JP5962407B2 - Ｉｐｍ型電動回転機 - Google Patents

Description

本発明は、ＩＰＭ型電動回転機に関し、詳しくは、高効率な回転駆動を実現するものに関する。

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。
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（ＨＥＶ：Hybrid Electric Vehicle）に搭載されたり、単独の駆動源として電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）に搭載される、駆動用モータの場合には、低速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。

この種の車両には、燃費向上のために、電動回転機を含めて各コンポーネントにエネルギ変換効率の向上が要求されており、特に、車載の電動回転機においては、常用領域における効率向上が望まれている。さらに、車載の電動回転機には、設置空間の制約や軽量化の観点から、より小型化した高エネルギ密度の構造が求められている。
ところで、ＨＥＶやＥＶでは、一般的に、電動回転機の低速回転・低負荷領域が常用領域である。このことから、車載の電動回転機のトルクに貢献する割合は、電機子電流の大小に応じたリラクタンストルクよりもマグネットトルクの方が大きくなり、高効率化のために高磁力の永久磁石を多く使用する傾向にある。
このような傾向から、電動回転機としては、エネルギ変換効率の向上、特に、低速回転・低負荷領域の常用領域における効率向上のために、高残留磁束密度のネオジム磁石を回転子の鉄心内部に埋め込んだ永久磁石式の同期モータであるＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）型が多用されている。このＩＰＭ型電動回転機では、外周面側に向かって開くＶ字形になるように永久磁石を回転子内に埋め込むことにより、マグネットトルクに加えて、リラクタンストルクも積極的に利用できる磁気回路にすることが提案されている（例えば、特許文献１、２）。また、ＩＰＭ型電動回転機では、回転子内にＶ字形に埋め込む永久磁石の外周面側のｄ軸（永久磁石の中心軸）上に空隙を形成することも提案されている（例えば、特許文献３、４）。

特開２００６−２５４６２９号公報 特開２０１２− ３９７７５号公報 特開２００６−２１７７９８号公報 特開２００７− ６８３５７号公報

ところで、近年の電動回転機には、磁力と耐熱性とを高めるためにＮｄ、Ｄｙ、Ｔｂなどのレアアースを含む永久磁石が多用されているが、その稀少性に伴う価格高騰とその流通量の不安定さから、レアアース使用量を低減しつつ高効率化する必要性が高まっている。
しかしながら、ＨＥＶやＥＶでは、電動回転機の常用領域が低速回転・低負荷領域であることから、その領域に寄与するマグネットトルクを大きくするために、特許文献１〜４に記載のようなＩＰＭ型モータにおいても、高磁力の永久磁石の使用量を多くする傾向にある。これは、レアアースの使用量の低減という課題の解決を妨げる方向である。
また、特許文献３、４に記載のような空隙を回転子内に形成すると、磁路の形成を妨げてしまい、トルクの向上に寄与することはできない。
そこで、本発明は、永久磁石の使用量を削減しつつ高効率な回転駆動を実現して、低コストかつ高エネルギ密度の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ＩＰＭ型電動回転機に係る発明の第１の態様は、永久磁石が埋め込まれて駆動軸と一体回転する回転子と、該回転子を相対回転自在に収納して当該回転子に対面する複数のティース間のスロットにコイルを収容して電機子として機能する固定子と、を備える電動回転機であって、前記永久磁石が形成する磁極毎の該永久磁石の中心軸に一致する磁束方向のｄ軸側まで当該永久磁石を存在させた場合に、該ｄ軸側において前記電機子が発生する電機子磁束を打ち消す方向の磁石磁束を発生する範囲の前記永久磁石を、透磁率の小さな空隙に置き換えて、前記回転子の軸心から外周面までの外半径をＲ１、前記回転子の軸心から前記空隙の該軸心側端部までの法線方向の長さをＲ２、前記回転子の前記駆動軸を嵌め込む内周面までの内半径をＲ３とした場合に、０．５６≦Ｒ２／Ｒ１≦０．８４、かつ、０．５４≦Ｒ３／Ｒ２≦０．８２の関係を満たす寸法形状に形成したことを特徴とするものである。

上記課題を解決するＩＰＭ型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、毎極毎相スロット数ｑ＝２の構造の場合、前記回転子の半径方向の前記永久磁石の大きさをＷｐｍ、前記永久磁石が形成する磁極数をＰとしたとき、１．４４≦（Ｐ×Ｗｐｍ）／Ｒ１＜１．８４を満たすことを特徴とするものである。

このように、本発明の上記の第１の態様によれば、ｄ軸側で、電機子磁束を打ち消す方向の磁石磁束を発生する範囲の永久磁石を、透磁率の小さな空隙に置き換えたので、ｄ軸側で磁石磁束と電機子磁束が干渉（相殺）してしまうことなく、また、その範囲内を電機子磁束が通過してしまうことも制限することができる。したがって、ｄ軸側で電機子磁束を無駄にする磁石磁束をなくし、マグネットトルクと共にリラクタンストルクを有効活用することができ、ｄ軸側永久磁石の置換前以上のトルクを得つつ永久磁石自体の使用量を削減することができる。
さらに、永久磁石を空隙に置換することで、磁石磁束を低減して高速回転側での誘起電圧定数を低減することができ、高速回転側での出力を向上させることができる。また、軽量化することができ、イナーシャを低減することができる。
また、磁石磁束の低減により、弱め界磁領域を削減（弱め界磁量を低減）することができ、磁気歪みとなる空間高調波を低減することができる。このため、永久磁石内での渦電流の発生を制限して発熱を抑えることができ、永久磁石の温度変化による減磁を抑制して耐熱グレードを下げて低コスト化することができる。

加えて、この空隙は、円筒形状の回転子の外半径Ｒ１、内半径Ｒ３に対して、軸心側端部の軸心からの法線方向の長さＲ２が０．５６≦Ｒ２／Ｒ１≦０．８４、かつ、０．５４≦Ｒ３／Ｒ２≦０．８２の条件を満たす寸法形状に形成されて、永久磁石の収容空間を単に延長させた空間よりも軸心側に向かって大きく拡大される。これにより、磁極の一方側のｑ軸側から回転子内に進入する電機子磁束が磁極（永久磁石）の外周面側に回り込むのを制限して他方側のｑ軸側に向かうように迂回させることができ、磁極の外周面側で磁石磁束と一緒になって飽和してしまうことを回避することができる。
このため、電機子磁束によるリラクタンストルクをより有効活用することができ、重畳する高調波を抑えることができる。したがって、トータルの平均トルクを増加させることができるとともに、トルクリプルを低減することができる。さらに、空隙の拡大による軽量化を進めてイナーシャをより低減できる。また、１２次と２４次の高調波トルクを低減することができ、特に１２次の高調波トルクを大幅に低減して、登坂加速時におけるジャダーの発生を抑制するとともに、電磁騒音も大幅に低減することができる。
この結果、高エネルギ密度で高品質に回転駆動する低コストの電動回転機を実現することができる。

本発明の上記の第２の態様によれば、毎極毎相スロット数ｑ＝２の構造の場合、永久磁石の大きさＷｐｍ×磁極数Ｐ／回転子半径Ｒ１を１．３８以上で１．８４未満にすることで、ｄ軸側まで永久磁石を存在させた場合よりもその永久磁石自体の使用量を削減することができる。特に、１．３８のときには同等以上の最大トルクを得つつ永久磁石の使用量を２４．７％削減することができる。

図１は、本発明に係るＩＰＭ型電動回転機（モータ）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。 図２は、実施形態の構造における低負荷駆動時の電機子磁束の磁束線図である。 図３は、実施形態の構造における低負荷駆動時の磁石磁束の磁束線図である。 図４は、ｄ軸側に大きな空隙のないＶ字型ＩＰＭモータの電流位相に対するトルク特性を示すグラフである。 図５Ａは、ｄ軸側に大きな空隙のないＶ字型ＩＰＭモータの磁石磁束の磁束線図である。 図５Ｂは、ｄ軸側に大きな空隙のないＶ字型ＩＰＭモータのｄ軸付近における磁石磁束のベクトル図である。 図６Ａは、ｄ軸側に大きな空隙のないＶ字型ＩＰＭモータの最大負荷駆動時における電機子磁束の磁束線図である。 図６Ｂは、ｄ軸側に大きな空隙のないＶ字型ＩＰＭモータの最大負荷駆動時におけるｄ軸付近の電機子磁束のベクトル図である。 図７は、ｄ軸側に大きな空隙のないＶ字型ＩＰＭモータの最大負荷駆動時における磁極（永久磁石）の外周側の磁石磁束ベクトルと電機子磁束ベクトルの相対関係を示すモデル図である。 図８は、ＩＰＭ型モータの入力電流に対する電流位相と出力トルクの対応関係（特性）を示すグラフである。 図９は、ｄ軸側に大きな空隙のないＶ字型ＩＰＭモータの低負荷駆動時における電機子磁束の磁束線図である。 図１０は、ｄ軸側に大きな空隙のないＶ字型ＩＰＭモータの低負荷駆動時における磁石磁束と電機子磁束の合成磁束の磁束線図と共にその合成磁束が取る経路を示す経路図である。 図１１は、ｄ軸側空隙付きのＶ字型ＩＰＭモータの埋設永久磁石を短縮させた場合の発生トルクの変化やトルクリプルの低減率を示すグラフである。 図１２は、ｄ軸側空隙付きのＶ字型ＩＰＭモータの埋設永久磁石を短縮させた場合に重畳する５次の空間高調波の変化を示すグラフである。 図１３は、ｄ軸側に大きな空隙のないＶ字型ＩＰＭモータとｄ軸側空隙付きのＶ字型ＩＰＭモータの低負荷駆動領域におけるトルク発生割合を示すグラフである。 図１４は、ｄ軸側に大きな空隙のないＶ字型ＩＰＭモータとｄ軸側空隙付きのＶ字型ＩＰＭモータの最大負荷駆動領域におけるトルク発生割合を示すグラフである。 図１５は、ｄ軸側空隙付きのＶ字型ＩＰＭモータの最大負荷駆動時における電機子磁束を示す磁束線図である。 図１６は、ｄ軸側空隙付きのＶ字型ＩＰＭモータの低負荷駆動時における磁石磁束と電機子磁束の合成磁束を示す磁束線図である。 図１７は、ｄ軸側空隙付きのＶ字型ＩＰＭモータの最大負荷駆動時における磁石磁束と電機子磁束の合成磁束を示す磁束線図である。 図１８は、ｄ軸側空隙付きのＶ字型ＩＰＭモータの最大負荷駆動時における磁石磁束と電機子磁束の合成磁束を示す磁束線図を含み、図１７の本実施形態の構造と比較する構造図である。 図１９は、図１７の本実施形態構造Ａと図１８の比較構造Ｂで発生する、平均トルク中の瞬時トルクを示すグラフである。 図２０は、図１７の本実施形態構造Ａと図１８の比較構造Ｂで発生する、図１９の瞬時トルクの波形に重畳する高調波トルクの割合を示すグラフである。 図２１は、図１７の本実施形態構造Ａと図１８の比較構造Ｂにおける、ギャップＧを介する１歯鎖交磁束波形に含まれる空間高調波成分の含有率を示すグラフである。 図２２は、フラックスバリア１７ｃの軸心側の端部壁面位置の軸心からの離隔距離Ｒ２／回転子の外半径Ｒ１、をパラメータとしたときのトルクの変化を示すグラフである。 図２３は、回転子の外半径Ｒ１／フラックスバリア１７ｃの軸心側の端部壁面位置の軸心からの離隔距離Ｒ２、をパラメータとしたときのトルクの変化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１７は本発明に係るＩＰＭ型電動回転機の一実施形態を示す図である。ここで、本実施形態の説明では、固定子に対して回転子を反時計回り（ＣＣＷ：counterclockwise）方向に回転させる場合を一例にしてその回転方向を図示する。
図１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駆動軸１３が固設されている回転子（ロータ）１２と、を備えている。この電動回転機１０は、例えば、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）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を嵌め込んで不動状態に収容する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。
Ｖ字空間１７は、永久磁石１６を嵌め込み収容する空間１７ａと、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、１７ｃ（以下ではフラックスバリア１７ｂ、１７ｃともいう）と、を備え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、空間１７ｃ間で法線方向に延長されて外周側と内周側と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、固定子１１側のステータティース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を構成している。これに対して、回転子１２は、８組の永久磁石１６のそれぞれに、固定子１１側の６本のステータティース１５が対面している。要するに、この電動回転機１０では、回転子１２側の一対の永久磁石１６側が構成する１磁極に、固定子１１側の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。言い換えると、電動回転機１０は、毎極毎相スロット数ｑ＝（スロット数／極数）／相数＝２のＩＰＭ型構造に作製されている。
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内に磁束を通すことにより回転駆動させることができる。このとき、電動回転機１０（固定子１１と回転子１２）は、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、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る。よって、電動回転機１０は、通電入力する電気的エネルギを、固定子１１に対して回転子１２と一体回転する回転駆動軸１３から、機械的エネルギとして出力することができる。
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おり、その積層状態を維持するようにカシメ１９などにより一体物に作製されている。

ここで、この電動回転機１０は、図２に磁束線図として図示するように、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の外周側（ステータティース１５の背面側）から回転子１２内を通過する経路の磁路（電機子磁束）を形成するように、スロット１８内に巻線コイルが分布巻きされている。その永久磁石１６は、電機子磁束Ψｒの磁路に沿うように、言い換えると、その電機子磁束Ψｒの形成を妨げないように、形成されているＶ字空間１７の嵌込空間１７ａ内に収容されている。
この永久磁石１６の磁路（磁石磁束Ψｍ）は、図３に磁束線図として図示するように、１磁極を構成する一対の永久磁石１６の表裏面のＮ極とＳ極から鉛直方向に出て繋げる経路を取り、特に、固定子１１側では対応するステータティース１５からその背面側を通過する経路になる。

そして、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。この回転子１２は、Ｖ字空間１７のｄ軸側に位置する内側の空間１７ｃを、軸心に向かう大きな空隙に拡大されてフラックスバリア１７ｃとして機能するように形成されている。このＶ字空間１７におけるフラックスバリア１７ｃの最適な寸法形状については後述する。
これにより、この電動回転機１０では、図２に示すように、ステータティース１５から回転子１２内に進入する電機子磁束Ψｒを、Ｖ字空間１７の外周側に回り込まないように大きく内周（軸心）側に迂回させてステータティース１５に戻る経路を取るように形成されている。要するに、電動回転機１０は、回転子１２がｄ軸空隙付きＶ字型ＩＰＭモータに構築されている。
また、この電動回転機１０は、ｄ軸に対応するステータティース１５から進入する電機子磁束Ψｒにトルクリプル増加原因となる５次や７次の空間高調波が多く重畳しないように、回転子１２側の外周面に、そのステータティース１５の内周面１５ａと平行方向（軸心方向）に延長されるセンタ溝２１が形成されている。

このように、回転子１２内に永久磁石１６をＶ字型に埋め込むＩＰＭ構造の電動回転機１０の場合、トルクＴは、下記の式（１）で表すことができ、図４に示すように、マグネットトルクＴｍとリラクタンストルクＴｒとの和が最大となる電流位相にて駆動することで高トルク・高効率運転を実現している。

Ｐｐ：極対数、Ψｍ：電機子（ステータティース１５）鎖交磁石磁束、
ｉｄ：線電流のｄ軸成分、ｉｑ：線電流のｑ軸成分、
Ｌｄ：ｄ軸インダクタンス、Ｌｑ：ｑ軸インダクタンス

ところで、ｄ軸側空隙のフラックスバリア１７ｃに代えて、Ｖ字空間１７の外側のフラックスバリア１７ｂと同等のフラックスバリア１７ｄを備える関連技術の回転子１２Ａの場合には、図５Ａの磁束線図に図示する永久磁石１６の磁路が形成され、その磁石磁束Ψｍは、図５Ｂの磁束ベクトル図に図示する向きのベクトルＶｍになっている。また、スロット１８に収容されるコイルへの通電により発生する電機子磁束Ψｒは、図６Ａの磁束線図に図示する磁路に形成され、図６Ｂの磁束ベクトル図に図示する向きのベクトルＶｒになっている。
この種の電動回転機では、最大負荷駆動時には高トルク・高効率駆動の実現のために電流位相角を進角させて駆動させている。関連技術の回転子１２Ａでは、図５Ｂおよび図６Ｂの磁束ベクトル図に示すように、Ｖ字空間１７（磁極）の外周側に位置するｄ軸付近の小領域Ａ１において、磁石磁束Ψｍと電機子磁束Ψｒが逆磁界の関係になって、リラクタンストルクＴｒがマグネットトルクＴｍを打ち消し（相殺し）つつ駆動する状態にある。要するに、この磁極外周側小領域Ａ１は、図７に示すように、磁石磁束Ψｍと電機子磁束Ψｒとが挟角９０度以上で逆向きの位置関係で対向する干渉領域であり、この磁極外周側小領域Ａ１に隣接する永久磁石１６のｄ軸側の範囲Ｂで発生する磁石磁束Ψｍを抑え込む（打ち消す）のに電機子磁束Ψｒが浪費されている。
このことから、この磁極外周側小領域Ａ１に対応する永久磁石１６のｄ軸側範囲Ｂは、トルクＴに積極的に寄与していないと言うことができ、その永久磁石１６におけるｄ軸側範囲Ｂの部分を削減しつつ同等の突極比を維持する磁気回路とすることで、永久磁石１６自体の磁石量を低減することができる。
ここで、トルクＴは、上記式（１）であるため、永久磁石１６の磁石量を減らした場合にはリラクタンストルクＴｒを大きくすることで、永久磁石１６の磁石量を減らさない場合と同等にすることができる。このリラクタンストルクＴｒは、ｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑとの差、すなわち、突極比を大きくすることで増加させることができる。
よって、本実施形態の回転子１２では、永久磁石１６のｄ軸側範囲Ｂを透磁率の小さな空隙（制限領域）に置き換えることで、永久磁石１６の磁石量を低減しつつ突極比を増加させて置換前と同等以上のトルクＴを得ることができる。見方を換えると、リラクタンストルクＴｒは、永久磁石１６のｄ軸側範囲Ｂで発生する磁石磁束Ψｍを抑え込むのに浪費されていた電機子磁束Ψｒを有効活用することで大きくすることができ、永久磁石１６の磁石量を削減しても同等のトルクＴを得ることができる。

なお、トルクＴは、下記の式（２）のように表すこともでき、電流値Ｉａが小さな低負荷領域ではマグネットトルクＴｍの割合が高くなり、図８に示すように、電流値Ｉａが低いほど最大トルク時の電流位相βはゼロに近くなる。この図８中の波形ｉ〜ｖは、各電流値Ｉａ（ｉ）〜Ｉａ（ｖ）における電流位相−トルク特性を示しており、電流値Ｉａの大きさは、ｉ＜ｉｉ＜ｉｉｉ＜ｉｖ＜ｖの関係となっている。よって、低負荷駆動時には、マグネットトルクＴｍの割合（依存）が自ずと高くなるが、そのマグネットトルクＴｍを最大限に有効活用する磁気回路が望ましい。

β：電流位相角度、Ｉａ：相電流値

関連技術の回転子１２Ａでは、図９に示すように、低電流値の低負荷領域では電流位相βがゼロに近い条件で駆動させるため、電機子磁束Ψｒの磁束量がｑ軸となる磁極間（隣接する別磁極の永久磁石１６の間）で多くなる。このため、この電機子磁束Ψｒに磁石磁束Ψｍを合成した磁束Ψｓの経路としては、図１０に示す磁路ＭＰ１、ＭＰ２を通過する磁気回路とするのが好適である。これにより、合成磁束Ψｓは、ｑ軸磁路（磁束）を分散化させて（飽和することを回避して）ｑ軸インダクタンスＬｑを大きくすることができ、リラクタンストルクＴｒを積極的に利用可能にすることができる。
磁路ＭＰ１は、固定子１１側のステータティース１５からエアギャップＧを介して回転子１２Ａに鎖交して磁極間に進入した後に、回転方向進行側（図中左側）の磁極を形成する近接側の永久磁石１６を内周側から抜ける経路を取る。さらに、この磁路ＭＰ１は、その磁極の外周側領域Ａ２を通過して、再度エアギャップＧを介してステータティース１５に戻る経路を取る。
磁路ＭＰ２は、磁路ＭＰ１と同様に磁極間に進入した後に、回転方向進行側の磁極を形成する離隔側の永久磁石１６を内周側から抜けて、その磁極の外周側領域Ａ２を通過して、再度エアギャップＧを介してステータティース１５に戻る経路を取る。

例えば、この磁路ＭＰ１、ＭＰ２では、一対の永久磁石１６の両端側（磁極外端部）を削って内側に寄せた場合には、その両端側に大きなフラックスバリアが存在して磁極の中心付近に集中することになり、特に、磁極外周側領域Ａ２の右側の経路が取り難くなって、その領域Ａ２全体を有効に利用できない。
反対に、一対の永久磁石１６の中心側（磁極内端部）を削って外側に寄せた場合には、その中心側に大きなフラックスバリアが存在して磁極の両側に磁束経路を分散させることができ、磁極外周側領域Ａ２の右側の経路も含めて積極的に有効活用してその領域Ａ２を満遍なく磁束が通過できる。この構造の場合には、回転方向後進側の磁極の永久磁石１６を外周側から内周側に向かって抜けた後、隣接する磁極の永久磁石１６のＮ極・Ｓ極間を結合する磁路ＭＰ３も取ることができる。この磁路ＭＰ３では、磁路ＭＰ１と同様の経路を通って、回転方向進行側の磁極の外周側領域Ａ２を通過することができ、磁束の分散化効率が高い。
このことから、回転子１２は、磁極を形成する一対の永久磁石１６の埋設構造として、リラクタンストルクＴｒを発生させる電機子磁束Ψｒを妨げないようにＶ字型を維持しつつ、両端側（磁極外端部）に寄せる形状を採用するのが好適である。さらに、その一対の永久磁石１６の間（磁極内端部）には、磁束が短絡経路を取るのを制限するフラックスバリア１７ｃを形成する構造を採用するのが好適である。また、回転子１２のｄ軸上の外周面には、固定子１１側のステータティース１５から進入する電機子磁束Ψｒの飽和を制限する、言い換えると、その磁束Ψｒを分散させるセンタ溝２１を形成する構造を採用するのが好適である。このような構造を採用することにより、回転子１２は、ｑ軸磁路（磁束）を分散化させてｑ軸インダクタンスＬｑを大きくし、リラクタンストルクＴｒを積極的に利用することができる。

この永久磁石１６は、図面内の長手方向の長さ（幅）Ｗｐｍの最適値を、その長さＷｐｍを短縮しない場合を基準にして比較決定する。
具体的には、極数Ｐと、回転子１２の軸心から外周面までの外半径Ｒ１とを固定値として、磁極外端部に設置する永久磁石１６の長さＷｐｍを変数（内端側端辺の位置を変位）とし、下記の式（３）で算出する比率δを変化させて決定する。この決定要素として、比率δに対する、最大負荷時のトルクＴのper unit単位での変化と、そのトルクＴの変動幅であるトルクリプル（torqｕe ripple）の低減率の変化とを磁界解析してグラフ表示すると、図１１のようになる。なお、per unit単位では、例えば、１．０[ｐ．ｕ．]の場合に同等であることを意味している。
δ＝（Ｐ×Ｗｐｍ）／Ｒ１ ・・・（３）
図１１では、比率δ＝１．８４が長さＷｐｍを短縮しない形状寸法（磁石低減量０％）の永久磁石１６の場合であり、比率δ＝１．３８の寸法形状（磁石低減量２４．７％）の場合に非短縮時と同等（１．０［ｐ．ｕ．］）のトルクＴを得ることができることが分かる。この永久磁石１６は、常用の低速回転負荷時においても、比率δ＝１．３８とすることで、同等のトルクＴを得ることができる。
ここで、この図１１では、Ｖ字空間１７の内外端側に同等の大きさのフラックスバリア１７ｂ、１７ｄを備える関連技術の回転子１２Ａを比較対象としている。これに対して、本実施形態の回転子１２の場合には、フラックスバリア１７ｃとセンタ溝２１を備えることで、電機子磁束Ψｒを効果的に分割して振り分けることができる。このため、この回転子１２では、リラクタンストルクＴｒを有効に発生させることができ、永久磁石１６が同等の長さＷｐｍである比率δ＝１．８４でもトルクＴが向上するとともにトルクリプルも低減されている。すなわち、図１１では、この回転子１２の構造で永久磁石１６の長さＷｐｍを短縮させて、比率δに対するトルクＴとトルクリプルの変化を図示している。なお、関連技術の回転子１２Ａの構造のまま永久磁石１６の長さＷｐｍを短縮する場合には、比率δ＝１．８４から比率δ＝１．３８付近までトルクＴの大きな変化はない（１．０［ｐ．ｕ．］）ものと想定される。

また、電動回転機では、回転子の回転に伴って、埋設する永久磁石量に応じた誘起電圧（逆起電圧）が発生して弱め界磁に起因する磁気歪みの空間高調波が重畳することになる。この空間高調波は、５次、７次、１１次、１３次の成分がトルクリプルの発生要因になり、鉄損の増加原因となっている。このことから、比率δに対する、例えば、５次の空間高調波の発生をper unit単位でグラフ化すると、図１２のようになり、比率δ＝１．７５以下にするほど、その５次の空間高調波の発生を抑えることができることが分かる。この場合には、永久磁石１６の磁石量を４．７％以上削減することができ、また、磁気歪みの空間高調波の低減により鉄損を低減して駆動効率を向上させつつ永久磁石１６内での渦電流の発生を制限して発熱を抑えることができる。

このことからすると、本実施形態の回転子１２では、関連技術の回転子１２Ａと同等のトルクＴを得つつ永久磁石１６の使用量を削減するには、その永久磁石１６の長さＷｐｍを短縮（磁石量を２４．７％削減）して比率δ＝１．３８程度にするのが好適であり、トルクリプルも低減することができる。要するに、永久磁石１６は、トルクＴやトルクリプル等の所望の特性に応じて比率δ＝１．３８（磁石低減量２４．７％）から１．７５（磁石低減量４．７％）の範囲内の寸法形状で適宜選択すればよい。
そこで、電動回転機１０は、同等のトルクＴとなる、永久磁石１６の長さＷｐｍを短縮して比率δ＝１．３８の寸法形状に形成するｄ軸空隙付きＶ字型のＩＰＭモータの場合と、永久磁石１６を短縮しないＶ字型のＩＰＭモータの場合とで磁界解析すると、図１３および図１４に示すように、マグネットトルクＴｍとリラクタンストルクＴｒの比率が変化して同等のトルクＴを出力可能なことが分かる。なお、ｄ軸空隙付きＶ字型のＩＰＭモータは、大きな空隙のフラックスバリア１７ｃをｄ軸側に備える構造であり、単なるＶ字型のＩＰＭモータは、小さなフラックスバリア１７ｄをｄ軸側に備える構造である。
この図１３は、低負荷領域でのトルクＴｍ、Ｔｒの割合を図示しており、図１４は、最大負荷領域でのトルクＴｍ、Ｔｒの割合を図示している。いずれでも、ｄ軸空隙付きＶ字型のＩＰＭモータの場合には、永久磁石１６を短縮するためにマグネットトルクＴｍが小さくなるのに代わって、リラクタンストルクＴｒが大きくなっていることが分かる。すなわち、電動回転機１０は、ｄ軸付近の永久磁石１６に置換して大きな空隙空間のフラックスバリア１７ｃやセンタ溝２１を形成することで、図６Ｂと図７に示す磁極外周側小領域Ａ１で電機子磁束Ψｒを打ち消す磁石磁束Ψｍを少なくすることができている。この結果、電動回転機１０は、ｑ軸インダクタンスＬｑを大きくしてｄ軸インダクタンスＬｄとの差（突極比）を非短縮Ｖ字型のＩＰＭモータよりも大きくすることができ、リラクタンストルクＴｒを有効活用して同等のトルクＴを確保することができている。

この構造により、電動回転機１０は、図１５に磁束線図として図示するように、磁極を
形成する一対の永久磁石１６の外周側の小領域Ａ１に集中していた電機子磁束Ψｒを、その磁極外周側小領域Ａ１を通過する磁路Ｍｒ１からＶ字空間１７のｄ軸側空間１７ｃの内周側を迂回する磁路Ｍｒ２にも効果的に分割（分流）させることができる。この結果、電動回転機１０は、磁石磁束Ψｍと電機子磁束Ψｒ（ｄ軸・ｑ軸）の磁気的干渉を低減して、磁極外周側小領域Ａ１の回転方向進行側（図中左側）で局所的に磁気飽和状態になってしまうことを回避してトルクＴの発生に効果的に寄与させることができる。

したがって、電動回転機１０は、図１６の磁束線図に図示するように、低負荷駆動時には磁石磁束Ψｍと電機子磁束Ψｒの合成磁束Ψｓが主に永久磁石１６を通過する磁路ＭＰ０を通過するのに対して、最大負荷駆動時にはその合成磁束Ψｓは図１７の磁束線図に図示するように、磁路ＭＰ１、磁路ＭＰ２に分割させることができる。この結果、磁気的干渉の低減と共に局所的な磁気飽和状態の回避を実現して、永久磁石１６の磁石量を低減しつつ同等以上のトルクＴを効率よく発生させることができる。
これに対して、例えば、図１８の磁束線図に示すように、回転子１２の軸心側に拡大させていないフラックスバリア１７ｅの場合には、合成磁束Ψｓを十分に分割させることができずに、磁極外周側小領域Ａ１の回転方向進行側（図中左側）での局所的な磁気飽和を回避することができていない。なお、低負荷駆動時の合成磁束Ψｓは、電機子磁束Ψｒよりも磁石磁束Ψｍの割合が大きい。

ところで、図１７に図示するフラックスバリア１７ｃの本実施形態構造Ａと、図１８に図示するフラックスバリア１７ｅの比較構造Ｂでは、図１９に最大負荷時の特性を図示するように、トルクの大きさおよびその変動（トルクリプル）で比較すると、構造Ａの方がトルクが約６％増加しているのと同時にトルクリプルが小さくなって高品質に回転駆動させることができることが分かる。なお、図１９には、図１８の構造Ｂを基準として平均トルクを算出し、その回転角（電気角）に応じた瞬時トルクをper unit単位で、図１７の構造Ａの場合と共にその構造Ｂの場合を図示している。

この構造Ａ、Ｂでは、図１９に示す波形をフーリエ級数展開すると、図２０に示すように、トルクに重畳する高調波トルクを比較することができ、構造Ａの方が構造Ｂよりも、特に、１２次と２４次の高調波トルクを大きく低減できていることが分かる。これにより、本実施形態の構造Ａでは、特に１２次の高調波トルクを大幅に低減して、登坂加速時におけるジャダーの発生を抑制するとともに、電磁騒音も大幅に低減することができる。なお、この図２０には、構造Ａ、Ｂのトルクに含まれる高調波トルクの割合（％）を図示している。
さらに、構造Ａ、Ｂでは、１つのステータティース１５にギャップＧを介して鎖交する磁束波形をフーリエ級数展開して、１１次と１３次の空間高調波成分の含有率を比較すると、図２１に示すように、構造Ａの方が構造Ｂよりも、低減できていることが分かる。なお、この図２１には、構造Ａ、Ｂの１歯鎖交磁束の基本波形成分を正規化してper unit単位で図示している。

また、電動回転機１０は、永久磁石１６を、例えば、比率δ＝１．４４の寸法形状にして低透磁率のフラックスバリア１７ｃに置換（磁石磁束Ψｍを低減）し磁石量を２３％削減すると、イナーシャ（慣性力）の低減と共に、誘起電圧定数も１３．４％程度低減することができ、高速回転側での出力を増加させることができる。さらに、この電動回転機１０では、磁気歪みとなる空間高調波が低減されることで、永久磁石１６内で発生する渦電流による発熱や鉄損および電磁騒音を抑えることができる。

ところで、電動回転機１０のトルクリプルは、３相の場合、１相１極毎の磁束波形に重畳する空間高調波と相電流に含まれる時間高調波に起因して、電気角で６ｆ次成分（ｆ＝１、２，３…：自然数）で発生することが分かっている。
以下に、トルクリプルの発生原因について説明すると、３相出力（電力）Ｐ（ｔ）とトルクτ（ｔ）は、角速度をωｍ、各相の誘起起電力をＥｕ（ｔ）、Ｅｖ（ｔ）、Ｅｗ（ｔ）、角相の電流をＩｕ（ｔ）、Ｉｖ（ｔ）、Ｉｗ（ｔ）とすると、次の式（４）、式（５）で求めることができる。
Ｐ(t)＝Ｅ_ｕ(t)Ｉ_ｕ(t)＋Ｅ_ｖ(t)Ｉ_ｖ(t)＋Ｅ_ｗ(t)Ｉ_ｗ(t) ・・・（４）
τ(t)＝Ｐ（ｔ）／ω_ｍ
＝[Ｅ_ｕ(t)Ｉ_ｕ(t)＋Ｅ_ｖ(t)Ｉ_ｖ(t)＋Ｅ_ｗ(t)Ｉ_ｗ(t)] ・・・（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相電流Ｉ_ｕ（ｔ）を次の式（６）と置くと、Ｕ相トルクτ_ｕ（ｔ）は次の式（７）のように表すことができる。

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」は奇数のみとなる。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、次の式（８）のように表すことができる。

また、この誘起電圧は、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る。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になる。
よって、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、１１次と１３次の空間高調波（ｎ＝１１、１３）が重畳していると相電流の基本波（ｍ＝１）との合わせにより１２次の高調波トルクが発生することが分かる。

そして、この電動回転機１０では、回転子１２におけるＶ字空間１７のフラックスバリア１７ｃとして、永久磁石１６を比率δ＝１．４４の寸法形状にしつつ軸心に向けての拡大サイズを最適化するために、軸心側の端部壁面位置を決定する。
まず、図１に戻って、この回転子１２の構造は、フラックスバリア１７ｃの軸心側の端部壁面位置の軸心からの法線方向の離隔距離Ｒ２を変化させて、その外周面までの外半径Ｒ１と内周面までの内半径Ｒ３に対する比率Ｒ２／Ｒ１、Ｒ３／Ｒ２をパラメータとしたときに得られる、図２２、図２３に示すトルク特性により決定する。ここで、回転子１２の寸法形状は、回転駆動軸１３の圧入時の電磁鋼板に掛かる圧縮応力に起因するミゼス応力で透磁率（磁束の通り易さ）が悪化することから、そのミゼス応力を考慮した数値で決定している。なお、この図２２、図２３は、図１８の比較構造Ｂを基準として、最大負荷時に得られるトルクをper unit単位で図示している。
いる。

まず、図２２からは、Ｒ２／Ｒ１が０．５６〜０．８４の範囲Ａ内で構造Ｂ以上のトルクが得られることが分かり、好ましくは、傾向の変化する位置付近の０．５６５〜０．７５の範囲Ｂ内、より好ましくは、トルクが５％程度増加する０．５９〜０．６３程度の範囲Ｃ内になるように、フラックスバリア１７ｃの軸心側端部位置の離隔距離Ｒ２を決定する。
さらに、図２３からは、Ｒ３／Ｒ２が０．５４〜０．８２の範囲Ａ内で構造Ｂ以上のトルクが得られることが分かり、好ましくは、傾向の変化する位置付近の０．６０〜０．８１の範囲Ｂ内、より好ましくは、トルクが５％程度増加する０．７２〜０．７７程度の範囲Ｃ内になるように、フラックスバリア１７ｃの軸心側端部位置の離隔距離Ｒ２を決定する。
これにより、図１７における磁路ＭＰ２の磁路幅を十分に確保することができ、その磁路ＭＰ２で磁気飽和が発生することがないようにフラックスバリア１７ｃのサイズを決定することができる。

このように本実施形態においては、永久磁石１６のｄ軸側範囲Ｂを削減して大きなフラックスバリア１７ｃに置き換えたので、電機子磁束Ψｒを打ち消す方向の磁石磁束Ψｍをなくして互いに干渉（相殺）してしまうことをなくすことができ、また、その範囲Ｂ内を電機子磁束Ψｒが通過してしまうことも制限することができる。
したがって、永久磁石１６の使用量を削減しつつ、ｄ軸側での電機子磁束Ψｒや磁石磁束Ψｍを有効に活用して、大きなマグネットトルクＴｍとリラクタンストルクＴｒを得ることができる。また、誘起電圧定数の低減による高速回転側での出力の増加を図ることができるとともに、永久磁石１６の渦電流に起因する発熱を抑えて温度変化による減磁を抑制して耐熱グレードを下げることによるコスト削減をすることができる。
また、フラックスバリア１７ｃの軸心側端部までの離隔距離Ｒ２を回転子１２の外半径Ｒ１と内半径Ｒ３との関係（寸法形状）が０．５６≦Ｒ２／Ｒ１≦０．８４、かつ、０．５４≦Ｒ３／Ｒ２≦０．８２になるようにすることで、大きなトルクＴを効率よく発生させることができる。
この結果、固定子１１内の回転子１２を低コストに作製して高エネルギ密度で高品質に回転駆動させることができる。

ここで、本実施形態では、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、毎極毎相スロット数ｑ＝２の構造であれば、そのまま好適に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（ＩＰＭ型）
１１ 固定子
１２ 回転子
１２ａ 外周面
１３ 回転駆動軸
１５ ステータティース
１６ 永久磁石
１６ａ 角部
１７ Ｖ字空間
１７ｂ、１７ｃ フラックスバリア
１８ スロット
２０ センタブリッジ
２１ センタ溝
Ａ１ 磁極外周側小領域
Ａ２ 磁極外周側領域
Ｂ ｄ軸側範囲
Ｇ エアギャップ
ＭＰ０、ＭＰ１〜ＭＰ３、Ｍｒ１、Ｍｒ２ 磁路
Ｒ１ 外半径
Ｒ２ フラックスバリア１７ｃの軸心側端部壁面の軸心からの離隔距離
Ｒ３ 内半径
Ψｍ 磁石磁束
Ψｒ 電機子磁束
Ψｓ 合成磁束

Claims (2)

1. 永久磁石が埋め込まれて駆動軸と一体回転する回転子と、該回転子を相対回転自在に収納して当該回転子に対面する複数のティース間のスロットにコイルを収容して電機子として機能する固定子と、を備える電動回転機であって、
   前記永久磁石が形成する磁極毎の該永久磁石の中心軸に一致する磁束方向のｄ軸側まで当該永久磁石を存在させた場合に、該ｄ軸側において前記電機子が発生する電機子磁束を打ち消す方向の磁石磁束を発生する範囲の前記永久磁石を、透磁率の小さな空隙に置き換えて、
   前記回転子の軸心から外周面までの外半径をＲ１、前記回転子の軸心から前記空隙の該軸心側端部までの法線方向の長さをＲ２、前記回転子の前記駆動軸を嵌め込む内周面までの内半径をＲ３とした場合に、
   ０．５６≦Ｒ２／Ｒ１≦０．８４、かつ、０．５４≦Ｒ３／Ｒ２≦０．８２
   の関係を満たす寸法形状に形成したことを特徴とするＩＰＭ型電動回転機。
2. 毎極毎相スロット数ｑ＝２の構造の場合、
   前記回転子の半径方向の前記永久磁石の大きさをＷｐｍ、前記永久磁石が形成する磁極数をＰとしたとき、
   １．３８≦（Ｐ×Ｗｐｍ）／Ｒ１＜１．８４
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載のＩＰＭ型電動回転機。

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