JP5730736B2 - 永久磁石式回転電機および永久磁石式回転電機を備えた車両 - Google Patents

Description

本発明は永久磁石式回転電機およびその永久磁石式回転電機を備えた車両に関する。

ハイブリッド自動車（ＨＶ）や電気自動車（ＥＶ）などの電動車両の駆動用として用いられる永久磁石式回転電機には、高速回転化が要求されている。特に高速回転域においても高出力が可能な永久磁石式回転電機が望まれている。このため、従来永久磁石式回転電機としては、高速回転時に弱め界磁が可能であり、しかもリラクタンストルクを活用できる補助突極付の埋込型永久磁石式回転電機が多く用いられている。たとえば、特許文献１には高出力化と機械的な高回転化の両立が可能な永久磁石式回転電機の構造が記載されている。

このような高速回転に耐える永久磁石式回転電機の回転子には、矩形断面の長尺な永久磁石が挿入される、略矩形断面を持つ磁石挿入孔が磁極毎に設けられている。この磁石挿入孔に永久磁石が挿入され、回転電機が駆動されて回転子が回転すると、遠心力によって、特に永久磁石の角部と接する磁石挿入孔隅部で大きな応力が働く。この応力が大きい場合には、磁石の破損や回転子の破損が生じる可能性がある。

特許文献２には、永久磁石の角部がこの永久磁石を挿入する磁石用溝の角部に接触しないように、磁石用溝の角部に、外側に円弧状の膨らみを形成した回転子が記載されている。
特許文献３には、永久磁石を挿入する磁石スロットが磁極毎に複数設けられ、同一の回転子磁極で隣接する磁石スロット間の回転子鉄心部分に狭幅鉄心部と広幅鉄心部が設けられ、この狭幅鉄心部の幅が連続的に変化するように円弧部が設けられた磁石型回転電機が記載されている。

特開２００６−１８７１８９号公報 特開平０９−２９４３４４号公報 特開２００２−２８１７００号公報

特許文献１と３に記載の永久磁石式回転電機の回転子では、磁極毎の複数の磁石挿入孔の隣り合う２つの磁石挿入孔の間にブリッジ部（磁石スロット内鉄心部）が設けられている。このブリッジ部側の磁石挿入孔の隅部が回転子の径方向と周方向の双方向の応力、およびブリッジ部の磁気飽和を考慮した設計となっていなかった。したがって、高速回転に充分対応した永久磁石式回転電機となっていなかった。

（１）請求項１に記載の発明は、固定子と、この固定子に空隙を介して対応配置された回転子とを有する永久磁石式回転電機であって、回転子は、磁極毎に直線状に配置された略矩形断面の複数の磁石挿入孔を備えた回転子コアと、磁石挿入孔にそれぞれ挿入された永久磁石とを備え、回転子の磁極毎に設けられた前記複数の磁石挿入孔の周方向の両端部にそれぞれ非磁性部が形成され、複数の磁石挿入孔の隣り合う磁石挿入孔の間には、磁石挿入孔の外側の回転子コア部と、磁石挿入孔の内側の回転子コア部とを機械的に接続するブリッジ部が設けられており、磁石挿入孔のブリッジ部側の面と磁石挿入孔の回転子外側の面との間の隅部である第１の隅部および、磁石挿入孔のブリッジ側の面と磁石挿入孔の回転子内側の面との間の隅部である第２の隅部には、それぞれ回転子の周方向と径方向とにそれぞれに膨らんで、磁石挿入孔に挿入される矩形断面を持つ長尺の永久磁石の角部が磁石挿入孔のブリッジ部側の面および回転子外側の面と回転子内側の面に接触しないように逃げ部が設けられ、第１の隅部に設けられた逃げ部は、ブリッジ部側の面の周方向逃げ部および回転子外側の面の径方向逃げ部の大きさが、それぞれ永久磁石の中央側と永久磁石の角部とで小さくなるように形成されており、第２の隅部に設けられた逃げ部は、ブリッジ部側の面の周方向逃げ部および回転子内側の面の径方向逃げ部の大きさが、それぞれ永久磁石の中央側と永久磁石の角部とで小さくなるように形成されており、第１の隅部の周方向逃げ部と第２の隅部の周方向逃げ部との間に位置するブリッジ部の中央部は、幅Ｗ４であって、永久磁石の周方向への動きを規制し、非磁性部の外周側の回転子コアの最小幅をＷ１、周方向逃げ部におけるブリッジ部の最小幅をＷ２、磁石挿入孔の第１の隅部での回転子外周側のコアの最小幅をＷ３としたときに、Ｗ２＜Ｗ４＜Ｗ１＜Ｗ３が成り立つことを特徴とする。

本発明により、高回転に耐え出力の大きな永久磁石型回転電機を作製することができる。

本発明による回転電機を搭載したハイブリッド型電気自動車の概略構成を示す図である。 本発明による回転電機の駆動に用いられる電力変換装置６００の回路の概略構成を示す図である。 本発明による回転電機の第１の実施形態の断面図である。 図３に示す回転電機の固定子２３０および回転子２５０の断面を示す図である。 リラクタンストルクを説明する図である。 図４に示す回転電機の固定子２３０および回転子２５０の１磁極分を拡大して示した図である。 図６に示す回転電機の磁石間ブリッジ部２６０付近を拡大して示した図である。 図６に示す回転電機の高速回転時の応力分布を、１磁極分の回転子のさらに半分である、１／２磁極分において等応力線を用いて示した図である。 図６に示す本発明による回転電機の一実施形態の１磁極分において、固定子巻線２３８に３相交流電力を通電していない時の磁束線の分布を示した図である。 図６あるいは図７に示す本発明による回転電機の一実施形態の１磁極分において、１つの永久磁石２５４の角部とその周辺の磁石挿入孔２５３の隅部をさらに拡大した図である。（ａ）はこの磁石挿入孔２５３の隅部の永久磁石２５４の角部と最も近接して対向する内面を略円弧状の曲面で形成し、これに接続される径方向および周方向の内面を平面とした例である。（ｂ）はこの磁石挿入孔２５３の隅部の永久磁石２５４の角部と最も近接して対向する内面を平面曲面で形成し、これに接続される径方向および周方向の内面を略円弧状の曲面とした例である。 本発明による回転電機の実施形態の変形実施例であり、１磁極毎に３個の永久磁石を設け、それぞれの磁石間に磁石間ブリッジ部２６０を設けた構成において、固定子２３０および回転子２５０の１磁極分を拡大して示した断面図である。 本発明による回転電機の実施形態のさらにもう１つの変形実施例であり、１磁極毎に２つの磁石挿入孔と、それぞれの磁石挿入孔に２つの永久磁石が挿入され、磁石間ブリッジ部２６０が２つの磁石挿入孔の間に設けられた構成において、固定子２３０および回転子２５０の１磁極分を拡大して示した断面図である。 本発明による回転電機の実施形態のさらにもう１つの変形実施例であり、一磁極分の２つの永久磁石２５４をＶ字型に配置した構成において、固定子２３０および回転子２５０の１磁極分を拡大して示した断面図である。 本発明による回転電機の第２の実施形態であり、図４に示す第１の実施形態の回転子と集中巻きの１２極の固定子とから構成される８極１２スロットの回転電機において、固定子２３１および回転子２５０の断面全体の１／４を拡大して示した図である。

以下、図１〜１４を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
本発明による回転電機は、以下に説明するように、高出力化が可能である。そのため、例えば、電気自動車の走行用モータとして好適である。本発明による回転電機は、回転電機のみによって走行する純粋な電気自動車や、エンジンと回転電機の双方によって駆動されるハイブリッド型の電気自動車にも適用できるが、以下ではハイブリッド型の電気自動車を例に説明する。

図１は、本発明の一実施形態の回転電機を搭載したハイブリッド型電気自動車の概略構成を示す図である。車両１００には、エンジン１２０と第１の回転電機２００と第２の回転電機２０２とバッテリ１８０とが搭載されている。バッテリ１８０は、回転電機２００、２０２による駆動力が必要な場合には電力変換装置６００を介して回転電機２００、２０２に直流電力を供給し、回生走行時には回転電機２００、２０２から直流電力の交流電力を直流電力に変換してバッテリ１８０を充電する。バッテリ１８０と回転電機２００、２０２との間の直流電力の授受は、電力変換装置６００を介して行われる。また、図示していないが、車両には低電圧電力（例えば、１４ボルト系電力）を供給するバッテリが搭載されており、以下に説明する制御回路に直流電力を供給する。

エンジン１２０および回転電機２００、２０２による回転トルクは、変速機１３０とデファレンシャルギア１６０を介して前輪１１０に伝達される。変速機１３０は変速機制御装置１３４により制御され、エンジン１２０はエンジン制御装置１２４により制御される。バッテリ１８０は、バッテリ制御装置１８４により制御される。変速機制御装置１３４、エンジン制御装置１２４、バッテリ制御装置１８４、電力変換装置６００および統合制御装置１７０は、通信回線１７４によって接続されている。

統合制御装置１７０は、変速機制御装置１３４、エンジン制御装置１２４、電力変換装置６００およびバッテリ制御装置１８４よりも上位の制御装置であり、変速機制御装置１３４、エンジン制御装置１２４、電力変換装置６００およびバッテリ制御装置１８４の各状態を表す情報を、通信回線１７４を介してそれらからそれぞれ受け取る。統合制御装置１７０は、取得したそれらの情報に基づき各制御装置の制御指令を生成する。生成された制御指令は通信回線１７４を介してそれぞれの制御装置へ送信される。

高電圧のバッテリ１８０はリチウムイオン電池あるいはニッケル水素電池などの２次電池で構成され、２５０ボルトから６００ボルト、あるいはそれ以上の高電圧の直流電力を出力する。バッテリ制御装置１８４は、バッテリ１８０の充放電状況やバッテリ１８０を構成する各単位セル電池の状態を、通信回線１７４を介して統合制御装置１７０に出力する。

統合制御装置１７０は、バッテリ制御装置１８４からの情報に基づいてバッテリ１８０の充電が必要と判断すると、電力変換装置６００に発電運転の指示を出す。また、統合制御装置１７０は、主に、エンジン１２０および回転電機２００、２０２の出力トルクの管理、エンジン１２０の出力トルクと回転電機２００、２０２の出力トルクとの総合トルクやトルク分配比の演算処理を行い、その演算処理結果に基づく制御指令を、変速機制御装置１３４、エンジン制御装置１２４および電力変換装置６００へ送信する。電力変換装置６００は、統合制御装置１７０からのトルク指令に基づき、指令通りのトルク出力あるいは発電電力が発生するように回転電機２００、２０２を制御する。

電力変換装置６００には、回転電機２００、２０２を運転するためのインバータを構成するパワー半導体が設けられている。電力変換装置６００は、統合制御装置１７０からの指令に基づきパワー半導体のスイッチング動作を制御する。このパワー半導体のスイッチング動作により、回転電機２００、２０２は電動機としてあるいは発電機として運転される。

回転電機２００、２０２を電動機として運転する場合は、高電圧のバッテリ１８０からの直流電力が電力変換装置６００のインバータの直流端子に供給される。電力変換装置６００は、パワー半導体のスイッチング動作を制御して供給された直流電力を３相交流電力に変換し、回転電機２００、２０２に供給する。一方、回転電機２００、２０２を発電機として運転する場合には、回転電機２００、２０２の回転子が外部から加えられる回転トルクで回転駆動され、回転電機２００、２０２の固定子巻線に３相交流電力が発生する。発生した３相交流電力は電力変換装置６００で直流電力に変換され、その直流電力が高電圧のバッテリ１８０に供給されることにより、バッテリ１８０が充電される。

図２は、図１の電力変換装置６００の回路図を示す。電力変換装置６００には、回転電機２００のための第１のインバータ装置と、回転電機２０２のための第２のインバータ装置とが設けられている。第１のインバータ装置は、パワーモジュール６１０と、パワーモジュール６１０の各パワー半導体２１のスイッチング動作を制御する第１の駆動回路６５２と、回転電機２００の電流を検知する電流センサ６６０とを備えている。駆動回路６５２は駆動回路基板６５０に設けられている。

一方、第２のインバータ装置は、パワーモジュール６２０と、パワーモジュール６２０における各パワー半導体２１のスイッチング動作を制御する第２の駆動回路６５６と、回転電機２０２の電流を検知する電流センサ６６２とを備えている。駆動回路６５６は駆動回路基板６５４に設けられている。制御回路基板６４６に設けられた制御回路６４８、コンデンサモジュール６３０およびコネクタ基板６４２に実装された送受信回路６４４は、第１のインバータ装置と第２のインバータ装置とで共通に使用される。

パワーモジュール６１０、６２０は、それぞれ対応する駆動回路６５２、６５６から出力された駆動信号によって動作する。パワーモジュール６１０、６２０は、それぞれバッテリ１８０から供給された直流電力を三相交流電力に変換し、その電力を対応する回転電機２００、２０２の電機子巻線である固定子巻線に供給する。また、パワーモジュール６１０、６２０は、回転電機２００、２０２の固定子巻線に誘起された交流電力を直流に変換し、高電圧バッテリ１８０に供給する。

パワーモジュール６１０、６２０は図２に記載のごとく３相ブリッジ回路を備えており、３相に対応した直列回路が、それぞれバッテリ１８０の正極側と負極側との間に電気的に並列に接続されている。各直列回路は上アームを構成するパワー半導体２１と下アームを構成するパワー半導体２１とを備え、それらのパワー半導体２１は直列に接続されている。パワーモジュール６１０とパワーモジュール６２０とは、図２に示す如く回路構成がほぼ同じであり、ここではパワーモジュール６１０で代表して説明する。

本実施の形態では、スイッチング用パワー半導体素子としてＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）２１を用いている。ＩＧＢＴ２１は、コレクタ電極、エミッタ電極及びゲート電極の３つの電極を備えている。ＩＧＢＴ２１のコレクタ電極とエミッタ電極との間にはダイオード３８が電気的に接続されている。ダイオード３８は、カソード電極及びアノード電極の２つの電極を備えており、ＩＧＢＴ２１のエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向となるように、カソード電極がＩＧＢＴ２１のコレクタ電極に、アノード電極がＩＧＢＴ２１のエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。

なお、スイッチング用パワー半導体素子として、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いてもよい。ＭＯＳＦＥＴは、ドレイン電極、ソース電極及びゲート電極の３つの電極を備えている。ＭＯＳＦＥＴの場合には、ソース電極とドレイン電極との間に、ドレイン電極からソース電極に向かう方向が順方向となる寄生ダイオードを備えているので、図２のダイオード３８を設ける必要がない。

各相のアームは、ＩＧＢＴ２１のエミッタ電極とＩＧＢＴ２１のコレクタ電極とが電気的に直列に接続されて構成されている。なお、本実施の形態では、各相の各上下アームのＩＧＢＴを１つしか図示していないが、制御する電流容量が大きいので、実際には複数のＩＧＢＴが電気的に並列に接続されて構成されている。以下では、説明を簡単にするため、１個のパワー半導体として説明する。

図２に示す例では、各相の各上下アームはそれぞれ３個のＩＧＢＴによって構成されている。各相の各上アームのＩＧＢＴ２１のコレクタ電極はバッテリ１８０の正極側に、各相の各下アームのＩＧＢＴ２１のソース電極はバッテリ１８０の負極側にそれぞれ電気的に接続されている。各相の各アームの中点（上アーム側ＩＧＢＴのエミッタ電極と下アーム側のＩＧＢＴのコレクタ電極との接続部分）は、対応する回転電機２００、２０２の対応する相の電機子巻線（固定子巻線）に電気的に接続されている。

駆動回路６５２、６５６は、対応するインバータ装置６１０、６２０を制御するための駆動部を構成しており、制御回路６４８から出力された制御信号に基づいて、ＩＧＢＴ２１を駆動させるための駆動信号を発生する。それぞれの駆動回路６５２、６５６で発生した駆動信号は、対応するパワーモジュール６１０、６２０の各パワー半導体素子のゲートにそれぞれ出力される。駆動回路６５２、６５６には、各相の各上下アームのゲートに供給する駆動信号を発生する集積回路がそれぞれ６個設けられており、６個の集積回路を１ブロックとして構成されている。

制御回路６４８は各インバータ装置６１０、６２０の制御部を構成しており、複数のスイッチング用パワー半導体素子を動作（オン・オフ）させるための制御信号（制御値）を生成するマイクロコンピュータによって構成されている。制御回路６４８には、上位制御装置からのトルク指令信号（トルク指令値）、電流センサ６６０、６６２のセンサ出力、回転電機２００、２０２に搭載された回転センサのセンサ出力が入力される。制御回路６４８はそれらの入力信号に基づいて制御値を算出し、駆動回路６５２、６５６にスイッチングタイミングを制御するための制御信号を出力する。

コネクタ基板６４２に実装された送受信回路６４４は、電力変換装置６００と外部の制御装置との間を電気的に接続するためのもので、図１の通信回線１７４を介して他の装置と情報の送受信を行う。コンデンサモジュール６３０は、ＩＧＢＴ２１のスイッチング動作によって生じる直流電圧の変動を抑制するための平滑回路を構成するもので、第１のパワーモジュール６１０や第２のパワーモジュール６２０における直流側の端子に電気的に並列に接続されている。

＜本発明による回転電機の実施形態＞
図３は、図１の回転電機２００に用いられる、本発明による回転電機の一実施形態の断面図を示す。なお、回転電機２００と回転電機２０２とはほぼ同じ構造を有しており、以下では回転電機２００の構造を代表例として説明する。ただし、以下に示す構造は回転電機２００、２０２の双方に採用されている必要はなく、一方だけに採用されていても良い。

ハウジング２１２の内部には固定子２３０が支持されており、固定子２３０は固定子コア２３２と固定子巻線２３８とを備えている。固定子コア２３２の内周側には、回転子２５０が空隙２２２を介して回転可能に支持されている。回転子２５０は、シャフト２１８に固定された回転子鉄心２５２と、永久磁石２５４と、非磁性体のあて板２２６とを備えている。ハウジング２１２は軸受２１６が設けられた一対のエンドブラケット２１４を有しており、シャフト２１８はこれらの軸受２１６により回転自在に支持されている。

シャフト２１８には、回転子２５０の極の位置や回転速度を検出するレゾルバ２２４が設けられている。このレゾルバ２２４からの出力は、図２に示した制御回路６４８に取り込まれる。制御回路６４８は、取り込まれた出力に基づいて制御信号を駆動回路６５２に出力する。駆動回路６５２は、その制御信号に基づく駆動信号をパワーモジュール６１０に出力する。パワーモジュール６１０は、制御信号に基づきスイッチング動作を行い、バッテリ１８０から供給される直流電力を３相交流電力に変換する。この３相交流電力は図３に示した固定子巻線２３８に供給され、回転磁界が固定子２３０に発生する。３相交流電流の周波数はレゾルバ２２４の出力値に基づいて制御され、３相交流電流の回転子２５０の回転位置に対する位相も同じくレゾルバ２２４の出力値に基づいて制御される。

図４は、図３に示す固定子２３０および回転子２５０の断面を示す図であり、図３のＡ−Ａ断面図を示したものである。なお、図４ではハウジング２１２、シャフト２１８および固定子巻線２３８の記載を省略した。なお図５以降でもスロット２３７の固定子巻線は省略されている。
固定子コア２３２の内周側には、多数のスロット２３７とティース２３６とが全周に渡って均等に配置されている。図４では、スロットおよびティースの全てに符号を付すことはせず、代表して一部のティースとスロットにのみに符号を付した。スロット２３７内にはスロット絶縁材（図示省略）が設けられ、図３の固定子巻線２３８を構成するＵ相、Ｖ相、Ｗ相の複数の相巻線が装着されている。本実施の形態では、スロット２３７は等間隔に４８個形成されている。

また、回転子コア２５２の外周近傍には、矩形の磁石を挿入するための複数の磁石挿入孔２５３が周方向に沿って１６個配設されている。各磁石挿入孔２５３は軸方向に沿って形成されており、その磁石挿入孔２５３には永久磁石２５４（２５４ａ、２５４ｂ）がそれぞれ埋め込まれ、接着剤などで固定されている。磁石挿入孔２５３及び永久磁石２５４はそれぞれ１対で１磁極を形成しており、１対の磁石挿入孔２５３それぞれの円周方向の幅は、１対の永久磁石２５４それぞれの円周方向の幅よりも大きく設定されており、永久磁石２５４の磁極外側の穴空間２５７は磁気的空隙として機能する。この穴空間２５７は接着剤を埋め込んでも良いし、成型用樹脂で永久磁石２５４と一体に固めても良い。永久磁石２５４は回転子２５０の界磁極として作用し、本実施の形態では８極構成となっている。

永久磁石２５４の磁化方向は径方向を向いており、界磁極毎に磁化方向の向きが反転している。すなわち、永久磁石２５４ａの固定子側面がＮ極、軸側の面がＳ極であったとすれば、永久磁石２５４ｂの固定子側面はＳ極、軸側の面はＮ極となっている。そして、これらの永久磁石２５４ａ、２５４ｂがそれぞれ１対で１磁極を成し、円周方向に交互に配置されている。

永久磁石２５４は、磁化した後に磁石挿入孔２５３に挿入しても良いし、回転子コア２５２の磁石挿入孔２５３に挿入した後に強力な磁界を与えて磁化するようにしても良い。ただし、磁化後の永久磁石２５４は強力な磁石なので、回転子２５０に永久磁石２５４を固定する前に磁石を着磁すると、永久磁石２５４の固定時に回転子コア２５２との間に強力な吸引力が生じて組み付け作業の妨げとなる。また、永久磁石２５４の強力な吸引力により、永久磁石２５４に鉄粉などのごみが付着するおそれがある。そのため、回転電機の生産性を考慮した場合、永久磁石２５４を回転子コア２５２に挿入した後に磁化するのが好ましい。
なお、永久磁石２５４には、ネオジウム系、サマリウム系の焼結磁石やフェライト磁石、ネオジウム系のボンド磁石などを用いることができる。永久磁石２５４の残留磁束密度はほぼ０.４〜１.３Ｔ程度である。

３相交流電流を固定子巻線２３８に流すことで回転磁界が固定子２３０に発生すると、この回転磁界が回転子２５０の永久磁石２５４ａ、２５４ｂに作用してトルクが生じる。このトルクは、永久磁石２５４から出される磁束のうち各相巻線に鎖交する成分と、各相巻線に流れる交流電流の鎖交磁束に直交する成分の積で表される。ここで、交流電流波形が正弦波形状であると考えれば、鎖交磁束の基本波成分と交流電流の基本波成分の積がトルクの時間平均成分となり、鎖交磁束の高調波成分と交流電流の基本波成分の積がトルクの高調波成分であるトルクリプルとなる。つまり、トルクリプルを低減するには、鎖交磁束の高調波成分を低減すればよい。言い換えれば、鎖交磁束と回転子の回転する角加速度の積が誘起電圧であるから、鎖交磁束の高調波成分を低減することは、誘起電圧の高調波成分を低減することに略等しい。

図５はリラクタンストルクを説明する図である。一般に、磁束が磁石中心を通る軸をｄ軸、磁束が磁石の極間から極間へ流れる軸をｑ軸と呼ぶ。このとき、磁石の極間中心にある鉄心部分を補助突極部２５９と呼ぶ。回転子２５０に設けられた永久磁石２５４の透磁率は空気とほぼ同じであるため、固定子側から見た場合、ｄ軸部は磁気的に凹んでおり、ｑ軸部は磁気的に凸になっている。そのため、ｑ軸部の鉄心部分は突極と呼ばれる。リラクタンストルクは、このｄ軸とｑ軸の磁束の通り易さ（磁気インダクタンス）の差、すなわち、突極比によって生じる。

図６は、図４に示す回転電機の固定子２３０および回転子２５０の断面図の１磁極分を拡大して示したものである。回転子コア２５２には、永久磁石２５４の磁極外側に磁気的空隙２５７が形成されており、これはコギングトルクや通電時のトルク脈動を低減するために設けられたものである。さらには、磁気的空隙２５７の径方向の厚さは永久磁石２５４の径方向の厚さよりも小さく、磁気的空隙２５７の内周側の回転子コアの部分である磁極端押え部２６４は永久磁石２５４の周方向への動きを規制している。また、永久磁石２５４が挿入される磁石挿入孔２５３の径方向外側である磁極外側部２５６では、径方向寸法において磁極端ブリッジ部２５８の幅Ｗ１が最も薄くなるように設定されている。

磁極端ブリッジ部２５８の幅Ｗ１を小さくすると、回転子内の磁路に流れる永久磁石からの磁束が減り、より多くの磁束が固定子側に到達するようになり、マグネットトルクを大きくすることができる。従って、磁極端ブリッジ部２５８の幅Ｗ１は、回転子が回転した時の応力に耐えられる程度にできるかぎり小さくすることが好ましい。

図７は、図６に示す回転子の磁石間ブリッジ部２６０（Ｂで示された領域）を拡大して示したものである。１対の永久磁石２５４の間には、永久磁石２５４の外周側にある回転子コアの磁極外側部２５６と、内周側の回転子コアの磁極内側部２６３とを機械的に接続するように、磁石間ブリッジ部２６０が設けられている。さらに、磁石挿入孔２５３の磁石間ブリッジ部２６０両端にある４つの隅部には、周方向逃げ部２６１と、径方向逃げ部２６２が、永久磁石２５４が寸法公差上でブリッジ部に最も近づいた場合でも、磁石の角部が回転子コアに接触しないように設定されている。また、その場合において、周方向逃げ部２６１の厚さＴ１は、永久磁石２５４の中央側と、永久磁石２５４の角部で小さくなり、その間で最大になるように設定されており、径方向逃げ部２６２の厚さＴ２は、永久磁石２５４の中央側と永久磁石２５４の角部で小さくなり、その間で最大になるように設定されている。さらには、磁石間ブリッジ部２６０の中央部では、前述の磁気的空隙２５７の内周側に磁極端押え部２６４と同様に、永久磁石２５４の周方向への動きを規制しており、新たな部品を使うことなく組立性を良好にできる。
なお、図７に示す上記４つの隅部の形状は、後述する図１０（ａ）に基づいて記載されている。

このような構成をとることで、磁石角部が回転子コアに接触することによる回転子コア２５２の破壊や変形を防げるだけでなく、磁石間ブリッジ部２６０の両端に発生する応力集中を低減することができ、回転子２５０の高速回転が可能となる

本実施形態では、周方向逃げ部２６１と径方向逃げ部２６２をつなぐ線は、磁石の角Ｒ寸法よりも大きなＲ寸法でつながれているが、後述するように直線と円弧の組み合わせでも同様の効果が得ることができる。
一般的に磁石間ブリッジ部２６０を設けると、永久磁石２５４の磁束が磁石間ブリッジ部２６０を経由して、回転子内で磁束経路が閉じるようになるため、回転子磁極中央部で対向する固定子磁極とカップリングする有効な磁束が減少し、性能が低下してしまう。従って、磁石間ブリッジ部２６０の最も狭くなる部分の幅Ｗ２はできるかぎり小さいことが好ましい。
また、磁石間ブリッジ部２６０の中央部の幅Ｗ４は、上記で説明したようにＷ２よりやや大きく設定されるが、この幅Ｗ４もできるかぎり小さいことが好ましい。磁石間ブリッジ部２６０の中央部の幅Ｗ４が小さいと、２つの隣り合う磁石挿入孔２５３に挿入された永久磁石がより近接し、磁極中央部での磁束密度の減少が少なくなる。本発明による回転子の構造により、このようなＷ２とＷ４の関係が満たされるように設計できる。

なお、永久磁石は正確に矩形でなくとも、略矩形であってもよい。この場合は、永久磁石の断面形状に合わせて、磁石挿入孔の断面形状も略矩形とする。永久磁石の形状を矩形から変形することによって、磁束密度分布を変えることも可能である。

本実施形態では、磁極端ブリッジ部２５８の最小幅Ｗ１、磁石間ブリッジ部２６０の最小幅Ｗ２、径方向逃げ部２６２の外周側の回転子コアの幅Ｗ３において、Ｗ２＜Ｗ１＜Ｗ３が成り立つように構成される。このＷ１、Ｗ２、Ｗ３の関係は、上記で説明したような特性の回転子の構造とすることで達成されるが、これを以下に説明する。

回転子の遠心力による応力は、磁石間ブリッジ部２６０の回転子外周側根元、すなわち磁石間ブリッジ部２６０を挟んで２つの隣り合う磁石挿入孔２５３の回転子外周側の隅部と磁極端ブリッジ部２５８側で大きくなる。しかし、図６の例では、２つの永久磁石２５４およびこれを挿入する２つの磁石挿入孔２５３の間に、回転子コアの磁極外側部２５６と磁極内側部２６３とを結合する磁石間ブリッジ部２６０が設けられているので、てこの原理により磁極端ブリッジ部２５８での応力が最も大きくなる。

従って、磁極端ブリッジ部２５８の最小幅Ｗ１は磁束の漏えいを防ぐためには、性能面のみで考えると薄くして磁気飽和させたほうが望ましいが、上記のように高速回転時の応力集中が大きいので、その応力に耐えうる程度の厚さがまず必要となる。

磁石間ブリッジ部２６０の最小幅Ｗ２も、磁極端ブリッジ部２５８の最小幅Ｗ１とほぼ同様ではあるが、上述のように応力集中の度合いが磁極端ブリッジ部２５８よりも小さいので、Ｗ２＜Ｗ１とできる。一方で、径方向逃げ部２６２の外周側の回転子コアの幅Ｗ３は、永久磁石２５４の磁束が各相巻線に鎖交する際に経由する磁路であり、飽和しないほうが望ましいため、Ｗ３＞Ｗ１となっている。
なお、上記で説明したように、本発明による回転子の構造により、磁石間ブリッジ部２６０の中央部分の幅Ｗ４をＷ２より僅かに小さい程度に設定することができる。すなわち、Ｗ４＜Ｗ１＜Ｗ３となっている。このような構造によって、２つの隣り合う永久磁石間の距離を小さくでき、回転子磁極中央部での磁束密度を高く維持することができる。

図８は、図６に示す回転電機の高速回転時の応力分布を、１磁極分の回転子のさらに半分である、１／２磁極分において等応力線を用いて示した１／２磁極モデルである。等応力線が密である磁極端ブリッジ部２５８、磁石間ブリッジ部２６０の両端には、ほかの部分に比べ応力が集中しているが、上記のようなＷ２＜Ｗ１＜Ｗ３が成り立つように構成しているため、磁極端ブリッジ部２５８と磁石間ブリッジ部２６０の両端で特に局所的に偏ることなく、応力が分散されている。

上記で説明した本発明による回転電機の実施形態では、１磁極分の２個の永久磁石２５４を直線状に並べている。これにより、磁石間ブリッジ部２６０の両端に発生する応力をほぼ均等にでき、応力集中を避けることができるため、強度面では望ましいものの、永久磁石２５４を直線上に並べない場合でも、本発明の効果を得ることができる。

図９は、図６に示す本発明による回転電機の一実施形態の１磁極分において、固定子巻線２３８に３相交流電力を通電していないときの磁束線の分布を示したものである。上記で説明したようにＷ１、Ｗ２、Ｗ３の大きさが設定され、これらがＷ２＜Ｗ１＜Ｗ３の関係となるように構成されている。このような構成により、磁極端ブリッジ部２５８と磁石間ブリッジ部２６０とが、永久磁石２５４から出る磁束のうち最低限の磁束で飽和し、大部分の磁束が回転子コアの磁極外側部２６３から固定子コア２３２とカップリングし、固定子巻線２３８に鎖交していることがわかる。

図１０は、図７あるいは図８に示す永久磁石２５４の１つの角部とこの周辺の磁石挿入孔２５３の部分を拡大したものである。磁石間ブリッジ部２６０を挟んでいる２つの磁石挿入孔２５３の４箇所の隅部はいずれも同様な形状となっているが、内特に代表として図８の永久磁石２５４の右下の部分を拡大して示している。
永久磁石の角部には、磁気特性に影響が無い程度の大きさのＲ形状もしくは平面状の面取りが施されている。図１０ででは永久磁石の角部をＲ形状とした例が示してある。このような角部の形状により、この角部に対向する磁石挿入孔の隅部内面の曲がりを緩やかにすることができ、回転子の回転による応力を分散することができる。

また、この磁石挿入孔の隅部内面の曲がりを、図１０に示すように、部分的に直線と曲線で構成することにより、磁石間ブリッジ部の最大幅Ｗ４と、周方向逃げ部２６１での磁石間ブリッジ部の最小幅Ｗ２の差が小さくなるとともに、Ｗ２とＷ４をと小さい値に抑えることができる。
図１０（ａ）に示す例では、永久磁石２５４の角部に最も近接する磁石挿入孔２５３の隅部内面が永久磁石２５４の角部のＲ形状より緩やかな曲がりの曲面状（図では曲線状に示されている）となっており、これにそれぞれ接続する周方向逃げ部２６１と径方向逃げ部２６２の内面が平面（図では直線で示されている）で構成されている。なお、前述の図７では、この磁石挿入孔２５３の隅部内面の形状を図１０（ａ）に基づいて示している。
図１０（ｂ）では、永久磁石２５４の角部に最も近接する磁石挿入孔２５３の隅部内面が平面状（図では直線状に示されている）となっており、これにそれぞれ接続する周方向逃げ部２６１と径方向逃げ部２６２の内面が略円弧状の曲面（図では曲線で示されている）で構成されている。

なお、永久磁石２５４の角部の面取りを平面で行う場合、この永久磁石２５４の角部に対向する磁石挿入孔２５３の隅部を平面とした場合のこの平面の幅は、永久磁石２５４の角部の平面の幅より大きくする。
同様に、永久磁石２５４の角部の面取りを曲面で行う場合、この永久磁石２５４の角部に対向する磁石挿入孔２５３の隅部を曲面とした場合のこの曲面の幅は、永久磁石２５４の角部の曲面の幅より大きくするとともに、磁石挿入孔２５３の隅部の曲面の曲率は永久磁石２５４の角部の曲面の曲率より小さくする。

図１１に、本発明による回転電機の変形例であり、１磁極毎に３個の永久磁石を設け、それぞれの磁石が挿入される２つの隣り合う磁石挿入孔の間に磁石間ブリッジ部２６０を設けた構成において、固定子２３０および回転子２５０の１磁極分を拡大して示した断面図を示す。このように、１磁極当たりの永久磁石を複数個として、それぞれの永久磁石の間に設けた構成、すなわち磁石間ブリッジ部２６０を１磁極あたりに複数個設けた構成としても、本発明の構成とすることで高速回転時の応力を低減することができる。磁石間ブリッジ部２６０を１磁極あたりに複数個設けることで、永久磁石の外側の回転子コアの部分と永久磁石より回転軸側の回転子コアの部分が堅固に接続されるので、更なる高速回転化も期待できる。

図１２は、本発明による回転電機のさらにもう１つの変形例において、固定子２３０および回転子２５０の１磁極分の拡大図を示す。この変形実施例では、１磁極毎に２つの磁石挿入孔２５３と、それぞれの磁石挿入孔２５３に２つの永久磁石２５４が挿入されている。永久磁石２５４が１磁極あたりに複数個用いられた場合でも、高速回転時に発生する応力が許容応力を超えていなければ、磁石間ブリッジ部２６０は必ずしもすべての磁石間に設ける必要はない。また、永久磁石２５４を複数個に分割することで、永久磁石２５４の表面に流れる渦電流を低減することができ、発熱低減や効率向上が可能となる。したがって、図１２には１つの磁石挿入孔に２つに分割された永久磁石が挿入されているが、３個以上に分割された永久磁石を挿入してもよい。

図１３は、本発明による回転電機のさらにもう１つの変形実施例を示す。ここでも固定子２３０および回転子２５０の１磁極分を拡大して示している。前述したように直線的に並べなくても、複数の永久磁石２５４をＶ字型に配置した場合でも、上述した本発明による回転電機の構造を採用することで、上述の実施形態と同様に、高回転で高出力の回転電機が実現できる。

図１４は、本発明による回転電機の第２の実施形態であり、図４に示す第１の実施形態の回転子と、集中巻きの１２極の固定子２３１とから構成される８極１２スロットの回転電機を示す。ここでは固定子２３１および回転子２５０の断面の１／４を拡大して示している。固定子２３０を集中巻にした場合においても、本発明による回転電機の回転子の構造を採用することができ、集中巻きの固定子の回転電機であっても同様の効果が得られる。つまり、本発明は固定子の形態に依存しない。

以上の説明は本発明の例であり、本発明はこれらの実施形態や変形例に限定されない。当業者であれば、本発明の特徴を損なわずに様々な変形実施が可能である。とりわけ、上記で説明した２つ以上の磁石挿入孔数と、各々の磁石挿入孔に挿入する永久磁石の数は様々に組み合わせることが可能であり、回転電機の仕様に合わせて適宜決定される。

１００：車両
１２０：エンジン
１８０：バッテリ
２００、２０２：回転電機
２１２：ハウジング
２１４：ブラケット
２３０：固定子
２３１：固定子
２３２：固定子コア
２３３：固定子コア
２３６：ティース
２３８：固定子巻線
２５０：回転子
２５２：回転子コア
２５３：磁石挿入孔
２５４：永久磁石
２５６：回転子コアの磁極外側部
２５７：磁気的空隙
２５８：磁極端ブリッジ部
２５９：補助突極部
２６０：磁石間ブリッジ部
２６１：周方向逃げ部
２６２：径方向逃げ部
２６３：回転子コアの磁極内側部
２６４：磁極端押え部
６００：電力変換装置

Claims (6)

1. 固定子と、前記固定子に空隙を介して対応配置された回転子とを有する永久磁石式回転電機であって、
   前記回転子は、磁極毎に直線状に配置された略矩形断面の複数の磁石挿入孔を備えた回転子コアと、前記磁石挿入孔にそれぞれ挿入された永久磁石とを備え、
   前記回転子の磁極毎に設けられた前記複数の磁石挿入孔の周方向の両端部にそれぞれ非磁性部が形成され、
   前記複数の磁石挿入孔の隣り合う磁石挿入孔の間には、前記磁石挿入孔の外側の回転子コア部と、前記磁石挿入孔の内側の回転子コア部とを機械的に接続するブリッジ部が設けられており、
   前記磁石挿入孔の前記ブリッジ部側の面と前記磁石挿入孔の前記回転子外側の面との間の隅部である第１の隅部および、前記磁石挿入孔の前記ブリッジ側の面と前記磁石挿入孔の前記回転子内側の面との間の隅部である第２の隅部には、それぞれ前記回転子の周方向と径方向とにそれぞれに膨らんで、前記磁石挿入孔に挿入される矩形断面を持つ長尺の永久磁石の角部が前記磁石挿入孔の前記ブリッジ部側の面および前記回転子外側の面と前記回転子内側の面に接触しないように逃げ部が設けられ、
   前記第１の隅部に設けられた逃げ部は、前記ブリッジ部側の面の周方向逃げ部および前記回転子外側の面の径方向逃げ部の大きさが、それぞれ前記永久磁石の中央側と前記永久磁石の角部とで小さくなるように形成されており、
   前記第２の隅部に設けられた逃げ部は、前記ブリッジ部側の面の周方向逃げ部および前記回転子内側の面の径方向逃げ部の大きさが、それぞれ前記永久磁石の中央側と前記永久磁石の角部とで小さくなるように形成されており、
   前記第１の隅部の周方向逃げ部と前記第２の隅部の周方向逃げ部との間に位置する前記ブリッジ部の中央部は、幅Ｗ４であって、前記永久磁石の周方向への動きを規制し、
   前記非磁性部の外周側の回転子コアの最小幅をＷ１、前記周方向逃げ部における前記ブリッジ部の最小幅をＷ２、前記磁石挿入孔の第１の隅部での前記回転子外周側のコアの最小幅をＷ３としたときに、
   Ｗ２＜Ｗ４＜Ｗ１＜Ｗ３
   が成り立つことを特徴とする永久磁石式回転電機。
2. 請求項１に記載の永久磁石式回転電機において、
   前記永久磁石の角部はＲ形状または平面状の面取りが施されており、
   前記磁石挿入孔の第１の隅部および前記磁石挿入孔の第２の隅部は、それぞれ前記永久磁石の角部に近接する曲面部と、前記曲面部に接続され前記周方向の逃げ部を形成する平面部と、前記曲面部に接続され前記径方向逃げ部を形成する平面部とを備えることを特徴とする永久磁石式回転電機。
3. 請求項１に記載の永久磁石式回転電機において、
   前記永久磁石の角部はＲ形状または平面状の面取りが施されており、
   前記磁石挿入孔の第１の隅部および前記磁石挿入孔の第２の隅部は、それぞれ前記永久磁石の角部に近接する平面部と、前記平面部に接続され前記周方向の逃げ部を形成する曲面部と、前記平面部に接続され前記径方向逃げ部を形成する曲面部とを備えることを特徴とする永久磁石式回転電機。
4. 請求項２または３に記載の永久磁石式回転電機において、
   前記曲面部の曲率は、前記永久磁石のＲ形状の面取りの曲率より小さいことを特徴とする永久磁石式回転電機。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の永久磁石式回転電機と、
   この回転電機を駆動するための電力を供給する電力変換部とを備えることを特徴とする車両の電動駆動装置。
6. 請求項５に記載の車両の電動駆動装置を備えることを特徴とする車両。

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