(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子巻線を有する固定子と、該固定子の内周に回転空隙を介して回転可能に配置されると共に、ブロック形状，台形状及び凸部が固定子側を向くアーク形状のいずれかの形状からなる複数個の永久磁石が鉄心内部に円周状にかつ前記永久磁石の極性が交互になるように埋め込み配置された回転子とを有し、前記鉄心の表面であって、前記鉄心の外周部の前記永久磁石の周方向幅の外面との間における部分かつ前記永久磁石の磁極の中心に対応する位置には、前記固定子と前記回転子の回転時の磁気変動によって生じるコギングトルクの低減のための磁気変動を生じさせると共に、誘起電圧の波形をほぼ台形波とする溝が設けられていることを特徴とする永久磁石回転電機。
【請求項２】
駆動用モータを備え、該駆動用モータとして、請求項１に記載の永久磁石回転電機を用いたことを特徴とする電気車両。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、永久磁石回転電機およびそれを用いた電気車両に関する。
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石回転電機においては、固定子と回転子の磁気変動に起因する「コギングトルク」が生じ、スムーズな回転を妨げるという問題がある。
【０００３】
そのコギングトルクの低減を図ったものとして、特開平3−45140号公報には、永久磁石に溝を設け、発生するコギングトルクと同じ次数で、かつ、ほぼ逆相のコギングトルクを発生させる磁気的な変動成分を永久磁石界磁に設けた永久磁石回転電機が記載されている。
【０００４】
また、永久磁石界磁に磁気的な変動成分を永久磁石界磁に持たせるのではなく、永久磁石の外周に位置する回転子鉄心表面に孔または溝などの変動性分を設けるという構成の永久磁石回転電機として、特開平5−103453 号公報に記載されているもの、および特開平7−336917 号に記載されているものがある。
【０００５】
前者（特開平5−103453 号）は回転子鉄心の電気角６０度および１２０度に相当する位置に軸方向に延びる孔を回転子鉄心に設けるものである。トルクリップルのピーク位置となっていた部分のトルクを小さくし、全体としてのトルクを一様にすることにより、振動および騒音の低減を図ったものである。
【０００６】
後者（特開平7−336917 号）は、弧状の永久磁石の凸部が回転子の回転中心を向くように均等配置された回転子鉄心であって、永久磁石の凹部側に位置する部分に径方向に伸びるスリットを形成したものである。スリットにより該部分の磁気抵抗が大きくなり、そこを通過する磁束が減少し、固定子巻線のインダクタンスが減少することによって、トルク低下抑制を図ったものである。
【０００７】
また、永久磁石回転電機を用いた電気車両では、永久磁石回転電機のコギングトルクが原因で、車両のスムーズな減速，停止が困難となるため、車両の減速時または停止直前に動力源である回転電機の回転軸と車輪または車輪駆動軸との接続をカットする機構や、振動を吸収する機構が必要であった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
特開平3−45140号公報に記載の技術は、コギングトルクを低減することは可能であるが、永久磁石自身に溝を設けるため、以下の問題が生じる。
【０００９】
第１に、永久磁石を加工すると、材質によってはヒビや割れを生じやすく、機械強度が低下する。第２に、溝を永久磁石表面に形成するので、コギングトルクを十分に低減するためには、大きな溝を形成する必要がある。第３に、回転子形成後に磁石を着磁させる、いわゆる後着磁の場合、磁石表面に溝が存在すると、均一な着磁が困難なため磁石としての性能が低下する。
【００１０】
特開平5−103453 号公報に記載されている技術は、全体のトルクを一様化することは可能であるが、電気角６０度および１２０度に孔を設けたのでは、コギングトルクを有効に低減することはできない。
【００１１】
また特開平7−336917 号に記載されている技術は、アーク型の永久磁石の凸部が回転子中心を向くように配置した永久磁石回転電機に関し、それに特有の磁路の改善を目的としたものであり、このような配置の回転電機のコギングトルクを有効に低減するものではない。
【００１２】
以上の点に鑑み本発明は、ブロック形状または台形、若しくは凸部が固定子側を向くアーク形状の永久磁石回転電機において、永久磁石表面に溝を設けることなく、コギングトルクの極めて少ない永久磁石回転電機を提供することを第１の目的とする。
【００１３】
また、永久磁石回転電機を用いた電気車両においては、コギングトルクを抑制するため上記のような回転軸と車輪または車輪駆動軸との接続をカットする機構、または振動を吸収する機構を装備することにより、効率の低下，組み立て性の低下，コスト高を招いていた。
【００１４】
そこで本発明は、永久磁石回転電機を用いた電気車両において、コギングトルクの車両への影響を緩和する装備を不要にし、電気車両全体としての効率を高めることを第２の目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴は、固定子巻線を有する固定子と、この固定子の内周に回転空隙を介して回転可能に配置されると共に、ブロック形状，台形状及び凸部が固定子側を向くアーク形状のいずれかの形状からなる複数個の永久磁石が鉄心内部に円周状にかつ永久磁石の極性が交互になるように埋め込み配置された回転子とを有する永久磁石回転電機において、回転子鉄心の表面であって、回転子鉄心の外周部の永久磁石の周方向幅の外面との間における部分かつ永久磁石の磁極の中心に対応する位置に、固定子と回転子の磁気変動によって生じるコギングトルクの低減のための磁気変動を生じさせると共に、誘起電圧の波形をほぼ台形波とする溝を設けたことにある。
【００１６】
また、本発明の他の特徴は、車輪或いは車輪駆動軸を直接的に駆動する駆動用モータを備えた電動車両において、その駆動用モータとして上記永久磁石回転電機を用いたことにある。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を三相８極／４８スロットの５０ｋＷ永久磁石回転電機に適用した第１実施例につき１ポールペアを示した図１を参照して説明する。まず、図１において固定子１は、ほぼ環状をなす固定子鉄心２に形成された４８個のスロット３にＵ相の固定子巻線Ｕ１、およびＶ相の固定子巻線Ｖ１、並びにＷ相の固定子巻線Ｗ１を挿入配置して構成されている。固定子鉄心の内周部には、各スロットに対応して開口部４が形成されている。
【００１８】
これに対して、回転子６は、回転軸９に回転子鉄心７を嵌合固着し、この回転子鉄心に形成された打抜の収納部に、Ｎ極とＳ極とが交互になるように着磁されてるネオジウム製の８個の永久磁石８を軸方向から挿入して埋め込み組込むことによって構成され、固定子１の内部に固定子鉄心２の内周部と所定のギャップ５を有する状態で回転可能に配置されている。なお、回転子鉄心７は収納部形成用の孔が形成された硅素鋼板を多数枚積層して構成されており、表面にコギングトルクを低減させるための溝１０が永久磁石８の１磁極当り回転子鉄心７の外周部に設けられている。この溝１０は、回転子鉄心７の軸方向に延び、回転子鉄心７の外周部と永久磁石８の周方向幅の外面との間に配置され、かつ永久磁石８の磁極の中心に対応して位置している。
【００１９】
図２は本発明における回転子鉄心表面の溝の有無の効果を比較するため、溝がない場合の１極分の磁場解析結果を示したものであり、図３は図２の形状における１極分（電気角１８０度）のコギングトルクを示したものである。
【００２０】
図４は本発明の回転子鉄心表面に深さ１mmの溝がある場合の１極分の磁場解析結果を示したものであり、図５は図４の形状における１極分（電気角１８０度）のコギングトルクを示したものである。
【００２１】
図３と図５より、回転子鉄心表面に溝がない場合のピークからピークまでのコギングトルクが１１.４Ｎｍ であるのに対して、本発明の回転子表面に溝がある場合のコギングトルクは４.６Ｎｍ となり、溝を付けることによりコギングトルクを４０％に低減できる。
【００２２】
一方、図６は従来例における磁石表面の溝の有無の効果を比較するため、溝がない場合の１極分の磁場解析結果を示したものであり、図７は図６の形状における１極分（電気角１８０度）のコギングトルクを示したものである。
【００２３】
図８は従来例における磁石表面に深さ１mmの溝がある場合の１極分の磁場解析結果を示したものであり、図９は図８の形状における１極分（電気角１８０度）のコギングトルクを示したものである。
【００２４】
図７と図９より、磁石表面に溝がない場合のピークからピークまでのコギングトルクが２１.６Ｎｍ であるのに対して、永久磁石表面に溝がある場合のコギングトルクは１８.５Ｎｍ となり、溝を付けることによりコギングトルクを８５％に低減できる。
【００２５】
図１０に、本発明と従来例の溝の有無によるコギングトルクの値の変化を示す。同等の深さの溝を付けたにもかかわらず、従来例の磁石表面に溝を付ける場合よりも、本発明の回転子鉄心表面に溝を付けた場合の方が、コギングトルクを大きく低減できることが分かる。これは、永久磁石の溝有無による磁気エネルギーの変化よりも、回転子鉄心の溝の有無による磁気エネルギーの変化が大きいことに由来している。
【００２６】
本発明と従来例において、同等のコギングトルクとするためには従来例において磁石表面の溝を深くしなければならず、前述の製作上や機械強度上の困難に加えて、風損が増加し効率が低下する。
【００２７】
本発明においては回転子鉄心の表面に溝を付ける構成のため、積層鋼板の型抜きにおいて溝を付けた型を用いればよく、製作は容易である。機械強度も従来例より強固で、風損も低減でき効率が向上する。
【００２８】
以下に、この種の回転電機におけるコギングトルクの発生の原理を図１１により説明する。一般にコギングトルクは永久磁石磁極（ｂ）の移動に伴って、ギャップ部５内の磁気エネルギーが変化することにより、引き起こされる。この磁気エネルギーの変化の原因は巻線溝にある。
【００２９】
図１１で（ａ）はギャップ磁束密度、(ｃ）は固定子部の周方向展開図、(ｄ）は固定子部がθだけ移動したときの固定子部を示す。同図では便宜上、実際とは逆に電機子部（ｃ）が永久磁石磁極（ｂ）に対して動くものとして、次に説明する。
【００３０】
同図においてコギングトルクＴc は、θを永久磁石磁極（ｂ）に対する電機子部（ｃ）の移動角、Ｅ（θ）をギャップ全体の磁気エネルギーとした場合に、次式で表すことができる。
【００３１】
【数１】
0003658507.tif 000002
【００３２】
一方、ギャップ中の任意の角度での微小体格ｄφ当りの磁気エネルギー      ΔＥ(θ)は、μ0 を空気の透磁率、Ｂg(φθ）をギャップの磁束密度、Ｋ1 を定数とすれば（２）式で表される。
【００３３】
【数２】
0003658507.tif 000003
【００３４】
したがって、ギャップ全体の磁気エネルギーＥ(θ)は、Ｐを永久磁石磁極数とすれば、（３）式で表される。
【００３５】
【数３】
0003658507.tif 000004
【００３６】
一般に巻線溝がない場合のギャップ磁束密度Ｂ(φ)は高調波に分解され、Ｂn をＢ(φ)の高調波のピーク値とすれば、次式で表わされる。
【００３７】
【数４】
0003658507.tif 000005
【００３８】
また、ギャップ部にはエネルギー関数Ｓ(φ)としてＳn(φ)をＳ(φ）の高調波分、Ｋn をＳn(φ)の直流分、ＳanをＳn(φ)の高調波分のピーク分とした場合に次式を定義する（図１１(ｆ)）。
【００３９】
【数５】
0003658507.tif 000006
【００４０】
ここで、巻線溝の磁束密度に対する影響は、溝部上のギャップ磁束密度が減少するか、もしくは零になると考えられる。そこで溝部の位置のみ単位とする以下の関数を、Ｗを巻線溝幅として定義する（図１１(ｅ)）。
【００４１】
【数６】
0003658507.tif 000007
【００４２】
【数７】
0003658507.tif 000008
【００４３】
以上の関数を使うことによって巻線溝の存在は、α1，α2，・・・αn を巻線溝位置、ｎαを巻線溝数として以下のｕｔ(θ)で表示できる。
【００４４】
【数８】
0003658507.tif 000009
【００４５】
したがって巻線溝を含めた磁束密度の分布は
【００４６】
【数９】
Ｂg(φ，θ)＝(１−ｕｔ(θ))Ｂ(φ)                           …（８）
となり、（８）式を（３）式に代入すると、
【００４７】
【数１０】
0003658507.tif 000010
【００４８】
となる。ところで（９）式の第１項はθの関数とならないために（１）式より明らかにコギングトルクに影響を与えない。したがってコギングトルクＴc は、
【００４９】
【数１１】
0003658507.tif 000011
【００５０】
となり、このＳ(φ)は巻線溝がない場合のエネルギー関数を示すもので、さらにこれは次式で表される。
【００５１】
【数１２】
0003658507.tif 000012
【００５２】
したがって、コギングトルクは図１１で説明すると、同図（ｆ）で示したエネルギー関数Ｅ(θ)での移動前の位置関係（同図(ｅ)）が（ｃ）を示すエネルギー関数の総和Ｅ１と、移動後の（ｄ）を示すエネルギー関数Ｅ２との変動によって表される。
【００５３】
図１１(ｆ)より変動を直接見出すことは困難であるので、（１１）式を更に展開すると、次のようになる。
【００５４】
【数１３】
0003658507.tif 000013
【００５５】
したがって（１２）式よりコギングトルクは各調波成分に分解することができる。このことはコギングトルクの各調波成分は、同じ調波成分のエネルギー関数の巻線溝位置部の和の変動として与えられることを示す。
【００５６】
以上のような理論によってコギングトルクが発生する永久磁石回転電機で、本実施例では図１に示されているように回転子鉄心７に永久磁石８と固定子１とで発生するコギングトルクと同じ次数でほぼ逆相のコギングトルクを発生させる溝１０を設けた。このようにすることにより回転子鉄心７に設けた溝１０によって永久磁石８と固定子１とで発生するコギングトルクが減少するようになる。特に、コギングトルクの脈動成分においてΣＢ2 の脈動成分が小さくなるように溝
１０を配置すると効果が大である。
【００５７】
永久磁石回転電機を駆動モータとして用いた電気車両は、始動時と停止時に、回転電機のコギングトルクによる振動が発生する。本発明を用いることにより、回転電機のコギングトルクを低減でき、電気車両の始動時と停止時の振動が小さい快適な電気車両を得ることができる。
【００５８】
一方、回転子鉄心表面に溝１０を設けることにより、ギャップ５が不均一となるため誘起電圧波形が変化する。誘起電圧波形は通常正弦波であるが、台形波とすることにより、誘起電圧のピーク値と実効値を正弦波の場合より近づけることができる。よって、溝１０を誘起電圧波形が台形波になるように設けることにより、誘起電圧実効値を大きくすることができ、回転電機の高効率化もしくは小型化が可能となる。図１２に誘起電圧波形の解析値を示す。
【００５９】
なお本発明は磁石の形状が第１実施例で示したアーク型に限らず、色々な形状で成り立つ。図１３に第２実施例として磁石形状がブロック形（矩形）の場合を示す。この場合も第１実施例と同様に、回転子鉄心に溝を付けることによりコギングトルクを低減できる。
【００６１】
また、永久磁石８はネオジウム磁石以外でも良く、永久磁石の個数（極数）は８極以外でも良く、固定子のスロット数も４８個以外でも良い。さらに、回転子鉄心表面の溝１０は永久磁石の磁極の周方向に１極当り複数個でも良い。また、永久磁石の磁極の周方向に設ける回転子鉄心表面の溝１０の深さは、個数を増やすことにより浅くできる。なお、コギングトルクの低減が必要なものは、内転型，外転型などの回転電機に限らず、リニアモータなどにも応用できる。
【００６４】
【発明の効果】
本発明によれば、回転子鉄心の外周部の永久磁石の周方向幅の外面との間における部分に、固定子と回転子の磁気変動によって生じるコギングトルクの低減のための磁気変動を生じさせる溝を設けたので、永久磁石界磁に溝を設けたものに比べて、小さな溝または孔で有効にコギングトルクを低減でき、加工性，機械強度に優れた永久磁石回転電機を提供することができる。
【００６５】
また、本発明によれば、車輪或いは車輪駆動軸を直接的に駆動する電動車両の駆動用モータとして上記永久磁石回転電機を用いたので、スムーズな減速，停止を実現し、電気車両全体としての効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す図。
【図２】本発明の第１実施例との比較のため溝がない場合の磁場解析を示す図。
【図３】図２の形状におけるコギングトルクを示すグラフ。
【図４】本発明の第１実施例の磁場解析を示す図。
【図５】図４の形状におけるコギングトルクを示すグラフ。
【図６】従来例との比較のため溝がない場合の磁場解析を示す図。
【図７】図６の形状におけるコギングトルクを示すグラフ。
【図８】従来例の磁場解析を示す図。
【図９】図８の形状におけるコギングトルクを示すグラフ。
【図１０】本発明の第１実施例と従来例の溝の有無の効果を示すグラフ。
【図１１】コギングトルクの発生原理を示す説明図。
【図１２】本発明において誘起電圧波形を台形形状とした回転電機の解析値を示すグラフ。
【図１３】本発明の第２実施例を示す図。
【符号の説明】
１…固定子、２…固定子鉄心、３…固定子スロット、４…固定子開口部、５…ギャップ部、６…回転子、７…回転子鉄心、８…永久磁石、９…回転軸、１０…溝。
【図１】
0003658507.tif 000014
【図２】
0003658507.tif 000015
【図３】
0003658507.tif 000016
【図４】
0003658507.tif 000017
【図５】
0003658507.tif 000018
【図６】
0003658507.tif 000019
【図７】
0003658507.tif 000020
【図８】
0003658507.tif 000021
【図９】
0003658507.tif 000022
【図１０】
0003658507.tif 000023
【図１１】
0003658507.tif 000024
【図１２】
0003658507.tif 000025
【図１３】
0003658507.tif 000026