JP2013099170A - Electric rotary machine - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electric rotary machine enabling a rotational drive with high quality and high performance, and with less vibration and noise, by considering a condition other than a skew angle so as to decrease a torque ripple while suppressing decrease of a torque.SOLUTION: An electric rotary machine 10 comprises a stator 11 including a plurality of teeth 15 facing a rotor 12, and a plurality of slots 18 being spaces where a coil is wound around the teeth. In the electric rotary machine 10, a pair of permanent magnets 16 applying a magnetic force to the teeth are embedded in the rotor to form a V-shape, and thereby the rotor in the stator is rotationally driven by a reluctance torque and a magnet torque. The rotor is separated into pieces in an axis direction and skewed to displace relative positions of the pieces in a circumferential direction. The rotor and the stator are made up so that an outer diameter ratio Δ that is a ratio of an outer diameter Dr of the rotor to an outer diameter Ds of the stator is 0.645 or greater, preferably, within a range of 0.655 to 0.67.

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。   The present invention relates to an electric rotating machine, and more particularly, to an electric rotating machine that realizes high-quality rotation driving.

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。   Electric rotating machines mounted on various devices are required to have characteristics corresponding to the mounted devices. For example, they are mounted on a hybrid electric vehicle with an internal combustion engine as a driving source, or as a single driving source. In the case of a drive motor mounted on an electric vehicle (Electric Vehicle), it is required to have a wide variable speed characteristic at the same time as generating a large torque in a low rotation range.

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）。   As an electric rotating machine having such characteristics, it is effective to adopt a structure that can effectively use reluctance torque together with magnet torque, and it is permanent so as to be V-shaped that opens toward the outer peripheral surface side. It has been proposed to employ an IPM (Interior Permanent Magnet) structure in which a magnet is embedded in a rotor (for example, Patent Document 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。   In an electric rotating machine that employs this IPM structure, a reluctance torque can be effectively utilized by embedding a permanent magnet in the rotor so as to be V-shaped and securing a q-axis magnetic path. From this, the ratio of the reluctance torque in this electric rotating machine becomes larger than the magnet torque, and the salient pole of the inductance ratio (Lq / Ld) of the q-axis and d-axis in the rotor in which the permanent magnet is embedded in the V-shape. The ratio is also increased, and spatial harmonics are easily superimposed on the magnetic flux waveform. The d-axis is the direction of the magnetic flux created by the magnetic pole, that is, the central axis between the V-shaped permanent magnets, and the q-axis is an adjacent magnetic pole (permanent magnet) that is electrically and magnetically orthogonal to the d-axis. It becomes the central axis between.

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。   For this reason, in such an electric rotating machine, torque ripple (torque ripple) which is a fluctuation range of torque increases. This increase in torque ripple causes an increase in vibration and electromagnetic noise of the electric rotating machine. Among these, the electromagnetic noise has a relatively higher frequency band than the noise caused by the drive of the internal combustion engine, and the electric rotating machine is installed. It is preferable to reduce the noise as much as possible because the sound is uncomfortable for the vehicle occupant.

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。   In addition, the electric rotating machine is required to be driven with high efficiency in order to reduce power consumption and efficiently generate a desired driving force. It becomes a factor of decline.

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）やスムーズな加速性能のためにも、トルクリプルを低減するのが効果的である。   In particular, hybrid vehicles and electric vehicles are required to have an electric rotating machine capable of outputting a high energy density by reducing the weight and reducing the size in accordance with the recent demand for improved energy efficiency (fuel consumption) as well as restrictions on the mounting space. For example, it is necessary to achieve high-efficiency driving in areas that are regularly used when driving in urban areas after starting, and torque ripple is reduced for judder that is abnormal vibration and smooth acceleration performance. It is effective to do.

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り電磁騒音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。   In such an electric rotating machine (motor), as the output density per unit volume increases, the generation of torque ripple tends to increase the electromagnetic noise and deteriorate the efficiency. It is extremely difficult to achieve both reduction and low torque ripple, but the demand is also great.

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）。   As means for realizing the electromagnetic noise reduction and the low torque ripple, it has been proposed to apply a so-called skew in which the rotor is divided in the axial direction so as to be twisted in the rotational direction (for example, patents). Reference 2).

ところで、この特許文献２に記載のスキューを施した電動回転機にあっては、トルクの減少率を抑えつつトルクの脈動をできるだけ小さくするために、そのスキュー角度を１３°〜３１°にしているが、そのスキューを有効に効かせる条件としては、他の要素も関係しているか否かの観点での検討がなされていない。   By the way, in the electric rotating machine subjected to the skew described in Patent Document 2, the skew angle is set to 13 ° to 31 ° in order to minimize the torque pulsation while suppressing the torque reduction rate. However, as a condition for effectively using the skew, no examination has been made in terms of whether other factors are involved.

特開２００８− ９９４１８号公報JP 2008-99418 A 特開２００６−３０４５４６号公報JP 2006-304546 A

そこで、本発明は、スキュー角度以外の条件をも検討して、トルクの低下を抑えつつ、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。   Therefore, the present invention also considers conditions other than the skew angle, and suppresses torque reduction while reducing torque ripple, enabling high-quality and high-efficiency rotational driving with less vibration and noise. The purpose is to provide a machine.

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対する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、前記回転子と前記固定子の一方または双方は軸方向に分割して個々の相対位置を周方向に変位させるスキュー状態にされており、前記回転子の外径Ｄｒの前記固定子の外径Ｄｓに対する外径比率が、トルクが最高範囲内に入るように、当該回転子および当該固定子が作製されていることを特徴とするものである。   A first aspect of the invention relating to an electric rotating machine that solves the above problems includes a rotor that integrally rotates a rotating shaft of a shaft center, and a stator that rotatably accommodates the rotor, and the fixed The child wraps around the teeth portion, a plurality of teeth portions extending toward the outer peripheral surface that rotates around the rotor and facing the inner peripheral surface side to the outer peripheral surface, and a coil for inputting driving power. A plurality of slots formed between the teeth portions in a space, and the rotor is embedded with a plurality of permanent magnets so as to exert a magnetic force against the opposing surface of the teeth portions, Magnetic flux generated during energization of the coil passes through the teeth part, the back side of the teeth part, and the rotor, and a reluctance torque and a magnet of attraction force or repulsive force acting between the permanent magnets. An electric rotating machine that rotationally drives the rotor in the stator by torque, and one or both of the rotor and the stator are divided in the axial direction to skew each relative position in the circumferential direction. The rotor and the stator are manufactured such that the ratio of the outer diameter Dr of the rotor to the outer diameter Ds of the stator is within the maximum range. It is characterized by.

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、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、前記外径比率が、０．６４５≦Ｄｒ／Ｄｓの範囲内になるように、前記回転子および前記固定子が作製されていることを特徴とするものである。   According to a second aspect of the invention relating to the electric rotating machine that solves the above-mentioned problem, in addition to the specific matter of the first aspect, the one set of the permanent magnets on the rotor side and the one set of the stator side In the configuration corresponding to the slot, when the one set of permanent magnet side is one magnetic pole, on the stator side, the set of six slots is configured on the stator side, and the outer diameter ratio is The rotor and the stator are manufactured so as to be in a range of 0.645 ≦ Dr / Ds.

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、前記外径比率が、０．６５５≦Ｄｒ／Ｄｓ≦０．６７の範囲内になるように、前記回転子および前記固定子が作製されていることを特徴とするものである。   According to a third aspect of the invention relating to the electric rotating machine that solves the above problem, in addition to the specific matter of the second aspect, the outer diameter ratio is in a range of 0.655 ≦ Dr / Ds ≦ 0.67. As described above, the rotor and the stator are manufactured.

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１、第２または第３の態様の特定事項に加え、前記ティース部の肉厚幅をＬｔ、前記ティース部の背面側の肉厚幅をＬｂ、前記コイルの導体径をｄ、前記スロットの前記回転子の外面側の開口幅をＬｓとしたときに、Ｌｔ／Ｄｒ≦０．０４、２Ｌｔ≦Ｌｂ、０．３５≦ｄ／Ｌｓ≦０．４４、０．３２≦Ｌｓ／Ｌｔの条件を満たすことを特徴とするものである。   According to a fourth aspect of the invention relating to the electric rotating machine that solves the above problem, in addition to the specific matter of the first, second, or third aspect, the thickness width of the tooth portion is Lt, and the back surface of the tooth portion is Lt / Dr ≦ 0.04, 2Lt ≦ Lb, 0.35 where Lb is the wall thickness on the side, d is the conductor diameter of the coil, and Ls is the opening width on the outer surface side of the rotor of the slot. ≦ d / Ls ≦ 0.44 and 0.32 ≦ Ls / Lt are satisfied.

ここで、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組の前記永久磁石を埋め込んで前記１磁極を構成させてもよい。   Here, on the rotor side, the one magnetic pole may be configured by embedding the pair of permanent magnets in a pair so as to open in a V shape toward the outer peripheral surface side.

このように、本発明の上記の第１の態様によれば、回転子にスキューを施すとともに、トルクリプルを最低範囲内にする回転子の外径Ｄｒと固定子の外径Ｄｓの外径比率で、その回転子および固定子を作製することができる。したがって、トルクの低下を抑えつつ、回転子の回転時に生じるトルク変動のトルクリプルを低減することができ、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。   As described above, according to the first aspect of the present invention, the rotor is skewed and the outer diameter Dr of the rotor and the outer diameter Ds of the stator are set to a torque ripple within the minimum range. The rotor and stator can be produced. Therefore, it is possible to reduce the torque ripple of torque fluctuations that occur during the rotation of the rotor while suppressing torque reduction, realizing high-quality rotation drive with less vibration and noise, and at the same time, with high efficiency with less loss It can be rotated.

本発明の上記の第２、第３の態様によれば、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、外径比率が０．６４５以上、好ましくは、０．６５５〜０．６７にされる。したがって、トルクの低下を抑えつつ、トルクリプルなどを低減して、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。   According to the second and third aspects of the present invention, in the case of a structure in which one magnetic pole on the pair of permanent magnet side corresponds to one set of six slots, the outer diameter ratio is 0.645 or more, preferably , 0.655 to 0.67. Therefore, it is possible to reduce torque ripple and the like while suppressing a decrease in torque, and to realize a high-quality rotation drive with less loss as well as vibration and noise.

本発明の上記の第４の態様によれば、ティース部肉厚幅Ｌｔ／回転子の外径Ｄｒ≦０．０４、ティース部肉厚幅２Ｌｔ≦ティース部背面側肉厚幅Ｌｂ、０．３５≦コイル導体径ｄ／スロット開口幅Ｌｓ≦０．４４、０．３２≦スロット開口幅Ｌｓ／ティース部肉厚幅Ｌｔにすることにより、鉄損を低減することができるとともに、ティース部間のスロット内に巻線を巻線機により自動巻線してコイルを形成することができる。   According to the fourth aspect of the present invention, the teeth portion thickness width Lt / rotor outer diameter Dr ≦ 0.04, the teeth portion thickness width 2Lt ≦ the teeth portion rear side thickness width Lb, 0.35. ≦ Coil conductor diameter d / slot opening width Ls ≦ 0.44, 0.32 ≦ slot opening width Ls / tooth portion thickness width Lt, iron loss can be reduced and slots between teeth portions can be reduced. A coil can be formed by automatically winding a winding in a winding machine.

本発明に係る電動回転機の一実施形態を示す図であり、その概略全体構成を示す平面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure which shows one Embodiment of the electric rotary machine which concerns on this invention, and is a top view which shows the schematic whole structure. その１磁極における磁極開口角度を示す平面図である。It is a top view which shows the magnetic pole opening angle in the 1 magnetic pole. 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。It is a top view which shows the generation | occurrence | production situation of the magnetic flux generation | occurrence | production when there is no magnetic pole in the rotor side. その磁束の近似波形を示すグラフである。It is a graph which shows the approximate waveform of the magnetic flux. その磁束の近似波形と磁極開口角度および磁石開口角度の関係を示す概念説明図である。It is a conceptual explanatory view showing the relationship between the approximate waveform of the magnetic flux, the magnetic pole opening angle, and the magnet opening angle. その固定子に発生する振動モードを説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the vibration mode generate | occur | produced in the stator. その固定子に発生する図６とは異なる振動モードを説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the vibration mode different from FIG. 6 which generate | occur | produces in the stator. その固定子と回転子の外径比率をパラメータとする電磁界解析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the electromagnetic field analysis result which uses the outer diameter ratio of the stator and rotor as a parameter. その固定子と回転子の外径比率をパラメータとする図８と異なる電磁界解析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the electromagnetic field analysis result different from FIG. 8 which uses the outer diameter ratio of the stator and rotor as a parameter. その固定子と回転子の外径比率をパラメータとする図８、図９と異なる電磁界解析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the electromagnetic field analysis result different from FIG. 8, FIG. 9 which uses the outer diameter ratio of the stator and rotor as a parameter.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. 1-10 is a figure which shows one Embodiment of the electric rotary machine which concerns on this invention.

図１および図２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。   1 and 2, an electric rotating machine (motor) 10 includes a stator (stator) 11 formed in a substantially cylindrical shape, and a rotating shaft that is rotatably accommodated in the stator 11 and coincides with an axis. For example, in a hybrid vehicle or an electric vehicle, performance suitable for mounting as a drive source similar to that of an internal combustion engine or in a wheel / wheel is provided. have.

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を発生させるコイルを構成する３相巻線（不図示）が分布巻により巻付形成されている。   The stator 11 is formed with a plurality of stator teeth 15 extending in the normal direction of the axial center so that the outer peripheral surface 12a of the rotor 12 faces the inner peripheral surface 15a via the gap G. . A three-phase winding (not shown) constituting a coil for generating a magnetic flux for rotationally driving the rotor 12 accommodated inside is wound around the stator teeth 15 by distributed winding.

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が形成されており、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）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。   The rotor 12 is manufactured to have an IPM (Interior Permanent Magnet) structure in which a pair of permanent magnets 16 are embedded as one magnetic pole so as to be V-shaped to open toward the outer peripheral surface 12a. The rotor 12 is formed with a space 17a in which a corner portion 16a of a flat plate-like permanent magnet 16 extending in the front / back direction of the drawing is fitted in a facing state and accommodated in a stationary state. The width of the permanent magnet 16 A V-shaped space 17 that forms a space 17b (hereinafter also referred to as a flux barrier 17b) that functions as a flux barrier that restricts the wraparound of the magnetic flux located on both sides of the direction is formed to face the outer peripheral surface 12a. . The V-shaped space 17 is formed with a center bridge 20 that connects and supports the permanent magnets 16 so that the permanent magnets 16 can be positioned and held against centrifugal force during high-speed rotation.

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。   In this electric rotating machine 10, the space between the stator teeth 15 constitutes a slot 18 for forming a coil by winding it through a winding, and six stator teeth are provided on each of the eight sets of permanent magnets 16. It is constructed so that 15 slots face each other, in other words, 6 slots 18 correspond to one magnetic pole formed on the pair of permanent magnets 16 side. That is, the electric rotating machine 10 is wound with 8 poles (4 pole pairs), 48 slots, single-phase distributed winding 5 pitches, with the N and S poles of the permanent magnet 16 alternately arranged for each adjacent magnetic pole. It is made to a wired three-phase IPM motor. In addition, the display of the N pole and the S pole in the figure does not exist on the surface of the member, but is shown for explanation.

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。   Thus, the electric rotating machine 10 attracts the permanent magnet 16 when the coil in the slot 18 of the stator 11 is energized and the magnetic flux is passed through the rotor 12 facing from the stator teeth 15. In addition to the magnet torque caused by the repulsive force, it can be rotationally driven by a total torque including the reluctance torque that attempts to minimize the magnetic path through which the magnetic flux passes, and the rotating shaft 13 that rotates integrally with the rotor 12. It is possible to output the electrical energy energized and input as mechanical energy.

ここで、この電動回転機１０は、図３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。   Here, as shown in FIG. 3, the electric rotating machine 10 is equally arranged in the rotor 12 from the stator 11 for each of a plurality of stator teeth 15 corresponding to a pair of permanent magnets 16 constituting one magnetic pole. A winding coil is distributedly wound in the slot 18 so as to form a magnetic path, and the permanent magnet 16 is accommodated along this magnetic path, in other words, so as not to prevent the formation of magnetic flux. A V-shaped space 17 is formed. Note that the stator 11 and the rotor 12 are screwed by using a bolt hole 19 or the like by superposing thin sheets of electromagnetic steel plate material such as silicon steel in the axial direction so as to have a thickness corresponding to a desired output torque. It is produced by.

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４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４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。   When the electric rotating machine 10 has an IPM structure in which the permanent magnet 16 is embedded in the rotor 12, the change in magnetic flux in one tooth of the stator tooth 15 of the stator 11 approximates a rectangular wave as shown in FIG. can do. By superimposing low-order spatial harmonics such as the fifth and seventh orders on this magnetic flux waveform, iron loss and torque ripple, which is the fluctuation range of torque, increase, resulting in a decrease in efficiency due to waste as thermal energy. This is a cause of vibration and noise. Iron loss can be divided into hysteresis loss and eddy current loss. Hysteresis loss is the product of frequency and magnetic flux density, and eddy current loss is the product of the square of frequency and magnetic flux density, so the loss can be reduced by suppressing spatial harmonics, and the input of electrical energy Drive efficiency can be improved. In FIG. 4, the vertical axis is the field magnetic flux, the horizontal axis is time, and there is no magnetic flux linkage between L1 and the magnetic flux is forward and reverse linked between L2 with respect to one stator tooth 15. , An approximate rectangular wave of the magnetic flux waveform in one electrical angle period T (4L1 + 2L2) is illustrated.

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。

The electromagnetic noise of the motor (electric rotating machine) is generated by the vibration of the stator due to the electromagnetic force acting on the stator (stator) side. The electromagnetic force acting on the stator is the same as that of the rotor (rotor). There are radial electromagnetic force due to the magnetic coupling of the stator and circumferential electromagnetic force due to torque. When the motor is approximated by a linear magnetic circuit for each stator tooth 15, the radial electromagnetic force is considered to be magnetic flux φ, magnetic energy W, radial electromagnetic force fr, magnetic resistance Rg, magnetic flux density B, magnetic flux. Assuming that the interlinkage area S, the distance x between the air gaps G, and the magnetic path permeability μ, the magnetic energy W and the radial electromagnetic force fr can be expressed by the following equations (1) and (2).

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。

Therefore, when the magnetic flux density B is expressed as the following equation (3) in consideration of the spatial harmonics, the radial electromagnetic force fr includes the square of the magnetic flux density B, so that the superposition of the spatial harmonics is radial. This increases the electromagnetic force fr. That is, it has been clarified by earnest research and study that reduction of spatial harmonics can realize reduction of torque ripple and, in turn, reduction of motor electromagnetic noise and improvement of driving efficiency.

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。   Further, the torque ripple of the three-phase motor having the IPM structure is based on the 6f order (f = 1, 2, 3,.・: Natural number) It was found by intensive research and examination that it occurs in components.

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） Specifically, each phase induced voltage E _u (t), E _v (t), E _w (t), UVW phase currents I _u (t), I _v (t), I, UVW, angular velocity ω _m , UVW _{When w} (t), the three-phase output P (t) and the torque τ (t) can be expressed as the following equations (4) and (5).
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。

The three-phase torque is the sum of the torques of the U-phase, V-phase, and W-phase, where m represents the harmonic component of the current, n represents the harmonic component of the voltage, and the U-phase voltage E _u (t) Is represented by the following equation (6) and the U-phase current I _u (t) is represented by the following equation (7), the U-phase torque τ _u (t) can be represented by the following equation (8).

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。

Here, since the phase current I (t) and the phase voltage E (t) are both symmetrical waves, “n” and “m” are only odd numbers, and the V-phase torque other than the U-phase and the W-phase The torque is a phase difference of “+ 2π / 3 (rad)” and “−2π / 3 (rad)” with respect to the U-phase induced voltage E _u (t) and the U-phase current I _u (t), respectively. The overall torque is canceled (offset) so that only the term of the coefficient “6” remains,
6f = n ± m (f: natural number), s = nα _n + mβ _m , t = nα _n −mβ _m
Then, it can be expressed as the following formula (9).

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。   In addition, since the induced voltage can be obtained by time-differentiating the magnetic flux, the same order component is generated in the harmonic order contained in each induced voltage and the harmonic contained in the 1-phase 1-pole magnetic flux. As a result, in the three-phase AC motor, when the combination of the spatial harmonic order n included in the magnetic flux (induced voltage) and the time harmonic order m included in the phase current is 6f, the torque ripple of the 6f-order component is It was found that this occurred.

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。   By the way, as described above, the torque ripple of the three-phase motor is obtained when n ± m = 6f (f: natural number) in the space harmonic n in the magnetic flux waveform in one phase and one pole and the time harmonic m in the phase current. Therefore, for example, in the case of approximating a sine wave with only the time harmonic m = 1 of the phase current, torque ripple is generated when the superposition of the orders of the spatial harmonics n = 5, 7, 11, 13 occurs. It will be.

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るので、電気角の１周期内においては、磁気抵抗が大となるスロット１８が１２箇所存在し、該当するスロット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。   In the case of a three-phase IPM motor in which six slots 18 per magnetic pole correspond to each other as in the electric rotating machine 10, since 12 slots 18 correspond to one magnetic pole pair, within one cycle of the electrical angle There are 12 slots 18 where the magnetic resistance becomes large, and the 11th and 13th spatial harmonics n are superimposed on the magnetic flux waveform by the magnetic resistance of the corresponding slot 18.

しかしながら、３相のＩＰＭ構造の場合には、図４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。   However, in the case of the three-phase IPM structure, as shown in FIG. 4, the magnetic flux waveform in which the field magnetic flux interlinks with one stator tooth 15 becomes a substantially rectangular wave. The seventh-order spatial harmonic n (6f-order = sixth-order harmonic) is easily superimposed and difficult to reduce.

この３相のＩＰＭ構造の１つのステータティース１５における磁束波形を矩形波近似したときのフーリエ変換式ｆ(t)は、次式（１０）のように表され、図４に図示する磁束波形Ｆ(t)は、次式（１１）のように表すことができる。この磁束波形Ｆ(t)は、７次までの空間高調波を含む近似式とすると、次式（１２）のように表され、三角関数の和積の公式で展開し整理すると、次式（１３）のように変形することができ、この式から５次または７次の高調波を低減するには、次の条件１または条件２を満たす必要があることが分かる。
条件１：「ｃｏｓ５ω・Ｌ１＝０」
条件２：「ｃｏｓ７ω・Ｌ１＝０」

A Fourier transform formula f (t) obtained by approximating a rectangular waveform of the magnetic flux waveform in one stator tooth 15 having the three-phase IPM structure is expressed as the following equation (10), and the magnetic flux waveform F illustrated in FIG. (t) can be expressed as the following equation (11). If this magnetic flux waveform F (t) is an approximate expression including spatial harmonics up to the seventh order, it is expressed as the following expression (12). 13), it can be seen from this equation that the following condition 1 or condition 2 must be satisfied in order to reduce the fifth or seventh harmonic.
Condition 1: “cos5ω · L1 = 0”
Condition 2: “cos7ω · L1 = 0”

ところで、図４の磁束波形を参照すると、次式（１４）であることから、条件１の変形式に代入すると、次式（１５）のようになる。ここで、「Ｌ１、Ｌ２＞０」であることから、これを整理すると、次の条件１Ａを満たすことにより５次の空間高調波をゼロにして抑えることができることが分かる。
角周波数（角速度）ω＝２π／Ｔ＝２π／（４Ｌ１＋２Ｌ２） ……（14）
条件１：５ωＬ１＝５・２πＬ１／（４Ｌ１＋２Ｌ２）＝±π／２ ……（15）
条件１Ａ：Ｌ１＝Ｌ２／８ By the way, referring to the magnetic flux waveform in FIG. 4, the following equation (14) is obtained. Here, since “L1, L2> 0”, it can be understood that the fifth-order spatial harmonics can be reduced to zero by satisfying the following condition 1A when this is arranged.
Angular frequency (angular velocity) ω = 2π / T = 2π / (4L1 + 2L2) (14)
Condition 1: 5ωL1 = 5 · 2πL1 / (4L1 + 2L2) = ± π / 2 (15)
Condition 1A: L1 = L2 / 8

同様に、条件２の変形式は、次式（１６）のようになり、「Ｌ１、Ｌ２＞０」であることから、これを整理すると、次の条件２Ａを満たすことにより７次の空間高調波をゼロにして抑えることができることが分かる。
条件２：７ωＬ１＝７・２πＬ１／（４Ｌ１＋２Ｌ２）＝±π／２ ……(16)
条件２Ａ：Ｌ１＝Ｌ２／１２ Similarly, the modified expression of the condition 2 is as shown in the following expression (16), and “L1, L2> 0”. Therefore, when this is rearranged, the seventh-order spatial harmonic is satisfied by satisfying the following condition 2A. It can be seen that the wave can be reduced to zero.
Condition 2: 7ωL1 = 7 · 2πL1 / (4L1 + 2L2) = ± π / 2 (16)
Condition 2A: L1 = L2 / 12

そして、電動回転機１０の８極４８スロットモータの構成では、回転子１２を半径ｒとすると、次の関係にあることから、周速度Ｖを使って次の式（１７）、式（１８）のように整理することができる。
機械角４５度＝電気角周期Ｔ／２
Ｖ(m/sec）＝２πｒ・（４５°／３６０°）／（Ｔ／２）
＝２πｒ・（４５°／３６０°）／（（４Ｌ１＋２Ｌ２）／２）
＝ｒ(m)・ω(rad/sec) ……(17)
２Ｌ１＋Ｌ２＝π／４ω ……(18) In the configuration of the 8-pole 48-slot motor of the electric rotating machine 10, if the rotor 12 has a radius r, the following relationship is established using the peripheral speed V because the relationship is as follows. Can be organized.
Mechanical angle 45 degrees = electrical angle period T / 2
V (m / sec) = 2πr · (45 ° / 360 °) / (T / 2)
= 2πr · (45 ° / 360 °) / ((4L1 + 2L2) / 2)
= R (m) ・ ω (rad / sec) …… (17)
2L1 + L2 = π / 4ω (18)

これに条件１Ａと条件２Ａを代入すると、次の条件を導くことができる。
５次空間高調波＝０ ⇒ （Ｌ２、Ｌ１）＝（π／５ω、π／４０ω）
７次空間高調波＝０ ⇒ （Ｌ２、Ｌ１）＝（３π／１４ω、π／５６ω） By substituting condition 1A and condition 2A for this, the following condition can be derived.
5th-order spatial harmonics = 0 ⇒ (L2, L1) = (π / 5ω, π / 40ω)
7th spatial harmonic = 0 ⇒ (L2, L1) = (3π / 14ω, π / 56ω)

これから、電動回転機１０では、次の関係式（１９）を満たすようにレイアウトすることで、５次と７次の空間高調波を低減傾向にして、トルクリプルを抑えることができる。   From this, in the electric rotating machine 10, by laying out so as to satisfy the following relational expression (19), it is possible to reduce the fifth and seventh spatial harmonics and suppress the torque ripple.

π／５ω≦Ｌ２≦３π／１４ω(sec) ……(19)       π / 5ω ≦ L2 ≦ 3π / 14ω (sec) (19)

ここで、当該関係式（１９）の「Ｌ２」は、図４の磁束波形におけるステータティース１５に対面する回転子１２側の磁路を形成する領域に相当し、永久磁石１６の両側のフラックスバリア１７ｂの外端部までの領域を含む範囲の軸心を中心とする拡開角度θ１、言い換えると、磁極開口角度θ１とすることができる。   Here, “L2” in the relational expression (19) corresponds to a region where a magnetic path on the rotor 12 side facing the stator teeth 15 in the magnetic flux waveform of FIG. 4 is formed, and flux barriers on both sides of the permanent magnet 16. The expansion angle θ1 about the axis center in a range including the region up to the outer end portion of 17b, in other words, the magnetic pole opening angle θ1 can be obtained.

この図４の磁束波形を参照すると、「θ＝ωｔ」の関係式が成り立つことから、
「θ１＝ωＬ２」と置き換えることができ、各種表示形式では次のように表すことができる。例えば、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周期に相当し、次の関係式が成り立つことになる。
π／５(rad)≦θ１(機械角)≦３π／１４(rad)
３６(degree)≦θ１(機械角)≦２７０／７(degree)
θ１(機械角)＝（８極／２極）・θ１(電気角)
１４４(degree)≦θ１(電気角)≦１５４．３(degree) Referring to the magnetic flux waveform in FIG. 4, the relational expression “θ = ωt” is established.
It can be replaced with “θ1 = ωL2” and can be expressed as follows in various display formats. For example, in the structure of the 8-pole 48-slot motor of the electric rotating machine 10 (structure in which 6 slots correspond to 1 magnetic pole), since 2 poles in 8 poles are one cycle, the mechanical angle 1 of the rotor 12 is 1 The rotation of 360 ° corresponds to 4 electrical angles, and the following relational expression is established.
π / 5 (rad) ≦ θ1 (mechanical angle) ≦ 3π / 14 (rad)
36 (degree) ≦ θ1 (mechanical angle) ≦ 270/7 (degree)
θ1 (mechanical angle) = (8 poles / 2 poles) · θ1 (electrical angle)
144 (degree) ≦ θ1 (electrical angle) ≦ 154.3 (degree)

このことから、電動回転機１０では、図５に示すように、永久磁石１６と両端側フラックスバリア１７ｂの外端部までを含めた１磁極の磁極開口角度θ１が次の関係式（２０）、関係式（２１）になるようなレイアウトになるように回転子１２内に設置されている。
３６°≦θ１(機械角)≦３８．６° ……(20)
１４４°≦θ１(電気角)≦１５４．３° ……(21) From this, in the electric rotating machine 10, as shown in FIG. 5, the magnetic pole opening angle θ1 of one magnetic pole including the permanent magnet 16 and the outer end portions of the both end side flux barriers 17b is expressed by the following relational expression (20), It is installed in the rotor 12 so as to have a layout that satisfies the relational expression (21).
36 ° ≦ θ1 (mechanical angle) ≦ 38.6 ° (20)
144 ° ≦ θ1 (electrical angle) ≦ 154.3 ° (21)

ところで、回転子１２内に永久磁石１６をＶ字に埋め込んだＩＰＭ構造では、磁極が作る磁束の方向、すなわち、Ｖ字の永久磁石１６間の中心軸をｄ軸とし、また、そのｄ軸と電気的・磁気的に直交する、隣接する磁極間の永久磁石１６間の中心軸をｑ軸とする。このときに、回転子１２における１磁極の磁極開口角度θ１は、図４に示すような磁束波形の近似波形における、磁束がステータティース１５に鎖交する期間Ｌ２に対応し、図５に示すように、その鎖交期間Ｌ２はｑ軸間θ２の中心に位置して、さらに、その鎖交期間Ｌ２の中心線にｄ軸が一致するタイミングの磁束波形となっている。なお、図２中の角度θ２は、ｑ軸間の角度に相当して機械角度４５°であり、また、磁束波形における半周期の電気角度θである。   By the way, in the IPM structure in which the permanent magnet 16 is embedded in the V-shape in the rotor 12, the direction of the magnetic flux generated by the magnetic pole, that is, the central axis between the V-shaped permanent magnets 16 is defined as the d-axis. The central axis between the permanent magnets 16 between adjacent magnetic poles that are orthogonal to each other electrically and magnetically is defined as the q axis. At this time, the magnetic pole opening angle θ1 of one magnetic pole in the rotor 12 corresponds to a period L2 in which the magnetic flux is linked to the stator teeth 15 in the approximate waveform of the magnetic flux waveform as shown in FIG. In addition, the interlinkage period L2 is located at the center of the q-axis inter-axis θ2, and the magnetic flux waveform has a timing at which the d-axis coincides with the center line of the interlinkage period L2. The angle θ2 in FIG. 2 is a mechanical angle of 45 ° corresponding to the angle between the q axes, and is an electrical angle θ of a half cycle in the magnetic flux waveform.

したがって、電動回転機１０は、回転子１２内の永久磁石１６のフラックスバリア１７ｂを含む磁極開口角度θ１を、相電流の時間高調波ｍの基本波形となるｍ＝１としたときに、トルクリプルの低減に有効な特定次数である６ｆ次（ｎ＝５、７）にする相電圧の空間高調波ｎの５次、７次を抑える角度範囲（１４４°≦θ１(電気角)≦１５４．３°）にすることによって、トルクリプルを低減して振動や騒音を少なく回転軸１３を高品質に回転駆動させることができる。また、同時に、トルクリプルを低減させることにより振動を少なくすることによる熱損失と共に、ヒステリシス損と渦電流損の鉄損を抑えることができ、損失の少ない高効率に回転駆動させることができる。   Therefore, the electric rotating machine 10 has a torque ripple when the magnetic pole opening angle θ1 including the flux barrier 17b of the permanent magnet 16 in the rotor 12 is set to m = 1, which is the basic waveform of the time harmonic m of the phase current. An angular range (144 ° ≦ θ1 (electrical angle) ≦ 154.3 °) that suppresses the fifth and seventh orders of the spatial harmonics n of the phase voltage to the 6f order (n = 5, 7), which is a specific order effective for reduction. ), The torque ripple can be reduced to reduce the vibration and noise, and the rotary shaft 13 can be driven to rotate with high quality. At the same time, it is possible to suppress the iron loss such as hysteresis loss and eddy current loss as well as heat loss by reducing vibration by reducing the torque ripple, and it is possible to drive the rotation with high efficiency with little loss.

ここで、電動回転機１０が基本構造として採用する３相のＩＰＭ構造のモータでは、固定子１１（ステータ鉄心）の振動解析を行ったところ、上記の式（２）に示す径方向電磁力ｆｒにおいて上記の式（３）にて表される磁束密度の高調波によって発生する径方向電磁力高調波成分が２次、４次、８次、１０次のときには、８角形に変形しつつその８角形が回転する振動モード（ｋ＝８）が発生し、また、径方向電磁力ｆｒの６次、１２次（６ｆ次）のときには、真円のまま膨張・収縮を繰り返す振動モード（ｋ＝０）が発生することが判明している。例えば、径方向電磁力ｆｒの２次により発生する振動モードは、図６（ａ）および図６（ｂ）に異なる時間タイミングＴ１、Ｔ２における状態を示すように、固定子１１の振動により変形した８角形が回転していることが分かる。また、径方向電磁力ｆｒの６次により発生する振動モードは、同様に、図７（ａ）および図７（ｂ）に異なる時間タイミングＴ１、Ｔ２における状態を示すように、固定子１１が膨張・収縮を繰り返していることが分かる。なお、径方向電磁力ｆｒの１０次により発生する振動では、図示することは省略するが、ｋ＝８の８角形の振動モードに加えて楕円の振動モードが合わさっている。   Here, in the three-phase IPM structure motor adopted as the basic structure of the electric rotating machine 10, when the vibration analysis of the stator 11 (stator core) is performed, the radial electromagnetic force fr shown in the above equation (2) is obtained. When the radial electromagnetic force harmonic component generated by the harmonic of the magnetic flux density represented by the above formula (3) is second, fourth, eighth, or tenth, When the vibration mode (k = 8) in which the square rotates is generated and the sixth-order and twelfth-order (6f-order) of the radial electromagnetic force fr, the vibration mode (k = 0) that repeats expansion and contraction while maintaining a perfect circle. ) Has been found to occur. For example, the vibration mode generated by the secondary of the radial electromagnetic force fr is deformed by the vibration of the stator 11 as shown in FIGS. 6A and 6B at different time timings T1 and T2. It can be seen that the octagon is rotating. The vibration mode generated by the sixth order of the radial electromagnetic force fr similarly expands the stator 11 as shown in FIGS. 7A and 7B at different time timings T1 and T2.・ It can be seen that the contraction is repeated. In the vibration generated by the tenth order of the radial electromagnetic force fr, although not shown, an elliptical vibration mode is combined with an octagonal vibration mode of k = 8.

このとき、８極４８スロットモータの電動回転機１０では、機械角３６０度で、８方向に磁束密度が分布するために径方向電磁力ｆｒも８方向に分布することになり、その８方向の径方向電磁力ｆｒによりｋ＝８の振動モードとなる。また、高調波の６ｆ次が６次、１２次の振動モードでは、トルクリプルに起因する周方向ベクトル電磁力と、固定子１１の磁気結合に起因する径方向ベクトル電磁力ｆｒとの合成ベクトル電磁力が固定子１１に作用することにより振動が発生している。これにより、トルクリプルが発生する６ｆ次の６次、１２次では、膨張・収縮を繰り返すｋ＝０の振動モードとなって、その固定子１１の外周面側の空気がその膨張・収縮に伴う振動を伝搬して、電動回転機１０のモータ電磁騒音を他の次数よりも大きくしている。なお、上述以外の次数では、トルクリプルも発生せず、問題となるような振動や騒音は発生しない。   At this time, in the electric rotating machine 10 of the 8-pole 48-slot motor, since the magnetic flux density is distributed in 8 directions at a mechanical angle of 360 degrees, the radial electromagnetic force fr is also distributed in 8 directions. The vibration mode of k = 8 is set by the radial electromagnetic force fr. Further, in the 6th order and 12th order vibration modes of the harmonics, the combined vector electromagnetic force of the circumferential vector electromagnetic force caused by the torque ripple and the radial vector electromagnetic force fr caused by the magnetic coupling of the stator 11. Vibrates by acting on the stator 11. As a result, in the 6th order and 12th order in which the torque ripple is generated, the vibration mode of k = 0 which repeats expansion and contraction is set, and the air on the outer peripheral surface side of the stator 11 vibrates due to the expansion and contraction. The motor electromagnetic noise of the electric rotating machine 10 is made larger than other orders. Note that orders other than those described above do not generate torque ripple, and no problematic vibration or noise occurs.

この結果、電動回転機１０では、磁束波形における高調波で、特に問題となる６次（ｍ＝１、ｎ＝５、７）を抑えることにより、トルクリプルを低減することができ、車載時の異常振動であるジャダー（judder）を抑えるとともに、モータ電磁騒音を抑えることができることも分かる。   As a result, in the electric rotating machine 10, torque ripple can be reduced by suppressing the 6th order (m = 1, n = 5, 7), which is a particular problem, with harmonics in the magnetic flux waveform, and abnormalities in the vehicle can be reduced. It can also be seen that the motor electromagnetic noise can be reduced while suppressing the vibration judder.

さらに、この電動回転機１０では、回転子１２側の１磁極毎の構造に加えて、その回転子１２を軸方向に分割して個々の相対位置を周回回転方向に捩じることにより、永久磁石１６やフラックスバリア１７ｂの間に段差を形成する、所謂、段スキューが施されており、また、トルクリプルを最低限とする最低範囲内になるように、固定子１１と回転子１２の外径比が調整されている。なお、この回転子１２のスキューの段数は必要なトルクなどの特性に応じて適宜決定すればよい。また、本実施形態では、回転子１２側に段スキューを施す場合を一例に説明するが、これに限るものではなく、固定子１１側を軸方向に分割して、３相各相のコイルの形成位置を回転子１２の周回回転方向に捩じった相対位置関係にするようにしてもよく、また、固定子１１と回転子１２のそれぞれにスキューを施して組み合わせるようにしてもよい。   Further, in this electric rotating machine 10, in addition to the structure of each magnetic pole on the rotor 12 side, the rotor 12 is divided in the axial direction and the individual relative positions are twisted in the rotational direction of rotation, so that A so-called step skew is formed between the magnet 16 and the flux barrier 17b, and the outer diameters of the stator 11 and the rotor 12 are within a minimum range that minimizes torque ripple. The ratio has been adjusted. Note that the number of stages of skew of the rotor 12 may be appropriately determined according to characteristics such as necessary torque. Further, in the present embodiment, the case where the step skew is applied to the rotor 12 side will be described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the stator 11 side is divided in the axial direction so The formation position may be a relative positional relationship twisted in the circumferential rotation direction of the rotor 12, or the stator 11 and the rotor 12 may be combined with each other skewed.

詳細には、回転子１２の段スキューとしては、最大トルクを実現しながらスキューによる大きな効果を得られるように、例えば、電気角で１５°だけ捩じった位置関係になるように作製されている。なお、このスキュー角度１５°（電気角）は、これに限るものではなく、例えば、上記の特許文献２に記載のように、１３°〜３１°の範囲内のスキュー角度を採用してもよく、さらに、製造上の都合などに応じて他のスキュー角度を採用してもよいことは言うまでもない。   Specifically, the step skew of the rotor 12 is manufactured so as to have a positional relationship twisted by 15 ° in electrical angle, for example, so that a large effect can be obtained while realizing the maximum torque. Yes. The skew angle 15 ° (electrical angle) is not limited to this, and for example, a skew angle in the range of 13 ° to 31 ° may be adopted as described in Patent Document 2 above. Furthermore, it goes without saying that other skew angles may be adopted depending on the manufacturing convenience.

また、電動回転機１０の構造で回転子１２の外径Ｄｒの固定子１１の外径Ｄｓに対する外径比率Δ（Ｄｒ／Ｄｓ）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、スキューの有無毎に、トルクと、トルクリプルとを導出して比較すると、図８のグラフに示すようなトルク波形とトルクリプル波形のようになる。   Further, in the structure of the electric rotating machine 10, the electromagnetic field analysis by the finite element method is performed by using the outer diameter ratio Δ (Dr / Ds) of the outer diameter Dr of the rotor 12 to the outer diameter Ds of the stator 11 as a parameter, and the skew. When the torque and the torque ripple are derived and compared for each presence or absence, a torque waveform and a torque ripple waveform as shown in the graph of FIG. 8 are obtained.

この電動回転機１０としては、スキューによるトルク低下のない構造で（スキューなしで）トルクリプルを最低限に抑えときと同等以上のトルクを閾値にしつつ、そのトルクリプル特性を向上を図るには、この図８のグラフの波形からすると、
０．６４５≦Δ、好ましくは、０．６５５≦Δ≦０．６７
とすることにより、図８中の閾値線程度にできることが分かる。なお、この図８からは、スキューを施すことにより、永久磁石１６の段差における着磁力の低下によりトルクが低下しているが、トルクリプルは、ほぼ平坦な状態にできていることが分かる。このため、固定子１１側にスキューを施すのも一案である。 This electric rotating machine 10 has a structure in which the torque does not decrease due to skew (without skew). In order to improve the torque ripple characteristic while setting the torque ripple equal to or greater than that when the torque ripple is minimized, From the graph of 8 graph,
0.645 ≦ Δ, preferably 0.655 ≦ Δ ≦ 0.67
By doing so, it can be seen that it can be made about the threshold line in FIG. From FIG. 8, it can be seen that, by applying the skew, the torque is reduced due to the decrease in the magnetizing force at the step of the permanent magnet 16, but the torque ripple is almost flat. For this reason, it is one idea to skew the stator 11 side.

また、図９は、その固定子１１と回転子１２の外径比率Δをパラメータとして、回転子１２にスキューを施していない構造での、線間電圧における（高調波トルク６次に起因する）ｍ＝５、７、（高調波トルク１２次に起因する）ｍ＝１１、１３の空間高調波含有率、線間電圧ＴＨＤ（Total Harmonic Distortion：高調波歪率）を図示している。   Further, FIG. 9 shows a line voltage in a structure in which the rotor 12 is not skewed with the outer diameter ratio Δ of the stator 11 and the rotor 12 as a parameter (due to the sixth harmonic torque). The spatial harmonic content and the line voltage THD (Total Harmonic Distortion) of m = 5, 7, m = 11, 13 (due to the harmonic torque 12) are illustrated.

この図９のグラフからは、トルクリプルの発生原因のうちの１１次の空間高調波の含有率が他に比べて大きく上昇傾向にあることが分かり、０．６４５≦Δとすることがトルクリプルの低減に有効であることが分かる。なお、この電動回転機１０では、その１１次の空間高調波は回転子１２のスキューにより低減されている。   From the graph of FIG. 9, it can be seen that the content of 11th-order spatial harmonics among the causes of torque ripple tends to increase significantly compared to the others, and reducing torque ripple is set to 0.645 ≦ Δ. It turns out that it is effective. In the electric rotating machine 10, the 11th-order spatial harmonics are reduced by the skew of the rotor 12.

また、図１０は、その固定子１１と回転子１２の外径比率Δ＝０．６１の外径比率を基準にして、回転子１２にスキューを施していない構造での、６次、１２次の電磁力高調波成分の変化率を図示している。   FIG. 10 is a sixth-order and twelfth-order structure in which the rotor 12 is not skewed with reference to the outer diameter ratio Δ = 0.61 of the stator 11 and the rotor 12. The rate of change of the electromagnetic force harmonic component is illustrated.

この図１０のグラフからは、上述したように永久磁石１６側の１磁極の磁極開口度θ１の調整では抑えることが難しかった１２次の径方向電磁力高調波成分が０．６４５≦Δで、特に、０．６５５≦Δで増加傾向になっていることが分かり、固定子１１と回転子１２の外径比率Δ（Ｄｒ／Ｄｓ）をその範囲内にすることが回転子１２のスキューによりそのトルクリプルを低減できて有効であることが分かる。   From the graph of FIG. 10, the 12th-order radial electromagnetic force harmonic component, which was difficult to suppress by adjusting the magnetic pole opening degree θ1 of one magnetic pole on the permanent magnet 16 side as described above, is 0.645 ≦ Δ, In particular, it can be seen that there is an increasing tendency when 0.655 ≦ Δ, and the outer diameter ratio Δ (Dr / Ds) of the stator 11 and the rotor 12 is within that range due to the skew of the rotor 12. It turns out that torque ripple can be reduced and it is effective.

これらの図９〜図１０の傾向を踏まえると、上述するように、固定子１１と回転子１２の外径比率Δ（Ｄｒ／Ｄｓ）は、０．６４５以上で、好ましくは、０．６５５〜０．６７の範囲内になるように、その固定子１１と回転子１２の外径Ｄｓ、Ｄｒを調整するのが好適であることが分かる。固定子１１と回転子１２は、この外径比率Δに調整することにより、回転子１２を軸方向に分割して永久磁石１６間を回転方向に捩じった相対位置にする、所謂、スキューの効果を有効活用しつつ、自動車の発進後の市街地走行時などに必要とされるトルク常用領域でも、必要なトルクを得つつトルクリプルを低減できることが分かる。なお、この固定子１１と回転子１２の外径比率Δの上限は、この電動回転機１０の構造において、０．６７以上では固定子１１側に発生させる磁束密度を十分に上げることができなくなるなどのモータとして必要な構造を満たすことができないことから、その点からおのずと決定される条件である。   9 to 10, the outer diameter ratio Δ (Dr / Ds) between the stator 11 and the rotor 12 is 0.645 or more, preferably 0.655, as described above. It can be seen that it is preferable to adjust the outer diameters Ds and Dr of the stator 11 and the rotor 12 so as to be within the range of 0.67. The stator 11 and the rotor 12 are adjusted to the outer diameter ratio Δ to divide the rotor 12 in the axial direction so that the permanent magnets 16 are twisted in the rotational direction so-called skew. It can be seen that the torque ripple can be reduced while obtaining the required torque even in the normal torque region required when driving in the city after the start of the vehicle, while effectively utilizing the effect of the above. Note that the upper limit of the outer diameter ratio Δ between the stator 11 and the rotor 12 in the structure of the electric rotating machine 10 cannot sufficiently increase the magnetic flux density generated on the stator 11 side when 0.67 or more. This is a condition that is naturally determined from that point because the structure required for a motor cannot be satisfied.

この固定子１１は、鉄損や銅損を低減しつつスロット１８内に巻線をコイル自動挿入機（インサータマシン）で巻き付けて３相用コイルを分布巻する。このことから、コイルの導体径をｄ、スロット１８の回転子１２側の開口幅をＬｓとしたときには、巻線１本並びで挿入の場合にはｄ／Ｌｓ＝０．３５〜０．４４の範囲内にすることを満たしつつ、スロット１８内のコイルの占有率が角線として計算したときには７５％〜９０％程度にして銅損の低減を狙う。また、鉄損の低減のために、ステータティース１５の肉厚幅をＬｔ、ステータティース１５の背面側（バックヨーク）の肉厚幅をＬｂとしたときには、Ｌｔ／Ｄｒ≦０．０４、２Ｌｔ≦Ｌｂ、０．３２≦Ｌｓ／Ｌｔを満たすように固定子１１の各部の寸法を決定する。なお、巻線２本並びで挿入の場合にはｄ／Ｌｓ＝０．２９〜０．３２の条件で寸法を決定すればよい。   The stator 11 distributes the three-phase coil by winding a winding around the slot 18 with an automatic coil insertion machine (inserter machine) while reducing iron loss and copper loss. Therefore, when the coil conductor diameter is d and the opening width of the slot 18 on the rotor 12 side is Ls, d / Ls = 0.35 to 0.44 in the case of inserting a single winding. When the occupancy ratio of the coil in the slot 18 is calculated as a square line while satisfying the range, it is aimed to reduce copper loss by about 75% to 90%. Further, in order to reduce iron loss, when the thickness width of the stator teeth 15 is Lt and the thickness width of the back side (back yoke) of the stator teeth 15 is Lb, Lt / Dr ≦ 0.04, 2Lt ≦ The dimensions of each part of the stator 11 are determined so as to satisfy Lb, 0.32 ≦ Ls / Lt. In the case of inserting two windings side by side, the dimensions may be determined under the condition of d / Ls = 0.29 to 0.32.

このように本実施形態においては、回転子１２にスキューを施しつつ、その回転子１２の外径Ｄｒと固定子１１の外径Ｄｓとの外径比率Δ（Ｄｒ／Ｄｓ）を０．６４５以上、好ましくは、０．６５５〜０．６７の範囲内にすることにより、十分なトルクを得つつ回転駆動時に生じるトルク変動のトルクリプルを最低範囲内に低減することができる。また、固定子１１におけるステータティース１５の肉厚幅Ｌｔやその背面側のバックヨークの肉厚幅Ｌｂなども含めて上記の最適条件にすることにより、コイルの自動巻線を確保しつつ銅損や鉄損も低減して効率よく電動回転機１０を回転駆動させることができる。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駆動させることができる。   As described above, in this embodiment, while the rotor 12 is skewed, the outer diameter ratio Δ (Dr / Ds) between the outer diameter Dr of the rotor 12 and the outer diameter Ds of the stator 11 is 0.645 or more. Preferably, by setting it within the range of 0.655 to 0.67, it is possible to reduce the torque ripple of the torque fluctuation that occurs during the rotational drive while obtaining a sufficient torque within the minimum range. In addition, by making the above optimum conditions including the thickness Lt of the stator teeth 15 in the stator 11 and the thickness Lb of the back yoke on the back side, the copper loss can be ensured while ensuring the automatic winding of the coil. Further, the electric rotating machine 10 can be efficiently driven to rotate with reduced iron loss. Therefore, the electric rotating machine 10 can be rotated with high quality with less vibration and noise, and can be driven with high efficiency with less loss.

なお、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させる状態に埋め込む、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。   In the present embodiment, a case where a structure in which the permanent magnet 16 is V-shaped and embedded in the rotor 12 is employed will be described as an example. However, the present invention is not limited to this. The present invention can also be applied in the case of a flat plate arrangement embedded in a state of facing the outer peripheral surface 12a in a flat plate shape, and the same effect can be obtained.

また、８極４８スロットモータの構成の電動回転機１０を一例にして説明するが、これに限るものではなく、磁極開口角度θ１の角度範囲に電気角θ１を採用することにより、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。   Further, the electric rotating machine 10 having the configuration of the 8-pole 48-slot motor will be described as an example. However, the present invention is not limited to this. By adopting the electrical angle θ1 in the angle range of the magnetic pole opening angle θ1, For example, the present invention can be applied to a motor structure of 6 poles, 36 slots, 4 poles, 24 slots, and 10 poles and 60 slots as it is.

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すべ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。   The scope of the present invention is not limited to the illustrated and described exemplary embodiments, but includes all embodiments that provide the same effects as those intended by the present invention. Further, the scope of the invention is not limited to the combinations of features of the invention defined by the claims, but may be defined by any desired combination of particular features among all the disclosed features. .

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。   Although one embodiment of the present invention has been described so far, it is needless to say that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and may be implemented in various forms within the scope of the technical idea.

１０ 電動回転機
１１ 固定子
１２ 回転子
１３ 回転軸
１５ ステータティース
１６ 永久磁石
１６ａ 角部
１７ Ｖ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
Ｄｒ 回転子の外径
Ｄｓ 固定子の外径
Ｌｔ ステータティース肉厚幅
Ｌｂ ステータのバックヨーク肉厚幅
Ｌｓ スロットの開口幅
θ１ 磁極開口角度 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Electric rotating machine 11 Stator 12 Rotor 13 Rotating shaft 15 Stator teeth 16 Permanent magnet 16a Corner part 17 V-shaped space 17b Flux barrier 18 Slot 20 Center bridge Dr Rotor outer diameter Ds Stator outer diameter Lt Stator tooth meat Thickness width Lb Stator back yoke thickness width Ls Slot opening width θ1 Magnetic pole opening angle

Claims (4)

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対する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、
前記回転子と前記固定子の一方または双方は軸方向に分割して個々の相対位置を周方向に変位させるスキュー状態にされており、
前記回転子の外径Ｄｒの前記固定子の外径Ｄｓに対する外径比率が、トルクが最高範囲内に入るように、当該回転子および当該固定子が作製されていることを特徴とする電動回転機。 A rotor that integrally rotates the rotation shaft of the shaft center, and a stator that rotatably accommodates the rotor,
The stator includes a plurality of teeth portions that extend toward the outer peripheral surface that rotates around the rotor and faces the outer peripheral surface to the inner peripheral surface side, and a coil that inputs driving power to the teeth portion. A plurality of slots formed between the teeth portions in a space for winding,
In the rotor, a plurality of permanent magnets are embedded so as to exert a magnetic force against the opposing surface of the teeth portion,
The reluctance torque generated when the magnetic flux generated when the coil is energized passes through the teeth portion, the back side of the teeth portion, and the rotor, and the attractive or repulsive magnet torque acting between the permanent magnets. An electric rotating machine that rotationally drives the rotor in the stator,
One or both of the rotor and the stator are in a skew state in which each relative position is displaced in the circumferential direction by dividing in the axial direction,
The rotor and the stator are manufactured so that the outer diameter ratio of the outer diameter Dr of the rotor to the outer diameter Ds of the stator is within the maximum range of the torque. Machine. 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、
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、
前記外径比率が、０．６４５≦Ｄｒ／Ｄｓの範囲内になるように、前記回転子および前記固定子が作製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。 When the set of the permanent magnets on the rotor side and the set of slots on the stator side correspond to each other, and the set of permanent magnets has one magnetic pole,
On the stator side, the one set of slots is composed of six,
2. The electric rotating machine according to claim 1, wherein the rotor and the stator are manufactured so that the outer diameter ratio is in a range of 0.645 ≦ Dr / Ds. 前記外径比率が、０．６５５≦Ｄｒ／Ｄｓ≦０．６７の範囲内になるように、前記回転子および前記固定子が作製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。   3. The electric rotation according to claim 2, wherein the rotor and the stator are manufactured so that the outer diameter ratio is in a range of 0.655 ≦ Dr / Ds ≦ 0.67. Machine. 前記ティース部の肉厚幅をＬｔ、前記ティース部の背面側の肉厚幅をＬｂ、前記コイルの導体径をｄ、前記スロットの前記回転子の外面側の開口幅をＬｓとしたときに、
Ｌｔ／Ｄｒ≦０．０４
２Ｌｔ≦Ｌｂ
０．３５≦ｄ／Ｌｓ≦０．４４
０．３２≦Ｌｓ／Ｌｔ
の条件を満たすことを特徴とする請求項１、２または３に記載の電動回転機。 When the thickness width of the teeth portion is Lt, the thickness width of the back side of the teeth portion is Lb, the conductor diameter of the coil is d, and the opening width of the outer surface side of the rotor of the slot is Ls,
Lt / Dr ≦ 0.04
2Lt ≦ Lb
0.35 ≦ d / Ls ≦ 0.44
0.32 ≦ Ls / Lt
The electric rotating machine according to claim 1, 2 or 3, wherein the following condition is satisfied.

Images