JP5939913B2 - 回転電機および電動車両 - Google Patents
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Description
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。
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。
G=3P×s/A
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、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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
回転電機の回転数をRN(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=(RN/60)×k ...(1)
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 請求項1乃至3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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