JP5926699B2

JP5926699B2 - 回転電機および電動車両

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Publication number: JP5926699B2
Application number: JP2013058318A
Authority: JP
Inventors: 佳奈子根本; 秀俊江夏; 松延　豊; 豊松延; 泰行齋藤
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2013-03-21
Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2033-03-21
Also published as: JP2014183704A; US20160056684A1; US9917487B2; WO2014148093A1

Description

本発明は回転電機、および、回転電機が搭載された電動車両に関する。

本発明はＨＥＶ・ＥＶ等の電動車両の走行駆動に用いられる回転電機に関する。
回転電機は家電製品、各種ＯＡ機器に搭載されており、また、近年ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）などの電動車両に搭載されている。
とりわけＨＥＶやＥＶなどの電動車両用の回転電機は出力が大きいものが要求される。これらの電動車両用の回転電機は、使用回転数範囲が広く、電磁加振力の加振周波数が広い範囲で変化し、特定の回転数で回転電機の構造の固有振動数と加振周波数が一致するため、共振による振動・騒音の発生が不可避である。

一方、車室内の快適環境の追求により振動・騒音低減の要求が高まっており、回転電機本体からの振動・騒音を低減する技術も多数開発されている。
回転電機本体から発生する振動・騒音の原因となる電磁加振力の向きは径方向、接線方向、軸方向の３方向である。特に可聴帯域の騒音を低減するには、これら電磁加振力の高調波振幅を低減する必要がある。

特許文献１に開示されている交流回転電機は、そのスロット数が、一相、１極当たり２であり、隣接した各スロットの開口部（Ｏ１、Ｏ２）の径方向に延びた中心線Ａ間の間隔が不均等に形成され、第１の三相固定子巻線及び第２の三相固定子巻線は、電気角３１〜３４°の位相差で固定子鉄心に巻装されており、１２ｆ成分の電磁音及び風音を低減している。この発明が適用可能な固定子コアのスロット数は、相数、極数の関数で限定されており、それ以外のスロット数のものに適用するには、更なる工夫が必要である。

特許第３４９０６５９号

従来の電磁振動音対策で固定子側のティースの形状やピッチを変更する方法は、様々な極数と固定子のティース（スロット）の数の組み合わせに対し、フレキシブルに適用できなかった。

請求項１に記載の発明は、複数のティースと複数のスロットとを有する固定子を備えた回転電機であって、ティースの先端部の形状とスロットの開口幅とが周方向にＦ回（ただしＦは２以上の自然数）周期的に変化するように構成され、Ｆは、極数Ｐと固定子のスロット数Ｓの最大公約数Ｎであり、ティースはスロット数Ｓを最大公約数Ｎで割った個数ｍ、または個数ｍの約数ｄの数で複数のティースグループにグループ化され、スロットは個数ｍ、または約数ｄの数で複数のスロットグループにグループ化され、複数のティースグループ、および複数のスロットグループの各々のグループは、それぞれが同じ構成のティースグループおよびスロットグループであることを特徴とする回転電機である。

本発明により、周期境界条件を変えることなく振動・騒音に影響する接線方向電磁加振力高調波の振幅を低減でき、その結果、回転電機の振動・騒音を低減できる。

本発明の一実施の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。電力変換装置６００の回路図を示す図である。スロット数７２の固定子コアと極数８の永久磁石モータの構造を示す図である。本発明になる回転電機の実施形態１の１グループを形成するティース、スロット形状を示す図である。本発明になる回転電機の実施形態２の１グループを形成するティース、スロット形状を示す図である。本発明になる回転電機の実施形態３の１グループを形成するティース、スロット形状を示す図である。実施形態１〜３および従来技術のティース、スロット形状を持つ固定子コアを備えた回転電機の接線方向空間０次の電磁加振力高調波の計算結果を示した図である。図７の計算結果の一部を拡大、ｄＢ表示した図である。実施形態２と、従来技術のティース、スロット形状を持つ固定子コアを備えた回転電機の解析モデルに、接線方向空間０次、回転７２次の電磁加振力高調波を入力した場合の音響パワーレベルの計算結果を示した図である。実施形態２と、従来技術のティース、スロット形状を持つ固定子コアを備えた回転電機の解析モデルに、接線方向空間０次の回転７２次、回転２４次の電磁加振力高調波を入力した場合の音響パワーレベルの計算結果を示した図である。スロット数４８の固定子コアと極数８の永久磁石モータのもう一つの別の構造を示す図である。本発明になる回転電機の実施形態４の１グループを形成するティース、スロット形状を示す図である。本発明による実施形態４および従来技術のティース、スロット形状を持つ固定子コアを備えた回転電機の接線方向空間０次の電磁加振力高調波の計算結果を示した図である。実施形態４および従来技術のティース、スロット形状を持つ固定子コアを備えた回転電機の解析モデルに、接線方向空間０次、回転４８次の電磁加振力高調波を入力した場合の音響パワーレベルの計算結果を示した図である。

図１は、本発明の一実施の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を駆動するための電力変換装置（インバータ装置）６００に直流電力を供給し、電力変換装置６００は直流電力を交流電力に変換して回転電機２００、２０２にそれぞれ供給する。一方回生走行時には回転電機２００、２０２が車両の運動エネルギーに基づいて交流電力を発生し、前記電力変換装置６００に供給する。前記電力変換装置６００は交流電力を直流電力に変換し、バッテリ１８０に供給する。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定電圧の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とディファレンシャルギア１３２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を出力する。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。

なお、回転電機２００と回転電機２０２はそれぞれ独立して制御される。例えば回転電機２００が電動機として運転される場合に、回転電機２０２は電動機として運転できるし、発電機としても運転できる。また運転停止状態とすることも可能である。当然ではあるがこの逆も可能である。回転電機２００と回転電機２０２をどのようなモードで運転するかは統合制御装置１７０が決定し、電力変換装置６００に指令する。この指令に基づき電力変換装置６００は電動機の運転モードあるいは発電機の運転モードあるいは運転休止モードの状態となる。

図２は、図１の電力変換装置６００の回路図を概念的に示す。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のソース電極とＩＧＢＴ２１のドレイン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のドレイン電極はバッテリ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のソース電極と下アーム側のＩＧＢＴのドレイン電極との接続部分）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は本発明による回転電機の一例の永久磁石回転電機１０の断面概略図である。この永久磁石回転電機１０は上記で説明したハイブリッド自動車（図１、図２参照）の回転電機２００あるいは回転電機２０２として用いられる。なお、以下で説明するように、本発明による回転電機の構成は永久磁石回転電機だけでなくシンクロナスリラクタンスモータや誘導電動機にも用いることができる。

以下、図３〜図１４を参照して本発明の特徴的構成について、実施形態１〜４に基づいて説明する。なお、以下の実施形態では、固定子のティースに捲回されるコイルは分布巻きとしている。したがって、図７〜１０および図１３〜１４で示す計算結果は、分布巻きに対するものである。

（実施形態１）
図３は本発明による回転電機の実施形態１を示す。図３に示す回転電機は、本発明を三相の永久磁石回転電機に適用した場合の例であり、８極７２スロットの構成となっている。極数Ｐと固定子スロット数Ｓの最大公約数Ｎ（＝８）で固定子スロット数Ｓ（＝７２）を除算した商ｍ（＝９）、またはｍの約数ｄ（＝３）の個数のティースを１グループとし、この１グループのティースは、先端に溝が形成されているものと形成されていないものを含み、また１グループのスロットには異なる開口幅のスロットを含んでいる。図４は、１つのティースグループ５０を構成する９個のティース５ａ〜５ｉの先端の溝形状の一例を示す。また、図４は、１つのスロットグループ４０を構成する９個のスロット４ａ〜４ｉの開口幅の一例を示す。なお、以下では特に指定しない１個のティースあるいはスロットに対し単にティース５あるいはスロット４と呼称する。なお、図３の符号８は永久磁石を示す。

図４では、１つのティースグループ５０を構成する９個のティース５ａ〜５ｉのうち、６個のティース５ｃ〜５ｈ先端に溝６ｃ〜６ｈが設けられている。図３に示す固定子コア１は、図４に示す９個のティース５ａ〜５ｉを周方向に周期的に８グループ周設することにより形成される。なお、これらのティースの先端形状は図３では省略されている。さらに、回転電機１０を構成する固定子コア１のスロット４に捲回される固定子コイルは省略されている。

また、図４では１つのティースグループ５０を構成する９個のティース５ａ〜５ｉに対応して、９個のスロット４ａ〜４ｉで１つのスロットグループ４０を構成する。スロットグループ４０は、さらにスロット数Ｓを最大公約数Ｎで割った個数ｍの約数ｄである３個で１つのスロットサブグループ４２を構成している。各々のスロットの開口部は、（４１ａ、４１ｄ、４１ｇ）、（４１ｂ、４１ｅ、４１ｈ）、（４１ｃ、４１ｆ、４１ｉ）のそれぞれの組で開口幅は同じとなっている。また、スロット４ａ〜４ｃ、４ｄ〜４ｆ、４ｇ〜４ｉそれぞれでスロットサブグループ４２を構成している。このように、１つのスロットグループ４０のｍ個のスロットの中に、ｍの約数ｄ（≠ｍ）である個数のスロットからなるサブグループ４２が存在しても良い（図４参照）。同様に、１つのティースグループ５０を構成するｍ個のティース５の中に、ｍの約数ｄ（≠ｍ）である個数のティースからなるサブグループが存在しても良い。

図４に示すティースグループ５０、スロットグループ４０の構成を採用した固定子コア１を備えた回転電機（実施形態１）の計算結果を□の記号で図７に示す。なお、図７、図８には、後述する他の実施形態（実施形態２、３）および従来技術の固定子コア１を備えた回転電機の計算結果も示してある。

（実施形態２）
図５は本発明による回転電機の実施形態２を説明する図である。３個の固定子ティース５ｊ〜５ｌで１つのティースグループ５１を構成し、３個のスロット４j〜４ｌ（スロット開口部４１ｊ〜４１ｌ）で１つのスロットグループ４３を構成する。１つのティースグループ５１を構成するティース５の先端には図５に示すように溝６（６ｋ、６ｌ）を設ける。図５の例では、ティース５ｋ、５ｌの先端に同じ形状の溝６ｋ、６ｌが形成されている。また、図５の例ではスロット開口部４１ｊ、４１ｋの開口幅は同じであり、スロット開口部４１ｌの開口幅は異なっている。図５に示すティースグループ５１を構成するティースと、このティースグループ５１に対応した、スロットグループ４３（４ｊ〜４ｌ）を固定子コア１の周方向に３グループ周設することにより、図３に示すような１つのティースグループ５０を形成することができる。

したがって、実施形態２では、図３に示す固定子コア１は、図５に示す１つのティースグループ５１を構成するティース５、スロット４を周方向に周期的に２４グループ周設することにより形成される。この構成（実施形態２）による計算結果を、図７中では○の記号で示してある。

（実施形態３）
図６は本発明による回転電機の実施形態３を説明する図である。３個のティース５ｍ〜５ｏで１つのティースグループ５１を、３個のスロット４ｍ〜４ｏ（スロット開口部４１ｍ〜４１ｏ）で１つのスロットグループ４４を構成する。１つのティースグループ５１を構成するティース５の先端には、溝６（６ｎ、６ｏ）を設ける。図６の例では、ティース５ｎ、５ｏの先端に同じ形状の溝６ｎ、６ｏが形成されている。この溝形状は図５の溝６（６ｋ、６ｌ）と同じである。ただし、図６の例では、図５の例とは異なり、３つのスロットの中央のスロットの開口幅が他のスロットの開口幅と異なっている。すなわち、スロット開口部４１ｍ、４１ｏの開口幅は同じであり、スロット開口部４１ｎの開口幅はこれらと異なっている。

図５の例では、スロット開口部４１ｊと４１ｋの開口幅は同じであり、スロット開口部４１ｌは異なっている。図６の例では、スロット開口部４１ｍと４１ｏの開口幅は同じであり、スロット開口部４１ｎの開口幅は異なっている。すなわち、図５（実施形態２）と図６（実施形態３）とでは、１つのスロットグループ４３、４４で、開口幅が他のスロット開口部と異なるスロット開口部の位置が異なる構成となっている。言い換えれば、１つのティースグループの各ティースのティース溝形状の変化パターンと、これに対応する１つのスロットグループのスロット開口部の開口幅の変化パターンが、図５と図６で異なっている。あるいは、ティース溝形状の変化パターンとスロット開口部の開口幅の変化パターンとが図５と図６とではずれた構成となっている。なお、図６の構成では、ティースの溝形状とスロット開口部の開口幅が、１つのスロットグループ４４の中央にあるスロット４ｎの中心を通る半径に対して対称となっているので、固定子コア１を構成する積層鋼鈑を、反転して積層することが可能である。

実施形態３において、図３に示す固定子コア１は、図６に示す１つのティースグループ５１を構成するティース５、スロット４を周方向に周期的に２４グループ周設することにより形成される。この構成（実施形態３）による計算結果を、図７中では◇の記号で示してある。

従来技術では、全てのティース５、スロット４の形状が同じ構成となっており、回転子コア２、磁石８と組み合わせた幾何学的形状の周期境界条件が１／８となっている。本発明では、１つのティースグループの各ティースのティース溝形状および／または１つのスロットグループの開口部の開口幅は全て同一ではないが実施形態１〜３のような１つのティースグループ５０、５１、および１つのスロットグループ４０、４３、４４を固定子コア１の全周に配設することにより、回転子コア２、磁石８と組み合わせた幾何学的形状の周期境界条件を従来技術の周期境界条件１／８から変更せずに、電磁力高調波の振幅を変更することができる。

実施形態１〜３では、ティース５の先端に溝を設けたり、スロット開口部４１の開口幅を変化させたりすることにより、エアギャップ（固定子コア１の内径と回転子コア２の外径の間の空間）の磁気抵抗を変化させることができる。磁気抵抗を変化させることにより、磁束高調波の振幅や位相が変化し、その結果、電磁力高調波の振幅が変化する。

（本発明による回転電機での電磁加振力高調波低減効果）
実施形態１〜３と従来技術それぞれの場合のティース、スロット形状を持つ固定子コア１を備えた回転電機の接線方向空間０次の電磁力高調波振幅を、解析により求めた結果を図７に示す。図７では電磁力高調波振幅を、従来技術の回転７２次高調波振幅を基準に無次元化している。図７より、従来技術の接線方向空間０次の電磁力高調波の中で回転７２次の回転次数の電磁力高調波成分が最大となり、回転７２次電磁力高調波の加振周波数と、この加振力により励起される回転電機の固有振動数とが一致すると、卓越した振動・騒音が発生すると考えられる。

そこで、図８に回転７２次の接線方向空間０次高調波振幅を抜き出してｄＢ表示したものを示す。図８では、実施形態１で３．６ｄＢ、実施形態２で４．７ｄＢ、実施形態３で３．８ｄＢ、従来技術より電磁力高調波が低減している。したがって、実施形態１〜３では従来技術よりも接線方向空間０次、回転７２次の電磁力高調波に起因する振動・騒音を低減できることになる。

図９に、接線方向空間０次、回転７２次の電磁力高調波を入力したときの実施形態２のティース、スロット形状を持つ固定子コア１と、従来技術のティース、スロット形状を持つ固定子コア１を備えたそれぞれの回転電機から発生する音響パワーレベルの計算結果を示す。図９では従来技術の音響パワーレベル最大値を基準に無次元化している。図９より２０００ｒ／ｍｉｎ近傍の音響パワーレベルピークが実施形態２で、従来技術より低減する結果となっている。

一方、図７より実施形態２の回転２４次高調波が回転７２次より振幅が大きくなっている。そこで、図１０に実施形態２と従来技術の回転電機から発生する音響パワーレベルの計算結果を示す。図１０より、回転２４次の音響パワーレベルのピークは５０００ｒ／ｍｉｎ以上のところに存在し、音響パワーレベルのピーク値は従来技術の回転７２次ピーク値より約１０ｄＢ大きくなっている。

車両の騒音はスピードが上がるほど風きり音やロードノイズなどの他の音源からの影響が大きくなり、またスピード・騒音・人間の感覚との関連から騒音の許容値も上がる。さらには、回転電機を搭載する車両がＨＥＶの場合、回転数が上がるとエンジンが作動するため、５０００ｒ／ｍｉｎ以上の領域ではエンジン音のほうが回転電機より発生する電磁音より大きくなると考えられる。この点から、回転２４次の電磁音の音響パワーレベルの上昇が回転７２次に対して１０ｄＢ程度であれば問題ない。

（実施形態４）
本発明の適用対象として、図１１に示す三相の永久磁石回転電機、極数Ｐ＝８、スロット数Ｓ＝４８、最大公約数Ｎ＝８のものを例にとり、従来技術との比較を行う。図１１では、簡略化のため、ティースを全て参照番号５で示している。回転電機を構成する固定子および回転子のうち特に固定子コア１と回転子コア２、磁石８に参照番号を付与して示している。

実施形態４では、図１２に示すように、ティースの１グループ５０を構成するティース５、スロット４の個数を、スロット数Ｓを最大公約数Ｎ＝８で割った個数ｍである６個とし、ティース５（５ｐ〜５ｕ）のうち４個（５ｑ、５ｒ、５ｔ、５ｕ）の先端に溝６ｑ、６ｒ、６ｔ、６ｕを設け、またスロット４の開口部（４１ｐ〜４１ｕ）の開口幅を異ならせる。

図１１に示す固定子コア１は、図１２に示す１グループ５０を構成するティース５、スロット４を固定子コア１の周方向に周期的に８グループ周設することにより形成される。この固定子コア１を備えた回転電機（実施形態４）の計算結果を図１３中に□の記号で表記し、従来技術の固定子コア１を備えた回転電機の計算結果を◆の記号で示してある。

実施形態１〜３と同様に、実施形態４でも、図１１の固定子コア１は図１２のように構成した１つのティースグループ５０、ティースグループ５０に対応するスロットグループ４５を固定子コア１の全周に配設することにより、回転子コア２、磁石８と組み合わせた幾何学的形状の周期境界条件を従来技術の１／８から変更せずに、電磁力高調波の振幅を変更することができる。

実施形態４においても、実施形態１〜３と同様に、ティース先端に溝を設けたり、スロット開口部の開口幅を変化させたりすることにより、エアギャップ（固定子コア１の内径と回転子コア２の外径の間の空間）の磁気抵抗を変化させることができる。磁気抵抗を変化させることにより、磁束高調波の振幅や位相が変化し、その結果、電磁力高調波の振幅が変化する。

実施形態４および従来技術それぞれの場合のティース、スロット形状を持つ固定子コア１を備えた回転電機について、接線方向空間０次の電磁力高調波振幅を解析により求めた結果を図１３に示す。図１３では電磁力高調波振幅を、従来技術の回転４８次高調波振幅を基準に無次元化している。図１３より、実施形態４のほうが従来技術より回転４８次高調波振幅を低減できることが分かる。また、他の高調波振幅も実施形態４のほうが従来技術の回転４８次高調波振幅より小さく、振動・騒音が低減できる。

図１４に回転４８次の電磁力高調波を入力したときの、実施形態４および従来技術それぞれの場合のティース、スロット形状を持つ固定子コア１を備えた回転電機から発生する音響パワーレベルの計算結果を示す。図１４では従来技術の音響パワーレベル最大値を基準に無次元化している。図１４より３０００ｒ／ｍｉｎ近傍の音響パワーレベルピークが実施形態４では、従来技術より低減される結果となる。

上記の実施形態１〜４の説明をまとめると以下の通りである。本発明では、ティースの先端部の形状とスロットの開口幅とを周方向にＦ回（ただしＦは２以上の自然数）周期的に変化させることにより、周期境界条件を変えることなく、振動・騒音に影響する接線方向電磁加振力高調波の振幅を低減できる。上記では説明していないが、８極１２スロットあるいは１０極１２スロットの回転電機においても、本発明による回転電機の構成が適用できることが分かっている。

以上より、本発明により、振動・騒音に影響する接線方向の空間０次電磁力高調波振幅を低減し、振動・騒音を低減できる。
また、特許文献１の適用対象（ｎ極、ｓ相におけるスロット数は２ｎ×ｓ個）から外れる極数、スロット数の組み合わせの回転電機に対しても、本発明により接線方向電磁力高調波振幅を低減し、振動・騒音を低減できる。

以上の説明は本発明の実施形態の例であり、本発明はこれらの実施形態に限定されない。当業者であれば、本発明の特徴を損なわずに様々な変形実施が可能である。

とりわけ本発明では、実施形態１〜４で説明した様々な固定子ティース先端の形状およびスロット開口部の開口幅を組み合わせたティースグループから構成された固定子を備える種々の回転電機を実現することができる。したがって、本発明は上記した実施形態の回転電機の相数、極数、スロット数に限定されるものではない。なお、上記の実施形態では、各固定子ティースに捲回するコイルは、分布巻きとしているが、本発明は、集中巻きのコイルにも、あるいは特開２００９−２４７１９６号公報に記載されているような分散巻きにも適用できる。

１：固定子コア
２：回転子コア
４、４ａ〜４ｏ：固定子スロット
５、５ａ〜５ｌ、１５：固定子ティース
６、６ｃ〜６ｈ、６ｋ、６ｌ、６ｎ、６ｏ、６ｑ、６ｒ、６ｔ、６ｕ：ティース溝
８：永久磁石
９：導電体
１０：回転電機
１５：従来の一般的な固定子ティース
２１：パワー半導体
３８：ダイオード
４０、４３、４４、４５：固定子スロットの１グループ
４２：固定子スロットのグループ４０のサブグループ
４１、４１ａ〜４１ｕ：スロット開口部
５０、５１：固定子ティースの１グループ

Claims

複数のティースと複数のスロットとを有する固定子を備えた回転電機であって、
前記ティースの先端部の形状と前記スロットの開口幅とが周方向にＦ回（ただしＦは２以上の自然数）周期的に変化するように構成され、
前記Ｆは、極数Ｐと前記固定子のスロット数Ｓの最大公約数Ｎであり、
前記ティースは前記スロット数Ｓを前記最大公約数Ｎで割った個数ｍ、または前記個数ｍの約数ｄの数で複数のティースグループにグループ化され、前記スロットは前記個数ｍ、または前記約数ｄの数で複数のスロットグループにグループ化され、前記複数のティースグループ、および前記複数のスロットグループの各々のグループは、それぞれが同じ構成のティースグループおよびスロットグループ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、
前記ティースグループにおいて、少なくとも１つのティースは、当該ティースグループの他のティースと異なる形状の溝を有し、前記スロットグループにおいて、少なくとも１つのスロットは、当該スロットグループの他のスロットと異なる開口幅を有することを特徴とする回転電機。
請求項１または２に記載の回転電機を備えることを特徴とする電動車両。