大きい。従って、複数の磁石44が、磁石用開口42内に、互いに接して、すなわち、ある磁石の端部52が隣接する磁石の端部54に接して、配置される場合がある。

ロータの積層鉄心38は、概ね三角形状の空洞56を備える。空洞56の角(頂点)は、図1aに示されるように丸められる場合がある。これら空洞56は、ロータの積層鉄心38を通る冷却オイルの流れを収容する。これら空洞56はまた、ロータの重量を低減する。ロータの重量を低減することによって、ロータの回転慣性が低減され得る。三角形状の空洞56は、空洞が円形である場合よりも更に多く、回転可能なロータの質量を低減するのを可能にする。拡大された空洞56の大きさを、同じ位置での円形の空洞の半径と比較するために、図1aにおいて点線58にて円形の空洞が示されている。

ロータの積層鉄心38の中心には、駆動キー(係合突起)62と係合可能なキー溝(係合溝)が設けられたロータ軸39を収容するための円形の中央開口部60が設けられている。

空洞56は、隣接する一対の磁石用開口42に関して対称的に配置されるように設けられていて、その対称軸の一つが符号64で示されている。

図2は、ロータの積層鉄心38の、ロータ軸方向に見た部分断面図である。ステータ36はスロット37内にステータ巻線を有するが、図2の場合(すなわちジェネレータ・モードの場合)にはステータ巻線は電流を流さないので、図2にはステータ巻線が示されていない。しかしながら、(モータ・モードの場合のように)電流が流れるステータ巻線は、図2aを参照して、後述される。

図2における各々の空洞56は、隣接する磁石44同士の間において、該磁石44に関して対称的に配置される。各々の一対の磁石44の間を流れる磁束線は、符号65で示されている。磁束線65の第一部分は、第一磁石44のＮ極から発し、空隙40を通って、ステータ36に至る。磁束線65はスロット37間のステータ鉄心36を、半径方向外向きに進み、その後円周方向に進み、そして半径方向内向きに戻る。ステータ36を通った磁束線65は、空隙40を再び交差し、ロータ38における隣接した第二磁石44のＳ極に戻る。磁束線65の第二部分は、第二磁石44のＮ極から発し、ロータの積層鉄心38を通り、第一磁石44のＳ極に至る。磁束線65は、図2に示されるように、空洞56を取り囲む。

図2aは、磁石44を磁石用開口42から取り除いたと仮定した場合にステータ36によって生成される磁束パターン(又は磁束流パターンとも呼ばれる)を示す図である。図2aの場合、ステータ巻線には、磁束パターン66を生成するように電圧が印加される。磁束パターン66はステータ36を通って半径方向外向きに延びる磁束線68を規定する。磁束線68は、ステータ36の外周近傍にて、円周方向に向きを変える。その後磁束線68は、ステータを半径方向内向きに戻り、空隙40を横切る。それから、その磁束線68は、磁石44に近接したロータ36の外周部分に入る。磁束線68はその後、空隙40を通って半径方向外向きに延びて、ステータ36に再び入る。図2aに示されるように、ステータ巻線によって生成される磁束線68もまた、磁石44を取り囲むように延びている。

磁束線68は、位置Ａ、位置Ｂ、及び位置Ｃにおけるスロット37内のステータ巻線によって生成される。スロット37内のステータ巻線は、図2aにおいて断面図の形態で示される。ステータ巻線は、位置Ａにおいてステータ36のスロット37を通って一方向(例えば紙面向こう側)に延び、その後、位置Ａ_returnにおいてスロット37を通って反対方向(例えば紙面手前側)に戻る。ステータ巻線は、位置Ｂにおいてステータ36のスロット37を通って一方向(例えば紙面向こう側)に延び、その後、位置Ｂ_returnにおいてスロット37を通って反対方向(例えば紙面手前側)に戻る。ステータ巻線は、位置Ｃにおいてステータ36のスロット37を通って一方向(例えば紙面向こう側)に延び、その後、位置Ｃ_returnにおいてスロット37を通って反対方向(例えば紙面手前側)に戻る。

図2aは、ステータ巻線のセグメントの幾つかを示す。図2aに示されるステータ巻線によって生成される磁束パターン66は、図示されない他のセグメントにおいて、繰り返される。

図3は、ステータ巻線に電圧が印加され、且つ、磁石44がロータ38に組み付けられた状態の、磁束パターンを示す。この例において、永久磁石式回転電機はモータ・モードにある。隣接する磁石44のＮ極の間における磁束線は、ロータ38を通って、そして空隙40を横切って、半径方向外向きにステータ36を延びる。磁束線は、領域70に示されるように、ステータの積層鉄心36を円周方向に延びる。磁束線は、その後、空隙40を横切って、半径方向内向きに延びて、隣接する磁石44のＳ極に戻る。この磁束パターンは、磁束の流れが隣接する磁石44のＮ極と空洞56との間の空間における断面を通過するときに、ロータ軸方向のロータの単位長さ当たりで、高い磁束密度領域を領域72に生成し、低い磁束密度領域を領域74に生成している。

隣接するセグメントにおいて磁石44とステータ巻線によって生成される磁束パターンは、隣接する磁石44のＳ極と空洞56との間に、低い磁束密度領域76と、高い磁束密度領域78とを有する。

モータ・モードについての図3の磁束パターンとは異なり、図4の磁束パターンは、ジェネレータ・モードの間において、図3の磁束パターンとは正反対となる。すなわち、図3においてｘにて示されるモータ・モードでの高い磁束密度領域は、図4におけるジェネレータ・モードでの高い磁束密度領域ｘ’によって置き換えられる。また、図3におけるモータ・モードでの低い磁束密度領域ｙは、図4におけるジェネレータ・モードでの低い磁束密度領域ｙ’によって置き換えられる。

図2乃至図4において、空洞56は、磁石44に関して対称的に位置していることに留意すべきである。各々の空洞56と隣接する磁石44との間隔は、概ね同一である。従って、空洞56の一方側の磁束パターンは、高い磁束密度領域と低い磁束密度領域を有する場合がある。空洞56の反対側は、高い磁束密度領域と低い磁束密度領域を有するものの、それらは、空洞56の一方側における高い／低い磁束密度領域に対して互いに反対となっている。更に、磁石44は対称軸80に関して対称的に配置されている。上記図２乃至図４において、空洞56に関する対称軸は、符号82で示されている。

永久磁石式回転電機がモータ・モードにて作動している図5の場合、ロータの積層鉄心38は、図2乃至図4の空洞56に対応する、概ね三角形状の空洞56'を備えている。この空洞56'は、図5に示されるように、空洞の幾何学的中心に関して時計回りに回転するように設けられている。各々の空洞56'の幾何学的中心は、対称軸82上に位置する。なお、ここでいう対称軸82は一対の磁石44に対してそれらの中心軸を構成する軸として定義され得る。各々の空洞56'が図5のように回転した状態を有しているため、隣接する磁石44と空洞56'の端面の外側地点84との間隔(領域88における間隔)は、図2乃至図4において相対する間隔(領域76における間隔)に比べて小さくなっている。また、隣接する磁石44と空洞56'端面の内側地点86との間隔(領域90における間隔)は、図2乃至図4における相対する間隔(領域78における間隔)に比べて大きくなっている。これは、永久磁石式回転電機がモータ・モードにあるときに、領域88における磁束飽和レベルが増加され、領域90における磁束飽和レベルが減少される。

図6は、図5と同様の図であるものの、永久磁石式回転電機がジェネレータ・モードにて作動しているのが示されている。図6の場合、図4の磁束パターンと比べて、領域92における磁束パターンは高密度となり、領域94における磁束パターンは低密度となる。

上述された磁束パターンの変化は、各々の一対の磁石に関して、及び、一対の磁石が相互作用するステータ巻線に関して、その他の磁束パターンと類似である。ここに記述される実施形態において、各々の一対の磁石44は、隣接するスロット37内のステータ巻線に相互作用する。

ここに記述された永久磁石式回転電機は、ステータ巻線が三相交流によって励磁され得る同期電動機であり得る。従って、図2乃至図6に示される磁束線は、交流周期中の所定タイミングにおけるステータ巻線電流による磁束パターンを説明している。

図7は、低い磁束飽和領域における、起磁力(ＭＭＦ)に対する磁束密度のプロットである。起磁力は、ステータ巻線の折り返し回数とステータ巻線の巻線電流との積に比例するので、図7は、低い磁束密度領域における磁束密度とステータ巻線電流との関係もまた表している。磁束密度は、低い磁束飽和領域においてステータ巻線電流がゼロからポイント96の値に増加するときに、急速に増加する。図7のプロットの傾きは、ポイント96の値と、ポイント98における更に高い磁束密度の値との間にて、急速に減少する。ポイント96とポイント98との間での磁束密度の変化は、ポイント100にて示される値からポイント102にて示される値へのステータ巻線電流の増加に対応している。

図7のプロットとは対照的に、図7aのプロットは、高い磁束密度領域における磁束密度と起磁力(ステータ巻線電流に比例)との関係を示す。図7の場合と同様に、図7aのプロットは、磁束密度が、大きな傾きにて、ゼロからポイント104の値に増加し得る。図7aのプロットの傾きは、高いステータ巻線電流において、大幅に減少する。図7に示される低い磁束密度領域における磁束密度の変化(ポイント96からポイント98への変化)に対応して、高い磁束密度領域における磁束密度が変化する間、図7aに示されるようにステータ巻線電流は、ポイント106の比較的高い値からポイント104の低い値に減少し得る。図7及び図7aに示される特性のために、ジェネレータ・モードでの作動中における効率は幾分低下し得るものの、図5及び図6に示されるようなオイル穴の有利な形状及び非対称な位置が、モータ・モードでの作動中において、永久磁石式回転電機の全体的な効率の改善をもたらす場合がある。それは、オイル穴の位置が非対称であるときに、永久磁石式回転電機がモータ・モードでの作動中には、高い磁束密度領域では磁束密度が減少すると共に、ジェネレータ・モードでの作動中には、高い磁束密度領域では磁束密度が増加することに起因する。

図7を参照すると、ポイント96からポイント98への磁束密度の変化は、ポイント100からポイント102への電流の変化をもたらし得る。図7aに示されるような高い磁束飽和領域においては、磁束密度が図7に示されるのと同じ程度変化した場合には、電流の変化は、低い磁束飽和領域に比べてはるかに大きい。より詳細に説明すると、ロータ構成の非対称に起因して、ポイント96(ロータ構成が対称的)からポイント98(ロータ構成が非対称)に作動ポイントが移動することによる電流の増加は、作動ポイントが図7aに示されるようにポイント106(ロータ構成が対称的)からポイント104(ロータ構成が非対称)へ移動するので、電流の減少に比べて比較的小さい。

磁束密度がポイント106からポイント104に減少するときには、図7aにて示されるような、ステータ巻線電流の比較的大きな減少(ポイント110→ポイント108)が見込まれる。このステータ巻線電流の減少は、図7に示されるような、ステータ巻線電流がポイント100からポイント102に増加するときにその結果として生じる損失より大きい。すなわち、図7に示される電流の増加は損失を表すものの、その損失は、図7aに示される利得よりもはるかに小さい。それゆえ、永久磁石式回転電機がモータ・モードにて作動しているときには、パワートレイン全体での正味の効率改善が得られる。上述したように、ハイブリッド電気自動車のパワートレインの作動時間の大半は、モータ・モードで作動が行なわれる。

図8及び図9は本発明の代替実施形態を示しており、非対称の構成は、オイル穴を対称軸82の一方向に動かすことによって達成され得る。図9のロータ構成がモータ・モードにとって最適設計される一方で、永久磁石式回転電機が実際にはジェネレータ・モードにて作動しているときには、オイル穴56の非対称な位置に起因して生じる磁束分布が、局所的な高い磁束飽和領域114を引き起こす場合があるが、それによる損失は上述したように軽微である。その代わりに、永久磁石式回転電機が負荷状態でのモータ・モードにて作動するときに、図8に示されるように、磁束飽和領域の低下が112にて起こり、これによる利得は上述したように極めて大きい。

図10の構成の場合、非対称のロータ構成にとって所望の磁束分布は、オイル穴を対称軸82に関して非対称に配置する代わりに、永久磁石44を、図示された対称軸82に関して非対称に配置することによっても達成され得る。磁石44が図10に示されるように配置されるとき、低い磁束飽和領域が領域116に生成され、高い磁束飽和領域が領域118に生成される。上述と同様にこれは、モータ・モードでの作動中における電磁性能を改善し、ジェネレータ・モードでの作動中における電磁性能を低下させ得る。しかしながら、上述したように、ジェネレータ・モードにおける性能低下は、モータ・モードにおける電磁性能の改善よりも小さい。

上述されたオイル穴或いは空洞に加えて、ロータ構成が、以下に直軸と呼ばれる、ロータ極(rotor pole)の半径方向に延びる磁軸(両磁極の中心を通る直線)上に形成された別の穴を有する場合がある。これらの追加の穴を設ける主な目的は、半径方向に延びて隣接する一対の磁石から等距離の直軸及び横軸(二つの直軸の間をその中心にて二分する軸)に沿って生じるパーミアンス(permeance)の変化によって生成されるリラクタンス・トルクを増大することにある。このロータ構成として、図11において、スロット37内にステータ巻線が設けられていないステータ36に組み立てられたロータ38が部分的に示される。この図11においては、磁束線は示されていない。図11に示されるステータ構成は、上述の実施形態で示されたステータ構成と同一の場合があり、その場合には共通の参照番号が使用される。なお、図11の実施形態におけるロータ構成は、上述のロータ構成から大幅に構成が異なっており、従って共通の参照番号は使用されていない。

図11において、ロータ構造体が符号122で示されている。そのロータ構造体122には、円形の空洞124が、直軸126に関して同心状に配置され得る。上述の実施形態と同様に、永久磁石128及び130は、空隙40の近傍に配置されている。磁石128及び130は、上述した実施形態の磁石用開口に相当する開口内に位置している。磁石128及び130は、直軸126に関して対称的に位置している。空洞124は横軸127上に設けられている。

空洞124に加えて、図11のロータ構成は、概ね三角形状であって、一対の磁石128及び130近傍の直軸126上に設けられる、追加の穴又は空洞132を有する場合がある。

空洞132は、空隙40の近傍に設けられている。これらの追加の空洞又は穴132は、直軸126及び横軸127に沿って生じるパーミアンスの変化によって生成されるリラクタンス・トルクを増大させる。これは、永久磁石式回転電機によって生成される電磁トルクの増大をもたらす。この形式の永久磁石式回転電機における追加の空洞又は穴132の使用例は、上述の特許文献1及び特許文献2に開示されている。

図12は、ステータ36のステータ巻線が励磁されるときに生成される磁束パターンを示す。磁石128の磁束線とステータ36の磁束線との相互作用によって生成される磁束パターンが、図12において示される。高い磁束飽和領域が、図12の領域134に示されるように、磁束パターンにて形成される。更に、低い磁束飽和領域が領域136にて形成される。高い磁束飽和領域と低い磁束飽和領域は、ステータ36の磁束線及び磁石128の磁束線との相互作用によって形成される。

図12に示される磁束線は、永久磁石式回転電機のモータ・モードでの作動中に生成される。

この磁束線は、追加の空洞132'が非対称に配置されている図13の場合の磁束線との比較のために表されている。

図13は、ロータ構造体122'において非対称に配置された追加の空洞132'を含む本発明の実施形態を示す。追加の空洞132'の各々は、直軸126'に対して円周方向にずれている。これは、一対の磁石128'及び130'に対して、追加の空洞132'の非対称な配置を形成する。追加の空洞132'のこのような非対称な配置のために、ジェネレータ・モードでの作動中にはこの領域における磁束飽和レベルは高くなるものの、モータ・モードでの作動中に低い磁束飽和領域が領域134に生成される。

追加の空洞132'における有利な位置及び形状は、空洞を回転させることによって、或いは、磁気の対称軸又は直軸126'に対して空洞132'を円周方向に動かすことによって達成される。追加の空洞132'の非対称の配置における更なる効果は、図5及び図8を参照して上述したように、永久磁石式回転電機の出力トルクを増加すべくオイル穴を動かす又は回転させるのとほぼ同じ方法で、達成される。図13に示すような非対称な追加の空洞132'を設ける場合には、永久磁石式回転電機の出力トルク及び電力が増大される。一般的に、ロータ極に関して非対称に配置されたオイル穴と追加の空洞の両方を有する永久磁石式回転電機は、それらの両方の貢献によって、出力トルクを増大させることの恩恵を受ける。

図12に示される磁束密度の場合には、永久磁石128と追加の空洞132'との間の領域における磁束パターンは非対称である。図13に示される回転矢印のようにロータ構造体122'を反時計回りに回転させるときには、追加の空洞132'の前縁付近の領域(回転進行方向前側)は、追加の空洞132'の後縁付近の領域(回転進行方向後側)よりも大量に磁束が飽和されることになる。

磁束飽和の平均レベルを減少させて、永久磁石式回転電機(モータ)の出力を増加させるために、大量に飽和される領域において有効な磁束線は、モータ・モードでの作動中に増大され得る。これは、一対の磁石128'に対して、追加の空洞132'を、図13に示すように、低い磁束密度を備えた領域に(円周方向に)動かすことによって達成される。

本発明の実施形態を記述してきたが、本技術分野の当業者にとっては、本発明の範囲から逸脱すること無しに修正を行うことが出来るのは明らかである。そのような修正及びその等価物は全て、特許請求の範囲によって保護されることが企図される。

ロータの積層鉄心及びステータの積層鉄心の部分断面図である。 図1におけるロータの平面図である。 図1aにおける１ｂ−１ｂ断面図である。 図1a及び図1bのロータに形成された磁石用開口に収容される磁石の等角投影図である。 磁束線が磁石によってのみ生成された場合の、本発明の実施形態におけるロータ及びステータを、ロータ軸方向に見た部分断面図である。 磁束線がステータ巻線によってのみ生成された場合の、図2に対応する部分断面図である。 永久磁石式回転電機がモータ・モードにて負荷状態で作動するときの、図2及び図2aに対応する部分断面図である。 永久磁石式回転電機がジェネレータ・モードにて作動するときの、図3に対応する部分断面図である。 本発明の実施形態に係る永久磁石式回転電機がモータ・モードにて作動するときの、オイル穴を磁石に関して非対称に設けたロータを示す、図3に対応する部分断面図である。 本発明の実施形態に係る永久磁石式回転電機がジェネレータ・モードにて作動するときの、図5に対応する部分断面図である。 低い磁束飽和領域における、起磁力と磁束密度との関係を示すプロットである。 高い磁束飽和領域における、起磁力と磁束密度との関係を示すプロットである。 本発明の実施形態に係る永久磁石式回転電機がモータ・モードにて負荷状態で作動するときの、オイル穴を磁石に関して対称軸の一方に設けたロータを示す、図5及び図6に対応する部分断面図である。 本発明の実施形態に係る永久磁石式回転電機がジェネレータ・モードにて作動するときの、図8に対応する部分断面図である。 本発明の実施形態に係る永久磁石式回転電機において、磁石を対称軸に関して非対称に配置したロータを示す、図5及び図6に対応する部分断面図である 直軸上に追加の空洞を設けたロータを示す、図2に対応する部分断面図である。 追加の空洞を磁石に対して対称的に配置したロータを示す、図11に対応する部分断面図である。 追加の空洞を磁石に対して非対称に配置したロータを示す、図12に対応する部分断面図である。 シリーズ・パラレル型ハイブリッド電気自動車のパワートレインの概略的なブロック図である。 スプリット・パワー型ハイブリッド電気自動車のパワートレインの概略的なブロック図である。 シリーズ型ハイブリッド電気自動車のパワートレインの概略的なブロック図である。

符号の説明

36 ステータ
37 スロット
38 ロータ
39 ロータ軸
40 空隙
44 磁石
56 空洞
65、68 磁束線
132 追加の空洞

Claims (8)

1. ハイブリッド電気自動車に用いられ、モータ・モード及びジェネレータ・モードの少なくとも一方のモードで作動可能な永久磁石式回転電機であって、
   ロータ、
   上記ロータに近接して配置されるステータ、
   上記ステータに配設されたステータ巻線、
   上記ロータ内の上記ステータ巻線に近接した位置に埋め込まれた一対の磁石で構成された複数の磁極を備え、
   上記ロータは、ロータ軸に連結されているとともに、上記ステータとの間に空隙を形成するように該ステータに対して回転可能に設けられていて、
   上記ロータには、冷却媒体を流すために、又は、重量低減のために、上記ロータ軸を中心とする周方向において隣り合う磁極間に、断面略三角形状の空洞が形成されており、
   上記隣り合う磁極の一方の磁極の上記空洞に近い方の磁石である第１磁石と上記隣り合う磁極の他方の磁極の上記空洞に近い方の磁石である第２磁石とは、上記モータ・モードで作動しているときに、上記第１磁石と上記空洞との間の領域及び上記第２磁石と上記空洞との間の領域における上記ロータの磁束密度が平準化されるように、上記空洞に対して非対称となっている永久磁石式回転電機。
2. ロータ、
   上記ロータに近接して配置されるステータ、
   上記ステータに配設されたステータ巻線、
   上記ロータ内の上記ステータ巻線に近接した位置に埋め込まれた一対の磁石で構成された複数の磁極を備え、モータ・モードで作動可能な永久磁石式回転電機であって、
   上記ロータは、ロータ軸に連結されているとともに、上記ステータとの間に空隙を形成するように該ステータに対して回転可能に設けられていて、
   上記ロータには、冷却媒体を流すために、又は、重量低減のために、前記ロータ軸を中心とする周方向において隣り合う磁極間に、断面略三角形状の空洞が形成されており、
   上記隣り合う磁極の一方の磁極の上記空洞に近い方の磁石である第１磁石と上記隣り合う磁極の他方の磁極の上記空洞に近い方の磁石である第２磁石とは、上記モータ・モードで作動しているときに、上記第１磁石と上記空洞との間の領域及び上記第２磁石と上記空洞との間の領域における上記ロータの磁束密度が平準化されるように、上記空洞に対して非対称となっている永久磁石式回転電機。
3. 上記第１磁石と上記第２磁石とは、上記ロータの半径方向に延びる対称軸に対して対称な位置に配置され、
   上記空洞は、上記対称軸に対して非対称な形状をしている、請求項２に記載の永久磁石式回転電機。
4. 上記第１磁石と上記第２磁石とは、上記ロータの半径方向に延びる対称軸に対して対称な位置に配置されていて、
   上記第１磁石、上記第２磁石及び上記ステータ巻線は、上記モータ・モードで作動しているときに上記対称軸に対して非対称な磁束線を上記空洞の周りに形成する、請求項２に記載の永久磁石式回転電機。
5. 上記第１磁石と上記第２磁石とは、上記ロータの半径方向に延びる対称軸に対して対称な位置に配置されていて、
   上記空洞の幾何学的中心は、上記対称軸からずれている、請求項２に記載の永久磁石式回転電機。
6. 上記第１磁石と上記第２磁石とは、上記ロータの半径方向に延び且つ上記空洞の幾何学中心を通る対称軸に対して非対称に配置されている、請求項２に記載の永久磁石式回転電機。
7. ハイブリッド電気自動車に用いられ、モータ・モード及びジェネレータ・モードの少なくとも一方のモードで作動可能な永久磁石式回転電機であって、
   ロータ、
   上記ロータに近接して配置されるステータ、
   上記ステータに配設されたステータ巻線、
   上記ロータ内の上記ステータ巻線に近接した位置に埋め込まれた一対の磁石で構成された複数の磁極を備え、
   上記ロータは、ロータ軸に連結されているとともに、上記ステータとの間に空隙を形成するように該ステータに対して回転可能に設けられていて、
   上記ロータには、前記一対の磁石の間に上記ロータ軸と平行な空洞が形成されており、
   上記一対の磁石は、上記モータ・モードで作動しているときに上記一対の磁石の一方の磁石と上記空洞との間の領域及び上記一対の磁石の他方の磁石と上記空洞との間の領域における上記ロータの磁束密度が平準化されるように、上記空洞に対して非対称となっている、永久磁石式回転電機。
8. ロータ、
   上記ロータに近接して配置されるステータ、
   上記ステータに配設されたステータ巻線、
   上記ロータ内の上記ステータ巻線に近接した位置に埋め込まれた一対の磁石で構成された複数の磁極を備え、モータ・モードで作動可能な永久磁石式回転電機であって、
   上記ロータは、ロータ軸に連結されているとともに、上記ステータとの間に空隙を形成するように該ステータに対して回転可能に設けられていて、
   上記ロータには、前記一対の磁石の間に上記ロータ軸と平行な空洞が形成されており、
   上記一対の磁石は、上記モータ・モードで作動しているときに上記一対の磁石の一方の磁石と上記空洞との間の領域及び上記一対の磁石の他方の磁石と上記空洞との間の領域における上記ロータの磁束密度が平準化されるように、上記空洞に対して非対称となっている、永久磁石式回転電機。

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