JPH09271151A - 永久磁石回転電機及びそれを用いた電動車両 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、従来と同様の大きさでありな
がら、発生するトルクを大きくすることができる永久磁
石回転電機及びそれを用いた電動車両を提供するにあ
る。 【解決手段】回転電機１０は、固定子巻線２４を巻回し
た固定子鉄心２２を有する固定子２０と、固定子２０の
内周に回転可能に保持され、回転子鉄心３２とこの回転
子鉄心３２の内部に上記固定子鉄心と対向して配置され
た複数個の永久磁石３６を有する回転子３０とから構成
されている。回転子鉄心３０は、永久磁石３６の大きさ
より回転子鉄心の周方向に大きい開口を有する永久磁石
挿入孔３４を備えており、永久磁石３６は、永久磁石挿
入孔３４の中に、回転子の常用の回転方向に偏って挿入
されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、永久磁石回転電機
及びそれを用いた電動車両に係り、特に、内部磁石型回
転電機に好適な永久磁石回転電機及びそれを用いた電動
車両に関する。

【０００２】

【従来の技術】電動車両，特に、電気自動車において使
用される駆動電動機は、電気自動車として積載されるバ
ッテリーの量が限定され、かつ、そのバッテリー容量で
十分な一充電走行距離を確保することが必要なために、
小型軽量、高効率であることが望まれている。

【０００３】電動機を小型軽量化するためには、高速回
転に適していることが要望される。また、高効率電動機
としては、直流電動機や誘導電動機よりも永久磁石電動
機が推奨できる。特に、永久磁石を回転子の外周に配置
する表面磁石電動機に比較して、永久磁石よりも高い透
磁率を有す、る例えば、珪素鋼板の中に永久磁石保持部
を有するいわゆる内部磁石電動機が適している。内部磁
石永久磁石電動機は、弱め界磁制御によって高速まで運
転できる点や、弱め界磁制御によって高効率にできるた
めである。

【０００４】内部永久磁石回転電機としては、例えば、
特開平５−２１９６６９号公報や特開平７−３９０９１
号公報の図５に記載のものが知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述したような内部永
久磁石回転電機において、発生するトルクを大きくしよ
うとすると、使用する永久磁石を大きくし、発生する磁
束密度を大きくすることが考えられるが、永久磁石を大
きくすると、回転電機本体も大型化するという問題があ
る。電動車両に用いる回転電機においては、小型軽量
で、高速回転が可能であることが要求されている。

【０００６】本発明の目的は、従来と同様の大きさであ
りながら、発生するトルクを大きくすることができる永
久磁石回転電機及びそれを用いた電動車両を提供するに
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、固定子巻線を巻回した固定子鉄心を有す
る固定子と、この固定子の内周に回転可能に保持され、
磁性材からなる回転子鉄心とこの回転子鉄心の内部に上
記固定子鉄心と対向して配置された複数個の永久磁石を
有する回転子とから構成された永久磁石回転電機におい
て、上記回転子の常用の回転方向と反対方向に、上記永
久磁石に隣接して非磁性材からなる非磁性材部を設ける
ように構成したものであり、かかる構成によって、回転
方向に対する発生トルクを大きくし得るものとなる。

【０００８】上記永久磁石回転電機において、好ましく
は、上記回転子鉄心は、上記永久磁石の大きさより上記
回転子鉄心の周方向に大きい開口を有する永久磁石挿入
孔を備え、上記永久磁石は、上記永久磁石挿入孔の中
に、上記回転子の常用の回転方向に偏って挿入され、上
記挿入孔に形成された空隙部が、上記非磁性材部である
ようにしたものであり、かかる構成により、使用する磁
石量を減らし得るものとなる。

【０００９】上記永久磁石回転電機において、好ましく
は、上記回転子鉄心は、上記回転子鉄心の半径方向の一
部であって、上記回転子の常用の回転方向と反対方向に
おいて、上記永久磁石の大きさより大きい開口を有する
永久磁石挿入孔を備え、上記永久磁石は、上記永久磁石
挿入孔の中に挿入され、上記挿入孔に形成された空隙部
が、上記非磁性材部であるようにしたものであり、かか
る構成により、磁石量を大きくして、発生するトルクを
大きくし得るものとなる。

【００１０】上記永久磁石回転電機において、好ましく
は、上記空隙部に非磁性材からなる樹脂を充填するよう
にしたものであり、かかる構成により、構造的に強固に
し得るものとなる。

【００１１】上記永久磁石回転電機において、好ましく
は、上記永久磁石の周方向の長さを、隣合う上記永久磁
石間に存在する上記磁性材からなる補助磁極部の周方向
の長さより短くするようにしたものであり、かかる構成
により、補助磁極部で発生するリラクタンストルクを大
きくし得るものとなる。

【００１２】上記永久磁石回転電機において、好ましく
は、上記永久磁石は、その形状が直方体としたものであ
り、かかる構成により、バランスがよく、高速回転に適
し得るものとなる。

【００１３】上記永久磁石回転電機において、好ましく
は、 同一のトルク指令に対して、上記回転子の正転時
と逆転時とで異なる電流を上記固定子巻線に通電するよ
うにしたものであり、かかる構成により、正転時の消費
電力を小さくし得るものとなる。

【００１４】上記目的を達成するために、本発明は、固
定子巻線を巻回した固定子鉄心を有する固定子と、この
固定子の内周に回転可能に保持され、磁性材からなる回
転子鉄心とこの回転子鉄心の内部に上記固定子鉄心と対
向して配置された複数個の永久磁石を有する回転子とか
ら構成された永久磁石回転電機において、上記固定子と
上記回転子の間に形成される空隙の長さを、上記永久磁
石のそれぞれに対向する領域毎に、上記回転子の回転方
向と反回転方向で変えるように構成したものであり、か
かる構成によって、回転方向に対する発生トルクを大き
くし得るものとなる。

【００１５】上記永久磁石回転電機において、好ましく
は、上記固定子と上記回転子の間に形成される空隙の長
さを、上記永久磁石のそれぞれに対向する領域毎に、上
記回転子の回転方向側で小さくし、反回転方向側で大き
くするように構成したものであり、かかる構成によっ
て、回転方向に対する発生トルクを大きくし得るものと
なる。

【００１６】上記目的を達成するために、本発明は、固
定子巻線を巻回した固定子鉄心を有する固定子と、この
固定子の内周に回転可能に保持され、回転子鉄心とこの
回転子鉄心の内部に上記固定子鉄心と対向して配置され
た複数個の永久磁石を有する回転子とから構成された永
久磁石回転電機を備え、この永久磁石回転電機により車
輪の駆動される永久磁石回転電機を用いた電動車両にお
いて、上記回転子の常用の回転方向と反対方向に、上記
永久磁石に隣接して非磁性材からなる非磁性材部を設け
るようにしたものであり、かかる構成によって、一充電
走行距離を長くし得るものとなる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態によ
る永久磁石回転電機について、図１，図２，図３，図４
を用いて説明する。図１は、本発明の一実施の形態によ
る永久磁石回転電機の正面側から見た部分断面図であ
り、図２は、図１のＡ−Ａ断面を示し、本発明の一実施
の形態による永久磁石回転電機の断面図であり、図３
は、本発明の一実施の形態による永久磁石回転電機の制
御回路の回路図であり、図４は、本発明の一実施の形態
による永久磁石回転電機の動作原理図である。

【００１８】図１において、回転電機１０の固定子２０
は、固定子鉄心２２と、この固定子鉄心２２に巻回され
た多相の固定子巻線２４と、固定子鉄心２２をその内周
面に固定保持するハウジング２６から構成されている。
回転子３０は、回転子鉄心３２と、回転子鉄心３２に設
けられた永久磁石挿入孔３４に挿入された永久磁石３６
と、シャフト３８とから構成されている。シャフト３８
は、ベアリング４２，４４によって回転自在に保持され
ている。ベアリング４２，４４は、エンドブラケット４
６，４８によって支持されており、エンドブラケット４
６，４８は、ハウジング２６の両端にそれぞれ固定され
ている。

【００１９】また、回転子３０の永久磁石３６の位置を
検出する磁極位置検出器ＰＳ及び回転子３０の位置を検
出するエンコーダＥが、回転子３０の側面側に配置され
ている。回転電機１０は、磁極位置検出器ＰＳの信号
と、エンコーダＥの出力信号によって、図３によって後
述する制御装置によって運転制御される。

【００２０】図２は、図１のＡ−Ａ矢視の断面図である
が、ハウジングの図示は省略してある。図２において、
回転電機１０は、固定子２０と回転子３０とから構成さ
れている。固定子２０は、固定子鉄心２２と固定子巻線
２４から構成される。固定子巻線２４は、固定子鉄心２
２に巻回されている。

【００２１】回転子３０は、高透磁率磁性材料である，
例えば、複数枚の珪素鋼板が積層されている回転子鉄心
３２と、回転子鉄心３２に設けられた４個の永久磁石挿
入孔３４に挿入された４個の永久磁石３６と、シャフト
３８から構成されている。４個の永久磁石３６は、極性
が互いに反対方向になるように、回転子鉄心３２の周方
向に等間隔で配置されている。

【００２２】回転子鉄心３２は、永久磁石挿入孔３４と
シャフト３８を通す孔が打ち抜かれる構造となってい
る。永久磁石挿入孔３４とシャフト３８を通す孔が打ち
抜かれ珪素鋼板を積層し、貫通する永久磁石挿入孔３４
とシャフト３８を通す孔の中に永久磁石３６及びシャフ
ト３８が挿入されて回転子３０を構成する。

【００２３】永久磁石回転子３０は、矢印（反時計）方
向Ｂに回転し、電動機として運転するものとする。使用
する永久磁石３６の形状は、円弧形状のものとする。

【００２４】回転子鉄心３２を半径方向に分けると、内
周側のヨーク部３２Ａと、外周部３２Ｂに分けられる。
また、回転子鉄心３２の外周部３２Ｂを周方向に２つの
部分に分けると、補助磁極部３２Ｂ１と、磁極片部３２
Ｂ２に分けられる。補助磁極部３２Ｂ１は、隣合う永久
磁石挿入孔３４に挟まれる領域であり、磁石の磁気回路
をバイパスして、固定子の起磁力によって直接磁束を固
定子側に発生させる領域である。磁極片部３２Ｂ２は、
回転子鉄心３２の外周部３２Ｂの中で、永久磁石３６の
外周側に位置する領域であり、永久磁石３６からの磁束
Ｂφがギャップを介して固定子２０側に流れて磁気回路
を構成する領域である。

【００２５】永久磁石３６は、補助磁極部３２Ｂ１によ
って周方向を覆われ、磁極片部３２Ｂ２によって外周を
覆われた永久磁石挿入穴３４の中に収納することがで
き、高速回転に適した電動機とすることができる。

【００２６】ここで、特徴とする点は、永久磁石３６は
永久磁石挿入孔３４の回転方向Ｂに偏って挿入されるよ
うにしてある。永久磁石挿入孔３４は、永久磁石３６の
大きさよりも、周方向において大きく形成されており、
この永久磁石挿入孔３４の中に、永久磁石３６は回転方
向Ｂに偏って挿入されている。

【００２７】電動車両に用いる回転電機としては、その
回転方向は、一方向に限られている。即ち、電動車両が
前進するときに、回転電機が矢印方向Ｂに回転するとす
ると、電動車両が後進するときにも、回転電機が矢印方
向Ｂに回転するようにしている。電動車両が後進すると
きには、変速機構により、回転電機の回転数を減速する
と同時に、伝達される回転方向を逆転するようにしてい
る。従って、回転電機が発生するトルクは、回転方向Ｂ
に対して十分に大きなトルクを発生すればよく、矢印Ｂ
方向と反対方向（時計回り方向）に回転するトルクは小
さいものであってもよい。そのような観点に立って、回
転電機が発生するトルクを矢印方向Ｂの時大きくし、反
対方向の時小さくするための構成が、永久磁石３６を永
久磁石挿入孔３４の回転方向Ｂに偏って挿入するように
した点にある。

【００２８】永久磁石３６の反回転方向には、空隙部５
０ができている。空隙部５０は、非磁性材部となるた
め、ここからの磁気漏洩が少なく、永久磁石を有効に利
用できるとともに使用磁石量を少なくすることができ、
磁極片部３２Ｂ２及び補助磁極部３２Ｂ１にかかる永久
磁石３６の遠心力は少なくなり、高速回転に適した構造
とすることができる。

【００２９】永久磁石３６の反回転方向の空隙部５０
は、空気が存在する空間としても非磁性材部として機能
するが、空気に替えて、非磁性材，例えばワニス等によ
って充填することにより、構造的により強固にすること
ができる。

【００３０】次に、図３を用いて、本実施の形態による
永久磁石回転電機を制御する制御装置について説明す
る。

【００３１】直流電源８０よりインバータ８２を介して
回転電機１０の固定子巻線２４に電力を供給する。速度
制御回路（ＡＳＲ）８４は、速度指令ωｓと、エンコー
ダＥからの位置情報θからＦ／Ｖ変換器８６を介して得
られる実際の速度ωｆとから速度差ωｅを算出し、これ
にＰＩ制御（Ｐ：比例項、Ｉ：積分項）等によってトル
ク指令，即ち、電流指令Ｉｓと回転子３０の回転角θ１
を出力する。

【００３２】位相シフト回路８８は、エンコーダＥより
のパルス，即ち、回転子の位置情報θを、速度制御回路
（ＡＳＲ）８４からの回転角θ１の指令に応じて位相シ
フトして出力する。正弦波・余弦波発生器９０は、回転
子３０の永久磁石磁極の位置を検出する位置検出器ＰＳ
と、位相シフト回路８８からの位相シフトされた回転子
の位置情報θに基づいて、固定子巻線２４の各巻線（こ
こでは３相）の誘起電圧を位相シフトした正弦波出力を
発生する。位相シフト量は、零の場合でもよい。

【００３３】２相−３相変換回路９２は、速度制御回路
（ＡＳＲ）８４からの電流指令Ｉｓと正弦波・余弦波発
生器９０の出力に応じて、各相に電流指令Ｉｓａ，Ｉｓ
ｂ，Ｉｓｃを出力する。各相はそれぞれ個別に電流制御
系（ＡＣＲ）９４Ａ，９４Ｂ，９４Ｃを持ち、電流指令
Ｉｓａ，Ｉｓｂ，Ｉｓｃと電流検出器ＣＴからの電流検
出信号Ｉｆａ，Ｉｆｂ，Ｉｆｃに応じた信号を、インバ
ータ８２に送って各相電流を制御する。この場合、各相
合成の電流は、界磁磁束に直角，あるいは位相シフトし
た位置に常に形成され、これによって無整流子で、かつ
直流機と同等の特性を得ることができる。

【００３４】ここで、電機自動車に適用する場合には、
制御装置は、速度制御回路８４ではなく、直接トルクを
制御するトルク制御系を有する。即ち、速度制御回路８
４に替えて、トルク制御回路を使用する。トルク制御回
路は、入力信号として、トルクＴｓと、トルク検出器に
よって得られる実際のトルクＴｆとからトルクＴｅを算
出し、これにＰＩ制御（Ｐ：比例項、Ｉ：積分項）等に
よってトルク指令，即ち、電流指令Ｉｓと回転子３０の
回転角θ１を出力する。

【００３５】永久磁石回転電機においては、トルクは電
流に直接比例するために電流制御系を速度制御回路８４
の代わりに配置される。

【００３６】次に、本実施の形態による永久磁石回転電
機の動作原理について、図４を用いて説明する。なお、
図４（Ａ）は、本実施の形態による永久磁石回転電機の
動作原理の説明図であり、図４（Ｂ）は、比較のため
に、従来方式の動作原理の説明図である。

【００３７】ここで、従来方式とは、図１において、永
久磁石挿入孔３４の全体に永久磁石を入れた方式のこと
である。かかる従来方式においては、図４（Ｂ）に示す
ように、永久磁石３６’はｄ軸に配置され、永久磁石よ
り高い透磁率を有する補助磁極部３２Ｂ１の位置はｑ軸
に配置される。この場合、各ベクトルは、図４（Ｂ）で
表される。ここで、ｄ軸電流−Ｉｄ，ｑ軸電流Ｉｑの合
成である電流Ｉｍは、図３に示した制御回路の電流指令
Ｉｓａ，Ｉｓｂ，Ｉｓｃや電動機の磁極位置検出器ＰＳ
やエンコーダＥの出力位置の計算等によって図示の位置
に制御される。このときのトルクは、以下の式（１）で
表わすことができる。

【００３８】 Ｔ＝ＥＯ・Ｉｑ／ω＋（Ｘｑ・Ｉｑ・Ｉｄ＋Ｘｄ・Ｉｄ・Ｉｑ）／ω …（１ ） ここで、ＥＯ：一相の誘起電圧 ω：回転速度 Ｉｑ：ｑ軸電流 Ｉｄ：ｄ軸電流 Ｘｑ：ｑ軸リアクタンス Ｘｄ：ｄ軸リアクタンス を表している。

【００３９】式（１）は、一般の突極型の永久磁石電動
機のトルクの一般式である。第一項が永久磁石による成
分で、第二項がリラクタンス成分で補助磁極部３２Ｂ１
による成分である。第一項の永久磁石による成分を大き
くするためには、永久磁石３６の周方向長さを大きくす
る必要があり、第二項のリラクタンス成分を大きくする
には補助磁極部８２の周方向成分を大きくする必要があ
る。

【００４０】従来方式の構造では、図４（Ｂ）で示した
ように、永久磁石３６と補助磁極部３２Ｂ１とが直交し
て配置されているために発生トルクが小さいものであっ
た。

【００４１】それに対して、本発明によれば、図１で示
すように回転方向に永久磁石を配置しているために、図
４（ａ）で示すように永久磁石３６による誘起電圧はＩ
ｑに対してθだけ移動した位置に発生し、以下で示すト
ルクが発生する。

【００４２】 Ｔ＝ＥＯ・Ｉｑ・ｃｏｓθ／ω＋ （ＥＯ・Ｉｄ・ｓｉｎθ＋Ｘｑ・Ｉｑ・Ｉｄ−Ｘｄ・Ｉｄ・Ｉｑ）／ω…（２ ） ここで、θは、ＥＯとＩｑとの位相差を示し、構造上は
永久磁石３６と補助磁極３２Ｂ１とのなす角度の９０度
からのずれる角度を示したものである。また、図１にお
いて、永久磁石挿入孔３４の周方向の中心位置に対し
て、永久磁石３６の周方向の中心位置のなす角度θであ
る。

【００４３】式（１）と、式（２）を比較すると、θが
小さい間は、式（１）に比較して式（２）の第一項の減
少はわずかである。一方、第二項では、ｓｉｎθの値
は、他の定数に対して比較的大きな値と成るために、発
生トルクは大きくなる。

【００４４】これは、本発明と従来方式では、誘起電圧
Ｅ０が同じとの考えで行ったためにトルクが大きくなる
結果となった。実際には、本実施の形態では、永久磁石
の使用量が少ないために誘起電圧が少なくなり、トルク
は増加はしないが、使用磁石量に対するトルクを高める
ことができる。

【００４５】また、使用磁石量の減少は、高速時の永久
磁石の発生電圧を押さえることができ、故障時に電動機
よりバッテリへの電力変換をなくすことができ、電動機
とインバータ間のコンタクタ等の機器を設置する必要を
なくすることができる。

【００４６】以上のことは、反時計方向Ｂに回転した場
合に有効である。しかし、時計方向に回転した場合に
は、逆に、誘機電圧ＥＯとｑ軸電流の位相差は逆とな
り、式（２）より理解されるように、トルクは従来例よ
り小さくなる。

【００４７】従って、以上の本実施の形態の構造におい
ては、同じトルク指令に対して反時計方向に回転してい
る場合の電流指令Ｉｓａ，Ｉｓｂ，Ｉｓｃと時計方向に
回転している場合の電流指令Ｉｓａ，Ｉｓｂ，Ｉｓｃと
では大きさを変える必要がある。つまり、反時計方向回
転の電流指令は、時計方向の電流指令よりも同一のトル
ク指令に対して小さくすることができるため、消費電力
を小さくすることができる。

【００４８】以上のようにして、発生するトルクを回転
方向によって異ならせ、一方向にのみ大きなトルクを発
生するようにすることができる。従って、常用の回転方
向のトルクを大きくしておけば、小型軽量でかつ高効率
の回転電機とすることができる。

【００４９】また、機械的に強い珪素鋼板の中に永久磁
石を収納することによって、機械的に高速回転に適した
回転電機とすることができる。

【００５０】また、磁気的にも弱め界磁制御に適する構
成となっており、高速回転に適した回転電機とすること
ができる。

【００５１】本実施の形態によれば、永久磁石を挿入孔
の回転方向に偏って挿入することにより、回転方向に対
するトルクを大きくすることができる。

【００５２】また、永久磁石の周囲を珪素鋼板で覆う構
成とすることにより、高速回転に適したものとなる。

【００５３】次に、本発明の他の実施の形態による永久
磁石回転電機について、図５を用いて説明する。図５
は、本発明の他の実施の形態による永久磁石回転電機の
断面図である。本実施の形態による回転電機の全体構造
は、図１に示したとおりである。

【００５４】回転電機１０は、固定子２０と回転子３０
とから構成されている。固定子２０は、固定子鉄心２２
と固定子巻線２４から構成される。固定子巻線２４は、
固定子鉄心２２に巻回されている。

【００５５】回転子３０は、高透磁率磁性材料である，
例えば、複数枚の珪素鋼板が積層されている回転子鉄心
３２と、回転子鉄心３２に設けられた４個の永久磁石挿
入孔３４に挿入された４個の永久磁石３６と、シャフト
３８から構成されている。４個の永久磁石３６は、極性
が互いに反対方向になるように、回転子鉄心３２の周方
向に等間隔で配置されている。

【００５６】回転子鉄心３２は、永久磁石挿入孔３４と
シャフト３８を通す孔が打ち抜かれる構造となってい
る。永久磁石挿入孔３４とシャフト３８を通す孔が打ち
抜かれ珪素鋼板を積層し、貫通する永久磁石挿入孔３４
とシャフト３８を通す孔の中に永久磁石３６及びシャフ
ト３８が挿入されて回転子３０を構成する。

【００５７】永久磁石回転子３０は、矢印（反時計）方
向Ｂに回転し、電動機として運転するものとする。使用
する永久磁石３６の形状は、直方体のものとする。

【００５８】永久磁石３６は、補助磁極部によって周方
向を覆われ、磁極片部によって外周を覆われた永久磁石
挿入穴３４の中に収納することができ、高速回転に適し
た電動機とすることができる。補助磁極部及び磁極片部
については、図２において説明したものと同じである。
但し、永久磁石の形状を直方体としたことにより、磁極
片部が円弧と直線で囲まれる半円形状となっている。

【００５９】ここで、特徴とする点は、永久磁石３６
は、永久磁石挿入孔３４の回転方向Ｂに偏って挿入され
るようにしてある。その結果、回転電機が発生するトル
クは、回転方向Ｂに対して十分に大きなトルクを発生
し、矢印Ｂ方向と反対方向（時計回り方向）に回転する
トルクは小さくなっている。

【００６０】永久磁石３６は、反回転方向に空隙部５０
ができるため、ここからの磁気漏洩が少なく、永久磁石
を有効に利用できるとともに使用磁石量を少なくするこ
とができ、磁極片部及び補助磁極部にかかる永久磁石３
６の遠心力は少なくなり、高速回転に適した構造とする
ことができる。

【００６１】永久磁石３６の反回転方向の空隙部５０
は、非磁性材、例えばワニス等によって充填してあり、
構造的により強固にすることができる。

【００６２】また、永久磁石６３の周方向の長さＬ１を
補助磁極部Ｌ２の長さより短くすることによって、矢印
方向Ｂに回転する時に発生するトルクをより大きくする
ことができる。この場合、補助磁極部の周方向長さを大
きくすることによって、補助磁極部のリラクタンストル
クを大きくすることができる。

【００６３】永久磁石の形状を直方体とすることによ
り、磁石が容易に作ることができる。また、磁石挿入孔
への寸法交差も少なくて済むため、バランスのよい、高
速回転に適した永久磁石回転電機を提供することができ
る。

【００６４】本実施の形態によれば、永久磁石を挿入孔
の回転方向に偏って挿入することにより、回転方向に対
するトルクを大きくすることができる。

【００６５】また、直方体の磁石を用いることにより、
磁石が容易に作ることができる。

【００６６】さらに、磁石挿入孔への寸法交差も少なく
て済むため、バランスのよい、高速回転に適したものと
することができる。

【００６７】次に、本発明の第３の実施の形態による永
久磁石回転電機について、図６を用いて説明する。図６
は、本発明の第３の実施の形態による永久磁石回転電機
の断面図である。本実施の形態による回転電機の全体構
造は、図１に示したとおりである。

【００６８】回転電機１０は、固定子２０と回転子３０
とから構成されている。固定子２０は、固定子鉄心２２
と固定子巻線２４から構成される。固定子巻線２４は、
固定子鉄心２２に巻回されている。

【００６９】回転子３０は、高透磁率磁性材料である，
例えば、複数枚の珪素鋼板が積層されている回転子鉄心
３２と、回転子鉄心３２に設けられた４個の永久磁石挿
入孔３４に挿入された４個の永久磁石３６と、シャフト
３８から構成されている。４個の永久磁石３６は、極性
が互いに反対方向になるように、回転子鉄心３２の周方
向に等間隔で配置されている。

【００７０】回転子鉄心３２は、永久磁石挿入孔３４と
シャフト３８を通す孔が打ち抜かれる構造となってい
る。永久磁石挿入孔３４とシャフト３８を通す孔が打ち
抜かれ珪素鋼板を積層し、貫通する永久磁石挿入孔３４
とシャフト３８を通す孔の中に永久磁石３６及びシャフ
ト３８が挿入されて回転子３０を構成する。

【００７１】永久磁石回転子３０は、矢印（反時計）方
向Ｂに回転し、電動機として運転するものとする。使用
する永久磁石３６の形状は、円弧状のものとする。

【００７２】永久磁石３６は、補助磁極部によって周方
向を覆われ、磁極片部によって外周を覆われた永久磁石
挿入穴３４の中に収納することができ、高速回転に適し
た電動機とすることができる。補助磁極部及び磁極片部
については、図２において説明したものと同じである。

【００７３】ここで、特徴とする点は、永久磁石挿入孔
３４の回転方向Ｂと反対方向の外周に空隙部５２を設け
たことにある。即ち、永久磁石挿入孔３４の形状は、回
転子鉄心３２の半径方向の一部であって、回転子の回転
方向Ｂと反対側において、永久磁石３６の大きさよりも
大きい開口を有している。その結果、回転電機が発生す
るトルクは、回転方向Ｂに対して十分に大きなトルクを
発生し、矢印Ｂ方向と反対方向（時計回り方向）に回転
するトルクは小さくなっている。永久磁石３６は、反回
転方向に空隙部５２ができるため、ここからの磁気漏洩
が少なく、永久磁石を有効に利用できる。また、図２に
比べて大きな磁石を使用できるため、発生するトルクを
大きくできる。

【００７４】永久磁石３６の反回転方向の空隙部５２
は、非磁性材、例えばワニス等によって充填してあり、
構造的により強固にすることができる。

【００７５】また、永久磁石３６の外周に位置する磁極
片部３２Ｂ２の半径方向の厚さを周方向で変えたことに
ある。具体的には、反回転方向の磁極片の厚さｔ１を厚
くし、時計方向の磁極片の厚さｔ２を薄くする構成とし
ている。

【００７６】このように構成することによって、無負荷
時には、反時計方向Ｂの磁極片を介して回転子鉄心３２
のヨーク部３２Ａに磁束は漏洩し、誘起電圧を低く押さ
えることができる。従って、高速回転時のインバータの
故障時にもバッテリへの電力の変換がなく、コンタクタ
等を省略することができる。

【００７７】本実施の形態によれば、永久磁石を挿入孔
の反回転方向の外周に空隙部を設けることにより、回転
方向に対するトルクを大きくすることができる。

【００７８】また、磁極片部の厚さを回転方向で厚くす
ることにより、高速回転時のインバータの故障時にもバ
ッテリへの電力の変換がなく、コンタクタ等を省略する
ことができる。

【００７９】次に、本発明の第４の実施の形態による永
久磁石回転電機について、図７を用いて説明する。図７
は、本発明の第４の実施の形態による永久磁石回転電機
の断面図である。本実施の形態による回転電機の全体構
造は、図１に示したとおりである。

【００８０】回転電機１０は、固定子２０と回転子３０
とから構成されている。固定子２０は、固定子鉄心２２
と固定子巻線２４から構成される。固定子巻線２４は、
固定子鉄心２２に巻回されている。

【００８１】回転子３０は、高透磁率磁性材料である，
例えば、複数枚の珪素鋼板が積層されている回転子鉄心
３２と、回転子鉄心３２に設けられた４個の永久磁石挿
入孔３４に挿入された４個の永久磁石３６と、シャフト
３８から構成されている。４個の永久磁石３６は、極性
が互いに反対方向になるように、回転子鉄心３２の周方
向に等間隔で配置されている。

【００８２】回転子鉄心３２は、永久磁石挿入孔３４と
シャフト３８を通す孔が打ち抜かれる構造となってい
る。永久磁石挿入孔３４とシャフト３８を通す孔が打ち
抜かれ珪素鋼板を積層し、貫通する永久磁石挿入孔３４
とシャフト３８を通す孔の中に永久磁石３６及びシャフ
ト３８が挿入されて回転子３０を構成する。

【００８３】永久磁石回転子３０は、矢印（反時計）方
向Ｂに回転し、電動機として運転するものとする。使用
する永久磁石３６の形状は、円弧状のものとする。

【００８４】永久磁石３６は、磁極片部３２Ｂ２によっ
て外周を覆われた永久磁石挿入穴３４の中に収納するこ
とができ、高速回転に適した電動機とすることができ
る。磁極片部については、図２において説明したものと
同じである。但し、永久磁石の形状を直方体としたこと
により、磁極片不が円弧と直線で囲まれる半円形状とな
っている。

【００８５】ここで、特徴とする点は、空隙長を永久磁
石のそれぞれに対向する領域毎に、周方向で変えたこと
にある。具体的には、それぞれの永久磁石３６に対向す
る空隙において、反時計方向Ｂの空隙長ｔ３を小さく
し、時計方向の空隙長ｔ４を大きくする。永久磁石の先
端側（回転方向側）の空隙長ｔ３が、反回転方向にいく
にしたがって徐々に広くなり、後端側（反回転方向側）
において、最大の空隙長ｔ４となるようになっている。
かかる構成とすることによって、回転子鉄心のｑ軸成分
は磁極片部３２Ｂ２の間ではなく、その反時計方向に移
動する。これによって図４（Ａ）で示した原理と同様に
トルクの向上を図ることが可能である。

【００８６】また、隣合う永久磁石挿入孔３４の間に
は、空隙部６２を設けてある。空隙部６２を設けること
により、補助磁極部の幅を狭くすることができるため、
漏洩磁束を小さくすることができる。空隙部６２には、
非磁性材、例えばワニス等によって充填してあり、構造
的により強固にすることができる。

【００８７】本実施の形態によれば、永久磁石の外周の
空隙長を周方向で変えることにより、回転方向に対する
トルクを大きくすることができる。

【００８８】以上の説明では、回転電機について説明を
行ったが、リニアモータ駆動にも適用することができ
る。この場合には、移動子の移動方向に対して中心位置
より永久磁石をずらして配置すればよい。

【００８９】また、以上の説明では、１８０度通電形の
永久磁石回転電機で説明したが、１２０度通電型のブラ
シレスモータ方式でも適用できることは言うまでもない
ことである。また、発電機としても応用することが可能
である。

【００９０】次に、本発明の第５の実施の形態による永
久磁石回転電機を用いた電気自動車について、図８を用
いて説明する。図８は、本発明の第５の実施の形態によ
る永久磁石回転電機を搭載した電気自動車のブロック構
成図である。

【００９１】電気自動車の車体１００は、４つの車輪１
１０，１１２，１１４，１１６によって支持されてい
る。この電気自動車は、前輪駆動であるため、前方の車
軸１５４には、永久磁石回転電機１２０が直結して取り
付けられている。永久磁石回転電機１２０は、制御装置
１３０によって駆動トルクが制御される。制御装置１３
０の動力源としては、バッテリ１４０が備えられ、この
バッテリ１４０から電力が制御装置１３０を介して、永
久磁石回転電機１２０に供給され、永久磁石回転電機１
２０が駆動されて、車輪１１０，１１４が回転する。ハ
ンドル１５０の回転は、ステアリングギア１５２及びタ
イロッド，ナックルアーム等からなる伝達機構を介し
て、２つの車輪１１０，１１４に伝達され、車輪の角度
が変えられる。

【００９２】なお、以上の実施例では、永久磁石回転電
機を電気自動車の車輪の駆動に用いるものとして説明し
たが、電気機関車等の車輪の駆動にも使用できるもので
ある。

【００９３】本実施の形態によれば、永久磁石回転電機
を電動車両、特に電気自動車に適用すれば、小型軽量高
効率の永久磁石回転電機駆動装置を搭載でき、一充電走
行距離の長い電気自動車を提供することができる。

【００９４】

【発明の効果】本発明によれば、永久磁石回転電機の回
転方向の発生トルクを大きくすることができ、永久磁石
回転電機を用いた電動車両においては、一充電走行距離
を長くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態による永久磁石回転電機
の正面側から見た部分断面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ断面を示し、本発明の一実施の形
態による永久磁石回転電機の断面図である。

【図３】本発明の一実施の形態による永久磁石回転電機
の制御回路の回路図である。

【図４】本発明の一実施の形態による永久磁石回転電機
の動作原理図である。

【図５】本発明の他の実施の形態による永久磁石回転電
機の回転子の断面図である。

【図６】本発明の第３の実施の形態による永久磁石回転
電機の回転子の断面図である。

【図７】本発明の第４の実施の形態による永久磁石回転
電機の回転子の断面図である。

【図８】本発明の第５の実施の形態による永久磁石回転
電機を搭載した電気自動車のブロック構成図である。

【符号の説明】

１０…永久磁石回転電機 ２０…固定子 ２２…固定子鉄心 ２４…固定子巻線 ２６…ハウジング ３０…回転子 ３２…回転子鉄心 ３２Ａ…ヨーク ３２Ｂ…外周部 ３２Ｂ２…補助磁極片部 ３２Ｂ１…磁極片部 ３２Ｂ３…ブリッジ部 ３４…永久磁石挿入穴 ３６…永久磁石 ３８…シャフト ３９…風孔 ４６，４８…エンドブラケット ４２，４４…ベアリング ５２，５４…ブリッジ部の孔 ６２，６４…スリット部 ８０…直流電源 ８２…インバータ ８４…速度制御回路 ８６…Ｆ／Ｖ変換器 ８８…位相シフト回路 ９２…２相−３相変換回路 ９０…正弦波・余弦波発生器 ９４Ａ，９４Ｂ，９４Ｃ…電流制御系 １００…車体 １１０，１１２，１１４，１１６…車輪 １３０…制御装置 １４０…バッテリ １５０…ハンドル １５２…ステアリングギア １５４…車軸 ＰＳ…位置検出器 Ｅ…エンコーダ ＣＴ…電流検出器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川又 昭一 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 渋川 末太郎 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者 小泉 修 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者 小田 圭二 茨城県ひたちなか市高場2477番地 株式会 社日立カーエンジニアリング内

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固定子巻線を巻回した固定子鉄心を有す
   る固定子と、この固定子の内周に回転可能に保持され、
   磁性材からなる回転子鉄心とこの回転子鉄心の内部に上
   記固定子鉄心と対向して配置された複数個の永久磁石を
   有する回転子とから構成された永久磁石回転電機におい
   て、 上記回転子の常用の回転方向と反対方向に、上記永久磁
   石に隣接して非磁性材からなる非磁性材部を設けたこと
   を特徴とする永久磁石回転電機。
2. 【請求項２】 請求項１記載の永久磁石回転電機におい
   て、 上記回転子鉄心は、上記永久磁石の大きさより上記回転
   子鉄心の周方向に大きい開口を有する永久磁石挿入孔を
   備え、 上記永久磁石は、上記永久磁石挿入孔の中に、上記回転
   子の常用の回転方向に偏って挿入され、 上記挿入孔に形成された空隙部が、上記非磁性材部であ
   ることを特徴とする永久磁石回転電機。
3. 【請求項３】 請求項１記載の永久磁石回転電機におい
   て、 上記回転子鉄心は、上記回転子鉄心の半径方向の一部で
   あって、上記回転子の常用の回転方向と反対方向におい
   て、上記永久磁石の大きさより大きい開口を有する永久
   磁石挿入孔を備え、 上記永久磁石は、上記永久磁石挿入孔の中に挿入され、 上記挿入孔に形成された空隙部が、上記非磁性材部であ
   ることを特徴とする永久磁石回転電機。
4. 【請求項４】 請求項２若しくは請求項３記載の永久磁
   石回転電機において、 上記空隙部に非磁性材からなる樹脂を充填したことを特
   徴とする永久磁石回転電機。
5. 【請求項５】 請求項１記載の永久磁石回転電機におい
   て、 上記永久磁石の周方向の長さを、隣合う上記永久磁石間
   に存在する上記磁性材からなる補助磁極部の周方向の長
   さより短くしたことを特徴とする永久磁石回転電機。
6. 【請求項６】 請求項１記載の永久磁石回転電機におい
   て、 上記永久磁石は、その形状が直方体であることを特徴と
   する永久磁石回転電機。
7. 【請求項７】 請求項１記載の永久磁石回転電機におい
   て、 同一のトルク指令に対して、上記回転子の正転時と逆転
   時とで異なる電流を上記固定子巻線に通電することを特
   徴とする永久磁石回転電機。
8. 【請求項８】 固定子巻線を巻回した固定子鉄心を有す
   る固定子と、この固定子の内周に回転可能に保持され、
   磁性材からなる回転子鉄心とこの回転子鉄心の内部に上
   記固定子鉄心と対向して配置された複数個の永久磁石を
   有する回転子とから構成された永久磁石回転電機におい
   て、 上記固定子と上記回転子の間に形成される空隙の長さ
   を、上記永久磁石のそれぞれに対向する領域毎に、上記
   回転子の回転方向と反回転方向で変えることを特徴とす
   る永久磁石回転電機。
9. 【請求項９】 請求項８記載の永久磁石回転電機におい
   て、 上記固定子と上記回転子の間に形成される空隙の長さ
   を、上記永久磁石のそれぞれに対向する領域毎に、上記
   回転子の回転方向側で小さくし、反回転方向側で大きく
   するように構成したことを特徴とする永久磁石回転電
   機。
10. 【請求項１０】 固定子巻線を巻回した固定子鉄心を有
    する固定子と、この固定子の内周に回転可能に保持さ
    れ、回転子鉄心とこの回転子鉄心の内部に上記固定子鉄
    心と対向して配置された複数個の永久磁石を有する回転
    子とから構成された永久磁石回転電機を備え、 この永久磁石回転電機により車輪の駆動される永久磁石
    回転電機を用いた電動車両において、 上記回転子の常用の回転方向と反対方向に、上記永久磁
    石に隣接して非磁性材からなる非磁性材部を設けたこと
    を特徴とする永久磁石回転電機を用いた電動車両。