(57)【要約】【課題】回転電機より発生する誘起電圧波形の最大値及びトルク脈動を低減することができる永久磁石式リラクタンス型回転電機を提供する。【解決手段】電機子巻線４を有する固定子１と、この固定子１の内側に回転可能に設けられ、回転子鉄心７ａを有する回転子２と、この回転子２の隣接した鉄心の磁極１４間を通る電機子巻線４からの磁束を打ち消すように回転子鉄心７ａ内に配置された永久磁石１２とを備えた永久磁石式リラクタンス型回転電機であって、回転子２は、回転軸方向で２分割され、分割された回転子２が周方向にずらして配置され、分割された一方の回転子鉄心７ａの磁極中心と分割された他方の回転子鉄心７ａの磁極中心とが回転軸に対してなす角度をスキュー角度θとしたとき、スキュー角度θは、１３度＜θ＜３１度である。【選択図】図１
2006304546.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電機子巻線を有する固定子と、
この固定子の内側に回転可能に設けられ、回転子鉄心を有する回転子と、
この回転子の隣接した鉄心の磁極間を通る前記電機子巻線からの磁束を打ち消すように前記回転子鉄心内に配置された永久磁石と、
を備えた永久磁石式リラクタンス型回転電機であって、
前記回転子は、回転軸方向で２分割され、分割された回転子が周方向にずらして配置され、分割された一方の回転子鉄心の磁極中心と分割された他方の回転子鉄心の磁極中心とが前記回転軸に対してなす角度をスキュー角度θとしたとき、
前記スキュー角度θは、
１３度＜θ＜３１度
であることを特徴とする永久磁石式リラクタンス型回転電機。
【請求項２】
前記固定子は内面に突出した凸部である固定子ティースを有し、隣接する２つの前記鉄心の磁極の中心線が回転軸に対してなす角度βに対して、前記固定子ティースの内径面先端部の幅が前記回転軸に対してなす角度γは、
０．５６×β＜γ＜０．６５×β
であることを特徴とする請求項１記載の永久磁石式リラクタンス型回転電機。
【請求項３】
前記永久磁石の幅ｗは、前記回転子の極数Ｐと前記回転子の外径Ｄｒに対して、
（１．５×Ｄｒ）／（２×Ｐ）＜ｗ＜（２．２×Ｄｒ）／（２×Ｐ）
であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の永久磁石式リラクタンス型回転電機。
【請求項４】
隣接する前記鉄心の磁極間は、鉄心で満たされていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の永久磁石式リラクタンス型回転電機。
【請求項５】
前記固定子は、前記電機子巻線を収納する固定子スロットを有し、この固定子スロット数は、１相１極あたりの所定の固定子スロット数に対して１／２であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の永久磁石式リラクタンス型回転電機。
【請求項６】
前記電機子巻線は、集中巻により構成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の永久磁石式リラクタンス型回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、永久磁石式リラクタンス型回転電機に関し、特に、回転電機より発生する誘起電圧及びトルク脈動を低減するための構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両駆動用などに用いられる高効率のモータとして、界磁に永久磁石を用いた永久磁石モータが知られている。代表的な永久磁石モータとして、回転子鉄心外周に永久磁石を貼り付けた表面磁石型永久磁石モータ、永久磁石を回転子鉄心内に埋め込んだ埋め込み型永久磁石モータが知られている。
【０００３】
また、可変特性に優れている高出力のモータとして、リラクタンストルクと磁石トルクとを併用した永久磁石式リラクタンス型回転電機が知られている（例えば、特許文献１）。車両駆動用等の可変速駆動用としては、埋め込み型永久磁石モータ及び永久磁石式リラクタンス型回転電機が適している。
【０００４】
特に永久磁石式リラクタンス型回転電機は、磁石トルクと同等からそれ以上のトルクを得ることができるリラクタンストルクを磁石トルクとともに利用しており、可変速駆動時において、中・低速回転時はリラクタンストルクと磁石トルクとで駆動し、高速回転時は主にリラクタンストルクで駆動する。このため、高出力で広い可変速運転が可能である。
【０００５】
図８は従来の永久磁石式リラクタンス型回転電機の周方向断面図である。図８に示すように、この永久磁石式リラクタンス型回転電機の固定子１は、固定子鉄心３及び電機子巻線４を有し、固定子１の内側には回転子２が設けられている。回転子２は、周方向に略Ｖ字状に形成された磁石埋め込み穴１３と磁石埋め込み穴１３に配置される永久磁石１２とで構成され、永久磁石１２による磁極と鉄心の磁極１４とを有している。また、図８に示す従来の永久磁石式リラクタンス型回転電機の回転子鉄心７には、鉄心の磁極１４と隣接する他の鉄心の磁極１４との間に非磁性部である三角穴１００が形成されている。
【０００６】
しかし、このような永久磁石を用いたモータは、外力によって回転子２が回転されると、回転電機内に誘起電圧が発生する。この誘起電圧により通電回路または制御回路に過電圧がかかり、通電回路または制御回路を破壊してしまう恐れがある。従って、永久磁石を用いたモータでは、誘起電圧が通電回路及び制御回路の耐電圧以下になるように設計する必要がある。
【０００７】
そこで、永久磁石モータの誘起電圧を抑制するために、誘起電圧波形を正弦波に近似させた埋め込み型永久磁石モータが開示されている（特許文献２）。図９は誘起電圧波形を正弦波に近似させた埋め込み型永久磁石モータ（三相８極、４８スロット）の１極対を示す周方向断面図である。図９に示すように、この埋め込み型永久磁石モータは、電機子巻線１０４を有する固定子１０１と、この固定子１０１に間隙１０９をもって配置され、複数個の永久磁石１１２が周方向に埋め込まれた回転子１０２とで構成されている。この埋め込み型永久磁石モータは、永久磁石１１２の固定子１０１側の辺、すなわち外周面幅が軸に対してなす角度φを調整することで誘起電圧の波形を正弦波に近似し、誘起電圧のピーク値を抑制するものである。図１０は永久磁石幅の角度φの値を２４、２６、２８度とした場合の誘起電圧波形であり、図１０に示すように永久磁石幅の角度φが２６度のときに誘起電圧波形のピーク値が小さくなる。
【特許文献１】特開平１１−１３６９１２号公報
【特許文献２】特開平１０−１４６０３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、図８に示した従来の永久磁石式リラクタンス型回転電機は、例えばハイブリッド自動車等の車両駆動用などに用いられる場合、車の駆動性能を向上させるために更なる小型、高トルク、高出力化が要求されている。小型・高出力化を達成するためには、回転電機の高速回転が必要である。しかし、回転電機より発生する誘起電圧は回転速度の上昇に伴ない増加する。
【０００９】
また、ハイブリット自動車等では、駆動部スペースに大きな制約があり、軸方向寸法が非常に小さい扁平型の回転電機が必要であるため、電機子巻線４の軸方向寸法を小さくすることができる集中巻方式の回転電機が用いられている。しかし、集中巻方式は通常用いられる分布巻方式に比べ、永久磁石磁束によって発生する誘起電圧が大きくひずみ、誘起電圧波形の最大値が高くなる。さらに、集中巻方式はトルク脈動が大きく、有効にトルクが活用されないため、出力が低下し、電磁振動や騒音が発生する。
【００１０】
従って、図８に示した従来の永久磁石式リラクタンス型回転電機では、誘起電圧による過電圧で通電回路または制御回路を破壊する恐れがあるため、誘起電圧の更なる低減が必要である。しかし、図９に示した埋め込み型永久磁石モータのように誘起電圧波形を正弦波に近似するだけでは、十分に誘起電圧波形のピーク値を抑制することができない。また、トルク脈動を低減することもできないという課題を有していた。
【００１１】
本発明の課題は、発生する誘起電圧波形の最大値及びトルク脈動を低減して、小型、高速回転、高トルク及び低振動・低騒音化することができる永久磁石式リラクタンス型回転電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は前記課題を解決するために以下の手段を採用した。請求項１の発明は、電機子巻線を有する固定子と、この固定子の内側に回転可能に設けられ、回転子鉄心を有する回転子と、この回転子の隣接した鉄心の磁極間を通る前記電機子巻線からの磁束を打ち消すように前記回転子鉄心内に配置された永久磁石とを備えた永久磁石式リラクタンス型回転電機であって、前記回転子は、回転軸方向で２分割され、分割された回転子が周方向にずらして配置され、分割された一方の回転子鉄心の磁極中心と分割された他方の回転子鉄心の磁極中心とが前記回転軸に対してなす角度をスキュー角度θとしたとき、前記スキュー角度θは、１３度＜θ＜３１度であることを特徴。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１記載の永久磁石式リラクタンス型回転電機において、前記固定子は内面に突出した凸部である固定子ティースを有し、隣接する２つの前記鉄心の磁極の中心線が回転軸に対してなす角度βに対して、前記固定子ティースの内径面先端部の幅が前記回転軸に対してなす角度γは、０．５６×β＜γ＜０．６５×βであることを特徴とする。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２記載の永久磁石式リラクタンス型回転電機において、前記永久磁石の幅ｗは、前記回転子の極数Ｐと前記回転子の外径Ｄｒに対して、（１．５×Ｄｒ）／（２×Ｐ）＜ｗ＜（２．２×Ｄｒ）／（２×Ｐ）であることを特徴とする。
【００１５】
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の永久磁石式リラクタンス型回転電機において、隣接する前記鉄心の磁極間は、鉄心で満たされていることを特徴とする。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の永久磁石式リラクタンス型回転電機において、前記固定子は、前記電機子巻線を収納する固定子スロットを有し、この固定子スロット数は、１相１極あたりの所定の固定子スロット数に対して１／２であることを特徴とする。
【００１７】
請求項６の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の永久磁石式リラクタンス型回転電機において、前記電機子巻線は、集中巻により構成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１の発明によれば、回転子は、回転軸方向に２分割され、分割された回転子が周方向にずらして配置され、分割された一方の回転子鉄心の磁極中心と分割された他方の回転子鉄心の磁極中心とが回転軸に対してなす角度をスキュー角度θとし、このスキュー角度θを１３度＜θ＜３１度としたので、永久磁石式リラクタンス型回転電機より発生する誘起電圧波形の最大値及びトルク脈動を低減して、回転電機を小型、高速回転、高トルク及び低振動・低騒音化することができる。
【００１９】
請求項２の発明によれば、固定子ティースの内径面先端部の幅が回転軸に対してなす角度γを、隣接する２つの鉄心の磁極の中心線が回転軸に対してなす角度βに対して、０．５６×β＜γ＜０．６５×βとしたので、トルク脈動をさらに低減することができる。
【００２０】
請求項３の発明によれば、永久磁石の幅ｗを、回転子の極数Ｐと回転子の外径Ｄｒに対して、（１．５×Ｄｒ）／（２×Ｐ）＜ｗ＜（２．２×Ｄｒ）／（２×Ｐ）としたので、発生する誘起電圧波形の最大値及びトルク脈動をさらに低減することができる。
【００２１】
請求項４の発明によれば、隣接する鉄心の磁極間は、鉄心で満たされているので、発生する誘起電圧波形の最大値をさらに低減することができる。
【００２２】
請求項５の発明によれば、固定子スロット数を、１相１極あたりの所定の固定子スロット数に対して１／２としたので、発生する誘起電圧波形の最大値及びトルク脈動をさらに低減することができる。
【００２３】
請求項６の発明によれば、電機子巻線は、集中巻により構成されたので、永久磁石式リラクタンス型回転電機を小型化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施例に係る永久磁石式リラクタンス型回転電機を図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下では、背景技術の欄で説明した永久磁石式リラクタンス型回転電機の構成部分と同一又は相当部分には、背景技術の欄で使用した符号と同一の符号を用いて説明する。
【実施例１】
【００２５】
図１は本発明の実施例１に係る永久磁石式リラクタンス型回転電機の周方向断面図であり、図２は図１の拡大図であり、図３は本発明の実施例１の回転子２の外観斜視図である。図１に示すように、本発明の実施例１に係る永久磁石式リラクタンス型回転電機は、固定子１及び固定子１の内側に間隙９（図２）をもって回転可能に配置された回転子２とで構成されている。
【００２６】
固定子１は、固定子鉄心３と電機子巻線４とを有している。固定子鉄心３は、電磁鋼板の積層構成からなり、その内周側には電機子巻線４を収容する固定子スロット５及び回転子２に面して突出した凸部である固定子ティース６を有している。
【００２７】
回転子２は、回転子鉄心７ａと回転軸である回転子シャフト８とで構成されている。回転子鉄心７ａは、電磁鋼板の積層構成からなる。回転子鉄心７ａには、永久磁石埋め込み穴１３が鉄心の周方向に略Ｖ字状に形成されている。永久磁石埋め込み穴１３には、隣接した鉄心の磁極１４間を通る電機子巻線４からの磁束を打ち消すような方向に磁化された永久磁石１２が配置され、回転軸を中心とした周方向に磁化容易方向（鉄心の磁極１４）と磁化困難方向（磁極間）とが交互に形成されている。すなわち、鉄心の磁極１４において、永久磁石１２は略同一方向に磁化され、磁極間においては、磁束が互いに加え合わせとなる方向に磁化されている。このように、周方向に磁気的凹凸を有した回転子２は、電機子巻線４に流れる電流による回転磁界によって回転子シャフト８を中心に回転する。
【００２８】
また、回転子２は、図３に示すように、回転軸方向で２分割され、分割された回転子鉄心７ａが周方向に角度θだけずらして配置される。分割された一方の回転子鉄心７ａの磁極１４の中心と分割された他方の回転子鉄心７ａの磁極１４の中心とが回転軸に対してなす角度θを回転子２のスキュー角度θとする。このスキュー角度θを変化させることで誘起電圧波形の最大値及びトルク脈動が変化する。図４は本実施例の永久磁石式リラクタンス型回転電機の回転子スキュー角度θ（度）に対する誘起電圧波形の最大値（ｐｕ）及びトルク脈動（ｐｕ）の関係を示したものである。なお、図４の縦軸はスキュー角度１３度及び３１度のときのトルク脈動の値を１（ｐｕ）とした換算値である（以下、このような換算値を単位ｐｕであらわす）。図４に示すように、誘起電圧波形の最大値はスキュー角度θが１３度〜３２度の間で小さくなっており、特に２８度付近で最小値を示すことが判る。トルク脈動はスキュー角度θが１３度〜３１度の間で小さくなっており、特に２４度付近で最小値を示すことが判る。
【００２９】
従って、スキュー角度θを１３度〜３１度に設定することにより、誘起電圧波形の最大値及びトルク脈動を低減することができる。本実施例では、この１例として誘起電圧波形の最大値及びトルク脈動の双方の値を考慮して、スキュー角度θを２５度とした。
【００３０】
また、回転子２は回転子鉄心７ａの周方向に等間隔に鉄心の磁極１４が形成され、この隣接した２つの鉄心の磁極１４の間隔と固定子ティースの幅との比を変化させることでトルク脈動が変化する。すなわち、図２に示すように隣接した２つの鉄心の磁極１４の中心線が回転軸に対してなす角度（以下、磁極ピッチ角度）をβとし、固定子ティース６の内径面先端部の幅が回転軸に対してなす角度（以下、固定子ティース幅角度）をγとすると、これらの比である固定子ティース幅中心角度係数γ／βを変化させることでトルク脈動が変化する。図５は本実施例の永久磁石式リラクタンス型回転電機の固定子ティース幅中心角度係数γ／β（ｐｕ）に対するトルク脈動（ｐｕ）の関係を示したものである。図５に示すように、トルク脈動は固定子ティース幅中心角度係数γ／βが０．５６（ｐｕ）〜０．６５（ｐｕ）の間で小さくなっており、固定子ティース幅中心角度係数γ／βが０．５８（ｐｕ）のときに最小値を示すことが判る。
【００３１】
従って、固定子ティース幅角度γは、０．５６×β〜０．６５×βと設定するにより、トルク脈動を低減することができ、０．５８×βと設定することにより、トルク脈動を最小値にすることができる。本実施例では、この１例として固定子ティース幅角度γが０.５８×βとなるように構成した。
【００３２】
また、回転子２の極数Ｐと回転子２の外径Ｄｒに対して、永久磁石１２の幅ｗを変化させることで誘起電圧波形の最大値及びトルク脈動が変化する。図６は本実施例の永久磁石式リラクタンス型回転電機の永久磁石幅係数ｗ×２×Ｐ／Ｄｒ（ｐｕ）に対する誘起電圧波形の最大値（ｐｕ）及びトルク脈動（ｐｕ）の関係を示したものである。図６に示すように、誘起電圧波形の最大値及びトルク脈動は永久磁石幅係数ｗ×２×Ｐ／Ｄｒが１．５（ｐｕ）〜２．２（ｐｕ）の間で小さくなっていることが判る。
【００３３】
従って、永久磁石幅ｗを１．５×Ｄｒ／（２×Ｐ）〜２．２×Ｄｒ／（２×Ｐ）とすることで、回転電機のトルク特性、効率などを損なうことなく誘起電圧波形の最大値及びトルク脈動を低減することができる。本実施例では、この１例として永久磁石幅ｗが１．８×Ｄｒ／（２×Ｐ）となるように構成した。
【００３４】
また、本発明の永久磁石式リラクタンス型回転電機の回転子鉄心７ａには、図８に示した従来の永久磁石式リラクタンス型回転電機の回転子鉄心７に形成されている三角穴１００を形成せずに、隣接する鉄心の磁極１４間は鉄心で満たされている。
【００３５】
また、本発明の固定子スロット５の数は、極数Ｐを１２とした場合、１相１極あたりの固定子スロット数は３６であるので、これに対して１／２となるように固定子スロット５を１８とした。また、電機子巻線４は、集中巻により構成されている。
【００３６】
図７はこのように構成された本発明の実施例１に係る永久磁石式リラクタンス型回転電機の永久磁石磁束により発生する誘起電圧波形である。横軸は電気角（度）、縦軸は誘起電圧（ｐｕ）を示している。図７に示すように、従来の誘起電圧波形は高調波次数成分が含まれており、誘起電圧波形の最大値が大きな値になっている。また、誘起電圧波形を正弦波に近似した従来の永久磁石モータの誘起電圧波形は高調波次数成分は抑制されているものの最大値が大きな値になっている。これに対して、本実施例の誘起電圧波形は、３次，５次，７次等の奇数次の高調波次数成分が抑制されるとともに波形の最大値近傍が平滑化されている。即ち、本発明の誘起電圧波形は、電気角０度から５０度の間で０（ｐｕ）から１（ｐｕ）、電気角５０度から１３０度で１（ｐｕ）、電気角１３０度から１８０度で１（ｐｕ）から０（ｐｕ）となる台形状になり、誘起電圧の最大値が大幅に低減されていることが判る。
【００３７】
このように、本実施例に係る永久磁石式リラクタンス型回転電機は、鉄心の磁極１４のスキュー角度θを２５度としたので、回転電機のトルク特性，効率などを損なうことなく、誘起電圧波形の高調波成分を打ち消し、台形状の誘起電圧波形を得ることができ、回転電機に発生する誘起電圧の最大値を大幅に低減することができる。さらに、トルク脈動を低減して、回転電機を小型、高速回転、高トルク及び低振動・低騒音化することができる。
【００３８】
また、磁極ピッチ角度βに対して、固定子ティース幅角度γを０．５８×βとしたので、トルク脈動をさらに低減することができる。
【００３９】
また、回転子の極数Ｐと回転子の外径Ｄｒに対して、永久磁石幅ｗを１．８×Ｄｒ／（２×Ｐ）としたので、誘起電圧波形の最大値及びトルク脈動をさらに低減することができる。
【００４０】
また、回転子鉄心７ａには、図８に示した従来の永久磁石式リラクタンス型回転電機の回転子鉄心７に形成されている三角穴１００を形成せずに、隣接する鉄心の磁極１４間は鉄心で満たされているので、誘起電圧波形の最大値をさらに低減でき、より台形状に近い誘起電圧波形を得ることができる。
【００４１】
また、固定子スロット５の数が、１相１極あたりの固定子スロット数に対して１／２となるように極数Ｐを１２、固定子スロット５の数を１８としたので、誘起電圧波形の最大値及びトルク脈動をさらに低減することができる。
【００４２】
また、電機子巻線４は、集中巻により構成されているので、小型化でき、扁平型回転電機として利用することができる。
【００４３】
従って、誘起電圧が低減されることで、通電回路または制御回路を過電圧で破壊することなく、回転電機を運転することができ、信頼性が向上する。また、誘起電圧の値に応じて設定される通電回路または制御回路の耐電圧を低い値に設定することができるため、通電回路または制御回路を安価に構成することができ、コストを大幅に削減することができる。さらにトルク脈動も大幅に低減することができるので、回転電機により発生するトルクを最大限に活用することができ、回転電機を高トルク、高出力、高効率化することができるとともにトルク脈動に起因する電磁振動及び騒音が低減されて信頼性及び静粛性を格段に向上させることができる。
【００４４】
なお、本実施例では、回転子スキュー角度θを２５度、固定子ティース幅角度γを０．５８×β、永久磁石幅ｗを１．８×Ｄｒ／（２×Ｐ）としたが、本発明はこれに限定されることなく、回転子スキュー角度θは、１３度＜θ＜３１度、固定子ティース幅角度γは、０．５６×β＜γ＜０．６５×β、永久磁石幅ｗは、１．５×Ｄｒ／（２×Ｐ）＜ｗ＜２．２×Ｄｒ／（２×Ｐ）の範囲内の値に設定しても同様の効果が得られる。
【００４５】
また、本実施例では、回転子２は２分割されているが、複数に分割され、周方向に等間隔にずらして配置されても良い。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、小型・高出力・高効率の回転電機として種々の電気機械に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施例１に係る永久磁石式リラクタンス型回転電機の周方向断面図である。
【図２】図１の拡大図である。
【図３】本発明の実施例１に係る永久磁石式リラクタンス型回転電機の回転子の外観斜視図である。
【図４】本発明の実施例１に係る永久磁石式リラクタンス型回転電機の回転子スキュー角度と誘起電圧波形の最大値及びトルク脈動との関係を示した図である。
【図５】本発明の実施例１に係る永久磁石式リラクタンス型回転電機の固定子ティース幅中心角度係数とトルク脈動との関係を示した図である。
【図６】本発明の実施例１に係る永久磁石式リラクタンス型回転電機の永久磁石幅係数と誘起電圧波形の最大値及びトルク脈動との関係を示した図である。
【図７】本発明の実施例１に係る永久磁石式リラクタンス型回転電機の誘起電圧波形を示した図である。
【図８】従来の永久磁石式リラクタンス型回転電機の周方向断面図である。
【図９】従来の埋め込み型永久磁石モータの１極対を示した周方向断面図である。
【図１０】従来の埋め込み型永久磁石モータの誘起電圧波形を示した図である。
【符号の説明】
【００４８】
１、１０１  固定子
２、１０２  回転子
３  固定子鉄心
４、１０４  電機子巻線
５  固定子スロット
６  固定子ティース
７  回転子鉄心
８  回転子シャフト
９、１０９  間隙
１２、１１２  永久磁石
１３  永久磁石埋め込み穴
１４  鉄心の磁極
１００  三角穴
【図１】
2006304546.tif 000003
【図２】
2006304546.tif 000004
【図３】
2006304546.tif 000005
【図４】
2006304546.tif 000006
【図５】
2006304546.tif 000007
【図６】
2006304546.tif 000008
【図７】
2006304546.tif 000009
【図８】
2006304546.tif 000010
【図９】
2006304546.tif 000011
【図１０】
2006304546.tif 000012