JP6592525B2 - 磁石式回転子、磁石式回転子を備える回転電機及び回転電機を備える電気自動車 - Google Patents

Description

本発明は、磁石式回転子、磁石式回転子を備える回転電機及び回転電機を備える電気自動車に関する。

電気自動車やハイブリッド自動車に用いられる駆動用モータ（駆動用回転電機）には大出力が求められるため、強力なエネルギーを保持する希土類の焼結磁石を用いた永久磁石式モータが一般に用いられている。駆動用モータには、永久磁石式モータのなかでも、低速大トルク、かつ、広範囲な回転速度領域という要求を満たすことができる埋込み磁石式モータが利用されている。

ところで、モータのトルク脈動は、騒音や振動の原因となり、特に、電気自動車では低速側におけるトルク脈動が乗り心地を悪化させるという問題がある。従来の永久磁石式モータでは、トルク脈動低減のために、スキューを施す対策が一般的に採用されている。

例えば、特許文献１では、埋め込んでいる磁石の外周側の電磁鋼板に溝を設け、この溝を軸方向にずらして配置したモータが知られている。

特開２００５−１７６４２４号公報

しかしながら、上述した磁石の外周側に溝を設けたモータでは、例えば、電流通電時の場合に磁束が流れる場所に溝が設けられているので、通電時の脈動が小さくなる位置に溝を設けるとコギングトルクが増加し、コギングトルクが減るような位置に溝を設けると通電時のトルク脈動が増加してしまうといった問題を有する。

本発明の目的は、モータの騒音や振動の原因となる電流通電時のトルク脈動を低減することを目的とする。

本発明に係る磁石式回転子、回転電機及び電気自動車は、複数の永久磁石と、磁石挿入孔を形成する複数のコアピースと、を備え、前記複数のコアピースは、前記永久磁石がスキューされるように積層され、さらに前記複数のコアピースは、前記スキューで消される高調波次数とは異なる高調波次数を消すための磁気抵抗変化部を形成し、前記磁気抵抗変化部は、当該磁気抵抗変化部により生じる磁界変化領域の周方向の中央部がｑ軸と重なるように形成される。

本発明により、モータの騒音や振動の原因となる電流通電時のトルク脈動を低減することができる。

本発明の実施形態に係る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図である。 図１の回転電機２００の断面図を示す。 図２の固定子および回転子のＡ−Ａ断面図を示す。 図２の永久磁石の付近を拡大したＡ−Ａ断面図を示す。 図２の固定子コアの斜視図を示す。 リラクタンストルクの説明図を示す。 通電時のＡ−Ａ断面の磁束分布を示す。 図７の磁束分布図のｑ軸の補助磁極部の一部を拡大した図を示す。 ｑ軸の補助磁極部に磁気的空隙を設けていない回転電機の通電時の磁束分布を示す。 通電時のトルク脈動の波形を示す。 図９に示すトルク脈動の波形をフーリエ級数展開したグラフを示す。 図４の補助磁極部および磁気的空隙部を拡大した図を示す。 本発明の他の実施形態をなす固定子および回転子の断面を示す図であり、分布巻の回転電機を示す。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。

本実施形態による回転電機は、以下に説明するように、電流通電時におけるトルク脈動を抑えることができ、小型，低コスト，低トルク脈動が実現できる。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り、低振動，低騒音で乗り心地の良い電気自動車を提供することができる。本実施形態による回転電機は、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。

[実施例１]
図１に示すように、ハイブリッド自動車の車両１００には、エンジン１２０と、第１の回転電機２００、第２の回転電機２０１と、高電圧のバッテリー１５０とが搭載されている。

バッテリー１５０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。バッテリー１５０は、回転電機２００、２０１による駆動力が必要な場合には回転電機２００、２０１に直流電力を供給し、回生走行時には回転電機２００、２０１から直流電力が供給される。バッテリー１５０と回転電機２００、２０１との間の直流電力の授受は、電力変換装置１６０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ーが搭載されている。

エンジン１２０および回転電機２００、２０１による回転トルクは、変速機１３０とデファレンシャルギア１４０を介して前輪１１０に伝達される。

回転電機２００、２０１は略同様に構成されているので、以下、回転電機２００を代表として説明する。

図２は、回転電機２００の全体構成を示す模式図である。図２では、回転電機２００の一部分を断面とすることで、回転電機２００の内部を示している。

図２に示すように、ハウジング２０５の内部には固定子３００が支持されており、固定子３００は固定子鉄心３０５と固定子巻線３１５とを備えている。固定子鉄心３０５の内周側には、回転子４００が空隙５００を介して回転可能に支持されている。回転子４００は、シャフト４５０に固定された回転子鉄心４０５と、永久磁石４１５と、非磁性体のエンドプレート４４０とを備えている。ハウジング２０５は、軸受４４５、４４６が設けられた一対のエンドブラケット２１０を有しており、シャフト４５０はこれらの軸受４４５、４４６により回転自在に支持されている。

この回転電機２００は、永久磁石内蔵型の３相同期モータである。回転電機２００は、固定子鉄心３０５に巻回される固定子巻線３１５に３相交流電流が供給されることで、回転子４００を回転させる電動機として作動する。また、回転電機２００は、エンジン１２０によって駆動されると、発電機として作動して３相交流の発電電力を出力する。つまり、回転電機２００は、電気エネルギーに基づいて回転トルクを発生する電動機としての機能と、機械エネルギーに基づいて発電を行う発電機としての機能の両方を有しており、自動車の走行状態によって上記機能を選択的に利用することができる。

図３は、図２に示す固定子３００および回転子４００の断面を示す模式図であり、図２のＡ−Ａ断面図を示したものである。なお、図３ではハウジング２０５、シャフト４５０の記載を省略した。
固定子鉄心３０５は複数の磁性体、例えば複数の電磁鋼板を軸方向に積層して形成したものであり、ヨーク部及びティース部（突出部或いは突極部ともいう）から構成されている。ヨーク部は、ハウジング２０５の内周側に嵌合された円筒状のヨークコア３０６（コアバックともいう）から構成されている。ティース部は、ヨークコア３０６の内周側から径方向に突出し、所定の間隔をもって周方向に複数配置された複数のティースコア３０７から構成されている。本実施形態では、ヨークコア３０６の内周側に２４個のティースコア３０７が形成されている。

隣接するティースコア３０７間のそれぞれには、周方向に連続すると共に、回転子４００側に２４個のスロット３１０が形成されている。スロット３１０内にはスロット絶縁（図示省略）が設けられ、固定子３００を構成するＵ相，Ｖ相，Ｗ相などの複数の相巻線が装着されている。本実施形態では、固定子巻線３１５（図２参照）の巻き方として集中巻を採用している。ここで、集中巻は、１極のティースコア３０７に固定子巻線３１５が直接巻かれる巻線方式である。本実施形態では、巻線方式として集中巻を適用しているので、回転電機２００の銅損を低減すると共に、固定子３００の軸方向長さを低めることが可能となる。

また、回転子鉄心４０５には、矩形の磁石が挿入される磁石挿入孔４１０が開けられており、その磁石挿入孔４１０には永久磁石４１５が埋め込まれエポキシ系接着剤などで固定されている。磁石挿入孔４１０の円周方向の幅は、永久磁石４１５の円周方向の幅よりも大きく設定されており、永久磁石４１５の両側には磁気的空隙４１６が形成されている。この磁気的空隙４１６は接着剤を埋め込んでも良いし、成型樹脂で永久磁石４１５と一体に固めても良い。永久磁石４１５は回転子４００の界磁極として作用する。

永久磁石４１５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４１５ａ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４１５ｂ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４１５ａ，４１５ｂが円周方向に交互に配置されている。本実施形態では、各永久磁石４１５は等間隔に１６個配置されており、回転子４００は１６極になっている。

永久磁石４１５は、磁化した後に回転子鉄心４０５に埋め込んでも良いし、磁化する前に回転子鉄心４０５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よい。磁化後の永久磁石４１５は強力な磁石であり、回転子４００に永久磁石４１５を固定する前に磁石を着磁すると、永久磁石４１５の固定時に回転子鉄心４０５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４１５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４１５を回転子鉄心４０５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４１５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４１５の残留磁束密度はほぼ０.４〜１.３Ｔ程度である。

図４は、図３に示した断面図の一部を拡大して示したものである。本実施形態では、磁極を形成する各永久磁石４１５間に補助突極部４１８が形成されている。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磁極部４１８と呼ぶ。回転子４００に設けられた永久磁石４１５の透磁率は空気とほぼ同じであるため、固定子３００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。

回転子鉄心４０５には、永久磁石４１５の両側に形成される磁気的空隙４１６の他に、回転子４００表面の補助磁極部４１８に磁気的空隙４１７を構成する溝が設けられている。磁気的空隙４１６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４１７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り、回転子鉄心４０５の外形表面に凹部の形状にて形成される。

また、磁気的空隙４１７は、回転子４００の周方向において、磁極間を通るｑ軸を中心として対称または非対称のどちらの形状で形成されてもよく、磁極の中心軸であるｄ軸に対しては対称に配置されている。なお、磁気的空隙４１７は、単純な空気領域のみでなく、回転子鉄心４０５よりも磁気抵抗が高い材料を空隙部に配置してもよい。

図５は、回転子４００の回転子鉄心４０５と、永久磁石４１５を示す斜視図である。回転子鉄心４０５は、図５に示すように複数のコアピース４０６から成る。１つのコアピース４０６の軸方向長さは、他のコアピース４０６の軸方向長さとほぼ同じ寸法に設定されている。

コアピース４０６はユニットとして複数個、回転子軸の周方向に対して所定の角度でずらしながら積層連結（スキューともいう）され、全体を一体化されて全体として一つの回転子４００として形成されている。本実施形態では、コアピース４０６は軸方向に５段連結されている。

また、複数のコアピース４０６が積層連結される場合、回転子４００表面に形成される磁気的空隙４１７と、磁石挿入孔４１０に埋め込まれた永久磁石４１５も、回転子軸の周方向に所定の角度でずらしながら軸方向に配置される。

図６は、リラクタンストルクを説明する図である。リラクタンストルクは、図６に示したｄ軸とｑ軸の磁束の通り易さの差、すなわち、磁気的な凹凸である突極比によって生じる。

３相交流電流により回転磁界が固定子３００に発生すると、この回転磁界が回転子４００の永久磁石４１５に作用して磁石トルクが生じる。さらに、回転子４００には、この磁石トルクに加えて前述したリラクタンストルクが作用する。

このように、本実施形態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重要であり、コギングトルクだけの対策では不十分である。

次に、本実施形態におけるトルク脈動の低減方法について説明する。

ここでは、一般的に知られている、トルク脈動の位相を変化させてキャンセル（相殺）することによるトルク脈動低減方法であるスキューの説明は省き、回転子４００の補助磁極部４１８に設けられる磁気的空隙４１７によるトルク脈動低減方法について説明する。

最初に、非通電時における磁気的空隙４１７の影響について説明する。非通電時には、永久磁石４１５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。固定子鉄心３０５を通る磁束は、永久磁石４１５の固定子側の鉄心部分を通ってティースコア３０７へと至っている。このため、磁気的空隙４１７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４１７はコギングトルクには影響を与えないことがわかる。

また、誘起電圧は回転する回転子４００の磁石磁束が固定子巻線３１５と鎖交することにより発生する電圧であるが、誘起電圧波形にも磁気的空隙４１７の有無やその形状による影響を与えない。

次に、通電時における磁気的空隙４１７の影響について説明する。図７は、本実施形態における固定子巻線３１５に通電した場合の磁束分布のシミュレーション結果を示したものである。図７のシミュレーション図より、回転子鉄心４０５のｑ軸に磁束が流れている。これは、固定子３００の電流が、ｑ軸に磁束を作るためである。

図８は、図７に示す磁束分布のシミュレーション図において、補助磁極部４１８と、磁気的空隙４１７部の一部を拡大した図を示したものである。図８のシミュレーション図より、ｑ軸の補助磁極部４１８に流れる磁束は、磁気的空隙４１７により、磁束の流れが変化している。つまり、磁気的空隙４１７の領域内では、磁気（磁界）が変化しているといえる。

本実施形態における磁気的空隙４１７は、前述した磁界変化領域の周方向中央部４１９が、ｑ軸と重なるように形成されていることが好ましい。

一方、図９は、磁気的空隙４１７が設けられていない場合の、固定子巻線３１５に通電した場合の磁束分布のシミュレーション結果を示したものである。図７と図９のシミュレーション結果により、補助磁極部４１８の磁束の流れは磁気的空隙４１７によって変化していることがわかる。従って、補助磁極部４１８にある磁気的空隙４１７は、通電時のみに磁気的な影響があるといえる。

通電時における回転電機２００のトルク脈動は、３相交流の場合、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）で発生することがわかっている。

図１０は、本実施形態における回転子４００（スキュー有り、磁気的空隙４１７有り）と、回転子４００ａ（スキュー無し、磁気的空隙４１７無し）と、回転子４００ｂ（スキュー有り、磁気的空隙４１７無し）と、回転子４００ｃ（スキュー無し、磁気的空隙４１７有り）の４つの構成における通電時のトルク脈動波形を示したものである。図１０のトルク脈動波形の比較より、スキュー有りかつ磁気的空隙４１７有りの回転子４００は、その他の構成に比べて、最もトルク脈動波形の振幅が小さくなることがわかる。従って、回転子４００のスキューと本実施形態における磁気的空隙４１７を組み合わせた構成にすることにより、回転電機２００のトルク脈動を最大限に抑えることが可能となる。

図１１は、図１０に示すトルク脈動波形をフーリエ級数展開した結果を示したものである。図１１の結果より、スキュー有りかつ磁気的空隙４１７有りの回転子４００は、その他の構成に比べて、６次、１２次、１８次、２４次、３０次の高調波成分を最も低減することが可能となる。

また、スキュー有りと磁気的空隙４１７有りそれぞれ単独での高調波成分低減効果は、スキュー有りは、１２次、１８次、２４、３０次の高調波成分の低減効果が高く、補助磁極部４１８の磁気的空隙４１７は、特に６次の高調波成分低減への効果が高いことがわかる。従って、スキュー有りと磁気的空隙４１７の負荷時におけるトルク脈動低減に関しては、それぞれ別の高調波成分を低減していることがわかり、スキューで低減される高調波次数は、磁気的空隙４１７で低減させる高調波次数に比べて、より高次への影響が大きいこともわかる。

[実施例２]
図１２は、図４に示した断面図の補助磁極部４１８及び磁気的空隙４１６、４１７を拡大して示したものである。以下で説明する事項以外は実施例１と同様である。

図１２に示す回転子鉄心４０５の形状は、磁極の極間部となる補助磁極部４１８にｑ軸を中心として形成される磁気的空隙４１７の一辺にあたる第一辺部４２０と、永久磁石４１５の両側に形成される磁気的空隙４１６の一辺にあたる第二辺部４２１が平行で構成され、ｄ軸に対して対称に配置されている。さらに、回転子鉄心４０５の磁気的空隙４１７が形成されていない表面の半径をＲ、回転子中心から磁気的空隙４１７形状の底部までの距離をｒ、前述した第一辺部４２０と第二辺部４２１が形成する平行寸法をＤと定義すると、Ｄの寸法は、Ｄ≧Ｒ−ｒの関係になるように形成されていることが好ましい。

この場合も、永久磁石４１５は、磁石挿入孔４１０内にエポキシ系接着剤などで固定される。また、永久磁石４１５の両側に形成される磁気的空隙４１６も接着剤を埋め込んでもよいし、整形樹脂で永久磁石４１５と一体に固めてもよい。

本実施例の磁気的空隙４１７の形状を設けることにより、永久磁石４１５と、コアピース４０６が回転子軸方向にスキューされた際、隣り合うコアピース４０６同士の磁気的空隙４１６と４１７が重なり合うのを避けることが可能となる。従って、磁石挿入孔４１０内に埋め込まれる接着剤が回転子鉄心４０５から漏れることを防止することができる。

[実施例３]
図１３は、図３に示す固定子巻線３１５を分布巻にした場合を示す。本実施形態におけるトルク脈動は回転子４００の形状に依存するものなので、固定子３００側の巻線方式が異なる分布巻の場合も、上述した場合と同様にトルク脈動の低減を図ることができる。これ以外の事項は、実施例１及び実施例２で説明した内容と同様である。

[実施例４]
なお、図３、図１３に示す例では回転子鉄心４０５の磁石挿入孔４１０に埋め込まれる永久磁石４１５は、ｄ軸に対して磁石表面が垂直になるように配置されていたが、磁石挿入孔４１０および永久磁石４１５の配置はｄ軸に対して垂直でなくともよく、例えば、ｄ軸を中心としたＶ字状に配置されてもよい。

上記した種々の実施例は、次のような作用効果を奏する。

補助磁極部４１８にある磁気的空隙４１７を、ｑ軸を中心として形成し、さらに複数のコアピース４０６を回転子軸の周方向に対して所定の角度でずらしながら積層連結させるスキューを設けた。その結果、通電磁における回転電機のトルク脈動の低減を図ることができる。特に、通電時のトルク脈動を低減できる本実施形態の回転電機を電気自動車等の車両走行用モータとして適用した場合、低速加速時の振動や騒音を低減することができ、乗り心地がよく、静粛性の高い電気自動車を提供することができる。

なお、上記実施例では、車両駆動用のモータを例に説明したが、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、オルタネータのような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。

１００：車両
１１０：車輪
１２０：エンジン
１３０：変速機
１４０：デファレンシャルギア
１５０：バッテリー
１６０：電力変換装置
２００、２０１：回転電機
２０５：ハウジング
２１０：エンドブラケット
３００：固定子
３０５：固定子鉄心
３０６：ヨークコア
３０７：ティースコア
３１０：スロット
３１５：固定子巻線
４００：回転子
４０５：回転子鉄心
４０６：コアピース
４１０：磁石挿入孔
４１５：永久磁石
４１６、４１７：磁気的空隙
４１８：補助磁極部
４１９：磁界変化領域の周方向中央部
４２０：第一辺部
４２１：第二辺部
４４０：エンドプレート
４４５、４４６：軸受け
４５０：シャフト
５００：空隙

Claims (14)

1. 複数の永久磁石と、磁石挿入孔を形成する複数のコアピースと、を備え、
   前記複数のコアピースは、前記永久磁石がスキューされるように積層され、
   さらに前記複数のコアピースは、前記スキューで消される高調波次数とは異なる高調波次数を消すための磁気抵抗変化部を形成し、
   前記磁気抵抗変化部は、当該磁気抵抗変化部により生じる磁界変化領域の周方向の中央部がｑ軸と重なるように形成される磁石式回転子。
2. 請求項１に記載の磁石式回転子であって、
   永久磁石周方向両端に磁気的空隙が形成される磁石式回転子。
3. 請求項２に記載の磁石式回転子であって、
   前記磁気抵抗変化部は、ｑ軸を挟んで対向する磁気的空隙同士を最短距離で引いた仮想線よりも径方向外側に形成される磁石式回転子。
4. 請求項２に記載の磁石式回転子であって、
   前記磁気抵抗変化部は、前記磁気的空隙の径方向外側の端部よりも径方向外側に形成される磁石式回転子。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の磁石式回転子であって、
   前記磁気抵抗変化部の頂点がｑ軸上に位置する磁石式回転子。
6. 請求項５に記載の磁石式回転子であって、
   前記頂点と前記回転子の外周部との間の前記磁気抵抗変化部を構成する一辺が、屈折部を有する磁石式回転子。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の磁石式回転子において、
   前記磁気抵抗変化部は、磁気的空隙である磁石式回転子。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の磁石式回転子において、
   前記磁気抵抗変化部は、前記コアピースの表面に形成した凹部である磁石式回転子。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の磁石式回転子であって、
   前記磁気抵抗変化部は、周方向において、ｑ軸を中心に対称に形成される磁石式回転子。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載の磁石式回転子であって、
    前記スキューで消される高調波次数は、前記磁気抵抗変化部で消される高調波次数よりも高次の高調波である磁石式回転子。
11. 請求項１乃至１０のいずれかに記載の磁石式回転子であって、
    前記複数のコアピースは、複数の鋼板を回転軸方向に積層する磁石式回転子。
12. 請求項１乃至１１のいずれかに記載の磁石式回転子において、
    前記磁気抵抗変化部を構成する一辺と、前記磁石挿入孔を構成する補助突極部側の一辺とが、略平行であり、
    前記磁気抵抗変化部を構成する一辺と前記補助突極部側の一辺との距離をＤと定義し、
    前記コアピースの前記磁気抵抗変化部が形成されていない表面の半径をＲと定義し、
    回転中心から前記磁気抵抗変化部の底部までの距離をｒと定義し、
    前記コアピースは、Ｄ≧Ｒ−ｒが成り立つように形成される磁石式回転子。
13. 請求項１乃至１２のいずれかに記載の磁石式回転子を備える回転電機であって、
    集中巻又は分布巻で巻回されている固定子巻線を有する固定子を有する回転電機。
14. 請求項１乃至１２のいずれかに記載の磁石式回転子を備える回転電機のトルクを駆動力として用いた電気自動車。

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