JP5723524B2 - 回転電機及び電気自動車 - Google Patents
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Description
本発明は、回転電機、およびその回転電機を備えた電気自動車に関する。
車両の駆動用として用いられる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、特許文献１（特許第３３０８８２８号公報）には、ロータに永久磁石と空隙を設けることで、高出力と低トルクリプルを両立した埋込型永久磁石式回転電機の構造が開示されている。
また、機械的な高回転化が可能な埋め込み磁石式回転電機の構造として特許文献２（特開２００６−１８７１８９号公報）に記載のものが知られている。
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、ステータコイル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）して漏洩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。
すなわち、本発明の目的は、回転子鉄心において、遠心力に基づいて生じる応力の集中を緩和することである。
回転子のブリッジ部において、前記回転子の回転軸をその中心として前記永久磁石挿入孔の最も固定子側を通る円弧状の仮想線を描いた場合に、前記非磁性部の固定子側の辺は前記永久磁石側から前記補助突極側に前記仮想線に沿って伸びる第１の辺を有し、前記非磁性部の前記補助突極側の辺は固定子とは反対の方向に伸びる第２の辺を有し、前記第１の辺と前記第２の辺との間が曲線によってつながっている構成を採用する。
本発明によれば、回転子鉄心において、遠心力に基づいて生じる応力の集中を緩和することが可能となる。
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
本発明による回転電機は、以下に説明するように、高トルク化と高回転化の両立が可能である。そのため、例えば、電気自動車の走行用モータとして好適である。本発明による回転電機は、回転電機のみによって走行する純粋な電気自動車や、エンジンと回転電機の双方によって駆動されるハイブリッド型の電気自動車にも適用できるが、以下ではハイブリッド型の電気自動車を例に説明する。
図１は、本発明の一実施形態の回転電機を搭載したハイブリッド型電気自動車の概略構成を示す図である。車両１００には、エンジン１２０と第１の回転電機２００と第２の回転電機２０２とバッテリ１８０とが搭載されている。バッテリ１８０は、回転電機２００，２０２による駆動力が必要な場合には回転電機２００，２０２に直流電力を供給し、回生走行時には回転電機２００，２０２から直流電力を受ける。バッテリ１８０と回転電機２００，２０２との間の直流電力の授受は、電力変換装置６００を介して行われる。また、図示していないが、車両には低電圧電力（例えば、１４ボルト系電力）を供給するバッテリが搭載されており、以下に説明する制御回路に直流電力を供給する。
エンジン１２０および回転電機２００，２０２による回転トルクは、変速機１３０とデファレンシャルギア１６０を介して前輪１１０に伝達される。変速機１３０は変速機制御装置１３４により制御され、エンジン１２０はエンジン制御装置１２４により制御される。バッテリ１８０は、バッテリ制御装置１８４により制御される。変速機制御装置１３４，エンジン制御装置１２４，バッテリ制御装置１８４，電力変換装置６００および統合制御装置１７０は、通信回線１７４によって接続されている。
統合制御装置１７０は、統合制御装置１７０より下位の制御装置である、変速機制御装置１３４，エンジン制御装置１２４，電力変換装置６００およびバッテリ制御装置１８４から、それぞれの状態を表す情報を、通信回線１７４を介して受け取る。統合制御装置１７０は、これらの情報に基づき各制御装置の制御指令を演算する。演算された制御指令は通信回線１７４を介してそれぞれの制御装置へ送信される。
高電圧のバッテリ１８０はリチウムイオン電池あるいはニッケル水素電池などの２次電池で構成され、２５０ボルトから６００ボルト、あるいはそれ以上の高電圧の直流電力が出力される。バッテリ制御装置１８４は、バッテリ１８０の放電状況やバッテリ１８０を構成する各単位セル電池の状態を、通信回線１７４を介して統合制御装置１７０に出力する。
統合制御装置１７０は、バッテリ制御装置１８４からの情報に基づいてバッテリ１８０の充電が必要と判断すると、電力変換装置６００に発電運転の指示を出す。また、統合制御装置１７０は、主に、エンジン１２０および回転電機２００，２０２の出力トルクの管理、エンジン１２０の出力トルクと回転電機２００，２０２の出力トルクとの総合トルクやトルク分配比の演算処理、その演算処理結果に基づく変速機制御装置１３４，エンジン制御装置１２４および電力変換装置６００への制御指令の送信を行う。電力変換装置６００は、統合制御装置１７０からのトルク指令に基づき、指令通りのトルク出力あるいは発電電力が発生するように回転電機２００，２０２を制御する。
電力変換装置６００には回転電機２００，２０２を運転するためにインバータを構成するパワー半導体が設けられている。電力変換装置６００は、統合制御装置１７０からの指令に基づきパワー半導体のスイッチング動作を制御する。このようなパワー半導体のスイッチング動作により、回転電機２００，２０２が電動機としてあるいは発電機として運転される。
回転電機２００，２０２を電動機として運転する場合は、高電圧のバッテリ１８０からの直流電力が電力変換装置６００のインバータの直流端子に供給される。電力変換装置６００は、パワー半導体のスイッチング動作を制御することにより、供給された直流電力を３相交流電力に変換し回転電機２００，２０２に供給する。一方、回転電機２００，２０２を発電機として運転する場合には、回転電機２００，２０２の回転子が外部から加えられる回転トルクで回転駆動され、回転電機２００，２０２の固定子巻線に３相交流電力が発生する。発生した３相交流電力は電力変換装置６００で直流電力に変換され、その直流電力が高電圧のバッテリ１８０に供給されることにより充電が行われる。
図２は、図１の電力変換装置６００の回路図を示す。電力変換装置６００には、回転電機２００のための第１のインバータ装置と、回転電機２０２のための第２のインバータ装置とが設けられている。第１のインバータ装置は、パワーモジュール６１０と、パワーモジュール６１０の各パワー半導体２１のスイッチング動作を制御する第１の駆動回路６５２と、回転電機２００の電流を検知する電流センサ６６０とを備えている。駆動回路６５２は駆動回路基板６５０に設けられている。一方、第２のインバータ装置は、パワーモジュール６２０と、パワーモジュール６２０における各パワー半導体２１のスイッチング動作を制御する第２の駆動回路６５６と、回転電機２０２の電流を検知する電流センサ６６２とを備えている。駆動回路６５６は駆動回路基板６５４に設けられている。制御回路基板６４６に設けられた制御回路６４８、コンデンサモジュール６３０およびコネクタ基板６４２に実装された送受信回路６４４は、第１のインバータ装置と第２のインバータ装置とで共通に使用される。
パワーモジュール６１０，６２０は、それぞれ対応する駆動回路６５２，６５６から出力された駆動信号によって動作する。パワーモジュール６１０，６２０は、それぞれバッテリ１８０から供給された直流電力を三相交流電力に変換し、その電力を対応する回転電機２００，２０２の電機子巻線である固定子巻線に供給する。また、パワーモジュール６１０，６２０は、回転電機２００，２０２の固定子巻線に誘起された交流電力を直流に変換し、高電圧バッテリ１８０に供給する。
パワーモジュール６１０，６２０は図２に記載のごとく３相ブリッジ回路を備えており、３相に対応した直列回路が、それぞれバッテリ１８０の正極側と負極側との間に電気的に並列に接続されている。各直列回路は上アームを構成するパワー半導体２１と下アームを構成するパワー半導体２１とを備え、それらのパワー半導体２１は直列に接続されている。パワーモジュール６１０とパワーモジュール６２０とは、図２に示す如く回路構成がほぼ同じであり、ここではパワーモジュール６１０で代表して説明する。
本実施の形態では、スイッチング用パワー半導体素子としてＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）２１を用いている。ＩＧＢＴ２１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。ＩＧＢＴ２１のコレクタ電極とエミッタ電極との間にはダイオード３８が電気的に接続されている。ダイオード３８は、カソード電極及びアノード電極の２つの電極を備えており、ＩＧＢＴ２１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となるように、カソード電極がＩＧＢＴ２１のコレクタ電極に、アノード電極がＩＧＢＴ２１のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。
なお、スイッチング用パワー半導体素子として、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いてもよい。ＭＯＳＦＥＴは、ドレイン電極，ソース電極及びゲート電極の３つの電極を備えている。ＭＯＳＦＥＴの場合には、ソース電極とドレイン電極との間に、ドレイン電極からソース電極に向かう方向が順方向となる寄生ダイオードを備えているので、図２のダイオード３８を設ける必要がない。
各相のアームは、ＩＧＢＴ２１のエミッタ電極とＩＧＢＴ２１のコレクタ電極とが電気的に直列に接続されて構成されている。尚、本実施の形態では、各相の各上下アームのＩＧＢＴを１つしか図示していないが、制御する電流容量が大きいので、実際には複数のＩＧＢＴが電気的に並列に接続されて構成されている。以下では、説明を簡単にするため、１個のパワー半導体として説明する。
図２に示す例では、各相の各上下アームはそれぞれ３個のＩＧＢＴによって構成されている。各相の各上アームのＩＧＢＴ２１のコレクタ電極はバッテリ１８０の正極側に、各相の各下アームのＩＧＢＴ２１のソース電極はバッテリ１８０の負極側にそれぞれ電気的に接続されている。各相の各アームの中点（上アーム側ＩＧＢＴのエミッタ電極と下アーム側のＩＧＢＴのコレクタ電極との接続部分）は、対応する回転電機２００，２０２の対応する相の電機子巻線（固定子巻線）に電気的に接続されている。
駆動回路６５２，６５６は、対応するインバータ装置６１０，６２０を制御するための駆動部を構成しており、制御回路６４８から出力された制御信号に基づいて、ＩＧＢＴ２１を駆動させるための駆動信号を発生する。それぞれの駆動回路６５２，６５６で発生した駆動信号は、対応するパワーモジュール６１０，６２０の各パワー半導体素子のゲートにそれぞれ出力される。駆動回路６５２，６５６には、各相の各上下アームのゲートに供給する駆動信号を発生する集積回路がそれぞれ６個設けられており、６個の集積回路を１ブロックとして構成されている。
制御回路６４８は各インバータ装置６１０，６２０の制御部を構成しており、複数のスイッチング用パワー半導体素子を動作（オン・オフ）させるための制御信号（制御値）を演算するマイクロコンピュータによって構成されている。制御回路６４８には、上位制御装置からのトルク指令信号（トルク指令値）、電流センサ６６０，６６２のセンサ出力、回転電機２００，２０２に搭載された回転センサのセンサ出力が入力される。制御回路６４８はそれらの入力信号に基づいて制御値を演算し、駆動回路６５２，６５６にスイッチングタイミングを制御するための制御信号を出力する。
コネクタ基板６４２に実装された送受信回路６４４は、電力変換装置６００と外部の制御装置との間を電気的に接続するためのもので、図１の通信回線１７４を介して他の装置と情報の送受信を行う。コンデンサモジュール６３０は、ＩＧＢＴ２１のスイッチング動作によって生じる直流電圧の変動を抑制するための平滑回路を構成するもので、第１のパワーモジュール６１０や第２のパワーモジュール６２０における直流側の端子に電気的に並列に接続されている。
図３は、図１の回転電機２００あるいは回転電機２０２の断面図を示す。回転電機２００と回転電機２０２とはほぼ同じ構造であり、以下では回転電機２００の構造を代表例として説明する。尚、以下に示す構造は、回転電機２００，２０２の双方に採用されている必要は無く、少なくとも一方に採用されていても良い。
ハウジング２１２の内部には固定子２３０が保持されており、固定子２３０は固定子鉄心２３２と固定子巻線２３８とを備えている。固定子鉄心２３２の内側には、回転子２５０が空隙２２２を介して回転可能に保持されている。回転子２５０は回転子鉄心２５２と永久磁石２５４と非磁性体のあて板２２６を備えており、回転子鉄心２５２はシャフト２１８に固定されている。ハウジング２１２は軸受２１６が設けられた一対のエンドブラケット２１４を有しており、シャフト２１８はこれらの軸受２１６により回転自在に保持されている。
図３に示すように、シャフト２１８には、回転子２５０の極の位置や回転速度を検出するレゾルバ２２４が設けられている。このレゾルバ２２４からの出力は、図２に示す制御回路６４８に取り込まれる。制御回路６４８は、取り込まれた出力に基づいて制御信号を駆動回路６５３に出力する。駆動回路６５３は、その制御信号に基づく駆動信号をパワーモジュール６１０に出力する。パワーモジュール６１０は、制御信号に基づきスイッチング動作を行い、バッテリ１８０から供給される直流電力を３相交流電力に変換する。この３相交流電力は図３に示す固定子巻線２３８に供給され、回転磁界が固定子２３０に発生する。３相交流電流の周波数はレゾルバ２２４の検出値に基づいて制御され、３相交流電流の回転子２５０に対する位相も同じくレゾルバ２２４の検出値に基づいて制御される。
図４は固定子２３０および回転子２５０の断面を示す図であり、図３のＡ−Ａ断面図を示したものである。なお、図４ではハウジング２１２，シャフト２１８及び固定子巻線２３８の記載を省略した。
固定子鉄心２３２の内周側には、多数のスロット２４とティース２３６とが全周に渡って均等に配置されている。尚、図５では、スロットおよびティースの全てに符号を付すことはせず、代表して一部のティースとスロットにのみに符号を付した。スロット２４内にはスロット絶縁（図示省略）が設けられ、固定子巻線２３８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２３８の巻き方として分布巻を採用している。
分布巻とは、複数のスロット２４を跨いで離間した２つのスロットに相巻線が収納されるように、相巻線が固定子鉄心２３２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、形成される磁束分布は正弦波状に近く、リラクタンストルクを得やすい。そのため、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であり、電気自動車などのモータ特性を得るのに適している。
また、回転子鉄心２５２には、矩形の磁石が挿入される磁石挿入孔２５３が開けられており、その磁石挿入孔２５３には永久磁石２５４が埋め込まれ接着剤などで固定されている。磁石挿入孔２５３の円周方向の幅は、永久磁石２５４の円周方向の幅よりも大きく設定されており、永久磁石２５４の両側には磁気的空隙２５７が形成されている。この磁気的空隙２５７は接着剤を埋め込んでも良いし、整形樹脂で永久磁石２５４と一体に固めても良い。永久磁石２５４は回転子２５０の界磁極として作用する。なお、磁気的空隙は非磁性部ともいう。
永久磁石２５４の磁化方向は径方向を向いており、界磁極毎に磁化方向の向きが反転している。すなわち、永久磁石２５４ａの固定子側面がＮ極、軸側の面がＳ極であったとすれば、隣の永久磁石２５４ｂの固定子側面はＳ極、軸側の面はＮ極となっている。そして、これらの永久磁石２５４ａ，２５４ｂが円周方向に交互に配置されている。本実施の形態では、各永久磁石２５４は等間隔に１２個配置されており、回転子２５０は１２極になっている。
永久磁石２５４は、磁化した後に回転子鉄心２５２に埋め込んでも良いし、磁化する前に回転子鉄心２５２に挿入した後に強力な磁界を与えて磁化するようにしても良い。磁化後の永久磁石２５４は強力な磁石であり、回転子２５０に永久磁石２５４を固定する前に磁石を着磁すると、永久磁石２５４の固定時に回転子鉄心２５２との間に強力な吸引力が生じ、この求心力が作業の妨げとなる。また強力な吸引力により、永久磁石２５４に鉄粉などのごみが付着する恐れがある。そのため、永久磁石２５４を回転子鉄心２５２に挿入した後に磁化する方が、回転電機の生産性が向上する。
永久磁石２５４には、ネオジウム系，サマリ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２５４の残留磁束密度はほぼ０.４〜１.３Ｔ程度である。
３相交流電流により回転磁界が固定子２３０に発生すると、この回転磁界が回転子２５０の永久磁石２５４ａ，２５４ｂに作用して磁石トルクが生じる。さらに、回転子２５０には、この磁石トルクに加えてリラクタンストルクが作用する。
図５はリラクタンストルクを説明する図である。一般に、磁束が磁石中心を通る軸をｄ軸、磁束が磁石の極間から極間へ流れる軸をｑ軸と呼ぶ。このとき、磁石の極間中心にある鉄心部分を補助突極部２５９と呼ぶ。回転子２５０に設けられた永久磁石２５４の透磁率は空気とほぼ同じであるため、固定子側から見た場合、ｄ軸部は磁気的に凹んでおり、ｑ軸部は磁気的に凸になっている。そのため、ｑ軸部の鉄心部分は突極と呼ばれる。リラクタンストルクは、このｄ軸とｑ軸の磁束の通り易さの差、すなわち、突極比によって生じる。よって、補助突極部２５９により、隣接する磁極間にリラクタンストルクが発生する。
図６は図４に示した断面図の１極分を拡大して示したものである。回転子鉄心２５２には、永久磁石２５４の両側に磁気的空隙２５７が形成されており、これはコギングトルクや通電磁のトルク脈動を低減するために設けられたものである。さらには、磁気的空隙２５７の径方向の厚さは永久磁石２５４の径方向の厚さよりも小さく、永久磁石２５４の回転子２５０周方向への動きを規制しており、新たな部品を使うことなく組立性を良好にできる。また、永久磁石２５４が挿入される磁石挿入孔２５３と回転子鉄心２５２の外周との間に存在する鉄心２５６では、ブリッジ部２５８で径方向の厚さが最も小さくなるように設定されている。
ここで、回転子２５０において永久磁石２５４より固定子２３０側の回転子鉄心２５２が磁極片として作用し、また磁気的空隙２５７より固定子２３０側の回転子鉄心２５２が磁極片と補助突極とをつなぐブリッジ部として作用する。
また、τｐは永久磁石２５４の極ピッチ、τｍは永久磁石２５４の幅角度、τｇは永久磁石２５４とその両側に設けられた磁気的空隙２５７とを合わせた角度である。これらの角度の比τｍ／τｐを調節することでコギングトルクを、τｇ／τｐを調節することで、トルクリプルを小さくすることができる。以降、τｍ／τｐを磁石の極弧率、τｇ／τｐを空隙の極弧率と呼ぶ。
ここで、固定子２３０を分布巻にした場合には、磁石の極弧率を０.５０±０.０５の範囲に設定することで特にコギングトルクを小さくすることができる。また、空隙の極弧率を０.７０±０.０５の範囲に設定することで特にトルクリプルを小さくすることができ、さらにリラクタンストルクを有効に使うことも可能となる。
一方、固定子２３０を集中巻にした場合には、磁石の極弧率を０.６６±０.０５の範囲に設定することで特にコギングトルクを小さくすることができる。また、空隙の極弧率を０.８０±０.０５の範囲に設定することで特にトルクリプルを小さくすることができ、さらにリラクタンストルクを有効に使うことも可能となる。
図７は図６に示した部位Ｂを拡大して示したものである。永久磁石２５４は磁石挿入孔２５３の外周側の面２５３ａと内周側の面２５３ｂにより回転子２５０の径方向への動きを規制されており、新たな部品を使うことなく組立性を良好にできる。また、ブリッジ部２５８の回転子２５０内周側の面２５７ａは、鉄心２５６において径方向の厚さが最も小さくなる部位であり、回転子２５０の回転軸をその中心として永久磁石挿入孔２５３の最も固定子２３０側を通る円弧状の仮想線３１０を描いた場合に、最初は磁気的空隙２５７の固定子２３０側の辺は永久磁石２５４側から補助突極部２５９側に仮想線３１０に沿って、その後は仮想線３１０から徐々に離れるように伸びる第１の辺を有している。別の表現を用いると、ブリッジ部２５８の回転子２５０内周側の面２５７ａは、回転子２５０の回転軸を中心とし面２５３ａと面２５７ａの交点Ｓを通る円弧状の仮想線３１０に対して凸でない同心円形状となっている。
また、磁気的空隙２５７の補助突極部２５９側の辺は固定子２３０とは反対の方向に伸びる第２の辺（磁気的空隙２５７の補助突極部２５９側の面２５７ｃ）を有し、上述の第１の辺と第２の辺との間が曲線によってつながっている。別の表現を用いると、面２５７ａの端に存在する面２５７ｂは、仮想線３１０の半径よりも小さい半径を描くようにＲ形状となっている。
また、磁気的空隙２５７の第２の辺（磁気的空隙２５７の補助突極部２５９側の面２５７ｃ）は、前記補助突極を通るｑ軸の磁束にほぼ沿った形状を有している。
また、磁気的空隙２５７の形状が第１の辺の長さに対する曲線の長さの比が０.５〜２の範囲となる場合に、本発明は特に効果を発揮する。
図８は本実施の回転電機において、回転子２５０が回転する際にブリッジ部２５８に発生する力の向きを示したものである。回転子２５０が回転することにより、永久磁石２５４と回転子鉄心２５２にはそれぞれ遠心力が発生し、それに伴いブリッジ部２５８には引張力３２０が発生する。この時、面２５７ａは引張力３２０に略平行となり、引張力３２０の向きに直行するブリッジ部２５８の厚さが略均一であることから、面２５７ａに発生する応力集中の程度を小さくできる。また、その両端に位置する面２５７ｂは曲線を有している（Ｒ形状に加工されている）ので、さらに応力を小さくすることができる。また、図示していないが、磁気的空隙２５７の固定子２３０側の面において、上述の第１の辺と曲線との間に、２つの線−をほぼ直線で結ぶ第３の辺を設けることでも、応力を小さくすることができる。
図９は比較例の一つとして、面２５７ｂをなくし角２５７ｄとした場合に、回転子２５０が回転する際に発生する力の向きを示したものである。この場合も面２５７ａは引張力３２０と略並行となり、面２５７ａに発生する応力集中の度合いを小さくすることができるが、ブリッジ部２５８の径方向の厚さが、角２５７ｄの部分で急激に変化することにより、角２５７ｄに大きな応力が発生する。
図１０は比較例の一つとして、面２５７ａが仮想線３１０に対して凸となる場合に、回転子２５０が回転する際に発生する力の向きを示したものである。この場合、ブリッジ部２５８において径方向の厚さが最も小さくなる部位が点となり、引張力３２０の向きに直行する厚さが均一でないことから、面２５７ａに大きな応力が発生する。
ブリッジ部２５８において径方向の厚さが最も小さくなる部位の厚さを、図８に示される本実施の回転電機と、図１０の比較例の回転電機で同じにした場合に、図８の回転電機のほうが永久磁石２５４を外周側に形成することができ、そのため鉄心２５６の質量が小さくなり、発生する遠心力自体も小さくなる。
図１１は本実施の回転電機の固定子２３０および回転子２５０における、固定子巻線２３８に通電していない時の磁束線の分布を示したものである。永久磁石２５４から出る磁束は、回転子鉄心２５２内で漏れる漏洩磁束と、固定子鉄心２３２を通り固定子巻線２３８に鎖交する有効磁束とに分けることができる。有効磁束は、固定子巻線２３８に通電されることにより磁石トルクを発生させる。漏洩磁束は永久磁石２５４ａの外周側から出た後に、ブリッジ部２５８を通り、補助突極部２５９を経由して、永久磁石２５４ａの内周側か、となりの磁極にある永久磁石２５４ｂの外周側に入る。この漏洩磁束は、磁石トルク発生には影響しないが、ブリッジ部２５８を飽和させて、残りの磁束を固定子鉄心２３２側に出し、有効磁束にするためにある。つまり、高トルク化のためにはより少ない漏洩磁束でブリッジ部２５８を飽和させ、有効磁束を多くする必要がある。本実施の形態では、回転によって発生する応力を低減できるので、ブリッジ部２５８の厚さを従来よりも小さくでき、ブリッジ部２５８の磁気抵抗を大きくすることで漏洩磁束を少なくすることができるので、高トルク化と高回転化が両立できる。さらには、鉄心２５６において径方向の厚さが最も小さくなる部位が点ではなく連続してあるので、ブリッジ部２５８の磁気抵抗を従来よりも大きくすることができ、漏洩磁束を少なくする効果も大きい。
図１２は比較例の一つとして、磁極の中心にブリッジ部２５８ａがある場合の固定子２３０および回転子２５０における、固定子巻線２３８に通電していない時の磁束線の分布を示したものである。この場合、ブリッジ部２５８ａにより永久磁石２５４に発生する遠心力を支えることができるので高回転化は可能だが、ブリッジ部２５８に追加してブリッジ部２５８ａも漏洩磁束の経路となり、結果的に有効磁束が少なくなってしまうため、高トルク化が困難となる。
図１３は本実施の回転電機の固定子２３０および回転子２５０における、固定子巻線２３８に通電している時の磁束線の分布を示したものである。面２５７ｃをｑ軸と略並行とすることで、ｑ軸に磁束を通りやすくし、リラクタンストルクを向上させている。
図１４は比較例の一つとして、面２５７ａが仮想線３１０に対して凸となる場合の回転電機の固定子２３０および回転子２５０における、固定子巻線２３８に通電している時の磁束線の分布を示したものである。
ブリッジ部２５８において径方向の厚さが最も小さくなる部位の厚さを、図１３に示される本実施の回転電機と、図１４の比較例の回転電機で同じにした場合に、図１３の回転電機のほうが、永久磁石２５４を外周側に形成することで、鉄心２５６と空隙２２２の磁束の流れを回転子２５０の径方向に対して大きく曲げることができ、磁石トルクを向上させることができる。
図１５に本発明を用いた別の回転電機の断面拡大図を示す。補助突極部２５９において、回転子鉄心２５２の外周側に溝３３０を設けた場合でも、溝３３０と磁気的空隙２５７間の厚さが、ブリッジ部２５８の径方向の厚さが最も小さくなる部位の厚さ以上であれば、本発明を適用することで同等の効果を得ることができる。
図１６に本発明を用いた別の回転電機の断面拡大図を示す。永久磁石２５４を１極あたり複数個用いた場合においても、ブリッジ部２５８以外に漏洩磁束の経路を設けなければ、本発明を適用することで同様の効果を得ることができる。永久磁石２５４を複数個に分割することで、永久磁石２５４の表面に流れる渦電流を低減することができ、発熱低減や効率向上が可能となる。
図１７に本発明を用いた別の回転電機の断面拡大図を示す。固定子２３０を集中巻にした場合においても、同様の効果が得られる。つまり、本発明は固定子の形態に依存しない。
以上、車両駆動用のモータを例に説明したが、本発明は、車両駆動用に限らず種々のモータにも適用することができる。さらに、モータに限らず、発電機などの種々の回転電機に適用が可能である。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
本発明によれば、回転子鉄心において、遠心力に基づいて生じる応力の集中を緩和することが可能となる。また、これにより、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、さらにはリラクタンストルクも有効に活用できるので、高トルク化と高回転化が両立できる車両駆動に好適な永久磁石式回転電機を安価に提供できる。
１００ 車両
１８０ バッテリ
６００ 電力変換装置
２００，２０２ 回転電機
２１２ ハウジング
２１４ ブラケット
２３０ 固定子
２３２ 固定子鉄心
２３６ ティース
２３８ 固定子巻線
２５０ 回転子
２５２ 回転子鉄心
２５３ 磁石挿入孔
２５４ 永久磁石
２５７ 磁気的空隙
２５８ ブリッジ部
２５９ 補助突極部
３１０ 仮想線
３２０ 引張力
３３０ 溝
１８０ バッテリ
６００ 電力変換装置
２００，２０２ 回転電機
２１２ ハウジング
２１４ ブラケット
２３０ 固定子
２３２ 固定子鉄心
２３６ ティース
２３８ 固定子巻線
２５０ 回転子
２５２ 回転子鉄心
２５３ 磁石挿入孔
２５４ 永久磁石
２５７ 磁気的空隙
２５８ ブリッジ部
２５９ 補助突極部
３１０ 仮想線
３２０ 引張力
３３０ 溝
Claims (10)
- 固定子鉄心と前記固定子鉄心に巻回された固定子巻線とを有する固定子と、
前記固定子に対して回転自在に支持されるとともに、回転子鉄心を有し、前記回転子鉄
心に複数個の磁極が形成され、さらに隣接する前記磁極間にリラクタンストルクを発生す
るための補助突極が形成される回転子とを備え、
前記回転子の各磁極は、前記回転子鉄心に形成された磁石挿入孔と前記磁石挿入孔に収
納された永久磁石と前記永久磁石と前記補助突極との間に形成された非磁性部とを備えて
おり、
上記永久磁石はその固定子側がＮ極あるいはＳ極の内の一方となり、その反対側がＮ極
あるいはＳ極の内の他方となるように磁化されると共に、回転子の周方向において各磁極
毎に磁化方向が反転するように磁化されており、
前記回転子において前記永久磁石より固定子側の前記回転子鉄心が磁極片として作用し
、また前記非磁性部より固定子側の前記回転子鉄心が前記磁極片と前記補助突極とをつな
ぐブリッジ部として作用し、
前記ブリッジ部において、回転子の回転軸を中心として前記永久磁石挿入孔の最も固定
子側を通る円弧状の仮想線を描いた場合に、前記非磁性部の固定子側の辺は前記永久磁石
側から前記補助突極側に前記仮想線に沿って伸びる第１の辺を有し、前記非磁性部の前記
補助突極側の辺は固定子とは反対の方向に伸びる第２の辺を有し、前記第１の辺と前記第
２の辺との間が曲線によってつながっており、
前記第１の辺と、前記永久磁石挿入孔の、前記永久磁石の外径側に位置する辺とが周方
向に連続しており、
前記第１の辺は、前記回転子の回転軸を中心とし前記永久磁石の外径側に位置する辺と前記第１の辺との交点Ｓを通る前記円弧状の仮想線に対して凸でない同心円形状となっていること、を特徴とする回転電機。 - 請求項１に記載の回転電機において、
前記非磁性部の前記第２の辺は、前記補助突極を通るｑ軸の磁束にほぼ沿った形状を有
していることを特徴とする回転電機。 - 請求項１に記載の回転電機において、
前記第１の辺の長さに対する前記曲線の長さの比が０.５〜２の範囲であることを特徴
とする回転電機。 - 請求項１に記載の回転電機において、
前記非磁性部の固定子側の面には、前記第１の辺と前記曲線との間に、２つの辺をほぼ
直線で結ぶ第３の辺を有することを特徴とする回転電機。 - 請求項１に記載の回転電機において、
前記非磁性部の径方向の厚さは前記磁石の径方向の厚さよりも小さいことを特徴とする
回転電機。 - 請求項１に記載の回転電機において、
１つの前記磁石挿入孔に対し、複数個の磁石が挿入されていることを特徴とする回転電
機。 - 請求項６に記載の回転電機において、
前記複数個の磁石間には非磁性部を少なくとも１つ有することを特徴とする回転電機。 - 請求項１に記載の回転電機において、
前記固定子巻線は、分布巻で巻き回されており、
前記磁石の極弧率を０.５０±０.０５の範囲に、前記非磁性部の極弧率を０.７０±０.
０５の範囲に設定されていることを特徴とする回転電機。 - 請求項１に記載の回転電機において、
前記固定子巻線は、集中巻で巻き回されており、
前記磁石の極弧率を０.６６±０.０５の範囲に、前記非磁性部の極弧率を０.８０±０.
０５の範囲に設定されていることを特徴とする回転電機。 - 請求項１に記載の回転電機と、直流電力を供給するバッテリと、前記バッテリの直流電
力を交流電力に変換して前記回転電機に供給する変換装置とを備え、前記回転電機のトル
クを駆動力として用いることを特徴とする自動車。
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