(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載される自動車用の永久磁石回転電機であって、
集中的に巻回された固定子巻線を有する固定子と、
前記固定子の内側に回転可能に保持され、複数枚の鋼板を積層した回転子鉄心を有する回転子とを備え、
前記回転子鉄心の外周から径方向の内側に位置し、前記回転子鉄心の周方向に配置されるように、前記回転子鉄心に複数の孔を設け、前記複数の孔に極毎に交互に極性が反転するようにして複数個の永久磁石を配置し、前記永久磁石の外周側の前記回転子鉄心に磁極片部を作り、
前記極毎の永久磁石の間に存在する前記回転子鉄心にリラクタンストルクを発生させる補助磁極部を作り、
前記永久磁石により発生するトルクと前記リラクタンストルクとに基づいて回転トルクを発生するように構成し、
前記固定子巻線は、前記回転子の永久磁石の位置に基づいて制御された電流の供給を受けて磁束を発生させ、前記補助磁極部は、前記固定子巻線が発生する磁束により前記リラクタンストルクを発生させるように構成し、
前記永久磁石を有する回転子の極数を８個或いは１０個としたことを特徴とする自動車用の永久磁石回転電機。
【請求項２】
車両に搭載されたバッテリの電力により駆動される、車両に搭載される自動車用の永久磁石回転電機であって、
巻線が集中的に巻回された固定子巻線を備えた固定子鉄心を有する固定子と、
積層した回転子鉄心を有し、前記固定子の内側に回転可能に保持された回転子と、
前記回転子鉄心に設けられた複数の孔に、極毎に磁石の極性が反転するようにして挿入された永久磁石と、
前記永久磁石の外周側の回転子鉄心に作られた磁極片部と、
前記回転子鉄心の極毎の永久磁石の間に形成され、リラクタンストルクを発生する補助磁極部とを備え、
前記積層した回転子鉄心で構成される磁極片部により、前記永久磁石に作用する固定子からの脈動磁束を緩和し、
前記永久磁石から前記磁極片部を介して固定子に作用する磁束に基づいて発生するトルクと、前記補助磁極部が発生するリラクタンストルクとに基づき回転トルクを発生するように構成し、
前記固定子巻線は、前記回転子の永久磁石の位置に基づいて制御された電流の供給を受けて磁束を発生させ、前記補助磁極部は、前記固定子巻線が発生する磁束により前記リラクタンストルクを発生させるように構成し、
前記永久磁石を有する回転子の極数を８個或いは１０個としたことを特徴とする自動車用の永久磁石回転電機。
【請求項３】
車両に搭載される自動車用の永久磁石回転電機であって、
複数の固定子突極を有し、集中巻の巻き方で巻かれた多相の巻線を備えた固定子と、
前記固定子の内側に回転可能に保持され、複数枚の珪素鋼板を積層した回転子鉄心を有する回転子と、
前記回転子鉄心に設けられた複数の孔に挿入され、極毎に極性が反対になるようにして、周方向に全周にわたって配置された永久磁石と、
前記永久磁石の外周側の回転子鉄心に作られた磁極片部と、
前記回転子鉄心の極毎の永久磁石の間に形成された補助磁極部とを備え、
前記永久磁石から前記磁極片部を介して固定子に作用する磁束に基づいて発生するトルクと、前記補助磁極部が発生するリラクタンストルクとに基づき回転トルクを発生するようになし、
前記固定子巻線は、前記回転子の永久磁石の位置に基づいて制御された電流の供給を受けて磁束を発生させ、前記補助磁極部は、前記固定子巻線が発生する磁束により前記リラクタンストルクを発生させるよう構成し、
前記固定子突極では、同相の巻線が複数の突極に巻回され、かつ同相の巻線が巻回される複数の突極のうち少なくとも１つの突極に巻回される巻線が、他の同相の巻線とは永久磁石に対して位相が異なるように配置されているようにし、
前記永久磁石を有する回転子の極数を８個或いは１０個としたことを特徴とする自動車用の永久磁石回転電機。
【請求項４】
車両に搭載されたバッテリの電力により駆動される自動車用の永久磁石回転電機であって、
３相の巻線を集中巻の巻き方で巻いた固定子巻線を有する固定子突極を備えた固定子と、
前記固定子の内側に回転可能に保持され、複数枚の珪素鋼板を積層した回転子鉄心を有する回転子と、
前記回転子鉄心の周方向に周全体に渡って前記回転子鉄心に設けられ複数の孔と、
極毎に極性が交互に変わるようにして、前記複数の孔に配置された複数個の永久磁石と、
前記極毎の永久磁石の間に形成された補助磁極部とを備え、
前記永久磁石から固定子に作用する磁束に基づいて発生するトルクと、前記補助磁極部が発生するリラクタンストルクとに基づき回転トルクを発生するようになし、
前記固定子巻線は、前記回転子の永久磁石の位置に基づいて制御された電流の供給を受けて磁束を発生させ、前記補助磁極部は、前記固定子巻線が発生する磁束により前記リラクタンストルクを発生させるよう構成し、
前記固定子突極では、同相の巻線が複数の突極に巻回され、かつ同相の巻線が巻回される複数の突極のうち少なくとも１つの突極に巻回される巻線が、他の同相の巻線とは永久磁石に対して位相が異なるように配置されているようにし、
前記永久磁石を有する回転子の極数を８個或いは１０個としたことを特徴とする自動車用の永久磁石回転電機。
【請求項５】
直流電源と永久磁石回転電機と制御回路とを搭載した自動車であって、
前記永久磁石回転電機は、
集中的に巻回された固定子巻線を有する固定子と、
前記固定子の内側に回転可能に保持され、複数枚の鋼板を積層した回転子鉄心を有する回転子とを備え、
前記回転子鉄心の外周から径方向の内側に位置し、前記回転子鉄心の周方向に配置されるように、前記回転子鉄心に複数の孔を設け、前記複数の孔に極毎に交互に極性が反転するようにして複数個の永久磁石を配置し、前記永久磁石の外周側の前記回転子鉄心に磁極片部を作り、
前記極毎の永久磁石の間に存在する前記回転子鉄心にリラクタンストルクを発生させる補助磁極部を作り、
前記永久磁石により発生するトルクと前記リラクタンストルクとに基づいて回転トルクを発生するように構成し、
前記永久磁石を有する回転子の極数を８個或いは１０個とし、
前記直流電源から前記制御回路を介して上記固定子巻線に電流を供給するようになし、
前記自動車は、前記回転子の永久磁石の位置を検出する磁極位置検出手段を備え、
前記制御回路は、前記磁極位置検出手段によって検出された永久磁石の位置に基づいて前記固定子巻線に流れる電流を制御して前記固定子巻線に磁束を発生させ、この磁束により前記補助磁極部に前記リラクタンストルクを発生させるとともに、前記永久磁石回転電機の高速回転時に弱め界磁制御を行うことを特徴とする自動車。
【請求項６】
電力を供給するためのバッテリと永久磁石回転電機とバッテリから永久磁石回転電機に供給される電力を制御する制御回路とを搭載した自動車であって、
前記永久磁石回転電機は、
巻線が集中的に巻回された固定子巻線を備えた固定子鉄心を有する固定子と、
積層した回転子鉄心を有し、前記固定子の内側に回転可能に保持された回転子と、
前記回転子鉄心に設けられた複数の孔に、極毎に磁石の極性が反転するようにして挿入された永久磁石と、
前記永久磁石の外周側の回転子鉄心に作られた磁極片部と、
前記回転子鉄心の極毎の永久磁石の間に形成され、リラクタンストルクを発生する補助磁極部とを備え、
前記積層した回転子鉄心で構成される磁極片部により、前記永久磁石に作用する固定子からの脈動磁束を緩和し
前記永久磁石から前記磁極片部を介して固定子に作用する磁束に基づいて発生するトルクと、前記補助磁極部が発生するリラクタンストルクとに基づき回転トルクを発生し、
前記永久磁石を有する回転子の極数を８個或いは１０個とし、
前記自動車は、前記回転子の永久磁石の位置を検出する磁極位置検出手段を備え、
前記制御回路は、前記磁極位置検出手段によって検出された永久磁石の位置に基づいて前記固定子巻線に流れる電流を制御して前記固定子巻線に磁束を発生させ、この磁束により前記補助磁極部に前記リラクタンストルクを発生させるとともに、前記永久磁石回転電機の回転が低速時の回転トルクより高速時の回転トルクの方が小さくなるように、固定子巻線に供給する電流を制御することを特徴とする自動車。
【請求項７】
直流電源と永久磁石回転電機と制御回路とを搭載した自動車であって、
前記永久磁石回転電機は、
複数の固定子突極を有し、集中巻の巻き方で巻かれた多相の巻線を備えた固定子と、
前記固定子の内側に回転可能に保持され、複数枚の珪素鋼板を積層した回転子鉄心を有する回転子と、
前記回転子鉄心に設けられた複数の孔に挿入され、極毎に極性が反対になるようにして、周方向に全周にわたって配置された永久磁石と、
前記永久磁石の外周側の回転子鉄心に作られた磁極片部と、
前記回転子鉄心の極毎の永久磁石の間に形成された補助磁極部とを備え、
前記永久磁石から前記磁極片部を介して固定子に作用する磁束に基づいて発生するトルクと、前記補助磁極部が発生するリラクタンストルクとに基づき回転トルクを発生するようになし、
前記固定子突極では、同相の巻線が複数の突極に巻回され、かつ同相の巻線が巻回される複数の突極のうち少なくとも１つの突極に巻回される巻線が、他の同相の巻線とは永久磁石に対して位相が異なるように配置されており、
前記永久磁石を有する回転子の極数を８個或いは１０個とし、
前記自動車は、前記回転子の永久磁石の位置を検出する磁極位置検出手段を備え、
前記制御回路は、前記磁極位置検出手段によって検出された永久磁石の位置に基づいて前記固定子巻線に流れる電流を制御して前記固定子巻線に磁束を発生させ、この磁束により前記補助磁極部に前記リラクタンストルクを発生させるとともに、前記直流電源から前記永久磁石回転電機に供給する電力を弱め界磁制御することを特徴とする自動車。
【請求項８】
電力を供給する直流電源と永久磁石回転電機と制御回路とを搭載した自動車であって、
前記永久磁石回転電機は、
３相の巻線を集中巻の巻き方で巻いた固定子巻線を有する固定子突極を備えた固定子と、
前記固定子の内側に回転可能に保持され、複数枚の珪素鋼板を積層した回転子鉄心を有する回転子と、
前記回転子鉄心の周方向に周全体に渡って前記回転子鉄心に設けられ複数の孔と、
極毎に極性が交互に変わるようにして、前記複数の孔に配置された複数個の永久磁石と、
前記極毎の永久磁石の間に形成された補助磁極部とを備え、
前記永久磁石から固定子に作用する磁束に基づいて発生するトルクと、前記補助磁極部が発生するリラクタンストルクとに基づき回転トルクを発生するようになし、
前記固定子突極では、同相の巻線が複数の突極に巻回され、かつ同相の巻線が巻回される複数の突極のうち少なくとも１つの突極に巻回される巻線が、他の同相の巻線とは永久磁石に対して位相が異なるように配置されており、
前記永久磁石を有する回転子の極数を８個或いは１０個とし、
前記自動車は、前記回転子の永久磁石の位置を検出する磁極位置検出手段を備え、
前記制御回路は、前記磁極位置検出手段によって検出された永久磁石の位置に基づいて前記固定子巻線に流れる電流を制御して前記固定子巻線に磁束を発生させ、この磁束により前記補助磁極部に前記リラクタンストルクを発生させるとともに、前記永久磁石回転電機の弱め界磁制御を行うことを特徴とする自動車。
【請求項９】
車両に搭載される自動車用の永久磁石回転電機であって、
集中的に巻回された固定子巻線を有する固定子と、
前記固定子の内側に回転可能に保持され、複数枚の鋼板を積層した回転子鉄心を有する回転子とを備え、
前記回転子鉄心の外周から径方向の内側に位置し、前記回転子鉄心の周方向に配置されるように、前記回転子鉄心に複数の孔を設け、前記複数の孔に極毎に交互に極性が反転するようにして複数個の永久磁石を配置し、前記永久磁石の外周側の前記回転子鉄心に磁極片部を作り、
前記極毎の永久磁石の間に存在する前記回転子鉄心にリラクタンストルクを発生させる補助磁極部を作り、
前記永久磁石により発生するトルクと前記リラクタンストルクとに基づいて回転トルクを発生するように構成し、
前記固定子巻線は、前記回転子の永久磁石の位置に基づいて制御された電流の供給を受けるとともに、弱め界磁制御においては低速回転時の電流に対して高速回転時の電流の位相が進んだ位置となるように制御された電流の供給を受け、供給された電流に基づいて磁束を発生させ、
前記補助磁極部は、前記固定子巻線が発生する磁束により前記リラクタンストルクを発生させ、
前記永久磁石を有する回転子の極数を８個或いは１０個としたことを特徴とする自動車用の永久磁石回転電機。
【請求項１０】
車両に搭載されたバッテリの電力により駆動される、車両に搭載される自動車用の永久磁石回転電機であって、
巻線が集中的に巻回された固定子巻線を備えた固定子鉄心を有する固定子と、
積層した回転子鉄心を有し、前記固定子の内側に回転可能に保持された回転子と、
前記回転子鉄心に設けられた複数の孔に、極毎に磁石の極性が反転するように挿入された永久磁石と、
前記永久磁石の外周側の回転子鉄心に作られた磁極片部と、
前記回転子鉄心の極毎の永久磁石の間に形成され、リラクタンストルクを発生する補助磁極部とを備え、
前記積層した回転子鉄心で構成される磁極片部により、前記永久磁石に作用する固定子からの脈動磁束を緩和し、
前記永久磁石から前記磁極片部を介して固定子に作用する磁束に基づいて発生するトルクと、前記補助磁極部が発生するリラクタンストルクとに基づき回転トルクを発生するように構成し、
前記固定子巻線は、前記回転子の永久磁石の位置に基づいて制御された電流の供給を受けるとともに、弱め界磁制御においては低速回転時の電流に対して高速回転時の電流の位相が進んだ位置となるように制御された電流の供給を受け、供給された電流に基づいて磁束を発生させ、
前記補助磁極部は、前記固定子巻線が発生する磁束により前記リラクタンストルクを発生させ、
前記永久磁石を有する回転子の極数を８個或いは１０個としたことを特徴とする自動車用の永久磁石回転電機。
【請求項１１】
車両に搭載される自動車用の永久磁石回転電機であって、
複数の固定子突極を有し、集中巻の巻き方で巻かれた多相の巻線を備えた固定子と、
前記固定子の内側に回転可能に保持され、複数枚の珪素鋼板を積層した回転子鉄心を有する回転子と、
前記回転子鉄心に設けられた複数の孔に挿入され、極毎に極性が反対になるようにして、周方向に全周にわたって配置された永久磁石と、
前記永久磁石の外周側の回転子鉄心に作られた磁極片部と、
前記回転子鉄心の極毎の永久磁石の間に形成された補助磁極部とを備え、
前記永久磁石から前記磁極片部を介して固定子に作用する磁束に基づいて発生するトルクと、前記補助磁極部が発生するリラクタンストルクとに基づき回転トルクを発生するようになし、
前記固定子巻線は、前記回転子の永久磁石の位置に基づいて制御された電流の供給を受けるとともに、弱め界磁制御においては低速回転時の電流に対して高速回転時の電流の位相が進んだ位置となるように制御された電流の供給を受け、供給された電流に基づいて磁束を発生させ、
前記補助磁極部は、前記固定子巻線が発生する磁束により前記リラクタンストルクを発生させ、
前記固定子突極では、同相の巻線が複数の突極に巻回され、かつ同相の巻線が巻回される複数の突極のうち少なくとも１つの突極に巻回される巻線が、他の同相の巻線とは永久磁石に対して位相が異なるように配置されており、
前記永久磁石を有する回転子の極数を８個或いは１０個としたことを特徴とする自動車用の永久磁石回転電機。
【請求項１２】
車両に搭載されたバッテリの電力により駆動される自動車用の永久磁石回転電機であって、
３相の巻線を集中巻の巻き方で巻いた固定子巻線を有する固定子突極を備えた固定子と、
前記固定子の内側に回転可能に保持され、複数枚の珪素鋼板を積層した回転子鉄心を有する回転子と、
前記回転子鉄心の周方向に周全体に渡って前記回転子鉄心に設けられ複数の孔と、
極毎に極性が交互に変わるようにして、前記複数の孔に配置された複数個の永久磁石と、
前記極毎の永久磁石の間に形成された補助磁極部とを備え、
前記永久磁石から固定子に作用する磁束に基づいて発生するトルクと、前記補助磁極部が発生するリラクタンストルクとに基づき回転トルクを発生するようになし、
前記固定子巻線は、前記回転子の永久磁石の位置に基づいて制御された電流の供給を受けるとともに、弱め界磁制御においては低速回転時の電流に対して高速回転時の電流の位相が進んだ位置となるように制御された電流の供給を受け、供給された電流に基づいて磁束を発生させ、
前記補助磁極部は、前記固定子巻線が発生する磁束により前記リラクタンストルクを発生させ、
前記固定子突極では、同相の巻線が複数の突極に巻回され、かつ同相の巻線が巻回される複数の突極のうち少なくとも１つの突極に巻回される巻線が、他の同相の巻線とは永久磁石に対して位相が異なるように配置されており、
前記永久磁石を有する回転子の極数を８個或いは１０個としたことを特徴とする自動車用の永久磁石回転電機。
【請求項１３】
直流電源と永久磁石回転電機と制御回路とを搭載した自動車であって、
前記永久磁石回転電機は、
集中的に巻回された固定子巻線を有する固定子と、
前記固定子の内側に回転可能に保持され、複数枚の鋼板を積層した回転子鉄心を有する回転子とを備え、
前記回転子鉄心の外周から径方向の内側に位置し、前記回転子鉄心の周方向に配置されるように、前記回転子鉄心に複数の孔を設け、前記複数の孔に極毎に交互に極性が反転するようにして複数個の永久磁石を配置し、前記永久磁石の外周側の前記回転子鉄心に磁極片部を作り、
前記極毎の永久磁石の間に存在する前記回転子鉄心にリラクタンストルクを発生させる補助磁極部を作り、
前記永久磁石により発生するトルクと前記リラクタンストルクとに基づいて回転トルクを発生するように構成し、
前記永久磁石を有する回転子の極数を８個或いは１０個とし、
前記直流電源から前記制御回路を介して上記固定子巻線に電流を供給するようになし、
前記自動車は、前記回転子の永久磁石の位置を検出する磁極位置検出手段を備え、
前記制御回路は、前記磁極位置検出手段によって検出された永久磁石の位置に基づいて前記固定子巻線に流れる電流を制御して前記固定子巻線に磁束を発生させ、この磁束により前記補助磁極部に前記リラクタンストルクを発生させるとともに、前記永久磁石回転電機の低速回転時の電流に対して高速回転時の電流の位相が進んだ位置となるように前記固定子巻線に流れる電流を制御して前記永久磁石回転電機の弱め界磁制御を行うことを特徴とする自動車。
【請求項１４】
電力を供給するためのバッテリと永久磁石回転電機とバッテリから永久磁石回転電機に供給される電力を制御する制御回路とを搭載した自動車であって、
前記永久磁石回転電機は、
巻線が集中的に巻回された固定子巻線を備えた固定子鉄心を有する固定子と、
積層した回転子鉄心を有し、前記固定子の内側に回転可能に保持された回転子と、
前記回転子鉄心に設けられた複数の孔に、極毎に磁石の極性が反転するようにして挿入された永久磁石と、
前記永久磁石の外周側の回転子鉄心に作られた磁極片部と、
前記回転子鉄心の極毎の永久磁石の間に形成され、リラクタンストルクを発生する補助磁極部とを備え、
前記積層した回転子鉄心で構成される磁極片部により、前記永久磁石に作用する固定子からの脈動磁束を緩和し、
前記永久磁石から前記磁極片部を介して固定子に作用する磁束に基づいて発生するトルクと、前記補助磁極部が発生するリラクタンストルクとに基づき回転トルクを発生し、
前記永久磁石を有する回転子の極数を８個或いは１０個とし、
前記自動車は、前記回転子の永久磁石の位置を検出する磁極位置検出手段を備え、
前記制御回路は、前記磁極位置検出手段によって検出された永久磁石の位置に基づいて前記固定子巻線に流れる電流を制御して前記固定子巻線に磁束を発生させ、この磁束により前記補助磁極部に前記リラクタンストルクを発生させるとともに、前記永久磁石回転電機の低速回転時の電流に対して高速回転時の電流の位相が進んだ位置となるように前記固定子巻線に流れる電流を制御し、前記永久磁石回転電機の回転が低速時の回転トルクより高速時の回転トルクの方が小さくなるように制御することを特徴とする自動車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用の永久磁石回転電機及び自動車に係り、特に、内部磁石型回転電機に好適な自動車用の永久磁石回転電機及び自動車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電動車両，特に、電気自動車において使用される駆動電動機は、電気自動車として積載されるバッテリーの量が限定され、かつ、そのバッテリー容量で十分な一充電走行距離を確保することが必要なために、小型軽量、高効率であることが望まれている。
【０００３】
電動機を小型軽量化するためには、高速回転に適していることが要望される。また、高効率電動機としては、直流電動機や誘導電動機よりも永久磁石電動機が推奨できる。
【０００４】
永久磁石回転子には、永久磁石を回転子の外周に配置する表面磁石回転子と、永久磁石よりも高い透磁率を有する，例えば、珪素鋼板の中に永久磁石保持部を有する，いわゆる内部磁石回転子とがある。
【０００５】
表面磁石永久磁石電動機は、磁石磁束のため制御が簡単であることや、固定子巻線の反作用磁束の影響が弱いため低騒音にできる反面、高速回転のためには磁石の補強が必要であること、弱め界磁制御が困難であるため、速度制御範囲が狭く、高速低負荷時の効率が低いこと等の欠点を有していた。
【０００６】
一方、内部磁石永久磁石電動機は、表面磁石回転子と反対に、弱め界磁制御によって高速まで運転できる点、弱め界磁制御によって高速低負荷時を高効率にできる点、磁石外周の磁性体の磁極片部によって高速時まで回転可能である点、リラクタンストルクを利用できる等の利点を有している。
【０００７】
内部永久磁石回転電機としては、例えば、特開平５−２１９６６９号公報や特開平７−３９０９１号公報の図５に記載のものが知られている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の内部永久磁石回転電機において、電動車両等に用いることができる大型回転電機では、その固定子の構造としては、分布巻固定子が採用されている。しかしながら、分布巻固定子は、固定子の巻線のエンド部が長くなるため、回転電機本体の大きさを小型化するには限界があるという問題があった。特に、電動車両に用いる回転電機においては、高速に適し、高効率であることが要求されるとともに、さらに、小型軽量であることが要求されている。本発明の目的は、高速に適し、高効率であるとともに、小型軽量な自動車用の永久磁石回転電機及びその永久磁石回転電機を備えた自動車を提供するにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は、車両に搭載される自動車用の永久磁石回転電機であって、集中的に巻回された固定子巻線を有する固定子と、前記固定子の内側に回転可能に保持され、複数枚の鋼板を積層した回転子鉄心を有する回転子とを備え、前記回転子鉄心の外周から径方向の内側に位置し、前記回転子鉄心の周方向に配置されるように、前記回転子鉄心に複数の孔を設け、前記複数の孔に極毎に交互に極性が反転するようにして複数個の永久磁石を配置し、前記永久磁石の外周側の前記回転子鉄心に磁極片部を作り、前記極毎の永久磁石の間に存在する前記回転子鉄心にリラクタンストルクを発生させる補助磁極部を作り、前記永久磁石により発生するトルクと前記リラクタンストルクとに基づいて回転トルクを発生するように構成し、前記固定子巻線は、前記回転子の永久磁石の位置に基づいて制御された電流の供給を受けて磁束を発生させ、前記補助磁極部は、前記固定子巻線が発生する磁束により前記リラクタンストルクを発生させるように構成し、
前記永久磁石を有する回転子の極数を８個或いは１０個としたものである。
また、本発明の永久磁石回転電機は、更に下記の構成を備えるものである。
永久磁石回転電機はバッテリの電力により駆動される。
積層した回転子鉄心で構成される磁極片部は永久磁石に作用する固定子からの脈動磁束を緩和する。
固定子突極では、同相の巻線が複数の突極に巻回され、かつ同相の巻線が巻回される複数の突極のうち少なくとも１つの突極に巻回される巻線が、他の同相の巻線とは永久磁石に対して位相が異なるように配置されている。
また、本発明は、上記永久磁石回転電機を搭載した自動車を提供するものであり、この自動車は更に下記の構成を備えるものである。
自動車は直流電源と永久磁石回転電機と制御回路とを搭載している。
自動車は直流電源から制御回路を介して固定子巻線に電流を供給するように構成されている。
自動車は、回転子の永久磁石の位置を検出する磁極位置検出手段を備えている。
制御回路は、磁極位置検出手段によって検出された永久磁石の位置に基づいて固定子巻線に流れる電流を制御して固定子巻線に磁束を発生させ、この磁束により補助磁極部にリラクタンストルクを発生させるとともに、永久磁石回転電機の高速回転時に弱め界磁制御を行う。
また、本発明の永久磁石式回転電機及び自動車は、弱め界磁制御において、固定子巻線には、低速回転時の電流に対して高速回転時の電流の位相が進んだ位置となるように制御された電流が供給される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態による永久磁石回転電機について、図１〜図５を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施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。
【００１１】
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４６，４８によって支持されており、エンドブラケット４６，４８は、ハウジング２６の両端にそれぞれ固定されている。
【００１２】
また、回転子３０の永久磁石３６の位置を検出する磁極位置検出器ＰＳ及び回転子３０の位置を検出するエンコーダＥが、回転子３０の側面側に配置されている。回転電機１０は、磁極位置検出器ＰＳの信号と、エンコーダＥの出力信号によって、図３によって後述する制御装置によって運転制御される。
【００１３】
図２は、図１のＡ−Ａ矢視の断面図であるが、ハウジングの図示は省略してある。
図２において、回転電機１０は、固定子２０と回転子３０とから構成されている。固定子２０は、固定子鉄心２２と固定子巻線２４から構成される。固定子鉄心２２は、円環状の固定子ヨ−ク２２Ａと固定子磁極２２Ｂとからなり、固定子磁極２２Ｂには、固定子巻線２４が集中的に巻回される構成である。各巻線２４は、空隙面での磁路を共有することのない構成である。固定子巻線を集中巻とする固定子構造とすることにより、エンドコイル部の長さを短くすることができるため、回転電機の体格を小さくすることができる。エンドコイル部は、図１において、固定子鉄心２２の左右から固定子巻線２４が飛び出ている部分であり、このエンドコイル部を短くできるため、回転電機の長さを短くでき、小型化できる。
【００１４】
固定子巻線２４のＵ相には、Ｕ1+，Ｕ1-，Ｕ2+，Ｕ2-がそれぞれ接続され、Ｖ相には、Ｖ1+，Ｖ1-， Ｖ２+，Ｖ2-がそれぞれ接続され、Ｗ相には、Ｗ1+，Ｗ1-，Ｗ2+，Ｗ2-がそれぞれ接続される。
【００１５】
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１０個の永久磁石挿入孔３４に挿入された１０個の永久磁石３６と、シャフト３８から構成されている。１０個の永久磁石３６は、極性が互いに反対方向になるように、回転子鉄心３２の周方向に等間隔で配置されている。
【００１６】
回転子鉄心３２は、永久磁石挿入孔３４とシャフト３８を通す孔が打ち抜かれる構造となっている。永久磁石挿入孔３４とシャフト３８を通す孔が打ち抜かれ珪素鋼板を積層し、貫通する永久磁石挿入孔３４とシャフト３８を通す孔の中に永久磁石３６及びシャフト３８が挿入されて回転子３０を構成する。
回転子鉄心３２を半径方向に分けると、内周側のヨーク部３２Ａと、外周部３２Ｂに分けられる。また、回転子鉄心３２の外周部３２Ｂを周方向に２つの部分に分けると、補助磁極部３２Ｂ１と、磁極片部３２Ｂ２に分けられる。補助磁極部３２Ｂ１は、隣合う永久磁石挿入孔３４に挟まれる領域であり、磁石の磁気回路をバイパスして、固定子の起磁力によって直接磁束を固定子側に発生させる領域である。磁極片部３２Ｂ２は、回転子鉄心３２の外周部３２Ｂの中で、永久磁石３６の外周側に位置する領域であり、永久磁石３６からの磁束Ｂφがギャップを介して固定子２０側に流れて磁気回路を構成する領域である。
【００１７】
永久磁石３６は、補助磁極部３２Ｂ１によって周方向を覆われ、磁極片部３２Ｂ２によって外周を覆われた永久磁石挿入穴３４の中に収納することができ、高速回転に適した電動機とすることができる。
【００１８】
ここで、集中巻固定子は、一般には、リラクタンスモータや小型のブラシレスモータに使用されている。この場合、リラクタンスモータの場合には、回転子は補助磁極のみであり、ブラシレスモータの場合には、永久磁石を回転子外表面に直接配置する構成である。従って、リラクタンスモータの場合には脈動トルクが大きく、また、トルクが小さいものである。
【００１９】
一方、表面磁石回転子の場合には、弱め界磁制御が比較的困難であり、表面磁石に発生する渦電流によって損失を発生し、効率を低下させるものであった。
【００２０】
それに対して、内部永久磁石の回転子と、集中巻固定子を組み合わせた構成とすることによって、永久磁石の磁束によるトルクと補助磁極のリラクタンス成分によるトルクの両方を活用でき、高効率とすることができる。また、後述のように補助磁極の効果によって弱め界磁が可能となり、運転領域，特に、高速領域での運転領域が格段に広くすることができる。
【００２１】
さらには、磁極片部が磁性体であるため、固定子磁極の脈動磁束を緩和することができる。また、積層鉄心であるため、渦電流損を発生しないものである。
【００２２】
なお、図２に示す例では、電動機構成で、３相、かつ永久磁石回転子３６の極数Ｐが１０極、固定子の磁極数Ｍが１２極の構成としている。固定子磁極をＭ，回転子磁石の極数をＰとしたとき、Ｍ：Ｐ＝６ｎ：６ｎ±２ （ここでｎは正の整数）なる構成とすることにより、トルク脈動が少なく、かつ、巻線の利用率（巻線係数）を大きくできることから、高効率，小型軽量とすることができる。
【００２３】
以上は、電動機の例で示したが、発電機でも同様であることはいうまでもないことである。
【００２４】
次に、図３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装置について説明する。
図３は、本発明の一実施形態による永久磁石回転電機の制御回路の回路図である。
【００２５】
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。
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。
【００２６】
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，Ｉｓｂ，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。
【００２７】
ここで、電機自動車に適用する場合には、制御装置は、速度制御回路８４ではなく、直接トルクを制御するトルク制御系を有する。即ち、速度制御回路８４に替えて、トルク制御回路を使用する。トルク制御回路は、入力信号として、トルクＴｓと、トルク検出器によって得られる実際のトルクＴｆとからトルクＴｅを算出し、これにＰＩ制御（Ｐ：比例項、Ｉ：積分項）等によってトルク指令，即ち、電流指令Ｉｓと回転子３０の回転角θ１を出力する。
【００２８】
永久磁石回転電機においては、トルクは電流に直接比例するために電流制御系を速度制御回路８４の代わりに配置される。
【００２９】
固定子巻線２４の結線は、３相固定子巻線で、Ｕ相には、Ｕ1+，Ｕ1-，Ｕ2+，Ｕ2-が図示の順で接続され、Ｖ相には、Ｖ1+，Ｖ1-，Ｖ2+，Ｖ2-が図示の順で接続され、Ｗ相には、Ｗ1+，Ｗ1-，Ｗ2+，Ｗ2-が図示の順で接続される。ここで、各相を構成する巻線、例えば、Ｕ相ではＵ1+とＵ2-の間、Ｕ1-とＵ2+の間、Ｖ相ではＶ1+とＶ2-の間、Ｖ1-とＶ2+の間、Ｗ相ではＷ1+とＷ2-の間、Ｗ1-とＷ2+の間では、電気角で３０度の位相差を有する。即ち、図１に示すように、例えば、固定子磁極Ｕ1+とＵ2-の間の角度θ１に対して、回転子３０の隣合う永久磁石３６の角度θ２となっており、電気角で３０度の位相差を有するようになっている。このようにして、同一の相に接続される固定子巻線の巻回される固定子磁極は、永久磁石に対して少なくとも一つが位相が異なるようになっている。例えば、Ｕ1-が巻回される固定子磁石とＵ2+が巻回される固定子磁石を見ると、Ｕ1-に対して永久磁石３６Ａが同相とすると、永久磁石３６Ｂに対しては、位相が３０度異なるようになっている。これによって、集中巻の固定子において問題となる脈動トルクが軽減されている。この理由については、図４を用いて後述する。
【００３０】
集中巻きにおいては、図１に示すように、各巻線が空隙面でラップしないような構成にする。これによって、各巻線間の相互干渉は無くなり、小型軽量で、しかも、構成も簡単にすることができる。
【００３１】
また、図示のように、隣あう巻線を同相に選択することによって、接続が容易になる。即ち、Ｕ相ではＵ1+とＵ2-とが隣あっており、Ｕ1-とＵ2+とが隣あっている。また、Ｖ相ではＶ1+とＶ2-とが隣あっており、Ｖ1-とＶ2+とが隣あっている。同様にして、Ｗ相ではＷ1+とＷ2-とが隣あっており、Ｗ1-とＷ2+とが隣あっているので、接続が容易になる。
次に、図４を用いて、トルク脈動の低減する理由について説明する。
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トルクの説明図である。
【００３２】
図４（ａ）は、Ｕ1+,Ｕ1-,Ｖ1+,Ｖ1-,Ｗ1+,Ｗ1-の各固定子巻線に、図３に示した正弦・余弦発生回路９０からの信号に基づいて正弦波電流を加えた場合に発生するトルクを示している。高調波成分を含まなければ、均一なトルクになるが、永久磁石の高調波分や、補助磁極による高調波分等が含まれているため、図示のように、電気角で６０度を周期とするトルク脈動を発生する。
【００３３】
図４（ｂ）は、Ｕ２+,Ｕ２-,Ｖ２+,Ｖ２-,Ｗ２+,Ｗ２-の各固定子巻線に、正弦波電流を加えた場合に発生するトルクを示している。図４（ａ）に示したのと同様に、永久磁石の高調波分や、補助磁極による高調波分等が含まれているため、図示のように、電気角で６０度を周期とするトルク脈動を発生する。
【００３４】
ここで、固定子巻線２４のＵ1+，Ｕ1-，Ｖ1+，Ｖ1-，Ｗ1+，Ｗ1-が巻回されている固定子磁極２２Ｂと、 固定子巻線２４のＵ2-，Ｖ2+，Ｖ2-，Ｗ2+，Ｗ2-が巻回されている固定子磁極２２Ｂ２とは、電気角で３０度の位相差があるために、発生トルクの脈動は逆相となっている。
【００３５】
従って、図４（ｃ）に示すように、図４（ａ）と図４（ｂ）の合成されたトルクは、脈動トルクを低減したものとなる。
図２において、永久磁石極数Ｍと固定子磁極数Ｐとの比を１０：１２の例では、永久磁石回転電機のコギングトルクは、永久磁石極数と固定子磁極数の最小公倍数、ここでは、６０／回転の脈動となる。一般に、コギングトルクは脈動数／回転が大きくなるほど小さくなる。
ここで、従来からある一般的な表面磁石回転子で集中巻固定子においては、永久磁石極数Ｍと固定子磁極数Ｐとの比は、２：３であり、永久磁石極数Ｍ＝２を図２に示した永久磁石極数Ｍ＝１０極に換算してみると、Ｍ：Ｐ＝１０：１５に相当する。この場合、コギングトルクの脈動数／回転は、１０と１５の最小公倍数ということで、３０となる。従って、本実施形態による方が、コギングトルクを小さくできるものである。
【００３６】
また、電流通電時の脈動トルクの減少も図４で示した原理のよって小さくすることができる。
次に、本実施形態による永久磁石回転電機の弱め界磁制御による動作原理について、図５を用いて説明する。
図５は、本発明の一実施形態による永久磁石回転電機の動作原理図である。
【００３７】
永久磁石回転電機の発生トルクＴは、一般には次式で表される。
【００３８】
Ｔ＝｛Ｅ０・Ｉｑ＋（Ｘｑ−Ｘｄ）・Ｉｄ・Ｉｑ｝／ω
ここで、Ｅ０は誘起電圧、Ｘｑはｑ軸リアクタンス、Ｘｄはｄ軸リアクタンス、Ｉｄはｄ軸電流、Ｉｑはｑ軸電流、ωは回転角速度を表している。
【００３９】
図５（ａ）に示すように、永久磁石３６はｄ軸に配置され、永久磁石より高い透磁率を有する補助磁極部３２Ｂ１の位置はｑ軸に配置される。この場合、各ベクトルは、図５（ａ）で表される。ここで、ｄ軸電流−Ｉｄ，ｑ軸電流Ｉｑの合成である電流Ｉｍは、図３に示した制御回路の電流指令Ｉｓａ，Ｉｓｂ，Ｉｓｃや電動機の磁極位置検出器ＰＳやエンコーダＥの出力位置の計算等によって図示の位置に制御される。
【００４０】
上式において、第一項が永久磁石による成分で、第二項がリラクタンス成分で補助磁極部３２Ｂ１による成分である。
【００４１】
電気自動車用駆動電動機では、特に低速時に電動機のトルク／電流を最大にするように制御する必要がある。図５（ａ）はトルク／電流を最大にするように制御した場合のベクトル図を示す。ここでは、補助磁極３２Ｂ１に増磁起磁力がかかるように制御し、上式の第１項の永久磁石によるトルクとともに第２項の補助磁極３２Ｂ１のよるリラクタンストルクをも十分に活用した制御となる。
【００４２】
一方、高速領域においては、トルクは少なくともよく、むしろ永久磁石３６の磁束を弱めるために、Ｉｄ成分を大きくし、永久磁石Ｅ０をＸｄ・Ｉｄによって打ち消し、高速領域まで回転できるようにしている。図５（ｂ）は高速時のベクトル図を示している。
【００４３】
以上の電流Ｉｄ，Ｉｑの制御は、図３の制御回路の位相シフト回路８８によって行われる。
図５（ｃ）において、破線Ｔ２は、従来の表面磁石回転電機によって発生するトルクを示しており、高速領域でのトルクは低下している。それに対して、実線Ｔ１は、上述した制御によって、本実施形態による永久磁石回転電機の速度トルクの関係を示しており、従来の表面磁石回転電機に比較して、電流が流れやすくなるため、高速領域まで運転することが可能になる。
本実施形態によれば、集中巻固定子とすることにより、固定子のエンドコイル部を短くでき、回転電機を小型化できる。
また、同一の相に接続される固定子巻線の巻回される固定子磁極は、永久磁石に対して少なくとも一つが位相が異なるようになっているので、集中巻の固定子において問題となる脈動トルクが軽減されている。
また、補助磁極を有する永久磁石回転子とすることにより、弱め界磁制御に適する構成となっており、高速回転に適した回転電機とすることができる。
また、永久磁石の間には、永久磁石よりも高い透磁率を有する磁性材料からなる補助磁極部を配置したため、発生するトルクを大きくすることができる。
また、永久磁石の周囲を珪素鋼板で覆う構成とすることにより、高速回転に適したものとなる。
【００４４】
次に、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、図６を用いて説明する。
図６は、本発明の他の実施形態による永久磁石回転電機の断面図である。
本実施形態の特徴とする点は、電動機構成で、３相、かつ永久磁石回転子３６の極数Ｐが１０極、固定子の磁極数Ｍが９極の構成としている。固定子磁極をＭ，回転子磁石の極数をＰとしたとき、Ｍ：Ｐ＝３ｎ：３ｎ±１ （ここでｎは正の整数）なる構成とすることにより、トルク脈動が少なく、かつ、巻線の利用率（巻線係数）を大きくできることから、高効率，小型軽量とすることができるものである。
【００４５】
図６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、円環状の固定子ヨ−ク２２Ａと固定子磁極２２Ｂとからなり、固定子磁極２２Ｂには、固定子巻線２４が集中的に巻回される構成である。各巻線２４は、空隙面での磁路を共有することのない構成である。固定子巻線を集中巻とする固定子構造とすることにより、エンドコイル部の長さを短くすることができるため、回転電機の体格を小さくすることができる。
【００４６】
固定子巻線２４のＵ相には、Ｕ1+，Ｕ1-，Ｕ2+がそれぞれ接続され、Ｖ相には、Ｖ1+，Ｖ1-， Ｖ2+がそれぞれ接続され、Ｗ相には、Ｗ1+，Ｗ1-，Ｗ2+がそれぞれ接続される。
【００４７】
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１０個の永久磁石挿入孔３４に挿入された１０個の永久磁石３６と、シャフト３８から構成されている。１０個の永久磁石３６は、極性が互いに反対方向になるように、回転子鉄心３２の周方向に等間隔で配置されている。
【００４８】
回転子鉄心３２は、永久磁石挿入孔３４とシャフト３８を通す孔が打ち抜かれる構造となっている。永久磁石挿入孔３４とシャフト３８を通す孔が打ち抜かれ珪素鋼板を積層し、貫通する永久磁石挿入孔３４とシャフト３８を通す孔の中に永久磁石３６及びシャフト３８が挿入されて回転子３０を構成する。
回転子鉄心３２を半径方向に分けると、内周側のヨーク部３２Ａと、外周部３２Ｂに分けられる。また、回転子鉄心３２の外周部３２Ｂを周方向に２つの部分に分けると、補助磁極部３２Ｂ１と、磁極片部３２Ｂ２に分けられる。補助磁極部３２Ｂ１は、隣合う永久磁石挿入孔３４に挟まれる領域であり、磁石の磁気回路をバイパスして、固定子の起磁力によって直接磁束を固定子側に発生させる領域である。磁極片部３２Ｂ２は、回転子鉄心３２の外周部３２Ｂの中で、永久磁石３６の外周側に位置する領域であり、永久磁石３６からの磁束Ｂφがギャップを介して固定子２０側に流れて磁気回路を構成する領域である。
【００４９】
永久磁石３６は、補助磁極部３２Ｂ１によって周方向を覆われ、磁極片部３２Ｂ２によって外周を覆われた永久磁石挿入穴３４の中に収納することができ、高速回転に適した電動機とすることができる。
【００５０】
さらには、磁極片部が磁性体であるため、固定子磁極の脈動磁束を緩和することができる。また、積層鉄心であるため、渦電流損を発生しないものである。
【００５１】
この例では、電動機構成で、３相、かつ永久磁石回転子３６の極数Ｐが１０極、固定子の磁極数Ｍが９極の構成としている。固定子磁極をＭ，回転子磁石の極数をＰとしたとき、Ｍ：Ｐ＝３ｎ：３ｎ±１（ここでｎは正の整数）なる構成とすることにより、トルク脈動が少なく、かつ、巻線の利用率（巻線係数）を大きくできることから、高効率，小型軽量とすることができる。
【００５２】
固定子巻線２４の結線は、３相固定子巻線で、Ｕ相には、Ｕ1+，Ｕ1-，Ｕ2+が図示の順で接続され、Ｖ相には、Ｖ1+，Ｖ1-，Ｖ2+が図示の順で接続され、Ｗ相には、Ｗ1+，Ｗ1-，Ｗ2+が図示の順で接続される。ここで、各相を構成する巻線、例えば、Ｕ相ではＵ1+とＵ1-の間、Ｕ1-とＵ2+の間、Ｖ相ではＶ1+とＶ1-の間、Ｖ1-とＶ2+の間、Ｗ相ではＷ1+とＷ1-の間、Ｗ1-とＷ2+の間では、電気角で２０度の位相差を有する。このようにして、同一の相に接続される固定子巻線の巻回される固定子磁極は、永久磁石に対して少なくとも一つが位相が異なるようになっている。例えば、Ｕ1-が巻回される固定子磁石とＵ2+が巻回される固定子磁石を見ると、Ｕ1-に対して永久磁石３６Ａが同相とすると、永久磁石３６Ｂに対しては、位相が２０度異なるようになっている。これによって、集中巻の固定子において問題となる脈動トルクが軽減されている。
また、隣り合う固定子磁極２２Ｂの電気的な角度は、１８０×（１０／９）＝２００度となり、位相差を考えると２０度となる。永久磁石回転電機のコギングトルクは、永久磁石極数と固定子磁極数の最小公倍数，ここでは、９０／回転の脈動となる。
【００５３】
一方、図２に示した永久磁石極数Ｍと固定子磁極数Ｐとの比を１０：１２の例では、上述したように、永久磁石回転電機のコギングトルクは、６０／回転の脈動となる。従って、本実施形態では、コギングトルクをさらに、小さくすることができる。
【００５４】
以上は、電動機の例で示したが、発電機でも同様であることはいうまでもないことである。
本実施形態によれば、集中巻固定子とすることにより、固定子のエンドコイル部を短くでき、回転電機を小型化できる。
また、同一の相に接続される固定子巻線の巻回される固定子磁極は、永久磁石に対して少なくとも一つが位相が異なるようになっているので、集中巻の固定子において問題となる脈動トルクが軽減されている。
また、コギングトルクをさらに、低減できる。
また、補助磁極を有する永久磁石回転子とすることにより、弱め界磁制御に適する構成となっており、高速回転に適した回転電機とすることができる。
また、永久磁石の間には、永久磁石よりも高い透磁率を有する磁性材料からなる補助磁極部を配置したため、発生するトルクを大きくすることができる。
また、永久磁石の周囲を珪素鋼板で覆う構成とすることにより、高速回転に適したものとなる。
【００５５】
次に、本発明の第３の実施形態による永久磁石回転電機について、図７を用いて説明する。図７は、本発明の第３の実施形態による永久磁石回転電機の断面図である。本実施形態の特徴とする点は、電動機構成で、３相、かつ永久磁石回転子３６の極数Ｐが８極、固定子の磁極数Ｍが１２極の構成としている。かかる構成とすることにより、巻線の利用率（巻線係数）を大きくできることから、高効率，小型軽量とすることができるものである。
【００５６】
図７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、円環状の固定子ヨ−ク２２Ａと固定子磁極２２Ｂとからなり、固定子磁極２２Ｂには、固定子巻線２４が集中的に巻回される構成である。各巻線２４は、空隙面での磁路を共有することのない構成である。固定子巻線を集中巻とする固定子構造とすることにより、エンドコイル部の長さを短くすることができるため、回転電機の体格を小さくすることができる。
【００５７】
固定子巻線２４のＵ相には、Ｕ1，Ｕ2，Ｕ3，Ｕ4がそれぞれ接続され、Ｖ相には、Ｖ1，Ｖ2，Ｖ3，Ｖ4がそれぞれ接続され、Ｗ相には、Ｗ1，Ｗ2，Ｗ3，Ｗ4がそれぞれ接続される。
【００５８】
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８個の永久磁石挿入孔３４に挿入された８個の永久磁石３６と、シャフト３８から構成されている。８個の永久磁石３６は、極性が互いに反対方向になるように、回転子鉄心３２の周方向に等間隔で配置されている。
【００５９】
回転子鉄心３２は、永久磁石挿入孔３４とシャフト３８を通す孔が打ち抜かれる構造となっている。永久磁石挿入孔３４とシャフト３８を通す孔が打ち抜かれ珪素鋼板を積層し、貫通する永久磁石挿入孔３４とシャフト３８を通す孔の中に永久磁石３６及びシャフト３８が挿入されて回転子３０を構成する。
回転子鉄心３２を半径方向に分けると、内周側のヨーク部３２Ａと、外周部３２Ｂに分けられる。また、回転子鉄心３２の外周部３２Ｂを周方向に２つの部分に分けると、補助磁極部３２Ｂ１と、磁極片部３２Ｂ２に分けられる。補助磁極部３２Ｂ１は、隣合う永久磁石挿入孔３４に挟まれる領域であり、磁石の磁気回路をバイパスして、固定子の起磁力によって直接磁束を固定子側に発生させる領域である。磁極片部３２Ｂ２は、回転子鉄心３２の外周部３２Ｂの中で、永久磁石３６の外周側に位置する領域であり、永久磁石３６からの磁束Ｂφがギャップを介して固定子２０側に流れて磁気回路を構成する領域である。
【００６０】
永久磁石３６は、補助磁極部３２Ｂ１によって周方向を覆われ、磁極片部３２Ｂ２によって外周を覆われた永久磁石挿入穴３４の中に収納することができ、高速回転に適した電動機とすることができる。
【００６１】
さらには、磁極片部が磁性体であるため、固定子磁極の脈動磁束を緩和することができる。また、積層鉄心であるため、渦電流損を発生しないものである。
【００６２】
この例では、電動機構成で、３相、かつ永久磁石回転子３６の極数Ｐが１２極、固定子の磁極数Ｍが８極の構成としている。かかる構成とすることにより、巻線の利用率（巻線係数）を大きくできることから、高効率，小型軽量とすることができる。
【００６３】
固定子巻線２４の結線は、３相固定子巻線で、Ｕ相には、Ｕ1，Ｕ2，Ｕ3，Ｕ4が図示の順で接続され、Ｖ相には、Ｖ1，Ｖ2，Ｖ3，Ｖ4が図示の順で接続され、Ｗ相には、Ｗ1，Ｗ2，Ｗ3，Ｗ4が図示の順で接続される。ここで、各Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相を構成する巻線の間では、電気角で６０度の位相差を有する。
本例では、同一の相に接続される固定子巻線の巻回される固定子磁極は、永久磁石に対して同相となっており、トルク脈動の低減ななし得ないが、同一の相は、対称に配置される構成となっているため、バランスがよい構造となっている。即ち、Ｕ相についてみると、各Ｕ1，Ｕ2，Ｕ3，Ｕ4は、シャフト３８を中心として、点対称になっている。
【００６４】
以上は、電動機の例で示したが、発電機でも同様であることはいうまでもないことである。
本実施形態によれば、集中巻固定子とすることにより、固定子のエンドコイル部を短くでき、回転電機を小型化できる。
また、補助磁極を有する永久磁石回転子とすることにより、弱め界磁制御に適する構成となっており、高速回転に適した回転電機とすることができる。
また、永久磁石の間には、永久磁石よりも高い透磁率を有する磁性材料からなる補助磁極部を配置したため、発生するトルクを大きくすることができる。
また、永久磁石の周囲を珪素鋼板で覆う構成とすることにより、高速回転に適したものとなる。
【００６５】
次に、本発明の第４の実施形態による永久磁石回転電機について、図８を用いて説明する。図８は、本発明の第４の実施形態による永久磁石回転電機の断面図である。本実施形態の特徴とする点は、電動機構成で、３相、かつ永久磁石回転子３６の極数Ｐが８極、固定子の磁極数Ｍが１２極の構成としている。かかる構成とすることにより、巻線の利用率（巻線係数）を大きくできることから、高効率，小型軽量とすることができるものである。
また、回転子の磁極片部を、固定子の磁極側に突出させる形状とすることにより、磁束分布を正弦波状にするようにしたものである。
【００６６】
図８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、円環状の固定子ヨ−ク２２Ａと固定子磁極２２Ｂとからなり、固定子磁極２２Ｂには、固定子巻線２４が集中的に巻回される構成である。各巻線２４は、空隙面での磁路を共有することのない構成である。固定子巻線を集中巻とする固定子構造とすることにより、エンドコイル部の長さを短くすることができるため、回転電機の体格を小さくすることができる。
【００６７】
固定子巻線２４のＵ相には、Ｕ1，Ｕ2，Ｕ3，Ｕ4がそれぞれ接続され、Ｖ相には、Ｖ1，Ｖ2，Ｖ3，Ｖ4がそれぞれ接続され、Ｗ相には、Ｗ1，Ｗ2，Ｗ3，Ｗ4がそれぞれ接続される。
【００６８】
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８個の永久磁石挿入孔３４に挿入された８個の永久磁石３６と、シャフト３８から構成されている。８個の永久磁石３６は、極性が互いに反対方向になるように、回転子鉄心３２の周方向に等間隔で配置されている。
【００６９】
回転子鉄心３２は、永久磁石挿入孔３４とシャフト３８を通す孔が打ち抜かれる構造となっている。永久磁石挿入孔３４とシャフト３８を通す孔が打ち抜かれ珪素鋼板を積層し、貫通する永久磁石挿入孔３４とシャフト３８を通す孔の中に永久磁石３６及びシャフト３８が挿入されて回転子３０を構成する。
回転子鉄心３２を半径方向に分けると、内周側のヨーク部３２Ａと、外周側であって、永久磁石３６の外周に位置する磁極片部３２Ｂ２に分けられる。磁極片部３２Ｂ２は、永久磁石３６からの磁束Ｂφがギャップを介して固定子２０側に流れて磁気回路を構成する領域であり、ここでは、回転子の磁極片部を、固定子の磁極２２Ｂ側に突出させる形状とすることにより、磁束分布を正弦波状にしている。
【００７０】
永久磁石３６は、補助磁極部３２Ｂ１によって周方向を覆われ、磁極片部３２Ｂ２によって外周を覆われた永久磁石挿入穴３４の中に収納することができ、高速回転に適した電動機とすることができる。
【００７１】
さらには、磁極片部が磁性体であるため、固定子磁極の脈動磁束を緩和することができる。また、積層鉄心であるため、渦電流損を発生しないものである。
【００７２】
この例では、電動機構成で、３相、かつ永久磁石回転子３６の極数Ｐが１２極、固定子の磁極数Ｍが８極の構成としている。かかる構成とすることにより、巻線の利用率（巻線係数）を大きくできることから、高効率，小型軽量とすることができる。
【００７３】
固定子巻線２４の結線は、３相固定子巻線で、Ｕ相には、Ｕ1，Ｕ2，Ｕ3，Ｕ4が図示の順で接続され、Ｖ相には、Ｖ1，Ｖ2，Ｖ3，Ｖ4が図示の順で接続され、Ｗ相には、Ｗ1，Ｗ2，Ｗ3，Ｗ4が図示の順で接続される。ここで、各Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相を構成する巻線の間では、電気角で６０度の位相差を有する。
本例では、同一の相に接続される固定子巻線の巻回される固定子磁極は、永久磁石に対して同相となっており、トルク脈動の低減ななし得ないが、同一の相は、対称に配置される構成となっているため、バランスがよい構造となっている。即ち、Ｕ相についてみると、各Ｕ1，Ｕ2，Ｕ3，Ｕ4は、シャフト３８を中心として、点対称になっている。
【００７４】
以上は、電動機の例で示したが、発電機でも同様であることはいうまでもないことである。
本実施形態によれば、集中巻固定子とすることにより、固定子のエンドコイル部を短くでき、回転電機を小型化できる。
また、永久磁石回転子とすることにより、弱め界磁制御に適する構成となっており、高速回転に適した回転電機とすることができる。
また、永久磁石の周囲を珪素鋼板で覆う構成とすることにより、高速回転に適したものとなる。
【００７５】
以上、各実施形態においては、制御方式として回転子の位置に対して、正弦波状の電流制御を行う方式について述べたが、電流制御を行わない１２０度通電型のブラシレスモ−タ方式でも適用できることは言うまでもないことである。
【００７６】
また、以上の説明では、内転形の電動機で示したが、外転型及び発電機あるいはリニアモータにも適用可能である。
次に、本発明の第５の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、図９を用いて説明する。
図９は、本発明の第５の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。
電気自動車の車体１００は、４つの車輪１１０，１１２，１１４，１１６によって支持されている。この電気自動車は、前輪駆動であるため、前方の車軸１５４には、永久磁石回転電機１２０が直結して取り付けられている。永久磁石回転電機１２０の構成は、図２，図６，図７，図８に示したような構成となっている。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１４０から電力が制御装置１３０を介して、永久磁石回転電機１２０に供給され、永久磁石回転電機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。
なお、以上の実施例では、永久磁石回転電機を電気自動車の車輪の駆動に用いるものとして説明したが、電気機関車等の車輪の駆動にも使用できるものである。
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。
【００７７】
【発明の効果】
本発明によれば、永久磁石回転電機を、高速に適し、高効率であるとともに、小型軽量にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施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の制御回路の回路図である。
【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トルクの説明図である。
【図５】本発明の一実施形態による永久磁石回転電機の動作原理図である。
【図６】本発明の他の実施形態による永久磁石回転電機の断面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態による永久磁石回転電機の断面図である。
【図８】本発明の第４の実施形態による永久磁石回転電機の断面図である。
【図９】本発明の第５の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
２２Ａ…固定子ヨーク
２２Ｂ…固定子磁極
２４…固定子巻線
２６…ハウジング
３０…回転子
３２…回転子鉄心
３２Ａ…ヨーク
３２Ｂ…外周部
３２Ｂ１…補助磁極部
３２Ｂ２…磁極片部
３４…永久磁石挿入穴
３６…永久磁石
３８…シャフト
３９…風孔
４６，４８…エンドブラケット
４２，４４…ベアリング
８０…直流電源
８２…インバータ
８４…速度制御回路
８６…Ｆ／Ｖ変換器
８８…位相シフト回路
９２…２相−３相変換回路
９０…正弦波・余弦波発生器
９４Ａ，９４Ｂ，９４Ｃ…電流制御系
１００…車体
１１０，１１２，１１４，１１６…車輪
１３０…制御装置
１４０…バッテリ
１５０…ハンドル
１５２…ステアリングギア
１５４…車軸
ＰＳ…位置検出器
Ｅ…エンコーダ
ＣＴ…電流検出器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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