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JP5939913B2 - 回転電機および電動車両 - Google Patents

回転電機および電動車両 Download PDF

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Description

本発明は回転電機、および、回転電機が搭載された電動車両に関する。
本発明はHEV・EV等の電動車両の走行駆動に用いられる回転電機に関する。
回転電機は家電製品、各種OA機器に搭載されており、また、近年ハイブリッド自動車(HEV)や電気自動車(EV)などの電動車両に搭載されている。
とりわけHEVやEVなどの電動車両用の回転電機は出力が大きいものが要求される。これらの電動車両用の回転電機は、使用回転数範囲が広く、電磁加振力の加振周波数が広い範囲で変化し、特定の回転数で回転電機の構造の固有振動数と加振周波数が一致するため、共振による振動・騒音の発生が不可避である。
一方、車室内の快適環境の追求により振動・騒音低減の要求が高まっており、回転電機本体からの振動・騒音を低減する技術も多数開発されている。
回転電機本体から発生する振動・騒音の原因となる電磁加振力の向きは径方向、接線方向、軸方向の3方向である。特に可聴帯域の騒音を低減するには、これら電磁加振力の高調波振幅を低減する必要がある。
特許文献1は、n極、s相の回転電機を開示している。この固定子コアには、2個のスロットに互いに同相のコイルがそれぞれ挿入される同相間ティースと、回転子の回転軸方向に沿って両脇に形成される2個のスロットに互いに異相のコイルがそれぞれ挿入される異相間ティースとが設けられている。この回転電機では、n×s個のコイルに交流電流が供給されたときに同相間ティースおよび異相間ティースにそれぞれ形成される磁気回路について、通過する磁束数が互いに均衡するように、磁気回路の磁気抵抗に差を設けている。
特許文献1に記載の回転電機は、n極の回転子を備えるIPM構造であり、固定子コアのティースの数は2n×s個に限定されている。この固定子コアの形状により、6f(6次)の電磁加振力が低減され、これにより電磁騒音が低減されると記載されている。この回転電機の固定子コアの構造は、スロット数が2n×s個(n極、s相)に限定されており、それ以外のスロット数のものに適用するには、更なる工夫が必要である。
特開2007−166710号公報
従来の電磁振動音対策は主としてトルクリプル(トルク脈動)に対して行われており、径方向の電磁加振力高調波による振動・騒音への対策はあまり考慮されていなかった。また、従来の電磁振動音対策で固定子側のティースの形状やピッチを変更する方法は、様々な極数と固定子のティース(スロット)の数の組み合わせに対し、フレキシブルに適用できなかった。
上記の課題を解決するために、本発明による回転電機は、S個の複数のティースを有する固定子と、固定子に空隙を介して配置される回転子とを備え、当該固定子の複数のティースは、極数P、相数sおよびグループ数Aを用いた以下の式で表される個数Gを単位にグループ化された複数のティースグループからなり、
G=3P×s/A
ィースグループにおいて、少なくとも1つのティースは、当該ティースグループの他のティースと異なる先端形状を有し、複数のティースグループはそれぞれが同じ構成であることを特徴とする。
本発明により、周期境界条件を変えることなく振動・騒音に影響する径方向電磁加振力高調波の振幅を低減でき、その結果、回転電機の振動・騒音を低減できる。
本発明の一実施の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。 電力変換装置600の回路図を示す図である。 本発明による回転電機を永久磁石回転電機に適用した実施形態の例であり、スロット数72の固定子コアと極数8の永久磁石回転電機の構造を示す図である。 本発明による回転電機の第1実施形態、第5実施形態に共通な固定子構成を示す図である。(a)は9個のティースがそれぞれ異なる形状の先端部を有する固定子の1グループ(電気角180°分)を形成するティース形状の例(第1実施形態、第5実施形態)を示す。(b)は(a)に示すティースの軸方向の形状を、ティース5bの場合を例にして示す図である。 本発明による回転電機の第2実施形態、第6実施形態に共通な固定子構成を示す図である。 本発明による回転電機の第3実施形態、第7実施形態に共通な固定子構成を示す図である。 本発明による回転電機の第4実施形態、第8実施形態に共通な固定子構成を示す図である。 本発明と比較するために、従来技術での一般的な固定子のティース形状例を図4に対応して示した図である。各ティースの先端部の形状は同一となっている。 回転電機を永久磁石回転電機とした場合に、本発明による第1〜4実施形態と、従来技術、比較例1のティース形状を持つ回転電機の径方向空間0次の電磁加振力高調波の計算結果を示した図である。 図9に示す回転72次における計算結果を、従来技術の場合(◆)を基準としてdB表示した図である。 回転電機を永久磁石回転電機とした場合に、本発明による回転電機の第1〜4実施形態と従来技術、比較例1のティース形状を持つ回転電機の径方向空間4次の電磁加振力高調波の計算結果を示した図である。 本発明による回転電機をシンクロナスリラクタンスモータに適用した実施形態の例であり、スロット数72の固定子コアと極数8のシンクロナスリラクタンスモータの構造を示す図である。 本発明による回転電機の固定子構造(実施形態1〜4)を図12のシンクロナスリラクタンスモータに適用した場合である、第5〜8の実施形態と、従来技術、比較例2のティース形状を持つ回転電機の径方向空間0次の電磁加振力高調波の計算結果を示した図である。 図13の計算結果の一部(従来技術、比較例2、本発明の第5〜8実施形態の回転60次以上の電磁加振力高調波の最大振幅)を、従来技術の場合(◆)を基準としてdB表示した図である。 回転電機をシンクロナスリラクタンスモータとした場合に、本発明による回転電機の第5〜8実施形態、従来技術、比較例2のティース形状を持つ回転電機の径方向空間4次の電磁加振力高調波の計算結果を示した図である。 本発明による回転電機を誘導電動機に適用した実施形態の例であり、スロット数72の固定子コアとスロット数52の回転子コアとからなる、極数8の誘導電動機の構造を示す図である。 図16に示す誘導電動機で用いられる、本発明による回転電機の第9実施形態の固定子の1グループを形成するティース形状を示す図である。 従来技術で一般的に用いられる固定子のティース形状例を示す図である。 図16に示す誘導電動機で、本発明による第9実施形態、従来技術、比較例3のティース形状を持つ回転電機の径方向空間0次の電磁加振力高調波の計算結果を示した図である。 図19に示す回転216次の計算結果を、従来技術の場合(◇)を基準としてdB表示した図である。
図1は、本発明の一実施の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回転電機200、202を駆動するための電力変換装置(インバータ装置)600に直流電力を供給し、電力変換装置600は直流電力を交流電力に変換して回転電機200、202にそれぞれ供給する。一方回生走行時には回転電機200、202が車両の運動エネルギーに基づいて交流電力を発生し、前記電力変換装置600に供給する。前記電力変換装置600は交流電力を直流電力に変換し、バッテリ180に供給する。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定電圧の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とディファレンシャルギア132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、統合制御装置170より下位の制御装置である、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から、それぞれの状態を表す情報を、通信回線174を介して受け取る。統合制御装置170は、これらの情報に基づき各制御装置の制御指令を演算する。演算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、その演算処理結果に基づく変速機制御装置134、エンジン制御装置124および電力変換装置600への制御指令の送信を行う。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を運転するために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。このようなパワー半導体のスイッチング動作により、回転電機200、202が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することにより、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充電が行われる。
なお、回転電機200と回転電機202はそれぞれ独立して制御される。例えば回転電機200が電動機として運転される場合に、回転電機202は電動機として運転できるし、発電機としても運転できる。また運転停止状態とすることも可能である。当然ではあるがこの逆も可能である。回転電機200と回転電機202をどのようなモードで運転するかは統合制御装置170が決定し、電力変換装置600に指令する。この指令に基づき電力変換装置600は電動機の運転モードあるいは発電機の運転モードあるいは運転休止モードの状態となる。
図2は、図1の電力変換装置600の回路図を概念的に示す。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のソース電極とIGBT21のドレイン電極とが電気的に直列に接続されて構成されている。尚、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のドレイン電極はバッテリ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のソース電極と下アーム側のIGBTのドレイン電極との接続部分)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)を演算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演算し、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。
図3は本発明による回転電機の一例の永久磁石回転電機10の断面概略図である。この永久磁石回転電機10は上記で説明したハイブリッド自動車(図1、図2参照)の回転電機200あるいは回転電機202として用いられる。なお、以下で説明するように、本発明による回転電機の構成は永久磁石回転電機だけでなくシンクロナスリラクタンスモータや誘導電動機にも用いることができる。
以下、図3〜図20を参照して本発明の特徴的構成について実施形態に基づいて説明する。
(第1の実施形態)
図3は本発明による回転電機の第1の実施形態を示す。図3に示す回転電機は、本発明を三相の永久磁石回転電機に適用した場合の例であり、8極72スロットの構成となっている。極数Pと固定子スロット数Sの最大公約数N(=8)で固定子スロット数S(=72)を除算した商m(=9)、またはmの約数d(=3)の個数のティースを1グループとし、この1グループの各々のティースが異なる先端形状を持っている。図4は、図3に示す三相の永久磁石回転電機のティースグループの例であり、図4(a)は1つのティースグループ50を構成する9個のティース5の先端形状の一実施例を示す図である。また、図4(b)は、図4(a)に示すティースの軸方向の形状を、ティース5bの場合を例にして示す図である。なお図3では、簡略化のため、固定子ティースを全て参照番号5で示している。また永久磁石8が示されている。
図3に示すティース5は、図4に示すように各々異なる先端形状のティース5a〜5iとなっている。図3に示す固定子コア1は、図4に示す1グループ50を構成する9個のティース5a〜5iを周方向に周期的に8グループ並べることにより形成される。また、これらのティースの先端に形成された溝を6b〜6e、6g〜6iとしている。これらの異なる先端形状は図3では省略され、すべてティース5として示されている。さらに、回転電機10を構成する固定子コア1の固定子スロット4に捲回される固定子コイルは省略されている。
図4では、1グループ50を構成するティース5a〜5iの9個のうち、6個のティース5b〜5eと5h〜5iには溝6b〜6eと6h〜6iが設けられている。1個のティース5aにはテーパー7が、1個のティース5gには溝6gとテーパー7が設けられている。これらの溝、テーパーは、ティースの回転子に対向する面に設けられている。ティース5fには溝6、テーパー7がともに設けられていない。
ティースに溝やテーパーが存在することにより、固定子のティース先端と回転子表面の磁気的な平均距離を広げ、径方向の電磁加振力高調波の振幅を変更することができる。この構成による計算結果を、他の実施形態での計算結果とともに図9〜図11に示す。
(第2の実施形態)
図5は本発明による回転電機の第2の実施形態を示す。3個の固定子ティース5j〜5lで1つのティースグループ51を構成する。図5の例では、ティース5jの先端に溝6jが形成されており、ティース5lの先端にテーパー7が形成されている。なお、3個のティースで1グループとするのは、3が固定子スロット数Sを最大公約数Nで割った個数mの約数dであるからである。3つのティースから構成される1グループ51を周方向に周期的に24グループ並べることにより、固定子の全ティースを形成することができる。
このような構成のティースグループを採用した回転電機の固定子においても、径方向の電磁加振力高調波の低減効果がある。この構成による計算結果を、他の実施形態での計算結果とともに図9〜図11に示す。
(第3の実施形態)
図6は本発明による回転電機の第3の実施形態を示す。3個の固定子ティース5j〜5lで1つのティースグループ51を構成する。図6の例では、ティース5jの先端に溝6jが形成されており、ティース5kと5lの先端は平坦な形状となっている。なお、本発明でティース先端の「平坦」な形状とは、このティース先端と回転電機の回転軸中心との距離を半径とした円の曲率半径を有する円筒面の一部を有する形状であることを意味する。したがって、このティース先端の「平坦」な形状は厳密な意味での平坦を意味しない。
また、3個のティースで1グループとするのは、3が固定子スロット数Sを最大公約数Nで割った個数mの約数dであるからである。3つのティースから構成される1グループ51を周方向に周期的に24グループ並べることにより、固定子の全ティースを形成することができる。
このような構成のティースグループを採用した回転電機の固定子においても、径方向の電磁加振力高調波の低減効果がある。この構成による計算結果を、他の実施形態での計算結果とともに図9〜図11に示す。
(第4の実施形態)
図7は本発明による回転電機の第4の実施形態を示す。3個の固定子ティース5j〜5lで1つのティースグループ51を構成する。図7の例では、ティース5j、5kの先端に同じ形状の溝6j、6kが形成されている。なお、3個のティースで1グループとするのは、3が固定子スロット数Sを最大公約数Nで割った個数mの約数dであるからである。3つのティースから構成される1グループ51を周方向に周期的に24グループ並べることにより、固定子の全ティースを形成することができる。
このような構成のティースグループを採用した回転電機の固定子においても、径方向の電磁加振力高調波の低減効果がある。この構成による計算結果を、他の実施形態での計算結果とともに図9〜図11に示す。
本発明の実施形態1〜4による回転電機では、図4あるいは図5〜図7に示すように、固定子ティースの1つのグループ50あるいは51を構成する少なくとも1つのティース5の先端形状を他のティースから異なった形状としている。
図8は、従来の一般的な形状のティースであり、全てのティース15の先端が平坦な形状となっている。
本発明の実施形態1〜4による回転電機の固定子構成は、図8に示した従来技術の回転電機の固定子構成と同様に、ティース5、回転子コア2、磁石8と組み合わせた幾何学的形状が1/8という周期境界条件を変更せずに電磁加振力高調波の振幅を変更することができる。
(本発明による回転電機での電磁加振力高調波低減効果)
図9〜図11に、本発明の第1〜4の実施形態、図8に示す従来技術、比較例1のそれぞれの固定子構成で電磁加振力高調波を計算した結果を対比して示す。
なお、比較例1の固定子構成は、特許文献1に示す回転電機の構成の条件のうち、1グループが2個のティース5から構成され、1個おきに図4の溝6eと同等の溝を設ける構造のみを採用する。
特許文献1に記載の回転電機は、n極、s相における固定子コアのスロット数が2n×s個の永久磁石回転電機であり、8極機の場合、ティース5、回転子コア2、磁石8と組み合わせた幾何学的形状の周期境界条件は1/8である。図3の回転電機は固定子コア1のスロット数が3n×s個の永久磁石回転電機であり、比較例1の固定子構成を用いると、ティース5、回転子コア2、磁石8と組み合わせた幾何学的形状の周期境界条件が1/4となり、周期境界条件が異なる。
本発明の実施形態1〜4による回転電機の構成は、特許文献1に開示された極数と固定子コアのスロット数の組み合わせの条件から外れる場合でも効果があることを、比較例1により説明する。
径方向空間0次の電磁加振力高調波の加振周波数が固定子の円環0次モードの固有振動数と一致すると、固定子が共振して振動・騒音が発生することが知られている。この固有振動数は、回転電機の体格や構成(種類、構造)により異なるが、小型の回転電機では高い周波数となる。永久磁石回転電機の固定子が、円環0次モードで変形する固有振動数が約7.5kHzであるとして、以下に説明する。
第1〜第4の実施形態と、従来技術、比較例1について、径方向空間0次の電磁加振力高調波振幅を解析により求めた結果を図9に示す。図9では電磁加振力高調波振幅を、従来技術の回転72次高調波振幅を基準に無次元化している。
回転電機の回転数をR(r/min)、電磁加振力高調波の回転次数をkとすると、加振周波数f(Hz)は式(1)で表わされる。
f=(R/60)×k ...(1)
したがって、たとえば回転数の上限が7500r/minであるとすると、回転60次以上(k≧60)の径方向空間0次の電磁加振力高調波成分と、固定子の円環0次モードとの共振により振動・騒音が発生する。
この条件を考慮すると、図9に示す計算結果からは、回転72次、径方向空間0次の電磁加振力高調波と固定子の円環0次モードの共振により、最大振幅の振動・騒音ピークが発生することとなる。
図10に、図9に示す電磁加振力高調波の回転72次成分の振幅を、従来技術の固定子構成の高調波振幅を基準としてdB表示したものを示す。
比較例1で−1.7dB、実施形態1で−2.7dB、実施形態2で−3.7dB、実施形態3で−2.1dB、実施形態4で−3.8dBとなっている。これより、本発明の実施形態1〜4による回転電機の固定子構成を用いることにより、従来技術の一般的なティース形状を備えた固定子あるいは比較例1の固定子構成よりも電磁加振力高調波振幅を低減できることが分かる。したがって、本発明の実施形態1〜4による回転電機では、従来技術、比較例1による回転電機よりも径方向空間0次の電磁加振力高調波に起因する振動・騒音を低減できることになる。
比較例1が本来適用される回転電機のスロット数は、8極機の場合、48である。それを無視してティース先端に1個おきに溝6を設けたため、他の固定子構成では存在しない径方向空間4次(機械角)の電磁加振力高調波が、比較例1で発生する。一方、実施形態1〜4の構成および従来技術である同一の先端形状のティースを備えた一般的な回転電機(図8)では、径方向空間4次の電磁加振力高調波が発生しない。
図11に径方向空間4次の電磁加振力高調波の計算結果を示す。図11では電磁加振力高調波振幅を、比較例1の回転−32次高調波振幅を基準に無次元化している。図11では比較例1にのみ径方向空間4次の電磁加振力高調波が存在する。したがって、比較例1では固定子の円環4次モードとの共振による振動・騒音ピークが発生する可能性がある。
本発明の実施形態1〜4による回転電機では、従来技術である同一の先端形状の固定子ティースを備えた一般的な回転電機(図8)と同様に径方向空間4次の高調波が発生せず、かつ、径方向空間0次の電磁加振力高調波振幅を従来技術の回転電機に比べ低減することができ、振動・騒音を低減することができる。
以上では本発明による回転電機の固定子構造(第1〜4実施形態)を、図3に示すような永久磁石回転電機に適用した場合について説明した。次に第1〜4の実施形態の回転電機の固定子構造を、三相のシンクロナスリラクタンスモータに適用した場合(第5〜8実施形態)について説明する。
(第5の実施形態)
図12は、本発明による回転電機の第5の実施形態を示す。図12に示す回転電機は、本発明を三相のシンクロナスリラクタンスモータに適用したもので、極数P=8、固定子スロット数S=72、最大公約数N=8である。図12の回転電機でも、固定子および固定子ティースは、図3に示す永久磁石回転電機と同様の構成であり、実施形態1〜4のいずれかの構成を備える。なお、図12では、簡略化のため、固定子ティースを全て参照番号5で示している。また固定子コイル3が示されている。
第5の実施形態でも第1の実施形態と同様に、固定子ティースの1グループ50を構成するティース5の個数を、固定子スロット数Sを最大公約数Nで割った個数mである9個とし、図4に示すような溝6b〜6e、6g〜6iやテーパー7を設ける。図12に示す固定子コア1は、図4に示す1グループ50を構成するティース5a〜5iを周方向に周期的に8グループ並べることにより形成される。この固定子構成による電磁加振力高調波の計算結果を、他の実施形態での計算結果とともに図13〜図15に示す。
(第6の実施形態)
第6の実施形態では、第2の実施形態のように、固定子ティースの1グループ51を構成するティース5の個数を、固定子スロット数Sを最大公約数Nで割った個数mの約数dである3個(5j〜5l)とし、図5に示すように溝6jやテーパー7を設ける。図12に示す固定子コア1は、図5に示す1グループ51を構成するティース5を周方向に周期的に24グループ並べることにより形成される。この固定子構成による電磁加振力高調波の計算結果を、他の実施形態での計算結果とともに図13〜図15に示す。
(第7の実施形態)
第7の実施形態では、第3の実施形態のように、固定子ティースの1グループ51を構成するティース5の個数を、固定子スロット数Sを最大公約数Nで割った個数mの約数dである3個(5j〜5l)とし、図6に示すようにティース5jの先端に溝6jを設ける。図12に示す固定子コア1は、図6に示す1グループ51を構成するティース5を周方向に周期的に24グループ並べることにより形成される。この固定子構成による電磁加振力高調波の計算結果を、他の実施形態での計算結果とともに図13〜図15に示す。
(第8の実施形態)
第8の実施形態では、第4の実施形態のように、固定子ティースの1グループ51を構成するティース5の個数を、固定子スロット数Sを最大公約数Nで割った個数mの約数dである3個(5j〜5l)とし、図7に示すようにティース5j、5kの先端に同じ形状の溝6j、6kを設ける。図12に示す固定子コア1は、図7に示す1グループ51を構成するティース5を周方向に周期的に24グループ並べることにより形成される。この固定子構成による電磁加振力高調波の計算結果を、他の実施形態での計算結果とともに図13〜図15に示す。
第5〜第8の実施形態の回転電機では、第1〜第4の実施形態と同様に、固定子ティースの1グループ50(実施形態5)または51(実施形態6、7、8)を構成するティース5の先端形状を、ティースグループ50あるいは51内の少なくとも1つのティースの先端形状を他のティースから異なった形状としている。
これにより、本発明の実施形態5〜8による回転電機の固定子構成は、図8に示す従来技術の回転電機の固定子構成と同じく、ティース5、回転子コア2と組み合わせた幾何学的形状が1/8という周期境界条件を変更せずに、電磁加振力高調波の振幅を変更することができる。
図13〜図15には、第5〜8の実施形態、図8に示す従来技術、比較例2のそれぞれの固定子構成で電磁加振力高調波を計算した結果を対比して示す。
なお、比較例2の固定子構成は、特許文献1に示す回転電機の構成の条件のうち、1グループが2個のティース5から構成され、1個おきに図4の溝6eと同等の溝を設ける構造のみを採用する。
図12の回転電機に対して比較例2を適用すると、ティース5、回転子コア2と組み合わせた幾何学的形状の周期境界条件が1/4となる。本発明の実施形態5〜8による回転電機の固定子の構成は、特許文献1に開示された極数と固定子コアのスロット数の組み合わせの条件から外れる場合でも効果があることを、比較例2により説明する。
実施形態5〜8と、従来技術、比較例2の、それぞれの径方向空間0次の電磁加振力高調波を解析により求めた結果を図13に示す。図9の場合と同様に、図13では電磁加振力高調波振幅を、従来技術の固定子構成での回転72次高調波振幅を基準に無次元化している。
上記で説明したように、径方向空間0次の電磁加振力高調波の加振周波数が固定子の円環0次モードの固有振動数と一致すると、共振による振動・騒音ピークが発生する。このシンクロナスリラクタンスモータの固定子が円環0次モードで変形する固有振動数を約7.5kHzであるとし、回転数の上限を7500r/minであるとすると、回転60次以上の径方向空間0次電磁加振力高調波と固定子の円環0次モードの共振により、振動・騒音ピークが発生する。
図14に、図13に示す回転60次以上の電磁加振力高調波成分の最大振幅をdB表示したものを示す。
図14より、比較例2は回転72次が−2.5dB、実施形態5は回転144次が−4.0dB、実施形態6は回転96次が−3.3dB、実施形態7は回転96次が−3.3dB、実施形態8は回転96次が−2.9dBと、従来技術の回転72次より最大振幅を低減できることがわかる。したがって、シンクロナスリラクタンスモータに本発明の実施形態5〜8による回転電機の固定子構成を適用すると、従来技術、比較例2の固定子構成よりも径方向空間0次の電磁加振力高調波に起因する振動・騒音を低減できることになる。
図15に径方向空間4次の電磁加振力高調波の計算結果を示す。図15では電磁加振力高調波振幅を、比較例2の回転−32次高調波振幅を基準に無次元化している。
比較例2が本来適用される回転電機のスロット数は、8極機の場合、48である。それを無視してティース先端に1個おきに溝6を設けたため、他の固定子構成では存在しない径方向空間4次高調波が比較例2で発生する。したがって比較例2では、固定子の円環4次モードとの共振による振動・騒音ピークが発生する可能性がある。
一方、実施形態5〜8では、従来技術である同一の先端形状の固定子ティースを備えた一般的な回転電機(図8)と同様に径方向空間4次の高調波が発生せず、かつ、従来技術の回転電機に比べ径方向空間0次の電磁加振力高調波振幅を低減でき、振動・騒音を低減できることがわかる。
(第9の実施形態)
図16は、本発明による回転電機の第9の実施形態であり、本発明による回転電機を三相交流誘導電動機に適用した例を示している。回転子2には、誘導電動機の回転子に設けられる導電体9が示されている。なお図16では、簡略化のため、固定子ティースを全て参照番号5で示している。固定子コア1の固定子スロット4に捲回される固定子コイルは省略されている。
この三相の誘導電動機は、極数P=8、固定子スロット数S=72、回転子スロット数R=52、最大公約数N=4である。誘導電動機の場合は、最大公約数Nは、極数P、固定子スロット数S、回転子スロット数Rの最大公約数となる。固定子スロット数Sを最大公約数Nで割った個数mは18である。
固定子ティースの1グループ52を構成するティース5の個数を18の約数dである6個とする。図17に示すように、各ティース5m〜5sにはそれぞれテーパー7や溝6n〜6q、6sを設ける。図16に示す固定子コア1は、図17に示す固定子ティースの1グループ52を構成するティース5m〜5sを周方向に周期的に12グループ並べることにより形成される。
この固定子構成による電磁加振力高調波の計算結果を、従来技術の固定子構成(図18参照)および比較例3の固定子構成での計算結果とともに、図19、図20に示す。
なお、比較例3として、比較例1、2と同様に特許文献1に示す、固定子ティースの1グループを構成するティースの個数を2個とし、1個おきに溝6eと同等の溝を設けた形状を採用する。
固定子ティースの1グループ52を構成するティース5m〜5sの先端形状を1グループ52内の各々のティース5で異なった形状とすることにより、図18に示す従来技術の回転電機の固定子ティース15と同様に、ティース5、回転子コア2と組み合わせた幾何学的形状が1/4という周期境界条件を変更せずに、電磁加振力高調波の振幅を変更することができる。
図19〜図20には、第9の実施形態と、図18の従来技術と、比較例3とを対比した結果を示す。
実施形態9、従来技術、比較例3の、それぞれの固定子構成での径方向空間0次の電磁加振力高調波を、解析により求めた結果を図19、図20に示す。図19、図20では電磁加振力高調波振幅を、従来技術の固定子構成での回転216次高調波振幅を基準に無次元化している。
従来技術の誘導電動機の一般的な固定子は、同一の先端形状のティースから構成されており、回転試験による騒音測定により、回転216次の高調波成分が卓越していることが分かっている。そこで、まず、回転216次の電磁加振力高調波振幅を比較した。図19、図20より回転216次高調波振幅は、比較例3で−1.0dB、実施形態9では−4.6dB、従来技術の固定子構成の場合より低減される結果となっている。したがって、実施形態9では従来技術、比較例3よりも振動・騒音を低減できることになる。また、図19より他の回転次数の電磁加振力高調波振幅についても、実施形態9では従来技術、比較例3よりも低減傾向となっている。
以上より、特許文献1に記載の適用条件(n極、s相における固定子コアのスロット数は2n×s個)から外れる構成でも、本発明により径方向電磁加振力高調波を低減し、振動・騒音を低減できることがわかる。
また、誘導電動機に対しても、本発明は適用可能であることがわかる。
以上の説明は本発明の一例であり、本発明はこれらの実施形態に限定されない。すなわち、本発明は、上記の実施形態の回転電機の相数、極数、固定子スロット数、回転子スロット数に限定されるものではない。
第1、5の実施形態では9個のティースを1グループとし、第2〜4、および第6〜8の実施形態では3個のティースを1グループとした。
これらの実施形態では、8極72スロットの構成の永久磁石回転電機あるいはシンクロナスリラクタンスモータを例として説明したが、本発明は、8極72スロットの構成に限定されない。すなわち本発明による回転電機は極数がP個で、S個のティースを備えた固定子と、固定子に空隙を介して配置された回転子とを有する回転電機であって、その固定子のティースが、極数Pと固定子スロット数Sの最大公約数Nで固定子スロット数Sを割った値m、またはmの約数dの個数を単位にグループ化されており、このグループ化された複数の固定子ティースの少なくとも1つの先端形状が異なった形状とされている種々の回転電機に適用することができる。
また、誘導電動機の第9の実施形態では6個のティースを1グループとした。
第9の実施形態でも8極72スロットの構成を例にして説明したが、本発明はこの構成に限定されない。すなわち本発明は、極数がP個で、S個のティースを備えた固定子と、固定子に空隙を介して配置されR個のスロットを備えた回転子とを有する誘導電動機であって、その固定子のティースが、極数Pと固定子スロット数Sと回転子スロット数Rの最大公約数Nで固定子スロット数Sを割った値m、またはmの約数dの個数を単位にグループ化されており、このグループ化された複数の固定子ティースの先端形状がそれぞれ異なった形状とされている種々の誘導電動機に適用することができる。
以上説明したように、本発明による回転電機では、グループ化された複数の固定子ティースの内、このグループの少なくとも1つのティースの先端形状が、このグループの他のティースと異なる形状となるようにしている。この異なる形状となっているティース先端の形状は、先端に溝が設けられているか、あるいはテーパーが設けられているか、あるいは溝とテーパーの両方が設けられているか、あるいは溝のない平坦な形状のいずれかとなっている。
また固定子ティースの先端に形成される溝は平型溝、V状溝、皿状溝のいずれかであり、その溝幅および深さは、平坦な先端形状からなる固定子ティース先端と回転子表面の磁気的な平均距離で定義されるギャップ長を考慮して設定される。
なお、ここでの説明で「溝」とは、図4(b)の参照番号6bで示すような、固定子ティース先端に回転軸方向に連続して凹設された種々の凹部、窪みを含む形状を意味する。
なお、各実施形態および比較例での解析で用いた溝は上記のギャップ長を基準として、径方向の深さの平均が1.0以下、溝開口部の周方向長さ(溝幅)は0.5以上となるように設けられている。また、溝開口部の周方向長さの上限は、平坦な先端形状のティース先端周方向長さを基準として1/3以下としている。
以上の説明は本発明の実施形態および変形実施の例であり、本発明はこれらの実施形態や変形実施例に限定されない。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。とりわけ本発明では、実施形態1から9で説明した様々な固定子ティース先端の形状を組み合わせたティースグループから構成された固定子を備える種々の回転電機を実現することができる。
1:固定子コア
2:回転子コア
3:固定子コイル
4:固定子スロット
5、5a〜5l、15:固定子ティース
6b〜6e、6g〜6j:ティース溝
7:ティーステーパー
8:永久磁石
9:導電体
15:従来の一般的な固定子ティース
21:パワー半導体
38:ダイオード
50、51、52:固定子ティースの1グループ
100:車両
110:前輪
120:エンジン
124:エンジン制御装置
130:変速機
134:変速機制御装置
132:ディファレンシャルギア
170:統合制御装置
174:通信回線
180:バッテリ
184:バッテリ制御装置
200、202、10:回転電機
600:電力変換装置
610、620:パワーモジュール
630:コンデンサモジュール
642:コネクタ基板
644:送受信回路
646:駆動回路基板
648:制御回路
652:第1の駆動回路
650:駆動回路基板
654:駆動回路基板
656:第2の駆動回路
660:電流センサ
662:電流センサ

Claims (4)

  1. S個の複数のティースを有する固定子と、
    前記固定子に空隙を介して配置された回転子とを備え、
    前記固定子の複数のティースは、極数P、相数sおよびグループ数Aを用いた以下の式で表される個数Gを単位にグループ化された複数のティースグループからなり、
    G=3P×s/A
    前記ティースグループにおいて、少なくとも1つのティースは、当該ティースグループの他のティースと異なる先端形状を有し、前記複数のティースグループはそれぞれが同じ構成であることを特徴とする回転電機。
  2. 請求項1に記載の回転電機において
    前記ティースグループの少なくとも1つのティースの先端に形成された、前記他のティースと異なる先端形状は、溝あるいはテーパーが形成された先端形状かあるいは平坦な先端形状からなることを特徴とする回転電機。
  3. 請求項2に記載の回転電機において
    前記溝の形状は平型溝、V状溝、皿状溝のいずれかであり、
    前記溝の深さの平均は平坦な先端形状のティースの先端部と前記回転子表面の磁気的な平均距離で定義されるギャップ長以下であり、
    前記溝の幅は前記ギャップ長の1/2以上であり、かつ平坦な先端形状のティースの先端周方向長さの1/3以下であることを特徴とする回転電機。
  4. 請求項1乃至のいずれか1項に記載の回転電機を備えることを特徴とする電動車両。
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