JPH11187596A - 永久磁石回転電機及びその制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、発生するトルクが大きく、し
たがって、運転効率が高く、その結果、小型軽量な永久
磁石回転電機，特に、電気自動車の駆動モ−タとして最
適な永久磁石回転電機を提供することにある。 【解決手段】回転子３０は、永久磁石３４ａ，３４ｂ，
３４ｃ，３４ｄを内部に有しており、永久磁石３４ａ，
３４ｂが一つの極を構成し、永久磁石３４ｃ，３４ｄが
他の一つの極を構成している。一つの極を構成する永久
磁石３４ａ，３４ｂ；３４ｃ，３４ｄの間に配置された
補助磁極３２ｃは、永久磁石の中心位置からずれた位置
に配置されている。

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
及びその制御装置に係り、特に、電気自動車の駆動装置
等として用いるのに好適な内部磁石型の永久磁石回転電
機及び制御装置に関する。

【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、数十キロワットの所要出力を要
するとともに、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
機が公的であり、さらに、回転数，トルクに対して広い
運転領域で高効率の電動機が必要とされることから、高
性能磁石利用でかつリラクタンス活用形の永久磁石電動
機が好適である。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、例えば、実開平７−１
１８５９号公報に記載されているように、永久磁石より
も高い透磁率を有する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。

【０００４】特に、実開平７−１１８５９号公報には、
一つの極を形成する永久磁石の間に、透磁率の高い材料
からなる補助突極（実開平７−１１８５９号公報の図１
のブリッジ３５）を設けることについて開示している。
かかる構成とすることにより、リラクタンストルクを有
効に活用できて小型軽量高効率にできるとともに、高速
域での弱め界磁制御が可能となって高速領域までの高効
率運転が可能となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、実開平
７−１１８５９号公報に記載された構成では、一つの極
を形成する２つの永久磁石（永久磁石４ａ，４ｂ）は同
じ大きさのものを用いているため、補助突極（ブリッジ
３５）は、一つの極を形成する永久磁石（永久磁石４
ａ，４ｂ）の中心に配置されている。その結果、永久磁
石によるトルクと補助突極によるトルクを合成した合成
トルクは大きくならないという問題があった。

【０００６】本発明の目的は、発生するトルクが大き
く、したがって、運転効率が高く、その結果、小型軽量
な永久磁石回転電機，特に、電気自動車の駆動モ−タと
して最適な永久磁石回転電機及びその制御装置を提供す
ることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】（１）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、高透磁率の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、複数の永久磁石により一つの極を
構成するとともに、この一つの極を構成する複数の永久
磁石の間で、かつ、永久磁石の中心位置からずれた位置
に配置された永久磁石よりも透磁率の高い磁性材料から
なる補助磁極を備えるようにしたものである。かかる構
成により、永久磁石によるトルクと補助磁極によるトル
クを合成したトルクを大きくすることができり、運転効
率を高めて、永久磁石回転電機を小型軽量なものとし得
るものである。

【０００８】（２）上記（１）において、好ましくは、
上記補助磁極は、上記一つの極を構成する永久磁石の中
心位置より反回転方向に電気角で４５度移動させた位置
に設けるようにしたものである。かかる構成により、永
久磁石によるトルクの最大値と補助磁極によるトルクの
最大値を一致させて、合成したトルクを大きくし得るも
のとなる。

【０００９】（３）上記（１）において、好ましくは、
上記永久磁石の空隙側に、上記磁極片と上記補助突極と
の間に磁気的な空隙部を備えるようにしたものである。
かかる構成により、磁気漏洩を減らし得るものとなる。

【００１０】（４）上記（１）において、好ましくは、
上記補助磁極の反空隙側に、周方向の幅を狭める空隙部
を備えるようにしたものである。かかる構成により、磁
気漏洩を減らし得るものとなる。

【００１１】（５）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、高透磁率
の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の制
御装置において、上記永久磁石回転電機は、複数の永久
磁石により一つの極を構成するとともに、この一つの極
を構成する複数の永久磁石の間で、かつ、永久磁石の中
心位置からずれた位置に配置された永久磁石よりも透磁
率の高い磁性材料からなる補助磁極を、上記永久磁石に
対して電気角で９０度ずらした位置に配置するととも
に、負荷の変化に対して通電角の位相をほぼ一定になる
ように制御するようにしたものである。

【００１２】かかる構成により、負荷の変化に対して通
電角の位相制御を行うことなく、発生するトルクを向上
し得るものとなる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図１〜図５を用いて、本発
明の一実施形態による永久磁石回転電機の構成について
説明する。最初に、図１を用いて、本発明の一実施形態
による永久磁石回転電機の全体構成について説明する。
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る。

【００１４】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。

【００１５】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、後述する制御装
置によって運転制御される。

【００１６】次に、図２を用いて、本発明の一実施形態
による永久磁石回転電機の断面構成について説明する。
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る。なお、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。固定子鉄心２２は、外周のリング状のヨ
ーク部２２ａと、このヨーク部２２ａから内周方向に突
出している歯部２２ｂと、隣合う歯部２２ｂの間に形成
されるスロット部２２ｃを備えている。固定子巻線２４
は、スロット部２２ｃに挿入され、固定子鉄心２２の歯
部２２ｂに巻回されている。

【００１７】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
入孔に挿入された４個の永久磁石３４ａ，３４ｂ，３４
ｃ，３４ｄと、シャフト３６から構成されている。本実
施形態においては、２極の回転子３０の例を示してお
り、４個の永久磁石３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄの
内、永久磁石３４ａ，３４ｂは同一の極性（例えば、Ｎ
極）となっており、永久磁石３４ａ，３４ｂによって一
つの極を形成している。また、永久磁石３４ｃ，３４ｄ
は同一の極性（例えば、Ｓ極）となっており、永久磁石
３４ｃ，３４ｄによって一つの極を形成している。

【００１８】回転子鉄心３２は、永久磁石３４を挿入す
る孔とシャフト３６を通す孔が打ち抜かれる構造となっ
ている。永久磁石３４の挿入孔とシャフト３６を通す孔
が打ち抜かれた珪素鋼板を積層し、貫通する永久磁石３
４の挿入孔とシャフト３６を通す孔の中に永久磁石３４
及びシャフト３６が挿入されて回転子３０を構成する。

【００１９】また、回転子鉄心３２は、その中央に位置
するヨーク部３２ａと、永久磁石３４の外周側に位置す
るブリッジ部３２ｂと、ヨーク部３２ａとブリッジ部３
２ｂとを接続するとともに、永久磁石３４ａと永久磁石
３４ｂの間及び永久磁石３４ｃと永久磁石３４ｄの間に
形成される補助磁極３２ｃから構成される。補助磁極３
２ｃは、一つの極を構成する永久磁石３４ａ，３４ｂ及
び永久磁石３４ｃ，３４ｄ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。ブリッジ部
３２ｂは、回転子鉄心３２の外周部の中で、永久磁石３
４の外周側に位置する領域であり、永久磁石３４からの
磁束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。

【００２０】さらに、回転子鉄心３２の中で、補助磁極
３２ｃからブリッジ部３２ｂに接続される領域の外周側
の部分には、突起部３２ｄが設けられており、補助磁極
３２ｃから発生する磁束を広がり易くしている。

【００２１】永久磁石３４は、補助磁極３２ｃによって
周方向を覆われ、ブリッジ部３２ｂによって外周を覆わ
れており、高速回転時にも遠心力に耐えて、永久磁石３
４が飛散することなく、高速回転に適した電動機となっ
ている。

【００２２】ここで、一つの極を構成する永久磁石３４
ａ，３４ｂの周方向の長さを、それぞれ、Ｌａ，Ｌｂと
し、補助磁極３２ｃの周方向の長さをＬｃとするとき、
永久磁石３４ａの周方向の長さと、永久磁石３４ｂの周
方向の長さＬｂは異なっている。従って、補助磁極３２
ｃは、一つの極を構成する永久磁石３４ａ，３４ｂの中
心位置からずれた位置に配置されていることになる。こ
れによって、永久磁石３４によって発生するトルクと、
補助磁極３２ｃによって発生するトルクを合成した合成
トルクを大きくしている。この点については、図３及び
図４を用いて後述する。

【００２３】また、永久磁石３４ａの周方向の長さＬａ
よりも、補助磁極３２ｃの周方向の長さＬｃが短く（Ｌ
ｃ＜Ｌａ）となるようにしている。これによって、永久
磁石８の磁束量が確保でき、トルクを増加させることが
できる。

【００２４】なお、補助磁極３２ｃ，ブリッジ部３２
ｂ，ヨ−ク部３２ａは、共に高透磁率磁性体であること
から、同一磁性材質、例えば、珪素鋼板等によって一体
に作ることができる。また、一極を構成する永久磁石３
４は、少なくとも２個以上で構成され、一極を構成する
２個以上の永久磁石３４の間に、補助磁極３２ｃが置か
れる構成とする。

【００２５】以上、本実施形態の構成によれば、永久磁
石３４が、固定子２０と回転子３０の間の空隙面に直接
でていないため、スロットリップル等の脈動磁束はブリ
ッジ部３２ｂを介して回転子表面のみを流れる。これに
よって、永久磁石３４内には脈動磁束が流れないため、
永久磁石３４内には渦電流を発生しない。従って、渦電
流での磁石内発熱による磁石磁束量の減少，減磁等の影
響はなくなるものである。

【００２６】また、永久磁石３４を、永久磁石３４より
高い可逆透磁率を有する磁性体の中に配置し、永久磁石
３４をヨーク部３２ａ，ブリッジ部３２ｂ，補助磁極３
２ｃとで囲む構成とすることによって強度の高い構成と
することができ、より高い回転数の回転電機を提供で
き、これによって、小型軽量、高効率の永久磁石回転電
機を提供することができる。

【００２７】次に、図３及び図４を用いて、本発明の一
実施形態による永久磁石回転電機のよって発生するトル
クについて説明する。図３は、本発明の一実施形態によ
る永久磁石回転電機によって発生するトルクのベクトル
図であり、図４は、本発明の一実施形態による永久磁石
回転電機によって発生する合成トルクの説明図である。
なお、図３（Ａ）及び図４（Ａ）は、本実施形態による
トルクについて説明するものであり、図３（Ｂ）及び図
４（Ｂ）は、比較のため従来の構成の回転子によって発
生するトルクについて説明するものである。

【００２８】図３（Ａ）に示すように、回転子３０は、
一つの極（Ｎ極）を構成する永久磁石３４ａ，３４ｂ
と、他の一つの極（Ｓ極）を構成する永久磁石３４ｃ，
３４ｄと、永久磁石３４ａと永久磁石３４ｂの間及び永
久磁石３４ｃと永久磁石３４ｄの間に形成される補助磁
極３２ｃを備えている。

【００２９】ここで、回転子３０の回転方向をＲとする
と、補助磁極３４ｃは、一つの極を構成する永久磁石３
４ａ，３４ｂの中心位置より回転方向Ｒにずれた位置に
配置されている。

【００３０】永久磁石３４によって発生する磁束φｍ
は、図示するように、永久磁石３４の磁極の中心位置に
発生する。従って、電動機電流Ｉｍを、永久磁石の磁束
φｍの位置よりも電気角で９０度ずれた位置（δ＝９０
度）に流すことによって、永久磁石によって発生するト
ルクは最大となる。

【００３１】一方、この位置で、補助磁極３２ｃによっ
て発生するトルクを最大となるように、電機子電流Ｉｍ
に対して電気角で４５度（永久磁石の中心からも４５
度）（θ＝４５度）の位置に補助磁極３２ｃを配置す
る。

【００３２】ここで、図４（Ａ）を用いて、発生するト
ルクについて説明する。図４（Ａ）において、横軸は、
永久磁石の中心位置に対して電機子電流Ｉｍがなす角度
δを示し、縦軸は発生するトルクを示している。

【００３３】永久磁石によって発生するトルクは、図中
一点鎖線Ｘで示すように、永久磁石の磁束φｍの位置
（永久磁石の中心位置）に対して、電機子電流Ｉｍを流
す角度δを、電気角で９０度ずれた位置（δ＝９０度）
にすることによって、永久磁石によって発生するトルク
は最大となる。

【００３４】一方、補助磁極３２ｃによって発生するリ
ラクタンストルクは、図中破線Ｙで示すような特性とな
るが、ここで、永久磁石によって発生するトルクの最大
位置に、補助磁極３２ｃによって発生するリラクタンス
トルクの最大位置が一致するように、電機子電流Ｉｍに
対して電気角で４５度（永久磁石の中心からも４５度）
（θ＝４５度）の位置に補助磁極３２ｃを配置している
ため、一点鎖線Ｘ（永久磁石によって発生するトルク）
の最大値と破線Ｙ（補助磁極によって発生するリラクタ
ンストルク）の最大値が一致している。

【００３５】図中、実線Ｚは、永久磁石によって発生す
るトルクＸと、補助磁極によって発生するリラクタンス
トルクＹを合成した合成トルクを示している。永久磁石
によって発生するトルクの最大値と補助磁極によって発
生するリラクタンストルクの最大値が一致しているた
め、合成トルクＺも最大となる。

【００３６】一方、図３（Ｂ）は、従来の構成の回転子
を示しており、回転子３０’の一つの極（Ｎ極）を構成
する永久磁石３４ａ’，３４ｂ’の中心位置に、補助磁
極３２ｃが配置されている。

【００３７】永久磁石３４’によって発生する磁束φｍ
は、図示するように、永久磁石３４’の磁極の中心位置
に発生する。従って、電動機電流Ｉｍを、永久磁石の磁
束φｍの位置よりも電気角で９０度ずれた位置（δ＝９
０度）に流すことによって、永久磁石によって発生する
トルクは最大となる。一方、補助磁極３２ｃは、電機子
電流Ｉｍに対して電気角で９０度の位置に配置されてい
る。

【００３８】ここで、図４（Ｂ）を用いて、発生するト
ルクについて説明する。図４（Ｂ）において、横軸は、
永久磁石の中心位置に対して電機子電流Ｉｍがなす角度
δを示し、縦軸は発生するトルクを示している。

【００３９】永久磁石によって発生するトルクは、図４
（Ａ）と同様に、図中一点鎖線Ｘで示すように、永久磁
石の磁束φｍの位置（永久磁石の中心位置）に対して、
電機子電流Ｉｍを流す角度δを、電気角で９０度ずれた
位置（δ＝９０度）にすることによって、永久磁石によ
って発生するトルクは最大となる。

【００４０】一方、補助磁極３２ｃによって発生するリ
ラクタンストルクは、図中破線Ｙで示すような特性とな
るが、ここで、補助磁極３２ｃは、電機子電流Ｉｍに対
して電気角で９０度の位置に配置されているため、発生
するトルクは零である。δ＝９０度における合成トルク
Ｙは、永久磁石によるトルクＸの最大値と等しくなり、
本実施形態に比べて低減することになる。

【００４１】ここで、永久磁石の中心位置に対する電機
子電流Ｉｍのなす角度δを変えるように制御することに
より、合成トルクＺの最大値を大きくすることは可能で
ある。その場合でも、永久磁石によって発生するトルク
Ｘの最大位置と、補助磁極によって発生するリラクタン
ストルクＹの最大位置値はずれているため、両者を合成
した合成トルクＺの最大値は、永久磁石によるトルクの
最大値と補助磁極によるトルクの最大値の単純和を
「１」とするとき、「０．８６６」まで減少し、発生す
るトルクが本実施形態に比べて低減することになる。

【００４２】また、永久磁石によるトルクは電機子電流
Ｉｍに比例し、補助磁極によるリラクタンストルクは電
機子電流の２乗で変わるため、合成トルクＺの最大値の
発生する位置は、負荷（電機子電流）によって変わる。
従って、最大トルク位置（最大効率点）で運転するため
には、負荷に応じて常に角度δを動かす制御が必要とな
り、制御が困難なものである。

【００４３】次に、図５を用いて、本実施形態による永
久磁石回転電機を制御する制御回路について説明する。
図５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る。

【００４４】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。

【００４５】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。

【００４６】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。以上の制御に
よって、必要に応じて電動機に対する電流指令は誘起電
圧に対して位相シフトさせることができる。

【００４７】以上のように、一つの極を構成する永久磁
石の中心位置から４５度ずれた位置に補助磁極を配置す
ることにより、電機子反作用起磁力，つまり電流の位相
は誘起電圧に対して４５度の位相で永久磁石によるトル
クとリラクタンストルクが常に最大となるため、電流の
位相制御をする必要がなく、最大トルクを発生すること
ができる。従って、例えば、マイコン等を持たない制御
機器においても、簡単な構成で最大トルクを発生するこ
とができる。また、マイコンを用いた制御機器において
も、トルク最大となる電流位相を回転電機に応じてチュ
ーニングする必要がなく、制御装置の設計，プログラミ
ングが簡単になる。また、温度変化に対しても、常に最
適点で運転することができる。

【００４８】なお、高速時には、必要に応じて、電動機
電流Ｉｍの位置を位相シフトすることにより、弱め界磁
運転による高速回転の運転を行うことができる。この場
合、回転数に対して低速時には、負荷の変化に対して通
電角の位相をほぼ一定にする低速運転モードと、高速時
には、負荷の変化に対して通電角の位相を変える高速運
転モードを備えるようにする。高速運転モードでは、通
電角の位相を制御することにより、永久磁石の磁束を弱
めて高速回転可能にするとともに、鉄損を適正な値とし
て最高効率の運転を可能にする。

【００４９】なお、以上の説明では、電動機について説
明したが、本実施形態による永久磁石回転電機は、発電
機に対しても適用することができる。発電機において
は、補助突極の位置は、反時計方向にずらす必要があ
る。

【００５０】なお、以上の説明では、１８０度通電によ
る駆動方式について説明したが、１２０度通電方式でも
同様である。この場合、発生トルクは、トルクの最大点
を中心に±３０度の平均のトルクが発生する。

【００５１】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、永久磁石によるトルクと補助磁極によるトルクの合
成トルクを最大にすることができる。また、位相シフト
を不要にすることができる。さらに、渦電流での磁石内
発熱による磁石磁束量の減少，減磁等の影響はなくなる
ものである。また、さらに、強度の高い構成とすること
ができ、より高い回転数の回転電機を提供できる。

【００５２】次に、図６を用いて、本発明の他の実施形
態による永久磁石回転電機について説明する。図６は、
本発明の他の実施形態による永久磁石回転電機に用いる
回転子の構成を示す図である。なお、永久磁石回転電機
の全体構成は、図１及び図２に示したものと同様であ
り、図１及び図２と同一符号は、同一部分を示してい
る。

【００５３】本実施形態においては、回転子３０Ａの構
成が、図２に示した回転子３０とは異なっている。回転
子３０Ａ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３２Ａと、回転
子鉄心３２Ａに設けられた４個の永久磁石挿入孔に挿入
された４個の永久磁石３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ，３４Ｄ
と、シャフト３６から構成されている。本実施形態にお
いては、２極の回転子３０Ａの例を示しており、４個の
永久磁石３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ，３４Ｄの内、永久磁
石３４Ａ，３４Ｂは同一の極性（例えば、Ｎ極）となっ
ており、永久磁石３４Ａ，３４Ｂによって一つの極を形
成している。また、永久磁石３４Ｃ，３４Ｄは同一の極
性（例えば、Ｓ極）となっており、永久磁石３４Ｃ，３
４Ｄによって一つの極を形成している。ここで、永久磁
石３４の形状は、図示のように、永久磁石の中心半径が
回転子外周径より小さくしている。

【００５４】回転子鉄心３２Ａは、永久磁石３４を挿入
する孔とシャフト３６を通す孔が打ち抜かれる構造とな
っている。永久磁石３４の挿入孔とシャフト３６を通す
孔が打ち抜かれた珪素鋼板を積層し、貫通する永久磁石
３４の挿入孔とシャフト３６を通す孔の中に永久磁石３
４及びシャフト３６が挿入されて回転子３０Ａを構成す
る。

【００５５】また、回転子鉄心３２は、その中央に位置
するヨーク部３２Ａと、永久磁石３４の外周側に位置す
るブリッジ部３２Ｂと、ヨーク部３２Ａとブリッジ部３
２Ｂとを接続するとともに、永久磁石３４Ａと永久磁石
３４Ｂの間及び永久磁石３４Ｃと永久磁石３４Ｄの間に
形成される補助磁極３２Ｃから構成される。補助磁極３
２Ｃは、一つの極を構成する永久磁石３４Ａ，３４Ｂ及
び永久磁石３４Ｃ，３４Ｄ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。ブリッジ部
３２Ｂは、回転子鉄心３２の外周部の中で、永久磁石３
４の外周側に位置する領域であり、永久磁石３４からの
磁束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。

【００５６】さらに、永久磁石３４の形状は、永久磁石
の中心半径が回転子外周径より小さくしてしているた
め、磁極片３２Ｄが構成されている。磁極片３２Ｄは、
電機子反作用やスロットリプルによる高周波磁束をバイ
パスし、永久磁石まで浸透する事を阻止する。これによ
って永久磁石に発生する渦電流損を抑制することができ
るとともに、永久磁石を固定でき、高速回転までの遠心
力に耐えうる構成とすることができる。

【００５７】また、磁極片３２Ｄと補助磁極３２Ｃとの
間には、磁気的な空隙部３２Ｅが設けられ、補助磁極３
２Ｃのヨーク３２Ａ側には、補助磁極３２Ｃの反空隙側
の周方向の幅を狭める空隙部３２Ｆが設けられている。
空隙部３２Ｅ，３２は、永久磁石３４，磁極片３２Ｄ，
補助磁極３２Ｃ，ヨーク３２Ａを介した磁気漏洩を減ら
す効果を有し、高トルクの永久磁石回転子とすることが
できる。

【００５８】なお、以上の説明では、永久磁石は、アー
ク状ものとしているが、平板状の磁石でも、また磁極片
３２Ｄ，補助磁極３２Ｃ，空隙部３２Ｅ，３２Ｆは、図
示のものに限定されず、いろいろな形状，構成とするこ
とが可能である。

【００５９】補助磁極３２Ｃは、一つの極を構成する永
久磁石の中心位置から４５度ずれた位置に配置されてお
り、永久磁石によるトルクとリラクタンストルクが常に
最大となるため、電流の位相制御をする必要がなく、最
大トルクを発生することができる。

【００６０】永久磁石３４は、補助磁極３２Ｃによって
周方向を覆われ、ブリッジ部３２Ｂ及び磁極片部３２Ｄ
によって外周を覆われており、高速回転時にも遠心力に
耐えて、永久磁石３４が飛散することなく、高速回転に
適した電動機となっている。

【００６１】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、永久磁石によるトルクと補助磁極によるトルクの合
成トルクを最大にすることができる。また、磁極片を構
成することにより、永久磁石に発生する渦電流損を抑制
することができるとともに、永久磁石を固定でき、高速
回転までの遠心力に耐えうる構成とすることができる。
また、空隙部を設けることにより、磁気漏洩を減らす効
果を有し、高トルクの永久磁石回転子とすることができ
る。また、位相シフトを不要にすることができる。さら
に、渦電流での磁石内発熱による磁石磁束量の減少，減
磁等の影響はなくなるものである。また、さらに、強度
の高い構成とすることができ、より高い回転数の回転電
機を提供できる。

【００６２】次に、図７を用いて、本実施形態による永
久磁石回転電機を用いた電気自動車について説明する。
図７は、本発明の一実施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。

【００６３】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、図１，図２若しくは図６において説明し
た永久磁石回転電機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１３０の動力源と
しては、バッテリ１４０が備えられ、このバッテリ１４
０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１２０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。

【００６４】なお、以上の実施形態では、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。

【００６５】本実施形態によれば、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。

【００６６】なお、上述した各実施形態による永久磁石
回転電機は、図５に示した脈動トルクの小さい制御方式
である正弦波出力の制御回路で運転する場合に有効であ
るが、例えば、正弦波出力を行わない１２０度通電方式
の制御回路による運転の場合にはより効果的である。

【００６７】また、上述した各実施形態においては、回
転型のモ−タ駆動の適用した場合について示したが、こ
れに代えてリニアモ−タ駆動にも適用することができ
る。なお、多相の各巻線がラップしない集中巻構成の固
定子の場合にも適用できる。また、本実施形態による永
久磁石回転電機は、ル−ムエアコン用電動機、クリ−ナ
用電動機、ＡＣサ−ボモ−タ用電動機、洗濯機用電動機
その他特に可変速の駆動が要求される電動機とその制御
装置に適用できる。

【００６８】

【発明の効果】本発明によれば、永久磁石回転電機の発
生するトルクを大きくでき、したがって、運転効率が高
く、その結果、小型軽量にすることができる。

【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】本発明の一実施形態による永久磁石回転電機に
よって発生するトルクのベクトル図である。

【図４】本発明の一実施形態による永久磁石回転電機に
よって発生する合成トルクの説明図である。

【図５】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６】本発明の他の実施形態による永久磁石回転電機
に用いる回転子の構成を示す図である。

【図７】本発明の一実施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，３２Ａ…ヨーク部 ３２ｂ，３２Ｂ…ブリッジ部 ３２ｃ，３２Ｃ…補助磁極 ３２Ｄ…磁極片部 ３２Ｅ…空隙部 ３４…永久磁石 ３６…シャフト ４６，４８…エンドブラケット ４２，４４…ベアリング 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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小林 孝司 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

Claims (5)

【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、高
   透磁率の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、 複数の永久磁石により一つの極を構成するとともに、 この一つの極を構成する複数の永久磁石の間で、かつ、
   永久磁石の中心位置からずれた位置に配置された永久磁
   石よりも透磁率の高い磁性材料からなる補助磁極を備え
   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、 上記補助磁極は、上記一つの極を構成する永久磁石の中
   心位置より反回転方向に電気角で４５度移動させた位置
   に設けた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、 上記永久磁石の空隙側に、上記磁極片と上記補助突極と
   の間に磁気的な空隙部を備えたことを特徴とする永久磁
   石回転電機。
4. 【請求項４】請求項１記載の永久磁石回転電機におい
   て、 上記補助磁極の反空隙側に、周方向の幅を狭める空隙部
   を備えたことを特徴とする永久磁石回転電機。
5. 【請求項５】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、高
   透磁率の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
   機の制御装置において、 上記永久磁石回転電機は、複数の永久磁石により一つの
   極を構成するとともに、 この一つの極を構成する複数の永久磁石の間で、かつ、
   永久磁石の中心位置からずれた位置に配置された永久磁
   石よりも透磁率の高い磁性材料からなる補助磁極を、上
   記永久磁石に対して電気角で９０度ずらした位置に配置
   するとともに、 負荷の変化に対して通電角の位相をほぼ一定になるよう
   に制御することを特徴とする永久磁石回転電機の制御装
   置。