JP3403690B2 - 永久磁石式回転電機を用いたハイブリット電気自動車 - Google Patents
永久磁石式回転電機を用いたハイブリット電気自動車Info
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Description
を用いたハイブリット電気自動車に係り、特に複数個の
永久磁石を回転子の周方向に埋め込んで構成される永久
磁石式回転電機及びその回転電機とエンジンが駆動軸に
直列に接続され、かつ前後進切換ギアを持たないハイブ
リット電気自動車に関する。
よりも後進の方が1.05〜1.2倍大きい。このよう
な動力特性は、ハイブリッドを含む電気自動車であって
も同様に要求されるものであり、後進の場合に最も大き
なトルクを出力しなければならない。
増大を図るため、回転子の磁石形状を極当たり非対称と
した永久磁石式回転電機及びそれを用いた電動車両が知
られている。その代表例として、特開平8―33246
号公報、特開平9―182331号公報、特開平9―2
71151号公報がある。
―182331号公報に記載されたものは、一方向回転
に適した永久磁石式回転電機を提供すべく、磁石間に漏
れ磁束防止用打抜穴を設け、かつ回転子鉄心内部に設け
る永久磁石挿入穴を円周方向に対し所定の傾斜角を持た
せたり、あるいは永久磁石を回転(正転)方向に偏って
配置したものであり、それぞれ総磁束量の増大、リラク
タンス・トルクの利用により出力の増大を図ったもので
ある。
ものは、磁石挿入孔を長くし、永久磁石を偏って配置す
ることによりトルク増大を図った電動車両用永久磁石式
回転電機である。さらに電気自動車用永久磁石式回転電
機の従来例としては、特開平9―261901号公報記
載のものがある。この技術は、漏洩磁束の低減を図るべ
く、永久磁石の配置を回転子の中心からの距離で特定し
たものである。
術のうち、まず前者の「永久磁石が極当たり非対称」の
ものでは、トルク増大を図ることは可能であっても、い
ずれも回転(正転)方向の磁束を強めることを意図とす
るもので、一方向回転に適した回転電機を対象とするも
のである。また後者の「永久磁石が極当たり対称」のも
のは、当然のことながら、前進(正転)と後進(逆転)
時の動力特性は同じであり、従って、前進時に本来必要
なトルクの1.05〜1.2倍(後進時と同じトルク)を
出力可能な回転電機とならざるを得ない。不要な高トル
クを出力する見返りとして、磁束量が多いため、高速回
転時の弱め界磁電流が増加し効率を低下させる。
動軸に直列に接続され、かつ前後進切換ギアを持たない
ハイブリット電気自動車においては、前進時にはエンジ
ンのトルクが加わるため、前進トルクは高トルクである
必要がない。また、駆動軸に回転電機とエンジンが直列
に接続されているため、回転電機の回転数はエンジンと
同じとなり、高速回転時に高効率としなければ燃費が低
下する。
いため、回転電機のみで前進時の1.05〜1.2倍の高
トルクが必要となる。なお、後進時にはエンジンと回転
電機がクラッチで切り離されているため、高回転となる
ことはない。
り、回転電機の正転時に回転電機が出力する最大トルク
よりも逆転時のトルクが大きくなるようにした永久磁石
式回転電機を用いたハイブリット電気自動車を提供する
ことを目的とする。
軸に直列に接続され、かつ前後進切換ギアを持たないハ
イブリット電気自動車において、ハイブリット電気自動
車の前進(回転電機の正転)時に回転電機が出力する最
大トルクよりも、後進(逆転)時に回転電機が出力する
トルクが大きくなる永久磁石式回転電機を用いたハイブ
リット電気自動車を提供することを目的とするものであ
る。
に、本発明は、永久磁石式回転電機を用いたハイブリッ
ト電気自動車において、固定子巻線を巻回した固定子鉄
心を有する固定子と、該固定子に回転ギャップをもって
配置され、複数個の永久磁石が回転子鉄心内部に周方向
に配置固定された回転子とを備えた永久磁石式回転電機
において、回転電機の正転時に回転電機が出力する最大
トルクと、逆転時に回転電機が出力するトルクの比が
1:1.05〜1.2と逆転時が大きくなるようにしたこ
とを特徴とする。
好ましくは正逆時のトルクの比が1:1.05〜1.2と
逆転時が大きくなるように回転子の極当りの形状を非対
称としたことを特徴とする。
部に設けられた永久磁石挿入穴の回転方向の幅が永久磁
石の幅よりも長く、両者の長さの違いによって生じる空
間が回転電機の正転側に配置されていることを特徴とす
る。
用打抜穴を持たない回転子を備え、かつ回転子鉄心内部
に設けられた永久磁石挿入穴が円周方向に対し所定の傾
斜角で、しかも回転電機の正転側が回転ギャップからの
距離が大きくなるように設けられ、この挿入穴に永久磁
石を挿入したことを特徴とする。
穴と永久磁石の断面形状が長方形であることを特徴とす
る。
穴と永久磁石の断面形状がアーク型であることを特徴と
する。
部に設けられた永久磁石挿入穴の回転方向の幅と永久磁
石の幅の比が1:0.5〜0.9となっていることを特徴
とする。
けられた永久磁石挿入穴が円周方向に対し所定の傾斜角
(θ)=10〜45度(機械角)となっていることを特
徴とする。
に、回転電機とエンジンとが駆動軸に直列に接続され、
かつ前後進切換ギアを持たないハイブリット電気自動車
において、回転電機が上記各特徴を有する永久磁石式回
転電機であることを特徴とする。
ロットの永久磁石式回転電機に適用した第1実施例につ
き、1ポールペアを示した図1を参照して説明する。ま
ず、図1において固定子1は従来構成と同一であり、ほ
ぼ環状をなす固定子鉄心2に形成された48個のスロッ
ト3にU相の固定子巻線U1、及びV相の固定子巻線V
1、並びにW相の固定子巻線W1を挿入配置して構成さ
れている。固定子鉄心の内周部には、各スロットに対応
して開口部4が形成されている。
転ギャップをもって配置され複数個の永久磁石が回転子
鉄心内部に周方向に配置固定された補助突極を有する構
造である。すなわち、回転子6は、回転軸9に回転子鉄
心7を嵌合固着し、この回転子鉄心7の外周部周方向に
形成された回転方向の幅(a)の長方形状の打抜穴に、
回転方向の幅(b)の例えばネオジム製の永久磁石8を
各収納部にN極とS極等が交互になるように軸方向から
挿入して組込むことによって構成される。また回転子6
は固定子1の内部に固定子鉄心2の内周部と所定の回転
ギャップ5を有する状態で回転可能に配置されている。
なお、回転子鉄心7は収納部形成用の孔が形成された硅
素鋼板を多数枚積層して構成されている。
久磁石の回転方向の幅(b)より長く、(a)と(b)
の長さの違いによって生じる空間10は正転方向、つま
りハイブリット電気自動車の前進方向に配置されてい
る。この場合回転子が極当たり非対称となるため、正転
と逆転の場合に最大トルクに差が生じ、空間10がある
正転の場合が低トルクで、逆転の場合が高トルクとな
る。また、正転と逆転のトルク比はaとbの比によって
定まり、b/a=1(即ち打抜穴と磁石幅が等しく、空
間10が存在しない場合)、b/a=0(即ち磁石が無
く、空間のみの場合、所謂リラクタンストルクモータ)
の何れも極当たり対称なので正転と逆転のトルクは等し
い。一方、b/a=0.5(永久磁石と空間10の幅が
等しい場合)は最も極当たり非対称となるので正転と逆
転のトルク比が最大となる。
b/a=0.85の場合の磁場解析結果を示し、図3
に、図2の回転電機においてP1からP2迄の回転ギャ
ップの磁束密度分布を示す。図3より、正転方向の磁束
密度が低く、逆転方向の磁束密度が高いことから、正転
トルクよりも逆転トルクの方が大きいことが判る。
aを変化させた場合の前進トルクと後進トルクを図4に
示し、図5に、前後進トルク比(後進トルク/前進トル
ク)とb/aの関係を示す。
最もトルクが大きく、小さくなるにしたがってトルクは
減少し、b/a=0の場合が最も小さい。しかし、b/
a>0.5においては、後進トルクは前進トルクよりも
減少度合いが小さい。図5より、前後進トルク比を1.
05〜1.2とするためには、b/aを0.5〜0.9と
すればよいことが判る。単にトルク比を1.05〜1.2
とするのみであればb/aが0.15〜0.5でもよい
が、その場合は図4より明らかなようにトルクが低くな
りすぎるので不適である。
電気自動車の構成の一例を、図6に示す。駆動システム
は主にエンジン30、電気自動車駆動用のモータ31、
エンジンにより駆動されバッテリー充電などに用いられ
る発電機32、インバータ/コンバータ33、バッテリ
ー34、駆動軸37、変速ギア(例えばCVT)35、及
びクラッチ36より成る。なお、駆動モータ31は減速
時には回生用の発電機として機能するので、回転電機と
呼ぶ場合もある。このハイブリット電気自動車では、エ
ンジン30、クラッチ36、回転電機(駆動用モータ)
31、変速ギア35、駆動軸37が直列に接続されてお
り、かつ変速ギア35は前後進切換ギアを持たない構成
となっている。
アイドル状態(但し、バッテリーの充電量が少ない場合
は、エンジンを駆動し回転電機を発電機として回転させ
てバッテリーに充電される) (2)低速走行時:エンジンは停止、クラッチOFF、モー
タ駆動(但し、バッテリーの充電量が少ない場合は、エ
ンジンを駆動し発電機を回してバッテリーに充電され
る) (3)中高速走行時:エンジン駆動、クラッチON、モータ
連れ回り(出力はなし) (4)高速加速時:エンジン駆動、クラッチON、モータ駆
動 (5)減速時:エンジン惰性回転、クラッチON、モータ回
生(発電機で回生しても良い) (6)後進時:エンジンは停止、クラッチOFF、モータ駆
動(但し、バッテリーが少ない場合は、エンジンを駆動
し発電機を回してバッテリーに充電される)である。
後進時のモータトルクは大きい。一方、低速走行時はモ
ータのみでの走行であるが、トルク不足の場合はクラッ
チをONとしてエンジン駆動を行い、不足トルクを補うこ
とが容易である。
のモータでも十分であるが、HEV(Hybrid Electric Vehi
cle)走行モードの(3)(4)において、モータは中高速回
転時においても駆動、もしくは連れ回りとなる。この場
合、磁石の磁束が大きいと、鉄損が大きくなり、また、
磁束量を押さえるため弱め界磁電流が増大し、性能が低
下する。
ば、後進側のトルクを確保し、前進側の低速回転時の不
足トルクはエンジンによる助けで補い、中高速時の磁束
量を低減することにより、中高速時の効率などの性能を
向上することが可能で、HEVに適した駆動システムとす
ることができる。
=1)の場合のモータトルクを図7に示す。この例で
は、本発明は従来例と比較して、回転数を約1割向上で
き、高速側のモータ効率を従来の90%から本発明の9
1%と約1%向上できる。
kWの16極機の回転電機において、同様の検証を行っ
た。図8にb/a=0.9の場合の磁場解析結果を、図
9に図8の回転電機においてb/aを変化させた場合の
前後進トルク比(後進トルク/前進トルク)とb/aの
関係(但し0.5〜1迄)を示す。図9より16極機に
おいても前後進トルク比を1.05〜1.2とするために
はb/aが0.5〜0.9で有ればよいことが判る。
変えるためには、上述のように一部に空間を設ける方法
以外に、回転子鉄心内部に設けられた永久磁石挿入穴が
円周方向に対し所定の傾斜角(θ)で、かつ回転電機及
びそれを用いたハイブリット電気自動車の前進(正転)
側が回転ギャップからの距離が大きくなるように設ける
ことでも達成できる。ここで、傾斜角(θ)は、永久磁
石の中央(回転方向)における接線に対する傾斜角度を
言う。
の8極機の回転電機において、θ=10度(機械角)の
場合の磁場解析結果を図10に示し、図11に図10の
回転電機においてP1からP2迄の回転ギャップの磁束
密度分布を示す。図11から明らかのように、正転方向
の磁束密度が低く、逆転方向の磁束密度が高いことか
ら、この場合においても正転トルクよりも逆転トルクの
方が大きいことが判る。機械角が0の場合もしくは90
度の場合は、極当たりの対称性が有るのでトルクの比は
1となる。一方45度の場合は最も非対称となるのでト
ルクの比が最も大きくなる。
示す。図12から明らかのようにθを10〜45度とす
ると、前後進トルク比を1.05〜1.2とすることがで
きる。
実施例で示した長方形に限らず、アーク形等色々な形状
で成り立つ。また、永久磁石8はネオジム磁石以外でも
良く、永久磁石の個数(極数)は8極や16極以外でも
良く、固定子のスロット数も48個以外でも良い。な
お、内転型に限らず、外転型でも成り立つ。
電機が出力する最大トルクと、逆転(後進)時に回転電
機が出力するトルクの比が1:1.05〜1.2と後進が
大きくなるため、正転(前進)時の不要トルク(磁束)
を低減して高速時の効率を向上することができ、ひいて
は燃費を向上することができる。また、後進時に所定の
トルクを出力可能な小型軽量高効率のハイブリット電気
自動車を提供することができる。
り鉄損を減らすことが可能なので、低鉄損鉄板を用いる
必要がなくなり、コスト低減が可能となる。なお、第1
実施例のように空間を用いて非対称とするものは磁石量
も低減することができるので、磁石のコストを低減する
ことができる。
の要部断面を示す図である。
す図である。
密度を示す図である。
後進トルクを示す図である。
図である。
ット電気自動車の構成例を示す図である。
である。
(b/a=0.9)の磁場解析を示す図である。
の比とb/aの関係を示す図である。
機の要部断面を示す図である。
束密度を示す図である。
の比とb/aの関係を示す図である。
定子開口部、5:ギャップ部、6:回転子、7:回転子鉄
心、8:永久磁石、9:回転軸、10:空間、a:打抜穴の
回転方向の幅、b:磁石の回転方向の幅、θ:打抜穴及び
永久磁石の円周方向との傾斜角度
Claims (6)
- 【請求項1】 固定子巻線を巻回した固定子鉄心を有する
固定子と前記固定子に回転ギャップをもって配置され複
数個の永久磁石が回転子鉄心内部に周方向に配置固定さ
れた補助突極を有する回転子とを備えた永久磁石式回転
電機と、前記永久磁石式回転電機の回転軸とエンジンの
駆動軸を直列に接続したハイブリット電気自動車におい
て、前記永久磁石式回転電機は、前記回転子の極当りの
円周方向形状を非対称に構成した回転子を有し、前記回
転電機の回転子鉄心内部に回転方向の幅が前記永久磁石
の回転方向の幅よりも長く設けられた永久磁石挿入穴部
と、前記挿入穴部の長さと前記永久磁石の長さとの違い
によって生じる空間部を前記回転電機が前記電気自動車
の前進駆動をおこなう回転(正転)側に設けられ前記電
気自動車の前進(正転)時に前記回転電機が出力するト
ルクと後進(逆転)時に前記回転電機が出力するトルク
との比が1:1.05〜1.2の範囲にあり逆転時のトル
クが大きくなるように前記回転子の極当りの円周方向形
状を非対称構成にした回転電機であり、前記永久磁石式
回転電機の正転および逆転により前記電気自動車を前進
および後進させることを特徴とする永久磁石式回転電機
を用いたハイブリット電気自動車。 - 【請求項2】 請求項1において、前記回転電機の回転子
鉄心内部に設けられた永久磁石挿入穴部が円周方向に対
し所定の傾斜角(θ)で設けられかつ回転電機の正転側
が回転ギャップからの距離が大きくなるように設けられ
た永久磁石挿入穴部であって、前記挿入穴部に前記永久
磁石を挿入したことを特徴とする永久磁石式回転電機を
用いたハイブリット電気自動車。 - 【請求項3】 請求項2において、前記永久磁石挿入穴部
の傾斜角(θ)が10〜45度(機械角)となっている
前記回転電機であることを特徴とする永久磁石式回転電
機を用いたハイブリット電気自動車。 - 【請求項4】 請求項1、2または3のいずれかにおい
て、前記回転電機の回転方向における前記永久磁石挿入
穴部と前記永久磁石の断面形状が長方形であることを特
徴とする永久磁石式回転電機を用いたハイブリット電気
自動車。 - 【請求項5】 請求項1、2または3のいずれかにおい
て、前記回転電機の回転方向における前記永久磁石挿入
穴部と前記永久磁石の断面形状がアーク型であることを
特徴とする永久磁石式回転電機を用いたハイブリット電
気自動車。 - 【請求項6】 請求項1〜5のいずれかにおいて、前記回
転子鉄心内部に設けられた永久磁石挿入穴部の回転方向
幅と前記永久磁石の回転方向幅の比が、1:0.5〜0.
9であることを特徴とする永久磁石式回転電機を用いた
ハイブリット電気自動車。
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