JP5554442B2 - 鉄道車両駆動システム - Google Patents

Description

本発明は、車両用電動機などの回転電機に係り、特に、回転子の内部に永久磁石を配置した永久磁石型回転電機における回転子の構造に関する。

回転子の内部に永久磁石を配置した回転電機の一つに、永久磁石を内蔵した電動機（永久磁石型電動機）がある。この永久磁石型電動機は、各種の分野で広く使用されている誘導電動機と比較して、回転子に内蔵された永久磁石による磁束が確立しているので励磁電流が不要であることや、誘導電動機のように回転子導体に電流が流れないため、二次銅損が発生しないことなどから、高効率な電動機として知られている。鉄道車両には、従来から誘導電動機が使用されてきたが、近年、効率の向上、小型高出力化、冷却構造の簡素化を図るために永久磁石型同期電動機の適用が検討されている。

なお、永久磁石型電動機には、回転子の表面に永久磁石を張り付けた表面磁石構造の電動機（ＳＰＭモータ：Surface Permanent Magnet Motor）と、回転子の内部に永久磁石を埋め込んだ埋込磁石構造の電動機（ＩＰＭモータ：Interior Permanent Magnet Motor）とに大別される。ところが、車両用電動機は毎分数千回転で回転するため、高速回転時における永久磁石の耐遠心力強度を確保する必要がある。このため、車両用電動機としては、専らＩＰＭモータに限定されるといってもよい。

従来、車両用電動機を駆動するためのインバータでは、珪素（Ｓｉ）をベースとして形成されたスイッチング素子（以下「Ｓｉ素子」という）が一般的に用いられていた。このため、ＩＰＭモータとインバータを含めた総合効率を向上させるためには、ＩＰＭモータに流れる電流（モータ電流）を低減する必要があり、所要のモータ出力を確保する上で、ＩＰＭモータの出力電圧は高くする必要があった。例えば、下記特許文献１では、ＩＰＭモータの最大回転数において、ＩＰＭモータの無負荷誘起電圧が架線電圧以上となっている。

また、特許文献２では、回転子の磁石を１極あたり２個、Ｖ字型に配置したＩＰＭモータで、Ｖ字型の中央部に冷却用の伝熱部材が入った形状が開示されている。

特開２００８−７９４１８号公報 特開２０１１−２５９６９１号公報

上記のように従来の車両用電動機（ＩＰＭモータ）では、無負荷誘起電圧が架線電圧以上となっていた。このため、例えばＩＰＭモータの端子間に架線電圧以上の誘起電圧が生じているときにインバータが故障した場合には、ＩＰＭモータから架線側に流れようとする電流の制御が必要となり、部品点数が増加し、制御が複雑になるという課題があった。なお、無負荷誘起電圧を架線電圧以下にすることは、例えばＩＰＭモータの固定子巻線のターン数を減らしたり、固定子巻線の並列回路数を増やしたりすることにより対応できる。しかしながら、この手法では、ＩＰＭモータの抵抗値やインダクタンスが小さくなり、ＩＰＭモータの固定子に高調波電流が重畳しやすくなり、ＩＰＭモータの鉄損が増加するという別の課題が生じ、ＩＰＭモータとインバータなどの駆動回路を含めた総合効率の向上に対する制約となっていた。

また、上記特許文献２に示すような伝熱部材の配置では、リラクタンストルクの磁路を妨げる位置にあるため、リラクタンストルクが低下してしまうという課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、永久磁石の量を削減しつつ、リラクタンストルクの低下を抑止し、インバータなどの駆動回路を含めた総合効率の向上を可能とする鉄道車両駆動システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、永久磁石型電動機と、ワイドバンドギャップ半導体によるスイッチング素子を具備し前記永久磁石型電動機を駆動するするインバータと、前記インバータを制御する制御部と、を備えた鉄道車両駆動システムであって、前記永久磁石型電動機を構成する回転子鉄心の内部には、１極あたり複数個の永久磁石を埋め込む磁石挿入穴が回転子の中心に向かって凸型に並べて設けられ、前記複数個の永久磁石からなる一つの極の永久磁石群では、前記永久磁石が埋め込まれた一の磁石挿入穴と隣接する磁石挿入穴との間もしくは、当該一の磁石挿入穴と前記回転子鉄心の外周部との間には前記回転子鉄心の軸方向に貫通する通風孔が設けられ、前記制御部は、前記永久磁石型電動機の最大回転数までの全制御領域において、目標電流を一定として前記インバータを制御することを特徴とする。

この発明によれば、通風孔が磁路に沿い、かつ磁石に隣接して配置されるため、リラクタンストルクの磁路を妨げることなく永久磁石を冷却することができるという効果を奏する。また、インバータにワイドギャップ半導体を用いているため、インバータなどの駆動回路を含めた総合効率を向上することができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態１に係る永久磁石型回転電機の一例である永久磁石型電動機の軸方向断面図である。 図２は、図１に示した永久磁石型電動機におけるＡ−Ａ線矢視断面図である。 図３は、リラクタンストルクによる磁路を図２の断面図上に示した部分断面図である。 図４は、永久磁石型電動機の回転数と無負荷誘起電圧との関係を示すシミュレーション結果を示す図である。 図５は、電動機制御の新たな制御手法を従来手法と比較して説明する図である。 図６は、本発明の新手法を実行する車両駆動システムの一構成例を示す図である。 図７は、実施の形態２における回転子構造を説明するための部分断面図である。 図８は、実施の形態２における通風孔の配置位置を説明する図である。 図９は、実施の形態３における回転子構造を説明するための部分断面図である。 図１０は、実施の形態３における通風孔の配置位置を説明する図である。

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る永久磁石型回転電機および車両駆動システムについて説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る永久磁石型回転電機の一例である永久磁石型電動機１の軸方向断面図である。図１において、回転軸駆動側部５１ａは、例えば鉄道車両用の場合、継手（図示せず）および減速歯車（図示せず）を介して鉄道車両の車軸（図示せず）に連結され、車軸に取り付けられた車輪（図示せず）を駆動して車両を走行させるように構成される。

回転軸５１に一体化された回転子鉄心６を有して構成される回転子５には、回転軸５１の軸方向に貫通した複数個の通風孔７が形成されている。冷却用ファン５２は、吸気口５３を介して取り込んだ冷却風５８を通風孔７に通過させた後に排気口５６を介して排出できるように回転軸駆動側部５１ａに装架されている。

フレーム５４の機内側には、固定子鉄心３が回転子鉄心６と対向するように配置され、この固定子鉄心３には、固定子巻線４が装着されている。なお、固定子２は、固定子鉄心３と固定子巻線４とで構成される。

つぎに、固定子２および回転子５の構造について図２を参照して説明する。図２は、図１に示した永久磁石型電動機におけるＡ−Ａ線矢視断面図である。

固定子鉄心３は円筒形状を成し、内周部側に、例えば３６個のスロット３ａを等角ピッチで、且つ、間欠的に形成することによって３６個のティース３ｂが形成されている。スロット３ａには、固定子巻線４が、ティース３ｂの所定数個分を内部に含むように例えば分布巻で巻装されて収納される。

回転子５は、例えば所定枚数の磁性鋼板を積層および一体化して作製され、外周面が円筒面を成し、２個の磁石挿入穴９と１個の通風孔７を１組とし、これら１組が等角ピッチで６組（即ち、全部で１２個の磁石挿入穴９と６個の通風孔７）配列されるように形成された回転子鉄心６と、各磁石挿入穴９内にそれぞれ収納された永久磁石９ａと、を備え、固定子２に対し回転空隙１８を介して回転可能となるように配置されている。なお、磁石挿入穴９内に永久磁石９ａを埋め込んだとき、永久磁石９ａの両側面部には空洞部９ｂが形成される。

２個の磁石挿入穴９と１個の通風孔７による１組は、回転子鉄心６の外周面（外周方向）に向かって開くように（別言すれば、回転子中心に向かって凸型になるように）概略Ｕ字形状に配置（形成）されている。これらの１組では、外周側の両端部に磁石挿入穴９が位置し、中央部（回転軸５１側）に通風孔７が位置する。永久磁石９ａは、矢印で示す着磁方向（磁束の向き）が隣接する組との間で交互になるように配置される。すなわち、実施の形態１の永久磁石型電動機１における回転子５では、永久磁石９ａによる着磁方向が回転子５の外周面に向かって収束する方向に着磁された永久磁石群と、回転子５の中心部に向かって発散する方向に着磁された永久磁石群と、が交互に配列されるように構成されている。

なお、図２では、永久磁石群による着磁方向を上記のように構成したのは、固定子コイルの誘起電圧を正弦波状にするためであり、固定子コイルの誘起電圧を正弦波状にする必要のない用途では、この限りではない。すなわち回転子５の外周面に向かう方向または回転子５の中心部に向かう方向に着磁された各永久磁石群の各着磁方向が平行であっても構わない。

また、図２では、３６個のスロット３ａが固定子２の周方向に等角ピッチで配列され、６組の永久磁石群を成す１２個の永久磁石９ａが回転子鉄心６の周方向に埋め込まれ、さらに１個の通風孔７を一の磁石挿入穴９と他の磁石挿入穴９との間に設けることで、２個の永久磁石９ａと１個の通風孔７を１組とする永久磁石群を６組有する永久磁石型電動機を一例として示しているが、電動機の極数やスロットの数および永久磁石の数、通風孔の数等は、図１の構成に限定されるものではなく、所定数の選択が可能である。

なお、磁石挿入穴９に埋め込まれる永久磁石９ａとしては、例えばレアアースと称される元素の一つであるネオジム（Ｎｄ）を主成分とする永久磁石が好適である。

つぎに、永久磁石型電動機におけるトルク発生原理について説明する。永久磁石型電動機では、永久磁石で作る磁束と固定子巻線４で作る磁束との相互作用によるトルク（所謂、マグネットトルク）と、回転子５の表面の鉄心部分と固定子巻線４で作る磁束との相互作用によるトルク（所謂、リラクタンストルク）の２種類がある。ここで、実施の形態１の永久磁石型電動機におけるリラクタンストルクの磁路を図３に示す。この図３に示すように、リラクタンストルクの磁路１５は、回転子鉄心６の内部にある２個の永久磁石９ａと１個の通風孔７の形状（Ｕ字形状）に沿った経路でトルクを発生する。

通風孔７は、回転子鉄心６を冷却する目的で設けた孔であり、上述のように回転子５の周辺部に設けた冷却用ファン５２によって通風孔７に冷却風を通流させることで冷却を実現する。それ故、リラクタンストルクの磁路１５を阻害しない位置に通風孔７を設けることにより、リラクタンストルクの有効利用が可能になる。また、回転子鉄心６を冷却することにより磁石挿入穴９に埋め込んだ永久磁石９ａの冷却も可能となる。

なお、図２および図３では、通風孔７の断面を矩形形状に形成しているが、この形状に限定されるものではない。例えば、製作容易性の観点から断面を円形形状に形成してもよい。

つぎに、永久磁石９ａおよび通風孔７を図３に示すような配置構成にしたことによる効果について図４を参照して説明する。図４は、永久磁石型電動機の回転数と無負荷誘起電圧との関係を示すシミュレーション結果である。図４において、白四角で示す波形は、Ｕ字形状の側面部（外周側の両端部）に位置する２つの磁石挿入穴９に永久磁石９ａを入れた場合の無負荷誘起電圧のシミュレーション値であり、黒三角で示す波形は、通風孔７の位置にも永久磁石を入れた場合の無負荷誘起電圧のシミュレーション値である。なお、縦軸に示す数値は、無負荷誘起電圧を架線電圧で規格化した値を示している。また、このシミュレーションでは、固定子巻線等の条件は同一としている。

図４に示すように、３個の永久磁石を埋め込んだ場合には、高速回転域（図４の例では、３５００［ｒ／ｍｉｎ］以上の回転域）において、無負荷誘起電圧が架線電圧以上になっていることが分かる。このような場合、固定子巻線４のターン数を減らせば、高速回転域の無負荷誘起電圧を架線電圧に近づけることができる。しかしながら、車両用電動機では、必要トルクとスイッチング素子の電流上限値とによって無負荷誘起電圧の下限値が決定されるため、従来のＳｉ素子を用いたインバータ（Ｓｉインバータ）の場合には、電流上限値が小さいため無負荷誘起電圧の最大値が、架線電圧以上となってしまうことは必然である。

一方、炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）などに代表されるワイドギャップ半導体素子を用いた場合、インバータのスイッチング素子で発生する損失が小さいため、スイッチング素子に通電可能な電流は、Ｓｉ素子に比して２倍以上となる。そのため、２個の永久磁石を埋め込んだ場合のように高速回転域の無負荷誘起電圧が架線電圧よりも小さい場合でも（図４参照）、スイッチング素子に通電する電流を増加させることで必要トルクの発生が可能となる。

したがって、インバータのスイッチング素子として炭化珪素（ＳｉＣ）のようなワイドギャップ半導体素子を用いた場合、ネオジム（Ｎｄ）を主成分とする永久磁石９ａの個数を従来のものよりも２／３個に低減することができる。これにより、永久磁石型電動機の低コスト化を図ることができる。また、回転子５の内部で発生する磁束を減らすことができるので、電動機損失の主因である鉄損の低減も可能となる。

また、車両用電動機で使用される永久磁石は、磁石の耐高温性能を向上させるため、ネオジム（Ｎｄ）に加えてジスプロシウム（Ｄｙ）や、テルビウム（Ｔｂ）などのネオジム（Ｎｄ）よりも更に希少価値の高い元素材料を添加することが行われる。このため、車両用電動機で使用される永久磁石は、材料コストが非常に高くなる。一方、本実施の形態にて開示した技術、即ち、Ｕ字形状の側面部のみに２個の永久磁石を配置する技術を採用すれば、回転子５の冷却性能を高めることができるので、永久磁石の耐高温性能のスペックを下げることができ、磁石コストの更なる低減が可能となる。

なお、架線電圧は、その中心値の±２０％（例えば１５００Ｖ架線であれば１２００〜１８００Ｖ）の範囲内で変動する。このため、無負荷誘起電圧の上限値を架線電圧の０．８倍以下に設定しておけば、架線電圧が変動した場合であっても、架線電圧が無負荷誘起電圧の上限値を超えることなく、特別な制御を行うことなく、電動機の最大回転数まで動作させることが可能となる。

また、無負荷誘起電圧を架線電圧以下にすることができれば、車両用電動機における全速度域に渡ってＰＷＭ制御のみで制御可能となる。この点について、図５を参照して説明する。

図５は、電動機制御の新たな制御手法を従来手法と比較して説明する図である。図５において、太実線で示す波形は新手法を用いた場合の目標電流（電動機に対する目標電流、以下同じ）であり、太破線で示す波形は新手法を用いた場合の目標電圧（電動機に対する目標電圧、以下同じ）である。一方、一点鎖線で示す波形は従来手法を用いた場合の目標電流であり、二点鎖線で示す波形は従来手法を用いた場合の目標電圧である。

従来手法による電動機制御では、図５に示すように、電動機の回転数がある所定値までは目標電流を一定とし、且つ、目標電圧を回転数に応じて比例的に上昇させるＰＷＭ制御モードにて制御を行うが、回転数が所定値以上では、同期パルスモードなどの複数パルスモードの間においては目標電圧を一定に制御する制御モード（非ＰＷＭ制御モード）にて制御を行っていた。このような非ＰＷＭ制御モードにて制御を行う理由の一つに前述した無負荷誘起電圧の問題があった。

一方、例えばインバータのスイッチング素子として炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）などのワイドギャップ半導体素子を用いた場合では、Ｓｉ素子の２倍以上の電流を流すことができるので、図５に示す新手法を採用することができる。この新手法では、電動機の最大回転数までの領域（全制御領域）において、目標電流を一定とし、且つ、目標電圧を回転数に応じて比例的に増加させるＰＷＭ制御モードにて制御を行う。目標電圧は従来手法に比して小さいが、目標電圧を従来手法に比して大きな値としているので、従来と同等（もしくは同等以上）の所要トルクの確保が可能となっている。なお、この新手法を採用すれば、例えば高速惰行時であっても回生ブレーキの使用が可能となるので、回生エネルギーを有効に活用することができて消費電力量の削減が可能になるのと共に、機械ブレーキの使用頻度を抑制することで機械ブレーキの摩耗を抑制することができ、機械ブレーキの寿命の延伸化が可能となる。

図６は、上述した新手法を実行する車両駆動システムの一構成例を示す図である。この車両駆動システム６１は、図６に示すように、少なくとも遮断器、フィルタコンデンサ、フィルタリアクトルを含む入力回路６２、スイッチング素子６４ａ，６５ａ，６６ａ，６４ｂ，６５ｂ，６６ｂを具備し、電気車を駆動するための少なくとも１台以上の電動機６８を接続してなるインバータ６３、およびインバータ６３に具備されるスイッチング素子６４ａ，６５ａ，６６ａ，６４ｂ，６５ｂ，６６ｂをＰＷＭ制御するためのＰＷＭ信号Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚをそれぞれ生成して出力する制御部６７を備えて構成される。なお、インバータ６３に接続される電動機６８としては、上述した永久磁石型電動機１を用いるのが好適である。

また、図６において、入力回路６２の一端は集電装置７１を介して架線７０に接続され、他端は車輪７３を介して大地電位であるレール７２に接続されている。架線７０から供給される直流電力または交流電力は、集電装置７１を介して入力回路６２の一端に入力されるとともに、入力回路６２の出力端に生じた電力（直流電圧）がインバータ６３に入力（印加）される。なお、図６では、架線７０を直流架線として示しているが、架線７０が交流架線であっても構わない。交流架線の場合、細部の設計事項は除き、入力回路６２の前段に変圧器を設ける構成とすればよい。

インバータ６３は、スイッチング素子６４ａ，６５ａ，６６ａで構成される正側アーム（例えばＵ相では６４ａ）と、スイッチング素子６４ｂ，６５ｂ，６６ｂで構成される負側アーム（例えばＵ相では６４ｂ）とがそれぞれ直列に接続されたレグを有している。すなわち、インバータ６３には、３組（Ｕ相分、Ｖ相分、Ｗ相分）のレグを有する三相ブリッジ回路が構成されている。ここで、スイッチング素子６４ａ，６５ａ，６６ａ，６４ｂ，６５ｂ，６６ｂとしては、ワイドバンドギャップ半導体（ＳｉＣ、ＧａＮ等）を用いたスイッチング素子を用いる。なお、図６の例では、レグ数が３（３相）である場合の構成例を示しているが、このレグ数に限定されるものではない。

インバータ６３は、制御部６７から出力されるスイッチング信号（ＰＷＭ信号）Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ，Ｚに基づいてスイッチング素子６４ａ，６５ａ，６６ａ，６４ｂ，６５ｂ，６６ｂをＰＷＭ制御することにより、入力回路６２から入力された直流電圧を任意周波数および任意電圧の交流電圧に変換して出力する。ここで、スイッチング信号Ｕ，Ｖ，Ｗは、それぞれスイッチング素子６４ａ，６５ａ，６６ａ（即ち正側アームのスイッチング素子）をＰＷＭ制御するための制御信号であり、同様に、スイッチング信号Ｘ，Ｙ，Ｚは、それぞれスイッチング素子６４ｂ，６５ｂ，６６ｂ（即ち負側アームのスイッチング素子）をＰＷＭ制御するための制御信号である。なお、ＰＷＭ制御を行うための制御部６７の構成や、架線７０からの電力を取り込んでインバータ６３に供給する入力回路６２の構成は公知であるため、ここでの詳細な説明は省略する。

実施の形態２．
図７は、実施の形態２における回転子構造を説明するための部分断面図である。実施の形態２では、図７に示すように、１極あたり３つの磁石挿入穴１０ａ１〜１０ａ３と、２つの通風孔１１ａ１，１１ａ２を設ける構造であり、中央部の磁石挿入穴１０ａ１には永久磁石１２ａ１が埋め込まれ、両端部の磁石挿入穴１０ａ２，１０ａ３には永久磁石１２ａ２，１２ａ３が埋め込まれている。埋め込まれた永久磁石の間、具体的には、永久磁石１２ａ１と永久磁石１２ａ２との間および永久磁石１２ａ１と永久磁石１２ａ３との間には、回転子鉄心６および永久磁石１２ａ１〜１２ａ３を冷却するための通風孔１１ａ１，１１ａ２が設けられている。なお、漏れ磁束低減のため、永久磁石を埋め込んだ後の両端部に漏れ磁束防止用の穴が形成されるように磁石挿入穴の大きさを永久磁石よりも大きくしていることは実施の形態１と同様である。

ここで、通風孔１１ａ１，１１ａ２については、実施の形態１で説明したのと同様に、リラクタンストルクの磁路１５を妨げることのない位置に設けることが望ましい。そのため、実施の形態１と同様に、永久磁石１２ａ１，１２ａ２，１２ａ３を結ぶＵ字形状の曲線内に通風孔１１ａ１，１１ａ２が位置するように設けるようにしている。なお、通風孔１１ａ１，１１ａ２の位置をより定量的に特定するとするならば、例えば図８に示すような配置とすればよい。

図８において、一の極の永久磁石群の中央部に位置する永久磁石１２ａ１（もしくは磁石挿入穴１０ａ１）の長手方向を延長した方向をＬ１とし、永久磁石群の両端部（最外周部）の一方側に位置する永久磁石１２ａ２（もしくは磁石挿入穴１０ａ２）の長手方向を延長した方向をＬ２とし、通風孔１１ａ１の長手方向を延長した方向をＬ３とする。このとき、方向Ｌ３と方向Ｌ１とのなす角が方向Ｌ２と方向Ｌ１とのなす角の概略１／２となるように通風孔１１ａ１を配置する。通風孔１１ａ２についても同様であり、永久磁石１２ａ１（もしくは磁石挿入穴１０ａ１）と永久磁石１２ａ３（もしくは磁石挿入穴１０ａ３）との関係で位置決めすることができる。このような配置とすることにより、リラクタンストルクの磁路を阻害しない位置に通風孔１１ａ１，１１ａ２を設けることができ、リラクタンストルクの有効利用を図ることができる。

実施の形態３．
図９は、実施の形態３における回転子構造を説明するための部分断面図である。実施の形態３は、図９に示すように、１極あたり２つの磁石挿入穴２０ａ１，２０ａ２と、３つの通風孔２１ａ１〜２１ａ３を設ける構造であり、中央部の通風孔２１ａ１の右側に位置する磁石挿入穴２０ａ１には永久磁石２２ａ１が埋め込まれ、中央部の通風孔２１ａ１の左側に位置する磁石挿入穴２０ａ２には永久磁石２２ａ２が埋め込まれている。また、永久磁石２２ａ１と永久磁石２２ａ２との間ならびに、永久磁石２２ａ１と回転子鉄心６の外周部との間および永久磁石２２ａ２と回転子６の外周部との間には、回転子鉄心６および永久磁石２２ａ１，２２ａ２を冷却するための通風孔２１ａ１〜２１ａ３が設けられている。なお、漏れ磁束低減のため、永久磁石を埋め込んだ後の両端部に漏れ磁束防止用の穴が形成されるように磁石挿入穴の大きさを永久磁石よりも大きくしている点については、実施の形態１，２と同様である。

ここで、通風孔２１ａ１〜２１ａ３については、実施の形態１，２で説明したのと同様に、リラクタンストルクの磁路１５を妨げることのない位置に設けることが望ましい。そのため、実施の形態１，２と同様に、永久磁石２２ａ１，２２ａ２を結ぶＵ字形状の曲線内および、このＵ字形状の曲線を回転子６の外周部に延長した曲線内に通風孔２１ａ１〜２１ａ３が位置するように設けるようにしている。なお、永久磁石２２ａ１，２２ａ２および通風孔２１ａ１〜２１ａ３の位置をより定量的に特定するとするならば、例えば図１０に示すような配置とすればよい。

図１０において、通風孔２１ａ１〜２１ａ３からなる通風孔群、すなわち一の極の通風孔群の中央部に位置する通風孔２１ａ１の長手方向を延長した方向をＫ１とし、通風孔群の両端部（最外周部）の一方側に位置する通風孔２１ａ２の長手方向を延長した方向をＫ２とし、永久磁石２２ａ１の長手方向を延長した方向をＫ３とする。このとき、方向Ｋ３と方向Ｋ１とのなす角が方向Ｋ２と方向Ｋ１とのなす角の概略１／２となるように永久磁石２２ａ１を挿入する磁石挿入穴２０ａ１を配置する。永久磁石２２ａ２についても同様であり、通風孔２１ａ１と通風孔２１ａ３との関係で位置決めすることができる。このような配置とすることにより、リラクタンストルクの磁路を阻害しない位置に通風孔２１ａ１〜２１ａ３および磁石挿入穴２０ａ１，２０ａ２を設けることができ、リラクタンストルクの有効利用を図ることができる。

以上、実施の形態１〜３に係る回転子構造について説明したが、実施の形態１〜３を説明する各図面を参照すると、１極あたりの永久磁石（磁石挿入穴）と通風孔との間には、以下の関係が見られる。
（１）外周部には、永久磁石が配置されていても、通風孔が配置されていてもよい。
（２）外周部側に位置する永久磁石を除き、永久磁石の両側には通風孔が設けられる。
（３）永久磁石および通風孔の数は奇数であっても偶数であってもよい。
（４）永久磁石の数よりも通風孔の数が多くてもよいし、この逆であってもよい。
（５）永久磁石の数と通風孔の数の和は奇数である。

なお、上記（５）項は本願発明の本質的な点であり、便宜的な意味での特徴ではない。例えば、図３において、中央部に位置する通風孔７を２分割で構成すれば、永久磁石の数と通風孔の数の和は偶数になるがこのような数え方は、本質的ではない。通風孔７としての機能に鑑みれば、通風孔７の数は１である。この点は、永久磁石についても同様である。

以上のように、実施の形態１〜３の永久磁石型回転電機では、回転子鉄心には複数個の永久磁石を埋め込む磁石挿入穴を回転子の外周面に向かって概略Ｕ字形状に並べて設け、一つの極の永久磁石群における永久磁石が埋め込まれた一の磁石挿入穴と隣接する磁石挿入穴との間もしくは当該一の磁石挿入穴と回転子鉄心の外周部との間に回転子鉄心の軸方向に貫通し、且つ、磁石挿入穴と共に概略Ｕ字形状を成す位置に通風孔を配置する構成とした。このような構成は、ワイドバンドギャップ半導体をベースとするスイッチング素子により構成されるインバータにて永久磁石型回転電機を駆動することに少なからぬ要因がある。

すなわち、インバータにワイドギャップ半導体を用いているため、上述した新手法にて永久磁石型回転電機を駆動することができる。その結果、永久磁石の量を削減することができるので、削減したスペースに冷却用の通風孔を設けることが可能となる。また、上述の構成により、リラクタンストルクの磁路を妨げることなく冷却用の通風孔を設けることが可能となる。これにより、永久磁石の量を削減しつつ、リラクタンストルクの低下を抑止することが可能となる。

また、実施の形態１〜３の永久磁石型回転電機では、永久磁石の量を削減したスペースに冷却用の通風孔を設けることができるので、永久磁石の冷却性能を向上することが可能となる。その結果、回転子の冷却性能、ひいては、回転電機の性能低下を抑制することができ、インバータなどの駆動回路を含めた総合効率の更なる向上に寄与することが可能となる。

また、実施の形態１〜３の永久磁石型回転電機によれば、回転子の冷却性能向上により永久磁石の耐高温性能のスペックを従来のものよりも下げることができるので、永久磁石のコストを下げることができるという効果が得られる。

また、実施の形態１〜３の永久磁石型回転電機によれば、通風孔を磁石挿入穴と共に概略Ｕ字形状を成す位置に配置する構成とした。このような通風孔の配置位置は、リラクタンストルクの磁路を妨げず、且つ、マグネットトルクの磁路を妨げる位置でもない。例えば、図３において、通風孔７の位置が回転子鉄心６の外周側にある場合、永久磁石９ａ，９ａから固定子鉄心３に向かう磁路の妨げになる。一方、実施の形態１〜３の構成では、回転子鉄心６の外周部から中心軸側の位置に設けられるので、マグネットトルクの低下をも抑止できるという効果がある。

以上のように、本発明に係る鉄道車両駆動システムは、永久磁石の量を削減しつつ、リラクタンストルクの低下を抑止できる発明として有用である。

１ 永久磁石型電動機、２ 固定子、３ 固定子鉄心、３ａ スロット、３ｂ ティース、４ 固定子巻線、５ 回転子、６ 回転子鉄心、７，１１ａ１，１１ａ２ 通風孔、９，１０ａ１，１０ａ２，１０ａ３ 磁石挿入穴、９ａ，１２ａ１，１２ａ２，１２ａ３ 永久磁石、９ｂ 空洞部、１５ 磁路、１８ 回転空隙、５１ 回転軸、５１ａ 回転軸駆動側部、５２ 冷却用ファン、５３ 吸気口、５４ フレーム、５６ 排気口、５８ 冷却風。

Claims (10)

1. 永久磁石型電動機と、ワイドバンドギャップ半導体によるスイッチング素子を具備し前記永久磁石型電動機を駆動するするインバータと、前記インバータを制御する制御部と、を備えた鉄道車両駆動システムであって、
   前記永久磁石型電動機を構成する回転子鉄心の内部には、１極あたり複数個の永久磁石を埋め込む磁石挿入穴が回転子の中心に向かって凸型に並べて設けられ、
   前記複数個の永久磁石からなる一つの極の永久磁石群では、前記永久磁石が埋め込まれた一の磁石挿入穴と隣接する磁石挿入穴との間もしくは、当該一の磁石挿入穴と前記回転子鉄心の外周部との間には前記回転子鉄心の軸方向に貫通する通風孔が設けられ、
   前記制御部は、前記永久磁石型電動機の最大回転数までの全制御領域において、目標電流を一定として前記インバータを制御することを特徴とする鉄道車両駆動システム。
2. 前記制御部は、目標電圧を回転数に応じて比例的に増加させるＰＷＭ制御モードのみにて、前記永久磁石型電動機における前記最大回転数での無負荷誘起電圧が架線電圧の中心値よりも小さくなるように前記インバータを制御することを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両駆動システム。
3. 前記磁石挿入穴および前記通風孔は、リラクタンストルクの磁路を妨げないように前記回転子の外周面に向かって概略Ｕ字形状に並べて設けられることを特徴とする請求項１に記載の鉄道車両駆動システム。
4. 前記回転子鉄心では、外周部側に位置する永久磁石を除き、永久磁石の両側には通風孔が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の鉄道車両駆動システム。
5. １極あたりの前記永久磁石の個数と前記通風孔の個数との和が奇数であることを特徴とする請求項３に記載の鉄道車両駆動システム。
6. 前記永久磁石の個数は１極あたり３以上の奇数個であり、前記永久磁石群の中央部と前記永久磁石群の最外周部には永久磁石が配置されていることを特徴とする請求項３に記載の鉄道車両駆動システム。
7. 前記永久磁石の個数は１極あたり３個であり、前記永久磁石群の中央部に位置する第１の永久磁石または当該第１の永久磁石が埋め込まれる第１の磁石挿入穴における前記Ｕ字形状の接線方向を第１の方向とし、前記永久磁石群の両端部の一方側に位置する第２の永久磁石または当該第２の永久磁石が埋め込まれる第２の磁石挿入穴における前記Ｕ字形状の接線方向を第２の方向とし、前記第１の磁石挿入穴と前記第２の磁石挿入穴との間に設けられる通風孔における前記Ｕ字形状の接線方向を第３の方向とするとき、前記第３の方向と前記第１の方向とのなす角が前記第２の方向と前記第１の方向とのなす角の概略１／２とになるように前記通風孔を配置することを特徴とする請求項６に記載の鉄道車両駆動システム。
8. 前記永久磁石の個数は１極あたり２以上の偶数個であり、複数個の前記通風孔からなる一つの極の通風孔群では、当該通風孔群の中央部と最外周部に通風孔が配置されていることを特徴とする請求項３に記載の鉄道車両駆動システム。
9. 前記通風孔の個数は１極あたり３個であり、中央部に位置する第１の通風孔における前記Ｕ字形状の接線方向を第１の方向とし、前記回転子鉄心の外周部の一方側に位置する第２の通風孔における前記Ｕ字形状の接線方向を第２の方向とし、前記第１の通風孔と前記第２の通風孔との間に位置する永久磁石または当該永久磁石が埋め込まれる磁石挿入穴における前記Ｕ字形状の接線方向を第３の方向とするとき、前記第３の方向と前記第１の方向とのなす角が前記第２の方向と前記第１の方向とのなす角の概略１／２とになるように当該永久磁石を配置することを特徴とする請求項８に記載の鉄道車両駆動システム。
10. 前記最大回転数での前記無負荷誘起電圧が架線電圧の中心値の０．８倍以下となることを特徴とする請求項３に記載の鉄道車両駆動システム。

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