JP3507395B2

JP3507395B2 - 回転電機及びそれを用いた電動車両

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Publication number: JP3507395B2
Application number: JP2000058534A
Authority: JP
Inventors: 文男田島; 豊松延; 正司北村; 潔山口; 小泉　　修; 末太郎渋川; 茂樹森永; 幸記種田; 秀樹中村; 計佐々木; 紳一郎横山
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2000-03-03
Filing date: 2000-03-03
Publication date: 2004-03-15
Anticipated expiration: 2020-03-03
Also published as: US20010026108A1; US6849983B2; EP1130746A1; JP2001251822A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転電機及びそれ
を用いた電動車両に係り、特に、電動車両に用いるに好
適なリラクタンス型回転電機及びそれを用いた電動車両
に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、電気自動車やバッテリフォーク等
の電動車両に用いる電動機としては、小形軽量，高効率
であることが望まれている。そのためは、電動車両の駆
動モータとして、１）永久磁石式や、２）リラクタンス
を利用したブラシレスモ−タ（リラクタンスモータ）が
最適である。特に、リラクタンスモータは、高性能永久
磁石を用いた永久磁石式モータに比較すると、効率，ト
ルク等は多少小さいものの、フェライト磁石を用いた永
久磁石式モータとはほぼ同等であり、かつ、特性の温度
依存性や磁石の減磁等の問題がないという利点がある。

【０００３】従来のリラクタンスモータとしては、例え
ば、第１には、「電気学会、９６年６月号、「スリット
回転子を用いたフラックスバリア型リラクタンスモータ
の磁界解析と試作実験」に記載されているように、回転
子を珪素鋼板等の磁性体で構成し、これを軸方向に積層
する構造で、かつ、回転子の一つの磁極(または、突極
とも呼称される)の中心から他の磁極の中心に向かって
幾層もの非磁性のスリットを設ける構造としている。こ
のような構造によって、リラクタンスモータでもっとも
重要なファクターとなる磁極中心 (または、突極中心と
も呼称される)のリラクタンス(Ｘｄ)と磁極間(または、
突極間とも呼称される)のリラクタンス(Ｘｑ)との比Ｘ
ｄ／Ｘｑを大きく、つまり，モータの発生トルクを大き
くできるものである。

【０００４】また、第２の従来のリラクタンスモータと
しては、例えば、特開平９−９３８８５号公報に記載さ
れているように、フラックスバリア型リラクタンスモー
タの欠点である機械強度を確保するために、強磁性部分
と非磁性部分とを共在させた材料を使用している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
第１のリラクタンスモータでは、磁極中心のリラクタン
ス(Ｘｄ)と磁極間のリラクタンス(Ｘｑ)との比Ｘｄ／Ｘ
ｑは、一般のリラクタンス型回転電機に比べれば大きく
できるが、外周部に磁性部があるため、これを飽和する
まで漏洩磁束が流れる。この漏洩磁束によって、Ｘｑを
十分小さくすることができず、Ｘｄ／Ｘｑを大きくする
ことができず、発生トルクを十分に大きくできないもの
である。漏洩磁束を小さくするためには、外周のブリッ
ジの厚さを小さくする必要があるが、ブリッジの厚さを
小さくすると、高速運転時の機械強度が不十分であると
いう問題があった。

【０００６】また、従来の第２のリラクタンスモータで
は、回転子が一体であるため、機械的な強度は改善され
るものの、非磁性部分の透磁率が空気ほど小さくするこ
とができないものである。このため、漏洩磁束が増加
し、Ｘｄ／Ｘｑの比，つまり，発生トルクを十分大きく
することができないという問題があった。

【０００７】本発明の目的は、発生トルクを十分に大き
くできるとともに、高速運転時の機械的強度の向上した
回転電機及びそれを用いた電動車両を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】（１）上記目的を達成す
るために、本発明は、磁極を有する回転子と、固定子巻
線が巻回された鉄心歯部及び上記磁極の磁束流路を構成
する固定子ヨーク部とを有する固定子とからなる回転電
機において、上記回転子は、一つの部材で強磁性部分と
非磁性部分とを有する金属材料から構成されるととも
に、上記回転子は、回転子の外周のバイパス磁路を遮断
する磁気バリア領域を備えるとともに、この磁気バリア
領域は、スリット部によって形成される磁気的空隙と、
このスリット部から回転子表面に向かって配置された上
記金属材料の非磁性部分とによって形成され、上記金属
材料の非磁性部分は金属素材の加熱による相変態により
形成され、且つ相変態された金属組織がオーステナイト
組織としたものである。かかる構成により、ｄ軸とｑ
軸のリラクタンスの比を大きくして、発生するトルクを
大きくし、高速運転時の機械的強度を向上し得るものと
なる。

【０００９】

【００１０】（２）上記（１）において、好ましくは、
上記内部磁気バリア領域は、上記回転子内に複数形成す
るようにしたものである。

【００１１】（３）上記（１）において、好ましくは、
上記スリット部は、上記回転子の磁気的な突極を構成
し、上記非磁性部分は空隙側に位置するとともに、上記
スリット部は回転子の反空隙側に配置するようにしたも
のである。

【００１２】（４）上記（１）において、好ましくは、
上記スリット部と上記非磁性部分とは連続して形成する
ようにしたものである。

【００１３】（７）また、上記目的を達成するため
に、本発明は、磁極を有する回転子と、固定子巻線が巻
回された鉄心歯部及び上記磁極の磁束流路を構成する固
定子ヨーク部とを有する固定子とからなる回転電機によ
り車輪が駆動される回転電機を用いた電動車両におい
て、上記回転電機の回転子は、一つの部材で強磁性部分
と非磁性部分とを有する金属材料から構成されるととも
に、上記回転子は、回転子の外周のバイパス磁路を遮断
する磁気バリア領域を備えるとともに、この磁気バリア
領域は、スリット部によって形成される磁気的空隙と、
このスリット部から回転子表面に向かって配置された上
記金属材料の非磁性部分とによって形成され、上記金属
材料の非磁性部分は金属素材の加熱による相変態により
形成され、且つ相変態された金属組織がオーステナイト
組織としたものである。かかる構成により、電動車両
の一充電走行距離を長くできるものとなる。

【００１４】（６）上記（１）において、好ましくは、
上記回転子は、その一部に永久磁石を備えるようにした
ものである。

【００１５】（７）また、上記目的を達成するために、
本発明は、磁極を有する回転子と、固定子巻線が巻回さ
れた鉄心歯部及び上記磁極の磁束流路を構成する固定子
ヨーク部とを有する固定子とからなる回転電機により車
輪が駆動される回転電機を用いた電動車両において、上
記回転電機の回転子は、一つの部材で強磁性部分と非磁
性部分とを有する金属材料から構成されるとともに、上
記回転子は、回転子の外周のバイパス磁路を遮断する磁
気バリア領域を備えるとともに、この磁気バリア領域
は、スリット部によって形成される磁気的空隙と、この
スリット部から回転子表面に向かって配置された上記金
属材料の非磁性部分とによって形成され、上記金属材料
の非磁性部分は金属素材の相変態により形成されるよう
にしたものである。かかる構成により、電動車両の一充
電走行距離を長くできるものとなる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図１〜図７を用いて、本発
明の一実施形態による回転電機の構成及び動作について
説明する。最初に、図１〜図３を用いて、本実施形態に
よる回転電機の構成について説明する。図１は、本発明
の一実施形態による回転電機の構成を示す断面図であ
り、図２は、図１の要部拡大図であり、図３は、本発明
の一実施形態による回転電機の構成を示す部分断面を示
す正面図である。なお、図１は、図３のＡ−Ａ断面図で
ある。

【００１７】以下の説明においては、固定子として分布
巻の巻線構造であり、また、回転子の突極数は４個の回
転電機の例について説明する。図１に示すように、リラ
クタンス型回転電機１は、固定子２と、回転子３と、エ
ンドブラケット９とを備えている。固定子２は、固定子
鉄心４と、固定子巻線５とを備えている。固定子鉄心４
は、円環状のヨ−ク４１と、鉄心歯部４２とから構成さ
れる。隣り合う鉄心歯部４２と鉄心歯部４２との間に
は、固定子巻線５を収納するスロット４３が設けられて
いる。

【００１８】ここで、固定子巻線５のＵ相にはＵ1+,Ｕ1
-,Ｕ2+, Ｕ2-、Ｖ相にはＶ1+,Ｖ1-,Ｖ２+，Ｖ２-、Ｗ
相にはＷ1+,Ｗ1-,Ｗ2+,Ｗ2-がそれぞれ接続される。な
お、添字の１は固定子巻線番号、＋、―は固定子巻線５
の巻き方向を示すものである。また、本実施例の場合
は、回転子の突極数に合わせて４極の例を示している。

【００１９】回転子３は、磁性体からなる回転子鉄心７
と、シャフト８とを備えている。回転子鉄心７は、図示
するように、各突極毎に、それぞれ、周方向に複数本
（図示に例では、４本）の同心円弧形状のスリット７２
が設けられている。また、半径方向に隣り合うスリット
７２とスリット７２の間には、周方向に複数本（図示に
例では、３本）のブリッジ７４が、スリット７２と同様
に同心円弧状に配置される。ここで、ブリッジ７４は、
外周部を外周ブリッジ７１によって連結された構成とな
っている。外周ブリッジ７１の詳細構成については、図
２を用いて後述する。即ち、外周ブリッジ７１は、回転
子３の遠心力に耐え、各ブリッジ７４にて回転子鉄心７
がバラバラに分離しないような構造となっている。ま
た、外周ブリッジ７１の内、周方向に円弧状のブリッジ
７４の両端部は、ブリッジ７４と接触して、非磁性部分
７５が設けられている。なお、本実施形態では、スリッ
ト７２の内部は一般に空洞であり、非磁性材である空気
で満たされている。また、スリット７２の内部に、例え
ば、ワニスや合成樹脂などの非磁性材、アルミニウムの
ような非磁性導電材などを充填してもよいものである。
従って、連続して設けられているスリット７２と非磁性
部分７５は、いずれも非磁性であり、図４を用いて後述
するように、回転子３の内部における磁気バリア領域と
なっている。

【００２０】ここで、本実施形態において特徴とする点
は、回転子鉄心７の材料は、磁性部分と非磁性部分とが
共在する材料を用いていることにある。便宜上、この同
一材料中で磁性部分と非磁性部分が共存可能な材料を、
以下、「複合磁性材料」と称することとする。本実施形
態に用いる複合磁性材料としては、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ系
の準安定オ−ステナイト系ステンレス鋼や、Ｆｅ−Ｃｒ
−Ｃ系のマルテンサイト系ステンレス鋼等、単一材料で
強磁性と非磁性の両特性を実現できる材料を用いること
ができる。

【００２１】準安定オ−ステナイト系ステンレス鋼は、
溶体化あるいは溶融、凝固したオ−ステナイト組織（以
下、「γ」と称する）では非磁性であるが、これに冷間
加工を施してマルテンサイト組織（以下、「α‘」）と
すると強磁性になる。また、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃ系のマルテ
ンサイト系ステンレス鋼は、Ａ３変態点以下で焼鈍し、
（フェライト（以下、「α」）＋炭化物）組織とすると
強磁性になり、かつＡ３点を超えるオ−ステナイト化温
度以上に加熱すると、「γ」となり非磁性になる。

【００２２】準安定オ−ステナイト系ステンレス鋼を回
転子鉄心７に適用する場合には、例えばＳＵＳ３０４の
様な、一般的なオ−ステナイト系ステンレス鋼を使用し
てもよいものである。また、氷点下以下の低温までの品
質保証が必要な場合には、Ｃ；０．６０％以下、Ｃｒ；
１２．０〜１９．０％、Ｎｉ；６．０〜１２．０％、Ｍ
ｎ；２．０％以下、残部がＦｅと不可避不純物によって
構成され、また平山の当量Ｈｅｑ＝［Ｎｉ％］＋１．０
５［Ｍｎ％］＋０．６５［Ｃｒ％］＋０．３５［Ｓｉ
％］＋１２．６［Ｃ％］が２０．０〜２３．０％で、且
つニッケル当量Ｎｉｅｑ＝［Ｎｉ％］＋３０［Ｃ％］＋
０．５［Ｍｎ％］が９．０〜１２．０％であり、且つク
ロム当量Ｃｒｅｑ＝［Ｃｒ％］＋［Ｍｏ％］＋１．５
［Ｓｉ％］＋０．５［Ｎｂ％］が１６．０〜１９．０％
である素材を使用してもよいものである。これらの素材
を、まず溶体化してγとした後、所定の板厚まで冷間圧
延し、α‘の強磁性材料とする。この強磁性材料から回
転子鉄心７の輪郭とスリット部をプレスで打ち抜いた
後、スリット部を連結する外周ブリッジ部を、適当な加
熱源を用いて局部加熱し、γ組織の非磁性にする。プレ
ス工程と局部非磁性化工程は逆の順序でもよいものであ
る。

【００２３】準安定オ−ステナイト系ステンレス鋼の場
合、非磁性化に要する温度は、約８００℃以上である。
従って、局部非磁性化手法は、８００℃〜溶融点以下の
温度範囲での溶体化処理でもよいし、溶融点以上に加熱
し、溶融、凝固による方法でもよいものである。加熱源
としては、高周波加熱，レ−ザ加熱，電子ビ−ム等を用
いることができるが、本実施形態による回転子鉄心で
は、微細かつ狭い範囲を非磁性化したいので、レ−ザ，
電子ビ−ム等による溶融・凝固処理が適している。

【００２４】また、マルテンサイト系ステンレス鋼を回
転子鉄心７に適用する場合には、例えば、Ｃ；０．３０
〜０．８０％、Ｃｒ；１０．０〜２５．０％、残部がＦ
ｅを基本組成とする素材の相変態を利用して複合磁性を
実現することができる。具体的には、冷間圧延で所定の
板厚まで圧延した材料を６５０〜８００℃で焼鈍して、
強磁性とした後、プレス打ち抜き、局部非磁性化を経て
回転子鉄心７とすればよいものである。但し、マルテン
サイト系ステンレス鋼の場合、非磁性化に要する温度は
１１５０℃以上であり、準安定オ−ステナイト系ステン
レス鋼と比較すると高いため、局部非磁性化処理の加熱
源としては、レ−ザ、電子ビ−ム等が適している。

【００２５】Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃ系の複合磁性材料は、準安
定オ−ステナイト系ステンレスを素材とした複合磁性材
料と比較すると、飽和磁束密度が高く、軟磁性にも優れ
ている。

【００２６】準安定オーステナイト系ステンレスおよび
マルテンサイト系ステンレスのいずれも、磁性相，非磁
性相の安定化、磁性に影響するＣ，ＮあるいはＮｉ等の
適用し得る元素を、目的に応じて添加あるいは含有量の
調整をおこなうことができる。

【００２７】なお、スリット７２の一部に回転子鉄心を
設け、これを前述のようなオーステナイト変態温度以上
に加熱後、冷却することによって非磁性化させる構成と
してもよいものである。この場合の機械的な強度は、非
常に大きくすることができる。

【００２８】次に、図２を用いて、本実施形態による回
転電機の回転子鉄心７の外周部の詳細構成について説明
する。図２は、４極の突極の内の１極分について拡大し
て図示しており、他の３極分についても同様の構成を有
している。回転子鉄心７の外周部は、外周ブリッジ７１
と、スリット７２(72ａ,72ｂ,72ｃ,72ｄ)と、ブリッジ
７４(74ａ,74ｂ,74ｃ)とから構成されている。外周ブリ
ッジ７１およびブリッジ７４は磁路を形成する。ここ
で、非磁性部分７５（75a,75b,75c,75d）は空隙側に、
スリット７２は回転子の反空隙側に配置することによっ
て、スリット７２と非磁性部分７５とが連続して形成さ
れた構成とする。これによって、外周ブリッジ７１に設
けた非磁性部分７５（75a,75b,75c,75d）は、回転子３
の外周のバイパス磁路を遮断する役目，即ち、回転子３
の内部における磁気バリア領域として作用する。つま
り、本実施形態の方式では、外周を磁気的には遮断する
とともに、機械的には外周ブリッジ７１，ブリッジ７４
が非磁性部分７５を介して連結されているため、外周ブ
リッジ７１，ブリッジ７４の半径方向の厚さを大きくす
ることができ、機械的に強固な、つまり高速回転に耐え
うる回転電機を構成することができる。

【００２９】一方、回転子鉄心７の磁極中心(または、
突極中心)は、磁性体からなる磁極中心部７３であり、
磁路及び強度部材を形成する。

【００３０】次に、図３を用いて、本実施形態による回
転電機の全体構成について説明する。回転子３は、回転
子鉄心７に嵌挿したシャフト８を介して、エンドブラケ
ット９，９’に嵌挿したベアリング１０にて、回転可能
に保持されている。回転子３のシャフト８上には、回転
子３の位置を検出する磁極位置検出器ＰＳ，位置検出器
Ｅが備えられている。固定子鉄心４と固定子コイル５を
有する固定子２は、エンドブラケット９，９’の間に固
定・保持されている。なお、ここでは、固定子鉄心４の
外周にフレームが無い構成を示しているが、必要に応じ
て、フレームを用いてもよいものである。

【００３１】回転子３の位置を検出する磁極位置検出器
ＰＳ，位置検出器Ｅによって検出された回転子位置に応
じて、固定子巻線５に３相の電流を加えることによって
回転磁界を発生させる。この回転磁界と回転子３の突極
との間に磁気的な吸引力を発生させて連続的な回転力を
発生させるものである。ここで、電流の位相を適切に選
択することによって最大のトルクで運転することが可能
である。

【００３２】以上説明したように、本実施形態によるリ
ラクタンス型回転電機の特徴は、図１に示したように、
回転子２に当該回転子２の一つの磁極(または、突極)よ
り隣の磁極に向かう複数の非磁性スリットを設け、外周
ブリッジの連結部に非磁性部分を形成する構成にしたこ
とにある。これによって、機械的に強度が強く、かつリ
ラクタンス型回転電機としてのトルクが大きなモータ、
つまり小型軽量，高効率のリラクタンス型回転電機とす
ることができる。

【００３３】次に、図４〜図７を用いて、本実施形態に
よるリラクタンス型回転電機の動作原理について説明す
る。図４及び図６は、本発明の一実施形態によるリラク
タンス型回転電機の原理を示す説明図である。図５及び
図７は、従来方式によるリラクタンス型回転電機の原理
を示す説明図である。図４〜図７は、円形の回転子３を
周方向に平面に展開した例で示している。なお、図１及
び図２と同一符号は、同一部分を示している。

【００３４】ｄ軸のリラクタンスＸｄは、一般に固定子
巻線起磁力をｄ軸方向にかけたときの空隙磁束量Φｄ
と、流した電流の比Ｉｄとの比に比例する（Ｘｄ∝Φｄ
・Ｉｄ）。ｑ軸のリラクタンスＸｄも、同様に、ｑ軸方
向にかけたときの空隙磁束量Φｑと流した電流の比Ｉｑ
との比に比例する（Ｘｑ∝Φｑ・Ｉｑ）。

【００３５】リラクタンス型回転電機の発生トルクＴ
は、ｄ軸のリラクタンスＸｄとｑ軸のリラクタンスＸｑ
とから、以下の式（１）によって表される。Ｔ∝(Ｘｄ／Ｘｑ) …（１）また、リラクタンスＸｄ，Ｘｑは、それぞれ、Ｘｄ方向
に固定子巻線起磁力をかけたときのインダクタンスＬｄ
と、Ｘｑ方向に固定子巻線起磁力をかけたときのインダ
クタンスＬｑとに比例する。従って、トルクＴは、ｄ
軸，ｑ軸のインダクタンス比のＬｄ／Ｌｑに比例する。

【００３６】一方、インダクタンスＬ(ＬｄおよびＬｑ)
は、以下の式（２）で表される。Ｌ＝Ｎ・Ф／Ｉａ …（２）ここで、Ｎは固定子巻線の巻数であり、Фは発生磁束で
あり、Ｉａは固定子巻線電流である。

【００３７】式（２）は、固定子巻線５の電流が同一の
場合、発生磁束ФとインダクタンスＬは比例することを
示している。そして、リラクタンスモータでおいては、
磁極中心のリラクタンスＸｄと、磁極間のリラクタンス
Ｘｑとの比（Ｘｄ／Ｘｑ）を大きくすることがトルクを
増加させることにつながるので、ｄ軸に固定子巻線起磁
力を合わせた場合の発生磁束を大きくし、ｑ軸に固定子
巻線起磁力を合わせた場合に小さくすることにより、磁
極中心のリラクタンスＸｄと、磁極間のリラクタンスＸ
ｑとの比（Ｘｄ／Ｘｑ）を大きくして、トルクを増加さ
せることができる。

【００３８】最初に、図４及び図５を用いて、ｄ軸のリ
ラクタンスについて説明する。図４（Ａ）は、図１及び
図２に示した本実施形態による回転電機において、ｄ軸
方向に、固定子巻線５の固定子巻線起磁力を加えた場合
の固定子巻線起磁力分布ＡＴ１を示している。ここで、
ｄ軸方向とは磁極中心部７３の中心方向(磁極中心の方
向)を指している。

【００３９】図４（Ｂ）は、図１及び図２に示した本実
施形態による回転電機において、ｄ軸方向に、固定子巻
線５の固定子巻線起磁力を加えた場合の空隙磁束密度分
布Ｂ１ｄを示している。

【００４０】図４（Ｃ）は、図１及び図２に示した本実
施形態による回転電機において、ｄ軸方向に、固定子巻
線５の固定子巻線起磁力を加えた場合の回転子位置を示
している。即ち、磁極中心部７３の中心方向(磁極中心
の方向)（ｄ軸方向）に固定子巻線起磁力ＡＴ１が加え
られている。

【００４１】図４（Ａ）及び図４（Ｃ）に示すように、
固定子巻線起磁力ＡＴ１の中心を回転子の突極磁心７３
にあわせた時の磁束量は、一般には、回転子３のブリッ
ジ７４を通る磁束f1dmが大きく、かつ、固定子鉄心歯部
４２での磁気飽和が厳しいために固定子鉄心歯部４２の
寸法によって決まる。この場合、固定子を通る磁束Фｄ
は、回転子の外周ブリッジ部７１を通る磁束f1dlと、突
極磁心７３，ブリッジ７４を通る磁束f1dmとがあるが、
上述のように固定子鉄心歯部４２での磁気飽和が厳しい
ために固定子鉄心歯部４２の寸法によって決まり、ほぼ
ｄ軸のリラクタンスＸｄとなる。

【００４２】図５（Ａ）は、従来方式による回転電機に
おいて、ｄ軸方向に、固定子巻線５の固定子巻線起磁力
を加えた場合の固定子巻線起磁力分布ＡＴ１を示してい
る。ここで、従来方式とは、「電気学会、９６年６月
号、「スリット回転子を用いたフラックスバリア型リラ
クタンスモータの磁界解析と試作実験」に記載されてい
るように、回転子を珪素鋼板等の磁性体で構成し、これ
を軸方向に積層する構造で、かつ、回転子の一つの磁極
の中心から他の磁極の中心に向かって幾層もの非磁性の
スリットを設ける構造のものである。

【００４３】図５（Ｂ）は、従来方式による回転電機に
おいて、ｄ軸方向に、固定子巻線５の固定子巻線起磁力
を加えた場合の空隙磁束密度分布Ｂ２ｄを示している。
図５（Ｃ）は、従来方式による回転電機において、ｄ軸
方向に、固定子巻線５の固定子巻線起磁力を加えた場合
の回転子位置を示している。即ち、磁極中心部７３の中
心方向(磁極中心の方向)（ｄ軸方向）に固定子巻線起磁
力ＡＴ１が加えられている。

【００４４】図５（Ａ）及び図５（Ｃ）に示すように、
固定子巻線起磁力ＡＴ１の中心を回転子の突極磁心７３
にあわせた時の磁束量は、一般には、回転子３のブリッ
ジ７４を通る磁束f2dmが大きく、かつ、固定子鉄心歯部
４２での磁気飽和が厳しいために固定子鉄心歯部４２の
寸法によって決まる。この場合、固定子を通る磁束Фｄ
は、回転子の外周ブリッジ部７１を通る磁束f2dlと、突
極磁心７３，ブリッジ７４を通る磁束f2dmとがあるが、
上述のように固定子鉄心歯部４２での磁気飽和が厳しい
ために固定子鉄心歯部４２の寸法によって決まり、ほぼ
ｄ軸のリラクタンスＸｄとなる。即ち、図４に示した本
実施形態方式でも、図５に示した従来方式でも、ほぼ同
じ磁束量となり、ほぼ同じｄ軸のリラクタンスＸｄとな
る。

【００４５】次に、図６及び図７を用いて、ｑ軸のリラ
クタンスについて説明する。図６（Ａ）は、図１及び図
２に示した本実施形態による回転電機において、ｑ軸方
向に、固定子巻線５の固定子巻線起磁力を加えた場合の
固定子巻線起磁力分布ＡＴ１を示している。ここで、ｑ
軸方向とは、隣接する磁極中心部７３同士の中間の方向
(磁極間の方向でｄ軸と電気角で９０度の位相差を有す
る)を指している。

【００４６】図６（Ｂ）は、図１及び図２に示した本実
施形態による回転電機において、ｑ軸方向に、固定子巻
線５の固定子巻線起磁力を加えた場合の空隙磁束密度分
布Ｂ１ｑを示している。図６（Ｃ）は、図１及び図２に
示した本実施形態による回転電機において、ｑ軸方向
に、固定子巻線５の固定子巻線起磁力を加えた場合の回
転子位置を示している。即ち、隣接する磁極中心部７３
の中間の方向（ｑ軸方向）に固定子巻線起磁力ＡＴ１が
加えられている。

【００４７】図６（Ａ）及び図６（Ｃ）に示すように、
ｑ軸に固定子巻線起磁力ＡＴ１をかけた場合には、回転
子の磁気回路がスリット７２によって寸断されているた
めにｑ軸中心を通る磁束f1qmは小さく、回転子の外周ブ
リッジ部７１を通る磁束f1qlが主となる。しかしなが
ら、本実施形態では、ブリッジ部７１の磁気回路が非磁
性部分７５で寸断されているため、ブリッジ部７１を通
る磁束f1qlは小さく抑制できる。従って、ｑ軸方向のリ
ラクタンスＸｑが小さくなる。

【００４８】図７（Ａ）は、従来方式による回転電機に
おいて、ｑ軸方向に、固定子巻線５の固定子巻線起磁力
を加えた場合の固定子巻線起磁力分布ＡＴ１を示してい
る。図７（Ｂ）は、従来方式による回転電機において、
ｑ軸方向に、固定子巻線５の固定子巻線起磁力を加えた
場合の空隙磁束密度分布Ｂ２ｑを示している。図７
（Ｃ）は、従来方式による回転電機において、ｑ軸方向
に、固定子巻線５の固定子巻線起磁力を加えた場合の回
転子位置を示している。即ち、隣接する磁極中心部７３
の中間の方向（ｑ軸方向）に固定子巻線起磁力ＡＴ１が
加えられている。

【００４９】図７（Ａ）及び図７（Ｃ）に示すように、
ｑ軸に固定子巻線起磁力をかけた場合には、回転子の磁
気回路がスリット７２によって寸断されているためにｑ
軸中心を通る磁束f2qmは小さく、回転子の外周ブリッジ
部７１を通る磁束f2qlが主となる。この場合、従来方式
の回転子の外周ブリッジ部７１を通る磁束f2qlはブリッ
ジ部７１の磁気飽和が起こる値までおおきな磁束を生じ
る。従って、従来方式では、ｑ軸リラクタンスが比較的
大きくなる。

【００５０】上述したように、トルクを増加させるに
は、磁極中心のリラクタンスＸｄと、磁極間のリラクタ
ンスＸｑとの比（Ｘｄ／Ｘｑ）を大きくすればよいもの
であるが、磁極中心のリラクタンスＸｄは、本実施形態
も従来方式も変わらないものの、磁極間のリラクタンス
Ｘｑについては、本実施形態では、非磁性部分７５を設
けることにより、従来方式よりも小さくすることができ
る。従って、本実施形態ではで、Ｘｄ／Ｘｑを大きくで
き、高トルクを発生することができる。

【００５１】次に、本実施形態のよる回転電機と、特開
平９−９３８８５号公報に記載されているように、フラ
ックスバリア型リラクタンスモータの欠点である機械強
度を確保するために、強磁性部分と非磁性部分とを共在
させた材料を用いた構成の回転電機について比較して説
明する。この比較は、本実施形態によるブリッジ部７１
を非磁性部分に置き換えた構成との比較となる。

【００５２】この場合、機械的な強度は、ブリッジ部の
７１の半径方向厚さによって決まるため、従来方式と本
実施形態では、ほぼ同じにすることができる。一方、従
来方式では、ブリッジ部７１を通る磁束も本実施形態と
同じに小さくできるが、ｑ軸中心を通る磁束f2qmは、非
磁性部分７５の透磁率が空気ほど小さくすることができ
ないため、大きくなる。一方、本実施形態では、スリッ
ト部７２を空気の透磁率まで下げることでｑ軸中心を通
る磁束f2qmを小さくできる。これによってＸｄ／Ｘｑを
大きくでき、大きなトルクを発生することができる。

【００５３】また、ｑ軸中心を通る磁束f2qmを小さくす
るためには、スリット７２の半径方向の幅を大きくする
必要があるが、一方、スリット７２の半径方向の幅を大
きくすることは従来方式では、この部分を非磁性にする
ために大きな容量のレーザーを必要とする。一方、本実
施形態では、打ち抜くだけであり、レーザー電源容量を
小さくでき、かつ生産性を向上することができる。な
お、スリットやブリッジ等の形状，本数等は任意に選択
してもよいものである。また、固定子も分布巻，集中巻
の何れでもよいものである。

【００５４】以上説明したように、本実施形態において
は、回転子鉄心として、強磁性部分と非磁性部分とが共
在する材料から構成するとともに、回転子の磁気的な突
極を構成するスリット部を有する構成とし、スリットと
非磁性部分により磁気バリア領域を設けることによっ
て、高トルク，高効率のリラクタンス型回転電機を得る
ことができる。

【００５５】次に、図８及び図９を用いて、本発明の第
２の実施形態による回転電機の構成及び動作について説
明する。図８は、本発明の第２の実施形態による回転電
機の構成を示す断面図であり、図９は、図８の要部拡大
図である。なお、図１及び図２と同一符号は、同一部分
を示している。

【００５６】本実施形態によるリラクタンスモータの特
徴は、リラクタンス型回転電機の外周に位置する非磁性
部分７５の外周部に、非磁性部分凹部７６を設けるよう
にしたことにある。本実施形態では、例えば、強磁性組
織を有する素材を用いてその素材における非磁性化した
い部分をオーステナイト変態温度以上に加熱後に冷却す
るか、あるいは融点以上の温度に加熱溶融してさせた後
に冷却凝固させることによって、強磁性部分と非磁性部
分とを同一材料に共存させる回転子鉄心とする。そし
て、加熱溶融等はその部分にレーザー等を照射すること
によって行うが、溶融させることによって、回転子鉄心
７の変形及び一部突起を生じる等の問題が生じる可能性
がある。回転電機１では、回転子３と固定子２の間の空
隙長が短いため、回転子３の変形によって、回転子３が
固定子２に接触して、回転子３が回転不可能となる恐れ
もある。

【００５７】そこで、本実施形態では、回転子２の外周
でレーザー等の加熱変形する部分（非磁性部分７５）
は、回転子の最外周に当たる部分より内径側には凹ませ
た形状である非磁性表面凹部７６a, ７６b, ７６c, ７
６dを設けている。これによって、加熱等の溶融による
変形あるいは一部の突起等の発生等が生じても回転可能
な範囲で押さえることができる。なお、図８に示す例
は、内転型回転電機を示しているが、一般には外転型で
もよく、従って、空隙側非磁性表面を空隙部より反空隙
側に凹んだ構成としたものである。

【００５８】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、、高トルク，高効率のリラクタンス型回転電機を得
ることができるとともに、非磁性部分形成時の加熱溶融
によっても回転可能な回転電機を得ることができる。

【００５９】次に、図１０及び図１１を用いて、本発明
の第３の実施形態による回転電機の構成及び動作につい
て説明する。図１０は、本発明の第３の実施形態による
回転電機の構成を示す断面図であり、図１１は、本実施
形態による回転子の製造工程を示す工程図である。な
お、図１及び図２と同一符号は、同一部分を示してい
る。

【００６０】本実施形態によるリラクタンスモータの特
徴は、回転子の一部に永久磁石６を配置したことにあ
る。これによって、リラクタンス型回転電機が永久磁石
回転電機に対して持っている欠点、例えばトルクが小さ
い，力率が悪い等の欠点を改善することができる。

【００６１】図１０において、磁性部分と非磁性部分と
が共在する材料を有する回転機鉄心７に、永久磁石６を
収納する窓を打ち抜き、この窓に永久磁石６を収納す
る。永久磁石６の周方向の長さは、窓の周方向の長さよ
りも短くすることにより、永久磁石６の両端には、磁石
端空隙部７８が形成されている。また、永久磁石６の外
周部は、永久磁石６の磁路を構成する磁極片７７が配置
されている。ここで、磁極片７７は、非磁性部分７５を
介してブリッジ７４と一体に構成する。

【００６２】ここで、非磁性部分７５の非磁性化は、上
述した方法と同様に、レーザー等を照射によってオース
テナイト変態温度以上に加熱後に冷却するか、あるいは
融点以上の温度に加熱溶融してさせた後に冷却凝固させ
ることによって強磁性部分を非磁性体に変えるようにし
ている。

【００６３】次に、図１１を用いて、製造工程について
説明する。図１１（Ａ）に示すように、回転子鉄心７の
打抜き作業によって、永久磁石が挿入される窓６１及び
非磁性表面凹部７６を形成する。

【００６４】次に、図１１（Ｂ）に示すように、非磁性
化作業を行って、非磁性部分７５を形成する。次に、窓
６１に永久磁石６の挿入し、永久磁石の着磁や、必要に
応じて、軸方向から磁石の飛び出し防止用の側板等を備
えるようにする。このように、非磁性化作業は、回転子
鉄心７を打ち抜く作業の後に行い、その後、永久磁石６
の挿入，着磁を行うようにすることで、永久磁石６への
影響を受けることなく、回転子を組み立てることができ
る。

【００６５】以上のように、ブリッジ７４，非磁性部分
７６の外周に非磁性表面凹部７６を設けることによっ
て、非磁性部分７６の加熱等の溶融による変形あるいは
一部の突起等の発生にも回転可能な範囲で押さえること
ができる。また、非磁性部分７６によって永久磁石６か
ら非磁性部分７６を介して他極の永久磁石への漏洩磁束
の防止ができる。また、非磁性部分７６の厚さ、ブリッ
ジ７４部の幅を適切に選択することによって高速回転に
耐えうる構成とすることができる。

【００６６】次に、図１２を用いて、本実施形態による
リラクタンス型回転電機を用いた電気自動車の構成につ
いて説明する。図１２は、本実施形態によるリラクタン
ス型回転電機を用いた電気自動車の構成を示すブロック
構成図である。

【００６７】電気自動車の車体１００は、４つの車輪１
１０，１１２，１１４，１１６によって支持されてい
る。図示する電気自動車は、前輪駆動であるため、前方
の車軸１５４には、リラクタンス型回転電機１２０が直
結して取り付けられている。リラクタンス型回転電機１
２０の構成は、図１〜図３，図８及び図９，若しくは図
１０に示すものである。リラクタンス型回転電機１２０
は、制御装置１３０によって駆動トルクが制御される。
制御装置１３０の動力源としては、バッテリ１４０が備
えられている。バッテリ１４０から電力が制御装置１３
０を介して、リラクタンス型回転電機１２０に供給さ
れ、リラクタンス型回転電機１２０が駆動されて、車輪
１１０，１１４が回転する。ハンドル１５０の回転は、
ステアリングギア１５２及びタイロッド，ナックルアー
ム等からなる伝達機構を介して、２つの車輪１１０，１
１４に伝達され、車輪の角度が変えられる。

【００６８】以上のようにして、本実施形態による小型
軽量，高効率のリラクタンス型回転電機を電気自動車に
搭載することによって、一充電走行距離を長くすること
ができ、かつ加速性能を向上することができる。

【００６９】なお、以上の説明では、リラクタンス型回
転電機を電気自動車の車輪の駆動に用いるものとして説
明したが、電気機関車等の車輪の駆動にも適用できる。
また、エンジンとモータとによるハイブリッドの駆動機
構を有するハイブリッド電動車両、あるいはエンジンと
駆動機構の間に配置し、エンジン起動や発電等を行うエ
ンジン始動装置に適用することもできる。この場合に
は、ハイブリッド車の駆動部を小型に作れるとともに、
システムの燃料消費率を低減することができる。また、
本実施形態による回転電機は、エアコン用駆動モータに
も適用可能であり、その場合には高効率のモータとする
ことができる。また、回転子に磁石、アルミ等を使わな
いため、リサイクルに適した回転電機とすることができ
る。

【００７０】以上説明したように、本実施の形態によれ
ば、小型軽量、高効率のリラクタンス型回転電機及びこ
れを用いた一充電走行距離の長くできる電動車両，燃費
効率のよいエンジン始動発電装置，ハイブリッド型電動
車両等を提供することができる。

【００７１】

【発明の効果】本発明によれば、回転電機の発生トルク
を十分に大きくできるとともに、高速運転時の機械的強
度の向上することができる。また、電動車両の一充電走
行距離の長くできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態による回転電機の構成を示
す断面図である。

【図２】図１の要部拡大図である。

【図３】本発明の一実施形態による回転電機の構成を示
す部分断面を示す正面図である。

【図４】本発明の一実施形態によるリラクタンス型回転
電機の原理を示す説明図である。

【図５】従来方式によるリラクタンス型回転電機の原理
を示す説明図である。

【図６】本発明の一実施形態によるリラクタンス型回転
電機の原理を示す説明図である。

【図７】従来方式によるリラクタンス型回転電機の原理
を示す説明図である。

【図８】本発明の第２の実施形態による回転電機の構成
を示す断面図である。

【図９】図８の要部拡大図である。

【図１０】本発明の第３の実施形態による回転電機の構
成を示す断面図である。

【図１１】本発明の第３の本実施形態による回転子の製
造工程を示す工程図である。

【図１２】本実施形態によるリラクタンス型回転電機を
用いた電気自動車の構成を示すブロック構成図である。

【符号の説明】

１…回転電機２…固定子３…回転子４…固定子鉄心５…固定子巻線６…永久磁石７…回転子鉄心４１…固定子ヨーク部４２…鉄心磁極７１…外周ブリッジ７２…スリット７３…突極磁心７４…ブリッジ７５…非磁性部分７６…非磁性表面凹部７７…磁極片７８…磁石端空隙部１００…電気自動車の車体１２０…リラクタンス型回転電機

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者北村正司茨城県日立市幸大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者山口潔茨城県日立市幸大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者小泉修茨城県ひたちなか市大字高場2520番地株式会社日立製作所自動車機器グループ内 (72)発明者渋川末太郎茨城県ひたちなか市大字高場2520番地株式会社日立製作所自動車機器グループ内 (72)発明者森永茂樹千葉県習志野市東習志野七丁目１番１号株式会社日立製作所産業機器グループ内 (72)発明者種田幸記神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者中村秀樹東京都千代田区丸の内二丁目１番２号日立金属株式会社内 (72)発明者佐々木計東京都千代田区丸の内二丁目１番２号日立金属株式会社内 (72)発明者横山紳一郎東京都千代田区丸の内二丁目１番２号日立金属株式会社内 (56)参考文献特開平10−271779（ＪＰ，Ａ) 特開平10−150754（ＪＰ，Ａ) 特開平９−93885（ＪＰ，Ａ) 実開平４−128074（ＪＰ，Ｕ) 特許100030（ＪＰ，Ｃ２) 欧州特許出願公開678967（ＥＰ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02K 19/10 B60L 15/20 H02K 1/22 H02K 1/27 501 H02K 21/14

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】磁極を有する回転子と、固定子巻線が巻回
された鉄心歯部及び上記磁極の磁束流路を構成する固定
子ヨーク部とを有する固定子とからなる回転電機におい
て、上記回転子は、一つの部材で強磁性部分と非磁性部分と
を有する金属材料から構成されるとともに、上記回転子は、回転子の外周のバイパス磁路を遮断する
磁気バリア領域を備えるとともに、この磁気バリア領域は、スリット部によって形成される
磁気的空隙と、このスリット部から回転子表面に向かっ
て配置された上記金属材料の非磁性部分とによって形成
され、上記金属材料の非磁性部分は金属素材の加熱によ
る相変態により形成され、且つ相変態された金属組織が
オーステナイト組織としたことを特徴とする回転電機。
【請求項２】請求項１に記載の回転電機において、上記内部磁気バリア領域は、上記回転子内に複数形成さ
れていることを特徴とする回転電機。
【請求項３】請求項１に記載の回転電機において、上記スリット部は、上記回転子の磁気的な突極を構成
し、上記非磁性部分は空隙側に位置するとともに、上記スリ
ット部は回転子の反空隙側に配置したことを特徴とする
回転電機。
【請求項４】請求項１記載の回転電機において、上記スリット部と上記非磁性部分とは連続して形成され
ていることを特徴とする回転電機。
【請求項５】請求項１記載の回転電機において、上記非磁性部分の空隙側の外周に、回転子の最外周より
小さい凹部を設けたことを特徴とする回転電機。
【請求項６】請求項１記載の型回転電機において、上記回転子は、その一部に永久磁石を備えたことを特徴
とする回転電機。
【請求項７】磁極を有する回転子と、固定子巻線が巻回
された鉄心歯部及び上記磁極の磁束流路を構成する固定
子ヨーク部とを有する固定子とからなる回転電機により
車輪が駆動される回転電機を用いた電動車両において、上記回転電機の回転子は、一つの部材で強磁性部分と非
磁性部分とを有する金属材料から構成されるとともに、上記回転子は、回転子の外周のバイパス磁路を遮断する
磁気バリア領域を備えるとともに、この磁気バリア領域は、スリット部によって形成される
磁気的空隙と、このスリット部から回転子表面に向かっ
て配置された上記金属材料の非磁性部分とによって形成
され、上記金属材料の非磁性部分は金属素材の加熱によ
る相変態により形成され、且つ相変態された金属組織が
オーステナイト組織としたことを特徴とする回転電機を
用いた電動車両。