(57)【要約】【課題】電動機の劣化を防止しつつ出力トルクを向上させる。【解決手段】車両に搭載され、インバータからの電流により駆動される電動機１００は、回転子１１０、固定子１２０、フレーム１４０、端板１６０、軸受１７０、軸１８０、およびコイルエンド１３０に対向して回転子１１０とともに回転するように固定された、電気伝導性を有する非磁性体からなる回転円盤１５０を含む。【選択図】        図１
2004254356.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子と回転子とを含む電動機であって、
前記電動機は、前記固定子の端部に対向して前記回転子と共に回転するように固定された回転体を含み、
前記回転体は、電気伝導性を有する非磁性体である、電動機。
【請求項２】
前記固定子は鉄心を含み、
前記回転体は、前記鉄心の端部と対向するように前記回転子に固定される、請求項１に記載の電動機。
【請求項３】
固定子および回転子を含む電動機とインバータとを含む電動機システムであって、
前記電動機は、前記固定子の端部に対向して前記回転子と共に回転するように固定された回転体を含み、
前記回転体は、電気伝導性を有する非磁性体であり、
前記電動機システムは、高調波磁束を発生させる電流を前記電動機に供給するように、前記インバータを制御するための制御手段を含み、
前記高調波磁束は、前記回転子を予め定められた方向に回転させるトルクを前記回転体に与える、電動機システム。
【請求項４】
前記高調波磁束の周波数は、前記回転子の回転数と同期した基本波磁束の周波数の整数倍である、請求項３に記載の電動機システム。
【請求項５】
前記固定子は鉄心を含み、
前記回転体は、前記鉄心の端部と対向するように前記回転子に固定される、請求項３または４に記載の電動機システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は車両に搭載される電動機の出力を向上させる技術に関し、特に、インバータにより駆動される永久磁石型電動機の出力トルクを向上させる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両に搭載される電動機には、搭載可能なスペースの制約を充足しつつ走行性能を向上するために、小型軽量化、高トルク化あるいは高効率化が求められる。このような電動機の一つに、回転子に永久磁石を有する永久磁石型電動機がある。この電動機の運転時には、コイルエンドからの漏れ磁束が発生する場合がある。この漏れ磁束はトルクの発生に使用されないため、電動機の出力向上に限界があった。
【０００３】
特開２０００−２７８９０３号公報（特許文献１）は、この漏れ磁束を活用することにより出力トルクを向上させることができる電動機を開示する。この電動機は、複数のスロットが形成されたステータコアと、スロットの中にステータコイルを有するステータと、ステータにより生成される回転磁界によって回転するロータと、コイルエンドの少なくとも一方がロータに近接するように曲げられたステータコイルとを含む。
【０００４】
この公報に開示された電動機によると、ステータコイルのコイルエンドはロータの軸方向の端面に対向することになるため、そのコイルエンドからの漏れ磁束はロータと交わる（鎖交する）。誘導トルクがこの磁束により発生するため、電動機の出力は従来の磁石トルクに加えて誘導トルクの分だけ増加することになる。このようにして電動機の出力トルクを向上させることができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−２７８９０３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に開示された電動機によると、以下のような問題があるため、小型軽量化、高トルク化あるいは高効率に限界があった。
【０００７】
第１に、ステータコイルのコイルエンドが湾曲しているため、経年劣化により湾曲部分が劣化して損傷が発生する可能性があった。コイルエンドの湾曲部分の強度および寿命を確保しようとするとその部分を大きくする必要があるため、小型軽量化の要求に対応できなかった。
【０００８】
第２に、このような電動機はコイルエンドから発生する漏れ磁束のうち基本周波数を有する漏れ磁束しか活用できないため、出力トルクの向上には限界があった。すなわち、電動機の運転状況（たとえば供給電流の制御の状況）によっては、コイルエンドからの漏れ磁束が増加する場合がある。この漏れ磁束には高調波磁束も含まれる。しかし、上記公報に開示された技術によると、基本波磁束は誘導トルクの発生に利用されるものの高調波磁束を利用することができないため、電動機の出力の向上には限界があった。
【０００９】
また、電動機の出力を向上させる方法として永久磁石の使用量を増加する方法もある。この方法によると、高出力化により電動機の温度が上昇した場合に永久磁石の特性が悪化するため、磁石の増加量に見合った出力の向上が得られず、費用対効果を向上させることができないという問題もあった。
【００１０】
本発明は上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、小型軽量化、高トルク化および高効率化が可能な電動機および電動機システムを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に係る電動機は、固定子の端部に対向して回転子と共に回転するように固定された回転体を含む。回転体は、電気伝導性を有する非磁性体である。
【００１２】
第１の発明によると、電動機における磁気回路が飽和すると、固定子から磁束が漏れる。このとき、固定子の端部（以下、「コイルエンド」という。）に対向するように回転子に取り付けられた非磁性体の回転体において、磁束が変化する。この回転体は電気伝導性を有するため、渦電流が回転体に発生する。このとき、いわゆるアラゴの円盤の原理により、回転体を回転させようとする誘導トルクがその回転体に発生する。電動機は、回転子と固定子との間に発生する磁石トルクに加えて、この誘導トルクを出力する。したがって、電動機の出力は、回転体を設けない場合に比べて誘導トルクの分だけ増加する。また、電動機の筐体を透過（いわゆる鎖交）する漏れ磁束の量が減るため、漂遊負荷損その他渦電流損失の発生が抑制され、電動機の効率が向上する。これにより、小型軽量化、高トルク化および高効率化が可能な電動機を提供することができる。
【００１３】
第２の発明に係る電動機は、第１の発明の構成に加えて、固定子は鉄心を含む。回転体は、鉄心の端部と対向するように回転子に固定される。
【００１４】
第２の発明によると、磁束密度を高めることができるため、より大きな誘導トルクを発生させることができる。
【００１５】
第３の発明に係る電動機システムは、固定子および回転子を含む電動機とインバータとを含む。電動機は、固定子の端部に対向して回転子と共に回転するように固定された回転体を含む。回転体は、電気伝導性を有する非磁性体である。この電動機システムは、高調波磁束を発生させる電流を電動機に供給するように、インバータを制御するための制御手段を含む。高調波磁束は、回転子を予め定められた方向に回転させるトルクを与えるものである。
【００１６】
第３の発明によると、制御手段がインバータを制御すると、所定の電流がインバータから電動機に供給される。この電流は、回転体を予め定められた方向に回転させようとするトルクを与える高調波磁束を発生させる電流である。この方向とは、たとえば電動機の回転子が回転する方向である。このとき、コイルエンドに対向するように回転子に取り付けられた非磁性体の回転体において、磁束が変化する。この回転体は電気伝導性を有するため、渦電流が回転体に発生する。このとき、いわゆるアラゴの円盤の原理により、回転体を回転させようとする誘導トルクがその回転体に発生するため、電動機は、回転子と固定子との間に発生する磁石トルクに加えて、この誘導トルクを出力する。したがって、電動機の出力は、回転体を設けない場合に比べて誘導トルクの分だけ増加する。また、電動機の筐体を透過（鎖交）する漏れ磁束の量が減るため、漂遊負荷損の発生が抑制され、電動機の効率が向上する。これにより、小型軽量化、高トルク化および高効率化が可能な電動機システムを提供することができる。
【００１７】
第４の発明に係る電動機システムは、第３の発明の構成に加えて、高調波磁束の周波数は、回転子の回転数と同期した基本波磁束の周波数の整数倍であるものである。
【００１８】
第４の発明によると、制御手段がインバータを制御すると、基本波磁束の整数倍の周波数を有する高調波磁束が固定子に発生する。この高調波磁束は回転体に誘導トルクを発生させるため、その回転体が固定される回転子をさらに回転させようとする。このようにして、電動機システムの出力トルクを向上させることができる。
【００１９】
第５の発明に係る電動機システムは、第３または第４の発明の構成に加えて、固定子は鉄心を含む。回転体は、鉄心の端部と対向するように回転子に固定される。
【００２０】
第５の発明によると、磁束密度を高めることができるため、より大きな誘導トルクを発生させることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
【００２２】
＜第１の実施の形態＞
図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る電動機１００の構成を説明する。この電動機１００は、回転子１１０と固定子１２０とコイルエンド１３０と端板１６０と回転円盤１５０とを含む。この電動機１００は、フレーム１４０に格納され、軸受１７０を介して軸１８０に取り付けられる。回転円盤１５０は、たとえば鉄、アルミニウム等からなる円盤であるが、円盤の材料はこれに限られず、電気伝導性を有する非磁性体であればよい。
【００２３】
このような構成の電動機１００に電流が供給されると、磁束が固定子１２０のコイルの部分（図示しない）において発生し、磁気回路が飽和すると磁束がそのコイルのコイルエンド１３０から漏れ始め、漏れ磁束となる。回転円盤１５０は、この漏れ磁束が透過するように端板１６０を介して回転子１１０に取り付けられる。すなわち、回転円盤１５０は、その外周部分がコイルエンド１３０に対向するように回転子１１０に取り付けられる。このとき、コイルエンド１３０と回転円盤１５０との間隔は、数ミリ程度（たとえば３ミリ前後）である。この間隔は、コイルエンドからの漏れ磁束が回転円盤１５０と交わるような間隔であればよい。
【００２４】
図２を参照して、本実施の形態に係る回転円盤１５０について説明する。図２（Ａ）に示すように、回転円盤１５０は、４つのボルト穴１５２を含む。これらのボルト穴１５２は、締結ボルトを使用して回転子１１０の両端に設けられた端板１６０に回転円盤１５０を取り付けるための穴である。
【００２５】
なお、この穴の数および締結される位置は、図に示される数（すなわち４個）および位置に限られない。たとえば、回転円盤１５０の中心と回転子１５０の中心とを締結するようにしてもよい。また、回転円盤１５０を回転子１１０に取り付けるための方法は、ボルトによる締結に限られない。
【００２６】
図２（Ｂ）は、回転円盤１５０をＸ−Ｘ′断面から表わした図である。この図２（Ｂ）に示すように、回転円盤１５０には段差が設けられている。これは、電動機１００が組み込まれるスペースの制約によりこのような形状となっている。したがって、回転円盤１５０の形状はこれに限らず、電動機１００のスペースに余裕がある場合には、回転円盤１５０は、たとえばボルト穴１５０を含む部分とその他の部分が同一平面上になるような平板であってもよい。
【００２７】
図３を参照して、本実施の形態に係る電動機１００に含まれる回転子１１０について説明する。図３に示すように、この回転子１１０には、４つのスロット２０２が設けられている。それぞれのスロット２０２には、永久磁石２０４が埋め込まれる。なお、このスロット２０２の形状および数は、図３に示される例に限られない。
【００２８】
以上のような構造に基づく、本実施の形態に係る電動機１００の動作について説明する。電動機１００に交流電流が供給されると、固定子１２０において磁束が生じ、磁石トルクが発生する。このとき、コイルエンド１３０から漏れる磁束（すなわち、図１に示されるコイルエンド漏れ磁束）がある場合、その磁束は回転円盤１５０と交わる（鎖交する）。このとき渦電流が回転円盤１５０に生じると、誘導トルクが回転円盤１５０において発生する。すなわち、電動機１００は磁石トルクに加えて誘導トルクを出力するため、電動機１００の出力が向上する。
【００２９】
このようにして、本発明の第１の実施の形態に係る電動機１００によると、コイルエンド１３０に対向するように、電気伝導性を有する非磁性体からなる回転円盤１５０を回転子１１０の端板１６０に取り付けると、コイルエンド１３０からの漏れ磁束がその回転円盤１５０と交わる。この磁束により誘導トルクが回転円盤１５０に発生すると、磁石トルクに加えて誘導トルクが電動機１００から出力される。その結果、永久磁石の使用量を増加させることなく電動機１００の出力を向上させることができる。
【００３０】
また、フレーム１４０を透過（鎖交）する漏れ磁束の量が減り、フレーム１４０において発生する渦電流が減少するため、フレーム１４０における損失を減少させることができる。これにより、小型軽量化、高トルク化および高効率化が可能な電動機を提供することができる。
【００３１】
＜第２の実施の形態＞
図４を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る電動機システム１０００について説明する。図４は、本実施の形態に係る回転円盤１５０を有する電動機４００を含む電動機システム１０００の構成を表わす。
【００３２】
図４に示すように、電動機システム１０００に組み込まれる電動機４００は、回転円盤１５０と回転子４１０と固定子４２０と端板４６０とを含む。固定子４２０にはコイル（図示しない）が巻かれ、その端部はコイルエンド４３０である。回転円盤１５０は、回転子４１０と共に回転するように回転子４１０に固定され、コイルエンド４３０に対向するように配置されている。
【００３３】
図５を参照して、電動機により駆動力を発生する車両に搭載される制御システム２０００の構成について説明する。図５に示すように、制御システム２０００は、インバータＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）５００、インバータ５１０、電源５２０、ＳＭＲ（Ｓｙｓｔｅｍ  Ｍａｉｎ  Ｒｅｌａｙ）５３０、および図４に示した電動機システム１０００を含む。
【００３４】
インバータ５１０は、たとえば三相電圧型ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）インバータであるが、これに限られない。電源５２０は、３６Ｖ、４２Ｖ等のバッテリである。
【００３５】
インバータＥＣＵ５００は、所定の条件に基づいてインバータ５１０を制御することにより、電動機４００への供給電流を制御する。この制御により、インバータ５１０が電動機４００に対して、たとえば基本周波数の整数倍の電流を供給すると、高調波磁束が固定子４２０のコイル（図示しない）において発生する。この高調波磁束は、基本周波数の磁束の整数倍の周波数を有する磁束である。
【００３６】
ＳＭＲ５３０は、異常時（たとえば過電流の検出時）には、電源５２０とインバータ５１０との接続を遮断することにより制御システム２０００を損傷から保護する。
【００３７】
以上の構造に基づく電動機システム１０００の動作について説明する。インバータＥＣＵ５００がインバータ５１０を制御すると、所定の電流がインバータ５１０から電動機４００に供給され、その電流に応じた磁束が固定子４２０のコイルに発生する。このとき、磁気回路が飽和すると、漏れ磁束が電動機４００のコイルエンド４３０から発生する。この漏れ磁束は端板４６０を介して回転子４１０に取り付けられた回転円盤１５０と交わる（鎖交する）。この場合、回転円盤１５０に発生する渦電流により誘導トルクが発生して、回転子４１０をさらに回転させようとする。これにより、磁石トルクと誘導トルクとを含む出力トルクが電動機システム１０００から出力される。
【００３８】
図６を参照して、本実施の形態に係る電動機システム１０００の特性について説明する。図６は、本実施の形態に係る電動機システム１０００における電動機の回転数とトルクとの関係を表わす。
【００３９】
なお、電動機の回転数Ｎは、（１２０×ｆ）／Ｐとして算出される。ここで、ｆは電動機が接続されている電源の周波数を表わし、Ｐは磁極の極数を表わす。
【００４０】
曲線（Ａ）は、基本波磁束による回転円盤１５０の誘導トルクカーブである。回転円盤１５０に対する負荷が０である場合、電動機は基本波回転数（Ｎ（１））で回転し、出力（誘導トルク）は殆ど０である。徐々に負荷を大きくすると、回転円盤１５０は誘導トルクを発生するとともに、回転数がＮ（１）から低下し始める。所定の負荷が作用すると、回転円盤１５０は最大トルクＴＡＭＡＸを出力する。このとき、電動機の回転数はＮ（０）回転である。その所定の負荷よりも大きな負荷が作用すると、電動機の回転数は、Ｎ（０）からさらに低下する。
【００４１】
曲線（Ｂ）は、基本波磁束の７倍の周波数を有する高調波磁束による誘導トルクカーブである。電動機の回転数がＮ（１）のとき、高調波誘導トルクΔＴが回転円盤１５０に発生する。したがって、高調波磁束が電動機に発生している場合、出力トルクはΔＴだけ増加する。
【００４２】
すなわち、図５に示した制御システム２０００において、インバータＥＣＵ５００がインバータ５１０から電動機４００への電流を制御することにより、高調波磁束が漏れ磁束に含まれるようにすることができる。このとき、高調波磁束が回転円盤１５０と鎖交すると、高調波誘導トルクΔＴが回転円盤１５０に発生するため、電動機４００の出力トルクはΔＴだけ増加する。
【００４３】
図７を参照して、本発明の実施の形態に係る電動機システム１０００の特性について、漏れ磁束を取り込んだ場合と取り込まない場合とを対比して説明する。図７は、電動機の回転子に回転円盤を設けた場合と設けない場合とにおける回転数とトルクとの関係を表わす。
【００４４】
曲線（Ａ）は、回転円盤を有さない電動機（すなわち従来の電動機）のトルク特性を示す。この場合、コイルエンドからの漏れ磁束は、誘導トルクの発生に利用されない。このような電動機が定負荷運転をしているとき（すなわち、回転数がＮ（Ａ）以下の場合）、その電動機の出力トルクはＴＡである。
【００４５】
曲線（Ｂ）は、回転円盤１５０を有する電動機４００のトルク特性を示す。この場合、コイルエンド４３０からの漏れ磁束は、端板４６０を介して回転子４１０に取り付けられた回転円盤１５０に鎖交し、誘導トルクを発生させる。この電動機４００が定負荷運転をしているとき（すなわち、回転数がＮ（Ｂ）以下の場合）、その電動機４００の出力トルクはＴＢである。
【００４６】
このように、漏れ磁束がその円盤に鎖交するように回転円盤１５０を設けることにより、永久磁石の使用量を増加することなく電動機４００の出力を向上させることができる。
【００４７】
図８を参照して、本発明の実施の形態に係る回転円盤１５０に使用される材料の特性を、抵抗率と誘導トルクとの関係に基づいて説明する。図８は、滑り周波数が１００Ｈｚと３００Ｈｚとの場合について、抵抗率と誘導トルクとの関係を表わす。
【００４８】
図８に示すように、体積抵抗率（Ω・ｍ）が小さいほど、回転円盤に発生する誘導トルクが大きくなる。また、所定の範囲内では、滑り周波数が多くなると、発生する誘導トルクが大きくなる。たとえば滑り周波数が３００Ｈｚの場合の誘導トルクは、その周波数が１００Ｈｚの場合の誘導トルクよりも大きい。したがって、このような関係に基づいて回転円盤１５０の材料選択を行なうことにより、電動機の使用領域に最適な出力を発生させることができる。
【００４９】
以上により、詳述した第１の実施の形態に係る電動機および第２の実施の形態に係る電動機システムによると、コイルエンドからの漏れ磁束、特に、その磁束の高調波成分が回転子に取り付けられた回転円盤１５０と鎖交し、誘導トルクがその回転円盤１５０に発生する。したがって、回転円盤１５０が取り付けられた電動機は、従来の磁石トルクによる出力に加えて誘導トルクを出力するので、永久磁石の使用量を増加することなく電動機の出力を向上させることができる。
【００５０】
また、漏れ磁束は回転円盤１５０と鎖交し誘導トルクを発生するので、電動機のフレーム（たとえば図１におけるフレーム１４０）を貫く磁束の量が減少する。したがって、フレームに生じる渦電流が減少するので、漂遊負荷損の発生を抑制することができる。
【００５１】
なお、第１および第２の実施の形態において、回転円盤１５０は、回転子の両端に設けられていたが、たとえば、設計の制約により両端に設けられない場合は、片方に設けてもよい。このようにしても、その片方からの漏れ磁束に基づく誘導トルクを発生させることにより、回転体を設けない場合に比べて電動機の出力を向上させることができる。
【００５２】
また、回転子のバランスの調整を回転円盤１５０において行なうようにしてもよい。すなわち、回転円盤１５０に適切な開口部を設けることにより、回転円盤１５０の重量バランスをとることが可能になり、電動機の運転中における振動の発生を抑制することができる。
【００５３】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る電動機の構成図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る回転円盤を表わす図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る電動機に含まれる回転子を表わす図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る電動機システムを表わす図である。
【図５】図４に示す電動機システムを含む制御システムの構成図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る電動機システムの特性を表わす図（その１）である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る電動機システムの特性を表わす図（その２）である。
【図８】本発明の実施の形態に係る回転円盤に使用される材料の特性を表わす図である。
【符号の説明】
１００，４００  電動機、１１０，４１０  回転子、１２０，４２０  固定子、１３０，４３０  コイルエンド、１４０  フレーム、１５０  回転円盤、１６０，４６０  端板、１７０  軸受、１８０  軸、２０２  スロット、２０４  永久磁石、１０００  電動機システム。
【図１】
2004254356.tif 000003
【図２】
2004254356.tif 000004
【図３】
2004254356.tif 000005
【図４】
2004254356.tif 000006
【図５】
2004254356.tif 000007
【図６】
2004254356.tif 000008
【図７】
2004254356.tif 000009
【図８】
2004254356.tif 000010