(57)【要約】      （修正有）【課題】埋込永久磁石型同期回転電機において、コギングトルクを低下させることのできる構造を特定する。【解決手段】集中巻かつ８極１２スロットの埋込永久磁石型回転電機は、ロータの回転軸心３２１を基準とした、１個以上の永久磁石３３により構成される前記ロータの各極のステータ側周方向両端３３２、３３３のなす機械角をａとし、前記ステータ側周方向両端の中点３３４と前記回転軸心との距離をＡとし、ロータ外側部とロータ極間部とを連結するように設けられたブリッジ部の幅を、前記回転軸心を基準とした機械角に換算した値をλとし、ティースのスロット側端面におけるティース本体とティース鍔部との境界２２５と前記回転軸心との距離をＢとした場合に、前記回転軸心を基準とした、前記ティース本体のロータ側端面２２３のなす機械角ｂが2015008604.tif 000008を満足するように設定されたことを特徴とする。【選択図】図３
2015008604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
略円筒形状のステータと該ステータの内部に設けられた略円柱形状かつ極数８のロータとを備え、前記ステータが、略円筒形状のステータコアと、該ステータコアの内周面に周方向等間隔に設けられた１２個のティースとを有し、各ティースが、前記ステータコアの内周面から径方向内側に突出して設けられたティース本体と、該ティース本体の先端部から周方向に向けて突出して設けられたティース鍔部とを備え、前記各隣接する２個のティース間にそれぞれスロットが設けられるとともに、各ティースに集中巻の形態でコイルが巻回された集中巻かつ８極１２スロットの埋込永久磁石型回転電機において、
前記ロータの回転軸心を基準とした、１個又は複数個の永久磁石により構成される前記ロータの各極のステータ側周方向両端のなす機械角（単位：度）をａとし、
前記ロータの各極のステータ側周方向両端の中点と前記ロータの回転軸心との距離（単位：ミリメートル）をＡとし、
前記ロータにおいて、前記永久磁石の径方向外側のロータ外側部と、隣接する２つの極の間のロータ極間部とを連結するように設けられたブリッジ部の幅を、前記ロータの回転軸心を基準とした機械角に換算した値（単位：度）をλとし、
前記ティースのスロット側端面における前記ティース本体と前記ティース鍔部との境界と前記ロータの回転軸心との距離（単位：ミリメートル）をＢとした場合に、
前記ロータの回転軸心を基準とした、前記ティース本体のロータ側端面のなす機械角（単位：度）ｂが、
【数１】
2015008604.tif 000007
を満足するように設定されたことを特徴とする埋込永久磁石型回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は埋込永久磁石型同期回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の電動化にあたり、その基幹部品である車両用モータは重要な開発項目の一つである。モータの種類は多岐に渡るが、その中でも集中巻の埋込永久磁石型同期モータ（Interior Permanent Magnet Synchronous Motor）（以下、「ＩＰＭＳＭ」とも呼ぶ）は、コイルエンドが比較的低いことによりモータサイズが比較的小型であり、かつ他の種類のモータに比べて発熱も少ない。そのため、集中巻のＩＰＭＳＭは、小型車両、特に空冷を基本とする二輪ＥＶに有利な構造である。
【０００３】
その一方で、集中巻のＩＰＭＳＭは、コギングトルクと呼ばれる無負荷時のトルク脈動が他の種類のモータよりも大きい。この点が、無負荷時に動かすことのある二輪ＥＶの操縦者に違和感を与え、二輪ＥＶの商品性が低下する要因となる。
【０００４】
コギングトルクを抑えるための従来技術としては特許文献１が挙げられる。同文献には、回転電機におけるコギングトルクを抑える技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２９９１９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来技術においては、回転電機におけるロータの極数及びステータのスロット数が限定されていない。しかし、回転電機のコギングトルクを効率的に低減するためには、極数及びスロット数を限定した上で、ロータ及びステータの構造を特定する必要がある。
【０００７】
本発明は、かかる問題点に鑑み、二輪ＥＶに適した集中巻かつ８極１２スロットの埋込永久磁石型同期回転電機において、コギングトルクを低下させることのできる構造を特定することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明に係る集中巻かつ８極１２スロットの埋込永久磁石型回転電機は、略円筒形状のステータと該ステータの内部に設けられた略円柱形状かつ極数８のロータとを備え、前記ステータが、略円筒形状のステータコアと、該ステータコアの内周面に周方向等間隔に設けられた１２個のティースとを有し、各ティースが、前記ステータコアの内周面から径方向内側に突出して設けられたティース本体と、該ティース本体の先端部から周方向に向けて突出して設けられたティース鍔部とを備え、前記各隣接する２個のティース間にそれぞれスロットが設けられるとともに、各ティースに集中巻の形態でコイルが巻回されている。そして、前記ロータの回転軸心を基準とした、１個又は複数個の永久磁石により構成される前記ロータの各極のステータ側周方向両端のなす機械角（単位：度）をａとし、前記ロータの各極のステータ側周方向両端の中点と前記ロータの回転軸心との距離（単位：ミリメートル）をＡとし、前記ロータにおいて、前記永久磁石の径方向外側のロータ外側部と、隣接する２つの極の間のロータ極間部とを連結するように設けられたブリッジ部の幅を、前記ロータの回転軸心を基準とした機械角に換算した値（単位：度）をλとし、前記ティースのスロット側端面における前記ティース本体と前記ティース鍔部との境界と前記ロータの回転軸心との距離（単位：ミリメートル）をＢとした場合に、前記ロータの回転軸心を基準とした、前記ティース本体のロータ側端面のなす機械角（単位：度）ｂが、
【数１】
2015008604.tif 000003
を満足するように設定されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、二輪ＥＶに適した集中巻かつ８極１２スロットの埋込永久磁石型同期回転電機において、コギングトルクを低下させることのできる構造を特定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】埋込永久磁石型同期モータの一形態を示す平面図である。
【図２】図１に示した同期モータのティース先端部及びロータコアの外周部を拡大した様子を示す説明図である。
【図３】同期モータの構造を特定するパラメータの説明図である。
【図４】有効極幅とパラメータｂ又はその試算値ｂｃａｌｃとの関係を示したグラフである。
【図５】同期モータにおける磁束の流れを解析した結果を示す説明図である。
【図６】別の同期モータにおける磁束の流れを解析した結果を示す説明図である。
【図７】さらに別の同期モータにおける磁束の流れを解析した結果を示す説明図である。
【図８】他の形態を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［第１の形態］
図１を参照して、同期モータ１の一形態について説明する。同期モータ１は、略円筒形状のステータ２と、該ステータ２の内部に設けられた略円柱形状のロータ３とを備えている。ステータ２とロータ３との間にはギャップ４が設けられている。
【００１２】
ステータ２は、略円筒形状のステータコア２１と、該ステータコア２１の内周面から径方向内側に突出するように、周方向に等間隔に設けられた１２個のティース２２とを有している。前記各隣接する２個のティース２２の間にそれぞれスロット２３が設けられている。そして、各ティース２２にコイル２４が集中巻の形態で巻回されている。
【００１３】
ロータ３は、略円柱形状のロータコア３１と回転軸３２とを備えている。ロータコア３１の外周部には、各々がロータ３の極を構成する８個の永久磁石３３が周方向等間隔に埋め込まれている。つまり、同期モータ１の極数は８である。各永久磁石３３は、直方体形状であり、かつロータコア３１に埋め込まれた状態において径方向の磁束が生まれるように着磁されている。
【００１４】
以上のように、同期モータ１は、集中巻かつ８極１２スロットの埋込永久磁石型同期モータ（Interior Permanent Magnet Synchronous Motor，ＩＰＭＳＭ）である。このような同期モータ１のティース２２の先端部及びロータコア３１の外周部を拡大した様子及び発生する磁束の一例を図２に示している。
【００１５】
各ティース２２は、ステータコア２１の内周面から径方向内側に突出しているティース本体２２１と、該ティース本体２２１の先端部から周方向に突出しているティース鍔部２２２とを備えている。
【００１６】
ロータコア３１の外周部には周方向等間隔に８個の磁石埋込孔３１１が設けられている。この磁石埋込孔３１１に前記永久磁石３３が埋め込まれている。そして、ロータコア３１において、磁石埋込孔３１１に埋め込まれた永久磁石３３の径方向外側のロータ外側部３１２と、永久磁石３３によりそれぞれ構成された隣接する２つの極の間のロータ極間部３１３とを連結するようにブリッジ部３１４が設けられている。このブリッジ部３１４の連結方向に対して垂直方向の幅を符号Ｗとして示している。
【００１７】
このような同期モータ１において、ある永久磁石３３のステータ側端面３３１から発生する磁束には、ロータ外側部３１２及びギャップ４を通過してティース２２へ流入する磁束Ｊ１及びＪ２と、ロータ外側部３１２及びブリッジ部３１４を通過してロータコア３１内で短絡する磁束Ｊ３とがある。このような磁束のうち、ギャップ４において周方向の成分を有する磁束Ｊ１及びＪ２に起因してコギングトルクが発生する。その一方で、磁束Ｊ３は、ロータコア３１内で短絡するためコギングトルクの発生に寄与しない。なお、磁束Ｊ１及びＪ２が流入するティース２２において、ティース本体２２１に比べて小さな部位であるティース鍔部２２２では磁気飽和が生じる。
【００１８】
このようなコギングトルクの発生要因に鑑みて、本発明者は鋭意検討を行った。その結果、本発明者は、永久磁石３３のステータ側端面３３１の周方向幅と、ティース本体２２１の周方向幅との関係を見いだすことにより、コギングトルクを効率的に低下させることができるのではないかという知見を得た。そして、本発明者は、同期モータ１を複数試作して、各試作品のコギングトルクを測定した。
【００１９】
試作した同期モータ１の構造を特定するパラメータを図３に示している。図３（Ａ）に示しているように、パラメータａは、回転軸３２の軸心３２１を基準とした、永久磁石３３のステータ側端面３３１の周方向の一端３３２及び他端３３３のなす機械角（単位：度）である。そして、パラメータＡは、永久磁石３３のステータ側端面３３１の周方向の一端３３２と他端３３３との中点３３４と軸心３２１との距離（単位：ミリメートル）である。
【００２０】
また、図３（Ｂ）に示しているように、パラメータｂは、軸心３２１を基準とした、ティース本体２２１のロータ側端面２２３の機械角（単位：度）である。そして、パラメータＢは、ティース２２のスロット側端面２２４におけるティース本体２２１とティース鍔部２２２との境界２２５と軸心３２１との距離（単位：ミリメートル）である。
【００２１】
さらに、図２に示したブリッジ部３１４の幅Ｗを、軸心３２１を基準とした機械角に換算した値（単位：度）をパラメータλとする。
【００２２】
本発明者は、パラメータａ、λ、ｂの各値の組み合わせを複数選択して、同期モータ１を試作した。このとき、パラメータＡ及びＢは共通の値とした。具体的には、パラメータＡが５１．４であり、パラメータＢが５７．２である。その上で、各試作品のコギングトルクを測定した。それにより得られた結果を表１に示す。
【表１】
2015008604.tif 000004
【００２３】
表１には、パラメータａとパラメータλの各値の組み合わせと、各組み合わせについてコギングトルクの測定値が最小となった際のパラメータｂの値との関係を示している。また、有効極幅とはａ−２λの計算値である。この有効極幅は、図２に示したように、各極を構成する１個の永久磁石３３のステータ側端面３３１から発生する磁束Ｊ１〜Ｊ３のうち、永久磁石３３の周方向両端付近の２箇所のブリッジ部３１４に向かう磁束Ｊ３はコギングトルクに寄与しないという点に鑑みた値である。
【００２４】
なお、この表１において、λ＝１．１は、ブリッジ部３１４の幅Ｗが１ミリメートルの場合の換算値である。また、λ＝０．６は、ブリッジ部３１４の幅Ｗが０．５ミリメートルの場合の換算値である。
【００２５】
同じく表１には、パラメータａとパラメータｂとの関係を見いだすために、有効極幅ａ−２λを用いたパラメータｂの試算値ｂｃａｌｃも示している。本発明者は、以下の式を用いてパラメータｂの試算を行った。
【数２】
2015008604.tif 000005
ただし、式（１）の「２／３」という数値は、極数８とスロット数１２との比である。表１にはさらに、パラメータｂの値とその試算値ｂｃａｌｃとの誤差ｂ−ｂｃａｌｃの値も示している。
【００２６】
このような表１の有効極幅ａ−２λとパラメータｂ及びその試算値ｂｃａｌｃとの関係をグラフにしたものが図４である。符号Ｇ１は有効極幅とパラメータｂとの関係を示しており、符号Ｇ２は有効極幅と試算値ｂｃａｌｃとの関係を示している。
【００２７】
以上を基に本発明者はさらに検討を進めた。表１及び図４によれば、試作品Ｓ２〜Ｓ９については、誤差の絶対値が０．６以下となっている。そして、これら試作品Ｓ２〜Ｓ９の有効極幅ａ−２λは、２３より大きくかつ３１より小さい。これに対して、試作品Ｓ１及びＳ１０については、誤差が比較的大きく、１．０を上回っている。加えて、試作品Ｓ１の有効極幅ａ−２λは２３を下回っており、試作品Ｓ１０の有効極幅ａ−２λは３１を上回っている。
【００２８】
この表１及び図４を基に、試作品Ｓ２〜Ｓ９における０．６以下の誤差は、ステータ２及びロータ３の材料特性と、同期モータ１の製造及び組付けの際の誤差要因とによるものであると本発明者は判断した。
【００２９】
さらに本発明者は、試作品Ｓ１、Ｓ５、Ｓ１０における磁束の流れを解析した。その解析結果を図５〜図７に示している。また、試作品Ｓ１、Ｓ５、Ｓ１０におけるコギングトルク（単位：Ｎ・ｍ）はそれぞれ、０．０７、０．０５、０．１８であった。
【００３０】
図５は、試作品Ｓ１の解析結果を示している。図中の矢印線Ｙは、磁束の流れを示している。同図によれば、永久磁石３３−１１からティース本体２２１−１１に向かうように磁束Ｋ１１が生じている。さらに、ティース本体２２１−１２から永久磁石３３−１２に向かうように磁束Ｋ１２が生じている。そして、磁束Ｋ１１及びＫ１２が相殺し合っている。その一方で、ティース本体２２１−１３及びその周辺のギャップ４においては、略半径方向のみならず略円周方向の成分を持つ磁束Ｋ１３が発生しているため、結果としてコギングトルクが比較的大きくなる。
【００３１】
図６は、試作品Ｓ５の磁束の解析結果を示している。同図によれば、ティース本体２２１−２１から永久磁石３３−２１に向かうように磁束Ｋ２１が生じている。また、ティース本体２２１−２２から永久磁石３３−２１に向かうように磁束Ｋ２２が生じている。そして、磁束Ｋ２１及びＫ２２が相殺し合っている。さらに、永久磁石３３−２２からティース本体２２１−２３に向けて、コギングトルクに寄与しない略半径方向のベクトルを持つ磁束Ｋ２３が発生している。
【００３２】
このように試作品Ｓ５においては、２つのティース本体に分かれてマグネットトルクを相殺し合う磁束Ｋ２１及びＫ２２と、コギングトルクに寄与しない半径方向のベクトルを持つ磁束Ｋ２３とがバランスよく存在しているため、コギングトルクを抑えることができる。
【００３３】
図７は、試作品Ｓ１０の磁束の解析結果を示している。同図によれば、ティース本体２２１−３１から永久磁石３３−３１に向けて、コギングトルクに寄与しない略半径方向のベクトルを持つ磁束Ｋ３１が発生している。その一方で、永久磁石３３−３２からティース本体２２１−３２及び２２１−３３に向けて磁束Ｋ３２及びＫ３３がそれぞれ発生している。これら両磁束のバランスが悪いため両磁束が相殺できていない。結果としてコギングトルクが比較的大きくなる。
【００３４】
以上のような表１及び図４〜図７を基に、本発明者はパラメータａとパラメータｂとの関係を表す式を以下のように見いだした。
【数３】
2015008604.tif 000006
【００３５】
式（２）を満足するようにパラメータｂを設定することにより、同期モータ１におけるコギングトルクを低減することができる。また、パラメータａ及びｂを機械角で定めているため、任意のサイズの同期モータ１に式（２）を適用することができる。
【００３６】
［他の形態］
これまでに説明した形態においては、ロータ３の各極が１個の永久磁石３３により構成されている。しかし、これに限られず、各極を複数個の永久磁石により構成する場合も式（２）を用いることができる。
【００３７】
例えば、図８に示しているように、各極を２個の永久磁石３３−５１及び３３−５２により構成することができる。これら２個の永久磁石は平面視Ｖ字型となるように埋め込まれている。なお、図８においてはロータ３のある１極のみを示しており、その他の７個の極は図示を省略している。
【００３８】
そして、ある１極を構成する永久磁石３３−５１及び３３−５２の各々のステータ側端面の周方向端のうち、隣接する極に近い周方向端を符号３３２−５１及び３３３−５２で示している。これら周方向端３３２−５１及び３３３−５２は、ロータの極のステータ側周方向両端である。
【００３９】
この場合、パラメータａは、回転軸３２の軸心３２１を基準とした、ロータの極のステータ側周方向両端３３２−５１及び３３３−５２のなす機械角（単位：度）である。そして、パラメータＡは、ロータの極のステータ側周方向両端３３２−５１及び３３３−５２の中点３３４−５１と軸心３２１との距離（単位：ミリメートル）である。また、極のステータ側周方向両端３３２−５１及び３３３−５２の付近にはブリッジ部（不図示）が設けられている。このようにパラメータａ及びＡを定めることで、極ごとに有効極幅ａ−２λを計算することができるため、各極を複数個の永久磁石により構成した場合も式（２）を用いることができる。
【００４０】
なお、図３のように１個の永久磁石により各極が構成される場合に戻ると、パラメータａは、回転軸３２の軸心３２１を基準とした、１個の永久磁石３３により構成されるロータの極のステータ側周方向両端３３２及び３３３のなす機械角（単位：度）ともいえる。
【００４１】
その他、コギングトルクをさらに低減するために、図２に示したように、ロータコア３１のロータ外側部３１２をステータ２側に膨出させた、いわゆる花びら形状のロータコアを用いてもよい。また、ティース鍔部２２２の先端部を鋭角形状とすることもできる。さらに、スキュー着磁させた永久磁石を用いてもよい。
【００４２】
また、式（２）は、埋込永久磁石型同期モータ１に限られず、埋込永久磁石型同期発電機を含む埋込永久磁石型回転電機に適用できる。
【００４３】
上記において、埋込永久磁石型回転電機の構造の特定の実施形態について具体的に説明した。しかし、本発明は、このような実施形態に限定されず、当業者にとって明らかな変更、修正は、全て本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４４】
１      同期モータ
２      ステータ
３      ロータ
４      ギャップ
２１    ステータコア
２２    ティース
２３    スロット
２４    コイル
２２１  ティース本体
２２２  ティース鍔部
２２３  ロータ側端面
２２４  スロット側端面
２２５  境界
３１    ロータコア
３２    回転軸
３３    永久磁石
３１１  磁石埋込孔
３１２  ロータ外周部
３１３  ロータ極間部
３１４  ブリッジ部
３２１  軸心
３３１  ステータ側端面
３３２  周方向一端
３３３  周方向他端
３３４  中点
Ｇ１，Ｇ２  グラフ
Ｊ１〜Ｊ３    磁束
Ｋ１１〜Ｋ１３  磁束
Ｋ２１〜Ｋ２３  磁束
Ｋ３１〜Ｋ３３  磁束
Ｓ１〜Ｓ１０  試作品
Ｗ      ブリッジ部の幅
【図１】
2015008604.tif 000009
【図２】
2015008604.tif 000010
【図３】
2015008604.tif 000011
【図４】
2015008604.tif 000012
【図５】
2015008604.tif 000013
【図６】
2015008604.tif 000014
【図７】
2015008604.tif 000015
【図８】
2015008604.tif 000016