(57)【要約】【課題】トルクリプルが低減されて、低速運転時の脈動や高速運転時の騒音・振動がより低減された回転電機を提供する。【解決手段】磁石埋込式の回転電機において、１極に複数のティース（１２）とスロット（１４）とコイル（１３）とを有するステータ（１１）を備え、複数の前記ティース（１２）において、前記スロット（１４）の底から前記ティース（１２）の先端までの長さが他のティース（１２）と異なるティース（１２）を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１極に複数のティースとスロットとコイルとを有するステータを備え、
複数の前記ティースにおいて、前記スロットの底から前記ティースの先端までの長さが他のティースと異なるティースを含む、
ことを特徴とする回転電機。
【請求項２】
請求項１において、
スロットの底から前記ティースの先端までの長さが隣接するティースと異なる複数の前記ティースが交互に配置される、
ことを特徴とする回転電機。
【請求項３】
請求項１において、
１極につき６つの前記ティースが配置され、
１極が３０ｄｅｇの電気角に相当する、
ことを特徴とする回転電機。
【請求項４】
請求項１において、
前記スロットに配置される前記コイルは、分布巻きである、
ことを特徴とする回転電機。
【請求項５】
請求項１において、
前記回転電機は、ＩＰＭ形回転電機である、
ことを特徴とする回転電機。
【請求項６】
請求項１において、
前記回転電機は、同期形である、
ことを特徴とする回転電機。
【請求項７】
請求項１において、
前記回転電機は、電動機である、
ことを特徴とする回転電機。
【請求項８】
請求項１において、
前記回転電機は、発電機である、
ことを特徴とする回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両駆動用モータでは、広くＩＰＭ（Interior Permanent Magnet：磁石埋込式）同期電動機が採用され、近年のモータ制御技術の向上によって、滑らかな走りが実現されつつある。
しかし、ＩＰＭ同期電動機のモータ自体が発生するトルクには、その構造上からトルクリプル(トルク脈動)があるため、低速運転時の脈動や高速運転時の騒音・振動の要因の一つとなっている。
このトルクリプルを低減する方法として、例えば特許文献１のように、ロータ表面のマグネットの両脇部に、ロータ磁極の一極置きに溝を設ける方法がある。一極置きに溝を設けることで、溝あり極が発生するトルクリプル波形を、溝なし極が発生するトルクリプル波形に対して位相を反転させられるようにして、溝のみでトルクリプルを抑える形状とする方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５４３３１９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１のようにロータ外周での溝による脈動抑制だけては、トルクリプルによる低速運転時の脈動や高速運転時の騒音・振動が残り、さらなるトルクリプルの低減が望まれているという課題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、さらなるトルクリプルが低減された回転電機を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記の目的を達成するために、本発明を以下のような構成にした。
すなわち、本発明の回転電機は、１極に複数のティースとスロットとコイルとを有するステータを備え、複数の前記ティースにおいて、前記スロットの底から前記ティースの先端までの長さが他のティースと異なるティースを含む、ことを特徴とする。
また、その他の手段は、発明を実施するための形態のなかで説明する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、トルクリプルが低減された回転電機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る回転電機の１極分のステータにおける複数のティースの構成と構造を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る６極対の回転電機における１極分のステータとロータとの配置構造を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る回転電機の１極分のステータにおけるティース近傍の電気角１周期分のパーミアンス分布を示す図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る回転電機のトルク特性と、比較例の回転電機のトルク特性を示す図である。
【図５】比較例の６極対の回転電機の１極分のステータにおける複数のティースの構成と構造を示す図である。
【図６】比較例の６極対の回転電機における１極分のステータとロータとの配置構造を示す図である。
【図７】比較例の回転電機の１極分のステータにおけるティース近傍の電気角１周期分のパーミアンス分布を示す図である。
【図８】比較例の回転電機における電気角１周期分のトルクおよびトルクリプル波形を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施するための形態（以下、実施形態と称す）について、適宜、図面を参照して詳細に説明する。
【００１０】
（第１実施形態の回転電機）
＜ステータティース（ティース）の構造＞
本発明の第１実施形態の回転電機の特徴であるステータティース（適宜、「ティース」と呼称する）の構成と構造を図１と図２を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る回転電機の１極分のステータ（固定子）１１における複数のティース１２（１２ａ１，１２ａ２）の構成と構造を示す図である。
また、図２は、本発明の第１実施形態に係る６極対の回転電機における１極分のステータ１１とロータ（回転子）２１との配置構造を示す図である。図２において、複数の永久磁石２２は、ロータ２１に埋め込まれている。また、複数のコイル（巻線）１３は、分布巻で複数のスロット（１４）に収められ、ステータ１１に備えられている。
なお、図２は、図１のステータ１１とティース１２の配置を示すものであるので詳細な説明は省略する。
【００１１】
図１において、ステータ１１は、複数のティース１２とコイル１３、およびスロット１４とを有している。１極分のステータ１１において、ティース１２（１２ａ１，１２ａ２）は、６つ（６本）で構成されている。
図１において「１２ａ１」と表記したティース１２と「１２ａ２」と表記したティース１２とが交互に配置されている。なお、「１２ａ１」と「１２ａ２」における「ａ１」、「ａ２」は、ティースの内径Ｒ（ａ１，ａ２）の寸法を反映したものである。すなわち、ティース１２ａ１とティース１２ａ２では寸法が異なる。
【００１２】
図１に示すように、ティース１２（１２ａ１，１２ａ２）の形状を１本（１つ）毎に変えて配置している。このように、ティース１２ａ１とティース１２ａ２とを交互に配置すると、回転機の動作特性に影響を与える。
なお、ティース１２の内径とは、ステータ１１（もしくはロータ２１）の中心軸からティース１２の先端（ロータ２１に近い方の端）までの寸法（距離、長さ）を意味する。
しかし、図１および図２では、中心軸が図示されていないので、内径Ｒの寸法が図１および図２においては明確でない。そのため、スロット１４の底（ロータ２１から遠い方の端）からティース１２の先端までの寸法（距離、長さ）をティース１２の長さの目安としても、適宜、用いる。
以上のように表記したとき、「ティース１２の内径の寸法」と「スロット１４の底からティース１２の先端までの寸法」とは、大きさが異なり、大小関係は逆になるが、ティースの長さが異なることを表記することができる。そのため、ティースの長さが異なることを表す際に、適宜、いずれかの表記を用いる。
【００１３】
＜本発明の第１実施形態に係る回転電機の動作特性＞
次に、本発明の第１実施形態に係る回転電機の動作特性について、図３と図４を参照して説明する。
図３は、本発明の第１実施形態に係る回転電機の１極分のステータ１１におけるティース１２近傍の電気角１周期分のパーミアンス分布を示す図である。図３において、縦軸は磁束の通りやすさであるパーミアンス（単位は例えば、「ＷｂＡ−１」）を表し、横軸はティースを含むステータの位置を電気角（ｄｅｇ：ｄｅｇｒｅｅ、度）を表している。
【００１４】
図３において、本発明の第１実施形態に係る回転電機においては、ティース１２を１本毎に内径Ｒの寸法を変化（ａ１，ａ２）させて配置したことにより、磁束の通りやすさの空間的なパーミアンス分布が６０ｄｅｇ毎に変化している。
すなわち、１２次の山を１ティース毎に凹ませることで、１２次のパーミアンス変動を緩やかにしている。図３に示すように、磁束の通りやすさの空間的な分布が電気角１２次の変動が小さいため、磁気脈動が小さくなる。そのため、回転電機としてのトルクリプルが低減する。
【００１５】
図４は、本発明の第１実施形態に係る回転電機のトルク特性と、後記する比較例の回転電機のトルク特性を併せて示す図である。
図４において、縦軸はトルク（Ｎｍ）を表し、横軸は電気角（ｄｅｇ）を表している。また、実線で示したトルク特性１０１は、本発明の第１実施形態に係る回転電機の特性を示し、破線で示したトルク特性２０１は、後記する比較例の回転電機の特性を示している。また、ΔＴＡ１、ΔＴＡ２は、本発明の第１実施形態に係る回転電機のトルクの変動幅を示し、ΔＴＢ１、ΔＴＢ２は、後記する比較例の回転電機のトルクの変動幅を示している。
【００１６】
図３および図４における本発明の第１実施形態に係る回転電機の特徴と効果は、比較例の回転電機と比較して説明した方が分かりやすいと思われるので、次に、比較例の回転電機について説明し、その後、再度、図３、および図４を＜本発明の第１実施形態の回転電機と比較例の回転電機との動作特性の比較＞で詳細に説明する。
【００１７】
≪比較例の回転電機≫
本発明の第１実施形態とは異なる形状のティースを有する比較例の回転電機におけるティースの構成と構造について、図５および図６を参照して説明する。
図５は、比較例の６極対の回転電機の１極分のステータ３１における複数のティース３２の構成と構造を示す図である。
また、図６は、比較例の６極対の回転電機における１極分のステータ３１とロータ４１との配置構造を示す図である。図６において、複数の永久磁石４２は、ロータ４１に埋め込まれている。また、複数のコイル３３は分布巻で複数のスロット３４に収められ、ステータ３１に備えられている。
比較例の回転電機を示す図５および図６において、それぞれが本発明の第１実施形態に係る回転電機を示す図１と図２と異なるのは、ティース３２の構造である。
図５および図６において、１極分のステータ３１における６本のティース３２の内径寸法と形状は、すべて同一である。すなわち、本発明の第１実施形態に係る回転電機の図１と図２においては、６本のティース３２の内径が１本毎に異なっていた点とは相違する。
【００１８】
＜比較例の回転電機の動作特性＞
比較例の回転電機の動作特性について図７と図８を参照して説明する。
図７は、比較例の回転電機の１極分のステータ３１におけるティース３２近傍の電気角１周期分のパーミアンス分布を示す図である。
図７において、縦軸は磁束の通りやすさであるパーミアンスを表し、横軸はティースを含むステータの位置を電気角（ｄｅｇ）を表している。
図７に示す比較例の回転電機においては、ティース３２は、すべて同一形状で配置しているので、磁束の通りやすさの空間的な分布が３０ｄｅｇ毎に変化している。
【００１９】
図８は、比較例の回転電機における電気角１周期分のトルクおよびトルクリプル波形を示す図である。
図８において、縦軸はトルク（Ｎｍ）を表し、横軸は電気角（ｄｅｇ）を表している。
比較例である図６に示すようなステータの電機子構造が分布巻の埋込式永久磁石形（ＩＰＭ形）のモータにおいて、ステータの１極でティースの本数が６本である場合、電気角１周期でティースの数の１２倍の磁気変動が発生するため、磁気回路上、電気角１２次のトルクリプルが発生しやすい。
前記のように、図８は、電気角１周期分のトルクリプル波形を示しており、電気角１２次のトルクリプルが発生していることを示している。
なお、図６に示した６極対の回転電機の場合、電気角１２次のトルクリプルは機械角回転７２次のリプルとなるので、高周波音となり、人が不快となる周波数域帯の音になりやすい。
【００２０】
＜本発明の第１実施形態の回転電機と比較例の回転電機との動作特性の比較＞
本発明の第１実施形態の回転電機と比較例の回転電機との動作特性とを次に比較する。
前記したように、図７は、比較例の回転電機のステータにおけるパーミアンス分布を示す図であり、図３は、本発明の第１実施形態の回転電機のステータにおけるパーミアンス分布を示す図である。
図３のパーミアンス分布を、図７のパーミアンス分布と比較すると、図３においては１２次のパーミアンス変動が緩やかになり、低減されている。
すなわち、図７においては、３６０ｄｅｇにおけるパーミアンスの山が１２箇所あるのに対し、図３においては、３６０ｄｅｇにおけるパーミアンスの山が６箇所となり、山の数が減っている。
【００２１】
すなわち、図３のパーミアンス分布に示した本発明の第１実施形態の回転電機においては、比較例の回転電機に対して、１２次のパーミアンス変動が低減している。
前記したように、この１２次のパーミアンス変動が低減されたのは、本発明の第１実施形態の回転電機のステータにおいて、１２次の山を１ティース毎に凹ませたことに起因する。つまり、寸法の異なるティース１２ａ１とティース１２ａ２とを交互に配置していることに起因している。
また、本発明の第１実施形態の回転電機では、１極での電気角１２次の変動が小さいので、回転電機全体としてのトルクリプル（磁気脈動）が低減している。
【００２２】
また、図４において、本発明の第１実施形態の回転電機のトルク特性１０１と、比較例の回転電機のトルク特性２０１をあらためて比較する。
図４において、電気角０ｄｅｇ〜１５ｄｅｇにおけるトルク特性１０１の変動幅ΔＴＡ１は、トルク特性２０１の変動幅ΔＴＢ１より小さい。また、電気角２０ｄｅｇ〜３０ｄｅｇにおけるトルク特性１０１の変動幅ΔＴＡ２は、トルク特性２０１の変動幅ΔＴＢ２より小さい。
すなわち、電気角１２次のトルクリプル（パーミアンス分布）は、機械角回転７２次（６極×１２次）のトルクリプル（トルク分布）に相当するので、比較例の回転電機よりも本発明の第１実施形態の回転電機の方が、７２次のトルクリプルが低減されている。
このようにトルクリプルが低減すると回転機の運転時における騒音や振動が低減する。
【００２３】
＜トルクリプルの数値例による比較＞
本発明の第１実施形態の回転電機と、比較例の回転電機におけるトルクとトルクリプルについて、数値例で比較する。
比較例の回転電機におけるロータ（回転子）と、ステータ（固定子）のティースの先端との間のギャップの平均ギャップを０．６ｍｍとする。
これに対して、本発明の第１実施形態の回転電機におけるロータと、ステータのティースの先端との間のギャップは、図１に示すように、ティース１２の内径Ｒがａ１の箇所とａ２の箇所では、ギャップは変わる。
なお、前記したように、ティース１２の内径Ｒがａ１のティース１２ａ１と、内径Ｒがａ２のティース１２ａ２との寸法（長さ）の相違は、スロット１４の底からティース１２ａ１の先端との寸法（距離）と、スロット１４の底からティース１２ａ２の先端との寸法（距離）の相違を、大小関係は逆であるが、意味している。
【００２４】
ティース１２ａ１（内径ａ１）の箇所においては、ティースが長いので、ギャップは狭くなり、０．５５ｍｍとする。
また、ティース１２ａ２（内径ａ２）の箇所においては、ティースが短いので、ギャップは広くなり、０．６５ｍｍとする。ティース１２ａ１（内径ａ１）の箇所とティース１２ａ２（内径ａ２）の箇所は交互にあるので、平均ギャップは０．６ｍｍとなる。
このように、比較例の回転電機も本発明の第１実施形態の回転電機も平均ギャップは、０．６ｍｍと等しいので、平均したトルクは同じになる。
一方で、本発明の第１実施形態の回転電機は、ティース倍の次数のパーミアンス変動が、比較例と比較して、小さいため、トルク密度を同等としながら、実験上あるいは理論上では、５パーセント程度、ティース倍の次数（１２次）のトルクリプル（磁気脈動）を低減することが可能となる。
すなわち、平均したトルクを所定の値に保ちつつ、トルクリプルを低減することができる。
【００２５】
＜第１実施形態の効果＞
以上のように、本発明の第１実施形態では、ティースの形状による次数のパーミアンス変動を、ティースの長さ寸法を交互に変更することで、特定次数の変動を抑制することが可能となる。
具体的には、トルクリプルを低減する効果がある。
また、トルクリプルが低減することにより、高周波音を低減し、低雑音、低振動化を図る効果がある。
【００２６】
（その他の実施形態、変形例）
なお、本発明は、以上で説明した実施形態（第１実施形態）に限定されるものではなく、様々な実施形態や変形例が含まれる。
【００２７】
《１極内のティースの異なる本数》
第１実施形態においては、１極内に６本のティースを備えて、３本は長く、３本は短い構成を示した。
しかし、トルクリプルを限定する方法は、この例に限定されない。
複数本のティースのどれか一つ（１本）でも内径が大きければ、ティースの次数のパーミアンス変動を低減（抑制）できる可能性がある。
また、ティースの長さが異なるのは２種類のみでなく、３種類以上で構成しても所定の次数のパーミアンス変動を低減（抑制）できる可能性がある。
【００２８】
《１極内のティースの本数》
第１実施形態においては、１極内に６本のティースを備えて、３本は長く、３本は短い構成を示した。
しかしながら、１極内のティースは、６本に限定されない。極数やコイル（巻線）の構成によって、１極内のティースの本数を６本以外の本数にしてもよい。
【００２９】
《回転電機の極数》
第１実施形態においては、６極対の回転電機の場合で説明した。しかし、第１実施形態で説明した手法は、６極対に限定される訳ではない。他の極数対でも応用可能である。
【００３０】
《回転電機の種類》
第１実施形態においては、単に６極対の回転電機として説明した。
この回転電機としては、電動機でも発電機でも適用できる。また同期形の回転電機でも誘導形の回転電機にも適用できる。
【００３１】
《コイル（巻線）》
図１に示した第１実施形態において、コイル（巻線）１３は分布巻として説明した。しかし、ティースの形状による所定の次数のパーミアンス変動を抑制する作用は、分布巻に限定されない。例えば、集中巻でも可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１１，３１    ステータ（固定子）
１２，１２ａ１，１２ａ２，３２    ステータティース、ティース
１３，３３    コイル（巻線）
１４，３４    スロット
２１，４１    ロータ（回転子）
２２，４２    永久磁石
【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】
2019146390.tif 000007
【図６】
2019146390.tif 000008
【図７】
2019146390.tif 000009
【図８】
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