WO2013051618A1

WO2013051618A1 - 回転電機及び電動車両

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Publication number: WO2013051618A1
Application number: PCT/JP2012/075672
Authority: WO
Inventors: 秀俊江夏; 菊地　聡; 松延　豊; 小田　圭二; 泰行齋藤; 学押田
Original assignee: 日立オートモティブシステムズ株式会社
Priority date: 2011-10-04
Filing date: 2012-10-03
Publication date: 2013-04-11
Also published as: JP2013081303A; JP5745379B2; US20140246944A1

Abstract

　回転電機は、複数のスロットが形成された固定子コアと、各スロット内に収納される複数の固定子コイルとを有する固定子と、固定子の内周側に配置される回転子とを含む。複数のスロットは第１のスロットと第２のスロットとを含み、第１のスロット内に収納される同相コイルの数と複数のコイルの数との第１の比が所定比を超えるとともに、第２のスロット内に収納される同相コイルの数と複数のコイルの数との第２の比が所定比以下であるとき、第１のスロットが回転子側に面して有する第１のスロット開口の幅は、０以上であって、かつ第２のスロットが回転子側に面して有する第２のスロット開口の幅よりも小さい。

Description

回転電機及び電動車両

　本発明は、モータや発電機などの回転電機、及び回転電機を走行駆動用に搭載した電動車両に関する。

　車両用の回転電機、例えばハイブリッド電気自動車の駆動用モータなどでは、座席より数メートルの距離に設置されるため、騒音が問題になる。そのため、例えば特許文献１に記載のように、円環振動の節の位置に応じてフレームの肉厚を変えることで、騒音を低減する技術が知られている。

日本国特開平１１－４１８５５号公報

　しかしながら、上述したような条件にある自動車の場合は更なる静粛性が求められる。そのため、特許文献１に開示されているように発生する振動に対する対応だけでなく、モータ特性を保ったまま騒音の原因である電磁加振力そのものを減らすことが求められている。

　本発明の１つの態様によると、回転電機は、周方向に並んだ複数のスロットが形成された固定子コアと、複数のスロットの各スロット内に収納される複数の固定子コイルとを有し、回転磁界を発生する固定子と、固定子の内周側に配置され、回転磁界に応じて回転する回転子とを備える。複数のスロットは第１のスロットと第２のスロットとを含み、第１のスロット内に収納される複数のコイルの内の同相コイルの数と、第１のスロット内に収納される複数のコイルの数との第１の比が所定比を超えるとともに、第２のスロット内に収納される複数のコイルの内の同相コイルの数と、第２のスロット内に収納される複数のコイルの数との第２の比が所定比以下であるとき、第１のスロットが回転子側に面して有する第１のスロット開口の幅は、０以上であって、かつ第２のスロットが回転子側に面して有する第２のスロット開口の幅よりも小さい。

　本発明によれば、回転電機特性をほぼ維持したまま、騒音の原因である電磁加振力を低減することができる。

本実施の形態の誘導回転電機が適用される電動車両の概略構成を示すブロック図である。インバータ装置の構成を示す図である。本実施形態の回転電機を示す平面図である。ロータバーとエンドリングとを示す図である。回転電機の固定子と回転子とが対向している部分の拡大図である。スロット内の固定子コイルの配置を示す図である。固定子のスロットに起因する磁束密度高調波、及び、固定子起磁力に起因する磁束密度高調波の概念を説明する図である。他の固定子コイル構成の場合のスロット形状を示す図である。スロット形状の変形例を示す図である。スロット形状の変形例を示す図である。スロット形状の変形例を示す図である。各スロット内のコイル導体数（固定子コイルの数）が２の場合のスロット形状を示す図である固定子スロット数７２における磁束密度の２乗値を従来例と本発明とで比較した図である。固定子スロット数４８における磁束密度の２乗値を従来例と本発明とで比較した図である。固定子スロット数７２における電磁加振力を従来例と本発明とで比較した図である。固定子スロット数７２における脈動トルクを従来例と本発明とで比較した図である。固定子スロット数７２における効率を従来例と本発明とで比較した図である。ＩＰＭにおける磁束密度の２乗値を従来例と本発明とで比較した図である。

　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。図１は、本実施の形態の誘導回転電機が適用される電動車両の概略構成を示すブロック図である。本実施の形態における誘導回転電機が搭載される電動車両の例として、２つの異なる動力源を持つハイブリッド電気自動車を以下に説明する。

　本実施の形態における誘導回転電機として回転電機ＭＧ１及びＭＧ２を走行駆動用に搭載するハイブリッド電気自動車は、内燃機関であるエンジンＥＮＧと回転電機ＭＧ１とが前輪ＦＬＷ及びＦＲＷを駆動し、かつ回転電機ＭＧ２が後輪ＲＬＷ及びＲＲＷを駆動する四輪駆動式の自動車である。本実施形態では、エンジンＥＮＧと回転電機ＭＧ１とが前輪ＷＦＬＷ及びＦＲＷを駆動し、かつ回転電機ＭＧ２が後輪ＲＬＷ及びＲＲＷを駆動する場合について説明する。回転電機ＭＧ１が前輪ＷＦＬＷ及びＦＲＷを駆動し、かつエンジンＥＮＧと回転電機ＭＧ２とが後輪ＲＬＷ及びＲＲＷを駆動するようにしてもよい。

　前輪ＦＬＷ及びＦＲＷの前輪車軸ＦＤＳには差動装置ＦＤＦを介して変速機Ｔ／Ｍが機械的に接続されている。変速機Ｔ／Ｍには動力分配機構ＰＳＭを介して回転電機ＭＧ１とエンジンＥＮＧとが機械的に接続されている。動力分配機構ＰＳＭは、エンジンＥＮＧによる回転駆動力と回転電機ＭＧ１回転駆動力との合成や分配を司る機構である。回転電機ＭＧ１の固定子コイルにはインバータ装置ＩＮＶの交流側が電気的に接続されている。インバータ装置ＩＮＶは、直流電力を三相交流電力に変換し、回転電機ＭＧ１の駆動を制御する。インバータ装置ＩＮＶの直流側にはバッテリＢＡＴが電気的に接続されている。

　後輪ＲＬＷ及びＲＲＷの後輪車軸ＲＤＳには差動装置ＲＤＦと、減速機ＲＧを介して回転電機ＭＧ２とが機械的に接続されている。回転電機ＭＧ２の固定子コイルにはインバータ装置ＩＮＶの交流側が電気的に接続されている。インバータ装置ＩＮＶは、回転電機ＭＧ１及びＭＧ２に対して共用であって、回転電機ＭＧ１用のパワーモジュールＰＭＵ１及び駆動回路装置ＤＣＵ１と、回転電機ＭＧ２用のパワーモジュールＰＭＵ２及び駆動回路装置ＤＣＵ２と、モータ制御装置ＭＣＵとを含む。

　エンジンＥＮＧにはスタータＳＴＲが取り付けられている。スタータＳＴＲはエンジンＥＮＧを始動させる。

　エンジン制御装置ＥＣＵは、エンジンＥＮＧの各コンポーネント機器（絞り弁、燃料噴射弁など）を動作させるための制御値を、センサや他の制御装置などからの入力信号に基づいて演算する。この制御値は制御信号としてエンジンＥＮＧの各コンポーネント機器の各駆動装置に出力される。これにより、エンジンＥＮＧの各コンポーネント機器の動作が制御される。

　変速機Ｔ／Ｍの動作は変速機制御装置ＴＣＵによって制御されている。変速機制御装置ＴＣＵは、変速機構を動作させるための制御値を、センサや他の制御装置などからの入力信号に基づいて演算する。この制御値は制御信号として変速機構の駆動装置に出力される。これにより、変速機Ｔ／Ｍの変速機構の動作が制御される。

　バッテリＢＡＴは、バッテリ電圧が２００Ｖ以上の高電圧のリチウムイオンバッテリである。バッテリ制御装置ＢＣＵによって、バッテリＢＡＴの充放電や寿命などが管理されている。バッテリ制御装置ＢＣＵには、バッテリＢＡＴの充放電や寿命などを管理するために、バッテリＢＡＴの電圧値及び電流値などが入力されている。図示を省略したが、バッテリＢＡＴのほかに、バッテリ電圧１２Ｖの低圧バッテリも搭載されている。その低圧バッテリは、制御系の電源、ラジオやライトなどの電源として用いられている。

　エンジン制御装置ＥＣＵ、変速機制御装置ＴＣＵ、モータ制御装置ＭＣＵ及びバッテリ制御装置ＢＣＵといった制御装置は、車載用ローカルエリアネットワークＬＡＮを介して相互に電気的に接続されていると共に、総合制御装置ＧＣＵと電気的に接続されている。これにより、上記制御装置の相互間で双方向の信号伝送が可能になり、相互の情報伝達及び検出値の共有などが可能になる。総合制御装置ＧＣＵは、車両の運転状態に応じて上記各制御装置に指令信号を出力する。例えば総合制御装置ＧＣＵは、運転者の加速要求に基づいたアクセルペダルの踏み込み量に応じて車両の必要トルク値を算出する。総合制御装置ＧＣＵは、この算出した必要トルク値を、エンジンＥＮＧの運転効率が良くなるように、エンジンＥＮＧ側の出力トルク値と回転電機ＭＧ１側の出力トルク値とに分配する。総合制御装置ＧＣＵは、エンジンＥＮＧ側の出力トルク値をエンジントルク指令信号としてエンジン制御装置ＥＣＵに出力し、回転電機ＭＧ１側の出力トルク値をモータトルク指令信号としてモータ制御装置ＭＣＵに出力する。

　本実施形態のハイブリッド電気自動車の動作について説明する。ハイブリッド電気自動車の始動時及びエンジンＥＮＧの運転効率（燃費）が低下する低速走行時は、回転電機ＭＧ１が前輪ＦＬＷ及びＦＲＷを駆動する。本実施形態では、ハイブリッド電気自動車の始動時及び低速走行時に回転電機ＭＧ１が前輪ＦＬＷ及びＦＲＷを駆動する場合について説明する。回転電機ＭＧ１が前輪ＦＬＷ及びＦＲＷを駆動し、かつ回転電機ＭＧ２が後輪ＲＬＷ及びＲＲＷを駆動することによって、ハイブリッド電気自動車が四輪駆動走行をするようにしてもよい。

　インバータ装置ＩＮＶにはバッテリＢＡＴから直流電力が供給される。供給された直流電力はインバータ装置ＩＮＶによって三相交流電力に変換される。これによって得られた三相交流電力は回転電機ＭＧ１の固定子コイルに供給される。これにより、回転電機ＭＧ１は駆動され、回転電機ＭＧ１の駆動力と回転電機ＭＧ１の回転速度との積に応じて決定される回転出力を発生する。この回転出力は動力分配機構ＰＳＭを介して変速機Ｔ／Ｍに入力される。入力された回転出力を決定する回転速度は変速機Ｔ／Ｍによって変速され、変速された回転速度に応じて決定される回転出力が差動装置ＦＤＦに入力される。入力された回転出力は差動装置ＦＤＦによって左右に分配され、左右の前輪車軸ＦＤＳにそれぞれ伝達される。これにより、前輪車軸ＦＤＳが回転駆動される。そして、前輪車軸ＦＤＳの回転駆動によって前輪ＦＬＷ及びＦＲＷが回転駆動される。

　ハイブリッド電気自動車の通常走行時、すなわち、ハイブリッド電気自動車が例えば乾いた路面を走行する時であってかつエンジンＥＮＧの運転効率（燃費）が良い状態にある時は、エンジンＥＮＧが前輪ＦＬＷ及びＦＲＷを駆動する。このため、エンジンＥＮＧの回転出力は動力分配機構ＰＳＭを介して変速機Ｔ／Ｍに入力される。入力された回転出力を決定する回転速度は変速機Ｔ／Ｍによって変速される。変速された回転速度に応じて決定される回転出力は差動装置ＦＤＦを介して前輪車軸ＦＤＳに伝達される。これにより、前輪ＦＬＷ及びＦＲＷが回転駆動される。

　総合制御装置ＧＣＵは、バッテリＢＡＴの充電状態を検出し、バッテリＢＡＴを充電する必要がある場合は、エンジンＥＮＧの回転出力を、動力分配機構ＰＳＭを介して回転電機ＭＧ１に分配し、回転電機ＭＧ１を回転駆動させる。これにより、回転電機ＭＧ１は発電機として動作する。この動作により、回転電機ＭＧ１の固定子コイルに三相交流電力が発生する。この発生した三相交流電力はインバータ装置ＩＮＶによって所定の直流電力に変換される。この変換によって得られた直流電力はバッテリＢＡＴに供給される。これにより、バッテリＢＡＴは充電される。

　ハイブリッド電気自動車の四輪駆動走行時、すなわち、ハイブリッド電気自動車が例えば雪道などの低μ路を走行する時であってかつエンジンＥＮＧの運転効率（燃費）が良い状態にある時は、回転電機ＭＧ２が後輪ＲＬＷ及びＲＲＷを駆動するとともに、上記通常走行と同様に、エンジンＥＮＧが前輪ＦＬＷ及びＦＲＷを駆動する。回転電機ＭＧ１の駆動によってバッテリＢＡＴの蓄電量が減少するので、総合制御装置ＧＣＵは、上記通常走行と同様に、エンジンＥＮＧの回転出力によって回転電機ＭＧ１を回転駆動させてバッテリＢＡＴを充電する。回転電機ＭＧ２が後輪ＲＬＷ及びＲＲＷを駆動することができるように、インバータ装置ＩＮＶにはバッテリＢＡＴから直流電力が供給される。供給された直流電力はインバータ装置ＩＮＶによって三相交流電力に変換され、この変換によって得られた交流電力が回転電機ＭＧ２の固定子コイルに供給される。これにより、回転電機ＭＧ２は駆動され、回転出力が発生する。発生した回転出力を決定する回転速度は、減速機ＲＧによって減速されて、変速された回転速度に応じて決定される回転出力が差動装置ＲＤＦに入力される。入力された回転出力は差動装置ＲＤＦによって左右に分配され、左右の後輪車軸ＲＤＳにそれぞれ伝達される。これにより、後輪車軸ＲＤＳが回転駆動される。後輪車軸ＲＤＳの回転駆動によって後輪ＲＬＷ及びＲＲＷが回転駆動される。

　ハイブリッド電気自動車の加速時は、エンジンＥＮＧと回転電機ＭＧ１とが前輪ＦＬＷ及びＦＲＷを駆動する。本実施形態では、ハイブリッド電気自動車の加速時にエンジンＥＮＧと回転電機ＭＧ１とが前輪ＦＬＷ及びＦＲＷを駆動する場合について説明する。エンジンＥＮＧと回転電機ＭＧ１とが前輪ＦＬＷ及びＦＲＷを駆動し、かつ回転電機ＭＧ２が後輪ＲＬＷがＲＲＷを駆動することによって、ハイブリッド電気自動車が四輪駆動走行をするようにしてもよい。エンジンＥＮＧと回転電機ＭＧ１との回転出力は動力分配機構ＰＳＭを介して変速機Ｔ／Ｍに入力される。入力された回転出力を決定する回転速度は変速機Ｔ／Ｍによって変速される。変速された回転速度に応じて決定される回転出力は差動装置ＦＤＦを介して前輪車軸ＦＤＳに伝達される。これにより、前輪ＦＬＷ及びＦＲＷが回転駆動される。

　ハイブリッド電気自動車の回生時、例えばブレーキペダル踏み込み時、アクセルペダルの踏み込みが緩められた時、或いはアクセルペダルの踏み込みがキャンセルされた時などによる減速時には、前輪ＦＬＷ及びＦＲＷの回転力が、前輪車軸ＦＤＳ、差動装置ＦＤＦ、変速機Ｔ／Ｍ及び動力分配機構ＰＳＭを介して回転電機ＭＧ１に伝達され、回転電機ＭＧ１が回転駆動される。これにより、回転電機ＭＧ１は発電機として動作する。この動作により、回転電機ＭＧ１の固定子コイルに三相交流電力が発生する。この発生した三相交流電力はインバータ装置ＩＮＶによって所定の直流電力に変換される。この変換によって得られた直流電力はバッテリＢＡＴに供給される。これにより、バッテリＢＡＴは充電される。

　後輪ＲＬＷ及びＲＲＷの回転力が、後輪車軸ＲＤＳ、差動装置ＲＤＦ及び減速機ＲＧを介して回転電機ＭＧ２に伝達され、回転電機ＭＧ２が回転駆動される。これにより、回転電機ＭＧ２は発電機として動作する。この動作により、回転電機ＭＧ２の固定子コイルに三相交流電力が発生する。この発生した三相交流電力はインバータ装置ＩＮＶによって所定の直流電力に変換される。この変換によって得られた直流電力はバッテリＢＡＴに供給される。これにより、バッテリＢＡＴは充電される。

　図２に、本実施形態におけるインバータ装置ＩＮＶの構成を示す。インバータ装置ＩＮＶは、前述したように、パワーモジュールＰＭＵ１及びＰＭＵ２、駆動回路装置ＤＣＵ１及びＤＣＵ２、ならびにモータ制御装置ＭＣＵから構成されている。パワーモジュールＰＭＵ１及びＰＭＵ２は同一の構成を有する。駆動回路装置ＤＣＵ１及びＤＣＵ２は同一の構成を有する。

　パワーモジュールＰＭＵ１及びＰＭＵ２の各々は変換回路（主回路ともいう）で構成される。変換回路は、バッテリＢＡＴから供給された直流電力を交流電力に変換して、それを対応する回転電機ＭＧ１またはＭＧ２に供給する。変換回路は、対応する回転電機ＭＧ１またはＭＧ２から供給された交流電力を直流電力に変換してバッテリＢＡＴに供給することもできる。

　変換回路はブリッジ回路であり、三相分の直列回路がバッテリＢＡＴ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。直列回路はアームとも呼ばれ、２つの半導体素子によって構成されている。

　アームは相毎に、上アーム側のパワー半導体素子と下アーム側のパワー半導体素子とが電気的に直列に接続されて構成されている。本実施形態では、パワー半導体素子として、スイッチング半導体素子であるＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）を用いている。ＩＧＢＴを構成する半導体チップは、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。ＩＧＢＴのコレクタ電極とエミッタ電極との間にはＩＧＢＴとは別チップのダイオードが電気的に接続されている。ダイオードは、ＩＧＢＴ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になるように、ＩＧＢＴのエミッタ電極とコレクタ電極との間に電気的に接続されている。パワー半導体素子としては、ＩＧＢＴの代わりにＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いる場合もある。この場合、ダイオードは不要である。

　パワー半導体素子Ｔｐｕ１のエミッタ電極とパワー半導体素子Ｔｎｕ１のコレクタ電極とが電気的に直列に接続されることにより、パワーモジュールＰＭＵ１のＵ相アームが構成されている。Ｖ相アーム及びＷ相アームもＵ相アームと同様に構成されている。パワー半導体素子Ｔｐｖ１のエミッタ電極とパワー半導体素子Ｔｎｖ１のコレクタ電極とが電気的に直列に接続されることにより、パワーモジュールＰＭＵ１のＶ相アームが構成されている。パワー半導体素子Ｔｐｗ１のエミッタ電極とパワー半導体素子Ｔｎｗ１のコレクタ電極とが電気的に直列に接続されることにより、パワーモジュールＰＭＵ１のＷ相アームが構成されている。パワーモジュールＰＭＵ２についても、上述したパワーモジュールＰＭＵ１と同様の接続関係で各相のアームが構成されている。

　パワー半導体素子Ｔｐｕ１、Ｔｐｖ１、Ｔｐｗ１、Ｔｐｕ２、Ｔｐｖ２及びＴｐｗ２のコレクタ電極は、それぞれバッテリＢＡＴの高電位側（正極側）に電気的に接続されている。パワー半導体素子Ｔｎｕ１、Ｔｎｖ１、Ｔｎｗ１、Ｔｎｕ２、Ｔｎｖ２及びＴｎｗ２のエミッタ電極は、それぞれバッテリＢＡＴの低電位側（負極側）に電気的に接続されている。

　パワーモジュールＰＭＵ１のＵ相アームの中点（上アーム側パワー半導体素子のエミッタ電極と下アーム側パワー半導体素子のコレクタ電極との接続部分）は、回転電機ＭＧ１のＵ相の固定子コイルに電気的に接続されている。パワーモジュールＰＭＵ１のＶ相アームの中点は、回転電機ＭＧ１のＶ相の固定子コイルに電気的に接続されている。パワーモジュールＰＭＵ１のＷ相アームの中点は、回転電機ＭＧ１のＷ相の固定子コイルに電気的に接続されている。

　パワーモジュールＰＭＵ２のＵ相アームの中点（上アーム側パワー半導体素子のエミッタ電極と下アーム側パワー半導体素子のコレクタ電極との接続部分）は、回転電機ＭＧ２のＵ相の固定子コイルに電気的に接続されている。パワーモジュールＰＭＵ２のＶ相アームの中点は、回転電機ＭＧ２のＶ相の固定子コイルに電気的に接続されている。パワーモジュールＰＭＵ２のＷ相アームの中点は、回転電機ＭＧ２のＷ相の固定子コイルに電気的に接続されている。

　バッテリＢＡＴの正極側と負極側との間には、パワー半導体素子が動作することによって生じる直流電圧の変動を抑制するために、平滑用の電解コンデンサＳＥＣが電気的に接続されている。

　駆動回路装置ＤＣＵ１及びＤＣＵ２の各々は、モータ制御装置ＭＣＵから出力された制御信号に基づいて、パワーモジュールＰＭＵ１及びＰＭＵ２の各パワー半導体素子を動作させる駆動信号を出力し、各パワー半導体素子を動作させる。駆動回路装置ＤＣＵ１及びＤＣＵ２の各々は、絶縁電源、インタフェース回路、駆動回路、センサ回路及びスナバ回路（いずれも図示省略）などの回路部品から構成されている。

　モータ制御装置ＭＣＵは、マイクロコンピュータで構成される。モータ制御装置ＭＣＵには、複数の入力信号が入力され、モータ制御装置ＭＣＵは、パワーモジュールＰＭＵ１及びＰＭＵ２の各パワー半導体素子を動作させるための制御信号を、駆動回路装置ＤＳＵ１及びＤＳＵ２に出力する。入力信号としてはトルク指令値τ＊１及びτ＊２、電流検知信号ｉｕ１～ｉｗ１及びｉｕ２～ｉｗ２、ならびに磁極位置検知信号θ１及びθ２が入力されている。

　トルク指令値τ＊１及びτ＊２は、車両の運転モードに応じて上位の制御装置から出力されたものである。トルク指令値τ＊１は回転電機ＭＧ１に、トルク指令値τ＊２は回転電機ＭＧ２にそれぞれ対応する。電流検知信号ｉｕ１～Ｉｗ１は、インバータ装置ＩＮＶの変換回路から回転電機ＭＧ１の固定子コイルに供給されるｕ相～ｗ相の入力電流の検知信号であり、変流器（ＣＴ）などの電流センサによって検知される。電流検知信号ｉｕ２～Ｉｗ２は、インバータ装置ＩＮＶから回転電機ＭＧ２の固定子コイルに供給されたｕ相～ｗ相の入力電流の検知信号であり、変流器（ＣＴ）などの電流センサによって検知される。

　磁極位置検知信号θ１は、回転電機ＭＧ１の回転子の磁極位置の検知信号であり、レゾルバ、エンコーダ、ホール素子及びホールＩＣなどの磁極位置センサによって検知される。磁極位置検知信号θ２は、回転電機ＭＧ２の回転子の磁極位置の検知信号であり、レゾルバ、エンコーダ、ホール素子及びホールＩＣなどの磁極位置センサによって検知される。

　モータ制御装置ＭＣＵは、入力信号に基づいて電圧制御値を演算し、この電圧制御値を、パワーモジュールＰＭＵ１及びＰＭＵ２のパワー半導体素子Ｔｐｕ１～Ｔｎｗ１及びＴｐｕ２～Ｔｎｗ２を動作させるための制御信号（ＰＷＭ信号（パルス幅変調信号））として駆動回路装置ＤＣＵ１及びＤＣＵ２に出力する。

　一般に、モータ制御装置ＭＣＵが出力するＰＷＭ信号は、ＰＷＭ信号に応じてインバータ装置ＩＮＶによって出力される電圧を単位時間毎に平均した電圧が正弦波になるように設定される。この場合、瞬時の最大出力電圧は、インバータの入力である直流電力供給線の電圧だから、正弦波の電圧を出力する場合には、その実効値は１／√２になる。本実施の形態におけるハイブリッド電気自動車の車両では、さらにモータ（回転電機ＭＧ１、回転電機ＭＧ２、または回転電機ＭＧ１及びＭＧ２）の出力を上げるために、モータの入力電圧の実効値を増やすようにインバータ装置ＩＮＶが動作する。つまり、モータ制御装置ＭＣＵのＰＷＭ信号については、矩形波状のＯＮ及びＯＦＦしか無いようにする。こうすれば、矩形波の波高値はインバータの直流電力供給線の電圧Ｖｄｃとなり、その実効値はＶｄｃとなる。これが最も電圧実効値を高くする方法である。

　しかし、矩形波電圧を用いると、低回転数領域ではインダクタンスが小さいために電流波形が乱れる問題があり、これによりモータに不要な電磁加振力が発生し騒音が生じる。したがって、矩形波電圧制御を高速回転時（高回転数領域）にのみ使用し、低回転数領域では通常のＰＷＭ制御を行う。

　図３は本実施形態の回転電機ＭＧ１を示す平面図である。以下では回転電機ＭＧ１の構成について説明するが、回転電機ＭＧ２も同様の構成になっている。

　回転電機ＭＧ１は、回転磁界を発生する固定子１１０と、固定子１１０が発生する回転磁界に応じて磁気的作用により回転する回転子１３０とを有する。回転子１３０は、固定子１１０の内周側に対して空隙１６０を介して回転可能に配置される。固定子１１０は、コアバック１１２及びティース１１３を有する固定子コア１１１と、固定子１１０の周方向に並んだ複数のスロット１１４と、各スロット１１４に収納され通電により磁束を発生させる複数の固定子コイル１２０とを有する。

　固定子コア１１１は、板状の磁性部材を打ち抜いて形成した複数の板状の成型部材を軸方向に積層して得られる。あるいは、鋳鉄によって形成しても良い。ここで、軸方向とは回転子１３０の回転軸に沿う方向を意味する。固定子コイル１２０は、スロット１１４に挿入されることにより、ティース１１３のまわりに巻きつけられた状態となる。

　回転子１３０は、回転子側の磁路を構成する回転子コア１３１と、アルミや銅などの非磁性かつ導電性の金属で構成された複数のロータバー１３２と、回転軸になるシャフトとを有する。各ロータバー１３２は回転子１３０の軸方向に延在しており、図４に示すように、ロータバー１３２には、複数のロータバー１３２を軸方向端部で短絡するためのエンドリング１３４が複数のロータバー１３２に接続されている。

　図５は、図３の固定子１１０と回転子１３０とが対向している部分を拡大して示した図である。スロット１１４内には、回転子側（以下ではスロット内周側と呼ぶ）からコアバック側（以下ではスロット外周側と呼ぶ）にかけて４本の固定子コイル１２０が収納されている。本実施の形態では、固定子コイル１２０は分布巻の波巻き３相コイルであって、固定子スロット数は７２、スロット内コイル導体数は４、毎極毎相スロット数（ＮＳＰＰ）は３、極対数は４である。ここでは固定子コイル１２０を波巻きコイルとしたが、本発明は波巻きコイルに限らず他のコイルに適用することができる。

　図６は、スロット１１４内の固定子コイル１２０の配置を示す図であり、電気角１８０度のスロットについて示している。本実施形態の場合、７２スロットで４極対なので、電気角３６０度は７２／４＝１８スロット数となり、電気角１８０度はその半分の９スロットとなる。符号Ｌ１～Ｌ４はスロット内コイル導体（固定子コイル１２０）の導体番号を表している。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相コイル（固定子コイル１２０）Ｕ＋、Ｕ－、Ｖ＋、Ｖ－、Ｗ＋及びＷ－は、図６に示すように配置される。図６に示す例では、同一相コイル（固定子コイル１２０）のみが収納されるスロット１１４（スロット番号０３、０６、０９、１２、・・・、７２）は、回転子１３０側に面して有するスロット開口の幅が０のスロット開口を有する、すなわちスロット開口を有さないクローズドスロットであり、その他のスロット１１４は回転子１３０側に面して有するスロット開口の幅が０よりも大きなスロット開口を有するセミクローズドスロットである。

　回転電機の騒音の原因は、固定子１１０が受ける周期的な加振力によるものである。この加振力は、スロット脈動成分と起磁力高調波成分とが原因となって発生する。図７（ａ）は固定子１１０のスロット１１４に起因する磁束密度高調波の概念を説明する図であり、ギャップ部の磁束密度の空間的変化（周方向の変化）を模式的に示している。オープンスロットの場合、ティースが対向する部分の磁束密度については、ティース間の開口部が対向した場合より、ティースが対向した場合の方が、ギャップ部の磁束密度は大きくなる。その結果、磁束密度は、図７（ａ）に示すように周期的に変化する。スロット脈動成分のうち、固定子１１０が原因となって発生する固定子スロット脈動成分の次数は、次式（１）で表される。
　（固定子のスロット数／極対数）×ｍ±１　（ｍ＝１，２，３，・・・)　　…（１）

　図７（ｂ）は、固定子起磁力に起因する磁束密度高調波の概念を説明する図である。固定子コイル１２０に電流が流れると、図７（ｂ）に示す様な起磁力が発生する。このような起磁力は、図５に示した３相コイル（固定子コイル１２０）に対して、それぞれに流れる各電流値に応じて生じることになる。固定子コイル１２０が３相コイルの場合の起磁力高調波成分の次数は、６ｍ±１（ｍ＝１，２，３，・・・）である。

　図７（ａ）において、スロット開口を閉じると、ティースからロータ側へと出ていた磁束線の一部が、閉じた部分を介して隣接するティースへ流れる。すなわち、スロット漏れ磁束が増加し、ティースに対向するギャップ部における磁束密度が小さくなる。その結果、スロット開口を閉じることでスロット脈動成分の低減が可能である。しかし、全てのスロットのスロット開口を閉じると、固定子内部で漏れ磁束が大きくなりトルク低下を招くことになる。

　そこで、図５及び図６に示すように同相のコイル（固定子コイル１２０）のみが挿入されるスロット１１４は、スロット開口１１４Ｂを有していない。スロット開口１１４Ｂの幅が０となるようにすること、すなわちスロット開口を閉じることによって、スロット１１４をクローズドスロットとする。同相コイル（固定子コイル１２０）だけが収納されているスロット１１４をクローズドスロットとする理由は以下の通りである。例えば、図６におけるＵ相のコイルＵ＋及びＵ－の電流値が最大の電流値Ｉmaxになるタイミングでは、Ｖ相のコイルＶ＋及びＶ－の電流はＵ相の電流に対して位相が１２０度ずれているので、Ｖ相のコイルＶ＋及びＶ－の電流の大きさはＵ相の電流値の０．５倍となる。Ｗ相のコイルＷ＋及びＷ－を流れる電流はＵ相の電流に対して位相がマイナス１２０度ずれているので、Ｗ相のコイルＷ＋及びＷ－を流れる電流の大きさもＵ相の電流値の０．５倍となる。

　図６のスロット番号０３のように固定子コイル１２０としてコイルＵ＋が４本挿入されている場合のコイル電流は４＊Ｉmaxである。スロット番号０２やスロット番号０４のように固定子コイル１２０として３本のコイルＵ＋及び１本のＶ－またはＷ－が収納されているスロットでは、コイル電流は（３＋０．５）＊Ｉmax＝３．５＊Ｉmaxとなる。このタイミングにおいては、スロット番号０３のスロット１１４を挟むように設けられた両側のティース１１３の磁束密度は、スロット番号０１及び０２間のティースの磁束密度やスロット番号０４及び０５間のティースの磁束密度よりも大きくなっている。スロット番号０３のスロット１１４を図５及び図６のようにクローズドスロットにすることで、スロット番号０３の両隣のティース１１３の磁束密度を低下させることができ、磁束密度高調波成分を小さくすることができる。

　Ｖ相コイルやＷ相コイルの場合も、Ｕ相コイルの場合と同様に考えることができる。固定子コイル１２０としてＶ相コイルだけが収納されているスロット１１４、及び固定子コイル１２０としてＷ相コイルだけが収納されているスロット１１４を、それぞれクローズドスロットにすることで、それぞれ高調波成分の低減を図ることができる。図６においては固定子コイル１２０として同相コイルだけが収納されたスロット１１４を全閉としたが、全閉ではなく、スロット１１４におけるスロット開口の幅を他のスロットより狭めることでも、同様な効果が期待できる。図６に示すようにスロット開口を全閉とした場合には、固定子コイル１２０を軸方向に挿入する必要がある。図６に示すようにスロット開口を全閉とした場合には、スロット開口を全閉としたスロット１１４を目印にしてコイルを巻いて装填することが可能となるため、作業ミスが減らせるというメリットがある。

　上述した各スロットに収納された相コイルを流れる電流の和の大きさに代えて、スロット内導体数に対する各スロット内に収納された同相コイル（固定子コイル１２０）の数の比（＝（同相コイル導体数）／（スロット内コイル導体数））を用いても良い。上述した電流の和の大小関係と、この比の大小関係とは対応している。この場合、同相コイルの数としては、最も数の多い相のコイル導体数を用いる。例えば、上述した図６に示す例では、スロット番号０３のスロット１１４における比は１００％で、スロット番号０４のスロット１１４における比は７５％となる。ここでは、比が所定比７５％を超えるスロット１１４はクローズドスロットとし、比が所定比７５％以下のスロット１１４はセミクローズドスロットとしている。ここで、所定比７５％は一例であって、所定比は他の値であってもよい。より一般的に述べると、所定比を超えた場合にはクローズドスロットとし、所定比以下の場合にはセミクローズドスロットとする。さらには、セミクローズドスロットのスロット１１４をオープンスロットとしても構わない。

　図８は他の固定子コイル構成を有する場合を示したものであり、スロット数＝１０８、スロット内コイル導体数＝６（導体番号Ｌ１～Ｌ６）、ＮＳＰＰ＝３、極対数＝４、相数＝３の場合を示す。例えば、スロット番号０２のスロット１１４を見ると、スロット内には固定子コイル１２０として４本のＶ－コイルと２本のＵ＋コイルとが入っているが、この場合には上述した同相コイルの数には本数の大きい４本が当てはまり、上述した比は４／６＝約６７％となる。同様に、スロット番号０３の場合には比＝５／６＝約８３％、スロット番号０４の場合には比＝６／６＝１００％となる。図８に示す例の場合にも、比が所定比７５％を超えるスロット１１４をクローズドスロットとし、比が所定比７５％以下のスロット１１４をセミクローズドスロットとしている。

　図８では、比が所定比７５％を超えるスロット１１４をクローズドスロットとし、比が所定比７５％以下のスロット１１４をセミクローズドスロットとしたが、図９に示すように、比が所定比７５％を超えるスロット１１４をスロット開口１１４Ｂの幅が狭いセミクローズドスロットとし、比が所定比７５％以下のスロット１１４をスロット開口１１４Ｂの幅が広いセミクローズドスロットとしても良い。

　図１０では、図８とは異なって、比の大きさに応じてスロット開口１１４Ｂの幅を設定するようにした。ここでは、比＝１００％の場合にはクローズドスロット、比＝５／６＝約８３％の場合（スロット番号０１、０３、０５及び０７など）にはスロット開口１１４Ｂの幅が狭いセミクローズドスロット、比＝４／６＝約６７％の場合（スロット番号０２、０６及び１０など）にはスロット開口１１４Ｂの幅が広いセミクローズドスロットとした。このように、比の値が数種類有る場合には、比の大きさに応じてスロット開口１１４Ｂの幅を段階的に数種類としても良い。

　図１０の例では、比＝１００％のスロット１１４をクローズドスロットとしているが、図１１に示すように比＝１００％の場合もセミクローズドスロットとし、スロット内における同相の相コイルの数が大きいスロット１１４ほどスロット開口１１４Ｂの幅を狭くするようにしても良い。すなわち、比＝約６７％の場合の幅Ｓ１の大きさと、比＝約８３％の場合の幅Ｓ２の大きさと、比＝１００％の場合の幅Ｓ３の大きさとが、Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３となるように設定する。図６の場合も同様に、収納されている固定子コイル１２０が４本とも同一相であるスロット１１４をスロット開口幅が狭いセミクローズドスロットとし、固定子コイル１２０として複数相の相コイルが収納されているスロット１１４をスロット開口幅が広いセミクローズドスロットとしても良い。

　図１２は、各スロット内のコイル導体数（固定子コイル１２０の数）が２の場合（導体番号Ｌ１及びＬ２）の例である。図１２（ａ）では、比＝１００％の場合をクローズドスロットとし、比＝５０％の場合をセミクローズドスロットとした。図１２（ｂ）では、比＝１００％の場合をスロット開口幅が狭いクローズドスロットとし、比＝５０％の場合をスロット開口幅が広いセミクローズドスロットとしている。

　図１３は、図６のようにスロット開口を設定した場合のシミュレーション結果を示す図であり、スロット数７２における磁束密度の固定子スロット脈動成分と起磁力高調波成分とが合致するときの磁束密度成分の２乗値を、本発明と従来例とで比較する図である。図１３は、次数が１７であるときと１９であるときとについて示している。図１３において、「従来例」と記載されている磁束密度は全てセミクローズドスロットの場合に得られる磁束密度を示す。図１４は、スロット数４８、ＮＳＰＰ＝２の場合のシミュレーション結果を示した図であり、１１次、１３次、２３次及び２５次について示している。

　本来、電磁加振力は２つの次数の磁束密度高調波の積から求められるが、ここでは簡単のために、任意の次数の磁束密度の二乗値で電磁加振力を評価している。図１３及び図１４のいずれの場合においても、従来例（全てセミクローズドスロット）と比べて、それぞれの次数において磁束密度成分の２乗値が低減されている。

　図１５は、スロット数７２の場合における、円環２次モードで回転－４５．５次成分の電磁加振力の変化を示す。本発明の適用により、電磁加振力が従来例の１／９となり、およそ２０ｄＢほどの騒音を低減できることが示唆される結果となっている。図１６に、スロット数７２の場合における脈動トルクの波形を示す。磁束密度の脈動成分が低減したことで、脈動トルクも低減する副次的な効果を確認することができる。図１７に、スロット数７２の場合における回転電機ＭＧ１及びＭＧ２のモータ効率の比較を示す。一部のスロットを全閉とすることによる磁束漏れがほとんど生じていないため、本実施の形態における回転電機の効率は従来例と比べてほとんど同等であることを確認することができる。

　図１８は、上述した誘導電動機に代えてＩＰＭ（埋設型永久磁石式三相交流同期機）でも磁束密度脈動の低減が可能かどうかについて検証した結果を示す。ここでは、スロット数＝７２、ＮＳＰＰ＝２としている。磁石に起因する起磁力高調波の影響で、１７次及び１９次の高調波がわずかに発生するが、１１次及び１３次においては上述した誘導電動機の場合と同様に磁束密度の低減を確認することができる。

　以上の説明はあくまでも一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではない。例えば、上述した実施の形態では、コイル導体（固定子コイル１２０）がスロット内において径方向に一列に配置されているが、複数列に配置されている場合にも一列に配置されている場合と同様に本発明を適用することができる。また、インナーロータ型回転電機を例にして上述した実施の形態を説明したが、アウターロータ型回転電機にも本発明を適用することができる。上述した実施の形態の回転電機は、電動車両に限らず、電動車両以外の装置にも適用できる。

　上記では、種々の実施の形態及び変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

　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２０１１年第２２００５７号（２０１１年１０月４日出願）

Claims

　周方向に並んだ複数のスロットが形成された固定子コアと、前記複数のスロットの各スロット内に収納される複数の固定子コイルとを有し、回転磁界を発生する固定子と、
　前記固定子の内周側に配置され、前記回転磁界に応じて回転する回転子とを備え、
　前記複数のスロットは第１のスロットと第２のスロットとを含み、
　前記第１のスロット内に収納される前記複数のコイルの内の同相コイルの数と、前記第１のスロット内に収納される前記複数のコイルの数との第１の比が所定比を超えるとともに、前記第２のスロット内に収納される前記複数のコイルの内の同相コイルの数と、前記第２のスロット内に収納される前記複数のコイルの数との第２の比が前記所定比以下であるとき、前記第１のスロットが前記回転子側に面して有する第１のスロット開口の幅は、０以上であって、かつ前記第２のスロットが前記回転子側に面して有する第２のスロット開口の幅よりも小さい回転電機。
　請求項１に記載の回転電機において、
　前記複数のスロットは第３のスロットをさらに含み、
　前記第３のスロット内に収納される前記複数のコイルの内の同相コイルの数と、前記第３のスロット内に収納される前記複数のコイルの数との第３の比が、前記第３のスロット内に収納される前記複数のコイルの内の同相のコイルの数と、前記第３のスロット内に収納される前記複数のコイルの数との第３の比が、前記第２の比よりも小さいとき、前記第３のスロットが前記回転子側に面して有する第３のスロット開口の幅は、前記第２のスロット開口の幅よりも大きい回転電機。
　請求項１または２に記載の回転電機において、
　前記第１のスロット内に収納される前記複数のコイルは同相のコイルのみであり、前記第２のスロット内に収納される前記複数のコイルは複数の相のコイルを含む回転電機。
　請求項１～３のいずれか一項に記載の回転電機において、
　前記第１のスロット開口の幅は０である回転電機。
　請求項１～４のいずれか一項に記載の回転電機において、
　前記回転子は、
　回転子コアと、
　非磁性かつ導電性の金属で構成された複数のロータバーと、
　前記複数のロータバーの軸方向端部に接続されたエンドリングとを有する回転電機。
　請求項１～５のいずれか一項に記載の回転電機を、走行駆動用に搭載する電動車両。