JP5745379B2 - 回転電機および電動車両 - Google Patents

Description

本発明は、モータや発電機などの回転電機、および回転電機を走行駆動用に搭載した電動車両に関する。

車両用の回転電機，例えばハイブリッド電気自動車の駆動用モータなどでは、座席より数メートルの距離に設置されるため，騒音が問題になる。そのため、例えば特許文献１に記載のように、円環振動の節の位置に応じてフレームの肉厚を変えることで，騒音を低減する技術が知られている。

特開平１１−４１８５５号公報

しかしながら、上述したような条件にある自動車の場合は更なる静粛性が求められる。そのため、特許文献１に開示されているように発生する振動に対する対応だけでなく、モータ特性を保ったまま騒音の原因である電磁加振力そのものを減らすことが求められている。

請求項１の発明は、周方向に並んだ複数のスロットが形成された固定子鉄心、および各スロット内に複数のコイル導体で収納される固定子コイルを有し、回転磁界を発生する固定子と、固定子鉄心に対して所定隙間を介して回転可能に配置された回転子と、を備える回転電機において、固定子コイルは複数の相コイルを有し、複数のスロットの内、スロット内における同相のコイル導体の数とスロット内のコイル導体数との比が所定値を超えるスロットは閉スロットとされ、比が所定値以下のスロットはスロット開口を有することを特徴とする。
請求項４の発明は、周方向に並んだ複数のスロットが形成された固定子鉄心、および各スロット内に複数のコイル導体で収納される固定子コイルを有し、回転磁界を発生する固定子と、固定子鉄心に対して所定隙間を介して回転可能に配置された回転子と、を備える回転電機において、固定子コイルは複数の相コイルを有し、複数のスロットはスロット開口を有し、複数のスロットのそれぞれに設けられる前記スロット開口は、周方向に等間隔に配置され、複数のスロットの内、スロット内における同相のコイル導体の数とスロット内のコイル導体数との比が所定値を超えるスロットのスロット開口幅は、比が所定値以下のスロットのスロット開口幅よりも狭く設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、回転電機特性をほぼ維持したまま、騒音の原因である電磁加振力を低減することができる。

本実施の形態の誘導回転電機が適用される車両の概略構成を示すブロック図である。 インバータ装置ＩＮＶの構成を示す図である。 本実施形態の回転電機ＭＧ１を示す平面図である。 ロータバー１３２とエンドリング１３４を示す図である。 図３の固定子１１０と回転子１３０とが対向している部分の拡大図である。 スロット１１４内のコイル配置を示す図である。 固定子スロットに起因する磁束密度高調波、および、固定子起磁力に起因する磁束密度高調波の概念を説明する図である。 他の巻線構成の場合のスロット形状を示す図である。 図８に示すスロット形状の変形例を示す図である。 図８に示すスロット形状の他の変形例を示す図である。 図１０に示すスロット形状の変形例を示す図である。 スロット内コイル導体数が２の場合のスロット形状を示す図である 固定子スロット数７２における磁束密度の２乗値を従来例と本発明で比較した図である。 固定子スロット数４８における磁束密度の２乗値を従来例と本発明で比較した図である。 固定子スロット数７２における電磁加振力を従来例と本発明で比較した図である。 固定子スロット数７２における脈動トルクを従来例と本発明で比較した図である。 固定子スロット数７２における効率を従来例と本発明で比較した図である。 ＩＰＭにおける磁束密度の２乗値を従来例と本発明で比較した図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は、本実施の形態の誘導回転電機が適用される車両の概略構成を示すブロック図であり、ここでは、２つの異なる動力源を持つハイブリッド電気自動車を例に説明する。

本実施の形態におけるハイブリッド電気自動車は、内燃機関であるエンジンＥＮＧと、回転電機ＭＧ１によって前輪ＦＬＷ，ＦＲＷを、回転電機ＭＧ２によって後輪ＲＬＷ，ＲＲＷをそれぞれ駆動するように構成された四輪駆動式のものである。本実施形態では、エンジンＥＮＧと回転電機ＭＧ１によって前輪ＷＦＬＷ，ＦＲＷを、回転電機ＭＧ２によって後輪ＲＬＷ，ＲＲＷをそれぞれ駆動する場合について説明するが、回転電機ＭＧ１によって前輪ＷＦＬＷ，ＦＲＷを、エンジンＥＮＧと回転電機ＭＧ２によって後輪ＲＬＷ，ＲＲＷをそれぞれ駆動するようにしてもよい。

前輪ＦＬＷ，ＦＲＷの前輪車軸ＦＤＳには差動装置ＦＤＦを介して変速機Ｔ／Ｍが機械的に接続されている。変速機Ｔ／Ｍには動力分配機構ＰＳＭを介して回転電機ＭＧ１とエンジンＥＮＧが機械的に接続されている。動力分配機構ＰＳＭは、回転駆動力の合成や分配を司る機構である。回転電機ＭＧ１の固定子巻線にはインバータ装置ＩＮＶの交流側が電気的に接続されている。インバータ装置ＩＮＶは、直流電力を三相交流電力に変換する電力変換装置であり、回転電機ＭＧ１の駆動を制御するものである。インバータ装置ＩＮＶの直流側にはバッテリＢＡＴが電気的に接続されている。

後輪ＲＬＷ，ＲＲＷの後輪車軸ＲＤＳには差動装置ＲＤＦと減速機ＲＧを介して回転電機ＭＧ２が機械的に接続されている。回転電機ＭＧ２の固定子巻線にはインバータ装置ＩＮＶの交流側が電気的に接続されている。ここで、インバータ装置ＩＮＶは回転電機ＭＧ１，ＭＧ２に対して共用のものであって、回転電機ＭＧ１用のパワーモジュールＰＭＵ１及び駆動回路装置ＤＣＵ１と、回転電機ＭＧ２用のパワーモジュールＰＭＵ２及び駆動回路装置ＤＣＵ２と、モータ制御装置ＭＣＵとを備えている。

エンジンＥＮＧにはスタータＳＴＲが取り付けられている。スタータＳＴＲはエンジンＥＮＧを始動させるための始動装置である。

エンジン制御装置ＥＣＵは、エンジンＥＮＧの各コンポーネント機器（絞り弁，燃料噴射弁など）を動作させるための制御値をセンサや他制御装置などからの入力信号に基づいて演算する。この制御値は制御信号としてエンジンＥＮＧの各コンポーネント機器の駆動装置に出力される。これにより、エンジンＥＮＧの各コンポーネント機器の動作が制御される。

変速機Ｔ／Ｍの動作は変速機制御装置ＴＣＵによって制御されている。変速機制御装置ＴＣＵは、変速機構を動作させるための制御値をセンサや他制御装置などからの入力信号に基づいて演算する。この制御値は制御信号として変速機構の駆動装置に出力される。これにより、変速機Ｔ／Ｍの変速機構の動作が制御される。

バッテリＢＡＴはバッテリ電圧が２００Ｖ以上の高電圧のリチウムイオンバッテリであり、バッテリ制御装置ＢＣＵによって充放電や寿命などが管理されている。バッテリ制御装置ＢＣＵには、バッテリの充放電や寿命などを管理するために、バッテリＢＡＴの電圧値及び電流値などが入力されている。尚、図示省略したが、バッテリとしては、バッテリ電圧１２Ｖの低圧バッテリも搭載されており、制御系の電源、ラジオやライトなどの電源として用いられている。

エンジン制御装置ＥＣＵ，変速機制御装置ＴＣＵ，モータ制御装置ＭＣＵ及びバッテリ制御装置ＢＣＵは車載用ローカルエリアネットワークＬＡＮを介して相互に電気的に接続されていると共に、総合制御装置ＧＣＵと電気的に接続されている。これにより、各制御装置間では双方向の信号伝送が可能になり、相互の情報伝達，検出値の共有などが可能になる。総合制御装置ＧＣＵは、車両の運転状態に応じて各制御装置に指令信号を出力するものである。例えば総合制御装置ＧＣＵは、運転者の加速要求に基づいたアクセルの踏み込み量に応じて車両の必要トルク値を算出し、この必要トルク値を、エンジンＥＮＧの運転効率が良くなるように、エンジンＥＮＧ側の出力トルク値と回転電機ＭＧ１側の出力トルク値とに分配し、分配されたエンジンＥＮＧ側の出力トルク値をエンジントルク指令信号としてエンジン制御装置ＥＣＵに出力し、分配された回転電機ＭＧ１側の出力トルク値をモータトルク指令信号としてモータ制御装置ＭＣＵに出力する。

次に、本実施形態のハイブリッド電気自動車の動作について説明する。ハイブリッド電気自動車の始動時，低速走行時（エンジンＥＮＧの運転効率（燃費）が低下する走行領域）は、回転電機ＭＧ１によって前輪ＦＬＷ，ＦＲＷを駆動する。尚、本実施例では、ハイブリッド電気自動車の始動時及び低速走行時、回転電機ＭＧ１によって前輪ＦＬＷ，ＦＲＷを駆動する場合について説明するが、回転電機ＭＧ１によって前輪ＦＬＷ，ＦＲＷを駆動し、回転電機ＭＧ２によって後輪ＲＬＷ，ＲＲＷを駆動するようにしてもよい（四輪駆動走行をしてもよい）。

インバータ装置ＩＮＶにはバッテリＢＡＴから直流電力が供給される。供給された直流電力はインバータ装置ＩＮＶによって三相交流電力に変換される。これによって得られた三相交流電力は回転電機ＭＧ１の固定子巻線に供給される。これにより、回転電機ＭＧ１は駆動され、回転出力を発生する。この回転出力は動力分配機構ＰＳＭを介して変速機Ｔ／Ｍに入力される。入力された回転出力は変速機Ｔ／Ｍによって変速され、差動装置ＦＤＦに入力される。入力された回転出力は差動装置ＦＤＦによって左右に分配され、左右の前輪車軸ＦＤＳにそれぞれ伝達される。これにより、前輪車軸ＦＤＳが回転駆動される。そして、前輪車軸ＦＤＳの回転駆動によって前輪ＦＬＷ，ＦＲＷが回転駆動される。

ハイブリッド電気自動車の通常走行時（乾いた路面を走行する場合であって、エンジンＥＮＧの運転効率（燃費）が良い走行領域）は、エンジンＥＮＧによって前輪ＦＬＷ，ＦＲＷを駆動する。このため、エンジンＥＮＧの回転出力は動力分配機構ＰＳＭを介して変速機Ｔ／Ｍに入力される。入力された回転出力は変速機Ｔ／Ｍによって変速される。変速された回転出力は差動装置ＦＤＦを介して前輪車軸ＦＤＳに伝達される。これにより、前輪ＦＬＷ，ＦＲＷをＷＨ−Ｆが回転駆動される。

また、バッテリＢＡＴの充電状態を検出し、バッテリＢＡＴを充電する必要がある場合は、エンジンＥＮＧの回転出力を、動力分配機構ＰＳＭを介して回転電機ＭＧ１に分配し、回転電機ＭＧ１を回転駆動する。これにより、回転電機ＭＧ１は発電機として動作する。この動作により、回転電機ＭＧ１の固定子巻線に三相交流電力が発生する。この発生した三相交流電力はインバータ装置ＩＮＶによって所定の直流電力に変換される。この変換によって得られた直流電力はバッテリＢＡＴに供給される。これにより、バッテリＢＡＴは充電される。

ハイブリッド電気自動車の四輪駆動走行時（雪道などの低μ路を走行する場合であって、エンジンＥＮＧの運転効率（燃費）が良い走行領域）は、回転電機ＭＧ２によって後輪ＲＬＷ，ＲＲＷを駆動する。また、上記通常走行と同様に、エンジンＥＮＧによって前輪ＦＬＷ，ＦＲＷを駆動する。さらに、回転電機ＭＧ１の駆動によってバッテリＢＡＴの蓄電量が減少するので、上記通常走行と同様に、エンジンＥＮＧの回転出力によって回転電機ＭＧ１を回転駆動してバッテリＢＡＴを充電する。回転電機ＭＧ２によって後輪ＲＬＷ，ＲＲＷを駆動するめに、インバータ装置ＩＮＶにはバッテリＢＡＴから直流電力が供給される。供給された直流電力はインバータ装置ＩＮＶによって三相交流電力に変換され、この変換によって得られた交流電力が回転電機ＭＧ２の固定子巻線に供給される。これにより、回転電機ＭＧ２は駆動され、回転出力を発生する。発生した回転出力は、減速機ＲＧによって減速されて差動装置ＲＤＦに入力される。入力された回転出力は差動装置ＲＤＦによって左右に分配され、左右の後輪車軸ＲＤＳにそれぞれ伝達される。これにより、後輪車軸ＲＤＳが回転駆動される。そして、後輪車軸ＲＤＳの回転駆動によって後輪ＲＬＷ，ＲＲＷが回転駆動される。

ハイブリッド電気自動車の加速時は、エンジンＥＮＧと回転電機ＭＧ１によって前輪ＦＬＷ，ＦＲＷを駆動する。尚、本実施形態では、ハイブリッド電気自動車の加速時、エンジンＥＮＧと回転電機ＭＧ１によって前輪ＦＬＷ，ＦＲＷを駆動する場合について説明するが、エンジンＥＮＧと回転電機ＭＧ１によって前輪ＦＬＷ，ＦＲＷを駆動し、回転電機ＭＧ２によって後輪ＲＬＷ，ＲＲＷを駆動するようにしてもよい（四輪駆動走行をしてもよい）。エンジンＥＮＧと回転電機ＭＧ１の回転出力は動力分配機構ＰＳＭを介して変速機Ｔ／Ｍに入力される。入力された回転出力は変速機Ｔ／Ｍによって変速される。変速された回転出力は差動装置ＦＤＦを介して前輪車軸ＦＤＳに伝達される。これにより、前輪ＦＬＷ，ＦＲＷが回転駆動される。

ハイブリッド電気自動車の回生時（ブレーキを踏み込み時，アクセルの踏み込みを緩めた時或いはアクセルの踏み込みを止めた時などの減速時）は、前輪ＦＬＷ，ＦＲＷの回転力を前輪車軸ＦＤＳ，差動装置ＦＤＦ，変速機Ｔ／Ｍ，動力分配機構ＰＳＭを介して回転電機ＭＧ１に伝達し、回転電機ＭＧ１を回転駆動する。これにより、回転電機ＭＧ１は発電機として動作する。この動作により、回転電機ＭＧ１の固定子巻線に三相交流電力が発生する。この発生した三相交流電力はインバータ装置ＩＮＶによって所定の直流電力に変換される。この変換によって得られた直流電力はバッテリＢＡＴに供給される。これにより、バッテリＢＡＴは充電される。

一方、後輪ＲＬＷ，ＲＲＷの回転力を後輪車軸ＲＤＳ，差動装置ＲＤＦ，減速機ＲＧを介して回転電機ＭＧ２に伝達し、回転電機ＭＧ２を回転駆動する。これにより、回転電機ＭＧ２は発電機として動作する。この動作により、回転電機ＭＧ２の固定子巻線に三相交流電力が発生する。この発生した三相交流電力はインバータ装置ＩＮＶによって所定の直流電力に変換される。この変換によって得られた直流電力はバッテリＢＡＴに供給される。これにより、バッテリＢＡＴは充電される。

図２に、本実施形態におけるインバータ装置ＩＮＶの構成を示す。インバータ装置ＩＮＶは、前述したように、パワーモジュールＰＭＵ１，ＰＭＵ２、駆動回路装置ＤＣＵ１，ＤＣＵ２及びモータ制御装置ＭＣＵから構成されている。パワーモジュールＰＭＵ１，ＰＭＵ２は同一構成のものである。駆動回路装置ＤＣＵ１，ＤＣＵ２は同一構成のものである。

パワーモジュールＰＭＵ１，ＰＭＵ２は、バッテリＢＡＴから供給された直流電力を交流電力に変換して、それを対応する回転電機ＭＧ１，ＭＧ２に供給する変換回路（主回路ともいう）を構成している。また、変換回路は、対応する回転電機ＭＧ１，ＭＧ２から供給された交流電力を直流電力に変換してバッテリＢＡＴに供給することもできる。

変換回路はブリッジ回路であり、三相分の直列回路がバッテリＢＡＴの正極側と負極側との間に電気的に並列に接続されて構成されている。直列回路はアームとも呼ばれ、２つの半導体素子によって構成されている。

アームは相毎に、上アーム側のパワー半導体素子と下アーム側のパワー半導体素子とが電気的に直列に接続されて構成されている。本実施形態では、パワー半導体素子として、スイッチング半導体素子であるＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）を用いている。ＩＧＢＴを構成する半導体チップは、コレクタ電極，エミッタ電極及びゲート電極の３つの電極を備えている。ＩＧＢＴのコレクタ電極とエミッタ電極との間にはＩＧＢＴとは別チップのダイオードが電気的に接続されている。ダイオードは、ＩＧＢＴのエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向になるように、ＩＧＢＴのエミッタ電極とコレクタ電極との間に電気的に接続されている。尚、パワー半導体素子としては、ＩＧＢＴの代わりにＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いる場合もある。この場合、ダイオードは省略される。

パワー半導体素子Ｔｐｕ１のエミッタ電極とパワー半導体素子Ｔｎｕ１のコレクタ電極が電気的に直列に接続されることにより、パワーモジュールＰＭＵ１のＵ相アームが構成されている。Ｖ相アーム，Ｗ相アームもＵ相アームと同様に構成されている。パワー半導体素子Ｔｐｖ１のエミッタ電極とパワー半導体素子Ｔｎｖ１のコレクタ電極が電気的に直列に接続されることにより、パワーモジュールＰＭＵ１のＶ相アームが構成されている。パワー半導体素子Ｔｐｗ１のエミッタ電極とパワー半導体素子Ｔｎｗ１のコレクタ電極が電気的に直列に接続されることにより、パワーモジュールＰＭＵ１のＷ相アームが構成されている。パワーモジュールＰＭＵ２についても、上述したパワーモジュールＰＭＵ１と同様の接続関係で各相のアームが構成されている。

パワー半導体素子Ｔｐｕ１，Ｔｐｖ１，Ｔｐｗ１，Ｔｐｕ２，Ｔｐｖ２，Ｔｐｗ２のコレクタ電極はバッテリＢＡＴの高電位側（正極側）に電気的に接続されている。パワー半導体素子Ｔｎｕ１，Ｔｎｖ１，Ｔｎｗ１，Ｔｎｕ２，Ｔｎｖ２，Ｔｎｗ２のエミッタ電極はバッテリＢＡＴの低電位側（負極側）に電気的に接続されている。

パワーモジュールＰＭＵ１のＵ相アーム（Ｖ相アーム，Ｗ相アーム）の中点（各アームの上アーム側パワー半導体素子のエミッタ電極と下アーム側パワー半導体素子のコレクタ電極との接続部分）は、回転電機ＭＧ１のＵ相（Ｖ相，Ｗ相）の固定子巻線に電気的に接続されている。

パワーモジュールＰＭＵ２のＵ相アーム（Ｖ相アーム，Ｗ相アーム）の中点（各アームの上アーム側パワー半導体素子のエミッタ電極と下アーム側パワー半導体素子のコレクタ電極との接続部分）は、回転電機ＭＧ２のＵ相（Ｖ相，Ｗ相）の固定子巻線に電気的に接続されている。

バッテリＢＡＴの正極側と負極側との間には、パワー半導体素子が動作することによって生じる直流電圧の変動を抑制するために、平滑用の電解コンデンサＳＥＣが電気的に接続されている。

駆動回路装置ＤＣＵ１，ＤＣＵ２は、モータ制御装置ＭＣＵから出力された制御信号に基づいて、パワーモジュールＰＭＵ１，ＰＭＵ２の各パワー半導体素子を動作させる駆動信号を出力し、各パワー半導体素子を動作させる駆動部を構成するものであり、絶縁電源，インタフェース回路，駆動回路，センサ回路及びスナバ回路（いずれも図示省略）などの回路部品から構成されている。

モータ制御装置ＭＣＵは、マイクロコンピュータから構成された演算装置であり、複数の入力信号を入力し、パワーモジュールＰＭＵ１，ＰＭＵ２の各パワー半導体素子を動作させるための制御信号を駆動回路装置ＤＳＵ１，ＤＳＵ２に出力する。入力信号としてはトルク指令値τ＊１，τ＊２、電流検知信号ｉｕ１〜ｉｗ１，ｉｕ２〜ｉｗ２、磁極位置検知信号θ１，θ２が入力されている。

トルク指令値τ＊１，τ＊２は、車両の運転モードに応じて上位の制御装置から出力されたものである。トルク指令値τ＊１は回転電機ＭＧ１に、トルク指令値τ＊２は回転電機ＭＧ２にそれぞれ対応する。電流検知信号ｉｕ１〜Ｉｗ１は、インバータ装置ＩＮＶの変換回路から回転電機ＭＧ１の固定子巻線に供給されるｕ相〜ｗ相の入力電流の検知信号であり、変流器（ＣＴ）などの電流センサによって検知されたものである。電流検知信号ｉｕ２〜Ｉｗ２は、インバータ装置ＩＮＶから回転電機ＭＧ２の固定子巻線に供給されたｕ相〜ｗ相の入力電流の検知信号であり、変流器（ＣＴ）などの電流センサによって検知されたものである。

磁極位置検知信号θ１は回転電機ＭＧ１の回転の磁極位置の検知信号であり、レゾルバ，エンコーダ，ホール素子，ホールＩＣなどの磁極位置センサによって検知されたものである。磁極位置検知信号θ２は回転電機ＭＧ１の回転の磁極位置の検知信号であり、レゾルバ，エンコーダ，ホール素子，ホールＩＣなどの磁極位置センサによって検知されたものである。

モータ制御装置ＭＣＵは、入力信号に基づいて電圧制御値を演算し、この電圧制御値を、パワーモジュールＰＭＵ１，ＰＭＵ２のパワー半導体素子Ｔｐｕ１〜Ｔｎｗ１，Ｔｐｕ２〜Ｔｎｗ２を動作させるための制御信号（ＰＷＭ信号（パルス幅変調信号））として駆動回路装置ＤＣＵ１，ＤＣＵ２に出力する。

一般にモータ制御装置ＭＣＵが出力するＰＷＭ信号は、時間平均した電圧が正弦波になるようにしている。この場合、瞬時の最大出力電圧は、インバータの入力である直流ラインの電圧だから、正弦波の電圧を出力する場合には、その実効値は１／√２になる。そこで、本実施の形態におけるハイブリッド電気自動車両では、限られたインバータ装置でさらにモータの出力をあげるために、モータの入力電圧の実効値を増やす。つまり、ＭＣＵのＰＷＭ信号が矩形波状にＯＮとＯＦＦしか無いようにする。こうすれば、矩形波の波高値はインバータの直流ラインの電圧Ｖｄｃとなり、その実効値はＶｄｃとなる。これが最も電圧実効値を高くする方法である。

しかし、矩形波電圧は、低回転数領域ではインダクタンスが小さいために電流波形が乱れる問題があり、これによりモータに不要な加振力が発生し騒音が生じる。したがって、矩形波電圧制御は高速回転時のみ使用し、低周波数では通常のＰＷＭ制御を行う。

図３は本実施形態の回転電機ＭＧ１を示す平面図である。なお、以下では回転電機ＭＧ１の構成について説明するが、回転電機ＭＧ２も同様の構成になっている。

回転電機ＭＧ１は、回転磁界を発生する固定子１１０と、固定子１１０との磁気的作用により回転すると共に、固定子１１０の内周側と空隙１６０を介して回転可能に配置された回転子１３０とを備えている。固定子１１０は、コアバック１１２とティース１１３を有する固定子コア１１１と、スロット１１４と、スロット１１４に収納され通電により磁束を発生させる固定子コイル１２０とを備えている。

固定子コア１１１は、板状の磁性部材を打ち抜いて形成した複数の板状の成型部材を軸方向に積層したものである。あるいは、鋳鉄によって形成しても良い。ここで、軸方向とは回転子１３０の回転軸に沿う方向を意味する。固定子コイル１２０は、スロット１１４に挿入されることにより、ティース１１３に巻回された状態となる。

回転子１３０は、回転側の磁路を構成する回転子コア１３１、アルミや銅などの非磁性かつ導電性の金属で構成されたロータバー１３２、回転軸となるシャフトを備えている。ロータバー１３２は回転子１３０の軸方向に延在しており、図４に示すように、ロータバー１３２を軸方向端部で短絡するためのエンドリング１３４が設けられている。

図５は、図３の固定子１１０と回転子１３０とが対向している部分を拡大して示した図である。スロット１１４内には、回転子側（以下ではスロット内周側と呼ぶ）からコアバック側（以下ではスロット外周側と呼ぶ）にかけて４本のコイルが収納されている。本実施の形態では、固定子コイル１２０は分布巻の波巻き３相コイルであって、固定子スロット数は７２，スロット内コイル導体数は４、毎極毎相スロット数（ＮＳＰＰ）は３、極対数は４である。ここでは波巻きコイルとしたが、本発明は波巻きに限らず適用することができる。

図６は、スロット１１４内のコイル配置を示す図であり、電気角１８０度のスロットについて示したものである。本実施形態の場合７２スロットで４極対なので、電気角３６０度は７２／４＝１８スロット数となり、電気角１８０度はその半分の９スロットとなる。符号Ｌ１〜Ｌ４はスロット内コイル導体の導体番号を表している。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相コイルＵ＋、Ｕ−、Ｖ＋、Ｖ−、Ｗ＋、Ｗ−は、図６に示すように配置される。図６に示す例では、同一相コイルのみが収納されるスロット１１４（スロット番号０３、０６、０９、１２、・・・、７２）はクローズドスロットとし、その他のスロット１１４はセミオープンスロットとした。

回転電機の騒音の原因は、固定子１１０が受ける周期的な加振力によるものである。この加振力は、スロット脈動成分と起磁力高調波成分が原因となって発生する。図７（ａ）は固定子スロットに起因する磁束密度高調波の概念を説明する図であり、ギャップ部の磁束密度の空間的変化（周方向の変化）を模式的に示したものである。オープンスロットの場合、ティースが対向する部分の磁束密度は、ティース間の開口部が対向した場合より、ティースが対向した場合の方がギャップ部の磁束密度は大きくなる。その結果、磁束密度は、図７（ａ）に示すように周期的に変化し、スロット脈動成分のうち，固定子１１０が原因となって発生する固定子スロット脈動成分の次数は、次式（１）で表される。
（ステータスロット数／極対数）×ｍ±１ （ｍ＝１，２，３，・・・) …（１）

図７（ｂ）は、固定子起磁力に起因する磁束密度高調波の概念を説明する図である。コイル１２０に電流が流れると、図７（ｂ）に示す様な起磁力が発生する。このような起磁力は、図５に示した三相コイルに対して、それぞれに流れる各電流値に応じて生じることになる。３相コイルの場合の起磁力高調波成分の次数は、次式（２）で与えられる。
６ｍ±１ （ｍ＝１，２，３，・・・） …（２）

ところで、図７（ａ）に示す図でスロット開口を閉じると、ティースからロータ側へと出ていた磁束線の一部が閉じた部分を介して隣接するティースへと流れる。すなわち、スロット漏れ磁束が増加し、ティースに対向するギャップ部における磁束密度が小さくなる。その結果、スロット開口を閉じるとことでスロット脈動成分の低減が可能である。しかし、全てのスロットのスロット開口を閉じると、固定子内部で漏れ磁束が大きくなりトルク低下を招くことになる。

そこで、図５，６に示すように同相のコイルのみが挿入されるスロット１１４については、スロット開口１１４Ｂを閉じてクローズドスロットとした。同相コイルだけが収納されているスロット１１４をクローズドスロットとした理由は以下の通りである。例えば、図６においてＵ相のコイルＵ＋、Ｕ−の電流値が最大（ここでは、Ｉmaxと記す）のタイミングを考える。この場合、Ｖ相のコイルＶ＋、Ｖ−の電流はＶ相の電流に対して位相が１２０度ずれているので、その大きさはＵ相の電流値の０．５倍となる。Ｗ相のコイルＷ＋、Ｗ−を流れる電流はＶ相の電流に対して位相がマイナス１２０度ずれているので、この場合もＵ相の電流値の０．５倍となる。

図６のスロット番号０３のようにコイルＵ＋が４本挿入されている場合のコイル電流は４Ｉmaxのように表される。一方、スロット番号０２やスロット番号０４のように３本のコイルＵ＋と１本のＶ−やＷ−が収納されているスロットでは、コイル電流は（３＋０．５）Ｉmax＝３．５＊Ｉmaxとなる。そのため、このタイミングにおいてはスロット番号０３のスロット１１４を挟むように設けられた両側のティース１１３の磁束密度は、スロット番号０１，０２間のティースやスロット番号０４，０５間のティースの磁束密度よりも大きくなっている。そのため、スロット番号０３のスロット１１４を図５，６のようにクローズドスロットにすることで、スロット番号０３の両隣のティース１１３の磁束密度を低下させることができ、磁束密度高調波成分を小さくすることができる。

Ｖ相コイルやＷ相コイルの場合も同様に考えることができ、Ｖ相コイルだけが収納されているスロット１１４、および、Ｗ相コイルだけが収納されているスロット１１４をクローズドスロットにすることで、高調波成分の低減を図ることができる。なお、図６においては同相コイルだけが収納されたスロット１１４を全閉としたが、全閉ではなく、スロット開口の幅を他のスロットより狭めることでも、同様な効果が期待できる。図６に示すようにスロット開口を全閉とした場合には、コイルを軸方向に挿入する必要があるが、一方で、全閉としたスロットを目印にしてコイル巻装が可能となるため，作業ミスが減らせるというメリットもある。

なお、上述した各スロットに収納された相コイルを流れる電流の和の大きさに代えて、スロット内導体数に対する各スロット内に収納された同相コイルの数の比、比＝（同相コイルの導体数）／（スロット内導体数）を用いても良い。上述した電流の和の大小関係と、比の大小関係とは対応している。この場合、同相コイルの数としては、最も数の多い相のコイル導体数を用いる。例えば、上述した図６に示す例では、スロット番号０３のスロット１１４における割合は１００％で、スロット番号０３のスロット１１４の場合には７５％となる。ここでは、比が７５％を超えるスロット１１４はクローズドスロットとし、割合が７５％以下のスロット１１４はセミクローズドスロットとした。ここで、７５％は一例であって、より一般的には、所定比を超えた場合にはクローズドスロットとし、所定比以下の場合にはセミクローズドスロットのように設定する。また、セミクローズドスロットのスロット１１４をオープンスロットとしても構わない。

図８は他の巻線構成の場合を示したものであり、スロット数＝１０８、スロット内導体数＝６、ＮＳＰＰ＝３、極対数＝４、相数＝３の場合を示す。例えば、スロット番号０２４のスロット１１４を見ると、スロット内には２本のＶ−コイルと４本のＵ＋コイルが入っているが、この場合には上述した同相コイルの数には数の大きい３本が当てはまり、比は４／６＝約６７％となる。同様に、スロット番号０３の場合には比＝５／６＝約８３％、スロット番号０４の場合には比＝６／６＝１００％となる。図８に示す例の場合にも、比が７５％を超えるスロット１１４はクローズドスロットとし、比が７５％以下のスロット１１４はセミクローズドスロットとした。

図８では、比が７５％を超えるスロット１１４はクローズドスロットとし、比が７５％以下のスロット１１４はセミクローズドスロットとしたが、図９に示すように、比が７５％を超えるスロット１１４は幅の狭いセミクローズドスロットとし、比が７５％以下のスロット１１４は幅の広いセミクローズドスロットとしても良い。

図１０では、図８において、比の大きさに応じてスロット開口１１４Ｂの幅を設定するようにした。ここでは、比＝１００％の場合にはクローズドスロット、比＝５／６＝約８３％の場合（スロット番号０１，０３，０５，０７など）には幅の狭いセミクローズドスロット、比＝４／６＝約６７％の場合（スロット番号０２，０６，１０など）には幅の広いセミクローズドスロットとした。このように、比の値が数種類有る場合には、比の大きさに応じてスロット開口１１４Ｂの幅を段階的に数種類としても良い。

なお、図１０の例では、比＝１００％のスロット１１４をクローズドスロットとしが、図１１に示すように比＝１００％の場合もセミクローズドスロットとし、スロット内における同相の相コイルの数が大きいスロット１１４ほどスロット開口１１４Ｂの幅を狭くするようにしても良い。すなわち、比＝約６７％の場合の幅Ｓ１、比＝約８３％の場合の幅Ｓ２、比＝１００％の場合の幅Ｓ３の大きさを、Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３のように設定する。図６の場合も同様であって、４本とも同一相であるスロット１１４をスロット開口幅の狭いセミクローズドスロットとし、複数相の相コイルが収納されているスロット１１４をスロット開口幅の広いセミクローズドスロットとしても良い。

図１２は、スロット内導体数が２の場合の例である。図１２（ａ）では、比＝１００％の場合をクローズドスロットとし、比５０％の場合をセミクローズドスロットとした。一方、図１２（ｂ）では、比＝１００％の場合を幅の狭いクローズドスロットとし、比５０％の場合を幅の広いセミクローズドスロットとした。

図１３は、図６のように設定した場合のシミュレーション結果を示す図であり、磁束密度のステータスロット脈動成分と起磁力高調波成分が合致する磁束密度成分の２乗値を比較したものである。図１３は次数１７，１９について示したものであり、従来例と記載しているものは全てセミクローズドスロットの場合を示す。また、図１４は、スロット数４８、ＮＳＰＰ＝２の場合のシミュレーション結果を示したものであり、１１次、１３次、２３次、２５次について示した。

本来、加振力は２つの次数の磁束密度高調波の積から求められるが，ここでは簡単のために，任意の次数の磁束密度の二乗値で評価した。図１３および図１４のいずれの場合においても、従来例（全てセミクローズドスロット）と比べて、それぞれの次数において磁束密度成分の２乗値が低減されている。

図１５は、円環２次モード，回転−４５．５次成分の加振力の変化を示す。これにより，加振力が１／９となり，およそ２０ｄＢほどの騒音が低減できることが示唆される結果となった。図１６に脈動トルクの波形を示す。磁束密度の脈動成分が低減したことで，脈動トルクも低減する副次的な効果が確認できる。図１７に効率の比較を示す。一部のスロットを全閉としたことで，磁束漏れが懸念されたが，ほとんど同等であることが確認できる。

図１８にＩＰＭ（埋設型永久磁石式三相交流同期機）でも磁束密度脈動の低減が可能かどうか検証した。ここでは、スロット数＝７２、ＮＳＰＰ＝２としている。結果は、磁石に起因する起磁力高調波の影響で、１７次，１９次の高調波がわずかに発生するが，１１次，１３次においては上述した誘導電動機の場合と同様に磁束密度の低減が確認できた。

なお、以上の説明はあくまでも一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施例に何ら限定されるものではない。例えば、上述した実施の形態では、コイル導体がスロット内において径方向に一列に配置されている場合を例に説明したが、複数列の場合にも同様に適用することができる。また、インナーロータ型回転電機を例に説明したが、アウターロータ型回転電機にも本発明を適用することができる。上述した実施の形態の回転電機は、電動車両に限らず、電動車両以外の装置にも適用できる。

１１０：固定子、１１１：固定子コア、１１２：コアバック、１１３：ティース、１１４：スロット、１１４Ｂ：スロット開口、１２０：固定子コイル、１３０：回転子、１３１：回転子コア、１３２：ロータバー、１３４：エンドリング、１６０：空隙、ＭＧ１，ＭＧ２：回転電機

Claims (9)

1. 周方向に並んだ複数のスロットが形成された固定子鉄心、および前記各スロット内に複数のコイル導体で収納される固定子コイルを有し、回転磁界を発生する固定子と、
   前記固定子鉄心に対して所定隙間を介して回転可能に配置された回転子と、を備える回転電機において、
   前記固定子コイルは複数の相コイルを有し、
   前記複数のスロットの内、スロット内における同相のコイル導体の数と該スロット内のコイル導体数との比が所定値を超えるスロットは閉スロットとされ、前記比が前記所定値以下のスロットはスロット開口を有することを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記複数のスロットの内、同相のコイル導体のみが収納されるスロットは閉スロットとされ、複数相のコイル導体が収納されるスロットはスロット開口を有することを特徴とする回転電機。
3. 請求項１または２に記載の回転電機において、
   前記スロット開口を有するスロットは、該スロット内における同相のコイル導体の数が大きいものほどスロット開口幅が狭く設定されていることを特徴とする回転電機。
4. 周方向に並んだ複数のスロットが形成された固定子鉄心、および前記各スロット内に複数のコイル導体で収納される固定子コイルを有し、回転磁界を発生する固定子と、
   前記固定子鉄心に対して所定隙間を介して回転可能に配置された回転子と、を備える回転電機において、
   前記固定子コイルは複数の相コイルを有し、
   前記複数のスロットはスロット開口を有し、
   前記複数のスロットのそれぞれに設けられる前記スロット開口は、前記周方向に等間隔に配置され、
   前記複数のスロットの内、スロット内における同相のコイル導体の数と該スロット内のコイル導体数との比が所定値を超えるスロットのスロット開口幅は、前記比が前記所定値以下のスロットのスロット開口幅よりも狭く設定されていることを特徴とする回転電機。
5. 請求項４に記載の回転電機において、
   前記複数のスロットの内、同相のコイル導体のみが収納されるスロットのスロット開口幅は、複数相のコイル導体が収納されるスロットのスロット開口幅よりも狭く設定されていることを特徴とする回転電機。
6. 請求項４または５に記載の回転電機において、
   前記複数相のコイル導体が収納されるスロットのスロット開口幅は、該スロット内における前記比が大きいものほど狭く設定されていることを特徴とする回転電機。
7. 請求項６に記載の回転電機において、
   前記複数のスロットは、第１のスロットと、第２のスロットと、第３のスロットと、を含み、
   前記第１のスロットに関する前記比が前記第２のスロットに関する前記比よりも大きく、かつ前記第２のスロットに関する前記比が前記第３のスロットに関する前記比よりも大きいときには、前記第２のスロットのスロット開口幅は、前記第１のスロットのスロット開口幅よりも広く、かつ前記第３のスロットのスロット開口幅よりも狭く設定されていることを特徴とする回転電機。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の回転電機において、
   前記回転子は、
   前記周方向に等間隔に配設され、かつ、軸方向に延在する複数の回転子スロットが形成された回転子鉄心と、
   前記複数の回転子スロットの各々に軸方向に延在するように装着された複数の金属バーと、
   前記複数の金属バーの軸方向端部に接続されたエンドリングと、を有することを特徴とする回転電機。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の回転電機を、走行駆動用の回転電機として搭載する電動車両。

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