(57)【要約】【課題】様々な極数とスロット数の回転子および固定子を備えた回転電機に対応し、振動・騒音を低減できる構成の回転電機を提供する。【解決手段】  本発明による回転電機は、Ｓ個の複数のティースを有する固定子と、固定子に空隙を介して配置された回転子とを備え、固定子の複数のティースは、極数Ｐと前記固定子のスロット数Ｓの最大公約数Ｎで固定子スロット数Ｓを割った値ｍ、またはｍの約数ｄの個数を単位にグループ化された複数のティースグループからなり、ティースグループにおいて、少なくとも１つのティースは、当該ティースグループの他のティースと異なる先端形状を有し、複数のティースグループはそれぞれが同じ構成とする。【選択図】図４
2014023258.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓ個の複数のティースを有する固定子と、
前記固定子に空隙を介して配置された回転子とを備え、
前記固定子の複数のティースは、極数Ｐと前記固定子のスロット数Ｓの最大公約数Ｎで固定子スロット数Ｓを割った値ｍ、または前記ｍの約数ｄの個数を単位にグループ化された複数のティースグループからなり、
前記ティースグループにおいて、少なくとも１つのティースは、当該ティースグループの他のティースと異なる先端形状を有し、前記複数のティースグループはそれぞれが同じ構成であることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
請求項１に記載の回転電機において
前記ティースグループの少なくとも１つのティースの先端に形成された、前記他のティースと異なる先端形状は、溝あるいはテーパーが形成された先端形状かあるいは平坦な先端形状からなることを特徴とする回転電機。
【請求項３】
請求項２に記載の回転電機において
前記溝の形状は平型溝、Ｖ状溝、皿状溝のいずれかであり、
前記溝の深さの平均は平坦な先端形状のティースの先端部と前記回転子表面の磁気的な平均距離で定義されるギャップ長以下であり、
前記溝の幅は前記ギャップ長の１／２以上であり、かつ平坦な先端形状のティースの先端周方向長さの１／３以下であることを特徴とする回転電機。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回転電機において、
前記回転電機が誘導電動機であり、前記固定子のＳ個のティースは、極数Ｐ、固定子スロット数Ｓ、回転子スロット数Ｒの最大公約数Ｎで固定子スロット数Ｓを割った値ｍ、または、ｍの約数ｄの個数を単位に、グループ化されることを特徴とする回転電機。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回転電機を備えることを特徴とする電動車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回転電機、および、回転電機が搭載された電動車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明はＨＥＶ・ＥＶ等の電動車両の走行駆動に用いられる回転電機に関する。
回転電機は家電製品、各種ＯＡ機器に搭載されており、また、近年ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）などの電動車両に搭載されている。
とりわけＨＥＶやＥＶなどの電動車両用の回転電機は出力が大きいものが要求される。これらの電動車両用の回転電機は、使用回転数範囲が広く、電磁加振力の加振周波数が広い範囲で変化し、特定の回転数で回転電機の構造の固有振動数と加振周波数が一致するため、共振による振動・騒音の発生が不可避である。
【０００３】
一方、車室内の快適環境の追求により振動・騒音低減の要求が高まっており、回転電機本体からの振動・騒音を低減する技術も多数開発されている。
回転電機本体から発生する振動・騒音の原因となる電磁加振力の向きは径方向、接線方向、軸方向の３方向である。特に可聴帯域の騒音を低減するには、これら電磁加振力の高調波振幅を低減する必要がある。
【０００４】
特許文献１は、ｎ極、ｓ相の回転電機を開示している。この固定子コアには、２個のスロットに互いに同相のコイルがそれぞれ挿入される同相間ティースと、回転子の回転軸方向に沿って両脇に形成される２個のスロットに互いに異相のコイルがそれぞれ挿入される異相間ティースとが設けられている。この回転電機では、ｎ×ｓ個のコイルに交流電流が供給されたときに同相間ティースおよび異相間ティースにそれぞれ形成される磁気回路について、通過する磁束数が互いに均衡するように、磁気回路の磁気抵抗に差を設けている。
【０００５】
特許文献１に記載の回転電機は、ｎ極の回転子を備えるＩＰＭ構造であり、固定子コアのティースの数は２ｎ×ｓ個に限定されている。この固定子コアの形状により、６ｆ（６次）の電磁加振力が低減され、これにより電磁騒音が低減されると記載されている。この回転電機の固定子コアの構造は、スロット数が２ｎ×ｓ個（ｎ極、ｓ相）に限定されており、それ以外のスロット数のものに適用するには、更なる工夫が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１６６７１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の電磁振動音対策は主としてトルクリプル（トルク脈動）に対して行われており、径方向の電磁加振力高調波による振動・騒音への対策はあまり考慮されていなかった。また、従来の電磁振動音対策で固定子側のティースの形状やピッチを変更する方法は、様々な極数と固定子のティース（スロット）の数の組み合わせに対し、フレキシブルに適用できなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明による回転電機は、Ｓ個の複数のティースを有する固定子と、固定子に空隙を介して配置される回転子とを備え、当該固定子の複数のティースは、極数Ｐと固定子のスロット数Ｓの最大公約数Ｎで固定子スロット数Ｓを割った値ｍ、またはｍの約数ｄの個数を単位にグループ化され、１つのティースグループにおいて、少なくとも１つのティースは、当該ティースグループの他のティースと異なる先端形状を有し、複数のティースグループはそれぞれが同じ構成であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、周期境界条件を変えることなく振動・騒音に影響する径方向電磁加振力高調波の振幅を低減でき、その結果、回転電機の振動・騒音を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施の形態の回転電機を搭載したハイブリッド型電気自動車の概略構成を示す図である。
【図２】電力変換装置６００の回路図を示す図である。
【図３】本発明による回転電機を永久磁石回転電機に適用した実施形態の例であり、スロット数７２の固定子コアと極数８の永久磁石回転電機の構造を示す図である。
【図４】本発明による回転電機の第１実施形態、第５実施形態に共通な固定子構成を示す図である。（ａ）は９個のティースがそれぞれ異なる形状の先端部を有する固定子の１グループ（電気角１８０°分）を形成するティース形状の例（第１実施形態、第５実施形態）を示す。（ｂ）は（ａ）に示すティースの軸方向の形状を、ティース５ｂの場合を例にして示す図である。
【図５】本発明による回転電機の第２実施形態、第６実施形態に共通な固定子構成を示す図である。
【図６】本発明による回転電機の第３実施形態、第７実施形態に共通な固定子構成を示す図である。
【図７】本発明による回転電機の第４実施形態、第８実施形態に共通な固定子構成を示す図である。
【図８】本発明と比較するために、従来技術での一般的な固定子のティース形状例を図４に対応して示した図である。各ティースの先端部の形状は同一となっている。
【図９】回転電機を永久磁石回転電機とした場合に、本発明による第１〜４実施形態と、従来技術、比較例１のティース形状を持つ回転電機の径方向空間０次の電磁加振力高調波の計算結果を示した図である。
【図１０】図９に示す回転７２次における計算結果を、従来技術の場合（◆）を基準としてｄＢ表示した図である。
【図１１】回転電機を永久磁石回転電機とした場合に、本発明による回転電機の第１〜４実施形態と従来技術、比較例１のティース形状を持つ回転電機の径方向空間４次の電磁加振力高調波の計算結果を示した図である。
【図１２】本発明による回転電機をシンクロナスリラクタンスモータに適用した実施形態の例であり、スロット数７２の固定子コアと極数８のシンクロナスリラクタンスモータの構造を示す図である。
【図１３】本発明による回転電機の固定子構造（実施形態１〜４）を図１２のシンクロナスリラクタンスモータに適用した場合である、第５〜８の実施形態と、従来技術、比較例２のティース形状を持つ回転電機の径方向空間０次の電磁加振力高調波の計算結果を示した図である。
【図１４】図１３の計算結果の一部（従来技術、比較例２、本発明の第５〜８実施形態の回転６０次以上の電磁加振力高調波の最大振幅）を、従来技術の場合（◆）を基準としてｄＢ表示した図である。
【図１５】回転電機をシンクロナスリラクタンスモータとした場合に、本発明による回転電機の第５〜８実施形態、従来技術、比較例２のティース形状を持つ回転電機の径方向空間４次の電磁加振力高調波の計算結果を示した図である。
【図１６】本発明による回転電機を誘導電動機に適用した実施形態の例であり、スロット数７２の固定子コアとスロット数５２の回転子コアとからなる、極数８の誘導電動機の構造を示す図である。
【図１７】図１６に示す誘導電動機で用いられる、本発明による回転電機の第９実施形態の固定子の１グループを形成するティース形状を示す図である。
【図１８】従来技術で一般的に用いられる固定子のティース形状例を示す図である。
【図１９】図１６に示す誘導電動機で、本発明による第９実施形態、従来技術、比較例３のティース形状を持つ回転電機の径方向空間０次の電磁加振力高調波の計算結果を示した図である。
【図２０】図１９に示す回転２１６次の計算結果を、従来技術の場合（◇）を基準としてｄＢ表示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、本発明の一実施の形態の回転電機を搭載したハイブリッド型電気自動車の概略構成を示す図である。車両１００には、エンジン１２０と第１の回転電機２００と第２の回転電機２０２とバッテリ１８０とが搭載されている。バッテリ１８０は、回転電機２００、２０２による駆動力が必要な場合には回転電機２００、２０２を駆動するための電力変換装置（インバータ装置）６００に直流電力を供給し、電力変換装置６００は直流電力を交流電力に変換して回転電機２００、２０２にそれぞれ供給する。一方回生走行時には回転電機２００、２０２が車両の運動エネルギーに基づいて交流電力を発生し、前記電力変換装置６００に供給する。前記電力変換装置６００は交流電力を直流電力に変換し、バッテリ１８０に供給する。また、図示していないが、車両には低電圧電力（例えば、１４ボルト系電力）を供給するバッテリが搭載されており、以下に説明する制御回路に定電圧の直流電力を供給する。
【００１２】
エンジン１２０および回転電機２００、２０２による回転トルクは、変速機１３０とディファレンシャルギア１３２を介して前輪１１０に伝達される。変速機１３０は変速機制御装置１３４により制御され、エンジン１２０はエンジン制御装置１２４により制御される。バッテリ１８０は、バッテリ制御装置１８４により制御される。変速機制御装置１３４、エンジン制御装置１２４、バッテリ制御装置１８４、電力変換装置６００および統合制御装置１７０は、通信回線１７４によって接続されている。
【００１３】
統合制御装置１７０は、統合制御装置１７０より下位の制御装置である、変速機制御装置１３４、エンジン制御装置１２４、電力変換装置６００およびバッテリ制御装置１８４から、それぞれの状態を表す情報を、通信回線１７４を介して受け取る。統合制御装置１７０は、これらの情報に基づき各制御装置の制御指令を演算する。演算された制御指令は通信回線１７４を介してそれぞれの制御装置へ送信される。
【００１４】
高電圧のバッテリ１８０はリチウムイオン電池あるいはニッケル水素電池などの２次電池で構成され、２５０ボルトから６００ボルト、あるいはそれ以上の高電圧の直流電力を出力する。バッテリ制御装置１８４は、バッテリ１８０の放電状況やバッテリ１８０を構成する各単位セル電池の状態を、通信回線１７４を介して統合制御装置１７０に出力する。
【００１５】
統合制御装置１７０は、バッテリ制御装置１８４からの情報に基づいてバッテリ１８０の充電が必要と判断すると、電力変換装置６００に発電運転の指示を出す。また、統合制御装置１７０は、主に、エンジン１２０および回転電機２００、２０２の出力トルクの管理、エンジン１２０の出力トルクと回転電機２００、２０２の出力トルクとの総合トルクやトルク分配比の演算処理、その演算処理結果に基づく変速機制御装置１３４、エンジン制御装置１２４および電力変換装置６００への制御指令の送信を行う。電力変換装置６００は、統合制御装置１７０からのトルク指令に基づき、指令通りのトルク出力あるいは発電電力が発生するように回転電機２００、２０２を制御する。
【００１６】
電力変換装置６００には回転電機２００、２０２を運転するためにインバータを構成するパワー半導体が設けられている。電力変換装置６００は、統合制御装置１７０からの指令に基づきパワー半導体のスイッチング動作を制御する。このようなパワー半導体のスイッチング動作により、回転電機２００、２０２が電動機としてあるいは発電機として運転される。
【００１７】
回転電機２００、２０２を電動機として運転する場合は、高電圧のバッテリ１８０からの直流電力が電力変換装置６００のインバータの直流端子に供給される。電力変換装置６００は、パワー半導体のスイッチング動作を制御することにより、供給された直流電力を３相交流電力に変換し回転電機２００、２０２に供給する。一方、回転電機２００、２０２を発電機として運転する場合には、回転電機２００、２０２の回転子が外部から加えられる回転トルクで回転駆動され、回転電機２００、２０２の固定子巻線に３相交流電力が発生する。発生した３相交流電力は電力変換装置６００で直流電力に変換され、その直流電力が高電圧のバッテリ１８０に供給されることにより充電が行われる。
【００１８】
なお、回転電機２００と回転電機２０２はそれぞれ独立して制御される。例えば回転電機２００が電動機として運転される場合に、回転電機２０２は電動機として運転できるし、発電機としても運転できる。また運転停止状態とすることも可能である。当然ではあるがこの逆も可能である。回転電機２００と回転電機２０２をどのようなモードで運転するかは統合制御装置１７０が決定し、電力変換装置６００に指令する。この指令に基づき電力変換装置６００は電動機の運転モードあるいは発電機の運転モードあるいは運転休止モードの状態となる。
【００１９】
図２は、図１の電力変換装置６００の回路図を概念的に示す。電力変換装置６００には、回転電機２００のための第１のインバータ装置と、回転電機２０２のための第２のインバータ装置とが設けられている。第１のインバータ装置は、パワーモジュール６１０と、パワーモジュール６１０の各パワー半導体２１のスイッチング動作を制御する第１の駆動回路６５２と、回転電機２００の電流を検知する電流センサ６６０とを備えている。駆動回路６５２は駆動回路基板６５０に設けられている。一方、第２のインバータ装置は、パワーモジュール６２０と、パワーモジュール６２０における各パワー半導体２１のスイッチング動作を制御する第２の駆動回路６５６と、回転電機２０２の電流を検知する電流センサ６６２とを備えている。駆動回路６５６は駆動回路基板６５４に設けられている。制御回路基板６４６に設けられた制御回路６４８、コンデンサモジュール６３０およびコネクタ基板６４２に実装された送受信回路６４４は、第１のインバータ装置と第２のインバータ装置とで共通に使用される。
【００２０】
パワーモジュール６１０、６２０は、それぞれ対応する駆動回路６５２、６５６から出力された駆動信号によって動作する。パワーモジュール６１０、６２０は、それぞれバッテリ１８０から供給された直流電力を三相交流電力に変換し、その電力を対応する回転電機２００、２０２の電機子巻線である固定子巻線に供給する。また、パワーモジュール６１０、６２０は、回転電機２００、２０２の固定子巻線に誘起された交流電力を直流に変換し、高電圧バッテリ１８０に供給する。
【００２１】
パワーモジュール６１０、６２０は図２に記載のごとく３相ブリッジ回路を備えており、３相に対応した直列回路が、それぞれバッテリ１８０の正極側と負極側との間に電気的に並列に接続されている。各直列回路は上アームを構成するパワー半導体２１と下アームを構成するパワー半導体２１とを備え、それらのパワー半導体２１は直列に接続されている。パワーモジュール６１０とパワーモジュール６２０とは、図２に示す如く回路構成がほぼ同じであり、ここではパワーモジュール６１０で代表して説明する。
【００２２】
本実施の形態では、スイッチング用パワー半導体素子としてＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）２１を用いている。ＩＧＢＴ２１は、コレクタ電極、エミッタ電極及びゲート電極の３つの電極を備えている。ＩＧＢＴ２１のコレクタ電極とエミッタ電極との間にはダイオード３８が電気的に接続されている。ダイオード３８は、カソード電極及びアノード電極の２つの電極を備えており、ＩＧＢＴ２１のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向となるように、カソード電極がＩＧＢＴ２１のコレクタ電極
に、アノード電極がＩＧＢＴ２１のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。
【００２３】
なお、スイッチング用パワー半導体素子として、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いてもよい。ＭＯＳＦＥＴは、ドレイン電極、ソース電極及びゲート電極の３つの電極を備えている。ＭＯＳＦＥＴの場合には、ソース電極とドレイン電極との間に、ドレイン電極からソース電極に向かう方向が順方向となる寄生ダイオードを備えているので、図２のダイオード３８を設ける必要がない。
【００２４】
各相のアームは、ＩＧＢＴ２１のソース電極とＩＧＢＴ２１のドレイン電極とが電気的に直列に接続されて構成されている。尚、本実施の形態では、各相の各上下アームのＩＧＢＴを１つしか図示していないが、制御する電流容量が大きいので、実際には複数のＩＧＢＴが電気的に並列に接続されて構成されている。以下では、説明を簡単にするため、１個のパワー半導体として説明する。
【００２５】
図２に示す例では、各相の各上下アームはそれぞれ３個のＩＧＢＴによって構成されている。各相の各上アームのＩＧＢＴ２１のドレイン電極はバッテリ１８０の正極側に、各相の各下アームのＩＧＢＴ２１のソース電極はバッテリ１８０の負極側にそれぞれ電気的に接続されている。各相の各アームの中点（上アーム側ＩＧＢＴのソース電極と下アーム側のＩＧＢＴのドレイン電極との接続部分）は、対応する回転電機２００、２０２の対応する相の電機子巻線（固定子巻線）に電気的に接続されている。
【００２６】
駆動回路６５２、６５６は、対応するインバータ装置６１０、６２０を制御するための駆動部を構成しており、制御回路６４８から出力された制御信号に基づいて、ＩＧＢＴ２１を駆動させるための駆動信号を発生する。それぞれの駆動回路６５２、６５６で発生した駆動信号は、対応するパワーモジュール６１０、６２０の各パワー半導体素子のゲートにそれぞれ出力される。駆動回路６５２、６５６には、各相の各上下アームのゲートに供給する駆動信号を発生する集積回路がそれぞれ６個設けられており、６個の集積回路を１ブロックとして構成されている。
【００２７】
制御回路６４８は各インバータ装置６１０、６２０の制御部を構成しており、複数のスイッチング用パワー半導体素子を動作（オン・オフ）させるための制御信号（制御値）を演算するマイクロコンピュータによって構成されている。制御回路６４８には、上位制御装置からのトルク指令信号（トルク指令値）、電流センサ６６０、６６２のセンサ出力、回転電機２００、２０２に搭載された回転センサのセンサ出力が入力される。制御回路６４８はそれらの入力信号に基づいて制御値を演算し、駆動回路６５２、６５６にスイッチングタイミングを制御するための制御信号を出力する。
【００２８】
コネクタ基板６４２に実装された送受信回路６４４は、電力変換装置６００と外部の制御装置との間を電気的に接続するためのもので、図１の通信回線１７４を介して他の装置と情報の送受信を行う。コンデンサモジュール６３０は、ＩＧＢＴ２１のスイッチング動作によって生じる直流電圧の変動を抑制するための平滑回路を構成するもので、第１のパワーモジュール６１０や第２のパワーモジュール６２０における直流側の端子に電気的に並列に接続されている。
【００２９】
図３は本発明による回転電機の一例の永久磁石回転電機１０の断面概略図である。この永久磁石回転電機１０は上記で説明したハイブリッド自動車（図１、図２参照）の回転電機２００あるいは回転電機２０２として用いられる。なお、以下で説明するように、本発明による回転電機の構成は永久磁石回転電機だけでなくシンクロナスリラクタンスモータや誘導電動機にも用いることができる。
【００３０】
以下、図３〜図２０を参照して本発明の特徴的構成について実施形態に基づいて説明する。
（第１の実施形態）
図３は本発明による回転電機の第１の実施形態を示す。図３に示す回転電機は、本発明を三相の永久磁石回転電機に適用した場合の例であり、８極７２スロットの構成となっている。極数Ｐと固定子スロット数Ｓの最大公約数Ｎ（＝８）で固定子スロット数Ｓ（＝７２）を除算した商ｍ（＝９）、またはｍの約数ｄ（＝３）の個数のティースを１グループとし、この１グループの各々のティースが異なる先端形状を持っている。図４は、図３に示す三相の永久磁石回転電機のティースグループの例であり、図４（ａ）は１つのティースグループ５０を構成する９個のティース５の先端形状の一実施例を示す図である。また、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示すティースの軸方向の形状を、ティース５ｂの場合を例にして示す図である。なお図３では、簡略化のため、固定子ティースを全て参照番号５で示している。また永久磁石８が示されている。
【００３１】
図３に示すティース５は、図４に示すように各々異なる先端形状のティース５ａ〜５ｉとなっている。図３に示す固定子コア１は、図４に示す１グループ５０を構成する９個のティース５ａ〜５ｉを周方向に周期的に８グループ並べることにより形成される。また、これらのティースの先端に形成された溝を６ｂ〜６ｅ、６ｇ〜６ｉとしている。これらの異なる先端形状は図３では省略され、すべてティース５として示されている。さらに、回転電機１０を構成する固定子コア１のスロット４に捲回される固定子コイルは省略されている。
【００３２】
図４では、１グループ５０を構成するティース５ａ〜５ｉの９個のうち、６個のティース５ｂ〜５ｅと５ｈ〜５ｉには溝６ｂ〜６ｅと６ｈ〜６ｉが設けられている。１個のティース５ａにはテーパー７が、１個のティース５ｇには溝６ｇとテーパー７が設けられている。これらの溝、テーパーは、ティースの回転子に対向する面に設けられている。ティース５ｆには溝６、テーパー７がともに設けられていない。
ティースに溝やテーパーが存在することにより、固定子のティース先端と回転子表面の磁気的な平均距離を広げ、径方向の電磁加振力高調波の振幅を変更することができる。この構成による計算結果を、他の実施形態での計算結果とともに図９〜図１１に示す。
【００３３】
（第２の実施形態）
図５は本発明による回転電機の第２の実施形態を示す。３個の固定子ティース５ｊ〜５ｌで１つのティースグループ５１を構成する。図５の例では、ティース５ｊの先端に溝６ｊが形成されており、ティース５ｌの先端にテーパー７が形成されている。なお、３個のティースで１グループとするのは、３が固定子スロット数Ｓを最大公約数Ｎで割った個数ｍの約数ｄであるからである。３つのティースから構成される１グループ５１を周方向に周期的に２４グループ並べることにより、固定子の全ティースを形成することができる。
このような構成のティースグループを採用した回転電機の固定子においても、径方向の電磁加振力高調波の低減効果がある。この構成による計算結果を、他の実施形態での計算結果とともに図９〜図１１に示す。
【００３４】
（第３の実施形態）
図６は本発明による回転電機の第３の実施形態を示す。３個の固定子ティース５ｊ〜５ｌで１つのティースグループ５１を構成する。図６の例では、ティース５ｊの先端に溝６ｊが形成されており、ティース５ｋと５ｌの先端は平坦な形状となっている。なお、本発明でティース先端の「平坦」な形状とは、このティース先端と回転電機の回転軸中心との距離を半径とした円の曲率半径を有する円筒面の一部を有する形状であることを意味する。したがって、このティース先端の「平坦」な形状は厳密な意味での平坦を意味しない。
【００３５】
また、３個のティースで１グループとするのは、３が固定子スロット数Ｓを最大公約数Ｎで割った個数ｍの約数ｄであるからである。３つのティースから構成される１グループ５１を周方向に周期的に２４グループ並べることにより、固定子の全ティースを形成することができる。
このような構成のティースグループを採用した回転電機の固定子においても、径方向の電磁加振力高調波の低減効果がある。この構成による計算結果を、他の実施形態での計算結果とともに図９〜図１１に示す。
【００３６】
（第４の実施形態）
図７は本発明による回転電機の第４の実施形態を示す。３個の固定子ティース５ｊ〜５ｌで１つのティースグループ５１を構成する。図７の例では、ティース５ｊ、５ｋの先端に同じ形状の溝６ｊ、６ｋが形成されている。なお、３個のティースで１グループとするのは、３が固定子スロット数Ｓを最大公約数Ｎで割った個数ｍの約数ｄであるからである。３つのティースから構成される１グループ５１を周方向に周期的に２４グループ並べることにより、固定子の全ティースを形成することができる。
このような構成のティースグループを採用した回転電機の固定子においても、径方向の電磁加振力高調波の低減効果がある。この構成による計算結果を、他の実施形態での計算結果とともに図９〜図１１に示す。
【００３７】
本発明の実施形態１〜４による回転電機では、図４あるいは図５〜図７に示すように、固定子ティースの１つのグループ５０あるいは５１を構成する少なくとも１つのティース５の先端形状を他のティースから異なった形状としている。
図８は、従来の一般的な形状のティースであり、全てのティース１５の先端が平坦な形状となっている。
本発明の実施形態１〜４による回転電機の固定子構成は、図８に示した従来技術の回転電機の固定子構成と同様に、ティース５、回転子コア２、磁石８と組み合わせた幾何学的形状が１／８という周期境界条件を変更せずに電磁加振力高調波の振幅を変更することができる。
【００３８】
（本発明による回転電機での電磁加振力高調波低減効果）
図９〜図１１に、本発明の第１〜４の実施形態、図８に示す従来技術、比較例１のそれぞれの固定子構成で電磁加振力高調波を計算した結果を対比して示す。
【００３９】
なお、比較例１の固定子構成は、特許文献１に示す回転電機の構成の条件のうち、１グループが２個のティース５から構成され、１個おきに図４の溝６ｅと同等の溝を設ける構造のみを採用する。
特許文献１に記載の回転電機は、ｎ極、ｓ相における固定子コアのスロット数が２ｎ×ｓ個の永久磁石回転電機であり、８極機の場合、ティース５、回転子コア２、磁石８と組み合わせた幾何学的形状の周期境界条件は１／８である。図３の回転電機は固定子コア１のスロット数が３ｎ×ｓ個の永久磁石回転電機であり、比較例１の固定子構成を用いると、ティース５、回転子コア２、磁石８と組み合わせた幾何学的形状の周期境界条件が１／４となり、周期境界条件が異なる。
本発明の実施形態１〜４による回転電機の構成は、特許文献１に開示された極数と固定子コアのスロット数の組み合わせの条件から外れる場合でも効果があることを、比較例１により説明する。
【００４０】
径方向空間０次の電磁加振力高調波の加振周波数が固定子の円環０次モードの固有振動数と一致すると、固定子が共振して振動・騒音が発生することが知られている。この固有振動数は、回転電機の体格や構成（種類、構造）により異なるが、小型の回転電機では高い周波数となる。永久磁石回転電機の固定子が、円環０次モードで変形する固有振動数が約７．５ｋＨｚであるとして、以下に説明する。
【００４１】
第１〜第４の実施形態と、従来技術、比較例１について、径方向空間０次の電磁加振力高調波振幅を解析により求めた結果を図９に示す。図９では電磁加振力高調波振幅を、従来技術の回転７２次高調波振幅を基準に無次元化している。
回転電機の回転数をＲＮ（ｒ／ｍｉｎ）、電磁加振力高調波の回転次数をｋとすると、加振周波数ｆ（Ｈｚ）は式（１）で表わされる。
ｆ＝（ＲＮ／６０）×ｋ                                          ．．．（１）
【００４２】
したがって、たとえば回転数の上限が７５００ｒ／ｍｉｎであるとすると、回転６０次以上（ｋ≧６０）の径方向空間０次の電磁加振力高調波成分と、固定子の円環０次モードとの共振により振動・騒音が発生する。
この条件を考慮すると、図９に示す計算結果からは、回転７２次、径方向空間０次の電磁加振力高調波と固定子の円環０次モードの共振により、最大振幅の振動・騒音ピークが発生することとなる。
【００４３】
図１０に、図９に示す電磁加振力高調波の回転７２次成分の振幅を、従来技術の固定子構成の高調波振幅を基準としてｄＢ表示したものを示す。
比較例１で−１．７ｄＢ、実施形態１で−２．７ｄＢ、実施形態２で−３．７ｄＢ、実施形態３で−２．１ｄＢ、実施形態４で−３．８ｄＢとなっている。これより、本発明の実施形態１〜４による回転電機の固定子構成を用いることにより、従来技術の一般的なティース形状を備えた固定子あるいは比較例１の固定子構成よりも電磁加振力高調波振幅を低減できることが分かる。したがって、本発明の実施形態１〜４による回転電機では、従来技術、比較例１による回転電機よりも径方向空間０次の電磁加振力高調波に起因する振動・騒音を低減できることになる。
【００４４】
比較例１が本来適用される回転電機のスロット数は、８極機の場合、４８である。それを無視してティース先端に１個おきに溝６を設けたため、他の固定子構成では存在しない径方向空間４次（機械角）の電磁加振力高調波が、比較例１で発生する。一方、実施形態１〜４の構成および従来技術である同一の先端形状のティースを備えた一般的な回転電機（図８）では、径方向空間４次の電磁加振力高調波が発生しない。
【００４５】
図１１に径方向空間４次の電磁加振力高調波の計算結果を示す。図１１では電磁加振力高調波振幅を、比較例１の回転−３２次高調波振幅を基準に無次元化している。図１１では比較例１にのみ径方向空間４次の電磁加振力高調波が存在する。したがって、比較例１では固定子の円環４次モードとの共振による振動・騒音ピークが発生する可能性がある。
【００４６】
本発明の実施形態１〜４による回転電機では、従来技術である同一の先端形状の固定子ティースを備えた一般的な回転電機（図８）と同様に径方向空間４次の高調波が発生せず、かつ、径方向空間０次の電磁加振力高調波振幅を従来技術の回転電機に比べ低減することができ、振動・騒音を低減することができる。
【００４７】
以上では本発明による回転電機の固定子構造（第１〜４実施形態）を、図３に示すような永久磁石回転電機に適用した場合について説明した。次に第１〜４の実施形態の回転電機の固定子構造を、三相のシンクロナスリラクタンスモータに適用した場合（第５〜８実施形態）について説明する。
【００４８】
（第５の実施形態）
図１２は、本発明による回転電機の第５の実施形態を示す。図１２に示す回転電機は、本発明を三相のシンクロナスリラクタンスモータに適用したもので、極数Ｐ＝８、固定子スロット数Ｓ＝７２、最大公約数Ｎ＝８である。図１２の回転電機でも、固定子および固定子ティースは、図３に示す永久磁石回転電機と同様の構成であり、実施形態１〜４のいずれかの構成を備える。なお、図１２では、簡略化のため、固定子ティースを全て参照番号５で示している。また固定子コイル３が示されている。
【００４９】
第５の実施形態でも第１の実施形態と同様に、固定子ティースの１グループ５０を構成するティース５の個数を、固定子スロット数Ｓを最大公約数Ｎで割った個数ｍである９個とし、図４に示すような溝６ｂ〜６ｅ、６ｇ〜６ｉやテーパー７を設ける。図１２に示す固定子コア１は、図４に示す１グループ５０を構成するティース５ａ〜５ｉを周方向に周期的に８グループ並べることにより形成される。この固定子構成による電磁加振力高調波の計算結果を、他の実施形態での計算結果とともに図１３〜図１５に示す。
【００５０】
（第６の実施形態）
第６の実施形態では、第２の実施形態のように、固定子ティースの１グループ５１を構成するティース５の個数を、固定子スロット数Ｓを最大公約数Ｎで割った個数ｍの約数ｄである３個（５ｊ〜５ｌ）とし、図５に示すように溝６ｊやテーパー７を設ける。図１２に示す固定子コア１は、図５に示す１グループ５１を構成するティース５を周方向に周期的に２４グループ並べることにより形成される。この固定子構成による電磁加振力高調波の計算結果を、他の実施形態での計算結果とともに図１３〜図１５に示す。
【００５１】
（第７の実施形態）
第７の実施形態では、第３の実施形態のように、固定子ティースの１グループ５１を構成するティース５の個数を、固定子スロット数Ｓを最大公約数Ｎで割った個数ｍの約数ｄである３個（５ｊ〜５ｌ）とし、図６に示すようにティース５ｊの先端に溝６ｊを設ける。図１２に示す固定子コア１は、図６に示す１グループ５１を構成するティース５を周方向に周期的に２４グループ並べることにより形成される。この固定子構成による電磁加振力高調波の計算結果を、他の実施形態での計算結果とともに図１３〜図１５に示す。
【００５２】
（第８の実施形態）
第８の実施形態では、第４の実施形態のように、固定子ティースの１グループ５１を構成するティース５の個数を、固定子スロット数Ｓを最大公約数Ｎで割った個数ｍの約数ｄである３個（５ｊ〜５ｌ）とし、図７に示すようにティース５ｊ、５ｋの先端に同じ形状の溝６ｊ、６ｋを設ける。図１２に示す固定子コア１は、図７に示す１グループ５１を構成するティース５を周方向に周期的に２４グループ並べることにより形成される。この固定子構成による電磁加振力高調波の計算結果を、他の実施形態での計算結果とともに図１３〜図１５に示す。
【００５３】
第５〜第８の実施形態の回転電機では、第１〜第４の実施形態と同様に、固定子ティースの１グループ５０（実施形態５）または５１（実施形態６、７、８）を構成するティース５の先端形状を、ティースグループ５０あるいは５１内の少なくとも１つのティースの先端形状を他のティースから異なった形状としている。
これにより、本発明の実施形態５〜８による回転電機の固定子構成は、図８に示す従来技術の回転電機の固定子構成と同じく、ティース５、回転子コア２と組み合わせた幾何学的形状が１／８という周期境界条件を変更せずに、電磁加振力高調波の振幅を変更することができる。
【００５４】
図１３〜図１５には、第５〜８の実施形態、図８に示す従来技術、比較例２のそれぞれの固定子構成で電磁加振力高調波を計算した結果を対比して示す。
なお、比較例２の固定子構成は、特許文献１に示す回転電機の構成の条件のうち、１グループが２個のティース５から構成され、１個おきに図４の溝６ｅと同等の溝を設ける構造のみを採用する。
図１２の回転電機に対して比較例２を適用すると、ティース５、回転子コア２と組み合わせた幾何学的形状の周期境界条件が１／４となる。本発明の実施形態５〜８による回転電機の固定子の構成は、特許文献１に開示された極数と固定子コアのスロット数の組み合わせの条件から外れる場合でも効果があることを、比較例２により説明する。
【００５５】
実施形態５〜８と、従来技術、比較例２の、それぞれの径方向空間０次の電磁加振力高調波を解析により求めた結果を図１３に示す。図９の場合と同様に、図１３では電磁加振力高調波振幅を、従来技術の固定子構成での回転７２次高調波振幅を基準に無次元化している。
上記で説明したように、径方向空間０次の電磁加振力高調波の加振周波数が固定子の円環０次モードの固有振動数と一致すると、共振による振動・騒音ピークが発生する。このシンクロナスリラクタンスモータの固定子が円環０次モードで変形する固有振動数を約７．５ｋＨｚであるとし、回転数の上限を７５００ｒ／ｍｉｎであるとすると、回転６０次以上の径方向空間０次電磁加振力高調波と固定子の円環０次モードの共振により、振動・騒音ピークが発生する。
【００５６】
図１４に、図１３に示す回転６０次以上の電磁加振力高調波成分の最大振幅をｄＢ表示したものを示す。
図１４より、比較例２は回転７２次が−２．５ｄＢ、実施形態５は回転１４４次が−４．０ｄＢ、実施形態６は回転９６次が−３．３ｄＢ、実施形態７は回転９６次が−３．３ｄＢ、実施形態８は回転９６次が−２．９ｄＢと、従来技術の回転７２次より最大振幅を低減できることがわかる。したがって、シンクロナスリラクタンスモータに本発明の実施形態５〜８による回転電機の固定子構成を適用すると、従来技術、比較例２の固定子構成よりも径方向空間０次の電磁加振力高調波に起因する振動・騒音を低減できることになる。
【００５７】
図１５に径方向空間４次の電磁加振力高調波の計算結果を示す。図１５では電磁加振力高調波振幅を、比較例２の回転−３２次高調波振幅を基準に無次元化している。
比較例２が本来適用される回転電機のスロット数は、８極機の場合、４８である。それを無視してティース先端に１個おきに溝６を設けたため、他の固定子構成では存在しない径方向空間４次高調波が比較例２で発生する。したがって比較例２では、固定子の円環４次モードとの共振による振動・騒音ピークが発生する可能性がある。
【００５８】
一方、実施形態５〜８では、従来技術である同一の先端形状の固定子ティースを備えた一般的な回転電機（図８）と同様に径方向空間４次の高調波が発生せず、かつ、従来技術の回転電機に比べ径方向空間０次の電磁加振力高調波振幅を低減でき、振動・騒音を低減できることがわかる。
【００５９】
（第９の実施形態）
図１６は、本発明による回転電機の第９の実施形態であり、本発明による回転電機を三相交流誘導電動機に適用した例を示している。回転子２には、誘導電動機の回転子に設けられる導電体９が示されている。なお図１６では、簡略化のため、固定子ティースを全て参照番号５で示している。
この三相の誘導電動機は、極数Ｐ＝８、固定子スロット数Ｓ＝７２、回転子スロット数Ｒ＝５２、最大公約数Ｎ＝４である。誘導電動機の場合は、最大公約数Ｎは、極数Ｐ、固定子スロット数Ｓ、回転子スロット数Ｒの最大公約数となる。固定子スロット数Ｓを最大公約数Ｎで割った個数ｍは１８である。
【００６０】
固定子ティースの１グループ５２を構成するティース５の個数を１８の約数ｄである６個とする。図１７に示すように、各ティース５ｍ〜５ｓにはそれぞれテーパー７や溝６ｎ〜６ｑ、６ｓを設ける。図１６に示す固定子コア１は、図１７に示す固定子ティースの１グループ５２を構成するティース５ｍ〜５ｓを周方向に周期的に１２グループ並べることにより形成される。
この固定子構成による電磁加振力高調波の計算結果を、従来技術の固定子構成（図１８参照）および比較例３の固定子構成での計算結果とともに、図１９、図２０に示す。
なお、比較例３として、比較例１、２と同様に特許文献１に示す、固定子ティースの１グループを構成するティースの個数を２個とし、１個おきに溝６ｅと同等の溝を設けた形状を採用する。
【００６１】
固定子ティースの１グループ５２を構成するティース５ｍ〜５ｓの先端形状を１グループ５２内の各々のティース５で異なった形状とすることにより、図１８に示す従来技術の回転電機の固定子ティース１５と同様に、ティース５、回転子コア２と組み合わせた幾何学的形状が１／４という周期境界条件を変更せずに、電磁加振力高調波の振幅を変更することができる。
【００６２】
図１９〜図２０には、第９の実施形態と、図１８の従来技術と、比較例３とを対比した結果を示す。
実施形態９、従来技術、比較例３の、それぞれの固定子構成での径方向空間０次の電磁加振力高調波を、解析により求めた結果を図１９、図２０に示す。図１９、図２０では電磁加振力高調波振幅を、従来技術の固定子構成での回転２１６次高調波振幅を基準に無次元化している。
【００６３】
従来技術の誘導電動機の一般的な固定子は、同一の先端形状のティースから構成されており、回転試験による騒音測定により、回転２１６次の高調波成分が卓越していることが分かっている。そこで、まず、回転２１６次の電磁加振力高調波振幅を比較した。図１９、図２０より回転２１６次高調波振幅は、比較例３で−１．０ｄＢ、実施形態９では−４．６ｄＢ、従来技術の固定子構成の場合より低減される結果となっている。したがって、実施形態９では従来技術、比較例３よりも振動・騒音を低減できることになる。また、図１９より他の回転次数の電磁加振力高調波振幅についても、実施形態９では従来技術、比較例３よりも低減傾向となっている。
【００６４】
以上より、特許文献１に記載の適用条件（ｎ極、ｓ相における固定子コアのスロット数は２ｎ×ｓ個）から外れる構成でも、本発明により径方向電磁加振力高調波を低減し、振動・騒音を低減できることがわかる。
また、誘導電動機に対しても、本発明は適用可能であることがわかる。
【００６５】
以上の説明は本発明の一例であり、本発明はこれらの実施形態に限定されない。すなわち、本発明は、上記の実施形態の回転電機の相数、極数、固定子スロット数、回転子スロット数に限定されるものではない。
【００６６】
第１、５の実施形態では９個のティースを１グループとし、第２〜４、および第６〜８の実施形態では３個のティースを１グループとした。
これらの実施形態では、８極７２スロットの構成の永久磁石回転電機あるいはシンクロナスリラクタンスモータを例として説明したが、本発明は、８極７２スロットの構成に限定されない。すなわち本発明による回転電機は極数がＰ個で、Ｓ個のティースを備えた固定子と、固定子に空隙を介して配置された回転子とを有する回転電機であって、その固定子のティースが、極数Ｐと固定子スロット数Ｓの最大公約数Ｎで固定子スロット数Ｓを割った値ｍ、またはｍの約数ｄの個数を単位にグループ化されており、このグループ化された複数の固定子ティースの少なくとも１つの先端形状が異なった形状とされている種々の回転電機に適用することができる。
【００６７】
また、誘導電動機の第９の実施形態では６個のティースを１グループとした。
第９の実施形態でも８極７２スロットの構成を例にして説明したが、本発明はこの構成に限定されない。すなわち本発明は、極数がＰ個で、Ｓ個のティースを備えた固定子と、固定子に空隙を介して配置されＲ個のスロットを備えた回転子とを有する誘導電動機であって、その固定子のティースが、極数Ｐと固定子スロット数Ｓと回転子スロット数Ｒの最大公約数Ｎで固定子スロット数Ｓを割った値ｍ、またはｍの約数ｄの個数を単位にグループ化されており、このグループ化された複数の固定子ティースの先端形状がそれぞれ異なった形状とされている種々の誘導電動機に適用することができる。
【００６８】
以上説明したように、本発明による回転電機では、グループ化された複数の固定子ティースの内、このグループの少なくとも１つのティースの先端形状が、このグループの他のティースと異なる形状となるようにしている。この異なる形状となっているティース先端の形状は、先端に溝が設けられているか、あるいはテーパーが設けられているか、あるいは溝とテーパーの両方が設けられているか、あるいは溝のない平坦な形状のいずれかとなっている。
また固定子ティースの先端に形成される溝は平型溝、Ｖ状溝、皿状溝のいずれかであり、その溝幅および深さは、平坦な先端形状からなる固定子ティース先端と回転子表面の磁気的な平均距離で定義されるギャップ長を考慮して設定される。
なお、ここでの説明で「溝」とは、図４（ｂ）の参照番号６ｂで示すような、固定子ティース先端に回転軸方向に連続して凹設された種々の凹部、窪みを含む形状を意味する。
【００６９】
なお、各実施形態および比較例での解析で用いた溝は上記のギャップ長を基準として、径方向の深さの平均が１．０以下、溝開口部の周方向長さ（溝幅）は０．５以上となるように設けられている。また、溝開口部の周方向長さの上限は、平坦な先端形状のティース先端周方向長さを基準として１／３以下としている。
【００７０】
以上の説明は本発明の実施形態および変形実施の例であり、本発明はこれらの実施形態や変形実施例に限定されない。当業者であれば、本発明の特徴を損なわずに様々な変形実施が可能である。とりわけ本発明では、実施形態１から９で説明した様々な固定子ティース先端の形状を組み合わせたティースグループから構成された固定子を備える種々の回転電機を実現することができる。
【符号の説明】
【００７１】
１：固定子コア
２：回転子コア
３：固定子コイル
４：固定子スロット
５、５ａ〜５ｌ、１５：固定子ティース
６ｂ〜６ｅ、６ｇ〜６ｊ：ティース溝
７：ティーステーパー
８：永久磁石
９：導電体
１５：従来の一般的な固定子ティース
２１：パワー半導体
３８：ダイオード
５０、５１、５２：固定子ティースの１グループ
１００：車両
１１０：前輪
１２０：エンジン
１２４：エンジン制御装置
１３０：変速機
１３４：変速機制御装置
１３２：ディファレンシャルギア
１７０：統合制御装置
１７４：通信回線
１８０：バッテリ
１８４：バッテリ制御装置
２００、２０２：回転電機
６００：電力変換装置
６１０、６２０：パワーモジュール
６３０：コンデンサモジュール
６４２：コネクタ基板
６４４：送受信回路
６４６：駆動回路基板
６４８：制御回路
６５２：第１の駆動回路
６５０：駆動回路基板
６５４：駆動回路基板
６５６：第２の駆動回路
６６０：電流センサ
６６２：電流センサ
【図１】
2014023258.tif 000003
【図２】
2014023258.tif 000004
【図３】
2014023258.tif 000005
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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