JP5412121B2 - 永久磁石式回転子およびそれを備えた電動機 - Google Patents

Description

本発明は、巻線が容易なロータ補助コイルを備える永久磁石式回転子およびそれを備えた電動機に関し、無負荷鉄損を低減させつつ出力トルクを向上させることができる永久磁石式回転子およびそれを備えた電動機に関する。

従来、ロータ側に励磁コイルを備え、Ｎ極群およびＳ極群からなる複数の永久磁石による磁束に加え、必要に応じて励磁される励磁コイル（補助コイル）による磁束によって界磁磁束を制御する可変モータが提案されている。

このような可変モータとしては、それぞれの永久磁石を直接包んだり、取り囲んだりするように巻線されている励磁コイルを備えるもの（例えば、特許文献１および２参照）や、その両端がＮ極およびＳ極となるＵ字状の永久磁石を交互に同極が対向するようにロータに配置し、励磁コイルのコアの延長線上であって２つの永久磁石の磁極間に磁路が設けられたもの（例えば、特許文献３参照）などがある。

特開２００７−３００７８７号公報 特表２００４−５１９９９９号公報 特開平５−３０４７５２号公報

しかしながら、特許文献１または２に開示される可変モータでは、すべての永久磁石に対してそれぞれを取り囲むように励磁コイルが巻かれているため、その巻き線長が長くなってしまうという問題がある。また、永久磁石の形状や巻線などにより、可変モータを小型化することが困難となる場合もある。

また、特許文献３に開示される可変モータでは、Ｕ字状の永久磁石を用いているため、各磁極間にギャップを設ける必要がある。この場合、可変モータの運転時における磁極間ギャップの変化によって永久磁石が破損する可能性があるという問題がある。また、Ｕ字状の永久磁石を用いているため、永久磁石のコストが増加してしまうという問題もある。

さらに、このような励磁コイルを備える可変モータでは、可変モータの出力トルクを補完するために高負荷運転領域では励磁コイルに必要な電力が供給される。この電力は銅損等の損失の要因となるため、供給電力をできる限り低減することが望まれる。

本発明は上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、巻線が容易なロータ補助コイルを備え、磁石量の低減によって無負荷鉄損を低減しつつ低電力で出力トルクを向上させることができる永久磁石式回転子およびそれを備えた電動機を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の永久磁石式回転子（２'）は、ステータ（３）と対向するロータヨーク（２１）の表面に、２つの極性のいずれかからなる複数の永久磁石群（２２Ａ、２２Ｂ）によって構成される磁極部を、円周方向に所定間隔で極性が交互となるように配置した永久磁石式回転子（２'）において、前記ロータヨーク（２１）は、円筒状の内周面を有する環状部と、円周方向に所定間隔で該環状部から外径側に突出した複数の前記磁極部とを備えており、個々の前記磁極部の前記永久磁石群（２２Ａ又は２２Ｂ）はそれぞれ同一極性の複数の永久磁石片（２２１又は２２２）を含み、該永久磁石片は前記環状部をバックヨークとして配置されており、互いに隣接した極性の異なる２つの前記磁極部の間の前記環状部に界磁磁束を発生させる補助コイル（４０）を前記環状部の前記内周面から外周面にわたってトロイダル状に巻くとともに、各磁極部において、隣接する前記同一極性の永久磁石片（２２１、２２２）の間の隙間には、補助コイル（４０）の磁束を通すための補助鉄心（２３）がその隙間を埋めるように設けられており、円周方向に隣接する２つの補助コイル（４０）は、対向する側の磁極が同一極となるように巻き回されていることを特徴とする。

本発明の永久磁石式回転子によれば、上述の特許文献１および２に開示されるようにロータ補助コイルが永久磁石を取り囲む必要はなく、ロータヨークにトロイダル状に巻き回しているので、補助コイルの巻線を容易に行うことができる。また、上述の特許文献３に開示される電動機の構成とは異なり、永久磁石のバックヨークと補助コイルの磁路とを共用させることができる、すなわち、永久磁石のバックヨークである環状部を補助コイルの磁路としても機能させることができるため、Ｕ字状の永久磁石を用いたり、２つの永久磁石の磁極間にギャップを設けたりする必要がない。さらに、磁極部内で隣接する永久磁石片間の隙間を埋めるように設けられた補助鉄心の磁気抵抗が例えば永久磁石等に比べて小さいので、この補助鉄心を補助コイルの磁路として用いることができ、これにより、補助コイルを低起磁力化することができる。更に、円周方向に隣接する２つの補助コイルは、対向する側の磁極が同一極となるように巻き回されるように配置しているので、永久磁石片による磁束を補助コイルの界磁磁束によって補完（アシスト）することができ、加えて、上述のように補助鉄心を補助コイルの磁路として用いることができることにより、永久磁石片による磁束を補助コイルの界磁磁束によって補完（アシスト）する際には、永久磁石に比べて磁気抵抗の小さい補助鉄心が補助コイルの磁路として用いられるため、補助コイルを低起磁力化して、補助コイルにおける損失を低減することができる。

本発明の永久磁石式回転子では、永久磁石片（２２１、２２２）のそれぞれを包んで固定するための断面が略Ｕ字状で非磁性材料からなる固定部材（２４）を設け、固定部材（２４）は、ロータヨーク（２１）にその両端部（２４ａ）を嵌合することにより固定されていてもよい。あるいは、永久磁石片（２２１、２２２）のそれぞれを包んで固定するための断面が略Ｌ字状で非磁性材料からなる固定部材（２４）を設け、固定部材（２４）は、補助鉄心（２３）の側面とロータヨーク（２１）とにその両端部（２４ａ、２４ｂ）を嵌合することにより固定されていてもよい。このように、各永久磁石片を包むように非磁性材料からなる固定部材が設けられることにより、永久磁石片および補助コイルから発生する磁束は固定部材を通り抜けることなく、隣接する永久磁石片の隙間に設けられた補助鉄心を集中的に通過することになる。したがって、永久磁石片の磁束および補助コイルの磁束は補助鉄心に集中して通過するため、漏れ磁束を低減することができる。

本発明の永久磁石式回転子では、補助鉄心（２３）の側面またはロータヨーク（２１）には嵌合溝（２３ａ、２１ａ）が設けられるとともに、固定部材（２４）の両端部（２４ａ）は、補助鉄心（２３）またはロータヨーク（２１）の嵌合溝（２３ａ、２１ａ）に嵌合する凸形状となっていればよい。このように固定部材がロータヨークまたは補助鉄心と嵌合する構成となっているので、ロータヨークに永久磁石片をしっかりと固定することができる。

また、上記の課題を解決するために、本発明の電動機（１'）は、上述のような永久磁石式回転子（２'）と、永久磁石式回転子（２'）に当接するように配置されるステータ（固定子）（３）とを備える電動機（１'）において、電動機（１'）の低負荷運転領域（Ａ）では、永久磁石群（２２Ａ、２２Ｂ）の各永久磁石片（２２１、２２２）の磁束のみで運転し、高負荷運転領域（Ｂ）では、これら永久磁石片（２２１、２２２）の磁束のみでは不足するロータ磁束に応じて、補助コイル（４０）に必要な電流量（アンペア・ターン）を通電して運転することを特徴とする。

本発明の電動機によれば、電動機の高負荷運転時には補助コイルの界磁磁界を利用することができるので、永久磁石片の総量を増加させることなく、電動機のトルクを向上させることができる。これにより、補助コイルを用いない場合に比べ、電動機の無負荷鉄損を低減させることができる。また、逆起電力を低減させることができるので、電動機そのものおよび電動機用のインバータを小型化することができ、電動機の高効率化を可能にすることができる。

本発明の電動機では、電動機（１'）に対するトルク指令値と、永久磁石群（２２Ａ、２２Ｂ）の磁束に対応するトルクのしきい値との差により、補助コイル（４０）へ通電する電流量（界磁電流の電流量）を調整すればよい。このように、トルク指令値と補助コイルへ通電する電流量（アンペア・ターン）との関係を解析または実験により予め求めておくことにより、本発明の電動機に対する高負荷時の運転を適切に行うことができる。

なお、上記で括弧内に記した図面参照符号は、後述する実施形態における対応する構成要素を参考のために例示するものである。

本発明によれば、ロータヨークへの補助コイルの巻線を容易に行うことができるとともに、永久磁石片を固定する非磁性材料からなる固定部材を設け、補助コイルの界磁磁束が補助鉄心を集中的に通り抜けるように構成することにより、低電力で電動機の出力トルクを向上させることができる。また、永久磁石片の総量を低減することにより電動機の無負荷鉄損を低減することができる。更に、円周方向に隣接する２つの補助コイルは、対向する側の磁極が同一極となるように巻き回されるように配置しているので、永久磁石片による磁束を補助コイルの界磁磁束によって補完（アシスト）することができ、加えて、補助鉄心を補助コイルの磁路として用いることができることにより、永久磁石片による磁束を補助コイルの界磁磁束によって補完（アシスト）する際には、永久磁石に比べて磁気抵抗の小さい補助鉄心が補助コイルの磁路として用いられるため、補助コイルを低起磁力化して、補助コイルにおける損失を低減することができる。

永久磁石式回転子を含む電動機の概念図であり、（ａ）はその部分斜視図、（ｂ）はその部分断面図である。 本発明の永久磁石式回転子を含む電動機の概念的な部分断面図である。 磁石磁束の制御系と補助コイル磁束の制御系を示すブロック図である。 図３の磁石磁束の制御系の一例を示す回路図である。 図３の補助コイル磁束の制御系の一例を示す回路図である。 本実施形態における電動機のトルク−回転数特性を示すグラフである。 トルク指令値と補助コイルのアンペア・ターンとの関係を示すグラフである。 トルク補完に要するトルク差分とそれに対応する補助コイルの通電量との関係を示すグラフである。 本実施形態の電動モータのモータ運転処理を示すフローチャートである。 図１および図２に示す電動モータのトルク磁場解析の結果を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の永久磁石式回転子およびそれを備えた電動機の好適な実施形態を詳細に説明する。本発明の永久磁石式回転子は、電気自動車やいわゆるハイブリッド自動車などの車両に搭載される電動機の回転子（ロータ）として利用され、この電動機で発生する出力トルクにより車両を運転するものである。なお、本発明は、永久磁石式回転子の構成（構造、制御方法等）にその技術的特徴があるため、車両のその他の構成要素（例えば、駆動系等）については図示を省略するとともに、その詳細な説明を省略する。

まず、図１および図２を参照して、本発明に係る永久磁石式回転子およびそれを備えた電動機の構成を詳細に説明する。図１は、本発明の基本構成となる永久磁石式回転子を含む電動機の概念図であり、図１（ａ）はその部分斜視図、図１（ｂ）はその部分断面図である。後述するように、図１に示す永久磁石式回転子２およびそれを備えた電動機１は、本発明の基本的な構成を有するものである。

まず、図１に示す永久磁石式回転子２を備える電動機１の構成について説明する。図１（ａ）および（ｂ）に示すように、電動機１は、インナーロータ型の永久磁石式回転子（以下、「ロータ」ともいう）２と、この永久磁石式回転子２の外周に当接するように設けられた固定子（以下、「ステータ」ともいう）３とを備えている。

ステータ３は、電動機１の外周を構成するステータコア３１と、このステータコア３１から径方向内方、すなわちロータ２の中心方向に向けて突出した複数（本実施形態では、全体の図示を省略するが、例えば１８個）のティース３２とから構成される。各ティース３２は、歯先部３２ａと、ステータコイル３３が巻き回されている巻線部（ステータコイル３３の鉄心を構成する）３２ｂとからなる。複数のティース３２は、ステータ３の周方向に等間隔で配列され、各ティース３２の歯先部３２ａはそのティース３２の先端から周方向に突出するように形成されている。

ロータ２は、ロータコア（ロータヨーク）２１と、このロータコア２１の外周に周方向に等間隔で交互に配列されるＮ極およびＳ極の永久磁石片２２ａ、２２ｂとから構成される。ロータコア２１において、隣り合う永久磁石片２２ａ、２２ｂの間にはロータ補助コイル（あるいは励磁コイル、以下、「補助コイル」という）４０がトロイダル状に巻かれている。この補助コイル４０は、所定の条件下で出力トルクを補助するための界磁磁束を発生させるものである。このように、ロータコア２１に直接補助コイル４０をトロイダル状に巻くことができるので、補助コイル４０の巻線を容易に行うことができる。また、永久磁石片２２ａ、２２ｂのバックヨークと補助コイル４０の磁路とを共用させることができるため、従来のようなＵ字状の永久磁石を用いたり、２つの永久磁石の磁極間にギャップを設けたりする必要がない。

ここで、例えば、図１（ｂ）に示す周方向に隣接する２つの補助コイル４０では、その間に設けられた永久磁石片２２ａがＮ極となるが、この２つの補助コイル４０は、永久磁石片２２ａのＮ極に対向する各補助コイル４０の磁極が通電時にＮ極、すなわち同一極となるように巻き回されている。同様に、その間にＳ極の永久磁石片２２ｂが設けられた互いに隣接する２つの補助コイル４０は、この永久磁石片２２ｂのＳ極に対向する各補助コイル４０の磁極が通電時にＳ極となるように巻き回されている。本実施形態では、このように隣接する補助コイル４０を配置することにより、永久磁石片２２ａ、２２ｂによる磁束を補助コイル４０の界磁磁束によって補完（アシスト）することができる。

ロータ２側には、図１（ａ）に示すように、無接点（無接触）通電方式のロータトランス５０が設けられる。ロータトランス５０内には、後述する制御電源９に接続され、制御電源９から交流電源を供給される給電コイル５１と、給電コイル５１に印加される交流電源により給電される受電コイル５２とが設けられる。給電コイル５１と受電コイル５２とは互いに隣接するが、接点は存在しない。なお、図１（ａ）では図示しないが、後述するように、受電コイル５２は補助コイル４０と直列に接続されている。

なお、本実施形態では、補助コイル４０がインナーロータ型の永久磁石式回転子２のロータコア（ロータヨーク）２１にトロイダル状に巻き回されているので、この補助コイル４０への制御電流（励磁電流）を供給するためのロータトランス５０がロータ２側、すなわち、電動機１の中心に近い側に設けられている。本発明はこのようなインナーロータ型に限らず、永久磁石式回転子２はアウターロータ型の永久磁石式回転子であってもよい。この場合、ロータトランス５０はアウターロータ側、すなわち、電動機１の外周に近い部分に設けられればよい。

次に、図２を参照して、本発明の永久磁石式回転子およびそれを備える電動機の構成を説明する。図２は、本発明の永久磁石式回転子を含む電動機の概念的な部分断面図である。図２に示す電動機１'は、永久磁石片２２ａ、２２ｂの代わりにそれぞれ複数の永久磁石片２２１、２２２からなる永久磁石群２２Ａ、２２Ｂが各磁極に対応して設けられるとともに、これら永久磁石群２２Ａ、２２Ｂにおいて、隣接する永久磁石片２２１、２２１（図示しないが、永久磁石片２２２、２２２も同様）の間に補助鉄心２３が設けられている点で、図１に示す電動機１とは異なる。ここでは、特に図１に示す電動機１の構成と異なる構成要素を詳細に説明するものとし、電動機１の構成要素と同様の構成要素については同様の参照符号を付すとともに、その説明を省略する。

本実施形態の電動機１'は、図２に示すように、インナーロータ型の永久磁石式回転子（以下、「ロータ」ともいう）２'と、この永久磁石式回転子２'の外周に当接するように設けられた固定子（以下、「ステータ」ともいう）３とを備えている。ステータ３の構成は図１の電動機１と同様であるため、その説明を省略する。以下では、主にロータ２'の構成を詳細に説明する。

本実施形態では、Ｎ極を構成する各磁極には、図２に示すように、２つの永久磁石片２２１、２２１からなる永久磁石群２２Ａが設けられる。同様に、Ｓ極を構成する各磁極には、図２では一方のみ示されるが、２つの永久磁石片２２２、２２２からなる永久磁石群２２Ｂが設けられる。なお、図２では各永久磁石群２２Ａ、２２Ｂが２つの永久磁石片２２１、２２２からそれぞれ構成される場合を図示したが、本発明はこのような構成に限らず、補助鉄心２３がステータコイル３３内の巻線部（鉄心）３２ｂと空間的に概ね直列に配置されるものであれば、各永久磁石群２２Ａ、２２Ｂがそれぞれ３つ以上の永久磁石片２２１、２２２から構成されてもよい。

各永久磁石群２２Ａ、２２Ｂの隣接する（隣り合う）永久磁石片２２１、２２１および２２２、２２２の隙間には、その隙間を埋めるように補助鉄心２３が設けられる。この補助鉄心２３は、補助コイル４０により発生した磁束を通すための補助コイル用磁路として機能するものである。そのため、補助鉄心２３は、後述する固定部材２４や空気などに比べて透磁率が大きい（すなわち、磁気抵抗の小さい）材料から構成される。なお、この補助鉄心２３は、図２に示すように、ロータコア２１から突出するようにロータコア２１と一体的に構成されていてもよく、ロータコア２１に固定されている限り、ロータコア２１とは別体として構成されてもよい。

各永久磁石片２２１、２２２の周りには、その永久磁石片２２１、２２２から発生する磁束が少なくとも１方向（ここでは、永久磁石片２２１、２２２の一面がステータ３に当接する方向）に通り抜けるのを遮るように、その永久磁石片２２１、２２２を包んで固定するための固定部材２４が設けられる。本実施形態では、各永久磁石片２２１、２２２の形状が実質的に直方体である。図２に示すように、この直方体を構成する６面の内少なくとも３面を固定部材２４が覆うように、この固定部材２４の断面は略Ｕ字状に構成される。このような固定部材２４を設けることにより、ステータコイル３３に誘導されるべき磁束の漏れを効果的に低減することができる。

固定部材２４は、その断面においてロータコア２１に少なくとも一方の端部を嵌合することにより固定されている。具体的には、固定部材２４の断面において、図２に示すように、固定部材２４の一方の端部には、固定部材２４をロータコア２１に固定するための固定部（ダボ）２４ａが設けられる。一方、ロータコア２１の外周側の表面近くには、固定部材２４の固定部２４ａに嵌合する嵌合溝２１ａが設けられる。

また、固定部材２４は、その断面において、固定部２４ａが設けられた面と永久磁石片２２１、２２２を介して対向する面の所定の位置には、補助鉄心２３の側面に設けられた嵌合溝２３ａに嵌合するための固定部２４ｂが設けられる。これらの固定部２４ａ、２４ｂは、ロータコア２１または補助鉄心２３に一点で固定するための略球状（または半球状）ではなく、図２の紙面に垂直な方向に延びる略筒状または略円柱状である。このような構成により、嵌合溝２１ａ、２３ａがそれぞれ設けられたロータコア２１および補助鉄心２３に対して、図２の紙面に垂直に固定部材２４をスライドさせて挿入することにより、本実施形態の永久磁石式回転子２'を容易に組み立てることができる。

固定部材２４は、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）等の非磁性材料からなる。そのため、永久磁石片２２１、２２２からの磁束および補助コイル４０により発生する磁束は固定部材２４を通り抜けることなく、隣接する永久磁石片２２１、２２１および２２２、２２２の隙間に設けられた補助鉄心２３を集中的に通過することになる。したがって、永久磁石片２２１、２２２の磁束および補助コイル４０の磁束は補助鉄心２３に集中して通過するため、上述のように漏れ磁束を低減することができる。

なお、本発明では、固定部材２４の構成（構造）は上述のような構成に限らず、例えば以下のようなものであってもよい。すなわち、固定部材２４は、図２の固定部材２４と同様に固定部材２４の断面形状が略Ｕ字状であるが、断面における両端部がいずれも図２の固定部２４ａと同様の構成であってもよい。あるいは、固定部材２４は、その断面形状が略Ｌ字状であり、その両端部がロータコア２１の外周表面および補助鉄心２３の側面にそれぞれ設けられた嵌合溝２１ａ、２３ａに嵌合するような構成であってもよい。このような構成であっても、固定部材２４により永久磁石片２２１、２２２を固定することができるとともに、永久磁石片２２１、２２２および補助コイル４０から生じる磁束の漏れを低減することができる。

なお、図２に示すような固定部（ダボ）２４ｂが補助鉄心２３の側面に対応して設けられる場合や固定部材２４の断面形状が略Ｌ字状の場合に比べ、図２の固定部（ダボ）２４ａがその断面の両端部にロータコア２１の外周表面に対応して設けられる方が好ましい。この場合、永久磁石片２２１、２２２をしっかりと固定することができるとともに、発生した磁束が通る補助鉄心２３の磁路をより広くすることができる。

次に、図３〜５を参照して、本実施形態の永久磁石式回転子２'およびそれを備えた電動機１'のための励磁電流供給システムおよび車両の運転動作を詳細に説明する。図３は、磁石磁束の制御系と補助コイル磁束の制御系を示すブロック図である。図４は、図３の磁石磁束の制御系の一例を示す回路図であり、図５は、図３の補助コイル磁束の制御系の一例を示す回路図である。

図３に示すように、本実施形態の励磁電流供給システムは、車両の操作部６が運転者により操作されると、ここでは、例えば、図示しないアクセルペダルが踏み込まれると、その操作量（踏み込み量、例えばアクセルペダル開度など）に応じて操作量検出部６１から検出信号が電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ（Electric Control Unit）」という）７に送られる。

ＥＣＵ７は、操作量検出部６１を含む図示しない各種センサや計器類からの入力信号等に基づいて、ＰＤＵ（パワードライブユニット：Power Drive Unit）８、走行用の電動機（以下、「電動モータ」ともいう）１'、補助コイル４０用の制御電源９等を制御する。特に、ＥＣＵ７は、操作量検出部６１からの検出信号に基づいて、ロータ２'の回転数に応じたトルク指令値を演算して、その演算したトルク指令値をＰＤＵ８に出力する。

ＰＤＵ８は、図４に示すように、電動モータ１'と電気エネルギーの授受を行う高圧系のバッテリ８５に接続されている。本実施形態では、ＰＤＵ８は、トランジスタのスイッチング素子８１ａ〜８３ｂがブリッジ接続されたブリッジ回路を用いてパルス幅変調（ＰＷＭ）を行うＰＷＭインバータＩＮとこのＰＷＭインバータＩＮに並列に接続されるコンデンサ８４とを備え、ＥＣＵ７から出力される制御指令に応じて、電動モータ１'の駆動動作および回生動作を制御する。

ＰＷＭインバータＩＮは、ＥＣＵ７から入力されるトルク指令値（駆動トルク値）に応じて、例えば電動モータ１'の駆動時等において、ＥＣＵ７から入力されるスイッチング指令であるゲート信号（つまり、パルス幅変調信号）に基づき、ＰＷＭインバータＩＮの相毎に対をなす各スイッチング素子８１ａ〜８３ｂのオン（導通）／オフ（遮断）状態を切り換えることによって、バッテリ８５から供給される直流電力を３相交流電力に変換する。そして、電動モータ１'のステータ３の各ステータコイル（固定子巻線）３３への通電を順次転流させることによって、各相のステータコイル３３に交流のＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流ＩｖおよびＷ相電流Ｉｗを通電する。これにより、ＰＤＵ８は、トルク指令値に応じたトルクを電動モータ１'に発生させる。また、ＰＤＵ８は、例えば電動モータ１'の回生時には、電動モータ１'から出力される３相交流電力を直流電力に変換して、バッテリ８５を充電する。

ここで、ＥＣＵ７は、トルク指令値が図６に示すようなロータ２'の回転数に対するトルクのしきい値以下の場合（すなわち、低負荷運転領域Ａ）には、ＰＤＵ８を介して永久磁石群２２Ａ、２２Ｂの永久磁石片２２１、２２２の磁束のみで電動モータ１'を運転する。しかしながら、トルク指令値が図６のしきい値を越えた場合（すなわち、高負荷運転領域Ｂ）には、ＥＣＵ７は、トルク指令値としきい値の差分に対応すべく、補助コイル４０用の制御電源９に補助コイル４０に通電するように指令を出す。これにより、ＥＣＵ７は、電動モータ１'の高負荷運転領域Ｂにおいては、永久磁石片２２１、２２２の磁束に加えて、補助コイル４０への通電による界磁磁束を補完するように制御電源９を制御する。これにより、電動機１'の高負荷運転時には補助コイル４０の界磁磁界を利用することができるので、永久磁石群２２Ａ、２２Ｂの永久磁石片２２１、２２２の総量を増加させることなく、電動機１'のトルクを向上させることができる。したがって、補助コイル４０を用いない場合に比べ、電動機１'の無負荷鉄損を低減させることができる。また、逆起電力を低減させることができるので、電動機１'そのものおよび電動機１'用のインバータを小型化することができ、電動機１'の高効率化を可能にすることができる。

なお、図６は、本実施形態における電動機１'のトルク−回転数特性を示すグラフであり、このトルクは、ロータ２'の回転数および電動機１'へ供給される最大電流から得られる磁石磁束トルクである。本実施形態では、トルク−回転数特性は、ロータ２'の回転数が０〜所定の回転数Ｎ_０までの間の領域では、トルクが一定であり、所定の回転数Ｎ_０より高速では定出力となるような特性を有する。

制御電源９は、図５に示すように、４つのトランジスタのスイッチング素子９１がブリッジ接続されたブリッジ回路（スイッチング回路）９０から構成される。制御電源９は、補助コイル４０に電気エネルギーを供給するための低圧系（例えば、１２Ｖ）のバッテリ９２に接続される。

なお、本実施形態では、低圧系のバッテリ９２は、スイッチング回路９０に直流電圧を印加可能な直流電源であればよく、例えば、ＰＤＵ８を介して電動モータ１'に３相交流電流を供給するための高圧系のバッテリ８５と共用であってもよい。この場合、ロータトランス５０により補助コイル４０に対応して要求される電圧まで降圧することにより、高圧系のバッテリ８５を補助コイル４０用のバッテリとしても利用可能である。

スイッチング回路９０は、ＥＣＵ７から入力されるトルク指令値としきい値との差分に応じて、補助コイル４０に供給する直流電流の通電量を制御するものである。ここで、図７は、トルク指令値（Ｎｍ）と補助コイル４０への通電量（アンペア・ターン：ＡＴ）との関係を示すグラフであり、図８は、トルク補完に要するトルク差分（Ｎｍ）とそれに対応する補助コイル４０の通電量（ＡＴ）との関係を示すグラフである。

ＥＣＵ７は、トルク指令値としきい値との差分トルク並びに図７および図８のグラフに基づいて、スイッチング回路９０の各スイッチング素子９１のスイッチング指令であるゲート信号を出力する。スイッチング回路９０は、このゲート信号（つまり、パルス幅変調信号）に基づき、各スイッチング素子９１のオン（導通）／オフ（遮断）状態を切り換えることによって、バッテリ９２から供給される直流電力を単相交流電力に変換する。変換された単相交流電力は、給電コイル５１と、受電コイル５２および受電コイル５２の中間点Ｘまでの部分コイルとの巻数比に応じてロータトランス５０により変圧され、変圧された交流電力がダイオード群１１により整流されて、トルク指令値としきい値との差分トルクに対応するアンペア・ターンの直流電流が補助コイル４０に供給される。補助コイル４０に直流電流が供給されると、その電流量（ＡＴ）に応じて、補助コイル４０に界磁磁束が発生し、発生した磁束はＳ極の永久磁石群２２Ｂに設けられた補助鉄心２３からＮ極の永久磁石群２２Ａに設けられた補助鉄心２３に向かって通り抜け、ステータコイル３３の鉄心に供給され、最終的に電動モータ１'は補完トルクを発生させる。このように、ＥＣＵ７から出力されるトルク指令値と、補完トルクに対する補助コイル４０へ通電する電流量（アンペア・ターン）との関係を解析または実験により予め求めておくことにより、本発明の電動機１'に対する高負荷時の運転を適切に行うことができる。

次に、フローチャートを用いて、本実施形態の電動モータ１'のモータ運転処理を説明する。図９は、本実施形態の電動モータ１'のモータ運転処理を示すフローチャートである。車両の操作部６が運転者により操作されると、操作量検出部６１がその操作部６の操作量を検出し（ステップＳ１）、検出された操作量をＥＣＵ７に出力する。検出操作量を受け取ったＥＣＵ７は、その操作量に応じて電動機１'が出力すべきトルクをトルク指令値として演算する（ステップＳ２）。

次いで、ＥＣＵ７は、トルク指令値が図６に示すようなロータ２'の回転数に対するトルクのしきい値よりも大きいか否かを判断する（ステップＳ３）。トルク指令値がしきい値よりも大きいと判断した場合には、ＥＣＵ７は、補助コイル４０へ通電すべき電流量を算出し（ステップＳ４）、算出された電流量が補助コイル４０に供給されるように、各スイッチング素子９１に対するゲート信号（パルス幅変調信号）を出力して、スイッチング回路９０の各スイッチング素子９１のオン／オフ状態を切り替える。これにより、ＥＣＵ７は、バッテリ９２の直流電力を単相交流電力に変換し、ロータトランス５０を介して補助コイル４０に必要な電流量（ＡＴ）を供給する。このようにして、電動モータ１'は、永久磁石群２２Ａ、２２Ｂの永久磁石片２２１、２２２の磁束に加え、補助コイル４０の界磁磁束を用いて運転され（ステップＳ５）、このモータ運転処理を終了する。

一方、ステップＳ３において、トルク指令値がしきい値よりも大きくないと判断した場合には、補助コイル４０の界磁磁束を用いる必要がないので、電動モータ１'は、永久磁石片２２１、２２２の磁束のみを用いて運転され（ステップＳ６）、このモータ運転処理を終了する。

なお、本発明の基本的な構成となる電動モータ１および本発明の電動モータ１'において、永久磁石片２２ａ、２２ｂおよび永久磁石片２２１、２２２のみの磁束を用いた際の出力トルクと、補助コイル４０に界磁電流を流すことにより得られる界磁磁束をさらに加えた際の出力トルクとをトルク磁場解析の結果として示す。図１０は図１および図２に示す電動モータ１、１'のトルク磁場解析の結果を示す図である。このトルク磁場解析では、図１０（ａ）に示すように、電動機１において永久磁石片２２ａ、２２ｂの磁束のみの場合には１０２（Ｎｍ）のトルクであった。そして、補助コイル４０に４０００アンペア・ターン（ＡＴ）の電流量を通電することにより１５５（Ｎｍ）のトルクが得られた。したがって、永久磁石片２２ａ、２２ｂの磁束のみの場合に比べ、補助コイル４０を利用することにより、概ね５０％程度のトルクを向上させることができた。これに対して、図１０（ｂ）に示すように、電動機１'において永久磁石片２２１、２２２の磁束のみの場合には８０（Ｎｍ）のトルクであった。そして、補助コイル４０に３０００アンペア・ターン（ＡＴ）の電流量を通電することにより１５１（Ｎｍ）のトルクが得られた。したがって、永久磁石片２２１、２２２の磁束のみの場合に比べ、補助コイル４０を利用することにより、概ね８０％程度のトルクを向上させることができた。このように、本発明の電動モータ１'は、３０００アンペア・ターンの電流量で電動モータ１と同等のトルクを補完することができるので、電動モータ１に比べて補助コイル４０を低起磁力化することができる。これにより、補助コイル４０における銅損などの損失を低減することができる。

以上説明したように、本発明の永久磁石式回転子２によれば、ステータ３と対向するロータヨーク２１の表面に２つの極性のいずれかからなる複数の永久磁石群２２Ａ、２２Ｂを所定間隔で交互に配置した永久磁石式回転子２'において、互いに隣接した極性の異なる２つの永久磁石群２２Ａ、２２Ｂの間に界磁磁束を発生させる補助コイル４０をトロイダル状に巻くとともに、永久磁石群２２Ａ、２２Ｂはそれぞれ複数の永久磁石片２２１、２２２からなり、各永久磁石群２２Ａ、２２Ｂにおける隣接する永久磁石片２２１、２２２の隙間には、補助コイル４０の磁束を通すための補助鉄心２３をその隙間を埋めるように設けることとした。補助コイル４０をロータヨーク２１に直接巻き回すことができるので、補助コイル４０の巻線を容易に行うことができる。また、永久磁石群２２Ａ、２２Ｂの隙間を埋めるように設けられた補助鉄心２３の磁気抵抗が例えば永久磁石片２２１、２２２や空気等に比べて小さいので、この補助鉄心２３を補助コイル４０の磁路として用いることができる。これにより、補助コイル４０を低起磁力化することができる。

本発明の永久磁石式回転子２'では、永久磁石片２２１、２２２のそれぞれを包んで固定するための断面が略Ｕ字状または略Ｌ字状で非磁性材料からなる固定部材２４を設け、ロータコア２１あるいは補助鉄心２３の側面にその端部にある固定部２４ａを嵌合することにより固定部材２４をロータ２'に固定することとした。このように、各永久磁石片２２１、２２２を包むように非磁性材料からなる固定部材２４が設けられることにより、永久磁石片２２１、２２２および補助コイル４０から発生する磁束は固定部材２４を通り抜けることなく、隣接する永久磁石片２２１、２２２の隙間に設けられた補助鉄心２３を集中的に通過することになる。したがって、永久磁石片２２１、２２２および補助コイル４０から発生する磁束の漏れを低減することができる。

また、本発明の永久磁石式回転子２'では、補助鉄心２３の側面またはロータコア２１には嵌合溝２３ａ、２１ａが設けられるとともに、固定部材２４の固定部２４ａ、２４ｂが、補助鉄心２３またはロータヨーク２１の嵌合溝２３ａ、２１ａに嵌合するような断面凸形状となることとした。このように固定部材２４がロータコア２１または補助鉄心２３と嵌合する構成となっているので、ロータコア２１に永久磁石片２２１、２２２をしっかりと固定することができる。

また、本発明の永久磁石式回転子２'では、周方向に隣接する２つの補助コイル４０は、その間に設けられた永久磁石片２２ａまたは２２ｂの磁極とともに、対向する側の磁極が同一極となるように巻き回されていればよい。このように隣接する補助コイル４０を配置することにより、永久磁石片２２ａ、２２ｂによる磁束を補助コイル４０の界磁磁束によって補完（アシスト）することができる。

また、本発明の電動機１'によれば、上述のような永久磁石式回転子２'と、永久磁石式回転子２'に当接するように配置されるステータ（固定子）３とを備える電動機１'において、電動機１'の低負荷運転領域Ａでは、永久磁石群２２Ａ、２２Ｂの各永久磁石片２２１、２２２の磁束のみで運転し、高負荷運転領域Ｂでは、これら永久磁石片２２１、２２２の磁束のみでは不足するロータ磁束に応じて、補助コイル４０に必要な電流量（アンペア・ターン）を通電して運転することとした。これにより、電動機１'の高負荷運転時には補助コイル４０の界磁磁界を利用することができるので、永久磁石片２２１、２２２の総量を増加させることなく、電動機１'のトルクを向上させることができる。したがって、補助コイル４０を用いない場合に比べ、電動機１'の無負荷鉄損を低減させることができる。また、逆起電力を低減させることができるので、電動機１'そのものおよび電動機１用のインバータを小型化することができ、電動機１'の高効率化を可能にすることができる。

また、本発明の電動機１'では、電動機１'に対するトルク指令値と、永久磁石群２２Ａ、２２Ｂの複数の永久磁石片２２１、２２２の磁束に対応するトルクのしきい値との差により、補助コイル４０へ通電する電流量（界磁電流の電流量：アンペア・ターン）を調整することとした。このように、トルク指令値と補助コイル４０へ通電する電流量（アンペア・ターン）との関係を解析または実験により予め求めておくことにより、本発明の電動機１に対する高負荷時の運転を適切に行うことができる。

以上、本発明の永久磁石式回転子およびそれを備えた電動機の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明したが、本発明は、これらの構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲、明細書および図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。なお、直接明細書および図面に記載のない形状・構造・機能を有するものであっても、本発明の作用・効果を奏する以上、本発明の技術的思想の範囲内である。すなわち、電動機や永久磁石式回転子を構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができる。また、任意の構成物が付加されていてもよい。

なお、上述の実施形態では、インナーロータ型の電動機（電動モータ）１'を用いて本発明を詳細に説明したが、本発明は、インナーロータ型の電動機に限らず、アウターロータ型の電動機にも適用することができる。

１、１' 電動モータ（電動機）
２、２' 永久磁石式回転子（ロータ）
２１ ロータコア（ロータヨーク）
２１ａ 嵌合溝
２２Ａ、２２Ｂ 永久磁石群
２２１、２２２、２２ａ、２２ｂ 永久磁石片
２３ 補助鉄心
２３ａ 嵌合溝
２４ 固定部材
２４ａ、２４ｂ 固定部（ダボ）
３ ステータ（固定子）
３１ ステータコア
３２ ティース
３３ ステータコイル
６ 操作部
６１ 操作量検出部
７ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
８ パワードライブユニット（ＰＤＵ）
８１ａ〜８３ｂ スイッチング素子
８５ バッテリ
９ 制御電源
１１ ダイオード群
４０ ロータ補助コイル
５０ ロータトランス
５１ 給電コイル
５２ 受電コイル
９０ スイッチング回路
９１ スイッチング素子
９２ バッテリ
ＩＮ ＰＷＭインバータ

Claims (6)

1. ステータと対向するロータヨークの表面に、２つの極性のいずれかからなる複数の永久磁石群によって構成される磁極部を、円周方向に所定間隔で極性が交互となるように配置した永久磁石式回転子において、
   前記ロータヨークは、円筒状の内周面を有する環状部と、円周方向に所定間隔で該環状部から外径側に突出した複数の前記磁極部とを備えており、
   個々の前記磁極部の前記永久磁石群はそれぞれ同一極性の複数の永久磁石片を含み、該永久磁石片は前記環状部をバックヨークとして配置されており、
   互いに隣接した極性の異なる２つの前記磁極部の間の前記環状部に界磁磁束を発生させる補助コイルを前記環状部の前記内周面から外周面にわたってトロイダル状に巻くとともに、
   各磁極部において、隣接する前記同一極性の永久磁石片の間の隙間には、前記補助コイルの磁束を通すための補助鉄心が該隙間を埋めるように設けられており、
   円周方向に隣接する２つの補助コイルは、対向する側の磁極が同一極となるように巻き回されていることを特徴とする永久磁石式回転子。
2. 前記永久磁石片のそれぞれを包んで固定するための断面が略Ｕ字状で非磁性材料からなる固定部材を設け、前記固定部材は、前記ロータヨークにその両端部を嵌合することにより固定されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式回転子。
3. 前記永久磁石片のそれぞれを包んで固定するための断面が略Ｌ字状で非磁性材料からなる固定部材を設け、前記固定部材は、前記補助鉄心の側面と前記ロータヨークとにその両端部を嵌合することにより固定されていることを特徴とする請求項１に記載の永久磁石式回転子。
4. 前記補助鉄心の側面または前記ロータヨークには嵌合溝が設けられるとともに、前記固定部材の両端部は、前記補助鉄心または前記ロータヨークの前記嵌合溝に嵌合する凸形状となっていることを特徴とする請求項２または３に記載の永久磁石式回転子。
5. 請求項１ないし４のいずれに記載の永久磁石式回転子と、
   前記永久磁石式回転子に当接するように配置されるステータとを備える電動機において、
   前記電動機の低負荷運転領域では、前記永久磁石群の各永久磁石片の磁束のみで運転し、高負荷運転領域では、前記永久磁石片の磁束のみでは不足するロータ磁束に応じて、前記補助コイルに必要な電流量を通電して運転することを特徴とする電動機。
6. 前記電動機に対するトルク指令値と、前記永久磁石群の磁束に対応するトルクのしきい値との差により、前記補助コイルへ通電する電流量を調整することを特徴とする請求項５に記載の電動機。

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