WO2010044426A1

WO2010044426A1 - 回転電機及び電気自動車

Info

Publication number: WO2010044426A1
Application number: PCT/JP2009/067795
Authority: WO
Inventors: 泰行齋藤; 剛志後藤; 中山　健一; 日野　徳昭; 愼治杉本
Original assignee: 日立オートモティブシステムズ株式会社
Priority date: 2008-10-16
Filing date: 2009-10-14
Publication date: 2010-04-22
Also published as: US20180048198A1; US10547222B2; US20190115796A1; US20110254474A1; EP2348611A4; CN104467226B; EP2348611B1; US9812913B2; KR101224722B1; US10177615B2; JP2010098830A; US20200136446A1; JP5433198B2; CN104467226A; CN102187546A; CN102187546B; US10840755B2; US9300176B2; US20160164354A1; EP2348611A1

Abstract

　回転電機は、固定子巻線を有する固定子と、固定子に対して所定の回転軸を中心に回転自在に設けられた回転子とを備える。回転子は、複数の磁石と、隣接する各磁石の極間に形成された複数の磁気的補助突極部と、磁気的補助突極部内であってその突極中心を通るｑ軸から回転軸の周方向にずれた位置に回転軸の軸方向に沿って設けられた磁気抵抗変化部とを有する。磁気抵抗変化部のｑ軸からのずれ量は、通電時のトルク脈動が互いに打ち消されるように磁気的補助突極部の位置に応じて異なっている。

Description

回転電機及び電気自動車

　本発明は、回転電機、およびその回転電機を備えた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。さらに上記の駆動用モータには、こうした永久磁石モータの内でも、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時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、回転子に埋め込んでいる磁石の外周側に配置された電磁鋼板に溝を設け、この溝を回転軸の周方向にずらして配置したモータが知られている（特許文献１参照）。

特開２００５－１７６４２４号公報

　上述した磁石の外周側に溝を設けたモータでは、非通電時および通電時のどちらの場合にも磁束が流れる場所に溝を設けている。そのため、例えば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、モータの性能（例えば効率，信頼性，コストパフォーマンス、または生産性など）を向上することを目的とする。

　本発明の第１の態様による回転電機は、固定子巻線を有する固定子と、固定子に対して所定の回転軸を中心に回転自在に設けられた回転子とを備える。回転子は、複数の磁石と、複数の磁石のうち隣接する各磁石の極間に形成された複数の磁気的補助突極部と、磁気的補助突極部内であって該磁気的補助突極部の突極中心を通るｑ軸から回転軸の周方向にずれた位置に、回転軸の軸方向に沿って設けられた磁気抵抗変化部とを有する。磁気抵抗変化部のｑ軸からのずれ量は、通電時のトルク脈動が互いに打ち消されるように磁気的補助突極部の位置に応じて異なっている。
　本発明の第２の態様によると、第１の態様の回転電機において、磁気抵抗変化部は磁気的空隙であることが好ましい。
　本発明の第３の態様によると、第２の態様の回転電機において、回転子における磁石の周方向の位置は、軸方向の位置によらず一定であることが好ましい。
　本発明の第４の態様によると、第２の態様の回転電機において、回転子は、軸方向に沿って設けられるとともに、磁石、磁気的補助突極部および磁気的空隙を各々有する複数の軸方向分割コアに分割されていてもよい。軸方向分割コア内における磁石の周方向の位置は、軸方向の位置によらず一定であることが好ましい。
　本発明の第５の態様によると、第４の態様の回転電機において、回転子は、磁気的空隙の周方向の位置がほぼ同一である複数の軸方向分割コアから成るコア群を複数有してもよい。コア群を構成する複数の軸方向分割コアの軸方向の厚さの合計は、コア群毎にほぼ同一であることが好ましい。
　本発明の第６の態様によると、第２の態様の回転電機において、磁気的空隙は、回転子の表面に形成された凹部としてよい。
　本発明の第７の態様によると、第６の態様の回転電機において、凹部の周方向の幅角度は、固定子に設けられた各ティース間のピッチ角の１／４から１／２の範囲であることが好ましい。
　本発明の第８の態様によると、第２の態様の回転電機において、磁気的空隙は、回転子の表面に形成された穴としてもよい。
　本発明の第９の態様によると、第８の態様の回転電機において、上記穴は、磁石が設けられている穴と一体に形成されていることが好ましい。
　本発明の第１０の態様によると、第１の態様の回転電機において、複数の磁石は、その磁化方向が軸方向と垂直な回転子の径方向であって、各磁石の磁化方向の向きが交互に逆向きになるように、周方向に並べて配置されていることが好ましい。
　本発明の第１１の態様によると、第１０の態様の回転電機において、磁石の各々は、磁化の向きがほぼ等しい複数の磁石からなる磁石群を構成してもよい。
　本発明の第１２の態様によると、第２の態様の回転電機において、磁気的補助突極部には磁気的空隙が複数設けられていてもよい。
　本発明の第１３の態様によると、第２の態様の回転電機において、磁気的空隙は、突極中心を通るｑ軸に対して非対称で、磁石の磁極中心を通るｄ軸に対して対称に配置されていてよい。
　本発明の第１４の態様によると、第２の態様の回転電機において、磁気的空隙は、突極中心を通るｑ軸に対して対称で、磁石の磁極中心を通るｄ軸に対して非対称に配置されていてもよい。
　本発明の第１５の態様によると、第１の態様の回転電機において、回転子は、磁気的空隙を構成する穴または切り欠きが形成された電磁鋼板を積層してそれぞれ成る複数の回転子コアを有してもよい。
　本発明の第１６の態様によると、第１５の態様の回転電機において、回転子コアの各々は、電磁鋼板を磁石の磁極ピッチ単位で周方向にずらすことで、磁気的空隙の位置を軸方向の位置に応じて異ならせることができる。
　本発明の第１７の態様によると、第２の態様の回転電機において、回転子は、磁石の配置を軸方向の位置に対応して周方向にずらす第１のスキュー構造と、磁気的空隙の配置を軸方向の位置に対応して周方向にずらす第２のスキュー構造とを有してもよい。
　本発明の第１８の態様によると、第１の態様の回転電機において、固定子巻線は、分布巻で巻回されていることが好ましい。
　本発明の第１９の態様による電気自動車は、第１の態様の回転電機と、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ものである。

　本発明によれば、モータの性能（例えば効率，信頼性，コストパフォーマンス、または生産性など）を向上することができる。

本発明の一実施の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１の電力変換装置６００の回路図を示す。図１の回転電機２００または回転電機２０２の断面図を示す。図３の回転子鉄心２５２の斜視図を示す。図３の回転子鉄心２５２の分解斜視図を示す。図３の固定子２３０および回転子２５０のＡ－Ａ断面図を示す。図３の固定子２３０および回転子２５０のＢ－Ｂ断面図を示す。図３の永久磁石２５４ｂの付近を拡大したＡ－Ａ断面図を示す。図３の永久磁石２５４ｂの付近を拡大したＢ－Ｂ断面図を示す。リラクタンストルクの説明図を示す。非通電時のＡ－Ａ断面の磁束分布を示す。領域４０１のみの回転電機の磁束分布を示す。領域４０２のみの回転電機の磁束分布を示す。非通電時のコギングトルクの波形を示す。非通電時の線間誘起電圧の波形を示す。通電時のＡ－Ａ断面の磁束分布を示す。領域４０１のみの回転電機の磁束分布を示す。領域４０２のみの回転電機の磁束分布を示す。通電時のトルク脈動の波形を示す。通電時の線間電圧の波形を示す。コギングトルク低減を説明する図であり、固定子鉄心２３２と回転子２５０の一部を示す断面図である。磁石極弧度τｍ／τｐの比とコギングトルクとの関係を示す図である。磁石極弧度τｍ／τｐおよび磁石穴極弧度τｇ／τｐを変化させた場合の最大トルクを示す図である。本発明の他の実施形態をなす表面磁石タイプの回転電機の固定子２３０および回転子２５０の断面を示す。本発明の他の実施形態をなす複数の磁石をＶ時形状に配置したタイプの回転電機の固定子２３０および回転子２５０の断面を示す。本発明の他の実施形態をなす固定子２３０および回転子２５０の断面を示す。本発明の他の実施形態をなす固定子２３０および回転子２５０の断面を示す。本発明の他の実施形態をなす固定子２３０および回転子２５０の断面を示す。本発明の他の実施形態をなす固定子２３０および回転子２５０の断面を示す。本発明の他の実施形態をなす固定子２３０および回転子２５０の断面を示す図であり、集中巻の回転電機を示す。本発明の他の実施形態をなす回転子鉄心２５２の斜視図を示す。本発明の他の実施形態をなす回転子鉄心２５２の分解斜視図を示す。固定子２３０および回転子２５０のコア３０１の部分を通るＡ－Ａ断面を示す。固定子２３０および回転子２５０のコア３０２の部分を通るＢ－Ｂ断面を示す。Ａ－Ａ断面の永久磁石２５４ｂの付近を拡大して示した図。Ｂ－Ｂ断面の永久磁石２５４ｂの付近を拡大して示した図。本発明の他の実施例をなす表面磁石タイプの回転電機を示す。本発明の他の実施例をなす複数の磁石をＶ時形状に配置したタイプの回転電機を示す。固定子２３０および回転子２５０の断面を示す図であり、磁気的空隙２５８を１つの補助突極部２５９ごとに２つ設けた回転電機を示す。本発明の他の実施例をなす固定子２３０および回転子２５０の断面図を示す。本発明の他の実施例をなす固定子２３０および回転子２５０の断面図を示す。本発明の他の実施例をなす固定子２３０および回転子２５０の断面図を示す。固定子２３０および回転子２５０の断面を示す図であり、集中巻の回転電機を示す。

　以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

　本実施形態による回転電機は、以下に説明するように、非通電時におけるコギングトルクと通電時におけるトルク脈動とをそれぞれ抑えることができ、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。

　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、統合制御装置１７０より下位の各制御装置、すなわち変速機制御装置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から、それぞれの状態を表す情報を、通信回線１７４を介して受け取る。統合制御装置１７０は、こ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の充電が必要が否かを判断し、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、その演算処理結果に基づく変速機制御装置１３４，エンジン制御装置１２４および電力変換装置６００への制御指令の送信を行う。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を運転するために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。このようなパワー半導体のスイッチング動作により、回転電機２００，２０２が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することにより、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充電が行われる。

　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三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、高電圧バッテリ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のソース電極とＩＧＢＴ２１のドレイン電極とが電気的に直列に接続されて構成されている。尚、本実施形態では、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のドレイン電極はバッテリ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のソース電極と下アーム側のＩＧＢＴのドレイン電極との接続部分）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、対応するパワーモジュール６１０，６２０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は各パワーモジュール６１０，６２０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あるいは回転電機２０２の断面図を示す。回転電機２００と回転電機２０２とはほぼ同じ構造であり、以下では回転電機２００の構造を代表例として説明する。尚、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無く、少なくとも一方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は固定子鉄心２３２と固定子巻線２３８とを備えている。固定子鉄心２３２の内側には、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は回転子鉄心２５２と永久磁石２５４と非磁性体のあて板２２６を備えており、回転子鉄心２５２はシャフト２１８に固定されている。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。

　図３に示すように、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に示す制御回路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に示す固定子巻線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の検出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の検出値に基づいて制御される。

　図４（ａ）は、回転子２５０の回転子鉄心２５２を示す斜視図である。回転子鉄心２５２は、図４（ｂ）に示すような２つのコア３０１，３０２から成る。コア３０２の軸方向長さＨ２は、コア３０１の軸方向長さＨ１のほぼ同じに設定されている。図５（ａ），図５（ｂ）は固定子２３０および回転子２５０の断面を示す図である。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（ａ），図５（ｂ）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。

　固定子鉄心２３２の内周側には、多数のスロット２４とティース２３６とが全周に渡って均等に配置されている。尚、図５（ａ），図５（ｂ）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２４内にはスロット絶縁（図示省略）が設けられ、固定子巻線２３８を構成するｕ相～ｗ相の複数の相巻線が装着されている。本実施例では、固定子巻線２３８の巻き方として分布巻を採用している。

　分布巻とは、複数のスロット２４を跨いで離間した２つのスロットに相巻線が収納されるように、相巻線が固定子鉄心２３２に巻かれる巻線方式である。本実施例では、巻線方式として分布巻を採用しているので、形成される磁束分布は正弦波状に近く、リラクタンストルクを得やすい。そのため、弱め界磁制御やリラクタンストルクを活用して、低回転速度だけでなく高回転速度までの広い回転数範囲についての制御が可能であり、電気自動車などのモータ特性を得るのに適している。

　また、回転子鉄心２５２の各コア３０１，３０２には、矩形の磁石が挿入される穴３１０が開けられており、その穴３１０には永久磁石２５４が埋め込まれ接着剤などで固定されている。穴３１０の円周方向の幅は、永久磁石２５４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の両側には磁気的空隙２５７が形成されている。この磁気的空隙２５７は接着剤を埋め込んでも良いし、整形樹脂で永久磁石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する。

　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。本実施の形態では、各永久磁石２５４は等間隔に１２個配置されており、回転子２５０は１２極になっている。

　永久磁石２５４は、磁化した後に回転子鉄心２５２に埋め込んでも良いし、磁化する前に回転子鉄心２５２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。磁化後の永久磁石２５４は強力な磁石であるため、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の固定時に回転子鉄心２５２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２５４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２５４を回転子鉄心２５２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２５４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２５４の残留磁束密度はほぼ０.４～１.３Ｔ程度である。

　図６（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。回転子鉄心２５２のコア３０１には、永久磁石２５４の両側に形成される磁気的空隙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。磁気的空隙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とその左側の磁石間の中心軸をｑ軸ａ、永久磁石２５４ｂとそ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６（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。回転子鉄心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（ａ）、図５（ｂ）、図６（ａ）及び図６（ｂ）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を形成することが出来る。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出来る。また、各コア３０１，３０２の穴３１０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３１０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３１０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７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いる。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。

　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。

　最初に、非通電時における磁気的空隙２５８の影響について説明する。図８（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、磁石端部の磁気的空隙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。固定子鉄心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はコギングトルクには影響を与えないことがわかる。

　図８（ｂ）は領域４０１のみ、図８（ｃ）は領域４０２のみのシミュレーション結果である。それぞれ、図８（ｂ）は領域４０１のみ、図８（ｃ）は領域４０２のみが周方向に１２極配置され、各極の永久磁石２５４の磁化方向が極毎に反転するように構成された回転電機を示している。図８（ｂ），図８（ｃ）も図８（ａ）同様の磁束分布となり、ｑ軸には磁束は通らない。

　図９（ａ）はコギングトルクの波形を示したものであり、図９（ｂ）は回転子２５０が回転したときに固定子側に発生する線間の誘起電圧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８（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８（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８（ｃ）の回転電機の場合を示す。図９（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。

　また、誘起電圧は回転する回転子２５０の磁石磁束が固定子巻線２３８と鎖交することにより発生する電圧であるが、図９（ｂ）に示すように誘起電圧波形も磁気的空隙２５８の有無に影響しないことがわかる。誘起電圧は図８（ａ）、図８（ｂ）及び図８（ｃ）に示したシミュレーション結果における磁石の磁束の反映であり、誘起電圧が変化していないということは、磁気的空隙２５８は磁石磁束に対してほとんど影響を与えていないことになる。

　次に、通電時における磁気的空隙２５８の影響について説明する。図１０（ａ）、図１０（ｂ）及び図１０（ｃ）は、固定子巻線２３８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８（ａ）に示したのと同様の回転電機についてのシミュレーション結果を示したものが図１０（ａ），図８（ｂ）に示したのと同様の回転電機についてのシミュレーション結果を示したものが図１０（ｂ），図８（ｃ）に示したのと同様の回転電機についてのシミュレーション結果を示したものが図１０（ｃ）である。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、固定子鉄心２３２のスロット２４に設けられている固定子巻線２３８のコイル２３３は、スロット深さ方向に対して２層に分かれている。スロット底側に配置されたコイル２３３は、隣のスロットを１スロット目と数えると、１スロット目から５スロット目までを跨いで６スロット離れたスロット２４の回転子側に挿入される短節巻である。短節巻は固定子起磁力の高調波を少なくでき、かつ、コイルエンドが短く、銅損が少なくなることが特徴である。また、この高調波低減の巻き方によって、三相モータに特有な６次のトルク脈動を少なくすることができ、ほぼ１２次の成分だけが残る。

　図１０（ａ）、図１０（ｂ）及び図１０（ｃ）を見ると、いずれのシミュレーション結果もｑ軸に磁束が流れている。これは、固定子２３０の電流が、ｑ軸に磁束を作るためである。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）では補助突極部２５９の磁束の流れを磁気的空隙２５８が変えていることが、磁気的空隙２５８のない図１０（ｃ）の結果との比較よりわかる。従って、補助突極部２５９にある磁気的空隙２５８は、通電時のみに磁気的な影響があるといえる。

　図１１（ａ）は通電時のトルク波形を示したものであり、図１１（ｂ）は通電時の線間電圧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Ｌ２１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１０（ａ）の回転子の場合を示し、ラインＬ２２は磁気的空隙２５８を有する領域４０１のみが配置される図１０（ｂ）の回転電機の場合を示し、ラインＬ２３は磁気的空隙２５８がない領域４０２のみが配置される図１０（ｃ）の回転電機の場合を示す。

　図１１（ａ）を見ると、本実施形態の回転電機は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Ｌ２３に対して、Ｌ２１，Ｌ２２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Ｌ２２と領域４０２のみの回転電機のトルク脈動Ｌ２３とは、位相がほぼ正反対になっている。図１０（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Ｌ２１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Ｌ２２とトルク脈動Ｌ２３の平均値となる。

　このように、本実施形態では、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。なお、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、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、ステータ巻線を短節巻にしていたことも功を奏している。

　また、通電時の電圧であるが、図１１（ｂ）に示すように磁気的空隙２５８の有無に影響していることがわかる。この場合、領域４０１で回転子２５０に対向する固定子巻線２３８の各相巻線と、領域４０２で回転子２５０に対向する固定子巻線２３８の各相巻線との間に電位差が生じ、各相それぞれに巻線を並列につないだ場合、循環電流が流れて損失が増加する。図６で示したように本実施例の回転電機はコア３０１を磁極１ピッチ分回転させることで形成したコア３０２を有しており、また図４（ｂ）で示したようにコア３０１とコア３０２の軸長をほぼ等しく設定しているため、各極に対向する固定子巻線２３８の各相巻線に発生する電圧をほぼ等しくすることが出来、ほとんど循環電流は流れない。但し、領域４０１，領域４０２で回転子２５０に対向する固定子巻線２３８の各相巻線を直列につないだ場合、循環電流はほとんど流れないため、コア３０１のみ、もしくはコア３０２のみの構成でも問題ない。

　上述したように、磁気的空隙２５８ａ，２５８ｂの形成は非通電時のコギングトルクに対して影響を与えない。そのため、従来行われているようなコギングトルクの低減方法を適用することで、通電時トルク脈動の低減とは別個にコギングトルクの低減を図ることができる。本実施の形態では、以下のような構成とすることでコギングトルクの低減を図るようにしている。

　図１２，図１３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１２は、回転子２５０と固定子鉄心２３２の一部を示す断面図である。図１２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磁気的空隙２５７とをあわせた角度、すなわち、図４に示した穴３１０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１３は、磁石極弧度τｍ／τｐの比とコギングトルクとの関係を示す図である。なお、図１３に示した結果は、τｍ＝τｇとした場合であり、また永久磁石２５４と磁気的空隙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、考え方として同じであることは言うまでもない。図１３において、縦軸はコ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程度に選ぶとコギングトルクを小さくすることができる。また、図９（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傾向は、図１３の磁石幅と極ピッチの比τｍ／τｐがいかなるところでも同じように適用できる。そのため、上記条件のもとで回転子２５０の形状を図５に示すような形状とすることで、コギングトルクと通電時のトルク脈動の両方を小さくすることができる。

　図１３に示す例では、τｍ＝τｇとして説明したが、補助突極部２５９の効果であるリラクタンストルクを効率よく利用するためには、磁石穴極弧度τｇ／τｐを０.５～０.９程度、より好ましくは０.７～０.８程度に設定するのが良い。

　図１４は磁石極弧度τｍ／τｐおよび磁石穴極弧度τｇ／τｐを変化させた場合の最大トルクの計算例である。図１３同様、永久磁石２５４と磁気的空隙２５７を回転子２５０の外周と同心の扇形とした場合である。横軸は、磁石穴極弧度τｇ／τｐを示しており、この値が０.７ということは、極間ピッチに対する補助突極部２５９の比が０.３であることを示している。ここで、磁石幅τｍは磁石穴の開き角τｇよりも大きくできないので、τｇ≧τｍとなる。τｍが増えると永久磁石２５４の幅が増えるから、トルクが増える。一方、τｍが一定の場合、τｇには最適値があり、τｇ／τｐが０.７～０.８程度において最大トルクが最も大きくなる。これは、補助突極部２５９の大きさには適当な値があり、それよりもτｇを大きくしすぎたり、小さくしすぎたりするとリラクタンストルクが小さくなってしまうためである。τｍが０.７５よりも大きい場合には、なるべく補助突極部２５９が大きくなるように、τｍ＝τｇが望ましいことになる。

　このように、τｇ／τｐを０.７～０.８程度としたときにリラクタンストルクを最も効率よく利用することができ、永久磁石２５４を小さくすることができる。永久磁石２５４に希土類の焼結磁石を用いる場合、磁石は他の材料に比べてきわめて高価なので、磁石量を最も効果的に使うことが求められる。また、永久磁石２５４が小さくなることから、永久磁石２５４の磁束による誘起電圧を小さくすることができ、回転電機をより高速に回転させることができる。そのため、電気自動車には、本実施の形態のようなリラクタンストルクを利用した回転電機が一般的に用いられる。

　図１５（ａ），図１５（ｂ）は、本発明の他の実施形態をなす回転子を示す。以下で説明する事項以外は実施例１と同様である。

　図１５（ａ）は表面磁石タイプの回転子であり、図１５（ｂ）は複数の磁石をＶ時形状に配置した回転子である。どの回転子においても永久磁石２５４間には補助突極部２５９が設けられており、補助突極部２５９には磁気的空隙２５８が配置されている。磁気的空隙２５８はそれぞれ、回転子２５０内周側から見て永久磁石２５４ａとその左側の磁石間の中心軸をｑ軸ａ、永久磁石２５４ｂとそ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がｑ軸ａに対して右側に、磁気的空隙２５８ｂが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。図１５（ａ）、図１５（ｂ）は回転子のＡ－Ａ断面を示したものであり、上述した実施の形態と同様に、Ｂ－Ｂ断面は、Ａ－Ａ断面の形状を磁極１ピッチ分回転させることで形成された形状となる。図８（ａ）、図８（ｂ）及び図８（ｃ）で説明したように、本実施例におけるトルク脈動の低減は、磁石の磁束に影響されるものではないため、磁石の形状に依存しない。

　図１６は本実施例の磁気的空隙２５８を１つの補助突極部２５９ごとに２つ設けることによりトルク脈動低減を実現したものである。

　この形状はそれぞれ、回転子２５０内周側から見て永久磁石２５４ａとその左側の磁石間の中心軸をｑ軸ａ、永久磁石２５４ｂとその左側の磁石間の中心軸をｑ軸ｂとすると、ｑ軸ａに対して右側の磁気的空隙２５８ａが大きく、ｑ軸ａに対して左側の磁気的空隙２５８ｅが小さく、ｑ軸ｂに対して右側の磁気的空隙２５８ｂが大きく、ｑ軸ｂに対して左側の磁気的空隙２５８ｆが小さく配置される。さらに、磁気的空隙２５８ａと２５８ｂ、磁気的空隙２５８ｅと２５８ｆは磁極の中心軸であるｄ軸に対称に配置されている。図１６は回転子のＡ－Ａ断面を示したものであり、上述した実施の形態と同様に、Ｂ－Ｂ断面は、Ａ－Ａ断面の形状を磁極１ピッチ分回転させることで形成された形状となる。これ以外の事項は実施例１で説明した内容を同様である。

　図５（ａ）図５（ｂ）、図１５（ａ）、図１５（ｂ）及び図１６に示す例では磁気的空隙２５８を回転子２５０の外周に設けられた溝としていたが、図１７（ａ）に示すように補助突極２５９内にある穴としてもよい。また、図１７（ｂ）に示すように磁気的空隙２５７と磁気的空隙２５８を一体としてもよい。さらには図１７（ｃ）に示すように、補助突極部２５９に透磁率の違う部位を設けることでも実現できる。図１７（ｃ）では補助突極部２５９ａの透磁率が補助突極部２５９ｂの透磁率よりも低く設定されている。これ以外の事項は実施例１で説明した内容と同様である。

　図１８は、図５（ａ）及び（ｂ）に示す固定子巻線２３８を集中巻きにした場合を示す。本実施形態におけるトルク脈動は回転子２５０の形状に依存するものなので、固定子側の巻線方式が異なる集中巻の場合も、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で説明した内容を同様である。

　図１９（ａ）は、本発明の他の実施例をなす回転子２５０の回転子鉄心２５２を示す斜視図である。以下で説明する事項以外は実施例１と同様である。

　回転子鉄心２５２は、図１９（ｂ）に示すような２つのコア３０１，３０２から成る。コア３０２の軸方向長さＨ２は、コア３０１の軸方向長さＨ１のほぼ同じに設定されている。図２０（ａ）、図２０（ｂ）は固定子２３０および回転子２５０の断面を示す図である。図２０（ａ）はコア３０１の部分を通るＡ－Ａ断面図（図３参照）であり、図２０（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２０（ａ）及び図２０（ｂ）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。

　固定子鉄心２３２の内周側には、多数のスロット２４とティース２３６とが全周に渡って均等に配置されている。尚、図２０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２４内にはスロット絶縁（図示省略）が設けられ、固定子巻線２３８を構成するｕ相～ｗ相の複数の相巻線が装着されている。本実施例では、固定子巻線２３８の巻き方として分布巻を採用している。

　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。本実施形態では、各永久磁石２５４は等間隔に１２個配置されており、回転子２５０は１２極になっている。

　図２１（ａ）は、図２０（ａ）に示した断面図の一部を拡大して示したものである。回転子鉄心２５２のコア３０１には、永久磁石２５４の両側に形成される磁気的空隙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。磁気的空隙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とその左側の磁石間の中心軸をｑ軸ａ、永久磁石２５４ｂとそ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ａに対して左側にずれて配置され、ｑ軸ｂの左右には磁気的空隙はない。さらに、磁気的空隙２５８ａと磁気的空隙２５８ｂは、磁石間の中心軸であるｑ軸に対称に配置されている。

　一方、図２１（ｂ）は、図２０（ｂ）に示した断面図の一部を拡大して示したものである。回転子鉄心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ｂに対して右側に、磁気的空隙２５８ｄはｑ軸ｂに対して左側にずれて配置され、ｑ軸ａの左右には磁気的空隙はない。図２０（ａ）、図２０（ｂ）、図２１（ａ）及び図２１（ｂ）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２５８ｃ，２５８ｂと２５８ｄ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を形成することが出来る。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出来る。また、各コア３０１，３０２の穴３１０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３１０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３１０の軸方向に積層するように設けても構わない。

　図２１（ａ）に示される回転電機は、領域４０３と領域４０４とを交互に配置する構成になっている。ここで、図２１（ａ）の領域４０３は図８（ａ）の領域４０１と等価、図２１（ａ）の領域４０４は図８（ａ）の領域４０２と等価であり、図２１（ａ）に示される実施例の回転電機は、磁気的空隙２５８の配置される位置は違うものの、図６（ａ）に示される実施例の回転電機と電気的，磁気的に等価であると言える。すなわち、本実施例の場合も、領域４０３と領域４０４とでは異なるトルク脈動が発生し、それらが相殺し合うように作用することでトルク脈動を低減することができる。また、実施例１と同様に、磁気的空隙２５８は補助突極部２５９の部分に形成されているため、コギングトルクにはほとんど影響を与えることはない。すなわち、磁気的空隙２５８を設けることで、コギングトルクの脈動への影響は抑え、ほぼ独立して通電時トルク脈動の低減を図ることができる。

　また、図２１（ａ）及び（ｂ）で示したように本実施例の回転電機はコア３０１を磁極１ピッチ分回転させることで形成したコア３０２を有しており、また図１９（ｂ）で示したようにコア３０１とコア３０２の軸長をほぼ等しく設定しているため、各極に対向する固定子巻線２３８の各相巻線に発生する電圧をほぼ等しくすることが出来、ほとんど循環電流は流れない。但し、領域４０３，領域４０４で回転子２５０に対向する固定子巻線２３８の各相巻線を直列につないだ場合、循環電流はほとんど流れないため、コア３０１のみ、もしくはコア３０２のみの構成でも問題ない。

　図２２（ａ）、図２２（ｂ）は、本発明の他の実施例をなす回転子を示す。以下で説明する事項以外は上記実施例と同様である。

　図２２（ａ）は表面磁石タイプの回転子であり、図２２（ｂ）は複数の磁石をＶ時形状に配置した回転子である。どの回転子においても永久磁石２５４間には補助突極部２５９が設けられており、補助突極部２５９には磁気的空隙２５８が配置されている。磁気的空隙２５８はそれぞれ、回転子２５０内周側から見て永久磁石２５４ａとその左側の磁石間の中心軸をｑ軸ａ、永久磁石２５４ｂとそ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がｑ軸ａに対して右側に、磁気的空隙２５８ｂがｑ軸ａに対して左側にずれて配置され、ｑ軸ｂの左右には磁気的空隙はない。さらに、磁気的空隙２５８ａと磁気的空隙２５８ｂは、磁石間の中心軸であるｑ軸に対称に配置されている。図２２（ａ）及び図２２（ｂ）は回転子のＡ－Ａ断面を示したものであり、上述した実施の形態と同様に、Ｂ－Ｂ断面は、Ａ－Ａ断面の形状を磁極１ピッチ分回転させることで形成された形状となる。図８（ａ）、図８（ｂ）及び図８（ｃ）で説明したように本実施例におけるトルク脈動の低減は、磁石の磁束に影響されるものではないため、磁石の形状に依存しない。

　図２３は本実施例の磁気的空隙２５８を１つの補助突極部２５９ごとに２つ設けることによりトルク脈動低減を実現したものであり、その形状はそれぞれ、回転子２５０内周側から見て永久磁石２５４ａとその左側の磁石間の中心軸をｑ軸ａ、永久磁石２５４ｂとその左側の磁石間の中心軸をｑ軸ｂとすると、ｑ軸ａの左右の磁気的空隙２５８ａ，２５８ｂは大きく、ｑ軸ｂの左右の磁気的空隙２５８ｅ，２５８ｆは小さく配置される。さらに、磁気的空隙２５８ａと２５８ｂ、磁気的空隙２５８ｅと２５８ｆは磁石間の中心軸であるｑ軸に対称に配置されている。図２３は回転子のＡ－Ａ断面を示したものであり、上述した実施の形態と同様に、Ｂ－Ｂ断面は、Ａ－Ａ断面の形状を磁極１ピッチ分回転させることで形成された形状となる。

　なお、図２０（ａ）、図２０（ｂ）、図２２（ａ）、図２２（ｂ）及び図２３に示す例では磁気的空隙２５８を回転子２５０の外周に設けられた溝としていたが、図２４（ａ）に示すように補助突極部２５９内にある穴としてもよく、また図２４（ｂ）に示すように磁気的空隙２５７と磁気的空隙２５８を一体としてもよい。さらには図２４（ｃ）に示すように、補助突極部２５９に透磁率の違う部位を設けることでも実現できる。図２４（ｃ）では補助突極部２５９ａの透磁率が補助突極部２５９ｂの透磁率よりも低く設定されている。

　図２５は、図２０に示す固定子巻線２３８を集中巻きにした場合を示す。本実施形態におけるトルク脈動は回転子２５０の形状に依存するものなので、固定子側の巻線方式が異なる集中巻の場合も、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。

　上記した種々の実施例は、次のような作用効果を奏する。
（１）補助突極部２５９に磁気的空隙２５８ａ，２５８ｂを設け、各磁気的空隙２５８ａ，２５８ｂにより生じる通電時のトルク脈動が互いに打ち消されるように、磁気的空隙２５８ａと磁気的空隙２５８ｂを補助突極部２５９ごとにずらして配置した。その結果、通電時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の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。
（２）非通電時には、磁気的空隙２５８は磁石磁束に対して影響を殆ど与えない。そのため、永久磁石２５４の磁束に起因するコギングトルクの低減対策と、通電時のトルク脈動の低減対策とを独立して個別に行うことができる。その結果、コギングトルクが小さく、かつ、通電時のトルクが大きくなるような磁石トルクの最適化と、通電時のトルク脈動の低減との両立を図ることができる。従来は、トルクが最大となるように磁石を構成してから、コギングトルクが小さくなるようにスキュー等を施していたので、それによってトルク（磁石トルク）が小さくなる欠点があったが、本実施の形態ではトルク脈動低減に伴うトルク低下を避けることができる。
（３）上述したように、トルク脈動低減に伴う磁石トルクの低下を防止できるので、磁石を極力小さくすることができ、回転電機の小型化およびコスト低減を図ることができる。
（４）補助突極部２５９に設けられた磁気的空隙２５８ａ，２５８ｂの位置をずらすことで、通電時のトルク脈動の低減を図るようにしているので、従来のスキュー構造のように永久磁石２５４を軸方向に関して複数に分割したり、着磁をスキューさせたりする必要がない。永久磁石２５４には、例えばネオジウム系に代表される希土類磁石が用いられるが、希土類磁石では磁石整形を研磨加工で行うため、製造誤差の精度を上げることはコスト増に直結する。そのため、磁石を軸方向に分割する必要のない本実施の形態によれば、回転電機の低コスト化を図ることができる。また、磁石公差の積み上げで性能ばらつきが増えたり、歩留まりが悪くなったりするという心配がない。このように、本実施の形態によれば、回転電機の生産性および生産コストの低減を図ることができる。

　上記の実施例によれば、コギングトルクの低減と通電時のトルク脈動の低減とを図ることが可能である。磁気抵抗を変化させた部位に起因する通電時のトルク脈動が打ち消されるように、磁気抵抗を変化させた部位のｑ軸から周方向へのずれ量を磁気的補助突極部ごとに異ならせることで、トルク脈動の低減を図ることができる。

　尚、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。

　次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
　日本国特許出願２００８年第２６６９５２号（２００８年１０月１６日出願）

１００　車両
１８０　バッテリ
２００，２０２　回転電機
２１２，２１４　ハウジング
２３０　固定子
２３２　固定子鉄心
２３６　ティース
２３８　固定子巻線
２５０　回転子
２５２　回転子鉄心
２５４　永久磁石
２５７，２５８　磁気的空隙
２５９　補助突極部
３０１，３０２　コア
３１０　穴

Claims

　固定子巻線を有する固定子と、
　前記固定子に対して所定の回転軸を中心に回転自在に設けられた回転子とを備え、
　前記回転子は、複数の磁石と、前記複数の磁石のうち隣接する各磁石の極間に形成された複数の磁気的補助突極部と、前記磁気的補助突極部内であって該磁気的補助突極部の突極中心を通るｑ軸から前記回転軸の周方向にずれた位置に、前記回転軸の軸方向に沿って設けられた磁気抵抗変化部とを有し、
　前記磁気抵抗変化部のｑ軸からのずれ量は、通電時のトルク脈動が互いに打ち消されるように前記磁気的補助突極部の位置に応じて異なっている回転電機。
　請求項１記載の回転電機において、
　前記磁気抵抗変化部は、磁気的空隙である。
　請求項２記載の回転電機において、
　前記回転子における前記磁石の前記周方向の位置は、前記軸方向の位置によらず一定である。
　請求項２記載の回転電機において、
　前記回転子は、前記軸方向に沿って設けられるとともに、前記磁石，前記磁気的補助突極部および前記磁気的空隙を各々有する複数の軸方向分割コアに分割され、
　前記軸方向分割コア内における前記磁石の前記周方向の位置は、前記軸方向の位置によらず一定である。
　請求項４記載の回転電機において、
　前記回転子は、前記磁気的空隙の前記周方向の位置がほぼ同一である複数の前記軸方向分割コアから成るコア群を複数有し、
　前記コア群を構成する複数の前記軸方向分割コアの前記軸方向の厚さの合計は、前記コア群毎にほぼ同一である。
　請求項２記載の回転電機において、
　前記磁気的空隙は、前記回転子の表面に形成された凹部である。
　請求項６記載の回転電機において、
　前記凹部の前記周方向の幅角度は、前記固定子に設けられた各ティース間のピッチ角の１／４から１／２の範囲である。
　請求項２記載の回転電機において、
　前記磁気的空隙は、前記回転子の表面に形成された穴である。
　請求項８記載の回転電機において、
　前記穴は、前記磁石が設けられている穴と一体に形成されている。
　請求項１記載の回転電機において、
　前記複数の磁石は、その磁化方向が前記軸方向と垂直な前記回転子の径方向であって、各磁石の磁化方向の向きが交互に逆向きになるように、周方向に並べて配置されている。
　請求項１０に記載の回転電機において、
　前記磁石の各々は、磁化の向きがほぼ等しい複数の磁石からなる磁石群を構成している。
　請求項２記載の回転電機において、
　前記磁気的補助突極部には、前記磁気的空隙が複数設けられている。
　請求項２記載の回転電機において、
　前記磁気的空隙は、前記突極中心を通る前記ｑ軸に対して非対称で、前記磁石の磁極中心を通るｄ軸に対して対称に配置されている。
　請求項２記載の回転電機において、
　前記磁気的空隙は、前記突極中心を通る前記ｑ軸に対して対称で、前記磁石の磁極中心を通るｄ軸に対して非対称に配置されている。
　請求項１記載の回転電機において、
　前記回転子は、磁気的空隙を構成する穴または切り欠きが形成された電磁鋼板を積層してそれぞれ成る複数の回転子コアを有する。
　請求項１５記載の回転電機において、
　前記回転子コアの各々は、前記電磁鋼板を前記磁石の磁極ピッチ単位で前記周方向にずらすことで、前記磁気的空隙の位置を前記軸方向の位置に応じて異ならせる。
　請求項２記載の回転電機において、
　前記回転子は、前記磁石の配置を前記軸方向の位置に対応して前記周方向にずらす第１のスキュー構造と、前記磁気的空隙の配置を前記軸方向の位置に対応して前記周方向にずらす第２のスキュー構造とを有する。
　請求項１記載の回転電機において、
　前記固定子巻線は、分布巻で巻回されている。
　請求項１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た電気自動車。