JP5861394B2

JP5861394B2 - 電動回転機

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Publication number: JP5861394B2
Application number: JP2011241408A
Authority: JP
Inventors: 真大青山
Original assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Current assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Priority date: 2011-11-02
Filing date: 2011-11-02
Publication date: 2016-02-16
Anticipated expiration: 2031-11-02
Also published as: JP2013099171A; US9059621B2; CN103095001A; US20130106228A1; DE102012219175A1

Description

本発明は、電動回転機に関し、詳しくは、高品質な回転駆動を実現したものに関する。

各種装置に搭載する電動回転機には、搭載装置に応じた特性が要求されることになり、例えば、駆動源として内燃機関と共にハイブリッド自動車（Hybrid Electric Vehicle）に搭載されたり、単独の駆動源として電気自動車（Electric Vehicle）に搭載される、駆動用モータの場合には、低回転域で大トルクを発生するのと同時に、広い可変速特性を備えることが要求される。

このような特性を有する電動回転機としては、マグネットトルクと共に、リラクタンストルクを効果的に利用可能な構造を採用するのが有効であり、外周面側に向かって開くＶ字型になるように永久磁石を回転子内に埋め込む、ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）構造を採用することが提案されている（例えば、特許文献１）。

このＩＰＭ構造を採用する電動回転機にあっては、回転子内に永久磁石をＶ字型になるように埋め込んでｑ軸磁路を確保することによりリラクタンストルクを有効活用可能にする。このことから、この電動回転機におけるリラクタンストルクの比率がマグネットトルクよりも大きくなり、また、Ｖ字に永久磁石を埋め込んだ回転子におけるｑ軸とｄ軸のインダクタンス比（Ｌｑ／Ｌｄ）の突極比も大きくなって磁束波形に空間高調波が重畳し易くなる。なお、ｄ軸は、磁極が作る磁束の方向、すなわち、Ｖ字の永久磁石間の中心軸となり、ｑ軸は、そのｄ軸と電気的・磁気的に直交する、隣接する磁極（永久磁石）間の中心軸となる。

このため、このような電動回転機では、トルクの変動幅であるトルクリプル（torqｕe ripple）が増加してしまう。そして、このトルクリプルの増加は、電動回転機の振動や電磁騒音の増加原因になり、そのうちの電磁騒音は、内燃機関の駆動に起因する騒音よりも比較的周波数帯が高く、電動回転機を搭載する車両の乗員にとって不快な音になることから、できるだけ低減するのが好ましい。

また、電動回転機は、電力消費を小さく、かつ、効率よく所望の駆動力を発生するために、高効率に駆動することが求められるが、振動等が発生すると損失となって、その効率の低下要因となる。

特に、ハイブリッド自動車や電気自動車には、搭載空間の制約と共に、近年のエネルギ効率（燃費）の向上の要求に伴って、軽量化と同時に小型化による高エネルギ密度出力が可能な電動回転機が求められており、例えば、発進後の市街地走行時などに常用される領域における高効率な駆動を実現する必要があり、異常振動であるジャダー（judder）の低減やスムーズな加速性能のためにも、トルクリプルを抑えるのが効果的である。

このような電動回転機（モータ）としては、単位体積当たりの出力密度を高めるほど、トルクリプルの発生による電磁騒音の増加や効率悪化の傾向になるため、モータ単体として、小型化と共に、効率向上、電磁騒音低減、低トルクリプルを両立させることは極めて困難であるが、要望が大きいのも現実である。

この電磁騒音低減と低トルクリプルを実現する手段としては、回転子を軸方向に分割して永久磁石同士を回転方向（周回回転方向）に捩じった位置関係にする、所謂、スキューを施すことが提案されている（例えば、特許文献２）。

しかしながら、スキューを施した電動回転機にあっては、組立工数が増加して生産コストが増加するとともに、隣接する永久磁石同士には段差が存在する状態で組み付けられることから、その段差の境界面付近での着磁率が悪化して永久磁石としての磁束密度が低下することになる。この結果、電動回転機に備えさせる出力トルクが低下してしまう。

このことから、電動回転機では、スキューを施すことなく、電磁騒音低減と低トルクリプルを実現する各種工夫がなされており、固定子内で回転する回転子の外周面の断面形状を花弁状にするなどして、回転子の外周面と固定子の内周面との間の隙間（エアギャップ）を、ｑ軸との交差位置で広くすることが提案されている（例えば、特許文献１、３、４）。

しかしながら、この特許文献１、３、４に記載の電動回転機にあっては、励磁軸となるｑ軸でのエアギャップが広くなることにより磁気抵抗が増加して、突極比やトルクの低下と共に効率悪化を招くことになる。

特開２００８− ９９４１８号公報特開２００６−３０４５４６号公報特開２０００−１９７２９２号公報特開２００７−３１２５９１号公報

そこで、本発明は、トルクの低下などを招くことなく、トルクリプルを低減させて、振動や騒音の少ない高品質で高効率な回転駆動をすることのできる電動回転機を提供することを目的としている。

上記課題を解決する電動回転機に係る発明の第１の態様は、軸心の回転軸を一体回転させる回転子と、該回転子を回転自在に収容する固定子と、を備えて、前記固定子は、前記回転子の周回回転する外周面に向かって延在して該外周面に内周面側を対面させる複数本のティース部と、駆動電力を入力するコイルを前記ティース部に巻き掛ける空間であって該ティース部間に形成される複数のスロットと、を有し、前記回転子には、前記ティース部の対向面に対する磁気力を働かせるように複数の永久磁石が埋め込まれることにより、前記コイルへの通電時に発生する磁束が、前記ティース部内、当該ティース部背面側および前記回転子内を通過することによるリラクタンストルクおよび前記永久磁石との間で働く吸引力または反発力のマグネットトルクにより前記固定子内の前記回転子を回転駆動させる電動回転機であって、前記回転子の外径Ｄｒの前記固定子の外径Ｄｓに対する外径比率が、トルクの変動幅であるトルクリプルが最低範囲内に入るように、当該回転子および当該固定子を作製することを特徴とするものである。

上記課題を解決する電動回転機に係る発明の第２の態様は、上記第１の態様の特定事項に加え、前記回転子側の１組の前記永久磁石と前記固定子側の１組の前記スロットとが対応する構成で、該１組の永久磁石側を１磁極としたときに、前記固定子側には、６つで前記１組のスロットが構成されており、前記外径比率が、０．６１≦Ｄｒ／Ｄｓ≦０．６４５の範囲内になるように、前記回転子および前記固定子を作製することを特徴とするものである。

上記課題を解決する電動回転機に係る発明の第２の態様は、上記第１または第２の態様の特定事項に加え、前記ティース部の肉厚幅をＬｔ、前記ティース部の背面側の肉厚幅をＬｂ、前記コイルの導体径をｄ、前記スロットの前記回転子の外面側の開口幅をＬｓとしたときに、Ｌｔ／Ｄｒ≦０．０４、２Ｌｔ≦Ｌｂ、０．３５≦ｄ／Ｌｓ≦０．４４、０．３２≦Ｌｓ／Ｌｔの条件を満たすことを特徴とするものである。

ここで、前記回転子側には、当該外周面側に向かってＶ字型に開くように一対で前記１組の前記永久磁石を埋め込んで前記１磁極を構成させてもよい。

このように、本発明の上記の第１の態様によれば、トルクリプルを最低範囲内にする回転子の外径Ｄｒと固定子の外径Ｄｓの外径比率で、その回転子および固定子を作製することができる。したがって、回転子の回転時に生じるトルク変動のトルクリプルを低減することができ、振動や騒音の少ない高品質な回転駆動を実現し、また、同時に、損失の少ない高効率に回転駆動させることができる。

本発明の上記の第２の態様によれば、一対１組の永久磁石側の１磁極が１組６スロットに対応する構造の場合に、外径比率を０．６１〜０．６４５にされる。したがって、トルクリプルなどを低減して、振動や騒音と共に損失の少ない高品質な回転駆動を実現することができる。

本発明の上記の第３の態様によれば、ティース部肉厚幅Ｌｔ／回転子の外径Ｄｒ≦０．０４、ティース部肉厚幅２Ｌｔ≦ティース部背面側肉厚幅Ｌｂ、０．３５≦コイル導体径ｄ／スロット開口幅Ｌｓ≦０．４４、０．３２≦スロット開口幅Ｌｓ／ティース部肉厚幅Ｌｔにすることにより、鉄損を低減することができるとともに、ティース部間のスロット内に巻線を巻線機により自動巻線してコイルを形成することができる。

本発明に係る電動回転機の一実施形態を示す図であり、その概略全体構成を示す平面図である。その１磁極における磁極開口角度を示す平面図である。その回転子側に磁極がない場合の磁束発生の発生状況を示す平面図である。その磁束の近似波形を示すグラフである。その磁束の近似波形と磁極開口角度および磁石開口角度の関係を示す概念説明図である。その固定子に発生する振動モードを説明する説明図である。その固定子に発生する図６とは異なる振動モードを説明する説明図である。その固定子と回転子の外径比率をパラメータとする電磁界解析結果を示すグラフである。その固定子と回転子の外径比率をパラメータとする図８と異なる電磁界解析結果を示すグラフである。その固定子と回転子の外径比率をパラメータとする図８、図９と異なる電磁界解析結果を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１〜図１０は本発明に係る電動回転機の一実施形態を示す図である。

図１および図２において、電動回転機（モータ）１０は、概略円筒形状に形成された固定子（ステータ）１１と、この固定子１１内に回転自在に収納されて軸心に一致する回転軸１３が固設されている回転子（ロータ）１２と、を備えており、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車において、内燃機関と同様の駆動源として、あるいは車輪ホイール内に搭載するのに好適な性能を有している。

固定子１１には、回転子１２の外周面１２ａにギャップＧを介して内周面１５ａ側を対面させるように軸心の法線方向に延在する複数本のステータティース１５が形成されている。このステータティース１５には、内部に対面収納されている回転子１２を回転駆動させる磁束を発生させるコイルを構成する３相巻線（不図示）が分布巻により巻付形成されている。

回転子１２は、外周面１２ａに向かって開くＶ字型になるように、一対で１組の永久磁石１６を１磁極として埋め込むＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）構造になるように作製されている。この回転子１２は、図面の表裏方向に延在する平板状の永久磁石１６の角部１６ａを対面状態に嵌め込んで不動状態に収容する空間１７ａが形成されており、その永久磁石１６の幅方向の両側方に位置して磁束の回り込みを制限するフラックスバリアとして機能する空間１７ｂ（以下ではフラックスバリア１７ｂともいう）を形成するＶ字空間１７が外周面１２ａに対面するように形成されている。このＶ字空間１７には、永久磁石１６を高速回転時の遠心力に抗して位置決め保持することができるように、永久磁石１６間を連結支持するセンタブリッジ２０が形成されている。

この電動回転機１０は、ステータティース１５間の空間が、巻線を通して巻き掛けることによりコイルを形成するためのスロット１８を構成しており、８組の永久磁石１６側にそれぞれ６本のステータティース１５が対面するように、言い換えると、一対の永久磁石１６側が構成する１磁極に６スロット１８が対応するように構築されている。すなわち、電動回転機１０は、隣接する１磁極毎に永久磁石１６のＮ極とＳ極の表裏を交互にした、８極（４極対）、４８スロットで、単相分布巻５ピッチで巻線した３相ＩＰＭモータに作製されている。なお、図中のＮ極、Ｓ極の表示は、部材表面に存在する訳ではなく、説明のために図示するものである。

これにより、電動回転機１０は、固定子１１のスロット１８内のコイルに通電してステータティース１５から対面する回転子１２内に磁束を通したときに、永久磁石１６との間に生じる吸引力と反発力に起因するマグネットトルクに加えて、その磁束が通過する磁路を最短にしようとするリラクタンストルクとの総合トルクにより回転駆動することができ、その回転子１２と一体回転する回転軸１３から通電入力する電気的エネルギを機械的エネルギとして出力することができる。

ここで、この電動回転機１０は、図３に示すように、１磁極を構成する一対の永久磁石１６に対応する複数のステータティース１５毎に、固定子１１から回転子１２内に均等配置された磁路を形成するように、スロット１８内に巻線コイルを分布巻きして形成されており、この磁路に沿うように、言い換えると、磁束の形成を妨げないように永久磁石１６を収容するＶ字空間１７が形成されている。なお、固定子１１と回転子１２は、ケイ素鋼などの電磁鋼板材料の薄板を所望の出力トルクに応じた厚さになるように軸方向に重ねてボルト穴１９などを利用してネジ止めすることにより作製されている。

そして、電動回転機１０は、永久磁石１６を回転子１２内に埋め込むＩＰＭ構造の場合、固定子１１のステータティース１５の１歯における磁束の変化は、図４に示すように、矩形波に近似することができる。この磁束波形には、５次や７次などの低次の空間高調波が重畳することにより、鉄損や、トルクの変動幅であるトルクリプルが増加して、熱エネルギとしての浪費による効率低下と共に、振動や騒音の発生要因となっている。鉄損は、ヒステリシス損と渦電流損に分けることができる。ヒステリシス損は周波数と磁束密度の積であるとともに、渦電流損は周波数の２乗と磁束密度の積であることから、空間高調波を抑えることにより損失を低減することができ、電気エネルギの入力に対する駆動効率を向上させることができる。なお、図４では、縦軸を界磁磁束とし、横軸を時間にして、１つのステータティース１５に対して、Ｌ１間では磁束の鎖交がなく、Ｌ２間で磁束が正逆鎖交する、電気角１周期Ｔ（４Ｌ１＋２Ｌ２）における磁束波形の近似矩形波を図示している。

また、モータ（電動回転機）の電磁騒音は、ステータ（固定子）側に働く電磁力により、そのステータが振動することで発生しており、ステータに働く電磁力は、ロータ（回転子）とステータの磁気結合に起因する径方向電磁力と、トルクに起因する周方向電磁力とが存在する。径方向電磁力は、１ステータティース１５毎に、モータを線形磁気回路で近似して考察した場合には、磁束φ、磁気エネルギＷ、径方向電磁力ｆｒ、磁気抵抗Ｒｇ、磁束密度Ｂ、磁束鎖交面積Ｓ、エアギャップＧ間距離ｘ、磁路透磁率μとすると、磁気エネルギＷと径方向電磁力ｆｒは次の式（１）、式（２）のように表すことができる。

よって、空間高調波を考慮して磁束密度Ｂを次式（３）のように表したときには、径方向電磁力ｆｒは磁束密度Ｂの２乗を含むことから、空間高調波の重畳は径方向電磁力ｆｒの増加の要因となる。すなわち、空間高調波を低減することは、トルクリプルの低減、引いては、モータ電磁騒音の低減と共に駆動効率の向上を実現できることが鋭意研究検討することにより判明した。

また、ＩＰＭ構造の３相モータのトルクリプルは、１相１極磁束の空間高調波と、相電流に含まれる時間高調波とにより、電気角θにおける６ｆ次（ｆ＝１、２、３・・・：自然数）成分で発生することが鋭意研究検討することにより判明した。

詳細には、角速度ω_ｍ、ＵＶＷの各相誘起電圧Ｅ_ｕ(t)、Ｅ_ｖ(t)、Ｅ_ｗ(t)、ＵＶＷの各相電流Ｉ_ｕ(t)、Ｉ_ｖ(t)、Ｉ_ｗ(t)、としたときには、３相出力Ｐ(t)とトルクτ(t)は次の式（４）、式（５）のように表すことができる。
Ｐ(t)＝Ｅ_ｕ(t)Ｉ_ｕ(t)＋Ｅ_ｖ(t)Ｉ_ｖ(t)＋Ｅ_ｗ(t)Ｉ_ｗ(t)＝ω_ｍ・τ(t) ……(4)
τ(t)＝[Ｅ_ｕ(t)Ｉ_ｕ(t)＋Ｅ_ｖ(t)Ｉ_ｖ(t)＋Ｅ_ｗ(t)Ｉ_ｗ(t)]／ω_ｍ ……（5）

３相トルクは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれのトルクの和であり、ｍを電流の高調波成分、ｎを電圧の高調波成分を表すものとし、Ｕ相電圧Ｅ_ｕ(t)を次式（６）、Ｕ相電流Ｉ_ｕ(t)を次式（７）と置くと、Ｕ相トルクτ_ｕ(t)は次式（８）のように表すことができる。

ここで、相電流Ｉ(t)と相電圧Ｅ(t)は、いずれも対称波であるために「ｎ」と「ｍ」は奇数のみとなって、Ｕ相以外のＶ相トルクとＷ相トルクは、それぞれＵ相誘起電圧Ｅ_ｕ(t)、Ｕ相電流Ｉ_ｕ(t)に対して「＋２π／３（ｒａｄ）」、「−２π／３（ｒａｄ）」の位相差であることから、全体のトルクとしては、「６」の係数の項だけが残るようにキャンセル（相殺）されて、
６ｆ＝ｎ±ｍ（ｆ：自然数）、ｓ＝ｎα_ｎ＋ｍβ_ｍ、ｔ＝ｎα_ｎ−ｍβ_ｍ
と、置くと、次式（９）のように表すことができる。

また、誘起電圧は磁束を時間微分して求めることができることから、各誘起電圧に含まれる高調波の次数と１相１極磁束に含まれる高調波も同じ次数成分が発生することになり、その結果、３相交流モータにおいては、磁束（誘起電圧）に含まれる空間高調波次数ｎと相電流に含まれる時間高調波次数ｍとの組み合わせが６ｆになるときに、その６ｆ次成分のトルクリプルが発生していることが判明した。

ところで、３相モータのトルクリプルは、上述するように、１相１極における磁束波形における空間高調波ｎと相電流の時間高調波ｍにおいては、ｎ±ｍ＝６ｆ（ｆ：自然数）のときに発生することから、例えば、相電流の時間高調波ｍ＝１のみで正弦波近似した場合には、空間高調波ｎ＝５、７、１１、１３の次数の重畳が発生したときにトルクリプルが生じることになる。

電動回転機１０のように１磁極当たり６つのスロット１８が対応する３相ＩＰＭモータの場合には、１磁極対当たり１２個のスロット１８が対応することになるので、電気角の１周期内においては、磁気抵抗が大となるスロット１８が１２箇所存在し、該当するスロット１８の磁気抵抗により、１１次、１３次の空間高調波ｎが磁束波形に重畳することになる。

しかしながら、３相のＩＰＭ構造の場合には、図４に示すように、１つのステータティース１５に界磁磁束が鎖交する磁束波形がほぼ矩形波となるため、構造的にも、５次、７次の空間高調波ｎ（６ｆ次＝６次の高調波）は重畳し易く低減することは困難である。

この３相のＩＰＭ構造の１つのステータティース１５における磁束波形を矩形波近似したときのフーリエ変換式ｆ(t)は、次式（１０）のように表され、図４に図示する磁束波形Ｆ(t)は、次式（１１）のように表すことができる。この磁束波形Ｆ(t)は、７次までの空間高調波を含む近似式とすると、次式（１２）のように表され、三角関数の和積の公式で展開し整理すると、次式（１３）のように変形することができ、この式から５次または７次の高調波を低減するには、次の条件１または条件２を満たす必要があることが分かる。
条件１：「ｃｏｓ５ω・Ｌ１＝０」
条件２：「ｃｏｓ７ω・Ｌ１＝０」

ところで、図４の磁束波形を参照すると、次式（１４）であることから、条件１の変形式に代入すると、次式（１５）のようになる。ここで、「Ｌ１、Ｌ２＞０」であることから、これを整理すると、次の条件１Ａを満たすことにより５次の空間高調波をゼロにして抑えることができることが分かる。
角周波数（角速度）ω＝２π／Ｔ＝２π／（４Ｌ１＋２Ｌ２） ……（14）
条件１：５ωＬ１＝５・２πＬ１／（４Ｌ１＋２Ｌ２）＝±π／２ ……（15）
条件１Ａ：Ｌ１＝Ｌ２／８

同様に、条件２の変形式は、次式（１６）のようになり、「Ｌ１、Ｌ２＞０」であることから、これを整理すると、次の条件２Ａを満たすことにより７次の空間高調波をゼロにして抑えることができることが分かる。
条件２：７ωＬ１＝７・２πＬ１／（４Ｌ１＋２Ｌ２）＝±π／２ ……(16)
条件２Ａ：Ｌ１＝Ｌ２／１２

そして、電動回転機１０の８極４８スロットモータの構成では、回転子１２を半径ｒとすると、次の関係にあることから、周速度Ｖを使って次の式（１７）、式（１８）のように整理することができる。
機械角４５度＝電気角周期Ｔ／２
Ｖ(m/sec）＝２πｒ・（４５°／３６０°）／（Ｔ／２）
＝２πｒ・（４５°／３６０°）／（（４Ｌ１＋２Ｌ２）／２）
＝ｒ(m)・ω(rad/sec) ……(17)
２Ｌ１＋Ｌ２＝π／４ω ……(18)

これに条件１Ａと条件２Ａを代入すると、次の条件を導くことができる。
５次空間高調波＝０ ⇒ （Ｌ２、Ｌ１）＝（π／５ω、π／４０ω）
７次空間高調波＝０ ⇒ （Ｌ２、Ｌ１）＝（３π／１４ω、π／５６ω）

これから、電動回転機１０では、次の関係式（１９）を満たすようにレイアウトすることで、５次と７次の空間高調波を低減傾向にして、トルクリプルを抑えることができる。

π／５ω≦Ｌ２≦３π／１４ω(sec) ……(19)

ここで、当該関係式（１９）の「Ｌ２」は、図４の磁束波形におけるステータティース１５に対面する回転子１２側の磁路を形成する領域に相当し、永久磁石１６の両側のフラックスバリア１７ｂの外端部までの領域を含む範囲の軸心を中心とする拡開角度θ１、言い換えると、磁極開口角度θ１とすることができる。

この図４の磁束波形を参照すると、「θ＝ωｔ」の関係式が成り立つことから、
「θ１＝ωＬ２」と置き換えることができ、各種表示形式では次のように表すことができる。例えば、電動回転機１０の８極４８スロットモータの構造（１磁極に対して６スロットが対応する構造）では、８極中の２極で１周期であることから、回転子１２の機械角１周期の３６０°回転は電気角４周期に相当し、次の関係式が成り立つことになる。
π／５(rad)≦θ１(機械角)≦３π／１４(rad)
３６(degree)≦θ１(機械角)≦２７０／７(degree)
θ１(機械角)＝（８極／２極）・θ１(電気角)
１４４(degree)≦θ１(電気角)≦１５４．３(degree)

このことから、電動回転機１０では、図５に示すように、永久磁石１６と両端側フラックスバリア１７ｂの外端部までを含めた１磁極の磁極開口角度θ１が次の関係式（２０）、関係式（２１）になるようなレイアウトになるように回転子１２内に設置されている。
３６°≦θ１(機械角)≦３８．６° ……(20)
１４４°≦θ１(電気角)≦１５４．３° ……(21)

ところで、回転子１２内に永久磁石１６をＶ字に埋め込んだＩＰＭ構造では、磁極が作る磁束の方向、すなわち、Ｖ字の永久磁石１６間の中心軸をｄ軸とし、また、そのｄ軸と電気的・磁気的に直交する、隣接する磁極間の永久磁石１６間の中心軸をｑ軸とする。このときに、回転子１２における１磁極の磁極開口角度θ１は、図４に示すような磁束波形の近似波形における、磁束がステータティース１５に鎖交する期間Ｌ２に対応し、図５に示すように、その鎖交期間Ｌ２はｑ軸間θ２の中心に位置して、さらに、その鎖交期間Ｌ２の中心線にｄ軸が一致するタイミングの磁束波形となっている。なお、図２中の角度θ２は、ｑ軸間の角度に相当して機械角度４５°であり、また、磁束波形における半周期の電気角度θである。

したがって、電動回転機１０は、回転子１２内の永久磁石１６のフラックスバリア１７ｂを含む磁極開口角度θ１を、相電流の時間高調波ｍの基本波形となるｍ＝１としたときに、トルクリプルの低減に有効な特定次数である６ｆ次（ｎ＝５、７）にする相電圧の空間高調波ｎの５次、７次を抑える角度範囲（１４４°≦θ１(電気角)≦１５４．３°）にすることによって、トルクリプルを低減して振動や騒音を少なく回転軸１３を高品質に回転駆動させることができる。また、同時に、トルクリプルを低減させることにより振動を少なくすることによる熱損失と共に、ヒステリシス損と渦電流損の鉄損を抑えることができ、損失の少ない高効率に回転駆動させることができる。

ここで、電動回転機１０が基本構造として採用する３相のＩＰＭ構造のモータでは、固定子１１（ステータ鉄心）の振動解析を行ったところ、上記の式（２）に示す径方向電磁力ｆｒにおいて上記の式（３）にて表される磁束密度の高調波によって発生する径方向電磁力高調波成分が２次、４次、８次、１０次のときには、８角形に変形しつつその８角形が回転する振動モード（ｋ＝８）が発生し、また、径方向電磁力ｆｒの６次、１２次（６ｆ次）のときには、真円のまま膨張・収縮を繰り返す振動モード（ｋ＝０）が発生することが判明している。例えば、径方向電磁力ｆｒの２次により発生する振動モードは、図６（ａ）および図６（ｂ）に異なる時間タイミングＴ１、Ｔ２における状態を示すように、固定子１１の振動により変形した８角形が回転していることが分かる。また、径方向電磁力ｆｒの６次により発生する振動モードは、同様に、図７（ａ）および図７（ｂ）に異なる時間タイミングＴ１、Ｔ２における状態を示すように、固定子１１が膨張・収縮を繰り返していることが分かる。なお、径方向電磁力ｆｒの１０次により発生する振動では、図示することは省略するが、ｋ＝８の８角形の振動モードに加えて楕円の振動モードが合わさっている。

このとき、８極４８スロットモータの電動回転機１０では、機械角３６０度で、８方向に磁束密度が分布するために径方向電磁力ｆｒも８方向に分布することになり、その８方向の径方向電磁力ｆｒによりｋ＝８の振動モードとなる。また、高調波の６ｆ次が６次、１２次の振動モードでは、トルクリプルに起因する周方向ベクトル電磁力と、固定子１１の磁気結合に起因する径方向ベクトル電磁力ｆｒとの合成ベクトル電磁力が固定子１１に作用することにより振動が発生している。これにより、トルクリプルが発生する６ｆ次の６次、１２次では、膨張・収縮を繰り返すｋ＝０の振動モードとなって、その固定子１１の外周面側の空気がその膨張・収縮に伴う振動を伝搬して、電動回転機１０のモータ電磁騒音を他の次数よりも大きくしている。なお、上述以外の次数では、トルクリプルも発生せず、問題となるような振動や騒音は発生しない。

この結果、電動回転機１０では、磁束波形における高調波で、特に問題となる６次（ｍ＝１、ｎ＝５、７）を抑えることにより、トルクリプルを低減することができ、車載時の異常振動であるジャダー（judder）を抑えるとともに、モータ電磁騒音を抑えることができることも分かる。

さらに、この電動回転機１０では、回転子１２側の１磁極毎の構造に加えて、さらにトルクリプルを最低限とする最低範囲内になるように、固定子１１と回転子１２の外径比が調整されている。

詳細には、電動回転機１０の構造で回転子１２の外径Ｄｒの固定子１１の外径Ｄｓに対する外径比率Δ（Ｄｒ／Ｄｓ）をパラメータとして、有限要素法による電磁界解析を行って、トルクと、６次、１２次（６ｆ次）の高調波におけるトルクリプルとを導出して比較すると、図８〜図１０のグラフに示すように、
０．６１≦Δ≦０．６４５、
好ましくは、０．６１５≦Δ≦０．６３、
さらに好ましくは、０．６２≦Δ≦０．６２５
でトルクリプルと共に線間電圧ＴＨＤなどを低減できることが分かる。

ここで、図８は、固定子１１と回転子１２の外径比率Ｄｒ／Ｄｓ（Δ）をパラメータとして、トルク変動幅（（最大−最小）／平均トルク）であるトルクリプル率と共に、外径比率Δ＝０．６１を基準にし、磁束波形に高調波の重畳したままのトルク増加率、その６次、１２次の高調波トルク増加率を図示している。

この図８のグラフからは、Δ＝０．６１、０．６３５でトルクリプル率が同等であり、その区間内（Δ＝０．６１〜０．６３５）では他の区間よりもトルクリプル率が低く抑えられ、また、Δ＝０．６１５〜０．６３の範囲（区間）ではよりその増加率を低く抑えられ、さらに、Δ＝０．６２〜０．６２５の範囲（区間）ではさらにその増加率を低く抑えられることが分かる。なお、トルクの増加率は、Δ＝０．６５まで増加傾向にあるが、その増加率は０．０３程度であり、大きく増加している訳ではないことから、トルクリプル率や高調波トルク増加率から好適な範囲を判断すればよい。

また、図９は、その外径比率Δをパラメータとして、線間電圧における（高調波トルク６次に起因する）ｍ＝５、７、（高調波トルク１２次に起因する）ｍ＝１１、１３の空間高調波含有率、線間電圧ＴＨＤ（Total Harmonic Distortion：高調波歪率）を図示している。

この図９のグラフからは、トルクリプルの発生原因のうちの１１次の空間高調波含有率が他に比べて大きく変化しており、Δ＝０．６１、０．６４５で同等であり、その区間内（Δ＝０．６１〜０．６４５）では他の区間よりも低く抑えられ、さらに、Δ＝０．６１５〜０．６３の範囲（区間）ではより１１次の空間高調波含有率を低く抑えられることが分かる。

また、図１０は、その外径比率Δ＝０．６１の外径比率を基準にして、６次、１２次の電磁力高調波成分の変化率を図示している。

この図１０のグラフからは、Δ＝０．６１〜０．６６の区間内では電磁力は大きく変化することはなく低減傾向にあり、６次の高調波ではΔ＝０．６６を超えると急激に増加する傾向にあることが分かる。

これらの図９〜図１０の傾向を踏まえると、上述するように、固定子１１と回転子１２の外径比率Δ（Ｄｒ／Ｄｓ）は、０．６１〜０．６４５、好ましくは、０．６１５〜０．６３、さらに好ましくは、０．６２〜０．６２５の範囲内になるように、その固定子１１と回転子１２の外径Ｄｓ、Ｄｒを調整するのが好適であることが分かる。固定子１１と回転子１２は、この外径比率Δに調整することにより、回転子１２を軸方向に分割して永久磁石１６間を回転方向に捩じった位置にする、所謂、スキューを施すことなく、自動車の発進後の市街地走行時などに必要とされるトルク常用領域でも、トルクリプルと共に線間電圧ＴＨＤをも低減できることが分かる。

この固定子１１は、鉄損や銅損を低減しつつスロット１８内に巻線をコイル自動挿入機（インサータマシン）で巻き付けて３相用コイルを分布巻する。このことから、コイルの導体径をｄ、スロット１８の回転子１２側の開口幅をＬｓとしたときには、巻線１本並びで挿入の場合にはｄ／Ｌｓ＝０．３５〜０．４４の範囲内にすることを満たしつつ、スロット１８内のコイルの占有率が角線として計算したときには７５％〜９０％程度にして銅損の低減を狙う。また、鉄損の低減のために、ステータティース１５の肉厚幅をＬｔ、ステータティース１５の背面側（バックヨーク）の肉厚幅をＬｂとしたときには、Ｌｔ／Ｄｒ≦０．０４、２Ｌｔ≦Ｌｂ、０．３２≦Ｌｓ／Ｌｔを満たすように固定子１１の各部の寸法を決定する。なお、巻線２本並びで挿入の場合にはｄ／Ｌｓ＝０．２９〜０．３２の条件で寸法を決定すればよい。

このように本実施形態においては、回転子１２の外径Ｄｒと固定子１１の外径Ｄｓとの外径比率Δ（Ｄｒ／Ｄｓ）を０．６１〜０．６４５の範囲内にすることにより、回転駆動時に生じるトルク変動のトルクリプルを最低範囲内に低減することができる。また、固定子１１におけるステータティース１５の肉厚幅Ｌｔやその背面側のバックヨークの肉厚幅Ｌｂなども含めて上記の最適条件にすることにより、コイルの自動巻線を確保しつつ銅損や鉄損も低減して効率よく電動回転機１０を回転駆動させることができる。したがって、電動回転機１０を振動や騒音を少なく高品質回転をさせることができるとともに、損失を少なく高効率に駆動させることができる。

なお、本実施形態では、永久磁石１６をＶ字型にして回転子１２内に埋め込む構造を採用する場合を一例に説明するが、これに限るものではなく、例えば、永久磁石を回転子１２の外周面１２ａに対して平板状に対面させる状態に埋め込む、平板配置の場合にも適用することができ、同様の作用効果を得ることができる。

また、８極４８スロットモータの構成の電動回転機１０を一例にして説明するが、これに限るものではなく、磁極開口角度θ１の角度範囲に電気角θ１を採用することにより、１磁極に対して６スロットが対応する他のモータ構造にも適用することができ、例えば、６極３６スロット、４極２４スロット、１０極６０スロットのモータ構造にもそのまま適用することができる。

本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらすすべての実施形態をも含む。さらに、本発明の範囲は、各請求項により画される発明の特徴の組み合わせに限定されるものではなく、すべての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画されうる。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

１０電動回転機
１１固定子
１２回転子
１３回転軸
１５ステータティース
１６永久磁石
１６ａ角部
１７Ｖ字空間
１７ｂフラックスバリア
１８スロット
２０センタブリッジ
Ｄｒ回転子の外径
Ｄｓ固定子の外径
Ｌｔステータティース肉厚幅
Ｌｂステータのバックヨーク肉厚幅
Ｌｓスロットの開口幅
θ１磁極開口角度

Claims

軸心の回転軸を一体回転させる回転子と、該回転子を回転自在に収容する固定子と、を備えて、
前記固定子は、前記回転子の周回回転する外周面に向かって延在して該外周面に内周面側を対面させる複数本のティース部と、駆動電力を入力するコイルを前記ティース部に巻き掛ける空間であって該ティース部間に形成される複数のスロットと、を有し、
前記回転子には、前記ティース部の対向面に対する磁気力を働かせるように複数の永久磁石が埋め込まれることにより、
前記コイルへの通電時に発生する磁束が、前記ティース部内、当該ティース部背面側および前記回転子内を通過することによるリラクタンストルクおよび前記永久磁石との間で働く吸引力または反発力のマグネットトルクにより前記固定子内の前記回転子を回転駆動させる電動回転機であって、
前記回転子側の１組の前記永久磁石と前記固定子側の１組の前記スロットとが対応する構成で、該１組の永久磁石側を１磁極としたときに、
前記固定子側には、６つで前記１組のスロットが構成されており、
前記回転子の外径Ｄｒの前記固定子の外径Ｄｓに対する外径比率が、０．６１≦Ｄｒ／Ｄｓ≦０．６４５の範囲内であることを特徴とする電動回転機。
前記ティース部の肉厚幅をＬｔ、前記ティース部の背面側の肉厚幅をＬｂ、前記コイルの導体径をｄ、前記スロットの前記回転子の外面側の開口幅をＬｓとしたときに、
Ｌｔ／Ｄｒ≦０．０４
２Ｌｔ≦Ｌｂ
０．３５≦ｄ／Ｌｓ≦０．４４
０．３２≦Ｌｓ／Ｌｔ
の条件を満たすことを特徴とする請求項１に記載の電動回転機。