(57)【要約】【課題】高出力で低速から高速までの広範囲での可変速運転を可能とし、広い運転範囲で効率向上、信頼性向上、製造性向上を実現する回転電機を提供する。【解決手段】  固定子鉄心１ａに電機子巻線２を有する固定子１と、複数の永久磁石６を外周部に内蔵した回転子鉄心３ａを有する回転子３を備える。この固定子鉄心１ａには、電機子巻線２の巻回用のスロット４に挟まれた固定子ティース５を設ける。また、溝７を回転子の外周部分のｄ軸の周辺領域に配置することにより、高速運転時の鉄損を低減し、回転電機の温度上昇を抑制した永久磁石式回転電機を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子鉄心に電機子巻線を有する固定子と、前記複数の永久磁石を外周部に内蔵した回転子鉄心を有する回転子とを備える永久磁石式回転電機において、
前記固定子鉄心の内周には、電機子巻線の巻回用のスロットに挟まれた固定子ティースが設けられ、
前記回転子鉄心の外周部分に、前記固定子ティース先端の間隔で一組の開口部を配置したことを特徴とした永久磁石式回転電機。
【請求項２】
前記一組の開口部は、各組同士の間隔をスロットピッチ角度の間隔で配置することを特徴とした請求項１に記載の永久磁石式回転電機。
【請求項３】
前記開口部は、前記回転子鉄心の外周部分のｄ軸の周辺領域に配置したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の永久磁石式回転電機。
【請求項４】
前記回転子鉄心の外周部分のｄ軸の周辺領域の端部に配置する開口部の幅を、ｄ軸の周辺領域の中心部に配置する開口部の幅よりも拡大したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
【請求項５】
前記回転子鉄心の外周部分のｄ軸の周辺領域の最端部に配置する開口部を、隣接する開口部と結合することで、横長にしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
【請求項６】
前記開口部が、回転子鉄心の外周部分に設けられた磁気障壁である空隙であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機のトルク、出力特性を低下させることなく、高速回転（高周波数領域）における鉄損を抑制することにより、高効率で、回転電機の温度上昇を低減し、且つ回転子鉄心の強度を確保した永久磁石式回転電機に関し、特に車両に搭載される永久磁石式回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、永久磁石の目覚しい研究開発により、高磁気エネルギー積の永久磁石が開発され、回転電機の小型・高出力化が進められている。特にハイブリッド自動車向けのような車両用を用途とする回転電機では、排出ガスの抑制、燃費向上のため、高効率化を強く求められている。特に、回転電機をハイブリッド自動車に搭載する場合には、搭載スペースが小さく、その限られた空間の中で、高トルク、高出力化を要求される。この要求に応えるために、これまでになく高エネルギー密度の回転電機とする必要がある。しかしながら、高エネルギー密度の回転電機では、固定子と回転子と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点がある。そこで、図９に示すように、回転子鉄心表面、且つ磁極中心に対応する位置に溝を配置することで、コギングトルクを抑制する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
それだけでなく、高エネルギー密度の回転電機では、電磁加振力も増加し、振動、騒音の増加が問題となる。特に、ハイブリッド自動車向けでは、車室内の静粛性、並びに車外への騒音低減が厳しく求められる。そこで、図１０に示すように、回転子の外周に溝を形成し、外周表面から深さが最も深い底点と回転子中心とを結ぶ直線を磁極の中心に対し４０°以上４４°未満の電気角とすることにより、トルクリプルを低下させ、回転電機の振動、騒音を抑制し、且つ鉄損を低減する回転電機が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１６４５０１号公報
【特許文献２】特開２００４−３２８９５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
また、近年では、ハイブリッド自動車に加え、回転電機のみで駆動する電気自動車（ＥＶ）の開発、普及が進められており、この場合は、これまではエンジンとの併用で中低速時の駆動を主に担っていた回転電機が、高速域を含む全領域を駆動する必要がある。更には小型、高出力化による高速回転が必要となっている。高速回転（高周波数領域）の運転では、回転電機の損失は、鉄損が大幅に増加するため、損失の増加、並びに発熱により、回転電機温度が上昇し、連続運転が困難となる問題が生じている。
【０００６】
しかしながら、特許文献１の発明では、コギングトルクを低減することは可能であるが、更なる高速回転（高周波数領域）では、回転子の磁極中央部に配置する溝だけでは、十分に鉄損を抑制することができず、損失の増大、回転電機の温度上昇という問題が発生する。加えて、磁束が集中する回転子の磁極中央部に溝を配置するため、磁束の流れを阻害するため、トルクが大幅に低下する。従って、低速運転時に必要なトルクを十分に発生することが困難となる。同様に、特許文献２における外周の溝だけでは、十分な鉄損低減の効果を得ることが不可能である。
【０００７】
そこで、本発明は前記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであって、回転電機のトルク、出力特性を低下させることなく、高速回転（高周波数領域）における鉄損を抑制し、高効率で、回転電機の温度上昇を低減し、且つ回転子鉄心の強度を確保できる高信頼性の永久磁石式回転電機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の目的を達成するために、本発明の永久磁石式回転電機は、固定子鉄心に電機子巻線を有する固定子と、前記複数の永久磁石を外周部に内蔵した回転子とを備え、前記固定子鉄心の内周には、電機子巻線の巻回用のスロットに挟まれた固定子ティースが設けられ、前記回転子鉄心の外周部分に、前記固定子ティース先端の間隔で一組の開口部を配置したことを特徴する。
【０００９】
なお、高速運転時の鉄損を低減し、回転電機の温度上昇を抑制、並びに回転遠心力による応力を低減するために、
（１）一組の開口部は、各組同士の間隔をスロットピッチ角度の間隔で配置したり、
（２）開口部を回転子鉄心の外周部分のｄ軸の周辺領域に配置したり、
（３）回転子鉄心の外周部分のｄ軸の周辺領域の端部に配置する開口部の幅を、ｄ軸の周辺領域の中心部に配置する開口部の幅よりも拡大したり、
（４）回転子鉄心の外周部分のｄ軸の周辺領域の最端部に配置する開口部を、隣接する開口部と結合することで、横長にしたり、
（５）開口部を回転子鉄心の外周部分に設けられた磁気障壁である空隙としたりすることも本発明の一態様である。
【発明の効果】
【００１０】
以上のような構成を有する本発明によれば、高速運転時の鉄損を低減し、回転電機の温度上昇を抑制することができる。また、開口部を回転子の外周部分のｄ軸の周辺領域に配置することにより、回転遠心力による応力を低減でき、回転電機の効率、信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１における永久磁石式回転電機の回転子径方向断面図
【図２】実施例１における永久磁石式回転電機の回転子径方向断面拡大図
【図３】実施例１における溝の有無の効果を示すグラフ
【図４】実施例２における永久磁石式回転電機の回転子径方向断面拡大図
【図５】実施例２における溝幅拡大の効果を示すグラフ
【図６】実施例３における永久磁石式回転電機の回転子径方向断面拡大図
【図７】実施例４における永久磁石式回転電機の回転子径方向断面拡大図
【図８】実施例５における永久磁石式回転電機の回転子径方向断面拡大図
【図９】従来技術における回転子の径方向断面図
【図１０】従来技術におけるの回転子の径方向断面拡大図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る永久磁石式回転電機の実施例について、図面を参照して説明する。本実施例の回転電機は８極の場合で説明しており、他の極数でも同様に適用できる。なお各実施例において、同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【実施例１】
【００１３】
［１−１．構成］
図１，２を用いて本発明の実施例１を説明する。図１は本発明の実施例１における永久磁石式回転電機の展開断面図である。本実施例の回転電機は、図１に示すとおり、固定子１と電機子巻線２とを有し、その内側には回転子３が設けられている。この固定子１は、電磁鋼板の積層構成した固定子鉄心１ａからなり、その内周側には電機子巻線２を収容する固定子スロット４と、回転子３に面する固定子ティース５が具備されている。
【００１４】
回転子３は、固定子ティース５との間隙（エアギャップ）を介して、固定子１の内側に配置され、回転子３と複数の永久磁石６とが備えられている。回転子３は、電磁鋼板の積層構造からなる回転子鉄心３ａからなり、回転軸を中心とした円周方向に磁化容易方向と磁化困難方向が交互に形成されている。また、回転子３は外周面に磁気的な凹凸を形成するために、永久磁石埋め込み穴を磁化容易方向に形成され、永久磁石６がその永久磁石埋め込み穴に嵌め込まれ、接着剤などにより固定されている。すなわち、この永久磁石６は、磁気的な凸部を形成するような配置で、回転子鉄心３ａ内部に配置され、回転子３の磁極部８を構成する。この磁極部８の中心軸方向がｄ軸、磁極間の中心軸方向がｑ軸となる。
【００１５】
図２は、本発明の実施例１における永久磁石６を略Ｖ字型に配置することにより、回転子の磁極部８を形成した場合の磁極部の１極分の拡大断面図である。図中に示すように、固定子鉄心１ａに設けたティース５は、一定のスロットピッチ角を保つような間隔で設けられている。このティース５の先端部のそれぞれの端をティース５の先端両端５ａ，５ｂとする。
【００１６】
回転子鉄心１ａの外周部分には、ティース５の先端両端５ａと５ｂとの間隔と同じ間隔で、一組の開口部の溝７ａ，７ｂを配置する。すなわち、ティース先端両端５ａと向かい合う回転子鉄心１ａの外周部分には開口部である溝７ａを配置し、ティース先端両端５ｂと向かい合う外周部分には、開口部である溝７ｂを配置する。この溝７ａと溝７ｂは、２つで１つのペア溝を形成する。
【００１７】
また、開口部の溝７ａ，７ｂの寸法は、それぞれ同一とし、この開口部の溝７ａ，７ｂを設ける位置は、回転子鉄心１ａの外周部分のｄ軸の周辺領域のみとする。すなわち、回転子鉄心１ａの外周部分でも、ｑ軸の周辺領域には、開口部７を配置しない。このため、回転子のｄ軸の周辺領域の端部では、ペア溝の一方のみの溝７を配置する場合もある。
【００１８】
このｄ軸及びｑ軸の周辺領域とは、隣り合うｄ軸とｑ軸との中心角の中央を通る軸により分割される領域であり、その軸で分割されるｄ軸側をｄ軸の周辺領域とし、ｑ軸側をｑ軸の周辺領域とする。
【００１９】
［１−２．作用］
次に、前記のような構成を有する本実施形態の永久磁石式回転電機の作用について説明する。
【００２０】
図３は、本実施例の回転電機における回転子の外周部分の開口部の溝７の有無と各次数おける鉄損の関係を比較した図である。図３からは、回転基本周波数に対する５次、７次成分の鉄損は、外周部に開口部７を設けることにより低減されることがわかる。
【００２１】
さらに、回転子ｄ軸の周辺領域の回転子外周部のみに溝を配置するため、ｑ軸部側の回転遠心力による応力が集中する外周部薄肉部、及びその付近に溝が配置されないため、外周部薄肉部の応力集中を抑制することができる。
【００２２】
［１−３．効果］
以上のような構成を有する本発明の実施例１によれば、溝７を回転子の外周部分のｄ軸の周辺領域に配置することにより、回転子鉄心表面に溝を設けない場合や、従来技術である回転子鉄心表面で、且つ磁極中心に対応する位置に溝を配置する場合に比べて、高速運転時の鉄損を低減し、回転電機の温度上昇を抑制した永久磁石式回転電機を提供できる。
【００２３】
さらに、本発明の永久磁石式回転電機においては、回転子ｑ軸の周辺領域には、開口部である溝７を配置しないため、その領域への回転子の遠心力による応力を低減できるため、回転電機の効率、信頼性が向上する。
【実施例２】
【００２４】
［２−１．構成］
本発明の実施例２は、実施例１の永久磁石式回転電機において、回転子のｄ軸の周辺領域の端部に配置する開口部７の幅を拡大したものである。図４を用いて本発明の実施例２を説明する。
【００２５】
図４は本発明の実施例２における永久磁石式回転電機の展開断面図である。本実施例の回転電機は、図４に示すとおり、回転子鉄心１ａの外周部分のｄ軸の周辺領域の中心部に配置する開口部の溝７の幅をＷ１とし、ｄ軸の周辺領域の端部に配置する開口部の溝７の幅をＷ２とする。この溝の幅Ｗ１，Ｗ２は、Ｗ１よりもＷ２の幅の方が広くなるようにする。
【００２６】
幅をＷ２とする溝７は、回転子鉄心１ａの外周部分のｄ軸の周辺領域の端部に配置されていれば良く、永久磁石６の配置や磁極の数によっては、ｄ軸の周辺領域の最端部の溝のみとすることも、端部に配置する複数の溝とすることもできる。また、ペア溝を構成する溝７ａと溝７ｂのうち、片方の溝のみの幅をＷ２としても良い。
【００２７】
［２−２．作用］
次に、前記のような構成を有する本実施形態の永久磁石式回転電機の作用について説明する。
【００２８】
図５は、本実施例の回転電機における回転子の外周部分の開口部の溝７の有無と各次数おける鉄損の関係を比較した図である。図５からは、回転基本周波数に対する５次、７次成分の鉄損は、ｄ軸の周辺領域の端部の溝７の幅を拡大した場合には、回転基本周波数に対する５次、７次成分の鉄損が低減されることが判る。
【００２９】
［２−３．効果］
以上のような構成を有する本発明の実施例２によれば、前記実施例１の効果に加えて、回転子のｄ軸の周辺領域の端部に配置する開口部の溝７の幅を拡大することにより、実施例１以上に、高速運転時の鉄損を低減し、回転電機の温度上昇を抑制した永久磁石式回転電機を提供できる。
【実施例３】
【００３０】
［３−１．構成］
本発明の実施例３は、実施例２の永久磁石式回転電機において、回転子のｄ軸の周辺領域の端部に配置する開口部の幅をＷ２とした近接する溝７同士を結合したものである。図６を用いて本発明の実施例３を説明する。
【００３１】
図６は本発明の実施例３における永久磁石式回転電機の展開断面図である。本実施例の回転電機は、図６に示すとおり、回転子のｄ軸の周辺領域の再端部に配置された溝７と、その溝７に隣接する他のペア溝を構成する溝７を結合し、１つの横長の開口部７とする。
【００３２】
回転子のｄ軸の周辺領域の再端部に配置された溝７と、結合する溝７は、回転子鉄心１ａの外周部分のｄ軸の周辺領域の端部に配置されていれば良く、再端部に配置された溝７に隣接する他のペア溝を構成する溝７のみでなくとも良い。すなわち、永久磁石６の配置や磁極の数によっては、再端部に配置された溝７と隣接する他のペア溝の両方と結合しても良い。
【００３３】
［３−２．作用］
次に、前記のような構成を有する本実施形態の永久磁石式回転電機の作用について説明する。
【００３４】
回転子のｄ軸の周辺領域の端部に配置する開口部の溝７の幅を拡大することにより、実施例２と同様に、鉄損が低減され、回転子より固定子ティース先端部に流れる高調波磁束が更に抑制される。
【００３５】
［３−３．効果］
以上のような構成を有する本発明の実施例３によれば、前記実施例１の効果に加えて、回転子のｄ軸の周辺領域の端部に配置する開口部の溝７を結合、横長にすることにより、実施例１の構成以上に、高速運転時の鉄損を低減し、回転電機の温度上昇を抑制した永久磁石式回転電機を提供できる。さらに、本実施例でも、回転子のｑ軸上の外周部には溝を配置せず、回転子ｄ軸の周辺領域の回転子の外周部のみに溝を配置するため、回転子の遠心力による応力を低減でき、回転電機の効率、信頼性が向上する。
【実施例４】
【００３６】
［４−１．構成］
本発明の実施例４は、実施例１の永久磁石式回転電機において、回転子の開口部７の形状を変更したものである。図７を用いて本発明の実施例４を説明する。
【００３７】
図７は本発明の実施例４における永久磁石式回転電機の展開断面図である。本実施例の回転電機は、図７に示すとおり、回転子鉄心１ａの外周部分には、ティース５の先端両端５ａと５ｂとの間隔と同じ間隔で、一組の開口部７として磁気障壁である空隙７ａ，７ｂを配置する。すなわち、ティース先端両端５ａと向かい合う回転子鉄心１ａの外周部分には開口部である空隙７ａを配置し、ティース先端両端５ｂと向かい合う外周部分には、開口部である空隙７ｂを配置する。この空隙７ａと空隙７ｂは、２つで１つのペア溝を形成する。
【００３８】
この開口部の空隙７ａ，７ｂの形状は、それぞれ同一とし、この開口部の空隙７ａ，７ｂを設ける位置は、回転子鉄心１ａの外周部分のｄ軸の周辺領域のみとする。すなわち、回転子鉄心１ａの外周部分でも、ｑ軸の周辺領域には、開口部７を配置しない。このため、回転子のｄ軸の周辺領域の端部では、ペア空隙の一方のみの溝７を配置する場合もある。
【００３９】
この開口部７の形状は、固定子ティース先端部に流れる高調波磁束を抑制する形状とする。また、全ての開口部の空隙７の形状を同一のものとする必要はなく、回転子のｄ軸の周辺領域の端部に配置する開口部７の形状を拡大したりしても良い。すなわち、使用する永久磁石６の保磁力や磁化電流によって生じる磁界の強さなどに応じて、適宜変更することができる。
【００４０】
［４−２．作用］
次に、前記のような構成を有する本実施形態の永久磁石式回転電機の作用について説明する。開口部７として磁気障壁である空隙を回転子内に配置した場合にでも、前記各実施例と同様に鉄損が低減され、回転子より固定子ティース先端部に流れる高調波磁束が更に抑制される。
【００４１】
［４−３．効果］
以上のような構成を有する本発明の実施例４によれば、固定子ティース先端の間隔で一組の回転子鉄心内に開口部として磁気障壁である空隙７を配置することにより、前記各実施例と同様に、高速運転時の鉄損を低減し、回転電機の温度上昇を抑制した永久磁石式回転電機を提供できる。さらに、本実施例でも、回転子のｑ軸上の外周部には空隙７を配置せず、回転子鉄心１ａの外周部分のｄ軸の周辺領域のみに空隙７を配置するため、回転子の遠心力による応力を低減でき、回転電機の効率、信頼性が向上する。
【実施例５】
【００４２】
［５−１．構成］
本発明の実施例５は、実施例１の永久磁石式回転電機において、永久磁石６の配置場所と数を変更したものである。図８を用いて本発明の実施例５を説明する。
【００４３】
図８は本発明の実施例５における永久磁石式回転電機の展開断面図である。本実施例の回転電機は、図８に示すとおり、回転子の磁極部８を構成する永久磁石６として、板状の永久磁石６を１つ配置するものである。
【００４４】
図８では、板状の永久磁石６を１つ配置し磁極部８を構成したが、磁極部８を１個の永久磁石６のみで構成するのではなく、複数の永久磁石６を磁気的に組み合わせることにより構成しても良い。具体的には、複数の板状の永久磁石６を複数個並べることにより、１つの板状の永久磁石６とすることもできる。
【００４５】
［５−２．作用］
次に、前記のような構成を有する本実施形態の永久磁石式回転電機の作用について説明する。回転子の磁極を１つの板状の永久磁石６とした場合にでも、前記各実施例と同様に鉄損が低減され、回転子より固定子ティース先端部に流れる高調波磁束が更に抑制される。  
【００４６】
［５−３．効果］
以上のような構成を有する本発明の実施例４によれば、回転子の磁極部８を１つの板状の永久磁石により構成した場合でも、前記各実施例と同様に、高速運転時の鉄損を低減し、回転電機の温度上昇を抑制した永久磁石式回転電機を提供できる。さらに、本実施例でも、回転子のｑ軸上の外周部には空隙７を配置せず、回転子ｄ軸周辺領域の回転子の外周部のみに空隙７を配置するため、回転子の遠心力による応力を低減でき、回転電機の効率、信頼性が向上する。
【符号の説明】
【００４７】
１…固定子
１ａ…固定子鉄心
２…電機子巻線
３…回転子
３ａ…回転子鉄心
４…スロット
５…ティース
６…永久磁石
７…開口部
８…磁極部
【図９】
2011239609.tif 000003
【図１０】
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【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】
2011239609.tif 000009
【図６】
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【図７】
2011239609.tif 000011
【図８】
2011239609.tif 000012