WO2005076440A1 - Ｉｐｍ回転電機 - Google Patents

Abstract

　本発明は，ＩＰＭ回転電機の界磁を構成する永久磁石を，一層に浅くロータ鉄心に埋め込むことを可能にする技術を提供する。本発明によるＩＰＭ回転電機は，ステータと，ロータとを含む。ロータは，ロータ鉄心と，界磁を構成する複数の永久磁石とを備えている。ロータ鉄心は，ステータに対向する側面を有し，永久磁石は，その磁極面とロータ側面との距離が小さくなるように，ロータ鉄心に浅く埋め込まれている。更に，隣接する２つの永久磁石は，ロータのｑ軸インダクタンスＬｑ，及びｄ軸インダクタンスＬｄを用いて記述される下記式： 　０．３＜（Ｌｑ−Ｌｄ）／Ｌｄ を満足するように積極的に離されている。

Description

明 細 書

IPM回転電機

技術分野

[0001] 本発明は， IPM (Interior Permanent Magnet)モータ及び IPM発電機のような， IP M回転電機に関する。

背景技術

[0002] IPMモータは，ロータ鉄心の内部に永久磁石が埋め込まれたブラシレスモータであ る。 IPMモータは，体積あたりの出力トルクが大きく，且つ，入力電圧が小さいという 特長を有している。このような特長を有する IPMモータは，電気自動車の駆動用モー タへの応用が好適である。

[0003] IPMモータは，外部から動力を供給することにより発電機としても機能する。 IPMモ ータが発電機として機能することは，電気自動車への応用にお 、て特に重要である 。以下において IPMモータと IPM発電機とを区別する必要がない場合，これらは IP M回転電機と記述される。

[0004] IPM回転電機は，大きな出力トルクが得られることが望ましい。大きな出力トルクを 得るための IPMモータの構造が，特開 2002— 153033号公報に開示されている。公 知のその IPMモータは，界磁を構成する永久磁石がロータ鉄心に浅く埋められてい る。このような構造は，大きなマグネットトルクを得ることを可能にする上に，補助的な リラクタンストルクを得ることを可能にし， IPMモータの出力トルクを有効に増大する。 上記の文献は，マグネットトルクを増大させるために，電機子卷線に鎖交する磁束の 磁束密度を高めることが好適であることを開示している。更に，上記の文献 1は，永久 磁石をロータ鉄心に浅く埋め込むことにより， q軸インダクタンス Lと d軸インダクタンス

q

Lとに，下記関係：

d

0≤(L -L ) /L < 0· 3，

q d d

を成立させることが好適であることを開示して 、る。

発明の開示

[0005] 本発明の目的は，一層に大きな出力トルクを得るための IPM回転電機のロータ構 造を提供することにある。

[0006] 本発明の一の観点において、 IPM回転電機は，ステータと，ロータとを含む。ロータ は，ロータ鉄心と，界磁を構成する複数の永久磁石とを備えている。ロータ鉄心は，ス テータに対向する側面を有し，永久磁石は，側面に面する磁極面を有している。永 久磁石は，磁極面と側面との距離の最大値 Xが，ロータの半径 rと前記界磁の極数 n とを用いて表される下記式（la) , (lb) :

x≤D/10 , · · · (la)

を満足する程度にロータ鉄心に浅く埋め込まれている。更に，前記界磁の隣接する 2 極をそれぞれに構成する，隣接する 2つの永久磁石は，ロータの q軸インダクタンス L ,及び d軸インダクタンス Lを用いて記述される下記式（2)：

q d

0. 3< (L -L ) /L , · · · (2)

q d d

を満足するように積極的に離されている。カゝかる IPM回転電機は，永久磁石がロータ 鉄心に浅く埋め込まれているため，マグネットトルクが大きい。当該 IPM回転電機は， 更に，ロータ鉄心の，隣接する 2つの永久磁石の間に位置する磁石間鉄心部分の体 積が大きく，該磁石間鉄心部分に作用するリラクタンストルクが大きい。これらの作用 により，当該 IPM回転電機は，マグネットトルクとリラクタンストルクの和である出力トル クを増大させることができる。

[0007] ステータに， 3相電流が供給される場合には，界磁の極数 nと，ステータに設けられ るスロットの数 _nとは，下記組み合わせ：

n = 12, n = 9，

1 2

n = 14, n = 12,

1 2

n = 16， n = 12,

1 2

n = 16， n = 18，

1 2

n = 20, n = 15,

1 2

n = 20, n = 18，

1 2

n = 20, n = 21，

1 2

n = 22, n = 24， n = 24, n = 18，

1 2

n = 24, n = 27,

1 2

n = 26, n = 24，

1 2

n = 28, n = 24，

1 2

n = 30， n = 27,

のいずれかであることが好適である。これらの組み合わせは，永久磁石がロータ鉄心 に浅く埋め込まれた IPM回転電機の特性を特異的に向上させる。

前記ステータに， 5相電流が供給される場合には，極数 nと，スロットの数 nとは，

1 2 下記組み合わせ：

n = 12, n = 10，

1 2

n = 14, n = 10，

1 2

n = 22, n = 20,

1 2

n = 18， n = 20,

1 2

n = 24， n = 20,

1 2

n = 26, n = 20,

1 2

n = 28, n = 20,

1 2

n = 26, n = 30，

1 2

n = 28, n = 30，

のいずれかであることが好適である。これらの組み合わせは，永久磁石がロータ鉄心 に浅く埋め込まれた IPM回転電機の特性を特異的に向上させる。

[0009] 本発明により，一層に大きな出力トルクを得るための IPM回転電機のロータ構造が 提供される。

図面の簡単な説明

[0010] [図 1]図 1は，本発明による IMP回転電機の実施の第 1形態を示す。

[図 2]図 2は，ロータ 12の拡大図である。

[図 3]図 3は，永久磁石 18の配置を説明する図である。

[図 4]図 4は，本発明による IMP回転電機の実施の第 2形態を示す。

発明を実施するための最良の形態 [0011] 以下，添付図面を参照しながら，本発明による IPM回転電機の実施の形態を説明 する。

[0012] (実施の第 1形態）

本発明の実施の第 1形態では，図 1に示されているように， IPMモータ 10は，ステ ータ 11とロータ 12とを含む。ステータ 11は，ロータ 12のロータ側面 12aに対向する。 ステータ 11は，電磁的作用によってロータ 12にトルクを与え，ロータ 12を中心軸 12b の周りに回転させる。 IPMモータ 10は，外部力も動力を供給することにより発電機と しても機能する。

[0013] ロータ 12に与えられるトルク，即ち， IPMモータ 10から出力される出力トルクは，マ グネットトルクとリラクタンストルクとの両方の成分を含む。 IPMモータ 10は，ロータ 12 との構造の最適化により，マグネットトルクとリラクタンストルクとの和（即ち，出力トルク )が大きくなるように設計されている。ステータ 11とロータ 12との構造が，以下に詳細 に説明される。

[0014] ステータ 11は，電機子歯 13— 13 を含む。以下において，電機子歯 13— 13

1 12 1 12 は，互いに区別される必要がない場合には電機子歯 13と表記される。電機子歯 13 は，同一円周上に等間隔に配置されている。隣接する 2つの電機子歯 13の間には， スロット 14が形成されている。スロット 14は，同一円周上に等間隔に配置されることに なる。

[0015] 電機子歯 13— 13 には，それぞれ，電機子卷線 15— 15 が巻かれている。ステ

1 12 1 12 ータ 11の内側に回転磁界を発生するために，電機子卷線 15— 15 には，三相の

1 12

電機子電流が供給される。詳細には，電機子卷線 15 , 15 , 15 , 15には， U相電

1 2 7 8

流が供給され，電機子卷線 15 , 15 , 15 , 15 には， V相電流が供給され，電機子

3 4 9 10

コイル 15 , 15 , 15 , 15 には， W相電流が供給される。電機子卷線 15 , 15 , 1

5 6 11 12 1 4

5 , 15 , 15 , 15 は，第 1方向に (例えば，時計周りに）電機子電流が流れるように

5 8 9 12

巻かれており，電機子卷線 15 , 15 , 15 , 15 , 15 , 15 は，第 1方向と逆の第 2

2 3 6 7 10 11

方向に（例えば，反時計周りに）電機子電流が流れるように巻かれている。電機子卷 線 15— 15 は，互いに区別される必要がない場合には，電機子卷線 15と表記され

1 12

る。 [0016] 電機子卷線 15は，集中巻きで電機子歯 13に巻かれている。電機子コイル 15が集 中巻きで巻かれることは，体積あたりの IPMモータ 10のトルクを大きくし，好適である

[0017] ロータ 12は，シャフト 16とロータ鉄心 17とを含む。シャフト 16は，図示されない軸受 によって回転可能に支持されている。ロータ鉄心 17は，シャフト 16に固定的に接合さ れ，シャフト 16と同体に回転する。ロータ鉄心 17は，珪素鋼板のような磁性材料で形 成されている。

[0018] ロータ鉄心 17には，永久磁石 18が挿入されている。永久磁石 18のそれぞれは，口 ータ 12の界磁の一極を構成し，ロータ 12の半径方向に磁力線を発生する。隣接す る 2つの永久磁石 18は，互いに逆の方向の磁力線を発生する，即ち，隣接する 2つ の永久磁石 18の極性は逆である。本実施の形態では，永久磁石 18の数，即ち，界 磁の極数 nは 14である。

[0019] 図 2に示されているように，ロータ鉄心 17には，永久磁石 18の半径方向外側に位 置する部分 17a (磁力線誘導部分 17a)が設けられる。磁力線誘導部分 17aは，その 円周方向の端において，鉄心本体 17bに結合されている。この磁力線誘導部分 17a の存在は，弱め界磁制御を実現するために重要である。当業者に周知であるように， IPMモータを高い回転数で運転する場合には，電機子電流の位相を進めて界磁を 弱める弱め界

磁制御が行われる。この磁力線誘導部分 17aの存在は，弱め界磁制御を行うことを 容易にする。磁力線誘導部分 17aが存在しない SPMモータ（surface permanent magnet)モータでは，弱め界磁制御の実現は難し!/、。

[0020] 一般的な IPMモータとは異なり，本実施の形態の IPMモータでは，永久磁石 18の ロータ側面 12aからの埋め込み深さ（即ち，半径方向外側の磁極面 18aの上の点か ら，ロータ側面 12aへの距離の最大値）が浅い。定量的に表現すれば，永久磁石 18 は，その埋め込み深さ Xが，ロータ 12の半径 rと極数 nとを用いて表される下記式（la ) , (lb) :

x≤D/10, · · · (la)

Ό = 2 π ν/η , · · · (lb) を満足するような浅い位置に埋め込まれる。

[0021] 永久磁石 18が浅く埋め込まれることは，弱め界磁制御を行いつつ， IPMモータ 10 のマグネットトルクを有効に活用するために有用である。永久磁石 18が浅く埋め込ま れることにより，永久磁石 18が生成する磁束は電機子卷線 15に多く鎖交され，マグ ネットトルクが増大される。マグネットトルクが活用されることは，出力トルクの増大に有 用である。

[0022] カロえて，本実施の形態の IPMモータでは，図 3に示されているように，ロータ鉄心 1 7の，隣接する永久磁石 18の間に位置する磁石間鉄心部分 17cに作用するリラクタ ンストルクを有効に利用することにより，出力トルクの増大が図られている。

[0023] 具体的には，磁石間鉄心部分 17cに作用するリラクタンストルクを増大させるために ,磁石間鉄心部分 17cの永久磁石 18の磁極面 18aの円周方向の幅が狭められ，隣 接する永久磁石 18の間の距離が積極的に増大されている。このように永久磁石 18 の配置を定めることにより，磁石間鉄心部分 17cの体積が増大され，磁石間鉄心部 分 17cに作用するリラクタンストルクを増大することができる。

[0024] 定性的には，隣接する 2つの永久磁石 18は，下記式（2) :

0. 3< (L -L ) /L , · · · (2)

q d d

を満足する程度に離されている。ここにおいて， Lは，ロータ 12の q軸インダクタンス

q

Lであり， Lは， d軸インダクタンスである。 q軸インダクタンス Lqは，隣接する 2つの q d

永久磁石 18の間の距離が大きくなるほど単調に増大されるから， (L L ) /Lが 0.

q d d

3よりも大きいことは，隣接する 2つの永久磁石 18の間の距離が増大されることと等価 である。 (L -L ) /Lの上限は，ロータ 12の物理的限界に基づいて決定される。 (L

q d d q L ) /L力 よりも大きい IPMモータを形成することは実質的に困難であり，現実的 d d

には， （L L ) /Lは 4以下に制限される。

q d d

[0025] 磁石間鉄心部分 17cに作用するリラクタンストルクを利用するという本実施の形態の 技術は，背景技術で言及された文献に開示された技術とは，全く異なる技術的思想 に基づくものである。上記の文献は，マグネットトルクを増大させるために，電機子卷 線に鎖交する磁束の磁束密度を高めることが好適であることを開示して 、る。一方， 本実施の形態の IPMモータでは，磁石間鉄心部分 17cの永久磁石 18の磁極面 18a の円周方向の幅を積極的に減少させ，電機子卷線 15に鎖交する磁束を少なくして いる。これは，マグネットトルクの減少を招く。しかしながら，本実施の形態の IPMモー タでは，隣接する 2つの永久磁石 18の間の距離を増大させることによって磁石間鉄 心部分 17cに作用するリラクタンストルクが増大され，全体としては，その出力トルクを 増大することが可能である。

[0026] 永久磁石 18が浅く埋め込まれることは， 2つの永久磁石 18の間の距離を増大させ てリラクタンストルクを有効に利用する構成において効果的である。本実施の形態の I PMモータ 10のリラクタンストルク Tは，下記式（3) :

R

T =K(L -L ) 1 I , · · · (3)

R q d q d

で表される。 Kは定数であり， I , Iは，それぞれ電機子卷線 15を流れる q軸電流，及 q d

び d軸電流である。隣接する永久磁石 18の間の距離を大きくすると， q軸インダクタン ス Lが増大されるから，式 (3)から理解されるように，隣接する永久磁石 18の間の距 離を大きくすることにより， 出力トルクを増大することができる。これに加えて永久磁石 18が浅く埋め込まれることは， d軸インダクタンス Lを減少させる。式（3)

d

力も理解されるように， d軸インダクタンス Lの減少は，リラクタンストルク Tを増大させ d R る。更に， d軸インダクタンス Lの減少は， d軸電流 Iを増加させ，式（3)から理解され d d

るようにリラクタンストルク τを増大させる。

R

[0027] 以上に説明されているように，本実施の形態では，永久磁石 18を浅く埋め込み，且 つ，隣接する永久磁石 18の間の距離が積極的に増大されている。これにより，磁石 間鉄心部分 17に作用するリラクタンストルクが増大され，以つて ΙΡΜモータ 10の出力 トルクが増大されている。カロえて，永久磁石 18が浅く埋め込まれていることにより， d 軸インダクタンス Lが減少され，磁石間鉄心部分 17に作用するリラクタンストルクが一

d

層に増大されている。

[0028] 上述のように，一般的な IPMモータとは異なり，本実施の形態の IPMモータ 10は， マグネットトルクと，磁石間鉄心部分 17cに作用するリラクタンストルクとの両方を有効 に利用する。永久磁石 18の埋め込み深さが浅いこと，及び隣接する永久磁石 18の 間の距離が積極的に増大されて 、ることに起因して 、る。

[0029] このような IPMモータ 10の特殊性を生かすためには，ロータ 12の極数 nと，スロット 14の数 n (即ち，電機子歯 13の数）とが，下記組み合わせ:

n = 12, n = 9，

1 2

n = 14, n = 12,

1 2

n = 16， n = 12,

1 2

n = 16， n = 18，

1 2

n = 20, n = 15,

1 2

n = 20, n = 18，

1 2

n = 20, n = 21，

1 2

n = 22, n = 24，

1 2

n = 24， n = 18，

1 2

n = 24， n = 27,

1 2

n = 26, n = 24，

1 2

n = 28, n = 24，

1 2

n = 30， n = 27,

のいずれかであることが好適である。当業者にとって周知であるように， 3相の IPMモ ータは，極数 nは偶数であり，スロット数 nは 3の倍数であり，且つ，極数 nとスロット

1 2 1 数 nとは異ならなくてはならない。極数 nとスロット数 nは，これらの条件を満たす様

2 1 2

々な組み合わせが考えられる。しかし，上述の組み合わせは，永久磁石 18の埋め込 み深さが浅い IPMモータ 10において特異的に有利である。その理由が，以下に説 明される。

[0030] 第 1に，これらの組み合わせは，いずれも，極数 nが比較的に大きい。上述の文献 に記載されているように，極数 nが大きいことは，界磁が発生する磁力線のうち電機 子コイルに鎖交する成分を多くし， IPMモータ 10の出力トルクの主成分たるマグネッ トトルクを増加するために有効である。

[0031] 第 2に，これらの組み合わせは，極数 nとスロット数 nとの差が小さいため，界磁の 1

1 2

極を構成する永久磁石 18を，単一の電機子歯 13と正対しやすくする。具体的には， 上記組み合わせでは，極数 nとスロット数 nとの差は高々 5である。これは， IPMモ

1 2

ータ 10の出力トルクの主成分たるマグネットトルクを増加するために有効である。極 数 nとスロット数 nとの差が小さいことは，卷線係数を大きくするためにも有効である。

1 2

卷線係数が大きいことは，永久磁石 18が発生する磁力線をより多く電機子コイル 15 に鎖交させ，マグネットトルクを増加させる。定量的には，上記組み合わせは，いずれ も，卷線係数を 0. 94以上にすることを可能にする。

[0032] 第 3に，これらの組み合わせは，ステータ起磁力の基本波成分に対する卷線係数 を大きくし，かつ高調波成分にたいする卷線係数を小さく設計することを可能にする 。このため，特にこれらの組み合わせは， IPMモータ 10の出力を大きくする。

[0033] 上記の極数 nとスロット数 nとの組み合わせは，これらの有利性を全て具備しており

1 2

,永久磁石 18の埋め込み深さが浅い IPMモータ 10において有利である。

[0034] (実施の第 2形態）

図 4に示されているように，実施の第 2形態では，本発明が 5相の IPMモータ 30に 適用される。 5相の IPMモータは， 3相の IPMモータよりも，それを駆動するのに必要 なインバータの能力及びキャパシタの容量を小さくできるためで好適である。 IPMモ ータ 30は，ステータ 31とロータ 32とを備えている。

[0035] ステータ 31は，電機子歯 33を含む。電機子歯 33は，同一円周上に等間隔に配置 されている。隣接する 2つの電機子歯 33の間には，スロット 34が形成されている。スロ ット 34は，同一円周上に等間隔に配置されることになる。本実施の形態では，スロット の数 nは， 20である。電機子歯 33のそれぞれには，電機子コイル 35が巻かれてい

2

る。ステータ 11の内側に回転磁界を発生するために，電機子コイル 35には， 5相の 電機子電流が供給される。

[0036] ロータ 32の構造は，永久磁石 18の数が異なる点以外，実施の第 1形態のロータ 12 の構造と同一である。本実施の形態では，永久磁石 18の数 (即ち，界磁の極数）は， 22である。永久磁石 18は，その埋め込み深さ Xが，下記式：

x≤D/10, · · · (la)

を満足するような浅い位置に埋め込まれる。 rは，ロータ 12の半径であり， は，界磁 の極数である。更に，隣接する 2つの永久磁石 18は，下記式（2)：

0. 3< (L -L ) /L , · · · (2) を満足する程度に離されている。

[0037] ロータ 32の極数 nと，スロット 34の数 n (即ち，電機子歯 33の数）とは，下記組み合

1 2

わせ：

n = 12, n = 10，

1 2

n = 14, n = 10，

1 2

n = 22, n = 20,

1 2

n = 18， n = 20,

1 2

n = 24， n = 20,

1 2

n = 26, n = 20,

1 2

n = 28, n = 20,

1 2

n = 26, n = 30，

1 2

n = 28, n = 30，

のいずれかであることが好適である。当業者にとって周知であるように， 5相の IPMモ ータは，極数 nは偶数であり，スロット数 nは 10の倍数であり，且つ，極数 nとスロット

1 2 1 数 nとは異ならなくてはならない。極数 nとスロット数 nは，これらの条件を満たす様

2 1 2

々な組み合わせが考えられる。しかし，上述の組み合わせは，永久磁石 18の埋め込 み深さが浅い IPMモータ 30において特異的に有利である。

[0038] 第 1に，これらの組み合わせは，いずれも，極数 nが比較的に大きい。上記の文献 に記載されているように，極数 nが大きいことは，界磁が発生する磁力線のうち電機 子コイルに鎖交する成分を多くし， IPMモータ 30の出力トルクの主成分たるマグネッ トトルクを増加するために有効である。

[0039] 第 2に，これらの組み合わせは，界磁の 1極を構成する永久磁石 18を，単一の電機 子歯 33と正対しやすくする。これは， IPMモータ 10の出力トルクの主成分たるマグネ ットトルクを増加するために有効である。これらの組み合わせは，永久磁石 18が発生 する磁力線をより多く電機子コイル 35に鎖交させ，マグネットトルクを増加させる。

[0040] 第 3に，これらの組み合わせは，ステータ起磁力の基本波成分に対する卷線係数 を大きくし，かつ高調波成分にたいする卷線係数を小さく設計することを可能にする 。このため，特にこれらの組み合わせは， IPMモータ 30の出力を大きくする。 [0041] 上記の極数 nとスロット数 nとの組み合わせは，これらの有利性を全て具備しており

1 2

,永久磁石 18の埋め込み深さが浅い IPMモータ 30において有利である。

[0042] なお，実施の第 1形態，第 2形態のいずれにおいても，界磁の 1極を構成する永久 磁石 18は，同一の方向に磁力線を発生する複数の永久磁石片で構成され得る。こ の場合，永久磁石片の間には，磁力線誘導部分 17aと鉄心本体 17bとを連結するブ リッジ部分が形成される。ブリッジ部分の形成は，磁力線誘導部分 17aと鉄心本体 17 bとの連結強度を向上し，ロータ 12の機械的強度を有効に向上する。

Claims

請求の範囲

[1] ステータと，

ロータ鉄心と，界磁を構成する複数の永久磁石とを備えたロータ

とを含み，

前記ロータ鉄心は，前記ステータに対向する側面を有し，

前記永久磁石は，前記側面に面する磁極面を有し，

前記永久磁石は，前記磁極面と前記側面との距離の最大値 Xが，前記ロータの半 径 rと前記開示の極数 nとを用いて表される下記式（la) , (lb) :

x≤D/10 , · · · (la)

を満足するように前記ロータ鉄心に埋め込まれ，

前記界磁の隣接する 2極をそれぞれに構成する，隣接する 2つの前記永久磁石は ,前記ロータの q軸インダクタンス L ,及び d軸インダクタンス Lを用いて記述される下 q d

記式（2) :

0. 3< (L -L ) /L , · · · (2)

q d d

を満足するように離されて 、る

IPM回転電機。

[2] 請求項 1に記載の IPM回転電機において，

前記ステータには 3相電流が供給され，

前記界磁の極数 nと，前記ステータに設けられたスロットの数 nとは，下記組み合

1 2

わせ：

n = 12, n = 9，

1 2

n = 14, n = 12,

1 2

n = 16， n = 12,

1 2

n = 16， n = 18，

1 2

n = 20, n = 15,

1 2

n = 20, n = 18，

1 2

n = 20, n = 21， n = 22, n = 24，

1 2

n = 24, n = 18，

1 2

n = 24, n = 27,

1 2

n = 26, n = 24，

1 2

n = 28, n = 24，

1 2

n = 30, n = 27,

のいずれかである

IPM回転電機。

請求項 1に記載の IPM回転電機にぉ 、て,

前記ステータには， 5相電流が供給され，

前記界磁の極数 nと，前記ステータに設けられたスロットの数 nとは，下記組み合

1 2

わせ：

n = 12, n = 10，

1 2

n = 14, n = 10，

1 2

n = 22, n = 20,

1 2

n = 18， n = 20,

1 2

n = 24， n = 20,

1 2

n = 26, n = 20,

1 2

n = 28, n = 20,

1 2

n = 26, n = 30，

1 2

n = 28, n = 30，

のいずれかである

IPM回転電機。