JP6227712B2 - 回転電機、およびその回転電機を備えた車両 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機、およびその回転電機を備えた車両に関する。

車両の駆動用として用いられる回転電機の巻線技術としては、特許文献１に記載のような技術が知られている。また、回転子に係る技術としては、特許文献２に記載のような技術も知られている。

米国特許第６８９４４１７号 特開２０１０−９８８３０号公報

電気自動車等に搭載される回転電機には、低騒音であることが要求されている。そのため、本発明は、回転電機の低騒音化を目的としている。

本発明に係る回転電機は、複数のスロットが形成された固定子コアと、固定子コアの各スロットに挿通されて複数のレイヤの内のいずれか１つを構成するスロット導体と、異なるスロットに挿通されたスロット導体の同一側端部同士を接続してコイルエンドを構成する渡り導体とから成る波巻の周回巻線を複数有する固定子巻線と、前記固定子コアに対して空隙を介して回転自在に設けられ、複数の磁石と、該磁石の極間に形成された複数の磁気的補助突極部と前記磁石の側面に設けられた第１の磁気的空隙とを有する回転子とを備え、渡り導体は、毎極スロット数をＮとしたとき、一方のコイルエンドではスロットピッチＮｐ＝Ｎ＋１でスロットを跨ぎ、他方のコイルエンドではスロットピッチＮｐ＝Ｎ−１でスロットを跨ぐようにスロット導体間を接続し、固定子巻線は、同一相の複数のスロット導体で構成される一群のスロット導体群を複数有し、スロット導体群の複数のスロット導体は、固定子コア周方向に連続して並んだ所定数Ｎｓのスロット内にスロットおよびレイヤが隣接するように挿通され、所定数Ｎｓは、毎極毎相スロット数をＮＳＰＰ、レイヤ数を２×ＮＬとしたとき、Ｎｓ＝ＮＳＰＰ＋ＮＬに設定されており、前記回転子の磁気的補助突極部には、d軸に対して対称かつq軸に対して非対称に、第２の磁気的空隙が形成され、前記第２の磁気的空隙は、軸方向に垂直な断面において通電時のトルク脈動が打ち消されるように、ｑ軸に対して右側又は左側にずれて設けられており、前記磁石の極ピッチをτｐ、前記磁石とその側面に設けられた前記第１の磁気的空隙とをあわせた角度をτｇとしたとき、磁石穴極弧度τｇ／τｐが０．５から０．９であることを特徴とする。

また、本発明による車両は、上述した回転電機と、直流電力を供給するバッテリと、バッテリの直流電力を交流電力に変換して回転電機に供給する変換装置とを備え、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。

本発明によれば、回転電機および回転電機を備えた車両において、低騒音化を図ることができる。

ハイブリッド型電気自動車の概略構成を示す図。 電力変換装置６００の回路図。 回転電機２００の断面図。 回転子コア２５２を示す図。 固定子２３０および回転子２５０の断面図。 固定子２３０の斜視図。 固定子巻線２３８の結線図。 Ｕ相巻線の詳細結線を示す図。 Ｕ１相巻線群の一部の拡大図。 Ｕ２相巻線群の一部の拡大図。 スロット導体２３３ａの配置図。 スロット導体２３３ａの配置を説明する図。 固定子２３０および回転子２５０の部分拡大断面図。 リラクタンストルクを説明する図。 非通電時の磁束分布を示す図。 コギングトルク低減方法を説明する図。 磁石極弧度τｍ／τｐの比とコンギングトルクとの関係を示す図。 コギングトルクの波形を示す図。 誘起電圧波形を示す図。 誘起電圧波形の高調波解析結果を示す図。 交流電流を通電した場合のトルク波形を示す図。 トルク波形の高調波解析結果を示す図。 固定子の円環０次の振動モードを示す図。 固定子の円環６次の振動モードを示す図。 固定子の円環６次成分をもち、軸方向両端で位相が反転する振動モードを示す図。 第２の実施の形態におけるＵ相巻線の詳細結線を示す図。 第２の実施の形態におけるスロット導体２３３ａの配置を示す図。 第３の実施の形態におけるＵ相巻線の詳細結線の一部を示す図。 第３の実施の形態におけるスロット導体２３３ａの配置を示す図。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。

〔第１の実施の形態〕
本発明による回転電機は、以下に説明するように、トルクリプル低減による低騒音化が可能である。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電力変換装置６００を介して回転電機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、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よりも上位の制御装置であり、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の各状態を表す情報を、通信回線１７４を介してそれらからそれぞれ受け取る。統合制御装置１７０は、取得したそ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の充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を行い、その演算処理結果に基づく制御指令を、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へ送信する。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を運転するための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。このパワー半導体のスイッチング動作により、回転電機２００，２０２は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して、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、バッテリ１８０が充電される。

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３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、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。なお、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の断面図を示す。なお、回転電機２００と回転電機２０２とはほぼ同じ構造を有しており、以下では回転電機２００の構造を代表例として説明する。ただし、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なく、一方だけ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は固定子コア２３２と固定子巻線２３８とを備えている。固定子コア２３２の内周側には、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、シャフト２１８に固定された回転子コア２５２と、永久磁石２５４と、非磁性体のあて板２２６とを備えている。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。

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に示した制御回路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６５２に出力する。駆動回路６５２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に示した固定子巻線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の出力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の出力値に基づいて制御される。

図４（ａ）は、回転子２５０の回転子コア２５２を示す斜視図である。固定子コア２５２は、図４（ｂ）に示すような２種類のコア３０１，３０２を３段で構成している。コア３０２の軸方向長さＨ２は、コア３０１の軸方向長さＨ１の合計とほぼ同じに設定されている。

図５は固定子２３０および回転子２５０の断面を示す図であり、図５（ａ）はコア３０１の部分を通るＡ−Ａ断面図（図３参照）であり、図５（ｂ）はコア３０２の部分を通るＢ−Ｂ断面図（図３参照）である。なお、図５ではハウジング２１２、シャフト２１８および固定子巻線２３８の記載を省略した。固定子コア２３２の内周側には、多数のスロット２３７とティース２３６とが全周に渡って均等に配置されている。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２３７内にはスロット絶縁材（図示省略）が設けられ、図３の固定子巻線２３８を構成するＵ相、Ｖ相、Ｗ相の複数の相巻線が装着されている。本実施の形態では、スロット２３７は等間隔に７２個形成されている。

また、回転子コア２５２の外周近傍には、矩形の磁石を挿入するための複数の穴２５３が周方向に沿って等間隔に１２個配設されている。各穴２５３は軸方向に沿って形成されており、その穴２５３には永久磁石２５４がそれぞれ埋め込まれ、接着剤などで固定されている。穴２５３の円周方向の幅は、永久磁石２５４（２５４ａ，２５４ｂ）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の両側の空隙２５７は磁気的空隙として機能する。この空隙２５７は接着剤を埋め込んでも良いし，成型用樹脂で永久磁石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し、本実施の形態では１２極構成となっている。

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。

永久磁石２５４は、磁化した後に穴２５３に挿入しても良いし、回転子コア２５２の穴２５３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。ただし、磁化後の永久磁石２５４は強力な磁石なので、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の固定時に回転子コア２５２との間に強力な吸引力が生じて組み付け作業の妨げとなる。また、永久磁石２５４の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おそれがある。そのため、回転電機の生産性を考慮した場合、永久磁石２５４を回転子コア２５２に挿入した後に磁化するのが好ましい。

なお、永久磁石２５４には、ネオジム系、サマリウム系の焼結磁石やフェライト磁石、ネオジ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（を固定子巻線２３８に流すことで）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に作用してトルクが生じる。このトルクは、永久磁石２５４から出される磁束のうち各相巻線に鎖交する成分と、各相巻線に流れる交流電流の鎖交磁束に直交する成分の積で表される。ここで、交流電流は正弦波状になるように制御されているので、鎖交磁束の基本波成分と交流電流の基本波成分の積がトルクの時間平均成分となり、鎖交磁束の高調波成分と交流電流の基本波成分の積がトルクの高調波成分であるトルクリプルとなる。つまり、トルクリプルを低減するには、鎖交磁束の高調波成分を低減すればよい。言い換えれば、鎖交磁束と回転子の回転する角加速度の積が誘起電圧であるから、鎖交磁束の高調波成分を低減することは、誘起電圧の高調波成分を低減することに等しい。

図６は固定子２３０の斜視図である。本実施の形態では、固定子巻線２３８は固定子コア２３２に波巻で巻き回されている。固定子コア２３２の両端面には、固定子巻線２３８のコイルエンド２４１が形成されている。また、固定子コア２３２の一方の端面側には、固定子巻線２３８の口出し線２４２が引き出されている。口出し線２４２は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれに対応して３本引き出されている。

図７は固定子巻線２３８の結線図であり、結線方式および各相巻線の電気的な位相関係を示したものである。本実施の形態の固定子巻線２３８にはダブルスター結線が採用されており、Ｕ１相巻線群、Ｖ１相巻線群、Ｗ１相巻線群から成る第１のスター結線と、Ｕ２相巻線群、Ｖ２相巻線群、Ｗ２相巻線群から成る第２のスター結線とが並列に接続されている。Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１相巻線群およびＵ２，Ｖ２，Ｗ２相巻線群はそれぞれ４つの周回巻線で構成されており、Ｕ１相巻線群は周回巻線Ｕ１１〜Ｕ１４を有し、Ｖ１相巻線群は周回巻線Ｖ１１〜Ｖ１４を有し、Ｗ１相巻線群は周回巻線Ｗ１１〜Ｗ１４を有し、Ｕ２相巻線群は周回巻線Ｕ２１〜Ｕ２４を有し、Ｖ２相巻線群は周回巻線Ｖ２１〜Ｖ２４を有し、Ｗ２相巻線群は周回巻線Ｗ２１〜Ｗ２４を有している。

図７に示すように、Ｖ相およびＷ相はＵ相とほぼ同様の構成であり、それぞれに誘起される電圧の位相が電気角で１２０度ずれるように配置されている。また、それぞれの周回巻線の角度が相対的な位相を表している。図６に示すように、本実施の形態では、固定子巻線２３８は並列に結線されたダブルスター（２Ｙ）結線を採用しているが、回転電機の駆動電圧によってはそれらを直列につないでシングルスター（１Ｙ）結線としても良い。

図８は固定子巻線２３８のＵ相巻線の詳細結線を示す図であり、図８（ａ）はＵ１相巻線群の周回巻線Ｕ１３，Ｕ１４を示し、図８（ｂ）はＵ１相巻線群の周回巻線Ｕ１１，Ｕ１２を示し、図８（ｃ）はＵ２相巻線群の周回巻線Ｕ２１，Ｕ２２を示し、図８（ｄ）はＵ２相巻線群の周回巻線Ｕ２３，Ｕ２４を示す。上述したように固定子コア２３２には７２個のスロット２３７が形成されており（図５参照）、図８に示す符号０１，０２，…，７１，７２はスロット番号を示している。

各周回巻線Ｕ１１〜Ｕ２４は、スロット内に挿通されるスロット導体２３３ａと、異なるスロットに挿通されたスロット導体２３３ａの同一側端部同士を接続して、コイルエンド２４１（図６参照）を構成する渡り導体２３３ｂとから成る。例えば、図８（ａ）に示すスロット番号５５のスロット２３７に挿通されるスロット導体２３３ａの場合、図示上側の端部は、上側コイルエンドを構成する渡り導体２３３ｂによって、スロット番号６０のスロット２３７に挿通されるスロット導体２３３ａの上側端部に接続され、逆に、下側端部は、下側コイルエンドを構成する渡り導体２３３ｂによって、スロット番号４８のスロット２３７に挿通されるスロット導体２３３ａの下側端部に接続されている。このような形態でスロット導体２３３ａが渡り導体２３３ｂによって接続されることにより、波巻の周回巻線が形成される。

後述するように、本実施の形態では、１スロット内に４本のスロット導体２３３ａが内周側から外周側に並んで挿通され、内周側から順にレイヤ１、レイヤ２、レイヤ３、レイヤ４と称する。図８において、周回巻線Ｕ１３，Ｕ１４，Ｕ２１およびＵ２２の実線部分はレイヤ１を示しており、一点鎖線の部分はレイヤ２を示している。一方、周回巻線Ｕ１１，Ｕ１２，Ｕ２３およびＵ２４においては、実線部分はレイヤ３を示しており、一点鎖線の部分はレイヤ４を示している。

なお、周回巻線Ｕ１１〜Ｕ２４は、連続した導体で形成されても良いし、セグメントコイルをスロット内に挿通した後に溶接等によりセグメントコイル同士を接続するようにしても良い。セグメントコイルを用いる場合、セグメントコイルをスロット２３７に挿通する前に、固定子コア２３２の端部より軸方向両端に位置するコイルエンド２４１を予め成形することができ、異相間もしくは同相間に適切な絶縁距離を容易に設けることができ、その結果、ＩＧＢＴ２１のスイッチング動作によって生じるサージ電圧に起因する部分放電を抑制することができ、絶縁に関して有効である。

また、周回巻線に使用する導体は平角線や丸線、もしくは細線を多本持ちにした導体でもよいが、小型高出力化や高効率化を目的として占積率を高めるためには、平角線が適している。

図９，図１０は、図８に示したＵ１相巻線群およびＵ２相巻線群の一部を拡大して示したものである。図９，図１０ではジャンパー線の部分を含む約４極分を示した。図９（ｂ）に示すように、固定子巻線群Ｕ１は口出し線からスロット番号７１のレイヤ４に入り、渡り導体２３３ｂによりスロット５個分を跨いだ後に、スロット導体２３３ａがスロット番号６６のレイヤ３に入る。次に、スロット番号６６のレイヤ３から、スロット７個分を跨いでスロット番号５９のレイヤ４に入る。

このように、口出し線が引き出されているコイルエンド側（図示下側）における渡り導体２３３ｂの跨ぎ量がスロットピッチＮｐ＝７、反対側のコイルエンド側における渡り導体２３３ｂの跨ぎ量がスロットピッチＮｐ＝５となるように、スロット番号０６のレイヤ３まで固定子コア２３２を１周するように固定子巻線が波巻で巻き回される。ここまでの略１周分の固定子巻線が図７に示した周回巻線Ｕ１１である。

次に、スロット番号０６のレイヤ３から出た固定子巻線はスロット６個分を跨いでスロット番号７２のレイヤ４に入る。スロット番号７２のレイヤ４からは図７に示す周回巻線Ｕ１２となる。周回巻線Ｕ１２も周回巻線Ｕ１１の場合と同様に、渡り導体２３３ｂの跨ぎ量が口出し線のある側ではスロットピッチＮｐ＝７、反対側ではスロットピッチＮｐ＝５に設定され、スロット番号０６のレイヤ３まで固定子コア２３２を１周するように固定子巻線が波巻で巻き回される。ここまでの略１周分の固定子巻線が周回巻線Ｕ１２である。

なお、周回巻線Ｕ１２は、周回巻線Ｕ１１に対して１スロットピッチずれて巻き回されることから、１スロットピッチ相当の電気角分の位相差が発生する。本実施の形態では、１スロットピッチは電気角３０度相当であり、図７においても、周回巻線Ｕ１１と周回巻線Ｕ１２とは３０度ずれて記載されている。

さらに、スロット番号０７のレイヤ３から出た固定子巻線はスロット７個分を跨ぐジャンパー線でスロット番号７２のレイヤ２（図９（ａ）参照）に入る。その後は周回巻線Ｕ１１，Ｕ１２の場合と同様に、渡り導体２３３ｂの跨ぎ量が口出し線のある側ではスロットピッチＮｐ＝７、反対側ではスロットピッチＮｐ＝５に設定され、スロット番号７２のレイヤ２からスロット番号０７のレイヤ１まで固定子コア２３２を１周するように固定子巻線が巻き回される。ここまでの固定子巻線が図７に示した周回巻線Ｕ１３である。

なお、図９から分かるように、周回巻線Ｕ１３は周回巻線Ｕ１２に対して周方向にずれずに巻き回されることから、周回巻線Ｕ１２，Ｕ１３間には位相差は発生しない。図７においても、周回巻線Ｕ１２，Ｕ１３は位相差が無いように記載されている。

最後に、スロット番号０７のレイヤ１から出た固定子巻線はスロット６個分を跨いでスロット番号０１のレイヤ２に入る。その後は周回巻線Ｕ１１，Ｕ１２，Ｕ１３の場合と同様に、渡り導体２３３ｂの跨ぎ量が口出し線のある側ではスロットピッチＮｐ＝７、反対側ではスロットピッチＮｐ＝５に設定され、スロット番号０１のレイヤ２からスロット番号０８のレイヤ１まで固定子コア２３２を１周するように固定子巻線が巻き回される。ここまでの固定子巻線が図７に示した周回巻線Ｕ１４である。

なお、周回巻線Ｕ１４は、周回巻線Ｕ１３に対して１スロットピッチずれて巻き回されることから、１スロットピッチ相当の電気角３０度相当の位相差が発生する。図７においても、周回巻線Ｕ１３と周回巻線Ｕ１４とは３０度ずれて記載されている。

図１０に示す固定子巻線群Ｕ２も、固定子巻線群Ｕ１の場合と同様の跨ぎ量で波巻に巻き回される。周回巻線Ｕ２１はスロット番号１４のレイヤ１からスロット番号０７のレイヤ２まで巻き回され、周回巻線Ｕ２２はスロット番号１３のレイヤ１からスロット番号０６のレイヤ２まで巻き回される。その後、固定子巻線はスロット番号０６のレイヤ２からジャンパー線を介してスロット番号１３のレイヤ３に入り、周回巻線Ｕ２３としてスロット番号０６のレイヤ４まで巻き回される。その後、固定子巻線をスロット番号１２のレイヤ３からスロット番号０５のレイヤ４まで巻き回すことで、周回巻線Ｕ２４が形成される。

以上のように、固定子巻線群Ｕ１は周回巻線Ｕ１１，Ｕ１２，Ｕ１３，Ｕ１４からなり、それぞれの位相が合成された電圧が固定子巻線群Ｕ１に誘起される。同様に、固定子巻線群Ｕ２の場合も、周回巻線Ｕ２１，Ｕ２２，Ｕ２３，Ｕ２４の位相が合成された電圧が誘起される。図７に示すように固定子巻線群Ｕ１と固定子巻線群Ｕ２とは並列に接続されているが、固定子巻線群Ｕ１，Ｕ２のそれぞれに誘起される電圧の間には位相差がなく、並列接続であっても循環電流が流れるなどのアンバランスが起きることはない。

また、渡り導体２３３ｂの跨ぎ量を、一方のコイルエンド側ではスロットピッチＮｐ＝毎極スロット数＋１とするとともに、他方のコイルエンド側ではスロットピッチＮｐ＝毎極スロット数−１とし、さらに、周回巻線Ｕ１２，Ｕ１３間の位相差および周回巻線Ｕ２２，Ｕ２３間の位相差をなくすように巻き回したことにより、図１１に示すようなスロット導体２３３ａの配置を実現することができる。

図１１は、固定子コア２３２におけるスロット導体２３３ａの配置を示す図であり、図８〜図１０のスロット番号７１〜スロット番号１２までを示したものである。なお、回転子の回転方向は図の左から右の方向である。本実施の形態では、２極分、つまり電気角３６０度にスロット２３７が１２個配置されており、例えば、図１１のスロット番号０１からスロット番号１２までは２極分に相当する。そのため、毎極スロット数は６、毎極毎相スロット数ＮＳＰＰは２（＝６／３）である。各スロット２３７には、固定子巻線２３８のスロット導体２３３ａが４本ずつ挿通されている。

各スロット導体２３３ａは矩形で示されているが、その矩形の中には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相を示す符号Ｕ１１〜Ｕ２４，Ｖ，Ｗと、口出し線から中性点への方向を示す黒丸印「●」、その逆の方向を示すクロス印「×」をそれぞれ図示した。また、スロット２３７の最も内周側（スロット底側）にあるスロット導体２３３ａをレイヤ１と呼び、外周側（スロット開口側）にかけて順にレイヤ２、レイヤ３、レイヤ４と呼ぶことにする。また、符号０１〜１２は図８〜図１０に示したのと同様のスロット番号である。なお、Ｕ相のスロット導体２３３ａのみ周回巻線を表す符号Ｕ１１〜Ｕ２４で示し、Ｖ相およびＷ相のスロット導体２３３ａに関しては、相を表す符号Ｖ，Ｗで示した。

図１１において破線２３４で囲んだ８つのスロット導体２３３ａは、全てＵ相のスロット導体２３３ａである。例えば、中央に示すスロット導体群２３４の場合には、スロット番号０５，０６のレイヤ４は周回巻線Ｕ２４，Ｕ２３のスロット導体２３３ａ、スロット番号０６，０７のレイヤ３およびレイヤ２は周回巻線Ｕ１１，Ｕ１２および周回巻線Ｕ２２，Ｕ２１のスロット導体２３３ａ、スロット番号０７，０８のレイヤ１は周回巻線Ｕ１３，Ｕ１４のスロット導体２３３ａである。

一般に、毎極スロット数が６、毎極毎相スロット数が２、スロット２３７内のスロット導体２３３のレイヤ数が４の場合には、図１２（ａ）に示すようにＵ相（Ｖ相、Ｗ相も同様）のスロット導体２３３ａを配置する構成が採用される場合が多い。この場合、図示右側のスロット導体群と図示左側のスロット導体群との間隔は６スロットピッチとなる。

一方、本実施の形態の構成は、図１２（ｂ）に示すように、図１２（ａ）に示したレイヤ１（Ｌ１）の２本のスロット導体２３３ａを回転子の回転方向（図の右方向）へ１スロットピッチ分ずらし、かつ、レイヤ４（Ｌ４）の２本のスロット導体２３３ａを回転方向と逆の方向（図の左方向）へ１スロットピッチ分ずらした構成となっている。そのため、図１２（ｂ）に示すように、レイヤ４およびレイヤ３（Ｌ３）の周回巻線Ｕ１１のスロット導体２３３ａを接続する渡り導体２３３ｂの跨ぎ量は７スロットピッチとなり、レイヤ４およびレイヤ３（Ｌ３）の周回巻線Ｕ２４を接続する渡り導体２３３ｂの跨ぎ量は５スロットピッチとなる。なお、以下では、回転子の回転方向と逆の方向を、反回転方向と呼ぶことにする。

この場合、Ｕ相だけでなく、Ｖ相およびＷ相の対応する各スロット導体２３３ａも同様に１スロットピッチ分ずらすことになるので、図１１に示したように、Ｕ，Ｖ，Ｗ相に関して同一形状のスロット導体群２３４がそれぞれ形成される。すなわち、回転子の回転方向に対して、順に、Ｕ相で黒丸印のスロット導体２３３ａから成るスロット導体群、Ｗ相でクロス印のスロット導体２３３ａから成るスロット導体群、Ｖ相で黒丸印のスロット導体２３３ａから成るスロット導体群、Ｕ相でクロス印のスロット導体２３３ａから成るスロット導体群、Ｗ相で黒丸印のスロット導体２３３ａから成るスロット導体群、Ｖ相でクロス印のスロット導体２３３ａから成るスロット導体群が配置されることになる。

本実施の形態では、図１１に示すように、（ａ）渡り導体２３３ｂは、毎極スロット数をＮ（＝６）としたとき、一方のコイルエンドではスロットピッチＮｐ＝Ｎ＋１（＝７）でスロットを跨ぎ、他方のコイルエンドではスロットピッチＮｐ＝Ｎ−１（＝５）でスロットを跨ぐようにスロット導体２３３ａ間を接続し、（ｂ）固定子巻線は、固定子コア周方向に連続して並んだ所定スロット数Ｎｓ（＝４）のスロットに挿通されスロットおよびレイヤに関して隣接して配置された同一相の一群のスロット導体２３３ａで構成されるスロット導体群２３４を有し、（ｃ）所定スロット数Ｎｓは、毎極毎相スロット数をＮＳＰＰ（＝２）、レイヤ数を２×ＮＬ（ＮＬ＝２）としたとき、Ｎｓ＝ＮＳＰＰ＋ＮＬ＝４に設定されている。

なお、スロット導体２２３ｂがスロットおよびレイヤに関して隣接して配置されるとは、すなわち、図１１に示すように、同じレイヤで挿通されるスロット２３７が隣接し、また、同じスロット２３７内でレイヤが隣接するように配置されていることを意味する。そのように配置された一群のスロット導体２３３ａを、本実施形態ではスロット導体群２３４と称している。

図１３（ａ）は、図５（ａ）に示した断面図の一部を拡大して示したものである。回転子コア２５２のコア３０１には、永久磁石２５４の両側に形成される空隙２５７の他に、回転子２５０の表面に磁気的空隙２５８を構成する溝が設けられている。空隙２５７はコギングトルク低減のために設けられたものであり、磁気的空隙２５８は通電時のトルク脈動を低減するために設けられたものである。回転子２５０内周側から見て、永久磁石２５４ａの左側の磁石間の中心軸をｑ軸ａ、永久磁石２５４ｂの左側の磁石間の中心軸をｑ軸ｂとすると、磁気的空隙２５８ａはｑ軸ａに対して右側に、磁気的空隙２５８ｂはｑ軸ｂに対して左側にずれて配置される。さらに、磁気的空隙２５８ａと磁気的空隙２５８ｂは、磁極の中心軸であるｄ軸に対称に配置されている。

一方、図１３（ｂ）は、図５（ｂ）に示した断面図の一部を拡大して示したものである。回転子コア２５２のコア３０２の場合には、磁気的空隙２５８ａ，２５８ｂの代わりに磁気的空隙２５８ｃ，２５８ｄが形成されている。回転子２５０内周側から見て、磁気的空隙２５８ｃはｑ軸ａに対して左側に、磁気的空隙２５８ｄはｑ軸ｂに対して右側にずれて配置されている。図５から分かるように、コア３０１とコア３０２の断面形状は、磁気的空隙２５８ａ，２５８ｂと２５８ｃ，２５８ｄの位置が異なるだけでその他の部分は同一である。

ここで、磁気的空隙２５８ａと２５８ｄ、２５８ｂと２５８ｃはそれぞれ電気角で１８０度ずれた位置に配置される。すなわち、コア３０１を磁極１ピッチ分回転させることでコア３０２を形成することができる。これにより、コア３０１とコア３０２は同じ型で製作でき、製作コストを削減することができる。また、各コア３０１，３０２の穴２５３の周方向位置は、ずれることなく一致している。その結果、各穴２５３に装着される各永久磁石２５４は軸方向に分割されることなく、一体に各コア３０１，３０２を貫通している。もちろん、複数に分割された永久磁石２５４を、穴２５３の軸方向に積層するように設けても構わない。

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１４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。

このように、本発明が適用される回転電機は、磁石トルクと、補助突極リラクタンストルクの両方を利用する回転電機である。そして、磁石トルクとリラクタンストルクのそれぞれからトルク脈動が発生する。トルク脈動には通電しない場合に発生する脈動成分と通電によって発生する脈動成分があり、通電しない場合に発生する脈動成分は一般的にコギングトルクと呼ばれており、実際に回転電機を負荷状態で使う場合には、コギングトルクと通電時の脈動成分が合わさったトルク脈動が発生する。

このような回転電機のトルク脈動を低減する方法として述べられている方法は、ほとんどがコギングトルクの低減のみに言及し、通電によって発生するトルク脈動に関しては述べられていない場合が多い。しかし、回転電機の騒音は、無負荷時ではなく負荷時に生じることが多い。つまり、回転電機の低騒音化には負荷時のトルク脈動を低減することが大事であり、コギングトルクだけの対策では不十分である。

本実施の形態におけるトルク脈動の低減方法について説明する。

最初に、非通電時の無負荷特性に関して説明する。図１５（ａ）は、固定子巻線２３８に電流を流さない場合の磁束、すなわち、永久磁石２５４による磁束の分布のシミュレーション結果を示したものであり、永久磁石２５４ａで構成される領域４０１と永久磁石２５４ｂで構成される領域４０２の２極を表している。つまり、領域４０１と領域４０２が交互に周方向に配置されている回転電機をシミュレーションした結果であり、Ａ−Ａ断面について示している。本実施例の回転電機は１２極であるから、各々６極ずつ交互に周方向に配置される。極単位に注目すると、領域４０１には磁気的空隙２５８ａと２５８ｂが補助突極部２５９に配置されており、領域４０２の補助突極部２５９には磁気的空隙２５８がない。

非通電時には、永久磁石２５４の磁束は磁石端部を短絡している。そのため、ｑ軸には磁束は全く通らない。また、磁石端部の空隙２５７から少しずれた位置に設けられた磁気的空隙２５８ａ，２５８ｂの部分にも、磁束が殆ど通らないことがわかる。固定子コア２３２を通る磁束は、永久磁石２５４の固定子側の鉄心部分を通ってティース２３６へと至っている。このため、磁気的空隙２５８ａ，２５８ｂは、コンギングトルクに関係する非通電時の磁束にほとんど影響を与えないので、磁気的空隙２５８ａ，２５８ｂはコギングトルクや誘起電圧などの無負荷特性には影響を与えないことがわかる。

図１５（ｂ）は領域４０１のみ、図１５（ｃ）は領域４０２のみのシミュレーション結果であり、それぞれ図１５（ｂ）は領域４０１のみ、図１５（ｃ）は領域４０２のみが周方向に永久磁石２５４の磁化方向が極毎に反転するように１２極配置された回転電機を示している。図１５（ｂ），図１５（ｃ）も図１５（ａ）同様の磁束分布となり、ｑ軸には磁束は通らない。

図１６，図１７は、コギングトルクの低減方法を説明するための図である。図１６は、回転子２５０と固定子コア２３２の一部を示す断面図である。図１６において、τｐは永久磁石２５４の極ピッチ、τｍは永久磁石２５４の幅角度である。また、τｇは永久磁石２５４とその両側に設けられた空隙２５７とをあわせた角度、すなわち、図４に示した穴２５３の幅角度である。これらの角度の比τｍ／τｐ、τｇ／τｐを調節することで、コギングトルクを小さくすることができる。本実施の形態では、τｍ／τｐを磁石極弧度、τｇ／τｐを磁石穴極弧度と呼ぶことにする。

図１７は、磁石極弧度τｍ／τｐの比とコンギングトルクとの関係を示す図である。なお、図１７に示した結果は、τｍ＝τｇとした場合であり、また永久磁石２５４と空隙２５７を回転子２５０の外周と同心の扇形とした場合である。これを本実施例のように矩形の磁石とした場合には若干最適値が変わるが、発明として同じであることは言うまでもない。図１７において、縦軸はコンギングトルクの振幅を表し、横軸は回転子２５０の電気角で示した回転角を表している。脈動の振幅の大きさは、比τｍ／τｐの大きさによって変化しており、τｍ＝τｇの場合、τｍ／τｐを０.７５程度に選ぶとコンギングトルクを小さくすることができる。また、図１３（ａ）に示した磁気的空隙２５８によってコギングトルクが変わらないという傾向は、磁石幅と極ピッチの比τｍ／τｐが図１７に示すいかなる値であっても同じである。すなわち、磁気的空隙２５８の位置によって図１７のグラフが変わることはない。

図１８はコギングトルクの波形を示したものである。横軸は回転子の回転角度であり、電気角で示している。ラインＬ１１は磁気的空隙２５８を有する領域４０１と磁気的空隙２５８がない領域４０２が交互に配置される図１５（ａ）の回転子の場合を示し、ラインＬ１２は磁気的空隙２５８を有する領域４０１のみが配置される図１５（ｂ）の回転電機の場合を示し、ラインＬ１３は磁気的空隙２５８がない領域４０２のみが配置される図１５（ｃ）の回転電機の場合を示す。図１６（ａ）の結果から、磁気的空隙２５８の有無はコギングトルクにほとんど影響のないことがわかる。

図１９は誘起電圧波形を示す図であり、曲線Ｌ２１は図１１に示すスロット導体配置を採用した本実施の形態の回転電機の誘起電圧波形を示し、曲線Ｌ２２は比較例として特許文献１に記載の固定子構造を採用した場合の誘起電圧波形を示す。また、図２０は、図１９のそれぞれの誘起電圧波形を高調波解析した結果を示したものである。

図１９に示すように、曲線Ｌ２１に示す誘起電圧波形は、曲線Ｌ２２に示す誘起電圧波形よりも正弦波に近いことが分かる。また、図２０の高調波解析結果に示すように、特に、５次と７次の高調波成分を減らすことができることが分かった。

図１５から図２０に示した結果より、本発明の回転子構造の特徴のひとつである磁気的空隙２５８はコギングトルクと誘起電圧には無関係であるが、コギングトルクは従来の方法として磁石極弧度τｍ／τｐの比で低減でき、誘起電圧の高調波成分は本発明の固定子構造で低減できる。つまり、それぞれを独立して低減を図ることが可能である。

次に、通電時の負荷特性に関して説明する。

本実施例の回転電機は１極あたり６スロットあるモータであって、固定子コア２３２のスロット２３７に設けられている固定子巻線２３８のスロット導体２３３が図１１に示すように配置されているため、図２０に示すように誘起電圧の５次と７次の高調波成分を減らすことができ、この高調波成分に起因する３相モータに特有な６次のトルク脈動を少なくすることができる。

図２１は通電時のトルク波形を示したものである。横軸は回転子の回転角度であり、電気角で示している。ラインＬ３１は磁気的空隙２５８を有する領域４０１と磁気的空隙２５８がない領域４０２が交互に配置される図１５（ａ）の回転子の場合を示し、ラインＬ３２は磁気的空隙２５８を有する領域４０１のみが配置される図１５（ｂ）の回転電機の場合を示し、ラインＬ３３は磁気的空隙２５８がない領域４０２のみが配置される図１５（ｃ）の回転電機の場合を示す。

図２１を見ると、本実施の形態の回転電機は１２次のトルク脈動成分、すなわち電気角で３０ｄｅｇ周期の成分が支配的であって、６次成分はほとんど無いことがわかる。また、磁気的空隙２５８を形成しない、すなわち領域４０２のみの場合のトルク脈動Ｌ３３に対して、Ｌ３１，Ｌ３２ともにトルク脈動の波形が変化していることがわかる。これは、通電時の磁束が、磁気的空隙２５８の影響を受けていることを示している。さらに、領域４０１のみの回転電機のトルク脈動Ｌ３２と領域４０２のみの回転電機のトルク脈動Ｌ３３とは、位相がほぼ正反対になっている。図１５（ａ）に示したように本実施例の回転電機は領域４０１と領域４０２とを交互に配置する構成になっており、トルク脈動Ｌ３１に示すように回転子全体が受けるトルク脈動の合計は、トルク脈動Ｌ３２とトルク脈動Ｌ３３の平均値となる。

このように，本実施の形態では、上述したような磁気的空隙２５８ａ，２５８ｂを設けたことにより、通電時のトルク脈動を低減することができる。このような効果を得るためには、磁気的空隙２５８を構成する溝の幅角度（周方向角度）を、ティース２３６のピッチ角の１／４から１／２の範囲に設定するのが好ましい。なお、前記磁気的空隙は、磁極中心を通るｑ軸に対して対称で、突極中心を通るｄ軸に対して非対称に配置しても同様の効果を得ることができる。また、補助突極部２５９に形成する磁気的空隙２５８を２種類以上としても良い。それにより、トルク脈動低減の自由度が増し、より詳細に脈動低減を行うことができる。

さらに、磁気的空隙を設けない場合に比べてトルクが下がらないという特徴も有している。従来、トルク脈動低減のために行われているスキューという構造の場合には、スキューすることでトルクが下がってしまい、小型化の妨げになるという欠点があった。しかし、本実施の形態では、コギンギングトルクと独立して、通電時のトルク脈動だけを低減することができるだけでなく、トルクそのものが下がらないという利点を有している。これは、もともとの溝無しロータの場合のトルク脈動が、１２次成分が支配的だったためで、これは、スロット導体２３３を図１１に示すような配置にしていたことも功を奏している。

図２２は通電時のトルク波形を高調波解析した結果であり、ラインＬ４１はスロット導体２３３の配置を図１２（ａ）とし、回転子は図１５（ｃ）に示すように磁気的空隙２５８を設けていない回転電機の結果であり、ラインＬ４２はスロット導体２３３の配置を本実施の形態である図１２（ｂ）とし、回転子は図１５（ｃ）に示すように磁気的空隙２５８を設けていない回転電機の結果であり、Ｌ４３はスロット導体２３３の配置を本実施の形態である図１２（ｂ）とし、回転子も本実施の形態である図１５（ａ）に示すような構造の回転電機の結果である。

図２２の高調波解析結果に示すように、ラインＬ４２はラインＬ４１に比べ、電気角６０ｄｅｇ周期の成分である６次成分が低減されていることがわかる。これはスロット導体２３３の配置を本実施の形態である図１２（ｂ）にしたことにより低減されたことを示す。また。ライン４３はラインＬ４２に比べ、電気角３０ｄｅｇ周期の成分である１２次成分が低減されていることがわかる。これは回転子を本実施の形態である図１５（ａ）に示すような構造にしたことにより低減されたことを示す。つまり、トルクリプルの高調波次数によって、それぞれ独立に低減できる。

上述したように、本実施の形態でトルクリプルを低減できるが、回転電機がトルクを発生する際、固定子コア２３２を円環状に振動させる電磁加振力が発生し、この円環振動が騒音の原因となる場合がある。

図２３に固定子コア２３２の円環０次成分の振動モードを示す。なお、細線が固定子コア２３２の原形を示している。この振動モードは、同じく円環０次の成分を持った電磁加振力に共振することで騒音の原因となるが、円環０次の電磁加振力の大きさは、トルクリプルの大きさと等価であり、トルクリプルを低減することで円環０次の電磁加振力を低減できるため、本実施の形態ではトルクリプル同様に低減が可能である。

図２４に固定子コア２３２の円環６次成分の振動モードを示す。なお、細線が固定子コア２３２の原形を示している。この振動モードは、同じく円環６次の成分を持った電磁加振力に共振することで騒音の原因となるが、本実施の形態では、図１３（ａ）に示すように極ごとに磁気的空隙２５８を設けるため、極ごとに磁気的アンバランスがあるため、図１３（ａ）に示すコア３０１，３０２ごとには極数の１／２の円環次数を持った加振力が発生するが、コア３０１とコア３０２の磁気的空隙２５８は、それぞれ磁極１ピッチずれた位置に配置されているため、電磁加振力が軸方向に打ち消され、円環６次の振動モードと共振することはない。

図２５に固定子コア２３２の円環６次成分をもち、固定子の軸方向両端で位相が反転する振動モードを示す。なお、細線が固定子コア２３２の原形を示している。コア３０１とコア３０２が発生する電磁加振力は前述のように位相が反転しているため、コア３０１とコア３０２の２種類のコアを、２段で回転子コアを構成すると共振してしまうが、本実施の形態のように３段で構成することで、電磁加振力がこの振動モードと共振することはない。もちろん、２種類以上のコアを３段以上で構成すれば、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。

〔第２の実施の形態〕
図２６，図２７は、本発明の第２の実施の形態を示す図であり、毎極毎相スロット数ＮＳＰＰが２で、１つのスロット２３７に挿入されるスロット導体２３３ａのレイヤ数が２の固定子に本発明を適用した場合を示す。ロータは第１の実施の形態と同様の構成である
。図２６は、固定子巻線のＵ相巻線の詳細結線を示す図であり、（ａ）はＵ１相巻線群を
示し、（ｂ）はＵ２相巻線群を示す。図２７は、固定子コア２３２におけるスロット導体
２３３ａの配置を示す図である。

図２６に示すように、Ｕ１相巻線群の周回巻線Ｕ１１は口出し線からスロット番号７２のレイヤ２に入り、渡り導体２３３ｂにより５スロット跨いだ後、スロット番号６７のレイヤ１に入る。次いで、スロット番号６７のレイヤ１を出た巻線は、７スロット跨いでスロット番号６０のレイヤ２に入る。その後、巻線は５スロットの跨ぎと７スロットの跨ぎとを交互に繰り返しながら波巻され、固定子コア２３２をほぼ１周してスロット番号０７のレイヤ１に入る。ここまでが周回巻線Ｕ１１である。

スロット番号０７のレイヤ１を出た巻線は、６スロット跨いだ後にスロット番号０１のレイヤ２に入る。ここからが周回巻線Ｕ１２であり、周回巻線Ｕ１１の場合と同様に５スロットの跨ぎと７スロットの跨ぎとを交互に繰り返しながら波巻され、固定子コア２３２をほぼ１周してスロット番号０８のレイヤ１に入る。

Ｕ２相巻線群の巻線もＵ１相巻線群の場合と同様に波巻により巻き回される。スロット番号１４のレイヤ１からスロット番号０７のレイヤ２までが波巻された巻線が周回巻線Ｕ２１であり、スロット番号１３のレイヤ１からスロット番号０６のレイヤ２までの巻線が周回巻線Ｕ２２である。

図２７は、スロット番号０１〜１２およびスロット番号７１，７２の部分のスロット導体２３３ａの配置を示したものであり、スロット番号０１からスロット番号１２までの１２スロットピッチが２極分に相当する。図２７と図１１とを比較すると、図２７に示すＵ，Ｖ，Ｗ相のスロット導体２３３ａの配置は、図１１に示すレイヤ１，２のスロット導体２３３ａの配置と同一になっている。本実施の形態の場合、破線で囲まれた４本のスロット導体２３３ａが１つのスロット導体群２３４を構成している。

本実施の形態のスロット導体群２３４に関しても、上述した第１の実施の形態のスロット導体群２３４（図１１参照）と同様の条件を満足している。すなわち、（ａ）渡り導体２３３ｂは、毎極スロット数をＮ（＝６）としたとき、一方のコイルエンドではスロットピッチＮｐ＝Ｎ＋１＝７でスロットを跨ぎ、他方のコイルエンドではスロットピッチＮｐ＝Ｎ−１＝５でスロットを跨ぐようにスロット導体２３３ａ間を接続し、（ｂ）固定子巻
線は、固定子コア周方向に連続して並んだ所定スロット数Ｎｓ（＝３）のスロットに挿通されスロットおよびレイヤに関して隣接して配置された同一相の一群のスロット導体２２３ｂで構成されるスロット導体群２３４を有し、（ｃ）所定スロット数Ｎｓは、毎極毎相スロット数をＮＳＰＰ（＝２）、レイヤ数を２×ＮＬ（ＮＬ＝１）としたとき、Ｎｓ＝ＮＳＰＰ＋ＮＬ＝３に設定されている。

そのため、第１の実施の形態と同様に、トルクリプルを低減することができ、低騒音の回転電機の低騒音化を図ることができる。

〔第３の実施の形態〕
図２８，図２９は、本発明の第３の実施の形態を示す図であり、毎極毎相スロット数ＮＳＰＰが３で、１つのスロット２３７に挿入されるスロット導体２３３ａのレイヤ数が４の固定子に本発明を適用した場合を示す。ロータは第１の実施の形態と同様の構成である。図２８は、Ｕ相巻線の詳細結線の一部を示したものであり、（ａ）はＵ１相巻線群を示し、（ｂ）はＵ２相巻線群を示す。図１９は、固定子コア２３２におけるスロット導体２３３ａの配置を示す図である。

図２８に示すように、毎極毎相スロット数ＮＳＰＰが３で、１つのスロット２３７に挿入されるスロット導体２３３ａのレイヤ数２×ＮＬが４の場合、固定子コア２３２のスロット数は１０８となり、Ｕ１相巻線群およびＵ２相巻線群を構成する周回巻線の数はそれぞれ６となる。また、各周回巻線における跨ぎ量も５スロットピッチと７スロットピッチとなる。

図２８（ａ）に示すＵ１相巻線群において、スロット番号１０５のレイヤ４からスロット番号０７のレイヤ３までの巻線が周回巻線Ｕ１１であり、スロット番号１０６のレイヤ４からスロット番号０８のレイヤ３までの巻線が周回巻線Ｕ１２であり、スロット番号１０７のレイヤ４からスロット番号０９のレイヤ３までの巻線が周回巻線Ｕ１３である。スロット番号０９のレイヤ３を出た巻線は、ジャンパー線を介してスロット番号１０６のレイヤ２へ入る。そして、スロット番号１０６のレイヤ２からスロット番号０８のレイヤ１までの巻線が周回巻線Ｕ１４であり、スロット番号１０７のレイヤ２からスロット番号０９のレイヤ１までの巻線が周回巻線Ｕ１５であり、スロット番号１０８のレイヤ２からスロット番号１０のレイヤ１までの巻線が周回巻線Ｕ１６である。

図２８（ｂ）に示すＵ２相巻線群において、スロット番号１９のレイヤ１からスロット番号０９のレイヤ２までの巻線が周回巻線Ｕ２１であり、スロット番号１８のレイヤ１からスロット番号０８のレイヤ２までの巻線が周回巻線Ｕ２２であり、スロット番号１７のレイヤ１からスロット番号０７のレイヤ２までの巻線が周回巻線Ｕ１３である。スロット番号０７のレイヤ２を出た巻線は、ジャンパー線を介してスロット番号１８のレイヤ３へ入る。そして、スロット番号１８のレイヤ３からスロット番号０８のレイヤ４までの巻線が周回巻線Ｕ２４であり、スロット番号１７のレイヤ３からスロット番号０７のレイヤ４までの巻線が周回巻線Ｕ２５であり、スロット番号１８のレイヤ３からスロット番号０６のレイヤ４までの巻線が周回巻線Ｕ２６である。

図２９は、スロット番号０１〜１８の部分のスロット導体２３３ａの配置を示したものであり、本実施の形態の場合、スロット番号０１からスロット番号１８までの１８スロットピッチが２極分に相当する。図２８からも分かるように、周回巻線Ｕ１４〜Ｕ１６、および周回巻線Ｕ２１〜Ｕ２３は、スロット２３７のレイヤ１とレイヤ２とに交互に挿通され、一方、周回巻線Ｕ１１〜Ｕ１３、および周回巻線Ｕ２４〜Ｕ２６は、スロット２３７のレイヤ３とレイヤ４とに交互に挿通される。そして、図２９の破線で囲んだ１２のスロット導体２３３ａが一群となって１つのスロット導体群１２３４を構成している。これら１２のスロット導体２３３ａは、同一相の１２の周回巻線Ｕ１１１〜Ｕ１６、Ｕ２１〜Ｕ２６に含まれるスロット導体２３３ａである。

Ｖ相およびＷ相のスロット導体２３３ａに関してもＵ相の場合と同様で、同一相の１２のスロット導体２３３ａが一群となって１つのスロット導体群を構成している。それらのスロット導体群は、第１の実施の形態の場合と同様に、回転子の回転方向に対して、順に、Ｕ相で黒丸印のスロット導体２３３ａから成るスロット導体群、Ｗ相でクロス印のスロット導体２３３ａから成るスロット導体群、Ｖ相で黒丸印のスロット導体２３３ａから成るスロット導体群、Ｕ相でクロス印のスロット導体２３３ａから成るスロット導体群、Ｗ相で黒丸印のスロット導体２３３ａから成るスロット導体群、Ｖ相でクロス印のスロット導体２３３ａから成るスロット導体群が配置されることになる。

図２９から分かるように、本実施の形態のスロット導体群１２３４も、上述した第１の実施の形態のスロット導体群２３４（図１１参照）と同様の条件を満足している。すなわち、（ａ）渡り導体２３３ｂは、毎極スロット数をＮ（＝９）としたとき、一方のコイルエンドではスロットピッチＮｐ＝Ｎ＋１＝１０でスロットを跨ぎ、他方のコイルエンドではスロットピッチＮｐ＝Ｎ−１＝８でスロットを跨ぐようにスロット導体２３３ａ間を接続し、（ｂ）固定子巻線は、固定子コア周方向に連続して並んだ所定スロット数Ｎｓ（＝５）のスロットに挿通されスロットおよびレイヤに関して隣接して配置された同一相の一群のスロット導体２２３ｂで構成されるスロット導体群２３４を有し、（ｃ）所定スロット数Ｎｓは、毎極毎相スロット数をＮＳＰＰ（＝３）、レイヤ数を２×ＮＬ（ＮＬ＝２）としたとき、Ｎｓ＝ＮＳＰＰ＋ＮＬ＝５に設定されている。

そのため、第１および第２の実施の形態と同様に、トルクリプルを低減することができ、低騒音の回転電機の低騒音化を図ることができる。

ところで、毎極毎相スロット数ＮＳＰＰが増えると、図１２のように１スロットピッチずらすことによって消せる高周波成分の次数が変わってくる。例えば、ＮＳＰＰ＝２の場合、１スロットピッチは電気角で３０度に相当する。３０度は６次成分の半周期であるため、図２０に示すように６次に近い５次成分と７次成分の誘起電圧を小さくすることができる。一方、本実施の形態のようにＮＳＰＰをさらに増やすと１スロットピッチが小さくなるため、さらに高次の高調波成分を低減することができる。また、回転子コア２５２に設けられた磁気的空隙２５８の幅を小さくすることで、さらに高次のトルクリプル高調波成分を低減でき、より静粛性に優れた回転電機を提供することができる。

また、図１、図２に示すように、上述した回転電機と、直流電力を供給するバッテリと、バッテリの直流電力を交流電力に変換して回転電機に供給する変換装置とを備え、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車両において、低騒音化が図れた静粛な車両を提供することができる。

以上、１２極の磁石モータを例に説明したが、極数に限らず、他の極数のモータに適用できる。また、本発明は車両用モータに限らず、さまざまな用途に使用されるモータにも適用することができ、さらには、モータに限らず、発電機など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、本発明は上記の実施形態になんら限定されるものではない。

１００ 車両
１２０ エンジン
１８０ バッテリ
２００，２０２ 回転電機
２３０ 固定子
２３２ 固定子コア
２３３ａ スロット導体
２３３ｂ 渡り導体
２３４，２３４Ａ〜２３４Ｃ，１２３４Ａ〜１２３４Ｃ，２２３４Ａ〜２２３４Ｃ スロット導体群
２３５ａ，２３５ｂ，１２３５ａ，１２３５ｂ スロット導体小群
２３７ スロット
２３８ 固定子巻線
２４１ コイルエンド
２５０ 回転子
２５２ 回転子コア
２５４ 永久磁石
２５７ 空隙
２５８ 磁気的空隙
２５９ 補助突極部
６００ 電力変換装置
Ｕ１１〜Ｕ１４，Ｕ２１〜Ｕ２４，Ｖ１１〜Ｖ１４，Ｖ２１〜Ｖ２４，Ｗ１１〜Ｗ１４，Ｗ２１〜Ｗ２４ 周回巻線

Claims (11)

1. 複数のスロットが形成された固定子コアと、
   前記固定子コアの各スロットに挿通されて複数のレイヤの内のいずれか１つを構成するスロット導体と、異なるスロットに挿通された同一相の前記スロット導体の同一側端部同士を接続してコイルエンドを構成する渡り導体とから成る波巻の周回巻線を複数有する複数相の固定子巻線と、
   前記固定子コアに対して空隙を介して回転自在に設けられ、複数の磁石と、該磁石の極間に形成された複数の磁気的補助突極部と前記磁石の側面に設けられた第１の磁気的空隙とを有する回転子とを備え、
   前記渡り導体は、毎極スロット数をＮとしたとき、一方のコイルエンドではスロットピッチＮｐ＝Ｎ＋１でスロットを跨ぎ、他方のコイルエンドではスロットピッチＮｐ＝Ｎ−１でスロットを跨ぐように前記スロット導体間を接続し、
   前記固定子巻線は、同一相では誘起される電圧に位相差のない固定子巻線群からなり、
   各々の前記固定子巻線群は、同一相の複数の前記周回巻線から構成され、
   前記固定子巻線は、同一相の複数のスロット導体で構成される一群のスロット導体群を複数有し、
   前記スロット導体群の複数のスロット導体は、固定子コア周方向に連続して並んだ所定数Ｎｓのスロット内にスロットおよびレイヤが隣接するように挿通され、
   前記所定数Ｎｓは、毎極毎相スロット数をＮＳＰＰ、レイヤ数を２×ＮＬとしたとき、Ｎｓ＝ＮＳＰＰ＋ＮＬに設定されており、
   前記回転子の磁気的補助突極部には、d軸に対して対称かつq軸に対して非対称に、第２の磁気的空隙が形成され、
   前記第２の磁気的空隙は、軸方向に垂直な断面において通電時のトルク脈動が打ち消されるように、ｑ軸に対して右側又は左側にずれて設けられており、
   前記磁石の極ピッチをτｐ、前記磁石とその側面に設けられた前記第１の磁気的空隙とをあわせた角度をτｇとしたとき、
   磁石穴極弧度τｇ／τｐが０．５から０．９である回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機であって、
   前記磁石穴極弧度τｇ／τｐが０．７から０．８である回転電機。
3. 請求項１に記載の回転電機であって、
   前記第２の磁気的空隙が、前記回転子鉄心の外周に設けられた溝である回転電機。
4. 請求項１乃至２のいずれか一項に記載の回転電機であって、
   前記第２の磁気的空隙は、前記第１の磁気的空隙とは独立して設けられる回転電機。
5. 請求項１に記載の回転電機であって、
   前記第２の磁気的空隙は、前記回転コアの表面に形成した凹部である回転電機。
6. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記スロット導体が平角線であることを特徴とする回転電機。
7. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記固定子巻線はＹ結線を複数有し、それぞれのＹ結線の各相の巻線に誘起する電圧に位相差が無いことを特徴とする回転電機。
8. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記回転子は、前記第２の磁気的空隙を形成する穴または切り欠きが形成された電磁鋼板が積層された回転子コアを有する回転電機。
9. 請求項８に記載の回転電機において、
   前記回転子コアは、前記磁石、前記磁気的補助突極部、前記第１の磁気的空隙および前記第２の磁気的空隙を各々有する複数の軸方向分割コア群に分割され、前記磁石と前記第１の磁気的空隙の周方向位置は前記軸方向分割コア群によらず一定であり、前記第２の磁気的空隙の周方向位置が違う少なくとも２種類以上の前記軸方向分割コア群が３つ以上からなる回転電機。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の回転電機において、
    前記固定子巻線の構成で電気角３６０度に対する６次成分のトルクリプルを低減し、前記磁気抵抗変化部によって１２次成分のトルクリプルを低減していることを特徴とする回転電機。
11. 請求項１乃至１０のいずれか一項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車両。

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