【手続補正書】
【提出日】平成27年8月24日(2015.8.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
【図１】図１は、本発明に係るＩＰＭ型電動回転機（モータ）の一実施形態を示す図であり、その概略全体構成を示す平面図である。
【図２】図２は、実施形態の構造における低負荷駆動時の電機子磁束の磁束線図である。
【図３】図３は、実施形態の構造における低負荷駆動時の磁石磁束の磁束線図である。
【図４】図４は、ｄ軸側に大きな空隙のないＶ字型ＩＰＭモータの電流位相に対するトルク特性を示すグラフである。
【図５Ａ】図５Ａは、ｄ軸側に大きな空隙のないＶ字型ＩＰＭモータの磁石磁束の磁束線図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、ｄ軸側に大きな空隙のないＶ字型ＩＰＭモータのｄ軸付近における磁石磁束のベクトル図である。
【図６Ａ】図６Ａは、ｄ軸側に大きな空隙のないＶ字型ＩＰＭモータの最大負荷駆動時における電機子磁束の磁束線図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、ｄ軸側に大きな空隙のないＶ字型ＩＰＭモータの最大負荷駆動時におけるｄ軸付近の電機子磁束のベクトル図である。
【図７】図７は、ｄ軸側に大きな空隙のないＶ字型ＩＰＭモータの最大負荷駆動時における磁極（永久磁石）の外周側の磁石磁束ベクトルと電機子磁束ベクトルの相対関係を示すモデル図である。
【図８】図８は、ＩＰＭ型モータの入力電流に対する電流位相と出力トルクの対応関係（特性）を示すグラフである。
【図９】図９は、ｄ軸側に大きな空隙のないＶ字型ＩＰＭモータの低負荷駆動時における電機子磁束の磁束線図である。
【図１０】図１０は、ｄ軸側に大きな空隙のないＶ字型ＩＰＭモータの低負荷駆動時における磁石磁束と電機子磁束の合成磁束の磁束線図と共にその合成磁束が取る経路を示す経路図である。
【図１１】図１１は、ｄ軸側空隙付きのＶ字型ＩＰＭモータの埋設永久磁石を短縮させた場合の発生トルクの変化やトルクリプルの低減率を示すグラフである。
【図１２】図１２は、ｄ軸側空隙付きのＶ字型ＩＰＭモータの埋設永久磁石を短縮させた場合に重畳する５次の空間高調波の変化を示すグラフである。
【図１３】図１３は、ｄ軸側に大きな空隙のないＶ字型ＩＰＭモータとｄ軸側空隙付きのＶ字型ＩＰＭモータの低負荷駆動領域におけるトルク発生割合を示すグラフである。
【図１４】図１４は、ｄ軸側に大きな空隙のないＶ字型ＩＰＭモータとｄ軸側空隙付きのＶ字型ＩＰＭモータの最大負荷駆動領域におけるトルク発生割合を示すグラフである。
【図１５】図１５は、ｄ軸側空隙付きのＶ字型ＩＰＭモータの最大負荷駆動時における電機子磁束を示す磁束線図である。
【図１６】図１６は、ｄ軸側空隙付きのＶ字型ＩＰＭモータの低負荷駆動時における磁石磁束と電機子磁束の合成磁束を示す磁束線図である。
【図１７】図１７は、ｄ軸側空隙付きのＶ字型ＩＰＭモータの最大負荷駆動時における磁石磁束と電機子磁束の合成磁束を示す磁束線図である。
【図１８Ａ】図１８Ａは、ｄ軸側に大きな空隙のないセンタ溝未形成のＶ字型ＩＰＭモータの磁石磁束の磁束線図である。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、ｄ軸側に大きな空隙のないセンタ溝未形成のＶ字型ＩＰＭモータの最大負荷時におけるｄ軸付近の電機子磁束と磁石磁束の合成磁束のベクトル図である。
【図１９Ａ】図１９Ａは、ｄ軸側に大きな空隙を形成したセンタ溝未形成のＶ字型ＩＰＭモータの磁石磁束の磁束線図である。
【図１９Ｂ】図１９Ｂは、ｄ軸側に大きな空隙を形成したセンタ溝未形成のＶ字型ＩＰＭモータの最大負荷時におけるｄ軸付近の電機子磁束と磁石磁束の合成磁束のベクトル図である。
【図２０】図２０は、図１８Ａに示すｄ軸側に大きな空隙のないセンタ溝未形成の構造と図１９Ａに示すｄ軸側に大きな空隙を形成したセンタ溝未形成の構造とを比較する１歯鎖交磁束波形を示すグラフである。
【図２１】図２１は、その図２０に示す磁束波形をフーリエ級数展開して、１歯鎖交磁束波形に重畳する空間高調波の含有率を示すグラフである。
【図２２】図２２は、ｄ軸側に大きな空隙を形成したセンタ溝形成済みのＶ字型ＩＰＭモータの最大負荷時におけるｄ軸付近の電機子磁束と磁石磁束の合成磁束のベクトル図である。
【図２３】図２３は、本実施形態と図１９Ａに示すセンタ溝未形成の構造とを比較する最大負荷時におけるトルク波形を示すグラフである。
【図２４】図２４は、その図２３に示すトルク波形をフーリエ級数展開して、そのトルク波形に重畳する高調波トルクの重畳程度を比較するグラフである。
【図２５】図２５は、センタ溝の寸法形状を決定する際に使用するパラメータを示す回転子の一磁極を拡大した構造図である。
【図２６】図２６は、図２５で示すセンタ溝の寸法形状におけるＲ４の外半径Ｒ１に対する比率をパラメータとして変化させたときのトルクリプルの変化を示すグラフである。
【図２７】図２７は、図２５で示すセンタ溝の寸法形状における外開口角θａをパラメータとして変化させたときの相電圧波形と線間電圧波形を示すグラフである。
【図２８】図２８は、本実施形態と図１９Ａに示すセンタ溝未形成の構造とを比較する低負荷時におけるトルク波形を示すグラフである。
【図２９】図２９は、その図２８に示すトルク波形をフーリエ級数展開して、そのトルク波形に重畳する高調波トルクの重畳程度を比較するグラフである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
したがって、電動回転機１０は、図１６の磁束線図に図示するように、低負荷駆動時には磁石磁束Ψｍと電機子磁束Ψｒの合成磁束Ψｓが主に永久磁石１６を通過する磁路ＭＰ０を通過するのに対して、最大負荷駆動時にはその合成磁束Ψｓは図１７の磁束線図に図示するように、磁路ＭＰ１、磁路ＭＰ２に分割させることができる。この結果、磁気的干渉の低減と共に局所的な磁気飽和状態の回避を実現して、永久磁石１６の磁石量を低減しつつ同等以上のトルクＴを効率よく発生させることができる。なお、低負荷駆動時の合成磁束Ψｓは、電機子磁束Ψｒよりも磁石磁束Ψｍの割合が大きい。
また、電動回転機１０は、永久磁石１６を、例えば、比率δ＝１．４４の寸法形状にして低透磁率のフラックスバリア１７ｃに置換（磁石磁束Ψｍを低減）し磁石量を２３％削減すると、イナーシャ（慣性力）の低減と共に、誘起電圧定数も１３．４％程度低減することができ、高速回転側での出力を増加させることができる。さらに、この電動回転機１０では、磁気歪みとなる空間高調波が低減されることで、永久磁石１６内で発生する渦電流による発熱や鉄損および電磁騒音を抑えることができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
そして、図１８Ａに示す回転子１２Ａでは、永久磁石１６がｄ軸付近まで存在することにより磁極外周側領域Ａ２に多くの磁石磁束Ψｍが発生している。これに対して、図１９Ａに示すセンタ溝２１を設けていない回転子１２Ｃでは、そのｄ軸付近には空隙のフラックスバリア１７ｃが形成されていることから、永久磁石１６から発生する磁石磁束Ψｍの直交性が低下、言い換えると、ｄ軸付近における磁石磁束Ψｍの磁束密度が低下している。このため、ｑ軸磁路Ψｑにとってはｄ軸付近における磁気抵抗が下がることでインダクタンスが高くなる。この結果、回転子１２Ｃでは、外周面１２ａに鎖交する磁束の密度に差が生じることに起因して、磁束に高調波が重畳してしまいトルクリプルや鉄損の増加により効率が低下してしまう。
例えば、回転子１２Ａのｄ軸付近では、図１８Ｂの最大負荷時の磁束ベクトル図に示すように、電機子磁束Ψｒの磁路ループに対応して、対面するステータティース１５Ｄから鎖交する磁束密度は高くない。これに対して、回転子１２Ｃのｄ軸付近では、図１９Ｂの最大負荷時の磁束ベクトル図に示すように、図１８Ｂのステータティース１５Ｄにおける磁束よりも鎖交する磁束密度が高くなって、流入する磁束が増加している。
このことは、回転子１２Ａ（フラックスバリア１７ｄ、センタ溝２１なし）と回転子１２Ｃ（フラックスバリア１７ｃ、センタ溝２１なし）で、１つのステータティース１５との間のギャップＧを通過する１歯鎖交磁束波形を比較すると、図２０のグラフに示すように、回転子１２Ｃの方が、ｄ軸付近が影響する図中に「Ｐ」で示す箇所において、磁束が流れ易く高調波が重畳し易くなっている。例えば、図２０に示す磁束波形をフーリエ級数展開すると、図２１に示すように、回転子１２Ａよりも回転子１２Ｃの磁束波形の方が、５次、７次の空間高調波の含有率が大きく重畳していることからも分かる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
そこで、電動回転機１０は、回転子１２の外周面１２ａのｄ軸上に、ステータティース１５の内周面１５ａとの間のギャップＧにおける磁気抵抗を増加させるように調整するセンタ溝２１を形成している。このセンタ溝２１を形成した回転子１２では、図２２の最大負荷時の磁束ベクトル図に示すように、回転子１２のｄ軸付近で対面するステータティース１５から進入する磁束の増加を抑えることができている。
また、この回転子１２（センタ溝２１あり）と回転子１２Ｃ（センタ溝２１なし）では、トルク波形を比較すると、図２３のグラフに示すように、回転子１２Ｃを基準にして（１．０[ｐ．ｕ．]）、センタ溝２１ありの回転子１２のトルク波形の方が振幅を小さくすることができ、トルクリプルを抑えることができる。また、この図２３に示すトルク波形をフーリエ級数展開すると、図２４に示すように、センタ溝２１ありの回転子１２のトルク波形の方が、６次、１２次、１８次、２４次の高調波トルクを大幅に低減できている。なお、図２３には、回転子１２Ｃの平均トルクを基準にして（１．０[ｐ．ｕ．]）瞬時トルクのトルク波形を図示している。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
ところで、電動回転機１０のトルクリプルは、３相の場合、１相１極毎の磁束波形に重畳する空間高調波と相電流に含まれる時間高調波に起因して、電気角で６ｆ次成分（ｆ＝１、２，３…：自然数）で発生することが分かっている。
以下に、トルクリプルの発生原因について説明すると、３相出力（電力）Ｐ（ｔ）とトルクτ（ｔ）は、角速度をωｍ、各相の誘起起電力をＥｕ（ｔ）、Ｅｖ（ｔ）、Ｅｗ（ｔ）、各相の電流をＩｕ（ｔ）、Ｉｖ（ｔ）、Ｉｗ（ｔ）とすると、次の式（４）、式（５）で求めることができる。
Ｐ(t)＝Ｅｕ(t)Ｉｕ(t)＋Ｅｖ(t)Ｉｖ(t)＋Ｅｗ(t)Ｉｗ(t)    ・・・（４）
τ(t)＝Ｐ（ｔ）／ωｍ
＝[Ｅｕ(t)Ｉｕ(t)＋Ｅｖ(t)Ｉｖ(t)＋Ｅｗ(t)Ｉｗ(t)]    ・・・（５）
３相トルクは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれのトルクの和であり、ｍを電流の高調波成分、ｎを電圧の高調波成分を表すものとし、Ｕ相電流Ｉｕ（ｔ）を次の式（６）と置くと、Ｕ相トルクτｕ（ｔ）は次の式（７）のように表すことができる。
【数３】
2014075905.tif 000001
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
ここで、センタ溝２１は、上述するように、回転子１２とステータティース１５の間のギャップＧにおける磁気抵抗を大きくする（透磁率を下げる）必要がある一方、外開口角θａを広くし過ぎると、５次、７次の空間高調波が重畳し易くなることから、必要最低限の寸法形状にする必要がある。
この回転子１２と固定子１１の構造を、図２５に示すように、スロット１８の回転子１２側の開口幅ＳＯ、ステータティース１５の内周面１５ａの対面幅ＴＢ、ステータティース１５の内周面１５ａよりも内側の先端部幅ＴＷ、回転子１２とステータティース１５の間のギャップＧのエアギャップ幅ＡＧとすると、次のようになる。
まず、センタ溝２１は、ギャップＧにおける磁気抵抗を大きくする必要があることから、ステータティース１５の対面幅ＴＢ以上必要である。これから外開口角θａの下限値としては、その対面幅ＴＢと回転子１２の軸心とで囲む形状が二等辺三角形（２×直角三角形）に近似するものとして、
２×ｔａｎ−１（（ＴＢ／２）／（Ｒ１＋ＡＧ））≦θａ
とすることができる。
また、スロット１８は、コイルの自動インサートや必要なエネルギ密度を考慮すると、スロット１８の開口幅ＳＯ＞エアギャップ幅ＡＧにする必要がある。この関係からスロット１８の開口空間よりもギャップＧにおける磁気抵抗が低く、ステータティース１５の先端角部Ｋ（図２２を参照）から回転子１２側に鎖交する磁束量を低減する必要がある。このことから、センタ溝２１は、隣接するステータティース１５の内周面１５ａまでの幅以下にする必要があり、これから外開口角θａの上限値としては、同様に、
θａ≦２×ｔａｎ−１（（ＳＯ＋（ＴＢ／２））／（Ｒ１＋ＡＧ））
とすることができる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
ここで、この回転子１２では、低負荷時においても同様に、センタ溝２１なしの回転子１２Ｃとトルク波形を比較すると、図２８のグラフに示すように、回転子１２Ｃを基準にして（１．０[ｐ．ｕ．]）、センタ溝２１ありの回転子１２のトルク波形の方が振幅を小さく、トルクリプルを抑えることができている。また、この図２８に示すトルク波形をフーリエ級数展開すると、図２９に示すように、センタ溝２１ありの回転子１２のトルク波形の方が、６次の高調波トルクを低減できている。
なお、以上では、センタ溝２１がトルク特性に与える影響について主に説明するが、このセンタ溝２１は、組立などの製造時にも目印にすることができるなど有用である。例えば、永久磁石１６の軸方向における位置関係を捩じった状態にして、所謂、スキューを施す場合には、そのセンタ溝２１の軸方向への直線性からスキューの有無を確認することができる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１９Ａ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１９Ａ】
2014075905.tif 000002
【手続補正９】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１９Ｂ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１９Ｂ】
2014075905.tif 000003