(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子巻線を巻回した固定子鉄心を有する固定子と、該固定子鉄心に回転ギャップを有して対向し、複数の永久磁石が周方向に配置内蔵された回転子鉄心を有する回転子とを有し、
前記回転子鉄心の周方向に配置された前記複数の永久磁石は交互に極性が変わるように構成されており、
前記永久磁石を軸方向にスキューしてない構造の自動車用の永久磁石式回転電機であって、
前記複数の永久磁石は、それぞれ、その外周側（前記固定子側）に回転子鉄心が存在して前記回転子鉄心の内部に配置されるように、前記回転子鉄心に形成された収納部の孔に挿入され、
前記永久磁石の間の回転子鉄心部分には、リラクタンストルクを発生させるための補助突極が形成されているとともに、
前記固定子のスロットピッチをτs（機械角度）、極数をＰとしたとき、
前記極数Ｐは、８極若しくは１６極であり、
前記各永久磁石の固定子側の外周面の周方向幅と前記回転子の軸芯とのなす角度θ（機械角度）が、
θ≒ｎ×τs＋１６／Ｐ（ｎは自然数）の式の関係であって、
θが前記式に基づく計算値のプラス、マイナス１度の範囲内になるように前記永久磁石を構成することを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項２】
固定子巻線を巻回した固定子鉄心を有する固定子と、該固定子鉄心に回転ギャップを有して対向し、複数の永久磁石が周方向に配置内蔵された回転子鉄心を有する回転子とを有し、
前記回転子鉄心の周方向に配置された前記複数の永久磁石は交互に極性が変わるように構成されており、
前記永久磁石を軸方向にスキューしてない構造の自動車用の永久磁石式回転電機であって、
前記複数の永久磁石は、それぞれ、その外周側（前記固定子側）に回転子鉄心が存在して前記回転子鉄心の内部に配置されるように、前記回転子鉄心に形成された収納部の孔に挿入され、
前記永久磁石の間の回転子鉄心部分には、リラクタンストルクを発生させるための補助突極が形成されているとともに、
前記固定子のスロット数を４８、前記固定子のスロットピッチを７．５度（機械角度）、前記永久磁石の極数を８としたとき、前記各永久磁石の固定子側の外周面の周方向幅と前記回転子の軸芯とのなす角度θ（機械角度）が３２度であることを特徴とする永久磁石式回転電機。
【請求項３】
直流電圧を供給するバッテリーと、前記供給された直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、前記変換された交流電圧により車両を駆動する駆動トルクを出力する永久磁石式回転電機とを有する電動車両において、
前記永久磁石式回転電機は、固定子巻線を巻回した固定子鉄心を有する固定子と、該固定子鉄心に回転ギャップを有して対向し、複数の永久磁石が周方向に配置内蔵された回転子鉄心を有する回転子とを有し、
前記回転子鉄心の周方向に配置された前記複数の永久磁石は交互に極性が変わるように構成されており、
前記永久磁石を軸方向にスキューしてない構造の自動車用の永久磁石式回転電機であって、
前記複数の永久磁石は、それぞれ、その外周側（前記固定子側）に回転子鉄心が存在して前記回転子鉄心の内部に配置されるように、前記回転子鉄心に形成された収納部の孔に挿入され、
前記永久磁石の間の回転子鉄心部分には、リラクタンストルクを発生させるための補助突極が形成されているとともに、
前記固定子のスロットピッチをτs（機械角度）、極数をＰとしたとき、前記極数Ｐは、８極若しくは１６極であり、前記各永久磁石の固定子側の外周面の周方向幅と前記回転子の軸芯とのなす角度θ（機械角度）を、
θ≒ｎ×τs＋１６／Ｐ（ｎは自然数）の関係であって、
θが前記式に基づく計算値のプラス、マイナス１度の範囲内になるように前記永久磁石を構成し、
前記永久磁石式回転電機は所定の駆動トルクを出力し、前記駆動トルクで前記車両の車輪または車輪駆動軸を直接的に駆動することを特徴とする電動車両。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数個の永久磁石を回転子の周方向に埋め込んで構成される永久磁石式回転電機及びそれを用いた電動車両に関するものである
【０００２】
【従来の技術】
永久磁石式回転電機において、コギングトルクの低減を図るものとして、特開平7-336808号公報に記載のように、コギングトルクを打ち消すトルクを出力して制御するものが開示されている。また、特開平8-223832号公報に記載のように、回転電機の積層回転子鉄心内の永久磁石を軸方向にスキューすることにより、コギングトルクを低減する方法も開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
特開平8-223832号公報に記載の技術は、積層回転子鉄心内の永久磁石を軸方向にスキューすることにより成り立っているが、成形した磁石をスキューするのは困難なため、永久磁石として磁性材料粉末を含む樹脂を射出成形して作られる樹脂磁石を使用し、スキューを行って、コギングトルクを低減している。
【０００４】
しかし、樹脂磁石は、性能が均一になりにくく、またコストも高いため、できれば、樹脂磁石ではなく、成形磁石を用いたい。しかし、成形磁石はスキューするのが困難なため、成形磁石は用いるが、成形磁石をスキューしないでコギングトルクを低減する手法が望まれている。
【０００５】
本発明の目的は、以上の点に鑑みなされたものであり、成形磁石をスキューすることなくコギングトルクが低減できる永久磁石式回転電機及びそれを用いた電動車両を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明における永久磁石式回転電機の特徴とするところは、前記複数の永久磁石は、それぞれ、その外周側（前記固定子側）に回転子鉄心が存在して前記回転子鉄心の内部に配置されるように、前記回転子鉄心に形成された収納部の孔に挿入され、前記永久磁石の間の回転子鉄心部分には、リラクタンストルクを発生させるための補助突極が形成されているとともに、前記固定子のスロットピッチをτs（機械角度）、極数をＰとしたとき、前記極数Ｐは、８極若しくは１６極であり、前記各永久磁石の固定子側の外周面の周方向幅と前記回転子の軸芯とのなす角度θ（機械角度）が、  θ≒ｎ×τs＋１６／Ｐ（ｎは自然数）の式の関係であって、θが前記式に基づく計算値のプラス、マイナス１度の範囲内になるように前記永久磁石を構成することにある。
【０００７】
具体的には本発明は次に掲げる永久磁石式回転電機を提供する。
【０００８】
本発明は、固定子巻線を巻回した固定子鉄心を有する固定子と、該固定子鉄心に回転ギャップを有して対向し、複数の永久磁石が周方向に配置内蔵された回転子鉄心を有する回転子とを有し、前記回転子鉄心の周方向に配置された前記複数の永久磁石は交互に極性が変わるように構成されており、前記永久磁石を軸方向にスキューしてない構造の自動車用の永久磁石式回転電機であって、前記複数の永久磁石は、それぞれ、その外周側（前記固定子側）に回転子鉄心が存在して前記回転子鉄心の内部に配置されるように、前記回転子鉄心に形成された収納部の孔に挿入され、前記永久磁石の間の回転子鉄心部分には、リラクタンストルクを発生させるための補助突極が形成されているとともに、前記固定子のスロットピッチをτs（機械角度）、極数をＰとしたとき、前記極数Ｐは、８極若しくは１６極であり、前記各永久磁石の固定子側の外周面の周方向幅と前記回転子の軸芯とのなす角度θ（機械角度）が、θ≒ｎ×τs＋１６／Ｐ（ｎは自然数）の式の関係であって、θが前記式に基づく計算値のプラス、マイナス１度の範囲内になるように前記永久磁石を構成することを特徴とする永久磁石式回転電機を提供する。
【０００９】
また、本発明は、固定子巻線を巻回した固定子鉄心を有する固定子と、該固定子鉄心に回転ギャップを有して対向し、複数の永久磁石が周方向に配置内蔵された回転子鉄心を有する回転子とを有し、前記回転子鉄心の周方向に配置された前記複数の永久磁石は交互に極性が変わるように構成されており、前記永久磁石を軸方向にスキューしてない構造の自動車用の永久磁石式回転電機であって、前記複数の永久磁石は、それぞれ、その外周側（前記固定子側）に回転子鉄心が存在して前記回転子鉄心の内部に配置されるように、前記回転子鉄心に形成された収納部の孔に挿入され、前記永久磁石の間の回転子鉄心部分には、リラクタンストルクを発生させるための補助突極が形成されているとともに、前記固定子のスロット数を４８、前記固定子のスロットピッチを７．５度（機械角度）、前記永久磁石の極数を８としたとき、前記各永久磁石の固定子側の外周面の周方向幅と前記回転子の軸芯とのなす角度θ（機械角度）が３２度であることを特徴とする永久磁石式回転電機を提供する。
【００１０】
また、本発明は、直流電圧を供給するバッテリーと、前記供給された直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、前記変換された交流電圧により車両を駆動する駆動トルクを出力する永久磁石式回転電機とを有する電動車両において、前記永久磁石式回転電機は、固定子巻線を巻回した固定子鉄心を有する固定子と、該固定子鉄心に回転ギャップを有して対向し、複数の永久磁石が周方向に配置内蔵された回転子鉄心を有する回転子とを有し、前記回転子鉄心の周方向に配置された前記複数の永久磁石は交互に極性が変わるように構成されており、前記永久磁石を軸方向にスキューしてない構造の自動車用の永久磁石式回転電機であって、前記複数の永久磁石は、それぞれ、その外周側（前記固定子側）に回転子鉄心が存在して前記回転子鉄心の内部に配置されるように、前記回転子鉄心に形成された収納部の孔に挿入され、前記永久磁石の間の回転子鉄心部分には、リラクタンストルクを発生させるための補助突極が形成されているとともに、前記固定子のスロットピッチをτs（機械角度）、極数をＰとしたとき、前記極数Ｐは、８極若しくは１６極であり、前記各永久磁石の固定子側の外周面の周方向幅と前記回転子の軸芯とのなす角度θ（機械角度）を、θ≒ｎ×τs＋１６／Ｐ（ｎは自然数）の関係であって、θが前記式に基づく計算値のプラス、マイナス１度の範囲内になるように前記永久磁石を構成し、前記永久磁石式回転電機は所定の駆動トルクを出力し、前記駆動トルクで前記車両の車輪または車輪駆動軸を直接的に駆動することを特徴とする電動車両を提供する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態例に係る永久磁石式回転電機及びそれを用いた電動車両を、図を用いて説明する。
【００１２】
図１は、本発明の第１の実施の形態例に係る三相８極／48スロットの永久磁石式回転電機の１ポールペアを示す。図１において固定子１は従来構成と同一であり、ほぼ環状をなす固定子鉄心２に形成された48個のスロット３にＵ相の固定子巻線Ｕ１、及びＶ相の固定子巻線Ｖ１、並びにＷ相の固定子巻線Ｗ１を挿入配置して構成されている。固定子鉄心２の内周部には、各スロットに対応して開口部４が形成されている。
【００１３】
これに対して、回転子６は、回転軸９に回転子鉄心７を嵌合固着し、この回転子鉄心７の外周部周方向に形成された打抜の収納部に、Ｎ極とＳ極とが交互になるように着磁されてるネオジウム製の永久磁石８を各収納部に軸方向から挿入して組込むことによって構成されている。
【００１４】
また、回転子６は、回転子鉄心７の外周部と固定子鉄心２の内周部との間に所定のギャップ５を有する状態で回転可能に配置されている。なお、回転子鉄心７は、収納部形成用の孔が形成された硅素鋼板を多数枚積層して構成されている。
【００１５】
永久磁石８として、その周方向の断面において、固定子１側の辺、すなわち外周面幅が軸に対してなす角度をθとしたとき、θを変化させるとコギングトルクが変化する。
【００１６】
図２は、出力50kWの回転電機において、角度θを32度とした場合の磁場解析結果を示し、図３〜図５に、角度θを30、32、34度にした場合のコギングトルクを示す。
【００１７】
図３〜５を比較すると、θ＝32度の場合がコギングトルクが小さくなることがわかる。図を詳細に見ると、図３のθ＝30度の場合は高調波成分が大きく、図５のθ＝34度の場合も波形が歪んでいるため、高調波成分が支配的である。
【００１８】
よって、電気角30度周期の基本成分のみの波形であるθ＝32度の場合が最もコギングトルクを低減できる。これは、本発明対象の埋込永久磁石式回転電機の場合、回転ギャップとして0.3〜0.5mm、磁石を埋め込むための鉄部の厚さが１〜２mm存在するため、本来コギングトルクが最小となる角度θ＝ｎ×τsにずれが生じるからである。
【００１９】
図６に、角度θを変化させた場合のコギングトルクのピークからピークまでの解析値とθ＝32度の場合の実測値を示す。θ＝32度の場合のコギングトルクの実測値と解析値が良く一致していることから、本解析の妥当性が検証できている。図６に示すようにθ＝24、32、39度の場合がコギングトルクが小さく、これはスロットピッチτs＝7.5度のｎ倍に16／Ｐ（Ｐは極数で本例の場合８）を加えた数値である24.5、32、39.5度と少なくとも誤差±１度の範囲内で一致している。
【００２０】
即ち、θ（度）が、
θ≒ｎ×τs＋16／Ｐ（ｎは自然数）
で表される値のとき、コギングトルクを低減できる。
【００２１】
さらに、上記のθの角度によるコギングトルク低減手法の汎用性を確認するため、出力62kWで、半径や積厚が異なる回転電機について検討した磁場解析結果を図７に、図８に角度θを変化させた場合のコギングトルクのピークからピークまでの解析値とθ＝32度の場合の実測値を示す。図８においてもθ＝32度の場合のコギングトルクの実測値と解析値は良く一致している。
【００２２】
図８に示すように、θ＝25、32度の場合がコギングトルクが小さく、この回転電機においても、スロットピッチτs＝7.5度のｎ倍に16／Ｐ（Ｐは極数で本例の場合８）を加えた数値である24.5、32度と少なくとも誤差±１度の範囲内で一致している。
【００２３】
また、極数が異なる例として、16極機の回転電機について検討した磁場解析結果を図９に示し、図１０に、角度θを変化させた場合のコギングトルクのピークからピークまでの解析値を示す。
【００２４】
図１０に示すように、θ＝16.5度の場合がコギングトルクが小さく、この回転電機においても、スロットピッチτs＝7.5度のｎ倍に16／Ｐ（Ｐは極数でこの例の場合16）を加えた数値である16度と少なくとも誤差±１度の範囲内で一致している。
【００２５】
ここで、回転電機の駆動トルクＴは、永久磁石による磁束をψ、ｑ軸インダクタンスをＬq、ｄ軸インダクタンスをＬd、ｑ軸巻線電流をＩq、ｄ軸巻線電流をＩdとすると、
Ｔ＝ψＩq＋（Ｌq−Ｌd）Ｉq×Ｉd
で表される。
【００２６】
この式において右辺の第１項は永久磁石の主磁束によるトルクであり、第２項は隣り合った永久磁石間回転子部材、すなわち補助突極によるリラクタンストルクである。これら二つの値は、それぞれ永久磁石、補助突極がなす回転子の周方向の角度に依存することから、所定の駆動トルク、すなわち最大駆動トルクが得られる永久磁石の周方向の角度は個々の回転子において一義的に定まる。
【００２７】
図１１に、出力50kWの８極機の回転電機における角度θとモータの使用頻度を考慮した加重平均効率（インバータ損失含む）との解析値の関係及びθ＝32度の場合の実測値を示す。
【００２８】
θ＝32度の場合の効率の実測値と解析値はほぼ一致し、本解析の妥当性を示している。図１１からθ＝32度の場合が最も効率が高く、この角度は前述のようにコギングトルクが低減でき、かつ高効率となることが分かる。
【００２９】
さらに、本実施の形態例に係わる永久磁石式回転電機は、電動車両の駆動モータとして用いた場合に有効である。
【００３０】
永久磁石式回転電機を駆動モータとして用いた電動車両の例として、電気自動車の構成を図１２に示す。図１２に示すように、バッテリー２０から供給される直流電圧をインバータ３０で交流に変換し、コントロールユニット４０により、所定のトルク、回転数で電動機１０が駆動する。
【００３１】
電動機１０と車軸は直接的に連結されているため、コギングトルクの大きい電動機を用いた場合、始動時と停止時に振動が発生する。
【００３２】
本発明の永久磁石回転電機を用いることにより、スキューによる電動機の高コスト、もしくはコギングトルクを打ち消すトルクを出力するコギングトルク制御により高コストとすることなく、電動機のコギングトルクを低減でき、この電動機を用いることにより、車両の始動時と停止時の振動が小さい快適な電動車両を得ることができる。
【００３３】
なお、本発明は、永久磁石の形状が、第１の実施の形態例で示した矩形に限らず、色々な形状で成り立つ。
図１３は、本発明の第２の実施の形態例に係わる永久磁石式回転電機の構成を示し、永久磁石８の形状がアーク形の場合を示す。この場合も第１の実施の形態例と同じように、角度θを最適な値とすることにより、コギングトルクを低減できる。
【００３４】
また、永久磁石８は、ネオジウム磁石以外でも良く、永久磁石の個数（極数）は８極や16極以外でも良く、固定子のスロット数も48個以外でも良い。なお、コギングトルクの低減が必要なものは、内転型、外転型などの回転電機に限らず、リニアモータなどにも応用できる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、成形磁石をスキューすることなくコギングトルクが低減できるので、永久磁石式回転電機の性能向上が図れ、かつコスト低減を図ることができる。
【００３６】
また、本発明の永久磁石式回転電機を電動車両に用いることにより、車両の始動時もしくは停止時の振動が低減でき、乗り心地を快適にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態例に係る永久磁石式回転電機の構成図である。
【図２】図１の角度θを32度とした場合の磁場解析を示す図である。
【図３】図１の角度θを30度とした場合のコギングトルクを示す図である。
【図４】図１の角度θを32度とした場合のコギングトルクを示す図である。
【図５】図１の角度θを34度とした場合のコギングトルクを示す図である。
【図６】図１の角度θを変化させた場合のコギングトルクのピークからピークまでの解析値とθ＝32度の場合の実測値を示す図である。
【図７】図１の角度θを、半径や積厚、出力が異なる回転電機に適用した場合の磁場解析を示す図である。
【図８】図７の角度θを変化させた場合のとギングトルクのピークからピークまでの解析値とθ＝32度の場合の実測値を示す図である。
【図９】図１の角度θを16極機の実施形態に適用した場合の磁場解析を示す図である。
【図１０】図９のθを変化させた場合のコギングトルクのピークからピークまでの解析値を示す図である。
【図１１】図１の角度θとモータの使用頻度を考慮した加重平均効率（インバータ損失含む）との解析値の関係及びθ＝32度の場合の実測値を示す図である。
【図１２】本発明の第１の実施の形態例に係る永久磁石式回転電機を用いた電気自動車の構成図である
【図１３】本発明の第２の実施の形態例に係る永久磁石式回転電機の構成図である。
【符号の説明】
１…固定子、２…固定子鉄心、３…固定子スロット、４…固定子開口部、５…ギャップ、６…回転子、７…回転子鉄心、８…永久磁石、９…回転軸
【図１】
0003746372.tif 000002
【図２】
0003746372.tif 000003
【図３】
0003746372.tif 000004
【図４】
0003746372.tif 000005
【図５】
0003746372.tif 000006
【図６】
0003746372.tif 000007
【図７】
0003746372.tif 000008
【図８】
0003746372.tif 000009
【図９】
0003746372.tif 000010
【図１０】
0003746372.tif 000011
【図１１】
0003746372.tif 000012
【図１２】
0003746372.tif 000013
【図１３】
0003746372.tif 000014