(57)【要約】【課題】  希土類レス磁石を用いても、エンジンのトルクを瞬時的にアシストするピークトルク、または発電トルクを確保し、かつ高速運転時の特性も確保可能な電動車両用の永久磁石式回転電機を提供する。【解決手段】  軸方向断面の少なくとも一辺が弧状に形成されている永久磁石を備え、複数の永久磁石を有する回転子において、磁極の中心軸をｄ軸、ｄ軸に対し電気角で９０°隔てた軸をｑ軸とした場合、前記弧の中心点と前記弧とを結ぶ線が、ｄ軸と交差しない第一の永久磁石対と、前記線が、前記ｄ軸と交差する第二の永久磁石対とを有するように、永久磁石式回転電機の回転子を構成する。【選択図】図５
2015126646.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石式回転電機の回転子において、
軸方向断面の少なくとも一辺が弧状に形成されている永久磁石を備え、
複数の永久磁石を有する回転子において、
磁極の中心軸をｄ軸、ｄ軸に対し電気角で９０°隔てた軸をｑ軸とした場合、
前記弧の中心点と前記弧とを結ぶ線が、ｄ軸と交差しない第一の永久磁石対と、
前記線が、前記ｄ軸と交差する第二の永久磁石対とを有する回転子。
【請求項２】
永久磁石式回転電機の回転子において、
軸方向断面が矩形状に形成され、磁石の磁区配向がラジアル配向を有する永久磁石を備え、
磁極の中心軸をｄ軸、ｄ軸に対し電気角で９０°隔てた軸をｑ軸とした場合、
前記永久磁石のラジアル配向の磁区配向焦点が、ｄ軸と交差しない第一の永久磁石対と、
前記磁区配向配向焦点が、前記ｄ軸と交差する第二の永久磁石対とを有する回転子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の回転子において、
前記ｑ軸上に、当該ｑ軸に直行する方向に着磁され、かつ軸方向断面形状が矩形状の第三の永久磁石が挿入され、
該ｑ軸磁石間に、前記第一の永久磁石対及び前記第二の永久磁石対を有する回転子。
【請求項４】
請求項１又は３に記載の回転子において、
前記軸方向断面の少なくとも一辺が弧状に形成された永久磁石が、瓦状に形成された永久磁石である回転子。
【請求項５】
請求項１又は３に記載の回転子において、
前記軸方向断面の少なくとも一辺が弧状に形成された永久磁石が、蒲鉾状に形成された永久磁石である回転子。
【請求項６】
固定子鉄心と該固定子鉄心の周方向に等間隔に設けられた固定子スロットと、
前記固定子スロットに納められ、回転磁界を発生させる固定子巻線とを有する固定子と、前記固定子とギャップを介して回転自在に支持された回転子とを備えた永久磁石式回転電機において、
前記回転子が請求項１乃至６のいずれかに記載の回転子であり、
前記固定子スロットの開口部における周方向幅を、前記固定子巻線の周方向幅よりも小さく構成したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項７】
請求項６に記載の永久磁石式回転電機において、
前記固定子巻線の巻回ピッチが、磁極ピッチよりも小さく構成したことを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項８】
電力を供給するバッテリと、前記供給された電力により駆動トルクを出力する回転電機と、
前記駆動トルクを制御する制御装置とを備えた電動駆動システムにおいて、
前記回転電機が、請求項１乃至７のいずれかに記載の永久磁石式回転電機であることを特徴とする電動駆動システム。
【請求項９】
電力を供給するバッテリと、前記供給された電力により車両を駆動する駆動トルクを出力する回転電機と、前記駆動トルクを制御する制御装置からなる電動駆動システムを用いた電動車両において、
前記電動駆動システムが、請求項８に記載の電動駆動システムであ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、回転子、およびこれを備えた永久磁石式回転電機、電動駆動システム、電動車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両用の回転電機、例えばハイブリッド電気自動車の駆動用モータなどでは、発進、追い越し等、加速性能が必要となるため、モータには瞬時的なピークトルクが要求される。自動車用途に用いられる永久磁石式回転電機の場合、このピークトルクを発生させるため回転子に用いる永久磁石は、磁気エネルギー積の大きな希土類磁石を採用している。ここで、自動車用途に用いられる希土類磁石は、高温環境化でも耐えうるように、ディスプロシウムを添加している。しかしながら、ディスプロシウムは資源枯渇リスクが高いことから、リスク回避の観点から入手性に優れた永久磁石材、すなわちフェライト磁石やディスプロシウムの添加量を削減した希土類レス磁石の適用が見直されている。
【０００３】
また、希土類レス磁石を適用した場合、希土類磁石に対し磁気エネルギー積が低下するため、大電流を通電する必要がある。そのため、インバータのスイッチング素子やバスバーに発生する回路損失が大となり発熱対策を講ずる必要があることから、ピークトルク発生時のインバータ電流低減、すなわちモータのトルク特性向上が望まれている。
【０００４】
この対策例として特許文献１では、永久磁石の磁区配向を周方向に変化させることで、有効磁束を増やし、トルクすなわち効率の向上を図る技術を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１５３３５３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来技術では、永久磁石の磁区配向を周方向に変化させることで、磁石間に生ずる短絡磁束を抑制させ、永久磁石の有効磁束を増加させる効果がある。磁気エネルギー積が小さい永久磁石にて構成した場合、有効磁束の確保が重要となるため、希土類レス磁石を活用するに好適な技術と言える。
【０００７】
有効磁束が確保できれば、トルク向上を図ることが可能となり、トルク発生に必要な電流値を削減させることができ、効率を向上させることができる。
【０００８】
しかし、ピークトルクを発生させる車両の加速時のような低速域でのトルク向上は図れるものの、高速巡航時のように、弱め界磁運転を要する運転条件の場合、永久磁石の磁区配向が周方向で異なるため、弱め界磁運転となった場合、電機子起磁力と界磁起磁力の分布が異なることとなり、弱め界磁電流の増加や、高調波起磁力成分が顕在化することとなる。その結果、電機子巻線に生ずる銅損や、高調波による鉄損などのモータ損失が増加してしまい、車両の燃料消費量を増加させてしまう懸念がある。
【０００９】
本発明の目的は、希土類レス磁石を用いても、エンジンのトルクを瞬時的にアシストするピークトルク、または発電トルクを確保し、かつ高速運転時の特性も確保可能な電動車両用の永久磁石式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】
【００１０】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、永久磁石式回転電機の回転子において、軸方向断面の少なくとも一辺が弧状に形成されている永久磁石を備え、複数の永久磁石を有する回転子において、磁極の中心軸をｄ軸、ｄ軸に対し電気角で９０°隔てた軸をｑ軸とした場合、前記弧の中心点と前記弧とを結ぶ線が、ｄ軸と交差しない第一の永久磁石対と、前記線が、前記ｄ軸と交差する第二の永久磁石対とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、希土類レス磁石を用いても、エンジンのトルクを瞬時的にアシストするピークトルク、または発電トルクを確保でき、かつ高速運転時の特性も確保可能な、駆動システムの特性に優れた永久磁石式回転電機を提供できる。
【００１２】
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施例に係る回転電機が適用されるハイブリッド電気自動車の構成を示すブロック図
【図２】インバータ装置の回路構成を示す回路図
【図３】本発明の一実施例に係る永久磁石式回転電機の断面構造図
【図４】本発明の一実施例に係る永久磁石式回転電機の固定子スロット構造を示す部分拡大図
【図５】本発明の一実施例に係る永久磁石式回転電機の回転子断面構造を示す部分拡大図
【図６】本発明適用時のトルクを従来例と比較した測定結果
【図７】本発明の他の実施例に係る永久磁石式回転電機の回転子構造を示す部分拡大図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施例について、ハイブリッド電気自動車に用いられる駆動用モータを例に説明する。
【実施例１】
【００１５】
まず、本実施例の回転電機が適用される車両の構成を図１に基づいて説明する。本実施例では、２つの異なる動力源を持つハイブリッド電気自動車を例に挙げて説明する。
【００１６】
本実施例のハイブリッド電気自動車は、内燃機関であるエンジンＥＮＧと、回転電機ＭＧ１によって前輪ＦＬＷ、ＦＲＷを、回転電機ＭＧ２によって後輪ＲＬＷ、ＲＲＷをそれぞれ駆動するように構成された四輪駆動式のものである。
【００１７】
本実施例では、エンジンＥＮＧと回転電機ＭＧ１によって前輪ＷＦＬＷ、ＦＲＷを、回転電機ＭＧ２によって後輪ＲＬＷ、ＲＲＷをそれぞれ駆動する場合について説明するが、回転電機ＭＧ１によって前輪ＷＦＬＷ、ＦＲＷを、エンジンＥＮＧと回転電機ＭＧ２によって後輪ＲＬＷ、ＲＲＷをそれぞれ駆動するようにしてもよい。
【００１８】
前輪ＦＬＷ、ＦＲＷの前輪車軸ＦＤＳには差動装置ＦＤＦを介して変速機Ｔ／Ｍが機械的に接続されている。変速機Ｔ／Ｍには動力分配機構ＰＳＭを介して回転電機ＭＧ１とエンジンＥＮＧが機械的に接続されている。動力分配機構ＰＳＭは、回転駆動力の合成や分配を司る機構である。回転電機ＭＧ１の固定子巻線にはインバータ装置ＩＮＶの交流側が電気的に接続されている。インバータ装置ＩＮＶは、直流電力を三相交流電力に変換する電力変換装置であり、回転電機ＭＧ１の駆動を制御するものである。インバータ装置ＩＮＶの直流側にはバッテリＢＡＴが電気的に接続されている。
【００１９】
後輪ＲＬＷ、ＲＲＷの後輪車軸ＲＤＳには差動装置ＲＤＦと減速機ＲＧを介して回転電機ＭＧ２が機械的に接続されている。回転電機ＭＧ２の固定子巻線にはインバータ装置ＩＮＶの交流側が電気的に接続されている。ここで、インバータ装置ＩＮＶは回転電機ＭＧ１、ＭＧ２に対して共用のものであって、回転電機ＭＧ１用のパワーモジュールＰＭＵ１及び駆動回路装置ＤＣＵ１と、回転電機ＭＧ２用のパワーモジュールＰＭＵ２及び駆動回路装置ＤＣＵ２と、モータ制御装置ＭＣＵとを備えている。
【００２０】
エンジンＥＮＧにはスタータＳＴＲが取り付けられている。スタータＳＴＲはエンジンＥＮＧを始動させるための始動装置である。
【００２１】
エンジン制御装置ＥＣＵは、エンジンＥＮＧの各コンポーネント機器（絞り弁、燃料噴射弁など）を動作させるための制御値をセンサや他制御装置などからの入力信号に基づいて演算する。この制御値は制御信号としてエンジンＥＮＧの各コンポーネント機器の駆動装置に出力される。これにより、エンジンＥＮＧの各コンポーネント機器の動作が制御される。
【００２２】
変速機Ｔ／Ｍの動作は変速機制御装置ＴＣＵによって制御されている。変速機制御装置ＴＣＵは、変速機構を動作させるための制御値をセンサや他制御装置などからの入力信号に基づいて演算する。この制御値は制御信号として変速機構の駆動装置に出力される。これにより、変速機Ｔ／Ｍの変速機構の動作が制御される。
【００２３】
バッテリＢＡＴはバッテリ電圧が２００ｖ以上の高電圧のリチウムイオンバッテリであり、バッテリ制御装置ＢＣＵによって充放電や寿命などが管理されている。バッテリ制御装置ＢＣＵには、バッテリの充放電や寿命などを管理するために、バッテリＢＡＴの電圧値及び電流値などが入力されている。尚、図示省略したが、バッテリとしては、バッテリ電圧１２ｖの低圧バッテリも搭載されており、制御系の電源、ラジオやライトなどの電源として用いられている。
【００２４】
エンジン制御装置ＥＣＵ、変速機制御装置ＴＣＵ、モータ制御装置ＭＣＵ及びバッテリ制御装置ＢＣＵは車載用ローカルエリアネットワークＬＡＮを介して相互に電気的に接続されていると共に、総合制御装置ＧＣＵと電気的に接続されている。これにより、各制御装置間では双方向の信号伝送が可能になり、相互の情報伝達、検出値の共有などが可能になる。総合制御装置ＧＣＵは、車両の運転状態に応じて各制御装置に指令信号を出力するものである。例えば総合制御装置ＧＣＵは、運転者の加速要求に基づいたアクセルの踏み込み量に応じて車両の必要トルク値を算出し、この必要トルク値を、エンジンＥＮＧの運転効率が良くなるように、エンジンＥＮＧ側の出力トルク値と回転電機ＭＧ１側の出力トルク値とに分配し、分配されたエンジンＥＮＧ側の出力トルク値をエンジントルク指令信号としてエンジン制御装置ＥＣＵに出力し、分配された回転電機ＭＧ１側の出力トルク値をモータトルク指令信号としてモータ制御装置ＭＣＵに出力する。
【００２５】
次に、本実施例のハイブリッド電気自動車の動作について説明する。
【００２６】
ハイブリッド電気自動車の始動時、低速走行時（エンジンＥＮＧの運転効率（燃費）が低下する走行領域）は、回転電機ＭＧ１によって前輪ＦＬＷ、ＦＲＷを駆動する。尚、本実施例では、ハイブリッド電気自動車の始動時及び低速走行時、回転電機ＭＧ１によって前輪ＦＬＷ、ＦＲＷを駆動する場合について説明するが、回転電機ＭＧ１によって前輪ＦＬＷ、ＦＲＷを駆動し、回転電機ＭＧ２によって後輪ＲＬＷ、ＲＲＷを駆動するようにしてもよい（四輪駆動走行をしてもよい）。インバータ装置ＩＮＶにはバッテリＢＡＴから直流電力が供給される。供給された直流電力はインバータ装置ＩＮＶによって三相交流電力に変換される。これによって得られた三相交流電力は回転電機ＭＧ１の固定子巻線に供給される。これにより、回転電機ＭＧ１は駆動され、回転出力を発生する。この回転出力は動力分配機構ＰＳＭを介して変速機Ｔ／Ｍに入力される。入力された回転出力は変速機Ｔ／Ｍによって変速され、差動装置ＦＤＦに入力される。入力された回転出力は差動装置ＦＤＦによって左右に分配され、左右の前輪車軸ＦＤＳにそれぞれ伝達される。これにより、前輪車軸ＦＤＳが回転駆動される。そして、前輪車軸ＦＤＳの回転駆動によって前輪ＦＬＷ、ＦＲＷが回転駆動される。
【００２７】
ハイブリッド電気自動車の通常走行時（乾いた路面を走行する場合であって、エンジンＥＮＧの運転効率が良い（燃料消費量が少ない）走行領域）は、エンジンＥＮＧによって前輪ＦＬＷ、ＦＲＷを駆動する。このため、エンジンＥＮＧの回転出力は動力分配機構ＰＳＭを介して変速機Ｔ／Ｍに入力される。入力された回転出力は変速機Ｔ／Ｍによって変速される。変速された回転出力は差動装置ＦＤＦを介して前輪車軸ＦＤＳに伝達される。これにより、前輪ＦＬＷ、ＦＲＷをＷＨ−Ｆが回転駆動される。また、バッテリＢＡＴの充電状態を検出し、バッテリＢＡＴを充電する必要がある場合は、エンジンＥＮＧの回転出力を、動力分配機構ＰＳＭを介して回転電機ＭＧ１に分配し、回転電機ＭＧ１を回転駆動する。これにより、回転電機ＭＧ１は発電機として動作する。この動作により、回転電機ＭＧ１の固定子巻線に三相交流電力が発生する。この発生した三相交流電力はインバータ装置ＩＮＶによって所定の直流電力に変換される。この変換によって得られた直流電力はバッテリＢＡＴに供給される。これにより、バッテリＢＡＴは充電される。
【００２８】
ハイブリッド電気自動車の四輪駆動走行時（雪道などの低μ路を走行する場合であって、エンジンＥＮＧの運転効率が良い（燃料消費量が少ない）走行領域）は、回転電機ＭＧ２によって後輪ＲＬＷ、ＲＲＷを駆動する。また、上記通常走行と同様に、エンジンＥＮＧによって前輪ＦＬＷ、ＦＲＷを駆動する。さらに、回転電機ＭＧ１の駆動によってバッテリＢＡＴの蓄電量が減少するので、上記通常走行と同様に、エンジンＥＮＧの回転出力によって回転電機ＭＧ１を回転駆動してバッテリＢＡＴを充電する。回転電機ＭＧ２によって後輪ＲＬＷ、ＲＲＷを駆動するめに、インバータ装置ＩＮＶにはバッテリＢＡＴから直流電力が供給される。供給された直流電力はインバータ装置ＩＮＶによって三相交流電力に変換され、この変換によって得られた交流電力が回転電機ＭＧ２の固定子巻線に供給される。これにより、回転電機ＭＧ２は駆動され、回転出力を発生する。発生した回転出力は、減速機ＲＧによって減速されて差動装置ＲＤＦに入力される。入力された回転出力は差動装置ＲＤＦによって左右に分配され、左右の後輪車軸ＲＤＳにそれぞれ伝達される。これにより、後輪車軸ＲＤＳが回転駆動される。そして、後輪車軸ＲＤＳの回転駆動によって後輪ＲＬＷ、ＲＲＷが回転駆動される。
【００２９】
ハイブリッド電気自動車の加速時は、エンジンＥＮＧと回転電機ＭＧ１によって前輪ＦＬＷ、ＦＲＷを駆動する。尚、本実施例では、ハイブリッド電気自動車の加速時、エンジンＥＮＧと回転電機ＭＧ１によって前輪ＦＬＷ、ＦＲＷを駆動する場合について説明するが、エンジンＥＮＧと回転電機ＭＧ１によって前輪ＦＬＷ、ＦＲＷを駆動し、回転電機ＭＧ２によって後輪ＲＬＷ、ＲＲＷを駆動するようにしてもよい（四輪駆動走行をしてもよい）。エンジンＥＮＧと回転電機ＭＧ１の回転出力は動力分配機構ＰＳＭを介して変速機Ｔ／Ｍに入力される。入力された回転出力は変速機Ｔ／Ｍによって変速される。変速された回転出力は差動装置ＦＤＦを介して前輪車軸ＦＤＳに伝達される。これにより、前輪ＦＬＷ、ＦＲＷが回転駆動される。
【００３０】
ハイブリッド電気自動車の回生時（ブレーキを踏み込み時、アクセルの踏み込みを緩めた時或いはアクセルの踏み込みを止めた時などの減速時）は、前輪ＦＬＷ、ＦＲＷの回転力を前輪車軸ＦＤＳ、差動装置ＦＤＦ、変速機Ｔ／Ｍ、動力分配機構ＰＳＭを介して回転電機ＭＧ１に伝達し、回転電機ＭＧ１を回転駆動する。これにより、回転電機ＭＧ１は発電機として動作する。この動作により、回転電機ＭＧ１の固定子巻線に三相交流電力が発生する。この発生した三相交流電力はインバータ装置ＩＮＶによって所定の直流電力に変換される。この変換によって得られた直流電力はバッテリＢＡＴに供給される。これにより、バッテリＢＡＴは充電される。一方、後輪ＲＬＷ、ＲＲＷの回転力を後輪車軸ＲＤＳ、差動装置ＲＤＦ、減速機ＲＧを介して回転電機ＭＧ２に伝達し、回転電機ＭＧ２を回転駆動する。これにより、回転電機ＭＧ２は発電機として動作する。この動作により、回転電機ＭＧ２の固定子巻線に三相交流電力が発生する。この発生した三相交流電力はインバータ装置ＩＮＶによって所定の直流電力に変換される。この変換によって得られた直流電力はバッテリＢＡＴに供給される。これにより、バッテリＢＡＴは充電される。
【００３１】
図２に、本実施例のインバータ装置ＩＮＶの構成を示す。
【００３２】
インバータ装置ＩＮＶは、前述したように、パワーモジュールＰＭＵ１、ＰＭＵ２、駆動回路装置ＤＣＵ１、ＤＣＵ２及びモータ制御装置ＭＣＵから構成されている。パワーモジュールＰＭＵ１、ＰＭＵ２は同一構成のものである。駆動回路装置ＤＣＵ１、ＤＣＵ２は同一構成のものである。
【００３３】
パワーモジュールＰＭＵ１、ＰＭＵ２は、バッテリＢＡＴから供給された直流電力を交流電力に変換して、それを対応する回転電機ＭＧ１、ＭＧ２に供給する変換回路（主回路ともいう）を構成している。また、変換回路は、対応する回転電機ＭＧ１、ＭＧ２から供給された交流電力を直流電力に変換してバッテリＢＡＴに供給することもできる。
【００３４】
変換回路はブリッジ回路であり、三相分の直列回路がバッテリＢＡＴの正極側と負極側との間に電気的に並列に接続されて構成されている。直列回路はアームとも呼ばれ、２つの半導体素子によって構成されている。
【００３５】
アームは相毎に、上アーム側のパワー半導体素子と下アーム側のパワー半導体素子とが電気的に直列に接続されて構成されている。本実施例では、パワー半導体素子として、スイッチング半導体素子であるＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）を用いている。ＩＧＢＴを構成する半導体チップは、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。ＩＧＢＴのコレクタ電極とエミッタ電極との間にはＩＧＢＴとは別チップのダイオードが電気的に接続されている。ダイオードは、ＩＧＢＴ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になるように、ＩＧＢＴのエミッタ電極とコレクタ電極との間に電気的に接続されている。尚、パワー半導体素子としては、ＩＧＢＴの代わりにＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いる場合もある。この場合、ダイオードは省略される。
【００３６】
パワー半導体素子Ｔｐｕ１のエミッタ電極とパワー半導体素子Ｔｎｕ１のコレクタ電極が電気的に直列に接続されることにより、パワーモジュールＰＭＵ１のｕ相アームが構成されている。ｖ相アーム、ｗ相アームもｕ相アームと同様に構成されており、パワー半導体素子Ｔｐｖ１のエミッタ電極とパワー半導体素子Ｔｎｖ１のコレクタ電極が電気的に直列に接続されることにより、パワーモジュールＰＭＵ１のｖ相アームが、パワー半導体素子Ｔｐｗ１のエミッタ電極とパワー半導体素子Ｔｎｗ１のコレクタ電極が電気的に直列に接続されることにより、パワーモジュールＰＭＵ１のｗ相アームがそれぞれ構成されている。パワーモジュールＰＭＵ２についても、上述したパワーモジュールＰＭＵ１と同様の接続関係で各相のアームが構成されている。
【００３７】
パワー半導体素子Ｔｐｕ１、Ｔｐｖ１、Ｔｐｗ１、Ｔｐｕ２、Ｔｐｖ２、Ｔｐｗ２のコレクタ電極はバッテリＢＡＴの高電位側（正極側）に電気的に接続されている。パワー半導体素子Ｔｎｕ１、Ｔｎｖ１、Ｔｎｗ１、Ｔｎｕ２、Ｔｎｖ２、Ｔｎｗ２のエミッタ電極はバッテリＢＡＴの低電位側（負極側）に電気的に接続されている。
【００３８】
パワーモジュールＰＭＵ１のｕ相アーム（ｖ相アーム、ｗ相アーム）の中点（各アームの上アーム側パワー半導体素子のエミッタ電極と下アーム側パワー半導体素子のコレクタ電極との接続部分）は、回転電機ＭＧ１のｕ相（ｖ相、ｗ相）の固定子巻線に電気的に接続されている。
【００３９】
パワーモジュールＰＭＵ２のｕ相アーム（ｖ相アーム、ｗ相アーム）の中点（各アームの上アーム側パワー半導体素子のエミッタ電極と下アーム側パワー半導体素子のコレクタ電極との接続部分）は、回転電機ＭＧ２のｕ相（ｖ相、ｗ相）の固定子巻線に電気的に接続されている。
【００４０】
バッテリＢＡＴの正極側と負極側との間には、パワー半導体素子が動作することによって生じる直流電圧の変動を抑制するために、平滑用の電解コンデンサＳＥＣが電気的に接続されている。
【００４１】
駆動回路装置ＤＣＵ１、ＤＣＵ２は、モータ制御装置ＭＣＵから出力された制御信号に基づいて、パワーモジュールＰＭＵ１、ＰＭＵ２の各パワー半導体素子を動作させる駆動信号を出力し、各パワー半導体素子を動作させる駆動部を構成するものであり、絶縁電源、インタフェース回路、駆動回路、センサ回路及びスナバ回路（いずれも図示省略）などの回路部品から構成されている。
【００４２】
モータ制御装置ＭＣＵは、マイクロコンピュータから構成された演算装置であり、複数の入力信号を入力し、パワーモジュールＰＭＵ１、ＰＭＵ２の各パワー半導体素子を動作させるための制御信号を駆動回路装置ＤＳＵ１、ＤＳＵ２に出力する。入力信号としてはトルク指令値τ＊１、τ＊２、電流検知信号ｉｕ１〜ｉｗ１、ｉｕ２〜ｉｗ２、磁極位置検知信号θ１、θ２が入力されている。
【００４３】
トルク指令値τ＊１、τ＊２は車両の運転モードに応じて上位の制御装置から出力されたものである。トルク指令値τ＊１は回転電機ＭＧ１に、トルク指令値τ＊２は回転電機ＭＧ２にそれぞれ対応する。電流検知信号ｉｕ１〜Ｉｗ１は、インバータ装置ＩＮＶの変換回路から回転電機ＭＧ１の固定子巻線に供給されるｕ相〜ｗ相の入力電流の検知信号であり、変流器（ＣＴ）などの電流センサによって検知されたものである。電流検知信号ｉｕ２〜Ｉｗ２は、インバータ装置ＩＮＶから回転電機ＭＧ２の固定子巻線に供給されたｕ相〜ｗ相の入力電流の検知信号であり、変流器（ＣＴ）などの電流センサによって検知されたものである。磁極位置検知信号θ１は回転電機ＭＧ１の回転の磁極位置の検知信号であり、レゾルバ、エンコーダ、ホール素子、ホールＩＣなどの磁極位置センサによって検知されたものである。磁極位置検知信号θ２は回転電機ＭＧ１の回転の磁極位置の検知信号であり、レゾルバ、エンコーダ、ホール素子、ホールＩＣなどの磁極位置センサによって検知されたものである。
【００４４】
モータ制御装置ＭＣＵは、入力信号に基づいて電圧制御値を演算し、この電圧制御値を、パワーモジュールＰＭＵ１、ＰＭＵ２のパワー半導体素子Ｔｐｕ１〜Ｔｎｗ１、Ｔｐｕ２〜Ｔｎｗ２を動作させるための制御信号（ＰＷＭ信号（パルス幅変調信号））として駆動回路装置ＤＣＵ１、ＤＣＵ２に出力する。
【００４５】
一般にモータ制御装置ＭＣＵが出力するＰＷＭ信号は、時間平均した電圧が正弦波になるようにしている。この場合、瞬時の最大出力電圧は、インバータの入力である直流ラインの電圧だから、正弦波の電圧を出力する場合には、その実効値は１／√２になる。そこで、本発明のハイブリッド電気自動車両では、限られたインバータ装置でさらにモータの出力をあげるために、モータの入力電圧の実効値を増やす。つまり、ＭＣＵのＰＷＭ信号が矩形波状にＯＮとＯＦＦしか無いようにする。こうすれば、矩形波の波高値はインバータの直流ラインの電圧Ｖｄｃとなり、その実効値はＶｄｃとなる。これが最も電圧実効値を高くする方法である。
【００４６】
しかし、矩形波電圧は、低回転数領域ではインダクタンスが小さいために電流波形が乱れる問題があり、これによりモータに不要な加振力が発生し騒音が生じる。したがって、矩形波電圧制御は高速回転時のみ使用し、低周波数では通常のＰＷＭ制御を行う。
【００４７】
次に、本発明に係る回転電機ＭＧ（ＭＧ１もしくはＭＧ２、あるいは両方）の具体的な構成を図３から図６を用いて説明する。
【００４８】
図３から図６は本発明の一実施例に係る回転電機ＭＧを示す平面図および部分拡大図であり、同一部分には同一符号を付している。本実施例では、回転電機ＭＧとして三相永久磁石式回転電機を用いた場合を例に挙げ説明する。なお、回転電機ＭＧは、回転電機ＭＧ１、ＭＧ２いずれも同様の構成としてもよく、また、ＭＧ１のみ永久磁石式回転電機として構成し、ＭＧ２は誘導電動機やシンクロナスリラクタンスモータなど、他の方式の回転電機にて構成してもよい。
【００４９】
図３〜図５に示すように、回転電機ＭＧは、回転磁界を発生する固定子１１０と、固定子１１０との磁気的作用により回転すると共に、固定子１１０の内周側とギャップ１６０を介して回転可能に配置された回転子１３０とを備えている。
【００５０】
固定子１１０は、コアバック１１２とティース１１３からなる固定子コア１１１と、通電により磁束を発生させる固定子巻線１２０を挿入する固定子スロット１２１とを備えている。
【００５１】
固定子コア１１１は、板状の磁性部材を打ち抜いて形成した複数の板状の成型部材を軸方向に積層して形成したものである。ここで、軸方向とは回転子の回転軸に沿う方向を意味する。
【００５２】
図３、図４に示したように、固定子巻線１２０は固定子スロット１２１に埋設されるが、巻線の巻回ピッチは磁極ピッチ（図示せず）よりも小さい短節巻としている。また、固定子スロット１２１には固定子スロット開口部１２３を有しており、この開口部の周方向幅Ｗｓは、固定子巻線１２０の周方向幅Ｗｃに対し十分小さい寸法としている。ここで、図示した固定子巻線１２０は、矩形の角線を示しているが、平角線や丸線であってもよい。
【００５３】
図３、図５において、回転子１３０は、回転側の磁路を構成する回転子コア１３３、第三の永久磁石１３４、第一の永久磁石対１３１、第二の永久磁石対１３２、および回転軸となるシャフト１３５を備えている。
【００５４】
また、図３、図５において、第一の永久磁石対１３１は永久磁石１３１Ａ、１３１Ｂから構成される、内外径が弧状で形成された瓦状の磁石対であり、１３１Ａは中心点をＰ３とする円弧、１３１Ｂは中心点をＰ４とする円弧で形成されている。すなわち、第一の永久磁石対１３１を構成する永久磁石群は、各々の円弧とその中心点を結ぶ線がｄ軸と交差しない形で構成されている。
【００５５】
図３、図５において、第二の永久磁石対１３２は、永久磁石１３２Ａ〜１３２Ｄから構成される、内外径が弧状で形成された瓦状の磁石対であり、１３２Ａ、１３２Ｂは中心点をＰ２とする円弧、１３２Ｃ、１３２Ｄは中心点をＰ１とする円弧で形成されている。すなわち、第二の永久磁石対１３２を構成する永久磁石群は、各々の円弧とその中心点を結ぶ線がｄ軸と交差するよう形成されている。
【００５６】
ここで、第三の永久磁石１３４は、矩形状であり、ｑ軸上に配置され、ｑ軸と直行する方向に着磁されている。図示した永久磁石１３４は、ｑ軸上で隣り合う磁極の磁石と分割されているが、一枚で構成すれば、部品点数を削減することが可能である。
【００５７】
図３、図５に記載した永久磁石１３１，１３２，１３４の材質は、入手性に優れたフェライト磁石にて構成してもよく、また、ディスプロシウムの添加量を削減した希土類磁石や、ボンド磁石を適用しても構成が可能であり、いずれもディスプロシウムの資源リスクを低くすることが可能となる。
【００５８】
上述の構成にした場合の効果を以下に述べる。
【００５９】
永久磁石式回転電機駆動システムを搭載した電動車両において、ピークトルクを確保するためには、永久磁石の磁束量を向上し、マグネットトルクを確保すること、ｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスとの差が大きくなるように磁石配置を工夫し、リラクタンストルクを確保すること、電機子電流を増加すること、などの手段がある。
【００６０】
ここで、電機子電流の増加は、回転電機のみならずインバータの損失も増大することになるため、定常的に利用するよりは過渡的な活用に止めるのが好ましい。よって、永久磁石の磁束量向上とリラクタンストルクの向上を図る方策が好適と言える。
【００６１】
本発明は、この指針に鑑み、図３〜図５に示すように、回転子鉄心１３０に配置する第一、第二、第三の永久磁石対１３１，１３２，１３４を所定の構成で配置している。
【００６２】
すなわち、第三の永久磁石１３４は、矩形状で、かつｑ軸上に配置され、ｑ軸と直行する方向に着磁している。また、永久磁石１３１Ａ、１３１Ｂから構成される第一の永久磁石対１３１は内外径が弧状で形成された瓦状の磁石対であり、１３１Ａは中心点をＰ３とする円弧、１３１Ｂは中心点をＰ４とする円弧で形成されている。すなわち、第一の永久磁石対１３１を構成する永久磁石群は、各々の円弧とその中心点を結ぶ線がｄ軸と交差しない形で構成されている。
【００６３】
第三の永久磁石１３４と、第一の永久磁石対１３１とで構成される永久磁石群により、回転子１３０の最内径側に略バスタブ状の磁石配置を形成している。回転子の一磁極分における永久磁石の磁束量は、その永久磁石の表面積に比例して確保できる。よって、永久磁石１３４、永久磁石対１３１とで形成されるバスタブ構成とすることで、永久磁石の表面積を大きくとることができ、一磁極あたりの永久磁石磁束量の確保が可能となる。
【００６４】
次に、永久磁石１３２Ａ〜１３２Ｄから構成される第二の永久磁石対１３２は、回転子１３０の外径側に位置しており、磁石の内外径が弧状で形成された瓦状の磁石対であり、１３２Ａ、１３２Ｂは中心点をＰ２とする円弧、１３２Ｃ、１３２Ｄは中心点をＰ１とする円弧で形成されている。すなわち、第二の永久磁石対１３２を構成する永久磁石群は、各々の円弧とその中心点を結ぶ線がｄ軸と交差するよう形成されている。
【００６５】
本来、永久磁石の磁束は特許文献１記載のように、基本的にはｄ軸上に集める形が望ましい。しかしながら、フェライト磁石のように、希土類磁石に対し磁気エネルギー積が極端に小さい磁石材を適用した場合、機械的な磁区配向をｄ軸に向けただけでは、磁石磁束が拡散してしまい、十分に集めることができないことが実験の結果明らかとなった。
【００６６】
よって、図５に示したように第二の永久磁石対１３２を構成する永久磁石群を、各々の円弧とその中心点を結ぶ線がｄ軸と交差するよう形成することで、磁石磁束の拡散が抑止され、磁石磁束をｄ軸上に集約させることが可能となる。その結果、第三の永久磁石１３４と第一の永久磁石１３１によって確保された永久磁石の磁束量と、第二の永久磁石対１３２による永久磁石磁束量が合成されるため、一磁極あたりの永久磁石磁束量を向上でき、トルク特性を確保可能となる。
【００６７】
なお、第二の永久磁石対１３２は、１３２Ａと１３２Ｄからなる層と、１３２Ｂと１３２Ｃからなる層との二層構成としているが、これはｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスとの差を大きくとり、リラクタンストルクの向上を目的としたものであるが、永久磁石対１３２Ａと１３２Ｄのみ、または永久磁石対１３２Ｂと１３２Ｃのみの一層にて構成してもよく、この場合、部品点数の削減が可能となる等のメリットがあることから、回転電機ＭＧの仕様に応じて選定すればよい。
【００６８】
また、図４に示したように、固定子スロット開口部１２２の周方向幅Ｗｓを固定子巻線１２０の幅寸法以下に狭小化させている。これは、等価ギャップ長をなるべく短く構成し、永久磁石磁束を少しでも確保するための施策であるが、スロット１２１の周方向幅と同等に広げて構成し、固定子コア１１１の内径側から固定子巻線１２０を挿入できるよう構成してもよく、この場合は固定子１１０の組立てが容易となること、また、逆にスロット開口部１２２を全閉にて構成すれば、スロット開口部１２２に起因して発生する高調波磁束成分を抑止でき、低振動・低騒音化に寄与できる。いずれも回転電機ＭＧの仕様に応じて選定が可能である。
【００６９】
上述した構成とした場合のトルクを測定し、従来例（永久磁石の磁区配向を機械的にｄ軸に集約させた配置構造：図示せず）と比較した結果を図６に示す。図において、横軸の電流位相は、永久磁石によって生じる誘導起電力ベクトルと電機子電流ベクトルとがなす角であり、角度が大きくなるほど負のｄ軸電流成分が大きくなる。縦軸のトルクは、従来例のピークトルクを１．０として基準化して示している。
【００７０】
図６に示したように、従来例に対し、本発明でのトルクはいずれの電流位相の条件でも向上しており、特に電流位相が大きくなるにつれ、トルク向上が促進されることが確認できた。
【００７１】
なお、本実施例では、第一、第二の永久磁石対を構成する永久磁石として、その軸方向断面を瓦状、すなわち内外径がともに弧状となるようにしているが、少なくとも一辺が弧状に形成されていればよい。例えば、軸方向断面が蒲鉾状、すなわち外形側が直線状、内径側が弧状となるように構成しても、本実施例で述べた効果を得ることができる。
【００７２】
また、永久磁石の磁区配向がラジアル配向を有するように構成してもよく、この場合は永久磁石の軸方向断面が矩形状に形成されていてもよい。この場合、第一の永久磁石対は永久磁石の磁区配向焦点がｄ軸と交差しないように構成され、第二の永久磁石対は永久磁石のラジアル配向の磁区配向配向焦点がｄ軸と交差するように構成される。
【実施例２】
【００７３】
図７に本発明に係る他の実施例を示す回転子断面の部分拡大図を示し、図５と同一物には同一符号を付している。
【００７４】
図において、図５と異なる点は、第三の永久磁石１３４を排除し、第一の永久磁石対１３１、第二の永久磁石対１３２のみで構成した点にある。
【００７５】
このように構成した場合、図５に対し、トルク特性としては低下するが、磁石磁束を機械的にｄ軸に集める設計思想とした構成に対しては、永久磁石の磁束量を向上できる効果が得られるとともに、部品点数の削減が図れること、また、ｑ軸部分に磁石挿入のための空間が電磁鋼板で構成されることになるため、回転子コアの遠心力に対する機械強度を向上することができる。
【００７６】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００７７】
１１０  固定子
１１１  固定子コア
１１２  コアバック
１１３  ティース
１２０  固定子巻線
１２１  固定子スロット
１２２  固定子スロット開口部
１３０  回転子
１３１  第一の永久磁石対
１３２  第二の永久磁石対
１３３  回転子コア
１３４  第三の永久磁石
１３５  シャフト
１３６  回転子スロット開口部
１６０  ギャップ（空隙）
【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】
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【図６】
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【図７】
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