JP2000037052A - 永久磁石回転電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高速回転での効率を改善した永久磁石回転電機
を提供すること。 【解決手段】固定子巻線５，固定子巻線５を収納するス
ロット部４３を有し、磁気回路を構成する固定子歯部４
１と固定子ヨーク部４２とを備えた固定子鉄心７を備え
た固定子２と、永久磁石６とスリット付リラクタンス型
の磁気回路とからなる回転子３とを有し、回転子磁気回
路に永久磁石６の磁気回路と、バリア付リラクタンスの
磁気回路構造とが独立の閉回路を構成する様に配置し
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は永久磁石回転電機に
係り、高速回転での効率を改善した永久磁石回転電機を
提供するものである。

【０００２】

【従来の技術】ハイブリッド電気自動車駆動の回転電機
には小型軽量であること、低速域から、高速域及び低ト
ルク及び高トルク域までの広い範囲で運転するために全
領域でバランスよく高効率である必要がある。これらに
適した回転電機としては永久磁石回転電機，リラクタン
ス回転電機等がある。永久磁石回転電機は磁石が磁束を
作るため、低速高トルク域が比較的高効率であるのに対
して高速域では鉄損の増加によって必ずしも高効率には
ならない。一方、リラクタンス回転電機はその逆の性質
がある。そこで両者を組み合わせることによって両者の
中間的な特性となる。

【０００３】これを採用した従来例として永久磁石の一
磁極の中にリラクタンス極を構成した例を特開平9−261
901 号公報に開示している。

【０００４】一方、リラクタンス回転電機としては積層
鉄心でバリアを設けることによってその特性を向上さ
せ、更に回転子の外周部に永久磁石を配置した構成を特
開平9−331661号公報に開示している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上開示例によれば、
特開平9−261901 号公報では、高性能の稀土類コバルト
磁石を使用しているために小形化が可能である半面、永
久磁石の比率が大きいために高速領域における鉄損がお
おきく高速、低トルク域での効率を低くしてしまう欠点
がある。

【０００６】特開平9−331661 号公報では、リラクタン
ストルク比が大きく、回転子鉄心にバリアを構成してい
る点で高速領域でも比較的高効率である反面、回転子部
における永久磁石の磁気回路がきちんと構成されておら
ず、漏洩分のみが固定子巻線と鎖交するために全体的に
効率が低下する欠点があった。

【０００７】本発明は以上、示した従来例の欠点を除
き、高速回転での効率を改善した永久磁石回転電機を提
供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、固定子巻線と、固定子巻線を収納するスロットを
有し、磁気回路を構成する固定子歯部と固定子ヨーク部
とを備えた固定子鉄心とを備えた固定子と、永久磁石と
バリア付リラクタンス型の磁気回路とからなる回転子と
を有する回転電機において、回転子磁気回路に永久磁石
の磁気回路と、バリア付リラクタンスの磁気回路構造と
がそれぞれ独立の閉回路を構成する様に配置する。

【０００９】あるいは永久磁石を周方向に間欠的に配置
する。さらには永久磁石の構成する磁気回路とバリア付
きリラクタンスの磁気回路とが軸方向に配置する。ま
た、永久磁石の構成する磁気回路の空隙面の面積がバリ
ア付きリラクタンスの磁気回路の空隙面の面積より小さ
くする。もしくは永久磁石の構成する磁気回路の空隙面
の面積を空隙面の全面積に対して１／３以下にする。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について説
明する。

【００１１】図１は本発明にかかわる永久磁石回転電機
の一実施例を、図２に本発明の永久磁石回転電機の断面
を示す。

【００１２】図１，図２において永久磁石回転電機１は
固定子２と回転子３とからなり、固定子２は固定子鉄心
４と固定子巻線５とで構成される。ここで、固定子構造
は一般に広く使用されている分布巻固定子構造で示す。
例えば、固定子鉄心４は固定子歯部４２と固定子歯部４
２をとおる磁束の磁気回路を形成する固定子ヨーク部４
１とからなり、固定子巻線５は固定子鉄心４の固定子歯
部４２間に形成されたスロット部４３に収納される構成
を取る。

【００１３】回転子３は高透磁率磁性材料である、例え
ば珪素鋼板よりなる回転子鉄心７と、その外周に配置さ
れた永久磁石６とシャフト８とから成る。ここで回転子
３は２極の構成でかつ本発明の対象とする永久磁石は高
性能永久磁石である稀土類磁石例えばサマリウムコバル
ト、あるいはネオジウム・鉄・ボロンからなる永久磁石
に対して有効であるが、フェライト磁石等を用いても良
い。

【００１４】図２に本発明の永久磁石回転電機の断面構
造図を示す。永久磁石回転電機１のハウジング９内には
固定子鉄心４と、この固定子鉄心４に巻回された多相の
固定子巻線５と回転子２とが配置される。ここで、固定
子鉄心４のスロット４３は１８で３相、永久磁石回転子
の極数２、リラクタンスの変化による磁極数４で合わせ
て６極を構成する構造で示す。従って毎極毎相あたりの
スロット数が１の例で示したが、これが２，３，４と変
化しても同じである。

【００１５】回転子３は、回転子鉄心７と、その回転子
鉄心７の外周に永久磁石６を２極配置した構成で示し
た。ここで、永久磁石６は磁極片７５によって遠心力に
耐えるように保持する構成とする。

【００１６】また、回転子鉄心７の表面には固定子鉄心
７と同一の高透磁率の磁性材料からなるブリッジ部７１
と打ち抜かれたバリア部７２と外周面を構成する表面ブ
リッジ部７４とでリラクタンス極を形成し、これを４極
配置する構成を示した。またリラクタンス極間には鉄心
極部７３を配置し、機械的な強度の確保と永久磁石６の
ｑ軸リラクタンス成分を大きくしてリラクタンストルク
を積極的に活用して小型軽量化，高効率化を図れる構成
とした。

【００１７】この構成により２極の永久磁石６はＮ，Ｓ
の２極が回転子鉄心７と固定子鉄心４とによってきちん
とした磁気回路を形成するために永久磁石磁束の確保が
十分でき、大きな永久磁石によるトルクを発生すること
ができる。一方、リラクタンス極については、極の中心
であるｄ軸のリラクタンスはバリア部７２によってこの
方向には磁束が流れずに小さく、極間のｑ軸に関しては
磁束ブリッジ部７４が磁気回路を形成するために大きな
磁束が流れ、リアクタンスをおおきく形成することがで
きる。これによってｑ軸とｄ軸のリアクタンスの比を大
きくすることができ、大きなリラクタンストルクを発生
することができる。

【００１８】本発明の対象とする電気自動車（ハイブリ
ッド電気自動車を含む）用モータに要求されるトルクは
低回転数領域では大トルク、高速領域では一定出力が要
求される。従来の永久磁石単独、リラクタンス回転電機
での単体の運転では、永久磁石回転電機では高速時の鉄
損が大きくなり、弱め界磁を必要とし、効率を低減せし
めてしまう結果となる。また、リラクタンス回転電機の
みでは高速時の出力の確保が難しい欠点がある。

【００１９】しかし、以上の構成によれば、永久磁石６
のみで６極を形成した場合に比較して固定子巻線５に誘
起される電圧が小さくなり、高速時、軽負荷時に永久磁
石を弱めて使用する必要が無く、高効率となる。一方、
低速時には永久磁石による磁束と固定子巻線と５との相
互作用によるトルクとリラクタンス極によるリラクタン
ストルクとの合計が大きなトルク減少が無く、発生する
ことができる。

【００２０】一方、リラクタンス極のみ６極の構成に比
較して高速時には永久磁石６の磁束の存在によって最小
限の出力を確保でき、高速時に出力が大きい点、また、
それによって効率が高くなる点で特徴を発揮することが
できる。

【００２１】以上の構成で永久磁石表面の空隙面にしめ
る面積とリラクタンス極にしめる面積の比は極数の比で
１：２とした。このように開示例１に比較して永久磁石
の面積を小さくすることにより高速時の回転電機の効率
を上げることができる。以上はバリア付きリラクタンス
極構成とすることによって従来リラクタンス回転電機よ
り発生トルクを大きくでき、成立することができるので
ある。

【００２２】図３に本発明の永久磁石回転電機の他の実
施例を示す。

【００２３】（ｃ）に本発明の永久磁石回転電機の他の
実施例の断面を、（ａ)，(ｂ）にそれぞれ回転子の断面
構造を示す。図において回転子以外はほぼ図１と同じ構
成であるので回転子についてのみ説明する。回転子３は
軸方向に３組の異なる構成を有している。中央には
（ｂ）で示す断面構成で、６極の永久磁石６が高透磁率
を有する磁性材料からなる回転子鉄心７の中に配置さ
れ、内部磁石の典型的な構成である。（ａ）はバリア部
７２を有するリラクタンス型回転子の典型的な構成であ
り、永久磁石と同様６極構成である。この構成により６
極の永久磁石６はＮ，Ｓの６極が回転子鉄心７と固定子
鉄心４とによってきちんとした磁気回路を形成するため
に永久磁石磁束の確保が十分でき、大きな永久磁石によ
るトルクを発生することができる。

【００２４】さらに、回転子鉄心７の表面には固定子鉄
心７と同一の高透磁率の磁性材料からなるブリッジ部７
１と打ち抜かれたバリア部７２と外周面を構成する表面
ブリッジ部７４とでリラクタンス極を形成し、これを６
極配置する構成を示した。またリラクタンス極間には鉄
心極部７３を配置し、機械的な強度の確保とｑ軸リラク
タンス成分を大きくしてリラクタンストルクを積極的に
活用して小型軽量化，高効率化を図った。一方、極の中
心であるｄ軸のリラクタンスはバリア部７２によって小
さくすることができる。これによってｑ軸とｄ軸のリラ
クタンスの比を大きくすることができ、大きなリラクタ
ンストルクを発生することができる。また、永久磁石の
極間とリラクタンス極中心とをずらすことによって電動
機としての一方向の回転トルクを大きくすることができ
る。

【００２５】以上の（ｂ）で示した永久磁石回転子を中
央に、（ａ）で示したリラクタンストルク回転子を両端
に配置する本発明の他の実施例の構成では永久磁石６が
軸方向の中心に置かれているために回転子に働く軸方向
の力が無く、これによってベアリング１０にかかる力を
なくすことができる。これによって高効率の回転電機と
することができる。

【００２６】また、（ｂ）で示した永久磁石回転子と、
（ａ）で示したリラクタンストルク回転子との軸方向の
長さを調節することによって、（ｂ）で示した永久磁石
回転子のみの特性と、（ａ）で示したリラクタンストル
ク回転子のみの特性との中間の特性を任意に出すことが
できる。これによって、特に高速で大きな弱め界磁制御
する必要が無く、高効率の永久磁石回転電機を供給する
ことができる。

【００２７】図４，図５に本発明の永久磁石回転電機の
他の実施例について説明する。

【００２８】図４に本発明の永久磁石回転電機の他の実
施例の構造を、図５にその断面構造を示す。図において
回転子以外はほぼ図１と同じ構成であるので回転子につ
いてのみ説明する。本発明の他の実施例に関わる回転子
３では１極を構成する磁極内をリラクタンス回転子と永
久磁石回転子との両方を持つ構成の永久磁石回転電機に
ついて示した。永久磁石回転子の一磁極の周方向の一部
はバリア部７２を有するリラクタンス型回転子の典型的
な構成であり、６極構成である。残りの一部を永久磁石
６を６極配置した構成である。さらにこの永久磁石の内
周面には永久磁石磁路７７を配置した構成で図５で示す
ようにこの磁気回路は永久磁石６の内周面を永久磁石磁
路７７の軸方向に移動し、更にそこで、永久磁石磁路７
７の軸端を周方向に磁気回路を構成し、次の永久磁石の
内周面に磁気回路を連結せしめる構成を示す。この材料
としては一般の鉄でもよく、圧粉鉄心等を採用するとコ
ンパクトな構成とすることができる。以上の構成は永久
磁石の内周面で磁束が軸方向に流れる磁気回路を確保す
るため、回転電機構造としては軸方向の長さの短い扁平
型回転電機が最適となる。以上の構成によれば、６極の
永久磁石６はＮ，Ｓの６極が永久磁石磁路７７と固定子
鉄心４とによってきちんとした磁気回路を形成するため
に永久磁石磁束の確保が十分でき、大きな永久磁石によ
るトルクを発生することができる。

【００２９】さらに、回転子鉄心７の表面には固定子鉄
心７と同一の高透磁率の磁性材料からなるブリッジ部７
１と打ち抜かれたバリア部７２と外周面を構成する表面
ブリッジ部７４とでリラクタンス極を形成し、これを６
極配置する構成を示した。またリラクタンス極間には鉄
心極部７３を配置し、機械的な強度の確保とｑ軸リラク
タンス成分を大きくしてリラクタンストルクを積極的に
活用して小型軽量化，高効率化を図った。一方、極の中
心であるｄ軸のリラクタンスはバリア部７２によって小
さくすることができる。これによってｑ軸とｄ軸のリラ
クタンスの比を大きくすることができ、大きなリラクタ
ンストルクを発生することができる。

【００３０】また、永久磁石回転子と、リラクタンスト
ルク回転子との周方向の幅を調節することによって、永
久磁石回転子のみの特性と、リラクタンストルク回転子
のみの特性との中間の特性を任意に出すことができる。
これによって、特に高速で大きな弱め界磁制御する必要
が無く、高効率の永久磁石回転電機を供給することがで
きる。

【００３１】なお、以上は内転型の永久磁石回転電機に
ついて述べたが、外転型の永久磁石回転電機についても
適用可能である。また、固定子巻線として分布巻の固定
子の例で示したが、集中巻永久磁石回転電機についても
有効である。さらには軸方向の空隙を有する回転電機及
び発電機，電動機及び、直進型のアクチュエータについ
ても適用可能である。

【００３２】

【発明の効果】以上の構成によれば、高速回転での効率
を改善した永久磁石回転電機を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の永久磁石回転電機を示す。

【図２】本発明の永久磁石回転電機の断面を示す。

【図３】本発明の永久磁石回転電機の他の実施例を示
す。

【図４】本発明の永久磁石回転電機の他の実施例の断面
を示す。

【図５】本発明の永久磁石回転電機の他の実施例を示
す。

【符号の説明】

１…永久磁石回転電機、２…固定子、３…回転子、４…
固定子鉄心、５…固定子巻線、６…永久磁石、７…回転
子鉄心、８…シャフト、９…ハウジング、１０…ベアリ
ング、４１…固定子ヨーク部、４２…固定子歯部、４３
…スロット部、７１…ブリッジ部、７２…バリア部、７
３…鉄心極部、７４…表面ブリッジ部、７５…磁極片、
７６…磁石両端の空隙部、７７…永久磁石磁路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川又 昭一 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 渋川 末太郎 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者 小泉 修 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地 株 式会社日立製作所自動車機器事業部内 Ｆターム(参考） 5H619 AA01 BB01 BB13 BB15 BB22 BB24 PP02 PP06 5H622 AA03 CA02 CA07 CA10 CA12 CB03 CB05 DD01 DD03 PP11 PP17

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固定子巻線と、固定子巻線を収納するスロ
   ットを有し、磁気回路を構成する固定子歯部と固定子ヨ
   ーク部とを備えた固定子鉄心とを備えた固定子と、永久
   磁石とバリア付リラクタンス型の磁気回路とからなる回
   転子とを有する回転電機に置いて、 回転子磁気回路に永久磁石の磁気回路と、バリア付リラ
   クタンスの磁気回路構造とがそれぞれ独立の閉回路を構
   成する様に配置したことを特徴とする永久磁石回転電
   機。
2. 【請求項２】請求項１記載の永久磁石回転電機におい
   て、永久磁石を周方向に間欠的に配置したことを特徴と
   する永久磁石回転電機。
3. 【請求項３】請求項１記載の永久磁石回転電機におい
   て、永久磁石の構成する磁気回路とバリア付きリラクタ
   ンスの磁気回路とを軸方向に並置したことを特徴とする
   永久磁石回転電機。
4. 【請求項４】請求項１記載の永久磁石回転電機におい
   て、永久磁石の構成する磁気回路の空隙面の面積がバリ
   ア付きリラクタンスの磁気回路の空隙面の面積より小さ
   くしたことを特徴とする永久磁石回転電機。
5. 【請求項５】請求項１記載の永久磁石回転電機におい
   て、永久磁石の構成する磁気回路の空隙面の面積を空隙
   面の全面積に対して１／３以下にしたことを特徴とする
   永久磁石回転電機。
6. 【請求項６】請求項１，４または５記載の永久磁石回転
   電機において、永久磁石の構成する磁気回路とバリア付
   きリラクタンスの磁気回路とが軸方向にずらして配置し
   た構成としたことを特徴とする永久磁石回転電機。
7. 【請求項７】請求項１，４，５または６記載の永久磁石
   回転電機を搭載した電気自動車。