JP2013162556A

JP2013162556A - 電動回転機

Info

Publication number: JP2013162556A
Application number: JP2012020224A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Aoyama; 真大青山
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2012-02-01
Filing date: 2012-02-01
Publication date: 2013-08-19
Also published as: CN103248187B; US20130193783A1; DE102013100742B4; CN103248187A; DE102013100742A1; US9184636B2

Abstract

【課題】トルクの低下などを招くことなく、トルクリプルを低減させて、振動や騒音の少ない高品質な回転駆動をすることのできる電動回転機を提供すること。
【解決手段】固定子１１は、回転子１２に対面する複数本のティース１５と、コイルをティースに巻き掛ける空間の複数のスロットとを有し、回転子には、ティースに磁気力を働かせる一対の永久磁石がＶ字に埋め込まれている電動回転機であって、固定子側の６つのスロットに対応する回転子側の一対の永久磁石側を１磁極としたときに、長めのティース１５Ｌと、短めのティース１５Ｓとが交互に形成されているとともに、その１磁極中心のｄ軸から正逆方向の両側均等位置の５６°（電気角）を最深部２１ａとする調整溝２１がそのティースの対面幅になるように形成されている。
【選択図】図１１

Description

本発明は、電動回転機に関し、詳しくは、高品質な回転駆動を実現したものに関する。

各種装置に搭載する電動回転機には、搭載装置に応じた特性が要求されることになり、例えば、駆動源として内燃機関と共にハイブリッド自動車（Hybrid Electric Vehicle）に搭載されたり、単独の駆動源として電気自動車（Electric Vehicle）に搭載される、駆動用モータの場合には、低回転域で大トルクを発生するのと同時に、広い可変速特性を備えることが要求される。

このような特性を有する電動回転機としては、マグネットトルクと共に、リラクタンストルクを効果的に利用可能な構造を採用するのが有効であり、外周面側に向かって開くＶ字型になるように永久磁石を回転子内に埋め込む、ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）構造を採用することが提案されている（例えば、特許文献１）。
このＩＰＭ構造を採用する電動回転機にあっては、回転子内に永久磁石をＶ字型になるように埋め込んでｑ軸磁路を確保することによりリラクタンストルクを有効活用可能にする。このことから、この電動回転機におけるリラクタンストルクの比率がマグネットトルクよりも大きくなり、また、Ｖ字に永久磁石を埋め込んだ回転子におけるｑ軸とｄ軸のインダクタンス比（Ｌｑ／Ｌｄ）の突極比も大きくなって磁束波形に空間高調波が重畳し易くなる。なお、ｄ軸は、磁極が作る磁束の方向、すなわち、Ｖ字の永久磁石間の中心軸となり、ｑ軸は、そのｄ軸と電気的・磁気的に直交する、隣接する磁極（永久磁石）間の中心軸となる。

このため、このような電動回転機では、トルクの変動幅であるトルクリプル（torqｕe ripple）が増加してしまう。そして、このトルクリプルの増加は、電動回転機の振動や電磁騒音の増加原因になり、そのうちの電磁騒音は、内燃機関の駆動に起因する騒音よりも比較的周波数帯が高く、電動回転機を搭載する車両の乗員にとって不快な音になることから、できるだけ低減するのが好ましい。

また、電動回転機は、電力消費を小さく、かつ、効率よく所望の駆動力を発生するために、高効率に駆動することが求められるが、振動等が発生すると損失となって、その効率の低下要因となる。
特に、ハイブリッド自動車や電気自動車には、搭載空間の制約と共に、近年のエネルギ効率（燃費）の向上の要求に伴って、軽量化と同時に小型化による高エネルギ密度出力が可能な電動回転機が求められており、例えば、発進後の市街地走行時などに常用される領域における高効率な駆動を実現する必要があり、異常振動であるジャダー（judder）の低減やスムーズな加速性能のためにも、トルクリプルを抑えるのが効果的である。

このような電動回転機（モータ）としては、単位体積当たりの出力密度を高めるほど、トルクリプルの発生による電磁騒音の増加や効率悪化の傾向になるため、モータ単体として、小型化と共に、効率向上、電磁騒音低減、低トルクリプルを両立させることは極めて困難であるが、要望が大きいのも現実である。
この電磁騒音低減と低トルクリプルを実現する手段としては、回転子を軸方向に分割して永久磁石同士を回転方向（周回回転方向）に捩じった位置関係にする、所謂、スキューを施すことが提案されている（例えば、特許文献２）。

しかしながら、スキューを施した電動回転機にあっては、組立工数が増加して生産コストが増加するとともに、隣接する永久磁石同士には段差が存在する状態で組み付けられることから、その段差の境界面付近での着磁率が悪化して永久磁石としての磁束密度が低下することになる。この結果、電動回転機に備えさせる出力トルクが低下してしまう。
このことから、電動回転機では、スキューを施すことなく、電磁騒音低減と低トルクリプルを実現する各種工夫がなされており、固定子内で回転する回転子の外周面の断面形状を花弁状にするなどして、回転子の外周面と固定子の内周面との間の隙間（エアギャップ）を、ｑ軸との交差位置で広くすることが提案されている（例えば、特許文献１、３、４）。

しかしながら、この特許文献１、３、４に記載の電動回転機にあっては、回転子の永久磁石が構成する磁極側において、励磁軸となるｑ軸でのエアギャップが広くなることにより磁気抵抗が増加し、突極比やトルクの低下と共に効率悪化を招くことになる。

特開２００８− ９９４１８号公報特開２００６−３０４５４６号公報特開２０００−１９７２９２号公報特開２００７−３１２５９１号公報

そこで、本発明は、トルクの低下などを招くことなく、トルクリプルを低減させて、振動や騒音の少ない高品質で高効率な回転駆動をすることのできる電動回転機を提供することを目的としている。

上記課題を解決する電動回転機に係る発明の第１の態様は、軸心の回転軸を一体回転させる回転子と、該回転子を回転自在に収容する固定子と、を備えて、前記固定子は、前記回転子の周回回転する外周面に向かって延在して該外周面に内周面側を対面させる複数本のティース部と、駆動電力を入力するコイルを前記ティース部に巻き掛ける空間であって該ティース部間に形成される複数のスロットと、を有し、前記回転子には、前記ティース部の対向面に磁気力を働かせるように複数の永久磁石が埋め込まれることにより、前記コイルへの通電時に発生する磁束が、前記ティース部内、当該ティース部背面側および前記回転子内を通過することによるリラクタンストルクおよび前記永久磁石との間で働く吸引力または反発力のマグネットトルクにより前記固定子内の前記回転子を回転駆動させる電動回転機であって、前記回転子側の１組の前記永久磁石と前記固定子側の１組の前記スロットとが対応する構成で、該１組の永久磁石側を１磁極としたときに、該１磁極が前記１組のスロットに対して相対移動する際の前記ティース部毎の変動を、前記ティース部の隣接する１歯毎に長短２種の長さが交互に連続するように形成することにより、当該ティース部毎の内周面と前記回転子の外周面との間の磁気抵抗を変化させて調整しており、前記回転子の前記ティース部に対面する外周面の前記１磁極中心に対する両側均等位置に調整溝が形成されていることを特徴とするものである。

上記課題を解決する電動回転機に係る発明の第２の態様は、上記第１の態様の特定事項に加え、前記回転子側には、当該外周面側に向かってＶ字型に開くように一対で前記１組の永久磁石を埋め込んで前記１磁極が構成され、前記固定子側には、６つで前記１組のスロットが構成されており、前記調整溝は、前記１磁極中心に対する両側均等の電気角５６°の位置が最深部となるように形成されていることを特徴とするものである。

上記課題を解決する電動回転機に係る発明の第３の態様は、上記第２の態様の特定事項に加え、前記ティース部は、長めの第１ティース部と、短めの第２ティース部とを備えて、前記第１ティース部の内周面と前記回転子の外周面との間の対面間隔Ｄ１と、前記調整溝の最深部の深さＦとが、０．２≦Ｆ／Ｄ１≦０．４の範囲内になるように形成されていることを特徴とするものである。

上記課題を解決する電動回転機に係る発明の第４の態様は、上記第２または第３の態様の特定事項に加え、前記ティース部は、長めの第１ティース部と、短めの第２ティース部とを備えて、前記第１ティース部の内周面と前記回転子の外周面との間の対面間隔Ｄ１と、前記第２ティース部の内周面と前記回転子の外周面との間の対面間隔Ｄ２の前記対面間隔Ｄ１からの拡大幅ｄとが、０．１≦ｄ／Ｄ１≦０．３の範囲内になるように形成されていることを特徴とするものである。

このように、本発明の態様によれば、固定子側のコイルに通電することより生成される磁束がその固定子側のティース部から対面する回転子側に通過することにより相対回転する際のトルク変動が、長短２種の長さのティース部が１歯毎に交互に連続するように形成されるとともに、その回転子のティース部に対面する外周面の１磁極中心に対する両側均等位置に調整溝が形成されることにより、１磁極内で対面するティース部毎の回転子側との間の磁気抵抗が変化されて調整される。したがって、ティース部毎の磁束が回転子側に通過するために生じるトルク変動を高精度に調整することができ、例えば、トルク変動を小さくして回転子の回転時に生じるトルクリプルを低減することができる。この結果、振動や騒音の少ない高品質な回転駆動を実現し、また、同時に、損失の少ない高効率に回転駆動させることができる。

例えば、長めの第１ティース部と、短めの第２ティース部とを備えて、一対１組の永久磁石側の１磁極が１組６スロットに対応する構造の場合に、１磁極中心に対する両側均等の電気角５６°の位置が最深部となるように調整溝を形成し、また、その第１ティース部の内周面と回転子の外周面との間の対面間隔Ｄ１に対する調整溝の最深部の深さＦが、０．２〜０．４の範囲内になるように形成し、さらに、第２ティース部の内周面と回転子の外周面との間の対面間隔Ｄ２の対面間隔Ｄ１からの拡大幅ｄの比率が、０．１〜０．３の範囲内になるように形成することにより、トルクリプルなどを当該構造においても効果的に低減して、振動や騒音と共に損失の少ない高品質な回転駆動を実現することができる。

本発明に係る電動回転機の一実施形態を示す図であり、その基本構造を示す平面図である。その回転子側に磁極がない場合の磁束発生の発生状況を示す平面図である。本発明の課題の解決を説明する磁束波形のグラフである。本発明の課題の解決を説明するトルク波形のグラフである。その一実施形態の構成条件を示す平面図である。その一実施形態の構成条件をモデル化した一部拡大平面図である。その構成の条件決定を説明するグラフである。その構成による効果を検証するグラフである。その構成による効果を検証する図８と異なるグラフである。その構成による効果を検証する図８、図９と異なるグラフである。その一実施形態の一箇所の構成条件を判別し易くデフォルメして示す一部拡大平面図である。その構成の条件決定を説明するグラフである。その構成の図１２と異なる条件決定を説明するグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１〜図１０は本発明に係る電動回転機の一実施形態を示す図である。
図１において、電動回転機（モータ）１０は、概略円筒形状に形成された固定子（ステータ）１１と、この固定子１１内に回転自在に収納されて軸心に一致する回転軸１３が固設されている回転子（ロータ）１２と、を備えており、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車において、内燃機関と同様の駆動源として、あるいは車輪ホイール内に搭載するのに好適な性能を有している。

固定子１１には、回転子１２の外周面１２ａにギャップＧを介して内周面１５ａ側を対面させるように軸心の法線方向に延在する複数本のステータティース１５が形成されている。このステータティース１５には、内部に対面収納されている回転子１２を回転駆動させる磁束の発生用コイル（不図示）を構成する３相巻線が分布巻により巻付形成されている。

回転子１２は、外周面１２ａに向かって開くＶ字型になるように、一対で１組の永久磁石１６を１磁極として埋め込むＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）構造になるように作製されている。この回転子１２は、図面の表裏方向に延在する平板状の永久磁石１６の角部１６ａを対面状態に嵌め込んで不動状態に収容する空間１７ａと、その永久磁石１６の幅方向の両側方に位置して磁束の回り込みを制限するフラックスバリアとして機能する空間１７ｂ（以下ではフラックスバリア１７ｂともいう）とを形成するＶ字空間１７が外周面１２ａに対面するように形成されている。このＶ字空間１７の間には、永久磁石１６を高速回転時の遠心力に抗して位置決め保持することができるように、永久磁石１６間を連結支持するセンタブリッジ２０が形成されている。

この電動回転機１０は、ステータティース１５間の空間が、巻線を通して巻き掛けることによりコイルを形成するためのスロット１８を構成しており、８組の永久磁石１６側にそれぞれ６本のステータティース１５が対面するように、言い換えると、一対の永久磁石１６側が構成する１磁極に６スロット１８が対応するように構築されている。すなわち、電動回転機１０は、隣接する１磁極毎に永久磁石１６のＮ極とＳ極の表裏を交互にした、８極（４極対）、４８スロットで、単相分布巻５ピッチで巻線した３相ＩＰＭモータに作製されている。なお、図中のＮ極、Ｓ極の表示は、部材表面に存在する訳ではなく、説明のために図示するものである。

これにより、電動回転機１０は、固定子１１のスロット１８内のコイルに通電してステータティース１５から対面する回転子１２内に磁束を通したときに、永久磁石１６との間に生じる吸引力と反発力に起因するマグネットトルクに加えて、その磁束が通過する磁路を最短にしようとするリラクタンストルクとの総合トルクにより回転駆動することができ、その回転子１２と一体回転する回転軸１３から通電入力する電気的エネルギを機械的エネルギとして出力することができる。

ここで、この電動回転機１０は、図２に示すように、１磁極を構成する一対の永久磁石１６に対応する複数のステータティース１５毎に、固定子１１から回転子１２内に均等配置された磁路を形成するように、スロット１８内に巻線コイルを分布巻きして形成されており、この磁路に沿うように、言い換えると、磁束の形成を妨げないように永久磁石１６を収容するＶ字空間１７が形成されている。なお、固定子１１と回転子１２は、ケイ素鋼などの電磁鋼板材料の薄板を所望の出力トルクに応じた厚さになるように軸方向に重ねてボルト穴１９などを利用してネジ止めすることにより作製されている。

そして、電動回転機１０は、永久磁石１６を回転子１２内に埋め込むＩＰＭ構造の場合、固定子１１のステータティース１５の１歯における磁束の変化は、図３に示すように、矩形波に近似することができる。この磁束波形には、５次や７次などの低次の空間高調波が重畳することにより、鉄損や、トルクの変動幅であるトルクリプルが増加して、熱エネルギとしての浪費による効率低下と共に、振動や騒音の発生要因となっている。鉄損は、ヒステリシス損と渦電流損に分けることができる。ヒステリシス損は周波数と磁束密度の積であるとともに、渦電流損は周波数の２乗と磁束密度の積であることから、空間高調波を抑えることにより損失を低減することができ、電気エネルギの入力に対する駆動効率を向上させることができる。なお、図３では、縦軸を界磁磁束とし、横軸を時間にして、１つのステータティース１５に対して、Ｌ１間では磁束の鎖交がなく、Ｌ２間で磁束が正逆鎖交する、電気角１周期Ｔ（４Ｌ１＋２Ｌ２）における磁束波形の近似矩形波を図示している。

また、モータ（電動回転機）の電磁騒音は、ステータ（固定子）側に働く電磁力により、そのステータが振動することで発生しており、ステータに働く電磁力は、ロータ（回転子）とステータの磁気結合に起因する径方向電磁力と、トルクに起因する周方向電磁力とが存在する。径方向電磁力は、１ステータティース１５毎に、モータを線形磁気回路で近似して考察した場合には、磁束φ、磁気エネルギＷ、径方向電磁力ｆｒ、磁気抵抗Ｒｇ、磁束密度Ｂ、磁束鎖交面積Ｓ、エアギャップＧ間距離ｘ、磁路透磁率μとすると、磁気エネルギＷと径方向電磁力ｆｒは次の式（１）、式（２）のように表すことができる。

よって、空間高調波を考慮して磁束密度Ｂを次式（３）のように表したときには、径方向電磁力ｆｒは磁束密度Ｂの２乗を含むことから、空間高調波の重畳は径方向電磁力ｆｒの増加の要因となる。すなわち、空間高調波を低減することは、トルクリプルの低減、引いては、モータ電磁騒音の低減と共に駆動効率の向上を実現できることが鋭意研究検討することにより判明した。

また、ＩＰＭ構造の３相モータのトルクリプルは、１相１極磁束の空間高調波と、相電流に含まれる時間高調波とにより、電気角θにおける６ｆ次（ｆ＝１、２、３・・・：自然数）成分で発生することが鋭意研究検討することにより判明した。
詳細には、角速度ω_ｍ、ＵＶＷの各相誘起電圧Ｅ_ｕ(t)、Ｅ_ｖ(t)、Ｅ_ｗ(t)、ＵＶＷの各相電流Ｉ_ｕ(t)、Ｉ_ｖ(t)、Ｉ_ｗ(t)、としたときには、３相出力Ｐ(t)とトルクτ(t)は次の式（４）、式（５）のように表すことができる。

Ｐ(t)＝Ｅ_ｕ(t)Ｉ_ｕ(t)＋Ｅ_ｖ(t)Ｉ_ｖ(t)＋Ｅ_ｗ(t)Ｉ_ｗ(t)＝ω_ｍ・τ(t) ……(4)
τ(t)＝[Ｅ_ｕ(t)Ｉ_ｕ(t)＋Ｅ_ｖ(t)Ｉ_ｖ(t)＋Ｅ_ｗ(t)Ｉ_ｗ(t)]／ω_ｍ ……（5）
３相トルクは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれのトルクの和であり、ｍを電流の高調波成分、ｎを電圧の高調波成分を表すものとし、Ｕ相電圧Ｅ_ｕ(t)を次式（６）、Ｕ相電流Ｉ_ｕ(t)を次式（７）と置くと、Ｕ相トルクτ_ｕ(t)は次式（８）のように表すことができる。

ここで、相電流Ｉ(t)と相電圧Ｅ(t)は、いずれも対称波であるために「ｎ」と「ｍ」は奇数のみとなって、Ｕ相以外のＶ相トルクとＷ相トルクは、それぞれＵ相誘起電圧Ｅ_ｕ(t)、Ｕ相電流Ｉ_ｕ(t)に対して「＋２π／３（ｒａｄ）」、「−２π／３（ｒａｄ）」の位相差であることから、全体のトルクとしては、「６」の係数の項だけが残るようにキャンセル（相殺）されて、
６ｆ＝ｎ±ｍ（ｆ：自然数）、ｓ＝ｎα_ｎ＋ｍβ_ｍ、ｔ＝ｎα_ｎ−ｍβ_ｍ
と、置くと、次式（９）のように表すことができる。

また、誘起電圧は磁束を時間微分して求めることができることから、各誘起電圧に含まれる高調波の次数と１相１極磁束に含まれる高調波も同じ次数成分が発生することになり、その結果、３相交流モータにおいては、磁束（誘起電圧）に含まれる空間高調波次数ｎと相電流に含まれる時間高調波次数ｍとの組み合わせが６ｆになるときに、その６ｆ次成分のトルクリプルが発生していることが判明した。

ところで、３相モータのトルクリプルは、上述するように、１相１極における磁束波形における空間高調波ｎと相電流の時間高調波ｍにおいては、ｎ±ｍ＝６ｆ（ｆ：自然数）のときに発生することから、例えば、相電流の時間高調波ｍ＝１のみで正弦波近似した場合には、空間高調波ｎ＝５、７、１１、１３の次数の重畳が発生したときにトルクリプルが生じることになる。

３相のＩＰＭ構造の場合には、図３に示すように、１つのステータティース１５に界磁磁束が鎖交する磁束波形がほぼ矩形波となるため、構造的にも、５次、７次の空間高調波ｎ（６ｆ次＝６次の高調波）は重畳し易く低減することは困難である。
そこで、上記の３相のＩＰＭモータでは、図４に示すように、電気角１周期分のトルク波形のシミュレーションをして確認したところ、最大トルクＡと最小トルクＢが６回繰り返される脈動が発生することが分かる。その最大トルクＡと最小トルクＢの発生タイミングにおける磁束密度分布の確認をしたところ、最小トルクＢの発生タイミングでは、ステータティース１５毎の磁束密度の高低（粗密）差が大きく、その差に応じた空間高調波が重畳してトルクリプル増加の要因となっていることが分かる。

この最小トルクＢの発生タイミングＢ１〜Ｂ６における磁束密度分布は、半周期分に対応する範囲内で１つのステータティース１５の磁束密度が他よりも大きく高くなっており、図５には電気角１周期分のみ図示しているが、その磁束密度の高くなるステータティース１５が半周期毎に重なる１歯置きになっている。このステータティース１５における磁束密度の高低（粗密）差に応じた空間高調波の重畳によりトルクリプル増加が発生していることが分かる。なお、電気角１周期分（３６０°）は、回転子１２の外周面１２ａ側に対面する一対の永久磁石１６のＮ極・Ｓ極分に、言い換えると、１磁極（フラックスバリア１７ｂを含む一対の永久磁石１６毎）の回転中心に対する開口角度θ１の２倍に相当する。この電動回転機１０の８極４８スロットモータの構造（１磁極に対して６スロットが対応する構造）では、８極中の２極で１周期であることから、回転子１２の機械角１周期の３６０°回転は電気角４周期に相当する。

このことから、電動回転機１０では、図６に示すように、上記の最小トルクＢの発生タイミングＢ１〜Ｂ６において磁束密度が高くなるステータティース１５に対応するように、１歯毎のステータティース１５の長さを短くしてその内周面１５ａと回転子１２の外周面１２ａとの間のエアギャップＧの隙間間隔ｘを調整している。例えば、短めのステータティース（第２ティース部）１５Ｓは、その隙間間隔ｘＳ（Ｄ２）を長めのステータティース（第１ティース部）１５Ｌの隙間間隔ｘＬ（Ｄ１）よりも大きく拡大して（拡大幅ｄ）磁気抵抗を高くすることにより磁束密度を低減している。言い換えると、ステータティース１５は、長短の２種の長さに形成されて隣接する１歯毎に交互に連続するように形成されている。

また、この短ステータティース１５Ｓの長さは、長ステータティース１５Ｌに対する縮小割合（対面間隔の拡大割合）として、有限要素法による電磁界解析を行って決定しており、長ステータティース１５Ｌの内周面１５ａが回転子１２の外周面１２ａより離隔するエアギャップＧの隙間間隔ｘＬからの拡大幅（ｄ＝ｘＳ−ｘＬ）を用いて、その比率であるδ（ｄ／ｘＬ）をパラメータとして最適条件を決定し形成されている。

この有限要素法による電磁界解析では、ステータティース１５の長さの未調整時に対するトルク比率やそのトルクに重畳する６次、１２次の高調波トルク比率を導出すると、図７のグラフに示すような結果が得られる。この図７のグラフでは、δ＝０（エアギャップＧの隙間間隔ｘが均等）を基準にして、１０％未満では高調波トルクの低減に効果を見出すことができず、また、４０％以上になると、６次の高周波トルクの低減効果がなくなって、さらに、３０％を超えると、１２次の高調波トルクが上昇してしまうとともに、発生トルク自体が低下してしまう。

すなわち、長ステータティース１５ＬのエアギャップＧの隙間間隔ｘＬ（Ｄ１）に対する短ステータティース１５Ｓの隙間間隔ｘＳの拡大幅（短ステータティース１５Ｓの長ステータティース１５Ｌからの縮小幅）ｄの比率δ（ｄ／Ｄ）は、次の条件１程度の範囲内に収めることによりトルクを大きく低下させることなく、６次の高調波トルクの低減という効果を得ることができ、また、次の条件２程度の範囲内に狭めることによりその６次の高調波トルクをより低減することができ、さらに、次の条件３の範囲内に絞ることにより６次の高調波トルクをより効果的に低減することができる。

条件１：１０％≦δ（ｄ／Ｄ）≦３０％
条件２：２０％≦δ（ｄ／Ｄ）≦３０％
条件３：２５％≦δ（ｄ／Ｄ）≦３０％
この電動回転機１０では、例えば、上記の条件３の範囲内になるように固定子１１の短ステータティース１５Ｓの長さを調整することにより、図８に示すように、ステータティース１５の長さを調整していない均一長の場合よりも、誘起電圧に重畳する特に６次の高調波トルクの要因となる５次、７次の空間高調波の含有率を低減することができ、１２次の高調波トルクよりも低減の難しい６次の高調波トルクを効果的に低減できることが分かる。

同様に、この電動回転機１０では、図９に示すように、ステータティース１５の長さを調整していない均一長の場合に、短期にトルクが大きく急激に変動するためにドライバなどが不快に感じるトルクリプルを、トルクの最大・最小に影響を与えることなく抑制することができ、緩やかな変動の安定したトルク出力に調整できることが分かる。
また、この電動回転機１０では、図１０に示すように、トルク波形のフーリエ級数の展開を行って確認しても、高調波トルクの１２次成分は変わらないにしても、ステータティース１５の長さを調整していない均一長の場合よりも、その１２次成分よりも低減の難しい６次成分を低減できることが分かる。

したがって、この電動回転機１０では、固定子１１のステータティース１５の長さを調整していない場合には、特に６次の高周波トルクがトルク波形に重畳してしまうことを抑制することができないのに対して、１歯置きに、１０％≦δ（ｄ／ｘＬ）≦３０％の範囲内になるように、好ましくは、２０％≦δ（ｄ／ｘＬ）≦３０％、より好ましくは、２５％≦δ（ｄ／ｘＬ）≦３０％の条件を満たす短ステータティース１５Ｓが配置されるように形成するだけで、トルクリプルを効果的に低減することができる。

さらに、この電動回転機１０のように１磁極当たり６つのスロット１８が対応する３相ＩＰＭモータの場合には、１磁極対当たり１２個のスロット１８が対応することになり、電気角の１周期内においては、スロットオープン（コイルの挿入口となるステータティース１５の先端間の隙間）における空気の低い磁束の透磁率により磁気抵抗が１２箇所で大となる。この１２箇所のスロット１８の磁気抵抗により、１１次、１３次の空間高調波ｎが磁束波形に重畳することになる。

この１１次、１３次の空間高調波ｎは、一般にスロット高調波といって、例えば、永久磁石１６の軸方向における設置位置に応じて軸心を中心に捩じったスキュー角を持たせることにより、スロット１８における磁気抵抗のタイミングをずらして、１１次と１３次を低減することができる。しかしながら、回転子１２側にスキュー角を持たせるやり方では、上述したように、隣接する永久磁石１６間に段差が存在して着磁率が低下するという問題がある。

このことから、この電動回転機１０では、鋭意研究開発した結果、特定のステータティース１５に鎖交する磁束に対する磁気抵抗を若干高くすることにより１１次、１３次の空間高調波ｎによる１２次の高調波トルクを抑えるように、図１１に示すように、ステータティース１５の内周面１５ａと回転子１２の外周面１２ａとの間の隙間Ｇを調整する凹状の調整溝２１が形成されている。この調整溝２１は、そのステータティース１５の内周面１５ａに対面する回転子１２の外周面１２ａに形成されて透磁率を下げることにより磁気抵抗を高くすることができ、重畳する高調波成分を調整して高品質なトルク波形を得ることを可能にしている。なお、この図１１では、調整溝２１と共に、ステータティース１５Ｌ、１５Ｓの長さも判別し易いように実際の比率よりも大きくデフォルメして図示している。

この調整溝２１は、回転子１２の外周面１２ａに形成する最適な位置や形状を、有限要素法による電磁界解析を行って決定しており、内側（ｄ軸側）の斜面２１ｂと、外側の斜面２１ｃに挟まれている最深部２１ａの形成位置やその深さの最適条件が決定されて形成されている。
詳細には、調整溝２１は、例えば、回転子１２の外周面１２ａから最深部２１ａまでの溝深さＲｔ、ステータティース１５の内周面１５ａの対面幅に一致させた斜面２１ｂ、２１ｃの縁間隔の溝幅Ｔｓを一定として、有限要素法による電磁界解析を行って形成位置を決定しており、回転子１２の１磁極のｄ軸（一対の永久磁石１６間の中心線）を中心にする対称位置のステータティース１５に対面して、その最深部２１ａの位置の正逆方向のずれ量の変位角θ２をパラメータとしている。なお、本実施形態では、調整溝２１の溝幅Ｔｓをステータティース１５の内周面１５ａとの対面幅に一致させているが、適宜、その対面幅よりも小さくするなど調整してもよいが、磁束が通過する対面幅全面で磁気抵抗を調整するのが有効である。

この有限要素法による電磁界解析では、１１次、１３次の空間高調波ｎによるトルク波形におけるトルクリプル率やその空間高調波含有率を導出すると、図１２のグラフに示すような結果が得られる。この図１２のグラフからは、ｄ軸に対する正逆方向の変位角θ２は、５６°（電気角）でトルクリプル率と１１次、１３次の空間高調波ｎの含有率を最低レベルにすることができ、最適値であることが分かる。すなわち、調整溝２１は、回転子１２の１磁極のｄ軸に一致する長ステータティース１５Ｌを中心にして、一歯置いて隣接する対称位置の長ステータティース１５Ｌの内周面１５ａに対面する位置で、その最深部２１ａがそのｄ軸から正逆方向に５６°（変位角θ２）ずれた位置になるように形成されており、長ステータティース１５Ｌの内周面１５ａと回転子１２の外周面１２ａとの間の隙間間隔ｘＬのエアギャップＧにおける磁気抵抗を調整している。なお、ここでのトルクリプル率は、次式で算出している。

トルクリプル率（％）＝（（最大トルク−最小トルク）／平均トルク）×１００
また、調整溝２１は、溝幅Ｔｓをそのままにして溝深さＲｔを変化させ、回転子１２の外周面１２ａと長ステータティース１５Ｌの内周面１５ａとの間のギャップＧの隙間間隔（対向面間距離）ｘＬに対するその溝深さＲｔの比率σ（Ｒｔ／ｘＬ）をパラメータとして、有限要素法による電磁界解析を行って、その溝深さＲｔを決定している。

この有限要素法による電磁界解析では、調整溝２１が形成されていない構成に対するトルク比率やそのトルクに重畳する６次、１２次の高調波トルク比率を導出すると、図１３のグラフに示すような結果が得られる。この図１３のグラフでは、図７と同様に、σ＝０（調整溝２１なし）を基準にして、トルク比率は溝深さＲｔを深く（比率を大きく）するのに従ってほぼ変わりなく緩やかに下降する程度で安定し、その比率σ（Ｒｔ／ｘＬ）が４０％以上になると急激に低下してしまう。また、トルク波形における６次の空間高調波ｎのトルク比率は、反対に、溝深さＲｔを深くするのに従ってほぼ変わりなく緩やかに上昇する程度で安定し、その比率σ（Ｒｔ／ｘＬ）が４０％以上になると急激に上昇してしまう。さらに、トルク波形における１２次の空間高調波ｎのトルク比率は、反対に、溝深さＲｔを深くするのに従って急激に下降してその比率σ（Ｒｔ／ｘＬ）が２０％以上になるとほぼ変わりなく緩やかに上昇する程度で安定した後に、その比率σ（Ｒｔ／ｘＬ）が４０％以上になると急激に上昇してしまう。このことから、長ステータティース１５ＬのエアギャップＧの隙間間隔ｘＬ（Ｄ１）に対する比率σ（Ｒｔ／ｘＬ）は、次の条件１程度の範囲内に収めることによりトルクを大きく低下させることなく、１２次の高調波トルクの低減という効果を得ることができ、また、次の条件２程度の範囲内に狭めることによりその１２次の高調波トルクをより低減することができ、さらに、次の条件３の範囲内に絞ることにより１２次の高調波トルクをより効果的に低減することができる。

条件１：２０％≦σ（Ｒｔ／ｘＬ）≦４０％
条件２：２０％≦σ（Ｒｔ／ｘＬ）≦３０％
条件３：２０％≦σ（Ｒｔ／ｘＬ）≦２５％
この電動回転機１０では、例えば、上記の条件３の範囲内になるように固定子１１の外周面１２ａに形成する調整溝２１の深さＲｔを調整することにより、図８に示すように、ステータティース１５の長さを不均一にするだけの場合と同等に、誘起電圧に重畳する特に６次の高調波トルクの要因となる５次、７次の空間高調波の含有率を低減することができ、低減の難しい６次の高調波トルクを効果的に低減できることが分かる。

これに加えて、この電動回転機１０では、図９に示すように、ステータティース１５の長さを調整するだけの場合よりも、短期にトルクが大きく急激に変動するためにドライバなどが不快に感じるトルクリプルを、より抑制して緩やかな変動の安定したトルク出力に調整できることが分かる。例えば、この図９からは、ステータティース１５の長さが均一の場合よりもトルクの脈動を約３０％低減することができ、不均一にするだけの場合よりもさらにトルクの脈動を約２５％低減することができていることが分かる。

また、この電動回転機１０では、図１０に示すように、トルク波形のフーリエ級数の展開を行って確認することによっても、調整溝２１の効果を明確に確認することができ、ステータティース１５の長さを不均一にするだけの場合と同等に高調波トルクの６次成分を低減するとともに、高調波トルクの１２次成分をも大きく低減することができていることが分かる。

したがって、この電動回転機１０では、固定子１１のステータティース１５の長さを調整するのに加えて、回転子１２の１磁極のｄ軸に一致する長ステータティース１５Ｌを中心にして、一歯置いて隣接する対称位置の長ステータティース１５Ｌの内周面１５ａに対面する回転子１２の外周面１２ａに、そのｄ軸の正逆方向の５６°（電気角θ２）が最深部２１ａとなる調整溝２１を形成することにより、さらに、その調整溝２１の溝深さＲｔを長ステータティース１５ＬのエアギャップＧの隙間間隔ｘＬに対して、２０％≦σ（Ｒｔ／ｘＬ）≦４０％の範囲内になるように、好ましくは、２０％≦σ（Ｒｔ／ｘＬ）≦３０％、より好ましくは、２０％≦σ（Ｒｔ／ｘＬ）≦２５％の条件を満たすように形成するだけで、高調波トルクの１２次成分をも大きく低減してトルクリプルを効果的に低減することができる。

このように本実施形態においては、固定子１１のステータティース１５として、長ステータティース１５Ｌの隙間間隔ｘＬよりも拡大率δ（ｄ／ｘＬ）が１０％〜３０％の範囲内で拡大した隙間間隔ｘＳになるように短く形成した短ステータティース１５Ｓを１歯置きに備えている。また、これに加えて、長ステータティース１５ＬのエアギャップＧの隙間間隔ｘＬに対する溝深さＲｔの比率σ（Ｒｔ／ｘＬ）が２０％〜４０％の範囲内になるように形成した調整溝２１を、回転子１２の１磁極のｄ軸に一致する長ステータティース１５Ｌから一歯置いて隣接する対称位置の回転子１２の外周面１２ａで、その最深部２１ａがｄ軸から正逆方向に電気角５６°に位置するように形成する。これにより、トルク波形に重畳する６次の高調波トルクだけでなく１２次の高調波トルクも低減してトルクリプルを抑えることができ、トルクの変動を小さくすることができる。したがって、電動回転機１０を振動や騒音を少なく高品質回転をさせることができるとともに、損失を少なく高効率に回転駆動させることができる。

ここで、本実施形態では、永久磁石１６をＶ字型にして回転子１２内に埋め込む構造を採用する場合を一例に説明するが、これに限るものではなく、例えば、永久磁石を回転子１２の外周面１２ａに対して平板状に対面する状態に埋め込む平板配置の場合にも適用することができ、同様の作用効果を得ることができる。
また、８極４８スロットモータの構成の電動回転機１０を一例にして、１磁極１対が１周期（３６０°）に対応する角度を電気角として説明するが、これに限るものではなく、１磁極に対して６スロットが対応する他のモータ構造にも適用することができ、例えば、６極３６スロット、４極２４スロット、１０極６０スロットのモータ構造にもそのまま適用することができる。

本発明の範囲は、図示され記載された例示的な実施形態に限定されるものではなく、本発明が目的とするものと均等な効果をもたらす全ての実施形態をも含む。さらに、本発明の範囲は、各請求項により画される発明の特徴の組み合わせに限定されるものではなく、すべての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画されうる。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

１０電動回転機
１１固定子
１２回転子
１２ａ外周面
１３回転軸
１５ステータティース
１５ａ内周面
１５Ｌ長ステータティース
１５Ｓ短ステータティース
１６永久磁石
１６ａ角部
１７Ｖ字空間
１７ｂフラックスバリア
１８スロット
２０センタブリッジ
２１調整溝
２１ａ最深部
２１ｂ、２１ｃ斜面
Ｇエアギャップ
Ｒｔ溝深さ
Ｔｓ溝幅
ｘＬ、ｘＳ隙間間隔
θ１開口角度
θ２変位角

Claims

軸心の回転軸を一体回転させる回転子と、該回転子を回転自在に収容する固定子と、を備えて、
前記固定子は、前記回転子の周回回転する外周面に向かって延在して該外周面に内周面側を対面させる複数本のティース部と、駆動電力を入力するコイルを前記ティース部に巻き掛ける空間であって該ティース部間に形成される複数のスロットと、を有し、
前記回転子には、前記ティース部の対向面に磁気力を働かせるように複数の永久磁石が埋め込まれることにより、
前記コイルへの通電時に発生する磁束が、前記ティース部内、当該ティース部背面側および前記回転子内を通過することによるリラクタンストルクおよび前記永久磁石との間で働く吸引力または反発力のマグネットトルクにより前記固定子内の前記回転子を回転駆動させる電動回転機であって、
前記回転子側の１組の前記永久磁石と前記固定子側の１組の前記スロットとが対応する構成で、該１組の永久磁石側を１磁極としたときに、該１磁極が前記１組のスロットに対して相対移動する際の前記ティース部毎のトルクの変動を、前記ティース部の隣接する１歯毎に長短２種の長さが交互に連続するように形成することにより、当該ティース部毎の内周面と前記回転子の外周面との間の磁気抵抗を変化させて調整しており、
前記回転子の前記ティース部に対面する外周面の前記１磁極中心に対する両側均等位置に調整溝が形成されていることを特徴とする電動回転機。
前記回転子側には、当該外周面側に向かってＶ字型に開くように一対で前記１組の永久磁石を埋め込んで前記１磁極が構成され、
前記固定子側には、６つで前記１組のスロットが構成されており、
前記調整溝は、前記１磁極中心に対する両側均等の電気角５６°の位置が最深部となるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電動回転機。
前記ティース部は、長めの第１ティース部と、短めの第２ティース部とを備えて、
前記第１ティース部の内周面と前記回転子の外周面との間の対面間隔Ｄ１と、前記調整溝の最深部の深さＦとが、
０．２≦Ｆ／Ｄ１≦０．４
の範囲内になるように形成されていることを特徴とする請求項２に記載の電動回転機。
前記ティース部は、長めの第１ティース部と、短めの第２ティース部とを備えて、
前記第１ティース部の内周面と前記回転子の外周面との間の対面間隔Ｄ１と、前記第２ティース部の内周面と前記回転子の外周面との間の対面間隔Ｄ２の前記対面間隔Ｄ１からの拡大幅ｄとが、
０．１≦ｄ／Ｄ１≦０．３
の範囲内になるように形成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の電動回転機。