WO2022124275A1 - 電気駆動移動体用ギアードモータ - Google Patents

電気駆動移動体用ギアードモータ Download PDF

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WO2022124275A1
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rotation speed
motor
rotor
maximum
electrically driven
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亜起 度會
広昭 平野
雅浩 萱野
匡 藤巻
忠植 金
速人 渡部
和徳 伊東
和也 石田
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愛知製鋼株式会社
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    • Y02T10/72—Electric energy management in electromobility

Definitions

  • the present invention relates to a geared motor for an electrically driven moving body in which the driving force of the motor bears all or part of the propulsive force.
  • an electric vehicle (BEV) that uses only an electric motor as a drive source
  • a hybrid electric vehicle (HV) that adds propulsion force by a motor in addition to propulsion force by an internal combustion engine
  • propulsion force by a motor that rotates by electric power obtained from fuel is a geared motor for an electrically driven mobile body such as a fuel cell electric vehicle (FCV).
  • FCV fuel cell electric vehicle
  • Patent Document 1 a synchronous reluctance motor using a ferrite magnet as in Patent Document 1 is known.
  • an embedded magnet synchronous motor (IPMSM) in which a rare earth sintered magnet is embedded in a rotor is known.
  • IPMSM embedded magnet synchronous motor
  • rare earth elements are scarce in resources, and in particular, dysprosium (Dy), which is necessary for improving performance such as heat resistance, is valuable and unevenly distributed on the earth, which poses a problem in terms of stable supply. ing.
  • Non-Patent Documents 1 and 2 a permanent magnet-assisted synchronous reluctance motor (PMA-SynRM) in which a rare earth bond magnet is embedded in a rotor has been proposed as in Non-Patent Documents 1 and 2. There is. In addition, it is desired to realize a high-efficiency, high-output motor that saves neodymium (Nd) and saves or does not use heavy rare earth elements including dysprosium (Dy). It has been decided.
  • Nd neodymium
  • Dy dysprosium
  • Patent Document 1 uses ferrite instead of using a precious rare earth element, but ferrite is easily demagnetized by the magnetic field generated by the armature current. Therefore, Patent Document 1 proposes a structure for effectively preventing demagnetization. Further, in order to use a rare earth sintered magnet, it is necessary to make it extremely thin in order to reduce the magnetic flux due to the magnet in order to realize a high rotation speed, and there is a processing limit. Therefore, when a rare earth sintered magnet is used, it is almost impossible to increase the rotation speed to 20000 rpm or more.
  • Non-Patent Documents 1 and 2 a rare earth bond magnet is used as an embedded magnet for the rotor. A maximum output of 75.6 kW to 92.7 kW is obtained at 5000 rpm. Further, the maximum rotation speed is 17,000 rpm, and the output is reduced from the maximum output of 75.6 kW to 44.5 kW at the maximum rotation speed.
  • Non-Patent Documents 1 and 2 a rare earth bond magnet is used for the magnet-embedded relantaxum motor, but a rotation speed of 17,000 rpm or more has not been obtained. Further, the relationship between the maximum rotation speed and the maximum output and the optimum outer peripheral area of the rotor, and therefore the amount of the rare earth bond magnet used, is not considered at all. Therefore, in Non-Patent Documents 1 and 2, there is no viewpoint of suppressing the amount of rare earth elements used as much as possible while maintaining high motor performance.
  • the present inventors have set and examined whether the amount of rare earth bond magnets used can be reduced as much as possible without impairing the performance of the motor as much as possible. As a result, it was concluded that it is necessary to make the side area of the rotor as small as possible while maintaining the desired output. In order to achieve a maximum rotation speed of 20000 rpm to 45000 rpm, which has not been realized in the past with a large output motor with an output of 25 kW or more, the side area of the outer circumference of the rotor is reduced to reduce the amount of rare earth bond magnets used as much as possible. Then, if the decrease in torque due to high-speed rotation is increased so that the torque in the range of use can be obtained by using the reduction gear, a new idea has been reached that the torque can be used as a drive source for an electric vehicle.
  • An object of the present invention is to realize a drive motor for an electric vehicle in which the performance of the motor is maintained as much as possible and the amount of rare earth bond magnets used is reduced.
  • the present invention has a maximum rotation speed of 20,000 rpm or more and 45,000 rpm or less, a synchronous reluctance motor in which a rare earth bond magnet is embedded in a rotor, and the rotation speed of the synchronous reluctance motor is reduced to a rotation speed within a range of use to determine a torque. It is a geared motor for an electrically driven moving body for imparting propulsive force to an electric vehicle having a speed reducer to improve the range.
  • the electric drive moving body is also simply referred to as an electric vehicle.
  • the electric vehicle is a Battery Electric Vehicle (BEV) whose drive source is only an electric motor using the electric power stored in the battery, and a Hybrid Vehicle (HV) which uses the propulsive force of the electric motor in addition to the propulsive force of the internal combustion engine.
  • BEV Battery Electric Vehicle
  • HV Hybrid Vehicle
  • FCV Fuel Cell Vehicle
  • an electric vehicle is defined as a vehicle that obtains propulsion by an electric motor.
  • the maximum rotation speed may be 25,000 rpm or more and 45,000 rpm or less, and may be 30,000 rpm or more and 45,000 rpm or less. It may be 32000 rpm or more and 45000 rpm or less. More preferably, it may be 34,000 rpm or more and 45,000 rpm or less.
  • the size of the rotor may be 2 cm ⁇ R ⁇ 6 cm, 2 cm ⁇ L ⁇ 25 cm, where the radius of the rotor is R (cm) and the axial length of the rotor is L (cm). desirable. If L exceeds 25 cm, the rotor shaft may undulate, which is not realistic. Further, 4 cm ⁇ R ⁇ 6 cm, 2 cm ⁇ L ⁇ 18 cm may be set. If the radius R exceeds 6 cm, the physique of the motor may become excessively large, which is not desirable from the viewpoint of the placement space of the motor.
  • the maximum rotation speed of the synchronous relaxation motor is n (rpm), the maximum output is P (W), the radius of the rotor is R (cm), the axial length of the rotor is L (cm), and the rotor side.
  • the size of the rotor is the radius R and the length L that give the side area in the range of 0.7S or more and 1.1S or less with respect to S satisfying the following formula. It is desirable to have a size that has.
  • S kP / n
  • k (cm 2 / W minutes) is a proportionality constant, and is 120 cm 2 / W minutes ⁇ k ⁇ 160 cm 2 / W minutes.
  • the value of k is the residual magnetic flux density of the rare earth bond magnet, the shape of the magnet, the shape of the arrangement of multiple magnets, the shape of the slit that separates the arrangement of the magnets, the magnetic permeability and resistance of the magnetic circuit, the arrangement of the armature coil and the magnet and the coil. It changes depending on the arrangement of the magnets and the magnitude of the armature current. By optimizing these factors, the value of k can be reduced. That is, even if the maximum output is large or the maximum rotation speed is small, the side area can be reduced by reducing k.
  • the range of k is set from that point of view.
  • the smaller the side area S the more the amount of rare earth elements used can be reduced.
  • the larger the side area S the higher the output and the higher the torque, but since the amount of rare earth elements used increases, the upper limit is set as described above.
  • a certain width is given to the side area S obtained from the above equation from the maximum output P, the maximum rotation speed n, and an arbitrary value of k satisfying 120 cm 2 / W minutes ⁇ k ⁇ 160 cm 2 / W minutes.
  • the range of the side area S is determined.
  • the width in the direction in which the side area decreases is set larger than the width in the direction in which the side area increases, as long as the desired maximum output P and maximum rotation speed n are realized, the side area S is set as much as possible. This is because it is desirable to make it smaller.
  • the side area for determining (R, L) may be in the range of 0.7S or more and 1.1S or less. Further, the range may be 0.8S or more and 1.1S or less, or 0.9S or more and 1.1S or less.
  • the maximum output P of the synchronous reluctance motor is 25 kW or more and 180 kW or less. Desirably, it is 40 kW or more and 180 kW or less. Further, it may be preferably 40 kW or more, 150 kW or less, 40 kW or more, and 100 kW or less. A motor with an output of 25 kW or more and a rotation speed of 20000 rpm or more has not been realized. Further, the torque at the maximum rotation speed of the synchronous reluctance motor depends on the maximum output, but is preferably 5 Nm or more and 86 Nm or less. Further, it is desirable that it is 5 Nm or more and 70 Nm or less.
  • the reduction ratio of the reducer is determined by the rotation speed range of the output shaft of the reducer, but it is desirable that the drive source for the electrically driven moving body is 3 or more and 30 or less. Further, it may be 12 or more and 30 or less. Further, it may be 19 or more and 27 or less.
  • the residual magnetic flux density of the rare earth bond magnet is 0.6 T or more and 1.0 T or less.
  • the rare earth bond magnet may contain neodymium (Nd) and may not contain elements in the heavy rare earth element group including dysprosium (Dy) and terbium (Tb). In particular, it is effective because a high-performance motor can be realized without containing dysprosium (Dy) or terbium (Tb) whose output is limited.
  • the side area of the rotor is small, and therefore the amount of rare earth elements used can be reduced.
  • the block diagram which shows the structure of the geared motor for electric vehicles which concerns on one Embodiment of this invention. Sectional view perpendicular to the axis of a synchronous reluctance motor with a rare earth bond magnet embedded in a rotor.
  • the characteristic figure which shows the relationship between the rotation speed and torque of the motor which concerns on an Example.
  • a characteristic diagram showing the relationship between the side area of the motor and the maximum rotation speed according to the embodiment, with the maximum output as a parameter.
  • the characteristic diagram which shows the relationship between the radius and the shaft length of the motor of the maximum output 25kW which concerns on an Example, with the maximum rotation speed as a parameter. Is a characteristic diagram showing the relationship between the radius of the motor having a maximum output of 50 kW and the shaft length according to the embodiment, with the maximum rotation speed as a parameter.
  • FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between the rotational speed and torque of the motor shaft and the output shaft in a geared motor having a maximum output of 50 kW and a reduction ratio of 3.3 according to an embodiment.
  • FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between the rotational speed and torque of the motor shaft and the output shaft in a geared motor having a maximum output of 50 kW and a reduction ratio of 15 according to an embodiment.
  • FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between the rotational speed and torque of the motor shaft and the output shaft in a geared motor having a maximum output of 50 kW and a reduction ratio of 21.7 according to an embodiment.
  • FIG. 5 is a characteristic diagram obtained by measuring the relationship between the rotational speed and torque in a single motor of a geared motor having a maximum output of 50 kW according to an embodiment.
  • the block diagram of the transmission of the geared motor which concerns on embodiment.
  • FIG. 1 is a block diagram of the geared motor 1 according to the embodiment.
  • the rotating shaft of the rare earth bond magnet embedded type synchronous reluctance motor 2 is coupled to the output shaft 4 of the speed reducer 3 via a gear group.
  • the rotation speed of the geared motor 1 is decelerated by the speed reducer 3, and the rotation of the output shaft 4 is controlled. Since the mechanism of the speed reducer 3 is well known, detailed description thereof will be omitted. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-72054 and US2007 / 0111838A1 are known.
  • two sets of gears are used and the reduction ratio is 3.3. Of course, any ratio in the range of 3 or more and 30 or less can be used as the reduction ratio.
  • FIG. 19 shows the configuration of the speed reducer 3 having a reduction ratio of 21.8.
  • the reducer 3 transmits the rotational force of the rotary shaft 11 of the rotor 10 (FIG. 2) of the rare earth bond magnet embedded type synchronous reluctance motor 2 to the rotational force of the output shaft 4 of FIG.
  • An input gear 32 is formed at the tip of the rotating shaft 11 of the rotor 10.
  • a first transmission gear 33 is rotatably meshed with the input gear 32.
  • the first transmission gear 33 is coupled to the intermediate shaft 34, and the second transmission gear 35 is formed on the output end side of the intermediate shaft 34.
  • the output shaft 4 is formed with an output gear 36 that rotates in mesh with the second transmission gear 35.
  • the rotating shaft 11, the intermediate shaft 34, and the output shaft 4 are rotatably supported by bearings supported by the housing.
  • the rotation speed of the rotary shaft 11 of the rotor 10 is decelerated in the first stage (reduction ratio 5.53) by the input gear 32 and the first transmission gear 33.
  • the rotation of the intermediate shaft 34 whose rotation speed has been reduced is reduced by the second transmission gear 35 and the output gear 36 in the second stage (reduction ratio 3.94).
  • the overall reduction ratio of the speed reducer 3 is 21.79. In this way, the rotation speed of the rotation shaft 11 of the rotor 10 becomes the rotation speed of the output shaft 4 through two-step deceleration.
  • the output torque of the output shaft 4 is 21.8 times the torque of the rotating shaft 11 of the rotor 10.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view perpendicular to the axis 11 of the rotor 10 of the rare earth bond magnet embedded type synchronous reluctance motor 2.
  • the rotor 10 has a rotating shaft 11 in the center, and a stator 20 is arranged on the outer periphery thereof with a gap in between.
  • the pole logarithm is 4.
  • the stator 20 is formed with six sets per pole, and an armature coil 21 is arranged in the slot.
  • plates made of a high magnetic permeability material are laminated in the axial direction, and adjacent plates are insulated.
  • arcuate cavities 12 and 13 are formed so as to extend in the axial direction.
  • the outer cavity 12 near the outer peripheral side is separated into two, and the inner cavity 13 near the shaft 11 is separated into four.
  • the cavities are formed in two rows in the radial direction, but may be three rows or three or more rows.
  • the number of divisions of the cavity in the arc direction is 2 or 4, but the outer cavity 12 is 3 and the inner cavity 13 is 5 or 6.
  • the cavities 12 and 13 are filled with rare earth bond magnets 14 and 15 along the axial direction.
  • the rare earth bond magnet is composed of rare earth element particles and a binder resin that binds the particles together.
  • the electrical resistivity can be 50 ⁇ m or more, preferably 100 ⁇ m or more, further 500 ⁇ m or more, and further 1000 ⁇ m or more. This makes it possible to further reduce the eddy current loss.
  • the rare earth element particles are not limited to one type, and may be a mixture of a plurality of types having different compositions and particle size distributions.
  • As the magnet particles either isotropic magnet particles or anisotropic magnet particles may be used. When anisotropic magnet particles are used, the bonded magnet can be one formed in an oriented magnetic field. Of course, orientation and magnetization may be performed at the same time.
  • the binder resin may be a thermoplastic resin or a thermosetting resin. When a thermosetting resin is used, it is preferable that a thermosetting treatment (cure treatment) is performed after molding.
  • the filling method of the rare earth bond magnets 14 and 15 is arbitrary, but a method of injection molding a mixture of the rare earth element powder and the resin into the rotor 10 and cooling and solidifying the mixture can be used.
  • compression molding may be used.
  • a semi-cured rare earth bond magnet may be inserted into the cavities 12 and 13 and then heated to be completely cured.
  • the amount of binder resin can be reduced and the amount of rare earth element particles can be increased. Therefore, the magnet by compression molding can have a higher magnetic flux density than the magnet by injection molding.
  • the rare earth anisotropic magnet powder Nd-Fe-B-based magnet powder, Sm-Fe-N-based magnet powder, Sm-Co-based magnet powder, or the like can be used.
  • the rotor 10 may be filled with a kneaded material of magnet powder and binder resin in the cavities 12 and 13, and then the rotor may be oriented in an alignment magnetic field to orient the magnet powder and then magnetized. In the case of compression molding, it is compressed in an oriented magnetic field to form a rare earth bond magnet.
  • NdFeB-based anisotropic rare earth magnet powder which is Nd-based magnet powder (coarse powder) and SmFeN-based anisotropic magnet powder which is Sm-based magnet powder (fine powder) are used, and a binder resin is used.
  • PPS polyphenylene sulfide
  • S5P-13MF compound containing them
  • the residual magnetic flux density Br of this rare earth bond magnet was set to 0.67T.
  • the residual magnetic flux density Br should be set in the range of 0.6T or more and 1.0T or less.
  • FIG. 3 shows the torque-rotational speed characteristics of a rare earth bond magnet embedded reluctance motor.
  • the torque is maximum and constant at 87 Nm.
  • the armature current is constant at the maximum value.
  • the torque-rotational speed characteristic shown by the broken line in the range of the rotational speed of 5500 rpm to 11500 rpm is a characteristic when the field weakening control is not performed.
  • This characteristic represents the maximum torque control, and is a region where the armature current decreases due to the induced electromotive force generated in the armature as the rotation speed increases.
  • the rotation speed becomes zero at 11500 rpm, and no higher rotation speed can be obtained.
  • Eq. (1) holds for the relationship between the motor torque T (Nm), the rotation speed n (rpm), and the output P (W).
  • the torque T of the motor is expressed by the equation (2).
  • Pn is the logarithm of poles
  • ⁇ a is the crossing magnetic flux due to the magnetic flux of the bond magnet of the armature coil (maximum crossing flux of direct current when the rotor is stopped, peak value during rotation) ⁇ m, as shown by equation (3).
  • It is a conversion value (d-axis component) to the dq-axis coordinate system.
  • Id and Iq are the d-axis (linear axis) component and the q-axis (horizontal axis) component of the armature current.
  • the pole logarithm Pn is 4.
  • the pole logarithm Pn is arbitrary such as 1, 2, 3, 6 in addition to 4.
  • Ld and Lq are the d-axis inductance and q-axis inductance of the armature coil. As shown in FIG. 2, the d-axis is in the radial direction from the center of the arc of the bond magnet, and the q-axis is in the radial direction from the midpoint of the adjacent bond magnets. The angle formed by the d-axis and the q-axis is 22.5 ° in terms of mechanical angle.
  • the q-axis is the direction of the no-load induced electromotive force at the electrical angle
  • the d-axis is the direction in which the magnetic flux generated by the bond magnet is directed toward the armature coil
  • the q-axis is 90 ° lagging in phase with respect to the d-axis.
  • the equation (2) can be expressed as the equation (4).
  • ⁇ a0 is the crossed magnetic flux (crossed magnetic flux density) (d-axis component) per unit side area.
  • Ld0 and Lq0 are the d-axis inductance and the q-axis inductance of the armature coil per unit side area, respectively.
  • k is defined by the equation (5).
  • the side area S can be expressed as in the equation (6) by expressing the T in the equation (4) by k and substituting the T into the equation (1).
  • Ld0, Lq0, Id, and Iq at the maximum rotation speed can be regarded as constant regardless of the maximum output and the side area, respectively, due to the limit of field weakening control at the maximum rotation speed.
  • the side area S was 218.7 cm 2 , and the maximum rotation speed of 34000 rpm was obtained.
  • the k at this maximum rotation speed is 148.7 cm 2 / W from the equation (6).
  • FIG. 4 shows the relationship between the maximum rotation speed n and the side area S with n as the maximum rotation speed and the maximum output P as a parameter in the equation (6).
  • the curve is located at the top, the curve at the bottom is the curve with the maximum output of 25 kW, and the curve at the top is the curve with the maximum output of 180 kW.
  • the maximum rotation speed n it is necessary to reduce the side area S. In other words, in order to reduce the amount of rare earth bond magnets used, it is necessary to increase the maximum rotation speed. If the maximum rotation speed n and the maximum output P are determined, the optimum side area S can be obtained from Eq. (6) and FIG.
  • the relationship between the maximum rotation speed and the maximum output with the side area as a parameter The relationship between the maximum rotation speed n and the maximum output P is shown in FIG. 6 when the side area S is used as a parameter.
  • the larger the side area the smaller the inclination.
  • a straight line with a side area of 1200 cm 2 has the smallest slope, and a straight line with a side area of 100 cm 2 has the largest slope.
  • the selection range of the optimum combination of the maximum output P and the maximum rotation speed n is the widest.
  • the maximum rotation speed n can take the entire range of 20000 rpm to 45000 rpm, and the maximum output can take the value of 81 kW to 182 kW.
  • the value of k is proportional to the reciprocal of ⁇ a0Iq- (Lq0-Ld0) Iq Id.
  • the first term is the logarithm of unit poles and the magneto torque per unit side area
  • the second term is the logarithm of unit poles and the reluctance torque per unit side area.
  • the reluctance torque is larger than the magnet torque, but the phase current becomes larger as the rotation speed becomes lower, so that the reluctance torque becomes larger than the magnet torque.
  • the cross magnetic flux ⁇ a0 is the residual magnetic flux density Br of the bond magnet, the shape of each bond magnet, the arrangement structure of multiple bond magnets, the number of arrangement layers, the distance between the bond magnets between the magnetic poles, the slit width of the bond magnet, and the permeability of the magnetic circuit. It depends on the magnetic flux and the arrangement of the bond magnet and the armature coil.
  • the value of k is set to 120 cm 2 / W or more and 160 cm 2 / W or less. The smaller the value of k, the smaller the side area S for the same maximum rotation speed and maximum output, and the smaller the amount of bonded magnet used.
  • the area (RL) between the side area 176.5 cm 2 x 0.7) at 120 cm 2 / W and the RL curve is the desired range when the maximum output is 50 kW and the maximum rotation speed is 34000 rpm. Will be.
  • the optimum side area S is 437.4 cm 2 .
  • the relationship between the radius R of the rotor and the shaft length L is shown in FIG. B is shown. The larger the lateral area, the larger the curve is located in the region where the axial length increases.
  • the (RL) of the region between the side area 352.9 cm 2 ⁇ 0.7) at 120 cm 2 / W is the desired range at the maximum output of 100 kW and the maximum rotation speed of 34000 rpm. Will be.
  • the optimum side area S is 656.0 cm 2 .
  • the relationship between the radius R of the rotor and the shaft length L is shown in FIG. C is shown.
  • the (RL) of the region between the side area 529.4 cm 2 ⁇ 0.7) at 120 cm 2 / W is the desired range at the maximum output of 150 kW and the maximum rotation speed of 34000 rpm. Will be.
  • FIG. 9 shows the relationship between the rotor radius R and the shaft length L with the side area S as a parameter.
  • the larger the side area the more the curve is located in the upward direction (the direction in which the axial length becomes longer). If the maximum output P and the maximum rotation speed n are determined, the optimum side area S can be obtained, and the combination of the optimum radius R and the shaft length L for realizing the optimum S area can be determined.
  • FIG. 10 shows the relationship between the optimum radius R and shaft length L with maximum rotation speed as a parameter at a maximum output of 25 kW.
  • FIG. 11 shows the relationship between the optimum radius R and the shaft length L with the maximum rotation speed as a parameter when the maximum output is 50 kW.
  • FIG. 12 shows the relationship between the optimum radius R and the shaft length L with the maximum rotation speed as a parameter when the maximum output is 100 kW.
  • FIG. 13 shows the relationship between the optimum radius R and the shaft length L with the maximum rotation speed as a parameter when the maximum output is 150 kW.
  • FIG. 10 shows the relationship between the optimum radius R and shaft length L with maximum rotation speed as a parameter at a maximum output of 25 kW.
  • FIG. 11 shows the relationship between the optimum radius R and the shaft length L with the maximum rotation speed as a parameter when the maximum output is 50 kW.
  • FIG. 12 shows the relationship between the optimum radius R and the shaft length L with the maximum rotation speed as a parameter when the maximum output is 100 kW
  • the torque T can be obtained from the equation (1).
  • This torque means the maximum torque with respect to the maximum output P and the maximum rotation speed n. That is, this maximum torque means the limit torque at the output and the rotation speed, and it is not possible to output a torque higher than the limit torque.
  • the torque T given by the equation (4) is determined by Ld0, Lq0, Id, and Iq at the maximum rotation speed of the motor. Therefore, if ⁇ a0, Ld0, Lq0, Id, and Iq at the maximum rotation speed are determined so that the torque T given by the equation (4) becomes the limit torque, the maximum rotation speed n satisfying the equation (1) is realized. can.
  • FIG. 16 and FIG. 17 show the characteristics of torque-rotational speed when the reduction ratios are 3.3, 15, and 21.7, respectively.
  • the horizontal axis represents the rotation speed of the rotation shaft of the motor for the characteristics of the torque-rotation speed of the motor, and represents the rotation speed of the output shaft of the speed reducer for the characteristics of the torque-rotation speed of the drive shaft.
  • the solid line is the characteristic showing the relationship between the rotary shaft speed of the motor and the rotary shaft torque
  • the broken line is the characteristic showing the relationship between the output shaft speed of the reducer and the output shaft torque.
  • the rotation speed range of the motor is reduced from 0 to 45,000 rpm to the rotation speed range of the drive shaft of 0 to 2070 rpm, and the maximum torque is increased 26.5 times from 86.8 Nm to 2303 Nm.
  • the radius R of the rotor is 4 cm, the shaft length L is 8.7 cm, and the side area S is 218.7 cm 2 .
  • rare earth bond magnets (not including Dy) are arranged in two rows in the radial direction in which a plurality of magnets are arranged in the circumferential direction per one magnetic pole of the rotor in the rotor cross section.
  • the outer peripheral side of the rotor of each magnet train is arranged along the arc tangent, and the bond magnet is magnetized by the applied magnetic field perpendicular to the arc tangent. Since the anisotropic magnet powder is used this time, the orientation treatment is performed with an applied magnetic field similar to the magnetization treatment at the time of molding.
  • the residual magnetic flux density Br of the rare earth bond magnet injection-molded using the above-mentioned compound (S5P-13MF) is 0.67T
  • the coil cross flux ⁇ m is 32.6mWb
  • ⁇ a is 40.0mWb
  • the reduction ratio is 3.3. Is.
  • cooled lubricating oil was injected into the gears to ensure smooth rotation and cooling of the machine.
  • the maximum output P is 50 kW.
  • a maximum rotation speed of 45,000 rpm has been achieved. At the maximum rotation speed of 34,000 rpm, long-term operation at that rotation speed was realized.
  • Id is -141.4 A
  • Iq is 34.5 A
  • phase current effective value Ie is 84 A
  • torque is 14.3 Nm
  • advance angle ⁇ no-load induced electromotive force and armature current. The angle was 76.3 °.
  • Id was -150.3 A
  • Iq was 25.4 A
  • phase current effective value Ie was 88 A
  • torque was 10.9 Nm
  • advance angle ⁇ was 80.4 °.
  • the optimum range of the side area S is 133.3 cm 2 or more and 177.8 cm 2 or less for an output of 50 kW and 120 cm 2 / W minutes ⁇ k ⁇ 160 cm 2 / W minutes. It turned out that it can be realized as.
  • the values of the side area S and k of the rotor of the motor are important factors, and as described above, the side.
  • rare earth elements can be minimized by determining the area, radius, and axial length.
  • the present invention can be used for a drive motor for an electrically driven mobile body in which all or part of the propulsion force is carried by the drive force of the motor.

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Abstract

【課題】磁石埋込型リラクタンスモータにおいて性能を低下させずに、希土類元素の使用量を低減させる。 【解決手段】最大回転速度が２００００ｒｐｍ以上、４５０００ｒｐｍ以下であって、希土類ボンド磁石をロータに埋め込んだ同期リラクタンスモータと、該同期リラクタンスモータの回転速度を使用範囲の回転速度に減速させてトルクを所定範囲に向上させる減速機とを有する。ロータの大きさは、前記ロータの半径をＲ( ｃｍ) 、前記ロータの軸方向の長さをＬ（ｃｍ) とするとき、２ｃｍ≦Ｒ≦６ｃｍ、２ｃｍ≦Ｌ≦２５ｃｍである。

Description

電気駆動移動体用ギアードモータ
　本発明は、推進力の全部又は一部をモータの駆動力が担う電気駆動移動体用ギアードモータに関する。特に、電気モータのみを駆動源とする電動車両（ＢＥＶ）、内燃機関による推進力に加えてモータによる推進力を付加するハイブリッド電動車両（ＨＶ）、燃料から得られる電力により回転するモータによる推進力を与える燃料電池電動車両（ＦＣＶ）などの電気駆動移動体用ギアードモータに関する。
　従来、特許文献１のようにフェライト磁石を用いた同期リラクタンスモータが知られている。また、希土類焼結磁石をロータに埋め込んだ埋込磁石同期モータ(IPMSM) が知られている。ところが、希土類元素は資源量が乏しく、特に、耐熱性付与等の性能の向上のために必要なジスプロシウム（Ｄｙ) は貴重であって地球上に偏在しており、安定供給の点に問題となっている。そのため、原材料を多く使用する希土類焼結磁石に代わるものとして、非特許文献１、２のように、希土類ボンド磁石をロータに埋め込んだ永久磁石補助型同期リラクタンスモータ(PMA-SynRM) が提案されている。
　また、ネオジウム（Ｎｄ）を節約し、ジスプロシウム（Ｄｙ）を含む重希土類元素を節約又は使用しない高効率・高出力モータの実現が望まれており、国の科学技術政策においても、その開発目標が定められている。
特開２０１１－８３０６６号公報
小林眞莉香他「希土類ボンド磁石を用いた自動車駆動用ＰＭＡＳｙｎＲＭの基礎検討」；平成２９年電気関係学会関西連合大会，ｐｐ．１１０－１１１ Marica Kobayashi etal.,"BasicStudy of PMASynRM with Bonded Magnets for Traction Applications" The 2018 International Power Electronics Conference, pp.2802-2807,2018.
  しかしながら、特許文献１は貴重な希土類元素を用いる代わりにフェライトを用いているが、フェライトは電機子電流により生成される磁場により減磁され易い。このため、特許文献１は減磁を効果的に防止するための構造を提案している。また、希土類焼結磁石を用いるには、高回転速度を実現するために磁石による磁束を低減するには極めて薄くする必要があり、加工限度が存在する。このため、希土類焼結磁石を用いた場合には、回転速度を２００００ｒｐｍ以上にすることは不可能に近い。
　一方、非特許文献１、２では、ロータの埋込磁石として希土類ボンド磁石が用いられている。５０００ｒｐｍにおいて最大出力７５．６ｋＷ～９２．７ｋＷが得られている。また、最大回転速度は１７０００ｒｐｍであり、出力は最大出力７５．６ｋＷから最大回転速度において４４．５ｋＷに低下している。
　このように非特許文献１、２では、磁石埋込型リランタクンスモータに希土類ボンド磁石が用いられているが、１７０００ｒｐｍ以上の回転速度が得られていない。また、最大回転速度と最大出力に対して、最適なロータの外周側面積、したがって希土類ボンド磁石の使用量との関係は全く考察されていない。したがって、非特許文献１、２においては、モータの性能を高く維持したまま、希土類元素の使用量をできる限り抑制するという観点は存在しない。
　そこで、本発明者らは、モータの性能を可能な限り損なわずに、希土類ボンド磁石の使用量を出来る限り低減できないかとの課題を設定して検討してきた。その結果、所望の出力を維持したまま、ロータの側面積をできるだけ小さくすることが必要であるとの結論を得た。出力が２５ｋＷ以上の大出力モータにおいては従来実現されていない最大回転速度２００００ｒｐｍ～４５０００ｒｐｍを実現するためには、ロータの外周の側面積を小さくして、希土類ボンド磁石の使用量を可能な限り低減させ、高速回転によるトルクの低下を減速ギアを用いて使用範囲のトルクが得られるように増大させれば、電気自動車の駆動源に用いることができるとの新たな着想に至った。
　本発明の目的は、モータの性能を出来る限り維持して、希土類ボンド磁石の使用量を低減させた電気自動車の駆動用モータを実現することである。
　本発明は、最大回転速度が２００００ｒｐｍ以上、４５０００ｒｐｍ以下であって、希土類ボンド磁石をロータに埋め込んだ同期リラクタンスモータと、該同期リラクタンスモータの回転速度を使用範囲の回転速度に減速させてトルクを所定範囲に向上させる減速機とを有する電気自動車に推進力を付与するための電気駆動移動体用ギアードモータである。
　本発明において、電気駆動移動体は単に電気自動車とも言う。その電気自動車はバッテリに蓄電された電力を用いた電気モータのみを駆動源とするBattery Electric Vehicle（ＢＥＶ）、内燃機関による推進力に付加して電動モータの推進力を用いるHybrid Vehicle（ＨＶ）、タンクの燃料から発電して、モータに通電してモータを駆動源とするFuel Cell Vehicle(ＦＣＶ)を含む概念である。要するに電気モータにより推進力を得る自動車を電気自動車と定義している。
  本発明において、最大回転速度は２５０００ｒｐｍ以上、４５０００ｒｐｍ以下としても良く、３００００ｒｐｍ以上、４５０００ｒｐｍ以下としても良い。３２０００ｒｐｍ以上、４５０００ｒｐｍ以下としても良い。さらに望ましくは３４０００ｒｐｍ以上、４５０００ｒｐｍ以下としても良い。
　本発明において、ロータの大きさは、ロータの半径をＲ（ｃｍ) 、ロータの軸方向の長さをＬ（ｃｍ) とするとき、２ｃｍ≦Ｒ≦６ｃｍ、２ｃｍ≦Ｌ≦２５ｃｍとすることが望ましい。Ｌが２５ｃｍを越えると、ロータの軸が波打つ可能性があり、現実的ではない。さらには、４ｃｍ≦Ｒ≦６ｃｍ、２ｃｍ≦Ｌ≦１８ｃｍとしても良い。半径Ｒが６ｃｍを越えると、モータの体格が過度に大きくなる可能性があり、モータの配置スペースの点からも望ましくない。
　また、同期リラクタンスモータの最大回転速度をｎ（ｒｐｍ) 、その最大出力をＰ（Ｗ）とし、ロータの半径をＲ（ｃｍ) 、ロータの軸方向の長さをＬ（ｃｍ) 、ロータの側面積をＳ（ｃｍ2 ）＝２πＲＬとするとき、ロータの大きさは、下記の式を満たすＳ対して、０．７Ｓ以上、１．１Ｓ以下の範囲の側面積を与える半径Ｒと長さＬとを有する大きさとすることが望ましい。
　　Ｓ＝ｋＰ／ｎ
　ただし、ｋ（ｃｍ2 ／Ｗ分）は比例定数であり、１２０ｃｍ2 ／Ｗ分≦ｋ≦１６０ｃｍ2 ／Ｗ分である。ｋの値は希土類ボンド磁石の残留磁束密度、磁石の形状、複数の磁石の配置形状、磁石配置を分離するスリットの形状、磁気回路の透磁率や抵抗、電機子コイルの配置と磁石とコイルとの配置関係、電機子電流の大きさなどによって変化する。これらの因子を最適化することで、ｋの値は小さくすることができる。すなわち、最大出力が大きくても、又は、最大回転速度が小さくても、ｋを小さくすれば側面積は小さくできる。ｋの範囲は、その観点から設定されている。
　（Ｒ，Ｌ）を決定する側面積に関して、側面積Ｓが小さい程、希土類元素の使用量を低減できる。側面積Ｓが大きい程、高出力、高トルクが得られるが、希土類元素の使用量が多くなるので、上限が上記のように定められている。最大出力Ｐと最大回転速度ｎと１２０ｃｍ2／Ｗ分≦ｋ≦１６０ｃｍ2 ／Ｗ分を満たす任意のｋの値とから上記の式から得られる側面積Ｓに対して、一定の幅を持たせて側面積Ｓの範囲を決定している。側面積が小さくなる方向の幅を、側面積が大きくなる方向の幅よりも大きく設定しているのは、所望の最大出力Ｐと最大回転速度ｎを実現する範囲で、可能な限り側面積Ｓを小さくする方が望ましいからである。その観点から、（Ｒ，Ｌ）を決定する側面積は、０．７Ｓ以上、１．１Ｓ以下の範囲としても良い。また、０．８Ｓ以上、１．１Ｓ以下、又は、０．９Ｓ以上、１．１Ｓ以下の範囲としても良い。
　また、本発明において、同期リラクタンスモータの最大出力Ｐは、２５ｋＷ以上、１８０ｋＷ以下であることが望ましい。望ましくは４０ｋＷ以上、１８０ｋＷ以下である。また、望ましくは４０ｋＷ以上、１５０ｋＷ以下、４０ｋＷ以上、１００ｋＷ以下としても良い。２５ｋＷ以上の出力で、回転速度２００００ｒｐｍ以上のモータは実現されていない。また、同期リラクタンスモータの最大回転速度時のトルクは、最大出力に依存するが、５Ｎｍ以上、８６Ｎｍ以下であることが望ましい。さらには、５Ｎｍ以上、７０Ｎｍ以下であることが望ましい。さらには、６Ｎｍ以上、６０Ｎｍ以下であることが望ましい。減速機の減速比は減速機の出力軸の使用回転速度範囲により決定されるが、電気駆動移動体用の駆動源としては、３以上、３０以下であることが望ましい。さらには、１２以上、３０以下としても良い。さらには、１９以上、２７以下としても良い。
　本発明において、希土類ボンド磁石の残留磁束密度は０．６Ｔ以上、１．０Ｔ以下であることが望ましい。また、希土類ボンド磁石は、ネオジウム（Ｎｄ）を含み、ジスプロシウム（Ｄｙ）及びテルビウム（Ｔｂ）を含む重希土類元素群の中の元素を含まないようにすることができる。特に、産出量が限られるジスプロシウム（Ｄｙ）又はテルビウム（Ｔｂ）を含まなくとも高性能なモータが実現できるので効果的である。
　本発明によると、ロータの回転速度を２００００～４５０００ｒｐｍとし、最高出力は２５ｋＷ～１８０ｋＷを実現する状態で、ロータの側面積を小さく、従って、希土類元素の使用量を低減させることができる。
本発明の一実施例に係る電気自動車用ギアードモータの構成を示すブロック図。 希土類ボンド磁石をロータに埋め込んだ同期リラクタンスモータの軸に垂直な断面図。 実施例に係るモータの回転速度とトルクとの関係を示す特性図。 実施例に係るモータの側面積と最大回転速度との関係を、最大出力をパラメータとして示す特性図。 実施例に係るモータの側面積と最大出力との関係を、最大回転速度をパラメータとして示す特性図。 実施例に係るモータの最大回転速度と最大出力との関係を、側面積をパラメータとして示した特性図。 実施例に係るモータの側面積を２１８．７ｃｍ2 とした時の最大回転速度と最大出力の取り得る範囲を、比例定数をパラメータとして示した特性図。 実施例に係るモータの側面積を６００ｃｍ2 とした時の最大回転速度と最大出力の取り得る範囲を、比例定数をパラメータとして示した特性図。 実施例に係る最大出力５０ｋＷ、最大回転速度３４０００ｒｐｍのモータの半径と軸長の取り得る範囲を、側面積の許容幅により示す特性図。 実施例に係る最大出力１００ｋＷ、最大回転速度３４０００ｒｐｍのモータの半径と軸長の取り得る範囲を、側面積の許容幅により示す特性図。 実施例に係る最大出力１５０ｋＷ、最大回転速度３４０００ｒｐｍのモータの半径と軸長の取り得る範囲を、側面積の許容幅により示す特性図。 実施例に係るモータの半径と軸長との関係を、側面積をパラメータとして示す特性図。 実施例に係る最大出力２５ｋＷのモータの半径と軸長との関係を、最大回転速度をパラメータとして示す特性図。 は実施例に係る最大出力５０ｋＷのモータの半径と軸長との関係を、最大回転速度をパラメータとして示す特性図。 実施例に係る最大出力１００ｋＷのモータの半径と軸長との関係を、最大回転速度をパラメータとして示す特性図。 実施例に係る最大出力１５０ｋＷのモータの半径と軸長との関係を、最大回転速度をパラメータとして示す特性図。 実施例に係る最大出力１８０ｋＷのモータの半径と軸長との関係を、最大回転速度をパラメータとして示す特性図。 実施例に係る最大出力５０ｋＷ、減速比３．３のギアードモータにおけるモータ軸と出力軸の回転速度とトルクとの関係を示す特性図。 実施例に係る最大出力５０ｋＷ、減速比１５のギアードモータにおけるモータ軸と出力軸の回転速度とトルクとの関係を示す特性図。 実施例に係る最大出力５０ｋＷ、減速比２１．７のギアードモータにおけるモータ軸と出力軸の回転速度とトルクとの関係を示す特性図。 実施例に係る最大出力５０ｋＷ、ギアードモータのモータ単体における回転速度とトルクとの関係を測定して得られた特性図。 実施例に係るギアードモータの変速機の構成図。
　以下、本発明を具体的な一実施例に基づいて説明する。本発明は以下の実施例には限定されない。
　図１は実施例に係るギアードモータ１のブロック図である。希土類ボンド磁石埋込型同期リラクタンスモータ２の回転軸は、減速機３の出力軸４に歯車群を介して結合している。減速機３によりギアードモータ１の回転速度が減速されて、出力軸４の回転が制御されている。減速機３の機構は良く知られているので詳しい説明は省略する。例えば特開2015-72054号公報、US2007/0111838A1公報が知られている。実施例の一つは、２組の歯車を用いて、減速比は３．３としている。勿論、減速比は３以上、３０以下の範囲の任意の比を用いることができる。望ましくは、３．３以上、２５以下の範囲の任意の比を用いることができる。減速比２１．８の減速機３の構成を図１９に示す。希土類ボンド磁石埋込型同期リラクタンスモータ２のロータ１０（図２）の回転軸１１の回転力を図１の出力軸４の回転力に伝達するのが、減速機３である。ロータ１０の回転軸１１の先端部分には入力歯車３２が形成されている。入力歯車３２には第１伝達歯車３３が回転可能に歯合している。第１伝達歯車３３は中間軸３４に結合されており、中間軸３４の出力端側には第２伝達歯車３５が形成されている。出力軸４には、第２伝達歯車３５と歯合して回転する出力歯車３６が形成されている。当然のことながら、回転軸１１、中間軸３４、出力軸４は筐体に支持された軸受けにより回転可能に軸支されている。ロータ１０の回転軸１１の回転速度は入力歯車３２と第１伝達歯車３３とにより第１段の減速（減速比５．５３）が行われる。回転数が減速された中間軸３４の回転は、第２伝達歯車３５と出力歯車３６とにより、第２段の減速（減速比３．９４）が行われる。減速機３の全体の減速比は２１．７９である。このようにしてロータ１０の回転軸１１の回転速度は、２段階の減速を経て出力軸４の回転速度となる。出力軸４の出力トルクはロータ１０の回転軸１１のトルクの２１．８倍となる。
　図２は、希土類ボンド磁石埋込型同期リラクタンスモータ２のロータ１０の軸１１に垂直な断面図である。ロータ１０は中心に回転軸１１を有し、その外周は空隙を隔てて、ステータ２０が配設されている。極対数は４である。ステータ２０は１極当たり６個のスットが形成されており、そのスロットに電機子コイル２１が配設されている。ロータ１０は高透磁率材料の板が軸方向に積層され、隣接する板は絶縁されている。断面において円弧状の空洞１２、１３が軸方向に伸びて形成されている。外周側に近い外側の空洞１２は、２つに分離されており、軸１１に近い内側の空洞１３は４つに分離されている。空洞は、半径方向に２列に形成しているが、３列であっても、３列以上であっても良い。また、空洞の円弧方向の分割数は２個、４個を示しているが、外側の空洞１２が３個、内側の空洞１３が５個、６個など任意である。
　この空洞１２、１３の中に、希土類ボンド磁石１４、１５が軸方向に沿って充填されている。希土類ボンド磁石は、希土類元素粒子と粒子を結着するバインダ樹脂とからなる。電気抵抗率は５０μΩｍ以上、望ましくは１００μΩｍ以上、さらには５００μΩｍ以上、さらには１０００μΩｍ以上とすることができる。これにより渦電流損をより低減できる。希土類元素粒子は、一種類に限らず、組成や粒度分布が異なる複数種が混在したものでも良い。磁石粒子には、等方性磁石粒子、異方性磁石粒子の何れを用いても良い。異方性磁石粒子を用いるとき、ボンド磁石は配向磁場中で成形されたものを用いることができる。勿論、配向と着磁とを同時に行っても良い。バインダ樹脂は、熱可塑性樹脂でも熱硬化性樹脂でもよい。熱硬化性樹脂を用いるとき、成形後に熱硬化処理（キュア処理）がなされると好ましい。
　希土類ボンド磁石１４、１５の充填方法は任意であるが、希土類元素粉末と樹脂との混合体をロータ１０へ射出成形し冷却固化させる方法を用いることができる。その他、圧縮成形であっても良い。半硬化した希土類ボンド磁石を空洞１２、１３に挿入させた後に、加熱して完全に硬化させても良い。圧縮成形の場合、バインダ樹脂量を少なくして希土類元素粒子量を多くできる。このため圧縮成形による磁石は、射出成形による磁石より磁束密度を大きくすることができる。
  希土類異方性磁石粉末には、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系磁石粉末、Ｓｍ－Ｆｅ－Ｎ系磁石粉末、Ｓｍ－Ｃｏ系磁石粉末等を用いることができる。ロータ１０に磁石粉末とバインダ樹脂との混練体を空洞１２、１３に充填した後に、ロータを配向磁場において、磁石粉末を配向させた後に、着磁しても良い。圧縮成形であれば、配向磁場中において圧縮して希土類ボンド磁石を形成する。
　希土類異方性磁石粉末として、Ｎｄ系磁石粉末（粗粉末）であるＮｄＦｅＢ系異方性希土類磁石粉末とＳｍ系磁石粉末（微粉末）であるＳｍＦｅＮ系異方性磁石粉末を使用し、バインダ樹脂とし熱可塑性樹脂であるＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）を使用し、それらを含んだコンパウンド（愛知製鋼カタログ：Ｓ５Ｐ－１３ＭＦ）を使用した。このコンパウンドを射出成形によりロータ１０に充填し、希土類ボンド磁石をロータ内に埋め込み、ロータと一体化した。
  この希土類ボンド磁石の残留磁束密度Ｂr は、０．６７Ｔとした。残留磁束密度Ｂr は、０．６Ｔ以上　１．０Ｔ以下の範囲に設定するのが良い。
　１．トルク－回転速度特性
　希土類ボンド磁石埋込型リラクタンスモータのトルク－回転速度特性を図３に示す。回転速度０～５５００ｒｐｍの範囲では、トルクは最大となり８７Ｎｍで一定である。この回転速度範囲では、電機子電流は最大値で一定である。この範囲では回転速度が増加するに連れて、電機子に印加される電圧が最大トルクを出力するように増加する期間であり、出力が回転速度に伴って直線的に増加する。回転速度５５００ｒｐｍから１１５００ｒｐｍの範囲における破線直線で示されたトルク－回転速度特性は、弱め界磁制御を行わない場合の特性である。この特性は最大トルク制御を表しており、回転速度の増加に伴って電機子に発生する誘導起電力により電機子電流が低下する領域となる。弱め界磁制御をしない場合には、１１５００ｒｐｍにおいて、回転速度は零となり、それ以上の回転速度は得られない。
　２．弱め磁界制御
　図３において、回転速度が５５００ｒｐｍ以上、最大回転速度４５０００ｒｐｍ以下の範囲は、弱め界磁制御を行った時のトルク－回転速度特性の下記（１）式による理論曲線である。モータは回転速度に伴って電機子コイルに誘導逆起電力（速度起電力）が発生し、電機子電流が低下してモータの回転速度は増加しない。希土類ボンド磁石による電機子コイルの交差磁束を弱めるために、電機子電流の位相を進み位相で制御することで、電機子反作用により交差磁束を低減させて誘導逆起電力を抑制するようにしている。
　３．モータの関係式
　モータのトルクＴ（Ｎｍ）と回転速度ｎ（ｒｐｍ）と出力Ｐ（Ｗ）との関係は（１）式が成立する。モータのトルクＴは（２）式で表現される。ここでＰn は極対数、Φa は（３）式で示されるように、電機子コイルのボンド磁石の磁束による交差磁束（ロータの制止状態では直流の最大交差磁束、回転時ではピーク値）Φm のｄｑ軸座標系への変換値（ｄ軸成分）である。Ｉd 、Ｉq は、電機子電流のｄ軸（直軸）成分、ｑ軸（横軸）成分である。本実施例では極対数Ｐn は４としている。しかし、極対数Ｐn は、４の他、１、２、３、６など任意である。Ｌd ，Ｌq は電機子コイルのｄ軸インダクタンス、ｑ軸インダクタンスである。図２に示すように、ｄ軸はボンド磁石の円弧の中心からラジアルの向きであり、ｑ軸は隣接するボンド磁石の中間点からラジアルの向きにとられている。ｄ軸とｑ軸の成す角は機械角では２２．５°である。ｑ軸は電気角では無負荷誘導起電力の向きであり、ｄ軸はボンド磁石による磁束が電機子コイルに向かう向きであり、ｑ軸はｄ軸に対して９０°遅れ位相にある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
  
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
  
　ロータの円筒側面の面積（以下、「側面積」という）Ｓを用いると、（２）式は、（４）式のように表現できる。ここで、Φa0は単位側面積当たりの交差磁束（交差磁束密度）（ｄ軸成分）である。Ｌd0，Ｌq0は、それぞれ、単位側面積当たりの電機子コイルのｄ軸インダクタンス、ｑ軸インダクタンスである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
  
  ここで、ｋを（５）式で定義する。（４）式のＴをｋで表して、そのＴを（１）式に代入して、（６）式のように側面積Ｓは表現できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
  
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 （４）式において、最大回転速度におけるＬd0、Ｌq0、Ｉd 、Ｉq は、それぞれ、最大回転速度における弱め界磁制御の限界から、最大出力、側面積によらず一定と見做せる。実施例の最大出力５０ｋＷのモータにおいては側面積Ｓは２１８．７ｃｍ2 であり、最大回転速度３４０００ｒｐｍが得られた。この最大回転速度でのｋは、（６）式から１４８．７ｃｍ2 ／Ｗ分となる。
　４．最大出力をパラメータとする最大回転速度と側面積との関係
　最大回転速度においては、ｋの値は（５）式より側面積Ｓに依存しないので、最大出力に係わらず一定と見做せる。（６）式においてｎを最大回転速度として、最大回転速度ｎと側面積Ｓとの関係を、最大出力Ｐをパラメータとして図示すると、図４のようになる。図４において、最大出力が大きくなる程、曲線は上に位置しており、最も下に位置しているのが最大出力２５ｋＷ、最も上に位置しているのが最大出力１８０ｋＷの曲線である。最大回転速度ｎを大きくするには、側面積Ｓを小さくする必要があることが分かる。換言すれば、希土類ボンド磁石の使用量を減少させるためには、最大回転速度を増大させる必要がある。最大回転速度ｎと最大出力Ｐを決めれば、（６）式、図４から最適な側面積Ｓを求めることができる。
　５．最大回転速度をパラメータとする最大出力と側面積との関係
　最大出力Ｐと側面積Ｓとの関係を、最大回転速度ｎをパラメータとして図示すると、図５のようになる。図５において、最大回転速度が大きくなる程、傾きは小さくなる。傾きが最も大きい直線が最大回転速度２００００ｒｐｍであり、傾きが最も小さい直線が最大回転速度４５０００ｒｐｍである。側面積Ｓは最大出力Ｐに比例しているが、最大回転速度ｎが大きくなる程、側面積Ｓの最大出力Ｐに対する比例係数が小さくなることが分かる。最大回転速度を大きくすれば、最大出力Ｐを大きくしても側面積Ｓはそれほど大きくする必要がなく、希土類ボンド磁石の使用量が低減できることが分かる。
　５．側面積をパラメータとする最大回転速度と最大出力との関係
　最大回転速度ｎと最大出力Ｐとの関係を側面積Ｓをパラメータとして図示すると図６のようになる。図６において、側面積が大きくなる程傾きが小さくなる。側面積が１２００ｃｍ2 の直線が最も傾きが小さく、側面積が１００ｃｍ2 の直線が傾きが最も大きい。側面積Ｓが６００ｃｍ2 の時に、最大出力Ｐと最大回転速度ｎの最適な組み合わせの選択範囲が最も広いことが分かる。側面積Ｓが６００ｃｍ2 の時には、最大回転速度ｎは２００００ｒｐｍから４５０００ｒｐｍの全範囲をとることができ、最大出力は８１ｋＷから１８２ｋＷの範囲の値をとることができる。
　６．側面積を一定としてｋをパラメータとする最大回転速度と最大出力との関係
　側面積Ｓを２１８．７ｃｍ2 とした時の最大回転速度ｎと最大出力Ｐとの関係をｋをパラメータとして図示すると図７．Ａのようになる。また、側面積Ｓを６００ｃｍ2 とした時の最大回転速度ｎと最大出力Ｐとの関係をｋをパラメータとして図示すると図７．Ｂのようになる。ｋの値が小さい程、同一の側面積に対して最大回転速度と、最大出力の取り得る範囲が拡大することが分かる。したがって、ｋの値を小さくすることが重要となる。
　ｋの値は（５）式から明らかなように、Φa0Ｉq －（Ｌq0－Ｌd0）Ｉq Ｉd の逆数に比例している。ただし、Ｌq0－Ｌd0＞０、Ｉq ＞０、Ｉd ＜０である。第１項は、単位極対数と単位側面積当たりのマグネットトルク、第２項は単位極対数と単位側面積当たりのリラクタンストルクである。一般的にはリラクタンストルクの方がマグネットトルクよりも大きいが、低回転速度になる程相電流が大きくなるので、リラクタンストルクの方がマグネットトルクよりも大きくなる程度が大きくなる。高回転速度になる程、相電流が小さくなるので、回転速度に対するリラクタンストルクの減少率はマグネットトルクの減少率よりも大きい。そのため、高回転速度になる程、全トルクに対するマグネットトルクの比率が徐々に増加し、単位面積当たりの交差磁束Φa0がｋに与える影響が大きくなる。交差磁束Φa0はボンド磁石の残留磁束密度Ｂr 、個々のボンド磁石の形状や、複数のボンド磁石の配置構造、配置層数、磁極間のボンド磁石の間隔、ボンド磁石のスリット幅、磁気回路の透磁率、ボンド磁石と電機子コイルの配置関係などに依存する。ｋの値を１４８．７（ｃｍ2 ／Ｗ分）と決定した時の残留磁束密度Ｂr が０．６７Ｔであることと、残留磁束密度Ｂr の現実的な範囲０．６～１．０Ｔを考慮して、本発明では、ｋの値を１２０ｃｍ2 ／Ｗ分以上、１６０ｃｍ2 ／Ｗ分以下としている。ｋの値を小さくする程、同一の最大回転速度と最大出力に対して側面積Ｓは小さくでき、ボンド磁石の使用量は少なくできる。
　７．決定された側面積に対して所定幅を持たせた時の半径と軸長との関係
　最大出力５０ｋＷ、最大回転速度３４０００ｒｐｍが実現された時の最適側面積Ｓは２１８．７ｃｍ2であった。ｋの値（１２０～１６０）ｃｍ2 ／Ｗ分の範囲により決定される側面積の範囲内（１７６．５～２３５．３ｃｍ2 ）のＳに対して０．７Ｓ以上、１．１Ｓ以下の範囲内のロータの半径Ｒとロータの軸方向の長さ（以下、「軸長」という）Ｌとの関係を図８．Ａ示す。側面積が大きい程、曲線は軸長が大きくなる領域に位置する。側面積２５８．８ｃｍ2 （ｋの最大値１６０ｃｍ2 ／Ｗ分の時の側面積２３５．３ｃｍ2 ×１．１）の時のＲ－Ｌ曲線と、側面積１２３．６ｃｍ2 （ｋの最小値１２０ｃｍ2 ／Ｗ分の時の側面積１７６．５ｃｍ2 ×０．７）の時のＲ－Ｌ曲線との間の領域の（Ｒ，Ｌ）が最大出力５０ｋＷ、最大回転速度３４０００ｒｐｍ時の望ましい範囲となる。
　最大出力１００ｋＷ、最大回転速度３４０００ｒｐｍの時の最適側面積Ｓは４３７．４ｃｍ2 である。ｋの値（１２０～１６０）ｃｍ2 ／Ｗ分の範囲により決定される側面積の範囲内（３５２．９～４７０．６ｃｍ2 ）のＳに対して０．７Ｓ以上、１．１Ｓ以下の範囲内のロータの半径Ｒと軸長Ｌとの関係を図８．Ｂ示す。側面積が大きい程、曲線は軸長が大きくなる領域に位置する。側面積５１７．７ｃｍ2 （ｋの最大値１６０ｃｍ2 ／Ｗ分の時の側面積４７０．６ｃｍ2 ×１．１）の時のＲ－Ｌ曲線と、側面積２４７．０ｃｍ2 （ｋの最小値１２０ｃｍ2 ／Ｗ分の時の側面積３５２．９ｃｍ2 ×０．７）の時のＲ－Ｌ曲線との間の領域の（Ｒ，Ｌ）が最大出力１００ｋＷ、最大回転速度３４０００ｒｐｍ時の望ましい範囲となる。
　最大出力１５０ｋＷ、最大回転速度３４０００ｒｐｍの時の最適側面積Ｓは６５６．０ｃｍ2 である。ｋの値（１２０～１６０）ｃｍ2 ／Ｗ分の範囲により決定される側面積の範囲内（５２９．４～７０５．９ｃｍ2 ）のＳに対して０．７Ｓ以上、１．１Ｓ以下の範囲内のロータの半径Ｒと軸長Ｌとの関係を図８．Ｃ示す。側面積が大きい程、曲線は軸長が大きくなる領域に位置する。側面積７７６．５ｃｍ2 （ｋの最大値１６０ｃｍ2 ／Ｗ分の時の側面積７０５．９ｃｍ2 ×１．１）の時のＲ－Ｌ曲線と、側面積３７０．６ｃｍ2 （ｋの最小値１２０ｃｍ2 ／Ｗ分の時の側面積５２９．４ｃｍ2 ×０．７）の時のＲ－Ｌ曲線との間の領域の（Ｒ，Ｌ）が最大出力１５０ｋＷ、最大回転速度３４０００ｒｐｍ時の望ましい範囲となる。
　８．側面積をパラメータとする半径と軸長との関係
　側面積Ｓをパラメータとしてロータの半径Ｒと軸長Ｌとの関係を図９に示す。図９において、側面積が大きくなる程、曲線は上方向（軸長が長くなる方向）に位置する。最大出力Ｐと最大回転速度ｎを決定すれば、最適側面積Ｓが求まり、その最適Ｓ面積を実現するための最適な半径Ｒと軸長Ｌの組み合わせが決定できる。
　９．最大回転速度をパラメータとする最大出力別の半径と軸長との関係
　最大出力２５ｋＷの時の最大回転速度をパラメータとする最適な半径Ｒと軸長Ｌとの関係を図１０に示す。最大出力５０ｋＷの時の最大回転速度をパラメータとする最適な半径Ｒと軸長Ｌとの関係を図１１に示す。最大出力１００ｋＷの時の最大回転速度をパラメータとする最適な半径Ｒと軸長Ｌとの関係を図１２に示す。最大出力１５０ｋＷの時の最大回転速度をパラメータとする最適な半径Ｒと軸長Ｌとの関係を図１３に示す。最大出力１８０ｋＷの時の最大回転速度をパラメータとする最適な半径Ｒと軸長Ｌとの関係を図１４に示す。図１０～図１４の各図において、最大回転速度が大きくなる程、曲線は下方（軸長が短くなる方向）に位置する。
　最大出力が２５ｋＷの時には、最大回転速度２００００ｒｐｍ～４５０００ｒｐｍの全範囲において、２ｃｍ≦Ｒ≦６ｃｍ、２ｃｍ≦Ｌ≦２５ｃｍが成立しており、自由度が高い。最大出力が大きくなるに連れて、２ｃｍ≦Ｒ≦６ｃｍ、２ｃｍ≦Ｌ≦２５ｃｍを満たす（Ｒ，Ｌ）が制限されるようになるが、最大回転速度を大きくすれば、（Ｒ，Ｌ）の取り得る最適範囲は拡大されるのが分かる（図１０－図１４）。特に、１５０ｋＷの図１３においては、最大回転速度４５０００ｒｐｍの時には、半径Ｒは３．２ｃｍから６ｃｍの全範囲をとることができる。したがって、最大回転速度ｎを大きくすることが、側面積を小さくでき、小型化の自由度を高くすることになる。
　１０．最大回転速度を実現するための最適化
　最大出力Ｐと最大回転速度ｎを与えると、（１）式からトルクＴが求まる。このトルクは、最大出力Ｐと最大回転速度ｎに対する最大トルクを意味する。すなわち、この最大トルクは、その出力と回転速度における限界トルクを意味し、その限界トルク以上のトルクを出力することはできない。一方、（４）式で与えられるトルクＴは、モータの最大回転速度におけるＬd0、Ｌq0、Ｉd 、Ｉq により決定される。したがって、（４）式で与えられるトルクＴが、限界トルクとなるように、最大回転速度におけるΦa0、Ｌd0、Ｌq0、Ｉd 、Ｉq を決定すれば、（１）式を満たす最大回転速度ｎを実現できる。
　１１．ギア減速
　次に、最大出力５０ｋＷの場合について、モータの回転軸の回転速度を、自動車を推進させる駆動軸（減速機の出力軸）の回転速度に減速する場合の特性について説明する。図１５、図１６、図１７は、それぞれ、減速比３．３、１５、２１．７の場合におけるトルク－回転速度との特性を示す。横軸はモータのトルク－回転速度の特性については、モータの回転軸の回転速度を表し、駆動軸のトルク－回転速度との特性については減速機の出力軸の回転速度を表している。実線がモータの回転軸速度と回転軸トルクとの関係を示す特性、破線が減速機の出力軸速度と出力軸トルクとの関係を示す特性である。減速比３．３ではモータの回転速度範囲０～４５０００ｒｐｍが、駆動軸の回転速度範囲０～１３６００ｒｐｍに減速され、最大トルクは８６．８Ｎｍから２８１Ｎｍに３．２倍に増加している。減速比１５ではモータの回転速度範囲０～４５０００ｒｐｍが、駆動軸の回転速度範囲０～３０００ｒｐｍに減速され、最大トルクは８６．８Ｎｍから１１９４Ｎｍに１３．８倍に増加している。減速比２１．７ではモータの回転速度範囲０～４５０００ｒｐｍが、駆動軸の回転速度範囲０～２０７０ｒｐｍに減速され、最大トルクは８６．８Ｎｍから２３０３Ｎｍに２６．５倍に増加している。
　１２．試作機　　
　ロータの半径Ｒは４ｃｍ、軸長Ｌは８．７ｃｍ、側面積Ｓは２１８．７ｃｍ2である。希土類ボンド磁石（Ｄｙを含まない）を、図２に示すように、ロータ断面において、ロータ一磁極当り周方向に複数の磁石が配列した磁石を径方向に２列配置している。各磁石列のロータ外周側は円弧接線に沿って配列され、ボンド磁石はその円弧接線に垂直な印加磁界で着磁されている。今回は異方性磁石粉末を使用するため、成形時に着磁処理と同様な印加磁界で配向処理が行われる。前述のコンパウンド（Ｓ５Ｐ－１３ＭＦ）を使用して射出成形された希土類ボンド磁石の残留磁束密度Ｂr は０．６７Ｔ、コイル交差磁束Φm は３２．６ｍＷｂ、Φa は４０．０ｍＷｂ、減速比は３．３である。減速機では、冷却した潤滑油を歯車に噴射して、円滑な回転と機械の冷却を行った。最大出力Ｐは５０ｋＷである。最大回転速度４５０００ｒｐｍまで実現した。最大回転速度３４０００ｒｐｍでは、その回転速度での長時間運転が実現した。回転速度３４０００ｒｐｍの時のＩdは、－１４１．４Ａ、Ｉq は３４．５Ａ、相電流実効値Ｉeは８４Ａ、トルクは１４．３Ｎｍ、進角β（無負荷誘導起電力と電機子電流との成す角）は７６．３°であった。最大回転速度４５０００ｒｐｍでは、Ｉd は、－１５０．３Ａ、Ｉq は２５．４Ａ、相電流実効値Ｉe は８８Ａ、トルクは１０．９Ｎｍ、進角βは８０．４°であった。最大回転速度４５０００ｒｐｍが実現されたので、出力５０ｋＷ、１２０ｃｍ2／Ｗ分≦ｋ≦１６０ｃｍ2／Ｗ分に対して、側面積Ｓは１３３．３ｃｍ2以上、１７７．８ｃｍ2以下の範囲を最適範囲として実現することができることが分かった。
　上記の試作機のモータ単体の回転速度（ｒｐｍ）とトルクＴ（Ｎｍ）と出力（ｋＷ）の関係を測定した。測定値と相電流実効値Ｉeから換算される緒元の結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
  
　図１８の回転速度ｎとトルクＴとの実測特性は、図３の理論特性と良く一致していることが分かる。また、出力Ｐは回転速度５６００ｒｐｍ以上の範囲では一定であり、高速回転数になっても、出力は低下していないことが理解される。
　また、上記の試作機において図１９に示す減速機で、減速比を２１．８にした。その結果、減速比３．３の時と同様に、最大回転速度４５０００ｒｐｍまで実現した。
　上記の試作機から、最大出力は２５ｋＷから１８０ｋＷ、最大回転速度は２００００ｒｐｍから４５０００ｒｐｍを実現するためには、モータのロータの側面積Ｓやｋの値が重要な要素であり、上述したように側面積、半径、軸長を決定すれば、希土類元素を最小とすることができるとの発明を完成させた。
本発明は、推進力の全部又は一部をモータの駆動力が担う電気駆動移動体用の駆動用モータに利用することができる。
１…ギアードモータ
２…希土類ボンド磁石埋込型同期リラクタンスモータ
３…減速機
１０…ロータ
１２，１３…空洞
１４，１５…希土類ボンド磁石
２０…ステータ
２１…電機子コイル

Claims (9)

  1. 　最大回転速度が２００００ｒｐｍ以上、４５０００ｒｐｍ以下であって、希土類ボンド磁石をロータに埋め込んだ同期リラクタンスモータと、該同期リラクタンスモータの回転速度を使用範囲の回転速度に減速させてトルクを所定範囲に向上させる減速機とを有する電気駆動移動体に推進力を付与するための電気駆動移動体用ギアードモータ。
  2. 　前記ロータの大きさは、前記ロータの半径をＲ（ｃｍ) 、前記ロータの軸方向の長さをＬ（ｃｍ) とするとき、２ｃｍ≦Ｒ≦６ｃｍ、２ｃｍ≦Ｌ≦２５ｃｍであることを特徴とする請求項１に記載の電気駆動移動体用ギアードモータ。
  3. 　前記同期リラクタンスモータの最大回転速度をｎ（ｒｐｍ) 、その最大出力をＰ（Ｗ）とし、前記ロータの半径をＲ（ｃｍ) 、前記ロータの軸方向の長さをＬ（ｃｍ) 、前記ロータの側面積をＳ（ｃｍ2 ）＝２πＲＬとするとき、
    　前記ロータの大きさは、下記の式を満たすＳ対して、０．７Ｓ以上、１．１Ｓ以下の範囲の側面積を与える半径Ｒと長さＬとを有する大きさであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電気駆動移動体用ギアードモータ。
    　　Ｓ＝ｋＰ／ｎ
    　　ただし、ｋ（ｃｍ2 ／Ｗ分）は比例定数であり、１２０ｃｍ2／Ｗ分≦ｋ≦１６０ｃｍ2／Ｗ分である。
  4. 　前記同期リラクタンスモータの最大出力Ｐは、２５ｋＷ以上、１８０ｋＷ以下である　ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の電気駆動移動体用ギアードモータ。
  5. 　前記同期リラクタンスモータの最大回転速度時のトルクは５Ｎｍ以上、８６Ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の電気駆動移動体用ギアードモータ。
  6. 　前記減速機の減速比は３以上、３０以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の電気駆動移動体用ギアードモータ。
  7. 　前記希土類ボンド磁石の残留磁束密度は０．６Ｔ以上、１．０Ｔ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の電気駆動移動体用ギアードモータ。
  8. 　希土類ボンド磁石は、ネオジウム（Ｎｄ）を含み、　ジスプロシウム（Ｄｙ）及びテルビウム（Ｔｂ）を含む重希土類元素群の中の元素を含まないことを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の電気駆動移動体用ギアードモータ。
  9. 　前記電気駆動移動体はモータのみを駆動源とする自動車又は内燃機関による推進力に加えてモータによる推進力を付加するハイブリッド方式の自動車又は燃料を電気に変換してモータにより駆動力を得る燃料自動車であることを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の電気駆動移動体用ギアードモータ。
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